KR101557637B1 - 전자빔을 이용한 육불화황 처리장치 - Google Patents

전자빔을 이용한 육불화황 처리장치 Download PDF

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류재용
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Abstract

본 발명은 전자빔을 이용한 육불화황 처리장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 육불화황과 수소에 전자빔을 조사하여 불화수소 및 황으로 분해하고 생성된 불화수소 및 황을 연속적으로 처리하여 회수할 수 있도록 한 전자빔을 이용한 육불화황 처리장치에 관한 것이다.
특히, 유해성이 큰 불화수소를 처리하는데 있어서, 금속 또는 비금속 이온과 불소를 액상에서 반응시켜 보다 안정된 불소염의 형태로 회수하거나, 불화수소를 응축시켜 액체 상태의 고순도 불화수소로 회수할 수 있는 전자빔을 이용한 육불화황 처리장치이다.

Description

전자빔을 이용한 육불화황 처리장치{Sulfur hexafluoride decomposition device using electron beam}
본 발명은 전자빔을 이용한 육불화황 처리장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 육불화황(SF6)과 수소(H2)에 전자빔을 조사하여 불화수소(HF) 및 황(S)으로 분해하고 생성된 불화수소 및 황을 안전하게 처리하여 회수할 수 있도록 한 전자빔을 이용한 육불화황 처리장치에 관한 것이다.
육불화황(SF6)은 대기 중 존재량은 적으나 온난화지수는 이산화탄소보다 훨씬 큰 가스로 지구온난화의 주범인 대표적 온실가스 중 하나이다.
대기 중의 양은 이산화탄소의 1% 미만으로 매우 적지만 지구온난화지수(GWP; 이산화탄소가 지구온난화에 기여하는 정도를 1로 봤을 때 같은 양의 온실가스가 지구온난화에 기여하는 정도)는 이산화탄소의 23,900배에 달하며 약 3,000년의 수명을 가지고 있어 대기 중으로 일단 방출되면 거의 영구적으로 지구의 온도를 상승시킨다.
따라서 교토의정서에 정의된 6대 온실가스 중의 하나로 그 사용에 대해 전 세계적으로 온실가스의 규제물질로 적용되고 있다.
이러한 육불화황은 전기적인 절연 특성이 우수하여 중전기기의 절연가스로 주로 사용되고 있으며, 반도체 에칭 가스로도 이용된다. 특히, 우리나라는 전기전자산업이 발달했기 때문에 다른 나라에 비해 육불화황의 배출이 많다.
이러한 육불화황과 같은 온실가스를 처리하는 기존 기술은 고온소각, 열분해, 촉매산화 및 플라즈마 처리법 등이 있으나, 고온소각의 경우 SOx, NOx 등의 발생으로 2차 대기환경 문제가 유발되고, 열분해의 경우 에너지 소모가 크고 분해부산물로 인한 빠른 장치부식, 그리고 촉매의 피독, 플라즈마 분해법의 경우 높은 에너지 소모 및 낮은 분해율 등의 문제가 있어 산업적으로의 활용에 제한성이 있다.
이와 관련된 기술로, 한국공개특허 제 2008-0065851호("육불화황의 처리방법", 공개일 : 2008.07.15)가 있으며, 상기 선행문헌에는 육불화황을 무해화 처리하여 고순도의 재활용할 수 있는 고체인 황산칼슘(CaSO4)과 불화칼슘(CaF2)으로 추출하거나 또는 고체인 황산마그네슘(MgSO4)과 불화마그네슘(MgF2)으로 추출할 수 있는 육불화황의 처리방법에 대해 기재되어 있다.
그러나 상기 선행문헌도 앞서 언급한 문제점들을 해결하지는 못하였다.
최근, 전자빔을 이용하여 육불화황과 수소를 분해하여 처리하는 방법이 제시된 바 있으나, 분해 시 생성되는 불화수소(HF)가 독성 및 부식성이 강하고 쉽게 확산되는 특성이 있어 위해성을 배제하지 못하는 문제점이 있다.
한국공개특허 제 2008-0065851호("육불화황의 처리방법", 공개일 : 2008.07.15)
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 육불화황 및 수소에 전자빔을 조사하여 불화수소 및 황으로 분해하고 생성된 불화수소 및 황을 안전하게 처리할 수 있는 전자빔을 이용한 육불화황 처리장치를 제공하는 것이다.
