KR20080057825A

KR20080057825A - 소화 가스에 함유된 황화수소 제거용 활성탄 흡착제 제조방법

Info

Publication number: KR20080057825A
Application number: KR1020060131588A
Authority: KR
Inventors: 이종규; 전재호; 정병기
Original assignee: 재단법인 포항산업과학연구원; 한국전력공사
Priority date: 2006-12-21
Filing date: 2006-12-21
Publication date: 2008-06-25
Also published as: KR101281283B1

Abstract

본 발명은 하수 슬러지 처리 과정에서 발생되는 소화 가스에 포함된 황화 수소를 제거하기 위해 사용되는 황화 수소 제거용 활성탄 흡착제의 제조 방법에 관한 것으로, 본 발명의 활성탄 흡착제 제조 방법은 비표면적이 500㎡/g 이상인 활성탄 표면에 수산화제일철을 5 내지 10% 포함하는 수용액을 도포하는 단계와, 상기 활성탄 표면에 도포된 수산화제일철 수용액을 공기 분위기에서 400 내지 600℃로 열처리하여 상기 수산화제일철을 황화 수소와 반응하는 산화제일철로 전환시키는 단계를 포함하여 이루어진다.

본 발명은 소화 가스에 함유된 황화 수소를 제거하는데 사용되는 산화제일철을 미세 입자 형태로 활성탄 담체 표면에 도포한 활성탄 흡착제를 사용함으로써, 산화제일철의 이용률을 높이고, 흡착탑의 부피를 줄여 소화 가스 처리 용량을 증가시키는 효과를 가져왔다.

탈황, 활성탄, 소화 가스

Description

소화 가스에 함유된 황화수소 제거용 활성탄 흡착제 제조 방법{PREPARATION OF ACTIVATED CARBON CATALYST FOR HYDROGEN SULFIDE REMOVAL}

본 발명은 하수 슬러지 처리 과정에서 발생하는 소화가스에 함유되어 있는 황화 수소를 제거하는 활성탄 흡착제 제조 방법에 관한 것이다.

하수 슬러지는 생활 하수, 오폐수의 정화 과정에서 발생하는 침전물을 말하는 것으로, 최초 침전지와 최후 침전지에서 침전된 하수 슬러지는 배관을 통해 농축조로 보내지고, 상기 농축조에서 농축되어 부피가 줄어든 농축 슬러지는 다시 소화조로 이동하게 된다. 소화조는 슬러지의 안정화와 부피 감소를 위해 상기 슬러지에 함유되어 있는 유기물을 분해하는 곳으로, 상기 소화조에서는 미생물에 의해 상기 유기물이 분해, 제거되는 소화 반응이 일어난다. 한편, 상기 소화 반응에 의해 유기물이 분해되는 과정에서 메탄, 이산화탄소, 황화 수소 등을 포함하는 소화 가스가 발생하게 되는데, 소화 가스에 포함된 메탄은 연료로 사용될 수 있다. 따라서, 최근 소화 가스를 이용하여 전기를 생산하는 소화 가스 발전이 많이 이용되고 있다. 소화 가스를 이용한 발전은 하수를 이용해 에너지를 생산한다는 측면에서 자 원 재생적이고 친환경적인 대안적 에너지로 인식되고 있다. 그러나 황화 수소가 포함되어 있는 소화 가스를 그대로 사용할 경우, 황화 수소로 인해 소화가스 발전 설비의 단위 부품이 손상되어 발전 효율이 떨어지고, 설비 유지 비용이 증가한다는 문제점이 발생한다. 따라서, 소화 가스를 발전 설비에 투입하기 전에 소화 가스로부터 황화 수소를 제거하는 탈황 공정이 수행되어야 한다.

종래에는 이를 위해 로드 타입의 산화철 흡착제를 흡착탑에 충진하여 사용하였다. 그러나 산화철과 황화수소의 반응은 표면 반응이기 때문에, 로드 타입의 산화철 흡착제를 사용할 경우, 산화철 흡착제의 표면에서 반응이 완료되면, 내부의 산화철 흡착제는 사용할 수 없게 되어, 산화철 흡착제의 무게당 황화 수소 제거율이 매우 저조하고, 비용이 높다는 문제점이 있었다. 또한, 반응에 관여하지 않는 부분을 가진 산화철 흡착제를 충진함으로써 흡착탑의 부피가 필요 이상으로 커져 대용량의 가스를 처리하는데 어려움이 있었다.

