KR100579760B1 - 마이크로 웨이브를 이용한 휘발성 유기화합물 흡탈착장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 산업 형장에서 발생되는 휘발성 유해물질을 정화한 후 흡착된 물질을 착탈시킬 수 있도록된 마이크로웨이브 흡착탈장치에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 마이크로 웨이브 발생기(10)에서 발생된 마이크로웨이브를 안내하는 가이드관(11)과, 상기 가이드관(10)과 연결되어 마이크로웨이브가 인입될 수 있도록 중앙부에 도파관(13)이 설치되고 양측에는 흡착제(15)가 충입되도록 다수의 공간부(16a)(16b)(16c)를 형성한 반응기(12)와, 상기 반응기(12)의 각 공간부(16a)(16c)(16c)에 형성된 유입구(17), 토출구(18), 배출구(19)와 연결되어 정화가스 및 탈착가스를 배출시킬 수 있도록 하고, 제1, 제2, 제3, 제4 개폐밸브(20a)(20b)(20c)(20d)를 갖는 연결관(21)과, 상기 반응기(12)의 흡착제(15)에서 탈착된 휘발성 가스를 응축 저장하는 응축기(25)와, 상기 응축기의 응축 액체를 가스범퍼로 기체화시킨 유해가스를 완전 처리하여 외부로 배기토록 마이크로 웨이브 프라즈마 발생기가 구비된 휘발성 유기화합물 흡탈착장치를 구성한 것으로서, 본 발명은 소각로를 비롯한 연소과정을 거치는 모든 장치와 화학공정 및 공장 등의 산업현장에서 발생되는 탄화 수수류 계통의 휘발성 유기화합물(Volatile Organic Compounds:VOCs) 및 유해가스를 마이크로웨이브(Microwave)를 이용하여 효율적으로 흡착 및 탈착시킬 수 있도록 하여 쾌적한 작업환경을 제공하고 환경오염을 방지 할 수 있도록 하는 동시에 탈착된 휘발성물질을 재활용할 수 있도록 한 마이크로 웨이브를 이용한 휘발성 유기화합물 흡탈착장치를 제공할 수 있도록 한 것이다.

마이크로웨이브, 플라즈마, 반응기, 흡착제, 마이크로웨이브 발생기, 도파관, 슬롯, 응축기

Description

마이크로 웨이브를 이용한 휘발성 유기화합물 흡탈착장치{An adsorptim-detachment device using microwave }

도1은 본 발명에 따른 마이크로웨이브를 이용한 휘발성 유해물질 흡착탈장치의 전체 구성도.

도2는 본 발명에 따른 마이크로웨이브를 이용한 휘발성 유해물질 흡착탈장치의 반응기 연결 구성성도.

도3은 본 발명에 따른 마이크로웨이브를 이용한 휘발성 유해물질 흡착탈장치의 반응기 평면구성도.

도4는 본 발명에 따른 마이크로웨이브의 가이드관 구성도.

도5는 본 발명에 따른 마이크로웨이브를 이용한 휘발성 유해물질 흡착 및 탈착하기 위한 반응기 단면구성도.

도6은 본 발명의 도파관에 슬롯이 형성된 상태의 예시도.

도7a는 본 발명의 마그네톤 아덥터의 마이크로웨이브 플라즈마의 모의 실험시뮬레이션.

도7b 내지 7d는 마이크로웨이브의 모의실험의 전기장 분포도 시뮬레이션.

<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>

10:마이크로웨이브발생기 11:가이드관

12:반응기 13:도파관

14:슬롯 15:흡착제

16a,16b,16c:공간부 17:유입구

18:토출구 19:배출구

20a,20b,20c,20d:제1,제2,제3,제4 개폐밸브

21:연결관 25:응축기

26:진공흡입펌프 27:범퍼탱크

28:마이크로웨이브 플라즈마 발생장치

29:격벽

본 발명은 소각로를 비롯한 연소과정을 거치는 모든 장치와 화학공정 및 공장 등의 산업현장에서 발생되는 탄화 수수류 계통의 휘발성 유기화합물(Volatile Organic Compounds:VOCs) 및 유해가스를 마이크로웨이브(Microwave)를 이용하여 효율적으로 흡착 및 탈착시킬 수 있도록 하여 쾌적한 작업환경을 제공하고 환경오염을 방지 할 수 있도록 하는 동시에 탈착된 휘발성물질을 재활용할 수 있도록 한 마이크로 웨이브를 이용한 휘발성 유기화합물 흡탈착장치에 관한 것이다.

휘발성 유기화합물(VOC: Volatile Organic Compounds)은 지방족( 파라핀계와 올레핀계 탄화수소 등)과 방향족 화합물(벤젠, 톨루엔, 크실렌 탄화수소 등), 그리고 암모니아, 알콜, 알데히드, 케톤, 에테르 등의 질소, 산소 원소를 포함하거나 클로로포롬 트리클로로에칠렌(Chloroform, Trichroloethylene) 등의 할로겐원소를 포함하는 화합물 등을 포함한 탄화수소의 총칭으로 대기 중에 배출되어 광화학 반응에 의해 오존을 생성할 수 있는 화합물을 말한다.

따라서 석유화학, 도장, 인쇄, 접착제, 반도체 세정 공정 등 일반산업시설, 폐수 및 폐기물 처리장, 주유소 등 거의 모든 산업공정에서 발생하며, 휘발성이 강해 화재폭발 등 각종 안전사고를 유발시킨다.

또한 VOCs가 대기에 확산한 후 NOx와 태양광선으로 인한 광화학 반응으로 발생한 광화학 옥시던트가 발암성과 삼림파괴 등의 광화학적 대기오염의 원인임이 밝혀졌다.

따라서 기존에는 휘발성분을 갖는 유기화합물(VOCs) 활성탄에 흡착시킨 후 이를 탈착하기 위해서는 대용량을 응축기를 구비해야 하며 또한 활성탄에 흡착된 휘발성분을 갖는 유기화합물을 탈착시키기 위해 고열을 가하게 됨으로서 탈착가스 만 응축기로 유입되는 것이 아니라 고열에 의해 발생된 팽창된 공기와 유해물질, 활성탄 분 등이 복합적으로 발생하여 응축기의 용량이 필연적으로 크게 되는 문제점과 이를 설치하기 위한 설비와 운전하기 위한 관리비용이 증대되는 문제점이 있었다.

또한 휘발성유기화합물을 처리하는 방법에는 재활용 기술과 최종처리 하는 방법으로 나눌 수 있다. 휘발성 유기화합물을 재활용하기 위한 기존의 방법으로는 열원으로 재사용하기 위한 연소법과 회수, 농축하여 재활용하기 위한 냉각응축, 흡수, 흡착과 막 분리 방법 등이 주로 사용되어 왔으나, 최근에는 각각의 방법들의 단점을 보완한 하이브리드 시스템(Hybrid System)에 대하여 많은 연구가 진행되고 있다.

특히, 회수하는 방법은 연소법에 비하여 휘발성유기화합물을 회수 재사용이 가능하게 함으로써 환경 정화를 할 수 있으므로 가장 바람직한 방식으로 알려져 있다.

또한 활성탄 및 흡착제를 이용한 기존의 방법은 오염물질이 또 다른 상을 형성하므로 2차 적인 분리문제와 활성탄 재생조작에 드는 비용이 크다는 문제점들을 안고 있다.

이러한 흡착법에서 문제점의 대안으로 마이크로웨이브(microwave)에 의한 분리 탈착 기술이 휘발성 유기 화합물 제거 및 회수 공정으로 대두되고 있으며 최근에 많은 관심을 모으고 있다.

마이크로웨이브를 이용한 방법은 유전가열(dielectric heating)에 의한 방법이기 때문에 오염물질을 직접 가열할 수 있고, 또한 흡착된 오염물질이 마이크로웨이브가 통과하는 비극성 성분일 경우에는 주변에 있는 수분을 가열하여 효과적으로 오염물질을 가열 할 수 있다.

또한 본 발명에서 마이크로 웨이브를 이용하여 탈착시킨 후 휘발성 유기물질을 처리하기 위한 후처리 공정으로 사용되는 플라즈마는 이온 및 중성종(neutral)과 같이 무거운 입자(heavy particle)의 온도가 전자의 온도와 비 슷한 고온 플라즈마(thermal plasma)와 전자의 온도에 비해 무거운 입자의 온도가 낮은 저온 플라즈마(non-thermal plasma)로 분류되며, 최근에는 유해한 성분을 분해하여 처리하거나 다른 물질과 반응하도록 하여 무해화 시키는 방법으로 가스상 오염물질을 처리하는데 응용하고 있다.

기존 마이크로웨이브 플라즈마는 진공상태 운전으로 인한 고가의 진공장비 및 회분식 공정으로 인한 공정의 비효율성등 경제적, 기술적 측면의 단점을 안고 있다.

따라서 본 발명에서는 공정중에 발생할 수 있는 악취 및 휘발성 유기화합물(VOCs)의 효율적인 처리를 위해 마이크로웨이브(Microwave)를 이용한 흡착된 휘발성 유기화합물(VOCs) 및 악취 성분 탈착 기술과 마이크로웨이브 프라즈마(Microwave Plasma)를 이용한 휘발성 유기화합물(VOCs) 및 악취 성분에 대한 효율적인 처리 기술을 개발할 수 있도록 한 것이다.

