KR102372537B1 - 액상 플라즈마 반응을 이용하여 탄화수소로부터 수소 및 나노탄소를 동시에 생성시키는 장치 그리고 이를 이용한 수소 및 나노탄소를 동시에 생성시키는 방법 - Google Patents

액상 플라즈마 반응을 이용하여 탄화수소로부터 수소 및 나노탄소를 동시에 생성시키는 장치 그리고 이를 이용한 수소 및 나노탄소를 동시에 생성시키는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 액상 플라즈마 반응을 이용하여 탄화수소로부터 수소 및 나노탄소를 동시에 생성시키는 장치와 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 액상의 탄화수소 중에서 플라즈마를 발생시켜 수소와 나노탄소를 동시에 생성시킬 수 있으며, 생성된 수소와 나노탄소를 효과적으로 포집할 수 있는 장치와 방법에 관한 것이다.

Description

액상 플라즈마 반응을 이용하여 탄화수소로부터 수소 및 나노탄소를 동시에 생성시키는 장치 그리고 이를 이용한 수소 및 나노탄소를 동시에 생성시키는 방법{apparatus and method for producing hydrogen, nano carbon from hydrocarbon using liquid phase plasma reaction}
본 발명은 액상 플라즈마 반응을 이용하여 탄화수소로부터 수소 및 나노탄소를 동시에 생성시키는 장치와 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 액상의 탄화수소 중에서 플라즈마를 발생시켜 수소와 나노탄소를 동시에 생성시킬 수 있으며, 생성된 수소와 나노탄소를 효과적으로 포집할 수 있는 장치와 방법에 관한 것이다.
석유 에너지는 산업발전의 동력이 되어 다양한 기술의 발전을 유도하여 인류에게 풍요로움을 주었지만 지구온난화 등 환경오염의 주원인 물질로 알려지면서 이를 대체할 수 있는 클린 에너지 개발에 관심이 모아지고 있다.
수소는 연소 후 물로 변환되므로 환경오염 물질을 배출하지 않으며, 물을 분해시켜 얻을 수 있으므로 원료물질 또한 무궁무진하다. 수소는 청정에너지원의 하나로 미래의 궁극적인 대체에너지원 또는 에너지 매체로 꼽히고 있다. 이는 수소가 지구상에 무한 존재하는 물을 원료로 제조할 수 있으며, 가스나 액체로 쉽게 저장할 수 있고 연소시 극소량의 질소가 발생하는 것을 제외하고 물만을 배출하는 무공해 에너지원이라는 강점을 가지고 있기 때문이다.
수소를 제조하는 방법으로는 수증기 개질법, 전기분해법, 물의 광화학적 분해법 등이 알려져 있다.
산업적으로 필요한 수소의 대부분은 수증기 개질법으로 제조하고 있다. 수증기 개질법은 고온 수증기를 이용하여 메탄, 메탄올, 천연가스에 있는 탄소원자로부터 수소를 분리하여 얻는 방법이다. 이 방법으로 제조한 수소는 연료로 사용되기 보다는 비료 및 화학제품의 제조에 주요 원료로 사용되며, 석유화학제품의 품질을 향상시키는 데도 사용된다. 이 제조방법은 가격 경쟁 면에서 가장 효율적인 수소제조방법이기는 하나 제조공정에서 열원으로 화석연료를 사용하고 있어 총 에너지 효율이 낮아진다는 단점이 있으며, 생산공정에서 온실가스인 이산화탄소가 배출되는 문제점이 있다.
수소를 제조하는 다른 방법으로는 물을 그 구성원소인 수소와 산소로 분리하는 전기분해 방법이 있다. 전기분해 공정은 전류를 물에 흘려보내 물 분자를 수소와 산소로 분해시키는 방법인데, 이때 음극에서는 수소가, 양극에서는 산소가 얻어진다. 전기분해로 생산되는 수소는 고순도이기는 하나 재생에너지로부터 얻어진 전기를 에너지원으로 사용하기 때문에 제조 가격이 매우 비싸다는 단점이 있다.
한편, UV 또는 가시광선을 에너지원으로 하고 이에 감응하는 광촉매를 함께 적용하는 광분해 반응에 의한 수소제조방법이 관심을 받고 있다.
대한민국 등록특허 제10-1814128호에는 액상 플라즈마와 광촉매를 이용한 수소 제조방법이 개시되어 있다.
상기 수소 제조방법은 물에 광촉매를 첨가하여 플라즈마를 발생시키는 방법으로 수소를 생성시킨다. 이러한 수소 제조방법은 광촉매를 필요로 하고 이에 따라 공정이 늘어난다는 점, 광촉매에 의한 광분해 반응 효율이 낮아 수소 생성율이 낮다는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위한 기술로서 대한민국 등록특허 제10-2219321호에 액상 플라즈마 반응을 이용하여 탄화수소로부터 수소와 나노탄소를 동시에 생성시키는 방법이 개시되어 있다.
상기 기술은 액상의 탄화수소 중에서 플라즈마를 발생시키는 단일공정만으로 수소와 나노탄소를 동시에 생성시킬 수 있는 장점을 가지고 있다. 하지만 상기 기술은 탄화수소 중에서 생성된 수소와 나노탄소를 분리하여 포집할 수 있는 기술을 제시하지 못하고 있다.
1. 대한민국 등록특허 제10-1814128호: 액상 플라즈마와 광촉매를 이용한 수소 제조방법 2. 대한민국 등록특허 제10-2219321호: 액상 플라즈마 반응을 이용하여 탄화수소로부터 수소와 나노탄소를 동시에 생성시키는 방법
본 발명은 상기의 문제점을 개선하고자 창출된 것으로서, 액상의 탄화수소 중에서 플라즈마를 발생시켜 수소와 나노탄소를 동시에 생성시킬 수 있으며, 생성된 수소와 나노탄소를 효과적으로 포집할 수 있는 장치와 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 액상 플라즈마 반응을 이용하여 탄화수소로부터 수소 및 나노탄소를 동시에 생성시키는 장치는 반응기와; 상기 반응기로 액상의 탄화수소를 공급하기 위한 탄화수소공급부와; 상기 반응기 내의 탄화수소 중에서 플라즈마를 발생시켜 수소 가스와 나노탄소를 동시에 생성시키기 위한 액상플라즈마발생수단과; 상기 반응기 내의 탄화수소를 냉각시켜 탄화수소를 일정한 온도로 유지하기 위한 냉각부와; 상기 반응기 내에서 생성된 수소 가스를 모으기 위한 가스포집부와; 상기 반응기 내에서 생성된 나노탄소를 탄화수소로부터 분리하여 모으기 위한 탄소포집부;를 구비한다.
상기 반응기는 탄화수소가 수용되는 반응챔버와, 상기 반응챔버의 외측면을 감싸도록 형성되어 상기 반응챔버의 주위에 열교환매체가 경유하는 수용공간을 만드는 재킷부를 구비한다.
상기 탄소포집부는 상기 반응기와 연결되어 상기 반응기 내의 탄화수소가 배출되는 순환유입관과, 상기 순환유입관과 연결되어 상기 순환유입관을 통해 유입되는 탄화수소 중의 나노탄소를 분리하는 고액분리유닛과, 상기 고액분리유닛에서 분리되어 배출되는 나노탄소가 저장되는 탄소저장탱크와, 나노탄소가 제거된 탄화수소가 상기 고액분리유닛에서 상기 반응기로 유입될 수 있도록 상기 고액분리유닛과 상기 반응기를 연결하는 순환유출관을 구비한다.
