KR20230068161A - Photocatalyst gas phase reactor system applied photocatalyst coated on carbon heating element attached on heat source supply plate for carbon dioxide conversion - Google Patents
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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.The present invention relates to a photocatalytic vapor phase reactor system for converting carbon dioxide, which includes a gas inlet into which carbon dioxide is injected and a gas outlet through which converted reaction gas is discharged, and a sealed reactor body including upper and lower transparent quartz windows for receiving a light source. including,
Including a plurality of insertion plates disposed at positions spaced apart from each other at regular intervals so that the gas passages flow in the vertical direction to increase the residence time of the reaction gas inside the reactor body,
It relates to a photocatalytic vapor phase reactor system for converting carbon dioxide, including a carbon sheet heating element attached to both sides of an insert plate and generating heat from conductive carbon by a heat supply means, and a photocatalyst coated on the surface of the carbon sheet heating element.
In the present invention, the photocatalyst is coated with a photocatalyst characterized in that the carbon dioxide conversion efficiency is increased even in the visible light region by directly supplying heat to the coated photocatalyst by the heat generated by the carbonaceous heating element or by maximally activating the photocatalyst by increasing the reaction temperature inside the gas phase reactor. It relates to a photocatalytic gas phase reactor system for converting carbon dioxide to which a carbon sheet heating element heat source supply insert plate is applied.
Description
본 발명은 광촉매가 코팅된 탄소면상 발열체 열원 공급 삽입판이 적용된 이산화탄소 전환용 광촉매 기상 반응기 시스템에 관한 것이다. The present invention relates to a photocatalytic gas phase reactor system for converting carbon dioxide to which a carbon sheet heating element heat source supply insert plate coated with a photocatalyst is applied .
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.More specifically, it is a system for recycling carbon dioxide by a photocatalytic gas phase reaction. By applying a photocatalyst-coated carbon surface heating element heat source supply insert plate to increase the reaction temperature inside the photocatalyst and reactor and increase the residence time of the reaction gas, the photocatalyst can be used even in the visible light range. It relates to a photocatalytic gas phase reactor system for converting carbon dioxide to have maximum activity.
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.As industrialization has progressed rapidly since the Industrial Revolution, greenhouse gas emissions have also continuously increased due to excessive use of fossil fuels. Natural disasters occur frequently in many places.
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.Carbon dioxide (CO 2 ), a representative greenhouse gas, accounts for the largest amount of emissions. Carbon dioxide emissions by industry type are the highest in energy supply sources such as power plants, and carbon dioxide emissions from cement/steel/chemical/refining industries, etc. occupies half of
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.As a result, the international community is discussing measures to respond to global warming and climate change in earnest around the world, and countries around the world have announced greenhouse gas reduction pledges, such as the United States and China, the world's largest greenhouse gas emitters. Actively participate in reduction.
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.Global interest is focused on technology that not only simply captures and stores carbon dioxide (CCS), but also converts it into a material with high added value by recycling it as a useful resource.
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.Carbon Capture Utilization & Storage (CCUS) technology captures and stores carbon dioxide (Carbon Capture & Storage, CCS) and recycles carbon dioxide into useful resources (Carbon Capture & Utilization, CCU) It is a technology that converts into a material with high added value, and research is being actively conducted due to the usefulness of the technology.
이산화탄소의 다양한 화학적 전환을 위해 화학양론적 방법, 열촉매화학적 방법, 전기화학적 방법, (광)전기화학적 방법, 광촉매 방법 등 여러 기술이 연구되고 있다.Various technologies, such as stoichiometric methods, thermocatalytic methods, electrochemical methods, (photo)electrochemical methods, and photocatalytic methods, are being studied for various chemical conversions of carbon dioxide.
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.In particular, (photo)electrochemical and photocatalytic conversion methods use abundant sunlight to convert carbon dioxide into useful material resources such as fuel and chemical raw materials, so they are currently in the limelight to maintain a clean environment and sustainable development.
