KR101194702B1 - 플라즈마 방전을 이용한 악취성분제거장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고전압 방전 플라즈마 방전을 이용한 악취성분제거장치(100)로서, 외부로부터 기체가 유입되는 제 1 기체 유입구(111)와, 고전압에 의해 발생된 플라즈마에 의해 제 1 기체 유입구(111)를 통해 유입된 기체에 포함된 악취성분을 제거하는 플라즈마 발생유닛(112)과, 악취성분이 제거된 기체를 배출시키는 제 1 기체 배출구(113)로 이루어진 플라즈마 발생부(110) 및 제 1 기체 배출구(113)와 연통 되고, 플라즈마 발생부(110)의 제 1 기체 배출구(113)로부터 기체가 유입되는 제 2 기체 유입구(121)와, 제 2 기체 유입구(121)를 통해 유입된 기체의 오존 및 악취성분을 제거하는 촉매유닛(122)과 촉매유닛(122)에 의해 오존 및 악취성분이 제거된 기체를 배출시키는 제 2 기체 배출구(123)로 이루어진 촉매부(120)를 포함하는 플라즈마 방전을 이용한 악취성분제거장치(100)이다. 악취성분을 플라즈마 발생부(110)에서 1차로 제거한후, 남은 악취성분과 플라즈마 발생부(110)에서 발생된 극미량의 오존을 촉매부(120)에서 2차로 제거하여 악취제거의 효과를 높일 수 있다.
플라즈마 발생부(110), 촉매부(120)

Description

플라즈마 방전을 이용한 악취성분제거장치{Device for removing odorous gas using plasma discharge}
본 발명은 플라즈마 방전을 이용한 악취성분제거장치(100)에 관한것으로서, 보다 구체적으로는 고전압에 의해 발생된 방전 플라즈마에의해, 공기중에 포함된 악취를 제거하고 실내 공기를 정화시키는 플라즈마 방전을 이용한 악취제거장치에 관한 것이다.
이를 좀 더 상세히 설명하면, 1차적으로 고전압에 의해 발생된 방전 플라즈마를 통해 악취를 제거하고, 잔존 악취와 1차 과정을 통한 부산물 중 극소량의 오존을 촉매에 의해 제거하는 악취제거장치에 관한 것이다.
일반적으로, 탈취기 또는 악취제거장치로 사용되는 방법으로는 흡착법,오존산화법, 광촉매산화법, 스크라바 세정법, 생물학적 필터에 의한 탈취법, 플라즈마 발생에 악취제거법 및 광촉매에 의한 악취제거법 등이 이용되고있다. 특히, 플라즈마 발생장치에 의한 악취 또는 탈취기에는 플라즈마 발생장치가 필수적으로 이용된다. 최근까지 플라즈마 방전을 이용한 악취 및 VOCs(Volatile Organic Compounds; 휘발성 유기화합물) 등의 오염가스를 제거하는 방법은 여러 가지 다양한 형태로 개 발되어 왔다. 초기에 개발된 플라즈마 방식은 펄스 코로나 형태의 플라즈마를 이용하여 가스상의 오염물을 제거하는 방식으로서, 10kV 내지 25kV의 고전압을 이용하여 핀과 평판 형태의 전극에서 플라즈마를 생성하며 비활성가스를 넣어 플라즈마 상태를 안전하게 유지시켜 주는 방식이다. 그러나, 이와 같은 형태의 플라즈마 방식은 플라즈마의 형태가 불규칙하게 형성되어 악취 제거 효율이 떨어지고, 운영비용 및 처리용량에 한계가 있어 상용화에 이르지는 못하였다. 종래의 또 다른 형태의 플라즈마 탈취 장비는 유전체 장벽 방전 형태의 플라즈마를 이용하여 오염물을 제거하는 방식으로서, 이 장치는 평판 형태의 전극 사이에 유전체 장벽을 두어 7kV 내지 15kV의 원하는 고전압에서의 균일한 플라즈마를 형성시켜 악취 성분과 반응하게 된다. 그러나, 이 장치는 압력강하 및 전극 위에 카본 등의 불순물 증착으로 효율이 떨어지게 된다. 