매립지가스에서 CH4의 최대회수를 위한 활성탄 분별흡착에 관한 연구

지영명, 유만형

서울시립대학교 화학공학과

A Study on Selected Adsorption with Activated carbon for Maximum recovery of CH4 in LFG

Young-Myoung Ji & Man-Hyong Yoo

Dept. of Chemical Eng. University of Seoul

서론

1970년대부터 급속한 경제발전과 더불어 생활수분의 향상에 따른 소비성향의 변화 및 인구의 도시집중화현상 등으로 도시쓰레기의 배출의 변화가 나타났는데 배출된 쓰레기의 94% 이상을 단순매립에 의존하는 처리방식으로 매립지의 확보 및 매립지에서 발생하는 여러 요인들로 인해 환경적, 사회적으로 큰 문제가 대두되고 있는 현실이다.

매립지가스의 조성을 분석하면 CH4 55∼40%, CO2 45∼35%, N2 20∼0% 로 메탄이 50 vol% 이상을 차지하고 있고 이 가스들을 그린산업의 일환으로 대체에너지로 개발하려는 노력을 세계 각국에서 하고 있으며, 이를 석유의 대체에너지와 기타 관련산업에서 이용할 경우 환경적 문제 해결뿐만 아니라 에너지의 효율적 이용에 큰 효과를 기대할 수 있다[1].

메탄은 현재 선진국에서 가정용전력을 생산하는 신에너지(풍력, 수력, 쓰레기소각)중 가장 저렴한 비용으로 최대 효과를 얻는 그린에너지로 이용되고 있으며, 영국에서는 150개의 매립지가스 전력생산공장에서 300,000여 가구에서 이용할 수 있는 충분한 전력을 생산중에 있고, 이산화탄소나 질소의 경우도 현대 화학공정 및 기타 관련산업에서 사용되고 있다.

난지도 매립지에서의 쓰레기 매립량 추산결과, 총량이 1992년 현재 6천 6백여만톤으로 나타났으며 LFG(Landfill gas) 발생가능량은 267□/ton-쓰레기(연탄재 포함, 습량기준)으로 조사되었다. 그리고 연도별 가스발생량 추산결과 1992년 현재 발생하는 LFG는 7.8x108 □/yr로, 1978년도부터 2022년까지 발생하는 LFG의 총량은 약 177억□에 이를 것으로 추계되었으며 이 중 메탄의 총량은 약 100억 □으로 추산되고 있다[2].

본 논문에서는 매립지가스 중 시간에 따른 분류단계인 제 4기에 해당하는 메탄(55%), 이산화탄소(40%), 질소(5%)의 3가지 최종가스를 활성탄을 이용, TSA(Temperature Swing Adsorption), PSA(Pressure Swing Adsorption) 공정을 이용한, 실험실의 Batch system에서의 정적부피흡착법을 사용, 분별흡착해서  메탄의 회수정도를 알아보는데 그 목적을 두고, 평형흡착량을 분석, 공정설비 기술개발에 필요한 기초데이터를 구하는 것을 핵심으로 삼았다.

이론

장시간에 걸쳐 유체상(고체 또는 액상) 고체 표면이 접촉하고 있으면 유체상의 특정성분은 고체 표면에 모이고 유체상 내부의 농도와 고체표면의 농도가 다른 상태가 된다. 이 현상이 흡착(Adsorption)인데 이 때 유체상 중의 농도와 고체표면 농도의 관계는 양상의 화학포텐셜이 알맞으면 평형을 이루고 평형관계(Adsorption equilibrium relation)라 불리우는 관계가 성립한다.

활성탄과 같은 다공질입자에 있어서는 내부공극의 표면은 매우 많으며 그 표면에 있어서 농도를 이용하는 대신 활성탄의 단위 중량당 흡착량 [eqn: q]와 유체의 농도 [eqn: C] 사이의 관계로써 흡착평형관계를 표시하는 일이 많다. 이 관계는 온도 [eqn: T]에 따라 변해,

[eqn: q=q(T,C)]                           (1)

로 나타나지만 온도가 일정한 조건하에서의 관계를 흡착등온관계(Adsorption isotherm relation)라 하여

[eqn: q=q(T)~~~,~~~T=const]                   (2)

이 관계를 동일한 흡착량을 온도와 농도의 관계로 표시할 수도 있으며,

[eqn: c=c(T)~~~,~~~q=const]                    (3)

이 관계를 흡착등량관계(Adsorption isosstere relation)라 부른다. 물론 똑같이 흡착 등 농도관계 또는 흡착등압관계(Adsorption isober relation)로 정의할 수 있다.

