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한국공업화학회> 공업화학> 바이오가스 유래 수소 제조 기술 동향 및 효과적인 적용

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바이오가스 유래 수소 제조 기술 동향 및 효과적인 적용

Recent Progress for Hydrogen Production from Biogas and Its Effective Applications

송형운 ( Hyoungwoon Song ) , 정희숙 ( Hee Suk Jung ) , 엄성현 ( Sunghyun Uhm )
  • : 한국공업화학회
  • : 공업화학 31권1호
  • : 연속간행물
  • : 2020년 02월
  • : 1-6(6pages)
공업화학

DOI


목차

1. 서 론
2. 바이오가스 활용 기술
3. 바이오가스 활용 수소 제조 기술
4. 바이오가스 활용 수소 제조 기술 이슈
5. 결 언
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바이오가스를 이용한 수소 제조는 주요한 에너지 및 환경 관련 이슈들을 동시에 해결할 수 있다는 장점으로 꾸준히 주목받아 왔다. 바이오가스 정제를 통해 얻은 바이오메탄 수증기개질은 천연가스 개질을 대체할 수 있는 좋은 현실적인 대안이다. 하지만, 경제성과 환경 유해성을 모두 고려한다면 바이오가스를 직접 개질반응에 활용하는 바이오가스수증기 개질 및 건식 개질을 활용한 수소 제조가 보다 효과적이라 평가된다. 본 논문에서는 바이오가스 기반 추출수소 제조 관련 최근의 기술 이슈 및 개발 동향을 소개하며 향후 상업화를 위한 효과적인 적용 방향에 대해서 고찰하고 자 한다.
Hydrogen production from biogas has received consistent attention due to the great potential to solve simultaneously the issues of energy demands and environmental problems. Practically, biomethane produced by purification/upgrading of biogas can be a good alternative to the natural gas which is a main reactant for a steam methane reforming process. Judging from the economic and environmental impacts, however, the steam biogas and dry reforming are considered to be more effective routes for hydrogen production because both processes do not require the carbon dioxide elimination step. Herein, we highlight recent studies of hydrogen production via reforming processes using biogas and effective applications for earlier commercialization.

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I410-ECN-0102-2021-500-000485311

간행물정보

  • : 공학분야  > 화학공학
  • : KCI등재
  • : SCOPUS
  • : 격월
  • : 1225-0112
  • : 2288-4505
  • : 학술지
  • : 연속간행물
  • : 1990-2021
  • : 3892


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32권6호(2021년 12월) 수록논문
최근 권호 논문
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1유도가열 시스템을 이용한 Ni계 촉매의 톨루엔 산화 반응 특성 연구

저자 : 이예환 ( Ye Hwan Lee ) , 김성철 ( Sung Chul Kim ) , 김성수 ( Sung Su Kim )

발행기관 : 한국공업화학회 간행물 : 공업화학 32권 6호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 427-431 (5 pages)

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휘발성유기화합물을 제거하기 위한 기존 촉매 시스템의 문제를 해결하고자 유도가열 촉매 시스템에 대한 연구를 수행하였다. 본 연구에서는 3종류의 Ni계 상용촉매를 적용하였으며, 촉매 부피, 조성, 열처리 분위기, 코일 내 위치를 포함한 유도가열 반응 특성을 조사하였다. 촉매의 조성 및 부피는 유도가열 시스템에 의한 발열 및 톨루엔 산화 성능에 영향을 미쳤다. 특히 철이 첨가된 촉매는 99% 이상의 Ni로 구성된 촉매에 비해 높은 발열을 나타내었으나 낮은 톨루엔 산화 성능을 나타내었다. 또한 Ni계 촉매의 열처리에 있어 공기 분위기는 촉매의 성능을 급격히 저하시킨다. 유도가열 시스템에서 촉매는 코일 내 중심에 위치하는 것이 최적 조건으로 나타났다. 연구를 통해 도출한 최적의 조건에서 촉매를 7회 반복 실험하였으며, 유사한 성능을 확인하였다.


Research on induction heating catalyst system was conducted to solve problems of the existing catalyst system for removing volatile organic compounds. In the present study, three types of Ni-based commercial catalysts were employed, and induction heating reaction characteristics including the catalyst volume, composition, heat treatment atmosphere, and position in the coil were investigated. The composition and volume of the catalyst affected the exothermic and toluene oxidation performance in the induction heating system. In particular, the Fe-added catalyst showed high exothermic performance compared to that of other catalysts consisting of more than 99% Ni, but had low toluene oxidation performance. In addition, the heat treatment in an air atmosphere of the Ni-based catalyst drastically reduced the performance. In the induction heating system, the optimal condition for the catalyst was to be located in the center of the coil. The catalyst showed similar activities among seven repeated experiments under the optimal condition derived from this work.

