KR101182356B1 - 유해 기체 제거용 플라즈마-촉매 반응기 및 이를 이용한 유해 기체 처리 방법 - Google Patents

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Abstract

자동차/플랜트/발전소 등에서 배출되는 유해 기체를 제거하기 위한 플라즈마-촉매 반응기를 제공한다. 플라즈마-촉매 반응기는 내부로 배출 가스를 통과시키며 촉매 반응을 이용하여 배출 가스에 포함된 유해 기체를 저감시키는 촉매와, 배출 가스가 도입되는 촉매의 전방에 위치하고 전원부에 연결되는 구동 전극과, 배출 가스가 빠져나가는 촉매의 후방에 위치하는 접지 전극을 포함한다. 구동 전극과 촉매 사이에 제1 간격이 형성되고, 촉매와 구동 전극 사이의 전위 차에 의해 제1 간격에 플라즈마가 생성되어 유해 기체를 저감시킨다.

Description

유해 기체 제거용 플라즈마-촉매 반응기 및 이를 이용한 유해 기체 처리 방법 {PLASMA-CATALYTIC REACTOR FOR REMOVAL OF HAZADOUS GASES AND REMOVING METHOD OF HAZADOUS GASES USING THE SAME}
본 발명은 플라즈마-촉매 반응기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 자동차/플랜트/발전소 등에서 배출되는 유해 기체를 제거하기 위한 플라즈마-촉매 반응기 및 이를 이용한 유해 기체 처리 방법에 관한 것이다.
자동차/플랜트/발전소 등의 배출 가스에는 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC), 질소산화물(NOx) 등의 유해 기체가 포함되어 있다. 촉매 반응기는 배출 가스 유로에 설치되어 유해 기체를 무해한 이산화탄소(CO2), 물(H2O), 질소(N2)로 산화?환원시켜 제거한다.
촉매 반응기로는 일산화탄소와 탄화수소 및 질소산화물을 동시에 저감시키는 삼원 촉매가 널리 사용되고 있다. 삼원 촉매는 세라믹이나 금속으로 만들어진 담체 표면에 백금(Pt), 로듐(Rd), 및 팔라듐(Pd)을 포함한 귀금속 촉매가 부착된 구성으로 이루어진다.
촉매 반응기에 있어서 촉매 반응이 시작되는 초기 온도는 저온 시동 성능에 매우 중요하다. 촉매는 표면 온도가 약 550℃ 이상으로 가열되어야 높은 효율로 반응하며, 일반적으로 전환율이 50%가 될 때의 촉매 온도를 반응개시(light-off) 온도라 한다. 반응개시 온도는 대략 250~300℃로서 가능한 이 온도를 낮추어야 한다.
가솔린 엔진의 경우 배출 가스의 온도는 아이들링시 300~400℃이고, 최대 부하시 900℃ 정도이나, 배출 가스가 촉매를 가열시키는데 상당한 시간이 소요된다. 따라서 촉매가 가열되기 전까지 저온 시동 초기에는 탄화수소(시동 2분 이내에 80% 이상 발생)를 저감할 수 없고, 촉매 온도를 높이기 위한 전기 히터나 버너 등 별도의 온도 상승 장치가 요구된다.
한편, 유해 기체를 제거하기 위한 반응기로서 플라즈마 반응기도 공지되어 있다. 통상의 플라즈마 반응기는 무선주파수(RF)와 유도성 결합 플라즈마 방식을 적용하고 있다. 그런데 이러한 플라즈마 반응기 특히 무선주파수 전원 공급기는 고가이고, 플라즈마 유지를 위한 전력 소모가 크며, 방전 안정성이 떨어져 불균일한 플라즈마가 발생할 수 있다.
본 발명은 플라즈마를 이용하여 촉매가 가열되기 이전의 저온 영역에서 유해 기체를 효과적으로 제거하며, 별도의 온도 상승 장치 없이 촉매의 가열을 촉진시켜 유해 기체의 제거 효율을 높일 수 있는 플라즈마-촉매 반응기 및 이를 이용한 유해 기체 처리 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마-촉매 반응기는, 내부로 배출 가스를 통과시키며 촉매 반응을 이용하여 배출 가스에 포함된 유해 기체를 저감시키는 촉매; 배출 가스가 도입되는 촉매의 전방에 위치하고 전원부에 연결되는 구동 전극; 가스가 빠져나가는 촉매의 후방에 위치하는 접지 전극을 포함한다. 구동 전극과 촉매 사이에 제1 간격이 형성되고, 촉매와 구동 전극 사이의 전위 차에 의해 제1 간격에 플라즈마가 생성되어 유해 기체를 저감시킨다.
