저온 플라즈마를 이용한 아세트알데히드 분해

이상수, 김현종, 박주일, 설용건, 최광호*, 김석기*, 이승길*

연세대학교 화학공학과, 코오롱건설(주) 기술연구소*

Decomposition of Acetaldehyde using Non-thermal plasma

Sang Soo Lee, Hyun Jong Kim, Joo Il Park, Yong Gun Shul,

Kwang-Ho Choi*, Seok-Ge Kim*, Seung-Kil Lee*

Department of Chemical Engineering, Yonsei University

Kolon Eng.& Const., LTD. R&D Center*

1. 서론

Plasma를 이용한 VOC화합물 제거는 반도체제조 공장으로부터 방출되는 휘발성 세정제의 분해, 실내 공기 정화, 살균제 또는 살충제의 현장분해와 같이 넓고 용이한 이용 가능성 때문에 그에 따른 관심이 증대되고 있는 추세이다.

Non-thermal plasma의 물리적 특성분석과 일반적인 chemistry는 이미 널리 알려져 있고[1], Gas discharge technology는 여러 가지 형태의 반응기를 이용하여 현재 연구되어지고있는 실정이다. 하지만 VOC 분해와 부산물 생성에 대한 mechanism이 아직 정확하게 이해되지 않고 있어 다양한 촉매, 담체 영향에 따른 VOC 분해경향과 중간 생성물 또는 부산물을 정확히 분석하는 것이 필요하다.

저온 플라즈마를 이용하여 유해가스(VOCs)를 처리하려는 연구가 기존의 많은 연구자들에 의해 수행되어왔다[2,3]. 플라즈마를 이용한 유해가스 처리는 크게 전력 소비율 절감 및 제거 효율 향상, 반응메카니즘의 규명, 부산물(byproducts) 절감 등에 초점을 맞추어 연구되어왔다. 제거 효율의 향상 측면에서는 유전체로 TiO2, BaTiO3, Glass bead 등을 충진하는 방법을 사용함으로써 해결하고자 하는 노력이 지속되어왔다[4,5]. 또한 반응 중에 생성되는 부산물(byproducts)을 처리하고자 촉매와 저온 플라즈마를 동시에 사용하는 hybrid방식의 저온 플라즈마 반응장치가 제안되었다[6]. 그러나 VOCs 의 제거에 관한 연구는 아직까지 잘 알려져 있지 않고 있으며, 이에 대한 연구가 여전히 활발히 진행되고 있다.

본 연구에서는 저온 플라즈마 반응기에 유해가스로 아세트알데히드(acetaldehyde)를 주입하여 유전체의 영향을 알아보기 위해 각각의 다른 유전체를 변화하여 실험을 수행하였다. 그리고, 반응시 발생하는 오존(O3)이 유전체에 따라 어떻게 변화하는지 그 영향을 알아보았다. 또한, 유해가스의 농도에 따른 영향을 알아보기 위해 각각의 조건별 농도의 유해가스를 주입하여 그 영향을 알아보았다.

2. 실험 장치 및 방법

2.1 실험장치

본 연구에서는 유해가스 농도에 따른 영향과, 충진물에 따른 영향을 알아보기 위해 단순한 형태의 batch type의 AC packed bed reactor를 사용하였으며, [Fig. 1]은 AC packed bed reactor와 온도유지를 위한 heating 장치, power supply, pump를 포함한 실험 장치를 나타내고 있다. 반응기에 사용된 barrier의 재질은 Pyrex tube(외경 30mm, 두께 1.6mm, 길이 350mm)이며, 중심전극으로는 직경이 mm인 stainless steel wire를 사용하였다. Pyrex tube의 외벽에 두께 0.3mm, 가로길이 125mm, 세로길이 190mm의 구리판을 장착하여 외부전극으로 사용하였다. 반응기 내부에는 3mm정도의 각각의 유전체를 플라즈마 생성부인 중앙부에 충진하고, 양쪽에 절연판을 사용하여 고정시켰다. 그리고, 아세트알데히드는 각각의 농도에 따라 반응기에 공급되었다. 이때 반응기를 통과하는 아세트알데히드의 유속은 3L/min였으며, 반응기 내부의 아세트알데히드의 농도가 정상상태에 도달하여 일정한 농도로 유지하도록 한 후 반응을 실시하였다. 전원 공급으로는 교류 전원(AC power supply, 60Hz, P. 20kV/10mA, CV-mode)를 사용하였으며, 아세트알데히드의 농도측정을 위해 Gas Chromatograph(GC-8A ; Shimadzu)를 사용하였으며, column으로는 porapak-T를 사용하였다.

