KR101839590B1 - 유체 순환형 산성가스 제거 장치 및 방법 - Google Patents

유체 순환형 산성가스 제거 장치 및 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR101839590B1
KR101839590B1 KR1020170059837A KR20170059837A KR101839590B1 KR 101839590 B1 KR101839590 B1 KR 101839590B1 KR 1020170059837 A KR1020170059837 A KR 1020170059837A KR 20170059837 A KR20170059837 A KR 20170059837A KR 101839590 B1 KR101839590 B1 KR 101839590B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
fluid
acid
unit
salt
amine
Prior art date
Application number
KR1020170059837A
Other languages
English (en)
Inventor
김윤후
이경한
강경석
손원근
Original Assignee
(주)시온텍
주식회사 이노켐텍
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by (주)시온텍, 주식회사 이노켐텍 filed Critical (주)시온텍
Priority to KR1020170059837A priority Critical patent/KR101839590B1/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101839590B1 publication Critical patent/KR101839590B1/ko

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/34—Chemical or biological purification of waste gases
    • B01D53/74—General processes for purification of waste gases; Apparatus or devices specially adapted therefor
    • B01D53/77—Liquid phase processes
    • B01D53/79—Injecting reactants
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/34—Chemical or biological purification of waste gases
    • B01D53/46—Removing components of defined structure
    • B01D53/48—Sulfur compounds
    • B01D53/52—Hydrogen sulfide
    • B01D53/526—Mixtures of hydrogen sulfide and carbon dioxide
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2252/00—Absorbents, i.e. solvents and liquid materials for gas absorption
    • B01D2252/20—Organic absorbents
    • B01D2252/204—Amines

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Separation Using Semi-Permeable Membranes (AREA)
  • Water Treatment By Electricity Or Magnetism (AREA)

Abstract

본 발명의 유체 순환형 산성가스 제거 장치 및 산성가스의 제거 방법은 축전식 탈염전극이 사용됨에 따라, 산성가스 제거에 사용되는 아민계 화합물을 지속적으로 반복 사용함에도 산-금속염에 의한 아민계 화합물의 회수율 감소 및 산성가스의 제거효율이 저하되는 문제를 최소화할 수 있고, 염(이온)의 농도가 낮을 때에도 운전 가능하고, 염 농도가 낮을 때에도 산성가스 제거 시의 에너지 효율이 우수한 효과가 있으며, 산-금속염의 농도를 낮은 상태로 지속적으로 유지할 수 있고, 산-금속염에 의한 장치 부식을 방지할 수 있는 효과가 있다.