촉매는 접지 전극과 접촉하여 접지 전극과 전기적으로 연결될 수 있다. 다른 한편으로, 촉매와 접지 전극 사이에 제2 간격이 형성되고, 촉매와 접지 전극 사이의 전위 차에 의해 제2 간격에 플라즈마가 생성되어 유해 기체를 저감시킬 수 있다.
촉매는 제3 간격을 사이에 두고 위치하는 제1 촉매와 제2 촉매를 포함하고, 제1 촉매와 제2 촉매 사이의 전위 차에 의해 제3 간격에 플라즈마가 생성되어 유해 기체를 저감시킬 수 있다. 제1 촉매와 제2 촉매는 다른 종류의 촉매로 구성되어 서로 다른 성분의 유해 기체를 처리할 수 있다.
제1 촉매와 제2 촉매 중 어느 하나는 삼원 촉매이고, 다른 하나는 일산화탄소와 탄화수소 및 질소산화물 중 적어도 하나를 저감시키는 촉매로 구성될 수 있다.
촉매는 담체 및 담체 표면에 부착된 전도성 촉매층을 포함할 수 있다. 담체는 알루미나(Al2O3), 카본, 제올라이트, 실리카(SiO2), 및 실리콘 카바이드(SiC)로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있고, 전도성 촉매층은 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 이리듐(Ir), 루테늄(Ru), 레늄(Re), 및 오스뮴(Os)으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
구동 전극과 접지 전극은 일정 두께를 가지며 적어도 하나의 개구부가 형성된 금속판으로 이루어질 수 있다. 다른 한편으로, 구동 전극과 접지 전극은 금속 와이어가 종횡으로 엮어진 메쉬부를 포함할 수 있다.
구동 전극은 전원부로부터 정현파 또는 펄스형 고전압을 인가받으며, 촉매의 온도가 상승한 이후 전압 인가가 중지될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마-촉매 반응기를 이용한 유해 기체 처리 방법은, 플라즈마-촉매 반응기를 배출 가스 경로에 위치시켜 반응을 준비하는 제1 단계; 구동 전극에 전압을 인가하여 제1 간격에 플라즈마를 생성함으로써 플라즈마 반응을 이용해 유해 기체를 저감시킴과 동시에 촉매에 전기장을 형성하여 유도 가열과 저항 가열을 일으키는 제2 단계; 구동 전극의 전압 인가를 중지시키고, 촉매 반응을 이용하여 유해 기체를 저감시키는 제3 단계를 포함한다.
촉매와 접지 전극 사이에 제2 간격이 형성되고, 제2 단계에서 제1 간격과 제2 간격에 플라즈마가 동시에 생성될 수 있다. 촉매는 제3 간격을 두고 위치하는 제1 촉매와 제2 촉매를 포함하며, 제2 단계에서 제1 간격과 제2 간격 및 제3 간격에 플라즈마가 동시에 생성될 수 있다. 제1 촉매와 제2 촉매는 다른 종류의 촉매로 구성되어 제3 단계에서 서로 다른 성분의 유해 기체를 순차적으로 처리할 수 있다.
촉매가 활성화되기 이전의 저온 영역에서 플라즈마 반응으로 유해 기체의 분해가 가능하므로 반응개시 온도를 최대 20℃ 이상 낮추어 저온 동작 촉매 효과를 기대할 수 있다.
그리고 반응기 일부 영역에서만 플라즈마를 발생시키는 구조이므로 구동 전극에 인가되는 최대 전압의 크기를 낮추어 반응기 운전의 효율과 안정성을 동시에 향상시킬 수 있다.
또한, 촉매 내부의 낮은 전기장으로 인해 유해 기체의 흡착 및 분해 효과를 높일 수 있으며, 유전 가열 및 저항 가열에 의한 촉매의 온도 상승으로 촉매 자체의 특성을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 플라즈마-촉매 반응기의 개략적인 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시한 플라즈마-촉매 반응기의 단면도이다.
도 3a와 도 3b는 도 1에 도시한 플라즈마-촉매 반응기 중 구동 전극과 접지 전극의 구성예를 나타낸 개략적인 사시도이다.
도 4a는 도 1에 도시한 플라즈마-촉매 반응기 중 제1 간격과 촉매의 전위 변화를 나타낸 그래프이다.
도 4b는 도 1에 도시한 플라즈마-촉매 반응기 중 제1 간격과 촉매의 전기장 변화를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 플라즈마-촉매 반응기의 개략적인 사시도이다.
