은나노 입자를 이용한 복합 대기오염물질의 제거 = Removal of Indoor Air Contaminants using Silver Nano Particles

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 은나노 입자가 첨착된 활성탄과 은나노 입자가 분산된 수용액 스크러버를 적용한 실험실 규모 정화장치를 이용하여, 빌딩증후군(sick house syndrome) 유발물질인 톨루엔, 포름알데히드, 부유대장균을 대상으로 오염물질 제거효율을 확인하였다. 은나노의 효과를 대조 실험하기 위해, 은나노가 첨착되지 않은 활성탄과 증류수 스크러버를 적용하여 대상 오염물질의 제거 효율을 측정하였다.
일반 활성탄만을 단독 적용한 경우 톨루엔 및 부유세균의 제거는 용이하였으나 흡착능이 낮은 포름알데히드의 제거율은 매우 낮았다. 증류수 스크러버만 을 단독 적용하여 실험한 결과 친수성인 포름알데히드는 유입 부하 량의 25% 가량이 지속적으로 제거되었다. 반면 스크러버 운전에서는 소수성이 강한 톨루엔은 거의 제거되지 않았다. 스크러버 에서의 부유세균에 대한 실험결과 초기 50% 수준의 제균 효율 을 보이지만 시간이 지남에 따라 제균 효율이 감소하다가 실험시작 약 20시간 후부터 유출농도가 유입농도보다 증가하는 경향을 나타내었다. 증류수 스크러버를 지속 운전하였을 때 수용액에 많은 수의 미생물이 증식하였으며, 증식한 미생물이 스크러버 후단에 비산 배출되는 것으로 판단된다.
은 나노 활성탄에서는 일반 활성탄에 비해 톨루엔 흡착 량이 38%가량 흡착 량이 감소하였다. 이는 은 나노 입자의 첨착에 의해 감소된 활성탄 표면적 때문으로 생각된다. 포름알데히드에 대해 유속을 0.01㎧로 줄여 실험한 결과, 포름알데히드 제거 량이 일반 활성탄에서는 1.03 g/g, 은 나노 활성탄에서는 2.13 g/g로 은나노 활성탄에서 2배 가량 제거율이 향상되어 은 나노 입자에 의한 포름알데히드 산화효과를 확인하였다. 부유세균에 대해서는 은나노 활성탄이 90%로 일반 활성탄보다 15% 가량 향상된 제균효율을 보였다. 은 나노 수용액 스크러버를 단독 적용하여 실험한 결과 포름알데히드는 증류수 스크러버 에 비해 제거율이 약 10% 증가하여 은나노 입자에 의한 추가적인 포름알데히드 제거를 확인하였다. 부유세균에 대한 실험결과 증류수 스크러버 에서와 같은 제균효율의 감소 경향이 나타나지 않았으며, 수용액에서의 미생물 증식량을 확인한 결과에서도 증류수 스크러버 에 비해 은 나노 입자가 포함된 수용액에서는 적은 수의 미생물이 증식하여 은나노 입자가 미생물 생장 억제효과가 있었다.
톨루엔, 포름알데히드, 부유세균 동시유입 실험 결과 활성탄이 파과된 후에도 포름알데히드는 스크러버 에 의해 지속적으로 제거되었다. 그러나 톨루엔은 활성탄이 파과 된 후 제거가 되지 않았다. 통합정화장치에서 톨루엔의 흡착량 이 다소 감소하는 경향을 나타내었는데 이는 스크러버 에서 발생한 수증기가 활성탄에 나쁜 영향을 미쳤기 때문으로 판단된다. 이에 활성탄과 스크러버 의 순서를 변경하여 1단에서 활성탄을 2단에서 스크러버 를 통과하도록 하여 실험한 결과 톨루엔 및 부유세균에 대한 제거효율이 증가하여 통합정화장치 설계 시 적용하여야 할 것으로 판단된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Silver nano-particles, that were either attached on granular activated carbon or dispersed in a liquid solution, were applied to investigate the removal of major indoor air pollutants including toluene, formaldehyde, and bioaerosol. Lab-scale experiments were performed by using an integrated treatment system consisting of an activated carbon column and a scrubber module.
A column test using normal activated carbon showed higher removal efficiency on the toluene and bioaerosol. However, formaldehyde was not removed well. A scrubber module was not able to remove toluene introduced because of toluene's hydrophobic property. However 25% of formaldehyde was consistently removed when distilled water was used in the module. In the experiment of bioaerosol using distilled water, a removal efficiency of 50% was observed initially; however, it declined gradually and the outlet bacterial quantity was even higher than that of the inlet. This result was mainly due to the accumulation of bacteria in the recirculating solution.
