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이온교환섬유를 이용한 유해가스 제거장치

이온교환스크러버

김동원

(주)엔코코 대표이사

1. 머리말 최근들어 한층 더 대두되고 있는 "생활 환경의 질" 과 "삶의 질" 에 대한 요구와 수요는 그동안 개발이라는 명제 앞에 가리워진 피폐해진 환경의 복구와 개선을 통해 깨끗한 환경으로의 회귀라는 본능적 결론에 대한 갈망이라 생각된다. 대기오염, 수질오염, 토양오염, 각종 쓰레기 및 폐기물에 의한 오염, 지하수 오염 등 인간의 경제적 활동에 따른 이러한 인위적인 오염원들은 적절한 제어를 통해 정화시키지 아니하면 최종적으로 우리의 삶을 파괴 할 수 밖에 없다.

이중에서 대기오염에 대한 제어는 다른 오염원들과 비교해서 볼 때 가시적인 현상으로 판단하기 어렵기 때문에 대기오염에 대한 현상을 간과하여 더욱 피해가 클 수 밖에 없는 실정이다. 산업생산활동 각 공정에서 발생하는 각종 유해가스는 그 종류도 다양하며 인체에 미치는 영향도 다양하여 적절한 제어 및 정화기술을 적용하기가 어려운 실정이다. 이러한 유해가스는 주로 악취(offensive odor), 휘발성 유기화합물(VOCs), 유독성 가스 등으로 구분 할 수 있으며 그동안 이의 제어 및 정화기술들이 많이 개발되어 적용되어오고 있지만 충분한 제거효율을 보장할 수 없다는 것과 유지 관리가 어렵고 또한 유지관리비가 많이 소요 되는 등 경제성이 떨어지는 현실이라 볼 수 있다.

따라서 이러한 문제점들을 보완하기 위해서 새로운 개념의 유해가스 제어 및 정화기술인 이온교환섬유를 이용한 반건식스크러버(이온교환스크러버)가 개발되었으며 이는 기존의 유해가스 제어 및 정화기술을 대체할 수 있는 고효율 저비용의 설비라 할 수 있다.

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2. 국내외 유해가스 제거설비의 현황

1) 국외현황

1990 년도 중반 까지 일본에서는 악취제거 설비로 흡착법과 약액 흡수법을 가장 많이 설치하여 사용하고 있었으나 1996 년 이후 부터는 미생물탈취법의 설치 추세가 많이 증가하고 있는 실정으로 이는 설비의 운영상에 있어 운전비용의 경제성과 아울러 2 차 오염물질의 발생이 적은 친환경성이 우선시 되었기 때문이다.

최근에는 일본의 D 사 플랜트 건설에서 이온교환섬유를 부직포로 가공하여 물을 거의 사용하지 않고 오염물질을 제거하는 [드라이 가스 스크러버]를 개발하여 반도체공장 및 일반산업체에 수만대의 보급실적을 가지고 있으며, 현재 일본내 에너지절약 진단(TPK-ESCO) 사업에 적용되어 환경기초시설 투자에 따른 에너지절감으로 경쟁력을 강화하고 있다.

앞으로 악취 및 휘발성유기화합물(VOCs) 그리고 각종 유독성가스에 대한 환경법의 강화가 예상되어 지는 우리의 경우도 일본의 이러한 경향을 따를 것으로 본다.

2) 국내현황 현재 악취 및 휘발성유기화합물(VOCs) 그리고 각종 유독성가스 배출 산업현장에서 활용하고 있는 유해가스 제거용 대기오염방지시설은 주로 흡수 및 흡착의 원리를 이용한 Wet Scrubber 와 Activated Carbon Tower 그리고 소각의 원리를 이용한 RTO(regenerative thermal oxidation)와 RCO(regenerative catalystic oxidation) 등이 있으며 최근들어서는 친환경 개념의 Bio Filter 가 적용되어오고 있으나 이온교환섬유를 이용한 이온교환스크러버를 사용한 경우는 없으며 제거효율의 지속성, 용수 및 전력사용량, 연료사용량, 산화제 및 촉매제 등의 약품비 그리고 폐기물 및 폐수처리 비용 등의 개선의 여지가 많은 실정으로 에너지 절약 및 향후 점차 강화되어질 환경법의 준수를 통한 경쟁력 확보를 위한 보다 경제적인 설비의 필요성이 강조되고 있다.