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2Se-TiO2 지지체를 이용한 V/W/TiO2 NH3-SCR 촉매의 반응 특성 연구

저자 : 이연진 ( Yeon Jin Lee ) , 원종민 ( Jong Min Won ) , 안석현 ( Suk Hyun Ahn ) , 홍성창 ( Sung Chang Hong )

발행기관 : 한국공업화학회 간행물 : 공업화학 32권 6호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 599-606 (8 pages)

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본 연구는 질소산화물 제거를 위하여 암모니아를 환원제로 사용하는 선택적 촉매 환원법에 있어 지지체에 셀레늄을 첨가하여 300 ℃ 이하에서 V2O5/WO3/TiO2의 반응 활성을 증진시키기 위한 실험 및 반응특성 연구를 수행하였다. 졸-겔법으로 Se-TiO2 및 TiO2를 합성하였으며, 이를 지지체로 하여 V2O5/WO3/TiO2 및 V2O5/WO3/Se-TiO2 촉매를 제조하여 상용 촉매와 반응 활성을 비교하였다. 실험 결과, 졸-겔법으로 합성한 TiO2를 사용한 촉매의 탈질 효율이 상용 TiO2를 사용하여 제조한 촉매보다 낮은 결과를 보였으나 셀레늄을 첨가함에 따라 탈질 효율이 증진되었다. 따라서 BET, XRD, Raman, H2-TPR 및 FT-IR분석을 통하여 셀레늄의 첨가가 촉매의 구조에 미치는 영향을 분석하였으며 셀레늄 첨가에 의한 비표면적의 증가와 단량체 및 복합체 바나듐 종의 형성이 반응 특성에 미치는 영향을 확인하였다.


In this study, an experiment and a reaction characteristic study were conducted to enhance the reaction activity of V2O5/WO3/TiO2 at 300 °C or less by adding selenium to the support, in a selective catalytic reduction method using ammonia as a reducing agent to remove nitrogen oxides. Se-TiO2 and TiO2 were synthesized using the sol-gel method, and used as a support when preparing V2O5/WO3/TiO2 and V2O5/WO3/Se-TiO2 catalysts. The reaction activity of our catalyst was compared with that of a commercial catalyst. The denitration efficiency of the catalyst using TiO2 prepared by the sol-gel method was lower than that of the catalyst prepared using commercial TiO2, but was improved by the addition of selenium. Thus, the effect of selenium addition on the catalyst structure was analyzed using BET, XRD, Raman, H2-TPR, and FT-IR measurements and the effect of the increase in specific surface area by selenium addition and the formation of monomer and complex vanadium species on reaction characteristics were confirmed.

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3실리콘 음극용 효과적인 바인더로서 가교결합이 가능한 캐스터 오일 기반의 수분산 폴리우레탄

저자 : 이용훈 ( Yong Hun Lee ) , 김은지 ( Eunji Kim ) , 이진홍 ( Jin Hong Lee )

발행기관 : 한국공업화학회 간행물 : 공업화학 32권 6호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 607-612 (6 pages)

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실리콘(Si) 활물질은 낮은 전위와 높은 에너지 밀도를 가지고 있어 현재 활용되고 있는 흑연을 대체할 수 있는 소재로 기대되고 있다. 그러나 반복적인 충, 방전 과정 중 부피 팽창으로 인한 실리콘 입자의 붕괴와 지속적인 전해질 분해 반응이 문제점으로 지적되고 있다. 이와 같은 문제를 해결하기 위해 본 연구에서는 실리콘 음극에 대한 효과적인 바인더로서 가교 결합이 가능한 Castor oil 기반의 수분산 폴리우레탄을 제조하였으며(CWPU), 이를 다량의 Oxirane 작용기를 가진 Tris(2,3-epoxypropyl) isocyanurate (TGIC)와 결합시켜 기계적으로 안정한 3차원 네트워크 구조를 형성하였다. CWPU-TGIC 바인더로 제조된 실리콘 음극은 안정적인 장기 수명 특성뿐만 아니라 우수한 방전 용량을 나타내었다. 이러한 결과는 CWPU-TGIC 바인더가 장기간 반복되는 충, 방전 과정 동안 실리콘 음극의 큰 부피 변화를 효과적으로 완화하는 것으로 분석되었다. 본 연구 결과는 실리콘 음극의 전기화학적 특성을 향상시키기 위한 효과적인 친환경 바인더의 가능성을 제시한다.


Silicon (Si) is one of the promising active materials to replace the widely used graphite because of its low electrochemical potential and high theoretical capacity. However, Si anodes still face in problems with the huge volume expansion and continuous decomposition of the electrolyte during repeated charge and discharge processes. To address these issues, a cross-linkable waterborne polyurethane (CWPU) based on a bio-oil, castor oil, was prepared and reacted with Tris(2,3-epoxypropyl) isocyanurate (TGIC) linkers, resulting in the formation of a mechanically robust 3D network structure. Si anodes fabricated with the CWPU-TGIC exhibited stable cycling performances and excellent discharge capacities. The results revealed that the CWPU-TGIC binder efficiently accommodates the large volume change for Si anode during charge and discharge cycles. Overall, the eco-friendly binder shows great promise in improving the electrochemical performances of Si anodes.

