KR101956821B1 - 플라즈마 광촉매를 이용한 휘발성 유기화합물 정화 장치 - Google Patents

플라즈마 광촉매를 이용한 휘발성 유기화합물 정화 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 플라즈마 광촉매를 이용한 휘발성 유기화합물 정화 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 저온 플라즈마 광촉매부, 귀금속 산화 촉매부 및 오존 처리 촉매부를 포함하여 이루어져, 고농도의 휘발성 유기화합물을 처리하고, 휘발성 유기화합물을 처리하면서 생성되는 일산화탄소 및 오존을 포함하는 2차 유해가스를 완전 정화할 수 있으며, 동시에 가습 오염공기가 균일하게 공급되게 하고 최적의 플라즈마 광촉매를 이용함으로써, 휘발성 유기화합물을 함유하는 오염공기의 처리 효율을 향상시킬 수 있고, 배출되는 폐열을 회수하여 오염공기를 예열함으로써, 시스템의 열효율을 향상시킬 수 있는 플라즈마 광촉매를 이용한 휘발성 유기화합물 정화 장치에 관한 것이다.

Description

플라즈마 광촉매를 이용한 휘발성 유기화합물 정화 장치{VOC purification system using a plasma photocatalyst}
본 발명은 플라즈마 광촉매를 이용한 휘발성 유기화합물 정화 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 저온 플라즈마 광촉매부, 귀금속 산화 촉매부 및 오존 처리 촉매부를 포함하여 이루어져, 고농도의 휘발성 유기화합물을 처리하고, 휘발성 유기화합물을 처리하면서 생성되는 일산화탄소 및 오존을 포함하는 2차 유해가스를 완전 정화할 수 있는 플라즈마 광촉매를 이용한 휘발성 유기화합물 정화 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 자동차 도색과정 등과 같은 유기용매를 사용하는 각종 산업공정에서는 다양한 종류의 휘발성 유기화합물(VOC, Voltaile Organic compunds)이 발생되고 있다.
이러한 VOC를 제거하기 위한 기술로는 물리 화학적 및 생물학적 방법들이 사용되고 있는데, 상기 물리 화학적방법은 오염가스의 제거효율은 높지만 시설비 및 재료비와 약품비등 유지관리비가 많이 소요되는 문제점이 있었다. 특히 연소법은 분진과 각종 유해가스를 발생시키고, 세정법은 폐수를 발생시키는 2차 오염원을 발생하는 문제점이 있었고, 생물학적 방법으로는 상기 VOC가 물에 잘 용해되지 않기 때문에 처리하는데 한계가 있었다.
이에 VOC를 효과적으로 제거하기 위한 플라즈마-광촉매를 이용하는 방법이 제안되고 있다.
플라즈마-광촉매를 이용하는 방법은 음극과 양극으로 이루어진 전극 사이에 이산화티탄(TiO2)을 주성분으로 하는 광촉매를 삽입하고 광촉매의 양단에 수만 볼트의 전압을 공급하면 코로나방전이 발생하여 전자 및 이온과 라디칼로 구성되는 방전을 발생시킴과 동시에 이 코로나 방전 중의 자외선을 광원으로 광촉매를 여기시켜 자유전자기, 전자공의 쌍을 발생시켜 VOC와 같은 유기성분, 악취 등과 같은 오염가스를 분해 및 산화시키는 방법이다.
상기 플라즈마를 이용한 공기정화시스템으로는 다수의 셀과 일정 길이 이상의 허니콤 모노리스형으로 광촉매 구조체인 광촉매체(body catalyst)로 구성되는 한국공개특허 제10-2003-0092205호(발명의 명칭: 저온 플라즈마와 광촉매 필터를 이용한 유해가스 처리장치)가 있다.
상기 "저온 플라즈마와 광촉매 필터를 이용한 유해가스 처리장치"는 양 전극 사이에 존재한 허니콤 광촉매체의 각 셀로 자외선 영역의 파장을 갖는 저온 플라즈마를 발생시켜 광촉매를 활성하고, 여기서 발생하는 자유전자기와 전자공에 의해 정화반응이 발생하고, 여기에 저온 플라즈마에서 발생하는 부수적인 자유기로 정화 효율을 향상시킨다.
한편, 한국등록특허 제10-0487544호(발명의 명칭: 입체형 셀 구조의 플라즈마 필터를 이용한 공기정화 장치 및 그 방법)에는 입체형 셀 구조의 플라즈마 필터를 이용한 공기정화 장치 및 그 방법으로, 오염된 공기가 1차 여과되는 프리필터부와, 플라즈마 필터부 및 구동 기기로 구성된 공기정화 장치와 그 정화 방법에 관한 것이 개시되어 있다.
이러한 VOC 제거용 저온 플라즈마 광촉매 장치는 탄화수소 성분이 주성분인 휘발성물질을 제거할 때 광촉매로 사용하는 촉매의 종류에 따라서 탄화수소성분이 완전산화반응을 하여 이산화탄소로 진행하는 것이 아니라 부분산화하여 일산화탄소를 생성하는 문제점과, 플라즈마의 방전으로 인하여 공기 중 산소의 일부를 인체의 호흡기에 치명적인 영향을 주는 오존으로 변화시켜 배출하는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명자들은 스스로 휘발성 유기화합물을 제거하기 위한 저온 플라즈마 광촉매장치에서 생성되어 배출되는 일산화탄소와, 플라즈마 방전으로 생성되어 인체에 치명적인 영향을 주는 오존을 동시에 제거할 수 있는 저온 플라즈마 광촉매와 열촉매의 하이브리드 휘발성 유기화합물 제거장치를 개발하였으며, 한국 등록특허 10-0623995호에 개시하였다.
