서울特別市 保健環境硏究院報 第40號	(2004)

Report of S.I.H.E., 40:325~330	(2004)

소규모 도장시설에서 발생하는 VOCs

배출량과 방지시설별 제거효율 산정

대기화학팀

신진호․김현상․정병학․김광래․오석률

권승미․유승성․전재식․김주형․김민영

Evaluation of VOCs Emission Amount and Removal Efficiency from Small Scale Surface Coating Facilities

Atmospheric Chemistry Team

Jin-ho Shin, Hyun-sang Kim, Byong-hark Jeong,

Kwang-rae Kim, Seok-ryul Oh, Seung-mi Gwon, Seung-sung Yoo, Jae-sik Jeon, Joo-hyung Kim and Min-young Kim

Abstract

VOCs(volatile organic compounds) are all of the organic compounds which react with the solar rays and increase the concentration of ozone in the troposphere, and partially also known for carcinogen. The adsorption using activated carbon is usually applied to remove VOCs. The 20 places of surface coating facilities were selected to evaluate the emission amount of VOCs in Seoul. And the removal efficiency of VOCs in 25 places of automobile coating facilities was evaluated in this paper. The average emission amount of VOCs was 10.903 kg/hr at automobile surface coating facilities, while 3.520 kg/hr at other surface coating facilities. The removal efficiency in adsorption with combustion catalytic process has the mean value of 87.9% and the regeneration efficiency of activated carbon has the mean value of 95.0%. The removal efficiency in adsorption with bio-filtration process has the mean value of 89.8% and the regeneration efficiency of activated carbon has the mean value of 94.8%. The removal efficiency in plasma catalyst process has the mean value of 79.3%.

Key words : VOCs, emission amount, VOCs control system, adsorption, combustion catalytic oxidation, bio-filtration, plasma catalyst

서  론

휘발성유기화합물(volatile organic compounds ; VOCs)이란 대기중에서 태양광선에 의해 질소산화물과 반응하여 지표면 오존농도를 증가시키는 유기화합물들을 가리킨다(1).

또한 VOCs는 대부분이 휘발성을 강하게 지니고 있어 증기형태로 배출되어 광화학반응에 의해 오존을 생성시켜 도심 스모그의 원인이 될 뿐만 아니라 대부분이 발암성 물질이고, 악취를 일으키는 등 인체의 건강에도 악영향을 초래한다(2).

이에 따라 여러가지 휘발성 유기물질들이 새로이 환경규제대상에 포함되고 지금까지 규제가 되어 왔던 물질들은 규제가 더욱 더 강화되고 있는 실정이다. 따라서 보다 효과적이고 경제적인 VOCs의 처리기술이 필요한 상황이며, 효율적인 흡착제재생공정의 개발은 환경이나 경제적 측면에서 그 필요성이 날로 증대되어 가고 있다.

이에 본 연구에서는 서울 지역의 VOCs 발생시설인 자동차 도장시설과 기타 제조업의 도장시설에서 발생되는 VOCs 배출량의 실태를 파악하여 보고 그에 따라 새로이 개선된 VOC 방지시설별 처리방식에 따른 VOCs 제거효율을 통하여 VOCs 방지시설의 효율성을 파악하므로써 서울지역 VOCs 저감대책을 위한 기초자료를 제공하고자 한다.

연구방법

1. 대상시설

서울시에 소재한 사업장중 재래식 활성탄 필터만 장착된 자동차 도장시설과 기타 제조업 도장시설 각각 10개소와 대기오염 배출허용기준 등에 관한 조례를 개정․공포한 이후에 자동차 도장시설 중 신규로 개선된 방지시설을 등록한 업소를 대상으로 대기오염공정시험법에 따라 시료채취 및 분석을 실시하였다. VOCs의 처리방법은 크게 나누어 VOCs 물질을 회수․재사용하는 방법과 분해하는 방법이 있다(3). 배출되는 VOCs 물질의 회수 가치가 충분히 있을 경우 회수시설의 설치 및 운영이 효율적이나, VOCs가 단일물질이 아닌 혼합물질 및 유해물질인 경우 또는 회수가치가 없을 경우는 분해시설의 선택이 적절하다(4) 하겠다.   현재 서울시에 설치된 VOCs 방지시설은 후자인 분해시설을 선택하고 있으며, 본 연구에서는 먼저 소규모 도장시설 20개소의 VOCs 배출량을 산정하고, 방지시설별 효율은 서울 시내에 새로이 설치되어 있는 도장시설 중 활성탄 흡착 및 연소 촉매산화 처리방식 13개소, 흡착 및 미생물 처리방식 7개소, 플라즈마 촉매 처리방식 5개소를 대상으로 하였다.

