KR100949164B1 - 이온화 믹싱셀을 갖는 다단 광촉매 산화와 환원 반응기 및 그 방법과 이를 이용한 냄새제거장치 - Google Patents

이온화 믹싱셀을 갖는 다단 광촉매 산화와 환원 반응기 및 그 방법과 이를 이용한 냄새제거장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 이온화 믹싱셀을 갖는 다단 광촉매 산화와 환원 반응기 및 그 방법과 이를 이용한 냄새제거장치에 관한 것으로, (a) 광촉매 반응기로 유입된 공기 중의 유해물질과 접촉면적을 최대화하기 위해, 기류 분배 및 세퍼레이터가이드 형태의 이온 또는 오존 발생기를 이용하여 이온 또는 오존을 발생시키는 제 1 단계와; (b) 상기 제 1 단계에서 발생된 상기 이온 또는 오존과 혼합된 상기 유해물질을 이온 또는 오존의 산화반응과 촉매 반응을 통해 상기 유해물질에 포함된 대상오염물질을 선택적으로 제거 또는 감소시키는 제 2 단계; 및 (c) 상기 제 2 단계에서 발생된 상기 유해물질에 포함된 오존을 환원반응으로 완전 제거시키는 제 3 단계;를 포함하여 구성되며, 공기 중의 오염물질을 다단으로 구성된 산화 및 환원 반응 셀을 통해 이산화티타늄(TiO2) 광촉매와 오존 및 이온의 산화 및 환원반응으로 탈취, 살균, 항균 및 정화할 수 있는 기술을 제공한다.
광촉매, 오존, 이온, 산화, 환원, 공기, 악취, 오염, 정화, 탈취, 살균

Description

이온화 믹싱셀을 갖는 다단 광촉매 산화와 환원 반응기 및 그 방법과 이를 이용한 냄새제거장치{Photocatalytic Reactor Having A Function of Deodorization And Sterilization Air Pollution And Method of The Same, And Stand-alone A Foul Smell Treatment Apparatus Using The Same}
본 발명은 이온화 믹싱셀을 갖는 다단 광촉매 산화와 환원 반응기 및 그 방법과 이를 이용한 냄새제거장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 유입되는 오염공기와 접촉면적을 최대화하기 위하여, 기류 분배 및 세퍼레이터 가이드 형태의 이온 발생기와 다단의 산화 및 환원 반응 셀로 구성된 반응기를 이용하여 오염공기 중의 유해가스를 탈취, 살균, 항균 및 정화할 수 있는 이온화 믹싱셀을 갖는 다단 광촉매 산화와 환원 반응기 및 그 방법과 이를 이용한 냄새제거장치에 관한 것이다.
오늘날, 산업발전에 따른 대기오염이 날로 심각해 지고 있다. 공기 중에 포함된 유해가스는 인간의 후각을 자극하여 불쾌감을 줄 뿐만 아니라 건강상에 유해한 영향을 주는 물질이다. 또한, 휘발성 유기화합물은 증기압이 높아 대기 중으로 쉽게 증발되고 대기 중에서 질소산화물들과 광화학 반응을 일으켜 광화학 스모그를 유발시키는 물질로서, 대기 중의 오존층을 파괴하고 인체에 매우 유해한 물질로 알려져 있다. 특히 많은 사람들이 상시 노출되는 실내 환경에서 오염원이 없는 상황에서도 일부 휘발성 유기화합물은 높은 농도로 나타날 수 있어 환경 보건학적 측면에서 그 제거의 중요성이 강조되고 있다.
현재 적용되고 있는 휘발성 유기화합물의 처리기술로서는 열소각, 흡착법, 촉매 소각법 등이 있다.
열소각 방식은 부하 변동이 크고 저농도이며 낮은 유량인 경우 비경제적이며 산화질소와 다이옥신을 발생하는 단점이 있다. 흡착법은 케톤, 알데히드, 에스테르가 포함될 때 흡착제의 흡착능력이 감소하며 분진의 오염에 의해 흡착효율이 감소하는 문제점이 있다. 한편, 촉매소각법은 비교적 낮은 유량의 중/저온 휘발성 유기화합물의 제거에 적용하기에는 과다한 초기 투자비, 높은 운전비 등으로 인해 비경제적이며, 또한 폭발 위험성이 있는 공정에 적용하기에는 어려운 문제점이 있다.
더욱이, 이러한 기술들은 설비규모가 커 유해가스 농도가 비교적 높지 않은 작업장이나 실내에 적용하기에는 적합하지 않다.
한편, 실내에 오염된 공기를 정화하여 쾌적한 실내 또는 폐쇄공간의 환경을 제공하기 위한 실내용 공기정화장치가 다양하게 상용화 되어 이용되고 있다.
이러한 실내용 공기 정화장치는 필터에 의한 여과방식, 전기집진방식, 활성탄 흡착방식 등을 단독 또는 조합한 방식을 채용하고 있다. 그런데, 이와 같은 실내 공기 정화방식은 입자상의 오염물질의 제거에는 효과가 있으나, 앞서 설명된 가 스상 오염물질인 휘발성 유기화합물이나 악취 등의 제거에는 효과가 없는 단점이 있다.
최근에는 공기 중의 오염물질을 정화할 수 있는 것으로, 광촉매 물질에 자외선을 방사시켜 유입된 공기를 정화하는 방식이 이용되고 있다. 예를 들면, 국내 등록실용신안 제254611호(이하, '종래기술'이라 한다)에는 다공질로 된 금속판에 광물질을 분사시켜 이산화티타늄을 코팅한 나선형 광촉매판에 자외선 램프로서 자외선을 조사시켜 이때 발생되는 수산화 래디칼로서 세균과 공기를 정화하는 나선형 광촉매판을 이용한 물과 공기 정화장치에 대해 개시하고 있다.
