KR100201422B1 - 활성탄의 이화학적 재생장치 및 재생방법 - Google Patents

Abstract

1. 청구범위에 기재된 발명이 속한 기술분야

본 발명은 정수 산업 및 환경 산업 분야에 관한 것이다.

2. 발명이 해결하려고 하는 기술적 과제

본 발명은 입상활성탄 흡착 기술의응용성 및 실용화의 가장 큰 장애 요소인 고가의 재생 시설비 및 운전·유지 관리비를 낮추는 동시에 효과적인 활성탄 재생이 가능하도록 하기 위한 활성탄의 재생장치 및 재생방법을 제공하고자 함.

3. 발명의 해결방법의 요지

본 발명은 에탄올 10~50%, NaOH 1~4% 및 물이 혼합된 혼합 용액(상온~100℃)을 사용하여 재생효율을 극대화하고, 시설 및 운전 ·유지 관리비를 낮출 수 있음.

4. 발명의 중요한 용도

활성탄의 재생에 이용됨.

Description

활성탄의 이화학적 재생장치 및 재생방법

본 발명은 정수 산업 및 환경 산업 분야 등에서 오염 물질 흡착제거에 사용되는 활성타의 재생 장치 및 재생 방법에 관한 것으로, 특히 이화학적인 방법으로 활성탄을 재생하는 기술에 관한 것이다.

활성탄을 사용한 물, 대기등으로부터의 오염 물질의 흡착제거 기술은 그 효 과 및 적용 타당성이 충분히 입증되어, 선진국에서는 일찍이 이를 도입·사용하여왔다.

그러나, 활성탄을 사용한 흡착시설을 일정기간 운전한 후에는 흡착 능력 회복을 위한 재생이 필수적으로 뒤따르게 되는데, 활성탄의 재생에는 많은 비용이 소요되며, 실제로 이러한 고가성이 활성탄 흡착 공정의 설계에 큰 영향을 주며, 운전·유지 관리에 있어서도 많은 제한을 받게 된다.

현재 가장 많이 사용되고 있는 재생 기술로써 활성탄 제조 과정과 유사한 900℃ 내지 1000℃의 고온 재생로를 사용하는 방법이 있다. 그러나, 현장에 이러한 재생 시설을 설치할 경우 많은 시설비가 소요되고, 또 현장 재생 시설을 하지 않고 재생 서비스를 받는 경우에도 신활성탄 가격의 60 내지 70% 정도의 비용이 소요된다. 따라서, 입상활성탄 흡착 기술의 응용성 및 실용화의 가장 큰 장애 요소는 고가의 재생 시설비 및 운전 ·유지 관리비라 할 수 있다.

한편, 단순한 용매 추출에 의한 재생 방법의 경우 재생 효율이 낮고, 사용된 용매의 잔류 가능성에 의해 활성탄 재사용이 제한을 받는 단점이 있으며, 습식 산화 방식을 사용할 경우 부식질과 같이 비가역적 흡착이 되는 물질의 분해나 탈착이 어려운 단점이 있어 실용성이 낮은 것으로 보고 되고 있다.

본 발명은 에탄을 10∼50%, NaOH 1-4% 및 물이 혼합된 혼합 용액(상온∼100℃)을 사용하여 재생효율을 극대화하고, 시설 및 운전·유지 관리비를 낮출 수 있는 활성탄의 재생장치 및 재생방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

제1도는 본 발명의 일실시예에 따른 활성탄의 이화학적 재생 공정 흐름도.

제2도는 본 발명의 일실시예에 적용되는 활성탄의 이화학적 재생 장치의 구성도.

제3도는 본 발명의 일실시예에 따라 재생된 활성탄의 페놀에 대한 흡착능 회복율 실험 결과의 그래프.

제4도는 본 발명의 일실시예에 따라 재생된 활성탄의 부식질에 대한 흡착능 회복율 실험 결과의 그래프.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 물 저장탱크 2 : 에탄을 저장탱크

3 : NaOH 용액 저장탱크 4 : 혼합조

5 : 재생 반응기 6 : 보일러

7 : 재생활성탄 저장조 8 : 폐액 저장조

9 : 증류기 10 : 에탄올 회수용 냉각기

11 : 회수에탄올 저장조 12 : 히터

Pl∼P8 : 펌프 TC : 온도 제어기

TI : 온도계 FI : 플로우 절연체

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 활성탄의 재생방법은 오염물질의 흡착된 활성탄을 재생하는 방법에 있어서, 상기 활성탄을 에탄올, 수산화나트륨 용액 및 물의 혼합 용액을 사용하여 상기 오염물질을 탈착시키는 제1단계를 포함하여 이루어진다.

