KR102047907B1

KR102047907B1 - 금속유기복합체를 이용한 미세먼지 저감장치

Info

Publication number: KR102047907B1
Application number: KR1020190106492A
Authority: KR
Inventors: 권오현; 김다영; 곽소율
Original assignee: 권오현; 김다영; 곽소율
Priority date: 2019-08-29
Filing date: 2019-08-29
Publication date: 2019-11-22

Abstract

개시된 내용은 금속유기복합체(Metal Organic Frameworks, MOF)를 이용하여 물을 수집하고, 생성된 물을 포집한 후 대기에 흩뿌림으로써, 미세먼지를 저감시키는 기술에 관한 것이다.
보다 상세하게는, 금속유기복합체를 포함하고, 터널 상부면에 설치되어 물을 흡수하는 수집부 및 상기 수집부의 하부에 이격되어 위치하고, 상기 수집부에 흡수된 물을 포집하여 저장하는 포집부를 포함하되, 상기 포집부는, 상기 수집부에 흡수된 물을 수용하는 패널부, 상기 패널부에 저장된 물의 양을 측정하는 측정부, 상기 패널부에 저장된 물을 지면으로 분사하는 분사부 및 상기 측정부에서 측정된 물의 양에 따라 분사부의 동작을 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속유기복합체를 이용한 미세먼지 저감장치를 일 실시 예로 제시한다.

Description

금속유기복합체를 이용한 미세먼지 저감장치{Apparatus for reducing fine dust using MOF}

개시된 내용은 금속유기복합체(Metal Organic Frameworks, MOF)를 이용하여 물을 수집하고, 생성된 물을 포집한 후 대기에 흩뿌림으로써, 미세먼지를 저감시키는 기술에 관한 것이다.

본 명세서에서 달리 표시되지 않는 한, 이 섹션에 설명되는 내용들은 이 출원의 청구항들에 대한 종래 기술이 아니며, 이 섹션에 포함된다고 하여 종래 기술이라고 인정되는 것은 아니다.

최근 국내에 미세먼지로 인한 호흡기 질환이 다수 발생하고 있다. 이에 미세먼지를 제거하기 위한 공기정화 장치 등 다수의 기술이 개발되고 있으나, 이는 실내 또는 밀폐된 장소에서 사용하기 위한 것으로써, 실외에서의 미세먼지를 정화하는 기술은 다소 부족한 것이 현실이다.

특히, 차량 또는 열차가 지나는 터널은 외부와 연결되어 있으나, 공기의 순환이 적어 미세먼지 등 공기 오염이 매우 심한 곳으로 알려져 있다. 터널 내부의 오염물질 중 가장 심각한 물질은 고농도의 미세먼지로 국내의 열차 터널 내부 공기는 열차가 운행하는 시간에 약 300~400㎛/㎥ 정도의 고농도 미세먼지가 존재한다. 이 고농도의 미세먼지는 열차 내부의 환기시설과 승강장의 스크린 도어가 열리고 닫힐 때 열차 내부와 승강장 내부에 유입되어 열차 이용 승객의 건강에 직접적인 영향을 미친다.

미세먼지는 코나 기관지 등에 걸러지지 않고 호흡기관 깊숙이 침투해 기관지염, 비염, 천식, 폐 질환 같은 호흡기 질환을 일으키거나 눈에 붙어 결막염, 안구건조증 같은 안질환을 유발한다. 미세먼지는 기구적인 규모의 순환경로에 따라 대규모로 이동하기 때문에 공해 분진이나 오염물질을 일시적으로 분리 하더라도 미세한 분진이 다시 정화된 공기와 섞여 외부로 배출되는 문제점이 발생한다.

미세먼지를 제거하기 위한 기술 중 물 분사에 의한 입자상/가스상 대기오염물질의 저감 효과는 PM₁₀, NO_x, SO₂, CO에서 각각 56.5%, 15.9%, 79.4%, 5.5%로 나타난 연구 결과를 바탕으로 물분사는 PM₁₀과 SO₂의 저감효과가 있는 것으로 확인된다. 따라서 물 분사를 이용한 미세먼지 저감 시스템은 효과적인 방법이다.

물 분사를 이용하는 방법으로는 일반적으로 물 분사기를 두어 원하는 장소에 물을 뿌리는 방법이 있다. 한국특허공보 제10-0797057호에서는 '미세 물입자와 에어커튼을 이용한 지하철 터널용 먼지 저감장치'를 게시하고 있는데, 이는 폐수정화장치를 거친 물을 펌프를 이용하여 사용하는 방식으로 외부에서 물을 지속적으로 공급받아야한다는 문제점이 있었다.

