KR100877163B1 - 난분해성 오염 가스 처리 장치 - Google Patents

Abstract

세정액 속의 미생물에 의한 흡착, 산화, 동화 작용 및 점토광물 층에 의한 흡착, 산화 작용 방식으로 오염 가스를 처리하는 장치가 제공된다. 본체는 중공부를 형성하고 상부에 출수공이 형성되어 있는 내벽, 및 내벽과 외벽에 의해 정의되며 내부 하부로부터 내부 상부로 처리될 오염 물질이 함유된 난분해성 가스가 공급되고 미생물 배양액이 함유된 세정액이 공급되는 순환 챔버를 구비한다. 세정액 공급수단은 미생물이 함유된 세정액을 순환 챔버 내로 공급하여 순환시킴으로써 순환 와류를 형성한다. 미세다공성 섬유층은 본체 내로 공급된 상기 난분해성 가스가 내부에 형성된 미세 기공 속으로 통과한다. 무기물 층은 미세다공성 섬유층을 통과한 난분해성 가스가 불규칙한 외형 형상에 부딪치고, 내부에 형성된 미세 기공을 통과하고, 산화에 의해 제거하는 음이온을 발생시키는 무기물이 순환 챔버 내에 충진된다. 가스 공급수단은 순환 챔버 내 하부로부터 상부로 상향으로 난분해성 가스를 공급함으로써, 세정액, 미세다공성 섬유층, 및 무기물 층에 부딪치게 하는 동시에, 난분해성 가스가 미세다공성 섬유층 및 무기물층의 미세 기공을 순차적으로 통과하도록 하여 순환 챔버 내의 공급시 보다 더 작은 크기로 쪼개지도록 한다.

오염 가스

Description

난분해성 오염 가스 처리 장치{Persistent pollution gas processing apparatus}

본 발명은 오염 가스 처리 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 세정액 속의 미생물에 의한 흡착. 산화, 동화 작용 및 점토광물 층에 의한 흡착, 산화작용으로 오염 가스를 처리하는 장치에 관한 것이다.

산업의 발달, 생활 수준의 향상과 더불어 환경 오염이 가속화되고 환경 오염에 대한 시민 의식의 향상으로 환경 오염 물질에 대한 배출 허용 강화되고 있으며, VOC 특별 규제 지역 지정, 악취 오염 방지법 제정 및 시행 등으로 기업의 환경 오염에 대한 책임이 가중되고 있으며, 지구 환경 파괴가 심각해지면서 지구 온난화 방지에 국제적 관심이 고조되고, 이를 방지하기 위한 세계적인 노력이 가속되어 1988년 UN 세계기구(IPCC) 설치, 1992년 기후 변화 협약 체결, 1997년 교토 의정서 체결, 2001년 교토 의정서 이행 방안(마라케쉬 합의문) 채택, 2005년 교토 의정서 발효, 2007년 발리 로드맵 작성 등 지구 온난화 방지에 대한 지속적 개선 노력이 진행되고 있다.

우리나라도 2013년 부터는 기후 변화 협약에 따른 온실 가스 배출 의무 감축 대상 국가로 편입이 예상되며, 발전, 정유, 철강, 석유 화학, 시멘트, 제지, 자동차, 반도체, 도시 가스, 디스플레이 등 10대 업종이 우선 선정될 예정이고 국가의 탄소 배출 감출량은 1995년 기준 평균 5.2 % 감축 의무를 부여받을 것으로 예측되어 범국가적, 기업적 대응책 수립이 요구된다. 특히 지구 온난화 표준 물질인 이산화탄소의 온난화 지수가 1인데 비하여 수소 불화 탄소(HFC)는 140 ~ 11700, 과불화탄소(PFCS)는 6500 ~ 9200, 육불화황(SF₆) 23900으로 온난화 지수가 매우 높을 뿐만아니라 제거 효율(Destruction & Removal Efficiency; DRE)도 90% 이상을 요구하고 있다. 그러나 국내에는 이들 가스의 처리 기술이 아직도 개발되지 않아 환경 기술원에서는 연구 개발 과제로 선정하여 공모한 적이 있다.

또한 보건학적 측면에서 고찰해 보면, 제지, 바닥 장식재 제조 공정에서 사용되는 DMF(Demethyl eter)는 실내 체류시 작업자가 구토 증세와 배앓이 증세를 보여 작업자가 매우 불편해 하며, 특히 반도체 공정에서 사용되는 실란 등은 맹독성 물질이어서 누출시 매우 위험하며 소각로에서 발생되는 다이옥신 발암성 물질로 발암 위험이 크고 잘 분해되지 않는 오염 물질이다.

이러한 물질을 처리하는 종래 기술은 오염 기체를 본체 하부에 불어 넣고 상부에 입상체인 충진물을 채워넣고 충진물 표면에 세정액을 분무시켜 오염 기체가 충진물 사이로 통과하면서 분사된 세정액과 접촉, 용해하는 세정탑은 체류 시간이 너무 짧아 처리 효율이 매우 낮고, 카본 등 흡착제를 일정 크기의 다공판으로 구획된 챔버에 충진시키고 오염된 기체를 충진층에 통과시키면 카본 등 흡착제의 미세 한 기공에 오염 기체가 흡착되어 제거되는 방식의 흡착탑은 흡착제의 미세 기공이 막히면 더 이상 흡착 기능이 상실되므로 역시 적합하지 않으며, 지속적으로 폐기물이 발생된다.

소각식 방법은 세라믹 벽돌로 축조된 소각실(화실)에 LNG, LPG 등의 보조 연료를 연소시켜 860℃ 이상 가열시키면 세라믹 벽돌에서 발생되는 원 적외선과 내부 축열된 열에 의하여 연소 소각 처리되는데, 이는 초기 투자비가 과다하고 보조 연료를 연소시키기 때문에 유지 관리비가 소요되며, 미 연소된 가스가 존재하는 경우 내부 축열에 의해 자연 착화되어 화재 폭발 사고 위험이 내재되어 있고, 특히 육불화황, 다이옥신의 경우에는 완전 제거가 어렵다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 세정액 속의 미생물에 의한 흡착, 산화, 동화 작용 및 점토광물 층에 의한 흡착, 산화 작용 방식으로 오염 가스를 처리하는 장치를 제공함에 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 난분해성 오염 가스 처리 장치는 중공부를 형성하고 상부에 출수공이 형성되어 있는 내벽, 및 상기 내벽과 외벽에 의해 정의되며 내부 하부로부터 내부 상부로 처리될 오염 물질이 함유된 난분해성 가스가 공급되고 미생물 배양액이 함유된 세정액이 공급되는 순환 챔버를 구비하는 본체; 미생물이 함유된 세정액을 상기 본체의 순환 챔버 내로 공급하여 순환시킴으로써 순환 와류를 형성하는 세정액 공급수단; 상기 본체 내로 공급된 상기 난분해성 가스가 내부에 형성된 미세 기공 속으로 통과하는 미세다공성 섬유층; 상기 미세다공성 섬유층을 통과한 상기 난분해성 가스가 불규칙한 외형 형상에 부딪치고, 내부에 형성된 미세 기공을 통과하고, 상기 난분해성 가스를 산화에 의해 제거하는 음이온을 발생시키는 무기물이 상기 순환 챔버 내에 충진된 무기물 층; 및
상기 본체의 순환 챔버 내 하부로부터 상부로 상향으로 상기 난분해성 가스를 공급함으로써, 상기 순환 와류를 형성하는 상기 세정액, 상기 미세다공성 섬유층, 및 상기 무기물 층에 부딪치게 하는 동시에, 상기 난분해성 가스가 상기 미세다공성 섬유층의 미세 기공 및 상기 무기물층의 미세 기공을 순차적으로 통과하도록 하여 상기 순환 챔버 내의 공급시 보다 더 작은 크기로 쪼개지도록 하는 가스 공급 수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 세정액 공급 수단은 상기 미생물 배양액이 함유된 세정액을 저장하는 세정액 저장조; 상기 세정액 저장조에 저장된 상기 세정액을 배관을 통하여 공급하는 순환 펌프; 상기 순환 챔버 내에 설치되어 상기 순환 펌프에 의해 공급된 상기 세정액을 상기 순환 와류 챔버 내로 분사하는 적어도 하나의 분사 노즐을 포함한다. 상기 세정액 공급 수단은 상기 세정액에 함유된 미생물 배양액을 배향하여 배관을 통하여 상기 세정액 저장조로 공급하는 미생물 배양 장치, 상기 세정액 저장조에 저장된 세정액의 산성도를 중성으로 조절하는 산성도 조절부, 및 산소를 이용하여 상기 세정액 저장조에 저장된 미생물을 활성화하여 정화시키기 위한 OH 라디칼을 발생하여 상기 세정액 저장조에 공급하는 OH 라디칼 발생부를 더 포함한다.

