WO2024025036A1

WO2024025036A1 - 황산수소나트륨 수용액 및 차아염소산수를 이용한 악취제거방법

Info

Publication number: WO2024025036A1
Application number: PCT/KR2022/016254
Authority: WO
Inventors: 이인복; 이상연; 박세준; 김준규; 최영배; 조정화; 정효혁; 강솔뫼
Original assignee: 서울대학교 산학협력단
Priority date: 2022-07-29
Filing date: 2022-10-24
Publication date: 2024-02-01
Also published as: KR20240017260A

Abstract

본 발명은 황산수소나트륨 수용액 및 차아염소산수를 이용한 공기 악취제거방법에 관한 것으로, 황산수소나트륨 수용액을 먼저 분사하여 1차로 공기 내 악취성분을 제거하고, 차아염소산수를 분사하여 2차로 공기 내 악취성분을 제거시키는 것을 통해 공기 내 악취성분을 효율적으로 제거시킬 수 있다.

Description

황산수소나트륨 수용액 및 차아염소산수를 이용한 악취제거방법

본 발명은 황산수소나트륨 수용액 및 차아염소산수를 이용하여 공기중의 악취를 제거하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 돈사(豚舍), 계사(鷄舍) 또는 축사(畜舍) 등과 같은 가축의 사육장소(이하 "축사"라 함)에서는 가축의 배설물 또는 오물 등의 처리를 제때에 수행하지 않을 경우, 상기 배설물로부터 발생되는 황화수소, 암모니아, 메틸메르캅탄, 황화메틸, 이황화메틸, 아민류, 아세트알데히드 등과 같은 가스에 의해 악취가 발생하게 된다.

이러한 악취는 가축의 호흡기로 장기간 흡입될 경우 가축의 폐사를 유발하게 되며, 가축에게 스트레스를 유발시켜 가축의 성장, 임신이 원활히 이루어지지 않는 문제가 발생한다.

따라서, 일정 수준 이상의 가스가 발생하기 이전에 악취의 원인이 되는 암모니아, 메틸메캅탄, 황화수소 등과 같은 악취 가스를 탈취하여 악취를 제거할 수 있는 작업이 반드시 필요하게 된다.

한편, 2005년 2월부터 시행된 악취방지법(환경부)에 의하면 2006년 1월 1일부터 면적이 50㎡ 를 넘는 축산시설에 대해서 암모니아, 황화수소 등 지정 악취물질의 배출에 대한 규제가 실시되고 있다.

돈사가 위치한 부지의 경계선에서 측정한 지정 악취물질의 농도가 각각의 배출허용기준을 만족해야 하는 법령으로 돈사에 인접한 지역에서 악취로 인한 문제를 해결하기 위한 법이다. 이러한 악취방지법을 만족하기 위해서는 돈사 내의 공기에 존재하는 악취물질을 더욱 효과적으로 제거할 방법이 절실히 요구된다.

축사시설은 가축의 배설물 등으로 인해 황화수소, 암모니아, 메틸 메르캅탄, 황화메틸, 이황화메틸, 아민류, 아세트알데히드 등과 같은 가스가 발생하는데, 단순한 물을 분사하여 악취성분을 제거하는 방법으로는 그 성능이 부족한 부분이 있었다. 따라서, 본 발명에서는 더욱 효율적으로 공기 내 악취성분을 제거시킬 수 있는 방법을 제공하고자 한다.

본 발명은 악취 함유 공기에 황산수소나트륨 수용액을 분사하여 1차로 악취를 제거하는 단계 (a); 상기 단계 (a) 후, 1차 악취 제거된 공기에 차아염소산수를 분사하여 2차로 악취를 제거하는 단계 (b);를 포함하는 것을 특징으로 하는 악취제거방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 악취 함유 공기를 충진재에 포집한 후, 황산수소나트륨 수용액을 분사하여 1차로 악취를 제거하는 단계 (a); 상기 단계 (a) 후, 1차 악취 제거된 공기에 차아염소산수를 분사하여 2차로 악취를 제거하는 단계 (b);를 포함하는 것을 특징으로 하는 악취제거방법을 제공한다.

한편, 본 발명의 악취제거방법에 있어서, 상기 악취는 바람직하게 축사에서 발생하는 악취인 것이 좋다.

한편, 본 발명의 악취제거방법에 있어서, 상기 단계 (a)의 황산수소나트륨 수용액은 바람직하게 pH가 1~4인 것이 좋다.

한편, 본 발명의 악취제거방법에 있어서, 상기 단계 (b)의 차아염소산수는 바람직하게 차아염소산(HOCl)을 10~80 mg/L 농도로 포함하고, pH가 4.5~6.5인 것이 좋다.

