비평형 대기압 플라즈마에 의하여 여기된 DME/O2 혼합물의 화학 반응성에 대한 연구
Chemical Reactivity of DME/O2 Gas Mixture Excited by Non-equilibrium Atmospheric Pressure Plasma
- 주제(키워드) Plasma Reformer , Hydrogen generation + Hydrogen pump , DME + MeOH , Gliding arc
- 발행기관 아주대학교
- 지도교수 김승주
- 발행년도 2010
- 학위수여년월 2010. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 에너지시스템학부
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/ajou/000000010482
- 본문언어 한국어
- 저작권 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
기존의 상업적 수소 제조 방법은 주로 천연가스와 같은 화석 연료로부터 고온 촉매 화학적 개질 방법과 물의 전기분해에 의존하고 있다. 고온을 필요로 하는 개질법은 시스템의 대형화를 불가피하게 하며 전기분해법은 전기에너지의 가격에 그 실용성이 달려있다. 본 연구에서는 낮은 전기에너지의 사용과 시스템의 소형화라는 조건을 만족시키기 위해서 디메틸에테르(DME, CH3OCH3)를 비평형 플라즈마로 상온, 상압에서 분해하여 수소를 제조하는 연구를 수행하였고, 그 상세한 연구내용에 플라즈마 반응 시 발생했던 탄소의 전극 적층문제, 낮은 DME의 변환 효율과 플라즈마 방전 안정성 등의 문제 해결 방법을 포함하였다. 이에 본 연구에서는 비평형 플라즈마 방전인 글라이딩 아크(gliding arc)를 이용하여 DME와 산소를 혼합한 가스의 화학반응을 유도하였다. 이로써 MBME(Micro-corona Between Mesh Electrode)를 이용한 DME 플라즈마 분해 반응에 대한 문제점을 해결하였으며 수소 생산의 효율성이 증가하는 결과를 도출하였다. 그와 동시에 DME/산소 혼합가스의 플라즈마 화학반응에 대한 특성을 분석하였다. 산소의 혼합비율을 점점 높여가면서 플라즈마 반응으로부터 생성된 가스의 정량 분석과 정성분석을 동시에 수행 하였으며 그 결과 산소의 혼합비가 1을 초과하면서부터 DME와 산소의 화학반응이 활발해 졌음을 확인하였다. 그리고 DME 변환율의 상당한 증가로 생성가스의 양은 급격하게 증가하였다. 또한 생성가스의 분석을 통하여 수소와 일산화탄소의 총 생산량과 생성가스 내의 비율도 크게 증가함을 확인하였다. 그 밖에 온도에 따른 효과와 플라즈마에 인가하는 전기적인 조건을 변경하여 효율성을 비교해 보는 연구도 실행하였다. 비교 실험으로 메탄올/산소 가스의 혼합물에도 유사한 플라즈마 유도반응을 시도하였으나 DME/산소 혼합가스의 플라즈마 반응으로부터 생성된 가스와는 다르게 생성 가스내의 수소와 일산화탄소의 비율은 감소하고 이산화탄소의 양이 증가하는 반응 양상을 보였다. 이것은 DME의 에테르기의 특성에 기인한 것으로 보이며 그에 대한 상세한 메커니즘 연구가 필요하다.
more초록/요약
Conventional methods for hydrogen generation include reforming of fossil fuel such as natural gas and water electrolysis. The reforming requires high temperature operation, and thus large scale system is unavoidable. The practical realization of electrolysis depends on the cost of electricity. With the objective of realizing low consumption of electrical energy and achieving small scale operation, we employed non-equilibrium plasma at ambient temperature and atmospheric pressure for the production of H2 gas from DME(dimethyl ether). The specific target of the present research includes solving the technical problems such as carbon deposits on the surface of electrodes, low conversion efficiency and instability of plasma discharge. In order to solve such problems gliding arc(GA), non-equilibrium plasma discharge was used to induce the chemical reaction of DME/O2 gas mixture. The results show that the gliding type of discharge is far superior to the MBME(Micro-corona Between Mesh Electrode) discharge in terms of the stability of the discharge and the energy efficiency to generate H2 and CO gas from the mixture. From the gas analysis of the reaction products it was confirmed that the extent of the reaction as well as the portion of H2 and CO gas was increased as the ratio of O2 to DME in the mixture was higher than 1. We also investigated the effect of the temperature of the reactor and the electrical properties of the AC power source on the efficiency of the plasma reaction. As a comparison experiment we studied the plasma chemical reaction of MeOH/O2 mixture. The results were quite different from those of DME/O2 reaction in that the portion of CO2 gas was dominant while the concentration of H2 and CO gas was decreased. The prevalence of hydrogen and CO gas produced from DME/O2 mixture may be attributed to the ether group in DME which undergoes unique reaction paths under the plasma excitation. It is necessary to study detailed mechanism of the reaction.
more목차
감사의 글 = ⅰ
국문요약 = ⅱ
목 차 = ⅲ
표 목 차 = ⅴ
그림목차 = ⅵ
제 1 장 서 론 = 1
제 1 절 연구 목적 및 기대효과 = 1
제 2 절 기존의 수소제조 방법 = 3
제 1 항 화석연료로부터의 수소제조법 = 4
제 2 항 물로부터의 수소제조법 = 6
제 2 장 본 론 = 9
제 1 절 비 평형 플라즈마의 화학반응에의 응용 = 9
제 1 항 플라즈마의 특성 = 9
제 2 항 여러 가지 미소 방전의 특성 = 13
제 3 항 플라즈마를 이용한 수소제조 = 18
제 4 항 DME를 이용한 수소 생산 = 21
제 5 항 MBME에 의한 DME 분해와 그 문제점 = 24
제 2 절 실험 방법 및 구성 = 26
제 1 항 플라즈마 반응기 설계 및 제작 = 26
제 2 항 실험장치의 구성 = 30
제 3 항 분석 장치 = 33
제 3 절 실험 결과 및 고찰 = 42
제 1 항 플라즈마의 분광학적 특성 = 42
제 2 항 DME/산소 혼합가스의 플라즈마 반응 = 44
제 3 항 전기적 특성에 따른 생성량 = 47
제 4 항 물의 첨가에 따른 수소 생산량과 온도의 영향 = 51
제 5 항 DME와 메탄올의 비교 = 53
제 3 장 결론 및 향후 과제 = 56
참고문헌 = 60
Abstract = 63
Publications = 64
Conferences = 65
