1. 서 론

도시화로 인해 거주지역과 상업지역이 뚜렷한 구 분 없이 공존하면서 감각공해로 인한 환경 문제가 대 두되고 있다. 감각공해에 해당하는 악취는 코를 자극 해 불쾌감, 혐오감같이 감각성을 갖는 공해를 일컫는 다. 이는 기체상 물질에 국한되지 않고 폐수, 폐기물 등에 확대되어 거주환경이 보호받지 못해 삶에 불편 함과 인체에도 악영향을 끼치며 민원의 대상이 되고 있다. 이에 따라 환경부에서는 악취관리법 제2조에 따 라 22종의 악취물질을 지정하고 악취배출원의 배출 을 규제하고 있으나 악취관리법 상의 법적 기준치와 악취를 느끼는 사람마다의 기준치는 다를 수 있으므 로 주요 민원의 원인물질인 지정악취물질을 제거하 거나 이를 감소시키기 위한 악취방지시설의 필요성 과 운용관리 강화가 요구된다.

지정악취물질의 제어 기술로 흡수를 이용한 방법, 흡착을 이용한 방법, 광촉매를 이용한 방법 등이 적 용되고 있다. 그러나 흡수 및 흡착을 이용하는 방법 은 주기적으로 흡수액과 흡착제를 교체해야 하는 운 용 비용 문제와 흡수액 교체에 관한 적절한 법적 기 준이 명시되어 있지 않아 현장에서의 흡수액 교체 주 기 판단을 산성도 및 탁도 등에만 의존하여 흡수액에 용해되어 있던 악취가 다시 방출되어 폐수, 폐기물로 인한 환경오염이 우려된다(Kim et al., 2021). 또한 휘 발성이 강한 제어대상물질이 유입 시 효율이 저하되 는 문제점을 지니고 있어 흡수를 이용한 방법만으로 는 높은 처리효율을 기대하긴 어렵다. 광촉매를 이용 한 방법은 미세분진과 같은 유해 물질이 광촉매 표면 을 피독시킬 가능성으로 이를 용해하는 역할인 전 처 리 공정이 반드시 포함해야 한다는 유의 사항이 존재 한다(Kim et al., 2008). 이러한 공정들의 한계점을 고 려하여 효율적인 제어대상물질의 관리를 위해 물질 의 배출 특성을 고려한 방지시설 설비 구축이 필요하 다. 또한 단일 공정의 한계점에 대한 방안으로 새로 운 공정이 아닌 기존 공정들의 장단점을 상호보완적 으로 결합한 복합 공정의 효과적인 운영이 필요하다 고 판단된다(Yu et al., 2009).

휘발성유기화합물(volatile organic compounds, VOCs)은 증기압이 높아 대기 중으로 쉽게 증발하는 유기물을 총칭한다. 광화학 스모그를 일으키는 전구 물질로 작용하는 휘발성유기화합물은 실내에서 페인 트, 벽지 등의 건축자재로부터 발생하여 인체의 피부 나 호흡기를 통해 신경계 장애를 일으키는 발암물질 로 알려져 있다. 특히 휘발성유기화합물 중 아세트알 데하이드(Acetaldehyde, CH₃CHO)는 국제암연구소 (IARC)에서 인체 발암 가능성 물질로(2B), 미국환경 보호청(USEPA)에서는 인체에 유력한 발암성 물질로 (B2) 분류하여 관리 중에 있다. 악취는 대부분 방지시 설에 의해 원활히 제어되고 있는 반면에 지정악취물 질 중 휘발성유기화합물에 해당하는 아세트알데하이 드는 유입 농도보다 방지시설 처리 후 배출되는 유출 농도가 높은 역전 현상이 일어나 음식물쓰레기처리 시설, 소각시설, 쓰레기집하장 등에서 방지시설을 설 치했음에도 효과적인 처리에 어려움을 겪고 있는 실 정이다(Woo and Park, 2017;Kim and Park, 2021;Chae et al., 2022). 또한 아세트알데하이드의 최소감지 농도는 0.002 ppm으로 낮아 악취기여도가 높게 평가 되며 톡 쏘는 자극적인 냄새가 나는 악취 민원의 주 요 원인물질로 인근 주민들에 피해가 우려된다(Hong et al., 2006;Hwang et al., 2018). 이에 따라 알데하이드 류 중 최소감지농도가 낮아 악취기여도가 높고, 휘발 성으로 인한 역전 현상의 개선을 위해 본 연구의 제 어대상물질을 아세트알데하이드로 선택하였다.

이에 따라 본 연구에서는 흡수와 광촉매 반응기를 연계한 복합 공정을 구축하고 흡수 후 처리되지 않은 알데하이드에 대한 광반응기의 광촉매 코팅 양, UVlamp 조사 방식 및 제어대상물질의 유입 농도, UV-lamp 의 파장, 상대습도와 같은 운전조건을 변경하여 복합 공정에서의 광촉매반응기 제거효율을 고찰함으로써 최적 운전조건을 도출하고자 한다.

