KR101553587B1 - 공기 정화 장치 및 방법 - Google Patents

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KR101553587B1 KR1020140071135A KR20140071135A KR101553587B1 KR 101553587 B1 KR101553587 B1 KR 101553587B1 KR 1020140071135 A KR1020140071135 A KR 1020140071135A KR 20140071135 A KR20140071135 A KR 20140071135A KR 101553587 B1 KR101553587 B1 KR 101553587B1
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김종훈
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Abstract

본 발명은 물을 산소와 수소로 분해하는 전기분해장치; 및 상기 전기분해장치로부터 공급되는 산소 및 수소를 각각 이용하여 산소플라즈마 및 수소플라즈마를 각각 생성하여 공기를 정화 처리하는 제 1 및 제 2 전기방전실;을 포함하도록 한 공기 정화 장치와, 이를 이용한 공지 정화 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 공기에 대한 탈취 및 살균이 신속하면서도 효율적으로 이루어지도록 하고, 필터를 사용하지 않고서도 공기 중의 미세입자를 효과적으로 제거하며, 장치의 단순화 및 소형화를 가능하도록 한다.

Description

공기 정화 장치 및 방법{Apparatus and method for cleaning air}
본 발명은 물의 전기분해에 의하여 필요시 제조된 산소가스와 수소가스를 작동매체로 사용하는 전기방전을 통하여, 공기 중의 냄새, 세균 또는 미세먼지를 제거하는 공기 정화 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 전기방전에 의해 생성된 플라즈마를 탈취, 살균, 먼지제거 등에 이용하는 공기정화방법은 잘 알려진 기술이다. 탈취 등의 공기정화를 위한 방법은 플라즈마방법 이외에도 화학약품을 사용하는 방법, HEPA(high efficiency particle arrestor)와 같은 휠터를 사용하는 방법, 자외선과 광촉매 등을 이용하는 방법 등이 있으나, 교체의 번거러움이 없고, 장치의 간편성 등과 같은 이점 때문에 플라즈마방법이 선호되고 있으며, 이에 대한 많은 연구가 진행되고 있다.
플라즈마를 이용한 탈취나 살균을 위해서는 전기방전시에 생성되는 전자나 이온을 이용할 수도 있지만, 방전을 통하여 OH, O, HOO와 같은 자유 라디칼(radical), 또는 오존, 과산화수소와 같은 산화력이 높은 분자를 생성하고, 이들의 산화력을 이용한 탈취나 살균이 더욱 효율적이다. 먼지제거를 위해서는 방전을 통하여 미세먼지 입자를 하전시킨 후, 이 입자들과는 반대전하로 대전된 집진판 표면에 부착시키는 전기집진방법들이 가장 보편적으로 사용되지만, 초미세먼지의 제거에는 그 효율성에 한계가 있다.
플라즈마를 만들기 위해 가장 널리 사용되고 있는 전기방전방법은 코로나방전이다. 이 방전은 고전압만 인가하면 쉽게 유발되고, 안정화된다는 작동의 단순성과 장치의 간편성 때문에 가장 보편적으로 이용된다. 그러나 공기를 매체로 하고 고전압을 인가하여, 코로나방전을 일으킬 때는 오존과 질소산화물의 생성이 불가피하다. 방전에 의하여 생성된 오존은 원래의 살균기능을 초과하여, 인체에 유해한 수준의 농도에 도달하기도 한다. 또한 방전시 공기 중의 산소나 수증기를 반응물질로 하여 생성되는 자유 라디칼은 그 농도가 낮아 빠른 탈취 효과를 기대하기 어렵다. 미세입자들을 코로나방전을 이용하여 하전시킬 경우, 입자의 크기가 작아질수록 하전이 어려우며, 방전면적의 협소함 등의 이유 때문에 하전되는 입자의 수가 낮아지는 단점이 있다.
오존 생성 등 코로나방전의 고전압 인가 때문에 발생하는 단점을 보완하기 위해서 유전체장벽 방전(dielectric barrier discharge), 다공성 세라믹 미세방전(microdischarge inside porous ceramics), 메쉬 유전체장벽 방전(mesh dielectric barrier discharge), 공동(空洞)음극방전(hollow cathode discharge), 미끄럼아크방전(gliding arc discharge)등이 대체 수단으로 이용된다. 그러나 대기압에서 안정한 플라즈마를 형성하는 이러한 방전 역시, 공기를 작동매체로 사용하는 경우 질소산화물의 생성은 불가피하며, 입자를 하전시키는데도 효과적이지 못하다.
그러므로 기존의 장치나 방법에 비하여 작동원리가 단순하며, 탈취 및 살균이 신속하고, 미세입자의 제거 역시 훨씬 효율적으로 수행되는 공기 정화 장치 및 방법의 개발이 필요하게 되었다.
대한민국등록특허 제10-0747178호(2007.08.01 등록) "차량의 하이브리드 공기청정 시스템"
1. 강구진, 이수창, 최용만, 이웅무, "물-수증기 계면을 통한 전기방전에 의한 수소 제조" 한국수소에너지학회지, vol.8, No.4, pp.155-160 (1007) 2. Shim J., Joung K.Y., Ahn J.H. and Lee W.M., "Carbon-supported platinum nanoparticles synthesized by plasma-chemical reduction method for fuel cell applications," J. Electrochem. Soc., 154(2). B165-B169 (2007)
상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 기존제품에 비하여 공기에 대한 탈취 및 살균 속도가 빠르고, 동시에 필터의 사용없이 공기 중의 미세입자를 효율적으로 제거하며, 장치의 단순화 및 소형화가 가능하도록 하는데 목적이 있다. 본 발명의 다른 목적들은 이하의 실시례에 대한 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일측면에 따르면, 물을 산소와 수소로 분해하는 전기분해장치; 및 상기 전기분해장치로부터 공급되는 산소 및 수소를 각각 이용하여 산소플라즈마 및 수소플라즈마를 각각 생성하여 공기를 정화 처리하는 제 1 및 제 2 전기방전실;을 포함하는 공기 정화 장치가 제공된다.