Description

유체 순환형 산성가스 제거 장치 및 방법{Device for removing acid gas with fluid circulating system and method of removing acid gas}
본 발명은 산성가스의 제거 장치 및 방법에 관한 것이다.
화석연료를 연소할 때 부산물로 발생하는 산성가스는 다양한 대기오염을 야기한다. 그 중 하나인 황화수소(H2S)는 대기 중에 배출되면 황을 포함하는 대기오염 물질로 변하므로, 이에 대한 배출 부과금이 부과 징수되는 등, 황화수소는 전 세계적으로 배출을 규제하는 대기오염 물질이다.
또한 산성가스 중 하나인 이산화탄소(CO2)는 지구온난화의 주범으로 지목된 물질로, 발전소, 제철소 등의 공장에서 화석연료를 소비할 때, 이산화탄소를 포함하는 산성 가스를 충분히 제거하고 남은 무해한 가스만을 배출하는 것이 중요하다.
화석연료로부터 생성되는 산성가스를 제거할 때 주로 사용되는 방법으로, 암모니아, 에탄올아민, 메틸아민 등의 아민계 화합물을 활용하여 산성가스를 포집하고 제거하는 방법이 있다. 예를 들어, 한국등록특허공보 제10-0804399호에는 아민류를 이용한 고로 슬래그 중의 황화수소 제거장치 및 방법에 대하여 개시되어 있다. 상기 특허에는 모노에탄올아민, 디에탄올아민, 트리에탄올아민, 디에텔렌트리아민, 에탄올아민아민 등의 아민계 화합물 용액을 이용하여 산성가스를 제거하는 방법이 구체적으로 개시되어 있다.
아민계 화합물을 이용하여 산성가스를 포집 및 제거하는 방법에서, 그 원리는 하기 화학식 1 및 하기 화학식 2의 3차 아민의 경우를 통한 예로서 설명될 수 있다. 하기 화학식 1, 2에서 R은 탄화수소기이다.
[화학식 1]
H2S + R3N → R3NH+ + HS-
[화학식 2]
R3NH+ + HS- → H2S + R3N
구체적으로, 아민(R3N)의 산성가스(H2S) 흡착 반응은 상기 화학식 1과 같은 반응으로 진행되며, 이에 의해 아민(R3N)과 산성가스(H2S)가 산-아민염(R3NH+ HS-)의 형태로 전환된다. 이후 고온, 고압 환경이 요구되는 상기 화학식 2와 같은 반응을 통해, 산성물질(HS-)은 산성가스(H2S) 형태로 제거되며, 예컨대 클라우스법(Claus Process) 등의 공정으로 산성가스(H2S)로 분리하여 처리한다. 특히 산성가스와 분리된 아민(R3N)은 다시 화학식 1의 반응을 통해 산성가스의 흡착에 재사용될 수 있어 반복 사용 가능한 이점이 있다. 따라서 아민을 포함하는 아민계 화합물을 이용하여 산성가스를 포집 및 제거하는 방법은 사용된 아민을 재사용할 수 있다는 점에서 지속성이 좋고 경제적인 방법이라 할 수 있다.
하지만 실제 공정에서는 화석연료의 연소 시 발생할 수 있는 다양한 부산물 중, 상기 아민계 화합물을 이용하여 산성가스를 포집 및 제거하는 과정에서 발생할 수 있는 각종 염, 예컨대 열안정성염이 산성가스의 포집 및 제거 방법에 부정적 영향을 크게 준다는 단점이 있다. 구체적으로, 아민이 산성가스와 반응할 확률이 감소하고, 아민이 열안정성염과 반응함에 따라 산성가스와 반응해야 하는 아민의 함량이 감소하므로, 아민의 반복사용에 따른 산성가스의 포집 및 제거효율이 크게 저하되는 치명적인 문제가 발생한다. 뿐만 아니라 열안정성염은 산-금속염으로 부식성을 가지는 경우가 대부분이므로, 공정 내에 높은 농도로 존재하고 공정이 반복될수록 그 농도는 더욱 증가하여 설비, 장치 등의 부식을 유발한다.
상술한 바와 같이, 아민계 화합물을 이용하여 산성가스를 포집 및 제거하는 방법, 장치 및 이를 포함하는 산성가스 제거 시스템은 아민계 화합물이 감소되어, 안정성 저하, 부식 유발 등의 한계 등의 실제 운용에 부작용이 많이 존재한다. 이에 따라 대규모 시설에 적용하기 까다롭고, 이의 설비, 운용 및 보수에 소요되는 인력과 비용이 매우 큰 문제가 있다.
따라서 산성가스를 직접적으로 포집하는데 사용되는 아민계 화합물을 지속적으로 반복 사용할 수 있도록 재생할 수 있음은 물론, 이를 반영구적으로 사용 가능하고, 산성가스의 포집 및 제거효율의 저하를 극소화할 수 있으며, 안정적으로 공정을 수행할 수 있고, 실제 운용에 적합한 산성가스 제거 장치, 방법 및 이를 포함하는 시스템의 지속적인 연구가 필요하다.
한국등록특허공보 제10-0804399호
본 발명의 목적은 산성가스 제거에 사용되는 아민계 화합물을 지속적으로 반복 사용함에도 아민계 화합물의 회수율 감소 및 산성가스의 제거효율이 저하되는 문제를 최소화할 수 있는 유체 순환형 산성가스 제거 장치 및 산성가스의 제거 방법을 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 목적은 염 농도가 낮을 때에도 운전 가능하며, 그럼에도 산성가스 제거 시의 에너지 효율이 우수한 유체 순환형 산성가스 제거 장치 및 산성가스의 제거 방법을 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 목적은 부식을 유발할 수 있는 산-금속염의 농도를 낮은 상태로 지속적으로 유지할 수 있으며, 반응기, 관로 등의 장치의 부식을 최소화할 수 있는 유체 순환형 산성가스 제거 장치 및 산성가스의 제거 방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 유체 순환형 산성가스의 제거 방법 및 유체 순환형 산성가스 제거 장치를 제공한다.
본 발명의 유체 순환형 산성가스의 제거 방법은 A) 아민계 화합물을 포함하는 유체에 산성가스를 접촉시켜 산-아민염을 생성하는 단계, B) 상기 산-아민염을 포함하는 유체로부터 산-아민염을 해리하여 산성가스를 분리 및 제거하는 단계, C) 상기 A) 단계 또는 상기 B) 단계를 거친 산-아민염을 포함하는 유체를 알칼리 화합물로 처리하는 단계 및 D) 상기 알칼리 화합물로 처리된 유체를 축전식 탈염전극 장치로 탈염하는 단계를 포함한다. 이때 상기 B) 단계 또는 상기 D) 단계를 거친 아민계 화합물을 포함하는 유체는 상기 A) 단계의 유체로 순환된다.
본 발명의 일 예에 따른 유체 순환형 산성가스의 제거 방법은 E) 상기 D) 단계를 거쳐 분리된 농축 염 함유 유체로부터 전기투석 장치로 염을 분리 및 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이때 상기 E) 단계를 거친 아민계 화합물을 포함하는 유체는 상기 A) 단계의 유체로 순환될 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 D) 단계의 축전식 탈염전극 장치는 2 이상의 탈염전극셀이 병렬로 연결되어 구비될 수 있다. 이때 어느 하나 이상의 탈염전극셀이 흡착 운전될 때 다른 하나 이상의 탈염전극셀이 탈착 운전될 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 B) 단계의 해리는 100~200℃ 및 1~3 atm에서 수행될 수 있다.
본 발명의 유체 순환형 산성가스 제거 장치는, 아민계 화합물을 포함하는 유체에 산성가스를 접촉시켜 산성가스가 흡착되는 흡착부; 상기 흡착부로부터 이송되는 유체가 가열되는 열교환부; 상기 열교환부로부터 열교환된 제1유체가 유입되어 산성가스가 분리되는 탈착부; 상기 열교환부로부터 이송되는 제2유체에 알칼리 화합물을 투입하는 염기 투입부; 및 상기 알칼리 화합물이 투입된 제2유체가 유입되어 탈염되는 탈염전극부를 포함한다. 이때 상기 탈염전극부로부터 탈염된 제2유체는 상기 흡착부의 유체로 순환된다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 탈착부로부터 산성가스가 분리된 제1유체는 상기 흡착부 또는 상기 열교환부로 재순환될 수 있다.
본 발명의 일 예에 따른 유체 순환형 산성가스 제거 장치는, 상기 탈염전극부로부터 분리된 농축 염 함유 유체가 축적되는 폐농축물 저장부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 예에 따른 유체 순환형 산성가스 제거 장치는, 상기 탈염전극부로부터 분리된 농축 염 함유 유체가 유입되어 염을 더 분리하는 전기투석부를 더 포함할 수 있다. 이때 상기 전기투석부로부터 염이 분리된 유체는 상기 흡착부의 유체로 순환될 수 있다.
