[논문]저온플라즈마 구동 촉매 반응기를 이용한 벤젠과 톨루엔의 처리

김현하; 오가타 아쯔시; 후타무라 시게루

문제 정의

특징을 가지고 있다. 본 연구에서는 저온플라즈마와 촉매를 1단식으로 결합한 플라즈마 구동 촉매(Plasma-Driven Catalyst; 이하 PDC) 반응기를 이용한 VOCs 제거 특성 및 최적화에 대해 검토한 결과를 보고하기로 한다. 모델 VOCs로는 총배출량에서 상위를 차지하는 톨루엔과, 방향족 VOCs 중에서는 비교적 안정한 벤젠을 사용하였다.
본 연구에서는 플라즈마 구동 촉매 반응기를 이용한 VOCs처리에 있어서 여러 가지의 운전변수들의 영향에 대해 조사함과 동시에, 얻어진 실험결과를 바탕으로 PDC 시스템의 최적화에 대해 고찰하였다. 얻어진 주요 연구결과를 요약하면 다음과 같다.
PDC 공정에 있어 VOCs의 분해를 정확히 평가하기 위해서는 전체 제거 VOCs 중 홉착에 의한 제거를 분리하여 고려해야 한다. 본 연구에서는 플라즈마 인가한 후 반응기 출구에서 VOCs와 분해 생성물의 농도가 안정하게 되었을 때 주어진 반응조건에서의 데이터로 하였다. 플라즈마 공정으로 처리한 VOCs를 gas chromatography (이하 GC)로 분석할 경우 오존에 의한 간섭에 주의할 필요가 있다.
모델 VOCs로는 총배출량에서 상위를 차지하는 톨루엔과, 방향족 VOCs 중에서는 비교적 안정한 벤젠을 사용하였다. 앞서 언급한 것 같이 본 연구에서는 에너지효율, 물질수지 그리고 부산물의 세 가지 항목에 대해 주안점을 주고 고찰을 하였다. 특히, PDC 반응기에서의 유량조건을 20배 달리하면서 실험하여 앞으로의 대규모 장치의 설계에 대단히 중요한 scaling-up의 영향에 관하여 고찰하였다.
앞서 언급한 것 같이 본 연구에서는 에너지효율, 물질수지 그리고 부산물의 세 가지 항목에 대해 주안점을 주고 고찰을 하였다. 특히, PDC 반응기에서의 유량조건을 20배 달리하면서 실험하여 앞으로의 대규모 장치의 설계에 대단히 중요한 scaling-up의 영향에 관하여 고찰하였다. 또한 촉매의 양과 종류에 따른 VOCs의 분해효율, 탄소수지, CO?의 선택성에 대해서도 검토하였다.

제안 방법

PDC 장치의 scaling-up에 관한 정보를 얻기 위하여 Ag/TiO, 촉매에 대해 유량조건을 5 L/min와 100L/min로 달리하면서 실험한 데이터를 같이 도식하였다. 톨루엔의 분해에 있어 촉매의 종류에 따른 분해율의 차이는 관찰되지 않았으며 거의 동일한 성능을 나타내었다.
광학파이버 온도계를 이용하여 반응기 출구 온도를 측정한 결과 플라즈마에 의한 온도상승은 비투입 에너지에 직선적으로 비례하며, 비투입 에너지 100J/L에서 약 135℃이었다. 본 연구에서의 중요한 연구항목인 하나인 PDC 반응기의 scaling-up에 관한 정보를 얻기 위하여 가스 유량을 5L/min과 100L/min의 두 가지 조건에서 실험하였다. 가스의 유량의 조절에는 질량 유량 조절기 (Mass Flow Controller, 이하 MFC, KoflocCo.
가스셀은 수분과 생성물의 퇴적을 가능한 한 억제하기 위해 70℃로 가온하였다. 샘플가스는 1분 간격으로 2~3 스캔의 평균 흡수파형을 연속적으로 측정하여, 각성분의 고유 흡수파수에 대해 작성한 검량선을 입력하여 VOCs 및 생성물에 대한 농도변화를 동시에 정량분석 하였다. PDC 공정에 있어 VOCs의 분해를 정확히 평가하기 위해서는 전체 제거 VOCs 중 홉착에 의한 제거를 분리하여 고려해야 한다.
45 mm인 코일상의 스텐레스 전극을 석영관 내부에 설치하여 고전압 전극으로 하였다. 절연체와 접지전극 사이의 공극을 최대한 줄이기 위해서 은 (Ag) 페이스트를 도포하여 접지전극으로 하였다. 유전체와 접지전극 사이에 미세한 공극이 존재하면 이 공극에서도 방전이 일어나 전력을 소비하게 된다.
반응기의 접지 측에 적절한 용량의 콘덴스를 직렬로 삽입하여 Q = CV의 관계식으로부터 전류치를 시간에 대해 적분한 형태인 전하량(Q)을 즉정하는 방법이다. 특히 이번 연구에서는 인가전압(V)과 전하량의 리사쥬도형 면적을 보다 정확하게 계산하기 위하여 Visual Basic으로 작성한 자동계산 프로그램을 이용하여 방전전력 및 비투입 에너지 (Specific Input Energy; 이하 SIE)를 구하였다. SIE는 처리 가스유량 (Q)에 대한 투입 에너지로의 비로 정의되는 값으로 플라즈마 반응기의 성능평가와 설계 등에 사용되는 중요한 지표가 된다.
PDC 공정이 주목을 받는 이유는 기존의 플라즈마 단독공정이 가지는 한계점에서 찾을 수 있을 것이다. 표 1 에 VOCs 분해에 있어서 기존의 플라즈마 단독공정과 PDC 공정의 특징을 서로 비교하여 나타내었다. 플라즈마 단독공정의 경우 에너지 소비가 높을 뿐 아니라, 분해과정에서 CO 등 유해한 중간생성물과 에어로졸이 생성된다.

