KR101855104B1 - 대기 차단 공간에서의 생존을 위한 정화 공기와 담수의 생산방법 및 그 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 대기 차단 공간에서의 생존을 위한 정화 공기와 담수의 생산방법 및 그 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 수중이나 지하 또는 대피소 및 우주공간 등 대기가 차단된 환경에서 생존에 필요한 호흡용 공기와 취수 문제를 지상의 공급 없이 장기간 해결하여 최대한의 생존 기간을 확보할 수 있도록 창안된 생존을 위한 정화 공기와 담수의 생산방법 및 그 시스템에 관한 것이다.

Description

대기 차단 공간에서의 생존을 위한 정화 공기와 담수의 생산방법 및 그 시스템{A process for preparing the purified air and the fresh water for the survival in the blocked space and its system}

본 발명은 대기 차단 공간에서의 생존을 위한 정화 공기와 담수의 생산방법 및 그 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 수중이나 지하 또는 대피소 및 우주공간 등 대기가 차단된 환경에서 생존에 필요한 호흡용 공기와 취수 문제를 지상의 공급 없이 장기간 해결하여 최대한의 생존 기간을 확보할 수 있도록 창안된 생존을 위한 정화 공기와 담수의 생산방법 및 그 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 대기 중에서 쉽게 공급받을 수 있는 호흡용 공기와 생존을 위한 음용수는 밀폐된 공간에서는 매우 제한적인 공급으로 인해 장기간 생존하는데 어려움이 많다.

평범한 생활환경과는 달리 의도하든 의도하지 않든지 간에 우리 생활환경의 변화에 따라, 각종 건물의 붕괴, 선박의 침몰, 잠수함 생활, 탄광 매몰사고, 핵 공격에 대비한 지하 설비, 관광을 위한 수중생활, 우주공간의 생활 등과 같은 다양한 밀폐공간에서의 필연적 거주환경이 발생하게 된다.

이러한 밀폐된 거주환경에서 인간이 생존하기 위해 가장 중요한 것은 호흡을 위한 공기 및 공기정화와 음용수의 공급이다. 특히, 수일간 또는 수십일간의 최소한 생명 유지를 보장받기 위해서는 대기 환경과 단절된 조건에서 단기간 또는 최장기간 동안 외부의 조달 없이 자체적으로 정화된 공기와 물을 공급 받을 수 있는 시스템이 필요한데, 이에 관한 기술적인 진전은 그다지 이루어지지 않고 있다.

해상 여행 중에 발생하는 선박 침몰 사고 등에 의한 수중 생존 문제는 가장 흔하게 발생하는 사고 중의 하나로 알려져 있다. 이러한 해상 사고의 수습 과정과 인명 구조 과정에서 최근 급부상하고 있는 장비 중에서 다이빙 벨(diving bell)은 최소한의 호흡연장 도구로 활용되고 있어서 이러한 생존 시스템의 한 예로 볼 수 있다. 이러한 호흡 연장 시스템은 3-4%의 이산화탄소 농도로 인해서도 호흡의 불편을 느끼므로 이산화탄소 축적을 줄이고 산소 공급을 자연적으로 극대화되도록 하는 매우 기본적인 원리에 기초하고 있다.

이런 점을 좀 더 발전적으로 개선하는 방안으로, 잠수함 공기정화에 관한 것을 중심으로 생명연장을 위한 다양한 인자에 대한 연구가 진행되고 있으며, 그 예로 산소 공급을 위한 전기화학적 산소발생기, 고형 폴리머에 의한 산소발생 시스템, 흡착 소재를 이용한 이산화탄소 저감 시스템, 공기 정화 및 공기 제어 시스템 등에 관한 다양한 연구가 이루어지고 있다 (SUBMARINE AIR TREATMENT, Revision: September 12, 2001).

또한, 최근 우주생활이나 비상 상황에 대비하여 비상식량, 비상 식수, 비상 공기 공급시설, 비상 탈출을 위한 시스템 등이 일부 제안되어 있지만, 이러한 기존의 기술들은 대부분 압축된 자원을 보관하였다가 소비하는 방식의 일방적인 시스템으로서, 매우 제한적인 이용이 가능한 정도에 불과하다.

이와 같이, 잠수함과 같은 밀폐된 공간에서 생명 연장을 위한 기초적인 방법으로 일부에서는 호흡용 공기정화의 방편으로 이산화탄소를 제거하는 고체형 흡착소재의 사용과 산소 발생을 위한 압축 산소 또는 물 분해에 의한 산소발생 기술 등이 부분적으로 사용되고 있다.

또한, 음용수와 관련하여서는 담수 공급을 위해 담수를 저장하거나 해수를 담수화하는 방안 등이 제안되어 있다.

이러한 기존의 밀폐 공간에서의 생존 방법에 관한 기술에 관한 연구는 이산화탄소 제거, 산소보충 및 담수 생산 등의 3요소를 기본으로 하여 이루어지고 있다.

그러나 이러한 기존의 방법은 이산화탄소의 제거를 위한 흡착제를 반복 사용할 수 없으므로 한번 사용 후에 폐기하고 매번 교체해야 하는 한계가 있으며, 산소 공급을 압축 산소의 공급에 의존하는 제한적인 공급형태를 탈피하지 못하고 있어서 이에 관한 기술적 한계를 넘지 못하고 있는 실정이다. 또한, 물 분해를 통한 산소 생산 및 해수 담수화의 경우에는 제한된 공간에서 고에너지가 충분히 확보되어야 한다는 제약사항이 있다.

