KR20160135022A - 중·고온 배가스의 입자상 먼지 및 가스상 중금속 제거용 여과체 및 이의 제조방법 - Google Patents

중·고온 배가스의 입자상 먼지 및 가스상 중금속 제거용 여과체 및 이의 제조방법 Download PDF

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최현진
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오민정
이승제
김종국
조현철
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한국생산기술연구원
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Abstract

본 발명은 중·고온 배가스의 입자상 먼지 및 가스상 중금속 제거용 여과체 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 무기질 섬유 지지체, 상기 지지체의 상부 표면에 거품 코팅된 평균 기공 크기가 30㎛ 이하인 내열성 수지 층, 선택적으로 상기 거품 코팅된 내열성 수지 층 상에 라미네이트된 평균 기공 크기가 2.5㎛ 이하인 내열성 수지 막, 및 상기 지지체의 하부 표면에 코팅된 무기 나노세공체 층을 포함하는 다중층 여과체를 제공함으로써 중·고온 배가스로부터 입자상 먼지와 가스상 중금속을 동시에 제거할 수 있을 뿐만 아니라 기존 거품 코팅 공정을 이용하여 얻어지는 여과체 대비 입자상 먼지 제거율도 더욱 증가시킬 수 있는 여과체를 제공할 수 있는 효과가 있다.

Description

중·고온 배가스의 입자상 먼지 및 가스상 중금속 제거용 여과체 및 이의 제조방법{Filter media for removing particulate matters and gaseous heavy metals from exhaust gas at medium and high temperature, and preparation method thereof}
본 발명은 중·고온 배가스의 입자상 먼지 및 가스상 중금속 제거용 여과체, 이의 제조방법 및 이의 응용에 관한 것이다.
연소 및 가스화를 통하여 에너지를 생산하거나 폐기물을 소각처리하는 산업공정에서는 배기가스중에 입자상 오염물질 및 가스상 오염물질이 포함되어 배출된다. 이러한 오염물질을 제거하는데 있어서, 입자상 오염물질을 제거하는 집진장치와 가스상 오염물질을 처리하는 스크러버가 일반적으로 사용되어진다.
입자상 오염물질을 제거하는 집진장치로는 여과집진장치가 가장 일반적으로 사용되고 있으며, 장치의 성능은 내부에 장착되는 여과백에 의해 좌우된다. 또한, 배기가스의 온도범위에 따라 사용되는 여과백의 종류가 달라지며, 약 120℃ 이하의 저온에는 Polyester, Polypropylene 여과백, 120~230℃의 범위에서는 NOMEX, PPS, P84, Laminated Membrane Filter, 그 이상의 온도에서는 금속필터(~500℃) 및 세라믹 필터(~1000℃)가 사용된다. 일반적으로 연소로에서 연소가 이루어지고 보일러를 거쳐 나오는 배기가스의 온도는 약 500℃ 영역이 되며, 이들이 다시 공기예열기를 거치면 약 350℃가 된다. 그러나 금속필터나 세라믹필터는 너무 고가이기 때문에 350℃의 열을 다시 열교환하여 온도를 200℃ 전후까지 떨어뜨린 후 여과집진을 실시하고 있다.
그러나, 이러한 시스템은 경제성 및 환경성 측면에서 문제점을 가지고 있다. 즉, 배기가스 내에는 먼지가 포함되어 있기 때문에, 이들이 열교환기 표면에 부착되어 파울링을 일으켜 열교환 효율을 떨어뜨리게 된다. 그러므로 비교적 고온에서 먼지를 제거한 후 열교환을 시키는 것이 효과적이다. 최근에는 여과집진장치를 열교환기의 전단에 위치시켜 먼지를 제거한 후 열교환을 하여 열교환효율을 높이는 연구가 진행되고 있다.
중온용으로 사용되는 여과체들(NOMEX, PPS, P84, Laminated Membrane Filter) 중 Laminated Membrane Filter가 비교적 높은 온도에서 여과집진을 할 수 있지만, 산성 및 알칼리성 오염물질이 다량 존재하는 조건에서 온도가 250℃ 이상이 되면 얇은 멤브레인층이 없어지는 문제점이 발생하게 된다. 최근에 폼코팅 공정을 이용하여 유리섬유 원단에 PTFE를 발포시켜 250℃ 이상에서 사용할 수 있는 여과체가 개발되었다(대한민국 등록특허 제10-0934699호). 상기 여과체는 PTFE층의 두께가 100㎛ 수준이기 때문에 5㎛ 미만의 멤브레인층을 가지는 Laminated Membrane Filter에 비해 훨씬 뛰어난 내화학성, 내열성을 보이고 있다.
상기에서 언급한 바와 같이, 입자상 먼지를 제거하는 여과백의 개발은 많이 이루어져 왔지만, 가스상 중금속까지 처리할 수 있는 여과백의 개발은 미미한 실정이다. 스크러버와 같은 추가적인 가스상 오염물질 처리장치를 설치하지 않고 가스상 중금속을 처리할 수 있는 유일한 방법으로는 흡착제를 여과집진장치의 전단에서 분사하여 건식으로 처리하는 방식이 있다. 그러나 비산재를 재활용하는 공정에서는 이러한 방법을 사용할 수 없기 때문에 새로운 방법이 요구되고 있다.