상기 고액분리유닛은 상기 순환유입관에서 분기되는 제 1유입분기관이 상부에 연결되고 상기 순환유출관에서 분기되는 제 1유출분기관이 하부에 연결되는 제 1분리챔버와, 상기 순환유입관에서 분기되는 제 2유입분기관이 상부에 연결되고 상기 순환유출관에서 분기되는 제 2유출분기관이 하부에 연결되는 제 2분리챔버와, 상기 제 1분리챔버의 내부에는 설치되어 상기 제 1유입분기관을 통해 유입되는 탄화수소 중의 나노탄소를 걸러내기 위한 제 1필터와, 상기 제 1분리챔버의 하부에 형성되어 상기 제 1분리챔버에서 탄화수소가 배출되면 상기 제 1필터를 통과하지 못한 나노탄소가 모이며 제 1탄소배출관에 의해 상기 탄소저장탱크와 연결되는 제 1수거호퍼와, 상기 제 2분리챔버의 내부에는 설치되어 상기 제 2유입분기관을 통해 유입되는 탄화수소 중의 나노탄소를 걸러내기 위한 제 2필터와, 상기 제 2분리챔버의 하부에 형성되어 상기 제 2분리챔버에서 탄화수소가 배출되면 상기 제 2필터를 통과하지 못한 나노탄소가 모이며 제 2탄소배출관에 의해 상기 탄소저장탱크와 연결되는 제 2수거호퍼를 구비한다.
상기 탄소포집부는 상기 제 1분리챔버와 상기 제 2분리챔버에서 나노탄소가 교대로 분리될 수 있도록 상기 고액분리유닛에서의 탄화수소 흐름을 제어하는 제어수단을 더 구비한다.
상기 제어수단은 상기 제 1유입분기관에 설치되는 제 1유입밸브와, 상기 제 2유입분기관에 설치되는 제 2유입밸브와, 상기 제 1탄소배출관에 설치되며 상기 제 1유입밸브가 개방되면 닫히는 제 1배출밸브와, 상기 제 2탄소배출관에 설치되며 상기 제 2유입밸브가 개방되면 닫히는 제 2배출밸브와, 상기 제 1 및 제 2유입밸브를 교대로 개방시키는 컨트롤유닛을 구비한다.
그리고 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 액상 플라즈마 반응을 이용하여 탄화수소로부터 수소 및 나노탄소를 동시에 생성시키는 방법은 액상의 탄화수소를 반응기로 공급하는 공급단계와; 상기 반응기 내의 탄화수소 중에서 플라즈마를 발생시켜 수소 가스와 나노탄소를 동시에 생성시키는 반응단계와; 상기 반응기 내에서 생성된 수소 가스를 모으는 가스포집단계와; 상기 반응기 내의 탄화수소를 고액분리유닛으로 경유하도록 순환시키면서 탄화수소 중의 나노탄소를 분리하여 모으는 탄소포집단계;를 포함하고, 상기 반응단계는 상기 반응기 내의 탄화수소를 냉각시켜 탄화수소를 일정한 온도로 유지하면서 수행한다.
상기 탄소포집단계는 a)상기 반응기와 연결되는 순환유입관을 통해 탄화수소를 상기 반응기에서 상기 고액분리유닛으로 유입시키는 단계와, b)상기 고액분리유닛으로 유입된 탄화수소 중의 나노탄소를 분리하는 단계와, c)상기 고액분리유닛과 연결된 순환유출관을 통해 나노탄소가 분리된 탄화수소를 상기 고액분리유닛에서 상기 반응기로 유입시키는 단계와, d)상기 고액분리유닛에서 분리된 나노탄소를 탄소저장탱크로 배출시키는 단계를 포함한다.
상기 탄소포집단계는 상기 고액분리유닛에서 탄화수소를 2개의 경로로 나누어서 경유시키고, 상기 2개의 경로에서 교대로 나노탄소의 분리가 수행된다.
상술한 바와 같이 본 발명은 액상의 탄화수소 중에서 플라즈마를 발생시키는 공정만으로 온실가스 등의 환경오염물질의 배출 없이 수소 가스를 대량으로 생성할 수 있어서 경제적이면서도 친환경적인 생산기술을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 수소와 나노탄소를 생성시키면서 생성된 수소와 나노탄소를 가스포집부와 탄소포집부에서 각각 분리하여 동시에 포집할 수 있다. 이와 같이 본 발명은 수소와 나노탄소를 생성과 함께 포집까지 효과적으로 수행이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 예에 따른 장치를 개략적으로 나타낸 구성도이고,
도 2는 도 1에 적용된 반응기를 나타낸 절개 사시도이고,
도 3 내지 도 8은 도 1의 작동을 나타내기 위해 탄화수소의 흐름을 보여주는 구성도이고,
도 9는 벤젠에 플라즈마를 발생시켜 나노탄소가 시간 대 별로 생성되는 모습을 나타낸 사진이고,
도 10은 벤젠에 플라즈마를 발생시켜 측정한 플라즈마의 발광 스펙트럼을 나타낸 그래프이고,
도 11은 벤젠, 톨루엔, 자일렌에 플라즈마를 발생시켰을 때 각각 생성되는 수소의 속도를 측정하여 나타낸 그래프이고,
도 12는 벤젠, 톨루엔, 자일렌에서 플라즈마를 발생시켰을 때 각각 생성되는 나노탄소 입자의 전자현미경 사진이고,
도 13은 항온냉각기를 이용하여 벤젠을 -5℃로 냉각시키면서 플라즈마를 발생시켰을 때 생성되는 가스의 성분을 분석한 그래프이고,
도 14는 항온냉각기를 이용하지 않고 벤젠에서 플라즈마를 발생시켰을 때 생성되는 가스의 성분을 분석한 그래프이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 액상 플라즈마 반응을 이용하여 탄화수소로부터 수소 및 나노탄소를 동시에 생성시키는 장치 그리고 이를 이용한 수소 및 나노탄소를 동시에 생성시키는 방법에 대하여 구체적으로 설명한다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 장치는 반응기(10)와, 반응기(10)로 액상의 탄화수소를 공급하기 위한 탄화수소공급부(20)와, 반응기(10) 내의 탄화수소 중에서 플라즈마를 발생시켜 수소 가스와 나노탄소를 동시에 생성시키기 위한 액상플라즈마발생수단(30)과, 반응기(10) 내의 탄화수소를 냉각시켜 탄화수소를 일정한 온도로 유지하기 위한 냉각부(40)와, 반응기(10) 내에서 생성된 수소 가스를 모으기 위한 가스포집부(50)와, 반응기(10) 내에서 생성된 나노탄소를 탄화수소로부터 분리하여 모으기 위한 탄소포집부(60)를 구비한다.
반응기(10)는 탄화수소가 수용되는 반응챔버(11)와, 반응챔버(11)의 외측면을 감싸도록 형성되어 반응챔버(11)의 주위에 열교환매체가 경유하는 수용공간(17)을 만드는 재킷부(15)를 구비한다.
