저온 플라스마 중합을 이용한 농축된 휘발성 유기화합물의 제거공정

정대철, 조동련, 장재우*, 박민우*

전남대학교 응용화학부, SK건설*

Elimination of Concentrated VOCs by Low-Temp. Plasma Polymerizaion

D.C. Jung, D.L. Cho, J.W. Chang*, M.W. Park*

Department Faculty of Applied Chemistry in Chonnam National University, SK Engineering & Construction*

1. 서 론

휘발성 유기화합물(VOCs; Volatile Organic Compounds)이란 탄소와 수소(CxHy)를 포함하고 있는 유기 화합물로써 인간 건강과 환경에 해로운 영향을 끼치는 대기오염원이다. 휘발성 유기화합물은 실제 공정중에 가장 많이 발생되는 대기 오염원이며 대기중에서 질소 산화물 등과 햇빛에 의한 광화학 반응을 일으켜 스모그 현상의 주범인 지상 오존 농도를 증가시키므로 NOx, SOx와 함께 대기 오염원으로 규제가 강화되고 있는 실정이다.

본 연구에서는 기존의 대기오염처리기술이 가지고 있는 문제점을 개선시키고 VOCs를 효과적으로 제거하기 위해 저온플라스마 중합공정을 이용하였다. 저온 플라스마 중합공정은 장치비가 저렴하고 에너지원이 전기에너지이므로 유지비가 매우 저렴하다. 또한 저온 플라스마 중합공정은 휘발성 유기화합물을 분해해서 분자량이 작고 무해한 분자로 바꾸는 것뿐만 아니라 이들을 활성화를 시켜서 고분자 물질로 고형화를 시키므로 부가생성물의 양을 최소화 시킬 수 있으므로 기타의 코로나 방전이나 전자빔을 이용해서 휘발성 유기화합물을 제거하는 공정보다 매우 효율적인 공정이라 할 수 있겠다.

본 연구에서는 실제 산업체에서 대기중으로 방출되는 농도의 휘발성 유기화합물을  흡착탑을 이용하여 농축을 시키고, 이렇게 농축된 휘발성 유기화합물을 저온 플라스마 중합을 이용하여 분해 및 고형화 공정을 통하여 제거하였다. 본 연구에 사용된 반응장치는 자체적으로 설계하여 제작하였으며, 사용된 휘발성 유기화합물은 균질 탄화수소계의 물질로는 Toluene, Xylene을 사용하였고 비균질 탄화수소계의 물질인 Methylethylketone과  1,1,1-Trichloroethane을 유량과 방 전전력을 변화시켜주면서 VOCs 분해 및 고형화 효율에 대해서 연구하였다.

2. 실 험

2-1. 재 료

실험에 사용된 VOCs는 균질 탄화수소계인 Toluene과 Xylene을 사용하였고 그리고 비균질 탄화수소계인 1,1,1-Trichloroethane(TCE)과 Methylethylketone (MEK)을 사용하였으며, 경우에 따라 부가적으로 공기 또는 아세틸렌을 혼합하여 사용하였다.

2-2 플라스마 반응기 및 처리 공정

본 실험에 사용된 반응장치는 Fig. 1에 나타나 있다. 반응관으로서는 내경이 1/2 inch이고 길이가 38cm인 Pyrex tube를 사용하였으며, 이 반응관의 외벽에 구리판을 이용하여 6쌍의 열전극과 접지전극을 장착함으로써 플라스마가 효율적으로 생성될 수 있도록 하였다.

플라스마 처리는 로터리 펌프를 이용하여 반응기를 초진공으로 만든 상태에서 VOCs 증기를 도입하고, RF 전력 공급 장치와 매칭 네트워크를 사용하여 플라스마를 형성시킴으로써 VOCs가 반응관 내에서 플라스마 중합에 의하여 고형화 되도록 하였다. 처리 시간은 1시간으로 하였으며, 유량은 2 SCCM에서 12 SCCM이 되도록 조정하였고, 방전전력은 30W에서 200W까지 변화시켰다. 또한 VOCs와 함께 공기, 아세틸렌을 주입하여 이들이 VOCs의 고형화에 미치는 영향을 살펴보았다. 공기, 아세틸렌의 함유율은 VOCs와의 유량비로 결정하였고, 트랩은 아이스트랩으로 하였다. 고형화율은 실험 전과 후에 시료, 반응기, 그리고 트랩의 질량을 측정하여 반응기와 트랩의 질량증가량을 시료의 질량감소량으로 나누어 결정하였다

실제 흡착탑과 연결하여 Hybrid system 구성에 사용된 Plasma reactor는 Fig. 2에 나타나 있다. 이 장치는 플라스마 발생부인 Reaction chamber가 직경이 50mm인 Pyrex로 되어 있어 높은 유량의 VOCs를 제거할 수 있고, 뒤쪽은 Stainless Steel로 제작된 Deposition chamber에 냉각장치가 부착되어 VOCs의 고형화율을 높일 수 있도록 설계되었다. Hybrid plasma reactor는 장치가 크고 무거운 관계로 고형화율은 측정할 수 없었으나 반응 후 고형화된 물질을 FT-IR분석을 하였고 잔류가스를 Mass Spectroscopy를 이용을 하여 분석을 하였다.

