KR100353263B1 - 광촉매를 이용한 배기정화장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 세라믹 담체와, 상기 담체에 코팅되는 광촉매와, 상기 광촉매를 여기시키는 광원으로 사용하는 전극으로 구성된 광촉매를 이용한 배기정화장치에 있어서, 상기 정화시스템 전방의 배기관에 산소공급을 위한 산소공급부를 설치함을 특징으로 하는 광촉매를 이용한 배기정화장치에 관한 것으로서,

본 발명의 광촉매를 이용한 배기정화장치는 흡입구를 막는 판과, 외부 대기압과 배기관내 압력의 차이로 압축 또는 신축되는 스프링으로 구성된 산소공급부를 설치함을 특징으로 하며,

본 발명의 광촉매를 이용한 배기정화장치의 실시로 상기 배기정화장치를 거치는 배기를 효율적으로 정화시킬 수 있는 뛰어난 효과가 있다.

Description

광촉매를 이용한 배기정화장치 {Device for the cleaning of the exhaust gas utilizing photo-catalyst}

본 발명은 광촉매를 이용한 배기정화장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 본 발명은 세라믹 담체와, 상기 담체에 코팅되는 광촉매와, 상기 광촉매를 여기시키는 광원으로 사용하는 전극으로 구성된 광촉매를 이용한 배기정화장치에 있어서, 상기 정화시스템 전방의 배기관에 산소공급을 위한 산소공급부를 설치함을 특징으로 하는 광촉매를 이용한 배기정화장치에 관한 것이다.

종래에는 차량을 시동시킬 때의 배기를 정화시키기 위해 체적당 표면적이 큰 허니콤형 담체와, 상기 담체위에 코팅된 백금등의 귀금속 촉매와, 중간층으로 비표면적이 큰 γ-Alumina 층과, 상기 γ-Alumina 층을 코팅한 TiO₂등의 광촉매와 상기 광촉매를 활성화시키기 위한 광원으로 구성된 대한민국 특허출원번호 제 98-43937 호의 배기정화용 광촉매 시스템이 개발되었다. 그러나 상기 광촉매를 이용한 정화시스템을 자동차 배기정화용으로 사용할 경우 이론공연비 근처에서 운전되거나 냉시동시 배기내 산소농도가 낮은 경우 배기정화효율이 높지 않은 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 세라믹 담체와, 상기 담체에 코팅되는 광촉매와, 상기 광촉매를 여기시키는 광원으로 사용하는 전극으로 구성된 광촉매를 이용한 배기정화장치에 있어서, 상기 정화시스템의 배기정화효율을 향상시킬 수 있는 광촉매를 이용한 배기정화장치를 제공하는 데 있다.

이를 실현하기 위한 본 발명은세라믹 담체와, 상기 담체에 코팅되는 광촉매와, 상기 광촉매를 여기시키는 광원으로 사용하는 전극으로 이루어진 광촉매를 이용한 배기정화장치에 있어서,상기 배기정화장치의 배기관에 흡입구를 막는판과, 외부대기압과 배기관내 압력차이로 압축 또는 신축되는 스프링으로 구성된 산소공급부를 설치하여 이루어지는 광촉매를 이용한 배기정화장치를 제공하는데 있습니다.본 발명은 세라믹 담체와, 상기 담체에 코팅되는 광촉매와, 상기 광촉매를 여기시키는 광원으로 사용하는 전극으로 구성된 광촉매 시스템에 있어서, 상기 정화시스템 전방의 배기관에 흡입구를 막는 판과, 외부 대기압과 배기관내 압력의 차이로 압축 또는 신축되는 스프링으로 구성된 산소공급부를 설치함으로써 50% 이상의 높은 정화효율을 달성하였다.

