본 연구는 세 가지 다른 형태의 플라즈마 반응기 (SD, DBD, PDC)를 이용한 기상의 스타이렌 분해실험을 통하여 최적 플라즈마 반응기에 대하여 고찰하였다. 각 플라즈마 반응기에 대한 비교평가를 위하여 스타이렌 분해효율, 탄소수지, 반응 생성물의 동정, 생성물의 수율 및 선택성 등의 항목을 평가하였다. 스타이렌의 전환과정은 오존과의 반응이 중요하며, PDC 반응기보다 오존생성량이 많은 SD와 DBD 반응기가 스타이렌의 전환율이 더 높은 것으로 나타났다. 한편, PDC 반응기는 탄소수지, COx ($CO+CO_2$)의 수율 및 선택성에 있어서, SD와 DBD 반응기 보다 훨씬 더 뛰어난 것으로 판명되었다. 스타이렌 초기농도를 100ppmv로 하였을 때, PDC 반응기와 플라즈마 단독공정에서 탄소수지 100%를 달성하기 위해 필요한 비투입 에너지는 각각 110 J/L와 420 J/L로, PDC 반응기가 훨씬 더 낮은 에너지로 스타이렌의 완전분해가 가능하였다. 스타이렌의 분해과정에서 생성되는 주된 생성물로는 CO와 $CO_2$가 있으며 HCOOH가 미량 성분으로 관찰되었다. 이러한 반응 생성물의 수율에는 차이가 나타나지만 이들의 분포는 플라즈마 반응기의 종류와 관계없이 거의 동일한 것으로 나타났다. 이상적인 스타이렌 분해 성성물인 $CO_2$의 선택성에 있어서 SD와 DBD 반응기는 $39.5{\sim}60%$ 정도를 나타내었으나 PDC 반응기에서는 $68.5{\sim}75.5%$ 정도로 훨씬 더 높은 것으로 나타났다.
본 연구는 세 가지 다른 형태의 플라즈마 반응기 (SD, DBD, PDC)를 이용한 기상의 스타이렌 분해실험을 통하여 최적 플라즈마 반응기에 대하여 고찰하였다. 각 플라즈마 반응기에 대한 비교평가를 위하여 스타이렌 분해효율, 탄소수지, 반응 생성물의 동정, 생성물의 수율 및 선택성 등의 항목을 평가하였다. 스타이렌의 전환과정은 오존과의 반응이 중요하며, PDC 반응기보다 오존생성량이 많은 SD와 DBD 반응기가 스타이렌의 전환율이 더 높은 것으로 나타났다. 한편, PDC 반응기는 탄소수지, COx ($CO+CO_2$)의 수율 및 선택성에 있어서, SD와 DBD 반응기 보다 훨씬 더 뛰어난 것으로 판명되었다. 스타이렌 초기농도를 100ppmv로 하였을 때, PDC 반응기와 플라즈마 단독공정에서 탄소수지 100%를 달성하기 위해 필요한 비투입 에너지는 각각 110 J/L와 420 J/L로, PDC 반응기가 훨씬 더 낮은 에너지로 스타이렌의 완전분해가 가능하였다. 스타이렌의 분해과정에서 생성되는 주된 생성물로는 CO와 $CO_2$가 있으며 HCOOH가 미량 성분으로 관찰되었다. 이러한 반응 생성물의 수율에는 차이가 나타나지만 이들의 분포는 플라즈마 반응기의 종류와 관계없이 거의 동일한 것으로 나타났다. 이상적인 스타이렌 분해 성성물인 $CO_2$의 선택성에 있어서 SD와 DBD 반응기는 $39.5{\sim}60%$ 정도를 나타내었으나 PDC 반응기에서는 $68.5{\sim}75.5%$ 정도로 훨씬 더 높은 것으로 나타났다.
Non-thermal plasma decomposition of gas-phase styrene was investigated in this study using three different types of plasma reactors; dielectric-barrier discharge (DBD) reactor, surface discharge (SD) reactor and plasma-driven catalyst (PDC) reactor packed with 2.0 wt% $Ag/TiO_2$ catalysts...