상기 제 1 및 제 2 전기방전실은, 처리하려는 공기의 이동 경로에 전후로 또는 그 반대로 각각 설치되어, 상기 공기를 다단계로 정화 처리할 수 있다.
상기 제 1 전기방전실은, 상기 전기분해장치로부터 유입되는 산소가스를 매체로 하여 산소플라즈마를 형성시키고, 산소플라즈마를 내부로 유입된 공기와 반응시켜서 공기 중의 미세먼지를 연소시키거나 하전시키고, 상기 제 2 전기방전실은, 상기 전기분해장치로부터 유입되는 수소가스를 매체로 하여 수소플라즈마를 형성시키고, 수소플라즈마를 상기 제 1 전기방전실로부터 유입된 공기와 반응시킴으로써 자유라디칼을 생성시켜서 공기 중의 유해성분을 탈취 및 살균시킬 수 있다.
상기 제 1 및 제 2 전기방전실 각각은, 전원의 공급에 의해 바늘-평판 전극 코로나 방전(needle-plate corona discharge), 유전체 장벽 방전(DBD, dielectric barrier discharge), 메쉬 유전체 장벽 방전(mesh DBD), 배면 표면장벽 방전(coplanar DBD), 다공성 세라믹 물질 내부에서의 미세방전(micro-discharge in porous ceramics), 공동(空洞) 음극방전(hollow cathode discharge), 미끄럼 아크방전(gliding arc discharge) 중 어느 하나의 방식에 의해 플라즈마를 생성할 수 있다.
상기 제 1 및 제 2 전기방전실 각각은, 내측에 채워진 물 위에 위치하는 바늘형전극과 상기 물에 잠긴 평판전극에 의한 계면 코로나 방전(air-water interface corona discharge)에 의해 플라즈마를 생성할 수 있다.
상기 제 1 및 제 2 전기방전실 각각은, 상기 전기분해장치로부터 발생되는 산소가스나 수소가스를 중공의 상기 바늘형전극을 통해서 물과의 경계인 계면방전영역으로 분사하여, 산소플라즈마나 수소플라즈마를 각각 형성하여 내측으로 유입되는 공기와 혼합시킬 수 있다.
상기 제 1 및 제 2 전기방전실 각각은, 내측에 외부로부터 공급되는 공기가 축소되는 단면적의 유로를 통과하도록 하는 덕트가 배치되고, 상기 덕트로부터 배출되는 공기가 산소플라즈마나 수소플라즈마와 혼합되도록 할 수 있다.
상기 산소플라즈마에 존재하는 산소음이온과의 결합에 의하여 하전됨과 아울러, 계면에서 증발된 수증기분자와의 결합에 의하여 크기와 질량이 증가된 공기중의 미세먼지를 양성전하로 하전된 다공성 금속칼럼을 지나게 하여 집진하는 전기집진칼럼을 더 포함할 수 있다.
상기 전기집진칼럼은, 상기 다공성 금속칼럼의 기공 크기가 0.1~10마이크로미터이고, 상기 다공성 금속칼럼의 둘레를 유전체막으로 감싸고, 상기 유전체막의 둘레를 금속층으로 감싸며, 상기 다공성 금속칼럼을 양극으로 함과 아울러, 상기 금속층을 음극으로 하는 500~10,000V의 전압을 인가할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 산소플라즈마와 수소플라즈마를 동시에 독립적으로 형성시키는 플라즈마발생단계; 및 상기 산소플라즈마와 상기 수소플라즈마 순으로 또는 그 역순으로 정화 처리하려는 공기를 흐르게 하여, 상기 공기에 대해서 다단계로 탈취, 살균 및 미세먼지를 제거하도록 하는 정화처리단계;를 포함하는 공기 정화 방법이 제공된다.
상기 플라즈마발생단계는, 상기 산소플라즈마와 상기 수소플라즈마의 생성을 위해 필요한 산소가스와 수소가스를 전기분해에 의해 얻도록 하고, 물 위에 위치하는 바늘형전극과 물에 잠긴 평판전극에 의한 계면 코로나 방전(air-water interface corona discharge)에 의해, 상기 산소플라즈마와 상기 수소플라즈마를 생성할 수 있다.
상기 정화처리단계는, 상기 산소플라즈마에 존재하는 산소음이온과의 결합에 의하여 하전됨과 아울러, 계면에서 증발된 수증기분자와의 결합에 의하여 크기와 질량이 증가된 공기 중의 미세먼지를 양성전하로 하전된 다공성 금속칼럼을 지나게 하여 집진할 수 있다.
