KR20030043404A - 저온 플라즈마를 이용한 휘발성 유기화합물 및 악취의제거방법과 그 장치 - Google Patents

저온 플라즈마를 이용한 휘발성 유기화합물 및 악취의제거방법과 그 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 저온플라즈마를 이용한 휘발성유기화합물(VOCs) 및 악취의 제거 방법과 그 장치에 관한 것이다. 본 발명은 고전압펄스로 구동되는 저온플라즈마 반응기내의 고전계 조건에서 VOCs 및 악취물질을 직접 분해하거나 공기분자가 이온화하여 형성된 활성자유기(active free radicals)와의 화학반응을 유도하여 산화 및 환원시키는 플라즈마반응 처리단계, 그리고 이 플라즈마반응 처리단계에서 발생하는 미반응 VOCs 및 악취물질을 반응기 후단에서 제거하는 후처리단계를 포함한다. 그 후처리단계로는 플라즈마 반응기(30) 후단에 촉매탑(60)을 연결하여 미반응 물질 및 잔류오존을 촉매로 산화시키는 POS 시스템, 또는 스크러버(70)를 연결하여 미반응 물질 및 잔류오존을 수용액 상태로 제거하는 POSA 시스템으로 구성된다. 즉, 저온플라즈마에 의한 주처리와 촉매탑 또는 스크러버에 의한 후처리로써 휘발성유기화합물 및 악취물질을 완벽하게 처리해 내는 기술로써, 특히 휘발성유기화합물 및 악취물질을 수증기와 무색무취의 이산화탄소로 전환시켜 대기오염 및 악취문제를 해결하는데 효과적으로 이용될 수 있다.

Description

저온 플라즈마를 이용한 휘발성 유기화합물 및 악취의 제거방법과 그 장치{Method for removal of volatile organic compounds and odor using non-thermal plasma and apparatus thereof}
본 발명은 각종 공장과 농축산 및 기타 생활환경으로부터 배출되고 있는 배출가스를 처리함에 있어서, 저온 플라즈마를 이용하여, 정확히는 그 저온 플라즈마와 후처리설비를 통하여, 그 배출가스중 휘발성 유기화합물과 악취물질을 산소분자와 같이 활성 자유기로 만들고 이를 화학적으로 산화 및 환원반응시켜 다량의 수증기와 무색무취의 이산화탄소로 바꾸어 배출하기 위한, 저온 플라즈마를 이용하여 휘발성 유기화합물과 악취를 제거하는 방법 및 그 장치에 관한 것이다.
각종 공장 등의 배출가스에는 대기오염의 주요인이 되고 있는 휘발성유기화합물(VOCs; volatile organic compounds)이 포함되어 있다. VOCs는 그 종류가 매우 많으나, 벤젠(benzene) 및 페놀(phenol) 등의 방향족(Aromatic)/알칸(Alkane)/ 알켄(Alkene)계 탄화수소(Hydrocarbon)와 염소와 같은 할로겐(halogen), 질소, 산소 등을 포함한 비균질 탄화수소(Heterogeneous Hydrocarbon) 등으로 나눌 수 있다. 주요 VOCs의 배출원으로는 도료, 도장 및 플라스틱 관련 공장, 화학공장, 정유공장, 저유소 및 세탁소 등을 들 수 있다.
이러한 VOCs는 그 종류 및 대기중 반응의 형태에 따라 대류권 오존오염, 성층권 오존층 파괴 및 지구 온난화 등을 유발하며, 인체나 동식물이 휘발성 유기화합물에 노출된 경우 단기적으로는 호흡기 질환, 신경장애 등을 일으키고, 장기적으로는 발암, 유전자 변이 등을 일으킬 수 있다고 보고되어 있다. 이렇듯 그 자체로도 건강에 매우 유해한 VOCs의 배출량은 산업의 발달로 인해 매년 늘고 있어 그에따른 환경오염도 더욱 가중되고 있다.
따라서 VOCs는 마땅히 규제되어야 하는데, 통상 규제대상에 있는 VOSs를 표 1에 나타내고, 그 규제대상에 있는 VOCs를 배출하는 시설에 대한 별도의 기준(환경부 고시 제1999-45호)을 표 2에 보였다.