이하, 본 발명의 구체적인 구성 및 작용을 첨부도면을 참조하여 실시예에 따라 상세히 설명하지만 본 발명의 실시예는 그 기본적인 예시에 불과하며 이를 변경한 어떠한 형상과 구조로 된 것이라 하더라도 본 발명의 권리범위를 제한하는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 실시예 1의 실험장치의 개략도,

도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 광촉매를 이용한 배기정화장치에 인입되는 처리개스의 산소농도에 따른 배기정화효율 측정결과,

도 3은 본 발명의 실시예를 설명하는 개략도,

도 4는 본 발명의 일 실시예인 산소공급부가 배기관 내에 설치된 경우를 나타낸 설명도,

도 5는 본 발명의 일 실시예인 산소공급부가 배기관 밖에 설치된 경우를 나타낸 설명도,

도 6은 본 발명의 또 다른 실시예인 공기유도관이 추가로 설치된 산소공급부를 나타낸 설명도,

도 7은 도 6의 공기유도관에 송풍팬이 추가로 설치된 산소공급부를 나타낸 설명도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 광촉매를 이용한 배기정화장치 2 : 배기관

3 : 산소공급부 4 : 흡입구

5 : 판 6 : 스프링

7 : 개구부 8 : 공기유도관

9 : 송풍팬

도 1은 본 발명의 실시예 1의 실험장치의 개략도이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 광촉매를 이용한 배기정화장치에 인입되는 처리개스의 산소농도에 따른 배기정화효율 측정결과이고, 도 3은 본 발명의 실시예를 설명하는 개략도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예인 산소공급부가 배기관 내에 설치된 경우를 나타낸 설명도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예인 산소공급부가 배기관 밖에 설치된 경우를 나타낸 설명도이고, 도 6은 본 발명의 또 다른 실시예인 공기유도관이 추가로 설치된 산소공급부를 나타낸 설명도이고, 도 7은 도 6의 공기유도관에 송풍팬이 추가로 설치된 산소공급부를 나타낸 설명도이다.

이하에서는 본 발명의 광촉매 배기정화시스템의 효율향상방법 및 그 장치에 대하여 실시예에 따라 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

실시예 1 : 광촉매를 이용한 배기정화장치에 인입되는 처리개스의 산소농도에 따른 배기정화효율

본 발명의 실시 효과를 보기 위하여 광촉매를 이용한 배기정화장치에 인입되는 처리개스의 산소농도에 따른 배기정화효율을 측정하였다.

본 실시예에 사용한 실험장치는 크게 개스공급부, 자외선반응부, 분석부의 3부분으로 나눌 수 있으며 전체적인 실험장치도는 도 1과 같다. 본 실시예에 사용된 주반응개스는 500ppm 프로판(C3H8)개스를 사용하였으며 초기 5000ppm의 프로판개스를 21%의 산소 및 질소와 함께 믹싱챔버(Mixing Chamber)로 공급하고 산소와 질소의 유속을 조절하여 프로판의 농도를 500ppm으로 일정하게 유지하면서 전체 혼합개스내 산소의 농도가 조절되도록 하였다. 혼합개스의 전체유속은 2 ℓ/min이었으며 개스의 유속은 유량계(Mass Flow Controller)를 이용하여 정확히 조절하였다. 이러한 방법으로 조성된 혼합개스는 반응기로 공급되기 이전에 일부 배출되도록 하여 반응에 참여하는 개스의 유속을 일정하게 유지되도록 하였다. 또한 반응개스내 수분의 공급은 저수조(water bath)를 이용하여 증발기 내부를 일정온도로 설정함으로써 원하는 수분의 농도가 공급되도록 하였다. 실제 반응실험에 도입된 개스의 조성은 프로판 500ppm, 산소 0.84%∼10%, 수분 2%∼12%로 산소와 수분의 농도를 각각 달리하여 촉매층에 공급하였다.

광활성화에 필요한 광원은 200W, 주파장 360nm의 수은이 충전된 자외선 램프(세명벡트론)를 사용하였다. 반응기는 외경 3/8", 250mm 길이의 석영관 (Quartz)으로 반응기 중간에 석영필터(quartz filter)를 장착하여 사용하였다. 반응기 내부로 유입되는 반응개스의 유속은 30cc/min, 촉매의 양은 0.05g으로 모든 실험에 대하여 동일하게 적용하였으며 자외선 램프로부터 방출되는 열에 의한 반응온도의 급상승을 억제하기위해서 램프 주위에 압축공기를 흘려주었다.

