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수록정보
수록범위 : 1권1호(1963)~60권1호(2022) |수록논문 수 : 5,344
화학공학
60권1호(2022년 02월) 수록논문
최근 권호 논문
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KCI등재 SCOPUS

1Polyaniline을 이용한 CNT fiber 유연 전극 기반의 비효소적 글루코스 검출

저자 : 송민정 ( Min-jung Song )

발행기관 : 한국화학공학회 간행물 : 화학공학 60권 1호 발행 연도 : 2022 페이지 : pp. 1-6 (6 pages)

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최근 웨어러블 디바이스에 대한 수요가 증가하면서 유연 전극 소재 개발에 대한 다양한 연구들이 진행되고 있다. 특히, 헬스케어용 웨어러블 센서들은 체온이나 심장 박동, 혈당, 혈중 산소 농도 등 신체 정보들의 실시간·지속적인 모니터링과 정확한 진단, 검출이 가능해야 하기 때문에 고성능 유연 전극 소재의 개발이 무엇보다 중요하다. 본 연구에서는 탄소나노튜브 섬유(carbon nanotube fiber; CNT fiber) 기반의 유연 전극 소재의 성능을 개선시키기 위해 CNT fiber 위에 전기화학적 중합(electrochemical polymerization) 공정을 통해 polyaniline (PANI) layer를 합성하고, 이에 대한 전기화학적 특성 분석과 비효소적 글루코스(glucose) 검출 특성을 확인하였다. 제작된 PANI/CNT fiber 전극의 표면 분석은 주사전자 현미경(SEM)을 이용하여 진행되었으며, 전극의 전기화학적 특성 및 글루코스에 대한 센싱 성능은 시간대전류법(CA)과 순환전압 전류법(CV), 전기화학 임피던스법(EIS)을 이용하여 분석되었다. PANI/CNT fiber 전극의 전기화학적 특성은 bare CNT fiber 전극에 비해 작은 electron transfer resistance와 낮은 peak separation potential, 증가된 전극 면적을 나타내며, 이런 향상된 특성들 덕분에 글루코스 검출에 대한 센싱 성능이 개선되었다. 따라서, 본 연구를 기반으로 다양한 나노구조체를 도입하고 접목을 통해 고성능 CNT fiber 기반의 유연 전극 소재 개발이 가능할 것으로 기대된다.


As the demand for wearable devices increases, many studies have been studied on the development of flexible electrode materials recently. In particular, the development of high-performance flexible electrode materials is very important for wearable sensors for healthcare because it is necessary to continuously monitor and accurately detect body information such as body temperature, heart rate, blood glucose, and oxygen concentration in real time. In this study, we fabricated the nonenzymatic glucose sensor based on polyaniline/carbon nanotube fiber (PANI/CNT fiber) electrode. PANI layer was synthesized on the flexible CNT fiber electrode through electrochemical polymerization process in order to improve the performance of a flexible CNT fiber based electrode material. Surface morphology of the PANI/CNT fiber electrode was observed by scanning electron microscopy. And its electrochemical characteristics were investigated by chronoamperometry, cyclic voltammetry, electrochemical impedance spectroscopy. Compared to bare CNT fiber electrode, this PANI/CNT fiber electrode exhibited small electron transfer resistance, low peak separation potential and large surface area, resulting in enhanced sensing properties for glucose such as wide linear range (0.024~0.39 and 1.56~50 mM), high sensitivity (52.91 and 2.24 μA/mM·cm2), low detection limit (2 μM) and good selectivity. Therefore, it is expected that it will be possible to develop high performance CNT fiber based flexible electrode materials using various nanomaterials.

