KR100770390B1 - 알칼리-활성화 배기가스의 처리방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따르면, 탄소재를 알칼리 물질과 활성화할 때 배기가스가 방출되는, 알칼리 물질을 함유하고 있는 배기가스의 처리방법이 개시되어 있다. 상기 방법은 불활성가스를 수증기와 혼합시켜, 25 ℃ 이상의 이슬점을 나타내는 가습가스를 준비하는 단계; 상기 가습가스를 상기 배기가스와 혼합시켜 금속성 알칼리의 수산화물을 생성하는 단계; 및 상기 생성된 수산화물을 상기 가습가스와 상기 배기가스의 혼합가스로부터 포획하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
탄소재, 알칼리, 포획, 수산화물, 처리
Description
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 처리장치의 전반적인 배치 형태를 예시한 다이어그램이다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 처리장치의 가습가스생성유닛의 형태를 예시한 다이어그램이다.
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 처리장치의 포획유닛의 형태를 예시한 다이어그램이다.
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 처리장치의 전반적인 형태를 예시한 다이어그램이다.
도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 처리장치의 포획유닛의 형태를 예시한 다이어그램이다.
본 발명은 알칼리 물질을 함유하고 있는 배기가스의 처리방법에 관한 것으로, 상기 배기가스는 탄소재를 알칼리 물질과 활성화시켜 큰 표면적(superficial area)을 나타내는 탄소재를 생성할 때 배출되는 것을 특징으로 한다. 본 명세서에서, "알칼리 물질"이란 용어는 금속성 알칼리 및 알칼리 화합물, 예컨대 알칼리 수소화물, 알칼리 산화물, 알칼리 수산화물, 알칼리 시안화물, 알칼리 황화물 및 알칼리 염 등을 의미한다. 또한, "알칼리 화합물"이란 용어는 알칼리 물질들의 희석된 용액이나, 농축된 용액, 심지어는 포화된 용액을 특정한다.
큰 표면적, 예컨대 큰 BET 비표면적을 나타내는 활성화된 탄소는 다양한 산업 응용, 예컨대 탄화수소 분별 증류, 산업상 가스 정화, 흡착에 의한 유해 가스 제거, 환경오염의 원인에 대한 대책, 식품산업이나 화학산업에서의 액상정화(liquid-phase purification), 폐수처리, 액상의 수집/분별증류, 촉매담체(catalysts or catalytic supports), 및 전기 이중층 캐패시터 등에 유용한 것으로 알려져 있다. 특히, 활성화된 탄소는 큰 표면적을 나타내어야 하는데, 그 이유는 활성화된 탄소의 특성은 표면적이 얼마나 크냐에 따라 달라지기 때문이다.
넓은 표면적을 나타내는 활성화된 탄소는, 탄소재를 탄화(carbonizing)시켜 탄화된 재료(carbonized materials)를 형성한 다음, 그 결과물인 탄화된 재료를 알칼리 물질과 함께 활성화시켜(즉, 알칼리 활성화를 수행하여) 생성되었다. 예를 들어, 일본미심사특허공보(KOKAI) 제5-306,109호에는 탄화된 재료가 알칼리 수산화물과 활성화되는 활성화된 탄소를 생성하기 위한 방법이 개시되어 있다.
하지만, 알칼리 활성화에 의한 활성화된 탄소의 생성, 즉 일본미심사특허공보(KOKAI) 제5-306,109호에 기재된 생성 공정으로 표현되어 있는 생성 시에는, 알칼리 활성화를 수행할 때 배출되는 배기가스에 소정의 공정을 실시하여 유해하지 않게 만들 필요가 있다. 구체적으로는, 알칼리 활성화를 겪은 배기가스에는, 탄소재를 활성화하기 위해 첨가된 알칼리 물질이 존재한다. 이에 따라, 배기가스의 온도가 떨어짐에 따라 금속성 알칼리들이 생성된다. 금속성 알칼리들은 물 또는 수분에 반응성이 높은 것으로 알려져 있으므로, 그들이 그것과 반응할 때에는 연소가 일어날 수도 있다. 즉, 배기가스 내에 함유된 금속성 알칼리는 알칼리-활성화 공정 이후에 배기시스템 내의 공기 중의 수분과 반응하여 연소될 수도 있는 위험이 있다. 배기시스템 내에서 연소가 발생하면, 활성화된 탄소의 안전한 생성을 방해받게 된다. 더욱이, 배기가스가 금속성 알칼리를 함유하는 경우에는, 파이프라인이 보통 금속성 파이프로 만들어지기 때문에, 침전하는 금속성 알칼리가 배기시스템의 파이프라인을 부식시키는 문제점을 야기할 수도 있다.
본 발명은 상술된 문제점들의 관점에서 개발되었다. 그러므로, 본 발명의 목적은 탄소재를 알칼리 물질과 활성화시킬 때 배출되는 배기가스의 처리방법으로서, 특히 탄소재를 알칼리 물질과 활성화시킬 때 배출되는 배기가스를 무해하게 만들 수 있는 배기가스의 처리방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 발명자들은 탄소재를 알칼리 물질과 활성화시킬 때 배출되는 배기가스를 처리하는 방법을 계속해서 연구하였다. 그 결과, 본 발명을 완성하게 되었다.
탄소재를 알칼리 물질과 활성화시킬 때 배출되는 배기가스를 처리하는 본 발 명에 따른 방법은,
불활성가스를 수증기와 혼합시켜, 25 ℃ 이상의 이슬점을 나타내는 가습가스(humidified gas)를 준비하는 단계;
상기 가습가스를 상기 배기가스와 혼합시켜 금속성 알칼리의 수산화물을 생성하는 단계; 및
상기 생성된 수산화물을 상기 가습가스와 상기 배기가스의 혼합가스로부터 포획(trapping)하는 단계를 포함하여 이루어진다.