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.However, as the efficiency of photochemical reaction and the selectivity of conversion materials must be greatly improved in the carbon dioxide photoconversion process using a photocatalyst, in order to obtain an efficient photocatalytic reaction, it is necessary to develop a photocatalytic gas phase reactor system from the viewpoint of catalytic reaction engineering such as light amount, reaction temperature, and residence time. need.
하지만, 종래의 기상 광촉매 반응기 기술의 경우, 단지 기상 광촉매 반응기 내 유로개선을 통한 체류시간 증대에 따른 전환 효율 향상에 집중되어 있는 실정이다.However, in the case of the conventional gas-phase photocatalyst reactor technology, the focus is on improving the conversion efficiency by increasing the residence time through the improvement of the flow path in the gas-phase photocatalyst reactor.
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.Accordingly, the present invention has been proposed to solve the problems of the prior art as described above, and by applying a heat source supply insert plate to which a photocatalyst-coated carbon surface heating element is attached to both sides, the reaction temperature inside the photocatalyst and the reactor is increased and the reaction gas is retained. An object of the present invention is to provide a photocatalyst vapor phase reactor system for converting carbon dioxide to have high carbon dioxide conversion efficiency by maximizing the catalytic reaction of a photocatalyst even in the visible light region by increasing the time.
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.A photocatalytic vapor phase reactor system for converting carbon dioxide according to an embodiment of the present invention includes a gas inlet into which carbon dioxide is injected and a gas outlet through which the converted reaction gas is discharged, and a transparent quartz window for receiving a light source is vertically sealed in the reactor. main body; insertion plates arranged at regular intervals to induce a vertical flow for increasing the residence time of the reaction gas including carbon dioxide inside the reactor body; a carbon surface heating element attached to both sides of the insertion plate and generating heat from conductive carbon by means of a heat supply; And a photocatalyst coated on the surface of the carbonaceous heating element, by supplying heat directly to the photocatalyst coated by the heat generation of the carbonaceous heating element or by maximally activating the photocatalyst by increasing the reaction temperature inside the gas phase reactor, carbon dioxide even in the visible ray region It is characterized by increasing the conversion efficiency.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 전환용 광촉매 기상 반응기 시스템의 광촉매는 상기 탄소면상 발열체 표면에 슬러리 형태로 코팅될 수 있다.In addition, the photocatalyst of the photocatalyst vapor phase reactor system for converting carbon dioxide according to an embodiment of the present invention may be coated on the surface of the heating element on the carbon surface in a slurry form.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 전환용 광촉매 기상 반응기 시스템의 광촉매는 페로브스카이트 구조를 가지는 것을 특징으로 한다.In addition, the photocatalyst of the photocatalytic vapor phase reactor system for converting carbon dioxide according to an embodiment of the present invention is characterized in that it has a perovskite structure.
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.In addition, the photocatalyst of the photocatalytic vapor phase reactor system for converting carbon dioxide according to an embodiment of the present invention is characterized in that it has activity even under visible light wavelength conditions by the heat source supplied from the heat generated by the carbon sheet heating element.
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.In addition, the heat supply means of the photocatalytic vapor phase reactor system for converting carbon dioxide according to an embodiment of the present invention may include a voltage regulator connected to the carbon-like heating element and adjusting the temperature of the carbon-like heating element according to voltage change conditions. there is.
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.The photocatalyst vapor phase reactor system for converting carbon dioxide according to embodiments of the present invention applies a heat source supply insert plate to which a photocatalyst-coated carbon surface heating element is attached to both sides to increase the reaction temperature of the photocatalyst and the reactor and increase the residence time of the reaction gas. It is possible to increase the high carbon dioxide conversion efficiency by maximally activating the catalytic reaction of the photocatalyst even in the visible light region.
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. 1 is a view showing a photocatalytic gas phase reactor system for converting carbon dioxide to which a transparent quartz window for receiving a light source and a heat source supply insert plate are applied according to an embodiment of the present invention.
2 is a view for explaining a plurality of insertion plates arranged at regular intervals for inducing an up-and-down flow direction for increasing the residence time of a reaction gas according to an embodiment of the present invention.
3 is a view for explaining a carbon planar heating element for supplying a heat source attached to a heat source supplying insertion plate according to an embodiment of the present invention.
