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문제 정의
- 에 의해 흡수액의 암모니아 농도를 분석하여 흡수제에 녹아 있는 실제 암모니아 흡수량을 계산하였다. 이렇게 산정한 암모니아의 흡수량이 실제 반응시간 동안에 흡수제에 흡수된 암모니아 양으로이 흡수량을 센서에 의해 구한 값과 비교하여 센서에 의한 실시간 흡수효율 평가의 타당성을 평가하는 것으로 하였다.
- 이에 본 연구에서는 실험실 규모의 스크러버 장치를 구축 하여 스크러버 전단과 후단에 반도체식 가스센서를 설치하여 실시간 악취제거효율을 평가11,12)하기 위한 기초연구를 진행하고자 한다. 특히, 대표적인 악취성분인 암모니아 가스에 대한 흡수량 산출을 스크러버 전단과 후단에 설치된 가스센서 측정결과로부터 산정하고, 이를 기존 대기오염공정시험법상의 암모니아 가스13,14) 분석방법인 인도페놀법에 의한 흡수량 산정결과와 비교하여 가스센서에 의한 실시간 흡수효율 평가 시스템의 개발 가능성을 고찰하고자 하였다.
- 하기 위한 기초연구를 진행하고자 한다. 특히, 대표적인 악취성분인 암모니아 가스에 대한 흡수량 산출을 스크러버 전단과 후단에 설치된 가스센서 측정결과로부터 산정하고, 이를 기존 대기오염공정시험법상의 암모니아 가스13,14) 분석방법인 인도페놀법에 의한 흡수량 산정결과와 비교하여 가스센서에 의한 실시간 흡수효율 평가 시스템의 개발 가능성을 고찰하고자 하였다.
제안 방법
- 반응부는 500 mL 임핀저(impinger)를 활용하며, 본 연구에서의 흡수제로 적용한 증류수 100 mL를 충전하였다. 가스발생부에서 일정한 농도로 희석된 암모니아 가스를 증류수에 각각 3시간, 6시간 그리고 12시간 동안 흡수될 수 있도록 하였으며, 반복실험에 따른 신뢰성을 고찰하기 위하여 3회의 반복실험을 진행하였다.
- 대표적인 악취유발 가스인 암모니아의 흡수처리를 위한 실험실 규모의 스크러버 장치를 활용하여, 스크러버 전단과 후단에 설치된 가스센서의 출력값으로부터 흡수제의 실시간 효율을 평가하는 연구를 진행하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 또한 암모니아 가스의 농도를 실시간으로 측정하기 위한 가스센서의 교정을 위하여 Fig. 1의 가스발생부로부터 암모니아 표준가스를 발생시킨 후, 흡수제를 충전하는 스크러버(임핀저)의 전단과 후단에 설치된 각각의 가스센서와 반응 시켜 농도에 따른 가스센서의 감도변화를 고찰하였으며, 가스발생부에서 발생된 암모니아 가스농도를 평가하기 위해 스크러버 후단에서 채취한 암모니아 가스를 가스검지관(GASTEC Co. 3M)으로 측정하여 가스센서의 전기적인 출력 변화값과 비교하였다.
- 마지막으로, 가스센서에서 측정되어진 실시간 암모니아 농도로부터 산출한 흡수제의 흡수량을 검증하기 위하여 3시간, 6시간 및 12시간 동안 암모니아 가스에 노출된 흡수제의 pH 변화와 암모니아 농도 측정을 위한 대기오염공정시험법의 인도페놀법에 의해 흡수제에 용해되어 있는 암모니아 흡수량을 별도로 산출하여 가스센서에 의한 흡수량 산출결과와 비교하였다.
- 본 연구에 활용한 흡수실험 장치는 Fig. 1처럼 가스발생부, 반응부 및 측정부15)로 구분할 수 있으며, 가스발생부에는 암모니아 표준가스(500 ppm 또는 1,000 ppm) 공급부분과 표준가스를 희석하기 위한 무취공기 발생부분으로 구성되며 표준가스의 농도는 각각의 유로에 설치된 질량유량계의 유량 조절을 통하여 암모니아 표준가스의 농도를 조절하게 된다. 반응부는 500 mL 임핀저(impinger)를 활용하며, 본 연구에서의 흡수제로 적용한 증류수 100 mL를 충전하였다.
