KR102001834B1 - 휘발성 유기화합물 분해용 전극 및 이를 이용하는 휘발성 유기화합물 제거 시스템 - Google Patents
휘발성 유기화합물 분해용 전극 및 이를 이용하는 휘발성 유기화합물 제거 시스템 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명에 따른 휘발성 유기화합물 분해용 전극은 우수한 전기분해 성능은 물론 내구성 및 수명이 우수한 효과가 있고, 휘발성 유기화합물을 포함하는 오염물질의 농도에 관계없이 보다 적은 에너지로도 대량으로 휘발성 유기화합물의 분해 및 제거가 가능한 효과가 있으며, 휘발성 유기화합물의 분해에 있어서 대량화 및 상용화에 적합한 이점이 있다.
Description
본 발명은 휘발성 유기화합물 분해용 전극 및 이를 이용하는 휘발성 유기화합물 제거 시스템에 관한 것이다.
휘발성 유기화합물(Volatile Organic Compounds, VOCs)은 증기압이 높아 공기 중으로 쉽게 휘발하여 악취 및 오존을 일으키는 전구물질로 작용하며, 인체에 흡입될 경우 신경계 장애 및 암을 유발하는 유해 화학물질로서, 이에 의한 민원이 지속적으로 증가하고 있고, 휘발성 유기화합물에 대한 환경 규제도 계속해서 강화되고 있다.
이러한 휘발성 유기화합물의 배출원으로 휘발성 유기화합물을 포함하는 배기가스가 있으며, 이 배기가스는 대부분 다양한 종류의 오염물질을 복합적으로 포함하여 배출된다. 휘발성 유기화합물을 포함하는 배기가스는 400 Nm3/min 이상으로 배출량이 매우 큰 반면 500 pm 이하로 농도가 낮으며, 50℃ 이하로 온도가 낮을 뿐만 아니라, 배출 시 운전조건에 따른 변화가 심한 특성을 가진다.
또 다른 휘발성 유기화합물의 배출원으로 휘발성 유기화합물이 배출될 수 있는 폐수가 있으며, 상기 폐수 내 용존되어 있는 휘발성 유기화합물이 대기 중으로 방출된다. 즉, 휘발성 유기화합물은 배기가스 형태는 물론, 액상의 형태인 배출원으로부터도 유래될 수 있다. 기존 수처리 시설은 대다수 유기물질을 제거하기 위한 방법으로 사용되고 있을 뿐, 폐수에 대한 휘발성 유기화합물의 배출 특성에 대한 파악이 미흡한 상태이다. 따라서 기존 수처리 시설의 경우, 폐수 처리에 적합할 뿐, 폐수 처리 과정에서 발생하는 휘발성 유기화합물에 대해서는 적절히 대응하지 못하고 있는 실정이다.
휘발성 유기화합물의 처리를 위한, 현재까지 상용화되었거나 개발 중인 제어기술로는 크게 연소법, 흡착/농축법, 흡수/농축법, 생물학적 처리법, 전기분해법 등이 있다. 그러나 이 기술들 각각으로는 효율이 떨어지며, 적용 가능한 공정 조건(배출원, 유량, 필요한 유틸리티, 전처리 등), 휘발성 유기화합물의 특성(성분, 농도, 저해물질 등), 기타 조건(2차 오염, 유지관리 등)이 각각 상이하여 사용이 용이하지 않은 문제가 있다.
전기분해법은 도 1에 도시된 바와 같이, 전극 표면에서 발생한 OH radical 및 반응 중간에 발생된 산화물질에 의해 유기화합물이 CO2 또는 중간 화합물로 산화되는 원리를 이용한 것이다. 구체적으로, 상기 전극 표면부는 금속산화물 촉매층이 존재하며, 휘발성 유기화합물은 다음과 같은 전기분해 반응을 통해 최종적으로 이산화탄소로 산화되어 제거될 수 있다.
IrO2 + H2O ↔ IrO2(OH·) + H+ + e-
IrO2(OH·) + VOCs ↔ IrO2 + mCO2 + nH2O+ xH+ + ye-(여기서 m, n, x는 서로 독립적으로 1 이상의 정수)
이러한 전기분해 반응에서는 전극의 성능은 물론, 특히 전극의 내구성 및 수명이 중요하고, 상기 반응에 전극이 지속적으로 장기간 사용될수록 전극의 내구성 및 수명은 감소되며, 이는 휘발성 유기화합물 분해에 소요되는 에너지 및 비용의 증대를 의미한다.
이와 같이, 휘발성 유기화합물의 전기분해에 사용되는 전극의 내구성 및 수명을 극대화하고, 보다 적은 에너지를 이용하여 대량으로 휘발성 유기화합물의 분해 및 제거에 적합한 기술이 필요하다.
본 발명의 목적은 휘발성 유기화합물의 전기분해에 있어서 우수한 성능은 물론 내구성 및 수명이 우수한 휘발성 유기화합물 분해용 전극 및 이를 이용하는 휘발성 유기화합물 분해 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 휘발성 유기화합물의 분해 효율이 높음에도 이에 소요되는 에너지를 최소화할 수 있는 휘발성 유기화합물 분해용 전극 및 이를 이용하는 휘발성 유기화합물 분해 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 휘발성 유기화합물의 흡착 및 분해 반응에 의해 상승하는 온도를 높은 에너지 효율로 최소화할 수 있는 휘발성 유기화합물 분해용 전극 및 이를 이용하는 휘발성 유기화합물 분해 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 소수성 휘발성 유기화합물은 물론이고, 친수성 휘발성 유기화합물의 경우에서도 극히 높은 제거 효율을 가지는 휘발성 유기화합물 분해용 전극 및 이를 이용하는 휘발성 유기화합물 분해 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 시설 부지가 작은 경우에 있어서도, 상대적으로 대량의 소수성 휘발성 유기화합물을 처리할 수 있는 휘발성 유기화합물 분해용 전극 및 이를 이용하는 휘발성 유기화합물 분해 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 경제성이 우수하고, 소규모에서 대규모에 이르기까지 시설 설비에 제약이 없으며, 상업화에 용이한 휘발성 유기화합물 분해용 전극 및 이를 이용하는 휘발성 유기화합물 분해 장치를 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 휘발성 유기화합물 분해용 전극은, 에칭된 티타늄계 모재 및 상기 티타늄계 모재의 표면에 적층된 촉매층을 포함하며, 상기 촉매층은 Ru계, Rh계, Pd계, Pt계, Ti계, Sn계, Ir계 및 Ta계 산화물 중에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 금속 산화물을 포함한다.
또한 본 발명은 상기 휘발성 유기화합물 분해용 전극을 이용하는 휘발성 유기화합물 분해 장치를 제공한다.
본 발명에 따른 휘발성 유기화합물 분해 장치는, 휘발성 유기화합물이 액상매질에 접촉되어 흡수되는 액상 흡착관; 상기 액상 흡착관으로부터 액상매질에 흡수되지 않은 휘발성 유기화합물이 고상 흡착제에 접촉되어 흡착되는 고상 흡착관; 상기 고상 흡착관으로부터 휘발성 유기화합물이 유입되고, 상기 액상 흡착관으로부터 휘발성 유기화합물이 흡수된 액상매질이 유입되며, 자외선 및 오존에 의해 상기 휘발성 유기화합물이 분해되는 산화반응부; 및 상기 산화반응부로부터 유입되어 전기분해되는 전기분해부;를 포함하는 휘발성 유기화합물 분해 장치로서, 상기 전기분해는 상기 휘발성 유기화합물 분해용 전극을 통해 수행된다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 산화반응부는, 상기 고상 흡착관으로부터 휘발성 유기화합물이 유입되는 유입부; 상기 액상 흡착관으로부터 휘발성 유기화합물이 흡수된 액상매질이 분무되되, 상기 유입부로부터 배출되는 휘발성 유기화합물에 접촉하도록 분무되는 분사부; 및 상기 유입부로부터 배출되는 휘발성 유기화합물 또는 상기 분무되는 액상매질에 자외선을 조사하는 자외선 조사부;를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 고상 흡착관은, 내부에 상기 고상 흡착제가 수용되는 관형의 제1전극; 상기 제1전극의 외주면에 형성되는 유전체; 및 상기 유전체의 외주면에 형성되는 망목 구조의 제2전극;을 포함할 수 있으며, 상기 오존은 상기 제1전극 및 상기 제2전극에 전압이 인가되어 상기 고상 흡착관으로부터 생성되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 예에 따른 상기 휘발성 유기화합물 분해 장치는, 내부에 상기 고상 흡착관이 구비되는 오존 생성부를 더 포함할 수 있으며, 상기 오존 생성부의 내부에서 상기 고상 흡착관으로부터 생성되는 오존이 상기 산화반응부로 유입될 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 제1전극은 알루미늄 금속을 포함할 수 있으며, 상기 유전체는 상기 제1전극의 외주면부가 양극산화된 알루미늄계 다공성 양극산화막을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 예에 따른 휘발성 유기화합물 분해 장치는 오존 제어부를 더 포함할 수 있으며, 상기 오존 제어부는, 상기 제1전극 및 상기 제2전극에 전압을 인가하여, 오존이 생성되도록 하고, 발열에 의해 고상 흡착제로부터 휘발성 유기화합물이 탈착되어 탈착된 휘발성 유기화합물이 상기 산화반응부로 유입되도록 하는 탈착모드; 및 상기 제1전극 및 상기 제2전극에 전압을 비인가하여, 오존이 생성되지 않도록 하고, 냉각에 의해 고상 흡착제에 휘발성 유기화합물이 흡착 및 농축되도록 하는 농축모드;를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 고상 흡착관은, 상기 제1전극의 내부에 고정되고 상기 고상 흡착관의 길이방향의 중심축부에 형성되며, 상기 고상 흡착관의 내주면과 대향하여 판이 형성되되 상기 판이 상기 중심축 방향을 기준으로 비틀어진 형태를 가지는 다수의 교반 단위체가 서로 결합되는 고정형 선회부를 포함할 수 있으며, 상기 교반 단위체는 고상 흡착제이거나 상기 판의 일면에 고상 흡착제가 코팅된 것일 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 산화반응부에서, 상기 유입부는 상기 분사부의 상측 또는 상기 자외선 조사부의 상측에 위치할 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 액상 흡착관의 액상매질은 물을 포함할 수 있고, 상기 액상 흡착관은 제1 액상 흡착관일 수 있으며,
상기 휘발성 유기화합물 분해 장치는, 상기 산화반응부로부터 배출되는 휘발성 유기화합물이 유입되는 제2 액상 흡착관;을 더 포함할 수 있으며, 상기 제2 액상 흡착관은, 내부에 고비점 탄화수소를 포함하는 액상매질이 수용되고, 유입되는 휘발성 유기화합물이 상기 액상매질에 접촉되어 흡수될 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 액상 흡착관 또는 상기 고상 흡착관은 휘발성 유기화합물이 유입되는 일단부와 휘발성 유기화합물이 배출되는 타단부가 서로 연통되어 액상매질이 순환되는 구조를 가질 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 산화반응부는, 상기 분사부 하측에 위치하며 휘발성 유기화합물 또는 액상 매질 내 유기화합물을 흡착하는 촉매흡착부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 액상 흡착관은, 내부의 압력을 변화시켜 액상매질에 대한 휘발성 유기화합물의 용해도를 제어하는 압력 조절부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 휘발성 유기화합물 분해 장치는, 상기 산화반응부로부터 배출되는 액상매질을 상기 액상 흡착관의 액상매질로 순환시키는 순환부를 더 포함할 수 있다.
