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ISSN : 2288-9167(Print)
ISSN : 2288-923X(Online)
Journal of Odor and Indoor Environment Vol.19 No.3 pp.252-261
DOI : https://doi.org/10.15250/joie.2020.19.3.252

Absorption characteristics of volatile organic compounds in silicone oil: n-nonane, 1¸2¸4-trimethylbenzene, toluene, xylene, isopropyl alcohol, and methyl ethyl benzene

Soo-Kyung Kang, Shi-nae Jang, Jeonghee Yun, Kyung-Suk Cho*
Department of Environmental Science and Engineering, Ewha Womans University
*Corresponding author Tel : +82-2-3277-2393 E-mail : kscho@ewha.ac.kr
25/05/2020 01/07/2020 07/07/2020

Abstract


n-Nonane, 1¸2¸4-trimethylbenzene (124-TMB), toluene, total xylene (TXYL), isopropyl alcohol (IPA), and methyl ethyl alcohol (MEK) are major volatile organic compounds (VOCs) emitted from printing industries. The absorption amount of a single VOC per unit weight of silicone oil was as follows in the order of 189.5 g/kg-silicone oil for n-nonane, 91.7 g/kg-silicone oil for 124-TMB, and 60.1 g/kg-silicone oil for TXYL. Although hydrophobic VOCs were more absorbed in silicone oil than hydrophilic VOCs such as IPA and MEK, IPA and MEK, which had log Kow values of 1 or less, also were absorbed more than 26.0 g/kg-silicone oil. In two and three mixed VOCs of n-nonane, 124-TMB, and toluene, the absorption amount of each in silicon oil was less than that of single a VOC. The total absorption amount of two mixed VOCs ranged from 47.9 g to 138.7 g/kg-silicone oil, and the total absorption amount of three mixed VOCs was 65.8 g/kg-silicone oil. These results suggest that silicone oil is a promising pretreatment solution capable of absorbing high concentrations of VOCs that are intermittently emitted from printing industries. The absorption information of VOCs obtained in this study can be used as the design parameters of a damping device for the pretreatment of VOCs.



실리콘 오일에 의한 휘발성 유기화합물의 흡수 특성: n-nonane, 1¸2¸4-trimethylbenzene, toluene, xylene, isopropyl alcohol 및 methyl ethyl
benzene

강수경, 장시내, 윤정희, 조경숙*
이화여자대학교 환경공학과

초록


    National Research Foundation of Korea
    2017M1A2A2086515
    © Korean Society of Odor Research and Engineering & Korean Society for Indoor Environment. All rights reserved.

    1. 서 론

    휘발성유기화합물(VOCs, volatile organic compounds) 은 주요한 오존 전구 물질로, 질소산화물과 함께 광화 학 반응을 통해 오존을 생성한다(Chae et al., 2019). 대기오염물질 중 오존의 농도를 WHO 기준으로 유지 하면 매년 6천여 명의 사망자를 줄일 수 있다(Vicedo- Cabrera et al., 2020). VOCs는 오존 생성으로 광화학 스모그를 유발하는 것뿐 아니라, 그 자체로도 발암성 및 독성이 있다(Muñoz et al., 2012). VOCs는 고농도 에서 단기적, 장기적으로 인체에 영향을 주며 어지러움, 안구 염증, 천식, 암 유발 등의 문제를 일으킨다(Padhi and Gokhale, 2014). VOCs의 인위적 배출 원인은 자 동차 배출가스, 매립지, 석유화학 제품 생산, 유기용제 사용 등에 있다(Atkinson and Arey, 2003). 잉크, 세척 제 등 유기용제를 사용하는 인쇄산업은 특히 내이독성 이 있는 VOCs에 노출될 위험이 높은 산업 중 하나로 VOCs 저감 기술이 요구되고 있다(Alabdulhadi et al., 2019).

    VOCs 처리 기술에는 물리·화학·생물학적 방법이 있 으며, 간헐적으로 배출되는 고농도 VOCs를 완충할 공 정으로, 비수용상액체(NAPL, non-aqueous phase liquid) 를 VOCs 흡수제로 이용한 전처리 기술이 적용되 고 있다(Lhuissier et al., 2018). 고농도의 VOCs는 폭 발 및 기기 고장 등을 야기할 수 있으므로 VOCs 농도 는 VOCs 처리 시설 운전의 중요한 제어 요인이다(Sea et al., 2003). 감쇠(damping)는 일반적으로 음향 또는 진동 노이즈를 줄이기 위한 기술로 이용되는데(Jones, 2001), 이는 불규칙하게 배출되는 VOCs 농도를 일정 수준 이하의 균일한 농도로 맞추기 위한 전처리 기술 과 그 원리가 유사하다. 따라서 본 논문에서는 감쇠의 개념을 활용한 댐핑 기술을 제안하였고, VOCs 전처리 댐핑 장치 설계를 위한 핵심 정보인 VOCs 흡수 소재 에 의한 VOCs 흡수 특성을 연구하였다.

