고객 성공 사례

NETZSCH 동시 열 분석기를 사용하여 고형 폐기물을 에너지 재료로 전환하는 방법

중국 다롄 공과대학교 구오자오 지 교수의 최신 고객 성공 사례를 읽어보세요! 이 사례는 NETZSCH 동시 열 분석기(STA)를 통해 고체 폐기물을 가치 있는 제품으로 전환하는 방법에 관한 것입니다. 이 주제에 관한 여러 과학 논문이 발표되었습니다.

1986년생인구오자오 지 박사는 2014년 호주 퀸즐랜드 대학교에서 화학공학 박사 학위를 받았습니다. 2010년과 2008년에 각각 중화인민공화국 동북대학교에서 기계공학 석사와 학사를 마쳤습니다. 현재 중국 다롄 공과대학교 환경과학기술대학에서 부교수로 재직 중입니다. 지 박사는 고형 폐기물 가스화, 열화학 전환의 동역학 모델링, 고온CO2 포집, 열화학 공정에서의 전산 유체 역학 응용 등을 연구하고 있습니다. 그는 100편 이상의 학술지 논문과 2권의 저서, 3권의 책 챕터를 저술했으며, 인용 횟수는 3200회 이상이고 H-지수는 35입니다.

아래에서 구오자오 지 박사는 고형 폐기물을 에너지로 전환하는 연구에 대한 인사이트를 제공합니다.

Prof. Dr. Guozhao Ji

„NETZSCH STA 장비를 통한 정확한 측정으로 준비된 재료를 신뢰할 수 있게 비교하여 재료 선택을 용이하게 할 뿐만 아니라 기능성 재료 준비에 대한 지침이나 방향을 제시할 수 있습니다.“

Prof. Dr. Guozhao Ji
중국 다롄 공과대학교 환경과학기술대학 부교수

구오자오 지 박사: "DUT의 고형 폐기물 재활용 연구실은 열화학 반응을 통해 고형 폐기물을 에너지, 환경 및 소재 산업에서 사용할 수 있는 고부가가치 제품으로 전환하는 데 전념하고 있습니다. 이 연구소는 고형 폐기물 처리와 관련된 솔루션, 장비 및 재료를 제공합니다.

2019년에 우리는CO2 흡착제 샘플을 NETZSCH 과학 기기 무역 (상하이) 유한회사에 보냈고 NETZSCH 는 매우 전문적인 테스트 서비스를 제공했습니다. 이 놀라운 경험은 NETZSCH 와의 추가 협력을 촉진했습니다. 2020 년에 우리 실험실은 주로 유기 고형 폐기물의 분해 거동을 테스트하기 위해 NETZSCH STA 449 F3 를 주문했습니다. 2021년에는 고형 폐기물 가스화 개선에 사용될 기능성 소재의CO2 흡착 거동을 테스트하기 위해 STA 2500을 구입했습니다. 2023년에는 유기성 폐기물 열분해 중 열역학적 정보를 측정하고 열처리 과정에서 무기성 폐기물의 상 전이를 파악하기 위해 NETZSCH DSC 404 F3 를 구입했습니다."

지 박사님, 엔드레스하우저의 솔루션을 사용하기 전에 귀사에서 겪었던 구체적인 어려움은 무엇이었으며, 솔루션을 통해 해결하고자 했던 문제나 이슈는 무엇이었나요?

  1. "정확한 온도 제어: 저희는 유기성 폐기물 가스화에 사용되는 기능성 소재를 개발했습니다. 이 소재는 가스화 조건에서CO2를 포집하고 재생 조건에서CO2를 방출해야 합니다. 가스화 조건과 재생 조건의 가장 큰 차이점은 온도입니다. 가스화의 경우 온도는 약 700°C이고 재생의 경우 약 900°C입니다. 기능성 소재의 성능을 측정하기 위해서는 온도를 자주, 신속하고 정확하게 전환해야 합니다.
  2. Large 대량 샘플: 우리는 주로 유기성 폐기물 열처리를 연구하는데, 유기성 폐기물의 성질은 일정 범위 내에서 다양합니다. 실제 유기 폐기물은 균일하지 않기 때문에 매번 몇 밀리그램의 샘플 질량만 채취하면 TGA 테스트 결과가 달라질 수 있습니다. 폐기물 공급 원료의 대표성을 높이려면 유기 폐기물의 모든 부분을 더 포괄할 수 있는 더 많은 양의 샘플을 채취해야 합니다."

