KR101628965B1 - 산화성의 방사분해 기체를 포함하는 공기의 정화 방법 및 이를 수행하기 위한 공기 정화 시스템 - Google Patents

산화성의 방사분해 기체를 포함하는 공기의 정화 방법 및 이를 수행하기 위한 공기 정화 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 산화성의 방사분해 기체를 포함하는 공기의 정화 방법 및 이를 수행하기 위한 공기 정화 시스템에 관한 것으로, 상세하게는 방사선에 노출되어 산화성의 방사분해 기체를 포함하는 공기를 수거하는 단계(단계 1); 상기 단계 1의 산화성의 방사분해 기체를 포함하는 공기를 전이금속원소를 포함하는 필터에 투과시키는 단계(단계 2); 및 필터를 투과한 공기에 알칼리 용액을 접촉시켜 산화성의 방사분해 기체를 포집하는 단계(단계 3)를 포함하는, 공기 정화 방법을 제공한다. 본 발명의 공기 정화 방법은 방사선에 직접적으로 노출되어 있지 않다고 하더라도 주위로 확산되는 유독한 방사분해 기체를 효과적으로 제거하여 작업 환경을 보다 안전하게 한다. 특히 공기의 방사분해 기체인 오존과 이산화질소를 선택적으로 포집하여 제거할 수 있다. 이를 통해 고 방사선 환경에 노출되는 작업자의 안전을 확보할 수 있고, 방사분해 기체가 주위 환경에 누설되는 것을 방지할 수 있다.

Description

산화성의 방사분해 기체를 포함하는 공기의 정화 방법 및 이를 수행하기 위한 공기 정화 시스템{Purification Method for air including oxidized radiolysis gases and Purification System thereof}
본 발명은 산화성의 방사분해 기체를 포함하는 공기의 정화 방법 및 이를 수행하기 위한 공기 정화 시스템에 관한 것이다.
원자력이 전 세계 전력에 상당부분을 차지하고 있는 만큼 고방사선에 노출되는 원전 사고나 특수한 작업 환경에서는 방사선원으로부터 감마선을 차폐하는 것이 가장 중요하다. 이와 함께 이러한 환경에서는 이동성이 높고 호흡기를 통하여 인체 내로 유입할 수 있는 휘발성 방사성 핵종도 존재할 수 있다. 휘발성 방사성 핵종은 주로 방사성 요오드 기체, 세슘 미세입자, 그리고 삼중수소 기체 등이다. 이러한 휘발성 방사성 핵종으로부터 작업자를 보호하기 위하여 현재 다양한 공기 정화 장구를 사용한다. 방사성 요오드는 활성탄, 세슘 미세입자는 필터, 삼중수소는 드라이아이스나 얼음이 포함된 정화기를 이용하여 이들 휘발성 핵종을 포집하여 오염된 공기를 정화하고 있다.
한편, 시간당 수백 Gy 이상의 고방사선 환경에서는 방사성 핵종은 아니지만 공기의 방사분해 생성물인 오존(O3)과 이산화질소(NO2) 기체가 생성된다. 오존은 비록 낮은 농도일지라도 흡입하게 되면 가슴 통증, 기침, 메스꺼움, 인후자극, 충혈과 같은 다양한 건강문제를 야기할 수 있다. 이산화질소는 호흡을 통해 인체로 유입되면 폐포까지 깊이 도달하여 헤모글로빈의 산소 운반능력을 저하시키고, 수 시간 내에 호흡곤란을 수반한 폐수종 염증을 유발할 수 있다. 이와 같이 오존과 이산화질소는 이동성이 높고 아주 적은 양으로도 인체 호흡기의 기능을 저하시키는 작용을 하는 화합물이기 때문에 상기 방사분해 생성물을 처리할 수 있는 별도의 시스템 또는 방법이 요구되고 있다.
이때, 상기 방사분해 생성물은 현재 상용화되어 있는 활성탄 함유 필터로 포집할 수 있다. 활성탄은 내부에 무수히 많은 세공을 갖고 있는 무정질의 탄소덩어리로 액상 및 기상부분에서 정수, 폐수처리, 공기정화, 용제회수, 담배필터 등의 넓은 용도를 갖고 있는 흡착제이며, 분리된 활성탄 입자의 형태, 구체 또는 과립의 형태로 존재한다. 그러나, 활성탄은 습기를 포함한 모든 불순물질을 선택성 없이 포집하기 때문에 그 용량이 쉽게 포화되기 쉽다. 아울러, 활성탄 성분은 오존과 반응하여 일산화탄소 등 유독물질을 생성시키므로 호흡 공기 정화용으로는 적용하기에는 많은 문제가 있다.
아울러, 방사선원으로부터는 격리되어 있지만, 공간적으로는 통해져 있는 환경에 노출된 작업자의 안정을 확보하기 위해서는 공기의 방사분해 생성물인 상기 오존이나 이산화질소를 효과적으로 제거하는 정화 시스템이 요구된다. 또한, 이러한 정화 시스템으로는 시설적인 측면에서 방사선 작업자들의 환경에 적합한 시스템 또는 정화방법이 고려되어야 하나, 이에 대한 고려없이 방사선 환경에서의 작업자들이 주로 활성탄 필터를 사용하고 있는바, 현재로는 방사분해 생성물인 오존이나 이산화질소에 대한 효과적인 방어수단이 부족한 실정이다.
이에, 본 발명에서는 공기의 방사분해 생성물인 오존, 이산화질소 등을 효과적으로 제거할 수 있는 공기 정화 방법에 대해서 연구하던 중, 전이금속 원소를 포함하는 필터에 의한 방사분해 기체의 분해와, 알칼리 용액을 이용한 방사분해 기체의 포집을 통해 산화성의 방사분해 기체를 제거해낼 수 있는 공기 정화 방법 및 시스템을 개발하고 본 발명을 완성하였다.
