KR101356127B1 - 흡착력 향상을 위한 실리카겔의 표면 개질방법 및 실록산 제거방법 그리고 이를 이용한 투웨이 방식의 실록산 제거장치 - Google Patents

흡착력 향상을 위한 실리카겔의 표면 개질방법 및 실록산 제거방법 그리고 이를 이용한 투웨이 방식의 실록산 제거장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 흡착력 향상을 위한 실리카겔의 표면 개질방법 및 실록산 제거방법 그리고 이를 이용한 투웨이 방식의 실록산 제거장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 실리카겔을 산 및 염기로 처리하여 표면을 개질시킴으로써 매립지 가스나 바이오가스에 함유된 실록산의 흡착력을 향상시킨 실리카겔의 표면 개질방법 및 실록산 제거방법 그리고 이를 이용한 투웨이 방식의 실록산 제거장치에 관한 것이다.
본 발명의 실리카겔의 표면 개질방법은 실리카겔에 산을 가하여 교반하는 산처리단계와, 실리카겔에 염기를 가하여 교반하는 염기처리단계를 포함하며, 상기 실리카겔의 표면에 굴곡을 형성하여 표면적을 증대시킨 것을 특징으로 한다.

Description

흡착력 향상을 위한 실리카겔의 표면 개질방법 및 실록산 제거방법 그리고 이를 이용한 투웨이 방식의 실록산 제거장치{surface modification method for improving absorption power of silica gel and removing method of siloxane and 2-way type removing apparatus of siloxane using the same}
본 발명은 흡착력 향상을 위한 실리카겔의 표면 개질방법 및 실록산 제거방법 그리고 이를 이용한 투웨이 방식의 실록산 제거장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 실리카겔을 산 및 염기로 처리하여 표면을 개질시킴으로써 매립지 가스나 바이오가스에 함유된 실록산의 흡착력을 향상시킨 실리카겔의 표면 개질방법 및 실록산 제거방법 그리고 이를 이용한 투웨이 방식의 실록산 제거장치에 관한 것이다.
교토의정서가 발효되면서 세계 각국은 온실가스 저감을 위한 다방면의 노력을 기울이고 있다. 음식물쓰레기, 축산폐수, 그리고 도시폐수 등의 유기물이 다량 함유된 폐기물은 매립, 소각, 해양투기 또는 공공처리 등을 통해 처리되고 있는 실정이다. 하지만, 런던협약으로 인해 해양투기가 금지되고, 환경적인 이유로 매립이나 소각 또한 점점 힘들어질 것으로 예측되기 때문에 앞으로는 많은 양의 폐기물을 공공처리를 통해 처리할 수밖에 없다.
일반적으로 메탄이 35~75%가 함유된 바이오가스는 바로 보일러 연소 등을 통해 에너지로 활용될 수 있으나 바이오가스에 들어 있는 수분과 황화수소, 암모니아, 실록산 등의 유해성분이 제거되지 않는 경우 바이오가스 시스템의 효율저하, 부식으로 인한 설비의 손상 및 운전정지 등이 야기될 수 있으므로 바람직하지 않으며, 특히 바이오가스의 적용성을 확대하기 위해서는 상기와 같이 언급된 성분들을 제거하는 것이 매우 중요하다고 할 수 있다.
유기규소화합물인 실록산(siloxane)은 유기기(메틸기)를 포함하고 있는 규소와 산소가 결합한 형태의 화합물을 의미하며, 내열성, 화학적 안정성, 전기절연성, 내마모성, 광택성 등이 우수한 특성을 가지고 있어 세제, 냄세제거제, 화장품 등의 생활용품과 수지, 합성고무 등 산업용품 전반에 이용이 증가하고 있는 물질이다. 폐기물 매립지나 슬러지 소화조의 경우에는 분해과정을 통해 저분자화된 형태의 실록산이 바이오가스에 포함되어 배출되는 것으로 알려져 있다.
실록산은 그 용도와 특성에 따라 다양한 구조와 메틸기 이외의 다른 치환기를 가진 물질로 존재할 수 있기 때문에 그 모든 종류를 언급하기는 어렵다. 일반적으로 바이오가스 및 매립지가스 중에 주로 존재하는 실록산의 종류와 특성은 하기 표 1과 같다.