본 발명은 상기 휘발성 유기화합물 분해 장치를 포함하는, 대기 오염물질 배출 시설에서 배출되는 오염물질의 저감 시설을 제공할 수 있다.
본 발명에 따른 휘발성 유기화합물 분해용 전극은 우수한 전기분해 성능은 물론 내구성 및 수명이 우수한 효과가 있다.
본 발명에 따른 휘발성 유기화합물 분해용 전극 및 이를 이용하는 휘발성 유기화합물 분해 장치는 휘발성 유기화합물을 포함하는 오염물질의 농도에 관계없이 보다 적은 에너지로도 대량으로 분해 및 제거할 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 따른 휘발성 유기화합물 분해용 전극 및 이를 이용하는 휘발성 유기화합물 분해 장치는 대량화 및 상용화에 적합한 이점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 휘발성 유기화합물 분해용 전극을 이용한 휘발성 유기화합물의 전기분해 시, 반응 원리를 나타닌 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 휘발성 유기화합물 분해용 전극을 이용한 휘발성 유기화합물 분해 장치를 개략적으로 나타낸 개념도이다.
도 3은 본 발명에 따른 휘발성 유기화합물 분해용 전극을 이용한 휘발성 유기화합물 분해 장치의 고상 흡착관을 나타낸 사시도이다.
도 4는 본 발명에 따른 휘발성 유기화합물 분해용 전극을 이용한 휘발성 유기화합물 분해 장치의고상 흡착관 또는 액상 흡착관의 내부를 나타낸 개념도이다.
도 2는 본 발명에 따른 휘발성 유기화합물 분해용 전극을 이용한 휘발성 유기화합물 분해 장치를 개략적으로 나타낸 개념도이다.
도 3은 본 발명에 따른 휘발성 유기화합물 분해용 전극을 이용한 휘발성 유기화합물 분해 장치의 고상 흡착관을 나타낸 사시도이다.
도 4는 본 발명에 따른 휘발성 유기화합물 분해용 전극을 이용한 휘발성 유기화합물 분해 장치의고상 흡착관 또는 액상 흡착관의 내부를 나타낸 개념도이다.
이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 휘발성 유기화합물 분해용 전극 및 이를 이용하는 휘발성 유기화합물 제거 시스템을 상세히 설명한다.
본 명세서에 기재되어 있는 도면은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서 본 발명은 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있으며, 상기 도면들은 본 발명의 사상을 명확히 하기 위해 과장되어 도시될 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
본 명세서에서 사용되는 용어의 단수 형태는 특별한 지시가 없는 한 복수 형태도 포함하는 것으로 해석될 수 있다.
본 명세서에서 특별한 언급 없이 사용된 %의 단위는 별다른 정의가 없는 한 중량%를 의미한다.
본 명세서에서 언급되는 s1, s2, s3, ...; a1, a2, a3, ...; b1, b2, b3, ...; a, b, c, ...; 등의 각 단계를 지칭하는 용어 자체는 어떠한 단계, 수단 등을 지칭하기 위해 사용되는 것일 뿐, 그 용어들이 지칭하는 각 대상들의 순서 관계를 의미하는 것으로 해석되어서는 안 된다.
본 명세서에서 언급되는 ‘휘발성 유기화합물’은 앞뒤 문맥에 따라 휘발성 유기화합물로부터 유래되는 중간 분해산물 또는 분해산물도 포함하여 해석될 수 있다.
본 발명에 따른 휘발성 유기화합물 분해용 전극은, 에칭된 티타늄계 모재 및 상기 티타늄계 모재의 표면에 적층된 촉매층을 포함하며, 상기 촉매층은 Ru계, Rh계, Pd계, Pt계, Ti계, Sn계, Ir계 및 Ta계 산화물 중에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 금속 산화물을 포함한다.
상기 티타늄계 모재에서 에칭은 통상 알려진 건식 또는 습식 식각을 이용한표면처리를 의미할 수 있다. 바람직하게는 산을 이용한 습식 식각이 좋을 수 있으며, 이때 산은 무기산이 사용되는 것이 더 바람직할 수 있다. 상기 무기산의 일 예로, 황산, 질산, 염산 또는 이들의 혼합산 등을 들 수 있으며, 황산이 사용되는 것이 더 바람직할 수 있다.이때 사용되는 산은 산 수용액을 의미할 수 있으며, 황산의 농도는 크게 제한되지 않으나, 일 예로 1 내지 10M를 들 수 있다. 에칭 온도 및 에칭 시간은 크게 제한되는 것은 아니나, 일 예로 각각 50 내지 150℃ 및 5 내지 60 분을 들 수 있다.
상기 티타늄계 모재의 평균 표면조도는 크게 제한되는 것은 아니지만, 일 예를 들면 0.1 내지 3 ㎛, 구체적으로 0.2 내지 1 ㎛, 보다 구체적으로 0.3 내지 0.5 ㎛일 수 있다.
상기 촉매층의 평균 두께는 크게 제한되는 것은 아니지만, 일 예를 들면 1 내지 10 ㎛, 구체적으로 1.5 내지 5 ㎛일 수 있다.
상기 티타늄계 모재는 통상적으로 판형(Plate type), 즉, 금속판이 사용될 수 있으며, 메쉬형(Mesh type)의 모재가 사용될 수도 있다. 메쉬형의 티타늄계 모재가 사용될 경우, 단위 부피당 휘발성 유기화합물과의 접촉면적이 향상될 수 있는 장점이 있다.
상기 촉매층은 전술한 금속산화물을 포함하는 코팅층을 의미할 수 있다. 바람직하게는, 상기 촉매층은 상기 금속산화물 및 용매를 포함하는 혼합물을 상기 티타늄계 모재 상에 도포하고 소성하는 단계를 2 회 이상 반복하여 형성될 수 있다. 상기 소성 온도 및 소성 시간은 크게 제한되는 것은 아니나, 예컨대 각각 200 내지 600℃ 및 10 내지 200 분을 들 수 있다. 상기 용매는 물 또는 다양한 유기용매가 사용될 수 있으며, 유기용매의 일 예로 이소프로필알코올 등을 들 수 있다. 상기 혼합물에서 금속산화물과 용매의 중량비는 크게 제한되지 않으며, 최종적으로 형성된 촉매층의 요구 로딩량이 되도록 적절히 조절될 수 있다. 상기 로딩량의 일 예로, 1 내지 15 mg/cm2를 들 수 있으나 이에 제한되지 않음은 물론이다. 상기 도포 방법은 촉매층이 형성될 수 있을 정도면 무방하며, 분사법, 침지법 등의 다양한 공지된 도포법이 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 휘발성 유기화합물 분해용 전극은 상용 전류밀도(250 mA/cm2) 조건에서 전극 수명이 2,500 시간 이상, 바람직하게는 3,500 시간 이상일 수 있다. 구체적으로, 상기 조건은 전류밀도 250 mA/cm2, 온도 25℃, 전해질 0.5 wt% NaOCl 수용액 상태에서 전기분해가 수행될 시 조건일 수 있다.
본 발명에 따른 휘발성 유기화합물 분해용 전극은 휘발성 유기화합물의 전기분해에 사용되며, 이때 전해질은 산소 및/또는 염소 생성이 가능한 것일 수 있다. 상기 전해질은 통상 물이 사용될 수 있으며, NaCl, NaOCl 등의 Cl계 화합물 수용액이 사용될 수도 있다. 후술하는 휘발성 유기화합물 분해 장치의 경우, 전기분해 시, 휘발성 유기화합물 및 액상매질을 포함하는 혼합물이 전해질로 사용될 수 있거나, 상기 혼합물이 별도로 구비된 전해질을 포함하는 전기분해부에 공급되는 형태로 사용될 수도 있다. 또한 전기분해 시에 Cl계 화합물이 공급되는 형태로도 사용될 수 있다.
또한 본 발명은 상기 휘발성 유기화합물 분해용 전극을 이용하는 휘발성 유기화합물 분해 장치를 제공한다.
본 발명에 따른 휘발성 유기화합물 분해 장치는, 내부에 액상매질이 수용되고, 유입되는 휘발성 유기화합물이 상기 액상매질에 접촉되어 흡수되는 액상 흡착관; 상기 액상 흡착관으로부터 액상매질에 흡수되지 않은 휘발성 유기화합물이 유입되고, 내부에 고상 흡착제가 수용되며, 상기 휘발성 유기화합물이 상기 고상 흡착제에 접촉되어 흡착되는 고상 흡착관; 상기 고상 흡착관으로부터 휘발성 유기화합물이 유입되고, 상기 액상 흡착관으로부터 휘발성 유기화합물이 흡수된 액상매질이 유입되며, 자외선 및 오존에 의해 상기 휘발성 유기화합물이 분해되는 산화반응부(500); 및 상기 산화반응부(500)로부터 액상매질이 유입되며, 상기 액상매질에 흡수된 휘발성 유기화합물이 전기분해되는 전기분해부(600);를 포함할 수 있다. 액상매질을 통해 1차적으로 휘발성 유기화합물을 흡수하고, 고상 흡착제를 통해 2차적으로 휘발성 유기화합물을 흡착하는 다단 흡수/흡착 수단을 이용함으로써, 다양한 종류의 휘발성 유기화합물을 높은 농도로 흡수/흡착할 수 있다. 또한 휘발성 유기화합물이 흡수된 액상매질이 오존 및 자외선을 통해 분해 반응된 후, 분해가 많이 진행된 상태, 즉, 저분자량 화합물을 다량 포함하는 혼합물이 되도록 함으로써, 이후 전기분해 시 소요되는 에너지를 최소화함으로써, 결과적으로 낮은 에너지 소모만으로 높은 효율로 대량의 휘발성 유기화합물을 분해할 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 상기 산화반응부(500)는, 상기 고상 흡착관으로부터 휘발성 유기화합물이 유입되는 유입부(510); 상기 액상 흡착관으로부터 휘발성 유기화합물이 흡수된 액상매질이 분무되되, 상기 유입부(510)로부터 배출되는 휘발성 유기화합물에 접촉하도록 분무되는 분사부(520); 및 상기 유입부(510)로부터 배출되는 휘발성 유기화합물 또는 상기 분무되는 액상매질에 자외선을 조사하는 자외선 조사부(530);를 포함할 수 있다. 휘발성 유기화합물은 액상 흡착관을 통해 액상매질에 흡수된 후 산화반응부(500)로 이송되어 처리되며, 미흡수된 휘발성 유기화합물이 낮은 농도로 함유된 유체는 고상 흡착관을 통해 흡착 및 농축된 후 산화반응부(500)로 이송되어 처리된다. 이때 액상 흡착관을 거침에 따라 휘발성 유기화합물의 농도가 낮아지는데, 고상 흡착관을 통해 다시 농축된 상태로 산화반응부(500)에 유입됨으로써, 산화반응부(500)에서의 휘발성 유기화합물의 분해반응을 향상시킬 수 있다.