최근 종래기술로서, 한국등록특허 제10-1570488호에서는 선박의 침몰, 좌초 등의 비상상태 발생시 탑승자의 중, 장기간의 생존을 가능하게 하는 선박의 생존 시스템에 관한 발명으로서, 선박 내부에 설치되는 캡슐 형태의 생존실; 상기 생존실에 산소를 공급하기 위한 산소공급부를 포함하되; 상기 산소공급부는 일단은 상기 생존실 내부 공간에 연결되며, 타단은 상기 선박의 선체 외부에 연결되는 산소공급관; 상기 산소공급관의 타단에는 평상시에는 릴에 감겨 있으며, 상기 선체가 침몰할 경우 상기 릴에서 풀리면서 수면으로 부상할 수 있도록 하는 연장공급관; 상기 연장공급관의 단부에 설치되는 것으로서 부력에 의해 상기 연장공급관의 단부가 수면 위로부터 돌출되도록 하는 부상수단;을 포함하는 생존 시스템이 제안되어 있다.

그러나 이러한 발명 역시 외부에 산소 공급을 받아야 하는 등 순간적인 재난 회피의 일환으로 제안된 것일 뿐이고, 특히 외부 대기 오염 시 밀폐된 공간에서 장기간 생존을 위한 대안으로 볼 수 없으며, 기존의 기술 수준을 크게 벗어나지 못하고 장기간 생존이 가능케 하는 정화공기와 음용수 공급 시스템으로 볼 수 없다.

그러므로 점점 인간의 생존에 대한 욕구가 강해지고 다양한 지구 환경과 생활 과정에서 발생되는 각종 재난환경에 대비하기 위해서는, 기존의 생존 시스템으로 해결하기 어려운 재난상황이나 전시 상황 등에 대비한 장기간 생존 가능한 시스템의 개발이 절실한 상황이다.

한국등록특허 제10-1570488호

1. SUBMARINE AIR TREATMENT, Revision: September 12, 2001.

상기와 같은 종래기술의 문제점을 해소하기 위하여, 본 발명은 대기차단 공간, 특히 수중공간에서 생존하기 위한 시스템을 구축함에 있어서 지속적으로 호흡 공기 내 이산화탄소를 제거/조절하고 세균을 멸균하여 공기정화가 가능하면서 산소발생이 가능하도록 하고, 또한 담수 공급도 가능하도록 하여 외부에서 산소 공급 없이도 장기간 생존이 가능하도록 하는 새로운 시스템 구축을 해결 과제로 한다.

따라서 본 발명의 목적은 수분 내에서 안정화된 과산화물의 존재만으로도 공기정화와 산소공급이 가능하고 담수공급이 가능하도록 복합시스템이 구축된 생존을 위한 정화공기 및 담수의 생산방법을 제공하는 데 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 지상의 공급이 모두 차단된 상태에서 저에너지로 이산화탄소의 제거와 동시에 살균 및 공기정화와 산소발생이 가능하고 담수공급도 가능한 복합공정을 적용하여 최소한의 동력으로 장기간 생존환경을 유지할 수 있도록 한 신개념의 생존을 위한 방법을 제공하는 데 있다.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은 대기와 차단된 공간에서 최소한의 공간에서 공기 순환 하에 공기정화 및 산소발생이 동시에 가능하도록 설계하고, 이를 토대로 한 복합 시스템을 이용하여 다양한 차단 공간에서 장기간 생존이 가능하도록 설계된 정화 공기 및 담수의 생산 시스템을 제공하는 데 있다.

위와 같은 본 발명의 과제 해결을 위하여, 본 발명은 대기와 차단된 수중 공간 내부의 공기 정화 및 담수 생산을 동시에 수행하는 방법으로서,

대기와 차단된 거주공간 내부에 과산화수소(H₂O₂) 또는 과산화수소 수용액을 준비하는 단계;

상기 과산화수소를 과수분해 반응시켜서 물과 산소를 생산하는 단계;

상기 거주공간의 내부 공기를 순환시키되 공간 내부에서 순환되는 공기 중에 함유된 이산화탄소를 가역 흡착시키는 단계;

상기 흡착된 이산화탄소를 포집하여 배출하는 단계;

상기 순환되는 공기를 과산화수소를 이용하여 멸균하는 단계;

상기 멸균된 공기와 과수분해반응으로 생성된 산소를 혼합하여 정화공기를 생산하는 단계;

상기 산소가 혼합된 정화공기와 상기 과수분해 반응에서 생산된 물을 혼합하여 냉각하는 단계

상기 혼합된 정화공기와 물을 정화공기와 담수로 분리하는 단계; 및

상기 분리된 정화공기와 담수를 거주공간 내에 공급하는 단계

를 포함하는 대기 차단 공간에서의 생존을 위한 정화공기와 담수의 생산방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 상기와 같은 정화 공기와 담수의 생산방법을 운용하기 위한 장치로서,

대기와 차단된 거주공간 내부에 준비된 과산화수소(H₂O₂) 또는 과산화수소 수용액을 공급하는 원료 공급부;

상기 공급된 원료를 과수분해 반응시켜서 산소와 물을 생산하는 과수분해 반응부;

상기 거주공간의 내부 공기를 순환시키되 공간 내부에서 순환되는 공기 중에 함유된 이산화탄소를 가역 흡착시키는 이산화탄소 흡착부;

상기 흡착된 이산화탄소를 포집기 및 배출기를 포함하는 이산화탄소 배출수단;

상기 순환되는 공기를 과산화수소를 이용하여 멸균하는 공기 멸균부;

상기 멸균된 공기와 과수분해반응으로 생성된 산소를 혼합하여 정화공기를 생산하는 공기 정화부;

상기 과수분해반응으로 생산된 물을 수집하고, 상기 산소가 혼합된 정화공기와 혼합하여 냉각시키는 냉각부;

상기 냉각하여 얻어지는 정화공기와 물의 혼합물을 2차 처리를 통해 산소가 함유된 정화공기와 음용이 가능한 담수로 분리하는 혼합물 처리수단; 및

상기 분리된 정화공기와 담수를 공급하는 공급수단

을 포함하는 대기 차단 공간에서의 생존을 위한 정화공기와 담수의 생산시스템을 제공한다.