도 6은 도 5에 도시한 플라즈마-촉매 반응기의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 플라즈마-촉매 반응기의 개략적인 사시도이다.
도 8은 도 7에 도시한 플라즈마-촉매 반응기의 단면도이다.
도 9는 본 실시예의 플라즈마-촉매 반응기를 이용한 유해 기체 처리 방법을 나타낸 순서도이다.
도 10은 본 실시예에 따른 플라즈마-촉매 반응기의 영역별 기체 분해 특성을 나타낸 그래프이다.
도 11은 도 10에 도시한 B 지점과 C 지점 및 D 지점에서 온도에 따른 분해율 변화를 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 플라즈마-촉매 반응기의 개략적인 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시한 플라즈마-촉매 반응기의 단면도이다.
제1 실시예의 플라즈마-촉매 반응기(100)는 자동차/플랜트/발전소 등 유해 기체(일산화탄소, 탄화수소, 질소산화물 등)가 포함된 배출 가스를 발생시키는 여러 기계 장치 또는 기계 설비에 장착되어 유해 기체를 제거하는데 사용된다.
도 1과 도 2를 참고하면, 제1 실시예의 플라즈마-촉매 반응기(100)는 내부로 배출 가스를 통과시켜 유해 가스를 저감시키는 촉매(10)와, 촉매(10)의 전방에 위치하는 구동 전극(20)과, 촉매(10)의 후방에 위치하는 접지 전극(30)을 포함한다. 여기서 촉매(10)의 전방은 배출 가스가 도입되는 측을 의미하고, 촉매(10)의 후방은 배출 가스가 빠져나가는 측을 의미한다.
촉매(10)와 구동 전극(20) 및 접지 전극(30)은 절연 지지체(40)로 둘러싸일 수 있다. 절연 지지체(40)는 전술한 기계 장치 또는 기계 설비 중 배출 가스를 내보내는 배관에 연결 설치되며, 내부에 배출 가스가 흐르는 공간을 제공한다.
다른 한편으로 절연 지지체(40)는 배관 자체로도 이루어질 수 있다. 즉 배출 가스가 흐르는 배관 내부에 전술한 구동 전극(20)과 촉매(10) 및 접지 전극(30)이 설치될 수 있다. 이 경우 배관은 절연 물질로 형성되거나, 배관 내부 중 구동 전극(20)과 촉매(10) 및 접지 전극(30)을 둘러싸는 영역에 절연층(도시하지 않음)이 형성될 수 있다.
촉매(10)는 일산화탄소와 탄화수소를 저감시키는 산화 촉매이거나 일산화탄소와 탄화수소 및 질소산화물을 저감시키는 삼원 촉매일 수 있다. 삼원 촉매의 경우 일산화탄소와 탄화수소는 산화 반응으로 저감시키고, 질소산화물은 환원 반응으로 저감시킨다.
촉매(10)는 유전체로 제작된 담체(substrate)와, 담체 표면에 코팅 또는 함침의 방법으로 부착된 전도성 촉매층으로 이루어진다. 담체는 알루미나(Al2O3), 카본, 제올라이트, 실리카(SiO2), 및 실리콘 카바이드(SiC) 계열의 물질을 포함할 수 있다. 담체는 벌집 모양의 벽체를 구비한 허니콤 구조 또는 다공성 금속 폼(metal foam) 등 다양한 구조로 이루어질 수 있다.
전도성 촉매층은 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 이리듐(Ir), 루테늄(Ru), 레늄(Re), 및 오스뮴(Os) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 예를 들어, 전도성 촉매층은 백금과 로듐을 포함하거나, 백금과 로듐 및 팔라듐을 포함할 수 있다. 백금은 주로 일산화탄소와 탄화수소를 저감시키는 산화 반응을 촉진시키고, 로듐은 질소산화물 저감 반응을 촉진시킨다.
구동 전극(20)은 촉매(10)의 전방에서 촉매(10)와 제1 간격(G1)(도 2 참조)을 두고 위치한다. 그리고 접지 전극(30)은 촉매(10)의 후방에서 촉매(10)와 접하도록 배치된다. 배출 가스의 진행 방향을 따라 구동 전극(20), 제1 간격(G1), 촉매(10), 및 접지 전극(30)이 순서대로 위치한다. 구동 전극(20)은 전원부(50)와 연결되고, 전원부(50)는 도시하지 않은 제어부와 전기적으로 연결되어 구동 전극(20)으로 인가되는 전압의 크기와 인가 시간 등을 조절한다.
