KR20020003518A - 유기물질로 부하된 도전성 흡착체의 재생방법 - Google Patents

유기물질로 부하된 도전성 흡착체의 재생방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 유기물질로 부하(負荷)된 도전성 흡착체(吸着體)에 전류를 통해 가열하여 재생하기 위한 방법에 관한 것이다.
한편으로는 불활성가스재생 및 수증기재생과 같은 종래의 재생방법에 있어서 전기적 재생의 장점들을 포함하며, 명세서에서 후술하는 바와 같이, 흡착체의 전기적 재생을 위한 종래 방법의 단점들은 포함하지 않는 도전성(導電性) 흡착체, 특히 활성탄소 섬유매트의 전기적 재생 방법을 고안하기 위하여, 본 발명에 따라 상기 흡착체에 반복적(간헐적)으로 연속하여 전류를 통하여 가열하며, 이때 상기 흡입체에 소기가스를 통과시키지 않고, 이어서 전류를 단절시킨 상태에서 상기 흡입체에 소기가스를 통과시킴으로써, 흡착된 유기물질을 배출/제거한 다음 상기 흡착체를 냉각시키는 방법을 제안한다.

Description

유기물질로 부하된 도전성 흡착체의 재생방법{METHOD FOR REGENERATION OF ELECTRICALLY CONDUCTIVE ADSORBENTS LOADED WITH ORGANIC SUBSTANCES}
본 발명은 유기물질로 부하(負荷)된 도전성 흡착체의 재생방법에 관한 것으로서, 상기 흡착체는 전류의 통과에 의하여 가열되도록 되어있다.
흡착(吸着)에 의하여 폐기 가스로부터 유기 가스 형태의 물질을 흡착체, 특히 활성탄소에 침착시키는 방법이 수년 전부터 공업적으로, 예를 들어 용제재생 시설에 이용되었다. 이때, 활성탄소로서 주로 고정층 입상물질 퇴적(固定層粒狀物質堆積/fixed bed granule piling)이 사용된다. 드물게는, 섬유상(纖維狀) 활성탄소를 예를 들어 환상흡착체로 감거나 또는 골조구조 내에 얽어맨 부직포, 매트, 또는 니트 패브릭(knit fabric)과 같은 매트(mat) 형태로 사용하기도 한다. 흡착에 의한 배기가스청정의 전체공정은 통상 다음과 같이 3개의 주요단계, 즉 장전(裝塡), 재생, 및 냉각 단계로 이루어진다. 장전단계에 있어서, 세정할 배기가스가 상기 흡착체를 통과하여, 이 공정을 통하여 유기물질이 내부의 다공구조 속에 결합된다. 이때, 상기 부하공정이 진행하는 동안 상기 부하물질의 앞부분이 흐름방향으로 흡착체를 통하여 이동한다. 상기 흡착체는 유동방향에 장치된 흡착체 단부에 부하되어 프리세트된 한계치에 도달하면, 상기 흡착체의 부하공정(負荷工程)은 종료되고, 부하공정은 새로이 재생된 다른 흡착체로 전환된다. 경제적인 이유에서 통상 부하된 흡착체를 재생하는 것이 시도된다. 물론, 또한 재생이 불가능하거나, 또는 비경제적인 경우가 많이 공지되어 있다. 특히, 이것은 예를 들어 건물의 공급공기 또는 건물공조설비의 순환공기 내에 있어서와 같이, 유기물질의 농도가 매우 작은 경우이다. 이 경우에 있어서는, 부하된 흡착체를 청정처리하고, 새로운 것으로 대체한다.
