KR101587519B1 - 전해 산수소 화염을 이용한 친환경적 오염물질 제거방법 및 시스템 - Google Patents

전해 산수소 화염을 이용한 친환경적 오염물질 제거방법 및 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 오염물질 제거에 관한 것으로, 보다 상세하게는 물을 전기 분해하여 생성된 산소와 수소의 혼합 가스를 착화하여 산수소 화염을 형성하여 연소로 오염물질을 제거하는 것이며 다른 화염에 비하여 일산화탄소나 이산화탄소가 발생되지 않고 고온의 화염온도를 얻을 수 있어, 표면 세정을 하게 될 때 표면 이물질의 빠른 열 분해를 유도할 수 있으며, 반도체 공정에서 생성된 유해 가스를 혼합하여 용이하게 연소로 분해 처리할 수 있는 전해 산수소 화염을 이용한 오염물질 제거방법 및 시스템에 관한 것이다.
이와 같은 본 발명의 특징은 전해조 내에 산수소 가스 발생용 물이 담겨지고 물에 침지된 전극에 전기를 공급하여 산소가스와 수소가스를 발생시키는 산수소 가스 발생단계; 전해조 내에 포함된 산소와 수소가 가스유량조절기의 유량조절로 오염물질제거수단으로 공급되는 산수소 가스 공급단계; 및 오염물질제거수단으로 공급된 산소와 수소의 가스가 착화되어 산수소 가스의 화염으로 오염물질이 제거되는 산수소 가스 연소단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

전해 산수소 화염을 이용한 친환경적 오염물질 제거방법 및 시스템{ENVIRONMENTALLY FRIENDLY REMOVAL SYSTEM OF CONTAMINANT USING ELECTROLYTIC OXY - HYDROGEN FLAME}
본 발명은 오염물질 제거에 관한 것으로, 보다 상세하게는 물을 전기 분해하여 생성된 산소와 수소의 혼합 가스를 착화하여 산수소 화염을 형성하여 연소로 오염물질을 제거하는 것이며 다른 화염에 비하여 일산화탄소나 이산화탄소가 발생되지 않고 고온의 화염온도를 얻을 수 있어, 표면 세정을 하게 될 때 표면 이물질의 빠른 열 분해를 유도할 수 있으며, 반도체 공정에서 생성된 유해 가스를 혼합하여 용이하게 연소로 분해 처리할 수 있는 전해 산수소 화염을 이용한 오염물질 제거방법 및 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 조선, 항공, 토목 산업에서는 최근 동유럽, 북미, 그리고 아시아 시장에서 다양화된 고객의 기호에 맞춘 건물 내외장재의 도료/도장관련 산업의 수요가 증가함에 따라 시장규모가 증대되는 추세이다. 이에 따라 도료가 도포된 자재의 재활용이 큰 이슈가 될 것으로 보인다.
이에 종래의 기술들에 의하면 노면절삭 공법이 주로 사용되었고 최근에 워터젯 방식도 도입이 되어 도료를 제거한 자재를 다시 사용할 수 있다.
기존도로에 대해서도 증축 및 유지보수 과정에서 꾸준한 수요가 예상되며, 현재 차선 도색 제거를 전문으로 하는 다수의 업체가 운영중이다. 이외에도 강판 등의 표면을 세정하는 표면처리공법에도 적용될 수 있다.
이에 표면에서 도료를 친환경적이면서도 효과적으로 제거하는 기술이 절실히 요구되고 있다.
아울러 반도체 관련 사업의 주요 생산기지가 한국, 일본, 대만, 중국으로 옮겨감에 따라 반도체 산업에서 발생한 유해물질의 처리문제가 큰 사회문제가 되고 있다. 특히 경제발전에 따른 심각한 환경오염과 국제적인 여론으로 인해 환경관련규제가 신설되고 대기환경산업이 발전하고 있는 중국 등지에서 큰 수요가 예상된다. 이에 반도체공정에서 사용된 유해물질 중의 하나인 PFC 가스를 효과적으로 처리할 수 있는 방법도 함께 제시되어야 할 것이다.
특허출원 제10-2001-0051616호 특허출원 제10-2008-0026123호
상기와 같은 문제점을 해소하기 위한 본 발명은 물을 전기 분해하여 생성된 산소와 수소의 혼합 가스를 이용하는 것이며, 이러한 전해 산수소 가스를 노즐에서 분사한 후 착화하여 산수소 화염을 형성하여 표면 또는 오염가스 등을 연소로 제거하는 것으로, 이처럼 산수소 화염의 생성물은 물이기 때문에 화염의 화학반응물로 유해한 일산화탄소, 온실가스인 이산화탄소를 발생시키지 않으면서 효과적으로 오염물질을 제거하는 목적이 있다.
그리고 본 발명의 다른 목적은, 산수소 가스의 화염 특성 상 다른 화염과 비교하였을 때, 아세틸렌 화염과 비교될 만큼 매우 고온의 화염을 국부적으로 집중된 형태를 이룸으로써 화염에 의한 오염물질 제거 특성이 양호하게 된다.
또한 본 발명의 또 다른 목적은, 이미 연료에 산화제가 포함되어 있어 별도의 압축공기를 사용하지 않아도 되기 때문에 공기 중에 포함되어 있는 다량의 질소의 온도를 높이는 데 낭비되는 열량을 줄여 에너지의 효율성을 높일 수 있고, 산성비와 광화학스모그의 원인이 되는 질소산화물을 배출하지 않는 것이다.
아울러 본 발명의 또 다른 목적은, 국부적으로 높은 온도를 형성하는 전해 산수소 화염을 병렬로 배치한 장치를 이용함으로써 모재에 열적 손상을 최소화하며 신속하게 표면에 부착된 이물질의 빠른 열 분해를 유도할 수 있는 것이다.
