KR20090045849A - 불화가스의 분리 및 정제 회수방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 SF6(Hexafluorosulfide), HFCs(Hydrofluorocarbons)의 분리 및 정제 회수하는 방법에 관한 것이다. 본 발명의 SF6, HFCs의 분리 및 정제 회수하는 방법은 SF6, HFCs이외의 성분이 포함된 기체의 하이드레이트를 형성하는 단계를 포함한다. 본 발명의 SF6, HFCs의 분리 및 정제 회수 방법을 이용할 경우, 종래의 방법을 이용하는 것보다 현저히 낮은 에너지 비용으로 불화가스를 분리, 회수할 수 있으므로 경제적인 효과가 막대할 뿐만 아니라, 지구온난화 지수가 높은 Non-CO2에 해당하는 SF6, HFCs의 대기방출을 방지할 수 있어 지구온난화를 방지할 수 있는 부가적인 효과를 나타내므로, 보다 효과적인 SF6, HFCs의 분리, 회수 방법으로 널리 활용될 수 있을 것이다.
Hexafluorosulfide, Hydrofluorocarbons, 육불화황, 불화가스, 하이드레이트, 분리, 회수

Description

불화가스의 분리 및 정제 회수방법{The Separation, Purification and Recovery method of Hexafluorosulfide and Hydrofluorocarbons}
본 발명은 SF6, HFCs의 분리 및 정제 회수방법에 관한 것으로, 상세하게는 SF6, HFCs의 가스를 물과 반응시켜 가스 하이드레이트 형태로 고밀도 농축 후, 고/액분리를 통한 SF6, HFCs의 분리 및 정제 회수하는 방법에 관한 것이다.
SF6, HFCs는 지구온난화지수가 높고 그 수명이 매우 길어 이산화탄소(CO2), 메탄(CH4), 아산화질소(N2O)와 함께 6대 지구온난화가스로 지정되어 있는 대표적인 환경오염물질이기도 하다. 특히 SF6는 6대 지구온난화가스 가운데서도 지구온난화 영향력이 가장 높은 물질로, 대표적인 지구온난화가스인 이산화탄소보다 지구온난화지수가 2만3900배나 높아 가장 심각한 환경오염물질로 지목받고 있다.
또한 2007년 12월 15일의 제13차 유엔기후변화협약 당사국 총회에서 채택된 기후 협약에 따라 2013년 이후에는 선진국, 개발도상국을 가릴 것 없이 모든 국가가 온실가스 감축 대상국에 포함되었다. 따라서 우리나라도 2013년 의무 감축국에 편입될 것이어서 구체적인 온실가스 저감 노력에 나서야 하는 처지에 있게 되었고, 따라서 심각한 온실가스 효과를 야기하는 SF6의 분리, 회수에 대해 경제적이고 효율적인 새로운 대안을 시급히 찾아야할 상황에 있는 것이다.
종래, SF6, HFCs의 불화가스뿐 아니라 일반적인 모든 종류의 가스를 분리 및 정제 회수하는 방법으로 주로 혼합물 가스 전체를 액화시킨 다음, 비점에 따라 증류시켜 분리하는 방법을 사용하였다.
그러나, 알려진 바와 같이 가스들의 액화온도는 초저온이기 때문에 액화시키는 데는 많은 어려움이 따르고 막대한 에너지 비용이 소모되는 단점이 있었다. 따라서 다성분 혼합가스로부터 특정성분을 분리하는 공정에 있어 저에너지 소모형 공정의 출현에 대한 연구가 지속 되고 있다.
예를 들면 미국특허 공개공보 2002/0062734 호 등에서는 막 분리를 이용하여 질소와 SF6를 분리하는 방법을 사용하였다.
따라서, 본 발명의 목적은 SF6, HFCs의 분리 및 정제 회수하는 신규하고 효율적인 방법을 제공하는 것이다.
상기 본 발명의 목적은 불화가스를 가스 하이드레이트 형태로 고밀도 농축 후 분리, 회수하는 것을 특징으로 하는 불화가스의 분리, 회수방법에 의해 달성된다.