본 발명의 일 예에 따른 유체 순환형 산성가스 제거 장치는, 상기 전기투석부로부터 분리된 농축 염 함유 유체가 축적되는 폐농축물 저장부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 탈염전극부는 2 이상의 탈염전극셀이 병렬로 연결되는 축전식 탈염전극 장치가 구비될 수 있다. 이때 어느 하나 이상의 탈염전극셀이 흡착 운전될 때 다른 하나 이상의 탈염전극셀이 탈착 운전될 수 있다.
본 발명의 유체 순환형 산성가스 제거 장치 및 산성가스의 제거 방법은 축전식 탈염전극이 사용됨에 따라, 산성가스 제거에 사용되는 아민계 화합물을 지속적으로 반복 사용함에도 아민계 화합물의 회수율 감소 및 산성가스의 제거효율이 저하되는 문제를 최소화할 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명의 유체 순환형 산성가스 제거 장치 및 산성가스의 제거 방법은 염 농도가 낮을 때에도 운전 가능하며, 그럼에도 산성가스 제거 시의 에너지 효율이 우수한 효과가 있다.
또한 본 발명의 유체 순환형 산성가스 제거 장치 및 산성가스의 제거 방법은 부식을 유발할 수 있는 산-금속염의 농도를 낮은 상태로 지속적으로 유지할 수 있으며, 반응기, 관로 등의 장치의 부식을 최소화할 수 있는 효과가 있다.
본 발명에서 명시적으로 언급되지 않은 효과라 하더라도, 본 발명의 기술적 특징에 의해 기대되는 명세서에서 기재된 효과 및 그 내재적인 효과는 본 발명의 명세서에 기재된 것과 같이 취급된다.
도 1내지 도 4는 본 발명의 일 예에 따른 유체 순환형 산성가스 제거 장치의 개략도이다.
도 5는 본 발명의 일 예에 따른 유체 순환형 산성가스 제거 장치에 사용되는 탈염전극부 및 이를 통한 유체의 흐름을 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 일 예에 따른 유체 순환형 산성가스 제거 장치에 사용되는 전기투석부 및 이를 통한 유체의 흐름을 나타낸 것이다.
이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 유체 순환형 산성가스 제거 장치 및 방법을 상세히 설명한다.
본 발명에 기재되어 있는 도면은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서 본 발명은 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있으며, 상기 도면들은 본 발명의 사상을 명확히 하기 위해 과장되어 도시될 수 있다.
또한 본 발명에서 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
또한 본 발명에서 사용되는 용어의 단수 형태는 특별한 지시가 없는 한 복수 형태도 포함하는 것을 의미한다.
또한 본 발명에서 특별한 언급 없이 불분명하게 사용된 %의 단위는 중량%를 의미한다.
본 발명은 유체 순환형 산성가스의 제거 방법 및 유체 순환형 산성가스 제거 장치를 제공한다.
본 발명에서는 아민계 화합물을 이용한 산성가스의 제거 기술에 축전식 탈염(Capactive deionization, CDI) 기술을 적용하는 것에 그 특징이 있으며, 이에 따라 열안정성염 등의 산-금속염에 의한 부작용을 극소화할 수 있는 효과가 있다. 특히 본 발명은 축전식 탈염 기술이 적용됨에 따라, 아민계 화합물이 지속적으로 재사용됨에도 산-금속염에 의한 산성가스의 제거효율의 저하를 최소화할 수 있고, 염 농도에 크게 영향을 받지 않음에도 에너지 효율이 우수하며, 산-금속염에 의한 장치, 설비의 부식을 방지할 수 있는 효과가 있다.
본 발명에서 언급되는 “산성가스”는 물 등의 용매에 접촉하였을 때 산성을 띠는 기체를 의미한다. 일반적으로 화석연료(석탄, 석유, 천연가스 등)의 연소 등에 의해 발생하는 산성 기체를 의미할 수 있으며, 구체적인 예로 황화수소, 이산화탄소 등을 들 수 있다.
본 발명에서 언급되는 “아민계 화합물”은 산성가스를 화학적으로 흡착 및 탈착할 수 있는 특성을 가지는 물질을 의미하며, 산성가스와 반응할 아민을 포함하며, 산성가스와 반응한 산-아민염을 포함할 수 있다. 또한 아민계 화합물은 단독으로 사용될 수 있으며, 아민계 화합물이 용해될 수 있는 용매, 예컨대 물과 함께 혼합되어 사용될 수도 있다. 즉, 본 발명에서 언급되는 “유체”는 상기 용매를 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 아민계 화합물로 알칸올아민이 예시될 수 있으며, 알칸올 아민은 1차 알칸올 아민, 2차 알칸올 아민 및 3차 알칸올 아민 중에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상을 포함할 수 있다. 이때 알칸올의 탄소수는 크게 제한되지 않으며, 예컨대 1~10일 수 있다. 1차 알칸올 아민으로 에탄올아민, 프로판올아민, 이소프로판올아민 등이 예시될 수 있고, 2차 알칸올 아민으로 디에탄올아민, 디프로판올아민, 디이소프로판올아민, 히드록시에톡시에틸아민, 디에틸렌트리아민 등이 예시될 수 있으며, 3차 알칸올 아민으로 트리에탄올 아민, 트리이소프로판올 아민, 트리부탄올 아민, 트리이소브타노르 아민, 트리이소프로판올 아민, 디메틸에탄올 아민, 디에틸에탄올 아민, 메틸디에탄올 아민 등이 예시될 수 있다. 하지만 이는 바람직한 일 예일 뿐, 본 발명이 이에 제한되지 않음은 물론이다.
본 발명에서 언급되는 “산-금속염”은 산성가스와 경쟁적으로 아민계 화합물과 반응하여 아민계 화합물의 산성가스 흡착 반응을 방해하는 물질로 열안정성염을 의미할 수 있으며, 구체적으로 포름산염, 티오황산염, 초산염, 수산염, 염화물의 염 등과 같은 다양한 물질을 의미할 수 있다. 특히 본 발명에서 분리 및 제거에 매우 효과적인 산-금속염으로서 포름산염(Formate, HCOO-) 및/또는 티오황산염(Thiosulfate, SCN-) 등으로부터 유래된 것이 바람직할 수 있으며, 이때의 금속은 알칼리금속 또는 알칼리토금속 등의 다양한 금속일 수 있다. 이러한 산-금속염은 본 발명의 방법 또는 장치에서 수행되는 공정에서 형성될 수 있다.
이하, 본 발명의 유체 순환형 산성가스의 제거 방법에 대하여 구체적으로 설명한다.
본 발명의 유체 순환형 산성가스의 제거 방법은 A) 아민계 화합물을 포함하는 유체에 산성가스를 접촉시켜 산-아민염을 생성하는 단계, B) 상기 산-아민염을 포함하는 유체로부터 산-아민염을 해리하여 산성가스를 분리 및 제거하는 단계, C) 상기 A) 단계 또는 상기 B) 단계를 거친 산-아민염을 포함하는 유체를 알칼리 화합물로 처리하는 단계 및 D) 상기 알칼리 화합물로 처리된 유체를 축전식 탈염전극 장치로 탈염하는 단계를 포함한다. 이때 상기 B) 단계 또는 상기 D) 단계를 거친 아민계 화합물을 포함하는 유체는 상기 A) 단계의 유체로 순환된다.
상기 A) 단계는 아민계 화합물을 포함하는 유체에 산성가스를 접촉시켜 산-아민염을 생성하는 단계로, 산성가스는 아민계 화합물과 접촉하여 하기 화학식 1(R : 탄화수소기)의 예와 같은 반응을 통해 산성가스는 산-아민염으로 전환되어 유체에 흡착된다. 상기 산성가스는 황화수소, 이산화탄소 등의 산성가스를 포함하는 기체로 해석될 수 있으며, 따라서 A) 단계는 상기 기체로부터 산성가스만이 선택적으로 흡착되는 것을 의미할 수 있다.
[화학식 1]
H2S + R3N → R3NH+ + HS-
상기 B) 단계는 산-아민염을 포함하는 유체로부터 산-아민염을 해리하여 산성가스를 분리 및 제거하는 단계로, 온도, 압력 등의 조건을 제어하여 아민계 화합물을 포함하는 유체로부터 산성가스가 기상으로 분리 및 제거된다. 또한 산성가스로부터 분리된 유체, 즉, 분리된 아민계 화합물을 포함하는 유체는 상기 A) 단계의 유체로 순환될 수 있다. 따라서 A) 단계 및 B) 단계를 거쳐 산성가스는 유체를 경유하여 지속적으로 제거되며, 아민계 화합물을 포함하는 유체는 지속적으로 시스템(계) 내를 순환한다.
상기 B) 단계에서 제어되는 온도 및 압력은 유체로부터 산성가스가 기상으로 분리될 수 있을 정도라면 무방하며, 예컨대 100~200℃ 및 1~3 atm, 바람직하게는 115~125℃ 및 1.4~1.7 atm일 수 있다. 하지만 이는 구체적인 일 예일 뿐, 본 발명이 이에 제한되지 않음은 물론이다.