본 발명의 목적은 중·고온 배가스로부터 입자상 먼지와 가스상 중금속을 동시에 보다 효율적으로 제거할 수 있는 여과체, 이의 제조방법 및 이의 사용방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 제1양태는 무기질 섬유 지지체; 상기 지지체의 상부 표면에 거품 코팅된 평균 기공 크기가 30㎛ 이하이며 배가스의 입자상 먼지를 포집하는 내열성 수지 층; 및 상기 지지체의 하부 표면에 코팅된, 가스상 중금속을 흡착하는 무기 나노세공체 층을 포함하되, 상기 무기 나노세공체 층에 의해 상기 내열성 수지 층의 배가스 입자상 먼지 포집 기능을 향상시키는 것이 특징인, 중·고온 배가스의 입자상 먼지 및 가스상 중금속 제거용 여과체를 제공한다.
본 발명의 제2양태는 무기질 섬유 지지체; 및 상기 지지체의 상부 표면에 거품 코팅된 평균 기공 크기가 30㎛ 이하인 내열성 수지 층을 포함하는 여과체를 준비하는 단계(단계 1); 상기 지지체의 하부 표면에 무기 나노세공체 함유 코팅액을 도포하는 단계(단계 2); 및 상기 도포된 무기 나노세공체 함유 코팅액을 건조 및 경화시키는 단계(단계 3)를 포함하는 상기 제1양태에 따른 여과체 제조방법을 제공한다.
본 발명의 제3양태는 상기 제1양태에 따른 여과체를 통해 입자상 먼지 및 가스상 중금속 함유 중·고온 배가스를 통과시키는 단계를 포함하는 입자상 먼지 및 가스상 중금속 함유 중·고온 배가스의 처리 방법을 제공한다.
본 발명의 제4양태는 상기 제1양태에 따른 여과체를 포함하는 화력발전소에서 배출되는 중·고온 배가스의 처리 장치를 제공한다.
이하, 본 발명을 자세히 설명한다.
기존 거품 코팅 공정을 이용하여 유리섬유 원단에 내열성 수지를 발포시켜 250℃ 이상에서 사용할 수 있는 여과체는 중·고온 배가스의 입자상 먼지를 제거할 수 있지만, 연소 및 가스화가 일어나는 산업공정에서는 별도의 가스상 오염물질을 처리하는 장치로서 스크러버와 함께 사용되어야 하며, 이에 따라 설치 규모가 커지고 설비 단가도 높을 뿐만 아니라 에너지 소비 측면에서도 효율적이지 않은 문제점이 있다.
본 발명에서는 무기질 섬유 지지체, 상기 지지체의 상부 표면에 거품 코팅된 평균 기공 크기가 30㎛ 이하인 내열성 수지 층, 선택적으로 상기 거품 코팅된 내열성 수지 층 상에 라미네이트된 평균 기공 크기가 2.5㎛ 이하인 내열성 수지 막, 및 상기 지지체의 하부 표면에 코팅된 무기 나노세공체 층을 포함하는 다중층 여과체가 중·고온 배가스의 입자상 먼지 및 가스상 중금속을 동시에 제거할 수 있어 입자상 오염물질과 가스상 오염물질을 보다 효율적으로 제거할 수 있을 뿐만 아니라 상기 무기 나노세공체 층에 의해 상기 내열성 수지 층의 배가스 입자상 먼지 포집 기능을 향상시켜 기존 거품 코팅 공정을 이용하여 얻어지는 여과체 대비 배가스의 입자상 먼지 제거율도 더욱 증가시킬 수 있음을 발견하였다. 즉, 본 발명에서는 지지체의 하부 표면에 무기 나노세공체 층을 추가로 코팅시킴으로써 입자상 먼지와 함께 가스상 중금속을 동시에 제거하면서 기존 여과체의 입자상 먼지 제거율도 향상시킬 수 있음을 발견하였다. 본 발명은 이에 기초한다.
본 발명의 일 양태에 따른 중·고온 배가스의 입자상 먼지 및 가스상 중금속 제거용 여과체는 도 1에 나타낸 바와 같이 무기질 섬유 지지체(1); 상기 지지체의 상부 표면에 거품 코팅된 평균 기공 크기가 30㎛ 이하인 내열성 수지 층(2); 및 상기 지지체의 하부 표면에 코팅된 무기 나노세공체 층(3)을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 일 양태에 따른 중·고온 배가스의 입자상 먼지 및 가스상 중금속 제거용 여과체는 도 2에 나타낸 바와 같이 무기질 섬유 지지체(1); 상기 지지체의 상부 표면에 거품 코팅된 평균 기공 크기가 30㎛ 이하인 내열성 수지 층(2); 상기 거품 코팅된 내열성 수지 층 상에 라미네이트된 평균 기공 크기가 2.5㎛ 이하인 내열성 수지 막(2'); 및 상기 지지체의 하부 표면에 코팅된 무기 나노세공체 층(3)을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 중·고온 배가스의 입자상 먼지 및 가스상 중금속 제거용 여과체는 바람직하기로 120 내지 300℃ 온도 범위에서 입자상 먼지와 함께 가스상으로 존재하는 중금속 제거가 가능한 것일 수 있다.
본 발명에서, 상기 여과체에 의해 제거 가능한 중금속은 수은, 카드뮴, 납, 비소, 니켈 또는 이의 조합일 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다. 특히, 본 발명에 따른 여과체는 수은의 제거용으로 바람직하다.
본 발명에서 사용되는 용어 "무기질 섬유 지지체"는 중·고온 배가스의 입자상 먼지 및 가스상 중금속 제거용 여과체에 적합한 내열성 및 내화학성을 갖는 무기질 섬유상의 지지체를 의미할 수 있다.