Non-thermal plasma decomposition of gas-phase styrene was investigated in this study using three different types of plasma reactors; dielectric-barrier discharge (DBD) reactor, surface discharge (SD) reactor and plasma-driven catalyst (PDC) reactor packed with 2.0 wt% $Ag/TiO_2$ catalysts. The main parameters used for the comparative assessment of the plasma reactors include the decomposition efficiency, carbon balance, byproduct distribution, COx ($CO+CO_2$) selectivity and COx yield. The SD and the DBD reactors showed better conversion efficiency of styrene than that of the PDC reactor due to their larger capability in ozone formation. On the other hand, the PDC reactor showed better carbon balance, the yield and the selectivity of COx. The required specific input energies to achieve 100% carbon balance from the decomposition of 100 ppmv styrene using the plasma alone reactors and the PDC reactor were 420 J/L and 110 J/L, respectively. The major decomposition products in gas-phase were CO, $CO_2$ and HCOOH regardless of the types of plasma reactors. In the case of SD and DBD reactors, the $CO_2$ selectivity ranged in $39.5{\sim}60%$. The $CO_2$ selectivity in the PDC reactor was in range of $68.5{\sim}75.5%$.
Non-thermal plasma decomposition of gas-phase styrene was investigated in this study using three different types of plasma reactors; dielectric-barrier discharge (DBD) reactor, surface discharge (SD) reactor and plasma-driven catalyst (PDC) reactor packed with 2.0 wt% $Ag/TiO_2$ catalysts. The main parameters used for the comparative assessment of the plasma reactors include the decomposition efficiency, carbon balance, byproduct distribution, COx ($CO+CO_2$) selectivity and COx yield. The SD and the DBD reactors showed better conversion efficiency of styrene than that of the PDC reactor due to their larger capability in ozone formation. On the other hand, the PDC reactor showed better carbon balance, the yield and the selectivity of COx. The required specific input energies to achieve 100% carbon balance from the decomposition of 100 ppmv styrene using the plasma alone reactors and the PDC reactor were 420 J/L and 110 J/L, respectively. The major decomposition products in gas-phase were CO, $CO_2$ and HCOOH regardless of the types of plasma reactors. In the case of SD and DBD reactors, the $CO_2$ selectivity ranged in $39.5{\sim}60%$. The $CO_2$ selectivity in the PDC reactor was in range of $68.5{\sim}75.5%$.
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문제 정의
많지 않은 실정이다. 본 연구에서는 PDC 공정을 이용한 스타 이렌의 분해 처리에 초점을 두고 여러 반응조건하에서의 기초적 특성을 조사함과 동시에, 기존의 기상 반응을 이용하는 플라즈마 단독공정과의 비교평가를 통하여 최적 플라즈마 반응기의 선정에 필요한데이터를 확보하는 것을 주된 목적으로 한다. 구체적으로는 석유화학산업에서 다량 발생하는 물질인 스타 이렌의 분해를 모델 반응으로 세 가지 다른 형태의 플라즈마 반응기로 동일 조건에서 실험한 결과를 가지고 그 제반 성능에 대해 서 비교하였다.
실험을 하였다. 이들 3가지 다른 형태의 반응기에 탄소수지, CO와 C02의 수율 및 선택성 그리고 부산물 등의 인자를 적용하여 실제 현장 적용 가능성 평가 및 안정한운전 조건을 찾고자 하였다. 본 연구의 결론을 요약하면 다음과 같다.
각 플라즈마반응기에 대한 비교평가를 위하여 스타이렌의 분해효율, 탄소수지, 반응생성물의 동정, 생성물의 수율 및 선택성 등의 항목에 대하여 고찰하였다. 이들의 평가 요소를 통하여 PDC 공정의 효율성을 입증하며, 향후 플라즈마를 이용한 공정에 있어 PDC 공정의 사용 가능성을 평가하고자 한다.
