KR102061895B1 - 고안정성 흡착제 및 이를 이용한 배기가스의 처리 방법 - Google Patents

고안정성 흡착제 및 이를 이용한 배기가스의 처리 방법 Download PDF

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이재호
차우병
손기정
박진호
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이승준
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김강혁
김태형
엄성현
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Abstract

고안정성 흡착제 및 이를 이용한 배기가스의 처리 방법이 제공된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 고안정성 흡착제는, 불소를 포함하는 배기가스를 처리하기 위한 고안정성 흡착제에 있어서, 상기 고안정성 흡착제는, 수산화란타넘 및 탄산바륨을 포함하며, 상기 고안정성 흡착제는, 상기 탄산바륨의 함량이 50 중량% 이하이다.

Description

고안정성 흡착제 및 이를 이용한 배기가스의 처리 방법{HIGH STABILITY ADSORBENT AND METHOD FOR TREATING EXHAUST GAS USING IT}
본 발명은 고안정성 흡착제 및 이를 이용한 배기가스의 처리 방법에 관한 것이다.
불소 성분을 포함하고 있는 배기가스의 처리를 위해, 알칼리금속 수산화물을 주성분으로 하는 흡착제가 많이 사용되고 있다. 알칼리금속 수산화물 흡착제를 이용한 불소 성분을 포함하고 있는 배기가스의 처리는 흡착제 표면에서의 화학 반응을 거쳐 이루어진다.
대표적으로, 성능과 가격 측면을 고려하여 수산화칼슘(Ca(OH)2)을 사용하려는 시도가 많으며, 아래의 화학 반응식 1과 같이 불소 성분을 처리한다.
<화학 반응식 1>
Figure 112019067966154-pat00001
그러나, 수산화칼슘은 성형 특성이 매우 부족하여 실제 환경에 적절히 사용할 수 없는 문제가 있다. 이에 따라, 흡착 특성은 다소 부족하나, 성형 특성이 우수한 탄산칼슘(CaCO3)이 많이 사용되고 있다.
<화학 반응식 2>
Figure 112019067966154-pat00002
한편, 탄산칼슘은 흡착 반응이 진행됨에 따라, 아래의 화학 반응식 3과 같은 부반응이 동반된다.
<화학 반응식 3>
Figure 112019067966154-pat00003
구체적으로, 탄산칼슘이 불소의 처리 과정에서 생성된 물과 이산화탄소와 반응하며, 물에 쉽게 용해되는 탄산수소칼슘(Ca(HCO3)2)이 생성된다. 그리고, 탄산수소칼슘으로 인해 시간이 지남에 따라 유효 반응 사이트가 줄어들고, 성형 흡착제 구조가 붕괴되는 현상을 일으킬 수 있다. 이에 따라, 흡착 반응이 일어나는 반응기 내에 차압이 급격하게 상승하게 되어 실제 환경 적용성이 낮아지게 된다.
따라서, 불소의 흡착 특성이 우수하며, 성형 안정성도 우수하여 실제 환경에 적용할 수 있는 새로운 흡착제가 요구되고 있다.
대한민국 등록특허 0684201호 (2013.01.29. 공개)
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로, 배기가스에 포함된 불소의 흡착 성능 및 성형 특성이 우수한 고안정성 흡착제 및 이를 이용한 배기가스의 처리 방법을 제공한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 고안정성 흡착제는, 배기가스를 처리하기 위한 고안정성 흡착제에 있어서, 상기 고안정성 흡착제는, 수산화란타넘 및 탄산바륨을 포함하며, 상기 고안정성 흡착제는, 상기 탄산바륨의 함량이 50 중량% 이하이다.
또한, 상기 고안정성 흡착제는, 상기 탄산바륨의 함량이 20~40 중량%일 수 있다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 고안정성 흡착제를 이용한 배기가스의 처리 방법은, 수산화란타넘 및 탄산바륨을 포함하는 고안정성 흡착제를 흡착 반응모듈에 충진하는 단계; 및 상기 흡착 반응모듈에 불소를 포함하는 배기가스를 통과시켜 상기 고안정성 흡착제에 흡착시키는 단계를 포함하며, 상기 충진하는 단계는, 상기 탄산바륨의 함량이 50 중량% 이하인 고안정성 흡착제를 상기 흡착 반응모듈에 충진하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 흡착 반응모듈을 통과한 배기가스에 세정액을 분사하는 단계를 더 포함할 수 있다.