상기한 종래의 방법의 효율을 높게하려면, 오염가스의 체제시간을 길게하거나, 방전전력이 7kV내지 15kV의 고전압을 인가하여야 하는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로, 플라즈마 발생부(110)에 촉매부(120)를 연결하여, 1 차적으로 플라즈마 발생부(110)에서 악취를 제거하고 2차적으로 촉매부(120)에서 잔존 악취와 플라즈마 발생부(110)에서의 부산물인 극미량의 오존을 제거하여, 악취가스가 체재시간이 길지 않더라도 악취제거의 효율을 높이는데 특징이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 외부로부터 오염가스를 유입시키는 제 1 기체 유입구(111)와, 고전압에 의해 발생된 플라즈마에 의해 상기 제 1 기체 유입구(111)를 통해 유입된 기체에 포함된 악취성분을 제거하는 플라즈마 발생유닛(112)과, 상기 악취성분이 제거된 기체를 배출 시키는 제 1 기체 배출구(113)로 이루어진 플라즈마 발생부(110) 및 상기 제 1 기체 배출구(113)와 연통 되고, 상기 플라즈마 발생부(110)의 제 1 기체 배출구(113)로부터 기체가 유입되는 제 2 기체 유입구(121)와, 상기 제 2 기체 유입구(121)를 통해 유입된 기체의 오존 및 악취성분을 제거하는 촉매유닛(122)과 상기 촉매유닛(122)에 의해 오존 및 악취성분이 제거된 기체를 배출시키는 제 2 기체 배출구(123)로 이루어진 촉매부(120)를 포함하는 플라즈마 방전을 이용한 악취성분제거장치(100)를 제공한다.
바람직하게는, 상기 플라즈마 발생 유닛은 아크릴로 이루어진 원통형상의 플라즈마관(112-1)과, 상기 플라즈마관(112-1)의 내부를 관통하고, 상기 고전압이 인가되는 스텐와이어(112-2)와 상기 플라즈마관의 외주연을 감싸는 알루미늄 외피(112-3)로 이루어질 수 있다.
바람직하게는, 상기 촉매유닛(122)는 유리로 이루어진 원통형상의 촉매관(122-1)과, 상기 기체의 오존 및 악취성분을 제거하는 촉매와 상기 촉매를 감싸는 스텐메시(124)로 이루어질 수 있다.
바람직하게는, 10 내지 20kV의 전압이 상기 플라즈마 발생 유닛의 스텐와이어(112-2)에 인가될 수 있다.
이상에서 자세히 설명된 바와 같이, 본 발명은 악취성분의 체재시간을 길게 하지 않더라도, 플라즈마 발생부(110)에서 제거되지 않은 일부 악취성분 및 오존을 촉매를 이용하여 제거하여 악취성분 제거 효율을 높일 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도면을 참조하여 상세하게 설명하고자 한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 플라즈마 방전을 이용한 악취제거장치의 개략적인 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 의한 플라즈마 방전을 이용한 악취성분제거장치(100)는 플라즈마 발생부(110)와 촉매부(120)로 이루어진다.
플라즈마 발생부(110)는 외부로부터 오염기체, 예컨대 아세트알데히드가 포 함된 기체가 유입되는 제 1 기체 유입구(111)와, 고전압에 의해 발생된 플라즈마에 의해 제 1 기체 유입구(111)를 통해 유입된 기체에 포함된 악취성분을 소각시켜 제거하는 플라즈마 발생유닛(112)과, 악취성분이 제거된 기체를 배출 시키는 제 1 기체 배출구(113)로 이루어진다.
