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ISSN : 2288-9167(Print)
ISSN : 2288-923X(Online)
Journal of Odor and Indoor Environment Vol.20 No.1 pp.39-50
DOI : https://doi.org/10.15250/joie.2021.20.1.39

Characteristics of the VOCs emitted from automotive painting workshop and control facilities

Haejoon Chun1, JiHyeon Song2, ·Jongho Park3, Woosuk Choi1, Kiyong Lee1, Min Young Song1*
1Department of climate & Environmental Research, Seoul Institute of Technology
2Department of Civil and Environmental Engineering, Sejong University
3EICT Inc.
*Corresponding author Tel : +82-2-6912-0936 E-mail : mysong@sit.re.kr
16/02/2021 17/03/2021 22/03/2021

Abstract


The objective of this study is to identify the emission characteristics of VOCs from small-scale painting facilities, such emissions being pollutants that impact nearby living areas and to devise improvement measures to enhance management plans regarding pollutant emissions from painting facilities. VOCs emissions from painting facilities were estimated according to Clean Air Policy Support System (CAPSS) data based on the National Institute of Environmental Research (NIER)'s emission list in 2017. Three automotive painting facilities in Seoul were chosen for evaluation of the adsorption system. We analyzed the characteristics of VOCs generated by type of different operation and measured the removal efficiency of the adsorption system. Therefore, we analyzed current emissions of VOCs from automotive painting facilities based on field measurements. According to such detailed analysis, a systematic management plan was proposed.



자동차 도장시설의 VOCs 배출특성 및 방지시설 현황

전혜준1, 송지현2, 박종호3, 최우석1, 이기용1, 송민영1*
1서울기술연구원 기후환경연구실
2세종대학교 건설환경공학과
3이아이씨티(주)

초록


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

    1. 서 론

    대기오염물질에는 질소산화물, 일산화탄소, 미세먼 지 등과 함께 휘발성유기화합물(Volatile Organic Compounds, VOCs) 등이 포함되며(Jang et al., 2011;Kim et al., 2020), 대규모 산업단지 뿐 만 아니라 세탁업, 인 쇄업, 음식업, 자동차정비업, 도장업 등 생활환경 주변 에서도 지속적으로 배출된다(Lee et al., 2017;Yang et al., 2018). 그 중 VOCs는 대기화학반응을 통해 오존 및 2차 유기 에어로졸을 형성할 수 있고(An et al., 2014;Atkinson, 2000;Kroll et al., 2006;Wu et al., 2016), 광화학적 산화물 및 카보닐 화합물을 생성시키는 전구물질로서 작용할 수 있다(Carter, 1994;Kostiainen, 1995;Mukund et al., 1996;Sweet and Vermette, 1992). 또한 VOCs는 TAPs (Toxic Air Pollutions)로 분 류되며 일부 물질은 인체에 유해한 물질인 발암원성 물질로 알려져있다(Choi, 2007). VOCs는 건강상 영향 으로 중추신경계, 호흡기계, 간 등에 유해한 영향을 미 쳐 피로, 두통, 호흡곤란 등이 나타나게 되며, 장기간 노출될 경우 암까지 유발할 수 있다(EPA, 2001).

    국립환경과학원의 대기오염물질 배출목록에 근거한 대기정책지원시스템(Clean Air Policy Support System, CAPSS)에 따르면 유기용제 사용 부문은 도장시설, 세 정시설, 세탁시설, 기타 유기용제 사용 총 4개의 중분 류와 15개의 세부 목록으로 구분된다. 15개의 세부 목 록은 도장시설(자동차 제조, 자동차 수리, 건축 및 건 물, 가정(나무, 가구제조제외), 코일코팅, 선박제조, 나 무, 가구제조, 기타 산업용 도장공정, 기타 비 산업용 도장공정), 세정시설(금속 세정 공정, 전자부품제조, 기 타산업용 세정공정), 세탁시설(세탁(드라이클리닝)), 기 타 유기용제 사용(가정 및 상업용 유기용제 사용, 인쇄 업)으로 구성된다. CAPSS 자료의 VOCs 배출원 대분 류 중 배출량이 특히 많은 유기용제 사용 부문의 연도 별 변화 추이를 분석한 결과, 2008년부터 2017년까지 유기용제 사용 부문에 의한 VOCs 배출량은 최근 10년 사이에 다소 완만하게 증가하고 있는 것으로 분석되었 다(Fig. 1).

