CO2 분해 시 스피넬상 마그네타이트를 이용한 최적온도

김순태．·임병오·양천모·류대선

홍익대학교 과학기술대학 화학시스템공학과．

홍익대학교 공과대학 화학공학과

The Optimum Temperature of CO2 Decomposition using Spinel Phase Magnetite

Soon-Tae Kim．·Byung-O Rim·Chun-Mo Yang·Dae-Sun Ryu

Dept. of Chemical System Engineering, Hong-Ik University．

Dept. of Chemical Engineering, Hong-Ik University

서론

지구 온난화에 영향을 미치는 가스는 이산화탄소, 메탄, 이산화질소, 푸론 4종류이다. 온실효과가스 중에서 이산화탄소는 다른 가스에 비하여 그 농도가 대단히 높고, 또한 현재의 생활기반인 화석연료를 사용하는한 대량 배출됨으로, 미래의 지구온난화에 있어서 제일 큰 문제이다. 지구 온난화 가스인 이산화탄소를 대상으로 한 연구는 그 발생원에서의 효율적인 분리, 회수, 처분(고정), 재이용에 관한 것까지 폭넓게 행하여지고 있다. 구체적인 대응책으로서는 해중(海中)저장, 지중(地中)격리, 광합성에 의한 흡수(식목과 사막녹화 등), 해양흡수 및 에너지로서의 유효이용, 발전사이클의 연구 등이 추진되고 있다[1].

본 연구에서는  이산화탄소 분해의 최적 온도조건을 조사하기 위해 넓은 온도 범위에서 이산화탄소 분해율을 측정하였다. 전보[2]에 기술한 방법과 동일하게 magnetite를 합성하였으며 합성한 Fe3O4, 수소환원시킨 Fe3O4-□와 이산화탄소 분해 후의 Fe3O4·xC에 대한 물성조사를 위해 X선 분말회절분석, TGA 분석하였다.

실험

1. Fe3O4의 합성

전보[2]에 기술한 바와 같이 출발물질인 0.2 M-FeSO4·7H2O와 0.5 M-NaOH을 출발물질로 하여 공침법에 의해 magnetite를 합성한 후 충분한 세척과 여과과정을 거친 다음 진공건조기에서 24시간 이상 건조된 magnetite를 몰탈로 분쇄 후 100mesh seive에서 체가름하여 진공건조기에서 보관하였다.

2. Fe3O4의 수소(H2)환원

100℃의 진공건조기에서 충분히 건조된 magnetite를 일정량 취해 반응기에 충진하여 수소(H2)를 넓은 범위의 온도에서 각각 2시간 동안 100cc/min의 유속으로 흘려 magnetite를 수소(H2)환원시켰다. 수소환원된 촉매를 Fe3O4-□로 표시한다. Fe3O4-□의 물성조사를 위해 수소환원을 마친 후 급냉하여 보관하였다.

3. 이산화탄소(CO2)분해

이산화탄소(CO2)의 분해율을 측정하기 위해 수소환원 시 반응기 내에 남아있는 미 반응 수소를 제거한 후 반응기 내부에 20 psi까지 CO2를 채운 후 이산화탄소의 분해반응에 의한 반응기 내부의 압력강하를 분단위로 측정하였다. 이산화탄소의 분해반응 후의 촉매를 다음과 같이 Fe3O4·xC로 표시한다.

4. 촉매의 물성조사

합성한 촉매(Fe3O4), 수소환원시킨 촉매(Fe3O4-□)와 이산화탄소 분해 후의 촉매(Fe3O4·xC)에 대한 결정구조 분석을 위해 X-선 분말회절장치(Monochromator CuK□ radiation, 40 KV, 30 mA, 2□: 10。∼80。, MAC Science)를 사용하였다. 열화학적 분석과 수소환원정도를 조사하기 위해 열중량 분석(Thermogravimetric Analysis, Rheometric Science)를 하였다.

결과 및 고찰

1. 결정구조

Fig. 1는 Fe3O4, Fe3O4-□, Fe3O4·xC의 X-선 분말회절 분석한 결과를 나타낸 그림이다.

합성한 촉매(Fe3O4)의 XRD분석결과 spinel type의 magnetite였으며 주 peak의 실측치 2□=35.4。, 62.5。, 30.1。, 57.0。로 JCPDS cards (#11-0614)의 magnetite와 일치하였다.

수소환원한 촉매(Fe3O4-□)와 이산화탄소 분해 후의 촉매(Fe3O4·xC)도 합성한 촉매(Fe3O4)와 같이 spinel 구조인 magnetite였다.

2. 열화학적 분석 및 열중량 분석

Fig 2.는 Fe3O4, Fe3O4-□, Fe3O4·xC에 대한 TGA 그림이다.

magnetite는 상온에서 600℃까지 무게변화가 없는 것을 확인하였다. 이는 이 온도범위에서  상변화가 없다는 것을 알 수 있다. Fe3O4-□는 140℃ 부근에서 무게가 큰 폭으로 증가하기 시작하여 280℃ 부근에서 최대로 무게가 증가하였다. 이는 수소로 환원된 촉매의 산화반응에 의한 무게증가로 판단된다. Fe3O4·xC는 180℃부근까지 H2O의 증발에 의해 무게 감소가 일어났고 230℃부근에서부터 무게감소는 Fe3O4·xC의 C가 탈착되면서 생기는 무게감소라고 판단된다.

3. 이산화탄소(CO2) 분해율

Fig. 3는 수소환원온도에 따른 CO2 분해율을 나타낸 그림이다. Fig.4에서 보는 것과 같이 이산화탄소의 분해율은 350℃에서 우수하였으며 그 밖의 온도에서는 이산화탄소의 분해율이 떨어지는 것을 확인 할 수 있었다.

결론

1. 합성촉매(Fe3O4), 수소환원시킨 촉매(Fe3O4-□)와 이산화탄소 분해 후의

촉매(Fe3O4·xC)들은 spinel type의 magnetite로 존재하였다.

2. magnetite를 이용한 CO2의 분해율은 350℃에서 가장 우수하였으며

350℃에서 온도가 증가하거나 감소할수록 이산화탄소의 분해율이

떨어진다. 즉 Fe3O4대한 최적 이산화탄소 분해온도는 350℃로 판명되

었다.

REFERENCES

1. 박진원, 이승무, 공업화학과 기술, vol. 11(4), 218∼224 (1993).

2. 양천모, 박영구, 임병오, 한국유화학회지, vol. 17(1), 55∼61 (2000).

3. 양천모, 김순태, 임병오, 한국유화학회지, vol. 17(1), 49∼53 (2000).

Fig. 1. The X-ray diffraction patterns of catalysts.

Fig. 2. The TGA curves of the catalysts.

Fig. 3. Decomposition profiles of CO2 in respect to temperature

about catalyst.