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Journal of Korean Society for Atmospheric Environment - Vol. 40 , No. 1
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[ Original Paper ]
Journal of Korean Society for Atmospheric Environment - Vol. 40, No. 1
Abbreviation: J. Korean Soc. Atmos. Environ
ISSN: 1598-7132 (Print) 2383-5346 (Online)
Print publication date 29 Feb 2024
Received 28 Nov 2023 Revised 01 Dec 2023 Accepted 03 Dec 2023
DOI: https://doi.org/10.5572/KOSAE.2024.40.1.59

전자선을 이용한 질소산화물 저감 공정에서 배기가스 내 산소 농도의 영향
손지은1), * ; 조상희1) ; 오용환1), 2) ; 김태훈1) ; 이용재3)
1)한국원자력연구원 첨단방사선연구소
2)한양대학교 건설환경공학과
3)삼성전자 EHS연구소

Removal of Nitrogen Oxides (NOx) Using an Electron Beam Flue Gas Treatment System: The Effect of Oxygen Concentration
Jieun Son1), * ; Sang-Hee Jo1) ; Yong-Hwan Oh1), 2) ; Tae-Hun Kim1) ; Yongjae Lee3)
1)Advanced Radiation Technology Institute, Korea Atomic Energy Research Institute, Jeongeup, Republic of Korea
2)Department of Civil and Environmental Engineering, Hanyang University, Seoul, Republic of Korea
3)EHS Research Center, Samsung Electronics, Hwaseong, Republic of Korea
Correspondence to : *Tel: +82-(0)63-570-3355, Email: json@kaeri.re.kr


Copyright Ⓒ 2024
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Abstract

Electron beam flue gas treatment (EBFGT) has garnered attention as an effective method for the removal of nitrogen oxides (NOx), offering advantages in low energy consumption and high removal capacity. Numerous studies have explored the electron beam process for NOx treatment using aqueous additives, predominantly focusing on flue gases from coal-fired combustion, characterized by high NOx concentrations. Recently, the application of this technology has expanded to industries with lower NOx emissions, such as the steel, petrochemical, and semiconductor sectors, driven by stringent emission regulations. Typically, these industrial flue gases exhibit a unique characteristic of having lower oxygen content compared to atmospheric air, attributed to the combustion-based treatment processes. In this context, our study investigated the impact of oxygen concentration on NOx removal efficacy using the EBFGT approach, particularly under conditions of low NOx concentration. The electron beam process was established with a simultaneous injection of sodium hydroxide solution as an additive and 30, 60, and 100 ppm of NOx was treated. The oxygen concentration in background gas was varied from 21 to 10 vol.% to evaluate its effect on NOx removal. When the oxygen level in background gas was reduced from 21 to 10 vol.%, the removal efficiency of NOx was increased to 3.9%p on average under optimized operating parameters (e.g. absorbed dose and flow rate of the additive solution). This phenomenon implies that the oxidation of nitric oxide (NO) and nitrogen (N2) to generate nitrogen dioxide (NO2) seems to be suppressed under low-oxygen environment and thus improves NO2 removal. While further research is necessary to enhance the system’s capacity and efficiency, these findings distinctly indicate the potential of the electron beam treatment system for NOx removal in industrial applications.

Keywords: Electron beam, Nitrogen oxides, Oxygen concentration, Flue gas, Radicals
1. 서 론

질소산화물 (Nitrogen oxides, NOx)은 초 미세먼지 (Particular matters)를 발생시킬 수 있는 전구물질 (Precursors)로 알려져 있으며, 우리 정부는 환경기준을 점차적으로 강화하는 등 질소산화물 저감을 위한 지속적인 노력을 기울이고 있다. 그 예로 2022년 정부는 ‘제3차 대기환경 개선 종합계획’을 통해 대기오염물질 감축 목표를 수립하였으며, 이에 따라 발전, 철강, 석유화학, 반도체 사업장 등 국내 다양한 사업장에서의 대기오염물질 허용 배출 기준은 더욱 강화되고 있는 실정이다 (Shim et al., 2023).