상기 종래기술에 따르면, 금속판에 금강사 또는 세라믹과 같은 광물질을 분사시켜 이산화티타늄을 코팅한 광촉매판을 자외선 램프에 삽입시켜 유입구와 토출구가 양단에 형성된 케이스에 내부에 장착한 정화장치에 있어서, 광촉매판을 나선형으로 연속 연결되게 구성하여 일측의 유입구로 유입된 물 또는 공기가 광촉매판의 나선간격부를 따라 타측의 토출구로 토출되는 나선형 광촉매판을 이용한 물과 공기 정화장치를 제공하고 있다.
하지만, 상기 구성을 갖는 종래기술은 유입된 공기가 나선형 스크류에 의해 형성된 유로를 통해 흐름이 바뀌지 않으면서 연속되게 흐름으로써, 공기의 진행방향을 가로지르는 방향에서의 중앙부분과 주변부분 사이에서 공기의 정화 반응도에 대한 편차가 큰 단점이 있다. 즉, 공기의 중앙부분은 주변부분 보다 상대적으로 광촉매판과의 접촉빈도가 적어 정화율이 떨어지는 단점이 있다.
또한, 연속적으로 형성된 나선형 스크류에 의해 공기의 진행에 대한 간섭력 이 강해 공기의 흐름 속도가 떨어지고, 공기의 흐름 속도를 높이기 위해서는 대용량의 송풍기를 적용해야 하는 단점이 있다.
전술한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 공기 중의 오염물질을 이산화티타늄(TiO2) 광촉매와 오존 및 이온의 산화 및 환원반응을 이용하여 탈취, 살균, 항균 및 정화할 수 있는 이온화 믹싱셀을 갖는 다단 광촉매 산화와 환원 반응기 및 그 방법과 이를 이용한 냄새제거장치를 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 다단의 산화 및 환원 반응 셀로 구성된 반응기를 이용하여 오염공기 중의 유해가스를 탈취, 살균, 항균 및 정화할 수 있는 이온화 믹싱셀을 갖는 다단 광촉매 산화와 환원 반응기 및 그 방법과 이를 이용한 냄새제거장치를 제공하는 데 있다.
전술한 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 청구항 2에 기재된 발명은, 「다단 광촉매 산화와 환원 반응 방법에 있어서, (a) 광촉매 반응기로 유입된 공기 중의 유해물질과 접촉면적을 최대화하기 위해, 기류 분배 및 세퍼레이터가이드 형태의 이온 또는 오존 발생기를 이용하여 이온 또는 오존을 발생시키는 제 1 단계와; (b) 상기 제1단계에서 발생된 상기 이온 또는 오존과 혼합된 상기 유해물질을 이온 또는 오존의 산화환원과 촉매 반응을 통해 상기 유해물질에 포함된 대상 오염물질을 선택적으로 제거 또는 감소시키되, TiO2가 코팅된 통기성 구조체와 자외선 램프를 이용하여 상기 유해물질에 포함된 악취를 제거 또는 감소시키는 단계와, 텅스텐(W)이 담지된 TiO2가 코팅된 통기성 구조체와 자외선 램프를 이용하여 상기 유해물질에 포함된 황화수소(H2S), 암모니아(NH3)를 제거 또는 감소시키는 단계 및 백금(Pt)이 담지된 TiO2가 코팅된 통기성 구조체와 자외선 램프를 이용하여 상기 유해물질에 포함된 일산화탄소(CO)를 제거 또는 감소시키는 단계 중에서 적어도 1개 이상을 포함하는 제 2 단계; 및 (c) 상기 제 2 단계에서 발생된 상기 유해물질에 포함된 오존을 환원반응으로 완전 제거시키는 제 3 단계;를 포함하는 다단 광촉매 산화와 환원 반응 방법.」을 제공한다.
삭제
청구항 3에 기재된 발명은, 「제 2 항에 있어서, 상기 제 3 단계에서는: 망간(Mn) 담지 TiO2 광촉매 반응셀을 이용하여 상기 제 1 및 제 2 단계에서 산화반응에 참여한 오존을 환원반응으로 제거하는 것을 특징으로 하는 다단 광촉매 산화와 환원 반응 방법.」을 제공한다.
전술한 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 청구항 5에 기재된 발명은, 「이온화 믹싱셀을 갖는 다단 광촉매 산화와 환원 반응기에 있어서, 광촉매 반응기로 유입된 공기 중의 유해물질과 접촉면적을 최대화하기 위해, 기류 분배 및 세퍼레이터가이드 형태의 이온 또는 오존 발생기를 이용하여 이온 또는 오존을 발생시키되, 절연판형 연면방전 이온화 믹싱셀을 포함하는 이온화 믹싱셀과; 상기 이온화 믹싱셀에서 발생된 상기 이온 또는 오존과 혼합된 상기 유해물질을 이온 또는 오존의 산화반응과 촉매 반응을 통해 상기 유해물질에 포함된 대상 오염물질을 선택적으로 제거 또는 감소시키는 대상물질 광촉매 반응셀; 및 상기 대상물질 광촉매 반응셀에서 발생된 상기 유해물질에 포함된 오존을 환원반응으로 완전 제거시키는 오존제거 광촉매 반응셀;을 포함하는 이온화 믹싱셀을 갖는 다단 광촉매 산화와 환원 반응기.」를 제공한다.
삭제
청구항 6에 기재된 발명은, 「제 5 항에 있어서, 상기 절연판형 연면방전 이온화 믹싱셀은: 일정 간격으로 배열된 복수 개의 절연판과; 상기 절연판 사이에 설치되며 고압선이 연결된 메쉬형태의 제 1 철망; 및 상기 절연판을 붙여서 상기 제 1 철망과 절연판을 고정한 다음 고정된 상기 절연판 겉면에 씌워서 설치되며 접지선이 연결된 제 2 철망;을 포함하며, 상기 제 1 철망을 통해 상기 절연판 내부에 고압을 발생하여 플라즈마를 일으킴으로써 오존과 이온을 발생시키는 것을 특징으로 하는 이온화 믹싱셀을 갖는 다단 광촉매 산화와 환원 반응기.」를 제공한다.