본 발명에 따르면, 상기와 같이 대기가 차단된 생존을 위한 정화 공기와 담수의 생산방법과 시스템을 이용하는 경우, 외부 차단환경인 거주공간 내에서 과산화수소 또는 과산화수소 수용액을 원료 성분으로 보유하게 되면 그 원료성분의 보유량에 따라 차단된 거주공간의 환경에서 장기간 생존할 수 있는 우수한 효과가 있다.

특히, 외부에서 과산화수소 수용액을 지속적으로 공급할 수 있는 가느다란 파이프라인이 비치되어 있을 경우, 무기한 정화된 공기와 담수의 생산이 가능하기 때문에 생존 기간을 크게 연장할 수 있는 놀라운 효과가 있는 것이다.

또한, 산소 및 담수의 공급원인 원료성분이 액체이므로 고체 및 고압기체 공급원과 달리 다양한 형태로 원료성분의 보관을 위한 공간 확보가 용이하므로 거주 공간에 다량의 원료성분을 비치할 수 있으며, 공간 활용률을 높일 수 있다.

특히, 본 발명의 생존을 위한 시스템은 민간의 재난 환경에서는 물론 잠수함이나 핵 방호시설 등 군사용으로 적용하기에 매우 효과적인 시스템이다.

본 발명의 방법과 시스템은 군사적 측면에서 볼 때, 잠수함 운영을 위해 필요한 전력 증강 에너지와 승조원의 작전 수행 가능 환경을 제공해 줄 수 있으므로 작전 가능 반경을 적어도 약 1개월 이상 확장해 줄 수 있을 것으로 기대된다.

또한, 최근 개발되고 있는 과산화수소 추진 잠수함에 적용될 경우 연료 일부를 직접 산소 및 담수 공급원으로 사용할 수 있기 때문에 작전 출동 준비 시간 단축 및 잠수 작전 반경 증가에 매우 효과적인 시스템이다.

또한, 국가 간 전략적으로 개발되고 있는 우주선 사업에 활용될 수 있으며, 특히 우주 왕복선뿐만 아니라 장기간 우주인이 거주하는 우주정거장의 호흡용 공기와 담수공급 시스템으로써 적용이 가능할 것으로 기대된다.

그리고 국내 지리적 여건상 전술적으로 중요한 요소인 벙커, 지하기지 등, 외기와 차단되어 있고 외부 은폐가 필요한 지하 거주환경에서 호흡용 공기와 담수 제공하기 위한 시스템으로 적용 가능하다. 또한, 핵전쟁 시 분진, 방사능 등 외부와 완전히 차단되어야 하는 환경에서 장기간 차폐 내 생활을 위한 기본적인 요소인 호흡 및 수분을 공급하기 위한 생존 시스템으로 적용 가능하다. 그뿐만 아니라, 필요시 포집된 고농도 이산화탄소를 이용해 자원(연료, 화학제품)을 생산하여 기동성 확보를 통한 전력 증강 효과도 기대할 수 있을 것이다.

한편, 본 발명을 적용하는 경우 민간분야에서는 관광을 위한 잠수함 또는 수중 거주시설 내 지속적인 거주 환경을 위한 정화 공기와 담수를 제공할 수 있는 효과가 크고, 특히 고정된 수중 거주 환경의 경우 단순한 액체 주입을 위한 파이프라인 비치만으로 지속적 수중 생활을 가능케 하는 효과를 나타낼 수 있다.

또한, 제한된 공간 내 다수의 인원이 거주하는 시설이나, 임시 집결 시 이산화탄소 배출과 산소 소모를 일으키는 환경 (대중교통 등) 또는 도심지 운행 개인 이동수단 (자동차 등)에서 용이한 호흡을 위한 이산화탄소 및 산소 농도 조절을 위한 정화 공기의 생산을 위해서도 응용 가능하다.

그 외에, 탄광 등 지상에서 떨어진 지하작업 공간이나 기존 대기 활용 공조시스템의 적용이 용이치 않은 환경에서 공기의 질 개선을 위해 활용할 수 있다.

또한, 환경오염이 심각해지는 사회적 문제 해결을 위해, 미세먼지 저감 및 멸균 등 공기 질의 개선을 통한 주택 거주 환경 개선 및 산소 요법 등 건강개선을 위한 분야에 활용 가능하고, 저농도 이산화탄소의 포집 및 분리를 통해 생성된 고농도 이산화탄소를 탄소자원화 기술과 접목하여 다양한 물질 (연료 및 화학물질)을 제조하는 이산화탄소 활용 기술 확보 차원에서도 매우 효율적인 기술로 이용될 수 있다.

이와 같이, 본 발명은 기존의 생존을 위한 적용 시스템에 비해 매우 경제적이고도 저에너지 적용방법으로도 장기간 생존 환경을 조성할 수 있다는 점에서 관광용, 군사용, 재난 방지용 설비로 매우 유용할 것으로 기대된다.

도 1은 본 발명에 따른 대기 차단 거주공간에서의 정화공기와 담수의 생산을 위한 생산시스템을 전체적으로 도시한 시스템 구성도이다.

이하, 본 발명을 하나의 구현예로서 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 기존의 생존을 위한 시스템에 적용되었던 것과는 달리 원료로써 과산화수소 또는 과산화수소 수용액을 사용하는 간단한 방법과 부피가 작은 설비만을 이용하더라도 이산화탄소 제거를 위한 흡착제를 반복 사용하면서 정화공기와 담수를 연속 생산할 수 있어서, 경제적인 방법으로 단절된 거주공간에서도 장기간 생존할 수 있는 신개념의 생존을 위한 시스템에 관한 것이다,

본 발명에 따르면, 대기와 차단된 거주공간 내부에서 최소한의 에너지로 정화공기와 담수 생산을 동시에 수행하는 방법으로서, 본 발명을 수행하기 위해서는 원료의 공급을 위하여 대기와 차단된 거주공간 내부로 H₂O₂ 또는 H₂O₂ 수용액을 준비하여 공급하는 단계를 거친다.