본 발명에서 사용된 무기질 섬유 지지체로는 시판되고 있는 유리섬유가 바람직하며, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명에서, 상기 무기질 섬유 지지체의 두께는 400 내지 1000㎛ 일 수 있다. 상기 무기질 섬유 지지체의 두께가 400 ㎛ 미만이면 여과체의 내열성 및 내화학성이 떨어질 수 있고 1000㎛ 초과이면 여과체의 압력손실이 커질 수 있다.
본 발명에서, 상기 내열성 수지는 바람직하기로 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene, PTFE)일 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명에서 사용되는 용어 "폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene, PTFE)"는 폴리에틸렌의 수소를 모두 불소(fluorine)로 바꾸어 놓은 하기 화학식 1로 표시되는 불소 화합물을 포함하는 불소계 수지를 의미한다. PTFE는 테플론(Teflon)이라는 상품명으로 알려져 있으며, 거의 모든 화학약품에 대해 내화학성이 있으며, 매끄러운 표면을 갖는 것을 특징으로 한다.
[화학식 1]
-(CF2CF2)n-
상기 화학식 1에서, n은 100~10,000 사이의 정수이다.
본 발명에서 사용되는 용어 "내열성 수지 층"은 내열성 수지를 포함하는 코팅액이 상기 무기질 섬유 지지체 상에 거품 코팅되어 형성되는 평균 기공 크기가 30㎛ 이하인 층을 의미할 수 있다.
본 발명에서, 상기 내열성 수지 층의 평균 기공 크기는 바람직하기로 1㎛ 내지 30㎛일 수 있다.
본 발명에서, 상기 내열성 수지 층은 내열성 수지, 거품안정제, 발포제 및 증점제를 포함하는 코팅액을 사용하여 거품 코팅하여 형성시킨 것일 수 있다.
본 발명에서 사용되는 용어 "거품안정제"는 수지거품의 유지제로서 작용하는 물질을 의미할 수 있다. 구체적으로, 거품안정제로는 히드록시에틸셀룰로오스, 카복시메틸셀룰로오스, 암모늄 스테아레이트 또는 이의 혼합물을 사용할 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명에서 사용되는 용어 "발포제"는 수지 코팅액의 기포를 만들어내는 물질을 의미할 수 있다. 구체적으로, 발포제로는 소듐라우레이트, 소듐스테아레이트를 포함하는 음이온계(anion) 발포제 또는 폴리에틸렌글리콜형, 다가알콜형을 포함하는 비이온계(nonion) 발포제 등을 사용할 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명에서 사용되는 용어 "증점제"는 수지거품이 섬유에 부착된 상태를 유지시키는 작용을 하는 물질을 의미할 수 있다. 상기 증점제는 아크릴계 증점제일 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명에서, 상기 코팅액은 먼저 거품 발생기로 처리하여 거품액을 만든 후, 이를 무기질 섬유 지지체 표면에 도포하여 거품상의 내열성 수지 층을 형성시킬 수 있다.
그 다음, 상기 거품액이 도포된 지지체를 건조시켜 건조된 거품상의 내열성 수지 층을 형성시킬 수 있다.
본 발명에서, 상기 거품액이 도포된 지지체의 건조는 1차 건조 및 2차 건조로 2단계에 걸쳐 수행될 수 있다. 이러한 1차 및 2차 건조과정에서 안정한 미세 다공질 표면층이 형성되게 된다.
본 발명에서, 상기 거품액이 도포된 지지체의 건조에서 바람직하기로 1차 건조는 80℃ 내지 120℃, 2차 건조는 180℃ 내지 220℃에서 수행할 수 있다.
그 다음, 상기 건조된 지지체를 압착처리하여 미세 다공질 내열성 수지 층의 강도를 높이고 이의 표면을 매끄럽게 할 수 있다. 이러한 압착처리는 선택적으로 수행될 수 있으며, 필수적인 과정은 아니다.
본 발명에서, 상기 건조된 지지체의 압착처리는 바람직하기로 200 psi 내지 700 psi의 압력으로 수행할 수 있다.
그 다음, 상기 압착처리된 지지체를 열처리하여 경화시킴으로써 표면 강도가 우수한 표면층을 형성시킬 수 있다.
본 발명에서, 상기 열처리는 바람직하기로 340℃ 내지 400℃에서 처리하여 경화할 수 있다.
그 다음, 상기 열처리된 지지체를 냉각하여 일차적으로 거품 코팅된 내열성 수지 층을 얻을 수 있다.
상기와 같이 무기질 섬유 지지체 표면 상에 일차적으로 내열성 수지 층을 거품 코팅시킴으로써 2중층 구조의 여과체를 얻을 수 있다.
본 발명에서, 상기 거품 코팅된 내열성 수지 층의 두께는 5 내지 100㎛일 수 있다. 상기 내열성 수지 층의 두께가 5 ㎛ 미만이면 입자상 물질의 제거 효율이 떨어질 뿐만 아니라 여과체의 내열성 및 내화학성이 떨어질 수 있고 100㎛ 초과이면 여과체의 압력손실이 커질 수 있다.
상기와 같이 무기질 섬유 지지체 표면 상에 거품 코팅된 내열성 수지 층을 갖는 2중층 구조의 여과체는 내열성 수지 층의 두께가 5 내지 100㎛ 수준이기 때문에 5㎛ 미만의 멤브레인층을 가지는 Laminated Membrane Filter에 비해 훨씬 뛰어난 내화학성, 내열성을 보인다.
본 발명에서는 전술한 바와 같이 상기 거품 코팅 여과체의 내열성 수지 층 표면에 평균 기공 크기가 2.5㎛ 이하인 내열성 수지 막을 추가로 라미네이트시켜 2.5㎛ 이하의 초미세먼지의 제거율을 높일 수 있다.
