슬라이딩아크 방전과 코로나 방전의 복합공정을 통한 유해물질 처리효율 개선에 관한 연구 A Study on Combined Processes of Sliding Arc Plasma and Corona Dielectric Barrier Discharge for Improve the Efficiency Treatment of Harmful Substance원문보기
유해물질처리를 효율적으로 개선하기 위해 슬라이딩아크방전(sliding arcplasma)과 corona dielectric barrier discharge(CDBD공정)의 복합공정을 이용하였다. 이장치는 OH 라디칼과 음이온을 생성하여 강력한 산화력으로 탈취 및 살균 효과를 가진다. 실험결과 SAP 반응기의 크기를 80 A를 50 A로 축소하여도 유해물질의 농도는 큰 변화가 없는 것으로 나타나 반응기의 규모를 최소화할 수 있을 것으로 판단된다. 그리고 CDBD 반응기에서 생성된 음이온과 오존은 유해물질과 반응한 후 음이온은 510,000 ppb에서 470 ppb, 오존은 98 ppb에서 22 ppb로 낮아짐을 확인하였다. 또한 플라즈마 발생장치의 안정성 및 내구성이 우수한 것으로 판단되었다. 따라서 본 연구를 통하여 향후 플라즈마복합공정을 이용하여 실내공기중에 존재하는 유해물질 제거를 효율적으로 할 수 있을 것으로 생각된다.
유해물질처리를 효율적으로 개선하기 위해 슬라이딩아크방전(sliding arc plasma)과 corona dielectric barrier discharge(CDBD공정)의 복합공정을 이용하였다. 이장치는 OH 라디칼과 음이온을 생성하여 강력한 산화력으로 탈취 및 살균 효과를 가진다. 실험결과 SAP 반응기의 크기를 80 A를 50 A로 축소하여도 유해물질의 농도는 큰 변화가 없는 것으로 나타나 반응기의 규모를 최소화할 수 있을 것으로 판단된다. 그리고 CDBD 반응기에서 생성된 음이온과 오존은 유해물질과 반응한 후 음이온은 510,000 ppb에서 470 ppb, 오존은 98 ppb에서 22 ppb로 낮아짐을 확인하였다. 또한 플라즈마 발생장치의 안정성 및 내구성이 우수한 것으로 판단되었다. 따라서 본 연구를 통하여 향후 플라즈마복합공정을 이용하여 실내공기중에 존재하는 유해물질 제거를 효율적으로 할 수 있을 것으로 생각된다.
The combined process of Sliding Arc Plasma and corona dielectric barrier discharge process (CDBD) was used to efficiently improve harmful substance, which convert into OH radicals which have strong oxidation potential, and so have deodorization and sterilizing effects, by generating specific radical...
The combined process of Sliding Arc Plasma and corona dielectric barrier discharge process (CDBD) was used to efficiently improve harmful substance, which convert into OH radicals which have strong oxidation potential, and so have deodorization and sterilizing effects, by generating specific radicals and anion and then reacting with the moisture contained in harmful substance. As a result of experiment, even if the size of SAP reactor is reduced from 80 A to 50 A, there is no much change and therefore it is judged the size of reactor may be minimized. And it was confirmed that after the anion and ozone generated from CDBD rector react with harmful substance, a anion was reduced from 510,000 ppb to 470 ppb and ozone from 98 ppb to 22 ppb. It was also judged the stability and durability of plasma producer are excellent. Accordingly, it is considered the harmful substances which exist in indoor air quality will be efficiently improved and removed by using further plasma combined process through this study.
