본 연구는 악취가스 물질(바이오가스의 불순물)의 하나인 $H_2S$를 제거하기 위한 흡착제의 성능을 향상시키기 위해 수행하였다. 기본 담체로서 4가지 물질($Fe_2O_3$, $Ca(OH)_2$, 분말 활성탄, $Al(OH)_3)$을 혼합 사용하여 pellet 형태의 흡착제를 제조하였다. 또한, 4가지 물질의 $H_2S$ 흡착에 미치는 영향을 평가한 결과, $Fe_2O_3$와 분말활성탄은 $H_2S$ 흡착성능이 각각 1.5, 2배로 증가하는 것으로 나타났으며 $Ca(OH)_2$와 $Al(OH)_2$는 $H_2S$ 흡착성능에는 영향이 없는 것으로 나타났다. 또한 4가지 물질을 기본혼합 담체로 한 후, 활성물질로 KI, KOH, $K_2CO_3$를 선정하여 각각 5 wt% 첨가한 후에 $H_2S$ 흡착성능을 시험한 결과 $K_2CO_3$를 첨가한 흡착제가 가장 성능이 우수한 것으로 나타났다. 또한 $K_2CO_3$를 5 ~ 30 wt%까지 변화시키면서 흡착성능을 확인한 결과, $K_2CO_3$ 함량이 20 wt%까지는 함량과 비례하여 $H_2S$ 흡착성능이 증가하는 것을 확인할 수 있었으나 30 wt%에서는 $H_2S$ 흡착성능 급격히 떨어지는 것을 확인하였다. 또한 $K_2CO_3$ 첨가 함량에 따른 $H_2S$ 흡착성능을 바탕으로 Thomas model을 이용하여 모델링을 실시한 결과에서도 $K_2CO_3$ 함량이 20 wt%까지는 실험값과 모사값이 잘 일치하고 있음을 보여주었다. 이러한 결과들을 바탕으로, 본 연구에서 확인된 활성물질의 종류와 활성물질의 함량을 흡착제 제조에 이용한다면 $H_2S$ 흡착제의 흡착성능 개선뿐만 아니라 흡착제의 사용수명 증대를 기대할 수 있었다.
본 연구는 악취가스 물질(바이오가스의 불순물)의 하나인 $H_2S$를 제거하기 위한 흡착제의 성능을 향상시키기 위해 수행하였다. 기본 담체로서 4가지 물질($Fe_2O_3$, $Ca(OH)_2$, 분말 활성탄, $Al(OH)_3)$을 혼합 사용하여 pellet 형태의 흡착제를 제조하였다. 또한, 4가지 물질의 $H_2S$ 흡착에 미치는 영향을 평가한 결과, $Fe_2O_3$와 분말활성탄은 $H_2S$ 흡착성능이 각각 1.5, 2배로 증가하는 것으로 나타났으며 $Ca(OH)_2$와 $Al(OH)_2$는 $H_2S$ 흡착성능에는 영향이 없는 것으로 나타났다. 또한 4가지 물질을 기본혼합 담체로 한 후, 활성물질로 KI, KOH, $K_2CO_3$를 선정하여 각각 5 wt% 첨가한 후에 $H_2S$ 흡착성능을 시험한 결과 $K_2CO_3$를 첨가한 흡착제가 가장 성능이 우수한 것으로 나타났다. 또한 $K_2CO_3$를 5 ~ 30 wt%까지 변화시키면서 흡착성능을 확인한 결과, $K_2CO_3$ 함량이 20 wt%까지는 함량과 비례하여 $H_2S$ 흡착성능이 증가하는 것을 확인할 수 있었으나 30 wt%에서는 $H_2S$ 흡착성능 급격히 떨어지는 것을 확인하였다. 또한 $K_2CO_3$ 첨가 함량에 따른 $H_2S$ 흡착성능을 바탕으로 Thomas model을 이용하여 모델링을 실시한 결과에서도 $K_2CO_3$ 함량이 20 wt%까지는 실험값과 모사값이 잘 일치하고 있음을 보여주었다. 이러한 결과들을 바탕으로, 본 연구에서 확인된 활성물질의 종류와 활성물질의 함량을 흡착제 제조에 이용한다면 $H_2S$ 흡착제의 흡착성능 개선뿐만 아니라 흡착제의 사용수명 증대를 기대할 수 있었다.
