[논문]SMB 공정을 이용한 폐기 TNT와 RDX 혼합 용액의 분리

오동훈; 김선희; 이근득; 안익성; 이창하

doi:10.7464/ksct.2017.23.2.163

SMB 공정을 이용한 폐기 TNT와 RDX 혼합 용액의 분리
Separation of Waste TNT and RDX Mixture Using SMB Process 원문보기

청정기술 = Clean technology, v.23 no.2, 2017년, pp.163 - 171

오동훈 (연세대학교 화학생명공학과) , 김선희 (연세대학교 화학생명공학과) , 이근득 (국방과학연구소 제 4기술연구본부) , 안익성 (연세대학교 화학생명공학과) , 이창하 (연세대학교 화학생명공학과)

초록
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최근 폐 탄약의 회수를 통한 고에너지 물질의 재활용 및 재사용에 대한 연구가 선진국을 중심으로 활발히 진행되고 있다. 본 연구에서는 재활용 기술응용의 일환으로, 폐 탄약 처리 중 나오는 TNT와 RDX 혼합물을 모사이동층(SMB) 공정을 통해 효율적으로 분리하는 실험과 이에 대한 동적 모사를 수행하였다. SMB 공정의 운전 영역을 설정하기 위하여 혼합용액의 유속변화에 따른 각 물질의 체류시간을 HPLC로 측정하였으며, 모멘트 모델을 이용하여 흡착 컬럼에서 각 물질의 흡착평형을 분석하였다. 흡착 평형과 SMB 운전 삼각법을 통하여 4개의 운전 영역을 결정하였다. 결정된 운전 영역에서 아세토나이트릴과 물이 6:4와 1:1로 구성된 2가지 용매에 대해 SMB 공정을 이용한 분리 실험을 수행하였다. SMB 공정의 운전 조건 변화에 따른 순도, 회수율, 생산성, 용매소비량 등의 4가지 성능 지수를 평가하였다. 또한 SMB 공정에 대한 수학적 모델을 통하여 공정의 동적 모사를 수행하여 실험의 결과와 비교하였다. SMB 공정을 통해 100% 순도의 TNT와 RDX를 얻을 수 있었으며, 동적 모사 결과는 실험 결과와 잘 일치하여 공정 동적 거동 예측과 공정 설계에 적용할 수 있음을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Currently, researches on recycling and reuse of waste energetic materials have recently gained a great attention from advanced countries due to ever tightening environmental regulations. In this study, as a part of a recycling technology, the experiments and dynamic simulation of simulated moving bed (SMB) process were performed to efficiently separate TNT and RDX from their mixture, which are main components of ammunition. In order to determine the operation zone of SMB process, the retention times of TNT and RDX were measured using HPLC at different flow rates and the adsorption equilibrium of each component was obtained by using a moment method. According to the adsorption equilibrium and the triangle theory of SMB process, four operation points were determined and separation experiments were carried out by the SMB process using the solvent consisting of acetonitrile and water. Two different mixing ratios (6:4 and 1:1) of acetonitrile and water were chosen for the experiment due to the great impact of mixing ratio of the solvent on separation. The performance of SMB process was evaluated by purity, recovery, productivity and solvent consumption. Pure TNT and RDX were successfully obtained from the SMB process and the dynamic simulation for the SMB process agreed well with the experimental results. Therefore, the dynamic model could be applied for predicting the dynamic behavior of the SMB process and designing a large scale SMB process.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 복합 화약의 회수 및 재활용을 위해 TNT와 RDX 혼합물에 대한 SMB 분리공정을 실시하였다. 폐 화약을 처리하고 남은 상등액은 TNT 중심의 혼합물로 존재하게 되며, 이러한 용액도 환경법적으로 방류가 불가하다.

가설 설정

1) 유체는 축 방향으로 확산이 없는 플러그 흐름이다.
2) 컬럼의 온도를 제어한 등온공정이다.
3) 컬럼에서의 속도는 등속이다.

