언젠가 일얶던 내용입니다. 도움이되시길 바랍니다. 어디서 얻었는지도 가물가물합니다......
Ⅲ. 기상에서의 활성탄 응용
1. 개 요
활성탄은 일반적으로 저농도 혼합냄새의 제거용으로 광범위하게 이용되고 있다. 예를 들면 빌딩이나 병원의 환기용 공기, 식품 가공공정에서 발생하는 냄새, 분뇨, 하수, 오니, 먼지의 각 처리공정으로부터 발생하는 냄새의 제거 등 다방면에 사용되고 있고, 흡착법의 잇점은 설비비가 비교적 저렴하고 운영경비로서는 송풍용의 전력요금 외에 활성탄등 흡착제의 구입비용 뿐이다.
탈취효과는 연소법에 비하여 떨어지나 탈취장치출구부에서의 냄새 농도로서는 10배 정도의 탈취효과를 기대할수 있으므로 안전하게 운전하기 쉬운 체계이며 건식조작으로서 습식 조작과 달리 배수나 배액을 계 밖으로 뽑아내서 처리할 필요가 없다.
활성탄은 냄새성분을 포화에 가까운 상태까지 흡착하게 되면 점점 탈취효과가 저하되므로 신탄으로 교환하여야 한다. 교환주기는 비교적 단기간의 경우에는 3개월 정도, 비교적 장기간의 경우에는 1년으로서 평균 6개월 정도의 경우가 많다. 일반적으로 탈취나 용매회수 등의 기체상물질의 처리에 있어서는 활성탄 흡착법이 적용되므로 다음과 같은 조건이 성립하는 경우가 많다.
1) 처리하려는 기체의 온도가 낮은 경우 : 흡착조작은 기체상에서는 원칙적으로 저온일때 흡착효과가 크며,흡착하려는 성분으로는 비점이 비교적 낮고 상온에서도 비교적 증기압이 높은 성분이 적합하다. 그러나 암모니아, 메탄, 기타 저분자량의 저비점 기체들은 제외된다. 더욱이 비교적 고비점 성분으로서는 상온에서의 증기압이 낮지만 극히 저온도 영역하에서 악취를 발생하는 성분을 효과적으로 흡착할수 있는 경우가 많다.
2) 흡착제거 또는 회수하려는 성분의 농도가 작은 경우 : 흡착제거 또는 회수하려 는 성분의 농도가 비교적 크면 흡착조작 이외의 다른 조작 예를 들면 세척·흡 수·냉각응축 등의 전처리와 조합하는 것이 바람직하다.
3) 흡착하려는 성분을 효과적으로 흡착하는 것이 가능한 경우 : 흡착제 단위중량 당 흡착량이 크고 충분한 흡착효과가 확인되는 경우에 적합하다.
이상의 (1)∼(3)의 조건과 반대인 경우에는 활성탄 흡착법은 그다지 적합하지 않다.바꾸어 말하면 온도가 높은 경우, 농도가 클경우, 흡착량이 적은 경우 등이다.이런 경우에 연소법 등의 다른 방법을 선택하던가 또는 다른 처리와 병용하던가, 어떤 전처리를 하는 경우가 많다. 여러가지 조건과 여러 가지 처리법의 적용여부에 관해 원칙을 표시하는 선정도를 표 1에 나타내었다.
