페라이트를 이용한 신 환경 재료의 설계와 공정 = Design and processing of new environmental materials with ferrites
화석연료 사용의 증가로 인한 CO₂의 대량 방출로 인하여 지구 온난화라는 환경문제가 대두되고 있다. 이러한 환경문제와 에너지 문제를 동시에 해결하기 위한 방법으로 에너지 변환 시스템 개발이 필요하다. 에너지 변환 시스템이란 환원성 가스로 환원된 페라이트를 CO₂ 및 H₂O와 반응시켜 유용하게 사용될 수 있는 CO와 H₂를 제조할 수 있는 시스템을 말한다. 본 연구는 에너지 변환 시스템 개발의 기초 연구로써 이 시스템에 적합한 페라이트 재료의 설계와 제조 공정을 연구하였다.
페라이트의 에너지 변환 시스템 적용 가능성을 연구하기 위하여 800 ℃까지 페라이트의 산화-환원 반응을 행하였다. 페라이트의 환원반응을 위하여 5% H₂/Ar과 CH₄를 사용하였으며, 환원된 페라이트를 이용하여 CO₂ 및 H₂O 분해 반응을 행하였다. 또한, 반응 효율을 높일 수 있는 미세한 페라이트 분말 제조와 CO₂ 분해 비용 절감을 위한 폐기물 페라이트의 활용 등을 연구하였다.
그 결과 CuFe₂O₄와 NiFe₂O₄를 이용한 환원 반응에서 CuFe₂O₄는 환원성 가스의 종류에 상관없이 약 20 wt%의 무게가 감소하였다. 그러나, NiFe₂O₄는 5% H₂/Ar을 사용하여 환원시키는 것이 CH₄를 사용할 때 보다 훨씬 더 많은 양이 환원되었다. CuFe₂O₄와 NiFe₂O₄ 모두 CH₄로 환원할 경우, 700 ℃ 이상에서 CH₄의 부분 산화반응이 일어나 다량의 H₂와 CO가 발생하면서 페라이트는 환원되었다. 환원반응 후, CuFe₂O₄의 결정상은 Cu, Fe, FeO로 변한 반면, NiFe₂O₄는 5% H₂/Ar을 사용했을 때 Ni-Fe 합금 단일상이 존재하였고, CH₄를 사용했을 때 Ni-Fe 합금과 FeO의 혼합상이 존재하였다.
환원된 페라이트를 이용한 CO₂와 H₂O 분해 반응에서는 CuFe₂O₄가 NiFe₂O₄ 보다 우수한 반응 특성을 나타내면서 더 많은 양의 CO₂와 H₂O를 분해하였다. 이 반응에서 CO₂나 H₂O는 Fe와 FeO의 산화에 의해서만 분해되었고, Ni이나 Cu는 800 ℃까지 산화되지 않고 금속상태로 존재하였다.
산화-환원 반응성을 향상시키기 위하여 초음파를 이용한 새로운 분말 제조 공정으로 페라이트 분말을 제조한 결과 20 nm 이하의 매우 미세한 페라이트 분말을 제조할 수 있었다. 5시간 동안 초음파 조사를 통하여 제조된 나노-사이즈의 페라이트 분말을 이용한 CO₂ 분해 반응에서 16 wt%에 해당하는 CO₂가 분해되었다. 이 결과를 통하여 초음파를 조사하여 제조된 페라이트가 일반적인 열처리에 의해 제조된 페라이트보다 더 우수한 CO₂ 분해 특성을 가지고 있음을 알 수 있었다.
또한 폐기물 페라이트를 이용한 CO₂ 분해 반응을 통하여 산업 폐기물을 활용하여 CO₂를 분해시킬 수 있는 공정을 개발하였다. 이 연구를 기초로 폐기물 페라이트를 에너지 변환 시스템에 적용하면 환경 문제 해결과 새로운 에너지원 제조를 저렴한 가격으로 할 수 있는 장점을 가지고 있다.