본 발명은 상기에서 언급된 문제점을 감안하여 발명한 것으로서, 소각로를 비롯한 연소과정을 거치는 모든 장치와 화학공정 및 공장 등의 산업현장에서 발생되는 탄화 수수류 계통의 휘발성 유기화합물(Volatile Organic Compounds:VOCs) 및 유해가스를 마이크로웨이브(Microwave)를 이용하여 탈착시킬 수 있도록 하고 후처리 공정으로 마이크로웨이브와 플라즈마를 이용하여 유해가스, 악취 등을 완전처리 함으로서 쾌적한 작업환경을 제공하고 환경오염을 방지 할 수 있도록 하는 동시에 탈착된 휘발성물질을 재활용할 수 있도록 한 마이크로웨이브를 이용한 휘발성 유기화합물 흡탈착장치를 제공함을 목적으로 한 것이다.

이하 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

마이크로웨이브 발생기(10)에서 발생된 마이크로웨이브를 안내하는 가이드관(11)과;

상기 가이드관(10)과 연결되어 마이크로웨이브가 인입될 수 있도록 중앙부에 도파관(13)이 설치되고 양측에는 격벽이 설치되어 흡착제(15)가 충입되도록 다수의 공간부(16a)(16b)(16c)를 형성한 반응기(12)와;

상기 반응기(12)의 각 공간부(16a)(16c)(16c)에 각각 형성된 유입구(17), 토출구(18) 및 배출구(19)와 연결되어 정화가스 및 탈착가스를 배출시킬 수 있도록 하고, 제1, 제2, 제3, 제4 개폐밸브(20a)(20b)(20c)(20d)를 갖는 연결관(21)과;

상기 반응기(12)의 흡착제(15)에서 탈착된 휘발성 가스를 응축 저장하는 응축기(25)와;

상기 응축기를 통과한 유해가스를 완전 처리하여 외부로 배기토록 마이크로 웨이브 프라즈마 발생기(28)가 구비된 휘발성 유기화합물 흡탈착장치의 구성이다.

상기 흡착제는 카본, 활성탄, 합성제올라이트, 천연제올라이트 중 어느 하나로 이루어져 유해가스를 흡착할 수 있도록 반응기의 양측 공간부(16a)(16c)에 채워진다.

상기 반응기의 도파관(13)양측은 다수의 슬롯(14)을 성형하여 마이크로 웨이브의 에너지를 집중시켜 탈착이 골고루 이루어지도록 구성된 것이다.

상기 반응기는 공간부(16a)와 (16b), (16b)와 (16c)의 공간부 사이에 투명 유리패널의 격벽(29)이 구성된 것이다.

이와 같이 구성된 본 발명의 실시 예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저 반응기(12) 내의 양측 공간부(16a)(16c)에 카본, 활성탄, 합성제올라이트, 천연제올라이트 중 어느 하나로 이루어진 흡착제(15)를 선택하여 충입시킨다.

이때 양측 공간부(16a)(16c) 저부에는 소정의 간격으로 이격되어 금속망이 설치되어 흡착제가 바닥까디 채워지지 않도록 한다.

상기와 같이 양측 공간부에 흡착제(15)를 채운 다음 중앙부의 공간부(16b)에는 도파관(13)을 삽입시킨 후 상부에는 마이크로웨이브 가이드관(11)과 연결되도록 한다.

이때 마이크로 웨이브 가이드관(11)의 타단은 마이크로 웨이브 발생기(10))와 연결되어 있다.

또한 유해가스 흡탈착장치인 반응기(12)의 흡착제(15)가 충입된 양측 공간부(16a)(16c) 상단에 형성된 유입구(17)와 토출구(18), 일측 공간부(16c)하단에 형성된 배출구(19)는 모두 연결관(21)과 연결되고 연결관(21)에는 유입구(17), 토출구(18) 배출구(19)를 개폐할 수 있도록 제1, 제2, 제3 개폐밸브(20a)(20b)(20c)와 연결관을 개폐할 수 있도록 된 제4 개폐밸브(20d) 설치된다.(도2 및 도3참조)

또한 연결관(21)의 일측에는 응축기(21)를 설치하여 반응기(12)에서 탈착된 휘발성 기체가 유입구, 토출구, 배출구를 통하여 연결관에서 모아져 응축기로 유입되어 액체로 응축될 수 있도록 하였다.

도시된 도1은 본 발명에 따른 마이크로웨이브를 이용한 휘발성 유해물질 흡착탈장치의 전체 구성도로서 전체적인 시스템을 나타내기 위해 개략적으로 나타낸 것이다. 따라서 도1은 반응기에서 응축기로 연결되고 응축기는 진공펌프, 범퍼탱크, 마이크로웨이브 플라즈마 발생장치로 연결되도록 도시하고 있으마 이는 개략적인 표기로 세부적으로는 도2와 같이 구성된다.

상기 응축기에서 응축된 액체는 휘발성분을 갖는 것으로서 별도의 저장용기에 모아져 재활용할 수 있도록 한다.

상기 재활용되는 액체는 유해성가스라 하더라도 순수 휘발성분을 갖는 가스일 경우 재활용차원에서 응축시키고 더러운 가스나 여러 가지 혼합물가스는 응축시키지 않고 통과시켜 후처리공정인 마이크로웨이브 플라즈마 발생기에서 깨끗한 공기로 처리되어 외부로 배출되도록 한다.

이렇게된 본 발명은 소각로를 비롯한 연소과정을 거치는 모든 장치와 화학공정 및 공장 등의 산업현장에서 발생되는 탄화 수수류 계통의 휘발성 유기화합물(Volatile Organic Compounds:VOCs) 및 유해가스를 반응기(12)의 유입구(17)로 인입되도록 하면 휘발성분을 갖는 유해가스는 유입구와 연결된 공간부(16a)의 상부에서 저부로 이동 후 다시 타측 공간부(16c)의 저부에서 상부로 이동되어 토출구(18)를 통하여 배출되게 된다.

상기 흡착제를 통과하는 유해가스는 응축기 일측에 구비된 진공펌프(26)에 의해 흡착제를 통과하게 된다.

이때 유해가스는 휘발성 유기물질이므로 반응기를 통과하면서 양측 공간부에 내장된 흡착제(15)에 흡착되므로 토출구를 통하여 배출되는 공기는 깨끗한 공기만을 배출시킬 수 있게된다.

따라서, 반응기를 통하여 배출되는 공기 중에 함유된 유기물질과 휴발성 유해가스(VOC)는 흡착제에 의해 필터링 된 후 깨끗한 공기만 토출구를 통하여 배출된다.

또한 상기 흡착제에서 필터링되지 않고 통과되는 유해가스는 후부에 설치된 마이크로웨이브 프라즈마 발생기에서 완전처리 된다.

상기와 같이 유해가스가 반응기의 유입구로 유입된 후 흡착제에 의해 필터링 될 때에는 통상적인 가스여과기와 동일한 기능을 갖는 것으로서 마이크로웨이브는 주입되지 않는 상태이며, 연결관에 구비된 제1개폐밸브(20a)와 배출구(19)측의 제3 개폐밸브(20c)는 닫힌 상태가 되며, 토출구 측의 제2 개폐밸브(20b)와 제4 개폐밸브(20d)는 열린 상태가 된다.

따라서, 유해가스는 유입구(17)로 유입되어 유입구측 공간부(16a)의 흡착제(15)에 의해 1차 흡착되고, 다시 토출구(18)를 통하여 연결관(21)으로 배출되면서 토출구 측의 공간부에 채워진 흡착제에 의해 유해가스가 흡착된다.

상기와 같이 유해가스가 흡착된 후 흡착제에서 휘발성을 갖는 유기물질을 탈착시키게 되는데, 이때 연결관(21)의 제1 개폐밸브(20a)와 제2, 제3 개폐밸브(20b)(20c)는 개방되고 제4 개폐밸브(20d)는 닫힌 상태가 된다.

상기와 같이 흡착제에 흡착된 유해가스와 유기물질을 탈착시키기 위해서는 마이크로웨이브 발생기(10)에서 발생된 마이크로웨이브가 가이드관(11)을 통하여 반응기의 중앙 공간부(16b)에 위치한 도파관(13) 내로 유입된다.

상기 가이드관(11)은 마이크로웨이브의 파장이 원활이 이루어지도록 사각관 형태로 이루어져 사인파 곡선으로 이동되는데 효율을 높일 수 있도록 한 것이다.

상기 도파관 내로 유입된 마이크로 웨이브의 파장에 의해 양측 공간부(16a)(16c)에 채워진 흡착제(15)는 200℃ 이상의 온도를 가하게 됨으로 흡착제에 흡착된 유기물질과 휘발성분이 분해되면서 배출관과 토축관, 유입관을 통하여 연결관(21)으로 배출되고, 연결관으로 배출된 탈착 유해가스는 응축기(25)에서 응축되어 액체 상태로 보관된다.

상기 흡착제는 고온에소도 견딜 수 있도록 된 재료를 선택하였다.

