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ISSN : 2288-9167(Print)
ISSN : 2288-923X(Online)
Journal of Odor and Indoor Environment Vol.17 No.4 pp.372-380
DOI : https://doi.org/10.15250/joie.2018.17.4.372

Evaluation of acetaldehyde removal performance of a hybrid adsorbent consisting of organic and inorganic materials

Hae Young Ahn, Yoon Kyoung Lee, JiHyeon Song*
Department of Civil and Environmental Engineering, Sejong University
Corresponding author Tel :+82-2-3408-3819 E-mail :songjh@sejong.ac.kr
21/11/2018 10/12/2018 10/12/2018

Abstract


To abate the problem of odor from restaurants, a hybrid adsorbent consisting of organic and inorganic materials was developed and evaluated using acetaldehyde as a model compound was deveioped and evaluated. Powders of activated carbon, bentonite, and calcium hydroxide were mixed and calcinated to form adsorbent structure. The surface area of the hybrid adsorbent was smaller than that of high-quality activated carbon, but its microscopic image showed that contours and pores were developed on its surface. To determine its adsorption capacity, both batch isotherm and continuous flow column experiments were performed, and these results were compared with those using commercially available activated carbon. The isotherm tests showed that the hybrid adsorbent had a capacity 40 times higher than that of the activated carbon. In addition, the column experiments revealed that breakthrough time of the hybrid adsorbent was 2.5 times longer than that of the activated carbon. These experimental results were fitted to numerical simulations by using a homogeneous surface diffusion model (HSDM); the model estimated that the hybrid adsorbent might be able to remove acetaldehyde at a concentration of 40 ppm for a 5-month period. Since various odor compounds are commonly emitted as a mixture when meat is barbecued, it is necessary to conduct a series of experiments and HSDM simulations under various conditions to obtain design parameters for a full-scale device using the hybrid adsorbent.



유무기 융복합 흡착제의 아세트알데하이드 제거 성능 평가

안 해영, 이 윤경, 송 지현*
세종대학교 건설환경공학과

초록


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

    1. 서 론

    주택 및 상업지역에 위치한 육류 직화구이 음식점에 서 배출되는 악취에 대한 민원이 지속적으로 증가하고 있다. 도심지역의 직화구이 음식점은 약 2만8천 개소 (2013년 기준)로 추정되며 전국적으로 광범위하게 산 재되어 있고, 일부 특화지역에는 밀집된 형태로 운영되 어 주변지역 주민들에게 악취 민원을 유발시키는 등의 악영향을 미치고 있다. 직화구이 음식점은 육류를 직접 조리하는 과정에서 유증기 및 알데하이드류, VOCs와 같은 악취 물질이 발생하여 환경 문제를 야기한다 (Gong et al., 2017). 직화구이 음식점에 의해 발생하는 악취 민원 관리가 필요하나, 현재 법률상으로는 음식점 에서 배출되는 악취 해결을 위해 강제적인 규제를 하 기 어렵다. 악취 민원이 발생하여도 직화구이 음식점의 규모가 작고 영세하여 관리가 쉽지 않은 실정이다 (Jeon et al., 2014). 또한 소, 중규모 음식점 악취 제거 를 위한 악취 제거 기술들이 아직 부족한 상황이다. 이 에 직화구이 음식점에서 배출되는 악취 제거를 위한 유지관리가 간편하고 효과적인 기술 개발이 필요하다 (Bong et al., 2011).

    기존 직화구이 음식점의 악취 및 대기오염물질 방지 대책으로는 환기팬의 용량을 크게 설계하여 오염물질 농도를 희석하여 배출하거나, 필터를 활용한 여과방법 등이 적용되고 있다. 이러한 단순 처리방법들은 악취 및 유적 등을 실질적으로 제거할 수 없으며, 직화구이 과정에서 발생되는 각종 오염물질이 환기팬, 배관, 스 크린 등에 단기간 빠르게 축적되어 저감 효율이 낮아 지는 문제점도 있다. 필터와 배관 등에 누적된 오염물 질을 장시간 방치 시 화재 및 관리상의 안전문제가 야 기되며, 악취 강도 증가의 2차 원인으로도 지목된다 (Lee et al., 2009).

