KR101095937B1

KR101095937B1 - 기체전기방전장치와 이를 이용한 유해기체 처리시스템 및 방법

Info

Publication number: KR101095937B1
Application number: KR1020090086831A
Authority: KR
Inventors: 목영선; 신상무
Original assignee: 삼성엔지니어링 주식회사; 제주대학교 산학협력단
Priority date: 2009-09-15
Filing date: 2009-09-15
Publication date: 2011-12-19
Also published as: KR20110029245A

Abstract

본 발명은 다수의 기공이 형성된 하나 이상의 한 쌍의 금속 전극판과, 그 전극판 사이에 충전된 흡수제를 포함하여 구성되는 기체전기방전장치와, 이를 이용한 유해기체 처리시스템 및 방법을 개시한다.

기체, 전기, 방전, 유해기체, 처리

Description

기체전기방전장치와 이를 이용한 유해기체 처리시스템 및 방법{Gas Electric Discharge Apparatus and System and Method for Treating Hazardous Air Using the Same}

본 발명은 다수의 기공이 형성된 하나 이상의 한 쌍의 금속 전극판과, 그 전극판 사이에 충전된 흡수제를 포함하여 구성되는 기체전기방전장치와, 이를 이용한 유해기체 처리시스템 및 방법에 관한 것이다.

유해기체 특히 유해대기오염물질인 휘발성유기화합물, 염화불화탄소, 불화탄소 등은 탄소와 불소(C-F), 탄소와 염소(C-Cl), 탄소와 수소(C-H)가 강한 화학 결합을 이루고 있는 안정한 화합물이다. 종래에 이용되고 있는 처리 방법으로는 고온 소각방법, 플라즈마 분해방법, 촉매 분해방법, 광촉매산화방법 등이 알려져 있다.

고온 소각방법(등록번호 10-0780231)은 보조 연료의 연소열을 이용하여 유해물질을 열적으로 분해시키는 방식으로서, 1,000 K 이상의 높은 온도가 필요하므로, 상당한 에너지가 소모되는 방식이다.

촉매연소방식(등록번호 10-0473522, 등록번호 10-0536479, 등록번호 10- 0704128)은 고체 촉매 상에서 유해대기오염물질을 분해하는 방법으로서 촉매에 의해 반응 활성화에너지가 낮아지므로 고온 소각에 비해 낮은 온도에서 유해기체를 처리할 수 있는 방법이다. 촉매연소방식은 고온 소각에 비해 낮은 온도에서 운전하기는 하지만, 일정온도로 유해기체를 가열해주어야 하므로 역시 많은 에너지가 소모되는 편이며, 촉매층의 존재로 인한 기체압력손실의 증가 및 촉매 피독에 따른 내구성저하도 큰 문제점이다.

광촉매반응기를 이용한 휘발성유기화합물 처리장치(등록번호 10-0569410)는 이산화티타늄 (TIO₂)이 코팅 처리되어 있는 유리코일반응기와 자외선램프로 이루어진 광촉매반응기를 이용하여 휘발성유기화합물을 처리하는 장치이다. 유동화 방식의 광촉매산화방법(등록번호 10-0478803)은 이산화티타늄 광촉매와 자외선램프로 구성된 처리장치에서 광촉매를 유동화시켜 공기중의 휘발성 유기화합물을 직접 처리하는 방법이다. 광촉매산화방법은 상온에서 운전 가능한 장점이 있으나, 광촉매 반응의 속도가 매우 느려 대용량의 유해기체를 처리하기 어렵고 촉매의 피독이 진행됨에 따라 처리효율이 크게 저하되는 문제점이 있다.

플라즈마 분해방법으로는 고주파 방전 플라즈마(등록번호 10-0030042, 특1994-0000384) 및 고온 플라즈마 토치(등록번호 10-0347746, 등록번호 10-0820601, 등록번호 10-0783793, 등록번호 10-0721790)가 이용될 수 있다. 고온 플라즈마 토치의 경우 대기압에서 운전이 가능하며 유해물질이 빠르게 분해되는 특징이 있으나, 플라즈마 상태의 중심부 최고 온도가 10,000 K에 달하므로 기체 온도를 높이는 데 많은 전력이 소비되고, 전극 부식 속도가 매우 빠르며, 다량의 유해부산물이 발생되는 문제점이 있다. 고주파 방전 플라즈마는 마이크로웨이브 (microwave)나 라디오파 (RF)와 같은 고주파를 이용하여 플라즈마를 발생시키는 방식으로서, 전력소비가 크며, 진공을 유지시켜야 하므로 진공유지에 많은 에너지가 소비된다.