질소산화물 저감을 위해서 가장 많이 활용되고 있는 상용화 대기오염 방지시설은 선택적촉매환원법 (Selective catalytic reduction: SCR) 및 무촉매환원법 (Non-catalytic reduction: SNCR)이 있다. SCR은 높은 효율로 질소산화물 처리가 가능하나 고가의 귀금속 촉매를 사용하고 반응 온도가 높아 경제성이 떨어지고 암모니아를 추가적으로 사용해야 하기 때문에 그 부식 문제로 유지, 보수가 어렵다는 단점이 있다. SNCR은 귀금속 촉매를 사용하지 않는 공정이나 암모니아 혹은 요소를 필요로 하고 질소산화물 처리효율이 30~75%로 높지 않은 편이다 (Ferella, 2020; Seo et al., 2020; Cheng and Zhang, 2018; Skalska et al., 2010). 최근에는 스크러빙 (Scrubbing) 기술과 융합한 플라즈마 (Plasma) 공정을 활용하여 질소산화물을 산화시킨 후 환원제를 활용하여 저감하는 기술이 도입되고 있으나, 별도의 화학적 환원제를 필요로 하고 또 그 처리에 대한 후속 연구가 필요한 실정이다 (Okubo, 2022; Sung et al., 2020; Kim et al., 2018a). 이러한 기존 개발 기술의 한계점을 극복하고 강화되는 배출허용기준을 만족하기 위한 새로운 기술에 대한 수요는 지속적으로 증가하고 있다.

전자선을 이용한 질소산화물 저감 공정은 상온·상압에서 운전이 가능하여 소비 에너지가 낮고 값비싼 촉매를 사용하지 않으며 대용량 처리가 가능하여 최근 주목을 받고 있다 (Alves et al., 2022; Jo et al., 2021; Park et al., 2019; Son et al., 2018). 특히 질소산화물과 황산화물을 동시에 처리할 수 있도록 수용액상의 첨가제를 활용한 전자선 공정 기술 개발에 대한 연구가 지속적으로 진행되었다. 종전에는 암모니아를 첨가제로 활용한 전자선 공정 연구에 초점이 맞추어져 있었으나 (Chmielewski et al., 2010; Kwon and Han, 2010; Basfar et al., 2008), 미반응 암모니아의 슬립 (Slip) 등의 문제로 인하여 최근 수산화나트륨 (Hydrogen oxide, NaOH)을 액상 첨가제로 활용한 전자선 공정 연구가 활발히 진행되고 있다 (Seo et al., 2022, 2020; Shin et al., 2022; Jo et al., 2021). 지금까지 보고된 선행 연구는 주로 화력발전소에서 발생하는 질소산화물을 대상으로 한 저감 기술 개발을 진행하였고 따라서 수백 ppm의 고농도 질소산화물을 대상으로 한 저감 연구가 대부분이다 (Seo et al., 2022, 2020; Shin et al., 2022; Jo et al., 2021; Park et al., 2019). 그러나 제철제강, 시멘트, 반도체 제조 사업장 등에서 발생하는 질소산화물은 풍량은 높으나 농도가 상대적으로 낮기 때문에 다양한 산업 공정 적용을 위해서는 수십 ppm 정도의 저농도 질소산화물 저감을 위한 최적 공정 연구 진행이 필요하다. 또한, 산업 공정에서는 연소 등에 의한 열 발생으로 생성된 질소산화물 (Thermal NOx)이 주요 저감 대상이며, 그에 따라 질소산화물이 포함된 배기가스의 산소 농도는 일반 대기보다 낮은 편이다. 석탄화력발전으로 발생되는 배기가스 내 산소 농도는 약 3~4 vol.% 정도이나 (Drage et al., 2012; Zheng et al., 2012) 대부분의 산업 공정에서 배출되는 배기 내 화학물질 등 오염물질을 제거하기 위한 방법으로 천연가스를 연료로 활용한 연소 방식을 선택하고 있으며 (Lu et al., 2023; Ramírez-Santos et al., 2018; Zheng et al., 2012), 이러한 천연가스 연소로 발생되는 배기가스 내 산소 농도는 9~13 vol.% 정도인 것으로 알려져 있다 (Scholes et al., 2016; Drage et al., 2012).

