WO2025110302A1 - 유해물질 흡착제의 전기화학적 재생장치 및 재생방법 - Google Patents

유해물질 흡착제의 전기화학적 재생장치 및 재생방법 Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to an electrochemical regeneration device and regeneration method for a hazardous substance adsorbent using an electrochemical system for regenerating an adsorbent that adsorbs hazardous substances in exhaust gas.
  • Representative methods used as harmful substance removal technologies include selective catalytic reduction using metal oxide catalysts, low-temperature catalytic reduction using carbon, and wet desulfurization using alkaline solutions.
  • the purpose of the present embodiment is to provide an electrochemical regeneration device and regeneration method of a hazardous substance adsorbent capable of effectively purifying the exhaust gas by adsorbing the hazardous substances contained in the exhaust gas through a metal complex compound, while at the same time electrochemically regenerating the contaminated metal complex compound.
  • another purpose of the present embodiment is to provide an electrochemical regeneration device and regeneration method for a hazardous substance adsorbent that improves energy efficiency by storing electric energy generated while electrochemically regenerating a contaminated metal complex.
  • an electrochemical regeneration device for a hazardous material adsorbent including a purification unit in which exhaust gas containing nitrogen oxides or sulfur oxides is introduced through an exhaust gas inlet, a metal complex compound capable of adsorbing the nitrogen oxides or sulfur oxides is introduced from an adsorbent storage unit to the adsorbent inlet unit, the exhaust gas and the metal complex compound are mixed in a mixing unit to purify the exhaust gas, the purified exhaust gas is discharged to the outside through a first discharge unit, and the contaminated metal complex compound is transferred to a regeneration unit through a second discharge unit; a regeneration unit in which hydrogen is oxidized in an anode unit and the contaminated metal complex compound is reduced and regenerated in a cathode unit; and a circulation unit that transfers the regenerated metal complex compound to the adsorbent storage unit for recycling.
  • the above metal complex compound may include at least one selected from the group consisting of Fe-EDTA (Ethylenediaminetetraacetic Acid), Fe-EGTA (Ethylene Glycol-bis( ⁇ -aminoethyl Ether)-N,N,N',N'-tetraacetic Acid), Fe- DTPA (Diethylene Triamine Pentaacetic Acid), Fe-HEDTA (N-Hydroxyethyl Ethylenediamine Triacetic Acid), and Fe- CDTA (Cyclohexanediaminetetraacetic Acid).
  • Fe-EDTA Ethylenediaminetetraacetic Acid
  • Fe-EGTA Ethylene Glycol-bis( ⁇ -aminoethyl Ether)-N,N,N',N'-tetraacetic Acid
  • Fe- DTPA Diethylene Triamine Pentaacetic Acid
  • Fe-HEDTA N-Hydroxyethyl Ethylenedi
  • the above exhaust gas inlet portion may be arranged on one side of the mixing portion, and the adsorbent inlet portion may be arranged on the other side of the mixing portion.
  • the movement directions of the exhaust gas and the metal complex passing through the inside of the mixing unit may be opposite to each other.
  • the second discharge unit may include a first measuring unit capable of measuring the concentration of nitrogen oxides or sulfur oxides adsorbed on the contaminated metal complex compound.
  • a contaminated metal complex having a concentration of nitrogen oxides or sulfur oxides of 20 wt% or more as measured through the first measuring unit may be transferred to a regeneration unit, and a metal complex having a concentration of nitrogen oxides or sulfur oxides of less than 20 wt% as measured through the first measuring unit may be transferred to an adsorbent storage unit.
  • Nitrogen oxides or sulfur oxides adsorbed on the above-mentioned contaminated metal complex may be reduced at the cathode section to generate ammonia or hydrogen sulfide.
  • Ammonia or hydrogen sulfide generated in the above cathode section can be discharged to the outside through the above circulation section.
  • the above circulation unit may include a second measuring unit capable of measuring the concentration of nitrogen oxides or sulfur oxides adsorbed on the regenerated metal complex compound.
  • the residual metal complex compound having a concentration of nitrogen oxide or sulfur oxide of 20 wt% or more as measured through the second measuring unit may be transferred to a regeneration unit, and the regenerated metal complex compound having a concentration of nitrogen oxide or sulfur oxide of less than 20 wt% as measured through the second measuring unit may be transferred to an adsorbent storage unit.
  • Another embodiment may provide an electrochemical regeneration method for a hazardous substance adsorbent, including a purification step of purifying exhaust gas through a metal complex compound capable of adsorbing nitrogen oxides or sulfur oxides contained in the exhaust gas; a regeneration step of reducing and regenerating the contaminated metal complex compound that has adsorbed the nitrogen oxides or sulfur oxides; and a circulation step of circulating the regenerated metal complex compound so that it can be recycled.
  • the above metal complex compound may include at least one selected from the group consisting of Fe-EDTA (Ethylenediaminetetraacetic Acid), Fe-EGTA (Ethylene Glycol-bis( ⁇ -aminoethyl Ether)-N,N,N',N'-tetraacetic Acid), Fe- DTPA (Diethylene Triamine Pentaacetic Acid), Fe-HEDTA (N-Hydroxyethyl Ethylenediamine Triacetic Acid), and Fe- CDTA (Cyclohexanediaminetetraacetic Acid).
  • Fe-EDTA Ethylenediaminetetraacetic Acid
  • Fe-EGTA Ethylene Glycol-bis( ⁇ -aminoethyl Ether)-N,N,N',N'-tetraacetic Acid
  • Fe- DTPA Diethylene Triamine Pentaacetic Acid
  • Fe-HEDTA N-Hydroxyethyl Ethylenedi
  • the above purification step may include a first measurement step capable of measuring the concentration of nitrogen oxides or sulfur oxides adsorbed on the contaminated metal complex.
  • the above circulation step may include a second measurement step capable of measuring the concentration of nitrogen oxides or sulfur oxides adsorbed on the regenerated metal complex compound.
  • exhaust gas can be effectively purified by adsorbing harmful substances contained in the exhaust gas through a metal complex compound, while at the same time electrochemically regenerating the contaminated metal complex compound.
  • energy efficiency can be improved by utilizing the electric energy generated while regenerating the contaminated metal complex.
  • FIG. 1 is a drawing showing an electrochemical regeneration device according to one embodiment.
  • Figure 2 is a drawing showing an electrochemical device according to one embodiment.
  • FIG. 3 is a block diagram of an electrochemical regeneration device according to one embodiment.
  • Figure 4 is a block diagram showing the movement path through which a metal complex is regenerated and circulated.
  • Figure 5 is a block diagram showing the movement path of a metal complex compound through the first measuring section without passing through the regeneration section.
  • Figure 6 is a block diagram showing the movement path of the residual metal complex compound through the second measuring unit to the regeneration unit.
  • Figure 7 is a block diagram showing the path along which exhaust gas is purified.
  • Figure 8 is a block diagram showing the movement path of ammonia or hydrogen sulfide through the circulation section to the outside.
  • Figure 9 is a flow chart showing an electrochemical regeneration method according to one embodiment.
  • One embodiment can provide an electrochemical regeneration device for a hazardous material adsorbent, including: a purification unit in which exhaust gas containing nitrogen oxides or sulfur oxides is introduced through an exhaust gas inlet, a metal complex compound capable of adsorbing the nitrogen oxides or sulfur oxides is introduced from an adsorbent storage unit to the adsorbent inlet unit, the exhaust gas and the metal complex compound are mixed in a mixing unit to purify the exhaust gas, the purified exhaust gas is discharged to the outside through a first discharge unit, and the contaminated metal complex compound is transferred to a regeneration unit through a second discharge unit; a regeneration unit in which hydrogen is oxidized in an anode unit and the contaminated metal complex compound is reduced in a cathode unit and regenerated; and a circulation unit that transfers the regenerated metal complex compound to the adsorbent storage unit for recycling.
  • An electrochemical regeneration device for a hazardous substance adsorbent may include a purification unit in which exhaust gas containing nitrogen oxides or sulfur oxides is introduced through an exhaust gas inlet, a metal complex compound capable of adsorbing the nitrogen oxides or sulfur oxides is introduced from an adsorbent storage unit to the adsorbent inlet unit, the exhaust gas and the metal complex compound are mixed in a mixing unit to purify the exhaust gas, the purified exhaust gas is discharged to the outside through a first discharge unit, and the contaminated metal complex compound is transferred to a regeneration unit through a second discharge unit; a regeneration unit in which hydrogen is oxidized in an anode unit and the contaminated metal complex compound is reduced in a cathode unit and regenerated; and a circulation unit that transfers the regenerated metal complex compound to the adsorbent storage unit for recycling.