공개특허공보 10-2014-0078620
본 발명의 목적은 산화성의 방사분해 기체를 포함하는 공기의 정화 방법 및 이를 수행하기 위한 공기 정화 시스템을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은
방사선에 노출되어 산화성의 방사분해 기체를 포함하는 공기를 수거하는 단계(단계 1);
상기 단계 1의 산화성의 방사분해 기체를 포함하는 공기를 전이금속원소를 포함하는 필터에 투과시키는 단계(단계 2); 및
필터를 투과한 공기에 알칼리 용액을 접촉시켜 산화성의 방사분해 기체를 포집하는 단계(단계 3)를 포함하는, 공기 정화 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은
방사선에 노출되어 산화성의 방사분해 기체를 포함하는 공기를 수거하는 단계(단계 1);
상기 단계 1의 산화성의 방사분해 기체를 포함하는 공기에 알칼리 용액을 접촉시켜 산화성의 방사분해 기체를 포집하는 단계(단계 2); 및
포집된 공기를 전이금속원소를 포함하는 필터로 투과시키는 단계(단계 3)를 포함하는, 공기 정화 방법을 제공한다.
나아가, 본 발명은
방사선에 노출되어 산화성의 방사분해 기체를 포함하는 공기를 수거하는 공기 수거부;
수거된 산화성의 방사분해 기체를 포함하는 공기를 공급하는 기체 공급부;
산화성의 방사분해 기체를 분해하는 전이금속 원소를 포함하는 필터;
알칼리 용액을 분사하여 산화성의 방사분해 기체를 포집하는 기체 포집부; 및
상기 방사분해 기체의 분해 및 포집이 완료된 공기가 배출되는 기체 배출부;를 포함하는 공기 정화 시스템을 제공한다.
본 발명의 공기 정화 방법은 방사선에 직접적으로 노출되어 있지 않다고 하더라도 주위로 확산되는 유독한 방사분해 기체를 효과적으로 제거하여 작업 환경을 보다 안전하게 한다. 특히 공기의 방사분해 기체인 오존과 이산화질소를 선택적으로 포집하여 제거할 수 있다. 이를 통해 시간당 수 십 Gy 이상의 고방사선 환경에 노출되는 작업자의 안전을 확보할 수 있고, 방사분해 기체가 주위 환경에 누설되는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 금속으로 구성된 필터와 알칼리 용액 스크러버로 구성된 방사분해 기체 포집 장치의 개념도이고;
도 2는 금속으로 구성된 필터와 알칼리 용액 스크러버로 구성된 장치 후단에 중성수 스크러버를 추가한 안전성이 보강된 방사분해 기체 포집 장치의 개념도이다.
본 발명은
방사선에 노출되어 산화성의 방사분해 기체를 포함하는 공기를 수거하는 단계(단계 1);
상기 단계 1의 산화성의 방사분해 기체를 포함하는 공기를 전이금속원소를 포함하는 필터에 투과시키는 단계(단계 2); 및
필터를 투과한 공기에 알칼리 용액을 접촉시켜 산화성의 방사분해 기체를 포집하는 단계(단계 3)를 포함하는, 공기 정화 방법을 제공한다.
이하, 본 발명의 공기 정화 방법을 각 단계별로 상세히 설명한다.
본 발명의 공기 정화 방법에 있어서, 단계 1은 방사선에 노출되어 산화성의 방사분해 기체를 포함하는 공기를 수거하는 단계이다.
본 발명의 공기 정화 방법은 특히 산화성의 방사분해 기체가 포함된 공기를 정화하기 위한 방법이다. 이러한 산화성의 방사분해 기체로는 오존(O3)과 이산화질소(NO2) 등이 있으며, 이러한 산화성의 방사분해 기체는 수백 Gy 이상의 고방사선 환경에서 공기가 방사분해됨에 따라 생성되는 물질이다. 상기 단계 1은 시간당 10 Gy 이상의 방사선에 노출되어 산화성의 방사분해 기체를 포함하는 공기를 수거할 수 있다.
이때, 상기 오존(O3)과 이산화질소(NO2)와 같은 산화성 방사분해 기체는 낮은 농도로 인체에 흡입되더라도, 인체 호흡기의 기능을 저하시키는 등의 문제를 야기할 수 있다.
본 발명의 공기 정화 방법에 있어서, 단계 2은 상기 단계 1의 산화성의 방사분해 기체를 포함하는 공기를 전이금속원소를 포함하는 필터에 투과시키는 단계이다.
상기 단계 2의 전이금속 원소를 포함하는 필터는 산화성의 방사분해 기체를 포함하는 공기가 투과하는 금속재질의 필터로써, 전이금속 원소를 포함하는 필터와 산화성의 방사분해 기체가 반응하여 오존과 이산화질소와 같은 방사분해 기체를 분해할 수 있다. 산화성의 방사분해 기체인 오존은 금속과 반응하면서 분해되어 산소로 변환될 수 있다. 또한, 전이금속 원소를 포함하는 필터와의 접촉에 의하여 산화성의 방사분해 기체에 포함된 오존과 이산화질소가 제거될 수 있다. 이러한 반응과정을 거쳐 전이금속 원소를 포함하는 필터로 산화성의 방사분해 기체를 포함하는 공기를 투과시키면 산화성의 방사분해 기체인 오존 및 이산화질소가 제거된 공기가 투과하게 된다.
상기 단계 2의 전이금속 원소를 포함하는 필터는 은(Ag), 알루미늄(Al), 철(Fe), 구리(Cu), 니켈(Ni), 아연(Zn), 크롬(Cr), 망간(Mn) 등이 전이금속을 포함할 수 있다. 이러한 전이금속은 공기 중의 산소와 자발적으로 반응하지 않으나, 산화성의 방사분해 기체인 오존 및 이산화질소와 반응하여 산화물로 변화되는 특성이 있다. 따라서 전이금속을 포함하는 전이금속 원소를 포함하는 필터에 산화성의 방사분해 기체를 포함하는 공기를 투과시키면 산화성의 방사분해 기체인 오존 및 이산화질소를 분해할 수 있다.