반응챔버(11)는 내부가 비어있는 통 구조로 이루어진다. 반응챔버(11)는 투명한 유리로 만들어질 수 있다.
반응챔버의 하부에 탄화수소가 공급되는 탄화수소공급관이 연결된다. 탄화수소공급관을 통해 탄화수소가 반응챔버의 내부로 유입된다.
반응챔버(11)의 상부는 직경이 좁아지도록 형성된다. 이는 반응챔버(11)의 내부에서 발생되는 수소가 반응챔버(11)의 상부에서 모일 수 있도록 하기 위함이다. 반응챔버(11)의 상부에는 후술할 가스포집부(50)의 가스배출관(51)이 연결된다.
재킷부(15)는 투명한 유리로 만들어질 수 있다. 재킷부(15)는 반응챔버(11)의 외측면을 감싸도록 형성된다. 반응챔버(11)와 재킷부(15) 사이에는 비어있는 냉각공간(17)이 형성된다. 이러한 냉각공간(17)은 반응챔버(11)의 주위를 둘러싼다. 냉각공간(17)에는 열교환매체가 유입되어 경유한다.
탄화수소공급부(20)는 반응챔버(11)로 액상의 탄화수소를 공급한다.
탄화수소공급부(20)는 탄화수소가 저장된 탄화수소저장탱크(21)와, 탄화수소저장탱크(21)와 반응챔버(11)를 연결하는 탄화수소공급관(23)을 구비한다.
탄화수소저장탱크(21)에는 탄화수소가 저장된다. 탄화수소는 수소 원자와 탄소 원자로 이루어진 화합물로서, 본 발명에서는 액체 상태의 탄화수소를 이용한다. 본 발명은 액상에서 플라즈마를 발생시키는 기술이므로 액체 상태의 탄화수소만 이용할 수 있다.
수소와 탄소가 아닌 다른 원자가 포함된 탄화수소는 부산물이 발생하므로 본 발명에서는 수소 원자와 탄소 원자만으로 이루어진 탄화수소를 이용한다. 산소 원자가 결합된 탄화수소를 이용할 경우 이산화탄소와 같은 부산물이 발생한다.
본 발명에 이용하는 탄화수소는 지방족 탄화수소 또는 방향족 탄화수소일 수 있다. 지방족 탄화수소 또는 방향족 탄화수소 중 액상이고, 수소와 탄소만으로 이루어진 탄화수소는 모두 본 발명에 이용할 수 있다. 본 발명에 이용되는 탄화수소에는 유도체까지 포함된다.
상기 지방족 탄화수소로서 탄소수 5 내지 17인 알케인(alkane)을 이용하거나, 상기 방향족 탄화수소로서 벤젠(benzene), 톨루엔(toluene), 자일렌(xylene) 등을 이용할 수 있다.
탄화수소공급관(23)은 탄화수소저장탱크(21)와 반응챔버(11)를 연결한다. 탄화수소공급관(23)을 통해 탄화수소가 반응챔버(11)의 내부로 유입된다. 탄화수소공급관(23)에는 펌프(25)와 밸브(27)가 설치된다.
액상플라즈마발생수단은 반응기(10)에 설치된 한쌍의 전극(31)과, 전극(21)에 전원을 공급하기 위한 전원공급기(bipolar pulse power supply)(35)를 구비한다.
전극(31)은 반응기(10)에 한쌍이 설치된다. 전극(31)은 재킷부(15)와 반응챔버(11)를 관통하도록 설치된다. 전극(31)은 반응챔버(11) 내측으로 돌출되어 반응챔버(11) 내부에 수용되는 액상의 탄화수소와 접촉된다. 전극(31)은 텅스텐 소재로 이루어지며, 전극(31)의 외부는 세라믹 재질의 절연체로 피복된다. 양 전극(31)의 간격은 약 0.2 내지 0.5mm 정도로 유지될 수 있다.
전원공급기(35)는 전극(31)과 전기적으로 연결된다. 전원공급기(35)를 통해 전극(31)에 전원이 공급되면 전기 방전에 의해 액중에서 플라즈마가 발생된다.
액체 중에 전기에너지 인가에 따른 이온과 전자의 흐름은 액체 중에 플라즈마를 발생시킨다. 액체 중에 고에너지 플라즈마를 발생시키는 액상플라즈마(liquid phase plasma, LPP) 반응은 다양한 활성종과 함께 빛에너지를 액체 중에서 생성시킬 수 있다. 고에너지 플라즈마는 탄화수소를 분해할 수 있는 높은 온도와 충격파 등의 에너지를 발생시켜 효과적으로 탄화수소를 분해하여 수소와 탄소를 생산할 수 있다.
액상의 탄화수소 중에서 플라즈마를 발생시키면 플라즈마의 고에너지는 탄화수소를 수소와 탄소로 분해시킨다. 수소는 가스 형태로 그리고 탄소는 미세한 나노입자 형태로 동시에 생성된다.
본 발명은 플라즈마를 발생시키는 단일 공정만으로 온실가스 등의 환경오염 물질의 배출 없이 수소 가스를 생성할 수 있으므로 경제적이면서도 친환경적인 생산기술이다. 또한, 본 발명은 하나의 공정에서 수소 가스와 함께 나노탄소 입자를 동시에 생성시킬 수 있는 장점을 갖는다.
탄소 소재는 현대사회를 지탱하는 첨단 소재로, 여러 분야의 경량 소재로 이용되고 있다. 리튬이차전지 및 슈퍼캐퍼시터 등의 전극으로 사용되는 탄소 소재는 에너지 분야에서 핵심 원천 소재로 적용되고 있다. 또한 탄소 소재는 오래 전부터 여러 분리 공정 및 환경 분야에서 필터로 사용되고 있다. 본 발명에서 수소 가스와 함께 생성되는 나노탄소 입자는 위와 같은 다양한 산업분야에 유용하게 활용할 수 있다.
냉각부(40)는 반응챔버(11) 내의 탄화수소를 냉각시켜 탄화수소를 일정한 온도로 유지시킨다. 가령 냉각부(40)는 탄화수소를 -10 내지 20℃로 유지시킬 수 있다.
전기 방전에 의해 탄화수소 중에서 플라즈마가 발생되면 탄화수소는 온도가 계속적으로 상승한다. 탄화수소의 온도가 상승하면 탄화수소가 기화되어 반응챔버(11) 내에서 탄화수소 가스가 발생된다. 이러한 탄화수소 가스는 수소 가스와 함께 포집되므로 수소 가스에 불순물이 혼입되는 문제점이 발생한다. 따라서 반응챔버(11) 내의 탄화수소의 온도 상승을 방지하기 위한 냉각부(40)가 필요하다.
냉각부(40)는 항온냉각기(41)와, 항온냉각기(41)와 재킷부(15)의 하부를 연결하는 열교환매체유입관(43)과, 재킷부(15)의 상부와 항온냉각기(41)를 연결하는 열교환매체배출관(45)을 구비한다.
항온냉각기(41)는 냉동사이클에 의해 열교환매체를 냉각시키는 것으로서, 통상적인 구조로 이루어진다. 항온냉각기(41)의 내부에 순환펌프가 구비된다.