    기존 연구에 따르면 직화구이에 사용되는 육류 종류 와 직화 방식 및 연료에 따라 발생하는 악취 물질 및 농도가 매우 상이하나, 대부분의 육류 직화구이 시 알 데하이드류, VOCs 성분들이 고농도로 발생한다. 특히 알데하이드 중에서는 아세트알데하이드가 가장 고농도 로 배출되었다(Lee et al., 2009). 기존의 직화구이에서 발생하는 오염물질에 관한 연구는 주로 미세먼지 또는 유적(oil mist)을 중심으로 하는 오염물질에 초점을 맞 추고 있으며(Kang et at., 2014), 가스상 악취 물질에 대한 연구는 상대적으로 미흡한 실정이다(Park et al., 2015a). 본 연구에서는 직화구이에서 발생하는 가스상 악취 물질 중 아세트알데하이드를 대표 악취 물질로 선정하고 신규 흡착제를 적용하여 흡착 성능 평가를 진행하였다.

    직화구이에서 배출되는 가스에는 다량의 유적 형태 의 미세먼지가 함유되어 있고 배출가스의 온도가 높아 서 화재의 위험성이 높다. 이에 기존의 방지기술들은 2 단 또는 3단으로 구성하여 oil mist를 앞단에서 먼저 제거한 후 악취 물질을 후단에서 제거하는 경우가 많 다. 대표적인 악취 제거용 흡착제로는 활성탄이 있다. 활성탄은 넓은 비표면적과 다공성 구조를 갖고 있어서 기상, 액상의 유기 물질 혹은 무기 물질 제거에 활용되 어왔다(Kim et al., 2013;Park et al., 2015b). 단, 배출 온도가 높고 유적이 많이 포함된 직화구이 배출가스에 적용할 경우 화제의 위험성이 있고, 유적에 의해서 기 공이 막혀 흡착 능력이 현저하게 떨어지게 된다(Lee et al., 2014).

    본 연구에서는 다양한 악취 물질 제거에 적용할 수 있으며 화재의 위험성을 고려한 유무기 흡착제를 제조 하였다. 신규 흡착제의 악취 물질 제거 성능 평가를 확 인하고자 등온 흡착 및 컬럼 흡착 실험을 진행하였고, 동일 조건에서 활성탄의 악취 물질 흡착 성능과 비교 하였다. 특히 체류시간을 조정하여 유무기 흡착제의 체 류시간에 따른 아세트알데하이드 흡착 성능을 평가하 였다. 또한 흡착에 대한 수치모델을 적용하여 유무기 흡착 소재의 흡착 성능 평가를 검토하고 조건별 파과 예측 곡선을 활성탄 결과와 비교하였다.

    2. 실험재료 및 방법

    2.1 유무기 흡착제 및 대상물질

    본 연구에서는 육류 직화구이 과정에서 발생하는 악 취 물질을 제거하고자 신규 흡착제를 개발하였으며, 신 규 소재의 흡착 성능과 현장 활용가능성을 조사하였다. 신규 흡착제는 유무기 성분이 혼합된 형태로, 유기성 소재로는 활성탄 분말(Norit, GL 50, Netherlands)를 적용하였고 흡착제의 강도확보를 위해 무기성 소재인 벤토나이트를 혼합하여 유무기 흡착제를 제조하였다. 기존 연구 El-Sayed and Bandosz (2001)Kim et al. (2002)에 따르면 흡착제의 물리적인 흡착능만으로는 악취 물질 제거에 한계가 있어 수산화칼슘을 비롯한 다양한 물질을 첨가하여 흡착제를 제조하였다. 본 연구 에서도, 소재의 화학 흡수 반응 및 내구성 향상을 위하 여 첨가제로서 수산화칼슘 분말도 함께 투입하였다. 사 용된 재료의 균일한 배합을 위하여 활성탄, 벤토나이트, 수산화칼슘을 분말형태로 혼합을 한 뒤 증류수를 주입 하여 반죽하였다. 유무기 흡착제 소재의 배합비율은 벤 토나이트 중량 대비 활성탄 25 wt%, 수산화칼슘 50 wt%이고, 증류수는 활성탄, 벤토나이트, 수산화칼슘 중 량과 동일한 중량으로 투입하였다.