    전처리 장치에 사용될 VOCs 흡수 소재는 VOCs와 친화력이 높으며, 점성과 증기압이 낮고, 독성과 폭발 력이 없고, 가격이 저렴해야 한다(Heymes et al., 2006). 대표적인 VOCs 흡수제로는 실리콘 오일(polydimethylsiloxane or PDMS), 알케인계열의 유기용제 (Liquid organic solvent)와 BmimPF6 (1-butyl-3- methylimidazolium hexafluorophosphate) 등의 이온성 액체(Ionic liquid)가 있다(Darracq et al., 2012; Yun et al., 2019). 특히 실리콘 오일은 생분해성이 없어 생물 학적 처리와 연계한 복합공정에 활용할 수 있고, 값도 저렴하여 VOCs 흡수제로 매우 적합하다(Cho and Yun, 2018; Darracq et al., 2010).

    실리콘 오일을 VOCs 저감에 이용하는 방법은 많은 연구자들에 의해 연구되고 있다(Krishnamurthy et al., 2020). 기존의 많은 연구들은 실리콘 오일의 액체상 VOCs에 대한 흡수능을 헨리 상수(Henry’s constant) 및 분배계수(partition coefficient)로 분석하였다. 헨리의 법칙은 기체의 용해도가 일정한 온도에서 기체의 부분 압력과 비례한다는 것으로, 헨리 상수가 크면 기체의 용해도도 크다. 따라서 헨리 상수를 통해 실리콘 오일 에 대한 VOCs 흡수능을 비교할 수 있다(Vuong et al., 2009). Darracq et al. (2010)은 toluene, dimethyl sulfide (DMS), dimethyl disulfide (DMDS)에 대하여 물에서 와 실리콘 오일에서의 헨리 상수를 비교하였다. 실리콘 오일에서의 헨리 상수가 toluene 400배, DMS 3배, DMDS 53배로 더 크기 때문에 실리콘 오일이 아주 효 과적인 흡수제라는 가능성을 확인하였다. 분배계수는 한 가지 물질이 서로 다른 두 용매에 용해되어 평형을 이루었을 때 두 용액의 농도 비로, 실리콘 오일과 공기 의 VOCs 분배계수를 통해 VOCs와 실리콘의 친화도 를 알 수 있다(Lhuissier et al., 2018). Patel et al. (2017) 은 알케인, 알코올, 방향족, 염소 계열 등의 총 48종 VOCs의 분배계수가 대부분 0.01 이하인 것을 보고하 여 실리콘 오일의 뛰어난 VOCs 흡수능을 확인한 바 있다. Yun et al. (2019)은 인쇄·출판업에서 사용되는 VOCs의 실리콘 오일에 대한 분배계수를 직접 측정하 였다. Total xylene (TXYL) 6.9 × 10-4(±1.2 × 10-4), methyl ethyl ketone (MEK) 4.6 × 10-3(±6.6 × 10-4), isopropyl alcohol (IPA) 7.4 × 10-3(±2.7 × 10-3), n-nonane 1.2 × 10-4(±1.1 × 10-6), 1‚2‚4-trimethylbenzen (124- TMB) 9.1 × 10-5(±4.9 × 10-6)로, 특히 124-TMB와 n-nonane의 분배계수가 매우 낮아, 이들 VOCs에 대한 실리콘 오일의 흡수율이 매우 우수함을 알 수 있었다.

