KR20120049568A - 휘발성 유기 화합물 처리 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

대기 중에 포함된 휘발성 유기 화합물을 처리하기 위한 방법으로서, 오존을 발생시키는 단계; 및 발생된 오존을 촉매로 처리하여 반응 활성종을 발생시키는 단계를 포함하며, 발생된 반응 활성종에 의해 휘발성 유기 화합물이 분해되는, 휘발성 유기 화합물 처리 방법이 개시된다.

Description

휘발성 유기 화합물 처리 방법 및 장치{Method and apparatus for removing volatile organic compound}
본 명세서에는 대기 중에 함유된 휘발성 유기 화합물을 분해하는 방법 및 장치가 개시된다.
휘발성 유기 화합물은 인체 및 생태계에 미치는 영향이 크기 때문에 특정 대기 유해물질로 분류되고 있다. 휘발성 유기 화합물은 광화학 반응을 통하여 오존 등과 같은 2차 오염물질인 광화학 산화물을 생성시킨다. 휘발성 유기 화합물은 발암성이 높다고 알려져 있는 화학물질이 다수 포함되어 있기 때문에 인체에 유독하며 오존층 파괴, 지구 온난화, 광화학 스모그, 악취 등의 문제점을 야기한다.
휘발성 유기 화합물을 제거하는 일반적인 기술로는, 활성탄에 의한 흡착 방식, 고온 소각 방식, 촉매에 의한 산화 제거 방식, 플라즈마 방식 등이 있다.
활성탄에 의한 흡착 방식은 가장 전통적인 휘발성 유기 화합물 제거 방식으로서, 휘발성 유기 화합물을 활성탄에 물리, 화학적으로 흡착시켜 제거하는 기술이다. 이 방식은 일정 시간이 지나면 더 이상 흡착되지 않으므로 교환 주기가 짧다. 또한, 사용 완료 후에 폐기 시에 2차 오염 물질이 발생하며, 고농도 휘발성 유기 화합물 처리에는 불리하다.
고온 소각 방식은 고온으로 가열하여 연소 산화시키는 방식이다. 이 방식은 고농도의 휘발성 유기 화합물을 제거하는 데에는 효율적이지만, 저농도에는 불리하다. 또한, 보조 연료가 소요되므로 처리 비용이 높다.
촉매에 의한 산화 제거 방식은 산화 촉매를 이용하여 휘발성 유기 화합물을 산화 제거하는 기술이다. 활성탄과 달리 촉매의 수명은 길지만, 상온에서 반응 활성이 거의 없기 때문에, 오염 공기 온도를 약 300도 이상의 고온으로 승온시켜야 한다는 단점이 있다.
플라즈마 방식은 또 다른 오염 물질인 오존이 발생되는 근본적인 단점이 있다.
본 발명의 일실시예의 목적은, 대기 중의 휘발성 유기 화합물을 제거하는 것이다.
본 발명의 또 다른 일실시예의 목적은, 대기 중의 휘발성 유기 화합물을 상온에서 제거하는 것이다.
본 발명의 또 다른 일실시예의 목적은, 고농도의 휘발성 유기 화합물 뿐만 아니라 저농도의 휘발성 유기 화합물도 효과적으로 제거하는 것이다.
본 발명의 또 다른 일실시예의 목적은, 간단한 설비로 손쉽게 대기 중의 휘발성 유기 화합물을 제거하는 것이다.
본 발명의 또 다른 일실시예의 목적은, 휘발성 유기 화합물의 제거 공정으로 인해 발생되는 오존과 같은 2차 오염 물질의 발생 위험이 없이 안전하게 휘발성 유기 화합물을 제거하는 것이다.
