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ISSN : 1225-0112(Print)
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Applied Chemistry for Engineering Vol.30 No.5 pp.633-638
DOI : https://doi.org/10.14478/ace.2019.1064

A Study on the Application of Adsorption Function in Metal Filter for the Removal of VOCs in Underground Facilities

Younghee Jang

, Sang Moon Lee

, Heejae Yang^*

, Sung Su Kim^{*, †}

Department of Environmental Energy Engineering, Graduate School of Kyonggi University, 154-42, Gwanggyosan-ro, Yeongtong-gu, Suwon-si, Gyeonggi-do 16227, Korea
^*Department of Environmental Energy Engineering, Kyonggi University, 154-42, Gwanggyosan-ro, Yeongtong-gu, Suwon-si, Gyeonggi-do 16227, Korea

Corresponding Author: Kyonggi University, Department of Environmental Energy Engineering, 154-42, Gwanggyosan-ro, Yeongtong-gu, Suwon-si, Gyeonggi-do 16227, Korea Tel: +82-31-257-7689 e-mail: sskim@kyonggi.ac.kr

Received August 7, 2019 ; Review August 21, 2019 ; Accepted September 24, 2019

Abstract

Indoor air quality underground facilities are not equipped for the removal of volatile organic compounds (VOCs) and they are usually treated by diffusion methods such as ventilation. In this study, an adsorption filter was prepared using various coating methods such as carbon nano fiber (CNF) and dip coating. As a result, the adsorption performance was improved by 2 to 20 times or more compared to that of using the metal foam support. This is maybe due to the enhancement of pore distribution which was confirmed by SEM. In addition, the adsorption performance was 13.95 mg/g by adding lignin, and also an average adsorption performance of 13.25 mg/g was maintained after washing indicating that a highly durable adsorption filter material was prepared. It can be suggested that the developed adsorption filter material can be a potential solution that can fundamentally control VOCs, not via the concentration reduction of mechanical ventilation in underground facilities.

Key Words : VOC , Carbon nano fiber , Zeolite , Lignin , Porosity

지하시설 VOCs 제거를 위한 메탈 필터의 흡착기능부여 연구

장 영희

, 이 상문

, 양 희재^*

, 김 성수^{*, †}

경기대학교 일반대학원 환경에너지공학과
^*경기대학교 환경에너지공학과

초록

실내공기질 중 지하시설은 휘발성유기화합물(VOC, volatile organic compound)의 처리가 미흡한 실정이며, 이를 환기와 같은 확산법이 아닌 오염물질 저감하기 위하여 다양한 제조, 활성화법을 이용해 메탈 필터에 흡착성을 부여한 제올라 이트 코팅 흡착 필터소재를 제조하였다. 그 결과, 메탈폼 지지체 대비 약 2~20배 이상 흡착 성능의 증진을 확인하였으 며 이는 기공의 증진에 기반함을 SEM 분석으로 확인하였다. 또한 리그닌을 첨가함에 따라 13.95 mg/g의 흡착 성능을 확보하였으며, 세척 후에도 평균 13.25 mg/g의 유사한 흡착 성능을 확보하여 높은 내구성을 가진 흡착 필터소재를 제조하였음을 확인하였다. 개발된 흡착 필터소재는 지하시설 내 기계적 환기로의 농도 저감이 아닌 근본적으로 VOCs 를 제어할 수 있는 해결방법으로 제시할 수 있을 것으로 판단하였다.

키워드 :

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Funding:

1. 서 론

20세기 무렵부터 산업의 발전에 따라 주거, 근로 등을 포함한 생활 방식이 실외에서 실내로 점차 변화하고 있다. 이러한 변화에 따라 실 내의 쾌적한 환경과 에너지 사용 절감 및 열효율 증진을 위한 단열재 의 사용, 건물의 밀폐화가 자연스럽게 이루어졌다[1]. 하지만 이러한 변화는 실내오염물질에 의한 사고로 재조명되었고, 실내공기질에 대 한 문제를 제기하여 이와 관련된 선언 및 법령 등이 발표되었다. 우리 나라 역시 이와 관련된 법안을 제정하고 실내공기질을 관리하기 위한 다양한 연구를 수행하고 있다. 대표적인 실내공기질 관리 법안으로는 미세먼지(PM₁₀), 이산화탄소(CO₂), 폼알데하이드(HCHO), 총부유세 균, 일산화탄소(CO), 이산화질소(NO₂), 라돈(Rn), 총휘발성유기화합 물(TVOC), 석면, 오존(O₃) 등 매우 다양하게 지정되어 있다[2]. 그 중 휘발성유기화합물(VOCs, volatile organic compounds)은 합판, 접착제 등 각종 건축재에 흔히 함유되어 있으며 각종 연료(가스, 목재, 등유 등), 담배의 연소 및 미용 용품 등 다양한 실내 가전, 가구에 다양하게 존재한다. 그 중 톨루엔은 대표적인 새집증후군 원인물질 중 하나로 두통을 동반하며, 장기적으로 노출될 경우 환각[3,4], 청력 손실[5-14] 등의 치명적인 정신적, 신체적 손상을 가하는 물질로 보고되어 있다.