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2PEMFC 고분자막의 어닐링 온도가 내구성에 미치는 영향

저자 : 이미화 ( Mihwa Lee ) , 오소형 ( Sohyeong Oh ) , 박유준 ( Yujun Park ) , 유동근 ( Donggeun Yoo ) , 박권필 ( Kwonpil Park )

발행기관 : 한국화학공학회 간행물 : 화학공학 60권 1호 발행 연도 : 2022 페이지 : pp. 7-11 (5 pages)

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고분자전해질 연료전지의(PEMFC)의 제막 과정에서 성능 및 내구성을 위해 건조와 어닐링의 열처리 과정이 필요하다. 본 연구에서는 고분자막 내구성 향상을 위한 최적의 어닐링 온도에 대해 연구하였다. 125~175 ℃ 온도 범위에서 어닐링하였고, 각 어닐링 온도에서 내구성의 기초 자료로 열 안정성 및 수소투과도를 측정하였다. 펜톤 반응과 OCV holding에 의해 전기화학적 내구성을 분석했다. 165 ℃ 어닐링 온도가 열 안정성과 수소투과도 면에서 최적의 온도였다. 펜톤 반응에서 165 ℃에서 어닐링한 막의 불소유출속도가 제일 낮고, OCV holding 실험에서도 165 ℃에서 어닐링한 막의 수명이 제일 길어, 165 ℃가 고분자막의 내구성을 위한 최적의 온도임을 확인했다.


In the membrane forming process of a proton exchange membrane fuel cell (PEMFC), drying and annealing heat treatment processes are required for performance and durability. In this study, the optimal annealing temperature for improving the durability of the polymer membrane was studied. It was annealed in the temperature range of 125~175 ℃, and thermal stability and hydrogen permeability were measured as basic data of durability at each annealing temperature. The electrochemical durability was analyzed by Fenton reaction and open circuit voltage (OCV) holding. The annealing temperature of 165 ℃ was the optimal temperature in terms of thermal stability and hydrogen permeability. In the Fenton reaction, the fluorine emission rate of the membrane annealed at 165 ℃ was the lowest, and the lifespan of the membrane annealed at 165 ℃ was the longest in the OCV holding experiment, confirming that 165 ℃ was the optimal temperature for the durability of the polymer membrane.

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3Cathode 개방형 고분자연료전지 스택 내구성 평가

저자 : 유동근 ( Donggeun Yoo ) , 김현석 ( Hyeonsuck Kim ) , 오소형 ( Sohyeong Oh ) , 박권필 ( Kwon-pil Park )

발행기관 : 한국화학공학회 간행물 : 화학공학 60권 1호 발행 연도 : 2022 페이지 : pp. 12-19 (8 pages)

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소형 이송형 고분자전해질 연료전지 (PEMFC)에 많이 사용되는 cathode 개방형 PEMFC 스택은 내구성이 약한 문제점이 있다. 13개의 셀로 이루어진 PEMFC 스택의 가속 내구성 평가를 통해 스택의 열화 원인을 찾고 cathode 개방형 스택의 내구성 향상에 기여하고자 하였다. Cathode가 대기에 개방되어 있고, 기밀 유지가 어려운 cathode 개방형 스택의 구조적 문제점 때문에 시동/정지 (SU/SD)시 수소/공기 경계가 형성되어 cathode를 열화시킨다. 본 연구에서는 cathode 개방형 스택에 SU/SD 1,800회 반복 후 초기 성능의 54%가 감소하여 비교적 짧은 시간에 내구성을 평가할 수 있었다. 스택 해체 후 각 셀을 2등분하여 성능분석하였다. 전체적으로 공기 유입이 용이한 anode 출구부 MEA가 유입부 MEA보다 전극 열화가 더 심해서 SU/SD시 수소/공기 경계 형성이 주요 열화 원인임을 확인했다.


Cathode open-type PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cells) stacks, which are widely used in small transport-type PEMFC, have a problem with poor durability. Through the accelerated durability test of the 13-cell PEMFC stack, we tried to find the cause of the degradation of the stack and to contribute to the improvement of the durability of the cathode open stack. A hydrogen/air boundary is formed during start-up/shut-down (SU/SD) due to the structural problem of the cathode open stack in which the cathode is open to the atmosphere and it is difficult to maintain airtightness, thereby deteriorating the cathode. In this study, it was possible to evaluate the durability in a relatively short time by reducing the 54% of the initial performance by repeating SU/SD 1,800 times on the cathode open stack. After dismantling the stack, each cell was divided into two and the performance was analyzed. Overall, the anode outlet MEA, which facilitates air inflow, showed more severe electrode deterioration than the inlet MEA, confirming that the hydrogen/air boundary formation during SU/SD is the main cause of degradation.

