KR101763611B1 - 저농도 휘발성 유기화합물의 대유량 처리장치 및 방법 - Google Patents

저농도 휘발성 유기화합물의 대유량 처리장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 명세서는 휘발성 유기화합물을 흡착하는 흡착부; 흡착부에 가열공기를 공급하는 공기 가열부; 흡착부로부터 탈착된 휘발성 유기화합물을 분해하는 산화분해 촉매부; 및 산화분해 촉매부에 오존을 공급하는 오존 공급부;를 포함하는 저농도 휘발성 유기화합물의 대유량 처리장치에 관한 것이다. 이러한 처리장치는 저농도의 VOC를 대유량 조건에서 흡착한 뒤 VOC 발생이 적은 시간에 VOC를 탈착시킴과 동시에 흡착 필터를 재생시킴으로써 교체주기를 반영구적으로 최대화 할 수 있다. 또한 본 발명의 일측면에 따른 장치는 저유량으로 탈착된 VOC물질을 산화 분해 촉매 필터에 의하여 산화 분해 효율이 가장 뛰어난 조건에서 분해 처리하여 이산화탄소화 물로 효과적으로 분해할 수 있다.

Description

저농도 휘발성 유기화합물의 대유량 처리장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR DECOMPOSING LOW CONCENTRATION OF VOLATILE ORGANIC COMPOUNDS BY HIGH FLOW}
본 명세서는 저농도 휘발성 유기화합물의 대유량 처리장치 및 방법에 관한 것이다.
보다 광범위하게 존재하는 실내의 저농도 휘발성 유기화합물(이하, VOC) 배출원에 대해 기존의 VOC 처리 방법을 직접 적용하기에는 기술적, 경제적 제약이 따른다. 기존의 VOC 물질을 제거하기 위해서 사용되는 흡착방식은 물리, 화학적으로 가스상 물질을 흡착시키는 방법으로, 빠른 제거 특징을 가지지만, 흡착된 유해물질의 제거와 재생이 어려워, 사용시간이 경과함에 따라 필터의 표면이 포화되어 장시간 사용이 어렵다. 또한 산화 촉매 방식은 금속 촉매를 사용하여 유해가스를 산화분해 제거하는 기술로, 저농도에서는 제거효율이 저하하는 단점이 있다.
또한 저유량 공기 청정 방식은 공기가 순환되는 처리 장치 주변은 오염물질이 잘 처리가 되는 반면, 장치와 멀리 떨어져 공기가 정체되는 구석 공간에서는 공기의 순환이 잘 이루어지지 않아, 오염물질 농도가 낮아지기 어려운 문제점을 가지고 있다.
KR 0623498 B1
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위하여 안출한 것으로서, 흡착 필터를 재생하여 교체 주기를 반영구적으로 늘리고 촉매의 표면 오염에 의한 성능 저하를 방지하는 장치 및 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다. 또한, 본 발명은 대유량에 의하여 실내공기를 원활히 순환시키고, 실내 공간 전체의 오염물질의 처리 효율을 높이는 장치 및 방법으로서 흡착 및 산화 분해 촉매 기술을 이용한 저농도 휘발성 유기화합물의 대유량 처리장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 일측면에 있어서, 저농도 휘발성 유기화합물을 흡착하는 흡착부; 흡착부에 가열공기를 공급하는 공기 가열부; 흡착부로부터 탈착된 저유량의 휘발성 유기화합물을 분해하는 산화분해 촉매부; 및 산화분해 촉매부에 오존을 공급하는 오존 공급부;를 포함하는 저농도 휘발성 유기화합물의 대유량 처리장치를 제공한다.
본 발명의 일 측면에 따른 저농도 휘발성 유기화합물(volatile organic compounds, 이하 VOC)의 대유량 처리장치는 저농도의 VOC를 대유량 조건에서 흡착한 뒤 VOC 발생이 적은 시간에 VOC를 탈착시킴과 동시에 흡착 필터를 재생시킴으로써 교체주기를 반영구적으로 최대화 할 수 있다. 또한 본 발명의 일측면에 따른 장치는 저유량으로 탈착된 VOC물질을 산화 분해 촉매 필터에 의하여 산화 분해 효율이 가장 뛰어난 조건에서 분해 처리하여 이산화탄소화 물로 효과적으로 분해하는 기술에 해당한다.
도 1은 본 발명의 일측면에 따른 저농도 VOC의 대유량 처리장치를 구성하는 구성요소들을 나타낸 그림이다.
도 2는 본 발명의 일측면에 따른 대유량 처리장치를 구성하는 가열공기 공급부, 오존공급부 및 탈착팬의 구성을 나타낸 그림이다.