바람직하기로, 본 발명에서는 거품 코팅된 내열성 수지 층의 표면 상에 이보다 얇은 내열성 수지 막을 이차적으로 라미네이트시켜 무기질 섬유 지지체층을 포함하여 총 3중층 구조의 여과체를 제조할 수 있다.
본 발명에서, 상기 라미네이트 수행시, 하부의 거품 코팅된 내열성 수지 층과 상부의 내열성 수지 막은 동일한 폴리머 소재로 이루어져 있어 이들간의 접착력이 우수하여 서로 잘 붙게 된다.
본 발명에서, 상기 라미네이트되는 내열성 수지 막의 두께는 바람직하기로 1 내지 50㎛ 일 수 있다.
본 발명에서, 상기 라미네이트되는 내열성 수지 막은 내열성 수지 섬유로 이루어진 다공성 웹(web)의 구조이다. 이러한 다공성 웹의 구조를 통해 본 발명의 여과체는 초미세먼지도 포집할 수 있게 된다.
본 발명에서, 내열성 수지 막은 내열성 수지 분말 및 윤활제를 포함하는 혼합물을 압출성형하여 내열성 수지 필름을 제조하는 단계(단계 1); 및 상기 내열성 수지 필름을 2축 연신하는 단계(단계 2)를 포함하는 제조방법으로 제조될 수 있다.
본 발명에서, 상기 내열성 수지 분말과 윤활제의 혼합비는 중량 기준으로 9:1 ~ 7:1일 수 있다.
본 발명에서, 상기 윤활제는 이소파라핀계 화합물일 수 있다. 구체적으로, 상기 윤활제는 ISOPAR M(Exxon Mobile, 미국)을 사용할 수 있다.
본 발명에서, 상기 2축 연신은 먼저 종축방향으로 1차 연신하고, 그 다음 횡축방향으로 2차 연신하여 수행될 수 있다.
바람직한 일 양태로서, 내열성 수지 막은 내열성 수지 분말(F104, Daikin사, 일본)과 윤활제(ISOPAR M, Exxon Mobile, 미국)를 9:1 ~ 7:1의 비율로 혼합하고, 페이스트 상태로 고압에서 압출성형하고 카렌다 가공으로 내열성 수지 필름을 만든 후, 종축방향으로 1차 연신하고 횡축방향으로 2차 연신하여 제조할 수 있다.
본 발명에서, 내열성 수지 막의 두께를 조절하기 위하여 압출하는 내열성 수지 필름의 두께는 50 내지 500㎛로 한 후, 종축방향의 1차 연신과 횡축방향의 2차 연신에 의해 두께를 1/3~1/10로 얇아지게 한다. 따라서 최종적으로 내열성 수지 막의 두께는 약 1~50㎛가 된다.
본 발명에서, 내열성 수지 막의 기공 크기는 내열성 수지 막의 두께 및 내열성 수지 웹에서 섬유 한가닥의 직경 및 충진율에 의해 결정된다.
바람직하기로, 상기 내열성 수지 막의 평균 기공 크기는 2.5㎛ 이하, 더욱 바람직하기로 0.1㎛ 내지 2.5㎛일 수 있다.
본 발명에서, 상기 내열성 수지 섬유의 직경은 바람직하기로 0.01 내지 1㎛일 수 있다. 만일 동일한 내열성 수지 충진율에서 상기 내열성 수지 섬유의 직경이 상기 하한보다 작으면 초미세먼지의 제거 효율이 높아지게 되고, 상기 내열성 수지 섬유의 직경이 상기 상한보다 크면 집진효율이 낮아지게 된다. 그렇지만 압력손실은 섬유의 직경과 반비례하는 특성을 가진다. 반면, 같은 양의 내열성 수지 필름을 가지고 연신시키게 되면, 연신할수록 내열성 수지 섬유의 직경이 작아지게 된다. 이렇게 만들어진 필터의 경우 상기 내열성 수지 섬유의 직경이 상기 하한보다 작게 되어 다공성 웹의 기공이 너무 커서 초미세먼지의 제거 효율이 떨어지게 되고, 상기 내열성 수지 섬유의 직경이 상기 상한보다 크면 다공성 웹의 기공이 너무 작아서 포집되는 먼지로 인해 여과체가 막힐 수 있다.
본 발명에서, 상기 라미네이트는 열융착 또는 초음파융착법으로 수행할 수 있다.
그러나, 상기 무기질 섬유 지지체 표면 상에 거품 코팅된 내열성 수지 층을 포함하는 2중층 구조의 여과체, 및 무기질 섬유 지지체 표면 상에 거품 코팅된 내열성 수지 층 및 내열성 수지 막을 포함하는 3중층 구조의 여과체는, 전술한 바와 같이 가스상 중금속 제거 역할을 할 수 없어, 입자상 먼지와 가스상 중금속이 함께 발생하는 연소 및 가스화를 통해 에너지를 생산하거나 폐기물을 소각처리하는 산업공정에서는 별도의 가스 스크러버를 구비하여야만 하고 이로 인해 설비 규모가 커지고 에너지 소모도 커지게 된다.
본 발명에서는 상기 무기질 섬유 지지체의 하부 표면에 무기 나노세공체 층을 추가로 코팅시킴으로써 가스상 중금속의 제거를 동시에 수행할 수 있는 3중층 또는 4중층 구조의 여과체를 제공할 수 있다. 이때 무기 나노세공체 층을, 상기 거품 코팅된 내열성 수지 층의 표면이 아닌, 무기질 섬유 지지체의 하부 표면에 코팅함으로써 압력손실의 급격한 증가를 방지할 수 있다.