특히, 유해성이 큰 불화수소를 처리하는데 있어서, 금속 또는 비금속 이온과 반응시켜 보다 안정된 불소염의 형태로 회수하거나, 불화수소를 응축시켜 액체 상태의 고순도 불화수소로 회수할 수 있는 전자빔을 이용한 육불화황 처리장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 전자빔을 이용한 육불화황 처리장치는 육불화황(SF6) 및 수소(H2)가 유입되는 육불화황분해챔버; 상기 육불화황분해챔버에 유입된 육불화황 및 수소에 전자빔을 조사하는 전자빔 조사장치; 전자빔 조사에 의하여 불화수소(HF(v)) 및 황(S(s))으로 분해되어 상기 육불화황분해챔버에서 유출되는 불화수소 및 황의 혼합물에서 황을 회수하는 황 회수부; 상기 황 회수부에서 유출되는 불화수소를 응축시켜 액체 상태의 불화수소로 회수하는 액체 불화수소 회수부; 및 상기 육불화황분해챔버, 황 회수부 및 액체 불화수소 회수부를 각각 연결하여 불화수소 또는 황을 유통시키는 배관;을 포함하여 이루어지거나,
육불화황(SF6) 및 수소(H2)가 유입되는 육불화황분해챔버; 상기 육불화황분해챔버에 유입된 육불화황 및 수소에 전자빔을 조사하는 전자빔 조사장치; 전자빔 조사에 의하여 불화수소(HF(v)) 및 황(S(s))으로 분해되어 상기 육불화황분해챔버에서 유출되는 불화수소 및 황의 혼합물에서 황을 회수하는 황 회수부; 상기 황 회수부에서 유출되는 불화수소를 금속 또는 비금속 이온 수용액 내로 버블링하여 투입하며, 상기 금속 또는 비금속 이온과 반응하여 생성되는 불소염 형태로 회수하는 불소염 회수부; 및 상기 육불화황분해챔버, 황 회수부 및 불소염 회수부를 각각 연결하여 불화수소 또는 황을 유통시키는 배관;을 포함하여 이루어질 수 있다.
본 발명에 따른 전자빔을 이용한 육불화황 처리장치는 지구 온난화를 유발하는 온실가스 중 하나인 육불화황을 부가가치가 있는 황과 불화수소로 분해함으로써, 온실가스 배출 저감 효과가 있으며 동시에 부가가치가 있는 황과 불화수소를 생산하므로 경제적인 측면과 환경적인 측면에서 매우 유용하다.
육불화황의 전자빔에 의한 분해반응은 상온, 상압에서 이루어지며, 반응부산물 및 폐기물의 발생이 거의 없는 공정이므로 보다 안정적이고 청정한 기술이며, 처리 중 산화분해 반응이 전혀 일어나지 않으므로 친환경적이다.
종래의 필터를 이용하여 황을 회수하는 대신 싸이클론을 이용함으로써 필터의 막힘 문제를 해결할 수 있으며, 배출되는 기체(불화수소)의 흐름을 방해하는 요소가 제거됨으로써 배출 유동성을 증가시키는 효과가 있다.
특히, 전자빔을 이용함으로써 농도가 높은 대량의 육불화황을 고효율로 처리할 수 있어 매우 효과적이면서 경제적이다.
또한, 육불화황의 분해 시 생성되는 유해물질인 불화수소를 불소염의 형태로 회수함으로써 위해성이 없는 안전한 형태로 회수할 수 있다.
또한, 불화수소를 응축시켜 고순도의 액체 불화수소의 형태로 회수할 수도 있으며, 이는 불소염과 같은 형태로 회수하는 방법에 비해 처리비용을 획기적으로 낮출 수 있으며, 동시에 반도체 식각 공정 등에 사용되는 산업용 원료로써 활용할 수 있으므로 경제성이 매우 높다.
도 1은 본 발명의 전자빔을 이용한 육불화황 처리장치의 일실시예,
도 2는 도 1의 또 다른 형태를 나타낸 개략도,
도 3은 본 발명의 전자빔을 이용한 육불화황 처리장치의 다른 실시예,
도 4는 도 3의 또 다른 형태를 나타낸 개략도,
도 5는 본 발명의 전자빔을 이용한 육불화황 처리장치의 또 다른 실시예를 나타낸 블록도이다.
이하, 본 발명의 기술적 사상을 첨부된 도면을 사용하여 더욱 구체적으로 설명한다.
첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상을 더욱 구체적으로 설명하기 위하여 도시한 일예에 불과하므로 본 발명의 기술적 사상이 첨부된 도면의 형태에 한정되는 것은 아니다.
본 발명은 전자빔을 이용하여 육불화황을 높은 효율로 분해 처리함과 동시에 분해생성물을 안전하게 처리하여 회수하는 장치에 관한 것이다.
