1.서 론

악취는 황화수소, 메르캅탄류, 아민류, 그밖에 자극 성이 있는 물질이 사람의 후각을 자극하여 불쾌감과 혐오감을 주는 냄새로 악취방지법에서 정의하고 있다 (ME, 2016). 최근 산업의 발전으로 화학물질의 사용이 증가하고 그 중 휘발성 유기화합물질의 사용이 증가하 였다. 휘발성 유기화합물질 배출오염원은 인위적인 배 출원과 자연적인 배출원으로 분류된다. 특히 자연적인 배출원 보다는 인위적인 배출원에 대하여 관리가 필요 하다. 인위적 배출원에서 대기 중으로 배출되는 휘발성 유기화합물질의 정량화 과정이 필요하다(Seo, 2013). 국내의 주요 배출원의 배출 구성비는 다르나 오염원 종류는 미국, 유럽과 유사하다는 가정 하에 전체 휘발 성 유기화합물질 배출량에 기여하는 비중이 클 것으로 예상되는 7가지 오염원 즉, 자동차(배기관과 증발), 도 장(페인트)산업, 인쇄시설, 세탁시설, 아스팔트 도로포 장, 유류저장 및 출하시설에 대해 배출량을 산정하고 있다(Jeon, 2005). 고농도의 휘발성유기화합물질에 노 출 시 마취작용(중추신경계 억제), 현기증, 마비 및 사 망 등 급성장애를 일으킨다. 또 대기 중의 휘발성유기 화합물질의 가장 중요한 역할은 질소산화물과 같이 존 재하며 OH radical과 반응, 오존을 생성시켜서 광화학 옥시단트의 원인 물질이 된다. 환경부에서는 2011년 화학물질 배출량 조사결과를 발표한 내용에 보면 화학 물질별로는 용매제 또는 희석제로 주로 사용하는 xylene (32.3%), toluene (13.9%), ethyl acetate (7.2%) 이 상위 3개 물질로 분석되었다(ME, 2011). 공단지역 에서의 악취유발시설은 다양하고 배출량 또한 공공하 수처리시설과 같은 악취와는 조금의 차이가 있다. 유기 성물질의 배출과 동시에 무기성물질을 동시에 배출함 으로 악취처리에 어려움을 겪고 있으며 여러 종류의 저감 장치 및 제거 장치가 있으나 고액의 유지관리 비 용으로 활성화가 되지 않고 있다. 휘발성 유기화합물질 (VOCs)의 처리방법은 크게 나누어 VOCs물질을 회수/ 재사용하는 방법과 분해하는 방법이 있다. 배출되는 VOCs가 단일배출구에서 비교적 높은 농도로 배출되고 경제성이 있는 경우(즉, 회수비용이 구입비용보다 적은 경우)에는 회수시설을 설치하는 것이 바람직하다. 흡착 (carbon adsorption), 세정(scrubbing), 저온응축(cryogenic condensation)은 회수가 가능한 기술이다(ME, 2000). VOCs 물질의 회수 가치가 없을 경우 회수시설 보다는 분해시설을 설치하는 것이 바람직하다. 열소각 (thermal oxidation), 촉매소각(catalytic oxidation), 생물 여과(biofiltration) 등은 VOCs의 분해 시 이용 가능한 기술이다(Jeon, 2014). 휘발성 유기화합물질 제거에 열 분해 소각과 촉매를 이용하는 방법이 최상의 방법으로 많이 사용 중에 있으나 관리의 어려움이 있다.

본 실험에서는 마이크로파를 발생시키는 장치를 설 치하여 마이크로파에 의해서 고온으로 가열된 유전체 (SiC)에 BTEX를 통과시켜 제거 가능한지를 보여준다. 마이크로파는 전하와 쌍극자를 가지는 유전체 물질에 흡수되어 마이크로파 주파수의 진동에 의해 가열되고 열에너지로 변환시켜 에너지를 발생시키는 원리로 열 전도에 필요한 시간이 없이 급속 가열이 가능하다 (Baek, 2012). SiC는 마이크로파를 잘 흡수하여 자신이 고온으로 가열되는 발열체가 된다. 고온의 발열체 구간 에 휘발성유기화합물질의 대표 물질인 benzene, toluene, ethyl benzene, xylene (BTEX)을 통과시켜 제거되 는 효율을 측정하여 고온발열체인 탄화규소(SiC)로 BTEX물질이 제거 가능한지를 제시하고자 한다.

