[논문]광촉매 카트리지를 활용한 악취 및 VOC를 함유한 폐가스의 광촉매처리

임광희

doi:10.9713/kcer.2013.51.1.80

광촉매 카트리지를 활용한 악취 및 VOC를 함유한 폐가스의 광촉매처리
Photocatalytic Treatment of Waste Air Containing Malodor and VOC by Photocatalytic Reactor Equipped with the Cartridges Containing the Media Carrying Photocatalyst 원문보기

Korean chemical engineering research = 화학공학, v.51 no.1, 2013년, pp.80 - 86

초록
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본 연구에서는 광촉매담지 실리카담체 카트리지를 장착한 광촉매반응기시스템을 활용하여 악취 가스인 황화수소 및 휘발성유기화합물(VOC)인 에탄올 및 톨루엔이 함유된 폐가스처리를 수행하고, 그 연구결과를 상용 광촉매담지 부직포필터 카트리지를 장착한 광촉매반응기시스템을 활용한 연구결과와 비교 및 평가하였다. 광촉매담지 실리카담체 카트리지를 장착한 광촉매반응기시스템의 경우는 1단계 운전에서 에탄올 및 톨루엔의 제거율은 각각 80% 및 20% 값을 계속 유지하였으나, 에탄올의 제거율은 톨루엔과 다르게 점점 떨어져서 1단계 끝에는 제거율 40% 값을 보였다. 한편 황화수소의 제거율은 100%에서 90%로 감소하였다. 에탄올의 제거율은 2단계 운전에서 10% 값을 보여서 더욱 감소하였으나, 황화수소 및 톨루엔 제거효율은 처리대상 폐가스의 톨루엔 부하가 4배로 급격히 증가하였음에도 불구하고 제거효율이 각각 90% 및 20% 값을 그대로 유지하였다. 3단계 운전은 알루미늄 코팅된 반사막필름을 광촉매반응기에 사용한 결과로서, 에탄올 및 톨루엔의 제거율은 각각 약 5%가 증가한 15% 및 25%의 제거율을 보였다. 한편 광촉매담지 부직포필터 카트리지를 장착한 광촉매반응기시스템의 에탄올, 황화수소 및 톨루엔 제거율은 1단계 운전에서 각각 10%, 97% 및 100% 값을 유지하였다. 그러나 2단계 운전에서 에탄올, 황화수소 및 톨루엔 제거율은 각각 5%, 95% 및 2~3% 미만의 제거율을 보여서 에탄올과 황화수소는 제거율이 약간 저하되었으나 톨루엔의 경우에는 완전 제거에서 급락하였다. 또한 에탄올, 황화수소 및 톨루엔 모든 경우에서 반사막필름의 효과를 전혀 보지 못하였다. 따라서 상용 광촉매담지 부직포필터 카트리지를 장착한 광촉매반응기시스템에서 에탄올, 황화수소 및 톨루엔 제거는 부직포필터의 혐수성 VOC에 대한 흡착능에 주로 기인하였고, 광촉매 활성에 의한 제거는 광촉매담지 실리카담체 카트리지를 장착한 광촉매반응기시스템보다 훨씬 미미하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the photocatalytic reactor system equipped with photocatalyst-carrying-silica-media cartridges [photocatalytic reactor system (1)] was used to perform the treatment of waste air containing malodor and volatile organic compound (VOC). The result of its performance was evaluated and compared with that of the photocatalytic reactor system equipped with commercial photocatalyst-carrying-nonwoven filter-media cartridges [photocatalytic reactor system (2)]. In case of photocatalytic reactor system (1), at the 1st stage of run the removal efficiencies of ethanol and toluene continued to be 80% and 20%, respectively. However, unlike toluene, the removal efficiency of ethanol dropped to 40% at the end of the 1st stage of run. The removal efficiency of hydrogen sulfide decreased from 100% to 90%. At the 2nd stage of its run the removal efficiency of ethanol decreased to 10% while the removal efficiencies of hydrogen sulfide and toluene remained as same as 90% and 20%, respectively, even though the inlet load of toluene increased by factor of four. In the 3rd stage of its run, as the result of application of aluminium-coated reflector film to the inner wall of photocatalytic reactor system, the removal efficiencies of ethanol and toluene increased by 5% to be 15% and 25%, respectively. In case of photocatalytic reactor system (2), at the 1st stage of its run, the removal efficiencies of ethanol, hydrogen sulfide and toluene continued to be 10%, 97% and 100%, respectively. However, at 2nd stage of its run their removal efficiencies became 5%, 95% and 2~3%, respectively, which showed that the removal efficiencies of ethanol and hydrogen sulfide decreased insignificantly while the removal efficiency of toluene dropped significantly from the perfect elimination. Moreover, the reflector film did not affect the performance of photocatalytic reactor system (2) at all. Therefore the removal of ethanol, hydrogen sulfide and toluene by photocatalytic reactor system (2) was mainly attributed to hydrophobic adsorption of its nonwoven filter media and its extent of photocatalytic removal turned out to be negligible, compared to that of photocatalytic reactor system (1).