종래의 기체전기방전장치 (US Patent 5,005,101, US Patent 5,603,893, 등록번호 10-0448632, 등록번호 10-0464902, 등록번호 10-0472751, 등록번호 10-0511568)에서는 유해대기오염물질이 기체상에서 직접 처리되며 연속적으로 전력이 공급되도록 구성되어 있는데, 질소산화물이나 황산화물은 종래의 장치에서 효과적으로 처리되는 반면, 결합에너지가 큰 화합물들은 효과적으로 분해되지 못한다. 또한 종래의 장치에서는 연속적인 전력의 사용으로 전력소비가 크다. 물을 매개체로 한 오염공기 정화장치 (등록번호 10-0629108)와 같이 유해물질의 분해생성물을 물로 제거시키면 처리효율이 좋아지기는 하나 유해한 폐수가 발생되는 문제점이 있다.

본 발명의 목적은 전술한 바의 문제점을 해결하고자 하는 관점에서 안출된 것으로서, 고효율로 유해기체를 흡착·분해할 수 있는 기체전기방전장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 상기 장치를 이용한 유해기체 처리시스템 및 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명은 일 측면에 있어서, 유해기체를 흡착하고 그 흡착된 유해기체를 기체 전기 방전에 의하여 분해시켜 정화할 수 있는 흡수제가 충전된 기체전기방전장치에 관한 것이다.

본 발명의 기체전기방전장치는 (a) 다수의 기공이 형성된 하나 이상의 한 쌍의 금속 전극판과, (b) 그 전극판 사이에 충전된 흡수제를 포함하여 구성된다.

상기 기체전기방전장치는 유해기체 처리시스템에 장착되어 사용되며, 상기 한 쌍의 금속 전극판에 교류 고전압 또는 펄스 고전압이 인가될 경우 상기 흡수제에 흡착된 유해기체가 전기 방전에 의하여 분해되는 반응기의 역할을 수행한다.

상기 흡수제는 그것이 상기 한 쌍의 금속 전극판 사이에 충전될 수 있는 한 그것의 형상이나 입경은 특별한 제한이 없다. 통상은 펠릿형의 형상을 띨 것이고, 상기 전극판에 형성된 기공보다 큰 입경을 가질 것이다.

또한 상기 흡수제는 유해기체의 성분 등에 따라 당업계에 공지된 적절한 것을 선택·혼합하여 사용할 수 있다. 예컨대 산화니켈(NiO), 산화구리(CuO), 산화코발트(CoO), 산화철(Fe₂O₃), 활성알루미나(특히, γ-Al₂O₃), 실리카(SiO₂), 산화티탄, 산화아연(ZnO) 등 금속 산화물, 활성탄, 벤토나이트, 산성백토, 규조토 등이 단독으로 2종 이상의 혼합물로 사용될 수 있다.

상기 금속 전극판은 자기에나멜 등 유전체에 의하여 피복되는 것이 바람직하다. 그럴 경우 스파크가 방지되어 금속 전극판 전체에서 균일하고 안정되게 방전이 이루어질 수 있다.

상기 한 쌍의 금속 전극판은 다수개가 구비될 수 있으나 최대 세개까지 구비되는 것이 바람직하다. 그것은 그 이상 설치될 경우 압력 손실이 크고, 그 손실되는 압력 대비 유해기체가 흡착 효과가 높아지지 않기 때문이다.

상기 한 쌍의 금속 전극판에 형성된 기공은 격자형으로 형성되는 것이 바람직하다.

또 다른 측면에 있어서, 본 발명은 전술한 바의 기체전기방전장치를 이용한 유해기체 처리시스템에 관한 것이다.

본 발명의 유해기체 처리시스템은 (a) 다수의 기공이 형성된 하나 이상의 한 쌍의 금속 전극판과, 그 전극판 사이에 충전된 흡수제를 포함하여 구성되는 기체전기방전장치와, (b) 상기 기체전기방전장치에 교류 전압 또는 펄스 전압을 인가하여 기체 전기 방전을 유도하기 위한 전원공급장치와, (c) 상기 기체전기방전장치에 유 해기체를 흡입하여 공급하기 위한, 상기 기체전기방전장치 전면에 구비되고 덕트를 통하여 기체전기방전장치에 연결되는 유해기체 흡기장치와, (d) 상기 기체전기방전장치 후면에 구비되고 그 기체전기방전장치와 덕트를 통하여 연결되어 상기 기체전기방전장치에서 분해된 유해기체를 배출하기 위한 배기장치를 포함하여 구성된다.

상기 본 발명의 유해기체 처리시스템에 있어서, 상기 기체전기방전장치 전면에 설치되고 덕트를 통하여 상기 기체전기방전장치 및 분해기체 공급탱크와 연결되며, 상기 기체전기방전장치에 분해기체를 흡입하여 공급하기 위한 분해기체 흡기장치가 추가로 구비될 수 있다. 이러한 분해기체 흡기장치가 추가로 구비될 경우 기체 전기 방전에 의한 유해기체의 분해 효율을 높일 수 있다. 이러한 분해기체는 유해기체 속의 오염물질의 종류에 따라 적절한 것을 선택하여 사용할 수 있다. 예컨대 불화탄소나 염화불화탄소의 경우에는 질소, 아르곤 또는 이들의 혼합물이 분해 효율을 높이는데 적절하다.

