광촉매반응과 플라즈마반응을 이용한 SO2, NO의 동시처리

정희록*, 김종순, 주현규, 이태규

한국에너지기술연구소, 태양에너지변환연구센터

연세대학교 화학공학과*

Simultaneous Treatment of SOx and NOx by Using Hybrid System of  Photocatalysis and Plasma Reaction

Hee Rok Jeong*, Jong Soon Kim, Hun ku Joo, Tai Kyu Lee

Photocatalysis and Photoelectrochemistry Research Center,

Korea Institute of Energy Research

Department of Chemical Engineering Yonsei University*

서론

배기 연소가스 중에 포함되어 있는 환경오염물질은 광화학스모그와 산성비등을 발생시키는 원인이 되고, 이것은 심각한 사회문제로 나타나고 있다. 질소산화물(NOX)과 SO2는 그 대표적인 물질로 알려져 있고, 이들의 제거에는 선택적 촉매환원법 및 flue gas desulphurization법이 폭 넓게 사용되고 있다. 그러나, 이러한 방법들은 NOX와 SO2의 고효율적인 제거는 가능하나 고투자비용과 폐기물처리등을 필요로 한다 [1].

광촉매반응을 이용한 환경오염물질의 제거는 최근 활발히 연구되어지고 있다. 특히 저농도의 대기오염물질(NOx, VOCs등)의 제거에는 충분히 그 효율이 높은 것으로 보고되어 있다 [2]. 그렇지만, 고농도의 오염물질의 제거에는 시간이 많이 걸린다는 단점이 있다. 한편, 저온 방전 플라즈마기술은 공업적응용은 물론 환경문제에의 응용 또한 기대되어진다. 예를 들어, 플라즈마반응은 공장, 발전소등에서 화석연료의 사용 후 배출되는 NOx, SO2를 제거하기 위한 건식기술중의 하나로서, 에너지소비를 줄이고 제거효율을 향상시키기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다 [3]. 위의 두 방법들은 대기오염물질의 제거에 있어서 어떻게 활성 radical을 생성시키고, 또 생성된 활성 radical을 반응에 유효하게 이용할 것인가가 과제로 남아 있다. 이러한 의미에서 광촉매반응과 플라즈마반응의 hybrid system은 각각 반응의 단점들을 보완하여 대기오염물질의 제거에 이상적인 형태로 생각되어 진다.

본 연구에서는 광촉매반응, pulsed 플라즈마반응을 이용한 NO와 SO2의 동시제거 및 광촉매반응과 플라즈마반응의 hybrid system을 이용하여 NO와 SO2의 동시처리를 행하였다. 그리고 hybrid system을 사용하였을 때와 각각의 반응을 단독으로 사용하였을 때의 반응 효율에 대하여 검토하였다.

실험방법

반응에 사용한 기체는 NO (1080 ppm) 와 SO2 (998 ppm)의 모사가스(simulated gas)로서 반응시스템에 일정한 유량으로 공급하기 위하여 Mass Flowmeter를 이용하였다. 또 저농도 가스의 준비는 모사가스를 헬리움 가스로 희석한 후 사용하였다. 그리고, O2 가스 (순도 99.9 % 이상) 와 H2O (증류수)를 실험조건에 따라 함께 사용하였다.

Quartz재질로 만들어진 tubular형 반응기( 내경: 2.75 cm, 높이: 50 cm)에 TiO2 (Degussa P-25, 730 mg)를 코팅한 것을 광촉매반응에 사용하였다. 광원으로는 저압수은등을 이용하였다. 플라즈마는 wire cylinder type 반응기를 사용하여 발생시켰다. 음극으로는 텅스텐코발트 (직경: 2 mm, 길이: 800 mm)를 사용하였다. Fig. 1에 플라즈마 반응기를 나타낸다. 플라즈마 형성을 위한 pulse voltage와 frequency는 0∼16 KV, 0.1∼1 KHz 까지 제어 가능한 것을 사용하였다. 플라즈마의 형성은 반응기의 side에 설치된 window를 통하여 확인하였다. Fig. 2에 개략적인 실험방법의 모형도를 나타낸다.

