KR102576124B1 - 광촉매가 코팅된 탄소면상 발열체 열원 공급 삽입판이 적용된 이산화탄소 전환용 광촉매 기상 반응기 시스템 - Google Patents
광촉매가 코팅된 탄소면상 발열체 열원 공급 삽입판이 적용된 이산화탄소 전환용 광촉매 기상 반응기 시스템 Download PDFInfo
- Publication number
- KR102576124B1 KR102576124B1 KR1020210154203A KR20210154203A KR102576124B1 KR 102576124 B1 KR102576124 B1 KR 102576124B1 KR 1020210154203 A KR1020210154203 A KR 1020210154203A KR 20210154203 A KR20210154203 A KR 20210154203A KR 102576124 B1 KR102576124 B1 KR 102576124B1
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- photocatalyst
- heating element
- carbon dioxide
- carbon
- surface heating
- Prior art date
Links
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 180
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 90
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 title claims abstract description 90
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 64
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 64
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 title claims abstract description 64
- 239000011941 photocatalyst Substances 0.000 title claims abstract description 63
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 title claims abstract description 53
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims abstract description 69
- 230000001699 photocatalysis Effects 0.000 claims abstract description 45
- 239000012495 reaction gas Substances 0.000 claims abstract description 24
- 238000003780 insertion Methods 0.000 claims abstract description 17
- 230000037431 insertion Effects 0.000 claims abstract description 17
- 239000010453 quartz Substances 0.000 claims abstract description 8
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 8
- 230000020169 heat generation Effects 0.000 claims abstract description 4
- 239000002002 slurry Substances 0.000 claims description 4
- 230000003213 activating effect Effects 0.000 claims description 3
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 38
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 13
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 10
- 238000000034 method Methods 0.000 description 10
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 7
- 239000005431 greenhouse gas Substances 0.000 description 6
- 239000000463 material Substances 0.000 description 6
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 5
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 4
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 4
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 4
- 229920000767 polyaniline Polymers 0.000 description 4
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 4
- UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N Carbon monoxide Chemical compound [O+]#[C-] UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910002091 carbon monoxide Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000006555 catalytic reaction Methods 0.000 description 3
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 3
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 3
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 3
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 3
- 238000001354 calcination Methods 0.000 description 2
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 238000002848 electrochemical method Methods 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000007639 printing Methods 0.000 description 2
- 230000000717 retained effect Effects 0.000 description 2
- 230000000630 rising effect Effects 0.000 description 2
- 238000010532 solid phase synthesis reaction Methods 0.000 description 2
- 238000003836 solid-state method Methods 0.000 description 2
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 2
- 238000010792 warming Methods 0.000 description 2
- 229910015902 Bi 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920006266 Vinyl film Polymers 0.000 description 1
- 230000002159 abnormal effect Effects 0.000 description 1
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 239000004568 cement Substances 0.000 description 1
- 239000003638 chemical reducing agent Substances 0.000 description 1
- 229920001940 conductive polymer Polymers 0.000 description 1
- 239000011889 copper foil Substances 0.000 description 1
- 238000007598 dipping method Methods 0.000 description 1
- 230000001747 exhibiting effect Effects 0.000 description 1
- 230000005621 ferroelectricity Effects 0.000 description 1
- 239000002803 fossil fuel Substances 0.000 description 1
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 1
- 238000010574 gas phase reaction Methods 0.000 description 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 1
