KR100763546B1 - 전자파를 이용한 ｖｏｃ 흡착회수장치 및 그 방법 - Google Patents

전자파를 이용한 ｖｏｃ 흡착회수장치 및 그 방법 Download PDF

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계명대학교 산학협력단
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추헌직
김성욱
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Abstract

본 발명은 전자파 제어를 통해 흡탈착 효율이 우수하고 대용량의 VOC 처리가 가능한 VOC 흡착회수장치 및 그 방법에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은, VOC 혼합 가스에서 VOC를 흡착하고 상기 흡착된 VOC를 탈착시켜 청정 공기를 배출하는 흡착 회수부와, 상기 흡착된 VOC가 상기 흡착 회수부에서 탈착되도록 전자파를 조사하는 전자파 조사부와, 상기 흡착 회수부에서 탈착된 VOC를 냉각 응축시켜 액화된 VOC를 회수하는 냉각 응축부와, 상기 흡착 회수부, 전자파 조사부 및 냉각 응축부를 제어하는 제어부를 포함하는 VOC 흡착회수장치 및 그 방법을 제공한다.
VOC, 흡착, 흡착제, 마이크로파

Description

전자파를 이용한 ＶＯＣ 흡착회수장치 및 그 방법{VOC absorbing and recovering apparatus using electron wave}
도 1은 종래의 VOC 흡착 회수장치에서의 흡착회수 과정을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 전자파를 이용한 VOC 흡착회수장치의 구성을 간단히 나타낸 블럭도이다.
도 3 내지 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전자파를 이용한 VOC 흡착회수장치를 나타낸 도면으로, 각각 도 3은 상기 VOC 흡착회수장치의 사시도, 도 4 는 측단면도, 도 5는 측면도, 도 6은 평면도를 나타낸 것이며, 도 7은 상기 VOC 흡착회수장치의 흡탈착 베드의 사시도이다.
<도면의 주요 부호에 대한 설명>
100, 200, 300: VOC 흡착회수장치
110: 흡착탑 210; 흡착 회수부
112; 흡착제 122: 흡착질
120: 냉각회수탑 220: 마이크로파 조사부
230: 냉각 응축부 240: 제어부
본 발명은 VOC 흡착회수장치 및 그 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 마이크로파에 의한 제어를 통해 흡탈착 효율이 우수하고 대용량의 VOC 처리가 가능한VOC 흡착회수장치 및 그 방법에 관한 것이다.
오존층 파괴물질로 알려진 할로카본(Halocarbons)과 결부된 대기 중 휘발성유기화합물(Volatile Organic Compounds, 이하 'VOC'라함)에 대한 최근 국제적 인식은 미량의 휘발성 유기물질이 대기 중에 존재하여 인체에 독성을 나타내고, 광화학 스모그를 발생시키는 매개체로 작용하는 점 등으로 인해 점차 관심이 고조되어 가고 있다. VOC의 대표적 물질로는 지방족 탄화수소(Alipathic HC), 방향족 탄화수소(Aromatic HC), 할로겐화 탄화수소(Halogenated HC), 케톤(Ketones), 알데히드(Aldehydes), 글리콜(Glycols), 에테르(Ethers), 에폭시드(Epoxides), 페놀(Phenols) 등이 있으며, 현재 배출원에서 배출되고 있는 VOC 중 지방족 탄화수소, 방향족 탄화수소, 할로겐화 탄화수소가 주종을 이루며 전체 VOC의 70%를 차지하고 있다.
VOC는 여러 경로를 통해서 대기로 방출되는데, 각종 산업공정에서 유기용매로 사용되어 그 과정 중에서 주로 방출되며, 이외에 자동차 배출가스, 소각로, 쓰레기, 폐수처리시설, 일반 가정의 연소과정에서 유출된다. 인체에 직접적 유해성은 크지 않으나 대기 중에서 질소산화물의 광분해반응에 직접 관여하여 오존과 알데히드류와 같은 이차적인 산화성 물질(Oxidants)의 생성을 유발하는 광화학스모그의 기인자(Photochemical Smog Precusor)로서의 환경오염 문제를 안고 있다.
이같이 환경오염 문제를 안고 있는 VOC 제거를 위한 기술적 대책으로는 분리회수, 무해화처리(분해) 및 대체물질개발로 집약된다. 이들 중에서 무해화처리(분해)의 경우에는 분해 시설비 및 운영비 등의 비용 부담이 높고, 열소각 등의 경우 2차 연소 생성물에 의한 재오염 등의 문제가 발생할 수 있고, 대체물질개발은 현재상태에서 한계를 지니고 있으므로, 분리 회수(흡착회수를 이용한 재이용) 방법이 유용한 해결방안의 하나로 제시되고 있다. 특히, VOC가 단일 배출구에서 비교적 높은 농도로 배출되고 경제성이 있는 경우에는 회수시설을 설치하여 흡착 회수하는 방법이 바람직하다.
흡착 회수 방법은 배출되는 VOC 농도와 배출가스의 유량에 따라 흡착, 흡수, 냉각응축, 응축회수 등의 방법이 이용되고 있으며, 경우에 따라 이들 방법을 서로 혼합하여 사용할 수도 있다.
도 1은 종래의 VOC 흡착회수장치(100)에서의 흡착 회수 과정을 나타낸 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 흡착회수장치(100)에서는 흡착탑(110) 및 냉각회수탑(120)의 두개의 흡착탑이 병렬로 구성되어 VOC의 흡탈착 과정이 행해지는데, 흡착제(112)를 통해 흡착된 흡착질(122)의 탈리 회수에 수증기를 열원으로 사용하므로, 사용한 열원(수증기)의 폐수처리가 필요하다.