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4고분자전해질 연료전지에서 고분자 막과 전극의 철 이온 오염 및 산 세척 효과

저자 : 유동근 ( Donggeun Yoo ) , 박민정 ( Minjeong Park ) , 오소형 ( Sohyeong Oh ) , 박권필 ( Kwon-pil Park )

발행기관 : 한국화학공학회 간행물 : 화학공학 60권 1호 발행 연도 : 2022 페이지 : pp. 20-24 (5 pages)

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고분자전해질 연료전지 (PEMFC) 장기 사용과정에서 스택요소의 부식 및 공급 가스의 오염에 의해 막전극 합체 (MEA)의 화학적 열화가 발생한다. 본 연구에서는 화학적으로 열화된 MEA를 산 세척해서 성능을 회복시킬 수 있는지 연구하였다. 철 이온을 오염시키고 황산 수용액으로 세척하여 PEMFC 셀에서 성능을 측정해 비교했다. 0.5 ppm의 철 이온 오염에 의해 약 25%의 성능 감소가 있었고 0.15 M 황산 세척에 의해 97.1% 성능회복이 가능했다. 고분자 막의 철 이온 오염에 의해 막 저항이 증가했고, 저농도 황산 수용액 세척에 의해 전극 촉매의 손실을 최소화하면서 막에서 철 이온을 세척함으로써 이온전도도가 회복되었다. PEMFC MEA의 화학적 오염에 의한 내구성 감소를 산 세척에 의해 해결할 수 있는 가능성을 확인하였다.


In the process of long-term use of PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cells), chemical degradation of membrane electrode assembly (MEA) occurs due to corrosion of stack elements and contamination of supply gas. In this study, we investigated whether chemically degraded MEA can be recovered by acid washing. The performance was measured and compared in a PEMFC cell after contamination with iron ions and washing with an aqueous sulfuric acid solution. The performance was reduced by about 25% by 0.5 ppm iron ion contamination, and 97.1% performance recovery was possible by washing of 0.15 M sulfuric acid. The membrane resistance was increased due to iron ion contamination of the polymer membrane, and the ionic conductivity was restored by washing the iron ions from the membrane while minimizing the loss of the electrode catalyst by washing with a low-concentration sulfuric acid aqueous solution. The possibility of solving the decrease in durability caused by chemical contamination of PEMFC MEA by the acid washing was confirmed.

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5스팀 절감량 예측을 위한 흑액 다중 효용 증발 공정 모델 개발

저자 : 김유림 ( Yurim Kim ) , 임종훈 ( Jonghun Lim ) , 최영렬 ( Yeongryeol Choi ) , 김태복 ( Taebok Kim ) , 박한신 ( Hansin Park ) , 조형태 ( Hyungtae Cho ) , 김정환 ( Junghwan Kim )

발행기관 : 한국화학공학회 간행물 : 화학공학 60권 1호 발행 연도 : 2022 페이지 : pp. 25-33 (9 pages)

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본 연구에서는 흑액 증발공정에 소비되는 스팀의 절감량을 예측하기 위해 증발기 수에 따른 다중 효용 증발공정 모델을 개발하였다. 개발한 공정 모델은 흑액의 예열 및 증발 과정으로 구성되어 있고, 스팀 사용량을 예측하기 위해 가상의 재비기가 추가되었다. 시뮬레이션 결과, 2중 효용 증발기에서 스팀 사용량은 48.9% 감소하였고, 증발기 수가 증가함에 따라 스팀 사용량이 감소하여 8중 효용 증발기에서 최대 76.5% 감소함을 확인하였다. 시뮬레이션 결과를 증발기 수에 따른 포화증기의 잠열 회수량, 스팀 사용량, 각 증발기의 포화증기 생산량으로 분석하여 최적의 증발기 수 도출을 위한 방안을 제시하였다.


This study developed the black liquor evaporation process models using the multiple-effect-evaporator according to the number of effects to predict steam consumption. The developed models were divided into the black liquor preheating and evaporation processes, and a virtual reboiler was added to predict steam consumption. In simulation results, the steam consumption in the double-effect-evaporator was decreased by 48.9 %, and as the number of effects increased, the steam consumption was decreased. Finally, the steam consumption in the octuple-effectevaporator was decreased by 61.2 %. Also, this study suggests a strategy for deriving the optimal number of effects in the process by analyzing the latent heat recovered from the saturated vapor produced in the multiple-effect-evaporator and the amount of saturated vapor produced by each effect.