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000013032 photocatalytic reaction Methods 0.000 description 1
- 238000006552 photochemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 1
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 1
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 1
- 238000004064 recycling Methods 0.000 description 1
- 238000007670 refining Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 238000004626 scanning electron microscopy Methods 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 238000003980 solgel method Methods 0.000 description 1
- 238000004729 solvothermal method Methods 0.000 description 1
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 1
- 238000004627 transmission electron microscopy Methods 0.000 description 1
- 239000002351 wastewater Substances 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01D—SEPARATION
- B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
- B01D53/34—Chemical or biological purification of waste gases
- B01D53/74—General processes for purification of waste gases; Apparatus or devices specially adapted therefor
- B01D53/86—Catalytic processes
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J35/00—Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties
- B01J35/002—Catalysts characterised by their physical properties
- B01J35/004—Photocatalysts
-
- B01J35/39—
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J8/00—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes
- B01J8/008—Details of the reactor or of the particulate material; Processes to increase or to retard the rate of reaction
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J8/00—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes
- B01J8/02—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes with stationary particles, e.g. in fixed beds
- B01J8/0285—Heating or cooling the reactor
-
- H—ELECTRICITY
- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
- H05B3/00—Ohmic-resistance heating
- H05B3/10—Heater elements characterised by the composition or nature of the materials or by the arrangement of the conductor
- H05B3/12—Heater elements characterised by the composition or nature of the materials or by the arrangement of the conductor characterised by the composition or nature of the conductive material
- H05B3/14—Heater elements characterised by the composition or nature of the materials or by the arrangement of the conductor characterised by the composition or nature of the conductive material the material being non-metallic
- H05B3/145—Carbon only, e.g. carbon black, graphite
-
- H—ELECTRICITY
- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
- H05B3/00—Ohmic-resistance heating
- H05B3/20—Heating elements having extended surface area substantially in a two-dimensional plane, e.g. plate-heater
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01D—SEPARATION
- B01D2255/00—Catalysts
- B01D2255/80—Type of catalytic reaction
- B01D2255/802—Photocatalytic
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01D—SEPARATION
- B01D2257/00—Components to be removed
- B01D2257/50—Carbon oxides
- B01D2257/504—Carbon dioxide
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02C—CAPTURE, STORAGE, SEQUESTRATION OR DISPOSAL OF GREENHOUSE GASES [GHG]
- Y02C20/00—Capture or disposal of greenhouse gases
- Y02C20/40—Capture or disposal of greenhouse gases of CO2
Abstract
본 발명은 이산화탄소 전환용 광촉매 기상 반응기 시스템에 관한 것으로, 이산화탄소가 주입되는 가스 주입구와 전환된 반응가스가 배출되는 가스 배출구를 포함하면서 광원을 전달받기 위한 투명 석영 윈도우를 상하로 포함하는 밀폐된 반응기 본체를 포함하고,
반응기 본체 내부에 반응가스의 체류시간을 증대시키기 위해 상하 방향으로 흐르도록 가스통로를 일정 간격으로 서로 이격된 위치에 다수 배치된 삽입판을 포함하고,
삽입판의 양면에 부착되어 열 공급 수단에 의해 전도성 탄소가 발열하는 탄소면상 발열체와 탄소면상 발열체의 표면에 코팅되는 광촉매를 포함하는 이산화탄소 전환용 광촉매 기상 반응기 시스템에 관한 것이다.
본 발명은, 탄소면상 발열체의 발열에 의해 코팅된 광촉매에 직접 열을 공급하거나 기상 반응기 내부 반응온도를 높여 광촉매를 최대한 활성화함으로써, 가시광선 영역에서도 이산화탄소 전환 효율을 상승시키는 것을 특징으로 하는 광촉매가 코팅된 탄소면상 발열체 열원 공급 삽입판이 적용된 이산화탄소 전환용 광촉매 기상 반응기 시스템에 관한 것이다.
반응기 본체 내부에 반응가스의 체류시간을 증대시키기 위해 상하 방향으로 흐르도록 가스통로를 일정 간격으로 서로 이격된 위치에 다수 배치된 삽입판을 포함하고,
삽입판의 양면에 부착되어 열 공급 수단에 의해 전도성 탄소가 발열하는 탄소면상 발열체와 탄소면상 발열체의 표면에 코팅되는 광촉매를 포함하는 이산화탄소 전환용 광촉매 기상 반응기 시스템에 관한 것이다.
본 발명은, 탄소면상 발열체의 발열에 의해 코팅된 광촉매에 직접 열을 공급하거나 기상 반응기 내부 반응온도를 높여 광촉매를 최대한 활성화함으로써, 가시광선 영역에서도 이산화탄소 전환 효율을 상승시키는 것을 특징으로 하는 광촉매가 코팅된 탄소면상 발열체 열원 공급 삽입판이 적용된 이산화탄소 전환용 광촉매 기상 반응기 시스템에 관한 것이다.
Description
본 발명은 광촉매가 코팅된 탄소면상 발열체 열원 공급 삽입판이 적용된 이산화탄소 전환용 광촉매 기상 반응기 시스템에 관한 것이다.
보다 상세하게는 광촉매 기상 반응에 의한 이산화탄소 자원화 시스템으로, 광촉매가 코팅된 탄소면상 발열체 열원 공급 삽입판을 적용하여 광촉매 및 반응기 내부 반응온도를 높이고 반응기체의 체류시간을 증가시킴으로써, 가시광선 영역에서도 광촉매가 최대 활성을 가지도록 하는 이산화탄소 전환용 광촉매 기상 반응기 시스템에 관한 것이다.
산업혁명 이후 산업화가 급격히 진행됨에 따라 화석연료의 과도한 사용으로 온실가스 배출 또한 지속적으로 증가하고 있으며, 이로 인해 지구 온난화로 인한 기온 상승, 해수면 상승, 가뭄, 집중호우, 산불 등 이상 기후 현상에 의해 세계 곳곳에서 자연재해가 빈번히 발생하고 있다.
