바이오가스에는 황화수소나 암모니아와 같은 미량물질이 함유되어 있기 때문에 연료로 활용하기 위해서는 전처리 공정이 필요하다. 이에 본 연구에서는 바이오가스의 대표적인 미량물질인 황화수소와 암모니아를 효과적으로 제거/처리하기 위하여 흡수컬럼과 전기산화장치가 순차적으로 연결된 결합시스템을 개발하고 황화수소와 암모니아 동시 처리에 적용하였다. 흡수컬럼 1L와 전기산화장치 1L로 구성된 실험실 규모의 결합시스템에 대해 황화수소와 암모니아 각 1,000 ppm을 동시에 유입시키면서 실험을 수행하였고, 주요 운전 변수로는 가스유속, 전류밀도 및 pH를 선정하였다.
우선, 흡수컬럼에서 가스유속과 pH가 황화수소와 암모니아 동시 흡수성능에 미치는 영향을 평가하고 물질전달계수를 산정하였다. 또한 황화수소와 암모니아의 pH에 의한 이온화물질 비율 (ionization fraction)을 고려하여 물질전달계수를 보정하였다. 황화수소는 pH에 따라 이온화물질 비율이 크게 변하기 때문에 가스유속과 pH가 변함에 따라 액상으로 전달되는 양이 크게 달라졌다. 반면, 암모니아는 물에 대한 용해도가 매우 크기 때문에 가스유속과 pH의 변화에도 유입된 가스의 90% 이상이 액상으로 전달되었다. 따라서 흡수공정에서는 용해도가 낮은 황화수소의 흡수에 유리한 pH를 결정하는 것이 좋다.
전기화학 산화장치의 회분실험에서는 황화수소와 암모니아의 동시산화 특성을 평가하고 pH가 동시산화에 미치는 영향을 확인하였다. 동시 산화과정에서 경쟁산화에 의해 황화수소가 먼저 완전히 제거된 후 암모니아가 산화되었다. 또한 황화수소는 산화가 용이하여 전류효율이 30% 수준이었으며, 암모니아는 5% 수준으로 상대적으로 낮았다. pH는 황화수소의 산화반응경로에 영향을 미쳐 pH 6에서는 주로 S0로 산화되었으나 pH 10에서는 SO42-로 산화되었다. 그리고 pH가 낮을수록 황화수소와 암모니아의 산화속도 및 전류효율이 증가하여 전기화학 산화장치는 낮은 pH에서 운전하는 것이 유리하였다.
결합시스템에서 pH를 8로 고정하고 전류밀도와 유입부하를 변경하며 실험한 결과 흡수 및 산화에 의한 황화수소의 제거성능은 유입부하 및 전류밀도와 밀접한 관계가 있었다. 이 관계는 황화수소 유입부하와 전류밀도에 따른 반응성 염소계 화합물 (reactive chlorine species, RCS)의 생성비율인 S/RCS로 나타낼 수 있었다. S/RCS가 1보다 작을 경우 100%의 황화수소 제거효율을 보였으나 1보다 커지면서 제거효율이 감소하였다. 반면 전류밀도나 유입부하의 변동에도 가스 암모니아는 99% 이상 흡수되었다. 그러나 전류밀도 500 A/m2 이하에서는 암모니아의 산화가 일어나지 않았고 지속적으로 흡수된 암모니아에 의해 액상 농도가 선형적으로 증가하였다.
반면 결합시스템 수용액의 pH를 6, 8, 10으로 변경한 경우 황화수소는 수용액의 pH가 낮을수록 제거성능이 감소하였다. 그리고 pH가 증가함에 따라 S0로 산화되는 비율은 점차 감소하고 SO42-로의 산화비율이 증가하여 pH 8 이하에서 액상 황화수소의 산화율이 높았다. 암모니아는 pH의 변화에도 99% 이상의 흡수율을 보였으며, 산화는 거의 일어나지 않았다. 결론적으로 결합시스템은 S/RCS가 1보다 작아야 하며, pH는 8로 운전하는 것이 효율적이었다.
결합시스템의 주요 운전 반응기작인 물질전달과 전기화학 산화로 구성된 수치모델을 구성하여 해석을 수행하였고 해석결과를 실험결과와 비교하였다. 해석 및 비교결과 실험을 통해 얻은 물질전달계수와 반응속도 상수를 모델에 적용했을 때 대체적으로 실험결과를 잘 모사하였다. 그리고 모델예측 결과에서도 S/RCS를 1보다 작게 운전할 때 황화수소의 제거효율이 100%로 나타났다. 그러나 수치모델에서 물질전달계수와 반응속도 상수의 변화에 민감하여 부하율이 높은 조건에 대한 모델 예측 시 주의해야 했다.
본 연구에서는 결합시스템을 이용하여 황화수소와 암모니아의 동시 제거가 가능하였으며, S/RCS를 이용하여 적절한 전류밀도 및 유입부하를 결정할 수 있었다. 그리고 수치모델로부터 결합시스템의 성능을 예측할 수 있는 기반을 마련했다. 향후 추가적인 연구를 통해 수정 및 보완이 이루어진다면 결합시스템의 현장 적용가능성을 더 높일 수 있을 것으로 기대된다.