흡착은 가역공정(可逆工程)이므로 평형조건을 변경시키기 위하여, 재생단계에서 결합된 유리물질들을 흡착체로부터 다시 제거할 수 있다. 이 공정은 예를 들어 상기 흡착체가 가열되고, 흡착된 유기물질들이 흡착체로부터 축출(逐出)됨으로써 이루어질 수 있다. 이러한 방법은 예를 들어 수증기 재생 및 불활성 가스 재생 활성탄소 흡착설비에서 이용된다. 상기 두 경우에 있어서, 상기 소기 가스는 동시에 흡착체를 위한 가열매체로서 작용한다. 따라서, 흡착체의 가열과 유기물질의 탈착은 밀접히 연결되어 있다. 상기 부하된 흡착체를 소기가스로 간접가열하기 때문에, 매우 큰 소기 가스 체적의 유입이 요구된다. 수증기로 재생할 경우에는, 수증기가 흡착체로부터 나온 다음에는 상기 흡착체로부터 탈착된 유기 물질과 함께 응축되어야 한다. 그 다음, 생성된 응축물은 이어서 예를 들어 정류(精溜)와 같은 고가의 공정을 통하여 가공함으로써, 수분과 유기물질을 분리해야 한다. 통상 불활성 가스로서 질소가 사용되는 불활성 가스 재생은 이때 탈착된 유기물질들이 응축되고, 재생단계의 마지막에 흡착체의 잔류부하를 최소화함으로써, 차후의 장전단계에서 요망되는 청정 가스 농도를 유지할 수 있도록 하기 위해서는 질소가 흡착체를 통하여 순환되고 이 질소 가스가 응축단계에서 매우 낮은 온도로 냉각되어야 하기 때문에, 수증기 재생 방법 보다 비용이 더욱 많이 든다.
불활성 가스에 의한 흡착체의 가열은 불활성 가스의 낮은 열용량 때문에 매우 느리게 겨우 이루어지고, 0.1 내지 0.5 m/s 사이의 큰 유동속도를 필요로 함으로써, 이와 같은 방법으로 단지 약 40의 농축율(= 최대 재생가스 농도/원료가스 농도) 만이 달성될 수 있다. 만약 상기 흡착체를 소기가스에 의한 간접 가열이 아니고, 전류를 통과시켜 직접 가열하면, 한층더 상당한 개선을 달성할 수 있다. 이 경우에는, 가열과 소기 공정의 분리 때문에 소기 가스량(量)을 상당히 감소시킬 수 있으며, 본질적으로 보다 높은 농축율이 달성될 수 있다.
따라서 DE 195 13 376 A1로부터 유기용제의 회수를 위한 장치가 공지되어 있는 바, 이 장치는 활성탄소입자들로 충전되고, 전기 가열이 가능한 환상 고정층으로 이루어져 있으며, 이 고정층은 먼저 배기 가스로부터 용제의 흡착을 위하여, 이어서 탈착 내지 재생을 위하여 재생가스로 충돌된다. 상기 장치에서, 환상 고정층의 외측 및 내측 쟈켓(jacket)은 전극을 형성하는 하나의 격자금속(格子金屬)으로 이루어져 있다. 이와 같은 방법으로 120의 농축율이 달성될 수 있으며, 따라서, 필요로 하는 소기가스 유동량을 원료가스 유동량의 5 내지 10%로 감소될 수 있다. 그 다음 탄소층의 유입표면에 유입된 매우 작은 고유한 가스량에 있어서, 소기가스로 탄소층에 대하여 양호한 재생에 요구되는 균일한 충돌은 단지 이 충돌이 흡착체의 중심 내부에서 수많은 미세 구멍들을 갖는 분배관에 의하여 이루어질 경우에만 달성될 수 있다. 이 방법에 있어서, 재생흐름 자체가 활성탄소에 의하여 가열되고, 내부로부터 외부로 재생될 때에는 따라서 가장 내부층의 탄소가 외부층 보다는 본질적으로 낮은 재생온도에 달한다는 것이 부하시간과 소기가스 농축도 품질을 위해서는 단점이 된다. 그 결과, 가장 내측의 탄소층 만이 겨우 불충분하게 재생되며, 따라서 장전단계에 있어서 예를 들어 초청정실을 위하여 공기 공급을 할 때 요구되는 바와 같은 수(數) ㎍/㎥의 매우 낮은 소기가스 농도가 달성될 수 없게 된다.
