[논문]분무수 pH 변화에 따른 에어와셔의 가스제거 성능변화

남승백; 하종필; 김태형; 문인호; 조인수

분무수 pH 변화에 따른 에어와셔의 가스제거 성능변화
Gas removal efficiency of air washer system according to pH of sprayed water 원문보기

남승백 ((주)신성이엔지 기술연구소) , 하종필 ((주)신성이엔지) , 김태형 ((주)신성이엔지) , 문인호 ((주)신성이엔지) , 조인수 ((주)신성이엔지)

In this study, experiment was done to verify the relationship between sprayed water's pH and gas removal efficiency of the Air Washer system. The experiment was done with sprayed water's pH in between pH 4.7 to 7.7, and Ion Chromatography analysis was used to identify the system's gas removal efficiency. As a result, $NH_3$ is removal efficiency decreased under 50% above pH 7, and $SO_X$ and $NO_X$ removal efficiency decreased under pH 6. Through this research, the optimum pH operating condition of the Air Washer System was conformed to be in range between pH6 to pH6.5.

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문제 정의

그러나 외기의 상황이 계절별로 변동하고 특히 외기 중에 알칼리성 가스보다는 산성가스가 다량 포함되어 있어⁽⁶⁾ 에어와셔를 순환하는 물은 pH가 낮은 쪽으로 변화할 가능성이 높다. 따라서 이러한 경우에 대비하여 pH 변화에 따른 제거대상가스의 제거성능에 대한 기초자료를 확보할 필요성이 있는 것이다. 본 실험결과에 의하면 에어와셔에서 제거대상가스인 NH₃, SOx, NOx 에 대하여 총괄제거효율을 높이기 위해서는 pH를 6~6.
7의 범위에서 NH₃, SOx, NOx의 제거성능 실험결과를 정리하고, pH가 각 가스의 제거성능에 미치는 영향을 파악하고자 한다. 또한 pH에 따른 각 가스의 제거성능이 변화하는 원인을 분석하고자 한다.
본 연구에서는 순수를 이용하는 에어와셔에 있어서 분무수의 pH에 따라 주요 대상가스인 NH3, SOx, NOx의 가스제거 성능성능의 변화를 파악하여 설계의 기초데이터로 사용하고자 한다.
본 장에서는 에어와셔 실험에 있어서 분무수 pH 4.7~7.7의 범위에서 NH₃, SOx, NOx의 제거성능 실험결과를 정리하고, pH가 각 가스의 제거성능에 미치는 영향을 파악하고자 한다. 또한 pH에 따른 각 가스의 제거성능이 변화하는 원인을 분석하고자 한다.

제안 방법

가스 제거성능을 측정하기 위해 임핀저를 실험장치 공기 흡입구측과 엘리미네이터 후단의 하부 중앙, 즉, 엘리미네이터 바닥에서부터 수직으로 125mm위치(엘리미네이터를 상하단으로 나누었을 때 하단의 중간부 높이)에서 측정하였다. 그 이유는 상부분무 노즐로부터 분무된 순수가 엘리미네이터에 골고루 전파되어 정상적인 효율을 나타내기 위해서는 일정구간을 지나야 하는데 수직으로 중간 위치, 즉 엘리미네이터 바닥에서 수직으로 250mm인 경우에는 엘리미네이터가 후반부(공기출구측)까지 충분히 젖지 않기 때문에 엘리미네이터가 후반부까지 충분히 젖는 하부의 중앙에서 샘플링(sampling)하였다.
본 연구에서는 순수를 공급하는 에어와셔의 분무수 pH에 따른 NH₃, SOX, NOX 의 제거성능을 실험을 통하여 구했다. 실험결과를 통하여 분석한 내용을 다음과 같이 정리하였다.
본 실험의 주요변수인 pH를 조절하기 위해서 분무수저장탱크에 황산용액을 일정량 범위에서 용해시켰다. 실험이 진행되는 공간은 기본적으로 NH₃의 공기 중 농도가 20ppb이상이었으나 SOx와 NOx의 농도는 상대적으로 낮아 실내 유입공기가 실험장치의 엘리미네이터에 의해서 분무수저장탱크로 녹아들어갈 때 분무수저장탱크의 pH를 7이상으로 높이려는 특성을 가지고 있어 본 실험에서는 pH를 낮추는 방법으로 황산용액을 일정농도로 용해시키는 방법을 사용하였다. Fig.
분무수저장탱크에 저장된 분무수는 순환펌프에 의해 엘리미네이터 상부에 공급된다. 이 때 분무수공급을 엘리미네이터 상부에 고르게 하기 위해 분무면적이 직사각형 형태로 분무되도록 노즐을 개발하여 사용하였다.
임핀저에 샘플링된 가스는 IC 장비로 양이온과 음이온에 대해서 분석을 진행하였다.

