KR100337183B1 - 활성탄에 흡착된 휘발성 용제의 회수 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 활성탄에 흡착된 휘발성 용제의 회수를 위한 장치 및 방법에 관한 것으로서, 그 장치는 히터나 열풍에 의하여 가열되고, 내부에 시료를 안착시키기 위한 배스캣과 온도 제어를 위한 온도 센서가 구비되고, 상부에는 운반 기체의 유입관이 있고, 하부에는 진공 펌프와 연결된 감압관이 있는 반응기; 상기 반응기를 통해 활성탄으로부터 탈리된 용제의 온도를 하강시키는 열교환기; 상기 열교환기에 연결되고, 상기 반응기의 하부의 감압관을 통하여 반응기내의 압력을 감압하는 진공 펌프; 물을 담고 있으면서, 상기 진공 펌프를 통과한 기체상의 용제를 물로 식혀서 액체상으로 변환시키고, 변환된 액체상의 용제를 상단부에 모이도록 하는 유수분리기; 및 상기 유수분리기의 상단부로부터 배출되는 액체상의 용제를 증류 공정을 위하여 저장하는 저장 탱크를 포함하는 것을 특징으로 하고, 그 방법은, 휘발성 용제가 흡착된 활성탄을 반응기내의 압력이 300㎜Hg 이하인 상태에서 150℃∼350℃로 10분∼60분 가열하는 반응 단계; 및 상기 반응 단계를 통해 활성탄으로부터 탈리된 용제의 온도를 하강시켜 액상으로 변화시키고 물과의 비중차이를 이용해 분리하여 배출시키는 용제회수단계를 포함하는 것을 특징으로 하며, 상기 방법은 공기를 운반기체로 사용하는 것을 특징으로 하므로, 종래 기술에서와 같이, 고온 고압의 수증기를 발생시키기 위한 보일러와 같은 장비가 필요하지 않다. 또한, 감압 효과로 활성탄의 재생율을 높일 수 있었으며, 기체상의 용제를 액체상으로 변화시켜 분리한 후, 증류에 의하여 회수함에 의하여 고가의 용제를 재사용할 수 있도록 하는 장점이 있다.

Description

활성탄에 흡착된 휘발성 용제의 회수 장치 및 방법{Appratus and Method for Recovering Volatile Solvents Adsorbed in Activated Carbon}

본 발명은 휘발성 용제의 회수 방법 및 그 장치에 관한 것으로서, 특히 휘발성 용제가 흡착된 활성탄을 감압하 가열한 후 회수공정을 거치게 함으로써 저비용으로도 고효율로 용제를 회수할 수 있도록 하는 방법에 관한 것이다.

휘발성 오염물질(VOC)인 BTX(Bengene, Toluene, Xylene)는 고부가가치의 유기용제이므로 BTX가 오염물 제거과정에서 사용된 활성탄에 흡착되어 있다면 이를 활성탄으로부터 회수하여 재이용하는 것이 바람직하다. 이 과정에서 활성탄 역시 재이용할 수 있게 되므로, 경제적으로 큰 이익을 얻을 수 있을 것이다.활성탄은 전 산업 분야에 걸쳐 광범위하게 적용되고 있으며, 전자, 철강 산업 등에서는 순수 및 초순수의 용수를 생산하는 목적으로, 기타 산업 분야에서는 용제 회수, 폐수 처리, 대기 오염 물질의 처리 등의 목적으로 광범위하게 사용하고 있다.

특히 화학 분야에서는 용제 회수, 휘발성 유기 화합물(VOC)의 제거, 재이용을 위한 냉각수 처리, 폐수 처리에 이용되며, 특히 제품 생산 및 정제 과정에서 발생하는 다량의 난분해성 유기 물질을 흡착 처리하는 목적으로 많은 양이 사용되고 있다.

그러나, 활성탄 자체가 톤당 80만원 내지 1,000만원에 이르는 고가이므로 업계의 부담이 가중될 것으로 판단된다.

또한, 폐활성탄은 유해한 물질을 흡착 보유하고 있으므로 환경적 위해성이 높기 때문에 일부는 지정폐기물로 관리되고 있어서, 별도의 고도처리시설을 갖추어야하며, 이로 인해 처리 비용이 높게 된다.

따라서, 경제성을 높이고 또한 환경친화적인 방법으로 폐활성탄의 재이용 방법에 관심이 고조되고 있다.

종래에 보편적으로 알려지고 있는 폐활성탄의 재생 방법으로는, 유기 용매를 사용하는 방법으로서, 설치 운영비가 높고, 2차 오염 물질의 발생량이 높아서 경제성이 부족하다. 반면에 열재생 기술은 처리 공정이 비교적 단순하여 경제성이 뛰어난 것으로 알려져 있으나, 그 기술 수준이 초보 단계에 불과하여 피흡착물의 특성에 근거한 재생 조건을 선정하지 못하고 활성탄의 제조 공정인 900℃ 이상에서 수증기로 가스화하는 공정을 그대로 적용하고 있는 실정이다.

