KR102696068B1 - 다양한 금속과 플라즈마를 이용한 수중 질소고정 방법 - Google Patents

다양한 금속과 플라즈마를 이용한 수중 질소고정 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 대기압 비열 플라즈마를 사용한 수중 질소 고정 방법을 제공한다. 표준 환원 전위가 마이너스 값을 갖는 금속, 또는 그러한 금속을 포함한 금속염을 대기압 비열 플라즈마 처리 전 또는 후에 물에 침지하여 질소 고정 속도를 높인다.

Description

다양한 금속과 플라즈마를 이용한 수중 질소고정 방법{Plasma-assisted nitrogen fixation in water with various metals}
본 발명은 질소고정방법에 관한 것으로, 좀 더 특별하게는, 금속과 플라즈마를 이용하여 질소를 고정하는 방법에 관한 것이다.
질소 고정은 식물의 성장에 필수적인 과정이다. 고정 질소 함유 무기 제품은
모든 질소 기반 유기화합물, 즉, 단백질 및 핵산과 같은 유기물의 생체합성에 필수적이기 때문이다. 자연적 질소 순환은 존재하고 우리 대기의 대부분은 질소로 되어있다. 그러나 천연 질소 고정은 식물로 높은 식량 수요를 충족시키기에 불충분하며, 이는 질소를 공기에서 직접 흡수할 수 없기 때문이다. 암모니아(NH3)는 인간 사회와 직결되며, 이는 질소 기반 비료의 필수 성분이기 때문이다.3 그래서 인간은 항상 인공적인 질소고정 방법에 관심을 가져왔다.
산업용 NH3 생산은 1913년 노벨상 수상자 프리츠 하버와 칼 보쉬의 노력에 의해 시작되었고, 지금은 하버-보쉬(H~B) 방법으로 알려져 있다.
현재 NH3의 일일 생산량은 2000톤이며, 오직 수요의 40%만을 만족시키는 것이며, 지구상의 전체 질소(N2) 고정의 29%를 차지한다. 이 NH3의 약 80%가 비료에 사용되고, 나머지는 폭발물, 살충제, 착색제, 의약품, 냉각제, 발효 및 에너지 저장에 사용된다. H-B 공정은 극도로 높은 수준의 물리 환경(150~300기압 및 400~500기압) 하에 철 기반 촉매를 필요로 한다. 이러한 필요를 제공하기 위해 NH3 합성 산업은 현재 화학 제조에 사용되는 총 에너지의 80%를 사용하고 있다. 이 소모적인 에너지원과 자본 요건은 NH3 합성 산업의 중앙 집중화에 책임이 있다. 게다가, 메탄을 수소로 증기 변환하기 위해 연간 2억 톤 이상의 CO2가 배출되고 있으며, 이는 전 세계 온실가스 생산량의 75%를 차지한다. 따라서 연구원들은 H-B 공정의 이러한 결함을 보완할 수 있는 대안을 적극적으로 찾고 있다.
플라즈마 보조 질소 고정은 다음과 같은 과정을 거친다. 플라즈마 생성 원자 질소(N), 여기 질소 분자(N2*), 질소 분자 이온(N2)이 산화질소(NO), 아질산염(NO2), 질산염(NO3), NH3와 같은 질소 화합물로 변환된다. 약 115년 전, 열 플라즈마는 최초로 비료 산업에서 질소 고정용으로 사용되었으며, 대기 질소를 전기 아크를 통과시켜 질소산화물을 만들었다(버클랜드-에이드 공정).
그러나 이러한 공정은 녹색 에너지원에 접근할 수 없기 때문에 비경제적이었다. 지속 가능한 에너지 자원이 등장하면서, 이 주제는 다시 한번 중요한 이슈로 여겨지고 있다. 현재 비열대기압 플라즈마(NTAPP)는 온실가스를 배출하지 않고 대기상태에서 지속가능한 전력을 이용해 작동할 수 있어 기존 NH3 산업을 대체할 가능성이 높은 것으로 평가받고 있다.
플라즈마 보조 NH3 합성의 에너지 소모율은 수 백에서 수천 kWh kg-1,의 수준이며, 여전히 가솔린 사용의 H-B 공정(9~13kWh kg-1)보다 유의미하게 높다. 단, 설립, 생산, 운송 및 저장 관련하여 일체의 경비가 포함된 비용은 본 기술을 사용하는 경우 더 경제적일 수 있고 지역 수준의 생산 계획에서 보다 친환경적일 수 있다.
