휘발성 유기화합물(Volatile Organic Compounds, VOCs)은 광화학 반응을 통해 오존 등의 광화학 산화성 물질을 생성시키고, 화학적 특성에 따라 여러 복합적인 문제를 유발한다. 국내에서 한 해 동안 배출되는 VOCs 중 인쇄업이나 도장시설, 세탁시설과 같은 유기 용제 사용에 의한 VOCs 배출량은 전체 배출량 중 절반이 넘는 비율을 차지한다. 인쇄업체는 수도권에 밀집되어 있고, 종사자 10인 미만의 소규모 인쇄업체가 대부분을 차지한다. 따라서 소규모라 규제가 어렵고, 별도의 방지시설 없이 VOCs가 대기로 배출되고 있으며 규제와 관리가 필요하다.
본 연구에서는 소규모 인쇄업체에서 배출되는 VOCs 제거를 위한 흡착과 상온촉매산화공정을 조합하여 상용화 기술로서의 방안을 제시하고 적용하고자 한다. VOCs 제거를 위한 공정 조합 시, 단순한 VOCs의 배출량뿐만 아니라 배출된 VOCs에 의해 오존이 얼마나 생성될 것인지를 평가하고 관리할 수 있도록 photochemical ozone creation potentials(POCP)를 고려한 VOCs 배출량 또한 중요한 지표이다. 따라서 조합 공정을 통한 VOCs 배출량과 POCP 기반 배출량에 대한 처리 효율 평가를 검토하였다.
인쇄 공정 중에 다양한 VOCs가 배출되고, 모든 물질들을 대상으로 실험을 진행하는 데에 어려움이 있어 시판되고 있는 잉크와 인쇄업체에서 배출되는 VOCs를 기준으로 배출량과 POCP가 높은 주요 물질 5종을 실험 대상 VOCs로 선정하였다. 선정한 5종의 VOCs는 Isopropyl alcohol(IPA), Methyl ethyl ketone(MEK), Nonane(Non), Tolueneuene(Tol), 1,2,4-Trimethylbenzene(TMB)이다. 선정한 VOCs에 대한 적정 흡착제의 선정을 위해, γ-alumina, 활성탄, Zeolite 13X를 대상으로 VOCs 5종에 대한 흡착 실험을 300분동안 진행하였다. 그 결과 소재 무게당 흡착량은 121.65mg/g, BET 비표면적은 713.7 ㎡/g로 분석된 Zeolite 13X를 흡착제로 선정하였다. Zeolite 13X에 대한 물질별 흡착 특성은 실험 대상 VOCs의 경우 친수성인 IPA, MEK가 흡착량이 높았고, Nonane의 경우에는 소수성이며 구조상의 원인으로 흡착량이 낮았다.
흡착제의 반복 사용으로 수명을 증진시키고, 처리 효율을 확보하며 교체 주기를 늘리기 위해 온도와 감압의 조건에 따른 탈착 실험을 통해 흡착제의 재생 방안을 검토하였다. 탈착 시에 25℃, 50℃, 100℃로 고정 온도에서의 결과를 토대로 탈착율을 비교해 본 결과, 세 가지 조건 모두 흡착량 대비 탈착율이 5%미만으로 매우 낮았다. 고정감압에 따른 탈착 실험은 압력을 -0.2 bar, -0.3 bar, -0.5 bar으로 변경한 경우, 압력을 많이 가할수록 유입되는 유량이 함께 조절되어 -0.2 bar의 조건에서 95% 이상으로 탈착 효율이 가장 높았다. 탈착되어 나오는 VOCs를 촉매 산화를 이용해 처리하기 위해 물질별 배출량이 균등한 것이 유리하므로 -0.2 bar와 -0.3 bar의 두 가지 조건을 이용해 압력에 변화를 주며 탈착시켰다.
탈착되어 나오는 VOCs의 제거를 위해 본 연구에서는 망간산화물 촉매를 사용하였다. 지지체 대비 Mn의 비율에 따라 3%, 5%, 10% 세 가지 조건으로 실험실에서 직접 제조하였으며 표면 분석을 해 본 결과, BET 비표면적이 115.9 ㎡/g인 Mn 3%의 촉매를 이용하였다. Mn 3%의 촉매를 이용해 상온에서의 산화 효율을 공간 속도와 오존의 유입량을 변경하며 평가하였고, 공간속도 1,800 hr-1에서 오존 유입량 18 mg/min 조건의 경우에 오존 소요량과 COx 선택성에서 효과적이다.
흡착과 탈착 및 촉매산화의 조합 공정을 실험실 규모에서 실험을 통해 현장 시스템에 적용할 설계 인자를 도출하였으며, 이에 따라 시스템을 제작 및 적용하였다. 조합 공정을 현장에 적용한 결과, 시스템 전후 VOCs 처리효율은 95%이상이었고, TMB와 같은 POCP가 높은 물질들에 대한 처리가 용이할 것으로 판단된다. 향후 추가적인 연구를 통해 수정 및 보완을 하여 현장 적용 가능성을 높일 수 있을 것으로 기대된다.