KR100554125B1 - 폴리 할로겐화 화합물 제거용 물질 및 폴리 할로겐화 화합물 제거 방법 - Google Patents

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Abstract

목적은 활성탄의 결점 및 폴리올레핀의 결점을 방지하는, 폴리할로겐화 화합물들을 제거하기 위한 재료를 제공하는 것이다. 이 목적은, 폴리할로겐화 화합물들을 흡착하기에 적합한 충전재, 및 충전재가 그 안으로 완전히 편입되어 둘러싸여 있는 폴리올레핀으로 된 매트릭스로 구성된, 폴리 할로겐화 화합물들의 제거를 위한 재료의 이용에 의해 달성된다.

Description

폴리 할로겐화 화합물 제거용 물질 및 폴리 할로겐화 화합물 제거 방법{MATERIAL AND A METHOD FOR RETAINING POLYHALOGENATED COMPOUNDS}
본 발명은 청구항 1에 따른 충전재 및 폴리올레핀 매트릭스를 포함하며, 여기서 충전재는 폴리올레핀 매트릭스 안에 완전히 편입되어 둘러싸여 있는 재료를 폴리 할로겐화 화합물을 제거하기 위해 이용하는 것과 청구항 11에 따른 폴리 할로겐화 화합물의 제거 방법에 관한 것이다.
폴리 할로겐화 화합물들은 예컨대, 소각 공정에서, 특히 폐기물 소각장에서 형성되어 폐 가스와 함께 배출되는 폴리 염소화(다중 염소화) 디벤조-p-다이옥신 및 디벤조푸란(PCDD/F)이다. 독일 연방 공화국 입법부는 상기 화합물의 독성으로 인해 연방배출방지규정 17 조(17.BImSchV)에 폐기물 소각 시설로부터의 이 화합물들의 방출에 대한 상한치 0.1 ng TEQ/Nm3(TEQ = 독성 당량)를 설정했다. 소각 폐 가스 중 PCDD/F에 대한 이 상한치는 오늘날의 지식 수준으로서는 연소 조건을 최적화하는 것만으로는 유지될 수 없다. 따라서 소각 폐 가스 중 PCDD/F의 농도는 소각 시설 후단에 배치되는 추가의 연도 가스(flue-gas) 정제 장치에 의해 소정된 상한치 이하로 강하되어야한다.
현대 기술로, 소각 폐 가스 중 PCDD/F는 가급적 조속히 연도가스 정제 장치에서 제거된다. 이 제거는, 소각 후 바로 분진 함유 소각 폐 가스(조 가스)를, 첨가제의 사용과 함께 제진장치로 사용되는 직물 필터 상에서 고온도에서 특수 촉매에 의해(급속류 방법), 또는 직물 필터에 통합된 촉매(REMEDIA-방법, 고레 회사)에 의해 처리함에 의해 이루어진다. 정상 작동 과정에서, 이들 모든 방법에 따라, 명백하게 법제 소정 배출 한계치 0.1 ng TEQ PCDD/F/Nm3 이하인 소각 폐 가스 중의 PCDD/F 농도를 얻게된다. 그래서 추가의 폐 가스 경로에 PCDD/F의 분리를 위한 아무 추가의 장치도 필요하지 않다. 후단에 설치되는 추가의 연도 가스 정제 단계들(예로서 습식 세척 시스템)에는 PCDD/F가 대단히 소량밖에 부하되지 않는다.
상기한 연도 가스 정제 방법 이외에, 폴리 할로겐화 화합물들을 흡착 또는 흡수하는 성분을 포함하는, 소각 폐 가스 흐름에서 후단에 배치된 폐 가스 정제 시스템과 조합된 방법이 있을 수 있다.
유해 물질을 제거하기 위해 활성탄을 사용하는 것은 토마스 뢰저의 발표물인 "PCDD/F 감소를 위한 활성탄의 사용", 폐기물경제학지 4, (1992), 11호, 893-902 페이지로부터 알려져 있다. 여기에서는 특히 연도 가스 정제에서 수은 및 유기 염소 화합물의 억제에 활성탄이 특별히 적합하다는 것이 강조되어 있다. 그러나 이것은, 부하된 상태(laden state)에서는 활성탄이 수은으로 상당히 심하게 오염되고 따라서 제거를 위해 큰 비용이 들어야한다는 것을 의미한다. 그리고 적절한 시험에 의하면 습식 세척 시스템에서 활성탄을 사용하면 예컨대 상호 마찰에 의한 분진(dust)으로 인하여 세척수의 심한 오염이 야기되고 추가 여과기가 필요하게 된다는 것이 드러났다.
