열플라즈마를 이용한 이산화탄소의 분해

윤상혁, 박동화

인하대학교 화학공학과

Decomposition of Carbon Dioxide with Thermal Plasma

Sang-Heug Yun, Dong-Wha Park

Department of Chemical Engineering, Inha University, Inchon 402-751, Korea

서론

산업혁명이후 화석연료 및 화학물질의 사용 증가에 따라 이산화탄소, 이산화질소, 프레온 가스, 메탄 등의 온실가스가 대량으로 대기중에 배출되어 지구의 기후 변화는 물론 생태계에까지 큰 영향을 미치고 있다. 특히 이산화탄소는 20세기 이전까지는 275ppm이던 대기중 이산화탄소의 농도가 최근에는 350ppm으로 증대되어 지구 온난화 원인의 55%를 차지하고 있다. 지구 온난화에 대한 세계적인 대책은 1987년 미국 국가기후 계획, 1988년 IPCC활동 개시, 1989년 UNEP 각료이사회에서 조약교섭, 1990년 세계 기후회의 각료 선언, 1992년 기후 변화에 관한 유엔기본협약 채택으로 이어졌다.

1994년 3월에 발효된 기후변화협약은 각국의 온실가스 배출□흡수현황에 대한 국가보고서 작성, 온실가스배출 감축을 위한 국내정책 수립 및 실행, 선진국의 경우 이산화탄소 배출량을 2000년까지 1990년 수준으로 감축할 것 등을 주요 내용으로 하고 있다. 이 협약에 우리 나라를 비롯하여 143개국이 가입하여 기후변화에 관한 정부간 패널, 정부간 협상위원회를 중심으로 협약 이행을 위한 절차 및 실행방안에 대한 토의가 진행되고 있다. 우리 나라의 경우 에너지의 화석 연료에 대한 의존도가 80.8%로 중국, 인도 다음으로 높으며, 이산화탄소 총배출량은 1990년 현재 세계 16위에 이르고 있다. 또한 한국의 OECD가입으로 기후변화협약에 따라 2000년까지 단계적으로 이산화탄소의 배출량을 1990년 수준으로 감소시켜야 하는 국제적 압력에 직면하고 있다. 이산화탄소 배출량의 규제를 무역 규제와 연계할 경우 우리 나라 산업에 큰 타격을 줄 것으로 예상된다.

1980년대 후반부터 전세계적으로 본격화되기 시작한 이산화탄소의 저감 연구는 에너지 절약 및 화석연료 이외의 대체 에너지원 활용에 의한 이산화탄소 배출량의 감소 연구, 다량 배출되는 고정원에서의 이산화탄소 분리 및 회수 연구, 이산화탄소의 화학적 고정화에 의한 유용한 화학물질로의 전환 연구, 미생물에 의한 이산화탄소의 생물학적 고정화 연구 등이 제시되고 있다[1,2]. 이 중에서 화학적 고정화 분야는 다량의 이산화탄소를 유용한 화학제품으로 전환시킬 수 있기 때문에 가장 효과적인 방법으로 지적되고 있다[3].

이론

안정한 화합물인 이산화탄소를 대기압 하에서 단독으로 분해하기 위해서는 Fig. 1의 열역학 평형 계산과 같이 4,500K이상의 온도를 필요로 한다. 이는 보통의 방법으로는 곤란하다. 이산화탄소와 메탄의 반응은 Fig. 2의 열역학 평형 계산과 같이 1,200K에서 이산화탄소가 완전히 반응한다. 또한 당량비로 생성되는 반응 생성물인 수소와 일산화탄소는 합성 가스로서 여러 화학공정의 기초 원료로 사용될 수 있다.

6,000K이상의 고온을 발생시킬 수 있는 열플라즈마는 그 온도의 특성상 각 반응물들이 원자나, 라디칼 상태에서 반응을 하므로 반응 속도가 굉장히 빠르며 단시간 내에 화학 평형에 도달할 수 있다는 특징이 있다[4]. 그러므로 열플라즈마 공정은 반응이 일어나기 위해 4,500K이상의 고온이 필요한 이산화탄소의 분해 반응과 1,200K이상의 온도를 필요로 하는 메탄과의 반응에 적용할 수 있다. 또한 열플라즈마 공정은 그 구조가 단순하고 연속 조작이 용이하며 유지비가 저렴하다는 장점이 있다.

