저온 플라스마를 이용한 VOC의 분해 및 고형화

최 홍영, 조 동련, 백 기황*, 장 재우*

전남대학교 공과대학 정밀화학과, SK건설(주)*

Decomposition and Solidification of concentrated VOC by low temperature plasma

H. Y. Choi, D. L. Cho, K. H. Baek*, J. W. Chang*.

Dept. of Fine Chemicals and Process Eng., Chonnam National University,

SK Engineering ＊ Construction.*

서  론

휘발성 유기화합물(volatile organic compounds: VOCs)은 인간 건강과 환경에 해로운 영향들을 끼치며 오랫동안 대기 오염원으로 취급되어 왔다. 이들은 ppm  단위의 농도에서도 악취의 원인이 되어 불쾌감과 혐오감을 유발하며 인화성이 강하여 화재폭발에 의한 안전 사고의 원인이 되기도 한다. 이러한 VOC는 화학공장, 수지제조 및 가공공장, 인쇄, 도장공장, 정유공장 등의 일반 산업시설과 폐수 및 폐기물 처리장 등 여러 곳에서 발생된다. 또한, VOC는 대기 중에서 질소산화물 등과 햇빛에 의한 광화학 반응을 일으켜 스모그현상의 주범인 지상 오존 농도를 증가시키므로 NOx, SOx 와 함께 휘발성 유기 화합물에 대한 규제가 강화되고 있다.

따라서, VOC 발생을 최소화하고 이미 발생된 VOC를 처리하는 기술을 발생원에 적용하려는 시도는 급속히 확대될 전망이다. 하지만, VOC를 발생원에서 처리할 경우 막대한 시설투자가 예상되므로 경제적이면서도 효율적인 처리기술의 개발이 시급한 문제로 떠오르고 있다. 전통적으로는 열 소각, 촉매 산화, 응축, 흡착, 흡수 등의 단위조작을 이용한 기술들이 사용되어 왔으나 최근에는 UV oxidation, 코로나 또는 플라스마를 이용하는 신기술들의 개발에 관심이 쏠리고 있다. 본 연구에서는 막분리 공정이나 흡착 공정 등으로 농축된 VOC를 저온 플라스마로 처리하여 고분자 형태로 바꾸어 고체표면에 집적시킴으로써 VOC를 효율적으로 제거할 수 있는지를 살펴보았다. 이 방법을 이용하면 상온 하에서 VOC를 대부분 고체상의 고분자로 전환시킬 뿐만 아니라 배기가스의 조성이 이산화탄소 및 물로 이루어지기 때문에 VOC의 분해반응에 따른 부가적인 환경오염에 대한 우려를 최소화시킬 수 있다.

실  험

VOC 시료로서는 VOCs 중 대표적인 물질인 톨루엔을 사용하였다. 실험을 위한 플라스마 공정의 개략적인 장치도는 Fig. 1에 나타나 있는데, 반응기로서는 1/4 inch 유리관을 이용하였고, 전극은 효율적인 플라스마 공정을 위해 6개로 하였다.

로터리 펌프를 이용하여 반응기를 진공으로 만든 상태에서 톨루엔 증기를 도입하고, 13.56MHz R.F power supply를 사용 플라스마를 형성시켜 반응기 내에서 톨루엔을 플라스마 중합에 의해 고체화되도록 하였다.  톨루엔의 압력을 700 mtorr와 1 torr로 고정시킨 후  discharge power를 100W까지 변화시키면서 전환율을 살펴보았고, 처리시간은 1시간으로 고정하였다. 또한 VOC 농축시 약간의 공기가 함유될 가능성을 고려하여 공기 함유시의 변화를 살펴보기 위해 10% 공기의 함유시 전환율 변화를 살펴보았다.

생성물의 분석은 FT-IR을 이용하였고, 무게 변화를 측정하여 전환율을 계산하였다.