도 3은 본 발명의 일측면에 따른 대유량 처리장치에 의하여 휘발성 유기화합물이 흡착 후 탈착 및 분해되어 배출되는 과정을 간략하게 나타낸 그림이다.
도 4은 휘발성 유기화합물의 처리 효율을 실험하기 위하여 구성한 실험 장치의 도식도를 나타낸 것이다.
도 5는 공간속도에 따른 휘발성 유기화합물의 처리 효율에 대한 실험결과를 나타낸 그래프이다.
도 6은 가열공기의 온도에 따른 탈착 실험을 수행하기 위한 장치의 도식도를 나타낸 그림이다.
도 7는 탈착 온도에 따른 탈착 효율에 대한 실험 결과를 나타낸 그래프이다.
도 8은 일정한 탈착온도를 유지하는 경우에 아세트알데히드의 탈착 농도를 시간에 따라 나타낸 그래프이다.
본 발명은 일측면에 있어서, 휘발성 유기화합물을 흡착하는 흡착부; 흡착부에 가열공기를 공급하는 가열공기 공급부; 흡착부로부터 탈착된 휘발성 유기화합물을 분해하는 산화분해 촉매부; 및 산화분해 촉매부에 오존을 공급하는 오존 공급부;를 포함하는 저농도 휘발성 유기화합물의 대유량 처리장치에 관한 것일 수 있다.
본 발명의 일 측면에 있어서, 상기 휘발성 유기화합물은 포름알데히드, 아세트알데히드, 톨루엔, 벤젠, 에틸벤젠, 자일렌 및 스티렌으로 구성된 군으로부터 선택된 하나 이상일 수 있다.
본 발명의 일 측면에 있어서, 휘발성 유기화합물은 500ppm 이하의 저농도 휘발성 유기화합물 일 수 있다.
본 발명의 일 측면에 있어서, 흡착부로부터 탈착된 휘발성 유기화합물은 흡착부로부터 공간속도 30,000/hr이하의 저유량으로 탈착되는 것일 수 있다.
본 명세서에서 공간속도는 통상의 기술자가 자명하게 인식하는 개념으로서 그 단위가 hr-1일 수 있으며, Q(유량)/V(반응 촉매 체적) 에 해당하며 이때 유량(Q)의 단위는 L/min(분) 이고 촉매 체적(V)의 단위는 m3일 수 있다. 그러나 유량 및 촉매 체적의 단위는 통상의 기술자가 용이하게 변경 가능한 범위에서 달라질 수 있다.
본 발명의 일 측면에 있어서, 상기 장치는 흡착부 이전에 흡착부와 직렬로 배치된 촉매보호필터부로서, 외부 공기에 포함된 입자상 물질을 제거하여 촉매를 보호하는 촉매보호필터부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 있어서, 촉매보호필터부는 프리필터 또는 극세사 필터를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 있어서, 상기 흡착부는 흡착제로서 제올라이트, 알루미나 계열 흡착제, 실리카 계열 흡착제, 또는 활성탄을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 있어서, 상기 알루미나 계열 흡착제는 통상의 기술자가 용이하게 사용할 수 잇는 것이라면 제한되지 않으며, 예를 들어 활성 알루미나 일 수 있다.
본 발명의 일 측면에 있어서, 상기 실리카 계열 흡착제는 통상의 기술자가 용이하게 사용할 수 있는 것이라면 제한되지 않으며, 예를 들어 실리카겔 일 수 있다.
본 발명의 일 측면에 있어서, 상기 장치는 장치 선단에 저농도 휘발성 유기화합물을 포함하는 외부공기가 장치 내부로 유입되는 유입부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 있어서, 상기 장치는 장치 내부에 외부공기를 유입시키고 휘발성 유기화합물이 제거된 청정한 공기를 배출시켜 공기를 지속적이고 대유량으로 순환시키는 순환팬을 더 포함할 수 있다. 구체적으로 상기 순환팬에 의하여 순환되는 대유량의 공기는 공간속도 100,000/hr이상, 200,000/hr 이상, 300,000/hr 이상, 또는 500,000/hr 이상의 대유량으로 순환될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 있어서, 상기 장치는 가열공기 공급부 및 오존 공급부에 외부 공기를 전달하는 탈착팬을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 있어서, 상기 가열공기 공급부는 공기를 가열하는 공기가열부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 있어서, 상기 가열공기 공급부는 공기가열부에 의하여 40℃ 내지 70℃로 가열된 공기를 흡착부로 공급하는 것일 수 있다. 구체적으로 본 발명의 일 측면에 있어서, 공기가열부에 의해 흡착부로 공급되는 공기의 온도는 30℃이상, 40℃이상, 50℃이상, 60℃이상, 70℃이상, 80℃이상, 또는 90℃ 이상이거나 100℃이하, 90℃이하, 80℃이하, 70℃이하, 60℃이하, 50℃이하, 40℃이하, 또는 30℃이하 일 수 있으나 이에 제한되지는 않는다. 또한, 본 발명의 일 측면에 있어서, 외부 공기를 가열하는 공기가열부의 온도는 80℃ 내지 120℃일 수 있다.
