Humane society has become much better than in the past by the industrial revolution. However, overuse of fossil fuels during the development process has caused air pollution to reach serious levels, and it has a number of negative effects on society as a whole. PM$_{2.5}$, which is familiar to us as an ultrafine particle, is very small in size and goes into the body without any filtration, causing serious problems in the cardiovascular system. Most of the PM$_{2.5}$ is generated by secondary reaction of nitrogen oxides (NO$_X$) and sulfur oxides (SO$_X$). SO$_X$ which is mainly emitted by power plants can be treated by a wet-scrubber system because it has relatively high solubility to water. On the other hand, NO$_X$ cannot be removed easily due to its low solubility to water. NO$_X$ which is mostly emitted by diesel engines such as diesel vehicles and ships is now being removed by Selective Catalytic Reduction (SCR) because of the high efficiency. In this study, we were able to reduce NO$_X$ with high efficiency even with a smaller amount than conventional catalysts by developing a catalyst with a mesh-supported impeller structure.
In order to develop the impeller-structured catalyst, coating technology was needed to make the catalyst be strongly adhered to the mesh without falling off even with the rotational force of the impeller. To achieve strong coating, an electrophoretic deposition (EPD) method was introduced, and alumina, a support for the catalyst, was uniformly and strongly coated on the mesh by EPD. Successful EPD coating is determined by the voltage, time and concentration of the materials in the suspension. In this study, the most effective coating conditions within 50~150V, 3~6min, 0.5~2.5x10$^{-6}$wt.% polyacrylic acid concentration were derived by response surface methodology (RSM), and the results are as follows: 112.54V, 6.67min, and 1.41x10$^{-6}$wt.% polyacrylic acid. The results of coating were analyzed by microscopic and SEM-EDS analysis. The surface which was deposited uniformly and the rough surface which is advantageous for supporting V$_2$O$_5$ catalyst were observed.
A wet impregnation method was used to support the vanadium pentoxide catalyst on the mesh uniformly coated with alumina, and the results were confirmed through microscopic and SEM-EDS analysis. Nitrogen monoxide (NO) removal experiments were conducted by applying the catalysts supported mesh to the impeller. The removal efficiency at GHSV 10,000hr$^{-1}$ was 87.0% when the impeller system catalyst was applied, and 79.3% when the stationary system catalyst, which is similar to the honeycomb type catalyst, was applied. The impeller system efficiency at the same GHSV has higher efficiency than the honeycomb type catalyst. As a result, a higher removal efficiency can be obtained with the same amount of catalyst on the impeller system, and the amount of catalyst required to obtain the same removal efficiency can be reduced.
인류 사회는 산업혁명을 거쳐 빠른 속도로 발전하고 있다. 하지만 발전하는 과정 속 과도한 화석연료의 사용에 따른 대기오염은 현재 매우 심각한 수준에 이르렀고, 인류 사회 전반에도 악영향을 끼치고 있다. 대기오염물질 중 초미세먼지로 알려진 PM$_{2.5}$는 크기가 매우 작아 체내로 그대로 흡수되어 심혈관 계에 심각한 문제를 일으킨다. PM$_{2.5}$는 대부분 질소산화물과 황산화물의 2차 반응에 의해 발생하는데, 주로 발전소에서 배출되는 황산화물의 경우 용해도가 상대적으로 높아 습식 스크러버를 통해 높은 효율로 제거가 가능한 반면, 질소산화물은 물에 잘 용해되지 않아 제거가 어렵다. 질소산화물은 대부분 디젤엔진에서 배출되고 있으며, 특히, 경유 차량에 의한 배출 비율이 가장 높다고 알려져 있다. 질소산화물 제거를 위해 질소산화물을 환원제를 통해 질소로 환원시키는 선택적 촉매 환원법이 효율이 높다는 이유로 이용되고 있다. 본 학위논문에서는 메쉬 지지 임펠러 구조의 오산화바나듐/알루미나 촉매를 개발하여 기존의 촉매보다 적은 양으로도 높은 효율로 질소산화물을 저감할 수 있었다.
임펠러 구조의 촉매를 개발하기 위해서는 임펠러의 회전력에도 촉매가 접착력을 잃고 떨어지지 않고 강하게 접착되어 있을 수 있는 코팅 기술의 개발이 필요하였다. 이를 달성하기 위해 전기영동 증착법을 도입하여, 촉매의 지지체인 알루미나를 메쉬에 균일하고 강하게 코팅하였으며, 가장 효율적인 코팅 조건을 찾기 위하여, 50~150V, 3~6분, 0.5~2.5x10$^{-6}$wt.% 의 Polyacrylic acid 농도의 조건 내에서 반응표면분석법을 실시하여 최적 조건 (112.54V, 6.67분, 1.41x10$^{-6}$wt.% polyacrylic acid)을 도출하였다. 최적조건에서의 코팅 결과는 현미경 분석과 SEM-EDS 분석을 통해 확인하였고, 균일한 증착과 촉매가 담지되기 유리한 거친 표면을 확인하였다.
알루미나로 균일하게 코팅된 메쉬에 오산화바나듐 촉매를 담지 하기 위해 습윤함침법을 사용하였고, 현미경 분석과 SEM-EDS 분석을 통해 결과를 확인하였다. 오산화바나듐 촉매가 담지된 메쉬를 임펠러에 적용하여 일산화질소 제거 실험을 진행하였다. GHSV 10,000hr$^{-1}$ 기준 제거율은 임펠러 시스템의 촉매 적용시에는 87.0%, 허니컴 형태의 촉매와 유사한 형태인 정적 시스템의 촉매 적용시에는 79.3%로 임펠러 시스템의 효율은 허니컴 형태의 촉매형태보다 같은 GHSV를 기준으로 더 높은 효율을 갖는다는 결과를 도출할 수 있었다. 따라서, 임펠러 시스템에서 동일한 양의 촉매로 더 높은 제거율을 얻을 수 있으며, 동일한 제거율을 얻기 위해 필요한 촉매의 양은 줄일 수 있다.