2. 연구 방법

본 연구에 사용된 장치는 흡수와 광촉매 반응기를 연계한 복합 공정으로 최적 운전조건 도출을 위해 실 험 조건에 따라 공정 부품의 교체가 용이하도록 설계 하였으며, 이는 Fig. 1에 도시하였다. 복합 공정의 전 단인 흡수 영역은 내경 50 mm, 높이 300 mm이며, 후 단의 광촉매 반응 영역은 내경 50 mm, 높이 600mm의 Pyrex 재질로 구성하였다. UV-lamp (PHLIPS, China) 는 직경 33 mm, 길이 434 mm로 광촉매 반응기와 10 mm 떨어진 거리에 배치하였다. 또한 상온에서도 쉽 게 기화하는 아세트알데하이드의 화학적 특성을 고 려하여 아세트알데하이드 발생기의 항온수조(DWB- 11, Korea)를 사용하여 발생 온도 조절을 통해 유입 농 도를 일정하게 유지하였고, 정밀도 ±2~3%의 자동흡 입식 측정기(SKT-9300, China)를 사용하여 유입 농도 (C_i)와 유출 농도(C_o)를 40분 간격으로 측정하였다. 측 정한 농도를 제거효율(η)로 비교 분석하기 위한 식은 다음과 같다.

3. 결과 및 고찰

3.1 광촉매 코팅 양에 따른 제거효율 비교

실험에 사용된 광촉매인 이산화티타늄 나노 콜로 이드 수용액(SEWON, Korea)의 광 조사를 통해 형성 하는 OH-Radical과 광촉매 반응기 내부의 아세트알 데하이드와의 반응식은 다음과 같다(Jeon and Kim, 2014;Ohko et al., 1998).

(2)

(3)

(4)

광촉매 반응 영역의 코팅 양에 따른 제거 효율 비 교를 위해서 각각 4회(3.5 mL), 20회(17.5 mL), 40회(35 mL) 광촉매를 분사 후 100°C에서 1시간 동안 건조하 여 광촉매가 코팅된 Pyrex 재질의 반응기를 준비하고, 하단에 흡수액을 300 mL 충전시킨 복합 공정에 아세 트알데하이드를 8 L/min 유량으로 10 ppm 유입시키 는 동일한 조건에서 광촉매 코팅 양 만을 변경하여 제 거효율을 비교한 결과를 Fig. 2에 나타냈다.

실험 결과, 광촉매 3.5 mL, 17.5 mL, 35 mL을 코팅할 경우 각각 65, 82, 96% 최종 제거효율을 나타냈다. 이 결과로 광촉매 코팅 양을 증가시킬수록 작용하는 광 촉매 양이 증가되어 제거 효율이 높아지는 것을 확인 하였다. 이는 앞서 전술한 식 (2)-(5)와 같이 자외선(hv) 을 흡수한 광촉매(TiO₂)에 의해 생성된 OH-Radical (OH∙)의 산화 반응은 광촉매의 양이 많을수록 가전자 대(h_vb⁺)가 증가함으로 광 분해율을 향상해 제거효율 이 높아짐을 알 수 있다.

3.2 UV-lamp 조사 방식 및 유입농도에 따른 제거효 율 비교

UV-lamp의 조사 방식에 따른 제거 효율 비교를 위 해서 하단에 흡수액을 300 mL 충전시킨 복합 공정에 아세트알데하이드를 2 L/min 유량으로 10 ppm 유입 시키는 동일한 조건에서 후단의 UV-lamp를 내장형, 외장형의 광 조사 방식만을 변경하여 제거효율을 비 교한 결과를 Fig. 3에 나타냈다.

실험 결과, 광 조사 없이 흡수 영역만으로는 아세트 알데하이드를 제어하기에는 어려움이 있었으며 내장 형, 외장형 UV-lamp를 아세트알데하이드와 10 mm 떨 어진 동일한 거리에 배치하였음에도 제어대상물질과 표면과의 접촉을 하지 않은 외장형보다 내장형의 광 조사 방식이 제거효율이 우수하고 안정적으로 제어 됨을 알 수 있다. 이에 따라 광 조사를 통해 생성된 OHRadical의 산화 반응은 효과적인 분해를 위해 제어대 상물질과 광촉매 표면과의 접촉이 필요하다고 판단 된다. 제거효율이 더 우수한 내장형 광 조사 방식만 을 적용하여 아세트알데하이드를 10 ppm, 50 ppm, 100 ppm으로 유입하여 제거효율을 비교한 결과는 Fig. 4 에 나타냈다. 아세트알데하이드의 유입농도가 증가 할수록 제거효율이 낮아지는 것을 확인하였다. 또한 100 ppm의 고농도 아세트알데하이드를 제거할 시 우 려했던 재발산 현상으로 인해 유입 농도보다 유출 농 도가 더 높은 역전 현상이 발생하는 것을 알 수 있다. 이를 통해 흡수를 이용한 방법의 악취 제어기술의 한 계점과 복합 공정의 필요성을 확인하였다.

