NaClO2용액을 이용한 SO2/NO 동시제거에 관한 연구

윤혜식, 조항대, 이형근, 김인원*

한국에너지기술연구소 에너지환경연구부, 건국대학교 화학공학과*

A Study on Simultaneous Removal of SO2/NO in Solution of NaClO2

Hyesik Yoon, Hang-Dae Cho, Hyung-Keun Lee, In-Won Kim*

Energy and Environmental Research Department, Korea Institute of Energy Research

Dept. of Chemical Engineering, Konkuk University*

I. 서론

국내외 대형 소각설비 유해가스 처리 시 산성가스는 습식 또는 반건식 공정을 이용하고, NOx 처리 시는 SCR, 또는 SNCR공정을 이용하고 있다.  이와 같은 별도의 시스템을 설치하는 것은 단일공정에서 처리하는 것에 비해 설치부지, 설치비 및 유지비가 많이 들게 된다.

본 연구에서는 Mg(OH)2를 이용한 습식탈황공정에 NaClO2를 이용하여 SO2와 NOx의 동시처리 공정을 위한 기본연구 단계로서 NaClO2와 SO2, NO와의 반응특성에 관한 실험을 수행하였다.

II. 이론

NaClO2 용액에 흡수되는 SO2, NO의 반응메카니즘은 다음과 같다.[1]

2.1 SO2 흡수 메카니즘

산성용액에서 흡수제 NaClO2는 다음과 같이 분해된다.[1]

10NaClO2 + 4H2O  = 8NaOH + 8ClO2 + 2NaCl  (1)

따라서 SO2는 주로 Mg(OH)2와 다음과 같이 반응을 한다.

SO2  +  OH-   ------->  HSO3-  (2)

HSO3-  +  OH-  ------>  SO32-  +  H2O  (3)

2.2 NO 흡수 메커니즘

NO - (NaClO2 + NaOH) system에서 NO와 ClO2-사이의 반응은 다음과 같다.

4NO  +  3ClO2-  +  4OH-  ------>  4NO3-  +  3Cl-  +  2H2O  (4)

NO의 흡수에서는 흡수액의 pH값이 흡수속도와 액체내의 다른 산화환원 반응의 정도에 큰 영향을 끼친다. NaClO2 용액을 포함하는 세정액은 NO를 NO2로 산화시키는 단계에 사용되어질 수 있거나 NOx를 흡수하는데 사용되어질 수 있다. 이때 ClO2-(chlorite)이온은 산성용액에서 매우 강력한 산화제가 되므로 NO의 산화를 위해서는 반응계의 pH는 낮아야 되나, chlorite용액이 흡수 중간체로 사용되어진다면 pH값이 높아야 한다. 그러므로 흡수를 적정화하는데 pH가 가장 중요한 요소가 된다.

III. 실험

본 연구의 실험장치는 그림 1에 나타낸 것과 같이 흡수탑 상부에서 모사가스와 흡수용액이 유입되는 병류 시스템으로 모사가스 공급부분, Wetted-wall column부분, 반응가스 분석부분, 컴퓨터제어 및 데이터측정부분 등 4개의 부분으로 구성되었다.[2]

실험방법은 반응탱크에 흡수용액을 제조하여 순환하지 않으면서 모사가스를 주입하여 제거효율을 측정하였다. 예외적으로 NO제거를 위한 실험에서는 흡수액의 pH가 중요하였으므로 5L의 반응액을 제조한 후 용액을 순환시키면서 pH 변화를 관찰하였다.

반응 system은 다음과 같이 나누어 각각의 반응특성을 관찰하였다.

1) Single absorption : SO2, NO -NaClO2 -Alkali agent

2) Simultaneous absorptin : SO2/NO - NaClO2 -Alkali agent

Alkali agent : NaOH, Mg(OH)2, CaCO3,Ca(OH)2

IV. 결과 및 고찰

4.1 SO2 -NaClO2 system에서 NaClO2의 농도가 증가할수록 SO2의 흡수속도는 증가한다.

NaClO2의 농도에 따른 흡수속도 증가에 대한 실험결과는 그림 2에 보여주고 있다.

4.2  NO - (NaClO2 + NaOH) system

이 실험계에서는 NaClO2의 첨가량에 상관없이 NO의 흡수가 이루어지지 않는다. 이는 앞서 고찰한바와 같이 NO의 흡수에는 pH가 중요한 요인으로 작용하기 때문이다. 알칼리제를 넣은 경우 용액의 pH 13이상에서는 NO가 흡수되지 않는다.

4.3 (SO2 + NO) - (NaClO2 + NaOH) system

이 계에서는 높은 pH에서 chlorite의 산화력이 감소되어 NO제거가 이루어지지 않았던 것이 SO2/NO 흡수계에서 SO2의 흡수로 점차 pH가 낮아지면서 NO 제거가 이루어진다.

V. 결론

습식탈황공정에 NaClO2 용액의 이용은 SOx/NOx의 동시처리 가능성을 제시하고 있다. 이때 NO의 제거에는 흡수용액의 적정한 pH가 매우 중요하다는 것을 보여주고 있다.

이 연구는  SO2/NO 동시제거를 하는데 필요한 공정 개발에 기본이 되며 앞으로 더욱 진행된 연구가 필요하다.

References

1. Eizo Sada et al, "Kinetics of absorption of sulfur dioxide and nitric oxide      in aqueous mixed solutions of sodium chlorite and sodium hydroxide"         Journal of Chemical Engineering , 11, 276-282 (1978)

2. 윤혜식, 조항대, 박영수*, 최병문*, 김인원**, 이형근, "배연탈황공정에서 Mg(OH)2 슬러리에 대한 SO2의 흡수□, 화학공학의 이론과 응용, (4월, 1999년).

3. Hans T. Karlsson et al. "Absorption of NO in an Aqueous Solution of NaClO2" Chem. Eng. Technol, 21, 61-70 (1998)

[Figure 1]. Schematic diagram of wetted-wall column system

[그림 ] NaClO2 농도에 의한 SO2 흡수속도