KR100482223B1 - 나트륨이 담지된 활성탄 흡착제를 이용한 다이옥신 제거방법 - Google Patents

나트륨이 담지된 활성탄 흡착제를 이용한 다이옥신 제거방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 나트륨이 담지된 활성탄 흡착제를 이용하여 다이옥신을 제거하는 방법에관한 것으로,
분말 활성탄에 활성탄 흡착제의 중량을 기준으로 수산화나트륨 1.2-10.9중량%를 담지시켜 활성탄 흡착제를 제조하는 단계;
상기 활성탄 흡착제를 배연내에 연속적으로 취입하거나 슬러리상으로 분무하는 단계; 및
다이옥신이 흡착된 활성탄 입자를 집진 제거하는 단계;로 이루어지는 다이옥신을 흡착시켜 제거하는 방법이 제공된다.
본 발명에 의하면, 분말 활성탄에 나트륨을 담지시킴으로써 흡착점의 담지 및 흡착 속도가 증가하며, 체류 시간이 짧은 경우에도 매우 효과적인 것이다.

Description

나트륨이 담지된 활성탄 흡착제를 이용한 다이옥신 제거 방법{A METHOD FOR REMOVING DIOXINS USING SODIUM SUPPORTED ACTIVATED CARBON ABSORBENTS}
본 발명은 나트륨이 담지된 활성탄 흡착제를 이용한 다이옥신 제거 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 나트륨이 담지된 활성탄 흡착제를 제조하고 이를 이용하여 연소 및 소각 공정, 나아가 각종 배연내에 함유된 다이옥신을 효율적으로 제거할 수 있는 방법에 관한 것이다.
현재 각종 쓰레기 소각로, 철강 공정의 소결로 및 전기로등으로부터 발생하는 다이옥신을 제거하기 위해 상업적으로 가장 널리 사용하는 방법은 분말 활성탄을 배연내에 일정량 취입시켜 배연과 함께 흘리면서 처리하는 방법이다.
이와 같이 분말 활성탄을 배연내로 주입시키기 위해서는 배관내로 공기를 이용하여 건조 분말을 취입하거나 혹은 활성탄 분말을 그자체 또는 타 첨가제(예를 들면 수산화칼슘 분말)와 함께 물과 혼합하여 슬러지상을 제조한 후 반-건식 반응기내로 분무하는 방식이 채택되고 있다.
상기와 같이 주입된 활성탄은 배관 및 반응기들을 통과하면서 다이옥신을 흡착 제거하게 되며, 그후 집진기를 통과하면서 집진되어 배연으로부터 다이옥신을 제거하게 된다.
이와같이 분말 활성탄을 이용한 다이옥신 제거 기술은 그 제거 효율이 우수하며 적용 방법이 비교적 간단하기 때문에 가장 널리 사용되고 있는 기술이지만, 실용적인 측면에서 볼 때 흡착제로 사용되고 있는 분말 활성탄의 가격이 매우 고가이므로 실질적으로 충분한 양의 활성탄을 사용하는데는 경제적인 제약이 뒤따른다.
이에 본 발명의 목적은 종래에 사용되고 있는 활성탄 표면을 개질시켜 다이옥신을 효율적으로 제거하는 방법을 제공하려는데 있다.
본 발명에 의하면,
분말 활성탄에 활성탄 흡착제의 중량을 기준으로 수산화나트륨 1.2-10.9중량%를 담지시켜 활성탄 흡착제를 제조하는 단계;
상기 활성탄 흡착제를 배연내에 연속적으로 취입하거나 슬러리상으로 분무하는 단계; 및
다이옥신이 흡착된 활성탄 입자를 집진 제거하는 단계;로 이루어지는 나트륨이 담지된 활성탄 흡착제를 이용하여 다이옥신을 제거하는 방법이 제공된다.
이하, 본 발명에 대하여 설명한다.