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6재생에너지 기반 청정 수소 운송 에너지 시스템 모사 연구

저자 : 이준헌 ( Joon Heon Lee ) , 류준형 ( Jun-hyung Ryu )

발행기관 : 한국화학공학회 간행물 : 화학공학 60권 1호 발행 연도 : 2022 페이지 : pp. 34-50 (17 pages)

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파리 기후 협약 이후 온실 가스 감축은 전세계적으로 가장 중요한 문제이다. 특히 상당한 온실 가스를 배출하는 교통운송 부문의 화석 연료 감축이 시급하다. 본 논문에서는 이에 대한 대안으로 재생에너지원에서 생산된 전기 에너지로 수소를 생산하여 수소 자동차에 연료로 공급하는 그린 모빌리티 에너지 시스템의 경제성을 검토하였다. 시스템 설계에 필요한 재생에너지 발전, 수전해 통한 수소 생산, 수소 저장과 충전소 등 여러가지 결정사항들에 대해 9 가지 시나리오를 구성하여 그에 대한 최적 설계 및 운영 비용을 분석하였다. 본 연구에서 얻어진 경험은 현실적 수소 에너지 시스템을 구축하는데 활용될 수 있을 것이다.


Since the Paris climate agreement, reducing greenhouse gases has been the most important global issue. In particular, it is necessary to reduce fossil fuels in the mobility sector, which accounts for a significant portion of total greenhouse gas emissions. In this paper, we investigated the economic feasibility of green mobility energy supply chains, which supply hydrogen as fuel to hydrogen vehicles based on electricity from renewable energy sources. The design and operation costs were analyzed by evaluating nine scenarios representing various combinatorial possibilities such as renewable energy generation, hydrogen production through water electrolytes, hydrogen storage and hydrogen refueling stations. Simulation calculations were made using Homer Pro, widely used commercial software in the field. The experience gained in this study could be further utilized to construct actual hydrogen energy systems.

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7Mathematical Modelling and Simulation of CO2 Removal from Natural Gas Using Hollow Fibre Membrane Modules

저자 : Boram Gu

발행기관 : 한국화학공학회 간행물 : 화학공학 60권 1호 발행 연도 : 2022 페이지 : pp. 51-61 (11 pages)

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Gas separation via hollow fibre membrane modules (HFMM) is deemed to be a promising technology for natural gas sweetening, particularly for lowering the level of carbon dioxide (CO2) in natural gas, which can cause various problems during transportation and process operation. Separation performance via HFMM is affected by membrane properties, module specifications and operating conditions. In this study, a mathematical model for HFMM is developed, which can be used to assess the effects of the aforementioned variables on separation performance. Appropriate boundary conditions are imposed to resolve steady-state values of permeate variables and incorporated in the model equations via an iterative numerical procedure. The developed model is proven to be reliable via model validation against experimental data in the literature. Also, the model is capable of capturing axial variations of process variables as well as predicting key performance indicators. It can be extended to simulate a large-scale plant and identify an optimal process design and operating conditions for improved separation efficiency and reduced cost.

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8전기화학 증착법을 이용한 그래핀 개질 Indium Tin Oxide 전극 제작 및 효소 전극에 응용

저자 : 왕설 ( Xue Wang ) , 시키 ( Ke Shi ) , 김창준 ( Chang-joon Kim )

발행기관 : 한국화학공학회 간행물 : 화학공학 60권 1호 발행 연도 : 2022 페이지 : pp. 62-69 (8 pages)