전술한 바와 같이, A) 단계 및 B) 단계를 거쳐 산성가스는 지속적으로 분리 및 제거되고, 이에 사용된 아민계 화합물을 포함하는 유체는 지속적으로 재순환되나, 이러한 각 단계가 반복 수행되는 과정에서 유체 내에는 열안정성염 등의 산-금속염이 형성되어 상술한 다양한 문제점들을 야기한다. 이러한 산-금속염은 다양한 경로를 통해 유입될 수 있으며, 시스템 내에서 자체적으로 생성될 수 있다. 이러한 산-금속염은 A) 단계 및 B) 단계만으로는 제거가 불가능하다. 즉, A) 단계 및 B) 단계만 수행될 경우, 시스템 내에 산-금속염이 지속적으로 축적되며, 이러한 산-금속염은 아민계 화합물의 산성가스 흡착 반응을 저해하여 각 단계가 반복 수행됨에 따른 산성가스의 제거효율이 지속적으로 감소하게 된다. 따라서 시스템 내에 생성되거나 축적되는 산-금속염을 지속적으로 분리 및 제거하여야 한다.
또한 포름산염(Formate, HCOO-) 및/또는 티오황산염(Thiosulfate, SCN-) 등의 이온은 금속 이온과 결합력이 매우 높아 산-금속염 형태로 존재하여 시스템 내에 축적되므로, 후술하는 전기투석 기술을 이용한 염의 분리 및 제거 방법만으로는 실질적으로 분리 및 제거가 어렵다.
상기 A) 단계에서 산-아민염을 생성할 시의 온도 및 압력은 아민계 화합물과 산성가스가 접촉하여 산-아민염을 형성할 수 있을 정도라면 무방하며, 예컨대 35~50℃ 및 10~15 atm일 수 있다. 하지만 이는 구체적인 일 예일 뿐, 본 발명이 이에 제한되지 않음은 물론이다.
상기 산-금속염을 효과적으로 제거하기 위해, 축전식 탈염전극 장치로 산-금속염 등의 각종 염을 탈염하는 D) 단계를 더 거치며, 이때 탈염 과정에서 유체에 포함된 산-아민염까지 탈염되는 것을 방지하기 위해, B) 단계 및 D) 단계 사이에 유체에 알칼리 화합물을 처리하는 C) 단계를 거치게 된다.
상기 C) 단계는 상기 A) 단계 또는 상기 B) 단계를 거친 산-아민염을 포함하는 유체를 알칼리 화합물로 처리하는 단계로, 이후 D) 단계의 탈염 과정에서 산-아민염이 산-금속염과 함께 분리 및 제거되지 않도록 한다. 구체적으로, C) 단계는 산-아민염에 알칼리 화합물을 접촉시켜 하기 화학식 3의 예와 같은 반응을 통해 산-아민염은 자유아민으로 전환된다. 이렇게 전환된 자유아민은 탈염 과정에서 탈염되지 않고 산-금속염으로부터 분리된다.
[화학식 3]
R3NH+ + NaOH → R3N + H2O + Na+
상기 알칼리 화합물은 산-아민염을 아민으로 해리시킬 수 있는 물질이라면 무방하며, 이의 예로 수산화나트륨(NaOH), 수산화칼륨(KOH) 등을 들 수 있다. 하지만 이는 구체적인 일 예일 뿐, 본 발명이 이에 제한되지 않음은 물론이다.
상기 C) 단계를 거쳐 전환된 자유아민은 후술하는 D) 단계의 탈염 과정에서 산-금속염으로부터 분리되며, 자유아민을 포함하는 아민계 화합물을 포함하는 유체는 상기 A) 단계의 유체로 순환된다. 따라서 자유아민, 산-아민염 등을 포함하는 아민계 화합물은 시스템 밖으로 배출되지 않고 지속적으로 순환된다.
상기 D) 단계는 유체로부터 산-금속염을 축전식 탈염전극 장치로 분리하는 단계이다. 축전식 탈염 기술은 전기 흡착 기술의 일종으로, 흡착 과정과 탈착 과정을 통해 염을 지속적으로 포집 및 분리할 수 있다. 전극에 전위가 인가되면 전극 계면에 형성되는 전기 이중층에서의 흡착반응에 의해 이온성 물질인 염이 유체로부터 분리된다. 예컨대 1.5 V 이하의 직류전원을 인가하면 유체 내에 함유된 양이온은 음전극에 흡착되고 음이온은 양전극에 흡착되는 흡착 과정에 의해 유체로부터 분리되는 원리로, 후술하는 E) 단계의 전기투석 기술과 근본적으로 그 원리가 다르다. 전극 표면에 염이 포화 흡착되면 더 이상 염을 흡착할 수 없으므로 탈착 과정이 더 필요하며, 탈착 과정에서 전극을 단락(Short)시키거나 역 전위를 인가하여 흡착된 이온이 탈착된다.
상기 D) 단계에서 사용되는 축전식 탈염전극 장치는 하나의 탈염전극셀이 구비되어 흡착 공정 및 탈착 공정이 개별적으로 수행될 수 있으며, 이때 아민의 유실을 방지하기 위해 탈착 공정 시 유체의 흐름이 정지될 수 있다. 바람직하게는 2 이상의 탈염전극셀이 병렬로 연결되어 구비될 수 있다. 2 이상의 탈염전극셀이 병렬로 연결되어 구비될 경우, 어느 하나 이상의 탈염전극셀이 흡착 운전될 때 다른 하나 이상의 탈염전극셀이 탈착 운전되는 방법으로 공정이 수행될 수 있음에 따라, 유체의 흐름량을 보다 향상시킬 수 있다.
상술한 바와 같이, 축전식 탈염 기술을 이용하여 아민계 화합물은 지속적으로 시스템 내를 순환하면서, 산성가스는 시스템 밖으로 배출되고, 대부분의 산-금속염(85~90%)은 제거되나, 후술하는 E) 단계의 전기투석 장치를 이용하여 염을 분리 및 제거하는 단계를 더 거칠 경우, D) 단계에서 미처 분리 및 제거되지 못한 미량의 산-금속염까지도 효과적으로 제거되며, 아민계 화합물의 회수율이 보다 향상된다.
본 발명의 일 예에 따른 유체 순환형 산성가스의 제거 방법은 E) 상기 D) 단계를 거쳐 분리된 농축 염 함유 유체로부터 전기투석 장치로 염을 더 분리 및 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이때 상기 E) 단계를 거친 아민계 화합물을 포함하는 유체, 구체적으로, 염과 분리된 아민계 화합물을 포함하는 유체는 상기 A) 단계의 유체로 순환될 수 있다.
전기투석 기술의 전기투석 원리는 축전식 탈염 기술의 탈염 원리와 그 원리가 다르다. 구체적으로, 도 5 및 도 6에서와 같이, 축전식 탈염 기술은 염의 흡착 과정과 탈착 과정이 하나의 셀에서 별도로 운전되는 원리인 반면, 전기투석 기술은 막을 기준으로 이온의 선택적 투과를 이용하여 염을 분리하는 원리이다. 따라서 전기투석 기술과 축전식 탈염 기술은 원리 및 운전 방법이 다르며, 염의 농도에 따른 에너지 효율 및 분리 효율에서 현저한 차이가 나타난다.
특히 전기투석 기술 자체는 염의 농도가 낮은 유체의 경우 에너지 효율 및 분리 효율이 떨어지는 단점이 있다. 전기투석 기술은 그 원리상 염의 농도가 낮을 경우 낮은 전압으로는 실질적으로 염의 분리가 불가능하여 양단에 높은 전압이 인가되어야 하므로, 에너지 효율이 매우 저하되고 공정 안정성이 현저히 떨어진다.
하지만 본 발명에서는 축전식 탈염 장치를 이용하여 분리되는 농축 염 함유 유체의 염의 농도가 급격히 증가되고, 따라서 고농도의 유체가 이후 전기투석 기술에 사용됨으로써 전기투석 장치의 분리 효율 및 에너지 효율이 현저히 증가하게 된다. 구체적으로, 탈염전극 장치에서 염으로부터 분리된 아민계 화합물은 A) 단계의 유체로 재유입되고, 염이 탈착되는 과정 중에 추가 아민계 화합물의 유입이 없는 상태에서 염이 다량으로 쏟아져 나오기 때문에 유체 내 염의 농도가 매우 높아지며, 이렇게 고농축된 염을 포함하는 유체는 전기투석 장치에 유입되어 이후 제거되어야 할 농축 염 함유 유체의 염의 양은 현저히 증가된다. 따라서 저 농도에서 효율이 떨어지는 현상이 발생하지 않는다. 또한 아민계 화합물을 포함하는 유체의 회수율이 매우 높기 때문에 탈염 장치가 사용되지 않고 전기투석 장치만 사용되는 경우와 비교하여 산성가스의 제거효율이 높으면서도 유입되는 유체의 양은 현저히 감소한다. 이에 따라 설비 규모를 더 간소화하여 설계할 수 있으며 에너지 소비 또한 보다 감소시킬 수 있다.
이하, 본 발명의 유체 순환형 산성가스 제거 장치에 대하여 구체적으로 설명한다.
본 발명의 유체 순환형 산성가스 제거 장치는, 아민계 화합물을 포함하는 유체에 산성가스를 접촉시켜 산성가스가 흡착되는 흡착부(10); 상기 흡착부(10)로부터 이송되는 유체가 가열되는 열교환부(70); 상기 열교환부(70)로부터 열교환된 제1유체가 유입되어 산성가스가 분리되는 탈착부(60); 상기 열교환부(70)로부터 이송되는 제2유체에 알칼리 화합물을 투입하는 염기 투입부(20); 및 상기 알칼리 화합물이 투입된 제2유체가 유입되어 탈염되는 탈염전극부(30)를 포함한다. 이때 상기 탈염전극부(30)로부터 탈염된 제2유체는 상기 흡착부(10)의 유체로 순환된다. 이의 장치는 일 예로서 도 1에 도시되어 있다.
상기 흡착부(10)는 산성가스를 흡착하여 포집하는 역할을 한다. 흡착부(10)는 산성가스가 유입되는 유입구를 포함할 수 있으며, 유입되는 산성가스의 유량이 장치의 수용량보다 클 수 있으므로 산성가스가 배출되는 배출구를 더 포함할 수 있다.
흡착부(10)에는 산성가스를 화학적으로 흡착하기 위한 아민계 화합물을 포함하는 유체가 장입되어 있다. 유입된 산성가스는 아민계 화합물과 접촉하게 되며, 산성가스는 아민계 화합물과 반응하여 흡착된다.