번호 규제대상 VOCs 16 에틸알콜(Ethyl Alcohol)(공업용에 한함)
1 아세트알데히드(Acetaldehyde) 17 에틸렌(Ethylene)
2 아세틸렌(Acetylene) 18 포름알데히드(Formaldehyde)
3 아세틸렌디클로라이드(Acetylene Dichloride) 19 n-헥산(n-Hexane)
4 아크롤레인(Acrolein) 20 이소프로필알콜(Isopropyl Alcohol)
5 아크릴로니트릴(Acrylinitrile) 21 메탄올(Methanol)
6 벤젠(Benzene) 22 메틸에틸케톤(Methyl Ethyl Ketone)
7 1,3-부타디엔(1,3-Butadine) 23 메틸렌클로라이드(Methylene Chloride)
8 부탄(Butane) 24 MTBE(Methyl Teriary Butyl Ether)
9 1-부텐(1-Butene), 2-부텐(2-Butene) 25 프로필렌(Propylene)
10 사염화탄소(Carbon Tetrachloride) 26 프로필렌옥사이드(Propylene Oxide)
11 플로로포름(Choloroform) 27 1,1,1-트리클로로에탄(1,1,1-Trichloroenthane)
12 사이클로헥산(Cyclohexane) 28 트리클로로에틸렌(Trichloroethylene)
13 1,2-디클로로에탄(1,2-Dichloroethane) 29 휘발유(Gasoline)
14 디에틸아민(Diethylamine) 30 납사(Naphtha)
15 디메틸아민(Dimethylamine) 31 원유(Crude Oil)
구분(업종) 배출시설
시설명 규모
1. 석유정제 및 석유화학제품 제조업 가. 원유정제 등 제조시설 모든 시설
나. 저장시설 저장용량 40㎥ 이상
다. 출하시설 모든 시설
2. 저유소 가. 저장시설 저장용량 20㎥ 이상
나. 출하시설 모든 시설
3. 주유소 가. 저장시설 저장용량 20㎥ 이상
4. 세탁시설 가. 세탁시설 처리용량 30㎏ 이상(합계)
5. 유기용제 및 페인트제조업 가. 반응시설 용적 3㎥ 이상
나. 혼합시설 용적 3㎥ 이상
다. 희석신나 제조시설 용적 5㎥ 이상 또는 동력 50마력 이상
라. 유기용제,유기용제함유물질유류 저장시설 저장용량 10㎥ 이상
마. 페이트저장시설 저장용량 50㎥ 이상
6. 선박 및 대형철구조물제조업(10m×10m 이상인 대형구조물에 한함) 가. 세정시설(탈지시설 포함) 용적 1㎥ 이상
나. 도장시설(건조시설 포함) 용적 5㎥ 이상 혹은 동력 3마력 이상
다. 유기용제,유기용제함유물질저장시설 저장용량 10㎥ 이상
라. 유류저장시설 저장용량 10㎥ 이상
7. 자동차 제조업 가. 도장시설(건조시설 포함) 모든 시설
나. 유류,유기용제 및 유기용제함유물질 저장시설 저장용량 10㎥ 이상
8. 기타 제조업 가. 세정시설(탈지시설 포함) 용적 1㎥ 이상
나. 도장시설(건조시설 포함) 용적 5㎥ 이상 혹은 동력 3마력 이상
다. 유류,유기용제 및 유기용제함유물질 저장시설 저장용량 10㎥ 이상
9. 폐기물 보관·처리시설(폐기물관리법시행령 제3조 별표 1에 의한 폐유, 폐유기용제 및 폐농약) 가. 보관시설 저장용량 10㎥ 이상(합계)
나. 파쇄·분쇄·절단시설 동력 20마력 이상
다. 소각시설 1일 처리능력 10톤 이상
라. 고온열분해시설 1일 처리능력 5톤 이상
마. 건류시설 1일 처리능력 5톤 이상
바. 용융시설 동력 10마력 이상
사. 증발·농축·반응시설 1일 처리능력 5톤 이상
아. 정제시설 1일 20㎘ 이상(고온열분해 또는 감압증류는 1일 24시간 기준으로, 기타의 경우에는 1일 8시간 기준으로 산정)
자. 유수분리시설 1일 처리능력 5톤 이상
차. 응집·침전시설 1일 처리능력 5톤 이상
카. 건조시설 시간당 처리능력 0.15㎥ 이상
10. 자동차정비시설 가. 도장시설(건조시설 포함) 용적 5㎥ 이상 혹은 동력 3마력 이상
한편, 악취는 대기오염의 기본적인 단서로서 사람의 후각을 자극한다. 악취의 원인물질에는 황화수소·메르캅탄류·아민류 외에도 알데히드류·인돌류·케톤류·술피드류·스카톨류·알코올류·페놀류·염소화합물·이황화탄소·암모니아·유기산 등이 있다. 이러한 악취물질을 원료로 하는 고무제조공장·약품제조공장·플라스틱제조공장·식품제조공장·비료공장·제지공장 등의 주변이나 농·축산업이 이루어지는 곳, 하수처리장·분뇨처리장·화장터·쓰레기 매립장 근처에서도 당연히 악취가 나기 마련이다.
사람은 악취를 맡게 되면 먼저 정신적 스트레스가 쌓이고 심리적으로 불안해지면서, 종종 짜증·히스테리·불면증 등을 동반하기도 한다. 생리적으로는 냄새로 인한 혈압상승, 호르몬 분비의 변화에 의한 생식계의 이상, 후각 감퇴, 두통, 구토 등의 증상이 나타나기도 한다.
이와 같이 악취가 미치는 나쁜 영향을 막기 위하여 각국에서는 법적·제도적 장치를 마련해 두고 있다. 악취의 정도는 각 물질의 농도와 꼭 비례하는 것은 아니며, 대체로 단일 구성 성분의 물질보다는 여러 가지 물질의 혼합비율에 의하여 그 악취의 정도가 결정된다. 일반적으로 악취정도는 관능법으로 판정하여 그 악취도가 3도 이상일 때 규제대상이 되고 있다. 다음의 표 3은 관능법에 의거한 악취도 판정표이다.