본 발명자들은 다이옥신의 경우 화학 구조상 염소 원자를 1-8개 가지므로, 이와같은 염소기를 갖는 화합물의 경우에는 알칼리 금속, 가령 나트륨과 같은 원소가 흡착제 표면에 존재하게 되면 이 금속에 강하게 흡착하여 초기 흡착 속도를 증대시킴으로써 짧은 체류 시간내에 흡착 용량의 증가를 도모할 수 있다는 점에 착안하여 분말 활성탄을 알칼리 처리함으로써 활성탄의 다이옥신 흡착 능력을 향상시킬 수 있다는 것을 발견하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
또한 본 발명자들이 실험한 바로는 상기와 같은 활성탄에 담지시키는 알칼리로서는 나트륨을 담지시키는 것이 가장 적합하다는 것을 발견하였다. 즉 칼륨이나 칼슘 등으로 알칼리 처리하는 경우에는 오히려 활성탄의 흡착능을 저하시키게 되는 바, 이는 이들 알칼리 금속의 경우에는 활성탄의 미세 기공을 막아버림으로써 다이옥신과 같은 피흡착 물질의 확산을 방해하기 때문인 것으로 여겨진다.
이에 본 발명에서는 활성탄에 수산화나트륨을 담지시켜 다이옥신 흡착 용량을 증가시키고 흡착 속도에 증가를 꾀한다. 이때 사용하는 활성탄으로는 이에 한정하는 것은 아니나, 종래 기술에서도 사용되는 200mesh이하의 분말 활성탄을 사용하는 것이 좋다.
상기 분말 활성탄에 수산화나트륨을 담지하여 슬러리상으로 만든다. 상기 수산화나트륨 담지량은 활성탄 흡착제의 중량을 기준으로 1.2-10.9중량%인 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 3.5-7.9중량%이다. 이때 상기 범위를 벗어나게 되면, 활성탄 흡착시 추가 흡착점을 제공하는 효과가 미약하며 또한 상기 범위를 초과하는 경우에는 활성탄의 미세 기공을 막아버려 표면적을 감소시키는 역효과를 낳으므로 바람직하지 않다.
이와 같이 제조된 나트륨이 담지된 활성탄 흡착제는 그자체로 처리하고자 하는 배관내에 연속적으로 취입하거나 슬러리 상태로 연속적으로 분무함으로써 배연내 다이옥신을 효과적으로 흡착시킬 수 있다.
또한 이와 같은 처리에 의하여 다이옥신이 흡착된 활성탄 입자는 집진기를 통하여 집진시킴으로써 처리할 수 있다.
한편, 본 발명의 방법에 의해 제조된 활성탄 흡착제는 수산화나트륨의 첨가에 의해 추가 흡착점을 제공하게 되므로, 다이옥신 뿐만 아니라 염소기를 갖는 유기 화합물을 제거하는 경우에도 흡착 속도 및 흡착 용량을 증가시킬 수 있어 적용가능하며, 이뿐만 아니라 초기 흡착 속도가 매우 빠르므로 체류 시간이 짧을 경우에도 매우 효과적이다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다.
실시예
하기 실시예는 나아가 본 발명의 다양한 견지를 예시하는 것으로, 본 발명의 범위를 이에 한정하는 것은 아니다.
<실시예 1>
본 실시예는 나트륨을 활성탄에 담지시킬 때 다이옥신 흡착량이 증가하는지 여부를 알아보기 위한 모의 실험이다.
우선 현재 소각로에서 다이옥신 흡착제로서 사용중인 분말 활성탄(Calgon사제) 36g에 0.5N NaOH 수용액 110㎖를 첨가하여 슬러리상으로 제조하였다.
그후 약 10분간 혼련시킨 다음 80℃오븐에 재치시키고 충분히 건조한 후 분말 상태로 파우더링한 후 200mesh 체로 걸러 거의 전량을 회수하였다. 회수한 분말은 사용전까지 데시케이터에 보관하였다.