항온냉각기(41)에서 냉각된 열교환매체는 열교환매체유입관(43)을 통해 냉각공간(17)으로 유입된다. 냉각공간(17)으로 유입된 열교환매체는 반응챔버(11)의 주위를 경유하여 반응챔버(11)를 냉각시킨 후 열교환매체배출관(45)을 통해 다시 항온냉각기(41)로 유입된다.
이와 같이 열교환매체는 항온냉각기(41)와 반응기(10)를 계속 순환하면서 반응챔버(11) 내의 탄화수소를 일정한 온도 이하로 냉각시킨다. 열교환매체의 일 예로 에틸렌글리콜(ethylene glycol)을 사용할 수 있다. 이 외에도 열교환매체로 다양한 종류의 액체를 사용할 수 있다.
탄화수소 중에서 생성되는 수소와 나노탄소를 반응기(10) 외부로 배출시켜 각각 포집하기 위한 가스포집부(50)와 탄소포집부(60)가 구비된다.
가스포집부(50)는 반응기(10) 내에서 생성된 수소 가스를 모은다. 가스포집부(50)는 반응챔버(11)의 상부에 연결된 가스배출관(51)과, 가스배출관(51)과 연결되는 가스저장탱크(55)를 구비한다.
가스배출관(51)에는 밸브(53)가 설치된다. 탄화수소 중에서 생성된 수소는 가스배출관(51)을 통해 계속적으로 배출되면서 가스저장탱크(55)에 저장된다.
탄소포집부(60)는 반응기(10)와 연결되어 반응기(10) 내의 탄화수소가 배출되는 순환유입관(61)과, 순환유입관(61)과 연결되어 순환유입관(61)을 통해 유입되는 탄화수소 중의 나노탄소를 분리하는 고액분리유닛과, 고액분리유닛에서 분리되어 배출되는 나노탄소가 저장되는 탄소저장탱크(91)와, 나노탄소가 제거된 탄화수소가 고액분리유닛에서 반응기(10)로 유입될 수 있도록 고액분리유닛과 반응기(10)를 연결하는 순환유출관(65)을 구비한다.
순환유입관(61)은 반응챔버(11)와 고액분리유닛을 연결한다. 순환유입관(61)에는 제 1펌프(63)가 설치된다. 순환유입관(61)을 통해 탄화수소와 함께 나노탄소가 반응챔버(11)에서 배출된다. 나노탄소가 포함된 탄화수소는 순환유입관(61)을 통해 배출되어 고액분리유닛으로 유입된다.
순환유출관(65)은 고액분리유닛과 탄화수소공급관(23)을 연결한다. 순환유출관(65)에는 제 2펌프(67)와 밸브(69)가 설치된다. 탄화수소저장탱크(21)에서 반응챔버(11)로 탄화수소가 공급될 때 순환유출관(65)에 설치된 밸브(69)는 닫혀있고, 그 외에는 개방되어 있다. 그리고 도시된 바와 달리 순환유출관(65)은 탄화수소공급관(23)과 연결되지 않고 반응챔버(11)와 직접 연결될 수 있음은 물론이다.
고액분리유닛은 순환유입관(61)을 통해 유입되는 탄화수소 중의 나노탄소를 분리한다. 그리고 고액분리유닛에서 나노탄소가 분리된 탄화수소는 순환유출관(65)을 통해 다시 반응챔버(11)로 유입된다. 즉, 반응챔버(11) 내의 탄화수소는 순환유입관(61), 고액분리유닛, 순환유출관(65)을 순차적으로 통과하여 다시 반응챔버(11)로 유입되는 순환과정을 계속 반복한다.
도시된 고액분리유닛은 탄화수소를 2개의 경로로 나누어서 경유시킨다. 그리고 2개의 경로에서 교대로 나노탄소의 분리가 수행된다.
구체적으로 고액분리유닛은 순환유입관(61)에서 분기되는 제 1유입분기관(71)이 상부에 연결되고 순환유출관(65)에서 분기되는 제 1유출분기관(73)이 하부에 연결되는 제 1분리챔버(75)와, 순환유입관(61)에서 분기되는 제 2유입분기관(81)이 상부에 연결되고 순환유출관(65)에서 분기되는 제 2유출분기관(83)이 하부에 연결되는 제 2분리챔버(85)와, 제 1분리챔버(75)의 내부에는 설치되어 제 1유입분기관(71)을 통해 유입되는 탄화수소 중의 나노탄소를 걸러내기 위한 제 1필터(77)와, 제 1분리챔버(75)의 하부에 형성되어 제 1분리챔버(75)에서 탄화수소가 배출되면 제 1필터(77)를 통과하지 못한 나노탄소가 모이며 제 1탄소배출관(93)에 의해 탄소저장탱크(91)와 연결되는 제 1수거호퍼(79)와, 제 2분리챔버(85)의 내부에는 설치되어 제 2유입분기관(81)을 통해 유입되는 탄화수소 중의 나노탄소를 걸러내기 위한 제 2필터(87)와, 제 2분리챔버(85)의 하부에 형성되어 제 2분리챔버(85)에서 탄화수소가 배출되면 제 2필터(87)를 통과하지 못한 나노탄소가 모이며 제 2탄소배출관(95)에 의해 탄소저장탱크(91)와 연결되는 제 2수거호퍼(89)를 구비한다.
순환유입관(61)을 통해 반응챔버(11)의 내부에서 배출되는 탄화수소를 2개의 경로로 분산시키기 위해 순환유입관(61)에서 제 1 및 제 2유입분기관(71)(81)이 각각 분기된다. 제 1유입분기관(71)은 제 1분리챔버(75)와 연결되고, 제 2유입분기관(81)은 제 2분리챔버(85)와 연결된다. 제 1유입분기관(71)에는 제 1유입밸브(72)가 설치되고, 제 2유입분기관(81)에는 제 2유입밸브(82)가 설치된다.
제 1분리챔버(75)를 경유한 탄화수소는 제 1유출분기관(73)을 통해 순환유출관(65)으로 유입되고, 제 2분리챔버(85)를 경유한 탄화수소는 제 2유출분기관(83)을 통해 순환유출관(65)으로 유입된다.
반응챔버(11)의 내부에서 배출되는 탄화수소는 2개의 경로 중 어느 하나의 경로를 따라 순환한다. 가령, 탄화수소는 제 1유입분기(71)관, 제 1분리챔버(75), 제 1유출분기관(73)을 경유하는 제 1경로와 제 2유입분기관(81), 제 2분리챔버(85), 제 2유출분기관(83)을 경유하는 제 2경로 중 어느 하나의 경로를 따라 순환한다. 제 1 및 제 2경로에 교대로 탄화수소가 경유한다. 따라서 2개의 경로에서 교대로 나노탄소의 분리가 수행된다.
제 1분리챔버(75)는 원통형으로 형성된다. 제 1분리챔버(75)의 내부 중앙에는 제 1필터(77)가 설치된다. 제 1필터(77)는 탄화수소는 통과시키고, 나노탄소는 통과시키지 않는 구조로 이루어진다. 이러한 제 1필터로 멤브레인(membrane) 필터를 이용할 수 있다. 또한, 나노미터 크기의 입자를 걸러낼 수 있는 필터라면 제한없이 이용이 가능하다.
제 1필터(77)는 환형으로 형성된다. 제 1필터(77)의 외경은 제 1분리챔버(75)의 내경보다 작다. 제 1필터(77)의 상부는 제 1분리챔버(75)의 상면에 접촉되고, 제 1필터(77)의 하부는 제 1분리챔버(75)의 바닥에 접촉된다.