  • FIG. 1 is a drawing showing an electrochemical regeneration device according to one embodiment.
  • an electrochemical regeneration device (1) for a hazardous substance adsorbent may include a purification unit (10), a regeneration unit (20), and a circulation unit (30).
  • the purification unit (10) may include an adsorbent storage unit (110), an additive storage unit (120), a mixing unit (130), a stack (140), and an exhaust gas generation unit (150).
  • the adsorbent storage unit (110) can store an adsorbent capable of adsorbing harmful substances contained in exhaust gas.
  • the adsorbent storage unit (110) can store an adsorbent with a low contamination level that adsorbs less harmful substances and is retransmitted in the mixing unit (130).
  • the adsorbent storage unit (110) can store regenerated adsorbent that is recycled through the separation device (310) in the circulation unit (30).
  • an adsorbent capable of adsorbing a harmful substance contained in exhaust gas may include a metal complex compound.
  • the harmful substance contained in exhaust gas in the present invention may include nitrogen oxides or sulfur oxides.
  • the metal complex compound may include at least one selected from the group consisting of Fe-EDTA (Ethylenediaminetetraacetic Acid), Fe-EGTA (Ethylene Glycol-bis( ⁇ -aminoethyl Ether)-N,N,N',N'-tetraacetic Acid), Fe- DTPA (Diethylene Triamine Pentaacetic Acid), Fe-HEDTA (N-Hydroxyethyl Ethylenediamine Triacetic Acid), and Fe- CDTA (Cyclohexanediaminetetraacetic Acid).
  • Fe-EDTA Ethylenediaminetetraacetic Acid
  • Fe-EGTA Ethylene Glycol-bis( ⁇ -aminoethyl Ether)-N,N,N',N'-tetraacetic Acid
  • Fe- DTPA Diethylene Triamine Pentaacetic Acid
  • Fe-HEDTA N-Hydroxyethyl Ethylenediamine
  • the metal complex compound may include at least one selected from the group consisting of Fe-EDTA (Ethylenediaminetetraacetic Acid) and Fe-EGTA (Ethylene Glycol-bis( ⁇ -aminoethyl Ether)-N,N,N',N'-tetraacetic Acid), and more preferably, it may include Fe-EDTA (Ethylenediaminetetraacetic Acid).
  • Fe-EDTA Ethylenediaminetetraacetic Acid
  • Fe-EGTA Ethylene Glycol-bis( ⁇ -aminoethyl Ether)-N,N,N',N'-tetraacetic Acid
  • the additive storage unit (120) stores additives that may be necessary when adsorbing nitrogen oxides or sulfur oxides contained in exhaust gas through a metal complex compound, and can play a role in mixing the metal complex compound and the additive when the metal complex compound is transferred from the adsorbent storage unit (110) to the mixing unit (130).
  • the additives stored in the additive storage unit (120) can be additives that are typically used when adsorbing nitrogen oxides or sulfur oxides.
  • the additives can include a pH regulator for adjusting pH, an oxidizing agent and a reducing agent that participate in a redox reaction, and a dispersant for increasing adsorption efficiency.
  • a metal complex compound and exhaust gas are introduced, and the metal complex compound can adsorb harmful substances contained in the exhaust gas.
  • an adsorbent containing a metal complex compound is introduced into an adsorbent inlet (132) located on the other side of the mixing unit (130), and exhaust gas containing nitrogen oxides or sulfur oxides can be introduced through an exhaust gas inlet (131) located on one side of the mixing unit (130).
  • an adsorbent including a metal complex compound may be introduced into an adsorbent inlet (132) located at the upper portion of a mixing unit (130), and exhaust gas including nitrogen oxides or sulfur oxides may be introduced through an exhaust gas inlet (131) located at the lower portion of the mixing unit (130).
  • the introduced adsorbent including a metal complex compound may move from the upper portion of the mixing unit (130) to the lower portion, and the introduced exhaust gas may move from the lower portion of the mixing unit (130) to the upper portion. That is, the adsorbent including a metal complex compound and the exhaust gas may move in opposite directions within the mixing unit (130), and in this process, the metal complex compound may adsorb harmful substances included in the exhaust gas.
  • the exhaust gas purified by removing harmful substances can be discharged through the first discharge unit (133), and the discharged purified exhaust gas can move to the stack (140) and be discharged to the outside.
  • the purified exhaust gas can be transferred from the first discharge unit of the mixing unit (130) to the stack (140) by a fan.
  • Exhaust gas introduced through the exhaust gas inlet (131) located at the bottom of the mixing unit (130) may be generated in the exhaust gas generating unit (150).
  • the exhaust gas generating unit (150) may be any type of industrial device used in general industrial sites.
  • the polluted metal complex compound that adsorbs the harmful substances contained in the exhaust gas can be discharged through the second discharge unit (134).
  • the discharged polluted metal complex compound can be transported to the regeneration unit (20), and some metal complex compounds with a low degree of contamination can be retransported to the adsorbent storage unit (110).
  • the second discharge unit (134) may include a first measuring unit (135), and the first measuring unit (135) may measure the concentration of nitrogen oxides or sulfur oxides adsorbed on the contaminated metal complex compound.
  • the first measuring unit (135) may measure the concentration of nitrogen oxides or sulfur oxides adsorbed on the contaminated metal complex compound.
  • the standard concentration of nitrogen oxides or sulfur oxides adsorbed on the contaminated metal complex compound transferred to the regeneration unit (20) through the first measuring unit (135) may be 20 wt%. That is, the contaminated metal complex compound having a concentration of nitrogen oxides or sulfur oxides of 20 wt% or more measured through the first measuring unit (135) may be transferred to the regeneration unit (20), and the metal complex compound having a concentration of nitrogen oxides or sulfur oxides of less than 20 wt% measured through the first measuring unit (135) may be transferred to the adsorbent storage unit (110).
  • the regeneration unit (20) may include an electrochemical device (210) and a power storage unit (220).
  • the electrochemical device (210) may electrochemically reduce and regenerate contaminated metal complexes and generate electrical energy.
  • the electrochemical device (210) may include a PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell).
  • Figure 2 is a drawing showing an electrochemical device according to one embodiment.
  • the electrochemical device (210) may include an anode portion (212) located on one side of a separator (211) and a cathode portion (215) located on the other side. Hydrogen may be oxidized in the anode portion (212), and contaminated metal complexes may be reduced and regenerated in the cathode portion (215).
  • the hydrogen gas when hydrogen gas is introduced through the anode inlet (214a) of the anode portion (212), the hydrogen gas can lose electrons and be converted into hydrogen ions through the oxidation reaction of [chemical formula 1] expressed below at the anode electrode (213).
  • Hydrogen ions generated in the anode section (212) can pass through the separation membrane (211) and move to the cathode section (215).
  • the separation membrane (211) may include a polymer membrane capable of selectively moving hydrogen ions.
  • the separation membrane (211) may include at least one selected from the group consisting of Nafion, SPEEK (Sulfonated Polyether Ether Ketone), PBI (Polybenzimidazole), SPPO (Sulfonated Poly(2,6-dimethyl-1,4-phenylene oxide)), and Aquivion.
  • the separation membrane (211) may include at least one selected from the group consisting of Nafion and SPEEK (Sulfonated Polyether Ether Ketone), and more preferably, the separation membrane (211) may include Nafion.
  • the contaminated metal complex When a contaminated metal complex is introduced through the cathode inlet (218a) of the cathode section (215), the contaminated metal complex can be regenerated through a reduction reaction at the cathode electrode (216).
  • a reduction reaction For example, when nitrogen oxide is adsorbed using Fe-EDTA as a metal complex, the contaminated metal complex can be regenerated through a reduction reaction of [chemical formula 2] expressed below.
  • the regenerated metal complex and the ammonia or hydrogen sulfide generated as by-products can be discharged through the cathode outlet (218b) and moved to the circulation unit (30).
  • a catalyst (217) can be utilized to control the reaction rate during the regeneration process of the metal complex compound.
