KR100704988B1 - 마이크로파를 이용한 흡착­탈착 공정으로 폐수를처리하는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 마이크로파를 이용한 흡착­탈착 공정으로 폐수를 처리하는 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 흡착법을 이용하여 폐수중에 함유된 폐수 처리시 흡착내에 충진된 흡착제에 의해 유기물을 흡착시킨 후, 상기 흡착제를 재생하기 위하여 유기물이 흡착된 흡착탑 내부에 1 ㎜ ∼ 1 m 크기의 마이크로파를 조사함과 동시에 극성화합물과 비극성가스를 공급하여 유기물을 탈착시키는 공정을 함께 수행할 수 있는 공정을 도입하여, 단시간의 주기로 흡착제의 효과적인 재생으로 반복 사용이 가능하여 폐수 중의 유기물 제거율 및 공정상의 경제성을 향상시킨 마이크로파를 이용한 흡착-탈착 공정으로 폐수를 처리하는 방법에 관한 것이다.

마이크로파, 극성화합물, 비극성가스, 흡착­탈착 공정, 폐수

Description

마이크로파를 이용한 흡착­탈착 공정으로 폐수를 처리하는 방법{Organic waste treatment by adsorption­desorption cycle assisted by microwave}

도 1은 본 발명에 따른 단일 흡칙탑을 이용하는 반연속식의 흡착-탈착 공정도를 나타낸 것이다.

도 2는 본 발명에 따른 2개의 흡착탑을 이용하는 연속식의 흡착-탈착 공정도를 나타낸 것이다.

[도 1과 도 2 공정도의 주요 부분에 대한 부호의 설명]

1, 1a 및 1b : 폐수 2, 2a 및 2b : 흡착제

3, 3a 및 3b : 흡착탑 4, 4a 및4b : 마이크로파 공급수단

5, 5a 및 5b : 마이크로파 6, 6a 및 6b : 비극성가스

7, 7a 및 7b : 극성화합물 8, 8a 및 8b : 탈착매질

9, 9a 및 9b : 폐수 출구 10, 10a 및 10b : 탈착된 유기화합물과 탈착매 질의 혼합물

11, 13 : 흡·탈착 제어벨브 12, 14, 15 및 16 : 흐름교체벨브

도 3은 본 발명에 따른 반연속식 흡착-탈착 공정을 이용하여 실시예 1과 비 교예 1의 흡착-탈착 공정을 수행하여 시간의 변화에 따른 흡착비를 나타낸 것이다.

본 발명은 마이크로파를 이용한 흡착­탈착 공정으로 폐수를 처리하는 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 흡착법을 이용하여 폐수중에 함유된 폐수 처리시 흡착내에 충진된 흡착제에 의해 유기물을 흡착시킨 후, 상기 흡착제를 재생하기 위하여 유기물이 흡착된 흡착탑 내부에 1 ㎜ ∼ 1 m 크기의 마이크로파를 조사함과 동시에 극성화합물과 비극성가스를 공급하여 유기물을 탈착시키는 공정을 함께 수행할 수 있는 공정을 도입하여, 단시간의 주기로 흡착제의 효과적인 재생으로 반복 사용이 가능하여 폐수 중의 유기물 제거율 및 공정상의 경제성을 향상시킨 마이크로파를 이용한 흡착­탈착 공정으로 폐수를 처리하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 폐수에 함유되어 인체나 환경에 유해한 유기화합물 성분(이하 "유기성분" 이라 한다)을 처리하는 방법으로, 생물학적 방법을 이용한 활성오니법, 직접 연소법, 광촉매 산화법, 고도산화법, 촉매를 이용한 습식산화법, 흡착제를 이용한 흡착법 및 초임계법 등이 사용되고 있다. 이러한 방법들 가운데 선택될 수 있는 폐수 정화 방법의 선택과 처리 효과는 제거해야 할 유기성분의 종류나 농도에 의해 크게 좌우된다.

활성오니법은 생활하수의 처리에 주로 이용되는 방법이지만, 처리효율이 불 안정하고 분해시간이 길어서 유해성분의 농도가 비교적 낮은 폐수 처리에 처리 효율이 높은 반면, 유해성이 큰 독성물질들을 많이 함유한 화학공장 폐수를 대규모로 처리하기에 부적합하다.

촉매를 이용하거나 고온에서 직접 연소하여 폐수의 유기성분을 제거하는 연소법은 처리효율은 비교적 높은 편이나, 장치 설치비 및 운용비용이 과다하고 기본적으로 연소용 촉매의 내구성이 요구되어 촉매 선택이 제한적이다.

산화제를 사용하여 폐수를 처리하는 고도산화법은 오존이나 과산화수소 등과 같은 높은 산화력을 이용하여 유기성분을 무해한 이산화탄소와 물로 완전산화 시키는 방법으로, 산화효율을 높이기 위하여 자외선을 추가로 조사하여야 하는 경우도 있다. 그러나, 이 기술은 장치의 대형화가 어렵고 비용 및 장치 유지 부담이 커서 활용 범위가 제한되어 있다.