가지방법으로 수행되었다. 처리물질인 스타이렌의 농도는 100 ppmv, 50 ppmv으로 하여 각 공정의 효율 및 특성을 비교하고자 하였다. 플라즈마 단독공정은 무성방전 (DBD: dielectric-barrier discharge) 형태의 반응기와 연 면 방전(SD: surface discharge) 형태의 반응기를 사용하였다.
제안 방법
유전체와 접지전극 사이에 공극이 있으면 이 공극에서 일어나는 방전이 에너지 손실을 초래하여 결과적으로 에너지 효율을 저하시키게 된다.10) 본 연구에서 사용한 플라즈마 반응기는 석영관 외부에 은 paste를 입혀 유전체와 접지 전극 사이의 공극을 최소화하여 에너지 손실을 막도록 하였다. Fig.
수분과 반응 생성 물이 가스 셀 내부에 부착되는 것을 막기 위해서 70°C로 가온하였다. FT-IR의 분해능은 1 cm, 로 설정하였고, time-base 기능을 이용하여 매 2분마다 5회 측 정한 평균 스펙트럼을 구하고 각성분 고유의 흡수파수에 대해 작성한 검량 선으로부터 농도 변화를 연속적으로 모니터링하면서 실험을 진행하였다.
있다. Function generator에서 설정한 인가전압과 주파수의 입력 신호를 고전압 앰프로 2, 000배 증폭하여 플라즈마 반응기로 인가하였다. 인가전압과 주파수는 각각 24-32 kVpk-pk, 100-1200 Hz의 범위로 하였다.
SD 및 DBD 반응기에서 탄소수지는 반웅기의 종류에 관계없이 비투입 에너지에 따라 5% 이내의 범위에서 일치하므로 플라즈마 단독공정으로 표현하였다. Fig.
시료 가스는 80°C로 가열한 혼합기를 통해서 균일화 한 후 반응기로 유입시켰다.가스의 유량은 플라즈마단독공정에서는 4 L/min(LPM : liter per minute)으로 실험하였으며, PDC 공정에서는 4 LPM, 6 LPM으로 실험하였다.
13스타이렌은 오존과 결합하여 고분자 폴리머로 생성되는 반응이 빠르게 일어나므로 처리에 반응기의 내구 성이 지속 되지 못하며, 완전 분해에 어려움이 있다. 각 플라즈마반응기에 대한 비교평가를 위하여 스타이렌의 분해효율, 탄소수지, 반응생성물의 동정, 생성물의 수율 및 선택성 등의 항목에 대하여 고찰하였다. 이들의 평가 요소를 통하여 PDC 공정의 효율성을 입증하며, 향후 플라즈마를 이용한 공정에 있어 PDC 공정의 사용 가능성을 평가하고자 한다.
본 연구에서는 PDC 공정을 이용한 스타 이렌의 분해 처리에 초점을 두고 여러 반응조건하에서의 기초적 특성을 조사함과 동시에, 기존의 기상 반응을 이용하는 플라즈마 단독공정과의 비교평가를 통하여 최적 플라즈마 반응기의 선정에 필요한데이터를 확보하는 것을 주된 목적으로 한다. 구체적으로는 석유화학산업에서 다량 발생하는 물질인 스타 이렌의 분해를 모델 반응으로 세 가지 다른 형태의 플라즈마 반응기로 동일 조건에서 실험한 결과를 가지고 그 제반 성능에 대해 서 비교하였다. 스타이렌은 오존과 쉽게 반응하여 벤즈 알데하이드와 같은 자극제를 생성하며, 광화학 스모그의 활성 생산자이기도 하다.
