기상합성 나노 입자 촉매의 1,2-Dichlorobenzene 저온 분해 특성

Abstract

다이옥신의 발생을 저감시키고자 다이옥신 전구체 역할을 하는 클로로벤젠이나 클로로페놀, 염소계 화합물 등을 제거하는 연구가 다양하게 이루어지고 있다. 특히 염소화 물질을 제어하는 촉매를 이용한 산화분해 방법이 효과적인 기술로 평가되고 있다. 따라서 본 논문에서는 다이옥신과 유사 구조를 가지는 1,2-dichlorobenzene 분해반응을 통해 염소화 물질 제어에 높은 활성을 보이는 V2O5/TiO2촉매를 다양한 조건에서 기상으로 합성하여 촉매 입자의 물질 특성 및 1,2-dichlorobenzene 반응특성 연구를 하고자 하였다. 일반적으로 SCR-deNOx용 촉매로 바나디아 산화물 촉매는 염소화 물질 제어에 높은 활성을 나타내기 때문에 소각장치 가동 시 연소 후 생성되는 NOx 화합물을 동시에 제거할 수 있는 효과가 있어 널리 사용되고 있다. 한편, 기상으로 합성되는 입자들은 전구체가 기화되어 기체 상태에서 산소와 만나 산화되면 핵화(nucleation)가 일어나 모노머(monomer)가 생기고, 이들이 응축(condensation)과 증발(evaporation) 과정을 거치면서 분자 클러스터가 생긴 후 이들이 서로 응집(coagulation)되어 응집체(agglomerates)로 성장하며, 최종적으로 소결(sintering)에 의한 융합(coalescene) 과정을 거쳐 나노 크기의 입자가 생성되는 것으로 알려져 있다. 기상합성 나노 입자가 생성되는 반응에 영향을 주는 인자로는 입자가 합성되는 전기로 내부에서 전구물질의 체류시간, 합성 온도 , 전구물질 농도 등 여러 가지가 있다. 합성된 촉매는 XRD 분석으로 TiO2 결정상(phase)을 분석하였고, BET로 촉매의 비표면적과 ICP로 vanadia 함량을 측정하였으며, TEM으로 개별 입자 사이즈를 정성적으로 분석하였다. 1,2-dichlorobenzene의 산화분해 반응 실험결과, 1100℃에서 합성된 촉매가 가장 우수한 활성을 보였으며, 특히, TEM 분석 결과 국내에서 시판되는 상용 촉매의 개별입자 평균입경이 약 30 nm 수준인데 비해 기상으로 합성된 촉매의 경우 평균 입경이 약 10 nm 수준이었으며 비표면적 또한 상용 촉매에 비해 기상 합성 촉매가 약 2배 가량 높았다. 한편, 200℃의 촉매층 온도에서 1,2-dichlorobenzen 제거효율은 상용촉매가 61.8%인데 비해 1110℃에서 기상으로 합성된 촉매는 93.5%로서 저온 영역에서 기상 합성 촉매의 1,2-DCB의 분해 특성이 우수함을 알 수 있었다.

주요어 : 1,2-dichlorobenzene, V2O5/TiO2, 기상합성, 산화분해, 촉매활성