KR101567334B1 - 플라즈마 흡착 탈취기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 VOCs, 악취, 세균이 포함된 오염 공기를 상온에서 산화 분해하여 인체에 무해한 공기로 전환하여 배출하도록 한 플라즈마 흡착 탈취기에 관한 것으로서, 오염 공기와 오존 가스 및 과산화 수소를 공급받아 일정 시간동안 혼합하는 혼합기와, 상기 혼합기를 통해 오존 가스 및 과산화 수소가 혼합된 오염 공기를 공급받아 고온 가스 안정 글로우 방전에 의한 저온 플라즈마와 촉매 및 흡착제로 흡착 산화하여 상기 오염 공기내의 오염 물질을 제거하는 플라즈마 흡착 반응기와, 상기 플라즈마 흡착 반응기로부터 오염 물질이 제거된 공기를 공급받아 잔류하는 오염 가스를 포함하여 오존 가스와 과산화 수소를 제거하는 흡착 필터기와, 상기 흡착 필터기로부터 정화된 공기를 배출하는 송풍기를 포함하여 구성되고, 상기 플라즈마 흡착 반응기는 고온 가스 안정 글로우 방전 반응기, 히터, 광촉매 필터, 흡착 필터층이 순차적으로 배열되어 있고, 상기 흡착 필터기는 일정한 간격으로 복수의 필터가 배열되어 구성되고, 상기 흡착 필터기는 알루미늄 실리케이트 지오라이트 흡착 필터와 망간 산화물을 함유하는 오존 분해 촉매 필터로 이루어지며, 상기 고온 가스 안정 글로우 방전 반응기는 (+) 및 (-) 전원이 각각 인가되는 두 개 이상의 전극 사이에 가스를 통과시켜 저온 플라즈마를 발생하는 것을 특징으로 한다.

Description

플라즈마 흡착 탈취기{Plasma absorption deodor apparatus}

본 발명은 플라즈마 흡착 탈취기에 관한 것으로, 특히 각종 VOCs(Volatile Organic Compounds; 휘발성 유기화합물), 악취 및 세균이 함유된 오염 공기를 실시간으로 산화 분해하여 인체에 무해한 공기를 배출하도록 한 플라즈마 흡착 탈취기에 관한 것이다.

일반적으로 악취라 함은, 사람에게 불쾌감을 주는 냄새로서 그 성분의 대표적인 것으로는 황화수소, 메르캅탄, 암모니아, 아민류, 지방산류 그 밖의 자극성이 있는 휘발성 유기화합물 등이 있다.

특히, 휘발성 유기화합물은 증기압이 높아 대기 중으로 쉽게 증발되는 액체 또는 기체상 유기화합물의 총칭이다. 대기 중에서 광화학반응을 일으켜 오존 등 광화학 산화성 물질을 생성시켜 광화학 스모그를 유발하는 물질을 일컫는다.

또한, 상기 휘발성 유기화합물은 대기오염뿐만 아니라 발암성 물질이며, 지구온난화의 원인물질이므로 국가마다 배출을 줄이기 위해 정책적으로 관리하고 있다. 벤젠, 톨루엔, 알코올, 휘발유 등을 비롯하여 산업체에서 사용되는 용매 등 다양하다.

이러한 휘발성 유기화합물의 배출원은 토양과 습지·초목·초지 등의 자연적 배출원과 유기용제사용시설·도장시설·세탁소·정유소·주유소 및 각종 운송수단의 배기가스 등의 인위적 배출원이 있는데, 배출량은 세계적으로 유기용제사용시설과 자동차 등의 이동 오염원이 대부분을 차지한다. 환경과 인체에 큰 영향을 끼치므로 대부분의 국가들이 배출을 줄이기 위하여 정책적으로 노력하고 있다.

여기서, 악취물질 및 휘발성 유기화합물질은 입자(분자)가 휘발, 확산, 희석되면서 사람의 코를 자극하여 냄새를 느끼게 하고, 동식물에 호흡곤란, 스트레스, 성장 장애 등을 일으키고 있다.

최근 생활환경에서 쾌적성을 추구하는 경향이 점차 증대하고 있는데 "악취"도 이를 저해하는 하나의 요소로 주목받게 되었고 이에 대한 대책이 정부의 악취방지법의 시행으로 구현되었다고 할 수 있다.