본 발명의 일실시예에 따른 휘발성 유기 화합물 처리 방법은, 대기 중에 포함된 휘발성 유기 화합물을 처리하기 위한 방법으로서, 오존을 발생시키는 단계; 및 발생된 오존을 촉매로 처리하여 반응 활성종을 발생시키는 단계를 포함하며, 발생된 반응 활성종에 의해 휘발성 유기 화합물이 분해되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 일실시예에 따른 휘발성 유기 화합물 처리 방법에 있어서, 상기 오존을 발생시키는 단계는, 대기 중에 포함된 휘발성 유기 화합물의 농도에 기초하여 오존 발생량을 결정하는 것을 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 일실시예에 따른 휘발성 유기 화합물 처리 방법에 있어서, 상기 오존을 발생시키는 단계는, 대기 중에 포함된 휘발성 유기 화합물 농도의 10 내지 15배의 오존을 발생시키는 것을 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 일실시예에 따른 휘발성 유기 화합물 처리 방법에 있어서, 상기 오존을 발생시키는 단계는, 오존을 발생시킴과 동시에 휘발성 유기 화합물을 1차적으로 분해하는 것을 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 일실시예에 따른 휘발성 유기 화합물 처리 방법에 있어서, 상기 오존을 발생시키는 단계는, 자외선 램프 반응기 또는 플라즈마 반응기를 이용하여, 오존을 발생시킴과 동시에, 휘발성 유기 화합물을 1차적으로 분해하는 것을 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 일실시예에 따른 휘발성 유기 화합물 처리 방법에 있어서, 상기 오존을 발생시키는 단계는, 자외선 램프 반응기 또는 플라즈마 반응기에 가해지는 인가 전압을 조절함으로써 오존 발생량을 조절하는 것을 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 휘발성 유기 화합물 처리 장치는, 대기 중에 포함된 휘발성 유기 화합물을 처리하기 위한 장치로서, 오존을 발생시키는 오존 발생기; 및 오존 발생기에서 발생된 오존과 반응하여 반응 활성종을 발생시키는 촉매를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 일실시예에 따른 휘발성 유기 화합물 처리 장치에 있어서, 촉매는, 촉매층의 형태로 구비된 것일 수 있다.
본 발명의 또 다른 일실시예에 따른 휘발성 유기 화합물 처리 장치에 있어서, 상기 오존 발생기는, 대기 중에 포함된 휘발성 유기 화합물 농도에 기초하여 오존 발생량이 결정되도록 설정된 것일 수 있다.
본 발명의 또 다른 일실시예에 따른 휘발성 유기 화합물 처리 장치에 있어서, 상기 오존 발생기는, 대기 중에 포함된 휘발성 유기 화합물 농도의 10 내지 15배의 오존을 발생시키도록 설정된 것일 수 있다.
본 발명의 또 다른 일실시예에 따른 휘발성 유기 화합물 처리 장치에 있어서, 상기 오존 발생기는,자외선 램프 반응기 또는 플라즈마 반응기일 수 있다.
본 발명을 이용하면, 대기 중의 휘발성 유기 화합물을 상온에서 제거할 수 있다. 또한, 고농도의 휘발성 유기 화합물 뿐만 아니라 저농도의 휘발성 유기 화합물도 효과적으로 제거할 수 있다. 또한, 간단한 설비로 손쉽게 대기 중의 휘발성 유기 화합물을 제거할 수 있다. 또한, 휘발성 유기 화합물의 제거 공정으로 인해 발생되는 오존과 같은 2차 오염 물질의 발생 위험이 없이 안전하게 휘발성 유기 화합물을 제거할 수 있다. 또한, 촉매 층을 통과하는 체류시간이 짧아도 산화 효과가 우수하다. 또한, 오존 발생량 조절을 통해 다양한 오염 물질과 다양한 농도의 오염 공기를 효과적으로 처리할 수 있다. 또한, 설치 면적이 적고 저농도 오염 공기에 사용할 수 있으며, 상온에서 손쉽게 오염 물질을 제거할 수 있으므로, 최근 문제되는 새집증후군으로 대표되는 실내 공기 오염 물질을 완벽하게 제거할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 휘발성 유기 화합물 제거 장치의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따라 톨루엔을 제거한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 3은 톨루엔 농도와 오존 농도 변화에 따른 제거 효율의 변화를 나타낸 그래프이다.