상기 분사부(520)의 분무 수단은 액상매질을 분무할 수 있는 것이라면 공지된 다양한 것들이 사용되어도 무방하며, 예를 들어 하나 또는 복수의 스프레이 노즐을 포함하는 스크러버를 들 수 있다. 분무되는 액상매질의 입자 크기, 분무량 등의 구체적 조건은 적절히 조절될 수 있으며, 이를 위한 수단 및 장치 또한 공지된 문헌을 참고하여도 무방하다.
상기 자외선 조사부(530)는 자외선을 조사할 수 있는 것이라면 무방하며, UV 램프로 검색하면 다양한 것들이 시판되는 것을 확인할 수 있으므로, 이들을 사용하여도 무방하다. 자외선량, 자외선 파장 범위 등의 구체적 조건은 적절히 조절될 수 있으며, 이를 위한 수단 및 장치 또한 공지된 문헌을 참고하여도 무방하다.
바람직한 일 예에 있어서, 고상 흡착관은, 전원의 일단과 연결되는 제1전극; 상기 전원의 타단에 연결되고, 망목 구조를 갖는 제2전극; 상기 제1전극과 상기 제2전극 사이에 형성되는 유전체; 및 상기 전극에 상기 전원에 의해 전압이 인가될 시, 상기 유전체에서 상기 제2전극 방향으로 형성되는 방전 영역;을 포함할 수 있다. 이때 상기 제1전극, 상기 제2전극 및 상기 유전체는 기둥 형상일 수 있으며, 상기 제1전극의 내부는 휘발성 유기화합물이 유입 및 배출되도록 하는 관형 구조를 가질 수 있고, 상기 고상 흡착제가 수용될 수 있으며, 상기 유전체는 상기 제1전극의 외주면에 형성될 수 있고, 상기 제2전극은 상기 유전체의 외주면에 형성될 수 있으며, 상기 방전 영역은 상기 유전체의 외주면측 및 상기 제2전극의 외주면측으로 형성될 수 있다. 이러한 구조를 가지는 고상 흡착관은 관의 외면이 노출되는 방향, 즉, 상기 방전 영역으로 공기(산소)가 공급되어 오존이 생성될 수 있으며, 구체적으로 고상 흡착관의 주변 공기의 흐름에 의해 상기 방전 영역에 상기 공기가 공급되어 오존이 생성될 수 있다. 이는 상기 고상 흡착관에서 무성 방전을 통해 오존이 생성되는 것일 수 있으며, 생성되는 오존이 상기 산화반응부(500)로 유입되어 휘발성 유기화합물이 분해되게 된다. 이러한 구조를 통해, 고상 흡착관은 내부에 휘발성 유기화합물이 흡착 및 농축되는 기능을 가지며, 고상 흡착관의 외부로 오존을 생성하는 기준을 갖는다.
특히 상기 구조를 통해 고상 흡착관이 관 내부를 통한 휘발성 유기화합물의 흡착 및 농축 기능과 관 외부로의 오존 생성 기능을 가짐으로써, 오존 생성에 의해 필연적으로 흡착관 자체에서 발생하는 발열을 이용하여, 관 내부의 고상 흡착제에 흡착 및 농축된 상태로 존재하는 휘발성 유기화합물을 탈착할 수 있다. 따라서 고상 흡착제에 흡착 및 농축된 휘발성 유기화합물의 탈착을 위한 별도의 에너지가 필요 없거나 또는 상기 에너지를 극소화할 수 있다. 종래까지 휘발성 유기화합물의 분해를 위해 오존 생성 장치가 일반적으로 사용되어 왔고, 이때 발생되는 발열은 폐열로서 오히려 장치 성능을 떨어뜨리는 요인으로 작용하였다. 반면 본 발명에서는 발생되는 열에너지가 폐열로 되지 않고, 높은 분해효율을 위해 농축된 휘발성 유기화합물의 탈착에 상기 열에너지가 사용되므로, 에너지효율 및 열효율이 매우 우수한 효과가 있다.
상기 고상흡착관이 상기 구조를 통해 고상 흡착관이 관 내부를 통한 휘발성 유기화합물의 흡착 및 농축 기능과 관 외부로의 오존 생성 기능을 가질 경우, 본 발명의 일 예에 따른 휘발성 유기화합물 분해 장치는, 내부에 상기 고상 흡착관이 구비되는 오존생성부(300)를 더 포함하며, 상기 오존생성부(300)의 내부에서 생성되는 오존이 상기 산화반응부(500)로 유입되는 것일 수 있다.
상기 고상흡착관이 상기 구조를 통해 관 내부를 통한 휘발성 유기화합물의 흡착 및 농축 기능과 관 외부로의 오존 생성 기능을 가질 경우, 이에 따른 휘발성 유기화합물 분해 장치는 오존 제어부를 더 포함할 수 있다. 상세하게, 상기 오존 제어부는, 상기 전극에 전압을 인가하여, 오존이 생성되도록 하고, 발열에 의해 고상 흡착제로부터 휘발성 유기화합물이 탈착되어 탈착된 휘발성 유기화합물이 상기 산화반응부(500)로 유입되도록 하는 탈착모드; 및 상기 전극에 전압을 비인가하여, 오존이 생성되지 않도록 하고, 냉각에 의해 고상 흡착제에 휘발성 유기화합물이 흡착 및 농축되도록 하는 농축모드;를 포함할 수 있다. 즉, 상기 고상 흡착관에서, 전극에 전압이 인가되지 않을 시, 상기 제1전극의 내부에 수용된 고상 흡착제에 휘발성 유기화합물이 흡착 및 농축될 수 있으며, 전극에 전압이 인가될 시, 발생하는 발열에 의해, 상기 제1전극의 내부에 수용된 고상 흡착제로부터 휘발성 유기화합물이 탈착될 수 있다. 이렇게 탈착된 휘발성 유기화합물은 상기 산화반응부(500)로 유입되어 분해되며, 이러한 모드를 수행하는 제어부를 통해, 높은 에너지효율 및 열효율로 휘발성 유기화합물을 분해할 수 있다.
운전 방법을 구체적으로 설명하면, 상기 제어부를 통해 농축모드와 탈착모드를 수행할 수 있으며, 이때 각 모드를 소정 간격의 시간 동안 번갈아가며 간헐적으로 변경할 수 있으며, 이를 주기적으로 수행할 수도 있음은 물론이다. 이러한 과정을 통해 농축된 휘발성 유기화합물은 산화반응부로 유입되는데, 이때 산화반응부와 고상흡착관의 연결 통로를 차단 및 오픈하는 수단(개폐밸브 등)을 통해 농축모드 시 상기 연결 통로를 차단하여 캐리어 가스의 유입은 방지하고, 탈착모드 시 상기 연결 통로를 오픈하여 농축된 휘발성 유기화합물이 산화반응부로 유입되도록 하는 등의 제어를 통해 산화반응부에서 휘발성 유기화합물이 분해되는 반응을 효율적으로 효과적으로 유도할 수 있다. 하지만 이는 바람직한 일 예로 설명한 것일 뿐, 상황에 따라 통상의 기술자가 적절히 그 운전 방법을 강구하여 수행할 수 있음은 물론이다.
이하 본 발명의 일 예에 따른 고상 흡착관(310) 및 이를 포함하는 오존생성부(300)을 상세히 설명한다.
종래의 오존 생성 장치는 공기가 장치의 내부 또는 내측으로 유입되어, 장치의 내부 또는 내측에서 방전 영역을 형성하는 구조를 가졌다. 따라서 협소할 수밖에 없는 장치의 내부 또는 내측에서 공기가 분해되는 반응을 거쳐 오존이 생성됨에 따라, 방전 효율이 높더라도 그에 필요한 만큼의 양의 공기가 지속적으로 유입되기가 어려워 오존 생성 효율이 저하되는 문제가 있었다. 따라서 별도의 유체 가속 장치 등이 더 구비되어야 하고 이에 따른 에너지가 더 소요되므로, 비용의 증가는 물론 시설 부피 및 중량이 증가하는 문제가 있었다.
또한 전압을 인가하는 특성상 장치에 발열이 필연적으로 발생하게 되며, 장치의 내부 또는 내측으로 방전 영역이 형성되므로, 방열 효율이 떨어져 별도의 방열 장치 및 냉각 장치가 더 구비되어야 하는 문제가 있었다. 이 또한 비용의 증가는 물론 시설 부피 및 중량이 증가하는 문제를 일으킨다.
뿐만 아니라, 종래의 오존 생성 장치는 장치의 내부 또는 내측으로 공기가 유입되는 구조를 가짐에 따라, 공기 유제 역학적 흐름 특성 및 방열 특성이 현저히 떨어지는 한계가 있다.