또한, 본 발명의 활성탄의 재생장치는 물 저장수단, 에탄올 저장수단 및 수산화나트륨 용액 저장수단으로부터 상기 물, 에탄올 및 수산화나트륨을 각각 소정량씩 공급 받아 이를 혼합하기 위한 혼합기; 상기 혼합기로부터 혼합된 반응용액을 공급 받아 충진된 활성탄의 오염물질을 탈착시키기 위한 재생 반응기; 상기 재생 반응기 내의 상기 혼합 용액의 온도를 제어하기 위한 온도 제어수단; 및 재생된 상기 활성탄을 저장하는 재생활성탄 저장수단을 포함하여 이루어진다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상술한다.

우선, 제1도는 본 발명의 일실시예에 따른 활성탄의 이화학적 재생 공정 흐름 도를 나타낸 것이다.

도시된 바와 같이 먼저, 재생하고자하는 활성탄이 충진된 반응기에 탈착용 수용액을 투입한다. 여기서, 탈착용 수용액은 NaOH 1∼4% 및 에탄올 10∼50%을 물과 혼합하여 사용한다.

다음으로, 반응기를 완전 밀폐후 상온-100C의 온도에서 6-24시간 동안 유지 하여 흡착된 오염물질을 탈착·추출한다.

이어서 , 폐액 저장탱크의 온도를 80℃ 내외로 유지하며 폐액중의 에탄올을 증발 ·응축시켜 회수함으로써 이를 차기 재생 공정시 재활용할 수 있다,

한편, 탈착이 완료된 활성탄의 재사용을 위해 활성탄에 잔류하는 에탄올 및 NaOH 등이 완전히 제거 되도록 세정한다. 이때, 세정액은 수돗물 등을 사용한다. 또한 여기에서도 사용된 세정액 중에 포함되어 있는 에탄올을 회수하여 재사용할 수 있다.

이후, 재생이 완료된 활성탄을 재생 활성탄 저장조 또는 흡착지로 이송하므로서 재생공정이 완료된다.

제2도는 본 발명의 일실시예에 적용되는 재생공정 설비의 구성도로서, 도면 부호 1은 물 저장탱크, 2는 에탄올 저장탱크, 3은 NaOH 용액 저장탱크, 4는 물, 에탄올, NaOH 용액의 혼합조, 5는 재생 반응기, 6은 보일러, 7은 재생활성탄 저장조, 8은 폐액 저장조, 9는 증류기, 10은 에탄올 회수용 냉각기, 11은 회수 에탄올 저장조, 12는 히터, P1∼P8은 펌프, TC는 온도 제어기, TI는 온도계, FI 플로우 절연체를 각각 나타낸 것이다.

이를 좀 더 설명하면, 우선 활성탄의 재생을 위한 탈착 수용액을 제조하기 위하여 물 저장탱크(1), 에탄올 저장탱크(2) 및 NaOH 용액 저장탱크(3)로부터 각각 적정량의 물, 에탄올, NaOH 용액을 공급 받아 혼합조(4)에서 혼합한다.

다음으로, 재생반응기(5)는 혼합된 탈착 수용액을 공급 받아서 충진되어 있는 활성탄을 이화학적 방식으로 재생시킨다. 이때, 온도의 조절은 보일러(boiler)(6)와 자체의 히터(heater)(12)에 의해 이루어지며, 재생이 완료된 활성탄은 세정 공정을 거쳐 재생활성탄 저장조(7)로 옮겨지고, 사용된 폐액은 폐액 저장소(8)로 배출된다.

다음으로, 증류기(9)는 폐액 및 사용된 세정액을 공급 받아 그 안에 포함되어 있는 에탄올을 증발시킨다. 여기서, 폐액 및 사용된 세정액의 가열은 보일러(6)에 의해 이루어진다. 또한, 증발된 에탄올은 냉각기(10)에서 회수되어 회수 에탄올 저장조(11)에 저장되고, 회수된 에탄올은 다시 혼합조(4)에 공급되어 재사용된다.

앞서 설명한 바와 같은 이화학적 재생 공정을 사용하여 실제 정수장에서 1년 4개월간 흡착이 진행된 활성탄을 재생하고, 재생폐액에 대해 총체적인 자연 배경 유기물의 지표인 UV254 흡광도를 측정하였으며, 그 결과는 다음과 같다.

