LPG-SCR에 의한 질소산화물 제거

Original article Appl. Chem. Eng., Vol. 23, No. 6, December 2012, 588-593

LPG-SCR에 의한 질소산화물 제거

김문찬^† 청주대학교 환경공학과

(2012년 10월 9일 접수, 2012년 11월 8일 심사, 2012년 11월 16일 채택)

DeNOx by SCR (Selective Catalytic Reduction) Using LPG as a Reductant

Moon-Chan Kim^†

Department of Environmental Engineering, Cheongju University, Cheongju 360-764, Korea (Received October 9, 2012; Revised November 8, 2012; Accepted November 16, 2012)

본 연구에서는 LPG (liqufied petroleum gas)를 환원제로 사용하여 질소산화물을 제거하는 SCR (selective catalytic reduc- tion) 반응을 수행하였다. 질소산화물을 제거하기 위하여 HZSM-5 담체위에 Cu와 Fe를 함량을 달리하여 함침 시켜 촉 매를 제조하였다. 질소산화물 전환율을 촉매의 종류와 촉매함량, 반응온도를 중심으로 연구하였다. 촉매는 500 ℃에서 공기흐름 분위기에서 3 h 동안 소성시켜 제조하였다. Cu는 1∼4 wt%, Fe는 0.5∼2 wt%가 되게 Si/Al 비가 80인 HZSM-5에 함침 시켰다. 반응실험 결과에 따르면 Cu가 HZSM-5 담체에 3 wt% 담지된 촉매의 전환율이 가장 높았다.

촉매의 특성화를 위하여 XRD, XPS, TPR 분석을 하였다.

In this study, selective catalytic reduction (SCR) reaction was performed using liqufied petroleum gas (LPG) as a reductant for removing NOx. The catalysts were manufactured with different amounts of Cu and Fe supported on HZSM-5 in order to remove NOx. The NOx conversion ratio was studied with changing the temperature and the catalyst amount. The catalysts were manufactured by calcination with flowing the ambient air at 500 ℃ for three hours. Cupper of 1∼4 wt% and iron of 0.5∼2 wt% were supported on HZSM-5 of which Si/Al ratio were 80. According to the reaction results, the catalyst which Cu of 3 wt% supported on HZSM-5 showed the highest conversion rate. XRD, XPS, and TPR analysis were also performed for the characterization of catalysts.

Keywords: selective catalytic reduction, LPG, catalyst, deNOx, characterization

1. 서 론

1)

질소산화물은 일반적으로 NOx라 불리는데, 여기에는 NO, NO2, NO₃, N₂O, N₂O₃, N₂O₅등의 산화물이 존재한다. 연소시 배출가스에는 일반적으로 약 95%가 NO가 존재하고 나머지는 NO2 형태로 존재하 는데, NO는 열역학적으로 불안정한 상태에 있어서 대기 중에서 산화 되어 NO2나 NO3 형태로 변환된다[1-3].

대기질 개선을 위해서 배출가스 규제가 강화되고 있는데, 수송분야의 에너지 사용량에 따라 질소산화물 배출량은 점차 증가하는 추세에 있 으며, 이러한 문제를 해결하기 위하여 오염물질 저감을 위하여 대체 연료 사용을 위한 엔진 개발, 그리고 연소 후 배기가스에 대한 후처리 장치 및 촉매 개발이 진행되고 있다[4]. 자동차 엔진에서 배출되는 NOx 경우 EURO V 또는 VI 수준의 규제가 시행되거나 또는 시행될 예정에 있으며, 여기에 대처하기 위하여 촉매개발 및 엔진개발이 진행

† Corresponding Author: Cheongju University Department of Environmental Engineering

298 Daesung-ro, Sangdang-gu, Cheongju 360-764, Korea Tel: +82-43-229-8573 e-mail: mckim@cju.ac.kr

pISSN: 1225-0112 @ 2012 The Korean Society of Industrial and Engineering Chemistry.

