KR20190088776A - 하수처리장의 저농도 n2o 제거용 흡착분해제와 이것의 제조방법 - Google Patents

하수처리장의 저농도 n2o 제거용 흡착분해제와 이것의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 하수처리장에서 발생되는 저농도의 N2O를 효과적으로 제거할 수 있는 하수처리장의 저농도 N2O 제거용 흡착분해제와 이것의 제조방법에 관한 것이다.
이를 위해 하수처리장의 저농도 N2O 제거용 흡착분해제의 제조방법은 상온 중화반응에 의해 비정질 이산화망간 침전물을 획득하는 합성단계 및 침전물에 구리이온을 공침시키는 공침단계를 포함한다.

Description

하수처리장의 저농도 N2O 제거용 흡착분해제와 이것의 제조방법{ADSORPTION-DECOMPOSER FOR REMOVING LOW CONCENTRATION N2O OF WASTEWATER TREATMENT PLANT AND MANUFACTURING METHOD OF ADSORPTION-DECOMPOSER}
본 발명은 하수처리장의 저농도 N2O(아산화질소, N2O, Nitrous oxide) 제거용 흡착분해제와 이것의 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 하수처리장에서 발생되는 저농도 N2O를 효과적으로 제거할 수 있는 하수처리장의 저농도 N2O 제거용 흡착분해제와 이것의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 지구온난화에 영향을 주는 온실가스는 이산화탄소(CO2)와 비이산화탄소 온실가스(Non-CO2, CH4, N2O, PFCs, HFCs, NF3, SF6)로 구분할 수 있다. 이러한 온실가스 성분의 대기 중 농도는 산업화의 진행에 따라 지속적이고 현저한 증가 추세를 보이고 있다. 비이산화탄소 온실가스 중 웃음가스(Laughing Gas)로 알려져 있는 N2O는 화학적으로 안정하기 때문에 지구 대기의 대류권에서는 거의 저감되지 않고, 성층권까지 도달한 다음 자외선에 의해서 분해되거나 산소 원자와 반응하여 일산화질소(NO)를 생성하며, 생성된 일산화질소는 성층권의 오존과 반응하여 연쇄적인 오존파괴를 초래한다. 이때, N2O가 오존층의 파괴에 미치는 영향은 이산화탄소가 오존층의 파괴에 미치는 영향의 약 10% 정도지만 대기 중에서 자연적으로 저감되는 데 약 150년 정도가 소요된다.
또한, N2O는 6대 온실가스중 하나로써 지구온난화지수(Global Warming Potential, GWP)가 CO2에 비해 310배나 높은 온실가스이다.
최근 하수처리장에서는 질소와 인을 제거하기 위한 고도처리시설이 도입되었고, 경제성과 환경성 그리고 기술적 안정성 등을 고려하여 일정 규모 이상의 하수처리장에는 생물학적인, 질소제거 공정(Biological Nutrient Removal Process, BNR)이 적용되고 있다.
하수처리장의 고도처리시설은 유입된 전체 질소 성분은 호기조(Aerobic tank)에서 질산화 공정(Nitrification process)을 통하여 질산성 질소(NO3-N)로 전환되고, 무산소조(Anoxic tank)에서 탈질화 공정(Denitrification)을 통하여 질소 가스(N2)로 전환시켜 제거시킨다.
하지만, 상술한 질소 처리 과정에서 일부 전환물질로 N2O가 발생되는데, 어떠한 조건에서 N2O가 발생되는지 관련 연구가 미미한 실정이다. 또한, N2O를 저감하는 저감기술은 공업분야 및 하수처리장의 슬러지 소각시 배출되는 N2O의 저감을 위해 많이 적용되었으나, 하수처리 공정에서 발생되는 N2O를 저감하기 위해 적용된 사례는 거의 없는 실정이다. 특히, 하수처리 공정에서 발생되는 N2O 처리를 위한 시스템은 운영 및 유지관리 측면에서 높은 비용이 소요되며, 하수처리 공정에서 발생되는 N2O 처리에 대한 규정이 없어 운영자 및 관리자가 설치를 꺼려하는 경향을 보인다.
대한민국 등록특허공보 제10-0321363호(발명의 명칭 : 연속식 과 회분식을 이용한 저농도 도시 하수의 질소 및 인 제거방법, 2002. 06. 27. 공고)