하지만, 종래의 저온 플라즈마 광촉매와 열촉매의 하이브리드 휘발성 유기화합물 제거장치는 오염공기가 균일하게 공급되지 않으며, 광촉매의 성분 최적화가 미흡하여 휘발성 유기화합물을 함유하는 오염공기의 처리 효율이 떨어지는 문제점이 있었다.
또한, 종래의 저온 플라즈마 광촉매와 열촉매의 하이브리드 휘발성 유기화합물 제거장치는 내부에서 발생되는 폐열을 회수할 수 없어 열효율이 떨어지는 문제점이 있었다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 고농도의 휘발성 유기화합물을 처리하고, 휘발성 유기화합물을 처리하면서 생성되는 일산화탄소 및 오존을 포함하는 2차 유해가스를 완전 정화할 수 있으며, 동시에 가습 오염공기가 균일하게 공급되게 하고 최적의 플라즈마 광촉매를 이용함으로써, 휘발성 유기화합물을 함유하는 오염공기의 처리 효율을 향상시킬 수 있는 플라즈마 광촉매를 이용한 휘발성 유기화합물 정화 장치를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 배출되는 폐열을 회수하여 오염공기를 예열함으로써, 시스템의 열효율을 향상시킬 수 있는 플라즈마 광촉매를 이용한 휘발성 유기화합물 정화 장치를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 열교환수단의 외측에 응축된 물을 이용하여 오염공기를 가습 오염공기로 변화시키므로, 별도로 물이 공급되지 않고서도 가동될 수 있는 플라즈마 광촉매를 이용한 휘발성 유기화합물 정화 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 본체부; 휘발성 유기화합물을 함유하는 오염공기가 상기 본체부의 내측으로 유입되게 하는 오염공기 공급펌프; 상기 본체부의 내측에 구비되고, 상기 오염공기 공급펌프에 의해 유입된 오염공기가 가열되게 열교환시키는 열교환수단; 상기 본체부의 외측에 구비되고, 상기 열교환수단을 통해 가열된 오염공기가 유입되어, 유입된 오염공기를 수증기를 함유한 가습 오염공기로 변화되게 하는 물탱크; 상기 본체부의 전단에 구비되고, 상기 물탱크로부터 유입되는 상기 가습 오염공기를 상기 본체부의 후단을 향해 분사하는 오염공기 분배수단; 상기 본체부의 내측에 구비되되, 상기 오염공기 분배수단의 후단에 구비되며, 상기 오염공기 분배수단을 통해 분사되는 가습 오염공기에 함유된 휘발성 유기화합물을 분해하는 저온 플라즈마 광촉매부; 상기 본체부의 내측에 구비되되, 상기 저온 플라즈마 광촉매부의 후단에 구비되며, 상기 저온 플라즈마 광촉매부의 광촉매 반응을 통해 부산물로 생성된 일산화탄소를 분해하는 귀금속 산화촉매부; 상기 본체부의 내측에 구비되되, 상기 저온 플라즈마 광촉매부의 후단에 구비되며, 상기 저온 플라즈마 광촉매부의 광촉매 반응을 통해 부산물로 생성된 오존을 분해하는 오존 처리 촉매부;를 포함하고, 상기 열교환수단은 상기 귀금속 산화촉매부로부터 발생된 열을 이용하여 내측으로 공급되는 상기 오염공기가 가열되게 하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 광촉매를 이용한 휘발성 유기화합물 정화 장치를 제공한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 오염공기 분배수단은 상기 물탱크와 연결되어 내측으로 상기 가습 오염공기가 유입되는 배관; 상기 배관을 중심축으로 하여 방사방향으로 연장형성된 복수 개의 프로펠러형 분배부;를 포함하고, 상기 각 프로펠러형 분배부에는 복수개의 가습 오염공기 배출홀;이 형성된다.