NETZSCH 을 선택한 이유는 무엇인가요?

" NETZSCH 브랜드는 연구 분야에서 좋은 평판을 얻고 있습니다. 일상 업무 중에 방대한 연구 논문을 읽는데, 연구 저널 논문의 열무게 분석 섹션에서 가장 많이 검색되는 브랜드가 NETZSCH 입니다.

또한 NETZSCH 기기는 정확한 온도 제어, 램핑 속도 및 가스 환경을 제공하여 기능성 소재의 효율적인 주기적 테스트를 가능하게 했습니다. 제한된 조사 결과, NETZSCH 는 가장 많은 시료량을 처리할 수 있어 고형 폐기물 분해에 대한 보다 안정적이고 반복 가능한 결과를 제공했습니다."

솔루션을 어떻게 사용했는지 구체적인 사례를 들어주세요.

폐타이어의 열 열화 현상을 예로 들 수 있습니다.

"자동차가 널리 보급되고 전 세계적으로 타이어 제조가 발전함에 따라 타이어가 마모된 후 상당한 양의 폐타이어가 발생하고 있습니다. 폐타이어는 생태학적 독성과 분해 저항성 때문에 인간의 건강과 환경에 위협이 될 수 있습니다. 폐타이어를 처리하는 유망한 방법은 열분해로, 폐기물을 최소화할 뿐만 아니라 합성가스, 연료유, 숯과 같은 가치 있는 제품을 생성할 수 있습니다. 열무게 분석(TGA)은 열분해 반응의 초기 온도, 최종 온도, 피크 온도 등 폐타이어 열분해의 열 거동을 조사하는 데 효과적인 기술로, 열분해 과정을 이해하고 열분해 반응기 설계 및 공정 최적화에 기여하는 것으로 평가받고 있습니다. TGA 실험은 NETZSCH STA 2500 및 NETZSCH STA 449 F3 를 통해 수행되었습니다. 약 6mg의 공급 원료를 Al2O3세라믹 도가니에 넣고 실온에서 600°C까지 10, 20, 30°C-min-1의 세 가지 가열 속도로 가열했습니다. 질소는 200ml-min-1의 유속으로 운반 가스로 사용되었습니다."

그림 1. 10, 20, 30°C-min-1(K/min)의 세 가지 가열 속도에서 폐타이어 열분해의 TGA(왼쪽) 및 DTG(오른쪽) 곡선.

폐타이어의 열분해 거동은 그림 1에 나와 있습니다. 폐타이어의 주요 열분해 반응은 200°C ~ 500°C의 온도 범위에서 64%의 질량 손실률로 발생했습니다. DTG 곡선에서 300°C ~ 410°C 및 410°C ~ 450°C의 온도 범위에 위치한 두 개의 피크는 폐타이어의 주성분인 천연 고무와 합성 고무의 분해에 해당하는 것으로 관찰되었습니다. 가열 속도가 증가함에 따라 열분해 반응의 초기 온도(Ts), 최대 중량 감소율에 해당하는 온도(Tmax), 열분해 반응의 최종 온도(Te)가 모두 증가하는 경향을 보였습니다(표 1).

표 1. 열분해 특성, 세 가지 가열 속도에서의 폐타이어 열분해 파라미터

가열 속도(◦C-min-1)

Ts(◦C)

Tmax(◦C)

Te(◦C)

10

288

375

524

20

298

388

530

30

308

395

544

CaO 기반 흡착제는 연소 전 탄소 포집에서 광범위한 응용 가능성을 가지고 있습니다. 일반적인 증기 개질 수소 생산 반응에서 CaO 기반 흡착제를 첨가하면 현장에서생성된 CO2를 제거하여 열역학적 평형을 깨고 반응 추진력을 증가시켜 수소 생산으로 반응을 전환할 수 있습니다. 이렇게 하면 수소 농도와 수율이 향상됩니다. 그러나 소결 경향으로 인해 탐만 온도가 높은 불활성 안정제를 도핑해야 합니다.

일반적으로 Ca 기반CO2 흡착제는 재료의CO2 흡착 성능과 흡착 동역학을 반영하기 위해 고온(650°C-850°C)의 N2 또는CO2 분위기에서 탄산화 및 소성 반응 동안의 중량 변화에 대한 연구가 필요합니다. 이 연구에서는 철강 슬래그와 석회석을 혼합하여 철강 슬래그 기반 흡착제를 제조했습니다. TGA를 사용하여 철강 슬래그 기반 흡착제의 흡착 성능을 테스트했습니다 (NETZSCH STA 449 F5 ).

