KR101297364B1 - 휘발성 유기화합물 처리용 플라즈마 반응 장치 - Google Patents

휘발성 유기화합물 처리용 플라즈마 반응 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 휘발성 유기화합물을 처리하기 위해 투입되는 에너지의 소모를 최소화시켜 에너지의 효율을 극대화하기 위한 플라즈마 반응 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 다수의 로드형 전극봉과 몸체 내부용적을 균일하게 나누는 다수의 분리판을 포함하고, 상기 전극봉과 평행하게 반응기 몸체 내부에 설치된 분리망을 추가로 포함하는 플라즈마 반응 장치에 관한 것이다.
본 발명의 플라즈마 반응 장치는 휘발성 유기화합물을 처리하기 위해 투입되는 에너지의 소모를 최소화하고, 가스의 흐름을 플라즈마 발생부로 유도함과 동시에 체류시간을 증가시키고, 선택적 위치에 촉매를 충진시켜 휘발성 유기화합물 제거율 및 에너지 효율을 극대화할 수 있다.

Description

휘발성 유기화합물 처리용 플라즈마 반응 장치 {PLASMA REACTION APPARATUS FOR PROCESSING THE VOLATILE ORGANIC COMPOUND}
본 발명은 휘발성 유기화합물 처리용 플라즈마 반응 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 다수의 로드형 전극봉과 몸체 내부용적을 균일하게 나누는 다수의 분리판을 포함하는 플라즈마 반응 장치 및 이를 이용하는 휘발성 유기화합물의 제거 방법에 관한 것이다.
휘발성 유기화합물은 대기 중 광화학 반응에 관여하며 오존 등 광산화물을 생성하여 호흡기질환 등을 유발시키기도 하지만, 휘발성 유기화합물 자체만으로도 독성이 커서 암을 유발시키기는 등 인체에 대한 유해성을 가진다.
기존 휘발성 유기화합물 처리하는 기술은 고온산화, 촉매연소, 흡착, 흡수, 생물학적 처리 기술 등이 있지만 저 효율, 고비용의 설비들로서 설비 및 운영비용이 과다하게 소요되는 문제점을 가진다.
이에 따라, 시설비 및 운영비가 저렴하며 휘발성 유기화합물을 효과적으로 처리하기 위해 플라즈마 방전을 이용한 휘발성 유기화합물 처리 공정 및 장치 개발이 활성화되고 있다. 이러한 플라즈마 처리 장치로서는 원형의 실린더를 한편의 전극으로 하고 실린더 내에 가는 선 또는 작은 직경의 튜브를 다른 한면의 전극으로 이용하는 플라즈마 처리장치와 반응기 내의 전극이 다층 평판으로 구성된 평판 유전체 전극 적층형 플라즈마 처리장치 및 복수의 조합형 전극봉을 이용한 플라즈마 처리장치가 널리 알려져 있다. 상기 원형 실린더 플라즈마 처리장치 경우 반응기 내부에 발생하는 열을 외부로 배출하여 운전 온도를 낮추는 데는 유리한 점이 있으나 체류시간을 증가시키고, 처리하는 가스의 유량에 비해 반응기가 커지는 단점을 갖는다.
한편, 다층 평판 전극을 이용한 플라즈마 처리장치는 반응기 내에서 발생된 열이 외부로 전달되기 어려워 유전체 내부 금속전극의 열팽창과 반응기 내부와 외부의 급격한 온도차이로 전극 표면의 유전체 수명이 짧아 지는 문제점이 있다. 또한, 고 처리유량, 저 에너지 소모를 요구하는 응용분야에 있어서 고 처리 유량에 비해 지나치게 작은 플라즈마 반응기의 부피 및 수 mm~수십 mm의 두 평판 전극 사이에 가스가 통과할 때 압력손실이 매우 커지며, 플라즈마 방전에 투입되는 에너지의 많은 부분이 열에너지로 방출되어 실제 플라즈마 방전을 이용한 휘발성 유기화합물을 제거하기 위한 에너지 효율이 떨어지는 문제점을 가진다.