도 1은 차아염소산수 내 유리염소의 pH에 따른 Cl₂, HOCl 및 OCl^-비율을 보여준다.

도 2는 본 발명 악취제거방법에서 사용할 수 있는 충진재의 일 예를 보여준다.

도 3은 실험용 공기정화기를 이용하여 세정 순환수의 악취 제거능을 실험하는 방법을 개략적으로 보여준다.

도 4는 실험용 공기정화기를 가동하면서, 세정 순환수(물)의 pH 변화 및 공기정화 전, 후의 암모니아 가스 농도를 측정한 결과이다.

도 5는 실험용 공기정화기를 가동하면서, 세정 순환수(물, 미산성 차아염소산수, 강산성 차아염소산수)의 암모니아 가스 제거 효율을 계산한 결과이다.

도 6은 본 발명 악취제거방법 실험을 위해 사용한 공기정화장치를 개략적으로 보여준다.

도 7은 본 발명 악취제거방법을 이용해 돈사의 공기를 정화시키며, 공기 내 암모니아 가스 농도를 수집한 결과이다. 한편, 실험군은 공기정화장치가 설치된 돈사 내 공기, 배출구는 공기정화장치로 정화시킨 후 배출하는 공기, 대조군은 공기정화장치를 설치하지 않은 돈사 내 공기를 의미한다.

축사시설은 가축의 배설물 등으로 인해 황화수소, 암모니아, 메틸 메르캅탄, 황화메틸, 이황화메틸, 아민류, 아세트알데히드 등과 같은 가스가 발생하여, 단순한 물을 분사하여 악취를 제거하는 방법으로는 그 성능이 부족한 부분이 있었다. 하지만, 본 발명의 악취제거방법의 경우 황산수소나트륨 수용액 및 차아염소산수를 이용하여 우수한 악취 성분 제거 효능을 낼 수 있었다.

한편, 본 발명은 공기에 황산수소나트륨 수용액을 처리한 후, 차아염소산수를 처리하여 공기 내 악취 성분을 제거시키는 것에 특징이 있다. 축사시설의 공기는 암모니아 농도가 높은데, 암모니아는 수용액 상태에서 염기성을 띄게 된다. 따라서, 차아염소산수와 공기와의 접촉 시간이 길어질수록, 암모니아에 의해 차아염소산수의 pH가 급격하게 올라가게 되는데, 차아염소산수는 pH에 따라 복합악취제거 성능 및 살균 성능이 민감하게 변해 악취제거효율이 떨어지는 문제점이 있었다. 하지만, 본 발명에서는 황산수소나트륨 수용액을 사용하여 암모니아를 1차로 처리한 후, 차아염소산수를 2차로 처리하는 방식을 통해, pH가 올라가지 않은 상태에서 차아염소산수를 처리하기 때문에 악취를 더욱 효율적으로 제거시킬 수 있었다.

한편, 황산수소나트륨 수용액은 바람직하게 pH가 1~4인 것을 사용하는 것이 좋다. 암모니아는 산성용액에 잘 녹는 특징이 있는데, 암모니아는 염기성 물질로 용액에 수산화암모늄으로 녹아들면서 pH를 높게 한다. 따라서, 사용하는 용액의 pH가 낮을수록 암모니아 제거 효율이 높아지게 된다.

차아염소산수는 바람직하게 차아염소산(HOCl)을 10~80 mg/L 농도로 포함하고, pH가 4.5~6.5인 것을 사용하는 것이 좋다. 차아염소산(HOCl)은 수용액 상태에서 pH에 따라 Cl₂, HOCl, OCl^-로 존재하게 되는데, HOCl의 상태로 존재할 때 살균 성능이 가장 우수한 것으로 알려져 있다. 따라서, 차아염소산수 내 HOCl의 비율이 높아지도록 상기 pH의 조건의 차아염소산수를 사용하는 것이 좋다 (도 1 참조). 또한, 하기 실시예에 따르면, 상기 pH 조건의 차아염소산수를 사용하는 경우 복합 악취제거 효능이 우수하다.

한편, 상기 황산수소나트륨 수용액 및 상기 차아염소산수는 바람직하게 악취 함유 공기를 충진재층에 포집한 후, 상기 충진재층에 분사하는 것이 좋다. 상기 충진재층은 공기와의 접촉 면적 및 시간 증대를 위한 충진재(도 2 참조)가 일정 두께 채워진 층을 의미하는데, 상기 황산수소나트륨 수용액 및 상기 차아염소산수와 공기가 접촉하는 면적 및 시간을 증대시켜 악취제거 효율을 더욱 상승시킬 수 있다.

이하, 본 발명의 내용을 하기 실험예를 통하여 보다 상세하게 설명하고자 한다. 다만, 본 발명의 권리범위가 하기 실험예에만 한정되는 것은 아니고 그와 등가의 기술적 사상의 변형까지를 포함한다.