한편, 관련된 선행기술문헌으로서 공개특허 제1020210078188호가 있다.
본 발명의 목적은 플라즈마를 이용한 NH3 합성 방법에 있어서, 좀 더 높은 합성 속도를 보일 수 있는 새로운 NH3 합성 방법을 제공하고자 하는 것이다.
또한, 본 발명은 플라즈마 활성수(PAW)의 pH를 제어하는 방법을 제공하고자 하며, 혁신적인 농업용수를 제공하고자 한다.
상기 목적에 따라, 본 발명은 대기압 비열 플라즈마를 사용한 수중 질소 고정 방법을 제공한다. 상기에서 제트 플라즈마는 33 kHz, 10 kV (peak) AC 파워 서플라이로 발생시켰다. 플라즈마는 질소 가스를 여기시켜, 플라즈마 활성수 안에서 암모니아, 아질산염, 질산염 및 수소 이온으로 쉽게 변환될 수 있게 한다. 또한, Mg, Al, Zn, 또는 Cu와 같은 쉽게 접근할 수 있는 금속을 물 속에 넣었고, 이들 침지 금속은 플라즈마 활성수에서 산화하여 전자를 방출함으로써 수소 이온을 수소 원자로 환원 시킨다. 전이된 수소(evolved hydrogen)는 플라즈마 여기된 질소를 다시 환원시켜 암모니아로 만든다. 본 실시예에서, pH 값과 암모니아 합성 속도는 Mg을 넣었을 때 가장 높았고, 이는 Mg이 다른 금속에 비해 더 높은 산화용량을 가진 덕분이다. 금속의 도움으로 수소 이온의 산화는 PAW의 pH 제어 뿐만 아니라 암모니아 합성 속도도 높여주는데, 이는 추가적인 수소 도너 제공 덕분이다. 본 발명은 지속가능한 질소 고정 기술 분야에서 지속적인 연구 방향을 제공한다.
본 발명에 따르면, 플라즈마 활성수에 금속을 침지하여 플라즈마 활성수의 pH를 제어한다.
또한, 본 발명에 따르면, 대기압 비열 플라즈마에 의해 암모니아를 합성하며, 플라즈마 활성수에 침지된 금속의 수소 환원 작용에 의해 암모니아 합성 속도를 높일 수 있다.
본 발명에 따른 암모니아가 합성된 플라즈마 처리수는 농업용수로 제공될 수 있다.
도 1은 종래기술과 본 발명에 따른 플라즈마 보조 NH3 합성 반응을 설명하는 공정도이다.
도 2는 본 발명에 따른 인시츄 대기압 비열 플라즈마 보조 질소 고정 반응을 실시하는 것을 보여주는 개략도이다.
도 3은 플라스마 방전에 따른 일반적인 전류 및 전압 파형을 보여준다[인가전압: 10kV, 주파수: 33kHz, 작업 가스: 질소].
도 4는 접지 전극 아래 3mm 지점에서 질소 플라즈마의 OES[인가 전압: 10kV, 주파수 33kHz] 이다.
도 5는 왼편 축은 다양한 금속에 대한 pH 값의 시간적 변화 및 제어를, 그리고 오른 편 축은 플라즈마 처리 도중 및 처리 후 금속 없이 그리고 Mg 침지된 PAW에서의 NOx 해당 농도를 보여준다.
도 6은 PAW에서 다양한 금속에 대한 총 NH3 농도 및 제어를 시간에 따라 보여준다.
도 7은 본 발명에 따라 플라즈마 활성수의 pH를 제어하는 것을 보여주는 개념도이다.
도 8은 본 발명에 따라 플라즈마 활성수의 pH를 제어하기 위해, 금속 또는 금속염을 물 속에 침지한 상태에서 플라즈마 처리하는 것을 보여주는 개략도이다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명한다.