본 연구를 통하여 지구 환경 문제와 에너지 문제를 동시에 해결할 수 있는 에너지 변화 시스템에 페라이트의 이용 가능성을 확인할 수 있었다. 또한, 에너지 변환 시스템에 실질적으로 적용이 가능한 페라이트의 조성 및 효율 향상을 위해 새로운 나노-사이즈 페라이트 분말 제조 공정을 개발하였다. 특히, 에너지 변환 시스템에 폐기물 페라이트를 활용하는 연구는 저렴한 비용으로 환경문제 및 에너지 문제를 해결할 수 있는 매우 유용한 연구이므로 실질적으로 활용할 수 있도록 더 많은 연구가 요구된다.
CO₂ gas released as combustion of fossil fuel has been major reason of greenhouse effect. Then, the energy conversion system must be developed to solve environmental and energy problem at once. The energy conversion system is new system which can convert CO₂ and H₂O to CO and H₂ using the ferrite reduced by reducing gases such as H₂ or CH₄. The propose of this thesis is to study composition and preparation processing of the ferrite powder as basic research for development of the energy conversion system.
The redox reaction of the ferrite was studied up to 800 ℃ in order to test possibility of use of the ferrite in the energy conversion system. In this reaction, 5% H₂/Ar mixed gas and CH₄ gas were used as reducing agent of ferrite and CO₂ and H₂O were used as oxidizing agent. The preparation technique of a fine ferrite powder using an ultrasonic wave was studied to increase efficient of the redox reaction. Also, the CO₂ decomposition with the waste ferrite was studied to decrease cost of the CO₂ decomposition.
In the reduction of CuFe₂O₄ and NiFe₂O₄, a weight loss of CuFe₂O₄ was about 20 wt% up to 800 ℃ without regard to a kind of reducing gas such as 5% H₂/Ar mixed gas and CH₄ gas. However, a weight loss of NiFe₂O₄ using 5% H₂/Ar mixed gas was much more than the reduction using CH₄ gas. When both CuFe₂O₄ and NiFe₂O₄ were reduced by CH₄ gas, CO and H₂ gas were generated by partial oxidation of CH₄ above 700 ℃. After reduction at 800 ℃, phase of CuFe₂O₄ was changed to the mixture of Cu, Fe, and FeO. However, phase of NiFe₂O₄ was changed to Ni-Fe alloy and the mixture of Ni-Fe alloy and FeO as using 5% H₂/Ar mixed gas and CH₄ gas, respectively.
The rate and quantity of the CO₂ decomposition with the reduced CuFe₂O₄ were larger than those with the reduced NiFe₂O₄. In this reaction, CO₂ and H₂O were decomposed by oxidation of Fe and FeO formed. But, Cu and Ni was not oxidized and remained to metallic state at 800 ℃.
A new preparation method of the ferrite powder using the ultrasonic wave was developed in order to improve reactivity of the redox reaction. A particle size of the ferrite powders prepared by irradiation of the ultrasonic wave was under 20 nm. In the CO₂ decomposition reaction with the ferrite powder prepared by the ultrasonic irradiation for 5 h, CO₂ gas was decomposed about 16 wt%. This result showed that the ferrite powder prepared by the ultrasonic irradiation was more effective to decompose CO₂ gas than the ferrite powder prepared by a general heat treatment.
In the CO₂ decomposition reaction with the waste ferrite, CO₂ gas was decomposed about 11 wt%. This result showed that CO₂ gas could be decomposed as low cost through utilizing the waste ferrite.
In this study, utilizing possibility of ferrite in the energy conversion system was proved. Also, composition of practicable ferrite and preparation processing to improve efficiency of redox reaction were developed. Especially, utilizing possibility of the waste ferrite in the energy conversion system could be proved through the CO₂ decomposition reaction with waste ferrite. Utilization of the waste ferrite in the energy conversion system is valuable to study because it can solve environmental and energy problem as low cost. Therefore, the waste ferrite needs to be studied much more for the practical utilization in the energy conversion system.
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