대상 데이터

VOCs의 농도와 분해생성물 및 부산물의 분석에는 광로 6.4 이로 설정한 가스셀을 갖춘 FTIR (Perkin Elmer, Spectrum One)을 이용하였다. 가스셀은 수분과 생성물의 퇴적을 가능한 한 억제하기 위해 70℃로 가온하였다.
본 연구에서는 저온플라즈마와 촉매를 1단식으로 결합한 플라즈마 구동 촉매(Plasma-Driven Catalyst; 이하 PDC) 반응기를 이용한 VOCs 제거 특성 및 최적화에 대해 검토한 결과를 보고하기로 한다. 모델 VOCs로는 총배출량에서 상위를 차지하는 톨루엔과, 방향족 VOCs 중에서는 비교적 안정한 벤젠을 사용하였다. 앞서 언급한 것 같이 본 연구에서는 에너지효율, 물질수지 그리고 부산물의 세 가지 항목에 대해 주안점을 주고 고찰을 하였다.
본 연구에서 사용한 모델 VOCs는 벤젠과 톨루엔으로 초기농도는 각각 200 ppm과 150 ppm으로 하였다. 이것은 이전의 연구에서 보고한 PDC 반응기를 이용한 방향족 VOCs 처리의 최적 적용 범위 상한인 100 ppm 보다 높지 만, 각 실험 조건 이 가지는 영향을 명확하게 관찰하는 데에는 유리할 것으로 판단된다.
본 연구에서 플라즈마의 발생에는 실험 규모에 따라 출력 이 다른 두 대의 AC전원을 사용하였다. 실험실 규모의 실험에는 Function Generator (Tektronix AFG310)와 고전압 앰프(Trek 20/20B)로 구성된 전원을 사용하였고, 100L/min 규모의 실험에는 최대출력 2kW의 AC 전원 (Dawonsys)을 사용하였다.
유량 100L/min의 경우 액체용 MFC로 VOCs 용액을 정량주입하고 히터로 가열하면서 건조공기로 희석하였다. 시험 가스로는 콤퓨레셔로 압축한 실내공기를 사용하였고 MFC를 이용하여 유량을 조절하였다. 반응기로 유입되는 실내공기에는 백그라운드로 CO?가 약 420 ppm, 수증기 가약 470 ppm 포함되어 있으며, 분해 생성물의 농도는 이 값을 빼어 구하였다.
실험실 규모의 실험에는 Function Generator (Tektronix AFG310)와 고전압 앰프(Trek 20/20B)로 구성된 전원을 사용하였고, 100L/min 규모의 실험에는 최대출력 2kW의 AC 전원 (Dawonsys)을 사용하였다. 인가전압과 방전전류의 계측은 각각 오실로스코프 (Tektronix TDS 3032B) 에 연결된 고전압 프로브(Tektronix P6015A)오+ Rogowisky형 전류 프로브 (Pearson, Model 2877)를 사용하였다.
유전체로 내경 13mm, 유효길이 200mm의 석영관을 사용하였고, 직경 0.45 mm인 코일상의 스텐레스 전극을 석영관 내부에 설치하여 고전압 전극으로 하였다. 절연체와 접지전극 사이의 공극을 최대한 줄이기 위해서 은 (Ag) 페이스트를 도포하여 접지전극으로 하였다.
촉매로는 2wt% Ag/TiO?를 사용하였다. PDC 반응기에 충진한 촉매의 양을 10.
, 2004b). 촉매로는 구형의 Ag/TiO”평균직경 1.8 mm)와 원통형의 Pt/Y-MOJ평균직경 3 mm) 촉매를 사용하였다. Ag와 Pt의 담지량은 각각 2.