상기 단계 2의 전이금속 원소를 포함하는 필터의 금속은 호일, 침상, 입자 및 미세분말의 형태가 적용될 수 있다. 이는 얇고 넓은 표면적을 가진 호일과 일반적인 기본 단위의 구조보다 입자가 작은 형태인 미세 분말의 반응 표면적이 높기 때문에 산화성의 방사분해 기체를 포함하는 공기가 투과할 경우, 산화성의 방사분해 기체인 오존 및 이산화질소가 전이금속 원소를 포함하는 필터와의 접촉 정도가 높아짐에 따라 전이금속 원소를 포함하는 필터와 반응하는 정도도 높아진다. 따라서, 호일, 침상, 입자 및 미세분말의 형태가 사용된 전이금속 원소를 포함하는 필터에 산화성의 방사분해 기체를 포함하는 공기를 투과시키면 산화성의 방사분해 기체인 오존 및 이산화질소가 제거되는 정도가 더욱 향상될 수 있다.
한편 전이금속으로 구성된 필터가 미세분말일 경우에는 필터 후단에 입자가 통과할 수 없는 필터를 설치하여 미세분말이 알칼리 용액 포집제로 유입되는 것을 방지할 수 있다.
상기 단계 2에서 전이금속 원소를 포함하는 필터와 산화성 방사분해 기체의 반응이 이루어지며, 이는 40 내지 100 ℃의 온도조건에서 수행될 수 있다. 만약 상기 전이금속 원소를 포함하는 필터와 산화성 방사분해 기체의 반응이 40 ℃ 미만의 온도에서 수행되는 경우에는 산화성 방사분해 기체와 전이금속과의 반응성이 낮아지는 문제가 있을 수 있고, 100 ℃를 초과하는 온도에서 수행되는 경우에는 고온을 취급하는 장치를 추가해야 하는 문제가 발생할 수 있다.
본 발명의 공기 정화 방법에 있어서, 단계 3는 필터를 투과한 공기에 알칼리 용액을 접촉시켜 산화성의 방사분해 기체를 포집하는 단계이다.
상기 단계 3에서는 상기 단계 2에서 산화성의 방사분해 기체를 포함하는 공기가 전이금속 원소를 포함하는 필터를 투과하면서 미처 반응하지 못한 산화성의 방사분해 기체인 오존 및 이산화질소를 포집하는 단계를 한번 더 거침으로써 산화성의 방사분해 기체인 오존 및 이산화질소의 제거율을 높이고자 한다.
이에, 본 발명의 공기 정화 방법의 단계 3에서는 상기 단계 2의 전이금속 원소를 포함하는 필터를 투과한 공기에 알칼리 용액을 분사하여 산화성의 방사분해 기체를 포집한다.
상기 전이금속 원소를 포함하는 필터를 투과한 공기에 알칼리 수용액을 분사함으로써 산화성의 방사분해 기체와 알칼리 수용액의 충돌, 확산에 의한 접촉, 습도 증가에 의한 부착 응집 등을 유도해낼 수 있으며, 이를 통해 산화성의 방사분해 기체인 오존, 이산화질소 등을 알칼리 수용액에 흡착 용해시킬 수 있다.
이때, 상기 단계 3에서 알칼리 용액의 분사 및 방사분해 기체의 포집은 일례로써 알칼리 스크러버(scrubber)를 통해 수행될 수 있으며, 알칼리 스크러버를 통해 대부분의 방사분해 기체를 포집해낼 수 있다.
그러나, 상기 단계 3의 포집이 이에 제한되는 것은 아니며, 알칼리 용액의 분사를 통해 방사분해 기체를 포집해낼 수 있는 모든 수단 또는 방법이 적절히 적용될 수 있다.
상기 단계 3의 알칼리 용액은 상기 단계 2의 전이금속 원소를 포함하는 필터를 투과한 공기에 분사하여 산화성의 방사분해 기체인 오존 및 이산화질소를 포집하기 위한 염기성을 나타내는 용액으로써, 상기 단계 3의 알칼리 용액의 성분은 수산화염, 탄산염, 인산염 등을 포함하는 무기 알칼리 화합물일 수 있다.
상기 단계 3으로 적용될 수 있는 수산화염으로는 수산화나트륨(NaOH), 수산화칼슘(Ca(OH)2), 수산화칼륨(KOH) 등이 있으며, 탄산염으로는 탄산리튬(Li2CO3), 탄산나트륨(Na2CO3), 탄산칼륨(K2CO3) 등이 있으며, 인산염으로는 인산리튬(Li3PO4), 인산나트륨(Na3PO4), 인산칼륨(K3PO4) 등이 있으나, 상기 알칼리 용액이 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 단계 3에서 상기 단계 2의 전이금속 원소를 포함하는 필터를 투과한 공기에 알칼리 용액을 분사하여 산화성의 방사분해 기체를 포집하는 반응이 이루어지며, 이는 30 내지 90 ℃의 온도조건에서 수행될 수 있다. 만약 상기 단계 2의 전이금속 원소를 포함하는 필터를 투과한 공기와 알칼리 용액의 반응이 30 ℃ 미만의 온도에서 수행되는 경우에는 산화성 방사분해 기체와 전이금속과의 반응성이 낮아지는 문제가 있을 수 있고, 90 ℃를 초과하는 온도에서 수행되는 경우에는 고온을 취급하는 장치를 추가해야 하는 문제가 발생할 수 있다.