본 발명에서 분해 처리하고자 하는 육불화황(SF6)은 대표적인 난분해성 온실가스로서, 중전기기의 절연기체 및 반도체 공정(예를 들어, 에칭 공정, 화학 증착 공정 등)을 포함한 다양한 산업 활동을 통해 발생된다. 특히, 변압기 등의 중전기기(重電機器)에서는 고순도의 육불화황이 사용되고 있으며, 육불화황은 전체 발생가스 대비 약 80% 이상을 차지하고 있다.
도 1은 본 발명의 전자빔을 이용한 육불화황 처리장치의 일실시예를 나타낸 개략도로, 도 1을 참고하면 본 발명의 일실시예는 육불화황분해챔버(100), 전자빔 조사장치(200), 황 회수부(300), 액체 불화수소 회수부(400) 및 배관(600)을 포함하여 이루어진다.
상기 육불화황분해챔버(100)는 내부에 육불화황(SF6) 및 수소(H2)가 유입되어 흐를 수 있는 공간이 마련되며, 일방향으로 연장되는 긴 박스 형태로 형성될 수 있다.
상기 전자빔 조사장치(200)는 육불화황분해챔버(100)에 유입된 육불화황 및 수소에 전자빔을 조사하는 장치이다.
도 1에 도시된 육불화황 처리장치의 일실시예에는, 육불화황분해챔버(100)의 일측에 전자빔을 통과시키는 윈도우(110)가 형성되고, 전자빔 조사장치(200)에서 발생된 전자빔이 윈도우(110)를 통과하여 육불화황분해챔버(100) 내부로 조사되도록 구성하였다. 윈도우(110)는, 예를 들어, 육불화황분해챔버(100)의 상단 개구부에 설치되는 티타늄 호일(titanium foil)일 수 있다.
구체적으로 육불화황분해챔버(100)의 내부로 육불화황 및 수소가 유입되어 흘러가는 과정에 있어서 육불화황분해챔버(100)의 일측에 형성된 윈도우(110)를 통과하여 전자빔 조사장치(200)에 의해 발생된 전자빔이 조사되면 육불화황 및 수소가 전자빔에 의해 불화수소와 황으로 분해되도록 하는 것이다.
전자빔에 의해 육불화황과 수소가 반응하여 불화수소 및 황으로 분해되는 반응식을 하기에 나타내었다.
[반응식 1]
SF6 + 3H2 = 6HF(v) + S(s)
상기 반응식에서 보이는 바와 같이 수소는 육불화황 1몰에 대하여 3몰 이상 일 수 있으며, 바람직하게는 3몰 내지 6몰일 수 있다. 육불화황이 황과 불화수소로 완전히 분해 및 전환될 수 있도록, 육불화황 몰수의 최소 3배 이상의 몰수를 갖도록 이루어지는 것이 바람직하다. 수소의 몰수가 육불화황의 몰수의 3배가 되지 않는다면, 육불화황의 일부는 분해되지 못하고 그대로 유출되게 되는 문제가 발생할 수 있다. 따라서 육불화황 몰수의 최소 3배 이상의 몰수를 갖는 수소가 동시에 육불화황분해챔버(100)에 유입되어야 한다.
본 발명에 있어서 육불화황의 분해에 이용되는 전자빔은 방사선의 일종으로 일정한 방향을 갖는 전자의 흐름이다. 육불화황을 전자빔에 의해 이온으로 분해하기 위해서는 먼저, 전자빔을 형성하기 위한 전자들을 만들어야 하는데, 전자는 전자총(Electron Gun)에서 생성된다. 즉, 전자총의 필라멘트(Filament)에 전류를 흘려 필라멘트를 가열시키면, 필라멘트의 온도는 고온으로 상승되며, 이때 필라멘트에서 많은 수의 자유 전자가 방출된다. 생성된 자유전자들의 속도 즉, 에너지는 양극(Anode)에 걸린 전위차로 조절되며 대상물질 및 처리 목적에 따라 이 에너지를 조절하여 처리대상 물질에 조사(irradiation)하는 것이다.
한편, 도 1에 도시된 상기 전자빔 조사장치(200)는 육불화황분해챔버(100)의 윈도우(110) 상부에 가깝게 위치하여 고속전자의 에너지가 높은 효율로 전달되도록 제작된 것이나, 이는 본 발명의 하나의 실시예일 뿐이다. 도 2는 도 1의 또 다른 형태를 나타낸 개략도로, 도 2에서 전자빔 조사장치는 일반적으로 사용되는 상용 전자빔 가속기(미도시)이며, 전자빔 가속기 하부에 육불화황분해챔버(100)를 위치시켜 전자빔을 조사받도록 하는 것이다.