구동 전극(20)과 접지 전극(30)은 내부로 배출 가스를 통과시켜야 하므로 적어도 하나의 개구부를 형성한 구조 또는 메쉬형 구조로 이루어질 수 있다. 도 3a와 도 3b는 도 1에 도시한 플라즈마-촉매 반응기 중 구동 전극과 접지 전극의 구성예를 나타낸 개략적인 사시도이다.
도 3a를 참고하면, 구동 전극(20)과 접지 전극(30)은 일정 두께를 가지며 적어도 하나의 개구부(21, 31)가 형성된 금속판으로 이루어질 수 있다. 도 3a에서는 복수의 개구부(21, 31)가 일정 간격으로 분산 배치된 경우를 예로 들어 도시하였으나, 개구부의 개수와 모양 및 배치 상태 등은 도시한 예로 한정되지 않는다.
도 3b를 참고하면, 구동 전극(20')과 접지 전극(30')은 금속 와이어가 종횡으로 엮어진 메쉬부(22, 32)를 포함한다. 메쉬부(22, 32)는 구동 전극(20')과 접지 전극(30')의 중앙에 위치할 수 있다.
도 3a와 도 3b에 도시한 구동 전극(20, 20')은 내부로 배출 가스를 원활하게 통과시킴과 동시에 촉매(10)와 마주하는 면적을 충분히 확보할 수 있다. 따라서 다음에 설명하는 구동 과정에서 촉매(10)와의 사이에 높은 세기의 플라즈마를 용이하게 생성할 수 있다.
다시 도 1과 도 2를 참고하면, 구동 전극(20)은 플라즈마-촉매 반응기(100)의 구동 초기 과정, 즉 촉매(10)가 충분히 가열되기 이전의 저온 영역에서 전원부(50)로부터 고전압을 일정 시간 인가받는다. 그러면 구동 전극(20)과 촉매(10) 사이의 제1 간격(G1)에서 구동 전극(20)과 촉매(10)의 전위 차에 의해 플라즈마가 생성된다. 즉, 촉매(10)를 기준으로 배출 가스가 도입되는 부분에 플라즈마가 생성된다.
도 4a와 도 4b는 각각 도 1에 도시한 플라즈마-촉매 반응기 중 제1 간격과 촉매의 전위 변화와 전기장 변화를 나타낸 그래프이다.
도 4a를 참고하면, 구동 전극(20)에 정현파 또는 펄스 형태의 고전압을 인가하면 구동 전극(20)과 촉매(10)의 전위 차에 의해 제1 간격(G1)에 플라즈마가 생성된다. 정현파 또는 펄스 형태의 고전압은 대략 30Hz 내지 300kHz 범위의 주파수 대역을 가지며, 제1 간격(G1)에 대략 25kV/cm 이내의 전기장 인가가 가능한 최대 전압을 가질 수 있다.
촉매(10)는 전도성 촉매층을 포함하므로 낮은 전압강하 특성을 나타내며, 그 결과 구동 전극(20)과 촉매(10) 사이에 높은 전압 차이가 발생하여 강한 플라즈마가 생성된다.
본 실시예의 플라즈마-촉매 반응기(100)는 시동 초기의 저온 영역에서 플라즈마 반응을 이용하여 배출 가스에 포함된 유해 가스를 무해한 원소로 분해시킨다. 물론 시동 초기의 저온 영역에서도 촉매 반응은 일어나지만 분해 효율이 충분하지 않으므로 플라즈마가 촉매 기능을 보조하여 유해 가스를 높은 효율로 분해시킨다.
또한, 본 실시예의 플라즈마-촉매 반응기(100)에서 구동 전극(20)에 인가되는 전압은 30Hz 내지 300kHz 주파수 대역의 정현파 또는 펄스형 고전압이므로 종래의 무선주파수와 유도성 결합 플라즈마 방식과 비교할 때 플라즈마 유지를 위한 전력 소모가 작고, 반응기 구성이 간단하며, 방전 안정성이 높아 균일한 플라즈마를 발생시킬 수 있다.
도 4b를 참고하면, 구동 전극(20)과 촉매(10) 사이의 제1 간격(G1)은 높은 전기장에 의해 플라즈마 발생 영역이 되고, 촉매(10) 내부는 낮은 전기장에 의해 플라즈마 미발생 영역이 된다. 구동 전극(20)에 고전압이 인가될 때 촉매(10) 내부는 낮은 전기장을 유지하므로 이 전기장에 의해 촉매(10)의 유전 가열과 저항 가열이 동시에 발생한다.