본 발명에 따르면, 상기와 같이 공급되는 과산화수소 또는 과산화수소 수용액은 그 부피가 작아서 거주공간 내에 용이하게 다량 수용할 수 있다.

본 발명에서 원료로 사용되는 것은 과산화물로서, 가장 바람직하게는 H₂O 중에 안정화된 형태인 과산화수소(H₂O₂) 수용액을 사용할 수 있다. 이러한 과산수소 수용액은 외부에서 공간 내부로 미리 공급해 놓은 상태로 준비하였다가 사용할 수 있다.

본 발명에 따르면 과산화수소는 그 자체로서 공급되는 경우는 자체 과수분해 반응으로 산소와 물을 생산하지만, 과산화수소가 불안정하므로 수용액 상태의 과산화수소 수용액을 바람직하게 사용할 수 있다. 이때 사용되는 과산화수소 수용액의 농도는 과수분해 반응 특성상 물은 반응에 영향을 주는 것이 아니므로 그 수용액 상의 농도에 특별한 제한은 없다. 다만, 과산화수소의 함량이 너무 적으면 비경제적이다. 통상적으로는 예컨대 유통되는 30% 농도의 과산화수소 수용액을 바람직하게 사용할 수 있다.

본 발명에 따르면, 이러한 과산화수소 또는 과산화수소 수용액은 다량 준비하여 비치할수록 장기간의 생존환경을 조성할 수 있고, 특히 과산화수소 추진 잠수함 등의 동력원 연료인 고농도 H₂O₂를 생존환경 내부의 거주공간에서 공급 받을 수 있을 경우 효과를 극대화할 수 있다.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 공급된 H₂O₂ 또는 과산화수소 수용액을 촉매 분해반응을 시켜서 물과 산소를 생산하도록 과수분해 반응시키는 단계가 매우 중요한 발명의 시발점이 된다. 여기서 과수분해 반응은 공간 내부의 공기가 순환되는 조건에서 주 공기 순환과 구분되는 별도의 반응계에서 이루어진다. 여기서 과수분해 반응은 다음 화학식 1로 표시된다.

[화학식 1]

2H₂O₂ → O₂ + 2H₂O

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 거주공간의 내부 공기를 순환시키되 공간 내부에서 순환되는 공기 중에 함유된 이산화탄소를 시스템 내에서 가역 흡착시키는 단계를 거칠 수 있다. 본 발명에서는 주거공간 내의 공기를 순환하는 환경에서 지속적으로 산소 및 담수를 공급할 수 있는 시스템 구성이 가능하다. 이를 위해 거주공간 내의 공기를 순환시키는바, 순환된 공기는 생존을 위해 호흡하는 과정에서 생성된 이산화탄소를 흡수하여 제거하고 대신에 과수분해 반응으로 산소를 생산하여 공급하게 된다.

그러므로 본 발명의 상기와 같이 순환되는 공기의 이산화탄소를 흡착하여 제거하면서, 상기 흡착된 이산화탄소를 포집하여 배출하는 단계를 거치게 된다.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 공기로부터 흡착하여 포집하여 배출하는 이산화탄소는 외부로 배출하여 버릴 수도 있지만, 이산화탄소를 별도의 연료나 화학반응을 위한 원료로 재사용할 수도 있다. 즉, 필요시 포집된 고농도 이산화탄소 및 산소를 이용해 자원(연료, 화학제품)을 생산하여 기동성 확보를 통한 전력 증강 효과도 기대할 수 있다.

다른 한편으로, 본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 순환되는 공기를 과산화수소에 처리하여 멸균하는 단계를 거친다. 여기서는 본 발명에서 과수분해 반응으로 산소와 물을 생산하기 위한 원료로 사용하는 과산화수소 또는 그 수용액을 원료로 사용하기 전에 순환공기와 접촉시켜서 순환 공기의 멸균을 위해 사용하는 것이므로 순환 시스템과 원료의 활용성을 높일 수 있는 효과를 거둘 수가 있는 것이다. 본 발명에 따르면, 이 과정에서 멸균은 예컨대 버블처리(bubbling treatment)에 의한 멸균처리로 수행될 수 있다. 본 발명은 바람직하게도 이러한 멸균처리단계를 통해 공기감염세균, 수용성 유해가스 및 먼지를 제거하여 위생적인 생존환경이 유지될 수 있다.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 멸균된 공기와 과수분해반응으로 생성된 산소를 혼합하여 정화공기를 생산하는 단계를 거친다.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 이 과정에서는 상기 멸균된 공기와 과수분해반응으로 생성된 산소와 수증기는 서로 합쳐지고 순환 공기를 정화하는 단계로서, 과수분해 반응에 사용된 잔류 기화 과산화수소 (VHP) 및 기타 오염가스를 제거하기 위한 촉매 또는 저에너지형 정화장치를 활용한 정화과정을 거치는 것이다. 이 과정을 거쳐 얻어진 정화공기는 다음 단계로 보내진다.

본 발명에 따르면, 상기 산소가 혼합된 정화공기와 상기 과수분해 반응으로 생산된 물을 혼합하여 냉각하는 단계를 거친다.