The combined process of Sliding Arc Plasma and corona dielectric barrier discharge process (CDBD) was used to efficiently improve harmful substance, which convert into OH radicals which have strong oxidation potential, and so have deodorization and sterilizing effects, by generating specific radicals and anion and then reacting with the moisture contained in harmful substance. As a result of experiment, even if the size of SAP reactor is reduced from 80 A to 50 A, there is no much change and therefore it is judged the size of reactor may be minimized. And it was confirmed that after the anion and ozone generated from CDBD rector react with harmful substance, a anion was reduced from 510,000 ppb to 470 ppb and ozone from 98 ppb to 22 ppb. It was also judged the stability and durability of plasma producer are excellent. Accordingly, it is considered the harmful substances which exist in indoor air quality will be efficiently improved and removed by using further plasma combined process through this study.
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문제 정의
SAP 반응기의 플라즈마 발생장치는 인버터, 승압기로 구성되며 밀폐된 박스에서 플라즈마를 발생시키므로 동작시 열이 발생됨으로 플라즈마 발생장치의 안정성 및 내구성을 확인하기 위한 목적으로 전원장치에 대한 온도 변화를 확인하고자 실험을 하였다.
따라서 본 연구에서는 유해물질의 효율적인 처리를 위하여 Sliding Arc Plasma (SAP) 공정과 CDBD 공정을 결합하였다. 이는 음이온을 지닌 공기를 SAP 공정에 넣어주면 유해물질간의 1차 반응을 유도할 뿐 아니라 SAP 공정에서 라디칼 생성을 촉진시켜 효율적으로 유해물질을 처리 할 수 있으리라 생각되어 진다.
본 연구는 기존의 SAP 시스템에 CDBD라는 플라즈마 장치를 부가한 복합공정을 접목시켜 유해물질을 효율적으로 처리시킬 목적으로 연구한 결과 다음과 같은 결론을 도출할 수 있었다.
제안 방법
50 A, 80 A SAP 반응기는 방전관의 크기만 다르며 별도의 송풍기를 두어 10 m/s의 일정 유속으로 방전관에 유체가 흐를 수 있도록 하였다. CDBD 반응기는 3가지 크기로 제작하여 반응기 내의 체류시간을 변경할 수 있도록 하였으며 반응기 내의 투입되는 에너지량을 조절할 수 있도록 하였다.
50 A, 80 A SAP 반응기를 제작하여 방전관 크기에 따른 유해물질의 제거 효율 실험을 하였다.
50 A, 80 A 방전관으로 구성된 1단 SAP 반응기 각 1대(Figure 1, Figure 2) 4개의 플라즈마 방전관으로 구성된 CDBD 반응기 1대(Figure 3)로 총 3개의 장치를 제작하였다. 각각의 반응기 내부에 반도체 촉매를 삽입할 수 있도록 벌집 형태의 반도체 촉매층을 구성하고 플라즈마를 발생시킬 수 있도록 플라즈마 공급장치를 각 반응기별로 구성하였다.
송풍기 위치를 이동하여 반응기와 송풍기 사이 거리조절을 통한 유량을 조절하였다. 52 cm에서 470 cm까지 일정한 거리의 차를 두어 방전관을 통과하는 유량을 조절하면서 불꽃 형태와 이에 따른 에너지 소모량 차이를 실험하였다.
50 A, 80 A SAP 반응기는 방전관의 크기만 다르며 별도의 송풍기를 두어 10 m/s의 일정 유속으로 방전관에 유체가 흐를 수 있도록 하였다. CDBD 반응기는 3가지 크기로 제작하여 반응기 내의 체류시간을 변경할 수 있도록 하였으며 반응기 내의 투입되는 에너지량을 조절할 수 있도록 하였다. 양극과 음극에 전기를 공급하면 유전체 장벽에 의하여 전기가 차단된 상태로 있다가 전압이 10 kV 이상 상승하게 되면 유전체 장벽에 전기가 흐르게 되고 음극과 양극사이에서 코로나 방전이 일어나게 된다.
CDBD에서 생성된 음이온 및 오존을 SAP 반응기에 순환시켜, SAP에서 발생되는 라디칼의 생성량 증가를 알아보기 위하여 50 A SAP 반응기와 CDBD 반응기를 결합하여 실험을 실시하였다.