제 1유입분기관(71)은 제 1분리챔버(75)의 상면 중앙에 연결된다. 따라서 제 1유입분기관(71)을 통해 제 1분리챔버(75)로 유입되는 탄화수소는 제 1필터(77)의 내측에 수용된다. 탄화수소는 제 1필터(77)를 통과하여 제 1필터(77) 밖으로 이동한다. 그리고 탄화수소 중의 나노탄소는 제 1필터(77)를 통과하지 못한다.
제 1유출분기관(73)은 제 1분리챔버(75)의 외측면 하부에 연결된다. 제 1필터(77)를 통과한 탄화수소는 제 1유출분기관(73)을 통해 순환유출관(65)으로 유입된다.
제 1분리챔버(75)의 하부에는 제 1수거호퍼(79)가 형성된다. 제 1수거호퍼(79)는 상부가 넓고 하부가 좁은 원뿔형으로 이루어진다. 제 1수거호퍼(79)의 하부에는 제 1탄소배출관(93)이 연결된다. 제 1탄소배출관(93)에는 제 1배출밸브(94)가 설치된다. 제 1탄소배출관(93)은 탄소저장탱크(91)와 연결된다.
제 1분리챔버(75)로 탄화수소가 유입되지 않는 상태에서 제1분리챔버(75) 내의 탄화수소가 제 1유출분기관(73)으로 배출되면 제 1필터(77)를 통과하지 못한 나노탄소는 제 1수거호퍼(79)에 모인다. 이 상태에서 제 1배출밸브(94)가 개방되면 나노탄소는 제 1탄소배출관(93)을 통해 탄소저장탱크(91)로 유입된다.
제 2분리챔버(85)는 원통형으로 형성된다. 제 2분리챔버(85)의 내부 중앙에는 제 2필터(87)가 설치된다. 제 2필터(87)는 탄화수소는 통과시키고, 나노탄소는 통과시키지 않는 구조로 이루어진다. 이러한 제 2필터로 멤브레인(membrane) 필터를 이용할 수 있다. 또한, 나노미터 크기의 입자를 걸러낼 수 있는 필터라면 제한없이 이용이 가능하다.
제 2필터(87)는 환형으로 형성된다. 제 2필터(87)의 외경은 제 2분리챔버(85)의 내경보다 작다. 제 2필터(87)의 상부는 제 2분리챔버(85)의 상면에 접촉되고, 제 2필터(87)의 하부는 제 2분리챔버(85)의 바닥에 접촉된다.
제 2유입분기관(81)은 제 2분리챔버(85)의 상면 중앙에 연결된다. 따라서 제 2유입분기관(81)을 통해 제 2분리챔버(85)로 유입되는 탄화수소는 제 2필터(87)의 내측에 수용된다. 탄화수소는 제 2필터(87)를 통과하여 제 2필터(87) 밖으로 이동한다. 그리고 탄화수소 중의 나노탄소는 제 2필터(87)를 통과하지 못한다.
제 2유출분기관(83)은 제 2분리챔버(85)의 외측면 하부에 연결된다. 제 2필터(87)를 통과한 탄화수소는 제 2유출분기관(83)을 통해 순환유출관(65)으로 유입된다.
제 2분리챔버(85)의 하부에는 제 2수거호퍼(89)가 형성된다. 제 2수거호퍼(89)는 상부가 넓고 하부가 좁은 원뿔형으로 이루어진다. 제 2수거호퍼(89)에는 제 2탄소배출관(95)이 연결된다. 제 2탄소배출관(95)에는 제 2배출밸브(96)가 설치된다. 제 2탄소배출관(95)은 탄소저장탱크(91)와 연결된다.
제 2분리챔버(85)로 탄화수소가 유입되지 않는 상태에서 제 2분리챔버(85) 내의 탄화수소가 제 2유출분기관(83)으로 배출되면 제 2필터(87)를 통과하지 못한 나노탄소는 제 2수거호퍼(89)에 모인다. 이 상태에서 제 2배출밸브(96)가 개방되면 나노탄소는 제 2탄소배출관(95)을 통해 탄소저장탱크(91)로 유입된다.
탄화수소가 제 1분리챔버(75)를 경유하는 제 1경로와 제 2분리챔버(85)를 경유하는 제 2경로를 교대로 순환하면서 나노탄소의 분리 및 배출이 이루어질 수 있도록 고액분리유닛에서 탄화수소 흐름을 제어하는 제어수단이 더 구비된다.
제어수단은 제 1유입분기관(71)에 설치되는 제 1유입밸브(72)와, 제 2유입분기관(81)에 설치되는 제 2유입밸브(82)와, 제 1탄소배출관(93)에 설치되며 제 1유입밸브(72)가 개방되면 닫히는 제 1배출밸브(94)와, 제 2탄소배출관(95)에 설치되며 제 2유입밸브(82)가 개방되면 닫히는 제 2배출밸브(96)와, 제 1 및 제 2유입밸브(72)(82)를 교대로 개방시키는 컨트롤유닛(미도시)을 구비한다.
제 1유입밸브(72)는 제 1유입분기관(71)에 설치되어 제 1유입분기관(71)을 개폐시킨다. 그리고 제 2유입밸브(82)는 제 2유입분기관(81)에 설치되어 제 2유입분기관(81)을 개폐시킨다. 제 1유입밸브(72)와 제 2유입밸브(82)는 교대로 개방된다.
제 1배출밸브(94)는 제 1탄소배출관(93)에 설치되어 제 1탄소배출관(93)을 개폐시킨다. 제 1배출밸브(94)는 제 1유입밸브(72)가 개방된 상태에서는 항상 닫혀 있다. 제 2배출밸브(96)는 제 2탄소배출관(95)에 설치되어 제 2탄소배출관(95)을 개폐시킨다. 제 2배출밸브(96)는 제 2유입밸브(82)가 개방된 상태에서는 항상 닫혀 있다.
컨트롤유닛은 통상적인 마이컴(micom)을 이용할 수 있다. 컨트롤유닛은 본 발명의 장치에 적용된 각종 구성들의 작동을 제어한다. 특히, 컨트롤유닛은 제 1 및 제 2유입밸브(72)(82), 제 1 및 제 2배출밸브(94)(96)의 개폐를 제어하여 제 1 및 제 2경로에 교대로 탄화수소를 유입시켜 2개의 경로에서 교대로 나노탄소의 분리 및 배출이 수행될 수 있도록 한다.
이와 같은 제어수단에 의해 제 1분리챔버(75)로 탄화수소가 유입되어 제 1필터(77)에서 나노탄소가 분리되면, 제 2분리챔버(85)에서는 나노탄소가 제 2필터(87)에서 탈착되어 탄소저장탱크(91)로 배출된다. 그리고 제 2분리챔버(85)로 탄화수소가 유입되어 제 2필터(87)에서 나노탄소가 분리되면, 제 1분리챔버(75)에서는 나노탄소가 제 1필터(77)에서 탈착되어 탄소저장탱크(91)로 배출된다.