바람직한 실시예에 있어서, 제1 프로펠러형 분배부의 가습 오염공기 배출홀들과 제2 프로펠러형 분배부의 가습 오염공기 배출홀들은 서로 대칭하는 위치에 형성된다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 가습 오염공기 배출홀은 상기 배관의 중심축과 상기 가습 오염공기 배출홀의 중심축의 각도가 10° 내지 80°를 이루도록 형성되어, 상기 가습 오염공기가 상기 본체부의 내측면을 향해 일정한 각도로 분사되게 한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 물탱크의 내측에 설치되며, 상기 물탱크에 수용된 물을 가열하는 전기히터;를 더 포함한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 저온 플라즈마 광촉매부는 광촉매; 상기 광촉매의 전단에 구비되어 전단전극; 상기 광촉매의 후단에 구비되는 후단전극; 및 상기 전단전극 및 상기 후단전극에 교류전원을 공급하는 전원공급기;를 포함하여 이루진다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 전단전극은 펀치에 의해 전단방향에서 후단방향으로 뚫려 형성되는 복수 개의 전단전극 홀이 마련되고, 상기 전단 전극 홀에는 상기 광촉매를 향해 연장형성된 소성 변형부가 마련된다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 후단전극은 펀치에 의해 후단방향에서 전단방향으로 뚫려 형성되는 복수 개의 후단전극 홀이 마련되고, 상기 후단전극 홀에는 상기 광촉매를 향해 연장형성된 소성 변형부가 마련된다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 광촉매는 Ni-ZSM-5(니켈 제오라이트계)촉매와 이산화티탄(TiO2)을 포함한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 광촉매는 Fe2O3 촉매를 더 포함하여, 적외선 영역의 빛에 광촉매 반응을 수행한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 저온 플라즈마 광촉매부는 승압전 공급전압 210V, 공간속도 200,000 1/h, 상대습도는 70%를 초과하는 조건에서 구동된다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 광촉매의 담체는 허니컴 모노리스 형태의 SiC이다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 귀금속 산화촉매부는 귀금속 산화 촉매; 및 상기 귀금속 산화 촉매의 내측에 코일 형태로 구비된 열선;을 포함한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 귀금속 산화 촉매는 감마 알루미나(Al2O3); 및 상기 감마 알루미나에 코팅되는 백금(Pt), 팔라듐(Pd) 또는 로듐(Rh)을 포함한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 귀금속 산화 촉매는 산화주석(SnO2); 및 상기 산화 주석에 코팅되는 백금(Pt)를 포함한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 귀금속 산화촉매부의 체적은 상기 플라즈마 광촉매부의 체적의 5배 내지 7배로 마련되고, 상기 귀금속 산화촉매부의 공간속도는 30,000 1/h 내지 40,000 1/h 이다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 본체부는 상기 오염공기 분배수단과 상기 저온 플라즈마 광촉매부를 수용하며 절연 재료로 구비되는 제1 본체; 상기 귀금속 산화촉매부과 상기 오존 처리 촉매부를 수용하는 제2 본체; 및 상기 제1 본체와 상기 제2 본체를 결합시키는 플랜지;를 포함하여 이루어진다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 귀금속 산화촉매부는 상기 귀금속 산화 촉매의 중앙부에 설치되는 열전대; 및 상기 열전대에 의해 측정된 온도에 따라 상기 열선을 제어하는 온도제어기;를 더 포함한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 열교환수단의 하부에 설치되어, 상기 열교환수단의 외측에 응축한 물이 모이는 응축수 받이; 상기 응축수 받이와 연결되어, 상기 응축수 받이에 모여진 물이 저장되는 응축수 저장통; 상기 응축수 저장통에 저장된 물을 상기 물탱크로 공급되게 하는 응축수 순환 펌프;를 더 포함한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 응축수 순환 펌프와 상기 물탱크를 연결하는 배관의 소정 위치에는 체크밸브;가 설치되어, 상기 물탱크로부터 물의 역류를 방지한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 오존 처리 촉매부는 활성탄 및 Mn-Fe-제올라이트(zeolite) 촉매, Mn-Ce-제올라이트(zeolite) 촉매, Mn-Fe-Ce-제올라이트(zeolite) 촉매 또는 Mn-Fe-Ce 촉매를 포함한다.
본 발명은 다음과 같은 우수한 효과를 가진다.
먼저, 본 발명의 플라즈마 광촉매를 이용한 휘발성 유기화합물 정화 장치에 의하면, 고농도의 휘발성 유기화합물을 처리하고, 휘발성 유기화합물을 처리하면서 생성되는 일산화탄소 및 오존을 포함하는 2차 유해가스를 완전 정화할 수 있으며, 동시에 가습 오염공기가 균일하게 공급되게 하고 최적의 플라즈마 광촉매를 이용함으로써, 휘발성 유기화합물을 함유하는 오염공기의 처리 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 플라즈마 광촉매를 이용한 휘발성 유기화합물 정화 장치에 의하면, 배출되는 폐열을 회수하여 오염공기를 예열함으로써, 시스템의 열효율을 향상시킬 수 있는 장점을 지닌다.
또한, 본 발명의 플라즈마 광촉매를 이용한 휘발성 유기화합물 정화 장치에 의하면, 열교환수단의 외측에 응축된 물을 이용하여 오염공기를 가습 오염공기로 변화시키므로, 별도로 물이 공급되지 않고서도 가동될 수 있는 이점을 지닌다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 광촉매를 이용한 휘발성 유기화합물 정화 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 광촉매를 이용한 휘발성 유기화합물 정화 장치의 오염공기 분배수단을 설명하기 위한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 광촉매를 이용한 휘발성 유기화합물 정화 장치의 플라즈마 광촉매부의 전단전극을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 광촉매를 이용한 휘발성 유기화합물 정화 장치의 광촉매 종류별 플라즈마의 빛의 파장을 보여주는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 광촉매를 이용한 휘발성 유기화합물 정화 장치의 광촉매 종류별 C2H4의 분해율을 보여주는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 광촉매를 이용한 휘발성 유기화합물 정화 장치의 플라즈마 광촉매부의 상대 습도별 플라즈마의 UV 광도를 보여주는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 플라즈마 광촉매를 이용한 휘발성 유기화합물 정화 장치의 플라즈마 광촉매부의 상대 습도에 따른 C2H4의 분해율을 보여주는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 광촉매를 이용한 휘발성 유기화합물 정화 장치의 플라즈마 광촉매부의 공급전압에 따른 C2H4의 분해율을 보여주는 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 광촉매를 이용한 휘발성 유기화합물 정화 장치의 플라즈마 광촉매부의 공간속도에 따른 C2H4의 분해율을 보여주는 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 광촉매의 담체의 내구 특성을 확인한 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 플라즈마 광촉매를 이용한 휘발성 유기화합물 정화 장치의 귀금속 산화촉매부의 일산화탄소 산화특성을 확인한그래프이다.