Fig. 2. Equilibrium compositions

of 1 mole CO2 and 0.5 mole CH4

Fig. 1. Equilibrium compositions

of 1 mole CO2

실험

플라즈마 발생 가스로는 아르곤 가스를 사용하였으며, 전형적인 플라즈마 전력은 3.2kW이었다. 고온에서 각각의 원자와 라디칼 상태로 있는 생성물을 내경 4□, 길이 520□인 수냉관Ⅰ, 내경 6□, 길이 400□인 수냉관Ⅱ, 내경 8□, 길이 400□인 수냉관Ⅲ을 이용하여 냉각해서 최종 생성물의 분포를 조절하였다. 수냉관을 빠져나가는 최종 생성물을 가스크로마토그래피를 이용하여 성분을 조사하였다. 실험 장치를 Fig. 3에 나타내었다.

이산화탄소의 직접 분해와 메탄을 이용한 이산화탄소의 전환등 두 가지의 경우에 대해 실험하였다. 이산화탄소의 직접 분해는 플라즈마 발생 가스의 유입유량이 8□/min와 10□/min일 때 이산화탄소의 유입유량이 각각 1□/min, 2□/min, 3□/min와 4□/min일 경우에 대해 조사하였다. 메탄을 이용한 이산화탄소의 전환은 플라즈마 발생 가스의 유입유량이 8□/min이고 이산화탄소의 유입유량을 각각 1□/min와 2□/min일 때 메탄의 유입 유량이 0.1□/min, 0.3□/min와 0.5□/min일 경우에 대해 조사하였다.

결과 및 토의

Fig. 4에 이산화탄소의 직접 분해 실험 결과를 Fig. 5에 메탄과의 실험 결과를 나타내었다. 두 실험의 효율을 비교하기 위하여 이산화탄소의 일산화탄소로의 전환율을 다음과 같이 정의하였다.

[eqn: rmCO로의```전환율``[%]```=```{[`CO`]}over{[`CO _ 2`]```+```[`CO`]}```×```100]

이산화 탄소의 직접 분해 실험에서는 전환율이 최고 11%로 낮았다. 그 이유는 비록 이산화탄소가 플라즈마 불꽃 속에서 원자나 라디칼 상태로 완전히 분해되지만 수냉관에서 냉각되는 동안 냉각효율이 충분하지 못하여 다시 이산화탄소로 재결합기때문이다. 이 것은 수냉관의 내경이 작을수록, 유입된 이산화탄소의 양이 적을수록 즉 냉각 효율이 좋을 수록 전환율이 높은 것으로부터 알 수 있다. 또한 Fig. 1에서 분해된 이산화탄소가 높은 온도인 2,500K에서 재결합하는 것을 알 수 있다.

Fig. 3. Experimental apparatus

이산화탄소와 메탄과의 전환 실험에서는 최고 90%의 높은 전환율을 얻었다. 메탄과 이산화탄소의 유량비가 높을수록 전환율이 높았다. 이는 더 많은 메탄이 이산화탄소와 반응할 수 있기 때문이다. 수냉관의 내경이 작을수록 유입된 이산화탄소의 양이 적을수록 전환율이 높았다. 이것은 이산화탄소의 직접 분해의 경우와 같이 냉각 효율이 뛰어나기 때문이다. 똑같은 내경의 수냉관과 유량을 사용했

Fig. 4. Decomposition of CO2

Fig. 5. Reaction of CO2 and CH4

지만 이산화탄소의 직접 분해의 경우 보다 훨씬 뛰어난 전환율을 얻을 수 있었던 이유는 이산화탄소와 메탄의 반응이 발열 반응이므로 이산화탄소의 직접 분해의 경우보다 더 잘 일어나며, 특히 이산화탄소와 메탄이 고온에서 반응하여 일산화탄소와 수소로 전환된 후 Fig. 2에서처럼 비교적 낮은 온도인 1,200K에서 재결합이 일어나기 때문이다.

플라즈마 공정에서는 플라즈마 상태가 충분한 에너지를 가지고 있으므로 반응의 속도보다는 반응후 생성물을 안정화 시키기 위한 냉각 공정이 더욱 중요한 공정이다[4].

참고문헌

1. Simpsom, Theodore B.: Environmental Progress, 10(4), 248(1991).

2. H. Herzog, D. Golomb and S. Zemba: Environmental Progress, 10(1),          266(1991).

3. C. W. Marynowski, R. C. Phillips, J. R. Phillips and N. K .Hiester:

I＊EC FUNDAMENTALS, 1(1), 52(1962).

4. D. W. Sundstrom, R. L. DeMichiell: Ind. Eng. Chem. Process Des.            Develop., 10(1), 114(1971).