그리고 본 발명의 또 다른 목적은, 반도체 공정에서 사용된 과불소탄소화합물(PFC) 폐가스 처리 공정에 적용하는 것이며, PFC 혼합가스를 전해 산수소 가스 화염 내에서 태움으로써 기체상의 유해물질의 분해 효율을 높일 수 있고 연소실 구조를 간소화할 수 있으며 전체적인 장치의 크기를 소형화할 수 있는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 전해조 내에 산수소 가스 발생용 물이 담겨지고 물에 침지된 전극에 전기를 공급하여 산소가스와 수소가스를 발생시키는 산수소 가스 발생단계; 전해조 내에 포함된 산소와 수소가 가스유량조절기의 유량조절로 오염물질제거수단으로 공급되는 산수소 가스 공급단계; 및 오염물질제거수단으로 공급된 산소와 수소의 가스가 착화되어 산수소 가스의 화염으로 오염물질이 제거되는 산수소 가스 연소단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전해 산수소 화염을 이용한 친환경적 오염물질 제거방법을 제공한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 물스프레이에서 물을 분사하여 연소된 연소가스를 포집하는 연소가스포집단계; 및 물과 함께 포집된 연소부산물을 배출하는 오염물질 배출단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전해 산수소 화염을 이용한 친환경적 오염물질 제거방법을 제공한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 내부에 산수소 가스 발생용 물이 담겨지고 물에 침지된 전극으로 전기를 공급하여 산소가스와 수소가스를 발생시키는 전해조; 전해조에서 오염물질제거수단으로 공급되는 산소가스와 수소가스의 유량을 조절하는 가스유량조절기; 및 전해조로부터 공급된 산소와 수소의 산수소가스를 착화시켜 산수소 가스의 화염으로 오염물질을 제거하는 오염물질제거수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 전해 산수소 화염을 이용한 친환경적 오염물질제거시스템을 제공한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 전해조에서 오염물질제거수단으로 공급되는 산수소 가스의 역류를 방지하여 화염의 역화를 방지하는 역화방지장치; 및 오염물질이 연소된 연소부산물을 배출하는 연소부산물배출장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 전해 산수소 화염을 이용한 친환경적 오염물질제거시스템을 제공한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 오염물질제거수단은, 오염물질이 도포된 표면에 대해 화염으로 표면 오염물질을 제거하는 표면오염제거연소수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 전해 산수소 화염을 이용한 친환경적 오염물질제거시스템을 제공한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 표면오염제거연소수단은: 전해조로부터 산수소 가스가 공급되는 산수소가스 공급라인과 연결되는 가스연결부; 공급된 산수소 가스가 분출되면서 산수소의 화염이 형성되는 노즐; 및 일측으로 가스연결부가 마련되고 타측으로 산수소 가스가 분출로 화염이 형성되는 노즐이 구비된 표면연소버너을 포함하는 것을 특징으로 하는 전해 산수소 화염을 이용한 친환경적 오염물질제거시스템을 제공한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 노즐은 표면연소버너의 일측에 복수 개로 마련되고, 상기 표면연소버너 내부에는: 공급되는 산수소 가스가 복수 개의 노즐로 분기되어 공급되게 산수소 가스를 분할공급하는 분할탱크; 및 분할탱크 내의 산수소 가스가 개별 노즐로 공급되는 가스분기관을 포함하는 것을 특징으로 하는 전해 산수소 화염을 이용한 친환경적 오염물질제거시스템을 제공한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 개별 노즐은 소정 지름을 형성하고, 복수의 노즐은 서로 소정의 간격을 이루는 것을 특징으로 하는 전해 산수소 화염을 이용한 친환경적 오염물질제거시스템을 제공한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 오염물질제거수단은, 가스의 오염물질인 오염가스를 화염으로 제거하는 오염가스 연소수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 전해 산수소 화염을 이용한 친환경적 오염물질제거시스템을 제공한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 오염가스 연소수단은: 전해조로부터 산수소 가스를 공급받고 오염가스를 공급받으며 오염가스 및 산수소 가스의 혼합가스를 혼합가스버너로 공급하는 가스혼합부; 산수소 가스 및 오염가스가 포함된 혼합가스를 연소하는 혼합가스버너; 및 혼합가스버너가 일측에 구비되고 혼합가스의 화염이 내부에 형성되는 연소챔버를 포함하는 것을 특징으로 하는 전해 산수소 화염을 이용한 친환경적 오염물질제거시스템을 제공한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 혼합가스의 연소 부산물을 물 스프레이 분사로 용해시켜 포집하는 물스프레이를 포함하는 것을 특징으로 하는 전해 산수소 화염을 이용한 친환경적 오염물질제거시스템을 제공한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 물 스프레이 분사로 물에 용해된 연소 부산물이 담겨진 부산물탱크를 포함하는 것을 특징으로 하는 전해 산수소 화염을 이용한 친환경적 오염물질제거시스템을 제공한다.
상기와 같이 구성되는 본 발명은 물을 전기 분해하여 생성된 산소와 수소의 혼합 가스를 이용하며, 이러한 전해 산수소 가스를 노즐에서 분사한 후 착화하여 산수소 화염을 형성하여 표면 또는 오염가스 등을 연소로 제거하며, 산수소 화염의 생성물은 물이기 때문에 화염의 화학반응물로 유해한 일산화탄소, 온실가스인 이산화탄소를 발생시키지 않으면서 효과적으로 오염물질을 제거하는 것이다.