본 발명에서, 상기 무기 나노세공체는 활성탄, 제올라이트, 실리카, 알루미나 또는 이의 혼합물일 수 있으며, 특히 활성탄이 경제성 측면에서 바람직하다.
본 발명에서, 상기 무기 나노세공체 층의 질량 면적 밀도(mass areal density)는 바람직하기로 5 내지 250 g/㎡일 수 있다. 만일 상기 무기 나노세공체 층의 질량 면적 밀도가 5 g/㎡ 미만이면 가스상 중금속의 제거 효율이 떨어질 수 있고 250 g/㎡ 초과이면 여과체의 압력 손실이 커질 수 있다.
전술한 바와 같이 본 발명에 따른 여과체의 제조방법은 하기 단계를 포함할 수 있다.
1) 무기질 섬유 지지체; 및 상기 지지체의 상부 표면에 거품 코팅된 평균 기공 크기가 30㎛ 이하인 내열성 수지 층을 포함하는 여과체를 준비하는 단계(단계 1);
2) 상기 지지체의 하부 표면에 무기 나노세공체 함유 코팅액을 도포하는 단계(단계 2); 및
3) 상기 도포된 무기 나노세공체 함유 코팅액을 건조 및 경화시키는 단계(단계 3).
바람직하기로, 본 발명에 따른 여과체의 제조방법은 상기 단계 1 이후에 상기 내열성 수지 층 표면에 내열성 수지 막을 라미네이트시키는 단계(단계 1-1)를 추가로 포함할 수 있다.
바람직하기로, 본 발명에서 단계 1 내지 단계 3을 순차적으로 수행할 수 있다. PTFE 층과 같은 내열성 수지 층의 경화온도는 340~400℃이고, 무기 나노세공체 층의 경화온도는 130~180℃(최대허용온도 300℃)이므로, 단계 1을 단계 2 및 단계 3 이후에 수행할 경우, 즉 무기질 섬유 지지체에 무기 나노세공체 층을 먼저 형성시키고 내열성 수지 층을 나중에 형성시키면, 무기 나노세공체 층이 변형되고 강도가 떨어지는 문제점이 발생할 가능성이 있다.
상기 단계 1은, 무기질 섬유 지지체 상부 표면 상에 내열성 수지 층이 거품 코팅된 여과체를 준비하는 단계로서, 상기 여과체는 기존의 제조방법으로 직접 제조하거나 시판되는 제품을 입수하여 사용할 수 있다.
바람직하기로, 상기 내열성 수지 층은 상기 여과체 부분에서 설명한 바와 같이 내열성 수지, 거품안정제, 발포제 및 증점제를 포함하는 코팅액을 사용하여 거품 코팅하여 형성시킬 수 있다.
상기 단계 1-1은, 상기 내열성 수지 층 표면에 내열성 수지 막을 라미네이트시켜 3중층 구조의 여과체를 형성시키는 단계이다. 본 발명에서, 상기 내열성 수지 막은 상기 여과체 부분에서 설명한 바와 같은 방법으로 직접 제조하거나 시판되는 제품을 입수하여 사용할 수 있다. 즉, 본 발명에서는 상기 단계 1-1을 추가로 수행하지 않고 상기 단계 1에서 무기질 섬유 지지체 상부 표면 상에 내열성 수지 층 및 내열성 수지 막이 형성된 3중층 구조의 여과체를 준비할 수 있다.
상기 단계 2는, 상기 무기질 섬유 지지체의 하부 표면에 무기 나노세공체 함유 코팅액을 도포하여 무기 나노세공체 층을 형성시키는 단계이다.
본 발명에서, 상기 무기 나노세공체 함유 코팅액은 무기 나노세공체에 바인더, 증점제 및 물로부터 선택되는 하나 이상의 첨가제를 혼합하여 얻은 것일 수 있다.
상기 무기 나노세공체 함유 코팅액 중 무기 나노세공체의 함량은 전체 코팅액 중량 기준으로 25 내지 33 중량%일 수 있다. 만일 상기 무기 나노세공체 함유 코팅액 중 무기 나노세공체의 함량이 25 중량% 미만인 경우 균일한 코팅이 이루어지지 않는 단점이 있을 수 있고, 33 중량% 초과인 경우 여과체의 압력손실이 급격이 높아지는 단점이 있을 수 있다.
상기 증점제는 상기 여과체에서 설명한 내용과 동일하다.
본 발명에서 사용되는 용어 "바인더"는 무기 나노세공체 입자들이 물리적으로 결합하여 무기 나노세공체 층을 형성하도록 돕는 물질을 의미할 수 있다. 구체적으로, 바인더로는 아크릴계 바인더를 사용할 수 있다.
상기 무기 나노세공체 함유 코팅액에 첨가제로서 사용되는 물은 무기 나노세공체 분산액을 희석시키는 희석제로서의 역할을 할 수 있다.
상기 단계 2의 도포는 나이프 또는 블레이드로 수행될 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명에서, 상기 단계 3의 건조 및 경화는 바람직하기로 130℃로부터 180℃까지 단계적으로 승온시켜 수행될 수 있다. 구체적으로, 상기 단계 3의 건조 및 경화는 130℃에서 3.3분 동안 유지시킨 다음, 150℃에서 3.3분 동안 유지시키고, 180℃에서 1.65분 동안 유지시킴으로써 수행할 수 있다. 이러한 단계적인 승온으로 건조 및 경화를 수행함으로써 무기 나노세공체 층의 균열을 방지할 수 있다.