2. 3 분 석

플라스마 중합에 의하여 고형화된 VOCs의 화학적구조는 FT-IR (Fourier Transform Infrared Spectrometer, Jasco)을 이용하여 분석하였으며, 기체상태로 방출되는 잔류가스는 Mass spectroscopy(QMS 200, Balzers)로 분석하였다.

Fig. 1 Schematic Diagram of a tubular Fig. 2 Schematic Diagram of a plasma

plasma reactor                        reactor for Hybrid System

3. 결과 및 고찰

3-1. 균질 탄화수소계의 제거

Fig. 3은 Toluene과 공기를 다양한 비로 혼합하여 주입하였을 때 200 W에서 플라스마 중합에 의하여 고형화된 Toluene의 고형화율을 보여주고 잇다. 공기는

0 SCCM에서부터 40 SCCM까지 공급하였다. Air가 포함되어있지 않은 톨루엔의 경우 거의 100%에 가까운 고형화율을 보이며 제거가 되었고 Air의 양이 증가하면 고형화와 분해에 의해서 Tolune 제거되었다. 이렇게 고형화된 물질을 FT-IR로 분석한 결과 Toluene의 Aromatic Ring이 모두 깨지고 크기 작은 불질로 분해가 되었음을 확인 할 수 있었다.

Fig. 3 Solidification Efficiency as a       Fig. 4 FTIR Spectra of Solidified

Function of Concentration of Air in     Tolene at Various Air Concentration

Mixture Gas;Toluene 2.67SCCM         20SCCM:87.5%;30SCCM:91.8% 200W

방전전력이 증가함에 따라 Xylene은 거의 100%에 가까운 고형화율을 보이고 있다. 이렇게 고형화된 Xylene을 FT-IR로 분석한 결과 Xylene의 Aromatic Ring이 깨지는 것을 확인 하였다.

Fig 5. Solidification Efficiency as a   Fig 6. FTIR Spectra of Solidified

Function of Discharge Power;         Xylene at Various Discharge Powers

flow rate of Xylene: 2.0 SCCM

3-2 비균질 탄화수소계의 제거

TCE와 MEK의 겨우에는 균질 탄화소소계의 물질보다는 낮은 고형화율을 보였는데, 이는 TCE와 MEK가 Cl과 O를 포함하고 있어 고형화보다는 분해가 되어 잔류가스로 방출되었다고 생각되어 진다. 이와 같은 결과는 FT-IR과 Mass에 의해서 확인을 하였다. 이렇게 고형화 보다는 분해에 의해서 제거되는 TCE와 MEK의 고형화율을 높이기위하여 Acetylene을 첨가하여 처리해 주었으나, 고형화율은 크게 향상되지 않았다.

3-3 Hybrid System의 Plasma Reactor에서의 제거

실제 흡착탑과 연결을 하여 VOCs를 제거하는 Hybrid Reactor에서 VOCs를 처리 하였는데, 효율적을 제거가 되었음을 FT-IR과 Massd에 의해서 확인 할 수 있었다. 이 Hybrid Reactor는 크기가 크고 무거워서 고형화율은 따로 구할 수는 없었다.

Fig 7. Solidification Efficiency as a      Fig 8. Solidification Efficiency as a

Function of Discharge Power of TCE   Function of Discharge Power of MEK

Plasma off

Plasma on

Fig. 9 Mass Spectra of Residual Gas after Plasma Treatment of Toluene in          Hybrid Reactor; Toluene 4.4SCCM + Air 30SCCM  180W

4. 결 론

이상과 같은 연구결과를 종합하면 다음과 같은 결과를 얻을 수 있다.

1. 저온 플라스마를 이용하면 균질 탄화수소계 VOCs는 거의 100%를 고형화시켜

제거할 수 있다.

2. 고형화에 있어서 가장 중요한 플라스마 조건은 VOCs의 단위질량당 공급된

에너 지(W/FM)으로서 고형화율을 높이기 위해서는 어느 정도 이상의 W/FM

을 공급  하여야 한다.

3. 비균질 탄화수소계 VOCs의 경우에는 고형화율은 그리 높지는 않지만 분해를

통하여 제거할 수 있다.

4. 실제 Hybrid System을 구성을 해서 VOCs를 처리해도 고형화와 분해를 통

하여 제거할 수 있다.