그리고 본 발명의 다른 효과는, 산수소 가스의 화염 특성 상 다른 화염과 비교하였을 때, 아세틸렌 화염과 비교될 만큼 매우 고온의 화염을 국부적으로 집중된 형태를 이룸으로써 화염에 의한 오염물질 제거 특성이 양호하게 되는 것이다.
또한 본 발명의 또 다른 효과는, 이미 연료에 산화제가 포함되어 있어 별도의 압축공기를 사용하지 않아도 되기 때문에 공기 중에 포함되어 있는 다량의 질소의 온도를 높이는 데 낭비되는 열량을 줄여 에너지의 효율성을 높일 수 있고, 산성비와 광화학스모그의 원인이 되는 질소산화물을 배출하지 않는 것이다.
아울러 본 발명의 또 다른 효과는, 국부적으로 높은 온도를 형성하는 전해 산수소 화염을 병렬로 배치한 장치를 이용함으로써 모재에 열적 손상을 최소화하며 신속하게 표면에 부착된 이물질의 빠른 열 분해를 유도하게 되는 것이다.
그리고 본 발명의 또 다른 효과는, 반도체 공정에서 사용된 과불소탄소화합물(PFC) 폐가스 처리 공정에 적용하는 것이며, PFC 혼합가스를 전해 산수소 가스 화염 내에서 태움으로써 기체상의 유해물질의 분해 효율을 높일 수 있고 연소실 구조를 간소화할 수 있으며 전체적인 장치의 크기를 소형화할 수 있는 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 오염물질제거시스템에 있어서 표면제거 실시예에 대한 구성예시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 오염물질제거시스템에 있어서 표면제거 실시예에서 표면연소버너에 대한 사시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 오염물질제거시스템에 있어서 표면제거 실시예에서 표면연소버너에 대한 상부 사시 설명도이다.
도 4는 본 발명에 따른 오염물질제거시스템에 있어서 표면제거 실시예에서 화염비교사진이다.
도 5는 본 발명에 따른 오염물질제거시스템에 있어서 표면제거 실시예에서 화염의 중심부 온도 그래프이다.
도 6은 본 발명에 따른 오염물질제거시스템에 있어서 표면제거 실시예에 의하여 페인트가 제거된 표면 사진이다.
도 7은 본 발명에 따른 오염물질제거시스템에 있어서 표면제거 실시예에 의하여 페인트가 제거된 표면의 파장별 LIBS peak 신호 강도에 대한 그래프이다.
도 8은 본 발명에 따른 오염물질제거시스템에 있어서 표면제거 실시예에서 페인트가 제거된 표면의 각 지접에 대한 신호강도 그래프이다.
도 9는 본 발명에 따른 오염물질제거시스템에 있어서 표면제거 실시예에서 페인트가 제거된 표면의 현미경 사진이다.
도 10은 본 발명에 따른 오염물질제거시스템에 있어서 표면제거 실시예 중에서 벽돌표면에서 페인트가 제거되는 실시 예시도이다.
도 11은 본 발명에 따른 오염물질제거시스템에 있어서 표면제거 실시예 중에서 벽돌표면에서 그을음이 제거되는 실시 예시도이다.
도 12는 본 발명에 따른 오염물질제거시스템에 있어서 표면제거 실시예 중에서 벽돌표면에서 그을음이 제거된 세정면적에 대한 그래프이다.
도 13은 본 발명에 따른 오염물질제거시스템에 있어서 오염가스제거 실시예에 대한 구성예시도이다.
도 14는 본 발명에 따른 오염물질제거시스템에 있어서 오염가스제거 실시예에 의해 CF4 가스의 분해 전후의 FTIR 흡광 스펙트럼에 대한 그래프이다.
도 15는 본 발명에 따른 오염물질제거시스템에 의하여 오염물질이 제거되는 오염물질 제거방법에 대한 순서도이다.
이하 첨부되는 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
즉 본 발명에 따른 전해 산수소 화염을 이용한 친환경적 오염물질 제거방법 및 시스템은 첨부된 도 1 내지 도 15 등에서와 같이, 일측으로부터 물의 분해를 통해 산수소가스를 공급받고, 이러한 산수소가스의 연소를 통해 오염물질을 제거하는 구성을 갖는다.
이에 산소수 화염을 이용한 오염물질제거시스템(10) 및 오염물질 제거방법을 살펴보면, 우선 내부에 산수소 가스 발생용 물이 담겨지고 물에 침지된 전극으로 전기를 공급하여 산소가스와 수소가스를 발생시키는 전해조(20)가 마련된다. 아울러 이러한 전해조(20) 내에 산수소 가스 발생용 물이 담겨지고 물에 침지된 전극에 전기를 공급하여 산소가스와 수소가스를 발생시키는 산수소 가스 발생단계(S10)를 수행한다. 이에 물로부터 전해조에서 산수소의 발생의 과정은 일반적인 산수소 발생구성을 적용할 수 있다.
그리고 전해조(20)에서 오염물질제거수단으로 공급되는 산소가스와 수소가스의 유량을 조절하는 가스유량조절기(27) 및 산수소 가스의 공급수단들이 마련된다. 아울러 이러한 부재들을 포함한 것으로, 전해조(20) 내에 포함된 산소와 수소가 가스유량조절기(27)의 유량조절로 오염물질제거수단으로 공급되는 산수소 가스 공급단계(S20)를 수행한다.
다음으로 전해조(20)로부터 공급된 산소와 수소의 산수소가스를 착화시켜 산수소 가스의 화염으로 오염물질을 제거하는 오염물질제거수단이 마련된다. 아울러 이러한 오염물질제거수단으로 공급된 산소와 수소의 가스가 착화되어 산수소 가스의 화염으로 오염물질이 제거되는 산수소 가스 연소단계(S30)를 수행한다.
