KR101694113B1 - 에틸렌 처리장치 및 이를 이용한 에틸렌 처리방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 유입구 및 배출구가 형성되며, 내부에 흡착제가 충진되는 플라즈마 방전부; 및 상기 플라즈마 방전부의 내부에 플라즈마를 발생시키는 전극부;를 포함하며, 상기 흡착제는 촉매가 담지되어 있는 것을 특징으로 하는 에틸렌 처리장치에 관한 것이다.
본 발명은 상기 에틸렌 처리장치를 이용하여, (a) 상기 흡착제가 충진된 플라즈마 방전부 내에 에틸렌을 함유한 가스를 주입시키는 단계; (b) 상기 전극부에 전압을 인가하고, 상기 플라즈마 방전부 내에 플라즈마를 발생시켜 주입된 에틸렌을 분해하는 단계; 및 (c) 상기 플라즈마 방전부를 냉각시키는 단계; 를 포함하는 에틸렌 처리방법에 관한 것이다.

Description

에틸렌 처리장치 및 이를 이용한 에틸렌 처리방법{Apparatus for removing ethylene and method using the same}
본 발명은 농산물 저장시설에서 발생되는 에틸렌을 제거할 수 있는 에틸렌 처리장치 및 처리방법에 관한 것이다.
일반적으로 농산물은 현지에서 수확한 후 중간 수집상을 통해 중앙시장에 판매된 후 도매상과 소매상을 통해 소비자에게 공급되며, 이러한 유통과정에서 다량의 농산물이 단시간 또는 장시간 저온창고에 보관되게 된다.
한편, 창고에 저장되는 농산물 중 과일과 채소는 대기 중에서 자연적으로 발생하는 에틸렌가스(C2H2)에 의해 부패되어 썩게 되거나 빨리 시들게 되므로 장기간 보관할 수 없었다. 따라서, 과일과 채소는 장기간 보관이 어려워 출하시기 조절이 어려우므로 수요에 따른 공급량을 맞추기 어렵다는 문제점이 있었으며, 부패로 인한 상품가치 하락으로 농민들이 경제적 손실을 가져오는 문제점이 있었다.
이와 같은 문제점을 해결하고자 에틸렌가스 중화제가 개발되어 사용되었고, 이에 따라 상기 에틸렌가스 중화제를 저장창고에 확산시키기 위한 장치가 요구되었으며, 관련기술로는 대한민국 특허등록 제10-0745142호 (이하, 종래기술이라 함)에 공지된 농산물저장창고용 공조장치가 있다.
전술한 종래기술의 경우 농산물의 부패를 촉진시키는 에틸렌가스를 억제할 수 있는 중화제를 창고 내에 확산시켜 농산물의 부패를 억제시킬 수 있는 효과가 있으며, 저장기간을 종래보다 늘려 농산물의 출하 판매시기를 조절하여 농산물 가격의 안정을 꾀할 수 있는 장점이 있다.
하지만 에틸렌가스를 억제하기 위해 별도의 중화제가 지속적으로 사용되어야 하며, 에틸렌가스 외에 각종 세균, 악취, 부유곰팡이 포자 등이 제거될 수 없으며 습도의 조절 또한 이루어질 수 없어 수확물이 신선도가 유지되는 최적의 조건으로 저장되기 어려운 문제점이 있었다.
이 외에도 저온 플라즈마 공정이 에틸렌의 분해에 이용될 수 있으나, 전술한 저온 플라즈마 공정은 에틸렌을 효과적으로 분해시킬 수는 있으나, 연속적으로 운전되어 전력이 지속적으로 소비되고, 에틸렌의 플라즈마 분해시 알데하이드류, 유기산 등 유해부산물이 발생되어 농산물 저장시설의 공기질을 악화시키는 문제점이 있었다.
KR 등록 제10-0745142호
본 발명은 유해부산물이 생성되지 않으며, 소비전력을 최소화시켜 운전비용을 경감할 수 있는 에틸렌 처리장치 및 에틸렌 처리방법을 제공하고자 한다.
본 발명은 유입구 및 배출구가 형성되며, 내부에 흡착제가 충진되는 플라즈마 방전부; 및 상기 플라즈마 방전부의 내부에 플라즈마를 발생시키는 전극부;를 포함하며, 상기 흡착제는 촉매가 담지되어 있는 것을 특징으로 하는 에틸렌 처리장치를 제공한다.
