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문제 정의
- 본 연구는 국내 양돈장에서 배출되는 악취 가스의 저감이라는 근본적인 목적을 달성하면서도 유지비용이 저렴하고, 계절의 영향을 받지 않으며 안정적인 처리가 가능한 시스템의 개발을 위해 수행되었다. 이와 같은 목적달성을 위해 축산악취 저감의 조건에 부합하는 처리법으로서 세정법을 선택하였고, 그중에서도 용매의 가격이 저렴하며, 쉽게 구할 수 있는 특징을 가지고 있는 수세 탈취 식 악취 저감법을 선택하였다.
제안 방법
- 5%) 50 ml에 모두 용해 시켰다. 그 후, 암모니아 가스가 용해되어 있는 붕산용액 10 ml, 차아염소산나트륨 용액 5 ml, 페놀용액 5 ml를 혼합하여 , 37 ℃ 에서 1시간동안 반응시켜, UV-vis Spectrophotometer (Agilent, 8453E)를 이 용하여측정하였다. 황화합물의 측정은 측정하고자 하는 대상가스를 Tedlar bag을 이용하여 5L 포집한 뒤' Gas Chromatography (VARIAN, US/CP 3800) 를 이용하여 측정하였다(국립환경과학원, 2005).
- 이를 위해 우선, 악취가스의 용매(물)에 대한 용해특성을 실험을 통해 측정하여, 각각의 악취가스의 용해 특성을 검토하였다. 그 후, 용해특성을 고려한 벤치스케일 실험장치를 제작, 용매 인물을 이용하여 축사로부터 배출되는 악취 가스를 용해 시키고, 사용된 물은 반복적으로 사용하여 적은 비용으로도 많은 양의 악취 가스를 용해시킬 수 있는 수세탈취식 악취 저감 방법을 개발하였다.
- 알아야 한다. 그러나, 실험실규모의 실험에서 악취가스의 용해도가 포화가 될 때까지 실험을 하는 것은 어렵기 때문에, 우선 용매의 양이 가장 적은 50 cm (4L) 실린더의 조건에서 최대 2시간까지 30분 간격으로 악취 가스의 용해도를 측정하여 벤치스케일 제작에 참고하였다. 다음 Table 2에 시간 변화에 따른 각 악취가스의 용해도 변화를 나타냈다.
- 용매에 대한 용해특성을 측정하기 위하여 5종의 악취가스가 각각 실린더 하부로부터 유입되도록 하였고, 실린더 유입전후의 가스를 포집한 뒤 농도를 측정하여, 두 값의 차로부터 용매속에 용해된 악취가스의 양을 계산하였다. 또, 악취가스와 용매와의 접촉 시간에 따른 용해속도를 비교하기 위하여, 실린더 내 용매의 높이를 50 cm, 100 cm, 150 cm 의 3가지로 조절하며 악취가스를 통과시키고, 접촉시간의 변화에 따른 용해특성을 비교측정 하였다. 이때, 유입시키는 악취 가스의 농도는 모두 10 ppm으로 하였다.
- 물을 이용한 악취가스의 용해를 기본 원리로 하는 수세탈취식 악취저감 벤치스케일 장치를 제작하여 실험을 실시하였다. 실험조건은 수온과 기온이 약 17, 대기중 습도가 57%이었으며, 용매로는 수도수를 사용하였다.
- (b)에 나타낸 것과 같이 벤치스케일장치의 구조는 하부에는 철제수조 *6*1(10050 c0 m) 를 설치하고, 수조에 물은 약 480L가량을 채웠다. 수조의 바닥으로부터 필터링 되어 분진 및 불순물이 제거된 물은 펌프를 이용하여 상부에 설치된 2개의 노즐을 통해 분사되도록 하였다. 벤치스케일장치의외부를 비닐로 덮어씌워서, 배출된 악취 가스를 분사된 물에 용해시킨 뒤, 이 물이 외부로 빠져나가지 않고, 다시 수조로 모일 수 있도록 하였다.