또한, 수증기를 이용하여 가스 혼합물의 가열과 냉각시에는 장시간의 작업이 소요되는 문제가 있었다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여, 전자파를 이용한 제어를 통해 폐수처리를 필요로 하지 않고, 탈착에 소요되는 시간을 단축할 수 있는 VOC 흡착회수장치 및 그 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 복수의 흡탈착 베드를 구성하고 이를 순차적으로 제어하여 대용량의 VOC 처리를 가능하게 하는 VOC 흡착회수장치 및 그 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일측면에 따르면, VOC 혼합 가스에서 VOC를 흡착하고 상기 흡착된 VOC를 탈착시켜 청정 공기를 배출하는 흡착 회수부와, 상기 흡착된 VOC가 상기 흡착 회수부에서 탈착되도록 전자파를 조사하는 전자파 조사부와, 상기 흡착 회수부에서 탈착된 VOC를 냉각 응축시켜 액화된 VOC를 회수하는 냉각 응축부와, 상기 흡착 회수부, 전자파 조사부 및 냉각 응축부를 제어하는 제어부를 포함하는 VOC 흡착회수장치를 제공한다.
또한, 상기 흡착 회수부에 상기 VOC 흡착을 위한 흡착제를 형성하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 흡착제가 형성된 흡착층의 내부 온도를 감지하는 온도센서를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 냉각 응축부는 스크류 형태의 적어도 하나 이상의 응축관을 구비하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 흡착 회수부는 상기 VOC 혼합가스에 대해 VOC 흡착공정 및 탈착 공정을 수행하는 적어도 하나 이상의 흡탈착 베드를 구비하고, 상기 제어부는 복수의 흡탈착 베드가 상호 교차하여 흡착 베드 또는 탈착베드로 기능하게 제어하는 것을 특징으로 한다.
다른 바람직한 실시예는, VOC 혼합가스에 대해 VOC 흡착공정 및 탈착공정을 수행하는 한쌍의 흡탈착 베드와, 상기 흡탈착 베드를 커버하여 상기 흡탈착 베드에 조사된 전자파가 외부로 누출되는 것을 차단하는 한쌍의 캐빗을 구비하는 흡착 회수부와; 상기 흡착된 VOC가 상기 흡착 회수부에서 탈착되도록 전자파를 조사하는 전자파 조사부와; 상기 흡착 회수부에서 탈착된 VOC를 냉각 응축시켜 액화된 VOC를 회수하는 냉각 응축부와; 상기 흡착 회수부, 전자파 조사부 및 냉각 응축부를 제어하여, 상기 한쌍의 흡탈착 베드가 상호 교차하여 흡착베드 또는 탈착베드로 기능하게 하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 흡탈착 베드의 일측과 연결되어 상기 VOC 혼합가스가 유입되는 혼합가스 유입부 상에 설치되어 유입되는 VOC 혼합가스 유로의 개폐를 조절하는 적어도 하나 이상의 제1의 3상 밸브와, 상기 흡탈착 베드의 타측에 연결되어 상기 흡착 및/또는 탈착 공정 후 출구가스를 배출하는 혼합가스 유출부 상에 설치되어 배출되는 출구가스 유로의 개폐를 조절하는 한 쌍의 제2의 3상 밸브를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 전자파 조사부는, 마이크로파를 발생시키는 마그네트론과, 상기 한쌍의 캐빗의 일측면에 부착되어 발생된 마이크로파 전력을 배분하거나 추출하는 RF 커플러와, 상기 마그네트론에 전원을 인가하는 전원공급부를 포함하는 것을 특 징으로 한다.
또한, 상기 냉각 응축부는 스크류 형태의 적어도 하나 이상의 응축관을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 한쌍의 흡탈착 베드 및/또는 상기 냉각 응축부에 공기를 불어 넣는 에어펌프를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 흡탈착 베드의 배출구와 연결되어 출구가스의 농도를 연속적으로 측정하는 VOC 검사부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 흡탈착 베드에 상기 VOC 흡착을 위한 흡착제를 형성하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 흡착제가 형성된 흡착층의 내부 온도를 감지하는 온도센서를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, VOC 혼합가스에 대해 VOC 흡착공정 및 탈착공정을 수행하는 한쌍의 흡탈착 베드를 포함하는 VOC 흡착회수장치에서,
제1 흡탈착 베드에서의 흡착공정, 탈착공정, 청정공기 배기공정, VOC 회수 공정을 각각 제1 흡착공정, 제1 탈착공정, 제1 청정공기 배기공정, 제1 VOC 회수공정이라 하고,
제2 흡탈착 베드에서의 흡착공정, 탈착공정, 청정공기 배기공정, VOC 회수 공정을 각각 제2 흡착공정, 제2 탈착공정, 제2 청정공기 배기공정, 제2 VOC 회수공정이라 할 때,
상기 제1 흡착공정과 동시에 상기 제1 청정공기 배기공정을 행하는 제1단계 와, 상기 제1 탈착공정 및 상기 제1 VOC 회수공정을 행하고 동시에 상기 제2 흡착공정 및 상기 제2 청정공기 배기공정을 행하는 제2단계와, 상기 제2 탈착공정 및 상기 제2 VOC 회수공정을 행하고 동시에 상기 제1 흡착 공정 및 상기 제1 청정공기 배기공정을 행하는 제3단계를 포함하고, 상기 제2단계 및 제3단계가 한쌍의 조합으로 주기적으로 반복처리되는 VOC 흡착회수방법을 제공한다.
또한, 각 단계마다 배출되는 출구가스의 농도를 측정하고, 출구가스의 VOC 함유 농도에 따라 전자파 조사 조건을 조절하는 피드백 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 한쌍의 흡탈착 베드의 공정제어를 1세트로 구성하고, 복수의 쌍을 갖는 흡탈착 베드에 대해 상기 1세트씩을 더해가는 조합 구성을 하고, 상기 세트 순서에 따라 순차적으로 제어하여 대용량의 VOC 처리를 행하는 것을 특징으로 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 전자파를 이용한 VOC 흡착회수장치(200)의 구성을 간단히 나타낸 블럭도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 전자파를 이용한 VOC 흡착회수장치(200)는, 대기에서 방출되는 VOC를 포함하는 오염공기(이하, VOC 혼합 가스)에서 VOC를 흡착하고 상기 흡착된 VOC를 탈착시켜 청정공기(오염 공기에서 VOC 제거된 공기)를 배출하는 흡착 회수부(210)와, 상기 흡착된 VOC가 상기 VOC 흡착 회수 부(210)에서 탈착되도록 전자파를 조사하는 전자파 조사부(220)와, 상기 흡착 회수부(210)에서 탈착된 VOC를 냉각 응축시켜 액화된 VOC를 회수하는 냉각 응축부(230)와, 상기 흡착 회수부(210), 전자파 조사부(220) 및 냉각 응축부(230)를 제어하는 제어부(240)를 구비한다.