The goal of this paper was to improve the performance of the adsorbent to remove $H_2S$. Pellet type adsorbents were prepared by using four kinds of materials ($Fe_2O_3$, $Ca(OH)_2$, Activated carbon, $Al(OH)_2)$ for use as a basic carrier. As the results ...
The goal of this paper was to improve the performance of the adsorbent to remove $H_2S$. Pellet type adsorbents were prepared by using four kinds of materials ($Fe_2O_3$, $Ca(OH)_2$, Activated carbon, $Al(OH)_2)$ for use as a basic carrier. As the results of $H_2S$ adsorption tests, $Fe_2O_3$ and Activated Carbon improved the adsorption performance of $H_2S$ by 1.5 ~ 2 times, and $Ca(OH)_2$ and $Al(OH)_2$ showed no effect on $H_2S$ adsorption performance. Four basic materials were as carriers, and 5 wt% of KI, KOH and $K_2CO_3$ were added on the carriers, respectively. As the results of $H_2S$ adsorption tests, adsorbent containing $K_2CO_3$ showed the best performance. As a result of $H_2S$ adsorption test with varying $K_2CO_3$ content from 5 to 30 wt%, it was confirmed that adsorption performance was increased up to 20 wt% of $K_2CO_3$ and adsorption performance decreased to 30 wt%. The $H_2S$ adsorption performance was modeled by using Thomas model with varying $K_2CO_3$ contents and the results were used for the adsorption tower design. It was shown that the experimental values and the simulated values were in good agreement with the contents range of $K_2CO_3$ up to 20 wt%. Based on these results, it is expected that not only the adsorption performance of $H_2S$ adsorbent is improved but also life time of the adsorbent is increased.
The goal of this paper was to improve the performance of the adsorbent to remove $H_2S$. Pellet type adsorbents were prepared by using four kinds of materials ($Fe_2O_3$, $Ca(OH)_2$, Activated carbon, $Al(OH)_2)$ for use as a basic carrier. As the results of $H_2S$ adsorption tests, $Fe_2O_3$ and Activated Carbon improved the adsorption performance of $H_2S$ by 1.5 ~ 2 times, and $Ca(OH)_2$ and $Al(OH)_2$ showed no effect on $H_2S$ adsorption performance. Four basic materials were as carriers, and 5 wt% of KI, KOH and $K_2CO_3$ were added on the carriers, respectively. As the results of $H_2S$ adsorption tests, adsorbent containing $K_2CO_3$ showed the best performance. As a result of $H_2S$ adsorption test with varying $K_2CO_3$ content from 5 to 30 wt%, it was confirmed that adsorption performance was increased up to 20 wt% of $K_2CO_3$ and adsorption performance decreased to 30 wt%. The $H_2S$ adsorption performance was modeled by using Thomas model with varying $K_2CO_3$ contents and the results were used for the adsorption tower design. It was shown that the experimental values and the simulated values were in good agreement with the contents range of $K_2CO_3$ up to 20 wt%. Based on these results, it is expected that not only the adsorption performance of $H_2S$ adsorbent is improved but also life time of the adsorbent is increased.
S 제거용 흡착제의 수명을 연장하여 사용주기 및 관리를 용이하게 하고자 하였다. 또한, 황화수소에 대한 흡착 모델식을 이용한 실데이타의 적용을 통하여 궁극적으로는 황화수소 제거용 흡착탑 설계를 위한 기본 자료로 활용하고자 하였다.
본 연구는 H2S 제거에 효율적인 담체물질에 대해 기초실험을 진행하였고, 이렇게 하여 얻어진 가장 효율적이라고 판단되는 담체물질에 추가적으로 활성물질을 첨가하여 H2S 제거용 흡착제의 수명을 연장하여 사용주기 및 관리를 용이하게 하고자 하였다. 또한, 황화수소에 대한 흡착 모델식을 이용한 실데이타의 적용을 통하여 궁극적으로는 황화수소 제거용 흡착탑 설계를 위한 기본 자료로 활용하고자 하였다.
