[논문]유전체 장벽 방전 반응기에서 Acetonitrile의 분해 특성

김관태; 송영훈; 신완호; 김석준

문제 정의

이것은 acetonitrile과 반응하고 있는 CAS(Chemically Active Species)의 절대적 양이 부족한 것이 아니라 CAS와 acetonitrile간의 화학반응 속도가 다른 VOC에 비하여 빠르지 않기 때문인 것으로 해석된다. 이와 같이 반응속도가 느린 물질의 경우 흡착제를 사용하여 반응기내 체류시간을 선택적으로 증가시키거나, 촉매를 이용하여 다른 반응경로를 채택하는 방안이 필요하기 때문에 이에 대한 실험을 수행하였다. 그림3은 전극간 공간에 glass bead, (20%)MS5A + (80%)glass 그리고 Pt/r-Al₂O₃를 각각 충진한 경우 분해율을 SED에 따라 나타내었다.

제안 방법

본 연구에 사용한 반응기는 세라믹 평판을 이용한 유전체 장벽 판형 반응기(Dielectric Barrier Plate Reactor)로 방전부와 흡착제(또는 촉매)등을 충진할 수 있는 충진부가 연결된 2단의 형태이며, 방전부의 전극간 공간에 평균지름 2mm인 glass, 흡착저)(MS 5A, MS 13X), Pt/r-Al₂O₃(0.5 wt.%)등을 충진하여 충진물에 따른 공정별 분해특성을 알아 보았다. 실험장치는 크게 온도와 반응물의 농도 제어부, 플라즈마 반응기, 전력 및 가스분석 계측부로 구성되었으며, acetonitrile은 온도조절이 가능한 수조(water bath)에서 공기를 통과시켜 발생되는 증기를 희석공기와 혼합하여 사용하였다.
인가전압의 측정은 고전압 프루브(10, 000X)와 오실로스코프(Tektronix TDS 210)을 이용하였으며, 방전전력은 Lissajou's Plot을 이용하여 계산하였다. 실험은 25℃로 유지된 항온 챔버내에서 유량 10ℓ/min, 처리농도 약1OOOppm 기준으로 수행하였으며, 처리가스의 농도계측에는 on-line으로 연결된 GC/FID(HP 6890)와 광로(optical path) 8m인 가스셀을 장착한 FTIR(Bio-Rad) 분광계를 사용하였다.
그림에서 보는 바와 같이 glass bead의 경우 그림1과 동일한 결과를 얻은 반면, 흡착제 및 촉매를 사용한 경우 동일한 공급전력에서 보다 높은 분해율을 얻을 수 있었다, 특히 Pt/r-A1₂O₃의경우 SED가 증가함에 따라 분해율이 급격히 증가하였는데, 이는 SED의 증가에 따라 반응기내의 온도도 함께 상승하여 Pt 촉매의 thermal activation에 의한 영향으로 생각된다. 자세한 분석을 위하여 Pt 촉매를 충진한 반응기를 oven에 넣은 다음, 전력을 공급하지 않고 단순히 oven의 온도를 조절하여 촉매공정만으로 분해한 결과를 플라즈마/촉매의 복합공정과 비교하였다. 그림4에서 보는 바와 같이 복합공정에서는 130℃ 이상부터 플라즈마와 열에너지에 의한 시너지효과로 분해율이 급격히 증가하였으나, 촉매만의 공정에서는 200℃ 이상에서 촉매의 활성이 관찰되었다.

대상 데이터

%)등을 충진하여 충진물에 따른 공정별 분해특성을 알아 보았다. 실험장치는 크게 온도와 반응물의 농도 제어부, 플라즈마 반응기, 전력 및 가스분석 계측부로 구성되었으며, acetonitrile은 온도조절이 가능한 수조(water bath)에서 공기를 통과시켜 발생되는 증기를 희석공기와 혼합하여 사용하였다. 희석공기는 압축공기(R.
실험장치는 크게 온도와 반응물의 농도 제어부, 플라즈마 반응기, 전력 및 가스분석 계측부로 구성되었으며, acetonitrile은 온도조절이 가능한 수조(water bath)에서 공기를 통과시켜 발생되는 증기를 희석공기와 혼합하여 사용하였다. 희석공기는 압축공기(R.H 12%), 전력공급은 교류전원(400Hz)을 이용하였으며, 모든 가스의 유량은 MFC로 조절하였다. 인가전압의 측정은 고전압 프루브(10, 000X)와 오실로스코프(Tektronix TDS 210)을 이용하였으며, 방전전력은 Lissajou's Plot을 이용하여 계산하였다.

이론/모형

H 12%), 전력공급은 교류전원(400Hz)을 이용하였으며, 모든 가스의 유량은 MFC로 조절하였다. 인가전압의 측정은 고전압 프루브(10, 000X)와 오실로스코프(Tektronix TDS 210)을 이용하였으며, 방전전력은 Lissajou's Plot을 이용하여 계산하였다. 실험은 25℃로 유지된 항온 챔버내에서 유량 10ℓ/min, 처리농도 약1OOOppm 기준으로 수행하였으며, 처리가스의 농도계측에는 on-line으로 연결된 GC/FID(HP 6890)와 광로(optical path) 8m인 가스셀을 장착한 FTIR(Bio-Rad) 분광계를 사용하였다.

성능/효과

180W로 유지한 상태에서 실험한 결과이다. acetonitrile의 초기농도를 400에서 1,800 ppm 까지 변화시키면서 분해율을 평가한 결과, 초기농도를 증가하여도 농도증가분에 비해 분해율은 크게 감소하지 않는 것으로 나타났다. 즉 SED(Specific Energy Density)값으로 1080J/L는 톨루엔이나 TCE등 다른 VOC와 비교하여 상당히 높은 에너지임에도 불구하고 분해율은 40% 이하로 제거가 어려운 물질임을 알 수 있었다.
그림4에서 보는 바와 같이 복합공정에서는 130℃ 이상부터 플라즈마와 열에너지에 의한 시너지효과로 분해율이 급격히 증가하였으나, 촉매만의 공정에서는 200℃ 이상에서 촉매의 활성이 관찰되었다. 따라서 플라즈마/촉매공정은 촉매의 온도창(temperature window)을 저온 영역으로 확장시켜 주는 효과가 있으며, 낮은 온도 영역에서 촉매가 활성화되는 mechanism은 단순히 Pt의 thermal activation만으로는 설명하기 어렵다는 것을 알 수 있었다.
acetonitrile의 초기농도를 400에서 1,800 ppm 까지 변화시키면서 분해율을 평가한 결과, 초기농도를 증가하여도 농도증가분에 비해 분해율은 크게 감소하지 않는 것으로 나타났다. 즉 SED(Specific Energy Density)값으로 1080J/L는 톨루엔이나 TCE등 다른 VOC와 비교하여 상당히 높은 에너지임에도 불구하고 분해율은 40% 이하로 제거가 어려운 물질임을 알 수 있었다. 그러나 초기농도를 4배이상 증가하여도 분해율이 큰 차이를 보이지 않는 것은 초기농도가 증가할수록 처리된 acetonitrile의 양은 오히려 증가되었음을 의미한다(그림 2).

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