따라서 표면의 페인트나 그을음, 배출되는 오염의 가스 등은 산수소 가스의 화염에 의해 연소되어 제거되는 것이며, 산수소 가스는 물로부터 생성되며 연소시 별다른 오염물질이 발생되지 않아 오염물질의 제거에 탁월한 장점을 갖는 것이다.
그리고 오염물질제거시스템(10)에는, 전해조(20)에서 오염물질제거수단으로 공급되는 산수소 가스의 역류를 방지하여 화염의 역화를 방지하는 역화방지장치(26)가 마련된다. 그리하여 역화를 방지하여 화염발생이 안정적으로 이루어지게 하는 것이다.
또한 오염물질 제거방법에 있어서, 물스프레이(54)에서 물을 분사하여 연소된 연소가스를 포집하는 연소가스포집단계(S40)를 수행하는 것이다.
그리고 오염물질이 연소된 연소부산물을 배출하는 연소부산물배출장치(70) 등을 포함하는 것이다. 이에 물과 함께 포집된 연소부산물을 배출하는 오염물질 배출단계(S50)를 수행하는 것이다.
이와 같이 마련되는 본 발명에 따른 전해 산수소 화염을 이용한 친환경적 오염물질제거시스템(10) 및 오염물질 제거방법에 의하여 표면의 페인트, 그을음, 그리고 배출되는 오염의 가스 등을 효과적으로 제거하는 것이다.
이에 우선 도 1 내지 도 12 등에서와 같이 오염물질 제거 대상의 표면에서 페인트 또는 그을음 등을 제거하는 표면제거실시예에 대해서 상세히 살펴보기로 한다.
이에 상기 오염물질제거수단은, 오염물질이 도포된 표면에 대해 화염으로 표면 오염물질을 제거하는 표면오염제거연소수단(40)을 포함하는 것이다.
이러한 상기 표면오염제거연소수단(40)에는, 전해조(20)로부터 산수소 가스가 공급되는 산수소가스 공급라인과 연결되는 가스연결부(41, EOH gas input), 그리고 공급된 산수소 가스가 분출되면서 산수소의 화염이 형성되는 노즐(43) 등이 마련된다.
또한 일측으로 가스연결부(41)가 마련되고 타측으로 산수소 가스가 분출로 화염(EOH flame)이 형성되는 노즐(43)이 구비된 표면연소버너(42, burner)가 마련된다. 이러한 버너는 배출후드(Exhaust hood)에 의해 감싸여지도록 설치될 수 있다.
특히 도 2, 도 3 등에서와 같이 표면오염제거연소수단(40)에 있어서, 상기 노즐(43)은 표면연소버너(42)의 일측에 복수 개로 마련되는 것이다. 이처럼 일렬로 복수 개의 노즐(43)이 마련됨으로써, 표면에 대해 대면적으로 페인트 또는 그을음, 이물질 등을 화염으로써 제거할 수 있는 것이다.
그리고 상기 표면연소버너(42) 내부에는, 공급되는 산수소 가스가 복수 개의 노즐(43)로 분기되어 공급되게 산수소 가스를 분할공급하는 분할탱크(421), 그리고 분할탱크(421) 내의 산수소 가스가 개별 노즐(43)로 공급되는 가스분기관(422) 등이 구비된다.
그리하여 하나의 가스연결부(41)로 공급되는 산수소 가스는 분할탱크(421)로 넓게 퍼진 후, 개별 가스분기관(422)으로 나누어져 흐름으로써, 개별 가스분기관(422)과 연결된 각 노즐(43)로 산수소 가스가 공급되는 것이다.
이에 특히 개별 노즐(43)은 소정 지름(d)을 형성하고, 복수의 노즐(43)은 서로 소정의 간격(t)을 이루는 것이다. 이에 노즐의 소정 지름(d)은 대략 0.2mm 내지 2mm 정도가 바람직하고, 복수 노즐들의 소정 간격(t)은 대략 3mm 내지 20mm 정도가 바람직하다. 노즐의 지름이 너무 작으면 화염 형성이 어렵고 지름이 너무 크면 화염의 형성이 어려우면서 화염에 의한 효율보다 더 많은 산소수 가스가 낭비될 수 있다. 그리고 복수 노즐들의 간격이 너무 좁으면 서로 화염이 겹쳐 표면이 손상될 우려가 있고 간격이 너무 넓으면 화염이 형성되지 않는 영역이 있을 수 있어 이물질이 제거되지 않을 수 있다.
그리하여 하나의 표면오염제거연소수단(40)만 이용하여도 넓은 표면에 대한 이물질 제거를 손쉽게 수행할 수 있는 장점이 있다.
그리고 이러한 표면오염제거연소수단(40)에는, 산수소 가스의 화염으로 연소된 표면의 페인트, 그을음 등에 대한 이물질의 연소부산물을 배출하는 연소부산물배출장치(70)가 마련되는 것이며, 이러한 연소부산물배출장치(70)에는 화염에 의해 발생되는 연소부산물이 비산되지 않도록 감싸는 배출후드(Exhaust hood), 배출후드에 연결되어 연소부산물을 흡입하기 위한 배출블로어(71, blower), 집진설비(wet scrubber), 그리고 가스배출부재(CO2 and other gases) 등이 마련되는 것이다. 따라서 연소부산물이 공기중으로 퍼지지 않아 또 다른 환경오염원의 방출을 방지하게 된다.
다음으로 도 13 및 도 14 등에서와 같이 상기 오염물질제거수단은, 가스의 오염물질인 오염가스를 화염으로 제거하는 오염가스 연소수단(50)을 포함하는 오염가스제거 실시예가 구비되는 것이다.