여기서, 상기 흡착 회수부(210)의 내부에는 VOC 흡착을 위한 흡착제가 형성되어 있는데, 상기 흡착 회수부(210)로 공급된 VOC 혼합가스는 내부의 흡착제를 통해 VOC 흡착공정이 이루어지고, 상기 흡착제에 흡착된 VOC가 포화되면(흡착제의 흡착효율이 낮아지면) VOC 탈착공정이 이루어진다. 이때, 상기 탈착공정은 전자파 조사에 의한 가열방식에 의해 이루어진다.
상기 전자파는 다양한 주파수대의 전자파가 이용될 수 있으나, 여기서는 공업 용도로 사용되는 ISM(Industrial Scientific Medical) 주파수대의 마이크로파를 위주로 설명하며, 이 주파수대는 915±25 MHz, 2450±50 MHz, 5800±70 MHz, 24125±125 MHz 가 해당될 수 있으며, 주로 마이크로파 가열시에는 2450±50 MHz 주파수대가 이용된다.
또한, 전자파 조사부(220)를 통해 흡착 회수부(210)에 마이크로파 조사시 외부로 마이크로파가 누출되는 것을 방지하기 위해 상기 흡착 회수부(210)를 커버하는 전자파 차폐시설(미도시)이 설치될 수 있다.
냉각 응축부(230)는 마이크로파 조사를 통해 상기 흡착 회수부(210)에서 탈착된 VOC를 냉각 응축하여 액화시키고, 이때 액화된 VOC가 회수된다. 따라서, VOC 혼합가스에서 흡착, 탈착 및 냉각 응축 공정을 통해 VOC가 회수되고, VOC 제거된 공기가 대기중으로 배출됨으로써, VOC에 의한 대기오염을 방지할 수 있다.
제어부(240)는 전자파 조사부(220)를 제어하여 흡착 회수부(210)에 조사되는 전자파의 조사시간 또는 세기를 조절함으로써 VOC 탈착을 위한 탈착온도를 조절할 수 있다. 이때, 탈착온도는 전자파의 조사시 흡착된 VOC와 상기 VOC를 제외한 가스로 분리되는 온도를 말하며, 조사시간은 상기 탈착 온도에 도달한 후 상기 탈착 온도를 지속적으로 유지하여 탈착이 완전히 이루어질 때까지 걸리는 시간을 의미한다.
또한, 제어부(240)는 흡착 회수부(210)를 제어하여 흡착공정 또는 탈착공정에서 VOC 혼합가스 유량 및 유로 형성을 조절할 수 있다. 또한, 제어부(240)는 냉각 응축부(230)를 제어하여 탈착된 VOC의 냉각 응축을 위한 냉각온도를 조절할 수 있다.
도 3 내지 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전자파를 이용한 VOC 흡착회수장치(300)의 구성을 나타낸 것으로서, 도 2에서 설명한 본 발명의 일실시예에 따른 전자파를 이용한 VOC 흡착회수장치와의 차이점을 위주로 설명한다.
즉, 본 발명의 다른 실시예에 따른 전자파를 이용한 VOC 흡착회수장치(300)는, 도 2에서 설명한 동일한 구성 요소인 흡착 회수부(210), 전자파 조사부(220), 냉각응축부(230), 제어부(240)를 포함하며, 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 부여하며 이에 대한 설명은 생략한다. 다만, 상기 흡착 회수부에서의 VOC의 흡/탈착 공정이 이루어지는 흡탈착 베드(bed)의 구성에 있어, VOC 처리량을 고려하여 흡탈착 베드의 수를 각각 1베드, 2베드, 3베드, 4베드 등으로 나누어 설계할 수 있다. 이러한 흡탈착 베드의 수가 증가할수록 대용량 처리가 가능하게 된다.
도 3 내지 도 7은 흡착 회수부(210)가 복수의 흡탈착 베드를 갖는 구성을 예로 들어 설명하며, 도 3은 상기 VOC 흡착회수장치의 사시도를 나타낸 것이며, 도 4 내지 도 6은 각각 상기 VOC 흡착회수장치의 측단면도, 측면도, 평면도를 나타낸 것이며, 도 7은 상기 VOC 흡착회수장치의 흡탈착 베드의 사시도이다.
도 3 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 흡착 회수부(210)는, 유입된 VOC 혼합가스에 대해 VOC 흡착공정 및 탈착공정이 수행되는 제1 및 제2 흡탈착 베드(250)(260)와, 각 흡탈착 베드(250)(260)를 커버하여 상기 흡탈착 베드에 조사된 마이크로파가 외부로 누출되는 것을 차단하는 제1 및 제2 캐빗(251)(261)을 구비한다. 이때, 제1 및 제2 흡탈착 베드(250)(260)는 원통형을 예로 들었으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 제1 및 제2 흡탈착 베드(250)(260)의 내부에는 VOC 흡착을 위한 흡착제(미도시)가 형성되어 있다. 또한, 제1 및 제2 흡탈착 베드(250)(260)에서는 상기 흡착제를 통한 VOC의 흡착 및 마이크로파 조사를 통한 흡착된 VOC의 탈착이 연속 공정으로 이루어진다.