구체적으로 플라즈마 발생 유닛(112)은 아크릴(acryl)로 이루어진 원통형상의 플라즈마관(112-1)과, 플라즈마관(112-1)의 내부를 관통하고, 고전압이 인가되는 스텐와이어(112-2)와 플라즈마관(112-1)의 외주연을 감싸는 알루미늄 외피(112-3)로 이루어질 수 있다. 여기서,알루미늄외피(112-3)는 그라운드(ground)의 역할을 한다. 한편, 10 내지 20kV의 전압이 플라즈마 발생 유닛의 스텐와이어(112-2)에 인가될 수 있다. 여기서, 실질적으로 아크릴으로 형성된 플라즈마 발생부의 외직경은 26㎜φ, 내직경은 24㎜φ, 길이는 250mm이다. 알루미늄외피의 길이는 150mm이다.
촉매부(120)는 제 1 기체 배출구(113)와 연통 되고, 플라즈마 발생부(110)의 제 1 기체 배출구(113)로부터 기체가 유입되는 제 2 기체 유입구(121)와, 제 2 기체 유입구(121)를 통해 유입된 기체의 오존 및 악취성분을 제거하는 촉매유닛(122)과 촉매유닛(122)에 의해 오존 및 악취성분이 제거된 기체를 배출시키는 제 2 기체 배출구(123)로 이루진다.
여기서 실질적으로, 촉매유닛의 길이는 55mm, 촉매의 종류는 MD-7으로, 촉매의 양은 46.14g을 사용하였다. 스텐와이어(120-1)의 직경은 0.2㎜φ이다. 유리로 형성된 촉매관의 외직경은 30㎜φ,내직경은 26㎜φ,길이는 150㎜이다.
여기서, 플라즈마 발생부(110)의 제 1 기체 배출구(113)와 촉매부(120)의 제 2 기체 유입구(121)는 연통되어 형성된다. 또한, 제 2 기체 유입구(121)와 제 2 기체 배출구(123)는 기체의 이동경로를 최대화할 수 있도록 형성되는것이 바람직하다.
구체적으로 촉매유닛(122)는 유리로 이루어진 원통형상의 촉매관(122-1)과, 기체의 오존 및 악취성분을 제거하는 촉매(125)와 촉매(125)를 감싸는 스텐메시(124)로 이루어질수 있다. 스텐메시(124)를 지지 고정하는 스텐와이어(120-1)가 사용될 수 있다.
여기서 촉매는 제 2 기체 유입구(121)를 통해 유입된 기체에 포함된 오존을 분해시켜 오존농도를 감소시킨다.
제 1 기체 유입구(111), 제 1 기체 유출구(113), 제 2 기체 유입구(121) 및 제 2 기체 유출구(123)에는 마개(114)로 덮여 있다. 여기서 마개(114)는 실리콘고무를 사용하였다.
도 2는 도 1의 플라즈마 방전을 이용한 악취성분제거장치(100)를 구현한 구성도이다.
도 2를 참조하면,유속조절기(mass flow controller)(11)를 통해서 습기가 제거된 기체(dry air)가 플라즈마 방전을 이용한 악취성분제거장치(100)의 플라즈마 발생부(110)의 제 1 기체 유입구(111)(미도시)에 제공된다. 유량계(flow meter)(12)를 통해서 아세트알데히드(CH3CHO)가 플라즈마 방전을 이용한 악취성분제거장치(100)의 플라즈마 발생부(110)의 제 1 기체 유입구(111)에 제공된다. 즉, 제 1 기체 유입구(111)를 통해서 습기가 제거된 기체 및 아세트알데히드가 동시에 제공될 수 있다.
제 1 기체 유입구(111)로 유입된 습기가 제거된 기체 및 아세트알데히드 중 아세트알데히드는 플라즈마 발생부(110)에 의해 제거되고, 촉매부(120)에 의해 잔존 아세트알데히드 및 플라즈마 발생부(110)의 부산물인 오존이 제거될 수 있다.
아세트알데히드 및 오존이 제거된 기체는 테드라백(Tedlar bag)(13)에 의해 포집 될 수 있다. 포집된 기체는 아세트알데히드 및 오존 제거율을 측정하기 위해 사용될 수 있다.