20 ∼ 200 기압의 높은 압력과 200 ∼ 370 ℃의 온도에서 공기를 도입하여 페수에 함유된 유기성분을 촉매로 산화하는 습식산화법의 경우는 처리효율은 높으나 내압, 내열성이 우수한 장치가 필요하므로 설비투자비 및 운용비용이 높은 편이다.

또한, 광촉매에 의한 유기물 산화법은 자연광을 이용함으로써 에너지 비용이 거의 없고, 부수적인 장치도 필요 없어 매우 효과적인 방법이긴 하나, 넓은 처리면적, 낮은 처리효율 등의 문제로 실제 적용에 제한을 받고 있다. 즉, 원리적으로 가장 이상적인 폐수처리 방법이지만 일반 촉매반응에 비해 반응속도가 느리고, 빛을 고루 조사해야 하므로 장치의 대형화가 필수적이며, 또한 광촉매 활성을 일정 수준 이상으로 높이기 위해서는 자외선 램프를 추가로 사용해야 하고, 반응속도가 느려 고농도의 오염물질에 대해서는 적합하지 않다.

최근 소개된 초임계 방법에 의한 오염물질을 처리기술은 처리효율은 매우 높으나, 초임계상태에서 유기성분을 산화, 분해시키기 때문에 이 방법 또한 장치비 및 처리비용 면에서 부담이 크다.

흡착법은 유기성분에 대해 흡착선택도가 높은 다공성의 흡착제를 사용하여 선택적으로 유기성분만을 흡착, 농축한 후 흡착탑에 열, 진공, 기체, 마이크로파 등을 공급하여 흡착된 유기성분을 탈착시켜 흡착제를 재생한 다음 반복적으로는 재사용하는 방법을 말한다. 흡착제가 충진된 흡착탑의 성능 및 사용시간이 장치의 규모에 의하여 제한될 수 있으므로, 폐수의 연속적인 처리를 위해서는 흡착탑에서의 흡착-탈착 과정이 주기적으로 반복되어야만 한다. 그러므로 가역적으로 흡착-탈착을 할 수 있는 흡착제의 흡착선택도 중요하지만, 제한된 규모의 한 쌍의 흡착탑을 이용하여 폐수에 함유된 유기성분을 효과적으로 제거를 위해서는 흡착-탈착 순환 과정이 빠른 시간 내에 이루어져야 한다. 다공성의 흡착제들은 가열이 어렵기 때문에 유기성분을 흡착하고 있는 흡착제에서 농축된 유기성분을 제거하는 데에는 마이크로파와 같은 침투성 에너지 공급 수단을 활용하는 것이 매우 효과적이다.

이러한 흡착제의 재사용에 관한 다음과 같은 여러 문헌이 공개된 바 있다.

Daimler-Chrylser 사[미국특허 등록 제6,296,823호]에서는 공기 중에 포함된 유해 유기성분을 제거하기 위하여 소수성 제올라이트를 흡착제로 사용하였으며, 포 화된 흡착제의 빠른 재생을 위하여 마이크로파 에너지를 사용하는 것이 매우 효과적임을 보여 주었다. 이 밖에도 Cha[미국특허 등록 제6,207,023호], Kelly(미국특허 등록 제5,980,612호] 등은 흡착제로 활성탄 또는 활성탄소섬유 등을 사용하여 공기 중에 함유된 유해 유기성분을 흡착하고, 흡착, 농축된 유기성분을 흡착제로부터 탈착하기 위하여 마이크로파를 사용한 결과들을 보고하고 있다. Corning Incorporation[미국특허 등록 제5,750,026호]에서는 활성탄의 전기전도 특성을 이용하여 마이크로파 대신 전기저항 가열을 이용하여 흡착제를 탈착, 재생하는 방법을 제안하였다.

이러한 처리기술들은 대부분 폐가스의 처리에 대한 것으로 폐가스에서는 효과적일 지 모르나, 폐수의 처리시에도 응용될 수 있는지에 대한 의문이 제기 되고 있는 실정이다. 특히, 폐수의 경우에는 대부분의 물질이 물 분자로 이루어져 있어 흡착제의 선택에 제한이 클 수밖에 없으며, 흡착제 표면에는 선택적으로 흡착된 유기성분 이외에 수분이 함께 남아 있어서 흡착법을 폐수 처리에 활용하는 것이 용이하지 않다.

한편, 일반적으로 폐수 중에 포함된 오염물질은 그 종류와 농도에 따라 처리방법 및 조건이 달라지나, 언급된 단일 공정으로 처리하기보다는 2가지 이상의 공정이 연계된 처리 방안을 도입하여 사용하는 것이 효율적인 면에서 합리적이다. 이러한 예로는 오염물질을 고농도로 흡착 농축한 후 탈착시켜 산화촉매를 이용하는 공정의 연계가 낮은 온도에서의 연소를 가능하게 하여 효과적으로 제거하는 방법이 있다. 그러나, 이는 경제성이라는 또 다른 문제를 가지게 되므로 연계되는 공 정의 선택 중요한 문제라 하겠다.

