순환형 UV-TiO
2광촉매 공정을 이용한 냄새 및 제거장치의 성능 비교 평가
VOCs
최금찬*․ 김종범 동아대학교 환경공학과
₂
Kum-Chan Choi* ․ Jong-Beom Kim
Depart. of Environmental Engineering, Dong-A University Abstract
This paper presented experimental results for circulation type UV-TiO2photocatalytic oxidation process.
We have developed UV-TiO2 photocatalytic oxidation process with activated carbon to control odor and VOCs in indoor and industrial applications. In this study, common indoor air pollutants, namely ammonia, formaldehyde, hydrogen disulfide, toluene were selected to investigate their efficiencies for UV-TiO2
photocatalytic oxidation. In high concentration test, the decomposition efficiency was high in order as ammonia, toluene, formaldehyde, hydrogen disulfide. Three type of individual processes are tested for ability to increase decomposition efficiency. UV-TiO2 photocatalytic oxidation combined process with activated carbon was excellent among the three type processes without reference to gas species. It was considered that this circulation type process will overcome short retention time for treatment for UV-TiO2
photocatalytic oxidation. It will promise that this circulation type UV-TiO2photocatalytic oxidation combined process can apply indoor and industrial applications to remove odor and VOCs quickly.
Keywords : UV-TiO2photocatalytic oxidation, circulation, Odor, VOCs.
일상생활에서 현재 민원이 증가하고 실내공 기 중 제어하기가 어려운 것 중에 하나가 악취 문제이다 도시생활에서 다중이용시설의 증가. 와 실내공간의 밀폐 아파트 주거공간에서의 불, 쾌한 냄새 등은 새로운 생활형 환경문제로 대 두되고 있다 이들 실내공기 오염물질들은 대부. 분이 악취나 유해화학물질의 형태로 배출되고 있으며 이들 중 상당수는 발암성이 있고 환경, 중에 장기적으로 농축되는 것도 있다(Rufus, 그 중에서도 악취 및 는 실내공간
2006). VOCs
및 다중이용시설 등에서 처리하기가 매우 어려 운 공기오염물질로 파악되고 있으며 많은 민원 의 대상이 되기도 한다 최근 경제성장에 따라. 실내공간의 증설과 인테리어 작업 지하공간 활, 용 등으로 실내공간은 더욱 더 다양한 실내공 기 오염물질과 유해화학물질의 사용이 증가하 고 있다 류정민 등( , 2010).
최근 광촉매를 이용한 공기정화장치는 많이 개발되고 있으며 실내공간에도 많이 적용되고, 있다 선행연구들은 광촉매를 이용한 다양한 실. 내공기 오염물질의 제어에 대하여 보고하고 있 으며 이들 오염물질을 제어하기 위한 하이브리, 드 기술들을 소개되고 있다(Zhao, 2003 ; 배귀 남, 2010). 또한 황정호, (2002)등은 플라즈마를 이용한 실내공기 청정기술도 다양한 분야에 적 용이 가능함을 보고하고 있다 소규모 다중이용. 시설의 공기청정 기술을 적용하기 위하여 곽호 찬(2009)등은 프리필터와 기능성필터의 복합형 을 적용한 기계식 순환형 장치를 개발하였다.
광촉매 연구들은 기초적 물성에 대한 재료적인
스템을 제작하고 최대효율을 가질 수 있도록 운전조건을 찾아내는 연구들로 구분할 수 있다.
그러나 배귀남 등, (2010)의 연구에서 지적하듯 이 광촉매 공기정화장치는 처리속도가 늦어 대 용량의 처리공간에 적용하기가 어려우며 그 제 거효율에도 한계를 나타내고 있다.
대부분의 실내공간에서는 대용량의 공기정화 장치가 필요하고 이를 위해 순환형의 환기팬이 나 헤파필터 등을 활용하여 처리하고 있다 따. 라서 이들 실내공간에서는 입자상물질의 제어, 는 가능하나 악취나 가스상물질의 경우에는 활 성탄이나 활성탄필터 수 세정식을 이용하나 장, 시간사용과 처리효율의 저하 등으로 실질적인 효율의 증가를 기대하기가 어렵다.