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4캐소드 유로에서 블록과 서브 채널의 고분자전해질 연료전지의 성능에 관한 전산해석 연구

저자 : 조성훈 ( Seonghun Jo ) , 김준범 ( Junbom Kim )

발행기관 : 한국공업화학회 간행물 : 공업화학 32권 6호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 613-620 (8 pages)

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고분자전해질 연료전지의 유로 형상은 내부 유동의 균일성에 영향을 주는 변수이다. 유로 내에서 반응물 분포가 균일하지 않을 경우, 지속적인 운전 과정에서 촉매의 열화 및 고분자 막의 기계적 손상이 야기되며 연료전지의 내구 수명 저하로 이어진다. 연료전지에서 원활한 반응물 공급과 균일한 농도 분포를 위하여 유로 형상에 관한 연구들이 활발히 진행되고 있다. 유로의 배플은 유체의 강제 대류를 야기해 연료전지의 성능을 개선할 수 있고, 유로 중간에 새로운 반응물 공급 통로(서브 채널)를 만들어 반응물 농도 증가와 원활한 물 배출로 물질 전달 손실을 감소시킬 수 있다. 본 연구에서는 전산 유체 계산을 통하여 블록과 서브 채널을 적용한 유로가 연료전지의 전류밀도와 산소 농도에 미치는 영향을 분석하였다. 블록과 서브 채널이 유로에 구성되었을 때, 한계전류밀도가 증가하였고 블록 후단의 산소 농도가 회복되었다. 블록이 2개 이상 있을 때 블록 사이에 서브 채널을 배치할 경우 전류밀도 증가 폭이 더욱 커졌다. 또한 추가 공급되는 공기의 공급 위치에 따른 산소 농도를 분석하여 서브 채널이 블록 후단의 낮아진 산소 농도를 회복할 수 있었다.


A flow channel shape of PEMFC has an influence on the internal flow uniformity. If the reactant distribution in a flow path is not uniform during operation, both catalyst deactivation and mechanical damage of membrane could occur resulting in decreasing the membrane electrode assembly (MEA) durability. Numerous studies concerning flow design have been conducted to make smooth supply and uniform distribution of reactants in fuel cells. The baffle of flow path could improve fuel cell performance through the forced convection effect. A sub-channel, as an additional air flow path, could increase the reactant concentration and reduce the mass transfer loss via a smooth water discharge. In this study, computational fluid dynamics (CFD) was used to analyze the effect of blocks and sub-channels on the current density and oxygen concentration of the fuel cell. As a result, the limit current density and oxygen concentration at a rear block increased when using blocks and sub-channels in a flow channel. In particular, the current density increased significantly when the sub-channel was placed between two blocks. Also, the sub-channel position was optimized by analyzing the oxygen concentration, and the oxygen concentration was recovered at a rear block in the fuel cell.

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5순차적 실험계획법을 이용한 MOF-801 합성공정 최적화

저자 : 이민형 ( Min Hyung Lee ) , 유계상 ( Kye Sang Yoo )

발행기관 : 한국공업화학회 간행물 : 공업화학 32권 6호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 621-626 (6 pages)

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MOF-801 합성공정의 최적화를 위해 순차적인 실험 계획법을 이용하였다. 먼저 screening을 위한 완전 2-요인 설계와 이후 반응표면 분석법 중에 하나인 중심합성 계획법을 연속적으로 사용하였다. 두 가지 반응변수인 MOF-801의 결정화도와 BET 비표면적 중에 실험계획법에 보다 적합한 변수를 선택하기 위하여 fumaric acid, dimethylformamide (DMF) 및 formic acid의 몰비를 이용한 23 요인 설계법을 수행하였다. MINITAB 19 소프트웨어에 따라 설계된 8번의 MOF-801 합성 실험을 수행한 이후 XRD 분석 및 질소흡착법을 이용하여 특성분석을 수행하였다. 두 가지 반응변수 중 결정화도의 R2이 0.999로 BET 비표면적보다 실험계획법에 보다 적합하였다. 분산 분석(ANOVA)을 통해 fumaric acid와 formic acid의 몰 비가 MOF-801의 결정화도를 결정하는 주요 인자임을 확인하였다. response optimization과 두 인자의 contour plot을 통해 최적의 몰비는 ZrOCl2·8H2O : fumaric acid : DMF : formic acid = 1 : 1: 39 : 35로 추정되었다. 이후 합성반응 공정의 최적화를 위해 도출된 전구체의 몰 비 조건에서 합성 기간과 온도에 대한 박스-벤켄설계법을 수행하였다. 설계된 9번의 합성실험을 통해 도출된 결과를 2차 모델 방정식을 이용하여 계산하였다. 이를 이용하여 MOF-801의 최대 결정화도는 합성시간 7.8 h 그리고 합성온도 123 °C의 조건에서 얻을 수 있음을 예측하였다.


A sequential design of experiments was used to optimize MOF-801 synthesis process. For the initial screening, a general 2k factorial design was selected followed by the central composition design, one of the response surface methods. A 23 factorial design based on the molar ratio of fumaric acid, dimethylformamide (DMF), and formic acid was performed to select the more suitable response variable for the design of experimental method among the crystallinity and BET specific surface area of MOF-801. After performing 8 synthesis experiments designed by MINITAB 19 software, the characteristic analysis was performed using XRD analysis and nitrogen adsorption method. The crystallinity with R2 = 0.999 was found to be more suitable for the experimental method than that of BET specific surface area. Based on analysis of variance (ANOVA), it was confirmed that the molar ratio of fumaric acid and formic acid was a major factor in determining the crystallinity of MOF-801. Through the response optimization and contour plot of two factors, the optimal molar ratio of ZrOCl2·8H2O : fumaric acid : DMF : formic acid was 1 : 1 : 39 : 35. In order to optimize the synthesis process, the central composition design on synthesis time and temperature was performed under the identical molar ratio of precursors. The results derived through the designed 9 synthesis experiments were calculated using the quadratic model equation. Thus, the maximum crystallinity of MOF-801 predicted under the synthesis time and temperature of 7.8 h and 123 °C, respectively.

