KR20240159713A - Chemical vapor deposition system of parallel structure for producing nano-carbon material and hydrogen from carbon dioxide, and production method using the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 가스공급부, 내부공간을 구비하는 중공의 기둥형상으로 형성되며 가스공급부와 연결되어 가스를 공급받고 가스로부터 1차반응생성물을 생성하는 전단반응부 및 전단반응부의 횡방향으로 이격되어 전단반응부와 평행하게 배치되는 중공의 기둥형상으로 형성되며 전단반응부와 연결되어 1차반응생성물을 공급받는 후단반응부를 구비하는 반응모듈, 전단반응부의 하부에 위치하고, 전단반응부에서 1차반응생성물을 생성할 시 생성되는 수분을 포집하는 수분포집부 및 전단반응부와 후단반응부를 연결하여 1차반응생성물의 이송을 위한 유로를 제공하는 1차반응생성물이송부를 포함하며, 지면을 기준으로 전단반응부와 후단반응부는 서로 병렬식으로 배치되어, 전단반응부에서 배출된 1차반응생성물은 1차반응생성물이송부로 유동하고 전단반응부에서 배출된 수분은 수분포집부로 유동하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소로부터 나노탄소소재 및 수소를 생산하는 병렬식 구조의 화학기상증착 시스템을 제공한다.The present invention comprises a reaction module having a gas supply section, a hollow column-shaped hollow section having an internal space and connected to the gas supply section to receive gas and generate a primary reaction product from the gas, and a rear reaction section formed in a hollow column-shaped hollow section spaced apart in the transverse direction of the shear reaction section and arranged parallel to the shear reaction section and connected to the shear reaction section to receive the primary reaction product, a moisture collection section located below the shear reaction section and collecting moisture generated when the primary reaction product is generated in the shear reaction section, and a primary reaction product transport section connecting the shear reaction section and the rear reaction section to provide a path for transporting the primary reaction product, characterized in that the shear reaction section and the rear reaction section are arranged in parallel with each other with respect to the ground, so that the primary reaction product discharged from the shear reaction section flows to the primary reaction product transport section and the moisture discharged from the shear reaction section flows to the moisture collection section. Provides a chemical vapor deposition system.
Description
본 발명은 이산화탄소로부터 나노탄소소재 및 수소를 생산하는 병렬식 구조의 화학기상증착 시스템 및 이를 이용한 생산방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 이산화탄소로부터 메탄을 생산하는 공정과 메탄으로부터 나노탄소소재를 생산하는 공정인 2단계의 공정으로 이루어지고, 반응로의 배열이 병렬식으로 형성되는 이산화탄소로부터 나노탄소소재 및 수소를 생산하는 병렬식 구조의 화학기상증착 시스템 및 이를 이용한 생산방법에 관한 것이다.The present invention relates to a parallel structure chemical vapor deposition system for producing nano-carbon materials and hydrogen from carbon dioxide, and a production method using the same. More specifically, the present invention relates to a parallel structure chemical vapor deposition system for producing nano-carbon materials and hydrogen from carbon dioxide, and a production method using the same, which comprises a two-step process of producing methane from carbon dioxide and a process of producing nano-carbon materials from methane, and in which reactors are arranged in parallel.
화석연료 사용으로 인한 이산화탄소 농도의 급격한 증가는 지구 온난화로 인한 여러 가지 환경문제를 일으키고 있으며, 이산화탄소의 처리 및 감축은 국가적으로 시급한 상황에 있다.The rapid increase in carbon dioxide concentration due to the use of fossil fuels is causing various environmental problems due to global warming, and the treatment and reduction of carbon dioxide is an urgent national issue.
그로 인해 전세계적으로 탄소중립정책을 시행하고 있으며, 그 중에 기술개발이 시급한 분야는 이산화탄소 전환 분야이다.As a result, carbon neutrality policies are being implemented worldwide, and among them, the field that urgently requires technological development is carbon dioxide conversion.
이에 따라, 전세계적으로 매년 R&D 투자비용, 논문, 특허 등이 점진적으로 증가 추세를 보이고 있으며, '이산화탄소 포집/활용 기술혁신 로드맵'에 따르면 이산화탄소 화학전환 분야 중 탄소소재 전환 및 이차전지 소재 활용 분야는 차세대 기술로 명시되어 있다.Accordingly, R&D investment costs, papers, patents, etc. are gradually increasing worldwide every year, and according to the 'Carbon Capture/Utilization Technology Innovation Roadmap', among the carbon dioxide chemical conversion fields, carbon material conversion and secondary battery material utilization fields are specified as next-generation technologies.
따라서, 대기 중으로 이산화탄소의 방출량을 감소시키는 향상된 방법을 발명하고 개발하는 것이 중요하다.Therefore, it is important to invent and develop improved methods to reduce carbon dioxide emissions into the atmosphere.
또한, 이차전지의 수요가 확대됨에 따라 이차전지의 가격경쟁력을 확보하는 것이 중요하기 때문에 차세대 이차전지 소재로 활용되는 고비용의 나노탄소소재의 원가를 낮출 기술이 필요하며, 기술 및 장비 개발 시 국내외 고부가가치의 시장을 창출할 수 있다.In addition, as the demand for secondary batteries expands, it is important to secure the price competitiveness of secondary batteries, so technology to lower the cost of expensive nano-carbon materials used as next-generation secondary battery materials is needed, and the development of technology and equipment can create high value-added markets both domestically and internationally.
현재 광화학, 생화학, 전기화학 및 금속 촉매를 사용하는 방법 등에 따른 이산화탄소 환원 방법에 대해 연구가 활발히 진행되고 있다.Currently, research is actively being conducted on carbon dioxide reduction methods using photochemical, biochemical, electrochemical, and metal catalysts.
한편, 이러한 이산화탄소 환원 반응으로 탄소나노튜브(CNT: Carbon nanotube)를 포함한 여러 나노탄소소재의 생산이 가능하다.Meanwhile, this carbon dioxide reduction reaction can produce various nano-carbon materials, including carbon nanotubes (CNTs).
여기서, 탄소나노튜브는 그라펜 시트를 통상으로 감은 구조를 갖고, 애스팩트비가 매우 큰 1차원 구조를 갖는 재료이다.Here, carbon nanotubes are materials that have a structure in which graphene sheets are usually wound and have a one-dimensional structure with a very large aspect ratio.
탄소나노튜브는 기계적으로 훌륭한 강도와 유연성, 반도체적 금속적 도전성을 갖고, 또한 화학적으로도 매우 안정적인 성질을 갖는 것으로 알려져 있다.Carbon nanotubes are known to have excellent mechanical strength and flexibility, semiconductor and metallic conductivity, and are also very chemically stable.
탄소나노튜브의 제조 방법은 아크 방전법, 레이저 증발법, 화학 기상증착법(이하, CVD (Chemical Vapor Deposition) 법이라고 한다.) 등이 보고되어 있다.Methods for manufacturing carbon nanotubes have been reported, including arc discharge method, laser evaporation method, and chemical vapor deposition method (hereinafter referred to as CVD (Chemical Vapor Deposition) method).
특히 CVD 법은 대량 합성, 연속 합성, 고순도화에 적합한 합성 방법으로서 주목받고 있는 합성법이다.In particular, the CVD method is a synthetic method that is attracting attention as a synthetic method suitable for mass synthesis, continuous synthesis, and high purification.
특히, 단층 탄소나노튜브(이하, 「SWCNT」라고 한다.)는 감는 방법이나 그 직경에 따라 금속적 성질, 반도체적 성질을 나타내는 것이 확인되어 있고,In particular, it has been confirmed that single-walled carbon nanotubes (hereinafter referred to as “SWCNTs”) exhibit metallic and semiconducting properties depending on the winding method or diameter.
전기 전자 소자 등에 대한 응용이 기대되고 있다. SWCNT의 합성에는, 나노튜브를 성장시키는 촉매 CVD 법이 주류가 되어 있다.Applications to electrical and electronic devices are expected. For the synthesis of SWCNTs, the catalytic CVD method for growing nanotubes is the mainstream.
이 촉매 CVD 법은 금속의 나노 입자를 촉매로 한다. 그리고, 기체의 탄소원을 공급하면서, 고온에서 탄소원을 열분해하고, 촉매 금속의 나노 입자로부터 나노 튜브를 성장시킨다.This catalytic CVD method uses metal nanoparticles as a catalyst. Then, by supplying a gaseous carbon source, the carbon source is thermally decomposed at high temperature and nanotubes are grown from the catalytic metal nanoparticles.
대한민국 공개특허 제 10-2022-0111299호(발명의 명칭: 단일벽 탄소 나노튜브 막과 그 제조 방법 및 제조 장치)에서는, 단일벽 탄소 나노튜브를 제조하는 방법으로서, 혼합 구역에 담체 일산화탄소 및 촉매 전구체를 제 1 입구를 통해 상기 촉매 전구체의 반응 온도 미만의 온도로 공급하는 것; 혼합 구역에 가열된 일산화탄소를 제 2 입구를 통해 공급하여 상기 가열된 일산화탄소가 상기 담체 일산화탄소 및 촉매와 혼합되어 에어로졸을 형성하게 하는 것; 반응 체임버 내에서 상기 에어로졸을 반응시켜 단일벽 탄소 나노튜브(SWCNT), 일산화탄소, 및 이산화탄소를 포함하는 복합 에어로졸을 형성하는 것; 및 기판을 상기 복합 에어로졸에 노출시켜 상기 기판의 표면 상에 SWCNT 막을 퇴적시키는 것을 포함하는, 단일벽 탄소 나노튜브의 제조 방법이 개시되어 있다.Korean Patent Publication No. 10-2022-0111299 (Title: Single-walled carbon nanotube film and its manufacturing method and manufacturing device) discloses a method for manufacturing single-walled carbon nanotubes, comprising: supplying a carrier carbon monoxide and a catalyst precursor to a mixing zone through a first inlet at a temperature below a reaction temperature of the catalyst precursor; supplying heated carbon monoxide to the mixing zone through a second inlet such that the heated carbon monoxide is mixed with the carrier carbon monoxide and the catalyst to form an aerosol; reacting the aerosol in a reaction chamber to form a composite aerosol including single-walled carbon nanotubes (SWCNTs), carbon monoxide, and carbon dioxide; and exposing a substrate to the composite aerosol to deposit an SWCNT film on a surface of the substrate.