본 명세서에서 "휘발성 유기 화합물(VOC)"은, 대기 중에서 질소산화물과 공존하면 햇빛의 작용으로 광화학 반응을 일으켜 오존 및 팬(PAN:퍼옥시아세틸 나이트레이트) 등 광화학 산화성 물질을 생성시켜 광화학 스모그를 유발하는 물질을 통틀어 일컫는 말이다. 대기 오염 물질이며 발암성을 지닌 독성 화학물질로서 광화학산화물의 전구물질이기도 하다. 또한 지구온난화의 원인물질이며 악취를 일으키기도 한다. 벤젠, 아세틸렌, 휘발유 등의 석유화학제품 또는 유기용제 등이 포함된다. 산업체에서 많이 사용하는 용매에서 화학 및 제약공장이나 플라스틱 건조공정에서 배출되는 유기가스에 이르기까지 매우 다양하며, 끓는점이 낮은 액체연료, 파라핀, 올레핀, 방향족화합물 등 생활주변에서 흔히 사용하는 탄화수소류가 거의 해당된다.
오존 발생기는 오존을 발생시키는 기기로서 당업계에 공지된 것이면 어느 것이나 사용 가능하다. 예컨대, 자외선 램프 반응기 또는 플라즈마 반응기 등을 포함한다. 자외선 램프 반응기는 단파장 자외선 램프 반응기일 수 있다. 그 외에도 오존을 발생시키는 것으로 알려져 있는 모든 기기가 본 발명에서 사용될 수 있다.
오존을 분해하는 촉매는 당업계에 공지된 촉매라면 특별한 제한 없이 모두 사용될 수 있다. 예컨대, 백금, Cr 산화물, Al 산화물, Co 산화물, Cu 산화물, Mn 산화물, 금속 Pd 또는 Pd 화합물 등을 들 수 있다. 예를 들어, 금속 산화물로서 MnO2, NiO, CoO, CuO, Fe2O3, V2O5, AgO2 등이 있다. 또한, 단일금속 산화물 뿐만 아니라 여러 금속산화물의 혼합물을 사용할 수도 있다. 예컨대, MnO2-CuO, MnO2-AgO2, NiO-CoO-AgO2 등의 형태로 사용할 수 있다. 촉매층은 오존 분해에 사용되는 촉매층으로서 당업계에 공지된 촉매층이라면 어느 것이나 사용 가능하다.
반응 활성종은 오존의 분해 시에 발생되는 다양한 활성종을 포함한다. 예컨대, O(1D), O(3P), OH* 활성종 등을 들 수 있다.
본 발명의 또 다른 일실시예에 따른 휘발성 유기 화합물 처리 방법에 있어서, 상기 오존을 발생시키는 단계는, 대기 중에 포함된 휘발성 유기 화합물의 농도에 기초하여 오존 발생량을 결정하는 것을 포함할 수 있다. 오존의 농도가 휘발성 유기 화합물의 농도에 비하여 지나치게 낮으면 휘발성 유기 화합물을 효과적으로 제거할 수 없게 된다. 이는 반응 활성종이 충분하지 않기 때문이다. 반면에, 오존 발생량이 지나치게 많은 경우 촉매에 의한 오존의 제거가 충분히 일어나지 않아, 오존이 공기 중에 배출될 수 있다. 이러한 관점에서, 오존 발생기에서 발생되는 오존의 농도는 휘발성 유기 화합물 농도의 2배 내지 50배, 바람직하게는 5배 내지 30배, 더 바람직하게는 10배 내지 15배로 조절될 수 있다.
오존 발생량은, 자외선 램프 반응기 또는 플라즈마 반응기에 가해지는 인가 전압을 조절함으로써 조정될 수 있다. 자외선 램프 반응기 또는 플라즈마 반응기에 가해지는 인가 전압은, 수동 또는 자동으로 조절될 수 있다. 자동으로 조절되는 경우, 본 발명의 일실시예에 따른 장치가 공기 중의 휘발성 유기 화합물의 농도를 자동으로 측정한 후 측정된 농도에 따라 인가 전압이 자동적으로 조절되도록 설정할 수 있다. 반대로, 장치의 제조 단계에서 공기 중의 휘발성 유기 화합물의 농도를 단계적으로 수 개의 단계(예컨대, 고, 중, 저)로 미리 설정해 놓고, 각 단계에 맞는 인가 전압 역시 미리 설정해 놓을 수 있다. 그러면, 사용자는 휘발성 유기 화합물의 농도, 예컨대, 고, 중, 저 중에서 하나를 선택하기만 하면, 그에 맞는 인가 전압이 자동적으로 가해지게 된다. 그렇지 않으면, 사용자가 직접 인가 전압을 선택하도록 설정할 수도 있다. 또한, 가정용, 공업용 등의 용도에 따라 미리 결정된 인가 전압이 미리 세팅되어 있는 상태로 본 발명의 장치가 제공될 수도 있다.
