[논문]무격막식 해수 전기분해 방식을 통한 배연 탈질에 관한 연구

김태우; 최수진; 김종화; 송주영

doi:10.9713/kcer.2012.50.5.825

초록
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본 연구에서는 전기분해 처리된 해수의 유효염소농도와 온도에 의한 배가스 중 NO의 산화 특성을 실험적으로 살펴보았다. 실험은 무격막식 전해수가 채워진 버블링 반응기에 반응가스를 공급하여 NO 농도의 변화를 분석하였다. 폐순환 전기분해 시스템의 경우 정전류 조건에서 전해 시간이 길어질수록 전해수 내에 유효염소농도가 상승하였고, 전해수의 유효염소농도가 높을수록 NO가 $NO_2$로 산화되는 반응이 촉진됨을 확인하였다. 또한 동일한 유효염소농도를 가지는 전해수의 경우에도 온도가 높을수록 NO 산화율이 증가하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, we investigated NO oxidation characteristic that depends on available chlorine concentration and temperature of seawater which is treated by un-divided electrolysis. Reactant gas passed through bubbling reactors which is filled with electrolyzed water and then NO concentration change ...

In this study, we investigated NO oxidation characteristic that depends on available chlorine concentration and temperature of seawater which is treated by un-divided electrolysis. Reactant gas passed through bubbling reactors which is filled with electrolyzed water and then NO concentration change was analyzed. In the closed-loop electrolysis system, concentration of available chlorine increased with electrolysis time. The higher oxidation rate of NO to $NO_2$ was obtained with the higher concentration of available chlorine. Oxidation of NO was fast when temperature of electrolyzed water was high, in the case of same concentration of available chlorine.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그러나 해수 격막식 전기분해의 경우 pH 2~3 수준의 강산을 취급해야한다는 점과 다량의 염소가스가 발생하는 단점을 갖고있다. 따라서 본 연구는 무격막식 해수 전기분해 방식을 적용하여 기존 연구가 가진 단점을 보완하면서 고효율 배가스 탈질 공정 설계에 활용할 수 있는 데이터를 확보하는데 그 목적을 두고 있다.
본 연구는 기존 NOx 저감기술들이 갖는 저온 취약성을 근본적으로 해결할 수 있는 방안으로 습식흡수법을 제시하고, 그 가능성을 확인하는데 목적을 두고 있다. NOx를 습식흡수 방식으로 제거하기 위해서는 그 구성물질인 NO와 NO₂의 물에 대한 용해도에서부터 접근해야 한다.
본 연구에서는 배가스 중에 포함된 질소산화물의 효과적인 제거를 위해 전해수를 이용한 습식흡수법을 제시하고, 그 핵심이 되는 해수 무격막식 전기분해와 NO 산화 반응의 물리화학적 특성을 알아보았다. 모의해수의 무격막식 전기분해를 통해 정전류/폐순환 조건에서의 pH와 유효염소농도 변화를 도출하였다.

