기존 문헌에서 VOCs에 대해 우수한 흡착능력을 가지는 것으로 보고된 비탄소 흡착제를 조사하여 선정하였다. 먼저 중기공이 발달한 실리카 계열인 MCM-41 (Sigma Aldrich, USA), SBA-15 (Sigma Aldrich, USA), KIT-6 (ACS Material LLC, USA)를 사용하였고, 흡착제의 원료로 주로 사용되는 활성 알루미나 (M&E Tech, Korea), 규산 알루미늄 (M&E Tech, Korea)을 사용하였다. MCM-41, SBA-15, KIT-6, 규산 알루미늄, 활성 알루미나의 구매가격은 각각 g당 58,400원, 71,200원, 22,800원, 17원, 14원이다. 비탄소성 흡착제의 효율을 평가하기 위하여 VOCs 흡착에 상용화된 야자각 원료 활성탄 (SYG, SCT CO., LTD, Korea)을 사용하여 실험 결과를 서로 비교하였다. 실험에 사용되는 흡착제의 표면 특성은 비표면적 분석기 (BELSORP-mini, BEL Japan, Inc., Japan)를 이용하여 분석하였고, 그 결과는 표 1에 나타내었다. 비탄소성 흡착제 중 MCM-41은 가장 높은 비표면적을 나타내었고, KIT-6는 중기공 부피와 미세기공 부피가 모두 가장 높은 것으로 나타났다. 그리고 활성탄은 비탄소 흡착제들보다 높은 비표면적과 미세기공 부피를 가졌지만, 중기공 부피는 비탄소 흡착제들에 비해서 매우 낮았다. 그리고 세탁시설에서 사용되고 있는 세탁용제를 구입하여 실험에 사용하였다. 이 세탁용제는 기체크로마토그래피-질량분석기를 이용하여 분석한 결과 데칸 36%, 노난 27%, 운데칸 23%, 옥탄 11%, 도데칸 3%의 혼합 VOCs 물질들로 구성되어 있는 것으로 나타났으므로, 본 논문에서는 세탁용제의 증기를 TVOCs (total volatile organic compounds)로 표현하였다.

흡탈착 실험 장치는 그림 1과 같다. 실험장치는 세탁용제 증기 및 수증기 주입 부분, 고정층 흡착 부분, 기체크로마토그래피 (YL6500 GC, Youngin Chromass, Korea)를 이용한 배출농도 측정 부분으로 구성되었다. 주입 공기의 유량은 질량유량 조절기 (5850E, Brooks Instrument, USA)를 이용하여 정밀하게 조절하였다. 세탁용제가 담긴 임핀져와 물이 담긴 삼각 플라스크는 30°C의 온도로 유지되는 수조에 각각 위치시켰다. 세탁용제가 담긴 임핀져 내부에 공기를 주입하여 세탁용제 증기를 발생시켰고, 물이 담긴 삼각 플라스크 내부에 공기를 주입하여 수증기를 발생시켰다. 흡착제는 1.25 cm 직경의 고정층 반응기 내부에 넣은 후 30°C의 온도로 일정한 항온기 (VS-4028D, Vision Scientfic Co,. ltd)에 위치시켰다. 흡착 또는 탈착을 거친 후 세탁용제 증기가 응축되는 것을 방지하기 위해 30°C 온도로 테플론관 (teflon tubing)을 가열 테이프 (heat tape)로 감싸주었다. 실내 공기 중 VOCs 농도를 측정하는 방법인 환경부 고시 (제 2017-11호)의 실내공기질 공정 시험기준 (Korea Ministry of Environment, 2017)에 따라 배출증기의 농도는 톨루엔으로 환산하여 분석하였다. 배출증기는 불꽃 이온화 검출기가 장착된 기체크로마토그래피를 사용하여 분석하였고, GC 컬럼 (YL-5, Youngin Chromass, Korea)은 30 m×0.32 mm×0.25 μm 조건으로 사용하였다. 주입구 온도 및 검출기, 오븐의 온도는 각각 200, 250, 230°C로 설정하였다.

Fig. 1. 
Schematic of the TVOCs adsorption and desorption test system.