본 발명의 일 측면에 있어서, 상기 탈착팬은 가열공기 공급부 및 오존 공급부에 외부 공기를 저유량으로 전달하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 측면에 있어서, 상기 탈착팬에 의해 가열공기 공급부 및 오존 공급부로 전달되는 외부공기의 유량은 1,500/hr 내지 30,000/hr의 공간속도 일 수 있다. 구체적으로 본 발명의 일 측면에 있어서, 탈착팬에 의해 가열공기 공급부 및 오존 공급부로 전달되는 외부공기의 유량은 공간속도 150/hr 이상, 1,500/hr 이상, 2,000/hr 이상, 3,000/hr 이상, 5,000/hr 이상, 7,000/hr 이상, 10,000/hr 이상, 15,000/hr 이상, 20,000/hr 이상, 25,000/hr 이상, 30,000/hr이상, 35,000/hr 이상, 40,000/hr 이상이거나 50,000/hr 이하, 40,000/hr 이하, 35,000/hr 이하, 30,000/hr이하, 25,000/hr 이하, 20,000/hr 이하, 15,000/hr 이하, 10,000/hr 이하, 7,000/hr 이하, 5,000/hr 이하, 3,000/hr 이하, 2,000/hr 이하, 1,500/hr 이하 또는 150/hr 이하 일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.
본 발명의 일 측면에 있어서, 상기 순환팬은 공기를 대유량으로 순환시키는 대유량 순환팬일 수 있다.
본 발명의 일 측면에 있어서, 상기 탈착팬은 휘발성 유기화합물이 많이 발생되는 시간대에 가동될 수 있고, 예를 들어 밤 12시부터 오전 7시까지 중 1시간 내지 2시간 동안 가동되어 가열공기 공급부 및 오존 공급부에 외부 공기를 전달할 수 있으나 이 시간에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일 측면에 있어서, 상기 순환팬은 휘발성 유기화합물이 적게 발생되는 시간대에 가동될 수 있고, 예를 들어 오전 8시부터 밤 11시까지 가동되어 휘발성 유기화합물을 흡착층에 흡착시키는 것일 수 있으나 이 시간에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일 측면에 있어서, 상기 탈착팬과 순환팬은 서로 다른 시점에 가동되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 측면에 있어서, 상기 순환팬에 의해 순환되는 공기의 유량은 공간속도 100,000/hr 내지 500,000/hr 일 수 있다. 구체적으로 본 발명의 일 측면에 있어서, 순환팬에 의해 순환되는 공기의 유량은 공간속도 100,000/hr 이상, 200,000/hr 이상, 250,000/hr 이상, 300,000/hr 이상, 350,000/hr 이상, 400,000/hr 이상, 450,000/hr 이상, 500,000/hr 이상, 550,000/hr 이상, 600,000/hr 이상 700,000/hr 이상, 또는 1,000,000/hr 이상 이거나 1,500,000/hr 이하, 1,000,000/hr 이하, 700,000/hr 이하, 600,000/hr 이하, 550,000/hr 이하, 500,000/hr 이하, 450,000/hr 이하, 400,000/hr 이하, 350,000/hr 이하, 300,000/hr 이하, 250,000/hr 이하, 200,000/hr 이하, 또는 100,000/hr 이하 일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.
본 발명의 일 측면에 있어서, 산화분해촉매부는 산화 분해 촉매를 포함하며, 상기 산화 분해 촉매는 MnO2, NiO, CoO, Fe2O3, V2O5, 및 AgO2으로 구성된 군으로부터 선택된 하나 이상일 수 있다.
본 발명의 일 측면에 있어서, 산화분해촉매부는 망간-티타니아 촉매가 담지된 허니컴을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 있어서, 산화분해촉매부는 오존공급부로부터 공급된 오존을 산화분해촉매와 반응시켜 활성상태의 산소원자(O*) 또는 활성화된 산소분자를 생성시키고, 이를 이용하여 휘발성 유기물질을 분해하는 것일 수 있다.
본 발명은 일 측면에 있어서, 저농도의 휘발성 유기화합물을 대유량으로 흡착제에 흡착시키는 흡착 단계; 가열공기를 공급하여 흡착된 휘발성 유기화합물을 흡착제로부터 탈착시키고, 흡착제를 재생시키는 탈착 및 재생 단계; 오존을 공급하여 산화 분해 촉매와 반응시켜 활성상태의 산소원자(O*) 또는 활성화된 산소분자를 생성하는 활성화 산소 생성 단계; 및 탈착된 휘발성 유기화합물을 생성된 활성화 산소화 반응시켜 휘발성 유기화합물을 분해하는 분해단계를 포함하는 저농도 휘발성 유기화합물의 대유량 처리방법에 관한 것일 수 있다.
