상전이 물질이 함침된 활성탄의 열적 특성 평가

배지열; 김광수

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자료유형: 학술저널

저자정보: 배지열 (한국건설기술연구원) 김광수 (한국건설기술연구원)

저널정보: 대한환경공학회 대한환경공학회지 대한환경공학회지 제41권 제10호

발행연도: 2019.10

수록면: 582 - 589 (8page)

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목적: 열의 흡수 및 방출능력이 있는 상전이 물질을 에너지 매체로 사용하는 연구는 꾸준히 진행되어왔으며 캡슐형태로 주로 적용되었다. 하지만 제조공정이 복잡하고 환경오염물질이 발생되어 생산비의 대부분이 오염물질 제거에 사용되는 문제점이 있다. 본 연구에서는 활성탄을 상전이 물질의 충전매체로 사용하여 보다 간단하고 효과적인 열저장매체를 개발하고자 한다. 활성탄의 세공에 상전이 물질이 모세관 현상으로 흡착되는 원리를 이용하여 상전이 물질을 충전하는 방법을 개발하고 개발 소재의 열흡수 및 방출에 대한 특성을 알아보고자 한다.
방법: 본 실험에 사용한 상전이 물질은 지방산 물질인 Caprylic acid, 수화물 무기염으로는 Mn(NO₃)₂･4H₂O, Mn(NO₃)₂･6H₂O, Zn(NO₃)₂･6H₂O, 그리고 알칸계 탄화수소류로는 n-hexadecane을 이용하였다. 활성탄 세공에 상전이 물질을 다음과 같이 충전하였다. 상전이 물질에 활성탄을 주입하여 혼합한 후 10기압의 고압반응기에서 약 10시간을 유지시킨다. 마지막으로 10℃에서 50℃ 범위 안에서 개발 소재의 열의 흡수/방출 능력을 알아보았다.
결과 및 토의: 온도에 따른 상전이 물질의 부피변화를 확인한 결과 유기산 및 수화물 염은 온도가 내려가면서 분자 간 평균거리가 감소하여 부피가 감소함을 알 수 있다. 각 상전이 물질의 열 흡수 방출특성을 평가한 결과 Caprylic acid는 약 17℃에서 근처에서 그리고 n-Hexadecane은 약 15℃ 근처에서 열흡수 및 방출이 일어남을 보여주고, Mn(NO₃)₂·4H₂O 및 Zn(NO₃)₂·6H₂O 은 약 35℃ 근처에서 그리고 Mn(NO₃)₂.6H₂O 약 25℃ 근처에서 열의 흡수 및 방출 즉, 잠열이 있음을 보여주고 있다. 특히 열을 흡수하는 과정은 서서히 진행되는 반면 열을 방출하는 과정은 매우 급격하게 진행되었으며 Mn(NO₃)₂·4H₂O 및 Zn(NO₃)₂.6H₂O의 경우 열의 방출과정에서 두 번의 변곡점을 보여주고 있어 상전이 시 액체상태와 고체의 불안한 상태를 유지하는 과냉각(super cooling) 현상 때문인 것으로 사료되었다. 혼합 상전이 물질을 평가한 결과 Mn(NO₃)₂.4H₂O/Mn(NO₃)₂·6H₂O 혼합물과 Mn(NO₃)₂· 4H₂O/Zn(NO₃)₂·6H₂O 혼합물의 경우 열 흡수와 방출 2개의 변곡점을 보여주었으며 반복실험에서도 비슷한 경향을 나타내었다. 반면에 Mn(NO₃)₂·6H2O과 Zn(NO₃)₂·6H₂O을 혼합한 경우는 열흡수 및 방출실험을 반복할수록 재현성이 저하되었다. 충전된 상전이 충진된 활성탄의 열 흡수 및 방출특성을 평가한 결과 Caprylic acid, Mn(NO₃)₂· 6H₂O, Zn(NO₃)₂·6H₂O 모두 열의 흡수 및 방출이 진행되었으며 각각의 녹는점 및 어는점은 원료물질 그대로의 온도에서 재현되었으며 특히 수화물 염의 가장 단점인 과냉각현상을 극복할 수 있었다. 활성탄 세공에 충전된 상전이 물질을 적층시켜 열흡수 및 방출특성을 평가한 결과 열의 흡수의 경우 하부에서부터 상부까지 점진적으로 진행되며 특히 상부에서 열의 흡수가 많음을 확인하였다. 반면에 열 방출의 경우 상부보다는 하부에서 많이 진행됨을 보여주고 있다. 각각의 상전이 물질을 균일하게 혼합하였을 경우 광범위 온도에서 균일한 분포로 일어났으며, 반복 실험에서도 비슷한 양상을 보여주어서 활성탄세공에 상전이 물질을 충진하여도 안정된 열 충전 매체로 사용할 수 있음을 확신할 수 있었다.
결론: 1) 상전이 물질중 acprylic acid, n-hexadecane은 과냉각 현상이 없었으나 무기성 상전이 물질은 과냉각 현상이 발생하였다. 2) 과냉각 현상은 열을 방출하는 냉각과정에서 발생하였으며 수화물 함량이 높을수록 경향을 뚜렷하게 나타내었다. 반면에 활성탄 세공에 상전이 물질을 충전하여 사용 시 과냉각현상이 해소되었으며 이는 세공 내에서 상전이 물질이 팽창 및 수축이 일어나면서 상전이 물질을 정체시키지 않기 때문이라고 사료되었다. 3) 융점이 다른 수화물 함유 무기성 상전이 물질을 혼합시킬 경우 각 열의 흡수 및 방출이 재현되었으며, 융점이 다른 각각의 상전이 물질을 활성탄 세공에 충진 후 혼합하여 사용할 경우 광범위한 온도에서 열의 흡수 및 방출제로 사용 가능함을 알 수 있었다.

