Journal of Korean Society of Environmental Engineers (대한환경공학회지)

Korean Society of Environmental Engineers (대한환경공학회)
권호 표지

Removal of Styrene Using Different Types of Non-Thermal Plasma Reactors

저온플라즈마 반응기의 형태에 따른 스타이렌 분해 특성에 관한 연구

  • Park, Jeong-Uk (Department of Environmental Engineering, Dong-A University) ;
  • Choi, Kum-Chan (Department of Environmental Engineering, Dong-A University) ;
  • Kim, Hyun-Ha (National Institute of Advanced Industrial Science and Technology) ;
  • Ogata, Atsushi (National Institute of Advanced Industrial Science and Technology) ;
  • Futamura, Shigeru (National Institute of Advanced Industrial Science and Technology)
  • Published : 2005.02.28
Download PDF
⟨ Previous Next ⟩

Abstract

Non-thermal plasma decomposition of gas-phase styrene was investigated in this study using three different types of plasma reactors; dielectric-barrier discharge (DBD) reactor, surface discharge (SD) reactor and plasma-driven catalyst (PDC) reactor packed with 2.0 wt% $Ag/TiO_2$ catalysts. The main parameters used for the comparative assessment of the plasma reactors include the decomposition efficiency, carbon balance, byproduct distribution, COx ($CO+CO_2$) selectivity and COx yield. The SD and the DBD reactors showed better conversion efficiency of styrene than that of the PDC reactor due to their larger capability in ozone formation. On the other hand, the PDC reactor showed better carbon balance, the yield and the selectivity of COx. The required specific input energies to achieve 100% carbon balance from the decomposition of 100 ppmv styrene using the plasma alone reactors and the PDC reactor were 420 J/L and 110 J/L, respectively. The major decomposition products in gas-phase were CO, $CO_2$ and HCOOH regardless of the types of plasma reactors. In the case of SD and DBD reactors, the $CO_2$ selectivity ranged in $39.5{\sim}60%$. The $CO_2$ selectivity in the PDC reactor was in range of $68.5{\sim}75.5%$.

본 연구는 세 가지 다른 형태의 플라즈마 반응기 (SD, DBD, PDC)를 이용한 기상의 스타이렌 분해실험을 통하여 최적 플라즈마 반응기에 대하여 고찰하였다. 각 플라즈마 반응기에 대한 비교평가를 위하여 스타이렌 분해효율, 탄소수지, 반응 생성물의 동정, 생성물의 수율 및 선택성 등의 항목을 평가하였다. 스타이렌의 전환과정은 오존과의 반응이 중요하며, PDC 반응기보다 오존생성량이 많은 SD와 DBD 반응기가 스타이렌의 전환율이 더 높은 것으로 나타났다. 한편, PDC 반응기는 탄소수지, COx ($CO+CO_2$)의 수율 및 선택성에 있어서, SD와 DBD 반응기 보다 훨씬 더 뛰어난 것으로 판명되었다. 스타이렌 초기농도를 100ppmv로 하였을 때, PDC 반응기와 플라즈마 단독공정에서 탄소수지 100%를 달성하기 위해 필요한 비투입 에너지는 각각 110 J/L와 420 J/L로, PDC 반응기가 훨씬 더 낮은 에너지로 스타이렌의 완전분해가 가능하였다. 스타이렌의 분해과정에서 생성되는 주된 생성물로는 CO와 $CO_2$가 있으며 HCOOH가 미량 성분으로 관찰되었다. 이러한 반응 생성물의 수율에는 차이가 나타나지만 이들의 분포는 플라즈마 반응기의 종류와 관계없이 거의 동일한 것으로 나타났다. 이상적인 스타이렌 분해 성성물인 $CO_2$의 선택성에 있어서 SD와 DBD 반응기는 $39.5{\sim}60%$ 정도를 나타내었으나 PDC 반응기에서는 $68.5{\sim}75.5%$ 정도로 훨씬 더 높은 것으로 나타났다.