대부분의 플라즈마 보조 NH3 합성은 UV 광분해, 전기분해, 전기화학적 반응, 및 광촉매 및 광(전자)화학 공정을 통한 물의 여기 또는 해리로부터 수소 전이(evolved) 반응(HER)을 수반하였다. 이후 플라즈마 여기 질소가 NH3로 환원된다. 동시에 질소도 NO, NO2, NO3으로 산화되어 플라즈마 활성수(PAW)의 산도가 유의미하게 증가하였다. 더 나아가, pH 값을 유지함으로써 유효 질소 고정 율을 증가시키는 전략 개발은 매우 흥미롭다. 본 발명에서 PAW에 침지된 금속의 도움으로 H+ 이온을 H로 환원시켜 HER에 의해 수행되었다. 그에 따라 전이된 발생기 수소는 질소 환원 반응(NRR)에 추가로 활용된다. 기존 반응 경로와 본 발명의 반응 경로 모두 플라즈마 보조 질소 고정의 요약은 도 1에 요약되어 있다.
H+이온의 감소는 PAW의 pH를 조절할 뿐만 아니라 총 NOx 농도에 대한 유의한 영향없이 NH3 합성 속도를 증가시킨다.
실험 설정의 도식은 도 2에 나와 있다.
ESI에서 논의된 플라즈마 제트는 유리 용기에 보관되고 폴리스티렌 뚜껑으로 차폐 된 탈이온수(DI) 40ml에 조사(助射)되었다. 상기에서 제트 플라즈마는 33 kHz, 10 kV (peak) AC 파워 서플라이로 발생시켰다.
다음으로, N2 작업 가스를 1000 (sccm)으로 고전압 주사기 전극을 통해 흘려주어 플라즈마를 발생시키고 수면에 도달하게 하였다. 배경 오염 제거를 위해, N2 퍼징 가스가 뚜껑의 측면 구멍을 통해 공급되었다. 여기에 더해, 아연(Zn), 마그네슘(Mg), 알루미늄(Al), 또는 구리(Cu)와 같이 쉽게 접근할 수 있는 금속 조각 5개(각 1g)를 DI 물에 각각 침지하였다.
사인파의 파워 구동 플라즈마일반 전류-전압 파형이 도 3에 나와 있다. 인가된 전압의 양(+)의 사이클에서 나타나는 방전 전류(I) 피크는 벽 전하(Q)의 수집에 기인한다.
도 4는 접지 전극 아래(다운스트림) 3mm 지점 a에서의 질소 플라즈마의 광학적 발광 스펙트럼(OES)을 보여준다.
발광 피크는 주로 UVA(400~315nm), UVB(315~280 nm), UVC(280~100 nm)에서 나타난다. NOγ (280~200 nm)에 기인한 UVC, OH radicals에 기인한 UVB 및 질소 2차 포지티브 시스템에 기인한 UVA(SPS) 그리고 1차 네거티브 시스템(FNS)이 있다.
마찬가지로 원자 질소의 약한 발광 피크는 742, 822, 868nm 이고 원자 산소는 777nm, 845nm에서 관찰되었다. 이외에도 2p2 P3/2에서 3d2 D3/2로부터의 천이에 따른 Hα 라인의 발광 피크도 656.3nm에서 나타났다. OES 스펙트럼은 각각 250nm~450nm와 650~900nm 범위에 포함된다.
금속 유무와 플라스마 처리 중 및 처리 후의 PAW의 pH 값의 시간적 변화는 모두 도 5의 왼편 y축에 나와 있다.
금속이 없는 NOx 농도와 Mg가 있는 NOx 농도도 같은 그래프의 오른쪽 y축에 표시하였다. NOx 측정 절차에 대한 자세한 내용은 ESI에 보고된다. 플라즈마 노출 후 처음 30분 동안 pH 값이 감소하며, PAW에 금속이 없을 경우 6.8에서 3.2로 감소한다. 그러나 Zn, Al, 또는 Mg가 있을 경우, 각각 3.4, 3.6, 4.8로 줄어들었다. 플라즈마가 꺼졌을 때 pH 값은 이들 금속이 있는 경우 최대 30분 동안 3.8, 4.0, 5.6으로 증가하였다. 액체에서 Zn, Al, 또는 Mg의 존재는 NOx 농도에 큰 영향을 미치지 않고 PAW의 pH 값을 유의미 하게 제어하였다. NOx 농도는 Mg이 있을 때와 없을 때 모두 플라즈마 노출시간에 따라 선형적으로 증가하는 것으로 확인되었다. 그러나 플라즈마가 멈춘 후에는 약 800μM로 균일했다. NOx 농도는 ESI에 표시된 다른 금속들을 넣었을 때와 유사했다. 여기서, 다른 금속에 비해, pH 값에 대한 Cu의 유의미한 영향은 없었다.
