KR100502579B1 - 에너지원/ 반도체 촉매/흡착부의 시스템으로 이루어진공기정화장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 공기 정화기판 내부에 코일 다발을 도입하여 자장을 형성시키는 전자기장 발생부와 광촉매(반도체 물질)를 이용한 산화분해부, 광촉매 에너지원부(자외선 램프, 플라즈마 등) 그리고 대기오염물질에 대한 흡착의 용이성을 위해 도입된 흡착부(무기 다공체, 카본블랙)로 구성시켜 탈취, 살균, 공기 오염물질 분해 및 흡착을 목적으로 한다. 즉, 기존의 광촉매의 광산화분해 성질과 다공성 물질의 오염물질에 대한 높은 흡착능을 하나의 시스템으로 하여 공기중에 존재하는 대기오염물질을 단시간내에 신속하고도 유효하게 정화하는 장치를 제공하는 것이다. 특히, 본 발명은 전자기장으로써 공기정화기판 내부에 코일을 감아 높은 자장을 형성시킴으로써 기존의 UV에너지원만에 의한 광촉매의 산화반응보다 우수한 정화 메카니즘을 제공하여 오염물질의 산화분해능을 향상시킨 공기정화시스템을 제공한다.
Description
본 발명은 에너지원, 반도체 촉매 및 흡착부를 필수적으로 구성된 공기정화장치에 관한 것이다. 더 상세하게는, 본 발명은 반도체 촉매의 유기물질 분해능을 활성화시키기 위한 에너지원으로서 전자기장을 이용하고, 또한 필요에 따라 UV에너지원을 부가하여 구성시켜 오염물질의 분해, 및 흡착부에 흡착, 제거하는 공기정화장치에 관한 것이다.
종래부터, 가정이나 산업현장 등에서 공기를 정화하기 위해 사용되어 왔던 필터의 대부분은 고분자 수지섬유인 부직포나 활성탄과 같은 흡착 탈취 필터를 사용하여 왔다. 그러나, 이러한 공기정화 필터들은 먼지 등을 여과하는 데는 용이하였으나, 오염물질의 분해 또는 악취제거능이나 세균의 살균능은 만족스럽지 못한 문제점이 있었다. 최근, 이러한 문제점들을 해결하기 위해 티타니아와 같은 반도체 물질의 광산화 반응을 이용한 대기오염물질의 제거 및 살균, 탈취 등을 갖는 광촉매 필터가 등장하고 있다.
티타니아(TiO2)와 같은 반도체 금속산화물들은 고유한 밴드갭 에너지[bandgap energy(Eg)보다 큰 에너지를 받게 되면 밸런스 밴드(valence band)의 전자(e-)가 여기되어 전도 밴드(conduction band)로 전이되고, 밸런스 밴드에는 정공(h+)이 생성되어 이들이 TiO2 입자의 표면으로 이동하게 된다. 이때 TiO2
입자표면에 있는 물이나 OH- 등과 h+가 반응하여 OH 라디칼을 생성하게 되고, 이들은 입자표면에 흡착되어 있는 유기물을 산화하여 CO2 와 H2O 등의 무해한 물질로 변화하게 된다.
따라서, 티타니아와 같은 반도체 광촉매는 오폐수 처리는 물론 공기정화처리 시스템에 이용되어 대기오염물을 처리하는데 응용되고 있다. 그러나, 대기오염정화 시스템 등으로 보고된 초기의 발명(시스템 분야; UV광/티타니아 광촉매, UV광/티타니아 광촉매/카본블랙 지지체 등)들은 대기오염물질의 제거에 있어서, 광촉매의 광분해 산화반응보다는 다공체막 등에 의한 흡착능에 주로 의존을 하고 있는데, 그 이유는 광촉매의 광반응성이 다른 화학반응보다 다소 느리고, 그 성능이 낮으며, UV에너지원의 제약과 광촉매 반응 중에 생성되는 홀(hole)과 여기된 전자간의 재결합에 의한 활성의 저하와 함께 동반되는 낮은 수명도에 기인한다. 이러한 문제점을 보안하기 위해 조촉매 (전이금속이나 알칼리이온 등)를 티타니아에 도핑(doping)하여 전자/홀(hole) 재결합에 변화를 유도하고자 하는 연구와, 더욱이 최근 들어서는 규칙적인 결정성과 넓은 표면적을 갖고 있는 제올라이트 유사체를 티타니아의 담체로 사용하거나, 그의 골격구조 내에 티타늄 산화물을 안정하게 도입시켜 보다 높은 기능성을 도모하고자 하는 시도들도 이루어지고 있다. 또한, 기존에 광촉매 시스템에서 UV광에 한정되어 있던 에너지원으로 플라즈마 고주파를 사용하거나 전기집진방식을 도입하는 등, 보다 강력한 에너지원을 사용함으로써 활성이 높고, 안정성 있는 산화반응을 확립하고자하는 시도들이 행해지고 있다. 하지만, 이들 또한 에너지원 한계의 극복과 광산화반응의 속도부분에서는 어느 정도 보완이 이루어졌지만, 아직도 홀과 전자의 재결합에 의해 야기되는 촉매활성저하 부분 보완에 문제가 있다.
