고정상·유동상 흡착장치

왜 배우는가: 고정상·유동상 흡착장치는 VOCs와 악취를 처리하는 대표적인 설비이므로, 흡착 원리와 파과 개념을 함께 이해해야 설계 고려사항과 두 방식의 비교를 답할 수 있다. 이 개념의 문항은 설계 고려사항과 두 방식의 비교를 함께 묻는 형태로 나온다.

출제 이력: 제96회 3교시 1번, 제90회 2교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

고정상·유동상 흡착장치는 흡착제 층에 오염가스를 통과시켜 오염물질을 흡착제 표면에 포집하는 장치이다.

흡착제 입자가 탑 안에서 고정된 층을 이루는지, 기류에 의해 떠서 순환하는지에 따라 두 방식으로 나뉜다. 답안 첫 줄에는 위 정의를 쓰고, 두 방식의 구분을 바로 이어 쓰는 것이 기본 구성이다.

• 고정상: 흡착제 충전층이 탑 안에서 움직이지 않은 채 가스가 통과하는 방식이다.
• 유동상: 흡착제 입자가 기류에 의해 떠서 탑 안에서 순환하는 방식이다.
• 흡착탑: 흡착제를 충전하고 가스를 흘려보내는 탑형 설비이다.
• 활성탄: 다공질 구조의 넓은 표면에 오염물질을 붙잡는 대표적인 흡착제이다.
• 파과점: 출구 농도가 급격히 증가하기 시작하는 흡착 종료 시점이다.
• 파과곡선: 시간에 따른 흡착탑 출구 농도를 나타낸 곡선이다.
• 재생: 포화된 흡착제에서 흡착물질을 떼어내 다시 쓰는 조작이다.

2. 개념 풀이

고정상 흡착장치는 흡착제 충전층을 탑 내부에 고정하고, 오염가스를 그 층 사이로 통과시켜 오염물질을 흡착제 표면에 붙잡는 장치이다. 흡착은 흡착질과 흡착제 사이의 친화력 차이에 따라 흡착평형 관계가 성립하는 현상이므로, 흡착제의 종류와 표면 특성이 처리 성능을 좌우한다. 따라서 설계에서는 처리 대상 가스에 맞는 흡착제를 먼저 선정한다.

활성탄은 세공이 발달한 다공질 물질로, 단위 질량당 표면적이 매우 커서 많은 오염물질을 포집할 수 있다. 활성탄 1g당 표면적은 관련 자료가 정한 매우 큰 값에 이른다. 가스가 흡착탑 상부에서 하부로 흐르면 흡착이 일어나는 영역이 점차 하부로 이동하고, 이 영역이 출구에 도달하면 출구 농도가 올라간다.

처리 대상물질이 출구로 누출되는 현상을 파과라고 한다. 처리량과 출구 농도의 관계를 나타낸 곡선이 파과곡선이며, 출구 농도는 처음에 서서히 증가하다가 특정 지점 이후 급격히 증가한다. 출구 농도가 급격히 증가하기 시작하는 지점이 파과점이다. 파과점 이후에는 흡착제가 포화되어 흡착탑을 재생하거나 교체해야 한다.

유동상 흡착장치는 흡착제 입자를 기류로 띄워 흡착탑 안에서 순환시키는 방식이다. 입자와 기체의 접촉 면적이 크고 입자끼리, 그리고 입자와 벽면이 자주 충돌하면서 혼합이 활발하므로 접촉 효율이 높다. 포화된 입자는 연속적으로 빼내어 재생부로 보내고, 재생된 입자를 다시 흡착탑에 공급하는 구조가 일반적이다.

취기 처리용 활성탄 흡착탑은 흡착이 발열 현상이라는 점을 고려해 온도를 관리해야 한다. 온도가 높을수록 탈착이 쉬워진다. 취기온도는 40℃ 이하로 유지하는 것이 일반적이다. 통기속도는 관련 기준이 정한 값 이하로 한다. 공간속도(SV)는 관련 기준이 정한 값 이하로 한다. 접촉시간은 관련 기준이 정한 값 이상을 확보한다.

흡착용량은 흡착제 단위 질량이 파과 시점까지 포집할 수 있는 오염물질의 양이다. 흡착 용량이 클수록 흡착제 교체 주기가 길어진다.

공상체류시간(EBCT)은 흡착제 층이 비어 있다고 가정했을 때 가스가 층 안에 머무는 시간이며, 층 부피를 유량으로 나눈 값이다. 식으로 쓰면 EBCT = 층 부피 ÷ 가스 유량이며, 층 부피는 ㎥, 가스 유량은 ㎥/s 단위이다.

재생은 흡착된 물질을 탈착시켜 흡착제를 재사용하는 조작이다. 저압·불활성 유체에 의한 탈착, 고온탈착, 화학약품 탈착, 용매추출, 열분해, 생물화학적 분해 등의 방법이 쓰인다.

3. 등장 배경과 필요성

도장, 인쇄, 화학 공정에서 배출되는 휘발성유기화합물(VOCs)과 악취물질은 농도가 낮고 배기량이 많은 경우가 많다. 이런 배기가스를 직접 연소하면 연료 소모가 커지므로, 흡착으로 오염물질을 먼저 흡착 농축한 뒤 농축된 소량의 가스만 연소하는 방식이 경제성 측면에서 유리하다. 이 필요성 때문에 흡착장치가 대기오염 방지설비로 널리 검토되었다.

흡착 농축은 흡착탑 크기를 재생부보다 크게 두는 방식으로 이루어진다. 흡착탑 크기 대 재생부 크기의 비를 농축비라고 하며, 유동상 농축장치의 농축비는 10:1~100:1 범위이다. 특히 VOCs는 용제 회수 목적과 악취 제거 목적이 함께 있어 흡착법의 적용 범위가 넓다.

배출 규제가 강화되면서 배출 규제에 대응할 실용적 수단이 필요해졌고, 흡착법은 설비가 비교적 단순하고 흡착제 교체와 재생으로 운영할 수 있어 널리 채택되었다. 고정상은 현재 가장 넓게 쓰이는 방식이지만, 흡착제 교체나 재생 때문에 해당 탑을 멈추거나 병렬 탑을 교대로 운전해야 한다. 반면 유동상은 흡착제를 연속 순환시키므로 연속운전이 가능하다는 장점이 있다. 두 방식의 원리 차이는 2절에서, 상세 비교는 6절에서 다룬다.