본 발명에 따른 처리방법에 따르면, 배기가스 내에 함유된 알칼리 물질은 그것을 수증기와 반응시켜 수산화물로 변하는데, 이는 상대적으로 낮은 반응성을 나타낸다. 그 후, 생성된 수산화물은 가습가스와 배기가스의 혼합가스로부터 제거된다. 따라서, 본 발명의 처리방법에 따르면, 탄소재를 알칼리 물질과 활성화시킬 때 배출되는 배기가스로부터 알칼리 물질을 쉽고도 안전하게 제거하는 것이 가능하다. 더욱이, 본 발명에 따른 처리방법을 이용하면, 알칼리 활성화 자체를 안전하게 조성할 수 있는데, 그 이유는 탄소재를 알칼리 물질과 활성화시킬 때 배출되는 배기가스를 안전하게 처리하는 것이 가능하기 때문이다.
본 발명의 보다 완전한 이해와 여러 장점들은 첨부도면 및 상세한 명세(이들 모두는 본 명세서의 일부분을 구성하고 있음)와 연계하여 후술하는 상세한 설명을 참조하여 보다 잘 이해함으로써 명백해질 것이다.
본 발명을 일반적으로 설명하자면, 첨부된 청구범위를 제한하려는 의도가 아니라 단지 예시의 목적으로 본 명세서에 제공되는 바람직한 특정 실시예들을 참조 하면 더욱 잘 이해할 수 있다.
본 발명에 따른 배기가스의 처리방법은 탄소재를 알칼리 물질과 활성화시킬 때 배출되는 배기가스로서, 알칼리 물질을 함유하고 있는 배기가스의 처리방법이다. 표면적이 넓은 탄소재를 생성하기 위해 알칼리 활성화가 이용되는데, 그 이유는 탄소재가 알칼리 물질과 활성화될 때 탄소재의 표면적을 확대시키는 것이 가능하기 때문이라는 점에 유의한다.
본 발명에 따른 배기가스의 처리방법에 있어서, 알칼리 활성화를 겪는 탄소재는 그 주요성분원소가 탄소인 물질이 활성화 처리에 의해 처리가능한 것이라면 어느 것이라도 된다. 알칼리 활성화를 겪는 탄소재는 예컨대 활성화된 탄소를 위한 종래의 활성화 처리에 사용되는 탄화된(또는 그래파이트화된) 물질일 수도 있을 뿐 아니라, 석탄 및 페놀 수지와 같은 비탄화된 물질일 수도 있다. 하지만, 탄소재는 탄화된 재료일 수 있는 것이 바람직하다.
"탄화된 재료"라는 용어는 탄화된(또는 그래파이트화된) 물질을 말하며, 탄화된 재료는 탄소 만으로 이루어진다. 탄화된 재료로는, 탄소질 물질을 탄화하여 생성되는 물질을 사용하는 것이 가능하다. 하지만, 상기 탄소질 물질이 구체적으로 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 탄화된 재료에 관해서는, 팜-추출(palm-derived) 탄소질 원료, 우드-추출 탄소질 원료 및 석탄-추출 탄소질 원료와 같은 탄소질 원료를 탄화하여 생성되는 물질을 예로 들 수 있다.
탄소재의 알칼리 활성화 시에 사용되는 알칼리 물질은, 활성화 처리를 겪은 탄소재에 큰 비표면적을 제공하는 물질일 수 있다. 예를 들어, 알칼리 물질에 관해 서는, LiOH, NaOH, KOH 및 K2CO3 와 같은 금속성 알칼리의 화합물을 예로 들 수 있다.
본 발명에 따른 배기가스의 처리방법은, 탄소재를 알칼리 물질과 활성화시킬 때 방출되는 배기가스를 처리하기 위한 방법이다. 이에 따라, 본 발명에 따른 방법은 탄소재가 알칼리 물질과 활성화된다는 반응조건 하에서는 기타 어떠한 반응조건들도 제한하지 아니한다.
구체적으로, 본 발명에 따른 배기가스의 처리방법은, 가습가스를 준비하는 단계; 금속성 알칼리의 수산화물을 생성하는 단계; 및 상기 생성된 수산화물을 포획하는 단계를 포함하여 이루어진다.
상기 가습가스를 준비하는 단계에 있어서는, 25 ℃ 이상의 이슬점을 나타내는 가습가스가 준비된다. 결과적인 가습가스는 예컨대 배기가스 내에 함유되어 있는 금속성 알칼리와 반응하여, 그것이 다음 단계에서 배기가스와 혼합될 때 금속성 알칼리의 수산화물을 생성하게 된다.
가습가스는 25 ℃ 이상의 이슬점을 나타내기 때문에, 후속단계에서 수산화물을 안전하게 생성하는 것이 가능하다. 가습가스의 이슬점이 25 ℃ 를 넘으면, 상기 가습가스 내에 함유되어 있는 물의 함유량이 급격하게 증가하여, 배기가스 내에 함유된 금속성 알칼리와 상기 가습가스가 다음 단계에서 배기가스와 혼합될 때의 가습가스간에 수산화(hydroxylation)가 조성되기 쉽게 된다. 상기 가습가스는 40 ℃ 이상, 보다 바람직하게는 60 ℃ 이상의 이슬점을 나타낼 수 있는 것이 바람직하다 는 점에 유의한다. 더욱이, 가습가스의 이슬점은 25 내지 80 ℃ 의 범위, 보다 바람직하게는 40 내지 80 ℃ 의 범위, 더욱 바람직하게는 60 내지 80 ℃ 의 범위에 있을 수 있는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 배기가스의 처리방법에 있어서, 가습가스의 생성공정은 생성된 가습가스가 배기가스 내에 함유된 금속성 알칼리와 반응하여 후속 단계에서 금속성 알칼리의 수산화물을 생성할 수 있는 한 특별히 제한되지 아니한다. 예를 들어, 상기 가습가스는 불활성가스로 이루어진 담체가스(carrier gas) 및 상기 담체가스에서 분산된 수증기를 포함하여 이루어질 수 있는 것이 바람직하다. 이 경우, 담체가스를 만드는 불활성가스는 알칼리 물질과 탄소재와 반응하지 않는 가스를 포함하여 이루어진다. 이러한 가스에 관해서는, 예컨대 질소가스, 헬륨가스, 네온가스 및 아르곤가스 등을 예로 들 수 있다.