따라서 본 실시예의 플라즈마-촉매 반응기(100)는 유전 가열과 저항 가열을 이용하여 촉매(10)를 신속하게 가열시킬 수 있으므로 촉매(10)가 활성화되는 시점을 앞당길 수 있다. 그 결과 촉매 효율을 높여 유해 기체를 효과적으로 제거할 수 있다. 또한, 별도의 온도 상승 장치를 필요로 하지 않으므로 반응기 구성을 간소화할 수 있다.
구동 전극(20)과 촉매(10) 사이의 제1 간격(G1)은 대략 1mm 내지 50mm로 설정될 수 있으며, 이는 촉매(10) 길이의 대략 0.01배 내지 0.1배일 수 있다. 그러나 전술한 수치는 하나의 예일 뿐 제1 간격(G1)의 범위는 전술한 예로 한정되지 않으며, 반응기 구성과 구동 조건 등에 따라 다양하게 변할 수 있다.
이와 같이 본 실시예의 플라즈마-촉매 반응기(100)는 촉매(10)가 활성화되기 이전의 저온 영역에서도 유해 기체의 분해가 가능하므로 반응개시 온도를 최대 20℃ 이상 낮추어 저온 동작 촉매 효과를 기대할 수 있다. 그리고 반응기 전체 영역 대신 일부 영역에서만 플라즈마를 발생시키는 구조이므로 구동 전극(20)에 인가되는 최대 전압의 크기를 낮추어 반응기 운전의 효율과 안정성을 동시에 향상시킬 수 있다.
또한, 본 실시예의 플라즈마-촉매 반응기(100)는 촉매(10) 내부의 낮은 전기장으로 인해 유해 기체의 흡착 및 분해 효과를 높일 수 있으며, 유전 가열 및 저항 가열에 의한 촉매(10)의 온도 상승으로 촉매(10) 자체의 특성을 높이는 효과도 얻을 수 있다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 플라즈마-촉매 반응기의 개략적인 사시도이고, 도 6은 도 5에 도시한 플라즈마-촉매 반응기의 단면도이다.
도 5와 도 6을 참고하면, 제2 실시예의 플라즈마-촉매 반응기(200)는 촉매(10)와 접지 전극(30) 사이에 제2 간격(G2)이 형성되는 것을 제외하고 전술한 제1 실시예와 동일한 구성으로 이루어진다. 제1 실시예와 같은 구성요소에 대해서는 같은 도면부호를 사용하며, 아래에서는 제1 실시예와 다른 구성에 대해 주로 설명한다.
제2 실시예에서는 배출 가스의 진행 방향을 따라 구동 전극(20), 제1 간격(G1), 촉매(10), 제2 간격(G2), 및 접지 전극(30)이 순서대로 위치한다. 촉매(10)가 접지 전극(30)과 떨어져 위치하므로 촉매(10)는 전기적으로 플로팅 상태가 된다. 이로써 구동 전극(20)에 고전압 인가시 촉매(10)에는 구동 전극(20)의 전압보다 낮고 접지 전극(30)의 전압보다 높은 중간 전압이 인가된다.
따라서 구동 전극(20)과 촉매(10) 사이의 제1 간격(G1)과, 촉매(10)와 접지 전극(30) 사이의 제2 간격(G2) 모두에서 플라즈마가 동시에 생성된다. 즉 제2 실시예에서는 촉매(10)를 기준으로 배출 가스가 도입되는 부분과 배출 가스가 빠져나가는 부분 모두에서 플라즈마가 생성된다. 그 결과 플라즈마-촉매 반응기(200)로 유입된 배출 가스는 플라즈마와 촉매(10) 및 플라즈마를 순차적으로 거치면서 유해 성분이 저감된다.
구동 전극(20)에 인가되는 전압이 제1 실시예와 동일한 경우, 제2 실시예에서 생성되는 플라즈마는 제1 실시예의 경우보다 세기는 낮지만 촉매(10)의 전방과 후방 모두에 플라즈마가 생성되므로 유해 기체가 플라즈마를 거치는 횟수가 증가된다. 이로써 유해 기체의 처리 단계를 한단계 더 늘려 3차에 걸쳐 유해 기체를 제거하므로 배출 가스에 포함된 유해 기체를 효과적으로 저감할 수 있다.
촉매(10)의 길이와 제1 간격(G1) 및 제2 간격(G2)의 크기는 구동 전극(20)과 촉매(10) 및 접지 전극(30)의 구조, 구동 전압, 유해 기체의 종류와 밀도 등에 따라 다양하게 설정될 수 있다.
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 플라즈마-촉매 반응기의 개략적인 사시도이고, 도 8은 도 7에 도시한 플라즈마-촉매 반응기의 단면도이다.