상기 산성도 조절부는 상기 세정액 저장조에 저장된 세정액의 산성도를 검출하는 pH 검출 센서; 상기 pH 검출 센서의 산성도 검출 결과에 따라 저장된 산성 용액을 상기 세정액 저장조로 공급하는 산성 용액 공급부; 및 상기 pH 검출 센서의 산성도 검출 결과에 따라 저장된 알카리 용액을 상기 세정액 저장조로 공급하는 알카리 용액 공급부를 포함한다.

상기 OH 라디칼 발생부은 상기 산소를 수용하는 용기; 상기 용기에서 방출되는 산소에 방전을 일으켜 오존을 생성하는 고압 방전관; 상기 고압 방전관을 통과하여 생성된 오존을 가압으로 순수한 물에 용해시켜 OH 라디칼을 생성하는 오존 용해조; 상기 오존 용해조의 상단에 결합되어 물과 오존과의 용해시 발생된 불응축 가스를 배출시키는 배오존 처리조; 및 상기 오존 용해조의 하단에 결합되어 상기 OH 라디칼을 상기 세정액 저장조로 배출하는 펌프를 포함한다. 상기 미세다공성 섬유층은 폴리에스테르 발포섬유, 부직포 또는 금속망의 구조로 되어 있으며 벌집모양의 형상 구조를 갖는다. 상기 무기물 층은 제올라이트 또는 일라이트로 이루어진다.

상기 난분해성 오염 가스 처리 장치는 상기 본체의 상부에 위치하여 상기 본체로부터 상향으로 범람하는 상기 세정액에 포함된 습기를 제거하는 데미스터, 및 상기 본체의 상부에 위치하여 내장된 촉매로 코팅된 세라믹 담체로부터의 발생된 원적외선에 의해 세정액 공급 수단 및 상기 무기물 층에 의해 분해된 상기 가스에 함유된 오염 물질중 분해되지 않은 오염 물질인 황화합물 또는 불소 화합물을 쪼개면서 상기 순환 와류 챔버로부터의 수증기와 고온에서 반응하여 산화 분해하는 촉매 산화층을 더 포함한다. 상기 가스 공급 수단은 상기 난분해성 오염 물질이 함유된 가스 토출 덕트를 통하여 분출하는 터보 팬; 및 상기 와류 챔버 내의 하부에 원주형 모양으로 설치되며 상기 터보 팬으로부터의 상기 가스를 상기 와류 챔버로 공급하는 다수의 가스 배출구가 측면에 형성되어 있는 분배관을 포함한다.

본 발명은 난분해성 오염 기체를 분해하는 미생물이 함유된 세정액을 원주형 정화탑 중공부 외부로 반시계 방향으로 공급하면서 난분해성 오염 가스를 정화탑 하부에서 상방향으로 분무시켜 다공상 섬유층을 통과하게 하여 공급시 보다 더 작은 크기로 쪼개어지고, 본체 중공부 외곽에 미세 기공 구조를 가진 다공성 섬유층 및 음이온을 발생시키는 일라이트, 제올라이트 등의 점토 광물을 충진시켜 미세섬유상 다공층에 의해 1차로 쪼개진 난분해성 오염 가스는 다시 음이온 발생, 무기물 층에 충돌하여 더욱 작은 크기로 쪼개지고 이런 쪼개지는 과정이 본체 하부에서 나선형 상부 방향으로 올라가는 과정 중에 수없이 반복되어 난분해성 오염 가스는 더 작은 크기로 쪼개지도록 한다. 그에 따라, 체류 시간이 월등히 길어지게 되어 세정액과 접촉되는 시간이 충분히 길게 되어 정화 효율이 크게 향상됨은 물론이며, 미생물에 의한 흡착, 산화, 동화 작용 또한 연속적으로 충분하게 진행되게 되고, 동일한 논리로 무기물 층에서도 흡착, 산화, 분해 반응이 연속적이며 수없이 반복되게 된다.

그럼에도 불구하고 아직도 분해 되지 않은 난분해성 오염 기체는 최종적으로 제올라이트 등의 담체에 pt, 돌로마이트 등의 촉매 물질을 담지시켜 미세화된 촉매 산화층을 거치면서 난분해성 물질인 육불화황, 과불화탄소, 수소불화탄소, 포플로로메탄(CF₄), 다이옥신, DME(De Meehyl Eter), 디 메틸 아민, 트리메틸아민, VOCS, 실란 등 일반적인 정화 장치로는 처리할 수 없는 난분해성 오염 기체를 처리할 수 있게 되며, 종래의 각종 정화 장치와 비교해 볼 때, 같은 규모의 시설로 오염 기체를 대량 정화할 수 있을 뿐만 아니라 지구 온난화 지수가 매우 높은 물질을 정화할 수 있으므로, 감축된 온실 가스만큼 CDM(Clean Development Mechanism) 사업도 가능하여 오염 물질 처리의 손실 비용에서 기업에 이익을 주는 부가가치 창출의 기회를 제공할 수 있다.

이하, 첨부된 예시 도면에 의거하여 본 발명의 실시예에 따른 난분해성 오염 가스 처리 장치를 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 오염 가스 처리 장치의 내부 구조를 나타낸 단면도이다. 도 2는 도 1에 도시된 오염가스 처리장치의 3단 구획된 각 단의 내부구조를 확대 도시된 도면이다. 도 3은 도1에 도시된 세정액 공급수단의 순환 펌프 및 분사노즐을 확대 도시한 도면이다. 도 4은 도 1에 도시된 본체 내에 설치된 다공상 섬유층을 나타낸 도면이다.

본 발명의 실시예에 따른 난분해성 가스 정화 장치는 본체(110), 세정액 공급 수단(120), 미세다공성 섬유층(190), 무기물 층(130), 및 가스 공급 수단(140)을 포함한다.

본체(110)는 중공부(111)를 형성하고 상부에 출수공(113)이 형성되어 있는 내벽(112), 및 상기 내벽과 외벽(116)에 의해 정의되며 내부 하부로부터 내부 상부로 오염 물질이 함유된 난분해성 가스가 공급되고 미생물 배양액이 함유된 세정액이 공급되는 순환 챔버(114)를 구비한다. 상기 내벽(112)의 상부에는 상기 순환 챔버(114)로부터 범람하는 세정액을 유출하는 유출구(113)가 적어도 하나 형성되어 있다.

세정액 공급 수단(120)은 상기 미생물 배양액이 함유된 세정액을 상기 본체(110)의 순환 챔버(114)로 순환시킴으로써 순환 와류를 형성한다.

상기 세정액 공급 수단(120)은 세정액 저장조(122), 순환 펌프(124), 및 적어도 하나의 분사 노즐(126)을 포함한다.

세정액 저장조(122)는 상기 미생물 배양액이 함유된 세정액을 저장한다. 세정액 저장조(122)은 세정액을 저장하는 곳으로 오염 물질을 분해하는 미생물과 분해 과정 중에 생성된 슬러지가 공존하는데 슬러지는 경사진 저장조 바닥면으로 흘러들어 드레인 밸브(123)를 통해 배출된다.

순환 펌프(124)는 상기 세정액 저장조(122)에 저장된 상기 세정액을 배관(125)을 통하여 공급한다.