제안 방법

1 LPM (Liter Per Minute)을 유지하였다. 또한 온도가 산화 반응에 미치는 영향을 살펴보기 위해 전해수를 냉각/가열하여 28~55℃ 범위에서 버블링 반응을 수행하였다.
본 연구에서는 배가스 중에 포함된 질소산화물의 효과적인 제거를 위해 전해수를 이용한 습식흡수법을 제시하고, 그 핵심이 되는 해수 무격막식 전기분해와 NO 산화 반응의 물리화학적 특성을 알아보았다. 모의해수의 무격막식 전기분해를 통해 정전류/폐순환 조건에서의 pH와 유효염소농도 변화를 도출하였다. 또한 NO₂에 비해 상대적으로 용해도가 낮은 NO 성분이 NO₂로 산화되는 반응은 동일한 온도 조건일 때 전해수의 유효염소농도가 높을수록 촉진되는 경향을 나타내었다.
버블링 반응기는 투명 아크릴로 제작되었으며, 체적은 약 5 L(내경 120 mm, 높이 450 mm)이다. 반응기 중심부에 온도센서와 pH 전극을 삽입하여, 실험 중 반응기 내 온도와 pH 변화를 실시간 모니터링 하였다(전해수의 pH와 ORP 측정에는 Thermo-scientific 사의 Electro-chemistry meter와 electrode를 사용). 반응기로 주입되는 가스는 N₂ balance의 NO 농도 800 ppm인 시험 가스(이하 시험용가스)이며, 가스의 압력과 유량조절을 위해 레귤레이터와 부유식 유량계를 사용하였다.
실험에 사용된 전해수는 미국 ASTM D1141에 따라 제조된 모의해수를 무격막식 전해조에서 전기분해하여 제조하였으며, 모의해수는 Table 1과 같은 조성을 가진다. 전기분해 장치는 Bi-polar 방식의 전해조와 모의해수 탱크를 폐순환 형태로 구성하였고, 전기분해 조건은 별도의 전원공급장치를 이용하여 9.5 V/20 A(전류밀도 90 mA/ cm²)로 유지하였다. 전해수는 티오황산나트륨 적정법을 통해 유효염소농도를 측정함으로써 전기분해정도를 분석할 수 있는데, 본 연구에서 유효염소농도는 NO 산화제로써의 OCl⁻(HOCl) 농도를 의미한다.
전해수 온도가 43℃일 경우, 유효염소농도 600 ppm 이상 조건에서는 100%에 가까운 NO 산화율을 기록하였으나, 전해수 온도가 35℃일 경우에는 유효염소농도가 1,800 ppm 부근까지 증가해야 NO 산화율이 100%에 도달하였다. 전해수에 의한 NO 산화 반응에 있어서 전해수 온도의 영향이 큰 것으로 판단하고, 이를 확인하기 위해 유효염소농도 1,800 ppm 전해수를 제조한 후, 온도를 다양하게 변화시켜 버블링 실험한 결과를 Fig. 4에 나타내었다. 그림에서 33℃ 이하에서는 온도에 비례하여 NO산화율이 증가하였고, 33℃ 이상 조건에서는 100%를 유지한다는 것을 알 수 있었다.
전해수의 유효염소농도와 NO 산화율 간 상관관계를 알아보기 위해 NO 가스 버블링 실험을 수행하였으며, 이 때 시험용가스의 유량은 1.1 LPM (Liter Per Minute)을 유지하였다. 또한 온도가 산화 반응에 미치는 영향을 살펴보기 위해 전해수를 냉각/가열하여 28~55℃ 범위에서 버블링 반응을 수행하였다.

대상 데이터

1에 제시되어 있다. 버블링 반응기는 투명 아크릴로 제작되었으며, 체적은 약 5 L(내경 120 mm, 높이 450 mm)이다. 반응기 중심부에 온도센서와 pH 전극을 삽입하여, 실험 중 반응기 내 온도와 pH 변화를 실시간 모니터링 하였다(전해수의 pH와 ORP 측정에는 Thermo-scientific 사의 Electro-chemistry meter와 electrode를 사용).
반응기 후단의 NO 가스 농도를 측정하기 위하여 가스분석기(Testo 350Maritime)를 사용하였다. 버블링 반응기와 가스분석기 사이에는 반응기를 통해 처리된 가스 중 포함된 수분을 제거하기 위한 흡습제를 설치하였고, 부식 문제를 고려하여 배관과 배관부속은 폴리프로필렌 또는 폴리에틸렌 재질을 사용하였다.
실험에 사용된 전해수는 미국 ASTM D1141에 따라 제조된 모의해수를 무격막식 전해조에서 전기분해하여 제조하였으며, 모의해수는 Table 1과 같은 조성을 가진다. 전기분해 장치는 Bi-polar 방식의 전해조와 모의해수 탱크를 폐순환 형태로 구성하였고, 전기분해 조건은 별도의 전원공급장치를 이용하여 9.

이론/모형

가스와 전해수 간 접촉면적을 높여 반응을 촉진시키기 위해 가스 유입관 끝에 산기관을 설치하였다. 반응기 후단의 NO 가스 농도를 측정하기 위하여 가스분석기(Testo 350Maritime)를 사용하였다. 버블링 반응기와 가스분석기 사이에는 반응기를 통해 처리된 가스 중 포함된 수분을 제거하기 위한 흡습제를 설치하였고, 부식 문제를 고려하여 배관과 배관부속은 폴리프로필렌 또는 폴리에틸렌 재질을 사용하였다.