또한, 복수의 조합형 전극봉을 이용한 플라즈마 처리장치는 내부에 축적된 열을 외부로 쉽게 방출시킬 수 있는 장점을 가지고 있으나 체류시간을 일정시간 확보하기 위해서 전극봉의 길이가 길어짐에 따라 전극봉의 변형이 일어날 수 있고, 전극봉의 개수가 많아져 휘발성 유기화합물을 제거하기 위해 투입되는 에너지 소모가 증가하는 문제점과, 휘발성 유기화합물의 가스흐름방향을 전극봉과 직교방향으로만 흘려주어야 하는 단점을 가진다.
따라서, 휘발성 유기화합물을 효과적으로 플라즈마 방전부로 유도함과 동시에 체류시간을 증가시키고, 플라즈마 방전에 투입되는 에너지 소모를 최소화 및 높은 휘발성 유기화합물 제거율을 가지는 플라즈마 반응 장치 설계가 요구된다.
본 발명은 안정적인 플라즈마 방전을 유도하면서 휘발성 유기화합물 처리시 발생하는 에너지 소모를 최소화하여 에너지 효율을 높이고, 높은 휘발성 유기화합물 제거율을 유도하는 플라즈마 반응 장치를 제공하는 것이다.
본 발명은 또한, 상기 플라즈마 반응 장치를 이용하는 휘발성 유기화합물의 제거 방법을 제공한다.
본 발명은 세라믹 물질이 코팅된 하나 이상의 세라믹 로드형 전극봉, 하나 이상의 금속 로드형 전극봉, 및 상기 세라믹 로드형 전극봉과 금속 도드형 전극봉에 수직 방향으로 배치되는 분리판을 포함하며, 상기 세라믹 로드형 전극봉과 금속 로드형 전극봉은 등간격으로 배치되고, 상기 세라믹 로드형 전극봉과 금속 로드형 전극봉은 휘발성 유기 화합물을 포함하는 가스 흐름 방향에 수직을 형성하며 배치되고, 상기 분리판은 휘발성 유기 화합물을 포함하는 가스 흐름을 형성시키는 관통홀이 형성된 것이며, 상기 분리판은 상기 가스 흐름 방향에 평행하게 배치되는 휘발성 유기화합물 처리용 플라즈마 반응 장치를 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 플라즈마 반응 장치에 휘발성 유기화합물을 통과시켜 플라즈마의 인가 하에서 촉매와 접촉시키는 단계를 포함하는 휘발성 유기화합물의 제거 방법을 제공한다.
이하, 발명의 구체적인 구현예에 따른 플라즈마 반응 장치 및 이를 포함하는 휘발성 유기화합물의 제거 방법에 대해 보다 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 발명에 대한 하나의 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 발명의 권리범위가 한정되는 것은 아니며, 발명의 권리범위 내에서 구현예에 대한 다양한 변형이 가능함은 당업자에게 자명하다.
추가적으로, 본 명세서 전체에서 특별한 언급이 없는 한 "포함" 또는 "함유"라 함은 어떤 구성 요소(또는 구성 성분)를 별다른 제한 없이 포함함을 지칭하며, 다른 구성 요소(또는 구성 성분)의 부가를 제외하는 것으로 해석될 수 없다.
본 발명은 휘발성 유기화합물의 흐름방향(9)을 플라즈마 발생부(7)로 유도함과 동시에 체류기간을 증가시키고, 선택적인 위치에 촉매를 충진시켜, 휘발성 유기화합물을 처리하기 위해 투입되는 에너지의 소모를 최소화하고 높은 휘발성 유기화합물 제거 효율을 유도하는 플라즈마 반응 장치를 제공하는 데 있다.
발명의 일 구현예에 따르면, 휘발성 유기화합물을 처리하기 위해 투입되는 에너지의 소모를 최소화시켜 에너지의 효율을 극대화하기 위한 플라즈마 반응 장치가 제공될 수 있다. 상기 휘발성 유기화합물 처리용 플라즈마 반응 장치는 세라믹 물질이 코팅된 하나 이상의 세라믹 로드형 전극봉, 하나 이상의 금속 로드형 전극봉, 및 상기 세라믹 로드형 전극봉과 금속 도드형 전극봉에 수직 방향으로 배치되는 분리판을 포함할 수 있다. 상기 세라믹 로드형 전극봉과 금속 로드형 전극봉은 등간격으로 배치되고, 상기 세라믹 로드형 전극봉과 금속 로드형 전극봉은 휘발성 유기 화합물을 포함하는 가스 흐름 방향에 수직을 형성하며 배치되고, 상기 분리판은 휘발성 유기 화합물을 포함하는 가스 흐름을 형성시키는 관통홀이 형성된 것이며, 상기 분리판은 상기 가스 흐름 방향에 평행하게 배치될 수 있다.