금속이 있을 때와 없을 때, 시간에 대한 함수로서 NH3 농도의 변화는 도 6에 나와 있다. NH3 농도는 ESI에 보고된 방법으로 측정되었다. 질소 플라즈마 자체만으로도 NH3 를 합성 가능하지만, 합성 속도는 금속의 첨가로 상당히 증가한다. 플라즈마만 사용하여 얻은 NH3 농도는 플라즈마 노출 후 30분 후, 약 4.5mg L-1이다. 그러나, PAW에 Mg, Al, 또는 Zn가 있을 경우, 플라즈마만 사용할 경우의 농도에 대해 2.6, 2.3, 2.2배까지 증가시켰다. NH3 합성에 있어 다른 금속과 달리, Cu 사용 시 유의미한 효과는 관찰되지 않았다.
인공 질소 고정은 질소의 삼중 결합(N≡N) 파손에서 시작되며, 이는 1.5~4eV(1.4 × 105~3.8 × 105 J mol-1)의 에너지 범위에 있는 전자 충격 충돌 및 9.1 eV (8.7 × 105 J mol-1) 의 결합 해리 에너지 및 14.53eV(1.39 × 106 J mol-1) 이온화 에너지에 의한 질소 분자의 진동 여기에 기인하여 매우 강력하다. 플라즈마 전자 온도와 밀도는 석영관 노즐에서 약 1.16eV와 5.23×1013cm-3으로 측정되었다.
첫 단계에서, 전자 충격 충돌을 통해 질소 분자가 분해되거나(N2 + e → 2N+ e) 여기된다(N2* + e → N2* + e).
N2*는 NTAPP에 의해 제공된 추가 에너지로 분해되는 것 같다(N2*+ → 2N+e). 질소는 그 후 플라즈마 안에서 그리고 플라즈마/액체(P/L) 계면(인터페이스)에서 다음 반응을 통해 플라즈마 유도 UV 광분해(H2O + UV → H + OH)에서 형성된 수산화기에 의해 NO, NO2 및 NO3로 산화되었다:(i) N + OH → NO + H; (ii) NO + OH → NO2 + H; (iii) NO2 +OH → NO3 + H.
두번째 단계에서, 형성된 NO2와 NO3 는 다음 반응을 통해 즉시 물에 용해되어 NO2 -, NO3 -, 및 and H+를 형성한다: (i) 2NO2 + H2O → NO2 - + NO3 - + 2H+; (ii)NO + NO2 + H2O → 2NO2 -+ 2H+. 여기에 더하여, OH 라디칼은 액체 상태에서 NO와 NO2를 NO2 - 와 NO3 -로 변환시킨다;(i) NO + OH → NO2 - + H+ 및 NO2 + OH→ NO3 - + H+
침지된 금속은 수중에서 금속 이온(M+)에 의해 다음과 같이 산화된다:Mg↔ Mg2++2e. 액체 상태에서, M+, NO2 -, 및 NO3 - 라디칼은 염과 기타 질소계 부산물로 물속에 남는다. 25 ℃ 및 101.33kPa 압력에서 표준 환원 전위(E°)에 대해 금속의 반응성이 낮아지는 순서는 다음과 같다:(전기화학적 순서):
Li (-3.05) > K (-2.93) > Na (-2.71) > Mg (-2.37) > Al (-1.67)
> Zn (-0.76) > Fe (-0.44) > Ni (-0.25) > Sn (-0.14) > Pb
(-0.13) > H (0.00) > Cu (0.34) > Ag (0.8) > Pt (1.18) > Au
(1.50). 전자는 H+에서 H로 환원시킨다(H+ + e- → H↑). 환원 전위가 네거티브(-)인 그런 금속만이 수소이온 H+ 을 발생기 수소(H)로 환원시킬 수 있다. 궁극적으로, 전이된 수소는 플라즈마 액체 인터페이스에서 다시 나타나며 플라즈마 여기된 질소를 N + 3H → NH3 및 N2* + 3 H2 → 2 NH3 반응을 통해 NH3 로 환원 시킨다.