또한 상기 본 발명의 유해기체 처리시스템에 있어서, 분해기체는 적은 량으로도 충분히 유해기체의 분해 효율을 높일 수 있으므로 그것의 유량은 유해기체의 유량보다 작은 것이 바람직하다.

또한 본 발명의 유해기체 처리시스템에 있어서, 유해기체 흡기장치, 분해기체 흡기장치 및 배기장치는 그 기능 수행에 적합한 한 당업계에 공지된 임의의 구성을 취할 수 있으나, 통상은 팬 형태로 구성될 것이다.

또한 본 발명의 유해기체 처리시스템은 그 구동에 있어서, 흡수제에 의한 유해기체의 흡착 단계와 전기 방전에 의한 유해기체의 분해 단계가 동시에 일어날 수 도 있지만 유해기체의 분해 효율을 높이기 위하여 교대로 일어나도록 구동시키는 것이 바람직하다. 이러한 구동은 통상은 유해기체 흡기장치의 작동과 기체전기방전장치의 작동이 교대로 일어나도록 할 수 있는 조절장치가 추가로 본 발명의 유해기체 처리시스템에 구비됨에 의해서 가능해질 것이다. 이 때 조절 장치가 기체전기방전장치를 작동시킬 경우에 분해기체의 흡기장치가 동시에 작동시키도록 구성되는 것이 바람직하며, 또한 유해기체 흡기장치가 구동될 경우에는 배기장치도 동시에 구동되도록 하는 것이 바람직하다.

또한 본 발명의 유해기체 처리시스템은 그 사용에 있어서는, 2개 이상 구동시켜 사용하는 것이 바람직하다. 그렇게 함으로써 유해기체의 연속적 처리가 용이해질 수 있는데, 이 경우 하나의 처리 시스템이 흡수 과정에 있을 때 또 다른 처리 시스템은 유해기체의 분해 과정에 있도록 함으로써, 즉 하나의 처리 시스템에서 유해기체 흡기장치가 작동될 때는 다른 하나의 처리 시스템에서는 기체전기방전장치가 작동되도록 함으로써, 연속적으로 또는 대량으로 유해기체를 처리하는 것이 가능해질 수 있다.

본 발명의 유해기체 처리시스템에 있어서, 상기 전원 공급 장치는 통상 상용 전원이 사용될 것이란 점을 고려할 때, 주파수변환기와 변압기를 포함여 구성될 것이다.

다른 측면에 있어서, 본 발명은 전술한 바의 기체전기방전장치를 이용한 유해기체 처리방법에 관한 것이다.

본 발명의 유해기체의 처리 방법은 (a) 다수의 기공이 형성된 하나 이상의 한 쌍의 금속 전극판과, 그 전극판 사이에 충전된 흡수제를 포함하여 구성된 기체전기방전장치에 유해기체를 유입시켜 상기 기체전기방전장치의 흡수제에 유해기체를 흡착시키는 단계와 (b) 상기 기체전기방전장치에 교류 전압 또는 펄스 전압을 인가시켜 방전이 일어나도록 하여 흡수제에 흡수된 유해기체를 전기 방전에 의하여 분해시키는 단계를 포함한다.

본 발명의 유해기체 처리방법에 있어서도, 전술한 바의 이유에서 상기 한쌍의 금속 전극판은 상기 기체전기방전장치에 3개까지 구비되는 것이 바람직하다.

또한 흡착 단계와 분해 단계는 동시에 수행할 수도 있지만 전술한 바의 이유에서 교대로 수행하는 것이 바람직하다.

또한 상기 분해 단계가 진행될 때에는 전술한 바의 이유에서 분해기체를 상기 기체전기방전장치로 유입시키는 것이 바람직하다.

기타 상기 본 발명의 장치와 관련하여 전술한 바의 설명은 상기 본 발명의 방법에 그대로 유효하다.

본 발명의 기체전기방전장치, 유해기체 처리시스템 및/또는 방법은 다음과 같은 효과를 갖는다.

첫째 유해기체가 흡수제에 흡착되면 원자간 결합에너지가 작아지므로 기상에서보다 전기 방전에 의해 쉽게 분해될 수 있다.

둘째 흡수제 표면의 유해물질 농도가 높으므로 분해 과정에서 연쇄반응을 통 해 분해 속도가 급증할 수 있다.

셋째 전력을 연속으로 공급하지 않고 분해 과정에서만 공급하므로 전력 소모를 최소화할 수 있다.

넷째 기공이 형성된 전극판을 기체 통로로 사용하므로 기체 통과 면적이 넓고 압력 손실이 매우 작을 수 있다.

다섯째 전극판 각 기공에서 날카로운 전기장이 형성되므로 매끈한 평판보다 훨씬 낮은 전압에서 기체 전기 방전이 개시될 수 있다.