특히, 본 발명에 따른 플라즈마 반응 장치는 상기 로드형 전극봉에 수직 방향으로 배치되는 분리판(4a)을 플라즈마 비방전부(post plasma) 영역이 아닌 플라즈마 방전부(in plasma) 영역에 포함시킴으로써, 로드형 플라즈마 반응기의 장점을 보다 극대화할 수 있을 뿐만 아니라, 처리 규모를 증가시킬 경우(scale-up)에도 동일한 전극 갯수의 전극에서 효과적으로 VOCs 가스 효과적으로 플라즈마 방전부로 유도하고, 전극간의 간격 및 전극 길이 변화를 최소화함으로써, 안정적인 플라즈마 방전을 유도할 수 있는 우수한 효과가 있다.
상기 세라믹 로드형 전극봉(6a) 및 금속 로드형 전극봉(6b)은 휘발성 유기 화합물을 포함하는 가스 흐름 방향에 수직을 형성하며 배치될 수 있으며, 상기 분리판(4a)은 가스 흐름 방향에 평행하게 배치될 수 있다. 여기서, 상기 세라믹 로드형 전극봉(6a)에 코팅되는 세라믹 물질은 2.0 이상 또는 2.0 내지 3,000, 바람직하게는 3.0 이상, 좀더 바람직하게는 3.5 이상의 유전율을 갖는 것이 될 수 있다. 이러한 세라믹 물질로는 알루미나, 쿼츠(quartz), 글래스(glass) 등의 다양한 물질을 1종 이상을 사용할 수 있다. 상기 세라믹 물질은 두 전극간의 보다 안정적인 플라즈마 방전을 유도하며, 보다 낮은 인가전압에서 방전을 유도할 수 있다.
상기 분리판(4a)은 가스 흐름방향(9)을 플라즈마 발생부로 유도하고 체류시간을 증가시키며, 다수의 세라믹 로드형 전극봉(6a) 및 금속 로드형 전극봉(6b)을 등간격으로 유지하여 안정적인 플라즈마 방전을 유도하는 목적으로 설치된 것이다. 또한, 상기 분리판(4a)은 휘발성 유기화합물을 포함하는 가스 흐름을 형성시키는 관통홀(4b)이 형성된 것이 바람직하고, 이때, 상기 분리판(4a)에 형성된 관통홀(4b)은 이웃하는 분리판(4a')에 형성된 관통홀(4b')과 형성 방향이 반대가 되도록 배치할 수 있다.
특히, 본 발명은 종래 반응기에서 발생하는 문제점을 좀더 효과적으로 해결하기 위해 다수의 로드형 전극봉, 즉, 하나 이상의 세라믹 로드형 전극봉(6a) 및 하나 이상의 금속 로드형 전극봉(6b)과 저온 플라즈마 반응기 몸체(1)를 균일하게 나누는 다수의 분리판(4a)과 분리망(5)을 가지는 플라즈마 반응 장치를 제공할 수 있다. 구체적으로 본 발명에 따른 플라즈마 반응을 이용한 휘발성 유기화합물 처리장치로서, 동일한 중심상에서 배열되게 설치된 복수의 조합형 세라믹 로드형 전극봉(6a) 및 금속 로드형 전극봉(6b)과; 상기 로드형 전극봉의 양단에 위치하여 상기 로드형 전극봉을 고정하는 전극봉 고정 구조물(3)과; 상기 로드형 전극봉의 직교방향을 따라 배열된 관통홀(4b)을 가지는 3개 이상의 분리판(4a)과; 상기 세라믹 로드형 전극봉(6a) 및 금속 로드형 전극봉(6b)과 반응기 몸체 사이에 평행하게 설치된 분리망(5)과; 선택적인 위치에 촉매(8a,8b)를 충진할 수 있는 구조로 설치된 것이 될 수 있다.