상기 열교환부(70)는 이후 탈착부(60)에서 유체(제1유체)로부터 산성가스를 기상으로 분리 및 제거가 용이하도록 흡착부(10)로부터 유입된 유체의 온도를 증가시키는 역할을 한다. 이때의 온도는 탈착부(60)에서 유체로부터 산성가스가 기상으로 분리 및 제거될 수 있도록 도와줄 수 있을 정도이면 무방하며, 예컨대 50~300℃일 수 있다. 이렇게 온도가 증가된 유체는 탈착부(60)로 유입된다.
상기 탈착부(60)는 온도, 압력 등의 조건을 제어하여 산성가스가 유체(제1유체)로부터 분리 및 제거되도록 하는 역할을 한다. 구체적으로, 탈착부(60)에서 유체 내에 존재하는 아민계 화합물과 산-금속염의 산은 분자 상태로 전환된다. 전환된 산성가스는 기상으로 쉽게 분리 및 제거되며, 산성가스와 분리된 액상의 아민계 화합물을 포함하는 유체는 열교환부(70) 또는 흡착부(10)로 순환될 수 있다. 탈착부(60)에서 제어되는 온도 및 압력은 유체 내의 아민계 화합물로부터 산성가스가 기상으로 분리될 수 있을 정도라면 무방하며, 예컨대 100~200℃ 및 1~3 atm, 바람직하게는 115~125℃ 및 1.4~1.7 atm일 수 있다. 하지만 이는 구체적인한 일 예일 뿐, 본 발명이 이에 제한되지 않음은 물론이다.
그러나 전술한 바와 같이, 산성가스는 지속적으로 분리 및 제거되고, 이에 사용된 아민계 화합물을 포함하는 유체(제1유체)는 지속적으로 재순환되나, 이러한 각 공정이 반복 수행되는 과정에서 유체 내에는 열안정성염 등의 산-금속염이 형성되어 상술한 다양한 문제점들을 야기한다. 이러한 산-금속염은 다양한 경로를 통해 유입될 수 있으며, 시스템 내에서 자체적으로 생성될 수 있다.
또한 포름산염(Formate, HCOO-) 및/또는 티오황산염(Thiosulfate, SCN-) 등의 이온은 금속 이온과 결합력이 매우 높은 산-금속염 형태로 존재하고, 전기투석부(40)만으로는 이러한 염의 제거효율 및 에너지효율이 좋지 못하다.
본 발명의 장치는 산-금속염을 분리하기 위한 탈염전극부(30)와 아민계 화합물의 유실을 방지하기 위한 염기 투입부(20)를 포함한다. 염기 투입부(20)는 열교환부(70)로부터 배출된 유체(제2유체)에 알칼리 화합물을 투입하여 산-아민염을 자유아민으로 전환되도록 한다. 따라서 이후 탈염전극부(30)의 탈염 과정에서 산-아민염이 산-금속염과 함께 분리 및 제거되지 않도록 한다. 염기 투입부(20)에는 알칼리 화합물이 장입되어 있으며, 알칼리 화합물은 산-아민염을 자유아민으로 해리시킬 수 있는 물질이라면 무방하다. 이의 예로 수산화나트륨(NaOH), 수산화칼륨(KOH) 등을 들 수 있으나, 이는 구체적인 일 예일 뿐, 본 발명이 이에 제한되지 않음은 물론이다.
본 발명의 일 예에 따른 유체 순환형 산성가스 제거 장치는 냉각부를 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 냉각부는 열교환부(70)와 탈염전극부(30) 사이, 보다 구체적으로 열교환부(70)와 염기 투입부(20) 사이에 위치할 수 있다. 열교환부(70)에 의해 유체(제2유체)의 온도는 증가하게 되므로, S71경로를 통한 높은 온도의 유체는 냉각부를 통해 온도를 낮추는 것이 바람직하다. 냉각부를 통과한 후 유체의 온도는 통상 40℃ 이하, 구체적으로 10~40℃일 수 있다.
상기 탈염전극부(30)는 산-금속염 등의 염을 탈염하여 분리하는 역할을 하며, 본 발명의 장치에서 탈염전극부(30)가 적용되는 위치는 중요하다. 구체적으로, 탈염전극부(30)는 유체의 흐름 방향을 기준으로 흡착부(10) 이후에 위치한 염기 투입부(20) 이후에 위치하여야 한다. 탈염전극부(30)는 산-금속염뿐만 아니라 산-아민염을 포함하는 각종 염을 모두 흡착하므로, 염기 투입부(20)가 사용되지 않을 경우 산-아민염도 산-금속염과 함께 폐기되어 아민계 화합물의 순환효율 및 회수 효율이 급격히 감소하는 문제가 발생한다. 따라서 상기 문제를 최소화하기 위해 흡착부(10)와 탈염전극부(30) 사이에, 산-아민염을 자유아민으로 해리시키는 염기 투입부(20)가 위치해야 한다. 산-아민염이 해리되어 전환된 자유아민은 탈염전극부(30)에서 흡착되지 않고 산-금속염과 분리되어 흡착부(10)로 순환된다.
상기 탈염전극부(30)는 양전극, 탄소전극 및 음전극이 순차적으로 구비되는 탈염전극셀을 하나 또는 둘 이상 포함할 수 있다. 탈염전극부(30)는 아민계 화합물의 유실을 방지하기 위해 탈착 시 유체의 흐름을 막은 상태에서 염이 탈착되도록 운전될 수 있다. 또한 바람직하게는 이의 일 예로서 도시된 도 5와 같이, 탈염전극부(30)는 염을 흡착 및 탈착하는 제1탈염전극셀(30a) 및 제2탈염전극셀(30b)이 병렬로 구비되어 형성될 수 있다. 또한 이렇게 병렬로 구비된 제1탈염전극셀 및 제2탈염전극셀을 포함하는 탈염전극모듈을 한 단위로 하여 규모에 따라 둘 이상의 모듈이 구비될 수 있다. 제1탈염전극셀이 흡착 운전될 때 동시에 제2탈염전극셀은 탈착 운전될 수 있으므로, 유체의 흐름량을 현저히 향상시킬 수 있다.
탈염전극부(30)를 통과한 유체는 도 5의 예에서와 같이 산-금속염 등을 포함하는 각종 염이 제거된 유체(S31 경로)와 각종 염이 고농축된 유체(S32 경로)로 분리될 수 있다. 각종 염이 제거된 아민계 화합물을 포함하는 유체는 흡착부(10)로 재유입되어 산-금속염의 흡착에 재사용된다. 또한 이후 각종 염이 고농축된 유체는 폐농축물 저장부(50)로 유입될 수 있거나, 도 3 및 도 4의 일 예에서와 같이 전기투석부(40)를 더 경유하여 더 고농축되어 폐농축물 저장부(50)로 유입될 수 있다.
상기 양전극 또는 음전극은 전류가 흐를 수 있는 도전성 물질이라면 무방하며, 예를 들어 알루미늄, 니켈, 구리, 티타늄, 철, 스테인레스 스틸 및 흑연 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상을 포함할 수 있다. 하지만 이는 구체적인 일 예일 뿐, 본 발명이 이에 제한되지 않음은 물론이다.
상기 탄소전극은 탈염 효율, 즉, 이온의 흡착 및 탈착 효율을 향상시킬 수 있는 탄소계 전극이라면 무방하며, 예컨대 활성탄소 입자, 탄소섬유, 카본나노튜브 및 그래파이트 입자 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 탄소계 소재를 포함하는 것일 수 있다. 하지만 이는 바람직한 일 예일 뿐, 본 발명이 이에 제한되지 않음은 물론이다. 보다 구체적으로, 상기 탄소전극은 탄소계 소재 및 바인더 용액이 혼합된 슬러리를 막 형태로 도포하고 건조하여 제조되는 것일 수 있다. 또한 경우에 따라 비표면적과 축전용량 증대를 위해 상기 슬러리에 전극활물질이 더 첨가될 수 있다. 하지만 이는 보다 구체적인 설명을 위한 것일 뿐, 본 발명이 이에 제한되지 않음은 물론이다.
탈염전극셀은 이온교환막이 더 구비될 수 있으며, 구체적으로 탈염전극셀의 탄소전극의 일면 또는 양면에 이온교환막이 구비될 수 있다. 이온교환막은 양이온교환막 및/또는 음이온교환막이 사용 가능하다. 이온교환막은 각각 이온을 선택적으로 통과시킬 수 있으므로, 전극의 효율을 보다 더 향상시킬 수 있다.
상기 양이온교환막은 양이온 및 음이온 중에서 양이온을 선택적으로 흡착하는 물질이라면 무방하며, 상기 음이온교환막은 양이온 및 음이온 중에서 음이온을 선택적으로 흡착하는 물질이라면 무방하다. 구체적으로, 이온교환막은 양이온교환기 또는 음이온교환기를 가지는 고분자 수지를 유기용매에 용해하여 제조된 고분자 용액을 막 형태로 도포하고 건조하여 제조된 것일 수 있다. 양이온교환기를 가지는 고분자 수지는 예컨대 술폰산기(-SO3H), 카르복실기(-COOH), 포스포닉기(-PO3H2), 포스피닉기(-HPO2H), 아소닉기(-AsO3H2), 셀리노닉기(-SeO3H) 등의 양이온교환기를 가지는 것일 수 있다. 그리고 음이온교환기를 가지는 고분자 수지는 예컨대 4급 암모늄염(-NH3), 1~3급 아민(-NH2, -NHR, -NR2), 4급 포스포니움기(-PR4), 3급 술폰니움기(-SR3) 등의 음이온 교환기를 가지는 것일 수 있다.(R : 탄화수소기) 하지만 이는 구체적인 일 예일 뿐, 본 발명이 이에 제한되지 않음은 물론이다.
상기 탈염전극부에서 언급되는 “구비”는 적층 또는 인접하여 위치하는 것 등을 포함하여 해석될 수 있다.
