업무(계획/중간/결과)보고서

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주환 근
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1 이온교환섬유를이용한유해가스제거장치 이온교환스크러버 김동원 ( 주 ) 엔코코대표이사 1. 머리말최근들어한층더대두되고있는 " 생활환경의질 " 과 " 삶의질 " 에대한요구와수요는그동안개발이라는명제앞에가리워진피폐해진환경의복구와개선을통해깨끗한환경으로의회귀라는본능적결론에대한갈망이라생각된다. 대기오염, 수질오염, 토양오염, 각종쓰레기및폐기물에의한오염, 지하수오염등인간의경제적활동에따른이러한인위적인오염원들은적절한제어를통해정화시키지아니하면최종적으로우리의삶을파괴할수밖에없다. 이중에서대기오염에대한제어는다른오염원들과비교해서볼때가시적인현상으로판단하기어렵기때문에대기오염에대한현상을간과하여더욱피해가클수밖에없는실정이다. 산업생산활동각공정에서발생하는각종유해가스는그종류도다양하며인체에미치는영향도다양하여적절한제어및정화기술을적용하기가어려운실정이다. 이러한유해가스는주로악취 (offensive odor), 휘발성유기화합물 (VOCs), 유독성가스등으로구분할수있으며그동안이의제어및정화기술들이많이개발되어적용되어오고있지만충분한제거효율을보장할수없다는것과유지관리가어렵고또한유지관리비가많이소요되는등경제성이떨어지는현실이라볼수있다. 따라서이러한문제점들을보완하기위해서새로운개념의유해가스제어및정화기술인이온교환섬유를이용한반건식스크러버 ( 이온교환스크러버 ) 가개발되었으며이는기존의유해가스제어및정화기술을대체할수있는고효율저비용의설비라할수있다.

2 2. 국내외유해가스제거설비의현황 1) 국외현황 1990 년도중반까지일본에서는악취제거설비로흡착법과약액흡수법을가장많이설치하여사용하고있었으나 1996 년이후부터는미생물탈취법의설치추세가많이증가하고있는실정으로이는설비의운영상에있어운전비용의경제성과아울러 2 차오염물질의발생이적은친환경성이우선시되었기때문이다. 최근에는일본의 D 사플랜트건설에서이온교환섬유를부직포로가공하여물을거의사용하지않고오염물질을제거하는 [ 드라이가스스크러버 ] 를개발하여반도체공장및일반산업체에수만대의보급실적을가지고있으며, 현재일본내에너지절약진단 (TPK-ESCO) 사업에적용되어환경기초시설투자에따른에너지절감으로경쟁력을강화하고있다. 앞으로악취및휘발성유기화합물 (VOCs) 그리고각종유독성가스에대한환경법의강화가예상되어지는우리의경우도일본의이러한경향을따를것으로본다. 2) 국내현황현재악취및휘발성유기화합물 (VOCs) 그리고각종유독성가스배출산업현장에서활용하고있는유해가스제거용대기오염방지시설은주로흡수및흡착의원리를이용한 Wet Scrubber 와 Activated Carbon Tower 그리고소각의원리를이용한 RTO(regenerative thermal oxidation) 와 RCO(regenerative catalystic oxidation) 등이있으며최근들어서는친환경개념의 Bio Filter 가적용되어오고있으나이온교환섬유를이용한이온교환스크러버를사용한경우는없으며제거효율의지속성, 용수및전력사용량, 연료사용량, 산화제및촉매제등의약품비그리고폐기물및폐수처리비용등의개선의여지가많은실정으로에너지절약및향후점차강화되어질환경법의준수를통한경쟁력확보를위한보다경제적인설비의필요성이강조되고있다. < 표 1. 국내유해가스제거방식의비교 > 방식설비명원리특징 연소법축열식연소장치축열재에의해열교환율을높여연소 - 설비의복잡 - 설비비가높다 - 운전비가고가 - 다양한화합물적용가능 - 설치면적이넓다 - 유지관리가어렵다 - 제거효율이높다