- Table 4에 3시간, 6시간 12시간의 반응시간에서 3회 반복실험에 따른 결과를 정리하여 나타내었다. 실험 전후의 흡수액의 pH 변화를 측정하여 동시에 나타내었으며, 센서를 이용하여 얻어진 실시간 효율곡선으로부터 산출한 암모니아의 흡수량과 흡수액에 실제 용해된 암모니아양을 대기오염공정시험법 상의 인도페놀법에 의해 분석하여 얻어진 암모니아 흡수량을 각각 나타내어 비교하도록 하였다.
- 실험시 필요한 농도의 암모니아 가스를 유입하기 위해서 봄베의 암모니아 표준가스와 무취공기를 일정비율로 희석하여 사용하도록 실험장치를 구성하였다. 여기서 암모니아 가스와 무취공기의 유입량을 제어하기 위한 목적으로 MFC (mass flow controller)를 활용하였으며, MFC를 통해 유출되는 표준가스 및 무취공기량의 정확성을 평가하기 위해 버블유량계를 이용하여 검증하였다.
- 실험실 규모의 스크러버19) 장치에 의해 흡수된 암모니아의 양은 두 가지 방법에 의해 비교산출하여 실험의 정확성을 평가하기로 하였다. 한가지 방법은 가스센서의 출력값을 농도로 환산하여 얻어진 Fig.
- 실험시 필요한 농도의 암모니아 가스를 유입하기 위해서 봄베의 암모니아 표준가스와 무취공기를 일정비율로 희석하여 사용하도록 실험장치를 구성하였다. 여기서 암모니아 가스와 무취공기의 유입량을 제어하기 위한 목적으로 MFC (mass flow controller)를 활용하였으며, MFC를 통해 유출되는 표준가스 및 무취공기량의 정확성을 평가하기 위해 버블유량계를 이용하여 검증하였다.
- 96 %RSD 의 재현성 있는 결과를 확인하였으나, 각각의 MFC에 의해 설정된 유량과 실제 유출되는 유량과는 차이가 있음을 확인 하였다(y는 유량계를 통한 측정유량(mL/min), x는 MFC 설정유량(mL/min)). 이에 가스발생부에서 암모니아 표준가스를 임의 농도의 시료 가스로 희석하는 과정에서 이러한 차이를 보정하기 위하여 Table 2의 각 가스별 환산식으로 산정한 값을 이용하여 MFC의 유량을 설정하여 목표로 하는 유량이 공급되도록 하였다.
- 이는 공급되는 실린더 안의 암모니아 농도가 시간 경과에 따라 변화하기 때문인 것으로 판단되며, 결국 실험에 사용하는 농도값은 수시로 실측농도로 교정하여 사용 하는 것이 바람직하다고 할 수 있다. 이에 본 연구에서도 암모니아 가스의 농도에 따른 가스센서의 전기적 신호값과의 상관관계를 고찰하는 과정에서는 희석배율에 의한 암모니아 이론 농도값을 사용하지 않고 실제 가스검지관에 의해 측정된 암모니아 가스의 농도로 활용하였다.
- 측정부는 암모니아 농도 변화의 측정을 위해 가스 흡/탈착을 이용하여 전기전도도 변화를 측정하는 박막형의 반도체식 가스센서(FIGARO사, model: TGS2602)16~18)와 실시간으로 자료를 수집할 수 있는 데이터로거(TLOG-1000 모듈) 와 컴퓨터로 구성하였고, Table 1에 실험조건을 간단히 요약 하였다. 3시간과 6시간의 실험조건에서의 암모니아 유입량과 12시간 실험조건에서의 암모니아 유입량이 다른 이유는 12시간 실험시에 공급되는 암모니아 표준가스의 농도가 1,000 ppm으로 교체된 후 실험조건이 변경되었기 때문이다.