한편, 미국 특허 제6017507에는 황화 수소를 제거하는 또 다른 방법으로 활성탄 촉매를 이용하는 방법이 기재되어 있다. 상기 특허에 기재된 활성탄 촉매는 기공 부피가 50~70cm³/100g인 알루미나와 활성탄과 같은 흡착제의 표면에 산화성 촉매인 Ni, Co. Fe등을 도포하여 제조되며, 상기 산화성 촉매에 의해 황화 수소를 산화시키는 방법으로 황화 수소 제거가 이루어진다. 그러나 상기 특허에 기재된 방법으로 황화 수소를 제거하기 위해서는, 산화 반응 온도로 80 ~100℃의 고온이 요구 되어 상온에서는 H₂S를 제거할 수는 없는 단점이 있다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해, 비표면적이 큰 활성탄 표면에 미세 입자의 산화철을 도포한 활성탄 흡착제를 사용하여, 상온에서 산화철의 이용 효율을 높이고, 흡착제의 부피를 줄이며, 상온에서 황화 수소를 제거할 수 있도록 함으로써, 경제적이고 친환경적인 소화가스 발전이 이루어질 수 있도록 하는 것을 그 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은 비표면적이 큰 활성탄의 표면에 수산화제일철 수용액을 도포하는 단계와, 상기 수산화제일철이 도포된 활성탄을 공기 분위기에서 열처리하여 상기 수산화제일철을 산화제일철로 전환시키는 단계;를 포함하여 이루어진 황화 수소 제거용 활성탄 흡착제 제조 방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 비표면적이 500㎡/g 이상인 활성탄 표면에 수산화제일철을 5 내지 10% 포함하는 수용액을 도포하는 단계와, 상기 수산화제일철이 도포된 활성탄을 공기 분위기에서 400 내지 600℃로 열처리하여 상기 수산화제일철을 황화 수소와 반응하는 산화제일철로 전환시키는 단계를 포함하여 이루어지는 황화 수소 제거용 활성탄 흡착제 제조 방법을 제공한다.

이하, 본 발명의 황화 수소 제거용 활성탄 흡착제 제조 방법을 구체적으로 살펴보기로 한다.

(1) 수산화제일철 수용액 도포 단계

활성탄 표면에 수산화제일철 수용액을 도포한다. 상기 수용액에 포함되어 있는 수산화제일철은 활성탄 표면에 존재하는 산소 관능기와 반응하여 활성탄 표면에 흡착되게 된다.

이때 상기 활성탄은 비표면적이 500㎡/g 이상인 것이 바람직하다. 이는 활성탄에 도포되는 수산화제일철의 함량을 최대화하고, 적은 양의 산화철로 최대한의 황화 수소를 제거할 수 있도록 하기 위함이다. 비표면적이 500㎡/g 보다 적을 경우에는 산소 함유 관능기의 양이 적어 수산화제일철이 반응할 수 있는 활성점의 부족하게 되고, 그 결과 활성탄 표면에 부착되는 수산화제일철의 양이 감소하게 되기 때문이다. 활성탄의 비표면적은 클수록 좋으나, 비표면적이 너무 큰 경우에는 산소 함유 관능기 간의 상호 작용으로 인하여 수산화제일철의 함유량이 한정되기 때문에 경제적인 이유에서, 본 발명의 활성탄의 비면적은 500 내지 1500㎡/g인 것이 바람직하다.

또한, 상기 수산화제일철 수용액은 수산화제일철을 5 내지 10% 농도로 포함하는 것이 바람직하다. 상기 농도의 범위는 활성탄 담체 표면에 존재하는 산소 관 능기와 수산화제일철의 반응성을 최적화하기 위한 것으로, 수산화제일철의 농도가 5% 미만인 경우에는 활성탄 표면의 산소함유 관능기와 수산화제일철간의 화학 반응이 활발하지 못해 활성탄 표면에 흡착되는 수산화제일철의 양이 적어지게 되고, 10%를 초과하는 경우에는 수산화제일철 간의 상호작용으로 인해, 수산화제일철과 산소 함유 표면관능기와의 반응보다 수산화제일철간의 응집이 더 잘 일어나게 되기 때문이다.

