KR102237217B1 - 배기가스 분해를 위한 분해 촉진제 조성물 및 이를 이용한 배기가스 처리 방법 - Google Patents

배기가스 분해를 위한 분해 촉진제 조성물 및 이를 이용한 배기가스 처리 방법 Download PDF

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Abstract

플라즈마 반응을 이용한 배기가스 분해를 위한 분해 촉진제 조성물에 있어서. 본 발명의 다양한 실시예에 따른 분해 촉진제 조성물은, 알칼리성 전해질 용액 및 수소공여체를 포함하고, 상기 수소공여체는 우레아(urea)수, 메탄올, 에탄올, 프로판올 및 부탄올로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
플라즈마 반응을 이용한 배기가스 처리 방법에 있어서, 알칼리성 전해질 용액 및 수소공여체를 혼합한 용액을 분사하여 플라즈마 반응 시 처리하는 것을 특징으로 하고, 상기 수소공여체는 우레아(urea)수, 메탄올, 에탄올, 프로판올 및 부탄올로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 한다.

Description

배기가스 분해를 위한 분해 촉진제 조성물 및 이를 이용한 배기가스 처리 방법{Decomposition accelerator composition for exhaust gas decomposition and exhaust gas treatment method using the same}
본 발명의 다양한 실시예는 배기가스 분해를 위한 분해 촉진제 조성물 및 이를 이용한 배기가스 처리 방법에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명의 다양한 실시예는 플라즈마 반응을 이용한 배기가스 분해 시 저전력에서 고효율로 배기가스를 처리할 수 있는 분해 촉진제 조성물 및 이를 이용한 배기가스 처리 방법에 관한 것이다.
배기가스인 과불화화합물(perfluorinated compounds, PFCs)은 안정한 물질로써 높은 온난화 지수를 가진다. 따라서 과불화화합물을 제거하기 위한 프로그램들이 국제적인 협약을 통해서 진행되고 있다. 다양한 PFC 물질 중, CF4는 가장 안정적인 구조를 가진 물질이다. 이 CF4의 제거를 위해서는 매우 높은 에너지가 요구된다. 처리기체에서 CF4를 제거하는 기술에는 번웨트(burn wet) 방식, 플라즈마 방식 및 촉매 방식 등이 있다. 이중에서도 비연소 방식인 플라즈마 방식이 가장 많이 사용되고 있다.
플라즈마 방식의 경우 플라즈마 반응을 통해 CF4가 분해되고 물로부터 나오는 OH 라디칼과의 반응을 통해 HF로 전환된다. 이때, CF4의 90 %이상의 분해효율을 유지하기 위해서는 12 kW이상의 많은 양의 전력을 사용해야 한다. 따라서, 에너지 효율이 좋지 않고 플라즈마 반응기의 부식이 심해진다는 문제가 있다.
플라즈마와 물을 사용하였을 때 CF4가 HF 로 전환되는 구체적인 반응은 아래와 같다(출처 Lim et al.m, Journal of Mechanical Science and Technology 25 (7) (2011) 1845~1851).
(1) 플라즈마 반응
E + CF4 → CF3 + F-, (1)
e + CF4 → CF2 + 2F + e, (2)
e + CF4 → CF + F + F2 + e, (3)
e + CF3 → CF2 + F-, (4)
e + CF3 → CF + 2F + e, (5)
e+CF2 → CF + F + e. (6)
(2) OH radical생성
H2O+e → OH- + H- + e, (7)
O2+e → 2O + e. (8)
(3) OH radical 반응
OH- + CF3+ → COF2 + HF, (9)
OH- + CF2+ → COF +HF, (10)
OH- + CF+ → CO + HF, (11)
OH- + COF → CO2 + HF, (12)
F- + H2O → OH- + HF. (13)
본 발명은 상기의 문제점을 감안하여 창출된 것으로서, 저전력에서도 배기가스를 분해할 수 있고, 저전력에서도 분해 효율을 높일 수 있는 배기가스 분해를 위한 분해 촉진제 조성물 및 이를 이용한 배기가스 처리 방법을 제공하는 데 목적이 있다.