도 7과 도 8을 참고하면, 제3 실시예의 플라즈마-촉매 반응기(300)는 촉매(10)가 제1 촉매(11)와 제2 촉매(12)로 분리되어 제1 및 제2 촉매(11, 12) 사이에 제3 간격(G3)이 형성되는 것을 제외하고 전술한 제2 실시예와 동일한 구성으로 이루어진다. 제2 실시예와 같은 구성요소에 대해서는 같은 도면부호를 사용하며, 아래에서는 제2 실시예와 다른 구성에 대해 주로 설명한다.
제1 촉매(11)와 제2 촉매(12)는 같은 종류의 촉매이거나 다른 종류의 촉매(이종 촉매)일 수 있다. 두 번째 경우 제1 촉매(11)와 제2 촉매(12)는 서로 다른 성분의 전도성 촉매층을 포함하여 종류가 다른 유해 기체를 처리할 수 있다. 예를 들어, 제1 촉매(11)는 질소산화물을 주로 제거하는 촉매로 구성되고, 제2 촉매(12)는 일산화탄소와 탄화수소를 주로 제거하는 촉매로 구성될 수 있다.
또한, 배출 가스에 포함된 유해 가스의 특정 성분이 높은 농도를 나타내는 경우, 예를 들어 탄화수소의 농도가 높은 경우, 제1 촉매(11)는 삼원 촉매로 구성되고, 제2 촉매(12)는 탄화수소를 주로 제거하는 촉매로 구성될 수 있다. 이 경우 높은 농도를 나타내는 유해 가스의 특정 성분을 2차에 걸쳐 높은 효율로 제거할 수 있다.
제3 실시예에서는 배출 가스의 진행 방향을 따라 구동 전극(20), 제1 간격(G1), 제1 촉매(11), 제3 간격(G3), 제2 촉매(12), 제2 간격(G2), 및 접지 전극(30)이 순서대로 위치한다. 제1 및 제2 촉매(11, 12)가 구동 전극(20) 및 접지 전극(30)과 떨어져 위치하므로 제1 및 제2 촉매(11, 12)는 전기적으로 플로팅 상태가 된다.
이로써 구동 전극(20)에 고전압 인가시 제1 및 제2 촉매(11, 12)에는 구동 전극(20)의 전압보다 높고 접지 전극(30)의 전압보다 낮은 중간 전압이 인가되며, 이때 제1 촉매(11)의 전압은 제2 촉매(12)의 전압보다 높다.
따라서 제1 간격(G1)과 제2 간격(G2) 및 제3 간격(G3) 모두에서 좌우의 전압 차에 의해 플라즈마가 동시에 생성된다. 즉 제3 실시예에서는 촉매(10)를 기준으로 배출 가스가 도입되는 부분과 촉매(10)의 중간 부분 및 배출 가스가 빠져나가는 부분 모두에서 플라즈마가 생성된다. 그 결과 플라즈마-촉매 반응기(300)로 유입된 배출 가스는 플라즈마, 제1 촉매(11), 플라즈마, 제2 촉매(12), 및 플라즈마를 순차적으로 거치면서 유해 성분이 저감된다.
구동 전극(20)에 인가되는 전압이 제1 실시예와 동일한 경우, 제3 실시예에서 생성되는 플라즈마는 제1 실시예의 경우보다 세기는 낮지만 촉매(10)의 전방과 후방 및 촉매(10) 중간 부분에 플라즈마가 생성되므로 유해 기체가 플라즈마를 거치는 횟수가 증가된다. 또한, 촉매(10)가 제1 촉매(11)와 제2 촉매(12)로 분리되어 있으므로 유해 기체가 촉매(10)를 거치는 횟수 또한 증가된다.
따라서 제3 실시예의 플라즈마-촉매 반응기(300)는 제2 실시예 대비 유해 기체의 플라즈마 처리 단계와 촉매 처리 단계를 한단계 더 늘려 유해 기체를 처리하므로 배출 가스에 포함된 유해 기체를 효과적으로 저감할 수 있다.
제3 간격(G3)은 제1 간격(G1) 및 제2 간격(G2)과 같거나 다른 크기로 설정될 수 있다. 제1 내지 제3 간격(G1, G2, G3)은 구동 전극(20)과 촉매(10) 및 접지 전극(30)의 구조, 구동 전압, 유해 기체의 종류와 밀도 등에 따라 다양하게 설정될 수 있다.
제1 촉매(11)와 제2 촉매(12)의 길이, 제1 간격(G1)과 제2 간격(G2) 및 제3 간격(G3)의 크기는 구동 전극(20)과 촉매(10) 및 접지 전극(30)의 구조, 구동 전압, 유해 기체의 종류와 밀도 등에 따라 다양하게 설정될 수 있다.