(특허문헌 1) 대한민국 공개특허 제 10-2022-0111299호(2022.08.09)(Patent Document 1) Republic of Korea Publication Patent No. 10-2022-0111299 (August 9, 2022)
상기와 같은 문제를 해결하기 위한 본 발명의 목적은 가스공급부로부터 이산화탄소와 수소과 혼합된 가스를 공급받아 메탄을 생산하는 전단반응부 및 전단반응부로부터 메탄을 공급받아 나노탄소소재를 생산하는 후단반응부를 구비하며, 수분포집부 및 수분흡착체를 구비하여 전단반응부에서 생성되는 수분을 포집 및 흡착하고 전단반응부와 후단반응부로 공정단계를 세분화함에 따라 고품질의 나노탄소소재를 생산 가능한 이산화탄소로부터 나노탄소소재 및 수소를 생산하는 병렬식 구조의 화학기상증착 시스템 및 이를 이용한 생산방법을 제공하는 것이다.The purpose of the present invention to solve the above problems is to provide a parallel structure chemical vapor deposition system for producing nanocarbon materials and hydrogen from carbon dioxide, which comprises a front-end reaction unit for producing methane by receiving a gas mixed with carbon dioxide and hydrogen from a gas supply unit, and a rear-end reaction unit for producing nanocarbon materials by receiving methane from the front-end reaction unit, and which comprises a moisture collection unit and a moisture adsorbent to capture and adsorb moisture generated in the front-end reaction unit, and which subdivides the process steps into the front-end reaction unit and the rear-end reaction unit, thereby producing high-quality nanocarbon materials. The system also provides a production method using the same.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The technical problems to be achieved by the present invention are not limited to the technical problems mentioned above, and other technical problems not mentioned can be clearly understood by a person having ordinary skill in the technical field to which the present invention belongs from the description below.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, 가스공급부; 내부공간을 구비하는 중공의 기둥형상으로 형성되며 상기 가스공급부와 연결되어 가스를 공급받고 상기 가스로부터 1차반응생성물을 생성하는 전단반응부 및 상기 전단반응부의 횡방향으로 이격되어 상기 전단반응부와 평행하게 배치되는 중공의 기둥형상으로 형성되며 상기 전단반응부와 연결되어 상기 1차반응생성물을 공급받는 후단반응부를 구비하는 반응모듈; 상기 전단반응부의 하부에 위치하고, 상기 전단반응부에서 상기 1차반응생성물을 생성할 시 생성되는 수분을 포집하는 수분포집부; 및 상기 전단반응부와 상기 후단반응부를 연결하여 상기 1차반응생성물의 이송을 위한 유로를 제공하는 1차반응생성물이송부;를 포함하며, 지면을 기준으로 상기 전단반응부와 상기 후단반응부는 서로 병렬식으로 배치되어, 상기 전단반응부에서 배출된 상기 1차반응생성물은 상기 1차반응생성물이송부로 유동하고 상기 전단반응부에서 배출된 수분은 상기 수분포집부로 유동하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소로부터 나노탄소소재 및 수소를 생산하는 병렬식 구조의 화학기상증착 시스템을 제공한다.In order to achieve the above-described purpose, the present invention comprises: a reaction module comprising: a gas supply unit; a front reaction unit formed in a hollow columnar shape having an internal space and connected to the gas supply unit to receive gas and generate a first reaction product from the gas; and a rear reaction unit formed in a hollow columnar shape spaced apart in the transverse direction of the shear reaction unit and arranged parallel to the shear reaction unit, the front reaction unit connected to the shear reaction unit to receive the first reaction product; a moisture collection unit located below the shear reaction unit and collecting moisture generated when the first reaction product is generated in the shear reaction unit; And a first reaction product transfer unit that connects the first reaction unit and the second reaction unit to provide a path for transferring the first reaction product; The first reaction product and the second reaction unit are arranged in parallel with respect to the ground, so that the first reaction product discharged from the first reaction product flows to the first reaction product transfer unit and the moisture discharged from the first reaction unit flows to the moisture collection unit. The present invention provides a parallel structure chemical vapor deposition system for producing nano-carbon materials and hydrogen from carbon dioxide.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 1차반응생성물이송부는, 일단이 상기 전단반응부와 연결되어 상기 1차반응생성물에 유로를 제공하는 제1기체이송배관; 및 일단이 상기 제1기체이송배관의 타단과 연결되고, 타단이 상기 후단반응부와 연결되는 제2기체이송배관;을 구비할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the first reaction product transfer unit may include a first gas transfer pipe having one end connected to the front reaction unit and providing a path for the first reaction product; and a second gas transfer pipe having one end connected to the other end of the first gas transfer pipe and the other end connected to the rear reaction unit.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 전단반응부와 상기 수분포집부 및 상기 제1기체이송배관 각각과 연결되고, 상기 전단반응부와 상기 제1기체이송배관의 연결 또는 상기 수분포집부와 상기 전단반응부의 연결을 제어하는 밸브를 더 포함할 수 있다.In an embodiment of the present invention, a valve may be further included that is connected to each of the shear reaction unit, the water collection unit, and the first gas transfer pipe, and controls the connection between the shear reaction unit and the first gas transfer pipe or the connection between the water collection unit and the shear reaction unit.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제1기체이송배관은, 내부에 수분흡착체가 형성될 수 있다.In an embodiment of the present invention, the first gas transport pipe may have a moisture absorbent formed inside.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제1기체이송배관과 상기 제2기체이송배관의 사이에 위치하여 상기 제1기체이송배관 및 상기 제2기체이송배관과 연결되는 기체혼합부를 더 포함할 수 있다.In an embodiment of the present invention, a gas mixing unit may be further included that is positioned between the first gas transfer pipe and the second gas transfer pipe and is connected to the first gas transfer pipe and the second gas transfer pipe.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 기체혼합부는, 상기 기체혼합부를 통과하는 상기 1차반응생성물을 교반할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the gas mixing unit can stir the primary reaction product passing through the gas mixing unit.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제2기체이송배관의 적어도 일부와 결합되고, 상기 제2기체이송배관을 통과하는 상기 1차반응생성물의 유량을 조절하는 유량조절부를 더 포함할 수 있다.In an embodiment of the present invention, a flow rate control unit may be further included that is coupled to at least a portion of the second gas transport pipe and controls the flow rate of the first reaction product passing through the second gas transport pipe.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 전단반응부의 외측면과 열적으로 접속하도록 형성되어 상기 전단반응부를 가열하는 전단가열부; 및 상기 후단반응부의 외측면과 열적으로 접속하도록 형성되어 상기 후단반응부를 가열하는 후단가열부;를 더 포함할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the device may further include a shear heating unit formed to be thermally connected to an outer surface of the shear reaction unit and heat the shear reaction unit; and a post-heating unit formed to be thermally connected to an outer surface of the post-reaction unit and heat the post-reaction unit.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 전단가열부는, 상기 전단반응부의 온도를 300℃ 내지 350℃로 가열할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the shear heating unit can heat the temperature of the shear reaction unit to 300°C to 350°C.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 후단가열부는, 상기 후단반응부의 온도를 700℃ 내지 1000℃로 가열할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the post-heating unit can heat the temperature of the post-reaction unit to 700°C to 1000°C.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 수분포집부를 둘러싸도록 배치되어 상기 수분포집부를 냉각시키는 냉각부;를 더 포함할 수 있다.In an embodiment of the present invention, a cooling unit may be further included, which is arranged to surround the water collection unit and cools the water collection unit.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 가스공급부는, 가스가 저장되는 복수 개의 가스탱크; 상기 복수 개의 가스탱크와 연결되어 상기 복수 개의 가스탱크로부터 배출되는 가스의 유량을 측정 및 제어하는 유량제어기; 및 일단이 상기 유량제어기와 연결되고 타단이 상기 전단반응부와 연결되어 상기 가스탱크로부터 배출된 가스에 유로를 제공하는 가스공급관;을 구비할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the gas supply unit may include: a plurality of gas tanks in which gas is stored; a flow controller connected to the plurality of gas tanks to measure and control the flow rate of gas discharged from the plurality of gas tanks; and a gas supply pipe having one end connected to the flow controller and the other end connected to the shear reaction unit to provide a path for gas discharged from the gas tank.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 가스는 이산화탄소 및 수소가 혼합된 가스일 수 있다.In an embodiment of the present invention, the gas may be a gas mixed with carbon dioxide and hydrogen.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 가스공급부로부터 상기 전단반응부로 전달되는 가스 종류 또는 가스량을 제어하고, 상기 전단가열부와 상기 후단가열부 각각의 온도를 제어하는 제어부;를 더 포함할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the method may further include a control unit that controls the type or amount of gas delivered from the gas supply unit to the shear reaction unit and controls the temperature of each of the shear heating unit and the rear heating unit.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, 상기 가스공급부에 의해 이산화탄소 및 수소가 혼합된 가스가 상기 전단반응부로 주입되는 제1단계; 상기 전단반응부 내부에 형성되는 1차촉매와 상기 가스가 반응하여 상기 전단반응부의 내부에서 1차반응생성물이 생성되는 제2단계; 상기 1차반응생성물 중 기체인 생성기체는 상기 제1기체이송배관을 통과하여 상기 기체혼합부로 이송되고, 상기 1차반응생성물 중 액체인 생성액체는 상기 1차반응생성물이송부에 결합되는 밸브에 의해 상기 수분포집부로 이송되는 제3단계; 상기 생성기체 내 각 물질이 상기 기체혼합부에서 교반되는 제4단계; 상기 기체혼합부를 통과한 상기 1차반응생성물이 상기 제2기체이송배관을 통과하여 상기 후단반응부로 이송되는 제5단계; 상기 후단반응부 내부에 형성되는 2차촉매와 상기 1차반응생성물이 반응하여 나노탄소소재 및 수소가 생성되는 제6단계; 및 상기 수소가 상기 후단반응부의 상단으로 배출되는 제7단계;를 포함한다.In addition, the configuration of the present invention for achieving the above purpose comprises: a first step in which a gas mixed with carbon dioxide and hydrogen is injected into the front-end reaction unit by the gas supply unit; a second step in which the gas reacts with a first catalyst formed inside the front-end reaction unit to generate a first reaction product inside the front-end reaction unit; a third step in which a product gas which is a gas among the first reaction products is transferred to the gas mixing unit through the first gas transfer pipe, and a product liquid which is a liquid among the first reaction products is transferred to the water collection unit by a valve coupled to the first reaction product transfer unit; a fourth step in which each substance in the product gas is stirred in the gas mixing unit; a fifth step in which the first reaction product which has passed through the gas mixing unit is transferred to the rear-end reaction unit through the second gas transfer pipe; It includes a sixth step in which the secondary catalyst formed inside the above-described post-reaction section reacts with the above-described first reaction product to produce nano-carbon material and hydrogen; and a seventh step in which the above-described hydrogen is discharged to the top of the above-described post-reaction section.