적어도 하나의 분사 노즐(126)은 상기 순환 챔버(114) 내에 설치되어 상기 순환 펌프(124)에 의해 공급된 상기 세정액을 상기 순환 챔버(114) 내로 분사한다. 도 1에는 상기 적어도 하나의 분사 노즐(126)은 상기 순환 챔버(114)의 상부, 중간, 및 하부에 각각 하나씩 3개가 설치되어 있지만, 본 발명은 이에 한정되지 않음은 물론이다.

상기 세정액 공급 수단(120)은 상기 세정액에 함유된 미생물 배양액을 배양하여 배관(129)을 통하여 상기 세정액 저장조(122)로 공급하는 미생물 배양 장치(128)를 더 포함한다.

세정액 속의 미생물의 종류에는 nitrosomonas, nitrosococcus, nitrosopira 등의 아질산균 또는 nitrobactor의 질산균, hydrogenomas의 수소 세균, thiobacicillus ferro oxidans, sphaerotilus, gallionella의 철 세균, thiobacillusthiooxidans, thiobacillus thioparas, thiobacillus neapolitanus 등의 무색 황 세균 또는 구균, 간균, 나선균, 스피로 헤타 사상균, 편모충류, 육질충류, 유영형 섬모충류, 고착형 섬모충류 등의 원생 동물 및 후생 동물 등이 있으며, 이들 미생물의 역할은 세정액 중의 유기물을 흡착하고 슬러지에 흡착된 유기물(오 염 물질 덩어리)을 산화시키고 동화시켜 세정액을 정화시킨다.

미생물이 오염 물질인 유기물을 분해시키는 조건은 미생물의 에너지 원이자 먹이인 유기물과 유기물을 분해시키는데 필요한 산소 공급원(DO, OH 라디칼), 그리고 질소, 인, 및 pH 지수가 중성의 조건이 필요하다. 미생물의 먹이는, 공정에서 배출되는 오염 물질 자체가 먹이이고, 질소의 경우 요소 용액을, 인은 인산 용액을 소량 세정액 저장조(122)에 공급하여 가장 이상적인 BOD, N, P 비율을 100:5:1의 비율을 맞추어 주고 pH는 산알카리 용액을 검출 센서에 의해 자동 공급하여 중성으로 맞춘다.

유기물을 산화시키는 세균의 종류 및 반응식은 다음과 같다.

* nitrosomonas, nitrosococcus, nitrosopira 등의 아질산균

2NH₃ + 3O₂ → 2NO₂ ^- + 2H⁺ + 2H₂O

nitrobactor의 질산균

2NO₂ ^- + O₂ → 2NO₃

* hydrogenomas의 수소 세균

2HO₂ + O₂ → 2H₂O

* thiobacicillus ferro oxidans, sphaerotilus, gallionella의 철 세균,

4Fe^{2 +} + 4H⁺ + O₂ → 4Fe^{3 +} + 2H₂O

* thiobacillusthiooxidans, thiobacillus thioparas, thiobacillus neapolitanus 등의 무색 황 세균

2H₂S + O₂ → 2S + 2H₂O

2S + 3O₂ → H₂O + SO₄ ^{2 -} + 2H⁺

여기에서, 황 화합물의 분해 과정

SiH₂ + 2H₂O → 2HCl + SiO₂

SiF₄ + 2H₂O → 4HF + SiO₂

WF₆ + 3H₂O → 6HF + WO₃

NH₃ + H₂O → 2S + NH₄OH

TEOS + 2H₂O → 4C₂ + 50H + SiO₂

_* 오존과 아크롤레인과의 단독 반응

3CH₂CHCHO + O₃ → 3CH₂CHCOOH

CH₂CHCHO + H₂O → CH₂CHCOOH + HO

* 오존과 포름알데히드의 단독 반응

3HCO + O₃ → 3HCOOH

HCHO + HO → HCOOH + HO

* 오존과 가성소다 및 아크롤레인의 반응

3CH₂CHCHO + O₃ → 3CH₂CHCOOH

CH₂CHCHO + H₂O → CH₂CHCOOH + HO

CH₂CHCHO + NaOH → CH₂CHCOONa + H₂O

* 오존과 가성소다 및 포름알데히드의 반응

3HCHO + O₃ → 3HCOOH

HCHO + HO₂ → HCOOH + HO

HCOOH + NaOH → HCOONa + H₂O

도 5는 도 1에 도시된 산성도 조절부 및 OH 라디탈 발생부의 일예를 각각 나타낸 상세도이다.

상기 세정액 공급 수단(102)은 상기 세정액 저장조(122)에 저장된 세정액의 산성도를 중성으로 조절하는 산성도 조절부(150)를 더 포함한다.

상기 산성도 조절부(150)는 상기 세정액 저장조(122)에 저장된 세정액의 산성도를 검출하는 pH 검출 센서(152); 상기 pH 검출 센서(152)의 산성도 검출 결과에 따라 저장된 산성 용액을 상기 세정액 저장조(122)로 공급하는 산성 용액 공급부(154); 및 상기 pH 검출 센서(152)의 산성도 검출 결과에 따라 저장된 알카리 용액을 상기 세정액 저장조(122)로 공급하는 알카리 용액 공급부(156)를 포함한다.

또한 미생물이 난분해성 오염 기체를 분해시키면 세정액이 종종 산성으로 변하는 경우가 있는데, 세정액이 산성화되면 미생물이 사멸하거나 활성도가 낮기 때 문에, pH 검출 센서(152), 산성 용액(H₂SO₄) 공급부(154), 알카리 용액(NaOH) 공급부(156)를 설치, 자동적으로 산 또는 알카리 용액을 세정액 조정조에 공급, 세정액은 중성으로 유지하고, 난분해성 오염 기체를 미생물에게 치명적인 독성이 내포된 물질이 유입 시에는 미생물의 개체 수가 급격히 줄어들거나 사멸되어 운전이 정지되는 경우를 대비하여 세정액 저장소 상부에 별도의 미생물 배양조를 설치, 여분의 미생물을 배양 및 증식시킨다.

상기 세정액 공급 수단(120)은 산소를 이용하여 상기 세정액 저장조(122)에 저장된 미생물을 활성화하여 정화시키기 위한 OH 라디칼을 발생하여 상기 세정액 저장조(122)에 공급하는 OH 라디칼 발생부(160)를 더 포함한다.

상기 OH 라디칼 발생부(160)은 상기 산소를 수용하는 용기(162), 상기 용기(162)에서 방출되는 산소에 방전을 일으켜 오존을 생성하는 고압 방전관(164), 상기 고압 방전관(164)을 통과하여 생성된 오존을 가압으로 순수한 물에 용해시켜 OH 라디칼을 생성하는 오존 용해조(166), 상기 오존 용해조(166)의 상단에 결합되어 물과 오존과의 용해시 발생된 불응축 가스를 배출시키는 배오존 처리조(168), 및 상기 오존 용해조(168)의 하단에 결합되어 상기 OH 라디칼을 관(167)을 통하여 상기 세정액 저장조(122)로 배출하는 펌프(169)를 포함한다.

오존수, 즉 OH 라디칼 생산 방법을 살펴보면, 도시된 용기(162)의 내부에는 순수한 산소 만이 충진되어 있기에 이 순수한 산소(O₂)가 상기 고압 방전관(164)을 통과하며 방전되는 현상이 발생된다. 그러면 순수 산소는 오존(O₃)으로 변환되어 배출되는 것이다. 이때 배출되는 오존은 원형관의 형태로 이루어진 오존 용해조(166)에 공급되며 그 내부의 물에 용해되어 오존수가 되는 것이다. 물론 상기 배오존 처리조(168)의 경우 오존을 공급하며 가압되는 과정에서 물에 용해가 되면, 물 속에 용해되어 있던 불용성 가스가 생성되는데, 바로 이러한 불응성 가스를 배출시키기 위해 마련된다. 그렇다면 이렇게 오존수가 생성되고 나면, 이 오존수는 강력한 산화력이 있기에 본 발명에서는 상기 오존수를 이용하여 전술한 과정을 통해 세정액 저장조(122) 내에 미생물을 활성화시켜 정화시키는 것이다.