이론/모형
- 7. Comparison between absorption amount estimated by sensor measurement and absorption amount analysed by Indo-phenol method (Horizontal lines indicate mean and standard deviation).
- 스크러버에 의해 흡수된 암모니아의 양을 산출하기 위한 또 다른 방법으로 흡수제로 사용한 증류수에 녹아 있는 암모니아의 양을 분석하는 방법으로 대기오염공정시험법 상의 암모니아 분석방법인 인도페놀법22)에 의해 흡수액의 암모니아 농도를 분석하여 흡수제에 녹아 있는 실제 암모니아 흡수량을 계산하였다. 이렇게 산정한 암모니아의 흡수량이 실제 반응시간 동안에 흡수제에 흡수된 암모니아 양으로이 흡수량을 센서에 의해 구한 값과 비교하여 센서에 의한 실시간 흡수효율 평가의 타당성을 평가하는 것으로 하였다.
성능/효과
- 1) 반도체식 가스센서를 활용한 실시간 흡수효율 평가 시스템을 구축하여 유입 유량과 농도 등에 대하여 평가한 결과 안정적인 결과를 확인할 수 있었으며, 기존 악취가스 측정을 위해 활용되는 화학성분분석법과 기기분석법이 아닌 반도체 가스센서를 활용하여 암모니아 가스의 농도를 실시간으로 평가한 결과, 가스 검지관에 의해 측정된 암모니아 농도와의 상관성이 0.99 이상으로 매우 양호함을 확인할 수 있었다.
- 2) 반도체식 가스센서를 활용한 3시간, 6시간 및 12시간 동안의 평가에서 얻어진 신호값을 이용하여 실시간 암모니아의 흡수량을 평가한 결과, 실험조건별 재현성과 반응시간에 따른 선형성을 확인할 수 있었다.
- 3) 흡수반응 전후의 증류수에 흡수된 암모니아의 양과 pH 를 측정하여 비교한 결과, 흡수 반응 전후의 암모니아의 흡수량과 pH 변화가 매우 높은 상관성을 보임을 확인할 수 있었다. 또한, 가스센서 출력값으로부터 산출된 암모니아 흡수량과 대기오염공정시험법 상의 암모니아 분석방법인 인도페놀법에 의해 분석된 암모니아 흡수량을 비교한 결과 약 20% 정도의 차이는 있었지만, 상관계수는 0.
- 5에 나타내었다. 6시간의 실험조건에서는 3회 반복실험의 결과가 다소 차이를 보이고 있었지만, 3시간과 12시간 반응조건의 실험에서는 3회 반복의 자료가 구별할 수 없을 정도로 거의 일치하게 나타나고 있음을 알 수 있었다. 한편, 12시간의 실험조건의 흡수효율곡선이 3시간이나 6시간의 결과보다 앞서 나타나는 것은 앞서 설명한 바와 같이 12시간 실험시에 암모니아 표준가스를 500 ppm에서 1,000 ppm으로 새로 교체하는 등 실험조건이 변화하여 암모니아 흡수량이 3시간과 6시간 반응시킬 때 보다 12시간 조건에서 2배 정도 증가하여 유입된 관계로 포화되는 시간이 빠르게 나타난 것이다.
- 는 암모니아와 무취공기의 실제유량을 나타내며, 실제유량은 Table 2에서 나타낸 보정식을 이용하여 계산한 값이다. Fig. 2에서 알 수 있듯이 이론적인 농도와 실측 농도간의 상관성은 우수하나 절대 농도 측면에서는 이론적인 농도보가 매우 낮게(68% 수준) 나타나고 있음을 확인할 수 있었다. 이는 공급되는 실린더 안의 암모니아 농도가 시간 경과에 따라 변화하기 때문인 것으로 판단되며, 결국 실험에 사용하는 농도값은 수시로 실측농도로 교정하여 사용 하는 것이 바람직하다고 할 수 있다.