청구항 7에 기재된 발명은, 「제 5 항에 있어서, 상기 대상물질 광촉매 반응셀은: TiO2가 코팅된 통기성 구조체와 자외선 램프를 이용하여 상기 유해물질에 포함된 악취를 제거 또는 감소시키는 TiO2 광촉매 반응셀과; 텅스텐(W)이 담지된 TiO2가 코팅된 통기성 구조체와 자외선 램프를 이용하여 상기 유해물질에 포함된 황화수소(H2S), 암모니아(NH3)를 제거 또는 감소시키는 텅스텐(W) 담지 TiO2 광촉매 반응셀; 및 백금(Pt)이 담지된 TiO2가 코팅된 통기성 구조체와 자외선 램프를 이용하여 상기 유해물질에 포함된 일산화탄소(CO)를 제거 또는 감소시키는 백금(Pt) 담지 TiO2 광촉매 반응셀; 중 적어도 1개 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 이온화 믹싱셀을 갖는 다단 광촉매 산화와 환원 반응기.」를 제공한다.
청구항 8에 기재된 발명은, 「제 5 항에 있어서, 상기 오존제거 광촉매 반응셀은: 망간(Mn)이 담지된 TiO2가 코팅된 통기성 구조체로 구성된 망간(Mn) 담지 TiO2 광촉매 반응셀을 포함하는 것을 특징으로 하는 이온화 믹싱셀을 갖는 다단 광촉매 산화와 환원 반응기.」를 제공한다.
전술한 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 청구항 9에 기재된 발명은, 「이온화 믹싱셀을 갖는 다단 광촉매 산화와 환원 반응기를 이용한 냄새제거장치에 있어서, 내부에 빈 공간이 형성된 육면체 형상의 케이싱과; 상기 케이싱의 후면 상부에 형성된 공기유입부와; 상기 케이싱 내부의 상기 공기유입부 아래에 설치되며, 유입된 공기를 필터링하는 집진필터와; 상기 케이싱 내부의 상기 집진필터 아래에 설치되며 상기 집진필터를 통해 유입된 공기를 탈취 및 살균하는 이온화 믹싱셀을 갖는 다단의 광촉매 반응기와; 상기 케이싱 내부의 상기 광촉매 반응기 아 래에 설치된 팬(fan)과; 상기 팬 아래의 상기 케이싱 후면 하부에 형성된 공기유출부와; 상기 케이싱의 전면에 설치된 디스플레이 및 조작패널과; 상기 케이싱의 내부 공간에 설치된 컨트롤 박스; 및 상기 케이싱의 측면에 끼워 설치하는 측면 덮개;를 포함하는 것을 특징으로 하는 냄새제거장치.」를 제공한다.
청구항 10에 기재된 발명은, 「제 9 항에 있어서, 상기 냄새제거장치는: 상기 케이싱의 상단에 형성된 덕트연결용 기류유입구와; 상기 기류유입구에 설치된 자바라형의 덕트 연결구와; 상기 덕트 연결구에 연결되며 복수 개의 공기흡입구를 구비한 덕트; 및 상기 케이싱 내부의 상기 집진필터 위에 설치되며, 상기 공기유입부로 공기가 유입되지 못하도록 밀폐하고, 상기 덕트를 통해서만 공기가 유입되도록 하는 공기유입밀폐부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 냄새제거장치.」를 제공한다.
청구항 11에 기재된 발명은, 「제 9 항에 있어서, 상기 광촉매 반응기는: 제 5 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 기재된 광촉매 산화와 환원 반응기인 것을 특징으로 하는 냄새제거장치.」를 제공한다.
청구항 12에 기재된 발명은, 「제 9 항에 있어서, 상기 덕트는: 실내 천정 또는 벽부 또는 공간 바닥에 설치된 것을 특징으로 하는 냄새제거장치.」를 제공한다.
본 발명에 의하면, 기류 분배 및 세퍼레이터 가이드 형태의 이온발생기와 다 단의 산화 및 환원 반응 셀로 구성된 반응기를 이용하여 오염공기 중의 유해가스를 탈취, 살균, 항균 및 정화시키는 효과가 있다.
그리고, 인체에 유해한 세균 및 미생물을 살균 및 증식을 억제하고 공기를 정화시킴으로써 국민건강을 증대시킬 수 있다.
또한, 바이러스 병원성 세균을 산화 및 분해하여 한정된 공간에서 전파될 수 있는 세균 감염을 예방할 수 있는 효과가 있다.
또한, 심한 악취로 어려움을 겪고 있는 축산농가, 육류 가공업체, 화학 공장, 그리고 지하의 열악한 환경조건이나 환기부족으로 발생하는 불쾌한 냄새, 취사 및 난방 기구에서 발생하는 일산화탄소(CO) 등의 유해가스, 생활 쓰레기, 주방, 하수구의 냄새 원인 물질을 근본적으로 분해하여 제거시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 새 건물과 벽지, 장판 등 건축 자재에서 나오는 포름알데히드 등의 휘발성 유기 화합물(TVOC's)을 분해하고 미세 먼지에 부착되어 있는 집 먼지 진드기와 곰팡이 균 등을 산화, 제거하여 갈수록 늘어가는 새집 증후군을 예방할 수 있다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해 서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙여 설명하기로 한다.