본 발명자는 상기의 문제점을 해결하기 위하여 예의 연구한 결과, 도 1 및/또는 도 2에 나타낸 바와 같이, 반도체 촉매(광촉매 물질) 및 흡착부에 전자기 발생부를 구성시킴으로서 공기 정화장치내에서 강력한 자기장을 형성시켜 반도체 촉매내의 보다 많은 전자의 여기와 자장에 의한 새로운 형태의 전자스핀을 갖는 전자를 생성시킴으로써 종래의 광시스템에서와는 달리 뛰어난 오염물질을 산화시킬 수 있음을 발견하고, 본 발명을 완성하게 되었다.
즉, 본 발명은 전자기 발생부, 반도체 물질의 산화 분해부, 흡착부로 이루어진 공기정화기를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명은 전자기 발생부, 반도체 물질의 산화 분해부, UV 에너지원부, 및 흡착부로 이루어진 공기정화기를 제공하는 것이다.
더욱이, 본 발명은 전자기 발생부, 반도체 물질의 산화 분해부, UV 에너지원부, 다공체 흡착부 및 카본 블랙 흡착부로 이루어진 공기정화기를 제공하는 것이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1 및 도 2에 나타난 바와 같이, 본 발명은 전자기장 발생부와 산화분해부 및 흡착부로 구성되어 있다. 전자기 발생부 및 산화 분해부는 자장 산화분해반응을 위해 구성시켰으며, 흡착부는 오염물질의 용이한 흡착을 위해 도입되었다.
흡착부는 통상의 다공체 흡착체 및 또는 카본블랙 흡착체를 이용하는 것이 바람직하며, 카본블랙 흡착체는 카본 섬유를 사용하여도 좋다.
도 2에서, 전자기장 발생부 및 UV 에너지원부를 제외한 나머지 제공되는 부분들을 동시에 혼합 배합하여 일체화하여도 좋다.
본 발명에서는 강력한 자기장을 걸어 반도체 촉매내의 보다 많은 전자의 여기와 자장에 의한 새로운 형태의 전자스핀을 갖는 전자를 생성시킴으로써 종래의 광시스템과는 달리 새로운 활성을 나타낼 수 있도록 하였다. 또한 본 발명은 알루미늄 실리케이트 계의 다공성막을 도입하여 오염물질의 용이한 흡착과 다공체 내부에 함유된 다양한 금속들로 하여금 여기된 전자의 수용체 역할을 수행하게 하여 그 산화반응 성능을 높이는 것이 바람직하다. 더욱이, 높은 표면적과 흡착능이 뛰어난 카본블랙(활성탄)막을 맨 바깥으로 위치시킴으로써 대기오염물질에 대한 높은 흡착능은 물론 시스템을 견고하게 하여 내부의 시스템의 손상을 최소화하고, 취급하기 용이하게 단순화시켜 미관상의 효과까지 이루어지게 하는 것이 바람직하다.
도 2에 대해서 설명한다. 도 2는 전자기장 발생부, 산화분해부(광촉매 반도체물질), UV에너지원부, 흡착부 1(다공체), 흡착부 2 (카본블랙) 등 다섯 부분으로 되어 있다. 에너지원부와 산화분해부는 자장 산화분해반응을 위해 구성되었으며, 다공체막와 카본블랙막은 오염물질의 용이한 흡착과 여기된 전자의 수용체 등으로 이용하기 위해 도입되었다. 이들은 각각 판상형으로 조립되어 있으며 자장코일을 중심으로 양쪽이 반도체물질막, 다공체막, 카본블랙막의 순서로 배치되어 있으며, 자장형성의 용이성을 위해 코일은 도 2과 같이 스프링형태로 구부러져 있으며, 공기중의 오염물질의 흡착을 용이하게 하기 위해 이들이 조립된 부품은 일정하게 구멍이 뚫린 형태를 제공하고 있다.
