KR20020057852A - 휘발성 유기화합물의 회수 및 제거 방법과 이에 사용되는장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 휘발성 유기화합물을 액화시켜 회수하고, 액화 온도가 낮아 회수되지 않은 휘발성 유기화합물은 플라즈마를 이용한 광촉매 산화반응을 통해 분해 제거하는 휘발성 유기화합물 회수 및 제거 방법과 이에 사용되는 장치에 관한 것이다.

더욱 상세하게는 2개 이상의 흡착조를 설치하여 유입되는 휘발성 유기화합물을 흡착조에서 흡착시키는 동안 이미 포화 흡착된 다른 흡착조는 흡착 성분을 탈착시켜 흡착제를 재생하고, 탈착된 휘발성 유기화합물을 응축시켜 액상 물질로 회수한다. 회수되지 않은 휘발성 유기화합물은 최종 단계인 광촉매 산화 시스템에서 플라즈마와 광촉매를 이용한 산화반응에 의해 이산화탄소와 물로 분해시켜 제거하는 공정과 장치에 관한 것이다.

Description

휘발성 유기화합물의 회수 및 제거 방법과 이에 사용되는 장치{A Method for Recovery and Removal of Volatile Organic Compounds, and An Apparatus Using the Method}

본 발명은 심각한 대기환경 오염원인 휘발성 유기화합물(Volatile Organic Compounds: VOCs)을 효율적으로 회수하고, 회수하지 못한 미량의 휘발성 유기화합물은 분해하여 무해한 기체로 방출하는 휘발성 유기화합물 회수 및 제거에 관한 방법과 장치를 제공한다.

최근 산업의 급속한 발전에 따른 유류 및 유기용제의 사용과 자동차 운행이 급증함에 따라 휘발성 유기화합물의 배출량도 크게 증가하여 심각한 대기환경 오염문제를 유발하고 있다. 휘발성 유기화합물과 악취 성분은 인체 건강에 직접적인 피해를 주기 때문에 작업장 환경 개선이나 주변 지역 환경 개선이 시급한 상황이다.

우리 나라도 1995년 대기환경보전법을 개정하여 1999년부터 대기환경 규제 지역 내의 휘발성 유기화합물 배출시설에 대해 배출을 억제 또는 방지하는 시설을 설치하는 것을 의무화하도록 규정하였다. 규제대상 시설은 석유정제 시설 및 석유화학제품 제조시설, 저유소, 주유소, 세탁시설, 그리고 환경부장관이 고시하는 시설 등으로 정하고 있어 휘발성 유기화합물 처리 시설은 산업공단은 물론이려니와 이제는 도심 생활권에서도 반드시 필요한 설비가 되었다.

휘발성 유기화합물은 종류가 다양하여 2000년 정부에서 규정한 휘발성 유기화합물 종류만 해도 탄화수소류 중에서 아세트알데히드, 벤젠 등 31종에 이른다. 휘발성 유기화합물은 화학, 기계, 전자공업 등 대규모 공장의 제조공정에서 추출,세척, 용해 등의 목적으로 다량 사용될뿐만 아니라, 도장 공정, 인쇄, 자기테이프, 필름 코팅 등 소규모 제조 공정에서도 널리 사용되고 있다. 유기화합물은 휘발성이 강하므로 작업 도중에 공기 중에 쉽게 유출되어 심각한 공해를 일으키며 인체에도 암을 유발시키는 등 큰 피해를 준다. 이와 같은 유기화합물의 유출은 심각한 환경 오염은 물론 때로는 화재와 같은 사고를 일으키는 요인이 되기도 한다.