[표 1]. 여러가지 처리법의 적용여부
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처 리 법 |
조 건 |
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흡착법 |
온도 저, 농도 소, 가연성성분, 불(난)연성성분, 흡착률 대 |
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세정.흡수법 |
온도 저, 농도 대, 흡착률 소 |
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직접연소.접촉산화 |
온도 고, 농도 대, 가연성성분 |
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기타 |
불(난)연성성분, 흡착률 소 |
2. 용 도
1) 공기정화 : Clean Room, 병원, 백화점등의 실내공기 정화
Painting Booth, Dry Oven 등의 유기용제 흡착
화학공업의 공정개스 정제 및 폐가스 중 유해물질 제거
2) 전매업 : 담배필터용으로 니코틴, 타르등 인체 유해물질 제거
3) 음 료 : 탄산가스 정제용
4) 자동차공업 : 자동차 케니스터용
5) 석유화학 : 용제회수, 가스정제, 가스분리, 탈황 등
6) 기타 : 방독면, 산업용마스크등의 독가스 제거
3. 흡착실험
실용적 흡착시험에 의하여 얻어지는 모든 자료는 실장치계획에 있어서의 기본설계 수치로 활용할 수 있다.
먼저 실용적흡착시험에 관하여 그 개요를 알아보자.
1) 실제로 처리하려는 유체를 써서 시험이 가능한 경우에는 그 유체의 분류를 써서 파과흡착량, 처리 후의 피흡착물질의 농도 등을 측정하여 소위 동적 흡착시험을 한다.
2) 사용한 흡착제는 예측되는 적당한 재생방법을 써서 재생후 다시 (1)에 표시한 것과 같은 동적흡착시험을 실시하고 흡착제 성능의 기준으로서는 재생1회품(R-I)을 기초로 하는 것이 바람직하다.
3) 적어도 2단계로 충전층 높이를 바꾼 경우(다탑식 경우 각 탑의 출구)에 있어서의 충전층 높이와 파과시간 사이의 상관관계를 구하고 흡착대의 길이나 유효흡착률 등에 대하여 검토한다.
4) 흡착제의 물리적 기계적 강도(내마모성을 포함)는 매우 중요한 특성요소이므로 신탄, 재생탄을 막론하고 상대치도 좋으므로 반드시 측정하여 비교해 둔다.
5) 흡착속도도 흡착용량과 마찬가지로 경제적 체계를 선정하는 데 중요한 인자의 하나이다. 따라서 상대치도 좋으므로 적당한 방법을 적용하여 측정한다. 이상의 것 외에도 짚고 넘어가야 할 점들이 많이 있다.
4. 교체주기
냄새성분을 함유한 기체가 다음의 조건을 가지고 있는 경우, 에너지 소비량이 비교적 작은 흡착법이 전체적으로 경제적일 수 있다.
1) 처리하려는 냄새성분을 함유하는 기체, 많은 경우에는 공기의 온도가 낮고 상온 부근이거나 높아도 100℃ 이하인 경우
2) 처리하려는 냄새성분을 함유하는 기체 중에 용매유 등 가연성분의 농도가 비교적 작은 경우
실례로 혼합용매로서 희석한 도료를 압축공기를 써서 분무방식으로 도장하려는 물체에 도장 후의 배기를 처리하는 경우이다. 그러나 Booth 등의 전처리장치를 써서 예비처리를 하고 도료성분을 대부분 제거한 후 후처리로써 활성탄흡착처리를 시행하는 것으로 한다.
더욱이 Booth 란, 도료성분이나 Mist, Dust 등을 포함하는 기체를 흡인하고 그들의 이물질을 주로 여과, 회합 응축, 세척, 흡수 등의 처리에 의하여 기체로부터 제거하기 위한 일종의 처리장치이다. 물의 경우가 많으나 액체와 기체를 접촉시키는 습식과 물등의 액체를 쓰지 않는 건식의 두 가지가 있다. Booth 에는 여러가지 형이 있다.
이 실례에서는 대표적인 용매라고 할 수 있는 톨루엔과 크실렌의 혼합용매를 포함하는 배기를 탈취하는 것으로 한다. 더욱이 실제에 사용하는 용매로서는 3가지 이상의 용매를 포함하는 경우가 많다. 그러나 주성분이 2가지인 혼합용매도 상당히 사용되고 있다.
실례의 설정조건을 다음과 같이 한다.