Another column test using silver-attached activated carbon showed that a decrease of toluene adsorption quantities of approximately 38% was observed. On the contrary, the removal quantities of formaldehyde were 1.03 and 2.13 g/g for normal activated carbon and Ag-activated carbon, respectively, at the air linear velocity of 0.01 ㎧ This was mainly due to the oxidation of formaldehyde by the silver nano-particles. In the bioaerosol removal tests, the antibacterial efficiency was 90%, which was up to 15% higher removal efficiency than that observed using normal granular activated carbon, indicating the silver nano-particles were effective for the bioaerosol control. Additionally, in the scrubber module with a silver nano-particle solution, the formaldehyde removal efficiency increased by 10%. In addition, another scrubber experiment using silver nano particles showed that an antibacterial efficiency of 66% was maintained over a 3-day period. Silver nano-particles were able to minimize the growth of microorganisms in the spray solution.
When the three indoor air pollutants, i.e., toluene, formaldehyde and bioaerosol, were mixed and introduced to the integrated system, formaldehyde was removed steadily, but toluene was not removed after a short breakthrough time in the activated carbon column. The decrease of toluene adsorption quantity was observed, presumably because of water vapor generated in the scrubber module. As a result, the order of the activated carbon column and the scrubber module was switched, and the removal efficiencies of toluene and bioaerosol were enhanced. Consequently, a great caution needs to be given for a design of the indoor air control device, and a removal capacity of the device should be carefully determined at an appropriate operating condition.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서론 1
• 1.1 연구 배경 1
• 1.2 연구 동향 및 목적 4
• 1.3 연구 개요 7
• 제2장 이론적 배경 9
• 2.1 실내공기오염물질의 종류 및 특성 9
• 2.1.1 기체상 오염물질 9
• 2.1.1.1 휘발성 유기화합물(VOCs) 9
• 2.1.1.2 포름알데히드(Formaldehyde) 12
• 2.1.1.3 이산화탄소(CO2) 13
• 2.1.1.4 일산화탄소(CO) 13
• 2.1.1.5 질소산화물(NOx) 15
• 2.1.2 입자상 오염물질 15
• 2.1.2.1 부유먼지 15
• 2.1.2.2 석면 16
• 2.1.3 세균성 오염물질 18
• 2.2 실내공기질 관리방안 20
• 2.2.1 일반적인 실내공기 정화기술 20
• 2.2.2 활성탄을 이용한 실내공기정화 23
• 2.2.3 스크러버를 이용한 실내공기정화 31
• 2.3 나노소재를 이용한 실내공기정화 36
• 2.3.1 TiO2를 이용한 실내공기정화 36
• 2.3.2 은나노를 이용한 실내공기정화 38
• 2.4 나노 금속의 제조 40
• 2.4.1 습식제조법 41
• 2.4.1.1 침전법 41
• 2.4.1.2 분무열분해법 42
• 2.4.2 건식제조법 42
• 2.4.2.1 스퍼터링 방법 42
• 2.4.2.2 증발-응축법 44
• 2.4.2.3 전기폭발법 45
• 2.4.2.4 기계적분쇄법 46
• 제3장 실험재료 및 방법 48
• 3.1 실험장치 및 구성 48
• 3.2 실험재료 50
• 3.2.1 은나노 활성탄의 제조 50
• 3.2.2 은나노 수용액의 제조 52
• 3.3 제거대상 오염물질의 선정 52
• 3.3.1 톨루엔 53
• 3.3.2 포름알데히드 53
• 3.3.3 부유세균(대장균) 54
• 3.4 분석 방법 54
• 3.4.1 톨루엔 및 포름알데히드 54
• 3.4.2 부유세균 55
• 3.5 수치해석 56
• 3.5.1 Homogeneous surface diffusion model(HSDM) 56
• 3.5.2 지배방정식 57
• 제4장 결과 및 고찰 61
• 4.1 은나노 활성탄 단독 적용에 의한 오염물질 제거 61
• 4.1.1 톨루엔 및 포름알데히드 제거 61
• 4.1.2 부유세균 제거 66
• 4.1.3 복합오염물질 제거 68
• 4.2 은나노 수용액 스크러버 단독 적용에 의한 오염물질 제거 72
• 4.2.1 톨루엔 및 포름알데히드 제거 72
• 4.2.2 부유세균 제거 75
• 4.2.3 복합오염물질 제거 77
• 4.3 통합정화장치에 의한 오염물질 제거 79
• 4.3.1 톨루엔 및 포름알데히드 제거 79
• 4.3.2 부유세균 제거 81
• 4.3.3 복합오염물질 제거 82
• 4.4 수치해석 91
• 제5장 결론 95
• 참고문헌 97
• Abstract 103