본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있는데 이 경우에는 단순한 용어의 명칭이 아닌 발명의 상세한 설명 부분에 기재되거나 사용된 의미를 고려하여 그 의미가 파악되어야 할 것이다.
이하, 첨부한 도면에 도시된 바람직한 실시예들을 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.
그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
도 1은 본 발명에 따른 플라즈마 광촉매를 이용한 휘발성 유기화합물 정화 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 휘발성 유기화합물 정화 장치(100)는 고농도의 휘발성 유기화합물을 처리하고, 휘발성 유기화합물을 처리하면서 생성되는 일산화탄소 및 오존을 포함하는 2차 유해가스를 완전 정화할 수 있는 장치로서, 본체부(110), 오염공기 공급펌프(120), 열교환수단(130), 물탱크(140), 오염공기 분배수단(150), 저온 플라즈마 광촉매부(160), 귀금속 산화촉매부(170) 및 오존 처리 촉매부(180)를 포함하여 이루어진다.
상기 본체부(110)는 상기 오염공기 분배수단(150), 상기 저온 플라즈마 광촉매부(160) 및 상기 귀금속 촉매부(180)를 수용하는 본체이다.
또한, 상기 본체부(110)는 제1 본체(111), 제2 본체(112) 및 플랜지(113)를 포함하여 이루어질 수 있다.
여기서, 상기 제1 본체(111)는 상기 저온 플라즈마 광촉매부(160)를 수용하며 절연재질로 구비되고, 상기 제2 본체(112)는 상기 귀금속 산화촉매부(170)와 상기 오존 처리 촉매부(180)를 수용하며, 상기 플랜지(113)는 상기 제1 본체(111)와 상기 제2 본체(112)가 결합되게 한다.
이는 상기 저온 플라즈마 광촉매부(160)를 수용하는 상기 제1 본체(111)가 절연재료로 구비되어야 하므로, 상기 본체부(110)를 상기 제1 본체(111)와 상기 제2 본체(112)로 분리하여 제작하기 위함이다.
또한, 상기 본체부(110)의 외측에는 단열재(110a)가 설치되어, 내부의 열손실을 최소화시킬 수 있다.
상기 오염공기 공급 펌프(120)는 휘발성 유기화합물(VOC)을 함유하는 오염공기가 상기 본체부(110)의 내측으로 유입되게 한다.
상기 열교환수단(130)은 상기 본체부(110)의 내측에 구비되고, 상기 오염공기 공급 펌프(120)에 의해 유입된 오염공기가 가열되도록 열교환시킨다.
상기 물탱크(140)는 상기 본체부(110)의 외측에 구비되고 내측에는 물이 저장되는 탱크로서, 수면 아래로 상기 열교환수단(130)에 의해 가열된 오염공기가 유입되며, 유입된 오염공기를 수증기를 함유한 가습 오염공기로 변화되게 한다.
또한, 상기 물탱크(140)의 내측에는, 상기 물탱크(140)에 수용된 물을 가열하는 전기히터(141)가 더 설치될 수 있다.
이는 상기 가습 오염공기가 소정의 습도로 제어되지 않을 경우, 상기 전기히터(141)에 의해 상기 물탱크(140)에 수용된 물을 가열시킴으로써, 상기 가습 오염공기를 소정의 습도로 제어하기 위함이다.
상기 오염공기 분배수단(150)은 상기 본체부(110)의 전단에 구비되고, 상기 물탱크(140)로부터 유입되는 상기 가습 오염공기를 상기 본체부(110)의 후단을 향해 균일하게 분사되게 한다.
예를 들면, 상기 오염공기 분배수단(150)은 배관(151) 및 프로펠러형 분배부(152)를 포함하여 이루어질 수 있다.
여기서, 상기 배관(151)은 상기 물탱크(140)와 연결되어 내측으로 상기 가습 오염공기가 유입되며, 상기 프로펠러형 분배부(152)는 복수 개로 구비되며, 상기 배관(151)을 중심축으로 하여 방사방향으로 연장형성된다.
또한, 상기 각 프로펠러형 분배부(152)에는 복수 개의 가습 오염공기 배출홀(152a)이 형성된다.
또한, 도 2에 도시한 바와 같이, 상기 제1 프로펠러형 분배부(152-1)의 가습 오염공기 배출홀(152a)들과 상기 제2 프로펠러형 분배부(152-2)의 가습 오염공기 배출홀(152a)들은 배관의 중심축(C1)을 기준으로 서로 대칭하는 위치에 형성되고, 상기 가습공기 배출홀(152a)들은 상기 배관의 중심축(C1)과 상기 가습공기 배출홀의 중심축(C2)의 각도가 10° 내지 80°를 이루도록 형성되는 것이 바람직하다.
그 이유는 상기 가습공기 배출홀(152a)들을 통해 분사되는 상기 가습 오염공기가 상기 본체부(110)의 내측면을 향해 일정한 각도로 분사되어 원주방향으로 회전하는 흐름이 발생하여 단면적 전체적으로 균일한 흐름을 형성하기 위함이다.