흡착법으로 폐수에 함유된 유기성분을 분리, 제거시 흡착제는 유기성분을 일시적으로 농축하여 포획하고 있는 상태이므로, 정화된 폐수에서의 유기성분 잔류농도가 허용농도 수준까지 가까워지면 흡착제에 부착된 유기성분을 탈착시켜 흡착제를 재생하게 한다. 이때 탈착되는 오염물질의 무해화하기 위한 추가적인 처리공정 즉, 흡착탑 이외에 농축, 분리된 유기성분의 추가 처리를 위한 부대시설이 필요하다. 그러나 전체적인 공정효율 측면에서 평가해 볼 때 추가적인 부대시설 보다는 선택적으로 유기물만을 흡착­탈착 시킬 수 있는 가역적 흡착­탈착 방법만 뒷받침된다면 오히려 다른 방법에 비해 보다 유리한 측면을 갖고 있다. 또한, 열적으로 안정한 무기물계 흡착제에 산화기능을 갖는 촉매 성분을 담지시키는 경우, 탈착 과정에서 유기성분을 바로 연소시킬 수 있기 때문에 반드시 상기한 추가 시설이 필요한 것은 아니다.

이러한 흡착법은 전술한 다른 처리방법들과 달리 유기성분의 처리과정에서 화학반응을 수반하지 않기 때문에, 경우에 따라서는 흡착제에 농축된 유기물질을 탈착시켜 고농도로 회수할 수도 있는 장점이 있다.

흡착법에 필요한 흡착­탈착 시스템과 연계된 후속공정을 합친 전체적인 공정효율은 사용한 흡착제의 흡착성능과 탈착에 소요되는 에너지 비용에 의해 크게 좌우되는 바, 폐수에 함유된 오염물질, 즉, 유기성분을 잘 흡착할 수 있는 흡착제의 선택과 신속하고 효과적인 탈착방법이 전체적인 폐수처리 공정의 효율 및 경제성에 직접적인 영향을 미친다. 즉, 흡착제가 유기성분에 대한 흡착성능이 높을 수록, 흡착된 유기성분을 탈착시키는 것이 더욱 어려워지므로 흡착제의 성능에 부합되는 우수한 탈착방법이 반드시 필요하다.

그러므로 흡착법을 바탕으로 하여 폐수에 함유된 유기성분을 분리해내는 흡착-탈착 시스템은 흡착제로부터 보다 신속하고 효과적인 방법으로 탈착하는 기술에 대한 연구가 반드시 행하여 져야할 필요가 있다.

이에 본 발명자들은 상기와 같은 여러 폐수처리방법 중 흡착법에 사용되는 흡착제의 효과적인 재생, 특히 폐수 처리에 사용되는 흡착제의 재생을 위한 탈착 기술을 개발하고자 많은 연구 노력하였다. 그 결과, 폐수를 흡착탑 내로 통과시켜 흡착내에 충진된 흡착제에 의해 유기물을 흡착시키는 공정과, 상기 유기물이 흡착된 흡착탑 내부에 1 ㎜ ∼ 1 m 크기의 마이크로파를 조사함과 동시에 극성화합물과 비극성가스인 탈착매질을 공급하여 유기물을 탈착시키는 공정으로 이루어진 흡착-탈착 공정을 도입하여, 단시간의 주기로 흡착제의 효과적인 반복 사용이 가능하다는 것을 알게 되어 본 발명을 완성하게 되었다.

따라서, 본 발명은 흡착과 탈착 공정의 주기를 단축시키는 새로운 공정을 도입하여 흡착제의 우수한 재생 효율에 의해, 폐수 중의 유기물 제거율 및 경제성을 향상시킨 흡착-탈착 공정을 이용한 폐수 처리방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 흡착탑을 이용한 폐수 처리방법에 있어서,

흡착제가 충진된 흡착탑 내부로 폐수를 공급하여 폐수 중에 함유된 유기물을 흡착시키는 공정과, 유기물이 흡착된 흡착탑의 내부에 마이크로파를 조사함과 동시에 비극성가스와 극성화합물을 함께 공급하여 유기물을 탈착시키는 공정으로 이루어진 흡착-탈착 공정을 이용한 폐수 처리방법에 그 특징이 있다.

이하, 본 발명을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 폐수 중에 함유된 유기화합물을 처리하기 위하여 흡착법을 이용시에, 상기 흡착탑 내부에 충진된 흡착제를 단시간에 반복적으로 재생하기 위한 효과적인 탈착공정을 도입하여, 경제적이고 효과적으로 흡착-탈착 공정을 수행하여 폐수 중에서 유기화합물을 제거하는 방법에 관한 것이다. 종래의 흡착제를 탈착하기 위하여 여러 가지 열전달 매체를 이용하는 방법을 널리 사용하였으나, 본 발명은 마이크로 파를 조사함과 동시에 극성화합물과 비극성 가스인 탈착매질을 공급하는 손쉬운 방법으로 효과적인 탈착 공정을 수행한다. 종래의 가열, 마이크로파 등과 같은 열전달 매체를 사용하거나, 여러 가지 탈착을 위한 별도의 공정이 수행되었으나, 이러한 방법은 흡착제에 흡착된 흡착물질의 탈착효율이 낮은 문제가 있어 효율적인 면이나 경제적인 면에서의 효과를 가지지 못하였다. 반면에, 본 발명은 흡착공정과 탈착공정이 동시에 설치된 시스템을 도입하여 후처리를 위한 별도의 다른 공정을 사용하지 않으며, 단시간에 운영이 가능하므로 흡착과 탈착의 주기를 단축시키고, 자유로운 탈착공정의 수행이 가능하여 종래의 흡착 효과 향상을 위한 흡착탑의 부피를 증가시키는 것에 대한 고려를 할 필요가 없다.