이에 공기중에서 수분을 흡수할 수 있는 금속유기복합체가 있다. 금속유기복합체(metal organic frameworks, MOF)는 금속 이온과 유기분자가 연결되어 골격구조를 형성한 물질로서, 큰 기공을 가지고 있어 수분 흡착, 수소저장, 촉매, 센서, 약물전달 등 다양한 분야에 응용이 가능한 물질이다.

MOF를 이용한 수분 흡착 분자인 MOF-801은 금속인 산화지르코늄(zirconium oxide)과 유기물인 퓨말레이크(fumarate)로 이루어져 있는 분자로, 초기 연구 MOF-801이 들어 있는 판이 대기 중의 수분을 포집하고, 태양열을 이용하여 수분을 증발시키면 이를 응축기가 모아 물을 만들도록 설계 되었다. 해당 MOF는 40%의 습도에서 MOF 0.550kg로 78g의 물을 생성한다. 지르코늄 대신 저렴한 알루미늄 기판의 MOF-303는 40%의 습도에서 MOF 0.450kg 당 105g의 물을 만들어 내는 결과를 도출하는 것으로 알려져 있다. 따라서, 이를 이용하여 물을 공급받지 않고 미세먼지를 제거할 수 있는 기술을 제공하고자 한다.

1. 한국특허공보 제10-0797057호

금속유기복합체로 이루어진 수집부를 터널에 설치하고, 터널을 지나가는 이동수단에 의해 발생하는 압력을 통해 수분을 수집하고, 수집된 물을 분사하여 미세먼지를 제거할 수 있는 미세먼지 저감장치를 제공하고자 한다.

또한, 상술한 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 이하의 설명으로부터 또 다른 기술적 과제가 도출될 수도 있음은 자명하다.

개시된 내용은 금속유기복합체를 포함하고, 터널 상부면에 설치되어 물을 흡수하는 수집부; 및

상기 수집부의 하부에 이격되어 위치하고, 상기 수집부에 흡수된 물을 포집하여 저장하는 포집부; 를 포함하되, 상기 포집부는, 상기 수집부에 흡수된 물을 수용하는 패널부, 상기 패널부에 저장된 물의 양을 측정하는 측정부, 상기 패널부에 저장된 물을 지면으로 분사하는 분사부 및 상기 측정부에서 측정된 물의 양에 따라 분사부의 동작을 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속유기복합체를 이용한 미세먼지 저감장치를 일 실시 예로 제시한다.

개시된 실시 예에 따르면, 기존 터널에 있던 설비의 변형 없이, 추가적인 설치만으로 구동가능한 미세먼지 저감장치를 제공할 수 있으며, 터널을 지나는 이동수단에 의해 발생하는 압력을 사용하여 별도의 공급전력없이도 물을 수집 및 포집할 수 있는 미세먼지 저감장치를 제공할 수 있다.

본 실시 예들의 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 개시된 내용의 일 실시 예에 따른 금속유기복합체를 이용한 미세먼지 저감장치의 단면도.
도 2a는 개시된 내용의 일 실시 예에 따른 금속유기복합체를 이용한 미세먼지 저감장치의 사시도.
도 2b는 개시된 내용의 일 실시 예에 따른 금속유기복합체를 이용한 미세먼지 저감장치의 사시도.
도 3은 개시된 내용의 일 실시 예에 따른 수집부의 결합구조와 금속유기복합체의 구조를 나타낸 개념도.
도 4a는 개시된 내용의 일 실시 예에 따른 포집부의 사시도.
도 4b는 개시된 내용의 일 실시 예에 따른 포집부의 사시도.
도 5는 개시된 내용의 일 실시 예에 따른 포집부의 측면도.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 도면부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

본 발명의 실시 예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들을 본 발명의 실시 예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 개선된 미세먼지 저감장치의 바람직한 실시 예에 대하여 설명한다.

도 1 내지 도 5를 참조하여 살펴보면, 금속유기복합체를 이용한 미세먼지 저감장치는, 금속유기복합체를 포함하고 터널 상부면에 설치되어 물을 흡수하는 수집부(10) 및 상기 수집부(10)의 하부에 이격되어 위치하고, 상기 수집부(10)에 흡수된 물을 포집하여 저장하는 포집부(20)를 포함한다.

보다 상세하게 살펴보면, 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 수집부(10)는 차량 및 열차가 지나는 상기 터널 상부면에 금속유기복합체계 페인트가 도포된 금속유기복합체층일 수 있다. 또는 금속유기복합체로 형성된 필름(11) 또는 그물일 수 있고, 필름(11) 또는 그물에 상기 금속유기복합체계 페인트가 도포된 형태일 수도 있다.