    VOCs 흡수제로써 실리콘 오일을 연구한 기존의 문 헌들은 대부분 실리콘 오일의 액체상 VOCs 분배계수 측정에 대한 것이었다(Cho and Yun, 2018; Zhang et al., 2017). 이러한 분배계수는 실리콘 오일을 VOCs 저 감 시설의 전처리 공정으로 활용할 가능성을 제시할 수 있다. 그러나 분배계수는 밀폐된 환경에서의 VOCs 와 흡수 소재의 친화도를 통해 흡수 용량을 대략적으 로 알려줄 뿐 실제 공정 디자인을 고려할 때 활용되기 에는 적절하지 않다(Lhuissier et al., 2018). 또한, 인쇄 시설 및 도장시설 등의 실제 VOCs 배출원에서는 여러 VOCs가 혼합되어 가스상으로 연속 배출되므로(Kim and Kim, 2009), 실제 공정의 적용에 도움이 될 수 있 는 실리콘 오일의 가스상 VOCs 흡수 특성 정보가 필 요하다. 따라서 본 연구에서는 인쇄시설에서 배출되는 주요 VOCs를 대상으로 하여, VOCs 연속 유입 환경에 서 실리콘 오일의 가스상 혼합 및 단일 VOCs에 대한 흡수 특성과 흡수량을 조사하였다.

    2. 실험방법

    2.1 흡수제와 VOCs

    본 연구에서는 VOCs 흡수제로 산업용 실리콘 오일 (KF-96-20CS, 한국신에츠실리콘(주), Seoul, Republic of Korea)을 사용하였다. 실리콘 오일은 점도가 낮을수 록 저렴하지만 점도 4.8 cP의 실리콘 오일은 휘발성이 높다는 문제가 있으므로, 4.8 cP 실리콘 오일과 흡수능 차이가 크지 않으면서 휘발성이 없는 점도 19.2 cP의 실리콘 오일을 사용하였고(Guillerm et al., 2016), 실리 콘의 구조식을 Fig. 1에 표시하였다.

    VOCs는 인쇄시설에서 주로 발생하는 n-nonane, 1¸2¸4-trimethylbenzene (124-TMB), toluene, total xylene (TXYL), isopropyl alcohol (IPA), methyl ethyl ketone (MEK)을 선정하였다(Yun et al., 2019), 혼합가스 조건 실험은 n-nonane, 124-TMB 및 toluene의 2종 혹은 3 종 혼합가스를 사용하였다. 본 실험에 사용한 VOCs 제조사와 순도는 n-nonane (Alfa Aesar, 99%, Massachusetts, United States), 124-TMB (Sigma-Aldrich, 98%, St. Louis, Missouri, United States), toluene (Samchun Chemicals, 99.5%, Seoul, South Korea), TXYL (Duksan Pure chemical, 98.5%, Ansan, South Korea), IPA (Daejung Chemicals & Metals, 99.5%, Siheung, South Korea), MEK (Duksan Pure chemicals, Extra pure grade, Ansan, South Korea)이다. 본 연구에 사용한 VOCs의 물성 및 실리콘 오일에서의 이들 VOCs 분배계수를 Table 1에 나타내었다.

    2.2 실험장치 및 단일 VOC 흡수 실험

    실리콘 오일에 의한 가스상 VOCs 흡수 특성을 평가 하기 위해 VOCs 가스 발생기(100 mL), 혼합 챔버 (2,000 mL), 실리콘 오일 50mL를 주입한 용기(250 mL)로 구성된 실험장치를 준비하였다(Fig. 2). 실온 (21 ± 2°C)에서 n-nonane과 124-TMB는 VOCs 가스발 생기에 50 ml를 주입하였고, 휘발이 빠른 toluene, TXYL, MEK, IPA는 실린지를 이용하여 4분마다 0.4 mL씩 VOCs 가스발생기에 주입하였다. VOCs 평균 유 입 농도는 n-nonane 1,500 ppm (1,144~2,236 ppm), 124- TMB 900 ppm (726~1,198 ppm), toluene 5,000 ppm (4,372~6,899 ppm), TXYL 2,500 ppm (1,841~3,295 ppm), MEK 2,000 ppm (1,322~2,979 ppm), IPA 2,000 ppm (1,451~3,579 ppm)이었다. 실리콘 오일이 든 혈청병에 air-stone을 설치하여 VOCs와 실리콘 오일의 접촉면을 넓혀주었다. 유량 10 L/min으로 공기를 흘려주면서 VOCs 가스를 실리콘 오일에 연속 주입하였고, 유입부 와 유출부에서 채취한 가스의 VOCs 농도를 가스크로 마토그래피를 이용하여 분석하였다. 모든 실험은 2반 복 수행하였고, 실험결과 오차범위는 ±5%이었다.