도 6에 보인 바와 같이, PAW에서 금속 없이 실시된 NH3 합성은 이전 연구에서 설명되어 있다. 이들에 따르면, 진공 자외선 조사(VUV) 하의 H2O의 H 및 OH으로의 해리는 반응식 H2O + VUV (185 nm) → H + OH 과 같이 된다. 그외, UVC 조사 하에 과산화수소(H2O2)는 OH, H+, OH- ,및 dioxidanide (HO2 -)로 분해된다. 즉, 2H2O2 + UV (254 nm) → OH- + OH + HO2+ H+.
PAW에서 H2O2 농도는 플라즈마 노출 30분 후, 26±3 μM로 발견되었고, 생성 메커니즘은 여러 곳에 나와있다. 플라즈마로 활성화된 질소는 VUV/UV 조사에 의해 생성된 수소 또는 물로부터 추출된 H와 결합하여 NH3를 합성한다. H2O 안에 다양한 형태의 H가 있고, 금속이 있을 때 플라즈마로 여기된 질소와 결합할 수 있다. 본 발명자들은 환원전위가 네거티브인 금속이 NH3의 생산을 향상시킨다고 판단하였으며, 이는 금속과 플라즈마가 발생시킨 산 사이의 반응에 의해 발생기 수소의 생성에 기인한 것이다. 이러한 수소의 발생을 증명하기 위해, 본 발명자들은 여러 금속과 함께 30분간 플라즈마 노출된 PAW로부터 ESI에 설명된 것과 같이 전이된 수소(H + H → H2)를 측정하는 실험을 하였고, 여기서 금속 없이 그리고 구리를 사용한 경우, 수소분자는 검출되지 않았다. 같은 조건 하에서, 반응 셀 안쪽에 존재하는 시료 가스 100ml에서 Zn, Al, 또는 Mg 사용에 대해 각각 0.75%, 1%, 1.5%임이 발견되었다. 여기서 플라즈마로 개시된 UV 광분해에 대해 금속 이온의 촉매 효과는 무시하였다.
도 5에 보인 pH 값(=-log10 [H+]) 증가는 금속이 포함되어 H+ 이온을 감소시켰기 때문에 나타난 것이다. 상술한 바와 같이, H+ 이온의 감소를 통해 HER은 금속의 반응성에 비례했다; 그에 따라 도 5에 보인 pH 값과 도 6에 보인 NH3의 합성속도는 일치한다. 포지티브 E°값으로 인해, Cu를 넣었을 때는 pH 값과 NH3 합성에서 유의미한 변화를 관찰할 수 없었다. 이러한 영역에서 이전 작업 중에서, 용해된 NOx는 아산화질소(HNO2)와 질산(HNO3)을 생성했다고 보고되었고, 이는 PAW의 pH 값을 상당히 감소시켰다. 그러나, 본 발명에 따르면, 산에 존재하는 H+ 이온이 M+ 이온에 의해 대체되어 산이 염으로 중화됨을 보였다. 플라즈마가 생성한 산과 PAW에 침지된 금속의 단일 대체 반응 동안, NOx 농도에 영향을 미치지 않고 pH 값이 증가했다. 전이된 발생기 수소(evolved nascent hydrogen)는 강력한 환원제이고; 그에 따라 NRR을 위한 최고의 수소 도너이다.
요약하면, 플라즈마 보조에 의한 NH3 합성은 플라즈마에 의해 여기된 질소와 물에 대해 UV 조사로 추출된 수소와의 결합으로 이루어지며, 플라즈마에 의해 생성된 산과 금속의 반응으로부터 얻어진 추가적인 수소 도너에 의해 수소는 더욱 증가한다. 본 발명은 금속이 다음 세 단계로 NH3 합성을 촉진하는 것으로 본다.
첫째, NOx는 플라즈마 및 플라즈마/액체 인터페이스에서 생성되고, 이는 그 다음 즉시 액체 속에서 산으로 변한다.
둘째, 산 중 수소 이온은 PAW에 침지된 금속의 도움으로 수소로 환원된다.
마지막으로, 전이된 수소는 플라즈마/액체 인터페이스에서 플라즈마 여기된 질소를 NH3로 환원시킨다. NH3 합성속도는 플라즈마만 사용할 경우에 비해 2 내지 3배 더 빠르다. 또한, 다른 질소 산화 형태가 염의 형태로 PAW에 남는다. 약산 질소와 미네랄이 풍부한 물이 얻어지며, 이는 장차 혁신적인 플라즈마 농업에 사용될 수 있다.