상기 단계 3의 알칼리 용액은 pH 10.3 이상일 수 있다. 이는 예를 들어 상기 알칼리 용액이 탄산이온을 포함하는 탄산염일 경우, pH 10.3 이상의 영역대에서 탄산이온이 중탄산이온보다 안정하기 때문으로, 상기 pH 영역대에서는 탄산이온이 중탄산이온보다 오존을 제거하는 속도가 10배 이상 우수하기 때문이다.
즉, 상기 pH 영역대의 알칼리 용액을 단계 3에서 분사함에 따라, 산화성의 방사분해 기체를 포집하는 반응속도를 더욱 높일 수 있다.
그러나, 상기 단계 2의 전이금속 원소를 포함하는 필터를 투과한 공기와 알칼리 용액의 반응이 pH 10.3 미만에서 수행되는 경우에는 방사분해 기체를 포집하는 반응속도가 저하되어 궁극적으로 공기의 정화 효율이 저하되는 문제가 발생할 수 있다.
또한, 본 발명은
방사선에 노출되어 산화성의 방사분해 기체를 포함하는 공기를 수거하는 단계(단계 1);
상기 단계 1의 산화성의 방사분해 기체를 포함하는 공기에 알칼리 용액을 접촉시켜 산화성의 방사분해 기체를 포집하는 단계(단계 2); 및
포집된 공기를 전이금속원소를 포함하는 필터로 투과시키는 단계(단계 3)를 포함하는, 공기 정화 방법을 제공한다.
이하, 본 발명의 공기 정화 방법을 각 단계별로 상세히 설명한다.
본 발명의 공기 정화 방법에 있어서, 단계 1은 방사선에 노출되어 산화성의 방사분해 기체를 포함하는 공기를 수거하는 단계이다.
본 발명의 공기 정화 방법은 특히 산화성의 방사분해 기체가 포함된 공기를 정화하기 위한 방법이다. 이러한 산화성의 방사분해 기체로는 오존(O3)과 이산화질소(NO2) 등이 있으며, 이러한 산화성의 방사분해 기체는 수백 Gy 이상의 고방사선 환경에서 공기가 방사분해됨에 따라 생성되는 물질이다. 상기 단계 1은 시간당 10 Gy 이상의 방사선에 노출되어 산화성의 방사분해 기체를 포함하는 공기를 수거할 수 있다.
이때, 상기 오존(O3)과 이산화질소(NO2)와 같은 산화성 방사분해 기체는 낮은 농도로 인체에 흡입되더라도, 인체 호흡기의 기능을 저하시키는 등의 문제를 야기할 수 있다.
본 발명의 공기 정화 방법에 있어서, 단계 2는 상기 단계 1의 산화성의 방사분해 기체를 포함하는 공기에 알칼리 용액을 접촉시켜 산화성의 방사분해 기체를 포집하는 단계이다.
산화성의 방사분해 기체를 포함하는 공기에 알칼리 수용액을 분사함으로써 산화성의 방사분해 기체와 알칼리 수용액의 충돌, 확산에 의한 접촉, 습도 증가에 의한 부착 응집 등을 유도해낼 수 있으며, 이를 통해 산화성의 방사분해 기체인 오존, 이산화질소 등을 알칼리 수용액에 흡착 용해시킬 수 있다.
이때, 상기 단계 2에서 알칼리 용액의 분사 및 방사분해 기체의 포집은 일례로써 알칼리 스크러버(scrubber)를 통해 수행될 수 있으며, 알칼리 스크러버를 통해 대부분의 방사분해 기체를 포집해낼 수 있다.
그러나, 상기 단계 2의 포집이 이에 제한되는 것은 아니며, 알칼리 용액의 분사를 통해 방사분해 기체를 포집해낼 수 있는 모든 수단 또는 방법이 적절히 적용될 수 있다.
상기 단계 2의 알칼리 용액은 산화성의 방사분해 기체를 포함하는 공기에 분사하여 산화성의 방사분해 기체인 오존 및 이산화질소를 포집하기 위한 염기성을 나타내는 용액으로써, 상기 단계 2의 알칼리 용액의 성분은 수산화염, 탄산염, 인산염 등을 포함하는 무기 알칼리 화합물일 수 있다.
상기 단계 2로 적용될 수 있는 수산화염으로는 수산화나트륨(NaOH), 수산화칼슘(Ca(OH)2), 수산화칼륨(KOH) 등이 있으며, 탄산염으로는 탄산리튬(Li2CO3), 탄산나트륨(Na2CO3), 탄산칼륨(K2CO3) 등이 있으며, 인산염으로는 인산리튬(Li3PO4), 인산나트륨(Na3PO4), 인산칼륨(K3PO4) 등이 있으나, 상기 알칼리 용액이 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 단계 2에서 산화성의 방사분해 기체를 포함하는 공기에 알칼리 용액을 분사하여 산화성의 방사분해 기체를 포집하는 반응이 이루어지며, 이는 30 내지 90 ℃의 온도조건에서 수행될 수 있다. 만약 산화성의 방사분해 기체를 포함하는 공기와 알칼리 용액의 반응이 30 ℃ 미만의 온도에서 수행되는 경우에는 산화성 방사분해 기체와 전이금속과의 반응성이 낮아지는 문제가 있을 수 있고, 90 ℃를 초과하는 온도에서 수행되는 경우에는 고온을 취급하는 장치를 추가해야 하는 문제가 발생할 수 있다.
상기 단계 2의 알칼리 용액은 pH 10.3 이상일 수 있다. 이는 예를 들어 상기 알칼리 용액이 탄산이온을 포함하는 탄산염일 경우, pH 10.3 이상의 영역대에서 탄산이온이 중탄산이온보다 안정하기 때문으로, 상기 pH 영역대에서는 탄산이온이 중탄산이온보다 오존을 제거하는 속도가 10배 이상 우수하기 때문이다.
즉, 상기 pH 영역대의 알칼리 용액을 단계 2에서 분사함에 따라, 산화성의 방사분해 기체를 포집하는 반응속도를 더욱 높일 수 있다.
