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ISSN : 2288-9167(Print)
ISSN : 2288-923X(Online)
Journal of Odor and Indoor Environment Vol.16 No.1 pp.72-80
DOI : https://doi.org/10.15250/joie.2017.16.1.72

Effects of different operating conditions on the VOCs removal performance of UV irradiation reactors

InSun Kang, Xi Jinying*, Hong-Ying Hu
School of Environment, Tsinghua University, Beijing 100084, China
Corresponding author +86-(0)10-6279-2778xijinying@tsinghua.edu.cn
February 8, 2017 March 6, 2017 March 7, 2017

Abstract

In this study, UV irradiation reactors were used to eliminate 4 types of volatile organic compounds (VOCs) in various experimental conditions. The 4 types of VOCs used include acetone (AC), chlorobenzene (CB), dichloromethane (DCM) and methylbenzene (MB). An ozone producing low-pressure mercury lamp that emits UV irradiance at 254 nm and 185 nm was used. The tested operating conditions included UV light intensity, inlet VOCs concentrations, empty bed retention time (EBRT), background gas and relative humidity (RH) of the gas. Firstly, higher UV light intensity is confirmed to have higher VOCs removal efficiency (RE). Higher inlet VOCs concentration will result in lower VOCs RE, and the decreasing trends of different VOCs are not identical. At the same inlet VOCs concentrations, increasing the EBRT will result in a rise in VOCs RE, but a further increase in EBRT will bring about less enhancement in RE. Moreover, UV irradiation in oxygen has the highest VOCs RE compared with that in air and nitrogen gas (N2), indicating that photolysis and photooxidation are both important. Finally, there was no increase the VOCs RE at the increase in RH. All the experimental results indicate that an identical set of operating conditions should be applied when the removal capacities of different VOCs according to the UV irradiation amount are compared.


UV조사 반응기의 다른 운전조건에서의 VOCs제거성능 효과

강 인선, Jinying Xi*, Hu Hong-Ying
칭화대학교 환경학원

초록


    ©Korean Society of Odor Research and Engineering & Korean Society for Indoor Environment. All rights reserved.

    1.서 론

    현재 세계 각국은 대기 환경기준을 엄격하게 하여 오염으로 인한 인류의 건강과 재산 및 동·식물에 대한 피해를 최소화하려 노력하고 있다. 대기오염 물질은 식 물이나 해양에서 발생하는 자연적인 발생과 공장이나 자동차 등에서 배출되는 인위적 발생으로 대기 상에는 서로 다른 농도의 악취 및 VOCs가 존재한다(Kesselmeier et al., 2000). 따라서 악취 및 VOCs의 제거를 위 해 많은 연구자들에 의해 우수한 악취 및 VOCs 제어 기술이 개발되었지만, 제어기술마다 유입되는 오염물 질의 농도, 유량 등 조건에 따라 낮은 제거효율 또는 경제성 등 여러 가지의 단점들을 갖고 있다. 그래서 높 은 제거 효율을 달성하기 위해 다양한 공정과 장치의 도입이 이루어지고 있으며, 1990년 이후 새롭게 떠오 르고 있는 VOCs 처리 기술로 저온 플라즈마와 UV램 프를 이용한 광분해 기술이 빠르게 발전하고 있는데, 저온 플라즈마 장치는 광분해 장치보다 값비싼 전기에 너지를 사용하는 단점을 갖고 있다. 그리고 UV램프를 이용한 광분해 기술은 고도 산화 공정으로 악취 및 VOCs 처리에 적합성이 매우 뛰어난 것으로 보고되고 있다(Suh, 1999). Lim et al. (2006)은 황하수소와 암모 니아의 제거시 바이오 필터의 단독 사용보다 UV광촉 매 장치를 이용한 하이브리드 시스템이 제거율을 각각 약 5% 및 10% 증가하였다고 보고 하였으며, Wang et al. (2009)은 농도 250 mg/m3의 클로로벤젠을 바이오 필터 단독 사용시 50~60%의 제거율을 보였는데, 전처 리 장치로 광분해 장치를 설치하여 복합처리를 실시한 결과 제거율이 약 40% 상승한 80~98%로 상승하였다 고 보고하였고, Moussavi et al. (2007)도 toluene과 oxylene의 혼합된 방향족 VOCs의 제거를 위해 바이오 필터 단독사용보다 복합처리 시 제거율이 더 상승했다 고 보고하였다. 또 Mohseni (2005)는 TCE 농도 약 350 ppm을 광분해시 체류시간 1.5 s면 99% 제거된다 고 보고하였다. 이처럼 많은 연구를 통해 광분해 장치 의 결합으로 높은 제거효율의 가져 온다고 것을 알게 되었으며, 또 비교적 짧은 체류시간에도 높은 제거효율 을 얻을 수 있다는 것을 확인하였다.