또한 응축기 일 측에는 진공펌프(26)가 구비되어 반응기 내에서 탈착된 휘발성가스를 응축기로 흡입하여 응축시키게된다.

상기와 같이 유해가스가 응축기에서 응축되어 모아진 성분은 톨루엔으로서 이는 별도의 수거용기(도시없음)에 모아져 톨루엔을 사용하는 세탁소등의 분야에서 재활용할 수 있게 된다.

또한 다른 방법으로는 응축기에서 응축시키지 않은 유해가스는 마이크로웨이브 플라즈마 발생장치(28)에서 완전 처리하여 깨끗한 공기만 외부로 배출할 수 있다.

도면에 도시된 범퍼(27)탱크는 마이크로웨이브 프라즈마 발생기로 유입되는 가스가 기복 없이 안정적으로 주입될 수 있도록 설치된 완충장치 역할을 하게된다

본 발명의 미설명 부호 A는 본 발명을 실험하기 위한 휘발성 유해물질 공급통이다.(도1참조)

또한 본 발명의 후처리 시스템으로 사용되는 마이크로웨이브 플라즈마 발생기는 상부 일측에 마이크로웨이브가 주입되고 저부일측에서 극판이 전기적인 작동에 의해 발생되는 플라즈마와 접촉되면서 고열이 발생되어 유해가스를 분해하여 깨끗한 공기만 외부로 배출시키게 된다.

이와 같이 실시되는 본 발명의 실험에 따른 실시 예와 각각 구성부를 상세히 설명하기로 한다.

따라서 본 발명에서는 흡착제에 흡착된 유해물질 즉 휘발성분을 탈착하는 수단으로 마이크로웨이브를 이용하는 것으로서 앞으로 실시예의 설명에 있어서 상당히 중요한 것으로 마이크로웨이브를 이해하기 위해 전자파의 이론적인 배경을 먼저 살펴보기로 한다.

전류에는 직류와 교류의 2종류가 있지만 일반적으로 마이크로웨이브라고 칭하는 것은 주파수 300MHZ부터 30GHZ의 교류의 범위에 붙여진 통칭이다. 따라서 마이크로웨이브에서는 1초간에 3억에서 300억 회나 전류의 방향이 변한다.

즉, 마이크로웨이브는 그 파장이 1cm에서 100cm에 이르고 있기 때문에 센치파 라고도 부르며 전파로서 이용하고 있는 파중에서는 파장이 짧은 부류에 속하고 있다. 이 이하의 짧은 파장이 되면 서브미리파, 원적외선, 적외선을 거쳐 가시광선에 이른다.

이와 같이 마이크로웨이브는 광에 가까운 파장이고 전자파의 성질 외에 빛에 가까운 성질을 갖고 있기 때문에 다른 전자파와는 다른 이용의 선택이 주어질 수 있다.

또한 마이크로웨이브 대역의 파장은 UHF에서의 텔레비전에서, 가장 파장이 짧은 영역에서는 인공위성과의 통신, 전 영역에 걸친 레이더 등, 아주 넓은 범위에서 이용되어 가장 중요한 전파로 되어 있다. 그렇기 때문에 한정된 주파수의 대역범위를 혼란시키지 않고 유효하게 이용할 목적으로 국제적인 규정에 의하여 ISM Band 와 같이 주파수의 할당이 되어 있다.

따라서, 마이크로웨이브는 물질을 가열하거나 건조하는 수단으로 불, 열풍, 증기, 전열에 의한 적외선 등이 이용되고 있다. 이들은 물체의 외측으로부터 열을 가하여 물체의 표면을 가열하고 그 물체의 열전도에 의하여 서서히 내부까지 가열하는 방법으로 외부가열이라고 부른다.

이에 대하여 높은 주파수를 갖는 전계를 이용한 유전가열과 더 높은 주파수의 전자파를 이용하는 마이크로웨이브 가열에 있어서는 피가열물 자체가 발열체가 되어 물질의 내부에서 가열이 이루어지기 때문에 내부 가열이라고 한다. 이러한 내부가열의 경우 물체의 외부에 있어서의 산란하는 여분의 열이 거의 없고 원리적으로 아주 효율이 좋은 가열을 할 수 있다.

따라서 일 예로 마이크로웨이브 가열은 전자렌지를 예로 할 수 있는 것으로써, 일반 가정에 널리 알려진 기술이지만 식품의 가열뿐만 아니라 최근에는 공업적인 면에서 많은 이점을 활용하여 응용 범위가 넓어지고 있는 것으로써, 본 발명에 서는 흡착제에 흡착된 휘발성 유해물질을 탈착하기 위한 가열 수단으로 마이크로웨이브를 이용하였다.

이와 같이 이루어지는 본 발명의 마이크로웨이브를 이용한 유해가스 탈착 시스템을 살펴보면,

먼저 마이크로웨이브 가열시스템은 마이크로웨이브를 발생시키는 발생기(microwave generator)와 이를 일측으로 이동시키는 가이드관(11)과, 가이드관을 통한 마이크로웨이브의 파장을 깊게 골고루 분산시키도록 하는 슬롯을 갖는 도파관(transmission)과 유해가스를 흡착하는 흡착제로 반응기(applicator)가 구성되어져 있다.

상기와 같이 마이크로웨이브 발생기에서 발생된 마이크로웨이브는 도파관으로 전송하게되는데, 마이크로웨이브를 전송하기 위한 관은 사각 금속관으로 이루어진 가이드관(11)을 사용하고 있으며, 가이드관은 일측단은 마이크로웨이브발생기와 연결되고, 타측단은 도파관과 연결되어져있다.

상기 도파관은 마이크로웨이브 이상의 전자파 전송에 쓰이는 금속관으로 내부는 비어 있고 재질은 일반적으로 동(copper)이나 알루미늄을 사용하지만, 경비 절감을 위해 강관의 내면에 등 또는 알루미늄을 도금한 것도 있다.

도파관의 형태는 절단면이 원형인 원형 도파관(circular wave guide)과 장방형인 구형 도파관(rectangular wave guide)이 있으며 이 관속을 전파하는 전자파의 주파수에는 한계가 있고 도파관의 지름에 비례해서 긴 파장의 전자파는 이 관을 통과할 수 없게 되는데. 이 한계 파장을 차단파장 이라고 하며 단면의 형태나 치수에 따라 차단파장 이하의 전자파는 전달하지 않는 필터의 성질을 지니고 있다.

본 발명에서 사용되는 도파관은 마이크로웨이브 전송로로서 우수한 특성을 가지는 장점은, 주파수가 높아지면 표피 착용으로 도체의 고주파 저항이 매우 증가하므로 손실도 증가하나, 도파관내에서는 관내 면적이 넓고 전도도가 높으므로 표피 작용에 의한 저항 손실이 작고, 동축선로 등에는 절연물을 사용하므로 주과수가 높아짐에 따라 유전손실이 증가하나 도파관에는 따로 절연물을 사용하지 않으므로 유전손실이 작으며, 평형 2선식 등에서는 급전선에서 전파의 복사 방치가 곤란하나 도파관에는 변위전류가 관내로 흐를 뿐이므로 전파를 외부로 복사하는 일이 없고, 차단파장 이상의 주파수만 전송되므로 여과기로서 작용한다.

또한 본 발명의 반응기는 마이크로웨이브를 피 가열물에 접촉시켜 가열하는 부분의 장치를 말하며, 대상물의 형상에 따라 여러 가지 형태가 고안되어지고 있다. 피가열물의 형상이 괴상, 시트상 인가에 따라 달라지며, 괴상의 경우는 부피에 비하여 표면적이 작으므로 열방출량은 작고 열로의 전환율이 좋으나, 시트상의 것은 열 방출량이 작고, 열로의 전환이 좋으나, 시트상의 것은 열 방출량이 많고 이 때문에 흡수된 전력이 온도 상승에 기여하는 율이 낮아진다. 괴상의 경우는 전체에 균일한 전파가 조사되는 금속제의 상자형 오븐 속에서 가열하는 것이 일반적이나 시트상 경우에서는 손실계수가 작은 물질에서는 단위체적당 흡수전력을 크게 하지 않으면 안된다. 이로 인해 여러 가지 반응기가 고안되었으나 피가열물에 에너지를 집중 시켜 가열하는 방식이다.

따라서 마이크로웨이브의 가열방식을 살펴보면, 뱃치 오븐 방식과 컨베이어 오븐방식, 도파관형 반응기 등이 있으며 이를 간략히 살펴보기로 한다.

1) 뱃치 오븐방식

전자레인지의 오븐과 같은 형식의 것으로 파장에 비해 큰 치수의 금속용기에 마이크로웨이브를 도입한 것으로 마이크로웨이브는 오븐 벽에서 회절(reflection) 반사되면서 유전물질에 흡수되어 열을 발생하게 된다.

이 경우 균일가열을 위해서는 마이크로웨이브가 여러 방향과 위상으로 피가열물에 접촉하는 것이 바람직하므로 턴테이블(turn table)이나 전파를 교반하는 금속제의 회전날개(mode stirrer)를 설치하는 것이 일반적이다.