본 발명의 유체 순환형 산성가스 제거 장치를 도 1 또는 도 2의 예를 들어 설명하면, 산성가스는 흡착부(10)의 S00경로를 통해 내부에 장입된 아민계 화합물을 포함하는 유체에 접촉하여 산성가스가 흡착되고, 이 과정에서 상기 유체 내의 산성가스와 아민계 화합물의 자유아민은 산-아민염으로 전환된다. 이렇게 산-아민염을 포함하는 유체는 S12경로를 통해 열교환부(70)로 유입되고 열교환된 유체 중 제1유체는 S72경로를 통해 탈착부(60)로 유입된다. 탈착부(60)에 유입된 제1유체로부터 온도, 압력 조건에 의해 산성가스가 기상으로 분리 및 제거되며, 산성가스로부터 분리된 제1유체는 S62경로를 통해 열교환부(70)로 순환되거나, 흡착부(10)로 순환된다. 또한 열교환부(70)로부터 열교환된 유체 중 제2유체는 S71경로를 통해 탈염전극부(30)로 유입되게 되는데, 이때 제2유체는 탈염전극부(30)에 유입되기 전 염기 투입부(20)로부터 알칼리 화합물과 접촉한 후에 탈염전극부(30)로 유입된다. 탈염전극부(30)에서 탈염된 제2유체는 흡착부(10)로 순환되며, 탈염된 제2유체로부터 분리된 염을 포함하는 유체는 S32경로를 통해 폐농축물 저장부(50)로 유입되어 저장된다. 이렇게 저장된 고농축물은 다양한 프로세스를 통해 폐기될 수 있다.
본 발명의 일 예에 따른 유체 순환형 산성가스 제거 장치는, 상기 탈염전극부로부터 농축 염 함유 유체가 유입되어 염을 더 분리하는 전기투석부를 더 포함할 수 있다. 이때 상기 전기투석부로부터 염이 분리된 유체는 상기 흡착부의 유체로 순환될 수 있다. 구체적으로, 전기투석부(40)는 탈염전극부(30)로부터 배출되는 염과 분리된 농축 염 함유 유체가 유입되고, 탈염전극부(30)에서 미처 분리되지 못한 아민계 화합물로부터 염을 더 분리한다. 또한 전기투석부(40)에서 염과 분리된 아민계 화합물을 포함하는 유체는 상기 흡착부(10)의 유체로 순환될 수 있다.
전기투석부(40)의 전기투석 기술은 상술한 바와 같이 탈염전극부(30)의 탈염 기술과는 그 원리가 다르다. 구체적으로, 탈염전극부(30)에 의해 염이 분리되어 산-금속염 등의 각종 염의 농도가 급격히 증가되고, 따라서 이후 전기투석부(40)에 고농도의 유체가 유입됨으로써, 저 농도에 따른 효율 저하가 발생하지 않고, 따라서 전기투석부(40)의 분리 효율 및 에너지 효율이 현저히 증가하게 된다. 또한 아민계 화합물을 포함하는 유체의 회수율이 매우 높아 탈염전극부(30) 없이 전기투석부(40)가 사용되는 경우에 비해 유입되는 유체의 양이 현저히 감소하므로, 설비 규모를 더 간소화하여 설계할 수 있으며 에너지 소비 또한 보다 감소시킬 수 있다.
본 발명에서 전기투석부(40)는 양전극, 제1음이온교환막(41a), 제1양이온교환막(41b), 제2음이온교환막(42a), 제2양이온교환막(42b) 및 음전극이 순차적으로 구비되되, 상기 제1음이온교환막(41a)과 상기 제1양이온교환막(41b) 사이에 제1유로가 형성되고, 상기 제1양이온교환막(41b)과 상기 제2음이온교환막(42a) 사이에 제2유로가 형성되며, 상기 제2음이온교환막(42a)과 상기 제2양이온교환막(42b) 사이에 제2유로가 형성될 수 있다. 이때 전기투석부(40)의 제1유로 및 제3유로로부터 선택되는 어느 하나 또는 둘의 유로를 통과하여 산-금속염이 분리된다.
전술한 본 발명의 유체 순환형 산성가스 제거 장치를 도 3 또는 도 4의 예를 들어 설명하면, 산성가스는 흡착부(10)의 S00경로를 통해 내부에 장입된 아민계 화합물을 포함하는 유체에 접촉하여 산성가스가 흡착되고, 이 과정에서 상기 유체 내의 산성가스와 아민계 화합물의 자유아민은 산-아민염으로 전환된다. 이렇게 산-아민염을 포함하는 유체는 S12경로를 통해 열교환부(70)로 유입되고 열교환부(70)를 통과한 유체 중 제1유체는 상술한 바와 같이 탈착부(60)로 유입되고, 제2유체는 탈염전극부(30)로 유입된다. 탈염전극부(30)에서 염과 분리된 아민계 화합물을 포함하는 유체는 흡착부(10)로 재유입되며, 탈염전극부(30)에서 아민계 화합물과 분리된 농축 염 함유 유체는 전기투석부(40)로 유입된다. 전기투석부(40)에서는 도 6의 일 예에서와 같은 원리로 염이 분리되며, 염과 분리된 아민계 화합물을 포함하는 유체는 흡착부(10)로 재유입되고, 아민계 화합물과 분리된 농축 염 함유 유체는 최종적으로 폐농축물 저장부(40)로 유입되어 저장된다.
이하 본 발명을 실시예를 통해 상세히 설명하나, 이들은 본 발명을 보다 상세하게 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 권리범위가 하기의 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 1의 공정도를 보다 단순화하여 고정된 양의 아민계 화합물 및 산-금속염을 포함하는 용액으로부터 탈염전극 장치와 전기투석 장치를 통해 산-금속염이 흡착 및 제거되는 양을 확인하였다. 이때 아민계 화합물로 메틸디에탄올아민(Methyldiethanolamine, MDEA)이 사용되었으며, 산-금속염으로 포름산나트륨(Sodium formate)이 사용되었다.
구체적으로, 50 중량%의 메틸디에탄올아민 수용액 100 ℓ에 포름산나트륨 40.5 g을 용해시켜 270 ppm 농도의 용액을 제조하여 35℃로 맞춰 사용하였다. 탈염전극 장치로는 한국등록특허공보 제10-1147198호의 축전식 탈염 장치에 따라 제작하여 사용했으며, 전기투석 장치로는 FuMa-Tech GmbH사의 FT-ED-100 단위셀을 사용하였다. 또한 탈염전극 장치의 탈염 처리 용량은 1 ℓ/min으로 설정하였고, 전기투석 장치의 염 분리 처리 용량은 분당 0.3 ℓ/min로 설정하였으며, 탈염전극 장치를 통과하면서 탈염되는 용액과 후처리를 위해 전기투석부로 넘어가는 용액의 유량비를 9:1로 설정하였다. 그리고 시간 경과에 따른 포름산염 농도를 각 위치에 따라 측정하였으며, 이때 측정된 각 위치는 도 3의 S31경로, S32경로, S41경로이다. 이의 결과는 하기 표 1에 도시되어 있다.
시간(분) S31경로(ppm) S32경로(ppm) S41경로(ppm)
20 39 2,339 1,052
40 43 2,312 1,063
60 40 2,330 1,118
80 40 2,327 1,047
100 42 2,321 1,067
탈염전극 장치를 경유하고 전기투석 장치를 통과하여 탈염이 완료된 용액에는 포름산염이 144 ppm으로 포함되어 있었으며, 따라서 약 53.2%의 제거효율을 가짐을 확인하였다.
[비교예 1]
실시예 1에서 탈염전극 장치를 사용하지 않은 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 수행하여 시간 경과에 따른 포름산염 농도를 측정하였으며, 이의 결과는 하기 표 2에 도시되어 있다.
[비교예 2]
비교예 1에서 용액 내 포름산염의 농도를 270 ppm 대신 2300 ppm으로 한 것을 제외하고, 비교예 1과 동일하게 수행하여 시간 경과에 따른 포름산염 농도를 측정하였으며, 이의 결과는 하기 표 2에 도시되어 있다.
초기 포름산염 농도 에너지 소비 포름산염 제거효율
(ppm) (W·h) (%)
실시예 1 270 2,083 53.2
비교예 1 270 5,273 27.6
비교예 2 2,300 8,033 55.0
실시예 1의 경우는 비교예 1의 경우와 비교하여 보다 낮은 농도에서 운전이 가능하였으다. 또한 실시예 1의 경우는 비교예 1과 비교하여 포름산염 제거효율이 약 2배 정도 더 높았으며 그럼에도 에너지 소비는 약 60%로 매우 낮았다. 즉, 축전식 탈염 기술로 1차 염기 제거된 이후에 전기투석 기술로 2차 염이 제거되는 경우가 전기투석 기술만 적용되는 경우와 비교하여 2 배 이상 에너지 효율이 높으면서도, 약 2배 정도 산-금속염의 제거효율이 높은 것을 알 수 있다. 또한 시스템 내 포름산염 농도를 낮게 유지할 수 있음에 따라 장치 내의 부식 등의 안정성을 저하시키는 문제들을 예방할 수 있음을 알 수 있다. 뿐만 아니라 본 발명을 실제 다양한 환경에 적용함에 있어서, 에너지 소비, 유지, 보수 등에 소요되는 비용을 매우 절약할 수 있어, 현장에서의 상용화가 매우 용이한 점을 알 수 있다.
10 : 흡착부, 20 : 염기 투입부
30 : 탈염전극부, 40 : 전기투석부,
41a : 제1음이온교환막, 41b : 제1양이온교환막
42a : 제2음이온교환막, 42b : 제2양이온교환막
50 : 폐농축물 저장부
60 : 탈착부
70 : 열교환부
S00 : 산성가스 유입 경로
S11, S61 : 산성가스 배출 경로