상기 금속유기복합체(Metal Organic Framework, MOF)의 종류는 MOF-801, MOF-301, CAU-10, MIL-101 등과 같은 물을 포집할 수 있는 물질을 사용한다. UC Berkeley에서 연구한 바에 의하면, 금속유기복합체(MOF)는 공기 중 수분을 흡수하는 능력이 있고 흡수한 물은 외부에서 에너지가 가해졌을 때 방출될 수 있는 특징을 가지고 있다. MOF-801의 경우 25℃~65℃ 터널 내에서 0.25 liters kg-1 at >0.6 kPa vapor pressure 정도를 생산해 낼 수 있는데, 이러한 압력은 지하철의 경우, 지하철 자체가 3000 Pa의 음압을 만들어 내기 때문에 이동수단이 만들어 내는 음압으로도 가능하다. 터널 내 수분뿐만 아니라 터널 내 다른 유해 가스를 제거하고자 할 때 이에 특이적으로 반응하는 금속유기복합체(MOF) 물질을 섞어서 사용할 수도 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 필름(11)과 같은 형태로 사용하는 경우, 금속유기복합체(MOF) 물질을 플렉서블한 기판 위에 도포한 뒤 접착제(12)를 사용하여 터널 상부에 부착할 수 있다. 이때 플렉서블한 기판으로는 폴리다이메틸사일록세인 혹은 폴리유레틴이 이용될 수 있다. 접착제(12)는 터널 내부의 강한 압력과 온도 변화에 이격화가 생기지 않도록 강력하게 부착시켜주는 역할을 하며 종류로는 L-DOPA가 있다. 예를 들면, 내열성 수계 접착제(12)를 사용할 수 있으며, 이 외에도 강력한 접착제(12)를 사용하여 습도가 높은 곳에 강하게 부착할 수 있다. 페인트와 같은 형태로 사용 시 MOF 물질을 수계 바인더와 결합시켜 도료와 같은 형태로 터널 벽면에 부착한다. 이때 수계 바인더로는 Sodium, carboxymethylcellulose, CMC, Poly(acrylic Acid), PAA 등 여러 종류 중 한 종류를 사용한다. 그물을 이용하여 도포하는 방법은 터널 상부 벽면에 MOF 물질을 도포한 그물을 설치하여 수집부(10)로 사용하는 방법으로써, 필름(11)과 페인트 형식보다 설치가 간편하고 벽면과 수집부(10)의 이격화 문제가 거의 없다.

상기 포집부(20)는, 도 4a 및 도 4b에 도시된 것처럼, 상기 수집부(10)에 흡수된 물을 포집하여 저장하는 것으로써, 보다 상세하게는, 상기 수집부(10)에 흡수된 물을 수용하는 패널부(21), 상기 패널부(21)에 저장된 물의 양을 측정하는 측정부(30), 상기 패널부(21)에 저장된 물을 지면으로 분사하는 분사부(40) 및 상기 측정부(30)에서 측정된 물의 양에 따라 분사부(40)의 동작을 제어하는 제어부(50)를 포함할 수 있다.

또한, 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 상기 패널부(21)는 판상으로 형성되되, 일단 또는 양단부가 기울기를 가지도록 형성될 수 있고, 상기 기울기가 형성된 단부에 상기 포집부(20)의 물을 저장할 수 있는 챔버(22)를 더 포함하며, 상기 측정부(30)는 상기 챔버(22)에 저장된 물의 양을 측정하고, 상기 분사부(40)는 상기 챔버(22)의 하부에 형성될 수 있다. 상기 수집부(10)에서 흡수된 물을 중력에 의하여 일정 방향으로 유도하기 위하여 일단 또는 양단부가 기울기를 가지도록 형성될 수 있으며, 이 경우, 터널 상부면의 형상에 따라 곡선형으로 이루어 질 수 있고, 또는 중심부가 꺽여진 형상으로 형성될 수도 있다.

도 4a 및 도 4b에 도시된 것처럼, 상기 패널부(21)의 가장자리에 위치하는 챔버(22)는 금속유기복합체(MOF)에서 생성된 물이 패널부(21)를 통해 흘러내려와 모이는 부분으로, 패널부(21)보다 단을 낮춘 곡선의 형태로 패널부(21)와 이어져 물이 저장될 수 있도록 형성될 수 있다. 챔버(22)의 형상은 아래가 볼록한 곡면을 가진 용기형태로 이루어져 용기 하부면에 물이 포집될 수 있도록 형성될 수 있다. 즉 챔버(22)의 가장 낮은 부분에 위치한 분사부(40)로 물이 포집되는 것을 용이하게 한다. 또한, 후술하는 바와 같이, 챔버(22)의 규격에 따라 설정된 일정량의 물이 챔버(22)에 모이면 측정부(30)에서 이를 감지하고, 제어부(50)로 신호를 전달한다. 상기 챔버(22)가 상기 패널부(21)에 단을 낮춘 곡선의 형태로 형성되되, 포집되는 물이 외부로 넘치는 것을 방지하기 위해, 도 4b에 도시된 것처럼 벽을 형성하여 보다 안정적으로 물을 포집할 수 있도록 할 수 있다.