3.3 UV-lamp의 파장에 따른 제거효율 비교

UV-lamp의 파장에 따른 제거효율 비교를 위해서 파 장이 다른 UV-A (320~400 nm), UV-B (280~320 nm), UV-C (100~280 nm)를 준비하고, 하단에 흡수액을 300 mL 충전시킨 복합 공정에 아세트알데하이드를 2 L/ min 유량으로 50 ppm 유입시키는 동일한 조건에서 UVlamp의 파장대만을 변경하여 최종 제거효율을 비교 한 결과를 Fig. 5에 나타냈다.

실험 결과, 흡수 영역은 파장길이에 따라 제거효율 변함없이 약 32%를 유지하였고 광촉매 반응 영역에 서는 UV-A, UV-B, UV-C 파장대에서 각각 41, 58, 61% 제거 효율을 나타냈다. 이 결과로 파장대가 짧을수록 광촉매 반응 영역의 제거효율이 높아지는 것을 확인 하였다. 또한 제거효율은 비교적 낮지만 빛의 강도가 약한 320~400 nm 파장대에서도 제어대상물질이 제 어됨과 UV-lamp의 파장대가 짧고 빛의 강도가 강한 100~280 nm 파장대에서 제거효율이 가장 우수함을 확인하였다.

3.4 상대습도에 따른 제거 효율 비교

광촉매 반응 영역에서 제어대상물질은 강력한 산 화력을 가진 OH-Radical로 분해된다. 이는 앞서 전술 한 식 (3)과 같이 OH-Radical 생성에는 H₂O가 필요하 므로 상대습도(relative humidity, RH)를 상승시켰을 때 제거효율도 향상한다는 연구 결과와(Feiyan et al., 2002) 상대습도가 높은 조건에서 오염물질을 제거 시 수증 기와 오염물질이 광촉매의 흡착지점에서 경쟁적 흡 착을 일으키고 수분이 자외선을 흡수하여 광촉매와 의 반응을 방해해 제거효율이 저하된다는 연구 결과 처럼(Jung et al., 2006) 보고된 연구들 간의 제어대상 물질 및 실험 조건이 달라 광촉매 반응 영역에서의 습 도 영향을 비교하기 어렵다고 판단하였다. 이에 따라 상대습도에 따른 제거효율 비교를 위해서 mesh demister 준비하고 하단에 흡수액을 300 mL 충전시킨 복합 공 정에 아세트알데하이드를 2 L/min 유량으로 100 ppm 유입시키는 동일한 조건에서 전단인 흡수 영역과 후 단인 광촉매 반응 영역 사이에 mesh demister 유무만 을 변경하여 제거효율을 비교한 결과를 Fig. 6에 나타 내었다.

실험 결과, 아세트알데하이드가 100 ppm으로 유입 시 10, 50 ppm으로 유입할 때와 달리 실험 160분 경과 후부터 흡수영역에서의 역전 현상이 발생하여 제거 효율이 -10% 이하로 떨어지는 것을 알 수 있다. 이는 아세트알데하이드의 휘발성이 강한 화학적 특성과 흡수액 포화로 인해 흡수된 아세트알데하이드가 재 발산한 것으로 판단된다. 또한 mesh demister 적용으 로 복합 공정 내부의 상대습도가 약 90%에서 10%로 감소하며 상대습도를 조절하지 않았을 때와 비교하 여 최종 제거효율이 최대 104% 증진된 것을 확인할 수 있었다. 이는 제어대상물질을 상대습도가 높은 조 건에서 수분이 광촉매의 산화 반응을 방해한다는 선 행 연구(Wang et al., 2009)와 같은 결과를 나타낸다. 아 세트알데하이드의 역전 현상이 발생했음에도 제거효 율이 약 90%로 안정적으로 유지되는 것을 보아 복합 공정의 연계과정에서의 상대습도 조절은 흡수 영역 의 재발산 현상과 광촉매 반응 영역의 제거효율을 대 폭 개선할 수 있음을 확인하였다.

4. 결 론

본 연구는 물에 대한 용해도가 높아 흡수 공정을 적 용하지만 고유한 화학적 특성으로 인해 제어에 어려 움을 겪고 있는 아세트알데하이드를 제어대상물질로 선택하여 악취 제어 기술 개선에 기여하고자 하였다. 이에 따라 복합 공정에 필요성을 실험적으로 확인하 기 위하여 흡수와 광촉매를 연계하여 복합 공정을 구 축하였고, 도출한 최적 운전조건은 다음과 같다.

본 연구로 인해 향후 많은 사업장 및 환경기초시설 에서 처리의 어려움을 겪고 있는 아세트알데하이드 의 제어를 위한 방안에 기초 자료로 사용될 것으로 사 료되며 새로운 공정의 개발이 아닌 기존 공정의 추가 도입으로 사업장의 방지시설에 적용이 용이하여 악 취 제어에 기여할 수 있을 것으로 기대된다. 더 나아 가 복합 공정의 제어대상물질 적용의 확대 및 온도와 같은 운전 조건에 대해 추가적인 실험이 필요할 것으 로 판단된다.