KR101522761B1 - 가시광응답형 광촉매의 재생 기능을 가지는 공기청정 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가시광응답형 광촉매를 이용한 공기청정 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세히는 광촉매 반응 후 오염될 경우 고온 가열에 의해 다시 가시광 응답형 광촉매로 완전히 재생하여 재사용이 가능한 재생 방법과 이렇게 재생되는 장치를 가지는 광촉매가 코팅된 고온용 필터를 사용하는 공기청정시스템에 관한 것으로, 오염된 상태에 따라 가열용 챔버로 이동시켜 고온에서 재생함으로서 다시 가시광응답성이 재생되는 기능을 가지는 광촉매의 재생능을 가지는 필터 역할을 하도록 구성되어 순환 기능을 가지는 것으로, 즉 가시광응답형 광촉매의 재생기능을 가지는 광촉매 적용 기능을 가지는 공기청정 시스템에 관한 것이다.

Description

가시광응답형 광촉매의 재생 기능을 가지는 공기청정 시스템 {Air Cleaner having Filter capable of recycling}

본 발명은 가시광응답형 광촉매를 활용한 공기청정 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세히는 천이금속 등이 도핑된 광촉매를 코팅한 고온용 필터를 공기청정기에 사용하고 사용 중에 오염된 상태에 따라 오염된 광촉매가 코팅된 필터는 가열용 챔버로 이동시켜 고온에서 재생한 다음 다시 광촉매 역할을 하도록 순환시켜 사용이 가능한 가시광응답형 광촉매의 재생 기능을 가지는 공기청정 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 공기청정기는 기본적으로 공기가 유입되는 오염된 공기가 강제로 필터를 통과하도록 하면서 먼지 등이 필터에 걸려 공기가 정화되도록 하는 아주 기본적인 시스템으로부터 출발하였다.

현재에도 이러한 분진제거가 주목적으로 시판되는 공기청정기가 있으나, 분진 외에도 많은 것들을 제거해야 하는 필요성이 대두되면서 그러한 제거 기능을 가진 공기청정기가 신속하게 개발이 이루어지 않고 있는 실정이다. 공기 중에는 건강에 해로운 세균이나 바이러스, 곰팡이, 미세먼지, 유해 기체, 악취를 풍기는 냄새 성분과 같이 여러 가지 오염 물질이 있을 수 있다. 공기청정기는 이러한 오염 물질을 제거하기 위해 사용한다. 공기 중의 오염 물질을 제거하는 데는 크게 필터를 사용하여 여과 흡착하여 걸러내는 방식과 전기적으로 오염물질을 제거하는 방식이 있다.

종래기술에 의한 한 예가 대한민국 공개특허공보 제10-2006-0092169호로 공개되어 있다. 종래 발명은 공기정화용 가시광응답형 및 장치에 관련된 기술로서, 오염된 공기를 부직포필터 또는 헤파필터를 통과시키고 가시광에서 작용하는 촉매인 Ti-Mn-Ir 복합금속 촉매를 코팅한 입상 활성탄필터 또는 섬유상 활성탄 필터층을 통과시키면서 형광등 또는 LED(발광다이오드) 램프를 켜주어 가시광에서도 휘발성 유기화합물과 포름알데히드를 이산화탄소와 물로 분해시키고, 항균, 살균 기능을 하여 깨끗한 공기로 정화하는 가시광응답형 및 장치이다.

이러한 가시광응답형 광촉매 필터는 대부분 재사용이 불가능하여 효율이 급감하여 효율성이 급격히 떨어지는 단점을 지니므로 교체를 자주해야 하는 등 경제적으로 불리한 기술이다. 또 이러한 가시광응답형 광촉매를 사용한 공기청정기도 일반적인 공기청정기와 마찬가지로 일정시간 사용에 의한 열화에 의해 필터를 주기적으로 사람이 교환하면서 사용해야 하기 때문에 사용이 매우 불편한 문제점이 있다.