All rights reserved.

중에 있다. 선박용 엔진에 대해서는 국제 해사기구에서 Tier 3 규제를 2016년부터 시행할 계획을 가지고 있다. Tier 3 규제가 시행되면 Tier 1 대비하여 약 80% 이상의 질소 산화물을 제거하여야 하는데, 이를 위하여 선박엔진 제조사 등에서는 SCR, 에멀젼 연료 사용, EGR (exhaust gas recirculation) 등의 기술을 개발하고 있다.

NOx를 선택적으로 환원시키는 방법인 SCR (선택적촉매환원법)방 법은 현 기술단계에서는 최고의 NOx 저감방법으로 알려져 있다. SCR 방법은 크게 2가지로 분류되어진다. 암모니아계를 이용한 NH3 SCR과 비암모니아계를 이용한 SCR이다.

암모니아계의 경우 비암모니아계에 비하여 효율이 높아 현재로써는 NH₃ SCR이 사용기술로 많이 사용되어지고 있으나, NH3에 의한 독성, 폭발성, silp 등이 문제가 되고 있으며, SOx가 배기가스 내에 포함 되어 있을 경우 미반응 NH3와 반응하여 황산암모늄염을 형성하여, 촉매를 비활성화시키는 문제가 있고, 후단 설비를 부식시키는 등의 문제가 추가적으로 발생한다. 반면 비암모니아계의 경우 암모니아계 가 가지는 문제점을 가지고 있지는 않지만, 효율이 상대적으로 낮은 단점이 잇다. 비암모아계 SCR의 경우 탄화수소를 사용하는 SCR이 대 표적이며, 상대적으로 낮은 NOx 저감율로 인하여 더 많은 성능 개선 이 요구되고 있다[5].

본 연구에서는 환원제로 LPG를 이용하여 수행하였다. 환원제를

LPG로 사용할 경우 연료 자체의 압력이 높아 따로 압력을 높여야하는 불편함이 줄어들게 된다. 또한 기체상태로 분사하기 때문에 노즐의 형상 설계에 있어서도 장점이 된다. 이에 LPG 환원제를 이용하여 배 출가스 중 포함된 NOx를 선택적 촉매환원법으로 환원시켜 제거하기 위하여 Cu와 Fe의 함량을 여러 가지로 달리하여 HZSM-5에 담지한 촉매를 제조하여 저온에서 NOx를 효율적으로 제거하는 반응에 대하 여 연구하였다. 또한 제조한 촉매의 물성 분석을 통하여 촉매의 상태 와 NOx의 전환율과의 관계를 알아보았다.

2. 이론적 배경

2.1. 질소산화물의 특징

다음의 식 (1)에 일산화질소가 질소와 산소로 분해되는데 필요한 Gibbs 자유에너지의 양을 나타내었다.

NO → ½N2 + ½O₂ ; ΔG⁰f = -86 kJ/mol (1)

연소과정에서 대기 중의 질소에 의한 NO 생성 메카니즘은 많은 학 자들에 의해 연구되어 왔으며, Zeldovich는 N2와 O2가 다음과 같이 반 응하여 NO가 생성된다는 Zeldovich 메카니즘을 제안하였다[1-3].

O2 → 2⋅O (2)

N2 + ⋅O → NO +⋅N (3)

⋅N + O2 → NO +⋅O (4)

위의 반응식은 공기와 연료의 혼합비(공기/연료비)가 이론 공기/

연료비 부근 혹은 연료가 희박한 상태에서 연소될 때 잘 적용되는 것 으로 알려져 있다. 또한 (2-3)에서 ⋅N 라디칼의 농도가 일정하고, 산 소의 함량이 NO의 농도에 비하여 크다면 다음 식을 얻을 수 있다.

   ^{ }^{‧ (5)}

식 (5)는 근본적으로 NO의 생성이 식 (3)의 반응에 의해 제어된다는 것을 보여준다. 따라서 고온에서의 체류시간을 짧게 하여 온도를 낮 추고, 산소의 농도를 낮게 조절하면 NO의 생성을 크게 줄일 수 있다.