또한, 도 3은 본 발명에 다른 실시예에 따른 흡착 및 오염물질 산화분해부 및 그의 전자기장 발생부 및 흡착산화분해부를 나타낸다. 이 실시예에 따른 공기정화 장치의 흡착 및 오과 같이 에너지원부를 제외한 나머지 부분들을 동시에 혼합 배합하여 일체화가 가능하며, 이때 각 단계의 재료들에 의한 흡착능과 산화분해능을 복합적으로 얻을 수 있게 균일하게 섞여 있다.
도 4에 본 발명에 따라, 자장에 의한 반도체 물질내의 전자의 여기 메카니즘을 나타낸다. 본 발명에서는 에너지원으로서 강력한 자기장을 걸어 반도체 촉매내의 보다 많은 전자의 여기를 도모하였으며, 이때 도 4에서 보여주는 바와 같이 자장에 의한 전자의 여기는 UV광에 의한 여기(singlet 만) 와는 달리 전자의 스핀상태가 두가지 형태의 단일 피크(singlet)와 3중 피크(triplet)를 생성시킴으로써 광에 의한 여기와는 달리 새로운 활성을 나타낼 수 있음을 나타낸다. 또한, 본 발명은 이러한 자장/반도체촉매 시스템뿐만이 아니라 규칙적인 3차원 구조와 넓은 표면적 그리고 높은 안정도를 가지고 있는 다공성막을 도입하여 오염물질의 흡착을 보다 용이하게 하고자 하였다.
그리고, 도 5에서 나타낸 바와 같이 다공체 내부에 함유된 다양한 금속들로 하여금 여기된 전자의 수용체 역할을 수행하게 하여 그 산화반응 성능을 높였다. 또한, 마지막으로 표면적과 흡착능이 뛰어난 카본블랙(활성탄)막을 맨 바깥으로 배치시킴으로써 대기오염물질에 대한 높은 흡착능은 물론 이에 따른 반도체 촉매/자장 시스템에 의한 산화분해 성능을 돕고자 하였다. 이와 같은 배치는 도 5에서와 같이, 여기된 전자의 홀과의 재결합 시간이 길어짐으로써 기존의 광촉매시스템에 의한 공기정화 능력을 한층 높일 수 있다.
이하, 본 발명에서 사용되는 막들의 성분들에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명의 시스템에 사용되는 반도체 촉매로는 티타니아를 들 수 있다. 티타니아의 결정구조는 아나타제형의 졸상으로 그 입자 사이즈는 50∼100nm 정도의 것으로 여기에 조촉매로써 Fe, Sn, Zn 등을 소량 첨가할 수 있다. 물론 상업적으로 시판(Degussa P-25 등)되거나 여러 방법(sol-gel, hydrothemal, solvothermal method 등) 등으로 합성된 티타니아 분말을 용매에 분산시켜 코팅하여 사용한다.
또한, 다공체막의 재료로는 동공이 규칙적이고 표면적이 넓은 알루미늄 실리케이트 형태를 주로 사용하였으며 전도도의 흐름을 용이하게 할 수 있는 인이 함유된 SAPO계열 다공체도 사용 가능하다. 본 발명에서의 다공체로는 제올라이트 Y, 제올라이트 A, SAPO-34 등을 들 수 있다.
카본블랙 성분으로는 시판용 카본 블랙(표면적 300m2/g, 1000m2/g)이나 카본섬유 또는 카본나노튜브 등을 들 수 있다.
실시예
본 발명에 관하여 다음과 같이 실시한 실시예를 도시한다.
모든 실시예는 도 1, 3의 장치를 사용하고, 같은 크기의 탈취필터(카본 블랙)를 사용하였으며, 이 필터에 광촉매, 다공체를 혼합 함침하여 경화후, UV광원(18W 살균용을 조사하며 자기장을 걸어주었으며, 담배연기의 주성분인 암모니아, 아세트알데히드, 초산 혼합물의 제거율을 30분 후 검지관을 통해 측정하였다.
비교예 1. 흡착용 탈취필터(카본블랙) 단독사용, UV광원 조사함.
비교예 2. 흡착용 탈취필터(카본블랙)에 다공체(제올라이트 Y) 및 광촉매를 함침하여 사용, UV광원 조사하지 않음.
실시예 3. 흡착용 탈취필터(카본블랙)에 다공체(제올라이트 유사체 SAPO-34) 및 광촉매를 함침하여 사용, UV광원 조사.