Substance Formular Abbreviation Molecular weight Vapor pressure
(mmHg, 25℃)		 Boiling point(℃) Water solubility
(mg/L, 25℃)
Hexamethyldisiloxane C6H18OSi2 L2 162 31 106.9 0.93
Octamethyltrisiloxane C8H24O2Si3 L3 237 3.9 - 0.035
Decamethyltetrasiloxane C10H30O3Si4 L4 311 0.55 - -
Dodecamethylpentasiloxane C12H36O4Si5 L5 385 0.07 - -
Hexamethylcyclotrisiloxane C6H18O3Si3 D3 222 10 135.2 1.56
Octamethylcyclotetrasiloxane C8H24O4Si4 D4 297 1.3 175.7 0.056
Decamethylcyclopentasiloxane C10H20O4Si5 D5 371 0.4 211.2 0.017
Dodecamethylcyclohexasiloxane C12H36O6Si6 D6 445 0.02 245.1 0.005
실록산은 이름이 길기 때문에 주로 그 화합물의 특징을 나타낼 수 있는 약어를 사용한다. 일반적으로 고리형태의 구조를 가지고 있는 실록산은 D라는 약어로 나타내고, 선형적 구조를 가지고 있는 실록산은 L이라는 약어를 이용한다. 바이오가스 중 실록산은 D4와 D5가 대부분을 차지하여 90%가 넘는 것으로 알려지고 있는 반면, 매립지가스에서는 D3, D4, D5, L2, L3 등의 여러 가지 실록산이 포함되어 있는 것으로 알려져 있다(Hayes 등, 2003).
바이오가스 중의 실록산은 연소과정에서 이산화규소(SiO2)로 전환되어, 가스엔진을 비롯한 마이크로터빈, 가스터빈, 연료전지 등의 발전시설과 배기가스 내 오염물질을 제거하기 위한 촉매시스템에 회백색의 스케일로 축적된다. 이는 설비의 원활한 작동을 방해할 뿐만 아니라, 부품의 마모 및 손상, 출력의 저하, 오일이나 부품의 교체주기 단축 등으로 자원화시설의 효율저하 및 비용상승을 초래하는 것으로 알려져 있다. 수도권매립지 매립가스 발전시설의 가스 엔진에서도 실린더헤드 및 배기밸브 등의 마모와 손상되는 영향이 나타난다.
종래의 실록산을 제거하기 위한 기술로 냉각법(cooling and chilling), 심냉법(freezing), 용매 흡수법(solvent absorption), 흡착법(adsorption) 등이 알려져 있다.
냉각법이나 심냉법은 수분에 따른 제약은 없으나 유지비용이 높고 압축 및 냉각 장치가 필수적으로 설치되어야 하는 단점이 있다. 또한, 용매흡수법은 경제성이 높고 대규모 시설이 가능하나 용매의 폭발위험성, 2차 오염물 발생, 흡착공정과 병행, 연속운전시 효율 저하라는 문제점이 있다.
반면에 흡착법은 유지비용이 저렴하고 공정이 간소화하다는 장점이 있다. 흡착법은 탄소계든 비탄소계든 흡착제를 이용하여 바이오가스 중에 실록산만을 선택적으로 제거하는 방법이다. 이러한 흡착법을 이용하여 실록산을 제거하기 위해서는 실록산 제거효율이 우수한 흡착제를 사용하여야 한다. 따라서, 실록산 제거효율이 우수한 흡착제에 대한 요구가 증가되고 있는 실정이다.
본 발명은 실록산의 흡착능력이 우수한 실리카겔의 표면을 개질하여 표면적을 증대시킴으로써 흡착력을 향상시킬 수 있는 실리카겔의 표면 개질방법 및 실록산 제거방법을 제공하는 데 그 목적 있다.
본 발명의 다른 목적은 표면개질된 실리카겔과 활성탄이 내부에 충진된 반응탑 2개를 병렬로 연결하여 어느 하나의 반응탑에서는 실록산의 흡착이 이루어지고 다른 반응탑에서는 흡착제의 재생이 이루어져 흡착 및 재생이 동시에 가능한 2-way 방식의 실록산 제거장치를 제공하는 데 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실리카겔의 표면 개질방법은 실리카겔에 산을 가하여 교반하는 산처리단계와; 상기 실리카겔에 염기를 가하여 교반하는 염기처리단계;를 포함하며, 상기 실리카겔의 표면에 굴곡을 형성하여 표면적을 증대시킨 것을 특징으로 한다.
상기 산처리단계는 상기 산으로 농도 1 내지 30%의 염산을 가하여 교반하는 것을 특징으로 한다.
상기 염기처리단계는 상기 염기로 농도 1~30%의 수산화나트륨 수용액을 가하여 교반하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실록산 제거방법은 상기 방법으로 표면이 개질된 실리카겔에 실록산을 흡착시켜 실록산을 제거하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실록산 제거장치는 실리카겔이 충진된 실리카겔층과, 상기 실리카겔층의 상부에 형성되며 활성탄이 충진된 활성탄층이 내부에 설치된 한 쌍의 제 1 및 제 2반응탑과; 상기 제 1 및 제 2반응탑과 연결되며 실록산이 함유된 가스를 상기 제 1 및 제 2반응탑 중 어느 하나에 선택적으로 유입시켜 상기 실리카겔층과 활성탄층을 순차적으로 통과시키는 가스유입수단과; 상기 실리카겔 및 상기 활성탄의 표면에 흡착된 실록산을 탈리시키기 위해 상기 제 1 및 제 2반응탑과 연결되어 상기 제 1 및 제 2반응탑 중 어느 하나에 선택적으로 열풍을 유입시키되 상기 가스가 유입되는 반응탑을 제외한 다른 반응탑에 열풍을 유입시키는 재생수단을 구비한다.
