대기중에 오존 등 광화학 옥시전트는 광역적으로 형성되고 산림고사 등의 생태계 피해를 가속화시킨다는 연구결과가 보고됨에 따라 오존형성의 전구물질인 휘발성 유기화합물질(Volatile Organic Compounds : 이하 "VOC"라 함)에 대한 관심이 점차 증가하고 있다. VOC는 자체로서 유해하고 악취의 원인으로 작용하여 지역적인 오염물질로 다루어져 왔으나 점차 국경을 초월하여 다른 나라에도 피해를 유발하는 장거리 월경오염물질로서 국제문제화 됨에 따라 전 지구차원의 근본적인 VOC 저감대책이 논의되고 있다.
1979년 UN에서는 [장거리월경대기오염협약]이 채택되고 1991년에 국가연합 유럽경제위원회(UNECE)의 의정서가 미국, 캐나다, 유럽 등 23개 가맹국에 의해 체결됨으로서 북미, 유럽 각국이 협조하여 VOC의 전지구적인 총량규제가 시작되면서 지구 대기환경문제로 발전하였다. 이에 따라 가맹국은 2000년까지 기존 년도에 대해 30% 이상의 VOC 배출량 감축을 약속하고 저감목표를 위한 실행계획의 입안을 추구하게 되었으며 대부분 국가는 용제 사용과 교통수단의 VOC 배출저감에 초점을 두고 있다.
최근에는 VOC의 근본적인 배출을 저감하기 위한 사전오염 예방차원으로 소비상품에 함유되어 있는 VOC 양을 제한하는 방향으로까지 발전하고 있다. 미국 EPA는 1996년 4월 소비상품에서의VOC 함유량을 제한하는 내용을 제안한 바 있어 앞으로는 제품의 라벨링제도 등 제품의 수출·입과 관련된 무역과 연계되어 VOC규제가 발전될 가능성이 크다. 이에 따라 각 오염원에서 원료물질의 Reformulation (예:개질가솔린)과 대체품의 신기술개발에 노력하는 추세이다.

VOCs를 제거하기 위한 제어기술은 소각(열 및 촉매), 유기용제를 회수하기 위한 흡착법, 흡수법, 응축법 이외에도 신기술인 막분리, 자외선 산화법, 코로나 기술등이 있지만 이들은 대부분 대용량으로 비용이나 규모, 운영면에서 작업환경에 적용하기에는 곤란한 점이 있다. 따라서 작업장내에서의 VOCs처리는 환기 및 후드를 사용한 국소배기등의 소극적 방법과 활성탄을 이용한 흡착 및 흡수액을 이용하는 기술등이 적용되고 있으며 이 중 흡착법에 의한 필터류가 가장 많이 사용되고 있다. 그러나 필터는 농도가 낮은 경우에는 효율적이나 수명이 짧아 필터를 자주 교체해야 하는 불편함과 아울러 유지비가 많아 소요된다는 단점이 있다. 따라서 이들 단점을 보안하고 처리효율도 향상된 보다 효과적인 처리방식이 필요하다. 저온 플라즈마를 이용한 처리방식은 실내공간에서의 국부적인 처리에 적합한 기술로 기존의 처리방식에서 발생할 수 있는 압력손실 등의 문제를 해결할 수 있고, 고효율로 처리할 수 있는 처리방식 중의 하나로, 운전 및 유지관리 면에서 유리한 점을 가지고 있다.