대상 데이터

실험은 Table 1과 같은 사양 및 조건으로 진행하였다. 본 실험은 실내에서 진행되었으며 각 가스의 유입농도는 NH₃ : 22~33ppb, SOx : 0.2~2.8 ppb, NOx : 5.0~15.9 ppb 범위이다. 이러한 가스상의 농도는 인위적으로 조절하지 않은 실내 공기중의 가스상 농도이다.
1은 본 실험에서 사용한 에어와셔 기초실험장치의 개략도이다. 시스템은 필터부와 에어와셔부, 팬부 그리고 분무수 공급 장치부로 구성되어 있다. 필터는 외조기에서 주로 사용하는 부품의 배열순서를 따라 설치하였다.

이론/모형

흡입공기는 프리필터와 미디엄필터를 통과한 후 에어와셔부를 통과하게 된다. 분무형태는 엘리미네이터 상부에서 분무하는 상부분무형태를 이용하였다. 순수제조장치는 원수(시수)를 받아 18MΩ cm의 초순수를 생산하여 분무수저장탱크에 공급한다.

성능/효과

(1) NH₃ 제거효율에 있어서, 분무수의 pH 6.0 이하에서는 90%이상의 높은 제거효율을 지속적으로 나타내었으나, pH가 7.2 이상이 되면 제거효율이 50%이하로 급격히 낮아졌다. 이는 분무수의 알칼리화로 인하여 알칼리 가스인 NH₃ 에 대한 이온해리도가 pH 7을 기준으로 급격히 감소함에 기인한 것으로 판단된다.
(2) SOx 제거효율에 있어서, 분무수의 pH 6.0 이상에서는 80~90%의 높은 제거효율을 지속적으로 나타내었으나, pH 6.0 이하에서는 70~80%로 낮아졌다. 이는 분무수의 산성화로 인하여 산성가스인 SOx에 대한 이온해리도가 낮아졌기 때문으로 판단된다.
(3) 전술한 결과에서 pH 6.0을 기준으로 pH가 증가함에 따른 NH₃의 제거효율의 감소율이 pH가 감소함에 따른 SOx의 제거효율 감소율보다 급격하게 나타났다. 이는 Fig.
(4) NOx 제거효율에 있어서, pH 6.5 이상에서는 50~70%의 넓은 범위에서 가스제거효율을 나타내었고, pH가 4.7까지 낮아지면 40%까지 감소하였다. 이는 분무수의 산성화로 인하여 산성가스인 NOx에 대한 이온해리도가 낮아져서 나타난 결과로 판단된다.
(5) 이상의 결과에 의하여, 순수를 분무수로 사용하는 에어와셔에 있어서, 제거대상가스인 NH₃, SOx, NOx의 제거효율을 최적으로 제어하기 위해서는 분무수의 pH를 6.0~6.5의 범위에서 조절해야 함을 알 수 있었다.
따라서 이러한 경우에 대비하여 pH 변화에 따른 제거대상가스의 제거성능에 대한 기초자료를 확보할 필요성이 있는 것이다. 본 실험결과에 의하면 에어와셔에서 제거대상가스인 NH₃, SOx, NOx 에 대하여 총괄제거효율을 높이기 위해서는 pH를 6~6.5 의 범위에서 운전하는 것이 최적임을 도출해 내었다.