특히 역사는 대부분 지하공간에 위치하여 자연환기가 어렵고, 밀폐 된 공간에 다수의 승객이 밀집되면서 실내공기질 오염이 우려되고 있 다. 또한 역사에 장시간 근무하고 있는 근로자나, 면역력이 낮은 소아, 노인의 경우 지하시설 VOCs 농도에 위협적일 수 있다. 세계적으로 지하역사에 대한 연구는 시간, 지역에 따른 VOCs, 미세먼지 농도특성 및 모니터링 위주로 연구되고 있으며[2,15], 실내 오염물질 제거를 위 한 구체적인 기술 적용 없이 필터를 이용한 입자제거와 단순 환기로 만 이루어져 있어 적극적인 VOCs 제거 기술 적용이 필요한 실정이다.

산업공정에서 발생하는 기, 액상 VOCs를 제거하기 위한 기술은 크 게 흡착법[16-18], 촉매연소법[19-21], 바이오필터레이션[22,23], 흡수 법[24-27], 멤브레인 여과법[28] 등 배출원의 특성에 따라 다양하게 적 용되고 있다. 그러나 앞서 언급된 바와 같이 지하역사는 실내공기질 기준법 대비 약 2~6배 높은 농도로 배출되나, 그 농도는 비교적 낮은 농도인 약 2 ug/m³로 배출되기 때문에 고농도 처리를 위한 기술보다 기존 시스템과 유사한 필터소재에 VOCs 제거성능을 부여하는 것이 바람직하다. 따라서 추가적인 열원이 필요하지 않고, 낮은 농도의 유 체도 선택적으로 제거가 가능한 흡착법을 적용하는 것이 지하역사 내 오염물질 제거에 효과적일 것으로 판단된다.

본 연구에서는 VOCs 제거를 위하여 다기공성 소재인 메탈폼을 지 지체로 한 제올라이트 흡착 소재를 제조하고자 다양한 제올라이트 소 재 제조방법을 제시하였으며, 제조된 소재의 흡착 성능 및 세척과정 을 거친 소재의 흡착 재현성을 평가하였다. 또한 각 소재의 표면을 관 찰하여 흡착 성능과의 상관관계를 고찰하였다.

2. 실 험

2.1. 실험재료 및 방법

제올라이트는 미세한 기공을 갖는 다공성 물질로, 다양한 오염물질 제거에 적용되고 있는 흡착 소재이다. 이를 활용한 지하시설 VOCs 제거용 흡착 필터 최적 흡착 성능 확보를 위해 다양한 제조방법을 제 시하였다. 각 제조 방법 및 활성 평가방법은 다음의 세부 절에서 다루 고자 한다.

2.1.1. 흡착기능 부여를 위한 CNF (carbon nano fiber) 제조 방법 및 활성화 방법

전기방사 소재는 수십 또는 수 나노미터 직경의 섬유를 손쉽게 제 조할 수 있는 방법으로, 다양한 공정에 적용할 수 있고 다공성 막을 만들 수 있다는 장점이 있다. 또한, 용액의 조성과 전압 인가 등 방사 조건에 따라 다양한 특성의 막을 제조할 수 있다[29-35]. 특히, 안정화 과정과 탄화과정을 통한 carbon 계열 막을 제조할 수 있으며, 이는 대 표적인 흡착 필터소재로 사용된다. 이에 따라 본 연구에서 주목한 흡 착물질인 제올라이트를 전기방사 흡착 소재에 첨가하여 흡착 성능을 극대화할 수 있는 가능성을 평가하였다. CNF의 제조는 Figure 1과 같 은 장비 및 순서로 진행되었다[36,37]. 안정화와 탄화 과정을 거친 소 재는 Figure 2와 같이 제조되었으며 흡착효율 평가를 위해 사용되었 다. 모든 시약은 Sigma-Aldrich의 고순도 시약을 사용하였다.