본 발명에 따른 여과체는 입자상 먼지 및 가스상 중금속 함유 중·고온 배가스의 처리용으로 사용될 수 있다. 구체적으로, 화력발전소에서 배출되는 중·고온 배가스 처리 장치에 사용되는 다기능 필터로 적합하며 이때 가스상 물질로서 특히 수은의 제거에 효과적이다.
본 발명은 무기질 섬유 지지체의 상부 표면에 평균 기공 크기가 30㎛ 이하인 내열성 수지 층을 거품 코팅하고 상기 지지체의 하부 표면에는 무기 나노세공체 층을 코팅하여 다중층 구조의 여과체를 제조함으로써 중·고온 배가스로부터 입자상 먼지와 가스상 중금속을 동시에 제거할 수 있어 입자상 오염물질과 가스상 오염물질을 보다 효율적으로 제거할 수 있는 여과체를 제공할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 양태에 따른 여과체의 3중층 구조를 간략히 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명의 다른 일 양태에 따른 여과체의 4중층 구조를 간략히 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 여과체의 표면 및 단면 특성을 확인한 결과이다.
도 4는 본 발명에 따른 여과체의 코팅 두께에 따른 압력손실 특성 분석 결과이다.
도 5는 본 발명에 따른 여과체의 개수농도 기준의 집진효율 분석 결과이다.
도 6은 본 발명에 따른 여과체의 수은 제어효율 분석 결과이다.
도 7은 A화력발전소의 대기오염방지시설 공정도 및 활성탄 코팅필터를 적용하여 수은제거효율을 도출하기 위한 실험장치의 개념도이다.
도 8은 본 발명에 따른 여과체의 현장적용 결과이다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.
실시예 1 : 본 발명의 3중층 구조의 여과체의 제조
폭 1,650mm의 롤형 형태를 갖는 거품코팅 여과체(GL-TEXⓕ-790, ㈜창명산업, 한국)의 유리 섬유 표면에 아래와 같이 활성탄 층을 코팅시켜 3중층 구조의 여과체를 완성하였다.
먼저, 하기 표 1에 나타낸 바와 같이 평균크기가 17㎛인 분말활성탄, 아크릴 바인더, 증점제 및 물을 혼합하여 활성탄 코팅액을 제조하였다. 아크릴 바인더로는 아크릴/라텍스 컴파운드[Styrene-Butadiene Latex(CAS번호:9003-55-8) 13 중량부, Acrylate Copolymer(CAS번호:25035-69-2) 4 중량부 및 Acrylate Copolymer(CAS번호:25767-47-9) 30 중량부의 혼합물]를, 증점제로는 아크릴중합체(Acrylate Copolymer, CAS번호: 25133-97-5)를 사용하였다.
물질 함량(중량%)
분말활성탄 25
아크릴 바인더 25
증점제 1
물 49
상기와 같이 제조된 각각의 활성탄 코팅액을 나이프 코팅기에 고정된 거품코팅 여과체의 유리 섬유 표면에 도포하였다. 활성탄 코팅액의 두께 레벨(thickness level)을 하기 표 2와 같이 1 내지 6으로 구분하고, 이때 두께 레벨은 단위면적당 활성탄 코팅액의 코팅량, 즉 질량 면적 밀도(mass areal density)를 조절하여 조정하였다. 원단 코팅기를 통과한 필터를 건조 및 경화기에 넣고 130℃에서 3.3분, 150℃에서 3.3분, 및 180 ℃에서 1.65분 동안 단계적으로 승온시키면서 건조 및 경화를 수행하였다.
두께 레벨 코팅량(g) 질량 면적 밀도(g/㎡)
1 0.0149 8.5925
2 0.0381 21.9907
3 0.0741 42.7320
4 0.0953 54.9383
5 0.0996 57.4565
6 0.1121 64.6266
실험예 1 : 본 발명의 여과체의 표면 및 단면 특성 시험
본 발명에 따른 여과체의 표면 및 단면 특성을 확인하기 위하여, 상기 실시예 1에서 제조한 코팅 두께 레벨 5인 여과체의 표면 및 단면을 관찰하였다.
먼저, 상기 여과체의 표면 모습을 도 3a에 나타내었다. 도 3a를 통해, 거품코팅 여과체의 일면은 PTFE 층이며, 다른 일면에 활성탄 층이 코팅되어 있음을 확인할 수 있다.
또한, 상기 여과체의 단면 형태를 전자현미경으로 50배 확대하여 관찰한 결과는 도 3b에 나타내었다. 도 3b를 통해, 본 발명에 따른 여과체가 무기질 섬유 지지체인 유리 섬유를 중간 층으로 하고, 상기 유리 섬유의 상부 및 하부에 각각 PTFE 층과 활성탄 층을 가져 3중층을 이루고 있음을 알 수 있다.
또한, 상기 여과체의 상부 표면(PTFE 층)과 하부 표면(활성탄 층)을 각각 전자현미경으로 300배 확대하여 관찰한 결과를 도 3c 및 도 3d에 나타내었다.
도 3c 및 도 3d의 관찰결과에서 볼 수 있는 바와 같이, PTFE 층은 다수의 기공을 갖는 거품 코팅층을 형성하고 있으며 활성탄 층은 미세 입자 형태의 활성탄이 균일하고 밀집된 코팅층을 형성하고 있음을 알 수 있다.
실험예 2: 코팅 두께에 따른 압력손실 특성 분석
상기 실시예 1에서 제조한 각각의 여과체에 대해 압력손실을 분석하여 코팅 두께에 따른 압력손실 특성을 분석하였다.
구체적으로, 압력손실 특성은 하기와 같이 분석하였다.