독일 특허명세서 DE 41 04 513 C2로부터 마찬가지로 전류로 직접 가열되는 흡착체가 공지되어 있으며, 상기 흡착체는 흡착될 물질로서 예를 들어 매트(mat)형태로 형성되는 섬유 모양의 활성탄소가 사용되는 것을 특징으로 한다. 그와 같은 흡착체의 실시예를 도 1의 개략도에서 보여주고 있다.
이러한 대부분의 프레임(frame)들은 대규모의 배기량을 처리하기 위하여 공기역학적 및 전기적으로 수많은 적절한 장치에 연결될 수 있다. 1분 이내에 이루어질 수 있는 매우 빠른 매트의 가열 때문에, 1500까지의 매우 높은 농축율을 달성할 수 있으며, 이것은 예를 들어 용제를 회수해야할 경우에 유리한 것이다.
단점으로서는, 재생 가스를 여과표면에 걸쳐 균일하게 분배하기 위하여, 대규모의 비용을 투입해야하는 것이다. 따라서, 상기 실시예에 있어서 1m x 3m-필터의 여과표면에 유입되는 재생가스속도는 겨우 0.01 m/s이다. 상기 유동속도에 있어서는, 예를 들어 다섯 겹의 활성탄소 섬유매트를 통하여 단지 10 Pa 만의 압력손실을 나타내므로, 재생가스가 필터에 충돌할 때 이미 가스는 균일하게 분포되어 있어야만 한다. 이것은 예를 들어 높이 및 단면에 걸쳐 배열된 수많은 구멍들이 형성된 분배관 시스템에 의하여 달성될 수 있으며, 이때 상기 분배관들로부터 재생가스가 자유분사(自由噴射)로 배출된다(도 2).
대규모로 처리될 공기량, 즉, 다수의 필터 프레임 모듈들에 있어서는, 다수(3 x 필터 프레임 수)의 분배관들을 장치하거나, 또는 분배관과 필터 사이의 거리를 상당히 크게 설정되어야 하며(0.87 m), 이것은 장치의 크기를 비경제적으로 증가시킨다.
또한, 이와 같은 전기적 재생 방법에 있어서는, 전기적으로 가열된 매트로부터 공기로의 열전도에 의하여 탈착가스의 가열이 이루어지며, 이때 온도경도(溫度傾度)의 형성에 의한 배출공기 정화공정의 효과에 대한 전술한 바와 같은 부정적 결과들을 동반한다. 이것은, 도 3에 예시한 바와 같이, 활성탄소 섬유 매트를 사용할 때 사용된 소량의 탄소 때문에 동일한 배출공기량의 처리를 위하여 100배 이상의 활성탄소량이 투입되는 입상(粒狀)탄소를 사용할 때 보다 훨씬 강하게 작용한다. 이와 같은 강한 온도경도의 결과는 재생할 때 바로 배출공기의 정밀세정(精密洗淨)을 위하여 중요한, 즉, 재생방향에서 보아 첫 번째 매트층(層)들이 최적하게 재생되지 않게 되는 것으로서, 이것은 후속(後續)하는 장전단계에서 장전시간의 단축과 달성 가능한 청정가스농도의 감소에서 두드러지게 나타난다. 이와 같은 불리한 효과는 물론 재생가스속도가 높아질수록 더욱 더 강하게 작용한다.
더욱 더 불리한 것은, 후술하는 표에서 나타나는 바와 같이, 높은 탈착가스 속도에 있어서 요구되는 전기적 열출력(熱出力)이 탈착가스 속도의 증가와 함께 급속도로 증가하는 것이다. 이것은 경제적인 이유에서 활성탄소 섬유매트로 만든 전기적 재생 흡착체를 사용할 때, 재생가스속도가 가능한 한 낮게 유지될 수 있는 결과를 가져오는 바, 이것은 다시 비용이 많이 드는 재생가스 분배 시스템의 설치를 필요로 하게된다.