본 발명의 일 측면에 있어서, 흡착 단계는 휘발성 유기화합물이 많이 발생되는 시간대에 대유량으로 수행될 수 있고, 예를 들어 오전 8시부터 밤 11시까지 수행될 수 있으나 이 시간에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일 측면에 있어서, 탈착 단계, 활성화 산소 생성 단계 및 분해단계는 휘발성 유기화합물이 적게 발생되는 시간대에 저유량으로 수행될 수 있고, 예를 들어 밤 12시부터 오전 7시까지 중에서 1시간 내지 2시간 동안 수행될 수 있으나 이 시간에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일 측면에 있어서 흡착단계와 탈착 단계, 활성화 산소 생성 단계 및 분해단계는 서로 다른 시점에 수행되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 측면에 있어서, 흡착 단계는 휘발성 유기화합물을 물리적으로 제거하는 1차 제거단계이며, 분해 단계는 휘발성 유기화합물을 화학적으로 제거하는 2차 제거단계일 수 있다. 이러한 1차 제거단계 및 2차 제거단계는 서로 다른 시점에 수행되는 것일 수 있으며, 예를 들어 1차 제거단계는 휘발성 유기화합물이 많이 발생하는 낮 시간에 수행되고, 2차 제거단계는 휘발성 유기화합물의 발생이 낮은 밤 시간에 수행되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 측면에 있어서, 흡착 단계의 유량은 공간속도 100,000/hr 내지 500,000/hr 일 수 있다. 구체적으로 본 발명의 일 측면에 있어서, 흡착 단계의 유량은 순환팬에 의해 순환되는 공기의 유량과 동일한 것일 수 있다.
본 발명의 일 측면에 있어서, 상기 방법은 흡착 단계 이전에 공기 중의 입자상 물질을 필터링하는 필터링 단계를 더 포함할 수 있다. 구체적으로 상기 필터링 단계는 프리필터 또는 극세사 필터에 의해서 수행되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 측면에 있어서, 상기 방법은 대유량으로 외부공기를 유입시키고 휘발성 유기화합물이 제거된 청정화된 공기를 배출시켜 공기를 지속적으로 순환시키면서 수행되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 측면에 있어서, 가열공기의 공급과 오존의 공급은 저유량의 외부 공기를 전달하여 수행되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 측면에 있어서, 흡착단계의 유량은 가열공기의 공급과 오존의 공급을 위해 전달되는 외부공기의 유량에 비하여 8배 내지 15배, 바람직하게는 9배 내지 12배, 더욱 바람직하게는 10배 이상의 유량일 수 있다.
본 발명의 일 측면에 있어서, 외부공기의 유량은 1,500/hr 내지 30,000/hr의 공간속도 일 수 있다. 구체적으로 상기 외부공기의 유량은 상기 탈착팬에 의해 가열공기 공급부 및 오존 공급부로 전달되는 외부공기의 유량과 동일한 것일 수 있다.
본 발명의 일 측면에 있어서, 가열공기의 온도는 40℃ 내지 70℃일 수 있다. 구체적으로 가열 공기의 온도는 상기 흡착부로 공급되는 공기의 온도와 동일한 것일 수 있다.
본 발명의 일 측면에 있어서, 상기 방법은 분해단계 이후에 청정화된 공기를 배출시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 있어서, 상기 흡착단계는 물리적인 방법에 의하여 1차적으로 휘발성 유기화합물을 처리하고, 분해 단계는 화학적인 방법에 의하여 2차적으로 휘발성 유기화합물을 처리하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 측면에 있어서, 상기 방법은 본 발명의 일 측면에 따른 처리 장치를 이용하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 처리장치 또는 방법의 경우 도 1에서 구체적으로 설명하고 있다. 도 1에 따르면 외부공기는 순환팬에 의하여 1차적으로 촉매보호 필터부와 흡착부를 거치면서 휘발성 유기화합물이 제거된 청정한 공기로 외부로 배출된다. 촉매보호필터부에서는 외부 공기에 포함된 입자상 물질들을 제거하여 흡착부와 산화분해촉매부의 내구성을 향상시키는 역할을 수행할 수 있다. 외부공기에 포함된 휘발성 유기화합물은 흡착부에서 1차적으로 제거된다. 이러한 흡착과정은 휘발성 유기화합물의 발생이 많은 시간에 집중적으로 수행될 수 있다.