또한, 제1 및 제2 흡탈착 베드(250)(260)에 흡착제가 형성된 흡착층의 내부 온도 및 방전 여부를 감지하는 온도센서(253)(263)가 구비된다. 이때, 온도센서는 상기 흡탈착 베드(250)(260)의 길이 방향을 따라 병렬형으로 복수개 설치될 수 있는데, 이처럼 흡탈착 베드(250)(260)의 국부가열 방지를 위해 분산 배치될 수 있다. 이처럼, 상기 온도센서(253)(263)를 통해 흡착층의 내부 온도(가령, 탈착시 온도)를 측정하여 흡탈착 베드(250)(260)의 급속 가열 또는 국부 이상 발열(run way) 여부를 판단하고, 이 경우에는 제어부(240)가 마이크로파 출력을 조절하여 급속 가열 및 국부 이상 발열을 차단하고 탈착조건을 조절할 수 있다.
상기 제1 및 제2 흡탈착 베드(250)(260)의 일측에는 VOC 혼합가스가 유입되는 유입구(254)(264)가 구비되고, 타측에는 흡착공정을 통해 VOC 제거된 청정공기가 배기되는 배출구(255)(265)가 구비된다. 상기 배출구(255)(265)는 냉각 응축부(230)와 연결되어 상기 흡착공정 후 탈착공정을 통해 탈착된 VOC 가스가 배기될 수 있다.
상기 배출구(255)(265)와 연결되어 출구가스의 농도를 연속적으로 측정하는 VOC 검사부(미도시)가 구비된다. 이때, 제어부(240)는 VOC 검사부를 통해 출구가스의 농도를 측정하여 출구 가스의 VOC 함유농도(VOC의 흡착 또는/및 탈착 회수율)를 체크한다. 이에 따라 설정된 표준 흡착 및 탈착 회수율을 유지하도록 흡탈착 베드의 직경, 흡착 회수부를 통한 VOC 혼합가스의 유량을 조절하거나 마이크로파 출력을 제어하는 피드백 과정을 행하여 VOC 흡착 또는/및 탈착 회수율을 향상시킬 수 있다.
상기 제1 및 제2 흡탈착 베드(250)(260)의 상부에는 상기 유입구(254)(264)와 연결되어 대기중의 VOC 혼합가스가 유입되는 혼합가스 유입부(270)가 구비되고, 상기 흡탈착 베드(250)의 하부에는 상기 배출구(255)(265)와 연결되어 흡착 및/또는 탈착공정 후 출구가스를 유동시키는 혼합가스 유출부(280)를 구비한다. 이때, 혼합가스 유입부(270)는 대기중의 VOC 혼합가스가 흡착 및 탈착공정을 위해 상기 흡탈착 베드(250)(260)로 이동하는 통로이며, 혼합가스 유출부(280)는 상기 흡착 및/또는 탈착공정 후의 출구가스가 이동하는 통로이다.
상기 제1 흡탈착 베드(250) 및 제2 흡탈착 베드(260)와 같이 2개일 경우, 혼합가스 유입부(270) 상에 상부 3상 밸브(3way-valve)(275)를 구비하고, 상기 혼합가스 유출부(280) 상에도 하부 3상 밸브(285)를 구비하여, VOC 흡착 및 탈착 공정이 순차적으로 이루어지게 할 수 있다. 이때, 상부 3상 밸브(275)는 대기중의 VOC 혼합가스가 유입되는 대기 흡입관(271)과, 제1 흡탈착 베드(250)의 유입구(254)와 연결되는 제1 유입관(272) 및 제2 흡탈착 베드(260)의 유입구(264)와 연결되는 제2 유입관(273)의 연결부위에 설치되어 흡입되는 VOC 혼합가스의 유로의 개폐를 조절한다. 또한, 하부 3상 밸브(285)는 흡착 공정시의 청정공기(VOC 혼합가스에서 VOC 제거된 가스)가 대기중으로 배기되게 하는 제1 배기관(281)과, 제1 흡탈착 베드(250)의 배출구(255)와 연결되는 제1 배출관(282) 및 냉각 응축부(230)와 연결되는 제1 냉각관(283)의 연결부위에 설치되어 흡탈착 공정 후의 출구가스의 유로의 개폐를 조절한다. 또한, 혼합가스 유입부(270)는 전술한 바와 같은 형태가 평행 상태로 구성될 수 있으며, 혼합가스 배출부(280)는 제2 흡탈착 베드(260)에서의 공정을 위해 제1 흡탈착 베드(250)에서와 동일한 구성의 제2의 3상 밸브(미도시), 제2 배기관(미도시), 제2 배출관(미도시), 제2 냉각관(미도시)이 평행 상태로 구성될 수 있다.
이와 같이 2개의 흡탈착 베드로 구성된 VOC 흡착회수 장치(300)를 1세트(set)로 구성하면, 4개의 흡탈착 베드는 2세트, 6개의 흡탈착 베드는 3세트의 조합 구성을 이룰 수 있다. 또한, 제어부(240)는 상/하부 3상 밸브(275)(285)를 제어 하여 복수개의 흡탈착 베드를 통한 순차적 VOC 흡착 및 탈착 공정이 가능하고, 대용량의 VOC 처리도 가능하게 한다. 이하, 세트 구성을 통한 순차적 VOC 흡착 및 탈착 공정의 제어는 후술한다.
제1 및 제2 캐빗(251)(261)의 일측면에 부착되어 내부의 제1 및 제2 흡탈착 베드(250)(260)에 마이크로파를 조사하는 전자파 조사부(220)를 구비한다.
상기 전자파 조사부(220)는, 마이크로파를 발생시키는 마그네트론(221)과, 상기 발생된 마이크로파 전력을 배분(divider)하거나 추출(sampler)하는 RF 커플러(222)와, 상기 마그네트론에 전원을 인가하는 전원공급부(High Voltage Power Supply)(미도시)를 구비한다. 상기 마그네트론(221)은 2455MHz± 20MHz 주파수 대역 및 최대출력이 1~2 kW 대에서 흡탈착 베드(250)(260)에 직접 마이크로파를 조사하거나 상기 흡탈착 베드(250)(260)에 연결된 RF 커플러(222)를 통한 마이크로파 조사도 가능하다. 이때, 제어부(240)는 RF 커플러(222)와 전원공급부(미도시)를 제어하여 마그네트론(221)의 출력을 조절한다. 가령, 흡착질(VOC)의 형태 또는 제1 및 제2 흡탈착 베드(250)(260)에 충진되는 VOC의 양에 따라 1KW 범위 내에서 100W, 200W, 300W, 400W...... 등 조사되는 마이크로파의 출력이 조절될 수 있다.