    2017년 서울특별시의 배출원별 VOCs 총 배출량은 66,947,550 kg이며, 그 중 유기용제 사용량은 가장 많 은 55,179,753 kg으로 총 배출량의 82%를 차지하며, 도로 이동오염원이 11%, 비도로 이동오염원이 3%를 차지한다(NIER, 2019). 유기용제 사용 부문에서 도장 시설의 배출량은 17,522,991 kg으로 유기용제 총 배출 량에서 약 32%를 차지하여 기타 유기용제 사용 부문 61%를 제외하면 배출량 기여도가 가장 높은 것으로 나타났으며, 세정시설 0.53%, 세탁시설은 7%를 차지 했다(NIER, 2019). VOCs 배출시설의 경우 미세먼지, 오존을 포함한 대기오염물질의 저감을 위해 대형 사업 장을 중심으로 일부 관리하고 있으나, 여전히 도심 내 생활주변의 소규모 배출시설에 대한 관리는 미흡한 실 정이다(Kim et al., 2020). 특히 다량의 VOCs 및 HAPs (Hazardous Air Pollutants)가 발생하는 도장시설 은 방지시설 및 처리방식의 한계 등으로 인해 최종 배 출구와 생산공정에서 대기 중으로 자연 휘발되거나 확 산되며 작업장 또는 인근 주변지역에 악취 민원은 물론 대기오염 배출원으로 인식되고 있다(Song et al., 2012).

    따라서 본 연구에서는 생활주변 오염원인 소규모 도 장시설의 VOCs 배출 특성을 파악하고, 도장시설의 방 지시설 효율을 측정하여 오염물질의 배출관리를 위한 개선점을 도출하고자 한다. 특히 자동차를 대상으로 도 장작업이 이루어지는 자동차 수리업 도장시설에 집중 하여, 배출특성 및 방지기술 현황 파악과 저감 효율 측 정을 통하여 활성탄 흡착탑의 개선 및 체계적 관리 방 안을 제안하고자 한다.

    2. 실험방법

    2.1 VOCs 배출량 분석

    국내 대기오염물질 배출량은 2017년도 국립환경과 학원의 대기오염물질 배출목록에 근거한 대기정책지원 시스템(Clean Air Policy Support System, CAPSS)데이 터를 활용하여 추정 및 분석하였다.

    2.2 도장시설 현황분석

    2.2.1 대상 장소

    소규모 자동차 수리업 도장시설에 적용된 방지시설 의 운영 현황 파악 및 평가를 진행하기 위해 서울특별 시 관내 도장시설 3개소를 섭외하여 연구대상 장소로 하였다. 기존 방지시설 설치 업체 1개소(A 사업장: 수 성도료 공정 1개소)와 최근 신규로 방지시설을 설치한 업체 2개소(B 사업장: 유성도료 공정 1개소, C 사업장: 수성도료 공정 1개소)를 선정하였다. 신규 방지시설 설 치 업체는 2019년도부터 추진된 소규모 방지시설 지원 사업의 도움을 받아 방지시설을 설치한 업체이며, 세 업체를 대상으로 현장에서 파악한 방지시설 설치, 사용 도료의 종류, 측정 현장의 도장공정 작업 정보, 총 사 용한 도료량을 Table 1에 정리하였다.

    2.2.2 THC 농도 측정

    도장 작업 시의 도장부스 실내(유입구)와 배출구의 THC 농도는 휴대용 총 탄화수소(THC) 측정기기를 이 용하여 도장 공정 시작부터 건조 공정 끝날 때까지 연 속으로 측정하였다. 본 연구에서 사용된 휴대용 측정기 기는 Thermo Scientific TVA 2020 Vapor Analyzer로 써 불꽃 이온화 검출기(FID)가 장착된 기기이다. 측정 농도범위는 1~10,000 ppm이며, 정확도는 측정값의 ±10% 또는 ±1.0 ppm, 재현성은 ±2% (at 500 ppm of methane)이었다.