상기 재생수단은 열풍을 발생시키는 열풍기와, 상기 열풍기에서 연장되어 상기 열풍기에서 발생된 열풍이 이송되는 메인열풍공급관과, 상기 메인열풍공급관에서 분기되어 상기 제 1반응탑과 연결되며 상기 제 1반응탑의 실리카겔층과 상기 활성탄층의 이격된 틈으로 열풍을 유입시키는 제 1서브열풍공급관과, 상기 메인열풍공급관에서 분기되어 상기 제 2반응탑과 연결되며 상기 제 2반응탑의 실리카겔층과 상기 활성탄층의 이격된 틈으로 열풍을 유입시키는 제 2서브열풍공급관과, 상기 제 1 및 제 2서브열풍공급관에 각각 설치되어 상기 제 1 및 제 2서브열풍공급관의 유로를 선택적으로 개폐하는 제 1 및 제 2밸브를 구비하는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이 본 발명에 의하면 실리카겔을 산 및 염기로 처리하여 표면에 많은 굴곡을 형성하여 표면을 개질함으로써 실록산의 흡착력을 크게 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실록산 제거장치는 표면개질된 실리카겔과 활성탄이 내부에 충진된 반응탑 2개를 병렬로 연결하여 어느 하나의 반응탑에서는 실록산의 흡착이 이루어지고 다른 반응탑에서는 흡착제의 재생이 이루어져 흡착 및 재생이 동시에 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 실리카겔의 표면 개질방법을 나타낸 블록도이고,
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 실록산 제거장치를 나타낸 구성도이고,
도 3은 대조구의 실리카겔의 표면을 나타낸 전자현미경 사진이고,
도 4는 실시예의 표면이 개질된 실리카겔의 표면을 나타낸 전자현미경 사진이고,
도 5는 실리카겔의 재생실험에 사용된 장비를 개략적으로 나타낸 구성도이고,
도 6은 풍속에 따른 실리카겔의 재생실험 결과는 나타낸 그래프이고,
도 7은 온도에 따른 실리카겔의 재생실험 결과는 나타낸 그래프이고,
도 8은 실험에 이용된 실록산 제거장치의 실물사진이고,
도 9는 매립지 가스의 실록산 제거 결과를 나타낸 시험성적서이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 실리카겔의 표면 개질방법 및 실록산 제거방법 그리고 이를 이용한 투웨이 방식의 실록산 제거장치에 대하여 구체적으로 설명한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 다른 실리카겔의 표면 개질방법은 크게 산처리단계와, 염기처리단계를 포함한다.
산처리단계를 수행하기 위해 먼저 전처리 과정이 수행될 수 있다. 이 경우 전처리 과정에서 실리카겔의 세척 및 건조가 이루어진다.
세척을 통해 실리카겔의 표면이 묻어 있는 이물질을 제거한다. 세척은 물을 이용하여 실시할 수 있다. 세척 후 실리카겔에 흡수된 수분을 제거하기 위해 건조시킨다. 건조는 50~70℃에서 최소 24시간 이상, 가령 24 내지 48시간 동안 건조시킨다.
건조 후 산처리단계를 수행한다. 산처리에 이용되는 산은 염산, 인산, 황산 등을 이용할 수 있다. 일 예로, 실리카겔에 농도 1~30%의 염산을 가하여 1 내지 3시간 정도 교반하여 산처리할 수 있다.
산처리 후 실리카겔은 물로 세척한 다음 50~70℃에서 최소 24시간 이상, 가령, 24 내지 48시간 동안 건조시킨다.
다음으로 염기를 첨가하여 염기처리를 한다. 여기서 염기로 수산화나트륨을 이용한다. 일 예로, 실리카겔에 대하여 농도 1~30%의 수산화나트륨 수용액을 가하여 10 내지 50분 동안 교반한다.
실리카겔의 산 처리시 실리카겔의 표면이 팽창하고, 이 후 염기 처리시 표면에 굴곡이 형성된다. 이와 같은 순차적 산처리 및 염기처리를 통해 도 4에 나타난 것처럼 실리카겔의 표면에는 많은 굴곡이 형성되어 표면적을 크게 증대시킨다.
염기처리 후 후처리 과정으로서 물을 이용하여 실리카겔을 세척하고, 건조시킨다. 건조는 50~70℃에서 최소 24시간 이상, 가령 24 내지 48시간 동안 건조시킨다.
상술한 바와 같이 표면개질된 실리카겔은 실록산을 흡착하여 제거하는 흡착제로 유용하게 활용될 수 있다. 이와 같이 표면개질된 실리카겔은 실록산을 제거하기 위한 방법 및 장치에 적용될 수 있다.