3 방식설비명원리특징 연소법 촉매연소장치 촉매에의해 C 의저온으로산화분해 - 설비의복잡 - 설비비가높다 - 대용량에부적합 - 폭발의위험성 - 운전비의고가 - 유지관리가어렵다 - 제거효율높다 직접연소장치 약 800 C 로가열연소분해 - 설비의복잡 - 설비비가높다 - 운전비의고가 - 유지관리가어렵다 - 광범위한유기용제제거 - 제거효율보통 흡수법 세정식스크러버 물, 산, 알카리, 산화제의수용액에의한화학반응 - 유지관리가어렵다 - 약품및용수사용이많다 - 화학폐수의다량발생 - 설비의부식 - 제거효율보통 흡착법활성탄흡착탑흡착제에의한물리적흡착 - 설비가간단 - 실적이많다 - 다양한화합물적용가능 - 고농도에는비경제적 - 활성탄교체주기가짧다 - 폐활성탄발생 - 제거효율보통 미생물법 바이오필터 미생물에의한산화분해 ( 미생물담체 ) - 친환경적 - 설치면적이넓다 - 설비비가높다 -2 차오염물질발생이없다 - 유지관리비가적다 - 제거효율우수

4 3. 이온교환섬유의개요이온교환섬유는 1935 년영국의 B.A. 애덤스와 F.L. 홈스에의해다가 ( 多價 ) 페놀과포름알데히드를축합시킨섬유가양이온을, m-페닐렌디아민과포름알데히드를축합시킨섬유가음이온을교환하는것이발견된이래, 물속에있는각종이온을제거할수있다는사실이밝혀져최근까지주로수질분야에서이온교환수지형태로불순물제거, 경수연화, sucrose 물엿 알코올 유지 가스등의정제및각종이온의분리추출 ( 회토류원소 초우라늄원소등의분리추출, 비타민 알칼로이드 아미노산등의추출정제 ) 외에미량물질의정량, 이온의치환또는촉매, 크로마토그래피분석방면등에매우광범위하게응용되어왔다. 이온교환섬유는다양한방법에의해제조되고있으나본설비에서의제조방법은방사선을조사하여라디칼을형성시킨부직포에그라프트중합법에의해제조하며이온교환섬유에는양이온및음이온교환섬유두종류가있고양이온교환섬유는염기성가스를음이온교환섬유는산성가스를효과적으로제거한다. 이러한이온교환스크러버의중요한특징은다음과같다. 첫번째특징은물리적흡착과화학적흡착이동시에이루어진다는것으로연구결과물리적흡착제 인활성탄이나실리카겔에비해흡착능력이 2 4 배가량높은것으로확인되었다. < 그림 1. 이온교환섬유의화학및물리적흡착력 > < 참고자료 : 한국원자력연구소동위원소방사선응용연구팀 >

5 < 그림 2. 각종흡착제의흡착능력비교 > < 참고자료 : 한국원자력연구소동위원소방사선응용연구팀 > 두번째특징으로는여러번재생반복사용할수있다는점으로이는물리화학적흡착성능이파과점 (Break Point) 에다다를시점에주기적으로재생액을공급하여줌으로써흡착성능의저하를막아효 율을지속적으로유지할수있다. < 그림 3. 재생횟수에따른암모니아흡착량과이온교환섬유감소율 > < 참고자료 : 한국원자력연구소동위원소방사선응용연구팀 >

6 4. 이온교환스크러버의원리및구조 1) 원리이온교환스크러버의유해가스제거는이온교환필터의물리화학적흡착반응과재생액에의한이온교환필터의탈착반응의연속적인반응메카니즘에의한다. < 그림 4. 이온교환섬유의반응메커니즘 > 음이온교환필터를사용시 P NR3OH + H2S P NR3SH + H2O ( 흡착반응 ) P NR3SH + 2NaOH P NR3OH + Na2S + H2O ( 탈착 / 재생반응 ) P NR3OH + HCl P NR3Cl + H2O ( 흡착반응 ) P NR3Cl + NaOH P NR3OH + NaCl ( 탈착 / 재생반응 ) 양이온교환필터를사용시 P SO3H + NH3 P SO3NH4 ( 흡착반응 ) 2P SO3NH4 + H2SO4 2P SO3H + (NH4)2SO4 ( 탈착 / 재생반응 ) 2) 구조이온교환스크러버는몇개의이온교환섬유를연결하여카트리지형식으로만든이온교환필터가내부에장착되어있으며유해가스가내부로이송되어이온교환필터를통과하는사이에물리화학적흡착의원리에의해유해가스를제어및정화하는구조로단일유해가스의경우에는처리가스의특성이염기성혹은산성가스인지를고려하여양이온및음이온교환섬유를선택하여적용하며또한악취와같은복합가스및 2 종류이상의혼합유해가스를제어및정화하기위해상부에는양이온교환필터가장착되어염기성가스를제거할수있도록하며하부에는음이온교환필터가장착되어산성가스를제거할수있도록한다.