전자빔 가속기 내에서의 전자는 광속에 가깝게 가속되고, 가속된 전자들이 피조사 물질과 충돌하면서 유입된 육불화황과 수소를 분해시키거나 여기시키게 되는데, 육불화황의 경우 황과 불소원자로 분해되며, 수소분자는 수소원자로 분해된다. 이때 전자빔에 의해 분해된 불소원자와 수소원자는 높은 화학적 친화도 때문에 서로 화학적으로 결합하여 불산을 생성시키게 된다. 전자는 작은 질량을 가지기 때문에 충돌 시 적은 에너지만 소실되며, 에너지가 모두 소진될 때까지 연쇄적으로 수많은 충돌을 하게 된다. 1개의 전자로부터 연쇄작용으로 생성되는 총 전자 수는 수만 개에 이르며, 이와 같은 과정에서 이온, 라디칼, 여기상태의 분자 및 원자들이 생성되며 모든 반응이 수초 내에 종료된다.
상업용으로 사용되는 전자빔 가속기의 전자빔은 대개 100 KeV ~ 10 MeV의 에너지를 이용하며, 적외선(IR), 자외선(UV), χ-선 또는 γ-선에 비하여 에너지가 훨씬 높기 때문에 분해효율이 높을 뿐만 아니라 물체에 대한 투과 깊이도 커서 대량으로 처리가 가능하다. 특히 전자빔에 의한 분해반응은 상온, 상압에서 이루어지며, 반응부산물 및 폐기물의 발생이 거의 없는 공정이므로 보다 안전하고 청정한 기술이며, 처리 중 산화분해 반응이 전혀 일어나지 않으므로 친환경적인 기술에 해당된다. 특히, 전자빔을 이용함으로써 농도가 높은 대량의 육불화황을 고효율로 처리할 수 있어 매우 효과적이면서 경제적이다.
본 발명에서는 전자빔의 총 조사선량이 50 내지 500 KGy일 수 있으나, 육불화황의 효과적인 분해와 경제적인 측면에서 바람직하게는 50 내지 200 KGy일 수 있다. 그러나 이는 전자빔 조사장치(200), 육불화황분해챔버(100)의 사양 또는 처리해야 하는 물질의 유입량 등에 의해 다양하게 변경이 가능할 것이다.
이 때, 전자빔 조사장치(200)에는 조사량, 조사시간 등을 조절하는 제어부(미도시)를 더 구비할 수도 있다.
또한 전자빔 가속기 내의 육불화황분해챔버(100)가 지속적으로 전자빔이 조사되는 환경에 노출되면 육불화황분해챔버(100)의 온도는 점차 증가하게 되므로 육불화황분해챔버(100)의 온도를 낮추기 위해 외면에 육불화황분해챔버 냉각장치(미도시)를 더 구비할 수도 있다.
다음으로, 상기 황 회수부(300)는 전자빔 조사에 의하여 불화수소(HF(v)) 및 황(S(s))으로 분해되어 상기 육불화황분해챔버(100)에서 유출되는 불화수소 및 황의 혼합물에서 황을 회수하는 장치이다. 이 때, 황 회수부(300)로 유입되는 황은 고체 입자상일 수 있으며, 필터를 이용하여 황을 별도로 회수할 수 있다. 보다 바람직하게는 도 1 및 도 2에 도시된 것처럼 황 회수부(300)가 원심력을 이용하여 황 입자를 회수하는 싸이클론일 수 있는데, 싸이클론을 이용할 경우 필터를 장시간 이용할 때 발생되는 필터의 막힘 문제가 없다. 이에 따라 배출되는 기체(불화수소)의 흐름을 방해하는 요소가 제거됨으로써 배출기체의 유동성을 증가시키는 효과가 있다.
상기 액체 불화수소 회수부(400)를 설명하기에 앞서, 상기 배관(600)을 먼저 설명하면, 배관(600)은 육불화황분해챔버(100), 황 회수부(300) 및 액체 불화수소 회수부(400)를 각각 연결하여 불화수소 또는 황을 유통시키는 역할을 한다. 이 때, 육불화황분해챔버(100)와 황 회수부(300)를 연결하는 배관(600)은 입자상의 황을 유통시킨다는 점을 감안하여 내부 직경을 크게 할 수 있으며, 보다 바람직하게는 도 1 및 도 2와 같이 경사지게 구비하여 황 입자가 최대한 싸이클론에서 회수되도록 하는 것이 좋다.
한편, 본 발명에 있어서, 육불화황분해챔버(100)에서 분해되어 배출되는 불화수소는 19.5도에서 응축되는 특성을 가진다. 본 발명에서는 유동성이 좋은 기체 상태로 불화수소를 유통시키는 것이 바람직하므로 황 회수부(300) 및 배관(600)에는 불화수소가 응축되지 않도록 응축 온도 이상으로 유지시키기 위한 가열수단(미도시)이 더 구비되는 것이 좋다. 가열수단으로는 흔히 사용되는 열선이 이용될 수 있으며, 열을 발생시키거나 온도를 유지하기 위한 역할을 하는 것이면 특별한 제한이 없다.
