KR101581398B1 - 공기 정화 장치 - Google Patents

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도모히코 히구치
배은영
기요시 야마모토
웬 하오 장
겐이치로 우치무라
다카히로 도케
히로시 요시나가
히데아키 나가요시
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Abstract

공기 흡입구(17) 및 공기 배출구(18)를 가지는 함체(函體)(11)와, 함체(11) 내에 설치되고, 흡착제 및 적어도 한쪽 면 측에 부착되는 광 촉매를 가지는 판재(13)를 구비하는 공기 정화 장치(10)에 있어서, 함체(11)가 광 인입창(14)을 가지고, 판재(13)는, 한쪽 면 측이 광 인입창(14)과 대향하고, 또한 공기 흡입구(17)와 공기 배출구(18)의 사이에 형성되는 공기 유통 경로를 따라 설치되어 있다. 이에 따라, 우수한 정화 성능을 가지고, 러닝 코스트를 억제할 수 있는 공기 정화 장치(10)를 제공한다.

Description

공기 정화 장치{AIR PURIFYING DEVICE}
본 발명은, 광 촉매의 기능에 의해 공기를 정화하는 공기 정화 장치에 관한 것이다.
산화 티탄을 비롯한 광 촉매는, 광이 조사(照射)되는 것에 의해 유기물의 분해 기능 등을 발현한다. 광 촉매의 이 기능을 이용한 다양한 제품이 많이 제안되어 있다. 이들 제품 중에서도, 특히 공기 중의 취기(臭氣)(유기물) 성분을 광 촉매에 의해 분해하고, 공기를 정화하는 디바이스나 필터의 개발이 활발히 행해지고 있다. 이와 같은 것으로서는, 예를 들면, 광 촉매를 흡착제와 조합함으로써 탈취 속도를 향상시키는 것이나(특허 문헌 1 참조), 광 촉매와 제올라이트를 조합함으로써 에틸렌의 분해 속도를 향상시키는 것(특허 문헌 2 참조)이 제안되어 있다.
일본공개특허 평1-189322호 공보 일본공개특허 평7-16473호 공보
그러나, 종래의 공기 정화 장치는, 광 촉매가 부착되어 있는 기재(基材)로 공기를 통과시키는 구조를 가지므로, 많은 촉매를 기재에 부착시킬 수 없으므로, 정화 성능이 불충분하였다. 또한, 블랙라이트 등의 광원을 사용하여 광 촉매의 기능을 발현시키고 있으므로, 러닝 코스트(running cost)의 며에서 개량이 요구되고 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것이며, 우수한 정화 성능을 가지고, 러닝 코스트를 억제할 수 있는 공기 정화 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적에 따른 본 발명에 관한 공기 정화 장치는, 공기 흡입구 및 공기 배출구를 가지는 함체(函體), 및
상기 함체 내에 설치되고, 흡착제 및 적어도 한쪽 면 측에 부착되는 광 촉매를 가지는 판재
를 구비하는 공기 정화 장치에 있어서,
상기 함체가 광 인입창을 가지고,
상기 판재는, 상기 한쪽 면 측이 상기 광 인입창과 대향하고, 또한 상기 공기 흡입구와 상기 공기 배출구의 사이에 형성되는 공기 유통 경로를 따라 설치되어 있다.
본 발명에 관한 공기 정화 장치에 의하면, 판재가 흡착제 및 광 촉매를 가지므로, 배기 가스 등의 공기에 포함되는 유기물 등을 흡착시키면서, 광 촉매에 의해 분해할 수 있다. 특히, 판재가 공기 유통 경로를 따라 설치되어 있는, 즉 정화되는 공기는 이 판재를 따라 유통하는 구조로 되어 있으므로, 충분한 양의 광 촉매가 부착된 판재를 사용할 수 있어, 정화 성능을 높일 수 있다. 또한, 태양광을 받아들여 광 촉매의 기능을 발현시킬 수 있으므로, 러닝 코스트를 억제할 수 있다. 그리고, 「판재의 한쪽 면 측이 광 인입창과 대향한다」란, 광 인입창의 외측으로부터 판재를 본 경우, 이 판재의 한쪽 면 측이 육안으로 관찰할 수 있도록 배치되는 것을 말하며, 판재의 한쪽 면이 광 인입창에 대하여 평행하게 마주보고 있는 상태로 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 관한 공기 정화 장치에 있어서, 상기 판재가 공기 유통 방향에서 볼 때 파형 또는 지그재그형으로 설치되어 있는 것이 바람직하다. 이와 같이 함으로써, 판재로의 광의 조사 면적 및 유통하는 공기와의 접촉 면적을 모두 증가시킬 수 있어, 정화 성능을 더욱 높일 수 있다. 여기서, 「판재가 파형 또는 지그재그형으로 설치되어 있는」이란, 복수 장의 판이 파형 또는 지그재그형으로 설치되어 있는 것으로 한정되지 않고, 그 외에 1장의 파형 판 등이 그대로 설치되어 있는 것도 포함한다.
본 발명에 관한 공기 정화 장치에 있어서, 상기 함체가, 내면 측으로 노출되고, 상기 흡착제보다 비열이 작은 금속 부재를 가지는 것이 바람직하다. 본 발명에 관한 공기 정화 장치는, 통상, 태양광에 의해 작동시키기 때문에 옥외에 설치된다. 그러므로, 밤낮의 온도차 등에 의해 함체 내부에 결로가 생길 가능성이 높고, 이 결로가 흡착제에 흡착되어 흡착제 및 광 촉매의 기능이 저하되는 경우가 있다. 이에, 이와 같이 함체에 비열이 작은 금속 부재를 배치하여 둠으로써, 결로를 이 금속 부재 표면에 우선적으로 발생시켜, 판재로의 결로의 발생을 억제할 수 있다. 또한, 비열이 작은 금속제의 금속 부재를 가짐으로써, 아침 등의 기온의 상승이나 고온의 배기 가스 공급 시, 함체 내부의 온도 상승이 빨라지는 것에 의해 생긴 결로를 비교적 짧은 시간에 증발시킬 수 있다.