  • the catalyst (217) can utilize Pt, Pt-Ru, Ni, etc.
  • the electric energy generated through the regeneration process of the metal complex in the electrochemical device (210) can be stored and utilized in the power storage unit (220).
  • the electric energy stored in the power storage unit (220) can be utilized to drive the regeneration device (1), thereby increasing the electric efficiency.
  • Ammonia or hydrogen sulfide generated in the cathode section (215) can be separated in the separation device (310) of the circulation section (30) and discharged to the outside.
  • the regenerated metal complex compound that flows into the separation device (310) together with the ammonia or hydrogen sulfide can be recycled to the adsorbent storage section (110). That is, the contaminated metal complex compound in the mixing section (130) can be regenerated through the regeneration section (20) and recycled through the circulation section (30) to be reused for exhaust gas purification.
  • the circulation unit (30) may include a second measuring unit (311) capable of measuring the concentration of nitrogen oxides or sulfur oxides adsorbed on the regenerated metal complex compound.
  • a second measuring unit (311) capable of measuring the concentration of nitrogen oxides or sulfur oxides adsorbed on the regenerated metal complex compound.
  • it may be transferred to the regeneration unit (20), and in the case of a regenerated metal complex compound having a low concentration of nitrogen oxides or sulfur oxides measured through the second measuring unit (311), it may be recycled to the adsorbent storage unit (110).
  • the reference concentration of nitrogen oxides or sulfur oxides adsorbed on the metal complex compound transferred to the regeneration unit (20) through the second measuring unit (311) may be 20 wt%. That is, the residual metal complex compound having a concentration of nitrogen oxides or sulfur oxides of 20 wt% or more measured through the second measuring unit (311) may be transferred to the regeneration unit (20), and the regenerated metal complex compound having a concentration of nitrogen oxides or sulfur oxides of less than 20 wt% measured through the second measuring unit (311) may be transferred to the adsorbent storage unit (110).
  • the residual metal complex compound refers to a metal complex compound that does not participate in the reduction reaction in the cathode unit (215) and thus is not sufficiently regenerated.
  • FIG. 3 is a block diagram of an electrochemical regeneration device according to one embodiment
  • FIG. 4 is a block diagram showing a movement path along which a metal complex compound is regenerated and circulated
  • FIG. 5 is a block diagram showing a movement path along which a metal complex compound is circulated without passing through a regeneration unit through a first measuring unit
  • FIG. 6 is a block diagram showing a movement path along which a residual metal complex compound is transferred to a regeneration unit through a second measuring unit
  • FIG. 7 is a block diagram showing a movement path along which exhaust gas is purified
  • FIG. 8 is a block diagram showing a movement path along which ammonia or hydrogen sulfide is discharged to the outside through a circulation unit.
  • the regeneration device (1) may include a purification unit (10), a regeneration unit (20), and a circulation unit (30), and may have a flow that is recirculated from the purification unit (10) through the regeneration unit (20) and the circulation unit (30) and then back to the purification unit (10).
  • the metal complex as an adsorbent can adsorb nitrogen oxides or sulfur oxides, which are harmful substances contained in exhaust gas, through the adsorbent storage unit (110) and the additive storage unit (120), and then through the mixing unit (130).
  • the metal complex contaminated by the adsorption of nitrogen oxides or sulfur oxides can be transferred to the regeneration unit (20) and regenerated by reduction in the cathode unit (215), and can be recycled to the adsorbent storage unit (110) through the circulation unit (30).
  • the metal complex as an adsorbent can adsorb nitrogen oxides or sulfur oxides, which are harmful substances contained in exhaust gas, through the adsorbent storage unit (110) and the additive storage unit (120) and then into the mixing unit (130).
  • the metal complex may be transferred to the adsorbent storage unit (110) instead of the regeneration unit (20) and reused to purify exhaust gas.
  • the concentration of nitrogen oxides or sulfur oxides of the contaminated metal complex can be measured in the first measuring unit (135).
  • the metal complex compound as an adsorbent can adsorb nitrogen oxides or sulfur oxides, which are harmful substances contained in exhaust gas, through the adsorbent storage unit (110) and the additive storage unit (120) and then into the mixing unit (130).
  • the metal complex compound contaminated by the adsorption of nitrogen oxides or sulfur oxides can be transferred to the regeneration unit (20) and regenerated by reduction in the cathode unit (215), and can be transferred to the circulation unit (30).
  • the residual metal complex compound that does not participate in the reduction reaction in the cathode unit (215) and is not sufficiently regenerated can be transferred back to the regeneration unit (20) and made to participate in the reduction reaction.
  • the concentration of nitrogen oxides or sulfur oxides adsorbed on the regenerated metal complex compound can be measured in the second measuring unit (311).
  • exhaust gas is generated from an exhaust gas generating unit (150), and nitrogen oxides or sulfur oxides contained in the exhaust gas can be adsorbed by a metal complex compound in a mixing unit (130). Through this, the exhaust gas is purified, and the purified exhaust gas can be transported to a stack (140) and discharged to the outside.
  • nitrogen oxides or sulfur oxides are reduced by a reduction reaction in the cathode section (215) of the regeneration section (20) to generate ammonia or hydrogen sulfide, and the generated ammonia or hydrogen sulfide can be transported to the circulation section (30).
  • the transported ammonia or hydrogen sulfide can be discharged to the outside through the separation device (310) of the circulation section (30).
  • An electrochemical regeneration method of a hazardous substance adsorbent may include a purification step of purifying exhaust gas through a metal complex compound capable of adsorbing nitrogen oxides or sulfur oxides contained in the exhaust gas; a regeneration step of regenerating the contaminated metal complex compound that has adsorbed the nitrogen oxides or sulfur oxides by reducing the contaminated metal complex compound; and a circulation step of circulating the regenerated metal complex compound so that it can be recycled.
  • Figure 9 is a flow chart showing an electrochemical regeneration method according to one embodiment.
  • an electrochemical regeneration method (S400) may include a purification step (S410), a regeneration step (S420), and a circulation step (S430).
  • the exhaust gas can be purified using a metal complex compound capable of adsorbing nitrogen oxides or sulfur oxides contained in the exhaust gas.
  • the purified exhaust gas can be discharged to the outside, and the contaminated metal complex compound that has adsorbed nitrogen oxides or sulfur oxides can go through a regeneration step (S420) for regeneration.
  • the metal complex compound may include at least one selected from the group consisting of Fe-EDTA (Ethylenediaminetetraacetic Acid), Fe-EGTA (Ethylene Glycol-bis( ⁇ -aminoethyl Ether)-N,N,N',N'-tetraacetic Acid), Fe- DTPA (Diethylene Triamine Pentaacetic Acid), Fe-HEDTA (N-Hydroxyethyl Ethylenediamine Triacetic Acid), and Fe- CDTA (Cyclohexanediaminetetraacetic Acid).
  • Fe-EDTA Ethylenediaminetetraacetic Acid
  • Fe-EGTA Ethylene Glycol-bis( ⁇ -aminoethyl Ether)-N,N,N',N'-tetraacetic Acid
  • Fe- DTPA Diethylene Triamine Pentaacetic Acid
  • Fe-HEDTA N-Hydroxyethyl Ethylenediamine
  • the metal complex compound may include at least one selected from the group consisting of Fe-EDTA (Ethylenediaminetetraacetic Acid) and Fe-EGTA (Ethylene Glycol-bis( ⁇ -aminoethyl Ether)-N,N,N',N'-tetraacetic Acid), and more preferably, it may include Fe-EDTA (Ethylenediaminetetraacetic Acid).
  • Fe-EDTA Ethylenediaminetetraacetic Acid
  • Fe-EGTA Ethylene Glycol-bis( ⁇ -aminoethyl Ether)-N,N,N',N'-tetraacetic Acid
  • the metal complex compound contaminated by the purification step (S410) can go through a first measurement step (S411) capable of measuring the concentration of nitrogen oxides or sulfur oxides.
  • the concentration of nitrogen oxides or sulfur oxides adsorbed on the contaminated metal complex compound can be measured.
  • it can be transferred to the regeneration step (S420), and in the case of a metal complex compound having a low concentration of nitrogen oxides or sulfur oxides adsorbed on the metal complex compound, it can be reused in the purification step (S410).