- 3은 암모니아 가스 농도에 따른 스크러버 전단과 후단의 가스센서 출력신호값의 상관성을 나타내고 있다. Fig. 3에서 알 수 있듯이 암모니아 가스의 농도를 50 ppm에서 300 ppm까지 변화를 주면서 전단 및 후단의 가스센서에 노출시켜 가스센서의 반응성을 고찰한 결과, 농도에 따른 가스센서의 감응성은 명확히 선형적인 비례관계를 보임을 확인하였다. 센서 신호값과 암모니아 농도와의 결정계수는 약 0.
- Fig. 7은 인도페놀법에 의해 산출된 흡수제의 암모니아 가스 흡수량과 가스센서의 출력값으로부터 산출된 흡수량의 상관관계를 나타내고 있으며, 약 20%의 차이를 보이고는 있지만 매우 높은 상관성이 있음을 확인할 수 있었다. 또한, 모든 반응시간의 실험조건에서 반복실험에 따른 재현성도 상당히 높게 나타나고 있음을 알 수 있었다.
- Table 2는 암모니아 표준가스 공급용 MFC와 무취공기 공급용 MFC 장치에서의 설정 유량과 실제 유출 유량을 측정 하여 비교한 자료이다. 각각의 검증평가를 5회 반복하였으며, 버블유량계를 기준으로 비교하면 암모니아 표준가스 공급용 MFC에 대한 상대표준편차는 0.24~0.42 %RSD로 0.5%RSD 이내의 매우 안정적인 상태임을 확인할 수 있었다. 또한 무취공기 공급용 MFC에 대해서도 0.
- 5%RSD 이내의 매우 안정적인 상태임을 확인할 수 있었다. 또한 무취공기 공급용 MFC에 대해서도 0.37~0.96 %RSD 의 재현성 있는 결과를 확인하였으나, 각각의 MFC에 의해 설정된 유량과 실제 유출되는 유량과는 차이가 있음을 확인 하였다(y는 유량계를 통한 측정유량(mL/min), x는 MFC 설정유량(mL/min)). 이에 가스발생부에서 암모니아 표준가스를 임의 농도의 시료 가스로 희석하는 과정에서 이러한 차이를 보정하기 위하여 Table 2의 각 가스별 환산식으로 산정한 값을 이용하여 MFC의 유량을 설정하여 목표로 하는 유량이 공급되도록 하였다.
- 또한, 모든 반응시간의 실험조건에서 반복실험에 따른 재현성도 상당히 높게 나타나고 있음을 알 수 있었다. 또한 암모니아 가스와의 반응 시간에 따라 산출된 흡수량의 결과를 각각 반응 시간으로 나누어준 흡수율을 산정하면 3시간 반응시킨 후의 시간당 흡수량은 1.40 mg/hr, 6시간 반응시킨 후의 시간당 흡수량은 1.44 mg/hr 그리고 12시간 반응시킨 후의 시간당 흡수량은 0.78 mg/hr로 계산됨에 따라, 본 연구에서 적용된 암모니아 가스 농도 200 ppm 수준에 대한 100 mL의 증류수의 교체 주기는 6시간과 12시간 사이에 파과가 일어나는 것으로 추정할 수 있다.
- 3) 흡수반응 전후의 증류수에 흡수된 암모니아의 양과 pH 를 측정하여 비교한 결과, 흡수 반응 전후의 암모니아의 흡수량과 pH 변화가 매우 높은 상관성을 보임을 확인할 수 있었다. 또한, 가스센서 출력값으로부터 산출된 암모니아 흡수량과 대기오염공정시험법 상의 암모니아 분석방법인 인도페놀법에 의해 분석된 암모니아 흡수량을 비교한 결과 약 20% 정도의 차이는 있었지만, 상관계수는 0.99 이상으로 매우 높게 나타났다.