본 발명은 상기 에틸렌 처리장치를 이용하여, (a) 상기 흡착제가 충진된 플라즈마 방전부 내에 에틸렌을 함유한 가스를 주입시키는 단계; (b) 상기 전극부에 전압을 인가하고, 상기 플라즈마 방전부 내에 플라즈마를 발생시켜 주입된 에틸렌을 분해하는 단계; 및 (c) 상기 플라즈마 방전부를 냉각시키는 단계; 를 포함하는 에틸렌 처리방법을 제공한다.
본 발명은 촉매가 담지된 흡착제에 에틸렌이 축적됨으로써, 플라즈마 및 촉매 복합작용으로 상기 에틸렌을 단시간에 분해시킬 수 있으며, 유해 부산물의 생성 없이 에틸렌을 분해시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 에틸렌 처리장치의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 에틸렌 처리장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 에틸렌 처리장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 다른 에틸렌 처리방법의 개략도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에서 축적된 에틸렌을 플라즈마/촉매 복합작용으로 분해시키는 단계에서 CO2와 CO 농도를 나타낸 그래프이다.
도 6은 (a) 에틸렌의 FTIR 스펙트럼, (b) 흡착된 에틸렌을 플라즈마/촉매 작용으로 처리했을 때의 FTIR 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
본 발명은 에틸렌 처리장치에 관한 것으로, 유입구 및 배출구가 형성되며, 내부에 흡착제가 충진되는 플라즈마 방전부 및 상기 플라즈마 방전부의 내부에 플라즈마를 발생시키는 전극부를 포함하며, 상기 흡착제는 촉매가 담지되어 있는 것을 특징으로 한다.
특히, 상기 플라즈마 방전부는 소정면적에 도전영역이 형성되고, 상기 도전영역에는 상기 플라즈마 방전부의 외측 표면을 감싸도록 형성된 코일이 더 포함될 수 있으며, 상기 코일은 구리선, 철선 또는 알루미늄선으로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 코일은 접지전극을 접촉하고 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 플라즈마 방전부는 석영관, 유리관, 알루미나관 또는 세라믹관으로 이루어질 수 있으며, 상기 전극부는 상기 플라즈마 방전부의 내부 통로로 연장되며, 상기 플라즈마 방전부와 동일한 축의 금속봉일 수 있다. 이에 더하여, 상기 전극부는 상기 플라즈마 방전부로 전력을 공급하여 플라즈마를 발생시키는 전압공급장치와 연결될 수 있다.
한편, 상기 흡착제는 알루미나, 제올라이트 또는 이들의 혼합물일 수 있으며, 상기 흡착제는 구형 또는 펠릿 형태일 수 있다. 또한, 상기 촉매는 이산화망간(MnO2), 산화구리(CuO), 산화철(Fe2O3), 산화은(Ag2O), 오산화바나듐(V2O5), 산화아연(ZnO) 및 이산화티타늄(TiO2) 중 어느 하나 또는 이들의 혼합물일 수 있으며, 상기 촉매는 0.2 내지 10 wt% 의 농도로 상기 흡착제에 담지되어 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 에틸렌 처리장치를 이용한 에틸렌 처리방법에 관한 것으로, (a) 상기 흡착제가 충진된 플라즈마 방전부 내에 에틸렌을 함유한 가스를 주입시키는 단계, (b) 상기 전극부에 전압을 인가하고, 상기 플라즈마 방전부 내에 플라즈마를 발생시켜 주입된 에틸렌을 분해하는 단계 및 (c) 상기 플라즈마 방전부를 냉각시키는 단계를 포함한다.
이에 더하여, 상기 에틸렌을 함유한 가스는 상기 촉매가 담지된 흡착제에 축적될 수 있다.