    혼합이 완료된 소재 반죽은 1.5 cm 정도 길이의 pellet 형태로 만들고 고온에서 소성하였다. 소성 시에 급 격한 온도 상승으로 인한 잔균열 생성을 최소화하기 위해서 10°C/min 조건으로 350°C까지 승온시킨 후 2 시간 동안 동일한 온도에서 건조시켰다. 소성이 완료된 흡착 소재는 흡착 성능 평가를 진행하기에 앞서 전자 주사현미경(SEM)으로 표면 관찰 및 비표면적 분석 (BET)을 진행하였다.

    2.2 실험 방법

    2.2.1 등온 흡착 평가

    유무기 흡착소재의 대상 물질에 대한 평형 흡착성능 을 평가하고자 등온 흡착 실험(isotherm adsorption test)을 수행하였다. 본 연구에서 제조한 유무기 흡착 소재의 흡착 성능과 비교하기 위해서 시판되는 첨착활 성탄을 구입하여 동일한 조건에서 등온 흡착 실험을 진행하였다. 실험에 사용한 첨착활성탄은 상용 활성탄 중에서 악취 제거용으로 판매되는 제품((주)대진화학) 이었다. 등온 흡착 실험에서는 개별 유리병에 제작한 유무기 흡착 소재와 상용 첨착활성탄을 0.1~0.5 g 범위 로 투입하고 대상 악취 물질인 아세트알데하이드를 10~600 ppm 농도로 주입하여 진행하였다. 실험 결과의 재현성 확보를 위해서 동일한 조건의 시료를 3개씩 준 비하였다. 흡착제와 아세트알데하이드를 투입한 유리 병들을 25°C의 교반기에서 교반해 주었고, 아세트알데 하이드 투입 초기와 24시간 후에 유리병 내부 기상농 도를 GC/FID로 측정하여 감소된 아세트알데하이드 농 도로 흡착량(mg-악취물질/g-흡착제) 단위로 계산하였 다. 계산된 아세트알데하이드 평형농도와 흡착량을 Freundlich 방정식에 적용하여 흡착 상수 값(K & 1/n) 을 추정하였다.

    2.2.2 흡착 컬럼 평가

    본 연구에서 개발한 신규 흡착제의 악취 물질 저감 성능평가를 위해 컬럼 흡착 실험을 진행하였고, 동일 조건에서 첨착활성탄의 악취 물질 흡착 성능과 비교하 였다. 컬럼 흡착 실험 장치 구성은 Fig. 1과 같다. 신규 흡착제와 첨착활성탄을 원통형 컬럼에 각각 100 mL를 충진하고, 악취 물질인 아세트알데하이드가 40 ± 5 ppm 농도로 함유된 공기를 6 L/min(즉, 기체체류시간 1 sec)로 연속 유입시키면서 컬럼의 유입과 유출 농도 를 주기적으로 측정하였다. 직화구이에서 발생하는 아 세트알데히드 농도는 4 ppm 수준이나 본 연구에서는 실험실 수준에서 실제 발생 농도에 비해 10배 높은 농 도로 유입하여 흡착제의 흡착 성능 및 파과시점을 빠 른 시간 안에 확인하고자 하였다. 또한 체류시간에 따 른 흡착소재의 아세트알데하이드 흡착 성능을 정량화 하고자, 컬럼에 유입되는 기체체류시간(GRT)을 0.5~ 2 sec 조건으로 변경하여 실험을 진행하고 제거율을 비 교하였다.