    이처럼 광분해 장치의 특징은 분자가 자외선(397~ 10 nm)이나 가시광선(380~780 nm)을 흡수하게 되면 바닥상태에 있는 전자가 높은 에너지 상태로 들뜨게 된다. 흡수한 에너지가 결합에너지나 구조결합을 일어 나게 하는데 필요한 에너지보다 크다면 일부 분자는 분해되거나 구조 변화가 일어나게 된다. 또 빛의 흡수 에 의해서 생긴 들뜬 분자나 자유라디칼이 산소분자와 직접 화합하여 과산화물을 형성하는 경우와, 생성된 들 뜬 분자가 산소로 에너지 이동하여 들뜬 산소를 형성 하고, 그 들뜬 산소가 다른 분자와 화합하는 경우가 있 다(Park, 2009). 또한 OH Radical (OH 라디칼: 수산기) 은 거의 모든 오염물질의 살균, 소독에 관여하며 화학 적으로 분해하고 제거할 수 있는 가장 강력한 효과를 발휘하면서 인체에는 무해한 천연물질로 알려져 있으 며, 공기와 물 속의 오염물질에 직접적으로 관여하여 모든 오염물질을 안전한 물과 CO2로 환원시킨다고 알 려졌다. 아래 식은 공기 중 산소가 185 nm 광자를 흡 수하여 오존을 생성하고 다시 오존이 254 nm 광자를 흡수하여 O2로 환원되는 반응식이다(Chen et al., 2002).

    O 2 + O ( 1 D ) O ( 3 P )  at 185 nm
    (1)

    O ( 1 D ) + O 2 O ( 3 P )  +O 2
    (2)

    O ( 3 P ) + 2 O 2 O 3 + O 2
    (3)

    O 3 + h v O ( 1 D ) + O 2  at 254 nm
    (4)

    또한 아래 식은 공기중의 수분이 185 nm 광자를 흡 수하면 물 분자가 분해되어 OH 라디칼이 생성된다는 반응식이다(Chen et al., 2002).

    O ( 1 D ) + H 2 O 2OH
    (5)

    H 2 O + h v H + OH
    (6)

    하지만 광분해 장치를 이용하여 VOCs 제거에 대한 논문들을 보면 각각 다른 실험 조건을 갖고 있었다. 보 고된 논문들 간의 실험조건들이 달라 같은 물질이라 하더라도 제거율이 다르게 보고되었다(Chen et al., 2002; Mohseni, 2005; Wang, 2009; Wei et al., 2010). 광분해 장치를 이용하여 CB의 초기농도를 약 120 mg/ m3로 설정하여 제거율을 측정한 결과 두 논문을 비교 해 보면 Wang (2009)은 93%의 제거율을 보였다고 보 고한 반면 Cheng et al. (2013)은 60%의 제거율을 보 였다고 보고했다. 또 Wang (2009)은 CB 초기농도 2500 mg/m3에서 상대습도를 30%에서 80%까지 상승 시키면 제거율도 증가하였다고 보고하였는데, Kim and park (2008)은 BTEX 초기농도 100 ppm에서 상대 습도를 30%에서 70%까지 상승시켰을 때 50~55%의 상대습도에서 제거율이 가장 높음을 알 수 있다고 보 고하였다.