본 발명의 플라즈마 반응 장치에서 상기 분리망(5)은 저온 플라즈마 반응기 몸체(1)의 내부에서 선택적인 위치에 촉매(8a,8b)를 충진하기 위한 목적으로 설치될 수 있으며, 상기 분리망(5)에 금속 촉매, 금속산화물 촉매, 및 흡착제로 이루어진 군 중에서 1종 이상을 충진시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 플라즈마 반응 장치는 분리판(4a)과 분리망(5)로 나뉜 구역에 선택적으로 촉매를 충진하여, 유동적으로 플라즈마-촉매 처리 장치를 이용할 수도 있다. 특히, 플라즈마 발생부와 촉매부를 명확히 분리하거나, 또는 플라즈마 발생부에 촉매를 충진한 경우에 국한되지 않고, 분리판(4a)이 설치된(분리망 포함) 로드형 플라즈마 반응기를 도입함에 있어서, 분리판(4a)과 분리망(5)에 의해 나뉜 구역에 선택적으로 충진함으로써, 예컨대, 플라즈마 발생부에 촉매 충진, 플라즈마 발생부가 아닌 구역에 촉매 충진, 플라즈마 발생부 및 플라즈마 발생부가 아닌 구역에 촉매 충진을 수행함으로써, VOCs 가스를 제거함에 있어 선택적으로 촉매와 플라즈마 반응 장치를 이용할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 일 구현예에 따르면, 상기 플라즈마 반응 장치를 이용하는 휘발성 유기화합물의 제거 방법이 제공될 수 있다. 본 발명에 따른 상기 휘발성 유기화합물의 제거 방법은 플라즈마 반응 장치에 휘발성 유기화합물을 통과시켜 플라즈마의 인가 하에서 촉매와 접촉시키는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 휘발성 유기화합물의 제거 방법은 다수의 세라믹 로드형 전극봉(6a) 및 금속 로드형 전극봉(6b) 사이에 촉매를 충진한 후 세라믹 로드형 전극봉(6a) 및 금속 로드형 전극봉(6b)에 교류전압을 인가하여 플라즈마를 발생시켜 수행할 수 있다.
상기 휘발성 유기화합물의 제거 방법은 분리망(5)과 저온 플라즈마 반응기 몸체(1)의 내부 공간 사이에 촉매를 충진하고 복수의 조합형 전극봉에 교류전압을 인가하여 플라즈마를 발생시켜 수행할 수 있다.
상기 휘발성 유기화합물의 제거 방법은 다수의 세라믹 로드형 전극봉(6a) 및 금속 로드형 전극봉(6b) 사이에 촉매를 충진한 후 세라믹 로드형 전극봉(6a) 및 금속 로드형 전극봉(6b)에 교류전압을 인가하여 플라즈마를 발생시켜 휘발성 유기화합물을 처리하는 방법; 분리망(5)과 저온 플라즈마 반응기 몸체(1)의 내부 공간 사이에 촉매를 충진하고 복수의 조합형 전극봉에 교류전압을 인가하여 플라즈마를 발생시킨 후 휘발성 유기화합물을 처리하는 방법; 및 다수의 세라믹 로드형 전극봉(6a) 및 금속 로드형 전극봉(6b) 사이 그리고 분리망(5)과 저온 플라즈마 반응기 몸체(1) 내부 공간에 촉매 또는 흡착제를 충진한 후 세라믹 로드형 전극봉(6a) 및 금속 로드형 전극봉(6b)에 교류전압을 인가하여 플라즈마 반응 및 촉매반응을 동시에 행하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 플라즈마 반응 장치는 석유화학제품 제조 공정, 각종 정밀화학제품의 생산이나, 섬유, 플라스틱 또는 전자부품재료의 제조 및 도금, 도장공정을 수행하는 공장에서 발생하는 휘발성 유기화합물(Volatile organic compounds; VOCs), 예컨대 톨루엔, 트리클로로에틸렌(TCE), n-헥산, 및 메틸에틸케톤(MEK) 등을 플라즈마-촉매 산화반응을 통해 CO2, H2O 등으로 산화시켜 제거하는 데 사용할 수 있다.