2. 시료 포집

활성탄 흡착공정에서의 VOCs 시료포집은 도장시설에서 약 2ℓ의 투명제를 사용하여 분사시킨 상태에서 최종 배출구와 방지시설(1차 처리시설)의 전단과 후단 및 재생시설의 전․후단에 각각 설치된 VOCs 측정공으로부터 감압 시료포집기를 이용하여 10ℓ용기의 대기오염공정시험법에 규정된 테드라 백(Tedlar bag)에 시료를 포집하였다.

3. 시료분석

시료 포집 후, 분석은 시료의 정확성을 기하기 위하여 PID 검출기가 장착된 휴대용 GC(Perkin Elmer Co. photovac voyager, USA)를 사용하여 최단시간내에 BTEX의 농도를 측정하였고, VOCs 제거효율 측정도 휴대용 측정기인 Photovac Micro- FID(Flame Ionization Detector)로 THC(총탄화수소)농도를 측정하여 제거효율을 산정하였다.

결과 및 고찰

1. VOCs 배출량 조사

우리나라의 VOCs 배출원 및 배출량 자료에서 도장산업의 VOCs 배출비중이 40.4%로 상당히 많은 부분을 차지하고 있는 것으로 보고되었다(5). 서울시에 소재한 다양한 종류의 도장산업중에 대기오염배출시설로서 관리대상인 자동차공업사와 기타 제조업에서는 VOCs 배출량을 저감시키기 위하여 활성탄 필터를 방지시설로 사용하고 있지만 VOCs의 상당량이 제거되지 않는 상태에서 대기 중으로 배출되고 있는 실정이며, 이러한 시설들의 VOCs 배출량도 제대로 파악되지 않고 있는 상태이다. 따라서 본 연구에서는 VOCs 방지시설이 열악한 자동차공업사와 기타 제조업 도장시설 각각 10개소를 선정하여 VOCs 배출량을 산정하였다.

VOCs 배출량 (kg/hr)

= ∑ 각 성분별 VOCs 배출농도(mg/ℓ) × 배출가스유량(S㎥/hr) × 10-3

그림 1에서 보면, 자동차공업사에서 배출되는 VOCs 배출량은 7.106～15.411 kg/hr로 기타 제조업 도장시설에서 배출되는 VOCs 배출량은 0.142～8.989 kg/hr로 조사되었으며, 평균배출량은 자동차공업사가 10.903 kg/hr인 반면 기타 제조업 도장시설이 3.220 kg/hr으로서 자동차공업사에서 배출되는 VOCs 량이 약 3.4배 많은 것으로 나타났다(6).

Fig. 1. The trend of VOCs emission amount from automobile and other surface coating facilities.

2. VOCs 방지시설별 처리효율 조사

다음으로 현재 서울시에 새로이 설치되고 있는 도장시설에서 VOCs 제거효율을 산정하기 위하여 재생-처리방식(활성탄 흡착 및 연소촉매산화, 활성탄 흡착 및 미생물, 플라즈마 촉매)에 따라 처리배출되는 THC(총탄화수소)농도를 측정하여 제거효율을 산정하였다.

흡착 및 연소촉매산화 처리방식(7)은 도장시설에서 배출되는 VOCs 물질을 활성탄 흡착시설에서 흡착시켜 활성탄 재생시설인 촉매소각시설에서 주로 백금촉매에 보조연료를 사용, 약 320～430℃로 가열재생시키는 방식으로 활성탄을 자주 교체하지 않고 연속적으로 사용할 수 있다는 장점이 있다. 이 처리방식에 의한 VOCs 제거효율은 표 1과 같으며, 활성탄 전․후단에서의 제거효율 범위는 78.2～98.4％이었고, 재생시설에서의 제거효율 범위는 85.5～98.4％로 나타났다.  재생시설의 내부전경은 그림 2와 같다.

Fig. 2. The view of VOCs control system with combustion catalytic oxidation.

흡착 및 미생물 처리방식(8)에서는 흡착 및 연소촉매산화 처리방식 과정과 동일하며 탈착된 VOCs를 담체의 바이오필름 속으로 흡수시켜 이 흡수된 오염물질을 미생물을 이용하여 분해시킨 후 대기로 배출되는데 이 또한 활성탄을 자주 교체하지 않고 연속적으로 사용할 수 있다는 장점이 있으며 이 시설에서 산정된 제거효율은 표 2와 같

고, 재생시설의 내부모습은 그림 3과 같다.

