촉매산화공정을 이용한 VOCs(휘발성 유기화합물) 제거용 저압차 반응기 개발

김건래, 정종식

포항공과대학교 화학공학과

Development of active Wire-mesh honeycomb for VOCs(Volatile Organic Compounds) removal

in catalytic total oxidation

Gunrae Kim, Jong-shik Chung

Department of Chemical Engineering, POSTECH, Pohang, Korea

서론

과거 1세기 동안 지구는 유사 이래 어떠한 변화보다 더 큰 변화를 이루었으며, 그 중에서도 인구폭발과 도시집중, 공업발달 및 초고도 산업화에 따른 환경문제는 지구 스스로의 정화능력을 초과한지 이미 오래이다.  그 중에서도 황화합물(SOx), 질소산화물(NOx), 휘발성유기화합물 및 다이옥신 (Dioxin)등으로 인한 대기오염문제는 어느 한 지역의 국지적인 문제를 떠나 점차 국경을 초월하여 다른 나라에도 피해를 유발하는 장거리 월경오염물질로서 인류가 가장 화급하게 선결해야 할 문제로 대두되고 있다.

이론

Volatile Organic Compounds(휘발성 유기화합물; 이하 VOCs라 칭함)는 대기 중에서 태양광선에 의해 질소산화물과 광화학적 산화반응을 일으켜 그 결과 지표면의 오존농도를 증가시켜 스모그(Smog) 현상을 초래시키는 모든 유기화합물을 일컫는다.  대기로 방출되는 VOCs는 크게 나누어 자동차 등에서와 같은 유동성발생원과 고정성발생원이 있으며 고정성발생원으로는 각종 용제사용처, 석유화학산업, 유기화학산업, 철강산업, 식품산업, 폐수 및 폐기물처리산업, 농업 등으로 크게 분류할 수 있다.

VOCs 및 악취 등의 오염물질을 회수 또는 처리하는 기술로는 열소각 (Thermal oxidation), 촉매소각 (Catalytic oxidation), 흡수 (Absoption), 흡착 (Adsoption), 냉각응축 (Condensation), 생물학적처리 (Biofilter), 분리막처리 (Membrane separation)등이 있으며, 현재 널리 사용중인 VOCs 제거공정은 열소각 공정이 약 40%, 촉매소각 공정이 약 10%, 흡착 공정이 약 20%이며 기타공정이 나머지 부분을 차지하고 있다.  VOCs 함유 배기가스들은 대부분이 처리할 용량에 비해 저농도의 VOCs를 함유하고 있으며 단일성분 보다는 여러성분이 혼합되어 배출되고 있다.  또한 대부분의 배기가스는 염소화탄화수소 및 황화합물을 함유하고 있어 기존 처리공정의 사용에 많은 제약을 주고 있다.

일반적으로 유체속의 불순물을 반응 또는 흡착등의 방법에 의해 제거하는 방법에 있어서 반응용 고체 촉매나 흡착제를 Packed-bed 형태로 사용할 경우 유체의 압력 손실이 심해서 압력손실을 줄이기 위해 Honeycomb형태 또는 Monolith형태의 반응기를 사용한다.  그러나 Honeycomb이나 Monolith형태의 반응기들은 각각의 채널사이가 상호 밀폐되어 있어서 유량 흐름이 직각 방향으로는 상호 혼합이 불가능하여 대형장치인 경우 반경방향 (Radial direction)의 유향분배가 제대로 되지 않으며 또한 난류효과가 적어 반응물이 유체상에서 반응표면으로 이동하는 확산속도가 느려서 결과적으로 반응효율이 좋지못하기 때문에 반응기가 필요 이상으로 커져야 하는 단점이 있다.  따라서 이러한 단점을 보완하고 값싸고 쉽게 제작할 수 있으며 채널사이 유량흐름 (Cross flow)가 가능하여 상기 단점을 보완할 좀더 진보된 반응기의 개발이 필요하다.

본 연구진이 개발하고자하는 반응기의 장점은;

① 높은 열전달율로 인하여 thermal response가 좋다.

② 쉽게 구할 수 있는 재료라 재료비가 적게 든다.

③ 기존의 반응기와 비교해 단위 부피당 표면적이 커서 단위 부피당 활성이 증가하므로  반응기 크기를 줄일 수가 있다.

④ 표면이 평평하고 일직선의 채널로 구성된 기존의 반응기와는 달리 wire에 의해 구멍이 불규칙하고, 이로 인한 흐름저항으로 난류가 형성되어 물질전달 저항이 적어져 반응물의 확산속도가 빨라진다.

⑤ 반응물의 흐름이 흐름방향의 직각방향으로도 혼합이 잘 되므로 반응기 입구에서의  농도구배 문제가 없다.

⑥ 대형화 될수록 제작이 용이하다.

실험

1. Wire-mesh honeycomb의 제작

Wire-mesh honeycomb의 제작은 그림 1과 같은 과정으로 제작된다.

2. 촉매제조

촉매는 wire에 잘 붙이기 위한 binder와 support인 TiO2를 적당한 양의 H2PtCl6 용액과 함께 impregnation method에 의해 만든후, wire-mesh honeycomb reactor 위에 washcoating 함으로써 제조한다.

Washcoating 한 wire-mesh honeycomb을 110℃에서 건조시킨 후, 500℃에서 5시간 동안 소성한다.

3. 반응물

여러 가지 다양한 hydrocarbon을 반응물로 사용하였다.  인체에 발암물질로 알려진 Benzene을 비롯하여, alcohol류, linear hydrocarbon, 그리고 가장 산화되기 힘든 hydrocarbon으로 알려진 ethyl acetate를 다양한 조건에서 완전산화시켜 제거해 보았다.

그림 1.

결과 및 토론

다양한 반응물을 사용하여 시행한 wire-mesh honeycomb의 반응활성 test 결과는 그림 2이다.

사용한 모든 반응물에 대해서 상당히 좋은 활성을 보이기 때문에 기존에 소각장과 자동차의 배기가스를 처리하기 위해 사용되는 ceramic honeycomb과의 활성 비교실험을 n-heptane과 ethyl acetate를 사용하여 실험하였다.  그 결과는 그림 3과 같다.  실험 조건은 다음과 같다.

Catalyst = Pt/TiO2

Flow rate = 2000 cc/min                Concentration = 1000 ppm

WMH = Wire-Mesh Honeycomb        CH = Ceramic Honeycomb

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참고문헌

[1] J.A.Horsley, Catalytica Environmental Report No. E4, Catalytica Studies

Division, Mountain View, CA, USA, 1993

[2] M. Kosusko, C.M. Nunez, J. Air Waste Manage. Assoc. 40 (1990) 254

[3] G. Parkinson, Chem. Eng., July (1991) 37

그림 2. 다양한 hydrocarbon에 대한 wire-mesh honeycomb의 반응활성

그림 3. Wire-meshhoneycomb과Ceramic honeycomb의 활성 비교