[실험예 1: 세정 순환수의 pH 변화에 따른 악취 제거능 확인 실험]

본 실험예에서는 실험용 공기정화기를 이용하여 세정 순환수의 pH 변화에 따른 악취 제거능 변화를 확인하고자 했다. 한편, 도 3은 실험용 공기정화기를 이용한 실험방법을 개략적으로 보여준다.

(1) 실험용 공기정화기

실험용 공기정화기는 믹싱챔버, 팬, 노즐, 펌프, 공기정화실로 구성되어 있다. 믹싱챔버는 암모니아 탱크와 연결이 되어 축사에서 배출되는 공기를 구현하였다. 암모니아 탱크에서는 니들밸브, MFC 질량유량 제어기 (MR-300-1CH) 및 질량유량계 (3660-NH3-500sccm-1/4SW)를 사용하여 암모니아 농도를 조절할 수 있다. 믹싱챔버에 해당하는 덕트는 지름이 400 mm 로 탱크로부터 길게 연결하여 암모니아 농도 분포가 균일한 상태로 공기정화실로 암모니아 공기를 전달할 수 있도록 하였다. 공기정화실에서는 암모니아가 포함된 공기가 노즐에서 분사되는 세정 순환수와 접촉된다. 공기정화실은 1300 mm x 950 mm 크기의 직사각형 형태로 길이는 950 mm 이다. 이곳에 설치된 노즐은 위에서 아래로 연결된 파이프에 설치되었고, 상기 파이프를 돌리면서 세정 순환수가 분사되는 방향을 조절할 수 있다. 한 파이프당 노즐 3개씩 파이프 12개를 설치하여 총 36개의 노즐 (P Fine Atomization, JWNozzle)에서 세정 순환수가 분사된다. 노즐은 공기정화실 아래에 위치한 순환수조와 연결되어, 순환수조에서 펌프 (PIL-5002B, WILO Pumps Ltd.)를 이용하여 끌어올린 세정 순환수를 노즐로 분사시킨다. 이때 순환수조의 유량은 200L/min 이다. 분사된 세정 순환수는 다시 공기정화실 아래로 떨어져 재사용된다.

즉, 지속적으로 암모니아 공기를 공기정화실에 유입시키고, 공기정화실의 노즐에서 세정 순환수를 공기중에 분사하며, 분사된 순환수를 펌프를 이용해 재사용하는 형태로 암모니아를 함유한 공기를 지속적으로 정화시킬 수 있는 장치로, 세정 순환수의 암모니아 제거능을 확인할 수 있는 장치이다.

(2) 세정 순환수의 pH에 따른 세정 효율변화 확인 실험

암모니아는 용액에 수산화암모늄으로 녹아들면서, 용액의 pH를 상승시킨다. 이를 이용해 세정 순환수의 pH에 따른 암모니아 세정효율을 계산할 수 있었다.

구체적으로, 상기 실험용 공기정화기에 물(지하수, pH 7)을 세정 순환수로 사용하여, 공기 정화 전, 후 암모니아 농도 및 세정 순환수의 pH를 측정하였다 (도 4). 또한, 공기 정화기를 지속적으로 가동하면서, 순환수 pH가 7, 8, 9, 10이 되는 시점에, 공기 정화 전, 후 암모니아 농도를 측정하여 pH에 따른 암모니아 세정효율을 계산하였다 (표 1).

도 4 및 표 1을 보면, 세정 순환수가 지속적으로 암모니아를 포집하면서 세정 순환수의 pH가 증가되고, 이에 세정효율이 감소되는 것을 확인할 수 있다.

순환수 pH	세정효율 (%)
7	74
8	64
9	53
10	23

[실험예 2: 차아염소산수의 복합악취 제거능 확인 실험]

본 실험예에서는 차아염소산수의 복합악취 제거능을 확인하고자 했다. 이를 위해 상기 실험용 공기정화기를 돈사에 설치한 후, 가동하여 전해수 장비로 제조한 차아염소산수의 복합악취 제거능을 확인할 수 있었다.

구체적으로, 차아염소산수는 물과 염화나트륨(NaCl)을 혼합시킨 후 전해수장비를 사용하여 제조한 미산성 차아염소산수 (pH: 5.5, HOCl 30ppm) 및 강산성 차아염소산수 (pH: 1.9, HOCl 55ppm)를 사용하였다.

상기 실시예 1의 실험용 공기정화기를 돈사에 설치한 후, 수돗물 및 상기 제조한 차아염소산수를 이용하여 실험용 공기정화기를 가동하였다. 이후, 실험용 공기정화기에 들어가는 공기 및 실험용 공기정화기로부터 나오는 공기를 포집한 후, 관능평가를 통해 복합악취 제거능을 평가할 수 있었다 (도 5). 한편, 관능평가는 수집한 공기를 희석하면서 냄새가 나지 않게 되는 희석 배율을 찾는 방식으로 진행하였다.