  • the reference concentration of nitrogen oxides or sulfur oxides adsorbed on the contaminated metal complex compound transferred to the regeneration step (S420) through the first measurement step (S411) may be 20 wt%. That is, the contaminated metal complex compound having a concentration of nitrogen oxides or sulfur oxides of 20 wt% or more measured through the first measurement step (S411) may be transferred to the regeneration step (S420), and the metal complex compound having a concentration of nitrogen oxides or sulfur oxides of less than 20 wt% measured through the first measurement step (S411) may be retransported to the purification step (S410).
  • the contaminated metal complex can be regenerated by an electrochemical method.
  • the hydrogen ions generated in the anode section (212) are supplied to the cathode section (215) through the separation membrane (211), and the contaminated metal complex can be regenerated by reacting with the hydrogen ions in the cathode section (215).
  • the electric energy generated during the regeneration process of the metal complex can be stored in the power storage section (220) and used to drive the regeneration device (1).
  • the metal complexes and by-products such as ammonia or hydrogen sulfide regenerated in the regeneration step (S420) can go through the circulation step (S430).
  • the metal complex compound regenerated by the circulation step (S430) can go through a second measurement step (S431) that can measure the concentration of nitrogen oxides or sulfur oxides.
  • the concentration of nitrogen oxides or sulfur oxides adsorbed on the regenerated metal complex compound can be measured.
  • the regeneration step (S420) in the case of a residual metal complex compound having a high concentration of nitrogen oxides or sulfur oxides adsorbed on the metal complex compound, it can be transferred to the regeneration step (S420), and in the case of a regenerated metal complex compound having a low concentration of nitrogen oxides or sulfur oxides adsorbed on the metal complex compound, it can be recycled to the purification step (S410).
  • the reference concentration of nitrogen oxides or sulfur oxides adsorbed on the residual metal complex compound transferred to the regeneration step (S420) through the second measurement step (S431) may be 20 wt%. That is, the residual metal complex compound having a concentration of nitrogen oxides or sulfur oxides of 20 wt% or more measured through the second measurement step (S431) is transferred to the regeneration step (S420), and the regenerated metal complex compound having a concentration of nitrogen oxides or sulfur oxides of less than 20 wt% measured through the second measurement step (S431) may be recycled to the purification step (S410).
  • the residual metal complex compound refers to a metal complex compound that does not participate in the reduction reaction in the cathode section (215) and thus is not sufficiently regenerated.
  • the exhaust gas can be effectively purified, while at the same time electrochemically regenerating the contaminated metal complex compound.
  • energy efficiency can be improved by utilizing the electric energy generated while regenerating the contaminated metal complex compound.

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 의하면, 질소산화물 또는 황산화물이 포함된 배기가스가 배기가스유입부를 통해 유입되고, 상기 질소산화물 또는 황산화물을 흡착할 수 있는 금속착화합물이 흡착제저장부로부터 흡착제유입부로 유입되며, 상기 배기가스와 상기 금속착화합물이 혼합부에서 혼합되어 상기 배기가스가 정화되고, 상기 정화된 배기가스는 제1배출부를 통해 외부로 배출되며, 오염된 금속착화합물은 제2배출부를 통해 재생부로 이송시키는, 정화부; 애노드부에서 수소가 산화되고, 캐소드부에서 상기 오염된 금속착화합물이 환원되면서 재생되는, 재생부; 및 상기 재생된 금속착화합물을 재활용하기 위해 상기 흡착제저장부로 이송시키는 순환부;를 포함하는, 유해물질 흡착제의 전기화학적 재생장치를 제공할 수 있다.

Description

유해물질 흡착제의 전기화학적 재생장치 및 재생방법
본 실시예는 배기가스 중의 유해물질을 흡착하는 흡착제의 재생을 위해 전기화학적 시스템을 이용하는 유해물질 흡착제의 전기화학적 재생장치 및 재생방법에 관한 것이다.
글로벌 기후변화로 인한 피해가 점차 증가함에 따라 친환경 기술에 대한 관심이 더욱 증가하고 있다. 이에 따라 세계적으로 친환경 관련 법규가 강화되어 친환경 기술에 대한 개발은 선택이 아닌 필수가 되었다.
한편, 다양한 산업분야에서는 각 공정에서 다량의 배기가스가 발생하게 된고, 발생한 배기가스를 기준치에 맞게 정화시켜 외부로 배출해야 한다. 이를 위해, 배기가스에 포함되는 유해물질을 제거할 수 있는 다양한 기술들이 소개되고 있다.
대표적인 유해물질 제거 기술로 이용되는 방법은 산화금속 촉매를 이용한 선택적 촉매 환원법, 카본류를 활용한 저온 촉매 환원법, 알칼리 용액을 사용하는 습식탈황법 등이 있다.
그러나, 배기가스에 포함되는 유해물질을 제거할 수 있는 다양한 물질을 일회성으로 활용하고 폐기하게 되면, 자원이 낭비되고 별도의 폐기비용도 발생하여 비용경쟁력이 떨어질 수 있다. 따라서, 배기가스에 포함되는 유해물질 처리에 활용되는 물질들에 대한 재생 기술에 대한 요구가 증가하고 있다.
이와 더불어, 유해물질을 제거할 수 있는 물질들에 대한 재생 과정에서 발생하는 부가적인 에너지를 활용하여 에너지 효율을 높일 수 있는 기술에 대한 요구도 증가하고 있는 실정이다.
이러한 배경에서, 본 실시예의 목적은, 배기가스에 포함된 유해물질을 금속착화합물을 통해 흡착하여 상기 배기가스를 효과적으로 정화하면서, 동시에 오염된 금속착화합물을 전기화학적으로 재생시킬 수 있는 유해물질 흡착제의 전기화학적 재생장치 및 재생방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 실시예의 다른 목적은, 오염된 금속착화합물을 전기화학적으로 재생시키면서 발생하는 전기에너지를 저장하여 에너지효율을 향상시킨 유해물질 흡착제의 전기화학적 재생장치 및 재생방법을 제공할 수 있다.
전술한 목적을 달성하기 위하여, 일 실시예는, 질소산화물 또는 황산화물이 포함된 배기가스가 배기가스유입부를 통해 유입되고, 상기 질소산화물 또는 황산화물을 흡착할 수 있는 금속착화합물이 흡착제저장부로부터 흡착제유입부로 유입되며, 상기 배기가스와 상기 금속착화합물이 혼합부에서 혼합되어 상기 배기가스가 정화되고, 상기 정화된 배기가스는 제1배출부를 통해 외부로 배출되며, 오염된 금속착화합물은 제2배출부를 통해 재생부로 이송시키는, 정화부; 애노드부에서 수소가 산화되고, 캐소드부에서 상기 오염된 금속착화합물이 환원되면서 재생되는, 재생부; 및 상기 재생된 금속착화합물을 재활용하기 위해 상기 흡착제저장부로 이송시키는 순환부;를 포함하는, 유해물질 흡착제의 전기화학적 재생장치를 제공할 수 있다.
상기 금속착화합물은, Fe-EDTA(Ethylenediaminetetraacetic Acid), Fe-EGTA(Ethylene Glycol-bis(β-aminoethyl Ether)-N,N,N',N'-tetraacetic Acid), Fe- DTPA(Diethylene Triamine Pentaacetic Acid), Fe-HEDTA(N-Hydroxyethyl Ethylenediamine Triacetic Acid) 및 Fe- CDTA(Cyclohexanediaminetetraacetic Acid)로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 배기가스유입부는 상기 혼합부의 일측에 배치되고, 상기 흡착제유입부는 상기 혼합부의 타측에 배치될 수 있다.
상기 혼합부 내부를 통과하는 상기 배기가스와 상기 금속착화합물의 이동 방향이 서로 반대일 수 있다.
상기 제2배출부는, 상기 오염된 금속착화합물에 흡착된 질소산화물 또는 황산화물의 농도를 측정할 수 있는 제1계측부를 포함할 수 있다.
상기 제1계측부를 통해 측정된 질소산화물 또는 황산화물의 농도가 20 중량% 이상인 오염된 금속착화합물은 재생부로 이송되고, 상기 제1계측부를 통해 측정된 질소산화물 또는 황산화물의 농도가 20 중량% 미만인 금속착화합물은 흡착제저장부로 이송될 수 있다.