또한, carbon 계열 물질의 동시 흡착 성능 증진을 위하여 전력에 의 해 미세기공 증진 및 활성화하고자 하였다. 전기화학적 표면처리법은 0.5 M Na₂SO₄ 용액에 흡착 소재를 투입한 후, 0.01, 0.2 A/cm²의 전류 를 일정 시간동안 가하여 기공 생성을 극대화하였다. 표면처리가 종 료된 후, 안전하게 전력을 차단시킨 후 소재를 꺼내 증류수로 세척하 여 105 ℃의 오븐에서 충분히 건조하였다. 제조된 흡착 소재는 Figure 3과 같이 건조되어 흡착효율 평가를 위한 소재로써 사용되었다.

2.1.2. 딥코팅 흡착 소재 제조방법

딥코팅법은 표면에 전구체 층을 형성한 후 일정 온도로 소성하여 도막을 생성하는 방법이다. 비교적 소형 코팅 소재를 제조하는데 적 용되며 표면이 균일하고 코팅액의 손실이 적어 경제적이다. 적용하고 자 한 흡착제인 제올라이트를 50 mesh 미만의 크기로 균일하게 분쇄 한 후, 증류수와 1 : 3 비율로 혼합하였다. 지지체와의 부착을 위해 바 인더인 LUDOX AS-24를 10 wt% 첨가한 즉시 15 min 교반-30 min 초음파 처리-교반 순서로 혼합하였다. 혼합된 용액을 메탈폼 지지체 에 충분히 노출(dip)한 후 105 ℃ 오븐에 2 h 건조를 지지체 중량 10 wt%까지 코팅되었을 때 400 ℃에서 2 h 유지하여 코팅 소재를 제조 하였다.

2.2. 분석 및 측정

2.2.1. 소재의 물성 분석

제조한 소재는 FE-SEM (field emission scanning electron microscopy, Scinco社, JSM-6500F) 분석을 통해 흡착 소재의 표면 제올라 이트 형성도와 기공을 관찰하였다.

2.2.2. VOC 흡착 실험

개질된 제올라이트의 흡착 성능을 확인하기 위하여 25 ℃ 상온으로 유지된 연속 흐름식 흡착 반응기(Figure 3)에 각각의 제올라이트 흡착 소재를 일정량 충진하였다. 가스는 질량 유량 제어기(MFC, mass flow controller)를 이용하여 일정유량의 산소, 질소, VOC를 혼합하여 총 500 cc/min의 유량을 반응기에 주입하였으며 가스의 활성화 및 완전 혼합을 유도하며, 습도의 영향을 배제하도록 반응기 전단 가스라인을 180 ℃로 예열하였다. VOC로는 톨루엔을 적용하였으며 초기 농도는 150 ppm으로 설정하였다. 흡착제층을 통과한 가스는 총 탄화수소반 응기(THC, total hydrocarbon gas analyzer; Total Eng., F.I.D. Model 10)로 가스 내 잔여 VOC 농도를 확인하였다. 모든 흡착 결과는 초기 오염농도(C₀)대비 배출되는 VOC 농도(C), 즉 VOC 배출율([C/C₀])로 표기하였다. 또한 제올라이트의 VOC 흡착 용량은 equation (1)에 따 라 계산되며, VOC의 농도 범위를 적분하여 흡착제 중량당 흡착할 수 있는 오염가스 중량(mg/g)으로 나타냈다.

α = \frac{X}{M}

(1)

α : 흡착제 단위 중량당 피흡착물질의 질량(mg/g)
X : 피흡착물질(오염가스)의 중량(mg)
M : 흡착제 중량(g)