제안 방법
기본 담체에 사용된 4가지 물질이 황화수소 흡착에 미치는 영향을 알아보기 위해서, 4가지 물질중에 3가지 물질을 고정하고 흡착 영향을 파악하기 위한 나머지 하나의 물질 존재유무에 따른 H2S 제거 효율을 평가하였다. 첫 번째로, H2S 흡착제로 많이 사용되고 있는 Fe2O3에 대한 흡착성능을 평가하였으며 이에 대한 결과는 Figure 3에 나타내었다.
S 흡착성능 변화를 확인하였다. 이를 위해서 K2CO3는 기본 흡착제 중량대비 5 ~ 30 wt%까지 변화시키면서 첨가하여 제조하였다.
활성물질중의 하나인 K2CO3 함량을 변화시키면서 H2S 흡착성능 변화를 확인하였다. 이를 위해서 K2CO3는 기본 흡착제 중량대비 5 ~ 30 wt%까지 변화시키면서 첨가하여 제조하였다.
대상 데이터
본 연구에 사용한 흡착제는 모두 펠렛(pellet) 형태로 제조하여 사용되었다. 흡착제의 원료로는 Fe2O3(KANTO), Ca(OH)2(SAMCHUN), Al(OH)3 (KC corporation), 분말활성탄(삼천리활성탄)과 펠렛(pellet) 성형을 위한 결합제로 벤토나이트(bentonite, KANTO)를 사용하였다. 여기에 흡착성능을 향상시키기 위한 활성성분으로는 K2CO3 (SAMCHUN), KOH (SAMCHUN),KI (SAMCHUN) 등을 각각 사용하였다.
이론/모형
특히 이 연구에 의하면 흡착제 성분이 Fe2O3인 경우에 Thomas model이 잘 일치하는 것으로 보도되어 있다. 따라서 본 연구에서도 Fe2O3성분을 기본 흡착제의 주성분으로 사용하고 있으므로, Thomas model을 이용하여 H2S 흡착거동에 대한 모델링을 수행하였다. ;
성능/효과
이를 위하여 Fe2O3, Ca(OH)2, 분말활성탄 및 Al(OH)3의 존재 유무가 H2S의 흡착 제거에 미치는 영향을 살펴본 결과, Fe2O3 와 분말활성탄의 경우는 사용하지 않았을 때보다 사용한 경우가 각각 50%, 120% 씩 흡착성능이 향상되는 것을 확인하였다. 또한 Ca(OH)2와 Al(OH)3의 경우는 사용여부와 상관없이 H2S 흡착성능에 영향을 주지 않지만, 바이오 가스중에 포함되어있는 할로겐 화합물의 제거와 PSA 적용시 담체의 기공특성에 영향을 주는 것으로 판단되어 H2S 제거용 흡착제 기본 담체의 혼합물질중의 성분들로 채택하여 제조에 사용하였다.
S 흡착성능이 증가하는 것을 확인하였다. 또한, 제거 효율이 가장 우수한 활성성분인 K2CO3 함량을 5 ~ 30 wt%까지 변화시키면서 H2S 흡착성능을 확인한 결과는 K2CO3 함량이 20 wt%까지는 함량에 비례하여 흡착성능은 증가하였고 특히 20 wt% K2CO3의 경우에는 활성 성분이 없는 기본 혼합 담체만 사용했을 경우보다 H2S에 대한 파과시간이 6.5배 로 향상되는 결과를 보여주었다. 그러나 K2CO3의 함량이 30 wt%에서는 오히려 흡착성능이 감소하는 것을 확인할 수 있었다.
그러나 K2CO3의 함량이 30 wt%에서는 오히려 흡착성능이 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 결과들을 바탕으로, K2CO3함량의 변화에 따른 H2S 흡착거동에 대해서 Thomas model을 이용하여 모사한 결론으로는 20 wt% K2CO3 이하에서는 실험값과 모사값이 잘 일치하는 경향을 보여주었으나, 30 wt% K2CO3 경우에는 화학반응이 흡착에 미치는 영향이 커져 오차가 심해지는 현상이 보여지므로, K2CO3가 고함량(>30 wt%)일 경우에는 Thomas model의 적용이 어렵다고 판단되었다. 따라서 본 연구에서는 이러한 결과들을 바탕으로, H2S 제거를 위한 흡착제의 수명 향상을 기대할 수 있었으며 향후 흡착제의 조성 종류 및 함량 변화 등에 후속 연구가 지속적으로 이루어진다면 향후 보다 개선된 흡착제를 얻을 수 있을 것이라 기대할 수 있었다.