상기 금속성 알칼리의 수산화물을 생성하는 단계에 있어서, 가습가스는 배기가스와 혼합되어 금속성 알칼리의 수산화물을 생성하게 된다. 이 단계에서, 알칼리 물질을 만드는 반응성이 높은 금속성 알칼리는 그 반응성이 금속성 알칼리보다 낮은 수산화물로 변한다. 금속성 알칼리는 반응성이 상대적으로 낮은 수산화물로 변하기 때문에, 결과적인 수산화물을 가습가스와 배기가스의 혼합가스로부터 다음 단계에서 쉽고도 안전하게 제거하는 것이 가능하다. "반응성이 보다 낮은" 및 "반응성이 상대적으로 낮은"이란 어구 또한 알칼리 물질의 용액을 희석하여 활성이 떨어지게 된다는 것을 의미한다는 점에 유의한다.
가습가스를 배기가스와 혼합하는 경우에는, 상기 가습가스와 상기 배기가스 의 혼합가스의 온도를 가습가스의 이슬점 이상, 즉 25 ℃ 이상의 이슬점으로 유지시키는 것이 바람직하다. 가습가스가 배기가스와 상기 가습가스의 이슬점 이상의 온도로 혼합되는 경우, 상기 배기가스 내에 함유된 알칼리 물질은 손쉽게 수산화물을 형성할 수 있다. 만일 가습가스가 상기 가습가스의 이슬점보다 낮은 온도로 배기가스와 혼합된다면, 상기 배기가스 내에 함유된 물은 물방울을 생성하고, 그 결과로 생긴 물방울들은 상기 배기가스 내에 함유된 알칼리 물질 또는 금속성 알칼리와 폭발적으로 반응할 수도 있다. 소정의 경우, 결과적인 물방울들은 배기가스 내에 함유된 금속성 알칼리와 반응하여 그것을 연소시킬 수도 있다.
상기 생성된 수산화물을 포획하는 단계에 있어서, 가습가스와 배기가스의 혼합가스로부터 생성되는 수산화물은 포획에 의해 제거된다. 수산화물을 포획함으로써, 배기가스 내에 함유된 금속성 알칼리를 제거하는 것이 가능하게 된다. 따라서, 상기 배기가스를 어떠한 금속성 알칼리도 없는 배기가스로 바꾸는 것이 가능하게 된다.
본 발명에 따른 배기가스의 처리방법에 있어서, 가습가스는 금속성 알칼리와 같은 알칼리 물질이 수산화물을 생성할 수 있는 여하한의 환경에서 배기가스와 혼합될 수 있다. 즉, 가습가스는 알칼리 활성화가 수행되는 반응실 내부에서 배기가스와 혼합될 수 있다. 대안적으로는, 가습가스가 알칼리 활성화가 수행되는 반응실 외부에서 배기가스와 혼합될 수도 있다. 구체적으로, 상기 가습가스는 탄소재가 알칼리 물질과 활성화되는 반응실 안으로 도입될 수 있어, 상기 금속성 알칼리의 수산화물을 생성하는 단계에서 배기가스와 혼합될 수 있는 것이 바람직하다. 만일 이 러한 경우라면, 활성화 반응이 조성되는 반응실 내에서 가습가스를 배기가스와 혼합하는 것이 가능하다. 또한, 탄소재가 알칼리 물질과 활성화되는 반응실 외부에서 상기 가습가스를 배기가스와 혼합하는 것도 바람직하다.
상기 금속성 알칼리의 수산화물을 생성하는 단계에서 생성되는 수산화물이 가습가스와 배기가스의 혼합가스로부터 분리될 수 있는 한, 상기 생성된 수산화물을 포획하는 단계를 실시하기 위한 방법은 공지된 특정 처리방법으로 제한되지 아니한다. 상기 수산화물을 포획하기 위하여, 수산화물이 용해될 수 있는 용액에서 상기 가습가스와 배기가스의 혼합가스를 용해시킨 다음, 상기 가습가스와 배기가스의 혼합가스를 상기 용액으로부터 분리시키는 것이 바람직하다. 상기 가습가스와 배기가스의 혼합가스가 용액 내에 용해되는 경우, 상기 가습가스와 배기가스의 혼합가스를 수산화물이 용해되어 있는 용액으로부터 분리시키는 것이 가능하다. 상기 생성된 수산화물을 내부에서 용해시킬 수 있는 용액은 물 또는 수계(water-based) 용액을 포함하여 이루어질 수 있는 것이 바람직하다는 점에 유의한다.
더욱이, 수산화물을 포획하기 위해서는, 가습가스와 배기가스의 혼합가스를 물에 통과시키는 것이 바람직하다. 상기 가습가스와 배기가스의 혼합가스가 물을 통과하면, 수산화물을 함유하는 혼합가스가 물과 접촉하여, 상기 혼합가스 내의 수산화물이 물 안으로 용해된다. 따라서, 물을 통과한 가습가스와 배기가스의 혼합가스로부터 수산화물을 상기 물이 제거한다.