본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명에서는 화학 산업에서 다량 배출되는 휘발성 오염 물질인 BTX(Benzene, Toluene, Xylen)등이 흡착된 폐활성탄으로부터 BTX를 효과적으로 탈리시켜 BTX 및 활성탄 모두를 재이용할 수 있는 회수 공정 및 그 장치를 제공하고자 하는 것이다. 특히, 본 발명은 비용을 낮추기 위한 재활용에 목적이 있는 만큼, 새제품을 사용하는 것보다는 재활용시의 비용이 더 적게 들어야 하므로 최대한 비용을 절감할 수 있는 회수 방법 및 장치를 제공하는 것이다.

도1은 본 발명에서 적용한 열탈착 재생 모델을 설명하는 도면,

도2는 본 발명에 의한 휘발성 용제의 회수장치의 구성도,

도3은 시료를 안착시키기 위한 배스캣의 상세도.

* 도면의 주요한 부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 반응기 20 : 히터

30 : 배스캣 31 : 구멍

40,41 : 열전도대 42 : 예열기

50 : 열교환기 60 : 진공펌프

70 : 유수상단기 80 : 저장 탱크

90 : 제어패널

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 활성탄에 흡착된 휘발성 용제의 회수 장치는, 히터나 열풍에 의하여 가열되고, 내부에 시료를 안착시키기 위한 배스캣과 온도 제어를 위한 온도 센서가 구비되고, 상부에는 운반 기체의 유입관이 있고, 하부에는 진공 펌프와 연결된 감압관이 있는 반응기; 상기 반응기를 통해 활성탄으로부터 탈리된 용제의 온도를 하강시키는 열교환기; 상기 열교환기에 연결되고, 상기 반응기의 하부의 감압관을 통하여 반응기내의 압력을 감압하는 진공 펌프; 물을 담고 있으면서, 상기 진공 펌프를 통과한 기체상의 용제를 물로 식혀서 액체상으로 변환시키고, 변환된 액체상의 용제를 상단부에 모이도록 하는 유수분리기; 및 상기 유수분리기의 상단부로부터 배출되는 액체상의 용제를 증류 공정을 위하여 저장하는 저장 탱크를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 의한 활성탄에 흡착된 휘발성 용제의 회수 방법은, 휘발성 용제가 흡착된 활성탄을 반응기내의 압력이 300㎜Hg 이하인 상태에서 150℃∼350℃로 10분∼60분 가열하는 반응 단계; 및 상기 반응 단계를 통해 활성탄으로부터 탈리된 용제의 온도를 하강시켜 액상으로 변화시키고 물과의 비중차이를 이용해 분리하여 배출시키는 용제회수단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하에서 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 의한 휘발성 용제의 회수 방법 및 그 장치를 상세하게 설명하고자 한다.

먼저, 석유 화학 공정에서 배출되는 폐활성탄에서 가장 탈착하기 힘든 오염 물질을 선정한다. 이와 같이, 가장 탈착하기 어려움 오염 물질을 토대로 재생 조건을 제시하면 그 이하의 오염 물질들에 대하여도 적용할 수 있다.

본 발명에서는 대표적인 휘발성 오염 물질(VOCs)인 BTX 중에서 가장 처리하기 힘든 p-Xylene을 피흡착물질로 선정하여 기타 다른 휘발성 오염 물질에도 적용 범위를 확대할 수 있도록 한다. p-Xylene은 Bezene(M.W:78.11g/mol, b.p:353.24K)이나 Toluene(M.W:92.14g/mol, b.p:383.8K)에 비하여 분자량(M.W)이 106.17g/mol이고, 끓는점(b.p)이 417.6K로 훨씬 높아서 가장 탈착하기 힘든 물질로 알려져 있다. 따라서, p-Xylene이 흡착된 폐활성탄을 재생할 수 있는 최적의 저온 반응 조건을 도출한다면 그 이하의 오염 물질에 대해서도 적용할 수 있다.

도1은 본 발명에서 적용한 열탈착 재생 모델을 설명하는 도면이다.

열탈착 재생 모델은 외부에서의 탈착에 필요한 에너지 공급으로 인하여 오염 물질과 활성탄 사이의 약한 물리적 결합이 끊어지면서 동시에 오염 물질이 탈착되는 현상이다. 활성탄에 흡착되는 오염물질이 BTX와 같이, 휘발성이 강한 물질인 경우에 이러한 열탈착 모델이 적용된다.

도2는 본 발명에 의한 휘발성 용제의 회수 장치의 구성도이다.