    2.2.3 VOCs 농도 측정

    도장 작업현장의 개별 VOCs는 Tenax-TA (Supelco, USA) 흡착튜브를 이용한 고체흡착법으로 채취하였다. Tenax-TA 흡착튜브는 측정 전 TC-20 (Markes, USA) 을 이용하여 300°C에서 6시간 동안 컨디셔닝을 실시하 였고 도장 작업에서 배출되는 VOCs 시료는 Tanax-TA 가 충전된 흡착관에 유량 100 mL/min으로 도색 및 건 조 공정 동안 5분간 채취하였다. 채취한 시료 Tenax- TA 흡착튜브는 4°C 이하에서 냉장 보관 후 GC/MS (Agilent HP-6890, USA)로 분석하였다. 분석 대상 VOC의 표준물질로 오존전구물질, CHEM(기타 VOCs)과 독성 VOCs 42종(TO-14)의 물질이 들어 있 는 SUPELCO사의 TO-14용 VOCs 표준혼합시료(공칭 1 ppm)를 사용하였다.

    GC/MS의 분석조건은 열탈착 장치로부터 2차 열탈 착되어 시료가 주입이 되는 순간부터 5분 동안 solvent delay를 시켜 초기 저분자 물질의 분석을 최소화 하였 으며, 50°C에서 10분간 유지를 하고, 5°C/min의 온도 증가속도로 220°C까지 온도를 서서히 올려주었다. 220°C에서 10분 동안 유지를 한 후, post run 5분을 설 정하여 측정대상물질이 아닌 고분자의 유입으로 인한 기기의 오염을 줄여주었으며, 시료 당 분석 시간은 약 54분 정도가 소요되었다.

    2.2.4 방지시설 성능 평가

    자동차 도장 부스의 방지시설 성능 평가를 위한 방 지시설 유입, 유출 부분 측정 위치는 대기오염공정시험 방법 ES0114a “배출가스 중 굴뚝 배출 시료 채취방법” 을 참고하여 선정하고 농도측정을 실시하여야 한다. THC 미터의 기기 보정은 대기오염공정시험방법에 명 시된 방법으로 실시하며, 제로(Zero) 가스로는 고순도 공기를 이용하고, 스팬(Span) 가스는 고순도 메탄을 사 용하여 보정토록 규정하고 있다. 방지시설의 저감 효율 은 THC의 방지시설 유입 평균농도와 방지시설 유출 평균농도를 이용하여 계산하였다. 방지시설 유입, 유출 평균농도는 도장 및 건조 공정시에 측정된 VOCs 농도 에 각 공정의 유량을 곱해준 뒤 총 유량으로 나누었다.

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    (1)

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    3. 결과 및 고찰

    3.1 VOCs 배출 현황

    3.1.1 국내 유기용제 사용 VOCs 배출량

    2017년 지역별 유기용제 사용 부문의 VOCs 배출량, 도장시설의 VOCs 배출량, 자동차 수리시설의 연간 VOCs 배출량을 정리하였다(Table 2). 지역별 VOCs 배출량은 경기, 경남, 서울 순으로 많은 배출량을 기록 했다. 특히 경기 약 137,650 ton/year, 서울 55,180 ton/ year으로 조사되었으며, 동일 생활권인 수도권지역(서 울·경기·인천)의 유기용제 사용 부문의 VOCs 배출량 은 218,480 ton/year으로 전국 배출량의 38.8%의 매우 높은 비중을 차지하는 것으로 분석되었다. 지역별 도장 시설에 의해 배출되는 VOCs 배출량을 정리한 결과, 경기 지역 도장시설 VOCs 배출량은 75,314 ton/year으 로 전체 배출량의 약 21.6%, 경남의 도장시설 VOCs 배출량은 54,050 ton/year으로 전체의 15.5%로 나타났 다. 경남의 경우는 도장시설 소분류 중 선박 제조에 의 한 배출량이 많았기 때문에 배출량 비중이 높은 것으 로 판단된다. 서울의 도장시설 VOCs 배출량은 17,523 ton/year으로 전국의 도장시설 VOCs 배출량의 약 5.0% 수준이었으나 인구 밀집도가 높고 주거지역과 대 기오염 배출시설이 혼재되어 있는 서울 도심지의 특성 상 도장시설 배출 VOCs에 노출이 취약한 실정이라고 판단된다. 지역별로 자동차 수리시설에 의해 배출되는 VOCs 배출량을 정리한 결과, 서울, 경기의 자동차 수 리에 의한 VOCs 배출량은 각각 1,028 ton/year, 1,968 ton/year으로 전국 자동차 수리에 의한 VOCs 배출량 9,093 ton/year의 32.9%로 매우 높은 비중을 차지하는 것으로 분석되었다. 서울 지역은 도장시설 중 자동차 수리에 의한 VOCs 배출량이 17개 지역 중 2위인 11.3%로 매우 높은 비중을 차지하는 것으로 조사되었 다. 따라서 서울시의 경우, 자동차 수리 도장시설의 VOCs 관리가 매우 중요하다.

    3.1.2 서울시 도장시설 VOCs 배출량

    2017년 서울특별시 지역구별 유기용제 사용 부문의 VOCs 배출량, 도장시설의 VOCs 배출량, 자동차 수리 시설의 연간 VOCs 배출량을 정리하였다(Table 3). 지 역구별 VOCs 배출량은 중구, 송파구, 강서구 순으로 높은 배출량을 기록했다. 특히 중구(6,757 ton/year)가 서울시 유기용제 총 배출량의 12.2%를 차지했고, 송파 (3,989 ton/year) 7.2%, 강서(3,503 ton/year) 6.3% 순으 로 분석되었다. 서울특별시 지역구별 도장시설에서 배 출되는 VOCs 배출량을 정리한 결과, 송파구의 경우 연간 배출량이 1,890 ton/year로 가장 높은 배출량을 보 였으며, 금천구(1,647 ton/year), 중구(1,623 ton/year), 강서구(1,572 ton/year)의 순서로 높은 VOCs 배출량이 나타났다. 서울특별시 지역구별 자동차 수리에서 배출 되는 VOCs 배출량을 정리한 결과, 자동차 수리업체가 밀집해 있는 성동구(153 ton/year)의 경우 매우 높은 배 출량을 보여 자동차 수리 총배출량의 14.9%를 차지하 였고, 강서구(95 ton/year), 서초구(86 ton/year), 송파구 (61 ton/year) 순으로 높은 VOCs 배출량이 나타났다.

    3.2 서울시 자동차 수리 도장시설 현황

    3.2.1 자동차 수리 도장시설 THC 발생 특성

    기존 방지시설 설치 업체 1개소(A 사업장: 수성도료 공정 1개소)와 최근 신규로 방지시설을 설치한 업체 2 개소(B 사업장: 유성도료 공정 1개소, C 사업장: 수성 도료 공정 1개소)의 작업별 THC 농도 분석 결과를 Fig. 2, Table 4에 나타냈다.

    기존 방지시설 설치 업체인 A 사업장에서는 중형차 의 후단 범퍼에 수성도료로 도장작업을 실시하였다. 작 업에 사용한 총 도료량은 979 g, 총 작업시간은 건조공 정을 포함한 61분으로 해당 시간 동안 방지시설 전단 인 도장부스 내 방지시설 유입구와 방지시설 후단인 방지시설 배출구에서 THC 농도를 연속 측정 하였다. A 사업장의 공정별 유입구와 배출구에 대해 연속적으 로 THC를 측정한 결과(Fig. 2(a))는 다음과 같다. 초기 프라이머 도장 공정에서 방지시설 유입 농도가 가장 높았으며(292 ppm), 상도-base 공정에서는 유입구 농도 가 매우 낮았다. 상도-top 공정 시작 후 유입 농도가 급 격하게 증가하였으며 이 영향으로 농도가 일정 시간 지 난 후 방지시설 후단에서도 배출되는 것을 확인하였다.

    신규 방지시설 설치 업체인 B 사업장에서는 대형차 앞 범퍼에 유성도료를 사용하여 도장작업을 실시했다. B 사업장의 총 도료 사용량은 523 g이었고, 건조공정 을 포함한 전체 작업시간은 56분으로 해당 시간 동안 방지시설 전단인 도장부스 내 방지시설 유입구와 방지 시설 후단인 방지시설 배출구에서 THC 농도를 연속 측정 하였다. Fig. 2(b)는 B 사업장의 공정별 유입구와 배출구에 대해 연속적으로 THC를 측정한 결과로 상도- base 공정에서 약 12분 후 부터 농도가 점차 증가하여 15분경에 유입구의 농도가 161 ppm으로 나타났고, 배 출구의 농도는 61 ppm으로 나타났으며 이후 농도가 감소하는 경향을 보였다. 상도-top 공정이 시작된 후 다시 농도가 급격하게 증가하였으며 상도공정이 마무 리 되는 26분경 유입구의 농도가 157 ppm을 기록했고, 배출구의 농도는 77 ppm을 기록했다. 전반적으로 유입 구의 농도에 비해 방지시설을 거친 배출구의 농도가 낮게 나타나는 경향을 보였다.

    신규 방지시설 설치 업체인 C 사업장에서는 중형차 후단 범퍼 상, 하단을 대상으로 수성도료로 도장작업을 실시했다. 총 도료 사용량은 764 g, 총 작업시간은 건 조공정을 포함한 60분으로 해당 시간 동안 방지시설 전단인 도장부스 내 방지시설 유입구와 방지시설 후단 인 방지시설 배출구에서 THC 측정과 작업별로 연속 측정 하였다. Fig. 2(c)는 C 사업장의 공정별 유입구와 배출구에 대해 연속적으로 THC를 측정한 결과로 공정 초기 프라이머 작업 유입 농도가 약간 높아지는 경향 을 보였으며 특히 상도-top공정 시 유입 농도가 최대값 을 기록하여 유입구의 농도가 496 ppm을 기록했고, 배 출구의 농도는 81 ppm을 기록했다. 이 후 열처리 건조 공정을 거치며 농도가 낮아지는 형태를 보였다. 건조 공정의 경우 현장에서 운영하는 건조 방식 등에 큰 차 이가 있고, 도료 사용이 없는 상태의 공정이기 때문에 실제 현장에 설치된 방지시설 제거 효율 검토를 위해 서는 도색공정 기간만을 측정하여도 될 것으로 보인다. A, B, C 사업장의 유입구 및 배출구의 THC 농도 차이 는 도료 종류 보다는 도료 사용량에 따라 농도 차이가 보였으며, 작업시간, 작업방식, 도색 위치, 도료 혼합비 율 등에 따라 THC의 농도가 달라지는 경향을 보였다. 그리고 대체적으로 도료 사용량이 많아질수록 유입구 의 THC 농도가 높아지는 경향이 나타났다.

    Table 4는 작업 공정별로 측정된 THC의 평균값을 나타내었다. A 업체의 경우 프라이머 공정 유입구 부 분에서 가장 높은 평균 농도인 121.5 ppm을 기록하였 고 B, C 두 업체는 모두 도색 공정인 상도-top 공정 유 입구의 평균 농도가 각각 108.3 ppm, 204.0 ppm으로 가장 높았다. 세 업체 모두 유입구의 농도가 높을 때 배출구의 농도도 함께 높아지는 비례 관계를 보였으며, 도색 공정 후의 열처리 건조 과정에서는 농도가 낮아 진 것을 확인하였다. A, B, C 사업장의 작업별 THC 측정 결과, 모든 사업장에서는 상도-top 공정에서 가장 높은 농도가 관찰되었다.

    3.2.2 자동차 수리 도장시설 VOCs 발생 특성

    Fig. 3은 A, B, C 사업장을 대상으로 상도-top에서 측정된 TO-14용 VOCs 합계농도, 오존전구물질의 합 계농도, 기타 VOCs 물질의 합계농도, VOCs 물질의 검출 성분 수를 나타낸 것이다. Fig. 3(a)은 A 사업장 에서 측정된 결과로 검출 성분 수의 경우 유입구 검출 성분 수는 28종 수준으로 나타났고, 배출구 검출성분 수는 31종으로 유입구와 비교하여 검출성분 수가 늘어 난 것으로 나타났다. 배출구에서 VOCs 물질의 검출성 분 수는 증가하였지만, 기타 VOCs 합계농도와 오존전 구물질 합계농도는 유입구보다 배출구의 농도가 낮았 다. B 사업장의 경우 유입구 검출성분 수는 24종, 배출 구 검출성분 수는 32종으로 유입구와 비교하여 검출성 분 수가 늘어난 것으로 나타난 반면 기타 VOCs 합계 와 오존전구물질의 경우 배출구보다 유입구에서 높은 농도를 보였다(Fig. 3(b)). 또 유입구와 배출구 모두 기 타 VOCs 물질 합계농도보다 오존전구물질의 합계농 도가 더 높게 나타났다. C 사업장의 검출성분 수는 유 입구(40종)보다 배출구(39종)에서 더 낮은 수가 검출 되었으며, 유입구와 배출구 모두 기타 VOCs 물질 합 계농도보다 오존전구물질의 VOCs 물질 합계농도가 더 높게 나타났다(Fig. 3(c)).