VOCs의 분석법으로 널리 이용되고 있는 가스크로마토그래피(GC: gas chromatography)> 플라즈마로 처리한 가스성분의 분석에 적용할 경우, 플라즈마 반응기에서 생성된 오존이 컬럼에서분해되는 과정에서 VOCs의 분해가 부수적으로 일어나기 때문에 측정성분의 농도를 실제보다 낮게 평가할 가능성이 있다14)그러므로 플라즈마로 처리한 스타이렌을 GC로 분석할 경우 컬럼의 충전물, 시료 도입부 및 컬럼 온도 조건을 적절히 고려하여 오존의 간섭을 최소화할 필요가 있다. 따라서, 본 실험에서는 오존의 간섭을 받지 않는 FT-IR (Fourier transform infrared, spectrum one, Perkin Elmer) 을 사용하여 스타 이렌 농도와 반응 생성물을 연속적으로 측정하였다. FT-IR 가스 분석법은 측정 대상 물질 고유의 적외선 흡수파수(wavenumber, cm-1)에서의 흡광도를 이용하기 때문에 흡수가 나타나는 파수대가 겹치지 않는 한 공존 가스의 영향을 받지 않는다.
본 연구는 두 종류의 플라즈마 단독공정과 PDC 공정의 세 가지방법으로 수행되었다. 처리물질인 스타이렌의 농도는 100 ppmv, 50 ppmv으로 하여 각 공정의 효율 및 특성을 비교하고자 하였다.
본 연구에서는 플라즈마 단독공정으로 DBD, SD 반응기와 플라즈마 구동 촉매 반 웅기 PDC를 이용하여 스타이렌 제거 실험을 하였다. 이들 3가지 다른 형태의 반응기에 탄소수지, CO와 C02의 수율 및 선택성 그리고 부산물 등의 인자를 적용하여 실제 현장 적용 가능성 평가 및 안정한운전 조건을 찾고자 하였다.
또한 여러 종류의 가스 성분을 동시 분석 가능하다는 점도 FT-IR 측정법의 큰 장점이라 할 수 있다. 샘플 가스는 전량 광로(optical path-length) 6.4 이의 가스셀을 통과하며, 적외선의 흡수가 나타나는 파수와 흡광도를 이용하여 정성 및 정량 분석을 하였다. FT-IR 의 검출기로는 TGS를 사용하였다.
co 및 CO2를 동정함으로써 각종 유해물질의 분해 정도를 가늠할 수 있는 지표로 활용할 수 있다. 스타 이렌도 제거과정에서 주된 반응생성물로서 CO, CO2가 나타나며, co 와 CO2의 수율과 선택성은 다음과 같이 구하였다.
7 mm인 천연 제올라이트를 사용하였다. 톨루엔의 분해 및 전력 공급에 미치는 유전체의 물리적 특성, 산소 함량, 피크 전압, 전압의 극성영향에 대해 고찰하였다.5)Li둥은 Ti02를 바늘 전극을 사용하여 활성화시켜 톨루엔을 처리하였으며, 광촉매의 위치를 바꿔가며 실험한 결과 플라즈마의 영향이 촉매에 활성이 가해지는 부분에서 톨루엔처리 효율이 뛰어난 것으로 보고하였다 Tanthapanichakoon 등은 온도와 수분 및 산소의 농도에 따른 스타이렌의 제거 특성을 평가하였다Ogata 등은 Packed-bed 형식의 반응기에 BaTiOj 등의 촉매를 충전하여 벤젠의 제거 효율 및 부산물 억제 등에 대하여 보고하였다.
처리물질인 스타이렌의 농도는 100 ppmv, 50 ppmv으로 하여 각 공정의 효율 및 특성을 비교하고자 하였다. 플라즈마 단독공정은 무성방전 (DBD: dielectric-barrier discharge) 형태의 반응기와 연 면 방전(SD: surface discharge) 형태의 반응기를 사용하였다.
전하량 측정에 사용한 콘덴스의 정전용량은 100 nF 이 었다. 플라즈마 반응기에 인가한 전압(V)은 1000 : 1 high voltage probe(P6015A, Tektronix)# 사용하였으며, V와 Q 는 오실로스코프(TDS 3052, Tektronix)를 사용하여 모니터링 하였다.
대상 데이터
DBD 반응기는 유전체로 내부 직경 13.5 mm, 길이 175 mm의 석영관을 사용하였으며, 내부에는 직경 10 mm의 스텐레스 봉을 삽입하여 방전전극으로 사용하였다. SD 반응기는 유전체로 내부 직경 12.