그런데 불쾌한 냄새에 대한 사람의 느낌은 다양하여 냄새와 함께 떠올리는 개인의 기억이 여러 가지로 교차함으로 개인에 의한 경험차이가 냄새에 대한 선호도의 차이로 나타나는 경우가 많아 악취에 대한 종합적인 표준지표의 근거를 제시하는 것이 중요하다.

현재 관련 시장으로는 악취가 발생할 수 있는 모든 시설 및 작업장을 포함하며 그 예로 하수 및 분뇨처리장, 위생처리장, 생활폐기물 집하 시설, 도장시설, 인쇄시설 등이 있다. 그에 따른 처리 용량은 최소 100~500Nm3/min의 대용량 설비를 필요로 한다.

그리하여, 세계 각국 특히 선진국을 중심으로 생활환경을 저해하는 악취 및 휘발성 유기화합물의 배출 규제가 점차 강화되고 있는 추세에 발맞추어 우리나라도 2004년 2월 9일 법률 제7170호로 악취방지법을 제정하여 2005년 2월 본격적으로 시행에 들어갔다.

또한, 복합악취는 "환경분야 시험·검사 등에 관한 법률" 제6조 제1항 제4호에 따른 환경오염공정시험기준의 공기희석관능법을 적용 엄격한 배출허용기준의 범위 기준 배출구의 희석배수가 300이하 부지경계선 10이하를 보증하여야 한다.

특히, 산업사회로 접어들고 그에 따른 환경오염 및 각종 오염물의 규제 강화로 인하여 이러한 악취에 대한 설비의 필요성이 대두되고 있으며 환경법의 기준도 보다 강화되고 있는 실정이기 때문에 악취관리도 엄격한 규제의 대상이 되었다.

따라서 하수처리장 및 분뇨 처리장, 도축장, 인쇄/도장 등과 같은 악취가 심한 곳에 필히 이러한 기준이 적용이 되고 그 기준은 보다 까다롭게 될 것임이 분명하다. 현재 탈취 시스템은 이러한 기준에 맞는 처리 능력을 보유하지 못하고 있으며 더욱 획기적인 탈취 시스템의 필요성이 요구되고 있다.

현재 생활 주변의 공기 속에 함유되어 있는 악취를 처리하기 위한 기술로는 다양한 종류의 물리, 화학적 및 생물학적 방법들이 사용되고 있으며 그 대표적인 예로는 흡착법, 연소법, 촉매연소법, RTO, 약액세정법 및 미생물을 이용한 생물학적 처리법 등이 산업현장에서 적용되고 있다.

이처럼 종래의 탈취 기술 중에서, 초기투자비가 비교적 저렴한 흡착법은 활성탄의 미세한 기공의 활성탄 흡착능력을 이용한 것으로서 그 장치구조가 간단한 장점은 있으나 활성탄소모가 잦아 유지관리비가 증가할 뿐만 아니라, 고농도 암모니아의 제거효율이 떨어지는 문제점이 있다.

아울러, 물리·화학적 방법은 오염가스 제거 효율은 높지만 시설비, 연료비, 재료비 및 약품비 등과 같은 조업비가 많이 들고 동시에 2차적인 오염원(NOx, 폐수, 흡착제 재생시 발생 가스 등)이 발생하는 문제점이 있고 미생물을 이용한 생물학적 처리법은 물리·화학적 처리 방법에 비해 초기 비용이 적게 들고 2차 오염물의 발생이 없어서 경제적인 반면 미생물 관리 기술의 까다로움 등의 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로 각종 VOCs, 악취, 세균이 포함된 오염 공기를 상온에서 산화 분해하여 인체에 무해한 공기로 전환하여 배출하도록 한 플라즈마 흡착 탈취기를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 플라즈마 흡착 탈취기는 오염 공기와 오존 가스 및 과산화 수소를 공급받아 일정 시간동안 혼합하는 혼합기와, 상기 혼합기를 통해 오존 가스 및 과산화 수소가 혼합된 오염 공기를 공급받아 고온 가스 안정 글로우 방전에 의한 저온 플라즈마와 촉매 및 흡착제로 흡착 산화하여 상기 오염 공기내의 오염 물질을 제거하는 플라즈마 흡착 반응기와, 상기 플라즈마 흡착 반응기로부터 오염 물질이 제거된 공기를 공급받아 잔류하는 오염 가스를 포함하여 오존 가스와 과산화 수소를 제거하는 흡착 필터기와, 상기 흡착 필터기로부터 정화된 공기를 배출하는 송풍기를 포함하여 구성되고, 상기 플라즈마 흡착 반응기는 고온 가스 안정 글로우 방전 반응기, 히터, 광촉매 필터, 흡착 필터층이 순차적으로 배열되어 있고, 상기 흡착 필터기는 일정한 간격으로 복수의 필터가 배열되어 구성되고, 상기 흡착 필터기는 알루미늄 실리케이트 지오라이트 흡착 필터와 망간 산화물을 함유하는 오존 분해 촉매 필터로 이루어지며, 상기 고온 가스 안정 글로우 방전 반응기는 (+) 및 (-) 전원이 각각 인가되는 두 개 이상의 전극 사이에 가스를 통과시켜 저온 플라즈마를 발생하는 것을 특징으로 한다.