가령, 실록산을 제거하기 위한 방법으로 내부에 표면개질된 실리카겔이 충진된 반응탑의 하부에 실록산을 함유하는 가스를 유입시켜 실록산을 제거할 수 있다. 가스에 함유된 실록산은 실리카겔의 표면에 흡착되어 제거된다. 흡착제의 다른 종류인 활성탄은 가스 중에 함유된 수분에 의해 흡착력이 저하되지만, 실리카겔은 수분 흡착 성능도 우수하여 미량의 수분은 실리카겔의 흡착력에 큰 영향을 주지 않는다.
본 발명에서 흡착 제거 대상인 실록산(siloxane)은 유기규소화합물로서, 메틸기를 포함하는 유기기를 갖는 규소와 산소가 결합한 형태의 화합물을 의미한다. 주요 실록산의 종류는 상술한 표 1에 언급된 바와 같다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 실록산 제거장치를 도 2에 도시하고 있다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 실록산 제거장치는 제 1 및 제 2반응탑(10)(20)과, 가스유입수단(40)과, 재생수단(60)을 포함한다.
한 쌍의 반응탑, 즉 제 1 및 제 2반응탑(10)(30)은 이격되어 나란하게 설치된다. 제 1 및 제 2반응탑(10)(30)은 동일한 구조와 크기를 가지므로 제 1반응탑(10)에 대해서만 설명하고, 제 2반응탑(30)의 설명은 생략한다.
제 1반응탑(10)은 내부에 일정한 크기의 공간을 가지는 원통형으로 형성된다. 제 1반응탑(10)의 하부에는 지지다리(11)가 다수 설치된다.
제 1반응탑(10)의 내부에는 실록산을 흡착 제거하기 위한 2종류의 흡착제가 충진된다. 하부에 실리카겔이 충진된 실리카겔층(13)이 형성되고, 상부에 활성탄이 충진된 활성탄층(15)이 형성된다. 실리카겔은 통상적인 것을 적용할 수 있지만 상술한 바와 같이 산 및 염기 처리에 의해 표면이 개질된 실리카겔을 적용하는 것이 바람직하다.
제 1반응탑(10)의 내부에는 실리카겔층(13)과 활성탄층(15)을 구획하기 위해 2개의 데미스터(Demister)(17)(19)가 설치된다. 제 1데미스터(17)는 제 1반응탑(10)의 하부측에 설치된다. 실리카겔층(13)은 제 1데미스터(17) 위에 형성된다. 그리고 제 2데미스터(19)는 실리카겔층(13)의 윗면과 이격되어 제 1반응탑(10)의 상부측에 설치된다. 제 2데미스터(19) 위에 활성탄층(15)이 형성된다. 제 1 및 제 2데미스터(17)(19)는 가스 중에 함유된 수분을 제거하는 역할을 함께 할 수 있다. 제 1 및 제 2데미스터 대신에 가스가 통과할 수 있는 다수의 구멍이 형성된 원판 형태의 망구조물이 설치될 수 있음은 물론이다.
제 1반응탑(10)에는 흡착제를 교체 및 점검을 위한 2개의 토출부(21)(23)가 각각 형성된다. 제 1토출부(21)는 실리카겔층(13)의 하부와 대응되는 제 1반응탑(10) 외측에 형성된다. 그리고 제 2토출부(23)는 활성탄층(15)의 하부와 대응되는 제 1반응탑(10) 외측에 형성된다. 제 1 및 제 2토출부(21)(23)는 내부를 들여다 볼 수 있도록 투명한 창이 형성된다.
또한, 제 1반응탑(10)에는 흡착제를 투입할 수 있도록 2개의 투입부(25)(27)가 각각 형성된다. 제 1투입부(25)는 실리카겔층(13)의 상부와 대응되는 제 1반응탑(10) 외측에 형성된다. 그리고 제 2투입부(27)는 활성탄층(15)의 상부와 대응되는 제 1반응탑(10) 외측에 형성된다.
제 1반응탑(10)의 하부에는 실록산을 함유한 가스가 유입되는 가스유입구(미도시)가 형성된다. 가스유입구는 제 1데미스터(17)보다 더 낮은 위치에 형성된다. 가스유입구는 후술할 1서브가스공급관(45)과 연결된다. 물론, 제 2반응탑(30)의 가스유입구(미도시)는 후술할 제 2서브가스공급관(47)과 연결된다.
제 1반응탑(10)의 최하부에는 재생시 유입되는 열풍이 배기되는 제 1배기구(28)가 형성되고, 제 1반응탑(10)의 최상부에는 재생시 유입되는 열풍 및 실록산이 흡착 제거된 가스가 배기되는 제 2배기구(29)가 형성된다.
이와 같이 본 발명은 제 1 및 제 2반응탑(10)(30) 내부에 서로 다른 특성을 갖는 2종류의 흡착제를 충진하여 실록산을 제거한다.