도 5를 보면, 차아염소산수를 사용하는 경우 물을 사용하는 경우보다 복합악취 제거효율이 높은 것을 확인할 수 있다. 또한, 미산성 차아염소산수를 사용하는 것이 강산성 차아염소산수를 사용하는 것보다 더욱 높은 효율로 복합악취를 제거하는 것을 확인할 수 있다.

[실험예 3: 본 발명 악취제거방법의 악취성분 제거능 확인 실험]

본 실험예에서는 본 발명 악취제거방법의 악취성분 제거능을 확인하고자 했다.

(1) 세정 순환수 제조

세정 순환수로는 황산수소나트륨(NaHSO₄) 수용액 및 미산성 전해수를 사용하였는데, 하기와 같이 제조하였다.

황산수소나트륨 수용액은 물에 황산수소나트륨 가루를 첨가하여, pH가 2.5가 되도록 제조하였다.

미산성 차아염소산수는 물과 염화나트륨(NaCl)을 혼합시킨 후, 전해수장비를 사용하여, pH 5.5, 차아염소산(HOCl) 농도가 30ppm이 되도록 제조하였다.

(2) 악취성분 제거능 확인 실험

돈사에 공기정화장치(도 6)를 설치한 후, 120a 분사노즐 및 120b 분사노즐에서는 황산수소나트륨 분사하고, 120c 분사노즐에서는 미산성 차아염소산수가 분사하도록 공기정화장치를 가동하였다. 즉, 오염공기가 1차적으로 황산수소나트륨 수용액에 의해 정화되고, 2차적으로 미산성 차아염소산수에 의해 정화되도록 가동시켰다. 한편, 도 6에서 130(a, b, c)는 충진재층을 의미한다.

한편, 가동시킨 후 7일이 지난 시점에, 공기정화장치가 설치된 돈사 내 공기 (실험군), 공기정화장치로 정화시킨 후 배출하는 공기 (배출구), 공기정화장치를 설치하지 않은 돈사 내 공기 (대조군)를 수집하였다.

이후 돈사 내 공기 (실험군), 공기정화장치로 정화시킨 후 배출하는 공기 (배출구), 공기정화장치를 설치하지 않은 돈사 내 공기 (대조군)를 수집한 후, 암모니아 농도측정기를 사용하여 공기 내 암모니아 농도를 측정하였다 (도 7). 도 7을 보면, 대조군의 암모니아 농도 대비 배출구의 농도가 약 7분의 1로 줄어든 것을 확인할 수 있으며, 배출되는 공기 농도가 5ppm 이하로 유지되는 것을 확인할 수 있다. 상기 배출구 암모니아 공기 농도는 환경부에 의한 축산시설의 악취방취물질 배출에 대한 규제를 충족하는 농도이다. 이는 본 발명 공기 악취제거방법의 암모니아 제거능이 우수한 것을 의미한다.

또한, 관능평가를 통해 상기 수집한 공기의 복합 악취 성분 농도를 측정하였다 (표 2). 한편, 관능평가는 수집한 공기를 희석하면서 냄새가 나지 않게 되는 희석 배율을 찾는 방식으로 진행하였다.

표 2를 보면, 세정효율이 68.75%인 것을 확인할 수 있는데, 이는 본 발명 악취제거방법의 복합악취 제거능이 우수한 것을 의미한다.

실험구	대조구	배출구	세정효율
448 OU	1442 OU	140 OU	68.75%

Claims

악취 함유 공기에 황산수소나트륨 수용액을 분사하여 1차로 악취를 제거하는 단계 (a);

상기 단계 (a) 후, 1차 악취 제거된 공기에 차아염소산수를 분사하여 2차로 악취를 제거하는 단계 (b);를 포함하는 것을 특징으로 하는 악취제거방법.
악취 함유 공기를 충진재에 포집한 후, 황산수소나트륨 수용액을 분사하여 1차로 악취를 제거하는 단계 (a);

상기 단계 (a) 후, 1차 악취 제거된 공기에 차아염소산수를 분사하여 2차로 악취를 제거하는 단계 (b);를 포함하는 것을 특징으로 하는 악취제거방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 악취는,

축사에서 발생하는 악취인 것을 특징으로 하는 악취제거방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 단계 (a)의 황산수소나트륨 수용액은,

pH가 1~4인 것을 특징으로 하는 악취제거방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 단계 (b)의 차아염소산수는,

차아염소산(HOCl)을 10~80 mg/L 농도로 포함하고,

pH가 4.5~6.5인 것을 특징으로 하는 악취제거방법.