특히, 상기 에틸렌을 분해하는 단계는 상기 플라즈마 방전부 내에 산소를 유입시키는 단계 및 상기 에틸렌은 상기 산소와 반응하여 이산화탄소와 수증기로 산화되는 단계를 포함할 수 있으며, 상기 에틸렌을 분해하는 단계에서 반응온도는 30 내지 90℃일 수 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하도록 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 에틸렌 처리장치의 개략도, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 에틸렌 처리장치의 구성을 나타내는 도면, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 에틸렌 처리장치의 구성을 나타내는 도면, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 다른 에틸렌 처리방법의 개략도, 도 5는 본 발명의 일 실시예에서 축적된 에틸렌을 플라즈마/촉매 복합작용으로 분해시키는 단계에서 CO2와 CO 농도를 나타낸 그래프, 도 6은 (a) 에틸렌의 FTIR 스펙트럼, (b) 흡착된 에틸렌을 플라즈마/촉매 작용으로 처리했을 때의 FTIR 스펙트럼을 나타낸 그래프이다. 이하, 도 1 내지 도 6과 실시예를 통해 본 발명인 에틸렌 처리장치 및 에틸렌 처리방법을 상세히 설명한다.
본 발명은 도 1에 도시된 바와 같이, 농산물 저장시설(20)에서 발생되는 에틸렌을 제거할 수 있는 에틸렌 처리장치 및 처리방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 농산물 저장시설(20)에서 발생되는 에틸렌은 에틸렌 처리장치(10)에서 플라즈마/촉매 복합작용으로 산소와 반응하여 이산화탄소와 수증기로 산화시킴으로써, 상기 에틸렌을 제거할 수 있다.
도 2에 도시된 바에 따르면, 본 발명의 에틸렌 처리장치(10)는 플라즈마 방전부(100)와 전극부(120)로 구성되며, 상기 플라즈마 방전부(100) 내부에는 촉매가 담지된 흡착제(110)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 흡착제(110)라 함은 기체 또는 액체인 흡착질을 흡수하는 물질을 의미한다. 본 발명에서 흡착제(110)는 에틸렌을 흡착하기 위한 것으로, 구체적인 설명은 후술하도록 한다.
본 발명의 플라즈마 방전부(100)는 원통형일 수 있으며, 일측에 에틸렌을 포함하는 가스와 공기를 유입하는 유입구(101)가 형성되며, 타측은 정화된 공기가 배출되는 배출구(102)를 포함한다. 일 예로, 유입구(101)는 적어도 두 개를 포함할 수 있으며, 에틸렌을 포함하는 가스가 유입되는 유입구는 제1유입구(101)라 지칭할 수 있으며, 공기가 유입되는 유입구는 제2유입구(101′)라 지칭할 수 있다.
또한 본 발명의 플라즈마 반응기는 플라즈마 생성에 충분한 상대 유전상수를 갖는 관으로 이루어지며, 석영관, 유리관, 알루미나관 또는 세라믹관으로 이루어질 수 있다. 일 예로 석영관으로 이루어질 수 있다.
이에 더하여, 상기 플라즈마 방전부(100)는 소정면적에 도전영역이 형성되고, 상기 도전영역에는 상기 플라즈마 방전부(100)의 외측 표면을 감싸도록 코일(130)이 더 포함될 수 있다. 이때, 코일(130)은 구리선, 철선, 알루미늄선 등의 도전체로 이루어질 수 있으며, 고주파 전력이 플라즈마 방전부(100) 내의 도전영역에 대응되는 전극부(120)에 공급되어 방전이 원활하게 발생할 수 있다. 특히, 상기 도전영역에만 흡착제(110)가 충진될 수 있다.
또한 상기 코일(130)은 접지전극(131)을 접촉할 수 있다. 여기서, 접지전극(131)이라 함은 접지를 하기 위해 대지 속에 매설되는 전극으로, 금속막대, 금속판, 금속 메시일 수 있으며, 본 발명은 Y-자 형 접지전극(131)일 수 있다.
특정양태로서, 본 발명의 전극부(120)는 상기 플라즈마 방전부(100)의 내부 통로로 연장되며, 상기 플라즈마 방전부(100)와 동일한 축의 금속봉일 수 있다. 또한, 상기 금속봉은 스테인리스 스틸, 구리, 황동, 청동, 텅스텐 또는 몰리브덴으로 이루어질 수 있다.
도 3을 참조하면, 전극부(120)는 플라즈마 방전부(100)로 전력을 공급하여 플라즈마를 발생시키는 전압공급장치(200)와 연결될 수 있다. 이때, 상기 전압공급장치(200)는 시간에 따른 입력전압의 변화를 화면에 출력하기 위하여 오실로스코프를 추가로 연결설치할 수 있다.