작업환경 개선에 대한 관심이 높아지고 환경오염에 대한 법적 규제가 엄격해지면서 공장에서 발생하는 휘발성 유기화합물을 효율적으로 처리하는 기술이 절실해지고 있다. 화학회사 등 유기화합물의 사용량이 매우 많아 다량의 유기화합물을 유출하는 대규모 공장에서는 이를 처리하기 위한 방법으로 연소 산화 또는 촉매에 의한 산화 방법을 주로 사용하고 있다. 이 방법은 짧은 시간에 대량으로 처리할 수 있다는 장점은 있으나 장치의 설비규모가 커서 비용이 많이 들고 연소에 사용하는 촉매 역시 고가의 귀금속 담지 촉매를 사용해야 하며, 연소과정에도 상당한 에너지가 필요하므로 경제적인 부담이 크다. 그러나 유출되는 유기화합물의 농도가 높고 양이 매우 많으며 연속 공정이 계속 유지되어야 하는 대단위 공장으로서는 이 방법에 의존할 수밖에 없는 실정이다. 비교적 유기화합물의 유출량이 많지 않고 배출 농도도 그리 높지 않은 소규모 공장이나 주유소, 세탁소 같은 곳에서는 경제적인 부담이 매우 큰 촉매산화에 의한 제거 방법보다는 다른 방법으로 유기화합물을 제거하거나 회수하는 것이 효과적이다. 알려진 방법으로는 응축법, 흡수법 및 흡착법 등이 있다.

응축법은 혼합기체를 노점 이하로 냉각하여 용제를 회수하는 방법으로 노점이 높은 온도가 아니면 이용하기 어렵고 회수율이 높지 않다. 흡수법은 적당한 흡수액을 사용하여 용제를 흡수시키는 방법으로 연속적인 운전을 할 수 있고 비교적 회수율이 높지만 흡수액으로부터 용제를 분리하는 별도의 장치가 필요하여 비용이 많이 드는 단점이 있다.

흡착법은 1000∼3000 ppm의 농도로 유출되는 대부분의 유기화합물을 거의 완벽하게 제거할 수 있으며 설비가 그리 복잡하지 않아 널리 보급된 방법 중의 하나이다. 그러나 흡착법은 흡착제가 포화흡착되면 흡착제를 교환하거나 재생하여야 하는데 재생과정이 간단하지 않으며 교환 작업으로 인해 연속공정이 이루어지지 않는 경우가 많다. 흡착제로는 활성탄이 대표적인 물질로 알려져 있으나, 포화 흡착하여 활성이 저하된 활성탄을 재생하기 위해서는 활성탄을 스팀으로 처리하여 세척하고 건조하는 과정을 되풀이 하여야 하므로 재생 공정이 번거롭다. 또한 활성탄은 구조적으로 그리 견고하지 않아 몇 번 재생과정을 거치면 세공 구조가 무너져 기능이 저하되는 경우가 많다. 그러므로 활성탄에 의한 흡착제거의 경우 활성이 저하된 활성탄을 적절히 교체하여 주어야 하는 것이 필수적이나 소규모의 공장에서는 이러한 교체가 제대로 지켜지고 있지 않는 경우가 많다.

촉매연소나 흡착법에 의한 휘발성 유기화합물의 처리 방법은 제거하는 데는 효과가 있지만 휘발성 유기화합물을 회수하기는 어렵다. 휘발성 유기화합물이 모두 원유를 출발물질로 하여 만들어진 화합물이기 때문에 비산유국인 우리 나라로서는사용한 휘발성 유기화합물을 제거하여 없애기보다는 회수하여 재사용할 수 있는 방안이 필요하다. 이 방안의 하나로서 기존에 출원된 특허(출원번호: 10-1999-045887)에서는 2개 이상의 흡착조를 설치하여 하나의 흡착조로 배출되는 휘발성 유기화합물을 흡착시키는 동안 이미 포화 흡착된 다른 흡착조는 열을 가하여 휘발성 유기화합물을 탈착시키고 이를 응축시켜 휘발성 유기화합물을 회수하는 방법을 제시하였다.