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6기상 불소화법을 이용한 WO3-xFx 광촉매의 합성 및 광분해 특성

저자 : 이혜련 ( Hyeryeon Lee ) , 임채훈 ( Chaehun Lim ) , 이란은 ( Raneun Lee ) , 이영석 ( Young-seak Lee )

발행기관 : 한국공업화학회 간행물 : 공업화학 32권 6호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 632-639 (8 pages)

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In this research, fluorine doping was performed to enhance the photocatalytic activities of WO3 which were measured using methylene blue dye. WO3-xFx photocatalyts were prepared by a vaper phase fluorination during a sintering for preparing WO3 photocatalysts from a WCl6 precursor. The bandgap energy of WO3 photocatalysts decreased from 2.95 eV to 2.54 eV, and the oxygen vacancies site increased by about 55% after fluorine doping. In addition, the initial degradation efficiency of methylene blue showed that the fluorine doped sample showed a 6-fold increase in photocatalytic activities from 10% to 60% compared to that of the untreated sample. It is believed that fluorine is doped to reduce the band gap of photocatalysts, enabling the catalytic activity with low energy, and that oxygen vacancies-generated surface defects increase the visible light absorption region of WO3 photocatalysts, thereby increasing photocatalytic activity. In this study, it was confirmed that fluorine-doped WO3-xFx photocatalysts with an excellent photocatalytic activity can be manufactured easily using a one-step vaper phase fluorination that does not require a post-treatment process.

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7열분해유 유래 피치로부터 이방성 미세구조 코크스 제조 및 특성 평가

저자 : 조종훈 ( Jong Hoon Cho ) , 김지홍 ( Ji Hong Kim ) , 이영석 ( Young-seak Lee ) , 임지선 ( Ji Sun Im ) , 강석창 ( Seok Chang Kang )

발행기관 : 한국공업화학회 간행물 : 공업화학 32권 6호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 640-646 (7 pages)

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본 연구에서는 열분해유 유래 피치 합성 및 합성 피치로부터 이방성 미세구조를 갖는 코크스를 제조하고 그 특성을 평가하였다. 열분해유는 주로 방향족 고리가 2~3개로 구성된 분자로 이루어져 있어, 400 °C 이상의 온도에서 흡열반응인 축합중합으로 피치가 제조되었다. 코크스 반응기는 피치를 유동화 시키는 전처리 반응기, 코킹화 열에너지를 가해주는 preheater 및 코크스의 미세구조를 유도하는 코크스 드럼으로 구성되었으며, preheater의 온도를 400~490 °C로 조절하여 제조된 피치로부터 코크스를 제조하고 편광현미경, XRD 및 Raman spectroscopy로 특성을 평가하였다. Preheater의 온도가 460 °C에서 제조된 코크스는 이방성 미세조직이 flow 형태로 나타났으며, 높은 결정성으로 전기전도성이 72.0 S/cm이였다. 그리고 전도성 탄소 재료인 Super-P보다 대략 2.2배 높은 전기전도성을 나타냈다.


In this study, pitch was synthesized using pyrolysis fuel oil (PFO). Coke with mesophase microstructure was then prepared from the synthesized pitch and its properties were evaluated. Pitch was synthesized by poly-condensation reaction, which is an endothermic reaction at a temperature above 400 °C because the PFO was mainly composed of molecules with two to three aromatic rings. The Coke reactor was composed of the pretreatment reactor, preheater for applying heat energy, and coke drum for inducing microstructure of coke. Coke was prepared from synthesized pitch by controlling the temperature of the preheater to 400~490 °C, and properties were evaluated by polarization microscope, XRD and Raman spectroscopy. The coke prepared at a preheater temperature of 460 °C identified flow anisotropic microstructure, and the electrical conductivity was 72.0 S/cm due to high crystallinity. And the flow anisotropic coke showed approximately 2.2 times higher electrical conductivity than that of Super-P, a conductive carbon material.

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8당목향 뿌리 추출물의 인체 모유두세포 증식 및 모발 성장 관련 신호전달에 미치는 영향

저자 : 최형철 ( Hyoung-chul Choi ) , 정노희 ( Noh-hee Jeong )

발행기관 : 한국공업화학회 간행물 : 공업화학 32권 6호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 647-652 (6 pages)

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In this study, Saussurea Lappa roots were extracted using ethanol and n-hexane, and also the effects on proliferation of human hair dermal papilla cells and fibroblast and related signaling pathway were evaluated. 3-[4, 5-dimethylthiazol-2-yl]-2, 5 diphenyl tetrazolium bromide (MTT) assay was conducted for cell proliferation effect of Saussurea Lappa root extract, and extracellular signal-related kinase (ERK), serine/threonine protein kinase (Akt), wingless-related integration site (Wnt)/β -catenin signaling pathway, and 5α-reductase expression through western blot analysis were measured. Saussurea Lappa root extract significantly increased human hair dermal papilla cells and propagation of fibroblast, promoted phosphorylation of ERK and Akt that get involved in cell proliferation. Additionally, Saussurea Lappa root extract significantly decreased promotion of Akt phosphorylation and cell proliferation by MEK/ERK inhibitor PD98059 and PI3K/Akt inhibitor LY294002. Also, Saussurea Lappa root extract induced intranuclear β-catenin accumulation by promoting phosphorylation of β-catenin (Ser552, 675) through phosphorylation of GSK-3β (Ser9), and suppressed activation of 5α-reductase type Ⅰ and Ⅱ. Overall, Saussurea Lappa root induces cell proliferation through vitalization of ERK and Akt route of human hair dermal papilla cells and fibroblast and apoptosis defense mechanism, and can be helpful in hair loss prevention and hair growth by vitalizing the β-catenin signaling pathway and inhibiting activation of 5α-reductase, which can be used as a potential hair care products.