이와같이 하여 제조된 활성탄에 담지된 나트륨 양을 알아보기 위하여, 원자 흡수법(atomic absorption법)을 사용하여 측정한 결과, 3.2중량%로서 계산값(3.3중량%)과 매우 잘 일치하였다.
한편 피착물질로는 다이옥신과 유사하게 벤젠과 염소기를 함유하고 서로 유사한 흡착 특성을 갖는 것으로 알려진 1,2-디클로로벤젠을 사용하였다.
이와 같이 제조된 활성탄 흡착제의 다이옥신 흡착 시험을 반응기와 전기 히터, 처리하고자 하는 배연 주입기 및 기화기로 이루어지는 장치를 이용하여 수행하였다.
본 발명에서는 재질이 석영이며, 그 하부에는 석영으로 제작된 다공판을 부착하여 입자의 지지 및 가스 분산이 용이하도록 구성된 반응기를 사용하였다.
우선 상기 반응기내에 활성탄 5g을 충진시킨 다음, 질소를 반응기내로 흘리면서 반응기 외벽의 가열로를 이용하여 대략 배연의 온도로 추정되는 150℃까지 조절한 다음, 디클로로벤젠을 마이크로적정기를 이용하여 반응기내에 주입하였다. 이때 주입된 디클로로벤젠은 주입후 반응기 전단의 기화기를 통하여 완전기화되어 차후 반응을 수행하였다.
그후 반응시간 경과에 따른 흡착량의 변화를 알아보기 위하여, 배출된 디클로로벤젠 농도를 가스 크로마토그래피를 이용하여 측정하였으며, 각 활성탄별 흡착량을 흡착파과곡선으로부터 환산해내었다. 그 결과를 하기표 1에 나타내었다.
흡착제 종래의 분말 활성탄 본 발명에 의한 나트륨 담지 분말 활성탄
흡착량(mg/g) 149 289
상기표 1에서 알 수 있듯이, 수산화나트륨을 적정량 첨가함에 의해 활성탄의 디클로로벤젠에 대한 흡착량이 2배정도 크게 증가함을 확인할 수 있다. 이는 상기한 바와 같이, 활성탄 표면에 알칼리 금속이 존재함으로써 염소 함유 화합물인 디클로로벤젠에 대한 추가 흡착점을 제공하기 때문임을 입증하는 것이다.
한편, 상기 결과로부터 본 발명의 알칼리 처리로 인하여 염소기를 함유하고 있는 다이옥신에 대한 흡착 능력에 있어 개선을 가져올 수 있다는 것을 확인할 수 있다.
<실시예 2>
본 실시예는 수산화나트륨의 적정 첨가량을 결정하기 위한 것으로서, 사용하는 흡착제는 분말상이다.
수산화나트륨의 첨가량을 하기표 2에 기재한 바와 같이 활성탄 흡착제를 기준으로 1.2-10.9중량% 범위내에서 변화시키면서 1,2-디클로로벤젠의 흡착량 변화를 관찰한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 실험을 반복하고 그 결과를 하기표 2에 함께 나타내었다.
흡착제 종래 분말 활성탄 본 발명에서 나트륨 담지된 분말 활성탄을 제조하기 위해 사용된 수산화나트륨 첨가량(Na 담지량)(%)
1.2 (0.7) 2.3 (1.3) 3.5 (2.0) 4.5 (2.6) 5.7 (3.3) 7.9 (4.5) 10.9 (6.2) 15.5 (8.9) 19.5 (11.2)
흡착량 (mg/g) 149 162 185 206 230 289 255 189 172 162
상기표 2에서 알 수 있듯이, 수산화나트륨 첨가량이 5.7%인 것까지는 첨가량이 증가함에 따라 디클로로벤젠의 흡착량이 크게 증가하며, 그이상 첨가할 경우에는 흡착량이 되려 감소하는 특성을 보이고 있다.