결과는 다음과 같습니다:

그림 2: 온화한 조건(15% CO2/85% N2 분위기에서 650°C에서 5분간 탄화, 100% N2 분위기에서 직접 냉각을 통한 소성)에서 30주기 동안 부분적으로 신선한 철강 슬래그 기반 흡착제의 CO2 포집 성능.
그림 3: 온화한 조건에서 2몰/l 산 농도로 제조된 철강 슬래그 기반 흡착제의 30주기 중 처음 2분 동안의 평균 CO2 흡착률 곡선입니다.

"그림 2에서 볼 수 있듯이 순수 CaO의CO2 흡착 능력은 빠르게 감소(0.293CO2/g 흡착제에서 0.097CO2/g 흡착제로 감소)하는 반면, 초기 산 농도 2mol/l로 제조한 흡착제의 흡착 능력은 감소율이 현저히 감소합니다. 또한, 철강 슬래그 도핑 비율이 높아질수록 흡착제의 안정성도 향상됩니다. 또한 철강 슬래그 기반 흡착제는 30주기 동안 전반적인CO2 흡수 성능이 더 우수합니다. 그림 3은 흡착률의 변화도 보여줍니다. 초기에는 CaO가 흡착률에서 분명한 우위를 보였습니다. 그러나 사이클 수가 증가함에 따라 CaO의 흡착률은 크게 감소하여 결국 낮은 수준에서 안정화됩니다. 반면 철강 슬래그가 도핑된 흡착제는 사이클 수가 증가할수록 그 효과가 더욱 뚜렷해지면서 상당한 개선을 보입니다."

얻은 결과를 어떻게 사용하셨나요?

" NETZSCH STA 2500 및 STA 449 F3 는 매우 정확하고 빠르게 온도를 제어할 수 있습니다. 이러한 온도 변동 제어는 폐기물 가스화를 위한 기능성 소재를 테스트하는 데 매우 유용하고 도움이 됩니다.

NETZSCH 장치를 통한 정확한 측정으로 준비된 재료를 신뢰할 수 있게 비교하여 재료 선택을 용이하게 할 뿐만 아니라 기능성 재료 준비에 대한 지침이나 방향을 제시할 수 있습니다. 에너지 및 환경 과학, 환경 과학 및 기술, 화학 공학 저널, 연료 처리 기술, 청정 생산 저널 등과 같은 저널에 50편 이상의 연구 논문을 발표했습니다."

고객 지원 및 서비스에 대한 경험도 있으신가요?

"네, 훌륭한 경험 그 이상이라고 말씀드리고 싶습니다. 실제로 NETZSCH 계측기를 구입하기 전에는 하이밍 장 씨와 션준 셩 씨가 무한한 도움을 주었습니다. NETZSCH STA 2500과 STA 449 F3 를 구입한 후에도 질문이 있을 때면 항상 슈아이타오 쩡 씨로부터 빠른 답변을 받았습니다.

2023년 5월 9일 다롄에서 열린 세미나도 훌륭한 행사였습니다. 저와 제 학생들은 엔지니어와 전문가들로부터 매우 포괄적이고 실용적이며 유용한 정보를 얻을 수 있었습니다."

지 박사님, 이렇게 긍정적인 피드백을 주셔서 정말 감사합니다!

향후 유니티와의 협업을 어떻게 구상하고 계신가요? 해결하고 싶은 새로운 과제가 있나요?

"앞으로 NETZSCH 와 협력하고 싶은 다음 주제는 TGA 용광로에 증기를 추가하여 유기성 폐기물을 가스화하는 테스트입니다. 현재로서는 자금이 충분하지 않지만 조만간 자금이 확보되면 이러한 유형의 테스트를 수행할 예정입니다.

두 번째로 다루고 싶은 것은 실제 시나리오에서 가열 속도와 일치할 수 있는 빠른 가열입니다. 우리는 유기 폐기물이 원자로에서 열 운반체와 접촉했을 때 분해되는 거동을 측정하는 데 관심이 많습니다. 이러한 상황에서 가열 속도는 최대 102~103 K s-1까지 도달할 수 있습니다. 정확한 질량 측정으로 이 가열 속도를 달성하는 것은 폐기물 처리에 있어 큰 혁신이 될 것입니다."

사진: 중국 다롄 공과대학교

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