KR101619534B1 - 광촉매 반응장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 광촉매 반응장치에 관한 것으로서, 광에너지를 이용하여 휘발성 유기화합물(VOCs), 폐수, 염료용액 등의 오염물질 저감 또는 악취 저감 처리대상 유체를 광촉매와 접촉, 반응시켜 분해 처리하는 광촉매 반응장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명의 광촉매 반응장치는 광촉매가 고정되는 종래의 고정식 반응장치를 개선한 것으로, 광을 공급받아 측면으로 방출하는 측면 발광형 광섬유의 표면에 광촉매를 코팅하여 고정함으로써, 종래의 분산식 반응장치가 가지는 광촉매 유실의 문제점과 더불어 종래의 분산식 및 고정식에서 광 차폐로 인한 효율 저하의 문제점을 동시에 해결한 것에 주된 특징이 있는 것이다.

Description

광촉매 반응장치{PHOTOCATALYTIC REACTOR}
본 발명은 광촉매 반응장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 광에너지를 이용하여 휘발성 유기화합물(VOCs), 폐수, 염료용액 등의 오염물질 저감 또는 악취 저감 처리대상 유체를 광촉매와 접촉, 반응시켜 분해 처리하는 광촉매 반응장치에 관한 것이다.
오늘날 산업이 크게 발달하면서 환경오염문제가 심각하게 대두되고 있고, 이에 오염물질에 대한 규제도 더욱 강화되고 있는 실정이다.
또한 오염원의 종류가 점차 다양해지고 있고, 새로운 오염물질도 계속해서 발생하고 있으며, 따라서 오염문제를 보다 효율적으로 해결하기 위한 여러 방안이 제안되고 있다.
그 중 최근 오염물질의 새로운 처리기술로 주목받고 있는 광촉매 반응을 이용한 오염물질의 처리방법은 온도, pH 등의 영향을 비교적 적게 받으므로 처리 조건에 있어서 큰 제약이 따르지 않는 장점이 있다.
이러한 광촉매 반응을 간단히 살펴보면, 광촉매에 광에너지를 주게 되면 각각 전자와 정공이 생성되고, 이때 생성된 전자와 정공은 광촉매의 표면으로 이동하게 된다.
이와 같이 광촉매의 표면으로 이동한 전자와 정공은 처리대상의 오염물질과 접촉하여 화학적 산화ㆍ환원반응을 일으키며, 이로써 오염물질 분자를 분해시키게 된다.
이러한 광촉매 반응을 이용한 유기오염물질 분해장치는 자연친화적인 오염물질 저감장치로서 그 발전 가능성이 높으며, 따라서 광촉매 반응장치에 대한 관심이 높아지고 있다.
종래의 광촉매 반응장치는 크게 광촉매의 고정ㆍ분산 여부에 따라 도 1에 나타낸 분산식 광촉매 반응장치와, 도 2에 나타낸 고정식 광촉매 반응장치로 구분된다.
이 중에서 분산식 광촉매 반응장치(10)는 도 1에 나타낸 바와 같이 광에너지를 공급하는 광원(11)과, 폐수나 염료용액 등의 오염물질 저감 처리대상 유체가 수용되는 광반응 처리조(12)와, 광반응 처리조(12)의 처리대상 유체(14) 내에 투입되어 분산되는 광촉매 분말(13)로 구성된다.
이러한 분산식 광촉매 반응장치(10)는 광촉매 반응에 있어서 광촉매 분말(13)들의 넓은 반응면적을 활용할 수 있으므로 고정식 광촉매 반응장치와 비교하여 높은 처리효율을 가지는 장점이 있는 반면, 처리대상 유체(14) 내의 광촉매 분말(13)을 회수하는데 어려움이 있다.
또한 광촉매 분말(13)이 교반 등을 통해 부유한 상태로 있게 되는데, 그 중 광원(11)으로부터 멀리 있는 광촉매 분말은 광원으로부터 가까운 광촉매 분말에 의해 차폐되므로 비활성화되는 광촉매 분말이 다수 발생한다는 단점이 있다.
고정식 광촉매 반응장치(20)는 도 2에 나타낸 바와 같이 광에너지를 공급하는 광원(21)과, VOCs(Volatile Organic Compounds), 폐수, 염료용액 등의 오염물질 저감 또는 악취 저감 처리대상 유체(26)가 통과하는 광반응 처리조(22)와, 광촉매가 코팅, 고정되어 있는 광촉매 코팅관(25)으로 구성된다.