여섯째 흡수능이 높지 않은 유해물질을 처리할 때는 장치의 변경이나 개조 없이 동일한 장치에 전력을 연속 공급하는 방식으로 처리할 수 있다.

마지막으로 유해기체의 유량이 클 경우 전극판의 면적을 넓히거나 전극판을 복수로 설치하는 방식으로 용이하게 장치의 변경이 이루어질 수 있다.

본 발명의 기체전기방전장치와 이러한 기체전기방전장치를 이용한 유해기체 처리시스템 및 방법의 바람직한 양태를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.

도 1a 내지 도 1c는 본 발명의 기체전기방전장치의 평단면도, 정면도 및 측단면도를 각각 도시한 것이다.

도 1에서 도시된 바와 같이, 본 발명의 기체전기방전장치(100)는 다수개의 기공(11)이 형성된 한 쌍의 금속 전극판(10)과 그 전극판 사이에 충전된 흡수제(20)로 이루어져 있다.

도시되어 있지 않지만, 본 발명의 기체전기방전장치(100)에서 그 전극판(10)은 금속 재질로 구성되는데, 그 두께의 경우는 특별한 제한이 없다. 통상은 통상 0.5 내지 5 mm의 두께로 이루질 것이며, 본 발명의 실제 제작예에서는 1mm로 제작하였다.

또한 도시되어 있지 않지만, 본 발명의 기체전기방전장치(100)에서, 그 전극판(10) 사이의 간격은 유입되는 기체의 압력, 전극판에 인가되는 전압의 크기, 흡수제의 흡착 능력, 유해기체에 포함된 오염물질의 종류·농도 등에 따라 임의의 간격일 수 있다. 바람직한 전극판 사이의 간격은 5mm 내지 7cm이며, 본 발명의 실제 제작예에서는 9mm로 제작하였다.

또한 도시되어 있지 않지만, 본 발명의 기체전기방전장치(100)에서, 그 전극판(10)의 면적은 그것을 구비될 유해기체 처리시스템의 처리 용량에 따라 결정될 수 있다. 본 발명의 실제 제작예에서는 그 면적을 가로·세로 길이 100mm로 하였다. 본 발명의 기체전기방전장치(100)에서, 도 1에서 도시된 것처럼 유해기체는 한 쌍의 전극판(10)을 수직으로 관통하여 흐르는데, 전극판(10)의 면적을 상대적으로 넓게 하고 전극판(10) 사이의 간격을 좁게 할 경우 유해기체를 유입시키기 위한 압력 손실을 작게할 수 있다. 따라서 본 발명의 기체전기방전장치에서, 압력 손실이 큰 충진탑 (packed bed) 형태의 구성을 취하는 기존의 흡착 장치에 비해서 압력 손실이 작은 구성을 취할 수 있다.

또한 도시되어 있지 않지만, 전극판(10)이 유전체 물질인 자기에나멜 등으로 피복될 경우, 스파크가 방지됨으로써 방전이 안정적이면서 전극판(10) 전체에서 균 일하게 일어나는 효과가 있다.

한편 전극판(10)에 형성된 기공(11)은 통상 격자형으로 형성될 것인데, 그 직경이나 그 간격은 전극판(10)에 기공이 형성된 개수, 기공 사이의 간격, 제작 비용 등에 따라 임의의 크기일 수 있다. 통상 기공의 직경은 1~5mm, 그 간격은 0.3~2mm 범위로 형성될 것이다. 본 발명의 실제 제작예에서는 직경이 3mm이며, 그 간격을 1.5mm로 하였다.

본 발명의 기체전기방전장치(100)에서 흡수제(20)가 한 쌍의 전극판(10) 사이에 충전되는데, 흡수제(20)로서 이용할 수 있는 물질은 흡착성을 띠는 임의의 물질을 사용할 수 있다. 예컨대 산화니켈(NiO), 산화구리(CuO), 산화코발트(CoO), 산화철(Fe₂O₃), 활성알루미나(특히, γ-Al₂O₃), 실리카(SiO₂), 산화티탄, 산화아연(ZnO) 등 금속 산화물, 활성탄, 벤토나이트, 산성백토, 규조토 등을 들 수 있다. 본 발명의 실제 제작예에서는 γ-Al₂O₃ 펠릿 (3.1×3.1 mm, BET 표면적 ~200 m²/g)과 CuO-ZnO-Al₂O₃ 펠릿 (3.1×3.1 mm, BET 표면적 ~60 m²/g)을 같은 비율로 균일하게 혼합시켜 펠릿 형태로 제작, 충전시켰다. 여기서 CuO-ZnO-Al₂O₃ 흡수제의 CuO, ZnO, 및 Al₂O₃의 함량은 각각 50%, 25%, 25%이다.