50 A, 80 A 방전관으로 구성된 1단 SAP 반응기 각 1대(Figure 1, Figure 2) 4개의 플라즈마 방전관으로 구성된 CDBD 반응기 1대(Figure 3)로 총 3개의 장치를 제작하였다. 각각의 반응기 내부에 반도체 촉매를 삽입할 수 있도록 벌집 형태의 반도체 촉매층을 구성하고 플라즈마를 발생시킬 수 있도록 플라즈마 공급장치를 각 반응기별로 구성하였다.
배출된 유해물질의 농도가 일정량 고정되면 송풍기를 통하여 반응기에 공기를 유입 및 순환 배출시키면서 실내공간 내의 유해물질의 농도 변화를 측정기를 통하여 확인하면서 반응기의 조건을 조절하였다.
송풍기 위치를 이동하여 반응기와 송풍기 사이 거리조절을 통한 유량을 조절하였다. 52 cm에서 470 cm까지 일정한 거리의 차를 두어 방전관을 통과하는 유량을 조절하면서 불꽃 형태와 이에 따른 에너지 소모량 차이를 실험하였다.
약 50 m3 정도의 실내공간에 실험장치를 설치하고 중심에 유해물질이 악취를 유발할 수 있도록 항온조를 60℃로 유지시킨 후, 항온조 내의 임핀저에 유해물질을 각각 채우고 일정온도로 맞춘 후 공기압축기를 이용하여 2 kg/cm2 이상의 압력으로 포말화를 실시한다. 공기로 유해물질이 포말화 되면서 유해물질은 일정량 증발 및 배출되어 밀폐된 박스내의 공기질을 악화시켰다.
Corona Dielectric Barrier Discharge (CDBD) 공정은 Plasma 중 코로나 방전을 이용하여 음이온을 생성한다. 코로나 방전은 양극판과 음극판 가운데 부도체인 유리 등을 장벽으로 설치하고 양극판과 음극판에 전압을 가하여 방전을 유도하여 공기 중에 음이온을 발생시켜 이 음이온이 악취물질과 반응하도록 하였다(8-10).
플라즈마 발생 장치의 전류 소모량을 확인하기 위하여 직교류변환기(inverter)와 승압기를 직렬로 연결하였으며 직교류변환기 전 · 후는 일반 전기전선, 승압기 후단은 고압전선으로 방전관과 연결하였고, 전원접속기(hookmeter)를 통하여 전원플러그, 직교류변환기 전단, 변압기 전단의 전류를 측정하였다.
대상 데이터
사용한 유해물질은 반도체 공정에서 많이 사용되는 methyl methacrylate (MMA, C5H8O2), n-butyl acetate (nBA, C6H12O2) 등을 사용하였다.
성능/효과
1) SAP 반응기의 크기를 80 A를 50 A로 축소하여도 유해물질의 저감효율은 약 50~65%로 큰 변화가 없는 것으로 나타나 실내에 응용하여 설치 시 장치의 규모화를 최소화 할 수 있을 것으로 판단된다.
2) 불꽃 형태가 보라색에 가까울수록 플라즈마 에너지원이 강하였고 황색일수록 플라즈마 에너지가 낮아져 라디칼 형성에 영향을 주는 것이 확인되었다. 따라서 방전관에서의 순환 유량의 축소는 어려울 것으로 판단되며, 방전관과 팬 사이 거리에 따른 전체 에너지 소모량에는 차이가 없음을 확인하였다.
3) CDBD 반응기의 레벨조정기를 이용하여 5단계에서 음이온 및 오존 생성량을 확인한 결과, 각각 510,000 ppb, 98 ppb가 검출되었으며, 유해물질과 반응한 후에 음이온은 470 ppb, 오존은 22 ppb로 낮아짐을 확인하였다.
