• 유기물자원화
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• 제26권4호
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• pp.5-10
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• 2018

본 연구에서는 압력, 전해질, 유기물 등 가스하이드레이트 부존 지역의 물리화학적 인자가 치환반응에 미치는 영향을 실험적으로 규명하였다. 가스 주입 시 초기 압력이 높을수록 초반 반응속도는 향상되었으나 시간이 지남에 따라 치환효율이 일정한 값으로 수렴하였다. 전해질과 유기물 등의 경우 가스하이드레이트 해리 후 재생성 과정에서 일부 영향을 미치는 것으로 밝혀졌다. 향후 실제 유기성 메탄 하이드레이트가 부존된 퇴적토를 활용한 추가 연구를 통해 국내 해저 지질특성에 적용 가능한 기술 개발이 가능할 것으로 기대된다. 궁극적으로 향후 동해 울릉 분지의 가스하이드레이트 매장 지역 현장 적용을 통해서 유기성 자원인 메탄을 회수하고 활용할 수 있을 것으로 예상된다.

• Korean Chemical Engineering Research
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• 제56권2호
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• pp.169-175
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• 2018

본 연구는 핵융합 배가스 중 삼중수소가 포함된 화합물인 메탄($CQ_4$) 및 물($Q_2O$)로부터 수소동위원소를 회수하기 위한 공정에 관한 것이다(Q는 수소, 중수소, 삼중수소). 수증기-메탄 개질반응과 수성가스 전환반응을 이용하여 $CQ_4$와 $Q_2O$를 $Q_2$로 변환시키고, 후속하는 팔라듐 분리막으로 생성된 $Q_2$를 회수한다. 본 연구에서는 $CQ_4$ 및 $Q_2O$ 중 하나의 물질인 $CH_4$ 및 $H_2O$로부터 수소 회수를 위해 촉매반응기, 팔라듐 분리막, 순환펌프로 구성된 순환루프를 적용하였다. 촉매반응온도 및 순환유량을 변화시켜가며 $CH_4$ 및 $H_2O$의 전환율을 측정하였다. $CH_4$ 중 수소 회수는 촉매반응온도 $650^{\circ}C$, 순환유량 2.0 L/min 조건에서 99% 이상의 $CH_4$ 전환율을확인하였고, $H_2O$ 중수소 회수는촉매반응온도 $375^{\circ}C$, 순환유량 1.8 L/min 조건에서 96% 이상의 $H_2O$ 전환율을 확인하였다. 이와 더불어, 향후 핵융합 실증로(K-DEMO)에서의 $CQ_4$ 발생량을 예측하고, 이에 대한 처리공정을 제안하였으며, HAZOP (Hazard and Operability) 분석을 실시하여 공정의 위험요소와 운전상의 문제점을 도출하고 해결방안을 제시하였다.

• Korean Chemical Engineering Research
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• 제56권4호
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• pp.496-523
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• 2018

본 연구의 목표는 톱밥의 건조, 급속열분해, 바이오오일 응축, 바이오오일 수첨개질, 전기생산, 폐수처리를 포함하는 2개의 바이오오일 생산공정들에 대한 경제적 타당성을 평가하는 것이다. 첫번째 공정은 수소생산을 위한 steam-methane reforming (SMR)을 포함하는 바이오오일 생산공정이다(Case 1). 두번째 공정은 SMR을 포함하지 않고 수소를 외부로부터 공급받아 수첨개질을 수행하는 바이오오일 생산공정이다(Case 2). 상용공정모사기인 ASPEN Plus를 이용하여 이두 공정에 대한 공정흐름도를 구축하였고, 물질 및 에너지 수지식을 계산하였다. 원료로서 40%의 수분을 포함하는 톱밥 100 t/d, 30% 자기자본비율, 자기자본에 상응하는 자본지출, 수소 구입가 $1,050/ton, 완전건조된 원료대비 수송용 연료 수율 20% (Case 1) 및 25% (Case 2) 로 가정하고, 4단계 경제성 분석기법인 4-level EP를 사용하여 기술경제성 분석을 수행하였다. 총투자비(TCI), 총생산비(TPC), 연간판매금액(ASR), 그리고 개질 바이오오일의 최소판매가격(MFSP)은 Case 1에 대하여 $22.2 million, $3.98 million/yr, $4.64 million/yr, 그리고 $1.56/l 이고, Case 2에 대하여 $16.1 million, $5.20 million/yr, $5.55 million/yr, $1.18/l로 산출되었다. 수소를 직접 생산하는 Case 1과 수소를 외부로 부터 공급받는 Case 2의 투자회수율(ROI)와 투자회수기간(PBP)은 큰 차이를 보여주지 않았고, Case 1과 Case 2의 원료 공급량을 1,500 t/d로 증가할 경우, ROI는 15% 이상으로 향상될 것으로 예상되었다.