따라서 본 연구에서는 상온·상압에서 질소산화물을 효과적으로 처리할 수 있는 전자선 공정을 이용하여 3가지 주요 변수 (전자선 흡수선량, 첨가제 분사유량, 배경가스 중 산소 농도)를 중심으로 실제 배기가스 환경과 유사한 조건에서 저농도 질소산화물을 저감시킬 수 있는 최적의 공정을 개발하였다. 질소산화물 처리에서 배경가스의 산소 농도가 그 효율에 어떤 영향을 미치는지 평가하고 그 기작을 확인하여 전자선 공정 연구의 현장 적용 가능성을 평가하였다.

2. 실험방법
2. 1 전자선 공정 시스템 구성

본 연구에서는 전자선 공정을 이용하여 배경가스 내 산소 농도 변동에 따른 질소산화물 처리 변화를 관찰하고 평가하였다. 전자선 처리 공정은 한국원자력연구원 첨단방사선연구소에서 보유하고 있는 이동형 전자선 가속기 (0.6 MeV, 33 mA, 19.8 kW)를 활용하였으며, 전자선 조사창 아래에 2.5 L 부피의 기체 반응기를 위치시켜 반응기 내로 실험 대상 기체를 흘려주면서 연속적으로 처리 가능하도록 하였다. 시스템의 계략도는 그림 1에 나타내었다.


Fig. 1. 
Schematic diagram of electron beam NOx treatment system.

기체유량조절계 (Mass flow controller, TSC-series, MKP)를 이용하여 순수 공기 (한국특수가스, Korea)를 30 L/min 유량으로 주입하면서 일산화질소 (NO, 2,007 μmol/mol, N2 balance, AirKorea, Korea) 및 이산화질소 (NO2, 2 cmol/mol, N2 balance, AirKorea, Korea) 표준 가스를 일정량 주입하여 총 질소산화물 (NOx=NO+NO2) 농도가 각 30, 60, 100 ppm이 되도록 준비하였으며, NO : NO2 농도 비율은 1 : 1로 설정하였다. 배경가스인 공기 중 산소 농도를 조절하기 위하여 질소 (99.5%, 한국특수가스, Korea)를 일정량 더 주입하여 유입 가스의 산소 농도를 10 vol.%로 감소시켰다.

전자선 조사를 위하여 전자선 에너지를 0.6 MeV 로 고정시킨 후 전자선 흡수선량을 0.5에서 9 kGy로 변동시키면서 흡수선량별 처리효율을 평가하였다. 이때, 수용액상의 첨가제로 1 wt.%의 수산화나트륨 (NaOH, 97%, Daejung, Korea) 용액을 일류체 노즐 (MM15, 오리피스 직경 1.5 mm, 국제노즐)을 통해 전자선 반응기 내로 동시 분사하여 처리효율 상승을 도모하였다. 분사 유량은 180, 270, 360 mL/min (액기비 각 6, 9, 12 L/m3)으로 변동시키면서 첨가제 유량에 따른 질소산화물 처리효율을 분석하였다. 본 연구에서 진행한 실험 조건은 표 1과 같다.

Table 1. 
Experimental parameters.
Parameters Experimental conditions
Target compounds NO and NO2
NOx initial concentration 30 ppm (NO 15 ppm, NO2 15 ppm),
60 ppm (NO 30 ppm, NO2 30 ppm), and 100 ppm (NO 50 ppm, NO2 50 ppm)
Oxygen content in background gas 10 vol.% or 21 vol.%
Air flow rate 30 L/min
Electron beam energy 0.6 MeV
Absorbed dose 0.5~9 kGy
Type of additive solution 1 wt.% Sodium hydroxide (NaOH) in distilled water
Flow rate of additive solution 180, 270, and 360 mL/min