플라즈마 반응을 이용한 배기가스 분해를 위한 분해 촉진제 조성물에 있어서. 본 발명의 다양한 실시예에 따른 분해 촉진제 조성물은, 알칼리성 전해질 용액 및 수소공여체를 포함하고, 상기 수소공여체는 우레아(urea)수, 메탄올, 에탄올, 프로판올 및 부탄올로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 알칼리성 전해질 용액은, NaCl, CaCl2, MgCl2, NH4Cl 및 NaOH로 이루어진 전해질에서 선택된 어느 하나를 포함하는 용액인 것을 특징으로 한다.
상기 알칼리성 전해질 용액에 포함되는 전해질의 함량은 0.01 wt % 내지 35 wt%인 것을 특징으로 한다.
상기 수소공여체가 우레아수이고, 상기 우레아수에 포함되는 우레아의 함량은 0.1 wt % 내지 30 wt%인 것을 특징으로 한다.
플라즈마 반응을 이용한 배기가스 처리 방법에 있어서, 알칼리성 전해질 용액 및 수소공여체를 혼합한 용액을 분사하여 플라즈마 반응 시 처리하는 것을 특징으로 하고, 상기 수소공여체는 우레아(urea)수, 메탄올, 에탄올, 프로판올 및 부탄올로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 알칼리성 전해질 용액은, NaCl, CaCl2, MgCl2, NH4Cl 및 NaOH로 이루어진 전해질에서 선택된 어느 하나를 포함하는 용액인 것을 특징으로 한다.
상기 알칼리성 전해질 용액에 포함되는 전해질의 함량은 0.01 wt % 내지 35 wt%인 것을 특징으로 한다.
상기 수소공여체가 우레아수이고, 상기 우레아수에 포함되는 우레아의 함량은 0.1 wt % 내지 30 wt%인 것을 특징으로 한다.
상기 플라즈마 반응 시 12 kW 미만의 전력이 가해지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 분해 촉진제 및 배기가스 처리 방법을 통해 12 kW 미만의 저전력에서도 배기가스의 분해 효율을 높일 수 있다. 이때, 배기가스는 과불화화합물 및/또는 질소산화물일 수 있다. 구체적으로, 본 발명의 분해 촉진제 및 배기가스 처리 방법을 통해 CF4 및 NOx를 처리할 수 있다. 본 발명의 분해 촉진제를 통해 저전력에서도 고효율로 CF4 및 NOx를 처리할 수 있어, 전력 비용을 절감할 수 있다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 분해 촉진제를 사용하였을 때 CH4 분해율을 측정한 결과 그래프이다.
이하, 본 문서의 다양한 실시예들이 첨부된 도면을 참조하여 기재된다. 실시예 및 이에 사용된 용어들은 본 문서에 기재된 기술을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 해당 실시예의 다양한 변경, 균등물, 및/또는 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명의 다양한 실시예에 따른 분해 촉진제 조성물은, 플라즈마 반응을 이용한 배기가스 분해를 위해 사용되는 분해 촉진제로써, 알칼리성 전해질 용액 및 수소공여체를 혼합한 용액을 포함할 수 있다.
이때, 알칼리성 전해질 용액은, NaCl, CaCl2, MgCl2, NH4Cl 및 NaOH로 이루어진 전해질에서 선택된 어느 하나를 포함하는 용액일 수 있다. 바람직하게는, 알칼리성 전해질 용액은 NaCl을 포함하는 용액일 수 있다. 이를 통해 플라즈마 반응을 이용한 배기가스 분해 시 플라즈마의 이온 전도도를 높여줄 수 있다.
이러한 알칼리성 전해질 용액에 포함되는 전해질의 함량은 0.01 wt % 내지 35 wt%인 것을 특징으로 한다. 바람직하게는, 알칼리성 전해질 용액은 NaCl을 20 wt % 내지 25 wt%포함할 수 있다.
한편, 수소공여체는 우레아(urea)수, 메탄올, 에탄올, 프로판올 및 부탄올로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 수소공여체는 배기가스 전환을 위한 수소를 공급하여 CF4를 HF로 전환하여 물에 용해시켜 제거할 수 있다.