• 한국진공학회:학술대회논문집
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• 한국진공학회 2012년도 제42회 동계 정기 학술대회 초록집
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• pp.267-267
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• 2012

$TiO_2$-Ni inverse catalysts were prepared using atomic layer deposition (ALD) process and catalytic $CO_2$ reforming of methane (CRM) reaction over catalysts (either bare Ni or $TiO_2$ coated-Ni particles) were performed using a continuous flow reactor at $800^{\circ}C$. $TiO_2$-Ni inverse catalyst showed higher catalytic reactivity at initial stage of CRM reactions at $800^{\circ}C$ comparing to bare Ni catalysts. Moreover, catalytic activity of $TiO_2$/Ni catalyst was kept high during 13 hrs of the CRM reactions at $800^{\circ}C$, whereas deactivation of bare Ni surface was started within 1hr under same conditions. The results of surface analysis using SEM, XPS, and Raman showed that deposition of graphitic carbon was effectively suppressed in a presence of $TiO_2$ nanoparticles on Ni surface, thereby improving catalytic reactivity and stability of $TiO_2$/Ni catalytic systems. We suggest that utilizing decoration effect of metal catalyst with oxide nanoaprticles is of great potential to develop metal-based catalysts with high stability and reactivity.

• 한국응용과학기술학회지
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• 제20권3호
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• pp.230-236
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• 2003

Synthesis gas is commercially produced by a steam reforming process. However, the process is highly endothermic and energy-consuming. Thus, this study was conducted to produce synthesis gas by the partial oxidation of methane to decrease the energy cost. Supported Ni catalysts were prepared by the impregnation method. To examine the activity of the catalysts, a differential fixed bed reactor was used, and the reaction was carried out at $750{\sim}850^{\circ}C$ and 1 atm. The fresh and used catalysts were characterized by XRD, XPS, TGA and AAS. The highest catalytic activity was obtained with the 13wt% Ni/MgO catalyst, with which methane conversion was 81%, and $H_2$ and CO selectivities were 94% and 93%, respectively. 13wt% Ni/MgO catalyst showed the best $MgNiO_2$ solid solution state, which can explain the highest catalytic activity of the 13wt% Ni/MgO catalyst.

• 한국수소및신에너지학회논문집
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• 제33권6호
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• pp.660-673
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• 2022

In achieving carbon neutrality and the hydrogen economy, the estimation of H₂ cost is critical in terms of CCU technologies. This study analyzes LCOH of hydrogen produced by the carbon utilization unit with methane reforming and CO₂ from thermal power plant. LCOH for H₂ made with CO is estimated in three ways of Joint Cost Allocations with financial performance risk assessment. Regarding cost analysis, the zero value of LCOH is $6,003/ton. We found that the CCU technology has economic feasibility in terms of profitability. The sensitivity analysis result shows that the input ratio is more influential to the LCOH than other variables. Risk analysis presents the baseline price of zero value of LCOH - $8,408/ton, which is higher than the cost analysis - $6,003/ton. Mainly, the price variability of natural gas primarily affects the LCOH. The study has significant value in analyzing the financial performance risks as well as the cost of H₂ produced by a Plasma-based CCU system.