그러나, 산화성의 방사분해 기체를 포함하는 공기와 알칼리 용액의 반응이 pH 10.3 미만에서 수행되는 경우에는 방사분해 기체를 포집하는 반응속도가 저하되어 궁극적으로 공기의 정화 효율이 저하되는 문제가 발생할 수 있다.
본 발명의 공기 정화 방법에 있어서, 단계 3는 포집된 공기를 전이금속원소를 포함하는 필터로 투과시키는 단계이다.
상기 단계 3에서는 상기 단계 2에서 산화성의 방사분해 기체를 포함하는 공기에 알칼리 용액을 분사하여 미처 반응하지 못한 산화성의 방사분해 기체인 오존 및 이산화질소를 전이금속 원소를 포함하는 필터에 투과시키는 단계를 한번 더 거침으로써 산화성의 방사분해 기체인 오존 및 이산화질소의 제거율을 높이고자 한다.
상기 단계 3의 전이금속 원소를 포함하는 필터는 상기 단계 2의 포집이 수행된 공기가 투과하는 금속재질의 필터로써, 전이금속 원소를 포함하는 필터와 산화성의 방사분해 기체가 반응하여 오존과 이산화질소와 같은 방사분해 기체를 분해할 수 있다. 산화성의 방사분해 기체인 오존은 금속과 반응하면서 분해되어 산소로 변환될 수 있다. 또한, 전이금속 원소를 포함하는 필터와의 접촉에 의하여 산화성의 방사분해 기체에 포함된 오존과 이산화질소가 제거될 수 있다. 이러한 반응과정을 거쳐 전이금속 원소를 포함하는 필터로 상기 단계 2의 포집이 수행된 공기를 투과시키면 산화성의 방사분해 기체인 오존 및 이산화질소를 제거한 공기가 투과하게 된다.
상기 단계 3의 전이금속 원소를 포함하는 필터는 은(Ag), 알루미늄(Al), 철(Fe), 구리(Cu), 니켈(Ni), 아연(Zn), 크롬(Cr), 망간(Mn) 등이 전이금속을 포함할 수 있다. 이러한 전이금속은 공기 중의 산소와 자발적으로 반응하지 않으나, 산화성의 방사분해 기체인 오존 및 이산화질소와 반응하여 산화물로 변화되는 특성이 있다. 따라서 전이금속을 포함하는 전이금속 원소를 포함하는 필터에 상기 단계 2의 포집이 수행된 공기를 투과시키면 산화성의 방사분해 기체인 오존 및 이산화질소를 분해할 수 있다.
상기 단계 3의 전이금속 원소를 포함하는 필터의 금속은 호일, 침상, 입자나 미세분말의 형태가 적용될 수 있다. 이는 얇고 넓은 표면적을 가진 호일과 일반적인 기본 단위의 구조보다 입자가 작은 형태인 미세 분말의 반응 표면적이 높기 때문에 상기 단계 2의 포집이 수행된 공기가 투과할 경우, 산화성의 방사분해 기체인 오존 및 이산화질소가 전이금속 원소를 포함하는 필터와의 접촉 정도가 높아짐에 따라 전이금속 원소를 포함하는 필터와 반응하는 정도도 높아진다. 따라서, 호일, 침상, 입자나 미세분말의 형태가 사용된 전이금속 원소를 포함하는 필터에 상기 단계 2의 포집이 수행된 공기를 투과시키면 산화성의 방사분해 기체인 오존 및 이산화질소가 제거되는 정도가 더욱 향상될 수 있다.
한편 전이금속으로 구성된 필터가 미세분말일 경우에는 필터 후단에 입자가 통과할 수 없는 필터를 설치하여 미세분말이 알칼리 용액 포집제로 유입되는 것을 방지할 수 있다.
상기 단계 3에서 전이금속 원소를 포함하는 필터와 상기 단계 2의 포집이 수행된 공기의 반응이 이루어지며, 이는 40 내지 100 ℃의 온도조건에서 수행될 수 있다. 만약 상기 금속 필터와 상기 단계 2의 포집이 수행된 공기의 반응이 40 ℃ 미만의 온도에서 수행되는 경우에는 산화성 방사분해 기체와 전이금속과의 반응성이 낮아지는 문제가 있을 수 있고, 100 ℃를 초과하는 온도에서 수행되는 경우에는 고온을 취급하는 장치를 추가해야 하는 문제가 발생할 수 있다.
나아가, 본 발명은
방사선에 노출되어 산화성의 방사분해 기체를 포함하는 공기를 수거하는 공기 수거부;
수거된 산화성의 방사분해 기체를 포함하는 공기를 공급하는 기체 공급부;
산화성의 방사분해 기체를 분해하는 전이금속원소를 포함하는 필터;
알칼리 용액에 접촉시켜 산화성의 방사분해 기체를 포집하는 기체 포집부; 및
상기 방사분해 기체의 분해 및 포집이 완료된 공기가 배출되는 기체 배출부;를 포함하는 공기 정화 시스템을 제공한다.
본 발명의 공기 정화 시스템에 있어서, 상기 공기 수거부는 방사선에 노출되어 생성된 산화성의 방사분해 기체를 포함하는 공기를 수거하는 부분으로 상기 공기 정화 시스템의 일측에 위치하며 상기 공기 정화 시스템의 전이금속 필터 또는 기체 포집부의 전방에 위치할 수 있다. 상기 공기 수거부는 시간당 10 Gy 이상의 방사선에 노출되어 생성된 산화성의 방사분해 기체를 포함하는 공기를 수거할 수 있다.
산화성의 방사분해 기체는 수백 Gy 이상의 고방사선 환경에서 공기가 방사분해됨에 따라 생성되는 물질로써, 앞서 언급한 바와 같이 오존(O3)과 이산화질소(NO2)와 같은 산화성 방사분해 기체는 낮은 농도로 인체에 흡입되더라도, 인체 호흡기의 기능을 저하시키는 등의 문제를 야기할 수 있다.