Objectives: The use of phase change materials (PCMs) with the ability to absorb and release heat as an energy medium has been extensively studied where encapsulated material was used. Though these heat storage systems seem efficient but practical application suffers due to their high manufacturing cost, complexity in the manufacturing process, and eco-unfriendly nature. In this study, we developed an affordable, simpler and more efficient heat storage media by using activated carbon as a filling medium for PCM. The purpose of this study is to develop a method for caging a PCM by using the adsorption phenomenon where the PCM is adsorbed by the capillary phenomenon in the pores of activated carbon. The heat absorption and releasing characteristics of PCM embedded-activated carbon composite was investigated to comment on the applicability of the composite.
Methods: The PCM used in this experiment were caprylic acid (CH₃(CH₂)8COOH), Mn(NO₃)₂･4H₂O, Mn(NO₃)₂･6H₂O, Zn(NO₃)₂･6H₂O, and n-hexadecane. The PCM embedded-activated carbon composites were prepared and studied by adopting a standard protocol. After adding and mixing the degassed activated carbon in a beaker containing a PCM, it was maintained in a high-pressure reactor of 10 atm to push the PCM into the pores of the activated carbon. The heat absorption/release capacity of the PCM embedded-activated carbon was examined within the range of 10℃ to 50℃. Results
Results and Discussion: The organic acid and the hydrated salt decreased the volume by decreasing the average distance between molecules as the temperature decreased. The heat absorption and release temperature of caprylic acid and n-Hexadecane was ~17℃ and ~15℃, respectively. Also, for Mn(NO₃)₂･4H₂O and Zn(NO₃)₂･6H₂O, the absorption and release of heat, i.e., latent heat was ~35℃ and ~25℃, respectively. In particular, the process of absorbing heat proceeds slowly while the process of heat release proceeds very rapidly. Moreover, Mn(NO₃)₂･4H₂O and Zn(NO₃)₂･6H₂O showed two inflection points in the heat release process. It was probably due to the supercooling phenomenon where the liquid and solid phase coexisted during the phase transition. From the evaluation of the mixed PCM, the inflection point of heat absorption and emission was given for the mixture of Mn(NO₃)₂･4H₂O/Mn(NO₃)₂･6H₂O and Mn(NO₃)₂･4H₂O/Zn(NO₃)₂･6H₂O. Similar trends were observed in repeated experiments. On the other hand, when Mn(NO₃)S･6H₂O and Zn(NO₃)₂･6H₂O with higher water molecules content were mixed, reproducibility decreased in the subsequent heat absorption and release cycles. The heat absorption and emission characteristics of caprylic acid, Mn(NO₃)₂･6H₂O and Zn(NO₃)₂･6H₂O embedded activated carbon was found reproducible in multiple melting and freezing cycles and the overcooling phenomenon was overcome. The heat absorption and release characteristics of laminated PCM embedded activated carbon showed that the absorption of heat proceeded gradually from the bottom to the top, and the absorption of heat was significantly high at the top. On the contrary, heat dissipation was observed to proceed more at the bottom than at the top. The homogeneous mixing of various PCM embedded activated carbon composites resulted in a uniform distribution over a wide range of temperatures. Dozens of repeated experiments showed a similar pattern, which ensured that the activated carbon can be used as a stable thermal charging medium even with a PCM.
Conclusions: 1) Caprylic acid and n-hexadecane did not have the supercooling phenomena, but the hydrate-containing inorganic phase change material showed the supercooling phenomenon where both the liquid and solid phases coexisted. 2) The supercooling phenomena occurred during the cooling process that released the heat, especially when the hydrated water content was higher. On the other hand, when the phase change material is filled into the activated carbon pores, the supercooling phenomenon disappeared in the cooling process. It was considered that the external stimulus was formed because the phase change material expanded and contracted in a narrow space in the pore. 3) Mixing of hydrate-containing inorganic phase change materials which have different melting point resulted in the absorption and release of heat at the intrinsic melting point of raw material, even when filled in activated carbon pores. It was found that when the phase change materials having different melting points were used after being embedded in the activated carbon pores and mixed, they could be used as heat absorbers and release agents in a wider range of temperatures.

#Phase Change Material #Pore Embedded Technique #Heat Absorption and Release #Nanopore of Activated Carbon #상전이물질 #세공 충진 기술 #열 흡수 방출 소재 #활성탄 세공

참고문헌 (14)

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