본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적은 기존의 이산화티탄에 천이금속을 도핑된 가시광응답형 이산화티탄을 광촉매로 사용함으로써 형광등이나 태양광 등의 가시광에 응답해 VOC 및 세균 등을 제거하는 기능을 가지는 공기청정 시스템을 제공하는데 있다.

또한 본 발명의 목적은 상술한 가시광응답형 광촉매 필터를 센서에 의해 퍼포먼스를 실시간으로 확인함으로써 필터 교환시기가 되면 자동으로 필터를 재생 챔버로 이송하여 재생하는 동시에 재생된 필터가 실시간으로 항상 제공되도록 구성된 공기청정 시스템을 제공하고자 한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 구체적인 수단으로서 본 발명은, 천이 금속이 도핑된 광촉매가 코팅된 벨트형 광촉매 필터; 상기 광촉매 필터가 이송될 수 있도록 일정한 장력으로 상기 광촉매 필터가 감기게 되는 다수개의 롤러; 상기 광촉매 필터에 가시광을 공급하는 광원; 상기 광촉매의 재생을 위해 광촉매가 코팅된 필터의 일부분이 가열될 수 있도록 가열하는 히터; 상부에 팬이 설치되어 외기가 유입되는 도입부; 상기 도입부의 외기가 일반필터에 의해 필터링된 다음 상기 광촉매 필터에 의해 필터링이 이루어지는 케이스; 상기 케이스 하부에 구비되고 상기 히터가 설치되어 광촉매 필터가 재생되는 가열실; 상기 케이스에서 광촉매 필터를 통과하여 필터링된 공기가 일정시간 머문 다음 상부에 형성된 출구를 통과하여 배기되고, 배기되는 공기의 오염도를 측정하는 센서가 설치된 배기부;를 포함하고, 상기 광촉매는 그 직경이 10nm-500nm이고, 상기 광촉매 필터는 상기 광촉매와 현무암 섬유질로 구성되며, 상기 히터에 의해 가열되는 온도가 120-180℃이다.

바람직하게는, 상기 센서에 의해 측정된 오염도가 일정 수치 이하가 되면 상기 광촉매 필터가 이동되도록 롤러를 구동하는 구동신호를 출력하는 제어부를 더 포함한다.

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상기한 바와 같은 본 발명에 의하면 다음과 같은 효과가 있다.

가시광응답형 천이금속이 도핑된 광촉매가 벨트형으로 필터에 코팅되어 사용되되, 필터가 사용된 다음 배출되는 공기가 일정한 오염도를 넘어서면 벨트형 필터 중에 사용이 완료된 오염된 부분은 하부의 히터가 설치된 가열부로 이송되어 가열됨으로써 완전히 재생이 이루어져 순환되므로 광촉매를 반영구적으로 사용이 가능하다.

도 1은 본 발명에 의한 가시광응답형 광촉매가 코팅된 필터의 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명에 의한 가시광응답형 광촉매를 이용한 공기청정 시스템의 개략적인 구성도이다.

상술한 본 발명의 목적, 특징 및 장점은 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해질 것이다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 가시광응답형 광촉매의 제조방법은 저가의 가시광응답형 천이금속이 도핑 시 도입된 염소를 제거하기 위해 제3의 치환용 금속(이하, Mp라 한다)을 첨가하여 염소를 제거하고 이를 다른 저가의 금속분말로 완전히 재생하여 재사용이 가능한 제조방법이다.

본 발명에서는 기존의 UV 응답형 TiO₂에 천이금속(Cu, Fe, Ni 등)을 도핑하는 새로운 저가의 가시광응답형 TiO₂를 개발한 것이다. 본 발명은 TiO₂ 분말이 포함된 수용액에 Cu, Fe, Ni(이하, Mt) 등의 천이금속 혹은 천이금속의 수산화물과 HCl 등의 산을 첨가하거나, 천이금속의 염화물(CuCl₂, FeCl₂, FeCl₂)을 첨가하고 pH 변화 등의 화학적 변화를 이용하면서 볼 밀링(ball milling)법으로 도핑 반응이 일어나도록 하여 천이금속이 도핑된 기계화학적 TiO₂ 합성법을 개발한 것이다.