상기와 같은 구성에 따르는 본 발명의 효과는, 가스공급부로부터 이산화탄소와 수소과 혼합된 가스를 공급받아 메탄을 생산하는 전단반응부 및 전단반응부로부터 메탄을 공급받아 나노탄소소재를 생산하는 후단반응부를 구비하며, 수분포집부 및 수분흡착체를 구비하여 전단반응부에서 생성되는 수분을 포집 및 흡착하고 전단반응부와 후단반응부로 공정단계를 세분화함에 따라 고품질의 나노탄소소재를 생산 가능함으로써, 환경적 이슈인 온실가스 저감이라는 탄소중립분야에 과학적, 실용적 기술을 기여할 수 있고 이산화탄소로부터 전환될 수 있는 여러 화학물질 중에 가격이 높은 나노탄소소재의 상용화를 가능하게 할 수 있다.The effect of the present invention according to the above configuration is that it comprises a front-end reaction unit which receives a gas mixed with carbon dioxide and hydrogen from a gas supply unit and produces methane, and a rear-end reaction unit which receives methane from the front-end reaction unit and produces nanocarbon materials, and has a moisture collection unit and a moisture adsorbent to capture and adsorb moisture generated in the front-end reaction unit, and by subdividing the process steps into the front-end reaction unit and the rear-end reaction unit, it is possible to produce high-quality nanocarbon materials, thereby contributing scientific and practical technologies to the carbon-neutral field of greenhouse gas reduction, which is an environmental issue, and making it possible to commercialize nanocarbon materials which are expensive among various chemical substances that can be converted from carbon dioxide.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.The effects of the present invention are not limited to the effects described above, and should be understood to include all effects that can be inferred from the detailed description of the present invention or the composition of the invention described in the claims.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 이산화탄소로부터 나노탄소소재 및 수소를 생산하는 병렬식 구조의 화학기상증착 시스템의 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 이산화탄소로부터 나노탄소소재 및 수소를 생산하는 병렬식 구조의 화학기상증착 시스템에 구비되는 전단반응부 및 후단반응부에서 발생하는 반응을 나타내는 이미지이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 이산화탄소로부터 나노탄소소재 및 수소를 생산하는 병렬식 구조의 화학기상증착 시스템에서 생산된 탄소나노튜브를 100,000배 확대한 SEM 이미지이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 이산화탄소로부터 나노탄소소재 및 수소를 생산하는 병렬식 구조의 화학기상증착 시스템에서 생산된 탄소나노튜브를 200,000배 확대한 SEM 이미지이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 이산화탄소로부터 나노탄소소재 및 수소를 생산하는 병렬식 구조의 화학기상증착 시스템에서 생산된 탄소나노튜브를 640,000배 확대한 TEM 이미지이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 이산화탄소로부터 나노탄소소재 및 수소를 생산하는 병렬식 구조의 화학기상증착 시스템에서 생산된 탄소나노튜브를 800,000배 확대한 TEM 이미지이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 이산화탄소로부터 나노탄소소재 및 수소를 생산하는 병렬식 구조의 화학기상증착 시스템에서 생산된 탄소나노튜브의 Raman스펙트럼이다.FIG. 1 is a schematic diagram of a parallel structure chemical vapor deposition system for producing nanocarbon materials and hydrogen from carbon dioxide according to one embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an image showing reactions occurring in a front reaction unit and a rear reaction unit provided in a parallel structure chemical vapor deposition system for producing nanocarbon materials and hydrogen from carbon dioxide according to one embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a SEM image magnified 100,000 times of carbon nanotubes produced in a parallel chemical vapor deposition system for producing nanocarbon materials and hydrogen from carbon dioxide according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a SEM image magnified 200,000 times of carbon nanotubes produced in a parallel chemical vapor deposition system for producing nanocarbon materials and hydrogen from carbon dioxide according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a TEM image at 640,000 times magnification of carbon nanotubes produced in a parallel chemical vapor deposition system for producing nanocarbon materials and hydrogen from carbon dioxide according to an embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a TEM image at 800,000 times magnification of carbon nanotubes produced in a parallel chemical vapor deposition system for producing nanocarbon materials and hydrogen from carbon dioxide according to an embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a Raman spectrum of carbon nanotubes produced in a parallel chemical vapor deposition system for producing nanocarbon materials and hydrogen from carbon dioxide according to an embodiment of the present invention.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.Hereinafter, the present invention will be described with reference to the attached drawings. However, the present invention can be implemented in various different forms, and therefore is not limited to the embodiments described herein. In addition, in order to clearly describe the present invention in the drawings, parts that are not related to the description are omitted, and similar parts are assigned similar drawing reference numerals throughout the specification.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.Throughout the specification, when a part is said to be "connected (connected, contacted, joined)" to another part, this includes not only the case where it is "directly connected" but also the case where it is "indirectly connected" with another member in between. Also, when a part is said to "include" a certain component, this does not mean that other components are excluded, unless otherwise specifically stated, but that other components can be included.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the present invention. The singular expression includes the plural expression unless the context clearly indicates otherwise. As used herein, the terms "comprises" or "has" and the like are intended to specify the presence of a feature, number, step, operation, component, part or combination thereof described in the specification, but should be understood to not exclude in advance the possibility of the presence or addition of one or more other features, numbers, steps, operations, components, parts or combinations thereof.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 이산화탄소로부터 나노탄소소재 및 수소를 생산하는 병렬식 구조의 화학기상증착 시스템의 모식도이다.FIG. 1 is a schematic diagram of a parallel structure chemical vapor deposition system for producing nanocarbon materials and hydrogen from carbon dioxide according to one embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명의 이산화탄소로부터 나노탄소소재 및 수소를 생산하는 병렬식 구조의 화학기상증착 시스템은 밸브(10), 가스공급부(100), 반응모듈(200), 가열모듈(300), 수분포집부(400), 1차반응생성물이송부(500), 냉각부(600), 기체혼합부(700), 유량조절부(800), 제어부(900) 및 펌프(1000)를 포함한다.Referring to FIG. 1, the parallel structure chemical vapor deposition system for producing nanocarbon materials and hydrogen from carbon dioxide of the present invention includes a valve (10), a gas supply unit (100), a reaction module (200), a heating module (300), a water collection unit (400), a first reaction product transport unit (500), a cooling unit (600), a gas mixing unit (700), a flow rate control unit (800), a control unit (900), and a pump (1000).
밸브(10)는, 후술되는 전단반응부(210)와 수분포집부(400) 및 제1기체이송배관(520) 각각과 연결되고, 전단반응부(210)와 제1기체이송배관(520)의 연결 또는 수분포집부(400)와 전단반응부(210) 연결을 제어할 수 있다.The valve (10) is connected to each of the shear reaction unit (210), the water collection unit (400) and the first gas transfer pipe (520) described below, and can control the connection between the shear reaction unit (210) and the first gas transfer pipe (520) or the connection between the water collection unit (400) and the shear reaction unit (210).
구체적으로, 밸브(10)는 T자 형상으로 형성되어 밸브상부(10a), 밸브측부(10b) 및 밸브하부(10c)가 형성되는 각각의 위치에 관통하는 홀이 구비되는 삼방밸브로 구성될 수 있고, 밸브(10)에 홀이 형성되는 밸브상부(10a), 밸브측부(10b) 및 밸브하부(10c) 각각은 후술되는 유체이송배관(510), 제1기체이송배관(520) 및 액체이송배관(540) 각각과 결합될 수 있다.Specifically, the valve (10) may be configured as a three-way valve formed in a T shape and provided with holes penetrating through respective locations where the valve upper portion (10a), valve side portion (10b), and valve lower portion (10c) are formed, and each of the valve upper portion (10a), valve side portion (10b), and valve lower portion (10c) in which holes are formed in the valve (10) may be combined with the fluid transport pipe (510), the first gas transport pipe (520), and the liquid transport pipe (540) described below, respectively.
더 구체적으로, 밸브상부(10a)에 유체이송배관(510)이 결합되고, 밸브측부(10b)에 제1기체이송배관(520)이 결합되며, 밸브하부(10c)에 액체이송배관(540)이 결합될 수 있다.More specifically, a fluid transport pipe (510) may be coupled to the upper part of the valve (10a), a first gas transport pipe (520) may be coupled to the valve side (10b), and a liquid transport pipe (540) may be coupled to the lower part of the valve (10c).
가스공급부(100)는, 가스탱크(110), 유량제어기(120) 및 가스공급관(130)을 구비한다.The gas supply unit (100) is equipped with a gas tank (110), a flow controller (120), and a gas supply pipe (130).
가스탱크(110)는 복수 개로 구성되고, 가스가 저장될 수 있다.The gas tank (110) is composed of multiple units and gas can be stored.
상기한 복수 개의 가스탱크(110) 각각에 저장되는 가스는 서로 다른 가스가 저장될 수 있다.The gas stored in each of the above-mentioned multiple gas tanks (110) may be a different gas.
여기서, 복수 개의 가스탱크(110) 각각에 저장되는 가스는 각각 이산화탄소, 수소 등으로 구성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 일산화탄소, 아세틸렌 등의 다양한 탄화가스로 구성될 수도 있다.Here, the gas stored in each of the plurality of gas tanks (110) may be composed of carbon dioxide, hydrogen, etc., but is not limited thereto, and may be composed of various carbonized gases such as carbon monoxide and acetylene.
유량제어기(120)는 복수 개의 가스탱크(110)와 연결되어 복수 개의 가스탱크(110)로부터 배출되는 가스의 유량을 측정 및 제어할 수 있다.The flow controller (120) is connected to a plurality of gas tanks (110) and can measure and control the flow rate of gas discharged from the plurality of gas tanks (110).
상기한 유량제어기(120)는 후술되는 제어부(900)에 의해 복수 개의 가스탱크(110)에서 배출되는 가스의 종류 또는 가스량을 조절할 수 있다.The above-described flow controller (120) can control the type or amount of gas discharged from multiple gas tanks (110) by the control unit (900) described below.
그로 인해, 유량제어기(120)가 가스탱크(110)에서 배출되는 각각의 가스의 양을 각각 다르게 조절하여 각각의 가스가 혼합되는 비율을 조절할 수 있다.Due to this, the flow controller (120) can control the mixing ratio of each gas by differently controlling the amount of each gas discharged from the gas tank (110).
가스공급관(130)은 일단이 유량제어기(120)와 연결되고 타단이 후술되는 전단반응부(210)와 연결되어 가스탱크(110)로부터 배출된 가스에 유로를 제공할 수 있다.The gas supply pipe (130) has one end connected to a flow controller (120) and the other end connected to a shear reaction unit (210) described later, so as to provide a path for gas discharged from a gas tank (110).
여기서, 가스공급관(130)의 타단은 전단반응부(210)의 상단에 형성되는 가스유입구(211)와 연결될 수 있다.Here, the other end of the gas supply pipe (130) can be connected to the gas inlet (211) formed at the upper end of the shear reaction unit (210).
여기서, 가스탱크(110)에서 배출되는 가스는 가스공급관(130)을 통해 전단반응부(210) 내부로 공급될 수 있다.Here, gas discharged from the gas tank (110) can be supplied into the shear reaction unit (210) through the gas supply pipe (130).
이때, 가스탱크(110)에서 배출되는 가스는 이산화탄소 및 수소가 혼합된 가스일 수 있다.At this time, the gas discharged from the gas tank (110) may be a gas mixed with carbon dioxide and hydrogen.
반응모듈(200)은 전단반응부(210) 및 후단반응부(220)를 구비한다.The reaction module (200) has a front reaction section (210) and a rear reaction section (220).
전단반응부(210)는 내부공간을 구비하는 중공의 기둥형상으로 형성되며 가스공급부(100)와 연결되어 가스를 공급받고, 가스로부터 1차반응생성물을 생성한다.The shear reaction unit (210) is formed in a hollow column shape with an internal space and is connected to the gas supply unit (100) to receive gas and generate a primary reaction product from the gas.
구체적으로, 전단반응부(210)의 상단에 가스유입구(211)가 형성되어 가스유입구(211)와 가스공급관(130)이 연결되며, 전단반응부(210)의 하단에 1차반응생성물배출구(212)가 형성되어 1차반응생성물배출구(212)와 후술되는 1차반응생성물이송부(500)가 연결된다.Specifically, a gas inlet (211) is formed at the top of the shear reaction unit (210), and the gas inlet (211) and the gas supply pipe (130) are connected, and a first reaction product discharge port (212) is formed at the bottom of the shear reaction unit (210), and the first reaction product discharge port (212) and the first reaction product transfer unit (500) described below are connected.
또한, 전단반응부(210)의 내부에는 메쉬 구조로 형성되는 지지체가 구비되어 1차촉매(a)가 도포될 수 있으며, 전단반응부(210)에 공급되는 가스와 1차촉매(a)가 반응하여 1차반응생성물이 생성된다.In addition, a support formed in a mesh structure is provided inside the shear reaction unit (210) so that the primary catalyst (a) can be applied, and the gas supplied to the shear reaction unit (210) reacts with the primary catalyst (a) to generate a primary reaction product.
더 구체적으로, 가스탱크(110)에서 배출되는 가스는 가스공급관(130)을 통과하여 가스유입구(211)를 통해 전단반응부(210)로 공급되고, 전단반응부(210)로 공급된 가스와 전단반응부(210)의 내부에 형성되는 1차촉매(a)가 반응하여 1차반응생성물인 생성기체 및 생성액체가 생성된다.More specifically, the gas discharged from the gas tank (110) passes through the gas supply pipe (130) and is supplied to the shear reaction unit (210) through the gas inlet (211), and the gas supplied to the shear reaction unit (210) reacts with the primary catalyst (a) formed inside the shear reaction unit (210), thereby generating the primary reaction products, i.e., the product gas and the product liquid.
이때, 생성된 생성기체 및 생성액체는 1차반응생성물배출구(212)를 통해 1차반응생성물이송부(500)로 이송되는데, 생성기체는 1차반응생성물이송부(500)에 구비되는 제1기체이송배관(520)을 통과하고, 생성액체는 1차반응생성물이송부(500)에 구비되는 액체이송배관(540)을 통과한다.At this time, the generated product gas and generated liquid are transferred to the first reaction product transfer unit (500) through the first reaction product discharge port (212). The generated gas passes through the first gas transfer pipe (520) provided in the first reaction product transfer unit (500), and the generated liquid passes through the liquid transfer pipe (540) provided in the first reaction product transfer unit (500).
여기서, 생성기체는 메탄을 포함하는 기체일 수 있고, 생성액체는 물(이하, 수분이라고 함)일 수 있다. 이하 동일하다.Here, the generating gas may be a gas containing methane, and the generating liquid may be water (hereinafter referred to as moisture). The same applies hereinafter.