상기 저온 플라즈마 광촉매부(160)는 상기 본체부(110)의 내측에 구비되되, 상기 오염공기 분배수단(150)의 후단에 구비되며, 상기 오염공기 분배수단(150)을 통해 분사되는 가습 오염공기에 함유된 휘발성 유기화합물을 분해한다.
예를 들면, 상기 저온 플라즈마 광촉매부(160)는 광촉매(161), 전단전극(162), 후단전극(163) 및 전원공급기(164)를 포함하여 이루어질 수 있다.
또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 전단전극(162)은 펀치에 의해 전단방향에서 후단방향으로 뚫려 형성되는 복수 개의 전단전극 홀(162a)이 마련되고, 상기 전단전극 홀(162a)들에는 상기 광촉매(161)를 향해 연장형성된 소성 변형부(162b)가 마련된다.
또한, 상기 후단전극(163)은 펀치에 의해 후단방향에서 전단방향으로 뚫여 형성되는 복수개의 후단전극 홀이 마련되고, 상기 후단전극 홀에는 상기 광촉매를 향해 연장형성된 소성 변형부가 마련된다.
이는 상기 전단전극(162) 및 상기 후단전극(162)에 고전압이 걸릴 경우 전류가 소성변형부 따라 광촉매 방향으로 빠르게 흐르게 하여, 광촉매 효율을 증대시키기 위함이다.
또한, 상기 광촉매(161)는 Ni-ZSM-5(니켈 제오라이트계)촉매와 이산화티탄(TiO2)을 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 귀금속 산화촉매부(170)는 상기 본체부(110)의 내측에 구비되되, 상기 저온 플라즈마 광촉매부(160)의 후단에 구비되며, 상기 저온 플라즈마 광촉매부(160)의 광촉매반응을 통해 부산물로 생성된 일산화탄소를 분해한다.
다시 말해, 상기 귀금속 산화촉매부(170)는 일산화탄소를 산소와의 산화환원 반응을 촉진시켜 물과 이산화탄소로 전환시키는 역할을 한다.
또한, 상기 귀금속 산화촉매부(170)는 귀금속 산화 촉매(171), 열선(172), 열전대 및 온도제어기(173)를 포함하여 이루어질 수 있다.
일 예로, 상기 귀금속 산화 촉매(171)는 감마 알루미나(Al2O3) 및 상기 감마 알루미나에 코팅되는 백금(Pt), 팔라듐(Pd) 또는 로듐(Rh)을 포함하여 이루어질 수 있다.
다른 예로, 상기 귀금속 산화 촉매(171)는 산화주석(SnO2) 및 상기 산화 주석에 코팅되는 백금(Pt)를 포함하여 이루어질 수 있다.
또한, 상기 열선(172)은 상기 귀금속 산화 촉매(171)의 내측에서 권선된 코일 형태로 구비될 수 있다.
상기 열전대는 상기 귀금속 산화 촉매(171)의 중앙부에 설치되고, 상기 온도제어기(173)는 상기 열전대에 의해 측정된 온도에 따라 상기 열선을 제어한다.
이때, 상기 귀금속 산화촉매부(170)로부터 발생된 폐열은 상기 열교환수단(130)의 내측으로 공급되는 상기 오염공기를 가열시키는 열원으로 이용된다.
이는 배출되는 폐열을 회수하여 오염공기를 가열할 수 있으므로, 시스템의 열효율을 향상시킬 수 있는 장점을 지닌다.
상기 오존 처리 촉매부(180)는 상기 본체부(110)의 내측에 구비되되, 상기 저온 플라즈마 광촉매부(160)의 후단에 구비되며, 상기 저온 플라즈마 광촉매부(160)의 광촉매반응을 통해 부산물로 생성된 오존을 분해한다.
다시 말해, 상기 오존 처리 촉매부(180)는 부산물로 생성된 오존을 흡착과 환원반응을 진행시켜 산소로 변환시켜 외부로 배출되게 하는 것이다.
예를 들면, 상기 오존 처리 촉매부(180)는 잔류오존을 흡착하기 위한 활성탄 및 Mn-Fe-제올라이트(zeolite) 촉매, Mn-Ce-제올라이트(zeolite) 촉매, Mn-Fe-Ce-제올라이트(zeolite) 촉매 또는 Mn-Fe-Ce 촉매를 포함하여 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 플라즈마 광촉매를 이용한 휘발성 유기화합물 정화장치(100)는 응축수 받이(190), 응축수 저장통(200) 및 응축수 순환펌프(210)를 더 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 응축수 받이(190)는 상기 열교환수단(130)의 하부에 설치되어, 상기 열교환수단의 외측에 응축한 물이 모이게 된다.
상기 응축수 저장통(200)은 상기 응축수 받이(190)와 연결되어 상기 응축수 받이(190)에 모여진 물이 저장된다.
상기 응축수 순환펌프(210)는 상기 응축수 저장통(200)에 저장된 물을 상기 물탱크(140)로 공급되게 한다.
이에 따라, 상기 열교환수단(130)의 외측에 응축된 물을 물탱크(140)로 보내지게 하여 오염공기를 가습 오염공기로 변화시키므로, 별도로 물이 보충되지 않고서도 가동될 수 있는 이점을 지닌다.
또한, 상기 응축수 순환펌프(210)와 상기 물탱크(140)를 연결하는 배관의 소정 위치에는 체크밸브(220)가 더 설치될 수 있으며, 상기 체크벨브(220)는 상기 물탱크(140)로부터 물이 역류하는 것을 방지한다.