또한, 수산화물을 포획하기 위해서는, 가습가스와 배기가스의 혼합가스 상으로 물을 분무하는 것이 바람직하다. 상기 가습가스와 배기가스의 혼합가스 상으로 물이 분무되면, 수산화물을 함유하는 혼합가스가 물과 접촉하여, 상기 혼합가스 내의 수산화물이 물 속에 용해된다. 따라서, 분무된 물은 수산화물을 물이 분무된 가습가스와 배기가스의 혼합가스로부터 제거한다.
본 발명에 따른 방법은 알칼리 활성화 시에 생성되는 배기가스를 처리하기 위한 것이다. 본 방법은 활성화된 탄소와 같은 다공성 탄소재의 생성 시에 실시되는 알칼리 활성화 시에 생성되는 배기가스를 처리하는 것 뿐만 아니라, 비다공성 탄소재의 생성 시에 실시되는 알칼리 활성화 시에 생성되는 배기가스를 처리하는 것에도 적용될 수 있다.
실시예들
이하, 본 발명의 특정 실시예들에 따른 배기가스의 처리방법을 참조하여 설명하기로 한다.
본 발명의 특정 실시예들로서, 큰 표면적을 나타내는 활성화된 탄소를 생성하기 위해 탄화된 재료 상으로 알칼리 활성화가 수행되었고, 상기 알칼리 활성화 시에 생성되는 배기가스는 다양하게 처리되었다.
(제1실시예)
본 발명의 제1실시예에 따른 배기가스의 처리방법은, 주요 구성요소들이 도 1에 예시된 생성 설비를 이용하여 실시되었다.
도 1에 도시된 바와 같이, 상기 생성 설비는 소성로(calcining furnace; 1), 가습가스생성장치(2), 가스혼합실(3), 포획장치(4) 및 파이프라인(5)으로 이루어져 있다.
상기 소성로(1)에 관해서는, 활성화된 탄소를 생성하기 위해 원료를 탄화 및/또는 활성화하도록 전통적으로 이용되어 온 소성로가 사용되었다. 상기 소성로(1)는 반응실 내의 분위기를 제어할 수 있다. 상기 반응실 내의 분위기는 상기 반응실 안으로 공급된 활성화가스 및 상기 반응실로부터 배출된 배기가스에 의해 제어되었다. 제1실시예에서, 활성화가스는 반응실 안으로 계속해서 공급되었으며, 배기가스는 반응실로부터 계속해서 배출되었다.
도 2는 가습가스생성장치(2)의 특정 형태를 예시하고 있다. 도면에 도시된 바와 같이, 상기 가습가스생성장치(2)는 물탱크(20), 히터(21), 질소가스공급유닛(22), 파이프(23) 및 가습가스배출개구부(24)로 이루어진다. 상기 물탱크(20)는 저장된 물을 실질적으로 에워싸는 방식으로 내부에 물을 저장하였다. 상기 히터(21)는 상기 물탱크(20) 내에 저장된 물을 가열하였다. 상기 질소가스공급유닛(22)은 상기 물탱크(20) 내에 저장된 물 속에 질소가스를 공급하였다. 상기 파이프(23)는 대향하는 단부 중 하나가 상기 질소가스공급유닛(22)에 연결되고, 상기 대향하는 단부 중 다른 하나는 물탱크(20)에 저장된 물에 배치되었다. 상기 가습가스배출개구부(24)는 물탱크(20)의 최상면에서 개방되었다.
상기 가습가스생성장치(2)에 있어서, 상기 질소가스공급유닛(22)은 상기 파이프(23)에 의해 물탱크(20) 안으로 질소가스를 공급하였다. 상기 물탱크(20) 내에서, 질소가스가 물탱크(20) 내에 저장된 물을 통과할 때에는 상기 질소가스에 수분이 제공되었다. 그 후, 이렇게 가습된 질소가스는 상기 가습가스배출개구부(24)를 통해 외부로 배출되었다. 따라서, 상기 가습가스생성장치(2)는 활성화된 탄소의 생 성 시에 다른 물질들에 불활성인 질소가스 및 상기 질소가스에 분산된 수증기로 이루어져 있다. 더욱이, 상기 가습가스생성장치(2)는 히터(21)가 가열한 저장된 물의 온도 및 상기 질소가스공급유닛(22)이 공급한 질소가스의 유량에 따라 상기 결과적인 가습가스의 이슬점을 제어하였다.
상기 가스혼합실(3)은 반응실로 이루어져 있다. 상기 반응실에서는, 상기 소성로(1)로부터 배출된 배기가스 및 상기 가습가스생성장치(2)로부터 배출된 가습가스가 혼합되었다. 이에 따라, 상기 가습혼합실(3)의 반응실은, 내부에 공급되는 배기가스와 혼합가스를 완전히 혼합할 수 있도록 형성되었다.
도 3은 상기 포획장치(4)의 특정 형태를 예시한다. 도면에 도시된 바와 같이, 상기 포획장치(4)는 물탱크(40), 파이프(41), 및 배기가스배출개구부(42)로 이루어져 있다. 상기 물탱크(40)는 저장된 물을 실질적으로 에워싸는 방식으로 그 내부에 물을 저장하였다. 상기 파이프(41)는 대향하는 단부 중 하나가 상기 가스혼합실(3)에 연결되고, 대향하는 단부 중 다른 하나는 물탱크(40) 내에 저장된 물에 배치되었다. 이에 따라, 가스혼합실(3)의 반응실로부터 배출되는 배기가스와 가습가스의 혼합가스는 상기 파이프(41)를 통해 물탱크(40) 안에 저장된 물 속으로 공급되었다. 상기 배기가스배출개구부(42)는 상기 물탱크(40)의 최상면에서 개방되었다.