후속연구
이러한 결과들을 바탕으로, K2CO3함량의 변화에 따른 H2S 흡착거동에 대해서 Thomas model을 이용하여 모사한 결론으로는 20 wt% K2CO3 이하에서는 실험값과 모사값이 잘 일치하는 경향을 보여주었으나, 30 wt% K2CO3 경우에는 화학반응이 흡착에 미치는 영향이 커져 오차가 심해지는 현상이 보여지므로, K2CO3가 고함량(>30 wt%)일 경우에는 Thomas model의 적용이 어렵다고 판단되었다. 따라서 본 연구에서는 이러한 결과들을 바탕으로, H2S 제거를 위한 흡착제의 수명 향상을 기대할 수 있었으며 향후 흡착제의 조성 종류 및 함량 변화 등에 후속 연구가 지속적으로 이루어진다면 향후 보다 개선된 흡착제를 얻을 수 있을 것이라 기대할 수 있었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
바이오가스의 불순물로 인한 문제점에는 무엇이 있는가?
그러나 바이오가스를 효율적이고 경제적인 활용을 위해서는 연료로 사용되는 주성분인 메탄 이외의 이산화탄소, 수분, 먼지, 황 화합물, 암모니아, 할로겐화합물, 실록세인 등의 불순물들은 전처리를 통해 반드시 제거해서 메탄의 순도를 높여서 사용해야 한다. 현재 이러한 불순물에 의해 장비의 손상이나 기능 고장으로 인해 유지보수가 빈번하게 발생하게 되어 발전효율이 저하됨으로써, 경제적인 면에서 경쟁력을 잃게 되어 바이오가스 자원화 사업의 타당성이 문제가 되고 있는 상황이다[8].
바이오가스의 주성분은 무엇인가?
최근 산업화에 의해 온실가스의 대기 중 농도가 높아지고 있으며, 그로 인한 지구온난화가 심각한 문제로 대두되고 있다[1-3]. 이중에서도 특히 바이오가스의 주성분인 메탄(CH4)은 기후변화협약 관련기구인 IPCC에서 이산화탄소 대비 21배의 온실효과 유발 가스로 규정하고 있으며, 교토의정서에서는 각 국가별로 저감대책을 수립하여 이행할 것을 권고하고 있다[4].
바이오 가스가 발생되는 과정은 무엇인가?
바이오 가스는 음식물 쓰레기, 음폐수, 하수슬러지 및 가축분뇨 등의 유기성 폐기물로 대표되는 바이오매스 자원의 혐기소화 과정에서 발생되는 가스이다[5]. 바이오가스 중의 메탄은 대기 중으로 방출 시 온실효과를 나타내는 대표적 가스 중에 하나이지만 대기로 방출되는 메탄을 포집하여 에너지원으로 사용할 경우 화석연료를 대체할 수 있는 재생에너지로써의 사용이 가능하며 온실가스 방출을 줄일 수 있다[6].
참고문헌 (24)
Kastenmeier, B., Matsuo, P., Oehrlein, G., and Langan, J., "Remote Plasma Etching of Silicon Nitride and Silicon Dioxide using $NF_3/O_2$ Gas Mixtures," J. Vacuum Sci. and Technol.-Sect. A-Vacuum Surfaces and Films, 16, 2047-2056 (1998).
Nakamura, S., Itano, M., Aoyama, H., Shibahara, K., Yokoyama, S., and Hirose, M., "Comparative studies of perfluorocarbon Alternative Gas Plasmas for Contact Hole Etch," Japanese J. Appl. Phys., 42, 5759 (2003).
Muhle, J., Ganesan, A., Miller, B., Salameh, P., Harth, C., Greally, B., Rigby, M., Porter, L., Steele, L., and Trudinger, C., "Perfluorocarbons in the Global Atmosphere: Tetrafluoromethane, Hexafluoroethane, and Octafluoropropane," Atmos. Chem. and Phys., 10, 5145-5164 (2010).
Namgung, H. K., Yoon, C. N., and Song, "A Bioreactor for the Effective Removal of the Hydrogen Sulfide from Biogas," J. H., J. Korean Soc. Atmos. Environ., 29(6), 811-817 (2013).