이때, 재생 고정조건은 에탄올 10∼50%, NaOH 1∼4% 및 온도(상온-100C)를 각 각 조합하여 108 가지의 경우를 설정하였다.

탈착 반응결과는 상온에서 실시하였을 때 수돗물보다 최저 8,000배에서 최고 30,000배 이상의 높은 흡광도를 나타내었고, 60℃의 경우 15,000배에서 50,000배 이상, 80℃의 경우 16,000배에서 80,000배 이상, 100℃의 경우 11,000배에서 85,000배 이상의 매우 높은 흡광도를 나타내어 흡착된 오염물질이 고농도로 추출됨을 알 수 있었다. 특히, 이들 재생 공정조건중에서 100℃와 80℃에서 에탄올 20∼20%, NaOH 2∼4%의 용액으로 탈착용액을 제조하여 12∼24시간으로 탈착반응을 실시할 경우 평균 50,000배 이상의 매우 높은 흡광도를 나타내었다.

이와 같이 기존의 단순한 pH 상승 또는 용매추출에 의한 활성탄 재생법에서 나타나지 않았던 매우 높은 활성탄 오염물질 추출을 달성할 수 있었던 것은 에탄올, NaOH 및 온도 조건을 적절히 조합함으로써 각 탈착인자 상호간의 상승작용을 유도한 것에 기인된 것으로 판단된다.

제3도 및 제4도는 본 발명의 일실시예에 따른 재생활성탄의 흡착능 회복율을 알아 보기 위하여 여러 가지 공정조건으로 48시간 동안 흡착실험을 진행한 결과를 도시한 것이다.

제3도는 활성탄에 대해 가역적인 흡탈착 반응을 보이는 페놀의 흡착능 회복율을 나타낸 것으로, 도시된 바와 같이 전반적으로 80∼120%의 높은 흡착능 회복율을 나타냈으며, 특히 에탄올 20%, NaOH 0.4% 온도 100℃의 공정 조건 1, 2에서 120% 내외의 높은 흡착능 회복율을 보임을 알 수 있다. 공정 조건 1과 2는 공히 에탄올 20%, NaOH 0.4%, 온도 100℃의 재생 조건으로서 단지 활성탄 시편의 질량을 각각 0.5g 및 1.5g으로 달리하여 재생 공정을 진행한 경우를 나타낸 것이다. 또한 공정 조건 3과 4는 공히 에탄올 20%, NaOH 0.4%, 온도 200℃의 재생 조건으로서 단지 활성탄 시편의 질량이 각각 0.3g 및 1.0g으로 달리하여 재생 공정을 진행한 경우를 나타낸 것이다.

제4도는 활성탄에 대해 비가역적인 흡탈착 반응을 보이는 부식질의 흡착능 회복율을 나타낸 것으로, 도시된 바와 같이 전반적으로 페놀의 경우보다는 낮은 80∼100%의 흡착능 회복율을 보였으나, 기존의 여러 재생공정에 비교할 때 상대적으로 높은 흡착능 회복율을 보이고 있다. 공정 조건 1과 2는 공히 에탄올 20%, NaOH 0.4%, 온도 100℃의 재생 조건으로서 단지 활성탄 시편의 질량을 각각 0.5g 및 1.5g으로 달리하여 재생 공정을 진행한 경우를 나타낸 것이다. 또한 공정 조건3과 4는 공히 에탄올 20%, NaOH 0.4%, 온도 200℃의 재생 조건으로서 단지 활성탄 시편의 질량이 각각 0.3g 및 1.0g으로 달리하여 재생 공정을 진행한 경우를 나타낸 것이다.

다음으로, 실제 정수장에서 1년 4개월간 흡착이 진행된 활성탄을 이용하여 도 2에 나타낸 재생 설비에 의해 에탄올 20%, NaOH 4% 및 물의 혼합 용액을 사용하여, 100℃에서 12시간 동안 재생을 실시한 활성탄으로 부식질에 대한 칼럼 테스트(column test)를 실시하였다. 칼럼 테스트 결과, 재생활성탄과 신활성탄의 부식질 제거율 차이가 10% 내외인 것을 볼 수 있었다. 이는 종래의 가열재생 방식을 사용하여 재생한 경우와 비교하여 뒤지지 않는 부식질 제거율이다.

다음으로, 실제 정수장에서 1년 4개월간 흡착이 진행된 활성탄을 에탄올 20%, NaOH 2% 및 물의 혼합 용액을 사용하여 100℃에서 24시간 동안 재생한 활성탄과 신활성탄에 대한 요오드 흡착능 실험결과 80∼90% 이상의 매우 우수한 흡착능 회복율을 보였다. 국내 입상활성탄 공업규격에서 규정하는 활성탄과 본 발명의 일실시예에 따라 재생된 활성탄의 요오드 흡착능을 아래의 표 1에 비교하였다. 요오드 흡착능 평가는 1985년에 제정된 입상활성탄 시험방법 KSM 1802에 의해 실시하였다.