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본 발명에 의한 플라즈마 흡착 탈취기는 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 휘발성 유기화합물, 악취 및 세균이 함유된 오염 공기는 플라즈마, 오존 가스 및 과산화 수소에 의해 생성된 전자, 이온, 활성원자, 분자, 자외선, OH라디칼을 포함한 활성입자를 광촉매 및 흡착제와 접촉시켜 효율적으로 탈취, 살균시킬 수 있다.

둘째, 오존 가스는 기체상에서 오염 공기와 반응성이 낮지만 플라즈마와 오존 흡착제를 이용해서 상온에서도 획기적으로 반응성을 늘려 고효율의 탈취, 살균 효과를 냄과 함께 설치 비용을 줄일 수 있다.

셋째, 탈취 살균하는데 기계적 필터를 사용하지 않고 오존 가스 및 플라즈마에서 형성된 활성입자와 저온의 촉매 흡착 화학반응에 의해서만 이루어지기 때문에 장비의 소형화 및 소모되는 에너지를 절감할 수 있다.

넷째, 탈취 시스템이 오직 전기적으로 조작이 되고 발생장치 구조가 단순하며 운전 조작을 용이하게 할 수 있다.

다섯째, 플라즈마 반응로를 나온 미량의 잔류 오존 가스 및 질소산화물(NOx)은 복합 흡착제를 거치면서 잔류 오염물질이 제거되고 오존은 산소로 전환되어 처리 정화된 가스는 순환해서 사용할 수 있기 때문에 에너지 절약과 대기 오염방지를 동시에 이룰 수 있다.

도 1은 본 발명에 의한 플라즈마 흡착 탈취기를 개략적으로 나타낸 블록도
도 2는 본 발명에 의한 플라즈마 흡착 탈취기를 개략적으로 나타낸 구성도
도 3은 도 2의 플라즈마 흡착 반응기 중에서 글로우 방전 반응을 설명하기 위한 평면도
도 4 및 도 5는 도 2의 플라즈마 흡착 반응기 중에서 글로우 방전 반응을 설명하기 위한 정면도
도 6은 본 발명에 의한 플라즈마 흡착 탈취기의 탈취방법을 개략적으로 나타낸 순서도

이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 흡착 탈취기 및 탈취방법을 첨부된 도면을 참고하여 상세히 설명한다. 첨부된 도면은 본 발명의 예시적인 형태를 도시한 것으로, 이는 본 발명을 보다 상세히 설명하기 위해 제공되는 것일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적인 범위가 한정되는 것은 아니다.

또한, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응되는 구성요소는 동일한 참조번호를 부여하고 이에 대한 중복 설명은 생략하기로 하며, 설명의 편의를 위하여 도시된 각 구성 부재의 크기 및 형상은 과장되거나 축소될 수 있다.

도 1은 본 발명에 의한 플라즈마 흡착 탈취기를 개략적으로 나타낸 블록도이고, 도 2는 본 발명에 의한 플라즈마 흡착 탈취기를 개략적으로 나타낸 구성도이다.

또한, 도 3은 도 2의 플라즈마 흡착 반응기 중에서 글로우 방전 반응을 설명하기 위한 평면도이고, 도 4 및 도 5는 도 2의 플라즈마 흡착 반응기 중에서 글로우 방전 반응을 설명하기 위한 정면도이다.