바람직하게는, 수소공여체는 우레아수일 수 있다. 우레아수는 알칼리성 전해질 용액에 균질하게 잘 섞일 수 있다. 이때, 우레아수에 포함되는 우레아(CO(HN2)2)의 함량은 0.1 wt % 내지 30 wt%인 것을 특징으로 한다. 한편, 우레아의 함량이 높을수록 좋으나, 30 wt%가 최대로 용해될 수 있는 우레아의 함량이다. 바람직하게는, 우레아수는 우레아(CO(HN2)2)를 10 wt % 내지 20 wt %포함할 수 있다. 우레아는 열분해 후 수소가 발생하고, 배기가스 전환을 위한 수소를 공급할 수 있다.
본 발명에서는 이러한 분해 촉진제를 통해 12 kW 미만의 저전력에서도 배기가스의 분해 효율을 높일 수 있다. 이때, 배기가스는 과불화화합물 및/또는 질소산화물일 수 있다. 구체적으로, 본 발명의 분해 촉진제 및 배기가스 처리 방법을 통해 CF4 및 NOx를 처리할 수 있다. 특히, 본 발명에서는 우레아를 통해 CF4뿐만 아니라 질소산화물인 NOx도 저감할 수 있다. 본 발명의 분해 촉진제를 통해 저전력에서도 고효율로 CF4 및 NOx를 처리할 수 있어, 전력 비용을 절감할 수 있다.본 발명의 다양한 실시예는 플라즈마 반응을 이용한 배기가스 처리 방법에 관한 것이다. 본 발명의 배기가스 처리 방법은, 알칼리성 전해질 용액 및 수소공여체를 혼합한 용액을 분사하여 플라즈마 반응 시 처리하는 것을 특징으로 한다.
이때, 알칼리성 전해질 용액은, NaCl, CaCl2, MgCl2, NH4Cl 및 NaOH로 이루어진 전해질에서 선택된 어느 하나를 포함하는 용액일 수 있다. 바람직하게는, 알칼리성 전해질 용액은 NaCl을 포함하는 용액일 수 있다. 이를 통해 플라즈마 반응을 이용한 배기가스 분해 시 플라즈마의 이온 전도도를 높여줄 수 있다.
이러한 알칼리성 전해질 용액에 포함되는 전해질의 함량은 0.01 wt % 내지 35 wt%인 것을 특징으로 한다. 바람직하게는, 알칼리성 전해질 용액은 NaCl을 20 wt % 내지 25 wt%포함할 수 있다.
한편, 수소공여체는 우레아(urea)수, 메탄올, 에탄올, 프로판올 및 부탄올로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 수소공여체는 배기가스 전환을 위한 수소를 공급하여 CF4를 HF로 전환하여 물에 용해시켜 제거할 수 있다.
바람직하게는, 수소공여체는 우레아수일 수 있다. 우레아수에 포함되는 우레아(CO(HN2)2)의 함량은 0.1 wt % 내지 30 wt%인 것을 특징으로 한다. 한편, 우레아의 함량이 높을수록 좋으나, 30 wt%가 최대로 용해될 수 있는 우레아의 함량이다. 바람직하게는, 우레아수는 우레아(CO(HN2)2)를 10 wt % 내지 20 wt %포함할 수 있다. 우레아는 열분해 후 수소가 발생하고, 배기가스 전환을 위한 수소를 공급할 수 있다.
본 발명에서는 이러한 분해 촉진제를 통해 12 kW 미만의 저전력에서도 배기가스의 분해 효율을 높일 수 있다. 이때, 배기가스는 과불화화합물 및/또는 질소산화물일 수 있다. 구체적으로, 본 발명의 분해 촉진제 및 배기가스 처리 방법을 통해 CF4 및 NOx를 처리할 수 있다. 특히, 본 발명에서는 우레아를 통해 CF4뿐만 아니라 질소산화물인 NOx도 저감할 수 있다. 본 발명의 배기가스 처리 방법을 통해 저전력에서도 고효율로 CF4 및 NOx를 처리할 수 있어, 전력 비용을 절감할 수 있다.