이때의 냉각은 과수분해반응으로 생성된 공기 내 수분을 응축시키기 위한 것으로서, 바람직하게는 대기 차단 거주환경의 상대습도 수준 또는 상온 이하의 온도 범위로 냉각시키는 것이 바람직하다. 본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 여기서 상온 이하로 냉각하는 경우 예컨대 수중환경 하에서는 외부 열교환 방식으로 수행할 수 있고, 이때 그 냉각을 위한 에너지의 크기는 수온에 의하여 결정될 수 있다.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 과수분해반응으로 생성된 산소와 물은, 바람직하게는 상기 과산화반응으로 생성된 산소, 물 및 수증기 혼합물로서, 상기와 같이 산소가 혼합된 정화공기와 물을 혼합하여 냉각시킨 다음에는 상기 산소가 혼합된 정화공기와 물을 정화공기와 담수로 분리하는 단계를 거친다.

본 발명에 따르면, 이러한 정화공기와 담수 분리단계는 과수분해 반응으로 생성된 산소와 물에 대해 산소가 함유된 신선한 정화 공기와 신선한 담수를 제공하기 위해 발생 산소와 물을 정화촉매 및 정수필터 등으로 2차로 처리하는 과정이다. 이렇게 하면, 본 발명에서 목적으로 하는 정화공기와 과수분해로 생성된 담수가 생성되는 것이다. 여기서 담수는 과산화수소의 분해시 생성되는 순수한 물 및 과산화수소 안정화를 위해 포함된 약 70% 이상의 물로부터 생산되어 사용할 수 있고, 이러한 물은 중금속 등의 불순물이 없고 또 정수과정을 거치므로 생활용수로 매우 적합한 특성을 가질 수 있다.

상기와 같이, 신선한 상태로 정화된 공기와 담수가 생성된 이후에는 상기 정화 공기와 담수를 분리하여 공급하고, 경우에 따라서는 추가로 공기 정화와 담수 여과과정을 거쳐 인체에 무해한 공기와 음용 가능한 담수로 공급되는 단계를 거칠 수 있다.

마지막으로, 상기 분리된 정화공기와 담수를 거주공간 내로 공급하는 단계를 거친다.

이렇게 공급되는 신선한 공기와 담수를 내부 공간에 있는 사람이 생존하는 기본적인 환경을 제공할 수 있는 환경을 만들어 주게 되는 것이다.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 과수분해 반응으로 생산된 산소 및 물의 공급과 이산화탄소 제거를 위한 공기 순환이 반복적으로 작동되도록 구성할 수 있다.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 이러한 제조방법은 과산화수소 또는 과산화수소 수용액이 공급되는 한 계속 순환하면서 최소한의 저에너지로 정화 공기와 담수를 생산할 수 있는 방법이기 때문에 외부와 대기가 차단된 거주공간 내부에서 생존기간을 장기화할 수 있는 것이다.

그리고 본 발명에서는 공기의 순환 과정에서 원료를 이용한 멸균과 지속적인 정화 공기와 담수의 생산이 가능하다는 점에서 공정 효율이 매우 높은 효과가 있다.

또한, 본 발명의 시스템은 장기간 작전을 수행하는 군사 목적의 잠수함 등에 적용될 경우, 작전 반경을 넓힐 수 있을 뿐만 아니라, 지상에서 수행되는 담수보충, 압축공기통 교환, 이산화탄소 흡착제 카트리지 탈·장착의 모든 과정을 일회의 과수주입으로 단순화할 수 있어, 작전 수행의 준비에 소요되는 시간 역시 크게 단축시킬 수 있다. 더욱이 과수추진 잠수함의 경우, 연료 자체가 과산화수소이기 때문에 연료주입 작업만으로 상기 과정에 소요되는 시간과 작업을 모두 대체할 수 있다.

본 발명에 따른 상기와 같은 정화 공기와 담수의 생산 방법에 적용하기 적합한 생산 시스템에 관하여 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기와 같은 본 발명에 따른 정화 공기와 담수의 생산방법을 운용하기 위한 장치로서, 도 1에 도시한 바와 같은 구성의 생산 시스템을 사용할 수 있다.

본 발명의 시스템 구성을 보면, 대기와 차단된 거주 공간(100) 내부로 과산화수소 또는 과산화수소 수용액을 공급하는 원료 공급부(200)를 포함한다. 이러한 원료 공급부(200)는 통상적으로 대기와 단절된 거주공간(100) 내에 비치되어 있다. 그러나 거주 공간(100)의 외부에서 액체가 흐를 수 있을 정도의 가느다란 파이프로 과산화수소 또는 그 수용액을 공급할 수 있도록 별도의 설비(210)를 추가로 구성할 수 있다.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 공급된 H₂O₂를 과수분해 반응시켜서 산소와 수증기를 토출시키는 토출부(300)를 포함한다.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 거주공간(100)의 내부 공기를 순환시키되 공간 내부에서 순환되는 공기 중에 함유된 이산화탄소를 가역 흡착시키고 산소를 발생시키는 흡착·발생부(400)를 포함한다.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 흡착·발생부(400)에서 이산화탄소 흡착에 적용되는 흡착제로서는 다공성무기물 계열 및 고체 흡착제 또는 유기고분자 소재가 사용될 수 있으며, 특히 바람직하게는 제올라이트와 유기고분자 소재가 혼합된 경우가 바람직하다. 또한, 유해가스를 흡착하기 위한 소재 역시 흡착·발생부(400)에 추가적으로 첨가할 수 있다.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 과산화수소 분해를 통해 산소를 발생시키는 촉매로서는 망간계열을 포함한 모든 전이금속류 및 그의 금속산화물을 적용할 수 있다.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 설비의 작동과정 중 상기 흡착된 이산화탄소 또는 유해가스 탈착된 후 포집되는 이산화탄소 포집부(510) 및 이산화탄소 배출부(520)를 포함하는 이산화탄소 배출수단(500)을 포함할 수 있다.

이렇게 이산화탄소 배출수단(500)으로 인해 흡착제에 흡착된 이산화탄소를 외부 에너지 공급 없이 탈착 제거하여야 흡착제를 반복하여 재사용할 수 있게 된다.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 거주공간(100) 내부에서 순환되는 공기를 과산화수소를 이용하여 멸균하는 공기 멸균부(600)를 포함할 수 있다. 과산화수소는 그 자체로서 강력한 살균력을 가지는 것이므로, 여기서 순환되는 공기는 예컨대 과산화수소 수용액과 bubbling 형태로 접촉하면서 멸균 처리된다.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 멸균 처리한 멸균공기(610)는 공기 정화부(620)에서 추가로 정화 처리할 수 있다. 따라서 본 발명은 상기 멸균된 공기와 과수분해반응으로 생성된 산소를 혼합하여 정화공기를 생산하는 공기 정화부(620)를 포함할 수 있다.

본 발명에 따르면, 과산화수소를 이용한 멸균 처리 과정에서 증발된 과산화수소 (VHP)와 과수분해반응에 의해 산소발생 과정 중 미량 발생되는 VHP를 제거하기 위하여 멸균 처리한 공기는 공기 정화부(620)로 도입되어 정화 처리할 수 있다. 이렇게 정화 처리된 정화공기는 산소와 과수분해반응으로 생성된 수증기가 혼합된 상태의 정화공기로서 다음 과정으로 공급된다.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 과수분해반응으로 생산된 물을 수집하고, 이 물을 상기 산소가 혼합된 정화공기와 함께 냉각·응축시키는 냉각부(700)를 포함한다. 본 발명의 냉각부(700)는 상기 정화처리된 공기와 멸균된 고농도 산소 함유 공기 흐름에 존재하는 수증기가 혼재된 상태에서 액상으로 냉각·응축되어 순수한 물(액체)과 정화공기(기체)로 분리 가능하게 처리된다.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 냉각하여 얻어지는 정화공기와 물의 혼합물은 기-액 분리 및 2차 처리를 위해 정화공기와 담수가 혼합되는 혼합물 처리수단(800)을 거치게 된다.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면 이러한 혼합물 처리수단(800)은 필요시 과수분해 반응이 일어나는 흡착·발생부(400)에서 생성된 액체의 물과 과수분해 반응에 참여하지 않는 과산화수소 수용액 상의 물이 공급될 수 있도록 라인을 연결하여 구성할 수도 있다.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 이러한 혼합물 처리수단(800)에서는 상기 흡착·발생부(400)에서 반응에 참여하지 않은 물(810)과 냉각부(700)로부터 공급되는 멸균된 정화공기 및 수증기가 냉각된 물의 혼합물이 혼합된다.

그 다음으로, 상기 혼합된 정화공기와 담수를 분리하여 공급하는 공급수단(900)을 통해 최종적으로 산소가 함유된 호흡이 가능한 정화 공기가 생산되고, 담수가 분리 생산되는 것이다.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 공급수단(900)은 최종적인 정화공기(910)와 담수(920)를 각기 따로 공급하기 위한 것으로서, 음용을 위한 담수(920)는 추가로 필터(902)를 거치면서 필터링하여 별도의 담수조(921)에 저장하여 사용할 수 있다. 또한, 최종 정화부(901) 과정을 거친 정화 공기(910)는 거주공간(100) 내부로 흘려 보내지면서 생존자가 호흡이 가능한 환경을 만들어 주고 호흡이 이루어진 상태에서 계속 순환이 되어 다시 상기 이산화탄소 흡착을 위해 순환될 수 있도록 구성될 수 있다. 이때 공기 중의 산소와 이산화탄소의 함량을 특정하여 일정한 농도가 될 수 있도록 순환이 필요하면 순환 가능하도록 하는 저전력 또는 무전력 센서(911)가 부가로 설치될 수도 있다. 또한, 공기가 순환되어 이산화탄소 제거의 정화 과정으로 유입되도록 하기 위해서는 별도의 순환펌프(930)를 사용할 수도 있다.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 과수분해 반응과정에서는 열이 발생되는 데, 여기서 발생되는 열 에너지 및 일 에너지는 소형터빈(611) 등으로 전기에너지 전환 또는 직접 적용하여 공기순환에 사용할 수도 있고, 이산화탄소의 탈착, 공정에 적용되는 센서 등 시스템 내의 동력 에너지원으로 사용할 수 있어서 전체 시스템 자체가 외부 전력 공급없이 무전력공급 시스템으로도 운용이 가능할 수 있다.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 정화 공기와 담수의 생산방법이나 생산 시스템을 적용하는 경우 원료로서 과산화수소 또는 과산화수소 수용액만을 사용하고서도 화학반응에서 발생되는 에너지를 최대한 활용할 수 있으므로 과도한 에너지 없이도 호흡이 가능한 공기와 음용 가능한 담수를 장기간 순환 시스템으로 생산할 수 있는 경제적이고 놀라운 효과를 나타낸다.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 본 발명에 따른 생산 시스템은 정화공기 및 담수의 필요용량에 따라 복수개가 병렬로 구성될 수도 있다.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기한 바와 같은 본 발명의 방법과 시스템은 공간 저감율이 커서 기존 개별 시스템 대비 30% 이상 저감 효과를 가질 수 있어서 공간 활용율 면에서도 매우 우수하고, 복잡한 다단 형태의 정화시스템이 아니면서 생존 공간이 커질수록 공간 활용율은 높아진다는 장점이 있다.

특히, 생존 환경을 만들어 주는 성능을 1인/1일 생존 기준으로 하여 보면, 이산화탄소 제거율은 650 L/day 이상, 산소발생 비율은 800 L/day 이상, 담수 생산량은 7.5 kg/day 이상으로 매우 우수한 효과를 나타낸다. 또한, 본 발명의 방법과 시스템을 적용하는 경우 시스템 운용에 필요한 원료는 한번 공급으로 18일 이상 가동할 수 있다.

따라서 1인이 1일 생존으로 위해 필요한 평균 산소 소비량이 약720 L/day, 이산화탄소 발생량이 약 580 L/day, 그리고 수분 소비량이 약 2.5 kg/day임을 감안한다면, 본 발명에 따른 정화 공기와 담수 생산 방법 및 생산 시스템을 이용하는 경우 생존에 필요한 환경 조성에 충분한 것을 알 수 있다.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기와 같은 본 발명에 따른 생산시스템은 인원 증가에 따른 시스템 대형화가 가능하고, 그 예로써는 상기 생존시스템을 병렬형으로 구축하여 사용할 수 있고 공간제약을 크게 받지 않으므로 기존 시스템이 위치하지 못하는 공간까지 활용될 수 있다.

본 발명에 따른 상기 생산 시스템은 병렬형으로 대형화가 가능하고 작동기간은 원료인 과산화수소의 비축량, 즉 공급량에 비례한다.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 원료는 10인 기준으로 18일 생존을 위해 사용시 필요한 순수 과산화수소량은 약 0.4 ton 정도이다 (30% 과산화수소는 1.35 ton).

상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 정화 공기와 담수의 생산 방법과 시스템은 기존에 별개로 구성되어 작동되는 호흡용 공기와 담수생산 시스템과는 달리 통합 순환식으로 구성되어 있으므로, 공간 활용율 및 생산 효율 면에서 매우 우수하고, 특히 사용 공간이 약 30% 이상 절약되어 그 절약된 공간만큼 다른 중요 장치와 시설을 적용할 수 있도록 공간 확보가 가능하며, 액체형태의 원료를 사용하기 때문에 고체 및 고압기체 형태의 원료와 달리 공간형태에 따라 가변적 저장이 가능하여 보다 높은 공간 활용율을 확보 할 수 있다.

또한, 이산화탄소 저감, 산소발생, 담수생산에 대한 소모성 원료가 필요 없고 주요 부품이 단순화되어 경제적인 효과가 있으며, 특히 단순원료 (과산화수소)의 사용으로도 이산화탄소 제거, 산소발생, 공기의 멸균처리 등이 가능할 뿐만 아니라, 기존 시스템의 산소통 교체, 담수보충, 이산화탄소 흡수제 등의 소재교체 과정에 필요한 시간을 없앨 수 있어 시스템 가동을 위한 준비과정 및 운용과정의 단순화와 경제적 효과를 확보할 수 있다.

그러므로 본 발명은 기존 시스템에 비해 시스템 운용을 위한 에너지 절약 효과가 우수하고, 실용화가 높은 것이라고 할 수 있다.

본 발명에 따르면 상기와 같은 본 발명에 따른 정화공기와 담수의 생산방법 또는 생산시스템은 바람직하게는 잠수함에 구비하여 군사용으로 사용하기에도 매우 적합하다. 이 경우 잠수함의 잠수 시간을 현저하게 향상시킬 수 있어서 작전 수행능력을 크게 배가시킬 수 있는 놀라운 효과를 발휘할 수 있다. 특히, 과산화수소 추진 잠수함의 경우, 연료인 과산화수소의 일부를 본 시스템에 사용할 수 있으므로 작전준비 및 작전 수행중 보다 효율적으로 활용할 수 있다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 생존을 위한 정화공기와 담수의 생산방법 또는 생산시스템을 구비한 잠수함을 포함한다.

이하, 본 발명을 실시예에 의거 상세하게 설명하겠는바, 본 발명이 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.

실시예

첨부도면 도 1과 같은 구성의 대기와 차단된 거주공간 내에서 정화 공기와 담수를 생산하는 시스템을 이용하여 30세 성인인 25년 경험의 다이버 (피실험자)가 외부 산소 무공급으로 생존할 수 있는 상태를 확인하기 위하여 하기 조건으로 실험을 진행하였다.

공간은 피실험자가 비상시 직접 오픈할 수 있는 밀폐공간으로 조건을 구성하고, 만일에 대비하여 별도의 보조자 3인이 산소와 생존에 필요한 조건의 공급 장비를 가지고 곁에서 피실험자가 생존에 견딜 수 없는 극한 상황이 발생하는 것에 대비하여 만반의 준비를 갖추고 동시에 진행하였다.

<실험 조건>

1인1일 평균 필요산소: 720 L, 발생CO₂: 580 L, 필요담수: 2.5 kg, 필요 과산화수소 : 6.8 kg (30%), (1개월 204 kg 과수 필요)임

<실험내용>

상기 실험을 수행한 결과, 이산화탄소 제거율은 650 L/day 이상, 산소발생 비율은 800 L/day 이상, 담수 생산량은 7.5 kg/day 이상으로 확인되었으며, 원료는 한번 공급으로 18일 이상 가동할 수 있는 것으로 확인되었다.

상기의 실험과정에서, 흡착된 이산화탄소는 열에 의해 제거되었으며, 물과 과산화수소의 과수분해에 의해 산소가 원활하게 발생하였고, 1인 1일 생존에 필요한 조건 이상의 결과를 나타내었다.

비교예

기존의 방법인 이산화탄소 흡착제 단순 사용과 외부에서 압축 산소를 준비하여 사용하고, 상기 이외의 다른 것은 상기와 동일한 조건과 환경에서 실험을 진행하였다.

그 결과 이산화탄소 흡착제는 1회 사용 이후에는 사용이 불가하여 교체하여야 하고, 담수는 음용에 필요한 양만큼 별도 공급이 필요하였다.

즉, 기존의 방법에서는 3.2L 흡착제, 3.6L 산소 캔(200bar), 2.5L 담수가 필요한 것을 확인되어 상기 실시예에서 필요한 과산화수소의 량인 6.8L 의 30%가 더 필요한 것으로 확인되었다.

상기 실험결과로부터, 본 발명의 경우 압축 산소가 별도로 필요 없으며, 담수도 별도 보급 없이 시스템 내에서 자체 생산이 가능하다는 점에서 생존 환경 조성에 경제적으로나 시스템적으로, 그리고 공간 활용 측면에서 모두 매우 유리한 것으로 확인되었다.

본 발명은 민간에서 관광용 수중 생활공간, 제한된 공간내의 인원수용, 폐쇄적인 작업 공간, 대기 환경 정화설비, 이산화탄소 포집 및 활용 기술, 잠수함, 군사용 방호대피시설, 핵 또는 화학전 차단시설, 우주 생존설비 등에 널리 적용될 수 있다.

100 - 거주공간
200 - 원료 공급부
300 - 산소 및 수증기 토출부
400 - 이산화탄소·산소의 흡착·발생부
500 - 이산화탄소 제거수단
510 - 이산화탄소 포집부
520 - 이산화탄소 배출부
600 - 공기 멸균부
610 - 멸균공기
700 - 냉각부
800 - 혼합물 처리수단
810 - 물
900 - 공급수단
910 정화 공기
911 - 센서
920 담수
921 담수조
930 - 순환펌프

Claims (8)

1. 대기와 차단된 거주공간 내부에 과산화수소(H₂O₂) 또는 과산화수소 수용액을 준비하는 단계;
   상기 과산화수소를 과수분해 반응시켜서 물과 산소를 생산하는 단계;
   상기 거주공간의 내부 공기를 순환시키되 공간 내부에서 순환되는 공기 중에 함유된 이산화탄소를 가역 흡착시키는 단계;
   상기 흡착된 이산화탄소를 포집하여 배출하는 단계;
   상기 순환되는 공기를 과산화수소를 이용하여 멸균하는 단계;
   상기 멸균된 공기와 과수분해반응으로 생성된 산소를 혼합하여 정화공기를 생산하는 단계;
   상기 산소가 혼합된 정화공기와 상기 과수분해 반응에서 생산된 물을 혼합하여 냉각하는 단계
   상기 혼합된 정화공기와 물을 정화공기와 담수로 분리하는 단계; 및
   상기 분리된 정화공기와 담수를 생존 공간 내 공급하는 단계
   를 포함하는 대기 차단 공간에서의 생존을 위한 정화공기와 담수의 생산방법.
   
2. 청구항 1에 있어서, 과수분해 반응으로 생산된 산소 및 물의 공급과 이산화탄소 제거를 위한 공기 순환이 반복적으로 작동되도록 구성하는 것을 특징으로 하는 대기 차단 공간에서의 생존을 위한 정화공기와 담수의 생산방법.
   
3. 청구항 1에 있어서, 상기 멸균된 공기와 과수분해반응으로 생성된 산소를 혼합하여 정화공기를 생산하는 단계는 멸균된 공기와 과수분해반응으로 생성된 산소 및 수증기가 서로 합쳐지고 순환되는 공기를 정화하는 단계로서, 과수분해 반응에 사용된 잔류 기화 과산화수소 (VHP) 및 오염가스를 제거하기 위한 정화과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 대기 차단 공간에서의 생존을 위한 정화공기와 담수의 생산방법.
   
4. 대기와 차단된 거주공간 내부에 준비된 과산화수소(H₂O₂) 또는 과산화수소 수용액을 공급하는 원료 공급부;
   상기 공급된 원료를 과수분해 반응시켜서 산소와 물을 생산하는 과수분해 반응부;
   상기 거주공간의 내부 공기를 순환시키되 공간 내부에서 순환되는 공기 중에 함유된 이산화탄소를 가역 흡착시키는 이산화탄소 흡착부;
   상기 흡착된 이산화탄소를 배출하는 이산화탄소 배출수단;
   상기 순환되는 공기를 과산화수소를 이용하여 멸균하는 공기 멸균부;
   상기 멸균된 공기와 과수분해반응으로 생성된 산소를 혼합하여 정화공기를 생산하는 공기 정화부;
   상기 과수분해반응으로 생산된 물을 수집하고, 상기 산소가 혼합된 정화공기와 혼합하여 냉각시키는 냉각부;
   상기 냉각하여 얻어지는 정화공기와 물의 혼합물을 2차 처리를 통해 산소가 함유된 정화공기와 음용이 가능한 담수로 분리하는 혼합물 처리수단; 및
   상기 분리된 정화공기와 담수를 공급하는 공급수단
   을 포함하는 대기 차단 공간에서의 생존을 위한 정화공기와 담수의 생산시스템.
   
5. 청구항 4에 있어서, 공간 내부에 산소와 이산화탄소 함량을 감지하여 순환하도록 하는 저전력 또는 무전력 센서가 추가로 포함된 것을 특징으로 하는 대기 차단 공간에서의 생존을 위한 정화공기와 담수의 생산시스템.
   
6. 청구항 4에 있어서, 생산 시스템은 복수개가 병렬로 구성된 것을 특징으로 하는 대기 차단 공간에서의 생존을 위한 정화공기와 담수의 생산시스템.
   
7. 청구항 1 내지 청구항 3 중에서 어느 하나의 항에 따른 대기 차단 공간에서의 생존을 위한 정화공기와 담수의 생산 방법으로 정화공기와 담수를 생산하는 시스템을 구비하는 잠수함.
8. 청구항 4 내지 청구항 6 중에서 어느 하나의 항에 따른 대기 차단 공간에서의 생존을 위한 정화공기와 담수의 생산시스템을 구비하는 잠수함.

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