본 발명에 의한 플라즈마 흡착 탈취기는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, VOCs, 악취, 세균이 포함된 오염 공기를 공급받아 전처리를 통해 오염 공기내에 함유된 분진, 수분, 유분 등을 제거하는 전처리 필터기(100)와, 상기 전처리 필터기(100)로부터 전처리된 오염 공기와 외부로부터 유입되는 오존 가스 및 과산화 수소를 공급받아 일정 시간동안 혼합하는 혼합기(200)와, 상기 혼합기(200)를 통해 오존 가스 및 과산화 수소가 혼합된 오염 공기를 공급받아 플라즈마와 촉매로 산화하여 상기 오염 공기내에의 오염물질을 제거하는 플라즈마 흡착 반응기(300)와, 상기 플라즈마 흡착 반응기(300)로부터 각종 오염 물질이 제거된 공기를 공급받아 잔류하는 오염 물질을 포함하여 오존 가스와 과산화 수소를 제거하는 흡착 필터기(400)와, 상기 흡착 필터기(400)로부터 오염 물질이 제거되어 정화된 공기를 외부로 배출하는 송풍기(500)를 포함하여 구성되어 있다.

여기서, 상기 전처리 필터기(100)는 오염 공기속에 함유된 분진, 수분, 유분 등은 전처리를 통해 일차적으로 일부 제거되는데, 전처리 장비로는 전기 집진기, 원심 분리기, 소수성 필터, 유수분리기 등이 사용된다.

상기 혼합기(200)는 부식성 가스에 견딜 수 있는 플라스틱이나 금속으로 만들어진 원통 또는 사각 배관형 박스 형태로 구성된다. 상기 혼합기(200)의 내부는 복수의 다공성 타공판으로 이루어진 선반(210)과 장애 격벽(220)으로 구획되어 있다. 여기서, 상기 선반(210)은 처리 가스 유량 및 압력 손실이 최적이 되도록 플라스틱, 세라믹 또는 비부식성 금속으로 형성된 디미스트로 구성되고, 상기 장애 격벽(220)은 비부식성 금속판으로 구성된다.

상기 혼합기(200)의 내부로 유입된 오염 공기는 상기 혼합기(200)의 외부로부터 공급되는 오존 가스 및 과산화 수소와 혼합되어 충분한 접촉시간을 갖도록 한다.

상기 혼합기(200)에 유입되는 오존 가스는 외부의 공기로부터 오존을 발생하는 오존 발생기(211)와 플라스틱(예를 들면, 테플론) 배관을 통해 연결되고, 상기 오존 발생기(211)는 DBD(Dielectric barrier discharge) 방식인 연면방전(Surface discharge)을 이용한 고순도 세라믹판에 텅스텐 전극을 코팅하여 방수 처리가 되어 있다.

상기 오존 발생기(211)는 직사각형의 얇은 세라믹 표면과 내부에 텅스텐 전극을 심어진 것으로, 상기 오존 발생기(211)에서 발생되는 오존 가스는 세라믹 표면전극에서 공기 중 산소가 이온화되면서 생성된다. 한편, 상기 혼합기(200) 내부로 공급되는 오존 가스량은 시간당 최대 100g이고, 상기 오존 발생기(211)에서 발생된 오존 가스는 정화될 오염 공기의 용량, 초기 오존 농도에 따라 적절한 용량이 결정된다.

상기 혼합기(200)의 공급되는 과산화 수소(H₂O₂)는 상기 혼합기(200)의 일측면에 구성된 과산화 수소 발생기(212)에서 초음파에 의해 1 마이크로 크기의 미세 물방울 형태로 투입된다. 이때 상기 혼합기(200)의 내부로 공급되는 과산화 수소의 공급 용량은 오염가스 초기 농도 및 오존 발생량을 고려한 뒤 오염 가스가 산화되는 적절한 농도가 결정되고 이에 따라 용액 탱크 크기도 결정된다.

상기 플라즈마 흡착 반응기(300)는 분진 여과기(310), 일정한 간격을 갖고 배치되는 글로우 방전 반응기(320), 상기 글로우 방전 반응기(320) 사이에 배치되는 광촉매(330) 및 흡착 필터층(340)을 포함하여 이루어진다.

상기 저온 플라즈마 발생기(320)는 산업용 대용량 탈취기에 적합한 고속 가스 안정화 글로우 방전(high-velocity gas-stabilized glow discharge)에 의한 저온 플라즈마 발생장치이다.

상기 플라즈마 발생의 핵심인 고속 안정화 글로우 방전의 원리를 도 3 내지 도 5를 통해 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

즉, 상기 글로우 방전 반응기(320)는 도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 고속 안정화 글로우 방전은 중앙에 배치되는 플로우팅 전극(321)과 일정한 간격을 갖고 배치되는 (+) 전극(323)과 (-) 전극(325) 사이에서 교류 또는 직류의 고전압, 저전류를 부과한 후 (+) 전극(323)과 (-) 전극(325) 및 플로우팅 전극(321) 사이로 고속(8m/s 이상)의 가스를 통과시키면 저온 플라즈마의 특성인 글로우 방전이 형성되는 데 이 같은 글로우 방전을 고속 안정화 글로우 방전이라고 칭한다.

한편, 상기 글로우 방전 반응기(320)에서 글로우 방전 전압, 전류 변화를 적게 하기 위하여 전극의 글로우-접촉점은 날카로운 각을 가진 바늘, 봉 형태를 가지게 하여 글로우 방전이 안정되게 한다.

상기 (+) 전극(323)과 (-) 전극(325) 및 플로우팅 전극(321)의 재질은 비부식성 금속으로 형성되고, 상기 (+) 전극(323)과 (-) 전극(325) 및 플로우팅 전극(321) 간의 길이는 사용되는 글로우 방전 전압에 따라 변하지만 1~5㎜가 적절하다.

상기 (+) 전극(323)과 (-) 전극(325) 사이에서 고속 안정화 글로우 방전을 발생시키기 위하여 적절한 크기의 노즐(327)이 각각의 글로우-방전점 전단에 설치된다.

상기 (+) 전극(323)과 (-) 전극(325)에 인가되는 전원은 직류 또는 교류 전원이 사용된다. 상기 (+) 전극(323)과 (-) 전극(325)은 세라믹 애자로 방전관과 절연시킨다. 글로우 방전 접촉점 이외의 전극판과 스텐 방전관 내부는 TiO₂-광촉매 용액으로 코팅된다. 공급되는 글로우 방전 전압 및 전류의 용량은 글로우 방전 온도, 오존 발생량 및 처리 가스 용량에 따라 가변 되지만, 본 발명에 사용되는 전원은 오염 공기 가열온도가 2℃ 미만이 되게 제한할 경우 글로우 방전 전압 3,000~20,000볼트, 글로우 방전 전류 5~800mA, 주파수 60~30,0000Hz를 사용한다.

상기 글로우 방전 반응기(320)는 비부식성 금속으로 형성되며, 글로우 방전에 의한 플라즈마 발생 부분과 함께 히터(329)와 흡착 필터층(340)을 포함한다. 플라즈마 발생부는 다수의 글로우 방전 반응기를 포함하는 다수의 트레이 단으로 구성된다. 반응로 크기는 오염 공기의 처리용량, 오염물질의 초기 농도 등에 따라 글로우 방전 반응기 수량과 트레이 단수와 흡착제 질량이 결정된다. 상기 글로우 방전 반응기의 방전극 및 이를 에워싸는 방전관 전체 내부는 TiO₂광촉매(330)로 코팅 되어있다.

상기 흡착 필터층(340)의 재생에 도움을 주는 히터(329)는 글로우 방전 반응기(320) 후단 또는 흡착 필터층(340) 내부에 설치한다. 상기 히터(329)는 전기 전도성에 따라 전기 저항 히터나 고압전원을 사용할 수 있고, 그 용량은 가열된 오염 공기의 온도가 평균 10℃ 이하가 되게 설계된다.

상기 흡착 필터층(340)은 광촉매필터 메시망과 흡착필터로 구성된다. 광촉매 필터 메시망은 알루미늄 타공판에 TiO₂용액을 코팅한 것이고, 흡착필터는 오존과 오염 공기를 동시에 흡착할 수 있는 재질이다. 일반적으로 흡착제의 선택 기준은 오염 공기의 특성에 따라 기공 사이즈, 공간 속도 등에 따라 가변될 수 있다.

상기 흡착제의 주기능은 글로우 방전 반응기(320)를 거친 산화 정화된 가스, 미처리된 오염가스, 잔류 오존 가스 및 과산화 수소를 포함하여 NOx 등은 상대적으로 저온(일반적으로 70℃ 미만)에서 작동하며 동시에 라디컬과 오염가스의 접촉시간을 증가시키는 것이다.

흡착제 원료로는 주로 흡착 기공이 큰 지오라이트 또는 고농도 실리카를 함유하는 알루미늄 실리케이트 흡착제나, 저가 금속을 함유하는 금속산화물 촉매도 이용되고 있다. 사용되는 흡착제량은 오염 공기의 특성에 따라 가변되지만 일반적으로 흡착제 공간 속도는 6,000~50,000/hr(평균 30,000/hr)이다.

상기 글로우 방전 반응기(320)를 통과한 배출 가스속에 아직 잔류하는 오존, 과산화 수소, 미세 먼지 등이 포함된 미반응 오염 공기는 일정한 간격을 갖는 다수의 흡착 필터층으로 이루어진 흡착 필터기(400)에 투입된다. 상기 흡착 필터기(400)를 구성하는 첫번째 흡착 필터층에는 상기 플라즈마 흡착 반응기(300)에 사용된 흡착 필터층(340)과 같은 성분의 알루미늄 실리케이트 지오라이트 흡착필터를 사용하고 두번째의 흡착 필터층에는 상온에서 오존을 분해할 수 있는 망간산화물을 함유하는 오존 분해 촉매로 구성되어 있다. 사용되는 흡착제량은 흡착제 공간 속도가 6,000~15,000/hr(평균 10,000/hr)이 되게 결정한다.

상기 흡착 필터기(400)를 통과한 정화된 공기는 송풍기(500)에 의해 이송되어 외부로 배출된다.

최종 배출가스 출구의 오존 농도는 오존 발생기 발생량(5-100g/hr)에 관계없이 항상 0.05ppm이하가 되는데, 이는 오존 발생량, 글로우 방전 발생 장치, 흡착필터층(340), 흡착 필터기(400), 송풍기(500)의 가스 유량 조절에 의해서 이루어진다.

한편, 상기 플라즈마 흡착 반응기(300) 및 흡착 필터기(400)는 서로 분리된 형태로 구성하거나 하나의 케이스에 함께 수납하여 구성할 수도 있다.

뿐만 아니라 상기 흡착 필터기(400)는 약 6개월 주기로 교환을 시켜줘야 하는데, 상기 플라즈마 흡착 반응기(300) 및 흡착 필터기(400)가 수납된 케이스의 일측면에 입력단과 출력단 사이를 연결하는 배관 라인(600)을 구성하고, 상기 배관 라인(600)에 각각 밸브(610)를 부착하여 선택적으로 밸브(610)를 open 또는 closed하여 상기 흡착 필터기(400)를 교환할 수가 있다.

경우에 따라서는 상기 흡착 필터기(400)의 수명을 6개월 이상 연장 사용할 수 있다. 이 경우 상기 케이스의 내부에 오염 공기를 차단하고 오존, 과산화수소 및 깨끗한 공기를 주입하여 플라즈마 반응종을 발생하여 재순환시켜 흡착 필터기(400)를 재생함으로써 그 수명을 한층더 연장시킬 수도 있다.

이하, 상기와 같은 구성을 가진 본 발명에 따른 플라즈마 흡착 탈취기의 탈취방법을 설명하면 다음과 같다.

도 6은 본 발명에 의한 플라즈마 흡착 탈취기의 탈취방법을 개략적으로 나타낸 순서도이다.

본 발명에 의한 플라즈마 흡착 탈취기의 탈취방법은 도 6에 도시된 바와 같이, 각종 휘발성 유기화합물, 악취 및 세균이 함유된 오염 공기를 유입받아 전처리를 통해 상기 오염 공기내에 함유된 분진, 수분, 유분 등을 제거한다(S110).

상기 전처리된 오염 공기에 오존 가스 및 과산화 수소를 공급하여 일정 시간동안 혼합한다(S120). 이때 상기 오염 공기와 오존 및 과산화 수소는 혼합기(200)에서 일정 시간동안 혼합되면서 오존 가스의 산화 분해 반응에 의해 오염 공기 중 일부가 정화된다.

그 이유는 일반적으로 오존 가스는 상온에서 오염물질과 직접 산화 반응하므로 긴 접촉시간(15초~16시간)이 필요하지만, 본 발명에 사용된 오염가스/오존 혼합기내의 가스 체류시간은 일반적으로 1초미만이기 때문이다. 따라서 상기 혼합기(200)의 주기능은 오존과 오염 공기를 잘 혼합시키는 것이다.

반면 상기 혼합기(200) 내에 공급되는 과산화 수소의 액상 입자는 오염 공기내의 유해 미생물울 살균하는 역할을 한다. 오존 가스 및 과산화 수소에 의해 제거되지 않은 잔류 오염 공기와 반응에 참여하지 않고 잔류하는 오존 가스 및 과산화 수소는 글로우 방전 반응기(320)에 투입된다.

이어서, 상기 오존 가스 및 과산화 수소가 혼합된 오염 공기를 플라즈마 흡착 반응기(300)내로 유입시켜 글로우 방전 및 광촉매로 산화시켜 상기 오염 공기내에 함유된 오염 물질을 제거한다(S130).

상기 플라즈마 흡착 반응기(300)를 구성하는 글로우 방전 반응기(320)의 두 전극(323,325) 사이에서 형성되는 고전압 및 저전류의 저온 아크방전 영역에서 발생되는 고에너지 전자들은 잔류 오존, 과산화수소, 오염 공기내의 산소와 수분을 분해 이온화시켜 다양한 플라즈마-반응종(plasma reactive species)을 형성시키고 이들 반응종 가운데 강력한 산화 환원력을 가진 산소원자, 질소원자, 수소원자, 수산화 라디칼(OH radical)은 오염 공기내의 오염물질을 순간적으로 산화 중화시켜 무해한 물질로 전환시킨다.

상기 글로우 방전 자체에서 생성되는 오존 및 NOx(질화 산화물)은 글로우 방전 전류, 전압 및 주파수를 조정하여 배출되는 오존 가스 및 NOx의 농도를 조절하는데, 예를 들면, 오존 가스는 0.05ppm, NOx는 3ppm이하로 조정할 수 있다. 글로우 방전에서 발생되는 오존 및 활성 산소는 처리할 오염 공기내의 수분과 반응해서 강력한 산화제인 OH 라디컬(radical)을 발생시킨다. 동시에 글로우 방전에서 발산되는 특정 파형의 자외선이 전극 및 반응로 내벽에 코팅된 광촉매 물질과 벌집 모양의 광촉매 필터(330)에 조사될 때 발생되는 전자 및 양자 에너지는 주위의 산소 원자 및 수분과 반응하여 강력한 산화력을 갖는 OH 라디컬을 생산하는데 기여한다.

공기 중에서 OH 라디컬의 수명은 약 1 초 미만이지만 산화력은 오존보다 10배 이상이기 때문에 유입되는 잔류 오염 공기 속에 포함된 악취, 세균, 곰팡이 및 다양한 오염 물질들은 OH 라디컬에 의해 상온, 짧은 반응시간에서도 쉽게 산화되어 무해한 산화 생성물(Oxygenated compounds)로 전환되고 이들 중 일부는 CO₂와 H₂O로 전환되기도 한다.

따라서 본 발명의 원리를 사용할 경우 악취, VOCs및 세균 파괴 경로는 다음과 같은 반응식에 의해 진행된다.

1. 오존 산화

(악취, VOCs 및 세균) +H₂O + O₃ = Oxygenated compounds, H₂O, CO₂, O₂, N₂

2. 플라즈마 고온 연소

(악취, VOCs 및 세균) + 글로우 방전 + O₂ = Oxygenated compounds, H₂O, CO₂, O₂, N₂

3. OH*라디컬 산화

(악취, VOCs 및 세균) + 글로우 방전 + OH* = Oxygenated compounds, H₂O, CO₂, O₂, N₂

4. 오존/과산화수소/수분/자외선 산화

(악취, VOCs 및 세균) + H₂O₂ + O₃ = Oxygenated compounds, H₂O, CO₂, O₂, N₂

상기 플라즈마 흡착 반응기(300)를 거치면서 오존 가스는 순간적으로 분해된다.

이어서, 상기 플라즈마 흡착 반응기(300)에서 오염 물질이 제거되고 잔류하는 오염 물질 및 오존 가스, NOx 및 오염가스는 상대적으로 저온(100℃ 미만)에서 작동하며 동시에 오존과 오염 공기의 오염물질을 알루미늄 실리케이트 흡착제와 접촉시키는 다수의 흡착 필터기(400)를 통과시켜 제거한다(S140).