2.2 실험 절차 및 조건

실험 온도는 313K에서 수행되었으며, 충진물이 없는 상태에서 농도에 따른 영향을 조사하였고, 직경 3mm의 silica bead와 titania silica bead 충진물질을 사용하여 플라즈마 반응에 대한 담체의 영향을 알아보았다. 반응기 내부를 통과하는 아세트알데히드의 유속은 3L/min, current는 0.4mA로 고정하였다.

3. 실험 결과 및 토의

3.1 아세트알데히드 농도에 따른 영향

본 연구에서는 아세트알데히드의 농도를 1800, 4200, 9000ppm 세 조건으로 실험을 실시하였다. 실험 결과 반응물의 농도가 낮을수록 반응성은 증가하였으며, 반응 5분이내에 반응물의 80% 이상이 감소한 것으로 나타났다[Fig. 2].

3.2 충진물에 따른 영향

Fig. 3은 충진물이 없는 경우와 silica bead, TiO2/SiO2 bead가 충진되었을 경우의 반응성의 변화를 보여준다. 플라즈마 반응시에 발생하는데, 생성된 오존(O3)은 오염물 분해에 있어서 반응을 촉진하는 물질로 잘 알려져 있다. 충진물로 silica bead가 사용될 경우 아세트알데히드의 분해 반응률이 낮은 이유는 플라즈마 반응시에 발생하는 오존(O3)이 silica bead에 과량 흡착되어 반응에 참여하는 오존량이 감소가 원인으로 생각된다. UV영역(□<388nm)의 빛이 조사될 때 광촉매(TiO2)는 활성을 나타내며, 또한, 오존(O3)은 광촉매 분해 반응에 effect하다는 연구 결과가 많이 보고되고 있다. TiO2/SiO2 bead의 경우, 플라즈마 반응에서 발생된 자외선과 오존이 복합적인 요인으로 작용하여 silica bead의 경우보다 반응효율이 증가한 것으로 생각된다. 그러나, 본 연구에서는 충진물이 없을 경우가 가장 반응 효율이 높은 것으로 나타났다[Fig. 3].

4. 결론

1. 아세트알데히드의 농도가 낮을수록 반응성은 더 높았으며, 5분내에 거의 80% 이상이 분해되었다.

2. 충진물이 없을 경우에 가장 반응성이 높았으며, TiO2/SiO2 bead가 충진되었을 경우가 silica bead의 경우보다 더 반응성이 증가하였다.

5. 참고문헌

1. B.Eliasson, IEEE Trans. Plasma Sci., 19 (1991) 1063

2. Kim H.-H., Tsunoda, K., Katsura, S., Mizuno, A., 1997, IEEE Industry, Application Society Annual Meeting, October, pp. 1937-1941.

3. 송영훈 외, 1996, 한국대기보전학회지, Vol. 8, No. 5, pp. 543-550

4. Yamamoto, T. et al, 1996, J. Adv. Oxid. Technol., Vol. 1, No. 1, pp. 67-78

5. 김현하 외, 1996, 대한환경공학회지, Vol. 8, No. 5, pp. 543-550.

6. Yamamoto, T. et al, 1996, IEEE Trans. Ind. Appl., Vol. 32, No. 1, pp. 100-105.

Fig 1. Schematic of AC packed-bed reactor

Fig 2. Decomposition of acetaldehyde                  Fig 3. Effect of catalysts

with intial concentration