상술한 본 발명은 액상의 탄화수소 중에서 플라즈마를 발생시켜 반응챔버 내에서 수소와 나노탄소를 생성시킬 수 있음과 동시에 생성된 수소와 나노탄소를 가스포집부와 탄소포집부에서 각각 분리하여 포집할 수 있다. 이와 같이 본 발명은 수소와 나노탄소를 생성과 함께 포집까지 효과적으로 수행이 가능하다.
이하, 상술한 장치를 이용하여 탄화수소로부터 수소와 나노탄소를 동시에 생성시키는 방법에 대하여 각 단계별로 살펴본다.
1. 공급단계
탄화수소저장탱크(21)에 저장된 액상의 탄화수소를 반응기(10)로 공급한다. 밸브(27)를 개방한 상태에서 펌프(25)를 작동시키면 탄화수소저장탱크(21)에 저장된 액상의 탄화수소는 반응챔버(11) 내로 유입된다. 반응챔버(11)에 일정량 탄화수소가 채워지면 펌프(25)의 작동을 중단시키고 밸브(27)를 닫는다.
2. 반응단계
다음으로, 반응챔버(11) 내의 탄화수소 중에서 플라즈마를 발생시켜 수소 가스와 나노탄소를 동시에 생성시킨다.
전원공급기(35)를 통해 전극(31)에 전원이 공급되면 전기 방전에 의해 액중에서 플라즈마가 발생된다. 전원 공급시 전극(31)에 전원을 지속적으로 공급하는 것보다 펄스(Pulse width 1~10㎲)로 공급하는 것이 바람직하다. 전원을 펄스로 공급하면 탄화수소에 접촉된 전극(31)이 녹는 것을 억제하여 전극 성분이 탄화수소 중으로 용출되는 것을 억제시킬 수 있다.
플라즈마를 발생시키기 위해 전극(31)에 공급되는 전원 조건은 전압 200 내지 300V, 펄스 폭 1 내지 10㎲, 주파수 20 내지 30KHz일 수 있다.
액상의 탄화수소 중에서 플라즈마를 발생시키면 플라즈마의 고에너지는 탄화수소를 수소와 탄소로 분해시킨다. 플라즈마에 의해 수소가스와 나노탄소 입자는 동시에 생성된다.
한편, 반응단계는 반응챔버(11) 내의 탄화수소를 냉각시켜 탄화수소를 일정한 온도로 유지하면서 수행한다. 이를 위해 냉각부(40)의 항온냉각기(41)에서 열교환매체를 반응기(10)로 계속 순환시킨다. 열교환매체에 의해 반응챔버(11) 내의 탄화수소는 끓는점 이하, 바람직하게는 -10 내지 20℃로 유지된다.
3. 가스포집단계
반응챔버(11) 내의 탄화수소 중에서 수소 가스가 생성되면 가스배출관(51)의 밸브(53)를 개방시켜 수소가 반응챔버(11)에서 배출될 수 있도록 한다. 반응챔버(11)에서 배출되는 수소는 가스배출관(51)을 통해 가스저장탱크(55)로 유입되어 저장된다.
4. 탄소포집단계
반응챔버(11) 내의 탄화수소 중에서 나노탄소가 생성되면 반응챔버(11) 내의 탄화수소를 고액분리유닛으로 경유하도록 순환시키면서 탄화수소 중의 나노탄소를 분리하여 모은다. 이러한 탄소포집단계는 상술한 가스포집단계와 동시에 또는 순차적으로 수행될 수 있다.
구체적으로 탄소포집단계는 a)반응챔버(11)와 연결되는 순환유입관(65)을 통해 탄화수소를 반응챔버(11)에서 고액분리유닛으로 유입시키는 단계와, b)고액분리유닛으로 유입된 탄화수소 중의 나노탄소를 분리하는 단계와, c)고액분리유닛과 연결된 순환유출관(65)을 통해 나노탄소가 분리된 탄화수소를 고액분리유닛에서 반응챔버(11)로 유입시키는 단계와, d)고액분리유닛에서 분리된 나노탄소를 탄소저장탱크(91)로 배출시키는 단계를 포함한다.
상술한 탄소포집단계는 제 1분리챔버(75)를 경유하는 제 1경로와 제 2분리챔버(85)를 경유하는 제 2경로로 탄화수소가 교대로 유입되면서 나노탄소의 분리가 수행된다.
탄소포집부(60)에서 제 1경로와 제 2경로로 교대로 유입되는 탄화수소의 흐름 및 밸브들의 온/오프(ON/OFF)를 도 3 내지 도 8에 순차적으로 나타내었다. 탄소포집부(60)에서 탄화수소가 흐르는 경로와 나노탄소가 배출되는 경로를 두꺼운 실선으로 표현하였다. 도 3 내지 도 8에 나타낸 탄화수소의 흐름은 먼저 제 1경로로 유입된 후 나중에 제 2경로로 유입되는 모습을 나타내었다.
도 3을 참조하면, 제어수단은 제 1유입밸브(72)를 개방시키고, 제 2유입밸브(82)와 제 1 및 제 2유출밸브(94)(96)는 닫는다. 이에 따라 반응챔버(11) 내의 탄화수소는 제 1유입분기관(71)을 통해 제 1분리챔버(75)로 유입된다. 제 1분리챔버(75)로 유입된 탄화수소는 제 1필터(77)를 통과하면서 나노탄소가 분리된다. 제 1필터(77)를 통과한 탄화수소는 제 1분리챔버(75)에서 배출되어 반응챔버(11)로 다시 유입된다.
도 3과 같이 제 1경로를 따라 탄화수소가 일정시간 동안 계속 순환하면, 점차 시간이 지날수록 제 1필터(77)의 공극이 막혀 제 1필터(77)의 여과성능이 저하된다. 제 1필터(77)의 여과성능 저하는 제 1유입분기관(71)을 통해 제 1분리챔버(75)로 유입되는 탄화수소의 압력을 측정하여 감지할 수 있다. 이를 위해 제 1유입분기관(71)에 압력계(미도시)가 설치될 수 있다. 압력계에서 측정되는 압력값은 제어수단으로 전송된다.
제 1필터(77)의 성능이 저하되기 시작하면, 도 4와 같이 제어수단은 제 1유입밸브(72)를 닫는다. 제 1유입밸브(72)를 닫아서 제 1분리챔버(75)로 탄화수소가 유입되지 않는 상태에서 제 1분리챔버(75) 내의 탄화수소는 제 1유출분기관(65)을 통해 계속 배출된다. 제 1분리챔버(75) 내의 탄화수소가 배출되면서 탄화수소의 수위가 점차 낮아지면 탄화수소 중의 나노탄소는 하부로 이동한다. 제 1분리챔버(75)에서 탄화수소가 대부분 배출되면 제 1수거호퍼(79)에만 탄화수소가 남아있는다. 제 1수거호퍼(79)에 있는 탄화수소 중에는 나노탄소가 고농도로 포함되어 있다.
다음으로, 도 5와 같이 제 1배출밸브(94)를 개방시키면 제 1수거호퍼(79)에 남아있는 탄화수소는 나노탄소와 함께 탄소저장탱크(91)로 유입된다. 그리고 제 1배출밸브(94)의 개방과 동시에 제 2유입밸브(82)도 함께 개방된다. 따라서 반응챔버(11) 내의 탄화수소는 제 2유입분기관(81)을 통해 제 2분리챔버(85)로 유입된다. 제 2분리챔버(85)로 유입된 탄화수소는 제 2필터(87)를 통과하면서 나노탄소가 분리된다. 제 2필터(87)를 통과한 탄화수소는 제 2분리챔버(85)에서 배출되어 반응챔버(11)로 다시 유입된다.