뱃치 오븐방식(bath oven mode)에서는 출입구는 마이크로웨이브의 누설이 많으므로 밀폐성 구조로하거나 마이크로웨이브 흡수체등을 장착하여야 한다.

2)컨베이어 오븐방식

연속처리공정의 경우 컨베이어 오븐방식이 적용되며 이 방식은 뱃치 오븐 방식에 피 가열물의 출입구를 설치하고 벨트 컨베이어 등을 넣은 것으로 마이크로웨이브는 도파관에 의해 오븐으로 유도되며 피가열물은 연속적으로 오븐내로 주입되게 된다.

여러개의 마그네트론을 설치할 경우에는 결합구의 방향을 서로 직교시켜서 전계방향을 여러 방향으로 향하게 함으로서 보다 균일한 가열이 이루어질 수 있다.

컨베이어 오븐방식(conveyer oven mode)에서 가장 중요한 부분은 출입구의 개구부로 이 부분에 밀페성과 같은 임피던스 부정합부를 만들어서 마이크로웨이브의 누설을 방지하여야 하며, 개구부의 폭이 넓을 때에는 개구부에 긴 도입부를 붙 이고 이 부분에 전파 흡수체를 장착하여 마이크로웨이브의 누설을 최대한 방지 하여야한다.

3)도파관형 반응기

종이나 인쇄물, 필름, 헝겊 등의 시트상의 재료나, 망, 실과 같은 가늘은 재료, 관속을 통과하는 액체 등을 효과적으로 가열하는데는 일반적으로 뱃치나 컨베이어형 오븐은 충분한 정합이 이루어지지 않아 가열효율이 낮으므로 피가열물에 에너지를 집중시켜 가열하는 도파관방식이 사용된다. 전파를 보내는 도파관(wave guide)의 내부에서는 상자형 오븐에 비해 전계가 강하므로 효율이 높게 된다.

또한 본 발명에서이용되는 마이크로웨이브의 가열특성을 살펴보면,

마이크로웨이브 가열에는 피 가열물체가 외부 열원 없이 발열하는 특색이 있어 큰 물체에서도 표면 및 내부를 거의 동시에 가열할 수 가 있기 때문에 가열물의 품질을 손상 없이 단시간에 가열·건조 처리가 가능하다.

또한 열 효율을 살펴보면, 마이크로웨이브는 오븐속에 놓아둔 피 가열물만에 흡수되고 주위의 벽(금속)과 공기를 가열하지 않기 때문에 당연히 열효율이 높다는 것을 착안하여 휘발성 유기물질이 흡착된 흡착제만 가열하여 탈착시키고 충입된 흡착제에 골고루 넓게 열이 분포되도록하기 위헤 도파관에 다수의 슬롯을 형성하여 탈착이 골고루이루어지도록 하였다.

또한 본 발명의 마이크로웨이브는 상기에서 설명한 특징외에 피 가열물의 옴폭 패인 부분에도 거의 균일하게 침투하여 가열하기 때문에 복잡한 형상이라도 비교적 균일하게 가열할 수 있다. 또 가열 전력의 제어가 용이하고 응답이 빠르기 때 문에 작업의 개시, 종료로부터 가열의 온도 조절 등을 모두 순식간에 행할 수 있다. 또한 전술한 바와 같은 특징을 살려 공업가열의 열원으로서 마이크로웨이브를 이용하면 다음과 같은 이점을 갖는 가열장치를 만들 수가 있다.

이와 같이 이루어지는 본 발명의 마이크로웨이브의 특징을 살펴보면,

(1) 가열건조공정의 자동화, 성력화가 가능하며,

(2) 가열건조장치의 점유면적을 작게 할 수 있으며,

(3) 공정시간의 단축으로 설비 및 재고를 최소화할 수 있으며,

(4) 작업환경의 개선과 작업의 안정을 도모할 수 있으며,

(5) 대기오염 등의 공해를 일으키지 않으며,

(6) 가열상태의 재현성이 좋고 품질의 향상을 기대할 수 있다.

이와 같은 마이크로웨이브와 재료의 상호 작용을 살펴보면, 마이크로웨이브는 전자파(eletromagnetic wave)로서 그 특성은 정합적(coherent)이고 분극화(polarized)되어 있으며, 광학법칙(lows of optics)을 따른다. 마이크로웨이브는 물질의 종류 및 온도에 따라 투과, 흡수, 또는 반사가 일어나는 정도가 달라지게 된다.

대부분의 금속은 마이크로웨이브에 불투명(opaque)하여 거의 모든 마이크로웨이브를 반사시킨다. 유전재료(전기적 절연물질)로서 예를 들면, Al₂O₂, MgO, SiO₂, 대부분의 유리류 등은 상온에서 마이크로웨이브에 투과성이 있으나, 이러한 물질도 어느 임계 온도 이상 가열되면 마이크로웨이브와 점차적으로 효과적인 반응 을 하게 되어 흡수를 시작한다.

또한 본 발명의 응축기에서 액체상태로 모아지지 않고 통과한 휘발성분의 가스를 처리하기 위한 플라즈마의 원리를 살펴보면 다음과 같다.

플라즈마는 고체, 액체, 기체에 이은 물질의 4번째 상으로 기체의 일부가 전리되어 고반응성을 띠는 이온, 전자, 중성입자로 구성되어 있고 전체적으로 전기적 중성이나 외부 자기장에 영향을 받는 전도성 기체이다.

플라즈마는 일반적으로 고온 플라즈마와 저온 플라즈마로 분류된다. 고온 플라즈마는 상압에서 높은 에너지를 가하여 발생시키므로 이온화 정도가 높고 구성요소들이 열역학적으로 평형상태에 있으며 평균온도가 수만도에 이르고, 저온 플라즈마는 저압에서 적은 에너지를 가하여 발생시키므로 상대적으로 이온화 정도가 크지 않고 구성요소들이 열역학적으로 평형을 이루고 있지 않으며 평균온도가 상온보다 약간 높아서 저압상태의 기체나 유기 증기들을 전기적으로 방전시키기 쉽다.

고온 플라즈마는 용접, 열분해나 유리질화를 이용하는 폐기물처리, 표면코팅, 박막합성, 행융합의 개발등에 주로 쓰이고. 저온 플라즈마는 재료합성, 강의 표면처리, 강의 박막처리, 반도체 표시소자, 고분자 중합등에 주로 쓰이고 있다. 그러나 환경을 개선하기 위한 영역에서의 플라즈마의 응용은 아직 크게 활용되고 있지 않은 실정이다.

이와 같은 플라즈마에서의 에너지는 거의 전적으로 주위 가스를 분해시키고 이온화시키는데 사용되어 유해 물질들을 분해하는 많은 래디칼(Radical)들을 생성하게 된다.

또한 저온 플라즈마( non-thermal)를 이용하는 방법은 선택적 에너지 흡수성과 여러오염물질들의 동시 제거능력 때문에 대기 오염물질 제거를 위한 가장 적당한 기술이라 말할 수 있다. 반면 고온플라즈마(Thermal)는 플라즈마의 에너지가 기체를 전체적으로 가열하게 되므로 대상으로 하는 분자를 소각하여 파괴하게 하는 것으로 고체나 액체의 유독성 쓰레기나 방사성 물질과 같은 폐기물들의 처리에 이용할 수 있다.

또한 마이크로웨이브 플라즈마 토치를 살펴보면 대기압 하에서 기체 방전으로 생긴 플라즈마를 냉각한 금속 노즐에서 분출해서 만드는 고온 가스류로서 전도도가 높은 기체류의 주변이 표면적을 감소시키도록 플라즈마 가두어지고 지름이 수축해서 중심부분의 온도가 고온이 된다(열핀치효과). 발생불꽃의 상태는 양과성에서의 가열과 냉각에 의해서 결정되고 기체의 종류, 상태(유랭, 노즐형상), 전기입력에 따라서 변화한다.

마이크로웨이브 전계에 의해서 해리, 전리한 기체는 상호충돌하여 운동에너지를 열로 변화시킨다. 불꽃 길이는 파워 증가에 따라서 증가하지만 λ/4보다는 늘어나지 않는다(2450Mhz의 경우 λ:약12cm). 마이크로웨이브 방전은 플라즈마가 고온이고, 또한 안정한 것에 특징이 있다.

또한 본 발명의 흡착제에 흡착된 유해물질을 살펴보면 방향족 화합물은 대표적은 발암물질로 분자 내에 벤젠고리를 가지고 있는 물질로 벤젠, 톨루엔 등이 있으며, 톨루엔인 경우 환경부가 정한 악취 및 휘발성유기화합물 규제 대상물질로써 사용량이 많은 휘발성유기화합물중의 하나이다. 대부분의 휘발성유기화합물인 경우 유전상수 기준 1-10미만이며, 그 중에서도 톨루엔은 유전상수 2.4로 규제대상 휘발성 유기화합물 중 마이크로웨이브로 탈착하기 가장 힘든 물질중 하나이며, 톨루엔과 같은 방향족 화합물은 공명안정화(resonance hybrid)로 인해 일반적인 저온플라즈마 기술로 분해하기가 매우 어렵고 분해를 위해서는 많은 에너지가 소모된다고 알려져 있다.