마이크로파 조사를 통해 제1 및 제2 흡탈착 베드(250)(260)에서 탈착된 VOC가스는 하부에 형성된 배출구(255)(265)를 통해 냉각 응축부(230)로 이동한다. 이때, 상기 VOC 가스가 냉각관(283)을 통해 냉각 응축부(230)로 이동시 에어(air) 또는 질소가스(N2) 등의 캐리어 가스(carrier gas)가 이용될 수 있다.
상기 냉각관(283)을 통해 운반된 VOC 가스는 냉각 응축부(230)에서 액화되어 회수된다. 이때, 냉각 응축부(230)는 운반된 VOC 가스를 응축관(231)을 통과시키며 공기로 불어 냉각을 시켜 VOC 가스를 액체로 만들고, 액체 상태에서 회수된다. 또한, 응축관(231)은 스크류 형태로 구성하여 운반된 VOC 가스가 응축관(231)에서 체류하는 시간을 길게 유지하므로, VOC 가스가 고농도 상태에서 오랜시간 동안 냉각을 유지하여 냉각의 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 스크류 형태의 응축관(231)을 병렬식으로 복수개 연결하여 냉각의 효율을 향상시킬 수 있으며, 이때, 응축관은 탈착농도에 따라 그 수를 다르게 구성할 수 있다. 또한, 제어부(240)는 냉각 응축부(230)를 제어하여 VOC 가스의 냉각온도를 조절할 수 있으며, 제어방식은 유압식, 기계식, 전기식으로 다양하게 구현될 수 있다.
제1 및 제2 흡탈착 베드(250)(260)의 하부 또는 상기 냉각 응축부(230)의 측면에 에어펌프(235)를 구비한다. 상기 에어펌프(235)는 상기 제1 및 제2 흡탈착 베드(250)(260)에서 VOC 흡착 및 탈착시에 공기를 불어 넣어 흡탈착 공정의 유량을 최적 상태에서 조절할 수 있으며, 응축관(231)을 통한 VOC 가스의 냉각 응축시에도 공기를 불어 넣어, 흡탈착과 냉각 응축을 위한 최적의 조건을 유지한다.
도 7은 전술한 흡탈착 베드(250)에서 5개의 온도센서(253)가 배치된 형태로 중앙과 각 90도 방향으로 사각 모서리에 배치된 형태를 보여준다.
또한, 흡탈착 베드(250)의 직경을 40mm, 80mm, 120mm... 등으로 조절하여 VOC의 흡착량을 조절할 수 있다.
또한, 흡탈착 베드(250)의 재질은 마이크로파의 영향을 받지않는 석영 또는 파이렉스가 바람직하다.
이와 같이 구성된 본 발명에 따른 VOC 회수장치에서 제어부를 통한 순차적 VOC 흡탈착 공정을 살펴보면 다음과 같다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 VOC 회수장치가 제1 흡탈착 베드(250) 및 제2 흡탈착 베드(260)의 2개로 구성된 경우를 예로 들어 설명한다.
먼저, 대기중의 VOC 혼합가스는 대기 흡입관(271)를 통해 유입되어, 상기 혼합가스 유입부(270) 상의 3상 밸브(3way-valve)(275)를 통과하는데, 이때, 제어부(240)가 상부 3상 밸브(275)를 제어하여 흡착 및 탈착 공정이 순차적으로 이루어지게 한다. 즉, 상부 3상 밸브(275)는 제1 흡탈착 베드(250)와 연결된 제1 유입관(272)을 개방하여 제1 흡탈착 베드(250)의 유입구(254)에 VOC 혼합가스가 유입되는 흡입 유로를 형성하고, 제2 흡탈착 베드(260)와 연결된 제2 유입관(273)을 닫아 제2 흡탈착 베드(260)의 유입구(264)를 통한 VOC 혼합가스 유입은 차단시킨다. 이때, 제1 흡탈착 베드(250)는 내부의 흡착제, 가령 활성탄을 통하여 유입된 VOC 혼합가스에 대한 VOC 흡착을 행한다(이를 제1 흡탈착 베드에서의 흡착공정이라 하고, 이하 제1 흡착공정이라 함).
이어, 활성탄의 VOC 흡착이 포화상태가 되면(활성탄의 효율이 낮아질 경우) 상기 제1 흡탈착 베드(250)의 측면에 형성된 전자파 조사부(220)를 통한 소정시간의 마이크로파 조사가 이루어진다. 여기서, 소정 시간은 마이크로파의 조사시 흡착된 VOC와 상기 VOC를 제외한 가스가 분리되는 온도, 즉 탈착 온도에 도달한 후 상기 탈착 온도를 지속적으로 유지하여 탈착이 완전히 이루어질 때까지 걸리는 시간 을 의미한다.
이때, 혼합가스 유입부(270) 상의 3상 밸브(275)을 이전과 역으로 제어된다. 즉, 상부 3상 밸브(275)는 제1 흡탈착 베드(250)와 연결된 제1 유입관(272)을 닫아 제1 흡탈착 베드(250)에서의 VOC 혼합가스의 유입을 차단하고, 제2 흡탈착 베드(260)와 연결된 제2 유입관(273)은 개방하여 제2 흡탈착 베드(260)의 유입구(264)를 통한 VOC 혼합가스 유입이 이루어진다. 이와 같이, 제1 흡탈착 베드(250) 측에서는 마이크로파 조사를 통한 VOC 탈착공정이 이루어지고(이를 제1 흡탈착 베드에서의 탈착공정이라 하고, 이하, 제1 탈착공정이라 함), 동시에 제2 흡탈착 베드(260) 측에서는 활성탄을 통한 VOC 흡착공정이 이루어진다(이를 제2 흡탈착 베드에서의 흡착공정이라 하고, 이하 제2 흡착공정이라 함).