    이처럼 보고된 몇몇 연구는 체류시간이 유사하기는 했지만, 그 외 온도, 상대습도, 초기농도 등 실험조건이 달라 비교하기에는 문제가 있었다. 또한 빛의 강도, UV램프의 파장거리도 제거율에 많은 영향을 준다고 알려져 있는데, 이런 조건들을 표시하지 않아 제거율 비교가 어려운 실정이다. 또한 UV254-184 nm 램프는 배경가스에 따라 두 종류의 반응이 이루어진다. 두 종 류의 반응은 광산화와 광분해가 있는데 배경가스에 산 소가 없을 경우 185 nm 광자가 비활성화 되어 254 nm 광분해 파장의 광분해만 이루어지고, 배경가스에 산소 가 있을 경우 185 nm의 광자가 산소를 분해하여 오존, OH라디칼 등 다른 활성 화학물질을 생성하여 185-254 nm의 광자가 모두 활성화 되어 광산화 반응이 이루어 진다(Cheng et al., 2013). 그리고 배경가스의 산소 비 율에 따라 오존의 생성량이 달라진다. 하지만 UV-C의 복사는 오존에 흡수되어 UV 광자와 VOCs와의 반응 을 저해하는데, 이런 광분해와 광산화에 대한 기여도 또한 불분명했다(Cheng et al., 2013; Wang et al., 2009). 따라서 본 연구는 실험조건이 같아야 성질이 다 른 VOCs의 제거율 비교에서 명백한 차이를 알아낼 수 있기에 4종 VOCs를 동일한 실험조건에서 실험하였으 며, 영향인자에 따른 제거율을 알아보기 위해 UV복사 강도가 다른 두 개의 반응기를 이용하여 제거율을 알 아보았으며, 초기농도에 변화를 주어 제거율에 미치는 영향을 확인하였고, 또 반응기내에서 UV광자와 VOCs 간의 반응시간을 다르게 하여 VOCs 제거에 대한 영향 을 알아보았다. 또한 광분해와 광산화 반응에서 VOCs 제거에 대한 기여도를 알아보기 위해 3종의 배경가스 공기, 질소(>99.999%), 산소(>99.999%)로 실험하였으 며, 마지막으로 습도량의 변화에 따른 제거율을 알아보 기 위해 습도조건을 다르게 하여 실험을 진행하였다.

    2.재료 및 방법

    2.1.VOCs의 선정

    Table 1에서 나타낸 바와 같이 본 연구에 사용된 VOCs는 AC, CB, DCM, MB를 선택하였다. 사용된 4 종의 화학물질은 순도 99% 이상의 제품(Beijing Modern oriental Fine Chemistry Co., Ltd)을 사용하였으며, 추가로 정제하지 않고 그대로 사용하였다. 또한 Table 1에 본 연구에 사용된 VOCs의 분자식, 분자량 및 끓는 점도 표기하였다.

    2.2.실험 장치 및 조건

    Fig. 1은 본 연구에 사용된 실험 장치도이다. 스레인리 스로 만들어진 두 개의 부피가 다른 UV반응기를 사용 하였는데, 하나는 내경이 50 mm, 높이 450mm로 유효 부피 0.883 L이었고, 또 다른 하나는 높이는 같으나 내 경이 80mm로 유효부피가 약 3배 큰 2.26 L의 반응기를 사용하였다. 램프는 오존을 생성하는 254-185 nm 파장 을 방출하는 저압수은 UV램프(Cnlight, ZW23D15YZ436, China)를 사용하였다. UV램프는 직경 15 mm, 길이 436 mm, 전류 420mA, 1 m 거리에서 254 nm 자 외선 조도가 62 μW/cm2이며 단위 길이의 복사 전력은 52.3 W/m인 것을 사용하였다.

    VOCs의 농도 및 가스의 상대습도를 조절하기 위해 실리지 펌프(LongerPump, TJ-3A Single Channel Syringe Pump, China)를 사용하여 VOCs 및 증류수를 주입하 였다. 4종의 VOCs 실험은 UV램프가 꺼진 상태에서 VOCs 가스의 유속 및 유입 농도가 미리 결정된 수준 에서 일정하게 유지되게 만든 다음 UV램프의 안정화 를 위해 UV램프 켜고 30분간 VOCs를 흘려 보낸 후, 가스시료를 UV 반응기의 입구와 출구에서 채취하여 분석하였다. 하나의 VOCs 실험이 끝난 후 다음 시료 로 실험 진행 전에, 실험이 종료된 VOCs와의 간섭을 방지를 위해 AC을 이용하여 관로 내부 및 반응기 내 부를 세척하였다. 반응기 안에는 하나의 UV램프를 사 용하였으며, 램프의 위치는 반응기의 정중앙에 위치하 도록 하였다. 또한 시간에 따라 복사강도가 감쇠되는 것을 감안하여 복사강도가 5%이상 감쇠되면 새로운 램프로 교체하였다. 본 연구의 운전 조건은 Table 2와 같다.