성능/효과

5에 나타내었다. 그림에서 전해수의 유효염소농도가 높을수록 Tmin은 낮아지는 경향을 나타내었으며, 500 ppm 이하에서는 Tmin이 급격히 증가한다는 것을 알게 되었다. 이러한 결과는 향후 전해수를 이용한 습식 탈질 공정을 설계함에 있어 경제성과 제거효율을 동시에 확보할 수 있는 중요한 기준으로 작용할 것으로 판단된다.
모의해수의 무격막식 전기분해를 통해 정전류/폐순환 조건에서의 pH와 유효염소농도 변화를 도출하였다. 또한 NO₂에 비해 상대적으로 용해도가 낮은 NO 성분이 NO₂로 산화되는 반응은 동일한 온도 조건일 때 전해수의 유효염소농도가 높을수록 촉진되는 경향을 나타내었다. 반대로 유효염소농도가 일정할 때, 전해수의 온도가 높아질수록 NO 산화율도 증가하는 것을 알 수 있었다.
2와 같이 시간에 비례하여 유효염소농도가 증가함을 알 수 있었다. 또한 물질이 산화하거나 환원되려는 정도를 나타내는 ORP (Oxidation-Reduction Potential, 산화환원전위)는 전기분해 초기 5분 동안 급격히 상승한 후 완만하게 증가함을 알 수 있었고, 전해수의 pH 역시 유사한 경향을 나타내며 최대 9.2 수준까지 상승하였다.
모의해수를 제조하여 무격막식 전해조를 통해 폐순환 방식으로 전기분해 한 결과, Fig. 2와 같이 시간에 비례하여 유효염소농도가 증가함을 알 수 있었다. 또한 물질이 산화하거나 환원되려는 정도를 나타내는 ORP (Oxidation-Reduction Potential, 산화환원전위)는 전기분해 초기 5분 동안 급격히 상승한 후 완만하게 증가함을 알 수 있었고, 전해수의 pH 역시 유사한 경향을 나타내며 최대 9.
또한 NO₂에 비해 상대적으로 용해도가 낮은 NO 성분이 NO₂로 산화되는 반응은 동일한 온도 조건일 때 전해수의 유효염소농도가 높을수록 촉진되는 경향을 나타내었다. 반대로 유효염소농도가 일정할 때, 전해수의 온도가 높아질수록 NO 산화율도 증가하는 것을 알 수 있었다. 즉, 같은 유효 염소농도의 전해수를 사용하더라도 반응온도를 일정 수준 이상으로 높게 유지시켜줄 수 있다면, 더 높은 효율을 기대할 수 있으며, 이러한 기초데이터를 바탕으로 실제 흡수공정 설계에 유용한 자료로 활용될 수 있을 것이라 판단된다.
3에 나타내었다. 전해수의 유효염소농도가 증가할수록 NO 산화율도 비례하여 증가하는 경향을 나타내었으나, 전해수 온도에 따른 차이를 발견할 수 있었다. 전해수 온도가 43℃일 경우, 유효염소농도 600 ppm 이상 조건에서는 100%에 가까운 NO 산화율을 기록하였으나, 전해수 온도가 35℃일 경우에는 유효염소농도가 1,800 ppm 부근까지 증가해야 NO 산화율이 100%에 도달하였다.