NOx의 분석은 APi사의 Chemiluminescent NOx Analyzer-Model 200AH를 사용하였고, SOx 분석에는 Signal사의 Model 1000 microprocessor를 사용하였다. 그리고 생성물의 분석에는 FTIR 분광기 (Bomen, MB-Series)와 gas detector tube를 사용하였다. Ion chromatograph (Waters 600E controller, ACTION Analyzer)를 사용하여 반응에서 생성된 이온의 분석을 행하였다.

실험결과 및 검토

Fig. 3은 SO2와 NO의 광촉매반응 결과를 나타낸다. SO2의 경우, 약 20분의 반응으로 90% 이상 제거되는 것을 확인 할 수 있었다. 그러나 NO는 거의 반응이 일어나지 않았다. 이것은 SO2의 광촉매반응이 NO의 경우보다 더 용이하게 일어난다는 것을 의미한다. 그리고 SO2의 광촉매반응은 OH radical에 의해 진행된다는 것을 생성물의 분석결과 알 수 있었다.

한편, SO2와 NO의 제거를 위한 플라즈마반응에서 최적의 pulse voltage와 frequency를 검토하기 위해 pulse voltage와 frequency를 변화시켰고, Fig. 4는 pulse voltage변화에 대한 SO2와 NO의 변환율을 나타낸다. 이때 frequency는 256 Hz, 총유량은 800 SCCM (residence time: 38 sec)으로 고정하였다. Fig. 4에서 보듯이 pulse voltage가 3KV 이하에서는 SO2와 NO의 변환율이 0%로 나타났으나 pulse voltage가 3KV 이상에서는 SO2와 NO의 변환이 확인되었다. 이 반응에서는 NO의 변환율이 SO2의 변환율보다 높게 나타났다. 이 결과는 전기방전에 의해 생성된 O radical과 NO가 반응하여 NO2를 생성시키기는 것이 O radical과 SO2가 반응하여 SO3를 생성시키는 것보다 더 빠르게 일어나기 때문으로 생각된다. 결과적으로 광촉매반응과 플라즈마반응에서 SO2와 NO의 변환율은 서로 상반되는 결과로 나타났다.

Fig. 5는 SO2와 NO의 광촉매반응과 플라즈마반응의 복합시스템을 이용하여 그 변환율을 검토한 결과를 나타낸다. 비록 NO의 경우는 플라즈마반응만을 이용했을 때보다 그 변환율이 조금 떨어졌지만 SO2와 NO의 변환율이 함께 약 80%로 높게 나타났다. 이 결과는 광촉매반응에서는 NO의, 플라즈마반응에서는 SO2의 변환율이 낮았지만 광촉매와 플라즈마반응의 복합시스템을 이용하면 효과적으로 SO2와 NO를 동시에 처리 가능하다는 것을 보인다.

참고문헌

[1] J. S. Clements, A. Mizuno, W. C. Finney and R. H. Davis, IEEE Trans. Ind.. Applicat., 25 (1989) 62-69.

[2] J. S. Kim, K. Itoh, M. Murabayashi, Chemosphere, 36 (1998) 483-495.

[3] K. Yan, S. Kanazawa, T. Ohkubo, Y. Nomoto, Plasma Chem. Plasma Process., 19 (1999) 421-443.

Fig 1. Plasma chemical reactor for flue gas treatment.

Fig 2. Schematic illustration of the experimental setup.

Fig 3. SO2/NO photocatalysis depending on time. Two C-lamp was used. Batch reactor was used in the reaction.

Fig 4. SO2/NO conversion ratio vs. pulse voltage. Frequencey was constant as 256 Hz. Initial concentration of SO2 and NO was 140 ppm and 240 ppm, respectively. Total flow rate of the gas was 800 SCCM.

Fig 5. Simultaneous treatment of SO2/NO using plasma and photocatalysis in batch reactor. Initial concentration of SO2 and NO was 150 ppm and 283 ppm, respectively. Two C-lamp was used as a light source. Pulse voltage: 9 KV, Frequency: 256 Hz.