온실가스의 대표적인 이산화탄소(CO2)는 가장 많은 배출량을 차지하고 있으며, 산업유형별 이산화탄소 배출은 발전소 등 에너지 공급원에서 가장 많고, 발전을 포함한 시멘트/철강/화학/정제 산업 등에서 배출되는 이산화탄소가 전 세계 배출량의 절반을 차지하고 있다.
이로 인해, 전 세계적으로 지구 온난화 및 기후 변화 대응을 위한 대책 마련을 위해 국제사회의 논의가 본격화되고 있으며, 세계 최대 온실가스 배출국인 미국과 중국이 온실가스 감축 공약을 발표하는 등 세계 각국이 온실가스 저감에 적극적으로 동참하고 있다.
이산화탄소를 단순히 포집*저장(Carbon Capture Storage, CCS)할 뿐만 아니라 이를 유용한 자원으로 재활용하여 부가가치가 높은 물질로 전환하는 기술에 대해 세계적 관심사가 집중되고 있다.
이산화탄소 포집*저장*활용(Carbon Capture Utilization & Storage, CCUS) 기술은 이산화탄소를 포집하고, 이를 저장(Carbon Capture & Storage, CCS)하는 기술과 더불어 이산화탄소를 유용한 자원으로 재활용(Carbon Capture & Utilization, CCU)하여 부가가치가 높은 물질로 전환하는 기술로, 최근 기술의 유용성으로 인하여 연구가 활발히 진행되고 있다.
이산화탄소의 다양한 화학적 전환을 위해 화학양론적 방법, 열촉매화학적 방법, 전기화학적 방법, (광)전기화학적 방법, 광촉매 방법 등 여러 기술이 연구되고 있다.
특히, (광)전기화학적 및 광촉매에 의한 전환 방법은 풍부한 태양광을 이용하여 이산화탄소를 연료, 화학원료 등 유용한 물질 자원으로 전환하므로 깨끗한 환경과 지속 가능한 개발을 유지하기 위해 현재 각광 받는 기술 중 하나이다.
그러나, 광촉매를 이용한 이산화탄소 광전환 공정은 광화학반응의 효율 및 전환물질 선택도가 크게 개선되어야 함에 따라 효율적인 광촉매 반응을 얻기 위해 광량, 반응온도, 체류시간 등 촉매반응공학적 관점에서 광촉매 기상 반응기 시스템 개발이 필요하다.
하지만, 종래의 기상 광촉매 반응기 기술의 경우, 단지 기상 광촉매 반응기 내 유로개선을 통한 체류시간 증대에 따른 전환 효율 향상에 집중되어 있는 실정이다.
이에 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 광촉매가 코팅된 탄소면상 발열체가 양면에 부착된 열원 공급 삽입판을 적용하여 광촉매 및 반응기 내부 반응온도를 높이고 반응기체의 체류시간을 증가시켜 가시광선 영역에서도 광촉매의 촉매반응을 최대한 활성화함으로써, 높은 이산화탄소 전환 효율을 가지도록 하는 이산화탄소 전환용 광촉매 기상 반응기 시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 전환용 광촉매 기상 반응기 시스템은 이산화탄소가 주입되는 가스 주입구와 전환된 반응가스가 배출되는 가스 배출구를 포함하고, 광원을 전달받기 위한 투명한 석영 윈도우를 상하로 밀폐된 반응기 본체; 상기 반응기 본체 내부에 이산화탄소를 포함한 반응가스의 체류시간 증대를 위한 상하 방향 흐름을 유도하는 일정 간격으로 다수 배치된 삽입판; 상기 삽입판 양면에 부착되어 열 공급 수단에 의해 전도성 탄소가 발열하는 탄소면상 발열체; 및 상기 탄소면상 발열체의 표면에 코팅되는 광촉매를 포함하고, 상기 탄소면상 발열체의 발열에 의해 코팅된 광촉매에 직접 열을 공급하거나 기상 반응기 내부 반응온도를 높여 광촉매를 최대한 활성화함으로써, 가시광선 영역에서도 이산화탄소 전환 효율을 높이는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 전환용 광촉매 기상 반응기 시스템의 광촉매는 상기 탄소면상 발열체 표면에 슬러리 형태로 코팅될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 전환용 광촉매 기상 반응기 시스템의 광촉매는 페로브스카이트 구조를 가지는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 전환용 광촉매 기상 반응기 시스템의 광촉매는 상기 탄소면상 발열체의 발열로부터 공급되는 열원에 의해 가시광선 파장 조건에서도 활성을 가지는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 전환용 광촉매 기상 반응기 시스템의 열 공급 수단은 상기 탄소면상 발열체와 연결되고, 전압변화 조건에 따라 상기 탄소면상 발열체의 온도를 조절하는 전압조절기를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 이산화탄소 전환용 광촉매 기상 반응기 시스템은, 광촉매가 코팅된 탄소면상 발열체가 양면에 부착된 열원 공급 삽입판을 적용하여 광촉매 및 반응기 내부 반응온도를 높이고 반응기체의 체류시간을 증가시켜 가시광선 영역에서도 광촉매의 촉매반응을 최대한 활성화함으로써, 높은 이산화탄소 전환 효율을 상승시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 광원을 전달받기 위한 투명한 석영 윈도우 및 열원 공급 삽입판이 적용된 이산화탄소 전환용 광촉매 기상 반응기 시스템을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 반응가스의 체류시간 증대를 위한 상하 흐름 방향을 유도하는 일정 간격으로 다수 배치된 삽입판을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 열원 공급 삽입판에 부착된 열원 공급용 탄소면상 발열체를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 열원 공급 삽입판에 부착된 탄소면상 발열체로 열원을 공급하는 수단에 대해 설명을 하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 열원 공급 삽입판이 배치되는 위치와 기상 반응기에 연결된 열원 공급 수단을 설명하기 위한 도면이다.
