액상 유기화합물의 처리방법

고온산화(열소각)

: 고온산화(열소각)방법은 배출가스 중 VOC를 함유한 공기를 포집해서 예열하고 잘 혼합한 후 고온으로 태워 VOC를 이산화탄소와 물로 전환시켜주는 공정

1. 고온산화장치는 보통 VOC 혼합가스를 이송시켜주는 송풍기, VOC 혼합가스를 혼합시켜 주는 혼합기, 필요에 따라 연소용 연료를 공급해 주는 송풍기, 버너와 내화방으로 구성되어 있는 연소실, 열화수장치, 그리고 연소가스를 대기 중으로 배출시키기 위한 굴뚝으로 되어 있다.

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2. VOC의 연소 상태 등을 알기 위해 연소온도를 연속으로 측정하는 장치들도 필요하다.

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3. 열소각에서는 보통 650 ~ 870℃ 정도의 연소온도를 유지시켜 주기 위해 가스나 기름 등 보조연료가 사용되기도 한다. 저농도 VOC를 함유한 배출가스는 연소 온도를 유지하는 데 필요할 정도로 충분한 반응열이 없어 이들을 산화시키기 위해 보조연료가 필요하다. 그리고 배출가스 중 VOC의 농도가 높으면 폭발방지를 위한 설비를 설치하여야 한다.

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4. 열화수장치는 연소 전에 VOC 함유가스를 예열해주기 위해 열소각장치와 함께 설치하기도 한다. 유입가스를 예열해 주면 연소온도를 유지시키기 위해 사용되는 보조연료의 양을 줄일 수 있다.

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5. 열소각에서 연소온도 이외에 VOC 분해효율에 영향을 미치는 요인으로는 체류시간과 혼합 정도가 있다. 체류시간은 VOC가 완전 산화되는데 필요한 시간이며 보통 0.5 ~ 1초정도이다. 만일 염소와 불소 등 할로겐 화합물이 존재하면 더욱더 긴 체류시간이 필요하다. 체류시간은 VOC 함유 가스 혼합정도에 영향을 받는다. 즉 혼합이 더욱더 완전하면 체류시간을 짧게 해도 VOC를 완전히 산화시킬 수 있다.

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6. 열소각에는 열화수장치가 있는 경우와 없는 경우가 있고 열회수장치가 있는 경우도 열을 회수하는 방법에 따라 크게 열교환방법과 재생방법이 있다.

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7. 열교환장치는 폐열을 대기로 방출하기 전에 열회수를 위해 향류나 병류의 다관식 열교환기를 사용하여 열을 회수하는 장치이다.

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8. 재생 장치는 세라믹 등 축열재를 사용해서 열을 회수하는 것이다. 이러한 축열식 소각의 개념은 연소실에서 나오는 고온의 연소가스를 축열재층을 통과시켜 가지고 있던 열을 축열재로 빼앗아 가스를 저온의 상태로 소각로 굴뚝을 통해 배출한다. 이때 다음 사이클에서 소각로로 유입되는 VOC 함유가스는 이미 예열된 축열재층을 통과하면서 연소실 온도보다 약간 낮은 온도까지 예열된 후 연소실을 통과하면서 버너에 의해 최종 연소 온도까지 가열된다. 결과적으로 이러한 열회수장치가 있는 열소각은 보조연료가 필요한 낮은 VOC 농도의 배출가스를 처리하는데 적합하다.

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촉매산화(촉매소각)

1. VOC 함유가스를 포집해서 예열하고 혼합후 촉매가 충전된 연소실에서 고온으로 연소시켜 VOC를 이산화탄소와물로 전환시킨다. 그러나 연소실 내에 있는 촉매가 VOC 연소에 필요한 활성화 에너지를 낮춰주기 때문에 열소각보다 낮은 온도에서 연소가 일어난다. 결과적으로 촉매산화에서 연료비는 열소각장치보다 훨씬 적어질 수 있다.

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2. 촉매산화에 사용되는 촉매로는 백금이나 필라듐 같은 귀금속과 크롬산화물, 코발트산화물, 구리산화물, 망간산화물 등과 같은 금속산화물 등이 있다. 촉매의 수명은 평균 2년에서 5년정도로 이후는 초개활성이 떨어지며 배출가스와 함께 나오는 미세입자에 의해 기공(Pore)이 막히거나 열에 의한 노화로 촉매성능이 급격히 저하된다. 촉매를 연소실에 정착하는 방법으로는 입자상의 촉매를 충전시키거나 벌꿀집 형태(Honeycomb Type) 촉매 지지체에 촉매를 함침시켜 사용한다.