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9플라즈마 불소화에 의해 제조된 불소 도핑 PVDF의 표면 및 부식방지 특성

저자 : 김석진 ( Seokjin Kim ) , 임채훈 ( Chaehun Lim ) , 김대섭 ( Daesup Kim ) , 이영석 ( Young-seak Lee )

발행기관 : 한국공업화학회 간행물 : 공업화학 32권 6호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 653-658 (6 pages)

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Polyvinylidene fluoride (PVDF)는 우수한 가공성을 가지고 있어 코팅 재료로 유망하지만 다른 불소계 고분자에 비하여 소수성이 약하여 부식 방지 등 그 응용에 제한이 있다. 본 연구에서는 PVDF의 부식방지 특성을 향상시키고자 사불화탄소(CF4) 가스를 이용하여 플라즈마 불소화를 수행하였고, 유량에 따른 불소 함량 및 소수성 변화를 고찰하고 부식방지 특성을 확인하였다. PVDF 막 표면의 불소 함량은 사불화탄소 유량이 증가함에 따라 46.70%로 증가하였으나 그 표면자유에너지는 불소함량의 증가와 일치하지 않았다. 한편, PVDF 표면의 표면 거칠기는 불소화 유량에 따라 최대 150% 증가하다가 다시 감소하는 경향을 보였다. 이는 플라즈마 불소화는 불소화 기능기 도입 및 표면식각으로 인하여 표면자유에너지에 영향을 주는 것으로 판단된다. 또한, PVDF 코팅된 철판의 부식 정도는 미처리 철판에 비하여 표면 산소 함량이 49.2%에서 19.0% 이하로 크게 개선되었으며, 특히, 불소화 처리된 PVDF의 산소함량은 13.6%으로 불소화 처리되지 않은 PVDF보다 28.4 % 정도 낮아져 우수한 부식방지 특성을 보이는 것으로 관찰되었다.


Polyvinylidene fluoride (PVDF) is a promising coating material because of its outstanding processability. The PVDF coating, however, has limitations in anti-corrosion application due to its weak hydrophobicity compared to that of other fluoropolymers. In this study, plasma fluorination was performed using carbon tetrafluoride (CF4) gas to improve anti-corrosion properties of PVDF. The fluorine content and hydrophobicity of PVDF were investigated in different CF4 flow rates, followed by the determination of anti-corrosion properties. The fluorine content on the surface of the PVDF film increased by up to 46.70%, but the surface free energy was independent of CF4 flow rate. Meanwhile, the surface roughness of the PDVF film tended to increase by up to 150% and then decrease with increasing CF4 flow rate. It is considered that the plasma fluorination affects the surface free energy due to the introduction of fluorine functional groups and surface etching. In addition, the degree of corrosion of the PVDF-coated Fe plate was significantly reduced from 49.2% to 19.0% compared to that of the uncoated Fe plate. In particular, the degree of corrosion of the fluorinated PVDF-coated Fe plate was 13.6%, which was 28.4% lower than that of the PVDF-coated Fe plate, showing improved anti-corrosion protection.

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10반도체 제조공정 미세먼지-질소산화물 동시 저감을 위한 오존 고속산화공정 최적화 연구

저자 : 엄성현 ( Sunghyun Uhm ) , 이승준 ( Seung Jun Lee ) , 고은하 ( Eun Ha Ko ) , 홍기훈 ( Gi Hoon Hong ) , 황상연 ( Sangyeon Hwang )

발행기관 : 한국공업화학회 간행물 : 공업화학 32권 6호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 659-663 (5 pages)

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반도체 제조공정에서 발생하는 미세먼지와 질소산화물 동시처리를 위하여 오존산화, 습식중화 및 습식전기집진 기술들을 직접화한 10 CMM급 복합오염물질 제거시스템을 개발하였으며, NOx 제거효율 증대를 위한 공정변수 제어 및 최적화를 진행하였다. 특히, 전원공급장치를 포함한 습식전기집진장치 핵심부품 안정성 평가를 위해 30일 동안의 장기운전도 병행하였다. 오존산화 기반 DeNOx 공정에서 가장 중요한 운전변수인 O3/NO 비율은 1.5 부근에서 최적화하였으며, 습식중화 공정의 운전변수를 최적화하여 중화반응에 의한 제거효율 기여도를 확인하였다.


10 ㎥/min (CMM) multi-pollutants abatement system was successfully developed by effectively integrating ozone oxidation, wet scrubbing, and wet electrostatic precipitation for the simultaneous removal of particulate matters (PMs) and NOx in a semiconductor fabrication process. The sophisticated control and optimization of operating parameters were conducted to maximize the destruction and removal efficiency of NOx. In particular, the stability test of a wet electrostatic precipitator was carried out in parallel for 30 days to validate the reliability of core parts including a power supply. An O3/NO ratio, which is the most important operating parameter, was optimized to be about 1.5 and the optimization of wet scrubbing with a reducing agent made it possible to analyze the contribution of neutralization reaction.