본 발명에 관한 공기 정화 장치에 있어서, 상기 금속 부재가, 상기 함체의 측판 및 바닥판 중 어느 한쪽 또는 양쪽인 것이 바람직하다. 이와 같이, 어느 정도의 크기를 가지는 측판 및/또는 바닥판을 금속 부재로 함으로써, 상기 작용을 효과적으로 발현시킬 수 있다.
본 발명에 관한 공기 정화 장치에 있어서, 상기 금속 부재가, 상기 판재를 고정시키는 고정 부재인 것도 바람직하다. 이와 같이 함으로써, 판재의 안정성이 높아지는 동시에, 전술한 작용을 충분히 발현시킬 수 있다.
본 발명에 관한 공기 정화 장치에 있어서, 상기 판재가, 상기 흡착제를 포함하는 기판을 가지고, 상기 광 촉매가 상기 기판의 한쪽 면 측으로의 도포 또는 용사(溶射)에 의해 상기 판재의 상기 한쪽 면 측에 부착되어 있는 것이 바람직하다. 이와 같이 하면, 기판에서의 다른쪽 면 측은, 흡착제는 충분히 존재하는 한편, 광 촉매의 부착이 없거나 또는 적어진다. 따라서, 결로 등이 생긴 경우에도, 기판의 다른쪽 면 측으로 우선적으로 수분이 흡착하여, 한쪽 면 측에 부착되어 있는 광 촉매에 대한 영향을 억제할 수 있다.
본 발명에 관한 공기 정화 장치에 있어서, 상기 흡착제가 소수성(疏水性)을 가지는 것이 바람직하다. 이와 같이 함으로써, 흡착제로의 수분의 흡착이 억제되어, 정화 성능을 높일 수 있다.
본 발명에 관한 공기 정화 장치에 있어서, 상기 함체가 경사지게 배치되는 것이 바람직하다. 이와 같이 함으로써, 태양광의 인입 효율을 높일 수 있다. 또한, 함체의 바닥판도 경사지므로, 바닥판 상에 발생한 결로를 효율적이고 또한 용이하게 함체 밖으로 배출할 수 있다.
본 발명에 관한 공기 정화 장치는, 높은 정화 성능을 가지고, 러닝 코스트를 억제할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 관한 공기 정화 장치의 모식적 평면도이다.
도 2는 도 1에서의 A-A 화살표를 따라 보았을 때의 모식적 단면도이다.
도 3은 상기 공기 정화 장치의 설치 상태를 나타낸 모식적 측면도이다.
도 4는 상기 공기 정화 장치의 제조에 사용되는 고속 용사 장치의 모식도이다.
이어서, 첨부한 도면을 참조하면서 본 발명을 구체화한 실시예에 대하여 설명한다. 도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 관한 공기 정화 장치(10)는, 함체(11), 및 함체(11) 내에 설치되는 3장의 칸막이판(12a∼12c), 및 흡착제와 광 촉매를 가지는 16장의 판재(13)를 주로 구비한다.
함체(11)는 대략 직육면체이며, 천정판이 되는 광 인입창(14), 4장의 측판(15a∼15d) 및 바닥판(16)을 가진다. 또한, 함체(11)는, 하나의 측판(15a)에 설치된 공기 흡입구(17)와 공기 배출구(18)를 가진다.
함체(11)의 사이즈는, 특별히 한정되지 않고, 설치하는 장소나 처리하는 공기(배기 가스 등)의 양 등에 따라 적절하게 설정할 수 있다. 예를 들면, 세로 50 cm∼2 m, 가로 1 m∼10 m, 높이 5 cm∼30 cm로 할 수 있다.
광 인입창(14)은, 투명 재료로 형성되어 있는 직사각형의 판상체이다. 광 인입창(14)의 재질로서는, 투명하며 또한 소정의 강도, 내구성(耐久性)을 가지는 것이면 특별히 한정되지 않으며, 예를 들면, 유리나, 아크릴 수지, PET 수지, 폴리올레핀 수지 등의 합성 수지 등이 있다.
4장의 측판(15a∼15d)은 직사각형의 판상체이며, 광 인입창(14)의 각각의 에지와 바닥판(16)의 각각의 에지를 연결하도록 각각 배치되어 있다. 측판(15a∼15d)의 재질은, 특별히 한정되지 않고, 또한 투명할 수도 있고 불투명할 수도 있다. 측판(15a∼15d)의 구체적인 재질로서는, 예를 들면, 금속, 세라믹스, 유리, 합성 수지, 목재 등이지만, 금속이 바람직하고, 판재(13)가 가지는 흡착제보다 비열이 작은 금속이 더욱 바람직하다. 측판(15a∼15d)에 이와 같은 금속 부재를 사용함으로써, 야간 등에 결로를 이 측판(15a∼15d)의 표면에 우선적으로 발생시켜, 판재(13)로의 결로의 발생을 억제할 수 있다. 또한, 비열이 작은 금속제의 측판(15a∼15d)을 가짐으로써, 아침 등의 기온의 상승이나 고온의 배기 가스의 공급 시에, 함체(11) 내부의 온도 상승이 빨라져서 생긴 결로를 비교적 짧은 시간에 증발시킬 수 있다.
측판(15a∼15d)에 사용되는 금속 부재로서는, 철, 알루미늄, 동, 티탄 또는 이들의 합금(스테인레스강, 갈바륨강 등)을 예로 들 수 있다. 또한, 이 금속 부재는, 부식 방지를 위해 도금이나 수지의 도포 등의 표면 처리가 행해져 있어도 된다.
