1. 서 론

악취는 자극성이 있는 물질이 인간의 후각에 의해 감지되어 불쾌감을 주는 대표적 감각공해이다(ME, 2017). 전국 생활 악취에 대한 2017년 민원 5,157건 중 음식점에 대한 악취민원은 1,099건으로 21.3%를 차지 하고 있다(ME, 2018). 악취는 제조 공정, 폐기물 처리 공정, 축산시설 등에서 발생하며, 최근에는 음식점, 인 쇄소, 세탁 시설 등과 같은 생활 주변에서 발생하는 악 취에 관심이 증대되고 있다. 생활악취 발생원 중 하나 인 음식점은 주택가와 점포가 밀집되어있는 도시중심 에서 특별한 처리 규제가 없이 암모니아, 알데하이드류, 휘발성유기화합물(VOCs) 등의 악취물질을 배출하고 있다(Bong et al., 2009).

음식점은 지정악취물질 22종 중 17종 이상이 검출되 는 것으로 보고되고 있다(Gong et al., 2017). 특히, 직 화구이 음식점에는 암모니아, 아세트알데하이드, 톨루 엔이 각각 910.9~4,196.6 ppb, 214.2~630.9 ppb, 65.7~ 231.9 ppb으로 발생되고 있으며, 낮은 최소감지농도를 갖는 아세트알데하이드(2 ppb)의 복합악취기여도가 가 장 높은 것으로 보고되었다(Lee et al., 2019;Chae et al., 2016).

알데하이드류 및 VOCs를 처리하는 방법에는 연소 공정(Hyun et al., 2004), 광촉매산화공정(Batault et al., 2015), 흡착공정(Ahn et al., 2018), 생물학적 공정 (Mohseni and Allen, 2000) 등이 있다. 이 중 흡착 공 정은 무기 및 유기 오염물질을 제거할 수 있는 공정 중 하나이다(Prasad et al., 2015). 흡착 공정은 흡착제의 기공 구조에 따라 선택적으로 흡착물을 분리할 수 있 기에 유용한 기술로 알려져 있다(Lee et al., 2008).

직화구이 음식점에서 배출되는 악취물질 중 아세트 알데하이드는 일반적으로 활성탄으로 처리 가능하지만, 화재 위험(Zerbonia et al., 2001)과 기공 차단 및 흡습 성(Dou et al., 2011)의 문제를 가지고 있다. 활성탄의 대체 흡착제에는 제올라이트, 실리카겔, 점토류 등의 비탄소계 흡착제를 고려해 볼 수 있으며, 이 중 실리카 겔은 열적안정성이 우수하며(Dou et al., 2011), 알데하 이드류에 대한 흡착성능이 확인되었다(Yang et al., 2005). 또한 실리카겔은 가열 건조를 통해 재사용이 가 능한 특성을 가지고 있다(Pramuang and Excell, 2007).

본 연구는 직화구이 음식점에서의 복합악취 기여도 가 높은 아세트알데하이드 처리 흡착공정을 개발하기 위하여, 실리카겔을 흡착제로 선정하여 실리카겔의 아 세트알데하이드 흡착 및 탈착특성을 파악하고 실리카 겔 흡착공정의 연속운전 가능성을 확인하고자 하였다. 실리카겔의 흡착특성은 파과실험을 통해 분석하였으며, 동역학적 모델식을 이용하여 흡착공정의 설계인자를 도출하고자 하였다. 또한 감압탈착실험을 통해 흡착제 의 재생 특성을 조사하였으며, 재생 운전인자를 도출하 고자 하였다.

2. 실험재료 및 방법

2.1 아세트알데하이드 흡착 실험

2.1.1 흡착제

실리카겔은 분말형(28-200 mesh, Sigma-Aldrich)과 과립형(6-20 mesh, Sigma-Aldrich)을 각각 선정하였다. 분말형 실리카겔은 입자 크기에 의한 흡착 영향을 최 소화 하고자 50-100 mesh 크기로 균일화한 후 사용하 였다. 선정된 흡착제는 표면 기공에 존재하는 수분을 제거하기 위해 온도조절이 가능한 전기로에서 150, 200, 300, 400°C로 2 시간 동안 각각 열처리과정을 걸 친 후 흡착실험에 이용하였다.

2.1.2 흡착 및 탈착 실험

실험은 흡착특성 및 탈착특성을 파악하기 위해 각각 설계되었으며, 흡착실험은 파과실험과 연속운전실험으 로 구분하여 진행되었다. 파과실험에는 유리 재질의 원 통반응기가 사용되었으며, 반응기의 전체 부피는 7.56 mL (내부직경 8 mm, 높이 150 mm)이다. 모든 실험에 서 반응기에 충전된 흡착제의 양은 0.25 g이었다. 아세 트알데하이드 가스는 500 ppm로 제조된 표준가스(N₂ balance, Air Korea Inc., Korea)를 사용하였으며, 질량 유량계를 이용하여 유입유량을 0.3 L/min으로 조절하 였다. 흡착반응기의 공탑 가스체류시간은 0.1 sec이었다.

탈착실험은 감압조건(–10 ~ –100 kPa)과 탈착시간 (0.5~3 hr), 단면적(225~7,850 mm²)과 충전높이(6.3~ 31.4 mm)에 따른 탈착효율을 평가하였다. 탈착공정은 진공펌프(vacuum pump, GAST, USA)를 이용하여 감 압조건을 조절하였으며, 탈착 전에 흡착제는 아세트알 데하이드로 포화 흡착시켰다.

흡착공정의 연속운전은 현장 적용성을 고려하여 과 립형 실리카겔을 대상으로 하였으며, 아크릴 재질의 사 각기둥형 반응기(45 mL; L 15 mm, W 15 mm, H 200 mm)가 사용되었다. 흡착공정의 설계 및 운전인자는 앞 서 수행된 실험결과를 적용하였다. 흡착제는 150°C에 서 2시간 동안 열처리한 후, 2.0 g를 반응기에 충전하 였다. 탈착조건은 진공압 –80 kPa, 탈착시간 2.3 hr이었 으며, 탈착시간을 줄이기 위하여 0.3 L/min(air) 퍼지 (purge)가스를 추가로 적용하였다.

2.2 분석방법

아세트알데하이드 가스 분석은 불꽃이온화검출기가 장착된 가스크로마토그래피(YL6100GC, YL Instruments Co., Ltd, Korea)를 사용하였으며, 직접 주입방 식으로 분석을 진행하였다. 사용된 GC-FID의 설정은 주입구의 온도 200°C, Carrier gas인 헬륨(He)은 유량 3mL/min, 오븐 초기 온도 50°C, 10°C/min의 승온 조 건으로 2 min 동안 작동하였다. 검출기 온도는 250°C 로 설정하였으며, 컬럼은 HP-5를 사용하였다. 실리카 겔의 열처리에 따른 작용기 변화를 확인하기 위해 FTIR (VERTEX 80V, Bruker, Germany)을 사용하여 분석 하였다.

3. 결과 및 고찰

3.1 아세트알데하이드 흡착특성

Fig. 1은 열처리되지 않은 실리카겔과 열처리된 실리 카겔의 흡착특성을 보여준다. 파과점 도달시간은 아세 트알데하이드 유입농도의 5%가 유출되는 시점으로 보 았으며, 파과점에 도달할 때까지 흡착한 물질의 양을 파과흡착능으로 정의하였다. 열처리하지 않은 실리카 겔(분말형)의 파과흡착능은 18.0 mg/g, 150°C 열처리한 실리카겔(분말형)은 51.0 mg/g이었다. 열처리 실리카겔 표면 기공에 존재하는 수분 및 불순물은 흡착능 저해 의 원인으로 판단되며, 이러한 문제점은 열처리를 통하 여 해결할 수 있다고 본다. Knez and Novak (2001)은 실리카겔의 열처리를 통해 비표면적을 증가시킬 수 있 다고 보고 하였다. 분말형 실리카겔은 흡착공정에 적용 할 시 압력 강하와 막힘 현상이 발생하는 것으로 알려 져 있으며(Kim et al., 2013), 이러한 문제점은 과립형 실리카겔을 적용함으로써 해결할 수 있다. Fig. 1에서 볼 수 있듯이 과립형 실리카겔은 16.0 mg/g의 파과흡 착능을 보였다.

3.2 표면 열처리에 의한 흡착제 전처리

본 연구의 사전 연구에서는 열처리 온도 50°C와 100°C에서 낮은 흡착능(약 25 mg/g, data not shown)을 보였고, 이는 흡착제 표면에 존재하는 수분의 영향(Seo et al., 2017)으로 판단하였다. Fig. 2는 흡착제의 표면 열처리 온도에 따른 실리카겔의 아세트알데하이드 흡 착 성능의 변화를 보여준다. 흡착제 열처리가 표면 수 분의 제거에 도움이 되는 것으로 보이나, 150°C 이상 에서는 오히려 흡착능을 저해하는 경향을 보였다. 이러 한 원인으로는 열처리를 통해 수분과 –OH기가 감소하 면서 실리카겔의 표면이 소수성으로 변하고, 실리카겔 의 비표면적 또한 감소하여 평형흡착상수 값이 감소한 것으로 보인다(Nam et al., 2007). 150°C 열처리 실리 카겔과 300°C 열처리 실리카겔의 FT-IR 분석결과를 보면(data not shown), Si-OH기의 감소가 확인되었다. Si-OH기는 실리카겔의 흡착에 관하는 것으로 알려져 있다(Wang et al., 2012). 실리카겔 비표면적을 확보하 고 Si-OH 작용기를 유지하는 관점에서 실리카겔의 열 처리 온도를 150°C로 설정하였고, 이후 실험에서는 150°C에서 열처리된 실리카겔을 사용하였다.

3.3 실리카겔의 아세트알데하이드 흡착 동역학

실리카겔 흡착공정의 올바른 설계를 위하여 유입조 건(농도, 유량 등)과 흡착제량(공정크기) 등을 포함한 설계조건의 설정이 요구된다. 본 연구에서는 3.1절의 실험결과를 적용하여 흡착 동역학 모델을 개발하였다. 사용된 동역학 모델은 Thomas model (eq.1)과 Yan model (eq.2)이며(Vo et al., 2019), 이 중 흡착특성을 가장 잘 예측하는 Thomas model를 이용하여 공간속도 와 유입농도에 따른 흡착능을 평가하였다.

C₀ (mg/mL)는 아세트알데하이드 유입 농도이며, C_t (mg/mL)는 시간 t에 대한 아세트알데하이드의 유출 농 도이다. t (min)는 흡착 시간이고, Q (mL/min)는 아세 트알데하이드 유입 유량, m (g)은 사용된 실리카겔 양 이다. k_Th와 k_Y (mL/min·mg)는 Thomas와 Yan model 상수이며, q_Th와 q_Y (mg/g)는 각 모델에서 계산된 최대 흡착 용량이다. Table 1에서 볼 수 있듯이, Thomas model은 상관계수(R²=0.944)가 비교적 높은 것으로 분 석되었으며, 실험값과 이론적 예측값이 유사할 것으로 판단된다. 따라서 Thomas model을 이용하여 흡착공정 설계를 위한 유입농도와 체류시간에 따른 흡착능 변화 를 분석하였다(Fig. 3). Thomas model 분석결과에서 가스체류시간과 유입농도는 흡착능에 영향을 주는 것 으로 관찰되었다. 음식점에서 배출되는 아세트알데하 이드의 농도가 1 ppm 이하인 점을 고려하여 흡착공정 의 적정 가스체류시간은 0.1 sec (공간속도 10 sec⁻¹)로 판단되었다.

3.4. 실리카겔 재생 및 연속운전

흡착제의 연속사용을 위해서는 재생을 위한 탈착조 건을 설정할 필요가 있다. Fig. 4a는 감압탈착을 위한 감압과 탈착시간의 곱에 대한 탈착율을 보여준다. 약 –100 kPa·hr까지 탈착효율이 증가가 뚜렷하였으나. 그 이상에서는 큰 차이를 보이지 않았으며 약 –184 kPa·hr 이상에서 완전 탈착되는 것을 확인하였다. Fig. 4b는 흡착층 단면적과 높이의 비에 대한 탈착율을 보 여준다. 본 연구에서는 감압탈착으로 실리카겔을 재생 하였으며, 이 때 흡착층의 단면적과 높이가 탈착율에 영향을 주는 것을 확인하였다. 단면적/높이 비가 10 이 상의 조건에서 90% 이상의 탈착을 보였다.

Fig. 5는 앞서 설정된 흡착공정의 설계 및 운전조건 을 적용하여 3회 연속운전을 수행한 결과이다. 감압탈 착조건은 –184 kPa·hour이었으며, 재생 후 흡착능은 7.0 mg/g에서 8.8 mg/g으로 소폭 증가하였으며 재생율 은 평균 99 ± 4.3%를 보였다. 이상의 실험결과로 판단 해 보면, 열처리 실리카겔 흡착공정을 감압탈착을 적용 할 시 연속 흡착과 재생이 가능할 것으로 보이며 보다 상세한 흡착 설계 및 운전인자를 확보와 현장 적용 연 구가 필요하다고 사료된다.

4. 결 론

본 연구에서는 실리카겔의 아세트알데하이드 흡착 및 탈착 특성을 파악하고, 실리카겔 흡착공정의 연속 운전 가능성을 평가하였다. 실험을 통하여 얻어진 결론 은 다음과 같다.