MEK 냄새, 이온클러스터는 어떻게 제거할까?
도장공장, 인쇄공장, 접착제나 세정제를 사용하는 생산현장에서는 특유의 강한 화학약품 냄새가 발생하는 경우가 있습니다.
그 원인 물질 가운데 대표적인 것이 MEK(Methyl Ethyl Ketone, 메틸에틸케톤)입니다.
MEK는 무엇인가?
MEK의 또 다른 이름은 2-Butanone(2-부탄온)입니다.
화학식은
C₄H₈O
이며 구조를 간단하게 나타내면
CH₃–C(=O)–CH₂–CH₃
입니다.
미국 국립보건원 산하 PubChem에서도 MEK의 분자식과 구조식을 각각 C₄H₈O와 CH₃COCH₂CH₃로 제시하고 있습니다.
쉽게 생각하면 탄소(C) 4개가 연결되어 있고 그 사이에 산소(O)가 포함되어 있는 작은 유기물 분자입니다.
가운데 있는
C=O
부분을 화학적으로는 카보닐기(Carbonyl group)라고 합니다.
MEK가 바로 ‘케톤(Ketone)’이라는 이름을 갖는 이유도 이 구조 때문입니다.
이온클러스터가 MEK를 제거하는 원리
LOWIS 이온클러스터 발생장치는 플라즈마 방전 원리를 이용합니다.
MEK가 분해되는 과정, 5단계로 쉽게 보면
① 공기를 활성화합니다
이온클러스터 발생부에 고전압이 걸리면 DBD 플라즈마 방전이 일어납니다.
이 과정에서 공기 중에 고에너지 전자, 양·음이온, 원자상 산소(O), OH 라디칼 등 반응성이 높은 물질이 만들어집니다.
쉽게 말하면,
평범한 공기가 → MEK와 반응할 수 있는 활성화된 공기로 바뀌는 단계입니다.
② 활성종이 MEK 분자를 공격합니다
공기 중 MEK의 구조는
CH₃–C(=O)–CH₂–CH₃
입니다.
MEK가 이온클러스터가 형성된 공간을 지나가면 고에너지 전자와 직접 충돌하거나, 플라즈마에서 생성된 활성종과 만나게 됩니다.
이때부터 MEK 분자의 안정적인 구조가 흔들리기 시작합니다.
③ MEK가 불안정한 상태로 바뀝니다
OH 라디칼과 같은 반응성이 높은 물질은 MEK에서 수소(H)를 떼어낼 수 있습니다.
그러면 안정했던 MEK가 반응성이 높은 MEK 라디칼로 변합니다.
쉽게 표현하면,
안정한 MEK → 수소가 떨어져 나감 → 불안정한 MEK 라디칼
이 되는 것입니다.
④ 산소가 달라붙으며 분해가 본격적으로 시작됩니다
불안정해진 MEK 라디칼은 주변의 산소(O₂)와 빠르게 반응합니다.
이 과정에서 여러 산화 중간물질이 만들어지고, 연쇄적인 산화반응이 이어지면서 원래의 MEK 분자구조가 점점 무너집니다.
특히 연구에서는 원자상 산소(O)가 MEK 분해에 중요한 역할을 하는 것으로 보고되고 있습니다.
⑤ 큰 MEK 분자가 더 작은 물질로 바뀝니다
산화반응이 계속되면 탄소 4개로 이루어진 MEK의 구조가 끊어지면서 더 작은 유기물로 변합니다.
그리고 충분한 반응시간과 활성종이 공급되면 추가 산화를 거쳐
MEK → 작은 산화 중간물질 → CO₂ + H₂O 방향
으로 분해가 진행됩니다.
즉 이온클러스터는 MEK 냄새를 단순히 가리는 것이 아니라,
MEK 분자의 화학구조 자체를 변화시키고 단계적으로 산화·분해하는 방식입니다.
한눈에 보면
DBD 플라즈마 방전 ↓ 전자·이온·활성산소 생성 ↓ MEK 분자 공격 ↓ MEK가 불안정한 라디칼로 변화 ↓ 산소와 연쇄적인 산화반응 ↓ 분자구조 분해 ↓ 더 작은 물질 → CO₂·H₂O 방향으로 산화
이것이 이온클러스터가 MEK와 같은 VOC에 작용하는 핵심 원리입니다.