4 이의 가스셀을 통과하며, 적외선의 흡수가 나타나는 파수와 흡광도를 이용하여 정성 및 정량 분석을 하였다. FT-IR 의 검출기로는 TGS를 사용하였다. 수분과 반응 생성 물이 가스 셀 내부에 부착되는 것을 막기 위해서 70°C로 가온하였다.
5 mm, 길이 175 mm의 석영관을 사용하였으며, 내부에는 직경 10 mm의 스텐레스 봉을 삽입하여 방전전극으로 사용하였다. SD 반응기는 유전체로 내부 직경 12.5 mm, 길이 150 mm의 석영 관을 사용하였고, 내부에는 지름 0.45 mm의 코일상의 스텐레스 선을 삽입하여 방전전극으로 사용하였다. PDC 반응기는 SD반응기 내부에 Ag/TiO2 촉매를 충전한 형태로 기본적으로 SD반응기와 동일하다.
1에 나타내었다. 시료 가스가 흐르는 관로는 시료가스와의 반응성이 없는 테프론 재질의 관 및 스텐레스관을 사용하였다. 실험장치는 시료 가스의 발생부, 플라즈마 반응기, 방전 전력계측기 그리고 반응 전후의 가스 성분 분석장치로 구성되어 있다.
실험장치는 시료 가스의 발생부, 플라즈마 반응기, 방전 전력계측기 그리고 반응 전후의 가스 성분 분석장치로 구성되어 있다. 시료 가스는 질소와 산소의 봄베가스를 질량 유량 조절기(MFC: mass flow controller, Kofloc)를 이용하여 8 : 2의 비율로 혼합한 모의 공기를 사용하였다. 반응물로 이용한 스타이렌 가스는 원액을 담은 용기를 항온수조(CB15, luchi)에 넣어 온도를 조절하면서 질소가스로 bubbling하여 농도를 조절하였다.
시료 가스가 흐르는 관로는 시료가스와의 반응성이 없는 테프론 재질의 관 및 스텐레스관을 사용하였다. 실험장치는 시료 가스의 발생부, 플라즈마 반응기, 방전 전력계측기 그리고 반응 전후의 가스 성분 분석장치로 구성되어 있다. 시료 가스는 질소와 산소의 봄베가스를 질량 유량 조절기(MFC: mass flow controller, Kofloc)를 이용하여 8 : 2의 비율로 혼합한 모의 공기를 사용하였다.
4) 목영선 등은 교류 고전압을 이용하는 유전체 플라즈마 반응기에서 톨루엔의 분해에 대한연구를 수행하였다. 유전체 충전물로는 직경 4 ~6 mm인 유리구슬과 4.75~6.7 mm인 천연 제올라이트를 사용하였다. 톨루엔의 분해 및 전력 공급에 미치는 유전체의 물리적 특성, 산소 함량, 피크 전압, 전압의 극성영향에 대해 고찰하였다.
이론/모형
AC 고전압을 이용하는 방전 전력의 계산에는 리사쥬법 (Lissajous method)이 널리 이용된다.리사쥬법은 접지전극 측에 삽입한 콘덴스로 방전 전류를 시간에 대해 적분한 형태인 전하량(Q)으로 계측하고, 이를 인가전압(V)과 도식한 V-Q 리사쥬도형의 면적으로부터 방전 전력을 구하는 방법이다.
은촉매는 AgNO3 용액을 사용하여 함침법 (impreg nation) 으로 2.0 wt% 담지하였다.11) 촉매는 공기 중 773 K에서 10시간 동안 화소시켜 실험에 사용하였다.
성능/효과
1) DBD, SD 그리고 PDC 반응기를 이용하여 스타이렌 제거 실험한 결과 DBD, SD 반응기는 50 J/L의 낮은 비투입 에너지 영역에서도 제거율 100%를 나타내나 탄소 수지는 20%로서 낮게 나타나, 주요 생성물(CO, CO2, HCOOH) 외에도 다른 중간체로 전환되고 있음을 의미한다. 플라즈마단독 공정에서는 300 J/L 이상에서 탄소수지는 100%가 되나, 400 J/L에서도 9 ppmv 정도의 HCOOH가 잔류되고 있어 완전 제거가 이루어지고 있지 않다.
