KR100372535B1 - 휘발성 기체 유기화합물 처리장치 및 방법 - Google Patents

휘발성 기체 유기화합물 처리장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 휘발성 기체 유기화합물 처리장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 처리장치는 유입구와 유출구를 갖는 반응기와; 상기 반응기의 내벽면에 적층된 광촉매층과; 상기 반응기에서 자외선광을 조사하는 자외선 램프와; 상기 자외선광이 184.9㎚ 내지 253.7㎚사이의 특정파장을 갖도록 제한하는 편광부를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이에 의하여, 유해한 기체 휘발성 유기화합물을 효율적으로 처리 할 수 있다.

Description

휘발성 기체 유기화합물 처리장치 및 방법 {the Apparatus and Method for Decomposing Volatile Gaseous Organic Compound}
본 발명은, 휘발성 기체 유기화합물 처리장치 및 방법에 관한 것이다.
산업발전과 교통수단의 증가에 따라서 공해물질인 휘발성 유기화합물이 자연의 정화능력을 현저히 초월하여 발생되고 있다. 이러한 휘발성 유기화합물은 화석연료의 연소에 의해서 뿐만 아니라, 도장산업, 인쇄시설 및 세탁시설 등에서 사용되는 유류 및 유기용제에 의해서도 발생한다.
이렇게 발생된 휘발성 유기화합물로서는 TCE(Tri-Cloro Ethylene), 벤젠(C6H6) 및 자일렌(Xylene) 등을 들 수 있으며, 이들은 방향족 탄소화합물들로서 대기 중에 방출되면 쉽게 분해되지 않아 잔류하는 특성이 있고, 독성 및 발암성을 가지고 있어 인체에 미치는 해독성이 클 뿐만 아니라, 성층권의 오존층을 파괴하는 물질로 작용한다.
또한, 휘발성 유기화합물은 지표면에서 자외선을 받으면 오존의 생성을 촉진한다. 대류권에 존재하는 오존은 호흡성 질병을 유발하고 폐기능을 약화시키는 등 인체에 직접적으로 악영향을 미칠 뿐만 아니라, 생태계에 미치는 해악은 동물과 식물들에게 직.간접적으로 광범위하게 나타난다.
그래서, 이러한 휘발성 유기화합물의 대기 중 배출을 억제하기 위한 많은 연구가 있어왔다. 현재, 상용화가 이루어지고 있는 기술로는 연소공정, 촉매산화, 탄소흡착, 바이오필터, 응축, 막기술, 흡수, 플라즈마 공정 등이 있다.
일반적으로 널리 사용되고 있는 직접 연소공정은, 유지비나 연료에 대한 부담이 없는 것이 장점이나, 투자비용과 제조공정 이후에 화재의 위험성 및 연소반응를 이용하여 열을 동반한 산화반응을 일으키기 때문에 주변의 생성물과 부수적으로발생하는 반응에 의한 2차 오염물질 생성이라는 잠재적 문제점을 안고 있다.
그 밖의 다른 기술들은 휘발성 유기화합물 처리 후에 발생되는 문제들과 효율성 문제 등에 의해서 뿐만 아니라 비교적 대용량이므로 비용이나 규모 면에서 작업환경에 적용하기에는 어려운 단점이 있다.
또한, 작업장 내에서의 비교적 소량의 휘발성 유기화합물 처리는 환기 및 후드를 사용한 국소배기와 활성탄을 이용한 흡착 흡수 기술 등이 있는데, 활성탄을 사용하는 흡착법은 활성탄 필터류를 자주 교체해야 하는 불편함과 유지비가 많이 소요된다는 단점이 있다.
따라서, 이러한 비용적인 문제와 2 차 오염부산물 생성 및 실용성 문제를 극복하고 공해물질인 휘발성 유기화합물을 효과적으로 처리할 수 있는 보다 현실적인 처리장치와 처리방법이 요구되고 있다.
따라서, 본 발명의 목적은, 상기의 문제를 해결하고자, 자외선을 조사하여 광산화반응과 광촉매반응을 이용하여 저 비용으로 우수한 처리능력을 가진 휘발성 기체 유기화합물 처리장치와 처리방법을 제공하고자 한다.