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1바이오가스 유래 수소 제조 기술 동향 및 효과적인 적용

저자 : 송형운 ( Hyoungwoon Song ) , 정희숙 ( Hee Suk Jung ) , 엄성현 ( Sunghyun Uhm )

발행기관 : 한국공업화학회 간행물 : 공업화학 31권 1호 발행 연도 : 2020 페이지 : pp. 1-6 (6 pages)

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바이오가스를 이용한 수소 제조는 주요한 에너지 및 환경 관련 이슈들을 동시에 해결할 수 있다는 장점으로 꾸준히 주목받아 왔다. 바이오가스 정제를 통해 얻은 바이오메탄 수증기개질은 천연가스 개질을 대체할 수 있는 좋은 현실적인 대안이다. 하지만, 경제성과 환경 유해성을 모두 고려한다면 바이오가스를 직접 개질반응에 활용하는 바이오가스수증기 개질 및 건식 개질을 활용한 수소 제조가 보다 효과적이라 평가된다. 본 논문에서는 바이오가스 기반 추출수소 제조 관련 최근의 기술 이슈 및 개발 동향을 소개하며 향후 상업화를 위한 효과적인 적용 방향에 대해서 고찰하고 자 한다.

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2황기 줄기 바이오차를 활용한 카드뮴과 망간 이온의 제거

저자 : 최석순 ( Suk Soon Choi ) , 하정협 ( Jeong Hyub Ha ) , 김승수 ( Seung-soo Kim )

발행기관 : 한국공업화학회 간행물 : 공업화학 31권 1호 발행 연도 : 2020 페이지 : pp. 7-12 (6 pages)

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충북의 북부지역에서 한약재 부산물로서 황기 줄기가 대량 생산되고 있으나, 이러한 부산물들은 특별한 수요처가 없이 밭에 폐기물로 버려지고 있다. 본 연구에서는 이 폐기물을 재활용하고자, 황기 줄기를 사용하여 바이오차를 제조하였다. 이 바이오차를 사용하여 물속에 용해된 카드뮴과 망간 이온의 제거특성을 고찰하였다. 50과 100 mg/L 카드뮴이온을 처리하기 위하여 흡착 평형 실험이 이루어졌을 때, 카드뮴의 제거효율은 각각 100과 95%를 나타내었다. 또한, 50과 100 mg/L 망간 이온을 제거하기 위하여 5 h의 반응이 이루어졌을 때, 각각 36.1과 37.9 mg/g 최대 흡착량을 얻을수 있었다. 위의 실험 결과, 카드뮴과 망간 이온의 제거공정에서 황기 줄기 바이오차는 활성탄보다 4배 이상의 흡착량을 나타내었다. 그리고 황기 줄기 바이오차와 활성탄 표면의 화학 구조를 관찰하기 위하여 X-ray photoelectron spectroscopy (XPS)를 분석한 결과, 황기 줄기 바이오차는 활성탄과 비교하여 산소 함량과 O/C의 비율이 각각 2.1과 2.4배증가함을 알 수 있었다. 또한, 망간 이온의 제거능력을 향상시키기 위하여 온도 변화에 의한 운전이 이루어졌으며, 45 ℃로 4 h에서 흡착 평형에 도달하였으며 50과 100 mg/L 망간 이온은 각각 92, 53%의 제거효율을 나타내었다. 결과적으로 이러한 실험 결과들은 물속에 용해된 카드뮴과 망간 이온을 친환경적이며 경제적으로 처리하는 새로운 제거기술에 유용하게 사용될 수 있을 것이다.

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3산화철 나노입자의 마이크로캡슐화와 이를 이용한 세포의 자력부상 배양

저자 : 이진실 ( Jin Sil Lee ) , 이준호 ( Joon Ho Lee ) , 심재권 ( Jae Kwon Shim ) , 허원 ( Won Hur )

발행기관 : 한국공업화학회 간행물 : 공업화학 31권 1호 발행 연도 : 2020 페이지 : pp. 13-18 (6 pages)

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실크의 섬유 고분자 단백질인 피브로인을 사용하여 산화철 나노입자가 내포된 테라그노시스가 가능한 마이크로캡슐을 제조하였다. 열중량 분석으로 산화철의 함량은 4.28%, 자력계로는 5.11%로 측정되었다. 산화철 마이크로캡슐이 첨가된 마우스 섬유아세포 3T3 배양액에서 얻어진 세포 현탁액은 자력에 반응하여 맑게 변하고, 세포는 자석 방향으로 응집하였다. 배양접시 상단에 올려둔 네오디뮴 자석은 세포를 배양액 표면 중심으로 세포를 끌어모았다. 배양액 표면에 모인 세포들은 응집하여 72 h 이후 장축의 길이가 2 mm인 비대칭 타원체인 세포 집합체를 형성하였다. 세포집합체의 바깥층에는 세포들이 상대적으로 크고 서로 모여 치밀한 조직을 형성하였으나, 중심부는 물질전달제한으로 세포의 사멸이 진행되는 것으로 관찰되었다. 바깥층에는 산화철 마이크로캡슐이 자력의 방향으로 체인처럼 일렬로 늘어선 현상도 관찰되었다. 마이크로CT를 이용하여 세포응집체 내부의 산화철이 고루 분포하지 않고 자력 방향으로 비대칭적으로 분포하고 있음을 보였다.