    또한 Fig. 2는 화학물질 분해에 직접적으로 관여하는 254 nm의 UV 복사강도를 측정한 결과 그래프이다. UV램프는 23W의 전력을 사용하였을 때의 UV램프에 서 방출하는 빛을 거리에 따른 UV의 복사강도를 조사 하였다.

    램프 표면에서 UV 강도를 측정하는 측정기까지의 거리가 13 또는 40 mm, UV램프에서 방출하는 UV 강 도가 각각 7.3과 2.6 mW/cm2이었다. 이는 방출되는 빛 과의 거리가 가까울수록 빛의 강도세기는 높았으며, 반 면 거리가 멀어질수록 빛의 강도는 약해졌다. 반응기의 설계(반응기의 사이즈)와 램프의 구조는 반응기 내부 에서 UV강도분포에 상당한 영향을 주는 것으로 나타 났다. 본 연구는 내경이 다른 두 개의 반응기를 만들어 사용하였다(50 mm and 80 mm). 두 반응기 모두 성능 이 같은 UV램프를 하나씩 탑재하였지만 반응기의 내 경이 달라 반응기 내부의 UV강도분포 및 평균 UV방 사 레벨은 달랐다.

    2.3.분석방법

    VOCs 농도 측정은 모세컬럼(ULBON, HR-1 0.25 mm × 30 m, Japan)이 장착된 불꽃 이온화 검출기(FID) 인 가스크로마토그래프(Shimadzu, GC-14B, Japan)를 이용하여 측정하였다. GC-14B의 캐리어 가스는 질소 의 유량을 60 mL/min로 하였으며, 불꽃 이온화 검출기 에는 수소가스 (purity > 99.999%, 35 mL/min)와 산소 (350 mL/min)를 공급하였다. 컬럼, 입구 및 검출기의 온도는 각각 100, 150, 150°C로 하였다. 정량분석을 위 해 각각의 표준가스는 최소 3회 반복 측정하여 검량선 을 준비하였다.

    출구로 배출되는 오존의 농도는 UV흡광도 검출에 기초하여 오존 모니터(2B Tech., 106-M, U.S.)를 사용 하여 측정하였고, 온·습도 측정은 디지털 습도계 (Testo, 605-H1, Germany)로 측정하였다. UV254 nm의 복사강도 측정은 이중채널의 UV 복사계(Hongchang Corp., UV-B, China)를 이용하였다.

    3.결과 및 고찰

    3.1.복사강도에 따른 제거율

    UV램프의 복사강도 및 VOCs의 초기농도 변화에 대 한 VOCs의 제거율을 알아보기 위해 내경(Inside Diameter, ID)이 다른 두 반응기를 준비하여 실험하였 다. 두 반웅기의 평균 복사강도는 각각 5.9 mW/cm2 (ID 50 mm)와 4.6 mW/cm2 (ID 80 mm)였으며, Fig. 3 은 평균 복사강도가 다른 두 반응기의 농도변화에 따 른 AC 제거율을 나타낸 그래프이다.

    Fig. 3의 실험조건은 체류시간 15 s, 배경가스 공기, 상대습도 30% 및 온도를 20°C로 하여 실험을 진행하 였다. 실험결과 반응기로 유입되는 초기 AC의 농도가 약 50 ppm에서 230 ppm까지 농도를 올리며 실험을 한 결과 복사강도가 상대적으로 낮은 4.6 mW/cm2의 반응 기보다 5.9 mW/cm2에서 VOCs의 제거율이 높게 나타 났다. 이 결과로 UV램프와 VOCs의 거리가 짧을수록 VOCs 제거율이 높다는 것을 확인하였다. 또한 이 결 과를 토대로 3.2 실험부터는 두 UV반응기 중 제거율 이 높은 내경이 50 mm (5.9 mW/cm2 at 254 nm)의 반 응기를 단독 사용하였다.