<표 1. 국내 유해가스 제거방식의 비교>

방 식 설 비 명 원 리 특 징

연소법 축열식 연소장치 축열재에 의해 열교환율을 높여 연소

-설비의 복잡 -설비비가 높다 -운전비가 고가 -다양한 화합물 적용가능 -설치면적이 넓다 -유지관리가 어렵다 -제거효율이 높다

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방 식 설 비 명 원 리 특 징

촉매 연소장치 촉매에 의해 250∼350 C 의 저온으로 산화분해

-설비의 복잡 -설비비가 높다 -대용량에 부적합 -폭발의 위험성 -운전비의 고가 -유지관리가 어렵다 -제거효율 높다 연소법

직접 연소장치 약 800 C 로 가열 연소분해

-설비의 복잡 -설비비가 높다 -운전비의 고가 -유지관리가 어렵다 -광범위한 유기용제 제거 -제거효율 보통

흡수법 세정식 스크러버 물, 산, 알카리, 산화제의 수용액에 의한 화학반응

-유지관리가 어렵다 -약품 및 용수사용이 많다 -화학폐수의 다량발생 -설비의 부식 -제거효율 보통

흡착법 활성탄 흡착탑 흡착제에 의한 물리적 흡착

-설비가 간단 -실적이 많다 -다양한 화합물 적용 가능 -고농도에는 비경제적 -활성탄 교체주기가 짧다 -폐활성탄 발생 -제거효율 보통

미생물법 바이오 필터 미생물에 의한 산화분해 (미생물 담체)

-친환경적 -설치면적이 넓다 -설비비가 높다 -2차 오염물질 발생이 없다-유지관리비가 적다 -제거효율 우수

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3. 이온교환섬유의 개요

이온교환섬유는 1935 년 영국의 B.A. 애덤스와 F.L. 홈스에 의해 다가(多價) 페놀과 포름알데히드를 축합시킨 섬유가 양이온을, m-페닐렌디아민과 포름알데히드를 축합시킨 섬유가 음이온을 교환하는 것이 발견된 이래, 물속에 있는 각종 이온을 제거할 수 있다는 사실이 밝혀져 최근까지 주로 수질분야에서 이온교환수지 형태로 불순물 제거, 경수 연화, sucrose·물엿·알코올·유지·가스 등의 정제 및 각종 이온의 분리추출(회토류원소·초우라늄원소 등의 분리추출, 비타민·알칼로이드·아미노산 등의 추출정제) 외에 미량물질의 정량, 이온의 치환 또는 촉매, 크로마토그래피 분석 방면 등에 매우 광범위하게 응용되어 왔다.

이온교환섬유는 다양한 방법에 의해 제조되고 있으나 본 설비에서의 제조 방법은 방사선을 조사하여 라디칼을 형성시킨 부직포에 그라프트 중합법에 의해 제조하며이온교환섬유에는 양이온 및 음이온교환섬유 두 종류가 있고 양이온교환섬유는 염기성 가스를 음이온교환섬유는 산성가스를 효과적으로 제거한다.

이러한 이온교환스크러버의 중요한 특징은 다음과 같다.

첫 번째 특징은 물리적 흡착과 화학적 흡착이 동시에 이루어진다는 것으로 연구결과 물리적 흡착제인 활성탄이나 실리카겔에 비해 흡착능력이 2∼4배 가량 높은 것으로 확인되었다.

<그림 1. 이온교환섬유의 화학 및 물리적 흡착력>

<참고자료:한국원자력연구소 동위원소 방사선 응용 연구팀>

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<그림 2. 각종 흡착제의 흡착능력 비교>

<참고자료:한국원자력연구소 동위원소 방사선 응용 연구팀>

두 번째 특징으로는 여러번 재생 반복사용할 수 있다는 점으로 이는 물리화학적 흡착성능이 파과점(Break Point)에 다다를 시점에 주기적으로 재생액을 공급하여 줌으로써 흡착성능의 저하를 막아 효율을 지속적으로 유지 할 수 있다.

<그림 3. 재생횟수에 따른 암모니아 흡착량과 이온교환섬유 감소율>

<참고자료:한국원자력연구소 동위원소 방사선 응용 연구팀>

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4. 이온교환스크러버의 원리 및 구조

1) 원리 이온교환스크러버의 유해가스 제거는 이온교환필터의 물리화학적 흡착반응과 재생액에 의한 이온교환필터의 탈착반응의 연속적인 반응메카니즘에 의한다.