2) 본 연구에서 실험한 조건에서는 DBD, SD와 PDC 반응기 모두 비투입 에너지의 증가에 따라 CO와 C6의 수율이 증가함을 알 수 있었다. 또한, DBD, SD 반응기에서는 비투입 에너지가 중가할수록 CO2 보다 CO의 수율이 높게 나타난 반면, PDC 반응기에서는 비투입 에너지가 증가할수록 CO보다 C6의 수율이 높게 나타났다.
3) 플라즈마 공정에서 CO와 CO2의 선택성을 평가함으로써 플라즈마 공정이나 복합공정의 성능을 비교하는 것이 가능하다. CO와 CO2의 선택성 비교에서 PDC 반응기는 SD와 DBD 반응기에 비하여 CO2의 선택성이 높고 CO 선택성은 낮게 나타나 PDC 반응기가 SD나 DBD 반응기에 비해 훨씬 더 뛰어난 성능을 가진다는 것을 확인할 수' 있었다.
4) DBD, SD 공정에서 생성되는 질소산화물은 NO2, N2O5, N2O, 질산 등 여러 가지 물질이 포함되어 있었으며, 공기 분위기에서 실험하므로 질소산화물 및 오존도 발생하였다. PDC 반응기는 DBD, SD 반응기보다 질소산화물의 생성량이 더 적은 것으로 나타났다.
PDC반응기에서는 CO와 CO2의 수율 모두가 비투입 에너지에 따라 거의 직선적으로 증가하였으며, CO보다 CO2 수율이 훨씬 더 현저하게 향상되는 것으로 나타났다. CO 수율은 스타 이렌의 농도에 관계없이 비슷한 값을 나타내지만 CO의 수율은 100 ppmv보다 50 ppmv에서 훨씬 더 높게 나타났다. 한편, 플라즈마 단독공정에서는 일정 이상 비투입에너지를 증가시키면 CO와 C6수율의 증가 속도가 감소하는 경향을 나타내었다.
10에 각각 플라즈마 단독공정과 PDC 반응기에 대한 CO2 선택성을 나타내었다. CO2 선택성은 반응기의 종류 또는 비투입 에너지 조건에 관계없이 거의 일정하거나 약간 감소하는 경향을 나타내었다. 플라즈마 단독공정의 경우 100 ppmv 보다는 50 ppmv의 조건에서 약간 더 높은 CO2 선택성을 나타내었다.
CO와 CO2의 선택성 비교에서 PDC 반응기는 SD와 DBD 반응기에 비하여 CO2의 선택성이 높고 CO 선택성은 낮게 나타나 PDC 반응기가 SD나 DBD 반응기에 비해 훨씬 더 뛰어난 성능을 가진다는 것을 확인할 수' 있었다.
FT-IR을 이용한 반응 생성물 분석에서 스타 이렌은 주로 CO와 CO2로 분해되는 것으로 판명되었으며 그 외 HCOOH 가 미량 성분으로 관찰되었다. 따라서 반응전 .
발생하였다. PDC 반응기는 DBD, SD 반응기보다 질소산화물의 생성량이 더 적은 것으로 나타났다.
비 투입 에너지를 HO J/L로 높이면 주요 반응 생성물 중 HCOOH는 완전히 제거되었으며 질소산화물은 NG와 N2O만이 관찰되었다. PDC 반응기에서 생성되는 질소산화물은 비투입 에너지의 양에 따라 증가하며, NO2는 2차 함수 곡선 형태로 N2O는 선형적으로 증가하는 것으로 관찰되었다. 따라서 PDC 반응기를 이용한 스타이렌 분해 처리의 최적화를 위해서는 부산물인 질소산화물의 생성과 필요한 스타이렌 제거 효율을 동시에 고려해야 할 것이다.