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흡착

1. 활성탄은 VOC를 제거하기 위해 현재 가장 널리 사용되고 있는 흡착제이다. 활성탄 이외의 흡착제로는 실리카겔, 알루미나, 제오라이트 등이 있다. 활성탄의 제조원료로는 나무, 석탄, 또는 코코넛 열매와 같은 탄소함유 물질을 사용하며 종류로는 분말탄, 입상탄 그리고 섬유상 활성탄 등이 있다. 탄소 흡착제는 휘발성의 비탄소 성분을 제거하거나 표면적을 증가시키기 위해 특수 조건하에서 고온으로 원료물질을 가열해 줌으로써 활성화시켜 제조한다. 이 중 입상 호라성탄은 충분히 넓은 표면적을 갖고 압력강하가 적으면서 흡착된 VOC를 비교적 쉽게 회수할 수 있어 가장 널리 사용되고 있다.

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2. 분말탄은 값은 싸지만 입상탄보다 질이 떨어지고 충전탑에 사용할 때 압력강하가 너무 크기때문에 사용에 많은 제한이 있다. 또한 분말탄은 거의 재생할 수 없어 사용 후 폐기하여야 한다.

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3. 섬유상 활성탄은 최근에 많은 각광을 받ㄷ고 있는 흡착제이다. 섬유상 활성탄은 기공 크기가 미세공으로만 이루어져 있으며 흡착 부분이 섬유표면으로부터 직접 미세공으로 연결되어 있어 흡착과 탈착 속도가 빠르다. 그리고 벌꿀집 구조나 판형 등 여러 모양으로 만들 수 있어 표면을 최대한 사용할 수 있는 장점이 있다.

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4. 탄소흡착제에는 휘발성이 높은 VOC(분자량이 40이하)는 흡착이 잘 안되며 비휘발성물질 분자량 130 이상이거나 비점이 150℃ 보다 큰 경우)은 탈착이 잘 안되기 때문에 효율적이지 못하다. 탑 내의 과도한 열축적을 피하기 위해서 활성탄 흡착탑에는 농도가 1만ppmv를 초과하지 않는 것이 좋다.

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5. 제오라이트는 탄소흡착제보다 다양한 특성을 갖는 대체물로 점차 각광을 받고 있다. 제오라이트는 화산암으로부터 자연적으로 얻거나 인공적으로 합성할 수 있는 수소화규산염이다.

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흡수

: 흡수는 기체와 액체가 향류 또는 병류로 접촉해서 VOC 함유기체로부터 VOC가 액상 흡수제로 전달되는 공정

1. 물질 전달의 구동력은 기체와 액체간의 VOC 농도 구배이다. 보통 흡수제로는 물, 가성소다 용액, 암모니아 또는 고비점 탄화수소 등이 있다.

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2. 흡수제의 선택은 VOC의 특성에 따라 달라지며 예를 들면 VOC가 수용성이면 물이 좋은 흡수제가 될 수 있다.

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3. 흡수장치는 보통 기체와 액체가 향류로 접촉되지만 병류와 교차 흐름도 가능하다. 흡수장치로는 아래 4가지 종류가 주로 사용되고 있다.

1) 충전탑

2) 분무탑

3) 벤츄리 스크러버

4) 다단탑

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4. 충전탑은 탑 내에 금속, 세라믹 또는 플라스틱 재료로 된 불규칙 충전물이나 규칙 충전물로 채워져 있다. 액체는 기체와의 접촉면적을 크게하기 위해 탑정에서 고르게 분산시켜 주며 분산된 액체는 충전물의 표면에 얇은 필름을 형성하면서 아래로 흐르게 된다.

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5. 분무탑은 충전물 등을 사용하지 않고 VOC 함유기체가 액체 흡수제의 아주 작은 액적과 접촉되면서 물질전달이 일어난다. 이때 작은 액적은 VOC가 흡수되는데 필요한 표면적을 최대로 해준다. 분무탑은 기체와 액체의 접촉시간이 짧아 암모니아나 이산화황 같이 물에 용해력이 큰 기체를 처리하는데 적합하다.