상기 포획장치(4)에서는, 상기 가스혼합실(3)의 반응실로부터 배출되는 배기가스와 가습가스의 혼합가스가 파이프(41)를 통해 물탱크(40) 안으로 공급되었다. 상기 물탱크(40) 내에서는, 상기 혼합가스가 물탱크(40) 내에 저장된 물을 통과할 때에 수용성 물질들이 물 속에 용해되었다. 따라서, 수용성 물질들이 상기 혼합가스로부터 분리되었다. 그 후, 수용성 물질들이 없는 혼합가스가 상기 배기가스배출개구부(42)를 통해 외부로 배출되었다.
도 1에 예시된 바와 같이, 상기 파이프라인(5)은 제1파이프(50), 제2파이프(51), 및 제3파이프(52)로 이루어져 있다. 상기 제1파이프(50)는 상기 소성로(1)와 상기 가스혼합실(3) 사이에 연결되어 있다. 상기 제2파이프(51)는 가습가스생성장치(2)와 가스혼합실(3) 사이에 연결되어 있다. 상기 제3파이프(52)는 상기 가스혼합실(3)과 상기 포획장치(4) 사이에 연결되어 있다.
(활성화된 탄소의 생성)
활성화된 탄소를 생성하기 위한 원료로는, 석탄계 피치(coal-based pitch)가 준비되었다. 준비된 석탄계 피치는 그래파이트(graphite)와 유사한 미세구조를 가지고, 비교적 비결정질이며, 저배향(low orientation)을 나타내었다.
상기 석탄계 피치는 소정의 압력 하에 소정의 온도로, 예컨대 0.1 내지 0.5 MPa 의 압력 하에 5 ℃/분의 온도 증분율로 300 내지 500 ℃ 의 온도로 가열되었다. 그 후, 석탄계 피치는 소정의 시간 주기동안, 예컨대 1 내지 5 시간동안 소정의 온도로 가열 유지되어 예비적으로 탄화되었다.
더욱이, 예비적으로 탄화된 석탄계 피치는 소정의 압력 하에 소정의 온도로, 예컨대 0.2 MPa 이하의 압력 하에 5 ℃/분의 온도 증분율로 700 내지 900 ℃ 의 온도로 가열되었다. 그 후, 예비적으로 탄화된 석탄계 피치는 소정의 시간 주기동안, 예컨대 1 내지 5 시간동안 소정의 온도로 가열 유지되어 완전히 탄화되었다.
탄화 처리 후, 탄화된 석탄계 피치는 알칼리 화합물로 활성화되었다. 알칼리 화합물에 관해서는, 예컨대 금속성 알칼리의 수산화물과 금속성 알칼리의 카보네이트를 사용하는 것이 가능하다는 점에 유의한다. 본 발명의 제1실시예에 따른 배기가스의 처리방법에 있어서는, 수산화칼륨(KOH)이 이용되었다. 상기 활성화 처리는 탄화된 석탄계 피치와 알칼리 화합물의 혼합물을, 알칼리 화합물에 대한 탄화된 석탄계 피치의 조성비를 중량비 1 : 1 내지 1 : 5 의 범위 내에서 제어하면서 4 내지 10 시간동안 700 내지 900 ℃ 의 온도로 유지하여 실시되었다. 이 경우, 상기 혼합물은 500 내지 900 ℃, 보다 바람직하게는 700 내지 900 ℃, 더욱 바람직하게는 800 ℃ 정도의 온도로 유지될 수 있는 것이 바람직하다. 더욱이, 상기 혼합물은 질소가스 분위기 내에 유지되었다. 또한, 탄화된 석탄계 피치의 알칼리-화합물 활성화 처리도 상기 소성로(1)를 이용하여 실시되었다.
그 후, 이렇게 활성화된 탄화된 석탄계 피치는 물로 완전히 세척된 후에 분쇄되었다. 최종적으로, 결과적인 분쇄된 분말은 다시 소성로(1)를 이용하여 질소가스 분위기에서 4 내지 10 시간동안 700 내지 900 ℃ 의 온도로 소성되었다. 상기 질소가스 분위기는 부피당 100 파트로 취해진 질소가스에 대해 부피당 3 내지 100 파트의 비율로 수소가스를 함유하였다는 점에 유의한다. 더욱이, 상기 분쇄된 분말은 500 내지 900 ℃, 보다 바람직하게는 700 내지 900 ℃, 더욱 바람직하게는 800 ℃ 정도의 온도로 소정될 수 있는 것이 바람직하다. 따라서, 활성화된 탄소는 알칼리 활성화 시에 배출되는 배기가스에 본 발명의 제1실시예에 따른 배기가스의 처리방법을 적용하면서 생성되었다.
(배기가스의 처리)
본 발명의 제1실시예에 따른 배기가스의 처리방법에 있어서, 알칼리 화합물(즉, KOH)에 함유된 배기가스 뿐만 아니라 알칼리 화합물을 이루는 순수 금속성 알칼리(즉, K)는 상기 소성로(1)로부터 계속해서 배출되었다. 상기 소성로(1) 내의 분위기는 알칼리 활성화 시 수증기가 혼합된 질소가스 또는 질소가스 분위기이기 때문에, 상기 배기가스는 알칼리 화합물, 금속성 알칼리, 질소가스 및 물로 이루어져 있다. 상기 배기가스는 제1파이프(50)에 의해 가스혼합실(3)의 반응실 안으로 도입되었다. 상기 배기가스는 상기 가스혼합실(3)의 반응실 안으로 도입될 때에 50 ℃ 의 온도를 나타내었다는 점에 유의한다.