단일 흡착제만 사용하여서는 여러 물질로 구성된 실록산을 효과적으로 제거하기가 어렵다. 또한, 하나의 반응탑만으로는 재생시 공정이 중단되어 연속적인 공정을 수행할 수가 없다. 반면에 본 발명의 실록산 제거장치는 제 1 및 제 2반응탑(10)(30)의 하부에 실리카겔, 상부에 활성탄을 충진하여 하단에서는 실록산 물질 중 고리형에 속하고 분자량이 큰 D3, D4, D5 등 D계열의 실록산을 선택적 제거하고, 상단의 활성탄은 실록산 물질 중 선형에 속하며 휘발성이 강한 L2, L3, L4 등 L 계열을 제거하여 다양한 종류의 실록산 물질을 하나의 장치에서 효과적으로 제거할 수 있다.
또한, 하부로 유입되어 상부로 배출되는 가스의 흐름을 갖는 제 1 및 제 2반응탑(10)(30)의 하부에 실리카겔층(13)을 형성하고 상부에 활성탄층(15)을 형성함으로써 실리카겔층(13)에 먼저 가스를 접촉시키고 나서 활성탄층(15)에 접촉시킨다. 따라서 흡착력이 수분에 민감하게 영향을 받는 활성탄층(15)의 흡착력 저하를 방지하는 효과를 갖는다. 특히 실리카겔 및 활성탄은 흡착이 끝난 후 열풍으로 재생하여 재사용이 가능하므로 실리카겔과 활성탄의 수명을 연장시킬 수 있다.
가스유입수단(40)은 제 1 및 제 2반응탑(10)(30)으로 실록산이 함유된 가스를 유입시킨다. 도시된 가스유입수단(40)은 일 예로 실록산이 함유된 가스를 배출하는 배출원과 연결되어 가스를 송풍시키는 송풍기(41)와, 송풍기(41)의 토출측에 연결되어 송풍기(41)에서 송풍되는 가스가 이송되는 메인가스공급관(43)과, 메인가스공급관(43)에서 분기되어 제 1반응탑(10)의 하부와 연결되며 제 1반응탑(10)의 실리카겔층으로 가스를 유입시키는 제 1서브가스공급관(45)과, 메인가스공급관(43)에서 분기되어 제 2반응탑(30)의 하부와 연결되며 제 2반응탑(30)의 실리카겔층(13)으로 가스를 유입시키는 제 2서브가스공급관(47)과, 제 1 및 제 2서브가스공급관(45)(47)에 각각 설치되어 상기 제 1 및 제 2서브가스공급관(45)(47)의 유로를 선택적으로 개폐하는 제 1 및 제 2밸브(46)(49)를 구비한다.
송풍기(41)는 실록산을 함유하는 배출원에서 발생된 바이오가스, 매립지가스 등을 메인가스공급관(43)을 통해 제 1 및 제 2서브가스공급관(45)(47)으로 이송시킨다. 이때 제 1 및 제 2밸브(46)(49)의 선택적 개폐를 통해 실록산이 함유된 가스는 제 1 및 제 2반응탑(10)(30) 중 어느 하나에 선택적으로 유입된다. 가령, 제 1밸브(46)를 개방하고 제 2밸브(49)는 잠궈 가스를 제 1반응탑(10)으로 유입시켜 제 1반응탑(10)에서 실록산을 흡착시켜 제거한다. 이때 실리카겔층(13)과 활성탄층(15)을 통과하여 실록산이 제거된 가스는 제 2배기구(29)를 통해 배기된다. 흡착이 수행되는 제 1 또는 제 2반응탑(10)(30)의 제 1배기구(28)는 밸브(미도시)의 조작에 의해 닫혀 있는다.
그리고 시간이 지나 제 1반응탑(10)에 충진된 실리카겔과 활성탄의 흡착률이 저하되면 제 1밸브(46)를 잠그고 제 2밸브(49)를 개방시켜 가스를 제 2반응탑(30)으로 유입시킨다. 이와 동시에 제 1반응탑(10)으로는 후술할 재생수단에 의해 열풍을 공급하여 실리카겔 및 상기 활성탄의 표면에 흡착된 실록산을 탈리시켜 재생을 시도한다.
도시된 재생수단(60)은 열풍을 발생시키는 열풍기(61)와, 열풍기(61)에서 연장되어 열풍기(61)에서 발생된 열풍이 이송되는 메인열풍공급관(63)과, 메인열풍공급관(61)에서 분기되어 제 1반응탑(10)과 연결되며 상기 제 1반응탑(10)의 실리카겔층(13)과 상기 활성탄층(15)의 이격된 틈으로 열풍을 유입시키는 제 1서브열풍공급관(65)과, 상기 메인열풍공급관(63)에서 분기되어 상기 제 2반응탑(30)과 연결되며 상기 제 2반응탑(30)의 실리카겔층(13)과 활성탄층(15)의 이격된 틈으로 열풍을 유입시키는 제 2서브열풍공급관(67)과, 상기 제 1 및 제 2서브열풍공급관(65)(67)에 각각 설치되어 상기 제 1 및 제 2서브열풍공급관(65)(67)의 유로를 선택적으로 개폐하는 제 1 및 제 2밸브(66)(69)를 구비한다.