Claims (10)

  1. A) 아민계 화합물을 포함하는 유체에 산성가스를 접촉시켜 산-아민염을 생성하는 단계
    B) 상기 산-아민염을 포함하는 유체로부터 산-아민염을 해리하여 산성가스를 분리 및 제거하는 단계
    C) 상기 A) 단계 또는 상기 B) 단계를 거친 산-아민염을 포함하는 유체를 알칼리 화합물로 처리하는 단계 및
    D) 상기 알칼리 화합물로 처리된 유체를 축전식 탈염전극 장치로 탈염하는 단계를 포함하며,
    상기 B) 단계 또는 상기 D) 단계를 거친 아민계 화합물을 포함하는 유체가 상기 A) 단계의 유체로 순환되는 유체 순환형 산성가스의 제거 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    E) 상기 D) 단계를 거쳐 분리된 농축 염 함유 유체로부터 전기투석 장치로 염을 분리 및 제거하는 단계를 더 포함하며,
    상기 E) 단계를 거친 아민계 화합물을 포함하는 유체가 상기 A) 단계의 유체로 순환되는 유체 순환형 산성가스의 제거 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 D) 단계의 축전식 탈염전극 장치는 2 이상의 탈염전극셀이 병렬로 연결되어 구비되며, 어느 하나 이상의 탈염전극셀이 흡착 운전될 때 다른 하나 이상의 탈염전극셀이 탈착 운전되는 유체 순환형 산성가스의 제거 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 B) 단계의 해리는 100~200℃ 및 1~3 atm에서 수행되는 유체 순환형 산성가스의 제거 방법.
  5. 아민계 화합물을 포함하는 유체에 산성가스를 접촉시켜 산성가스가 흡착되는 흡착부;
    상기 흡착부로부터 이송되는 유체가 가열되는 열교환부;
    상기 열교환부로부터 열교환된 제1유체가 유입되어 산성가스가 분리되는 탈착부;
    상기 열교환부로부터 이송되는 제2유체에 알칼리 화합물을 투입하는 염기 투입부; 및
    상기 알칼리 화합물이 투입된 제2유체가 유입되어 탈염되는 탈염전극부를 포함하며,
    상기 탈염전극부로부터 탈염된 제2유체가 상기 흡착부의 유체로 순환되는 유체 순환형 산성가스 제거 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 탈착부로부터 산성가스가 분리된 제1유체가 상기 흡착부 또는 상기 열교환부로 재순환되는 유체 순환형 산성가스 제거 장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 탈염전극부로부터 분리된 농축 염 함유 유체가 유입되어 염을 더 분리하는 전기투석부를 더 포함하며,
    상기 전기투석부로부터 염이 분리된 유체가 상기 흡착부의 유체로 순환되는 유체 순환형 산성가스 제거 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 전기투석부로부터 분리된 농축 염 함유 유체가 축적되는 폐농축물 저장부를 더 포함하는 유체 순환형 산성가스 제거 장치.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 탈염전극부는 2 이상의 탈염전극셀이 병렬로 연결되는 축전식 탈염전극 장치가 구비되며, 어느 하나 이상의 탈염전극셀이 흡착 운전될 때 다른 하나 이상의 탈염전극셀이 탈착 운전되는 유체 순환형 산성가스 제거 장치.
  10. 제5항에 있어서,
    상기 탈염전극부로부터 분리된 농축 염 함유 유체가 축적되는 폐농축물 저장부를 더 포함하는 유체 순환형 산성가스 제거 장치.
KR1020170059837A 2017-05-15 2017-05-15 유체 순환형 산성가스 제거 장치 및 방법 KR101839590B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020170059837A KR101839590B1 (ko) 2017-05-15 2017-05-15 유체 순환형 산성가스 제거 장치 및 방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020170059837A KR101839590B1 (ko) 2017-05-15 2017-05-15 유체 순환형 산성가스 제거 장치 및 방법

