워터젯 글라이딩 아크 플라즈마 스크러버를 이용한 CF4 분해

Abstract

과학기술이 발달하여 다양한 물질들이 합성되고, 중화학공업의 발달과 생활수준의 향상 등의 영향으로 범지구규모의 환경문제인 지구온난화현상이 심화되고 있다. 지구온난화에 기여하는 물질별 기여율은 CO2 88.6%, CH4 4.8%, N2O 2.8%,수소불화탄소(HFCs)․과불화탄소(PFCs)․육불화황(SF6) 3.8% 및 수증기․오존․CFC(R-11, 12, 22), 할론 1301, NAFs 등으로 알려져 있으며, 이 중 자연계에 존재하는 것은 수증기, 이산화탄소, 메탄, 아산화질소 및 오존이고 인공적으로 배출되는 것은 염화불화탄소(Chlorofluorocarbons; CFCs), 수소불화탄소 화합물(Hydrofluorocarbons; HFCs)과 과불화탄소 화합물(Perfluorocompounds; PFCs) 등이다. PFCs는 반도체 제조공정의 회로제조과정에서 식각(Etching) 또는 화학기상증착(CVD) 공정에 주로 사용되며, 이 중 CF4는 CO2보다 지구온난화지수가 5,700배나 높고 대기 중의 잔류시간(lifetime)이 약 50,000년 정도로 매우 길다. PFCs의 저감방법으로는 대체물질 사용, 재사용 및 분해방법 등을 생각할 수 있으나, 대체물질이 아직 개발되지 않았기 때문에 재사용이나 분해방법이 사용되는데[1], PFCs의 분해기술에는 고온 소각법, torch와 같은 고온 플라즈마 소각법 및 DBD(Dielectric barrier discharge)와 같은 저온 플라즈마 소각법이 있다. 저온 플라즈마 소각법인 글라이딩 아크 플라즈마는 비열평형 플라즈마와 열평형 플라즈마의 장점을 동시에 가지고 있으며, 다양한 난분해성 물질을 분해하는데 사용되어 왔다[2]. 한편 저온 플라즈마 소각법에 주입하는 물을 수증기로 사용하지 않고 제트형태로 주입할 경우 에너지 소비량이 적고 장치가 간단하며, 전력을 인가할 때 워터젯에서 절연파괴가 발생하며[3], 워터젯 표면에서 방전이 형성되어 강력한 UV radiation, short-wave가 발생된다[4]. 글라이딩 아크 플라즈마 스크러버를 이용하여 CF4를 분해할 때, 생성되는 주 부산물인 불화수소는 용해도가 높아 물에 용해되어 배출된다. 불화수소 함유폐수는 수생 생태계에 유해하며, 동물이 섭취할 경우 반상치, 골 연화, 건과 인대의 경화작용 및 신경계 이상을 나타내는 등 각종 질병을 유발한다고 알려져 있다. 불화수소 함유폐수의 처리방법으로는 흡착법, 침전법, 막분리법, 이온교환법, 전기응고법 등이 있다. 소석회를 이용한 침전법은 과잉주입에 따른 비용 및 슬러지 처리의 문제가 있으나, 액체와 가스를 동시에 제거할 수 있는 장점이 있고, 전기응고법은 처리효율이 높고 장치가 간단하며, 약품소비량이 적은 장점이 있다. 본 연구에서는 CF4를 효율적으로 분해시키기 위하여 글라이딩 아크 플라즈마와 워터젯을 결합한 장치를 개발하고, CF4가 분해될 때 부산물로 발생되는 불화수소를 처리하기 위하여 전기응고법과 침전법을 병용하는 시스템을 개발하였다. 또 개발한 장치의 적정운전조건을 모색하기 위하여 CF4 분해에 영향을 미치는 워터젯 주입량과 전력량을 조사하고, 부산물 처리의 영향인자로서 전기응고법에서는 pH와 전류밀도, 침전법에서는 pH와 Ca(OH)2 주입량 등을 조사하였다.|Perfluorocompounds (PFCs) have been extensively used for plasma etching and chemical vapor deposition (CVD) gases for the semiconductor manufacturing processes. PFCs have significant effects on global warming, and have very long atmospheric lifetimes. Moreover, the wastewater, including fluorine, would be caused by groundwater pollution. The long-term consumption of water containing excessive fluoride can lead to fluorosis of the teeth and bones. In this study, a waterjet gliding arc plasma system in which plasma is combined with waterjet was developed, and the optimum operating conditions for efficient CF4 destruction were investigated by enlarging the discharge region and producing a large amount of OH radicals. The CF4 decomposed by the waterjet plasma produces HF and is dissolved in the waterjet. The present system in the work utilized electrocoagulation and calcium hydroxide, which is very effective for getting rid of hydrogen fluoride from wastewater. For the experimental parameters, the waterjet flow rate and input power were used for the waterjet plasma scrubber, the initial pH and current density for the electrocoagulation process, and the reaction pH and Ca(OH)2 injection volume for the calcium hydroxide process. It was found in the parametric experiment that the total CF4 decomposition efficiency was 99.2%; the removal efficiencies of CO2 and HF, which are the byproducts in the gas, were 69.4 and 78%, respectively; and the removal efficiency of HF, which is the byproduct in the liquid, was 99.3%.