용액이주로사용되며재생시챔버내에염화합물이생성되어저류되므로유해가스의인입농도에따라최소 1 2 개월에서최대 12 18

7 지속적인유해가스의처리로소실된라디칼을각각의재생액공급으로재생및복원시키기위해교대로교차하며운전할수있도록특별히고안된구조이다. 이때양이온교환필터를재생하기위해 H2SO4 수용액이, 음이온교환필터를재생하기위해 NaOH 용액이주로사용되며재생시챔버내에염화합물이생성되어저류되므로유해가스의인입농도에따라최소 1 2 개월에서최대 개월에한번씩주기적으로교체하면된다. 이온교환스크러버는다양한형태로제작될수있으며현재상용중에있는이온교환스크러버의개략적인구조는다음과같다. < 그림 5. 이온교환스크러버구조도 > < 그림 6. 이온교환필터의구조도 >

이온교환스크러버의주요구성은다음과같다. 1 이온교환섬유 상부 - 양이온교환섬유 ( 염기성유해가스처리용 ) 하부 - 음이온교환섬유 ( 산성유해가스처리용 ) 2 재생액저장챔버 상부 - 두개의재생액저장챔버가있어다량의유해가스처리로소실된이온교환라디칼을 H₂ SO₄수용액 (5%) 으로재생및복원시킨다.

8 이온교환스크러버의주요구성은다음과같다. 1 이온교환섬유 상부 - 양이온교환섬유 ( 염기성유해가스처리용 ) 하부 - 음이온교환섬유 ( 산성유해가스처리용 ) 2 재생액저장챔버 상부 - 두개의재생액저장챔버가있어다량의유해가스처리로소실된이온교환라디칼을 H₂ SO₄수용액 (5%) 으로재생및복원시킨다. 하부 - 두개의재생액저장챔버가있어다량의유해가스처리로소실된이온교환라디칼을 NaOH 수용액 (5%) 으로재생및복원시킨다. 3 수위조절용펌프한재생액저장챔버에서다른재생액저장챔버내로재생액을이송시켜재생하고자하는챔버의수위를높임으로써이온교환필터를재생액에완전히잠기도록한다. 4 Dust Pre-filtration 이온교환스크러버로유입되는유해가스내의분진을사전에제거하여이온교환필터의물리화학적반응율을높여주고또한분진유입으로인한이온교환필터의막힘을방지하여내구성을증가시켜주는역할을한다. 이러한구조적특징들은이온교환필터의완전재생및복원을통해이온교환필터의수명을최대한 연장시키고각종유해가스의제거효율을높이는중요한역할을한다. < 그림 7. 이온교환스크러버의실물사진 >

9 5. 이온교환스크러버의특성 유해가스에대한제거효율이우수 (95% 이상 ) 이온교환필터의탁월한물리화학적흡착능력으로산성및염기성유해가스의제거효율이기존의흡수및흡착설비에비해우수하다. < 그림 8. NH3 처리효율시험 > - < 참고자료 : M.A.T 기술연구소 > < 그림 9. SO2 처리효율시험 > - < 참고자료 : M.A.T 기술연구소 > < 그림 10. Cl2 처리효율시험 > - < 참고자료 : M.A.T 기술연구소 >

10 용수및전력사용량의절감으로유지관리비저렴반도체공장에서주로사용되고있는 Wet scrubber 에비해용수사용량은 1/100 1/400 로절감되며전력사용량도약 1/4 로절감된다. 일반산업공장에서사용될경우기존의세정식스크러버에비해유지관리비가약 1/3 로저렴하다. < 표 2. 유지관리비비교 > 항목이온교환스크러버약액세정스크러버비고 처리용량 60m /min ` 오염물질종류 H2S 10ppm, NH3 50ppm 약품종류 H2SO4, NaOH NaOCl 초기투자비 75,000,000 원 50,000,000 원 용수사용량 88.8 톤 / 년 360 톤 / 년 전력사용량 32,313.6kw/ 년 50,544kw/ 년 용수사용비 48,840 원 / 년 198,000 원 / 년 550 원 / 톤 유지관리비 폐수처리비 7,104,000 원 / 년 28,800,000 원 / 년 80,000 원 / 톤 약품사용비 3,033,600 원 / 년 14,229,000 원 / 년 전력비 1,777,248 원 / 년 2,779,920 원 / 년 55 원 /kwh 이온교환필터교체비 2,304,000 원 / 년 - 120,000 원 / 개 (5 년사용 ) 기기보수비 1,125,000 원 / 년 750,000 원 / 년기기비의 5% 계 15,392,688 원 / 년 46,756,920 원 / 년 2 3 년안에투자비용회수가능용수및전력사용량과각종화학약품사용량이상대적으로작고메디아라할수있는이온교환필터를재생액의주기적공급으로재생시켜반복하여계속적으로사용할수있어유지관리비용이매우저렴하고운전관리가매우편리하여이미설치되어있는세정식스크러버를교체해도 2 3 년 ( 약 29 개월 ) 에투자비를회수할수있다.