도 6는 본 발명의 실시예에 따른 이산화탄소 전환용 광촉매 기상 반응기 시스템에 있어서, 자외선 및 가시광선 영역하에서 이산화탄소를 메탄, 수소, 일산화탄소 등의 유용한 물질로 전환하는 광촉매 제조방법에 관한 설명을 하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 광촉매의 표면을 주사전자현미경(SEM) 및 투과전자현미경(TEM)을 이용하여 고상법으로 제조된 PBNO 광촉매를 촬영한 이미지를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 반응가스의 체류시간 증대를 위한 상하 흐름 방향을 유도하는 일정 간격으로 다수 배치된 삽입판을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 열원 공급 삽입판에 부착된 열원 공급용 탄소면상 발열체를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 열원 공급 삽입판에 부착된 탄소면상 발열체로 열원을 공급하는 수단에 대해 설명을 하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 열원 공급 삽입판이 배치되는 위치와 기상 반응기에 연결된 열원 공급 수단을 설명하기 위한 도면이다.
도 6는 본 발명의 실시예에 따른 이산화탄소 전환용 광촉매 기상 반응기 시스템에 있어서, 자외선 및 가시광선 영역하에서 이산화탄소를 메탄, 수소, 일산화탄소 등의 유용한 물질로 전환하는 광촉매 제조방법에 관한 설명을 하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 광촉매의 표면을 주사전자현미경(SEM) 및 투과전자현미경(TEM)을 이용하여 고상법으로 제조된 PBNO 광촉매를 촬영한 이미지를 나타낸 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 페로브스카이트 구조의 광촉매가 코팅된 탄소면상 발열체 열원 공급 삽입판이 적용된 이산화탄소 전환용 광촉매 기상 반응기 시스템에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형할 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래의 실시 예들로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시예는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.
또한, 상기 용어들은 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 발명은 이산화탄소 전환용 광촉매 기상 반응기 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 광촉매가 코팅된 탄소면상 발열체 열원 공급 삽입판을 적용한 이산화탄소 전환용 광촉매 기상 반응기 시스템에 관한 것이다.
이산화탄소 전환은 이산화탄소 활용 기술로써, 대규모 온실가스 배출원에서 발생되는 이산화탄소를 산업적인 용도로 직접 이용하거나 고부가가치 제품으로 전환하여 활용하는 기술 내용을 포함한다.
이산화탄소 전환 기술을 포함하는 이산화탄소 활용 기술은 이산화탄소를 직접 활용하기 때문에 이산화탄소 포집*?*저장 기술에서와 같은 저장을 위한 일련의 공정이 없이 이산화탄소의 저감이 가능하다.
