본 연구는 소규모 휘발성 유기화합물(Volatile Organic Compounds, VOCs) 배출원 중 세탁 처리 용량 30 kg 미만의 가정용 세탁업소에서 배출되는 VOCs를 저감시키기 위해 응축과 흡착이 결합된 복합 공정을 개발하였다. 응축-흡착 복합 공정은 공정의 구조 및 효율 향상을 위해 교차형 공정, 회전형 공정을 설계하였으며 문제점을 보완한 순환형 공정을 설계하였다. 응축-흡착 복합 공정을 설계하기 위하여 설계 인자들을 결정하였다. 응축 공정의 설계 인자 결정을 위해 Antoine equation을 사용한 simulation을 적용하였으며 흡착 공정의 설계 인자는 Lab-scale 반응기를 활용하였다. 설계된 복합 공정의 성능을 평가하기 위하여 TVOCs(Total Volatile Organic Compounds, 총 휘발성 유기화합물), 광화학적 오존 형성 기여도(Photochemical Ozone Creation Potential, POCP) 및 2차 생성 유기에어로졸 형성 기여도(Secondary Organic Aerosol Potential, SOAP)를 평가하였으며 최적 공정의 연속 운전을 진행하였다.
교차형 및 회전형 공정은 응축 공정 이후 흡착제가 연속적으로 흡착 및 탈착이 가능한 구조로 설계하였다. 순환형 공정은 교차형 및 회전형 공정의 성능 평가 결과를 기반으로 문제점을 해결하기 위하여 흡착 단계와 탈착 단계가 구분된 1 cycle 공정 개념을 적용하였다. 응축 공정 설계를 위하여 Antoine equation을 사용하여 simulation을 진행하였고 실제 실험을 진행한 결과 0℃이하의 응축 온도에서 수증기의 동결 현상이 발생하여 응축 효율의 감소가 관찰되었다. 따라서 드라이클리닝 건조 과정에서 배출되는 VOCs를 저감하기 위해 최적의 응축 온도를 2℃로 설정하였다. 흡착 공정은 Lab-scale 반응기를 활용하여 Toluene 유입 농도 및 공간 속도의 변화에 따른 흡착제의 성능 변화를 실험하였으며 최적의 공간 속도를 10,000 hr-1로 설정하였다. 탈착 공정의 경우 세탁 용제의 인화점(Decane 인화점:46℃)을 고려하여 탈착 온도를 40℃로 설정하였다. 또한 흡착제는 상용품 흡착제인 활성알루미나와 더불어 흡착 공정의 부피를 낮춰 공간 속도를 확보하기 위해 점토 기반 흡착제인 PCH(Porous Clay Heterostructures) bead와 금속 기반 흡착제인 MOF(Metal Organic Frameworks) bead를 실험실에서 제조하여 적용하였다.
설계된 응축-흡착 복합 공정의 TVOCs 저감 효율을 평가하였다. 교차형 공정은 3회 운전 시 저감 효율 97.8%, 96.7%, 94.8%을 보였으며 회전형 공정은 94.6%, 93.7%, 93.4%의 효율을 보였다. 공정이 진행됨에 따라 저감 효율의 감소가 관찰되었으며 공정의 구조를 개선하여 사전 실험을 통해 순환형 공정을 설계하였다. 순환형 공정은 5 cycle의 운전을 진행하였으며 각각 98.5(±0.3)%, 98.2(±0.4)%, 98.6(±0.1)%, 98.4(±0.3)%, 98.5(±0.0)%의 TVOCs 저감 효율을 보이는 것으로 평가되어 최적 공정으로 결정하였다. 순환형 공정의 POCP-weighted emission, SOAP-weighted emission을 평가한 결과 각각 56.8 g/drycleaning cycle, 9.5 g/drycleaning cycle로 배출되어 드라이클리닝 건조 과정에서 배출되는 VOCs와 비교하여 90.4%, 95.9%의 저감 효율을 보였다. 저감 전후의 물질 구성은 크게 변하였으며 POCP-weighted emission의 주요 물질은 저감 전 n-Undecane(32.56%), n-Dodecane(23.86%), Decane(18.88%)에서 저감 후 Decane(36.24%), Nonane(35.27%), n-Undecane(23.24%)로 변화하였다. SOAP-weighted emission의 경우 저감 전의 주요 물질은 n-Dodecane(56.88%), n-Undecane(33.90%), Decane(6.75%)이었으며 적용 후에는 n-Undecane(56.28%), Decane(33.71%), Nonane(8.91%)로 변화하였다.