4 is a view for explaining a means for supplying a heat source to a carbon planar heating element attached to a heat source supplying insert plate according to an embodiment of the present invention.
5 is a view for explaining a position where a heat source supply insertion plate is disposed and a heat source supply means connected to a gas phase reactor according to an embodiment of the present invention.
6 is a view for explaining a photocatalyst production method for converting carbon dioxide into useful substances such as methane, hydrogen, and carbon monoxide under ultraviolet and visible light in the photocatalytic gas phase reactor system for converting carbon dioxide according to an embodiment of the present invention. am.
FIG. 7 shows an image of a PBNO photocatalyst prepared by a solid phase method using a scanning electron microscope (SEM) and a transmission electron microscope (TEM) to photograph the surface of the photocatalyst according to an embodiment of the present invention.
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.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, a photocatalyst gas phase reactor system for converting carbon dioxide to which a carbon sheet heating element heat source supply insert plate coated with a photocatalyst having a perovskite structure according to an embodiment of the present invention is applied will be described in detail.
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.Embodiments of the present invention may be modified in various forms, and the scope of the present invention should not be construed as being limited to the following examples. This embodiment is provided to more completely explain the present invention to those skilled in the art.
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.Also, the terms may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. These terms are only used for the purpose of distinguishing one component from another.
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.The present invention relates to a photocatalytic gas phase reactor system for converting carbon dioxide, and more particularly, to a photocatalytic gas phase reactor system for converting carbon dioxide to which a carbon sheet heating element heat source supply insert plate coated with a photocatalyst is applied.
이산화탄소 전환은 이산화탄소 활용 기술로써, 대규모 온실가스 배출원에서 발생되는 이산화탄소를 산업적인 용도로 직접 이용하거나 고부가가치 제품으로 전환하여 활용하는 기술 내용을 포함한다.Carbon dioxide conversion is a carbon dioxide utilization technology, which includes technology that directly uses carbon dioxide generated from large-scale greenhouse gas emission sources for industrial purposes or converts it into high value-added products.
이산화탄소 전환 기술을 포함하는 이산화탄소 활용 기술은 이산화탄소를 직접 활용하기 때문에 이산화탄소 포집*?*저장 기술에서와 같은 저장을 위한 일련의 공정이 없이 이산화탄소의 저감이 가능하다.Since the carbon dioxide utilization technology including the carbon dioxide conversion technology directly utilizes carbon dioxide, it is possible to reduce carbon dioxide without a series of processes for storage as in the carbon dioxide capture*?* storage technology.
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.Referring to the drawings, the photocatalytic vapor phase reactor system 10 for converting carbon dioxide according to an embodiment of the present invention includes a
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. The photocatalytic vapor phase reactor system 10 for converting carbon dioxide according to an embodiment of the present invention includes a
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.In addition, the photocatalyst gas phase reactor system for converting carbon dioxide according to an embodiment of the present invention directly supplies heat to the photocatalyst coated by the heat generated by the carbon
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.1 is a view showing a photocatalytic gas phase reactor system for converting carbon dioxide according to an embodiment of the present invention, and is a view for explaining the photocatalytic gas phase reactor system for converting carbon dioxide according to an embodiment of the present invention.
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. As shown in FIG. 1, the photocatalytic gas phase reactor system 10 for converting carbon dioxide according to the present invention is a photocatalytic gas phase reactor system for converting carbon dioxide, and has a
상기 광원은 태양광일 수 있으며, 상기 투명한 석영 윈도우는 판형의 형태로 된 투명판일 수 있다.The light source may be sunlight, and the transparent quartz window may be a plate-shaped transparent plate.
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.Figure 2 is a view showing the flow of carbon dioxide 30 and the reaction thereof in the closed reactor body as shown in Figure 1, looking at this, the reaction gas containing carbon dioxide through the heat source supply insertion plate shown in Figure 2 After being supplied to the reactor body through the gas inlet, the reaction gas including carbon dioxide passes through the inside of the reactor in an up-and-down flow through the reaction gas passage of the heat source supply insert plate, and the carbon dioxide is converted. is emitted through
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.Specifically, a conventional gas-phase reactor for converting carbon dioxide requires a certain amount of time to convert carbon dioxide, and requires a separator or insert having high efficiency to convert the entire amount of carbon dioxide included in the reaction gas supplied thereto. In addition, it is required to retain the reaction gas in the reactor for a certain period of time or longer.