2.실험방법

2.1.마이크로웨이브 장치

마이크로웨이브는 전자 에너지의 일종으로서 파장이 약 1 mm에서 1 m의 단위로 측정되는 전자파의 총칭이 다. 주파수로는 300Mhz에서 300 Ghz 사이를 마이크 로웨이브로 규정하고 있다. 마이크로웨이브는 현재 사 용되는 전파 중에서 파장이 짧고, 빛에 가까운 성질을 겸비하고 있다. 이러한 특성을 이용해서 원격탐지, radar, navigation, spectroscopy 등에 널리 응용되고 있다.

2.1.1.고온발열체

고순도의 탄화규소를 주원료로, 고온 재결정을 통하 여 만들어진 봉 모양 혹은 관(pipe) 모양의 비금속 전 기 발열체이다. 최대 발열체의 표면온도는 1,600°C까 지 사용할 수 있다(Jun et al., 2015). 공업용으로 사용 할 경우에는 600~1500°C 사이의 로 내 분위기에서 사 용할 수 있으며, 진공인 경우에는 11,200°C (1/1000 Torr)까지 사용 가능하다. 단위면적당 발열량이 니크롬 선 등의 금속발열체보다 5~10배 높으며 화학적으로는 안정되어 있다(Choi, 2013).

발열체는 내열성, 내식성이 크고 경제적이어야 하며 발열체의 종류는 크게 금속발열체와 비금속 발열체로 나눠진다. 금속 발열체는 니크롬, 철-크롬이 주를 이루 며 가공성은 떨어지나 값이 저렴하며 1,100°C 이하에 서 사용할 수 있으나 금번 실험에서는 비금속 발열체 인 탄화규소가 저렴하면서 1,600°C 이하의 중고온용 전기로에 많이 사용하고 있으며 장시간 고온에 사용되 고 있는 장점이 있어 탄화규소를 사용하였다.Table 1

2.2.분석방법 및 장비

본 실험에서 저감 대상 물질로 사용하는 BTEX를 주입하기 위한 유입 시료 채취구와, 고온발열체(SiC)를 통과한 BTEX를 측정하는 유출 시료 채취구이다(Fig. 2, 3). 채취된 시료는 GC-FID (Fig. 1)로 측정하여 계 산한다.

2.3.실험방법

본 실험은 마이크로웨이브의 전자파를 흡수하여 고 온으로 가열되는 발열체(SiC)에 BTEX를 통과시킨다. 실험에 사용한 가스는 benzene 100 ppm, toluene 100 ppm, ethyl benzene 100 ppm and, xylene 100 ppm의 네가지 종류를 혼합한 표준가스를 사용하였다. 자동차 의 도장설비는 상도, 중도 도장시 VOCs농도는 50~ 980 ppm으로 배출되고(Lim, 2002) 반도체, 전자부품에 서의 toluene 배출농도는 1~10 ppm, 금속처리업의 toluene 배출농도는 43.6 ppm으로(Lee, 2005) 본 실험에 서는 BTEX 표준 가스를 구입하여 산업공정에서 배출 되는 10~50 ppm으로 제조하였다. 실험을 수행하기 위 해 사용된 실험장치도는 Fig. 1과 같다. 가스 실린더에 서 공급하는 유량을 제어하기 위하여 MFC (mass flow controllers, SIERRA, USA)을 이용하여 1 L/min으로 공급하였다. 저 농도의 BTEX의 농도를 유사하게 희석 하기 위하여 MFC를 이용하여 5 L/min의 유량으로 공 급, mixing chamber에서 충분히 혼합될 수 있도록 하 였다. 혼합된 가스는 마이크로웨이브 전자파로 가열된 탄화규소(SiC) 발열체를 통과한 후 BTEX 물질이 400°C~700°C 사이의 온도별로 제거 유무를 확인하였 으며 BTEX의 발열체 체류시간은 5초로 고정을 시켜 놓고 실험을 실시하였다.