본 발명에서 사용되는 OH 라디칼 발생부(160)는 고순도의 산소를 고압 방전관(164)에 통과시키며 오존으로 생성시키고 나서, 이 오존은 다시 오존 용해조(166)로 보내져 자동으로 수위가 조절되는 원형의 실린더 내에 가압하여 투입시키게 된다. 다시 말해, 오존을 물에 가압함으로써 용해시켜 오존수를 생성하는 것이다. 이러한 라디칼이란 하나 이상의 짝 지워지지 않은 전자를 가진 원자 또는 복합 화합물로서 독자적인 이온은 될 수 있으나 독립적인 물질은 될 수 없으며, 큰 반응성으로 인하여 매우 짧은 시간 동안만 존재하는 물질이다. 라디칼 중 OH 라디칼은 산소 또는 오존과 물 반응식 발생되며 일명 수산기라고도 하며, 거의 모든 오염 물질의 산화, 분해에 사용된다. 특히 OH 라디칼은 공기 표면의 오염 물질에 직접 관여하고 자신을 다시 중간 물질인 하이드로 패록시 라디칼로 변화하면서 지속적으로 산화 분해 반응을 일으킨다. 이 연쇄 반응은 거의 모든 물질을 매우 안전한 물 및 이산화탄소로 분해시키며 인체에 무해하게 한다. OH 라디칼의 산화력(분해력)은 현존하는 물질 중에서 불소 다음으로 강력하며, 염소 보다는 2배, 과산화수 소수 보다는 약 1.57배 이상 산화력이 강해 최근 실험 결과 수산기는 오존 보다 2,000 배, 자외선 보다 184 배 빠른 산화 속도를 갖고 있음이 입증되었으며, 불소, 염소, 오존, 자외선과는 달리 독성이 없으며 유해하지 아니한 천연 물질이라 할 수 있다.

미세다공성 섬유층(190)은 본체(110) 내로 공급된 난분해성 가스를 미세 기공 속으로 통과시킨다. 상기 미세다공성 섬유층(190)은 폴리에스테르 발포섬유, 부직포 또는 금속망의 구조로 되어 있으며 벌집모양의 형상 구조를 갖는다.

무기물 층(130)은 상기 미세가공성 섬유층(190)을 통과한 상기 난분해성 가스가 불규칙한 외형 형상에 부딪치고, 내부에 형성된 직경 13 ~ 20 나노미터의 미세 기공을 통과하고, 상기 난분해성 가스를 산화에 의해 제거하는 음이온을 발생시키는 무기물이 상기 순환 챔버(114) 내에 충진된다. 도 6은 도 1에 도시된 무기물 층(130)의 일예인 제올라이트의 내부 구조를 나타낸 도면이다. 상기 무기물 층(130) 내에는 제올라이트 또는 일라이트에 의해 형성된다.

음이온 발생 무기물층인 제올라이트 층 또는 일라이트층으로 이루어진 무기물 층(130)은 제올라이트 또는 일라이트 등의 음이온 발생 무기물이 중공부(102)와 본체(100) 사이에 원주형으로 충진되는데, 충진되는 무기물의 종류는 일라이트, 벤토나이트 등으로 점토 광물은 대부분 단사 또는 3단정계에 속하며, 여러 층의 얇은 판상 또는 편상으로 이루어진 층상 규산염이기 때문에 규산염 함량과 교질의 양이온 교환량 CEC에 따라 단위 시간 당 음 이온의 발생량이 결정된다. 따라서 고농도 오염된 공기를 정화하기에는 한계가 있어 본 발명에서는 공기 정화 효율을 향상시키기 위하여 규산염의 함량이 높은 점토 광물을 선별하고 교질의 양이온 교환량 즉, CEC를 높이기 위하여 음이온 발생을 촉진하고 오염 물질도 제거하는 촉매물을 별도로 충전하는 것을 제안하였다.

이하, 본 발명에서 사용되는 음이온을 발생시키는 무기물을 상세하게 설명하면 다음과 같다. 무기물인 몬모릴로나이트(montmorillonite), 카올리나이트, 질석 등은 주로 점토 광물로서, 대부분 단사 또는 3단정계에 속하며, 다층의 얇은 판상 또는 편상으로 이루어진 층상 규산염이며, 이러한 점토 광물은 일라이트, 몬모릴로나이트, 질석, 카올리나이트 등의 규산 점토 광물과 철산화물 알루미늄 산화물로 분류된다. 규산 점토 광물의 특성은 주로 Si-O 4면체 또는 Al-OH 8면체로 구성되어 있는 것이며, Si-O 4면체는 Si 원자를 중심으로 4개의 O 원자가 둘러싸서 4면체를 이루고 있다. Al^{3 +}-OH 8면체의 중심 양이온은 Al^{3 +} 이외에도 Fe^{2 +}, Fe^{3 +}, Mg^{2 +} 등이 있고, 광물에 따라 서로 다르며 이렇게 구성된 4면체 및 8면체가 결정 격자 안에서 층을 형성하여 배치되어 있으며, 이 층의 물리적 구조 및 특성은 결정 격자 안에서 이루어고 있는 층에 따라 (1) 1:1 광물, (2) 2:1 광물(3층형 광물), (3) 2:2 광물을 이루고 있는 각각의 특성을 다음과 같다.

(1) 1:1 광물은 규소층(Si-O 4면체)과 알루미늄 층(Al-OH 8면체)이 교대로 겹쳐져 이루어져 있고 대표 광물은 카올리나이트, 할로이사이트, 딕카이트, 닉라이트, 내화 점토 광물 아나우자이트, 사문석 등이 있는데, Si 층 간은 수소 결합(OH-O)에 연결되어 있으며, 각 Si 층 안에서는 양전하 수가 음전화 수와 같으므로 전하 평형을 위한 중간층 이온이 필요없다. 또한, 다른 광물에 비해 비표면적이 넓고, 물과 의 친화성이 적어 비 소성적이고 투수 계수가 크며, 특히 카올리나이트에서 Al-OH 8면 계층의 OH 기들은 2위층의 Si-O 4면체 중의 밑면의 산소들과 인접하고 있어 두 층 간에는 수소 결합이 형성된다.

(2) 2:1형 광물(3층형 광물)

3층형 광물의 기본 구조는 한 층의 Al 8면체를 Si 4면체가 양쪽에서 샌드위치처럼 둘러싸서 3층 구조를 이루고 있으며 이런 구조의 대표적 광물로는 montmorillonite가 있다. 3개 층이 한 단위가 되어 중첩되면 중첩되는 면에서 Si 4면체 산소들이 서로 이웃하게 되고 따라서 인접 단위층 간에 수소 결합이 형성되지 않을 뿐만 아니라 오히려 상호 반발력이 작용하게 되고 그 결과 인접 단위층 간에 물 분자가 쉽게 스며들게 되므로 montmorillonite 입자는 쉽게 팽윤 또는 응축하여 소위 '아코디언 효과'를 나타내며 그 입자의 크기도 카올리나이트에 비하여 작다. 2:1 광물에는 4면체의 Si^{4 +} 또는 8면체 구조의 Al^{3 +}가 다른 양이온과 치환되어 있는 경우가 많으며, 이와 같은 경우 치환될 수 있는 양이온은 격자 내 공극 크기의 제한을 받으므로 4면체의 Si^{4 +}는 Al^{3 +}와는 치환되나 그 보다 큰 양이온과는 치환될 수 없는데, 8면체의 Al^{3 +}는 Fe^{2 +}, Mg^{2 +}, Mn^{2 +}등과 치환된다. 이와 같이 점토 광물의 결정 구조에서 4면체 또는 8면체 결정의 모양은 크게 변하지 않고 그 중심 이온의 크기가 비슷한 양이온과 치환되는 것을 '동형 치환'이라고 하며, 이와 같은 현상은 점토 광물이 생성, 변화되는 과정에서 일어나 광물 입자가 가지는 영구적 음전화의 생성 원인이 된다.