이때, 휘발성 유기화합물의 산화 제거용 플라즈마-촉매 반응은 1 내지 30 kV, 바람직하게는 1.5 내지 20 kV, 좀더 바람직하게는 2 내지 10 kV의 전압 조건 하에서 수행할 수 있으며, 주파수는 3 내지 35 kHz, 바람직하게는 5 내지 25 kHz, 좀더 바람직하게는 7 내지 15 kHz의 조건 하에서 수행할 수 있다. 상기 플라즈마-촉매 반응의 전압 및 주파수 조건은 VOCs 처리 효율 측면에서 상술한 바와 같은 범위로 유지할 수 있다.
특히, 본 발명의 플라즈마 반응 장치를 사용하여 휘발성 유기화합물의 산화 제거용 플라즈마-촉매 반응을 수행할 경우에는 5.8 kV 이하, 5.5 kV 이하, 또는 5.0 kV이하의 낮은 인가 전압 조건 하에서도 휘발성 유기화합물의 전환율이 80% 이상, 바람직하게는 85% 이상, 좀더 바람직하게는 90% 이상의 높은 VOCs 제거 효율을 달성할 수 있다.
본 발명에 있어서 상기 기재된 내용 이외의 사항은 필요에 따라 가감이 가능한 것이므로, 본 발명에서는 특별히 한정하지 아니한다.
본 발명에 따르면, 가스 흐름방향을 플라즈마 방전부(7)로 유도함으로써, 휘발성 유기화합물을 제거하는 데 투입되는 에너지 소모를 최소화시켜 운전 유지비를 감소시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 플라즈마 반응 장치에서 반응기를 설계할 때 다수의 분리판(4a)이 세라믹 로드형 전극봉(6a) 및 금속 로드형 전극봉(6b) 사이를 일정한 간격으로 유지시켜, 세라믹 로드형 전극봉(6a) 및 금속 로드형 전극봉(6b)의 변형을 예방하고 안정적인 플라즈마 방전을 유도함과 동시에 반응기 내 체류시간을 증가시켜 휘발성 유기화합물 제거 효율을 향상시킬 수 있다.
이에 따라, 반응기 내부의 선택적 위치에 촉매(8a, 8b)를 충진시켜, 휘발성 유기화합물 제거율 및 에너지 효율을 극대화 할 수 있어 가스 처리 응용분야에 유연하게 대처할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 로드형 저온 플라즈마 반응기의 단면도.
도 2는 본 발명에 따른 전극봉과 분리판 및 고정구조물 사이의 위치 개략도.
도 3 및 도4는 본 발명에 따른 세라믹 또는 금속 로드형 전극봉의 배열을 표시한 단면도.
도 5는 본 발명에 따른 촉매의 충진 위치와 가스의 흐름방향을 표시한 개략도.
도 6은 본 발명의 실시예 1 및 비교예 1에 따른 장치를 사용하여 플라즈마-촉매 반응을 수행함에 있어서, 인가전압 변화에 따른 톨루엔 전환율을 측정한 그래프.
<도면의 주요 부품에 대한 부호의 설명>
1: 저온플라즈마 반응기 몸체
2a: 가스유입구
2b: 가스배출구
3a: 고정구조물
3b:전극캡
4a, 4a': 분리판
4b, 4b': 관통홀
5: 분리망
6a: HV 전극 (세라믹 로드형 전극봉)
6b: GV 전극 (금속 로드형 전극봉)
7: 플라즈마 발생부(방전부)
8a, 8b: 촉매 충진 위치
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 이하에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
도 1은 본 발명에 따른 저온 플라즈마 반응기 몸체(1)와, 분리판(4a), 관통홀(4b), 분리망(5)을 표시한 단면도이고, 도 2는 본 발명에 따른 세라믹 로드형 전극봉(6a) 및 금속 로드형 전극봉(6b)과 분리판(4a) 및 고정구조물(3a) 사이의 위치 개략도이며, 도 3과 도 4는 세라믹 로드형 전극봉(6a) 및 금속 로드형 전극봉(6b) 배열을 표시한 단면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 선택적인 촉매(8a,8b)의 충진 위치 및 가스의 흐름방향을 표시한 개략도이다.