본 발명의 기체전기방전장치(100)는 유해기체의 처리에 있어서, 유해기체를 흡착하고 교류 고전압 또는 펄스 고전압이 교류 전원에 의하여 인가될 경우에 기체 전기 방전에 의하여 유해기체의 분해가 일어나는 반응기의 역할을 하게 된다.

한편 도 2는 전술한 바의 기체전기방전장치(100)가 구비된, 일 양태의 유해기체 처리시스템(1)을 도시한 개략도이다.

도 2를 참조하여 보면, 본 발명의 유해기체 처리시스템(1)은 기체전기방전장치(100)와, 그 기체전기방전장치(1)에 교류 고전압 또는 펄스 고전압을 인가하기 위한 전원공급장치(200)와, 기체전기방전장치(100) 전면에 구비되고 덕트(300)를 통하여 상기 기체전기방전장치(100)에 연결된 유해기체 흡기장치(400)와, 상기 기체전기방전장치(100) 후면에 구비되고 그 기체전기방전장치(100)와 덕트(300)를 통하여 연결되어 상기 기체전기방전장치(100)에서 분해된 유해기체를 배출하기 위한 배기장치(500)를 포함하여 구성되어 있다. 도 2에서 화살표는 기체 흐름 방향을 나타낸다.

도 2에서 보듯이, 유해기체 흡기장치(400)가 구동되어 유해기체를 흡입하게 되면 그 유해기체는 덕트(300)를 통하여 기체전기방전장치(100)로 이동하여 기체전기방전장치(100)의 한 쌍의 전극판(10)의 사이에 충전된 흡수제(20)에 흡착되게 된다.

흡수제(20)에 흡착된 유해기체는 교류 고전압 또는 펄스 고전압을 전원공급장치(200)로부터 인가 받은 기체전기방전장치(100)에 의하여 기체 전기 방전에 의하여 분해되어 배기 장치(500)에 의해 덕트(300)를 통하여 외부로 배출되게 된다.

한편 도 3은 유해기체가 흡수되고 기체 전기 방전에 의해서 분해되어 배기되는 구체예를 보여주기 위하여 본 발명의 유해기체 처리시스템(1)의 기체전기방전장치(100)와 전원공급장치(200)만을 도시한 개략도이다. 여기서도 화살표는 기체 흐 름 방향을 나타낸다.

기체전기방전장치(100)의 한쌍의 전극판(10)은 유해기체의 유량, 유해기체 속의 오염물질 농도 등을 고려하여 복수로 설치될 수 있는데, 도 3에서는 2개의 한쌍의 전극판(10)이 설치된 경우가 예시되어 있다. 또한 도 3에서 전원공급장치(200)는 주파수가변기(210)와 변압기(220)를 포함하여 구성되어 있다.

도 3에서 보듯이, 교류 220V(60 Hz)의 상용전원이 주파수가변기(210)를 거쳐 50~1,000 Hz로 변환되고, 주파수가 변환된 전원은 변압기(220)를 거쳐 고전압(~30 kV)으로 승압된다. 고전압은 기체전기방전장치(100)의 전극판에 공급된다. 도 3에 표시된 50~1,000 Hz이외의 다른 주파수의 교류 고전압이 사용될 수 있고, 교류 고전압 대신 펄스(pulse) 고전압이 사용될 수도 있으나, 직류 고전압은 본 발명에서 이루고자 하는 효과를 달성할 수 없다.

도 4에는 도 2에 도시된 유해기체 처리시스템(1)에서 분해기체 흡기장치(600)와, 이 분해기체의 흡기장치(600), 유해기체 흡기장치(400), 전원공급장치(200) 및 배기장치(500)와 연동되는 조절장치(700)가 추가로 구비된 유해기체 처리시스템(1)이 도시되어 있다.

분해기체 흡입장치(600)는 덕트(610)를 통하여 분해기체 공급탱크(620)와 연결되어 그 공급탱크(620)로부터 분해기체를 공급받아 기체전기방전장치(100)에 공급하는 기능을 수행한다.

분해기체로서는 질소, 비활성기체, 산소 등이 사용될 수 있으며, 이러한 분 해기체를 사용할 경우 질소산화물(NO, NO₂, N₂O)과 같은 유해부산물 생성이 억제되고 분해효율이 높아지는 효과가 있다.

분해기체의 유량은 분해기체가 소량으로도 분해 효율을 높일 수 있으므로, 유해기체의 유량보다 작더라도 무방하다. 분해기체의 종류는 유해기체 속의 오염물질의 종류에 따라 공지된 적절한 것을 선택하여 사용할 수 있다. 일례로 불화탄소나 염화불화탄소의 경우에는 질소, 아르곤 또는 질소와 아르곤 혼합물이 분해기체로서 적절하며, 휘발성 유기화합물의 경우에는 산소 또는 산소와 아르곤 혼합물이 적절하다.