이어, 제2 흡탈착 베드(260)에서의 VOC 흡착이 포화상태가 되면 상기 제2 흡탈착 베드(260)의 측면에 형성된 전자파 조사부(220)를 통한 마이크로파 조사가 이루어져 VOC 탈착공정이 행해진다(이를 제2 흡탈착 베드에서의 탈착공정이라 하고, 이하 제2 탈착공정이라 함). 이때, 혼합가스 유입부(270) 상의 상부 3상 밸브(275)는 다시 이전과 역으로 제어되어 제1 흡탈착 베드(250)에서는 VOC 흡착공정이 행해진다(제1 흡착공정).
따라서, 제어부(240)는 상부 3상 밸브(275)를 통해 VOC 혼합가스 유입을 순차적으로 제어하여, 제1 흡착공정(제1단계) -> 제1 탈착공정 + 제2 흡착공정(제2단계) -> 제2 탈착공정 + 제1 흡착공정(제3단계) -> 제1 탈착공정 + 제2 흡착공정(제4단계) -> 제2 탈착공정 +제1 흡착공정(제5단계)...... 식으로 흡착 및 탈착공정이 교차하여 순차적으로 이루어질 수 있다. 즉, 제1 흡탈착 베드(250)와 제2 흡탈착 베드(260)는 교차하여 흡착 베드 또는 탈착베드로 기능하고, 제1단계 후 제2단계와 제3단계가 한쌍의 조합으로 주기적으로 반복처리되는 형식으로 구성될 수 있다.
한편, 상기 흡/탈착 공정의 순차적 진행과 동시에 VOC 회수 및 청정공기의 배기가 이루어진다. 즉, 제1 흡탈착 베드(250)에서의 흡착공정이 진행될 때(제1단계), VOC 혼합가스에서 VOC 제거된 가스(청정공기)는 상기 혼합가스 유출부(280) 상의 제1 하부 3상 밸브(3way-valve)(285)를 통과하는데, 이때, 제어부(240)가 상기 3상 밸브(285)를 제어하여 청정공기 배기, VOC 회수 공정이 순차적으로 이루어지게 한다. 즉, 3상 밸브(285)는 제1 배기관(281)을 개방하여 제1 흡탈착 베드(250)의 배출구(255)와 연결된 제1 배출관(282)과 제1 배기관(281)의 유로를 형성하여, 상기 배출구(255)에서 배출되는 청정공기가 상기 제1 배기관(281)를 따라 배기되게 한다. 또한, 냉각 응축부(230)와 연결된 제1 냉각관(283)은 닫아 청정공기가 냉각 응축부(230)로 유입되는 것을 차단한다(이를 제1 흡탈착 베드에서의 청정공기 배기라 하고, 이하 제1 청정공기 배기공정이라 함).
이어, 제1 흡탈착 베드(250)에서 탈착공정이 진행되고 제2 흡탈착 베드(260)에서 흡착공정이 진행될 때(제2단계), 제1 흡탈착 베드(250)와 연결된 제1 하부 3상 밸브(285)는 제1 배기관(281)을 닫아 제1 흡탈착 베드(250)의 배출구(255)와 연결된 제1 배출관(282)과 제1 배기관(281)의 유로를 폐쇄하고, 냉각 응축부(230)와 연결된 제1 냉각관(283)은 개방하여 탈착된 VOC 가스가 냉각 응축부(230)로 유입되게 한다(이를 제1 흡탈착 베드에서의 VOC 회수라 하고, 이하 제1 VOC 회수공정이라 함). 반면에 제2 흡탈착 베드(260)와 연결된 제2 하부 3상 밸브(미도시)는 제2 배기관(미도시)을 개방하여 제2 흡탈착 베드(260)의 배출구(265)와 연결된 제2 배출관(미도시)과 제2 배기관의 유로를 형성하여, 상기 배출구(265)에서 배출되는 청정공기가 상기 제2 배기관을 따라 배기되게 한다. 또한, 냉각 응축부(230)와 연결된 제2 냉각관(미도시)은 닫아 청정공기가 냉각 응축부(230)로 유입되는 것을 차단한다(이를 제2 흡탈착 베드에서의 청정공기 배기라 하고, 이하 제2 청정공기 배기공정이라 함).
이어, 제2 흡탈착 베드(260)에서 탈착공정이 진행되고 제1 흡탈착 베드(250)에서 흡착공정이 진행될 때(제3단계), 제2 흡탈착 베드(260)와 연결된 제2 하부 3상 밸브는 제2 배기관을 닫아 제2 흡탈착 베드(260)의 배출구(265)와 연결된 제2 배출관과 제2 배기관의 유로를 폐쇄하고, 냉각 응축부(230)와 연결된 제2 냉각관은 개방하여 탈착된 VOC 가스가 냉각 응축부(230)로 유입되게 한다(이를 제2 흡탈착 베드에서의 VOC 회수라 하고, 이하 제2 VOC 회수공정이라 함). 반면에 제1 흡탈착 베드(250)에서는 전술한 제1 청정공기 배기공정이 행해진다.
따라서, 제어부(240)는 한쌍의 하부 3상 밸브(285)를 통해 출구가스의 배출을 순차적으로 제어하여, 제1 청정공기 배기공정(제1단계) -> 제1 VOC 회수공정 + 제2 청정공기 배기공정(제2단계) -> 제2 VOC 회수공정 + 제1 청정공기 배기공정(제3단계) -> 제1 VOC 회수공정 + 제2 청정공기 배기공정(제4단계) -> 제2 VOC 회수공정 + 제1 청정공기 배기공정(제5단계)...... 식으로 청정공기 배기 및 VOC 회수공정이 교차하여 순차적으로 이루어질 수 있다. 즉, 제1단계 후 제2단계와 제3단계 가 한쌍의 조합으로 주기적으로 반복처리되는 형식으로 구성될 수 있다.