상기 광반응 처리조(22)는 처리대상의 유체(26)가 유입되는 유입구(23)와, 광촉매에 접촉된 처리대상의 유체가 최종 배출되는 배출구(24)를 가지며, 유입구(23)를 통해 유입된 처리대상의 유체(26)가 광촉매 코팅관(25)에 고정된 광촉매와 접촉하여 분해된 뒤 배출구(24)를 통해 배출되는 구조로 되어 있다.
이러한 고정식 광촉매 반응장치(20)는 광촉매가 광촉매 코팅관(25)에 고정되어 있으므로 광촉매의 회수가 용이하고 광촉매의 유실을 최소화할 수 있는 반면, 분말식 광촉매 반응장치와 비교하여 광촉매의 반응면적이 코팅된 면적에 국한되어 처리효율이 낮으며, 광촉매 코팅관(25) 중 광원(21)으로부터 멀리 있는 코팅관은 광원으로부터 가까운 코팅관에 의해 차폐되므로 비활성화되는 광촉매가 다수 발생한다는 단점이 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 광촉매의 활성효율과 반응효율이 향상될 수 있고 광촉매의 유실이 최소화될 수 있는 광촉매 반응장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 유입구와 배출구를 가지며 유입구를 통해 공급된 처리대상 유체가 내부공간을 통과한 뒤 배출구를 통해 배출되도록 구비되는 광반응 처리조와; 상기 광반응 처리조 내에 지지수단에 의해 고정되어 설치되는 측면 발광형 광섬유와; 상기 측면 발광형 광섬유의 표면에 코팅되어 고정되는 광촉매와; 상기 측면 발광형 광섬유의 내부로 광을 공급하여 광섬유의 측면 발광이 이루어지도록 설치되는 광원;을 포함하여 구성되는 광촉매 반응장치를 제공한다.
바람직한 실시예에서, 상기 지지수단은 광반응 처리조 내에서 광섬유가 횡방향으로 관통하도록 설치되는 부분격벽인 것을 특징으로 한다.
또한 상기 광반응 처리조 내에 복수개의 부분격벽이 광섬유의 길이방향으로 이격 배치되고,
각 부분격벽의 일측단이 광반응 처리조 일측면에 고정되되, 상기 각 부분격벽의 타측단에는 처리대상 유체가 통과하도록 된 개구부가 형성되며,
상기 부분격벽들의 개구부가 광섬유의 길이방향에서 엇갈리게 배치 형성되어 광반응 처리조 내에 지그재그 형태의 유로를 형성하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 광반응 처리조의 유입구와 배출구 사이에 광섬유들이 길게 나란히 배치되어 고정되는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 본 발명의 광촉매 반응장치에 의하면 다음과 같은 이점이 있다.
1) 측면 발광형 광섬유에 의한 광촉매 활성효율 개선(광의 활용률 및 광촉매의 활성 증가)
종래의 광촉매 반응장치에서는 광원으로부터 멀리 있는 광촉매 분말(분산식) 또는 광촉매 코팅 관(고정식)이 광원으로부터 가까운 광촉매 분말 또는 광촉매 코팅 관에 의해 차폐되어 비활성화되는 광촉매 분말 또는 광촉매 코팅 관이 다수 발생한다.
반면, 본 발명의 광촉매 반응장치에서는 측면 발광형 광섬유에 광촉매가 코팅되므로 광이 차폐되는 광촉매가 발생하지 않으며, 광촉매와 광섬유가 바로 맞닿아 있어 광의 활용률 및 광촉매의 활성이 증대될 수 있다.
2) 광섬유에 의한 광촉매 반응효율 개선(광촉매 반응면적 증가)
광촉매 반응은 광촉매 표면에서 주로 일어나는데, 종래의 고정식 광촉매 반응장치의 경우 광촉매의 반응면적이 코팅된 면적에 국한되어 분산식 광촉매 반응장치에 비해 처리효율이 낮다.
반면, 본 발명의 광촉매 반응장치의 경우 표면적이 넓은 광섬유에 광촉매를 코팅함으로써, 광촉매와 처리대상 유체와의 접촉면적을 넓혀 광촉매 반응효율을 증가시킬 수 있다.
3) 부분격벽에 의한 광촉매 반응효율 개선(반응시간 증가)
광촉매 반응은 광촉매와 처리대상 유체가 접촉하는 반응시간이 충분해야 하는데, 종래의 광촉매 반응장치 중 연속식으로 처리가 용이한 고정식 광촉매 반응장치의 경우 처리대상 유체가 광촉매 코팅관과 접촉하는 반응시간이 짧다.