무색의 NO 가스는 식 (6)과 같이 대기 중에서 태양광중의 자외선에 의하여 산소와 결합하여 쉽게 NO2로 전환된다.

  _   _ (6)

또한 NO2 분자들끼리 중합하여 N2O4를 형성하기도 한다. NO와 NO2, 그리고 N2O4는 온도에 의존하여 식 (7)과 같이 평형을 이룬다.

NO + ½O₂ ⇌ NO2 ⇌ ½N2O₄ (7)

NO는 대기 중에 일반적으로 존재하는 농도에서는 독성이 없으나 공기 중에서 쉽게 NO2로 산화하기 때문에 독성물질로 간주한다. 동물 생체실험에서 NOx는 주로 폐에 독성을 일으키며, 약 0.12 ppm 정도 에서 냄새를 맡을 수 있다. NO2는 O3와 작용이 비슷하며, NO2는 작용

이 서서히 나타나고 지속시간이 짧은 반면, O3는 단시간에 작용이 나 타나고 지속시간이 긴 것이 특징이다[7].

NOx가 인체에 미치는 영향으로는 눈과 코를 강하게 자극하고, 폐 출혈, 폐수종, 기관지염 등의 급성피해와 만성폐수종 및 폐섬유화와 같은 만성피해가 있다.

질소의 대기 중 순환과정과 환경에 미치는 영향에 대하여 설명하면, 여러 가지 발생원에서 발생한 NOx는 대기 중에서 물과 반응하여 산을 생성하고 산성비로 지표면에 도달하게 된다. 이 산은 매우 강한 독성을 가지고 있으므로 지구의 생태계에 많은 영향을 미친다. 또한 NOx는 대기 중에서 짧은 파장 영역의 태양광을 받아서 (8)∼(9) 식의 반응과 같이 오존을 생성하거나 (10)∼(14) 식의 반응과 같이 광화학스모그를 유발하는 등의 이차오염물질로 작용하기도 한다[1-3].

NO₂ + hν(λ < 415 nm) → NO + O^* (8)

O2 + O^* → O3 (9)

NO2 + hν → NO + O^* (10)

H₂O + O^* → 2OH^* (11)

CH3-CHO + OH^* → CH3-CO^* + H2O (12) CH₃-CO^* + O₂ → CH3-CO^*₃ (13) CH3-CO^*3 + NO2 → CH3-CO3-NO2 (14)

2.2. 질소산화물 제거 촉매

촉매환원법에서 사용하는 촉매로는 금속 및 금속산화물로부터 제 올라이트까지 매우 다양하게 사용될 수 있으며 이중에서 중요한 촉매 로는 V2O5, MoO3, Pt 및 제올라이트 등이 있다[6]. 특히 V2O5촉매는 SiO2, Al2O3및 TiO2에 담지 시켜 사용하면 아주 우수한 효과를 나타 내는 것으로 알려져 있다. 따라서 현재 가장 많이 사용되는 촉매는 TiO2에 V2O5를 담지 시킨 촉매이다.

근래에는 NOx의 제거를 위하여 Ag를 촉매로 하는 연구가 많이 진 행 중이며, 환원제로는 NH3를 이용하는 연구도 있으나 프로펜 (propene)을 비롯한 탄화수소류를 사용하거나 에탄올이나 아세톤과 같은 산소를 포함한 유기물을 환원제로 하는 연구가 주로 이루어지고 있다. 또한 담체로는 알루미나류나 제올라이트류가 많이 사용되고 있다 [7-9].

3. 실 험

3.1. 촉매 제조

본 연구에서는 질소산화물을 제거하기 위하여 Si/Al 비가 80인 HZSM-5를 담체로 사용하여 여기에 Cu 및 Fe를 담지한 촉매를 제조 하여 반응실험을 하였다. 촉매를 제조하기 위해서 사용한 원료염으로 는 copper (II) nitrate trihydrate (Cu(NO3)₂, Junsei, 99.0%), iron (III) nitrate nonahydrate (Fe(NO₃)₃⋅9H2O, samchun, 98.5%)를 사용하였다.