일반적으로 폐수 중에 함유된 유기화합물의 농도는 10 ∼ 10,000 ppm이며, 그 종류로는 예를 들면 벤젠, 톨루엔, 자일렌, 페놀 등과 같은 방향족 화합물, 메탄올이나 에탄올 등과 같은 알코올류, 알데히드류, 아민류, 케톤류, 카르복실산류, 에테르류 또는 에스테르류 등과 같은 C 또는 N 원소를 함유한 탄화수소류가 1 종 또는 2종 이상 함유될 수 있다.

본 발명의 흡착탑에 충진되는 흡착제는 상기한 종류 및 농도를 가지는 폐수에 함유된 유기화합물에 대한 우수한 흡착 선택도를 가지는 다공성의 소재로, 흡착효율 뿐 만 아니라 본 발명의 기술구성상의 특징인 마이크로파를 이용하는 탈착공정을 고려하여 선정하는 것이 바람직하다.

일반적으로 폐수 처리에 사용되는 흡착제로는 활성탄이 널리 알려져 있으나, 활성탄은 마이크로파의 투과 깊이가 극히 짧아 흡착탑 내부로의 마이크로파가 공급이 저해되어 본 발명에서는 바람직하지 못하다. 이에 본 발명에서는 마이크로파를 흡수하는 능력이 매우 낮고 투과깊이가 길어, 마이크로파를 충집탑 내부까지 공급하는 데에 유리하고 흡착제에 흡착된 유기성분에까지 에너지가 직접 전달될 수 있게 해주어 효과적인 탈착을 가능하게 해줄 것으로 예상되며, 또한 폐수중의 유기화합물을 흡착하는데 사용되는 것이므로 소수성이 우수한 제올라이트계 흡착제를 사용하는 것이 바람직하다.

또한, 폐수에 함유된 유기화합물이 마이크로파를 반드시 잘 흡수하는 것이 아니며 흡착제 표면에 분자수준으로 분산되어 흡착되므로 마이크로파 흡수도에 관계없이 흡착제 표면의 유기화합물만을 마이크로파로 가열한다는 것은 탈착 효과 향상의 기대에는 크게 못 미친다. 실제 실험에 적용한 결과에 따르면, 마이크로파를 흡착탑 내부까지 깊이 투입할 수 있어도 유기성분과 같은 분자수준의 흡착질이 마이크로파를 흡수하지 않게 되면 탈착효율이 크게 떨어지게 된다. 따라서, 알루미늄과 실리콘 원소의 몰비[Si/Al]가 20 ∼ 500인 소수성 제올라이트계 흡착제를 사용하는 것이 바람직하다. 상기 알루미늄과 실리콘 원소의 몰비가[Si/Al] 범위를 벗어나는 경우에는 친수성이 증가하여 유기화합물에 대한 흡착선택성이 떨어지게 되므로 상기 범위를 유지하는 것이 바람직하다. 제올라이트 원료로는 합성 제올라이트 또는 천연 제올라이트 등이 사용될 수 있으며, 흡착제의 마이크로파 흡수율이 지나치게 낮아도 바람직하지 못하므로, 흡착제의 마이크로파 흡수율을 필요한 수준으로 향상시키기 위하여 유기성분에 대한 흡착 선택도나 흡착제의 소수성을 저하시키지 않는 범위에서 마이크로파 흡수율이 비교적 높은 금속산화물 성분을 제올라이트계 흡착제에 담지시킨 것을 사용하여도 무방하다. 또한, 마이크로파를 이용하여 흡착제 표면에 에너지를 국부적으로 공급할 수 있게 함으로써 탈착 효율을 보다 향상시키기 위하여 흡착제 표면을 개질 또는 코팅하여 흡착제의 마이크로파 흡수율을 필요한 수준으로 증가시켜도 무방하다.

흡착제에 흡착된 유기화합물을 탈착시키기 위해 마이크로파를 조사함과 동시에 극성화합물과 비극성 가스인 탈착매질을 사용한다.