이론/모형

기본적으로는 무성방전 (Dielectric-Barrier Discharge, 이하 DBD)에서 관찰되는 것과 거의 흡사한 파형으로 방전전류는 무수한 펄스형의 마이크로방전으로 구성되고 있다. PDC 반응기에서의 방전전력 측정에는 DBD 등의 방전전력 측정에 널리 사용되는 V-Q 리사쥬법 (V-Q Lissajous method)을 사용하였다. 반응기의 접지 측에 적절한 용량의 콘덴스를 직렬로 삽입하여 Q = CV의 관계식으로부터 전류치를 시간에 대해 적분한 형태인 전하량(Q)을 즉정하는 방법이다.
실험실 규모의 실험에는 Function Generator (Tektronix AFG310)와 고전압 앰프(Trek 20/20B)로 구성된 전원을 사용하였고, 100L/min 규모의 실험에는 최대출력 2kW의 AC 전원 (Dawonsys)을 사용하였다. 인가전압과 방전전류의 계측은 각각 오실로스코프 (Tektronix TDS 3032B) 에 연결된 고전압 프로브(Tektronix P6015A)오+ Rogowisky형 전류 프로브 (Pearson, Model 2877)를 사용하였다. 그림 2에 PDC 반응기에서의 대표적인 전압-전류 파형을 나타내었다.

성능/효과

1) PDC 반응기에서의 VOCs 분해는 충진한 촉매의 양에 영향을 받지 않으며, 비투입 에너지에 의해 VOCs의 분해정도가 결정되는 것으로 나타났다.
2) 촉매의 종류는 VOCs의 분해율과 탄소 수지에 미치는 영향은 적으나 CO?의 선택성에는 크게 영향을 미치는 것으로 판명되었다. 특히 Pt/Y-AI2O₃ 촉매를 사용할 경우 유통식 반응기로 97% 정도의 대단히 높은 CO, 선택성을 얻을 수 있었다.
3) PDC 반응기에서 얻어진 스케일링 계수는 1로서, 가스유량이 20배의 차이가 나는 두 조건에서 얻어진 톨루엔의 분해 실험 결과가 서로 정확히 일치하는 것으로 나타났다. 이를 확대 해석하면, 비록 실험실 규모의 소형 장치를 사용한 실험결과라 하더라도 비투입 에너지에 따른 VOCs 분해 경향을 정확히 파악하면 대규모의 반응기의 설계에도 유용하게 적용할 수 있을 것으로 판단된다.
그림 4(b)의 잔존농도의 로그 그래프는 기상의 균일 라디컬 반응의 경우 직선적으로 나타나지만 0차 반응을 나타내는 PDC 반응기에서는 SIE가 커질수록 감소의 기울기가 더 급격해진다. SIE가 200J/L 정도로 높아지면 Pt/Y-MQ, 촉매에서의 기울기, 증가가 Ag/TiO₂ 촉매보다 훨씬 더 급격해 지는 것으로 나타났다. Pt/Y-Al2O₃ 촉매에서 관찰된 높은 SIE에서 분해율 촉진의 원인으로는 플라즈마에 의한 발열을 들 수 있을 것이다.
PDC 반응기를 이용한 톨루엔의 분해과정에서 생성되는 주된 반응생성물은 CO와 CO?이었다. SIE가 대략 70 J/L 이하일 때 촉매의 종류에 관계없이 미량생성물로₀15 ppm 정도의 개 미 산 (HCOOH) 이 관찰되 었지 만, SIE를 높여 갈수록 완전히 분해되어 더 이상 관찰되지 않았다. 그림 5에 나타낸 탄소수지도 이들 세 성분의 합으로 구하였다.
그러나 PDC 반응기에 플라즈마를 인가하면 발열로 인하여 실제 반응장의 온도는 100℃보다 높아진다. 광학파이버 온도계를 이용하여 반응기 출구 온도를 측정한 결과 플라즈마에 의한 온도상승은 비투입 에너지에 직선적으로 비례하며, 비투입 에너지 100J/L에서 약 135℃이었다. 본 연구에서의 중요한 연구항목인 하나인 PDC 반응기의 scaling-up에 관한 정보를 얻기 위하여 가스 유량을 5L/min과 100L/min의 두 가지 조건에서 실험하였다.
산소플라즈마를 이용하는 장점으로는 에너지 효율을 향상, CO? 선택성의 개선, 질소산화물의 완전 억제 등을들 수 있다. 벤젠을 이용한 실험을 통하여 Ag/TiO₂ 촉매 표면에 흡착된 벤젠을 99% 정도의 선택성으로 CO?로 완전산화 가능하다는 것을 보여주었다.
6g으로 두 배 이상 높여도 벤젠의 분해에는 차이가 없는 것으로 나타났다. 체류시간(즉 공간속도)의 경우와 마찬가지로 PDC 반응기에서의 VOCs 분해는 촉매 양보다 비투입 에너지에 의해 결정되는 것으로 판명되었다. 촉매의 양과 공간속도 등의 변화에 따른 영향이 적다는 것은 상용화를 위한 PDC 반응기 설계에 있어 중요한 의미를 가진다.
VOCs의 처리에 있어서는 안정한 포화 탄화수소계열의 알칸족을 제외한 상대적으로 저농도의 VOCs의 처리에 적합한 기술로 평가되고 있다. 현재까지 세계 각국의 다양한 연구팀에 의해 보고 된 연구결과를 종합해 보면, 적어도 분해율의 관점에서는 만족할만한 성과를 거두었다고 할 수 있을 것이다. 그러나 저온플라즈마를 이용한 VOCs제거 공정의 궁극적인 목표인 상용화를 위해서는 에너지 효율을 크게 향상시킬 것과 분해 생성물과 부산물의 안전성 확보 등의 중대한 문제점들이' 해결과제로서 제시되었다.