상기 오염된 금속착화합물에 흡착된 질소산화물 또는 황산화물이 상기 캐소드부에서 환원되어 암모니아 또는 황화수소가 생성될 수 있다.
상기 캐소드부에서 생성되는 암모니아 또는 황화수소는 상기 순환부를 통해 외부로 배출될 수 있다.
상기 순환부는, 상기 재생된 금속착화합물에 흡착된 질소산화물 또는 황산화물의 농도를 측정할 수 있는 제2계측부를 포함할 수 있다.
상기 제2계측부를 통해 측정된 질소산화물 또는 황산화물의 농도가 20 중량% 이상인 잔류 금속착화합물은 재생부로 이송되고, 상기 제2계측부를 통해 측정된 질소산화물 또는 황산화물의 농도가 20 중량% 미만인 재생된 금속착화합물은 흡착제저장부로 이송될 수 있다.
상기 재생부에서 생성되는 전기에너지를 저장하는 전력저장부를 더 포함할 수 있다.
다른 일 실시예는, 배기가스에 포함된 질소산화물 또는 황산화물을 흡착할 수 있는 금속착화합물을 통해 상기 배기가스를 정화시키는 정화단계; 상기 질소산화물 또는 황산화물을 흡착한 오염된 금속착화합물을 환원시킴으로써 재생시키는 재생단계; 및 상기 재생된 금속착화합물을 재활용할 수 있도록 순환시키는 순환단계;를 포함하는, 유해물질 흡착제의 전기화학적 재생방법을 제공할 수 있다.
상기 금속착화합물은, Fe-EDTA(Ethylenediaminetetraacetic Acid), Fe-EGTA(Ethylene Glycol-bis(β-aminoethyl Ether)-N,N,N',N'-tetraacetic Acid), Fe- DTPA(Diethylene Triamine Pentaacetic Acid), Fe-HEDTA(N-Hydroxyethyl Ethylenediamine Triacetic Acid) 및 Fe- CDTA(Cyclohexanediaminetetraacetic Acid)로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 정화단계는, 오염된 금속착화합물에 흡착된 질소산화물 또는 황산화물의 농도를 측정할 수 있는 제1계측단계를 포함할 수 있다.
상기 순환단계는, 재생된 금속착화합물에 흡착된 질소산화물 또는 황산화물의 농도를 측정할 수 있는 제2계측단계를 포함할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 일 실시예에 의하면, 배기가스에 포함된 유해물질을 금속착화합물을 통해 흡착함으로써 배기가스를 효과적으로 정화하면서도, 동시에 오염된 금속착화합물을 전기화학적으로 재생시킬 수 있다.
또한, 다른 실시예에 의하면, 오염된 금속착화합물을 재생시키면서 발생하는 전기에너지를 활용하여 에너지효율을 향상시킬 수 있다.
본 문서에서 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 일 실시예에 따른 전기화학적 재생장치를 나타낸 도면이다.
도 2는 일 실시예에 따른 전기화학장치를 나타낸 도면이다.
도 3은 일 실시예에 따른 전기화학적 재생장치의 블록도이다.
도 4는 금속착화합물이 재생되어 순환되는 이동경로를 나타낸 블록도이다.
도 5는 제1계측부를 통해 금속착화합물이 재생부를 거치지 않고 순환되는 이동경로를 나타낸 블록도이다.
도 6은 제2계측부를 통해 잔류 금속착화합물이 재생부로 이송되는 이동경로를 나타낸 블록도이다.
도 7은 배기가스가 정화되는 이동경로를 나타낸 블록도이다.
도 8은 암모니아 또는 황화수소가 순환부를 통해 외부로 배출되는 이동경로를 나타낸 블록도이다.
도 9는 일 실시예에 따른 전기화학적 재생방법을 나타낸 흐름도이다.
일 실시예는, 질소산화물 또는 황산화물이 포함된 배기가스가 배기가스유입부를 통해 유입되고, 상기 질소산화물 또는 황산화물을 흡착할 수 있는 금속착화합물이 흡착제저장부로부터 흡착제유입부로 유입되며, 상기 배기가스와 상기 금속착화합물이 혼합부에서 혼합되어 상기 배기가스가 정화되고, 상기 정화된 배기가스는 제1배출부를 통해 외부로 배출되며, 오염된 금속착화합물은 제2배출부를 통해 재생부로 이송시키는, 정화부; 애노드부에서 수소가 산화되고, 캐소드부에서 상기 오염된 금속착화합물이 환원되면서 재생되는, 재생부; 및 상기 재생된 금속착화합물을 재활용하기 위해 상기 흡착제저장부로 이송시키는 순환부;를 포함하는, 유해물질 흡착제의 전기화학적 재생장치를 제공할 수 있다.
이하, 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유해물질 흡착제의 전기화학적 재생장치는, 질소산화물 또는 황산화물이 포함된 배기가스가 배기가스유입부를 통해 유입되고, 상기 질소산화물 또는 황산화물을 흡착할 수 있는 금속착화합물이 흡착제저장부로부터 흡착제유입부로 유입되며, 상기 배기가스와 상기 금속착화합물이 혼합부에서 혼합되어 상기 배기가스가 정화되고, 상기 정화된 배기가스는 제1배출부를 통해 외부로 배출되며, 오염된 금속착화합물은 제2배출부를 통해 재생부로 이송시키는, 정화부; 애노드부에서 수소가 산화되고, 캐소드부에서 상기 오염된 금속착화합물이 환원되면서 재생되는, 재생부; 및 상기 재생된 금속착화합물을 재활용하기 위해 상기 흡착제저장부로 이송시키는 순환부;를 포함할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 전기화학적 재생장치를 나타낸 도면이다.
도 1을 참고면, 일 실시예에 따른 유해물질 흡착제의 전기화학적 재생장치(1)는 정화부(10), 재생부(20) 및 순환부(30)를 포함할 수 있다.
정화부(10)는 흡착제저장부(110), 첨가제저장부(120), 혼합부(130), 스택(140) 및 배기가스발생부(150)를 포함할 수 있다.
흡착제저장부(110)는 배기가스에 포함되는 유해물질을 흡착할 수 있는 흡착제를 저장할 수 있다. 또한, 흡착제저장부(110)는 혼합부(130)에서 유해물질을 적게 흡착하여 재이송되는 오염도가 낮은 흡착제를 저장할 수 있다. 나아가, 흡착제저장부(110)는 순환부(30)에서 분리장치(310)를 거쳐 재순환되는 재생된 흡착제를 저장할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 예에 따른 배기가스에 포함되는 유해물질을 흡착할 수 있는 흡착제는 금속착화합물을 포함할 수 있다. 또한, 본 발명에서 배기가스에 포함되는 유해물질은 질소산화물 또는 황산화물을 포함할 수 있다.
금속착화합물은, Fe-EDTA(Ethylenediaminetetraacetic Acid), Fe-EGTA(Ethylene Glycol-bis(β-aminoethyl Ether)-N,N,N',N'-tetraacetic Acid), Fe- DTPA(Diethylene Triamine Pentaacetic Acid), Fe-HEDTA(N-Hydroxyethyl Ethylenediamine Triacetic Acid) 및 Fe- CDTA(Cyclohexanediaminetetraacetic Acid)로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 금속착화합물은 Fe-EDTA(Ethylenediaminetetraacetic Acid) 및 Fe-EGTA(Ethylene Glycol-bis(β-aminoethyl Ether)-N,N,N',N'-tetraacetic Acid)로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있고, 더욱 바람직하게는 Fe-EDTA(Ethylenediaminetetraacetic Acid)를 포함할 수 있다.
첨가제저장부(120)는 금속착화합물을 통해 배기가스에 포함된 질소산화물 또는 황산화물을 흡착할 때 필요할 수 있는 첨가제를 저장하고, 금속착화합물이 흡착제저장부(110)에서 혼합부(130)로 이송할 때 금속착화합물과 첨가제를 혼합하는 역할을 할 수 있다.
첨가제저장부(120)에 저장되는 첨가제는 통상적으로 질소산화물 또는 황산화물을 흡착할 때 활용하는 첨가제를 활용할 수 있다. 예를 들면, 첨가제에는 pH를 조절하기 위한 pH조절제, 산화 환원 반응에 참여하는 산화제 및 환원제, 흡착 효율을 높이기 위한 분산제 등이 포함될 수 있다.