4) 복합공정에서 음이온 라디칼 생성에 따른 처리효율이 증가 될 것이라 예측하였지만, 연구결과 유해물질의 농도가 약 60%의 제거효율을 보여 CDBD장치에 의해 라디칼 생성 촉진에 의해 주는 효과는 없는 것으로 확인하였다.
5) 밀폐공간에서의 온도 상승은 2시간 동안 12℃ 정도 상승하였으며, 전류치 변화는 4시간 측정동안 크게 변화하지 않는 것을 확인하여, 플라즈마 발생장치의 안정성 및 내구성이 우수하다고 판단된다.
이때 타이어 타는 냄새와 휘발유 냄새가 섞인 듯 매우 심각한 악취가 발생하여 방독면을 쓰지 않으면 호흡이 곤란할 정도였으며 이 상태에서 2개의 반응기를 통과시켜 처리된 MMA의 농도는 Figure 7과 같으며 60%의 제거 효율을 보였다. CDBD에서 생성된 음이온 및 오존을 SAP 반응기에 순환시켜, SAP에서 발생되는 라디칼의 생성량 증가를 기대하였으나 CDBD 반응기에서 주는 효과는 없는 것으로 판단되었다.
MMA를 대체하여 nBA를 시료로 하여 동일한 실험을 한 결과, 오염물질의 농도는 11 ppm으로 MMA보다 초기 농도가 낮았다. Figure 8의 결과에서 보듯이 11 ppm인 낮은 농도에서는 효율이 80% 정도 나타났다.
또 방전관과 팬 사이의 거리에 따른 에너지 소모량의 차이를 확인한 결과 Table 1과 같이 전체 에너지 소모량에는 차이가 없었다. 그러나 거리가 멀어 질수록, 통과 유량이 낮아져 측정되는 전류치의 검지(hunting)가 심하게 일어나는 것을 확인할 수 있었다. 이는 유량이 많을수록 방전관에서의 아크 유속이 빨라져 플라즈마 발생 시 소요되는 전류가 안정적으로 공급되면서 플라즈마가 높은 에너지를 나타내는 것으로 보인다.
2) 불꽃 형태가 보라색에 가까울수록 플라즈마 에너지원이 강하였고 황색일수록 플라즈마 에너지가 낮아져 라디칼 형성에 영향을 주는 것이 확인되었다. 따라서 방전관에서의 순환 유량의 축소는 어려울 것으로 판단되며, 방전관과 팬 사이 거리에 따른 전체 에너지 소모량에는 차이가 없음을 확인하였다.
통과유량이 높으면 불꽃 색상이 보라색에 가까운 것은 에너지가 높음을 의미하며 플라즈마의 에너지원이 강하다는 것을 의미한다. 따라서 유량을 줄이면 플라즈마 에너지가 낮아져 라디칼 형성에 영향을 줄 것으로 판단되었다.
송풍기의 위치를 이동시키면서 반응기로의 유체통과 유량을 확인한 결과, 반응기와 거리가 멀어질수록 통과유량은 낮아지는 것으로 확인하였으며, 불꽃의 형태는 통과 유량이 높을수록 불꽃 길이는 길어지고 불꽃 색상은 보라색에 가까웠으며, 통과 유량이 낮을수록 불꽃길이는 짧아지고 불꽃 색상은 황색에 가까워졌다. 통과유량이 높으면 불꽃 색상이 보라색에 가까운 것은 에너지가 높음을 의미하며 플라즈마의 에너지원이 강하다는 것을 의미한다.
이상의 결과로 볼 때 50 A, 80 A SAP 반응기의 방전관 크기에 따른 방전관의 크기에 따른 제거효율 경향은 거의 없다는 결론을 얻을 수 있었다.
후속연구
따라서 본 연구의 결과가 향후 플라즈마를 이용하여, 실내에서 발생되는 유해물질의 처리와 개선을 할 수 있는 복합공정개발 연구에 초석이 될 것으로 기대되며, 촉매 및 필터 등을 이용한 복합공정개발에 관한 추가 연구가 필요하다고 생각된다.
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