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문제 정의
- 본 연구에서는 OH라디칼을 발생시키는 공기정화기 내부에 있는 광촉매에 적외선램프를 부착하여 공기정화기의 악취원인물질들에 대한 제거효율을 향상 시키고자 하였으며 다음과 같은 결과를 얻었다.
- 실내공기 오염에 따른 문제들을 녹색기술인증을 취득한 기술을 사용하여 해결하고 사람들이 건강한 삶을 영위할 수 있도록 적외선파장 램프가 광촉매를 이용한 공기정화장치의 효율에 미치는 영향에 관하여 연구해 보고자 한다.
제안 방법
- 공기 포집은 공기 포집장치와 포집주머니를 사용하였다. 각 실험에서 초기 농도는 동일하게 두고, 광촉매와 O3를 복합적으로 사용하는 공기정화 장치를 사용하였으며, 자외선램프를 부착했을 때 효율을 알아보고자 적외선의 주사 유무를 변수로 하여 실험을 진행하였다. 공기정화기 외의 기타 환기 및 정화장치는 작동시키지 않았으며, 탈취 시험용 용기의 크기는 1,100 mm × 1,100 mm × 1,800 mm이고, 위의 조건에서 초기 농도, 15분 후, 30분 후, 60분 후, 90분 후, 120분 후 농도를 각각 GV-100S(가스텍, 일본)으로 측정하였다.
- 공기정화기 외의 기타 환기 및 정화장치는 작동시키지 않았으며, 탈취 시험용 용기의 크기는 1,100 mm × 1,100 mm × 1,800 mm이고, 위의 조건에서 초기 농도, 15분 후, 30분 후, 60분 후, 90분 후, 120분 후 농도를 각각 GV-100S(가스텍, 일본)으로 측정하였다.
- 실험 조건은 온도 20 ± 0.5℃, 상대습도 60 ± 5%를 유지한 상태로 실험하였으며, 본 실험의 초기값은 각각 저농도인 10 ppm과 고농도인 50 ppm과 실제 악취가 다량 발생하는 현장에서 채취하여 기술의 신뢰도를 높이고자 실험은 비료공장과 축산물공판장 총 두 장소에서 공기를 포집 및 측정하여 사용하였다.
대상 데이터
- 5℃, 상대습도 60 ± 5%를 유지한 상태로 실험하였으며, 본 실험의 초기값은 각각 저농도인 10 ppm과 고농도인 50 ppm과 실제 악취가 다량 발생하는 현장에서 채취하여 기술의 신뢰도를 높이고자 실험은 비료공장과 축산물공판장 총 두 장소에서 공기를 포집 및 측정하여 사용하였다. 공기 포집은 공기 포집장치와 포집주머니를 사용하였다. 각 실험에서 초기 농도는 동일하게 두고, 광촉매와 O3를 복합적으로 사용하는 공기정화 장치를 사용하였으며, 자외선램프를 부착했을 때 효율을 알아보고자 적외선의 주사 유무를 변수로 하여 실험을 진행하였다.
- 활용한 녹색기술은 TiO2 광촉매와 254 nm 파장의 자외선램프를 사용하여 촉매작용을 극대화 시키고, 오존 제너레이터를 이용하여 O3를 생성하여 오염물질을 산화시킨다. 사용된 적외선 램프는 1개이고, 출력은 50 W이며 800 nm~1,000 nm의 근적외선 영역의 적외선을 방출한다. 이 기술에서 적외선 파장의 역할은 악취 및 오염물질 분자가 에너지를 받아 활성화 되고 OH라디칼과의 산화 반응을 일으킬 때 정촉매의 역할을 한다.
데이터처리
- 공기정화기 외의 기타 환기 및 정화장치는 작동시키지 않았으며, 탈취 시험용 용기의 크기는 1,100 mm × 1,100 mm × 1,800 mm이고, 위의 조건에서 초기 농도, 15분 후, 30분 후, 60분 후, 90분 후, 120분 후 농도를 각각 GV-100S(가스텍, 일본)으로 측정하였다. 실험은 총 3회 실시하여 오차를 줄였으며 그래프에는 평균값을 기재하였다.
성능/효과
- 1) 적외선 파장을 기존 광촉매를 활용한 공기정화장치에 활용하면 오염물질과 OH라디칼간의 반응성이 높아져 악취 원인 물질 제거효율증대를 기대할 수 있다.