2. 2 전자선 흡수선량 측정

흡수선량 (Absorbed dose)은 단위질량당 해당 물 질에 흡수되는 전리방사선의 평균 에너지 값으로 정의되며, 대기오염물질의 처리를 수행하는 데에 있어 주요 인자 중 하나이다 (Shin et al., 2022; Park et al., 2019). 단위는 Gy (Gray, 그레이, 1 Gy=1 J/kg)로 표현한다. 흡수선량 측정은 CTA (Cellulose triacetate) 필름 선량계 (FTR=125, Fuji Photo Film, Japan)를 활용하였으며, 필름을 기체 반응기 내 5개 지점에 설치하여 전자선을 0.6 MeV 에너지, 1 mA 전류로 100초 간 조사한 후 암실에 90분간 보관하였다. 그 후 필름의 280 nm 파장에서의 흡광도를 UV/VIS 분광 광도 계 (UNIKONxs, SECOMAN, France)를 이용하여 측정하였으며, 전자선 조사 전, 후 평균 흡광도 차이값 (∆OD)을 구하여 필름의 흡수선량 (ADfilm)을 식 (1)에 대입하여 계산하였다.

필름의 흡수선량 ADfilm kGy=평균 흡광도 차이값 ΔOD필름의 단위선량당 흡광도 차이 k-value(1) 

여기서 k-value는 CTA 필름 제조사에서 제공한 필름의 단위선량당 흡광도 차이로, 그 값은 0.0063이다 (Jo et al., 2021; Seo et al., 2019; Kim et al., 2018b). 필름의 흡수선량 계산 값을 바탕으로 전자선가속기의 출력 전류 값을 변화시키면서 0.5~9 kGy의 흡수선량으로 전자선을 조사하였다. 본 흡수선량 영역은 전자선을 이용해 질소산화물, 황산화물을 저감한 파일럿 규모의 선행 연구에서 일반적으로 적용했던 흡수선량 (3~24 kGy)과 유사하거나 낮은 수준에 해당한다 (Park et al., 2019).

2. 3 가스 측정 및 분석

전자선 조사 공정에 의한 질소산화물 처리효율을 평가하기 위하여 국립환경과학원의 형식승인을 받은 연속식 연소가스 측정기 (Testo 350K, Testo, Germany)를 활용하였으며 산소 (O2), 일산화질소 (NO), 이산화질소 (NO2) 농도를 분석하였다. 본 분석 장치의 분석 범위는 산소 0~25 vol.%, 일산화질소 0~4,000 ppm, 이산화질소 0~500 ppm이며 정확도는 산소 ±0.8%, 일산화질소 및 이산화질소는 ±5%이며, 펌프 유량은 1 L/min이다. 대상 물질의 저감효율 (Removal efficiency: RE)은 다음 식 (2)와 같이 계산되었으며, 이때 C0는 초기 농도, Cf는 전자선 공정 처리 후 최종 농도를 의미한다.

대상 물질의 저감효율 RE%=초기 농도 C0-전자선 공정 처리 후 최종 농도 Cf초기 농도 C0×100(2) 
3. 결과 및 고찰

산업 공정에서 발생하는 배기가스에서 측정되는 질소산화물은 대부분 연소 과정을 거쳐서 발생되는 고온 NOx (Thermal NOx)로 알려져 있으며, NO와 NO2 중 NO가 일반적으로 더 높은 농도로 발생한다 (Zhu et al., 2023; Varatharajan and Cheralathan, 2012). 그러나 실제 처리 현장에서는 이러한 질소산화물을 처리할 수 있는 방지시설이 발생원으로부터 멀리 떨어져 있는 경우가 많고, 이때 배기가스 운송 과정에서 질소산화물이 일부 산소와 반응하여 산화 반응에 의해 NO가 NO2로 전환될 수 있다. 이에 따라 총 질소산화물 내 NO : NO2 비율을 1 : 1로 구성하여 실험을 진행하였다. 본 연구에서 활용한 첨가제는 선행 연구 결과에 따라 가장 높은 처리효율을 보이는 수산화나트륨 (NaOH)을 활용하였다 (Seo et al., 2022, 2020; Jo et al., 2021; Kim et al., 2018b).