원심분리기를 이용한 MpClx(예: AgCl)의 분리 경우 다음과 같은 결과를 기대할 수 있다. 즉 무게에 따른 원심력을 이용한 원심분리기의 사용, MpClx가 가장 비중이 크기 때문에 맨 밑에 쌓이게 되고, 그 위에 천이금속이 도핑된 TiO₂가 쌓이며 그 위로는 물이 형성된다.

상기 용액에 전기화학적으로 노블한 Ag(이하 Mp) 등 혹은 AgNO₃ 등을 첨가하고 다시 밀링한 다음, 원심분리기를 이용하여 MpClx로 Cl을 제거하여 TiO₂ 내에 도핑된 Cu, Fe, Ni 등의 안정화(치환반응 등)를 유도하고 반복 광촉매 실험과 스템(STEM)분석 등을 통해 최적 합성법을 개발한 것이다.

MpClx 중 Mp를 재사용하기 위해 MpClx를 알카리수로 처리 후 승온하여 수용액으로 완전 용해하고, Mp보다 Cl에 친화력이 더 큰 Zn, Mg(이하 Ms) 등의 분말과 반응시켜 MsClx로 Cl을 Mp와 분리하고, 필요에 따라 pH 등을 조정하여 Mp를 완전하게 환원하고 이때 얻어진 Mp 분말은 건조하여 계속해서 재사용이 가능하다.

<실시예>

AgCl에서 Ag를 아래와 같이 재사용한다.

상술한 원심분리기 최하단에서 채취한 AgCl과 Zn 분말을 준비한다.

준비된 알카리용액에 AgCl 분말을 반응시켜 이온화 처리 후 혼입된 TiO₂ 등과의 분리를 위해 필터링을 시행한다.

분리된 AgCl 이온화 용액에 상기 환산량에 의한 Zn 분말을 투입하여 Ag 치환하며, 다음과 같은 반응식으로 반응한다.

MpClx + Ms --> Mp + MsCl₂

그 다음 치환중 얻어진 Ag의 산화상태(Ag₂O) 등을 확인하여 pH를 조정하여 Ag가 석출되는 최적의 pH을 찾아낸다. 예를 들면 EPH[E-pH] diagram을 활용한다.

X선회절(XRD)을 이용해 석출된 물질 Ag의 순도 등을 확인한다.

이렇게 얻어진 분말은 계속 재사용한다.

또한 상기 환원 반응 중에 생성된 부산물인 MsClx 등은 원자재로 재판매한다.

위와 같은 공정을 통하여 얻어진 천이금속이 도핑된 가시광응답형 광촉매는 도 3에 도시된 바와 같이 electron과 electron hole(EHP)을 작은 에너지의 조사에 의해 형성하고 산환-환원에 의해 광활성이 일어나는 것을 보여준다.

가시광 응답성과 재생능이 우수한 광촉매를 필터에 도포하여 공기청정시스템에 적용하게 된다.

이러한 광촉매가 도포될 필터로는 암면 등으로 제조된 섬유필터인 현무암 섬유를 이용한다. 기존의 탄소섬유, 유리섬유 등의 소재는 탄성율이 현무암 섬유에 비해 낮아 섬유가공 측면에서 어려운 부분을 가질 것으로 예측되며, 또한 고가의 탄소섬유에 비해 매우 저렴한 매우 저렴한 가격으로 산업적, 경제적 측면에서 경쟁력을 갖추게 된다.

이러한 본 발명에 의한 광촉매가 도포된 필터를 이용하여 공기청정 시스템을 개발한 것이 도 1, 2에 도시되어 있다.