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

7에 나타내었다. 광촉매 실험 개시 후 1단계 운전 도입부에서 흡착이 포화됨에 따라서 에탄올과 톨루엔의 제거율이 급락하여 에탄올 및 톨루엔은 각각 제거율 80% 및 20% 값을 계속 유지하였다. 그러나 에탄올은 제거율 80%를 유지하다가 점점 떨어져서 1단계 운전 끝에는 제거율 40% 값을 보였다.
광촉매반응기 시스템(2)를 구축하기 위하여 다공성 SiO2 광촉매담체 카트리지 대신에 상용 광촉매담지 부직포필터 카트리지 (140 mm×150 mm×30 mm)를 광촉매시스템에 설치하였고, 광촉매반응기시스템(1)과 나머지 사양은 동일하였다.
광촉매반응기 시스템에 공급되는 공기유량은 2 L/min이고; 1단계 운전에서는 에탄올, 황화수소 및 톨루엔 농도를 각각 50, 10 및 50 ppmv로 유지하고; 2단계 운전에서는 각각 50, 10 및 200 ppmv로 유지하였다. 광촉매반응기 시스템에 설치되는 다공성 SiO₂ 광촉매담체 카트리지(140mm×150mm×30mm)의 단면적은 210 cm²이다.
5 L/min 유량의 공기를 공급하여 발생한 황화수소 가스를 lead acetate 용액을 통과시킨 후에 mixing chamber에 공급하였다. 그리고 mixing chamber에서 에탄올, 황화수소와 톨루엔이 함유한 공기들을 혼합하였다. 블로워에서 공기를 이송하는 관은 tygon 관을 사용하였고 mixing chamber에서 에탄올, 황화수소와 톨루엔이 동시 함유된 공기를 UV/광촉매반응기 시스템(1) 또는 (2)까지 공급하기 위하여 내산성이 있는 viton 관을 사용하여 배관하였다.
다공성 SiO2 광촉매담체 카트리지(140 mm×150 mm×30 mm)와 상용 광촉매담지 부직포필터 카트리지(140mm×150 mm×30 mm)를 충전한 각각의 광촉매반응기 시스템(1)과 (2)를 다음과 같은 조건으로 각각 운전하였다.
다공성 부직포필터의 표면특성을 확인하기 위하여 Surface area & Pore Size Analyzer (Quantachrome, Autosorb-iQ & Quadrasorb Sl)를 사용하여 BET 비표면적, 기공부피 및 기공크기 등을 측정하였다.
에탄올, 황화수소 및 톨루엔의 농도가 각각 50, 10 및 50 ppmv (또는 200 ppmv)이 함유된 공기를 2 L/min의 유량으로 광촉매반응기 시스템(1) 또는 (2)로 공급하여 상대습도 35% 및 실온 24 ℃에서 Table 2와 같이 운전하면서 광촉매 반응기 시스템(1)과 (2)의 악취(황화수소) 및 VOC (에탄올 및 톨루엔)를 함유한 폐가스 처리농도 및 제거효율 추이를 각각 관찰하였다. 단계별 운전조건으로서 1단계 운전에서는 에탄올, 황화수소 및 톨루엔 농도를 각각 50, 10 및 50 ppmv로 유지하고; 2단계 운전에서는 각각 50, 10 및 200 ppmv로 유지하며; 3단계 운전에서는 2단계 운전조건에 알루미늄 코팅된 반사막 조건을 추가하였다.
본 연구에서는 광원의 축방향을 처리대상인 악취 및 VOC 함유 폐가스 흐름방향과 수직인 광촉매반응기의 단면과 평행으로 배치하여 광촉매담체가 충전된 광촉매반응기의 단면적을 크게 하더라도 광원으로 부터의 광도가 제한되지 않도록 하였다. 또한 광촉매반응기 내에서 악취 및 VOC 함유 폐가스 흐름방향으로 광원으로부터의 광도가 제한되지 않기 위하여 광촉매를 담지한 실리카담체의 충전두께를 한정하는 광촉매담체 카트리지를 장착한 광촉매반응기를 활용하여 악취 및 VOC가 함유된 폐가스처리를 수행하였다. 한편 그 연구결과를 광촉매담지 실리카담체 카트리지 대신에 상용 광촉매 담지 부직포필터 카트리지를 장착한 광촉매반응기를 활용하여 악취 및 VOC가 함유된 폐가스처리를 수행한 연구결과와 비교 및 평가하였다.
또한 다공성 SiO2 광촉매담체를 충전한 카트리지 대신에 상용 광촉매담지 부직포필터 카트리지(140 mm×150 mm×30 mm)를 장착한 광촉매반응기 시스템(2)을 추가적으로 구축하였다.
