광주지역 산업단지 도장·인쇄시설의 휘발성유기화합물 배출 특성 평가 Estimation and Analysis of VOCs Emissions from Painting and Printing Facilities in Industrial Complexes of Gwangju원문보기
This study analyses the characteristics of volatile organic compounds (VOCs) emissions from the painting and printing facilities, as well as ambient VOCs at industrial complexes in Gwangju. The major components of VOCs emissions from painting facilities were toluene, acetone, 2-butanone, ethyl aceta...
This study analyses the characteristics of volatile organic compounds (VOCs) emissions from the painting and printing facilities, as well as ambient VOCs at industrial complexes in Gwangju. The major components of VOCs emissions from painting facilities were toluene, acetone, 2-butanone, ethyl acetate, ethyl benzene, o-xylene and m,p-xylene. The printing facilities mostly emitted ethyl acetate, 2-butanone, acetone and toluene. Aromatics (49.9%) and oxygenated VOCs (43.6%) were dominant in painting facilities, while oxygenated VOCs (92.7%) were the largest group in printing facilities. The total hydrocarbon concentration (THC) in printing facilities was approximately six times higher than in the painting facilities. The painting and printing facilities use many solvents. Their THC concentrations differed considerably depending on the type of prevention facilities. To reduce THC, it is necessary to improve the prevention facilities and operating conditions. The dominant species of ambient VOCs in industrial complexes were investigated with toluene, ethyl acetate, 2-butanone, ethyl benzene, m,p-xylene, butyl acetate, o-xylene, hexane and acetone. Factor analysis of ambient VOCs showed that the main sources of the VOCs were organic solvents used in painting, coating, and printing, as well as automobile emissions.
This study analyses the characteristics of volatile organic compounds (VOCs) emissions from the painting and printing facilities, as well as ambient VOCs at industrial complexes in Gwangju. The major components of VOCs emissions from painting facilities were toluene, acetone, 2-butanone, ethyl acetate, ethyl benzene, o-xylene and m,p-xylene. The printing facilities mostly emitted ethyl acetate, 2-butanone, acetone and toluene. Aromatics (49.9%) and oxygenated VOCs (43.6%) were dominant in painting facilities, while oxygenated VOCs (92.7%) were the largest group in printing facilities. The total hydrocarbon concentration (THC) in printing facilities was approximately six times higher than in the painting facilities. The painting and printing facilities use many solvents. Their THC concentrations differed considerably depending on the type of prevention facilities. To reduce THC, it is necessary to improve the prevention facilities and operating conditions. The dominant species of ambient VOCs in industrial complexes were investigated with toluene, ethyl acetate, 2-butanone, ethyl benzene, m,p-xylene, butyl acetate, o-xylene, hexane and acetone. Factor analysis of ambient VOCs showed that the main sources of the VOCs were organic solvents used in painting, coating, and printing, as well as automobile emissions.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 광주지역 산업단지 도장시설과 인쇄시설 사업장을 대상으로 업종별 VOCs의 배출 특성을 조사하고, 적절한 방지기술을 제시하였다. 또한 환경 대기 중 VOCs 농도 분포 및 오염 특성 등을 종합적으로 파악하여 산업단지 대기오염원 관리 및 정책 수립을 위한 기초자료를 마련하고자 한다.
따라서 본 연구에서는 광주지역 산업단지 도장시설과 인쇄시설 사업장을 대상으로 업종별 VOCs의 배출 특성을 조사하고, 적절한 방지기술을 제시하였다. 또한 환경 대기 중 VOCs 농도 분포 및 오염 특성 등을 종합적으로 파악하여 산업단지 대기오염원 관리 및 정책 수립을 위한 기초자료를 마련하고자 한다.
본 연구 결과를 하남· 평동산단의 VOCs 농도 수준을 지역적 특성이 유사한 타지역 연구 자료와 비교하여 VOCs의 오염 정도를 평가하 고자 하였다(Table 3).