휘발성 유기화합물의 흡착을 수행한 후에, 본 발명의 일측면에 따른 장치 또는 방법은 도 2 및 도 3에서 나타낸 바와 같이 휘발성 유기화합물의 탈착 및 흡착부의 재생과정과 탈착된 휘발성 유기화합물을 산화분해 촉매부에서 분해하는 과정을 수행할 수 있다. 이러한 탈착/재생 및 산화분해과정은 휘발성유기화합물의 발생이 적은 시간에 집중적으로 수행될 수 있으며, 이러한 과정을 통하여 2차적으로 휘발성 유기화합물을 제거할 수 있다. 따라서, 본 발명의 일측면에 따른 장치 또는 방법에 의하면 물리적인 방법에 의하여 공기중의 휘발성 유기화합물을 1차적으로 제거하고 화학적인 방법에 의하여 휘발성 유기화합물을 2차적으로 제거하는 과정을 통해 휘발성 유기화합물을 효과적으로 제거할 수 있다.
구체적으로 도 2에 따르면, 탈착팬은 외부 공기를 저유량으로 가열공기 공급부 및 오존 공급부에 전달하게 되며 가열공기 공급부에서는 이러한 공기를 가열하여 가열된 공기를 흡착부로 공급하게 되고, 오존 공급부에서는 오존을 산화분해촉매부로 공급하게 된다. 이러한 공급은 모두 저유량으로 수행된다. 또한 도 3에 따르면 흡착부로 공급된 가열공기에 의하여 흡착부에서는 휘발성 유기화합물의 탈착이 수행되며, 이렇게 탈착된 휘발성 유기화합물은 산화분해 촉매부로 공급되고, 산화분해 촉매부에서 오존으로부터 생성된 활성상태의 산소원자(O*) 또는 활성화된 산소분자에 의해 분해된다. 따라서, 결과적으로 흡착부에 흡착되어 있던 휘발성 유기화합물들은 화학적으로 분해되어 장치 외부로 청정화된 공기로 배출되고 휘발성 유기화합물의 탈착으로 인하여 흡착부는 다시 휘발성 유기화합물을 흡착할 수 있도록 재생되는 과정을 반복하게 된다.
본 발명의 일측면에 따른 장치 또는 방법에서는 휘발성 유기화합물의 흡착 공정과 휘발성 유기화합물의 분해 공정을 분리하여 수행하는 것을 특징으로 한다. 일반 실내 공기 중에는 저농도의 휘발성 유기 화합물이 주로 존재하고 있으며, 이러한 저농도의 휘발성 유기화합물을 촉매분해 장치로 처리하기 위해서는 상당한 대유량의 처리장치가 필요하다. 하지만 실험예 1의 결과에서 알 수 있듯이 대유량 조건에서는 산화 촉매에서의 체류 시간을 충분히 제공하기 어려우므로, 분해 처리 성능이 낮아진다. 그러므로 이를 해결하기 위하여 대유량 조건에서 유해물질을 제거하는 흡착 공정과, 저유량 조건에서 산화촉매를 이용하여 유해물질을 분해하는 공정을 분리하여, (1) 저농도의 실내 휘발성 유기화합물을 대유량의 조건에서 흡착한 후, (2) 일정 시간이 지난 후 저유량의 조건에서 흡착제에 흡착된 휘발성 유기화합물의 탈착 공정을 거쳐, (3) 저유량 조건에서 산화 촉매부로 공급함으로써, 휘발성 유기화합물을 효과적으로 산화 분해하는 과정을 결합하여, 실내 휘발성 유기화합물을 효과적으로 처리할 수 있다.
이하, 하기와 같은 실험예를 들어 본 발명의 구성 및 효과를 보다 구체적으로 설명한다. 그러나 이들 실험예는 본 발명에 대한 이해를 돕기 위해 예시의 목적으로만 제공된 것일 뿐 본 발명의 범주 및 범위가 하기 예에 의해 제한되는 것은 아니다.
[실험예 1] 저유량 탈착 공정에서 휘발성 유기화합물의 처리 효율 실험
본 발명의 일측면에 따른 장치 또는 방법에서 휘발성 유기화합물을 저유량으로 탈착시켜 분해하는 경우 대유량으로 탈착시키는 경우에 비하여 휘발성유기화합물의 처리 효율을 비교하는 실험을 수행하였다.
도 4에 도시된 것과 같은 도식도를 가지는 장치를 이용하여 휘발성 유기화합물로서 아세트알데히드를 10ppm으로 포함하는 공기를 지속적으로 투입하고, 오존은 25ppm의 농도로 지속적으로 공급하였다. 또한, 산화분해촉매로서 망간-티타니아 촉매를 사용하였으며, 반응 촉매의 체적은 1.257 X 10-5으로 하였다.
구체적으로 도 4에 도시된 것과 같이 긴 원통형의 장치를 이용하였으며 이러한 장치의 내부 지름은 4cm이고 높이는 22cm이다. 이러한 장치의 한쪽 입구로 아세트 알데히드, 오존 및 질소를 포함하는 공기를 주입하였으며 반대쪽 출구로 배출되는 아세트 알데히드 및 오존의 농도를 적외선 분광기를 이용하여 측정하였다. 이때 촉매부는 지름이 4cm이고 높이가 1cm인 원기둥 모양의 촉매를 사용하였다.
촉매에서 오존이 분해되는 화학 반응식의 경우 하기와 같다.
[반응식 1]
(1) O3 -> O2 * + O*
(2) O3 + O* -> O2 * + O2
또한, 생성된 활성 산소(O2 *)와 아세트알데히드의 반응식은 하기와 같다.
[반응식 2]
CH3CHO + 2.5 O2 * -> 2 CO2 + 2 H2O
이러한 메커니즘을 이용하여 본 발명의 일측면에 따른 장치 또는 방법은 휘발성유기화합물을 인체에 무해한 이산화탄소 및 물로 분해한다.
장치에 투입하는 공기의 투입량은 탈착 유량을 서로 다르게하기 위하여 공간속도(space velocity, SV)를 약 10,000hr-1, 30,000hr-1, 50,000hr-1, 75,000 hr-1, 100,000hr-1, 및 150,000hr-1으로 하면서 아세트알데히드를 공급하였으며 산화분해촉매를 포함하는 촉매부를 거친 후 아세트알데히드의 농도를 적외선 분광기(FT-IR Spectrometer)(모델명 : MIDAC Model I-4001(USA), 이하 하기 실험에서 모두 동일한 적외선 분광기를 사용함)를 이용하여 실시간으로 측정하였고, 초기농도인 10ppm에 비하여 아세트알데히드의 농도가 얼마나 감소하였는지를 백분율로 계산하였으며, 이러한 결과를 도 5에 나타내었다.
아세트알데히드의 처리 효율은 100*(초기농도-최후농도)/초기농도 와 같은 수식을 이용하여 계산하였다.
상기 공간속도(hr-1)는 Q(유량)/V(반응 촉매 체적) 에 해당하며 이때 유량(Q)의 단위는 L/min(분) 이고 촉매 체적(V)의 단위는 m3이다.
구체적으로 상기 실험에서 공급한 공기, 촉매 및 공간속도의 조건은 하기 표 1과 같다.
반응가스 (TFR) 반응 촉매 공간 속도
( /hr)
유량 (LPM) 직경 (m) 높이 (m) 체적 (m3)
2.15 0.04 0.01 1.257 X 10-5 10,265
6.28 29,985
10.47 49,990
15.75 75,200
20.95 100,029
31.32 149,542
*LPM = liter per minute
TFR = 도 4에서 Q1+Q2+Q3
도 5에 따르면 공간 속도가 30,000 hr-1이하 인 경우에는 아세트알데히드가 거의 100% 수준에서 처리되는 것을 확인할 수 있으나, 50,000hr-1 이상이 되면 처리 효율이 50% 이하로 저하되는 것을 확인할 수 있었다. 구체적으로 50,000 hr-1인 경우 처리효율은 50%, 75,000 hr-1 인 경우 37%, 100,000 hr-1인 경우 33%, 150,000 hr-1인 경우 42%에 해당하였다.
따라서, 이러한 실험 결과에 따르면 본 발명의 일측면에 따른 장치 또는 방법은 대유량으로 흡착한 휘발성 유기화합물을 저유량으로 탈착시키면서 이를 화학적으로 분해제거 할 수 있으며 그 분해 효율은 높은 유량으로 휘발성 유기화합물을 탈착시키는 경우에 비하여 현저하게 높게 나타난다.
[실험예 2] 가열공기 공급부에 의하여 공급되는 가열공기의 온도에 따른 탈착 효율 및 분해효율 실험
흡착된 휘발성 유기화합물의 탈착을 위하여 공급되는 가열공기의 온도에 따른 휘발성 유기화합물의 탈착 효율 및 분해 효율을 확인하기 위하여 하기와 같은 실험을 수행하였다.
도 6에 도시된 것과 같은 장치를 이용하여 실험을 수행하였다.
구체적으로 흡착제를 충진한 베드-타입(bed-type)의 실험 장비로서 도 6에 도시된 것과 같은 장치를 이용하여 일정 온도에서 탈착되어 나오는 아세트 알데히드 기체의 농도를 적외선 분광기를 이용하여 측정하였다. 흡착제로서는 제올라이트(CBV-720, SiO2/Al2O = 30인 제올라이트로서 ZEOLYST사로부터 구입)를 사용하였다. 탈착을 위하여 투입하는 질소 기체의 탈착 유량은 1LPM이며, 흡착제의 체적은 0.23cm3(직경 1cm, 높이 3cm)로 설정하였으며 투입되는 질소기체의 공간속도가 25,000/hr 가 되도록 하였다. 이러한 질소기체의 투입은 유량 조절기(Mass Flow Controller, M.F.C)를 이용하여 투입하였다.
먼저, 아세트알데히드 가스를 10ppm의 일정한 농도로 흡착제에 30분간 흡착시키고 전기로의 온도를 조절하면서 탈착되는 농도를 측정하였다. 온도를 각각 30℃, 50℃, 75℃, 100℃, 및 150℃ 온도로 조절하면서 유량조절기를 통하여 질소 가스를 공급하였고, 각각의 경우 흡착부로부터 탈착되는 아세트알데히드의 농도를 적외선 분광기를 이용하여 측정하였다. 이러한 측정 결과를 바탕으로 아세트알데히드의 탈착 효율을 계산하여 도 7에 나타내었다. 또한, 온도가 60℃인 경우 시간에 따른 아세트알데히드의 탈착양을 측정하여 그 결과를 도 8에 나타내었다.
아세트알데히드의 탈착 효율의 경우 하기와 같은 수학식을 이용하여 계산하였다.
[수학식]
Figure 112015124840199-pat00001
Figure 112015124840199-pat00002
도 7에서 탈착양은 그래프 아래의 면적 부분에 해당하며, 이러한 탈착양은 가우시안 피팅법을 이용하여 면적을 측정하였다.
도 7의 결과에 따르면, 상온 조건인 30℃에서는 탈착이 거의 일어나지 않으며, 50℃ 내지 75℃로 온도가 증가하면 탈착효율이 높아지는 것을 확인할 수 있다. 또한, 150℃에서는 100% 탈착이 이루어지는 것을 확인할 수 있다. 특히, 50℃ 내지 70℃의 온도로 가열공기를 공급하는 경우 탈착되는 아세트알데히드의 농도는 10ppm 수준에 해당하였으며 이는 실험예 1에 따라서 본 발명의 일측면에 따른 방법 및 장치에서 저유량으로 휘발성 유기화합물을 탈착시키는 경우에 가장 효율이 좋은 농도에 해당하는 것이다.
도 8의 결과에 따르면 60℃에서 탈착을 수행하는 경우 가장 바람직한 아세트알데히드의 탈착 농도인 10ppm에 근접하게 도달하는 것을 확인할 수 있으며, 그 도달 시간 또한 10분에서 20분 사이에 해당하여 이러한 휘발성 유기화합물의 분해를 효율적으로 수행할 수 있음을 확인할 수 있다.
10: 저농도 휘발성 유기화합물의 대유량 처리장치
20: 촉매보호 필터부
30: 흡착부
40: 산화분해 촉매부
50: 순환팬
60: 오존 발생부
70: 가열공기 공급부
71: 공기가열부
80: 탈착팬

Claims (24)

  1. 휘발성 유기화합물을 흡착하는 흡착부;
    흡착부에 가열공기를 공급하는 가열공기 공급부;
    흡착부로부터 공간속도 30,000/hr이하의 저유량으로 탈착된 휘발성 유기화합물을 분해하는 산화 분해 촉매를 포함하는 산화분해 촉매부;
    산화분해 촉매부에 오존을 공급하는 오존 공급부; 및
    장치 내부에 외부공기를 유입시키고 휘발성 유기화합물이 제거된 청정한 공기를 배출시켜 공기를 지속적이고 공간속도 100,000/hr이상의 대유량으로 순환시키는 대유량 순환팬;을 포함하고,
    상기 공간속도는 단위시간당, 상기 휘발성 유기화합물의 유량, 상기 오존의 유량 및 공기의 유량의 합을 상기 산화 분해 촉매의 부피로 나눈값인 것을 특징으로 하는 저농도 휘발성 유기화합물의 대유량 처리장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 장치는, 흡착부 이전에 흡착부와 직렬로 배치된 촉매보호 필터부로서, 외부 공기에 포함된 입자상 물질을 제거하여 촉매를 보호하는 촉매보호필터부를 더 포함하는 처리장치.