악취도 악취감지구분 비고
0 무취
1 약간의 냄새를 감지
2 어떤 냄새인가를 알 수 있는 정도
3 보통의 냄새 용이하게 감지
4 강한 냄새
5 극심한 냄새 참기 어려움
다음의 표 4는 주요 악취물질의 악취도에 따른 악취강도(PPMv)를 나타낸다. 일반적으로 악취배출의 환경기준은 2도 이하이며, 3도 미만은 저농도, 그 이상은 고농도로 분류된다.
물질명 화학식 악취도 취기
1 2 2.5 3 3.5 4 5
암모니아 NH3 0.1 0.6 1 2 5 10 40 자극성냄새
유화수소 H2S 0.0005 0.006 0.02 0.06 0.2 0.7 8 달걀썩는냄새
메칠메르캅탄 CH3SH 0.0001 0.0007 0.002 0.004 0.001 0.03 0.2 양배추썩는냄새
유화메칠 (CH3)2S 0.0001 0.002 0.01 0.05 0.2 0.3 2 채소썩는냄새
이유화메칠 (CH3)2S2 0.0003 0.003 0.009 0.03 0.1 0.3 3 김썩는냄새
트리메칠아민 (CH3)3N 0.0001 0.001 0.005 0.02 0.07 0.2 3 생선냄새
아세트알데히드 CH3CHO 0.002 0.01 0.05 0.1 0.5 1 10 자극성냄새
스티렌 C6H5CHCH2 0.03 0.2 0.04 0.8 2 4 20 양파냄새
이러한 VOCs와 악취물질을 제거하기 위해 종래에는 직접연소법의 재생식 열산화장치(RTO; regenerative thermal oxidation)와 간접연소법의 재생식 촉매산화장치(RCO; regenerative catalytic oxidation) 그리고 흡착처리 설비가 주로 사용되고 있었다.
RTO는 배출가스를 직접 연소시켜 산화처리한 후 연소열은 회수 및 재사용하는 방식으로, 처리효율이 높고 고농도의 VOCs 처리에 경제적이어서 현재 가장 많이사용되고 있다. 그러나 설비비가 과다한 데다, VOCs농도가 낮으면 운전비가 많이 들어 경제성이 없으며, 배출가스의 유량변동이 심하거나 할로겐, 황화합물이 포함된 VOCs 처리에는 부적합하며, 구조상 설치장소에도 제한이 따른다.
RCO는 촉매를 연소시켜 활성화한 다음, 이를 배출가스와 반응시켜 처리하고 연소열은 회수 및 재사용하는 방식으로, 운전비가 적게 들고 NOx의 발생이 적으며 소형이라는 이점이 있다. 그러나 RTO 보다 시설비가 과다하고, 처리대상 기체의 생성에 따라 그 적용범위가 제한되며, 유량변동이 심하거나 고농도의 VOCs 처리에는 부적합하며, 촉매를 주기적으로 교체하여야 한다.
한편, 흡착처리 설비는 배출가스를 고형 흡착제와 접촉시켜 흡착제의 표면에 VOCs를 채취, 포집, 체류시키는 방법으로 처리하고 열사이클을 이용한 탈착으로 흡착제를 재생한다. 이는 VOCs의 제거효율이 높고 연료비가 적게 드는 이점이 있으나, 배출가스에 포함된 입자상 물질을 미리 여과해야하는 전처리설비가 필요하고, 흡착제의 재생시 폐수가 발생하여 별도의 폐수처리가 요구되는 것이다.
이 밖에도 최근에는 자외선, 플라즈마, 코로나(corona) 또는 생물학적 여과(bio-filtration) 방식을 이용하는 기술들이 개발되고 있다.
전술한 바와 같이, RTO와 RCO는 고온의 연소설비를 필요로 한다. 고온의 연소설비는 운전이 용이하지 않으며, 대체로 규모가 크므로 설치에 제약이 따르고, 연료비 등 운전비가 많이 들어 비경제적이다. 뿐만 아니라 연료의 불완전 연소 등으로 다른 대기오염이 염려되는 것이다. 흡착처리설비는 RTO나 RCO에 비하여 연료비는 적게 들지만, 이 역시 전처리 및 폐수처리 설비를 부가하므로 비경제적이며, 흡착제의 재생횟수가 증가함에 따라 처리능력이 떨어지는 문제가 있다.
본 발명에서 사용하려는 저온 플라즈마는, 설치비용이 적고, 에너지 소모가 적은 기술로서, 반응기내에서 전기방전을 이용하여 높은 에너지를 갖는 자유 래디칼, 전자, 이온 등을 생성하여 휘발성 유기화합물의 산화 또는 분해를 촉진시키는 매우 효과적인 방법으로 평가되고 있다. 그러나, 이 방법을 응용한 종래의 기술수준으로는 대규모 장치에 적용할 수 없었다. 특히 미반응 물질의 처리문제와 다량의 오존발생으로 실용화에 많은 문제점이 있었던 것이다.