또한, 육불화황분해챔버(100)에서 배출되는 불화수소에 의한 부식을 방지하기 위해, 불화수소가 유통되는 황 회수부(300) 및 배관(600) 내부는 폴리에틸렌(PE) 또는 테프론으로 코팅되는 것이 바람직하다.
불화수소는 독성 및 부식성이 강하며, 상온에서 주변으로 확산이 용이한 불안정한 물질로 취급이 어려운 유해물질이다. 본 발명은 육불화황을 처리하는 과정에서 불화수소를 발생시키므로, 발생된 불화수소를 얼마나 안정적으로 처리하는지가 매우 중요하다.
이러한 불화수소를 처리하는 액체 불화수소 회수부(400)는 황 회수부(300)에서 황을 회수하고 배출되는 기체인 불화수소를 응축시켜 액체 상태의 불화수소로 회수하는 장치이다. 액체 상태로 불화수소를 회수하는 액체 불화수소 회수부(400)는 유입되는 불화수소를 응축시켜 액체 상태로 만드는 냉각수단(410) 및 응축된 액체 불화수소가 채워지는 액체 불화수소 저장용기(420)로 구성된다. 도 1 및 도 2에는 냉각수단(410)을 저장용기(420) 외부에 구비하여 내부에 냉각가스가 순환하도록 하는 관 형태로 나타내었으나, 이러한 냉각수단(410)은 불화수소를 응축시키는 역할을 하는 것이면 특별한 제한 없이 사용될 수 있다.
또한 저장용기(420) 하부에 유출구를 형성하여 100%에 가까운 순도로 응축된 불화수소를 회수하도록 할 수 있다.
종래의 유해성이 큰 불화수소 가스를 안정된 염의 형태로 변환하기 위해 별도로 시약을 첨가하는 방법에 비해 시약에 소모되는 비용도 절감할 수 있으며, 액체 상태로 회수한 불화수소를 반도체 식각 공정 등에 활용하여 경제성을 높일 수 있다. 즉, 불화수소의 처리비용을 획기적으로 감소시키는 것은 물론 다른 산업에 활용될 수 있어 일석이조의 효과를 가진다.
또한 본 발명의 육불화황 처리장치의 일실시예에서는 액체 불화수소 회수부(400)에서 응축되지 않고 남은 기체를 회수하는 제 1회수라인(430)이 더 구비될 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이 제 1회수라인(430)은 저장용기(420) 상부에 연결되어 응축되지 못한 기체 또는 미반응 가스를 회수하도록 하며 또한, 육불화황분해챔버(100)의 유입 경로 상에 연결되어 회수한 기체를 육불화황분해챔버(100)로 재유입시키도록 할 수 있다.
증기상의 불화수소는 냉각장치에 의해 19.5도 이하로 냉각되면 응축되어 액체 상태로 저장용기(420)에 채워지나, 앞서 육불화황분해챔버(100)에서 육불화황 및 수소가 완전히 분해되지 않고 흘러온 수소 또는 미분해된 육불화황, SF5, SF4 등은 응축되지 못하고 저장용기(420) 상부에 모이게 된다. 이렇게 남은 기체를 제 1회수라인(430)을 통해 다시 육불화황분해챔버(100)로 재유입시키면 계속적으로 순환하면서 육불화황이 완전히 분해될 수 있으므로 처리 효율이 향상될 수 있다.
또한, 도면에 도시하지는 않았으나, 본 발명은 황 회수부(300) 및 액체 불화수소 회수부(400)를 복수개 구비하여 연속공정이 가능하도록 할 수 있다. 예를 들어, 하나의 황 회수부(300) 및 액체 불화수소 회수부(400)에서 쌓인 황과 액체 불화수소를 회수하는 동안에는 다른 황 회수부(300) 및 액체 불화수소 회수부(400)와 연결되어 장치가 구동될 수 있도록 하는 것이다.
도 3은 본 발명의 전자빔을 이용한 육불화황 처리장치의 다른 실시예이다.
본 실시예에서는 전술한 일실시예와 대응되는 구성요소에 대해 동일한 도면번호를 사용하기로 한다.
도 3에 도시된 바와 같이 본 발명의 또 다른 실시예는 육불화황분해챔버(100), 전자빔 조사장치(200), 황 회수부(300), 불소염 회수부(500) 및 배관(600)을 포함하여 이루어진다.