(3) 2:2형(2:1:1형) 광물

2:2 광물의 대표적인 것은 녹시석으로서, 규칙적인 혼층형 광물이며, 그 기본 구조는 Si 4면체 및 Al이 Mg로 치환된 Mg 8면체의 4층이 규칙적으로 중첩된 것으로서 녹시석은 정전기적 결합력으로 이루어져 있고 Mg 8면체 층을 brucite 층이라 하는데, 이는 Mg 일부가 Al과 동형 치환되어 양전하를 띠고 있으며, 2:1형 단위층의 음 전하와는 서로 중화되어 있다. 2:2 광물의 특성은 강한 정전기적 결합력으로 이루어져 있다는 것이다. 이러한 오염된 공기를 정화하는 교질 입자는 대체로 양전하보다 음전하의 크기가 훨씬 크며 오염된 공기를 정화하는데 또는 신체 내 축적된 노폐물과 치환하는데 중대한 영향을 주는 것도 음전하이며 무기물에서 발생되는 양이온 교환량은 일정량의 무기물이 보유할 수 있는 교환성 양이온 총량을 말하며, 그 음 전하의 크기에 달려 있다. CEC는 건조한 무기물 100g에 흡착된 교환 가능성 양이온의 밀리그램 당량으로 나타낸다. 어느 원자(또는 분자)의 당량이란 그램 원자량 만큼의 원자량(아보가드로 수 6.02×10²³ 만큼의 원자)을 말하는데, 예를들어 칼륨 1 밀리 당량은 0.0391g이다. 따라서 어떤 점토 광물의 CEC가 1밀리 당량이면 그 점토 광물 100g에 6.02×10²² 개의 양이온 흡착 부위가 있는 것이다. 무기물의 CEC는 무기물의 이온 교환 부위를 구성하며 여러가지 점토 광물의 혼합물의 CEC는 대략 50 밀리그램 당량이다.

상기 가스 공급 수단(140)은 상기 본체(110)의 순환 챔버(114) 내 하부로부터 상부로 상향으로 상기 오염 물질이 함유된 난분해성 가스를 공급함으로써, 상기 순환 와류를 형성하는 상기 세정액, 상기 미세다공성 섬유층(190), 및 상기 무기물 층(130)에 부딪치게 하는 동시에, 상기 난분해성 가스가 상기 미세다공성 섬유층(190)의 미세 기공 및 13 ~ 20 나노미터의 직경을 갖는 상기 무기물층(130)의 미세 기공을 순차적으로 통과하도록 하여 상기 순환 챔버(140) 내의 공급시 보다 더 작은 크기, 바람직하게는 직경 13 ~ 20 나노미터의 크기로 쪼개지도록 한다.

도 7은 도 1에 도시된 가스 공급 수단의 공급관이 순환 챔버 내에 설치된 상태를 나타낸 도면이다. 상기 가스 공급 수단(140)은 상기 오염 물질이 함유된 공정 가스를 토출 덕트(143)를 통하여 분출하는 터보 팬(142); 및 상기 순환 챔버(114) 내의 하부에 3열로 원주형 모양으로 설치되며 상기 터보 팬(142)으로부터의 상기 공정 가스를 상기 순환 챔버(114)로 공급하는, 다수의 가스 배출구(146)가 측면에 형성되어 있는 분배관(144)을 포함한다.

본 발명에 따른 오염 가스 처리 장치는 상기 본체(110)의 상부에 위치하여 상기 본체(110)로부터 상향으로 범람하는 상기 세정액에 포함된 습기를 제거하는 데미스터(170)를 더 포함한다. 도 7은 도 1에 도시된 데미스터(170)의 일예를 나타낸 상세도이다.

도 9는 도 1에 도시된 촉매 산화층(180)의 일예를 나타낸 상세도이다.

본 발명에 따른 오염 가스 처리 장치는 촉매 산화층(180)을 더 포함한다. 촉매 산화층(180)은 상기 본체(110)의 상부에 위치하여 내장된 촉매로 코팅된 세라믹 담체로부터의 발생된 원적외선에 의해 세정액 공급 수단(120) 및 무기물 층(130)에 의해 분해된 상기 가스에 함유된 오염 물질중 분해되지 않은 난분해성 물질인 황화합물 또는 불소 화합물을 쪼개면서 상기 순환 챔버(114)로부터의 수증기와 고온에서 반응하여 산화 분해한다.

촉매 산화층(180)은 벤토나이트(고 Si), 활성화된 탄소, 무기 내화재 산화물, 실리콘 카바이드 purmice(volcanic orgin silicate) 등의 담체에 (support 또 는 carrier)의 오염 물질에 상대적으로 효과가 있는 Pt, Ir, Rh, Fe, Ni, CO, MgO₂, TiO₂, V₂O₅, ZnO, Fe₂O₃-MoO₃, Mo-V-P-O, Ag, 제올라이트, 담지 금속, SiO₂-Al₂O₃, Ni-Mo/Al₂O₃, SiO₂-Al₂O₃ 매드릭스 내 제올라이트 등의 촉매 중 1 가지 또는 2-3 가지를 선택하여 Al₂O₃, SiO₂, ZrO₂, Cr₂O₃, CeO₂, MgO, TiO₂ 등으로 조촉매(또는 안정제)를 첨가시켜 촉매의 소결을 방지시켜 주거나 화학적 효과를 향상시키기 위하여 (1) 이원 기능의 조촉매, (2) 격자 결함 조촉매, (3) 전자적 조촉매, (4) 계면 조촉매 등의 물질을 촉매에 10 % 미만을 직경 2 내지 10 ㎛의 미세 구멍이 무수히 많은 담체에 담지시켜 음이온을 발생시키는 무기물 중간에 충전시켜 CEC 및 밀리그램 당량 능력을 향상시켜 공기 정화 능력을 증가시킨다.

즉, 촉매 반응은 표면에 흡착되어 활성화된 분자나 원자들 또는 흡착 분자와 기상 분자(오염 물질) 간에서 진행된다.

고체 표면에서의 촉매 작용을 해석하기 위해서는 촉매의 전자 상태를 전자 이론에 근거하여 d-대 이론에 준해서 흡착 분자와 촉매 간의 전자 전달 과정을 국부적인 원자 준위의 화학 결합의 생성과 절단 등이 고체 표면의 촉매 작용으로 보며 촉매의 가장 기본적인 기능은 화학 반응의 반응 속도를 높이는 활성화와 특정한 반응 만을 일으키는 선택성 및 내구성이다.

여기서, 반응물이 촉매 표면에 흡착하는 장소를 흡착점이라고 하지만, 반응물이 임의의 자리에 흡착하지 않고 특별한 자리에만 흡착하는 장소를 활성점이라하며, 이러한 활성점은 한 종류의 사이트에 흡착된 반응물 만이 표면 반응에 관여하 는 흡착 반응 기구(예를들어, 한 사이트에 흡착된 반응물이 이성화되거나 분해되는 경우)인 단일 활성점, 상호 다른 반응물이 동일한 종류의 두 사이트에 각각 흡착되고 흡착된 반응물들이 서로 반응하며 생성물을 만들어 내는 흡착 반응기구인 이원 활성점, 하나의 사이트에 흡착된 반응물과 흡착되지 않는 상태의 기상 반응물이 서로 반응하며 생성물을 만들어내는 흡착 반응 기구인 Eley-라디칼 기구로 분류된다.

본 발명에서는 활성점을 크게 하기 위하여 표면적이 매우 넓은 활성화 bauxite, 벤토나이트((고 Si), 활성화된 탄소, 무기 내화재 산화물, 세라믹의 담체에 dehydrogenation 반응에 효과가 있는 Cr₂O₃-Al₂O₃, Fe₂O₃, Cr₂O₃, K₂CO₃, ZnO 촉매, hydrogenation 반응에 효과가 있는 Al₂O₃, K₂O₂, CaO₂, MgO, Raney Ni, support 상 Ni, 산화 반응에 효과가 있는 SiO₂,내 V₂0₅+K₂SO₄, 90% Pt-10% Rn wire gauze, Ag 또는 Fe₂O₃-MoO₃, Cu₂O, Pt, reactions of synthesis gas의 ZnO, Cr₂O₃, Cu?-ZnO 등의 촉매에 SiO₂-Al₂O₃, Ni-Mo/Al₂O₃ 내 Al₂O₃ 제올라이트 등의 조 촉매를 첨가시켜 담체에 담지시킨다.