- 2) 기존의 공기정화 시스템과 비교하여 오염물질종류와 초기농도에 따라 조금씩 차이가 있었지만 적외선램프를 주사하였을 때, 단일 악취물질의 평균 제거효율은 적외선램프를 사용하지 않을 때보다 저농도일 경우 약 16.9%, 고농도일 경우 약 13.2% 증가하였다.
- 3) 저농도의 경우가 고농도보다 시간에 따른 변화폭이 컸으며, 대부분 15분 이내에 약 50%가 제거되는 효율을 보였다. 이는 낮은 농도일수록 오염물 기질과 OH라디칼의 반응성이 높아지기 때문이라 판단된다.
- 4) 악취물질이 복합적으로 존재하는 경우 제거효율은 약 7.8% 정도 상승하였으며, 이 결과는 악취물질 간의 화학반응에 의한 결과로 생각된다.
- 5) 비료공장과 축산물 공판장 등 현장에서의 악취저감 효과는, 본 장비 설치 후 최종적으로 2시간 정도 경과하면 약 90% 이상으로써 매우 높은 처리효율을 나타내었다.
- Fig. 2는 저농도 황화수소와 고농도 황화수소의 시간별 농도를 나타내는데, 황화수소는 자극적인 냄새를 지니고 금속류를 부식시키는 특성이 있는데, 저농도 황화수소의 경우 측정한 다른 저농도 오염물질들과 달리 램프를 끈 경우 15분에 3.08 ppm으로 측정되어 약 69.2%의 황화수소가 제거되었고, 램프를 켠 경우 1.7 ppm으로 측정되었고 83%의 제거효율을 나타내 저농도 황화수소의 경우 효율상승폭이 상대적으로 작은 것을 알 수 있었다. 또한, 최종효율은 적외선 램프를 껐을 경우 초기 10 ppm에서 120분후 0.
- 9%의 효율을 보였다. 고농도 아세트알데히드의 경우 적외선램프를 껐을 때 15분 경과 후 45.1 ppm으로 측정되어 약 9.8%의 제거효율을 보여 미량제거 되었음을 알 수 있었고, 램프를 켠 경우 15분후에 21.2 ppm으로 측정되어 50%가 넘는 57.6%의 제거 효율을 보였다. 최종효율은 적외선램프를 껐을 경우 초기 50 ppm에서 120분후 11.
- 6%의 효율이 증가하였다. 단일 물질만 있을 경우와 비교하여 복합적으로 악취물질이 존재하는 실제 현장의 경우 램프를 껐을 때와 켰을 때 효율 증가폭은 소폭 하락하였지만 제거성능 자체는 유지되는 결과를 얻을 수 있었다.
- 이는 적외선 파장을 주사하였을 경우에 늘어난 오염물질의 양에 비해 활성도의 증가폭이 떨어졌기 때문인 것으로 판단된다. 단일 오염물질로 암모니아의 평균 제거효율은 적외선램프를 껐을 경우 71.8%이고, 적외선램프를 켰을 경우 약 96.4%로 약 24.6% 상승한 효율을 보였다. 단일오염물질로 황화수소의 평균 제거 효율은 적외선램프를 껐을 경우 약 96.
- 9%로 약 3% 증가한 효율을 보였다. 단일오염물질로 아세트알데히드의 평균 제거 효율은 적외선램프를 껐을 경우 약 79.8%, 적외선램프를 켰을 경우 약 97.9%로 약 18.1% 증가한 효율을 보였다. 황화수소의 경우 적외선램프를 껐을 경우에도 96.
- 6% 상승한 효율을 보였다. 단일오염물질로 황화수소의 평균 제거 효율은 적외선램프를 껐을 경우 약 96.9%, 적외선램프를 켰을 경우 약 99.9%로 약 3% 증가한 효율을 보였다. 단일오염물질로 아세트알데히드의 평균 제거 효율은 적외선램프를 껐을 경우 약 79.
- 7 ppm으로 측정되었고 83%의 제거효율을 나타내 저농도 황화수소의 경우 효율상승폭이 상대적으로 작은 것을 알 수 있었다. 또한, 최종효율은 적외선 램프를 껐을 경우 초기 10 ppm에서 120분후 0.28 ppm으로 97.2%의 효율을 보이고 켰을 경우에는 초기 10 ppm에서 120분후 0.01 ppm으로 99.9%의 효율을 보이며, 장치 일부에서 부식의 징후를 보였다. 황화수소가 다른 물질에 비해 적외선주사 유무에 따른 제거효율과 별 차이 없이 전체적으로 높게 나타난 원인, 즉 반응속도가 빠른 이유는, 결국 황화수소와 OH라디칼의 반응성이 적외선의 주사유무에 관계 없이 타 물질들에 비하여 매우 높기 때문이라 판단된다.