제조된 여과체의 압력손실을 측정하기 위하여 여과체는 직경 47mm로 절단하였으며, 그 여과체를 필터성능시험장치에 장착하여 U자관으로 압력손실을 측정하였다. 압력손실 측정시의 여과속도는 1m/min로 설정하였다.
상기 압력손실 특성 분석 결과를 하기 표 3 및 도 4에 나타내었다. 실험은 3회 반복하였으며, 평균값을 나타내었다(단위: Pa).
두께 레벨 압력손실 (Pa)
1 4.3
2 4.3
3 5.0
4 35.9
5 169.9
6 176.4
상기 표 3 및 도 4의 결과를 통해, 두께 레벨이 4(활성탄 코팅량 55 g/m2)일 때부터 압력손실이 증가하기 시작하고, 두께 레벨이 5일 때 압력손실이 급격히 증가하는 것을 알 수 있다.
실험예 3: 본 발명에 따른 여과체의 집진효율 분석
본 발명에 따른 여과체의 집진효율을 분석하기 위하여, 하기와 같은 실험을 수행하였다.
본 발명에 따른 여과체는 석탄화력발전소에서 발생되는 연소가스 중에 함유된 먼지를 포집하기 위한 것으로, 여과체의 성능평가에 석탄화력발전소에서 발생한 비산재를 이용하였다. 본 실험을 위하여 먼저 가스의 온도는 250±10℃로 설정하였으며, 사용한 테스트용 먼지는 2㎛의 기하평균입경과 1.5의 기하표준편차를 나타내었다. 여과집진장치에 장착된 여과백의 전, 후단에서 테스트용 먼지의 입경분포를 파티클카운터(APS 3321, TSI Inc.)로 개수농도로 측정하였다. 여과체의 질량집진효율은 먼지의 크기와 개수농도로부터 질량농도를 환산하여 얻었다.
비교를 위하여, 대조군으로서 활성탄 층을 코팅하지 않은 2중층 거품코팅 여과체(GL-TEXⓕ-790, ㈜창명산업, 한국)의 집진효율도 동일하게 분석하였다.
본 발명에 따른 여과체의 개수농도 기준의 집진효율을 도 5에 나타내었고, 본 발명에 따른 여과체의 질량집진효율은 표 4에 나타내었다. 이때 여과체의 질량집진효율은 하기 수학식 1로 계산하였다.
[수학식 1]
질량집진효율(%) = (인입농도-인출농도)/인입농도 * 100
구분 질량집진효율 (%)
두께 레벨 1(T1) 99.95
두께 레벨 2(T2) 99.95
두께 레벨 3(T3) 99.97
두께 레벨 4(T4) 99.998
두께 레벨 5(T5) 99.999
두께 레벨 6(T6) 99.999
대조군(Raw filter) 99.8
표 4에 나타난 바와 같이, 흡착제를 코팅하지 않은 여과체의 경우 99.8%의 집진효율을 보이고 있으며, 본 발명에 따른 여과체는 흡착제 코팅량을 증가시킴에 따라 그 집진효율이 더욱 높아짐을 알 수 있다. 구체적으로, 본 발명에 따른 여과체의 질량집진효율은 99.95 내지 99.999% 수준으로 매우 높은 집진효율을 나타내었다. 이는 여과 초기상태에서의 집진효율을 나타내므로, 먼지가 포집됨에 따라 집진효율이 높아진다는 여과이론에 근거한다면, 아주 짧은 시간 내에 99.999%이상의 집진효율을 나타냄을 알 수 있다.
실험예 4: 본 발명에 따른 여과체의 수은 제어효율 분석
본 발명에 따른 여과체의 수은 제어효율을 분석하기 위하여, 하기와 같은 실험을 수행하였다. 이때 수은 제어는 수은의 제거를 의미한다.
구체적으로, 수은 제어효율은 하기와 같이 분석하였다.
수은은 크게 입자상 수은, 원소수은, 산화수은으로 나눌 수 있다. 일반적으로 입자상 수은과 산화수은은 쉽게 제거되나 원소수은은 가스와 같이 거동하여 제거효율이 대단히 낮다. 이에 원소수은을 대상으로 하여 개발 여과체의 수은제어효율을 평가하였다. 원소수은을 20 ㎍/㎥의 농도로 발생시켜 여과체의 후단에서 배출농도를 측정하여 수은제어효율을 측정하였다
상기 수은 제어효율 분석 결과를 하기 표 5 및 도 6에 나타내었다. 이때 수은 제어시 흡착온도는 160℃이었으며, 흡착시간은 30분, 초기 배가스 중의 원소수은 농도는 20 ㎍/㎥이었다.
두께 레벨 원소수은제거효율 (%) 평균여과 속도 (m/min)
1 7.99 1.06
2 8.11 1.09
3 9.19 1.09
4 9.07 1.29
5 31.39 1.03
6 28.12 1.05
상기 표 5 및 도 6의 결과를 통해, 원소수은제거효율은 두께 레벨이 4가 될 때까지 서서히 증가하다가 두께 레벨 5에서 크게 증가하는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 상기 실험예 2의 압력손실 특성 분석 결과와 본 실시예의 수은 제어효율 특성 평가 결과를 함께 고려할 때, 비록 여과체의 압력손실이 두께 레벨 5에서 크게 증가하지만 수은 제어효율상 여과체의 활성탄 층이 5 이상의 범위의 두께 레벨을 갖는 것이 바람직함을 알 수 있다.