반응 전·후의 프로판의 농도변화는 FID(Flame Ionization Detector)가 장착된 개스 크로마토그래프(Gas Chromatography, HP 5890)를 이용하여 분석하였고 분석조건은 표 1과 같다.

개스 크로마토그래프의 실험조건

컬럼(column)	1/8" r-Al2O3 packed column
디텍터 온도	FID, 200 ℃
인젝터 온도	100 ℃
오븐 온도	150 ℃
캐리어 개스	헬륨개스, 30 cc/min
샘플링 파트	6-port 판, 2분 간격

상기 표 1에 의한 실험방법으로 측정한 산소농도에 따른 배기정화효율(프로판 전환율)을 도 2에 나타내었다. 도 2에서 보듯이, 산소농도가 5%까지 증가 함에 따라 배기정화율이 크게 증가하나 그 이상에서의 배기정화율의 증가율은 크게 감소되는 것을 알 수 있으며, 5%이하에서는 100 ℃에서 80% 이하로 낮은 것을 알 수 있다.

따라서 광촉매 시스템에 있어서, 그 배기관내의 처리개스의 산소농도를 5% 이상으로 인위적으로 유지함으로써 광촉매 배기정화시스템의 효율을 크게 향상시킬 수 있음을 알 수 있었다.

실시예 2 : 산소공급부를 배기관에 설치

도 3에 도시한 바와 같이 당 실시예는 세라믹 담체와, 상기 담체에 코팅되는 광촉매와, 상기 광촉매를 여기시키는 광원으로 사용하는 전극으로 구성된 광촉매를 이용한 배기정화장치(1)에 있어서, 상기 정화시스템 전방의 배기관(2)에 산소공급을 위한 산소공급부(3)를 설치함을 특징으로 한다.

구체적인 일 실시예를 도 4와 도 5에 나타내었다. 도 4,5에서 보면, 상기 산소공급부(3)는 흡입구(4)를 막는 판(5)과, 외부 대기압과 배기관(2)내 압력의 차이로 압축 또는 신축되는 스프링(6)으로 구성된다.

도 4에 나타낸 바와 같이 스프링(6)은 배기관 내의 압력이 대기압보다 낮은 경우, 대기압이 상기 판(5)을 밀려는 힘이 스프링에 전달되고, 그 압력차가 스프링(6)의 Stiffness 상수보다 큰 경우 스프링(6)은 압축되면서 판(5)은 열리게 되며 외부의 공기가 배기관(2)내에 유입된다.

즉, 대기압(Po)이 배기관내 압력(Pi)과 스프링 압력(Ps)의 합보다 큰 경우 판이 열리게 된다.