활성탄소 섬유매트에 의한 재생시 재생가스속도에 따른 전력소비
탈착 가스 속도(cm/s) 0 1 2 5 10 20
전체적인 전열출력(電熱出力)(kW/㎡) 3.1 5.2 7.5 14.4 26.2 49.4
결국, 상기 방법에 있어서, 상기 활성탄소매트의 온도조절은 또한 안전기술적인 이유에서 상기 방법의 실제 사용을 위하여 기본적으로 중요한 바, 그 조절은 매우 어려운 것이다. 이러한 문제의 원인은 특히 활성탄소 섬유매트의 열전도율과열용량이 매우 작아서, 종래의 온도측정 방법들은 예를 들어 전기적으로 절연된 열전대(熱電對)로 측정하는 것과 같이 매우 큰 시간 지연으로 반응하며, 게다가 "측정치"가 열전대와 매트 사이의 (그때그때의) 기계적 접점이 얼마나 양호하느냐에 달려있기 때문에 매우 심한 결함을 포함하고 있다는 것이 그 원인이다. 상기 매트의 온도를 실내온도로부터 예를 들어 200℃로 가열하는 시간은 단지 약 1분이 걸리며, 게다가, 활성탄소매트의 전기저항은 마이너스 온도계수를 갖고 있기 때문에, 상기 방법에 있어서는 활성탄소매트의 과열 위험성이 크다.
상기 공지된 양쪽 방법에 있어서, 흡착체의 전기적 재생 다음에는 냉각단계가 이어지며, 이 냉각단계에서는 공기 또는 불활성가스를 통과시켜 흡착체의 온도를 후속하는 장전단계에서 요구되는 온도로 냉각된다.
따라서, 본 발명의 과제는 도전성(導電性) 흡착체, 특히 활성탄소 섬유매트의 전기적 재생 방법을 제공하는 것으로서, 상기 방법은 한편으로는 불활성가스재생 및 수증기재생과 같은 종래의 재생방법에 비하여 다음과 같은 전기적 재생의 장점들을 갖는 방법으로서, 그 장점들은 다음과 같다.
· 매우 짧은 탈착시간,
· 매우 짧은 가열시간,
· 재생할 때 매우 큰 농축율,
· 필요시 300℃의 재생온도,
· 섬유상 흡착체가 있어서, 기상(氣相)으로부터 흡수상(吸收相)으로
초고속 물질전이운동(物質轉移運動),
· 전기적 재생 방법에 있어서, 관로(管路), 용기 및 기타
설비부품들은 제외하고, 단지 활성탄소와 재생가스 만의 가열에
의한 유리한 경제성,
그러나, 전술한 바와 같이, 종래의 전기적 흡착체 재생방법의 단점들은 제거되었는 바, 특히 그 단점들은 다음과 같다.
·흡착체의 가열을 위한 전기적 접속부하(接續負荷)가 1 cm/s
이하의 탈착가스 속도하에서 보다는 근본적으로 커짐이 없이,
본질적으로 2 cm/s 이상으로 큰 탈착가스 속도가 가능하다.
이것은, 예를 들어 건물의 공급공기로부터 외부공기에 포함된
가스상(狀) 물질을 제거하는 기능에 있어서와 같이, 재생가스로서
공기를 사용하고, 상기 재생공기를 더 이상 청정할 필요가 없는
경우에 특히 바람직하다.
· 필터의 유입표면에 걸쳐 재생가스의 균일한 분배를 위한 고가의
장치를 필요로 하지 않음으로써, 한편으로는 이러한 분배장치를
위한 장치비용이 제외되며, 다른 한편으로는 종래의 구조에
비하여 상기 필터의 장소소요(場所所要)가 절감된다.
· 상기 재생방법은 활성탄소섬유의 과열 또는 연소 방지에 대한
본질적으로 안전하며, 즉, 전력의 온도조절이 필요 없다.
본 발명에 따라, 상기 과제들은 특허청구범위 제1 내지 7항에 따른 재생방법에 의하여 해결된다.