    2.3 혼합 VOCs 흡수 실험

    n-Nonane, 124-TMB, toluene을 이용하여 2종 혼합 및 3종 혼합 VOCs에 대한 실리콘 오일의 흡수능을 평 가하였다. n-Nonane과 124-TMB 2종 혼합 실험은 VOCs 가스 발생기 두 개에 각각 VOCs를 50mL씩 주 입하여 직렬로 연결하였고, VOCs 평균 유입 농도는 n-nonane 1,500 ppm (881~1,882 ppm), 124-TMB 300 ppm (115~590 ppm) 이었다. Toluene이 포함된 2종 VOCs 혼합 실험은 n-nonane 또는 124-TMB 50 mL를 주입한 VOCs 가스 발생기에 toluene을 약 5분에 한 번 실린지로 0.5mL씩 주입하였다. n-Nonane과 toluene 혼합 조건에서 평균 유입 농도는 n-nonane 1,500 ppm (736~2170 ppm) 및 toluene 1,500 ppm (806~1,985 ppm) 이었다. Toluene과 124-TMB 혼합 조건에서는 평균 유 입 농도는 toluene 1,500 ppm (1,101~2,007 ppm) 및 124-TMB 500 ppm (304~781 ppm)이었다.

    3종 혼합 실험은 n-nonane과 124-TMB를 VOCs 가 스 발생기 두 개에 각각 50ml씩 주입하여 직렬로 연 결하였다. Toluene은 뒤쪽에 위치한 124-TMB가 든 VOCs 가스 발생기에 실린지로 약 5분에 한 번, 0.7 mL 씩 주입하였는데, 각 가스의 평균 유입 농도는 n-nonane 1,000 ppm (924~1,023 ppm), 124-TMB 600 ppm (407~821 ppm) 및 toluene 400 ppm (182~613 ppm)이 었다. 모든 실험은 실온(21 ± 2°C)에서 10 L/min의 가스 유량으로 2반복 수행하였고 오차범위는 ±10%이었다.

    2.4 실리콘 오일의 VOCs 댐핑능 평가

    실리콘 오일의 가스상 VOCs 농도에 대한 댐핑 작용 여부를 평가하기 위해 실리콘 오일 200 mL를 메디아 병에 분주하고 Fig. 2와 같이 실험장치를 설치하였다. 고농도 toluene을 간헐적으로 유입시키기 위해 실린지 로 약 15분에 한 번씩 toluene 30~50 μL를 VOCs 가스 발생기에 주입해주었고 유량은 0.8 L/min으로 유지하 였다. 실리콘 오일이 충전된 병의 유입 농도와 유출 농 도를 GC-FID로 측정하여 시간에 따른 toluene 농도 변 화를 관찰하였다. 실온(21 ± 2°C)에서 실험하였으며 toluene의 유입 농도는 최저 350 ppm에서 최대 3,300 ppm이었다.

    2.5 VOCs 흡수량 계산

    실리콘 오일에 의한 VOCs 흡수량 Ma는 실리콘 오 일 병의 유입부와 유출부의 VOCs 농도가 같아지는 시 간을 기준으로 다음 식(1)을 이용해 계산하였다.

    M a ( m g ) = 0 l r ( C i n C o u t ) d t × F × P M R T
    (1)

    여기서 Cin, 실리콘 오일 병 유입부의 VOCs 농도 (ppm); Cout, 실리콘 오일 병 유출부의 VOCs 농도 (ppm); tr, VOCs 제거량이 0.0이 되어 Cin= Cout이 되는 시간(min); F, 가스 유량(L/min); P, 압력(atm); M, 분자 량(g·mol-1); R, 이상기체상수(0.08206 L·atm·mol−1·K−1); T, 온도(K).

    실리콘 오일의 유입부와 유출부의 VOCs 농도가 같 아지는 지점까지 진행되지 못한 실험은 추세선을 이용 한 외삽법으로 수치를 계산하였다. 실리콘 오일의 VOCs 흡수 효율은 다음 식(2)를 이용하여 계산하였다.

    A E ( % ) = M a M i n × 100
    (2)

    여기서 AE, 실리콘 오일의 VOCs 흡수 효율(absorption efficiency, %); Ma, 실리콘 오일의 VOCs흡수량 (VOCs absorption mass, mg); Min, VOCs 주입량(loading mass, mg).

    2.6 VOCs 분석

    VOCs 농도는 불꽃 이온화 반응 검출기를 장착한 가 스크로마토그래피(GC-FID; 7890A, Agilent, USA)를 이용하여 분석하였다. 가스 실린지로 실리콘 오일 병의 유입부와 유출부에서 VOCs 가스 300 μL를 포집하여 GC-FID 측정하였다. 이동상 가스는 N2를, 고정상은 HP-5 column (25 m × 0.2 mm × 0.3 μm)을 사용하였고, 분석시 주입구 온도는 250°C, 오븐 온도는 100°C, 검 출기 온도는 280°C로 측정하였다.