하지만 본 발명에서는 휘발성 유기화합물의 분해 반응에 필요한 오존을 생성함에 따라 발생하는 열이 폐열로서 끝나지 않고, 이를 농축된 휘발성 유기화합물의 탈착의 에너지원으로 이용함으로써, 종래와 비교하여 낮은 에너지로도 현저히 높은 휘발성 유기화합물 분해 효율이 구현된다. 뿐만 아니라, 생성되는 방전 영역이 관의 외부 노출면 방향으로 형성되어 주변 공기의 흐름에 의해 산소가 자동 공급될 수 있음에 따라, 별도의 유체 가속 장치 없이도 공기 유입 속도가 높은 방전 효율에 따른 필요 공기 유량을 만족할 수 있는 효과가 있다. 아울러 방전 영역이 관 및 장치의 외부 및 외측에서 형성되므로, 별도의 방열 장치 없이도 주위의 자유 공기 흐름에 의해 방열 특성이 우수하여, 흡착을 위한 냉각 속도도 빠르므로, 휘발성 유기화합물의 농축 및 탈착을 위한 온도 제어 시 별도의 에너지 인가 없이도 온도 변화를 신속히 할 수 있는 효과가 있다.
이하 본 발명에 따른 고상 흡착관(310) 및 이를 포함하는 오존 생성 장치를 상세히 설명한다.
본 명세서에서 언급되는 ‘공기’는 산소를 포함하는 혼합 기체로서 사전적 의미를 가지나, 오존의 생성을 위한 원료를 의미하는 것으로서 해석될 수 있으므로, ‘공기’는 방전에 의해 오존을 생성할 수 있는 기체(산소 등) 또는 이를 포함하는 혼합 기체로서 해석될 수 있다.
본 발명에 따른 고상 흡착관(310)은, 전원의 일단과 연결되는 제1전극(910); 상기 전원의 타단에 연결되고, 망목 구조를 갖는 제2전극(920); 상기 제1전극(910)과 상기 제2전극(920) 사이에 형성되는 유전체(920); 및 상기 전극에 전압이 인가될 시, 상기 유전체(920)에서 상기 제2전극(920) 방향으로 형성되는 방전 영역;을 포함한다. 이때 주변 공기의 흐름에 의해 상기 방전 영역에 공기가 공급되어 오존이 생성될 수 있다.
바람직한 일 예에 있어서, 상기 제1전극(910), 상기 제2전극(920) 및/또는 상기 유전체(920)는 기둥 형상인 것이 좋다. 이때 상기 유전체(920)는 상기 제1전극(910)의 외주면에 형성될 수 있고, 상기 제2전극(920)은 상기 유전체(920)의 외주면에 형성될 수 있다. 이 경우, 상기 방전 영역은 상기 유전체(920)의 외주면측 및 상기 제2전극(920)의 외주면측으로 형성되게 된다. 이를 만족할 경우, 제1전극(910)이 판형의 경우와 비교하여 공기의 흐름에 대한 저항을 최소화 할 수 있어, 보다 높은 효율로 방전 영역에 공기가 유입되도록 유도될 수 있다. 유전체(920)는 제1전극(910)의 외주면의 전체에 형성될 수도 있고, 외주면의 일부 영역에 형성될 수도 있으므로, 제한되지 않으나, 방전 효율 측면에서 제1전극(910)의 외주면 전체에 형성되는 것이 바람직할 수 있다. 제2전극(920)은 유전체(920)의 외주면의 전체에 형성될 수도 있고, 외주면의 일부 영역에 형성될 수도 있으므로, 제한되지 않으나, 방전 효율 측면에서 유전체(920)의 외주면 전체에 형성되는 것이 바람직할 수 있다.
상기 기둥 형상의 단면 형태, 즉, 기둥 형상의 테두리 모양은 제한되지 않으며, 예컨대 원형, 타원형, n각형(n은 2 이상), 완곡도가 서로 다른 복수의 호가 서로 연결된 형태, 하나 이상의 선과 하나 이상의 호가 서로 연결된 형태 등의 다양한 것들을 들 수 있으나, 이에 제한되지 않음은 물론이다. 또한 상기 기둥 형상의 단면 형태는 일반적인 닫힌 모양이 아닌 열린 형태, 예를 들어 일단에서 타단 방향, 즉, 기둥 형상의 길이 방향으로 연속 또는 비연속한 홈이 형성될 수도 있음은 물론이다.
상기 제1전극(910)은 기둥 형상일 수 있으며, 이때 일단과 타단이 관통된 관형 형상일 수도 있고, 일단과 타단이 막히거나, 관형 형상과 같은 내부 공간이 없는 기둥 형상일 수 있다.
바람직한 일 예로, 상기 제1전극(910)이 기둥 형상일 경우, 일단과 타단이 관통된 관형 형상인 것이 좋다. 본 명세서에서 언급되는 ‘관형’은 기둥의 길이 방향으로 일단과 타단이 관통된 기둥 형태, 즉, 사전적 의미를 가지며, 이때 기둥의 단면, 즉, 기둥의 테두리 모양은 상기와 같이 제한되지 않는다. 이를 만족할 경우, 공기의 흐름 저항을 더 최소화할 수 있는 것은 물론, 주위 공기 흐름에 의한 공랭을 더 유도하여 방열 특성이 보다 향상될 수 있다.
또한 상기 제1전극(910)이 일단과 타단이 폐쇄된 상태이거나, 관형 형상과 같은 내부 공간이 애초에 없는 기둥 형상일 경우에, 관의 외측으로 노출되는 방전 영역으로 주위 공기 흐름을 보다 원활히 할 수 있어 오존 생성 효율을 더 높일 수 있다.
바람직한 일 예에 있어서, 상기 유전체(920)는 알루미늄계 다공성 양극산화막인 것이 좋다. 이를 만족할 경우, 유전체(920)의 유전상수 및 유전율이 높아 방전 효율이 보다 향상된다. 구체적으로, 상기 유전체(920)는 유전상수가 20 내지 70일 수 있다. 하지만 이는 바람직한 일 예로서 설명된 것일 뿐, 본 발명이 이에 제한되지 않음은 물론이다.
따라서 상기 제1전극(910)은 알루미늄 금속으로 형성되는 것이 좋다. 제1전극(910)이 알루미늄 금속일 경우, 제1전극(910)인 알루미늄 금속의 표면부를 유전체(920)인 알루미늄계 다공성 양극산화막으로 전환할 수 있으므로, 제1전극(910)과 유전체(920) 간의 계면 결합력을 극대화할 수 있을 뿐만 아니라, 제1전극(910)의 외측에 형성되는 유전체(920)를 알루미늄계 다공성 양극산화막으로 쉽게 제조할 수 있다.
즉, 보다 바람직한 일 예에 있어서, 상기 유전체(920)는 알루미늄 금속인 상기 제1전극(910)의 표면부(외주면부)가 양극산화되어 형성되는 알루미늄계 다공성 양극산화막인 것이 좋다.
알루미늄계 다공성 양극산화막(Porous anodic oxide film, PAOF)은 금속의 표면 처리 기술 중 하나인 양극산화 기술(Anodization)에 해당하며, 이를 이용하여 금속 표면에 다양하고 규칙적인 나노구조를 형성할 수 있다. 특히 본 발명의 일 예에 따른 고상 흡착관(310)의 제1전극(910)이 알루미늄 금속일 경우, 전술한 바와 같이, 알루미늄 금속의 표면부에 형성되는 알루미늄계 다공성 양극산화막이 유전체(920)로 작용하여 높은 효율로 오존을 생성할 수 있다.
상기 알루미늄계 다공성 양극산화막은 중심부가 빈 기둥(통상 6각 기둥) 형태의 관들이 촘촘히 모인 벌집 구조를 이루는 다공 구조를 가진다. 유전체(920)인 알루미늄계 다공성 양극산화막은 제1전극(910)과 접하여 존재하므로 이 사이에 별도의 이격 공간은 없고, 상기 유전체(920)와 제2전극(920) 사이에 이격 공간 없을 수 있더라도, 상기 양극산화막이 다공 구조를 가짐에 따라 오존이 생성되는 방전 영역이 유전체(920)의 외측 및 상기 제2전극(920)의 외측으로 관의 외부 노출면 방향으로 형성이 가능하도록 한다. 따라서 제1전극(910)과 유전체(920)와의 이격거리가 존재하지 않고 제2전극(920)과 유전체(920)와의 이격거리가 존재하지 않을 수 있더라도 방전 효율에 전혀 문제가 되지 않는다. 따라서 관 및 장치의 단위 부피당 오존 생성량을 더 증대시킬 수 있는 것은 물론, 특히 관 및 장치의 외부 노출면으로 방전 영역이 형성되도록 할 수 있다. 이러한 구조에 의해 종래에서 방전 영역을 장치의 외부로 할 수 없었던 문제의 극복이 가능한 특징이 있다.
상기 알루미늄계 다공성 양극산화막의 빈 기둥 형태의 관의 직경은 크게 제한되지 않으나, 50 내지 300 ㎚일 수 있다. 상기 관의 중심부의 세공의 직경은 크게 제한되지 않으나 상기 관의 직경이 1/3 내지 1/2일 수 있다. 상기 관의 높이(양극산화막의 두께)와 상기 세공 직경의 비는 약 500 내지 1,500일 수 있다. 그러나 이러한 수치는 알루미늄계 다공성 양극산화막의 제조 방법, 구체적으로 상기 제조 방법에서 후술하는 용액의 조성, 온도, 전압 등의 변수에 따라 제어할 수 있으므로, 이에 본 발명이 제한되지 않음은 물론이다. 구체적인 일 예로, 묽은 황산을 포함하는 양극산화용 용액에서 성장한 20 내지 50 ㎛ 두께의 알루미늄계 다공성 양극산화막의 경우 세공의 직경은 20 ㎚ 일 수 있다.
상기 알루미늄계 다공성 양극산화막은 공지된 양극산화 기술을 이용하면 무방하므로, 그 제조 방법에 제한을 두지 않으며, 이의 구체적인 방법을 이후에 후술한다.
본 발명에서 유전체(920)가 알루미늄계 다공성 양극산화막일 경우, 그 두께를 nm 단위로 제조할 수 있음에도 단위 부피당 두께가 균일하도록 제조할 수 있다. 뿐만 아니라, 제1전극(910)이 알루미늄 금속일 경우에 제1전극(910) 및 유전체(920) 간 계면의 치밀성을 극단적으로 확보할 수 있으므로, 내마모성, 내충격성 등의 기계적 강도 및 화학 안정성이 우수한 효과가 있다. 따라서 두께를 nm 단위로 매우 작게 하여 방전 효율을 증가시킬 수 있음에도 지속적으로 오존을 생성할 수 있는 구조 안정성을 유지할 수 있다. 이때 상기 유전체(920)가 nm 단위로 한정되지 않음은 물론이다.