이 때 가스의 제거효과는 분무수에 대한 대상가스의 이온해리도⁽¹⁾ 및 물질전달계수⁽⁴⁾와 관련되는 것으로 판단된다. 본 연구에서 분무수의 pH가 7이상이 되면 알칼리성을 띄기 때문에 알칼리성 가스인 NH₃의 분무수에 대한 이온해리도가 낮아져서 제거성능이 감소하는 결과로 나타난다. 이를 뒷받침하는 연구결과로서 Fig.
임핀저법은 산성가스에 대해서 사용하는 일반적인 방법이나 NOx계를 사용하는 경우와 비교하면 대기 중 NOx의 80~90%를 차지하는 NO₂에 대하여 전체 양 중의 10~30%만 포집하고 있는 것으로 발표되었다⁽⁵⁾. 이러한 결과를 토대로 볼 때 NOx의 물에 대한 용해도 및 이온해리도가 NH₃와 SOx에 비해서는 매우 낮다는 것을 알 수 있다. 따라서 에어와셔에 있어서 NOx의 제거성능이 NH₃와 SOx의 제거성능보다 현저히 낮게 나타남을 알 수 있다.
4에서 pH에 따른 SOx의 이온해리도가 pH 6을 기준으로 pH 4까지 완만하게 떨어지는 것과 관계가 있다. 즉 pH에 대한 이온해리도의 감소율에 있어서, pH 6을 기준으로 pH가 증가하는 경우의 NH₃의 이온해리도 감소율보다 pH가 감소할 때의 SOx의 이온해리도 감소율이 더 작아 SOx의 제거효율이 pH 4.7인 경우에도 70% 이상의 결과를 나타내고 있다고 판단된다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

가스상의 오염원은?

가스상의 오염원으로는 외기에서 유입되는 것과 클린룸 내부의 오염원이 있다. 외기에 포함된 오염 성분은 대표적으로 NH3, SOX, NOX 등을 들 수 있으며 이에 대한 제거 수단으로서는 공기 중에 물을 분무하여 가스를 제거하는 에어와셔와, 가스성분의 선택적인 흡착을 통해 제거하는 케미컬 필터가 있다.

대표적인 외기에 포함된 오염 성분은?

가스상의 오염원으로는 외기에서 유입되는 것과 클린룸 내부의 오염원이 있다. 외기에 포함된 오염 성분은 대표적으로 NH3, SOX, NOX 등을 들 수 있으며 이에 대한 제거 수단으로서는 공기 중에 물을 분무하여 가스를 제거하는 에어와셔와, 가스성분의 선택적인 흡착을 통해 제거하는 케미컬 필터가 있다. 에어와셔는 초기설치비는 고가인 반면 유지보수가 용이하고 시간에 따른 가스제거 성능의 저하가 없어 최근 반도체용 클린룸의 외조기에 다수 적용되고 있다.

반도체용 클린룸에 사용되는 에어와셔의 장단점은?

외기에 포함된 오염 성분은 대표적으로 NH3, SOX, NOX 등을 들 수 있으며 이에 대한 제거 수단으로서는 공기 중에 물을 분무하여 가스를 제거하는 에어와셔와, 가스성분의 선택적인 흡착을 통해 제거하는 케미컬 필터가 있다. 에어와셔는 초기설치비는 고가인 반면 유지보수가 용이하고 시간에 따른 가스제거 성능의 저하가 없어 최근 반도체용 클린룸의 외조기에 다수 적용되고 있다.

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