실제 실험에서도 MEK 제거가 확인됐습니다
원리만으로 설명하는 것보다 중요한 것은 실제로 MEK가 제거됐는가입니다.
2023년 한국생산기술연구원과 경희대학교 연구진은 MEK(2-Butanone)를 직접 DBD 플라즈마 반응기에 통과시키는 실험을 진행했습니다.
실험은 상온 298 K, 대기압 조건에서 진행됐으며, 상대습도 40%, 유량 1 L/min, 인가전압 4.3 kV 조건에서 MEK 농도에 따른 제거효율을 측정했습니다.
그 결과 DBD 플라즈마만 사용했음에도 MEK 농도가 뚜렷하게 감소했습니다.
DBD 플라즈마의 MEK 제거 실험 결과
MEK 농도 | MEK 제거효율 |
20 ppm | 66.11% |
50 ppm | 62.27% |
70 ppm | 55.20% |
100 ppm | 51.46% |
특히 20 ppm의 MEK에서는 66.11%, 50 ppm에서는 62.27%의 제거효율이 측정됐습니다.
이 결과는 단순히 “플라즈마가 VOC에 반응할 수 있다”는 이론적인 설명이 아닙니다.
실제 MEK를 DBD 플라즈마에 통과시킨 뒤, MEK 농도가 감소한 것을 실험으로 확인한 결과입니다.
앞에서 설명한 것처럼 DBD 플라즈마가 발생하면 고에너지 전자와 이온, 라디칼, 활성산소종 등이 생성됩니다.
이러한 반응성 물질들이
MEK 분자와 충돌하고 → 분자를 불안정하게 만들고 → 산화반응을 일으키면서 → MEK의 분자구조를 변화시키는 과정
이 실제 제거효율로 나타난 것입니다.
즉,
DBD 플라즈마 → 활성종 생성 → MEK와 반응 → MEK 분해·저감
이라는 과정이 실제 실험에서도 확인된 것입니다.
연구 출처
이준하·조영민·김상범,「고도산화기술을 적용한 실내공간 휘발성유기화합물 분해 연구」한국대기환경학회지, 2023, Vol.39, No.3, pp.320–334DOI: 10.5572/KOSAE.2023.39.3.320
한국생산기술연구원·경희대학교 공동 연구
다른 연구에서도 MEK 분해 효과가 반복적으로 확인됐습니다
앞서 살펴본 국내 연구뿐만 아니라, 다른 연구에서도 DBD 플라즈마를 이용한 MEK 분해 효과가 확인되고 있습니다.
2021년 연구에서는 MEK 91.5% 분해
2021년 국제학술지 Process Safety and Environmental Protection에 발표된 연구에서는 Surface DBD 방식의 비열플라즈마 반응기를 이용해 저농도 VOC를 처리하는 실험을 진행했습니다.
연구진은 3개의 Surface DBD 반응기를 직렬로 구성하고 MEK, 톨루엔, n-헥산, 아세트알데히드 등을 대상으로 분해효율을 측정했습니다.
20 ppm 조건에서 결과는 다음과 같았습니다.
n-Hexane 97.3%Toluene 96.6%MEK 91.5%Acetaldehyde 90.4%
MEK 역시 91.5%라는 높은 분해효율을 나타냈습니다.
이 결과에서 중요한 것은 단순히 91.5%라는 숫자만이 아닙니다.
앞서 소개한 2023년 한국생산기술연구원·경희대학교 연구와는 다른 장치와 조건에서 실시한 연구에서도 MEK가 DBD 플라즈마에 의해 실제로 분해됐다는 점입니다.
즉, DBD 플라즈마에 의한 MEK 분해는 하나의 실험에서만 나타난 현상이 아니라 여러 연구에서 반복적으로 확인되고 있습니다.
연구 출처Ji Hun Bang, Christian Ariane Santos, Young Min JoEnergy efficient treatment of indoor volatile organic compounds using a serial dielectric barrier discharge reactorProcess Safety and Environmental Protection, Vol.153, 2021, pp.29–36DOI: 10.1016/j.psep.2021.07.009
이미 1997년 연구에서도 MEK 80% 이상 제거
MEK를 플라즈마로 제거하는 연구는 최근에 시작된 것도 아닙니다.