도 1에 도시된 일실시예와 육불화황분해챔버(100), 전자빔 조사장치(200), 황 회수부(300) 및 배관(600)은 모두 동일하며, 증기상의 불화수소를 응축하여 액체 상태로 회수하는 액체 불화수소 회수부(400) 대신 불화수소를 금속 또는 비금속 이온 수용액 내로 버블링하여 투입하며 상기 금속 또는 비금속 이온과 반응하여 생성되는 불소염 형태로 회수하는 불소염 회수부(500)를 포함하여 이루어진다는 점에서 차이가 있다.
한편, 도 4는 도 3의 또 다른 형태를 나타낸 개략도로, 전술한 바와 같이 도 3에 나타낸 육불화황 처리장치를 전자빔 가속기(미도시) 하단부에 설치한 형태이다.
도 3 및 도 4를 참고하면 상기 불소염 회수부(500)에는 유입되는 불화수소를 금속 또는 비금속 이온 수용액 내에 미세기포 형태로 버블링하여 투입시키는 버블링장치(510) 및 금속 또는 비금속 이온 수용액이 채워져 있으며 상기 미세기포 형태로 투입된 불화수소와 금속 또는 비금속 이온이 반응하여 불소염이 생성되는 반응용기(520)로 구성된다.
상기와 같이 불화수소 가스를 버블링하여 미세기포 형태로 용액 내로 주입하게 되면 불화수소 기포와 금속 또는 비금속 이온 수용액과의 접촉 표면적이 커지게 되므로 반응 효율이 증대되는 효과가 있다. 이 때, 미세기포는 마이크로 단위의 가능한 한 작은 크기로 버블링하는 것이 반응 효율 측면에서 유리함은 당연하다.
한편, 금속 또는 비금속 이온 수용액은 특별한 제한이 없으나 위해성이 없고 용해도가 낮은 불소염의 형성이 효과적이며, 경제적인 측면에서 보면 바람직하게는 Mg, Ca, Co, Ba에서 선택되는 하나 또는 둘 이상일 수 있다. 대표적으로 Ca 이온이 존재하는 CaCl2 용액이 사용되고 있으며 불화수소와 CaCl2 용액의 반응식을 하기에 나타내었다.
[반응식 2]
2HF + CaCl2 = CaF2(s) + 2HCl
HF는 이온화 경향이 큰 물질로 CaCl2 용액에 주입되면 H+, F-로 이온화되며 상기 반응식과 같이 친화도가 높은 Ca 이온과 결합하여 CaF2 염을 형성한다. CaF2는 용해도가 낮은 특성을 갖는 물질로 용해되지 않고 반응용기(520)에 가라앉게 되므로 불소염 형태로 회수할 수 있다.
한편 불화수소가 CaCl2 용액이 반응하면 CaF2를 형성함과 동시에 염산(HCl)도 형성하게 되는데 이에 따라 산폐기를 해야 하는 문제점이 있다.
따라서 보다 바람직하게는 CaCl2 용액 대신 CaO(생석회) 용액 또는 Ca(OH)2(소석회) 용액을 이용하는 것이 좋다. 상기 용액들은 염산 대신 물을 형성하기 때문에 별도로 산을 폐기해야 하는 문제가 없으며 산 폐기에 소모되는 비용도 절감할 수 있다.
또한, 도 1에 나타낸 육불화황 처리장치의 일실시예와 마찬가지로, 불소염 회수부(500)에서 금속 또는 비금속 수용액에 용해되지 않고 남은 기체를 회수하는 제 2회수라인(530)이 더 구비될 수 있으며, 제 2회수라인(530)은 반응용기(520)의 상부와 육불화황분해챔버(100)의 유입 경로에 연결하여 회수한 기체를 육불화황분해챔버(100)로 다시 유입시키도록 할 수 있다.
또한, 전술한 일실시예와 마찬가지로 황 회수부(300) 및 불소염 회수부(500)를 복수개 구비하여 본 발명의 육불화황 처리장치가 중단되지 않고 연속적으로 구동 가능하도록 할 수 있다. 따라서 하나의 황 회수부(300) 및 불소염 회수부(500)에서 쌓인 황과 불소염을 제거하는 동안에는 다른 황 회수부(300) 및 불소염 회수부(500)와 연결되어 장치가 구동될 수 있다.
한편, 도 5는 본 발명의 전자빔을 이용한 육불화황 처리장치의 또 다른 실시예를 나타낸 블록도로, 본 발명의 또 다른 실시예에서 육불화황과 수소를 혼합하여 육불화황분해챔버(100)로 유입되도록 하는 가스혼합기(10)가 더 구비될 수 있으며, 또한, 육불화황분해챔버(100)의 유입 경로 상에 육불화황과 수소 이외에 다른 물질이 유입되지 않도록 하는 필터장치(20)가 더 구비될 수도 있다.