각 흡착제는 유리 알갱이 (beads)와 혼합하여 고정층 흡착층을 구성하였다. 입경이 작은 실리카 계열인 MCM-41, SBA-15, KIT-6은 0.1 g을 사용하였고, 입경이 큰 규산 알루미늄, 활성 알루미나, 활성탄은 0.5 g을 실험에 사용하였다. 고정층 반응기는 30°C의 항온기에 위치시켜 실험을 수행하였다. 총 유량 150 mL/min 중에서 70 mL/min을 세탁용제가 담긴 임핀져 내부에 주입하여, 세탁용제 증기의 농도가 2,000 ppm (±10%)이 되도록 주입하였다. 건조가스 조건에서는 80 mL/min의 건조공기를 주입하였고, 습윤가스 조건에서는 50 mL/min의 건조공기를 주입하고, 30 mL/min은 물이 담긴 삼각 플라스크 내부에 공기를 주입하여 수증기를 발생시켰다. 습윤가스 조건에서 수분의 농도는 약 0.8%이며, 상대습도로는 20%가 된다. 흡착 실험이 시작하기 전에 우회 라인 (bypass line)으로 주입하여, 세탁증기의 주입농도가 2,000 ppm (±10%)이 됨을 확인하였다. 흡착 실험 후에는 동일 온도 30°C에서 150 mL/min의 건조공기만을 주입하여 세탁용제 증기의 탈착을 진행하였다. 각 흡착제에 대하여 흡탈착 실험은 1회씩 수행하였으며, 흡탈착 과정을 거친 후 배출되는 가스는 기체크로마토그래피를 사용하여 2분 간격으로 측정하였다. 실험 조건은 표 2에 나타나 있다.

건조 조건과 습윤 조건에서의 흡탈착 실험 결과를 바탕으로 각 흡착제의 흡착용량 (g/g)과 탈착효율 (%)을 결정하였다. 그림 10은 건조 조건에서 각 흡착제의 흡착용량과 탈착효율을 나타내었다. MCM-41, KIT-6, 활성 알루미나, 규산 알루미늄이 대체로 높은 흡착용량을 나타내었다. 그러나 건조 조건에서 활성 알루미나와 규산 알루미늄은 흡착 실험 시간 내에 포화에 도달하지 않았으므로 최대 흡착용량은 활성 알루미나와 규산 알루미늄이 가장 높음을 알 수 있다. 반면에 활성탄은 다른 흡착제들보다 낮은 흡착용량을 보이지만, 초기의 흡착효율이 매우 높게 나타났다. 탈착효율에 있어서는 SBA-15와 활성 알루미나가 월등히 높게 나타났다. 반면에 활성탄은 탈착효율이 매우 낮아서 본 실험과 같이 흡착온도와 동일한 온도에서 공기 주입법을 통한 탈착은 적합하지 않은 것으로 나타났다.

Fig. 10. 
Adsorption capacity and desorption efficiency of the adsorbents at a dry condition.

앞서 습윤 조건에서 활성 알루미나와 규산 알루미늄이 흡착 실험 시간 내에 포화에 도달함을 확인할 수 있었고, 그림 11의 흡착용량도 흡착제들 중에서 낮은 값을 나타내었다. 따라서 수증기 주입으로 인한 흡착량 감소가 활성 알루미나와 규산 알루미늄에서 가장 크게 나타났다. 습윤 조건에서 흡착제들의 흡착용량 감소로 인하여 활성탄의 흡착용량이 가장 높게 나타났지만, 앞서 살펴본 바와 같이 수증기 주입으로 인하여 활성탄의 초기 흡착효율은 감소하였다. 탈착효율에 있어서는 여전히 활성 알루미나가 가장 높은 값을 보였다. 따라서 활성 알루미나는 수증기 주입으로 인한 흡착량 감소의 문제가 있으나, 높은 탈착효율을 여전히 유지하는 것으로 나타났다. 그림 10과 11을 동시에 비교하면, KIT-6와 규산 알루미늄은 수증기 주입으로 인하여 흡착용량은 감소하고 탈착효율은 증가하였음을 알 수 있다. 그러나 습윤 조건에서 탈착효율이 60% 정도로 높은 수준은 아니었다. MCM-41은 수증기 주입 시 흡착용량과 탈착효율 모두 감소하였다. SBA-15은 수증기를 주입하여도 흡착용량은 비슷하였으나 탈착효율은 감소하였다.

Fig. 11. 
Adsorption capacity and desorption efficiency of the adsorbents at a wet condition.