상기 유전체(920)가 알루미늄계 다공성 양극산화막이면서 상기 제1전극(910)이 일단과 타단이 관통된 관형 형상의 알루미늄 금속일 때, 제조 방법 관점에서, 제1전극(910)의 일단과 타단을 폐쇄한 후 이를 양극산화 용액에 침지하고 양극산화할 경우, 제1전극(910)의 내면의 표면부가 알루미늄계 다공성 양극산화막으로 전환되는 것을 방지하므로, 제1전극(910)의 내면을 알루미늄 금속 상태로서 유지할 수 있다. 이후 제1전극(910)의 일단과 타단을 개방함으로써, 제1전극(910)의 내면인 알루미늄 금속에 쉽게 전압을 인가할 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 유전체(920)의 평균 두께는 크게 제한되지 않지만, 예컨대 0.3 내지 5 ㎛, 구체적으로 0.5 내지 3 ㎛인 것이 적절한 기계적 강도 및 방전 효율 측면에서 좋을 수 있다. 구체적인 일 실시예로 유전체(920)의 평균 두께는 1.2 ㎛일 수 있다. 하지만 이는 바람직한 일 예로서 설명된 것일 뿐, 본 발명이 이에 제한되지 않음은 물론이다.
상기 제2전극(920)은 상기 유전체(920)의 외측에 형성되면 무방하며, 일 예로 유전체(920)의 외측을 감싸 형성될 수 있다. 바람직한 일 예로, 상기 제1전극(910)이 기둥 형상일 경우에, 상기 유전체(920) 또한 기둥 형상으로 제1전극(910)의 외주면부에 형성되므로, 제2전극(920)은 유전체(920)의 외주면을 감싸 형성될 수 있다.
상기 제2전극(920)의 형상은 일반적으로 알려진 그물 형상, 네트워크 형상을 의미하며, 구체적으로 제2전극(920)은 전도성 재질의 선 및 상기 선들의 교차에 의해 형성되는 망목을 포함하는 망목 구조의 망형 전극일 수 있다. 여기서 ‘망목’은 폭이 존재하는 선과 선이 서로 교차하여 상기 선을 테두리로 함과 동시에 상기 선의 폭을 측벽으로 하여 형성되는 홈을 의미한다. 망목의 장폭은 전극에 인가되는 전압, 요구 오존 생성량 등에 따라 적절히 조절될 수 있으므로 크게 제한되지 않으나, 예컨대 0.05 내지 5 mm, 구체적으로 0.1 내지 5 mm를 들 수 있다. 상기 제2전극(920)이 이러한 망목 구조를 가질 경우, 오존이 생성되는 방전 영역이 유전체(920)의 표면의 외측, 유전체(920)와 제2전극(920) 사이 또는 제2전극(920)의 망목을 포함함으로써, 공기 흐름 저항을 최소화할 수 있고, 방열 특성을 보다 향상시킬 수 있으며, 결과적으로 방전 영역을 관 및 장치의 외측으로 형성되도록 하는 구조를 가질 수 있도록 한다.
또한 상기 제2전극(920)은 유전체(920)와 접하여 존재할 수도 있지만, 이격하여 존재할 수도 있고, 일부분이 접하고 일부분이 이격하여 존재할 수도 있다. 이때 제2전극(920)과 유전체(920)가 이격할 경우에 이 이격공간의 폭은 0.1 내지 3 mm, 구체적으로 0.18 내지 1.7 mm일 수 있다. 하지만 이는 바람직한 일 예로서 설명된 것일 뿐, 본 발명이 이에 제한되지 않음은 물론이다.
상기 제2전극(920)의 재질은 전기가 잘 통하는 전도성 물질이라면 무방하고, 예를 들어, 구리, 철, 크롬, 니켈 또는 이들의 합금(스테인리스 등) 등에서 선택될 수 있으며, 부식에 강한 스테인리스인 것이 바람직할 수 있다. 하지만 이는 바람직한 일 예로서 설명된 것일 뿐, 본 발명이 이에 제한되지 않음은 물론이다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 전원은 다양한 교류 전원이 사용될 수 있으나, 효율 측면에서 0.45 내지 1.2 kV 사이의 전압을 가지는 교류 전원일 수 있으며, 1,000 내지 20,000 Hz 사이의 주파수를 가질 수 있다. 하지만 이는 바람직한 일 예로서 설명된 것일 뿐, 본 발명이 이에 제한되지 않음은 물론이다.
종래 오존 생성 장치는 전술한 다양한 문제들로 인해 6 내지 15 kV 사이의 고전압의 전원이 사용될 수밖에 없었으나, 전술한 구조를 만족할 경우, 바람직한 일 예로, 상기 제1전극(910)이 기둥 형상의 알루미늄 금속으로 형성되고, 상기 유전체(920)가 상기 제1전극(910)의 외주면에 형성되며, 상기 제2전극(920)이 상기 유전체(920)의 외주면에 형성되고, 상기 유전체(920)가 알루미늄계 다공성 양극산화막일 경우, 0.45 내지 1.2 kV 사이의 저전압의 전원이 사용될 수 있음에도 요구되는 오존 생성 효율을 만족할 수 있다. 따라서 고전압의 경우와 비교하여 고주파 전원 공급 장치의 최대 전압 사양, 사이즈, 규격, 중량, 부피 및 가격을 현저히 감소시킬 수 있어, 유지, 보수, 설비 등에 필요한 비용을 최소화할 수 있는 효과가 있다. 여기서 요구되는 오존 생성 효율이라 함은 현실적으로 대량화하여 장치를 구동하여 이익을 실현할 수 있는 통상의 정도를 의미한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 고상 흡착관(310) 및 이를 포함하는 오존 생성 장치는 전술한 특징적 구성을 가짐에 따라, 주변 공기의 흐름에 의해 냉각될 수 있는 자유 공랭 방식을 채택할 수 있으며, 인가되는 전원 또한 저전압임에 따라 고상 흡착제에 대한 휘발성 유기화합물의 흡착/탈착의 제어가 용이한 효과가 있다.
본 발명에 따른 고상 흡착관(310)은 연통된 하나이 관으로서 직선 또는 곡선 등 다양한 형태로서 단독으로 사용될 수도 있지만, 다수가 직렬 또는 병렬로 배치되어 사용될 수도 있다. 따라서 대량화 및 상용화에 유리한 이점이 있다. 특히 협소한 공간에 고상 흡착관(310)을 다수 배치하더라도, 각 관들의 방열 특성이 우수하고 관과 관 사이의 공간에서 방전 영역이 형성되므로, 이를 통해 자유롭게 공기가 흐름으로써 높은 방열 효과 및 높은 방전 효율을 기대할 수 있다. 구체적인 일 예로, 고상 흡착관(310)을 다수 이격 배치할 수 있으며, 이때 상기 관의 길이방향을 기준으로 이들을 2차원적으로 병렬 배치할 수 있으며, 3차원적으로 적층하여 배치할 수도 있다. 또한 이러한 배치 구조를 가지면서 각 관들이 서로 연통된 연결된 구조를 가질 수 있다. 관의 배치 시 별도의 지지부재 위에 다수의 상기 관들을 고정할 수 있으며, 다수의 지지부재를 높이 방향으로 이격하여 위치시킨 후 이들 위에 상기 관들을 배열하여 고정할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 오존 생성 장치는 상기 전원을 공급하는 전원 공급 장치를 더 포함할 수 있다. 하지만 이 외에 고상 흡착관(310)을 구동하기 위하여 필요한 것들은 기 공지된 것들이므로, 상기 관을 포함하는 오존 생성 장치에 이들이 더 포함될 수 있으며, 이는 공지된 문헌을 참고하면 된다.
오존 생성을 위한 구체적 방법은 종래의 오존 생성 장치의 사용 방법을 이용할 수 있으나, 0.45 내지 1.2 kV 사이의 저전압의 전원으로 구동 가능한 점에서 우수할 수 있다. 또한 사용되는 교류 전원의 주파수는 크게 제한되는 것은 아니나, 1,000 내지 20,000 Hz일 수 있다. 따라서 종래와 같이 고주파수의 교류 전원을 이용하기 위해서 전압 사양, 중량, 크기 및 가격이 매우 높은 고주파 전원 공급 장치가 사용되는 문제를 해결할 수 있어, 비용 감소, 대량화 및 상용화가 용이하다.
앞서 설명한 바와 같이, 상기 유전체(920)가 알루미늄계 다공성 양극산화막이면서 상기 제1전극(910)이 관형 형상의 알루미늄 금속일 경우에, 제1전극(910)의 내주면이 알루미늄 금속이면서, 제1전극(910)의 외주면이 알루미늄계 다공성 양극산화막이 되도록 쉽게 제조할 수 있으며, 이의 구체적 방법은 다음과 같다.
바람직한 본 발명의 일 예에 따른 고상 흡착관(310)의 제조 방법은, a) 관형의 알루미늄 제1전극(910)의 일단 및 타단의 개구부를 폐쇄하는 단계, b) 개구부가 폐쇄된 관형의 알루미늄 제1전극(910)을 양극산화 용액에 침지하고 양극산화하여 상기 제1전극(910)의 외주면부를 알루미늄계 다공성 양극산화막으로 전환하여 제1전극-양극산화막 복합체를 제조하는 단계 및 c) 상기 제1전극-양극산화막 복합체의 외주면의 적어도 일부와 관형의 제2전극(920)의 내주면의 적어도 일부가 접하도록 결합하는 단계를 포함할 수 있다. 이때 상기 관형의 제2전극(920)은 상기 제1전극-양극산화막 복합체의 외주면을 덮도록 하는 금속선이 교차 형성된 망형 구조를 가지는 망상 전극일 수 있다. 상기 고상 흡착관(310)은 개구부가 페쇄된 상태에서 사용될 수도 있지만, 전술한 바와 같이 개방된 상태에서도 사용될 수 있으므로, d) 상기 b) 단계와 상기 c) 단계 사이 또는 상기 c) 단계 이후에, 상기 관형의 알루미늄 제1전극(910)의 일단 및 타단의 개구부를 개방하는 단계를 더 거칠 수 있다.
상기 a) 단계에서 관형의 제1전극(910)의 개구부를 폐쇄하는 구체적 방법은, 용액이 상기 개구부를 통해 제1전극(910)의 내부로 흐르지 않을 정도로 개폐 수단을 이용하여 폐쇄하는 방법이라면 무방하며, 구체적인 일 예로 플라스틱, 고무 등의 재질의 마개를 이용하여 제1전극(910)의 개구부를 폐쇄할 수 있다.