도 1은 본 발명에 따른 휘발성 기체 유기화합물 처리장치를 도시한 단면도,
도 2는 반도체광촉매층에서의 광촉매 반응을 에너지 밴드모델로 나타낸 개략도,
도 3은 본 발명에 따른 광촉매층인 이산화티타늄에서의 촉매반응 메카니즘을 나타낸 상세도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
1 - 반응기 3 - 자외선램프
5 - 유입구 7 - 유출구
9 - 편광부 11 - 광촉매층
13 - 가전대 15 - 전도대
17 - 밴드갭에너지
상기 목적은, 본 발명에 따라,유입구와 유출구를 갖는 반응기와; 상기 반응기의 내벽면에 적층된 광촉매층과; 상기 반응기에서 자외선광을 조사하는 자외선 램프와; 상기 자외선광이 184.9㎚ 내지 253.7㎚사이의 특정파장을 갖도록 제한하는 편광부를 포함하는 것을 특징으로 하는 휘발성 기체 유기화합물 처리장치에 의해서 달성된다.
여기서, 상기 휘발성 기체 유기화합물 처리장치는, 상기 반응기가 관상체로 형성되며, 상기 유입구와 유출구는 상기 반응기의 양 단부에 각각 배치되어 있는 것과, 상기 광촉매층은 반도체 물질로 형성되어 있는 것이 바람직하다.
상기 반도체물질은 이산화티타늄인 것과, 상기 자외선램프는 저압램프, 고압램프 및 오존램프 중 어느 하나인 것이 바람직하다.
또한, 상기 자외선광은 100 nm에서 300 nm 사이의 파장대역을 갖고, 특히, 184.9 nm내지 253.7 nm사이의 특정파장인 것이 바람직하며, 상기 자외선램프로부터의 자외선광을 필터링하여 파장대역을 제한하는 편광부를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기의 목적은, 관상형의 반응챔버를 마련하는 단계와;상기 반응챔버의 내벽에 광촉매층을 형성하는 단계와; 상기 반응챔버내로 기체의 휘발성 유기화합물을 유입시키는 단계와; 자외선광이 184.9㎚ 내지 253.7㎚사이의 특정파장을 갖도록 편광부를 통해 조사하는 단계를 특징으로 하는 휘발성 기체 유기화합물 처리방법에 의해서도 달성된다.
이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 휘발성 유기화합물 처리장치를 나타내는 단면도이다. 도시된 바와 같이, 본 처리장치는 관상형의 반응기(1)를 가지고, 반응기(1) 내에 자외선을 조사할 수 있는 자외선램프(3)와 자외선 파장을 선택적으로 투과시키는 편광부(9)가 마련되어 있다.
반응기(1)의 구조는 관상형의 원통으로 형성되어 있고, 일단에 휘발성 유기화합물을 반응기(1) 내로 유입할 수 있는 유입구(5)가, 타단에 반응이 끝난 가스를 배출하는 유출구(7)가 마련되어 있다. 유입구(5)의 앞단은 기체포집기이나 기체의전처리를 위한 장치 등이 장착될 수 있고, 유출구의 말단은 진공펌프나 추가의 가스처리장치(예: 가스 스크러버와 같은)와 연결될 수 있다. 반응기(1)의 내벽에는 자외선에 의해서 광촉매 반응을 일으키는 광촉매층(11)이 적층되어 있다. 이 광촉매층(11)은 반도체 물질인 이산화티타늄으로 이루어지며, 물리증착법 혹은 화학증착법 또는 전기도금법에 의해서 적층할 수 있다. 위의 반응기의 구조는 정형화되어 있는 것이 아니고 반응기의 모양을 구형, 직각기둥형(챔버형) 혹은 삼각뿔형등 처리용도나 규모에 따라서 다양하게 형성할 수 있다.
자외선램프(3)는 반응기(1) 내부의 중심에 설치되어 있고, 여러 가지 종류의 파장을 가진 자외선을 조사하는데, 광산화 반응에 특별히 기여할 수 있는 광만을 조사하는 램프를 선택할 수 있다. 일반적으로, 150 nm ~ 300nm 사이의 자외선 파장이 광반응 발생에 적절한 파장대역이며, 광촉매 반응에 민감한 파장대역은 380 nm 이하의 자외선광으로서, 이러한 광을 발산하기 위해서 저압수은램프, 고압램프 또는 오존램프 등을 선택할 수 있다.