따라서 빠른시간 내에 처리가 대용량의 실내, 공기의 정화가 가능하고 경제적인 공기정화 시 스템이 개발되어야 한다. UV-광촉매 공정은 소 규모의 시스템에서 효능이 입증되었고 소형공 기청정기에 개발되어 많이 이용되고 있다 따라. 서 지하나 실내공간의 경우에는 처리가스의 용, 량을 최대화할 수 있는 시스템의 개발이 절실 하다 장혁상( ,2008).
따라서 본 연구에서는 소형이지만 순환팬을, 부착하여 제거효율이 높고, UV-광촉매 처리장 치의 단점인 짧은 체류시간과 처리용량의 한계 를 극복할 수 있는 순환형의UV-광촉매 처리장 치를 개발하였다 본 연구에서는 다양한 실내공. 간에 적용을 목적으로 UV 단독공정 광촉매에,
를 조사한
UV UV-TiO2 광촉매 산화공정, UV-TiO2 광촉매 및 활성탄 복합공정 등 세 가
지의 공정을 비교 실험하여 실내공간의 악취나 처리에 적용할 수 있는 제어기술 개발하 VOCs
고자 하였다.
실험방법 2.
실험장치 2.1
본 연구에서는 순환형 공기청정기를 개발하 기 위하여 UV 단독공정, UV-TiO2 광촉매 산화 공정, UV-TiO2 광촉매 및 활성탄 복합 공정을 각각 적용하여 악취물질 및 VOCs의 처리효율 을 비교하기 위하여 장치를 구성하였다 본 실. 험의 조건은 Table 1에 나타내고 있다.
본 연구에서 실험장치의 구성은 Fig.1 과 같이 순환형 광촉매 산화공정을 자체 정화기능을 갖 춘 소형 chamber 내부에 넣은 다음 chamber를 가동하였다. chamber 실험을 수행하기 위한 장 치로서chamber 내부는 샘플링 펌프 온습도 센, 서 반응기 혼합, Plate, 혼합팬 등으로 구성이 되어 있다.
특히chamber 내부에 있는 반응기에 순환팬을 설치하여 chamber 밖에서 순환유량(10m3/min, 을 자유롭게 조절할 수 있도록 전압 가변 28W)
장치를 부착하였다 순환팬의 재질은 폴리에틸. 렌 수지로 되어 있으며 본 실험에 사용되는 대, 상오염물질의 제거에는 영향을 주지 않는다 실. 험에 사용된 UV-TiO2 광촉매 반응장치는 Table
Items Range
UV-TiO2 Air Cleaner Size 300 x 300 x 450 mm
Temperature 20±5
Humidity 50±20%
Circulation Fan Flow rate 10 /min
Test Odor Input conc. 0~10 ppm
UV Lamp wave length 253.7 & 184.9 nm
정하여 사용하였다. UV 램프는 8W, 253.7 nm 와 184.9 nm의 파장을 동시에 방사하는 오존
로서 필립스 사의 를 사용
lamp (Phlips) UV-lamp 하였다.
실험방법 2.2
본 실험에서는 chamber 내부를 매 실험시마 다 질소로 깨끗이 세척한 후 입구를 밀봉하고 실험에 사용된 암모니아와 황화수소 그리고 톨 루엔과 HCHO 시료 가스는 챔버크기가 가로, 세로 높이가, 1m3 인 chamber 안에 micro- 를 사용하여 syringe(250 ㎕, HAMILTON CO.)
각각의 시료가스를 주입하고 균일한 농도의 시 료가스를 얻기 위하여 magnetic stirrer와 mixing 로 구성된 교반기를 통과시켜 충분한 chamber
혼합이 이루어질 수 있도록 구성하였다 챔버. 내의 온습도는 디지털 온습도계(TR-72U, T&R․ 로 측정하였으며 실험기간 내 항상 연속 작 Co.)
동하여 온습도를 확인할 수 있도록 하였다 실․ . 험기간 내 온도가 항상 25℃로 유지할 수 있도 록 하였으며 습도는, 60%에 유지하도록 하였 다 시료가스의 농도는 물질에 따라 각각. 으로 제조되어 반응기로 유입되었다
0~10ppm .