한편, 본 발명의 흡착제(110)는 에틸렌을 축적시키는 것으로, 플라즈마 방전부(100) 내에 포함될 수 있다. 특히, 플라즈마가 발생하여 기체가 플라즈마 상태가 되면, 라디칼, 이온, 고에너지 전자, 들뜬 상태의 분자와 같은 다양한 활성성분들이 생성되며, 이들 활성성분이 에틸렌의 분해개시 반응이나 분해 중간생성물의 산화에 관여하여 에틸렌을 최종적으로 이산화탄소로 산화시키게 된다. 이때, 흡착제(110)는 알루미나, 제올라이트 또는 이들의 혼합물일 수 있으며, 형태는 구형 또는 펠릿 형태일 수 있다. 일 예로, 펠릿 형태의 제올라이트일 수 있다.
특히, 상기 제올라이트는 4A, Y, 13X, 베타(beta) 또는 감마(gamma)일 수 있다.
또한 상기 흡착제(110)에 담지된 촉매는 플라즈마에 의해 활성화되어 낮은 온도에서도 촉매 작용을 보이므로 축적된 에틸렌을 보다 빨리 분해시킬 수 있다. 특히, 촉매는 0.2 내지 10 wt% 의 농도로 상기 흡착제(110)에 담지될 수 있으며, 상기 흡착제(110)에 축적된 에틸렌은 플라즈마 발생에 의해서 분해되면서 H2O 및 CO2를 생성할 수 있다. 이때, 상기 촉매는 이산화망간(MnO2), 산화구리(CuO), 산화철(Fe2O3), 산화은(Ag2O), 오산화바나듐(V2O5), 산화아연(ZnO) 및 이산화티타늄(TiO2) 중 어느 하나 또는 이들의 혼합물일 수 있다.
이에 더하여, 농산물 저장시설(20)의 에틸렌 제거에 이용되는 촉매는 합성반응용 촉매와 달리 상온에서 사용되어야 하므로 저온 활성이 요구되며, 신뢰성 뿐만 아니라 내구성이 요구되므로 기계적 안정성을 높일 수 있는 구조가 바람직하다. 특히, 본 발명에서는 기계적 안정성을 높이기 위하여 나노 사이즈의 촉매를 흡착제(110)에 담지하여 사용할 수 있으며, 촉매의 저온 활성을 위해 열 대신 플라즈마를 이용하여 촉매가 낮은 온도에서 활성화될 수 있도록 하였다. 보다 구체적으로, 본 발명에서 반응온도는 30 내지 90℃ 일 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서 흡착제(110)는 제올라이트를 사용할 수 있으며, 촉매로 나노사이즈의 산화은(Ag2O)을 사용할 수 있다.
특히, 상기 제올라이트는 고비표면적을 가지고 있으며, 여기에 산화은(Ag2O)을 담지할 경우 고도로 분산된 나노 촉매가 제조될 수 있으며, 제올라이트 흡착제(110)에 나노사이즈의 산화은(Ag2O)을 담지할 경우 흡착능이 크게 증가하므로 장시간 동안 에틸렌이 고도로 축적될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 에틸렌 처리장치를 이용하여 에틸렌을 제거하는 에틸렌 제거방법에 대해 상세히 설명하도록 한다.
본 발명의 에틸렌 제거방법은 흡착제(110)에 축적된 에틸렌을 분해하는 짧은 순간에만 전력을 소비하므로 전력소비가 매우 낮고, 플라즈마의 촉매 활성화 효과에 의해 에틸렌이 촉매 작용에 의해서도 분해되므로 에틸렌이 빠르게 제거될 수 있다. 특히, 촉매 작용에 의해 유해부산물인 알데하이드나 유기산이 거의 발생되지 않고, 분해된 에틸렌이 이산화탄소로 완전 산화되는 특징이 있다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 에틸렌 제거방법은 (a) 플라즈마 방전부(100) 내에 에틸렌을 함유한 가스를 주입하는 단계, (b) 플라즈마 방전부(100) 내에 플라즈마를 발생시켜 주입된 에틸렌을 분해하는 단계 및 (c) 플라즈마 방전부(100)를 냉각시키는 단계를 포함한다. 특히, 상기 3단계는 반복 사이클로 구성될 수 있다.