상기 마이크로파는 파장이 1 mm ∼ 1 m 범위 내에 포함되는 전자기파로서, 파장이나 주파수 측면에서 별다른 제약이 없이 사용할 수 있다. 상업적으로 이용 가능한 마이크로파는 예를 들면 915 MHz, 2.45 GHz, 5.8 GHz 및 24.124 GHz 등 의 주파수를 갖는 마이크로파를 활용될 수 있다. 이러한 마이크로파의 공급수단으로 마그네트론(magnetron)과 같은 형태를 흡착탑 장치에 1개 또는 2개 이상의 복수개로도 직접 설치하여 사용할 수 있다.

본 발명에서는 마그네트론 등과 같은 발진기가 내장된 마이크로파 발생장치를 흡착탑에 부착하여 사용하였으나, 별도로 설치하는 경우에는 마이크로파 발생장치와 흡착탑을 연결시켜주는 도파관(waveguide)을 통하여 마이크로파를 흡착탑 내부로 공급할 수도 있으며, 흡착탑이 크지 않은 경우에는 흡착탑을 도파관 내부에 설치하여도 무방하다.

또한, 상기 탈착매질은 100 ∼ 5000 liter/(liter-흡착제·hr)의 공급속도로 흡착탑에 투입하여 흡착제의 표면으로부터 유기화합물을 탈착시키게 된다. 투입되는 탈착매질의 속도가 상기 범위를 벗어날 경우에는 탈착효율이 떨이지므로 이 범위를 유지하는 것이 요구된다.

탈착은 흡착제에 흡착된 흡착질의 탈착은 흡착제에 흡착질이 흡착할 때 발생되는 흡착열 이상의 에너지를 가하여야만 일어난다. 흡착질의 흡착세기가 비교적 약하게 물리적으로 흡착되어 있을 경우는 흡착제에 단순히 공기만을 흘리거나 진공처리만을 하여도 탈착이 가능하나, 흡착세기가 강하여 화학흡착을 하는 경우는 탈착 시 흡착제에 열을 함께 가해 주어야만 탈착이 가능하다. 즉, 흡착질의 흡착세기가 클 경우 열을 가해 탈착시키는 것이 가장 일반적이다.

그러나, 흡착탑이 작은 경우는 탑 외부의 전기가열이나 가열 기체를 탑 내부로 흘려주는 것만으로도 흡착탑의 중심부까지 충분히 열을 전달할 수 있어 높은 탈 착효율을 얻을 수 있지만, 흡착탑의 크기, 즉 직경이나 높이가 커지게 되면 탑 외벽과 중심부간의 거리 또는 탑 입구와 출구간의 거리가 커지게 되어 가열에 많은 시간이 걸리게 되며, 탈착 후 재흡착을 위하여 냉각하는데도 많은 시간이 소요된다.

따라서, 이런 관점에서 볼 때 마이크로파를 이용한 탈착방식은 가열을 통한 탈착방식에 대한 대안을 제시해 주게된다. 즉, 마이크로파는 특정 물질에만 에너지를 선택적으로 공급할 수 있는 특성을 갖고 있기 때문에 빠른 시간 내에 원하는 물질에만 에너지를 공급하여 탈착시키는 데에 활용할 수 있다. 그러나, 모든 물질이 마이크로파 에너지를 흡수하는 것은 아니기 때문에 흡착탑 내부에 공급되는 마이크로파 에너지를 흡착된 유기성분의 탈착에 효과적으로 전달될 수 있게 탈착매질을 선정하는 것은 중요한 것이다.

본 발명은 탈착매질로 극성화합물을 함유한 비극성 가스를 선택 사용하며, 상기 극성화합물은 제거하고자 하는 유기성분의 종류나 농도에 따라 선별적으로 최적화하여 선정하는 것이 좋다. 비록 그 메커니즘을 분명히 밝힐 수는 없지만, 본 발명에서 제안된 극성분자 물질은 흡착탑 내부로 공급되는 마이크로파에 의하여 활성화되어 흡착된 유기성분의 탈착이 효과적으로 진행될 수 있게 한다. 본 발명자들의 실험에 따르면 이러한 탈착매질로 극성분자물질 없이 상기 비극성 가스만을 공급하는 경우에 마이크로파의 공급에도 불구하고 흡착제의 탈작과정이 제대로 진행되지 못한 결과를 나타내었다. 상기 탈착매질에 사용되는 극성분자는 미세한 액적으로 분무시킨 다음 충분히 예열된 비극성가스와 혼합시켜 흡착탑에 공급하 여도 좋고 기화시킨 다음 증기상태로 비극성가스와 혼합하여 공급하여도 좋다. 탈착매질의 온도에는 기본적으로 제약이 없지만 흡착성능이 우수한 흡착제의 사용으로 말미암아 탈착이 어려운 경우에는 마이크로파 공급 부하를 줄일 수 있게 약 80 ∼ 100 ℃ 이상으로 충분히 예열시켜 공급하는 것이 좋다.

탈착매질을 이루는 극성화합물과 비극성가스의 혼합조성은 크게 좌우하지는 않지만 극성화합물과 비극성가스는 1 : 0.1 ∼ 10 부피비로 혼합 사용되는 것이 바람직하다. 상기 함유범위를 벗어나는 경우에는 탈착효율이 떨어지므로 이를 유지하는 것이 바람직하다.