본 발명에 따른 공기 정화 장치 및 방법에 의하면, 공기에 대한 탈취 및 살균이 신속하면서도 효율적으로 이루어지도록 하고, 필터를 사용하지 않고서도 공기 중의 미세입자를 효과적으로 제거하며, 장치의 단순화 및 소형화를 가능하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시례에 따른 공기 정화 장치를 개략적으로 도시한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시례에 따른 공기 정화 장치의 제 1 전기방전실을 도시한 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시례에 따른 공기 정화 장치의 제 2 전기방전실을 도시한 구성도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시례에 따른 공기 정화 장치의 전기집진칼럼을 도시한 측단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시례에 따른 공기 정화 장치의 전체 구성을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고, 여러 가지 실시례를 가질 수 있는 바, 특정 실시례들을 도면에 예시하고, 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니고, 본 발명의 기술 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 식으로 이해되어야 하고, 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시례에 한정되는 것은 아니다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시례를 상세히 설명하며, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성요소에 대해서는 동일한 참조 번호를 부여하고, 이에 대해 중복되는 설명을 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시례에 따른 공기 정화 장치를 개략적으로 도시한 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시례에 따른 공기 정화 장치(800)는 물을 산소와 수소로 분해하는 전기분해장치(200)와, 전기분해장치(200)로부터 공급되는 산소 및 수소를 각각 이용하여 산소플라즈마 및 수소플라즈마를 각각 생성하여 공기를 정화 처리하는 제 1 및 제 2 전기방전실(300,500)을 포함할 수 있으며, 나아가서, 전기분해장치(200)에 물을 공급하는 물공급부(100), 공기에 대한 집진을 수행하는 전기집진칼럼(400), 전체적인 제어를 위한 제어기(600), 및 동작에 필요한 전력 변환을 위한 전력변환장치(700) 각각이 추가로 포함될 수 있으며, 처리하려는 외부 공기가 파이프나 덕트 등의 다양한 형태의 이동통로를 통해서 유입되어, 정화 처리 과정을 마친 후 청정공기로서 외부로 방출된다.
전기분해장치(200)는 산소가스와 수소가스를 필요시에 즉시 제조할 수 있는데, 제조된 산소가스와 수소가스를 제 1 및 제 2 전기방전실(300,500)로 각각 보내어 산소플라즈마와 수소플라즈마를 생성하는데 기여할 수 있다. 또한 전기분해장치(200)는 내측에 수위조절을 위한 제 1 수위센서(620; 도 5에 도시)가 설치될 수 있으며, 전기분해를 위하여 내측에 다수의 전극이 설치될 수 있고, 제 1 전원공급부(710)로부터 동작에 필요한 전원을 공급받을 수 있다.
제 1 및 제 2 전기방전실(300,500)은 처리하려는 공기의 이동 경로에 전후로 또는 그 반대로 각각 설치되어, 공기를 다단계로 정화 처리하는데, 본 실시례에서는 제 1 및 제 2 전기방전실(300,500) 각각이 공기의 이동 경로를 따라 전후로 설치됨을 나타낸다. 제 1 전기방전실(300)은 전기분해장치(200)로부터 유입되는 산소가스를 매체로 하여 산소플라즈마를 형성시키고, 산소플라즈마를 내부로 유입된 공기와 반응시켜서 공기 중의 미세먼지를 연소시키거나 하전시킬 수 있다. 제 2 전기방전실(500)은 전기분해장치(200)로부터 유입되는 수소가스를 매체로 하여 수소플라즈마를 형성시키고, 수소플라즈마를 제 1 전기방전실(300)로부터 유입된 공기와 반응시킴으로써 OH, HOO, O 등과 같은 자유라디칼을 생성시켜서, 공기 중의 유해성분을 탈취 및 살균시킬 수 있다.
제 1 및 제 2 전기방전실(300,500) 각각은 전원의 공급에 의해 바늘-평판 전극 코로나 방전(needle-plate corona discharge), 유전체 장벽 방전(DBD, dielectric barrier discharge), 메쉬 유전체 장벽 방전(mesh DBD), 배면 표면장벽 방전(coplanar DBD), 다공성 세라믹 물질 내부에서의 미세방전(micro-discharge in porous ceramics), 공동(空洞) 음극방전(hollow cathode discharge), 미끄럼 아크방전(gliding arc discharge) 중 어느 하나의 방식에 의해 플라즈마를 생성할 수 있다.
제 1 및 제 2 전기방전실(300,500)은 예컨대 내측에 채워진 물 위에 위치하는 바늘형전극(310,510; 도 2 및 도 3에 도시)과 물에 잠긴 평판전극(312,512; 도 2 및 도 3에 도시)에 의한 계면 코로나 방전(air-water interface corona discharge)에 의해 플라즈마를 생성할 수 있으며, 이에 따라 산소/물 계면 전기방전실 및 수소/물 계면 전기방전실을 각각 구성할 수 있고, 나아가서, 전기분해장치(200)로부터 발생되는 산소가스나 수소가스를 중공의 바늘형전극(310,510)을 통해서 물과의 경계인 계면방전영역으로 분사하여, 산소플라즈마나 수소플라즈마를 각각 형성하여 내측으로 유입되는 공기와 혼합시킬 수 있다. 이와 같은 산소/물 계면 전기방전실의 구성을 가지는 제 1 전기방전실(300)과, 수소/물 계면 전기방전실의 구성을 가지는 제 2 전기방전실(500) 각각에 대한 계면방전에 대해서, 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 제 1 및 제 2 전기방전실(300,500)은 매체가 산소가스와 수소가스인 점을 제외하고는 동일한 구성 및 원리를 이용할 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 제 1 전기방전실(300)은 내측에 코로나방전을 유발하기 위한 바늘형전극(310)과 평판전극(312)이 각각 배치되고, 평판전극(312)이 물속에 잠겨 있으며, 바늘형전극(310)이 평판전극(312)의 상측에서 물 위에 위치하도록 수직되게 설치될 수 있고, 물공급부(100)로부터 제 2 밸브(635)의 개방에 의해 내측으로 물을 공급받으며, 내측의 수위 조절을 위한 제 2 수위센서(630)가 설치된다. 바늘형전극(310)과 평판전극(312)은 코로나방전을 유발시키기 위해서, 제 2 전원공급부(720)를 통해서 직류 또는 교류 전원을 공급받는다.