도 1, 2에 도시된 바와 같이 본 발명에 의한 가시광응답형 광촉매를 이용한 공기청정 시스템은 케이스(10) 내부의 10nm-500nm 크기를 가지는 광촉매가 코팅된 벨트형 광촉매 필터(12)와, 상기 광촉매 필터(12)가 이송될 수 있도록 일정한 장력으로 상기 광촉매 필터(12)가 감기게 되는 다수개의 롤러(13)와, 상기 광촉매 필터(12)에 가시광을 공급하는 광원인 형광등(14)과, 상기 광촉매 필터(12)의 일부분이 가열될 수 있도록 가열하는 히터(21)와, 상기 공기청정 시스템은 광촉매 필터(12)를 통과한 공기의 오염정도를 측정하는 배기부(40)의 센서(41)와, 상기 센서(41)에 의해 측정된 오염도가 일정 수치 이하가 되면 상기 광촉매 필터(12)가 이동되도록 롤러(13)를 구동하는 구동신호를 출력하는 제어부(미도시)로 구성된다.

도 1, 2를 참고하면, 본 발명에 의한 광촉매 필터(12)의 요부가 도시되어 있다. 먼저 팬에 의해 도입부(30)로 유입된 공기는 일반필터(11)를 통과하면서 먼지 등의 분진 등이 제거된다. 이렇게 먼지가 제거된 공기는 벨트형 광촉매 필터(12)를 통과하게 된다. 광촉매 필터(12)는 도시된 바와 같이 다수개의 롤러(13) 사이에 일정한 텐션을 가지고 감겨져 있다. 따라서 롤러(13)가 구동되면 필터(12)도 롤러(13)의 회전을 따라 이동하게 될 것이다. 광촉매 필터(12)가 순환하도록 장착되어 있기 때문에 일정한 양 만큼만 롤러(13)를 구동하면 한 바퀴를 돌아 원위치로 올 것이다.

롤러(13)는 광촉매 필터(12)에 여러 번 공기가 통과될 수 있도록 배열되어 있고, 그 사이에 상기 광원인 형광등(14)이 설치되어 있다. 따라서 상술한 광활성이 일어나면서 공기청정이 이루어지게 된다. 여러 번 겹치도록 광촉매 필터(12)가 설치되어 있기 때문에 더욱 청정도를 향상시키게 된다. 여기서는 형광등(14)을 사용하지만 LED 등 가시광을 조사할 수 있는 어느 것이든 사용할 수 있고, 특히 낮에는 태양광이 들어올 수 있도록 설치한다면 전원을 더욱 획기적으로 아낄 수 있는 구성을 갖게 된다.

형광등(14) 하부에는 가열실(20)이 구비되어 광촉매 필터(12)를 재생하게 된다. 하부의 롤러(13)의 바로 아래에는 히터(21)가 구비되어 약 200도까지 가열하게 된다. 따라서 그 히터(21) 바로 상부의 광촉매 필터(12)에 열화에 의해 부착된 불순물은 열분해 혹은 연소에 의해 히터(21) 하부로 떨어지게 된다.

광촉매 필터(12)를 통과한 공기는 센서(41)를 지나쳐서 외부로 배기 된다. 배기되기 전에, VOC 센서(41)가 공기의 오염도를 측정하게 된다. VOC 센서(41)가 측정한 오염도가 일정치 이상이 되면 제어부(미도시)가 롤러(13)를 구동하여 광촉매 필터(12) 중에 사용된 부분이 하부의 히터(21) 쪽으로 이동되도록 한다. 에어 디텍터(42)는 센서의 오작동 혹은 센서의 캐리브레이션이 필요할 대 사용하는 표준화된 VOC를 측정기를 사용하는 측정구멍을 보여주고 있다.

히터(21)는 온도 컨트롤러가 부착되어 있어 상온에서 200℃까지 온도 조절이 가능하며, 가열 시에 기공을 가지는 내열 섬유인 현무암 섬유 등에 부착된 광촉매의 오염물질의 연소에 의해 낙하되는 고형분 및 연소 후의 고형분의 자유낙하의 용이성을 위해 필터 기능을 가지는 섬유상 발열체를 사용한다.

공기청정 시스템의 공기 흐름은, 실내에서 수집된 공기는 가장 오른쪽의 송풍용 FAN(31)을 통해서 먼지 등의 입자 등은 기존의 일반 필터(11)를 사용하여 필터링하고, 그 외의 모든 기능은 기존의 것으로 대체하여 사용하고, 센서(41)의 기능은 VOC센서를 활용하고 이에 VOC의 초과 시에만 롤러(13)를 구동하는 모터에 작동하는 신호를 보내도록 구성한 것이다.