하나의 측판(15a)의 양단 부분에는, 공기(배기 가스 등)를 함체(11) 내에 흡입하는 공기 흡입구(17)와, 일단 흡입된 이 공기를 함체(11) 밖으로 배출하는 공기 배출구(18)가 설치되어 있다. 공기 흡입구(17)는, 공장의 배기 가스용 덕트(duct)(24)와 연결되어 있다. 이 공기 흡입구(17)는, 흡입하는 공기의 양을 조정하기 위한 유량 조정 밸브가 포함하고 있어도 된다. 공기 배출구(18)는, 바닥판(16) 측(도 1에서의 이면측(裏面側))이 개구되어, 대략 아래 방향으로 공기가 배출되도록 형성되어 있다.
바닥판(16)은, 광 인입창(14)(천정판)과 대향 배치되고, 광 인입창(14)과 동일 형상(직사각형)의 판상체이다. 바닥판(16)의 재질로서는, 예를 들면, 금속, 세라믹스, 유리, 합성 수지, 목재 등이 있지만, 측판(15a∼15d)과 동일한 이유로, 금속이 바람직하고, 판재(13)가 가지는 흡착제보다 비열이 작은 금속이 더욱 바람직하다. 바닥판(16)에 사용되는 금속 부재로서는, 철, 알루미늄, 동, 티탄 또는 이들의 합금(스테인레스강, 갈바륨강 등)을 예로 들 수 있다. 또한, 이 금속 부재는, 부식 방지를 위해 도금이나 수지의 도포 등의 표면 처리가 행해져 있어도 된다.
바닥판(16)의 내측 표면에 있어서 측판(15d)이 적층되어 있는 부분(도 3에 나타낸 바와 같이 경사지게 배치했을 때의 하단 에지 부분 )에는, 대략 등 간격으로 복수의 드레인 홈이 형성되어 있다. 이 드레인 홈과 측판(15d)의 바닥면에서 드레인 구멍이 형성되고, 경사지게 배치했을 때 바닥판(16)의 내측 표면에 생기는 결로를 계외(함체(11)의 밖)로 배출할 수 있다.
바닥판(16)의 내측 표면의 전체면에는, 1 또는 복수의 미세한 홈이 형성되어 있어도 된다. 이 홈은, 결로의 유통로로서 기능할 수 있다. 이 홈은, 전술한 드레인 홈과 일체로 형성되어 있어도 된다. 바닥판(16)이 이와 같이 내측 표면의 전체면에 홈을 가짐으로써, 바닥판(16)의 표면에 생긴 결로를 이 홈을 통해 계외(함체(11)의 밖)로 효율적으로 배출할 수 있다. 이 홈은, 예를 들면, 함체(11)의 경사 방향(폭 방향)과 동일하거나 또는 경사지게 하여 형성할 수 있다.
3장의 칸막이판(12a∼12c)은, 함체(11)의 길이 방향을 따라(하나의 측판(15a)에 대하여 수직인 방향으로) 서로 평행하게 또한 등 간격으로 설치되어 있다. 또한, 칸막이판(12a∼12c)은, 바닥판(16)에 대하여 수직으로 설치되어 있다. 칸막이판(12a∼12c)의 길이는, 바닥판(16)의 길이 방향의 길이보다 약간 짧아져 있다. 칸막이판(12a 및 12c)은, 측판(15a)과 연결되고, 측판(15a)에 대향하는 위치에 있는 측판(15c)과는 연결되지 않도록 설치된다. 또한, 칸막이판(12b)은, 측판(15a)과는 연결되지 않고, 측판(15a)에 대향하는 위치에 있는 측판(15c)과 연결하도록 설치된다. 이와 같이 칸막이판(12a∼12c)이 설치됨으로써, 공기 흡입구(17)로부터 흡입되는 공기가, 함체(11) 내에 있어서, 측판(15a과 15c)의 사이를 왕복하도록 지그재그로 유통하고, 최종적으로 공기 배출구(18)로부터 배출되도록 공기 유통 경로가 형성된다.
칸막이판(12a∼12c)의 두께는 특별히 한정되지 않고, 예를 들면, 3 ㎜ 이상 3 cm 이하 정도로 할 수 있다. 또한, 칸막이판(12a∼12c)의 높이는, 함체(11)의 광 인입창(14)과 바닥판(16)에 함께 접촉될 수 있는 높이로 되어 있다. 즉, 칸막이판(12a∼12c)의 높이는, 함체(11)의 측판(15a∼15d)의 높이와 같다.
칸막이판(12a∼12c)의 재질은, 특별히 제한되지 않고, 금속, 세라믹스, 유리, 합성 수지, 목재 등을 예로 들 수 있다. 그리고, 측판(15a∼15d)과 동일한 이유로, 금속제로 할 수 있다. 또한, 흡착제 및/또는 광 촉매를 가지는 칸막이판으로 해도 된다. 흡착제 및/또는 광 촉매를 가지는 칸막이판으로서는, 후술하는 판재(13)와 동일한 판재 등을 사용할 수 있다.
각 판재(13)는, 흡착제 및 광 촉매를 가지지만, 이 광 촉매는 적어도 한쪽 면 측에 부착되어 있다. 각 판재(13)는, 함체(11)의 길이 방향을 따라, 즉 칸막이판(12a∼12c)과 평행하게 설치되어 있다. 이와 같이 설치됨으로써, 판재(13)는, 각각 함체(11)와 칸막이판(12a∼12c)에 의해 형성되는 공기 유통 경로를 따라(평행하게) 설치된다. 판재(13)는, 측판(15b)과 칸막이판(12a)의 사이, 칸막이판(12a)과 칸막이판(12b)의 사이, 칸막이판(12b)과 칸막이판(12c)의 사이, 및 칸막이판(12c)과 측판(15d)의 사이에 각각 4장씩 배치되어 있다. 각각 4장의 판재(13)는, 2장씩으로 산(능선)을 형성하도록 배치되어 있다. 이와 같이 함으로써, 복수의 판재(13)가 공기 유통 방향에서 볼 때(함체(11)에서의 길이 방향에서 볼 때, 도 2의 단면 형상) 지그재그형으로 설치된다. 또한, 광 촉매가 부착되어 있는 한쪽 면 측이 광 인입창(14)(천정판)과 대향하도록(한쪽 면이 도 1에서의 표면측 및 도 2에서의 상측이 되도록) 배치되어 있다.