자외선 램프 반응기 또는 플라즈마 반응기를 이용하여 오존을 발생시키는 경우, 오존 발생 단계에서 휘발성 유기 화합물을 포함하는 오염된 공기를 도입하면, 오존이 발생됨과 동시에 휘발성 유기 화합물이 1차적으로 분해될 수도 있다. 1차적으로 분해된 휘발성 유기 화합물 함유 공기는 촉매층을 통과하는 단계에서 오존 분해 활성종에 의해 2차적으로 분해된다. 그러나, 오염된 공기가 오존 발생기를 거치지 않고 직접 촉매층으로 도입되도록 설치할 수도 있다.
이하에서는 도면 및 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 하나, 이것이 본 발명의 권리범위를 제한하는 것은 아니며, 단지 예를 들기 위함이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 휘발성 유기 화합물 처리 장치이다. 휘발성 유기 화합물을 함유하고 있는 오염 공기는 단파장 자외선 램프 반응기 혹은 플라즈마 반응기로 구성된 오존 발생기(1)에서 1차적으로 산화 제거된다. 이때 오존발생기에서 발생되는 오존 농도는 휘발성 유기 화합물 농도의 10배 내지 15배로 유지되는데 이는 단파장 자외선 램프 반응기나 플라즈마 반응기에 가해지는 인가 전압을 조절함으로써 가능하다. 오존 발생기에서 미처 제거되지 못한 휘발성 유기 화합물은 오존 발생기에서 발생된 오존이 촉매층(3)을 통과할 때 오존이 분해되면서 발생되는 반응 활성종과 최종 반응하여 최종적으로 산화 제거된다. 상기 촉매층(3)은 오존을 산화 제거하는 촉매를 포함하므로, 최종 배출되는 가스 흐름에는 오존이 포함되지 않는다.
< 실시예 1 >
본 실시예에서는, 도 1에 도시된 휘발성 유기 화합물 제거 장치를 이용하여 대표적인 휘발성 유기 화합물인 톨루엔을 제거하였다. 휘발성 유기 화합물 제거 장 치에 유입된 공기의 톨루엔의 농도는 50ppm이었다. 유입되는 풍량은 0.4 L/min이었으며, 반응 가스의 촉매층 체류시간은 0.18초(GHSV=20000 /hr)로 운전하였다. 오존 발생기(오존테크(Ozone generator), LAB-2)에서 발생되는 오존 농도는 톨루엔 농도의 10배인 450ppm이며 촉매층 온도는 상온(25도)이었다.
그 결과는 도 2에 나타난 바와 같다. "phase 1"에서 톨루엔 50 ppm만을 촉매층에 통과시키면 톨루엔이 촉매층에 지속적으로 흡착되어 경과 시간 20분 후에는 톨루엔 농도가 0 ppm을 나타냈다. 하지만, 흡착 반응은 톨루엔이 영구히 제거되는 것이 아니라 일시적으로 촉매층에 포집되어 있는 상태이기 때문에, 본 실시예의 경우 톨루엔만을 촉매층에 통과시키면 경과시간 2시간 후부터는 더 이상 톨루엔이 흡착되지 않는 것을 확인할 수 있었다.
반면, "phase 2"에서 오존 450 ppm을 촉매층에 통과시키면 촉매층에서 오존이 분해되어 오존 농도가 급격히 감소하여 약 20분 후에는 더 이상 오존이 검출되지 않았고, 이와 함께 촉매층에 흡착되어 있는 톨루엔이 CO 내지는 CO2로 분해되어 CO 내지 CO2의 농도가 지속적으로 증가하는 것을 알 수 있었다.