도 3a는 도 1의 플라즈마 방전을 이용한 악취제거장치를 적용하여 아세트알데히드를 제거하도록 플라즈마 발생부(110)에 인가되는 교류전압의 파형도이다. 도 3a를 참조하면, 플라즈마 발생부(110)에 인가되는 고전압은 네온인버터 트랜스의 일차측 전압으로 직류안정화 전원의 전원출력에 접속하여 생성된 25kHz의 교류 고전압이다.
도 3b는 도 3a의 플라즈마 발생부(110)에 인가되는 교류전압에 따른 플라즈마 방전전력 특성을 예시한 그래프이다. 도 3b를 참조하면, 인가전압은 고전압 프로브(prove)를 통해서 디지털스코프(digital scope)에서 측정하였고, 입력전력은 트랜스의 1 차측에 설치된 전력계를 통하여 측정되었다. 이때 52/min의 습기가 제거된 기체를 플라즈마 방전을 이용한 악취성분제거 장치 내에 흘리면서 측정하였고, 네온인버터 트랜스의 DC드라이브는 12kV에서 방전을 시작하였다.
도 3c는 도 3b의 플라즈마 방전 전력에 따른 아세트알데히드 제거율을 예시 한 그래프이다. 도 3c를 참조하면, 플라즈마 발생부(110)내에서의 악취성분의 체제시간에 따른 플라즈마 방전전력에 대한 아세트알데히드의 제거율은 체제시간이 길수록 아세트알데히드의 분해율 또는 제거율이 증가함을 알 수 있었다. 이때 체재시간이 1.5초(s)에서 아세트알데히드의 최대 90%의 제거율 얻었고, 6w에서 제거율이 포화상태가 됨을 확인할 수 있다.
도 3d는 도 3c의 플라즈마 방전 전력에 의한 투입에너지에 따른 아세트알데히드 제거율을 예시한 그래프이다. 도 3d를 참조하면, 플라즈마 발생부(110)내에서 악취성분의 체재시간을 변수로 했을 때 투입에너지(60*방전전력[w]/유량(L/min))에 대한 아세트알데히드의 제거율은 플라즈마 발생부(110)의 투입에너지 증가에 따라 아세트알데히드의 제거율은 증가하고 있음을 알 수 있다. 80%의 제거율을 얻기 위한 투입 에너지는 100J/L 보다 낮은 에너지에서 아세트알데히드가 제거될 수 있음을 알 수 있다.
도 3e는 도 3b의 플라즈마 방전 전력에 따른 플라즈마 발생부(110)에서 생성되는 오존농도를 예시한 그래프이다. 도 3e를 참조하면, 악취성분 기체에 대하여 방전을 가한 다함은 악취성분 기체 내의 산소분자가 플라즈마 화학반응으로 오존분자로 전환되어 오존이 발생하는 것이다. 도 3e의 그래프에 예시된 바와 같이 오존의 생성량은 체재시간이 길수록 증가하고 있다. 이것은 체재시간이 긴 쪽은 플라즈마 발생유닛(112)의 방전공간에서 기체와 상대적으로 길게 체재하기 때문이다.
도 3f는 도 1의 플라즈마 방전을 이용한 악취제거장치에 체재하는 시간에 따른 아세트알데히드의 제거율을 예시한 그래프이다. 도 3f를 참조하면, A는 플라즈 마 발생부(110)만으로 구성된 플라즈마 방전을 이용한 악취성분제거장치(100)에 의한 악취성분제거율을 나타내는 그래프이고, B는 플라즈마 발생부(110) 및 촉매부(120)로 구성된 플라즈마 방전을 이용한 악취성분제거장치(100)에 의한 악취성분제거율을 나타낸 그래프이다.
도 3f의 그래프를 통해 알 수 있는 바와 같이 플라즈마 발생부(110) 및 촉매부(120)로 구성된 플라즈마 방전을 이용한 악취성분제거장치(100)에 의한 악취제거율이 상대적으로 높음을 알 수 있다. 체재시간에 대한 아세트알데히드 제거율은 플라즈마 발생부(110)로 구성된 플라즈마 방전을 이용한 악취성분제거장치(100)에서는 최대 70%의 제거율을 얻었지만, 촉매부(120)를 추가한 플라즈마 방전을 이용한 악취성분제거장치(100)를 사용했을 때는 95 내지 100%까지 제거율이 얻어짐을 알 수 있다.