3.결과 및 고찰

3.1.고온발열체 승온속도 실험

마이크로웨이브를 이용한 발열체(SiC)의 승온 실험 을 실시하였다. 마이크로파를 이용한 발열체(SiC)의 승 온시간은 휘발성유기화합물질이 분해가 되기 시작하는 400°C에 도달하는 시간을 측정하였으며, 그 후 100°C 씩 상승하는데 걸리는 시간을 측정하였다. 승온 시간은 각각 400°C까지 도달하는데 17분, 500°C까지 도달하 는데 걸리는 시간은 19분, 600°C까지 도달하는데 걸리 는 시간은 22분, 700°C까지 도달하는데 걸리는 시간은 26분이 소요되었다. 온도에 따른 승온 속도는 22.2~ 22.7°C/min으로 나타났으며 승온 시간과 온도가 비례 하면서 상승하였다.Fig. 4

휘발성유기화합물질과 산업폐가스는 고온의 환경에 서 제거가 되기 시작하므로 최대한 빠른시간에 일정 온도에 도달하여 대기오염물질을 제거 할 수 있는 조 건을 만들어주는 것이 최우선이라고 할 수 있다. 마이 크로파는 물품을 직접 가열, 건조하기 때문에 불필요한 열에너지 소모가 없다. 가열시스템 및 용기 자체가 가 열되지 않아 에너지와 전기를 보통 30%~40% 절약이 가능하다(Cho, 2006).

3.2.BTEX 농도별 제거효율 실험

실험에서는 VOCs 중 BTEX 가스를 대상물질로 실 험을 진행하였고, 마이크로파에 의해 가열된 발열체와 의 접촉에 의해 VOCs를 제거하는 방식으로 실험을 진 행하였다(Ko, 2011).

BTEX 농도는 10 ppm, 20 ppm, 30 ppm, 50 ppm의 농도로 구성하여 각각의 농도별 제거효율 및 온도조건 에 따른 제거율 등을 확인하였다. 실험조건은 Table 2 에 제시하였으며 실험농도는 공기를 유입하여 농도를 조절하였다.

3.2.1.BTEX 10 ppm 농도

BTEX의 유입유량을 변수로 하고, 농도를 고정시켜 온도별로 제거효율을 측정하였다. 공기 5 L/min와 BTEX 가스 0.5 L/min을 주입하였고, 분해가 충분히 이루어지도록 샘플채취시간은 공급 후 120초로 고정하 였다. 농도는 10 ppm으로 고정하여 실험을 실시하였고 결과는 Fig. 5와 Table 3에 나타내었다. 실험에서 BTEX 혼합가스 농도는 10 ppm 내외의 농도를 보였다.

결과 400°C에서는 0.6~7.1% 이하의 제거율을 보였 으며 0.18~0.28 mg/min으로 BTEX가 배출되었다. 400°C에서는 BTEX가 거의 제거 되지 않는 것을 확인 할 수 있었으며 500°C에서는 36.1~62.7%의 제거율과 0.12~0.15 mg/min으로 BTEX가 배출되는 것을 확인하 였다. 600°C에서는 69.0~95.9%의 제거율과 0.01~0.07 mg/min으로 BTEX가 배출 되었다. 700°C 이상에서는 BTEX 물질 모두 제거되는 것을 보였다. BTEX 10 ppm의 농도는 600°C 이상에서 toluene을 제외한 나머 지 물질들은 90% 이상 제거가 되는 것을 확인 할 수 있었으며 BTEX가 분해가 되는 온도로 보여진다.

3.2.2.BTEX 20 ppm 농도

BTEX의 농도를 20 ppm으로 고정하여 마이크로웨이 브 장치의 제거효율을 측정하였다. 샘플채취시간은 공 급후 120초로 정하여 실험을 진행하였으며, 결과는 Table 4와 Fig. 6에 제시하였다. 실험에서 BTEX는 혼 합가스를 사용하여 benzene, toluene, ethyl benzene, xylene 각각 23.1, 23.3, 24.2, 23.1 ppm로 측정되어 기 준농도인 20 ppm보다 높은 수치가 나타났다.