<그림 4. 이온교환섬유의 반응 메커니즘>

◆ 음이온 교환필터를 사용시

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)

◆ 양이온 교환필터를 사용시

P – SO3H + NH3 P – SO3NH4 (흡착반응)

2P – SO3NH4 + H2SO4 2P – SO3H + (NH4)2SO4 (탈착 / 재생반응)

2) 구조 이온교환스크러버는 몇 개의 이온교환섬유를 연결하여 카트리지 형식으로 만든 이온교환필터가 내부에 장착되어 있으며 유해가스가 내부로 이송되어 이온교환필터를 통과하는 사이에 물리화학적 흡착의 원리에 의해 유해가스를 제어 및 정화하는 구조로 단일 유해가스의 경우에는 처리가스의 특성이 염기성 혹은 산성가스 인지를 고려하여 양이온 및 음이온교환섬유를 선택하여 적용하며 또한 악취와 같은 복합가스 및 2 종류 이상의 혼합유해가스를 제어 및 정화하기 위해 상부에는 양이온 교환필터가 장착되어 염기성 가스를 제거할 수 있도록 하며 하부에는 음이온교환필터가 장착되어 산성가스를 제거할 수 있도록 한다.

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지속적인 유해가스의 처리로 소실된 라디칼을 각각의 재생액 공급으로 재생 및 복원시키기 위해 교대로 교차하며 운전할 수 있도록 특별히 고안된 구조이다. 이때 양이온교환필터를 재생하기 위해 H2SO4 수용액이, 음이온교환필터를 재생하기 위해 NaOH 용액이 주로 사용되며 재생시 챔버내에 염화합물이 생성되어 저류되므로 유해가스의 인입농도에 따라 최소 1∼2개월에서 최대 12∼18개월에 한번씩 주기적으로 교체하면 된다. 이온교환스크러버는 다양한 형태로 제작될 수 있으며 현재 상용중에 있는 이온교환스크러버의 개략적인 구조는 다음과 같다.

<그림 5. 이온교환스크러버 구조도>

<그림 6. 이온교환필터의 구조도>

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◇ 이온교환스크러버의 주요 구성은 다음과 같다. ① 이온교환섬유 ·상부 - 양이온교환섬유 (염기성 유해가스 처리용) ·하부 - 음이온교환섬유 (산성 유해가스 처리용) ② 재생액 저장 챔버 ·상부 - 두 개의 재생액 저장 챔버가 있어 다량의 유해가스 처리로 소실된 이온교환 라디칼을 H₂SO₄수용액(5%)으로 재생 및 복원 시킨다. ·하부 - 두 개의 재생액 저장 챔버가 있어 다량의 유해가스 처리로 소실된 이온교환 라디칼을 NaOH 수용액(5%)으로 재생 및 복원 시킨다. ③ 수위조절용 펌프 한 재생액 저장 챔버에서 다른 재생액 저장 챔버내로 재생액을 이송시켜 재생하고자 하는 챔버의 수위를 높임으로써 이온교환필터를 재생액에 완전히 잠기도록 한다. ④ Dust Pre-filtration 이온교환스크러버로 유입되는 유해가스 내의 분진을 사전에 제거하여 이온교환필터의 물리화학적 반응율을 높여주고 또한 분진 유입으로 인한 이온교환필터의 막힘을 방지하여 내구성을 증가시켜 주는 역할을 한다.

이러한 구조적 특징들은 이온교환필터의 완전재생 및 복원을 통해 이온교환필터의 수명을 최대한 연장시키고 각종 유해가스의 제거효율을 높이는 중요한 역할을 한다.

<그림 7. 이온교환스크러버의 실물 사진>

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5. 이온교환스크러버의 특성

◇ 유해가스에 대한 제거효율이 우수(95% 이상) 이온교환필터의 탁월한 물리화학적 흡착능력으로 산성 및 염기성 유해가스의 제거효율이 기

존의 흡수 및 흡착설비에 비해 우수하다. <그림 8. NH3 처리효율 시험> - <참고자료 : M.A.T 기술연구소>

<그림 9. SO2 처리효율 시험> - <참고자료 : M.A.T 기술연구소>

<그림 10. Cl2 처리효율 시험> - <참고자료 : M.A.T 기술연구소>

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◇ 용수 및 전력사용량의 절감으로 유지관리비 저렴 반도체 공장에서 주로 사용되고 있는 Wet scrubber 에 비해 용수사용량은 1/100∼1/400 로 절감

되며 전력사용량도 약 1/4 로 절감된다. 일반 산업공장에서 사용될 경우 기존의 세정식 스크러버에 비해 유지관리비가 약 1/3로 저렴하다.