본 발명은 2019년, 대한민국 서울의 광운대학교와 대한민국 정부 과학기술정보통신부 산하의 국립 연구 재단의 프로그램(NRF-2016K1A4A3914113) GRDC의 재정 지원을 받았습니다.
한편, 본 발명은 상술된 기술 구성을 응용하여 도 7과 같이 플라즈마 활성수의 pH를 제어하는 방법을 제안한다. 즉, 플라즈마 처리수의 pH를 제어하기 위해, 금속, 금속 산화물, 금속 수산화물을 물 속에 넣어 산을 제거하는 것이다. 도 8은 본 발명에 따라 플라즈마 활성수의 pH를 제어하기 위해, 금속 또는 금속염을 물 속에 침지한 상태에서 플라즈마 처리하는 것을 개략적으로 보여준다.
기존의 플라즈마 활성수는 용해된 질소 산화물과 과산화수소 때문에 산성(~pH 2-5)을 나타낸다. 산도는 처리 시간, 물의 양, 플라즈마 소스의 특성에 따라 달라질 수 있다. 산성 플라즈마 활성수를 직접 사용하면 해로울 수 있다. 플라즈마 활성화된 물에 물을 추가하여 만든 희석도 pH 값을 증가시킬 수 있지만, 이 과정에서 존재하는 활성 산소 및 질소 종의 농도는 상당히 감소하는 문제가 있다. 따라서 중성 조건에서 활성 산소와 질소 종이 풍부한 플라즈마 활성수를 생성할 수 있는 대체 방법이 필요하다. 본 발명은 플라즈마 처리 중 플라즈마 활성수에 금속, 금속 산화물 또는 금속 수산화물을 동시에 첨가하면 플라즈마 처리수의 산도를 제어할 수 있다는 것을 제안한다. 플라즈마 처리 전후에 금속 또는 금속 산화물, 금속 수산화물 등의 금속염을 추가하여 유사한 결과를 얻을 수 있다. 이러한 방법은 플라즈마 생성 산은 수소 및 기타 가스를 제거하여 중성 금속염으로 변환된다.
플라즈마 활성수의 제조는 플라즈마 제트 외에 유전장벽방전 플라즈마 소스를 사용할 수도 있으며, 다양한 대기압 비열 플라즈마 소스를 적용하여 물에 플라즈마를 처리할 수 있다. 플라즈마 소스에 인가되는 전압 역시 33 kHz, 10 kV (peak) AC 파워 서플라이에 한정되지 않으며, 20 내지 100kHz 및 1 내지 20kV(peak) 전압을 인가할 수 있다. 플라즈마 처리수를 담는 그릇은 활성종의 소실을 막기 위해, 밀폐용 뚜껑이 있는 것이 바람직하다. 즉, 뚜껑 일부 또는 그릇에 개구부를 형성, 플라즈마를 처리할 수 있는 플라즈마 주입부를 형성한다.
암모니아 합성을 위한 경우, 비열 플라즈마 장치에 작업 가스(방전 가스)로서 질소를 흘려준다. 또한, 플라즈마 주입부 외에, 이와 별도로 뚜껑이나 그릇에 질소를 흘려줄 수 있는 입구와 출구를 형성할 수 있다. 입구와 출구를 통해 흘려주는 질소는 오염을 방지하며, 비활성 가스로 대체될 수도 있지만, 암모니아 합성 시에는 질소를 흘려주는 것이 더욱 바람직하다.
작업 가스로서 질소 공급 속도는 적절히 변형할 수 있으며, 500 내지 2000 (sccm)일 수 있다. 상술한 바와 같이, 플라즈마 처리수의 산성을 중화하기 위하여 표준 환원 전위가 마이너스로서 수소를 발생시킬 수 있는 금속이나 그러한 금속을 포함한 금속염(금속 산화물, 금속 수산화물 등)을 플라즈마 처리 전 또는 후에 물 속에 침지시킨다. 금속, 금속염의 양은 플라즈마 처리수의 양, 플라즈마 처리시간과 관련하여 조절할 수 있다. 대략 처리수 100ml당 1 내지 10g일 수 있다. 금속, 금속염의 침지는 상술한 바와 같이 암모니아 합성시 그 속도를 향상시킨다.