재생수단의 제 1 및 제 2밸브(66)(69)의 선택적 개폐를 통해 열풍은 제 1 및 제 2반응탑(10)(30) 중 어느 하나에 선택적으로 유입된다. 즉, 가스가 유입되는 반응탑을 제외한 다른 반응탑에 열풍을 유입시킨다. 가령, 제 1반응탑(10)에 가스가 유입되어 실록산의 흡착과정이 수행되고 있는 동안은 제 2반응탑(30)에 열풍을 유입시켜 제 2반응탑(30)에 충진된 실리카겔과 활성탄의 재생을 시도한다. 그리고 제 2반응탑(30)에 가스가 유입되어 실록산의 흡착과정이 수행되고 있는 동안은 제 1반응탑(10)에 열풍을 유입시켜 제 1반응탑(10)에 충진된 실리카겔과 활성탄의 재생을 시도한다. 그리고 열풍에 의한 재생시 열풍은 실리카겔층(13)과 활성탄층(15) 사이로 유입된다. 따라서 일부 열풍은 활성탄층(15)을 통과하면서 활성탄의 표면에 흡착된 실록산을 탈리시키고, 이때 탈리된 실록산과 함께 열풍은 제 2배기구(29)를 통해 배출된다. 또한, 일부 열풍은 실리카겔층(13)을 통과하면서 실리카겔의 표면에 흡착된 실록산을 탈리시키고, 이때 탈리된 실록산과 함께 열풍은 제 1배기구(28)를 통해 배출된다.
이와 같이 본 발명은 실리카겔과 활성탄이 내부에 충진된 제 1 및 제 2반응탑(10)(30) 2개를 병렬로 연결하여 어느 하나의 반응탑에서는 실록산의 흡착이 이루어지고 다른 반응탑에서는 흡착제의 재생이 이루어져 2-way 방식의 실록산 제거장치를 제공할 수 있다. 따라서 하나의 장치에서 흡착 및 재생이 동시에 가능하므로 공정의 중단없이 연속적으로 실록산을 제거할 수 있다.
이하, 실시 예를 통하여 본 발명에 대해서 설명하고자 한다. 다만, 하기의 실시 예는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위를 하기의 실시 예로 한정하는 것은 아니다.
(실시예1)
준비한 실리카겔(A2AYP, 케이디코퍼레이션, 한국)100g을 물로 세척한 후 60℃에서 36시간 건조시켰다. 건조된 실리카겔에 농도 15%의 염산을 가해 2시간 동안 교반을 한 다음, 물로 세척한 후 60℃에서 36시간 건조시켰다. 그리고 5%의 수산화나트륨 수용액을 가하여 30분 동안 교반시킨 다음 물로 세척하고 60℃에서 36시간 건조시켰다.
(실시예 2 내지 4)
상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실리카겔의 표면을 개질하되, 농도 10, 15, 20%의 수산화나트륨 수용액을 이용하여 염기 처리하였다.
<표면개질된 실리카겔의 특성>
1. 외관 관찰
상기 실시예 1에 따라 표면개질한 실리카겔의 표면을 주사전자현미경으로 관찰하여 도 4에 나타내었다. 도 3은 대조구로 표면개질하기 전의 실리카겔의 표면을 나타낸 사진이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 표면개질하기 전의 실리카겔의 표면은 굴곡이 전혀 없는 평탄한 면을 이루는데 반해 표면개질한 실리카겔은 표면에 움푹 꺼진 많은 홈들이 형성되어 있음을 알 수 있다. 이와 같이 표면개질된 실리카겔은 표면이 굴곡져 표면적을 크게 증대시킬 수 있다. 일반적으로 흡착제의 흡착력은 표면적에 좌우되기 때문에 표면개질된 실리카겔은 흡착력이 우수할 것으로 기대된다.
2.흡착실험
상기 실시예 1, 2, 3, 4에 따라 표면 개질된 실리카겔을 대상으로 흡착실험을 하였다. 대조구로 표면을 개질하기 전의 실리카겔을 이용하였다. 5종류의 실록산 Hexamethyldisiloxane(L2), Octamethyltrisiloxane(L3), Hexamethylcyclotrisiloxane(D3), Octamethylcyclotetrasiloxane(D4), Decamethylcyclopentasiloxane(D5) 각각을 질소 퍼징하여 실리카겔이 담지된 챔버에 통과시켜, 100㎖/min으로 2시간 30분 동안 챔버에서 유출되는 가스를 메탄올에 흡수시킨 후 농도를 GC-MS로 측정하였다. GC-MS측정조건은 하기 표 2와 같다.
GC Shimadzu 2010
MS Shimadzu 2010plus
Column DB-1 (60m x 0.32mm x 3㎛)
Carrier Gas and Flow He(99.999%), 1.0㎖/min
Temperature Program Temperature Program
50℃(2min) → 10℃/min → 250℃ (4min)

MS Condition
 Mode EI(electron ion)
Electron Energy 70ev
Detection Mode SIM mode
실험결과, 수산화나트륨 수용액의 농도별 실록산 L2의 제거율을 하기 표 3에 나타내었다.