그리고 이러한 상기 오염가스 연소수단(50)에는, 전해조(20)로부터 산수소 가스를 공급받고 오염가스를 공급받으며 오염가스 및 산수소 가스의 혼합가스를 혼합가스버너(51)로 공급하는 가스혼합부(52)가 마련된다. 따라서 가스혼합부(52) 일측에는 산소수 가스가 공급되게 전해조(20) 측 부재들과 연결되고, 가스혼합부(52) 타측에는 오염가스가 공급되는 부재가 결합되는 것이다. 이에 본 발명에서 제거시키기 위한 오염가스의 예로는 과불소화합물(PFC, Perfluorocompounds) 가스를 제거하는 실시예로 함을 보이고 있다.
그리고 산수소 가스 및 오염가스가 포함된 혼합가스를 연소하는 혼합가스버너(51), 그리고 혼합가스버너(51)가 일측에 구비되고 혼합가스의 화염이 내부에 형성되는 연소챔버(53) 등을 포함하는 것이다.
또한 혼합가스의 연소 부산물을 물 스프레이 분사로 용해시켜 포집하는 물스프레이(54)를 포함하는 것이다. 따라서 산수소 화염의 연소로 산수소 가스 및 과불소혼합물의 연소에 의해 발생되는 연소부산물들이 물스프레이(54)에 의해 포집되어 아래로 떨어지도록 마련된 것이다. 이러한 물스프레이(54) 상세 구성으로는 물분사노즐(541) 및 물을 공급하는 물공급부(542) 등을 포함하는 것이다.
아울러 물 스프레이 분사로 물에 용해된 연소 부산물이 담겨진 부산물탱크(55)를 포함하는 것이다. 이러한 부산물탱크(55)에는 물스프레이(54)에 의해 물, 물에 포집된 연소부산물이 포함되고, 물의 상부에는 연소부산물이 공기중에 있게 된다.
그리고 이러한 부산물탱크(55)에는 공기중의 연소부산물을 흡입하기 위한 진공펌프(73, vacuum pump), 습식불산분리부(74) 등이 마련되어 연소부산물 중 기체를 용해 배출하게 된다. 또한 부산물탱크(55)의 저부에 연결되어 물 및 물에 포함된 연소부산물을 배출하기 위한 불산포집부(75)가 마련된다.
이에 본 발명에 따른 오염물질제거시스템(10) 중에서 오염가스제거 실시예에서 가스의 오염물질을 제거하는 경우에서는 과불소혼합물 가스를 제거하는 실시예를 보이고 있다. 이처럼 과불소혼합물 가스 및 산소수 가스의 화염에 의한 경우에는 연소부산물로 불산(HF acid, hydrofluoric acid)이 물에 포함되며, 따라서 공기중에서 불산(HF)을 추가 제거하기 위한 습식불산분리부(74), 그리고 물속에 포함된 불산을 포집하기 위한 불산포집부(75) 등이 마련되는 것이다.
이와 같이 마련되는 본 발명에 따른 전해 산수소 화염을 이용한 친환경적 오염물질제거시스템(10) 및 오염물질 제거방법 등에 있어서, 첨부된 도면을 참조하여 구체적인 오염물질 제거의 실시예들에 대해 상세히 살펴보기로 한다.
우선 도 1 내지 도 12 등은 대상체의 표면에 묻어 있는 이물질을 산수소 가스의 화염에 의해 제거하는 예를 보이고 있으며, 도 13 내지 도 14 등은 배출되는 오염물질을 산수소 가스의 화염에 의해 제거하는 예를 보이고 있다.
이에 도 1 내지 도 12 등에서와 같이 표면에 묻어있는 이물질을 산수소 가스의 화염으로 제거하는 실시예를 살펴보면, 도 1에서 전해조(20, EOH GENERATOR, 물을 전기분해 하는 장치)는 물을 전기를 이용해 수소와 산소로 분해하는 장치이며, 전해조(20)에서 생성된 수소와 산소를 따로 혹은 함께 나오는 구조를 갖출 수 있다.
그리고 역화방지장치(26, FLAME ARRESTER)는 버너에서 산수소 화염이 전해조(20)로 역화하는 것을 방지하는 장치이다.
또한 가스 레귤레이터인 가스유량조절기(27)는 밸브 혹은 오리피스 구조로 이루어지는 것이며, 전해조(20)로부터 버너 측으로 흐르는 산수소 가스의 유량을 조절하는 장치이다.
그리고 버너로써 표면연소버너(41, BURNET)는 전해조(20)로부터 공급된 산수소 가스에 착화하여 일정한 화염면을 형성하는 버너이다.
이와 같이 마련된 표면오염제거연소수산(40)에 의해 오염물질이 부착된 표면으로부터 산수소 가스의 화염을 이용하여 표면 오염물질을 제거하는 것이다.
특히 본 발명에서는 도 1 내지 도 3 등에서처럼 표면연소버너(42)를 횡방향으로 넓게 하면서 다수의 노즐로 화염이 형성되도록 마련된 것이다.
이러한 버너의 디자인 형상에 대해 설명하면, 횡방향으로 여러 개 노즐을 갖는 브러쉬 타입을 이루는 것이며, 노즐(43)들 각각 사이의 중심간격(t)이 대략 3 mm ~ 20mm 정도 범위로 하여 병렬로 배열된 것이다. 너무 간격이 넓으면 화염이 생기지 않는 영역이 있을 수 있고 너무 간격이 좁으면 화염이 겹쳐 효율이 저하될 우려가 있다. 그리고 각 노즐(43)들은 지름(d)이 대략 0.2 mm ~ 2 mm 정도 범위를 이루는 것이 바람직하다. 이러한 노즐(43)들은 다수의 작은 오리피스로 구성될 수 있으며, 이와 같이 마련된 표면연소버너(42)를 이용하여 대면적으로 표면을 세정할 수 있는 시스템을 갖춘 것이다. EOH 화염전파속도는 기타 다른 화염과 비교할 때 매우 빠르기 때문에, 노즐의 직경이 매우 중요하며, 노즐의 직경이 지름 0.2~2 mm 범위에 속하지 않는 경우, 화염 생성 및 제어가 어렵다. 또한 EOH 화염의 특성 상, 가늘고 긴 화염이 생성되기에 EOH화염을 이용한 대면적 표면세정 시, 본 버너 구조는 이상적 구조를 갖는다.