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그래핀은 부피에 비해 표면적이 넓고 뛰어난 기계적 물성과 전기전도성을 가지며 생체적합성이 우수하다. 본 연구에서는 전기화학적 방법을 이용하여 indium tin oxide (ITO) 글래스 슬라이드 표면에 산화그래핀을 증착·환원시킨 전극을 제작하였고 그래핀으로 표면 개질된 ITO의 전기화학적 특성을 조사하였다. 산화그래핀의 증착과 환원에 순환전압전류법을 사용하였다. 주사전자현미경과 에너지 분산형 X-선 분광법을 사용하여 그래핀이 코팅된 ITO 표면을 관찰하였다. 순환전압전류법과 전기화학 임피던스 분광법을 사용하여 제작된 전극들의 전기화학 특성을 평가하였다. 사이클 수와 주사 속도는 산화그래핀 증착과 환원도에 상당한 영향을 미쳤으며 제작된 전극의 전기화학 특성도 달랐다. ITO 전극에 비하여 그래핀으로 표면 개질된 ITO는 전극 계면에서의 전하 전달 저항이 낮았고 더 많은 전류를 생산하였다. 그래핀으로 표면 개질된 ITO 표면에 고정화된 포도당 산화효소는 포도당을 산화시키며 성공적으로 전자들을 생성하였다.


Graphene has a large surface area to volume ratio and good mechanical and electrical property and biocompatibility. This study described the electrochemical deposition and reduction of graphene oxide on the surface of indium tin oxide (ITO) glass slide and electrochemical characterization of graphen-modified ITO. Cyclic voltammetry was used for the deposition and reduction of graphene oxide. The surface of graphen-coated ITO was characterized using scanning electron microscopy and energy dispesive X-ray spectroscopy. The electrodes were evaluated by performing cyclic voltammetry and electrochemical impedance spectroscopy. The number of cycles and scan rate greatly influenced on the coverage and the degree of reduction of graphene oxide, thus affecting the electrochemical properties of electrodes. Modification of ITO with graphene generated higher current with lower charge transfer resistance at the electrode-electrolyte interface. Glucose oxidase was immobilized on the graphene-modified ITO and has been found to successfully generate electrons by oxidizing glucose.

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9Optimization and Packed Bed Column Studies on Esterification of Glycerol to Synthesize Fuel Additives - Acetins

저자 : Pradima J Britto , Rajeswari M Kulkarni , Archna Narula , Sunaina Poonacha , Rakshita Honnatagi , Sneha Shivanathan , Waasif Wahab

발행기관 : 한국화학공학회 간행물 : 화학공학 60권 1호 발행 연도 : 2022 페이지 : pp. 70-79 (10 pages)

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Biodiesel production has attracted attention as a sustainable source of fuel and is a competitive alternate to diesel engines. The glycerol that is produced as a by-product is generally discarded as waste and can be converted to green chemicals such as acetins to increase bio-diesel profitability. Acetins find application in fuel, food, pharmaceutical and leather industries. Batch experiments and analysis have been previously conducted for synthesis of acetins using glycerol esterification reaction aided by sulfated metal oxide catalysts (SO4 2-/CeO2-ZrO2). The aim of this study was to optimize process parameters: effects of mole ratio of reactants (glycerol and acetic acid), catalyst concentration and reaction temperature to maximize glycerol conversion/acetin selectivity. The optimum conditions for this reaction were determined using response surface methodology (RSM) designed as per a five-level-three-factor central composite design (CCD). Statistica software 10 was used to analyze the experimental data obtained. The optimized conditions obtained were molar ratio - 1:12, catalyst concentration - 6 wt.% and temperature -90 ℃. A packed bed reactor was fabricated and column studies were performed using the optimized conditions. The breakthrough curve was analyzed.

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10Eosin Biosorption from Aqueous Solution on Two Types of Activated Sludge

저자 : Farsi Cherifa , Cherifi Hakima , Yous Radhia , Hanini Salah , Khalladi Razika

발행기관 : 한국화학공학회 간행물 : 화학공학 60권 1호 발행 연도 : 2022 페이지 : pp. 80-85 (6 pages)

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In wastewater treatment processes huge quantities of sludge are produced continuously each year. This work investigated the reuse of two types of sludge as biosorbents of a toxic dye. The potential of granular and filamentous fungus dried sludge for the elimination of eosin from aqueous solution was studied in batch system. The effect of initial concentration and temperature was examined. Maximum uptake was observed at 100 mg l-1 and 30 ℃. The maximum removal rate was 92% for the granular sludge and 90% for the filamentous one. Equilibrium was attained after 30 min for the studied dye concentrations. The equilibrium uptake increased with the initial eosin concentration. The Freundlich and Langmuir adsorption models were also investigated. The reuse of disposed sludge as adsorbent could be a solution for the valorization of such dangerous waste to resolve two environmental problems at the same time.

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