후속연구

톨루엔의 전환율과 탄소수지의 관점에서는 촉매의 종류에 따른 차이를 보이지 않지만 CO? 선택성은 촉매의 종류에 크게 영향을 받는 것으로 나타났다. 따라서 PDC 반응기에 사용하는 촉매의 종류에 따라 최종생성물의 선택성을 크게 개선할 수 있으며, 앞으로 새로운 촉매에 대한 연구가 진행됨에 따라 PDC 반응기의 성능개선 및 최적화가 가능해질 것으로 생각된다.
(2005b)은 방향족 VOCs에 대한 O, OH 라디 컬의 반응속도상수와 IP사이에 역의 상관관계가 존재한다고 보고하였다. 따라서 기존의 플라즈마 단독공정에서 관찰된 VOCs 분해율과 IP의 상관관계는 위에서 설명한 라디컬 반응이 지배하는 반응 메커니즘을 보여주는 하나의 증거가 될 것이다. 한편, Kim d 次.
앞으로의 플라즈마 공정의 연구개발 및 상용화를 위해서는 이러한 개념의 정립과 용어의 통일에 대한 논의가 시급히 이루어져야 할 것으로 생각된다.
톨루엔 분해 반응에 대한 PDC 반응기의 스케일링 계수(scaling factor)는 1로서 반응기의 크기에 따른 차이는 없는 것으로 나타났다. 이 결과는 플라즈마 150 반응기에 투입된 에너지 양과 이에 따른 VOCs 분해에 대한 정확한 데이터를 파악한다면 실험실 규모의 소규모 장치에서 얻어진 데이터라도 대규모 장치의 설계에 유용하게 활용할 수 있다는 것을 가리킨다. 이러한 결과가 얻어진 원인으로는, 플라즈마 반응기 의 경우 소반응 자체가 대단히 빠르게 진행되기 때문에 반응기내의 가스유속, 확산 등의 영향이 적으며, 반응기의 성능이 SIE에 의해 결정되기 때문으로 생각된다.
이것은 이전의 연구에서 보고한 PDC 반응기를 이용한 방향족 VOCs 처리의 최적 적용 범위 상한인 100 ppm 보다 높지 만, 각 실험 조건 이 가지는 영향을 명확하게 관찰하는 데에는 유리할 것으로 판단된다.
것으로 나타났다. 이를 확대 해석하면, 비록 실험실 규모의 소형 장치를 사용한 실험결과라 하더라도 비투입 에너지에 따른 VOCs 분해 경향을 정확히 파악하면 대규모의 반응기의 설계에도 유용하게 적용할 수 있을 것으로 판단된다.

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

저온플라즈마 구동 촉매 반응기를 이용한 벤젠과 톨루엔의 처리
Nonthermal Plasma-Driven Catalysis of Benzene and Toluene 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

이론/모형

성능/효과

후속연구

참고문헌 (23)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

저온플라즈마 구동 촉매 반응기를 이용한 벤젠과 톨루엔의 처리 Nonthermal Plasma-Driven Catalysis of Benzene and Toluene 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

이론/모형

성능/효과

후속연구

참고문헌 (23)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

김현하 (1) 오가타 아쯔시 (1) 후타무라 시게루 (1)

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

저온플라즈마 구동 촉매 반응기를 이용한 벤젠과 톨루엔의 처리
Nonthermal Plasma-Driven Catalysis of Benzene and Toluene 원문보기

AI 본문요약
AI-Helper