- 실험조건은 수온과 기온이 모두 20℃이었다. 실린더 내부의 용매의 양을 높이를 기준으로 3단계로 구분하여, 용매와 악취가스의 접촉 시간에 따른 용해도를 측정하였다. 실린더 내에서 각
- 최종적으로는 환기구로부터 배출된 공기가 역류하여 환기팬에 부하가 걸리는 현상이 없도록, 벤치스케일 장치를 환기구 벽면으로부터 20 cm 정도 떨어진 위치에 설치하여 축사 외벽과 장치 사이를 통해 빠져나가도록 하였다. 악취가스의 포집은 장치 가동전 환풍기를 통해 빠져나오는 가스와 장치를 가동시킨 뒤, 분무된 물에 용해된 뒤, 측면으로 배출되는 가스를 포집하여 분석, 비교하였다.
- 용매에 대한 악취가스의 용해특성을 측정하기 위한 실험장치로서는 Fig. 2에 나타낸 것과 같은 용해도 측정장치를 이용하였다’ 용매를 담는 실린더는 직경 10 cm, 높이 180 cm의 원통형 아크릴 수지로 제작을 하였고, 가스의 유입구에는 산기석을 설치하여 가스가 골고루 분사되어 유입되도록 설계하였다. 용매에 대한 용해특성을 측정하기 위하여 5종의 악취가스가 각각 실린더 하부로부터 유입되도록 하였고, 실린더 유입전후의 가스를 포집한 뒤 농도를 측정하여, 두 값의 차로부터 용매속에 용해된 악취가스의 양을 계산하였다.
- 2에 나타낸 것과 같은 용해도 측정장치를 이용하였다’ 용매를 담는 실린더는 직경 10 cm, 높이 180 cm의 원통형 아크릴 수지로 제작을 하였고, 가스의 유입구에는 산기석을 설치하여 가스가 골고루 분사되어 유입되도록 설계하였다. 용매에 대한 용해특성을 측정하기 위하여 5종의 악취가스가 각각 실린더 하부로부터 유입되도록 하였고, 실린더 유입전후의 가스를 포집한 뒤 농도를 측정하여, 두 값의 차로부터 용매속에 용해된 악취가스의 양을 계산하였다. 또, 악취가스와 용매와의 접촉 시간에 따른 용해속도를 비교하기 위하여, 실린더 내 용매의 높이를 50 cm, 100 cm, 150 cm 의 3가지로 조절하며 악취가스를 통과시키고, 접촉시간의 변화에 따른 용해특성을 비교측정 하였다.
- 벤치스케일장치의외부를 비닐로 덮어씌워서, 배출된 악취 가스를 분사된 물에 용해시킨 뒤, 이 물이 외부로 빠져나가지 않고, 다시 수조로 모일 수 있도록 하였다. 이러한 설치를 한뒤, (c)와 같이 차광막을 설치하여 악취저감효율의 측정평가 시 외부의 영향을 받지 않고 배출 가스와 용매와의 관계를 측정할 수 있도록 하였고, 물의 증발도 막을 수 있도록 하였다. 최종적으로는 환기구로부터 배출된 공기가 역류하여 환기팬에 부하가 걸리는 현상이 없도록, 벤치스케일 장치를 환기구 벽면으로부터 20 cm 정도 떨어진 위치에 설치하여 축사 외벽과 장치 사이를 통해 빠져나가도록 하였다.
- 이와 같은 목적달성을 위해 축산악취 저감의 조건에 부합하는 처리법으로서 세정법을 선택하였고, 그중에서도 용매의 가격이 저렴하며, 쉽게 구할 수 있는 특징을 가지고 있는 수세 탈취 식 악취 저감법을 선택하였다. 이를 위해 우선, 악취가스의 용매(물)에 대한 용해특성을 실험을 통해 측정하여, 각각의 악취가스의 용해 특성을 검토하였다. 그 후, 용해특성을 고려한 벤치스케일 실험장치를 제작, 용매 인물을 이용하여 축사로부터 배출되는 악취 가스를 용해 시키고, 사용된 물은 반복적으로 사용하여 적은 비용으로도 많은 양의 악취 가스를 용해시킬 수 있는 수세탈취식 악취 저감 방법을 개발하였다.
- 개발을 위해 수행되었다. 이와 같은 목적달성을 위해 축산악취 저감의 조건에 부합하는 처리법으로서 세정법을 선택하였고, 그중에서도 용매의 가격이 저렴하며, 쉽게 구할 수 있는 특징을 가지고 있는 수세 탈취 식 악취 저감법을 선택하였다. 이를 위해 우선, 악취가스의 용매(물)에 대한 용해특성을 실험을 통해 측정하여, 각각의 악취가스의 용해 특성을 검토하였다.
