악취제거를 위한 CADEO공정개발

정광덕, 조성훈, 주오심, 한성환

한국과학기술연구원

CADEO process development for deorderization

Kwang-Deog Jung, Sung-Hoon Cho, Oh-Shim Joo, and Sung-Hwan Han

Korea Institute of Science and Technology

서론

하수처리장, 인분뇨 및 축산분뇨처리장등은 상수원 수질보전을 위해서는 필수적인 시설이나 처리과정에서 발생하는 악취는 대기공해를 유발하고 특히, 인근 주거지역에 인접하는 경우 주요한 민원의 대상이 되고 있다. 이외에도, 반도체제조업체의 폐수처리공정에서 발생하는 악취물질의 처리가 중요한 과제로 인식되고 있다. 실제로 혐기성 폐수처리시설에서 이산화황을 비롯한 악취가스가 배출되고 있어 위에 언급된 분야 외에도 혐기성 폐수처리시설의 후처리로 악취물질의 처리가 중요하게 부각될 것으로 예상된다. 이처럼 악취물질의 처리에 대한 수요가 점차 증가할 것으로 예상됨에도 불구하고 기존기술에 의한 하수처리장 및 분뇨처리장에서의 탈취처리장치는 유지관리가 매우 어렵고 이로인한 운용상 여건의 한계로 새로운 탈취기술을 필요로 하고 있으나 악취제거에 대한 국내의 연구사례나 탈취대책은 아직 답보상태에 있는 실정이다. 따라서 설비가 간단하고 운전이 용이한 탈취기술의 개발을 필요로 하고 있다. 본 기술은 악취물질을 흡수처리장치에서 흡수하고 흡수된 악취물질을 저온습식산화반응으로 무취물질로 전환하는 공정이다. 특히, 본 공정은 닺힌계에서 운전이 되므로 2차의 오염물질의 배출을 최소화할 수 있을 것으로 기대되고, 공정이 단순하여 운전상 어려운 점이 없으며 소모성물질인 촉매는 재생이 가능하여 운전비용이 적게 들 것으로 기대된다.

이론

1. CADEO 공정개념

CADEO 공정은 아래의 그림과 같이 scrubber탑에서 흡수 및 반응에 의해 악취물질이 흡수 및 반응에 의해 제거되고 흡수된 악취물질은 반응기에서 촉매반응에 의해 제거되는 catalytic scrubbing - reaction 의 공정이다.

개념상 거의 닺힌 계에서 운전된다.

Fig. 1. Concept of CADEO process

2. 습식산화촉매개념

그림 1의 개념도에서 catalytic scrubbing 및 반응기에서의 촉매반응은 촉매가 산소를 활성화시키고 촉매상에 활성화된 산소에 의해 악취물질을 제거하는 산화-환원반응에 의해 악취물질이 무취물질로 전화하게 된다.

Fig. 2. Concept of wet catalytic oxidation

실험

악취물질중 대표적인 물질은 H2S이다. 따라서 H2S를 기준물질로 실험을 수행하였다. 촉매의 성능실험은 1.5 L의 회분식 교반를 사용하여 수행하였다. 반응온도는 실온에서 수행하였고 촉매는 1000-10 wt% 범위에서 H2S의 농도는 10 ppm- 25,000 ppm에서 수행하였다.

실 공정에서 배출되는 악취가스에 CADEO공정 도입하여 수행하였다. 1차로 중량천에서 배출되는 분뇨악취가스에 Horizontal Type의 CADEO 공정을 적용하였다. 악취처리용량은 1 Nm3/min이었다. 또 LG LCD의 현장에서 악취제거를 위한 실공정 실험을 수행하였다. 악취의 처리용량은 10 Nm3/min의 용량이었다.

결과 및 고찰

1. 촉매의 성능평가

H2S의 제거반응을 기준으로 촉매의 성능을 평가하였다. H2S의 제거 과정에서 breakthrough curve를 얻을수 있으며 이 자료를 근간으로 촉매가 처리할 수 있는 H2S removal capacity를 구하였다.

- H2S Removal Capacity = PO20.63PH2S0.03

- With Fe/MgO

1.0g H2S/gcat in air

2.9g H2S/gcat in O2

2. Catalytic Scrubbing 실험결과 및 고찰

수직형 CADEO 시스템에서 H2S의 처리결과를 그림 3에 나타내었다.

흡수장치내의 단위면적당 흡수속도 NA [gmol/m2.min] 는 기액계면을 통한 기상으로부터 액상중으로 전달되는 물질이동 속도로 계면상의 농도차이와 물질이동계수의 곱으로 표현된다.