먼저, 플라즈마 방전부(100) 내에 에틸렌을 함유한 가스를 주입시키기 전에는 흡착제(110)를 충진시켜야 하며, 흡착제(110)가 충진된 플라즈마 방전부(100) 내에 에틸렌을 함유한 가스를 주입시켜야 한다. 그러면, 상기 에틸렌을 함유한 가스는 촉매가 담지된 흡착제(110)에 축적될 수 있다. 특히, 에틸렌은 증기압이 매우 높아 일반적이 흡착제(110)에는 흡착능이 낮으나, 본 발명과 같은 제올라이트 또는 알루미나에 나노 사이즈의 촉매를 담지할 경우에는 흡착능을 증가시킬 수 있다.
이때, 흡착제(110)에 축적되지 않은 가스인 에틸렌이 제거된 가스는 농산물 저장시설(20)로 재순환될 수 있으며, 이 단계가 종료되면 에틸렌 가스가 플라즈마 방전부(100) 내로 유입되지 못하도록 유입구(101)를 차단한다.
이에 더하여, 에틸렌을 분해하는 단계에서는 본 발명의 전극부(120)에 전압을 인가함으로써, 플라즈마 방전부(100) 내에 플라즈마를 발생시킬 수 있다. 한편, 상기 에틸렌 분해 단계에서는 전압을 인가함과 동시에, 플라즈마 내에 공기를 유입시킬 수 있다. 즉, 플라즈마 방전부(100) 내에 공기를 유입시키며 교류 고전압을 인가함으로써, 흡착제(110)에 축적된 에틸렌을 이산화탄소와 수증기로 산화시킬 수 있다.
C2H2 + 3O2 → 2CO2 + 2H2O (반응식)
특히, 전극부(120)에 인가되는 교류 고전압의 주파수는 적절하게 조절될 필요가 있다. 주파수가 너무 높으면 전기적인 정합 문제로 인해 전력이 비효율적으로 소모될 수 있으며, 주파수가 너무 낮으면 플라즈마가 생성되지 않아 기체가 활성화하지 못할 수 있기 때문에, 이와 같은 점을 종합적으로 고려하여 볼 때에, 상기 전극부(120)에 인가되는 주파수는 50Hz 내지 1000Hz 인 것이 바람직하다.
이때, 생성된 이산화탄소와 수증기는 외부로 배기시키는 것이 바람직하다. 보다 구체적으로, 생성된 이산화탄소와 수증기가 농산물 저장시설(20)로 재유입시키게 되면, 탄산이 생성되어 저장시설 내부를 산성화시킬 수 있으므로 이를 방지하기 위함이다.
특정 양태로서, 상기 에틸렌을 분해하는 단계는 전압이 인가되는 단계이므로 상기 플라즈마 방전부(100)가 30 내지 90℃로 가열될 수 있다.
또한, 플라즈마 방전부(100)를 냉각시키는 단계는 온도가 높으면 흡착제(110)의 에틸렌 흡착성능이 저하되므로, 냉각과정을 거칠 수 있다. 이때 15 내지 40℃로 냉각시킬 수 있으며, 냉각단계를 거치고 나면 다시 흡착제(110)를 포함하는 프라즈마 방전부 내에 에틸렌을 함유한 가스를 주입하여 에틸렌을 상기 흡착제(110)에 축적함으로써 이와 같은 과정을 반복할 수 있다.
한편, 농산물은 에틸렌에 의해 후숙(afterrinpening)이 촉진되기도 하지만 각종 미생물들에 의해 부패되기도 한다. 본 발명의 에틸렌 처리장치는 에틸렌 처리 성능이외에도 농산물 저장 시설의 공기 중에 부유하는 각종 미생물들을 플라즈마 촉매 작용으로 멸균시킬 수 있으므로, 에틸렌 처리와 살균 두 가지 목적을 한 장치 안에서 이룰 수 있는 특징이 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 실험예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 다만 하기의 실험예는 본 발명의 내용을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범위가 하기 실험예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실험예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.
< 실험예 >
실험예 1. 실험 재료
본 발명의 실험예에서는 흡착제로 제올라이트(Cosmo Fine chemical)를 사용하였으며, 보다 구체적으로, 4A, Y, 13X, 베타(beta) 총 4종류의 제올라이트를 비교하여, 에틸렌에 대한 흡착성능이 가장 우수한 13X를 촉매의 지지체(흡착제)로 사용하였다. 상기 13X (Molecular Sieve 13X)의 비표면적은 약 500m2/g 이었다.