도 9는 전술한 플라즈마-촉매 반응기를 이용한 유해 기체 처리 방법을 나타낸 순서도이다.
도 9를 참고하면, 유해 기체 처리 방법은 전술한 제1 실시예 내지 제3 실시예 중 어느 한 실시예의 플라즈마-촉매 반응기를 배출 가스 경로에 위치시켜 반응을 준비하는 제1 단계(S10)와, 구동 전극에 고전압을 인가하여 구동 전극과 촉매 사이에 플라즈마를 생성하는 제2 단계(S20)와, 구동 전극의 전압 인가를 중지시키고 촉매 반응을 이용하여 유해 기체를 저감시키는 제3 단계(S30)를 포함한다.
제2 실시예의 플라즈마-촉매 반응기(200)를 이용하는 경우 제2 단계(S20)에서 촉매(10)와 접지 전극(30) 사이에도 플라즈마가 생성된다. 제3 실시예의 플라즈마-촉매 반응기(300)를 이용하는 경우 제2 단계(S20)에서 촉매(10)와 접지 전극(30) 사이 및 촉매(10) 중간, 즉 제1 촉매(11)와 제2 촉매(12) 사이에도 플라즈마가 생성된다.
제2 단계(S20)에서 생성된 플라즈마는 촉매(10)가 충분히 가열되기 이전의 저온 영역에서 유해 기체를 효율적으로 분해하므로 촉매(10)의 반응개시 온도를 최대 20℃ 이상 낮출 수 있다. 또한, 제2 단계(S20)에서 촉매(10)는 전기장에 의해 유도 가열과 저항 가열이 일어나면서 신속하게 가열되므로 촉매 특성이 향상되고, 낮은 전기장에 의한 유해 기체의 흡착/분해 효과도 얻을 수 있다.
전술한 처리 방법에 따르면 반응기 구성을 복잡화하게 만들지 않고, 구동 전극(20)에 인가되는 최대 전압의 크기를 낮추어 운전의 효율와 안정성을 동시에 확보하면서 저온 시동 성능을 효과적으로 향상시킬 수 있다.
도 10은 전술한 플라즈마-촉매 반응기의 영역별 기체 분해 특성을 나타낸 그래프이다.
도 10을 참고하면, 기체(공기) 주입 후 유해 기체를 주입하면, 공기와 유해 기체의 온도에 의해 촉매(10)가 가열되면서 촉매 분해 반응이 시작된다. 도 10의 제2 구간에서 유해 기체의 농도가 상승하고, 분해율이 낮아지는 결과를 보이고 있지만, 이는 촉매가 없는 대비 유해 기체 저감 효과가 있는 것으로서, 촉매가 없는 경우 유해 기체의 농도는 더욱 상승한다.
이후 구동 전극(20)에 고전압을 인가하여 플라즈마를 생성하면 플라즈마 반응에 의해 제3 구간에서 유해 기체의 농도가 현저하게 떨어진다. 그리고 촉매(10)에 인가된 전기장에 의해 촉매 가열 반응이 시작되면서 제4 구간에서 유해 기체의 농도가 안정적으로 떨어지는 결과를 보인다. 이후 플라즈마 생성을 중지시키면 유해 기체의 농도는 유해 기체 주입을 중지시킬 때까지 상승한다.
도 11은 도 10에 도시한 B 지점과 C 지점 및 D 지점에서 온도에 따른 분해율 변화를 나타낸 그래프이다. 도 10의 B 지점은 촉매만 이용하는 경우이고, C 지점은 촉매를 이용하면서 플라즈마를 15초간 생성시킨 경우이며, D 지점은 촉매를 이용하면서 플라즈마를 20분간 생성시킨 경우를 나타낸다.