불화가스를 가스 하이드레이트 형성원리를 이용할 경우, 100배 이상 고밀도로 농축된 후 가스 하이드레이트 형태로 분리가능하기 때문에 기존의 대표적인 처리 방법인 액화방법에 비해 에너지 소모를 획기적으로 감소시킬 수 있어 경제적이다. 또한, 지구온난화지수가 CO2에 비하여 약 24000배 높은 SF6, HFCs의 Non-CO2 온실가스의 배출을 저감시킴으로서 국제적 환경규제에 대응하는 능력을 확보할 수 있다.
이하 본 발명의 구성과 실시예에 대해 첨부된 도면과 함께 상세하게 설명한다.
통상, 가스 하이드레이트는 고압과 저온의 조건에서 물분자간의 수소결합으 로 형성되는 3차원의 격자구조에 동공(Cavity)이라는 빈 공간이 생기고, 이 동공에 가스가 물리적으로 포획되어 생성된다. 가장 일반적으로 알려진 가스 하이드레이트 중의 하나는 메탄 하이드레이트이다. 메탄을 물과 반응시켜 하이드레이트로 만드는 경우 통상 4에서 20기압 정도의 높은 기압이 요구된다.
그러나, 본 발명에서 분리하고자 하는 불화가스의 경우 도 1에 도시된 바와 같이, 4에서는 약 2.4기압, 상온인 경우에도 3.5기압 정도의 비교적 쉬운 조건으로 결정화가 진행된다. 본 발명의 발명자들은 이 점에 착안하여 불화가스를 하이드레이트 형태로 분리, 회수하고자 하는 것이다.
예를 들어, 질소와 SF6를 7 : 3의 몰비로 포함하는 기체 혼합물을 액화방법을 이용하여 분리하는 경우 압축공정에 막대한 에너지가 소모되는데, 하이드레이트 형성 원리를 이용하여 분리하는 경우 하이드레이트 생성 과정에서 발열제어 비용으로 에너지는 소모되나, 액화방법에 비해 20% 이상 적게 소모되어 경제성이 탁월하다.
본 발명에서 고압과 저온의 조건에서 불화가스와 물과 반응하여 하이드레이트를 형성시키기 위하여, 반응에 참여하는 가스분자와 물 분자의 접촉 면적을 증가시키기 위한 기/액 접촉 과정으로 임펠러를 이용한 교반을 가능하게 한다. 또한, 미세 액적 발생장치를 이용하여 미세 액적을 분사하여 하이드레이트를 형성하는 경우 액적의 크기가 작을수록 단위 가스 체적 당 물 분자와 가스분자의 접촉 면적이 증가하게 되어 혁신적인 생성능률의 향상을 이룰 수 있다.
또한, 하이드레이트 형성에 프로모터(promoter)로 작용하는 나노물질의 첨가에 의해 가스 하이드레이트 형성 속도 촉진(Kinetic promotion)과 하이드레이트 형성 조건 완화(Thermodynamic promotion) 기능으로 인하여 불화가스 분리, 회수 방법에 사용되는 에너지 비용을 더욱 줄일 수 있게 된다.
주체(host)인 물에 안정하게 분산된 나노크기의 무기물은 객체(guest)인 가스 흡착 사이트를 제공하여 물속의 가스 농도를 증가하도록 유도한다. 또한 큰 비표면적으로 인해 동시다발적인 핵형성 사이트를 제공하여 하이드레이트가 클러스터 형태로 한꺼번에 자랄 수 있는 환경도 제공할 뿐만 아니라, 열전도도가 큰 프로모터 자체는 하이드레이트 형성 시 잠열을 효과적으로 분산하기 때문에, 하이드레이트 결정성장에 도움을 주는 효과도 기대할 수 있다.
프로모터의 효과를 갖는 음이온 또는 양이온 계면활성제의 종류로는 LABS(linear alkyl benzene sulfonate), SDS(sodium dodecyl sulfate), TMA(Tri Methyl Amine), THF(Tetrahydrofuran), TFT(Trifluorotoluene), CuCl, 2.2-bipyridine, 1.1.2-trichlorotrifluoroethane, ether, ethanol, chloroform, CH2Cl2(Methylene dichloride), TEA(trietylamine), MPEO(methoxy polyethylene glycol), TBABB(tetrabutyl ammonium bibenzoate), MTSDA(methyl trimethyl silyl dimethyl ketene acetal), BBB(2-bromoisobutyryl bromide), DMAP(4-(Dimethylamino)pyridine, 1H,1H-FOMA(1H,1H-perfluorooctyl methacrylate), 1H,1H,2H,2H-FOMA(1H,1H,2H,2H-perfluorooctyl methacrylate), PEPECOOH(perfluoropolyether carboxylic acid) 및 TTIP(Titanium (Ⅳ) triisopropoxide)이다.
이와 관련한 연구방향이나 개념은 세계 최초 시도이며, 객체밀도 증가나 동시 성장기회 그리고 잠열의 효과적 분산기능들이 어울러져, 하이드레이트 형성을 촉진(kinetic promoter)시키는 효과를 나타낸다.
나노 프로모터를 사용하게 되면 도 2에 도시된 바와 같이, 고밀도의 가스 하이드레이트가 빠르게 형성된다. 즉, 나노 입자가 비표면적이 크므로 흡착사이트를 제공하게 되어 객체의 밀도가 증가하게 되고 핵형성 사이트를 제공하여 동시에 성장하게 되므로 고밀도의 가스 하이드레이트가 빠르게 형성된다. 또, 나노 탄소입자 등의 나노입자는 열전도도가 크므로 잠열을 분산시켜 결정 성장에 도움을 주게 된다.
본 발명은 다음의 실시예로 보다 잘 이해될 수 있는데, 이러한 실시예와 실험예에 의하여 본 발명이 제한되는 것이 아님은 당업자의 입장에서 자명하다.
[실시예 1] SF6+혼합가스의 분리 및 정제 회수율 실험
반응기에 125ml의 순수한 물(HPLC grade, 99.999%)을 주입하고, SF6 50% (N2 Balance)기체를 이용하여 반응기 내부를 퍼지하는 과정을 수차례 거쳤다. 압력 7.8bar, 온도 276K, 교반속도 500rpm으로 설정하여 하이드레이트를 형성시켰다. 하이드레이트 형성 반응이 완료된 후 반응기를 저온으로 충분히 냉각시킨 다음 반응 기 내부에 하이드레이트로 전환되지 않은 SF6+N2 가스를 외부로 토출하였다. 하이드레이트만 존재하는 반응기 내부를 압력 7bar, 온도 293K로 설정하여 하이드레이트 해리를 시켰다. 해리된 가스에 대하여 GC(Varian CP3800 Gas Chromatograph, TCD)를 이용하여 정성/정량 분석을 하였다. 결과를 도 3 및 도 4에 게시하였다.
[실시예 2] 프로모터에 의한 효과 비교 실험
반응기에 125ml의 순수한 물((HPLC grade, 99.999%)을 주입하고, SF699.9% 기체를 이용하여 반응기 내부를 퍼지하는 과정을 거친 후, 하이드레이트 형성조건으로 압력 7.8bar, 온도 276K로 설정하여 하이드레이트 형성 속도를 분석하였다. 결과를 도 5에 게시하였다.
[실시예 3] LABS 프로모터의 효과 실험
선형알킬벤젠술포네이트(Linear Alkyl Benzene Sulfonate, LABS, Aldrich)를 포함하는 수용액을 농도에 따라 제조하고 충분히 혼합하여 순수한 물((HPLC grade, 99.999%)에 완전히 녹도록 하여 상기 실시예 2 와 동일한 반응기에 농도별로 제조된 LABS수용액을 125ml 주입하고, SF699.9% 기체를 이용하여 반응기 내부를 퍼지하는 과정을 거친 후, 하이드레이트 형성조건으로 압력 7.8bar, 온도 276K로 설정하고 시간에 따른 SF6 하이드레이트 형성 속도를 분석하였다. 결과를 도 5에 게시하였다.