    Fig. 4는 A, B, C 사업장에서 상도-top 작업 시 유입 구 농도를 기준으로 상위 10순위까지의 VOCs 물질별 화학종과 농도를 비교한 것이다. Fig. 4(a)는 A 사업장 의 VOCs 물질들을 유입구와 배출구 농도를 나타낸 것 으로 A 사업장 상도-top 공정에서는 butyl acetate가 가 장 높은 농도를 보였고 toluene, ethybenzene 등도 검출 이 되었다. 주요 VOCs 10종 물질들은 대부분 상도-top 공정에서 유입구보다 배출구에서 낮은 농도를 보였으 나, toluene은 유입구보다 배출구에서 높은 농도가 측 정되었다. 이는 이전 작업 진행 시 방지시설의 활성탄 흡착제에 흡착되었던 오염물질들이 본 연구 측정에 탈 착되어 나온 것으로 보인다. Fig. 4(b)는 B 사업장의 VOCs 물질들의 성분별 농도를 나타낸 것이다. B 사업 장의 경우 A 사업장에 비해 상위 10종의 화학종들이 다소 높은 농도로 측정되었으며, butyl acetate가 가장 높은 농도를 나타냈고 m,p-xylene, o-xylene, ethybenzene, 1,2,3-Trimethylbenzene 순으로 검출되었다. 상위 10종의 주요 VOCs 물질은 유입구보다 배출구에 서 낮은 농도를 보였다. Fig. 4(c)은 C 사업장의 VOCs 물질별 농도를 나타낸 것으로 대부분 물질이 유입구보 다 배출구에서 농도가 더 낮게 나타나 방지시설의 제 거율을 보였고, 다른 사업장과 동일하게 butyl acetate 농도가 가장 높았으며 toluene, ethybenzene, m,p-xylene, o-xylene 등이 측정되었다. 3개 사업장 모두 상도 공정 을 진행하는 동안 24~40 종의 VOCs의 단일 물질들이 검출되었으며, 일부 물질은 인체위해성 물질로 분류되 어 있기 때문에 특별한 관리가 필요하다.

    3.2.3 자동차 수리 도장시설 방지시설 현황 및 실태

    본 연구에서 측정한 기존 및 신규 방지시설 설치 업 체의 방지시설 제거효율과 주요 설계인자를 Table 5에 정리하였다. 기존 방지시설 설치 업체와 신규 방지시설 설치 업체의 운영현황을 살펴본 결과, 전반적으로 초기 설계 인자와 실측값은 큰 차이를 나타냈다.

    기존(A) 및 신규 방지시설(B,C) 세 업체 모두 입자 상 오염물질 처리를 위하여 포켓 방식의 부직포 필터 를 사용하고 있었으며, 기체상(VOCs) 오염물질 처리 를 위하여 활성탄 흡착탑을 방지시설로 이용하고 있었 다. A 사업장의 경우 활성탄 카트리지와 부직포 필터가 설치되어 있었고, 활성탄 카트리지의 두께는 50mm 수준으로 매우 얇으며 활성탄 충진량이 120 kg의 적은 양으로 충진되어 있었다. B, C사업장의 경우에 활성탄 두께는 각각 90mm, 100mm였고 충진량은 각각 340 kg, 510 kg으로 A 사업장(활성탄 두께 50 mm, 활성탄 충진량 120 kg)과 비교할 때 현저하게 높았다. 다만 활 성탄 충진량 대비 방지시설 제거 효율이 매우 낮은 것 은 활성탄 교체 등의 방지시설 유지관리가 제대로 수 행되지 않은 것으로 보인다(Kil et al., 2006).

    A, B, C 사업장의 풍량은 설계 풍량과 비교하여 현 저하게 낮은 풍량으로 운전되고 있었으며 설계 풍량이 실측 풍량의 11~60%로 크게 차이가 나는 것으로 나타 났다. A,B 사업장의 경우 풍량을 각각 380 m3/min, 400 m3/min로 설계되었으나 직접측정 결과 각각 225 m3/min, 212 m3/min으로 나타났고, C 사업장의 경우 400 m3/min로 설계되었으나 직접측정 결과 45m3/min 으로 나타났다. C 사업장의 경우 설계 인자에 비해 실 측 풍량이 현저하게 낮아서 방지시설 외에 도장부스 외부로 비산 배출되거나 도장부스 내부에 잔여물질로 남아있는 물질이 상당히 많을 것으로 예상된다(Song et al., 2012).

    A 사업장의 방지시설 제거효율은 다른 사업장에 비 해 가장 낮은 27.1%의 효율이 나타났다. 이는 업체에 서 방지시설이 신규로 교체되지 않고 기존과 동일한 도장부스와 방지시설을 사용했기 때문에 본 연구의 측 정 이전 작업과정 부터 방지시설의 흡착제에 유입되었 던 물질이 본 연구 측정 시에 함께 탈착되어 나왔거나 활성탄 흡착제의 교체 및 흡착능 등의 문제 때문일 것 으로 추정된다(Song et al., 2012). 신규 방지시설 설치 업체인 B,C 사업장의 방지시설 제거효율 측정 결과, B 사업장은 41.0%로 세 업체 중 가장 높은 효율을 보였 고 C 사업장은 40.5%의 제거효율을 나타냈다. B, C 사업장이 A 사업장에 비해 방지시설의 THC 제거효율 이 높긴 하였으나, 이는 신규 방지시설 설치 업체임을 감안하면, 도장작업 중 발생하는 오염물질을 제거하기 에는 한계가 있는 수준임을 알 수 있다.

    본 연구 결과를 바탕으로 활성탄 교체주기를 이론적 으로 계산해본 결과 A, B, C 사업장 각각에 대하여 7.4일, 20.9일, 31.4일이지만 현실적으로 교체주기에 맞 추어 활성탄 교체가 이루어지지 않고 있었다. 자동차 수리 도장시설 현장 조사 결과, A 사업장의 경우 부직 포 필터는 3주에 1회, 활성탄 카트리지는 6개월에 1회 교체되었으며, B 사업장의 경우 부직포 필터 월 1회, 활성탄 카트리지 5개월에 1회 교체, C 사업장의 경우 부직포 필터가 3주에 1회, 활성탄 카트리지가 6개월에 1회 교체되었다. 세 사업장 모두 부직포 필터 및 활성 탄 카트리지의 이론적 교체 주기에 대한 고려가 필요 하다.

    이러한 결과로 볼 때 활성탄 두께, 충진량 및 방지시 설의 풍량, 부직포 필터 및 활성탄 카트리지의 교체 등 방지시설 운영 및 오염물질 제거효율에 직접적인 영향 을 미치는 설계 인자들에 대한 지속적인 검토와 유지 관리가 필요할 것으로 보인다.

    3.2.4 자동차 수리 도장시설 방지시설 개선사항

    자동차 도장시설 현장에서의 연구를 바탕으로 도장 시설 배출 및 방지시설의 개선을 위한 고려사항을 도 출할 수 있다. 대부분 4, 5종 소규모 사업장인 자동차 수리 도장시설의 방지시설은 현재 활성탄 흡착탑을 활 용한 기술이며 이를 비용, 시간적 측면을 고려해보았을 때 방지시설의 전면적 교체는 현실적으로 무리가 있는 실정이다.

    따라서 현재 적용되어있는 방지기술의 유지관리가 도장시설의 오염물질 저감을 위한 가장 중요한 요소이 며, 흡착제인 활성탄에 대한 고려사항은 다음과 같다. (1)사용되고 있는 활성탄에 대한 검토가 우선적으로 필 요하다. 일반적으로 자동차 수리 도장공정에서는 약 3mm 크기의 펠렛 형태 활성탄을 사용하며, 현재 0.1 kg-VOCs/kg-활성탄 수준도 많이 유통되고 있는 실정 이다. 신품 및 재생 활성탄은 확연한 흡착능의 차이를 발생하며, 활성탄 재생 시 마찰에 의한 부스러짐 및 기 공 조직의 변화가 발생하여 흡착능이 낮아진다. 따라서 성능이 검증된 활성탄을 제공하고 이를 방지시설에 적 용하는 것이 중요하다. (2)활성탄 교체주기에 대한 고 려도 필요하다. 대부분 4,5종 소규모 사업장인 자동차 보수 도장시설에서 정확한 운전시간 산출과 활성탄의 교체주기 산정은 어려운 것이 현실이지만, 정확한 교체 주기 산정을 위해 센서를 이용한 감시장치를 방지시설 에 적용하거나 IoT 기술을 활용한 모니터링 방법 등의 가능성을 고려해야 한다. (3)고온 및 고유량 조건에서 열탈착 가능성에 대한 대안 마련도 필요하다. 자동차 수리 도장 공장은 실온(25°C), 건조 공정은 고온(60°C) 에서 진행되는 특징이 있으며, 도장 공정과 건조 공정 시 연속적으로 약 300~400 m3/min로 급기와 배기가 진행된다. 이론적으로도 실온 도장작업에서 흡착되었 던 VOCs가 고온, 고유량 조건에서 열탈착되어 오히려 배출가스에 오염물질의 농도가 더 높게 배출될 수 있 으며, 실제로 도장시설 건조공정 중에 방지시설의 유입 보다 유출농도가 높은 열탈착에 의한 유출농도 역전 현상이 빈번히 관찰되고 있으므로 건조공정 중에 열탈 착 방지를 위한 대책 마련이 필요하다.

    4. 결론 및 제언

    본 연구에서는 국내 VOCs 배출량을 유기용제 사용, 도장시설, 자동차 수리시설로 구분하여 분석하고 정리 하였다. 또한 국내 자동차 도장시설의 현장 측정을 통 해 작업별 THC의 배출 농도와 VOCs 물질들의 화학 종을 확인하고 방지시설의 효율을 비롯하여 주요 설계 인자인 활성탄, 풍량 등의 실측치를 확인하였다.

    본 연구를 종합한 결과, 방지시설의 활성탄 두께, 충 진량 및 방지시설 풍량 등의 인자들에 대한 지속적인 확인과 유지관리가 필요할 것으로 보여지며, 특히 도장 시설의 오염물질 저감을 위해 활성탄의 종류 및 흡착 능, 교체주기, 열탈착 방지 등에 대한 문제를 고려한 방지시설의 개선과 실효성 있는 유지관리 체계 구축이 필요하다. 더불어 향후 대기오염물질 관리 정책의 선제 적 대응을 위해 소규모 도장시설에서 배출되는 VOCs 를 단순 THC 농도뿐만 아니라 신규 배출물질 및 오존 전구물질 등 관리 목적에 부합하는 물질별 POCP를 고 려한 오존전구물질 조사(배출량, 주변농도 조사) 및 이 를 반영한 정책추진을 위해 VOCs 개별 물질에 대한 시공간 배출특성 자료의 확보가 필요하다.

    감사의 글

    본 연구는 2020년도 서울기술연구원(과제번호: 2020-AE-005, 소규모 도장시설 배출 VOCs 관리방안) 과 2021년도 서울특별시의 재원으로 수행된 연구(No. 2021-IN-01)입니다.

    Figure

    JOIE-20-1-39_F1.gif

    Total VOCs emissions of Korea (2008~2017).

    JOIE-20-1-39_F2.gif

    Real-time monitoring of THC concentration.

    JOIE-20-1-39_F3.gif

    Emissions of VOCs during top-coating operations by different classification.

    JOIE-20-1-39_F4.gif

    The most detected VOCs species during top-coating operation.

    Table

    Information on automotive painting facilities of three tested companies

    VOCs emissions of organic solvent, painting facility and automotive painting facility in Korea

    VOCs emissions of organic solvent, paint facility and automotive paint facility in Seoul

    THC concentraion (Total Hydrocarbon) for each operation

    Major factor of control facilities and measurement results of removal efficiency

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