그리고, 상기 분사하는 단계는, 상기 흡착 반응모듈의 하부에 위치한 제1 분사모듈에서 상기 흡착 반응모듈을 통과하여 상기 제1 분사모듈에서 상부에서 하부로 이동하는 배기가스에 상부에서 하부로 분사하는 제1 분사 단계; 상기 제1 분사모듈의 하부에 위치한 제2 분사모듈에서 상기 제1 분사모듈을 통과하여 상기 제2 분사모듈에서 수평으로 이동하는 배기가스에 양 측부에서 분사하는 제2 분사 단계; 상기 제2 분사모듈의 상부에 위치한 제3 분사모듈에서 상기 제2 분사모듈을 통과하여 상기 제3 분사모듈에서 하부에서 상부로 이동하는 배기가스에 상부에서 하부로 분사하는 제3 분사 단계; 및 상기 제3 분사모듈의 상부에 위치한 제4 분사모듈에서 상기 제3 분사모듈을 통과하여 상기 제4 분사모듈에서 하부에서 상부로 이동하는 배기가스에 상부에서 하부로 분사하는 제4 분사 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 기타 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명에 따르면, 흡착 특성이 우수하여 배기가스에 포함된 불소를 효과적으로 제거할 수 있다.
또한, 성형 안정성도 우수하여 불소를 흡착하기 위한 흡착 반응기 등에 효과적으로 적용할 수 있다.
도 1은 불소 흡착제의 종류에 따른 흡착 효율을 도시한 그래프이다.
도 2는 탄산바륨의 함량에 따른 흡착량 증가율 및 압축 강도를 도시한 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 고안정성 흡착제를 이용한 배기가스의 처리 장치를 도시한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
비록 제1, 제2 등이 다양한 소자, 구성요소 및/또는 섹션들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 소자, 구성요소 및/또는 섹션들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 소자, 구성요소 또는 섹션들을 다른 소자, 구성요소 또는 섹션들과 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 소자, 제1 구성요소 또는 제1 섹션은 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 소자, 제2 구성요소 또는 제2 섹션일 수도 있음은 물론이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "이루어지다(made of)"는 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
이하, 본 발명에 대하여 첨부된 도면에 따라 보다 상세히 설명한다.
도 1은 불소 흡착제의 종류에 따른 흡착 효율을 도시한 그래프이다. 또한, 도 2는 탄산바륨의 함량에 따른 흡착량 증가율 및 압축 강도를 도시한 그래프이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고안정성 흡착제는 불소를 포함하는 배기가스를 처리한다. 특히, 불화수소(HF) 등의 불소 성분 제거에 유용하다.
구체적으로, 고안정성 흡착제는 수산화란타넘(La(OH)3) 및 탄산바륨(BaCO3)을 포함한다. 여기에서, 고안정성 흡착제는 탄산바륨의 함량이 50 중량% 이하일 수 있다.
수산화란타넘(La(OH)3)에 의해 아래의 화학 반응식 4와 같이 불화수소 등의 불소 성분을 처리한다.
<화학 반응식 4>
Figure 112019067966154-pat00004
수산화란타넘(La(OH)3)을 사용한 흡착제는 불소를 포함하는 배기가스의 흡착 성능이 우수하며, 성형 특성도 우수하다. 이는 수산화란타넘(La(OH)3)을 사용한 흡착제 표면에 적절한 수분이 포함된 미세한 수분층이 잘 형성되며, 이온화가 잘 이루어져 상기 화학 반응식 4에 따른 화학 반응이 우수하기 때문이다.
도 1을 참조하면, 동일한 흡착 반응 시간(hr)에서 탄산칼슘(CaCO3)을 사용한 흡착제보다 수산화란타넘(La(OH)3)을 사용한 흡착제의 흡착 성능이 더 우수함을 확인할 수 있다.
또한, 탄산바륨(BaCO3)에 의해 아래의 화학 반응식 5와 같이 불화수소 등의 불소를 처리한다.