이에 본 발명에서는 인체에 유해한 산화성의 방사분해 기체를 제거해낼 수 있는 공기 정화 시스템 제공하며, 이하, 본 발명의 공기 정화 시스템을 상세히 설명한다.
본 발명의 공기 정화 시스템에 있어서, 상기 기체 공급부는 산화성의 방사분해 기체를 포함하는 공기가 공급되는 부분으로 상기 공기 정화 시스템의 공기 수거부의 후단에 위치하며 상기 공기 정화 시스템의 전이금속 필터 또는 기체 포집부의 전방에 위치할 수 있다.
또한, 상기 기체 공급부는 공급되는 산화성의 방사분해 기체를 포함하는 공기의 유량을 제어하는 유량 제어부를 더 포함할 수 있으며, 공급되는 산화성의 방사분해 기체를 포함하는 공기의 유량을 제어함으로써, 보다 효과적으로 산화성의 방사분해 기체인 오존과 이산화질소를 제거할 수 있다.
본 발명의 공기 정화 시스템에 있어서, 상기 전이금속원소를 포함하는 필터 부분은 상기 기체 공급부로부터 유입된 산화성의 방사분해 기체를 포함하는 공기가 투과하는 금속재질의 필터이다.
상기 기체 공급부 후단에 위치한 전이금속 원소를 포함하는 필터와 공급된 공기 중의 산화성의 방사분해 기체가 반응하여 오존과 이산화질소와 같은 방사분해 기체를 분해할 수 있다. 전이금속 원소를 포함하는 필터와의 접촉에 의하여 오존은 산소로 변환되며, 이와 동시에 전이금속 원소를 포함하는 필터에는 금속 산화물이 생성될 수 있고, 이러한 일련의 반응을 통해 방사분해 기체를 분해할 수 있다.
이때, 상기 공기 정화 시스템의 전이금속 원소를 포함하는 필터는 은(Ag), 알루미늄(Al), 철(Fe), 구리(Cu), 니켈(Ni), 아연(Zn), 크롬(Cr), 망간(Mn) 등이 전이금속을 포함할 수 있다. 이러한 전이금속은 공기 중의 산소와 자발적으로 반응하지 않으나, 산화성의 방사분해 기체인 오존 및 이산화질소와 반응하여 산화물로 변화되는 특성이 있다. 따라서 전이금속을 포함하는 전이금속 원소를 포함하는 필터에 산화성의 방사분해 기체를 포함하는 공기를 투과시키면 산화성의 방사분해 기체인 오존 및 이산화질소를 분해할 수 있다.
상기 공기 정화 시스템의 전이금속원소를 포함하는 필터의 금속은 호일, 침상, 입자나 미세분말의 형태가 적용될 수 있다. 이는 얇고 넓은 표면적을 가진 호일과 일반적인 기본 단위의 구조보다 입자가 작은 형태인 미세 분말의 반응 표면적이 높기 때문에 산화성의 방사분해 기체를 포함하는 공기가 투과할 경우, 산화성의 방사분해 기체인 오존 및 이산화질소가 전이금속 원소를 포함하는 필터와의 접촉 정도가 높아짐에 따라 전이금속 원소를 포함하는 필터와 반응하는 정도도 높아진다. 따라서, 호일, 침상, 입자나 미세분말의 형태가 사용된 전이금속 원소를 포함하는 필터에 산화성의 방사분해 기체를 포함하는 공기를 투과시키면 산화성의 방사분해 기체인 오존 및 이산화질소가 제거되는 정도가 더욱 향상될 수 있다.
한편 전이금속으로 구성된 필터가 미세분말일 경우에는 필터 후단에 입자가 통과할 수 없는 필터를 설치하여 미세분말이 알칼리 용액 포집제로 유입되는 것을 방지할 수 있다.
본 발명의 공기 정화 시스템은 상기 필터의 온도를 제어할 수 있는 온도제어부를 포함할 수 있다. 상기한 바와 같이, 전이금속원소를 포함하는 필터는 산화성의 방사분해 기체를 분해할 수 있으며, 이러한 분해는 바람직하게는 40 내지 100 ℃의 온도조건 하에서 수행될 수 있다.
이에, 본 발명의 공기 정화 시스템은 온도제어부를 통해 필터의 온도를 40 내지 100℃로 제어하며 이를 통해 방사분해 기체의 분해 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
본 발명의 공기 정화 시스템에 있어서, 상기 기체 포집부는 상기 전이금속 필터의 전단 또는 후단에 위치할 수 있으며, 알칼리 용액에 접촉시켜 공기 중에 포함된 산화성의 방사분해 기체를 포집해낼 수 있다.
일례로써, 상기 기체 포집부가 상기 필터의 후단에 위치할 경우, 산화성의 방사분해 기체를 포함하는 공기가 필터를 투과한 후에도, 미반응된 산화성의 방사분해 기체가 존재할 수 있는바, 이러한 미반응 기체들을 더욱 제거해낼 수 있도록 상기 기체 포집부에서는 알칼리 용액을 분사하여 방사분해 기체를 포집한다.
또한, 상기 기체 포집부가 상기 필터의 전단에 위치할 경우, 기체공급부를 통해 공급되는 공기로 알칼리 용액을 분사하여 방사분해 기체를 포집해내며, 기체 포집부에서 미처 포집해내지 못한 방사분해 기체는 전이금속 원소를 포함하는 필터를 통해 더욱 제거해낼 수 있다.
이때, 상기 기체 포집부는 알칼리 스크러버(scrubber)를 포함할 수 있다. 상기 알칼리 스크러버는 알칼리 수용액을 분사하여 산화성의 방사분해 기체와 알칼리 수용액의 충돌, 확산에 의한 접촉, 습도 증가에 의한 부착 응집 등을 통해서 산화성의 방사분해 기체를 알칼리 수용액에 흡착 용해시킨다.