한편, 도 1에 나타낸 반연속적인 흡착-탈착 공정도를 바탕으로, 본 발명의 흡착-탈착 공정을 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

본 발명에서 사용된 흡착-탈착공정은 폐수 투입부(1); 흡착제(2)가 충진된 흡착탑(3)으로 이루어진 흡착부; 마이크로파 공급부(4)와 비활성가스(6)와 극성화합물(7) 투입부 및 흡·탈착 제어 벨브(15)로 이루어진 탈착부; 및 처리된 폐수 배출라인(9, 10)과 흐름교체 벨브(16)로 이루어진 배출부를 포함하여 이루어져 있다.

다공성의 흡착제(2)가 충진된 흡착탑(3)에는 폐수로부터 분리, 흡착된 유기성분의 탈착을 위해 마이크로파(5)를 공급할 수 있는 마이크로파공급 수단(4)이 설치되어 있다.

본 발명의 흡착-탈착공정에 따른 흐름을 살펴보면, 먼저 흡착공정시에는 유기성분을 함유하는 폐수(1)는 흡착­탈착 방향을 제어하는 흡·탈착 제어 벨브(15)을 통해 흡착탑(3)에 공급되어 흡착제 고정층을 통과하면서 유기성분을 흡착, 분리 하고, 정화된 폐수(10)는 흐름교체벨브(16)을 거쳐 정화된 폐수 출구(9)방향으로 배출된다. 이후에 흡착탑(3)에서 유기화합물이 흡착제(2)에 적정 수준까지 흡착되어 정화된 폐수에서의 유기성분 잔류농도가 허용농도 기준치에 가까워지면 탈착공정을 수행한다.

탈착공정은 흡·탈착 제어 벨브(15)를 조정하여 폐수(1)의 공급을 중지시키고 탈착매질(8)을 이용하여 흡착된 유기성분을 탈착시켜 흡착제(2)를 재생한다. 이때, 탈착매질(8)은 비극성가스(6)와 극성화합물(7)을 혼합하여 투입함과 동시에 탈착에 필요한 에너지를 추가로 공급하기 위하여 탈착이 진행되는 흡착탑(3)에 마이크로파(5)를 공급한다. 탈착된 유기화합물과 탈착매질(10)은 흡착탑(3)을 빠져나와 흐름교체수단(16)의 조정을 통해 탈착혼합물 출구(10) 방향으로 배출한다.

이러한 탈착공정을 과정을 통하여 흡착제(2)의 재생이 끝나면 흡·탈착 제어 벨브(15, 16)을 조정하여 탈착매질(8)의 공급 및 배출을 대신하여 폐수의 공급 및 배출을 통해 흡착과정이 다시 진행할 수 있도록 한다.

이와 같이 흡착-탈착 과정이 순환되게 함으로써 폐수에 함유된 유기성분을 반연속식으로 제거하는 것이 가능하다.

또한 본 발명은 상기와 같은 반연속식 뿐만 아니라 도 2에 나타낸 바와 같이 동일한 흡착탑을 2개 이상 조합하여 복수개로 설치하여 각 흡착탑에서 흡착과 탈착이 교차하여 진행되게 함으로써 폐수의 연속적인 처리가 가능하다.

도 2에 나타낸 2개의 흡착탑을 조합하여 적용한 폐수의 연속적 처리방법을 조다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

폐수에 함유된 유기성분에 대한 흡착 선택도를 가지는 흡착제(2a, 2b)가 충진된 흡착탑(3a, 3b)에는 폐수로부터 분리, 흡착된 유기성분의 탈착을 위해 마이크로파(5a, 5b)를 공급할 수 있는 마이크로파공급 수단(4a, 4b)이 각각 설치되어 있다. 유기성분을 함유하는 폐수(1)는 흡착-탈착 방향을 제어하는 흡·탈착 제어 벨브(11)에 의하여 두 흡착탑 가운데 하나의 흡착탑에 공급되어 흡착제 고정층을 통과하면서 유기성분을 흡착, 분리해내고, 정화된 폐수(9a, 9b)는 흐름제어벨브(14)를 거쳐 정화된 폐수 출구(9) 방향으로 배출된다. 하나의 흡착탑에서 유기성분이 흡착제에 상당 수준까지 흡착되어 정화된 폐수에서의 유기성분 잔류농도가 허용농도 기준치에 가까워지면 흐름교체수단(11 및 13)을 조정하여 폐수의 흐름 방향을 또 다른 흡착탑으로 바꾸어 재생된 흡착탑에서 흡착이 계속 진행되게 한다. 흡착과정이 끝난 흡착탑에서는 흡·탈착 제어 밸브(11 및 13)의 조정을 통해 흡착과정에서 탈착과정으로 바뀐다. 흡착­탈착 순환법에 따라 탈착과정에서는 흡착탑으로 흐르는 탈착매질(8)을 이용하여 흡착된 유기성분을 탈착시켜 흡착제를 재생한다. 이때, 탈착매질(8)은 기체(6)와 극성분자물질(7)을 혼합하여 이루어지는데 탈착에 필요한 에너지를 추가로 공급하기 위하여 탈착이 진행되는 흡착탑에 마이크로파를 동시에 공급한다. 탈착된 유기성분과 탈착매질의 혼합물(10a, 10b)은 흡착탑을 빠져나와 흐름교체수단(12)의 조정을 통해 탈착혼합물 출구(10) 방향으로 배출된다. 다만, 이 탈착과정에 소요되는 시간(td)이 흡착과정에 소요되는 시간(ta)보다 짧아야 한다(ta, td).