Keywords

References

  1. 한국대기보전학회, '대기환경과 휘발성유기화합물질 '(1998)
  2. 환경부, '휘발성 유기화합물질 규제대상설정 및 관리방 안에 관한 연구'(1997)
  3. Masuda, S., 'Destruction of Gaseous Pollutions and Air Toxics by Surface Discharge Induced Plasma Chemical Process(SPCP) and Pulse Corona Induced Plasma Chemical Process(PPCP),' in Non-thermal Plasma Techniques for Pollution Control, Eidited by Penetrante B. M, and Schultheis S. E., Springer-Verlag, New York, pp. 199-210(1992)
  4. 문승일, 'VOCs 제거에 따른 플라즈마/촉매 시너지효과 에 관한 연구,' 대한환경공학회, 25(7), 810-815(2003)
  5. 목영선, 이호원, 현영진, 함성원, 조무현, 남인식, '유전체 플라즈마 방전을 이용한 톨루엔 분해 공정에서 충전물, 인가 전압, 가스 조성 및 전압 극성이 분해효율 및 전력 전달에 미치는 영향,' 화학공학, 40(1), 121-127(2002)
  6. Li, D., Yakushiji, D., Kanazawa, S., Ohkubo, T., and Nomoto, Y., 'Decomposition of Toluene by Streamer Corona Discharge with Catalyst,' J. Electrostatics, 55, 311- 319(2002) https://doi.org/10.1016/S0304-3886(01)00213-3
  7. Tanthapanichakoon, W., Charinpanitkul, T., Chaiyo, S., Dhattavom, N., Chaichanawong, J., Sano, N., and Tamon, H., 'Effect of Oxygen and Water Vapor on the Removal of Styrene and Ammonia from Nitrogen by Non-Pulse Corona Discharge at Elevated Temperatures,' Chem. Eng. J., 97, 213-223(2004) https://doi.org/10.1016/S1385-8947(03)00212-2
  8. Ogata, A., Yamanouchi, K., Kushiyama, S., and Yamamoto, T., 'Decomposition of Benzene using AluminaHybrid and Catalyst-Hybrid Plasma Reactor,' IEEE Ind. Applicat., 35(6), 1289 -1295(1999) https://doi.org/10.1109/28.806041
  9. Ogata, A., Shintani, N., Mizuno, K., Kushiyama, S., and Yamamoto, T., 'Decomposition of Benzene using a Nonthermal Plasma Reactor Packed with Ferroelectric Pellets,' IEEE, Ind. Applicat., 35(4), 753-759(1999) https://doi.org/10.1109/28.777181
  10. Kim, H. H., Oh, S. M., Ogata, A., and Futamura, S., 'Decomposition of Benzene using Ag/$TiO_2$ Packed Plasma-Driven Catalyst Reactor: Influence of Electrode Configuration and Ag-Loading Amount,' Catal. Lett., 96(3-4), 189-194(2004) https://doi.org/10.1023/B:CATL.0000030119.69922.07
  11. Kim, H. H., Lee, Y. H., Ogata, A., and Futamura, S., 'Plasma-Driven Catalyst Processing Packed with Photocatalyst for Gas-Phase Benzene Decomposition,' Catal. Commun., 4, 347-351(2003) https://doi.org/10.1016/S1566-7367(03)00086-4
  12. National Research Council, 'Indoor Pollutants,' National Academy press(1981)
  13. U.S. EPA, 'Indoor Air Quality Implementation Plan' (1987)
  14. Kim, H. H., 'Nonthermal Plasma Processing for Air Pollution Control: A Historical Review, Current Issues and Future Prospects,' Plasma Processes and Polymers, 1, 91-110(2004) https://doi.org/10.1002/ppap.200400028
  15. Calvert, J. G., Atkinson, R., Becker, K. H., Kamens, R. M., Seinfeld, J. H., Wallington, T. J., and Yarwood, G., 'The Mechanism of Atmospheric Oxidation of Aromatic Hydrocarbons,' Oxford University Press(2002)
  16. Anderson, G. K., Snyder, H., Coogan, J., 'Oxidation of Styrene in a Silent Discharge Plasma,' Plasma Chem. Plasma Proc., 19, 131-151(1999)
  17. Eliasson, B. and Kogelschatz, U., 'Modeling and Applications of Silent Discharge Plasmas,' IEEE Trans. Plasma Sci., 19, 309-323(1991) https://doi.org/10.1109/27.106829