도면을 참조하면, 본 발명에 따른 에너지 손실을 최소화하고, 휘발성 유기화합물 제거율을 극대화하는 저온 플라즈마 반응기는 다수의 로드형 전극봉은 세라믹 물질로 코팅된 세라믹 로드형 전극봉(6a)들 또는 금속 로드형 전극봉(6b)들이 동일한 간격을 가지고 상기 로드형 전극봉이 안정적으로 고정되도록 하는 전극봉 고정구조물(3)과 가스의 흐름방향(9)을 플라즈마 방전부(7)로 유도하고 체류시간을 증가시키고 전극봉의 간격을 일정하게 유지하기 위한 다수의 분리판(4a)과 선택적인 위치에 촉매(8a,8b)를 충진하기 위한 목적의 다수의 분리망(5)으로 이루어질 수 있다.
상기 전극봉에서 HV전극은 세라믹 튜브의 내부에 금속전극봉이 삽입된 형태 또는 금속전극이 세라믹 물질로 코팅된 세라믹 로드형 전극봉을 사용할 수 있으며, GV 전극은 세라믹 물질이 코팅된 로드형 전극봉 또는 금속 로드형 전극봉을 사용할 수 있다.
이 때, 금속 로드형 전극봉의 재질은 철, 텅스텐, 구리 등 전도성 금속으로 이루어진 금속 로드형 전극봉을 선택할 수 있으며, HV 전극의 세라믹 로드형 전극봉과 GV전극의 금속 로드형 전극봉의 외경은 동일한 것을 선택할 수 있다.
도 3에서 보는 바와 같이 다수의 세라믹 로드형 전극봉(6a) 및 금속 로드형 전극봉(6b)은 전원을 인가하기 위해 상기 다수의 로드형 전극봉 중 하나의 세라믹 로드형 전극봉(6a) 등의 금속전극 연결 전극리드가 이웃하는 금속 로드형 전극봉(6b)의 전극리드 부분과 서로 반대 방향으로 엇갈리도록 배열하며, 서로 이웃하는 로드형 전극봉을 전극캡(3b)에 삽입함으로써 양 끝단에 전극봉 노출로 인한 아크 발생을 가능성을 차단한다.
또한, 상기 세라믹 로드형 전극봉(6a) 등과 이웃하는 금속 로드형 금속봉(6b) 사이의 간격은 저온 플라즈마 반응기를 이용하여 처리하고자 하는 가스의 특성(농도, 종류 등)에 따라 수mm ~ 수cm 정도까지 변화 가능하나, 플라즈마 방전부에 충진되는 촉매의 크기, 형태 및 투입전력 등을 고려하여 적절히 선택할 수 있다.
도 4에서 보는 바와 같이 분리망(5)을 GV 전극인 이웃하는 금속 로드형 전극봉(6b)의 외부에 수mm ~ 수cm 이격시켜 플라즈마 방전 및 고전압 인가 시 전극봉과 분리망 사이에 스파크 발생으로 분리망(5) 손상을 차단하고, 상기 분리망(5)을 2중으로 설치하여 분리망 사이에 충진된 촉매를 안정적으로 고정시킴과 동시에 관통홀(4b)을 통해서 가스 흐름을 위한 공간이 형성된다. 분리망의 재질은 스테인레스스틸(sus) 뿐만 아니라, 테프론, 나일론(nylon) 등 절연성 물질을 선택할 수 있다.