각각의 촉매는 HZSM-5를 담체로 사용하였으며, HZSM5는 금속을 담지 시키기 전에 120 ℃에서 충분히 건조시킨 후 사용하였다. 제조한 촉매는 각각 Cu의 함량이 1.0, 2.0, 3.0, 4.0 wt%가 되도록 하였고, Fe 의 함량은 0.5, 1.0, 2.0 wt%가 되도록 각각 함침하였고, 120 ℃에서 24 h 건조한 후 500 ℃에서 공기 흐름 중에 3 h 동안 소성하였다.

위에서 설명한 촉매의 표기를 Table 1에 나타내었다.

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Table 1. List of Prepared Catalysts and Notations

Catalyst Notation

Cu 1.0 wt% on HZSM-5 1Cu/HZSM-5 Cu 2.0 wt% on HZSM-5 2Cu/HZSM-5 Cu 3.0 wt% on HZSM-5 3Cu/HZSM-5 Cu 4.0 wt% on HZSM-5 4Cu/HZSM-5 Cu 3.0 wt% Fe 0.5 wt% on HZSM-5 3Cu0.5Fe/HZSM-5 Cu 3.0 wt% Fe 1.0 wt% on HZSM-5 3Cu1Fe/HZSM-5 Cu 3.0 wt% Fe 2.0 wt% on HZSM-5 3Cu2Fe/HZSM-5

Table 2. Operationg Condition of XRD

Item Operating condition

Model M18XCE

X-ray source CuKa

Filter Ni

Count

Voltage 20∼60 KV

Current 2.5∼80 mA

Scan speed range 0.001∼2°/s

Table 3. Variables of TPR Experiment

Time for detector stabilization 10 min

Set point 750 ℃

Temp. ramp rate 10 ℃/min

Set point holding time 10 min Carrier gas H2 (5%) / Ar

TCD Sensitivity High

Figure 1. Schematic diagram of experimental apparatus.

3.2. 촉매의 특성분석 3.2.1. X-ray 회절 분석

제조된 촉매의 반응 전후의 bulk 상의 결정구조 및 조성을 분석하기 위하여 X-ray diffraction (XRD) 분석을 행하였으며 기기는 Bruker사의 X-ray diffractometer (M18XCE)를 사용하였고 분석조건은 Table 2에 나타내었다.

3.2.2. XPS 분석

XPS (X-ray photoelectron spectroscopy)분석은 시료의 표면에 특성 X-선 및 전자빔을 입사하여, 방출하는 광전자의 에너지를 측정함으로 써 시료표면의 조성 및 화학적인 결합상태를 측정하는 분석방법이다.

에너지원으로 X-선이 사용되어 절연체에 적용이 가능하므로 도체 및 반도체 절연박막의 분석에 큰 장점을 가지고 있다. 본 연구에서는 제 조된 촉매의 표면 조성 및 산화상태를 알아보기 위하여 XPS 분석을 행하였다. 분석에 사용된 기기는 JEM-2010 (JEOL)이다. C1s (284.6 eV) 를 기준 피크로 하여 charging effect 및 work function에 의한 shift를 고려하여 측정 자료를 보정하였다. XPS data 분석은 Cu2P spectra를 분석하였으며, XPS 분석 program 중 하나인 XPS PEAK로 피크분석 및 면적계산을 하였다.

3.2.3. TPR 분석

Temperature Programmed Reduction (TPR)은 촉매의 반응온도의 변 화에 따른 환원 특성을 알아보는 것으로 촉매에 존재하는 화학종의 종류 및 결합세기를 알 수 있으며, 피크의 면적으로 화학종의 존재량 또한 알 수 있다. 분석기기는 화학흡착장치(Chemisorption Analyzer)을 사용하였고, 사용기기 모델은 BEL-CAT (Japan)을 사용하였다.