또한, 편광부(9)는 자외선램프(3)의 외곽을 둘러싸고 설치되어 있다. 이 편광부(9)는 자외선램프(3)로부터 방출되는 광 중 특정 파장을 가진 광만을 필터링함으로써, 광반응에 특별히 민감한 파장만을 선택적으로 조사할 수 있다. 광산화 반응 처리능력이 우수한 자외선광은 290 nm 이상의 파장대역을 가진 광으로서, 파이렉스 필터튜브를 사용하여 필터링할 수 있고, 또 다른 파장대역인 180 nm 이상의 파장을 필터링하려면 석영필터튜브를 평관부(9)로 사용하면, 광산화 반응의 효율을 극대화 할 수 있다. 기타 특수용도의 다른 파장의 광을 필터링하기 위해서 다양한형태의 필터링소재를 편광부(9)로 사용할 수 있다.
상기와 같이 본 발명에 따른 반응기 내에서 휘발성 유기화합물 처리과정은 다음과 같다.
먼저, 유입구(5)를 통하여 반응기(1) 내로 휘발성 유기화합물을 유입시켜 채우고, 전원을 공급하여 자외선램프(3)를 켠다. 그러면, 반응기(1) 내에 있는 자외선램프(3)에 의해서 자외선이 조사된다. 조사된 자외선은 일차로 반응기(1) 내에 채워진 휘발성 유기화합물을 포함한 기체들에 조사가 된다. 그러면, 기체 중에 포함되어 있는 산소분자(O2)가 자외선으로부터 광에너지(hv)를 받아 두 개의 산소원자(O)로 해리된다. 해리 된 산소원자(O)는 불안정한 상태로서, 주변에 분포되어 있는 휘발성 유기화합물과 쉽게 반응을 하여 제 3의 화합물을 생성하는데, 이를 광산화반응이라 한다. 광산화 반응이 일어나면, 다양한 화학적 반응 단계를 거쳐 휘발성 유기화합물이 이산화탄소(CO2) 및 수소(H2) 등의 무해성 기체로 전환된다.
한편, 이렇게 광산화반응에 참여하는 자외선은 반응기(1)의 내벽에 형성되어 있는 광촉매층(11)에도 조사되어, 광촉매층(11)에서는 광촉매 반응을 일으킨다.
도 2는 반도체광촉매막에서의 광촉매반응을 에너지밴드모델과 같이 나타낸 개략도이다. 반응기(1) 내에서 광산화 반응이 일어나는 도중에, 상기의 조사된 자외선이 역시 반응기(1) 내벽에 형성된 광촉매층(11)을 조사하게 되는데, 도시된 바와 같이, 광촉매층(11)을 형성하고 있는 이산화티타늄은 반도체 성질을 가진 물질로서 불연속성의 밴드갭에너지(17)을 가지고 있다. 이 밴드갭에너지(17)은 3.2 eV정도이고 이 밴드갭에너지(17)을 사이에 두고 전자들이 분포되는 에너지 준위가 가전대(13)와 전도대(15)로 분리되어 있어, 전자가 점유할 수 있는 에너지 준위는 불연속성을 가진다. 일반적으로, 반도체 물체의 전자분포는 가전대(13)에 100% 충전되어 있고 전도대(15)는 거의 비어 있어, 외부의 에너지원에 의해서 가전대(13)에 있는 전자가 밴드갭에너지(17)을 넘을 수 있는 에너지를 얻게되면, 이 전자들이 전도대(15)로 이동할 수 있다. 그러면 가전대(13)에는 정공이 발생하고 전도대(15)에는 전자가 발생하게 된다. 이렇게 에너지 상태가 여기된 전자와 전자가 빠져나간 자리에 생긴 정공은 에너지를 주고받을 수 있는 보다 쉬운 조건을 구비하게 된다. 즉, 주변의 원소들과 쉽게 전자를 주고받을 수 있어, 휘발성 유기화합물과의 반응성을 촉진시킬 수 있는 래디칼을 쉽게 형성할 수 있다.