혼합부(130)에서는 금속착화합물과 배기가스가 유입되어 금속착화합물이 배기가스에 포함되는 유해물질을 흡착할 수 있다. 구체적으로, 금속착화합물을 포함하는 흡착제가 혼합부(130)의 타측에 위치한 흡착제유입부(132)로 유입되고, 질소산화물 또는 황산화물이 포함된 배기가스는 혼합부(130)의 일측에 위치한 배기가스유입부(131)를 통해 유입될 수 있다.
구체적으로, 금속착화합물을 포함하는 흡착제가 혼합부(130) 상부에 위치한 흡착제유입부(132)로 유입되고, 질소산화물 또는 황산화물이 포함된 배기가스는 혼합부(130) 하부에 위치한 배기가스유입부(131)를 통해 유입될 수 있다. 유입된 금속착화합물을 포함하는 흡착제는 혼합부(130)의 상부에서 하부 방향으로 이동하고, 유입된 배기가스는 혼합부(130)의 하부에서 상부 방향으로 이동할 수 있다. 즉, 금속착화합물을 포함하는 흡착제와 배기가스는 혼합부(130) 내부에서 서로 반대방향으로 이동하게 되고, 이 과정에서 배기가스에 포함된 유해물질을 금속착화합물이 흡착할 수 있다.
혼합부(130)의 최상부에서는 유해물질이 제거되어 정화된 배기가스가 제1배출부(133)를 통해 배출될 수 있고, 배출된 정화된 배기가스는 스택(140)으로 이동하여 외부로 배출될 수 있다. 정화된 배기가스는 혼합부(130)의 제1배출부에서 스택(140)으로 팬(fan)을 통해 이송될 수 있다.
혼합부(130) 하단에 위치한 배기가스유입부(131)를 통해 유입되는 배기가스는, 배기가스발생부(150)에서 발생될 수 있다. 배기가스발생부(150)는 일반 산업현장에서 사용되는 모든 유형의 산업장치일 수 있다.
혼합부(130)의 최하부에는 배기가스에 포함된 유해물질을 흡착하여 오염된 금속착화합물이 제2배출부(134)를 통해 배출될 수 있다. 배출된 오염된 금속착화합물은 재생부(20)로 이송될 수 있고, 일부 오염도가 낮은 금속착화합물은 흡착제저장부(110)로 재이송될 수 있다.
구체적으로, 제2배출부(134)는 제1계측부(135)를 포함할 수 있고, 제1계측부(135)는 오염된 금속착화합물에 흡착된 질소산화물 또는 황산화물의 농도를 측정할 수 있다. 이를 통해, 금속착화합물에 흡착된 질소산화물 또는 황산화물의 농도가 높은 오염된 금속착화합물의 경우 재생부(20)로 이송시키고, 금속착화합물에 흡착된 질소산화물 또는 황산화물의 농도가 낮은 금속착화합물의 경우 흡착제저장부(110)로 재이송시킬 수 있다.
제1계측부(135)를 통해 재생부(20)로 이송되는 오염된 금속착화합물에 흡착된 질소산화물 또는 황산화물의 기준 농도는 20 중량%일 수 있다. 즉, 제1계측부(135)를 통해 측정된 질소산화물 또는 황산화물의 농도가 20 중량% 이상인 오염된 금속착화합물은 재생부(20)로 이송되고, 제1계측부(135)를 통해 측정된 질소산화물 또는 황산화물의 농도가 20 중량% 미만인 금속착화합물은 흡착제저장부(110)로 이송될 수 있다.
재생부(20)는 전기화학장치(210) 및 전력저장부(220)를 포함할 수 있다. 전기화학장치(210)는 오염된 금속착화합물을 전기화학적으로 환원시켜 재생시키고, 전기에너지를 발생시킬 수 있다. 예를 들어, 전기화학장치(210)는 PEMFC(Proton Exchange Membrane Fuel Cell)를 포함할 수 있다.
도 2는 일 실시예에 따른 전기화학장치를 나타낸 도면이다.
도 2를 참고하면, 전기화학장치(210)는 분리막(211)을 기준으로 일측에 위치한 애노드부(212) 및 타측에 위치한 캐소드부(215)를 포함할 수 있다. 애노드부(212)에서는 수소가 산화되고, 캐소드부(215)에서는 오염된 금속착화합물이 환원되면서 재생될 수 있다.
구체적으로, 애노드부(212)의 애노드입구(214a)를 통해 수소기체가 유입되면, 애노드극(213)에서 수소기체가 아래에 표현된 [화학식1]의 산화반응을 통해 전자를 잃고 수소이온으로 변환될 수 있다.
[화학식1]
5H2 -> 10H+ + 10e-
한편, 반응에 참여하지 않은 잔류 수소기체는 애노드출구(214b)를 통해 배출되고, 재순환되어 애노드입구(214a)로 유입됨으로써 재사용될 수 있다.
애노드부(212)에서 생성된 수소이온은 분리막(211)을 통과하여 캐소드부(215)로 이동할 수 있다. 여기서, 분리막(211)은 수소이온을 선택적으로 이동시킬 수 있는 고분자막을 포함할 수 있다.
예를 들면, 분리막(211)은 Nafion, SPEEK (Sulfonated Polyether Ether Ketone), PBI (Polybenzimidazole), SPPO (Sulfonated Poly(2,6-dimethyl-1,4-phenylene oxide)) 및 Aquivion로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 분리막(211)은 Nafion 및 SPEEK (Sulfonated Polyether Ether Ketone)로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있고, 더욱 바람직하게는 분리막(211)은 Nafion을 포함할 수 있다.
캐소드부(215)의 캐소드입구(218a)를 통해 오염된 금속착화합물이 유입되면, 캐소드극(216)에서 환원반응을 통해 오염된 금속착화합물을 재생시킬 수 있다. 예를 들면, 금속착화합물로서 Fe-EDTA를 활용하여 질소산화물을 흡착시킨 경우, 오염된 금속착화합물은 아래에 표현된 [화학식2]의 환원반응을 통해 재생될 수 있다.
[화학식2]
(2Fe-EDTA-NO) + 10H+ + 10e- → (2Fe-EDTA) + 2NH3 + 2H2O
재생된 금속착화합물과 부산물로서 생성된 암모니아 또는 황화수소는 캐소드출구(218b)를 통해 배출되어 순환부(30)로 이동될 수 있다.
한편, 금속착화합물의 재생 과정에서 반응속도를 제어할 수 있도록 촉매(217)를 활용할 수 있다. 예를 들면, 촉매(217)는 Pt, Pt-Ru, Ni 등을 활용할 수 있다.
전기화학장치(210)에서 금속착화합물의 재생 과정을 통해 생성되는 전기에너지는 전력저장부(220)에 저장되어 활용될 수 있다. 전력저장부(220)에 저장된 전기에너지는 재생장치(1)의 구동에 활용될 수 있고, 이를 통해 전기효율을 높일 수 있다.
캐소드부(215)에서 생성된 암모니아 또는 황화수소는 순환부(30)의 분리장치(310)에서 분리되어 외부로 배출될 수 있다. 또한, 암모니아 또는 황화수소와 함께 분리장치(310)로 유입된 재생된 금속착화합물은 흡착제저장부(110)로 재순환될 수 있다. 즉, 혼합부(130)에서 오염된 금속착화합물이 재생부(20)를 통해 재생되고, 순환부(30)를 거쳐 재순환되어 배기가스 정화에 재사용될 수 있다.
한편, 순환부(30)는 재생된 금속착화합물에 흡착된 질소산화물 또는 황산화물의 농도를 측정할 수 있는 제2계측부(311)를 포함할 수 있다. 제2계측부(311)를 통해 측정된 질소산화물 또는 황산화물의 농도가 높은 잔류 금속착화합물의 경우 재생부(20)로 이송시키고, 제2계측부(311)를 통해 측정된 질소산화물 또는 황산화물의 농도가 낮은 재생된 금속착화합물의 경우 흡착제저장부(110)로 재순환시킬 수 있다.
제2계측부(311)를 통해 재생부(20)로 이송되는 금속착화합물에 흡착된 질소산화물 또는 황산화물의 기준 농도는 20 중량%일 수 있다. 즉, 제2계측부(311)를 통해 측정된 질소산화물 또는 황산화물의 농도가 20 중량% 이상인 잔류 금속착화합물은 재생부(20)로 이송되고, 제2계측부(311)를 통해 측정된 질소산화물 또는 황산화물의 농도가 20 중량% 미만인 재생된 금속착화합물은 흡착제저장부(110)로 이송될 수 있다. 여기서, 잔류 금속착화합물은 캐소드부(215)에서 환원반응에 참여하지 못하여 재생이 충분하게 이루어지지 않은 금속착화합물을 의미한다.