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.However, it is difficult to secure a residence time in the reactor necessary for the entire amount of the reaction gas including carbon dioxide supplied to the reactor having a limited volume and limited conversion efficiency to be converted, and the gas discharged through the reactor without sufficient residence in the reactor does not A large amount of reacted carbon dioxide is included, so the carbon dioxide conversion efficiency is low.
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.In the photocatalytic vapor phase reactor system for converting carbon dioxide according to an embodiment of the present invention, the photocatalyst may be configured in the form of a perovskite. The photocatalyst composed of a perovskite type according to an embodiment of the present invention has high ionic conductivity, ferroelectricity, and oxide ion conductivity, and exhibits these characteristics under visible light irradiation to exhibit photocatalytic activity.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 이산화탄소 전환용 광촉매 기상 반응기 시스템에서, 광촉매는 탄소면상 발열체 표면에 슬러리 형태로 코팅될 수 있다.In addition, in the photocatalytic vapor phase reactor system for converting carbon dioxide according to an embodiment of the present invention, the photocatalyst may be coated on the surface of the heating element on the carbon sheet in the form of a slurry.
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.3 is a view for explaining the carbon
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.Specifically, the photocatalyst can be prepared by coating and drying the surface of the carbon
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.4 and 5 illustrate a means for supplying a heat source to the carbon sheet heating element attached to the heat source supplying
상기 열원 공급 수단은, 상기 탄소면상 발열체와 연결되며 전압변화 조건에 따라 상기 탄소면상 발열체의 온도를 조절하는 전압조절기(40)일 수 있다.The heat source supply means may be a voltage regulator 40 connected to the carbon planar heating element and adjusting the temperature of the carbon planar heating element according to voltage change conditions.
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. The copper
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.In the photocatalytic vapor phase reactor system for converting carbon dioxide according to an embodiment of the present invention, the photocatalyst may have higher activity even under visible light wavelength conditions due to the heat source supplied from the heat generated by the carbon sheet heating element.
본 발명의 실시예에 따른 이산화탄소 전환용 광촉매 기상 반응기 시스템에서, 광촉매는 분말 형태의 금속산화물을 혼합하고 소성하여 합성할 수 있다.In the photocatalyst vapor phase reactor system for converting carbon dioxide according to an embodiment of the present invention, the photocatalyst may be synthesized by mixing and calcining a powdered metal oxide.
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. Preferably, it can be synthesized by a solid phase method using a powdered metal oxide. This synthesis method is a method of mixing powder of a metal oxide, adding water, mixing, drying and firing, and then synthesizing the conventional sol-gel method or Compared to solvothermal synthesis, the process is simple and there is little wastewater, so it can be environmentally friendly.
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.6 is a method for preparing a photocatalyst for converting carbon dioxide into useful substances such as methane, hydrogen, and carbon monoxide under ultraviolet and visible light in a photocatalytic vapor phase reactor system for converting carbon dioxide according to an embodiment of the present invention, which has high ion conductivity The manufacturing process of the PBNO photocatalyst prepared by the solid-state method is shown by mixing PbO, Bi 2 O 3 , and Nb 2 O 5 in powder form with the perovskite photocatalyst possessed.
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.Specifically, in order to improve the ion conductivity of the PBNO photocatalyst prepared by the solid phase method, polyaniline (PANI), a polymer of conductive material, is thinly coated on the surface to facilitate electron movement and improve photocatalytic efficiency.
이로 인해 가시광선 조사 하에서 광촉매를 활성시킬 수 있으며, 구체적으로 400 내지 800 NM의 파장의 빛을 흡수하여 광촉매가 활성될 수 있다.Due to this, the photocatalyst can be activated under visible light irradiation, and specifically, the photocatalyst can be activated by absorbing light having a wavelength of 400 to 800 NM.