1997년 Chang과 Chang은 AIChE Journal에 MEK와 톨루엔을 Silent Discharge Plasma로 처리한 연구를 발표했습니다.
그 결과 MEK와 톨루엔 모두 80% 이상의 제거효율을 나타냈습니다.
더 중요한 점은 이 연구에서 왜 MEK가 제거되는지에 대한 원리까지 설명했다는 것입니다.
연구진이 제시한 주요 반응은 크게 두 가지입니다.
① 고에너지 전자가 MEK와 직접 충돌
플라즈마 방전 과정에서는 높은 에너지를 가진 전자가 만들어집니다.
이 전자가 공기 중 MEK 분자와 직접 충돌하면서 MEK 분자를 활성화시키거나 분자구조의 변화를 일으킬 수 있습니다.
② 플라즈마에서 생성된 라디칼이 MEK와 반응
플라즈마 방전은 전자만 만드는 것이 아닙니다.
공기 중 산소와 수분 등이 활성화되면서 반응성이 높은 라디칼과 활성종도 만들어집니다.
이러한 활성종들이 MEK와 만나 산화반응을 일으키면서 MEK의 화학구조가 변화하고 분해가 진행됩니다.
즉,
고에너지 전자의 직접 충돌 + 플라즈마에서 만들어진 활성종과의 반응
이 함께 MEK 분해에 작용하는 것입니다.
연구진은 특히 산소(O₂)가 VOC 제거에 중요한 역할을 한다는 점도 확인했습니다.
연구 출처Moo Been Chang, Chun-Cheng ChangDestruction and removal of toluene and MEK from gas streams with silent discharge plasmasAIChE Journal, Vol.43, No.5, 1997, pp.1325–1330DOI: 10.1002/aic.690430521
그렇다면 산소는 MEK 분해에서 어떤 역할을 할까요?
여기에서 한 단계 더 들어간 연구가 있습니다.
2023년 Chemical Engineering Science에 발표된 연구에서는 MEK를 직접 대상으로 플라즈마 촉매 반응에서 어떤 활성종이 MEK 분해에 중요한 역할을 하는지 조사했습니다.
연구진은 질소(N₂), 산소(O₂), 공기 등 서로 다른 조건에서 실험하면서 MEK 분해에 관여하는 반응성 물질을 분석했습니다.
그 결과 특히 주목할 만한 결론이 나왔습니다.
MEK 분해에서 ‘원자상 산소(O)’의 역할이 매우 중요했습니다.
우리가 평소 호흡하는 공기 속 산소는 대부분
O₂
형태입니다.
즉 산소 원자 두 개가 붙어 있는 비교적 안정적인 상태입니다.
하지만 플라즈마 방전이 일어나면 고에너지 전자가 공기 중 산소와 충돌하면서 산소가 훨씬 반응성이 높은 상태로 바뀔 수 있습니다.
쉽게 표현하면,
평범한 산소 O₂↓플라즈마 방전↓반응성이 높은 산소계 활성종 생성↓MEK와 반응↓산화·분해
의 과정입니다.
2023년 연구에서는 여러 플라즈마 활성종 가운데 특히 원자상 산소(Atomic Oxygen, O)가 MEK 제거에서 중요한 역할을 하는 것으로 분석됐습니다.
연구진은 MEK 분해 과정에서 발생하는 부산물까지 분석하여 MEK(C₄H₈O)가 어떤 경로를 거쳐 산화되는지에 대한 반응경로도 제시했습니다.
연구 출처Van Toan Nguyen 외Critical role of reactive species in the degradation of VOC in a plasma honeycomb catalyst reactorChemical Engineering Science, Vol.276, 2023, 118830DOI: 10.1016/j.ces.2023.118830
쉽게 정리하면 이렇습니다
MEK가 플라즈마에 의해 제거되는 것을 단순히
“강한 전기로 MEK를 태운다”
라고 생각하면 정확하지 않습니다.