따라서 본 발명의 목적은, 저온 플라즈마를 이용한 처리에 있어서, 거의 모든 종류의 VOCs 및 악취물질을 동시처리가능하며 배출가스를 미반응 물질이나 오존발생이 없이 다량의 수증기와 무색무취의 이산화탄소로 배출하는 저온플라즈마를 이용한 휘발성 유기화합물 및 악취 제거방법과 그 장치를 제공하려는 것이다.
도 1은 본 발명의 첫 번째 실시예에 따른 저온 플라즈마를 이용하여 휘발성유기화합물과 악취를 제거하는 방법을 수행하기 위해 후처리수단으로서 촉매탑을 구비한 장치의 시스템도.
도 2는 도 1의 장치에 사용된 저온플라즈마와 촉매에 의해 휘발성유기화합물과 악취가 처리되는 과정을 도식화한 개념도.
도 3은 본 발명의 두 번째 실시예에 따른 저온플라즈마를 이용하여 휘발성유기화합물과 악취를 제거하는 방법을 수행하기 위해 후처리수단으로서 스크러버를 구비한 장치의 시스템도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
10 : 가스포집기20 : 송풍기
30 : 저온플라즈마 반응기40 : 고전압펄스발생기
50 : 제어기60 : 촉매탑
70 : 스크러버
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는, 고전압펄스로 구동되는 저온플라즈마 반응기내의 고전계 분위기에서 VOCs 및 악취물질을 산소분자와 함께 이온화한 활성자유기를 형성하여, 그 분위기에서 이온화되지 않은 VOCs 및 악취물질에 대해 그 형성된 활성자유기와의 화학반응을 유도하여 산화 및 환원시키는 플라즈마반응처리단계와, 이 플라즈마반응처리단계에서 발생하는 부산물과 미반응 VOCs 및 악취물질을 그 저온플라즈마 반응기 후단에서 제거하는 후처리단계로 처리하는 것을 특징으로 하는 저온플라즈마를 이용한 휘발성유기화합물 및 악취제거 방법을창안하고, 이를 위한 장치로서,
VOCs 및 악취물질이 포함된 가스를 포집하는 포집기, 포집된 가스를 외부의 공기와 함께 강제로 송풍하는 송풍기, 송풍된 가스 및 공기의 유입구 및 배출구를 가지며 그 사이에서 고전계에 의한 코로나 방전을 형성하는 전극채널이 장착되어 유입된 가스중의 VOCs 및 악취물질과 함께 유입된 공기중의 산소분자를 이온화하여 활성자유기를 형성하고 이온화되지 아니한 VOCs 및 악취물질에 대해 그 활성자유기와의 반응을 유도하여 산화 및 환원시켜 수증기와 이산화탄소로 배출하는 저온플라즈마 반응기, 이 저온플라즈마 반응기를 구동하는 고전압펄스를 발생하는 발생기, 상기 저온플라즈마 반응기의 배출구측에 연결되어 그 저온플라즈마 반응기에서 발생하는 부산물 및 미반응 물질을 제거하는 후처리수단을 구비하여 VOCs 및 악취물질을 수증기와 무색무취의 이산화탄소로 바꾸어 배출하는 저온플라즈마를 이용한 휘발성유기화합물 및 악취제거장치를 구성하였다.
바람직하게는, 상기 후처리수단으로서, 상기 포집되는 가스의 종류, 정확히는 상기 저온플라즈마 반응기의 부산물에 따라, 그 부산물과 미반응 VOCs 및 악취물질을 접촉하여 산화시키는 촉매를 장착한 촉매탑 또는 흡수처리하는 스크러버를 구비한다.
본 발명에 따른 저온플라즈마를 이용한 휘발성유기화합물 및 악취제거방법의 개요를 설명하면 다음과 같다.
1) 저온플라즈마
저온플라즈마의 반응원리는 전기물리학적 신기술로 그 처리원리는 다음과 같이 요약된다.
플라즈마 반응원리는 양극 및 음극의 두 방전극 사이에 10㎸/㎝ 이상의 고전계를 극히 짧은 순간(수십~수백㎱ 이내)에 인가하면, 펄스코로나(pulse corona) 방전에 의해 브러시 같은 형태의 전류채널이 형성되는데 이를 유광(streamer)이라 한다. 유광은 두 전극 사이를 고에너지 전자가 106~107㎝/sec의 속도로 전파하며, 그 전계내의 분자와 충돌한다. 이와 같이 고에너지 전자와 충돌하는 분자는 이온화하여 활성자유전자(active free electron)로 분해된다.
본 발명은 이와 같이 분자가 활성자유전자로 분해되는 원리를 이용, 다음과 같이 가스분자로부터 N, H, O, OH 등의 활성자유기(active free radicals)를 형성한다.
활성자유기는 반응성이 매우 높아 어떤 물질과 극렬한 화학반응을 일으키는데, 본 발명은 다음과 같이 그 활성자유기를 VOCs 및 악취물질과 반응토록 하여 수증기(H2O)와 무색무취의 이산화탄소(CO2)로 환원시키는 것이다.