이는 일정량의 알칼리를 첨가할 경우에는 흡착점 증가로 인하여 흡착량이 증가하는 효과를 얻게 되지만, 일정 한도 이상 나트륨을 담지시킬 경우에는 과량의 알칼리 금속이 활성탄의 미세 기공을 막음으로써 총 흡착량이 감소하는 경향을 보이는 것으로 여겨진다.
따라서 본 발명에서 수산화나트륨의 적정 첨가량은 활성탄 흡착제를 기준으로 1.2-10.9중량%이고, 보다 바람직하게는 3.5-7.9중량%인 것이다.
<실시예 3>
본 실시예는 본 발명의 방법에 의해 제조된 나트륨 담지 활성탄을 실제 소각로 배연의 다이옥신 흡착제로 적용한 결과를 나타낸다.
본 실시예에서 대상으로 하는 소각로는 50톤/일 용량인 것으로, 복합 폐기물 처리용 시설이다. 대상 소각로에 대한 활성탄 주입 시험은 실시예 1 및 2에서 사용한 종래의 분말 활성탄과 여기에 나트륨을 3.3% 담지한 활성탄을 대상으로 실험하였으며, 배연내 초기 다이옥신 함량은 2ng였다.
처리하려는 배연 1Nm3당 활성탄을 50mg, 100mg 및 200mg 투입시 다이옥신 제거 흡착 시험을 수행하고, 다이옥신 배출 농도를 하기표 3에 나타내었다.
처리하려는 배연당 흡착제(mg/N㎥) 종래의 분말 활성탄 사용시 다이옥신 배출 농도(ng I-TEQ/N㎥) 본 발명의 나트륨 담지시 다이옥신 배출 농도(ng I-TEQ/N㎥)
50 0.196 0.062
100 0.071 0.016
200 0.037 0.005
*ng I-TEQ/Nm3: 독성 환산 농도
상기표 3에서 보듯이, 본 발명에 의해 제공되는 흡착제는 다이옥신 흡착제가 성능면에서 종래의 활성탄보다 매우 유사함을 알 수 있다. 가령 종래 분말 활성탄 50mg/Nm3을 주입하는 경우만을 놓고 보더라도 다이옥신 배출 농도가 약0.2ng I-TEQ/Nm3인데 반하여, 본 발명에 의한 활성탄을 사용할 경우에는 약0.06ng I-TEQ/Nm3 인 바, 종래 발명보다 훨씬 우수한 흡착능을 보이는 것이다.
또한 다이옥신을 최근의 규격치인 0.1ng I-TEQ/Nm3정도 배출시키는 것을 목표로 할 경우에 활성탄의 주입량을 종래의 분말 활성탄과 비교해서 크게 감소시킬 수 있기 때문에 매우 경제적인 것이다.
상기한 바에 따르면, 분말 활성탄에 나트륨을 담지시킴으로써 활성탄 흡착점의 담지 및 흡착 속도를 증가시켜 다이옥신의 흡착 용량을 경제적으로 개선시킬 수 있다.

Claims (2)

  1. 분말 활성탄에 활성탄 흡착제의 중량을 기준으로 수산화나트륨 1.2-10.9중량%를 담지시켜 활성탄 흡착제를 제조하는 단계;
    상기 활성탄 흡착제를 배연내에 연속적으로 취입하거나 슬러리상으로 분무하는 단계; 및
    다이옥신이 흡착된 활성탄 입자를 집진 제거하는 단계;로 이루어지는 나트륨이 담지된 활성탄 흡착제를 이용하여 다이옥신을 제거하는 방법
  2. 제1항에 있어서, 상기 분말 활성탄에 수산화나트륨을 활성탄 흡착제의 중량을 기준으로 3.5-7.9중량%를 담지시킴을 특징으로 하는 방법.
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