실험용 시료가스는 실험이 시작되기 전 일정한 농도를 유지하기 위하여 UV-TiO2 광촉매 반응 장치를 켜지 않은 상태에서 챔버내 농도를 일 정한 수준으로 안정한 다음에 반응기를 가동하 여 실험을 시작하였다 시료채취는. batch type으 로 운전하기 때문에 간이 측정 장치인 검지관 식 가스측정기(Gastec Co.실린더형 IRM,
정하기 위해 자동 오존측정기(49C, O3 analyzer, 로 실시간 측정하였다
AEI, USA) . UV-TiO2 광 촉매 반응장치를 정량화하기 위해 온도 습도, , 유량 램프의 출력과 파장 각각의 시료가스에, , 대한 주입농도는 모든 공정에서 동일하게 주어 졌으며, UV 단독공정, UV-광촉매 산화공정, UV-TiO2 광촉매 및 활성탄 복합공정의 세가지 공정을 각각 비교 실험하였다.
결과 및 고찰 3.
순환형
3.1 UV-TiO2 광촉매 공정의 고농도 실험결과
순환형 UV-TiO2 광촉매 공정을 실내 악취의 고농도 노출을 가상하여 암모니아는 최대 10
톨루엔은 황화수소는
ppm, 4 ppm, 10 ppm, 는 으로 하여 각각의 처리효율을 HCHO 4 ppm
검토하였다.
는
Fig. 2 UV-TiO2 광촉매 공정의 암모니아에 대한 고농도의 실험결과를 나타내고 있으며, 세 가지 공정 중 UV-TiO2 광촉매 및 활성탄 복합공정이 각각의 단독공정일 때보다 처리효 율이 가장 높다는 것을 알 수 있다 최초 주입. 후 10 ppm에서 15분 만에 완전히 제거되었으 며 짧은 처리시간을 감안하면 순환하여 반복적 으로 사용하였을 경우에 빠른 시간내에 처리가 가능하다.
은 를 대상으로 톨루엔을 대표적 Fig. 3 VOCs
인 물질로 사용하였으며 고농도에서의 각각의, 농도변화를 나타낸 그래프이다. UV 단독공정일 때가 가장 처리효율이 낮았으며 암모니아와 동 일하게 UV-TiO2 광촉매 및 활성탄 복합공정일 때가 처리효율이 가장 높다는 것을 알 수 있었 다 톨루엔의. UV 단독공정에서는 거의 처리가 잘 안되며 자외선의 파장영역에 일치되지 않아 분해가 쉽게 일어나지 않는 것으로 파악된다.
등은 여러 종류의 들이 각각 Wang(2007) VOCs
의 다른 파장에서 광분해율을 나타내므로 효율 이 달라짐을 보고하고 있다.
는 황화수소 고농도에서의 각각의 농 Fig. 4
도변화를 나타낸 그래프이다 황화수소는 공정. 에 관계없이 전반적으로 비슷한 결과를 나타내 며 비교적 잘 제거되는 경향을 나타내었다 황. 화수소는 활성탄에는 보통정도의 흡착력을 가 진 것으로 알려져 있으며, UV-TiO2 적용시 O- 에 의한 환원을 생각할 수 있다 유경훈. (2005) 등은 은담지의 광촉매를 사용할 경우 황화수, 소의 충분한 분해 효율을 얻을 수 있음을 보고 하고 있다.
였다. Fig.5와 같이 HCHO는 UV 단독공정으로 도 비교적 잘 제거가 됨을 알 수 있었으며 30 분 이후에는 거의0.1-0.3 ppm 수준까지 낮아졌 다. HCHO는 실내의 대표적인 오염물질이며 내 장재 마감재 등에서 발생한다 이준철, . (2006) 등 은 붕소와 철을 이용한 가시광선 반응형 광촉 매를 이용하여 점토도료를 개발하고 HCHO에 대한 실험에서 80% 이상의 효과를 얻었음을 보고하고 있다 본 연구에서는. TiO2만을 이용하 였으며, UV-TiO2 복합공정 적용 시에는 20분 이내에 거의 90% 이상의 효율을 얻을 수 있었 다.