상기 기체 포집부의 알칼리 용액은 산화성의 방사분해 기체인 오존 및 이산화질소를 포집하기 위한 염기성을 나타내는 용액으로써, 일례로써 수산화염, 탄산염, 인산염 등을 포함하는 무기 알칼리 화합물일 수 있다. 산화성 방사분해 기체의 포집 효율을 높이기 위하여 알칼리 용액에 환원제를 포함시킬 수 있다. 환원제로는 티오황산나트륨(thiosulfate) 등 다양한 환원제가 사용될 수 있으나, 인체에 직접 적용되는 경우에는 아스코빅 산(ascorbic acid)의 사용이 바람직하다.
본 발명의 공기 정화 시스템은 상기 기체 포집부의 온도를 제어하는 온도 제어부를 더 포함할 수 있다. 앞서 언급한 바와 같이 기체 포집부에서는 산화성의 방사분해 기체를 알칼리 용액을 통해 흡착 용해 시키며, 이러한 방사분해 기체의 흡착 및 용해는 바람직하게는 30 내지 90 ℃의 온도조건 하에서 수행될 수 있다.
이에, 본 발명의 공기 정화 시스템은 상기의 온도범위로 기체 포집부 온도를 제어할 수 있도록, 온도 제어부를 더 포함할 수 있으며, 이를 통해 기체 포집부의 온도를 적절히 조절하여 방사분해 기체를 더욱 효율적으로 포집해낼 수 있다.
본 발명의 공기 정화 시스템에 있어서, 상기 기체 배출부는 상기 방사분해 기체의 분해 및 포집이 완료된 공기를 배출시키는 부분으로, 전이금속 필터 및 기체 포집부를 통해 산화성 방사분해 기체가 제거 및 포집된 상태로 공기를 외부로 배출한다.
상기 기체 배출부는 상기 공기 수거부의 반대편에 위치할 수 있으며, 기체 포집부 또는 금속 필터의 후단에 위치할 수 있다.
또한, 상기 공기 정화 시스템에 있어서, 기체 배출부 전단에 중성수 스크러버를 추가할 수 있다. 상기 방사분해 기체의 분해 및 포집이 완료된 공기가 배출되기 전에 중성수 스크러버를 통과함으로써, 안전성이 보강된 공기 정화 시스템을 제공할 수 있다.
이하 본 발명을 실험예를 통하여 더욱 구체적으로 설명한다. 단 하기 실험예들은 본 발명의 설명을 위한 것일 뿐 본 발명의 범위가 하기 실험예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
<실험예 1> 공기의 감마선 방사분해 기체생성량 측정
질소(N2)와 산소기체(O2)로 구성된 공기는 감마선 조사 조건에서 이산화질소(NO2)와 미량의 오존(O3)으로 분해된다.
이를 확인하기 위하여 내부 용량이 약 10 ml 인 유리용기 3개에 공기를 채워서 감마선량율이 2 kGy h- 1조건에 4 h 각각 조사시킨 후 생성된 산화성 방사분해 기체의 총량을 측정하였다.
산화성 방사분해 기체의 총량은 감마선 조사 후 유리용기에 요오드(iodide) 용액을 주입하여 요오드를 산화시킨 양으로 결정하였다. 산화된 요오드(I2) 양은 삼요오드이온(I3 -)으로 변환시켜 UV/VIS 분광광도계로 측정하였다.
NO2 + 2I- + H2O → NO3 - + I2 + 2H+
O3 + 2I- + H2O → O2 + I2 + 2OH-
I2 + I- → I3 -
산화성 방사분해 기체로 인하여 산화된 I2의 생성량은 요오드 법으로 측정하였고, 3개 시료의 평균값은 1.8 μ mole 이었다. 상기 값으로, 표준상태에서 오존 1 mole의 부피를 22.4 리터로 가정하여, 공기 10 ml로부터 감마 조사 후 생성된 오존의 부피는 약 0.04 ml로 산출되었다.
<실험예 2> Al 금속에 의한 방사분해 기체 제거량 측정
공기(air) 10 ml가 존재하고, Al 호일 (노출 면적: 36 mm2)을 넣은 유리 용기 4개를 준비하였다. 이 용기를 감마선량율 2 kGy h-1 조건에서 각각 1, 2, 4, 7 시간 조사시킨 후, 용기 내 잔류하는 방사분해 기체의 양을 요오드 법으로 측정하여 하기 표 1에 나타내었다.
조사시간 (h)
at 2 kGy/h		 1 2 4 7
방사분해 기체 (O3 등)
생성 부피 (μl)		 10 20 40 70
측정된 잔류 방사분해
기체 (O3 등) 부피 (μl)		 10 19 29 37
Al에 의한 제거된 O3부피 (μl) - 1 11 33
제거율 (%) - 5 27.5 47.1
표 1에 나타난 바와 같이, 조사시간에 따라 생성된 방사분해 기체 부피와 Al 호일에 의해서 제거된 오존의 부피, 그리고 이 값으로부터 산출한 제거율을 보여 주고 있다. 조사시간이 4 및 7시간일때, 방사분해 기체 제거율이 각각 27.5 % 및 47.1 % 인 것을 알 수 있다. 공기의 방사분해 기체생성 부피는 실험예 1에서 4 시간 조사실험에서 구한 값을 기준으로 조사시간에 비례 적용하여 산출하였다.
<실험예3> 알칼리 용액에 의한 방사분해 기체제거량 측정
용량 10 ml 인 유리용기에 공기를 채워 넣은 후, 감마선량율이 2 kGy h-1 조건에서 1, 2, 4, 7 시간 조사시켰다.