또한, 분리판(4a)에 형성된 관통홀(4b)은 이웃하는 분리판(4a)에 형성된 관통홀(4b)과 형성 방향이 반대가 되도록 하여 유입되는 가스의 흐름 방향과 상관없이 휘발성 유기화합물을 플라즈마 방전 부분으로 유도함과 동시에 체류시간을 증가시킬 수 있다. 상기 분리판(4a: baffle plate)은 전극봉(electrode)의 개수와 크기, 길이 등에 기준하여, 휘발성 유기화합물이 포함된 유입 가스의 흐름방향을 플라즈마 방전영역에 수직방향으로 유도하고, 체류시간을 증가시키며, 상기 유입되는 가스를 플라즈마 발생부(플라즈마 에너지)에 효과적으로 전달하는 역할을 할 수 있다. 이러한 분리판(4a: baffle plate)은 전극봉(electrode) 사이에서 플라즈마 방전이 발생되도록 하였을 때, 상기 전극봉(electrode)과 직각 방향으로 배치함으로써, 유입되는 가스가 플라즈마 방전부와 만나는 면적을 최대로 할 수 있다.
도 5은 본 발명에 따른 저온 플라즈마 반응기 내부에 촉매 충진 위치(8a, 8b) 및 가스흐름방향(9)을 표시한 개략도이다.
본 발명에 따라 휘발성 유기화합물을 처리하기 위한 촉매 충진 방법에 있어서, 복수의 조합형 전극봉 사이의 플라즈마 방전부(7)에 비즈(beads) 또는 펠릿(pellet) 형태의 금속산화물 촉매를 충진시키는 방법을 적용하거나, 2개의 분리망 사이(7b)에 비즈(beads) 또는 펠릿(pellet) 형태의 금속산화물 촉매 또는 흡착제를를 충진하고 복수의 조합형 전극봉에 교류전압을 인가하여 플라즈마 방전으로 발생하는 오존 및 휘발성 유기화합물을 제거하는 방법을 적용하여, 선택적인 위치에 촉매를 충진하여 휘발성 유기화합물의 전환율을 높이고 에너지 소모를 최소화할 수 있다.
[ 실시예 1]
도 5에 도시된 플라즈마 반응 장치를 사용하여 하기와 같은 방법으로 플라즈마 반응을 수행하여 톨루엔 전환율을 측정하였다.
플라즈마 반응 장치
도 5에 도시된 플라즈마 반응 장치는 세라믹 물질이 코팅된 로드형 전극봉(6a), 동일한 직경과 길이를 갖는 SUS 로드형 전극봉(6b)과 로드형 전극봉(6a, 6b)에 수직 방향으로 배치되는 분리판(4a)을 포함하는 것이다. 상기 플라즈마 반응 장치는 세라믹 물질이 코팅된 6개의 로드형 전극봉(6a)을 높은 전압(high Voltage)에 접지시키고, 동일한 직경을 갖는 14개의 SUS 로드형 전극봉(6b)을 그라운드 전압(Ground voltage)에 접지시키고, 전극간의 간격은 2 mm, 전극 길이는 125 mm로 고정하였다. 또한, 상기 로드형 전극봉(6a, 6b)에 수직 방향으로 배치되는 분리판은 3개를 동일한 간격으로 배치하였다. 상기 플라즈 반응 장치에서 플라즈마 방전부에 글래스 비즈(Glass beads)을 충진하였으며, 상기 비즈(beads)는 직경 1 mm 제품을 사용하였다.
플라즈마 반응 실험 방법
글래스 비즈(Glass beads)를 플라즈마 반응 장치 내부에 200 g을 충진하였다. 이렇게 글래스 비즈(Glass beads)가 충진된 플라즈마 반응 장치 내부로 톨루엔이 100 ppm의 농도로 포함된 에어 가스(air gas)를 1 L/min 유량으로 주입하고, 반응기 출구에서 가스 크로마토그래피를 이용하여 톨루엔 농도를 측정하였다. 특히, 가스 주입 후 1 시간이 경과 했을 때, 반응기에 인가 전압을 5~8 kV로 변화시키고 10 kHz로 주파수를 고정시킨 후, 인가전압에 대한 톨루엔 전환율을 가스크로마토그래피를 이용하여 확인하였다. 인가전압 변화는 각각의 인가전압에서 30분간 유지 후 변화시켰다.
전환율
가스크로마토 그래피를 사용하여 플라즈마 반응 장치의 플라즈마 반응에 따른 휘발성 유기화합물의 농도를 측정하여, 하기의 계산식 1을 이용하여 전환율을 나타내었다.