Po > Pi + Ps

도 5에 도시한 바와 같이 산소공급부를 배기관 외부에 설치한 경우,

Po + Ps > Pi

이면 판(5)이 열리면서 외부공기가 배기관내에 유입되며, 기타 작용은 상기 실시예와 같다.즉, 본 발명은 광촉매 반응을 원활히 하도록 하기 위한 것으로 배기내에 존재하는 수분과 인위적으로 추가한 산소를 촉매 매개체로 사용하기 위함이다.자세히 설명하면 광촉매는 저온 플라즈마에서 발생하는 자외선 광에 의해 여기되어 전자를 방출하고 정공을 생성한다.배출된 전자는 주위의 산소와 결합하여 오존 및 활성 산소를 만들고, 정공은 주위의 수분과 반응하여 OH 자유반응기를 생성한다.여기서 발생한 자유반응기들은 연쇄적으로 산화반응을 유도하는 물질을 생성하며, 이를 수식적으로 표현하면;TiO₂→TiO₂(h⁺)+ｅ^_O₂+ ｅ^_→O₂ ^{e -}H₂O + →TiO₂(h⁺) →OH + H⁺+ TiO₂O₂ ^{e -}+ H⁺→HO₂HO₂+ ｅ^_+ H⁺→H₂O₂H₂O₂→2OH여기서 발생한 오존은 지구상에 존재하는 물질중에서 2번째로 강한 산화력을 가진 기체로 미연 탄화수소 및 일산화탄소를 부가적인 산소 공급없이 산화시킬 수 있으며, 활성 산소 또한 강력한 산화력을 지니고 있어 미연 탄화수소 및 일산화탄소 성분을 빠르게 산화시킨다.OH 자유 반응기는 인위적으로 만든 화학기 중 가장 강력한 산화력을 지닌 자유기로 미연 탄화수소 및 일산화탄소 산화에 결정적인 역활을 수행한다.따라서 배기내에 산소와 수분이 일정량 이상 존재하는 경우, 광촉매 반응에 의한 산화반응은 원활하게 되는데 일반적인 가솔린 엔진 배기내에는 수분 12% 전후, 산소는 1% 전후로 존재하여 12% 전후로 존재하는 수분은 광촉매 반응에 충분한 반면, 산소는 부족하다.즉, 실험 결과에 의하면 산소가 5% 이상 배기내에 존재할 경우 산화 반응이 급격히 향상되는 결과를 보였다.그리고 대기중에 존재하는 산소 농도는 20% 이상으로 대기중의 공기를 배기량의 27%만을 첨가하여도 배기내에는 5%이상의 산소가 존재하는데, 실험결과에 의하면 산소가 5% 이상 존재하면 정화성능은 포화성능을 보이므로 5%이상 공급하는 경우는 문제가 되지 않아 배기량의 27%에 해당하는 공기를 공급하면 되고 이는 산소공급부(3)의 판(5)이 열리는 것 만으로 유입되는 공기에 의해 만족한 결과를 얻을 수 있게 된다.따라서 본원 발명의 실시예1은 실시예2를 증명하게 되는 실험결과가 된다.

본 발명의 다른 실시예는 상기 산소공급부(3)에 솔레노이드 밸브(미도시)를 설치하고 타이머(미도시) 또는 제어기(미도시) 등과 연계하여 솔레노이드 밸브를 조절하여 외부공기를 배기관(2)내로 유입함으로써 배기관(2)내의 산소농도를 상승시키는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 실시예는 도 6에 도시한 바와 같이 상기 실시예들의 산소공급부(3)가 차량진행 방향으로 개구부(7)가 달린 공기유도관(8)과 판(5)과스프링(6)으로 구성되는 것을 특징으로 하며, 본 발명의 또 다른 실시예는 도 7에 도시한 바와 같이 상기 도 6의 공기유도관(8)에 송풍팬(9)을 부착하여 판(5)에 작용하는 압력을 인위적으로 증가시켜 쉽게 외부공기를 배기관(2)내로 유입함으로써 배기관(2)내의 산소농도를 상승시키는 것을 특징으로한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 광촉매를 이용한 배기정화장치의 실시로 상기 배기정화장치를 거치는 배기를 효율적으로 정화시킬 수 있는 뛰어난 효과가 있으므로, 환경산업상 매우 유용한 발명인 것이다.

Claims (5)

1. 세라믹 담체와, 상기 담체에 코팅되는 광촉매와, 상기 광촉매를 여기시키는 광원으로 사용하는 전극으로 이루어진 광촉매를 이용한 배기정화장치(1)에 있어서,

   상기 배기정화장치의 배기관(2)에 흡입구(4)를 막는판(5)과, 상기 막는판(5)을 탄지하면서 외부 대기압과 배기관(2)내 압력차이로 압축 또는 신축되는 스프링(6)으로 구성된 산소공급부(3)를 설치하여 이루어짐을 특징으로 하는 광촉매를 이용한 배기정화장치.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제 1 항에 있어서, 상기 산소공급부(3)에는 차량 진행방향을 향해 개구부(7)를 형성한 공기유도관(8)을 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 광촉매를 이용한 배기정화장치.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 산소공급부(3)에 구비되는 공기유도관(8)에 송풍팬(9)이 구비된 것을 특징으로 하는 광촉매를 이용한 배기정화장치.