(2) 열처리 단계

수산화제일철이 도포된 활성탄을 공기 분위기 하에서 열처리한다. 본 열처리 단계는 활성탄 표면의 수산화제일철을 산화철로 전환시키기 위한 것으로, 열처리에 의해 활성탄 표면의 수산화제일철이 공기 중의 산소와 반응하여 산화제일철로 전환되게 된다. 상기 산화제일철은 황화 수소와의 반응성이 우수하다는 특징을 가지고 있다. 따라서 본 발명은 열처리를 통해 수산화제일철을 황화 수소와의 반응성이 좋은 산화제일철로 전환시킴으로써, 별도의 에너지 공급 없이 상온에서 황화 수소 제거 공정이 이루어질 수 있도록 하였다.

산화철과 황화 수소의 반응은 다음 식으로 표현된다.

H₂S +Fe₂O₃→ Fe₂S + H₂S + H₂O + O₂

이때 상기 열처리 온도는 400 내지 600℃인 것이 바람직하다. 상기 열처리 온도가 400℃ 미만인 경우에는 산소함유 표면관능기와 수산화제일철간의 반응이 저조하여 활성탄 표면에 흡착되는 수산화제일철의 양이 적어지고, 600℃를 초과하는 경우에는 활성탄 표면의 열분해에 의하여 산소함유 표면 관능기를 잃어버리게 되기 때문이다.

상기와 같은 방법으로 제조된 활성탄 흡착제를 이용하면, 황화 수소와 접촉하는 산화철의 표면적이 현저하게 증가하게 되어 무게당 황화 수소 제거율이 크게 증가하게 되고, 산화철이 미세 입자 형태로 도포되어 있어 표면 반응으로 인해 사용하지 못하게 되는 미반응 산화철이 거의 발생하지 않게 된다. 또한, 흡착탑의 부피가 줄어들어 가스처리용량이 증가한다는 장점이 있다. 또한, 열처리 공정을 이용하여, 수산화제일철을 산화철로 전환시킴으로써, 별도의 에너지 공급 없이 상온에서 황화 수소 제거 과정을 수행할 수 있다는 장점이 있다.

이하, 구체적인 실시예를 통해 본 발명을 좀더 자세히 설명하고, 본 발명에 의해 제조된 활성탄 흡착제가 우수한 성능을 가지고 있음을 보이도록 하겠다. 다만, 하기 실시예는 본 발명의 일례에 불과하므로 하기 실시예에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.

[실시예 1]

비표면적이 700㎡/g 인 활성탄의 표면에 수산화제일철을 7% 농도로 함유한 수용액을 도포한 후, 500℃, 공기 분위기 하에서 열처리하여 황화 수소 제거용 활성탄 흡착제를 제조한다.

[실시예 2]

비표면적이 1000㎡/g 인 활성탄의 표면에 수산화제일철을 10% 농도로 함유한 수용액을 도포한 후, 500℃, 공기 분위기 하에서 열처리하여 황화 수소 제거용 활성탄 흡착제를 제조한다.

[실시예 3]

비표면적이 1500㎡/g 인 활성탄의 표면에 수산화제일철을 10% 농도로 함유한 수용액을 도포한 후, 550℃, 공기 분위기 하에서 열처리하여 황화 수소 제거용 활성탄 흡착제를 제조한다.

[비교예 1]

비표면적이 1000㎡/g 인 활성탄의 표면에 수산화제일철을 6% 농도로 함유한 수용액을 도포한 후, 400℃, 공기 분위기 하에서 열처리하여 황화 수소 제거용 활성탄 흡착제를 제조한다.

[비교예 2]

비표면적이 200㎡/g 인 활성탄의 표면에 수산화제일철을 10% 농도로 함유한 수용액을 도포한 후, 600℃, 공기 분위기 하에서 열처리하여 황화 수소 제거용 활성탄 흡착제를 제조한다.