처리하려는 배기량 Q = 30(㎥/min)
용매성분농도 Co = 120 ppm (톨루엔 40 ppm, 크실렌 80 ppm)
배기온도 ta = 30 ℃
배기압력 Pa = 20 mmAq
용매성분의 평균분자량 Mw 은
Mw = (92 x 40/120) + (106 x 80/120)
= (92 x 1/3) + (106 x 2/3) = 101.3
여기서 92 와 106 은 각각 톨루엔과 크실렌의 분자량이다.
이상의 조건에 기초하여 배기 중의 용매성분의 단위시간 당의 부하 ω(kg/min)를 구하면 압력은 거의 대기압에 가깝다고 보아도 좋으므로 ω 는 다음식에 의하여 계산된다.
ω = Q x (Co/106 ) x (Mw/22.4) x 273 / (273 + ta)
= 30 x (120/106 ) x (101.3/22.4) x (273/303)
= 1.47 x 10²(kg/min) = 0.88 (kg/hr)
즉 매시간당 약 0.88 kg의 용매가 발생된다.
한편 이 대상으로 하는 기체를 층높이를 2단계로하고 흡착시험을 시행하여 흡착대 Za를 구하면 Za = 0.05m인 값이 얻어졌다. 또 공탑기준의 유속 U=15m/min 인 조건에서의 동적평형 흡착량의 값으로서 qo = 0.28 (kg/kg·흡착제) (1kg의 건조활성탄는 0.28kg의 용매성분을 흡착할 수 있다.)의 값이 얻어졌다.
더욱이 이 시험에서 입구농도 Co=120 ppm이고 출구농도 C = 5 ppm 이하의 목표로 하는 농도에 대하여는 충분히 달성이 가능하다는 것이 확인되고 있다.
활성탄의 충전층 높이 Z = 0.6 m 일때
qe = qo (1 - za/2z)
= 0.28 (1 - 0.05/2 x 0.6)
= 0.268 (kg/kg·흡착제)
로 된다. 이 식에서 (1-za/2z)는 충전층 높이 z에 대한 파과시의 유효이용율을 표시하는 것이다. 더욱이 흡착대 에 상당하는 충전부는 평균하여 절반흡착상태, 절반비흡착상태로서 50％가 흡착상태인 것을 의미한다. 활성탄의 성능열화, 조건의 변동, 장치에 대한 여유율 등의 인자를 고려하여 qe의 80％를 설계상 사용할 수 있는 흡착용량 qe＇로 한다.
따라서
qe＇= 0.8 x qe = 0.8 x 0.268
= 0.214(kg/kg 흡착제)
로 된다.
공탑기준의 유속 U = 15(m/min)
소요단면적 A = Q/U = 30/15 = 2㎡
활성탄의 충전비중 γ = 400(kg/㎥)
활성탄의 충전량 W = A·Z·γ = 2 x 0.6 x 400 = 480 kg
따라서 유효사용기간(파과시간) tB는 충전한 활성탄 480kg이 흡착할 수 있는 혼합용매의 중량 q 가
q = W x qe＇= 480 x 0.214 = 103 kg
이므로
tB = q/ω = 103/0.88 = 117 hr
로 된다.
그래서 실제의 도장시간을 하루 평균 4시간으로 하고 주당 가동일수를 5일로 하면 활성탄을 교환하는 간격은 117/(4x5) = 5.9 즉 5∼6주로 된다. 따라서 5∼6주간 마다 사용한 활성탄을 재생한 활성탄 또는 신탄과 교환하며 사용한 활성탄은 재생시킬 필요가 있다. 더욱이 사용한 활성탄의 중량은 용매성분 외에 수분 등을 흡착하고 있으므로 약 600∼700 kg 로 된다.
이 경우 접촉시간은
θt = 0.6/15 = 0.04 min = 2.4 sec
즉 2.4초로 되며 이런 체계에서는 적당한 값이다.