도 3과 도 4에서 확인할 수 있는 바와 같이, SF6 50% (N2 Balance)기체를 이용하여 하이드레이트 형성 해리를 통하여 얻어지는 기체의 분석결과 SF6의 조성이 약 80%, N2의 조성이 약 20% 정도로 나타났다. 즉 본 발명에 따른 실험을 통해 SF6 및 HFCs의 분리 및 정제 회수가 이루어지는 것을 알 수 있었다.
도 5에서 확인할 수 있는 바와 같이, 순수한 물(HPLC grade, 99.999%)에서 SF6 하이드레이트 형성시에는 시간의 경과가 진행되어도 SF6의 소비량 즉 SF6 하이드레이트의 생성량은 0.02몰 이하로 그 형성속도가 매우 느리다. 그러나 선형알킬벤젠술포네이트(Linear Alkyl Benzene Sulfonate, LABS, Aldrich)와 같은 음이온계면활성제를 Promoter로 첨가하였을 때는 농도에 따른 차이는 있지만 시간의 경과에 따른 SF6의 소비량 즉 SF6 하이드레이트의 생성량은 비례적으로 늘어간다. 즉 본 발명에 따른 실험을 통해 고효율, 고농도의 SF6 하이드레이트 형성이 이루어지는 것을 알 수 있었다.
SF6, HFCs는 온실가스로서, 우리나라에서 발생하는 SF6 의 발생량의 10%를 분리 및 정제 회수하는 경우 연간 1천 500억원 이상의 환경비용을 절감하는 경제효과를 기대할 수 있다.
본 발명의 SF6, HFCs의 분리 및 정제 회수 방법은 온난화방지를 위한 온실가 스의 회수 및 다른 혼합가스로부터 SF6, HFCs의 분리, 회수에 이용이 가능하다.
도 1은 SF6 가스의 하이드레이트 상평형도을 나타내는 도면.
도 2는 나노입자 프로모터의 메카니즘을 나타내는 도면.
도 3은 SF6 50% (N2 Balance) 하이드레이트 형성율 그래프.
도 4는 SF6 50% (N2 Balance)를 이용하여 만들어진 하이드레이트의 해리에 따른 해리 가스의 GC를 이용한 분석 그래프
도 5는 가스 하이드레이트 촉진제(promoter)로 선형알킬벤젠술포네이트 (Linear Alkyl Benzene Sulfonate, LABS, Aldrich)를 사용하여 첨가 농도에 따른 SF6 하이드레이트 키네틱(kinetic) 실험 결과를 나타낸 그래프.

Claims (7)

  1. 불화가스를 포함하는 가스 혼합물에서, 불화가스와 물을 반응시켜 가스 하이드레이트를 형성시켜 분리 및 정제 회수하는 것을 특징으로 하는 불화가스의 분리 및 정제 회수방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 불화가스는 SF6(Hexafluorosulfide) 또는 HFCs(Hydro fluorocarbons)인 것을 특징으로 하는 불화가스의 분리 및 정제 회수방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 불화가스의 하이드레이트 형성은 -15 내지 25의 온도에서 행해지는 것을 특징으로 하는 불화가스의 분리 및 정제 회수방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 불화가스의 하이드레이트 형성은 1 내지 25기압의 압력에서 행해지는 것을 특징으로 하는 불화가스의 분리 및 정제 회수방법.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 하이드레이트 형성 속도 및 분리/정제 효율을 촉진하기 위하여 프로모터를 사용하는 것을 특징으로 하는 불화가스의 분리, 회수방법.
  6. 제 5항에 있어서, 프로모터는 나노사이즈로 사용하는 것을 특징으로 하는 불 화가스의 분리, 회수방법.
  7. 제 5항에 있어서, 프로모터는 음이온 또는 양이온 계면활성제인 것을 특징으로 하는 불화가스의 분리, 회수방법.
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