Table 3에는 본 연구에서 사용한 TPR 실험 변수들을 나타내었다.

실험은 0.5 g의 촉매를 quartz 반응기에 넣고 50 min 동안 400 ℃ 에서 Ar가스를 흘리면서 purging 해준 후 40 ℃까지 냉각 한 후 5%

수소 혼합가스로 750 ℃까지 10 ℃/min으로 승온하면서 수소의 소모

량을 TCD로 분석하였다. 생성되는 수분은 액체질소를 채운 Dewar bottle을 지나게 하여 제거하였다.

3.3. 실험장치

반응실험을 수행하기 위하여 mass flow controller (MFC), 반응기, Heating mantle, PID controller, GC 등을 설치하였다. 가스의 유량은 MFC로 조절하여 반응기 안으로 유입되도록 하였다. MFC는 Bronkhorst 사의 제품을 사용하였다. 본 연구에 사용된 가스는 N2와 O2로 충북 산소(주)의 제품을 사용하였다. 반응기를 통과하는 가스의 총 유량은 2.6 L/min으로 조절하였다. 실험에 사용된 반응기는 fixed bed type의 연속 흐름 반응장치로서 Figure 1에 장치의 구성을 나타내었다. 반응 기에는 glass wool과 stainless 망을 이용해서 분말 형태의 촉매를 충전 하여 반응실험을 수행하였다. PID controller를 이용하여 반응기의 온 도는 150∼600 ℃범위에서 승온 시키면서 유입된 가스는 촉매층과 반응한 후 on-line으로 연결된 NOx analyzer에서 분석된 후 컴퓨터에 서 자료화되어 저장된다.

3.4. 실험방법 3.4.1. 촉매의 충전

본 실험에서는 제조된 촉매는 물질전달 저항의 영향을 최소로 하기 위해 0.4 g의 촉매를 충진 하였다. 반응가스의 분산과 촉매층의 channeling 현상을 막기 위하여 stainless steel 재질의 400 mesh sieve 와 유리솜으로 촉매와 반응기의 사이를 충전하였다.

3.4.2. 실험조건

본 실험의 실험조건은 상압에서 온도는 150 ℃에서 600 ℃까지 점 차적으로 승온 시키면서 실험하였다. 반응물의 조건 및 실험 조건은 Table 4에 나타내었다.

Table 4. Operating Conditions

Variables Ranges

Temperature (℃) 200∼500

Catalyst loading weight (g) 0.4 Catalyst Particle size (mesh) 100 <

Total pressure (bar) 1.5

Gas variables

N2 balance

NO (ppm) 500

LPG (ppm) 500

O2 (%) 10∼13%

Figure 2. Effect of temperature over Cu/H-ZSM5 catalysts.

Figure 4. XPS peaks of 1Cu/H-ZSM5 and 2Cu/H-ZSM5 catalysts.

Figure 3. Effect of copper and iron loading amount on the conversion of nitric oxide over CuFe/H-ZSM5.

3.4.3. 반응 생성물의 분석

촉매층에서 반응 후 생성되는 가스를 analyzer (Green Line MK2, Eurotron, Italy)로 분석하였다. 단위는 ppm으로 분석되며 환경부에서 인증된 제품이며 ± 1 ppm 이하의 오차를 갖는다. 반응의 전환율은 다 음 식으로 정의하였다.