- 이러한 설치를 한뒤, (c)와 같이 차광막을 설치하여 악취저감효율의 측정평가 시 외부의 영향을 받지 않고 배출 가스와 용매와의 관계를 측정할 수 있도록 하였고, 물의 증발도 막을 수 있도록 하였다. 최종적으로는 환기구로부터 배출된 공기가 역류하여 환기팬에 부하가 걸리는 현상이 없도록, 벤치스케일 장치를 환기구 벽면으로부터 20 cm 정도 떨어진 위치에 설치하여 축사 외벽과 장치 사이를 통해 빠져나가도록 하였다. 악취가스의 포집은 장치 가동전 환풍기를 통해 빠져나오는 가스와 장치를 가동시킨 뒤, 분무된 물에 용해된 뒤, 측면으로 배출되는 가스를 포집하여 분석, 비교하였다.
- 황화합물의 측정은 측정하고자 하는 대상가스를 Tedlar bag을 이용하여 5L 포집한 뒤' Gas Chromatography (VARIAN, US/CP 3800) 를 이용하여 측정하였다(국립환경과학원, 2005). 축사에서 배출되는 분진량의 측정은 부유분진 분석기 (GRIMM Aerosol /1108)를 이용하여, 저감장치 설치전후의 배출가스로부터 측정하였다.
- 축산악취 가스 중에서 실험대상으로 선정한 5종의 악취가스를 악취가스 용해도 측정 장치를 이용하여 측정하였다. 실험조건은 수온과 기온이 모두 20℃이었다.
- 그 후, 암모니아 가스가 용해되어 있는 붕산용액 10 ml, 차아염소산나트륨 용액 5 ml, 페놀용액 5 ml를 혼합하여 , 37 ℃ 에서 1시간동안 반응시켜, UV-vis Spectrophotometer (Agilent, 8453E)를 이 용하여측정하였다. 황화합물의 측정은 측정하고자 하는 대상가스를 Tedlar bag을 이용하여 5L 포집한 뒤' Gas Chromatography (VARIAN, US/CP 3800) 를 이용하여 측정하였다(국립환경과학원, 2005). 축사에서 배출되는 분진량의 측정은 부유분진 분석기 (GRIMM Aerosol /1108)를 이용하여, 저감장치 설치전후의 배출가스로부터 측정하였다.
대상 데이터
- 노즐을 통해 분사된 물에 악취가스가 용해되는 원리로 개발된 악취가스저감 벤치스케일 장치를 국립축산과학원내의 양돈장에 설치하여 실험을 실시하였고, 장치의 구조는 Fig. 3에 나타내었다. Fig.
- 본 연구에서 측정대상으로 사용한 가스는 악취방지법에서 규제하는 가스(2008년) 22 종 중, 축산에서 주로 발생하는 암모니아와 황화합물 가스 4종, 총 5종(암모니 아(NHs), 메틸 메르캅탄(CH3SH), 황화수소(HzS), 디메틸설파이 드((CH3)2S), 디 메 틸디 설파이 드((CH3)2S2)) 을 선택하였다(환경부, 2007; G. Schauberger, 2006). 악취가스를 용해시킬 용매는 다른 용질이 용해되어 실험결과에 영향을 미치지 않도록 3차 증류수를 이용하였다.
- 실험조건은 수온과 기온이 약 17, 대기중 습도가 57%이었으며, 용매로는 수도수를 사용하였다. 제작된 악취저감기는 축산과학원내의 돈사에 설치하여 운전하였고, 이때의 돈방에는 10마리의 돼지가 사육되고 있었다.
이론/모형
- 암모니아 가스의 측정은 악취공정시험법에서 제시한 인도페놀법으로 수행하였다. 측정하고자 하는 대상가스를 Tedlar bag에 10L 포집한 뒤, PCXR8 Universasl Sample Pump (SKC, U.
성능/효과
- 수 있었다. 개발된 용해도 측정장치를 이용하여 악취가스의 용해특성을 조사한 결과, 황화수소의 경우에는 용매와의 접촉 시간과 관계없이 매우 낮은 것을 알 수 있었다. 이에 비해, 메틸메르캅탄의 경우에는 물과의 접촉 시간을 증가시킴에 따라 용해도도 함께 증가하는 것을 알 수 있었다.