- 비료공장의 경우 암모니아와 황화수소와 비교하여 상당히 높은 수치의 아세트알데히드가 측정되었으며, 램프를 껐을 경우 평균 92.3%의 효율을 보였고, 램프를 켠 경우 99.1%의 효율을 보였다. 축산물 공판장의 경우 암모니아의 농도가 비교적 낮게 측정되었으며, 램프를 끈 경우 평균 87.
- 암모니아와 아세트알데히드의 경우는 적외선램프를 켰을 때 효율이 크게 상승되었는데, 이 원인은 적외선 파장의 빛이 오염물질의 활성도를 높여 OH라디칼과의 산화 반응을 촉진시킨 것으로 판단된다. 실제 오염물질 및 악취원인물질이 배출되는 현장에서 포집한 공기를 이용하여 제거율을 측정하였을 경우 암모니아의 경우 평균 램프를 켰을 경우 97.1%의 효율을 보이고 껐을 경우에 88.7%로 약 8.4%의 효율이 증가하였다. 황화수소의 경우 램프를 켰을 경우 약 99.
- 5%의 제거효율을 보였다. 실제 현장의 경우 램프를 끈 경우 평균 92.3%의 효율을 나타내었으며, 램프를 켠 경우 평균 99.1%의 효율을 관찰할 수 있었으며, 실제 현장의 공기에서 제거효율은 높은 것으로 관찰되었다.
- 저농도에서의 평균 제거효율은 적외선램프를 껐을 경우와 비교하였을 때 평균적으로 약 16.9%가 증가하였으며 고농도인 경우 평균 제거효율은 약 13.2% 정도 증가하였다. 오염물질의 농도가 높을 경우 역시 높은 수준의 제거효율 향상을 보여주었기 때문에, 본 기술이 악취가 발생하는 사업장에서 근무하는 직원들의 근무여건 개선 및 각종 질병으로부터 보호하는데 큰 도움이 될 것으로 판단된다.
- 광촉매의 몇 가지 특성으로 인해 오염물질의 분해반응에 있어서 탁월한 성능을 인정받아 정화용 촉매로서 큰 관심을 받고 있다. 첫째, 오염물질 분해반응이 대부분 산화 반응이라는 점, 두 번째 TiO2의 화학적 광학 안정성에 있다. 활용한 녹색기술은 TiO2 광촉매와 254 nm 파장의 자외선램프를 사용하여 촉매작용을 극대화 시키고, 오존 제너레이터를 이용하여 O3를 생성하여 오염물질을 산화시킨다.
- 1%의 제거효율을 보였다. 최종 효율은 초기 9.83 ppm에서 램프를 껐을 때 120분후 1.21 ppm으로 측정되어 약 87.8%의 효율을 나타냈고 램프를 켰을 경우 0.54 ppm으로 약 94.5%의 제거율을 얻을 수 있었다.
- 9%의 제거효율을 보였다. 최종효율은 적외선 램프를 껐을 경우 초기 8.69 ppm의 농도에서 120분후에 0.9 ppm까지 떨어져 약 89.6%의 제거율을 보였고, 램프를 켰을 경우 120분후에 0.03 ppm까지 떨어져 약 99.7%의 효율을 보였다. 축산물 공판장의 암모니아 초기농도는 9.
- 0%의 효율을 보였다. 최종효율은 적외선램프를 껐을 경우 24.27 ppm에서 120분후 2.7 ppm까지 떨어져 약 88.9%의 제거율을 보였으며, 적외선램프를 켰을 경우 120분후 0.49 ppm으로 측정되어 약 98.0%의 제거율을 나타냈다. 축산물 공판장의 경우 초기농도는 17.
- 1% 제거되었으며 15분 만에 초기농도의 50% 이상이 제거됨을 알 수 있었다. 최종효율은 적외선램프를 껐을 경우 초기 10 ppm에서 120분 경과 후 3.37 ppm으로 제거율은 66.3%이고, 켰을 경우 초기 10 ppm에서 120분후 0.13 ppm으로 98.7%의 제거효율을 보인다. 고농도 암모니아의 경우 적외선램프를 껐을 때 초기 15분에 42.