한편, 상기 열교환수단(130)에 응축된 물이나, 상기 물탱크(140) 저장된 물은 자연증발될 수 있으므로, 상기 응축수 저장통(200)에는 외부로부터 물이 공급될 수 있는 물공급라인이 설치될 수 있다
또한, 상기 응축수 저장통(200)에는 드레인 밸브(200a)가 더 설치될 수 있으며, 상기 드레인 밸브(200a)는 상기 응축수 저장통(200)에 수용된 물이 허용치를 초과할 경우, 물을 외부로 배출한다.
(실시예 1 내지 실시예 4)
하기 표 1에는, 본 발명에 따른 광촉매 실시예 1 내지 실시예 4를 나타내었다.
Pt/Al2O3
(3.4wt%)		 Ni-ZSM-5
(loading wt%)		 TiO2
실시예 1 1 3(3.7wt%) 1
실시예 2 1 12(5wt%) 1
실시예 3 - 5(3.7wt%) 3
실시예 4 - 5(3.7wt%) 5
참조사항으로, 실시예 1의 경우, Pt 3.4 중량%를 Al2O3에 코팅한 Pt/Al2O3와 Ni 3.7 중량%를 제올라이트 ZSM-5에 이온교환한 Ni-ZSM-5 및 TiO2를 각각 1:3:1의 질량비율로 혼합하여 만든 촉매를 의미하며, 실시예 2 내지 실시예 4의 경우 실시예 1과 동일한 방법으로 구성비가 해석된다.
(실험예 1)
실시예 2 및 실시예 3을 이용하여, 발생한 플라즈마의 빛의 파장 여역대를 도 4에 나타내었다. 이때, 비교를 위해 일반 자외선 램프(UV-C)의 빛의 파장측정 결과를 참고로 함께 나타내었다.
도 4를 참조하면, 310nm 내지 350nm의 자외선이 잘 발생하고 있는 것으로 확인되었으며, 360nm 내지 360nm의 근적외선도 발생하고 있는 것으로 확인하였다.
이에 따라, 상기 광촉매(161)는 Fe2O3 촉매를 더 포함하여 이루어지는 것이 보다 바람직하다.
그 이유는 Fe2O3 촉매가 적외선 영역의 빛에 광촉매 반응을 수행함으로써, 모든 영역대의 빛에너지를 이용할 수 있기 때문이다.
(실험예 2)
실시예 1 내지 실시예 4를 이용하여, 상대습도 60%의 조건에서 C2H4의 분해율을 확인하였으며, 그 결과를 도 5에 나타내었다.
도 5에 도시한 바와 같이, 실시예 1 내지 실시예 4 모두 50%의 전후의 분해율을 나타내고 있으며, 실시예 4가 가장 우수한 유기 화합물 분해 특성을 지님을 확인할 수 있었다.
(실험예 3)
실시예 4를 이용하여, 상대 습도별 플라즈마의 UV 광도 측정결과와 상대 습도에 따른 자외선 강도와 C2H4의 분해율을 확인하였으며, 그 결과를 각각 도 6 및 도 7에 나타내었다.
도 6에 도시한 바와 같이, 상대 습도가 증가할수록 UV의 강도가 강해지는 것을 확인할 수 있었으며, 도 7에 도시한 바와 같이, 상대 습도가 높아질수록 자외선의 강도는 선형적으로 증가하는 것을 확인할 수 있었으며, 자외선의 강도가 증가하는 것과 동일하게 C2H4의 분해율도 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
이에 따라, 저온 플라즈마 광촉매부에 필요하는 상대습도는 70%를 초과하는 것이 바람직하다.
(실험예 4)
실시예 4를 이용하여, 공급전압에 따른 자외선 강도와 C2H4의 분해율을 확인하였으며, 그 결과를 도 8에 도시하였다.
도 8에 도시한 바와 같이, 승압전 공급전압을 170V에서 210V까지 상승시키면, 자외선 강도는 증가하고 이에 따라 C2H4의 분해율도 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
이에 따라, 저온 플라즈마 광촉매부의 승압전 공급전압은 210V가 이보다 낮은 전압보다 유리함을 확인할 수 있었다.
(실험예 5)
실시예 4를 이용하여, 저온 플라즈마 광촉매부의 공간속도에 따른 C2H4의 분해율을 확인하였으며, 그 결과를 도 9에 도시하였다.
도 9에 도시한 바와 같이, 저온 플라즈마 광촉매부의 최적의 공간속도는 200,000 1/h임을 확인할 수 있었다.
한편, 상기 귀금속 산화촉매부(170)의 최적 공간속도는 30,000 1/h 내지 40,000 1/h 정도이다.
이에 따라, 상기 저온 플라즈마 광촉매부에서 200,000 1/h으로 공급된 유량을 상기 귀금속 산화촉매부에서 30,000 1/h 내지 40,000 1/h로 유지하기 위해서는, 상기 귀금속 산화촉매부(170)의 체적은 상기 플라즈마 광촉매부의 체적의 5배 내지 7배로 마련되는 것이 바람직하다.
(실험예 6)
플라즈마 광촉매의 담체별 플라즈마 발생 시, 아크발생으로 촉매 담체의 손상 여부를 확인하였으며, 그 결과를 도 10에 도시하였다.