제 1 전기방전실(300)은 전기분해장치(200)에서 필요시에 즉시 제조된 산소가스가 중공인 바늘형전극(310)의 끝부분을 통하여 내측에 채워진 물 표면으로 분사된다. 바늘형전극(310)은 그 내부가 비어있어 산소가스가 흐르는 통로로 이용된다. 이 때 제 2 전원공급부(720)의 전원을 온(on)하면 즉시 바늘형전극(310)의 끝부분과 물 표면 사이에 안정된 방전이 형성되며, 산소플라즈마가 생성된다.
산소플라즈마는 O2 - 음이온, O, OH, HOO 같은 자유라디칼, 그리고 오존 같은 산화제를 일부 생성하여 탈취와 살균에도 기여하지만, 주 기능이 연소성 미세먼지의 연소에 의한 제거와 미세먼지를 하전시키는데 있다. 또한 처리하려는 공기가 산소/물 계면의 방전영역을 지날 때, 공기에 함유된 연소성 미세먼지는 산소플라즈마에 의하여 연소 제거된다. 연소성 미세먼지는 탄소의 조성비가 높기 때문에 화학반응성이 강한 산소플라즈마와 쉽게 연소 반응을 일으키며, 물, 이산화탄소와 같은 생성물로 변환된다. 또한 산소/물 계면의 방전으로부터 생성된 O2 -는 증발된 물 분자집단과 결합하여 O2 -(H2O)n과 같은 음성전하를 갖는 분자집단을 형성한다. 이 분자집단은 처리하려는 공기 중에 함유된 미세입자와 결합하여, 이 입자를 하전시키는데 큰 역할을 한다.
제 1 방전실(300)에서 방전이 쉽게 유발되고, 안정적으로 지속되는 이유는 공기의 유전상수(εv)와 물의 유전상수(εℓ)의 큰 차이 때문이다. 물의 유전상수(εℓ)는 공기의 유전상수(εv)보다 50배 정도 크다. 바늘형전극(310)과 물 속의 평판전극(312) 간에 전압(V)을 인가하면, 공기/물 계면의 상층부인 기체상에는 아래의 수학식 1에서와 같은 큰 값의 전장(Ev; electric field)이 유도된다.
[수학식 1]
Ev = V[ x + (εv /εℓ) y]
여기서, x 와 y는 각각 바늘형전극(310) 끝부분에서 물 표면까지의 거리와, 물 표면에서 물 내부의 평판전극(312) 표면까지의 거리를 각각 나타낸다. 전압(V)을 3 kV, y를 1 cm, x를 1 cm보다 짧게 하면, Ev 값은 150 kV/cm 보다 큰 값을 갖게 되며, 물/공기의 계면전기방전이 쉽게 안정화된다. 실제로 "x" 거리는 2 cm 보다 짧게 "y" 거리는 0.2 cm 보다 길게 10 cm 보다 짧게 할 수 있다. 이 거리를 벗어나면 방전이 불안정해지거나, 물속 전극이 공기에 빨리 노출될 위험이 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 제 2 전기방전실(500)은 내측에 코로나방전을 유발하기 위한 바늘형전극(510)과 평판전극(512)이 각각 배치되고, 평판전극(512)이 물속에 잠겨 있으며, 바늘형전극(510)이 평판전극(512)의 상측에서 물 위에 위치하도록 수직되게 설치될 수 있고, 물공급부(100)로부터 제 3 밸브(645)의 개방에 의해 내측으로 물을 공급받으며, 내측의 수위 조절을 위한 제 3 수위센서(640)가 설치된다. 바늘형전극(510)과 평판전극(512)은 코로나방전을 유발시키기 위해서, 제 3 전원공급부(730)를 통해서 직류 또는 교류 전원을 공급받는다.
제 2 전기방전실(500)은 전기분해장치(200)에서 필요시에 즉시 제조된 수소가스가 중공인 바늘형전극(510)의 끝부분을 통하여 내측에 채워진 물 표면으로 분사된다. 바늘형전극(510)은 그 내부가 비어있어 수소가스가 흐르는 통로로 이용된다. 이 때 제 3 전원공급부(730)의 전원을 온(on)하면 전장(electric field)이 인가되어 즉시 바늘형전극(510)의 끝부분과 물 표면 사이에 안정된 방전이 형성되며, 수소플라즈마가 생성된다.