측판(15b)과 칸막이판(12a)의 사이에 배치되는 판재(13)의 길이는, 칸막이판(12a∼12c)과 동일하며, 이들은 측판(15a)과 접하고, 또한 측판(15c)과 접하지 않도록 배치되어 있다. 칸막이판(12c)과 측판(15d)의 사이에 배치되는 판재(13)의 길이도, 칸막이판(12a∼12c)과 동일하며, 이들은 측판(15a)과 접하고, 또한 측판(15c)과 접하지 않도록 배치되어 있다. 또한, 칸막이판(12a)과 칸막이판(12b)의 사이, 및 칸막이판(12b)과 칸막이판(12c)의 사이에 배치되는 판재(13)의 길이는, 칸막이판(12a∼12c)보다 짧고, 이들은 측판(15a 및 15c)에 접하지 않도록 배치되어 있다.
판재(13)의 두께는, 특별히 제한되지 않고, 예를 들면, 1 ㎜ 이상 2 cm 이하로 할 수 있다.
판재(13)로서는, 유리, 세라믹스, 금속, 합성 수지 등으로 형성되어 있는 기판 중 적어도 한쪽 면 측에 흡착제 및 광 촉매를 부착시켜 형성한 것, 흡착제를 포함하는 기판 중 적어도 한쪽 면 측에 광 촉매를 부착시켜 형성한 것 등을 사용할 수 있지만, 후자(흡착제를 포함하는 기판을 가지고, 광 촉매가 이 기판의 한쪽 면 측에 부착되어 있는 것)가 바람직하다. 이와 같이 하면, 기판에서의 다른쪽 면 측은 흡착제는 충분히 존재하는 한편 광 촉매의 부착이 없거나 또는 적게 되어 있다. 따라서, 결로 등이 생긴 경우에도, 기판의 다른쪽 면 측에 우선적으로 수분이 흡착하여, 한쪽 면 측에 부착되어 있는 광 촉매에 대한 영향을 억제할 수 있다.
흡착제로서는, 활성탄, 실리카겔, 제올라이트 등의 공지의 것을 사용할 수 있지만, 이들 중에서도 제올라이트가 바람직하다. 제올라이트로서는, 예를 들면, 부피 비중이 0.6∼0.8 g/cm3, 비표면적이 200∼400 m2/g, 세공 직경이 5∼10 Å인 것을 사용할 수 있다.
또한, 흡착제로서는, 소수성을 가지는 것이 바람직하다. 이와 같이 함으로써, 흡착제로의 수분의 흡착이 억제되어, 정화 성능을 높일 수 있다. 소수성을 가지는 흡착제로서는, 실리카/알루미나 비가 높은 소수성 제올라이트(예를 들면, 도소사에서 제조한 HSZ 시리즈 등)나, 제올라이트 등의 흡착제에 대하여 발수제(撥水劑)에 의해 소수화(疏水化) 처리한 것 등을 사용할 수 있다. 발수제로서는, 메틸트리메톡시실란, 페닐트리에톡시실란 등의 알콕시 실란, 헥사메틸디실라잔 등의 실라잔 등을 예로 들 수 있다. 그리고, 흡착제를 포함하는 기판에 대하여, 이 발수제에 의해 소수화 처리를 행할 수도 있다.
흡착제를 포함하는 기판으로서는, 실리카겔이나 제올라이트 등의 흡착제만으로 이루어지는 기판이나, 실리카겔이나 제올라이트 등의 흡착제와 다른 무기 재료(시멘트, 펄라이트(pearlite) 등) 등을 포함하는 기판 등을 예로 들 수 있다. 그리고, 다른 무기 재료로서 시멘트를 포함하는 경우, 이 시멘트가 흡착제의 바인더로서 기능한다. 또한, 펄라이트를 포함하는 경우, 다공질성의 향상 및 경량화를 도모할 수 있다. 기판에서의 제올라이트 등의 흡착제의 함유량으로서는, 50 질량% 이상이 바람직하고, 70 질량% 이상이 더욱 바람직하다. 기판에서의 시멘트의 함유량으로서는, 5 질량% 이상 30 질량% 이하가 바람직하다. 시멘트 함유량이 5 질량% 미만인 경우는, 바인더 기능을 충분히 발휘할 수 없을 우려가 있다. 반대로, 시멘트 함유량이 30 질량%를 초과하는 경우에는, 흡착성 등이 저하될 우려가 있다. 기판에는, 또한 다른 성분, 예를 들면, 폐지 등이 함유되어 있어도 된다.
그리고, 이 기판은, 다공질형인 것이 바람직하다. 이와 같은 다공질형의 기판을 사용하면, 광 촉매가 부착되어 있지 않은 다른쪽 면 측에 흡착된 유기물을, 광 촉매가 부착되어 있는 한쪽 면 측으로부터 방출할 수 있어, 이 유기물의 분해를 효과적으로 행할 수 있다.
광 촉매로서는, 광 촉매 기능을 가지는 화합물인 한 특별히 한정되지 않고, 공지의 것을 사용할 수 있다. 여기서, 광 촉매 기능이란, 광 반도체 물질로서, 가전자대(價電子帶)와 전도대의 사이의 밴드 갭 에너지보다 큰 에너지를 가지는 광이 조사되었을 때, 가전자대의 전자가 여기(勵起)되어 전도대로 천이하여 여기 전자로 되고, 가전자대에 형성되는 정공과 여기 전자의 사이에서 전자-정공 쌍을 생성하여, 산화 환원 반응을 유도하는 기능을 의미한다. 이와 같은 화합물로서는, 예를 들면, 이산화 티탄, 산화 텅스텐, 산화 주석 등이 있지만, 이산화 티탄이 바람직하다. 이산화 티탄으로서는, 루틸형 결정 구조를 가지는 것이나, 아나타제형 결정 구조를 가지는 것 등이 있다.