그리고 제 1수거호퍼(79)에 남아있는 탄화수소가 나노탄소와 함께 탄소저장탱크(91)로 모두 유입되면 제 1배출밸브는 도 6과 같이 닫힌다.
도 6과 같이 제 2경로를 따라 탄화수소가 일정시간 동안 계속 순환하면, 점차 시간이 지날수록 제 2필터(87)의 공극이 막혀 제 2필터(87)의 여과성능이 저하된다. 제 2필터(87)의 여과성능 저하는 제 2유입분기관(81)을 통해 제 2분리챔버(85)로 유입되는 탄화수소의 압력을 측정하여 감지할 수 있다. 이를 위해 제 2유입분기관(81)에 압력계(미도시)가 설치될 수 있다. 압력계에서 측정되는 압력값은 제어수단으로 전송된다.
제 2필터(87)의 여과성능이 저하되기 시작하면, 도 7과 같이 제어수단은 제 2유입밸브(82)를 닫는다. 제 2유입밸브(82)를 닫아서 제 2분리챔버(85)로 탄화수소가 유입되지 않는 상태에서 제 2분리챔버(85) 내의 탄화수소는 제 2유출분기관(83)을 통해 계속 배출된다. 제 2분리챔버(85) 내의 탄화수소가 배출되면서 탄화수소의 수위가 점차 낮아지면 탄화수소 중의 나노탄소는 하부로 이동한다. 제 2분리챔버(85)에서 탄화수소가 대부분 배출되면 제 2수거호퍼(89)에만 탄화수소가 남아있는다. 제 2수거호퍼(89)에 있는 탄화수소 중에는 나노탄소가 고농도로 포함되어 있다.
다음으로, 도 8과 같이 제 2배출밸브(96)를 개방시키면 제 2수거호퍼(89)에 남아있는 탄화수소는 나노탄소와 함께 탄소저장탱크(91)로 유입된다. 그리고 제 2배출밸브(96)의 개방과 동시에 제 1유입밸브(72)도 함께 개방된다.
그리고 제 2수거호퍼(89)에 남아있는 탄화수소가 나노탄소와 함께 탄소저장탱크(91)로 모두 유입되면 제 2배출밸브(96)는 도 3과 같이 닫힌다.
이와 같이 도 3에서 도 8까지의 과정이 반복되면서 제 1분리챔버와 제 2분리챔버에서 교대로 나노탄소가 분리된다.
이하, 실험 예를 통하여 본 발명에 대해 설명하고자 한다. 다만, 하기의 실험 예는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위를 하기의 실험 예로 한정하는 것은 아니다.
(실험예)
탄화수소로 벤젠, 톨루엔, 자일렌을 각각 이용하였다. 0.3mm 간격으로 이격된 한쌍의 전극이 설치된 반응기에 탄화수소 200㎖를 투입한 다음 전압 240V, 주파수 25kHz, pulse width 5㎲ 조건으로 60분 동안 방전시켜 탄화수소 중에 플라즈마를 발생시켜 탄화수소를 분해하였다.
반응기 내부의 탄화수소 온도가 플라즈마 발생에 의해 상승하는 것을 막기 위해 항온냉각기를 이용하여 반응기 내부의 온도를 -5℃로 일정하게 유지시켰다. 반응기 내부에서 발생된 기체 생성물은 가스크로마토그래프(GC)로 전달되도록 하였다.
<플라즈마반응 관찰 및 생성물 분석>
벤젠 중에 플라즈마를 발생시켜 수소가스 및 나노탄소 입자를 생성시키는 실험모습을 시간에 따라 촬영한 사진을 도 9에 나타내었다.
도 9를 참조하면, 플라즈마가 발생되는 즉시 탄화수소 중에서 검정색의 나노탄소 입자가 생성되기 시작하는 것을 알 수 있다. 그리고 시간이 지남에 따라 나노탄소 입자의 생성량이 현저히 증가하였고, 60초 경과시 반응기의 내용물 전체가 검게 변하였다.
이를 통해 매우 짧은 시간에 나노탄소 입자가 생성됨을 육안으로 확인할 수 있었다.
플라즈마 반응을 통해 생성되는 물질의 종류와 강도를 분석하기 위해 Optical Emission Spectroscopy(OES)를 이용하여 플라즈마에서 발생하는 광원의 발광 스펙트럼을 300nm~1100nm 범위에서 측정하여 도 10에 나타내었다.
도 10을 참조하면, 발광스펙트럼 측정결과 수소피크(H2, Hα)와 탄소피크(C2)가 관찰되었다. 따라서 플라즈마 발생시 반응기 내부에서 수소 및 탄소가 동시에 생성됨을 확인할 수 있었다. 이를 통해 도 9에 나타난 검정색의 입자는 탄소 입자인 것을 알 수 있다.
<수소 생성속도 측정>
벤젠, 톨루엔, 자일렌 중에 플라즈마를 발생시켰을 때 각각 생성되는 수소 가스의 생성속도를 측정하여 도 11에 나타내었다.
도 11를 참조하면, 반응 직후부터 수소 가스가 발생되기 시작하여 계속적으로 증가하다가 약 50분 이후부터는 생성속도의 증가가 줄어드는 것으로 나타났다. 그리고 벤젠, 톨루엔 그리고 자일렌 순서로 수소의 생성속도가 빠른 것으로 나타났다.
<나노탄소 입자 이미지>
벤젠, 톨루엔, 자일렌 중에 플라즈마를 발생시켰을 때 각각 생성되는 나노탄소 입자의 투과형전자현미경(TEM) 이미지를 도 12에 나타내었다.
도 12를 참조하면, 벤젠, 톨루엔, 자일렌으로부터 생성된 탄소는 모두 나노미터 크기의 미세한 입자로 이루어진 것을 확인할 수 있었다.
<탄화수소의 냉각여부에 따른 가스 성분 분석>
벤젠 중에 플라즈마를 발생시켰을 때 생성되는 가스의 성분을 가스크로마토그래프(GC)로 분석하여 그 결과를 도 13 및 도 14에 나타내었다.
도 13은 항온냉각기를 이용하여 벤젠을 -5℃로 냉각시키면서 플라즈마를 발생시켰을 때 생성되는 가스의 성분을 분석한 그래프이고, 도 14는 항온냉각기를 이용하지 않고 벤젠에서 플라즈마를 발생시켰을 때 생성되는 가스의 성분을 분석한 그래프이다.
도 13 및 도 14를 참조하면, 항온냉각기를 이용하여 벤젠을 -5℃로 냉각시키면서 플라즈마를 발생시킨 경우 생성되는 가스는 수소만 검출되었다. 반면에 벤젠을 냉각시키기 않고 플라즈마를 발생시킨 경우 생성된 가스에는 수소 외에 벤젠이 함께 검출되었다. 이는 벤젠의 온도가 상승하면서 벤젠이 기화되어 발생된 벤젠가스가 수소 가스에 혼합된 결과이다.
따라서 순수한 수소만을 생산하기 위해서는 탄화수소의 온도를 일정하게 유지하는 것이 중요함을 알 수 있다.