반면, 본 발명의 광촉매 반응장치에서는 부분격벽이 설치되어 처리대상 유체가 지그재그 형태의 유로를 통과하게 되고, 이때 광섬유의 길이방향에 대해 횡방향으로 이동하게 됨으로써, 광섬유의 넓은 면적을 최대한 활용할 수 있으며, 처리대상 유체의 경로를 길게 할 수 있어 반응시간 및 반응효율을 증대시킬 수 있다.
4) 부분격벽에 의한 광섬유 고정으로 광촉매ㆍ광섬유의 손상 방지 및 광촉매 반응면적 유지
광촉매가 코팅된 광섬유를 부분격벽 없이 사용하는 경우 처리대상 유체의 유속에 의한 저항으로 광섬유가 부러지는 내구관련 문제가 발생하며, 광섬유가 서로 붙거나 엉켜 광섬유의 반응면적이 감소되고, 광섬유에 코팅되어 있는 광촉매가 마모되는 문제가 발생할 수 있다.
본 발명의 광촉매 반응장치에서는 광섬유를 부분격벽에 고정시켜 광섬유의 반응면적을 확보하면서, 광촉매 및 광섬유의 손상을 방지하여 광촉매 반응장치의 성능을 유지하고, 내구성을 높여 사용기간을 늘릴 수 있다.
5) 광섬유에 의한 광촉매 고정으로 광촉매 회수 및 보충 공정 불필요
종래의 분산식 광촉매 반응장치에서는 처리대상 유체에 부유하는 광촉매 분말을 회수하기 어렵고, 연속적으로 처리할 경우 처리대상 유체의 유속에 의해 광촉매 분말의 유실이 발생하여 광촉매 분말의 지속적인 보충이 필요하며, 이로 인해 광촉매 회수 비용과 보충 비용이 발생한다.
반면, 본 발명의 광촉매 반응장치의 경우 광섬유에 광촉매를 코팅하여 고정함으로써, 회수 및 보충 공정이 불필요하며, 따라서 해당 공정의 비용을 절감할 수 있다.
도 1은 종래의 분산식 광촉매 반응장치를 도시한 개략도이다.
도 2는 종래의 고정식 광촉매 반응장치를 도시한 개략도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 광촉매 반응장치의 구성도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 광촉매 반응장치의 평면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 광촉매 반응장치의 횡단면도이다.
도 6은 통상의 측면 발광형 광섬유를 보여주는 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.
본 발명은 광촉매 반응장치에 관한 것으로서, 광에너지를 이용하여 휘발성 유기화합물(VOCs), 폐수, 염료용액 등의 오염물질 저감 또는 악취 저감 처리대상 유체를 광촉매와 접촉, 반응시켜 분해 처리하는 광촉매 반응장치에 관한 것이다.
특히, 본 발명의 광촉매 반응장치는 광촉매가 고정되는 종래의 고정식 반응장치를 개선한 것으로, 광을 공급받아 측면으로 방출하는 측면 발광형 광섬유의 표면에 광촉매를 코팅하여 고정함으로써, 종래의 분산식 반응장치가 가지는 광촉매 유실의 문제점과 더불어, 종래의 분산식 및 고정식에서 광 차폐로 인한 효율 저하의 문제점을 동시에 해결한 것에 주된 특징이 있는 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 광촉매 반응장치의 구성도이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 광촉매 반응장치의 평면도이며, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 광촉매 반응장치의 횡단면도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 광촉매 반응장치(110)는, 유입구(111)와 배출구(112)를 가지며 유입구(111)를 통해 공급된 처리대상 유체가 내부공간을 통과한 뒤 배출구(112)를 통해 배출되도록 구비되는 광반응 처리조(110)와; 상기 광반응 처리조(110) 내에 지지수단에 의해 고정되어 설치되는 측면 발광형 광섬유(120)와; 상기 측면 발광형 광섬유(120)의 표면에 코팅되어 고정되는 광촉매(미도시)와; 상기 측면 발광형 광섬유(120)의 내부로 광을 공급하여 광섬유의 측면 발광이 이루어지도록 설치되는 광원(130)을 포함하여 구성된다.
이러한 구성에서 측면 발광형 광섬유(120)의 외부 표면에 종래의 고정식 광촉매 반응장치와 같이 통상의 광촉매가 코팅되어 고정되며, 광촉매가 코팅된 측면 발광형 광섬유(120)가 광반응 처리조(110) 내에 소정 간격으로 배열되어 고정된다.
상기 측면 발광형 광섬유(side light)(120)는 도 6에 나타낸 바와 같이 광 전달 경로의 측면을 따라 빛이 새어 나오도록 제작된 광섬유로, 주로 조명용으로 널리 사용되고 있다.