생성된 방사분해 기체를 알칼리용액 (0.1 M NaOH + 0.5% ascorbic acid)에 버블링 시킨 후, 요오드 법으로 방사분해 기체의 양을 측정하였다. 공기의 방사분해 기체생성 부피는 실험예 1에서 4 시간 조사실험에서 구한 값을 기준으로 조사시간에 비례 적용하여 산출하여 하기 표 2에 나타내었다.
조사시간 (h)
at 2 kGy/h		 1 2 4 7
방사분해 기체 (O3 등)
생성 부피 (μl)		 10 20 40 70
알칼리 용액 처리 후 잔류 방사분해 기체(O3 등) 부피 (μl) ND ND ND ND
제거율 (%) >89 >94 >97 >98
ND: not-detected (DL: 1.1 μl)
표 2에 나타난 바와 같이, 알칼리용액을 통과한 후에는 산화성 방사분해기체가 검출되지 않았다. 제거율은 UV/VIS 분광광도계의 요오드 검출 한계를 기준으로 하여 산출하였다. 이 결과는 산화성 방사분해 기체는 알칼리용액으로 잘 제거할 수 있음을 보여 주고 있다.

Claims (17)

  1. 방사선에 노출되어 산화성의 방사분해 기체를 포함하는 공기를 수거하는 단계(단계 1);
    상기 단계 1의 산화성의 방사분해 기체를 포함하는 공기를 전이금속원소를 포함하는 필터에 40 내지 100℃의 온도조건 하에서 투과시키는 단계(단계 2); 및
    필터를 투과한 공기에 pH 10.3 이상의 알칼리 용액을 접촉시켜 산화성의 방사분해 기체를 30 내지 90℃의 온도조건 하에서 포집하는 단계(단계 3)를 포함하는, 공기 정화 방법에 있어서,

    상기 산화성의 방사분해 기체는 오존 및 이산화질소를 포함하는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 산화성 기체이고,

    상기 전이금속 원소를 포함하는 필터는 은(Ag), 알루미늄(Al) 및 철(Fe)을 포함하는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 전이금속을 포함하여, 상기 전이금속이 산화성의 방사분해 기체를 분해하는 것을 특징으로 하는 공기 정화 방법.
  2. 방사선에 노출되어 산화성의 방사분해 기체를 포함하는 공기를 수거하는 단계(단계 1);
    상기 단계 1의 산화성의 방사분해 기체를 포함하는 공기에 pH 10.3 이상의 알칼리 용액을 접촉시켜 산화성의 방사분해 기체를 30 내지 90℃의 온도조건 하에서 포집하는 단계(단계 2); 및
    포집된 공기를 전이금속원소를 포함하는 필터에 40 내지 100℃의 온도조건 하에서 투과시키는 단계(단계 3)를 포함하는, 공기 정화 방법에 있어서,

    상기 산화성의 방사분해 기체는 오존 및 이산화질소를 포함하는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 산화성 기체이고,

    상기 전이금속 원소를 포함하는 필터는 은(Ag), 알루미늄(Al) 및 철(Fe)을 포함하는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 전이금속을 포함하여, 상기 전이금속이 산화성의 방사분해 기체를 분해하는 것을 특징으로 하는 공기 정화 방법.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 알칼리 용액은 탄산염, 인산염 또는 수산화염인 것을 특징으로 하는 공기 정화 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 탄산염은 탄산리튬, 탄산나트륨, 탄산칼륨 및 탄산칼슘을 포함하는 군으로부터 선택되는 적어도 1종인 것을 특징으로 하는 공기 정화 방법.
  7. 제5항에 있어서, 상기 인산염은 인산리튬, 인산나트륨, 인산칼륨 및 인산칼슘을 포함하는 군으로부터 선택되는 적어도 1종인 것을 특징으로 하는 공기 정화 방법.
  8. 제5항에 있어서, 상기 수산화염은 수산화나트륨, 수산화칼륨, 수산화리튬 및 수산화칼슘을 포함하는 군으로부터 선택되는 적어도 1종인 것을 특징으로 하는 공기 정화 방법.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 방사선은 시간당 10 Gy 이상인 것을 특징으로 하는 공기 정화 방법.
  13. 방사선에 노출되어 산화성의 방사분해 기체를 포함하는 공기를 수거하는 공기 수거부;
    수거된 산화성의 방사분해 기체를 포함하는 공기를 공급하는 기체 공급부;
    산화성의 방사분해 기체를 분해하는 전이금속원소를 포함하는 필터;
    pH 10.3 이상의 알칼리 용액에 접촉시켜 산화성의 방사분해 기체를 30 내지 90℃의 온도조건 하에서 포집하는 기체 포집부; 및
    상기 방사분해 기체의 분해 및 포집이 완료된 공기가 배출되는 기체 배출부;를 포함하는 공기 정화 시스템에 있어서,

    상기 산화성의 방사분해 기체는 오존 및 이산화질소를 포함하는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 산화성 기체이고,

    상기 전이금속 원소를 포함하는 필터는 은(Ag), 알루미늄(Al) 및 철(Fe)을 포함하는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 전이금속을 포함하여, 상기 전이금속이 산화성의 방사분해 기체를 분해하는 것을 특징으로 하는 공기 정화 시스템.
  14. 제13항에 있어서, 상기 기체 포집부는 알칼리 스크러버(scrubber)인 것을 특징으로 하는 공기 정화 시스템.
  15. 제13항에 있어서, 상기 공기 정화 시스템은 공급되는 공기의 유량을 제어하는 유량 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공기 정화 시스템.
  16. 제13항에 있어서, 상기 공기 정화 시스템은 전이금속 필터와 기체 포집부의 온도를 제어하는 온도 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공기 정화 시스템.
  17. 제13항에 있어서, 상기 방사선은 시간당 10 Gy 이상인 것을 특징으로 하는 공기 정화 시스템.
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