3.1. 제올라이트 첨가방법에 따른 흡착 성능 및 표면 분석결과 비교

3.1.1. 제올라이트 첨가방법의 영향

본 연구에서는 지하시설 VOCs 제거를 위하여 제올라이트를 메탈 폼 지지체에 부착하여 흡착 성능을 비교하였다. Figure 2와 같이 안정 화와 탄화과정을 거치며 CNF가 모두 부착되지 않고 떨어져 나감을 관찰하였다. 이에 반해, 흡착 성능을 비교한 결과(Figure 4), 딥코팅법, CNF 코팅법 각각 0.468, 1.12 mg/g으로 CNF를 코팅하였을 때 약 2.4 배까지 성능이 증진됨을 확인하였다. 이는 제올라이트뿐만이 아닌 CNF 자체가 흡착 특성을 갖는 흡착 소재로 사용되기 때문에 부착된 일부 CNF가 흡착 성능 증진에 영향을 미쳤다고 판단하였다[38]. 이는 제올 라이트만을 이용한 소재보다 탄소계 물질이 공존할 때 흡착 성능이 더욱 증진될 수 있다고 판단하였다. 이는 CNF 소재가 흡착 나노 소재 로써 많은 연구가 수행되고 있다는 기존 연구 결과와 일치하였다[37].

3.1.2. 전기활성법에 따른 비교

전기방사법을 통해 제조한 CNF는 탄화과정을 통해 carbon을 함유 하고 있는 섬유형태로 존재한다. carbon은 흡착법에 주로 사용되는 주 된 흡착 소재로, 다양한 활성화 법을 통해 기공과 표면 전류밀도를 제 어하여 흡착 성능을 증진시키곤 한다. 그 중, KR100228413B1 특허에 서는 활성탄에 일정세기의 전류를 가하였을 때 기공 향상 및 높은 흡 착 성능을 확보할 수 있다고 보고하였다[39]. 플라즈닉스 연구소의 연 구개발 보고서는 활성탄에 플라즈마를 이용한 전류를 통과시켜 흡착 성능을 2배 이상 증진시켰으며, 전압이 높을수록, 처리 시간이 길수록 성능의 증진을 도모할 수 있음을 보고하였다[40]. 이에 따라 제조된 흡착 소재의 전기화학적 표면처리를 통해 높은 흡착 성능을 확보하고 자 0.01, 0.1, 0.2 A/cm²의 세기로 1, 6 h 동안 표면처리하여 그 흡착 성능 결과를 Figure 5에 도시하였다. 그 결과, 이러한 경향은 전류밀도 세기가 강해질수록, 처리 시간이 길어질수록 흡착 성능이 증진되었으 며, 특히 0.2 A/cm²의 전류 밀도로 6 h 처리한 소재의 경우 전기화학 적 표면처리 전 약 1.12 mg/g의 흡착 성능을 갖던 흡착 소재 대비 약 2배 이상 증진됨을 확인하였다. 이는 염기성 이온의 출현 및 이온화로 표면의 전자밀도를 제어할 수 있으며, 전류밀도의 증가에 따라 용액 내 접촉할 수 있는 이온의 농도가 증가할수록, 이온과의 접촉 시간이 높을수록 높은 활성처리가 가능함을 확인하였다.

또한 전기화학적 표면처리법은 탄소 소재의 기공 제어에 주된 영향 을 미침에 따라 제올라이트 흡착 소재의 성능 증진에 긍정적으로 작 용할 수 있다고 판단하였다. Oh 등(2004)의 연구에서는 활성탄섬유를 전기화학적 처리를 통해 섬유의 기공의 변화가 이루어짐을 보고하였 으며[41], Choi 등(2016)의 연구에서는 KOH, K₂CO₃를 이용해 2 nm 이상의 중기공이 생성됨을 관찰하였다[42]. 이는 Figure 6은 메탈폼 지지체의 CNF 코팅 및 전기화학적 표면처리에 따른 표면 변화를 관 찰한 SEM 분석 결과이다. (A) 메탈폼의 표면과 비교하여, (B) CNF 탄화과정을 거쳤을 때보다 부착된 물질 상 기공이 증진됨이 관찰되었 다. 또한, (C) 전기화학적 표면처리법이 적용된 소재는 표면에 비교적 많은 물질이 부착되어 있으며 30 k배에서는 전기활성 전 소재 대비 무수히 많은 기공이 표면에 형성되었음을 관찰할 수 있었다. 이는 전 기화학적 표면처리, 즉 전류를 가함에 따라 표면상 음이온이 접촉하 여 기공 증진 및 흡착 성능이 활성화된다는 앞선 연구결과와 잘 부합 하였다.