도 10에 도시한 바와 같이, 코디어라이트에 광촉매를 코팅하여 장시간 사용하면 아크가 발생하여 코디어라이트 담체가 용융(d)되어 손상되지만, 허니컴 모노리스 형태의 SiC 담체의 경우, 장시간 사용하여도 아크가 발생하지 않고 담체의 손상도 발견되지 않았다.
이에 따라, 플라즈마 광촉매의 담체는 허니컴 모노리스 형태의 SiC가 이용되는 것이 바람직하다.
(실험예 7)
도 11은 본 발명에 따른 Pt/Al2O3, Pt/SnO2 귀금속 산화촉매를 이용하여, 일산화탄소 산화특성을 확인한 그래프이다.
도 11에 도시한 바와 같이, Pt/Al2O3의 경우, 섭씨 190도에서 일산화탄소가 완전산화되며, Pt/SnO2는 섭씨 220도에서 완전산화되는 것을 확인할 수 있었다.
이에 따라, 귀금속 산화 촉매는 Pt/Al2O3가 이용되는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 플라즈마 광촉매를 이용한 휘발성 유기화합물 정화 장치는 고농도의 휘발성 유기화합물을 처리하고, 휘발성 유기화합물을 처리하면서 생성되는 일산화탄소 및 오존을 포함하는 2차 유해가스를 완전 정화할 수 있으며, 동시에 가습 오염공기가 균일하게 공급되게 하고 최적의 플라즈마 광촉매를 이용함으로써, 휘발성 유기화합물을 함유하는 오염공기의 처리 효율을 향상시킬 수 있는 장점을 지닌다.
더 나아가, 배출되는 폐열을 회수하여 오염공기를 예열함으로써, 시스템의 열효율을 향상시킬 수 있으며, 열교환수단의 외측에 응축된 물을 이용하여 오염공기를 가습 오염공기로 변화시키므로, 별도로 물이 공급되지 않고서도 가동될 수 있는 효과가 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명은 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.
110 : 본체부 111 : 제1 본체
112 : 제2 본체 113 : 플랜지
110a : 단열재 120 : 오염공기 공급펌프
130 : 열교환수단 140 : 물탱크
150 : 오염공기 분배수단 151 : 배관
152 : 프로펠러형 분배부 152a : 가습 오염공기 배출홀
160 : 저온 플라즈마 광촉매부 161 : 광촉매
162 : 전단 전극 163 : 후단 전극
170 : 귀금속 산화촉매부 171 : 귀금속 산화촉매
172 : 열선 173 : 온도제어기
180 : 오존 처리 촉매부 190 : 응축수 받이
200 : 응축수 저장통 210 : 응축수 순환펌프

Claims (21)

  1. 본체부;
    휘발성 유기화합물을 함유하는 오염공기가 상기 본체부의 내측으로 유입되게 하는 오염공기 공급펌프;
    상기 본체부의 내측에 구비되고, 상기 오염공기 공급펌프에 의해 유입된 오염공기가 가열되게 열교환시키는 열교환수단;
    상기 본체부의 외측에 구비되고, 상기 열교환수단을 통해 가열된 오염공기가 유입되어, 유입된 오염공기를 수증기를 함유한 가습 오염공기로 변화되게 하는 물탱크;
    상기 본체부의 전단에 구비되고, 상기 물탱크로부터 유입되는 상기 가습 오염공기를 상기 본체부의 후단을 향해 분사하는 오염공기 분배수단;
    상기 본체부의 내측에 구비되되, 상기 오염공기 분배수단의 후단에 구비되며, 상기 오염공기 분배수단을 통해 분사되는 가습 오염공기에 함유된 휘발성 유기화합물을 분해하는 저온 플라즈마 광촉매부;
    상기 본체부의 내측에 구비되되, 상기 저온 플라즈마 광촉매부의 후단에 구비되며, 상기 저온 플라즈마 광촉매부의 광촉매 반응을 통해 부산물로 생성된 일산화탄소를 분해하는 귀금속 산화촉매부;
    상기 본체부의 내측에 구비되되, 상기 저온 플라즈마 광촉매부의 후단에 구비되며, 상기 저온 플라즈마 광촉매부의 광촉매 반응을 통해 부산물로 생성된 오존을 분해하는 오존 처리 촉매부;를 포함하고,
    상기 열교환수단은 상기 귀금속 산화촉매부로부터 발생된 열을 이용하여 내측으로 공급되는 상기 오염공기가 가열되게 하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 광촉매를 이용한 휘발성 유기화합물 정화 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 오염공기 분배수단은
    상기 물탱크와 연결되어 내측으로 상기 가습 오염공기가 유입되는 배관;
    상기 배관을 중심축으로 하여 방사방향으로 연장형성된 복수 개의 프로펠러형 분배부;를 포함하고,
    상기 각 프로펠러형 분배부에는 복수개의 가습 오염공기 배출홀;이 형성된 것을 특징으로 하는 플라즈마 광촉매를 이용한 휘발성 유기화합물 정화 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    제1 프로펠러형 분배부의 가습 오염공기 배출홀들과 제2 프로펠러형 분배부의 가습 오염공기 배출홀들은 서로 대칭하는 위치에 형성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 광촉매를 이용한 휘발성 유기화합물 정화 장치.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 가습 오염공기 배출홀은
    상기 배관의 중심축과 상기 가습 오염공기 배출홀의 중심축의 각도가 10° 내지 80°를 이루도록 형성되어, 상기 가습 오염공기가 상기 본체부의 내측면을 향해 일정한 각도로 분사되게 하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 광촉매를 이용한 휘발성 유기화합물 정화 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 물탱크의 내측에 설치되며, 상기 물탱크에 수용된 물을 가열하는 전기히터;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 광촉매를 이용한 휘발성 유기화합물 정화 장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 저온 플라즈마 광촉매부는
    광촉매;
    상기 광촉매의 전단에 구비되어 전단전극;
    상기 광촉매의 후단에 구비되는 후단전극; 및
    상기 전단전극 및 상기 후단전극에 교류전원을 공급하는 전원공급기;를 포함하여 이루지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 광촉매를 이용한 휘발성 유기화합물 정화 장치.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 전단전극은 펀치에 의해 전단방향에서 후단방향으로 뚫려 형성되는 복수 개의 전단전극 홀이 마련되고,
    상기 전단 전극 홀에는 상기 광촉매를 향해 연장형성된 소성 변형부가 마련되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 광촉매를 이용한 휘발성 유기화합물 정화 장치.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 후단전극은 펀치에 의해 후단방향에서 전단방향으로 뚫려 형성되는 복수 개의 후단전극 홀이 마련되고,
    상기 후단전극 홀에는 상기 광촉매를 향해 연장형성된 소성 변형부가 마련되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 광촉매를 이용한 휘발성 유기화합물 정화 장치.