다음으로 이와 같이 산수소 가스 화염으로 표면 이물질을 제거하는 구성에 의한 시험예를 살펴보면 다음과 같다. 시험에는 EOH 단독 화염의 화염 온도가 다른 화염들과 비교하여 국부적으로 높은 온도를 생성할 수 있음을 보이기 위해 C-type 열전대를 사용하여 EOH 화염과 대조 화염의 축방향 온도 분포를 측정하였다.
실험에서 세 종류의 화염을 사용하였다(도 4). 버너 노즐은 모두 동일한 직경의 노즐을 사용하였으며 각각 토출량 EOH 1000 cc/min, EOH 900 cc/min + LPG 100 cc/min, LPG 100 + air 200 cc/min의 가스에 착화하여 화염을 형성하였다. EOH 단독 화염은 LPG 화염 혹은 그 혼합화염과 비교하여 횡축 방향으로의 확산이 거의 없는 화염 형상을 가지고 있음을 볼 수 있다.
노즐 축방향을 따라 노즐로부터의 거리에 따른 화염의 온도 분포를 측정하였다(도 5). 온도 측정이 가능했던 위치에서의 EOH 단독 화염의 최대 온도는 1633℃, 9:1 혼합비의 EOH + LPG 혼합화염은 1400 ℃, LPG 단독 화염의 최대 온도는 748 ℃였다. EOH 화염 온도 측정시에 측정 열전대의 산화 및 파손이 우려되어 더 높은 온도 영역을 측정하지 못했음을 감안할 때, EOH 단독 화염 온도가 LPG 화염 혹은 그 혼합화염과 비교하여 매우 높은 화염 온도를 생성하는 것이 가능함을 알 수 있다.
따라서 EOH 단독 화염을 사용하면 일산화탄소나 이산화탄소와 같은 탄소화합물의 생성 없이 높은 온도를 생성할 수 있으므로 제거 대상의 신속한 열분해를 유도할 수 있다. 또한 횡축으로 전달되는 열유동이 적어 열을 가하는 주변부에 미치는 열에 의한 영향이 감소하는 효과를 얻을 수 있다. 다른 예인 오염가스제거 실시예에 오염물질이 되는 CF4와 같은 불연성 PFC(Perfluorocompound) 가스를 연소법으로 분해하여 제거하기 위해서는 1300 ℃ 이상의 고온의 환경과 화학 반응을 위한 여분의 수소 및 산소가 필요하기 때문에 EOH 단독 화염을 사용하는 것이 매우 적합하다.
그리고 도 6 내지 도 9 등은 EOH 화염의 페인트 제거 효과에 대한 것이다.
이에 EOH 화염을 이용해 알루미늄 표면에 바른 페인트를 제거하는 실험을 수행하였다. EOH 화염의 페인트 제거 효과를 정량적으로 보이기 위해 LIBS(Laser-induced breakdown spectroscopy) 실험을 수행하였으며, 레이저 공촛점 현미경을 사용하여 페인트가 제거된 표면을 관찰하였다.
실험에 사용한 알루미늄 판은 크기 20 X 20cm, 두께 1mm의 정사각형 평판을 사용하였다. 백색 유성페인트는 KCC 센스멜999(무광)-백색 제품을 사용하였으며 dip coating 방법을 사용하여 알루미늄 표면에 약 0.1mm 두께로 도포하였다. 페인트 제거를 위해 사용한 EOH 가스는 토출량 5000cc/min를 사용하였다. 특히 표면연소버너(42) 및 노즐(43)에서 이루는 화염이 시험대상 표면을 일정하게 지게하기 위해 선형이동구성을 추가로 구성하였으며 이러한 선형이동구성으로 서보모터로 구동되는 리니어 가이드의 측면에 토치 노즐을 부착하여 사용하였으며 EOH 화염을 페인트 표면 상단 일정 높이에서 일정 속도로 4회 이송하였다.
도 6에서처럼 EOH 화염이 지나간 중앙부에서 페인트가 제거되고 노출된 알루미늄 표면을 관찰할 수 있었다. 알루미늄 표면이 드러난 정도를 정량적으로 분석하기 위해 LIBS 분광법을 사용하였다. 레이저에서 펄스 빔을 표면에 조사하여 여기된 원자가 방출하는 빛의 파장과 강도를 분석하여 해당 지점에 존재하는 성분의 상대적인 양을 검출할 수 있다(도 7). 실험에 사용된 페인트 성분 중 무기물의 다수를 차지하는 티타늄 원소를 표면에 부착된 페인트 양을 나타내는 지표로 사용하여 모재인 알루미늄의 신호 강도와 비교하였다(도 8). EOH 화염이 지나간 중앙부의 약 12 mm 구간에서 티타늄 대비 알루미늄의 신호가 두드러지게 증가하였으며 이는 중앙부에서 페인트가 제거되어 알루미늄 표면이 노출되었음을 보여준다.
도 9는 레이저 공촛점 현미경을 사용하여 페인트가 제거된 표면의 형상을 관찰한 것이다. EOH 화염이 지나간 중앙부에서 페인트가 제거되어 드러난 알루미늄 결정 표면을 관찰할 수 있었다. 주변부에는 완전히 분해되지 않은 페인트 잔여물을 관찰할 수 있었다.