이 방법은 휘발성 유기화합물을 회수하는 방법으로는 좋으나 몇가지 보완해야 할 문제점을 안고 있다. 첫째, 작업 상황의 변동에 따라 배출되는 휘발성 유기화합물의 양이 급증하게 되어 흡착 용량 한계를 넘어서게 되면 흡착되지 않은 휘발성 유기화합물이 밖으로 배출되게 되는 문제점이 있다. 둘째, 휘발성 유기화합물은 이슬점 온도가 매우 낮기 때문에 다양한 종류의 휘발성 유기 화합물을 모두 회수하기 위해서는 응축조의 온도를 매우 낮게 유지하여야 한다. -50 ℃ 정도를 유지하기 위해서는 드라이아이스를 냉매로 사용하여야 하고, 이 보다 더 낮은 온도를 유지하기 위해서는 고가의 액체 질소를 사용하여야 하는 경제적 부담이 있다. 값비싼 냉매에 의한 경제적인 부담도 있지만 이런 냉매를 사용하여 응축조의 온도를 제대로 유지하기 위해서는 열손실을 최소화할 수 있는 설비가 필요하기 때문에 경제적인 부담은 더욱 커지기 쉽다. 경우에 따라서는 휘발성 유기화합물을 회수하여 재사용하여 얻는 경제적 이득보다 응축조를 설치하고 운전하는 데 드는 비용이 더 커질 수도 있다.

본 발명에서는 이러한 회수장치의 장점은 취하고 문제점은 보완하여 휘발성유기화합물을 저비용으로 회수하고, 회수하지 못한 물질은 고효율적인 방법으로 완전히 제거하는 방법을 제공하고자 한다. 배출 단계 이 전에 플라즈마를 이용한 광촉매 산화방법을 적용하여 흡착이나 응축으로 처리되지 아니하고 배출되는 휘발성 유기화합물을 완전히 제거할 수 있도록 하여 처리 효율을 극대화시키고, 응축에 의한 휘발성 유기화합물의 회수 부담을 줄임으로써 설치나 유지 비용을 절감할 수 있는 방법을 제공하고자 하는 것이다.

도 1은 휘발성 유기화합물 회수 및 제거 장치의 구성도

〈도 1의 주요 부호에 대한 설명〉

1: 흡입펌프 2: 3방향 밸브

3: 제1흡착조 4: 제2흡착조

5: 히터 6: 흡착제

7: PID 조절기 8: VOC 측정기

9: 응축조 10: 항온 순환수조

11: 광촉매 산화반응 시스템 12: 플라즈마 발생기

13: 플라즈마 전극 14: 광촉매 여재

15: VOC 인입구 16: 처리 가스 배출구

17: 유기화합물 회수구

본 발명에서 제공하는 휘발성 유기화합물 회수 및 제거 장치의 개략적인 구성도는 도 1과 같다. 이하 첨부된 도면(도 1)에 의거하여 유기화합물 회수 및 제거 장치의 구성요소 및 방법에 대하여 다음과 같이 상세히 설명한다.

이 장치는 크게 흡착부, 응축 회수부, 광촉매산화부로 이루어져 있다. 작업장에서 유출된 휘발성 유기화합물은 흡입펌프(1)에 의해 시스템으로 보내지고 바로 흡착조로 보내진다. 제1흡착조(3)나 제2흡착조(4)의 포화 여부에 따라 흡착이 가능한 흡착조로 선택하여 보내는 것은 3방향 조절밸브(2)로 정하여 보낸다. 고정층 흡착탑에서 연속흐름 흡착 과정은 시간에 대하여 파과곡선을 보이게 되는 데, 초기에는 유입되는 흡착질이 모두 흡착제에 흡착되지만 흡착이 포화되면 더 이상 흡착되지 않고 흡착탑을 빠져나간다. 이 경우에는 유입 흐름을 재생이 이루어진 흡착조 쪽으로 바꾸어 주어야 한다. 이를 위해 VOC 측정기(8)를 설치하여 농도를 측정하고 휘발성 유기화합물이 기준 농도 이상으로 배출되면 이를 감지하여 자동으로 3방향밸브가 전환되도록 한다. 하나의 흡착조에서 흡착이 진행되는 동안 흡착 포화가 된 다른 흡착조는 열을 가하여 탈착시킨다. 탈착되거나 흡착조에서 미처 흡착되지 않은 휘발성 유기화합물은 응축조(9)를 거치면서 액화되도록 한다. 앞에서 설명한 바와 같이 휘발성 유기화합물은 종류가 다양하고 액화점도 비교적 낮은 편이어서 이를 모두 응축하려면 매우 낮은 온도로 응축조를 유지하여야 모두 응축시킬 수 있다. 그러나 회수되는 휘발성 유기화합물이 주는 경제적 이득보다는 응축 시스템 설비와 운전비용, 냉매 유지 비용 등이 훨씬 많이 들기 때문에 비효율적이다. 따라서 응축조 유지 비용을 최소화하기 위해 1∼10 ℃ 정도의 냉각수를 순환시키는 시스템으로 구성하고, 응축되지 않고 배출되는 휘발성 유기화합물은 광촉매 산화 시스템에서 완전히 제거한다.