2. 기술의 개요

비열 플라즈마 공정기술은 상압 기체 streamer내의 저농도 VOCs, NOx, HAPs의 방지에 적용할 수 있는 최신 기술로서 전기방전(electrical discharge) 또는 전자빔(electron beam)을 이용하여 플라즈마를 형성시킬 수 있다. 최근의 연구결과에 의하면 전자빔의 이용이 pulsed corona나 다른 형태의 전기방전 플라즈마 등을 이용하는 것 보다 에너지 측면에서 효과적이며 비용분석 결과 RTO, RCO, 또는 혼성(hybrid)시스템에 비해 경제적인 것으로 나타났다.
전기방전이나 전자빔은 다양한 경로로 이루어지며 전기방전 반응기는 전극 구조와 교류, 직류, 펄스 등의 전기 공급방식에 따라 여러 가지 형태가 있다. 이들 중 가장 많이 연구되는 것은 pulsed corona와 부전도성 장벽 방전(dielectric barrier discharge) 에 기초한 두 가지 경우이다.
Pulsed corona 방법에서 반응기는 고전압의 매우 짧은 진동에 의해 작동되어 강력한 전자들로 이루어진 수명이 매우 짧은 방전 플라즈마를 생성시키고 이 플라즈마가 처리대상 기체들을 분해할 수 있는 자유기를 생산한다. 부전도성 장벽방전 반응기의 경우 전극의 한면 또는 양면을 유리나 알루미나 등과 같은 부전도체로 덮는다. Pulsed 코로나 방법에서는 플라즈마의 일시적인 움직임이 전압 진동에 의해 작동되는 반면 부전도성 장벽방전에서 발생하는 플라즈마는 부전도성 층위의 전하축적(charge build up)이 국소 전기장(local electric field)을 감소시킬 때 발생된 플라즈마가 저절로 소멸된다. 무성(silent) 방전 반응기라고도 불리우는 부전도성 장벽방전 반응기는 오존 생성에 많이 이용되고 있으나 오존생성에 사용되는 플라즈마 조건과 VOCs나 HAPs의 제거에 사용되는 플라즈마의 최적조건은 서로 다르다. 과거에는 MeV 형태의 전자빔 가속기의 높은 자본비와 X선 위험으로 인하여 오염제어공정에 많이 사용되지 않았으나 최근 들어 고분자 물질의 가교결합(cross linking), 무용계 표면처리(solvent free coating)의 보존, 인쇄용 잉크의 건조 등과 같은 산업적 응용에서 요구조건을 만족시킬 수 있는 간편한 200 KeV이하의 저에너지 전자 가속기가 개발되어 상업적으로 응용되고 있으며 환경오염 제어분야에도 적용되고 있다.
펄스 플라즈마 장치는 전원공급장치, 반응기 및 pulse generator로 나뉜다. 일반적인 저온 플라즈마 방전법은 전자빔방전(Electron Beam Discharge)과 첨가가스를 동시에 이용하는 전기물리학적(Electron Physics Method)인 신기술로 PSCD라 칭하며 이의 처리원리는 다음과 같이 요약할 수 있다. PSCD는 양극 및 음극의 두 방전극 사이에 수십KV의 고전압을 극히 짧은 순간(200ns 이내)에 인가하면 Pulse corona 방전에 의해 브러쉬 모양의 전류채널이 형성되는데 이를 유광(Streamer)이라 하며 이는 두 전극들 사이를 고에너지 전자가 106∼107cm/sec의 속도로 전파하며, 분자를 이온화하여 활성자유전자(Active free electron)들을 방출한다. 이렇게 생성된 자유전자들은 다음과 같은 식에 의해 VOCs물질들이 제거된다. PSCD에 의해 생성된 활성자유전자는 가스분자를 분리시켜 N, H, O, OH등과 같은 활성자유기(Active free radical)를 형성한다.

들은 격렬한 화학반응을 야기 시켜 다음과 같은 악취물질과 VOCs와 반응하여 CO2나 H2O등 해롭지 않은 물질로 분해시킨다.
여기서 VOCs등 유해물질은 분자조성이 C, H, O 인바 C는 CO2로 H는 H2O로 화학반응이 일어나서 냄새물질이나 VOCs가 제거되는 것이다.

3. 기존기술과의 비교분석

악취를 제거하는데는 크게 두 가지 방법이 있다. 농도를 감소시켜 냄새의 강도를 저하시키는 것과 냄새물질의 질을 변화시키거나 마스킹(masking)시키는 방법이 있다. 전자의 방법에 의한 방법으로는 냄새원의 감소, 분산에 의한 냄새물질의 희석, 흡착이나 흡수 및 산화에 의한 냄새물질의 제거, 냄새가 강한 물질을 냄새가 약한 물질로 화학적으로 전환시키는 것 등이다.