3. 1 전자선 흡수선량 및 첨가제 유량에 따른 NOx 처리효율

첨가제를 동시 분사하는 전자선 조사를 통한 질소산화물 처리에서 일반적으로 흡수선량과 첨가제 주입량은 처리효율에 영향을 미치는 주요 인자이며, 이에 따른 최대 처리효율을 얻기 위한 최적 조건 탐색이 필요하다 (Seo et al., 2022, 2020; Shin et al., 2022; Jo et al., 2021). 그림 2는 일반 공기를 배경가스로 이용하였을 때 (산소 농도 21 vol.%) 전자선 흡수선량 및 첨가제 유량에 따른 저농도 질소산화물 처리효율을 보여준다. 모든 경우에서 1 kGy 이하의 낮은 흡수선량을 조사하였을 때를 제외하고, 같은 흡수선량에서 수산화나트륨 첨가제 주입 유량이 증가할 때 처리효율도 증가하는 경향을 보였다. 이는 전자선 반응에 의하여 액상 형태의 염기성 첨가제로부터 OH 라디칼 생성 및 산성 가스의 중화 효과 촉진으로 질소산화물 처리효율이 증가하는 것으로 볼 수 있다. 그러나 이러한 첨가제 주입량의 경우 유량 증가에 따른 폐수 처리 및 화학 약품 비용 등 경제성을 고려하여 목표로 하는 처리효율에 도달할 수 있는 최적의 주입량을 고려해 야 한다. 첨가제 주입 유량이 고정되었을 때 전자선 흡수선량이 증가하는 경우, 처리효율이 상승하다가 감소하는 경향성을 보였으며, 이러한 현상은 전자선 흡수선량이 증가함에 따라 NO의 산화 및 배경가스 내 질소 (N2)에 의한 NO2 발생이 증가되어 총 질소산화물 처리효율이 감소하는 것으로 보이며 (Shin et al., 2022), 따라서 전자선 공정에서 최대 질소산화물 처리효율을 얻을 수 있는 최적 흡수선량과 첨가제 유량 조건을 확보하는 것이 중요할 것으로 사료된다. 본 공정에서 배경가스의 산소 농도가 21 vol.%일 때 최적 운전 조건은 질소산화물 주입 농도 30, 60, 100 ppm에서 전자선 최적 흡수선량은 각 1, 2.5, 5 kGy이고, 최적 첨가제 주입 유량은 모두 360 mL/min이다. 최고 처리효율은 최적조건에서 각 70.1%, 76.2%, 78.9%이다.


Fig. 2. 
Removal efficiencies of NOx with 21 vol.% of O2 content in background gas in a various absorbed doses and flow rates of the additive under NOx initial concentration of (A) 30, (B) 60, and (C) 100 ppm.

배경가스의 산소 농도를 10 vol.%로 낮추었을 때 전자선 흡수선량 및 첨가제 유량에 따른 질소산화물 처리효율을 그림 3에 나타내었다. 그림 2에서의 일반 공기를 배경가스로 이용하였을 때의 결과와 유사하게, 흡수선량이 낮을 때를 제외하고 첨가제 유량이 증가할수록 질소산화물 처리효율이 증가하는 것으로 확인되었고, 흡수선량이 높아질수록 처리효율은 증가하 였다가 다시 감소하는 동일한 경향을 보였다. 모든 경우에서 첨가제 주입 유량은 360 mL/min일 때, 가장 높은 질소산화물 처리효율을 얻었으며, 산소 농도가 10 vol.%일 때 최적 흡수선량은 초기 농도 30, 60, 100 ppm에서 각 1, 2.5, 6 kGy로 확인되었으며, 처리효율은 각 74.2%, 79.9%, 82.8%이다. 특징적으로 처리 가스 내 산소 농도가 낮아졌을 때, 같은 질소산화물 초기 농도, 전자선 흡수선량, 첨가제 주입량에서 일반 공기 대비 그 처리효율이 소폭 (약 3~4%p) 증가하는 것으로 확인되었다.


Fig. 3. 
Removal efficiencies of NOx with 10 vol.% of O2 content in background gas in a various absorbed doses and flow rates of the additive under NOx initial concentration of (A) 30, (B) 60, and (C) 100 ppm.