실제로는 훨씬 복합적인 반응이 일어납니다.
DBD 플라즈마 방전
↓
고에너지 전자 발생
↓
공기 중 산소와 수분 활성화
↓
이온·라디칼·원자상 산소 등 반응성 활성종 생성
↓
전자와 활성종이 MEK 분자와 충돌·반응
↓
MEK 분자구조 변화
↓
연쇄적인 산화·분해
이러한 과정으로 이해하는 것이 더 정확합니다.
결국 핵심은 ‘공기를 활성화하는 것’입니다.
DBD 플라즈마는 공기 중에서 고에너지 전자와 다양한 이온, 라디칼, 활성산소종을 만들어냅니다.
그리고 이들이 MEK와 만나면서 MEK 분자의 화학구조를 변화시키고 산화·분해 반응을 진행시키는 것입니다.
1997년 연구에서는 고에너지 전자와 라디칼의 역할이 확인됐고, 2021년 연구에서는 실제 MEK 91.5%의 분해효율이 보고됐으며, 2023년 연구에서는 그중에서도 원자상 산소가 MEK 제거에 중요한 역할을 한다는 사실이 확인됐습니다.
서로 다른 시기에 진행된 여러 연구가 하나의 방향을 가리키고 있습니다.
DBD 플라즈마에서 생성되는 전자와 반응성 활성종은 MEK와 실제로 반응하며, 그 결과 MEK의 산화·분해가 일어납니다.
이것이 이온클러스터 기술을 이용한 MEK 저감 원리를 이해하는 중요한 과학적 근거입니다.
그렇다면 12 eV는 어떤 의미일까요?
LOWIS 기술자료에서 약 12 eV 수준까지의 처리 범위가 확인돼 있다면 이 수치 역시 의미 있는 기술자료가 될 수 있습니다.
MEK의 기체상 이온화에너지는 미국 NIST Chemistry WebBook 기준
9.52 ± 0.04 eV
입니다.
따라서 LOWIS의 12 eV 관련 자료와 MEK의 9.52 eV를 비교하면 MEK가 이온클러스터 기술의 반응 대상으로 검토될 수 있다는 하나의 참고자료가 될 수 있습니다.
그러나 여기에서 꼭 짚고 넘어가야 할 것이 있습니다.
12 eV > 9.52 eV이기 때문에 MEK가 무조건 제거된다고 설명하는 것은 정확하지 않습니다.
이온화에너지란 기체 분자에서 전자를 하나 떼어내는 데 필요한 에너지입니다.
MEK의 실제 분해는 단순히 이온화에너지를 넘느냐의 문제만으로 결정되지 않습니다.
고에너지 전자의 충돌, 이온반응, 산소계 활성종과 라디칼의 반응, MEK 농도, 접촉시간과 풍량 등 여러 요소가 함께 작용합니다.
따라서 LOWIS의 12 eV 자료는 “반응 가능한 에너지 영역을 보여주는 보조자료”로 사용하고,
MEK 제거의 핵심 원리는 DBD 플라즈마에서 생성되는 전자·이온·활성종에 의한 산화분해로 설명하는 것이 과학적으로 훨씬 정확합니다.
결국 이온클러스터가 하는 일은 무엇일까요?
이온클러스터가 MEK를 작은 그물로 잡아내는 것이 아닙니다.
활성탄처럼 표면에 MEK를 저장하는 것도 아닙니다.
향기를 뿌려 MEK 냄새를 감추는 것도 아닙니다.
LOWIS의 DBD 플라즈마 기반 이온클러스터 기술은 공기 자체를 활성화해 만들어진 전자·이온·반응성 활성종을 MEK와 반응시키는 방식입니다.
그 과정에서
MEK 분자의 안정성이 깨지고 → 라디칼과 산화 중간체가 생성되고 → 탄소 구조가 변하면서 → 보다 작은 물질로 산화되고 → 충분한 반응이 이루어질 경우 CO₂와 H₂O 방향으로 추가 분해
됩니다.
바로 이것이 이온클러스터를 “단순 냄새 제거”가 아니라 “분자 수준에서 VOC에 반응하는 기술”이라고 설명할 수 있는 이유입니다.