• Korean Chemical Engineering Research
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• 제51권3호
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• pp.319-324
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• 2013

합성가스를 생산하기 위한 메탄의 부분산화반응 특성을 $Ni/CeO_2-ZrO_2$, $Ni-Ru/CeO_2-ZrO_2$와 $Ni-Pd/CeO_2-ZrO_2$ 촉매체를 이용하여 조사하였다. 메탄의 부분 산화 개질 반응에서 촉매의 높은 활성과 안정성을 위하여 허니컴 구조의 금속모노리스 촉매 체를 적용하였다. 촉매분석은 XRD와 FE-SEM을 사용하였으며, 제조된 촉매들의 합성가스 제조 특성은 반응물 비(O/C), GHSV와 온도를 변화시키면서 연구하였다. 개질 실험에서 사용된 촉매 중에서 $Ni-Pd/CeO_2-ZrO_2$ 촉매 체가 가장 높은 활성을 보여 주었으며, $900^{\circ}C$, GHSV=10,000 $h^{-1}$과 O/C=0.55에서 99%의 메탄 전환율을 얻었다. O/C 비가 증가함에 따라 수소 yield는 증가되고, 반면에 CO yield는 거의 일정하게 유지됨을 확인할 수 있었다. 또한 GHSV가 증가할수록 메탄의 전환율은 감소하였으며, 높은 메탄의 전환율을 얻을 수 있는 GHSV의 범위는 10,000 $h^{-1}$ 이하임을 알 수 있었다.

• Korean Chemical Engineering Research
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• 제45권6호
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• pp.656-662
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• 2007

고분자 전해질 연료전지 운전에 필요한 수소 공급 장치로서 플라즈마 개질 방법을 이용한 개질기와 일산화탄소 산화반응을 위한 전이 반응기를 설계 및 제작하였다. GlidArc 방전을 이용한 저온플라즈마 개질기는 Ni 촉매를 동시에 사용하여 $CH_4$ 개질함으로서 $H_2$ 선택도를 증대하였다. 개질기의 변수별 연구로서 촉매 온도, 가스 조성비, 전체 가스유량, 전압변화 그리고 개질 특성 및 최적 수소 생산조건을 연구하였으며, 전이반응기의 변수별 연구로서 선택적 산화반응기(PrOx)에 주입되는 공기량, 전이 반응기에 주입되는 수증기량 그리고 온도에 대하여 연구하였다. 플라즈마 개질기에서 최대 수소 생산 조건은 $O_2/C$ 비가 0.64, 가스유량은 14.2 l/min, 촉매 반응기 온도 $672^{\circ}C$ 그리고 유입전력이 1.1 kJ/L일 때 41.1%로 최대 수소 농도를 나타냈다. 그리고 이때의 $CH_4$ 전환율, $H_2$ 수율 그리고 개질기 에너지 밀도는 각각 88.7%, 54%, 35.2%를 나타냈다. 전이 반응기에서 모사된 개질 가스로부터 최대 CO 전환율을 보이는 조건은 2단으로 구성된 PrOx에 주입되는 $O_2/C$ 비가 0.3, HTS에서 주입되는 수증기 주입량 비가 2.8 그리고 HTS, LTS, PrOx I, PrOx II 반응기 온도가 475, 314, 260, $235^{\circ}C$ 일때 가장 높은 CO 전환율을 나타냈다. 플라즈마를 이용한 반응기는 예열 시간은 30분이 소요되었으며, 전이 반응기에서 나오는 최종 개질 가스의 조성은 $H_2$ 38%, CO<10 ppm, $N_2$ 36%, $CO_2$ 21% 그리고 $CH_4$ 4%로 나타냈다.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 한국신재생에너지학회 2011년도 춘계학술대회 초록집
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• pp.155-155
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• 2011