제안 방법

본 연구에서는 SMB 공정을 이용하여 TNT와 RDX를 분리하는 실험을 수행하였다. 분리 성능 조건 확립을 위하여 HPLC를 이용한 흡착평형을 측정하였으며, 이를 이용한 삼각법에 기초하여 분리영역 설정하였다.
따라서 이러한 TNT 중심의 RDX와 혼합된 용액에 대하여 SMB 공정을 적용하였으며, 고순도의 TNT와 RDX를 효율적으로 회수할 수 있은 효율적인 운전조건을 찾았다. 삼각영역법에 따른 분리 운전 조건을 확립하고, 실험을 통하여 순도, 회수율, 용매 소모, 생산성을 평가하였다. 또한 SMB 공정의 동적 모사를 수행하여 SMB 공정의 동적 거동과 성능 예측 가능성을 확인하였다.

대상 데이터

회수해야 할 폐 탄약으로 널리 사용되고 있는 TNT와 RDX 혼합물을 선택하였다. Table 2에서는 TNT, RDX와 Composition B에 대한 물리적 특성을 나타내었다.

성능/효과

SMB 공정을 통하여 100% 순도의 TNT와 RDX를 얻을 수 있음을 확인하였으며, 이는 회수된 TNT와 RDX가 재사용될 수 있음을 나타낸다. 또한 100% 회수율도 가능함을 확인하였으며, 용매에서 물의 농도가 높은 경우 공정 효율이 높았다. 분리공정의 설치 여건 및 부대비용에 따라 용매소모와 생산성 변수에 대한 고려가 필요하다.
ACN과 물로 이루어진 용매의 비율을 변화시켜 실험을 수행하여 순도, 회수율, 생산성, 용매 소비량 4가지의 성능지수에 대한 영향을 고찰하였다. ACN과 물의 비율이 6:4와 1:1일 때 SMB No.1~SMB No.9 운전조건에서 성능지표를 비교해 본 결과 물의 비율이 높은 용매에서 높은 순도의 생산물을 얻을 수 있었다. 삼각영역 내의 4개의 운전조건에 대하여 동적 모사를 수행하였으며, 순도, 회수율, 생산성, 용매 소비량 4가지의 성능지수에 대하여 결과를 비교하였다.
삼각영역 내의 4개의 운전조건에 대하여 동적 모사를 수행하였으며, 순도, 회수율, 생산성, 용매 소비량 4가지의 성능지수에 대하여 결과를 비교하였다. SMB 공정을 통하여 100% 순도의 TNT와 RDX를 얻을 수 있음을 확인하였으며, 이는 회수된 TNT와 RDX가 재사용될 수 있음을 나타낸다. 또한 100% 회수율도 가능함을 확인하였으며, 용매에서 물의 농도가 높은 경우 공정 효율이 높았다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	유동층 소각로의 장점은 무엇인가?	유동층 소각로는 분쇄된 화약이 고체의 형태로 유입되며 유동물질은 석탄과 모래가 주로 이용된다[9]. 유동층 소각로는 처리 용량이 크며, 온도분포가 고르게 되어 소각로 내에서 폭발이 일어나지 않는다는 장점을 가지나 운전조건 변화에 따른 안전 운전에 문제점을 보여 추가적인 연구가 요구된다[10].
	비군사화란 무엇인가?	비군사화란 수명이 지난 폐기 대상 군수품을 효율적인 방법으로 처리하여 본래의 사용목적을 상실하도록 하는 제반 행위를 말하며, 현재까지 시행되고 있는 방법으로는 기폭처리, 해중투사 및 분사 처리로 구별할 수 있다[1]. 그러나 이와 같은 처리 방법은 환경 오염의 문제로 런던 협약에 의해 금지되었고, 매립 또한 환경 규제를 받고 있다[4].
	폭발 방식과 로타리 킬른은 무엇인가?	가장 널리 사용되는 방법으로는 기폭 챔버를 이용한 폭발 방식과 로타리 킬른을 이용한 소각방식으로 후단의 환경처리 설비를 요구하고 있다. 기폭 챔버는 진공상태에서 가동되며 폐 화약을 폭발시켜 처리하는 방식으로 고정식과 이동식이 있다[6]. 로타린 킬른 처리 방식은 내열/내폭형 소각로를 이용하여 안전하게 소각시킨 후 배기 가스를 환경문제를 야기시키지 않도록 처리하는 방법으로[7], 현재 우리나라에서는 국방과학연구소를 중심으로 이에 관한 연구가 진행 중이다[5]. 그러나 로타리 킬른은 처리 용량이 대규모로 운전되기 힘들며, 이에 대한 효율적인 대안으로 유동층 소각로에 대한 연구가 미국과 독일 등지에서 수행되고 있다[8].

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저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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