량에관계없이 아주 낮은 비투입 에너지에서도 100% 전환율을 나타내었다. PDC 반응기에서는 비투입 에너지를 증가시킬수록 스타이렌 전환율이 향상되는 것으로 나타났고, 스타이렌 50 ppmv, 100 ppmv를 처리하는 데 필요한 비투입 에너지는 각각 55 J/L, 180 J/L로 나타났다.
8에 각 반응 조건에서의 CO와 COz 수율에 대해서 나타내었다. PDC반응기에서는 CO와 CO2의 수율 모두가 비투입 에너지에 따라 거의 직선적으로 증가하였으며, CO보다 CO2 수율이 훨씬 더 현저하게 향상되는 것으로 나타났다. CO 수율은 스타 이렌의 농도에 관계없이 비슷한 값을 나타내지만 CO의 수율은 100 ppmv보다 50 ppmv에서 훨씬 더 높게 나타났다.
비록 온도와 스타이렌 농도 조건이 다르긴 하지만 Anderson 등도 DBD 반응기를 이용한 실험에서 반응 기내에 고체 상 생 성물이 퇴적된다고 보고하였다.⑹ 한편, Fig. 6에 나타낸 PDC 반응기의 경우도 비 투입 에너지 50 J/L에서는 탄소수지가 50% 정도이지만, 비투입 에너지가 증가할수록 플라즈마 단독공정에 비해서 급격히 탄소수지가 향상되는 것으로 나타났다. PDC 공정에서 탄소수지가 급격히 증가하는 것은 플라즈마 단독공정과 마찬가지로 비투입에너지가 낮은 영역에서는 스타이렌의 중간 생성물이 촉매 표면에 퇴적되지만 플라즈마의 강도를 높일수록 플라즈마단독에 비해 촉매 표면에서 중간 생성물의 분해가 월등하게 빠르게 진행되는 것으로 판단된다.
4에서 관찰된 스타 이렌 전환율의 경향과 일치하였다. 그러나, 탄소수지와 주된 생성물인 CO 와 CO2의 수율 및 선택성에 대한 결과를 살펴보면 오존생성량이 가장 적었던 PDC 반응기가 가장 뛰어난 성능을 나타내었으므로 중간 생성물의 분해 과정에 대한 오존의 기여는 작은 것을 알 수 있다.
PDC 반응기에서는 플라즈마 단독 공정에 비해서 CO2 선택성이 평균 20〜30% 정도가 높게 나타났다. 농도에 대해서는 저농도인 50 ppmv에서 COj 선택성 약간 더 높게 나타났으나, 유량의 변화에는 영향을 받지 않는 것으로 판명되었다.
일반적으로 플라즈마 공정은 에너지 의존적 공정이므로 비투입 에너지가 주 인자(governing factor)가 되며, 유량의 변화에 따른 영향은 적다. 따라서 동일 분해량이면 초기농도가 낮을수록 상대적 제거율은 높게 나타나게 되며, 이것이 탄소수지의 결과와 연관되어 나타난 것으로 판단된다. 스타이렌 유입 농도 50 ppmv과 100 ppmv에 대해 탄소수 지가 100%에 근접하는 것은 각각 비투입 에너지가 100 J/L, 110 J/L로 나타났다.
PDC 공정에서 탄소수지가 급격히 증가하는 것은 플라즈마 단독공정과 마찬가지로 비투입에너지가 낮은 영역에서는 스타이렌의 중간 생성물이 촉매 표면에 퇴적되지만 플라즈마의 강도를 높일수록 플라즈마단독에 비해 촉매 표면에서 중간 생성물의 분해가 월등하게 빠르게 진행되는 것으로 판단된다. 또한 PDC 반응기에서는 비투입 에너지에 따른 탄소수지의 변화는 초기농도에는 영향을 받으나 유량의 변화에는 영향을 받지 않는 것으로 나타났다. 일반적으로 플라즈마 공정은 에너지 의존적 공정이므로 비투입 에너지가 주 인자(governing factor)가 되며, 유량의 변화에 따른 영향은 적다.