유해기체 흡기장치(400)와 기체전기방전장치(100)가 함께 구동되어 유해기체의 흡기·흡착·배기와 분해기체의 흡기 그리고 기체 전기 방전에 의한 유해기체의 분해가 동시에 진행될 수도 있으나, 유해기체의 기체 전기 방전에 의한 분해 효율을 높이기 위하여, 기체전기방전장치(100)가 전원공급장치(200)로부터 교류 고전압 또는 펄스 고전압을 인가받아 구동될 때에는 유해기체 흡기장치(400)를 구동시키지 않는 것이 바람직하며, 또 역으로 유해기체 흡기장치(400)가 구동할 때에는 기체전기방전장치(100)를 구동시키지 않는 것이 바람직하다. 이 때 유해기체 흡기장치(400)가 구동되지 않고 기체전기방전장치(100)가 구동될 때에는 분해기체 흡기장치(600)가 함께 구동되며, 유해기체 흡기장치(400)가 구동될 때에는 배기장치(500)도 함께 구동된다.

따라서 유해기체의 기체 전기 방전에 의한 분해 효율을 높이기 위하여, 유해 기체 흡기장치(400)/배기장치(500) 그리고 기체전기방전장치(100)/분해기체 흡기장치(600)가 교대로 구동되게 되는데, 이러한 구동은 도 4에 도시된 조절 장치(700)에 의하여 가능하다.

조절장치(700)는 유해기체 흡기장치(400), 배기장치(500), 기체전기방전장치(100) 및 분해기체 흡기장치(600)와 연동하면서 흡입·흡착·배기 과정과 분해 과정이 교대로 일어나도록 한다. 이러한 조절장치(700)는 상기 각 장치에 전원 공급을 인가하거나 차단함에 의해서 그 기능을 수행하게 될 것이다.

한편 도 5는 본 발명의 유해기체 처리시스템을 이용하여 삼불화메테인을 분해할 때, 삼불화메테인 초기 농도 및 아르곤 함량이 분해효율에 미치는 영향을 나타내는 그림이다. 기체의 조성은 삼불화메테인 1,500~6,000 ppm, 산소 0.5%, 아르곤 0~24%, 나머지는 질소였다. 공급된 전력은 100 W였으며, 도 5와 같이 아르곤의 함량이 증가할수록 더 높은 분해효율을 나타냈다. 이 결과는 아르곤이 기체 전기 방전을 원활하게 일어나도록 도와주기 때문이며, 아르곤 등의 비활성 기체가 흡수된 유해기체의 분해기체로 이용될 수 있음을 나타낸다. 또한, 도 5에서는 초기 삼불화메테인의 농도가 높을수록 더 높은 분해효율을 보이는데, 이 결과는 삼불화메테인의 농도가 높을 때 연쇄반응에 의해 분해효율이 증가할 수 있음을 나타내는 결과이다. 따라서 본 발명의 방법과 같이 유해기체를 흡수제에 흡착시켜 고농도화한 후 분해시키는 것이 효과적임을 알 수 있다. 유해기체가 흡수제에 흡착되면 원자간 결합에너지가 작아지므로 기상에서보다 더 쉽게 분해될 수 있다.

다음으로 일련의 흡수과정 및 분해과정으로 구성된 본 발명의 유해기체처리 방법에 대해 상세히 설명하기로 한다. 본 발명에서 일어나는 반응을 벤젠 (C₆H₆)을 예로 설명하면 다음과 같다:

<반응식 1> C₆H₆ + S → C₆H₆-S

<반응식 1>에서 S는 흡수제(sorbent)를 나타내고, C₆H₆-S는 흡수제에 흡착된 벤젠을 나타낸다. 흡수 과정이 종료되면 벤젠이 함유된 유해기체가 기체전기방전장치로 유입되지 못하도록 차단하는 대신, 분해용 기체(예: 산소와 아르곤 혼합물)를 기체전기방전장치로 소량 흘려주면서 전극판 양단에 교류 고전압을 인가하여 기체 전기 방전을 일으킨다. 아르곤이나 헬륨과 같은 비활성기체는 기체 전기 방전이 원활하게 일어날 수 있도록 도와주며, 산소는 산화성 라디칼을 생성한다. 분해용 기체인 산소와 아르곤(또는 헬륨) 혼합물에서 산소의 함량은 0-100%로 조절할 수 있다. 기체 전기 방전이 일어나면, 산소와 비활성기체로부터 각종 활성 성분들이 생성되고, 활성 성분들이 흡수제에 흡착된 벤젠을 분해시키는데, 이를 반응식으로 표현하면 다음과 같다.