실시예 4. 흡착용 탈취필터(카본블랙)에 다공체(제올라이트 유사체 SAPO-34) 및 광촉매를 함침하여 사용, 자기장 걸어줌.
실시예 5. 흡착용 탈취필터(카본블랙)에 다공체(제올라이트 유사체 SAPO-34) 및 광촉매를 함침하여 사용, UV광원 조사, 자기장 걸어줌.
제거율은 다음의 식에 의한다.
제거율 : (초기농도 - 30분 후 농도)/초기농도 X 100
초기 제거율 : (암모니아 제거율 + 아세트 알데히드 제거율 X 2 + 초산제거율)/4
상기 실시예에 의한 결과를 하기 표 1에 나타낸다.
표 1
| 유기오염물질제거율 | 비교예 1 | 비교예 2 | 실시예 1 | 실시예 2 | 실시예 3 |
| 암모니아 제거율 | 96.5 | 97.0 | 96.8 | 96.7 | 98.0 |
| 아세트알데히드 제거율 | 85.2 | 94.0 | 96.2 | 96.6 | 100.0 |
| 초산 제거율 | 90.4 | 91.3 | 94.5 | 95.2 | 96.5 |
| 초기 제거율 | 89.3 | 90.1 | 96.9 | 99.5 | 98.6 |
상기 결과로부터 종래 사용하는 흡착용 필터을 사용하고, UV 광원을 조사하는 경우(비교예 1)나, 흡착용 필터에 광촉매와 다공체를 함침하여 사용하되 UV 광원을 사용하지 않는 경우(비교예 2)는 흡착용 필터에 광촉매와 다공체를 함침하여 사용하되 UV 광원을 사용하는 경우(실시예 1), 흡착용 필터에 광촉매와 다공체를 함침하여 사용하되 UV 광원을 사용하지 않는 경우(실시예 2) 및 흡착용 필터에 광촉매와 다공체를 함침하여 사용하되 UV 광원과 자기장을 걸어준 경우(실시예 3)의 실험결과는 암모니아 제거율은 큰 차이가 없었으나, 아세트알데히드나 아세트산의 제거율은 모두 비교예에 비하여 본원 발명의 것이 우수함을 알 수 있다. 즉, 가장 바람직한 것은 흡착용 필터에 광촉매와 다공체를 함침하여 사용하되 UV 광원 및/또는 자기장을 걸어주는 경우에 유기 오염물질을 효과적으로 제거할 수 있음을 알 수 있다.
이상에서와 같이, 본 발명의 공기정화시스템을 사용하여 각종 대기오염물질을 처리하는 경우, 아래와 같은 효과가 발생한다.
즉, 종래의 광촉매 단독 시스템이나 흡착용 필터법, 또는 플라즈마시스템, 오존시스템에서 보다 대기오염물질이 단시간에 대량 제거가 가능하고, 시스템의 수명도 기존보다 길어지고, 종래의 시스템들보다 간편하고, 크기가 작으며, 자장코일을 내장시킴으로써 안전하며, 광촉매 및 UV광에 의한 살균효과를 증대시키고, 종래의 시스템에 비해 저렴하게 제조할 수 있으며, 자장에 의한 광촉매의 핵심부품들을 모듈화하여 비교적 저렴한 비용으로 다른 분야(예를 들어 오폐수처리, 살균 등)로의 응용이 확대될 수 있다.
도 1은 본 발명의 1 실시예에 따른 공기정화 장치의 단면도를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 1 실시예에 따른 공기정화 장치의 흡착 및 오염물질 산화분해 사시도를 나타낸다.
도 3은 본 발명에 다른 실시예에 따른 흡착 및 오염물질 산화분해부 및 그의 전자기장 발생부 및 흡착산화분해부를 나타낸다.
도 4는 본 발명에 따른 자장에 의한 반도체 표면에서의 전자 여기 상태를 나타낸다.
도 5는 본 발명에 따른 반도체/자장 시스템의 산화반응 메카니즘을 나타낸다.
Claims (3)
- 흡착필터, 광촉매 및 UV 광원을 선택적으로 갖춘 공기정화장치에 있어서,다공체 및 광촉매를 함침시킨 흡착부와, 자장 형성 가능한 전자기 발생부가 에너지원으로 구성된 것을 특징으로 하는 공기정화장치.
- 청구항 1에 있어서,자장이 티타니아 및 그 조촉매를 함유한 반도체 촉매의 에너지원인 것을 특징으로 하는 공기정화장치
- 청구항 1 또는 2에 있어서,다공체막과 카본블랙막이 동시에 함유된 것을 특징으로 하는 공기정화장치.
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