더욱이, 상기 가습가스는 상기 제2파이프(51)에 의해 상기 가습가스생성장치(2)로부터 상기 가스혼합실(3)의 반응실 안으로 도입되었다. 이 경우, 상기 가스혼합실(3)의 반응실 안으로 도입된 가습가스는 40 ℃ 의 이슬점과 50 ℃ 의 온도를 나타내었다. 상기 가스혼합실(3)의 반응실 내에서는, 배기가스가 가습가스와 혼합되었다. 이에 따라, 상기 배기가스 내의 순수 금속성 알칼리, 금속성 칼륨(K)은, 본 발명의 제1실시예에 따른 배기가스의 처리방법에서 알칼리 수산화물, 즉 수산화칼륨(KOH)을 생성하기 위해 상기 가습가스 내에 함유된 수분 내의 물과 반응하였다. 결과적인 수산화물(KOH)은 순수 금속성 알칼리(K)보다 낮은 반응성을 나타내었다. 그 후, 수산화물을 함유한 배기가스와 가습가스의 혼합가스가 가스혼합실(3)로부터 배출되었다.
수산화물을 함유한 배기가스와 가습가스의 혼합가스는 제3파이프(52)에 의해 포획장치(4)로 이송되었다. 상기 포획장치(4)에서는, 가스혼합실(3)의 반응실로부터 이송된 혼합가스가 파이프(41)에 의해 수조(water bath; 40) 안으로 공급되었다. 상기 수조(40) 내에서는, 상기 혼합가스가 상기 수조(40) 내에 저장된 물을 통과하였다. 이 경우, 상기 혼합가스 내에 함유된 수산화물이 상기 저장된 물 속에 용해되었다. 상기 수산화물(KOH)은 금속성 알칼리(K)보다 낮은 반응성을 나타내므로, 상기 혼합가스가 물과 접촉할 때에 폭발 반응이 발생하지 않는다는 점에 유의한다. 따라서, 상기 수산화물은 저장된 물 속에 용해되므로, 상기 수산화물이 상기 혼합가스로부터 분리되게 된다. 결국, 상기 수산화물이 제거된 혼합가스는 상기 배기가스배출개구부(42)를 통해 외부로 배출되었다.
상술된 바와 같이, 상기 포획장치(4)로부터 배출된 배기가스와 가습가스의 혼합가스는, 알칼리 화합물 뿐만 아니라 순수 금속성 알칼리가 제거된 안전한 배기가스로 변하였다. 더욱이, 본 발명의 제1실시예에 따른 배기가스의 처리방법에서는, 배기가스의 온도가 감소되더라도 알칼리 활성화 시에 배출되는 배기가스를 처리하기 위한 배기시스템에서 금속성 알칼리가 거의 생성되지 않는다. 다시 말해, 소성로(1)로부터 배출되는 배기가스 내의 금속성 알칼리(K)는 낮은 반응성을 갖는 수산화물(KOH)로 변하고, 상기 포획장치(4)는 결과적인 수산화물을 제거하기 위해 상기 혼합가스로부터 분리시켰다. 결과적으로, 본 발명의 제1실시예에 따른 배기가스의 처리방법에 따르면, 배기가스를 안전하게 처리하는 것이 가능하였다.
(제2실시예)
본 발명의 제2실시예에 따른 배기가스의 처리방법은, 주요 구성요소들이 도 4에 예시된 생성 설비를 이용하여 실시되었다.
도 4에 도시된 바와 같이, 상기 생성 설비는 소성로(6), 가습가스생성장치(2), 포획장치(7) 및 파이프라인(8)으로 이루어져 있다.
소성로(6)에는 가습가스생성장치(2)가 공급한 가습가스를 반응실 안으로 도입하기 위한 유입개구부가 제공되었다는 점을 제외하고는, 제1실시예에 사용된 소성로(1)와 동일한 방식으로 상기 소성로(6)가 배치되었다.
상기 가습가스생성장치(2)는 제1실시예에 사용된 가습가스생성장치(2)와 동일한 방식으로 배치되었다.
도 5는 포획장치(7)의 특정 형태를 예시하고 있다. 도면에 도시된 바와 같이, 상기 포획장치(7)는 하우징벽(70), 반응실(71), 가스유입개구부(72), 가스배출개구부(73), 및 분무장치(74)로 이루어져 있다. 상기 하우징벽(70)은 상기 반응실(71)을 분할하였다. 상기 가스유입개구부(72)는 상기 반응실(71)의 하부측 상에 배치되고, 상기 하우징벽(70)에서 개방되었다. 상기 가스배출개구부(73)는 상기 반응실(71)의 상부측 상에 배치되고, 상기 하우징벽(70)에서 개방되었다. 상기 분무장치(74)는 상기 반응실(71)의 상부측 상에 배치되고, 상기 반응실(71) 내에서 물방울, 즉 물을 분무하였다.
따라서, 상기 포획장치(7)는, 상기 반응실(71)의 하부측에서 개방된 가스유입개구부(72)를 통해 상기 반응실(71) 안으로 가스가 도입되고; 상기 도입된 가스는 상기 반응실(71) 내부를 통과하며; 상기 도입된 가스는 상기 반응실(71)의 상부측에서 개방된 가스배출개구부(73)를 통해 배출되도록 배치되었다. 더욱이, 상기 분무장치(74)는 상기 반응실(71) 내에서 물방울, 즉 물을 분무하였다. 구체적으로, 상기 포획장치(7)에서는, 상기 반응실(71) 내에서 통과하는 가스가 상기 분무장치(74)로부터 공급된 물방울과 접촉됨으로써, 상기 가스 내의 수용성 구성요소들이 물방울 안에 용해되어 상기 가스로부터 분리되게 된다. 또한, 수용성 구성요소들이 제거된 가스는 상기 가스배출개구부(73)를 통해 배출되었다. 상기 포획장치(7)는, 물방울로서 분무된 물을 회수하기 위한 물회수유닛(도시안됨)을 더 포함하여 이루어져 있다는 점에 유의한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 파이프라인(8)은 제1파이프(80)와 제2파이프(81)로 이루어져 있다. 상기 제1파이프(80)는 가습가스생성장치(2)와 소성로(6) 사이에 연결되어 있다. 상기 제2파이프(81)는 상기 소성로(6)와 상기 포획장치(7) 사이에 연결되어 있다.