도면을 참고하면, 본 발명의 실시에에 따른 이산화탄소 전환용 광촉매 기상 반응기 시스템(10)은, 이산화탄소가 주입되는 가스 주입구(11)와, 전환된 반응가스가 배출되는 가스 배출구(12)와, 광원을 전달받기 위한 투명한 석영 윈도우를 상하로 포함하는 밀폐된 반응기 본체와, 상기 반응기 본체 내부에 반응가스의 흐름(30)에 대하여 체류시간을 증대시키기 위해 상하 방향을 유도하는 일정 간격으로 다수 배치된 삽입판(20)과, 상기 삽입판의 양면에 부착되어 열 공급 수단에 의해 전도성 탄소가 발열하는 탄소면상 발열체(22), 및 상기 탄소면상 발열체(22)의 표면에 코팅되는 광촉매를 포함한다. 또한, 상기 열 공급 수단은, 상기 탄소면상 발열체와 연결되며 전압변화 조건에 따라 상기 탄소면상 발열체의 온도를 조절하는 전압조절기(40)일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 이산화탄소 전환용 광촉매 기상 반응기 시스템(10)은, 이산화탄소가 주입되는 가스 주입구(11)와 전환된 반응가스가 배출되는 가스 배출구(12)를 포함하면서 광원을 전달받기 위한 투명한 석영 윈도우를 상하로 포함하는 밀폐된 반응기 본체;를 포함하고, 상기 반응기 본체 내부에 반응가스의 체류시간을 증대시키기 위해 상하 방향을 유도하는 일정 간격으로 다수 배치된 삽입판(20);을 포함하고, 상기 삽입판의 양면에 부착되어 열 공급 수단에 의해 전도성 탄소가 발열하는 탄소면상 발열체(22); 및 상기 탄소면상 발열체(22)의 표면에 코팅되는 광촉매;를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 이산화탄소 전환용 광촉매 기상 반응기 시스템은, 상기 탄소면상 발열체(22)의 발열에 의해 코팅된 광촉매에 직접 열을 공급하거나 기상 반응기 내부 반응온도를 높여 광촉매를 최대한 활성화함으로써, 가시광선 영역에서도 이산화탄소 전환 효율을 상승시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이산화탄소 전환용 광촉매 기상 반응기 시스템을 도시한 도면으로, 본 발명의 실시예에 따른 이산화탄소 전환용 광촉매 기상 반응기 시스템를 설명하기 위한 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 이산화탄소 전환용 광촉매 기상 반응기 시스템(10)은 이산화탄소 전환용 광촉매 기상 반응기 시스템에 있어서, 이산화탄소를 포함하는 반응가스가 주입되는 가스 주입구(11)와 전환된 반응가스가 배출되는 가스 배출구(12)를 포함하고, 광원을 전달받기 위한 투명한 석영 윈도우를 상하로 포함하는 밀폐된 반응기 본체 및 일정 간격으로 서로 이격된 위치에 다수 배치된 열원 공급 삽입판(20)을 포함할 수 있다.
상기 광원은 태양광일 수 있으며, 상기 투명한 석영 윈도우는 판형의 형태로 된 투명판일 수 있다.
도 2는 상기 도 1과 같은 밀폐된 반응기 본체 내에서 이산화탄소의 흐름(30) 및 이에 따른 반응을 나타낸 도면이며, 이를 살펴보면, 도 2에 도시한 열원 공급 삽입판을 통해 이산화탄소를 포함하는 반응가스는 가스 주입구를 통해 반응기 본체로 공급된 후 열원 공급 삽입판의 반응가스 통로를 통해 이산화탄소를 포함한 반응가스가 상하 흐름으로 반응기 내부를 통과하여 이산화탄소가 전환되며 미반응된 이산화탄소를 포함하는 생성가스는 가스 배출구를 통해 배출된다.
구체적으로 통상의 이산화탄소 전환용 기상 반응기는 이산화탄소를 전환하는데 있어서 일정한 시간이 요구되며, 이에 공급되는 반응가스에 포함된 이산화탄소의 전량을 전환시키기 위해서는 높은 효율을 갖는 분리막 또는 삽입판을 필요로 한다. 또한, 반응기 내부에서 반응가스를 일정시간 이상 체류시키는 것이 요구된다.
그러나 한정된 부피 및 제한된 전환효율을 갖는 반응기로 공급된 이산화탄소를 포함한 반응가스가 전량 전환되기 위해서 필요한 정도의 반응기 내 체류시간을 확보하기 어렵고, 충분히 반응기 내에서 체류되지 못하고 반응기를 거쳐 배출된 가스에는 미반응된 이산화탄소가 다량 포함되어 이산화탄소 전환 효율이 낮다.
본 발명의 실시예에 따른 이산화탄소 전환용 광촉매 기상 반응기 시스템에서, 광촉매는 페로브스카이트 형태로 구성될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 페로브스카이트 형태로 구성되는 광촉매는 높은 이온전도도와 강유전성 및 산화이온전도성을 보유하고 있으며, 가시광선 조사 하에서 이러한 특성을 나타내어 광촉매 활성을 나타낼 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 이산화탄소 전환용 광촉매 기상 반응기 시스템에서, 광촉매는 탄소면상 발열체 표면에 슬러리 형태로 코팅될 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 이산화탄소 전환용 광촉매 기상 반응기 시스템(10)에 있어서, 열원 공급 삽입판(20)에 부착된 탄소면상 발열체(22)를 설명하기 위한 도면이며, 상기 탄소면상 발열체(22)는 고내열성 비닐계 필름 양면에 전도성 탄소잉크가 코팅 또는 인쇄되어 전류가 전달될 수 있도록 구리박판(21) 등의 전극선을 포함하는 발열체로 구성되어 있으며, 바인더를 포함하는 광촉매 슬러리를 제조하여 전도성 탄소잉크 표면에 광촉매를 코팅하여 광촉매에 직접적 온도 상승을 통해 높은 이산화탄소 전환율을 가질 수 있다.