여기서 VOCs 및 악취물질은 대부분의 분자조성이 C, H, O인 바 C는 CO2로 H는 H2O로 화학반응이 일어나 그 VOCs 및 악취물질이 분해(제거)되는 것이다. 또한 저온플라즈마 반응기 내의 방전에서 오존발생기와 같은 원리로 오존(O3)이 발생하게되는데, 본 발명은 그 오존에 의한 부수적 VOCs 및 악취제거 효과를 얻는다.
2) 저온플라즈마를 이용한 VOCs 및 악취제거의 개요
본 발명은 가스포집기와 송풍기를 이용, VOCs 및 악취를 함유한 오염된 공기를 흡입하여 강제 송풍하여 상기한 저온플라즈마 반응기를 통과시킨다. 그리고 저온플라즈마 반응기를 고전압 펄스로 구동하여 상기와 같은 원리로 오염된 공기중의 VOCs 및 악취물질을 분해??제거한다.
한편, 공기중의 VOCs 및 악취물질은 대부분은 저온플라즈마 반응기 내부에서 제거되어지나, 그 일부가 미반응 활성상태로 잔류하게 되어 배출되며, 이로 인해 다량의 오존이 발생하게 된다. 오존은 태양광으로부터 자외선을 차단하여 지구의 온난화를 막는 오존층을 형성하는데 유용한 것이지만, 인체의 호흡기를 손상시킬 수 있으므로 주의가 요구된다. 따라서 본 발명에서는 상기 저온플라즈마 후단(배출구)에 오존촉매나 스크러버(scrubber)를 연결하여 잔류의 미반응 활성물질과 오존을 제거하는 것을 생각하게 되었다.
이러한 본 발명의 방법에 대한 첫 번째 실시예로서, 도 1과 같이, 가스포집기(10), 송풍기(20), 저온플라즈마 반응기(30), 고전압펄스발생기(40)와 그 제어기(50) 및 촉매탑(60)으로 구성하였으며, 두 번째 실시예에서는 그 촉매탑(60) 대신 도 3과 같이 스크러버(70)를 연결하였다. 편의상, 이하에는 첫 번째 실시예에 따른 시스템을 PCO(plasma catalyst Oxidation), 두 번째 실시예에 따른 시스템을 POSA(plasma Oxidation and scrubber absorption)로 명명하였다.
가스포집기(10)는 VOCs 및 악취물질을 포함하는 가스를 포집하기 위한 것으로, 이는 각종 공장 등 가스발생공간을 밀폐 또는 후드를 설치하여 된다.
송풍기(20)는 포집된 가스를 흡입하여 저온플라즈마 반응기(30) 및 촉매탑(40)을 경유하여 배출되도록 강제 송풍하는 것이다. 이는 가스 흡입량이 저온플라즈마 반응기(30) 내에서 폭발한계에 달하지 않도록 대략 가연한계의 4배 정도로 그 풍량이 선택된다.
플라즈마반응기(30)는 고전계에 의한 코로나방전으로 고에너지 전자로 전리된 저온플라즈마를 형성, VOCs 및 악취물질을 직접 산화시키는 장치로, 송풍기(20)와 연결되는 유입구(31)와 배출구(32)를 가지며, 그 유입구와 배출구 사이에서 코로나방전을 위한 양극(33)과 음극(34)을 장착하고 있다. 이는 처리할 가스성분에 따라 여러 가지 형태로 제공된다.
고전압펄스발생기(40)는 저온플라즈마 반응기(30)에서의 고에너지 전자를 유도하는 전계 및 코로나방전에 필요한 고전압 펄스를 발생하는 전원장치로, 이는 저온플라즈마 반응기 형태에 따라 그 전압형태가 달라진다.
제어기(50)는 VOCs 및 악취제거장치의 전체시스템을 제어하는 장치로 고정변수 운전 및 배기가스농도 피드백(feedback) 운전 등을 위한 설정기능을 가진다.
촉매탑(60)은 후처리설비의 하나로서, 저온플라즈마 반응기(30)에서 발생하는 오존에 의해 활성화되는 촉매(61)를 장착하여, 그 활성화된 촉매(61)와 미반응 활성물질을 재산화시키고 잔류오존을 제거한다. 이는 황(S), 염소(Cl) 성분이 포함되지 않은 VOCs 및 악취제거에 적용된다.
스크러버(70)는 다른 후처리설비로서, 저온플라즈마 반응기(30)에서 발생한오존 및 미반응 활성물질을 물에 용해시켜 수용액 내에서 재처리하고자 한 것으로, 이는 수용성의 황(S), 염소(Cl) 성분이 함유된 VOCs 및 악취제거에 효과적이다.
도 2는 본 발명에 따른 PCO에 의한 VOCs 및 악취제거의 원리를 보인다.