본 연구는 산업단지에서 유기용제를 사용하는 시설에 대해 VOCs 배출 특성에 대한 연구를 수행하여 대기오염원 관리에 기여하고자 하였다. 향후에 각 사업장의 공정 시설별 VOCs의 배출량 산정 및 환경대기 중에 대기오염도 기여율 평가에 대한 추가 연구가 필요할 것으로 보여진다.
제안 방법
광주지역 산업단지 인쇄시설과 도장시설을 대상으로 배출되는 VOCs 성분과 농도를 조사하였으며 환경 대기중 미치는 영향을 확인하기 위해 휘발성유기화합물의 농도 분포 및 발생원을 파악하였다.
0 L의 시료를 채취하였다. 굴뚝 지점에서는 대기오염공정시험기준으로 테들러백(tedlar bag: vinyl fluoride film) 용기를 사용하는 방식으로 배출가스 10 L 씩 30분 간격 2회 시료를 채취하였다. 대기 중 VOCs는 저유량 펌프(MP-Σ30KN, Sibata, Japan)를 사용하여 100 mL/min으로 90분간 총 9L의 대기 시료를 채취하였다.
대기환경보전법에서 대기배출허용기준이 설정된 THC 농도 기준으로 관리되는 도장 및 인쇄시설의 대기오염물질을 평가하기 위해서 방지시설 전·후단의 굴뚝 지점에서 THC 농도를 측정하였다.
0)을사용하여 평균, 표준편차, 최소값, 최대값 등의 기술통계량으로 산출하였다. 또한 VOCs의 오염원 추정하기 위하여 인자분석을 실시하였다. 인자분석법은 분석의 대상이 되는 변수의 수가 많은 경우 이들 사이의 상호 관련성을 이용하여 변수 속에 내재된 인자라고 부르는 소수의 공통적인 새로운 변수를 찾아내어 이들이 지니고 있는 특성으로 전체 자료가 가지고 있는 특성을 설명하고자 하는 통계적 분석방법이다.
본 연구에서는 각 시설별 연속·비연속식 공정, 송풍기의 용량, 활성탄 교체 시기 등의 운전 조건을 고려하지 않았으며 방지시설 전·후의 THC 농도만으로 효율을 평가하였다.
분석은 자동열탈착장치(Ultra-xr, Markes, UK)가 장착된 기체 크로마토그래프/질량분석기(GC 7890B/MSD 5977B, Agilent, USA)를 사용하였다.
사업장에서 배출되는 휘발성유기화합물 중 총탄화수소(total hydrocarbon, THC)를 측정하기 위해서 휴대용 가스분석기(TVA-1000B, Thermo, USA)를 사용하여 30분간 연속 측정하였다. 측정 시 측정오차를 최소화하기 위해 메탄 표준가스를 이용하여 스팬교정을 실시하였다.
산단지역 대기 중 VOCs 농도 분포 사이의 유사성을 파악하여 어떤 발생원들에 의해 영향을 받는가를 추정하기 위해서 인자분석을 실시하였다. 인자분석은 varimax 직각회전방식을 사용하였으며 고유값 1이상인 요인의 분석에 중점을 두었다.
휘발성유기화합물질의 분석결과에 대한 정밀도와 정확도를 확인하기 위해 정도관리를 실시하였다. 정도관리를 위해 방법검출한계, 정밀도 실험을 실시하였다. 휘발 성유기화합물질의 머무름 시간에 대해 상대표준편차는 0.
사업장에서 배출되는 휘발성유기화합물 중 총탄화수소(total hydrocarbon, THC)를 측정하기 위해서 휴대용 가스분석기(TVA-1000B, Thermo, USA)를 사용하여 30분간 연속 측정하였다. 측정 시 측정오차를 최소화하기 위해 메탄 표준가스를 이용하여 스팬교정을 실시하였다.
휘발성유기화합물질의 분석결과에 대한 정밀도와 정확도를 확인하기 위해 정도관리를 실시하였다. 정도관리를 위해 방법검출한계, 정밀도 실험을 실시하였다.
대상 데이터
모세관 칼럼 DB-1 (60 m × 320 μm × 3 μm, Agilent, USA)이며 오븐 승온 조건은 40℃(5 min)에서 5℃/min로 속도로 280℃(5 min)까지 승온하였다. 기기분석용 가스는 헬륨(99.999%)과 질소(99.999%)를 사용하였다.
본 연구는 2018년 9월부터 2019년 7월까지 총 6회시료를 채취하여 분석하였다. 사업장 내 작업장 지점에 서의 시료채취는 해당시설의 실제 운영조건과 동일하게 유지되는 일반 환경에서 대표된 2지점을 선정하여 바닥 으로부터 1.
본 연구는 광주광역시 하남·평동 산단지역 내 도장시설 14개소(SC1~SC14)와 인쇄시설 6개소(GP1~GP6) 로 총 20개 대기배출시설 사업장을 연구대상으로 선정하 였다.
분석항목은 도장시설과 인쇄시설 공정에서 주로 사용 하는 VOCs 60종을 선정하였으며 표준용액은 VOCs mixture standard (M-502-REG-10X, Accustandard, USA)와 indoor air standard (49148U, Supelco, USA) 을 사용하였다. Table 1에 측정된 휘발성유기화합물 60종을 나타냈다.
사업장 내 작업장 지점에 서의 시료채취는 해당시설의 실제 운영조건과 동일하게 유지되는 일반 환경에서 대표된 2지점을 선정하여 바닥 으로부터 1.2 ~ 1.5 m 범위의 높이에서 저유량 펌프 (MP-Σ30KN, Sibata, Japan)를 사용하여 100 mL/min으로 5분 ~ 10분간 총 0.5 L ~ 1.0 L의 시료를 채취하였다.
사업장의 시료채취 지점은 도장·인쇄 공정의 작업장 지점과 대기오 염물질이 방지시설을 거쳐 배출되는 굴뚝 지점 2개를 선정하였고 또한 산업단지 내 대기 중 VOCs 수준을 평가 하기 위해서 사업장 주변 54개 대기시료 채취 지점을 선정하였다.
시료채취는 대기 중 VOCs 분석에 보편적으로 이용되고 있는 흡착관법을 활용하였으며 흡착제 Tenax TA와 Carbopack B이 충전된 흡착관(C2-AAXX-5032, Markes, UK)을 사용하였다.
데이터처리
본 연구에서 분석된 휘발성유기화합물질의 각 성분별 관계를 분석하기 위해 통계프로그램(SPSS, ver.20.0)을사용하여 평균, 표준편차, 최소값, 최대값 등의 기술통계량으로 산출하였다. 또한 VOCs의 오염원 추정하기 위하여 인자분석을 실시하였다.
산단지역 대기 중 VOCs 농도 분포 사이의 유사성을 파악하여 어떤 발생원들에 의해 영향을 받는가를 추정하기 위해서 인자분석을 실시하였다. 인자분석은 varimax 직각회전방식을 사용하였으며 고유값 1이상인 요인의 분석에 중점을 두었다.
이론/모형
VOCs의 정량·정성 분석을 위하여 대기오염공정시험 기준의 환경대기 중 유해 휘발성유기화합물 시험방법-고체흡착관법(ES 01804.2)을 주 시험방법으로 하고 EPA Method TO-17A를 참고하였다(EPA, 1997).
주로 복잡하고 방대한 환경자 료에 대한 해석에 사용되며, 오염원의 기여도를 정량적 으로 추정할 수는 없으나 오염원 분류표가 없을 때 오염 원의 추정에 이용되는 통계기법을 사용하였다(Thurston and Spengler, 1985).
성능/효과
Fig. 3(a)는 도장시설 작업장 지점에서 aromatics류가 평균 52.0% (18.3~91.57%)로 분포를 보였으며 OVOCs 39.2% (6.2~79.9%), alkanes 7.7% (0.3~41.8%), halocarbons 0.9% (0.1~3.6%), alkenes 0.2% (0.0~0.9%) 순으로 나타났다. Fig.
Fig. 5(a)는 인쇄시설 작업장 지점에서 OVOCs류가 평균 89.2% (74.0~97.2%)를 차지하고 있었으며 aromatics 9.7% (2.2~22.2%), alkanes 0.9% (0.1~3.5%), halocarbons 0.1% (0.0~0.3%) 순으로 나타났다. Fig.
1) 도장시설에서 배출된 VOCs 중 toluene, acetone, 2-butanone, ethyl acetate, ethyl benzene, o-xylene, m,p-xylene, butyl acetate 등이 주요 성분이 이였으며 toluene이 1,235.2 ppb으로 가장 높은 농도를 나타났다.
2) 인쇄시설에서 배출된 VOCs 중 ethyl acetate, 2-butanone, acetone, toluene 등이 주요 성분이 이였으며 ethyl acetate가 3,522.6 ppb으로 가장 높은 농도를 나타났고 VOCs 중 OVOCs가 92.7% 대부분 차지하였다.
3) 시설별 THC 배출농도는 도장시설 24.7 ppm, 인쇄시설 138.8 ppm 정도였으며 인쇄시설에서 약 6배 높게 나타났습니다. 유기용제를 많이 사용하는 도장 및 인쇄 시설의 THC 농도는 배출시설에 대한 방지시설의 종류에 따라 상당히 큰 차이를 보였으며, THC의 저감시키기 위해서는 RTO, RCO 방식의 방지시설 도입이 필요하며 흡착시설의 경우 활성탄 교체 주기를 짧게 유지하는 등 운영 조건 개선이 필요할 것으로 판단된다.
4) 산단지역 대기 중 VOCs는 toluene, ethyl acetate, 2-butanone, ethyl benzene, m,p-xylene, butyl acetate, o-xylene, hexane, acetone 등이 주요 성분 이였으며 평동산단에서 toluene 23.3 ppb, ethyl acetate 24.4 ppb으로 다른 성분 보다 농도가 높게 나타났다. 이러한 종은 도장시설과 인쇄시설의 사업장에서 배출되는 VOCs 성분과 같았다.
5) 하남 및 평동산단 지점의 VOCs의 인자분석 결과, 주요 인자로 도장, 코팅, 합성 방향제, 접착제 및 인쇄에 사용되는 유기용제 및 자동차의 배출가스가 작용한 것으로 보인다.
GP3 지점에서 잉크 7도수로 인쇄공정이 운전하고 있어 다른 지점보다 잉크의 사용량이 많아 높은 THC 농도를 나타났다. GP1와 GP2 지점은 같은 인쇄공정에서 발생된 VOCs가 방지시설이 활성탄 흡착시설와 촉매연소 시설 각각 다르게 유입되어 처리된 THC 농도를 비교한 결과 GP1 지점에서 약 5배 정도 높게 배출되었다. 축열 식촉매산화 시설은 인쇄공정에서 발생된 VOCs는 흡착 농축장치로 유입 농축된 후 다시 예열된 공기로 탈착시켜 촉매연소시설로 유입되어 약 250~400℃에서 연소되어 활성탄 흡착시설 보다 처리효율이 높음을 알 수 있다.
GP3 지점에서 잉크 7도수로 인쇄공정이 운전하고 있어 다른 지점보다 잉크의 사용량이 많아 높은 THC 농도를 나타났다. GP1와 GP2 지점은 같은 인쇄공정에서 발생된 VOCs가 방지시설이 활성탄 흡착시설와 촉매연소 시설 각각 다르게 유입되어 처리된 THC 농도를 비교한 결과 GP1 지점에서 약 5배 정도 높게 배출되었다.
3%로다른 지점보다 분포가 높게나왔는데 이는 대형 특장차 도장 시 다량의 방향족 탄화수소류 개열의 도료와 희석 제가 사용된 것으로 판단된다. VOCs 그룹 중 aromatics 와 OVOCs은 도장 공정에서 91.2% ~ 93.5%로 가장 큰분포를 보였다. Shen et al.
2 ppb으로 가장 높은 농도를 나타났다. VOCs 중 aromatics 49.9%와 OVOCs 43.6% 조성비를 보였다.
VOCs 중 toluene의 평균 농도 621.1±818.4 ppb로서 가장 높은 농도를 보였으며 다음은 butyl acetate (262.8±473.6 ppb), m,p-xylene (243.1±376.9 ppb), ethyl benzene (241.7±352.7 ppb), ethyl acetate (235.8±493.7 ppb), o-xylene (217.6±283.6 ppb), 4-methyl-2-pentanone (212.6±533.8 ppb) 순으로 전체 검출된 58중의 물질 중 31개 물질이 1.0 ppb 이상이었고 이외 27종의 평균 농도는 1.0 ppb 수준으로 비교적 낮게 나타났다.
4%로 나타났다. 검정곡선은 표준물질 농도(10~100 ng) 범위에서 작성하였으며, 직선성 평가 결과 결정계수(R2) 0.98 이상으로 나타났다.
지점별 측정된 THC 농도는 방지시설의 종류에 따라 차이가 있을 수 있으며 다품종 소량생산으로 각각의 제품에 따른 용제 사용량이 달라질 수 있어 차이를 보인다. 도장시설 연속공정에서의 THC 대기배출허용기준은 40 ppm으로 SC3, SC4, SC7 지점에서 기준 보다 THC 농도가 높게 검출되었다. 해당 사업장의 경우 VOCs 방지시설이 활성탄 흡착시설로 활성탄 교체 주기가 4개월 ~ 6개월로 파악되어 활성탄 흡착 능력이 낮을 것으로 판단되며, 배출허용기준이내에 운전하기 위해서는 활성탄 교체 주기를 짧게 유지 해야한다.
5% 이하를 우수한 재현성을 보였다. 방법검출한계는 분석대상물질 각 10 ng의 표준 용액을 7개의 흡착관에 주입한 후 실제 공기시료 9 L를 채취한 것으로 가정하여 방법검출한계 값을 추정한 결과 0.03 ~ 0.07 ppb로 분석 되었다. 분석대상물질 정밀도는 10% 이내였으며, 정확 도는 92.
본 연구에서는 각 시설별 연속·비연속식 공정, 송풍기의 용량, 활성탄 교체 시기 등의 운전 조건을 고려하지 않았으며 방지시설 전·후의 THC 농도만으로 효율을 평가하였다. 방지시설 처리 효율은 RCO 95.2% 로 가장 높았으며 RTO 94.1%, 오존산화시설 87.3 %, 활성탄 흡착시설 69.7%(52.8~82.4%), 여과시설 13.7% 로 처리 효율을 보였다. THC 배출농도는 배출시설에 대한 방지시설의 종류에 따라 처리효율 차이를 보였다.
07 ppb로 분석 되었다. 분석대상물질 정밀도는 10% 이내였으며, 정확 도는 92.1 ~ 109.4%로 나타났다. 검정곡선은 표준물질 농도(10~100 ng) 범위에서 작성하였으며, 직선성 평가 결과 결정계수(R2) 0.
6(b)는 인쇄시설에 대해 THC 농도를 나타내었다. 사업장별 THC 평균 농도가 GP3 지점에서 267.9 ppm으로 가장 높으며 그 다음은 GP5 159.7 ppm, GP1 149.0 ppm, GP6 136.8 ppm, GP5 89.9 ppm, GP2 29.5 ppm 순으로 나타났다. THC 평균 농도 138.
인쇄 공정에서 작업장 지점 및 굴뚝 지점의 측정된 VOCs 성분들 중 공통적인으로 검출된 성분들이 농도 분포가 큰 차이는 보이지 않았다. 이는 인쇄 공정 중 폴리프 로필렌, 폴리에틸렌을 주원료로 제작된 필름에 인쇄용 동판을 거치면서 톨루엔 등의 용제로 희석한 잉크가 전이되어 인쇄되는 동안 용제가 바로 휘발하면서 필름의 건조가 동시에 진행되어 작업장 내에서 VOCs 성분이 빠르게 확산되고 인쇄를 위한 잉크 혼합이 후드나 덕트가 없는 작업장 내에서 이루어져 굴뚝 지점의 측정된 VOCs 농도 분포가 차이가 없는 것으로 보인다.