처리하려는 공기가 제 2 전기방전실(500)를 통과할 때, 전기방전에는 직접 참여하지 않으므로 인체에 해로운 질소산화물을 생성하지 않는다. 방전의 결과물인 수소플라즈마는 주로 수소원자, 수소분자 그리고 이들의 이온형태와 물 이온 등으로 구성되어 있는데, 이들은 제 2 전기방전실(500)을 통과하는 공기와 만나 반응하여, OH, HOO, O와 같은 자유라디칼을 다량 생성시키며, 이들 화학종이 공기에 함유된 냄새 원천물질이나 바이러스를 파괴시켜서, 정화된 공기가 외부로 방출되도록 한다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 제 1 및 제 2 전기방전실(300,500) 각각은 내측에 외부로부터 공급되는 공기가 축소되는 단면적의 유로를 통과하도록 하는 덕트(314,514)가 각각 배치될 수 있고, 덕트(314,514)로부터 배출되는 공기가 산소플라즈마나 수소플라즈마와 혼합되도록 할 수 있다. 따라서 처리하려는 공기가 덕트(314,514)에 의해 협소한 통로를 통과함으로써 산소플라즈마나 수소플라즈마에 잘 혼합되도록 할 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 전기집진칼럼(400)은 제 1 전기방전실(300)의 후단에 설치될 수 있는데, 산소플라즈마에 존재하는 산소음이온과의 결합에 의하여 하전됨과 아울러, 계면에서 증발된 수증기분자와의 결합에 의하여 크기와 질량이 증가된 공기중의 미세먼지를 양성전하로 하전된 다공성 금속칼럼(410)을 지나게 하여 집진하도록 한다. 전기집진칼럼(400)은 다공성 금속칼럼(410)의 기공 크기가 10마이크로미터 이하이고, 예컨대 0.1~10마이크로미터일 수 있으며, 다공성 금속칼럼(410)의 둘레를 유전체막(420)으로 감싸고, 유전체막(420)의 둘레를 금속층(430)으로 감싸며, 다공성 금속칼럼(410)을 양극으로 함과 아울러, 금속층(430)을 음극으로 하는 500V 이상의 전압, 예컨대 500~10,000V의 전압을 제 4 전원공급부(740)로부터 공급받을 수 있다.
이와 같이 전기집진칼럼(400)은 제 1 방전실(300)로부터 흘러나온 공기가 다공성 금속칼럼(410)을 지나도록 공급받는데, 이러한 공기에 함유된 음성전하를 띤 미세먼지를 제거하도록 한다. 전기집진칼럼(400)은 예컨대 그 중앙부에 위치한 양성전하를 띤 다공성 금속칼럼(410)과, 다공성 금속칼럼(410)을 감싸는 원통형 금속층(430)과, 다공성 금속칼럼(410)과 금속층(430) 사이에 유전체의 분리막인 유전체막(420)을 가진다. 따라서 제 1 전기방전실(300)로부터 흘러나온 공기는 양성전하를 갖는 다공성 금속칼럼(410)을 통과하면서 그 내부에 집진되며, 산소플라즈마와의 연소반응에 의하여 제거되지 않는 비연소성 미세먼지가 이러한 전기집진방식에 의하여 제거된다.
도 5에 도시된 바와 같이, 전기분해장치(200)는 제 1 및 제 2 전기방전실(300,500)에서 지속적으로 방전하기 위한 산소가스와 수소가스를 발생시키기 위해서 전력과 물을 필요로 하는데, 제어기(600)에 의한 제 1 밸브(625)의 제어에 의해 물공급부(100)로부터 물을 공급받으며, 전력변환장치(700)에 의해 제 1 전원공급부(710)의 전원을 필요한 형태로 변조하여 공급받는다. 또한 제 1 전기방전실(300)과 전기집진칼럼(400)을 통과한 공기는 제 2 전기방전실(500)의 덕트(514; 도 3에 도시)를 통하여 제 2 전기방전실(500) 내측으로 유입된다. 산소방전과 동일한 작동원리에 의하여 이 바늘형전극(510)과 물속에 잠긴 평판형 전극(512)사이에 제 3 전원공급부(730)에 의하여 전장(electric field)이 인가되면, 계면방전이 유발되고, 전류의 흐름으로 방전이 안정화되면 수소플라즈마가 형성된다. 수소플라즈마는 H원자를 생성하며, 이 원자는 공기의 산소분자와 반응하여 가지확장반응(chain branching reaction)을 일으키며, 탈취, 살균에 필요한 다량의 OH, HOO, O와 같은 자유라디칼을 생성한다. 이러한 자유라디칼의 생성은 반드시 제 2 전기방전실(500)에만 국한되는 것이 아니고, 공기가 제 2 전기방전실(500)을 떠나 흐르면서 계속되므로 탈취, 살균을 효율적으로 수행할 수 있다는 장점을 갖는다. 제 2 전기방전실(500)로부터 유출되는 정화된 공기는 외부로 방출된다.
한편, 처리하려는 외부의 공기는 공기유입펌프(150)의 도움으로 공기 정화 장치(800) 내로 유입되는데, 이러한 공기는 통과하는 제 1 전기방전실(300)이나 제 2 전기방전실(500)으로 전기분해장치(200)에서 필요시 즉시 제조된 산소가스와 수소가스와는 독립적으로 각각 공급될 수 있다. 또한 처리하려는 공기가 처음 통과하는 전기방전실은 제 1 및 제 2 방전실(300,500) 중 어느 것이라도 무관하다. 그러나, 전기집진칼럼(400)은 제 1 방전실(300) 다음에 배치하는 것이 집진효율을 높이는데 더 유리하다.