    3.2.초기농도에 따른 제거율

    성질이 다른 VOCs의 UV램프에 대한 반응을 알아 보기 위해 AC, CB, DCM, MB를 준비하여 농도변화 에 따른 물질별 제거율을 알아보았다. Fig. 4는 초기농 도를 20 ppm에서 300 ppm까지 다양하게 설정하여 실 험하였다. 실험조건은 체류시간 15 s, 배경가스 공기, 상대습도 30% 및 온도 20°C로 동일하게 설정하여 실 험하였다. 또한 Fig. 4(a)는 VOCs농도에 따른 제거율 결과값을 그래프로 나타낸 것이고, Fig. 4(b)는 VOCs 유입량별 제거효율의 결과값을 나타낸 것이다. 유입량 (flow rate)의 계산은 입구농도를 체류시간(min)으로 나 눈값이며, 제거효율 (Removal rate)은 입·출구 농도차 를 체류시간(min)으로 나눈 값이다.

    Fig. 4(a) 4종의 VOCs는 모두 초기농도가 높아질수 록 제거율이 낮아지는 경향을 보였다. 하지만 물질별로 초기농도가 높아질수록 제거율의 하강속도는 다르게 나타났으며, 일정농도 이후부터는 제거율의 하강곡선 이 완만하게 이루어지고 있었다. 초기농도가 약 30 ppm일 때 2종(CB, DCM) VOCs는 제거율이 95% 이 상 이었고, MB는 76%이었으나, AC는 27%로 제거율 이 가장 낮았다. 4종 VOCs 중 DCM의 경우 초기농도 가 21 ppm일때는 제거율이 >99%로 매우 높았으나, 초 기농도가 48 ppm으로 상승되니 다른 3종의 VOCs와 달리 제거율이 35%로 급격하게 떨어졌다. 초기농도 48 ppm 이후부터는 초기농도가 증가하여도 다른 VOCs들과 비슷한 기울기로 제거율이 완만하게 떨어짐 을 확인하였다. 4종 VOCs중 초기농도 50 ppm 이후부 터는 CB의 제거율이 가장 높았으며, 그 다음 MB > AC > DCM 순으로 나타났다. Fig. 4(b) 제거효율의 결 과를 분석해 보면 CB는 유입량이 증가할수록 제거효 율도 증가하는 경향을 보였으나, MB와 AC는 유입량 이 약 600 ppm/m까지는 제거효율이 증가하는 추세를 보였지만 유입량이 600 ppm/m 이후부터는 제거효율이 증가하지 않고 정상상태를 유지하다가 AC는 약 900 ppm/m부터 제거효율이 감소하는 것으로 나타났고, MB는 약 1200 ppm/m부터 제거효율이 감소는 것으로 나타났다. 그리고 DCM은 유입량이 낮은 약 80 ppm/m 일때는 제거효율도 80 ppm/m으로 효율이 좋았지만 유 입량이 231~600 ppm/m까지는 제거효율이 약 50 ppm/ m으로 효율이 더 낮아짐을 확인할 수 있었다. 따라서 제거효율의 결과를 종합해 보면 CB가 제거효율 416 ppm/m로 가장 높은 제거효율을 보였으며 그 다음 MB > AC > DCM순으로 제거율과 같은 결과를 보였다. 이처럼 같은 UV강도와 초기농도에서도 4종의 VOCs 물질의 제거율과 제거효율은 다르게 나타났다.

    3.3.체류시간에 따른 제거율

    VOCs의 UV반응기 내 체류시간 변화에 따른 제거율 변화를 알아보기 위해 4종의 VOCs를 6~35 s까지 체류 시간을 변화시켜보았다. Fig. 5는 체류시간을 제외한 나머지 조건을 동일하게 하여 실험한 4종의 VOCs 제 거율 결과 그래프이다.