본 발명에 의한 휘발성 용제의 회수 장치는 종래 기술에 비하여, 첫째, 활성탄의 재생 성능을 향상, 둘째, 활성탄 손실의 최소화, 셋째, 장치의 단순화, 넷째, 고부가가치 용제의 회수에 주안점을 둔 것이다.

도2에 도시된 휘발성 용제의 회수 장치는 크게 반응부, 감압부 및 용제회수부로 구분된다.

반응부는 SUS 304S가 재질인 원통형 반응기(10) 주변으로 히터(20)가 내장되어 있는 단열재가 둘러 싸여 있고, 원통형 반응기 내부에는 시료를 안착시킬 수 있는 배스캣(basket)(30)과 온도 제어를 위한 열전도대(40)가 장착되어 있다.

본 발명에 의한 휘발성 용제의 회수 장치에서는 900℃이상의 고온, 고압의 수증기를 사용하지 않기 때문에 보일러와 같은 장비가 필요하지 않고, 대신에 히터나 열풍을 사용하여 150∼350℃로 가열하고, 진공 펌프(60)에 의하여 감압한다.

도3은 시료를 안착시키기 위한 배스캣의 상세도이다.

도3에 도시된 바와 같이, 배스캣(30)은 지름 3㎜의 구멍(31)이 다수 뚫려있어서 반응기(10)의 하부에 연결된 진공 펌프(60)에 의한 감압이 원활하게 일어나도록 한다. 원통형 반응기(10)의 상하부는 분리가 가능하도록 플랜지 형태로 되어 있으며, 상부는 운반 기체가 유입되도록 유입관이 연결되어 있고, 하부에는 압력을 하강시킬 수 있도록 진공 펌프와 이어진 감압관이 연결되어 있다.

원통형 반응기(10) 내부와 예열기(42)에 설치되어 있는 열전도대(40,41)는 온도를 감지하여 제어패널(90)로 값을 전송한다. 전송된 값은 PID 제어기를 이용하여 온도를 설정값에 맞도록 제어한다.

본 발명에서는 운반 기체로서 공기 또는 질소를 사용할 수 있고, 운반 기체의 유량은 Re(Reynolds)수 50 이하로 한다. 반응기(10)의 온도는 150℃ 내지 350℃로 조절하고, 재생 시간은 10분∼60분 정도로 한다.

감압부는 열교환기(50)와 진공 펌프(60)를 포함한다. 원통형 반응기(10)에 연결된 관을 통하여 탈착된 오염 물질은 열교환기(50)를 지나면서 온도가 하강되고, 진공 펌프(60)를 통과한 후 물이 차 있는 유수분리기(Decanter)(70)의 하단부로 공급된다. 감압 조건은 300㎜Hg 이하로 한다.

용제회수부는 유수분리기(70)와 저장 탱크(80)로 구성된다. 진공 펌프(60)를 통과한 용제 가스는 유수분리기(70)에서 급속히 온도가 하강되어 액상으로 변하고, 물과의 비중 차이로 유수분리기(70)의 상단에 모이게 된다. 유수분리기(70)의 상단부에 관을 통하여 배출된 용제는 저장 탱크(80)로 옮겨진 후 비등점 차이를 이용한 증류 방법으로 회수된다.

이러한 용제회수부는 대기로 배출되어 버려질 수 있는 고가의 용제를 회수할 수 있는 기능을 한다.

다음은 본 발명에 의한 휘발성 용제의 회수 장치를 이용한 휘발성 용제의 회수 방법의 구체적인 실시예들이다.

도2에 도시된 회수 장치에서, 실험 시료로서 p-Xylene이 흡착된 폐활성탄을 사용하고, 반응기의 온도는 200℃, 반응 시간은 20분, 운반 기체는 사용하지 않거나, 질소 또는 공기로 하고 기체의 유량은 Re수 1이하로 하였다.

제1실시예는 질소를 운반 기체로 사용하고, 감압을 하지 않은 경우이고, 제2실시예는 공기를 운반 기체로 사용하고, 갑압을 하지 않은 경우이고, 제3실시예는 운반 기체를 사용하지 않고 감압(300㎜Hg, 50㎜Hg)한 경우이고, 제4실시예는 질소를 운반 기체로 사용하고, 감압(300㎜Hg, 50㎜Hg)한 경우이고, 마지막으로 제5실시예는 공기를 운반 기체로 사용하고, 감압(300㎜Hg, 50㎜Hg)한 경우이다.

다음의 표 1은 각 실시예에 의하여 재생된 폐활성탄과 신탄의 겉보기 밀도, PNP값, 요오드값, MB값을 나타낸 것이다.