<반응식 2> e^- + Ar → e^- + Ar*

<반응식 3> e^- + O₂ → e^- + O + O

<반응식 4> O + O₂ → O₃

_<반응식 5> C₆H₆-S + 활성성분 (O, O₃, Ar*) → H₂O, CO, CO₂

반응식 (2)-(5)에서 e^-는 전자를 나타내고, Ar*는 여기 상태 (excited state)의 아르곤을 나타낸다. 각종 활성 성분들 (O, O₃, Ar*)은 다양한 반응을 거쳐 흡수제에 흡착된 벤젠을 궁극적으로 수분, 이산화탄소 및 일산화탄소로 전환시킨다. 위 처리 방법은 벤젠에 한정된 것은 아니고, 부탄올, 메탄올, 톨루엔, 에틸벤젠, 프로필렌과 같은 다른 유해오염물질들의 처리에도 그대로 적용된다.

아래의 <표 1>은 본 발명의 유해기체 처리시스템 및 처리 방법에 의한 여러 가지 유해기체에 함유된 유해 오염 물질의 분해 효율을 나타낸 것이다. 표 1에서 분해 효율은 다음 식에 의해 계산되었다.

<수식 1> 분해효율(%) = 유출량/유입량 X 100

여기서 유입량은 흡수 과정 동안 본 발명의 유해기체 처리시스템으로 유입된 유해 오염 물질의 양이고, 유출량은 흡수 과정 및 분해 과정에서 본 발명의 유해기체 처리시스템을 통과한 양의 합이다. 오염된 기체의 유량은 0.6 m³/h였고, 분해용 기체의 유량은 0.12 m³/h였다. 흡수 과정과 분해 과정 시간은 각각 30분과 10분이었다.

상기 <표 1>은 본 발명의 적용 사례를 보여주는 것으로서, 소비 전력, 기체전기방전장치에 구비된 전극판의 개수, 흡수 과정과 분해 과정 시간의 조절을 통해 분해효율을 더욱 높일 수 있다.

한편, 본 발명의 시스템 및 방법을 이용하여 C₂H₆(에테인), CHCl₃(클로로포름)나 CHF₂Cl (염화이불화메테인)과 같이 흡수능이 높지 않은 유해오염물질을 처리할 때는, 별도의 분해용 기체를 사용하지 않고 흡수 과정 및 분해 과정의 구분 없이 기체전기방전장치를 연속으로 가동하는 것이 바람직하다. 또한, 오염된 기체(질소+유해대기오염물질)에 비활성기체(아르곤, 헬륨)와 산소를 조금 첨가하는 것이 분해 효율 측면에서 유리한데, 그 이유는 비활성기체(아르곤, 헬륨)로부터 생성된 활성 성분 (Ar*)이 유해 오염 물질과 반응성이 높고, 산소에서 비롯된 산화성 성분들(O, O₂, O₃)은 중간 분해생성물들을 빨리 소거시켜 주기 때문이다. 일례로 CHF₂Cl의 분해반응에 대해 설명하면 다음과 같다:

<반응식 6> CHF₂Cl + 활성성분 (N, Ar*) → 중간 분해생성물 (CHF₂, CF₂Cl)

<반응식 7> CHF₂, CF₂Cl + 산화성 성분 (O, O₂, O₃)→CO, CO₂, HCl, HF, Cl₂, F₂

<반응식 6>에 의해 생성된 중간 분해 생성물 (CHF₂, CF₂Cl)은 산화성 성분들에 의해 더욱 산화되어 CO, CO₂, HCl, HF, Cl₂, F₂로 전환된다. 오염된 기체에 산소를 미량 첨가할 때, 산소의 함량은 2% 이하로 제한해야 하는데, 그 이유는 산소의 함량이 더 높아지면 다량의 질소산화물이 발생될 수 있기 때문이다. 아래의 <표 2>는 본 발명의 시스템에서 얻어진 CHCl₃와 CHF₂Cl의 분해 효율을 나타낸다. 오염된 기체의 유량은 0.6 m³/h 였다.

상기 <표 2>에서 클로로포름과 염화이불화메테인의 분해효율은 전력을 증가시키면 더욱 높아진다. 클로로포름의 경우는 약 100 W의 전력에서 대부분 분해되며, 염화이불화메테인의 분해효율을 95% 이상으로 증가시키기 위해서는 약 500 W의 전력이 공급되어야 한다.

도 1은 본 발명의 기체전기방전장치의 평단면도, 정면도 및 측단면도를 도시한 개략도이다.

도 2는 전술한 바의 기체전기방전장치가 구비된 본 발명의 일 양태에 따른 유해기체 처리시스템을 도시한 개략도이다.

도 3은 유해기체가 흡수되고 기체 전기 방전에 의해서 분해되어 배기되는 구체예를 보여주기 위하여 본 발명의 유해기체 처리시스템의 기체전기방전장치와 전원공급장치만을 도시한 개략도이다.

도 4는 분해기체 흡기장치와 조절장치가 추가로 구비된 본 발명의 유해기체 처리시스템의 개략도이다.

도 5는 삼불화메테인을 분해할 때, 삼불화메테인 초기 농도 및 아르곤 함량이 분해효율에 미치는 영향을 나타내는 그래프이다.