도 3g는 도 1의 플라즈마 방전을 이용한 악취제거장치에 체재하는 시간에 따른 오존농도를 예시한 그래프이다. 도 3g를 참조하면, A는 플라즈마 발생부(110)만으로 구성된 플라즈마 방전을 이용한 악취성분제거장치(100)에 의한 오존농도 변화를 나타내는 그래프이고, B는 플라즈마 발생부(110) 및 촉매부(120)로 구성된 플라즈마 방전을 이용한 악취성분제거장치(100)에 의한 오존농도 변화를 나타낸 그래프이다. 오존농도도 플라즈마 발생부(110)만을 사용했을 때는 최대 316ppm의 오존 생성이 있었지만, 촉매부(120)를 추가하여 사용했을 때는 50ppm이하의 오존농도를 나타냄을 알 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 플라즈마 방전을 이용한 악취제거장치의 개략적인 단면도이다.
도 2는 도 1의 플라즈마 방전을 이용한 악취제거장치를 구현한 구성도이다.
도 3a는 도 2의 플라즈마 방전을 이용한 악취제거장치를 적용하여 아세트알데히드를 제거하도록 플라즈마 발생부(110)에 인가되는 교류전압의 파형도이다.
도 3b는 도 3a의 플라즈마 발생부(110)에 인가되는 교류전압에 따른 플라즈마 방전전력 특성을 예시한 그래프이다.
도 3c는 도 3b의 플라즈마 방전 전력에 따른 아세트알데히드 제거율을 예시한 그래프이다.
도 3d는 도 3c의 플라즈마 방전 전력에 의한 투입에너지에 따른 아세트알데히드 제거율을 예시한 그래프이다.
도 3e는 도 3b의 플라즈마 방전 전력에 따른 플라즈마 발생부(110)에서 생성되는 오존농도를 예시한 그래프이다.
도 3f는 도 2의 플라즈마 방전을 이용한 악취제거장치에 체재하는 시간에 따른 아세트알데히드의 제거율을 예시한 그래프이다.
도 3g는 도 2의 플라즈마 방전을 이용한 악취제거장치에 체재하는 시간에 따른 오존농도를 예시한 그래프이다.

Claims (4)

  1. 외부로부터 오염기체를 유입시키는 제 1 기체 유입구(111)와, 고전압에 의해 발생된 플라즈마에 의해 상기 제 1기체 유입구(111)를 통해 유입된 기체에 포함된 악취성분을 제거하는 플라즈마 발생유닛(112)과, 상기 악취성분이 제거된 기체를 배출 시키는 제 1 기체 배출구(113)로 이루어진 플라즈마 발생부(110); 및
    상기 제 1 기체 배출구(113)와 연통 되고, 상기 플라즈마 발생부(110)의 제 1 기체 배출구(113)로부터 기체가 유입되는 제 2 기체 유입구(121)와, 상기 제 2 기체 유입구(121)를 통해 유입된 기체의 오존 및 악취성분을 제거하는 촉매유닛(122)과 상기 촉매유닛(122)에 의해 오존 및 악취성분이 제거된 기체를 배출시키는 제 2 기체배출구(123)로 이루어진 촉매부(120)를 포함하며,
    상기 플라즈마 발생 유닛은 아크릴로 이루어진 원통형상의 플라즈마관(112-1)과, 상기 플라즈마관(112-1)의 내부를 관통하고, 10 내지 20kV의 전압이 인가되는 스텐와이어(112-2)와 상기 플라즈마관의 외주연을 감싸는 알루미늄 외피로 이루어지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 방전을 이용한 악취성분제거장치(100).
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 촉매유닛(122)은 유리로 이루어진 원통형상의 촉매관(122-1)과, 상기 기체의 오존 및 악취성분을 제거하는 촉매와 상기 촉매를 감싸는 스텐메시(124)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 방전을 이용한 악취성분제거장치(100).
  4. 삭제
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