바이오가스는 매립지, 하수슬러지 그리고 유기물질의 혐기성소화 등 다양한 환경에서 생산된다. 바이오가스는 메탄(약 45~75%), 이산화탄소(25~55%), 황 화합물, 수분, 그리고 다른 미량가스(trace gas)로 구성되어 있다. 메탄은 대기 중으로 방출 시 온실효과를 나타내는 대표적 가스인 반면, 포집하여 재생할 경우 화석연료를 대체할 수 있는 재생에너지로써의 사용이 가능하며 온실가스 방출을 줄일 수 있다.
바이오가스 중에는 에너지화의 저해물질인 황 화합물, 실록세인 및 암모니아 등 불순물이 포함되어 있다. 현재 이러한 불순물에 의한 장비의 손상이나 기능고장으로 인하여 유지보수에 어려움이 발생하게 되고, 발전효율이 저하됨으로써, 경제적인 면에서 경쟁력을 잃게 되어 바이오가스 자원화 사업의 타당성이 문제가 되고 있는 상황이다.
이에 본 연구에서는 바이오가스의 열 이용 및 전력생산을 위해 부식, 마모 또는 기계적인 문제를 야기하는 H2S(hydrogen sulfide), COS(carbonyl sulfide) 및 CS2(carbon disulfide)의 황 화합물 분리 정제를 위하여 흡착제의 황 화합물 제거 특성을 검토 하였다. 이를 위해 황 화합물 단독가스를 대상으로 Zeolite 3A 및 DETOX의 흡착제에 대해 연속식 흡착실험을 수행하여 황 화합물의 흡착특성을 파악하였다.
황 화합물 단독가스(H2S, COS 및 CS2)에 대하여 30℃, 1,000 mL/min에서 흡착실험을 수행한 결과 Zeolite 3A와 DETOX는 H2S의 흡착능만 있을 뿐 그 외 가스에 대해서는 흡착능이 낮았다.
H2S의 유입농도에 따른 흡착제별 파과특성을 알아본 결과 유입 질량유속이 0.038 mg/min에서 0.076, 0.152, 0.379 및 0.759 mg/min으로 증가할수록 Zeolite 3A의 흡착량은 1.589 mg/g에서 3.162, 4.723, 5.412 및 5.678 mg/g으로 증가하였으며, DETOX는 26.111 mg/g에서 21.672, 18.621, 15.631 및 14.047 mg/g으로 감소하였다.
흡착온도가 303K, 313K 및 323K로 증가할수록 Zeolite 3A의 파과시간은 960 min, 720 min, 480 min으로 흡착량은 5.678 mg/g, 2.144 mg/g, 1.217 mg/g으로 파과시간 및 흡착량이 감소하였으며, DETOX의 파과시간은 250 min, 800 min, 1300 min으로 흡착량은 14.047 mg/g, 34.692 mg/g, 75.531 mg/g으로 파과시간 및 흡착량이 증가하였다.
흡착제별 흡착등온식의 적용결과 상관계수 r2값이 Langmuir의 경우 0.9604, Freundlich의 경우 0.9549로 나타나 Zeolite 3A의 흡착특성은 상대적으로 Langmuir 흡착등온식에 잘 부합하는 것으로 나타났으며, DETOX는 상관계수 r2 값이 0.9285로 Freundlich의 흡착등온식에 잘 부합하였다. Freundlich 흡착등온식에 의한 Zeolite 3A 및 DETOX의 흡착지수를 비교하였을 때 각각 0.356 및 1.0454로 DETOX의 흡착량이 우수함을 알 수 있었다.
흡착제별 흡착속도식을 적용한 결과 Zeolite 3A는 반응속도상수 0.0045 min-1 로 유사 1차 속도식에 더 잘 부합하였으며 DETOX는 반응속도상수 1.35×10-5 g/mg?min으로 유사 2차 속도식에 더 잘 부합하였다. Zeolite 3A 및 DETOX의 최대흡착속도는 각각 0.02614 mg/min 및 7.24×10-3 mg/min으로 Zeolite 3A가 DETOX보다 약 4배 빨리 흡착이 진행됨을 알 수 있었다.
H2S의 유입 질량유속이 증가할수록 Zeolite 3A는 최소흡착속도 7.41×10-4 mg/min에서 최대흡착속도 0.02614 mg/min으로 DETOX는 최소흡착속도 1.05×10-4 mg/min에서 최대흡착속도 7.24×10-3 mg/min으로 흡착속도가 증가하였다. 또한 흡착온도가 증가할수록 Zeolite 3A의 흡착속도는 1.12×10-3 mg/min에서 1.76×10-3, 2.72×10-3 mg/min으로 DETOX의 흡착속도는 7.24×10-3 mg/min에서 8.19×10-3, 9.11×10-3 mg/min으로 증가하였다.
황 화합물의 배출농도가 150 ~ 3,000 ppm으로 매우 높고 배출가스 온도가 35~45℃인 바이오가스내에서 H2S의 흡착제거시 Zeolite 3A 보다 파과시간이 길고 높은 온도에서 흡착량이 증가하는 DETOX가 더 유리함을 알 수 있었다.