이와 같이 본 발명에서는 분산식 광촉매 반응장치의 단점인 광촉매 분말 회수의 어려움을 해결하기 위하여 광촉매를 측면 발광형 광섬유(120)에 고정시키는데, 광섬유(120)는 광촉매를 코팅할 수 있는 면적이 종래의 코팅관에 비해 상대적으로 넓은 이점이 있다.
이에 광촉매 회수의 어려움을 해결하면서도 처리효율을 높일 수 있고, 더욱이 광촉매를 측면 발광형 광섬유에 코팅하여 고정하면, 광섬유 내부에서 측면으로 방출되는 광이 광섬유 표면에 코팅된 광촉매에 고르게 공급되고, 각각의 광섬유 모두에서 독립적으로 광이 측면 발광하여 광촉매에 공급되므로, 광반응 처리조 내에서 다른 차폐물에 의해 광촉매로 공급되는 광이 차폐되는 현상이 발생하지 않게 된다.
또한 광촉매가 빛이 방출되는 광섬유와 바로 맞닿아 있으므로 광의 활용률 및 광촉매의 활성을 증대시키는 효과가 있게 된다.
바람직한 실시예에서, 광반응 처리조(110)의 일단에 유입구(111)가, 반대쪽 타단에 배출구(112)가 구비되고, 광반응 처리조(110)의 유입구(111)와 배출구(112) 사이에 광섬유(120)들이 소정 간격으로 길게 나란히 배치되어 고정된다.
즉, 광섬유(120)의 일단은 유입구(111)쪽으로, 광섬유의 타단은 배출구(112)쪽으로 고정되는 것이다.
한편, 광반응 처리조(110) 내에서 광섬유(120)들을 지지하는 지지수단으로는 부분격벽(140)이 설치될 수 있다.
상기 부분격벽(140)은 광반응 처리조(110) 내에서 유입구(111)와 배출구(112) 사이에 광섬유(120)들의 길이방향에 대해 횡방향으로 배치되도록 설치되는데, 복수개의 부분격벽(140)이 광섬유(120)들의 길이방향으로 소정 간격 배치되는 구조로 되어 있고, 광섬유(120)들이 부분격벽(140)의 관통공에 끼워져 고정됨으로써 부분격벽(140)을 광섬유(120)들이 횡방향으로 관통하는 구조로 되어 있다.
이때, 각 부분격벽(140)은 일측단이 광반응 처리조(110) 일측면에 고정되되, 타측단에는 처리대상 유체가 통과하도록 된 개구부가 형성되며, 특히 부분격벽(140)들의 개구부가 광섬유(120)의 길이방향에서 엇갈리게 배치 형성되어 광반응 처리조(110) 내에 지그재그 형태의 유로가 형성되도록 한다.
본 발명의 실시예에서, 개구부는 각 부분격벽(140)의 타측단과 광반응 처리조(110) 타측면 사이에 처리대상 유체가 통과할 수 있도록 간극을 두어 양측 사이가 개방된 구조가 되도록 함으로써 형성될 수 있는데, 각 부분격벽(140)과 광반응 처리조(110) 사이의 개방된 통로가 처리대상 유체가 통과하는 개구부가 된다.
결국, 광반응 처리조(110)의 내부공간에는 유입구(111)로부터 배출구(112)에 이르기까지 지그재그 형태의 유동경로가 형성되는데, 각 부분격벽(140)이 광섬유(120)를 지지하는 지지수단이 되면서 소정 간격으로 유지하는 간격유지수단, 그리고 처리대상 유체가 이동하는 유로를 형성하는 유로형성수단의 역할을 하게 된다.
상기와 같이 부분격벽(140)이 광섬유(120)의 길이방향에 대해 횡방향으로 배치되도록 설치되는 경우, 광반응 처리조(110)의 내부공간에서 처리대상 유체가 광섬유(120)들을 길이방향의 횡방향으로 통과하면서 지그재그 형태의 유로를 따라 이동하게 되며, 이로써 처리대상 유체의 유동경로를 길게 할 수 있는 동시에 광섬유(120)의 넓은 면적을 최대한 활용할 수 있게 되고, 이는 처리대상 유체와 광촉매와의 반응시간을 증가시켜 처리효율을 극대화시키게 된다.
특히, 유입구(111)와 배출구(112) 사이에 광섬유(120)들이 길게 배치되므로, 유입구(111)를 통해 유입된 처리대상 유체가 광반응 처리조(110) 내에서 정해진 유동경로를 따라 배출구(112)쪽으로 흐르는 동안, 광촉매가 코팅된 광섬유(120)의 길이방향 구간을 단계적으로 거치면서 접촉하게 되어, 반응면적 및 크기를 극대화할 수 있게 된다.