<실시예1><Example 1>
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.In the photocatalyst vapor phase reactor system for converting carbon dioxide according to an embodiment of the present invention, the difference in product generation rate for carbon dioxide conversion was shown depending on whether or not temperature was generated in the carbon heating element coated with the photocatalyst through the voltage regulator.
(Reductant)(Reductant)
(Room Temp.)PANI-coated PBNOs
(Room Temp.)
(H2O vapor)Visible light
(H 2 O vapor)
(100 oC)PANI-coated PBNOs
( 100o C)
(H2O vapor)Visible light
(H 2 O 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.The difference in the degree of conversion of carbon dioxide into substances such as methane, carbon monoxide, hydrogen, and the like under ultraviolet and visible light regions was compared as the temperature increased by the heat source. It can be seen that the degree of product generation according to carbon dioxide conversion at 100 ° C. is greater than at room temperature (room TEMP).
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.The above detailed description is illustrative of the present invention. In addition, the foregoing is intended to illustrate and describe preferred embodiments of the present invention, and the present invention can be used in various other combinations, modifications, and environments. That is, changes or modifications are possible within the scope of the concept of the invention disclosed in this specification, within the scope equivalent to the written disclosure and / or within the scope of skill or knowledge in the art. The written embodiment describes the best state for implementing the technical idea of the present invention, and various changes required in the specific application field and use of the present invention are also possible. Therefore, the above detailed description of the invention is not intended to limit the invention to the disclosed embodiments. Also, the appended claims should be construed to cover other embodiments as well.
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 조절기10; Photocatalytic vapor phase reactor system for carbon dioxide conversion
11; gas inlet
12; gas outlet
20; Heat source supply insert plate
21; copper thin film
22; Heating element on carbon plane
30; Reaction gas up and down flow
40; voltage regulator
Claims (4)
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.
A photocatalytic gas phase reactor system for converting carbon dioxide,
A sealed reactor body including a gas inlet into which carbon dioxide is injected and a gas outlet through which converted reaction gas is discharged, and including transparent quartz windows for receiving a light source in upper and lower directions;
a plurality of insertion plates arranged at regular intervals to induce a vertical direction in order to increase the residence time of the reaction gas inside the reactor body;
a carbon surface heating element attached to both sides of the insertion plate and generating heat from conductive carbon by means of a heat supply; and
Including a photocatalyst coated on the surface of the carbonaceous heating element, by supplying heat directly to the photocatalyst coated by the heat generated by the carbonaceous heating element, or by maximally activating the photocatalyst by increasing the reaction temperature inside the gas phase reactor, carbon dioxide is converted even in the visible light range A photocatalytic gas phase reactor system for converting carbon dioxide to which a carbon sheet heating element heat source supply insert plate coated with a photocatalyst characterized in that it increases efficiency is applied.
상기 열원 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.
According to claim 1,
The heat source supply means,
A photocatalyst gas phase reactor system for converting carbon dioxide to which a photocatalyst-coated carbon heating element heat source supply insert plate is applied, characterized in that it is connected to the carbon heating element and includes a voltage regulator for adjusting the temperature of the carbon heating element according to voltage change conditions. .
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.
According to claim 1,
The photocatalyst is
A photocatalyst vapor phase reactor system for converting carbon dioxide to which a photocatalyst-coated carbonaceous heating element heat source supply insert plate is applied, characterized in that the surface of the carbonaceous heating element is coated in the form of a slurry containing a photocatalyst.
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.
According to claim 3,
The photocatalyst is
A photocatalyst vapor phase reactor system for converting carbon dioxide having a photocatalyst-coated carbon surface heating element heat source supply insert plate, characterized in that it has activity even under visible light wavelength conditions by the heat source supplied from the heat generation of the carbon surface heating element.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020210154203A KR102576124B1 (en) | 2021-11-10 | 2021-11-10 | Photocatalyst gas phase reactor system applied photocatalyst coated on carbon heating element attached on heat source supply plate for carbon dioxide conversion |
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2021
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Patent Citations (6)
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