< 실시예 2 >
본 실시예는 휘발성 유기 화합물의 농도와 오존의 농도의 비율이 휘발성 유기 화합물 제거 효율에 미치는 효과를 알아보기 위한 것이다. 이를 위해, 도 1에 도시된 휘발성 유기 화합물 제거 장치를 이용하여 상기 실시예 1과 동일한 조건 하에서 톨루엔으로 오염된 공기를 처리하였다. 여기에서, 톨루엔 농도는 각각 20, 50, 100 ppm으로 유지한 상태에서 오존에 대한 톨루엔 농도비(ozone/toluene concentration ratio)를 1.0에서 15.0까지 증가시켰을 때 톨루엔 제거율(toluene conversion)과 COx 선택도(COx selectivity)를 살펴 보았다. 톨루엔 농도가 증가함에 따라 촉매층이 톨루엔을 흡착하는 톨루엔 제거율이 조금씩 줄어드는 추세를 나타냄을 알 수 있는데, 이는 농도와 흡착 성능이 반비례하는 전형적인 흡착 곡선을 나타내고 있다. 반면 오존 농도가 증가함에 따라 촉매층에서 발생되는 반응 활성종 농도도 증가하여 COx 선택도가 증가함을 알수 있다. 결국 일정 수준 이상의 오존 농도가 보장되어야 촉매층에서 충분한 반응 활성종이 발생하여 톨루엔을 산화분해시키는 것을 알 수 있다.
1 : 오존 발생기
2 : 송풍기
3 : 촉매층

Claims (11)

  1. 대기 중에 포함된 휘발성 유기 화합물을 처리하기 위한 방법으로서,
    오존을 발생시키는 단계; 및
    발생된 오존을 촉매로 처리하여 반응 활성종을 발생시키는 단계를 포함하며,
    발생된 반응 활성종에 의해 휘발성 유기 화합물이 분해되는, 휘발성 유기 화합물 처리 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    오존을 발생시키는 단계는,
    대기 중에 포함된 휘발성 유기 화합물의 농도에 기초하여 오존 발생량을 결정하는 것을 포함하는, 휘발성 유기 화합물 처리 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    오존을 발생시키는 단계는,
    대기 중에 포함된 휘발성 유기 화합물 농도의 10 내지 15배의 오존을 발생시키는, 휘발성 유기 화합물 처리 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    오존을 발생시키는 단계는,
    오존을 발생시킴과 동시에 휘발성 유기 화합물을 1차적으로 분해하는, 휘발성 유기 화합물 처리 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    오존을 발생시키는 단계는,
    자외선 램프 반응기 또는 플라즈마 반응기를 이용하여, 오존을 발생시킴과 동시에, 휘발성 유기 화합물을 1차적으로 분해하는, 휘발성 유기 화합물 처리 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    오존을 발생시키는 단계는,
    자외선 램프 반응기 또는 플라즈마 반응기에 가해지는 인가 전압을 조절함으로써 오존 발생량을 조절하는 것을 포함하는, 휘발성 유기 화합물 처리 방법.
  7. 대기 중에 포함된 휘발성 유기 화합물을 처리하기 위한 장치로서,
    오존을 발생시키는 오존 발생기; 및
    오존 발생기에서 발생된 오존과 반응하여 반응 활성종을 발생시키는 촉매를 포함하는 휘발성 유기 화합물 처리 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    촉매는, 촉매층의 형태로 구비된 휘발성 유기 화합물 처리 장치.
  9. 제 7 항에 있어서,
    오존 발생기는, 대기 중에 포함된 휘발성 유기 화합물 농도에 기초하여 오존 발생량이 결정되도록 설정된 휘발성 유기 화합물 처리 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    오존 발생기는, 대기 중에 포함된 휘발성 유기 화합물 농도의 10 내지 15배의 오존을 발생시키도록 설정된 휘발성 유기 화합물 처리 장치.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 오존 발생기는, 자외선 램프 반응기 또는 플라즈마 반응기인 휘발성 유기 화합물 처리 장치.
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