바이오가스 내 황화합물 및 실록산 제거를 위한 상용 흡착제의 흡착 특성

Abstract

바이오가스는 하수슬러지, 매립쓰레기와 같은 유기물질의 혐기성 소화에 의해 발생되는 신재생에너지이다. 바이오가스는 주로 메탄(45-65%), 이산화탄소(30-40%), 수분 그리고 황화합물 및 실록산 등의 불순물들로 구성되어 있다. 특히, 황화합물과 실록산은 유독성과 부식성이 강하기 때문에 바이오가스를 에너지원으로 사용하기 위해서는 정제공정을 통해 제거되어야 한다. 바이오가스 정제공정은 일반적으로 흡착제를 이용한 흡착식, 흡수제를 이용한 흡수식, 분리막법과 생물학적 여과 등이 있으며, 비교적 설계가 용이하고 초기 비용이 낮은 흡착식 공정이 주로 사용되고 있다. 따라서 본 논문에서는 흡착식 정제공정을 통한 바이오가스 정제에 대하여 연구하였다. 기존 흡착식 정제공정에 관한 연구는 특정 불순물과 흡착제에 대해서만 다루었으며, 불순물의 농도, 흡착온도 그리고 공급가스 유량 조건이 서로 상이하다. 이로 인해 각각의 불순물에 대한 다양한 흡착제들의 흡착 성능을 직접적인 비교를 통해, 해당 불순물에 대하여 가장 우수한 제거 효율을 갖는 흡착제를 분석하는 것은 어렵다. 이에 따라, 본 연구에서는 상용 흡착제들을 사용하여 각 불순물들에 대한 흡착 성능 평가를 수행하였으며, 이를 통해 사용한 흡착제 중에서 본 연구에서 고려한 불순물에 대하여 흡착 성능이 가장 우수한 흡착제를 분석하였다. 또한 황화수소에 대하여 우수한 흡착 성능을 나타낸 흡착제를 사용하여 흡착온도, 공급가스의 농도 및 유량 조건에 따른 흡착 성능의 변화를 파악하였다. 본 연구에서 고려한 불순물은 황화수소(H2S), 황화카르보닐(COS), 이황화탄소(CS2), 실록산(D4, D5)이며, 실험에 사용한 흡착제는 산화철(IO), 수산화철(IH, IHS), 활성탄(AC, IAC), 실리카겔(A2, NS10) 및 제올라이트 계열(5A, 13X) 흡착제이다. 각 흡착제는 SEM, BET 및 XRF 분석을 통해 물리적 특성을 분석하였으며, 실험실 규모(bench scale)의 흡착식 가스 정제 실험 장치를 설계 및 제작하여 흡착제의 흡착 성능을 분석하였다. 흡착제의 흡착 성능 평가 결과, H2S에 대한 IHS의 흡착 성능은 132.2 mg/g으로 흡착제 중 가장 뛰어났으며, 이는 IHS의 주성분인 수산화철(FeOOH)과 H2S간의 화학적 흡착에 의한 것이다. COS의 경우 NS10이 23.5 mg/g으로 가장 높은 흡착 성능을 나타냈으며, 이는 NS10을 구성하는 알루미나(Al2O3)와 COS간의 불균일한 산화반응(heterogeneous oxidation)에 기인한다. AC, IAC 및 5A는 높은 비표면적과 CS2 흡착에 적합한 미세기공을 포함하고 있으며, 이를 통해 각각 26.4 mg/g, 24.2 mg/g 및 22.5 mg/g의 우수한 CS2 흡착 성능을 나타내었다. 실록산 D4 및 D5에 대한 흡착 성능은 A2가 각각 1055.3 mg/g 및 1967 mg/g으로 가장 우수하였으며, 이는 A2의 표면화학 특성에 의한 실록산과의 강한 친화력 때문이다. H2S 정제 성능 평가 결과는 다음과 같다. 흡착온도가 15℃에서 45℃로 증가할수록 H2S 정제 성능은 123.5 mg/g에서 169.8 mg/g으로 증가하였으며, 이는 H2S와 IHS이 흡열반응을 통해 화학적 흡착하기 때문이다. 공급가스 유량이 50 mL/min에서 300 mL/min으로 증가함에 따라 반응기에서의 흡착질의 체류시간 또한 감소하며, 이로 인해 H2S 정제 성능은 51.4 mg/g에서 10.1 mg/g으로 감소하였다. 공급되는 H2S 가스의 농도가 600 ppm에서 1900 ppm으로 증가할수록 흡착질과 흡착제간의 물질전달이 향상되며, 이로 인해 H2S 정제 성능이 101 mg/g에서 132.2 mg/g로 증가하였다.