또한 순환형 공정의 연속 운전을 진행하였으며 반복 운전에 따른 성능 변화를 관찰하기 위하여 20 cycle의 운전을 평가하였다. 평가 결과 20 cycle 동안 평균 97.5(±0.1)%의 TVOCs 저감 효율을 확인하였고 공정이 진행됨에 따라 저감 효율이 크게 변화하지 않는 경향을 보여 장기 운전에도 적합한 공정임을 확인하였다.

In this study, an integrated scheme of condensation and adsorption was developed to reduce VOCs emitted from drycleaning with less than 30 kg of laundry capacity among small-scale volatile organic compounds (VOCs) emission sources. For the integrated scheme, the intersection system and rotary system were designed to improve the structure and efficiency of the process, and the circulation system was designed to compensate for the problems. Design factors were identified using specific techniques for each process of the integrated scheme ? 1) a simulation with the Antoine equation for the condensation process, and 2) a lab-scale reactor testing the performance change of adsorbent based on toluene inlet concentration and the space velocity for the adsorption process. To evaluate the performance of the designed complex process, TVOCs (Total Volatile Organic Compounds), Photochemical Ozone Creation Potential (POCP) and Secondary Organic Aerosol Potential (SOAP) was evaluated and continuous operation of the optimal process was carried out.
The intersection and rotary system were designed in a structure in which the adsorbent can continuously adsorb and desorb after the condensation process. In order to improve removal efficiency based on the performance evaluation results of the intersection and rotary system, the circulation system applied a one-cycle process concept in which the adsorption step and the desorption step were separated. Based on the simulation to find design factors, the freezing phenomenon of water vapor occurred at the condensation temperature below 0℃, and a decrease in the condensation efficiency was observed. Therefore, to reduce VOCs emitted during the dry cleaning drying process, the optimum condensing temperature was set to 2°C. For the adsorption process, the performance change of the adsorbent according to the change of the toluene inlet concentration and the space velocity was tested using a lab-scale reactor, and the optimal space velocity was set to 10,000 hr-1. In the case of the desorption process, the desorption temperature was set to 40°C in consideration of the flash point of the laundry solvent (Decane flash point: 46°C). In addition, in order to secure space velocity by lowering the volume of the adsorption process, The adsorbents PCH and MOF prepared in the laboratory were used together with activated alumina, a commercially available adsorbent.
The TVOCs reduction efficiencies of the systems were evaluated. The intersection system showed reduction efficiencies of 97.8%, 96.7%, and 94.8% in 3 runs, and the rotary system showed efficiencies of 94.6%, 93.7%, and 93.4%. The reduction efficiency decreased as the process continued. The circulation system was designed through a preliminary experiment by improving the structure of the process. The circulation system was operated for 5 cycles, and the TVOCs reduction efficiency was 98.5(±0.3)%, 98.2(±0.4)%, 98.6(±0.1)%, 98.4(±0.3)%, and 98.5(±0.0)%, respectively. Therefore the circulation system was determined as the optimal process. As a result of evaluating the POCP-weighted emission and SOAP-weighted emission of the circulation system, POCP-weighted emission and SOAP-weighted emission were released at 56.8 g/drycleaning cycle and 9.5 g/drycleaning cycle, respectively, compared with the study on VOCs emitted during the dry cleaning cycle drying process with 90.4% and 95.9% reduction efficiency. In addition, continuous operation of the circulation system was carried out, and 20 cycles of operation were evaluated to observe performance changes according to repeated operation. As a result of the evaluation, an average TVOCs reduction efficiency of 97.5(±0.1)% was confirmed for 20 cycles, and the reduction efficiency did not change significantly as the process progressed, confirming that the process was suitable for long-term operation.