종합하면, 제어부(240)는 상부 및 한쌍의 하부 3상 밸브(275)(285)를 순차적으로 제어하여,
제1 흡착공정+제1 청정공기 배기공정(제1단계)
-> 제1 탈착공정+제1 VOC 회수공정+제2 흡착공정+제2 청정공기 배기공정(제2단계) -> 제2 탈착공정+제2 VOC 회수공정+제1 흡착 공정+제1 청정공기 배기공정(제3단계) -> 제1 탈착공정+제1 VOC 회수공정+제2 흡착공정+제2 청정공기 배기공정(제4단계) -> 제2 탈착공정+제2 VOC 회수공정+제1 흡착공정+제1 청정공기 배기공정(제5단계)...... 식으로 흡착공정 및 청정공기 배기공정, 탈착공정 및 VOC 회수공정이 교차하여 순차적으로 이루어질 수 있다. 즉, 제1단계 후 제2단계와 제3단계가 한쌍의 조합으로 주기적으로 반복처리되는 형식으로 구성된다.
또한, 배출되는 출구가스의 농도를 측정하고, 출구가스의 VOC 함유 농도에 따라 마이크로파 조사 조건(조사시간, 조사의 세기 등)을 조절하여 VOC 회수량을 향상시키는 VOC 탈착 회수의 피드백 과정이 더 포함될 수 있다.
이상에서 2개의 흡탈착 베드를 갖는 경우에 대해 설명하였으나, 2개의 흡탈착 베드의 공정 제어를 1세트(set)로 구성하면, 4개의 흡탈착 베드는 2세트, 6개의 흡탈착 베드는 3세트의 조합 구성을 이룰 수 있다. 이어 1세트, 2세트, 3세트, .... 순서로, 즉 세트 순서에 따라 순차적으로 제어하여 대용량의 VOC 처리를 가능하게 한다.
한편, 상기 흡착 회수부(210)에 사용되는 흡착제(미도시)는 VOC의 흡착, 탈 착 공정을 위해 매우 중요한 인자인데, 특히 마이크로파에 의한 가열효과가 있는 흡착제가 바람직하다. 가령, 활성탄(activated carbon) 또는 메조포러스 탄소(Mesoporous Carbon) 등(이하, 활성탄 등)이 사용될 수 있다.
본 발명의 흡착제는 활성탄 등과, 상기 활성탄 등의 표면에 형성된 자성체 코팅층을 포함하며, 상기 자성체는 페라이트계 화합물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 한다.
보다 바람직하게는 상기 자성체로는 Ni-Zn-페라이트, Mn-Zn-페라이트, γ-Fe2O3 및 Fe3O4 로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 것을 사용할 수 있다.
또한, 본 발명의 흡착제는 상기 자성체로 코팅된 활성탄 이외에 실리카(SiO2), Talc(활석) 및 붕소로 이루어진 군에서 선택된 1종의 화합물로 코팅된 활성탄 또는 메조포러스 탄소를 함께 사용할 수도 있다.
이때, 실리카는 통상적인 졸-겔 방법에 의해 활성탄 등의 표면에 코팅될 수 있다. 가령, 구형으로 제조된 활성탄에 무기바인더인 물유리와 Potassium Dihydroganphosphate을 일정한 비율로 교반한 다음 SiO2 98% 포함된 규석을 활성탄과 10중량% 비율로 스프레이 코팅하여 제조될 수 있다.
Talc의 성분은 MgO, SiO2, Fe2O3로 구성되며, Talc로 코팅된 활성탄 등은 Mg3(Si4O10)(OH)2 , 바인더 및 용매와 혼합하여 코팅액 조성물을 제조한 후 활성탄 등을 코팅하여 제조될 수 있다.
또한, 붕소로 코팅된 활성탄 등의 경우 Boron Nitrate, 바인더 및 용매로 혼합하여 코팅액 조성물을 제조한 후 활성탄 등을 코팅하여 제조될 수 있다.
이와 같이, 흡착제는 흡탈착 효율이 우수하면서도 마이크로파에 의한 제어가 용이하여야 하므로, 마이크로파 유전율이 우수하여 전기화학적으로 안정된 흡착제가 바람직하다.
이상에서, 전자파를 이용한 VOC 흡착회수장치 및 그 과정을 살펴보았지만, VOC 흡착회수를 위해 조사하는 전자파는 마이크로파에 한정되는 것은 아니며, 단시간에 균등 가열을 할 수 있는 마이크로파 이외의 전자파에도 적용할 수 있을 것이며, 또한, 복수개의 흡탈착 베드를 사용하여 순차적으로 흡착 및 탈착공정을 행하여 대용량 VOC 처리가 가능하다.
또한, 본 발명은 상기의 실시예에 국한되는 것은 아니며 당해 기술분야에 있어서 통상의 지식을 가진자가 본 발명의 기술적 사상의 범위를 벗어나지 않는 범위내에서 설계 변경이나 회피설계를 한다 하여도 본 발명의 범위 안에 있다 할 것이다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 VOC 흡착 회수 장치 및 그 방법은 다음과 같은 효과를 가진다.
첫째, 전자파를 이용하여 조사하므로, 탈착에 소요되는 시간이 대폭 단축되어 생산성을 향상시킬 수 있다.
둘째, 복수의 흡탈착 베드를 구성하고, 이를 순차적으로 제어하여 대용량의 VOC 처리가 가능하다.
세째, 전자파를 이용하므로, VOC 흡착회수에 폐수처리를 필요로 하지 않고, 회수물의 제2차 오염의 문제가 없으며, 액체상태의 고농도 VOC를 회수하여 신뢰성을 높일 수 있다.