이는 육불화황의 처리 과정에서 황과 불화수소 이외의 부산물이 생성되지 않도록 하기 위함이다. 예를 들어, 반도체 공정을 통하여 발생된 육불화황에는 반도체 공정에 이용되는 질소(N2) 가스가 포함될 수 있다. 질소 가스는 육불화황의 처리 과정에서 원하지 않는 반응을 일으킬 수 있으므로 미리 제거하는 것이다.
상기 필터장치(20)는 선택성 기체 멤브레인일 수 있으며, 도 5에서는 필터장치(20)가 가스혼합기(10)와 육불화황분해챔버(100) 사이에 배치된 것을 예시하고 있다. 그러나 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 필터장치(20)는 가스혼합기(10)의 전단에 설치될 수도 있다.
가스혼합기(10)와 필터장치(20)에는 각각 필요에 따라 가스량, 필터량 등을 제어할 수 있도록 하는 제어부와 가스를 공급하도록 하는 펌프가 더 구비될 수도 있다.
본 도면에서는, 남은 수소 및 미분해 육불화황 등이 필터장치(20)와 육불화황분해챔버(100) 사이의 경로로 유입되는 것을 예시하고 있으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 가스혼합기(10)의 전단 또는 후단으로 유입되도록 구성될 수도 있다.
또한, 본 발명의 육불화황 처리장치는 외부와 단절 및 밀폐되도록 설계하여 육불화황 처리 과정 중 발생되는 유해물질인 불화수소가 누출되지 않도록 해야 한다.
이러한 온실가스 중 하나인 육불화황의 안정적인 처리 및 회수기술은 환경적인 측면에서, 각종 규제에 대한 대처 기술로 이용될 수 있다. 또한, 분해 효율의 향상에 따른 에너지 저감 효과를 기대할 수 있다.
아울러, 경제/산업적 측면에서, 반도체 및 전자산업 공정뿐만 아니라 중전기기에서 발생하는 고농도의 육불화황을 부가가치가 있는 황과 불화수소로 분해 및 전환하는 기술을 통하여, 경제적 이익 창출을 기대할 수 있다.
특히, 불화수소를 응축시켜 고순도의 액체 불화수소의 형태로 회수하는 방법은 불소염과 같은 안정된 형태로 회수하는 방법에 비해 처리비용을 획기적으로 낮출 수 있으며, 동시에 산업적 원료로써 활용할 수 있으므로 경제성이 매우 높다.
본 발명은 상기 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다. 구체적인 예로서 반도체 에칭가스로 사용되기도 하는 동일 불소계 가스인 PFCs(Perfluorocarbons) 및 냉매 가스인 HFCs(Hydrofluoocarbons) 등의 분해처리에도 동일한 원리 및 장치를 활용할 수 있다.
10 : 가스혼합기 20 : 필터장치
100 : 육불화황분해챔버 110 : 윈도우
200 : 전자빔 조사장치 300 : 황 회수부
400 : 액체 불화수소 회수부 410 : 냉각수단
420 : 저장용기 430 : 제 1회수라인
500 : 불소염 회수부 510 : 버블링장치
520 : 반응용기 530 : 제 2회수라인
600 : 배관

Claims (18)

  1. 육불화황(SF6) 및 수소(H2)가 유입되는 육불화황분해챔버;
    상기 육불화황분해챔버에 유입된 육불화황 및 수소에 전자빔을 조사하는 전자빔 조사장치;
    전자빔 조사에 의하여 불화수소(HF(v)) 및 황(S(s))으로 분해되어 상기 육불화황분해챔버에서 유출되는 불화수소 및 황의 혼합물에서 황을 회수하는 황 회수부;
    상기 황 회수부에서 유출되는 불화수소를 응축시켜 액체 상태의 불화수소로 회수하는 액체 불화수소 회수부;
    상기 육불화황분해챔버, 황 회수부 및 액체 불화수소 회수부를 각각 연결하여 불화수소 또는 황을 유통시키는 배관; 및
    상기 황 회수부 및 배관을 불화수소의 응축 온도 이상으로 유지시키기 위한 가열수단;
    을 포함하여 이루어지는 전자빔을 이용한 육불화황 처리장치.