이와 같이 화학적으로 안정한 화합물을 마이크로웨이브 플라즈마를 이용하여 효과적으로 분해 시킬 수 있다면 다른 휘발성유기화합물들 또한 쉽게 분해될 수 있을 것이다.

또한 본 발명세서 흡착이라 함은 유체분자가 고체표면에 부착되는 현상이다. 흡착에는 흡착되는 물질과 흡착하는 흡착제가 있다. 흡착 현상을 이용하면 가스나 액체 또는 고체의 농도가 극히 낮을 경우라도 일정한 흡착제를 사용하여 선택적으로 제거 할 수 있다.

흡착공정은 흡착, 탈착 및 흡착제 재생의 세 공정으로 구분한다. 흡착은 흡착 물질과 흡착제가 접촉하여 흡착물질이 흡착제에 부착되는 공정이다. 탈착은 흡착제에 흡착되지 않은 물질이 흡착제 표면으로부터 분리되는 공정이다. 재생공정은 흡착된 물질을 흡착제로부터 제거하는 공정이며, 이 공정을 통해서 대부분의 흡착제는 흡착제로서 재사용이라고 한다.

일반적인 흡착제 재생은 흡착에 사용된 흡착제를 가열하는 과정을 포함하며, 흡착질의 종류에 따라 가열방법이 다르다. 본 발명에서는 흡착제를 가열하는 공정 즉 탈착 공정을 마이크로웨이브를 이용하여 제어하겠다는 것이다.

일반 적으로 휘발성 유기화합물을 함유한 기체가 온도가 낮고 상온 부근이거나 높아도 100°C 이하인 경우 에너지소비량이 비교적 작은 흡착법이 전체적으로 경제적일 수 있다. 설계 시 고려사항은 통과속도가 너무 느리면 흡착탑 면적이 커져 비경제적이고, 통과속도가 너무 빠르면 유동화가 일어나 흡착제가 비산이 되므로 안정적인 흡착제의 피흡착물 통과속도의 범위(Linear Velocity)와 압력손실(Pressure Drop) 고려하여 층의 높이를 0.8m로 하였고 폭은 마이크로웨이브에 의한 유전가열 특성치를 고려하여 침투깊이가 30cm미만이 되도록 하였다.

상기와 같이 이루어진 흡착제에 침투하는 마이크로웨이브 가열에 중요한 점은 마이크로웨이브를 균질하게 분산 시키는 방법이다.

본 발명에서에서는 마이크로웨이브 분산을 위해 특별히 도파관을 개발하고 상기 도파관에 슬롯을 형성하고, 도파관이 안착되는 반응기 형태는 원형, 정사각형, 직사각형타입으로 구분하고 빈 공간내의 마이크로웨이브 분산을 확인하였으며 이를 토대로 마이크로웨이브 침투 깊이를 고려한 도파관의 투입 위치를 정하였다.

또한 도파관의 구조를 변경하여 균일 분산 가열이 이루어 지도록 하였다. 정사각형 타입 인 경우는 도파관을 통하여 방사되는 마이크로웨이브가 반응기 중앙에 에너지 블록을 형성하여 모이는 것으로 확인 되었다.

이는 흡착제 가열시 에너지 집중으로 인한 국부가열이 형성될 수 있어 바람직한 반응기의 마이크로웨이브 분산은 아니다.

또한 직사각형 내에 도파관을 삽입한 타입 인 경우는 도파관을 통하여 방사 되는 마이크로웨이브가 반응기의 수평과 수직선상 상면 상부에 두점의 에너지 중점점을 형성하여 모이는 것으로 확인 되었다. 이는 흡착제 가열시 에너지 집중으로 인한 국부가열이 형성될 수 있어 바람직한 반응기의 마이크로웨이브 분산은 아니지만 반응기내에 넓은 분산을 이루고 있는 구조는 확실하다.

본 발명인 전북대 공학부 실험실에서 마이크로웨이브 플라즈마 발생장치의 제작을 1kw급과 3KW 급의 마이크로웨이브 플라즈마장치를 제작하여 실험하였다.

또한 본발명의 실험에서는 플라즈마 방전을 유지시키기 위하여 양파 배전압 방식을 사용하여 상압의 1kw 마이크로웨이브 플라즈마(plasma)를 구성하였다.

상기 양파 배전압 방식은 양극전류의 최대치가 평균 전류의 2∼2.5배로 비교적 낮기 때문에 고출력 전자렌지에 사용된다. 이런 방식은 음극이 충분히 예열되지 않으면 초기 모딩이 지속되는 단점이 있지만 본 발명의 연구에서 채택된 방식이다.

본 발명에서 실시하는 마이크로웨이브 플라즈마(plasma)의 구성은 diode, capacitor, 고전압 발생기 (High voltage transformer)로 구성되는 전원 공급부와 전원 공급부에서 승압된 전원이 공급되어 마이크로웨이브로 발진시키는 magnetron으로 구성된다.

Magnetron은 마이크로웨이브를 발진시키는 장치로 규격은 삼성전자(주)[OM75P, 정격 Anode Voltage DC 4 kV, 725 mA, Filament Voltage AC 4.6V, 19.5A] 사용하였으며, High Voltage Transformer는 약어로 HVT 라고도 하며 상용 전원 220V를 4∼5 kV의 고압으로 승압하여 Magnetron으로 공급하는 장치로 규격은 SVH-8574DC1로 사용하였다. 또한 고압용 capacitor 용량 2200VAC, 0.84㎌, 10 MΩ 방전 저항 ,규격은 RC - PZA042WREO 이며 고압용 diode는 HVR-1X 4(350 mA)로 연구에 사용되었다.

또한 3kw급 마이크로웨이브 플라즈마는 일반적으로 중성상태의 기체와는 달리 높은 에너지를 갖는 전자와 이온 및 활성종이 포함되어 있으므로 압력이 증가될수록 큰 부피의 플라즈마 방전을 균일하게 제어하기 어려우므로 플라즈마의 적용성을 확대하기 위해 진공장비를 배제한 대기압 상태에서 대면적의 플라즈마를 발생시킬 수 있는 다양한 시스템과 기술이 많은 연구그룹들을 통해 시도되고 있다.

이때 구축한 3kW급의 휘발성유기화합물 처리장치는 1KW급 마이크로웨이브 플라즈마 시스템을 통하여 확인된 마이크로웨이브 플라즈마 시스템의 적용성을 바탕으로 실제 휘발성유기화합물을 대상으로 고효율 분해가능한 시스템을 구현해 내는데 있으며 이는 휘발성유기화합물 처리장치외 PFC 공정, 대면적 플라즈마 시스템 상용화에 앞서 기술적으로 매우 중요한 의의를 갖는다. 1KW급 마이크로웨이브 플라즈마를 통해 구축된 시스템인 경우 분해공정 시험결과 및 전자계 해석을 바탕으로 방전영역은 방전관 내경 30mm에 적당한 것으로 판단되며 처리용량을 증가시키기 위해서는 방전영역을 확대와 더불어 방전관 내로 유입되는 처리가스 분자와 화학반응을 일으킬 수 있는 반응기내 체류시간을 높이는 것이 주요한 기술의 핵심으로 볼 수 있다.

< 본발명의 흡착제 실험 방법>

본 발명의 흡착제 선별 실험 및 실험장치는 마이크로웨이브를 이용한 흡탈착 농축시스템의 흡착제 선택은 마이크로웨이브를 흡수하지 않으면서 마이크로웨이브 가열에 의한 구조변형이 없어야하며, 고농도의 휘발성물질 농축시스템의 특성상 발화의 가능성이 없어야한다.

이를 확인하고자 공업용으로 많이 사용하고 있는 흡착제를 대상으로 전반적인 마이크로웨이브 가열 선별 실험을 수행하였다.

실험에 사용된 흡착제로는 '제오빌더사의 제오카본', '삼천리사의 입자상 활성탄', '제오빌더사의 합성제올라이트(13X)', '왕표화학사의 천연제올라이트', '950℃로 60분 가열된 천연제올라이트', '천연제올라이트를 가공하여 만든 입자상 제올라이트'로 흡착제를 선정하였다. '제오빌더사의 제오카본', '삼천리사의 입자상 활성탄', '제오빌더사의 합성제올라이트(13X)', 인 경우는 생산된 상품 그대로 사용하였으며, 천연제올라이트와 가열된 천연제올라이트는 왕표화학에서 생산된 포항 지방의 천연제올라이트로써 4-6mm 크기로 선별하여 하였다.

특히 가열된 천연제올라이트는 전기로를 이용 950℃에서 1시간 가열하여 휘발성 금속, 산화물 및 유기물을 제거하여 사용하였다.

또한 입자상 제올라이트는 천연제올라이트를 파쇄 후 압밀하여 고운 가루로 만든 후 알루미나(15%)와 유기물을 혼합하여 6-8mm 크기로 성형하여 950℃에서 45분간 소결 성형하여 사용하였다.

1kw급 bench scale 흡착제 선정 실험인 경우는 각각의 종류별 흡착제를 제조후 증류수로 3회이상 세척하고 110℃에서 6시간 이상 건조한 후 n-hexane으로 다시 세척한 후 110℃에서 1시간이상 건조한 다음 데시케이터를 이용하여 방냉하였다.