저온플라즈마 반응기(30)의 양극(33)과 음극(34)은 전술한 고전압펄스발생기에서 인가되는 고전압으로 대전되고 그 사이에 유광의 현상인 고에너지 전자를 형성, 그 사이로 유입되는 가스중의 VOCs 및 악취분자(1)와 함께 유되는 공기중의 산소분자(2)를 동시에 분리시켜 각각 여기된 산소분자(3)와 여기된 탄소분자(4) 및 여기된 산소원자(5) 등의 화학적으로 반응성이 매우 높은 활성자유기를 형성시킨다. VOCs 및 악취분자는 대부분 탄소와 수소 및 산소 화합물로서 그 활성자유기의 형성과정을 반응식으로 표현하면 다음과 같다.
이렇게 형성된 활성자유기들은 미분해 또는 일부 분해된 VOCs 및 악취분자와 격렬한 화학반응을 일으킨다.
이러한 화학반응은 활성자유기(radical)들의 활성능력에 의해 빠른 속도로 진행되며 대부분의 VOCs 및 악취물질을 산화시킨다.
그러나 VOCs 물질의 성분과 농도 및 포집된 가스의 상태와 인가 에너지량에 따라 일부 미반응 VOCs 물질이 저온플라즈마 반응기(30)의 배출구(32)로 배출되며, 또한 그 저온플라즈마 반응기(30) 내에서 오존발생기와 같은 원리로 오존(6)이 발생한다. 이러한 미반응 VOCs 및 잔류오존은 저온플라즈마 반응기(30)의 배출구(32)에 연결된 촉매탑(60) 내의 촉매(61)에 의해 제거되며 그 과정은 다음과 같다.
1) 오존에 의한 촉매의 활성화
여기서, M은 촉매, M*는 활성화된 촉매이다.
2)활성화된 촉매(M*)에 의한 VOCs 및 악취물질의 산화
즉, 촉매(M)는 우선 오존과 신속히 반응하여 활성상태로 되고 그 활성화된 매(M*)는 미반응 산화물과 신속히 반응(7)함과 동시에 원래 상태의 촉매(M)로 되돌아간다. 이를 종합하면 다음과 같다.
이상에서와 같이 PCO는 플라즈마에 의해 VOCs 및 악취를 대부분 제거하고, 그 잔여물을 저온플라즈마 반응기(30)에서 생성된 오존과 촉매에 의해 완전산화시킴으로써 VOCs 및 악취를 빠른 속도와 높은 효율로 처리한다. 즉 촉매탑(60)으로부터는 물분자(2)와 무색무취의 이산화탄소분자(8)가 배출되는 것이다.
본 발명에서 사용된 촉매에는 주촉매로서 MnO2를, 조촉매로서 CuO, FeO3를, 그리고 담체로서 TiO2가 사용되었다.
다음, 본 발명의 POSA 시스템에 의한 VOCs 및 악취제거 원리는 다음과 같다.
POSA는, 저온플라즈마 반응기(30)에 의한 VOCs 및 악취제거 원리는 PCO와 동일하지만, 그 저온플라즈마 반응기(30)에서 배출되는 미반응 활성물질 및 잔류오존을 후처리단계에서 습식(wet) 스크러버(70)를 통해 흡수한 후, 수용액 상태에서 반응시켜 처리하는 시스템이다.
일반적인 VOCs 물질은 대부분 난용성이어서 그 자체로는 물에 대한 용해도가 그리 높지 않지만, 저온플라즈마 반응기(30)를 통과한 VOCs는 분자 결합고리의 일부가 끊어져 불안정한 상태가 되기 때문에 대부분이 수용성으로 변한다. 이로 인하여 습식 스크러버(70)를 이용하여 물에 흡수시키기가 매우 용이하다. 또한 저온플라즈마 반응기(30)에서는 전술한 바와 같이 오존 발생기와 같은 원리로 다량이 오존이 발생하므로 습식 스크러버(70)를 이용하여 미반응 VOCs 및 악취와 오존을 동시에 흡수시키면 오존에 의한 폐수처리 방법과 동일한 원리로 VOCs 및 악취를 효과적으로 제거한다.
특히 POSA는 기존의 습식 스크러버 및 화학약품을 사용해 VOCs 및 악취를 처리하던 기존 설비에 그대로 적용할 수 있어 유리하다. 즉 난용성이던 VOCs 및 악취물질을 저온플라즈마 반응기(30)에 의해 수용성으로 전화시킴으로써 약품사용 없이 VOCs를 물에 용해시켜 고효율로 제거할 수 있으며, 이 과정에서 저온플라즈마 반응기(30)에서 발생한 오존이 물에 동시에 용해됨으로써 수용액 내에서 VOCs 및 악취가 오존과 반응하여 폐수가 정화된다.
이로써 실제로 기존의 습식 스크러버 전단에 도 3과 같이 저온플라즈마 반응기(30)와 그 고전압펄스발생기(40) 및 제어기(50)를 추가 시설하여 처리해 본 결과, VOCs 및 악취제거 효율을 90%이상으로 높일 수 있었으며, VOCs 용해 및 폐수처리에 사용하던 약품을 배제하고, 별개의 폐수처리 설비를 하지 않아도 되었다.