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR101839590B1 true KR101839590B1 (ko) 2018-03-16

Family

ID=61910419

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020170059837A KR101839590B1 (ko) 2017-05-15 2017-05-15 유체 순환형 산성가스 제거 장치 및 방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101839590B1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20210033106A (ko) * 2019-09-17 2021-03-26 주식회사 포스코 용액으로부터 오염물을 제거하는 방법

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20080094004A (ko) * 2005-12-23 2008-10-22 프랙스에어 테크놀로지, 인코포레이티드 이산화탄소 회수에서의 아민의 재생
JP2014512944A (ja) * 2011-03-18 2014-05-29 アルストム テクノロジー リミテッド 熱安定性アミン塩のアミン吸収剤からの除去方法
KR101590728B1 (ko) * 2014-10-28 2016-02-03 한양대학교 에리카산학협력단 유해물질 제거 장치 및 방법

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20080094004A (ko) * 2005-12-23 2008-10-22 프랙스에어 테크놀로지, 인코포레이티드 이산화탄소 회수에서의 아민의 재생
JP2014512944A (ja) * 2011-03-18 2014-05-29 アルストム テクノロジー リミテッド 熱安定性アミン塩のアミン吸収剤からの除去方法
KR101590728B1 (ko) * 2014-10-28 2016-02-03 한양대학교 에리카산학협력단 유해물질 제거 장치 및 방법

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
일본 공표특허공보 특표2014-512944호(2014.05.29.) 1부. *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20210033106A (ko) * 2019-09-17 2021-03-26 주식회사 포스코 용액으로부터 오염물을 제거하는 방법
KR102280644B1 (ko) * 2019-09-17 2021-07-23 주식회사 포스코 용액으로부터 오염물을 제거하는 방법

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101564165B1 (ko) 자가발전 수단을 이용한 이산화탄소 포집 장치 및 방법
CN108970334B (zh) 用于富碳胺液的再生系统及其用途
Wang et al. Amine reclaiming technologies in post-combustion carbon dioxide capture
KR101541994B1 (ko) 전기 생산이 가능한 이산화탄소 포집 장치 및 방법
JP5704438B2 (ja) アミン液の再生方法および装置
US11027235B2 (en) Method and apparatus for reagent recovery in a flue gas processing system
CN107789955B (zh) 酸性气体回收装置及酸性气体回收方法
TW201334851A (zh) 用於回收氨之具有膜分離器系統之二氧化碳移除系統
KR101743565B1 (ko) 이산화탄소 포집 장치를 이용한 영구 발전 방법
JP5704439B2 (ja) アミン液の再生方法および装置
US20100300287A1 (en) Slurried Solid Media for Simultaneous Water Purification and Carbon Dioxide Removal from Gas Mixtures
JP6011238B2 (ja) アミン液の再生方法および装置
KR101839590B1 (ko) 유체 순환형 산성가스 제거 장치 및 방법
KR20130015355A (ko) 이산화탄소 제거 장치 및 방법
US20140027285A1 (en) Process for purifying absorbents comprising polyethylene glycol dimethyl ethers
CN113457451A (zh) 一种利用双极膜电渗析再生碳捕集吸收剂吗啉的方法
KR101920003B1 (ko) 농도차 발전 장치
CN114247291B (zh) 一种去除工业二氧化碳捕获系统中热稳盐的工作方法
US20130064748A1 (en) METHOD AND APPARATUS FOR CAPTURING SOx IN A FLUE GAS PROCESSING SYSTEM
KR100460225B1 (ko) 양음극 동형 활성탄소전극을 이용한 대용량 전기흡탈착식물 정화장치 및 방법
CN216755997U (zh) 一种去除工业二氧化碳捕获系统中热稳盐的系统
CN113041786A (zh) 一种二氧化碳捕集胺液的净化方法及其应用
CN215975348U (zh) 一种溶剂净化电渗析处理系统
CN112495189B (zh) 三隔室电渗析脱除deta碳捕集过程中hss的方法
JP2014100623A (ja) アミン回収方法、アミン分離装置および酸性ガス分離回収装置

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant