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플라즈마를 이용한 악취물질 분해 특성

Decomposition of odor using atmospheric-pressure plasma

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.21 no.7, 2020년, pp.708 - 718  

강석원 (강원대학교 공학대학 지구환경시스템공학과) ,  이재식 (강원대학교 공학대학 지구환경시스템공학과) ,  이강산 (강원대학교 공학대학 지구환경시스템공학과) ,  임희아 (강원대학교 공학대학 지구환경시스템공학과) ,  김지성 (강원대학교 공학대학 지구환경시스템공학과) ,  이정대 (강원대학교 공학대학 지구환경시스템공학과) ,  박월수 (강원대학교 공학대학 지구환경시스템공학과) ,  박영구 (강원대학교 공학대학 지구환경시스템공학과)

초록
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대기오염 중 악취는 인간의 생활이나 활동, 건강에 직·간접적으로 영향을 주어 사회적 환경문제로 인식되고 있다. 악취물질 중 NH3(암모니아), H2S(황화수소), C6H6(벤젠)은 석유화학공장, 공공하수처리시설 및 분뇨처리시설, 가축분뇨 처리시설, 폐기물 처리시설과 음식물류 처리시설에 등에서 대량으로 발생하므로 효율적인 악취 제거가 필요한 실정이다. 본 연구에서는 대기압 플라즈마를 이용한 악취 제거와 제거효율을 연구하였다. 가스크로마토그래피(Gas Chromatography, GC)와 악취측정장치를 이용하여 대기압 플라즈마와 악취물질 반응 전후의 농도를 측정하였다. 측정결과를 백분율로 환산하여 효율을 평가하였다. 플라즈마를 이용한 악취 분해는 플라즈마를 방전시킬 때 생성된 활성라디칼과 O3(오존)을 이용하여 악취물질을 중화처리 및 광화학적으로 산화하는 기전을 이용한 것으로 상온에서 악취 물질의 처리가 가능하며, 2차 오염물질의 발생이 없다는 장점이 있다. NH3, H2S, C6H6 3가지 악취 물질 모두 대기압 플라즈마의 출력을 500 W로 방전시켜 반응시켰을 때 모두 1분 내로 악취 물질이 완전히 분해되었다. 따라서 고농도의 악취 물질과 두 종류 이상의 냄새유발 물질이 반응할 때 발생한 복합악취 또한 대기압 플라즈마를 이용하여 제거할 수 있다고 판단된다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Offensive odor is recognized as a social environmental problem due to its olfactory effects. Ammonia(NH3), hydrogen sulfide(H2S) and benzene(C6H6) are produced from various petrochemical plants, public sewage treatment plants, public livestock wastes, and food waste disposal facilities in large quan...

주제어

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AI 본문요약
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제안 방법

  • 우리나라의 대기환경보전법에서 생활계 발생원과 22가지의 주요 악취물질을 지정하여 발생하는 악취물질을 관리하고 있으며, 산업계 발생원에서 발생하는 대기오염물질을 규제하고 있다. 8가지 주요 악취물질 중 본 연구에서 다뤄질 NH3, H2S의 발생원과 C6H6의 발생원을 조사했다[8].
  • 실험은 실온에서 수행하였다. 가스 분석은 반응 전후의 농도를 악취측정장치와 GC/FID를 이용하여 측정하였으며, 측정된 NH3, H2S, C6H6 의 농도를 백분율로 환산하여 제거효율을 평가하였다.
  • 16 Bar로 하였다. 대기압 플라즈마를 이용하여 반응기에서 분해하여 악취 측정 장치로 연속 측정하였다.
  • 반응기에 C6H6 시료를 일정 시간 주입하고 반응기 내의 초기 농도를 GC/FID를 이용하여 계측하였다. 대기압 플라즈마를 이용하여 반응시켰으며 반응 중 실린더로 시료를 포집하여 GC/FID를 이용하였다.
  • 16 Bar로 하였다. 반응기에 C6H6 시료를 일정 시간 주입하고 반응기 내의 초기 농도를 GC/FID를 이용하여 계측하였다. 대기압 플라즈마를 이용하여 반응시켰으며 반응 중 실린더로 시료를 포집하여 GC/FID를 이용하였다.
  • 실험을 수행할 때는 동일 조건에서 tedlarbag에 포집한 기체를 사용했으며, 반응기에 연결 하여 수동으로 직접 주입하였다. 반응기에 시료를 실린더로 취하여 GC/FID를 이용하여 농도를 설정하였다.
  • 분해장치를 사용하여 대기압 플라즈마를 이용한 악취 물질의 제거효율을 평가하였다. 반응장치는 가스 주입부, 반응조, 반응 가스 분석 부분으로 구성하였다. 반응조에 공급되는 가스는 air, NH3, H2S, C6H6 을 사용하였으며, 유량계를 사용하였다.
  • 가스와 이동하는 전자의 충돌로 생성된 플라즈마는 활성라디칼 및 O3(오존)을 생성하며, 생성된 활성라디칼과 O3이 악취물질을 산화(Oxidation)시켜 무취의 다른 물질로 변환하여 악취물질을 제거한다. 본 실험에서는 대기압 플라즈마를 이용하여 NH3, H2S, C6H6 가스의 제거 분석을 수행하였다. 대기압 플라즈마의 출력 범위는 500~1200 W이며, 실험은 500 W에서 수행하였다.
  • 본 실험에서는 악취물질 중 NH3(암모니아), H2S(황화수소), C6H6(벤젠)을 대기압 플라즈마를 이용하여 분해하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.
  • 는 악취물질 분해장치이다. 분해장치를 사용하여 대기압 플라즈마를 이용한 악취 물질의 제거효율을 평가하였다. 반응장치는 가스 주입부, 반응조, 반응 가스 분석 부분으로 구성하였다.
  • 실험에 사용한 NH3 와  H2S 의 반응 전후의 농도를 측정하기 위하여 악취측정장치(IQ-610XTRA, GrayWolf Sensing Solutions, USA)를 이용하여 측정하였다.
  • 실험에 사용한 C6H6 의 반응 전후의 농도를 분석하기 위하여 가스크로마토그래피(YL6500GC, Young In Chromass, Korea)를 이용하여 분석하였으며, Table 2 의 조건으로 분석을 수행하였다.
  • 또한, H2S실험에는 H2S + N2 혼합가스를 사용하였다. 악취 측정 장치를 이용하여 연속으로 H2S 가스와 air를 봄베에서 반응기에 직접 주입하였으며, 유량계를 사용하여 농도를 설정하였다.
  • 혼합가스(혼합가스, Union Gas, Korea)를 사용하였다. 악취 측정 장치를 이용하여 연속으로 NH3가스와 air를 봄베에서 반응기에 직접 주입하였으며, 유량계를 사용하여 농도를 설정하였다. 또한, H2S실험에는 H2S + N2 혼합가스를 사용하였다.
  • 플라즈마를 이용하여 반응기에서 H2S를 반응시켰다. 악취 측정장치를 이용하여 연속측정을 하였다. H2S의 양은 유량 계를 이용하여 조절하였으며, 실험 시 마스크를 착용하여 수행하였다.
  • 플라즈마 내부는 매우 높은 반응성을 가지며 불안정한 상태이다. 이러한 불안정한 상태에 놓여있는 플라즈마의 특성을 이용하여 악취 물질에 대한 화학적 처리한다. 기체는 대기 상태에서는 절연체로 다룰 수 있으나 특정 조건에서 도체적 성질을 갖게 된다.
  • 희석된 시료를 안정시킨 후 검지관 (Benzene detector tube, GASTEC, Japan)을 이용하여 시료의 농도를 측정하였다. 제조된 시료를 바탕으로 자체적으로 표준물질을 만들었으며 GC/FID를 이용하여 검량선을 작성하였다. 실험을 수행할 때는 동일 조건에서 tedlarbag에 포집한 기체를 사용했으며, 반응기에 연결 하여 수동으로 직접 주입하였다.
  • H2S의 양은 유량 계를 이용하여 조절하였으며, 실험 시 마스크를 착용하여 수행하였다. 초기농도의 경우 1014 ppm의 황화수소 기체를 봄베에서 반응기에 직접 주입하였으며, 동시에 악취 측정장치를 이용하여 연속측정을 하면서 설정하였다.
  • 포집한 기체와 air를 tedlar bag(PVF Flim)을 이용하여 희석하였다. 희석된 시료를 안정시킨 후 검지관 (Benzene detector tube, GASTEC, Japan)을 이용하여 시료의 농도를 측정하였다. 제조된 시료를 바탕으로 자체적으로 표준물질을 만들었으며 GC/FID를 이용하여 검량선을 작성하였다.

대상 데이터

  • C6H6 실험에는 C6H6 용액(Benzene 500 ㎖, Matsunoen Chemicals LTD, Japan)을 사용하였으며, 99.5 %의 C6H6 용액을 70∼80 ℃로 가열하여 기화된 기체를 포집하였다.
  • NH3 실험에는 NH3 + N2 혼합가스(혼합가스, Union Gas, Korea)를 사용하였다. 악취 측정 장치를 이용하여 연속으로 NH3가스와 air를 봄베에서 반응기에 직접 주입하였으며, 유량계를 사용하여 농도를 설정하였다.
  • 또한, H2S실험에는 H2S + N2 혼합가스를 사용하였다.
  • 72 ppm으로 설정하였다. 반응기는 외부크기가 가로 245 ㎜, 세로 235 ㎜, 높이 255 ㎜인 acrylic으로 제작하였으며, 상부에 크기에 맞는 구멍을 내어 플라즈마 head를 설치하였다. 실험은 실온에서 수행하였다.
  • 반응조에 공급되는 가스는 air, NH3, H2S, C6H6 을 사용하였으며, 유량계를 사용하였다.
  • 산업현장에서 사용되는 플라즈마 장비는 플라즈마 핵융합 개시 시스템이 가장 고온으로 사용되고, 다음으로 플라즈마 절단기, 용접기, 용사 코팅 순이다. 본 실험에 사용된 플라즈마는 저온 플라즈마라고 불리며, 그 온도 범위는 1000~2000 ℃ 정도이다.
  • 본 실험에 사용했던 대기압 플라즈마(AP-3000, Advanced Engineering Technology Provider, Korea)장비는 저온 플라즈마의 범주에 속하며, 대기압에서 압축공기를 고전압을 이용하여 플라즈마 상태로 만들어 준다. 만들어진 플라즈마는 노즐을 통하여 빔 형태로 분사되어 처리 대상에 화학적인 변화를 일으킨다.
  • 본 연구에서는 악취물질 중 NH3(암모니아), H2S(황화수소), C6H6(벤젠)을 대기압 플라즈마를 이용하여 분해하였다.
  • 제조된 시료를 바탕으로 자체적으로 표준물질을 만들었으며 GC/FID를 이용하여 검량선을 작성하였다. 실험을 수행할 때는 동일 조건에서 tedlarbag에 포집한 기체를 사용했으며, 반응기에 연결 하여 수동으로 직접 주입하였다. 반응기에 시료를 실린더로 취하여 GC/FID를 이용하여 농도를 설정하였다.
  • S 의 반응 전후의 농도를 측정하기 위하여 악취측정장치(IQ-610XTRA, GrayWolf Sensing Solutions, USA)를 이용하여 측정하였다. 악취 측정 장치의 주요 센서로는 CO2, PM-10, NO2 센서 등이 있으며 NH3, H2S 센서를 추가한 장비를 이용하여 측정하였다. NH3센서의 측정 가능 농도 범위는 1∼1000 ppm이며, H2S 센서의 측정 가능 농도 범위는 0.
  • 대기압 플라즈마의 출력 범위는 500~1200 W이며, 실험은 500 W에서 수행하였다. 압축가스를 사용하였으며, 압축가스는 공기압축기(Air compressor)를 이용하여 사용하였다. 압축가스의 압력은 1.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
악취물질의 자연적 발생원은 무엇인가? 악취물질의 발생원은 자연적 발생원과 인위적 발생원 으로 구분할 수 있다. 자연적 발생원은 자연계에서 동?식물에 있는 단백질 성분 같은 것이 미생물이나 박테리아의 대사활동에 의해 호기성과 혐기성 상태로 분해되는 과정에서 발생하는 악취물질을 의미하며, 인위적 발생원은 인간의 생활 활동과 관련이 있으며, 가정에서부터 산업시설에 이르기까지 발생원의 규모 및 물질의 종류가 매우 다양하다.
배출되는 대기오염물질이 환경에 미치는 영향은 무엇인가? 중화학공업 공장들에서 배출되는 오염물질과 처리시설들이 모여 형성된 공업지역과 인구 밀집과 급격한 도시화로 생성된 대도시에서 배출되는 대기오염물질, 휘발성 유기 화합물(VOCs)과 악취물질 등의 배출량은 과도하게 증가 하였으며, 국지적인 모습을 보여주고 있다. 배출되는 대기오염물질은 SOx(황산화물)과 NOx(질소산화물) 등의 1차 오염물질과 광화학반응으로 생성된 2차 오염물질은 광화학스모그, 오존층파괴, 지구온난화 등에 영향을 미치고, VOC(휘발성유기화합물)과 악취물질은 인간의 건강에 직간접적으로 악영향을 미치고 있다[1]. 악취 물질은 호흡 리듬의 변화를 주며, 심장박동수의 증가, 혈압의 상승 등을 유발하며, 자율신경의 불완전한 기능 수행으로 두통, 현기증, 불면, 스트레스, 소화불량 등에 영향을 주게 되는 것으로 알려져 있다[2].
플라즈마를 이용한 악취 분해의 한계점은 무엇인가? 플라즈마를 이용한 악취 분해는 플라즈마를 방전시킬때 생성된 활성라디칼과 O3(오존)을 이용하여 악취물질을 중화처리 및 광화학적으로 산화하는 기전을 이용한 것으로 상온에서 악취물질의 처리가 가능하며, 생성된 O3은 악취물질 분해 후 O2로 환원되어 2차 오염물질의 발생이 없다는 장점이 있다. 하지만 고농도 대풍량 조건 에서의 황 계열 악취물질의 처리에는 제한적이며, 당량비가 맞지 않을 경우에 배출가스에서 O3이 섞여 배출될 수있고 체류시간의 충분한 확보가 필요하며, 먼지 및 수분이 포함된 가스의 처리시 플라즈마 방전의 장애 요인이될 수 있다[1].
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참고문헌 (9)

  1. C. Jang, "Decomposition of odor by plasma discharge and filter", Ph.D. dissertation, Incheon National University, pp.1-61, 2018. 

  2. I. S. Kim, "Research on Tracking system of Odor Emission by Real-time Odor Monitoring System", Ph.D. dissertation, Korea Polytechnic University, pp.1-32, 2009. 

  3. H. H. Kim. "A. Ogata, S. Futamura, "Nonthermal Plasma-Driven Catalysis of Benzene and Toluene", Journal of Korean Society of Environmental Engineers, VOL.22, No.1, pp.43-51, 2006. 

  4. J. S. Jeong, "A Study on the Odor Characteristics per Source Category and the Odor Acceptance by the Public", Ph.D. dissertation, Korea National University of Transportation, pp.17-33, 2017. 

  5. H. J. Kang, "A study of octanal and nonanal analysis method using HPLC/UV and TD/GC/FID system", Master's thesis, Korea Polytechnic University, pp.1-5, 2014. 

  6. C. H. Lee, "Study of eco-friendly NTAP(non-thermal atmospheric plasma) surface treatment process for polyolefin resin", Master's thesis, Kangwon National University, pp.1-10, 2019. 

  7. P. S. Kim, "Oxidention of Carbon Particles by O Radicals Generated in a AC Corona Discharge", Master's thesis. dissertation, Yonsei University, pp.24-27, 2002. 

  8. J. H. Park, "Catalytic Oxidation with or without Ozone at Low Temperature of Benzene over Mn Based Mesoporous Catalysts", Master's thesis, The University of Seoul, pp.12-15, 2012. 

  9. J. H. LEE, "A Study on VOCs and Odor Removal Processes bt Plasma", Ph.D. dissertation, Inha University, pp.51-56, 2012. 

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