도 11을 참고하면, 촉매만 이용한 경우보다 플라즈마를 이용한 경우 모든 온도 조건에서 높은 분해율을 나타낸다. 특히 120℃ 내지 145℃의 낮은 온도 구간에서 플라즈마가 높은 분해 효과를 발휘하고 있음을 확인할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
100, 200, 300: 플라즈마-촉매 반응기
10: 촉매 11: 제1 촉매
12: 제2 촉매 20: 구동 전극
30: 접지 전극 40: 절연 지지체
50: 전원부

Claims (14)

  1. 내부로 배출 가스를 통과시키며 촉매 반응을 이용하여 배출 가스에 포함된 유해 기체를 저감시키는 촉매;
    배출 가스가 도입되는 상기 촉매의 전방에 위치하고 전원부에 연결되는 구동 전극; 및
    배출 가스가 빠져나가는 상기 촉매의 후방에 위치하는 접지 전극
    을 포함하며,
    상기 구동 전극과 상기 촉매 사이에 제1 간격이 형성되고,
    상기 촉매와 상기 구동 전극 사이의 전위 차에 의해 상기 제1 간격에 플라즈마가 생성되어 유해 기체를 저감시키는 플라즈마-촉매 반응기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 촉매는 상기 접지 전극과 접촉하여 상기 접지 전극과 전기적으로 연결되는 플라즈마-촉매 반응기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 촉매와 상기 접지 전극 사이에 제2 간격이 형성되고,
    상기 촉매와 상기 접지 전극 사이의 전위 차에 의해 상기 제2 간격에 플라즈마가 생성되어 유해 기체를 저감시키는 플라즈마-촉매 반응기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 촉매는 제3 간격을 사이에 두고 위치하는 제1 촉매와 제2 촉매를 포함하고,
    상기 제1 촉매와 상기 제2 촉매 사이의 전위 차에 의해 상기 제3 간격에 플라즈마가 생성되어 유해 기체를 저감시키는 플라즈마-촉매 반응기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 촉매와 상기 제2 촉매는 다른 종류의 촉매로 구성되어 서로 다른 성분의 유해 기체를 처리하는 플라즈마-촉매 반응기.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 촉매와 상기 제2 촉매 중 어느 하나는 삼원 촉매이고, 다른 하나는 일산화탄소와 탄화수소 및 질소산화물 중 적어도 하나를 저감시키는 촉매로 구성되는 플라즈마-촉매 반응기.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 촉매는 담체 및 상기 담체 표면에 부착된 전도성 촉매층을 포함하며,
    상기 담체는 알루미나(Al2O3), 카본, 제올라이트, 실리카(SiO2), 및 실리콘 카바이드(SiC)로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함하고,
    상기 전도성 촉매층은 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 이리듐(Ir), 루테늄(Ru), 레늄(Re), 및 오스뮴(Os)으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 플라즈마-촉매 반응기.
  8. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 구동 전극과 상기 접지 전극은 일정 두께를 가지며 적어도 하나의 개구부가 형성된 금속판으로 이루어지는 플라즈마-촉매 반응기.
  9. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 구동 전극과 상기 접지 전극은 금속 와이어가 종횡으로 엮어진 메쉬부를 포함하는 플라즈마-촉매 반응기.
  10. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 구동 전극은 상기 전원부로부터 정현파 또는 펄스형 고전압을 인가받으며, 상기 촉매의 온도가 상승한 이후 전압 인가가 중지되는 플라즈마-촉매 반응기.
  11. 유해 기체를 포함하는 배출 가스의 진행 방향을 따라 구동 전극, 제1 간격, 촉매, 및 접지 전극이 순차적으로 위치하는 플라즈마-촉매 반응기를 이용한 유해 기체 처리 방법에 있어서,
    상기 플라즈마-촉매 반응기를 배출 가스 경로에 위치시켜 반응을 준비하는 제1 단계;
    상기 구동 전극에 전압을 인가하여 상기 제1 간격에 플라즈마를 생성함으로써 플라즈마 반응을 이용해 유해 기체를 저감시킴과 동시에 상기 촉매에 전기장을 형성하여 유도 가열과 저항 가열을 일으키는 제2 단계; 및
    상기 구동 전극의 전압 인가를 중지시키고, 촉매 반응을 이용하여 유해 기체를 저감시키는 제3 단계
    를 포함하는 플라즈마-촉매 반응기를 이용한 유해 기체 처리 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 촉매와 상기 접지 전극 사이에 제2 간격이 형성되고,
    상기 제2 단계에서 상기 제1 간격과 상기 제2 간격에 플라즈마가 동시에 생성되는 플라즈마-촉매 반응기를 이용한 유해 기체 처리 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 촉매는 제3 간격을 두고 위치하는 제1 촉매와 제2 촉매를 포함하고,
    상기 제2 단계에서 상기 제1 간격과 상기 제2 간격 및 상기 제3 간격에 플라즈마가 동시에 생성되는 플라즈마-촉매 반응기를 이용한 유해 기체 처리 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제1 촉매와 상기 제2 촉매는 다른 종류의 촉매로 구성되어 상기 제3 단계에서 서로 다른 성분의 유해 기체를 순차적으로 처리하는 플라즈마-촉매 반응기를 이용한 유해 기체 처리 방법.
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