자동차 배출가스에 영향을 받는 benzene은 하남 1.67 ppb, 평동 0.42 ppb으로 경기도의 시화 0.40 ppb, 반월 0.51 ppb, 부산의 감전 0.55 ppb, 장림 0.51 ppb, 대구의 이현동 0.20 ppb, 갈산동 0.22 ppb, 노원동 0.19 ppb로하남산단는 다른 지역보다 상대적으로 높게 나타났으며, 평동산단는 경기도의 시화, 반월과 부산의 감전, 장림과는 비슷한 수준이었다. Styrene은 다른 지역과 비슷한 수준을 보이는 반면 ethyl benzene m,p-xylene, o-xylene 은 상대적으로 다른 지역 보다 높은 수준을 보였다.
33 ppb로 다른 산단 지역보다 높게 나타났다. 하남 및 평동 산단 내의 대기 중 BTEXS (benzene, toluene, ethyl benzene, xylene, styrene)의 농도가 높은 나타났으며 이는 유기용제를 사용하는 배출원에서 다른 지역보다 많이 영향을 받는 것으로 판단된다.
후속연구
8 ppm 정도였으며 인쇄시설에서 약 6배 높게 나타났습니다. 유기용제를 많이 사용하는 도장 및 인쇄 시설의 THC 농도는 배출시설에 대한 방지시설의 종류에 따라 상당히 큰 차이를 보였으며, THC의 저감시키기 위해서는 RTO, RCO 방식의 방지시설 도입이 필요하며 흡착시설의 경우 활성탄 교체 주기를 짧게 유지하는 등 운영 조건 개선이 필요할 것으로 판단된다.
본 연구는 산업단지에서 유기용제를 사용하는 시설에 대해 VOCs 배출 특성에 대한 연구를 수행하여 대기오염원 관리에 기여하고자 하였다. 향후에 각 사업장의 공정 시설별 VOCs의 배출량 산정 및 환경대기 중에 대기오염도 기여율 평가에 대한 추가 연구가 필요할 것으로 보여진다.
휘발성유기화합물질을 체계적 관리를 위해서는 각 사업장의 작업조건 별 작업량 및 작업 특성에 따른 운전조건 변화에 따른 방지시설 처리 효율 등의 연구가 필요 할 것으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
대기오염물질의 종류는 무엇이 있는가?
우리나라는 경제 개발 계획 시행 이후 경제 규모 확대와 산업의 급격한 발달 과정에서 많은 공업단지가 조성되었으며, 다양한 대기오염물질이 환경으로 배출되고 있다. 이러한 오염물질로서는 질소산화물, 일산화탄소, 미세먼지 등과 함께 휘발성유기화합물(Volatile Organic Compounds, VOCs) 등이 포함된다(Jang et al., 2011).
휘발성유기화합물이란 무엇인가?
휘발성유기화합물은 공기 중으로 쉽게 증발되는 탄화 수소류나 유기용제를 말하며 석유화학산업, 의약품, 전자산업, 목재가공산업, 도장산업 등 각종 산업체 뿐 만 아니라, 세탁업, 인쇄업, 음식업, 자동차정비업, 자동차 내부 등과 같이 우리의 일상생활과 밀접하게 연관된 곳에서 배출되고 있다(Lee et al., 2017; Zhang et al.
VOCs는 인체에 어떠한 영향을 미치는가?
또한 VOCs는 TAPs (Toxic Air Pollutions)로 분류되며 일부 물질은 발암원성 물질로 알려져 있는 인체에 유해한 물질이다(Choi, 2007). 인체영향으로는 중추신경계, 호흡기계, 간 등에 유해한 영향을 미쳐 피로, 두통, 호흡곤란 등이 나타나게 되며, 장기간 노출되면 암을 유발할 수 있다(EPA, 2001).
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