전환율_  _{}

_{} _{}

×

4. 결과 및 고찰

4.1. 반응실험 결과

4.1.1 반응온도 및 Fe 함량에 따른 영향

Figure 2는 H-ZSM5를 담체로 사용한 촉매의 온도에 따른 전환율을 나타내었다. Figure 2를 보면 3Cu/H-ZSM5 촉매의 전환율이 가장 높 으며, 특히 낮은 온도영역인 300 ℃를 전후하여도 약 50% 이상의 높은 전환율을 나타내었다. Figure 3에서는 촉매의 성능을 향상시키기 위하 여 조촉매로 Fe를 담지 시켜 실험하였는데, 1 wt% Fe를 담지 하였을 경우가 다른 촉매에 비해 상대적으로 높은 전환율을 나타내어 조촉매 로 Fe를 사용하는 것이 질소산화물 제거 성능에 긍정적인 영향을 미 침을 알 수 있었다.

4.2. 촉매의 특성화 4.2.1. XPS 분석

본 연구에서는 H-ZSM5 표면에서의 Cu의 산화상태를 파악하는 것이 중요하므로 이를 위하여 XPS 분석을 행하였으며, L. Chen 등의 연구자들의 방법으로 반응의 전환율 및 촉매의 안정성 등을 연관시켜 규명하려 하였다[10].

Figures 4∼5는 H-ZSM5를 담체로 사용한 반응 전 촉매의 XPS peak와 반응 후 촉매의 XPS peak를 나타낸 것이다. 반응 전의 촉매들 은 933 eV와 954 eV 근처에서 피크가 나타난다. 그러나 반응 후에 peak를 보면 binding energy가 감소되었다. 반응 후 XPS peak가 낮은 binding energy로 shift되는 것은 Cu가 환원되어 metallic Cu가 되어 촉 매의 효율이 떨어지게 되는 것을 나타낸다. 반면에 3Cu/H-ZSM5 촉매 는 binding energy가 증가되었으며, peak가 높은 binding energy로 shift되었는데, 이것은 Cu의 산화상태의 증가를 의미하며, 반응한 후 에 산화상태가 잘 유지되어 metallic 형태로 전환 되지 않고, 반응 후 에도 산화상태를 잘 유지하여 촉매의 효율이 높아지는 것을 의미한다.

또한 모든 촉매에서 peak의 면적이 증가함을 볼 수 있는데, 이것은 Cu

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Figure 5. XPS peaks of 3Cu/H-ZSM5 and 4Cu/H-ZSM5 catalysts. Figure 6. XRD spectra of the fresh catalysts ((●) ZSM-5).

Figure 7. XRD spectra of the aged catalysts, ((●) ZSM-5, (↓) metallic Copper).

Figure 8. TPR Profiles of Cu/H-ZSM5 catalysts ((●) CuO (↓) Cu2O).

금속이 H-ZSM5 담체 표면에 고르게 분산되었음을 나타낸다. 그 중에 서도 3Cu/H-ZSM5 촉매의 경우에는 가장 큰 폭의 binding energy의 변화를 보였으며, 온도에 따른 반응실험에서도 보듯이 가장 좋은 전 환율을 보이는 것처럼 산화상태가 증가되고, 이로 인해 산화상태가 잘 유지됨을 알 수 있는데, 이것은 L. Chen 등의 결과와도 일치됨을 보여주었다[10].

4.2.2. XRD 분석

본 연구에서는 H-ZSM5 담체에 대한 Cu 촉매에 대하여 XRD 분석을 통하여 결정구조의 특성을 알아보았다.

Figures 6과 7은 제조된 촉매들의 반응 전과 반응 후의 Cu/H-ZSM5 촉매의 XRD spectra를 나타내었다. Figures 6과 7을 보면 이전 연구들 에 보고된 바와 같이 θ = 20∼30 범위 내에서 ZSM5와 제올라이트의 peak가 뚜렷하게 관찰되었으며 반응 전이나 반응 후에도 반응 전과 같이 peak가 관찰되었다. 이것은 Y. Wan 등의 연구 결과와도 일치됨 을 보여 주었다[11]. Figure 5는 반응 전 1Cu, 2Cu, 3Cu, 4Cu가 담지된 H-ZSM5 촉매에서 2θ = 43.298, 50.434, 74.132 부근에서 Copper의 peak를 관찰할 수 있었다. 반응 후 3Cu/H-ZSM5 촉매에서는 metallic Cu가 관찰되지 않았다. XPS와 온도에 따른 반응실험 분석을 종합할 때 반응 후 산화상태를 잘 유지하여 metallic Cu의 생성이 이루어지지 않아 반응 후에도 산화상태를 잘 유지하여 높은 전환율을 나타낸 것 으로 보인다. 반응 후에도 알정한 Cu의 산화상태를 유지하여 다른 촉 매에 비해 낮은 온도에서 NOx의 제거효율이 높게 나타났다고 판단되 었다.