그리고, 판재(13)로서는, 흡착제로서 제올라이트를 포함하는 다공질형의 기판에 대하여, 광 촉매로서 이산화 티탄을 용사 등에 의해 분산시켜 부착시킨 것이 바람직하다. 다공질형의 제올라이트에 분산 상태로 부착된 이산화 티탄은, 그 국소 구조와 전자 상태가 연속적으로 변화되므로, 광 촉매 활성이 향상된다.
광 촉매로서는, 가시광 응답성을 가지는 광 촉매인 것이 바람직하다. 이와 같이 가시광 응답성을 가지는 광 촉매를 사용함으로써, 정화 작용 시에 태양광을 더욱 효과적으로 활용할 수 있다.
가시광 응답성을 가지는 광 촉매란, 자외광 영역의 광에 뿐만 아니라, 가시광(360 ㎚∼830 ㎚) 영역의 광의 조사에 의해 촉매 활성을 발현하는 광 촉매를 말한다. 이와 같은 가시광 응답성 광 촉매로서는, (1) 이산화 티탄 결정 격자 중에, 질소, 탄소 및 유황 원자 중 어느 하나 이상을 도핑한 것이나, (2) 증감제를 담지한 광 촉매 등을 예로 들 수 있다.
상기 (1)의 가시광 응답성 광 촉매는, 공지의 제조 방법에 의해 얻을 수 있다. 예를 들면, 티오 요소 등의 유황원을 혼합한 티탄 알콕시드를 원료로 한 졸-겔 법에 의해 유황 도핑에 의해 산화 티탄을 얻을 수 있다.
상기 (2)의 가시광 응답성 광 촉매가 담지하는 증감제란, 가시광에 의해 여기 전자를 생성하고, 이산화 티탄 등의 광 촉매에 그 여기 전자를 공급하는 증감 기능을 가지는 것을 말한다. 증감제로서는, 예를 들면, 철, 동, 크롬, 니켈 등의 금속의 수산화물, 옥시 수산화물, 산화물 등이 있으며, 구체적으로는, 예를 들면, CuO, Cu(OH)2, FeO(OH), Fe(OH)3, Ni(OH)2, NiO(OH), Cr(OH)3, Cr2O(OH)4, Cr2O3 등이 있다.
기판에 대하여, 흡착제나 광 촉매를 부착시키는 방법으로서는, 도포나 용사 등의 공지의 방법을 이용할 수 있다. 이들 중에서도 용사에 의해 부착시키는 것이 바람직하다. 용사법을 이용함으로써, 바인더 성분 등의 사용을 억제하고, 또한, 광 촉매가, 용사한 기판 표면으로부터 기판 내부에 침투함으로써 광 촉매의 노출량이나 부착량을 증가시킬 수 있어, 분해 성능이 향상된다. 그리고, 용사법을 이용한 경우의 구체적 수순의 일례는 후술한다.
함체(11)는, 또한 복수의 봉형(棒形)의 상측 고정 부재(19)와 복수의 봉형의 하측 고정 부재(20)를 가지고 있다. 각각의 상측 고정 부재(19) 및 하측 고정 부재(20)는, 함체(11)(즉, 광 인입창(14), 바닥판(16))의 내측면으로 노출되고, 함체(11)에서의 폭 방향에 있어서는, 측판(15b)과 칸막이판(12a)의 사이, 칸막이판(12a)과 칸막이판(12b)의 사이, 칸막이판(12b)과 칸막이판(12c)의 사이, 및 칸막이판(12c)과 측판(15d)의 사이에 각각 4장씩 배치되어 있다. 또한, 각각의 상측 고정 부재(19) 및 하측 고정 부재(20)는, 함체(11)에서의 길이 방향에 있어서는, 4장이 대략 등 간격으로 배치되어 있다. 또한, 각각의 상측 고정 부재(19)는, 평면에서 볼 때 칸막이판(12a∼12c) 및 판재(13)에 대하여 수직인 방향으로, 또한 이 상측 고정 부재(19)의 하측에 설치되는 홈 구조부(22)에 의해 판재(13)를 상측으로부터 고정하도록 설치된다. 또한, 각각의 하측 고정 부재(20)는, 평면에서 볼 때 칸막이판(12a∼12c) 및 판재(13)에 대하여 수직인 방향으로, 또한 이 하측 고정 부재(20)의 상측에 설치되는 홈 구조부(23)에 의해 판재(13)를 하측으로부터 고정하도록 설치된다.
이 상측 고정 부재(19) 및 하측 고정 부재(20)의 재질로서는, 특별히 한정되지 않고, 예를 들면, 금속, 세라믹스, 유리, 합성 수지, 목재 등이 있지만, 금속이 바람직하고, 판재(13)가 가지는 흡착제보다 비열이 작은 금속이 더욱 바람직하다. 상측 고정 부재(19) 및 하측 고정 부재(20)에 이와 같은 금속 부재를 사용함으로써, 야간 등에 결로를 이 상측 고정 부재(19) 및 하측 고정 부재(20)의 표면에 우선적으로 발생시켜, 판재(13)로의 결로의 발생을 억제할 수 있다. 또한, 비열이 작은 금속제의 상측 고정 부재(19) 및 하측 고정 부재(20)를 가짐으로써, 아침 등의 기온의 상승이나 고온의 배기 가스의 공급 시에, 함체(11) 내부의 온도 상승이 빨라지는 것에 의해 생긴 결로를 비교적 짧은 시간에 증발시킬 수 있다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 공기 정화 장치(10)는, 사용 시에, 함체(11)가 경사지도록, 경사 테이블(21) 상에 배치된다. 이 때, 공기 흡입구(17)가 상측으로, 공기 배출구(18)가 하측으로 되도록, 함체(11)의 폭 방향으로 경사지게 하여 배치된다. 그리고, 이 경사각 θ는, 사용되는 장소(위도)나, 계절 등에 따라 적절하게 설정하면 되지만, 예를 들면, 10° 이상 50° 이하로 할 수 있다.