Osorio, A. F., and Torres, B. J. C., "Biogas Purification from Anaerobic Digestion in a Waste Water Treatment Plant for Biofuel Production," Renew. Energy, 34, 2164-2171 (2009).
Korea Environment Corporation, "Energy Technology of Biogas," (2011).
Jeong, M. J., Lee, S. W., and Kim, D. K., "Adsorption of Hydrogen Sulfide on Surface Modified Activated Carbon using Ferric Nitrate," J. Korean Soc. Atmos. Environ., 31(2), 173-180 (2015).
Park, D. S., Lim, J. Y., Cho, Y. G., Song, S. J., and Kim, J. H., "A Study on Comparison on Adsorption Characteristics of Zeolite and DETOX for the Removal of H2S," J. Korea Acad.-Ind. Cooperat. Soc., 15(7), 4675-4681 (2014).
Antonio-Abdu Sami M., Magomnang, Prof. Eliseo P., and Villanueva, Ph.D. "Removal of Hydrogen Sulfide from Biogas using Dry Desulfurization Systems" International Conference of Agricultural Environmental and Biological Sciences (AEBS-2014), April 24-25, 2014 Phuket (Thailand).
Muhammad Rashed Al Mamun and Shuichi ToriI, "Removal of Hydrogen Sulfide(H2S) from Biogas Using Zero-Valent Iron," J. Clean Energy Technol., 3(6), 6 (2015).
Choi, D. Y., Jang, S. C., Gong, G. T., Ahn, B. S., and Choi, D. K., " $H_2S$ Adsorption Characteristics of KOH Impregnated Activated Carbons," J. Korean Ind. Eng. Chem., 17(3), 280-285 (2006)
Choo, H. S., Lau, L. C., Mohamed, A. R., and Lee, K. T., "Hydrogen Sulfide Adsorption by Alkaline Impregnated Coconut Shell Activated Carbon," J. Eng. Sci. and Technol., 8(6), 741-753 (2013).
Steven, M. Z., "Removal of Hydrogen Sulfide from Biogas using Cow-Manure Compost," Master of Science Thesis, Cornell University, USA (2003).
Long, N. Q., and Loc, T. X., "Experimental and Modeling Study on Room-Temperature Removal of Hydrogen Sulfide using a Low-Cost Extruded $Fe_2O_3$ -based Adsorbent," Adsorption, 22, 397-408 (2016).
Kundu, S., and Gupta, A. K., "As(III) Removal from Aqueous Medium in Fixed Bed Using Iron Oxide-Coated Cement (IOCC): Experimental and Modeling Studies," Chem. Eng. J., 129, 123-131 (2007).
Thmoas, H. C., "Heterogeneous Ion Exchange in a Flowing System," J. Am. Chem. Soc., 66, 1644-1666 (1944).
Bharathi, K. S., Ramesh, S. K. P. T., "Fixed-bed Column Studies on Biosorption of Crystal Violet from Aqueous Solution by Citrulus Lanarus Rind and Cyperus Rotundus," Appl. Water Sci., 3, 673-687 (2013).
Allal, K. M., Dolinier, J.-C., and Martin, G., "Reaction Mechanism of Calcium Hydroxide with Gaseous Hydrogen Chloride," Revue De L'Institut Francais Du Petrole, 53(6), (1998).
Zulkefli, N. N., Masdar, M. S., Jahim, J., and Majlan, E. H., "Overview of $H_2S$ Removal Technology from Biogas Production," Int. J. Appl. Eng. Res., 11(20), 10060-10066 (2016).
Foad, A., Andrey, B., Bandosz, T. J., "Analysis of the Relationship between $H_2S$ Removal Capacity and Surface Properties on Unimpregnated Activated Carbons," Environ. Sci. and Technol., 24(4), 686-692 (2000).
Jun, I., Hiroyuki, T., Akinori, Y., Shunji, K., and Kazuo, H., " $H_2S$ Removal and Enrichment from Off-Gas of Geo-Thermal Power Plant with using Pressure Swing Adsorption," Fundamentals of Adsorption, Conference of Fundamentals of Adsorption, 6th, Geins, Fr., May 24-28 (1998).
Shioa, S.-J., "Preparing Activated Red Mud," GB 1398831 (1975).
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