< 그림 11. 투입비회수기간 > 6. 이온교환스크러버의적용및기대효과 1) 유해가스제거효율이온교환필터의특성상산성및염기성계열의무기유기가스에대한제거효율은매우높으나중성계열의유해가스의경우제거효율이상대적으로낮은편이어서차후이부분에대한연구가필요하다하겠다. < 표 3-1.

11 < 그림 11. 투입비회수기간 > 6. 이온교환스크러버의적용및기대효과 1) 유해가스제거효율이온교환필터의특성상산성및염기성계열의무기유기가스에대한제거효율은매우높으나중성계열의유해가스의경우제거효율이상대적으로낮은편이어서차후이부분에대한연구가필요하다하겠다. < 표 3-1. 악취및 VOCs 제거효율 > 구분항목제거율 (%) NH3 ( 암모니아 ) 90~95 CH3CHO ( 아세트알데히드 ) 90~95 C8H8 ( 스티렌 ) 72 (CH3)2S2 ( 이황화메틸 ) 90~95 악취및 VOCs H2S ( 황화수소 ) 95~98 CH3SH ( 메틸메르캅탄 ) 97 (CH3)2S ( 황화메틸 ) 90~95 (CH3)3N ( 트리메틸아민 ) 98 C4H11N[(C2H5)2NH] ( 디에틸아민 ) 90 C2H7N ( 디메틸아민 ) 90

12 < 표 3-2. 유독성가스제거효율 > 구 분 항 목 제거 율 (%) HCl ( 염화수소 ) 95~99 Cl2 ( 염소 ) 90~95 BCl3 ( 삼염화붕소 ) 90~95 유독성가스 HF ( 불화수소 ) 90~95 HCN ( 시안화수소 ) 85~90 As 화합물 85~90 Hg 화합물 85~90 Br 화합물 85~90 2) 적용분야이온교환스크러버는산성및염기성계무기배가스를배출하는공정에서특히효과를발휘할수있으며용수사용량이매우적으므로상하수도단가가높은공장입지에적용하면저렴한유지관리비용으로유해가스제거효율이높은설비를설치할수있다. - 반도체제조공장 - 하수및폐수처리장 - 음식물처리및건조설비 - 식품제조공장 - 금속제품제조및가공시설 - 산업용화학제품제조및가공시설 - 고무및플라스틱제품제조및가공시설 - 석유정제기타석유및석탄제품제조시설 - 비금속광물제품제조시설 - 종이및담배제품제조및가공시설 < 표 4. 적용실적 > 시설명시설용량적용가스처리효율 (%) 전력절감율 (%) 용수절감율 (%) A 반도체 500L/min HCl H 반도체 500L/min HCl, HF S 식품공업 60m³/min 악취

13 3) 기대효과이온교환필터를이용하여유해가스를제거하는이온교환스크러버는물을사용하여유해가스를직접제거하는습식스크러버에비해전기사용량은 36 75%, 용수사용량은 75 99% 이상을절감할수있어유지관리비용이저렴하므로대기오염방지시설투자비용을대폭감소시켜경제적으로도움이되며이온교환필터의탁월한물리화학적인흡착성능으로인한유해가스제거효율이 95% 이상으로뛰어나에너지절감및환경보호측면에서획기적인설비이다. 분진집진기능과가스흡수세정효과를겸하고있어환경분야및산업제조공정등에보편적으로사용되고있는세정식스크러버에비해경제성및효율성이우수하여비교우위를차지하므로연료및물부족국가인우리나라뿐만아니라세계적으로실시하고있는에너지절약대책에효과적으로기여하며보급및기술적파급효과가상당히크리라사료된다. 다만이온교환스크러버의성능향상을위해서는산성및염기성계열의유해가스제거효율보다상대적으로낮은제거율을보이고있는중성계열유해가스에대한연구와이를통한성능개선이필요하다.

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<4D F736F F F696E74202D20BFA5BFA1C0CCC6BC28BCBCB9CCB3AAB9DFC7A5C0DAB7E1292E707074> 단위사업장에서의유해가스와악취처리를위한 고효율이온교환스크러버및모니터링장치 (Ionic Exchange Scrubber with High Removal Efficiency and Real Time Odor Monitoring System) 2010. 6 김동수 / M.A.T Co.,Ltd. 순서 1. 환경법 2. 대기오염방지시설의선택과비교 3. 이온교환스크러버의소개