- 2%가 용해되었다. 그 후, 실린더 내의 물 높이를 100 cm와 150 cm로 조절하여, 황화수소와 물과의 접촉 시간을 각각 2배와 3배로 증가 시킨 결과, 각각 24.2%와 24.9%가 용해되었다. 이 결과, 황화수소의 경우에는 용매와의 접촉 시간이 증가하여도 가스의 용해율은 크게 증가하지 않는 것을 알 수 있었다.
- 그러나, 혐기성 상태에서 발생하기 쉬운 황화수소와 같은 경우에는 수세탈취식을 이용할 경우, 가스의 물에 대한 용해도가 낮기 때문에 높은 악취저감 효율을 기대하기는 어려울 것을 예측할 수 있었다. 그러나, 실제 벤치 스케일을 제작하여 실험한 결과 모든 가스에서 용해도 측정실험보다 높은 저감효과를 얻을 수 있었다. 또한, 수세탈취 시스템에서의 분진 저감율이 93%으로 나타나, 악취 저감 효과뿐만 아니라 분진발생량도 크게 줄일 수 있는 것으로 나타났다.
- 디메틸설파이드, 디메틸디설파이드, 암모니아 가스의 경우에는 용해도 측정실험에서 측정된 높은 용해특성을 벤치스케일 실험에서도 얻을 수 있었다. 그러나, 용해도 측정실험에서 낮은 용해특성을 보였던 황화수 소와 메틸 메르캅탄은 벤치스케일 실험에서 각각 64%, 76%의 높은 저감 특성을 나타냈다. 용해도 측정 실험으로부터 예상할 수 있었던 저감 효율보다도 높은 저감효율을 얻을 수 있었다.
- 디메틸설파이드((CH3)2, 의 경우에는 용매의 높이가 50 cm, 100 cm, 150 cm로 증가할 경우, 용해율은 87.2%, 87.7%, 90.0%으로 변화가 없었던 것으로부터, 약 10% 정도의 가스는 접촉시간이 증가해도 용해되지 않는 것을 알 수 있었다. 이에 비해, 디메틸디설파이드 ((CH3)2S2)와 암모니 아 (NH3)가스의 경 우에는 50 cm 의 실린더를 통과할 경우 각각 98.
- 2시간동안 용해율의 변화가 없었던 것으로부터 암모니아 같은 경우에는 2, 400 ppm의 암모니아가 4L에 대부분 용해된 것으로 계산된다. 따라서, 48L 이상의 물이 있으면, 1일간 발생하는 암모니아는 충분히 제거가 가능할 것으로 판단된다. 벤치스케일 장치에서는 수조에 480L의 물을 준비하여 1주일 이상 용매의 교환이 필요없도록 설계하였다.
- 이밖에 다른 황화합물인 디 메틸설파이드, 디 메틸디설파이드, 암모니아의 경우에는 매우 용해도가 높은 특성을 가지고 있었다. 따라서, 축사의 측벽에 수세탈취식 악취저감장치를 부착하여 사용할 경우에는 가능한 물과 환기가스의 접촉 시간을 길게 유지시켜 주는 것이 악취저감성능을 향상 시킬 수 있는 것을 알 수 있었다. 그러나, 혐기성 상태에서 발생하기 쉬운 황화수소와 같은 경우에는 수세탈취식을 이용할 경우, 가스의 물에 대한 용해도가 낮기 때문에 높은 악취저감 효율을 기대하기는 어려울 것을 예측할 수 있었다.
- 그러나, 실제 벤치 스케일을 제작하여 실험한 결과 모든 가스에서 용해도 측정실험보다 높은 저감효과를 얻을 수 있었다. 또한, 수세탈취 시스템에서의 분진 저감율이 93%으로 나타나, 악취 저감 효과뿐만 아니라 분진발생량도 크게 줄일 수 있는 것으로 나타났다.
- 9%의 악취가스가 용해되었다. 실린더 내 용매의 높이가 100 cm로 증가했을 경우에는 14.7%가 용해되어 큰 변화는 보이지 않았으나, 150 cm가 되었을 경우에는 약 52.0%가 용해되는 것을 알 수 있었다. 이는 황화수소의 경우에는 용매와 악취가스의 접촉 시간이 증가하여도 용해율의 증가는 보이지 않았으나, 메틸메르캅탄의 경우는 용매와의 접촉시간을 증가시킬수록 용해율의 증가도 함께 일어나는 것을 알 수 있었다.