구체적으로는 상기 탄소면상 발열체(22) 표면에 상기 광촉매를 코팅, 건조를 통해 제조할 수 있으며, 상기 광촉매를 탄소면상 발열체에 고분산 부착시키기 위하여 코팅공정(Coating process)를 거치게 되며, 탄소면상 발열체 표면에 바르거나(Coating) 뿌리거나(Spraying), 담지(Dipping)하거나, 프린팅(Printing)하는 등 여러 가지 방법을 적용하여 온화한 건조과정을 통해 제조할 수 있다.
도 4와 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 이산화탄소 전환용 광촉매 기상 반응기 시스템(10)에 있어서, 열원 공급 삽입판(20)에 부착된 탄소면상 발열체로 열원을 공급하는 수단에 대하여 설명을 하기 위한 도면이다.
상기 열원 공급 수단은, 상기 탄소면상 발열체와 연결되며 전압변화 조건에 따라 상기 탄소면상 발열체의 온도를 조절하는 전압조절기(40)일 수 있다.
상기 반응기 시스템 내 열원 공급 삽입판(20)이 고정되는 홈을 따라 구리박막(21)이 위치하게 되며, 상기 탄소면상 발열체(22)와 연결된 전압조절기(40)의 전압변화에 따라 탄소면상 발열체(22)의 온도를 조절할 수 있으며 이에 따른 탄소면상 발열체(22)의 발열에 의해 전도성 탄소잉크 표면에 코팅된 광촉매에 직접 열을 공급하거나 기상 반응기 내부의 이산화탄소를 포함하는 반응가스의 반응온도를 높여 최대 광촉매 효율을 나타내는 최적 온도를 공급할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 이산화탄소 전환용 광촉매 기상 반응기 시스템에서, 광촉매는 탄소면상 발열체의 발열로부터 공급되는 열원에 의해 가시광선 파장 조건에서도 더욱 높은 활성을 가질 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 이산화탄소 전환용 광촉매 기상 반응기 시스템에서, 광촉매는 분말 형태의 금속산화물을 혼합하고 소성하여 합성할 수 있다.
바람직하게는 분말 형태의 금속산화물을 이용한 고상법으로 합성할 수 있으며, 이러한 합성방법은 금속산화물의 분말을 섞고 물을 첨가하여 혼합한 후 건조와 소성단게를 거쳐 합성하는 방법으로 종래의 졸겔법 또는 용매열합성법에 비해 그 과정이 간단하고 폐수발생이 거의 없어 친환경적일 수 있다.
도 6는 본 발명의 실시예에 따른 이산화탄소 전환용 광촉매 기상 반응기 시스템에 있어서, 자외선 및 가시광선 영역하에서 이산화탄소를 메탄, 수소, 일산화탄소 등의 유용한 물질로 전환하는 광촉매 제조방법에 관한 것으로 높은 이온전도도를 보유하고 있는 페로브스카이트 구조의 광촉매를 분말형태의 PbO, Bi2O3, Nb2O5를 섞어 고상법(Solid-state method)으로 제조된 PBNO 광촉매 제조과정을 나타내었다.
구체적으로는 상기 고상법으로 제조된 PBNO 광촉매에 이온전도도를 향상시키기 위하여 전도성 물질 고분자인 폴리아닐린(PANI)을 표면에 얇게 도포함으로써 전자 이동을 보다 원활하게 하여 광촉매 효율을 향상시킬 수 있다.
이로 인해 가시광선 조사 하에서 광촉매를 활성시킬 수 있으며, 구체적으로 400 내지 800 NM의 파장의 빛을 흡수하여 광촉매가 활성될 수 있다.
<실시예1>
본 발명의 실시예에 따른 이산화탄소 전환용 광촉매 기상 반응기 시스템에 있어서, 상기 전압조절기를 통해 광촉매가 코팅된 탄소면상 발열체에 온도 발생 유무에 따른 이산화탄소 전환에 대한 생성물 발생률의 차이를 나타내었다.
| Materials | Production rates (μmol.g -1 cat. h -1 ) |
Light sources
(Reductant) |
|||
| CH 4 | CO | H 2 | O 2 | ||
| PANI coated PBNO (Room Temp.) |
36.95 | 25.20 | 62.12 | 113.91 | Visible light (H2O vapor) |
| PANI coated PBNO (100 oC) |
73.14 | 51.76 | 39.22 | 194.67 | Visible light (H2O vapor) |
자외선 및 가시광선 영역하에서 이산화탄소를 메탄, 일산화탄소, 수소, 등의 물질로 전환하는 정도의 차이를 열원에 의해 온도가 높아짐에 따라 비교하였다. 상온(room TEMP)에서 보다 100 ℃에서의 이산화탄소 전환에 따른 생성물 발생 정도가 더욱 크다는 것을 확인할 수 있다.