본 발명은 상기 [해결하고자 하는 과제]에서 설명한 바와 같이, 다단의 산화 및 환원 반응 셀로 구성된 반응기를 이용하여 오염공기 중의 유해가스를 탈취, 살균, 항균 및 정화할 수 있는 광촉매 반응 방법 및 그 기기와 이를 이용한 냄새제거장치를 제공하는데 그 목적이 있다. 따라서, 이러한 목적을 달성하기 위해, 본 발명에서 실시하고자 하는 구체적인 기술내용에 대해 첨부도면을 참조하여 상세하고도 명확하게 설명하기로 한다.
다단 광촉매 산화와 환원 반응기의 제 1 실시예
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 이온화 믹싱셀을 갖는 다단 광촉매 산화와 환원 반응기의 구성도이다.
상기 이온화 믹싱셀을 갖는 다단 광촉매 산화와 환원 반응기(100)는 도 1에 도시된 바와 같이, 이온화 믹싱셀(110), 이산화티타늄(TiO2) 광촉매 반응셀(120), 텅스텐(W) 담지 TiO2 광촉매 반응셀(130), 백금(Pt) 담지 TiO2 광촉매 반응셀(140), 망간(Mn) 담지 TiO2 광촉매 반응셀(150)을 포함하여 구성한다. 이때, 상기 이온화 믹싱셀(110)과 상기 망간(Mn) 담지 TiO2 광촉매 반응셀(150)은 상기 광촉매 반응기(100) 내에서 반드시 최선단과 최후단에 위치되도록 구성되어야 한다. 그리고, 상기 이온화 믹싱셀(110)과 상기 망간(Mn) 담지 TiO2 광촉매 반응셀(150) 사이에 구성되는 상기 이산화티타늄(TiO2) 광촉매 반응셀(120), 상기 텅스텐(W) 담지 TiO2 광촉매 반응셀(130), 상기 백금(Pt) 담지 TiO2 광촉매 반응셀(140)은 반응기 유입구에서 유출구로 기동 이동을 기준으로 할 때 순서가 바뀔 수도 있다. 즉, 이들 반응셀(120∼140)은 선택적 배치가 가능하다.
그러면, 상기 다단 광촉매 산화와 환원 반응기(100)의 구성 및 동작에 대해 설명하기로 한다.
먼저, 상기 이온화 믹싱셀(110)은 상기 다단 광촉매 산화와 환원 반응기(100)로 유입된 공기 중의 유해물질과 접촉면적을 최대화 시키기 위해, 기류 분배 및 세퍼레이터가이드 형태의 이온 또는 오존 발생기를 이용하여 이온 또는 오존을 발생시키는 역할을 한다.
상기 이온화 믹싱셀(110)은 원형 연면방전 이온화 믹싱셀(도 3, 112) 또는 기류세퍼레이팅 기능을 갖는 절연판형 연면방전 이온화 믹싱셀(도 4, 111)로 구성된다.
여기서, 상기 원형 연면방전 이온화 믹싱셀(112)은 오존을 발생하는 자외선 램프와 오존을 발생하지 않는 자외선 램프 중 어느 하나를 선택하여 구성할 수 있다. 예를 들어, 상기 광촉매 반응기(100)에서 오존이 부족하여 광촉매 반응이 잘 일어나지 않을 경우 상기 오존을 발생하는 자외선 램프를 사용하여 오존을 발생시키게 되고, 그렇지 않을 경우에는 상기 오존을 발생하지 않는 자외선 램프를 사용 한다.
상기 절연판형 연면방전 이온화 믹싱셀(111)은 도 4, 도 5a 및 도 5b에 나타낸 바와 같이, 일정 간격으로 배열된 복수 개의 절연판(유리)과, 상기 절연판 사이에 설치되며 고압선이 연결된 메쉬형태의 제 1 철망과, 상기 절연판을 붙여서 상기 제 1 철망과 절연판을 고정한 다음 고정된 상기 절연판 겉면에 씌워서 설치되며 접지선이 연결된 제 2 철망을 포함하며, 상기 제 1 철망을 통해 상기 절연판 내부에 고압을 발생하여 플라즈마를 일으킴으로써 오존과 이온을 발생시키게 된다.
상기 이온화 믹싱셀(110)은 유입되는 오염공기를 균일하게 반응기를 통과하도록 기류가이드 역할과 이온발생판으로부터 발생되어지는 이온류가 오염공기와 접촉이 극대화되도록 하는 역할을 동시에 행하여 진다. 오염공기가 상기 이온화 믹싱셀(110)을 통과하게 되면, 오염공기 중 악취발생물질(가스상 악취발생물질)과 이온류가 혼재된 상태로 이온산화반응에 의한 1차 탈취가 이루어지면서 다단의 광촉매산화, 환원반응셀로 유입되어 진다.
상기 TiO2 광촉매 반응셀(120)은 TiO2가 코팅된 통기성 구조체(121)와 자외선 램프(122)로 구성되며, 상기 이온화 믹싱셀(100)에서 발생된 상기 이온 또는 오존과 혼합된 상기 유해물질을 이온 또는 오존의 산화반응과 TiO2 광촉매 반응을 통해 상기 유해물질에 포함된 악취를 효과적으로 제거 또는 감소시키는 기능을 한다.
상기 텅스텐(W) 담지 TiO2 광촉매 반응셀(130)은 자외선 램프(131)와 텅스텐(W) 담지 TiO2가 코팅된 통기성 구조체(132)로 구성되며, 상기 TiO2 광촉매 반응 셀(120)에서 발생된 상기 이온 또는 오존과 혼합된 상기 유해물질을 이온 또는 오존의 산화반응과 TiO2 광촉매 반응을 통해 상기 유해물질에 포함된 황화수소(H2S), 암모니아(NH3) 등을 효과적으로 제거 또는 감소시키는 기능을 한다.