그런데 특히 탄소(C)에서의 PCDD/F의 흡착 결합은 매우 강해서, 습식 세척 시스템 내의 온도, 즉 최고 100℃에서 이미 흡착된 PCDD/F의 탈착이 거의 불가능 정도라는 것은 일반적으로 알려져 있다.
DE 44 25 658 C1에는, 배기 가스를 예컨대 폴리프로필렌(PP)과 같은 폴리올레핀을 포함하는 충전체들을 가진 고정 베드(fixed bed)로 통과시키는 폴리 할로겐화 화합물 제거 방법이 개시되어 있다. 이 경우, 연도 가스로부터 PCDD/F를 제거하기 위한 흡착 재료로서 PP가 특히 적합한 반면, 폴리올레핀은 수은을 흡수하지 않으므로 따라서 별도로 제거 분리되어야 한다는 것이 주목된다. 거기에 반해, 고정 베드의 입자들은 흡수된 폴리 할로겐화 화합물들의 탈착에 의해 재생될 수 있다.
특히 습식 세척 시스템을 구비한 폐기물 소각 시설에서는, PP가 통상적으로 재료로서 사용되나(예컨대 액적 분리체{drip precipitator}로서 또는 충전체로), 이와 관련한 문제점은 소각 폐 가스 중의 PCDD/F 함량이 작동 상태에 따라 변한다는 것이다. 최악의 경우에는, 소량의 농도로 습식 세척 시스템 내로 도입된 PCDD/F의 일부가 PP 내에 흡수되어 농축된다는 문제가 발생한다. 비-정상 작동시(정지 및 시동시, 오작동의 경우 등)에는, 연도 가스 중에 현저히 상승된 PCDD/F 농도가 예상된다. 그 결과 PP 성분에는 심하게 PCDD/F 오염이 유발 되며, 이것은 습식 세척 시스템의 장기간의 운전 후에는 PCDD/F가 PP 내에 심하게 농축화되고(concentrated), 그리하여 작동 상태가 조금만 변해도, 예컨대 온도 변동이 조금만 생겨도 즉각 PCDD/F가 탈착한다는 것을 의미한다. 즉 PCDD/F는 소각 폐 가스로부터 PP 내에 비가역적으로 고정되는 것이 아니라 온도 및 PCDD/F 농도에 심하게 의존하는 흡수-/탈착 평형이 일어난다.
기본적으로 PP로부터 PCDD/F의 탈착은, PP 성형체의 고정 베드(fixed bed)을 포함하며; 정제될 가스는 유체의 첨가 또는 응축 없이 이 고정 베드를 건조상태로 관류하는 정제 시스템에서도 일어난다.
저-염소화된(low-chlorinated) PCDD/F는 PP로부터 탈착하는 경향이 있고, 따라서 허용 가능한 TEQ 치의 가능한 초과의 한 원인이었다. 작동 상태에 따라, 습식 세척 시스템을 통과할 때 배출 가스 중 TEQ 치는 심지어 증가할 수 있다. 그래서 그런 시설에서는 연도 가스 정제 장치열의 끝에 PCDD/F 제거를 위한 추가 장치가 후단 설치되거나("경찰 여과기") 또는 습식 세척 시스템으로부터 PCDD/F의 방출이 방지되어야한다.
이와 관련하여 WO 98/41310에서는, 한 방법에서는 습식 세척 시스템의 세척수에 미세한 탄소 입자들(C-입자들)이 첨가되고, 다른 방법에서는 계면활성제(surfactant)가 첨가되는 두 방법의 병렬을 참조한다. 양 방법에서, 이들 첨가물은 소각 폐 가스로부터 PCDD/F를 제거하고, 이 방법으로 폐 가스 중 PCDD/F 농도를 신뢰성 있게 강하시킨다. 그러나 이 방법들은 추가의 계측 장치 및 포집 장치들을 필요로하고, 다시 말해서 이들이 복잡하게 공정에 개입하고, 슬러지 형성 또는 포말 형성에 의해 습식 세척 시스템의 성질들에 부정적 영향을 끼칠 수 있다. 더욱이, 양 방법에서 습식 세척 시스템 후 액적 분리가 부적합한 경우에는, PCDD/F로 농축된 미세한 입자들(C 입자들 또는 에어로졸 액적들)이 배기 흐름 중에 휩쓸려 방출되는 것도 배제될 수 없다.