다음으로 도 10에서는 벽돌에 대한 이물질 제거시험을 하였다.
이에 지름이 0.7 mm 인 3개의 구멍이 병렬로 뚫려 나란히 배열된 화구를 갖는 버너에 산수소 가스를 분당 20 리터를 사용하여 화염을 생성하였다. 생성된 화염의 밑단으로부터 3 cm 높이에서 분당 5 m의 속도로 움직이는 산수소 화염을 이용해 콘크리트 벽돌 위의 페인트를 열분해 하였다.
산수소 화염은 고온의 화염 온도가 분출되는 제트(jet)에 집속되는 특징을 갖기 때문에 화염이 닿는 표면의 페인트를 집중적으로 빠르게 열분해 시킬 수 있다. 또한 산수소 화염은 빠른 화염전파속도를 갖기 때문에 버너가 고속으로 움직이는 환경에서도 화염이 노즐에 안정적으로 형성되어, 고속으로 움직이며 표면을 세정하는 장치에 적용이 가능하다. 실험실 규모에서 전해 산수소 화염을 이용하여 페인트를 빠르게 제거할 수 있음을 보일 수 있었으며, 장치를 병렬로 배치하면 보다 큰 규모에서도 고속으로 표면 세정이 가능할 것이다.
다음으로 도 11 및 도 12에서는 일명 EOH flame soot cleaning system으로, 전해 산수소 화염을 이용한 벽돌 표면의 그을음 제거의 예를 볼 수 있다.
도 12는 전해 산수소 화염 노출시간에 따른 그을음 세정면적에 대한 것이다.
이처럼 페인트 제거 실험과 마찬가지로, 실험실 규모의 실험에서 전해 산수소 화염을 이용하여 표면의 그을음을 빠르게 제거할 수 있음을 보일 수 있으며, 장치를 병렬로 배치하면 보다 큰 규모에서도 고속으로 표면 세정이 가능한 것이다.
그리고 오염물질의 제거 장치(예: EOH flame surface cleaning system for adhesion improvement)를 구성함에 있어 다양한 복합재료에 대한 오염물질을 제거할 수 있다. 이에 복합재료 제작 공정에서, 모재(substrate)의 표면 상태는 접착 강도에 큰 영향을 끼친다. 전처리 과정에서 표면에서 완전히 제거되지 않은 이형제, 산화방지제, 유기 화합물 등의 잔여물은 다른 기재와의 접착 전에 신속히 제거되어야 한다. 페인트, 그을음 제거와 마찬가지로 전해 산수소 화염을 이용하여 모재 표면의 오염물질을 신속히 열분해함으로써 전체적인 복합재료의 기계적 물성을 향상시킬 수 있다.
다음으로 도 13 내지 도 14에서와 같이 오염가스제거 실시예에 대해 살펴보기로 한다.
이에 물을 전기분해 하는 장치로 일명 전해조(20, EOH GENERATOR)는 물을 전기를 이용해 수소와 산소로 분해하는 장치로 생성된 이를 따로 혹은 함께 나오는 구조로 설계된 장치이다.
그리고 역화방지장치(26, FLAME ARRESTER)는 화염의 역화를 방지하는 장치이다.
오염가스 연소수단(50)의 세부 구성으로, 연소챔버(53, COMBUSTION CHAMBER)는 전해 산수소 가스(EOH)와 과불소 혼합(PFC) 가스의 혼합 화염을 생성하는 장치이다.
아울러 물스프레이(54, WATER SPRAY)는 전해 산수소 가스(EOH)와 과불소 혼합(PFC) 가스의 연소 부산물을 물 스프레이로 용해시키는 장치이다.
이러한 오염가스제거 실시예의 장치 구성 예를 보면 다음과 같다.
즉 반도체 공정에서 사용된 분당 4 리터의 CF4 가스를 분당 20 리터의 전해 산수소 화염과 혼합한 후, 토치 화구 지름이 1 mm 인 화구가 병렬로 다수 배치된 버너에서 연소시켰다. 그리고 배기가스에 포함된 반응생성물 중 불산가스는 관 중앙부에 설치된 water spray에서 용해시켜 불산을 만드는 것이다. 또한 Water spray에 의해 용해된 불산 액은 따로 수거하여 처리하고, wet scrubber를 한번 더 통과한 배기가스는 이산화탄소로 포집하여 처리하게 된다.
이에 의한 효과를 볼 때, 반도체 식각 공정 및 CVD 공정에서 사용되는 대표적인 온실가스인 PFC 가스의 다양한 분해 기술이 연구 및 개발되어 왔으며, 본 발명에서는 PFC 가스를 별도의 연료와 함께 직접 연소시키는 방법은 대부분의 PFC 가스를 높은 분해율로 분해할 수 있으며 다량의 PFC 가스를 처리할 수 있는 이점을 갖는다. 전해 산수소 가스를 연료로 이용하면 높은 열분해 온도를 얻을 수 있고 연소에 필요한 별도의 산화제를 공급하기 위한 시설을 필요로 하지 않으며, 필요한 양만큼의 연료를 위한 산수소 가스를 현장에서 즉시로 생산하는 것이 가능하게 된다. 그리고 완전 연소를 위한 연료대비 산화제의 부피가 절반에 불과한 수소가스의 특성상 연소실의 사이즈를 줄일 수 있어 위의 장치 개념도와 같이 매우 단순한 장치구조를 만들 수 있으며, 장비의 소형화가 가능하다. 기타 본 기술의 여러 장점을 통해 본 기술이 경쟁력을 가질 수 있다고 판단된다.