- 7은 인도페놀법에 의해 산출된 흡수제의 암모니아 가스 흡수량과 가스센서의 출력값으로부터 산출된 흡수량의 상관관계를 나타내고 있으며, 약 20%의 차이를 보이고는 있지만 매우 높은 상관성이 있음을 확인할 수 있었다. 또한, 모든 반응시간의 실험조건에서 반복실험에 따른 재현성도 상당히 높게 나타나고 있음을 알 수 있었다. 또한 암모니아 가스와의 반응 시간에 따라 산출된 흡수량의 결과를 각각 반응 시간으로 나누어준 흡수율을 산정하면 3시간 반응시킨 후의 시간당 흡수량은 1.
- 또한, 스크러버 전단과 후단의 가스센서가 서로 다른 암모니아 농도와의 상관성을 나타내는 것은 반도체식 가스센서가 갖는 일반적인 특성에 기인하는 것으로, 동일한 가스센서일지라도 센서표면의 미세한 구조 및 촉매 특성 등으로 서로 다른 감응특성을 나타내기 때문이며, 이로 인하여 본 연구에서와 같이 실험에 적용되는 각각의 가스센서에 대한 별도의 보정 작업이 필요한 상황임을 확인할 수 있었다.
- 40 mg으로 산출되었다. 또한, 실제 인도페놀법에 의해 분석한 흡수제의 암모니아 흡수량은 각각 3.70 mg, 7.02 mg 및 8.73 mg으로 암모니아 가스와 흡수제의 반응시간에 따라 증가하는 결과를 얻을 수 있었다.
- 34로 점점 높게 나타났다. 반복실험에 따른 재현성도 암모니아 가스 흡수 이전이 더 차이가 있을 뿐, 흡수 이후의 pH 값의 반복재현성은 매우 높게 나타났다.
- 3에서 알 수 있듯이 암모니아 가스의 농도를 50 ppm에서 300 ppm까지 변화를 주면서 전단 및 후단의 가스센서에 노출시켜 가스센서의 반응성을 고찰한 결과, 농도에 따른 가스센서의 감응성은 명확히 선형적인 비례관계를 보임을 확인하였다. 센서 신호값과 암모니아 농도와의 결정계수는 약 0.98수준으로 매우 높으며, 전단의 가스센서는 y = 351.15x - 191.1의 암모니아 농도 환산식을, 후단의 가스센서는 y = 267.68x -38의 암모니아 농도 환산식을 산출할 수 있었다(y는 암모니아 농도(ppm), x는 가스센서의 출력신호값(mV)).
- 이러한 결과를 통하여 스크러버 전단과 후단에 설치된 가스센서의 출력값으로부터 흡수제에 녹아 있는 암모니아의 흡수량을 화학성분분석법이나 기기분석을 적용하지 않더라도 충분히 결과를 산출할 수 있을 것으로 판단된다. 특히 악취배출시설의 스크러버에 이와 같은 가스센서를 적용하여 흡수제의 흡수량을 산출하는 동시에 교체주기 및 효율 등의 자료도 효율적으로 획득할 수 있는 시스템으로 발전이 가능함을 확인하였다.
- 이러한 결과를 통하여 스크러버 전단과 후단에 설치된 가스센서의 출력값으로부터 흡수제에 녹아 있는 암모니아의 흡수량을 화학성분분석법이나 기기분석을 적용하지 않더라도 충분히 결과를 산출할 수 있을 것으로 판단된다. 특히 악취배출시설의 스크러버에 이와 같은 가스센서를 적용하여 흡수제의 흡수량을 산출하는 동시에 교체주기 및 효율 등의 자료도 효율적으로 획득할 수 있는 시스템으로 발전이 가능함을 확인하였다.
후속연구
- 4) 향후 현장조건에 맞는 다양한 연구를 통하여 악취방지시설에 가스센서를 적용하여 실시간의 흡수제의 흡수량을 산출하는 동시에 흡수액의 교체주기 및 실시간 효율 등의 평가자료로도 효율적으로 활용할 수 있는 시스템으로 발전이 가능함을 확인하였다.
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