순환형
3.2 UV-TiO2 광촉매 공정의 저농도 실험결과
고농도와 동일하게 악취물질의 저농도의 경 우 순환형, UV-TiO2 광촉매 공정을 실내 악취 의 저농도 노출을 가상하여 암모니아는 최대 5
톨루엔은 황화수소는
ppm, 2 ppm, 5 ppm, 는 으로 하여 각각의 처리효율을 HCHO 1 ppm
검토하였다. Fig. 6과 같이 암모니아는 앞의 고 농도와 동일하게 비교적 빨리 처리되었으며 UV-TiO2 광촉매 및 활성탄 복합공정이 각각의 단독공정일 때보다 처리효율이 가장 높았으며, 분 만에 거의 처리가 완료되었다 의
10 . Fig. 7
톨루엔의 저농도 경우 앞의 고농도와 동일하게, 처리경향을 나타내고 있으며, UV 단독공정에서 는 거의 처리가 잘 안되며 처리 후 농도가 1 으로 정도의 처리효율을 나타내고 있 ppm 50%
다 최민석. (2005) 등은 초음파 미스트를 사용하
를 보고하고 있으며 단파장 일수록
53.1% , UV
처리효율이 증가함을 보고하고 있다.
광촉매 반응실험의 경우 향 후 파장과의
UV- ,
물질별 효율 등에 대한 지속적인 연구가 필요 한 것으로 판단된다 황화수소의 저농도 경우. , 과 같이 단독공정의 처리효율이 가장 Fig. 8 UV
낮았으며 최초, 5 ppm에서 완전히 제거되기까 지 30분 이상이 소요되었다 반면에. , UV-TiO2
복합 공정에서는 10분 후에 거의 다 제거되었 으며 15분 만에 완전히 처리가 완료되었다 황. 화수소는 유경훈(2005)등의 보고와 같이 TiO2
자체가 산성 산화물이고 흡착작용이 약하며 라티칼과의 반응속도가 늦기 때문에 충분 OH-
한 효율을 얻기가 어려운 것으로 알려져 있다.
본 실험의 결과에서도 활성탄을 동시 사용할 시에 다소 높은 효율을 얻을 수 있었다 이는. 순환형 장치를 실제 적용 시에는 시간상1/3 정 도의 처리시간으로 처리됨을 말하며 처리용량, 도 배 이상으로 크게 할 수 있다3 . HCHO는 저 농도의 경우 최대 1 ppm으로 조정하였으며 실 내공기오염물질 기준이 120 ppb임을 고려하여 실험을 실시하였다. Fig. 9와 같이 HCHO는 단독공정으로도 비교적 잘 제거가 됨을 알 UV
수 있었으며 30분 이후에 거의 기준치 이하인 수준까지 낮아졌다
0.1 ppm . UV-TiO2 복합공정 적용 시에는 기준치까지 12분 이내에 처리가 완료되었으며 다른 악취와 같이 1/3 정도의 처 리시간으로 처리가 가능하였다.
결 론 4.
본 연구에서는 대표적인 악취물질 및 VOCs 의 처리를 목적으로 UV-TiO2 광촉매 산화공정 을 구성하여 암모니아와 황화수소 그리고 와 톨루엔의 제거효율을 높이기 위해 농 HCHO
도별로 각 공정별 비교 고찰하였으며, , UV 단 독 및 UV-TiO2 광촉매 산화공정, UV-TiO2 광 촉매 및 활성탄 복합공정의 각각의 적용 가능 성을 검토하였다.
암모니아와 황화수소 그리고 와 톨루
1. HCHO
엔의 제거에서 세가지 공정 중 UV-TiO2 광 촉매 및 활성탄 복합공정의 처리효율이 가장 우수한 것으로 나타났으며 고농도 및 저농도 실험 모두 양호한 것으로 나타났다.
순환형
2. UV-TiO2 광촉매 공정의 고농도 실험 결과에서, Toluene을 제외한 NH3, H2S, 는 모두 분 이내 이상으로 처리가 HCHO 30
거의 완료되었으며, UV-TiO2 광촉매 및 활 성탄 복합 공정의 경우 NH > Toluene >
순환형
3. UV-TiO2 광촉매 공정의 저농도 실험 결과에서도 고농도와 동일하게 모두 30분 이내에 처리가 거의 완료되었으며, UV-TiO2
광촉매 및 활성탄 복합공정의 경우 고농도와 는 달리 처리효율은 Toluene > NH >
HCHO > H2S의 순으로 나타났다.
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