    검량선은 본 실험에 이용한 6종의 VOCs 각각에 대 하여 다음과 같이 작성하였다. 부틸 고무 마개로 밀폐 한 600 ml 혈청병에 Calpeyron의 이상기체 상태방정식 에 따라 혈청병 head space에서의 VOCs 농도가 100 ppm, 500 ppm, 1000 ppm, 2000 ppm이 되도록 VOCs 용액을 실린지를 이용하여 주입한 후, 23°C에서 150 rpm으로 3시간 동안 교반하여 주입한 VOCs 용액을 기화 시켰다. 농도 별로 각 혈청병의 headspace 가스 300 μL를 포집하여 GC-FID로 VOCs 농도를 측정하였 다. 5회 측정값 중 중간값을 최소제곱법 선형회귀(least squares linear regression)방법으로 검량선 작성하였다.

    3. 실험 결과 및 고찰

    3.1 실리콘 오일의 VOCs 댐핑 특성

    댐핑 장치는 간헐적으로 유입되는 고농도 VOCs를 전처리하여 다음 공정으로 유입되는 VOCs의 농도를 처리 가능한 수준 이하로 낮추기 위해 사용한다. 따라 서 댐핑 장치에 이용되는 흡수제는 VOCs 흡수와 탈착 이 함께 일어나며 재사용 가능해야한다. 본 연구에서 toluene에 대한 실리콘 오일의 댐핑 작용을 평가한 결 과를 Fig. 3에 도시하였다. 유입부 toluene 농도가 급격 히 높아져도 유출부 toluene 농도는 상대적으로 낮게 유지되었다. 즉, 고농도 toluene이 간헐적으로 주입될 때마다 유출부 농도는 급격한 상승 없이 천천히 높아 졌다. 이것은 실리콘 오일의 순간 흡수 속도가 빠르다 는 것을 시사한다. Toluene 유입 농도가 낮은 경우에는 유출부의 toluene 농도가 유입 toluene 농도보다 더 높 은 값을 나타내었다. 이는 흡수되었던 toluene이 실리 콘 오일에서 탈착되어 나오기 때문으로, 실리콘 오일에 서 흡수와 탈착이 동시에 일어나는 것을 알 수 있다. Toluene의 피크 유입 농도가 약 2,000 ppm (1,800~ 2,250 ppm)일 때 유출부의 toluene 농도는 1,000 ppm (700~1,300 ppm) 이하로 유지 되었다. Toluene의 피크 유입 농도가 3,300 ppm로 매우 높은 경우에도 유출부 의 toluene 농도는 1,600 ppm 이하로 유지되었다. 즉, 고농도 toluene이 간헐적으로 유입 되어도 유출부의 toluene 농도는 유입 농도의 1/2 수준 이하로 감쇠 되 는 댐핑 효과를 나타내었다. 이는 실리콘 오일에 의한 VOCs 흡수와 탈착 속도의 차이 때문으로, 실리콘 오 일을 VOCs 전처리 댐핑 장치의 흡수 소재로 활용할 수 있음을 확인하였다.

    3.2 실리콘 오일의 단일 VOCs 흡수량 비교

    n-Nonane, 124-TMB, toluene, TXYL, IPA, MEK 6 종의 단일 VOCs 주입 조건에서, 각 VOCs 주입량, 흡 수량 및 흡수 효율을 Fig. 4에 도시하였다. 실리콘 오 일에 의한 VOCs 흡수 효율은 n-nonane 65%, IPA 41%, TXYL 32%, 그리고 toluene 26%이었다(Fig. 4- b). 기존 문헌의 밀폐된 vial 조건에서 실리콘 오일에 의한 액체상 VOCs (n-nonane, 124-TMB, toluene, TXYL, IPA, MEK)의 흡수율은 모두 95% 이상으로 보 고되었다(Yun et al., 2019). 유량 1 L/min 조건에서 실 리콘 오일과 물 혼합 용액에 의한 MEK 흡수율은 75%로 보고된 바 있다(Lalanne et al., 2008). 본 연구 에서 구한 실리콘 오일의 VOCs 흡수율이 기존 문헌의 VOCs 흡수 효율 보다 낮게 나타난 것은 가스상 VOCs 라는 점과 유량의 차이에 기인한다. 기존 실험에서는 밀폐된 vial에 주입된 실리콘 오일과 액체상 VOCs가 평형을 이룬 후 흡수율을 구하였으나, 본 연구에서는 VOCs 처리 공정과 유사한 실험 환경을 조성하기 위해 입·출구가 열린 조건에서 10 L/min의 유량을 흘려주며 실험을 진행하였다. 실리콘 오일과 물 혼합 용액의 MEK 흡수 효율도 본 연구의 유량 조건보다 10분의 1 수준의 유량에서 실험했기 때문에 비교적 높은 흡수율 을 보였다. 이론적으로 실리콘 오일의 VOCs 용해도는 무한대이지만(Darracq et al., 2010), 실제 흡수 공정에 서는 빠른 유량과 간헐적인 고농도로 VOCs가 유입되 기 때문에 본 연구 결과와 같이 실리콘 오일의 흡수능 이 낮아질 수 있다.

    실리콘 오일 단위 중량당, 단위 부피당 각 VOCs의 흡수량을 계산하여 Table 2에 정리하였다. 인쇄 및 도 장업에서 배출되는 VOCs는 사업장에서 생산하는 제 품과 인쇄 모양 등에 따라 VOCs 배출량이 달라진다. 처리해야할 VOCs 배출량과 농도에 따른 흡수 소재의 양을 결정할 때 단위 중량당 VOCs 흡수량이 필요하다. 또한, 흡수 소재의 부피는 댐핑 장치의 크기를 설계하 는데 필요하므로, 흡수 소재의 단위 부피당 VOCs 흡 수량을 계산하였다. 실리콘 오일의 단위 중량당 단일 VOCs 흡수량은 n-nonane 189.5 g, 124-TMB 91.7 g, TXYL 60.1 g의 순서로 많았는데, 이는 다른 VOCs보 다 실리콘 오일과 친화도가 더 높기 때문이다(Dumont et al., 2013). 실리콘 오일은 실리콘(Si), 탄소(C), 수소 (H), 산소(O) 원자로 구성된 siloxane bond가 선형으로 연결되어 polydimethylsiloxane 사슬 구조로 이루어져 있다(Fig. 1) (Guillerm et al., 2016; Zhu et al., 1994). 이와 같이 실리콘 오일은 극성을 띄지 않는 소수성 물 질로 logKow (octanol-water partition coefficient) 값이 높은 소수성 물질과 친화도가 더 높기 때문에 logKow 가 높은 VOCs가 흡수량도 가장 많았다(Cho and Yun, 2018). 또한 이 세 물질은 증기압이 낮아 비교적 더 많 은 양이 가스상으로 휘발되어 실리콘 오일에 흡수되었 을 것으로 판단된다. 기존 문헌의 동일한 VOCs에 대 한 점도 19.2 cP 실리콘 오일의 분배계수(partition coefficient) 실험에서도 6종 VOCs 중 n-nonane, 124- TMB, TXYL가 분배계수 8.0 × 10-4 이하로(Yun et al., 2019) 본 실험에서와 동일하게 n-nonane, 124-TMB, TXYL가 가장 우수한 흡수능을 나타내어 본 연구의 가 스상 VOCs 흡수 실험의 신뢰성이 높다는 것을 확인하 였다.

    소수성이지만 흡수능이 낮게 나타난 toluene의 경우, 실리콘 오일의 흡수량은 적은 편이지만 Fig. 3에서 제 시한 바와 같이 댐핑 효과가 있음을 확인하였다. 따라 서 VOCs 저감 장치의 전처리 공정에서 소수성 VOCs 가스의 고농도에 대해 실리콘 오일이 충분히 댐핑 장 치 역할을 할 수 있을 것으로 기대된다. 또한, 소수성 VOCs에 대한 흡수능이 훌륭한 실리콘 오일은 친수성 VOCs 처리에 강한 Two-phase partitioning bioreactors 등의 생물학적 공정에도 활용 가능하다(Guillerm et al., 2016;Muñoz et al., 2012). Table 2에 제시한 실리 콘 오일의 단위 중량 및 부피당 VOCs 가스 흡수량은 실제 댐핑 장치에 실리콘 오일을 투입할 경우 공정 설 계의 참고자료로 활용가능하다.

    3.3 실리콘 오일의 혼합 VOCs 흡수 특성

    n-Nonane, 124-TMB 및 toluene을 2종씩 혼합한 가 스를 연속 주입한 조건에서 VOCs 주입량, 실리콘 오 일에 의한 VOCs 흡수량 및 흡수 효율을 Fig. 5에 나타 내었다. n-Nonane과 124-TMB를 함께 유입한 경우 흡 수 효율은 각각 29%, 57%로 총 VOCs 흡수 효율은 37 %이었다(Fig. 5). 이 조건에서 실리콘 오일 단위 중 량 당 흡수량은 n-nonane이 75.4 g 및 124-TMB는 63.3 g 이었다(Table 2). n-Nonane과 toluene 혼합가스 실험 결과 흡수 효율은 n-nonane 32%, toluene 28%로 총 흡수 효율은 31%이었고(Fig. 5), 실리콘 오일 단위 부 피당 흡수량은 29.8 g, toluene은 15.8 g으로 총 47.9 g 이었다(Table 2). 124-TMB와 toluene 혼합가스 조건에 서 124-TMB의 흡수 효율은 60%, toluene은 25%로 총 VOCs 흡수 효율은 38%이었으며(Fig. 5), 실리콘 오일 단위 부피당 흡수량은 124-TMB 59.0 g과 toluene 43.3 g 으로 총 흡수량이 107.7 g이었다(Table 2). 3종 혼합 가 스 조건의 흡수량과 흡수 효율은 124-TMB, n-nonane, toluene 순서로 높았다(Fig. 6). 실리콘 오일에 의한 VOCs를 포함한 유기화합물의 흡수 능력은 유기화합물 의 소수성 정도와 확산성 등에 영향을 받는다(Zhang et al., 2017). 분배계수를 통해 실리콘 오일과의 친화도 를 측정한 기존 연구에 따르면 실리콘 오일에 의한 VOCs 흡수능은 소수성 VOCs가 친수성 VOCs보다 더 높았다(Guillerm et al., 2016; Darracq et al., 2010; Patel et al., 2017). 그런데, 가스상 VOCs를 실리콘 오일에 연속적으로 공급하면서 실리콘 오일에 의한 VOCs 흡 수량을 정량적으로 조사한 본 연구에서는 흡수량에 미 치는 VOCs 물성에 대한 영향이 명확하게 관찰되지 않 았다. 이를 명확하게 밝히기 위해서는, 실리콘 오일에 주입하는 VOCs 농도에 따른 흡수량의 차이, 온도 조 건별 VOCs 흡수량의 차이 등 후속 연구가 필요하다.

    Lalanne et al. (2008)에서는 준 산업규모(semi-industrial bioscrubber) 실험환경에서 전처리 장치로 VOCs 흡수 컬럼을 설치하여 물-오일 소재에 의한 혼합 VOCs 흡수율을 측정 하였는데, 오일에 흡수 되는 소 수성 혼합 VOCs (toluene과 xylene 혼합)는 36%의 제 거율을 보였다. 이는 Fig. 5의 2종 혼합 실험이 각각 37%, 28%, 38%의 흡수율을 보인 것과 유사한 결과로 본 연구의 혼합 VOCs 실험의 신뢰성을 확인하였다.

    Table 2에서 2종 및 3종 혼합 VOCs 실험 각각의 총 VOCs 흡수량을 단일 VOCs 흡수량과 비교할 때 전반 적인 흡수량이 비슷한 것을 볼 수 있다. 이는 VOCs가 배출되는 대부분의 실제 산업현장에서는 혼합 VOCs 가 배출되기 때문에, 실리콘 오일을 활용한 댐핑 장치 가 실공정에서도 활용 가능함을 사사한다.

    n-Nonane과 124-TMB 2종 혼합 가스 조건에서 실리 콘 오일에 의한 VOCs 흡수량은 단일 가스 조건에서와 달리 n-nonane과 124-TMB의 흡수량이 비슷하게 나타 났다. 단일 VOCs 흡수 실험에서 n-nonane의 주입량이 상대적으로 너무 많았기 때문에 흡수능이 과대평가 된 것으로 보인다. 그러나 단일 및 혼합 조건에서 n-nonane과 124-TMB 모두 실리콘 단위 중량 및 부피 당 60 g 이상 흡수되어 높은 흡수능이 있다고 볼 수 있다.

    Toluene은 혼합 가스 실험에서도 단일 가스 조건에 서와 마찬가지로 n-nonane과 124-TMB에 비해 흡수능 이 비교적 낮게 나타났다(Fig. 5, 6, Table 2). Lalanne et al. (2008)에 의한 실리콘 오일의 혼합 VOCs 제거 특성 조사 연구에서도 동일한 경향을 보였다. 또한, Dumont et al. (2010)는 흡수소재 중 실리콘 오일이 차 지하는 양이 많아짐에 따라 DMDS에 비해 toluene의 흡수능이 상대적으로 낮다고 보고하였다. 그런데, 124- TMB와 toluene 혼합 가스 조건에서 실리콘 오일의 단 위 부피당 toluene 흡수량은 toluene 가스 단일 조건일 때보다 더 많았다. 밀폐된 vial에서 혼합 VOCs (toluene, MEK, n-nonane, 124-TMB)에 대한 실리콘 오일 의 흡수능을 평가한 연구에서도 혼합 조건에서 VOCs 간 흡수 방해는 없는 것으로 보고하였다(Yun et al., 2019). Toluene은 유기용제를 사용하는 다양한 산업에 서 많이 발생하며 실리콘 오일 및 커팅 오일 등에 의한 toluene 흡수에 대한 연구가 수행되었다(Dumont et al., 2013; Fang et al., 2016). 기존의 toluene에 대한 높은 관심도로 볼 때 가스상 toluene 흡수능이 더욱 우수한 소재가 개발 된다면 혼합 VOCs 가스가 배출되는 실제 산업환경에서 VOCs 저감 효율을 높일 수 있을 것으로 기대된다.

    4. 결 론

    n-Nonane, 124-TMB, toluene, TXYL, IPA 및 MEK 는 인쇄업에서 배출되는 주요 휘발성유기화합물 (VOCs)이다. 실온(21 ± 2°C)에서 실리콘 오일에 의한 이들 VOCs의 흡수 특성을 단일 혹은 혼합 VOCs 조 건에서 조사하였다. 그 결과, 실리콘 오일 단위 중량 당 VOCs 흡수량은 n-nonane (189.5 g/kg-silicone oil), 124-TMB (91.7 g/kg-silicone oil) 그리고 TXYL (60.1 g/kg-silicone oil)의 순으로 많았다. 실리콘 오일에 의한 흡수능은 소수성 VOCs가 친수성 VOCs (IPA와 MEK) 보다 많았으나, log Kow 값이 1 이하인 I PA와 MEK도 실리콘 오일에 의해 26.0 g/kg-silicone oil 이상 흡수되었다. n-Nonane, 124-TMB 및 toluene의 2종과 3종 혼합 가스 조건에서 실리콘 오일에 의한 각 VOCs 의 흡수량은 단일 VOCs의 흡수량 보다 적었지만, 총 VOCs 흡수량은 2종 혼합 VOCs 조건에서 47.9 g~ 138.7 g/kg-silicone oil, 3종 혼합 VOCS 조건에서는 65.8 g/kg-silicone oil 이었다. 이러한 결과는 실리콘 오 일이 간헐적으로 배출되는 고농도의 VOCs를 흡수하 는 전처리용 소재로 활용 가능함을 의미한다. 본 연구 를 통해 얻은 실리콘 오일에 의한 VOCs 흡수량 정보 는 향후 VOCs 전처리용 댐핑 장치의 설계 인자로 활 용될 수 있다. 향후 실리콘 오일에 의한 VOCs 흡수량 에 미치는 VOCs 농도 및 온도 영향에 대한 추가 연구 가 필요하다.

    감사의 글

    This work was supported by the Technology Development Program to Solve Climate Change of the National Research Foundation (NRF) funded by the Ministry of Science and ICT (2017 M1A2A2086515).

    Figure

    JOIE-19-3-252_F1.gif

    General formula of silicone oil (polydimethylsiloxane chain).

    JOIE-19-3-252_F2.gif

    Schematic diagram of experimental setup.

    JOIE-19-3-252_F3.gif

    Time profile of toluene absorption performance in silicone oil.

    JOIE-19-3-252_F4.gif

    Absorption mass (a) and efficiency (b) of the single VOC by silicone oil (n = 2).

    JOIE-19-3-252_F5.gif

    Absorption mass (a) and efficiency (b) of 2 mixed VOCs by silicone oil (n = 2).

    JOIE-19-3-252_F6.gif

    Absorption mass (a) and efficiency (b) of 3 mixed VOCs by silicone oil (n = 2).

    Table

    Octanol-Water partition coefficient, vapor pressure and partition coefficient of VOCs used in this study

    <sup>a</sup>https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/, <sup>b</sup>Yun et al. (2019), <sup>c</sup>Patel et al. (2017)

    VOCs absorption in silicone oil (n = 2)

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