  3. 제2항에 있어서, 촉매보호필터부는 프리필터 또는 극세사 필터를 포함하는 처리장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 흡착부는 흡착제로서 제올라이트, 알루미나 계열 흡착제, 실리카 계열 흡착제, 또는 활성탄을 포함하는 처리장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 가열공기 공급부는 40℃ 내지 70℃의 공기를 흡착부로 공급하는 것인 처리장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 장치는 가열공기 공급부 및 오존 공급부에 외부 공기를 전달하는 탈착팬을 더 포함하는 처리장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 탈착팬은 가열공기 공급부 및 오존 공급부에 외부 공기를 저유량으로 전달하는 것인 처리장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 외부공기의 유량은 1,500/hr 내지 30,000/hr의 공간속도인 처리장치.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 탈착팬은 밤 12시부터 오전 7시까지 중에서 1시간 내지 2시간 동안 가동되어 가열공기 공급부 및 오존 공급부에 외부 공기를 전달하고, 상기 순환팬은 오전 8시부터 밤 11시까지 가동되어 휘발성 유기화합물을 흡착층에 흡착시키는 것으로서, 서로 다른 시점에 가동되는 것인 처리장치.
  10. 제1항에 있어서, 상기 순환팬에 의해 순환되는 공기의 유량은 공간속도 100,000/hr 내지 500,000/hr인 처리장치.
  11. 제1항에 있어서, 상기 산화 분해 촉매는 MnO2, NiO, CoO, Fe2O3, V2O5, 및 AgO2으로 구성된 군으로부터 선택된 하나 이상인 처리장치.
  12. 제11항에 있어서, 산화분해촉매부는 망간-티타니아 촉매가 담지된 허니컴을 포함하는 처리장치.
  13. 제1항에 있어서, 산화분해촉매부는 오존공급부로부터 공급된 오존을 산화분해촉매와 반응시켜 활성상태의 산소원자(O*) 또는 활성화된 산소분자를 생성시키고, 이를 이용하여 휘발성 유기물질을 분해하는 것인 처리장치.
  14. 저농도의 휘발성 유기화합물을 공간속도 100,000/hr이상의 대유량으로 흡착제에 흡착시키는 흡착 단계;
    가열공기를 공급하여 흡착된 휘발성 유기화합물을 흡착제로부터 공간속도 30,000/hr이하의 저유량으로 탈착시키고, 흡착제를 재생시키는 탈착 및 재생 단계;
    오존을 공급하여 산화 분해 촉매와 반응시켜 활성상태의 산소원자(O*) 또는 활성화된 산소분자를 생성하는 활성화 산소 생성 단계; 및
    탈착된 휘발성 유기화합물을 생성된 활성화 산소화 반응시켜 휘발성 유기화합물을 분해하는 분해단계를 포함하고,
    상기 공간속도는 단위시간당, 상기 휘발성 유기화합물의 유량, 상기 오존의 유량 및 공기의 유량의 합을 상기 산화 분해 촉매의 부피로 나눈값인 것을 특징으로 하는 저농도 휘발성 유기화합물의 대유량 처리방법.
  15. 제14항에 있어서, 흡착 단계는 오전 8시부터 밤 11시까지 수행되고 탈착 단계, 활성화 산소 생성 단계 및 분해단계는 밤 12시부터 오전 7시까지 중에서 1시간 내지 2시간 동안 수행되어 서로 다른 시점에 수행되는 것인 처리방법.
  16. 제14항에 있어서, 흡착 단계의 유량은 공간속도 100,000/hr 내지 500,000/hr 인 처리 방법.
  17. 제14항에 있어서, 상기 방법은 흡착 단계 이전에 공기 중의 입자상 물질을 필터링하는 필터링 단계를 더 포함하는 방법.
  18. 제14항에 있어서, 상기 방법은 대유량으로 외부공기를 유입시키고 휘발성 유기화합물이 제거된 청정화된 공기를 배출시켜 공기를 지속적으로 순환시키면서 수행되는 것인 방법.
  19. 제14항에 있어서, 가열공기의 공급과 오존의 공급은 공간속도 1,500/hr 내지 30,000/hr 의 저유량으로 외부 공기를 전달하여 수행되는 것인 방법.
  20. 제14항에 있어서, 가열공기의 온도는 40℃ 내지 70℃인 처리방법.
  21. 제14항에 있어서, 상기 방법은 분해단계 이후에 청정화된 공기를 배출시키는 단계를 더 포함하는 방법.
  22. 제14항에 있어서, 산화 분해 촉매는 MnO2, NiO, CoO, Fe2O3, V2O5, 및 AgO2으로 구성된 군으로부터 선택된 하나 이상인 처리방법.
  23. 제14항에 있어서, 상기 흡착단계는 물리적인 방법에 의하여 1차적으로 휘발성 유기화합물을 처리하고, 분해 단계는 화학적인 방법에 의하여 2차적으로 휘발성 유기화합물을 처리하는 것인 처리방법.
  24. 제14항에 있어서, 상기 방법은 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 처리 장치를 이용하는 것인 처리방법.
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