용융탄산염 연료전지(MCFC)는 $650^{\circ}C$에서 작동하는 고온형 연료전지 시스템이다. 이 시스템은 천연가스 등을 개질하여 생산된 수소를 바로 전기로 생산할 수 있는 시스템으로 열효율이 높으며, 현재 대체 발전시스템으로 각광을 받고 있다. MCFC는 개질방식에 따라 내부개질 방식과 외부개질 방식이 있다. 내부개질 방식은 수소를 생산하는 개질기가 스택내부에 장착된 형식으로 천연가스를 스택내부에서 개질하여 바로 전기를 생산하는 방식이다. 이 내부개질반응에 사용되는 촉매로는 알루미나에 고함량 (약 50 wt.%)으로 담지된 니켈(Ni) 계열촉매이 주로 쓰이고 있다. 이 고함량으로 담지된 촉매는 대부분 높은 활성을 보인다. 비교적 낮은 온도 운전조건 (약 $580{\sim}620^{\circ}C$)을 가지는 MCFC 내부개질에 적용하기 위해서는 활성점인 니켈을 최대한 담지체에 고르게 분산 시켜야한다. 이를 위해서 MgO를 이용하여 촉매의 활성점을 높게 분산시키는 연구를 진행 하였다. 촉매를 제조하는 방법으로 요소(urea)를 이용한 균일용액침전법을 이용하였다. 니켈함량은 50 wt.%로 고정을 한 다음, MgO 양과 $Al_2O_3$ 양을 각각 0 ~ 45 wt.%와 5 ~ 50 wt.%로 조절하면서 촉매를 제조하여 그 특성들을 분석하였다. 물성을 비교하기 위해서, X-선 회절분석 (XRD) 및 TPR, 물리화학흡착 실험을 하였다. 촉매의 활성을 살펴보기 위해서, fresh 상태 및 피독 상태에서 메탄수증기 개질활성 실험을 실시하였다. MgO 함량이 없거나 적은 촉매에서는 높은 BET surface area와 작은 NiO, metallic Ni 결정 크기가 나타났다. 반면 MgO 함량이 높은 촉매에서 낮은 BET surface area와 비교적 큰 NiO, metallic Ni 결정 크기가 나타났다. 또한 XRD 분석에서 MgO 함량이 증가할 수 록 MgO 결정 피크가 명확히 나타났으며, $MgAl_2O_4$ 피크는 나타나지 않았다. TPR 분석에서 촉매들의 환원 피크를 측정한 결과, 저함량의 MgO를 포함한 촉매는 $700^{\circ}C$ 부근에 환원 피크가 관찰되었고 MgO가 고함량인 촉매는 환원 피크가 $400^{\circ}C$ 부근에서 관찰되었다. 촉매의 초기 fresh 상태에서의 활성은 고함량 MgO를 포함한 Ni-90M10A 샘플을 제외하고 모든 촉매가 거의 비슷하게 나타났다. 그러나 $K_2CO_3$ 피독 상태에서는 MgO 함량이 증가할 수 록 활성이 좋지 않았음을 알 수 있었다. 따라서 MgO가 소량 포함된 촉매의 경우 fresh 상태에서는 우수한 물성과 활성을 보이지만, 피독상태에서는 MgO가 포함되지 않은 Ni-$Al_2O_3$ 촉매가 우수한 활성을 보였다.

• Korean Chemical Engineering Research
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• 제61권2호
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• pp.296-301
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• 2023

고온 운전이 가능한 고체산화물 연료전지의 최대의 장점은 내부개질을 통한 연료의 다양성에 있다. 하지만 기존의 Ni/SYZ전극은 탄소침적에 대한 단점을 가지고 있고, 이를 해결하기 위해 페로브스카이트 구조의 연료극 개발이 진행되었다. 본 연구에서는 페로브스카이트 대체 연료극의 낮은 전기전도도 및 촉매활성을 향상시키기 위해 rGO(reduced graphene oxide)를 Sr_0.92Y_0.08TiO₃(SYT)와 혼합하여 연료극에 대한 성능 평가를 진행하였다. Ni/YSZ(yttria stabilized zirconia)와 SYT에 1wt%rGO를 첨가하여 연료극을 합성하였다. 고온 산화조건에서 전극 제조 후 rGO의 유무 확인은 XPS 및 라만 분석을 통해 확인하였다. rGO/SYT 연료극은 rGO 대비 H₂에서 3배, CH₄에서 6배의 매우 큰 성능 향상을 보여주었다.