도 3는 본 발명에 따른 광촉매층인 이산화티타늄에서의 촉매반응을 자세히 나타낸 상세도 이다. 도시된 바와 같이, 광촉매층(11)인 이산화티타늄 표면에 분위기 가스 중에 포함되어 있는 물분자(H2O)가 이동하여 접근하면, 이산화티타늄의 구성원소인 산소원자(O)와 물분자(H2O)의 수소원자(H) 하나가 반응하여 결합되고 OH-이온이 분위기 중으로 확산 이동해간다. 또 다른 위치의 티티늄(Ti)에서는 수소 분자(H2)가 해리 되어 수소 양이온(H+)을 생성한다. 따라서, 주변을 둘러싸고 있는 분위기 원소들 중에 포함되어 있는 산소와 수소 및 물분자 등이 이산화티타늄을 이루고 있는 구성원소의 전자와 정공으로부터 적당한 에너지를 공급받아 래디칼을 형성할 수 있다. 즉, 가전대(13)에 있던 전자들이 여기 되어 전도대(15)로 이동을 함으로써, 여기 된 전자와 정공은 반응기(1) 내에 있는 산소와 수소 및 물분자등과 전기적 에너지를 공여하면서 OH- 기를 다량 발생시킨다. 이렇게 발생된 OH-기에 의해서 휘발성 유기화합물과 화학반응이 매우 활발히 진행되므로, 휘발성 유기화합물은 광촉매 반응이 동반하여 광산화 반응이 더욱 활발하게 일어난다. 이미 잘 알려진 바와 같이, OH-기는 유기화합물과 반응성이 매우 뛰어나 휘발성 유기화합물의 분해에 매우 높은 촉진 효과를 가져온다.
이와 같이, 반응기(1) 내에서 휘발성 유기화합물인 TCE(Tri-Cloro Ethylene), 자일렌(Xylene), 및 벤젠 등이, 자외선을 받아 광산화 반응을 일으키면서, 화합물의 탄소와 수소 및 할로겐원소의 결합이 끊어진다. 이들은 다시 분위기 가스 중에 혼합되어 있는 산소와 결합하여 광산화 반응을 일으킴과 동시에 광촉매층에서 발생한 OH-기에 의해서 촉매반응이 발생함으로써, 물분자(H2O), 이산화탄소(CO2), 수소(H2)등 무해성 기체로의 전환반응이 더욱 효율적으로 진행된다.
상기와 같이, 본 발명에 따른 휘발성 유기화합물 처리장치 및 방법에 의해서, 자외선을 휘발성 유기화합물에 조사하여, 자외선의 광산화 반응과 광촉매 반응이 동시에 진행될 수 있도록 함으로써, 유해한 휘발성 유기화합물인 TCE와 자일렌(Xylene)과 벤젠 등을 효율적으로 처리하여 무해 기체인 산소, 수소, 물분자등으로 거의 100% 전환할 수 있다.
장치의 구성에 있어서도, 자외선 광을 발생시키는 램프와 간단한 편광부만을 구비하면 되므로 장치구성비용이 적게 들고 상대적으로 고효율의 처리능력을 가진 휘발성 유기화합물 처리장치와 처리방법을 제공할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 광촉매층이 형성된 반응기 내에 자외선램프와 편광부를 마련한 처리장치를 이용함으로써, 유해한 휘발성 기체 유기화합물에 자외선을 조사하여 무해한 기체로 전환시킬 수 있는 저렴하고 효율적인 휘발성 기체 유기화합물 처리장치와 방법을 제공할 수 있다.

Claims (13)

  1. 휘발성 기체 유기화합물 처리장치에 있어서,
    유입구와 유출구를 갖는 반응기와;
    상기 반응기의 내벽면에 적층된 광촉매층과;
    상기 반응기에서 자외선광을 조사하는 자외선 램프와;
    상기 자외선광이 184.9㎚ 내지 253.7㎚사이의 특정파장을 갖도록 제한하는 편광부를 포함하는 것을 특징으로 하는 휘발성 기체 유기화합물 처리장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 반응기는 관상체로 형성되며, 상기 유입구와 유출구는 상기 반응기의 양 단부에 각각 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 휘발성 기체 유기화합물 처리장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 광촉매층은 반도체 물질로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 휘발성 기체 유기화합물 처리장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 반도체물질은 이산화티타늄인 것을 특징으로 하는 휘발성 기체 유기화합물 처리장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 자외선램프는 저압램프, 고압램프 및 오존램프 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 휘발성 기체 유기화합물 처리장치.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 휘발성 기체 유기화합물 처리 방법에 있어서,
    관상형의 반응챔버를 마련하는 단계와;
    상기 반응챔버의 내벽에 광촉매층을 형성하는 단계와;
    상기 반응챔버내로 기체의 휘발성 유기화합물을 유입시키는 단계와;
    자외선광이 184.9㎚ 내지 253.7㎚사이의 특정파장을 갖도록 편광부를 통해 조사하는 단계를 특징으로 하는 휘발성 기체 유기화합물 처리방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 광촉매층은 이산화티타늄으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 휘발성 기체 유기화합물 처리방법.
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
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