상기 백금(Pt) 담지 TiO2 광촉매 반응셀(140)은 자외선 램프(141)와 백금(Pt) 담지 TiO2가 코팅된 통기성 구조체(142)로 구성되며, 상기 텅스텐(W) 담지 TiO2 광촉매 반응셀(130)에서 발생된 상기 이온 또는 오존과 혼합된 상기 유해물질을 이온 또는 오존의 산화반응과 TiO2 광촉매 반응을 통해 상기 유해물질에 포함된 일산화탄소(CO)를 효과적으로 제거 또는 감소시키는 기능을 한다.
상기 망간(Mn) 담지 TiO2 광촉매 반응셀(150)은 상기 이온화 믹싱셀(110)과 상기 반응셀(120∼140)에서 산화반응에 참여한 오존과 이온을 이산화티타늄(TiO2)의 광촉매 및 망간(Mn) 환원반응으로 제거하는 기능을 한다. 상기 망간(Mn) 담지 TiO2 광촉매 반응셀(150)은 TiO2가 코팅된 통기성 구조체에 망간(Mn)을 기술적으로 담지한 것으로, 상기 백금(Pt) 담지 TiO2 광촉매 반응셀(140)을 통과한 공기 중에 포함된 잔류 오존을 환원반응으로 완전히 제거한다.
동일 반응기내 다단 광촉매 산화·환원셀은 상부에 이온화믹싱셀의 역할/기능으로 인하여 자체 성능보다 다수의 배 이상 산화·환원 반응 효과를 낼 수 있도록 하였다.
본 발명은 반응기내 최후단에 반드시 환원 반응기를 배치시켜, 반응기내 상부 반응셀들로부터 발생되어진 이온산화, 광산화, 촉매산화물질(이온류, 오존, OH라디칼 등)을 TiO2에 Mn을 담지한 통기성 구조체에서 산소 또는 H2O, CO 등으로 안정화 시켜주도록 하였다.
다음은, 상기 다단 광촉매 산화와 환원 반응기(100)에서 이루어지는 광촉매 및 오존산화반응에 의해 공기 중의 유해가스를 제거하는 원리에 대해 설명한다.
먼저, 광촉매(photocatalyst)란 자외선을 받으면 촉매 반응을 일으키는 물질로서, SrTlO3, Cds, ZnO, TiO2 등이 있다. 이 중에 이산화티타늄(TiO2)이 광촉매로 가장 많이 사용되고 있다. 이는 이산화티타늄(TiO2)이 내산성, 내알카리성 등이 가장 좋으며, 화학적으로 안정되어 있고, 인체에 무해하며, 각종 오염물질을 무해한 물질로 변화시켜 주는 친환경적 소재이기 때문이다.
상기 이산화티타늄(TiO2)은 에너지 밴드 갭(Energy Band Gap)이 3.2eV로 자외선(예를 들어, 340∼420㎚ 대역의 파장)에 의해 그 이상의 에너지를 흡수하게 되면, 가전자대(Valance Band)의 전자(Electron)가 전도대(Conduction Band)로 이동하게 되고, 전자가 이동한 가전자대에 정공(Hole)이 만들어 진다. 이때, 만들어진 각각의 전자(Electron)와 정공(Hole)은 표면으로 이동하여 각각 산소(O2), 수분(H2O)과 결합하여 강한 산화력을 가진 하이드록시 라디칼(OH-)과 슈퍼 옥사이 드(O2 -)를 생성하게 된다. 상기 이산화티타늄(TiO2)의 경우 정공(Hole)의 산화력이 보다 강력하기 때문에 주로 수산기 라디칼이 유기물질을 산화해서 탄산가스(CO)와 물(H2O)로 분해시킨다.
이런 원리로 공기 중의 오염물질을 산화 및 분해시켜 무해한 물(H2O)과 탄산가스(CO)로 변화시키고 수중의 오염 물질인 유기화합물을 분해시켜 물(H2O)과 탄산가스(CO)로 변화시키게 된다. 또한 세균도 유기화합물이므로 광촉매의 강한 산화작용에 의해 산화분해 되어 살균된다.
여기서, OH 라디칼은 원자나 분자내에 전자들이 쌍(2개)으로 존재하지 못하고, 홀로(1개) 존재하는 전자를 가지고 있는 화학 물질을 말하며, 사용 후에도 환경에 유해한 물질을 생성하지 않는 과산화수소와 같은 산소계 물질이다. 또한, OH 라디칼은 인류에게 없어서는 안될 매우 유용한 화학적 분해 물질이며, 과산화수소도 반응 조건에 따라 라디칼을 형성하기도 한다. OH 라디칼 반응은 염소보다 206%, 과산화수소보다 157%, 오존보다 2,000배, 자외선보다 180배 이상의 살균력을 나타내며, 현존하는 살균 방식으로 가장 무해하며, 강력한 살균 효과를 나타내는 물질이다.
다단 광촉매 산화와 환원 반응기의 제 2 실시예
본 발명의 바람직한 제 2 실시예에 의한 다단 광촉매 산화와 환원 반응기는 다음과 같다.
상기 다단 광촉매 산화와 환원 반응기의 제 2 실시예는 이온화 믹싱셀(110), 망간(Mn) 담지 TiO2 광촉매 반응셀(150)로 구성되며, 상기 이온화 믹싱셀(110)과 상기 망간(Mn) 담지 TiO2 광촉매 반응셀(150) 사이에 이산화티타늄(TiO2) 광촉매 반응셀(120), 텅스텐(W) 담지 TiO2 광촉매 반응셀(130), 백금(Pt) 담지 TiO2 광촉매 반응셀(140) 중 적어도 1개 이상을 포함하여 구성한다. 이때, 상기 반응셀(120∼140)은 반응기 유입구에서 유출구로 기동 이동을 기준으로 할 때 순서가 바뀔 수도 있다. 즉, 이들 반응셀(120∼140)은 선택적 배치가 가능하다.
다단 광촉매 산화와 환원 반응기의 제 3 실시예
본 발명의 바람직한 제 3 실시예에 의한 다단 광촉매 산화와 환원 반응기는 다음과 같다.