실험설비의 측정치를 기초로 하고, 본 발명에 따른 방법의 모든 특징들에 적용된 실시예를 이용하여 상기 방법을 설명하면 다음과 같다.
0 내지 30 ㎥/h의 공기량을 위하여 설계된 실험실 실험장치에서, 후술하는 설명에 따라 탈착 하는 동안 흡착과 탈착 실험을 인터벌 클록으로 실시하였다.
도 4는 본 발명에 따른 흡착기(吸着器)의 절개단면도이다.
도 5는 달성된 통과곡선을 (톨루엔) 보여주는 도표이다.
도 6 및 도 7은 분배관을 통한 탈착과, 분배관 없는 탈착을 보여주는 개략도이다.
도 8 내지 도 11은 시각동기 탈착의 시간 진행을 보여주는 도표이다.
※도면의 주요부분에 대한 부호설명※
실험실 흡착기(1) 필터(2)
유입/배출관(3) 탈착관(3)
청정가스관(4) 파이프라인(4)
원료가스관(5) 유입/배출관(6)
재생공기관(6)
도 4에 도시한 바와 같이, 실험실 흡착기(1) 내에서 장전과정이 도시된 방향으로 원료가스관(5)으로부터 유입되어 필터(2)를 통하여 청정가스관(4)으로 유출된다. 이때, 필터 프레임 내에 5개의 ACF층이 장착되어 있다. 장전농도는 톨루엔 용제에 대하여 약 etwa 40 mg/㎥로 선택되었으며, 이때 23℃의 온도 하에서 원료가스의 상대습도는 50%로 유지되었다.
필터의 자유표면의 폭이 0.07 m 이고 높이가 0.21 m인 필터에서의 속도는 0.3 m/s 이었다. 상기 실험은 원료가스농도의 10%의 통과농도 까지 진행되었다. 선택된 통과농도는 4 mg/㎥이었으며, 상기 농도는 약 40분 후에 도달되었다.
후속하는 탈착에 있어서, 공기유입은 흡착에 대하여 반대방향으로 이루어지며, 이때 가스속도에 따라 탈착관(3)을 통하거나, 또는 정상적인 파이프라인(4)을 통하여 탈착가스를 통과시켰다(도 6 및 도 7 참조). 재생공기는 재생 공기관(6)을 통하여 배출된다. 가열 및 탈착/냉각의 두 부분단계들로 이루어지는 전체적인 재생과정 동안에 원료가스관(5)은 항상 폐쇄되어 있다.
탈착공정 동안에 온도측정은 적외선측정을 이용하여 필터표면에 접촉하지 않고, 필터층들 사이에 특별히 준비된 열전대(熱電對)를 이용하여 이루어진다.
상기 탈착공정은 다음과 같이 진행된다(도 8 내지 도 11 참조).
· 2.5분간의 시간에 걸쳐 일정한 전력공급 하에 직접적인
전기가열을 통하여 필터물질을 가열함. 이때 흡착기의 밸브들은
폐쇄되었다.
· 2.5분 후에 전력공급을 중지함, 0.5분간 이상 필터 흡착기의
밸브를 개방함. 상기 시간 동안, 탈착된 용제와, 탈착된 물을
배출하고, 필터의 온도를 낮춘다. 0.5분 후에 흡착기의 밸브를
닫는다.
· 일정한 전력공급 하에 2.5분간 이상 직접적인 전기가열을 통하여
필터물질을 가열함.
이와 같은 시각펄스 및 프로세스 진행을 통하여 가열 및 유동(流動)을 전체적으로 각각 일곱 번씩 실시되었고, 또 다른 흡착공정이 시작될 수 있었다.
필터가 가열되는 동안 최초 2개의 시간간격에서 달성된 비교적 낮은 온도는 ACF 상에서 선행하는 탈착에 의하여 결정된다. 그 다음, 세 번째 시간간격부터는 상응하는 전력공급 및 시간에 대한 정지된 온도에 도달하였다.