모사 에틸렌 가스는 질소와 에틸렌을 혼합하여 제조하였다. 구체적으로 질소 1 L/min 에 에틸렌 0.22 cm3/min 혼합하여 제조하여, 농도 220ppm 의 에틸렌 가스를 제조하였다. 실제 농산물 저장시설의 에틸렌 농도는 이보다 훨씬 낮은 20ppm 미만이다.
실험예 2. 에틸렌 처리장치를 이용한 농산물 저장시설 내의 에틸렌 제거
본 발명의 실험예를 통하여 에틸렌 처리장치를 이용하여 농산물 저장시설의 에틸렌을 제거하였다.
먼저, 플라즈마 방전부에 고전압을 공급하지 않은 상태에서, 모사 에틸렌 가스를 일정시간 플라즈마 방전부로 유입시켜 제올라이트에 축적되도록 하였다(1 단계). 이때, 모사 에틸렌 가스를 플라즈마 방전부로 유입할 때의 유량은 1L/min 이었다.
모사 에틸렌 가스를 주입하는 단계가 종료되어, 모사 에틸렌 가스의 유입을 중지시켰으며, 대신 공기(질소: 80%, 산소 20%)를 1L/min 로 공급하였다. 이와 동시에 전극부(120)로 고전압을 인가하여 플라즈마 방전부 내에 플라즈마를 생성시켰다(2 단계). 교류 고전압은 교류 전원장치(AC power source)와 변압기(transformer)에 의해 공급하였으며, 전압은 오실로스코프(Tektronix TDS3032)로 관찰하였다. 이 단계가 종료된 후, 플라즈마 방전부를 5 분간 자연 냉각시켰다(3 단계).
이때, 공급된 고전압은 실효치 기준으로 18.5kv 였으며, 전압-전하 선도에 의해 측정된 방전전력은 약 17W 였다. 또한, 본 발명의 실험예에서 사용한 교류 고전압 공급 장치의 주파수는 400Hz이었다.
한편, 1 단계에서 32ppm 의 에틸렌을 500분 동안 제올라이트에 흡착/축적시켰으며, 2 단계에서 플라즈마/촉매 복합작용으로 축적된 에틸렌을 25분 동안 분해시켰다. 상기 2 단계에서 플라즈마의 작용에 의해 플라즈마 방전부의 온도가 약 90℃로 상승하여, 3 단계에서는 플라즈마 방전부를 5분 동안 15 내지 40℃의 온도로 자연냉각시켰다. 상기 1 단계 내지 3 단계를 3회 반복하여 에틸렌을 분해하였다.
특히, 상기 2단계는 90W의 전력이 소비(방전전력 17W)되었으나, 전력이 소비되는 시간은 25분으로 매우 짧아 전체 처리과정(530분)에 비해 전력소비는 매우 낮은 편인 것을 확인할 수 있었다.
처리된 가스는 에틸렌 처리장치의 배출구를 통해 퓨리에변환적외선분광기 (FTIR, Bruker IFS 66/S)와 기체크로마토그래프 (GC, Bruker 450 GC)를 순차적으로 거쳐 분석되었다.
도 5은 흡착 축적된 에틸렌을 플라즈마/촉매 복합작용으로 분해했을 때 발생되는 CO2와 CO의 농도를 나타낸 그래프로, 도 5을 참조하면, 1 단계에서 제올라이트에 흡착/축적된 에틸렌이 2 단계에서 대부분 이산화탄소로 산화된 것을 확인할 수 있었다. 상기 이산화탄소 외에도 약간의 일산화탄소가 관찰되었고, 2회, 3회 사이클을 반복하여도 유사한 CO2 및 CO 가 관찰된 것을 확인할 수 있었다. 보다 구체적으로, CO2는 배출구를 통해 배출된 가스의 전체 93.2%를 차지하였으며, CO는 6.8%를 차지하였다. 여기서, CO2 보다 CO의 발생량이 극히 작다는 것을 확인할 수 있었다.