유체상의 농도는 기체의 경우 흡착성분의 분압 [eqn: p]를 이용해 나타내는 일도 있는데 이 경우는 농도 [eqn: c]로서,

[eqn: c=p/RT]                            (4)

같이 된다[3].

실험

순도 99.999%의 메탄(Methane) 55%, 이산화탄소(Carbon dioxide) 40%, 질소(Nitrogen) 5%의 비율로 조성을 맞춘 혼합가스와 각각의 가스를 이용해 정적부피흡착장치를 이용, 3가지 가스중 이산화탄소와 질소를 분별흡착하여 메탄을 회수하는 과정으로, 실험장치는 각각의 가스연결관, 가스차단밸브, 기체공급장치(1357□), 흡착용기(573□), 압력-진공측정장치,  온도 콘트롤러 및 온도측정기 그리고 진공펌프 및 배관등으로 이루어진다. 전반적인 모형은 Fig. 1 과 같다.

Fig. . Basic diagram of Adsorption Equipment

Fig. 1의 장치를 사용한 흡착량 계산은 기체 상태방정식을 이용한 물질수지식으로부터 활성탄에 흡착된 기체의 흡착량을 계산한다.

[eqn: {P_g0 V_g0} OVER {z_g0 RT_g0}~ =~ {P_g1 V_g1} OVER {z_g1 RT_g1}~ +~ {P_r V_r} OVER {z_r RT_r}~+~n]            (5)

여기서 [eqn: g]=Gas holder, [eqn: r]=Reactor로 0은 가스홀더의 초기상태이고 1은 기체를 주입했을 때의 상태이다.

결과 및 고찰

활성탄의 흡착결과 실험온도와 압력의 조건에서 약 7기압(700KPa), 3℃(276K)에서 모든 흡착량이 최대를 이루고,  압력이 증가할수록 흡착량은 선형적으로 증가하였다.

Fig. . Equilibrium Adsorption Graph of CO2

(Activated carbon 25g).

Fig. . Equilibrium Adsorption Graph of N2

(Activated carbon 25g).

Fig. . Equilibrium Adsorption Graph of CH4

(Activated carbon 25g).

Fig. 2, 3, 4에서 보는 것과 같이 최대흡착량은 N2(578KPa, 276K) 1.76531mmol/g, CO2(735KPa, 276K) 7.10449mmol/g, CH4(742KPa, 276K) 3.48914mmol/g 으로 각각의 흡착량을 동일한 온도와 압력하에서 계산해보면 578KPa, 276K 에서 N2 1.7653 mmol/g, CO2 6.5762 mmol/g, CH4 3.0126 mmol/g 으로 측정되었다.

결론

매립지가스의 시간단계상 4단계에 해당하는 가스의 조성을 활성탄을 이용해 분별흡착한 결과 다음의 결과를 얻었다.

1. 매립지가스의 성분인 CH4, CO2, N2의 가스를 활성탄을 이용해 분별흡착한 결과 578K, 276K 하에서 3.0126mmol/g, 6.5762mmol/g, 1.7653mmol/g 이 흡착되었다.

2. 온도는 276K에서, 압력은 증가할수록 좋은 흡착량을 나타내었다.

3. 위의 평형흡착곡선은 여러 등온흡착곡선 중 Langmuir-Freundich isotherm에 가장 잘 맞는 것으로 나타났다.

4. 위의 흡착량을 매립지가스(CH4(50%), CO2(45%), N2(5%))에 적용하였을 때 가스발생량 중 약 40%가 흡착되어지며 배출되어지는 가스의 비율을 계산해 보면 메탄이 61.5%의 수율로 배출되어질 것으로 판단된다.

참고문헌

[1] Carla W. Montgomery, "Environmental Geology", Northern Illinois University, Sec     ond Edition, pp. 337-347, 1991.

[2] 과학기술처, □매립지가스(LFG) 추출 이용기술개발에 관한 기초연구(Ⅲ)□, pp.     1-10, 1992.

[3] 眞田雄三 外 2人, □新版 活性炭(基礎□硏究)□, □□□□□□□□, pp. 107-111, 1996.