상기 다단 광촉매 산화와 환원 반응기의 제 3 실시예는 이온화 믹싱셀(110), 망간(Mn) 담지 TiO2 광촉매 반응셀(150)로 구성되며, 상기 이온화 믹싱셀(110)과 상기 망간(Mn) 담지 TiO2 광촉매 반응셀(150) 사이에 이산화티타늄(TiO2) 광촉매 반응셀(120), 텅스텐(W) 담지 TiO2 광촉매 반응셀(130), 백금(Pt) 담지 TiO2 광촉매 반응셀(140), 특정귀금속촉매물질 담지 TiO2 광촉매 반응셀(미도시: 이하, '150'이라 한다) 중 적어도 1개 이상을 포함하여 구성한다. 이때, 상기 반응셀(120∼150)은 반응기 유입구에서 유출구로 기동 이동을 기준으로 할 때 순서가 바뀔 수도 있다. 즉, 이들 반응셀(120∼150)은 선택적 배치가 가능하다.
다단 광촉매 산화와 환원 반응기의 제 4 실시예
본 발명의 바람직한 제 4 실시예에 의한 다단 광촉매 산화와 환원 반응기는 다음과 같다.
상기 다단 광촉매 산화와 환원 반응기의 제 4 실시예는 이온화 믹싱셀(110), 망간(Mn) 담지 TiO2 광촉매 반응셀(150)로 구성된다.
냄새제거장치의 실시예
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 다단 광촉매 산화와 환원 반응기를 이용한 냄새제거장치의 구성도이다.
본 발명의 다단 광촉매 산화와 환원 반응기(100)를 이용한 냄새제거장치(200)는 제 1 내지 제 4 실시예에서 설명한 다단 광촉매 산화와 환원 반응기(100) 중 하나를 포함하여 구성한다.
상기 냄새제거장치(200)는 도 2에 도시된 바와 같이, 내부에 빈 공간이 형성된 육면체 형상의 케이싱(201)과, 상기 케이싱(201)의 후면 상부에 형성된 공기유입부(203)와, 상기 케이싱(201) 내부의 상기 공기유입부(203) 아래에 설치되며 유입된 공기를 필터링하는 집진필터(204)와, 상기 케이싱(201) 내부의 상기 집진필터 아래에 설치되며 상기 집진필터(204)를 통해 유입된 공기를 탈취, 살균, 항균 및 정화하는 광촉매 반응기(100)와, 상기 케이싱(201) 내부의 상기 광촉매 반응기(100) 아래에 설치된 팬(fan, 205)과, 상기 팬(205) 아래의 상기 케이싱 후면 하부에 형성된 공기유출부(206)와, 상기 케이싱(201)의 전면에 설치된 디스플레이 및 조작패널(202)과, 상기 케이싱(201)의 내부 공간에 설치된 컨트롤 박스(미도시)와, 상기 케이싱(201)의 측면에 끼워 설치하는 측면 덮개(208)를 포함하여 구성된다.
여기서, 상기 냄새제거장치(200)는 상기 케이싱(201)의 전면을 유리판으로 형성하여 구성할 수 있다. 이때, 상기 디스플레이 및 조작패널(202)은 상기 유리판에 형성한다.
도 6 내지 도 8은 본 발명의 냄새제거장치(200)를 나타낸 것으로, 도 6은 덕트를 연결하지 않고 사용할 때의 모식도이고, 도 7은 덕트를 연결하여 사용할 때의 모식도이고, 도 8은 덕트를 연결한 상태의 모식도이다.
상기 냄새제거장치(200)에 덕트를 연결하지 않고 사용할 때(도 6)에는 도 2에서 설명한 구성과 동일하고, 상기 냄새제거장치(200)에 덕트를 연결하여 사용할 때에는 다음과 같이 구성된다.
상기 덕트가 연결된 냄새제거장치(200)는 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 케이싱(201)의 상단에 형성된 덕트연결용 기류유입구(도 2의 209)와, 상기 기류유입구(209)에 설치된 덕트 연결구(211)와, 상기 덕트 연결구(211)에 연결되며 복수 개의 공기흡입구(301)를 구비한 덕트(300)와, 상기 케이싱(201) 내부의 상기 집진필터(204) 위에 설치되며, 상기 공기유입부(203)로 공기가 유입되지 못하도록 밀폐하고 상기 덕트(300)를 통해서만 공기가 유입되도록 하는 공기유입밀폐부(210)를 포함하여 구성된다.
여기서, 상기 덕트 연결구(211)는 자바라형으로 구성되며, 상기 덕트(300)는 실내 천정 또는 벽부 또는 공간 바닥에 설치되는 것이 바람직하다.
따라서, 본 발명에서는 탈취효율 향상을 위해 별개의 흡입 덕트와 연결시킬 수 있는 덕트 연결전용 흡입구를 갖는 탈취장치 기술을 제공한다.
광촉매의 원리
도 9는 광촉매의 원리를 나타낸 도면이다.
앞에서 설명한 바와 같이, 광촉매에 자외선이 조사되면 전자(e-)와 정공(h+)이 생성되고, 공기중의 산소(O2)와 전자(e-)가 반응하여 활성산소(O2 -)가 발생된다. 그리고, 공기중의 수분(H2O)과 정공(h+)이 반응하여 활성산소(OH)가 발생된다. 여기서 발생된 두종의 활성산소(O2 -,OH)가 강력한 유기물 분해작용을 나타낸다. 이를 식으로 나타내면 다음과 같다.