도 3은 일 실시예에 따른 전기화학적 재생장치의 블록도이고, 도 4는 금속착화합물이 재생되어 순환되는 이동경로를 나타낸 블록도이며, 도 5는 제1계측부를 통해 금속착화합물이 재생부를 거치지 않고 순환되는 이동경로를 나타낸 블록도이고, 도 6은 제2계측부를 통해 잔류 금속착화합물이 재생부로 이송되는 이동경로를 나타낸 블록도이며, 도 7은 배기가스가 정화되는 이동경로를 나타낸 블록도이고, 도 8은 암모니아 또는 황화수소가 순환부를 통해 외부로 배출되는 이동경로를 나타낸 블록도이다.
도 3 내지 도 8을 참고하면, 재생장치(1)에 관여하는 각 물질의 이동경로를 확인할 수 있다.
구체적으로, 재생장치(1)는 정화부(10), 재생부(20) 및 순환부(30)를 포함할 수 있고, 정화부(10)에서 재생부(20) 및 순환부(30)를 거쳐 다시 정화부(10)로 재순환되는 흐름을 가질 수 있다.
도 4를 참고하면, 흡착제로서 금속착화합물은 흡착제저장부(110) 및 첨가제저장부(120)를 거쳐 혼합부(130)에서 배기가스에 포함되는 유해물질인 질소산화물 또는 황산화물을 흡착할 수 있다. 질소산화물 또는 황산화물이 흡착되어 오염된 금속착화합물은 재생부(20)로 이송되어 캐소드부(215)에서 환원됨으로써 재생될 수 있고, 순환부(30)를 거쳐 흡착제저장부(110)로 재순환될 수 있다.
도 5를 참고하면, 흡착제로서 금속착화합물은 흡착제저장부(110) 및 첨가제저장부(120)를 거쳐 혼합부(130)에서 배기가스에 포함되는 유해물질인 질소산화물 또는 황산화물을 흡착할 수 있다. 그러나, 질소산화물 또는 황산화물을 충분히 흡착하지 않아 오염도가 낮은 금속착화합물의 경우에는, 재생부(20)로 이송되지 않고 흡착제저장부(110)로 이송시켜 배기가스를 정화하는데 재사용할 수 있다. 여기서, 오염된 금속착화합물의 질소산화물 또는 황산화물의 농도는 제1계측부(135)에서 측정할 수 있다.
도 6을 참고하면, 흡착제로서 금속착화합물은 흡착제저장부(110) 및 첨가제저장부(120)를 거쳐 혼합부(130)에서 배기가스에 포함되는 유해물질인 질소산화물 또는 황산화물을 흡착할 수 있다. 질소산화물 또는 황산화물이 흡착되어 오염된 금속착화합물은 재생부(20)로 이송되어 캐소드부(215)에서 환원됨으로써 재생될 수 있고, 순환부(30)로 이송될 수 있다. 그러나, 캐소드부(215)에서 환원반응에 참여하지 못하여 재생이 충분하게 이루어지지 않은 잔류 금속착화합물은 다시 재생부(20)로 이송시켜 환원반응에 참여시킬 수 있다. 여기서, 재생된 금속착화합물에 흡착된 질소산화물 또는 황산화물의 농도는 제2계측부(311)에서 측정할 수 있다.
도 7을 참고하면, 배기가스는 배기가스발생부(150)에서 발생되어 혼합부(130)에서 배기가스에 포함된 질소산화물 또는 황산화물이 금속착화합물에 의해 흡착될 수 있다. 이를 통해 배기가스가 정화되고, 정화된 배기가스는 스택(140)으로 이송되어 외부로 배출될 수 있다.
도 8을 참고하면, 재생부(20)의 캐소드부(215)에서 환원반응에 의해 질소산화물 또는 황산화물이 환원되어 암모니아 또는 황화수소가 생성되고, 생성된 암모니아 또는 황화수소는 순환부(30)로 이송될 수 있다. 이송된 암모니아 또는 황화수소는 순환부(30)의 분리장치(310)를 통해 외부로 배출될 수 있다.
다음으로, 본 발명의 다른 실시예에 따른 유해물질 흡착제의 전기화학적 재생방법에 대해 구체적으로 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유해물질 흡착제의 전기화학적 재생방법은, 배기가스에 포함된 질소산화물 또는 황산화물을 흡착할 수 있는 금속착화합물을 통해 상기 배기가스를 정화시키는 정화단계; 상기 질소산화물 또는 황산화물을 흡착한 오염된 금속착화합물을 환원시킴으로써 재생시키는 재생단계; 및 상기 재생된 금속착화합물을 재활용할 수 있도록 순환시키는 순환단계;를 포함할 수 있다.
도 9는 일 실시예에 따른 전기화학적 재생방법을 나타낸 흐름도이다.
도 9를 참고하면, 일 실시예에 따른 전기화학적 재생방법(S400)은 정화단계(S410), 재생단계(S420) 및 순환단계(S430)를 포함할 수 있다.
정화단계(S410)에서는 배기가스에 포함된 질소산화물 또는 황산화물을 흡착할 수 있는 금속착화합물을 통해 배기가스를 정화시킬 수 있다. 여기서, 정화된 배기가스는 외부로 배출시킬 수 있고, 질소산화물 또는 황산화물을 흡착시킨 오염된 금속착화합물은 재생을 위해 재생단계(S420)를 거칠 수 있다.
금속착화합물은, Fe-EDTA(Ethylenediaminetetraacetic Acid), Fe-EGTA(Ethylene Glycol-bis(β-aminoethyl Ether)-N,N,N',N'-tetraacetic Acid), Fe- DTPA(Diethylene Triamine Pentaacetic Acid), Fe-HEDTA(N-Hydroxyethyl Ethylenediamine Triacetic Acid) 및 Fe- CDTA(Cyclohexanediaminetetraacetic Acid)로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 금속착화합물은 Fe-EDTA(Ethylenediaminetetraacetic Acid) 및 Fe-EGTA(Ethylene Glycol-bis(β-aminoethyl Ether)-N,N,N',N'-tetraacetic Acid)로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있고, 더욱 바람직하게는 Fe-EDTA(Ethylenediaminetetraacetic Acid)를 포함할 수 있다.
한편, 정화단계(S410)에 의해 오염된 금속착화합물은 질소산화물 또는 황산화물의 농도를 측정할 수 있는 제1계측단계(S411)를 거칠 수 있다. 제1계측단계(S411)에서는 오염된 금속착화합물에 흡착된 질소산화물 또는 황산화물의 농도를 측정할 수 있다. 이를 통해, 금속착화합물에 흡착된 질소산화물 또는 황산화물의 농도가 높은 오염된 금속착화합물의 경우 재생단계(S420)로 이송시키고, 금속착화합물에 흡착된 질소산화물 또는 황산화물의 농도가 낮은 금속착화합물의 경우 정화단계(S410)에서 재사용될 수 있다.
제1계측단계(S411)를 거쳐 재생단계(S420)로 이송되는 오염된 금속착화합물에 흡착된 질소산화물 또는 황산화물의 기준 농도는 20 중량%일 수 있다. 즉, 제1계측단계(S411)를 통해 측정된 질소산화물 또는 황산화물의 농도가 20 중량% 이상인 오염된 금속착화합물은 재생단계(S420)로 이송되고, 제1계측단계(S411)를 통해 측정된 질소산화물 또는 황산화물의 농도가 20 중량% 미만인 금속착화합물은 정화단계(S410)로 재이송될 수 있다.
재생단계(S420)에서는 전기화학적 방법에 의해 오염된 금속착화합물을 재생시킬 수 있다. 구체적으로, 애노드부(212)에서 생성되는 수소이온이 분리막(211)을 거쳐 캐소드부(215)로 공급되고, 캐소드부(215)에서는 오염된 금속착화합물이 수소이온과 반응하여 재생될 수 있다. 한편, 금속착화합물의 재생 과정에서 발생하는 전기에너지는 전력저장부(220)에 저장되고 재생장치(1)의 구동에 활용될 수 있다.