이에 도 14에서는 EOH 화염을 이용한 CF4 가스의 분해 전후의 FTIR 흡광 스펙트럼을 보인 것이다.
즉 도 14는 1500cc/min 유량의 EOH 화염에 50cc/min CF4 가스를 예혼합하여 분해하였을 때 측정된 파장별 FTIR 흡광 신호의 세기를 나타낸 그래프이다. 그래프에서 1230cm-1부근의 peak는 CF4 가스의 흡광 스펙트럼이다. EOH 화염이 없이 CF4를 주입하였을 때 CF4 신호인 1230cm-1 신호가 발생하는 것을 확인하였으며, 같은 조건에서 EOH 화염에 CF4를 주입하였을 때는 동일한 신호가 사라지는 것을 확인할 수 있다. EOH 화염에 CF4 가스를 투입하였을 때 CF4 흡광 스펙트럼이 사라진 것으로 보아 CF4 가스가 EOH 화염에 의해 를 잘 분해되었음을 알 수 있다.
CF4가 EOH 화염에 의해 연소 챔버 내에서 분해되고 난 후에 물 스프레이 구간을 지나 물에 불산 형태로 용해되는데, 물의 산성도를 측정한 결과 실험 전의 산성도가 약 PH 8이었던 물이 PH 4로 바뀐 것을 확인하였다. 앞의 FTIR 실험 결과를 함께 고려해 보았을 때 EOH 화염으로 CF4 가스를 효과적으로 분해할 수 있었으며 분해된 불산가스가 물에 잘 용해되었다고 할 것이다.
이상으로 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 일실시예를 기재한 것이므로, 상기 실시예의 기재에 의하여 본 발명의 기술적 사상이 제한적으로 해석되어서는 아니 된다.
10 : 오염물질제거시스템 20 : 전해조
26 : 역화방지장치 27 : 가스유량조절기
40 : 표면오염제거연소수단 41 : 가스연결부
42 : 표면연소버너 43 : 노즐
50 : 오염가스연소수단 51 : 혼합가스버너
52 : 가스혼합부 53 : 연소챔버
54 : 물스프레이 55 : 부산물탱크
70 : 연소부산물배출수단 71 : 배출블로어
73 : 진공펌프 74 : 습식불산분리부
75 : 불산포집부

Claims (12)

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  2. 삭제
  3. 내부에 산수소 가스 발생용 물이 담겨지고 물에 침지된 전극으로 전기를 공급하여 산소가스와 수소가스를 발생시키는 전해조;
    전해조에서 오염물질제거수단으로 공급되는 산소가스와 수소가스의 유량을 조절하는 가스유량조절기; 및
    전해조로부터 공급된 산소와 수소의 산수소가스를 착화시켜 산수소 가스의 화염으로 오염물질을 제거하는 오염물질제거수단;을 포함하는데,
    상기 오염물질제거수단은, 오염물질이 도포된 표면에 대해 화염으로 표면 오염물질을 제거하는 표면오염제거연소수단을 포함하고,
    상기 표면오염제거연소수단은 전해조로부터 산수소 가스가 공급되는 산수소가스 공급라인과 연결되는 가스연결부; 공급된 산수소 가스가 분출되면서 산수소의 화염이 형성되는 노즐; 및 일측으로 가스연결부가 마련되고 타측으로 산수소 가스가 분출로 화염이 형성되는 노즐이 구비된 표면연소버너;을 포함하며,
    상기 노즐은 표면연소버너의 일측에 복수 개로 마련되고,
    상기 표면연소버너 내부에는: 공급되는 산수소 가스가 복수 개의 노즐로 분기되어 공급되게 산수소 가스를 분할공급하는 분할탱크; 및 분할탱크 내의 산수소 가스가 개별 노즐로 공급되는 가스분기관; 을 포함하며,
    개별 노즐은 0.2mm 내지 2mm의 지름을 형성하고,
    복수의 노즐은 서로 3mm 내지 20mm의 간격을 이루는 것을 특징으로 하는 전해 산수소 화염을 이용한 친환경적 오염물질제거시스템.
  4. 제 3항에 있어서,
    전해조에서 오염물질제거수단으로 공급되는 산수소 가스의 역류를 방지하여 화염의 역화를 방지하는 역화방지장치; 및
    오염물질이 연소된 연소부산물을 배출하는 연소부산물배출장치;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전해 산수소 화염을 이용한 친환경적 오염물질제거시스템.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제 3항에 있어서,
    상기 오염물질제거수단은, 가스의 오염물질인 오염가스를 화염으로 제거하는 오염가스 연소수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전해 산수소 화염을 이용한 친환경적 오염물질제거시스템.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 오염가스 연소수단은:
    전해조로부터 산수소 가스를 공급받고 오염가스를 공급받으며 오염가스 및 산수소 가스의 혼합가스를 혼합가스버너로 공급하는 가스혼합부;
    산수소 가스 및 오염가스가 포함된 혼합가스를 연소하는 혼합가스버너; 및
    혼합가스버너가 일측에 구비되고 혼합가스의 화염이 내부에 형성되는 연소챔버;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전해 산수소 화염을 이용한 친환경적 오염물질제거시스템.
  11. 제 10항에 있어서,
    혼합가스의 연소 부산물을 물 스프레이 분사로 용해시켜 포집하는 물스프레이를 포함하는 것을 특징으로 하는 전해 산수소 화염을 이용한 친환경적 오염물질제거시스템.
  12. 제 11항에 있어서,
    물 스프레이 분사로 물에 용해된 연소 부산물이 담겨진 부산물탱크를 포함하는 것을 특징으로 하는 전해 산수소 화염을 이용한 친환경적 오염물질제거시스템.
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