BTEX 20 ppm 내외의 농도를 400°C, 500°C, 600°C, 700°C로 가열된 SiC로 유입 제거한 결과 400°C에서는 28.2~60.3% 이하의 제거율과 0.24~0.33 mg/min으로 BTEX가 배출 되었다. 400°C에서는 BTEX가 최고 60.3% 제거가 되었으며 BTEX 10 ppm 농도가 400°C 에서 제거율 보다 더 높은 것을 확인 할 수 있었으며 500°C에서는 44.3~64.7%의 제거율과 0.21~0.27 mg/ min으로 BTEX가 배출되는 것을 확인하였다. 600°C에 서 BTEX 배출농도가 10 ppm, 30 ppm, 50 ppm 보다 높은 제거효율을 보였으나 분석 및 샘플링의 오차가 있는 것으로 보인다. 제거효율이 높은 이유는 없는 것 으로 보인다. BTEX 20 ppm의 농도는 600°C 이상에서 모든물질이 100% 제거가 되는 것을 확인 할 수 있었다.

3.2.3.BTEX 30 ppm 농도

BTEX의 농도를 30 ppm으로 고정하여 마이크로웨이 브 장치의 제거효율을 측정하였다. 샘플채취시간은 공 급 후 120초로 정하여 실험을 진행하였으며, 결과는 Table 5와 Fig. 7에 제시하였다. 실험에서 BTEX의 혼 합가스 농도는 37~45 ppm 내외의 농도를 보였다.

BTEX 30 ppm 내외의 농도를 400°C, 500°C, 600°C, 700°C로 가열된 SiC로 유입 제거한 결과 400°C에서는 10.1~13.8% 이하의 제거율과 0.64~0.95 mg/min으로 BTEX가 배출 되었다. 400°C에서는 BTEX가 거의 제 거 되지 않는 것을 확인 할 수 있었으며 500°C에서는 15.3~39.0%의 제거율과 0.60~0.85 mg/min으로 BTEX 가 배출되는 것을 확인하였다. 600°C에서는 71.6~ 99.1%의 제거율과 0.04~0.20 mg/min으로 BTEX가 배 출 되었다. 700°C 이상에서는 BTEX 물질 모두 제거되 는 것을 보였다. BTEX 30 ppm의 농도는 600°C 이상 에서 benzene을 제외한 나머지 물질들은 95% 이상 제 거가 되는 것을 확인 할 수 있었다.

3.2.4.BTEX 50 ppm 농도

BTEX의 농도를 50 ppm으로 고정하여 마이크로웨이 브 장치의 제거효율을 측정하였다. 샘플채취시간은 공 급 후 120초로 정하여 실험을 진행하였으며, 결과는 Table 6과 Fig. 8에 제시하였다. 실험에서 BTEX는 혼 합가스를 사용하여 농도가 모두 50 ppm으로 고정되지 않고 benzene, toluene, ethyl benzene, xylene 각각 55.6, 58.8, 64.8, 67.0 ppm로 측정되어 기준농도인 50 ppm 보다 높은 수치가 나타났다.