실리카겔 유출가스 농도(mg/m3) 제거율(%)
대조구 16.1 11.5
5% NaOH 처리 12.2 32.9
10% NaOH 처리 13.4 26.4
15% NaOH 처리 13.7 24.7
20% NaOH 처리 12.8 29.7
표 3을 참조하면, 실록산 L2의 제거율은 대조구에 비해 표면개질한 실리카겔에서 훨씬 더 높게 나타났다. 그리고 농도 5% 수산화나트륨 수용액 처리시 가장 제거율이 높은 것으로 나타났다.
그리고 수산화나트륨 수용액의 농도별 실록산 L3의 제거율을 하기 표 4에 나타내었다.
실리카겔 유출가스 농도(mg/m3) 제거율(%)
대조구 31.5 21.4
5% NaOH 처리 23.2 42.1
10% NaOH 처리 22.1 44.9
15% NaOH 처리 26.7 33.4
20% NaOH 처리 21.0 47.6
표 4를 참조하면, 실록산 L3의 제거율은 대조구에 비해 표면개질한 실리카겔에서 훨씬 더 높게 나타났다. 그리고 농도 20% 수산화나트륨 수용액 처리시 가장 제거율이 높은 것으로 나타났다.
그리고 수산화나트륨 수용액의 농도별 실록산 D3의 제거율을 하기 표 5에 나타내었다.
실리카겔 유출가스 농도(mg/m3) 제거율(%)
대조구 29.1 40.2
5% NaOH 처리 17.1 64.9
10% NaOH 처리 24.5 49.7
15% NaOH 처리 23.4 51.9
20% NaOH 처리 20.1 58.7
표 5를 참조하면, 실록산 D3의 제거율은 대조구에 비해 표면 개질한 실리카겔에서 훨씬 더 높게 나타났다. 그리고 농도 5%의 수산화나트륨 수용액 처리시 가장 제거율이 높은 것으로 나타났다.
그리고 수산화나트륨 수용액의 농도별 실록산 D4의 제거율을 하기 표 6에 나타내었다.
실리카겔 유출가스 농도(mg/m3) 제거율(%)
대조구 14.4 71.8
5% NaOH 처리 10.8 78.8
10% NaOH 처리 9.3 81.8
15% NaOH 처리 9.1 82.2
20% NaOH 처리 11.6 77.3
표 6을 참조하면, 실록산 D4의 제거율은 대조구에 비해 표면개질한 실리카겔에서 더 높게 나타났다. 그리고 농도 15%의 수산화나트륨 수용액 처리시 가장 제거율이 높은 것으로 나타났다.
그리고 수산화나트륨 수용액의 농도별 실록산 D5의 제거율을 하기 표 7에 나타내었다.
실리카겔 유출가스 농도(mg/m3) 제거율(%)
대조구 10.6 78.6
5% NaOH 처리 8.4 83
10% NaOH 처리 12.4 74.9
15% NaOH 처리 11.6 76.5
20% NaOH 처리 10.5 78.7
표 7을 참조하면, 실록산 D5의 제거율은 대조구에 비해 표면개질한 실리카겔에서 더 높게 나타났다. 그리고 농도 5%의 수산화나트륨 수용액 처리시 가장 제거율이 높은 것으로 나타났다.
이상의 실험결과, 일반 실리카겔보다 표면개질 된 실리카겔의 실록산 물질의 흡착 제거율이 훨씬 더 높다는 것을 알 수 있었다.
3. 재생실험
상기 실시예 1에 따라 표면개질된 실리카겔의 재생력을 살펴보기 위해 재생실험을 하였다.
이를 위해 표면개질 된 실리카겔 200g에 실록산 물질 D5를 강제 흡착시켰다. 실록산 물질이 흡착된 실리카겔의 중량을 측정한 후 흡착된 실록산의 중량을 파악하고, 도 5의 실험장치에 나타나 바와 같이 반응기 내부에 실리카겔을 충진시켰다. 그리고 반응기 전단에 온도와 풍속 조건을 달리한 열풍을 가하여 실록산을 실리카겔에서 탈착시킨 후 실리카겔의 중량을 측정하여 재생율을 측정하였다.
재생실험 결과는 도 6 및 도 7에 나타내었다. 도 6은 풍속에 따른 실리카겔의 재생실험 결과는 나타낸 그래프이고, 도 7은 온도에 따른 실리카겔의 재생실험 결과는 나타낸 그래프이다.
실험결과, 풍속 1.2m/s 미만에서는 재생력이 낮고, 1.5m/s 이상에서는 재생력이 우수함을 알 수 있다. 그리고 온도 40℃미만에서는 재생력이 낮고, 온도 50℃이상 일때 재생력이 우수한 것을 알 수 있었다. 따라서 표면개질된 실리카겔의 재생시 가해지는 열풍은 풍속 1.5~2.0m/s, 온도 50~80℃이다.