4.2.3. TPR 분석

제조한 촉매 중에서 1Cu/H-ZSM5, 2Cu/H-ZSM5, 3Cu/H-ZSM5, 4Cu/H-ZSM5에 대하여 TPR 분석실험을 한 결과를 Figure 8에 나타내 었다. L. Chen 등의 연구에 따르면, Cu2O의 상태에서 높은 NOx의 전 환율을 나타낸다고 하였는데[10], 온도변화에 따른 반응실험과 XPS 분석결과에서 나타낸 바와 같이 NOx의 전환율은 Cu의 산화상태에 따라 크게 달라졌으며, Cu2O의 상태에서 높은 NOx의 전환율을 기대 할 수 있었다. Y. Wan 등에 따르면, CuO는 상대적으로 결합력이 약해 낮은 온도에서도 쉽게 환원되어 Cu metal로 된다고 보고하였는데, 촉매의 산화상태가 CuO의 상태로 존재하면 높은 NOx의 전환율을 기대하기 어렵다[11].

TPR 실험 결과 200∼300 ℃ 근처에서 실험에 사용된 모든 촉매 에서 CuO에 의한 것으로 보이는 peak가 나타났다. Cu의 산화상태 중 에서 NOx의 환원반응에 효과가 있는 Cu2O 상태에 의한 peak는 300

∼400 ℃ 근처에서 나타났다. Cu2O의 peak를 보면 3Cue/H-ZSM5 촉 매가 사용된 촉매들 중에서 가장 높은 온도에서 Cu2O의 peak를 나타 내었는데, 이것은 앞의 실험결과들과 비교해 볼 때, 높은 온도에서 Cu₂O의 peak가 나타남으로써 Cu의 산화상태를 잘 유지하여 상대적으로 높은 NOx의 제거 전환율을 나타낸 것으로 사료되어진다.

5. 결 론

본 연구에서는 질소산화물을 제거하기 위하여 환원제로 LPG를 사용 하여 LPG-SCR 반응을 수행하였는데, H-ZSM5 담체에 Cu를 첨가하여 제조된 촉매로 반응실험과 촉매의 특성 분석을 통하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

1) 본 실험에 사용된 촉매중 LPG-SCR 반응에 높은 효율을 보이는 최적의 촉매는 Cu의 담지량이 3 wt%인 Cu/HZSM-5 촉매임을 확인하 였고, 특히 저온에서 높은 활성을 보였다.

2) 3Cu/HZSM-5 촉매에 조촉매를 사용하여 촉매 성능 향상을 꾀하 려고 하였는데, 조촉매로 사용된 Fe 담지량이 1 wt%인 3Cu1Fe/HZSM-5 촉매의 전환율이 가장 높았다.

3) XPS와 XRD 분석결과를 보면 Cu의 담지량이 3 wt%인 Cu/HZSM-5 촉매의 경우가 산화상태를 잘 유지하고 있어 높은 전환율을 나타낸 것으로 분석되었다.

4) TPR 분석 결과를 보면 높은 온도에서 Cu2O의 상태로 존재하는 3Cu/HZSM-5 촉매가 산화상태를 잘 유지하여 NOx의 제거효율이 가 장 좋은 것으로 나타났다.

감 사

이 논문은 2010학년도에 청주대학교 산업과학연구소가 지원한 학 술연구조성비(특별연구과제)에 의해 연구되었음.

참 고 문 헌

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