이하, 본 발명의 구체적인 실시예를 통해 상세히 설명한다.
단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐 본 발명이 하기 실시예 에 의해서 한정되는 것은 아니다.
<실시예>
하기 표 1의 조성에 따른 분해 촉진제를 이용하여 10 kW에서 플라즈마 반응을 통한 CF4분해를 실시하였다. 이때 CF4의 분해율을 측정한 결과 하기 표 1, 도 1 및 도 2와 같다.
분해 촉진제 조성 CF 4 의 분해율(%)
비교예 1 H2O 83
비교예 2 NaCl 20 wt% 85.9
실시예 1 NaCl 20 wt% + CO(HN2)2 10 wt% 88
실시예 2 NaCl 20 wt% + CO(HN2)2 20 wt% 92.5
실시예 3 NaCl 25 wt% + CO(HN2)2 10 wt% 89.1
실시예 4 NaCl 25 wt% + CO(HN2)2 20 wt% 93.1
상기 표 1, 도 1 및 도 2를 참고하면, 본 발명에 따른 분해 촉진제 조성인 실시예 1 내지 4의 경우 저전력인 10 kW의 조건에서도 CF4의 분해율이 88 % 이상임을 알 수 있다. 특히, 종래에 분해 촉진제로써 사용되는 H2O에 비해 CF4의 분해율이 현저하게 상승했음을 알 수 있다. 또한, 우레아가 20 wt % 포함된 실시예 2 및 4의 경우, 10 wt% 포함된 실시예 1 및 3에 비해 CF4의 분해율이 더 상승하는 것으로 나타났다.
상술한 실시예에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의하여 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
또한, 이상에서 실시예들을 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예들에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부한 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (9)

12 kW 미만의 저전력에서 플라즈마 반응을 이용한 CF4의 HF로의 분해를 위한 분해 촉진제 조성물에 있어서,
알칼리성 전해질 용액; 및
CF4를 HF로 전환하기 위한 수소를 공급하는 수소공여체를 포함하고,
상기 수소공여체는 우레아(urea)수, 메탄올, 에탄올, 프로판올 및 부탄올로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 분해 촉진제 조성물.
제1항에 있어서,
상기 알칼리성 전해질 용액은, NaCl, CaCl2, MgCl2, NH4Cl 및 NaOH로 이루어진 전해질에서 선택된 어느 하나를 포함하는 용액인 것을 특징으로 하는 분해 촉진제 조성물.
제1항에 있어서,
상기 알칼리성 전해질 용액에 포함되는 전해질의 함량은 0.01 wt % 내지 35 wt%인 것을 특징으로 하는 분해 촉진제 조성물.
제1항에 있어서,
상기 수소공여체가 우레아수이고,
상기 우레아수에 포함되는 우레아의 함량은 0.1 wt % 내지 30 wt%인 것을 특징으로 하는 분해 촉진제 조성물.
12 kW 미만의 저전력에서 플라즈마 반응을 이용한 CF4의 HF로의 처리 방법에 있어서,
알칼리성 전해질 용액, 및 CF4를 HF로 전환하기 위한 수소를 공급하는 수소공여체를 혼합한 용액을 분사하여 플라즈마 반응 시 처리하는 것을 특징으로 하고,
상기 수소공여체는 우레아(urea)수, 메탄올, 에탄올, 프로판올 및 부탄올로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 배기가스 처리 방법.
제5항에 있어서,
상기 알칼리성 전해질 용액은, NaCl, CaCl2, MgCl2, NH4Cl 및 NaOH로 이루어진 전해질에서 선택된 어느 하나를 포함하는 용액인 것을 특징으로 하는 배기가스 처리 방법.
제5항에 있어서,
상기 알칼리성 전해질 용액에 포함되는 전해질의 함량은 0.01 wt % 내지 35 wt%인 것을 특징으로 하는 배기가스 처리 방법.
제5항에 있어서,
상기 수소공여체가 우레아수이고,
상기 우레아수에 포함되는 우레아의 함량은 0.1 wt % 내지 30 wt%인 것을 특징으로 하는 배기가스 처리 방법.
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