실험예 6: 본 발명에 따른 여과체의 현장적용 결과
실시예 1에서 제조한 여과체 중 코팅 두께 레벨 5인 여과체를 현장에 적용하여 실제 입자상 먼지와 가스상 중금속으로서 수은의 제거효율을 분석하였다.
도 7은 A화력발전소의 대기오염방지시설 공정도 및 활성탄 코팅필터를 적용하여 수은제거효율을 도출하기 위한 실험장치의 개념도이다. 파일럿 스케일의 정전여과집진시스템이 적용되었기 때문에 전체 가스의 20%만 장치로 유입될 수 있도록 하였다. 여기서 적용된 정전여과집진시스템은 여과집진장치와 전기집진장치가 통합된 모듈이다. 본 실시예에서는 여과집진장치에 적용되는 필터를 각각 기존 여과체(GL-TEXⓕ-790, ㈜창명산업, 한국)(대조군) 및 본 발명의 여과체(실험군)로 대체하여 수은제어효율을 도출하였다. 수은의 농도 측정시 사용된 장비로는 석탄 연소에서 발생되는 배가스의 수은 농도를 연속적으로 측정할 수 있는 CEM(Dry-Mercury Speciation Continuous Emission Monitor, Nippo Corporation)을 사용하였다.
그 결과를 도 8에 나타내었다.
도 8을 통해, 기존 여과체(GL-TEXⓕ-790, ㈜창명산업, 한국)(대조군)와 달리 본 발명의 여과체(실험군)의 경우 여과속도가 증가함에도 불구하고 수은제거효율이 약 70% 이상으로 안정적으로 유지되는 것을 확인할 수 있다.

Claims (18)

  1. 무기질 섬유 지지체;
    상기 지지체의 상부 표면에 거품 코팅된 평균 기공 크기가 30㎛ 이하이며 배가스의 입자상 먼지를 포집하는 내열성 수지 층; 및
    상기 지지체의 하부 표면에 코팅된, 가스상 중금속을 흡착하는 무기 나노세공체 층을 포함하되, 상기 무기 나노세공체 층에 의해 상기 내열성 수지 층의 배가스 입자상 먼지 포집 기능을 향상시키는 것이 특징인, 중·고온 배가스의 입자상 먼지 및 가스상 중금속 제거용 여과체.
  2. 제1항에 있어서, 상기 거품 코팅된 내열성 수지 층 상에 라미네이트된 평균 기공 크기가 2.5㎛ 이하인 내열성 수지 막을 추가로 포함하는 것이 특징인 여과체.
  3. 제1항에 있어서, 120 내지 300℃ 온도 범위에서 입자상 먼지와 함께 가스상으로 존재하는 중금속 제거가 가능한 것이 특징인 여과체.
  4. 제1항에 있어서, 상기 여과체에 의해 제거 가능한 중금속은 수은, 카드뮴, 납, 비소, 니켈 또는 이의 조합인 것이 특징인 여과체.
  5. 제1항에 있어서, 상기 무기질 섬유 지지체는 유리섬유인 것이 특징인 여과체.
  6. 제1항에 있어서, 상기 무기질 섬유 지지체의 두께는 400 내지 1000㎛ 인 것이 특징인 여과체.
  7. 제1항에 있어서, 상기 내열성 수지는 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene, PTFE)인 것이 특징인 여과체.
  8. 제1항에 있어서, 상기 거품 코팅된 내열성 수지 층의 두께는 5 내지 100㎛ 인 것이 특징인 여과체.
  9. 제1항에 있어서, 상기 라미네이트되는 내열성 수지 막의 두께는 1 내지 50㎛ 인 것이 특징인 여과체.
  10. 제1항에 있어서, 상기 무기 나노세공체는 활성탄, 제올라이트, 실리카, 알루미나 또는 이의 혼합물인 것이 특징인 여과체.
  11. 제1항에 있어서, 상기 무기 나노세공체 층의 질량 면적 밀도(mass areal density)는 5 내지 250 g/㎡인 것이 특징인 여과체.
  12. 하기 단계를 포함하는 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항의 여과체 제조방법:
    무기질 섬유 지지체; 및 상기 지지체의 상부 표면에 거품 코팅된 평균 기공 크기가 30㎛ 이하인 내열성 수지 층을 포함하는 여과체를 준비하는 단계(단계 1);
    상기 지지체의 하부 표면에 무기 나노세공체 함유 코팅액을 도포하는 단계(단계 2); 및
    상기 도포된 무기 나노세공체 함유 코팅액을 건조 및 경화시키는 단계(단계 3).
  13. 제12항에 있어서, 상기 단계 1 이후에 상기 내열성 수지 층 표면에 내열성 수지 막을 라미네이트시키는 단계(단계 1-1)를 추가로 포함하는 것이 특징인 방법.
  14. 제12항에 있어서, 상기 무기 나노세공체 함유 코팅액은 무기 나노세공체에 바인더, 증점제 및 물로부터 선택되는 하나 이상의 첨가제를 혼합하여 얻은 것인 방법.
  15. 제12항에 있어서, 상기 단계 2의 도포는 나이프 또는 블레이드로 수행되는 것이 특징인 방법.
  16. 제12항에 있어서, 상기 단계 3의 건조 및 경화는 130℃로부터 180℃까지 단계적으로 승온시켜 수행되는 것이 특징인 방법.
  17. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항의 여과체를 통해 입자상 먼지 및 가스상 중금속 함유 중·고온 배가스를 통과시키는 단계를 포함하는 입자상 먼지 및 가스상 중금속 함유 중·고온 배가스의 처리 방법.
  18. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항의 여과체를 포함하는 화력발전소에서 배출되는 중·고온 배가스의 처리 장치.
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