연구결과로 다시 한번 확인해 보면
한국생산기술연구원·경희대학교의 2023년 연구에서는 DBD 플라즈마 단독으로 MEK 20 ppm에서 66.11%, 50 ppm에서 62.27%의 제거효율이 확인됐습니다.
2021년 Surface DBD 연구에서는 20 ppm MEK에 대해 91.5%의 분해효율이 보고됐습니다.
1997년 Silent Discharge Plasma 연구에서는 MEK와 톨루엔 모두 80% 이상의 제거효율이 확인됐으며, 고에너지 전자의 직접충돌과 플라즈마에서 생성된 라디칼 반응을 주요 메커니즘으로 제시했습니다.
2023년 MEK 플라즈마 촉매 연구에서는 원자상 산소가 MEK 제거에서 중요한 역할을 한다는 것도 확인됐습니다.
이처럼 서로 다른 연구에서 공통적으로 나타나는 핵심은 같습니다.
“플라즈마가 만들어내는 고에너지 전자와 다양한 반응성 활성종이 MEK 분자와 직접 반응하여 산화·분해를 유도한다.”
이것이 MEK 저감에 이온클러스터 기술을 적용할 수 있는 가장 중요한 과학적 근거입니다.
참고문헌 및 근거자료
이준하·조영민·김상범, 2023 「고도산화기술을 적용한 실내공간 휘발성유기화합물 분해 연구」 Journal of Korean Society for Atmospheric Environment, Vol.39, No.3, pp.320-334. DOI: 10.5572/KOSAE.2023.39.3.320 한국생산기술연구원·경희대학교 연구. DBD 플라즈마에서 MEK를 직접 시험했으며 20 ppm 66.11%, 50 ppm 62.27%의 제거효율을 보고했습니다.
Ji Hun Bang, Christian Ariane Santos, Young Min Jo, 2021 Energy efficient treatment of indoor volatile organic compounds using a serial dielectric barrier discharge reactor Process Safety and Environmental Protection, Vol.153, pp.29-36. DOI: 10.1016/j.psep.2021.07.009 20 ppm MEK에 대해 91.5%의 분해효율을 보고했습니다.
Moo Been Chang & Chun-Cheng Chang, 1997 Destruction and removal of toluene and MEK from gas streams with silent discharge plasmas AIChE Journal, Vol.43, No.5, pp.1325-1330. DOI: 10.1002/aic.690430521 MEK와 톨루엔 모두 80% 이상의 제거율을 보고했으며, 고에너지 전자충돌과 기체상 라디칼 반응을 주요 제거 메커니즘으로 제시했습니다.
Chemical Engineering Science, 2023 Critical role of reactive species in the degradation of VOC in a plasma honeycomb catalyst reactor Vol.276, 118830. DOI: 10.1016/j.ces.2023.118830 MEK(C₄H₈O)의 플라즈마 산화경로를 연구하고 원자상 산소와 촉매 표면반응이 중요한 역할을 한다고 보고했습니다.
Gao et al., RSC Advances, 2020 Ab initio kinetics predictions for the role of pre-reaction complexes in hydrogen abstraction from 2-butanone by OH radicals DOI: 10.1039/D0RA05332E OH 라디칼에 의한 2-butanone의 수소 추출 반응 메커니즘을 분석한 연구입니다.
NIST Chemistry WebBook — 2-Butanone MEK의 분자식 C₄H₈O 및 기체상 이온화에너지 평가값 9.52 ± 0.04 eV를 제공합니다.
대한민국 등록특허 KR101156604B1 — 이온클러스터 발생장치 플라즈마 방전을 이용한 이온클러스터 발생 원리와 산소계·수산화계 이온의 발생, 양·음 이온클러스터 발생구조에 관한 내용을 확인할 수 있습니다.
※ 본문에서 소개한 MEK 제거율은 각 연구기관의 해당 실험장치와 조건에서 측정된 수치이며 LOWIS 제품의 동일한 제거율을 의미하지 않습니다. 실제 현장의 MEK 저감효율은 오염물질 농도, 발생량, 풍량, 체류시간, 온·습도, 장비 구성 및 설치조건에 따라 달라질 수 있습니다.
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