물의 전기분해와 전기방전과 같은 구성들의 작동을 지속시키기 위해서는 전력과 물의 공급이 필수적이다. 전력은 외부 전력을 전력변환장치(700)에 의하여 요구되는 형태로 변조되어 공급된다. 전기분해를 위해서는 예컨대 저전압/고전류 직류 전원을 공급하는 제 1 전원공급부(710)를 필요로 하며, 제 1 및 제 2 전기방전실(300,500)에 의한 산소/물 및 수소/물의 계면방전을 위해서는 예컨대 고전압/저전류 직류전원을 공급하는 제 2 및 제 3 전원공급부(720,730)를 필요로 한다. 또한 전기집진칼럼(400)이 예컨대 고전압/저전류 직류전력을 공급받기 위하여, 제 4 전원공급부(740)를 사용하는데, 산소/물 또는 수소/물 계면방전에 사용되는 직류전원을 공동으로 사용하여도 무방하다. 이때 전력변환장치(700)는 제 1 내지 제 4 전원공급부(710,720,730,740) 각각으로부터 공급되는 전원이 동작에 필요한 상태가 되도록 변환할 수 있다.
전기분해장치(200)와 제 1 및 제 2 전기방전실(300,500)에서 소모되는 물은 제 1 내지 제 3 수위센서(620,630,640)에 의하여 그 신호가 제어기(600)에 전달되고, 제어기(600)는 각각의 수위가 설정치 이하로 감소하였을 경우, 물공급부(100)로부터 각 장치로 연결된 제 1 내지 제 3 밸브(625,635,645)를 제어함으로써 전기분해장치(200)와 제 1 및 제 2 전기방전실(300,500)에 물이 공급되도록 한다. 이를 위해 전기분해장치(200)와 제 1 및 제 2 전기방전실(300,500) 각각은 제 1 내지 제 3 수위센서(620,630,640)가 각각 설치되고, 물공급부(100)으로부터 각각에 연결되는 급수라인에 제 1 내지 제 3 밸브(625,635,645) 각각이 설치된다. 따라서 제어기(600)는 제 1 내지 제 3 수위센서(620,630,640)의 신호를 수신받아, 제 1 내지 제3 밸브(625,635,645)의 개폐를 제어한다.
본 발명의 일 실시례에 따른 공기 정화 방법은 앞서 설명한 본 발명의 일 실시례에 따른 공기 정화 장치(800)를 이용한 방법으로서, 동일한 구성에 대해서는 그 설명을 생략하기로 한다.
본 발명의 일 실시례에 따른 공기 정화 방법은 산소플라즈마와 수소플라즈마를 동시에 독립적으로 형성시키는 플라즈마발생단계와, 산소플라즈마와 수소플라즈마 순으로 또는 그 역순으로 정화 처리하려는 공기를 흐르게 하여, 공기에 대해서 다단계로 탈취, 살균 및 미세먼지를 제거하도록 하는 정화처리단계를 포함할 수 있다.
플라즈마발생단계는 제 1 및 제 2 전기방전실(300,500) 각각에서 산소플라즈마와 수소플라즈마를 생성시키도록 하는데, 여기서 산소플라즈마와 수소플라즈마의 생성을 위해 필요한 산소가스와 수소가스를 전기분해장치(200)에 의한 전기분해에 의해 얻도록 할 수 있고, 제 1 및 제 2 전기방전실(300,500) 각각에서 물 위에 위치하는 바늘형전극(310,510)과 물에 잠긴 평판전극(312,512)에 의한 계면 코로나 방전(air-water interface corona discharge)에 의해, 산소플라즈마와 수소플라즈마를 각각 생성할 수 있다.
정화처리단계는 산소플라즈마에 존재하는 산소음이온과의 결합에 의하여 하전됨과 아울러, 계면에서 증발된 수증기분자와의 결합에 의하여 크기와 질량이 증가된 공기 중의 미세먼지를 양성전하로 하전된 다공성 금속칼럼(410)을 지나게 하여 집진할 수 있다. 여기서 다공성 금속칼럼(410)은 전기집진칼럼(400)의 중심부에 위치할 수 있으며, 앞서 설명한 바와 같이, 유전체막(420)과 금속층(430)이 둘레에 순차적으로 설치될 수 있다.
[실시례 1]
처리하려는 공기로는 마늘냄새의 원인제공 분자인 methyl mercaptan(CH3SH)을 미량(100 ppm) 함유하는 공기를 택하였다. 이 공기를 분당 150 ml의 유속으로 계면방전을 위한 전기방전실로 유입시켰다. 전기방전실에는 SUS 재질의 바늘형전극을 그 끝 부분이 물 표면에서 0.5 cm 떨어지도록 수직으로 세웠으며, 이 끝 부분을 통하여 수소가스를 분당 30 ml의 유속으로 물 표면으로 분사시켰다. 전기방전실의 물은 초순수를 사용하였으며, 물 속에는 직경이 1 cm인 원판형 SUS 재질의 평판전극을 배치하였고 이 평판전극의 윗 표면은 물 표면으로부터 1 cm 정도 떨어지게 하였다. 바늘형전극과 평판전극 사이에 전력은 30 watt 이하, 초기전압은 12 kV, 주파수 20 khz의 교류를 인가하여 방전을 유발시켰다. 처리하려는 공기는 전기방전실의 옆 벽을 통하여 유입되어 방전영역을 수직으로 관통한 후, 역시 반대편 옆 벽을 통하여 방출되어 배출 통로에 배치된 외부 용기에 포집되었다. 공기의 분석에는 GC-FPD(gas chromatography with flame ionization detector) 방법을 사용하였다. 2분간 처리한 공기에는 CH3SH의 농도가 1 ppb 이하로 감소되었으며, CH3SSH3C(dimethyl disulfide)의 농도는 0.9 ppm이었다.