여기서, 알루미늄 실리케이트, 침탄활성탄, 지오라이트, 산화망간 등으로 구성되는 흡착 필터기(400)에 흡착된 오존 및 오염 공기의 농도는 기체상에서 존재하는 오존 및 오염가스의 농도보다 최소 10배이다. 그 결과 오염물질 제거 반응속도는 100배 이상이 되어 사용되는 흡착제량을 획기적으로 줄일 수 있다. 동시에 흡착 필터기(400)는 플라즈마-반응종에 의해 지속적으로 접촉되어 재생되기 때문에 흡착제의 수명을 획기적으로 연장할 수 있다.

사용된 오존 및 산화 라디컬은 산소로 돌아가고 이외의 수명이 긴 활성 라디컬(예를 들면, NO₂), 과산화수소는 산화되어 수분과 반응해서 미량의 질산으로 전환되어 촉매 표면에 흡착되면서 처리된다.

이어서, 상기 흡착 필터기(400)를 거친 정화된 공기를 송풍기(500)를 사용하여 대기로 배출한다(S150). 상기 송풍기(500)를 통해 배출되는 공기의 오염도(VOC, 오존)를 측정해서 환경규제치 이하로 정화된 배출가스는 실내로 순환시켜서 실내 오염가스와 빨리 혼합 희석시키든가 아니면 대기중으로 방출시킬 수 있다. 이때 배출 공기 속의 오존농도는 오존 발생기(211)의 용량과 플라즈마 글로우 방전 반응로 용량, 사용되는 복합 흡착제 종류에 따라 조절될 수 있다.

한편, 이상에서 설명한 본 발명은 상술한 실시 예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 종래의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

100 : 전처리 필터기 200 : 혼합기
300 : 플라즈마 흡착 반응기 400 : 흡착 필터기
500 : 송풍기

Claims (15)

1. 오염 공기와 오존 가스 및 과산화 수소를 공급받아 일정 시간동안 혼합하는 혼합기와,
   상기 혼합기를 통해 오존 가스 및 과산화 수소가 혼합된 오염 공기를 공급받아 고온 가스 안정 글로우 방전에 의한 저온 플라즈마와 촉매 및 흡착제로 흡착 산화하여 상기 오염 공기내의 오염 물질을 제거하는 플라즈마 흡착 반응기와,
   상기 플라즈마 흡착 반응기로부터 오염 물질이 제거된 공기를 공급받아 잔류하는 오염 가스를 포함하여 오존 가스와 과산화 수소를 제거하는 흡착 필터기와,
   상기 흡착 필터기로부터 정화된 공기를 배출하는 송풍기를 포함하여 구성되고,
   상기 플라즈마 흡착 반응기는 고온 가스 안정 글로우 방전 반응기, 히터, 광촉매 필터, 흡착 필터층이 순차적으로 배열되어 있고,
   상기 흡착 필터기는 일정한 간격으로 복수의 필터가 배열되어 구성되고,
   상기 흡착 필터기는 알루미늄 실리케이트 지오라이트 흡착 필터와 망간 산화물을 함유하는 오존 분해 촉매 필터로 이루어지며,
   상기 고온 가스 안정 글로우 방전 반응기는 (+) 및 (-) 전원이 각각 인가되는 두 개 이상의 전극 사이에 가스를 통과시켜 저온 플라즈마를 발생하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 흡착 탈취기.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 혼합기의 전단에 구성되어 상기 오염 공기를 공급받아 전처리를 통해 오염 공기내에 함유된 미세 입자를 제거하는 전처리 필터기를 더 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 플라즈마 흡착 탈취기.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 혼합기는 내부에 복수개의 다공성-타공판으로 이루어진 선반과 장애 장벽을 구비한 것을 특징으로 하는 플라즈마 흡착 탈취기.
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7. 제 1 항에 있어서, 상기 히터는 상기 글로우 방전 반응기의 후단 또는 흡착 필터층의 내부에 구성하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 흡착 탈취기.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 흡착 필터층은 광촉매 필터 메시망과 흡착 필터로 구성되고, 상기 광촉매 필터 메시망은 알루미늄 타공판에 TiO₂ 용액을 코팅한 재질이고, 상기 흡착 필터는 오존과 오염 가스를 동시에 흡착하는 재질을 사용하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 흡착 탈취기.
9. 제 1 항에 있어서, 상기 혼합기내에 투입되는 오존 가스는 시간당 최대 100g이고, 상기 과산화 수소는 초음파에 의해 1마이크로 크기의 미세 물방울 형태로 상기 혼합기에 투입되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 흡착 탈취기.
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