    실험조건은 배경가스 공기, 상대습도 30% 및 온도 를 20°C로 설정하였으며, Fig. 5(a)는 VOCs의 초기농 도를 300 ppm으로, Fig. 5(b)는 100 ppm으로 다르게 설정하여 체류시간의 변화에 따른 제거율을 알아보았 다. Fig. 5(a)를 보면 MB는 체류시간이 10 s 일 때 제 거율이 16%였는데, 체류시간이 35 s일 때는 제거율이 51%까지 상승하였다. AC은 체류시간이 6~15 s까지는 제거율이 3% 때를 유지되다가 체류시간이 35 s에서는 16%까지 상승하였다. Fig. 5(b)는 DCM의 체류시간이 10 s 일 때 제거율이 11%였는데, 체류시간이 35 s일 때 는 제거율이 29%까지 상승하였다. CB는 체류시간이 10 s 일 때 제거율이 47%였는데, 체류시간이 35 s일 때 는 제거율이 93%까지 상승하였다. 따라서 두 그래프 를 종합해보면 4종 VOCs 모두 체류시간이 길어질수 록 제거율도 상승한다는 것을 확인하였고, 또 3.2의 결 과와 같은 AC보다 MB의 제거율이 높았으며, 농도에 변화에 대한 제거율의 변화가 크지 않았던 AC는 체류 시간의 변화에서도 다른 물질보다 제거율의 변화는 상 대적으로 낮았다. 따라서 체류시간도 VOCs의 제거율 에 많은 영향을 주는 것으로 확인되었다. 하지만 체류 시간의 변화 또한 물질마다 다른 제거율 변화를 보여 주었다.

    3.4.배경가스에 따른 제거율

    광분해와 광산화에 대한 VOCs의 분해 기여도를 알 아보기 위해 3종의 배경가스를 준비하여 실험을 진행 하였다. Fig. 6은 산소, 공기, 질소를 사용하여 상대적 으로 UV램프와 반응성이 큰 CB를 선택하여 초기농도 를 다르게 하여 농도별 제거율을 측정하였다. 이 때의 실험조건은 체류시간 15 s, 상대습도 30% 및 온도를 20°C으로 설정하였다.

    CB의 제거율은 배경가스 따라 서로 다른 결과를 나 타났다. 배경가스가 공기일 때 CB의 초기농도 약 35 ppm에서 제거율이 94%였으며, 초기농도 약 225 ppm 일때는 제거율 47%로 낮아짐을 확인하였다. 반면, 배 경가스가 질소 일 때는 초기농도가 약 69 ppm 일 때 제거율이 34%로 나타났으며, 초기농도가 약 249 ppm 으로 상승하였을 때는 제거율이 17%로 낮아졌다. 또 배경가스가 산소 일 때는 초기농도를 71~245 ppm까지 상승시켜도 >99%의 제거율을 유지하였다. 그리고 전 체적으로 공기가 질소가스보다 제거율이 2.5배 이상 높았다. 이처럼 초기농도가 저농도에서 고농도로 높였 을 때 광분해보다 광산화에서 제거율의 차는 컸으며, 광분해의 제거율보다 낮게 나타나지는 않았다. 결국 CB은 광분해보다 광산화 반응에서 제거율이 높은 것 으로 나타났다. 이는 Mohseni (2005)의 결과와 같이 분자구조의 C=C 이중결합이 오존과 강하게 반응하여 광분해 반응보다 광산화 반응이 더 높은 제거율 보인 것으로 판단된다. 따라서 C=C 이중결합 화학물질의 UV램프를 이용한 분해 제거율을 높이려면 적절한 산 소의 주입도 좋은 방법이라 생각되며, 두 결과를 토대 로 CB의 제거에 광산화와 광분해 및 오존산화에 대한 기여도를 명확히 알게 되었다.

    3.5.상대습도에 따른 제거율

    상대습도 및 오존은 UV 복사를 흡수하여 VOCs와 의 반응을 저해할 수 있는 반면 Chen et al. (2002)은 상대습도에 따라 OH라디칼의 생성량이 달라진다고 보 고하였다. 따라서 Fig. 7은 광산화, 광분해의 다른 메커 니즘으로 제거되는 VOCs의 습도에 따른 제거율을 알 아보기 위해 실험조건의 변화에 따라 비교적 제거반응 이 큰 MB와 CB에 상대습도를 다르게 하여 제거율을 알아보았다.