<표 2. 유지관리비 비교>

항 목 이온교환스크러버 약액세정스크러버 비 고

처리용량 60m£/min `

오염물질종류 H2S 10ppm, NH3 50ppm

약품종류 H2SO4, NaOH NaOCl

초기투자비 75,000,000원 50,000,000원

용수사용량 88.8톤/년 360톤/년

전력사용량 32,313.6kw/년 50,544kw/년

용수사용비 48,840원/년 198,000원/년 550원/톤

폐수처리비 7,104,000원/년 28,800,000원/년 80,000원/톤

약품사용비 3,033,600원/년 14,229,000원/년

전력비 1,777,248원/년 2,779,920원/년 55원/kwh

이온교환필터 교체비 2,304,000원/년 - 120,000원/개 (5년 사용)

기기보수비 1,125,000원/년 750,000원/년 기기비의 5%

유

지

관

리

비

계 15,392,688원/년 46,756,920원/년

◇ 2∼3년안에 투자비용 회수가능용수 및 전력사용량 과 각종 화학약품 사용량이 상대적으로 작고 메디아라 할 수 있는 이온교환필터를 재생액의 주기적 공급으로 재생시켜 반복하여 계속적으로 사용할 수 있어 유지관리비용이 매우 저렴하고 운전관리가 매우 편리하여 이미 설치되어 있는 세정식 스크러버를 교체해도 2∼3 년(약 29개월)에 투자비를 회수할 수 있다.

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<그림 11. 투입비 회수기간>

6. 이온교환스크러버의 적용 및 기대효과

1) 유해가스 제거효율 이온교환필터의 특성상 산성 및 염기성계열의 무기 유기가스에 대한 제거효율은 매우 높으나 중성계열의 유해가스의 경우 제거효율이 상대적으로 낮은 편이어서 차후 이 부분에 대한 연구가 필요하다 하겠다.

<표 3-1. 악취 및 VOCs 제거효율>

구 분 항 목 제 거 율 (%)

NH3 (암모니아) 90~95

CH3CHO (아세트알데히드) 90~95

C8H8 (스티렌) 72

(CH3)2S2 (이황화메틸) 90~95

H2S (황화수소) 95~98

CH3SH (메틸메르캅탄) 97

(CH3)2S (황화메틸) 90~95

(CH3)3N (트리메틸아민) 98

C4H11N[(C2H5)2NH] (디에틸아민) 90

악취 및 VOCs

C2H7N (디메틸아민) 90

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<표 3-2. 유독성가스 제거효율>

구 분 항 목 제 거 율 (%)

HCl (염화수소) 95~99

Cl2 (염소) 90~95

BCl3 (삼염화붕소) 90~95

HF (불화수소) 90~95

HCN (시안화수소) 85~90

As 화합물 85~90

Hg 화합물 85~90

유독성가스

Br 화합물 85~90

2) 적용분야 이온교환스크러버는 산성 및 염기성계 무기배가스를 배출하는 공정에서 특히 효과를 발휘할 수 있으며 용수사용량이 매우 적으므로 상하수도 단가가 높은 공장입지에 적용하면 저렴한 유지관리비용으로 유해가스 제거효율이 높은 설비를 설치할 수 있다. - 반도체 제조공장 - 하수 및 폐수처리장 - 음식물처리 및 건조설비 - 식품 제조공장 - 금속제품 제조 및 가공시설 - 산업용 화학제품 제조 및 가공시설 - 고무 및 플라스틱제품 제조 및 가공시설 - 석유정제 기타 석유 및 석탄제품 제조시설 - 비금속 광물제품 제조시설 - 종이 및 담배제품 제조 및 가공시설

<표 4. 적용실적>

시 설 명 시설용량 적용가스 처리효율(%) 전력절감율(%) 용수절감율(%)

A 반도체 500L/min HCl 99.7 75 99.3

H반도체 500L/min HCl, HF 99 75 99.7

S 식품공업㈜ 60m³/min 악취 95 36.1 75.3

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3) 기대효과

이온교환필터를 이용하여 유해가스를 제거하는 이온교환스크러버는 물을 사용하여 유해가스를 직접 제거하는 습식스크러버에 비해 전기사용량은 36∼75%, 용수사용량은 75∼99% 이상을 절감할 수 있어 유지관리비용이 저렴하므로 대기오염 방지시설 투자비용을 대폭 감소시켜 경제적으로 도움이 되며 이온교환필터의 탁월한 물리화학적인 흡착성능으로 인한 유해가스제거효율이 95%이상으로 뛰어나 에너지 절감 및 환경보호 측면에서 획기적인 설비이다.

분진 집진 기능과 가스 흡수세정효과를 겸하고 있어 환경분야 및 산업제조 공정 등에 보편적으로 사용되고 있는 세정식 스크러버에 비해 경제성 및 효율성이 우수하여 비교우위를 차지하므로 연료 및 물 부족 국가인 우리나라뿐만 아니라 세계적으로 실시하고 있는 에너지 절약대책에 효과적으로 기여하며 보급 및 기술적 파급효과가 상당히 크리라 사료된다.

다만 이온교환스크러버의 성능향상을 위해서는 산성 및 염기성 계열의 유해가스 제거효율 보다 상대적으로 낮은 제거율을 보이고 있는 중성계열 유해가스에 대한 연구와 이를 통한 성능개선이 필요하다.