상기 표 1에 나타난 바와 같은 본 발명의 일실시예에 따라 재생된 활성탄은 공업규격(KS)에서 2등급에 해당하는 요오드 흡착능을 가짐을 알 수 있다. 또한, 재생 공정 조건을 달리하면 더욱 더 향상된 흡착능을 가질 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

상기한 바와 같이 본 발명은 정수장, 하·폐수처리장, 대기오염방지시설 등 활성탄을 이용하여 각종 오염물질을 흡착 처리하는 시설의 규모에 관계없이 현장에 쉽게 설치할 수 있고, 재생이 비교적 저온에서 이루어지는 장점이 있다.

또한, 본 발명은 식품첨가가 가능한 에탄올, 수산화 나트륨 등을 사용하여 특히 수돗물 등의 식음수의 정수에 적합하며, 운전·관리에도 고도의 기술을 필요로 하지 않는 장점이 있다.

또한, 본 발명은 사용된 에탄올은 증류·응축에 의해 회수하여 반복 사용할 수 있어 정수장에 응용하는 경우에 개략적인 비용산정 결과, 종래의 5∼15% 정도의 재생 비용이 소요되는 등 경제적인 파급효과가 크다.

또한, 본 발명의 실시할 경우 재생 활성탄의 흡착능이 다양한 오염 물질에 대해 신활성탄의 80∼120% 까지 회복될 정도로 매우 우수한 재생 활성탄을 얻을 수 있다.

Claims (10)

1. 오염물질의 흡착된 활성탄을 재생하는 방법에 있어서, 상기 활성탄을 에탄올, 수산화나트륨 용액 및 물의 혼합 용액을 사용하여 상기 오염물질을 탈착시키는 제1단계를 포함하여이루어진 활성탄의 재생방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 제1단계 이후에 상기 재생활성탄을 세정하는 제2단계를 더 포함하여 이루어진 활성탄의 재생방법.
3. 제2항에 있어서, 상기 제2단계 이후에 상기 제1단계에서 남겨진 폐액 및 상기 제2단계에서 남겨진 세정액으로부터 상기 에탄올을 회수하는 제3단계를 더 포함하여 이루어진 활성탄의 재생방법.
4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 혼합 용액 10 내지 50%의 에탄올, 1 내지 4%으 수산화나트륨 용액 및 그 나머지를 차지하는 물을 포함하여 이루어진 활성탄의 재생방법.
5. 제4항에 있어서, 상기 혼합 용액의 온도가 상온 내지 100℃인 활성탄의 재생방법.
6. 제5항에 있어서, 상기 제1단계가 6내지 24시간 동안 이루어진 활성탄의 재생방법.
7. 물 저장수단, 에탄올 저장수단 및 수산화나트륨 용액 저장수단으로부터 상기물, 에탄올 및 수산화나트륨을 각각 소정량씩 공급 받아 이를 혼합하기 위한 혼합기; 상기 혼합기로부터 혼합된 반응용액을 공급 받아 충진된 활성탄의 오염물질을 탈착시키기 위한 재생 반응기; 상기 재생 반응기 내의 상기 혼합 용액의 온도를 제어하기 위한 온도 제어수단; 및 재생된 상기 활성탄을 저장하는 재생활성탄 저장수단을 포함하여 이루어진 활성탄의 재생장치.
8. 제7항에 있어서, 상기 재생 반응기로부터 배출되는 폐액을 공급 받아 상기 폐액 내의 상기 에탄올을 회수하기 위한 에탄올 회수수단을 더 포함하여 이루어진 활성탄의 재생장치.
9. 제8항에 있어서, 상기 에탄올 회수수단은 상기 재생 반응기로부터 배출되는 폐액을 공급 받아 상기 폐액 내의 상기 에탄올을 증발시키기 위한 증류기; 증발된 상기 에탄올을 액체화하기 위한 냉각기; 상기 냉각기로부터 상기 에탄올을 공급 받아 이를 상기 혼합기에 재공급하기 위한 회수에탄올 저장기를 포함하여 이루어진 활성탄의 재생장치.
10. 제9항에 있어서, 상기 증류기가 상기 온도 제어수단에 의해 가열되는 활성탄의 재생장치.

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