상기 b) 단계의 양극산화 방법은, 구체적인 일 예로서 다음과 같으나 이에 본 발명이 제한되지 않음은 물론이다. 구체적인 일 실시예에 따르면, 0.1~5M H2SO4 등의 양극산화 용액에 알루미늄 금속을 침지하고 아르곤 등의 비활성 분위기에서 양극산화하며, 상기 용액은 기준전극과 보조전극을 각각 칸막이로 세 부분으로 구획될 수 있다. 이때 기준전극으로 포화 Ag, AgCl 등이 사용될 수 있고 보조전극으로 Pt 등이 사용될 수 있다. 양극산화 시간 및 전압은 양극산화막의 요구 두께를 만족할 정도로 적절히 조절될 수 있다. 상기 용액의 조성, 조성비, pH, 온도, 전압 등의 변수는 기 공지된 알루미늄 금속의 양극 산화 방법을 참고하면 되며, 금속 표면 처리 분야에서 알루미늄 금속을 양극산화하여 양극산화막을 형성하는 방법은 널리 알려진 기술에 해당하므로, 이를 사용해도 무방하다.
상기 흡착관(200, 310)은 일반적인 관 형태인 직선 형태를 가지는 것이 기본 단위일 수 있으며, 설비 공간, 에너지 효율, 발열 효율 등을 고려하여 곡선 형태를 가지거나 곡선 형태를 가지는 부분을 포함할 수 있음은 물론이다.
상기 흡착관(200, 310)의 총 길이 및 내경은 휘발성 유기화합물의 처리 규모에 따라 적절히 조절될 수 있으므로 크게 제한되는 것은 아니며, 각각 1 내지 100 m 및 100 mm 내지 10 m를 예로 들 수 있다. 하지만 이는 일 예로서 설명된 것일 뿐, 본 발명이 이에 제한되지 않는다.
상기 흡착관(200, 310)의 재질은 고분자, 유리, 세라믹, 금속 등 유체가 내부에 흐를 수 있도록 구조 안정성을 유지할 수 있는 것일 수 있으며, 고상 흡착관(310)의 경우는 전술한 전극을 포함하는 것이 바람직하다.
바람직한 예로, 상기 고상 흡착관(310) 또는 액상 흡착관(200)은, 상기 제1전극의 내부에 고정되고 상기 고상 흡착관의 길이방향의 중심축(C)부에 형성되며, 상기 고상 흡착관의 내주면과 대향하여 판이 형성되되 상기 판이 상기 중심축(C) 방향을 기준으로 비틀어진 형태를 가지는 다수의 교반 단위체가 서로 결합되는 고정형 선회부를 포함할 수 있으며, 상기 교반 단위체는 고상 흡착제이거나 상기 판의 일면에 고상 흡착제가 코팅된 것일 수 있다. 이러한 구조를 가지는 흡착관은 낮은 에너지로도 고상 흡착제에 휘발성 유기화합물을 높은 효율로 흡착시킬 수 있다.
이하, 본 발명의 일 예에 따른 고상 흡착관 내부(311) 또는 액상 흡착관(200) 내부을 상세히 설명한다.
상기 흡착관(200, 310)의 내부는 액상매질 및 휘발성 유기화합물 등에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 유체가 일단에서 타단으로 유입되도록 유로가 형성된 것일 수 있다. 즉, 상기 흡착관(200, 310)의 구조는 관형으로서 도 3, 도 4에 도시된 바와 같이, 내부에 유로 공간이 길이방향으로 형성된 것이면 무방하다.
바람직한 일 예로, 상기 흡착관 내부에 고정형 선회부(940)가 구비될 수 있다. 상세하게, 상기 고정형 선회부(940)는 상기 흡착관(200, 310)의 내부에 고정되고 흡착관(200, 310)의 길이방향의 중심축(C)부에 형성되며, 흡착관(200, 310)의 내주면과 대향하여 판이 형성되되 상기 판이 상기 중심축(C) 방향을 기준으로 비틀어진 형태인 다수의 교반 단위체가 서로 결합된 것일 수 있다. 이를 만족할 경우, 유체가 상기 고정형 선회부(940)에 접촉 및 충돌함으로써, 고정형 선회부(940)에 인접하는 유체가 다양한 방향으로 와류를 형성함에 따라, 낮은 에너지로도 휘발성 유기화합물을 높은 효율로 흡착/흡수할 수 있다.
구체적인 일 예로, 도 4에서와 같이, 제1 교반 단위체(941)와 제2 교반 단위체(942)가 서로 결합되어 있으며, 제1 교반 단위체(941) 및 제2 교반 단위체(942)는 서로 동일하거나, 또는 거울상일 수 있다. 제1 교반 단위체(941)와 제2 교반 단위체(942)가 서로 거울상으로서 결합되어 있을 경우, 와류의 형성을 더 증가시킬 수 있다.
또한 교반 단위체 다수가 서로 결합된 구조를 가짐에 따라, 구체적으로, 교반 단위체간 결합된 접합부의 각 측단들이 서로 소정 각도로서 결합될 수 있음에 따라, 상기 흡착관(200, 310)이 곡선 형태를 취하더라도 저항 등에 의한 휘발성 유기화합물의 흡착이 저해되는 문제를 최소화할 수 있다. 구체적인 일 예로, 서로 결합되는 교반 단위체의 일측단들은 60 내지 120도로 교차하여 접합될 수 있으나, 이는 일 예로서 설명된 것일 뿐, 본 발명이 이에 반드시 제한되어 해석되는 것은 아니다.
아울러 교반 단위체 다수가 서로 결합된 구조를 가져 적절한 수로 결합될 수 있음에 따라, 흡착관(200, 310) 및 고정형 선회부(940)를 포함하는 흡착관(200, 310)의 길이 조절이 용이한 효과가 있다.
상기 고정형 선회부(940)는 도 4에 도시된 바와 같이, 서로 인접하는 교반 단위체들의 일측단이 서로 접하여 결합되되, 접합부가 상기 흡착관(200, 310)의 중심축(C)부에 대응될 수 있다. 이를 만족할 경우, 유체가 흡착관(200, 310)의 중심축(C)부와 멀어져 위치하는, 즉, 유체가 흡착관(200, 310)의 내면 방향에 근접하여 위치함에 따라 고정형 선회부(940)에 의해 형성되는 와류의 세기가 감소하는 문제를 최소화할 수 있다.
상기 고정형 선회부(940)에서, 교반 단위체의 판은 상기 흡착관(200, 310)의 길이방향의 중심축(C) 방향을 기준으로 150 내지 210도로 비틀어진 형태를 예로 들 수 있다. 이러한 비틀어진 판의 교반 단위체를 다수 포함하는 구조의 예로, 스테틱 믹서(Static mixer)의 일 종류를 들 수 있다.
상기 판을 포함하는 교반 단위체는 고상 흡착제이거나 상기 판의 일면에 고상 흡착제가 코팅된 것일 수 있는데, 코팅 두께, 코팅 구조(1종 또는 2종 이상이 혼합 또는 복합된 것 등) 규격 등의 구체적 수단이 제한되지 않음은 물론이다.
전술한 바와 같이, 액상 흡착관에서, 서로 다른 종류의 유체들간 접촉 확률 및 접촉 면적을 증가시키는 역할을 가짐에 따라, 액상매질에 따른 휘발성 유기화합물의 용해도가 낮은 경우일지라도 더 많은 함량으로 휘발성 유기화합물이 액상매질로 흡수(용해)되도록 할 수 있다. 또한 고상 흡착관에서, 교반 단위체가 휘발성 유기화합물을 흡착할 수 있는 고상 흡착제 역할과 함께 서로 다른 종류의 유체들간 접촉 확률 및 접촉 면적을 증가시키는 역할을 가짐에 따라, 낮은 에너지로도 높은 효율로 휘발성 유기화합물을 고상 흡착제에 흡착시킬 수 있다.
상기 산화반응부(500)에서, 유입부(510), 분사부(520) 및 자외선 조사부(530)의 구체적 위치는 적절히 조절될 수 있는 사항이나, 도 2에 도시된 바와 같이, 반응 효율 향상 측면에서 유입부(510)는 분사부(520)의 상측 또는 자외선 조사부(530)의 상측에 위치하는 것이 바람직할 수 있으며, 분사부(520)는 자외선 조사부(530)의 상측에 위치하는 것이 좋을 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 액상 흡착관의 액상매질은 물을 포함하고, 상기 액상 흡착관은 제1 액상 흡착관(210)이며, 상기 휘발성 유기화합물 분해 장치는, 상기 산화반응부(500)로부터 배출되는 휘발성 유기화합물이 유입되는 제2 액상 흡착관(220);을 더 포함하며, 상기 제2 액상 흡착관(220)은, 내부에 고비점 탄화수소를 포함하는 액상매질이 수용되고, 유입되는 휘발성 유기화합물이 상기 액상매질에 접촉되어 흡수되는 것일 수 있다. 상기 휘발성 유기화합물은 복합 가스일 수 있으며, 알코올계 화합물 등의 친수성(수용성) 휘발성 유기화합물도 포함할 수 있지만, 벤젠, 톨루엔 등의 방향족 화합물 등의 소수성 휘발성 유기화합물 등 다양한 종류의 혼합 유기화합물일 수 있다. 따라서 친수성 휘발성 유기화합물은 주로 제1 액상 흡착관(210)을 통해 액상매질에 흡수된 후 산화반응부(500)로 이송되어 처리되며, 미흡수된 친수성 휘발성 유기화합물과 소수성 휘발성 유기화합물은 고상 흡착관을 통해 흡착 및 농축된 후 산화반응부(500)로 이송되어 처리된다. 이때 산화반응부(500)에서, 친수성 휘발성 유기화합물이 흡수된 액상매질이 비표면적이 높은 형태로 분사됨으로써 자외선 및 오존에 의한 분해 효율이 향상된다. 또한 제1 액상 흡착관(210)을 거침에 따라 상대적으로 휘발성 유기화합물의 농도가 낮은 유체는 고상 흡착관을 통해 농축된 상태로 산화반응부(500)에 유입됨으로써, 산화반응부(500)에서의 휘발성 유기화합물의 분해반응을 극대화할 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 액상 흡착관 또는 상기 고상 흡착관은 휘발성 유기화합물이 유입되는 일단부와 휘발성 유기화합물이 배출되는 타단부가 서로 연통되어 액상매질이 순환되는 구조를 가질 수 있다. 이를 통해 액상매질의 사용 기간을 향상시킬 수 있는 것은 물론, 휘발성 유기화합물의 흡수 효율도 높은 수준으로 유지할 수 있다.