이렇게 구성된 생성 설비를 이용하면, 활성화된 탄소가 제1실시예에 기재된 것과 동일한 방식으로 생성되었다. 이에 따라, 알칼리 활성화 시에 배출되는 배기가스에 본 발명의 제2실시예에 따른 배기가스의 처리방법을 적용하는 동안, 활성화된 탄소가 생성되었다.
(배기가스의 처리)
활성화된 탄소의 생성 시, 알칼리 활성화가 조성될 때 소성로(6)의 반응실 내에는 가스가 존재하였다. 상기 가스는 알칼리 화합물(즉, KOH) 뿐만 아니라 상기 알칼리 화합물을 만드는 순수 금속성 알칼리(즉, K)에 함유되었다. 더욱이, 소성로(6) 내의 분위기는 알칼리 활성화 시 수증기가 혼합된 질소가스 또는 질소가스 분 위기이기 때문에, 상기 소성로(6) 내에 존재하는 가스는 알칼리 화합물, 금속성 알칼리, 질소가스 및 물로 이루어져 있다.
또한, 상기 생성 설비는, 상기 가습가스생성장치(2)가 가습가스를 생성하고; 상기 가습가스생성장치(2)로부터 공급되는 가습가스는 알칼리 활성화가 제1파이프(80)에 의해 조성되고 있는 소성로(6)의 반응실 안으로 도입되도록 배치되었다. 이 경우, 상기 소성로(6)의 반응실 안으로 도입되는 가습가스는 40 ℃ 의 이슬점과 50 ℃ 의 온도를 나타내었다. 상기 소성로(6)의 반응실 내에서는, 배기가스가 가습가스와 혼합되었다. 이에 따라, 상기 배기가스 내의 순수 금속성 알칼리, 금속성 칼륨(K)은, 본 발명의 제2실시예에 따른 배기가스의 처리방법에서 알칼리 수산화물, 즉 수산화칼륨(KOH)을 생성하기 위해 상기 가습가스 내의 물과 반응하였다.
그 후, 수산화물을 함유한 배기가스와 가습가스의 혼합가스가 소성로(6)로부터 배출되었다.
수산화물을 함유한 배기가스와 가습가스의 혼합가스는 제2파이프(81)에 의해 포획장치(7)로 이송되었다. 상기 포획장치(7)에서는, 상기 소성로(6)의 반응실로부터 이송된 혼합가스가 가스유입개구부(72)를 통해 상기 반응실(71) 안으로 공급되었다. 상기 혼합가스가 유동되는 반응실(71) 내에서는, 상기 분무장치(74)가 물방울, 즉 물을 분무하였다. 결국, 상기 혼합가스는 분무된 물로 충전된 반응실(71)을 통과하고, 상기 가스배출개구부(73)를 통해 외부로 배출되었다. 이 경우, 상기 혼합가스는 상기 분무장치(74)가 공급한 분무된 물(또는 물방울)과 접촉하여, 상기 혼합가스 내에 함유된 수산화물이 상기 분무된 물(또는 물방울) 속에 용해되었다. 따라서, 수산화물이 상기 분무된 물(또는 물방울) 내에 용해되어, 상기 수산화물이 상기 혼합가스로부터 분리되게 되었다.
상술된 바와 같이, 상기 포획장치(7)로부터 배출된 배기가스와 가습가스의 혼합가스는, 알칼리 화합물 뿐만 아니라 순수 금속성 알칼리가 제거된 안전한 배기가스로 변하였다. 더욱이, 본 발명의 제2실시예에 따른 배기가스의 처리방법에서는, 배기가스의 온도가 감소되더라도 알칼리 활성화 시에 배출되는 배기가스를 처리하기 위한 배기시스템에서 금속성 알칼리가 거의 생성되지 않았다. 다시 말해, 소성로(6)로부터 배출되는 배기가스 내의 금속성 알칼리(K)는 낮은 반응성을 갖는 수산화물(KOH)로 변하였고, 상기 포획장치(7)는 결과적인 수산화물을 제거하기 위해 상기 배기가스로부터 분리시켰다. 결과적으로, 본 발명의 제2실시예에 따른 배기가스의 처리방법에 따르면, 배기가스를 안전하게 처리하는 것이 가능하였다.
(수정예)
본 발명의 제2실시예에 따른 배기가스의 처리방법이 적용된 생성 설비에 사용되는 포획장치(7)를, 본 발명의 제1실시예에 따른 배기가스의 처리방법이 적용된 생성 설비에 사용되는 포획장치(4)로 대체하거나 그 역으로 대체하는 경우에도, 제1실시예 및 제2실시예와 동일한 유용한 효과들을 얻을 수 있다.
구체적으로는, 제2실시예에 따른 포획장치(7)를 제1실시예에 따른 포획장치(4)로 대체한 제1실시예에 따른 생성 설비는 동일한 장점들을 가진다. 마찬가지로, 제1실시예에 따른 포획장치(4)를 제2실시예에 따른 포획장치(7)로 대체한 제2실시예에 따른 생성 설비는 동일한 장점들을 가진다.