후속연구

그림에서 전해수의 유효염소농도가 높을수록 Tmin은 낮아지는 경향을 나타내었으며, 500 ppm 이하에서는 Tmin이 급격히 증가한다는 것을 알게 되었다. 이러한 결과는 향후 전해수를 이용한 습식 탈질 공정을 설계함에 있어 경제성과 제거효율을 동시에 확보할 수 있는 중요한 기준으로 작용할 것으로 판단된다. 전해수의 유효염소농도는 전기분해 시스템의 단가와 크기는 물론, 운전시 소요되는 전력량과도 직결되기 때문이다.
0019 mol/L 대비 약 20배 큰 값임을 알 수 있다. 즉, NOx 중 대부분을 차지하면서 상대적으로 용해도가 낮은 NO를 용해도가 높은 NO₂로 어떻게 산화시키느냐 하는 것에 대한 연구가 선행될 필요가 있다. 상용화 된 NOx 습식흡수 기술에는 NaClO₂, NaOH, H₂SO₄ 등과 같은 강산/강염기성 화학약품을 희석하여 배가스 관로에 다단 분사하는 방법이 있으나[9], 부식성 약품의 취급 문제 및 경제성 등의 이유로 널리 사용되고 있지는 않은 실정이다.
반대로 유효염소농도가 일정할 때, 전해수의 온도가 높아질수록 NO 산화율도 증가하는 것을 알 수 있었다. 즉, 같은 유효 염소농도의 전해수를 사용하더라도 반응온도를 일정 수준 이상으로 높게 유지시켜줄 수 있다면, 더 높은 효율을 기대할 수 있으며, 이러한 기초데이터를 바탕으로 실제 흡수공정 설계에 유용한 자료로 활용될 수 있을 것이라 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	질소산화물을 제어하기 위한 기술은 무엇이 있는가?	최근 환경에 대한 관심이 고조되면서 화력발전소, 소각로, 디젤엔진 등 다양한 오염원에서 발생하는 폐가스는 대기오염의 원인으로 지목되고 있다. 그 중에서도 질소산화물(NOx)는 산성비, 광학스모그, 호흡기질환과 같은 문제를일으키는 중요한 대기오염물질이며, 이를 제어하기 위한 기술로 선택적 촉매환원법(SCR), 습식법, 플라즈마 방전 등 다양한 기술이 개발되어 왔다[1-3]. 특히 SCR의 경우 제거 효율과신뢰성 측면에서우수해 고정오염원뿐 만아니라 이동오염원에 대한 연구도활발히 이루어지고 있는 실정이다.
	질소산화물은 무엇인가?	최근 환경에 대한 관심이 고조되면서 화력발전소, 소각로, 디젤엔진 등 다양한 오염원에서 발생하는 폐가스는 대기오염의 원인으로 지목되고 있다. 그 중에서도 질소산화물(NOx)는 산성비, 광학스모그, 호흡기질환과 같은 문제를일으키는 중요한 대기오염물질이며, 이를 제어하기 위한 기술로 선택적 촉매환원법(SCR), 습식법, 플라즈마 방전 등 다양한 기술이 개발되어 왔다[1-3]. 특히 SCR의 경우 제거 효율과신뢰성 측면에서우수해 고정오염원뿐 만아니라 이동오염원에 대한 연구도활발히 이루어지고 있는 실정이다.
	습식흡수법을 통해 NOx를 제거하기 위해 필요한 것은 무엇인가?	0019 mol/L 대비 약 20배 큰 값임을 알 수 있다. 즉, NOx 중 대부분을 차지하면서 상대적으로 용해도가 낮은 NO를 용해도가 높은 NO2로 어떻게 산화시키느냐 하는 것에 대한 연구가 선행될 필요가 있다. 상용화 된 NOx 습식흡수 기술에는 NaClO2, NaOH, H2SO4 등과 같은 강산/강염기성 화학약품을 희석하여 배가스 관로에 다단 분사하는 방법이 있으나[9], 부식성 약품의 취급 문제 및 경제성 등의 이유로 널리 사용되고 있지는 않은 실정이다.

참고문헌 (14)

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Berdnikov, V. M. and Bazhin, N. M., "Oxidation-reduction Potentials of Certain Inorganic Radicals in Aqueous Solutions," Russ. J. Phys. Chem., Engl. Transl., 44, 395-398(1970).
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Snoeyink, V. L. and Jenkins, D., Water Chemistry, John Wiley & Sons, 388-393(1980).
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원문보기 상세보기
Ghibaudi, E., Barker, J. R. and Benson, S. W., "Reaction of NO with Hypochlorous Acid," Int. J. Chem. Kinet., 6, 843-851(1979).

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