폐기물 합성가스 성분 중 이산화탄소 선택적 흡착을 위한 흡착제 최적화 제조 공정 개발 및 흡·탈착 특성 연구

Abstract

본 연구에서는 폐기물 처리에 있어 소각 잔재 처리 문제와 2차 오염 물질, CO₂배출 측면을 고려한 폐기물 가스화 용융 기반의 합성가스를 이용한 발전 또는 원료 물질 생산과정에서 CO₂만을 선택적으로 흡착하기 위해 Zeolite를 기본 원료 물질로 흡착제를 제조하여 합성가스 내 CO₂흡착 특성을 분석하였다. 기본 원료 물질 선정에 있어 Zeolite(Jishim사의 Zeolite 13X)를 이용하여 XRD, XRF, BET 분석에 근거한 기본적인 성분 분석을 실시하여 CO₂를 흡착할 수 있는 적합한 구조와 특성을 가지고 있는 것을 확인하였다. Zeolite는 이온교환의 능력이 탁월하기 때문에 염기성을 증가 시켜 산성 가스의 흡착능력을 향상하고자 Li+, Na+, K+, Ca^(2+)을 이용하여 이온교환을 하였다. ICP 분석을 통해 이온교환을 확인하였고 CO₂-TPD 분석을 통해 각 이온에 따른 CO₂흡착 능력을 확인하였다. 분석 결과 Na+로 이온교환 한 Zeolite가 가장 많은 CO₂흡착 능력을 보였다. 흡착제의 흡/탈착 효율을 높이고 흡착제를 다루는데 있어 편의성을 높이고자 압출 성형기를 이용하여 Zeolite를 펠렛 형태의 흡착제로 제조하였다. 일정한 비율의 H₂O, 무기결합제, 유기결합제를 첨가하여 균일하게 혼합 후 건조와 소성의 과정을 통해 흡착제를 제조하였다. 무기 결합제로 Bentonite와 colloidal silica 두 종류를 사용하여 무기 물질에 따른 흡착제의 비표면적과 흡착 능력을 비교 분석하였다. 그리고 흡착제의 기공 형성제로 사용되는 유기결합제는 Methyl cellulose를 사용하였으며 일정한 온도에서 소성되는 특징을 이용하여 흡착제의 기공을 형성하였다. 이렇게 제조한 흡착제를 NaCl 수용액으로 이온교환 하여 합성가스 내 CO₂만 선택적으로 흡착 할 수 있는 흡착제를 제조하였다. 그리고 본 연구에서 제조한 흡착제와 현재 상용화 되고 있는 UOP사의 APGⅢ 흡착제와 합성가스 내 CO₂ 흡착 성능을 비교 분석하였다. 흡착제에 합성가스를 흘려주어 나오는 배가스를 실시간 가스 분석기로 측정하여 흡착량을 비교하였다. 본 연구에서 제조한 흡착제가 합성가스 내 CO₂흡착능력이 더 우수한 것을 확인 할 수 있었으며 합성가스 내 CO₂만을 선택적으로 흡착하는 것을 확인 하였다. 이것은 흡착제가 특정 기체만 흡착 할 수 있도록 흡착제 표면에 기공이 형성되었기 때문이다. 그리고 폐기물 가스화 시 발생되는 소량의 H₂S에 대한 피독 현상을 관찰하고자 실제 플랜트에서 1년 동안 배출되는 H₂S 양을 lab-scale의 실험 장치를 이용하여 흡착제 피독 실험을 수행하였다. H₂S로 인한 특정한 피독 현상을 발견하지 못하였으며 합성가스 내 CO₂ 흡착량 또한 급격한 감소 현상이 나타나지 않는 것을 확인 하였다.