세정액의 미생물과 음이온을 발생시키는 무기물 층(130)에서 정화된 오염된 기체는 촉매 층에 유입되어 촉매와 반응, 산화, hydrogenation, reactions of synthesis gas, 가수 가열 분해 과정을 거쳐 재차 공기가 정화된다.

C₆H₃ + 3H₂ → C₆H₁₂ (촉매: Al₂O₃, K₂O₂, CaO)

CO + 3H₂ → CH₄ + H₂O (supported Ni)

SO₂ + 2H₂S → 3S + 2H₂O (Al₂O₃)

예) 가열 가수 분해 반응

2NF₃ + 3H₂O → NO + NO₂ + 6HF

C₂F₆ + 3H₂O + 1/2O₂ → 2CO₂ + 6HF

C₃F₈ + 4H₂O + O₂ → 3CO₂ + 8HF

2CO + O₂ → 2CO₂

Cl₂ + H₂O → 2HCl + 1/2O₂

F₂ + H₂O → 2HF + 1/2O₂

SiH₄ + O₂ → SiO₂ + 2H₂O

2PH₃ + 4O₂ → P₂O₅ + 3H₂O

2CHF₃ + 2H₂O + O₂ → 2CO₂ + 6HF

CF₄ + 2H₂O → CO₂ + 4HF

도 9를 참조하면, 미세 기공 + 촉매 + 조촉매

공기 유입 → 미세 기공 + 촉매(Cr₂O₃ - Al₂O₃, Fe₂O₃, Cr₂O₃, K₂CO₃, ZnO, K₂O₃, CaO₂, MgO, Raney Ni, SiO₂ 내 V₂O₅ +K₂SO₄, 90% Pt-10% Rn, Ag 또는 Fe₂O₃-MoO₃, Cu₂O) + 조촉매(Al₂O₃, SiO₂, ZrO₂, Cr₂O₃, CeO₂, MgO, TiO₂)

담체

소 표면적:

탄화 규소/purmice(volcanic organic)

Diatomaceous earth

Semi-amorphous silica

대 표면적:

활성화된 bauxite/bentonite (고 Si)

활성화된 탄소

세라믹

무기 내화 산화물

알루민 실리카

마그네시아

티타니아/지르콘

유리 섬유 등이 사용될 수 있다.

촉매 산화층(180)에서 최종 정화된 공기는 배출 농도 센서에 의해 검출되어 설정 온도 이하로 검출되면 대기로 배출되고 설정 농도 이상으로 검출되면 다시 흡입 팬으로 유입되어 정화 과정을 다시 거치게 된다.

이하, 본 발명에 따른 난분해성 오염 가스 처리 장치의 작용을 첨부 도면을 참조하여 설명한다.

난분해성 오염 가스를 분해하는 미생물이 함유된 세정액을 별도로 준비하고, 난분해성 오염 기체와 세정액과의 접촉을 충분하게 주기 위하여 내부가 중공이며 이중 구조로 된 원주형 정화탑인 본체(110)에 하부에서 상층부로 나선형 유로를 만들고 나선형 유로에 음이온을 발생시키는 일라이트 또는 제올라이트 등의 점토 광물을 충진시키고 세정액 순환 펌프(124)를 이용 미생물이 함유된 세정액을 본체(110) 1단, 2단, 3단 각단에서 반시계 방향으로 약 45°방향으로 분사 및 순환시키면 세정액은 와류를 형성하고 난분해성 오염 가스를 본체(110) 하부에 3열로 원주형 모양으로 설치된 공급관(144)에 공급 및 상부 방향으로 분출시키면 순환 와류를 형성하는 세정액에 충돌하여 공급시 보다 더 작은 크기로 쪼개지고 다시 본체 나선형 유로에 충진된 일라이트 또는 제올라이트 등의 점토 광물 등에 다시 충돌하여 더욱 미세하게 쪼개지고, 이런 과정이 본체 하층부에서 상층부로 가는 동안 수없이 반복되어 난분해성 오염 가스는 직경 13 ~ 20 나노미터의 더 작은 크기로 쪼개진다.

상기 난분해성 오염 가스가 극미세하게 쪼개지면 겉 표면이 매우 넓어져서 미생물과의 접촉 면적이 증대되어 미생물에 의한 흡착, 산화, 동화 작용 효율이 월등히 향상되고 또한, 본체(110)에서 유체의 흐름이 나선형으로 매우 길어져 체류 시간이 월등히 증가됨에 따라 미생물에 의한 반응 시간이 충분히 주어짐으로써 난분해성 오염 기체 제거 효율이 향상되는 것이다.

이와 더불어 본체(110)에 나선형으로 충진된 일라이트 또는 제올라이트로 이루어진 무기물 층(130)에 세정액과 함께 충돌한 난분해성 오염 가스는 일라이트, 제올라이트 층의 미세 구멍에 흡착 및 규산 점토 광물이 갖는 Si 4면체에서 발생되는 산소 분자 [O]와 철 산화물, 알미늄 산화물을 함유한 점토 광물의 Al-OH 8면체에서 Al³⁺, OH^-의 중심 이온 및 Fe²⁺ Fe³⁺, Mg²⁺ 등의 이온에 의해 난분해성 오염 기체와 양이온 교환능(cation exchange capacity: CEC)에 의해 치환되거나 분해되어 다시 한번 정화된다.

이를 구체적으로 설명하면, 터보 팬(142)에 의하여 유입된 난분해성 오염 물질은 본체 바닥면에 3열로 설치된 분배관(144)의 노즐을 통해 난분해성 물질을 분해시키는데 효과가 있는 제올라이트가 3단으로 충진되어 있고 충진된 제올라이트 의 무기물 층(130)으로 충진된 순환 챔버(114)로 세정액 공급 수단(120)의 순환 펌프(124)에 의해 미생물이 활성화된 세정액이 순환 와류에 직각 방향으로 분사되어 순환 와류 방향(수평)과 벡터 합성에 의해 약 45°방향으로 분무되고 다시 충진된 무기물 층(130)에 충돌하여 쪼개져서 일부는 제올라이트 표면의 미세 기공(직경 13~20 나노미터)에 들어가기도 하고 일부는 순환 와류에 이송되어 다음 제올라이트 층에 충돌하여 미세 기공에 유입, 미세화 작용이 반복된다. 제올라이트 미세 기공에 유입된 오염 물질은 흡착되거나 4가의 Si에 연결된 산호 및 OH^- 라디칼에 의해 산소 클러스터 작용에 의해 분해되기도 하고 또한 미생물의 대사 과정을 통하여 분해되어 정화되고 미생물의 대사 과정과 증식 과정에서 발생되는 슬러지는 하부로 침강하고 정화되는 상응수는 본체 제2 단으로 유입되어 다시 한번 순환되면서 무기물 층(130)에 흡착, 산소 클러스터 작용과 OH^- 라디칼, 미생물에 의해 다시 한번 2차 정화된 다음, 제3 단으로 유입되어 와류되면서 제올라이트 층에 흡착, 산소 클러스터, OH^- 라디칼에 의해 분해, 미생물에 의해 최종 정화되어 순환수는 배출공을 통하여 세정액 저장조(122)로 회수되고 정화된 공기는 데미스터(170)에 유입되어 수증기가 정화된 후 촉매 산화층(180)을 통과하며 최종 대기로 배출된다.

슬러지 및 오염 물질을 분해 및 정화 과정에서 오염된 순환 와류의 세정액은 저장조로 회수되어 침강된 슬러지는 드레인 밸브를 통하여 배출되고 저장된 세정액은 용존 산소 발생기 또는 OH^- 라디칼 생성기에서 생성된 용존 산소 또는 OH^- 라디칼이 저장액 바닥에 설치된 산기관을 통하여 공급, 미생물의 흡착, 산화와 동화 과정을 통해 세정액을 지속적으로 정화하고 독성 물질 유입에 따라 미생물의 개체 감소에 의해 처리 효율이 저하되면 미생물을 배양하는 배양액 저장 용기에 증식된 미생물을 자동 또는 수동 공급되고, 미생물의 흡착, 산화와 동화 작용을 연속하여 진행 중에 세정액이 산성으로 저하되는 경우가 있는데, pH 지수가 5 이하로 떨어지면 미생물의 증식이 감소되기 때문에 이를 방지하기 위하여 pH 검출 센서(152)가 설치되고 검출 센서가 신호를 보내면 미생물 배양 용기 옆에 설치된 산성 용액 공급부(154), 알카리 용액 공급부(156)의 자동 배출 밸브가 작동되어 세정액이 산성일 때는 알카리(NaOH) 용액이 세정액 저장조(122)로 공급되어 pH 지수를 중성으로 유지시킨다.