실험장치는 주파수 2.45GHz, 최대 출력 1kw의 stirrer가 장착된 뱃치형의 반응기(한국고주파응용기기)를 사용하였고, 마이크로웨이브 가열에 따른 흡착제의 온도 변화를 측정하기 위해 광섬유 온도계(optical fiber thermalmeter, Willianmson Co)를 오븐 상부에 설치하였다.

마이크로웨이브 가열에 따른 흡착제내의 수분과 유기오염물질의 탈착 특성을 알기 위해 오븐 하부에 석영유리판을 설치한 후 무게저울을 설치하여 연결하였으며 오븐 내부에서 직접 측정이 가능하도록 설계하여 제작하였다.

또한 시스템에는 power를 0w에서 1,000w까지 조절이 가능하도록 제작 의뢰하여 사용하였다. 실험의 안전을 위해 마이크로웨이브 leak기를 이용하여 안전을 확인하였다.

또한 보다 효율적인 마이크로웨이브 분산을 위해 turn table이나 stirrer등을 이용하므로써 반응기내의 마이크로웨이브 특성은 더욱 복잡해진다. 마이크로웨이브 가열장치를 선정하는데 있어서는 먼저 물질에 대한 특성, 즉 마이크로웨이브에 의한 유전손실율 등을 파악하는 것이 중요하다. 마이크로웨이브의 흡수가 크고, 조사된 에너지가 효율적으로 열로 변하는 물질이면, 간단하고 취급이 쉬운 오븐형을 사용할 수 있으며, 마이크로웨이브를 흡수하지 않고 투과해 버리는 물질의 경우에는 오븐형에서는 마이크로웨이브가 물질에 충분히 흡수되지 않고 반사하게 되므로 부적당 할수 있다.

상기 공정 중에서 흡착제를 사용할 경우에 조건에 따라 다르나 보통 수분이 10 - 40% 정도 함유될 것이며, 수분은 대표적인 유전체로 마이크로웨이브를 흡수하 여 쉽게 열로 전환 될 수 있으므로 본 발명에서는 multi-mode방식을 이용하였다.

시료용기는 마이크로웨이브의 투과를 방해하지 않으며, 가열과정에서 타거나 변형이 없어야 하고 피가열물과의 반응이 없는 재질을 선택해야 한다.

이때, 금속용기는 마이크로웨이브를 반사하고 정전기가 발생되므로 사용할 수 없으며, 플라스틱은 투과성은 좋으나 열에 의해 변형이 되기 때문에 적당하지 않으며 마이크로웨이브 가열에는 주로 실리카, 자기류, 내열유리가 사용된다. 이중 실리카 용기는 마이크로웨이브를 전혀 흡수하지 않으므로 빈 용기만을 가열할 경우 온도가 상승하지 않으며, pyrex 용기는 비록 작은 양이지만 마이크로웨이브를 흡수하는 것으로 알려져 있으며 실제 실험에 있어도 빈 pyrex용기의 온도가 상승하는 것을 확인하였다. 하지만 모든 실험이 같은 조건에서 실시되고 온도 상승폭 역시 실험에 영향을 줄 정도는 아니 였다. 그러나 자기류는 빈 용기만을 가열할 경우 마이크로웨이브를 흡수하여 온도가 증가 하게 되므로 음식류 가열등에는 사용 가능하나 본 발명의 실험에 있어서는 부적당한 것으로 판단되었다.

<흡착제의 물리 화학적 특성 실험>

본 발명의 실험에 있어서, 흡착제의 화학적 조성은 흡착제의 성질을 결정하는 중요한 인자이며, 물리적 특성은 흡착제내의 흡착 및 탈착의 거동을 파악하는데 중요한 역할을 하게된다.

따라서, 흡착제의 화학적 조성은 유도결합 플라즈마 분광광도계(Inductively Coupled Plasma, ICP)를 이용하여 측정하였으며 물리적인 특성은 KS F2308에 의하 여 실험을 수행하였다.

또한 흡착제의 흡착능력을 파악하기 위해 선택된 흡착제를 대상으로 내경 30mm 길이 150mm석영관에 흡착제 200g을 전자저울로 무게를 측정한 후 넣고, 석영관 양쪽을 유리섬유로 막고 1kw급 마이크로웨이브 반응기안에 넣어 600w에서 30분간 마이크로웨이브로 가열하면서 질소가스를 흘러주어 흡착제 내의 수분을 제거하는 방법을 선택하였다.

본 발명의 흡착실험은 증기화 봄베에 톨루엔을 넣고 질소를 흘려 bubbling 시켜 얻은 증기화된 톨루엔을 반응기내로 유입시키고 배출구에 GC(HP 5890:FID)로 농도를 확인 하였다.

<마이크로웨이브에 의한 휘발성유기화합물 탈착 특성 실험>

본 발명에서 실험을 하기 전 흡착제를 170℃ 건조기에서 3일간 건조한 후 데시케이터에서 넣고 방냉 후 보관하였으며, 건조기에서 건조된 흡착제는 친수성이 강함으로 비록 실험실내의 공기에 의해 미량의 수분이 존재하더라도 함수율을 0%로 간주하여 실험을 수행하였다.

이때, 함수율 0%의 흡착제에 증류수를 첨가하여 10%, 20%, 30%의 수분이 포함된 흡착제를 조제한 후, 밀봉용기(rack&rack)에 넣고 상온에서 12시간 보관하여 수분이 흡착제 전체에 고루 분포하도록 노력하였다. 흡착제 내 휘발성 유기화합물(toulene) 탈착 실험은 건조된 흡착제와 함수율이 10%, 20%, 30%인 흡착제에 일정량(150g)을 폐기물 공정시험법에 의거 분취하여 샘플을 만든 후 톨루엔을 각각 무게비로 10%가 되도록 하여 1kw급 반응기내에 두고 일정한 시간을 두고 마이크로웨이브를 조사하였다.

또한 잔류된 흡착제 내의 수분 및 휘발성유기물화합물의 농도는 반응기에 설치된 저울을 두고 확인하였고, 마이크로웨이브 가열시 흡착제의 연소현상이 발생되면 마이크로웨이브 출력을 낮추어 실험을 중단 하였다.

또한 마이크로웨이브 가열 후 방냉하여 넓은 스테인레스판에 담아 육안으로 흡착제의 변형이나 뭉친 현상을 관찰하였다.

<본 발명의 마이크로웨이브에 의한 흡탈착 농축장치 흡착제 선정 및 측정결과>

본 발명에서는 흡착제 선별을 위한 가열 실험 결과 제오카본, 입자상활성탄은 마이크로웨이브를 조사하면 스파크가 발생하였으며 국부적인 가열 현상으로 인한 연소현상이 발생되었다.

이러한 스파크 및 가열 현상은 마이크로웨이브에 의해 형성된 전계내에 전도성 물체가 놓이므로 생기는 현상으로 사료되며 이러한 스파크는 고농도로 유기용제를 흡착한 흡탈착 반응기 내에 점화원으로 사용될 수 있어 바람직한 흡착제는 아니며, 또한 강력한 마이크로웨이브 흡착물질로 마이크로웨이브 침투 깊이를 저하 시키는 물질이다. 합성제올라이트인 경우는 마이크로웨이브에 의해 용융현상으로 인한 흡착제 변형이 관찰되었으며 천연제올라이트, 가열된제올라이트, 제조된 제올라이트에서는 스파크 및 흡착제 변형이 관찰되지 않았다.

본 발명의 실험 결과 바탕으로 탄소계열 흡착제와 합성제올라이트인 경우는 흡착제 선정에 있어 제외 시켰다.

본 발명의 실험에서 마이크로웨이브 가열에서 목적하는 피가열물의 가열특성, 즉 유전상수, 손실계수 등의 유전특성(dielectric property)을 미리 측정해 두면 마이크로웨이브 가열의 적합성을 추측할 수 있게 된다.

또한 물질의 유전특성은 수분 함량. 온도, 주파수에 따라 변하게 되며, 이에 대해 많은 데이터가 제시되었으나 주로 목재, 식품에 대한 측정치에 한정되어 있는 실정이며, 흡착제에 대한 데이터는 문헌상 찾아보기 힘들었다.

또한 제올라이트계의 건조 흡착제에서는 유전상수, 손실탄젠트 모두 낮은 것을 알수 있었으며 금속 성분이 포함된 천연제올라이트와 가열된 제올라이트 보다 공극이 큰 제조된 제올라이트의 유전 특성치가 높을 것을 알수 있었다. 수분이 포함된 흡착제에서의 유전특성은 수분이 증가할수록 증가되며, 금속성분이 작을수록, 공극이 작을수록 감소되어 건조된 흡착제와는 반대되는 결과을 얻을수 있었다.

일반적으로 건조상태의 물질에 대한 유전 특성치는 물질의 밀도가 낮고 공극률이 증가함에 함에 감소된다고 한다. 이는 공극에는 공기가 존재하고 공기의 유전상수는 약 1정도로 외부에서 전기장이 가해져도 공명(resonance)을 일으킨 정도로 빠르게 회전할 수 없기 때문이다.