이상의 상세한 설명은 본 발명을 예시하는 것이다. 또한 전술한 내용은 본 발명의 바람직한 실시 형태를 나타내어 설명하는 것이며, 본 발명은 다양한 다른 조합, 변경 및 환경에서 사용할 수 있다. 즉 본 명세서에 개시된 발명의 개념의 범위, 저술한 개시 내용과 균등한 범위 및/또는 당업계의 기술 또는 지식의 범위내에서 변경 또는 수정이 가능하다. 저술한 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 구현하기 위한 최선의 상태를 설명하는 것이며, 본 발명의 구체적인 적용 분야 및 용도에서 요구되는 다양한 변경도 가능하다. 따라서 이상의 발명의 상세한 설명은 개시된 실시 상태로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니다. 또한 첨부된 청구범위는 다른 실시 상태도 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
10 ; 이산화탄소 전환용 광촉매 기상 반응기 시스템
11 ; 가스 주입구
12 ; 가스 배출구
20 ; 열원 공급 삽입판
21 ; 구리 박막
22 ; 탄소면 상 발열체
30 ; 반응가스 상하 흐름
40 ; 전압 조절기
11 ; 가스 주입구
12 ; 가스 배출구
20 ; 열원 공급 삽입판
21 ; 구리 박막
22 ; 탄소면 상 발열체
30 ; 반응가스 상하 흐름
40 ; 전압 조절기
Claims (4)
- 이산화탄소 전환용 광촉매 기상 반응기 시스템으로서,
이산화탄소가 주입되는 가스 주입구와 전환된 반응가스가 배출되는 가스 배출구를 포함하고, 광원을 전달받기 위한 투명 석영 윈도우를 상하로 포함하는 밀폐된 반응기 본체;
상기 반응기 본체 내부에 반응가스의 체류시간을 증대시키기 위해 상하 방향을 유도하는 일정 간격으로 다수 배치된 삽입판;
상기 삽입판의 양면에 부착되어 열 공급 수단에 의해 전도성 탄소가 발열하는 탄소면상 발열체; 및
상기 탄소면상 발열체의 표면에 코팅되는 광촉매를 포함하고, 상기 탄소면상 발열체의 발열에 의해 코팅된 광촉매에 직접 열을 공급하거나 기상 반응기 내부 반응온도를 높여 광촉매를 최대한 활성화함으로써, 가시광선 영역에서도 이산화탄소 전환 효율을 상승시키는 것을 특징으로 하는 광촉매가 코팅된 탄소면상 발열체 열원 공급 삽입판이 적용된 이산화탄소 전환용 광촉매 기상 반응기 시스템.
- 제 1항에 있어서,
상기 열 공급 수단은,
상기 탄소면상 발열체와 연결되고, 전압변화 조건에 따라 상기 탄소면상 발열체의 온도를 조절하는 전압조절기를 포함하는 것을 특징으로 하는 광촉매가 코팅된 탄소면상 발열체 열원 공급 삽입판이 적용된 이산화탄소 전환용 광촉매 기상 반응기 시스템.
- 제 1항에 있어서,
상기 광촉매는,
상기 탄소면상 발열체 표면에 광촉매를 포함하는 슬러리 형태로 코팅되는 것을 특징으로 하는 광촉매가 코팅된 탄소면상 발열체 열원 공급 삽입판이 적용된 이산화탄소 전환용 광촉매 기상 반응기 시스템.