    실험조건은 체류시간을 15 s, 온도를 20°C 설정하여 실험을 진행하였다. Fig. 7(a)는 광산화 반응에서 상대 습도를 5개로 설정하여 MB의 제거율을 실험한 결과 그래프이다. 설정한 습도는 30, 54, 61, 64, 85%이었으 며, 이 때 MB의 제거율은 각각 44, 47, 48, 53, 48%로 나타났다. Fig. 7(b)는 광분해 반응에서 상대습도를 3 개로 설정하여 CB의 제거율을 실험한 그래프이다. 습 도가 1, 42, 80%로 하였을 때, CB의 제거율은 각각 23, 27, 26%로 나타났다. MB의 광산화 반응 시 상대 습도 64%일 때 가장 높은 제거율을 보였으나 큰 차이 를 보이지 않았으며, CB의 광분해 반응에서도 제거율 은 습도에 대한 큰 영향을 받지 않았다. 따라서 광산화, 광분해 반응에서 습도는 크게 고려하지 않아도 될 것 으로 사료된다.

    4.결 론

    현재까지 보고된 UV254-185 nm램프를 이용한 논문 들은 실험조건들이 상이해 보고된 결과들을 종합하여 물질별 제거율 비교가 어려웠으며, 광산화, 광분해에 대한 제거 기여도 역시 불분명했다. 따라서 본 연구에 서는 4종의 VOCs 실험조건의 설정을 다르게 하여 VOCs제거율을 측정해 물질별 제거율을 비교해 보았다. 그 결과 UV복사강도를 다르게 하여 실험을 하여 복사 강도가 강할수록 VOCs의 제거율이 높게 나타난다는 것을 확인하였으며, 같은 실험조건이라도 VOCs마다 다른 제거율을 보였다. 또한 4종 VOC물질 모두 초기 농도가 높아지면 제거율은 반대로 낮아졌으며, 체류시 간이 길어질수록 제거율이 높아졌다. 또한 농도별 제거 효율의 기울기는 UV를 이용한 VOCs제거연구에서 높 은 제거효율을 갖기 위한 실험조건 설정에 많은 기여 를 할 수 것으로 판단된다. 배경가스를 다르게 산소, 공기, 질소로 실험한 광분해와 광산화에 대한 제거율은 광분해 반응보다 공기를 이용한 광산화 반응일 때 더 높은 제거율을 얻을 수 있었으며, C=C이중결합 물질 은 산소의 비율에 따라 제거율도 큰 차이를 보였다. 본 연구를 종합해보면 UV의 램프의 복사강도가 강하며, VOCs의 농도가 낮고, 체류시간이 길수록 비교적 높은 제거율을 얻을 수 있었다. 하지만 AC의 경우는 실험조 건과 관계없이 UV램프를 이용한 제거는 적합하지 않 은 것으로 판단된다. 또한 반응기로 유입되는 수분의 함량은 광산화, 광분해 연구 시 큰 영향을 주지 않는 것으로 확인되었다. 따라서 UV반응기를 이용한 VOCs 제거 연구를 할 때 배출가스의 성분을 조사하여 VOCs 별 배출되는 중간생성물과 중간생성물의 생물독성, 그 리고 CO2배출량을 계산한 무기화율 및 배경가스에 따 른 오존 배출량의 분석이 필요할 것으로 사료된다.

    감사의 글

    본 연구는 중국자연과학기금위원회( 家自然科基 金委, National Natural Science Foundation of China)의 지원을 받아 수행한 연구입니다(Grant No. 51378286).

    Figure

    JOIE-16-72_F1.gif

    The diagram of the UV photodegradation experimental system.

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    The UV254 intensity distribution along the radial direction.

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    AC RE in two UV reactors with different irradiation intensity (Condition: EBRT 15 s, Background gas air, RH 30%, Temperature 20°C).

    JOIE-16-72_F4.gif

    REs of 4 typical VOCs under different inlet concentrations (Condition: EBRT 15 s, Background gas air, RH 30%, Temperature 20°C).

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    The RE of 4 VOCs in air with EBRT variation (Background gas air, RH 30%, Temperature 20°C, 300 ppm (a) and 100 ppm (b) for VOCs concentration).

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    The RE of CB when background gas is oxygen, air and N2 (Condition: EBRT 15 s, RH 30%, Temperature 20°C).

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    The RE of VOCs with different RHs in air and N2 (Condition: EBRT 15 s, Temperature 20°C; (a) VOCs MB, Background gas air, Concentration 150 ppm; (b) VOCs CB, Background gas N2, Concentration 200 ppm).

    Table

    The VOCs used in the preliminary experiment and their properties

    The experimental operating condition

    Reference

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