오염 가스의 정화 효율을 높이기 위하여 본체 나선형 수로를 순환시키는 세정액의 순환 와류 생성을 세정액 저장조(122) 옆에 설치된 순환 펌프(124)가 세정액 저장조(122)에 저장된 세정액을 흡입하여 본체(110) 3단에 120 °방향으로 설치 되고 반시계 방향으로 세정액이 토출되도록 설치된 분사 노즐(126)을 통하여 공급시켜 분사시키면 세정액은 반시계 방향으로 순환되면서 점점 와류 수위가 높아져 3단 최상층부에 타공된 출수공(113)을 통하여 출수되고 중공부(111)를 통하여 세정액 저장조(122)에 회수된다.

부가적으로, 난분해성 오염기체를 분해하는 미생물의 안정적 유지 관리 및 활성화를 위해 미생물이 필요하는 산소 공급의 방법으로 본체(110) 외부에 OH 라디칼 발생부(160)을 준비하여 순 산소를 이용하여 용존 산소를 생성하거나 오존을 오존 용해 장치에서 녹여 OH^- 라디칼을 생성하여 세정액 저장조(122)에 공급함으로써 미생물의 안정화와 활성을 유지시킨다. 즉, 본체(110)에 유입된 오염 기체(유기물)를 미생물의 흡착, 산화와 동화 과정을 통하여 정화하는 경우와 본체에 3단으로 충진된 무기물 층(130)을 통과하면서 무기물 층(130)에 흡착, 양이온 교환 능력에 의해 정화되고, 자체 무기물 층(130)에서 발생되는 산소 분자에 의해 오염 물질이 정화되는 과정, 그리고 오염 가스와 같이 본체(110)에 유입된 분진 등이 포함된 미세 분진 및 고형물이 세정액에 토출되면 세정액에 의해 침강되고, 세정액이 혼탁하게 되는데, 이 세정액을 정화시키는 방법을 세정액에 용존 산소 농도를 높혀 주는 방법으로 OH 라디칼 발생부(160)를 통하여 세정액 속에 산소를 용해시키거나 OH^- 라디칼을 공급하는 방법인데 용존 산소 및 OH^- 라디칼의 생성 방법은 순 산소 용기에 98.8% 이상의 고순도 산소를 고압 방전관(164)에 공급하면 공급된 산소는 고압 방 전을 통하여 오존을 생성하게 되고, 이 생성된 오존을 오존 용해기에 공급시켜 OH^- 라디칼을 생성하는 방법이 OH^- 라디칼 생성기의 기능이고, 또 다른 방법으로 순 산소 용기에 저장된 고순도 산소를 산소 용해 장치에 공급하면 공급된 산소는 물 속에서 녹아 용존 산소를 생성하게 되는데, 이 생성된 용존 산소나 OH^- 라디칼을 세정액 저장조에 공급하면 미생물의 유기물(오염 물질) 분해 속도가 증가하게 되어 세정액을 정화시킨다.

즉, 본 발명은 반도체 공정에서 배출되는 육불화황, 과불화탄소, 수불화탄소 소각로 등에서 배출되는 다이옥신, 하수 종말 처리장 등에서 배출되는 황화수소, 페인트 도장 과정에서 배출되는 휘발성 유기 화합물(VOCS 벤젠, 톨루엔, 자일렌 화합물) 제지, 바닥 장식재 제조 공정에서 배출되는 DME 등의 난분해성 오염 가스를 터보 팬(142)을 이용하여 본체(110)의 순환 챔버(114)로 흡입하고 가운데가 중공인 이중 구조의 원추형 입형 본체 정화탑 하부에 설치된 분배관(144)에 공급 분사시키면 순환되는 미생물이 함유된 세정액의 순환 와류에 충돌하여 작은 크기로 쪼개지고 충진된 일라이트 및 제올라이트의 무기물 층(130)에 충돌하여 다시 더 작은 크기로 쪼개지는 과정을 통해 난분해성 오염 가스를 직경 13 ~ 20 나노미터의 더 작은 크기로 만들고, 나선형 유도와 난분해성 오염 가스의 극 미세화는 체류 시간의 증가와 겉 표면적 증가에 따른 미생물과의 접촉 면적이 넓어져 미생물에 대한 흡착 효율이 증가되고, 용존 산소와 OH 라디칼 및 무기물 충진층에서 공급되는 산소 분자 [O]와 OH^- 라디칼은 미생물의 산화 반응을 촉진시키는데 반응식은 다음 반응식 1과 같다.

C_xH_yO_z(난분해성 오염 기체) + (x+y-z/2)O₂ → xCO₂ + (y/2)H₂O - OH

또한, 산화 반응과 동시에 동화 작용도 수행되는데 반응식은 다음 반응식 2와 같다.

nC_xH_yO_z + NH₃ + n(x+y-z/2)O₂ → (C₅H₇NO₂)_N + n(x-5)CO₂ + (n/2)(y-4)H₂0 - OH

반응식 2에서 C₅H₇는 활성 슬러지이다.

다음 단계로 난분해성 오염 가스는 세정액과 함께 일라이트 혹은 제올라이트 등이 나선형으로 충진된 무기물 층(130)을 통과하게 되는데, 일라이트 혹은 제올라이트 등의 표면의 미세 기공(약 13 나노미터)에 흡착되고 미세 기공에 유입된 난분해성 오염 기체는 무기물 층이 동형 치환을 통해 배출되는 산소 분자 [O]와 OH^- 라디칼에 의해 산화 및 분해된다.

이런 과정이 다수회 반복되면서 난분해성 오염 가스의 정화 효율은 상승하게 된다.

미생물에 의한 흡착, 산화, 동화 과정, 무기물에 의한 흡착, 산화, 분해 과정 중에 슬러지가 발생되는데, 슬러지의 체류는 미생물의 활성 저하 및 무기물 층의 미세 기공 막힘 현상이 발생될 수 있어 이의 처리가 중요하며, 본 발명의 슬러지 처리 방식은 비중이 가벼워서 부유하는 슬러지는 본체 상부 출수공을 통해 중공 으로 배출되고 세정액 저장조에 유입되고, 비중이 무거운 슬러지는 오염 기체 분배관 하부에 있는 슬러지 유입구를 통해 세정액 저장조에 회수되고 세정액 저장조에 회수된 슬러지는 경사진 바닥면을 통하여 측면 저부에 모이게 되면 작업자가 배출 밸브를 열어 전용의 보관통에 담아 회수한다.

이와 같이 하여 정화된 난분해성 오염 기체를 수분이 많이 함유하고 있어 가느다란 폴리에스테르 면사가 촘촘하게 교차한 데미스터(170)을 통과시키면 면사에 수증기가 응결되어 수분이 제거되고 최종적으로 미생물에 의한 흡착, 산화, 동화 과정과 무기물에 의한 흡착, 산화 분해 과정 중에서도 제거되지 않은 난분해성 오염 기체가 검출되면 데미스터(170)의 층부에 미세 기공의 담체에 백금 팔라듐 등의 촉매가 담지된 촉매 산화층(180)에 설치된 가열원(810)에 전원이 공급되어 난분해성 오염 가스를 가열하면서 촉매 산화시켜 대기로 배출된다.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예로서 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 특허 청구의 범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형이 가능할 것이다.

본 발명에 따른 오염 가스 처리 장치는 난분해성 오염물질의 대기오염 방지시설 및 지구 온난화 물질 제거용으로 산업계 전반에 걸쳐 광범위하게 사용될 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 오염 가스 처리 장치의 내부 구조를 나타낸 단면도이다.