3.1.3. 리그닌 첨가의 영향

앞서 설명한 바와 같이 다기공성 흡착 소재인 CNF 코팅필터는 탄 화 과정을 거쳐 일부의 소재만 메탈 폼 지지체에 부착할 수 있었다. 이러한 부착성 문제를 해결하기 위해 바인더의 한 종류인 리그닌을 첨 가하였다. 리그닌은 폐건축자재의 부산물에서 얻어지는 자원으로, 폐 기물에서 부가가치가 있는 흡착 소재를 생산함에 큰 의의가 있고, CNF 를 만들기 위해 첨가하는 polymer를 대체할 수 있는 고분자 물질임에 따라 이를 선택하였다. 일반 메탈 폼, CNF 코팅 후, 리그닌을 첨가한 CNF 코팅 후 소재의 흡착 성능을 비교한 결과(Figure 7), CNF 코팅 대 비 리그닌을 첨가하였을 때 13.95 mg/g의 흡착 성능을 가지며 CNF를 코팅한 소재 흡착 성능 대비 약 14배 증진함을 확인하였다.

또한 지하시설의 경우 소재의 파과가 아닌 필터의 먼지 집진에 의 해 표면의 노출이 적어 흡착 성능이 저하되는 것이 일반적이다. 따라 서 필터에 의해 포집된 먼지를 제거하기 위해 세척과정을 거쳤을 때 흡착 소재가 탈착하지 않고 부착되어 있는가를 확인하고자 일반적인 정수시설에 1~3회 세척한 소재의 흡착 성능을 확인하였다(Figure 8). 그 결과, 반복적인 세척과정에도 평균 13.52 mg/g의 유사한 흡착 성능 을 나타냈으며 장기적으로 사용할 수 있는 내구성을 확보하였음을 확 인하였다.

4. 결 론

다양한 제올라이트 첨가 방법을 제시하여 제조한 흡착 필터소재의 제조 조건에 따른 흡착 성능 평가 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

흡착 소재의 기본 메커니즘에 따라 기공의 제어가 중요함을 판단 하였으며, 전기방사법, 딥코팅법을 이용하여 제올라이트를 부착한 흡 착 소재를 제조한 결과 단순히 zeolite만을 코팅한 소재 대비 zeolite와 CNF 소재를 일정 비율 혼합하였을 때 각각 0.47 mg/g, 1.12 mg/g의 흡착 성능을 확인하였다. 또한 전류밀도가 클수록(0.2 A/cm²), 처리 시 간이 길수록(6 h) 처리 전 흡착 소재 대비 약 2배의 흡착 성능이 증가 하였으며, 전류 처리 방법이 흡착 소재의 기공을 생성시킬 수 있음을 SEM 분석을 통해 확인하였다.
건축 폐자원인 리그닌을 CNF 제조에 필요한 고분자 물질과 바 인더의 역할로써 첨가한 결과 13.95 mg/g의 흡착 성능을 확보했으며 이는 코팅 전 대비 약 20배의 성능 증진 결과이며, 3회 세척에도 평균 13.52 mg/g의 흡착 성능을 유지하여 우수한 부착 내구성을 확인하였 다. 이에 따라 리그닌의 첨가는 폐자원의 활용과 흡착 소재의 성능 증 진이 가능함에 큰 의의가 있다고 판단하였으며, 가장 높은 효율을 보 이는 최적 흡착 필터소재라고 판단된다.

감 사

본 연구는 2019학년도 경기대학교 대학원 연구원장학생 장학금 지 원에 의하여 수행되었음.

Figures

Figure 1.A schematic diagram and preparing procedure of electrospinning method[37].

Figure 2.Adsorbent prepared by electrospinning [(a) stabilization, (b) carbonization].

Figure 3.Schematic diagram of zeolite adsorption tower apparatus.

Figure 4.Adsorption performance of different coating methods on metal foam support (Experiment conditions: 500 cc/min flow, toluene: 150 ppm, O₂: 21%).

Figure 5.Adsorption performance of metal foam adsorbent with various electrochemical surface treatment conditions (Experiment conditions: 500 cc/min flow, toluene: 150 ppm, O₂: 21%).

Figure 6.SEM of metal foam adsorbent with/without coating or electrochemical treatment (× 300, ×30.0 k). [(A) metal foam, (B) 5 wt% zeolite/ CNF, (C) 0.2 A/cm², 6 h electrical treatment].

Figure 7.Adsorption performance of metal foam adsorbent adding binder (Experiment conditions: 500 cc/min flow, toluene 150 ppm, O₂: 21%).

Figure 8.Adsorption performance of metal foam adsorbent with washing (Experiment conditions: 500 cc/min flow, toluene 150 ppm, O₂: 21%).

Tables

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