LiMn2O4를 이용한 CO2 분해반응 최적온도조건

이동석·류대선·이풍헌*·김순태．．

홍익대학교 공과대학 화학공학과

홍익대학교 과학기술대학 세라믹공학과*

홍익대학교 과학기술대학 화학시스템공학과．．

The Optimum of CO2 Decomposition using Spinel Phase LiMn2O4

Dong-Suek Lee·Dae-Sun Ryu·Poong-Hun Lee*·Soon-Tae Kim．．

Dept. of Chemical Engineering, Hong-Ik University

Dept. of Ceramic Engineering, Hong-Ik University*

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

서론

지구환경문제 중 지구온난화와 그로 인한 각종의 악영향은 최근 주목을 받고 있으며, 신속하고 구체적인 대응이 필요한 문제 중의 하나이다. 온실효과가스의 지구온난화에 있어서 그 기여도는 대기 중에서의 수명에 의하여 좌우되는데, 1980년대에 있어서 CO2의 악영향 기여도는 약 55%로 추정되고 있다. 이에 1990년의 국제연합총회에 기후변동조약정부간교섭위원회가 설치되어, 1991년 2월에 제1차 교섭회의가 워싱톤에서 열리고, 최종적으로 1992년 5월, 155개국이 서명한 기후변동조약이 채결되었다[1].

이에 본 연구에서는 지구온난화의 상대적 기여도가 높은 이산화탄소를 분해하기 위해 LiMn2O4를 합성하고, 이산화탄소 분해의 최적온도에 대해 연구, 조사하였다.

실험

1. LiMn2O4의 합성

Fig. 1은 졸-겔법에 의해 합성한 LiMn2O4의 공정도를 나타낸 그림이다. 출발물질로는 망간아세테이트와 수산화리튬이 일급시약으로 사용되었고, 이 물질은 Li:Mn=1:2의 몰비로 각각 증류수에 용해시켜 용액을 만든 후 이 두 용액을 격렬하게 교반시키면서 혼합하였다. 혼합 시 겔을 형성시키기 위해서 킬레이팅제로서 구연산을 적당량 사용하였다. 혼합용액을 계속해서 교반하면서 암모니아수를 천천히 첨가하여 pH를 7∼8정도로 유지시켰다.     이 혼합용액을 회전건조증발기를 이용해 진공상태로 75∼85℃를 유지하면서 5시간정도 증발시켰다. 위의 실험에 의해 얻어진 점성의 액체를 건조기에서 150℃를 유지하면서 12시간동안 건조시켰고, 100mesh의 크기로 체가름하였고 480℃에서 공기분위기의 전기로에서 12시간동안 열처리하여

LiMn2O4를 합성하였다[2,3].

2. 촉매의 결정구조 및 반응기

수소환원 전과 후의 촉매 즉, LiMn2O4과 LiMn2O4-□의 결정구조를 분석하기 위해서 X-선 분말회절장치를 사용하여 분석하였다. 합성한 촉매의 수소환원과 이산화탄소의 분해를 위해서 높이 7.30□, 외경 2.00□, 내경 1.36□인 스테인레스 반응기를 사용하였고, 원통형 전기로를 사용하였다.

3. 촉매의 수소환원

수소환원에 사용된 촉매는 100℃의 진공건조기에서 충분히 건조시킨 후 100mesh의 크기로 체가름 한 후 사용하였다. 이 촉매를 반응기에 주입할 때 수소의 고른 분배를 위해서 알루미나 울을 촉매사이에 적층하였다. 수소를 100cc/min의 유속으로 CO2 최적분해조건 중 전보[4,5]에서 연구한 최적수소환원시간인 3시간동안 흘려 LiMn2O4를 충분히 환원시킨다. 수소환원 상태의 촉매를 LiMn2O4-□로 표시한다. Fig. 2는 본 실험에 사용된 수소환원과 이산화탄소의 분해를 위한 장치를 나타낸 그림이다. 수소환원의 반응여부는 수소와 촉매의 반응에 의해서 Fig. 2의 응축기에서 생성되는 응축수를 통해 확인할 수 있다. 이런 과정을 통해서 수소환원상태의 LiMn2O4-□를 얻을 수 있었다.