도 2는 도 1에 도시된 3단으로 구획된 각 단의 내부구조를 나타낸 도면이다.

도 3은 도1에 도시된 본체 내에서 세정액을 본체 순환 챔버에 공급하는 계통을 나타낸 도면이다.

도 4는 도 1에 도시된 본체 내에서 난분해성 오염가스를 더 작은 크기로 쪼개지도록 하는 미세다공성 섬유층을 나타낸 도면이다.

도 5는 도 1에 도시된 산성도 조절부 및 OH 라디탈 발생부의 일예를 각각 나타낸 상세도이다.

도 6은 도 1에 도시된 무기물 층의 일예인 제올라이트의 내부 구조를 나타낸 치를 나타낸 도면이다.

도 7은 도 1에 도시된 가스 공급 수단의 분배관이 순환 챔버 내에 설치된 상태를 나타낸 도면이다.

도 8은 도 1에 도시된 데미스터의 일예를 나타낸 상세도이다.

도 9는 도 1에 도시된 촉매 산화층의 일예를 나타낸 상세도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

110: 본체

111: 중공부

112: 내벽

113: 출수공

114: 순환 챔버

115: 본체 수평 구획단(제1, 제2, 제3)

115a:본체 수직 구획단(제1, 제2, 제3)

116: 외벽

120: 세정액 공급 수단

122: 세정액 저장조

123: 드레인 밸브

124: 순환 펌프

126: 분사 노즐

128: 미생물 배양 장치

130: 무기물 층

140: 가스 공급 수단

142: 터보 팬

144: 분배관

146: 배출구

150: 산성 조절부

152: pH 검출 센서

154: 산성 용액 공급부

156: 알카리 용액 공급부

160: OH 라디칼 발생부

162: 용기

164: 고압 방전관

166: 오존 용해조

168: 배오존 처리조

169: 펌프

170: 데미스터

180: 촉매 산화층

190: 미세다공성 섬유층

810: 가열원

Claims (13)

1. 중공부를 형성하고 상부에 출수공이 형성되어 있는 내벽, 및 상기 내벽과 외벽에 의해 정의되며 내부 하부로부터 내부 상부로 처리될 오염 물질이 함유된 난분해성 가스가 공급되고 미생물 배양액이 함유된 세정액이 공급되는 순환 챔버를 구비하는 본체;

   미생물이 함유된 세정액을 상기 본체의 순환 챔버 내로 공급하여 순환시킴으로써 순환 와류를 형성하는 세정액 공급수단;

   상기 본체 내로 공급된 상기 난분해성 가스가 내부에 형성된 미세 기공 속으로 통과하는 미세다공성 섬유층;

   상기 미세다공성 섬유층을 통과한 상기 난분해성 가스가 불규칙한 외형 형상에 부딪치고, 내부에 형성된 미세 기공 속으로 통과하고, 상기 난분해성 가스를 산화에 의해 제거하는 음이온을 발생시키는 무기물이 상기 순환 챔버 내에 충진된 무기물 층; 및

   상기 본체의 순환 챔버 내 하부로부터 상부로 상향으로 상기 난분해성 가스를 공급함으로써, 상기 순환 와류를 형성하는 상기 세정액, 상기 미세다공성 섬유층, 및 상기 무기물 층에 부딪치게 하는 동시에, 상기 난분해성 가스가 상기 미세다공성 섬유층의 미세 기공 및 상기 무기물층의 미세 기공을 순차적으로 통과하도록 하여 상기 순환 챔버 내의 공급시 보다 더 작은 크기로 쪼개지도록 하는 가스 공급 수단을 포함하는 난분해성 오염 가스 처리 장치.
2. 제1 항에 있어서, 상기 세정액 공급 수단은 상기 미생물 배양액이 함유된 세정액을 저장하는 세정액 저장조;

   상기 세정액 저장조에 저장된 상기 세정액을 배관을 통하여 공급하는 순환 펌프;

   상기 순환 챔버 내에 설치되어 상기 순환 펌프에 의해 공급된 상기 세정액을 상기 순환 와류 챔버 내로 분사하는 적어도 하나의 분사 노즐을 포함하는 난분해성 오염 가스 처리 장치.
3. 제2 항에 있어서, 상기 세정액 공급 수단은 상기 세정액에 함유된 미생물 배양액을 배향하여 배관을 통하여 상기 세정액 저장조로 공급하는 미생물 배양 장치를 더 포함하는 난분해성 오염 가스 처리 장치.
4. 제2 항에 있어서, 상기 세정액 공급 수단은 상기 세정액 저장조에 저장된 세정액의 산성도를 중성으로 조절하는 산성도 조절부를 더 포함하는 난분해성 오염 가스처리 장치.
5. 제4 항에 있어서, 상기 산성도 조절부는

   상기 세정액 저장조에 저장된 세정액의 산성도를 검출하는 pH 검출 센서;

   상기 pH 검출 센서의 산성도 검출 결과에 따라 저장된 산성 용액을 상기 세정액 저장조로 공급하는 산성 용액 공급부; 및

   상기 pH 검출 센서의 산성도 검출 결과에 따라 저장된 알카리 용액을 상기 세정액 저장조로 공급하는 알카리 용액 공급부를 포함하는 난분해성 오염 가스 처리 장치.
6. 제2 항에 있어서, 상기 세정액 공급 수단은 산소를 이용하여 상기 세정액 저 장조에 저장된 미생물을 활성화하여 정화시키기 위한 OH 라디칼을 발생하여 상기 세정액 저장조에 공급하는 OH 라디칼 발생부를 더 포함하는 난분해성 오염 가스 처리 장치.
7. 제6 항에 있어서, 상기 OH 라디칼 발생부은

   상기 산소를 수용하는 용기;

   상기 용기에서 방출되는 산소에 방전을 일으켜 오존을 생성하는 고압 방전관;

   상기 고압 방전관을 통과하여 생성된 오존을 가압으로 순수한 물에 용해시켜 OH 라디칼을 생성하는 오존 용해조;

   상기 오존 용해조의 상단에 결합되어 물과 오존과의 용해시 발생된 불응축 가스를 배출시키는 배오존 처리조; 및

   상기 오존 용해조의 하단에 결합되어 상기 OH 라디칼을 상기 세정액 저장조로 배출하는 펌프를 포함하는 난분해성 오염 가스 처리 장치.
8. 제1 항에 있어서, 상기 미세다공성 섬유층은 폴리에스테르 발포섬유, 부직포 또는 금속망의 구조로 되어 있으며 벌집모양의 형상 구조를 갖는 난분해성 오염가스 처리장치.
9. 제1 항에 있어서, 상기 무기물 층은 제올라이트 또는 일라이트로 이루어지는 난분해성 오염 가스 처리 장치.
10. 삭제
11. 제1 항에 있어서, 상기 가스 공급 수단은

    상기 난분해성 오염 물질이 함유된 공정 가스를 토출 덕트를 통하여 분출하는 터보 팬; 및

    상기 순환 챔버 내의 하부에 원주형 모양으로 설치되며 상기 터보 팬으로부터의 상기 공정 가스를 상기 순환 챔버로 공급하는 다수의 가스 배출구가 측면에 형성되어 있는 분배관을 포함하는 난분해성 오염 가스 처리 장치.
12. 제1 항에 있어서, 상기 본체의 상부에 위치하여 상기 본체로부터 상향으로 범람하는 상기 세정액에 포함된 습기를 제거하는 데미스터를 더 포함하는 난분해성 오염 가스 처리 장치.
13. 제1 항에 있어서, 상기 본체의 상부에 위치하여 내장된 촉매로 코팅된 세라믹 담체로부터의 발생된 원적외선에 의해 세정액 공급 수단 및 상기 무기물 층에 의해 분해된 상기 가스에 함유된 오염 물질중 분해되지 않은 오염 물질인 황화합물 또는 불소 화합물을 쪼개면서 상기 순환 와류 챔버로부터의 수증기와 고온에서 반응하여 산화 분해하는 촉매 산화층을 더 포함하는 난분해성 오염 가스 정화 장치.

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