게다가, 전술한 POC 시스템에서는 VOCs 및 악취성분이 황(S), 할로겐 원소 등의 성분을 함유하고 있을 경우 단순산화 과정만으로는 완전처리가 불가능하며, 산화물 또는 염 형태의 회수가 반드시 이루어져야 함을 알았다.
이에 대해 POSA는 전처리단계로서 VOCs 및 악취물질을 저온플라즈마 반응기(30)에서 1차 산화시킨 후 미반응 상태로 잔류한 물질에 대한 후처리단계로서 그 잔류물과 황산화물, 염소산화물 등을 스크러버(70)에서 흡수한다. 또한 그 스크러버(70)는 저온플라즈마 반응기(30)내에서 생성된 오존을 동시에 흡수한다. 따라서 스크러버(7)에서 발생되는 폐수는 흡수된 오존으로 처리되면서 황화물이나 할로겐 원소 등의 성분함량이 높을 경우 알칼리성 수용액으로 중화처리되어 별도의 약품처리를 배제할 수 있게 된다.
이러한 본 발명의 저온플라즈마를 이용한 VOCs 처리에 있어서의 VOCs 물질에 따라 적용한 시스템과 그 처리결과를 표 5에, 탈취제거에 대한 시스템과 그 처리결과는 도 6에 보였다. 그리고 본 발명의 시스템과 종래기술을 표 7에 비교해 보았다.
제품 및 물질명 분자식 적용시스템 처리효율(%) 최종배출물
1 아세트알데히드(Acetaldehyde) CH3CHO PCO 96 CO2,H2O
2 아세틸렌(Acetylene) C2H2 PCO 99 CO2,H2O
3 아세틸렌디클로라이드(Acetylene Dichloride) C2H2Cl2 POSA 95 CO2,HCl
4 아크롤레인(Acrolein) C3H4O PCO 95 CO2,H2O
5 아크릴로니트릴(Acrylonitrile) C3H3N PCO 95 CO2,H2O,N2
6 벤젠(Benzene) C6H6 PCO 90 CO2,H2O
7 1,3-부타디엔(1,3-Butadine) C4H6 PCO 99 CO2,H2O
8 부탄(Butane) C3H10 PCO 99 CO2,H2O
9 1-부텐(1-Butene)2-부텐(2-Butene) C4H8[CH3CH2CH(CH2)]C3H8[CH3(CH)2CH3] PCO 94 CO2,H2O
10 사염화탄소(Carbon Terachloride) CCl4 POSA 92 CO2,HCl
11 클로로포름(Chloroform) CHCl3 POSA 95 CO2,H2O,HCl
12 사이클로헥산(Cyclohexane) C6H12 PCO 91 CO2,H2O
13 1,2-디클로로에탄(1,2-Dichloroethane) C2H4Cl2[Cl(CH2)2Cl] POSA 93 CO2,N2,HCl
14 디에틸아민(Diethylamine) C4H11N[(C2H5)2NH] PCO 94 CO2,H2O,N2
15 디메틸아민(Dimethylamine) C2H7N PCO 97 CO2,H2O,N2
16 에틸렌(Ehtylene) C2H4 PCO 99 CO2,H2O
17 포름알데히드(Formaldehyde) HCHO PCO 98 CO2,H2O
18 n-헥산(n-Hexane) C6H14 PCO 91 CO2,H2O
19 이소프로필알콜(Isopropyl Alcohol) C3H8O[(CH3)CHOHCH3] PCO 96 CO2,H2O
20 메탄올(Methanol) CH3OH PCO 99 CO2,H2O
21 메틸에틸케톤(Methyl Ethyl Ketone) C4H8O[CH3COCH2CH3] PCO 94 CO2,H2O
22 메틸렌클로라이드(Methylene Chloride) CH2Cl2 POSA 96 CO2,H2O,HCl
23 MTBE(Methyl Tertiary Butyl Ether) CH3OC(CH3)2CH3 PCO 97 CO2,H2O
24 프로필렌(Propylene) C3H6 PCO 99 CO2,H2O
25 프로필렌옥사이드(Propylene Oxide) C3H6O PCO 99 CO2,H2O
26 1,1,1-트리클로로에탄(1,1,1-Trichloroethane) C2H3Cl3 POSA 96 CO2,H2O,HCl
27 트리클로로에틸렌(Trichloroethylene) C2H2Cl3 POSA 97 CO2,H2O,HCl
28 휘발유(Gasoline) - PCO 98
29 납사(Naphtha) - PCO
30 원유(Crude Oil) - PCO
31 초산(Ccetic Acid) C2H4O2 PCO 98 CO2,H2O
32 에칠벤젠(Ethylbenzene) C8H10 PCO 90 CO2,H2O
33 니트로벤젠(Nitrobenzene) C2HNO2 PCO 90 CO2,H2O,N2
34 톨루엔(Toluene) C7H8 PCO 90 CO2,H2O
35 테트라클로로에틸렌(Tetrachloroethylene) C2Cl4 POSA 96 CO2,HCl
36 자일렌(Xylene) C8H10 POSA 90 CO2,H2O
37 스티렌(Styrene) C8H8 POSA 90 CO2,H2O
물질명 분자식 취기인식농도(ppm) 적용기술 탈취효과(%) 최종배출물