실험예 3. 에너지 수득율( Energy yield )
에너지 수득율(energy yield)이라 함은 처리된 에틸렌의 양/투입된 전기에너지를 의미한다. 32ppm 의 에틸렌을 500 min 동안 흡착/축적시켰을 때 총 흡착양은 18.7mg 이며, 20min (1200sec) 동안의 플라즈마/촉매분해 단계에 투입된 전기에너지는 17W × 1200sec = 20400J (20.4 kJ) 이다. 따라서 에너지 수율은 0.92mg/kJ이다. 본 발명과 달리 32ppm 의 에틸렌을 17W 로 500min 동안 연속으로 처리했을때의 에너지수율은 0.037 mg/kJ이다.
따라서, 본 발명은 플라즈마를 연속으로 처리하여 에틸렌을 처리하였을 때 보다 매우 경제적임을 알 수 있다.
실험예 4. 에틸렌의 FTIR 스펙트럼
도 6에서 (a)는 에틸렌의 FTIR 스펙트럼이며, (b)는 흡착된 에틸렌을 플라즈마/촉매 작용으로 처리했을 때의 FTIR 스펙트럼을 나타낸 것이다. 도 9에 나타난 바와 같이, 에틸렌에 기인한 유해 부산물의 생성은 거의 없었다. 이는 플라즈마-촉매 복합 작용으로 에틸렌의 중간 산화물이 CO2나 CO로 산화되었음을 의미한다.
10: 에틸렌 처리장치 20: 농산물 저장시설
100: 플라즈마 방전부 101, 101′: 유입구
102: 배출구 110: 흡착제
120: 전극부 130: 코일
131: 접지전극
200: 전압공급장치

Claims (11)

  1. 농산물 저장시설
    유입구 및 배출구가 형성되며, 상기 유입구를 통해서 상기 농산물 저장시설과 연결되고, 내부에 흡착제가 충진되는 플라즈마 방전부; 및
    상기 플라즈마 방전부의 내부에 플라즈마를 발생시키는 전극부;를 포함하며,
    상기 흡착제는 촉매인 산화은(Ag2O)이 담지되어, 상기 플라즈마 방전부 내에서 반복적으로 상기 플라즈마 및 촉매 복합작용으로 상기 농산물 저장시설에서 발생하는 에틸렌을 분해시키는 것을 특징으로 하는 에틸렌 처리장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 플라즈마 방전부는
    소정면적에 도전영역이 형성되고, 상기 도전영역에는 상기 플라즈마 방전부의 외측 표면을 감싸도록 형성된 코일이 더 포함되는 것을 특징으로 하는 에틸렌 처리장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 코일은
    구리선, 철선 또는 알루미늄선으로 이루어지며, 접지전극을 접촉하고 있는 것을 특징으로 하는 에틸렌 처리장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 플라즈마 방전부는
    석영관, 유리관, 알루미나관 또는 세라믹관으로 이루어진 것을 특징으로 하는 에틸렌 처리장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전극부는
    상기 플라즈마 방전부의 내부 통로로 연장되며, 상기 플라즈마 방전부와 동일한 축의 금속봉인 것을 특징으로 하는 에틸렌 처리장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전극부는
    상기 플라즈마 방전부로 전력을 공급하여 플라즈마를 발생시키는 전압공급장치와 연결되는 것을 특징으로 하는 에틸렌 처리장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 흡착제는
    구형 또는 펠릿 형태로 형성되며, 알루미나, 제올라이트 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 에틸렌 처리장치.
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서,
    상기 촉매는
    0.2 내지 10 wt% 의 농도로 상기 흡착제에 담지되어 있는 것을 특징으로 하는 에틸렌 처리장치.
  10. 제1항 내지 제7항, 제9항 중 어느 한 항에 따른 에틸렌 처리장치를 이용하여,
    (a) 상기 흡착제가 충진된 플라즈마 방전부 내에 에틸렌을 함유한 가스를 주입시키는 단계;
    (b) 상기 전극부에 전압을 인가하고, 상기 플라즈마 방전부 내에 플라즈마를 발생시켜 주입된 에틸렌을 분해하는 단계; 및
    (c) 상기 플라즈마 방전부를 냉각시키는 단계; 를 포함하는 에틸렌 처리방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 에틸렌을 분해하는 단계는
    상기 플라즈마 방전부 내에 산소를 유입시키는 단계; 및
    상기 에틸렌은 상기 산소와 반응하여 이산화탄소와 수증기로 산화되는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 에틸렌 처리방법.
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