<화학 반응식 5>
Figure 112019067966154-pat00005
탄산바륨(BaCO3)을 사용한 흡착제는 고가의 흡습성 바인더를 사용하지 않고도 흡습성을 향상시켜 초기 흡착 성능을 향상시킬 수 있도록 한다.
다시, 도 1을 참조하면, 동일한 흡착 반응 시간(hr)에서 수산화란타넘(La(OH)3)만을 사용한 흡착제에 비해 수산화란타넘(La(OH)3) 및 탄산바륨(BaCO3)을 함께 사용한 흡착제의 흡착 성능이 개선됨을 확인할 수 있다. 여기에서, 탄산바륨(BaCO3)은 함량이 30 중량%이다.
도 2를 참조하면, 탄산바륨(BaCO3)의 함량이 증가함에 따라 HF의 흡착량 증가율이 증가함을 확인할 수 있다. 그리고, 탄산바륨(BaCO3)의 함량이 40 중량%에서 50 중량%까지 증가하더라도 HF 흡착량 증가율은 약간 증가함을 알 수 있다. 또한, 탄산바륨(BaCO3)의 함량이 50 중량%를 넘길 경우, HF 흡착량 증가율은 발생하지 않았다. 이로부터 고안정성 흡착제에서 상기 탄산바륨의 함량이 50 중량% 이하인 것이 적절하다.
다시 도 2를 참조하면, 탄산바륨(BaCO3)의 함량이 증가함에 따라 고안정성 흡착제의 압축강도는 증가하다가 탄산바륨(BaCO3)의 함량 30 중량%에서 감소하는 것을 확인할 수 있다.
여기에서, 압축강도가 높을수록 흡착제의 성형 특성이 우수하게 된다. 이때, 고안정성 흡착제에서 탄산바륨의 함량이 40 중량% 이하인 경우, 압축강도가 3(kgf/cm2)를 초과하여 더욱 우수한 성형 특성을 얻을 수 있다.
고안정성 흡착제에서 탄산바륨의 함량이 40 중량%를 넘어가더라도 HF 흡착량 증가율은 거의 없으며, 압축 강도는 상대적으로 크게 감소하는 경향을 보인다. 또한, 탄산바륨의 함량이 20 중량% 미만에서는 HF 흡착량 증가율이 20~40 중량%에 비해 작은 것을 확인할 수 있다. 이에, 바람직하게는, HF 흡착량 증가율 및 압축 강도를 모두 고려하여 고안정성 흡착제에서 탄산바륨의 함량을 20~40 중량%로 할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 고안정성 흡착제를 이용한 배기가스의 처리 장치를 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 고안정성 흡착제를 이용한 배기가스의 처리 장치(100)는 플라즈마 반응모듈(105), 흡착 반응모듈(110), 제1 분사 모듈(120), 제2 분사 모듈(130), 제3 분사 모듈(140), 제4 분사 모듈(150), 가스 배출모듈(155)을 포함한다.
즉, 고안정성 흡착제를 이용한 배기가스의 처리 장치(100)의 플라즈마 반응모듈(105)에서 플라즈마 불꽃(P)에 의해 배기가스의 유해성분을 분해하나, 불소가 처리되지 않을 수 있고, 플라즈마 반응 후에 HF 등이 생성될 수 있다. 이렇게 생성된 HF 등은 흡착 반응모듈(110)에 의해 불소가 흡착되고, 흡착되지 않은 HF 등은 다수의 분사모듈(120, 130, 140, 150)에 의해 습식 처리된다.
구체적으로, 고안정성 흡착제를 이용한 배기가스의 처리 방법은, 수산화란타넘 및 탄산바륨을 포함하는 고안정성 흡착제를 흡착 반응모듈(110)에 충진하고, 상기 흡착 반응모듈(110)에 불소를 포함하는 배기가스를 통과시켜 고안정성 흡착제에 흡착시킬 수 있다. 이때, 탄산바륨의 함량이 50 중량% 이하인 고안정성 흡착제를 흡착 반응모듈(110)에 충진한다. 더욱 바람직하게는, HF 흡착량 증가율 및 압축 강도를 모두 고려하여 고안정성 흡착제에서 탄산바륨의 함량을 20~40 중량%로 할 수 있다.