이상에서 출발한 본 발명의 목적은, 상기한 활성탄의 결점뿐아니라 폴리올레핀의 결점도 방지하는, 폴리 할로겐화 화합물들 제거용 물질, 및 폴리올레핀에 기초하는 상기 재료를 예컨대 PCDD/F의 보유(제거)에 사용하는 방법을 제안하는 것이다.
이 목적은, 폴리 할로겐화 화합물을 흡착하기에 적합하고 폴리올레핀, 바람직하게는 폴리프로필렌(PP)으로 된 매트릭스 내에 완전히 둘러싸여 그 안에 완전히 편입되어 있는 충전재을 가진 재료(충전재-도프된{doped}-폴리프로필렌)의 이용에 의해 해결된다. 그런데 충전재는 바람직하게는 입자, 과립 또는 분말로 존재하고, 준균질적으로, 즉 균일하게 폴리올레핀-매트릭스의 체적 내에 분포되어 편입되는데, 거기에서 성분들로서 존재하는 충전재과 매트릭스가 재료를 형성한다. 이상적으로는 개별 충전재 입자들의 각각은 매트릭스에 의해 완전히 둘러싸이고 그래서 이상적으로는 재료의 성분들의 전체 표면이 폴리올레핀으로 구성된다.
본 발명에 의하면(청구항 1 및 11) 완전한 편입이라는 말은 폴리올레핀에 의해 충전재가 경제적 조건 하에서 바람직하게는 80 내지 100%로 기술적으로 가급적 완전히 결박, 포위 및 피복되는 것으로 이해하면 될 것이다. 유해물질의 적어도 주부분은 폴리올레핀 매트릭스를 통해 충전재에 확산 침입할 것이다. 폴리올레핀에 의한 충전재의 피복과 관련해서는, 재료는 대량으로 생산되고 사용되어야 한다는 것을 고려해야 할 것이다. 실험실 규모로는 완전한 피복이 성공될 수 있다 할지라도, 절대적인 완전한 피복은 해당하는 적정 대규모 공업적 방법으로는 가능하지 않다. 상기한 대규모의 공업적 방법에 의한 충전재 입자들의 폴리올레핀 내 편입시, 활성 탄소의 표면 영역이 폴리올레핀으로 피복되지 않는 것이 항상 다시 등장한다. 가정적으로, 그런 재료는 아마도 충전재의 분진을 포함하는 조흔(streak)를 생성할 것이다. 그러나 그런 재료 본 발명에 의한 목적에는 적합하다.
바람직하게는, 기계적 및 화학적 안정성 및 PCDD/F의 흡착에 관한 폴리올레핀의 탁월한 성질들이 추가로 보장되었을뿐 아니라, 재료로부터의 바람직하지 않은 PCDD/F의 탈착도 방지된다. 이것은, 특히 충전재의 흡착- 및 흡수 능력이 폴리올레핀 매트릭스의 그것들보다 더 강력할 때 명백하다. 이로 인하여, 폴리 할로겐화 화합물들의 탈착을 통하여 흡수 재료가 재생되는 것은 바람직하지 않다. 결과적으로, 문제점이 거의 없이, 따라서 낮은 비용으로, 연소에 의한 물질의 폐기를 위해서는, 모든 제거 물질들이 연소 과정에서 분해되도록 구성되어야 한다. 예컨대 수은과 같은 특정 문제성 물질의 제거는 바람직하지 않으며, 광범위하게 배제되어야 한다.
폴리 할로겐화 화합물들은 양호하게 폴리올레핀 내에 확산하고 체적으로 균일하게 편입, 즉 흡수되기 때문에, 정제될 폐 가스 또는 세척 유체와 직접 접촉하지 않는 충전제의 입자들이 폴리 할로겐화 화합물들의 흡수 또는 흡착을 접할 수 있다.
그런데 매트릭스 내에 편입된 충전재가 수은으로 부하되는 것을 방지할 수 있도록, 일반적으로는 폴리올레핀, 특수하게는 PP의 수은에 대한 확산 저지제로서의 성질은 유리하게 활용될 수 있다. 그래서 충전재의 흡착 용량은 전적으로 폴리 할로겐화 화합물을 부하하는데에 그대로 이용될 수 있다.
충전재로서는 특히 탄소 함유 물질들이 제공된다. 상기와 같이 할로겐화 화합물, 특히 PCDD/F의 탄소(C)에의 흡착 결합력은 특별히 강력하다. 그래서 폴리올레핀 매트릭스 내 충전 입자들로서는 특히 활성 탄소, 검댕 또는 미세 분쇄된 노 코크스가 적합하다.
폴리올레핀 매트릭스 내 충전재의 편입에 의해, 특히 충전재로서 탄소를 사용하는 경우, 바람직하게 탄소 성분으로부터의 분진(dust)이 감소되며, 따라서 서두에서 상기한 오염 경향을 크게 감소시킬 수 있다.
이러한 방식으로 도프된 폴리올레핀으로부터 정제 시스템의 수많은 구성 요소들을 제조할 수 있다. 그 경우 정제 시스템이 습식 시스템인지 또는 정제될 가스가 건조 상태로, 즉 응축 또는 액체의 첨가 없이 정제되는 시스템인지 하는 것은 중요하지 않다. 충전재 도프된 폴리올레핀에 대한 전형적 이용 분야는 폴리올레핀 대신에 충전재-도프된-폴리올레핀으로부터 추가 변형 없이 용이하게 제조되는, 고정 베드 내의 베드 물질의 통상적 중전체이다. 다른 것으로는, 비표면적, 작은 최대 재료 강도 및 전체 표면의 양호한 통전성을 가진 다른 충전체들도, 충전재-도프된-폴리올레핀으로부터 제조될 수 있다. 예컨대, 직물 매트, 섬유, 대팻밥, 박판 또는 사출 성형에 의해 제조된 성형 부재들이 포함된다.
소각 폐 가스 또는 세척수와 직접 접촉하고 있는, 액적 분리기, 관 외장 또는 기타 습식 세척 시스템의 구조적 부재와 같은 다른 성분들도 도프된 PP에 대한 이용 분야를 제공한다. 그리고 여태까지 PP로 제조되었던 구성 요소들도 유리한 방법으로 습식 세척 시스템을 구조적으로 근본적으로 변경시킴이 없이 도프된 PP로부터 제조될 수 있다. 이들 성분에는 (기체가) 통과해 흐를 수 있는 충전체를 위한 유지 부제(retaining element) 또는 용기들도 포함된다.
충전재-도프된 폴리올레핀을 사용할 때에는, 습식 세척 시스템에서 수행되는지 또는 응축 또는 액체의 첨가 없이 가스가 건조 상태로 통과할 수 있으며 성형체들의 고정 베드를 포함하는 정제 시스템에서 이용되는지 하는 것은 원칙적으로 별 차이가 없다.
충전재-도프된-폴리올레핀으로부터 구성 요소들(부재들)을 제조하기 위해서는 특히 사출 성형법이 이용된다. 충전재을 매트릭스 재료와 혼합하기 위해서는 특히 쌍 스크류 압출기가 사용된다. 위에 추천된 혼합 공정은 제조 공정에서 사출 성형 공정과 통합될 수 있다.
도 1은, 순수 PP 및 약 10 중량% C가 도프된 PP에서 여러 염소화 단계들을 갖는 여러 PCDD/F의 경우에 대한 대수 탈착도의 실시예에 대한 그래프이다.
이하의 실시예에서는 특히 PP의 흡수 성질이, 충전 물질로서의 탄소, 바람직하게는 활성 탄소, 검댕 또는 미분 노 코크스의 도입에 의해 개선되어 있다. PP 내 탄소의 함량은 0.1 내지 30 중량%의 범위에 있다. 특히 여기에서의 특별한 이점은 PCDD/F 억제의 신뢰성뿐 아니라 패킹된-베드 필터의 사용 수명도 상당히 상승된다는 데에 있다.
실시예는, 소각 폐 가스로부터, 예컨대 PCDD/F인 폴리 할로겐화 화합물의 정 제를 기재하고 있다.
도 1은 실시예에 관해, 순수 PP에서(도면의 좌측 막대) 그리고 약 10 중량% C가 도프된 PP에서(도면의 우측 막대) 여러 염소화 단계들을 갖는 여러 PCDD/F의 경우에 대한 %로 표시된 대수 탈착도(l)(PCDD/F의 탈착량 대 충전체 중의 PCDD/F의 총 부하량의 비)의 게재를 보여주고 있다. 데이터를 결정할 때 소정량의 PCDD/F로 부하된 충전체를 24 시간 동안 120℃를 가진 통과하는 250 Nl/시간의 공기 흐름 중에 노출시켰고 그렇게 하여 공기 흐름 속으로 탈착된 PCDD/F를 구하였다. PCDD/F의 염소화도에 의존하는 탈착도는 도 1에서 예시적으로 TCDF(2), PeCDF(3), HxCDF(4), HpCDF(5), OCDF(6), TCDD(7), PeCDD(8), HxCDD(9), HpCDD(10) 및 OCDD(11)에 대해 표시되어 있다. C-도프된 PP로부터의 탈착도는 도프되지 않은 PP에 비해 약 100 배 만큼 낮다는 것을 분명히 알 수 있다.

Claims (14)

  1. 폴리 할로겐화 화합물을 흡착하는 충전재 및 폴리올레핀 매트릭스를 포함하며, 상기 충전재가 상기 매트릭스 내부로 완전히 편입되어 둘러싸여 있는 것을 특징으로 하는, 폴리 할로겐화 화합물 제거용 물질.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 충전재가 탄소를 함유하는 것을 특징으로 하는 폴리 할로겐화 화합물 제거용 물질.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 충전재가 탄소 입자이며, 활성탄(activated carbon), 검댕(soot) 및 미세 분쇄된 노 코크스(hearth-furnace coke)로 구성된 그룹에서 선택되는 것을 특징으로 하는 폴리 할로겐화 화합물 제거용 물질.
  4. 제 1 항 내지 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 매트릭스의 폴리올레핀이 폴리프로필렌(PP)인 것을 특징으로 하는 폴리 할로겐화 화합물 제거용 물질.
  5. 제 1 항 내지 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 폐 가스 정제 시스템의 구성 요소 또는 충전체의 제조에 사용되는 것을 특징으로 하는 폴리 할로겐화 화합물 제거용 물질.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 구성 요소 또는 충전체는 직물 매트, 섬유, 깎인 부스러기(쉐이빙 또는 칩), 박판, 과립 또는 사출 성형에 의해 제조된 성형부재들인 것을 특징으로 하는 폴리 할로겐화 화합물 제거용 물질.
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 구성 요소가 폐 가스 정제 시스템의 충전체를 위한 유지 부재 또는 용기를 포함하는 것을 특징으로 하는 폴리 할로겐화 화합물 제거용 물질.
  8. 제 5 항에 있어서, 상기 폐 가스 정제 시스템이 습식 세척 시스템인 것을 특징으로 하는 폴리 할로겐화 화합물 제거용 물질.
  9. 제 5 항에 있어서, 상기 폐 가스 정제 시스템이, 응축 없이 또한 액체의 첨가 없이 가스가 건조 상태로 관류할 수 있는 성형체들의 고정 베드(fixed bed)를 포함하는 것을 특징으로 하는 폴리 할로겐화 화합물 제거용 물질.
  10. 제 5 항에 있어서, 상기 구성 요소는 사출 성형법을 통해 충전재를 매트릭스 재료와 혼합하기 위한 쌍 스크류 압출기를 사용하여 제조될 수 있는 것을 특징으로 하는 폴리 할로겐화 화합물 제거용 물질.
  11. 폴리 할로겐화 화합물들을 흡착하는 충전재 및 폴리올레핀 매트릭스를 포함하며, 상기 충전재가 상기 매트릭스의 내부에 완전히 편입되어 둘러싸인 물질을 사용하는 폴리 할로겐화 화합물 제거 방법.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 충전재는 폴리 할로겐화 화합물들에 대한 흡착 성질을 가진 탄소(C)로 구성되어 있고 폴리 올레핀 내의 탄소 함량은 0.1 ~ 30 중량% 범위에 있는 폴리 할로겐화 화합물 제거 방법.
  13. 제 11 항 또는 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 탄소가 활성탄, 검댕 또는 미소 분쇄된 노 코크스를 포함하는 폴리 할로겐화 화합물 제거 방법.
  14. 제 11 항 내지 12항 중 어느 한 항에 있어서, 소각 폐 가스를 정제하기 위하여 습식 세척 시스템이 사용되는 것을 특징으로 하는 폴리 할로겐화 화합물 제거 방법.
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