[계산식 1]
전환율(%) = {1 - [반응전 농도(ppm)/ 반응후 농도(ppm)]} X 100
[ 비교예 1]
도 5에 도시된 플라즈마 반응 장치에서 수직 방향으로 배치되는 분리판(4a)을 제거한 장치를 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 플라즈마 반응을 수행하여 톨루엔 전환율을 측정하였다.
상기 실시예 1 및 비교예 1에 따른 장치를 사용한 플라즈마 반응의 톨루엔 전환율 측정 결과는 하기 표 1에 정리하였다.
구분 인가전압(kV)
5 6 7 8
톨루엔전환율
(%)		 실시예 1 17 79 100 100
비교예 1 3 17 39 54
또한, 도 6에 실시예 1 및 비교예 1에 따른 장치를 사용하여 플라즈마 반응을 수행함에 있어서, 인가전압 변화에 따른 톨루엔 전환율을 측정한 그래프를 나타내었다. 이때, 인가전압을 5, 6, 7, 8 kV로 상승시켰을 때 소비전력은 15W, 19W, 30W, 70W로 실시예 1 및 비교예 1에 모두 동일하게 적용하였다.
상기 표 1 및 도 6에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따라 분리판(4a)를 포함하는 플라즈마 반응 장치를 사용한 실시예 1의 경우가, 통상의 로드형 플라즈마 반응 장치에 해당하는 장치를 사용한 비교예 1의 경우에 비해 톨루엔 전환율이 2배 내지 2.5배 상승한 것을 알 수 있다.
이로써, 본 발명에 따라 상기 로드형 전극봉에 수직 방향으로 배치되는 분리판(4a)를 포함하는 플라즈마 반응 장치를 사용함으로써, 가스의 흐름방향을 효과적으로 플라즈마 방전부로 유도하고, 체류시간을 증가시켜 톨루엔 전환율과 에너지 효율을 현저히 상승시키는 우수한 효과를 나타냄을 알 수 있다.

Claims (8)

  1. 세라믹 물질이 코팅된 하나 이상의 세라믹 로드형 전극봉, 하나 이상의 금속 로드형 전극봉, 및 상기 세라믹 로드형 전극봉과 금속 로드형 전극봉에 수직 방향으로 배치되는 분리판을 포함하며,
    상기 세라믹 로드형 전극봉과 금속 로드형 전극봉은 등간격으로 배치되고, 상기 세라믹 로드형 전극봉과 금속 로드형 전극봉은 휘발성 유기 화합물을 포함하는 가스 흐름 방향에 수직을 형성하며 배치되고,
    상기 분리판은 휘발성 유기 화합물을 포함하는 가스 흐름을 형성시키는 관통홀이 형성된 것이며, 상기 분리판은 상기 가스 흐름 방향에 평행하게 배치되는 휘발성 유기화합물 처리용 플라즈마 반응 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    3개 이상의 분리판을 포함하는 휘발성 유기화합물 처리용 플라즈마 반응 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 분리판의 관통홀은 이웃하는 분리판의 관통홀과 서로 다른 방향으로 형성되는 것인 휘발성 유기화합물 처리용 플라즈마 반응 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 금속 로드형 전극봉은 철, 텅스텐, 및 구리로 이루어진 군에서 선택된 금속 성분으로 제조된 것인 휘발성 유기화합물 처리용 플라즈마 반응 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    금속 촉매 및 금속산화물 촉매로 이루어진 군 중에서 선택된 1종 이상이 충진된 분리망을 추가로 포함하는 휘발성 유기화합물 처리용 플라즈마 반응 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    흡착제가 충진된 분리망을 추가로 포함하는 휘발성 유기화합물 처리용 플라즈마 반응 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 세라믹 로드형 전극봉 및 금속 로드형 전극봉에 교류전압을 인가하여 플라즈마를 발생시키는 휘발성 유기화합물 처리용 플라즈마 반응 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 교류 전압은 1 내지 30 kV인 휘발성 유기화합물 처리용 플라즈마 반응 장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20110038418A (ko) * 2009-10-08 2011-04-14 주식회사 세미라인 휘발성유기화합물 및 악취처리를 위한 저온 플라즈마 반응장치

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