습한 조건에서 실온 H2S 및 SO2 가스 제거를 위한 3원 금속 산화물 나노복합체

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 15387(2022) 이 기사 인용

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3원계 Mn-Zn-Fe 산화물 나노복합체는 실온에서 H2S 및 SO2 가스를 제거하기 위한 1단계 공침 방법으로 제조되었습니다. 나노복합체는 표면적이 21.03m2g−1인 ZnO, MnO2 및 페라이트를 포함합니다. 흡착제는 습한 조건에서 산성 황 가스를 더 잘 광물화하는 데 효과적이었습니다. 이 물질은 최적화된 실험 조건에서 각각 1.31 및 0.49 mmol g−1의 최대 H2S 및 SO2 제거 용량을 나타냈습니다. 분광학적 분석을 통해 H2S의 광물화된 생성물로서 황화물, 황 및 아황산염이 형성되는 것이 확인되었습니다. 또한 나노복합체는 SO2를 유일한 산화 부산물인 황산염으로 변환할 수 있습니다. 이러한 독성 가스의 산화는 표면에 흡착된 물에서 가스 분자의 용해 및 해리에 이어 분자 산소와 물이 있는 상태에서 전이 금속 이온의 산화환원 거동에 의해 발생합니다. 따라서, 이 연구는 심층 탈황 응용을 위한 잠재적인 나노복합 흡착제를 제시했습니다.

대기 오염은 지난 수십 년 동안 다양한 인위적 활동으로 인해 증폭된 세계적인 문제입니다. 공기를 독성화하는 수많은 대기 오염 물질 중에서 황화수소(H2S)와 이산화황(SO2)은 인간의 건강과 환경에 심각한 피해를 주는 것으로 알려져 있습니다. H2S는 부패된 유기물, 석유 산업, 석탄 및 천연가스 기반 화력 발전소, 하수 처리 시설에서 배출되는 유독한 매운 냄새가 나는 가스입니다1,2. 200~500ppm 수준의 H2S에 급성 노출되면 후각 신경이 마비될 수 있으며, 500ppm을 초과하면 급사로 이어질 수 있습니다2,3. 더욱이, H2S가 SO2로 전환되고 가수분해되어 산성비를 형성하는 것은 토양과 수역을 산성화할 수 있으며, 이는 각각 식물과 해양 생물에 재앙이 될 수 있습니다4,5. SO2는 날카로운 냄새를 지닌 무색의 독성 가스로 만성 기관지염, 호흡기 감염 등 다양한 호흡기 질환을 유발할 수 있습니다6. 1~5ppm의 낮은 SO2 농도는 인간의 불편함을 느끼기에 충분하지만, 100ppm을 초과하면 생명을 위협할 수 있습니다7. 대기 SO2의 주요 배출원은 화력 발전소와 차량 배출물입니다8. 따라서 대기 오염을 제한하고 스모그 형성 및 산성비와 같은 재앙을 예방하려면 발생지에서 H2S 및 SO2 제거를 우선적으로 수행해야 합니다.

흡착제 표면에 대한 이러한 독성 가스의 화학적 흡착은 H2S 및 SO2 가스를 흡착하고 황 및 황산염과 같은 무독성 부산물로 광물화하는 가장 간단하고 저렴한 방법 중 하나입니다9. 더욱이, 화학흡착은 근본적으로 금전적인 측면에서 까다로운 배연 탈황 및 천연가스 정화 응용 분야에 매우 효율적입니다1,10. 이러한 목적을 위해, 금속 산화물은 H2S 및 SO2(전자 공여체 역할)와 같은 산성 가스와 반응할 수 있는 약한 염기성 부위(격자 산소) 및 염기성 OH- 그룹의 존재로 인해 큰 잠재력을 보여주었습니다11,12. 이러한 가스에 대한 금속 산화물의 표면 반응성은 물 분자가 있을 때 증폭될 수 있습니다. 첫째, 금속 산화물 표면의 수층이 해리 반응하여 수산기 밀도를 향상시킵니다. 둘째, 표면 수막은 가스 분자를 용해시켜 금속 산화물 표면과의 반응성 상호 작용에 대한 에너지 장벽을 낮추고 따라서 전체 화학 흡착 과정을 선호합니다. 따라서, 본 연구 작업의 초점인 금속 산화물에 대한 산성 가스의 흡착 동안 물의 긍정적인 효과를 탐구하는 것은 가치가 있습니다. 또한 심층 탈황 및 가스 정화 응용 분야에서 흡착제의 적용 가능성을 확인하기 위해 낮은 H2S/SO2 농축물을 정화하기 위한 흡착제 재료를 탐색하는 것도 마찬가지로 중요합니다.