그런 후에, 흡착 반응모듈(110)을 통과한 배기가스에 세정액을 분사하여 흡착되지 않은 HF 등을 습식 처리한다. 여기에서, 세정액은 순수한 물 등을 분사할 수도 있으나, 불소를 처리할 수 있는 처리제가 용매에 용해된 용액일 수도 있다.
분사를 통한 습식 처리는, 흡착 반응모듈(110)의 하부에 위치한 제1 분사모듈(120)에서 상기 흡착 반응모듈(110)을 통과하여 상기 제1 분사모듈(120)에서 상부에서 하부로 이동하는 배기가스에 상부에서 하부로 분사하는 제1 분사 과정, 상기 제1 분사모듈(120)의 하부에 위치한 제2 분사모듈(130)에서 상기 제1 분사모듈(120)을 통과하여 상기 제2 분사모듈(130)에서 수평으로 이동하는 배기가스에 양 측부에서 분사하는 제2 분사 과정, 상기 제2 분사모듈(130)의 상부에 위치한 제3 분사모듈(140)에서 상기 제2 분사모듈(130)을 통과하여 상기 제3 분사모듈(140)에서 하부에서 상부로 이동하는 배기가스에 상부에서 하부로 분사하는 제3 분사 과정, 상기 제3 분사모듈(140)의 상부에 위치한 제4 분사모듈(150)에서 상기 제3 분사모듈(140)을 통과하여 상기 제4 분사모듈(150)에서 하부에서 상부로 이동하는 배기가스에 상부에서 하부로 분사하는 제4 분사 과정으로 이루어질 수 있다.
이러한 분사 과정을 통해, 배기가스가 U자 형태로 흐르면서 습식 처리될 수 있고, 배기가스의 흐름에 맞추어 배기가스의 전후좌우에서 습식 처리가 가능하다.
따라서, 고안정성 흡착제를 이용한 배기가스의 처리 방법을 통해, 고안정성 흡착제를 사용하여 배기가스에서 불소를 흡착하고, 4단계의 분사 과정을 통해 99% 이상의 불소 제거 효율을 달성할 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
100: 배기가스의 처리 장치
110: 흡착 반응모듈 120: 제1 분사모듈
130: 제2 분사모듈 140: 제3 분사모듈
150: 제4 분사모듈

Claims (5)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 수산화란타넘 및 탄산바륨을 포함하는 고안정성 흡착제를 흡착 반응모듈에 충진하는 단계;
    상기 흡착 반응모듈에 불소를 포함하는 배기가스를 통과시켜 상기 고안정성 흡착제에 흡착시키는 단계; 및
    상기 흡착 반응모듈을 통과한 배기가스에 세정액을 분사하는 단계를 포함하며,
    상기 충진하는 단계는, 상기 탄산바륨의 함량이 50 중량% 이하인 고안정성 흡착제를 상기 흡착 반응모듈에 충진하는 단계를 포함하고,
    상기 분사하는 단계는, 상기 흡착 반응모듈의 하부에 위치한 제1 분사모듈에서 상기 흡착 반응모듈을 통과하여 상기 제1 분사모듈에서 상부에서 하부로 이동하는 배기가스에 상부에서 하부로 분사하는 제1 분사 단계; 상기 제1 분사모듈의 하부에 위치한 제2 분사모듈에서 상기 제1 분사모듈을 통과하여 상기 제2 분사모듈에서 수평으로 이동하는 배기가스에 양 측부에서 분사하는 제2 분사 단계; 상기 제2 분사모듈의 상부에 위치한 제3 분사모듈에서 상기 제2 분사모듈을 통과하여 상기 제3 분사모듈에서 하부에서 상부로 이동하는 배기가스에 상부에서 하부로 분사하는 제3 분사 단계; 및 상기 제3 분사모듈의 상부에 위치한 제4 분사모듈에서 상기 제3 분사모듈을 통과하여 상기 제4 분사모듈에서 하부에서 상부로 이동하는 배기가스에 상부에서 하부로 분사하는 제4 분사 단계를 포함하는, 고안정성 흡착제를 이용한 배기가스의 처리 방법.
  4. 삭제
  5. 삭제
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