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12. 화학적 흡착(Chemical Adsorption)에 대하여 설명하시오.

화학적 흡착을 물어봤는데..

예전 기출 문제에서는 물리적 흡착과 화학적 흡착의 비교 관련하여 나온 경우가 있어서..

▶ 물리 흡착: 어떤 화합물이 어느 표면 위치에 붙느냐가 특정된 것이 아니고, 결합력이 약하며, 먼 거리에서도 작용할 뿐만 아니라 더 가역적이다.

▶ 화학 흡착: 흡착제와 흡착질의 화학적 상호작용에 의해 일어나는 것으로, 흡착제와 흡착질간의 인력이 화학 결합에 가깝기 때문에 결합 길이가 더 짧고 결합 에너지가 더 크다. 또한 흡착질이 흡착제의 표면에 단층(monolayer)만을 형성하는데 이는 흡착질과 표면간의 특이성 때문이다.

물리흡착

1) 힘: van der Waals force

2) 열: 4~25 kJ/mol

3) 활성화 에너지:(필요 없음)

4) 가역적(가역성): 숯(또는 흑연)에 흡착된 산소 기체(O2) 탈착.

5) 흡착 온도: 저온

6) 분극성 ×, 전자전이 ×

7) 다층(multilayer) 흡착

8) 선택성 ×

일단 물리적 흡착은 가역적이고 선택성이 없다는 것이 핵심

화학흡착

1) 힘: (공유결합)

2) 열: 40~250 kJ/mol

3) 활성화 에너지: (필요함)

4) 비가역적(비가역성) : 산소 기체가 흡착된 숯(또는 흑연) 표면을 진공상태에서 가열하면, 이산화탄소(CO)가 생성/탈착된다.

5) 온도: 고온

6) 분극성 ○, 전자전이 ○

7) 단층(monolayer) 흡착

8) 선택성 ○

이렇게 비교하여 서술하시면 좀 더 점수가 나올 듯 합니다.

화공기술사 시험에도 이런한 류의 문제도 나옵니다.

마치 대기환경이나 화공안전을 연상시키네요..

11. 유독물질 누출에 따른 확산예측에 사용되는 정량적 분산모델(Quantitative Dispersion Analysis)에 영향을 주는 매개변수 4가지를 설명하시오.

간단히 모델에 대한 분류를 알아보면...

1. 대기오염모델의 종류

2. 확산방정식

- 상자모델 : 대상 지역을 상자로 간주하여 그 공간 내 평균 농도 산정으로 부정확함.

- 가우시안(Gaussian) 모델 : 현재 환경영향평가 등에서 가장 널리 사용 중

- 3차원 수치모델 : Lagrangian, Eulerian 모델 등으로 매우 정교하나 고도의 기술 필요

3. 연기 확산 형태

- 플륨(plume)모델 : 연기가 배출구에서부터 착지점까지 연속되는 것으로 계산

- 퍼프(puff)모델 : 단위시간에 배출된 연기를 커다란 하나의 연기 덩어리로 나오는 것으로 가

  정하여 시간에 따른 풍향변화와 안정도별 확산계수에 따라 농도를 계산

- Eulerian 모델 : 대상지역을 작은 상자로 나누어 각 상자에서의 바람장과 확산도, 화학반응 등을 계산

가우시안 모델로 접근하려고 했으나 현재 문제에서는 좀 일반적인 형태에 대한

질문을 한 듯하여..

매개변수는

1. 바람의 속도

누출지점에서의 농도가 최대가 되고, 공기중으로 분산.혼합이 이루어짐에 따라

바람이 부는 방향으로 농도가 감소된다

2. 대기의 안정도

대기 안정도는 공기의 수직혼합과 관계가 있다. 특히 낮 동안의 대기온도는 고

도가 증가함에 따라 급격히 감소하며 수직이동의 증가를 가져온다.

때로는 대기의 역전현상이 일어나 대기 안정도가 매우 좋아져 오염이 심해지기

는 하지만 이 또한 밤이나 새벽에 발생한다.

3. 대지조건

대지조건은 표면에서의 열역학적 혼합과 높이에 따라 바람의 특성에 영향을 주

는데 호수나 개방된 영역은 혼합 효과를 줄이는 반면 나무와 빌딩은 혼합을 증

가시킨다.

4. 누출고도

누출고도는 대지의 농도에 큰 영향인자 인데 누출고도가 높으면 높을수록 대지

의 농도는 감소한다.

5. 누출된 초기물질의 부력

누출된 물질의 부피와 운동량은 누출고도의 영향력 변화를 가져오는데

누출된 영향력은 초기의 운동량과 부력이 사라진 후에야 주위의 난류혼합이

주도된다.

만약 가우시안 모델로 접근해야 한다면..

1. 모델링 개요

Gaussian 플름 모델은 일반적으로 공기보다 가벼운 기체의 연속누출 확산 평가에

사용되며 다음과 같은 가정 하에 정립된 모델이다.

- 오염원으로부터 연속배출 : 단위시간당 오염물질 배출은 연속적이며, 그 배출량은 시간에 따라 변하지 않고 일정함.

- 질량보전 : 오염원에서 수용자까지 오염물질이 이동하는 동안 오염원에서 배출된 오염물질은 화학반응, 중력침강, 난류의 

  영향 등에 의해 제거되지 않음.

- 정상상태 : 기상조건은 오염원으로부터 수용자까지 이동하는 동안 일정하게 유지됨.

- 오염물질의 수평 및 수직분포 : 풍하 쪽의 어느 지점에서 수평 및 수직방향으로 오염물질의 평균농도분포는 가우시안 분포

  를 가짐.

2. 확산방정식

가우시안 플름모델은 다음과 같은 논리에 의해 계산된다.

먼저 σ z < 1.6 Hm에 대해,

여기서,

HE: 유효높이 (m)

Q: 질량속도 (kg/sec)

σ z: 바람수직방향의 확산계수 (m)

u: 실제누출높이(Hs)에서의 바람의 속도 (m/sec)

Hm: 혼합높이 (m)

가 되며, σ z ≥ 1.6 Hm에 대해선

를 적용할 수 있다.

여기서,

C: (x,y,z)에서 누출물질의 농도 (kg/m3)

HE: 유효높이 (m)

Q: 질량속도 (kg/sec)

σ y: 바람단면방향의 확산계수 (m)

σ z: 바람수직방향의 확산계수 (m)

u: 실제누출높이(Hs)에서의 바람의 속도 (m/sec)

Hm: 혼합높이 (m)

N: reflection term의 수 (일반적으로 3 또는 4의 값을 가짐, 무차원)

만약 유효높이 HE과 z에 대해, σ z < 0.4Hm이면, 수식1에서 Σ 부분이 사라져서 식은 아래와 같이 간단해진다.

이외에도 다양한 상황에서 수식이 변경이 되지만..

시험치실때 가장 무난히 쓸수 있는 식은 수식 3이라고 생각이 듭니다.

다만 조건을 명시해야 겠죠... 바람수직방향의 확산계수가 혼합높이 x 0.4 보다 작을때...

2. 유해화학물질 취급시설의 설치를 마친 자 및 유해화학물질 취급시설을 설치ㆍ운영하는 자가 받아야 하는 검사 및 안전진단의 대상 및 시기(주기)를 설명하시오.

화학물질관리법 관련 문제이네요..

화공안전기술사 문제에 단골로 출제되는 화학물질관리법..

지금까지 출제된 문제를 보면 화관법의 핵심인 장외나 위해관리가 자주 보였는데.

아 그리고 화평법도..

이제 화관법/화평법 및 장외등의 시스템이 안정화 되고 있는 추세인데 법적으로는 (경과규정) 2019년까지..

이제는 시설물에 대한 정기적인 검사와 안전진단이 강화 될 듯합니다.

이제 이쪽으로 먹거리를 찾아보셔야 할 듯 합니다.. 아직 안 말아먹고 살아계신 대행사들은 말이죠..ㅋㅋ

1. 관련법 및 규정

1) 화학물질관리법 제24조

제24조(취급시설의 배치·설치 및 관리 기준 등)

① 유해화학물질 취급시설은 환경부령으로 정하는 배치·설치 및 관리 기준 등에 따라 설치·운영되어야 한다.

② 유해화학물질 취급시설의 설치를 마친 자는 환경부령으로 정하는 검사기관에서 검사를 받고 그 결과를

환경부 장관에게 제출하여야 한다.

③ 유해화학물질 취급시설을 설치·운영하는 자는 취급시설별로 환경부령으로 정하는 기간마다 제2항에 따른

검사기관에서 정기검사 또는 수시검사를 받고 그 결과를 환경부장관에게 제출하여야 한다.

다만, 제4항에 따라 안전진단을 실시하고 안전진단결과보고서를 제출한 자에 대하여는 환경부령으로 정하는

기간 동안 정기검사를 면제할 수 있다.

④ 유해화학물질 취급시설의 설치를 마친 자 또는 유해화학물질 취급시설을 설치·운영하는 자는 다음 각 호의

어느 하나에 해당하는 경우에는 제2항에 따른 검사기관에 의한 안전진단을 실시하고 취급시설의 안전 상태

를 입증하기 위한 안전진단결과보고서를 환경부장관에게 제출하여야 한다.

1. 제2항 또는 제3항에 따른 검사 결과 유해화학물질 취급시설의 구조물이나 설비가 침하(沈下)·균열·부식

(腐蝕) 등으로 안전상의 위해가 우려된다고 인정되는 경우

2. 유해화학물질 취급시설을 설치한 후 취급시설별로 환경부령으로 정하는 기간을 경과한 경우

⑤ 제2항 및 제3항에 따른 검사 또는 제4항에 따른 안전진단 결과 적합 판정을 받지 아니한 유해화학물질

취급시설은 사용할 수 없다. 다만, 검사 또는 안전진단을 위하여 그 시설을 사용하는 경우에는 그러하지

아니하다.

⑥ 제2항 및 제3항에 따른 검사의 절차·기준 및 검사기관의 관리기준, 제4항에 따른 안전진단의 세부적인

방법 등에 관하여 필요한 사항은 환경부령으로 정한다.

2) 동법 시행규칙 제23조 및 24조..

제23조(취급시설의 정기ㆍ수시검사 등)

① 법 제24조제2항에 따라 유해화학물질 취급시설의 설치를 마친 자는 해당 시설을 가동하기 전에 제22조 1항에 따른 검사기관에서 검사를 받고 별지          제34호서식의 검사결과신고서에 검사결과서를 첨부하여 지방환경관서의 장에게 제출하여야 한다.

② 법 제24조제3항 본문에서 "환경부령으로 정하는 기간"이란 1년(법 제28조에 따른 유해화학물질 영업허가

대상이 아닌 유해화학물질 취급시설의 경우에는 2년을 말한다)을 말한다.

③ 유해화학물질 취급시설에서 화학사고가 발생한 경우에는 그 화학사고가 발생한 날부터 7일 이내에 법 제24 조제3항 본문에 따른 수시검사를 받아야 한다.

④ 지방환경관서의 장은 유해화학물질 취급시설에서 화학사고가 발생할 우려가 있는 경우에는 별지 제35호서 식에 따라 법 제24조제3항 본문에 따른 수시검사 대상임을 통지하여야 한다.

⑤ 법 제24조제3항 단서에서 "환경부령으로 정하는 기간"이란 1년을 말한다.

⑥ 법 제24조제3항 본문에 따른 정기검사 또는 수시검사를 받은 자는 별지 제36호서식의 결과신고서에 검사결과서를 첨부하여 지방환경관서의 장에게 제출하여야 한다.

⑦ 법 제24조제2항 및 제3항에 따른 검사의 내용과 제1항 및 제6항에 따른 검사결과서의 작성방법 등에 필요

한 사항은 환경부장관이 정하여 고시한다.

제24조(안전진단 등)

① 유해화학물질 취급시설의 설치를 마친 자 또는 유해화학물질 취급시설을 설치ㆍ운영하는 자는

법 제24조제4항제1호에 해당하는 경우에는 법 제24조제2항 및 제3항에 따른 검사 결과를 받은 날부터 20 일 이내에 법 제24조제4항에 따른 안전진단을 실시하여야 한다.

② 법 제24조제4항제2호에서 "환경부령으로 정하는 기간"이란 제19조제4항에 따른 취급시설의 위험도를 기준

으로 다음 각 호의 구분에 따른 기간을 말한다. 다만, 취급시설의 위험도에 대한 검토결과가 없는 경우에는

매 4년으로 한다.

1. 고위험도 유해화학물질 취급시설: 제19조제4항에 따른 검토결과서를 받은 날부터 매 4년

2. 중위험도 유해화학물질 취급시설: 제19조제4항에 따른 검토결과서를 받은 날부터 매 8년

3. 저위험도 유해화학물질 취급시설: 제19조제4항에 따른 검토결과서를 받은 날부터 매 12년

③ 유해화학물질 취급시설의 설치를 마친 자 또는 유해화학물질 취급시설을 설치ㆍ운영하는 자는 법 제24조제

4항제2호에 해당하는 경우에는 제2항에 따른 기간이 만료되는 날부터 60일 이내에 제1항에 따른 안전진단

을 실시하여야 한다.

④ 제1항 및 제3항에 따른 안전진단을 실시한 자는 별지 제37호서식의 안전진단결과신고서에 안전진단결과보

고서를 첨부하여 지방환경관서의 장에게 제출하여야 한다.

이 경우 지방환경관서의 장은 근로자의 보호를 위하여 안전 조치가 필요하다고 인정되는 경우에는 지방

고용노동관서의 장에게 관련 내용을 통보하여야 한다.

⑤ 제1항부터 제4항까지에서 규정한 사항 외에 안전진단의 항목 및 방법 등에 필요한 사항은 환경부장관이

정하여 고시한다.

2. 검사와 안전진단의 방법에 대한 세부적 내용.

1) 유해화학물질 취급시설의 설치·정기·수시검사 및 안전진단의 방법 등에 관한

규정(환경부 고시 제2016-195호, 2016.10.10.)

2) 유해화학물질 취급시설의 설치·정기·수시 검사의 방법 등에 관한 세부지침(환경부 훈령 제1137호, '15.1.18)

3. 검사/안전진단 주기

4. 검사기관

 제22조(검사기관 등) ① 법 제24조제2항에서 "환경부령으로 정하는 검사기관"이란 다음 각 호의 기관을

        말한다.

1. 「한국환경공단법」에 따른 한국환경공단

2. 「한국산업안전보건공단법」에 따른 한국산업안전보건공단

3. 「고압가스 안전관리법」에 따른 한국가스안전공사

1. 촉매의 정의 :

촉매(觸媒, catalyst)란 반응과정에서 소모되거나 변화되지 않으면서 반응속도를 빠르거나 느리게 변화시키는 물질을 말한다. 촉매는 소량만 있어도 반응 속도에 영향을 미칠 수 있다.

일반적으로 촉매가 있으면 반응은 더 빠르게 발생하는데, 그 이유는 더 적은 활성화 에너지를 필요로 하기 때문이다. 촉매 반응 구조에서 촉매는 일반적으로 일시적인 중간 물질을 형성하기 위해 반응하며 그 다음 원래의 촉매를 재발생시키는 순환적인 과정을 거치게 된다.

더 좋은 답안을 위해서는 촉매와 활성화 에너지 관련 곡선하나 첨부하셔도 좋을 듯 합니다.

2. 촉매의 기능 

촉매의 가장 기본적인 기능은 첫째로 화학반응의 반응속도를 높이는 “활성”을 갖는 것이다.

두 번째의 기능은 특정한 반응만을 일으키는 “선택성”이다.

촉매를 사용하면 활성이 높아진다는 것은 촉매반응은 무촉매반응에 비해 활성화에너지가 작다는 것을 뜻한다. 같은 온도에서 활성화에너지가 작다는 것은 동일 온도에서 반응속도가 빠르다는 것을 의미한다. 따라서 촉매를 사용할 경우 촉매를 사용하지 않는 화학반응과 동일한 반응속도를 유지 위해 필요한 반응온도를 크게 낮출 수 있게 된다.

즉, 촉매반응은 에너지를 절약하고 부산물을 적게 생산하여 환경오염을 줄이는 효과가 있다.

반응물로부터 여러 생성물들을 얻을 수 있는 가능한 여러 반응경로 중에서 원하는 특정 생성물이 얻어지는 반응경로의 활성화에너지를 낮출 수 있는 촉매를 사용할 경우 특정생성물에 대한 선택도(selectivity)를 높일 수 있다. 이처럼 촉매를 사용할 경우 화학반응의 전체 반응속도를 증가시킬 수도 있으며 혹은 특정 생성물의 선택도를 높일 수 있다.

3. 촉매분류

촉매와 촉매 반응계의 상(phase)에 따라 촉매를 구별하는 것으로 균일계 촉매 (homogeneous catalyst), 불균일계 촉매(heterogeneous catalyst) 및 생촉매(enzymatic catalyst)로 구별할 수 있다.

균일계 촉매는 반응물, 생성물 및 촉매가 하나의 상(phase)으로 이루어진 것을 말하며, 불균일계 촉매는 이들이 2 개 이상의 상으로 되어있는 것을 말한다.

일반적으로 석유화학공정의 촉매반응계는 균일계 촉매반응과 불균일계 촉매반응으로 구성된다. 균일계 촉매반응의 경우에는 액상반응물-액상촉매가 대부분이며, 불균일계 촉매반응의 경우 액상반응물-고체촉매 혹은 기상 반응물-고체촉매계가 대부분의 석유화학공정을 차지한다.

반응속도는 반응생성물의 생산속도, 다시 말해서 경제성의 문제와 직결된다. 대부분의 촉매반응 속도는 반응온도의 증가에 따라 증가하기 때문에 대량생산을 지향하는 콤비나트형 현대 석유화학공정에서는 대부분 기상반응물-고체촉매계인 불균일계 촉매반응공정이 운전되고 있다. 반면에 특수 용도의 소량 생산품 혹은 특수 반응계가 요구되는 반응의 경우 액상반응물-액상촉매(균일계 촉매반응) 혹은 액상반응물-고체촉매(불균일계 촉매반응)계가 이용된다.

4. 전형적 반응식

가) 아래 내용은 일반적인 구조인데

전형적인 반응식이며, C는 촉매, A 및 B는 반응물, D는 A와 B의 생성물이다.

A + C → AC  -> 반응1

B + AC → ABC -> 반응 2

ABC → CD -> 반응 3

CD → C + D -> 반응 4

촉매가 반응 1에 의해 소비 되더라도,

반응 4에 의해 촉매가 생성되기 때문에 전체 반응식에는 나타나지 않는다.

A + B →D

반응에서 촉매가 재생되기 때문에 반응 속도를 높이기 위해서는 일반적으로 적은 양만이 필요하다. 그러나 실제로는 2 차 공정에서 촉매가 소모되는 경우가 있다.

촉매는 일반적으로 속도 방정식에 나타난다.

위 반응식의 속도 결정 단계가 제 1 단계 A + C → AC 일 때,

촉매화 된 반응은 촉매의 농도 [C]에 비례하는 속도 방정식 v = kcat [A] [C]

나) 만약 촉매와 관련하여 2,3,4교시 문제가 나온다면 아마

촉매의 반응속도론적 관점이 나올수 있을 것입니다.

이와 관련하여 심화학습이 필요하면 포글러 제10장 촉매반응을 보시면 됩니다.

특히 반응속도의 결정단계가 어딘지?