  2. 육불화황(SF6) 및 수소(H2)가 유입되는 육불화황분해챔버;
    상기 육불화황분해챔버에 유입된 육불화황 및 수소에 전자빔을 조사하는 전자빔 조사장치;
    전자빔 조사에 의하여 불화수소(HF(v)) 및 황(S(s))으로 분해되어 상기 육불화황분해챔버에서 유출되는 불화수소 및 황의 혼합물에서 황을 회수하는 황 회수부;
    상기 황 회수부에서 유출되는 불화수소를 금속 또는 비금속 이온 수용액 내로 버블링하여 투입하며, 상기 금속 또는 비금속 이온과 반응하여 생성되는 불소염 형태로 회수하는 불소염 회수부;
    상기 육불화황분해챔버, 황 회수부 및 불소염 회수부를 각각 연결하여 불화수소 또는 황을 유통시키는 배관; 및
    상기 황 회수부 및 배관을 불화수소의 응축 온도 이상으로 유지시키기 위한 가열수단;
    을 포함하여 이루어지는 전자빔을 이용한 육불화황 처리장치.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 육불화황분해챔버는,
    일측에 전자빔을 통과시키는 윈도우가 형성되며,
    상기 전자빔 조사장치에서 발생된 전자빔이 상기 윈도우를 통과하여 상기 육불화황분해챔버 내부로 조사되도록 하는 것을 특징으로 하는 전자빔을 이용한 육불화황 처리장치.
  4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 육불화황 처리장치는,
    상기 육불화황분해챔버의 외면에 구비되며, 상기 육불화황분해챔버의 온도를 낮추기 위한 육불화황분해챔버 냉각장치;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전자빔을 이용한 육불화황 처리장치.
  5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 황 회수부는,
    원심력을 이용하여 황 입자를 회수하는 싸이클론인 것을 특징으로 하는 전자빔을 이용한 육불화황 처리장치.
  6. 삭제
  7. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 황 회수부 및 배관은,
    불화수소에 의한 부식 방지를 위해 내부가 폴리에틸렌(PE) 또는 테프론으로 코팅되는 것을 특징으로 하는 전자빔을 이용한 육불화황 처리장치.
  8. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 육불화황 처리장치는,
    육불화황과 수소를 혼합하여 상기 육불화황분해챔버로 유입되도록 하는 가스혼합기;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 육불화황 처리장치.
  9. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 육불화황 처리장치는,
    상기 육불화황분해챔버로의 유입 경로상에 구비되며, 다른 화합물이 유입되지 않도록 하는 필터장치;
    를 더 포함하는 전자빔을 이용한 육불화황 처리장치.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 액체 불화수소 회수부는,
    유입되는 불화수소를 응축시켜 액체 상태로 만드는 냉각수단, 및
    상기 냉각수단에 의해 응축된 고순도 액체 불화수소가 채워지는 액체 불화수소 저장용기,
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전자빔을 이용한 육불화황 처리장치.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 육불화황 처리장치는,
    상기 액체 불화수소 회수부에서 응축되지 않고 남은 기체를 회수하는 제 1 회수라인,
    을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 전자빔을 이용한 육불화황 처리장치.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 제 1회수라인은,
    상기 육불화황분해챔버의 유입 경로 상에 연결되어 회수한 기체를 상기 육불화황분해챔버로 재유입시키는 것을 특징으로 하는 전자빔을 이용한 육불화황 처리장치.
  13. 제 2항에 있어서,
    상기 불소염 회수부는,
    유입되는 불화수소를 금속 또는 비금속 이온 수용액 내에 미세기포 형태로 버블링하여 투입시키는 버블링장치, 및
    상기 금속 또는 비금속 이온 수용액이 채워져 있으며, 상기 미세기포 형태로 투입된 불화수소와 금속 또는 비금속 이온이 반응하여 불소염이 생성되는 반응용기,
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전자빔을 이용한 육불화황 처리장치.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 금속 또는 비금속 이온 수용액은,
    CaCl2, CaO, Ca(OH)2 중 선택되는 어느 하나의 물질을 용해시킨 수용액인 것을 특징으로 하는 전자빔을 이용한 육불화황 처리장치.
  15. 제 2항에 있어서,
    상기 육불화황 처리장치는,
    상기 불소염 회수부에서 상기 금속 또는 비금속 이온 수용액에 용해되지 않고 남은 기체를 회수하는 제 2회수라인,
    을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 전자빔을 이용한 육불화황 처리장치.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 제 2회수라인은,
    상기 육불화황분해챔버의 유입 경로 상에 연결되어 회수한 기체를 상기 육불화황분해챔버로 재유입시키는 것을 특징으로 하는 전자빔을 이용한 육불화황 처리장치.
  17. 제 1항에 있어서,
    상기 육불화황 처리장치는,
    연속공정이 가능하도록 복수개의 황 회수부 및 액체 불화수소 회수부를 구비하는 것을 특징을 갖는 전자빔을 이용한 육불화황 처리장치.
  18. 제 2항에 있어서,
    상기 육불화황 처리장치는,
    연속공정이 가능하도록 복수개의 황 회수부 및 불소염 회수부를 구비하는 것을 특징을 갖는 전자빔을 이용한 육불화황 처리장치.
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