제조된 플라즈마 활성수는 건강 증진, 종양 치료 또는 예방용으로 경구 투여할 수 있으며, 농업용수로도 사용할 수 있고, 암모니아가 포함된 플라즈마 활성수는 액체 비료로 사용될 수 있다.
한편, 상기 실시 예와 실험 예들에서 제시한 구체적인 수치들은 예시적인 것으로 필요에 따라 변형 가능함은 물론이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (10)

  1. 물에 대해 대기압 비열 플라즈마를 처리하여 플라즈마 활성수를 제조하는 방법에 있어서, 표준 환원 전위가 마이너스 값을 갖는 금속, 또는 그러한 금속을 포함한 금속염을 대기압 비열 플라즈마 처리 전 또는 후에 물에 침지하여 플라즈마 활성수의 pH 값을 높여주며,
    상기 금속 또는 금속염은 Mg, Zn, 또는 Al을 포함하고,
    대기압 비열 플라즈마를 처리에 의해 플라즈마 유도 자외선이 물을 수소 이온과 수산화 이온으로 해리시켜 생성된 수소 이온을, 물속에 침지된 금속 또는 금속염에서 제공한 전자가 환원시켜 플라즈마 활성수의 pH를 높여주는 것을 특징으로 하는 플라즈마 활성수 제조방법.

  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 플라즈마를 이용한 암모니아 합성 방법으로서,
    물을 준비하고,
    질소 가스를 방전 가스로 공급하여 발생시킨 대기압 비열 플라즈마를 상기 물에 대해 처리하여 암모니아를 물속에서 합성하며,
    표준 환원 전위가 마이너스 값을 갖는, Mg, Zn, 또는 Al을 포함하는 금속, 또는 그러한 금속을 포함한 금속염을 대기압 비열 플라즈마 처리 전 또는 후에 물에 침지하여 암모니아 합성 속도를 향상시키며,
    상기 대기압 비열 플라즈마는 질소의 삼중 결합을 분해하여 NOx를 생성하고, NOx는 액체 속에서 산(acid)으로 변하고,
    산 중에 포함된 수소 이온(H+)은 플라즈마 활성수에 침지된 금속의 도움으로 수소로 환원되고,
    전이된 수소(evolved hydrogen, H)는 플라즈마와 액체의 인터페이스에서 플라즈마에 의해 여기된 질소를 NH3로 환원시키는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 암모니아 합성 방법.

  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제4항으로 제조된 것을 특징으로 하는, 암모니아가 물속에 고정된 농업용수.
  8. 물을 담는 그릇;
    상기 그릇의 뚜껑 또는 그릇에 형성된 개구부 형태의 플라즈마 주입부;
    상기 플라즈마 주입부에 장착되어 상기 그릇에 담긴 물에 대해 대기압 비열 플라즈마 처리를 하는 플라즈마 소스;
    상기 플라즈마 소스에 전력을 공급하는 전원; 및
    상기 물에 대한 플라즈마 처리 전후로 물 속에 침지될 금속 또는 금속염을 포함하고,
    상기 플라즈마 소스에는 질소를 방전 가스로 흘려주어 플라즈마를 발생시켜 물속에 암모니아를 고정시키며, 플라즈마 처리 전 또는 후에 액체 속에 금속 또는 금속염을 침지하며,
    상기 금속 또는 금속염은, 표준 환원 전위가 마이너스 값을 갖는, Mg, Zn, 또는 Al을 포함하는 금속 또는 그러한 금속을 포함하는 금속염이고,
    상기 대기압 비열 플라즈마는 질소의 삼중 결합을 분해하여 NOx를 생성하고, NOx는 액체 속에서 산(acid)으로 변하고,
    산 중에 포함된 수소 이온(H+)은 플라즈마 활성수에 침지된 금속의 도움으로 수소로 환원되고,
    전이된 수소(evolved hydrogen, H)는 플라즈마와 액체의 인터페이스에서 플라즈마에 의해 여기된 질소를 NH3로 환원시키는 것을 특징으로 하는 수중 암모니아 고정 시스템.
  9. 제8항에 있어서, 상기 뚜껑 또는 그릇에 형성된 가스 입구와 출구;를 더 포함하여,
    상기 가스 입구와 출구에는 오염 방지를 위한 질소 또는 비활성 가스를 흘려주는 것을 특징으로 하는 수중 암모니아 고정 시스템.










  10. 삭제
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