공기 정화 장치(10)에 의하면, 판재(13)가 흡착제 및 광 촉매를 가지므로, 공기 흡입구(17)로부터 흡입되는 배기 가스 등의 공기에 포함되는 유기물 등을 흡착시키면서, 광 촉매에 의해 분해할 수 있다. 특히, 판재(13)가 함체(11) 및 칸막이판(12a∼12c)에 의해 형성되는 공기 유통 경로를 따라 설치되어 있는, 즉 정화되는 공기는 이 판재(13)를 따라 유통하는 구조로 되어 있으므로, 충분한 양의 광 촉매가 부착된 판재(13)를 사용할 수 있어, 정화 성능을 높일 수 있다. 또한, 태양광을 인입하여 광 촉매의 기능을 발현시킬 수 있으므로, 러닝 코스트를 억제할 수 있다. 그리고, 태양광은 광 인입창(14)으로부터 인입되어 각 판재(13)에 있어서 광 촉매가 부착되어 있는 한쪽 면 측(도 2에서의 상측의 면측)을 조사한다.
그리고, 함체(11) 내에 흡입되는 공기는, 판재(13)와 바닥판(16)에 의해 둘러싸여 판재(13)에서의 한쪽 면 측과는 반대측의 공간도 유통한다. 다만, 공기 유통 경로 중의 칸막이판(12a∼12c) 및 판재(13)가 존재하지 않는 영역(도 1에서의 함체(11)의 좌우 양단 부분)에 있어서, 공기가 섞이기 때문에, 분해는 충분히 진행된다. 또한, 판재(13)는, 공기 유통 방향에서 볼 때(도 1에서의 좌우 방향에서 볼 때, 도 2의 단면 형상) 지그재그형으로 설치되어 있다. 이에 따라, 판재(13)로의 광의 조사 면적 및 유통하는 공기와의 접촉 면적을 모두 증가시킬 수 있어, 정화 성능을 더욱 높일 수 있다.
여기서, 판재(13)의 형성 방법의 일례로서, 슬러리 조제 공정 및 용사 공정을 포함하는 용사법을 이용한 경우의 구체적 수순을 상세하게 설명한다.
1. 슬러리 조제 공정
본 공정에 있어서는, 광 촉매를 포함하는 입자 및 분산매를 용기(예를 들면, 교반조)에 공급하여 슬러리를 조제한다.
광 촉매를 포함하는 입자로서는, 통상 광 촉매로 이루어지는 입자(광 촉매 입자)를 포함하고, 그 외의 입자(바인더 입자 등)가 포함되어 있어도 된다.
슬러리에서의 광 촉매 입자(이산화 티탄 입자 등)의 함유량으로서는, 통상 1 질량% 이상 30 질량% 이하이며, 3 질량% 이상 15 질량% 이하가 바람직하고, 5 질량% 이상 10 질량% 이하가 더욱 바람직하다. 광 촉매 입자의 함유량이 1 질량% 미만인 경우는, 용사에 의해 얻어지는 막의 두께가 지나치게 작아져 충분한 기능을 발현할 수 없을 우려가 있다. 반대로, 이 함유량이 30 질량%를 초과하는 경우에는, 용사에 의해 얻어지는 막과 기판과의 열팽창율의 상이에 기인하여 용사에 의해 얻어지는 막의 내부에 응력이 발생하여, 균열이 생기기 쉽게 된다.
광 촉매 입자의 직경(2차 입자 직경)으로서는, 예를 들면, 0.5㎛ 이상 10㎛ 이하이며, 1㎛ 이상 5㎛ 이하가 더욱 바람직하다. 광 촉매 입자의 직경이 0.5㎛ 미만인 경우는, 입자의 운동 에너지가 저하하여 제막성이 저하될 우려가 있다. 반대로, 이 직경이 10㎛를 초과하는 경우에는, 분산성이 저하될 우려가 있다. 광 촉매 입자의 1차 입자 직경으로서는, 예를 들면, 10 ㎚ 이상 50 ㎚ 이하가 바람직하다. 이와 같은 범위의 1차 입자 직경으로 이루어지는 광 촉매 입자를 사용함으로써, 제조 비용을 억제하면서, 충분한 제막성 등을 발휘할 수 있다. 그리고, 본 명세서에서의 입자의 직경은, 동적 광 산란법에 의해 측정되는 값을 일컫는다.
광 촉매에 증감제를 담지시킴으로써 가시광 응답성을 발현시키는 경우에는, 철, 동, 크롬, 니켈 등의 수용성 금속 착체나 수용성 금속염을 슬러리에 함유시키면 된다. 이들 수용성 금속 착체나 수용성 금속염은, 용사했을 때 물과 반응하여 전술한 수산화물, 옥시 산화물 또는 산화물이 되고, 광 촉매 입자에 증감제로서 담지된다.
수용성 금속 착체로서는, 구체적으로는[Cu(NH3)4]2＋, [Fe(CN)6]4-, [Fe(CN)6]3- 등을 예로 들 수 있고, 수용성 금속염으로서는, 구체적으로는 FeCl3, Fe2(SO4)3, Fe(NO3)3, CuSO4, Cu(NO3)2, CuCl2, Ni(NO3)2, NiCl2, NiSO4, Cr(NO3)3 등을 예로 들 수 있다.
수용성 금속 착체 및 수용성 금속염의 슬러리에서의 함유량으로서는, 광 촉매 입자 중의 금속 성분량(예를 들면, 티탄 성분량) 100 질량부에 대한 금속 성분량으로서, 0.05 질량부 이상 0.5 질량부 이하로 할 수 있다.