이상에서 설명한 바와 같이, 한 쌍의 흡착탑은 서로 교차하여 흡착과 탈착을 주기적으로 반복함으로써 폐수(1)를 연속적으로 처리할 수 있게 한다.

이외도 2개 이상 예를 들면 3개의 흡착탑을 연속적으로 적용하여 폐수를 처리하고, 흡착소요시간이 탈착소요시간보다 긴 경우(2 td, ta > td ), 흡착탑 두 군데에서 흡착과정을, 나머지 하나의 흡착탑에서는 탈착과정을 서로 교차적으로 수행하면서 폐수를 연속적으로 처리할 수도 있다. 반대로 탈착소요시간이 흡착소요시간보다 긴 경우( 2ta, td > ta ), 흡착탑 한 군데에서 흡착과정을, 나머지 두 군데의 흡착탑에서는 탈착과정을 서로 교차적으로 수행하면서 폐수를 연속적으로 처리할 수도 있다. 또한, 흡착탑 3개 중 한 군데는 흡착-탈착 순환 도중의 대기상태(stand-by)로 유지하여도 무방한 것이다.

이하, 본 발명을 다음의 실시예에 의하여 더욱 상세하게 설명하겠는 바, 본 발명이 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.

실시예

다음 표 1에 나타낸 흡착-탈착 공정도를 이용하여 반응을 수행하였다.

Si/Al 비가 13인 BEA 제올라이트 20 g을 충진한 흡착탑을 이용하여 500 ppm 농도의 페놀을 함유하는 물을 흡착제가 포화될 때까지 공급하여 흡착공정을 수행하였다.

그런 다음, 1 liter/min의 유속으로 공기에 3 g/min의 유량으로 수증기를 혼합하여 약 100 ℃로 예열시켜 탈착매질로 흡착탑에 공급하여 탈착공정을 수행하였다.

탈착이 마무리 된 다음, 다시 페놀을 함유하는 물을 흡착제가 포화될 때까지 공급한 다음 상기와 동일한 방법으로 탈착을 반복한다. 이 때, 정화된 물에 잔류하는 페놀의 잔류농도는 자외선 분광광도계(270 nm)를 이용하여 페놀 농도에 따른 자외선 흡수도로 분석하고, 그 결과를 다음 도 3에 나타내었다.

비교예 1

상기 실시에 1과 동일하게 실시하되, 탈착매질로 공기만을 사용하여 흡착-탈착공정을 수행하여 페놀 농도에 따른 자외선 흡수도로 분석하고, 그 결과를 다음 도 3에 나타내었다.

도 3에 결과를 살펴보면, 1차 흡착(A-1)과정을 통하여 흡착제가 포화되기까지 약 400분이 소요되었고, 탈착매질로 공기와 수증기를 혼합 사용한 실시예의 경우 약 5분간 1차 탈착(D-1)과정을 거치면서 흡착제에 포화 흡착된 페놀 성분의 90% 이상이 탈착과정에 제거되었다. 1차 흡착(A-1) 및 탈착(D-1)과 같은 방법을 반복하여 재생된 흡착탑에서의 2차 흡착(A-2)과정을 거쳐 흡착제가 페놀 성분으로 다시 포화되기까지 약 265분이 소요되며, 약 5분간의 2차 탈착(D-2)과정에서도 흡착제에 포화 흡착된 페놀 성분의 90% 이상이 제거되었다. 또한 동일한 방법으로 3차 흡착(A-3)과 3차 탈착(D-3)을 반복하여도 동일한 탈착 효과가 나타남을 확인할 수 있다.

그러나, 탈착매질로 동일한 유량의 공기만을 사용한 경우 탈착매질에 극성화합물인 수증기를 탈착매질에 포함시키지 않는 경우에 탈착효율이 흡착-탈착 과정이 반복됨에 따라 더욱 나빠지고 흡착제에서의 페놀 성분의 포화가 보다 빨리 진행되는 것으로 나타났다. 또한, 탈착매질로 사용된 공기의 유량을 증가시켜도 동일한 문제가 여전히 발생하는 것으로 드러났다.

한편, 본 발명의 실시예는 흡착제에 유기성분이 포화될 때까지 흡착과정을 수행하였지만, 본 발명에 의한 탈착소요시간(td)이 아주 짧으므로, 정화된 물에서의 페놀 잔류농도가 흡착제 포화상태에서의 잔류농도보다 훨씬 낮게 흡착시간을 조정하여 폐수의 정화에 응용하는 것이 가능하다.