본 발명의 목적은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 하수처리장에서 발생되는 저농도의 N2O를 효과적으로 제거할 수 있는 하수처리장의 저농도 N2O 제거용 흡착분해제와 이것의 제조방법을 제공함에 있다.
상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 바람직한 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 하수처리장의 저농도 N2O 제거용 흡착분해제는 망간산화물에 구리이온이 공침되어 비정질 형태를 나타내는 구리-망간산화물(CuO-γ-MnO2)로 이루어진다.
본 발명에 따른 하수처리장의 저농도 N2O 제거용 흡착분해제의 제조방법은 상온 중화반응에 의해 비정질 이산화망간 침전물을 획득하는 합성단계; 및 상기 침전물에 구리이온을 공침하는 공침단계;를 포함한다.
본 발명에 따른 하수처리장의 저농도 N2O 제거용 흡착분해제와 이것의 제조방법에 따르면, 하수처리장에서 발생되는 저농도의 N2O를 효과적으로 제거할 수 있다.
또한, 본 발명은 흡착분해제를 통해 하수처리장에서 발생되는 저농도의 N2O를 50% 이상 제거할 수 있다.
또한, 본 발명은 비표면적과 구리이온 함침량을 극대화시키고, 악취가스에 대한 상온산화력을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하수처리장의 저농도 N2O 제거용 흡착분해제의 제조방법을 도시한 순서도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 하수처리장의 저농도 N2O 제거용 흡착분해제와 이것의 제조방법의 일 실시예를 설명한다. 이때, 본 발명은 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 공지된 기능 혹은 구성에 대해 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 명확하게 하기 위해 생략될 수 있다.
망간산화물은 주로 촉매산화제로 사용되고 있는데, 화학반응을 일으키는데 필요한 활성화 에너지를 낮추어 비교적 낮은 온도(250 ~ 450℃)에서 화학반응속도를 촉진하는 물질로 공기 중에 있는 산소를 사용하여 산화반응을 일으킨다.
이때, 이산화망간(MnO2)은 산화력이 우수한 전이금속물질로 분류되어 VOCs 및 유해가스 제거용 산화제로 활용되고 있다. 이산화망간은 대기 노출 시 쉽게 산화되기 때문에 상온에서 우수한 제거 효율을 기대하기 어렵다. 따라서 입자 표면에 산소주계 역할로 고가의 귀금속(Ag, Pt)물질을 함침하여 사용하고 있으나, 고가인 단점이 있어 사용이 극히 제한적이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 하수처리장의 저농도 N2O 제거용 흡착분해제는 전이금속물질을 이용한 복합금속산화물 촉매산화제를 활용하는 것으로, 구리(Cu)와 망간(Mn)이 합성된 흡착분해제이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 하수처리장의 저농도 N2O 제거용 흡착분해제는 망간산화물에 구리이온이 공침된 구리-망간산화물(CuO-γ-MnO2)로 이루어진다.
본 발명의 일 실시예에 따른 하수처리장의 저농도 N2O 제거용 흡착분해제는 상온에서 중화반응에 의해 발생된 망간산화물에 구리이온을 공침시켜 제조할 수 있다. 제조된 흡착분해제는 비정질 형태를 나타낼 수 있다. 여기서, 상온은 23℃를 기준으로 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 하수처리장의 저농도 N2O 제거용 흡착분해제는 N2O의 효율적인 처리를 위해 상온 중화반응에 의한 비정질 이산화망간(γ-MnO2) 침전물에 구리이온 공침을 통해 구리-망간산화물(CuO-γ-MnO2)을 제조할 수 있는 것이다.
좀더 자세하게, 본 발명의 일 실시예에 따른 하수처리장의 저농도 N2O 제거용 흡착분해제의 제조방법은 상온 중화반응에 의해 비정질 이산화망간 침전물을 획득하는 합성단계(S1)와, 상기 침전물에 구리이온을 공침하는 공침단계(S2)를 포함함으로써, 구리-망간산화물(CuO-γ-MnO2)을 제조할 수 있다.