광촉매 산화 시스템은 광촉매 여재(14), 플라즈마 전극(13), 플라즈마 발생기(12)로 구성되어 있다. 응축조에서 액화되지 않고 배출되는 휘발성 유기화합물을 산화 분해하는 방식으로 광촉매에 의한 분해 방법을 적용하였다. 광촉매는 상온에서 빛만으로 유기화합물을 분해시킬 수 있어 매우 효율적이나 높은 농도를 제거하는 데는 성능이 떨어지므로 빛 에너지를 높여주어 성능을 향상시켜야 한다. 본 발명에서는 광촉매 산화반응의 효율을 높이기 위하여 저온 플라즈마를 에너지원으로 사용하도록 하였다. 플라즈마 전극 사이에 광촉매가 코팅된 실리카 등을 충진시킨 후 전극에 고전압을 가하면 플라즈마가 발생하여 강한 광촉매 반응을 일으키게 된다. 이 광촉매 산화반응을 이용하여 배출되는 휘발성 유기화합물을 완전히 분해하여 이산화탄소와 물로 배출한다.

본 발명에 의한 휘발성 유기화합물의 회수 및 제거방법은 다중 흡착조를 이용한 흡-탈착 시스템을 이용하여 휘발성 유기화합물을 회수하는 데 발생하는 문제점, 즉 휘발성 유기화합물을 완전히 회수하지 못하고 일부를 외부로 내보낼 수 있다는 점, 응축 효과를 높이기 위해서는 응축조 유지비용이 많이 들고 설비가 복잡해진다는 점을 완전히 해결한다. 배출 단계에 설치된 광촉매 산화 시스템으로 처리되지 않은 휘발성 유기화합물을 이산화탄소와 물로 분해하여 제거하므로 응축에 의한 휘발성 유기화합물 회수에 의해 발생된 전량을 처리해야 하는 부담을 줄일 수 있으므로 비용 절감을 꾀할 수 있다. 플라즈마를 이용한 광촉매 반응 시스템으로 처리효율을 극대화시켜 적은 비용으로 휘발성 유기화합물에 의한 대기환경 오염 문제를 해결할 수 있다.

Claims (3)

1. 흡착부와 응축부, 광촉매 산화부로 구성되어 휘발성 유기화합물을 흡착시킨 후 포화되면 이를 탈착시켜 흡착제를 재생하고 탈착된 휘발성 유기화합물을 응축하여 회수하고, 회수되지 않은 휘발성 유기화합물은 광촉매 산화시스템을 통해 광촉매와 플라즈마에 의한 산화반응으로 분해하여 제거하는 휘발성 유기화합물 회수 및 제거 방법.
2. 휘발성 유기화합물이나 악취 물질을 흡착시켜 포집하고 포화흡착되면 이를 탈착시켜 흡착제를 재생하는 2개 이상의 흡착-탈착조와, 탈착된 기체상 성분을 액화시켜 회수하는 응축조(9), 그리고 플라즈마 전극(13)과 광촉매가 코팅된 여재(14)로 구성되어 플라즈마와 광촉매에 의한 산화반응으로 휘발성 유기화합물을 분해하여 제거할 수 있도록 구성된 광촉매 산화 시스템(11)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 휘발성 유기화합물 회수 및 제거 장치.
3. 제 2항에 있어서 광촉매 산화 시스템의 광촉매 여재로 실리카 겔, 알루미나, 실리카-알루미나, 제올라이트에 이산화티탄 광촉매를 코팅하여 여재로 사용하는 것을 특징으로 하는 휘발성 유기화합물 회수 및 제거 장치.