Claims

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(a) 다수의 기공이 형성된 하나 이상의 한 쌍의 금속 전극판과, 그 전극판 사이에 충전된 흡수제를 포함하여 구성되는 기체전기방전장치와,

(b) 상기 기체전기방전장치에 교류 전압 또는 펄스 전압을 인가하여 기체 전기 방전을 유도하기 위한 전원공급장치와,

(c) 상기 기체전기방전장치에 유해기체를 흡입하여 공급하기 위한, 상기 기체전기방전장치 전면에 구비되고 덕트를 통하여 기체전기방전장치에 연결되는 유해기체 흡기장치와,

(d) 상기 기체전기방전장치 후면에 구비되고 그 기체전기방전장치와 덕트를 통하여 연결되어 상기 기체전기방전장치에서 분해된 유해기체를 배출하기 위한 배기장치와,

(e) 분해기체 공급탱크와,

(f) 상기 기체전기방전장치 전면에 설치되고 덕트를 통하여 상기 기체전기방전장치 및 상기 분해기체 공급탱크와 연결되며, 상기 분해기체 공급탱크로부터 분해기체를 공급받아 상기 기체전기방전장치에 분해기체를 공급하기 위한 분해기체 흡기장치를 포함하여 구성되는 유해기체 처리시스템.
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제6항에 있어서,

상기 분해기체는 질소, 아르곤, 산소 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 유해기체 처리시스템.
제6항에 있어서,

상기 유해기체 흡기장치와 배기장치 그리고 기체전기방전장치와 분해기체 흡기장치를 교대로 구동시키는 조절장치가 추가가 구비됨으로써, 흡기·흡착·배기 과정과 분해 과정이 교대로 일어날 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 유해기체 처리시스템.
제6항에 있어서,

상기 흡수제는 펠릿 형상을 하고 그 입경이 상기 금속 전극판의 기공보다 큰 것을 특징으로 하는 유해기체 처리시스템.
제6항에 있어서,

상기 흡수제는 산화니켈(NiO), 산화구리(CuO), 산화코발트(CoO), 산화철(Fe₂O₃), 활성알루미나, 실리카(SiO₂), 산화티탄, 산화아연(ZnO), 활성탄, 벤토나이트, 산성백토, 규조토 및 이들의 2종 이상의 혼합물로 구성된 군에서 선택된 것임을 특징으로 하는 유해기체 처리시스템.
제6항에 있어서,

상기 금속 전극판은 자기에나멜로 피복되어 있는 것을 특징으로 하는 유해기체 처리시스템.
제6항에 있어서,

상기 한 쌍의 금속 전극판은 1~3개 구비된 것을 특징으로 하는 유해기체 처 리시스템.
(a) 다수의 기공이 형성된 하나 이상의 한 쌍의 금속 전극판과, 그 전극판 사이에 충전된 흡수제를 포함하여 구성된 기체전기방전장치에 유해기체를 유입시켜 상기 기체전기방전장치의 흡수제에 유해기체를 흡착시키는 단계와,

(b) 상기 기체전기방전장치에 교류 전압 또는 펄스 전압을 인가시켜 방전이 일어나도록 하여 흡수제에 흡수된 유해기체를 전기 방전에 의하여 분해시키는 단계와

(c) 상기 (b) 단계의 분해 단계와 동시에, 상기 기체전기방전장치 전면에 설치되고 덕트를 통하여 상기 기체전기방전장치와 분해기체 공급탱크와 연결된 분해기체 흡기장치가 분해기체 공급탱크로부터 분해기체를 공급받아 상기 기체전기방전장치에 분해기체를 공급하는 단계를 포함하는 유해기체의 처리방법.
제14항에 있어서,

상기 흡착 단계와 분해 단계는 교대로 수행되는 것을 특징으로 하는 유해기체의 처리방법.
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제14항에 있어서,

상기 분해기체는 질소, 아르곤, 산소 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 유해기체 처리방법.
제14항에 있어서,

상기 흡수제는 펠릿 형상을 하고 그 입경이 상기 금속 전극판의 기공보다 큰 것을 특징으로 하는 유해기체의 처리방법.
제14항에 있어서,

상기 흡수제는 산화니켈(NiO), 산화구리(CuO), 산화코발트(CoO), 산화철(Fe₂O₃), 활성알루미나, 실리카(SiO₂), 산화티탄, 산화아연(ZnO), 활성탄, 벤토나이트, 산성백토, 규조토 및 이들의 2종 이상의 혼합물로 구성된 군에서 선택된 것임을 특징으로 하는 유해기체 처리방법.
제14항에 있어서,

상기 금속 전극판은 자기에나멜로 피복되어 있는 것을 특징으로 하는 유해기체의 처리방법.
제14항에 있어서,

상기 한 쌍의 금속 전극판은 1~3개 구비된 것을 특징으로 하는 유해기체의 처리방법.