암모니아 NH3 55 POSAPCO 9996 N2H2O
유화수소 H2S 1 POSAPCO 9997 H2SO4SO2
메틸메르캅탄 CH3SH 35 POSAPCO 9699 H2SO4,CO2CO2,SO2
유화메칠 (CH3)2S 0.1 POSAPCO 9699 H2SO4,CO2CO2,SO2
이유화메칠 (CH3)2S2 7.4 POSAPCO 9598 H2SO4,CO2CO2,SO2
트리메칠아민 (CH3)3N 5 PCO 97 CO2,H2O,N2
아세트알데히드 CH3CHO 0.3 PCO 99 CO2,H2O
스티렌 C6H5CHCH2 8.3 PCO 97 CO2,H2O
기타 POSAPCO 95이상95이상 CO2,H2O
특성 응축 흡착 열소각 RCO RTO FTO PCO POSA
악취제거 D B C D D A A A
가스 F D A A A A A A
저유량,저농도 B A B A D B A A
고유량,저농도 C A C A A C A A
저유량,고농도 A D A D D A B C
고유량,고농도 A D A D D A D C
탄화수소가스 F D A A A A A A
Cl2/S 포함 유기가스 F D B D A A C A
응축가능 탄화수소 A A A A A A A A
응축가능 Cl2/S 포함 유기가스 A A B D A A C A
먼지제거 F F C F F F C A
연속운전 A A A A A A A A
1회식운전(batch) A A D D D B A A
표 6에서 A는 탁월, B는 좋음, C는 만족, D는 미흡, F는 적용불가를 의미한다.
이상의 실시예를 통하여 설명된 바와 같이 본 발명에 따른 저온플라즈마를이용한 휘발성유기화합물 및 악취제거방법 및 그 장치는, 저온플라즈마에 의한 전처리와 촉매탑 또는 스크러버에 의한 후처리로써 휘발성유기화합물 및 악취물질을 완벽하게 처리해 내는 기술로써, 특히 휘발성유기화합물 및 악취물질로부터 수증기와 무색무취의 이산화탄소를 배출하여 대기오염 및 악취문제를 해결하는데 효과적으로 이용될 수 있는 것이다.
특히 본 발명에 따르면, 기존 직접연소법이나 간접연소법과 같은 연소장치를 사용하지 않으므로, 규모가 간단하고, 소형으로 설치가 용이하며, 운전비용이 아주 저렴한 장점이 있다.

Claims (6)

  1. 고전압펄스로 구동되는 저온플라즈마 반응기내의 고전계 분위기에서 VOCs 및 악취물질을 산소분자와 함께 이온화한 활성자유기를 형성하여, 그 분위기에서 이온화되지 않은 VOCs 및 악취물질에 대해 그 형성된 활성자유기와의 화학반응을 유도하여 산화 및 환원시키는 플라즈마반응단계와, 이 플라즈마 반응단계에서 발생하는 오존과 미반응 VOCs 및 악취물질을 그 저온플라즈마 후단에서 제거하는 후처리단계로 처리하는 것을 특징으로 하는 저온플라즈마를 이용한 휘발성유기화합물 및 악취제거 방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 후처리단계로서 상기 부산물과 미반응 VOCs 및 악취물질을 오존촉매로 산화처리하는 것을 특징으로 하는 저온플라즈마를 이용한 휘발성유기화합물 및 악취제거방법.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 후처리단계로서 상기 부산물과 미반응 VOCs 및 악취물질을 스크러버로 흡수처리하는 것을 특징으로 하는 저온플라즈마를 이용한 휘발성유기화합물 및 악취제거방법.
  4. VOCs 및 악취물질이 포함된 가스를 포집하는 포집기와, 이 포집기로 포집된 가스를 외부의 공기와 함께 강제 송풍하는 송풍기와, 이 송풍기에서 송풍된 가스 및 공기의 유입구 및 배출구를 가지며 그 사이에서 고전계에 의한 코로나 방전을 형성하는 채널이 장착되어 유입된 가스중의 VOCs 및 악취물질과 함께 유입된 공기중의 산소분자를 이온화하여 활성자유기를 형성하고 이온화되지 아니한 VOCs 및 악취물질에 대해 그 활성자유기와의 반응을 유도하여 산화 및 환원시켜 수증기와 이산화탄소로 배출하는 저온플라즈마 반응기와, 이 저온플라즈마 반응기의 배출구측에 연결되어 그 저온플라즈마 반응기의 반응과정에서 발생하는 부산물 및 미반응 물질을 제거하는 후처리수단이 구비된 저온플라즈마를 이용한 휘발성유기화합물 및 악취제거장치.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 후처리수단으로서 상기 부산물과 접촉하여 산화처리하는 오존촉매를 장착한 촉매탑이 구비되어 있는 저온플라즈마를 이용한 휘발성유기화합물 및 악취제거장치.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 후처리수단으로서 상기 부산물을 흡수처리하는 스크러버가 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 저온플라즈마를 이용한 휘발성유기화합물 및 악취제거장치.
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