이상, 본 발명은 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
10: 반응기 20: 탄화수소공급부
30: 액상플라즈마발생수단 40: 냉각부
50: 가스포집부 60: 탄소포집부

Claims (9)

  1. 반응기와;
    상기 반응기로 액상의 탄화수소를 공급하기 위한 탄화수소공급부와;
    상기 반응기 내의 탄화수소 중에서 플라즈마를 발생시켜 수소 가스와 나노탄소를 동시에 생성시키기 위한 액상플라즈마발생수단과;
    상기 반응기 내의 탄화수소를 냉각시켜 탄화수소를 일정한 온도로 유지하기 위한 냉각부와;
    상기 반응기 내에서 생성된 수소 가스를 모으기 위한 가스포집부와;
    상기 반응기 내에서 생성된 나노탄소를 탄화수소로부터 분리하여 모으기 위한 탄소포집부;를 구비하며,
    상기 탄소포집부는 상기 반응기와 연결되어 상기 반응기 내의 탄화수소가 배출되는 순환유입관과, 상기 순환유입관과 연결되어 상기 순환유입관을 통해 유입되는 탄화수소 중의 나노탄소를 분리하는 고액분리유닛과, 상기 고액분리유닛에서 분리되어 배출되는 나노탄소가 저장되는 탄소저장탱크와, 나노탄소가 제거된 탄화수소가 상기 고액분리유닛에서 상기 반응기로 유입될 수 있도록 상기 고액분리유닛과 상기 반응기를 연결하는 순환유출관을 구비하는 것을 특징으로 하는 액상 플라즈마 반응을 이용하여 탄화수소로부터 수소 및 나노탄소를 동시에 생성시키는 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 반응기는 탄화수소가 수용되는 반응챔버와, 상기 반응챔버의 외측면을 감싸도록 형성되어 상기 반응챔버의 주위에 열교환매체가 경유하는 냉각공간을 만드는 재킷부를 구비하는 것을 특징으로 하는 액상 플라즈마 반응을 이용하여 탄화수소로부터 수소 및 나노탄소를 동시에 생성시키는 장치.
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서, 상기 고액분리유닛은 상기 순환유입관에서 분기되는 제 1유입분기관이 상부에 연결되고 상기 순환유출관에서 분기되는 제 1유출분기관이 하부에 연결되는 제 1분리챔버와, 상기 순환유입관에서 분기되는 제 2유입분기관이 상부에 연결되고 상기 순환유출관에서 분기되는 제 2유출분기관이 하부에 연결되는 제 2분리챔버와, 상기 제 1분리챔버의 내부에는 설치되어 상기 제 1유입분기관을 통해 유입되는 탄화수소 중의 나노탄소를 걸러내기 위한 제 1필터와, 상기 제 1분리챔버의 하부에 형성되어 상기 제 1분리챔버에서 탄화수소가 배출되면 상기 제 1필터를 통과하지 못한 나노탄소가 모이며 제 1탄소배출관에 의해 상기 탄소저장탱크와 연결되는 제 1수거호퍼와, 상기 제 2분리챔버의 내부에는 설치되어 상기 제 2유입분기관을 통해 유입되는 탄화수소 중의 나노탄소를 걸러내기 위한 제 2필터와, 상기 제 2분리챔버의 하부에 형성되어 상기 제 2분리챔버에서 탄화수소가 배출되면 상기 제 2필터를 통과하지 못한 나노탄소가 모이며 제 2탄소배출관에 의해 상기 탄소저장탱크와 연결되는 제 2수거호퍼를 구비하는 것을 특징으로 하는 액상 플라즈마 반응을 이용하여 탄화수소로부터 수소 및 나노탄소를 동시에 생성시키는 장치.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 탄소포집부는 상기 제 1분리챔버와 상기 제 2분리챔버에서 나노탄소가 교대로 분리될 수 있도록 상기 고액분리유닛에서의 탄화수소 흐름을 제어하는 제어수단을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 액상 플라즈마 반응을 이용하여 탄화수소로부터 수소 및 나노탄소를 동시에 생성시키는 장치.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 제어수단은 상기 제 1유입분기관에 설치되는 제 1유입밸브와, 상기 제 2유입분기관에 설치되는 제 2유입밸브와, 상기 제 1탄소배출관에 설치되며 상기 제 1유입밸브가 개방되면 닫히는 제 1배출밸브와, 상기 제 2탄소배출관에 설치되며 상기 제 2유입밸브가 개방되면 닫히는 제 2배출밸브와, 상기 제 1 및 제 2유입밸브를 교대로 개방시키는 컨트롤유닛을 구비하는 것을 특징으로 하는 액상 플라즈마 반응을 이용하여 탄화수소로부터 수소 및 나노탄소를 동시에 생성시키는 장치.
  7. 삭제
  8. 액상의 탄화수소를 반응기로 공급하는 공급단계와;
    상기 반응기 내의 탄화수소 중에서 플라즈마를 발생시켜 수소 가스와 나노탄소를 동시에 생성시키는 반응단계와;
    상기 반응기 내에서 생성된 수소 가스를 모으는 가스포집단계와;
    상기 반응기 내의 탄화수소를 고액분리유닛으로 경유하도록 순환시키면서 탄화수소 중의 나노탄소를 분리하여 모으는 탄소포집단계;를 포함하고,
    상기 반응단계는 상기 반응기 내의 탄화수소를 냉각시켜 탄화수소를 일정한 온도로 유지하면서 수행하며,
    상기 탄소포집단계는 a)상기 반응기와 연결되는 순환유입관을 통해 탄화수소를 상기 반응기에서 상기 고액분리유닛으로 유입시키는 단계와, b)상기 고액분리유닛으로 유입된 탄화수소 중의 나노탄소를 분리하는 단계와, c)상기 고액분리유닛과 연결된 순환유출관을 통해 나노탄소가 분리된 탄화수소를 상기 고액분리유닛에서 상기 반응기로 유입시키는 단계와, d)상기 고액분리유닛에서 분리된 나노탄소를 탄소저장탱크로 배출시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 액상 플라즈마 반응을 이용하여 탄화수소로부터 수소 및 나노탄소를 동시에 생성시키는 방법.
  9. 액상의 탄화수소를 반응기로 공급하는 공급단계와;
    상기 반응기 내의 탄화수소 중에서 플라즈마를 발생시켜 수소 가스와 나노탄소를 동시에 생성시키는 반응단계와;
    상기 반응기 내에서 생성된 수소 가스를 모으는 가스포집단계와;
    상기 반응기 내의 탄화수소를 고액분리유닛으로 경유하도록 순환시키면서 탄화수소 중의 나노탄소를 분리하여 모으는 탄소포집단계;를 포함하고,
    상기 반응단계는 상기 반응기 내의 탄화수소를 냉각시켜 탄화수소를 일정한 온도로 유지하면서 수행하며,
    상기 탄소포집단계는 상기 고액분리유닛에서 탄화수소를 2개의 경로로 나누어서 경유시키고, 상기 2개의 경로에서 교대로 나노탄소의 분리가 수행되는 것을 특징으로 하는 액상 플라즈마 반응을 이용하여 탄화수소로부터 수소 및 나노탄소를 동시에 생성시키는 방법.
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