상기 표 1은 VOC 전환율을 나타낸 것으로, 전환율=(전환량/100그램)*100(%)이다(유속 : 2L/min, 형광등: 14 watt ( 광촉매 반응실 챔버 중앙 상단위에 설치).

표 1은 시간 변화에 따라 가시광응답형 광촉매의 광촉매에 의한 VOC분해에 의한 전환 효율을 비교한 결과 20시간 정도에 전환효율이 급격하게 감소하는 문제점이 있으며 그 후 다시는 원래의 기능이 회복 되지 않음을 보여 주고 있다.

이를 재생 반응을 확인하기 위해, 표 2에서와 같이 메칠렌블루 액체가 들어가 있는 용액에 가시광응답형 촉매에 메칠렌블루 용액을 계속 추가로 첨가 하여 10회를 반응시켜 광촉매 반응이 일어나지 못하는 조건으로(장시간 사용으로 오염에 의해 반응성이 없어진 광촉매로) 만든 후 추가의 재생온도를 120℃에서 180℃ 사이에서 재생처리를 할 때, 각 온도에서 1시간의 재생처리를 행하고 다시 메칠렌 블루테스트를 행 할 때의 투명화가 일어나는 시간을 보여주고 있으며 180℃에서는 거의 완벽한 재생이 됨을 알 수 있다.

한편, 본 실험에 사용한 천이 금속 도핑 여부에 따른 광촉매 반응의 비교(14와트 형광등 10cm 하에서 진행)가 도 3 내지 도 5에 도시되어 있다. 도시된 바와 같이 본 발명의 천이 금소 도핑 광촉매의 반복 사용에 따른 가시광 광촉 반응성이 우수함을 보여 주는 도면으로 1회-11회까지 반복 사용 가능함을 보여주고 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.

12 : 광촉매 필터 13 : 롤러
14 : 형광등 20 : 가열실
21 : 히터 31 : 팬
41 : VOC센서

Claims (5)

1. 천이 금속이 도핑된 광촉매가 코팅된 벨트형 광촉매 필터;
   상기 광촉매 필터가 이송될 수 있도록 일정한 장력으로 상기 광촉매 필터가 감기게 되는 다수개의 롤러;
   상기 광촉매 필터에 가시광을 공급하는 광원;
   상기 광촉매의 재생을 위해 광촉매가 코팅된 필터의 일부분이 가열될 수 있도록 가열하는 히터;
   상부에 팬이 설치되어 외기가 수직으로 유입된 다음 일정시간 머무는 공간을 갖도록 외기와 구획되어 격리된 도입부;
   상기 도입부의 외기가 수평으로 이동하면서 일반필터에 의해 필터링된 다음 상기 광촉매 필터에 의해 필터링이 이루어지는 케이스;
   상기 케이스 하부에 구비되고 상기 히터가 설치되어 광촉매 필터가 재생되는 가열실;
   상기 케이스에서 광촉매 필터를 통과하여 필터링된 공기가 수평으로 유입된 다음, 일정시간 머문 후 상부에 형성된 출구를 통과하여 배기되도록 외기와 구획되어 격리되며, 배기되는 공기의 오염도를 측정하는 센서가 출구에 설치된 배기부;
   를 포함하고,
   상기 광촉매는 그 직경이 10nm-500nm이고, 상기 광촉매 필터는 상기 광촉매와 현무암 섬유질로 구성되며, 상기 히터에 의해 가열되는 온도가 120-180℃인 가시광응답형 광촉매의 재생기능을 가지는 공기청정 시스템.
2. 제1항에 있어서,
   상기 공기청정 시스템이 상기 센서에 의해 측정된 오염도가 일정 수치 이하가 되면 상기 광촉매 필터가 이동되도록 롤러를 구동하는 구동신호를 출력하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가시광응답형 광촉매의 재생기능을 가지는 공기청정 시스템.
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