Fig. 1 Schematic diagram of a tubular plasma reactor

A : Vacuum pump          E : inlet valve for Air

B : Ice  trap               F : Power supply

C : Electrode               G : Pressure gauge

D : Vacuum chamber       H : Monomer reservoir

결과 및 토론

Fig. 2는 톨루엔의 압력이 700 mtorr와 1 torr일 때 톨루엔의 고체전환율이 discharge power에 따라 어떻게 변하는 지를 보여주고 있다. 처음에는 discharge power가 증가함에 따라 전환율이 급격히 증가하다가 일정값에 이르면 감소한 다음 다시 증가하고 있다. 이는 기체유량에 비해 discharge power가 너무 커짐에 따라 ablation이 시작되었기 때문으로 추정된다. 즉, discharge power가 일정값보다 커지게 되면 코팅된 필름의 일부가 ablation 현상에 의하여 아주 작은 분자들로 분쇄되어 기체 상태로 배출됨에 따라 고체전환율은 줄어들게 된다. 히지만, 이렇게 분쇄된 분자들의 양이 더욱 증가하게 되면 배출되기 전에 다시 고분자 상태로 재결합될 수 있기 때문에 고체 전환율이 다시 증가하게 된다.

톨루엔을 고형화시켜 제거하는데 가장 효율적인 discharge power는 톨루엔의 압력에 따라 달라졌다. 700 mtorr일 때는 40W가, 그리고 1 torr일 때는 상대적으로 높은 60W가 가장 효율적이었다. 이러한 결과로도 알 수 있듯이 저온 플라스마 공정은 power, 유량, 온도 등 다양한 변수들의 영향을 고려하여 적정 조건을 찾는 것이 가장 중요하다고 생각된다.

공기가 톨루엔에 포함되었을 때의 고체전환율은 Fig. 3에 나타나 있다. 그림에서 보는 바와 같이 10%의 공기를 포함한 톨루엔은 고체 전환율이 순수 톨루엔에 비해서 약 20% 정도 감소됨을 알 수 있다. 이는 공기중에 포함된 산소가 고분자 형성 반응을 억제하였기 때문이지 톨루엔이 분해되지 않았기 때문이 아니다.

생성된 고형화물의 분석을 위하여 FT-IR을 이용, 순수 톨루엔과 비교한 결과를 Fig. 4에 나타내었다. 고형화물의 경우 C-H peak에 있어서 3050□-1 근처에서 나타나는 aromatic 부분의 peak가 상당히 감소되었고, 2900□-1 근처의 aliphatic peak 부분이 상대적으로 증가됨을 보여주었다. 또한  1680□-1 근처에서 순수 톨루엔에서는 보이지 않았던 aliphatic C=C 결합이 새로이 생긴 것을 볼 수 있었다. 이것은 플라스마 공정 하에서 톨루엔은 그 구조가 전혀 다른 새로운 형태의 고분자로 바뀌었음을 확인할 수 있었다.

참고문헌

1. H. Yasuda, Plasma Polymerization, Academic press, Inc (1985)

2. 이원호, 휘발성 유기 화합물, LG화학 고분자 기술, 제 34호 (1995)

3. S. Futamura, T. Yamamoto, The dependence of nonthermal plasma            behavior of VOCs on their chemical structures, Jourmal of Electrostatics,      pp 51 - 62, 42, (1997)

4. Toshiaki Yamamoto, VOC Decomposition by Nonthermal Plasma Processing     - A New Approach, Journal of Electrostatics, pp 227 - 238, 42, (1997)

5. Pavia Lampman Kriz, Introduction to Spectroscopy, Saunders College          Publishing (1996)

감사의 글

본 연구는 생산기술연구원 청정생산기술개발사업의 지원으로 수행되었으며, 이에 감사드립니다.

Fig. 4 톨루엔과 고형화물의 FT-IR graph

(실선: 톨루엔,  점선: 플라스마 중합된 고형화물)