실험결과 400°C에서는 ethyl benzene과 xylene의 제 거효율이 높게 나타났으며, 500°C에서 benzene의 제거 효율이 가장 낮게 나타났다. 이는 BTEX 농도가 높기 때문에 제거가 적게 된 것으로 사료된다. BTEX 50 ppm 내외의 농도를 400, 500, 600, 700°C로 가열된 SiC로 유입 제거한 결과 400°C에서는 3.6~31.3% 이하 의 제거율과 1.03~1.27 mg/min으로 BTEX가 배출 되 었다. 400°C에서는 benzene은 거의 제거 되지 않는 것 을 확인 할 수 있었으며 500°C에서는 11.0~64.0%의 제거율을 확인하였다. 600°C에서는 86.8~99.4%의 제 거율과 0.01~0.14 mg/min으로 BTEX가 배출되었고 700°C 이상에서는 BTEX 물질 모두 제거되는 것을 보 였다. BTEX의 농도별 제거효율을 보면 xylene, ethylbenzene, toluene, benzene 순으로 분해효율이 높게 나 타났다. 분해효율은 첫째, 이온화 전위(ionization potential) 차이 때문에 생긴다. 이온화 전위가 낮을수록 산화 효율이 크며 xylene, ethylbenzene, toluene, benzene의 이온화 전위는 8.44, 8.77, 8.83, 9.24 eV로 xylene이 가장 산화효율이 좋다(Cubas et al., 2014). 둘째, 유전 상수가 클수록 발열화 분해가 커진다. 유전상수(dielectric constant)는 고주파 전기장 속에 절연물이 높으면 절연물의 유전체 손실 때문에 피가열물 자체가 발열하 는 크기를 상수로 수치화한 값으로 xylene, toluene, benzene의 유전상수는 2.570, 2.568, 2.275로 자일렌이 유전상수가 낮다(Baek, 2012). 셋째, 화학적결합세기 (chemical bond strength)의 차이에 따라 분해 효율이 다르게 나타난다. 결합의 세기를 나타내는 척도는 결합 엔탈피를 나타내는데 클수록 결합이 강하다는 것을 의 미하고 결합을 끊는데 필요한 에너지가 커진다. benzene의 경우 C-C 벤젠 링의 화학결합에너지는 144 kcal/mol 이고 toluene과 xylene에 존재하는 methyl group에 화학결합에너지는 100 kcal/mol로 상대적으로 화학결합에너지가 낮다. 화학적 결합은 전기 음성도가 큰 원소가 결합할수록 극성이 커지고 결합에너지가 증 가한다.

기존의 전기히터나 버너에 의한 가열(외부가열)은 표면부터 가열되고 열의 전도에 의해 내부까지 가열된 다. 마이크로웨이브가 전하와 쌍극자를 유전체 물질에 흡수되어 주파수의 진동에 의해 가열되고, 열에너지로 변환시켜 에너지를 발생시키는 원리로 열전도에 필요 한 시간이 없으므로 급속 가열이 가능하게 된다. 그리 고 설비가 간단하여 단순화 할 수 있고, 마그네트론의 전원 스위치로 전력의 제어가 용이하다. 마이크로웨이 브 장치 내부에 탄화규소(SiC) 발열체가 있으며, 실험 개시 및 종료로부터 온도 조절을 쉽고 빠르게 할 수 있 다는 강점이 있었다(Cho, 2009).

VOCs (BTEX)의 처리방법 중 열소각, 활성탄 흡착, 촉매소각, 생물여과 방식 등이 있다(ME, 2000; Jeon, 2014). 탄화규소(SiC)를 이용한 저농도 VOCs 처리 방 법으로 마이크로웨이브를 사용도 가능하다는 것을 알 수 있었으며 고농도의 VOCs 처리방법에 대해서는 향 후 별도의 실험 및 연구 진행해 볼 필요가 있는 것으로 사료된다. BTEX 저농도로 10~50 ppm 까지의 변화를 주어 온도별 농도별 제거효율을 실험 하였으며 농도에 따른 제거 성능에 차이는 보였지만, 400°C에서는 BTEX 제거율이 0.6~60.3%로 나타났으며 600°C에서 는 BTEX 제거율이 69.0~100%로 나타났다. 700°C 이 상에서는 모든 물질이 제거 되는 것을 확인하였다.

4.결 론

본 실험에서는 국내에서 사용 중인 BTEX의 사용량 이 증가하고 악취 민원의 증가 및 배출특성에 따라 사 람에게 유해하고 효율적인 BTEX 관리를 위하여 경제 적이며 다루기 쉬운 마이크로웨이브를 이용한 BTEX 의 제거 방법 또한 효율적인 방안이라고 제시하고자 한다.

본 실험의 결과로 휘발성유기화합물질을 제거하기 위해서 마이크로웨이브를 이용한 방법도 가능하다는 것을 확인 하였으며 휘발성유기화합물질의 제거가 효 율적이나 기존 다른 방식에 비하여 경제적인 측면을 좀 더 연구하여야 하지만 BTEX의 경우 700°C 부근에 서는 거의 제거가 되는 것으로 확인되었다.