본 발명의 일 예에 따른 상기 휘발성 유기화합물 분해 장치는, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 제2 액상 흡착관(220)으로부터 휘발성 유기화합물이 배출되는 제2 기상 배출부; 상기 제2 액상 흡착관(220)으로부터 액상매질이 배출되는 제2 액상 배출부; 및 제2 기체 연소부(700);를 더 포함할 수 있다. 이때 상기 제2 기체 연소부(700)는, 상기 제2 기상 배출부로부터 휘발성 유기화합물을 포함하는 기체가 유입되어 열산화될 수 있다. 상기 열산화는 열소각(Thermal Oxidation, TO), 촉매산화(촉매연소)(Catalytic Oxidation, CO), 축열식 열소각(Regenerative Thermal Oxidation, RTO), 축열식 촉매산화(Regenerative Catalytic Oxidation, RCO), 무화염열산화(Flameless Thermal Oxidation, FTO) 등을 들 수 있다. 열산화를 통해 산화반응부(500)에서 미처 분해되지 못했거나, 덜 분해되었거나, 더 분해되어야할 화합물을 분해할 수 있으며, 주로 소수성 유기화합물이 주로 이에 해당될 수 있다.
상기 열산화 시 온도는 열산화의 구체적 수단에 따라 달라질 수 있으므로 그 온도에 제한을 두는 것은 아니나, 예를 들면 300 내지 1,000℃를 들 수 있다. 구체적으로, 촉매가 사용될 경우 그 온도는 더 낮아질 수 있고, 휘발성 유기화합합물의 농도 및 종류에 따라 그 온도가 더 증가될 수 있는 부분이므로 적절히 조절될 수 있는 부분이므로, 크게 제한되지 않는다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 제2 기체 연소부(700)는, 상기 기체가 연소되어 분해되는 열산화부; 상기 열산화부로 유입되는 기체 내 휘발성 유기화합물의 농도를 측정하는 열산화 센서부; 및 상기 열산화 센서부에서 측정된 값과 기 설정된 값을 비교하여 상기 열산화부의 연소의 유무를 결정하는 열산화 제어부;를 포함할 수 있다. 이를 통해 적합한 농도 및 함량의 휘발성 유기화합물 및/또는 이를 포함하는 액상매질을 열산화할 수 있음에 따라 소모되는 에너지를 최소화할 수 있다. 열산화 시 액상매질이 함께 유입될 수도 안 될 수도 있으며, 액상매질에 흡수된 휘발성 유기화합물의 농도, 상태 등에 따라 적절히 조절될 수 있다.
또한 상술한 열산화 기술은 제1 기체 연소부(700)에도 적용될 수 있다. 본 발명의 일 예에 있어서, 상기 제1 기체 연소부(700)는, 상기 제1 기상 배출부로부터 휘발성 유기화합물을 포함하는 기체가 유입되며, 상기 기체가 연소되어 분해되는 열산화부; 상기 열산화부로 유입되는 기체 내 휘발성 유기화합물의 농도를 측정하는 열산화 센서부; 및 상기 열산화 센서부에서 측정된 값과 기 설정된 값을 비교하여 상기 열산화부의 연소의 유무를 결정하는 열산화 제어부;를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 산화반응부(500)는, 상기 분사부(520) 하측에 위치하며 휘발성 유기화합물 또는 액상 매질 내 유기화합물을 흡착하는 촉매 흡착부(540)를 더 포함할 수 있다. 이를 통해 산화반응부(500)에서 오존 및 자외선의 접촉 면적 및 접촉 확률을 더 향상시킬 수 있어, 보다 많은 량을 보다 빠른 시간 내에 분해할 수 있다.
상기 촉매 흡착부(540) 또는 상기 고상 흡착제는 휘발성 유기화합물을 흡착할 수 있는 것이라면 무방하며, 예컨대 활성탄, 제올라이트 등에서 선택되는 어느 하나 이상의 흡착제일 수 있다. 구체적인 일 예로, 상기 활성탄은 분말활성탄(Pulverized Activated Carbon, PAC), 입상활성탄(Granular Activated Carbon, GAC), 섬유상활성탄(Activated Carbon Fiber, ACF) 또는 이들의 혼합 활성탄 등이 사용될 수 있다. 하지만 이는 구체적인 일 예로서 설명된 것일 뿐, 본 발명이 이에 제한되지 않는다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 촉매 흡착부(540)는 휘발성 유기화합물의 분해 반응을 촉진하기 위한 측면에서 광촉매가 도포, 담지 또는 함침된 흡착제가 사용될 수 있다. 구체적인 일 예로, 상기 광촉매는 티타늄, 텅스텐, 은, 아연, 주석, 철, 백금, 팔라듐, 몰리브덴, 붕소, 니오븀, 이들의 산화물 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상을 포함할 수 있다. 하지만 이는 구체적인 일 예로서 설명된 것일 뿐, 본 발명이 이에 제한되지 않음은 물론이다.
본 명세서에서 언급되는 흡착제의 두께, 규격, 구성 등의 구체적 조건은 적절히 조절될 수 있으며, 예를 들어 흡착 촉매를 포함하는 단위 흡착부재가 다수 배열되거나, 다수 이격 배열된 것일 수도 있고, 단층 또는 다층의 연속적인 층을 가지는 것일 수도 있으며, 이는 공지된 문헌을 참고 가능하며 제한되지 않는다.
본 발명에 따른 휘발성 유기화합물 분해 장치는, 상기 전기분해부(600)로부터 휘발성 유기화합물이 배출되는 제1 기상 배출부; 상기 전기분해부(600)로부터 액상매질을 포함하는 용액이 배출되는 제1 액상 배출부; 및 제1 기체 연소부(700)를 더 포함할 수 있다. 이때 상기 제2 기체 연소부(700)는, 상기 제1 기상 배출부로부터 휘발성 유기화합물을 포함하는 기체가 유입되어 열산화될 수 있다. 상기 열산화는 열소각(Thermal Oxidation, TO), 촉매산화(촉매연소)(Catalytic Oxidation, CO), 축열식 열소각(Regenerative Thermal Oxidation, RTO), 축열식 촉매산화(Regenerative Catalytic Oxidation, RCO), 무화염열산화(Flameless Thermal Oxidation, FTO) 등을 들 수 있다. 열산화를 통해 산화반응부(500)에서 미처 분해되지 못했거나, 덜분해되었거나, 더 분해되어야할 화합물을 분해할 수 있으며, 주로 친수성 유기화합물이 주로 이에 해당될 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 액상 흡착관은, 액상 흡착관의 내부에 고정되고 액상 흡착관의 길이방향의 중심축부에 형성되며, 액상 흡착관의 내주면과 대향하여 판이 형성되되 상기 판이 상기 중심축 방향을 기준으로 비틀어진 형태를 가지는 다수의 교반 단위체가 서로 결합되는 고정형 선회부를 포함하며, 상기 액상 흡착관의 내부에서 상기 휘발성 유기화합물이 상기 액상매질에 흡수될 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 액상 흡착관은, 내부의 압력을 변화시켜 액상매질에 대한 휘발성 유기화합물의 용해도를 제어하는 압력 조절부를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 휘발성 유기화합물 분해 장치는, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 산화반응부(500)로부터 배출되는 액상매질을 상기 액상 흡착관의 액상매질로 순환시키는 순환부(800)(800)를 더 포함할 수 있다. 이를 통해, 휘발성 유기화합물 처리량 대비 분해 장치 전체에 사용되는 액상매질의 사용량을 최소화할 수 있으며, 액상매질의 사용 기간을 향상시킬 수 있다.
본 발명에서 처리 대상인 휘발성 유기화합물은 다양한 시설에서 배출되는 것으로서 크게 제한하는 것은 아니며, 예컨대 배기가스, 폐수로부터 유래된 것일 수 있다.
본 발명의 일 예에 따른 휘발성 유기화합물 분해 장치는, 폐수로부터 유래되는 휘발성 유기화합물이 포집되는 포집부(100)를 더 포함할 수 있으며, 상기 액상 흡착관으로 유입되는 휘발성 유기화합물은 상기 폐수 내 유기화합물이 방출되는 휘발성 유기화합물일 수 있다.
본 발명의 일 예에 따른 휘발성 유기화합물 분해 장치는, 상기 전기분해부(600)에서 배출되는 배출물과 접촉하여 잔류 유기물질 또는 중금속물질을 흡착하여 제거하는 흡착제가 구비되는 잔류물질 제거부를 더 포함할 수 있다. 전술한 구조 및 수단을 통해서도 분해되지 않는 잔류 유기물질이 발생할 수 있으며, 중금속물질 등의 분해가 불가한 물질들이 존재할 수도 있다. 따라서 이러한 물질들은 흡착하여 제거하는 수단을 통해 최종적으로 제거될 수 있다. 이는 전술한 흡착제가 사용될 수도 있고, 공지된 중금속용 흡착제가 사용될 수도 있으며, 이 경우, 사용 기간에 맞춰 적절히 교체해주는 수단을 통해 지속적으로 상기 잔류 유기물 물질 또는 중금속물질등의 처리 효율을 유지할 수 있다. 중금속용 흡착제의 일 예로, 다공성 기재 및 상기 다공성 기재 상에 결합된 금속입자를 포함하는 흡착제를 들 수 있다. 상기 다공성 기재는 기공을 갖는 것이라면 그 종류는 특별히 한정되지 않으며, 예컨대 다공성 탄소 섬유, 다공성 세라믹 섬유, 다공성 금속 섬유 및 다공성 폴리머 섬유 등을 들 수 있다. 상기 금속입자의 일 예로 니켈, 몰리브덴, 코발트, 철 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상을 포함하는 것을 들 수 있으나, 이에 제한되지 않음은 물론이다.
상기 전기분해부(600)는 휘발성 유기화합물을 전기분해하여 제거하는 통상의 알려진 방법이면 무방하며, 전술한 휘발성 유기화합물 분해용 전극을 이용하는 전술한 구조의 장치를 통해 전기분해에 소모되는 에너지를 최소화할 수 있고, 전극의 수명을 극대화할 수 있다. 구체적인 일 예로, 상기 전기전해부는 양극과 음극이 서로 대향하여 배치되고, 양극이 위치한 양극실과 음극이 위치한 음극실을 구획하는 격막으로 구성된 유격막 전해조를 포함할 수 있다. 상기 전해조에는 전해질이 수용되고, 상기 전해질은 상기 산화반응부(500)로부터 유입되는 액상매질을 포함할 수 있다. 이때 전기분해가 잘 수행될 수 있도록 다양한 첨가제가 추가될 수 있음은 물론이다. 또한 전기분해 운전 조건, 예를 들어, 전압, 온도, 분위기 등의 운전 조건도 기 공지된 문헌을 참고해도 무방하다. 바람직한 일 예로, 상기 운전 조건은, 전류밀도 5 내지 100 mA/cm2, 온도 5 내지 30℃, 액상매질의 체류시간 10 내지 200 분 등을 들 수 있다. 하지만 이는 바람직한 일 예로서 설명된 것일 뿐, 본 발명이 이에 반드시 제한되어 해석되는 것은 아니다.