본 연구에서는 광원의 축방향을 처리대상인 악취 및 VOC 함유 폐가스 흐름방향과 수직인 광촉매반응기의 단면과 평행으로 배치하여 광촉매담체가 충전된 광촉매반응기의 단면적을 크게 하더라도 광원으로 부터의 광도가 제한되지 않도록 하였다. 또한 광촉매반응기 내에서 악취 및 VOC 함유 폐가스 흐름방향으로 광원으로부터의 광도가 제한되지 않기 위하여 광촉매를 담지한 실리카담체의 충전두께를 한정하는 광촉매담체 카트리지를 장착한 광촉매반응기를 활용하여 악취 및 VOC가 함유된 폐가스처리를 수행하였다.
블러워(Young Nam Yasunnaga, 토출압력; 0.12 kg_f/cm² , 최대유량; 43 L/min)로 에탄올, 톨루엔 및 황화수소 발생장치들 및 mixing chamber에 각각 0.5 L/min 씩의 공기를 공급하였으므로 총 2 L/min의 공기를 공급하였다. 에탄올 공급장치에 0.
그리고 mixing chamber에서 에탄올, 황화수소와 톨루엔이 함유한 공기들을 혼합하였다. 블로워에서 공기를 이송하는 관은 tygon 관을 사용하였고 mixing chamber에서 에탄올, 황화수소와 톨루엔이 동시 함유된 공기를 UV/광촉매반응기 시스템(1) 또는 (2)까지 공급하기 위하여 내산성이 있는 viton 관을 사용하여 배관하였다. 에탄올, 황화수소 및 톨루엔 공급 장치를 포함한 광촉매반응기시스템 구성은 Fig.
비정상상태의 UV/광촉매반응실험을 위하여 아크릴을 소재로 한사각관을(140 mm×150 mm×650 mm) 제작하고, 그 사각관 내부에 광촉매를 담지한 다공성 SiO2 광촉매담체(Fuji 사, CARiAct Q-30) 58cc를 각각 충전한 광촉매담체 카트리지(140 mm×150 mm×30 mm) 두 개와 그 사이에 폐가스 흐름방향과 수직으로 상하로 설치된 4 W UVB 램프 2개로 구성된 광촉매카트리지 set 3기를 설치하고, 입구와 출구에 각각 sampling port를 설치한 광촉매반응기 시스템(1)을 Fig. 1과 같이 구축하였다.
광촉매담체 카트리지(140 mm×150 mm×30 mm)와 상용 광촉매담지 부직포필터 카트리지(140mm×150 mm×30 mm)를 충전한 각각의 광촉매반응기 시스템(1)과 (2)를 다음과 같은 조건으로 각각 운전하였다. 에탄올, 황화수소 및 톨루엔의 농도가 각각 50, 10 및 50 ppmv (또는 200 ppmv)이 함유된 공기를 2 L/min의 유량으로 광촉매반응기 시스템(1) 또는 (2)로 공급하여 상대습도 35% 및 실온 24 ℃에서 Table 2와 같이 운전하면서 광촉매 반응기 시스템(1)과 (2)의 악취(황화수소) 및 VOC (에탄올 및 톨루엔)를 함유한 폐가스 처리농도 및 제거효율 추이를 각각 관찰하였다. 단계별 운전조건으로서 1단계 운전에서는 에탄올, 황화수소 및 톨루엔 농도를 각각 50, 10 및 50 ppmv로 유지하고; 2단계 운전에서는 각각 50, 10 및 200 ppmv로 유지하며; 3단계 운전에서는 2단계 운전조건에 알루미늄 코팅된 반사막 조건을 추가하였다.
1과 같이 구축하였다. 이와 같이 구축된 UV/광촉매공정에 내부 광원으로부터 조사된 UV를 광촉매반응기 내부로 반사시킴으로써 광촉매반응기 외경지지체를 통한 광투과 및 광흡수손실을 최소로 하여 광도를 극대화하기 위한 알루미늄이 코팅된 반사필름을 활용한 UV/광촉매공정을 구축하였다. 또한 다공성 SiO₂ 광촉매담체를 충전한 카트리지 대신에 상용 광촉매담지 부직포필터 카트리지(140 mm×150 mm×30 mm)를 장착한 광촉매반응기 시스템(2)을 추가적으로 구축하였다.
또한 광촉매반응기 내에서 악취 및 VOC 함유 폐가스 흐름방향으로 광원으로부터의 광도가 제한되지 않기 위하여 광촉매를 담지한 실리카담체의 충전두께를 한정하는 광촉매담체 카트리지를 장착한 광촉매반응기를 활용하여 악취 및 VOC가 함유된 폐가스처리를 수행하였다. 한편 그 연구결과를 광촉매담지 실리카담체 카트리지 대신에 상용 광촉매 담지 부직포필터 카트리지를 장착한 광촉매반응기를 활용하여 악취 및 VOC가 함유된 폐가스처리를 수행한 연구결과와 비교 및 평가하였다.