<흡착제의 열 흡수 특징>

또한 본 발명의 마이크로웨이브 가열에 따른 흡착제의 휘발성유기화합물의 탈착특성을 알기 위해서는 먼저 물질이 가진 유전특성과 온도와의 관계를 파악하는 것이 중요하다. Ohlsson 등은 마이크로웨이브 가열시 시료의 온도는 중심이 가장 높고 표면으로 갈수록 감소하는 현상을 발견하고 이를"core-heating effect"라고 하였으며, chen과 davis 등은 sandstone을 마이크로웨이브로 가열하며 유체의 흐름을 관찰한 결과, 공기는 시료의 중심부로 이동하며, 중심부에서 온도와 압력이 최대가 되므로 시료내에서 유체의 흐름은 중심부와 표면과의 압력 기울기에 의한다고 하였다.

그러므로 물질의 이동을 파악하기 위해서는 시료 중심부의 온도를 파악하는 것이 중요하다. 또한 온도 측정기기의 선택이 매우 중요하다. 일반 열전대나 수은온도계는 구성요소 자체가 금속원소로 이루어져 있어 마이크로웨이브를 흡수하여 급속한 온도 상승이 발생할 수 있으며, 알코올 온도계는 알코올 자체가 극성 물질이라 유전가열에 의한 현상으로 온도가 상승한다.

이러한 이유로 전기장 내의 온도 측정은 적외선 측정법이나 형광측정법이 주로 이용되고 있다. 하지만 적외선 측정법은 전기장내의 가열물의 표면의 온도 측정만 가능하여 피가연물의 중심의 온도를 확인하기는 어려웠다.

본 발명에서는 형광측정법을 이용한 광섬유(optical fiber) 온도계는 센서 끝단에 부착된 사파이어 결정상의 형광물질이 외부에서 가해진 에너지에 의해 여기상태에서 기저상태로 전환될 때 방출한 형광을 광학검출기로 검출함으로서 온도를 측정하는 방법이다.

따라서, 흡착제 자체 열흡수 특성을 알기 위해 직경이 80mm, 높이가 100mm의 pyrex용기에 흡착제를 150g 분취한 후 중심부에 광섬유 온도계가 위치하도록한 후 마이크로웨이브를 주사하였을때 흡착제별 시간에 따른 온도 상승을 체크하였다.

따라서 본 발명의 흡착제 실험결과를 살펴보면 열처리된 제올라이트가 마이크로웨이브 가열시 가장 열을 적게 흡수하는 것은 흡착제의 화학적 조성만 고려하면 마이크로웨이브를 흡수하지 않는 SiO₂성분이 85.5%로 시료중 가장 많이 포함되어 있으며 유전특성을 살펴보아도 유전상수가 1.99, 유전손실이 0.011로 대부분의 마이크로웨이브가 통과하는 것을 알 수 있다.

또한 천연 제올라이트인 경우는 열처리된 제올라이트 보다 SiO₂ 함량이 적고 철 및 기타 금속물질 함량이 열처리된 제올라이트 보다 높기 때문에 초기 온도가 급속히 상승한 것으로 사료된다. 철 및 기타 금속은 전기장의 강한 흡수물질로 또는 반사체로 작용할 수 있다.

또한 금속성분은 일반적으로 전기장의 크기가 매우 작은 경우에는 전기장을 거의 흡수 못하고 반사하게 되나, 필라멘트와 같은 표면적 대 부피가 큰 경우에는 격자 원자(lattice atom)내의 전자간 충돌로 인해 열손실이 발생되며, 열은 금속 전부피를 통해 빠르게 분산되어 매질의 온도를 급격하게 상승되게 한다. 제조된 제올라이트인 경우는 금속 성분이 적어 천연제올라이트와 같이 급속한 온도 상승은 보이지 않았지만 유전상수가 SiO₂ 큰 Al₂O₃성분이 많아 계속적으로 열을 흡수 한 것으로 사료된다.

또한 수분이 포함한 열처리제올라이트 각각 일정한 시간동안 105-110도 사이 를 유지한 후 온도가 상승됨을 알수 있었다. 이는 물분자와 같이 쌍극자 모멘트를 가진 대표적인 유전체로 조사된 마이크로웨이브에 의해 쌍극자 모멘트가 전기장 방향으로 배열하는 힘 때문에 회전을 하게 되며, 이 회전 에너지 준위에 해당하는 에너지를 받으면 열을 흡수하여 발열체 역할을 수행하기 때문이다.

이러한 이유 때문에 마이크로웨이브 주사 초기 5분 전후로 온도가 급격히 상승되며, 흡착제 내부의 수분은 기화되어 증기압이 대기압을 초과하게 될 때 흡착제 표면으로부터 제거되고 기화열로 인하여 일정한 온도를 수분간 유지하게 된다.

또한 수분이 모두 증발된 후에는 건조된 가열 제올라이트의 유전특성치에 의해 온도는 변하게 된다. 온도의 변화는 마이크로웨이브가 흡수되는 경우 상승하며 흡수되지 않을 경우는 감소하게 된다. 하지만 일반적인 마이크로웨이브 가열에서는 온도가 높을수록 유전상수 및 유전손실이 크게 증가하는 경향이 있다.

또한 수분이 함유된 흡착제중 천연제올라이트에서는 건조된 흡착제와 큰 차이의 탈착효율을 보이지 않았으나 그 외의 흡착제에서는 수분이 포함된 상태에서 보다 좋은 탈착효율을 얻을 수 있었다.

일반적 사실은 흡착제와 같은 다공성 물질에 있어서 액상물질의 휘발은 끊은점 이하에서는 분자확산에 의하나 끊은점에 도달하면 내부증발에 의해 압력과 온도가 상승하므로 이때의 물질전달은 대류현상을 따르게 된다. 유전물질은 전기장하에서 분극화되어 높은 유전상수를 가지고 있으나 비극성 물질인 대부분의 유기화합물은 분극화되지 않고 2-4정도의 낮은 유전상수를 가지고 있다. 그러므로 흡착제 내에 비극성물만이 존재할 경우, 열흡수 용량은 낮게 되나 물과 같은 쌍극자 물질이 공존할 경우에 유전물질의 분극 특성은 전기 벡터의 빈도, 방향, 크기에 따라 회전, 진동하게 되며 이때 에너지가 발생되고, 비극성물질은 쌍극자 물질과의 충돌로 인해 온도가 증가되게 한다. 그러므로 흡착제 내의 수분함량이 증가하면, 손실계수가 증가되므로 흡착제는 마이크로웨이브에 의해 온도가 급격히 상승되고 흡착제와 흡착된 휘발성유기화합물의 표면은 열전도에 의해 국부적으로 평형상태가 된다.

또한 흡착제 내부 미세기공에 유전상수가 낮은 탈착물질을 흡착하고 있는 경우, 이를 탈착하기 위해서는 물질의 현열과 잠열 이외도 탈착에 필요한 열을 더 소비하게 되므로 제거시간이 상대적으로 길어질 수 있다고 판단된다.

또한 수분에 의해 초기 100도 이하에서의 탈착은 기화된 수증기에 의해 흡착제로부터 탈착되는 것으로 사료된다.

<마이크로웨이브 침투 깊이>

본 발명의 마이크로웨이브를 응용하는 기술 중에서 가장 고려되어야 할 대상이 마이크로웨이브의 침투 깊이이다. 일반적인 학술논문이나 기술의 설명에서 bench sclae의 작은 반응기 같은 경우는 뱃치 타입의 반응기 중앙에 대부분의 피가열물을 위치시켜 실험을 수행하기 때문에 마이크로웨이브 침투깊이와는 상관 없이 연구를 수행할 수 있다. 하지만 scale이 커질수록 반드시 고려되어야 할 사항이 마이크로웨이브 침투깊이이다.

본 발명의 연구 내용중 유전특성을 파악하였으며 이에 "Gerling Applied Engineering, Inc."에서 제시한 유전상수 및 손실에 따른 2450mHz에서의 침투깊이 도표를 이용 흡착제별 예상되는 마이크로웨이브 침투깊이를 추측하였다

또한 본 발명은 건조된 상태에서 천연제올라이트는 20-30cm, 가열된 제올라이트는 100-200cm, 제조된 제올라이트는 50-100cm 정도 마이크로웨이브가 침투 가능한 깊이 인 것으로 사료되며, 건조된 흡착제인 경우는 마이크로웨이브에 의한 가열 특성은 단지 유전상수, 손실계수에 의해서만 결정되나 흡착제에 수분이 포함되어 있는 경우는 가열특성을 지배하는 것은 물에 대한 영향이 주를 차지하고 있음을 알수 있다.

한편 수분이 존재하에서는 모든 흡착제가 10mm이하의 침투깊이를 갖고 있는 것으로 나타났다. 이는 피가열물의 마이크로웨이브 가열에 있어 피가열물의 외부로부터 안쪽으로 수분을 제거하면서 진행될것으로 예상된다.

또한 본 발명의 측정결과 외에 중요한 점은 처리되지 않은 톨루엔 가스외에 검출될 것으로 예상되었던 오존은 검출되지 않았다.