더욱이, 제1실시예 및 제2실시예에서, 알칼리-활성화 분위기는 질소가스 분위기였다. 하지만, 수증기가 혼합된 질소가스 분위기에서 알칼리 활성화를 실시하는 것도 가능하다. 알칼리-활성화 분위기가 수증기를 포함하는 경우에는, 금속성 알칼리가 배기가스 내에 생성되지 않는다. 이에 따라, 상기 수정예 또한 배기가스를 안전하게 처리한다는 장점을 입증한다. 또한, 알칼리-활성화 분위기가 수증기를 포함하더라도, 제1실시예 또는 제2실시예에 따른 포획장치(4 또는 7)는 금속성 알칼리의 수산화물을 제거할 수 있다. 결과적으로, 배기가스의 처리를 안전하게 실시하는 것이 가능하다.
지금까지 본 발명을 상세히 기술하였지만, 첨부된 청구범위를 포함하여 본 명세서에 기재된 본 발명의 기술적 사상 또는 범위를 벗어나지 않으면서 수많은 변형 및 수정들이 가능하다는 것은 당업계의 당업자에게는 자명한 사실이다.
본 발명에 따른 배기가스의 처리방법 및 배기 가스 처리 장치에 따르면, 배기가스를 안전하게 처리하는 것이 가능하다.
Claims (14)
- 알칼리 물질을 함유하고 있는 배기가스를 처리하기 위한 배기가스의 처리방법에 있어서,상기 배기가스는 탄소재(carbon material)를 알칼리 물질과 활성화시킬 때 배출되고,상기 방법은,불활성가스를 수증기와 혼합시켜, 25 ℃ 이상의 이슬점을 나타내는 가습가스(humidified gas)를 준비하는 단계;상기 가습가스를 상기 배기가스와 혼합시켜 금속성 알칼리의 수산화물을 생성하는 단계; 및상기 생성된 수산화물을 상기 가습가스와 상기 배기가스의 혼합가스로부터 포획(trapping)하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 배기가스의 처리방법.
- 제1항에 있어서,상기 가습가스는 상기 탄소재가 상기 알칼리 물질과 활성화되는 반응실(reactor chamber) 안으로 도입되어, 상기 금속성 알칼리의 수산화물을 생성하는 단계에서 상기 배기가스와 혼합되는 것을 특징으로 하는 배기가스의 처리방법.
- 제1항에 있어서,상기 가습가스는, 상기 금속성 알칼리의 수산화물을 생성하는 단계에서, 상기 탄소재가 상기 알칼리 물질과 활성화되는 반응실 외부에서 상기 배기가스와 혼합되는 것을 특징으로 하는 배기가스의 처리방법.
- 제1항에 있어서,상기 수산화물은, 상기 생성된 수산화물을 포획하는 단계에서, 상기 가습가스와 상기 배기가스의 혼합가스를 물에 통과시켜 포획되는 것을 특징으로 하는 배기가스의 처리방법.
- 제1항에 있어서,상기 수산화물은, 상기 생성된 수산화물을 포획하는 단계에서, 상기 가습가스와 상기 배기가스의 혼합가스 상에 물을 뿌려 포획되는 것을 특징으로 하는 배기가스의 처리방법.
- 제1항에 있어서,상기 가습가스는 불활성가스로 이루어진 담체가스(carrier gas) 및 상기 담체가스에 확산되는 수증기를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 배기가스의 처리방법.
- 제1항에 있어서,상기 가습가스는 25 내지 80 ℃ 의 범위에 있는 이슬점을 나타내는 것을 특징으로 하는 배기가스의 처리방법.
- 알칼리 물질을 함유하고 있는 배기가스의 처리장치에 있어서,상기 배기가스는 탄소재를 알칼리 물질과 활성화시킬 때 배출되고,상기 장치는,25 ℃ 이상의 이슬점을 나타내는 가습가스를 준비하기 위한 가습가스준비장치;상기 가습가스를 상기 배기가스와 혼합시켜 금속성 알칼리의 수산화물을 생성하기 위한 가스혼합장치; 및상기 생성된 수산화물을 상기 가습가스와 상기 배기가스의 혼합가스로부터 포획하기 위한 포획장치를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 배기가스의 처리장치.
- 제8항에 있어서,반응실을 더 포함하되,상기 가습가스가 상기 반응실 내부로 도입되고, 상기 반응실 내부에서 상기 탄소재가 상기 알칼리 물질과 활성화되어, 상기 가습가스가 상기 배기가스와 혼합되는 것을 특징으로 하는 배기가스의 처리장치.
- 제8항에 있어서,반응실을 더 포함하되,상기 반응실 내에서 상기 탄소재가 상기 알칼리 물질과 활성화되고, 상기 가습가스는 상기 반응실 외부에서 상기 배기가스와 혼합되어, 상기 가습가스가 상기 배기가스와 혼합되는 것을 특징으로 하는 배기가스의 처리장치.
- 제8항에 있어서,상기 포획장치는, 상기 가습가스와 상기 배기가스의 혼합가스를 통과시켜 상기 생성된 수산화물을 포획시키는 저장된 물을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 배기가스의 처리장치.
- 제8항에 있어서,상기 포획장치는, 상기 가습가스와 상기 배기가스의 혼합가스 상에 물을 뿌려 상기 생성된 수산화물을 포획시키는 분무장치를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 배기가스의 처리장치.
- 제8항에 있어서,상기 가습가스는 불활성가스로 이루어진 담체가스 및 상기 담체가스에 확산되는 수증기를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 배기가스의 처리장치.
- 제8항에 있어서,상기 가습가스준비장치는 25 내지 80 ℃ 의 범위에 있는 이슬점을 나타내는 가습가스를 준비하는 것을 특징으로 하는 배기가스의 처리장치.
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