슬러리에 사용되는 분산매로서는, 통상 물이 사용되지만, 그 외에 알코올 등의 유기용매나, 물과 유기용매의 혼합물을 사용할 수도 있다.
슬러리에는, 분산성을 높이기 위하여, 계면활성제를 더 함유시킬 수 있다. 계면활성제로서는, 폴리 카르본산계 고분자 계면활성제 등의 음이온계 계면활성제나 비이온계 계면활성제 등을 예로 들 수 있다. 계면활성제의 함유량으로서는, 광 촉매를 포함하는 입자 100 질량부에 대하여 0.5 질량부 이상 3 질량부 이하가 바람직하다.
슬러리의 조제는, 용기에 광 촉매를 포함하는 입자 및 분산매를 공급하고, 교반함으로써 행할 수 있다. 그리고, 교반과 함께 또는 교반 대신 초음파 조사를 행할 수도 있다.
2. 용사 공정
본 공정에 있어서는, 슬러리 조정 공정에서 조제한 광 촉매를 포함하는 입자를 함유하는 슬러리를 기판 표면에 용사한다. 이 용사는 공지의 방법으로 행할 수 있지만, 고속 용사 장치를 사용하여, 낮은 온도의 고속 용사를 행하는 것이 바람직하다. 이와 같은 용사를 행함으로써, 예를 들면, 광 촉매 입자로서 아나타제형의 이산화 티탄 입자를 사용한 경우, 용사 시의 루틸형으로의 변태가 억제되고, 촉매 활성이 높은 용사 피막을 얻을 수 있다. 이하에서, 도 4를 참조하여 고속 용사 장치의 일례를 설명한다.
도 4에 나타낸 고속 용사 장치(30)는, 용사 건(31) 및 이 용사 건(31)의 선단(先端)에 장착된 슬러리 혼합부(32)를 주로 구비한다. 슬러리 혼합부(32)는, 용사 건(31)의 선단으로부터 분출하는 용사 프레임이 통과하는 통형의 프레임 가이드부(33)(배럴)와, 이 프레임 가이드부(33) 내를 통과하는 용사 프레임 중에 상기 슬러리(광 촉매를 포함하는 입자 등)를 분출시키고, 용사 프레임 중에 상기 슬러리를 혼입시키는 슬러리 분출 노즐(34)을 가지고 있다.
고속 용사 장치(30)를 사용하여, 용사 건(31)으로부터 용사 프레임을 분출시키면서, 펌프(35)에 의해 슬러리 탱크(36)에 저류(貯留)되어 있는 슬러리를 슬러리 혼합부(32)에 공급시킨다. 그리고, 용사 프레임은, 용사 건(31) 내의 연소실에서 고압의 연소 지원 가스(예를 들면, 공기＋산소)와 연료 가스(예를 들면, 등유)를 혼합하고, 이 혼합 가스에 점화함으로써 형성된다. 또한, 용사 프레임의 분출처에 기판을 배치해 둔다. 이와 같이 함으로써, 프레임 가이드부(33)의 선단으로부터 분출하는 용사 프레임의 흐름을 타고 슬러리(광 촉매를 포함하는 입자 등)를 기판에 대하여 고속으로 충돌시킬 수 있어, 기판에 용사 피막을 형성할 수 있다.
용사의 조건으로서는, 프레임 온도가 700℃ 이상 2,000℃ 이하인 것이 바람직하고, 750℃ 이상 1,500℃ 이하인 것이 더욱 바람직하다. 또한, 프레임 분출 속도가 800 m/초 이상 2,000 m/초 이하인 것이 바람직하다. 용사 프레임의 온도가 700℃ 미만인 경우, 프레임 온도가 지나치게 낮아지기 때문에, 기판 표면에 안정적으로 피막을 형성하는 것이 곤란하게 된다. 한편, 용사 프레임의 온도가 2000℃를 초과하는 경우, 프레임 온도가 지나치게 높아지기 때문에, 예를 들면, 아나타제형 이산화 티탄을 사용한 경우, 아나타제형으로부터 루틸형으로 변태하는 이산화 티탄의 양이 증가하여, 이산화 티탄이 충분한 광 촉매 기능을 발휘할 수 없게 될 우려가 있다. 그리고, 프레임 온도는, 용사 프레임 중심선 상에서, 용사 건(31)의 선단으로부터 200 ㎜의 위치에서 측정한 온도로 한다. 또한, 온도의 측정은, 열전대(熱電對)(예를 들면, 1,000℃까지는 알루멜/크로멜, 1,000℃를 초과하면 텅스텐/텅스텐·레늄)를 사용하고, 열전대의 선단부를 용사 프레임에 삽입하여 행하고 이때 측정한 값을 프레임 온도로 한다.
본 발명은 상기한 실시예로 한정되지 않고, 본 발명의 요지를 변경시키지 않는 범위에서 그 구성을 변경할 수도 있다. 예를 들면, 칸막이판 및 판재의 장수는, 적절하게 변경할 수 있다. 판재로서, 복수 장의 평판을 사용할 수도 있고, 1장의 파형판(corrugated plate) 등을 사용할 수도 있다. 판재의 양면에 광 촉매가 부착되어 있어도 된다. 또한, 광 인입창이 천정판이 아닐 수도 있으며, 또는 천정판과 함께 측판에 형성되어 있을 수도 있다.
[실험예]
이하에서, 실험예에 따라, 본 발명의 내용을 보다 구체적으로 설명한다. 그리고, 본 발명은 이하의 실험예로 한정되는 것은 아니다.
도 1 및 도 2에 나타낸 형상의 공기 정화 장치를 제작하고, 도 3에 나타낸 바와 같이 경사지게 하여 옥외에 설치하였다. 그리고, 경사각 θ는 30°로 하였다. 또한, 판재로서는, 이하의 제올라이트 보드를 처리액(발수제(撥水劑): 신에쓰 실리콘사에서 제조한 KBM-13, 메틸트리메톡시실란)에 침지시켜 소수화 처리한 기판을 사용하였고, 이 기판의 한쪽 면 측에 고속 프레임 용사에 의해 이산화 티탄을 부착시킨 것을 사용하였다.