[실시예 2]
실시예 1에서 사용한 수소가스 대신에 산소가스를 방전의 작동매체로 사용하였으며, 역시 100 ppm의 methyl mercaptan(CH3SH)을 함유하는 공기를 처리를 위해 사용하였다. 이러한 공기를 분당 150 ml의 유속으로 계면방전을 위한 전기방전실로 유입시켰다. 전기방전실에는 SUS 재질의 바늘형전극을 그 끝 부분이 물 표면에서 0.5 cm 떨어지도록 수직으로 세웠으며, 이 끝 부분을 통하여 산소가스를 분당 30 ml의 유속으로 물 표면으로 분사시켰다. 전기방전실의 물은 초순수를 사용하였으며 물 속에는 직경이 1 cm인 원판형 SUS 재질의 평판전극을 배치하였고 이 평판전극의 윗 표면은 물 표면으로부터 1 cm 정도 떨어지게 하였다. 바늘형전극과 평판전극사이에 전력은 30 watt 이하이고 주파수 2 khz의 교류를 인가하여 방전을 유발시켰다. 처리하려는 공기는 전기방전실의 옆 벽을 통하여 유입되어 방전영역을 수직으로 관통한 후, 역시 반대편 옆 벽을 통하여 방출되었으며, 외부용기에 포집되었다. 가스의 분석에는 GC-FPD(gas chromatography with flame ionization detector) 방법을 사용하였다. 2분간 처리한 공기에는 CH3SH의 농도가 1 ppb 이하로 감소되었으며, CH3SSH3C(dimethyl disulfide)의 농도는 4.2 ppm이었다.
[실시예 3]
처리하려는 공기로는 마늘냄새의 원인제공 분자인 methyl mercaptan(CH3SH)을 미량(100 ppm) 함유하는 공기를 택하였고, 이 공기를 분당 150 ml의 유속으로 계면방전을 위한 전기방전실로 유입시켰다. 그러나 실시예 1과 2와는 달리, 바늘형 SUS 재질의 미세관을 통하여 아무런 가스도 흐르지 않게 만들고, 다만 이 미세관을 코로나방전의 한 전극으로만 사용하였다. 계면방전의 작동매체로는 처리하려는 공기를 사용하였다. 나머지 실험조건은 실시예 1과 2와 동일하였다. 2분간 처리한 공기에는 CH3SH의 농도가 1 ppb 이하로 감소되었으며, CH3SSH3C(dimethyl disulfide)의 농도는 4.8 ppm이었다.
[비교례 1]
100 ppm의 methyl mercaptan(CH3SH)을 함유하는 공기를 처리하려는 공기로 사용하였다. 이 공기를 분당 150 ml의 유속으로 계면방전을 위한 전기방전실로 유입시켰다. 전기방전실에는 실시예 1과 2와는 달리, 전기방전 대신에 수소가스와 산소가스를 부피비 2:1로 혼합하여 점화한 고온화염을 만들고, 처리하려는 공기가 이 화염을 통과한 후 외부로 유출하도록 한 후 용기에 포집하였다. 가스의 분석에는 GC-FPD(gas chromatography with flame ionization detector) 방법을 사용하였다. 2분간 처리한 공기에는 CH3SH의 농도가 50 ppm 이상이었다.
상기한 실시례 1 내지 3 및 비교례 1의 결과를 아래의 표 1에 정리하였다. 이 결과로부터 공기 중의 CH3SH(methyl mercaptan)을 없애는데, 비교례 1의 수소/산소의 고온화염에 의한 처리방법보다는 실시례 1 내지 3의 공기/물 계면방전이 훨씬 더 효율적임을 알 수 있으며, 계면방전의 부산물로 생성되는 CH3SSH3C(dimethyl disulfide)의 농도는 실시례 1의 수소/물 계면방전에서 가장 낮은 값을 나타냄을 알 수 있었다.
공기 CH3SH 농도(ppm) CH3SSH3C 농도(ppm)
표준공기 68.386 0
실시례 1 공기 검출안됨 0.978
실시례 2 공기 검출안됨 4.239
실시례 3 공기 검출안됨 4.776
비교례 1 공기 52.204
이와 같은 본 발명에 따른 공기 정화 장치 및 방법에 따르면, 수소/물, 산소/물의 계면방전을 유발시켜 신속한 탈취, 살균 및 미세먼지의 제거를 가능하게 한다. 이러한 계면방전은 낮은 전압에서 유발되어 오존 같은 물질의 생성을 최소화 시키며, 질소산화물의 생성을 방지한다. 물 계면방전을 통하여 형성된 플라즈마는 강력한 산화제로서의 역할을 하는 OH, O, HOO와 같은 자유 라디칼을 대량 생산하고 오존, 과산화수소 같은 산화제를 부수적으로 생산하여 신속한 탈취 살균 효과를 일으킨다. 한편 계면방전을 통하여 형성된 산소플라즈마는 공기중의 가연성 미세입자를 연소에 의하여 제거하고, 비(非)연소성 입자는 하전시켜 전기집진 방식에 의하여 제거한다. 이로 인해 본 발명은 필터없이 미세입자의 제거를 가능하게 하며, 기존 어느 제품보다 훨씬 신속하게 탈취 및 살균을 가능하게 한다.