- 6%가 제거되는 상당한 효율상승이 일어남을 알 수 있었다. 최종효율은 적외선램프를 껐을 경우 초기 10 ppm에서 120분후 1.69 ppm으로 감소하여 약 83.1% 제거율을 보였고 적외선램프를 켰을 경우 10 ppm에서 120분후 0.01 ppm으로 감소하여 약 99.9%의 효율을 보였다. 고농도 아세트알데히드의 경우 적외선램프를 껐을 때 15분 경과 후 45.
- 9%의 제거효율을 보였다. 최종효율은 적외선램프를 껐을 경우 초기 4.67 ppm에서 120분후 0.07 ppm까지 떨어져 약 98.5%의 제거율을 나타냈고, 켰을 경우는 120분후 0.01 ppm까지 떨어져 약 99.8%의 효율을 보였다. 축산물공판장의 경우 초기농도 값은 16.
- 8%의 제거효율을 나타내었다. 최종효율은 적외선램프를 껐을 경우 초기 50 ppm에서 120분후 1.6 ppm으로 제거효율이 96.8%, 켰을 경우 초기 50 ppm에서 120분후 0.05 ppm으로 99.9%가 제거되었다.
- 8%의 효율을 보였다. 최종효율은 적외선램프를 껐을 경우 초기 50 ppm에서 120분후 11.2 ppm으로 측정되어 77.6%의 제거효율을 보였고, 적외선램프를 켰을 경우 초기 50 ppm에서 120분후 2.1 ppm으로 측정되어 95.8%의 제거 효율을 보였다.
- 6%의 제거 효율을 보였다. 최종효율은 적외선램프를 껐을 경우 초기 50 ppm에서 120분후 11.7 ppm으로 약 76.6%의 효율을 보였고, 켰을 경우 초기 50 ppm에서 120분후 2.1 ppm으로 측정되어 약 95.8%의 제거율을 보였다.
- 2%의 제거효율을 보였다. 최종효율은 초기 16.52 ppm에서 램프를 껐을 경우 120분후 2.7 ppm으로 약 83.7%의 효율을 보였으며 램프를 켰을 경우 120분후 0.17 ppm으로 약 99.0%의 제거율을 보였다.
- 9% 제거됨을 알 수 있었다. 최종효율은 초기 17.56 ppm에서 램프를 껐을 경우 120분후 1.3 ppm으로 측정되어 약 92.6%의 제거율을 보였고, 켰을 경우 120분후 0.15 ppm으로 약 99.1%의 제거율을 나타냈다.
- 1%의 효율을 보였다. 축산물 공판장의 경우 암모니아의 농도가 비교적 낮게 측정되었으며, 램프를 끈 경우 평균 87.8%의 효율을 보였고, 램프를 켠 경우 97.5%의 제거효율을 보였다. 실제 현장의 경우 램프를 끈 경우 평균 92.
- 0%의 제거율을 나타냈다. 축산물 공판장의 경우 초기농도는 17.56 ppm으로 측정되었으며 램프를 끈 경우 15분후 13.7 ppm으로 측정되어 22.0%의 제거 효율을 보였고, 램프를 켠 경우 15분후 7.4 ppm으로 측정되어 약 57.9% 제거됨을 알 수 있었다. 최종효율은 초기 17.
- 7%의 효율을 보였다. 축산물 공판장의 암모니아 초기농도는 9.83 ppm이며, 램프를 끈 경우 15분후 7.8 ppm으로 측정되어 약 20.7%의 제거효율을 보였고, 램프를 켠 경우 15분후 5.4 ppm으로 약 45.1%의 제거효율을 보였다. 최종 효율은 초기 9.
후속연구
- 결과적으로 녹색기술 인증을 획득한 본 기술을 타 산업현장 및 오염 가능성이 높은 실내에 적용할 경우, 악취저감에 있어 많은 기대효과가 있을 것이라 판단된다.
- 2% 정도 증가하였다. 오염물질의 농도가 높을 경우 역시 높은 수준의 제거효율 향상을 보여주었기 때문에, 본 기술이 악취가 발생하는 사업장에서 근무하는 직원들의 근무여건 개선 및 각종 질병으로부터 보호하는데 큰 도움이 될 것으로 판단된다.
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