- 이것은 환기팬에 역부하가 걸리지 않도록 축사외벽과 벤치스케일 장치 사이에 둔 20cm 정도의 여유공간에서 발생, 배출된 것으로 판단되며, 배출가스가 외부로 배출되기 전 모두 용매인 물과 접촉할 수 있도록 구조적인 문제를 개선한다면, 더욱 높은 제거효율을 기대할 수 있을 것으로 판단된다. 악취가스의 저감율은 황화수소 64%, 메틸 메르캅탄 76%, 디메틸설파이드 89%, 디메틸디설파이드 100%, 암모니아 80%로 나타났다. 디메틸설파이드, 디메틸디설파이드, 암모니아 가스의 경우에는 용해도 측정실험에서 측정된 높은 용해특성을 벤치스케일 실험에서도 얻을 수 있었다.
- 그러나, 용해도 측정실험에서 낮은 용해특성을 보였던 황화수 소와 메틸 메르캅탄은 벤치스케일 실험에서 각각 64%, 76%의 높은 저감 특성을 나타냈다. 용해도 측정 실험으로부터 예상할 수 있었던 저감 효율보다도 높은 저감효율을 얻을 수 있었다.
- 9%가 용해되었다. 이 결과, 황화수소의 경우에는 용매와의 접촉 시간이 증가하여도 가스의 용해율은 크게 증가하지 않는 것을 알 수 있었다. 메틸메르캅탄 (CH3SH)의 경우에는 50 cm의 용매를 통과하는 동안 약 13.
- 0%가 용해되는 것을 알 수 있었다. 이는 황화수소의 경우에는 용매와 악취가스의 접촉 시간이 증가하여도 용해율의 증가는 보이지 않았으나, 메틸메르캅탄의 경우는 용매와의 접촉시간을 증가시킬수록 용해율의 증가도 함께 일어나는 것을 알 수 있었다.
- 0%으로 변화가 없었던 것으로부터, 약 10% 정도의 가스는 접촉시간이 증가해도 용해되지 않는 것을 알 수 있었다. 이에 비해, 디메틸디설파이드 ((CH3)2S2)와 암모니 아 (NH3)가스의 경 우에는 50 cm 의 실린더를 통과할 경우 각각 98.9%, 99.9%의 용해율을 나타내어 용매에 쉽게 용해되는 특성을 가지고 있는 것을 알 수 있었다.
후속연구
- 따라서, 벤치스케일 가동 시, 용해도 측정실험보다 높은 악취가스 용해 특성을 보인 것은 벤치스케일의 높은 분진 제거 효과가 영향을 미친것으로 추측된다. 분진 제거에 따른 악취가스 농도의 저감은 추후 더욱 연구가 필요한 부분으로 축사에서의 배출분진의 성상, 흡착비율 등의 추후 조사가 필요할 것이다.
- 분진의 경우에는 물과 접촉시 100% 흡착될 것으로 예상되었으나, 7%의 분진이 외부로 배출되었다. 이것은 환기팬에 역부하가 걸리지 않도록 축사외벽과 벤치스케일 장치 사이에 둔 20cm 정도의 여유공간에서 발생, 배출된 것으로 판단되며, 배출가스가 외부로 배출되기 전 모두 용매인 물과 접촉할 수 있도록 구조적인 문제를 개선한다면, 더욱 높은 제거효율을 기대할 수 있을 것으로 판단된다. 악취가스의 저감율은 황화수소 64%, 메틸 메르캅탄 76%, 디메틸설파이드 89%, 디메틸디설파이드 100%, 암모니아 80%로 나타났다.
- 벤치스케일 장치에서는 수조에 480L의 물을 준비하여 1주일 이상 용매의 교환이 필요없도록 설계하였다. 추후 수세 탈취 식 악취저감기의 제작에 있어서 용해 한계치는 용매의 교환주기와 밀접한 관계가있으므로 꼭 필요한 인자이나, 벤치 스케일 실험에서는 수세탈취시스템의 적용 가능성을 파악하기 위하여 용해 안정치인 480L를 이용하였다.
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