또한 본 발명에서 목표는 낮은 농도의 오염 공기를 효율적으로 처리할 수 있는 '마이크로웨이브를 이용한 흡탈착 농축 장치 및 플라즈마 처리 설비'에 대한 반응 메카니즘 확립 및 적용성에 대한 개발이며, 이에 관련하여 마이크로웨이브 가열에 적합한 흡착제를 개발하였으며, 개발된 흡착제를 대상으로 균등가열이 가능한 흡탈착 농축장치를 설계 제작하였다.

도1은 본 발명의 전체적인 공정 흐름도를 보여준다. 크게 흡탈착 농축시스템, 냉각 응축시스템, 마이크로웨이브 플라즈마로 나뉘는데 처리용량비로 산정하며 100:1:1 수준으로 후처리에 많은 부하를 줄인 컴펙트한 공정이다.

흡착은 일정한 유속 및 유량으로 흡착되며 반응기내의 흡착제가 포화상태에 이르면 마이크로웨이브에 의해 탈착이 이루어지고 탈착된 휘발성유기화합물은 냉각응축 공정을 거쳐 회수되며 회수 과정에서 발생되는 휘발성 유기화합물은 마이크로웨이브 플라즈마 공정에서 최종처리 됨으로서 휘발성 유기화합물을 간단 용이하게 처리할 수 있도록 한 것이다.

또한 후처리 개념의 마이크로웨이브 플라즈마 시스템을 설계 및 제작하여 운영 실험을 수행하였다.

본 발명에서 추구하는 기술내용은 마이크로웨이브를 이용하여 흡착제에 흡착된 휘발성 유기물질을 탈착되도록 하고 탈착 된 휘발성물질을 응축기로 응축시켜 재활용할 수 있도록 하며 응축기를 통과한 가스 또는 응축시키지 않은 가스를 후처리 공정인 마이크로웨이브와 플라즈마를 이용하여 완전 열분해시켜 깨끗한 공기만 배출되도록하였다.

이상의 실험에서 알 수 있는 바와 같이 본 발명은 마이크로웨이브를 이용한 휘발성유기화합물 회수 및 처리공정을 실시함으로서 다음과 같은 연구 결과를 얻었다.

1) 흡착제 선별을 위한 가열 실험 결과 제오카본, 입자상활성탄은 마이크로웨이브를 조사하면 스파크가 발생하였으며 국부적인 가열 현상으로 인한 연소현상이 발생되었다. 합성제올라이트인 경우는 마이크로웨이브에 의해 용융현상으로 인한 흡착제 변형이 관찰되었으며 천연제올라이트, 가열된제올라이트, 제조된 제올라 이트에서는 스파크 및 흡착제 변형이 관찰되지 않았다.

2) 흡착제 화학적 조성 실험 결과 SiO₂와 Al₂O₃ 성분이 대부분을 차지하였으며, 천연제올라이트인 경우 SiO₂, Al₂O₃가 각각 76.5%, 9.7%로 존재하였고, 950℃에서 열처리한 제올라이트 인 경우는 SiO₂, Al₂O₃가 각각 85.5%, 13.46%였고, 제조한 제올라이트계 흡착제 경우는 제조에 포함된 다량의 Al₂O₃성분 때문에 SiO₂, Al₂O₃가 각각 72.68%, 25.84%였다.

3) 흡착제의 유전 특성 실험결과 제올라이트계의 건조 흡착제에서는 유전상수, 손실탄젠트 모두 낮은 것을 알수 있었으며 금속 성분이 포함된 천연제올라이트와 가열된 제올라이트 보다 공극이 큰 제조된 제올라이트의 유전 특성치가 높을 것을 알수 있었다. 수분이 포함된 흡착제에서의 유전특성은 수분이 증가할수록 증가되며, 금속성분이 작을수록, 공극이 작을수록 감소되어 건조된 흡착제와는 반대되는 결과을 얻을수 있었다.

4) 흡착제의 열흡수 특성 실험결과를 살펴보면 열처리된 제올라이트가 마이크로웨이브 가열시 가장 열을 적게 흡수하는 것은 흡착제의 화학적 조성만 고려하면 마이크로웨이브를 흡수하지 않는 SiO2성분이 85.5%로 시료중 가장 많이 포함되어 있으며 유전특성을 살펴보아도 유전상수가 1.99, 유전손실이 0.011로 대부분의 마이크로웨이브가 통과하는 것을 알 수 있다.

또한 천연제올라이트인 경우는 열처리된 제올라이트보다 SiO₂ 함량이 적고 철 및 기타 금속물질 함량이 열처리된 제올라이트보다 높기 때문에 초기 온도가 급 속히 상승한 것으로 사료된다.

5) 흡착제 별 수분량에 따른 탈착 특성 결과 마이크로웨이브를 이용한 흡착제의 탈착능력은 여러 가지 조건에 의해 변화될 수 있으나 기본적인 흡착제를 구성하는 입자의 조성과 열흡수 특성에 따라 지배된다. 건조된 흡착제의 경우 열처리된 제올라이트, 제조된 제올라이트 순으로 낮은 탈착효율을 얻었으며, 천연제올라이트에서는 높은 탈착효율을 얻었다. 이는 흡착제의 열흡수 특성과 비교하여 생각할 수 있다. 또한 수분이 함유된 흡착제중 천연제올라이트에서는 건조된 흡착제와 큰 차이의 탈착효율을 보이지 않았으나 그 외의 흡착제에서는 수분이 포함된 상태에서 보다 좋은 탈착효율을 얻을 수 있었다.

6) 마이크로웨이브 침투 깊이는 유전특성 실험을 통해 파악하였으며 건조된 상태에서 천연제올라이트는 20-30cm, 가열된 제올라이트는 100-200cm, 제조된 제올라이트는 50-100cm 정도 마이크로웨이브가 침투 가능한 깊이 인 것으로 사료되며, 건조된 흡착제인 경우는 마이크로웨이브에 의한 가열 특성은 단지 유전상수, 손실계수에 의해서만 결정되나 흡착제에 수분이 포함되어 있는 경우는 가열특성을 지배하는 것은 물에 대한 영향이 주를 차지하고 있음을 알수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 저농도 휘발성유기화합물을 흡착제에 흡착 시킨 후 마이크로웨이브에 의해 고농도로 탈착하여 응축시설을 이용 응축시키고, 응축 과정에 배출되는 유해가스를 마이크로웨이브 플라즈마 시스템을 이용하 여 처리하는 휘발성유기화합물 회수 및 처리함으로서 산업현장 또는 대기오염에서 발생된 휘발성유기화합물을 회수하여 세탁소와 같이 톨루엔을 사용하는 업소등에서 재활용할 수 있는 효과를 가지며,

또 다른 효과로서는 마이크로웨이브를 이용하여 흡착제에 부착된 휘발성유기화합물을 간단 용이하게 탈착시켜 마이크로웨이브 플라즈마로 완전처리 함으로서 휘발성유기화합물을 취급하는 산업현장의 근무환경을 쾌적하게 하고 더블어 대기오염에 따른 냄새를 방지하여 호흡기질환 피부질환을 예방할 수 있게된 효과를 갖는다.

Claims (4)

1. 마이크로 웨이브 발생기(10)에서 발생된 마이크로웨이브를 안내하는 가이드관(11)과;

   상기 가이드관(10)과 연결되어 마이크로웨이브가 인입될 수 있도록 중앙부에 도파관(13)이 설치되고 양측에는 양측에는 격벽설치되어 흡착제(15)가 충입되도록 다수의 공간부(16a)(16b)(16c)를 형성한 반응기(12)와;

   상기 반응기(12)의 각 공간부(16a)(16c)(16c)에 형성된 유입구(17), 토출구(18), 배출구(19)와 연결되어 정화가스 및 탈착가스를 배출시킬 수 있도록 하고, 제1, 제2, 제3, 제4 개폐밸브(20a)(20b)(20c)(20d)를 갖는 연결관(21)과;

   상기 반응기(12)의 흡착제(15)에서 탈착된 휘발성 가스를 응축 저장하는 응축기(25)와;

   상기 응축기의 응축 액체를 가스범퍼로 기체화시킨 유해가스를 완전 처리하여 외부로 배기되도록 마이크로웨이브 플라즈마 발생기가 구비된 것을 특징으로 하는 마이크로웨이브를 이용한 휘발성 유기화합물 흡탈착장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 흡착제는 카본, 활성탄, 합성제올라이트, 천연제올라이트 중 어느 하나로 이루어져 유해가스를 흡착할 수 있도록 반응기의 양측 공간부(16a)(16c)에 채워진 것을 특징으로 하는 마이크로 웨이브를 이용한 휘발성 유기화합물 흡탈착장치.
3. 제1항에 있어서,

   상기 반응기의 도파관(13)양측은 다수의 슬롯(14)을 성형된 것을 특징으로 하는 마이크로 웨이브를 이용한 휘발성 유기화합물 흡탈착장치.
4. 제1항에 있어서,

   상기 반응기는 공간부(16a)와 (16b), (16b)와 (16c)의 공간부 사이에 투명 유리패널의 격벽(29)이 설치된 구성을 특징으로 하는 마이크로 웨이브를 이용한 휘발성 유기화합물 흡탈착장치.

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