제올라이트 보드(조성)
·제올라이트(신도호쿠 화학사 제조): 77질량%
·화이트 시멘트(타이헤이요 시멘트사 제조): 15질량%
·펄라이트(pearlite)(미쓰이 금속광업사 제조): 4질량%
·폐지(신문지): 4질량%
제올라이트 물성
·입도: 0.2 ㎜ 이하 80%, 0.1 ㎜ 이하 70%
·부피 비중(bulk specific gravity): 0.65∼0.7 g/cm3
·비표면적(比表面的): 250∼300 m2/g
·세공(細孔) 직경: 6.5∼7 Å
·흡수율: 60∼80 질량%
제올라이트 조성
·SiO2: 72.1 질량%, Al2O3: 12.9 질량%, Fe2O3: 0.7 질량%, CaO: 2.6 질량%, K2O: 2.1 질량%, Na2O: 1.8 질량%, H2O: 7.0 질량%, 기타: 0.8 질량%
공급하는 공기로서, 도장 공정에서 생기는 VOC를 포함하는 배기 가스를 사용하였다. 이 배기 가스의 유량을 유량 조정 밸브에 의해 조정하였고, 6.5 m/s 및 5.6 m/s의 2가지 조건에 의해, 공기 정화 장치로의 공급 시의 VOC 농도(ppm)와 배출 시의 VOC 농도(ppm)를 측정하였다. 측정에는, 피가로 기연(技硏)에서 제조항 핸디 TVOC 모니터 FTVR-02를 사용하였다. 측정 결과를 표 1에 나타내었다.
[표 1]
Figure 112015019718703-pct00001
표 1에 나타낸 바와 같이, 유량이 6.5 m/s 및 5.6 m/s의 어느 경우에도 약 60∼65 %의 VOC를 제거할 수 있는 것을 확인할 수 있었다.
[산업상 이용가능성]
본 발명에 따른 공기 정화 장치는, 탈취, 악취 제거 등을 목적으로 한 공장 배기 가스, 돈사, 하수처리장 등의 공기의 정화 장치로서 바람직하게 사용할 수 있다.
10: 공기 정화 장치, 11: 함체, 12a∼12c: 칸막이판, 13: 판재, 14: 광 인입창, 15a∼15d: 측판, 16: 바닥판, 17: 공기 흡입구, 18: 공기 배출구, 19: 상측 고정 부재, 20: 하측 고정 부재, 21: 경사 테이블, 22: 홈 구조부, 23: 홈 구조부, 24: 덕트, 30: 고속 용사 장치, 31: 용사 건, 32: 슬러리 혼합부, 33: 프레임 가이드부, 34: 슬러리 분출 노즐, 35: 펌프, 36: 슬러리 탱크

Claims (8)

  1. 공기 흡입구(17) 및 공기 배출구(18)를 측판(15a)에 가지고, 천정판이 투명 판재로 형성되어 있는 광 인입창(14)이 된 함체(函體)(11); 및
    상기 공기 흡입구(17)로부터의 공기를 정화하여 상기 공기 배출구(18)로부터 배출하는 판재(13)
    를 포함하는 공기 정화 장치(10)에 있어서,
    상기 판재(13)는, 소수성(疏水性) 제올라이트를 70 중량 % 이상 95 중량% 이하, 바인더로서 시멘트를 5 중량 % 이상 30 중량 % 이하 포함하는 다공질형의 기판과, 상기 기판의 한쪽 면에 용사(溶射) 처리에 의해 분산 부착된 광촉매로서 기능하는 이산화티탄을 가지고,
    직육면체형이 되는 상기 함체(11)는, 바닥판(16), 상기 측판(15a) 및 다른 측판(15b~15d)이, 철, 알루미늄, 동, 티탄 또는 이들의 합금으로 이루어지는 금속 부재로 이루어지고, 또한 상기 함체(11)는, 상기 공기 정화 장치(10)가, 공기 흡입구(17)가 상측으로, 공기 배출구(18)가 하측으로 되도록, 상기 함체(11)의 폭 방향으로 10° 이상 50° 이하의 범위에서 경사지게 배치되어 있고, 또한 상기 함체(11)의 하측 에지 부분에는 드레인 구멍이 형성되고,
    4장의 상기 측판(15a∼15d)은 직사각형의 판상체이며, 상기 광 인입창(14)의 에지와 상기 바닥판(16)의 에지를 연결하도록 각각 배치되어 있고, 상기 바닥판(16)에 대하여 칸막이판(12a∼12c)은 수직으로 배치되어 있고, 상기 칸막이판(12a∼12c)은 2장의 상기 측판(15a, 15c)에 대해서는 수직인 방향으로, 나머지 2장의 상기 측판(15b, 15d)에 대해서는 평행하게 배치되어 있고, 상기 칸막이판(12a∼12c)에 의해 상기 함체(11) 내에 상기 측판(15a과 15c)의 사이를 왕복하도록 지그재그형으로 형성된 공기 유통 경로를 따라 상기 판재(13)가 설치되고, 또한 상기 판재(13)는 상기 이산화티탄이 부착되어 있는 한쪽 면을 상기 광 인입창(14)과 대향하도록 하여 공기 유통 방향에서 볼 때 파형으로 배치되고, 또한 파형으로 배치된 상기 판재(13)의 상하는 상측 고정 부재(19) 및 하측 고정 부재(20)로 고정되고, 상기 기판의 다른쪽 면 측에 흡착된 유기물은 상기 한쪽 면 측으로부터 방출되어 상기 이산화티탄에 의해 분해되는, 공기 정화 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광촉매는 자외광 영역의 광뿐만 아니라 가시광 영역의 광의 조사에 의해 촉매 활성을 발현하는, 공기 정화 장치.
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