[비교예 3]

비표면적이 1000㎡/g 인 활성탄의 표면에 수산화제일철을 3% 농도로 함유한 수용액을 도포한 후, 550℃, 공기 분위기 하에서 열처리하여 황화 수소 제거용 활성탄 흡착제를 제조한다.

[시험예]

상기 실시예 및 비교예에 의해 제조된 활성 흡착제에 1000ppm의 황화 수소를 통과시킨 후, 남아 있는 황화 수소의 함량으로 황화수소 제거율을 측정하였다. 하기 <표 1>에 측정 결과를 기재하였다.

<표 1>

	황화수소 제거율
실시예 1	95%
실시예 2	97%
실시예 3	99%
비교예 1	85%
비교예 2	76%
비교예 3	87%

<표 1>에 도시된 바와 같이, 본 발명을 이용하여 활성탄 흡착제를 제조하면, 그렇지 않은 경우에 비해 황화 수소 제거율이 현저하게 증가함을 알 수 있다. 따라서 본 발명에 의한 활성탄 흡착제를 이용하여 소화 가스 중의 황화 수소를 제거할 경우 제거되는 황화 수소의 양의 크게 늘어, 발전 설비의 손상을 최소화할 수 있으며, 무게당 황화 수소 제거율이 높아 산화철 사용량을 줄일 수 있기 때문에 흡착탑의 부피가 줄고, 그 결과 대용량의 가스를 처리할 수 있게 된다는 장점이 있다.

본 발명은 비표면적이 큰 활성탄에 산화철 입자를 도포함으로써 적은 양의 산화철로도 황화 수소를 효과적으로 제거할 수 있도록 하여 경제성을 높였다.

또한, 본 발명은 수산화제일철이 5~10% 포함된 수용액을 사용함으로써, 활성탄 표면에 존재하는 산소 표면 관능기와 수산화제일철의 반응성을 최적화하였다.

또한, 본 발명은 공기 분위기하에서 400 내지 600℃의 온도로 열처리하는 단계를 거쳐 상기 활성탄 표면에 도포된 수산화제일철을 산화제일철로 전환시킴으로써, 황화 수소를 상온에서, 용이하게 제거할 수 있도록 하였다.

또한, 본 발명은 소화 가스에 함유된 황화 수소를 제거하는데 사용되는 산화제일철을 미세 입자 형태로 활성탄 담체 표면에 도포하여 사용함으로써, 산화제일철의 이용률을 높이고, 흡착탑의 부피를 줄여 소화 가스 처리 용량을 증가시키는 효과를 가져왔다.

또한, 본 발명은 산화철이 도포된 활성탄 흡착제를 사용하여 소화 가스에 함유된 황화 수소를 효과적으로 제거함으로써, 황화 수소로 인한 발전 설비의 손상을 방지하고, 유지 비용을 절감하여 친환경적이고, 경제적인 대체 에너지 사용이 가능하도록 하였다.

Claims

비표면적이 큰 활성탄의 표면에 수산화제일철 수용액을 도포하는 단계;

상기 수산화제일철이 도포된 활성탄을 공기 분위기에서 열처리하여 상기 수산화제일철을 산화제일철로 전환시키는 단계;를 포함하여 이루어지는 황화 수소 제거용 활성탄 흡착제 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 활성탄의 비표면적은 500㎡/g 이상인 것을 특징으로 하는 황화 수소 제거용 활성탄 흡착제 제조 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 수산화제일철 수용액은 수산화제일철의 농도가 5 내지 10%인 것을 특징으로 하는 황화 수소 제거용 활성탄 흡착제 제조 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 열처리 온도는 400 내지 600℃인 것을 특징으로 하는 황화 수소 제거용 활성탄 흡착제 제조 방법.
비표면적이 500㎡/g 이상인 활성탄 표면에 수산화제일철을 5 내지 10% 포함하는 수용액을 도포하는 단계;

상기 수산화 제일철이 도포된 활성탄을 공기 분위기에서 400 내지 600℃로 열처리하여 상기 수산화제일철을 산화제일철로 전환시키는 단계;를 포함하여 이루어지는 황화 수소 제거용 활성탄 흡착제 제조 방법.