This study proposes an innovative Fe(Ⅲ)EDTA-based H2S removal technology using an impeller-based scrubber that maximizes the reaction between the gas and the liquid. H2S can be captured in an alkaline envi-ronment, and then oxidized into element sulfurs by Fe(Ⅲ)EDTA. However, Fe of Fe(Ⅲ)EDTA is precipitated under high pH, which causes loss of absorbent and clogging problem of the impeller mesh. For this reason, iron precipitation should be considered. The optimal conditions for H2S removal in which precipitation of Fe is not an issue were derived to be pH 9 and 25 mM Fe(Ⅲ)EDTA with EDTA/Fe = 1.1, 1 of L/G ratio, and 2000 rpm of impeller rotation rate. Under the optimal conditions, 20 ppmv H2S could be removed to 100%. However, 100 ppmv H2S could be removed up to 98%, and the removal efficiency decreased to 80% after 3 hours since a lot of sulfur precipitation not only occurred, but also Fe3+ was not enough to keep high removal efficiency. Thus, the sulfur treatment process and the regeneration of Fe2+ are required for the sustainable removal of H2S. Sulfur precipitates are well separated through common solid-liquid separation methods such as filtration and sedi-mentation. The Fe(Ⅱ)EDTA regeneration usually is proceeded via contact oxygen. However, when Fe(Ⅱ)EDTA reacts with oxygen, hydroxyl radical can be produced as a byproduct through the Fenton reaction, and it leads to EDTA degradation. For a more stable regeneration, an electrochemical operation was introduced. In an elec-trolytic cell, inactive Fe(Ⅱ)EDTA is forced to become active Fe(Ⅲ)EDTA at the anode, and water is reduced to hydrogen at the cathode. The optimal voltage for Fe(Ⅱ)EDTA oxidation was determined to be 0.6 V, and it was better to use the catalyst only for the cathode considering the high cost of the precious Pt catalyst. In addition, the electrolysis cell was applied to the absorption system at the point when the removal efficiency starts to drop to prevent the decrease in pH. Thus, this study provides a demonstration of many desirable aspects for field implementation, such as effective removal of H2S and the introduction of Fe regeneration in the electrolysis cell.
본 논문에서는 기체와 액체의 접촉을 극대화하는 임펠러 기반의 스크러버와 재생이 용이하고 무해한 Fe(Ⅲ)EDTA 흡수제를 통한 지속가능한 H2S 습식제거 공정을 제안한다. Fe(Ⅲ)EDTA는 염기성 환경에서 용해된 H2S를 S으로 산화하여 제거하는데, pH 가 높을수록 Fe(Ⅲ)EDTA의 Fe가 침전되어 흡수제 손실 및 임펠러 메시의 막힘 문제를 야기할 수 있다. 따라서 흡수제의 철 침전을 고려하여 H2S 제거를 위한 흡수제 및 스크러버 운전 최적 조건을 도출했다. 선정된 최적 조건은 EDTA/Fe이 1.1인 Fe(Ⅲ)EDTA 흡수제 pH 9, 25 mM와 액기비 1, 임펠러 회전속도 2,000 rpm이며, 이는 20 ppmv H2S를 2시간 동안 pH변화 없이 안정적으로 100% 제거하였다. H2S 농도를 100 ppmv으로 올린 결과, 최대 98%의 제거효율을 달성하였으나 3시간 이후에 효율이 저하되었다. 많은 황 침전물 발생과 황화수소와 만나 Fe2+로 환원되어 부족해진 Fe3+가 효율 저하의 원인으로 판단되었으므로 지속가능한 H2S 제거를 위해서는 황 분리 및 Fe2+의 재생 공정이 필수적이다. 황 침전물은 여과법 또는 침전법으로 쉽게 흡수제와 분리되는 반면, 일반적으로 산소를 통해 이루어지는 Fe2+에서 Fe3+로의 재생은 철이 산소와 반응하면 펜톤 반응이 일어나 하이드록실 라디칼이 부산물로 생성되 EDTA를 분해시킬 수 있다는 문제를 가진다. 이러한 이유로 산소 기반 FeEDTA의 재생을 대체하기 위해 전기화학적 FeEDTA 재생이 도입되었다. 전기분해 셀의 음극에서 Fe(Ⅱ)EDTA는 Fe(Ⅲ)EDTA로 재생되고, 양극에서 물이 수소로 환원된다. 실험을 통해 Fe(Ⅱ)EDTA 산화에 대한 최적 전압은 0.6 V로 결정되었으며, Pt 촉매의 높은 비용을 고려하여 양극에만 촉매를 적용하기로 하였다. 또한, 제거 효율이 떨어지기 시작하는 시점부터 스크러버 시스템에 전해분해 셀을 적용하는 방식으로 흡수와 재생 연속공정의 경제성과 효율성을 확보하였다. 결론적으로 본 연구는 높은 효율의 습식공정과 지속 가능한 흡수제 재생공정을 제시함으로써 새로운 황화수소 제거 시스템에 대한 실용적이고 진보적인 정보를 제공한다.