본 발명은 상기 휘발성 유기화합물 분해 장치를 포함하는 대기 오염물질 배출 시설에서 배출되는 오염물질의 저감 시설을 제공할 수 있다.
이하 본 발명에 따른 휘발성 유기화합물 분해용 전극 및 이를 이용한 휘발성 유기화합물의 분해를 실시예를 통해 상세히 설명하나, 이들은 본 발명을 보다 상세하게 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 권리범위가 하기의 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
동일한 규격의 판형 티타늄 모재(1 mm ×45 mm × 65 mm) 3 개를 각각 Sample 1, 2 및 3으로 하여 표면 에칭하였다. 에칭 조건으로, 5M 황산(H2SO4) 수용액을 에칭용액으로 하여 80℃에서 30 분 동안 처리하였다. 그리고 에칭 전과 후의 중량, 표면조도를 측정하였으며, 이는 하기 표 1과 같다.
[표 1]
그리고 상기 에칭 처리된 티타늄 모재의 표면 상에 촉매층을 형성하였다. 구체적으로, 이리듐산화물(IrO2)을 이소프로필알코올에 용해한 코팅용액을 상기 에칭 처리된 티타늄 모재의 표면에 균일하게 분사하고 450℃에서 소성하는 과정을 5 회 반복하여 전극을 제조하였다. 이때 이리듐산화물의 로딩량이 3 mg/cm2가 되도록 하였다. 그리고 코팅된 촉매층의 두께를 측정하였으며, 이는 하기 표 2와 같다.
[표 2]
실시예 1에서, 판형 티타늄 모재 대신 매쉬형 티타늄 모재를 사용한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 전극을 제조하였다. 그리고 실시예 2에서 제조된 전극의 코팅층의 두께를 측정하였으며, 이는 하기 표 3과 같다.
[표 3]
[실험예 1]
실시예 1의 전극을 양극으로 하고 백금 전극을 음극으로 하여, 벤젠, 톨루엔 및 자일렌을 포함하는 폐수를 전기분해하였으며, 실험의 정확도를 위해 3 회 실시하였다. 이때, 전류밀도 25 mA/cm2, 폐수의 체류시간 1 시간, 전극 간격 5 mm의 운전조건으로 전기분해를 수행하였다.
그 결과, 도 5에 도시된 바와 같이, 폐수 내 벤젠은 88% 이상, 톨루엔은 95% 이상, 자일렌은 96% 이상 제거(Oxi.1~3)됨을 확인하였다. 따라서 폐수로부터 발생되는 복합유해물질(VOC, THC, 기타 악취 유발 물질)이 평균 93% 이상 제거됨을 확인하였다.
100 : 포집부, 200 : 액상 흡착관,
210 : 제1 액상 흡착관, 220 : 제2 액상 흡착관,
300 : 오존생성부, 310 : 고상 흡착관,
311 : 고상 흡착관 내부, 500 : 산화반응부,
510 : 유입부, 520 : 분사부,
530 : 자외선 조사부, 540 : 촉매 흡착부,
600 : 전기분해부, 700 : 기체 연소부,
800, 순환부, 910 : 제1전극,
920 : 유전체, 930 : 제2전극,
940 : 고정형 선회부, 941 : 제1 교반 단위체,
942 : 제2 교반 단위체
210 : 제1 액상 흡착관, 220 : 제2 액상 흡착관,
300 : 오존생성부, 310 : 고상 흡착관,
311 : 고상 흡착관 내부, 500 : 산화반응부,
510 : 유입부, 520 : 분사부,
530 : 자외선 조사부, 540 : 촉매 흡착부,
600 : 전기분해부, 700 : 기체 연소부,
800, 순환부, 910 : 제1전극,
920 : 유전체, 930 : 제2전극,
940 : 고정형 선회부, 941 : 제1 교반 단위체,
942 : 제2 교반 단위체
Claims (15)
- 휘발성 유기화합물이 액상매질에 접촉되어 흡수되는 액상 흡착관;
상기 액상 흡착관으로부터 액상매질에 흡수되지 않은 휘발성 유기화합물이 고상 흡착제에 접촉되어 흡착되는 고상 흡착관;
상기 고상 흡착관으로부터 휘발성 유기화합물이 유입되고, 상기 액상 흡착관으로부터 휘발성 유기화합물이 흡수된 액상매질이 유입되며, 자외선 및 오존에 의해 상기 휘발성 유기화합물이 분해되는 산화반응부; 및
상기 산화반응부로부터 유입되어 전기분해되는 전기분해부;를 포함하는 휘발성 유기화합물 분해 장치로서,
상기 전기분해는 에칭된 티타늄계 모재 및 상기 티타늄계 모재의 표면에 적층된 촉매층을 가지는 전극을 통해 수행되는 것을 특징으로 하며,
상기 촉매층은 Ru계, Rh계, Pd계, Pt계, Ti계, Sn계, Ir계 및 Ta계 산화물 중에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 금속 산화물을 포함하며,
상기 고상 흡착관은, 내부에 상기 고상 흡착제가 수용되는 관형의 제1전극; 상기 제1전극의 외주면에 형성되는 유전체; 및 상기 유전체의 외주면에 형성되는 망목 구조의 제2전극;을 포함하며,
상기 오존은 상기 제1전극 및 상기 제2전극에 전압이 인가되어 상기 고상 흡착관으로부터 생성되는 것이며,
상기 고상 흡착관은, 상기 제1전극의 내부에 고정되고 상기 고상 흡착관의 길이방향의 중심축부에 형성되며, 상기 고상 흡착관의 내주면과 대향하여 판이 형성되되 상기 판이 상기 중심축 방향을 기준으로 비틀어진 형태를 가지는 다수의 교반 단위체가 서로 결합되는 고정형 선회부를 포함하며,
상기 교반 단위체는 고상 흡착제이거나 상기 판의 일면에 고상 흡착제가 코팅된 것인 휘발성 유기화합물 분해 장치. - 제1항에 있어서,
상기 산화반응부는,
상기 고상 흡착관으로부터 휘발성 유기화합물이 유입되는 유입부;
상기 액상 흡착관으로부터 휘발성 유기화합물이 흡수된 액상매질이 분무되되, 상기 유입부로부터 배출되는 휘발성 유기화합물에 접촉하도록 분무되는 분사부; 및
상기 유입부로부터 배출되는 휘발성 유기화합물 또는 상기 분무되는 액상매질에 자외선을 조사하는 자외선 조사부;를 포함하는 휘발성 유기화합물 분해 장치. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 휘발성 유기화합물 분해 장치는, 내부에 상기 고상 흡착관이 구비되는 오존 생성부를 더 포함하며,
상기 오존 생성부의 내부에서 상기 고상 흡착관으로부터 생성되는 오존이 상기 산화반응부로 유입되는 휘발성 유기화합물 분해 장치. - 제1항에 있어서,
상기 제1전극은 알루미늄 금속을 포함하며,
상기 유전체는 상기 제1전극의 외주면부가 양극산화된 알루미늄계 다공성 양극산화막을 포함하는 휘발성 유기화합물 분해 장치. - 제4항에 있어서,
상기 휘발성 유기화합물 분해 장치는 오존 제어부를 더 포함하며,
상기 오존 제어부는,
상기 제1전극 및 상기 제2전극에 전압을 인가하여, 오존이 생성되도록 하고, 발열에 의해 고상 흡착제로부터 휘발성 유기화합물이 탈착되어 탈착된 휘발성 유기화합물이 상기 산화반응부로 유입되도록 하는 탈착모드; 및
상기 제1전극 및 상기 제2전극에 전압을 비인가하여, 오존이 생성되지 않도록 하고, 냉각에 의해 고상 흡착제에 휘발성 유기화합물이 흡착 및 농축되도록 하는 농축모드;를 포함하는 휘발성 유기화합물 분해 장치. - 삭제
- 제2항에 있어서,
상기 산화반응부에서, 상기 유입부는 상기 분사부의 상측 또는 상기 자외선 조사부의 상측에 위치하는 휘발성 유기화합물 분해 장치. - 제1항에 있어서,
상기 액상 흡착관의 액상매질은 물을 포함하고, 상기 액상 흡착관은 제1 액상 흡착관이며,
상기 휘발성 유기화합물 분해 장치는, 상기 산화반응부로부터 배출되는 휘발성 유기화합물이 유입되는 제2 액상 흡착관;을 더 포함하며,
상기 제2 액상 흡착관은, 내부에 고비점 탄화수소를 포함하는 액상매질이 수용되고, 유입되는 휘발성 유기화합물이 상기 액상매질에 접촉되어 흡수되는 휘발성 유기화합물 분해 장치. - 제1항에 있어서,
상기 액상 흡착관 또는 상기 고상 흡착관은 휘발성 유기화합물이 유입되는 일단부와 휘발성 유기화합물이 배출되는 타단부가 서로 연통되어 액상매질이 순환되는 구조를 가지는 휘발성 유기화합물 분해 장치. - 제2항에 있어서,
상기 산화반응부는, 상기 분사부 하측에 위치하며 휘발성 유기화합물 또는 액상 매질 내 유기화합물을 흡착하는 촉매흡착부를 더 포함하는 휘발성 유기화합물 분해 장치. - 제1항에 있어서,
상기 액상 흡착관은, 내부의 압력을 변화시켜 액상매질에 대한 휘발성 유기화합물의 용해도를 제어하는 압력 조절부를 포함하는 휘발성 유기화합물 분해 장치. - 제1항에 있어서,
상기 휘발성 유기화합물 분해 장치는, 상기 산화반응부로부터 배출되는 액상매질을 상기 액상 흡착관의 액상매질로 순환시키는 순환부를 더 포함하는 휘발성 유기화합물 분해 장치. - 제1항, 제2항, 제4항 내지 제6항, 제8항 내지 제13항 중 어느 한 항의 휘발성 유기화합물 분해 장치를 포함하는, 대기 오염물질 배출 시설에서 배출되는 오염물질의 저감 시설.
- 삭제
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| CN112870910A (zh) * | 2021-04-23 | 2021-06-01 | 山东大学 | 一种voc气体电吸附-催化降解装置及工艺 |
| CN113244768A (zh) * | 2021-04-27 | 2021-08-13 | 薛保生 | 一种工业废气净化用光氧废气处理设备 |
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