이상의 결과에 나타낸 바와 같이 탈착매질에 극성분자물질을 함유하는 경우에 흡착제에 흡착된 유기성분의 탈착이 보다 효율적으로 신속하게 진행될 수 있어, 본 발명이 흡착-탈착 순환법을 이용하는 폐수 정화 공정에 효과적으로 활용될 수 있음을 확인할 수 있었다.

비교예 2

상기 실시예 1과 동일하게 수행하되, 종래의 다공성의 제올라이트 무기계 흡착제를 이용하여 재래식 가열 방법으로 탈착공정을 수행하여 페놀 농도에 따른 자외선 흡수도로 분석하고, 그 결과를 다음 도 3에 나타내었다.

다음 도 3에 나타낸 바와 같이, 다공성의 제올라이트 무기계 흡착제를 재래식 가열 방법으로 재생할 경우 흡착된 유기물이 전부 탈착되지 않고 일부만이 탈착되기 때문에 착탈효율에 문제가 있으며, 또한 공정수행 시 가열이 힘들고 흡착탑 규모가 커질수록 탈착에 필요한 흡착제 가열이 더욱 힘들어지며 소요되는 에너지도 많아지는 문제가 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 흡착법을 이용하여 흡착공정을 수행한 후 마이크로파와 동시에 극성화합물을 함유한 비극성가스인 탈착매질을 사용하여 탈질공정을 수행하여, 흡착­탈착 주기를 단축시키고 흡착탑 부피를 줄일 수 있게 하며 흡착제를 반복적으로 재생하여 사용할 수 있게 하여 경제성 면에서 유리한 이점을 지니고 있으며, 처리 규모에 따르는 별 다른 제약조건이 없어 대규모의 폐수 처리에도 수월하게 활용될 수 있다. 또한, 마이크로파를 가열 수단으로 채택하여 탈착매질의 적절한 예열을 통하여 마이크로파 가열에 필요한 전력 부하를 제한할 수 있고 효과적이고도 신속한 흡착제의 탈착을 가능하게 함으로서 탈착과정에 소요되는 에너지 낭비가 최소화될 수 있다. 이외에도 흡착탑 설비의 개수에 관계없이 반연속식 또는 연속식의 폐수 처리를 가능하게 하여 공정의 효율성에 기여하며, 농축하여 분리되어진 유기성분들을 무해화하거나 재생하는 목적으로 설치되는 후속 공정과도 연계 가능하므로 종합적인 폐수 처리를 가능하게 해준다.

Claims (9)

1. 흡착탑을 이용하여 폐수중의 유기물을 분리 제거하는 방법에 있어서,

   알루미늄과 실리콘 원소의 몰비[Si/Al]가 20 ∼ 500인 소수성 제올라이트계 흡착제가 충진된 흡착탑 내부로 폐수를 공급하여 폐수 중에 함유된 유기물을 흡착시키는 공정과,

   유기물이 흡착된 흡착탑의 내부에 마이크로파를 조사함과 동시에 80 ∼ 100 ℃ 범위로 예열시킨 비극성가스와 극성화합물을 1 : 0.1 ∼ 10 부피비 범위로 함께 공급하여 유기물을 탈착시키는 공정

   으로 이루어진 것을 특징으로 하는 흡착­탈착 공정을 이용한 폐수 처리방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 폐수중의 유기물의 농도는 10 ∼ 10,000 ppm인 것을 특징으로 하는 흡착­탈착 공정을 이용한 폐수 처리방법.
3. 삭제
4. 제 1 항에 있어서, 상기 유기물은 방향족 화합물류, 알올류, 알데히드류, 아 민류, 케톤류, 카르복실산류, 에테르류 및 에스테르류 중에서 선택된 1 종 또는 2종 이상인 것을 특징으로 하는 흡착­탈착 공정을 이용한 폐수 처리방법.
5. 삭제
6. 제 1 항에 있어서, 상기 극성화합물은 물, 알코올류, 글리콜류, 에스테르류 및 아민류 탄화수소 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상인 것을 특징으로 하는 흡착­탈착 공정을 이용한 폐수 처리방법.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 비극성가스는 공기, 질소, 알곤 및 헬륨 중에서 선택된 1 종 또는 2종 이상인 것을 특징으로 하는 흡착­탈착 공정을 이용한 폐수 처리방법.
8. 제 1 항에 있어서, 흡착-탈착공정은

   폐수 투입부(1);

   흡착제(2)가 충진된 흡착탑(3)으로 이루어진 흡착부;

   마이크로파 공급부(4)와 비활성가스(6)와 극성화합물(7) 투입부 및 흡·탈착 제어 벨브(15)로 이루어진 탈착부; 및

   처리된 폐수 배출라인(9, 10)과 흐름교체 벨브(16)로 이루어진 배출부

   를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 흡착­탈착 공정을 이용한 폐수 처리방법.
9. 제 1 항에 있어서, 상기 흡착­탈착 공정은 2개 이상을 조합하여 흡착공정과 탈착공정을 교차 사용하는 것을 특징으로 하는 흡착­탈착 공정을 이용한 폐수 처리방법.

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