실시예	겉보기밀도(㎏/㎥)	PNP값(㎎/g)	요오드값(㎎/g)	MB값(㎎/g)
제1실시예	0.45	86.34	650	160.60
제2실시예	0.47	90.75	640	156.09
제3실시예	300㎜Hg	0.45	102.61	700	188.87
	50㎜Hg	0.46	114.04	740	175.87
제4실시예	300㎜Hg	0.45	118.47	800	147.22
	50㎜Hg	0.45	114.59	770	166.98
제5실시예	300㎜Hg	0.44	120.04	700	160.64
	50㎜Hg	0.43	126.18	820	162.39
신탄	0.41	134.65	870	154.32

· 겉보기 밀도: 활성탄의 재생 정도를 간접적으로 판단할 수 있는 자료로서 밀도가 신탄보다 높은 경우, 오염 물질의 잔류량을 의미하며, 밀도가 신탄보다 작은 경우 활성탄 자체가 재생 도중 손실되거나 산화되었음을 나타냄.

·PNP 값: 저분자 물질에 대한 흡착 지표, 흡착 공극의 유효 직경<0.5㎚.

·요오드 값: 저분자 물질에 대한 흡착 지표, 흡착 공극의 유효 직경<1㎚.

·MB 값: 고분자 물질에 대한 흡착 지표, 흡착 공극의 유효 직경>1.5㎚.

표 1에서 보이는 바와 같이, 질소 또는 공기를 운반 기체로서 사용하고 감압하지 않는 경우에는 재생된 활성탄의 성능은 큰 차이가 없었으나, 운반 기체를 사용하거나 또는 사용하지 않거나 감압을 하는 경우에는 감압을 하지 않는 경우에 비하여 재생 효과가 우수하며, PNP 값과 요오드 값이 약 30∼40% 향상됨을 알 수 있다. 특히, 공기를 운반 기체로 사용하고, 감압하는 경우(제5실시예)가 가장 우수한 재생 효과를 나타냈다.

본 발명에 의한 휘발성 용제의 회수 방법 및 그 장치에서는 저온에서 열풍을 이용하여 열탈착 반응을 하도록 하므로, 종래 기술에서와 같이, 고온 고압의 수증기를 발생시키기 위한 보일러와 같은 장비가 필요하지 않다. 또한, 감압 효과로 활성탄의 재생율을 높일 수 있었으며, 기체상의 용제를 액체상으로 변화시켜 분리한 후, 증류에 의하여 회수함에 의하여 고가의 용제를 재사용할 수 있으므로 고부가가치의 휘발성 용제와 활성탄 모두를 재이용할 수 있도록 하는 장점이 있다.

Claims (6)

1. 히터나 열풍에 의하여 가열되고, 내부에 시료를 안착시키기 위한 배스캣과 온도 제어를 위한 온도 센서가 구비되고, 상부에는 운반 기체의 유입관이 있고, 하부에는 진공 펌프와 연결된 감압관이 있는 반응기;

   상기 반응기를 통해 활성탄으로부터 탈리된 용제의 온도를 하강시키는 열교환기;

   상기 열교환기에 연결되고,상기 반응기의 하부의 감압관을 통하여 반응기내의 압력을 감압하는 진공 펌프;

   물을 담고 있으면서, 상기 진공 펌프를 통과한 기체상의 용제를 물로 식혀서 액체상으로 변환시키고, 변환된 액체상의 용제를 상단부에 모이도록 하는 유수분리기; 및

   상기 유수분리기의 상단부로부터 배출되는 액체상의 용제를 증류 공정을 위하여 저장하는 저장 탱크를 포함하는 것을 특징으로 하는활성탄에 흡착된 휘발성 용제의 회수 장치.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,

   상기 반응기 내의 시료를 안착하기 위한 배스캣은, 상기 진공 펌프에 의하여 반응기내의 감압이 원활하게 이루어지도록, 배스캣의 하부에 다수의 구멍이 뚫려있는 것임을 특징으로 하는 활성탄에 흡착된 휘발성 용제의 회수 장치.
4. 활성탄에 흡착된 휘발성 용제를 회수하기 위한 방법으로서,

   휘발성 용제가 흡착된 활성탄을반응기내의 압력이 300㎜Hg 이하인 상태에서 150℃∼350℃로 10분∼60분 가열하는 반응 단계; 및

   상기 반응 단계를 통해 활성탄으로부터 탈리된 용제의 온도를 하강시켜 액상으로 변화시키고 물과의 비중차이를 이용해 분리하여 배출시키는 용제회수단계를 포함하는것을 특징으로 하며,

   상기 방법은 공기를 운반기체로 사용하는 것을 특징으로 하는 활성탄에 흡착된 휘발성 용제의 회수 방법.
5. 삭제
6. 제4항에 있어서, 운반 기체의 유량은 운반 기체의 Re수를 50 이하로 하는 것임을 특징으로 하는 활성탄에 흡착된 휘발성 용제의 회수 방법.