3. 2 산소 농도 변화에 따른 NOx 처리효율

배경가스 내 산소 농도가 차이에 따른 최적 공정 조건에서의 최대 처리효율과 처리 후 질소산화물 농도를 그림 4에서 비교하였다.


Fig. 4. 
Final concentrations of NOx and its removal efficiencies with various O2 contents after the electron beam irradiation.

배경가스 내 산소 농도가 10 vol.%로 낮아졌을 경우 질소산화물 처리효율이 소폭 상승하여 초기 농도 30, 60, 100 ppm에서 질소산화물이 각 74.2%, 79.9%, 82.8% 저감되는 것을 확인하였으며, 산소 농도 20 vol.% 조건과 비교하였을 때 처리효율이 각 4.1, 3.7, 3.9%p로 평균 3.9%p증가한 것을 확인할 수 있다.

선행 연구로 알려진 바에 따르면, 전자선 조사로 인해 발생되는 라디칼에 의해 일반 공기 내에 포함된 N2의 산화 반응으로 질소산화물이 일부 발생할 수 있다 (식 (3)~(5)) (Woods and Pikaev, 1993; Tokunaga and Suzuki, 1984).

N2→N2+,N+,e-,N,N2*,N*(3) 
O2→O2+,O+,e-,O,O2*(4) 
N*+O2→NO+O→NO2(5) 

따라서 배경가스 내 산소 농도가 낮아지게 되면 위 반응에 의한 산소 반응과 그에 따른 N2의 산화 반응 (질소산화물 생성)을 억제하면서 질소산화물의 처리효율이 증가하는 것으로 유추된다. 질소산화물 처리효율은 NO와 NO2의 합인 총 NOx 농도의 처리효율을 이용하여 산정하는 것이므로, 산화 반응 및 NO2 생성 반응 억제 영향을 알아보고자 다음 장에서는 전자선 처리 후 NO, NO2의 최종 농도를 비교하여 그 기작을 자세히 확인하였다.

3. 3 산소 농도에 따른 NO 및 NO2 처리효율

전자선 처리 공정에서 산소 농도 감소에 따른 질소산화물 처리효율 증가 경향에 대한 분석을 위하여 NO 및 NO2의 전자선 공정 처리 후 최종 농도를 그림 5에 나타내었다. 전반적으로 산소 농도가 10 vol.%로 낮아질 경우 NO2 처리 후 최종 농도가 낮아지면서 처리효율이 상승하는 경향성을 보였다. NO의 경우 상대적으로 낮은 흡수선량 (0.5, 1 kGy)을 조사하였을 때 미처리된 NO의 영향으로 최종 농도가 높아지면서 처리효율이 감소하였다. 이를 통해 대기 중 N2의 NO2로의 산화 반응 (식 (5))이 낮은 산소 농도로 억제되어 총 질소산화물 잔여 농도에 대부분을 차지하는 NO2 농도가 낮아지면서 NOx 처리효율이 증가한 것으로 해석된다.


Fig. 5. 
NO and NO2 final concentrations with various oxygen contents after electron beam irradiation when the flow rate of NaOH additive was (A) 180 mL/min, (B) 270 mL/min, and (C) 360 mL/min.

낮은 흡수선량에서 NO 처리효율이 소폭 감소하는 현상을 확인하고자, 그림 6에서는 전자선 공정에서 첨가제가 주입되지 않고 오직 전자선 조사만을 진행하였을 때 NOx 초기농도 및 흡수선량에 따른 최종 NO, NO2 농도를 나타내었다. 첨가제가 없을 경우 산소 농도가 낮을수록 더 많은 NO가 발생한 것을 확인할 수 있으며, 이는 전자선 조사로 인해 발생되는 산소 라디칼 및 오존에 의한 NO의 NO2로 산화가 억제되어 NO 처리효율이 감소하는 것으로 보인다 (식 (6), (7)) (Seo et al., 2020; Sun et al., 2020; Yamasaki et al., 2019; Talebizadeh et al., 2014; Orlandini and Riedel, 2000; Tokunaga and Suzuki, 1984).