    2.3 측정 방법

    대상 악취 물질로 선정한 아세트알데하이드의 농도 는 기상 샘플을 채취하여 flame ionization detector가 장착된 gas chromatography (GC/FID, HP 6890, USA) 를 이용하여 측정하였다. GC/FID 운전조건은 다음과 같다. Carrier gas: Helium, colimn : HP-5 capillary column (30 m × 0.32mm × 0.25 μm), flow rate : 15 mL/ min, injection temperature : 150°C, detector temperature : 250°C.

    3. 결과 및 고찰

    3.1 흡착제 물리적 특성

    유무기 흡착제의 흡착 성능을 평가하기에 앞서 소재 자체의 물리적 성능을 확인하기 위해서 흡착제 표면 주사전자현미경(SEM) 분석과 비표면적을 측정하였다. Fig. 2는 본 연구에서 제조한 유무기 흡착제 표면의 SEM 이미지이다. 흡착제 표면에 2 μm 수준의 입자가 균일하게 분포하고 있으며, 내부 공극도 잘 형성되어 있는 것을 확인할 수 있다. 따라서 유무기 재료인 분말 활성탄과 벤토나이트 그리고 수산화칼슘 분발을 배합 하여 소성한 신규 소재에서도 대상 물질 흡착에 유리 한 표면과 세부공극이 형성된 것으로 판단된다.

    전문기관에서 유무기 흡착소재의 비표면적을 분석한 결과, 비표면적은 122.7 m2/g인 것으로 나타났다. 흡착 제의 비표면적 분석에는 가스흡착법(BET)을 이용하였 고, 이는 흡착제에 질소를 흡착시켜서 압력에 따른 기 공(pore size 2~200 nm 범위)에 흡착된 가스의 부피 변 화를 이용해서 표면적을 계산하는 방법이다. 신규 소재 의 비표면적은 저급 활성탄이나 무기 충진제의 비표면 적에 비해서는 넓으나, 고급 활성탄의 비표면적에 비해 낮은 수준이다. 이는 개별 재료의 배합과 소성과정에서 내부 공극이 일부 막혀 비표면적이 감소한 것을 의미 한다. 그러나 유무기 성분과 수산화칼슘을 혼합하여 제 조한 흡착소재이므로 내부공극 표면에 화학작용기가 형성되어 있을 것으로 예상되며, 따라서 다양한 화학특 성을 갖는 혼합 악취 물질 제거에 적용 가능할 것으로 판단된다.

    3.2 아세트알데하이드 등온 흡착능

    유무기 흡착소재와 상용 활성탄의 아세트알데하이드 에 대한 등온 흡착 실험 결과를 Fig. 3에 나타내었으며, Freundlich 방정식(qe = K × Ce1/n)에 적합하도록 흡착상 수(K & 1/n)를 산정하였다. Freundlich 방정식 흡착상 수는 등온흡착실험 결과를 기준으로 추세선을 이용하 여 산정하였다. 유무기 흡착소재의 아세트알데하이드 Freundlich 방정식 K값은 379 (mg/g)(L/mg)1/n 이었고, 1/n 값은 0.7744이었다. 반면, 상용 점착활성탄의 Freundlich 방정식 K값은 9 (mg/g)(L/mg)1/n 이었고, 1/n 값은 0.3147이었다. K값으로만 단순 비교했을 때 활성 탄 대비 유무기 흡착 소재의 아세트알데하이드 흡착능 은 40배 이상 높은 것으로 확인된다. 등온 흡착 실험 결과를 통해 본 연구에서 제조한 유무기 흡착소재의 아세트알데하이드 흡착능이 매우 뛰어난 것으로 판단 된다.