  - 흡착에 의한 VOCs 및 냄새제거

기체가 대기 중으로 배출되기 전에 냄새를 제거하거나, 냄새나는 외부의 공기를 건물 내에서 사용하기 전에 냄새를 제거하던가, 또는 내부의 공기를 순환시키기 전에 냄새를 제거하기 위해서 활성탄(Activated Carbon)으로 냄새를 흡착시킬 수 있다. 이때 사용되는 일반적인 표면유속은 112∼150m/min이고, 흡착층의 두께는 박층일 때 1∼3inch이고, 후층일 때 1∼3ft이다. 활성탄에 의하여 쉽게 흡착될 수 있는 냄새 없는 물질이 존재하는지의 여부에 주의하여야 한다. 이러한 냄새 없는 물질이 활성탄층을 포화시켜 냄새제어장치로서의 기능을 저하시킬 수도 있는 것이다.

  - 흡수에 의한 VOCs 및 냄새제거

세정기 혹은 공기세정기는 다음의 세 가지 경우에 이용한다. 첫째 냄새 물질이 세정액에 용해성이고, 둘째 세정액의 온도에서 응축성이거나, 셋째 세정기내에서 분진과 접촉할 수 있어야 한다. 응체에 따라서 여러 가지 형태의 세정기들이 이용되고 있으며, 제거해야할 냄새에 따라 다르다. 물에다 화학약품을 첨가한 것이 많이 사용되고 있는 것은 가격이 저렴하기 때문이다.

  - 불꽃산화에 의한 VOCs 및 냄새제거

온도 850∼1100K의 직접화구에 의하여 연소시키는 것이 기체로부터 냄새를 제거하는데 효율적이다. 대부분의 경우에 천연가스를 연료로 사용하기 하므로, 연소에 의한 생성물은 이산화탄소와 수증기이다. 부분산화가 일어나지 않도록 주의하여야 하며 가능하면 열회수 시스템을 사용하여야 한다.

  - 촉매산화에 의한 VOCs 및 냄새제거

산화에 의하여 냄새를 제거하기 위해서는 촉매를 사용하여 산화시킨다. 필요한 온도는 500∼800℉로 불꽃산화 시에 요구되는 온도보다 낮다. 또한 장치도 간단하다. 그러나 촉매의 수명이 피독, 탄산성 침적물에 의한 촉매표면의 축소, 기류 및 고체입자의 마찰에 의한 촉매 표면의 손실 등으로 감소된다.

  - 화학적 산화에 의한 VOCs 및 냄새제거

냄새물질의 화학적 전환은 오존, 과망간산염, 치아염소산염, 염소 및 이산화염소와 같은 산화제에 의하여 발생한다. 오존은 산화분야에 의하여 유기물질을 알데히드, 케톤 및 산으로 전환시킨다. 황 화합물, 아민류, 페놀류, 스티렌 및 아크롤레인과 같은 불포화 화합물의 냄새를 제거하기 위하여 과망간산 칼륨 용액을 사용하고 있다.

  - 저온 플라즈마를 이용한 VOCs 및 냄새제거

기존의 냄새제거장치는 주로 활성탄을 이용한 흡착탑 방식이나 별도의 소각장치로 설치하여 냄새물질을 소각하는 방식이다. 이들은 모두 시설비가 많이 들고 설치공간이 크며 운전비가 과다하게 요구되는 문제점들이 있다. 따라서 냄새제거장치는 가정용으로 사용하기에 부적합한 규모이며, 산업체용 공기 정화장치도 활성탄, 화학물질 등의 첨가를 이용한 방법으로 일정기간의 운전후 재충전 또는 교체를 해야하는 불편 및 과다한 관리비용의 부담이 있다. 따라서 첨가제 없이 냄새원을 고효율로 제거 할 수 있도록 개선되어져야 한다. 위에서 언급한 장치들의 문제점을 보완하는 차원에서 저온플라즈마 장치를 사용하여 악취제거 및 실내공기 정화, 산업체용 유해가스 제거 등을 해결하여 국민생활의 질을 높이고 나아가서 국민의 보건, 복지의 향상에 일익을 담당하고자 한다.