NO+O→NO2(6) 
NO+O3→NO2+O2(7) 

Fig. 6. 
NO and NO2 final concentrations with various oxygen contents after electron beam irradiation in the absence of the additive injection.

따라서 산소 농도가 낮은 경우에는 NO의 NO2로 산화를 유도하여 처리효율을 높이면서 총 질소산화물 차원의 NOx 처리효율을 증가시키기 위한 첨가제의 역할이 중요한 것으로 판단된다.

4. 결 론

본 연구에서는 전자선 조사 및 첨가제 분사 공정을 이용한 질소산화물 저감 공정에서 배경가스의 산소 농도에 따른 처리효율 평가를 수행하였다. 다양한 산업 공정에서 발생하는 질소산화물은 대부분 연소 공정에 의해 발생하는 Thermal NOx로 수십 ppm 정도의 낮은 농도로 발생되며, 연소 공정에 의하여 배기가스의 산소 농도가 일반 대기 (21 vol.%)보다 낮은 약 10 vol.% 수준이다. 따라서 본 연구에서는 실제 현장 배기가스와 유사한 조건인 저농도 산소 조건에서의 질소산화물 처리효율을 평가하였다. 그 결과 배경가스에 산소가 21 vol.%에서 10 vol.%로 감소하였을 때 질소산화물 처리효율이 상승하는 경향을 보였으며, 전자선 흡수선량 및 첨가제 주입 유량을 고려한 최적 조건에서 그 처리효율이 평균 3.9%p 증가하였다. 산소 농도에 따른 NO 및 NO2의 처리효율을 살펴보면, 산소 농도가 낮을 때 NO2 처리효율이 증가하는 경향을 보였으며, 이는 산소 라디칼에 의한 NO 및 N2의 산화 반응과 그에 따른 NO2 생성 반응이 억제되는 것으로 해석된다. 이에 연관되어 산소 농도가 낮을 때는 전자선 조사로 발생되는 산소 라디칼 반응에 의한 NO 처리효율이 감소할 수 있어, 첨가제를 동시에 주입하는 것이 NO 처리를 촉진시킬 수 있는 중요한 요인인 것으로 파악되었다. 따라서 본 기초 연구를 통해서 일반 대기를 바탕으로 하는 모사가스에서의 전자선 공정을 이용한 질소산화물 처리효율을 보다 실제 배기가스 조건과 가깝게 산소 농도를 조절하였을 때 그 처리효율이 증가하는 것을 확인하였다. 따라서 전자선을 이용한 질소산화물 저감 공정에서 산소 농도 조절을 통하여 그 제거 효율을 증가시킬 수 있을 것으로 보인다. 더욱이 대부분의 산업 공정에서 발생하는 배기가스는 연소 공정으로부터 발생하여 배기가스 내 산소 농도는 일반 대기보다 낮은 편이므로, 본 연구 결과를 바탕으로 전자선 활용 배기가스 저감 공정을 실제 현장에 적용할 때, 질소산화물 처리효율 향상을 기대할 수 있을 것이라 판단된다. 본 연구는 연구실 규모의 낮은 모사가스 풍량으로 진행한 기초 연구 결과로 추후 최적화된 공정 개발을 통한 고풍량에서의 높은 처리효율 확보 연구가 필요할 것으로 사료된다.

Acknowledgments

본 연구는 2023년도 삼성전자 민간수탁과제 “라디칼 기반 NOx 저감 기술 개발”의 지원을 받아 수행된 연구임.

References
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Authors Information

손지은 (한국원자력연구원 첨단방사선연구소 선임연구원) (json@kaeri.re.kr)

조상희 (한국원자력연구원 첨단방사선연구소 선임연구원) (shjo@kaeri.re.kr)

오용환 (한국원자력연구원 첨단방사선연구소 대학원생, 한양대학교 건설환경공학과 박사과정) (oyh12@kaeri.re.kr)

김태훈 (한국원자력연구원 첨단방사선연구소 책임연구원) (thkim30@kaeri.re.kr)

이용재 (삼성전자 글로벌 제조&인프라총괄 EHS연구소) (yssachar.lee@samsung.com)

 

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