- 제 3항에 있어서,
상기 광촉매는,
상기 탄소면상 발열체의 발열로부터 공급되는 열원에 의해 가시광선 파장 조건에서도 활성을 가지는 것을 특징으로 하는 광촉매가 코팅된 탄소면상 발열체 열원 공급 삽입판을 구비한 이산화탄소 전환용 광촉매 기상 반응기 시스템.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020210154203A KR102576124B1 (ko) | 2021-11-10 | 2021-11-10 | 광촉매가 코팅된 탄소면상 발열체 열원 공급 삽입판이 적용된 이산화탄소 전환용 광촉매 기상 반응기 시스템 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020210154203A KR102576124B1 (ko) | 2021-11-10 | 2021-11-10 | 광촉매가 코팅된 탄소면상 발열체 열원 공급 삽입판이 적용된 이산화탄소 전환용 광촉매 기상 반응기 시스템 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20230068161A KR20230068161A (ko) | 2023-05-17 |
| KR102576124B1 true KR102576124B1 (ko) | 2023-09-08 |
Family
ID=86547456
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020210154203A KR102576124B1 (ko) | 2021-11-10 | 2021-11-10 | 광촉매가 코팅된 탄소면상 발열체 열원 공급 삽입판이 적용된 이산화탄소 전환용 광촉매 기상 반응기 시스템 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR102576124B1 (ko) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003284926A (ja) | 2002-03-28 | 2003-10-07 | Nippon Shokubai Co Ltd | 光触媒を用いたガス浄化装置 |
| JP2006242396A (ja) | 2005-02-28 | 2006-09-14 | Nippon Zeon Co Ltd | 暖房用パネル装置 |
| JP2014104371A (ja) | 2012-11-22 | 2014-06-09 | Fuji Corp | 空気浄化装置 |
| CN107008214A (zh) | 2017-04-26 | 2017-08-04 | 华中科技大学 | 一种光催化还原co2反应器 |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101596439B1 (ko) * | 2011-10-24 | 2016-02-22 | 서강대학교산학협력단 | 태양광을 이용한 이산화탄소의 환원 장치 및 환원 방법 |
| KR101376757B1 (ko) * | 2011-11-07 | 2014-03-26 | 한국전기연구원 | 이산화탄소의 메탄화 반응을 위한 광촉매 장치 |
-
2021
- 2021-11-10 KR KR1020210154203A patent/KR102576124B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003284926A (ja) | 2002-03-28 | 2003-10-07 | Nippon Shokubai Co Ltd | 光触媒を用いたガス浄化装置 |
| JP2006242396A (ja) | 2005-02-28 | 2006-09-14 | Nippon Zeon Co Ltd | 暖房用パネル装置 |
| JP2014104371A (ja) | 2012-11-22 | 2014-06-09 | Fuji Corp | 空気浄化装置 |
| CN107008214A (zh) | 2017-04-26 | 2017-08-04 | 华中科技大学 | 一种光催化还原co2反应器 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR20230068161A (ko) | 2023-05-17 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Dutta | Review on solar hydrogen: Its prospects and limitations | |
| Acar et al. | Review of photocatalytic water‐splitting methods for sustainable hydrogen production | |
| Das et al. | A review on advances in photocatalysts towards CO 2 conversion | |
| Labhasetwar et al. | Perovskite-type catalytic materials for environmental applications | |
| Acar et al. | Transition to a new era with light-based hydrogen production for a carbon-free society: An overview | |
| Acar et al. | A review on selected heterogeneous photocatalysts for hydrogen production | |
| Francis et al. | A review on recent developments in solar photoreactors for carbon dioxide conversion to fuels | |
| Su et al. | Recent advances in the photocatalytic reduction of carbon dioxide | |
| Tahir et al. | Well-designed 3D/2D/2D WO3/Bt/g-C3N4 Z-scheme heterojunction for tailoring photocatalytic CO2 methanation with 2D-layered bentonite-clay as the electron moderator under visible light | |
| Ampelli et al. | A novel photoelectrochemical approach for the chemical recycling of carbon dioxide to fuels | |
| Liu et al. | Photochemical systems for solar-to-fuel production | |
| Ampelli et al. | A gas-phase reactor powered by solar energy and ethanol for H2 production | |
| Ni et al. | Significantly enhanced photocatalytic performance of the g-C3N4/sulfur-vacancy-containing Zn3In2S6 heterostructure for photocatalytic H2 and H2O2 generation by coupling defects with heterojunction engineering | |
| Albonetti et al. | Horizons in sustainable industrial chemistry and catalysis | |
| Wu et al. | Photothermocatalytic dry reforming of methane for efficient CO2 reduction and solar energy storage | |
| Kunchala et al. | Irregularly shaped Mn2O3 nanostructures with high surface area for water oxidation | |
| Yadav et al. | A brief review on key role of perovskite oxides as catalyst | |
| Ampelli et al. | Development of a TiO2 nanotube array-based photo-reactor for H2 production by water splitting | |
| Bai et al. | Ambient sunlight-driven photothermal methanol dehydrogenation for syngas production with 32.9% solar-to-hydrogen conversion efficiency | |
| Preethi | Solar hydrogen production in India | |
| Zhao et al. | S-Scheme-Heterojunction LaNiO3/CdLa2S4 photocatalyst for solar-driven CO2-to-CO conversion | |
| Kaushik et al. | Photoelectrochemical Degradation of Organic Pollutants Coupled with Molecular Hydrogen Generation Using Bi2O3/TiO2 Nanoparticle Arrays | |
| JP2013234077A (ja) | 水素製造装置、及びそれを用いた水素製造方法 | |
| KR102576124B1 (ko) | 광촉매가 코팅된 탄소면상 발열체 열원 공급 삽입판이 적용된 이산화탄소 전환용 광촉매 기상 반응기 시스템 | |
| CN103381367B (zh) | 一种光催化分解水制氢材料CdS/Ba0.9Zn0.1TiO3及其制备方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant |