다공질 세라믹지지 촉매 상에서의 플라즈마 방전을 이용한 휘발성유기화합물의 분해

다공질 세라믹지지 촉매 상에서의 플라즈마 방전을 이용한 휘발성유기화합물의 분해

조진오⋅이상백⋅장동룡⋅목영선^†

제주대학교 생명화학공학과

(2013년 6월 2일 접수, 2013년 6월 21일 심사, 2013년 6월 21일 채택)

Electrical Discharge Plasma in a Porous Ceramic Membrane-supported Catalyst for the Decomposition of a Volatile Organic Compound

Jin-Oh Jo, Sang Baek Lee, Dong Lyong Jang, and Young Sun Mok

Department of Chemical and Biological Engineering, Jeju National University, Jeju 690-756, Korea (Received June 2, 2013; Revised June 21, 2013; Accepted June 21, 2013)

다공질 세라믹 막을 사용하는 플라즈마-촉매 반응기에서 휘발성유기화합물의 분해가 수행되었다. 저압차 촉매 지지체로 사용된 세라믹 막에 광촉매인 산화아연을 담지하여 휘발성유기화합물의 산화 성능을 개선하고자 하였다. 교류 고전압에 의해 구동되는 플라즈마가 다공질 세라믹 막 내에서 전개되면서 휘발성유기화합물의 분해에 이용되는 라디칼, 오존, 이온, 여기상태 분자 등 다양한 활성성분을 생성하게 된다. 반응기에 공급되는 고전압이 증가함에 따라 플라즈마가 점차 방사방향으로 전개되어, 일정 전압을 넘어서면 세라믹지지체 전체적으로 균일한 플라즈마가 생성되었다. 휘발성 유기화합물 분해 성능 평가에는 에틸렌이 이용되었다. 전기에너지밀도, 반응기 입구 에틸렌 농도, 촉매 담지 여부, 기체 조성에 따른 에틸렌 분해효율이 조사되었다. 같은 에너지 밀도에서 비교하면 산화아연이 담지된 촉매에서의 에틸렌 분해 효율이 담지되지 않은 경우보다 더 높은 것으로 나타났으며, 기체 조성 변화 실험을 통해 폐가스의 주요 구성성분인 산소와 질소 모두 에틸렌의 분해를 개시하는데 중요한 역할을 함을 알 수 있었다. 일반적인 기상 반응과 달리, 플라즈마 반응기에서의 에틸렌 분해 반응은 활성 성분의 양에 의해 지배되므로, 방전 전력이 동일할 경우 에틸렌 농도가 높아질수록 분해효율이 저하되었다.

Electrical discharge plasma created in a multi-channel porous ceramic membrane-supported catalyst was applied to the decom- position of a volatile organic compound (VOC). For the purpose of improving the oxidation capability, the ceramic membrane used as a low-pressure drop catalyst support was loaded with zinc oxide photocatalyst by the incipient wetness impregnation method. Alternating current-driven discharge plasma was created inside the porous ceramic membrane to produce reactive spe- cies such as radicals, ozone, ions and excited molecules available for the decomposition of VOC. As the voltage supplied to the reactor increased, the plasma discharge gradually propagated in the radial direction, creating an uniform plasma in the entire ceramic membrane above a certain voltage. Ethylene was used as a model VOC. The ethylene decomposition efficiency was examined with experimental variables such as the specific energy density, inlet ethylene concentration and zinc oxide loading. When compared at the identical energy density, the decomposition efficiency obtained with the zinc oxide-loaded ceramic membrane was substantially higher than that of the bare membrane case. Both nitrogen and oxygen played an im- portant role in initiating the decomposition of ethylene. The rate of the decomposition is governed by the quantity of reactive species generated by the plasma, and a strong dependence of the decomposition efficiency on the initial concentration was observed.

Keywords: porous ceramic, plasma, catalyst, zinc oxide, volatile organic compounds

1. 서 론

1)

다양한 산업공정에서 배출되는 휘발성유기화합물(volatile organic

† Corresponding Author: Jeju National University Department of Chemical and Biological Engineering 102, Jejudaehakno, Jeju-si, Jeju 690-756, Korea Tel: +82-64-754-3682 e-mail: [email protected]

pISSN: 1225-0112 @ 2013 The Korean Society of Industrial and Engineering Chemistry.

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compounds, VOCs) 은 환경오염물질의 큰 비중을 차지하고 있다. VOCs 의 처리에는 흡착공정, 연소, 촉매산화법 등의 전통적인 방법과 최근 개발되고 있는 플라즈마 공정이나 플라즈마-촉매 공정이 이용될 수 있다. 플라즈마 공정은 대기압 및 상온에서 운전 가능하며, 투자비 및 운전비가 낮은 편이고, 배출개소에 관계없이 여러 가지의 기체상 유해 물질을 동시에 제거할 수 있는 장점이 있다[1-3]. 더욱이, 플라즈마와 촉매가 결합되었을 때는 처리성능이 크게 향상될 뿐 아니라, 부분 산화된 중간생성물과 같은 원치 않는 부산물의 생성을 피할 수 있다.

플라즈마-촉매 공정에서의 촉매 활성화는 상온 또는 기존 촉매 공정

Figure 1. Schematic diagram of the plasma-catalytic reactor.

Figure 2. Scanning electron microscope images of the porous ceramic membrane. (a) 100 magnification and (b) 500 magnification.

에서 요구되는 온도 보다 훨씬 낮은 온도에서 이루어질 수 있어, 대기 오염제어장치의 개발에 유용하게 이용될 수 있다[4]. 또한, 플라즈마 와 촉매가 결합되었을 때 시너지 효과(플라즈마와 촉매를 결합했을 때의 분해효율이 플라즈마와 촉매를 개별적으로 운전했을 때의 분해 효율 합보다 더 큰 현상)가 나타나 전체적인 성능이 향상되기도 한다 [5,6].

전형적인 플라즈마-촉매 복합 공정은 충진층 반응기를 사용하는데, 충진층 내에서 플라즈마가 생성되고, 촉매 펠릿(pellet)이 플라즈마에 노출된다. Whitehead[7]는 촉매가 충진된 대기압 플라즈마 반응기를 사용하여 다이클로로메테인과 톨루엔 분해연구를 수행하였는데, 플라 즈마와 촉매의 결합에 따라 분해효율이 증가되었을 뿐만 아니라 운전 온도가 낮아지고 원치 않는 부산물의 생성이 현저히 저감되었다고 보고 하였다. Gandhi 등[8]은 충진층 플라즈마 반응기가 충진물이 없는 반 응기보다 더 높은 휘발성유기화합물 분해성능을 보이며, 여러 종류의 충진물에 대한 비교연구를 통해 알루미나나 실리카 같은 흡착성 충진 물이 비흡착성 충진물보다 더 빠르게 휘발성유기화합물을 분해시킨 다고 보고하였다. 충진층 플라즈마 반응기에서 충진물의 종류, 유전상 수, 펠릿 형상이 플라즈마 방전 특성과 대기오염물질 분해성능에 미 치는 영향이 Chen 등[9]에 의해 조사된 바 있으며, 이 논문의 저자들은 충진층 반응기의 사용에 따라 여러 문제점들이 극복될 수 있고 대기 오염물질 처리성능도 충진물이 없는 경우보다 1.1∼12배 가량 향상된 다고 언급하였다. Reddy 등[10]은 플라즈마-촉매 충진층 반응기를 이용한 황화수소 분해 연구에서 촉매의 종류를 바꾸며 황화수소 분해 효율 및 수소생성을 조사하였다. 사용된 촉매 충진물 중에서 알루미 나에 담지된 MoO

와 CoO

가 가장 높은 성능을 나타냈으며, 촉매와 플라즈마의 결합에 따른 시너지 효과를 관찰하였다. 충진층 플라즈마- 촉매 반응기는 위와 같은 여러 장점들이 있으나, 실용화 반응기에서는 압력손실과 유체흐름의 균일화 또한 중요한 설계 고려 요소이다[11].

이러한 관점에서 보면, 충진층 반응기의 주요 문제는 높은 압력손실과 편류현상이라고 할 수 있다. 잘 알려져 있는 바와 같이 허니컴 구조 촉매는 압력손실이 매우 작고 유체흐름이 균일한 것이 특징이다. 허 니컴 촉매에 스테인레스 스틸 메쉬망 전극을 설치하여 플라즈마를 생성 하려는 시도가 Hensel[12] 및 Sato와 Mizuno[13]에 의해 이루어졌다.

직류(direct current) 또는 펄스(pulse) 고전압을 사용하여 코로나 방전 형태의 플라즈마를 허니컴 촉매 내에 생성시킬 때, 기존 촉매공정보다 훨씬 낮은 온도인 130 ℃에서 NO

저감이 효과적으로 일어난다고 보고되어 있다[13].

상용 세라믹 막은 주로 알루미나 혹은 지르코니아 등의 무기물로 제조된다. 고분자 막과 달리 세라믹 막은 산성 기체, 산화제, 라디칼, 이온 등의 부식성 성분들이 존재하는 환경에서도 사용될 수 있다. 또한, 세라믹 막은 다공질 특성과 고온에서의 뛰어난 열적⋅기계적 안정성 으로 인해 촉매 지지체로도 사용될 수 있다[14,15]. 다공질 세라믹 막을 촉매 지지체로 이용하는 반응기는 충진층 반응기에 비해 압력손실이 작아 실용적인 측면에서 기술적인 이점이 있다. Mizushima 등[16]은 알루미늄 튜브를 양극 산화시킨 후 화학적 후처리를 통해 관형 막을 제조하였다. 이와 같이 제조된 관형 막에 루테늄 촉매를 담지하여 상 온에서의 암모니아 합성을 위한 플라즈마-촉매 반응기로 사용한 바 있다. 그러나 관형 막은 기체상과 고체표면의 접촉 면적이 작은 문제가 있다. 다중 채널(multi-channel)의 다공질 세라믹 막은 단일 채널의 관형 막보다 훨씬 넓은 표면적을 제공하므로 대량의 기체를 처리하기 위한 촉매 지지체로 적합하다.

본 연구에서는 다중 채널의 다공질 세라믹 막을 촉매 지지체 및 플라

즈마 반응기 구성요소로 사용하는 대기압 플라즈마-촉매 반응기 제작 하여, 이를 VOC 처리에 적용하였다. 본 연구의 반응기에서 기체 방전 플라즈마는 세라믹 막 내에서 일어나며, 이때 기체분자가 해리, 여기 및 이온화되어 화학 활성 성분들이 생성된다. 다공질 세라믹 막에는 산화아연(ZnO) 촉매가 담지되어 플라즈마와의 상호작용을 통해 VOC의 산화반응을 촉진시킨다. 우선 질산아연을 다공질 세라믹 막에 함침 시킨 후, 건조 및 소성 과정을 거쳐 산화아연이 세라믹에 담지되도록 하였다. 산화아연은 광촉매로 잘 알려져 있으며, 산화아연 광촉매를 이용한 많은 선행 연구들이 보고되어 있다. 본 연구는 압력손실을 줄 이고 유해 부산물의 생성을 억제할 수 있는 플라즈마-촉매 반응기를 개발하기 위한 목적으로 수행되었다. 본 플라즈마-촉매 반응기의 VOC 저감성능 평가에는 에틸렌이 사용되었으며, 에너지밀도, 반응기 입구 에틸렌 농도, 산화아연 담지 여부에 따른 영향이 조사되었다.

2. 실험장치 및 방법

Figure 1 은 다중 채널의 다공질 세라믹 막을 촉매의 지지체로 사용 하여 제작된 플라즈마-촉매 반응기의 개략도이다. 직경 29.5 mm, 길이 150 mm인 상용 다공질 세라믹 막(보성 플랜트 제공)이 이용되었다.

이 다중 채널 세라믹 막에는 19개의 구멍(직경 4 mm)이 막의 단면에

균등하게 분포되어 있다. 세라믹 막의 중심에는 고전압 방전 전극

역할을 하는 4 mm 두께의 스테인레스 스틸 봉이 삽입되어 있다. 기체

흐름을 배출구 방향으로 유도하기 위해 세라믹 막을 석영관(내경 :

30 mm; 두께 : 2 mm)에 설치하였다. 석영관과 세라믹 막은 유전체의

역할도 한다. 석영관의 외부에는 구리선이 감겨져 있으며, 구리선은

접지전극에 연결되었다. 방전 전극에는 교류(400 Hz) 고전압이 공급

되었으며, 실효값으로 19 kV까지 전압을 변화시키며 공급전력에 따른

영향을 평가하였다. 구리선이 감겨져 있는 부분, 즉 플라즈마가 생성

되는 반응기의 유효 길이는 10 cm이었다. 플라즈마는 유전체 장벽 방전

(a) (b) (c)

Figure 3. (a) Photograph of the multi-channel porous ceramic membrane, (b) electrical discharge plasma at 18.5 kV, and (c) lateral view of the plasma-catalytic reactor during plasma discharge.

(dielectric barrier discharge, DBD) 형태로 4 mm 구멍 및 미세 기공에서 생성된다. 본 연구에 사용된 세라믹 막은 주로 알루미나로 이루어져 있으며, BET 비표면적, 평균 기공 크기 및 기공 부피는 각각 2.1 m

/g, 1.2 µm 그리고 0.135 cm

/g 였다. 알루미나는 일반적으로 촉매 지지체로 널리 사용되고 있다[17]. 세라믹 막의 전자현미경 사진은 Figure 2와 같으며, 다공질임을 확인할 수 있다. 산화아연 촉매는 광촉매로 작용 하며, 플라즈마 방전 중에 발생되는 자외선에 의해 활성화될 수 있다.

세라믹 막에 담지된 산화아연의 함량은 0.1 wt% (Zn 기준)였다. 세라믹 막을 질산아연(Junsei Chemical Co.) 용액에 함침시킨 다음, 110 ℃에서 12 h 건조시킨 후 공기분위기에서 550 ℃로 5 h 동안 소성시켜 산화 아연 촉매를 제조하였다. 산화아연 담지에 따른 영향을 살펴보기 위 하여, 담지되지 않은 세라믹 막을 이용한 실험도 수행되었다. 반응기 에 유입되는 기체의 주성분은 N

(80%) 와 O

(20%) 였으며, 여기에 미량의 에틸렌을 희석하여 농도를 500∼2000 ppm으로 변화시켰다.

질소, 산소, 에틸렌 각각의 유량은 유량조절기(MKS 1179A)에 의해 조절되었으며, 총 유량은 2 L/min로 고정하였다.

에틸렌의 농도는 불꽃 이온화 검출기가 장착된 기체크로마토그래프 (Bruker 450 GC)에 의해 분석되었다. 플라즈마 방전 중 발생되는 오존 의 농도 분석에는 기체분석기(Porta Sens II, Analytical Technology, Inc.) 가 이용되었다. 플라즈마-촉매 반응기에 공급된 전압은 디지털 오 실로스코프(Tektronix DPO3034)와 1000 : 1 고전압 프로브(Tektronix P6015) 를 이용하여 측정하였다. 플라즈마-촉매 반응기에서 방전에 소비된 전력은 Lissajous 전압-전하 선도를 이용하여 측정하였다[18].

축전기(1.0 µF)를 플라즈마-촉매 반응기에 직렬로 연결하고 축전기 양 단의 전압을 측정함으로써 플라즈마-촉매 반응기의 전하량을 측정하 였다. 플라즈마-촉매 반응기는 전기적으로 일종의 축전기로 표현할 수 있으며, 직렬 연결된 각각의 축전기는 같은 전하량을 가진다는 원리가 이용되었다. 축전기 양단의 전압 측정에는 10 : 1 전압 프로브 (Tektronix P6139A) 가 이용되었다. 측정된 방전 전력과 유량으로부터 전기에너지 밀도(specific energy density, SEI)는 다음과 같이 계산된다:

 

    

(1)

여기서 P는 방전전력(W), Q는 기체유량(L/min), 그리고 60은 시간 단위 min을 s로 바꾸기 위한 상수이다.

3. 결과 및 고찰

Figure 3은 플라즈마-촉매 반응기의 방전 전후 사진이다. 공급되는 전압을 증가시킴에 따라 중심으로부터 시작하여 방사방향으로 플라 즈마 발생이 전개되며, 일정 전압을 넘어서면 다중 채널 세라믹 막 전 체적으로 플라즈마가 균일하게 생성된다. Figure 3의 두 번째 사진은 공급 전압이 18.5 kV일 때 촬영한 것이며, 세 번째 사진은 측면에서 촬영한 것이다. 잘 알려진 바와 같이 플라즈마의 생성은 평균 전기장 세기와 밀접한 관련이 있다. 본 연구의 반응기는 전극 간격이 고정되 어 있으므로 평균 전기장 세기는 전압의 증가에 따라 증가되며, 방사 방향으로 플라즈마의 생성을 전개시키게 된다. 반응기의 측면 사진을 보면, 세라믹 막의 구멍에서와 마찬가지로 밝은 모습을 관찰할 수 있 는데, 이는 막의 미세 기공에서도 같은 전기장 세기의 영향 하에 플라 즈마가 안정적으로 생성되기 때문이다. 따라서 세라믹 막에 촉매를 담지하여 사용하게 되면, 미세 기공에서 일어나는 플라즈마 방전과 표면의 상호 작용에 의해 촉매가 활성화될 수 있다.

플라즈마 방전 하에서 산화아연의 촉매 작용이 에틸렌의 분해에 미치는 영향을 조사하기 위하여, 산화아연이 담지된 세라믹 막과 담지 되지 않은 세라믹 막을 이용한 비교 실험을 수행하였다. Figure 4는 산화아연 담지 여부에 따른 두 가지 경우에 대해 에틸렌 농도변화를 방전 전력의 함수로 나타낸 그림이다. 반응기 유입 기체의 주성분은 N

(80%) 와 O

(20%) 였다. 에틸렌의 분해 속도는 플라즈마에 의해 발 생된 활성성분들과 에틸렌의 충돌속도에 의해 결정된다. 활성성분들 과의 충돌에 의해 생성된 불안정한 중간생성물들은 생성되는 즉시 후 속 산화반응을 통해 CO나 CO

같은 안정한 산화물을 생성한다. 1차 적인 에틸렌의 충돌 분해 반응은 다음과 같다[19,20] :

C

H

+ energetic species (e

, N

(A

∑

)) → C

H

+ H (2) C

H

+ energetic species (e

, N

(A

∑

)) → C

H

+ H

(3)

C

H

+ O

→ CH

O + CH

O + O

k = 1.06 × 10

cm

⋅mol

⋅s

(4)

C

H

+ O → C

H

+ OH

k = 1.49 × 10

cm

⋅mol

⋅s

(5)

여기서 e

는 전자를 나타내며, 반응속도상수(k)는 298 K에서의 값이

다. 산화반응을 통해 CO나 CO

가 생성되기 위해서는, 우선적으로 위

Figure 4. Comparison of the ethylene decomposition between ZnO-loaded and bare ceramic membranes (C

H

: 1000 ppm).

Figure 5. Effect of feed gas composition on the decomposition of ethylene (C

H

: 1000 ppm; ZnO loaded onto the ceramic membrane).

Figure. 6. Concentration of ozone measured at the outlet of the plasma-catalytic reactor.

의 충돌 분해 반응이 선행되어야 하므로, 에틸렌의 분해속도는 반응 (2) ∼(5)의 속도에 의해 결정된다. 광촉매가 사용되면 위의 반응들 이 외에도 추가적인 분해 반응이 일어날 수 있으므로 결국 에틸렌이 더 빠르게 분해될 수 있다. Figure 4와 같이, 산화아연이 담지된 경우 방전 전력 변화에 대해 더 급격하게 에틸렌 농도가 저감됨을 알 수 있는데, 이 결과는 담지된 산화아연이 플라즈마 방전 시 방출되는 자외선에 의해 활성화되었음을 나타낸다. 산화아연의 띠 간격(band gap)은 3.37 eV 로 보고되어 있는데, 질소의 플라즈마 방전은 이보다 더 높은 에너지의 자외선을 방출하므로 플라즈마에 의해 산화아연이 활성화될 수 있다.