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6. 벤츄리 스크러버는 벤츄리노즐에서 VOC 함유기체와 흡수제를 강제로 접촉시켜 VOC를 처리하는 방법이다. 벤츄리 스크러버도 기체와 액체의 접촉시간이 짧기 때문에 분무탑과 비슷하게 대부분의 VOC보다는 액체에 용해력이 큰 기체를 처리하는데 적합하다.

 

7. 다단탑은 접촉시간이 비교적 길고 각 단에 있는 액체에 기체가 고르게 분산되어 흡수탑으로 많이 사용되고 있다. 흡수는 흡수제와 흡수된 VOC의 반응성 여부에 따라 물리흡수와 화학흡수의 둘로 나눌 수 있다.

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냉각응축

: 냉각응축은 냉각조작에 의해 비응축성 가스로부터 VOC를 분리해주는 공정

1. 직접응축기는 응축시켜야 할 기체가 냉매와 직접 접촉 혼합되면서 열적. 물리적 평형이 이루어지는 것으로 분무탑형이나 단탑형이 있다.

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2. 간접응축기는 주로 다관식 열교환기 형태로 관 내로 냉매를 통과시켜 관 외부를 지나는 가스를 응축시켜 준다.

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3. VOC를 응축시키는데 사용되는 냉매는 주로 냉수, 브라인, 염화불화탄소(CFC), 저온유체 등이 있으며 이들 냉매의 사용온도는 보통 냉수는 7℃, 브라인 -35℃, 염화불화탄소는 -68℃ 등이다. 질소나 이산화탄소와 같은 저온유체는 온도를 -195℃까지 내릴 수 있다.

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생물학적 처리

: 미생물을 이용해서 VOC를 이산화탄소, 물 그리고 무기질로 변환시켜주는 공정

1. 생물학적 처리에는 바이오필터가 사용되는데 모든 바이오필터는 VOC를 무해한 물질로 변환시켜 주는 미생물을 포함하고 있는 흙이나 퇴비를 충전재로 사용한 장치이다.

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2. 탑은 대기와 밀폐되어 있거나 개방되어 있으며 한개 또는 여러 개의 탑이 사용될 수 있다.

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3. 바이오 필터 장치에서 VOC 함유기체는 먼저 먼지를 제거하고 냉각시킨 후 필요하면 가습시켜 송풍기에 의해 탑저로 유입시킨다.

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4. 탑에는 배양된 미생물들이 있으며 활성탄, 알루미나 등을 포함할 수 있다. 여기서 사용되는 미생물은 처리하고자 하는 VOC의 종류에 따라 달라지며 VOC 분해속도 역시 VOC 종류에 따라 다르다. 예를 들면 알데히드, 케톤, 알코올, 에테르나 유기산 등은 분해속도가 빠르며 할로겐 화합물은 분해속도가 느리다.

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5. VOC 함유기체는 먼지를 제거하고 냉각과 가습을 시켜주어야 하는데 이런 전처리 조작은 탑의 운전에 매우 중요하다. 배출가스 중의 먼지는 탑 내에 공극을 막아 VOC 분해효율을 감소시킨다. 가장 준요한 전처리인 가습은 탑의 균열 및 미반응 VOC가 대기 중으로 빠져나가는 것을 막아준다.

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분리막 기술

: 반투과성 막을 사용하여 배출가스로부터 VOC를 선택적으로 분리하는 공정

1. 막은 오랫동안 식용수를 처리하는 데 사용되어 왔으며 이를 VOC 처리에 적용시키고자 하는 기술은 최근의 일이다.

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2. 분리막 기술은 염소계 탄화수소나 염화불화탄소 등 과거에 회수하기 어려웠던 기체들을 회수하는데 효과적이다.

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3. 반투과막은 합성 고분자로 만들며 분리시 구동력은 막 사이의 압력차를 이용한다.

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4. 진공펌프를 사용하여 막모듈 내의 압력을 낮게 유지해주며 VOC 함유 기체를 막을 통과시켜면 VOC만 막을 통과하고 공기는 통과하지 못해 결국 VOC와 공기가 분리된다.

 

 

액상 유기화합물의 처리방법