Claims (16)

  1. VOC 혼합 가스에서 VOC를 흡착하고 상기 흡착된 VOC를 탈착시켜 청정 공기를 배출하는 흡착 회수부와,
    상기 흡착된 VOC가 상기 흡착 회수부에서 탈착되도록 전자파를 조사하는 전자파 조사부와,
    상기 흡착 회수부에서 탈착된 VOC를 냉각 응축시켜 액화된 VOC를 회수하는 냉각 응축부와,
    상기 흡착 회수부, 전자파 조사부 및 냉각 응축부를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 VOC 흡착회수장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 흡착 회수부에 상기 VOC 흡착을 위한 흡착제를 형성하는 것을 특징으로 하는 VOC 흡착회수장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 흡착제가 형성된 흡착층의 내부 온도를 감지하는 온도센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 VOC 흡착회수장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 냉각 응축부는 스크류 형태의 적어도 하나 이상의 응축관을 구비하는 것을 특징으로 하는 VOC 흡착회수장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 흡착 회수부는 상기 VOC 혼합가스에 대해 VOC 흡착공정 및 탈착공정을 수행하는 적어도 하나 이상의 흡탈착 베드를 구비하고,
    상기 제어부는 복수의 흡탈착 베드가 상호 교차하여 흡착 베드 또는 탈착베드로 기능하게 제어하는 것을 특징으로 하는 VOC 흡착회수장치.
  6. VOC 혼합가스에 대해 VOC 흡착공정 및 탈착공정을 수행하는 한쌍의 흡탈착 베드와, 상기 흡탈착 베드를 커버하여 상기 흡탈착 베드에 조사된 전자파가 외부로 누출되는 것을 차단하는 한쌍의 캐빗을 구비하는 흡착 회수부와;
    상기 흡착된 VOC가 상기 흡착 회수부에서 탈착되도록 전자파를 조사하는 전자파 조사부와;
    상기 흡착 회수부에서 탈착된 VOC를 냉각 응축시켜 액화된 VOC를 회수하는 냉각 응축부와;
    상기 흡착 회수부, 전자파 조사부 및 냉각 응축부를 제어하여, 상기 한쌍의 흡탈착 베드가 상호 교차하여 흡착베드 또는 탈착베드로 기능하게 하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 VOC 흡착회수장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 흡탈착 베드의 일측과 연결되어 상기 VOC 혼합가스가 유입되는 혼합가스 유입부 상에 설치되어 유입되는 VOC 혼합가스 유로의 개폐를 조절하는 적어도 하나 이상의 제1의 3상 밸브와, 상기 흡탈착 베드의 타측에 연결되어 상기 흡착 및/또는 탈착 공정 후 출구가스를 배출하는 혼합가스 유출부 상에 설치되어 배출되는 출구가스 유로의 개폐를 조절하는 한 쌍의 제2의 3상 밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 VOC 흡착회수장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 전자파 조사부는, 마이크로파를 발생시키는 마그네트론과, 상기 한쌍의 캐빗의 일측면에 부착되어 발생된 마이크로파 전력을 배분하거나 추출하는 RF 커플러와, 상기 마그네트론에 전원을 인가하는 전원공급부를 포함하는 것을 특징으로 하는 VOC 흡착회수장치.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 냉각 응축부는 스크류 형태의 적어도 하나 이상의 응축관을 포함하는 것을 특징으로 하는 VOC 흡착회수장치.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 한쌍의 흡탈착 베드 및/또는 상기 냉각 응축부에 공기를 불어 넣는 에 어펌프를 포함하는 것을 특징으로 하는 VOC 흡착회수장치.
  11. 제6항에 있어서,
    상기 흡탈착 베드의 배출구와 연결되어 출구가스의 농도를 연속적으로 측정하는 VOC 검사부를 포함하는 것을 특징으로 하는 VOC 흡착회수장치.
  12. 제6항에 있어서,
    상기 흡탈착 베드에 상기 VOC 흡착을 위한 흡착제를 형성하는 것을 특징으로 하는 VOC 흡착회수장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 흡착제가 형성된 흡착층의 내부 온도를 감지하는 온도센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 VOC 흡착회수장치.
  14. VOC 혼합가스에 대해 VOC 흡착공정 및 탈착공정을 수행하는 한쌍의 흡탈착 베드를 포함하는 VOC 흡착회수장치에서,
    제1 흡탈착 베드에서의 흡착공정, 탈착공정, 청정공기 배기공정, VOC 회수 공정을 각각 제1 흡착공정, 제1 탈착공정, 제1 청정공기 배기공정, 제1 VOC 회수공정이라 하고,
    제2 흡탈착 베드에서의 흡착공정, 탈착공정, 청정공기 배기공정, VOC 회수 공정을 각각 제2 흡착공정, 제2 탈착공정, 제2 청정공기 배기공정, 제2 VOC 회수공정이라 할때,
    상기 제1 흡착공정과 동시에 상기 제1 청정공기 배기공정을 행하는 제1단계와,
    상기 제1 탈착공정 및 상기 제1 VOC 회수공정을 행하고 동시에 상기 제2 흡착공정 및 상기 제2 청정공기 배기공정을 행하는 제2단계와,
    상기 제2 탈착공정 및 상기 제2 VOC 회수공정을 행하고 동시에 상기 제1 흡착 공정 및 상기 제1 청정공기 배기공정을 행하는 제3단계를 포함하고,
    상기 제2단계 및 제3단계가 한쌍의 조합으로 주기적으로 반복처리되는 것을 특징으로 하는 VOC 흡착회수방법.
  15. 제14항에 있어서,
    각 단계마다 배출되는 출구가스의 농도를 측정하고, 출구가스의 VOC 함유 농도에 따라 전자파 조사 조건을 조절하는 피드백 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 VOC 흡착회수방법.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 한쌍의 흡탈착 베드의 공정제어를 1세트로 구성하고, 복수의 쌍을 갖는 흡탈착 베드에 대해 상기 1세트씩을 더해가는 조합 구성을 하고, 상기 세트 순서에 따라 순차적으로 제어하여 대용량의 VOC 처리를 행하는 것을 특징으로 하는 VOC 흡 착회수방법.
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