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4Tween-Span계 혼합계면활성제를 이용한 Coconut Oil 원료 O/W 유화액의 제조 : CCD-RSM을 이용한 최적화

저자 : 유봉호 ( Bong-ho Yoo ) , 주카이양 ( Kaiyang Zhu ) , 줘청량 ( Chengliang Zuo ) , 이승범 ( Seung Bum Lee )

발행기관 : 한국공업화학회 간행물 : 공업화학 31권 1호 발행 연도 : 2020 페이지 : pp. 19-24 (6 pages)

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본 연구에서는 coconut oil과 Tween-Span계 혼합계면활성제를 사용하여 O/W 유화액을 제조하고 유화안정성을 향상시키기 위한 유화조건을 최적화하였다. 이를 위해 최적화과정은 CCD-RSM (central composite design model-response surface methodology)를 이용하였다. 계량인자로는 HLB (hydrophile-lipophilie balance) value, 혼합계면활성제 첨가량, 유화속도 등을 설정하였으며, 반응치로는 평균액적크기(MDS), 유화액의 유화안정도지수(ESI), 열적 불안정도지수(TII)를 설정하였다. CCD-RSM 분석결과 3가지 반응치를 동시에 만족하는 최적조건으로 HLB value (9.1), 혼합계면활성제 첨가량(8.7 wt.%), 유화속도(6,200.8 rpm)로 산출되었으며, CCD-RSM 분석예상값은 MDS (151.0 nm), 유화액의 ESI (99.86%), TII (3.17%)로 나타났다. 이 조건에서의 실제실험 결과 오차율은 3.5% 이하로 나타나 본 연구에서의 O/W 유화액 제조과정에 CCD-RSM 최적화 분석을 적용할 경우 비교적 높은 유의수준의 결과를 얻을 수 있었다.

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5고분자/그래핀 복합재료의 센서 응용 및 그래핀 함량이 센서 거동에 미치는 영향

저자 : 배준원 ( Joonwon Bae )

발행기관 : 한국공업화학회 간행물 : 공업화학 31권 1호 발행 연도 : 2020 페이지 : pp. 25-29 (5 pages)

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본 연구에서는 롤 공정으로 제작된 고분자(polydimethylsiloxane, PDMS)/그래핀(graphene) 복합재료를 기판으로 하여 간단한 표면처리 공정을 통해 센서를 구현하였고, 이 센서의 성능과 거동에 대한 고찰을 실시하였다. 고분자와 그래핀파우더를 혼합한 전구체를 3-롤 공정으로 제조하였고, 이를 2-롤 공정에 도입하여 고분자/그래핀 기판 소재를 제조하였다. 나아가, 간단한 표면처리 공정을 통하여 센서의 요체가 되는 환형 다당류(cyclodextrin, CD)를 도입하였다. 표면처리의 유효성의 적외선 분광기를 통해서 확인하였고, 전기 신호 전달의 가능성을 옴의 법칙을 통하여 분석하였다. 간단한 형태의 센서를 구현하여, 분석 물질(methyl paraben, MePRB)을 도입하였을 때, 아주 낮은 농도 수준(10 nM)까지 감지 신호를 얻을 수 있었다. 특히, 그래핀의 함량이 낮을 경우 센서 측정이 어려움을 확인할 수 있었다. 이는, 높은 그래핀 함량에서 보여주는 그래핀 입자의 배향이 다소 억제되어 발생하였을 것으로 사료된다. 이는 첨가제의 물리적인 배향이 센서의 성능에 영향을 미칠 수 있다는 것을 의미한다. 이 정보는 향후 유사한 시스템의 센서를 구현하는 연구에 도움이 될 것으로 기대된다.

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6폴리우레탄-실리카 복합 발포체의 합성 및 물성에 관한 연구

저자 : 강현석 ( Hyeon Seok Kang ) , 김상범 ( Sang Bum Kim )

발행기관 : 한국공업화학회 간행물 : 공업화학 31권 1호 발행 연도 : 2020 페이지 : pp. 30-35 (6 pages)

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본 연구에서는 폴리우레탄-실리카 복합 발포체를 합성하여 복합 발포체의 단열 특성 및 기계적 물성을 분석하였다. 폴리우레탄-실리카 복합 발포체를 합성하기 위해 폴리에스테르-실리카 복합 폴리올을 합성하였다. 폴리에스테르-실리카 복합 폴리올은 실리카 졸과 모노머 상태의 다이카복실산(dicarboxylic acid), 글리콜(glycol)과의 중합 반응을 통해 합성하였다. 합성된 복합 폴리올을 이용하여 폴리우레탄-실리카 복합 발포체를 합성하여 물성을 분석하였다. 폴리우레탄-실리카 복합 발포체의 열전도도는 HPUF0, HPUF1, HPUF3, HPUF5 모두 큰 차이가 없는 것을 확인하였다. 압축강도는 실리카 함량이 증가함에 따라 HPUF0보다 증가하였으며 HPUF0보다 HPUF5가 약 25% 정도 기계적 물성이 향상되는 것을 확인하였다.