증가함을 알 수 있었다. 또한, DBD, SD 반응기에서는 비투입 에너지가 중가할수록 CO2 보다 CO의 수율이 높게 나타난 반면, PDC 반응기에서는 비투입 에너지가 증가할수록 CO보다 C6의 수율이 높게 나타났다.
한편, 플라즈마 단독공정에서는 일정 이상 비투입에너지를 증가시키면 CO와 C6수율의 증가 속도가 감소하는 경향을 나타내었다. 또한, 플라즈마 단독공정에서는 CO2 보다 CO의 수율이 더 높게 나타나며, 농도에 대해서도 100 ppmv보다 50 ppmv에서 5% 정도 더 높게 나타났다.
이것은 비투입에너지가 낮은 영역에서는 스타 이렌이 CO, CCh, HCOOH 등의 생성물로 전환되는 경로보다 이들이외의 다른 중간체로 전환되는 반응이 훨씬 더 활발하게 진행하고 있다는 것을 의미한다. 비 투입 에너지를 계속하여 증가시켜 갈수록 탄소 수지는 향상되어, 대략 300 J/L 이상에서는 100%에 가까운 탄소수지를 나타내었다. 탄소수지의 부족 부분은 스타이렌이 입자상 물질로 전환되었기 때문으로 생각된다.
이와 같이 저온플라즈마 반응기를 이용한 스타이렌분해공정에서도 벤젠과 마찬가지로 에어로졸과 같은 중간생성물의 생성과 분해가 탄소수지와 밀접하게 관련되어 있는 것으로 생각된다. 스타 이렌의 분해를 모델 반응으로 이용하여 제거 효율, 분해 성성물, 그리고 질소산화물 등의 부산물에 대해 종합적으로 평가한 결과, PDC 반응기가 DBD와 SD 반응기에 비해서 훨씬 더 뛰어난 성능을 가지는 것을 확인하였다.
스타 이렌 50ppmv, 100ppm v 제거시 생성물이 CO, CO만 생성되는 비투입 에너지가 중가할수록 탄소 수지가 급격히 증가한다. 스타이렌 50 ppmv, 100 ppmv 제거시 반응 생성물이 CO, CO2만 생성되는 비투입 에너지 영역은 100 J/L, 150 J/L로서 플라즈마 단독공정보다 낮은 비투입에너지 영역에서 완전 제거가 가능하였다.
이러한 퇴적물(에어로졸)의 생성은 플라즈마반응기의 안정한 운전을 저해할 뿐만 아니라, 최근 인체 건강에 대한유해성에 대해 논란이 되고 있는 나노 사이즈에 어로 졸이라는 2차적 오염 문제를 유발시키게 된다. 한편, PDC 반응기의 경우에는 반응기 후단의 가스라인에서 퇴적물이 관찰되지 않았으며, SD 및 DBD 반응기와 비교하여 낮은 비투입 에너지 영역에서 100%의 탄소수지를 나타내었다. 이와 같이 저온플라즈마 반응기를 이용한 스타이렌분해공정에서도 벤젠과 마찬가지로 에어로졸과 같은 중간생성물의 생성과 분해가 탄소수지와 밀접하게 관련되어 있는 것으로 생각된다.
후속연구
PDC 반응기에서 생성되는 질소산화물은 비투입 에너지의 양에 따라 증가하며, NO2는 2차 함수 곡선 형태로 N2O는 선형적으로 증가하는 것으로 관찰되었다. 따라서 PDC 반응기를 이용한 스타이렌 분해 처리의 최적화를 위해서는 부산물인 질소산화물의 생성과 필요한 스타이렌 제거 효율을 동시에 고려해야 할 것이다. 질소산화물의 생성을 최대한 억제하면서 스타이렌분해를 달성하기 위해서는 비투입 에너지 70 J/L가 넘지 않는 범위에서 적용되는 것이 바람직한 것으로 판단된다.
항목이다. 따라서, CO와 CO2의 선택성을 평가함으로써 플라즈마 공정이나 복합공정의 성능을 비교할 수 있을 것이다.
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