대상 데이터

(주)무경에서 공기청정기에 사용하는, 광촉매를 담지한 초지를 파형화(corrugate)되도록 편파성형하여 적층하여 가공한 상용 다공성 부직포필터를 기증받아서 카트리지 규격에 맞추어 절단하여 사용하였다. 다공성 부직포필터의 표면특성을 확인하기 위하여 Surface area & Pore Size Analyzer (Quantachrome, Autosorb-iQ & Quadrasorb Sl)를 사용하여 BET 비표면적, 기공부피 및 기공크기 등을 측정하였다.
광촉매반응기 시스템(1)의 광촉매담체 카트리지에 충전되는 다공성 SiO2 광촉매담체(Fuji 사, CARiAct Q-30)에 광촉매를 담지시키기 위하여 titanium tetra-isopropoxide를 isopropanol 환경에서 가수 분해하여 생성된 광촉매졸(나노팩, P&T-31C)을 나노팩에서 구입하였다.

이론/모형

악취 및 VOC를 함유한 폐가스의 광촉매 처리효율을 평가하기 위하여, 광촉매반응기의 에탄올, 황화수소 및 톨루엔 제거효율(removal efficiency)을 식 (1)에 준하여 계산하였다.

성능/효과

황화수소의 제거율은 100에서 90%로 감소하였다. 2단계 운전에서는 톨루엔 유입농도 값이 200 ppmv로 급격히 증가하였으므로 톨루엔 제거효율은 순간적으로 급등하고, 그 후에 가파른 감소를 보이며 제거효율이 다시 20% 값을 보였다. 에탄올은 제거율이 약간 감소하여 2단계 종말부에서는 제거율 약 10% 값을 보였다.
따라서 광촉매반응기 시스템(1)의 운전시간이 길어짐에 따라서 광촉매산화에 의한 에탄올 제거율은 감소하였으나 황화수소 및 톨루엔 제거율은 비교적 안정적으로 유지되었다. 3단계 운전에서 알루미늄 코팅된 반사막필름을 광촉매반응기에 사용한 결과로서, 에탄올 및 톨루엔의 제거율은 각각 약 5%가 증가한 15% 및 25%의 제거율을 보였다. 한편 광촉매반응기시스템(2)의 에탄올, 황화수소 및 톨루엔 제거율은 1단계 운전에서 각각 10%, 97% 및 100% 값을 유지하였다.
한편 황화수소 제거율은 90% 값을 유지하였다. 3단계에서 알루미늄 코팅된 반사막필름을 광촉매반응기에 사용한 결과로서 에탄올의 제거율은 운전시간이 지날수록 낮아짐에도 불구하고 약 5%가 증가한 15%의 제거율을 보였다. 한편 톨루엔의 제거율도 에탄올의 제거율과 마찬가지로 약 5%가 증가한 25%의 제거율을 보였다.
0 mm (5-10 mesh) 이었고, 다공성 SiO₂ 입자의 평균 지름은 3 mm이었다. 450 ℃에서 소성시킨 TiO₂ 입자에 대한 XRD 분석 결과로서 Fig. 3과 일치하는 anatase 형의 피크를 보이는 Fig. 4와 같은 XRD 분석패턴과, 450 ℃에서 소성시킨 TiO₂ 입자, porous silica-based 담체 표면 및 titanium-alkoxide sol로 함침시키고 소성시킨 porous silica-based 담체 표면에 대하여 field emission scanning electron microscope (Hitachi, S-4300)으로 관찰한 결과(Fig. 5)가 본 연구에서 제조한 TiO₂ 담지 광촉매담체를 사용한 참고문헌에 나타나 있다. 한편 광촉매반응기 시스템(2)의 광촉매담체 카트리지의 다공성 부직포필터의 BET 비표면적, 기공부피 및 크기의 분석 결과는 Table 3과 같다.
광촉매반응기 시스템(1)의 광촉매담체 카트리지를 충전하는 다공성 SiO₂ 담체의 입자 지름은 mesh 분석을 수행한 결과로서 1.7~4.0 mm (5-10 mesh) 이었고, 다공성 SiO₂ 입자의 평균 지름은 3 mm이었다. 450 ℃에서 소성시킨 TiO₂ 입자에 대한 XRD 분석 결과로서 Fig.