    3.3 흡착 컬럼 실험에 의한 유무기 흡착제 성능 평가

    신규 유무기 흡착제와 상용 점착활성탄을 대상으로 연속 유입 컬럼 실험을 실시하였으며, 기준조건(유입 아세트알데하이드 농도 40 ± 5 ppm, 기체체류시간 1 sec)에서 측정한 배출농도의 변화를 Fig. 4에 제시하였 다. 상용 점착활성탄의 경우 실험 시작 직후부터 아세 트알데하이드가 유출구에서 측정되었으며 지속적으로 배출농도가 증가하였다. 컬럼 실험 시작 후 100분 이 후부터는 배출농도가 급속히 증가하였으며, 운전 시작 200분 이후에 흡착능력이 완전히 파과(breakthrough; Cout = Cin)되었다.

    반면, 본 연구에서 개발한 신규 유무기 흡착제의 경 우 실험 시작 후 400분까지 아세트알데하이드 유입 농 도 대비 배출농도가 20% 수준으로 활성탄에 비해 현 저하게 낮았다. 운전 시작 500분 이후에 유출 농도가 유입 농도와 동일한 수준으로 증가하였으며 완전파과 시점에 도달하였다. 컬럼 실험 결과는 평형 등온 흡착 실험에서 측정된 등온 흡착능과 유사한 경향을 보이며, 유무기 흡착제의 우수한 흡착능에 의해 동적 조건인 연속 컬럼 실험에서도 흡착 성능이 상용 활성탄에 비 해 월등히 높았다.

    아세트알데하이드 함유 가스의 유속 또는 기체체류 시간(GRT)에 따른 신규 유무기 흡착소재의 흡착능 평 가를 위해 GRT를 0.5~2초 조건으로 조정하여 컬럼 실 험을 진행하였으며, 평가결과를 Fig. 5에 제시하였다. GRT 1초와 2초 조건에서는 운전 시작 후 약 500분까 지 유입 농도 대비 10% 이하의 낮은 농도만 배출되어 신규 흡착소재의 아세트알데하이드 제거능이 뛰어난 것으로 확인되었다. 반면 GRT 0.5초 조건에서는 운전 시작 직후부터 유출구에서 아세트알데하이드가 검출되 었으며, 운전시작 후 200분 전후로 아세트알데하이드 가 유입농도와 동일한 농도로 배출되는 완전 파과가 관측되었다. 이상의 흡착 컬럼 실험 결과로 판단하면, 신규 흡착제를 육류 직화구이에서 배출되는 대표 악취 물질인 아세트알데하이드 제거에 적용하기 위해서는 최소 1초 이상의 체류시간이 요구된다. 따라서 신규 흡 착제를 실제 현장에 적용하여 안정적인 흡착탑 운전성 능을 확보하기 위해서는 흡착 성능에 부합되는 최적 설계조건의 제시와 운전변수의 도출이 요구된다. 또한 현재 개발된 흡착소재를 더욱 개량하여 흡착능의 증가 와 함께 빠른 유속(즉, 짧은 체류시간)에서도 흡착 성 능을 유지할 수 있도록 하여야 한다.

    3.4 흡착 수치모델을 이용한 유무기 흡착제 성능 예측

    유무기 흡착제의 흡착능 실험결과를 흡착 수치모델 을 이용하여 검토 평가하였다. 본 연구에서 활용한 흡 착 수치모델은 homogeneous surface diffusion model (HSDM)이며, 이는 흡착제가 충진된 컬럼으로 유입되 는 오염물질의 흡착 곡선을 예측하는 수치모델이다. HSDM은 원통형 컬럼으로 유입된 오염물질이 확산, 이류, 흡착을 통해 제거되는 과정을 연립 미분방정식으 로 구성하고 수치해석한다. HSDM을 구성하는데 적용 된 가정들은, (1) 컬럼 내의 난류 및 분산 현상이 없고, (2) 흡착제 표면에서의 이류와 확산이 무시되며, (3) 흡 착제는 컬럼 전체적으로 공극과 흡착능이 균질하고, (4) 흡착제 주변 공극의 오염물질 농도는 흡착체 표면 의 고체상 농도와 평형을 이루며, (5) 흡착제는 완전한 구형이다. 위의 가정에 기반하여 HSDM 지배방정식과 초기조건 및 경계조건을 구성할 수 있다. 흡착제 내부 로의 오염물질 확산은 Fick’s law를 이용하였고, 전체 수식은 다음과 같다(Shin et al., 2010).

    컬럼에서의 지배방정식:

    C t = v S C z 3 ( 1 ε ) ε R Γ

    Diffusive flux : D s ρ a ( q r ) r

    Initial condition : C = 0 ( 0 z L ) @ t = 0

    Boundary condition: C = C 0 @ z = 0 , t > 0

    흡착제 입자 내부의 지배방정식 :

    q t = D S r 2 r ( r 2 q r )

    Initial condition :

    q = 0 ( 0 z L , 0 r R , t = 0 )

    Boundary condition : ( q r ) r = 0 = 0

    흡착능 Freundlich equation : q s = K C s 1 / n
    (3)

    여기서, C는 기상 아세트알데하이드 농도(mg/m3), vs는 흡착 컬럼 내부의 기체 유속(m/s), ε는 흡착제의 공극 률(-), R은 흡착제 입자의 반지름(m), Ds는 아세트알데 하이드 표면 확산계수 (m2/s), ρa는 흡착제의 건보기 밀 도(g/m3), q는 아세트알데하이드 흡착량(mg-acetaldehyde/ g-adsorbent), r은 흡착제 입자의 반경(m), L은 흡착제 컬럼 길이(m), Co는 아세트알데하이드 컬럼 유 입농도(mg/m3) 이다. qs는 평형상태에서의 아세트알데 하이드 흡착량(mg-acetaldehyde/ g-adsorbent), Cs는 흡 착제 표면에서의 아세트알데하이드 평형농도(mg/m3) 이다. 또한 K와 1/n은 Freundlich 등온 흡착 계수((mg/ g)(L/mg)1/n & dimensionless)이다.

    아세트알데하이드 흡착 수치 해석은 HSDM을 이용 한 흡착층 수치해석 프로그램인 AdDesignSTM (Adsorption Design Software, Michigan Tech, USA)을 사용하 였다. HSDM 시뮬레이션에 사용한 매개 변수들을 Table 1에 제시하였다. 상용 점착활성탄의 물리적 특성 에 대한 변수들은 제조업체에서 제공한 값을 사용하였 고, 본 연구에서 제조한 유무기 흡착제의 경우 실측값 을 사용하였다. Freundlich 등온 흡착계수인 K과 1/n은 앞 절에서 제시한 등온 흡착실험 결과값 사용하였다. 표면 확산계수(Ds)와 경계면 물질 전달계수(Kf)는 시뮬 레이션 과정을 통해 모델 예측 결과와 실험 결과 간의 차이가 최소화 되는 값으로 추정하였다.

    신규 유무기 흡착제와 상용 점착활성탄을 대상으로 HSDM에 Table 1에 제시된 변수값을 적용하여 아세트 알데하이드 파과곡선을 예측하였다. Fig. 6은 수치해석 결과(선)와 실제 컬럼 흡착실험 결과(점)를 나타낸다. 수치해석 결과, 컬럼의 기준 운전조건(유입 아세트알데 하이드 농도 40 ppm, 기체체류시간 1 sec)에서 상용 활 성탄 흡착탑의 파과곡선은 실제 측정결과와 마찬가지 로 빠르게 상승하였으며, 유무기 흡착제의 경우에는 파 과속도가 현저히 늦춰졌다. 뿐만 아니라 수치해석 결과 의 파과곡선은 실제 흡착제들의 흡착 성능 평가 결과 에서 배출 농도가 상승하는 기울기와도 유사하여, HSDM이 본 연구에서 적용한 유무기 흡착제와 활성탄 의 흡착실험 결과를 잘 모사하였다. 흡착제 교체 시점 을 결정하기 위하여 상대적인 부분 파과시점을 유입농 도의 50%가 유출되는 지점으로 정의하였으며(Breakthrough time at Ce = 0.5Co), 상용 점착활성탄의 파과시 간은 약 300분 유무기 흡착제의 파과시간은 약 550분 으로 예측되었다. 이는 흡착 컬럼 실험 결과와 대체적 으로 부합한다.

    또한 아세트알데하이드 유입 농도 변화에 따른 유무 기 흡착제와 상용 첨착활성탄의 파과곡선을 예측하였 으며(Fig. 7), 흡착제 교체를 위한 50% 부분 파과시점 산정하여 Table 2에 나타내었다. 흡착탑의 길이는 컬럼 실험 조건인 10 cm로 고정하고, 아세트알데하이드 유 입농도를 40, 200, 400 ppm으로 조정하여서 수치해석 을 진행하였다. 상용 활성탄은 유입농도 40 ppm 일 때 280분에 파과되었고, 400 ppm 일 때는 130분 전후로 파과되어 유입농도가 10배 증가함에 따라 50% 파과시 간이 절반 이상으로 감소하였다. 또한 파과 곡선의 기 울기 역시 급격하게 증가하였다. 유무기 흡착제의 완전 파과시점도 활성탄과 유사하게 유입 농도가 10배 증가 함에 따라 570분에서 270분으로 절반 수준으로 빨라졌 고, 유입농도 대비 50% 파과 시점 역시 430분에서 170분으로 40% 수준으로 감소하였다. 유입농도가 증 가함에 따라 활성탄에 비해 유무기 흡착제의 파과 곡 선의 기울기가 조금 더 급격해졌으나, 50% 파과 시점 을 기준으로 비교할 때 전반적으로 활성탄 대비 유무 기 흡착제의 흡착능이 25~30% 높았다.

    Fig. 8과 Table 3은 흡착층 길이(또는 흡착제 충진량) 의 변화에 따른 유무기 흡착제와 상용 첨착활성탄의 파과곡선 예측 결과와 유입농도 대비 50% 파과시점을 나타낸다. 아세트알데하이드 유입농도는 40 ppm으로 고정하고 흡착탑의 길이를 10, 50, 100 cm로 조정하여 수치 해석을 진행하였다. 상용 활성탄의 경우 흡착탑의 길이가 100 cm이었을 때 운전시작 후 20일 이전에 완 전 파과되는 것으로 예측되었고, 이는 유무기 흡착제 흡착탑 길이 50 cm에서의 파과시간 예측결과와 유사 하였다. 유무기 흡착제의 경우 아세트알데하이드 유입 농도는 40 ppm에서 흡착층의 길이를 100 cm로 설계할 경우 38일 전후로 완전 파과되는 것으로 예측되었다.

    50% 파과시점을 흡착제 교환시점으로 설정하고 흡 착탑을 설계할 경우, 상용 활성탄은 흡착층의 길이 100 cm로 설계하여 아세트알데하이드를 연속 유입시 킨다면 7일 전후로 흡착제를 교환해야 할 것으로 추정 된다. 반면 유무기 흡착제를 흡착층의 길이 100 cm로 충진하고 아세트알데하이드를 연속 유입시키는 경우 50% 파과시점을 기준으로 최대 26일 이후에 흡착제를 교환할 필요가 있는 것으로 예측된다. 일반적으로 직화 구이 음식점에서는 하루 24시간 중 4~5시간 정도의 피 크시간대에만 고농도 악취 물질이 배출되며, 피크 시간 대 이전 또는 이후에는 배기장치를 완전 꺼버리는 경 우가 많고 악취농도도 급격히 감소하는 경향을 보인다. 따라서 하루 4시간만 아세트알데하이드가 고농도로 유 입되는 경우를 상정하면, 유무기 흡착제는 약 5개월 정 도 흡착효과가 지속되는 것으로 예상된다. 결과적으로 육류 직화구이 과정에서 배출되는 악취 물질의 흡착제 거에는 상용 첨착활성탄에 비해 유무기 흡착제가 더 효과적이며, 직화구이 배가스 유량과 악취농도에 따라 흡착탑 구조와 용량, 그리고 흡착제 교환주기를 결정하 여야 할 것이다.

    4. 결 론

    육류 직화구이 과정에서는 고온에서 고농도 악취와 기름방울이 동시에 발생하여 일반적인 활성탄을 단일 저감 기술로 적용하기에는 한계가 있다. 따라서 흡착능 뿐만이 아니라 기계적 강도와 안전성이 강화된 새로운 소재가 요구된다. 본 연구에서는 활성탄, 벤토나이트, 수산화칼슘이 혼합된 유무기 흡착제를 새롭게 개발하 였으며, 개발된 유무기 흡착제를 대상으로 육류 직화구 이에서 배출되는 주요 악취물질인 아세트알데하이드의 흡착 성능을 평가하였다. 또한 HSDM 수치모델로 흡착 능 예측을 수행하고, 실제 컬럼 실험 결과와 비교 검토 하였다. 덧붙여 다양한 운전조건에서 파과곡선을 예측 하였으며, 흡착탑 설계에 필요한 조건들을 제안하였다.

    본 연구에서 제조한 유무기 흡착제의 비표면적은 고 급 활성탄에 비해서 적었으나, 등온 흡착 실험 결과를 기준으로 상용 활성탄에 비해 아세트알데하이드 흡착 성능이 40배 이상 높았다. 이는 유기 및 무기 성분과 첨가제인 수산화칼슘에 의해 흡착제 내부에 공극표면 과 화학흡착 반응기가 형성되었기 때문일 것으로 판단 된다. 연속 유입 컬럼 실험 결과도 동일 조건에서 활성 탄 흡착 결과에 비해 2.5배 이상의 시점에서 파과되었 다. 결과적으로 기존 활성탄에 비해 신규 개발된 유무 기 흡착제가 아세트알데하이드 제거에 더 효과적인 것 으로 판단된다. 또한 흡착 수치모델(HSDM) 예측결과 는 상용 활성탄과 유무기 흡착제의 실험 결과를 잘 모 사하였다. 흡착층 길이 및 유입 농도 조건에 따른 파과 곡선 모사결과에 따르면, 50% 파과 시점을 기준으로 아세트알데하이드가 40 ppm로 유입될 때 흡착층 길이 를 100 cm로 설계하면 약 5달을 주기로 흡착제를 교체 해야 할 것으로 예측되었다. 다만 육류 직화구이에서 발생하는 다양한 혼합 악취물질의 제거를 위해서는 보 다 다양한 조건에서의 실험과 분석, 그리고 수치모델 해석이 함께 진행될 필요가 있다.

    감사의 글

    본 연구는 환경부의 환경산업선진화기술개발사업에 서 지원을 받아 수행하였습니다.

    Figure

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    Schematic diagram of the column test in this study.

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    A SEM image of the hybrid adsorbent used in this study.

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    Adsorptive capacities for commercial activated carbon and hybrid adsorbent developed in this study.

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    Normalized effluent concentrations of acetaldehyde in the column experiments using hybrid adsorbent and activated carbon.

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    Normalized effluent concentrations of acetaldehyde using hybrid adsorbent in the column experiment operating at various GRTs.

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    Normalized effluent concentrations of acetaldehyde determined from the column experiments (symbols) and the HSDM simulations.

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    Normalized effluent concentrations of acetaldehyde determined by HSDM simulations at various inlet concentrations.

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    Normalized effluent concentrations of acetaldehyde determined by HSDM simulations at various bed lengths.

    Table

    Parameters used for HSDM model simulations

    Numerically simulation of breakthrough time* for activated carbon and hybrid adsorbent at various inlet concentrations

    Numerically simulation of breakthrough time for activated carbon and hybrid adsorbent at various adsorbent bed lengths

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