재생단계(S420)에서 재생된 금속착화합물과 부산물인 암모니아 또는 황화수소는 순환단계(S430)를 거칠 수 있다.
순환단계(S430)에서는 부산물인 암모니아 또는 황화수소를 분리시켜 외부로 배출할 수 있다. 또한, 순환단계(S430)에서는 재생된 금속착화합물을 정화단계(S410)로 재순환시킬 수 있다.
한편, 순환단계(S430)에 의해 재생된 금속착화합물은 질소산화물 또는 황산화물의 농도를 측정할 수 있는 제2계측단계(S431)를 거칠 수 있다. 제2계측단계(S411)에서는 재생된 금속착화합물에 흡착된 질소산화물 또는 황산화물의 농도를 측정할 수 있다. 이를 통해, 금속착화합물에 흡착된 질소산화물 또는 황산화물의 농도가 높은 잔류 금속착화합물의 경우 재생단계(S420)로 이송시키고, 금속착화합물에 흡착된 질소산화물 또는 황산화물의 농도가 낮은 재생된 금속착화합물의 경우 정화단계(S410)로 재순환시킬 수 있다.
제2계측단계(S431)를 거쳐 재생단계(S420)로 이송되는 잔류 금속착화합물에 흡착된 질소산화물 또는 황산화물의 기준 농도는 20 중량%일 수 있다. 즉, 제2계측단계(S431)를 통해 측정된 질소산화물 또는 황산화물의 농도가 20 중량% 이상인 잔류 금속착화합물은 재생단계(S420)로 이송되고, 제2계측단계(S431)를 통해 측정된 질소산화물 또는 황산화물의 농도가 20 중량% 미만인 재생된 금속착화합물은 정화단계(S410)로 재순환될 수 있다. 여기서, 잔류 금속착화합물은 캐소드부(215)에서 환원반응에 참여하지 못하여 재생이 충분하게 이루어지지 않은 금속착화합물을 의미한다.
이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재될 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥 상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
1: 재생장치
10: 정화부
110: 흡착제저장부
120: 첨가제저장부
130: 혼합부
131: 배기가스유입부
132: 흡착제유입부
133: 제1배출부
134: 제2배출부
135: 제1계측부
140: 스택
150: 배기가스발생부
20: 재생부
210: 전기화학장치
211: 분리막
212: 애노드부
213: 애노드극
214a: 애노드입구
214b: 애노드출구
215: 캐소드부
216: 캐소드극
217: 촉매
218a: 캐소드입구
218b: 캐소드출구
220: 전력저장부
30: 순환부
310: 분리장치
311: 제2계측부
S400: 재생방법
S410: 정화단계
S411: 제1계측단계
S420: 재생단계
S430: 순환단계
S431: 제2계측단계
일 실시예에 의하면, 배기가스에 포함된 유해물질을 금속착화합물을 통해 흡착함으로써 배기가스를 효과적으로 정화하면서도, 동시에 오염된 금속착화합물을 전기화학적으로 재생시킬 수 있다. 또한, 다른 실시예에 의하면, 오염된 금속착화합물을 재생시키면서 발생하는 전기에너지를 활용하여 에너지효율을 향상시킬 수 있다.

Claims (15)

  1. 질소산화물 또는 황산화물이 포함된 배기가스가 배기가스유입부를 통해 유입되고, 상기 질소산화물 또는 황산화물을 흡착할 수 있는 금속착화합물이 흡착제저장부로부터 흡착제유입부로 유입되며, 상기 배기가스와 상기 금속착화합물이 혼합부에서 혼합되어 상기 배기가스가 정화되고, 상기 정화된 배기가스는 제1배출부를 통해 스택으로 이송되어 외부로 배출되며, 오염된 금속착화합물은 제2배출부를 통해 재생부로 이송시키는, 정화부;
    애노드부에서 수소가 산화되고, 캐소드부에서 상기 오염된 금속착화합물이 환원되면서 재생되는, 재생부; 및
    상기 재생된 금속착화합물을 재사용하기 위해 상기 흡착제저장부로 이송시키는 순환부;를 포함하는, 유해물질 흡착제의 전기화학적 재생장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속착화합물은, Fe-EDTA(Ethylenediaminetetraacetic Acid), Fe-EGTA(Ethylene Glycol-bis(β-aminoethyl Ether)-N,N,N',N'-tetraacetic Acid), Fe- DTPA(Diethylene Triamine Pentaacetic Acid), Fe-HEDTA(N-Hydroxyethyl Ethylenediamine Triacetic Acid) 및 Fe- CDTA(Cyclohexanediaminetetraacetic Acid)로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는, 유해물질 흡착제의 전기화학적 재생장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 배기가스유입부는 상기 혼합부의 일측에 배치되고, 상기 흡착제유입부는 상기 혼합부의 타측에 배치되는, 유해물질 흡착제의 전기화학적 재생장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 혼합부 내부를 통과하는 상기 배기가스와 상기 금속착화합물의 이동 방향이 서로 반대인, 유해물질 흡착제의 전기화학적 재생장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2배출부는, 상기 오염된 금속착화합물에 흡착된 질소산화물 또는 황산화물의 농도를 측정할 수 있는 제1계측부를 포함하는, 유해물질 흡착제의 전기화학적 재생장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1계측부를 통해 측정된 질소산화물 또는 황산화물의 농도가 20 중량% 이상인 오염된 금속착화합물은 재생부로 이송되고,
    상기 제1계측부를 통해 측정된 질소산화물 또는 황산화물의 농도가 20 중량% 미만인 금속착화합물은 흡착제저장부로 이송되는, 유해물질 흡착제의 전기화학적 재생장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 오염된 금속착화합물에 흡착된 질소산화물 또는 황산화물이 상기 캐소드부에서 환원되어 암모니아 또는 황화수소가 생성되는, 유해물질 흡착제의 전기화학적 재생장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 캐소드부에서 생성되는 암모니아 또는 황화수소는 상기 순환부를 통해 외부로 배출되는, 유해물질 흡착제의 전기화학적 재생장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 순환부는, 상기 재생된 금속착화합물에 흡착된 질소산화물 또는 황산화물의 농도를 측정할 수 있는 제2계측부를 포함하는, 유해물질 흡착제의 전기화학적 재생장치.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 제2계측부를 통해 측정된 질소산화물 또는 황산화물의 농도가 20 중량% 이상인 잔류 금속착화합물은 재생부로 이송되고,
    상기 제2계측부를 통해 측정된 질소산화물 또는 황산화물의 농도가 20 중량% 미만인 재생된 금속착화합물은 흡착제저장부로 이송되는, 유해물질 흡착제의 전기화학적 재생장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 재생부에서 생성되는 전기에너지를 저장하는 전력저장부를 더 포함하는, 유해물질 흡착제의 전기화학적 재생장치.
  12. 배기가스에 포함된 질소산화물 또는 황산화물을 흡착할 수 있는 금속착화합물을 통해 상기 배기가스를 정화시키는 정화단계;
    상기 질소산화물 또는 황산화물을 흡착한 오염된 금속착화합물을 환원시킴으로써 재생시키는 재생단계; 및
    상기 재생된 금속착화합물을 재활용할 수 있도록 순환시키는 순환단계;를 포함하는, 유해물질 흡착제의 전기화학적 재생방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 금속착화합물은, Fe-EDTA(Ethylenediaminetetraacetic Acid), Fe-EGTA(Ethylene Glycol-bis(β-aminoethyl Ether)-N,N,N',N'-tetraacetic Acid), Fe- DTPA(Diethylene Triamine Pentaacetic Acid), Fe-HEDTA(N-Hydroxyethyl Ethylenediamine Triacetic Acid) 및 Fe- CDTA(Cyclohexanediaminetetraacetic Acid)로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는, 유해물질 흡착제의 전기화학적 재생방법.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 정화단계는, 오염된 금속착화합물에 흡착된 질소산화물 또는 황산화물의 농도를 측정할 수 있는 제1계측단계를 포함하는, 유해물질 흡착제의 전기화학적 재생방법.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 순환단계는, 재생된 금속착화합물에 흡착된 질소산화물 또는 황산화물의 농도를 측정할 수 있는 제2계측단계를 포함하는, 유해물질 흡착제의 전기화학적 재생방법.
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