뜻밖에도, 본래의 탈착시간 - 냉각시간과 일치함 - 동안에 전열(電熱) 소비전력이 공급되지 않았으며, 상기 시간은 매우 짧았으며 - 예를 들어 20 m/s의 재생공기속도에서 단지 30초간이었음 - 또한 이 시간에 활성탄소섬유 매트의 온도가 원래의 220℃로부터 40℃로 강하하였음에도 불구하고, 상기 시간간격에 따른 재생과함께 활성탄소섬유 매트는 단지 일곱 번의 시간간격과 함께 계속 탈착될 수 있다는 것이 확인되었다. 후속 하는 장전단계에 있어서, 다시 동일한 장전시간에 도달하였다. 이것은 정치상태가 존재하였다는 것을 보여주며, 즉, 간헐적(間歇的) 탈착에 있어서, 선행하는 장전단계에서 흡착된 것과 같은 동일한 량의 톨루엔이 탈착되었다는 것을 보여준다.
뜻밖에 그리고 본 발명의 방법을 위하여 매우 유리하게도, 본 발명에 따른 재생방법에 있어서, 재생가스속도는 실제로 탈착 시간간격의 수에 변동이 없을 경우에, 탈착 품질, 전기에너지의 소비 및 전기 접속부하(接續負荷), 그리고 후속하는 장전단계에서 청정가스의 품질에 대하여 아무런 영향을 주지 않는 다는 것을 또한 발견하였다. 이러한 사실을 다음 표에서 명백하게 알 수 있다.
재생가스 속도 (cm/s) 5 10 20
재생가스 분배기 예 아니오 아니오
탈착간격의 수 7 7 7
전기 열출력 (kW) 0.16 0.16 0.16
탈착간격 당(當) 에너지 공급 (kj) 24 24 24
최대 탈착가스 농도 (g/㎥) 10.2 11.5 10.5
원료가스 농도 (g/㎥ 톨루엔) 40 40 40
상대습도 (%) 50 50 50
후속 장전단계의 초기 청정가스농도 (mg/㎥ 톨루엔) 0.1 0.18 0.13
원료가스농도 10%의 통과농도 까지 정지시간 (min) 44 39 40

Claims (7)

  1. 유기물질로 부하(負荷)된 도전성 흡착체에 전류를 통해 가열하여 재생하기 위한 방법에 있어서,
    번갈아 시간적으로 차례로 전류를 통하여 상기 흡착체를 가열하고, 이때 소기가스를 상기 흡착체를 통과시키지 않으며, 그 다음 전류를 끊은 상태에서 소기가스를 흡착체에 통과시키면서, 동시에 상기 유기물질을 배출시키고 흡착체를 냉각하는 것을 특징으로 하는 유기물질로 부하된 도전성 흡착체의 재생방법.
  2. 제1항에 있어서, 가열 및 탈착/냉각의 2개 부분단계들이 시간적으로 차례로 여러 번 반복되는 것을 특징으로 하는 흡착체 재생방법.
  3. 제1항 또는 2항에 있어서, 상기 가열 단계는 일정한 시간 동안 이루어지는 것을 특징으로 하는 흡착체 재생방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 일정하게 고정된 가열시간은 일정한 전기적 열출력 하에 유기물질이 완전히 제거된 흡착체를 소정의 최대온도로 가열하기 위하여 최소한으로 필요로 하는 시간이 되도록 계산되는 것을 특징으로 하는 흡착체 재생방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 하나에 있어서, 상기 흡착체를 통한 공파이프(emptypipe) 속도는 0.1 내지 0.5 m/s인 것을 특징으로 하는 흡착체 재생방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 하나에 있어서, 상기 흡착체는 부직포, 매트, 또는 니트 패브릭(knit fabric) 형태로 존재하는 섬유상 활성탄소로 이루어지는 것을 특징으로 하는 흡착체 재생방법.
  7. 제1항 내지 제3항에 있어서, 흡착된 혼합물은 그 휘발성에 따라 차례로 탈착/포착되는 것을 특징으로 하는 흡착체 재생방법.
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