톨루엔 유입농도 값이 200 ppmv로 급격히 증가한 2단계 운전에서 에탄올, 황화수소 및 톨루엔 제거율은 각각 10%, 90% 및 20%이었다. 따라서 광촉매반응기 시스템(1)의 운전시간이 길어짐에 따라서 광촉매산화에 의한 에탄올 제거율은 감소하였으나 황화수소 및 톨루엔 제거율은 비교적 안정적으로 유지되었다. 3단계 운전에서 알루미늄 코팅된 반사막필름을 광촉매반응기에 사용한 결과로서, 에탄올 및 톨루엔의 제거율은 각각 약 5%가 증가한 15% 및 25%의 제거율을 보였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	촉매 활성에 대한 비가역적 비활성화을 어떻게 지연시킬수 있는가?	광촉매 비활성화는 현장에서 광촉매산화기술을 적용할 때의 치명적인 약점으로 알려졌는데, 특히 벤조익산과 같은 산소함유 화합물은 TiO2 광촉매 활성에 대한 비가역적 비활성화를 초래한다고 보고되었다[6,7]. 이러한 광촉매 비활성화는 타이타니아-실리카[7,8], 타이타니아-바나 디아[9,10], 타이타니아-철[11], 타이타니아-텅스텐[10,12] 또는 타이타니아-주석혼합산화물[13]와 같은 이원촉매를 사용하여 지연시킬 수 있다.
	광촉매산화의 장점은?	광촉매산화는 VOC 제거를 위한 대안으로서 점차 보편화되고 있다[1]. 광촉매산화는 전통적인 공기정화 기술[2]보다 낮은 농도 오염원의 산화분해, 주변 온도 및 압력에서 운전, 낮은 동력소모, 쉬운 유지조건과 공조설비와 연결사용가능성과 같은 여러 장점을 제공한다. 낮은 농도의 VOC에 대한 TiO2 광촉매산화는 지금까지 포괄적으로 광범위하게 연구되었다.
	광촉매 비활성화의 약점은?	대부분의 연구가 액상에서의 광분해를 다루었지만 최근에는 주로 공기정화를 위한 기상의 유기화합물분해가 중요해지고 있다[3-5]. 광촉매 비활성화는 현장에서 광촉매산화기술을 적용할 때의 치명적인 약점으로 알려졌는데, 특히 벤조익산과 같은 산소함유 화합물은 TiO2 광촉매 활성에 대한 비가역적 비활성화를 초래한다고 보고되었다[6,7]. 이러한 광촉매 비활성화는 타이타니아-실리카[7,8], 타이타니아-바나 디아[9,10], 타이타니아-철[11], 타이타니아-텅스텐[10,12] 또는 타이타니아-주석혼합산화물[13]와 같은 이원촉매를 사용하여 지연시킬 수 있다.

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Lee, E. J. and Lim, K. H., "Treatment of Waste Air Containing Malodor and VOC: 2. Effect of Light-intensity on the Photocatalytic Removal Efficiency of Malodor and VOC of Waste Air," Korean Chem. Eng. Res.(HWAHAK KONGHAK), 50(6), 952- 959(2012).

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Lim, K. H., Park, S. W., Lee, E. J. and Hong, S. H., "Treatment of Mixed Solvent Vapors with Hybrid System Composed of Biofilter and Photo-catalytic Reactor," Korean J. Chem Eng., 22(1), 70-79(2005).

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저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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