<실록산 제거장치 실험>
도 8에 나타난 실록산 제거장치를 이용한 매립지 가스의 실록산 제거 효과를 살펴보기 위해 광주광역시 소재 매립장에서 발생한 매립지 가스를 이용하여 실험을 하였다.
높이 2,480mm, 직경 600mm인 반응탑을 2개를 병렬로 설치하고, 반응탑 내부에 표면개질된 실리카겔과 활성탄(입상활성탄소, 제성화학공업, 한국)을 각각 충진하였다. 어느 하나에 유입되는 가스의 유속은 1~1.5m3/min, 온도 40~55℃였다.
실험은 2회에 걸쳐 실시하였고, 1회째는 결과는 자체 측정하였고, 2회째는 결과는 한국산업기술시험원에 의뢰하여 측정하였다. 자체 측정한 1회째 결과는 하기 표 8에 나타내었다.
항목 Inlet gas Outlet gas 단위
L2 0.67 불검출

mg/m3


L3 0.29 불검출
D3 9.85 불검출
D4 7.22 0.12
D5 18.44 0.09
총실록산 36.47 0.11
비고 불검출 : 0.01 mg/m3 미만
그리고 한국산업기술시험원에 의뢰한 2회째 결과는 하기 표 9 및 도 9에 나타내었다.
항목 Inlet gas Outlet gas 단위
L2 0.46 불검출

mg/m3


L3 0.19 불검출
L4 0.04 불검출
L5 0.04 0.02
D4 10.32 0.22
D5 14.42 0.10
총실록산 25.47 0.33
비고 불검출 : 0.01 mg/m3 미만
상기 표 8 및 표 9를 참조하면, 본 발명의 실록산 제거장치를 이용하여 실록산 흡착실험 결과 총 실록산 농도 기준 평균 98.9% 제거율을 나타냈다.
이상에서 본 발명은 일 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
10: 제 1반응탑 13: 실리카겔층
15:활성탄층 17: 제 1데미스터
19: 제 2데미스터 30: 제 2반응탑
40: 가스유입수단 60: 재생수단

Claims (6)

  1. 실리카겔에 산을 가하여 교반하는 산처리단계와;
    상기 실리카겔에 염기를 가하여 교반하는 염기처리단계;를 포함하며,
    상기 실리카겔의 표면에 굴곡을 형성하여 표면적을 증대시킨 것을 특징으로 하는 실리카겔의 표면 개질방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 산처리단계는 상기 산으로 농도 1 내지 30%의 염산을 가하여 교반하는 것을 특징으로 하는 실리카겔의 표면 개질방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 염기처리단계는 상기 염기로 농도 1~30%의 수산화나트륨 수용액을 가하여 교반하는 것을 특징으로 하는 실리카겔의 표면 개질방법.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항의 방법으로 표면이 개질된 실리카겔에 실록산을 흡착시켜 실록산을 제거하는 것을 특징으로 하는 실록산 제거방법.
  5. 표면이 개질된 실리카겔이 충진된 실리카겔층과, 상기 실리카겔층의 상부에 형성되며 활성탄이 충진된 활성탄층이 내부에 설치된 한 쌍의 제 1 및 제 2반응탑과;
    상기 제 1 및 제 2반응탑과 연결되며 실록산이 함유된 가스를 상기 제 1 및 제 2반응탑 중 어느 하나에 선택적으로 유입시켜 상기 실리카겔층과 활성탄층을 순차적으로 통과시키는 가스유입수단과;
    상기 실리카겔 및 상기 활성탄의 표면에 흡착된 실록산을 탈리시키기 위해 상기 제 1 및 제 2반응탑과 연결되어 상기 제 1 및 제 2반응탑 중 어느 하나에 선택적으로 열풍을 유입시키되 상기 가스가 유입되는 반응탑을 제외한 다른 반응탑에 열풍을 유입시키는 재생수단;을 구비하고,
    상기 실리카겔은 산과 염기를 순차적으로 가해 표면에 굴곡을 형성하여 표면적을 증대시킨 것을 특징으로 하는 실록산 제거장치.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 재생수단은 열풍을 발생시키는 열풍기와, 상기 열풍기에서 연장되어 상기 열풍기에서 발생된 열풍이 이송되는 메인열풍공급관과, 상기 메인열풍공급관에서 분기되어 상기 제 1반응탑과 연결되며 상기 제 1반응탑의 실리카겔층과 상기 활성탄층의 이격된 틈으로 열풍을 유입시키는 제 1서브열풍공급관과, 상기 메인열풍공급관에서 분기되어 상기 제 2반응탑과 연결되며 상기 제 2반응탑의 실리카겔층과 상기 활성탄층의 이격된 틈으로 열풍을 유입시키는 제 2서브열풍공급관과, 상기 제 1 및 제 2서브열풍공급관에 각각 설치되어 상기 제 1 및 제 2서브열풍공급관의 유로를 선택적으로 개폐하는 제 1 및 제 2밸브를 구비하는 것을 특징으로 하는 실록산 제거장치.



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