또한 광반응 처리조(110)의 내부공간에 다수의 부분격벽(140) 없이 광섬유(120)를 처리대상 유체에 바로 노출시키는 경우, 유속에 의한 저항으로 광섬유가 부러지는 내구성의 문제가 있게 되고, 광섬유가 서로 붙거나 엉켜 광섬유의 반응면적을 감소시킬 뿐만 아니라 광섬유에 코팅되어 있는 광촉매가 쉽게 마모될 수 있는데, 부분격벽(140)을 이용하여 광섬유(120)를 고정하게 되면, 광섬유를 소정 간격으로 유지하여 반응면적을 충분히 확보할 수 있으면서, 광촉매 및 광섬유의 손상을 방지하여 광반응 장치의 성능을 유지시킬 수 있고, 반응장치의 내구성을 높일 수 있게 된다.
본 발명에서 광섬유(120)가 고정되는 부분격벽(140)으로는 유체의 저항에 견딜 수 있는 재질인 아크릴판, 유리판, 금속판 등이 사용될 수 있다.
상기 광원(130)은 광반응 처리조(110)의 내부공간에 설치된 광섬유(120)에 광을 공급하도록 구비되는 것으로, 광섬유(120)들의 일단이 고정되어 있는 광반응 처리조 단부측에 설치될 수 있고, LED 등의 광원이 이용될 수 있다.
이와 같이 하여, 본 발명에 따른 광촉매 반응장치의 구성에 대해 설명하였는 바, 상술한 광촉매 반응장치에서는 측면 발광형 광섬유의 사용에 따라 광촉매 활성효율이 개선되는 이점이 있고(광의 활용률 및 광촉매의 활성 증가), 광촉매 반응면적의 증가로 반응효율이 개선되는 이점이 있게 된다.
또한 부분격벽(140)을 설치하여 지그재그 형태의 유로를 형성함으로써 반응면적 및 반응시간을 증가시킬 수 있고, 이에 광촉매의 반응효율이 개선되는 이점이 있으며, 광섬유의 고정으로 광촉매ㆍ광섬유의 손상 방지 및 성능 유지, 내구성 증대의 효과가 있게 된다.
또한 광섬유에 의한 광촉매 고정으로 광촉매 회수 및 보충 공정이 불필요하고, 공정의 비용을 절감할 수 있게 된다.
이상으로 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하였는 바, 본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.
100 : 광촉매 반응장치 110 : 광반응 처리조
111 : 유입구 112 : 배출구
120 : 광섬유 130 : 광원
140 : 부분격벽

Claims (4)

  1. 유입구(111)와 배출구(112)를 가지며 유입구(111)를 통해 공급된 처리대상 유체가 내부공간을 통과한 뒤 배출구(112)를 통해 배출되도록 구비되는 광반응 처리조(110);
    상기 광반응 처리조(110) 내에 지지수단에 의해 고정되어 설치되며, 광전달 경로의 측면을 따라 빛이 새어 나가도록 제작된 측면 발광형 광섬유(120);
    상기 측면 발광형 광섬유(120)의 표면에 코팅되어 고정되는 광촉매;
    상기 측면 발광형 광섬유(120)의 내부로 광을 공급하여 광섬유(120)의 측면 발광이 이루어지도록 설치되는 광원(130);
    을 포함하고, 광섬유 내부에서 측면으로 방출되는 광이 광섬유 표면에 코팅된 광촉매에 고르게 공급되도록 하여, 각각의 광섬유 모두에서 독립적으로 광이 측면 발광하여 광촉매에 공급되도록 한 것을 특징으로 하는 광촉매 반응장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 지지수단은 광반응 처리조(110) 내에서 광섬유(120)가 횡방향으로 관통하도록 설치되는 부분격벽(140)인 것을 특징으로 하는 광촉매 반응장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 광반응 처리조(110) 내에 복수개의 부분격벽(140)이 광섬유(120)의 길이방향으로 이격 배치되고,
    각 부분격벽(140)의 일측단이 광반응 처리조(110) 일측면에 고정되되, 상기 각 부분격벽(140)의 타측단에는 처리대상 유체가 통과하도록 된 개구부가 형성되며,
    상기 부분격벽(140)들의 개구부가 광섬유(120)의 길이방향에서 엇갈리게 배치 형성되어 광반응 처리조(110) 내에 지그재그 형태의 유로를 형성하는 것을 특징으로 하는 광촉매 반응장치.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광반응 처리조(110)의 유입구(111)와 배출구(112) 사이에 광섬유(120)들이 길게 나란히 배치되어 고정되는 것을 특징으로 하는 광촉매 반응장치.


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