O2 + e → O2 -
H2O + h+ → OH + H
이와 같이, 이산화티타늄(TiO2)이 코팅된 물체의 표면에 자외선을 조사하면, 전자들이 전도대에 전이되어 전자와 정공이 형성된다. 이러한 전자와 정공은 매우 강한 산화력과 환원력을 가지고 있으므로, 공기 중의 수증기(H2O)나 산소(O2)등과 반응하여 강한 OH라디칼(radical), H라디칼 등을 발생시켜 마치 36,000℃로 가열된 것과 같은 상태가 되어 공기 중에 포함된 모든 유기물이나 오염물질을 산화 및 분해시키게 된다.
따라서, 상기 이산화티타늄(TiO2)의 광촉매는 공기 중에 포함된 유기물과 오염물질은 질소화합물, 탄화수소, 일산화탄소, 황산화물, 오존 등과, VoC 물질인 포름알데히드, 톨루엔, 크실렌, 벤젠, 라돈 등과, 담배연기 및 냄새, 기타 암모니아 등의 악취를 산화 및 분해시켜 공기를 정화하고, 집먼지 진드기, 박테리아, 바이러스, 곰팡이, 세균 등 유해생물 세균을 사멸시키는 탁월한 효과가 있다.
실험 데이터
아래 표 1은 원형 및 평판형 고압이온발생기의 성능표이고, 아래 표 2는 귀금속 첨가시 TVOC의 제거율을 나타낸 것이며, 아래 표 3은 망간 첨가시 오존(O3)의 제거율을 나타낸 것이다.
Figure 112009032975683-pat00001
Figure 112009032975683-pat00002
Figure 112009032975683-pat00003
이와 같이, 본 발명의 다단 광촉매 산화와 환원 반응기 및 그 방법과 이를 이용한 냄새제거장치는 공기 중의 오염물질을 이산화티타늄(TiO2) 광촉매와 오존 및 이온의 산화 및 환원반응을 이용하여 탈취, 살균, 항균 및 정화함으로써, 본 발명의 기술적 과제를 해결할 수가 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 바람직한 실시 예들은 기술적 과제를 해결하기 위해 개시된 것으로, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자(당업자)라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가 등이 가능할 것이며, 이러한 수정 변경 등은 이하의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
본 발명의 다단 광촉매 산화와 환원 반응기 및 그 방법과 이를 이용한 냄새제거장치는 공공식당, 업소, 노래방, 축사, 병원, PC방, 공공시설, 농업용 하우스, 아파트, 신축건물, 오피스텔, 사무실, 공장 등에 설치하여 실내공기를 정화시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 다단 광촉매 산화와 환원 반응기의 구성도
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 다단 광촉매 산화와 환원 반응기를 이용한 냄새제거장치의 구성도
도 3 및 도 4는 광촉매 반응기의 이온화 믹싱셀의 종류를 나타낸 것으로,
도 3은 원형 연면방전 이온화 믹싱셀의 구성도이고,
도 4는 절연판형 연면방전 이온화 믹싱셀의 구성도이다.
도 5a 및 도 5b는 절연판형 연면방전 이온화 믹싱셀의 구성예를 나타낸 사진
도 6 내지 도 8은 본 발명의 냄새제거장치를 나타낸 것으로,
도 6은 덕트를 연결하지 않고 사용할 때의 모식도이고,
도 7은 덕트를 연결하여 사용할 때의 모식도이고,
도 8은 덕트를 연결한 상태의 모식도이다.
도 9는 광촉매의 원리를 나타낸 도면
[ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ]
100 : 다단 광촉매 산화와 환원 반응기 101 : 프레임
110 : 이온화 믹싱셀
111 : 절연판형 연면방전 이온화 믹싱셀
112 : 원형 연면방전 이온화 믹싱셀
120 : 이산화티타늄(TiO2) 광촉매 반응셀
121 : TiO2 코팅 통기성 구조체 122 : UV 램프
123 : TiO2 코팅 통기성 구조체
130 : 텅스텐담지 TiO2 광촉매 반응셀 131 : UV 램프
132 : 텅스텐담지 TiO2 코팅된 광촉매 구조체
140 : 백금담지 TiO2 광촉매 반응셀 141 : UV 램프
142 : 백금담지 TiO2 코팅된 광촉매 구조체
150 : 망간담지 TiO2 광촉매 반응셀
151 : 망간담지 TiO2 코팅된 광촉매 구조체
200 : 냄새제거장치 201 : 케이싱
202 : 디스플레이(Display) 및 조작패널 203 : 공기유입부
204 : 집진필터 205 : 팬
206 : 공기유출부 207 : 전면유리
208 : 측면덮개
209 : 덕트연결용 기류유입구/소켓 210 : 공기유입밀폐부
211 : 덕트 연결부 300 : 덕트
301 : 공기유입구
302 : 자바라형 덕트 연결구

Claims (12)

  1. 삭제
  2. 다단 광촉매 산화와 환원 반응 방법에 있어서,
    (a) 광촉매 반응기로 유입된 공기 중의 유해물질과 접촉면적을 최대화하기 위해, 기류 분배 및 세퍼레이터가이드 형태의 이온 또는 오존 발생기를 이용하여 이온 또는 오존을 발생시키는 제 1 단계와;
    (b) 상기 제1단계에서 발생된 상기 이온 또는 오존과 혼합된 상기 유해물질을 이온 또는 오존의 산화환원과 촉매 반응을 통해 상기 유해물질에 포함된 대상 오염물질을 선택적으로 제거 또는 감소시키되, TiO2가 코팅된 통기성 구조체와 자외선 램프를 이용하여 상기 유해물질에 포함된 악취를 제거 또는 감소시키는 단계와, 텅스텐(W)이 담지된 TiO2가 코팅된 통기성 구조체와 자외선 램프를 이용하여 상기 유해물질에 포함된 황화수소(H2S), 암모니아(NH3)를 제거 또는 감소시키는 단계 및 백금(Pt)이 담지된 TiO2가 코팅된 통기성 구조체와 자외선 램프를 이용하여 상기 유해물질에 포함된 일산화탄소(CO)를 제거 또는 감소시키는 단계 중에서 적어도 1개 이상을 포함하는 제 2 단계; 및
    (c) 상기 제 2 단계에서 발생된 상기 유해물질에 포함된 오존을 환원반응으로 완전 제거시키는 제 3 단계;
    를 포함하는 다단 광촉매 산화와 환원 반응 방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 제 3 단계에서는:
    망간(Mn) 담지 TiO2 광촉매 반응셀을 이용하여 상기 제 1 및 제 2 단계에서 산화반응에 참여한 오존을 환원반응으로 제거하는 것을 특징으로 하는 다단 광촉매 산화와 환원 반응 방법.