이와 같이 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시례에 한정되어서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이러한 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100 : 물공급부 150 : 공기유입펌프
200 : 전기분해장치 300 : 제 1 전기방전실
310 : 바늘형전극 312 : 평판전극
314 : 덕트 400 : 전기집진필터
410 : 다공성 금속칼럼 420 : 유전체막
430 : 금속층 500 : 제 2 전기방전실
510 : 바늘형전극 512 : 평판전극
514 : 덕트 600 : 제어기
620 : 제 1 수위센서 625 : 제 1 밸브
630 : 제 2 수위센서 635 : 제 2 밸브
640 : 제 3 수위센서 645 : 제 3 밸브
700 : 전력변환장치 710 : 제 1 전원공급부
720 : 제 2 전원공급부 730 : 제 3 전원공급부
740 : 제 4 전원공급부

Claims (12)

  1. 물을 산소와 수소로 분해하는 전기분해장치; 및
    상기 전기분해장치로부터 공급되는 산소 및 수소를 각각 이용하여 산소플라즈마 및 수소플라즈마를 각각 생성하여 공기를 정화 처리하는 제 1 및 제 2 전기방전실;을 포함하고,
    상기 제 1 및 제 2 전기방전실은,
    처리하려는 공기의 이동 경로에 전후로 또는 그 반대로 각각 설치되어, 상기 공기를 다단계로 정화 처리하고,
    상기 제 1 전기방전실은,
    상기 전기분해장치로부터 유입되는 산소가스를 매체로 하여 산소플라즈마를 형성시키고, 산소플라즈마를 내부로 유입된 공기와 반응시켜서 공기 중의 미세먼지를 연소시키거나 하전시키고,
    상기 제 2 전기방전실은,
    상기 전기분해장치로부터 유입되는 수소가스를 매체로 하여 수소플라즈마를 형성시키고, 수소플라즈마를 상기 제 1 전기방전실로부터 유입된 공기와 반응시킴으로써 자유라디칼을 생성시켜서 공기 중의 유해성분을 탈취 및 살균시키는, 공기 정화 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 청구항 1 에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 전기방전실 각각은,
    전원의 공급에 의해 바늘-평판 전극 코로나 방전(needle-plate corona discharge), 유전체 장벽 방전(DBD, dielectric barrier discharge), 메쉬 유전체 장벽 방전(mesh DBD), 배면 표면장벽 방전(coplanar DBD), 다공성 세라믹 물질 내부에서의 미세방전(micro-discharge in porous ceramics), 공동(空洞) 음극방전(hollow cathode discharge), 미끄럼 아크방전(gliding arc discharge) 중 어느 하나의 방식에 의해 플라즈마를 생성하는, 공기 정화 장치.
  5. 청구항 1 에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 전기방전실 각각은,
    내측에 채워진 물 위에 위치하는 바늘형전극과 상기 물에 잠긴 평판전극에 의한 계면 코로나 방전(air-water interface corona discharge)에 의해 플라즈마를 생성하는, 공기 정화 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 전기방전실 각각은,
    상기 전기분해장치로부터 발생되는 산소가스나 수소가스를 중공의 상기 바늘형전극을 통해서 물과의 경계인 계면방전영역으로 분사하여, 산소플라즈마나 수소플라즈마를 각각 형성하여 내측으로 유입되는 공기와 혼합시키는, 공기 정화 장치.
  7. 청구항 1 에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 전기방전실 각각은,
    내측에 외부로부터 공급되는 공기가 축소되는 단면적의 유로를 통과하도록 하는 덕트가 배치되고, 상기 덕트로부터 배출되는 공기가 산소플라즈마나 수소플라즈마와 혼합되도록 하는, 공기 정화 장치.
  8. 청구항 1 에 있어서,
    상기 산소플라즈마에 존재하는 산소음이온과의 결합에 의하여 하전됨과 아울러, 계면에서 증발된 수증기분자와의 결합에 의하여 크기와 질량이 증가된 공기중의 미세먼지를 양성전하로 하전된 다공성 금속칼럼을 지나게 하여 집진하는 전기집진칼럼을 더 포함하는, 공기 정화 장치.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 전기집진칼럼은,
    상기 다공성 금속칼럼의 기공 크기가 0.1~10마이크로미터이고, 상기 다공성 금속칼럼의 둘레를 유전체막으로 감싸고, 상기 유전체막의 둘레를 금속층으로 감싸며, 상기 다공성 금속칼럼을 양극으로 함과 아울러, 상기 금속층을 음극으로 하는 500~10,000V의 전압을 인가하는, 공기 정화 장치.
  10. 산소플라즈마와 수소플라즈마를 동시에 독립적으로 형성시키는 플라즈마발생단계; 및
    상기 산소플라즈마와 상기 수소플라즈마 순으로 또는 그 역순으로 정화 처리하려는 공기를 흐르게 하여, 상기 공기에 대해서 다단계로 탈취, 살균 및 미세먼지를 제거하도록 하는 정화처리단계;를 포함하고,
    상기 플라즈마발생단계는,
    상기 산소플라즈마와 상기 수소플라즈마의 생성을 위해 필요한 산소가스와 수소가스를 전기분해에 의해 얻도록 하고, 물 위에 위치하는 바늘형전극과 물에 잠긴 평판전극에 의한 계면 코로나 방전(air-water interface corona discharge)에 의해, 상기 산소플라즈마와 상기 수소플라즈마를 생성하고,
    상기 정화처리단계는,
    상기 산소플라즈마에 존재하는 산소음이온과의 결합에 의하여 하전됨과 아울러, 계면에서 증발된 수증기분자와의 결합에 의하여 크기와 질량이 증가된 공기 중의 미세먼지를 양성전하로 하전된 다공성 금속칼럼을 지나게 하여 집진하는, 공기 정화 방법.
  11. 삭제
  12. 삭제
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