4. 이산화탄소의 분해

먼저 수소환원 시 반응기내에 잔류해 있는 수소가스를 제거한 후 이산화탄소를 반응기 내부의 압력이 20psi가 될 때까지 반응기 내부에 공급한 후 이산화탄소 분해반응에 의한 반응기 내부의 압력강하를 분단위로 측정하였다.

결과 및 고찰

1. 촉매의 결정구조

Fig. 3은 합성한 LiMn2O4과 300℃에서 3시간동안 수소환원한 LiMn2O4-□의 결정구조 분석결과를 나타낸 그림이다. (a)는 수소환원 전 즉, 촉매 합성 후 결정구조의 분석결과 합성한 촉매가 순수한 스피넬상 LiMn2O4임을 JCPDS cards (#35-0782)로 확인하였다. (b)는 수소환원 후의 회절패턴으로 (a)의 회절패턴과 비교해 볼 때 전체적으로 패턴이 약간 이동되었고 회절강도가 약간 줄어든 것을 알 수 있다. 이는 수소환원의 영향으로 형성된 LiMn2O4-□에서 □에 의해 약간의 격자의 소실에 의한 것으로 판단된다.

2. 이산화탄소 분해율

Fig. 5는 LiMn2O4에 대하여 각각의 수소환원온도에서 측정한 이산화탄소 분해율 곡선이다. (a)는 250℃에서의 이산화탄소 분해곡선으로 40%정도의 분해율을 나타내었고, (b)는 300℃에서의 이산화탄소 분해곡선으로 그림에서 보듯이 압력이 20psi에서 3psi정도로 85%정도의 분해율을 나타내었다. 300℃에서 가장 우수한 분해율을 나타내는 것을 확인할 수 있었다. (c)와 (d)는 350℃와 400℃의 곡선으로서 250℃에서의 분해율보다는 우수하나 300℃에서의 분해율보다는 다소 떨어지는 것을 확인할 수 있다. 이를 통해서 볼 때 300℃에서 수소환원된 촉매가 가장 우수한 이산화탄소 분해율을 나타내는 최적온도로 판단되어진다.

결론

1. 졸-겔법에 의해 합성한 LiMn2O4는 스피넬상 LiMn2O4임이 확인되었다.

2. 각각의 온도에서 수소환원 및 이산화탄소 분해율를 측정한 결과, 이산

화탄소의 최적 분해온도는 300℃로 나타내었다.

3. LiMn2O4를 이용한 이산화탄소의 분해에서 이산화탄소 분해율은 최적이산화탄소의 분해온도인 300℃에서 85%정도의 우수한 분해율을 보였다.

REFERENCES

1. 박진원, 梶內俊夫, 進藤勇治, 이승무, vol. 11(4), 2∼8 (1993).

2. S. Bach and J. Farcy, Solid State Ionics, vol. 110, 193∼198 (1998).

3. K. Akanuma, J. materials science, vol. 28, 860∼864 (1993).

4. 류대선, 이동석, 임병오, 김순태, 한국세라믹학회지, vol. 37(6). 559

∼563 (2000).

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

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

Fig. 1. Flow chart for preparation   Fig. 2. Reaction apparatus for the

of LiMn2O4.                        the reduction of catalyst,

the decomposition of carbon                                            dioxide.

Fig. 3. X-ray diffraction patterns of LiMn2O4 and LiMn2O4-□

reduced by hydrogen at 300℃. (a) LiMn2O4 (b) LiMn2O4-□

Fig. 4. Decomposition profiles of carbon dioxide as a function of time

with LiMn2O4-□ at various temperatures.