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7산화 공정이 석유계 등방성 피치의 열거동 특성에 미치는 영향

저자 : 이남지 ( Namji Lee ) , 서상완 ( Sang Wan Seo ) , 곽철환 ( Cheol Hwan Kwak ) , 김민일 ( Min Il Kim ) , 임지선 ( Ji Sun Im )

발행기관 : 한국공업화학회 간행물 : 공업화학 31권 1호 발행 연도 : 2020 페이지 : pp. 36-42 (7 pages)

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산화 공정이 피치의 열거동 특성에 미치는 영향을 규명하기 위하여 다양한 공정 온도에서 산화된 피치를 제조하였다. 피치의 열거동 특성은 thermogravimetric analysis (TGA)를 이용하여 분석하였으며, derivative thermogravimetry (DTG)그래프 거동 변화에 따라 A (25~100 ℃), B (250~550 ℃), C (550~800 ℃) 세 구간으로 분석하였다. A 구간에서는 피치에 함유되어 있던 수분이 제거되면서 중량 감소가 발생하였다. B 구간에서 산화에 의하여 피치의 열적 안정성이 향상되었다. 이는 산화 온도가 증가할수록 피치의 방향족화도 및 분자량이 증가하였기 때문으로 판단된다. 반면, C구간에서는 B 구간과 반대의 결과를 보였다. C 구간에서 열적 안정성이 저해된 것은 산화 공정에 의하여 피치에 도입된 C-OH, C-O-C, C=O 결합이 분해되고, 이에 의하여 발생한 산소 화합물이 피치의 연소 반응을 유도하였기 때문으로 사료된다.

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8나노구조 변화에 의한 Fe2O3/TiO2 복합재료를 충전한 Poly Acrylate 도료의 열차단 특성

저자 : 김대원 ( Dae Won Kim ) , 마영길 ( Young Kil Ma ) , 김종석 ( Jong Seok Kim )

발행기관 : 한국공업화학회 간행물 : 공업화학 31권 1호 발행 연도 : 2020 페이지 : pp. 43-48 (6 pages)

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본 연구에서는 침전과 수열처리에 의해 나노입방체와 나노막대구조를 갖는 Fe2O3 나노입자를 합성하였다. Fe2O3 나노입자 표면에 TiO2가 20 nm 두께로 코팅된 Fe2O3/TiO2 core-shell (CS) 복합재료를 합성하였다. Fe2O3/TiO2 CS를 화학적에칭과 열처리에 의해 Fe2O3/TiO2 CS에서 Fe2O3/TiO2 yolk-shell (YS) 형태의 복합재료를 제조하였다. FE-SEM, HR-TEM, XRD 분석을 통하여 Fe2O3와 Fe2O3/TiO2 CS 및 Fe2O3/TiO2 YS 안료의 물리적 특성을 측정하였다. 안료를 poly acrylate (PA) 수지에 혼합한 도료들의 일사반사율과 색상변화는 UV-Vis-NIR 분석으로 차열 온도는 실험실에서 제작한 차열 온도 측정기를 통해 측정하였다. Fe2O3/TiO2 YS 적색 안료를 사용한 PA 도료는 우수한 근적외선 반사율을 보였으며, Fe2O3 안료를 사용한 도료에 비해 차열 온도가 13 ℃ 감소하였다.

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9실란 커플링제 프로필트리메톡시실란에 의해 표면 개질된 CaCO3 나노입자가 에멀젼과 기포 안정성에 미치는 영향에 관한 연구

저자 : 이예진 ( Yejin Lee ) , 박기호 ( Kiho Park ) , 임종주 ( Jongchoo Lim )

발행기관 : 한국공업화학회 간행물 : 공업화학 31권 1호 발행 연도 : 2020 페이지 : pp. 49-56 (8 pages)

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본 연구에서는 실란 커플링제 프로필트리메톡시실란(propyltrimethoxysilane, PTMS)을 사용하여 CaCO3 나노입자의 표면을 개질하였으며, 개질된 CaCO3 나노입자를 에멀젼 유화제 및 기포 안정화제로의 적용 가능성을 시험하고자 나노입자 표면의 소수성 변화가 기포와 에멀젼의 안정성에 미치는 영향에 관하여 살펴보았다. PTMS에 의한 CaCO3 나노입자의 표면 개질은 FT-IR, TGA, DSC 분석을 통하여 확인하였으며, XRD 및 XPS 분석을 통하여 나노입자 표면의 원소 분석을 실행하였다. 또한 부상 시험과 접촉각 측정을 통하여 PTMS 농도가 CaCO3 나노입자의 표면 개질에 미치는 영향에 관하여 살펴보았다.

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10Mn 담지 미세기공 제올라이트를 이용한 악취오염물질인 아세트알데히드의 분해반응

저자 : 이형원 ( Hyung Won Lee ) , 이희진 ( Heejin Lee ) , 박영권 ( Young-kwon Park )

발행기관 : 한국공업화학회 간행물 : 공업화학 31권 1호 발행 연도 : 2020 페이지 : pp. 57-60 (4 pages)

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An acetaldehyde, a representative food waste odor, was decomposed using a hybrid system comprised of a non-thermal plasma and catalyst at an ambient temperature under high humidity. A five wt.% Mn was impregnated on two differently structured microporous zeolites, namely Beta and ZSM-5, with a different molar ratio of SiO2/Al2O3. Under high humidity conditions, the acetaldehyde degradation was higher in zeolites with the high ratio of SiO2/Al2O3. Among studied catalysts, a five wt.% Mn/Beta (SiO2/Al2O3 = 300) showed the highest acetaldehyde removal activity owing to its high hydrophobicity and reducibility. During long term stability test using the same catalyst for 110 hours, the acetaldehyde removal activity was relatively well-maintained.

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