Figure 5 는 기체조성이 에틸렌의 분해에 미치는 영향을 방전 전력 의 함수로 나타낸 것이다. 대부분의 경우 VOCs가 포함된 폐가스의 주성분은 질소와 산소이다. 질소가 에틸렌의 분해에 미치는 영향을 평가하기 위하여 질소에 에틸렌을 희석하여 플라즈마-촉매 반응기에서

처리하였다. 그림과 같이 질소분위기에서 에틸렌을 처리했을 때, 공기 (80% N

, 20% O

) 분위기에서 처리한 경우보다 에틸렌 분해속도가 낮음을 알 수 있다. 질소분위기에서는 고에너지 전자, N(

D), N(

P) 와 같은 질소 원자, 들뜬 상태의 질소 분자에 의해서 분해 반응이 개시되 는데 반해, 공기분위기에서는 이들 이외에도 O(

P), O(

D), 오존 등에 의해서도 분해반응이 일어나므로, 공기분위기에서의 분해 성능이 높 은 게 당연하다[19,20]. Figure 5에서 두 경우의 차이가 에틸렌을 분해 하는데 있어서 산소의 기여 정도라고 이해할 수 있다. 산소는 에텔렌 의 분해 속도를 증가시키기도 하지만, 에틸렌을 궁극적으로 CO와 CO

로 산화시키는데 필수적인 성분이다. 공기분위기에서는 약 20 W 에서 대부분의 에틸렌이 분해되었는데, 식 (1)을 이용하여 전기에너지 밀도로 환산하면 600 J/L이다. 질소분위기에서는 같은 방전 전력 (20 W) 에서 약 50%의 에틸렌이 저감되었다.

앞에서 살펴보았듯이 산소는 에틸렌의 분해 반응에 있어서 중요한

역할을 한다. 산소에서 유래된 활성 성분들 중에서 라디칼과 이온은

수명이 매우 짧아 측정이 불가능하나, 오존은 수명이 비교적 길어

측정할 수 있다. 오존은 반응 (4)와 같이 에틸렌의 초기 분해 반응에

관여한다. Figure 6은 플라즈마-촉매 반응기 후단에서 측정한 오존농

도와 방전 전력과의 관계를 나타낸다. 검은색 원(●)과 흰색 원(○)은

각각 산화아연이 담지된 세라믹 막을 사용했을 때, 공기에서 발생되는

오존 농도와 공기 + 에틸렌(1000 ppm)으로 이루어진 혼합 가스에서

발생되는 오존 농도를 나타낸다. 검은색 역삼각형(▼)과 흰색 삼각형

(△)은 각각 산화아연이 담지되지 않은 세라믹 막을 사용했을 때, 공

기에서 발생되는 오존 농도와 공기 + 에틸렌(1000 ppm)으로 이루어진

혼합 가스에서 발생되는 오존 농도를 나타낸다. 플라즈마에 의한 오존

의 생성은 산소원자와 산소분자의 반응을 통해 일어난다. 산소원자는

주로 전자와 산소분자의 출동 해리를 통해 생성되므로, 결국 오존의

농도는 플라즈마 반응기에 투입된 전력에 비례하게 된다. 예상대로

방전 전력이 증가됨에 따라 오존 발생 농도가 점차 증가되었다. 그림

과 같이 산화아연이 담지된 경우의 오존 발생 농도가 조금 더 높았는

데, 이 결과는 산화아연이 산소의 분해와 오존생성에 관여했음을 의

미한다. 검은색 원(●)과 흰색 원(○)의 농도 차이, 그리고 검은색 역삼

Figure 7. Dependence of the ethylene decomposition on the inlet concentration (ZnO loaded onto the ceramic membrane).

각형(▼)과 흰색 삼각형(△)의 농도 차이는 에틸렌의 분해에 소비된 오존 양이라고 할 수 있으며, 산화아연의 담지 여부와 관계없이 에틸 렌의 분해에 소비된 오존의 양은 서로 유사함을 알 수 있다.

반응기 입구의 에틸렌 농도가 분해 성능에 미치는 영향이 Figure 7에 제시되어 있다. 산화아연이 담지된 세라믹 막이 사용되었고, 반응기 입구의 에틸렌 농도는 500∼2000 ppm으로 변화되었다. 그림과 같이, 반응기 입구 에틸렌 농도가 낮을수록 높은 분해 효율이 얻어졌다. 일 반적인 기상반응의 경우, 반응물의 농도가 증가될수록 분자 간의 충돌 횟수가 증가하므로 반응속도가 빨라진다. 그러나 플라즈마 반응기에서 에틸렌을 분해할 경우, 분해된 에틸렌의 양은 플라즈마에 의해 발생 된 활성 성분의 양에 의해 제한된다. 활성 성분의 생성을 촉진하기 위 해서는 필수적으로 방전 전력을 증가시켜야 한다. Figure 7에서 에틸렌 분해효율이 방전 전력에 크게 의존한다는 사실은 분해 반응이 활성 성분의 양에 의해 지배됨을 나타낸다. 더욱이, 플라즈마에 의해 유도 되는 반응경로, 특히 촉매가 존재하는 경우의 반응경로는 일반적인 기상반응에 비해 훨씬 복잡하다. 따라서 일반 기상반응과 달리, 에틸렌 농도를 증가시킬 때 반응속도가 증가되지 않는다. 예를 들어 반응기 입구의 에틸렌 농도가 500 ppm일 때 약 9 W (전기에너지밀도 : 270 J/L) 의 방전전력으로 100% 분해시킬 수 있으나, 에틸렌 농도가 2000 ppm 으로 증가되면 같은 방전 전력에서 70%밖에 분해되지 않으며 완전한 분해를 위해서는 30 W (전기에너지밀도 : 900 J/L) 이상의 방전 전력 이 요구된다. 즉, 에틸렌 농도가 높아지면 이에 비례하여 방전전력을 증가시켜야 분해에 필요한 충분한 양의 활성 성분이 생성된다.

4. 결 론

산화아연이 담지된 다중 채널 다공질 세라믹 막을 이용하여 플라즈 마-촉매 반응기를 구성하고, 이를 휘발성유기화합물의 일종인 에틸렌의 분해에 적용하였다. 본 연구에서 도출된 주요 결론은 다음과 같다. 공급 되는 전압의 세기에 따라 방사방향으로 플라즈마 발생이 전개되는데, 약 18.5 kV에서 세라믹 막 전체적으로 플라즈마가 균일하게 생성되었으며, 세라믹 막의 미세 기공에서도 플라즈마가 안정적으로 생성됨을 확인

하였다. 세라믹 막에 광촉매의 일종인 산화아연의 담지에 따라 에틸렌의 분해속도가 증가되었다. 기체 조성 변화 실험을 통해 폐가스의 주요 구성성분인 산소와 질소 모두 에틸렌의 분해 반응을 개시하는데 중요한 역할을 함을 알 수 있었다. 반응물의 농도가 증가될수록 반응속도가 빨라지는 일반적인 기상반응과 달리, 플라즈마 반응기에서의 에틸렌 분해 반응은 플라즈마에 의해 발생된 활성 성분의 양에 의해 지배되므로, 방전 전력이 동일할 경우 에틸렌 농도가 높아질수록 분해효율이 저하 되었다. 본 연구의 결과는 다공질 세라믹 막을 촉매 지지체로 사용하여, 이를 저압차 플라즈마-촉매 반응기 개발에 활용할 수 있음을 나타낸다.

감 사

본 연구는 2013년 농촌진흥청 농업과학기술개발 공동연구사업(과제 번호 : PJ008508032012)의 지원으로 수행되었으며, 연구비지원에 감사 드립니다.

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