그리고 구리이온의 공침(S2)을 통해 얻어진 화합물은 수세단계(S3)을 거쳐 세척되고, 세척된 화합물은 건조단계(S4)을 거쳐 건조되며, 건조된 화합물은 소성단계(S5)을 거쳐 최종적인 구리-망간산화물(CuO-γ-MnO2)을 획득할 수 있다.
이에 반해, 구리-망간산화물(CuO-γ-MnO2)은 크게 두 가지 형태의 비교기술로 제조할 수 있다.
첫째, 제1비교기술에 따른 구리-망간산화물(CuO-γ-MnO2)은 망가니즈(MnSO4)와 과황산암모늄((NH4)2S2O8)의 수열합성에 의해 얻어진 이산화망간에 황산구리(CuSO4) 수용액을 함침시켜 제조할 수 있다.
둘째, 제2비교기술에 따른 구리-망간산화물(CuO-γ-MnO2)은 비표면적이 높은 다공질체(알루미나(γ-Al2O3), 제올라이트 등)에 구리(Cu)와 망간(Mn) 성분을 용액상태로 침적시켜 함침하여 제조할 수 있다.
종래기술과 본 발명의 일 실시예를 비교하면, 아래의 [표 1]과 같이 차이를 나타낸다.
[표 1]을 살펴보면, 비교기술들은 담지체 자체의 비표면적이 20 ~ 150 m2/g으로 매우 낮고, 활성반응온도 역시 250 ~ 400℃로 높기 때문에 상온 악취처리 효율은 매우 낮다. 또한, 구리이온 침착 시 일반적인 함침법을 사용하기 때문에, 입자표면에 1 wt% 이상 담지하기 어려워 상온에서 이산화망간의 산화력을 보존하는데 한계성이 있다.
구 분 본발명의 일 실시 비교기술
CuO/MnO2 CuO/MnO2 Cu/Mn/γ-Al2O3
적용분야 탈취촉매 전지산화물질 VOCS 및 악취제거
공정구성 MnO2합성+Cu공침→수세→건조→소성 MnO2합성→수세→건조→Cu함침→건조→소성 γ-Al2O3합성→수세→건조→Mn함침→건조→Cu함침→건조→소성
합성반응
온 도
MnO2합성 : 실온
Cu함침 : 실온
MnO2합성: 120∼150℃
Cu함침: 실온
γ-Al2O3합성:80∼120℃
Mn/Cu함침 : 실온
비표면적 150∼200 m2/g 16∼91 m2/g 50∼80 m2/g
사용온도 상 온 300∼400℃ 200∼250℃
처리
효율
고온 98%이상 98%이상 98%이상
실온 처리 불가 처리 불가
이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 하수처리장의 저농도 N2O 제거용 흡착분해제와 이것의 제조방법은 비표면적과 구리이온 함침량을 극대화시키고, 악취가스에 대한 상온산화력을 향상시킬 수 있다. 다른 표현으로, 흡착분해제는 비표면적을 극대화시킬 수 있고, 이에 높은 산화반응 활성도를 가짐으로써, 산성 또는 알칼리성 악취의 상온 흡착분해 효율을 향상시킬 수 있다.
상술한 하수처리장의 저농도 N2O 제거용 흡착분해제와 이것의 제조방법에 따르면, 하수처리장에서 발생되는 저농도의 N2O를 효과적으로 제거할 수 있다. 또한, 흡착분해제를 통해 하수처리장에서 발생되는 저농도의 N2O를 50% 이상 제거할 수 있다. 또한, 비표면적과 구리이온 함침량을 극대화시키고, 악취가스에 대한 상온산화력을 향상시킬 수 있다.
상술한 바와 같이 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면, 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 또는 변경시킬 수 있다.
S1: 함성단계 S2: 공침단계 S3: 수세단계
S4: 건조단계 S5: 소성단계

Claims (2)

  1. 망간산화물에 구리이온이 공침되어 비정질 형태를 나타내는 구리-망간산화물(CuO-γ-MnO2)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 하수처리장의 저농도 N2O 제거용 흡착분해제.
  2. 상온 중화반응에 의해 비정질 이산화망간 침전물을 획득하는 합성단계; 및
    상기 침전물에 구리이온을 공침하는 공침단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 하수처리장의 저농도 N2O 제거용 흡착분해제의 제조방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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