Table 1. The removal efficiency of VOCs  in adsorption with combustion catalytic oxidation

Site	Control technology				Regeneration technology
	INLET (ppm)	OUTLET (ppm)	Removal efficiency (％)		INLET (ppm)	OUTLET (ppm)	Removal efficiency (％)
1	195.6	39.0	80.1		196.1	14.0	92.9
2	102.5	14.8	85.6		29.6	1.2	95.9
3	54.1	11.8	78.2		49.7	1.5	97.0
4	76.8	7.5	90.2		26.7	0.9	96.6
5	84.9	9.2	89.2		69.6	1.1	98.4
6	102.4	3.2	96.9		20.7	1.0	95.2
7	126.1	6.4	94.9		31.1	1.3	95.8
8	120.8	8.5	93.0		39.8	1.0	97.5
9	161.4	20.1	87.5		57.6	1.1	98.1
10	61.4	9.4	84.7		67.1	1.4	97.9
11	73.8	15.6	78.9		173.6	3.7	97.9
12	158.9	23.5	85.2		111.8	15.0	86.6
13	397.1	6.4	98.4		161.2	23.4	85.5

그

Table 2. The removal efficiency of VOCs in adsorption with biofiltration

Site	Control technology				Regeneration technology
	INLET (ppm)	OUTLET (ppm)	Removal efficiency (％)		INLET (ppm)	OUTLET (ppm)	Removal efficiency (％)
14	199.4	3.0	98.5		492.5	37.3	92.4
15	146.3	6.6	95.5		898.2	0.6	99.9
16	175.7	29.5	83.2		24.2	2.0	91.7
17	145.2	13.6	90.6		720.9	10.3	98.6
18	134.1	7.4	94.5		79.3	8.1	89.8
19	185.0	33.2	82.1		309.5	15.1	95.1
20	153.3	24.6	84.0		727.3	26.0	96.4

결과 방지시설의 제거효율 범위는 82.1～98.5％이고, 재생시설에서의 제거효율 범위는 89.8 ～99.9％로 나타났다.

Fig. 3. The view of VOCs control system with biofiltration.

표 3은 플라즈마 촉매 처리방식이며 이는 저온에서 폭발성 화합물질을 파괴할 수 있으며 체류시간이 짧고 낮은 온도에서 운전할 수 있다는 장점이 있지만 조건에 따라 다소 낮은 49.6～97.0％ 범위의 제거효율을 나타내었다.

Fig. 4. The removal efficiency of various VOCs regeneration system at automobile surface coating facilities.

서울시내 도장시설에 설치되어 있는 세가지 대표적 처리방식의 경향은 그림 4와 같으며 흡착연소촉매방식과 흡착미생물처리방식은 그 처리효율이 안정적인 반면 플라스마처리방식의 효율이 낮음을 그림을 통해 알 수 있었다.

Table 3. The removal efficiency of VOCs  with plasma catalyst

Site	Control technology
	INLET (ppm)	OUTLET (ppm)	Removal efficiency(％)
21	302.6	10.1	96.7
22	394.2	12.0	97.0
23	54.1	11.6	78.6
24	113.6	57.2	49.6
25	58.6	14.9	74.6

결  론

서울지역 자동차 도장시설과 기타 제조업 도장시설에서의 VOCs 배출량과 방지시설을 개선한 전․후단 VOCs 농도를 측정하여 그 효율을 산정한 결과는 다음과 같다.

1. 자동차 도장시설의 VOCs 년 평균배출량은 10.903 kg/hr로 기타 제조업 도장시설 3.520 kg/hr보다 약 3.4배 높았다.

2. 재생시설이 추가된 활성탄흡착-연소촉매산화방식은 활성탄 흡착능이 평균 87.9%, 재생능이 평균 95.0%로 높게 나왔다.

3. 또한 활성탄흡착-미생물처리방식은 활성탄 흡착능이 연소촉매산화방식보다 조금 높은 평균 89.8%, 재생능은 94.8%로 연소촉매방식과 비슷하였다.

4. 플라즈마 촉매방식은 활성탄이 없으므로 관리는 용이하나 처리능력이 평균 79.3%로 다른 방식보다 다소 떨어지는 것으로 나타났다.

참고문헌

1. WHO : Organic Pollutants, Euro Reports and Studies No. 111, 1989.

2. 백성옥 : 환경대기중 휘발성유기화합물의 포집과 분석방법, 한국대기보전학회지, 12:1～13, 1996.

3. 환경부 : 휘발성유기화합물질 방지시설설계지침, 2000.

4. 한국대기보전학회 : 국내 VOCs 관리의 현황과 문제점, 한국대기보전학회 측정분석분과회 워크샵, 1997.

5. 한화진 : VOC 배출원별 배출량 산정 및 저감기술 연구, 대한석유협회, 1996.

6. 최종욱 외 : 도장시설에서의 휘발성유기화합물 배출량 산정 조사연구, 서울시보건환경연구논문집, 36:233～238, 2000.

7. Stenzel MH : Removal organics by activated carbon adsorption, Chem. Eng. Prog., 89:36～43, 1993.

8. Leson G and Biofiltration AMW : An innovative air pollution control technology for VOCs emission, J. Air and Waste Manage. Associ., 41:1045～1054, 1991.