  9. 제 6항에 있어서,
    상기 광촉매는
    Ni-ZSM-5촉매와 이산화티탄(TiO2)을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 광촉매를 이용한 휘발성 유기화합물 정화 장치.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 광촉매는
    Fe2O3 촉매를 더 포함하여, 적외선 영역의 빛에 광촉매 반응을 수행하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 광촉매를 이용한 휘발성 유기화합물 정화 장치.
  11. 삭제
  12. 제 9항에 있어서,
    상기 광촉매의 담체는
    허니컴 모노리스 형태의 SiC인 것을 특징으로 하는 플라즈마 광촉매를 이용한 휘발성 유기화합물 정화 장치.
  13. 제 1항에 있어서,
    상기 귀금속 산화촉매부는
    귀금속 산화 촉매; 및
    상기 귀금속 산화 촉매의 내측에 코일 형태로 구비된 열선;을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 광촉매를 이용한 휘발성 유기화합물 정화 장치.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 귀금속 산화 촉매는
    감마 알루미나(Al2O3); 및
    상기 감마 알루미나에 코팅되는 백금(Pt), 팔라듐(Pd) 또는 로듐(Rh)을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 광촉매를 이용한 휘발성 유기화합물 정화 장치.
  15. 제 13항에 있어서,
    상기 귀금속 산화 촉매는
    산화주석; 및
    상기 산화 주석에 코팅되는 백금(Pt)를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 광촉매를 이용한 휘발성 유기화합물 정화 장치.
  16. 제 13항에 있어서,
    상기 귀금속 산화촉매부의 체적은 상기 플라즈마 광촉매부의 체적의 5배 내지 7배로 마련되고, 상기 귀금속 산화촉매부의 공간속도는 30,000 1/h 내지 40,000 1/h 인 것을 특징으로 하는 플라즈마 광촉매를 이용한 휘발성 유기화합물 정화 장치.
  17. 제 13항에 있어서,
    상기 본체부는
    상기 오염공기 분배수단과 상기 저온 플라즈마 광촉매부를 수용하며 절연 재료로 구비되는 제1 본체;
    상기 귀금속 산화촉매부과 상기 오존 처리 촉매부를 수용하는 제2 본체; 및
    상기 제1 본체와 상기 제2 본체를 결합시키는 플랜지;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 광촉매를 이용한 휘발성 유기화합물 정화 장치.
  18. 제 17항에 있어서,
    상기 귀금속 산화촉매부는
    상기 귀금속 산화 촉매의 중앙부에 설치되는 열전대; 및
    상기 열전대에 의해 측정된 온도에 따라 상기 열선을 제어하는 온도제어기;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 광촉매를 이용한 휘발성 유기화합물 정화 장치.
  19. 제 1항에 있어서,
    상기 열교환수단의 하부에 설치되어, 상기 열교환수단의 외측에 응축한 물이 모이는 응축수 받이;
    상기 응축수 받이와 연결되어, 상기 응축수 받이에 모여진 물이 저장되는 응축수 저장통;
    상기 응축수 저장통에 저장된 물을 상기 물탱크로 공급되게 하는 응축수 순환 펌프;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 광촉매를 이용한 휘발성 유기화합물 정화 장치.
  20. 제 19항에 있어서,
    상기 응축수 순환 펌프와 상기 물탱크를 연결하는 배관의 소정 위치에는 체크밸브;가 설치되어, 상기 물탱크로부터 물의 역류를 방지하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 광촉매를 이용한 휘발성 유기화합물 정화 장치.
  21. 제 1항에 있어서,
    상기 오존 처리 촉매부는
    활성탄 및
    Mn-Fe-제올라이트(zeolite) 촉매, Mn-Ce-제올라이트(zeolite) 촉매, Mn-Fe-Ce-제올라이트(zeolite) 촉매 또는 Mn-Fe-Ce 촉매를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 광촉매를 이용한 휘발성 유기화합물 정화 장치.
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