  4. 삭제
  5. 이온화 믹싱셀을 갖는 다단 광촉매 산화와 환원 반응기에 있어서,
    광촉매 반응기로 유입된 공기 중의 유해물질과 접촉면적을 최대화하기 위해, 기류 분배 및 세퍼레이터가이드 형태의 이온 또는 오존 발생기를 이용하여 이온 또는 오존을 발생시키되, 절연판형 연면방전 이온화 믹싱셀을 포함하는 이온화 믹싱셀과;
    상기 이온화 믹싱셀에서 발생된 상기 이온 또는 오존과 혼합된 상기 유해물질을 이온 또는 오존의 산화반응과 촉매 반응을 통해 상기 유해물질에 포함된 대상 오염물질을 선택적으로 제거 또는 감소시키는 대상물질 광촉매 반응셀; 및
    상기 대상물질 광촉매 반응셀에서 발생된 상기 유해물질에 포함된 오존을 환원반응으로 완전 제거시키는 오존제거 광촉매 반응셀;
    을 포함하는 이온화 믹싱셀을 갖는 다단 광촉매 산화와 환원 반응기.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 절연판형 연면방전 이온화 믹싱셀은:
    일정 간격으로 배열된 복수 개의 절연판과;
    상기 절연판 사이에 설치되며 고압선이 연결된 메쉬형태의 제 1 철망; 및
    상기 절연판을 붙여서 상기 제 1 철망과 절연판을 고정한 다음 고정된 상기 절연판 겉면에 씌워서 설치되며 접지선이 연결된 제 2 철망;을 포함하며,
    상기 제 1 철망을 통해 상기 절연판 내부에 고압을 발생하여 플라즈마를 일으킴으로써 오존과 이온을 발생시키는 것을 특징으로 하는 이온화 믹싱셀을 갖는 다단 광촉매 산화와 환원 반응기.
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 대상물질 광촉매 반응셀은:
    TiO2가 코팅된 통기성 구조체와 자외선 램프를 이용하여 상기 유해물질에 포함된 악취를 제거 또는 감소시키는 TiO2 광촉매 반응셀과;
    텅스텐(W)이 담지된 TiO2가 코팅된 통기성 구조체와 자외선 램프를 이용하여 상기 유해물질에 포함된 황화수소(H2S), 암모니아(NH3)를 제거 또는 감소시키는 텅스텐(W) 담지 TiO2 광촉매 반응셀; 및
    백금(Pt)이 담지된 TiO2가 코팅된 통기성 구조체와 자외선 램프를 이용하여 상기 유해물질에 포함된 일산화탄소(CO)를 제거 또는 감소시키는 백금(Pt) 담지 TiO2 광촉매 반응셀;
    중 적어도 1개 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 이온화 믹싱셀을 갖는 다단 광촉매 산화와 환원 반응기.
  8. 제 5 항에 있어서, 상기 오존제거 광촉매 반응셀은:
    망간(Mn)이 담지된 TiO2가 코팅된 통기성 구조체로 구성된 망간(Mn) 담지 TiO2 광촉매 반응셀을 포함하는 것을 특징으로 하는 이온화 믹싱셀을 갖는 다단 광촉매 산화와 환원 반응기.
  9. 이온화 믹싱셀을 갖는 다단 광촉매 산화와 환원 반응기를 이용한 냄새제거장치에 있어서,
    내부에 빈 공간이 형성된 육면체 형상의 케이싱과;
    상기 케이싱의 후면 상부에 형성된 공기유입부와;
    상기 케이싱 내부의 상기 공기유입부 아래에 설치되며, 유입된 공기를 필터링하는 집진필터와;
    상기 케이싱 내부의 상기 집진필터 아래에 설치되며 상기 집진필터를 통해 유입된 공기를 탈취 및 살균하는 이온화 믹싱셀을 갖는 다단의 광촉매 반응기와;
    상기 케이싱 내부의 상기 광촉매 반응기 아래에 설치된 팬(fan)과;
    상기 팬 아래의 상기 케이싱 후면 하부에 형성된 공기유출부와;
    상기 케이싱의 전면에 설치된 디스플레이 및 조작패널과;
    상기 케이싱의 내부 공간에 설치된 컨트롤 박스; 및
    상기 케이싱의 측면에 끼워 설치하는 측면 덮개;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 냄새제거장치.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 냄새제거장치는:
    상기 케이싱의 상단에 형성된 덕트연결용 기류유입구와;
    상기 기류유입구에 설치된 자바라형의 덕트 연결구와;
    상기 덕트 연결구에 연결되며 복수 개의 공기흡입구를 구비한 덕트; 및
    상기 케이싱 내부의 상기 집진필터 위에 설치되며, 상기 공기유입부로 공기가 유입되지 못하도록 밀폐하고, 상기 덕트를 통해서만 공기가 유입되도록 하는 공기유입밀폐부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 냄새제거장치.
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 광촉매 반응기는:
    제 5 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 기재된 광촉매 산화와 환원 반응기인 것을 특징으로 하는 냄새제거장치.
  12. 제 9 항에 있어서, 상기 덕트는:
    실내 천정 또는 벽부 또는 공간 바닥에 설치된 것을 특징으로 하는 냄새제거장치.
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