NA = K□C                       (1)

그림 4에 이중경막설에 따른 기액계면성의 피흡수성분의 기상본체조성 yG인 가스와 액 본체조성 xL인 액이 접촉한 경우를 생각한다.

이 그림에서 driving force는 yG와 y*의 차로 표현될 수 있고 헨리의 법칙이 적용된다면  y* = mxi 로 표현되어 액상에서의 가상농도 y*는 액상의 농도로 전환이 가능하다.

장치단위 용적당 계면적을 a(m2/m3)라 하고 단위면적당 탑에서 높이 dz가 되는 미소 체내의 계면적을 dS=(1.0) adz라 하면 총괄물질 이동계수 Ky를  적용하여 ds면을   통했을 때  흡수속도는 다음 식으로 얻어진다.

d(NAS) = Ky(y-y*)dS = Kya(y-y*)dz        (2)

한편, 기상중의 피흡수성분 (A)의 감소속도는 흡수속도와 같으므로

d(NAS) = d(Gmy)    (3)

여기서 Gm (gmol/m2.min)은 가스의 단위면적당 몰속도를 나타낸다.

Fig. 3. Experimental results of H2S removal using CADEO system.

기본적인 관계인 (2)∼(3) 의 관계식으로부터 아래의 기본 설계식이 도출될 수 있다.

z = (GMi/Kya)∫ybM/(1-y)2(y-y*)dy          (4)

여기서 적분구간은 y2에서 y1까지이고 GMi=GM/(1-y)의 관계를 갖는다.

본 공정에 적용되는 악취물질중 대표적인 것은 황화수소와 암모니아이다.

이들 물질의 헨리상수를 보면 황화수소는 5000 (atm/mol fraction)이고 암모니아는 2.9 (atm/mol fraction) 이다. 이는 암모니아가 황화수소보다 약 1700배이상 물에 흡수가 잘된다는 것을 의미한다. 따라서 황화수소를 기준으로 시스템을 설계하면 암모니아는 쉽게 제거가능하다는 것을 의미하고 또한 반응의 측면에서 암모니아는 황화수소와 반응하여 제거의 시너지 효과가 있다. 따라서 황화수소의 제거를 기준으로 설계를 수행하는 것이 효율적이라는 것을 알 수가 있다.

황화수소의 제거를 위한 설계를 위해서는 특성상 다음의 가정이 유효하다.

a) 스크러버의 흡수과정은 다음의 가역반응이 동시에 진행되어 제거되며 이때 기액면의 황화수소의 농도 yi에 비해 용액상의 가상농도 y*는 무시할만 하므로 식 (2)는 다음의 식으로 표현된다.

d(NAS) = KyydS = Kya(y)dz        (2*)

b) 황화수소는 물에 대한 흡수율이 매우 낮고 본 조작조건에서는 그

Fig. 4. Concentration profile of solute at gas-solid interface

농도가 50 ppm 이하로 다음의 식의 설정이 가능하다.

y=mx (Henry's eqution)            (5)

Gm≒Gmi                            (6)

이러한 가정하에서 식 (2*), (3), (6) 그리고 (7)로부터 소요 충전탑의 높이계산에 대한 다음의 식을 구할 수가 있다.

z = (Gm/Kya)∫1/(y(1-y)2)dy         (7)

여기서 Kya를 실험에 의해서 구하면 주어진 조건에서의 탑 높이를 계산할 수 있게 된다. 본 시스템의 실험으로부터 구한 Kya 값은 4880.6 gmol/min.m3이다.

이 값은 가정 (a)가 유효할 만큼의 촉매농도가 유지되는 경우의 값이다.

이러한 값으로부터 식 (7)을 적용하여 실제 결과와 계산치가 일치하였다.

이러한 실험결과로부터 중량천의 분뇨장 및 LG LCD에서 발생하는 악취에 대한 Pilot 실험을 수행하였다.

참고문헌

1. 김병우, □폐가스의 흡수처리-Packed tower design", 전국환경관리인 연합회

2. 정광덕, ACS(America Chemical Society, Division of PETR) 2000.

3. 정광덕, 주오심, 조성훈, 한성환, 한국청정기술학회 (2000) 25.

4. 정광덕, 한성환, Achema 2000 (Dechema) 2000.

5. 한성환, 조성훈, 박대원, 이영윤, 7th Korea-Japan Symposium on Catalysis      1999.

6. 조성훈, 한성환, 촉매 15(1) (1999) 84.