상기와 같은 과정에서, 전단반응부(210)의 온도가 300℃ 내지 350℃인 경우에, 최종적으로 결정성이 높은 나노탄소소재(c)가 생산될 수 있다.In the above process, when the temperature of the shear reaction section (210) is 300°C to 350°C, a nano-carbon material (c) with high crystallinity can be ultimately produced.
이에 따라, 전단반응부(210)의 온도는 300℃ 내지 350℃로 유지되는 것이 바람직하다.Accordingly, it is preferable that the temperature of the shear reaction section (210) be maintained at 300°C to 350°C.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 이산화탄소로부터 나노탄소소재 및 수소를 생산하는 병렬식 구조의 화학기상증착 시스템에 구비되는 전단반응부(210) 및 후단반응부(220)에서 발생하는 반응을 나타내는 이미지이다.FIG. 2 is an image showing a reaction occurring in a front reaction unit (210) and a rear reaction unit (220) provided in a parallel structure chemical vapor deposition system for producing nanocarbon materials and hydrogen from carbon dioxide according to one embodiment of the present invention.
구체적으로, 도 2에서, a는 1차촉매(a), b는 2차촉매(b), c는 나노탄소소재(c)를 의미한다.Specifically, in Fig. 2, a represents a primary catalyst (a), b represents a secondary catalyst (b), and c represents a nanocarbon material (c).
그리고, 도 2를 참조하면, 전단반응부(210)에서 가스와 1차촉매(a)가 반응하여 발생하는 화학반응은 하기의 [수식 1]과 같다.And, referring to Fig. 2, the chemical reaction that occurs when gas and the primary catalyst (a) react in the shear reaction section (210) is as shown in [Formula 1] below.
[수식 1][Formula 1]
CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2OCO 2 + 4H 2 → CH 4 + 2H 2 O
(여기서, CO2 : 이산화탄소, H2 : 수소, CH4 : 메탄, H2O : 수분)(Here, CO2 : carbon dioxide, H2 : hydrogen, CH4 : methane, H2O : moisture)
한편, 상기한 1차촉매(a)는 금속 및 금속산화물 촉매를 활용하며, 전이 금속이 주로 사용되어, 철, 코발트, 니켈, 몰리브덴으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상의 물질로 구성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 반응생성물의 생산의 효율성을 고려하여 다양한 전이 금속으로 구성될 수도 있다.Meanwhile, the above-mentioned primary catalyst (a) utilizes a metal and metal oxide catalyst, and mainly uses a transition metal, and may be composed of one or more materials selected from the group consisting of iron, cobalt, nickel, and molybdenum, but is not limited thereto, and may be composed of various transition metals considering the efficiency of production of the reaction product.
또한, 상기한 지지체는, 규소, 알루미늄, 지르코늄, 마그네슘으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상의 원소를 포함하는 산화물계, 질화물계, 탄화 규소계 등의 세라믹스로 구성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 내열성, 내부식성, 내약품성, 기계적 강도 특성 등을 고려하여 텅스텐, 몰리브덴, 티타늄, 철, 코발트, 니켈 중에서 선택되는 어느 하나 이상의 원소를 포함하는 금속 또는 합금으로 구성될 수도 있다. 이하 동일하다.In addition, the above-mentioned support may be composed of ceramics such as oxide-based, nitride-based, and silicon carbide-based ceramics containing at least one element selected from the group consisting of silicon, aluminum, zirconium, and magnesium, but is not limited thereto, and may be composed of a metal or alloy containing at least one element selected from tungsten, molybdenum, titanium, iron, cobalt, and nickel, taking into consideration heat resistance, corrosion resistance, chemical resistance, and mechanical strength characteristics. The same applies hereinafter.
다시 도 1을 참조하면, 후단반응부(220)는 전단반응부(210)의 횡방향으로 이격되어 전단반응부(210)와 평행하게 배치되는 중공의 기둥형상으로 형성되며 전단반응부(210)와 연결되어 1차반응생성물을 공급받는다.Referring again to FIG. 1, the rear reaction section (220) is formed in a hollow column shape spaced apart in the transverse direction of the shear reaction section (210) and arranged parallel to the shear reaction section (210), and is connected to the shear reaction section (210) to receive the primary reaction product.
이러한 후단반응부(220)는 전단반응부(210)에서 공급받은 1차반응생성물로부터 2차반응생성물을 생성한다.This rear reaction unit (220) generates secondary reaction products from the primary reaction products supplied from the front reaction unit (210).
상기한 후단반응부(220)는, 후단반응부(220)의 하단에 1차반응생성물유입구(221)가 형성되어 1차반응생성물유입구(221)와 후술되는 제2기체이송배관(530)이 연결되며, 후단반응부(220)의 상단에 2차반응생성물배출구(222)가 형성된다.The above-described rear reaction section (220) has a first reaction product inlet (221) formed at the bottom of the rear reaction section (220), and the first reaction product inlet (221) is connected to a second gas transfer pipe (530) described later, and a second reaction product discharge port (222) is formed at the top of the rear reaction section (220).
또한, 후단반응부(220)의 내부에는 메쉬 구조로 형성되는 지지체가 구비되어 2차촉매(b)가 도포될 수 있으며, 후단반응부(220)에 공급되는 1차반응생성물과 2차촉매(b)가 반응하여 2차반응생성물이 생성된다.In addition, a support formed in a mesh structure is provided inside the rear reaction section (220) so that a secondary catalyst (b) can be applied, and the primary reaction product supplied to the rear reaction section (220) reacts with the secondary catalyst (b) to generate a secondary reaction product.
구체적으로, 전단반응부(210)에서 생성되는 1차반응생성물 중에서 생성액체는 액체이송배관(540)을 통과하여 후술되는 수분포집부(400)에 포집되고, 생성기체는 제1기체이송배관(520), 기체혼합부(700), 제2기체이송배관(530)을 순서대로 통과하여 1차반응생성물유입구(221)를 통해 후단반응부(220)로 공급되는데, 후단반응부(220)로 공급된 생성기체와 후단반응부(220)의 내부에 형성되는 2차촉매(b)가 반응하여 2차반응생성물인 나노탄소소재(c) 및 수소가 생성된다.Specifically, among the primary reaction products generated in the front reaction unit (210), the generated liquid passes through the liquid transfer pipe (540) and is collected in the water collection unit (400) described later, and the generated gas passes through the first gas transfer pipe (520), the gas mixing unit (700), and the second gas transfer pipe (530) in sequence and is supplied to the rear reaction unit (220) through the primary reaction product inlet (221). The generated gas supplied to the rear reaction unit (220) reacts with the secondary catalyst (b) formed inside the rear reaction unit (220) to generate secondary reaction products, such as nano-carbon materials (c) and hydrogen.
여기서, 생성기체가 제1기체이송배관(520)을 통과할 시, 제1기체이송배관(520) 내부에 형성되는 수분흡착체(521)에 의해 생성기체에 남아있는 수분이 흡착되어 제거될 수 있다.Here, when the generated gas passes through the first gas transport pipe (520), moisture remaining in the generated gas can be absorbed and removed by the moisture absorbent (521) formed inside the first gas transport pipe (520).
그리고, 후단반응부(220)에서 생성된 수소는 2차반응생성물배출구(222)를 통해 후단반응부(220)의 외부로 배출된다.And, the hydrogen generated in the rear reaction unit (220) is discharged to the outside of the rear reaction unit (220) through the secondary reaction product discharge port (222).
상기와 같은 과정에서, 후단반응부(220)의 온도가 700℃ 내지 1000℃인 경우에, 최종적으로 결정성이 높은 나노탄소소재(c)가 생산될 수 있다.In the above process, when the temperature of the rear reaction section (220) is 700°C to 1000°C, a nano-carbon material (c) with high crystallinity can be ultimately produced.
이에 따라, 후단반응부(220)의 온도는 700℃ 내지 1000℃로 유지되는 것이 바람직하다.Accordingly, it is preferable that the temperature of the rear reaction section (220) be maintained at 700°C to 1000°C.
또한, 지면을 기준으로 전단반응부(210)와 후단반응부(220)는 서로 병렬식으로 배치되어, 전단반응부(210)에서 배출된 1차반응생성물은 1차반응생성물이송부(500)로 유동하고, 전단반응부(210)에서 배출된 수분은 수분포집부(400)로 유동할 수 있다.In addition, the shear reaction unit (210) and the rear reaction unit (220) are arranged in parallel with each other based on the ground, so that the primary reaction product discharged from the shear reaction unit (210) can flow to the primary reaction product transfer unit (500), and the moisture discharged from the shear reaction unit (210) can flow to the moisture collection unit (400).
아울러, 도 2를 참조하면, 후단반응부(220)에서 생성기체와 2차촉매(b)가 반응하여 발생하는 화학반응은 하기의 [수식 2]와 같다.In addition, referring to Fig. 2, the chemical reaction that occurs when the generated gas and the secondary catalyst (b) react in the rear reaction section (220) is as shown in [Formula 2] below.
[수식 2][Formula 2]
CH4 → C + 2H2 CH 4 → C + 2H 2
(여기서, CH4 : 메탄, C : 나노탄소소재, H2 : 수소)(Here, CH 4 : methane, C: nanocarbon material, H 2 : hydrogen)
한편, 상기한 2차촉매(b)는 금속 및 금속산화물 촉매를 활용하며, 전이 금속이 주로 사용되어, 철, 코발트, 니켈, 몰리브덴으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상의 물질로 구성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 반응생성물의 생산의 효율성을 고려하여 다양한 전이 금속으로 구성될 수도 있다.Meanwhile, the above-mentioned secondary catalyst (b) utilizes a metal and metal oxide catalyst, and mainly uses a transition metal, and may be composed of one or more materials selected from the group consisting of iron, cobalt, nickel, and molybdenum, but is not limited thereto, and may be composed of various transition metals considering the efficiency of production of the reaction product.
여기서, 후단반응부(220)에서 생성되는 나노탄소소재(c)는 2차촉매(b)의 종류에 따라 탄소나노튜브, 그래핀, 풀러렌 등의 나노미터(nanometer) 크기의 다양한 탄소 동소체가 생산될 수 있다.Here, the nano-carbon material (c) generated in the post-reaction section (220) can produce various carbon isotopes of nanometer size, such as carbon nanotubes, graphene, and fullerene, depending on the type of secondary catalyst (b).
다른 한편, 이산화탄소는 화학적으로 안정적인 구조를 가지고 있어 이산화탄소를 한 단계의 공정만으로 직접적으로 나노탄소소재(c)로 전환할 경우 고품질의 나노탄소소재(c)를 제조하기가 어렵다.On the other hand, since carbon dioxide has a chemically stable structure, it is difficult to manufacture high-quality nanocarbon material (c) by directly converting carbon dioxide into nanocarbon material (c) in just one step.
상기와 같은 문제를 해결하기 위해, 본 발명의 이산화탄소로부터 나노탄소소재 및 수소를 생산하는 병렬식 구조의 화학기상증착 시스템은 이산화탄소로부터 메탄을 생성하는 전단반응부(210)와 메탄으로부터 나노탄소소재(c)를 생성하는 후단반응부(220)로 구성하여 2단계의 공정으로 이루어져 있어, 공정단계를 세분화하여 고품질의 나노탄소소재(c)를 제조할 수 있다.In order to solve the above problem, the parallel structure chemical vapor deposition system for producing nanocarbon material and hydrogen from carbon dioxide of the present invention is composed of a front reaction unit (210) for producing methane from carbon dioxide and a rear reaction unit (220) for producing nanocarbon material (c) from methane, and is comprised of a two-stage process, so that high-quality nanocarbon material (c) can be manufactured by subdividing the process stages.
도 1을 참조하면, 가열모듈(300)은 전단가열부(310) 및 후단가열부(320)를 구비한다.Referring to Figure 1, the heating module (300) has a front heating unit (310) and a rear heating unit (320).
전단가열부(310)는 전단반응부(210)의 외측면과 열적으로 접속하도록 형성되어 전단반응부(210)를 가열한다.The shear heating unit (310) is formed to be thermally connected to the outer surface of the shear reaction unit (210) and heats the shear reaction unit (210).
상기한 전단가열부(310)는, 전단반응부(210)의 온도를 300℃ 내지 350℃로 가열할 수 있다.The above-mentioned shear heating unit (310) can heat the temperature of the shear reaction unit (210) to 300°C to 350°C.
후단가열부(320)는 후단반응부(220)의 외측면과 열적으로 접속하도록 형성되어 후단반응부(220)를 가열한다.The rear heating unit (320) is formed to be thermally connected to the outer surface of the rear reaction unit (220) and heats the rear reaction unit (220).
상기한 후단가열부(320)는, 후단반응부(220)의 온도를 700℃ 내지 1000℃로 가열할 수 있다.The above-mentioned rear heating unit (320) can heat the rear reaction unit (220) to a temperature of 700°C to 1000°C.
전술한 전단가열부(310) 및 후단가열부(320) 각각은 마이크로웨이브 방사(microwave irradiation)에 의한 가열, 전자기 유도 가열(inductive heating), 고주파 가열(radiofrequency heating, RF 가열), 레이저를 이용한 가열 중에서 선택되는 어느 하나 이상의 가열 방식을 이용하여 전단반응부(210) 및 후단반응부(220) 각각을 가열할 수 있다.Each of the aforementioned pre-heating unit (310) and post-heating unit (320) can heat the pre-reaction unit (210) and post-reaction unit (220) by using at least one heating method selected from among heating by microwave irradiation, inductive heating, radiofrequency heating (RF heating), and heating using a laser.
수분포집부(400)는 전단반응부(210)의 하부에 위치하고, 전단반응부(210)에서 1차반응생성물을 생성할 시 생성되는 수분을 포집한다.The moisture collection unit (400) is located below the shear reaction unit (210) and captures moisture generated when the primary reaction product is generated in the shear reaction unit (210).
상기한 수분포집부(400)는 내부공간을 구비하도록 형성되고, 후술되는 액체이송배관(540)과 연결되어, 전단반응부(210)에서 생성되는 수분이 액체이송배관(540)을 통해 수분포집부(400)에 포집될 수 있다.The above-described moisture collection unit (400) is formed to have an internal space and is connected to a liquid transport pipe (540) described later, so that moisture generated in the shear reaction unit (210) can be captured in the moisture collection unit (400) through the liquid transport pipe (540).
여기서, 전단반응부(210)에서 생성되는 다량의 수분이 후단반응부(220)로 이동되면, 나노탄소소재(c)의 성장을 방해할 수 있다.Here, if a large amount of moisture generated in the front reaction section (210) moves to the rear reaction section (220), it may hinder the growth of the nanocarbon material (c).
상기 문제를 해결하기 위해, 수분포집부(400)가 전단반응부(210)에서 생성되는 수분을 포집함으로써 다량의 수분이 후단반응부(220)로 이동되는 것을 차단할 수 있다.To solve the above problem, the moisture collection unit (400) can prevent a large amount of moisture from moving to the rear reaction unit (220) by capturing moisture generated in the front reaction unit (210).
1차반응생성물이송부(500)는 전단반응부(210)와 후단반응부(220)를 연결하여 1차반응생성물의 이송을 위한 유로를 제공한다.The first reaction product transport unit (500) connects the front reaction unit (210) and the rear reaction unit (220) to provide a path for transporting the first reaction product.
이러한 1차반응생성물이송부(500)는 유체이송배관(510), 제1기체이송배관(520), 제2기체이송배관(530) 및 액체이송배관(540)을 구비할 수 있다.This primary reaction product transfer unit (500) may be equipped with a fluid transfer pipe (510), a first gas transfer pipe (520), a second gas transfer pipe (530), and a liquid transfer pipe (540).
유체이송배관(510)은 전단반응부(210)의 길이방향축과 평행하도록 형성되며, 일단이 전단반응부(210)와 결합되고 타단이 밸브(10)와 결합된다.The fluid transport pipe (510) is formed parallel to the longitudinal axis of the shear reaction unit (210), one end is connected to the shear reaction unit (210), and the other end is connected to the valve (10).
구체적으로, 유체이송배관(510)은 타단이 밸브상부(10a)와 결합되어 제1기체이송배관(520) 또는 액체이송배관(540)과 연결될 수 있다.Specifically, the fluid transport pipe (510) can be connected to the first gas transport pipe (520) or the liquid transport pipe (540) by having the other end joined to the valve top (10a).
그로 인해, 전단반응부(210)와 제1기체이송배관(520)이 연결되도록 하거나 전단반응부(210)와 액체이송배관(540)이 연결되도록 할 수 있다.Due to this, the shear reaction unit (210) and the first gas transfer pipe (520) can be connected, or the shear reaction unit (210) and the liquid transfer pipe (540) can be connected.
이에 따라, 전단반응부(210)에서 생성되는 1차반응생성물은 유체이송배관(510)을 통과하며, 유체이송배관(510)을 통과한 1차반응생성물 중 생성기체는 제1기체이송배관(520)으로 이송될 수 있고, 유체이송배관(510)을 통과한 1차반응생성물 중 생성액체는 액체이송배관(540)으로 이송될 수 있다.Accordingly, the primary reaction product generated in the shear reaction unit (210) passes through the fluid transfer pipe (510), and the gas generated among the primary reaction products that pass through the fluid transfer pipe (510) can be transferred to the first gas transfer pipe (520), and the liquid generated among the primary reaction products that pass through the fluid transfer pipe (510) can be transferred to the liquid transfer pipe (540).
제1기체이송배관(520)은 전단반응부(210)의 길이방향축과 수직하도록 형성된다.The first gas transfer pipe (520) is formed perpendicular to the longitudinal axis of the shear reaction section (210).
상기한 제1기체이송배관(520)은 일단이 전단반응부(210)와 연결되어 1차반응생성물에 유로를 제공할 수 있다.The above-mentioned first gas transport pipe (520) is connected at one end to the shear reaction unit (210) and can provide a path for the first reaction product.
구체적으로, 제1기체이송배관(520)은 일단이 밸브측부(10b)와 결합되어 유체이송배관(510) 및 전단반응부(210)와 연결되고, 타단이 제2기체이송배관(530)과 연결된다.Specifically, the first gas transfer pipe (520) has one end connected to the valve side (10b) and is connected to the fluid transfer pipe (510) and the shear reaction section (210), and the other end is connected to the second gas transfer pipe (530).
이에 따라, 전단반응부(210)에서 생성되는 1차반응생성물 중 생성기체가 유체이송배관(510) 및 제1기체이송배관(520)을 통과하여 제2기체이송배관(530)으로 이송될 수 있다.Accordingly, among the primary reaction products generated in the shear reaction unit (210), the generated gas can be transferred to the second gas transfer pipe (530) through the fluid transfer pipe (510) and the first gas transfer pipe (520).
이러한 제1기체이송배관(520)은, 내부에 수분흡착체(521)가 형성될 수 있다.This first gas transport pipe (520) can have a moisture absorbent (521) formed inside.
상기한 수분흡착체(521)는, 내부공간을 구비하고, 내측면에 수분을 흡착하는 흡착제가 형성되어 수분흡착체(521)를 통과하는 1차반응생성물에 남아있는 수분을 흡착할 수 있다.The above-mentioned moisture absorbent (521) has an internal space and an adsorbent that absorbs moisture is formed on the inner surface, so that moisture remaining in the primary reaction product passing through the moisture absorbent (521) can be absorbed.
상기와 같이, 수분흡착체(521)가 1차반응생성물에 남아있는 수분을 흡착하여 제거함으로써, 1차반응생성물이 후단반응부(220)에서 2차촉매와 반응할 시, 나노탄소소재(c)의 생성에서 수분에 의한 영향을 최소화할 수 있다.As described above, by the moisture adsorbent (521) adsorbing and removing the moisture remaining in the first reaction product, when the first reaction product reacts with the second catalyst in the subsequent reaction section (220), the influence of moisture on the production of the nanocarbon material (c) can be minimized.
여기서, 수분흡착체(521)의 내측면에 형성되는 흡착제는 실리카겔, 알루미나겔, 모레큐레시브겔, 활성탄, 규조토, 제올라이트, 벤토나이트 중에서 선택되는 어느 하나 이상의 물질로 구성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 수분 흡수 능력, 사용기간 및 사용환경 등을 고려하여 다양한 수분흡착제가 사용될 수 있다.Here, the adsorbent formed on the inner surface of the moisture absorbent (521) may be composed of one or more materials selected from silica gel, alumina gel, molecular resorbable gel, activated carbon, diatomaceous earth, zeolite, and bentonite, but is not limited thereto, and various moisture absorbents may be used considering moisture absorption capacity, period of use, and usage environment.
제2기체이송배관(530)은 전단반응부(210)의 길이방향축과 수직하도록 형성된다.The second gas transfer pipe (530) is formed perpendicular to the longitudinal axis of the shear reaction section (210).
상기한 제2기체이송배관(530)은 일단이 제1기체이송배관(520)의 타단과 연결되고, 타단이 후단반응부(220)와 연결될 수 있다.The above-mentioned second gas transfer pipe (530) can have one end connected to the other end of the first gas transfer pipe (520) and the other end connected to the rear reaction unit (220).
여기서, 제2기체이송배관(530)의 타단은 후단반응부(220)의 하단에 형성되는 1차반응생성물유입구(221)와 연결될 수 있다.Here, the other end of the second gas transfer pipe (530) can be connected to the first reaction product inlet (221) formed at the bottom of the rear reaction section (220).
액체이송배관(540)은 전단반응부(210)의 길이방향축과 평행하도록 형성되며, 일단이 밸브(10)와 결합되고 타단이 수분포집부(400)와 결합된다.The liquid transport pipe (540) is formed parallel to the longitudinal axis of the shear reaction unit (210), one end is connected to the valve (10), and the other end is connected to the water collection unit (400).
구체적으로, 액체이송배관(540)은 일단이 밸브하부(10c)와 결합되어 유체이송배관(510) 및 전단반응부(210)와 연결될 수 있다.Specifically, the liquid transport pipe (540) can be connected to the fluid transport pipe (510) and the shear reaction unit (210) by having one end connected to the valve lower part (10c).
이에 따라, 전단반응부(210)에서 생성되는 수분이 유체이송배관(510) 및 액체이송배관(540)을 통과하여 수분포집부(400)에 포집될 수 있다.Accordingly, moisture generated in the shear reaction unit (210) can pass through the fluid transport pipe (510) and the liquid transport pipe (540) and be captured in the moisture collection unit (400).
그리고, 수분이 수분포집부(400)로 이송된 후 밸브하부(10c)를 폐쇄할 시 수분포집부(400)로 이송된 수분이 전단반응부(210)에서 1차반응생성물을 생성하는 과정 및 후단반응부(220)에서 2차반응생성물을 생성하는 과정에 영향을 미치는 것을 방지할 수 있다.In addition, when the lower valve (10c) is closed after the moisture is transferred to the moisture collection unit (400), it is possible to prevent the moisture transferred to the moisture collection unit (400) from affecting the process of generating the first reaction product in the pre-reaction unit (210) and the process of generating the second reaction product in the post-reaction unit (220).
한편, 전술한 밸브(10)는 제1기체이송배관(520)과 결합되는 밸브측부(10b) 또는 액체이송배관(540)과 결합되는 밸브하부(10c)를 개방 또는 폐쇄시킬 수 있다.Meanwhile, the valve (10) described above can open or close the valve side (10b) coupled with the first gas transport pipe (520) or the valve lower part (10c) coupled with the liquid transport pipe (540).
이때의 밸브(10)의 동작을 설명하면, 밸브(10)가 밸브측부(10b)를 개방시킬 시 밸브하부(10c)가 폐쇄되고, 밸브(10)가 밸브측부(10b)를 폐쇄시킬 시 밸브하부(10c)가 개방될 수 있다.When explaining the operation of the valve (10) at this time, when the valve (10) opens the valve side (10b), the lower part of the valve (10c) is closed, and when the valve (10) closes the valve side (10b), the lower part of the valve (10c) can be opened.
이에 따라, 밸브측부(10b)가 개방되고 밸브하부(10c)가 폐쇄되는 경우에는 전단반응부(210)에서 생성되는 1차반응생성물 중 기체인 생성기체가 제1기체이송배관(520)으로 이송되고, 밸브측부(10b)가 폐쇄되고 밸브하부(10c)가 개방되는 경우에는 전단반응부(210)에서 생성되는 1차반응생성물 중 액체인 생성액체가 액체이송배관(540)으로 이송된다.Accordingly, when the valve side (10b) is opened and the valve bottom (10c) is closed, the gaseous product among the primary reaction products generated in the shear reaction section (210) is transferred to the first gas transfer pipe (520), and when the valve side (10b) is closed and the valve bottom (10c) is opened, the liquid product among the primary reaction products generated in the shear reaction section (210) is transferred to the liquid transfer pipe (540).
냉각부(600)는 수분포집부(400)를 둘러싸도록 배치되어 수분포집부(400)를 냉각시킬 수 있다.The cooling unit (600) is arranged to surround the moisture collection unit (400) and can cool the moisture collection unit (400).
상기한 냉각부(600)는 수분포집부(400)를 냉각시킴으로써, 수분포집부(400)의 내부에 존재하는 수분이 증발하여 1차촉매(a) 및 2차촉매(b)에 도달하는 것을 방지하고, 나노탄소소재(c)의 생성에 영향을 미치는 것을 방지할 수 있다.The above-mentioned cooling unit (600) cools the moisture collection unit (400), thereby preventing moisture existing inside the moisture collection unit (400) from evaporating and reaching the primary catalyst (a) and secondary catalyst (b), and preventing it from affecting the production of nano-carbon material (c).
기체혼합부(700)는 제1기체이송배관(520)과 제2기체이송배관(530)의 사이에 위치하여 제1기체이송배관(520) 및 제2기체이송배관(530)과 연결된다.The gas mixing unit (700) is located between the first gas transfer pipe (520) and the second gas transfer pipe (530) and is connected to the first gas transfer pipe (520) and the second gas transfer pipe (530).
상기한 기체혼합부(700)는, 기체혼합부(700)를 통과하는 1차반응생성물을 교반할 수 있다.The above-mentioned gas mixing unit (700) can stir the primary reaction product passing through the gas mixing unit (700).
구체적으로, 기체혼합부(700)는 내부에 임펠러를 구비하여 기체혼합부(700) 내부로 공급된 1차반응생성물을 균일하게 섞어주는 역할을 한다.Specifically, the gas mixing unit (700) has an impeller inside to uniformly mix the primary reaction products supplied into the gas mixing unit (700).
상기한 기체혼합부(700)는 교반장치로 구성될 수 있고, 혼합기 내부의 오리피스 플레이트와 피스톤의 상호 작용에 의해 가스 공급 유량을 조절하여 혼합하는 기계식 혼합 밸브 또는 전자식 밸브가 장착된 가스 혼합기로 구성될 수도 있다.The above-mentioned gas mixing unit (700) may be configured as a stirring device, and may also be configured as a gas mixer equipped with a mechanical mixing valve or an electronic valve that mixes by controlling the gas supply flow rate through the interaction of an orifice plate and a piston inside the mixer.
전술한 기체혼합부(700)에 의해 균일하게 섞인 1차반응생성물이 제2기체이송배관(530)을 통해 후단반응부(220)로 이송되어 2차반응생성물 중 하나인 나노탄소소재(c)를 생성할 시, 교반되지 않은 1차반응생성물을 이용하여 나노탄소소재(c)를 생성하는 경우보다 더 균일한 형태로 형성되는 나노탄소소재(c)를 생산할 수 있다.When the first reaction product uniformly mixed by the aforementioned gas mixing unit (700) is transferred to the rear reaction unit (220) through the second gas transfer pipe (530) to produce a nano-carbon material (c), which is one of the second reaction products, a nano-carbon material (c) formed in a more uniform form can be produced than when the nano-carbon material (c) is produced using the unstirred first reaction product.
본 발명의 이산화탄소로부터 나노탄소소재 및 수소를 생산하는 병렬식 구조의 화학기상증착 시스템에서는 기체혼합부(700)가 임펠러를 구비하는 교반장치 또는 기계식 혼합 밸브 또는 전자식 밸브가 장착된 가스 혼합기로 구성된다고 설명하고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 교반시간, 회전수, 소요동력 등을 고려하여 다양한 교반장치로 구성될 수 있다.In the parallel structure chemical vapor deposition system of the present invention for producing nano-carbon materials and hydrogen from carbon dioxide, the gas mixing unit (700) is described as being composed of a gas mixer equipped with a stirring device having an impeller or a mechanical mixing valve or an electronic valve, but is not limited thereto, and may be composed of various stirring devices in consideration of stirring time, rotational speed, required power, etc.
유량조절부(800)는 제2기체이송배관(530)의 적어도 일부와 결합되고, 제2기체이송배관(530)을 통과하는 1차반응생성물의 유량을 조절할 수 있다.The flow control unit (800) is coupled to at least a portion of the second gas transport pipe (530) and can control the flow rate of the primary reaction product passing through the second gas transport pipe (530).
구체적으로, 유량조절부(800)는 제2기체이송배관(530)을 통해 후단반응부(220)로 이송되는 1차반응생성물의 유량을 조절함으로써, 후단반응부(220)에서 2차반응생성물이 생성되는 시간, 후단반응부(220)에서 생성 가능한 2차반응생성물의 생성량 등을 고려하여 후단반응부(220)에 적절한 양의 1차반응생성물이 공급될 수 있도록 한다.Specifically, the flow control unit (800) controls the flow rate of the primary reaction product transferred to the secondary reaction unit (220) through the secondary gas transfer pipe (530), thereby allowing an appropriate amount of the primary reaction product to be supplied to the secondary reaction unit (220) by considering the time for the secondary reaction product to be generated in the secondary reaction unit (220) and the amount of secondary reaction product that can be generated in the secondary reaction unit (220).
이러한 유량조절부(800)는 유량 변화에 의한 압력차를 일정하게 유지하여 유량을 조절할 수 있는 자동 조절 밸브인 유량 조절 밸브 또는 가스 유량계 등으로 구성될 수 있다.This flow control unit (800) may be configured as a flow control valve or a gas flow meter, which is an automatic control valve that can control the flow rate by maintaining a constant pressure difference due to a change in the flow rate.
제어부(900)는 가스공급부(100)로부터 전단반응부(210)로 전달되는 가스 종류 또는 가스량을 제어하고, 전단가열부(310)와 후단가열부(320) 각각의 온도를 제어한다.The control unit (900) controls the type or amount of gas delivered from the gas supply unit (100) to the pre-heating unit (210), and controls the temperature of each of the pre-heating unit (310) and the post-heating unit (320).
구체적으로, 제어부(900)는 가스공급부(100)에서 전단반응부(210)로 가스를 공급할 시, 유량제어기(120)를 제어하여 가스탱크(110)에서 배출되는 가스의 종류 또는 가스탱크(110)에서 배출되는 각각의 가스의 양을 제어할 수 있고, 가스탱크(110)에서 배출되는 가스의 종류 및 가스량을 동시에 제어할 수도 있다.Specifically, when supplying gas from the gas supply unit (100) to the front reaction unit (210), the control unit (900) can control the flow controller (120) to control the type of gas discharged from the gas tank (110) or the amount of each gas discharged from the gas tank (110), and can also control the type of gas discharged from the gas tank (110) and the amount of gas simultaneously.
이에 따라, 제어부(900)는 각각의 가스의 공급 비율을 기설정한 비율에 맞게 공급되도록 제어할 수 있다.Accordingly, the control unit (900) can control the supply ratio of each gas to be supplied at a preset ratio.
예시적으로, 제어부(800)는 가스공급부(100)에서 가스를 공급할 시, 이산화탄소 및 수소의 공급 비율을 기설정한 비율에 맞게 공급되도록 제어할 수 있다.For example, the control unit (800) can control the supply ratio of carbon dioxide and hydrogen to be supplied at a preset ratio when supplying gas from the gas supply unit (100).
한편, 전단반응부(210)가 300℃ 내지 350℃의 온도일 때와 후단반응부(220)가 700℃ 내지 1000℃의 온도일 때, 결정성이 높은 나노탄소소재(c)가 용이하게 생산될 수 있다.Meanwhile, when the front reaction section (210) has a temperature of 300°C to 350°C and the rear reaction section (220) has a temperature of 700°C to 1000°C, a highly crystallizable nanocarbon material (c) can be easily produced.
상기와 같은 이유로, 제어부(900)는 전단반응부(210)의 온도에 영향을 미치는 전단가열부(310)의 가열 온도를 300℃ 내지 350℃로 유지시키도록 제어하는데, 전단가열부(310)의 가열 온도가 300℃ 이하일 경우 전단가열부(310)의 가열 온도를 상승시키고, 전단가열부(310)의 가열 온도가 350℃ 이상일 경우 전단가열부(310)의 가열 온도를 하강시킨다.For the above reasons, the control unit (900) controls the heating temperature of the shear heating unit (310) that affects the temperature of the shear reaction unit (210) to be maintained between 300°C and 350°C. When the heating temperature of the shear heating unit (310) is 300°C or lower, the heating temperature of the shear heating unit (310) is increased, and when the heating temperature of the shear heating unit (310) is 350°C or higher, the heating temperature of the shear heating unit (310) is decreased.
그리고, 제어부(900)는 후단반응부(220)의 온도에 영향을 미치는 후단가열부(320)의 가열 온도를 700℃ 내지 1000℃로 유지시키도록 제어하는데, 후단가열부(320)의 가열 온도가 700℃ 이하일 경우 후단가열부(320)의 가열 온도를 상승시키고, 후단가열부(320)의 가열 온도가 1000℃ 이상일 경우 후단가열부(320)의 가열 온도를 하강시킨다.And, the control unit (900) controls the heating temperature of the rear heating unit (320) that affects the temperature of the rear reaction unit (220) to be maintained between 700°C and 1000°C. When the heating temperature of the rear heating unit (320) is 700°C or lower, the heating temperature of the rear heating unit (320) is increased, and when the heating temperature of the rear heating unit (320) is 1000°C or higher, the heating temperature of the rear heating unit (320) is decreased.
아울러, 제어부(900)는 기설정된 유량으로 1차반응생성물이 이송되도록 유량조절부(800)를 제어할 수도 있다.In addition, the control unit (900) can also control the flow rate control unit (800) so that the primary reaction product is transported at a preset flow rate.
여기서, 제어부(900)는 후단반응부(220)에서 2차반응생성물이 생성되는 시간 또는 후단반응부(220)에서 생성 가능한 2차반응생성물의 생성량을 고려하여 유량조절부(800)를 제어할 수 있다.Here, the control unit (900) can control the flow rate control unit (800) by considering the time at which the secondary reaction product is generated in the post-stage reaction unit (220) or the amount of secondary reaction product that can be generated in the post-stage reaction unit (220).
구체적으로, 제어부(900)는 후단반응부(220)에서 2차반응생성물이 생성되는 시간이 느리거나 후단반응부(220)에서 생성 가능한 2차반응생성물의 생성량이 적어서 공급되는 1차반응생성물이 후단반응부(220)에 남아있을 경우 1차반응생성물의 유량을 감소시키도록 유량조절부(800)를 제어한다.Specifically, the control unit (900) controls the flow rate control unit (800) to reduce the flow rate of the primary reaction product when the time for the secondary reaction product to be generated in the secondary reaction unit (220) is slow or the amount of the secondary reaction product that can be generated in the secondary reaction unit (220) is small, so that the supplied primary reaction product remains in the secondary reaction unit (220).
또한, 제어부(900)는 후단반응부(220)에서 2차반응생성물이 생성되는 시간이 빠르거나 후단반응부(220)에서 생성 가능한 2차반응생성물의 생성량이 많아서 공급되는 1차반응생성물이 부족할 경우 1차반응생성물의 유량을 증가시키도록 유량조절부(800)를 제어할 수 있다.In addition, the control unit (900) can control the flow rate control unit (800) to increase the flow rate of the primary reaction product when the time for the secondary reaction product to be generated in the secondary reaction unit (220) is short or the amount of secondary reaction product that can be generated in the secondary reaction unit (220) is large and the primary reaction product supplied is insufficient.
펌프(1000)는 후단반응부(220)의 상단에 연결될 수 있다.The pump (1000) can be connected to the top of the rear reaction section (220).
구체적으로, 펌프(1000)는 후단반응부(220)의 상단에 형성되는 2차반응생성물배출구(222)와 연결되어 흡입함으로써, 가스공급부(100)에서 공급되는 가스가 전단반응부(210)로 용이하게 이송되도록 하고, 전단반응부(210)에서 생성되는 1차반응생성물이 후단반응부(220)로 용이하게 이송되도록 할 수 있다.Specifically, the pump (1000) is connected to the secondary reaction product discharge port (222) formed at the top of the rear reaction unit (220) and sucks in, thereby allowing the gas supplied from the gas supply unit (100) to be easily transferred to the front reaction unit (210) and allowing the primary reaction product generated in the front reaction unit (210) to be easily transferred to the rear reaction unit (220).
이하, 본 발명의 이산화탄소로부터 나노탄소소재 및 수소를 생산하는 병렬식 구조의 화학기상증착 시스템을 이용한 나노탄소소재 및 수소 생산방법에 대해서 설명하기로 한다.Hereinafter, a method for producing nanocarbon materials and hydrogen using a parallel structure chemical vapor deposition system that produces nanocarbon materials and hydrogen from carbon dioxide of the present invention will be described.
먼저, 제 1단계에서, 가스공급부(100)에 의해 이산화탄소 및 수소가 혼합된 가스가 전단반응부(210)로 주입될 수 있다.First, in the first stage, a gas mixed with carbon dioxide and hydrogen can be injected into the shear reaction unit (210) by the gas supply unit (100).
여기서, 이산화탄소 및 수소가 혼합되는 비율은 전단반응부(210)에서의 반응온도, 전단반응부(210)에서의 반응속도 및 전단반응부(210) 내에 구비되는 1차촉매의 종류에 따라 적절하게 바뀔 수 있다.Here, the mixing ratio of carbon dioxide and hydrogen can be appropriately changed depending on the reaction temperature in the shear reaction unit (210), the reaction speed in the shear reaction unit (210), and the type of primary catalyst provided in the shear reaction unit (210).
상기된 제1단계 수행 후 제2단계에서, 전단반응부(210) 내부에 형성되는 1차촉매(a)와 가스가 반응하여 전단반응부(210)의 내부에서 1차반응생성물이 생성될 수 있다.After performing the above-described first step, in the second step, the primary catalyst (a) formed inside the shear reaction unit (210) and gas react to generate a primary reaction product inside the shear reaction unit (210).
상기된 제2단계 수행 후 제3단계에서, 1차반응생성물 중 기체인 생성기체는 제1기체이송배관(520)을 통과하여 기체혼합부(700)로 이송되고, 1차반응생성물 중 액체인 생성액체는 1차반응생성물이송부(500)에 결합되는 밸브(10)에 의해 수분포집부(400)로 이송될 수 있다.After the above-mentioned second step is performed, in the third step, the gaseous product among the first reaction products is transferred to the gas mixing unit (700) through the first gas transfer pipe (520), and the liquid product among the first reaction products can be transferred to the water collection unit (400) by the valve (10) connected to the first reaction product transfer unit (500).
여기서, 생성기체는 메탄이 포함되는 기체일 수 있고, 생성액체는 물일 수 있다.Here, the generated gas may be a gas containing methane, and the generated liquid may be water.
또한, 생성기체가 제1기체이송배관(520)을 통과할 시, 제1기체이송배관(520) 내부에 형성되는 수분흡착체(521)에 의해 생성기체에 남아있는 수분이 흡착되어 제거될 수 있다.In addition, when the generated gas passes through the first gas transport pipe (520), moisture remaining in the generated gas can be absorbed and removed by the moisture absorbent (521) formed inside the first gas transport pipe (520).
아울러, 수분포집부(400)는 냉각부(600)에 의해 냉각되어 수분포집부(400)에 포집된 생성액체가 증발되는 것을 방지할 수 있다.In addition, the moisture collection unit (400) can be cooled by the cooling unit (600) to prevent the generated liquid collected in the moisture collection unit (400) from evaporating.
상기된 제3단계 수행 후 제4단계에서, 생성기체 내 각 물질이 기체혼합부(700)에서 교반될 수 있다.In the fourth step after performing the above-described third step, each substance in the generated gas can be stirred in the gas mixing unit (700).
상기된 제4단계 수행 후 제5단계에서, 기체혼합부(700)를 통과한 1차반응생성물이 제2기체이송배관(530)을 통과하여 후단반응부(220)로 이송될 수 있다.After performing the above-described fourth step, in the fifth step, the first reaction product that has passed through the gas mixing unit (700) can be transferred to the subsequent reaction unit (220) by passing through the second gas transfer pipe (530).
여기서, 제2기체이송배관(530)과 결합되는 유량조절부(800)에 의해 제2기체이송배관(530)을 통과하는 1차반응생성물의 유량이 조절될 수 있다.Here, the flow rate of the primary reaction product passing through the second gas transport pipe (530) can be controlled by the flow rate control unit (800) coupled with the second gas transport pipe (530).
상기된 제5단계 수행 후 제6단계에서, 후단반응부(220) 내부에 형성되는 2차촉매(b)와 1차반응생성물이 반응하여 나노탄소소재(c) 및 수소가 생성될 수 있다.After performing the above-described fifth step, in the sixth step, the second catalyst (b) formed inside the rear reaction section (220) and the first reaction product can react to produce nano-carbon material (c) and hydrogen.
상기된 제6단계 수행 후 제7단계에서, 수소가 후단반응부(220)의 상단으로 배출될 수 있다.In the seventh step after performing the above-described sixth step, hydrogen can be discharged from the top of the rear reaction section (220).
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 이산화탄소로부터 나노탄소소재 및 수소를 생산하는 병렬식 구조의 화학기상증착 시스템에서 생산된 탄소나노튜브를 100,000배 확대한 SEM 이미지이다.FIG. 3 is a SEM image magnified 100,000 times of carbon nanotubes produced in a parallel chemical vapor deposition system for producing nanocarbon materials and hydrogen from carbon dioxide according to an embodiment of the present invention.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 이산화탄소로부터 나노탄소소재 및 수소를 생산하는 병렬식 구조의 화학기상증착 시스템에서 생산된 탄소나노튜브를 200,000배 확대한 SEM 이미지이다.FIG. 4 is a SEM image magnified 200,000 times of carbon nanotubes produced in a parallel chemical vapor deposition system for producing nanocarbon materials and hydrogen from carbon dioxide according to an embodiment of the present invention.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 이산화탄소로부터 나노탄소소재 및 수소를 생산하는 병렬식 구조의 화학기상증착 시스템에서 생산된 탄소나노튜브를 640,000배 확대한 TEM 이미지이다.FIG. 5 is a TEM image at 640,000 times magnification of carbon nanotubes produced in a parallel chemical vapor deposition system for producing nanocarbon materials and hydrogen from carbon dioxide according to an embodiment of the present invention.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 이산화탄소로부터 나노탄소소재 및 수소를 생산하는 병렬식 구조의 화학기상증착 시스템에서 생산된 탄소나노튜브를 800,000배 확대한 TEM 이미지이다.FIG. 6 is a TEM image at 800,000 times magnification of carbon nanotubes produced in a parallel chemical vapor deposition system for producing nanocarbon materials and hydrogen from carbon dioxide according to an embodiment of the present invention.
도 3 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 이산화탄소로부터 나노탄소소재 및 수소를 생산하는 병렬식 구조의 화학기상증착 시스템을 이용하여 생산할 수 있는 다양한 탄소 동소체 중 하나인 탄소나노튜브의 형태를 여러 배율로 확대한 모습을 확인할 수 있다.Referring to FIGS. 3 to 6, one can see enlarged images at various magnifications of the form of carbon nanotubes, which are one of the various carbon isotopes that can be produced using the parallel structure chemical vapor deposition system for producing nanocarbon materials and hydrogen from carbon dioxide of the present invention.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 이산화탄소로부터 나노탄소소재 및 수소를 생산하는 병렬식 구조의 화학기상증착 시스템에서 생산된 탄소나노튜브의 Raman스펙트럼이다.FIG. 7 is a Raman spectrum of carbon nanotubes produced in a parallel chemical vapor deposition system for producing nanocarbon materials and hydrogen from carbon dioxide according to an embodiment of the present invention.
도 7을 참조하면, 본 발명의 이산화탄소로부터 나노탄소소재 및 수소를 생산하는 병렬식 구조의 화학기상증착 시스템에서 생산된 탄소나노튜브는 약 1600 peak에서 가장 빛의 강도가 센 것을 알 수 있다.Referring to Figure 7, carbon nanotubes produced in the parallel structure chemical vapor deposition system for producing nanocarbon materials and hydrogen from carbon dioxide of the present invention are about 1600 You can see that the light intensity is the strongest at peak.
여기서, Raman스펙트럼은, 사용되는 입사광의 진동수가 물질의 전자흡수띠에 접근 또는 일치했을 때 라만선 강도가 현저하게 커지는 현상인 라만 효과에 의한 산란광의 연속적인 데이터를 의미한다.Here, the Raman spectrum refers to continuous data of scattered light caused by the Raman effect, a phenomenon in which the intensity of Raman lines significantly increases when the frequency of the incident light used approaches or matches the electronic absorption band of the material.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.The above description of the present invention is for illustrative purposes, and those skilled in the art will understand that the present invention can be easily modified into other specific forms without changing the technical idea or essential characteristics of the present invention. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are exemplary in all respects and not restrictive. For example, each component described as a single component may be implemented in a distributed manner, and likewise, components described as distributed may be implemented in a combined form.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the present invention is indicated by the claims described below, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalent concepts should be interpreted as being included in the scope of the present invention.
10: 밸브
10a: 밸브상부
10b: 밸브측부
10c: 밸브하부
100: 가스공급부
110: 가스탱크
120: 유량제어기
130: 가스공급관
200: 반응모듈
210: 전단반응부
211: 가스유입구
212: 1차반응생성물배출구
220: 후단반응부
221: 1차반응생성물유입구
222: 2차반응생성물배출구
300: 가열모듈
310: 전단가열부
320: 후단가열부
400: 수분포집부
500: 1차반응생성물이송부
510: 유체이송배관
520: 제1기체이송배관
521: 수분흡착체
530: 제2기체이송배관
540: 액체이송배관
600: 냉각부
700: 기체혼합부
800: 유량조절부
900: 제어부
1000: 펌프
a: 1차촉매
b: 2차촉매
c: 나노탄소소재10: Valve
10a: Top of valve
10b: Valve side
10c: valve bottom
100: Gas supply section
110: Gas Tank
120: Flow controller
130: Gas supply pipe
200: Reaction module
210: Shear reaction section
211: Gas inlet
212: Primary reaction product discharge port
220: Rear reaction section
221: 1st reaction product inlet
222: Secondary reaction product discharge port
300: Heating module
310: Shear heating section
320: Rear heating section
400: Moisture collection unit
500: 1st reaction product transfer
510: Fluid transfer pipe
520: First gas transfer pipe
521: Moisture absorbent
530: Second gas transfer pipe
540: Liquid transport piping
600: Cooling section
700: Gas Mixing Unit
800: Flow control unit
900: Control Unit
1000: Pump
a: primary catalyst
b: secondary catalyst
c: nano carbon material
Claims (15)
내부공간을 구비하는 중공의 기둥형상으로 형성되며 상기 가스공급부와 연결되어 가스를 공급받고 상기 가스로부터 1차반응생성물을 생성하는 전단반응부 및 상기 전단반응부의 횡방향으로 이격되어 상기 전단반응부와 평행하게 배치되는 중공의 기둥형상으로 형성되며 상기 전단반응부와 연결되어 상기 1차반응생성물을 공급받는 후단반응부를 구비하는 반응모듈;
상기 전단반응부의 하부에 위치하고, 상기 전단반응부에서 상기 1차반응생성물을 생성할 시 생성되는 수분을 포집하는 수분포집부; 및
상기 전단반응부와 상기 후단반응부를 연결하여 상기 1차반응생성물의 이송을 위한 유로를 제공하는 1차반응생성물이송부;를 포함하며,
지면을 기준으로 상기 전단반응부와 상기 후단반응부는 서로 병렬식으로 배치되어, 상기 전단반응부에서 배출된 상기 1차반응생성물은 상기 1차반응생성물이송부로 유동하고 상기 전단반응부에서 배출된 수분은 상기 수분포집부로 유동하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소로부터 나노탄소소재 및 수소를 생산하는 병렬식 구조의 화학기상증착 시스템.
gas supply department;
A reaction module comprising: a hollow column-shaped body having an internal space, a front reaction section connected to the gas supply section to receive gas and generate a primary reaction product from the gas; and a rear reaction section formed in a hollow column-shaped body spaced apart in the transverse direction of the front reaction section and arranged parallel to the front reaction section, the front reaction section connected to the front reaction section to receive the primary reaction product;
A moisture collection unit located at the lower part of the shear reaction unit and capturing moisture generated when the first reaction product is generated in the shear reaction unit; and
It includes a first reaction product transfer unit that connects the above-mentioned front reaction unit and the above-mentioned rear reaction unit to provide a path for transferring the first reaction product;
A parallel structure chemical vapor deposition system for producing nano-carbon materials and hydrogen from carbon dioxide, characterized in that the shear reaction unit and the rear reaction unit are arranged in parallel with respect to the ground, so that the primary reaction product discharged from the shear reaction unit flows to the primary reaction product transport unit and the moisture discharged from the shear reaction unit flows to the moisture collection unit.
상기 1차반응생성물이송부는,
일단이 상기 전단반응부와 연결되어 상기 1차반응생성물에 유로를 제공하는 제1기체이송배관; 및
일단이 상기 제1기체이송배관의 타단과 연결되고, 타단이 상기 후단반응부와 연결되는 제2기체이송배관;을 구비하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소로부터 나노탄소소재 및 수소를 생산하는 병렬식 구조의 화학기상증착 시스템.
In paragraph 1,
The above first reaction product transfer unit is,
A first gas transfer pipe connected to the above-mentioned shear reaction section and providing a path for the above-mentioned first reaction product; and
A parallel structure chemical vapor deposition system for producing nano-carbon materials and hydrogen from carbon dioxide, characterized by comprising a second gas transfer pipe, the first end of which is connected to the other end of the first gas transfer pipe and the other end of which is connected to the rear reaction unit.
상기 전단반응부와 상기 수분포집부 및 상기 제1기체이송배관 각각과 연결되고, 상기 전단반응부와 상기 제1기체이송배관의 연결 또는 상기 수분포집부와 상기 전단반응부의 연결을 제어하는 밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소로부터 나노탄소소재 및 수소를 생산하는 병렬식 구조의 화학기상증착 시스템.
In the second paragraph,
A parallel structure chemical vapor deposition system for producing nano-carbon materials and hydrogen from carbon dioxide, characterized in that it further includes a valve connected to each of the shear reaction unit, the water collection unit, and the first gas transfer pipe, and controlling the connection between the shear reaction unit and the first gas transfer pipe or the connection between the water collection unit and the shear reaction unit.
상기 제1기체이송배관은,
내부에 수분흡착체가 형성되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소로부터 나노탄소소재 및 수소를 생산하는 병렬식 구조의 화학기상증착 시스템.
In the second paragraph,
The above first gas transport pipe is,
A parallel structure chemical vapor deposition system for producing nanocarbon materials and hydrogen from carbon dioxide, characterized in that a moisture absorbent is formed inside.
상기 제1기체이송배관과 상기 제2기체이송배관의 사이에 위치하여 상기 제1기체이송배관 및 상기 제2기체이송배관과 연결되는 기체혼합부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소로부터 나노탄소소재 및 수소를 생산하는 병렬식 구조의 화학기상증착 시스템.
In the second paragraph,
A parallel structure chemical vapor deposition system for producing nano-carbon materials and hydrogen from carbon dioxide, characterized in that it further includes a gas mixing unit positioned between the first gas transport pipe and the second gas transport pipe and connected to the first gas transport pipe and the second gas transport pipe.
상기 기체혼합부는, 상기 기체혼합부를 통과하는 상기 1차반응생성물을 교반하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소로부터 나노탄소소재 및 수소를 생산하는 병렬식 구조의 화학기상증착 시스템.
In paragraph 5,
A parallel structure chemical vapor deposition system for producing nano-carbon materials and hydrogen from carbon dioxide, characterized in that the gas mixing unit stirs the primary reaction product passing through the gas mixing unit.
상기 제2기체이송배관의 적어도 일부와 결합되고, 상기 제2기체이송배관을 통과하는 상기 1차반응생성물의 유량을 조절하는 유량조절부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소로부터 나노탄소소재 및 수소를 생산하는 병렬식 구조의 화학기상증착 시스템.
In the second paragraph,
A parallel structure chemical vapor deposition system for producing nano-carbon materials and hydrogen from carbon dioxide, characterized in that it further includes a flow rate control unit that is connected to at least a portion of the second gas transport pipe and controls the flow rate of the first reaction product passing through the second gas transport pipe.
상기 전단반응부의 외측면과 열적으로 접속하도록 형성되어 상기 전단반응부를 가열하는 전단가열부; 및
상기 후단반응부의 외측면과 열적으로 접속하도록 형성되어 상기 후단반응부를 가열하는 후단가열부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소로부터 나노탄소소재 및 수소를 생산하는 병렬식 구조의 화학기상증착 시스템.
In paragraph 1,
A shear heating unit formed to be thermally connected to the outer surface of the shear reaction unit and heats the shear reaction unit; and
A parallel structure chemical vapor deposition system for producing nano-carbon materials and hydrogen from carbon dioxide, characterized in that it further includes a post-heating unit formed to be thermally connected to the outer surface of the post-reaction unit and heats the post-reaction unit.
상기 전단가열부는, 상기 전단반응부의 온도를 300℃ 내지 350℃로 가열하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소로부터 나노탄소소재 및 수소를 생산하는 병렬식 구조의 화학기상증착 시스템.
In Article 8,
A parallel structure chemical vapor deposition system for producing nano-carbon materials and hydrogen from carbon dioxide, characterized in that the shear heating unit heats the temperature of the shear reaction unit to 300°C to 350°C.
상기 후단가열부는, 상기 후단반응부의 온도를 700℃ 내지 1000℃로 가열하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소로부터 나노탄소소재 및 수소를 생산하는 병렬식 구조의 화학기상증착 시스템.
In Article 8,
A parallel structure chemical vapor deposition system for producing nano-carbon materials and hydrogen from carbon dioxide, characterized in that the post-heating unit heats the temperature of the post-reaction unit to 700°C to 1000°C.
상기 수분포집부를 둘러싸도록 배치되어 상기 수분포집부를 냉각시키는 냉각부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소로부터 나노탄소소재 및 수소를 생산하는 병렬식 구조의 화학기상증착 시스템.
In paragraph 1,
A parallel structure chemical vapor deposition system for producing nano-carbon materials and hydrogen from carbon dioxide, characterized in that it further includes a cooling unit arranged to surround the water collection unit and cool the water collection unit.
상기 가스공급부는,
가스가 저장되는 복수 개의 가스탱크;
상기 복수 개의 가스탱크와 연결되어 상기 복수 개의 가스탱크로부터 배출되는 가스의 유량을 측정 및 제어하는 유량제어기; 및
일단이 상기 유량제어기와 연결되고 타단이 상기 전단반응부와 연결되어 상기 가스탱크로부터 배출된 가스에 유로를 제공하는 가스공급관;을 구비하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소로부터 나노탄소소재 및 수소를 생산하는 병렬식 구조의 화학기상증착 시스템.
In paragraph 1,
The above gas supply unit,
Multiple gas tanks where gas is stored;
A flow controller connected to the plurality of gas tanks and measuring and controlling the flow rate of gas discharged from the plurality of gas tanks; and
A parallel structure chemical vapor deposition system for producing nano-carbon materials and hydrogen from carbon dioxide, characterized by having a gas supply pipe having one end connected to the flow controller and the other end connected to the shear reaction unit to provide a path for gas discharged from the gas tank.
상기 가스는 이산화탄소 및 수소가 혼합된 가스인 것을 특징으로 하는 이산화탄소로부터 나노탄소소재 및 수소를 생산하는 병렬식 구조의 화학기상증착 시스템.
In paragraph 1,
A parallel structure chemical vapor deposition system for producing nanocarbon materials and hydrogen from carbon dioxide, characterized in that the gas is a mixed gas of carbon dioxide and hydrogen.
상기 가스공급부로부터 상기 전단반응부로 전달되는 가스 종류 또는 가스량을 제어하고, 상기 전단가열부와 상기 후단가열부 각각의 온도를 제어하는 제어부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소로부터 나노탄소소재 및 수소를 생산하는 병렬식 구조의 화학기상증착 시스템.
In Article 8,
A parallel structure chemical vapor deposition system for producing nano-carbon materials and hydrogen from carbon dioxide, characterized in that it further includes a control unit for controlling the type or amount of gas delivered from the gas supply unit to the pre-reaction unit and controlling the temperature of each of the pre-heating unit and the post-heating unit.
상기 가스공급부에 의해 이산화탄소 및 수소가 혼합된 가스가 상기 전단반응부로 주입되는 제1단계;
상기 전단반응부 내부에 형성되는 1차촉매와 상기 가스가 반응하여 상기 전단반응부의 내부에서 1차반응생성물이 생성되는 제2단계;
상기 1차반응생성물 중 기체인 생성기체는 상기 제1기체이송배관을 통과하여 상기 기체혼합부로 이송되고, 상기 1차반응생성물 중 액체인 생성액체는 상기 1차반응생성물이송부에 결합되는 밸브에 의해 상기 수분포집부로 이송되는 제3단계;
상기 생성기체 내 각 물질이 상기 기체혼합부에서 교반되는 제4단계;
상기 기체혼합부를 통과한 상기 1차반응생성물이 상기 제2기체이송배관을 통과하여 상기 후단반응부로 이송되는 제5단계;
상기 후단반응부 내부에 형성되는 2차촉매와 상기 1차반응생성물이 반응하여 나노탄소소재 및 수소가 생성되는 제6단계; 및
상기 수소가 상기 후단반응부의 상단으로 배출되는 제7단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노탄소소재 및 수소 생산방법.
In the method for producing nanocarbon materials and hydrogen using a parallel structure chemical vapor deposition system for producing nanocarbon materials and hydrogen from carbon dioxide of Article 5,
A first step in which a gas mixed with carbon dioxide and hydrogen is injected into the shear reaction unit by the gas supply unit;
A second step in which the gas reacts with the primary catalyst formed inside the shear reaction section to generate a primary reaction product inside the shear reaction section;
A third step in which the gaseous product among the first reaction products is transferred to the gas mixing unit through the first gas transfer pipe, and the liquid product among the first reaction products is transferred to the water collection unit by a valve connected to the first reaction product transfer unit;
A fourth step in which each substance in the above generated gas is stirred in the gas mixing unit;
A fifth step in which the first reaction product passing through the gas mixing section is transferred to the subsequent reaction section through the second gas transfer pipe;
A sixth step in which the secondary catalyst formed inside the above-mentioned post-reaction section reacts with the above-mentioned primary reaction product to produce nano-carbon material and hydrogen; and
A nano-carbon material and hydrogen production method, characterized by including a seventh step in which the hydrogen is discharged to the top of the rear reaction section.
Publications (1)
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KR20240159713A true KR20240159713A (en) | 2024-11-06 |
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