상기 분사부(40)는 패널부(21)에 저장된 물을 지면에 분사할 수 있다. 상기 분사부(40)는 스프링클러로 구성될 수 있으며, 본 발명이 적용되는 터널의 너비와 스프링클러의 분사반경을 고려하여 분사부(40)를 선택적으로 사용할 수도 있다. 도 5에 도시된 것처럼, 상기 분사부(40)는 패널부(21)의 하부면에 위치하되, 물이 분사되는 노즐부분이 지면을 향하도록 설치될 수 있다. 상기 패널부(21)에 챔버(22)를 포함하는 경우에는 챔버(22)의 하부에 면에 분사부(40)가 위치할 수 있다. 챔버(22)에 물이 쉽게 저장될 수 있어, 가장 효율적으로 물을 분사할 수 있다.

상기 측정부(30)는 패널부(21)에 저장된 물의 양을 측정할 수 있다. 보다 바람직하게는 패널부(21)가 챔버(22)를 포함하고, 상기 챔버(22)의 저장된 물의 양을 측정할 수 있다. 물의 양은 수위를 통해 감지할 수 있다. 따라서 상기 측정부(30)는 수위를 감지할 수 있는 레벨측정기로 구성될 수 있으며, 상기 물의 양이 설정값을 초과하는 경우에는 제어부(50)로 상기 정보를 전달할 수 있다. 상기 레벨측정기는 플로트 스위치(접촉식 레벨센서), 초음파 레벨 센서(비접촉식 레벨센서), 수위 측정용 접촉식 초음파 센서, 정전 용량 레벨 센서 등의 센서를 이용한 장치로써, 챔버(22)의 높이를 고려한 수위를 설정하여 설정한 수위 이상이 되면 제어부(50)로 해당 정보를 전달할 수 있다.

부가적으로, 현재 터널의 미세먼지 농도를 측정할 수 있는 미세먼지감지센서를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 1차적으로 상기 측정부(30)를 통해 물의 양을 측정하고, 2차적으로 미세먼지 농도를 측정하여 미세먼지 농도가 높은 경우에만 분사부(40)가 동작하도록 제어할 수도 있다.

상기 제어부(50)는 상기 측정부(30)에서 측정된 물의 양과 설정값을 비교하여 상기 분사부(40)를 동작시킬 수 있다. 전술하 바와 같이, 상기 패널부(21) 또는 챔버(22)의 부피 등을 고려하여, 임의의 설정값을 설정할 수 있고, 상기 설정값을 초과하는 경우에만 상기 분사부(40)를 동작하도록 제어할 수 있다.

상기 포집부(20) 즉, 포집부(20)를 이루는 구성요소들은 모두, 소수성 소재로 형성되거나 또는 외부면에 소수성 필름으로 코팅되어, 상기 수집부(10)에 흡수된 물이 포집부(20) 표면에 맺히지 않고, 물을 저장할 수 있는 부분 또는 상기 챔버(22)로 유도될 수 있도록 할 수 있다.

상기 소수성 소재는 물과의 접촉각이 아주 높은 초발수성 재료로써, 물을 보다 효과적으로 포집할 수 있다. 발수성 재료로는 낮은 임계 표면장력을 갖는 -CF₃, -CF₂-를 배향 시킬 수 있는 불소계 재료, 혹은 -CH₃ 배향시킬 수 있는 실리콘계 재료가 일반적으로 사용되어 실리카 입자와 PTFE가 도입된 발수성 코팅을 이용한다. 나노소재기술을 이용하여도 이와 같은 특성을 구현할 수 있다. 초발수성 표면을 구현하기 위해 표면의 마이크로 또는 나노구조를 형성시키기 위한 방법으로는 정전기적 자기조립법에 의해 나노입자를 흡착법, 고분자의 상분리, 마이셀 응용법 그리고 졸-겔법에 의해 나노입자를 코팅하는 방법 등을 이용할 수도 있다. 따라서, 상기 포집부(20)를 이루는 구성요소들은 모두 이와 같은 소수성 소재를 직접 코팅하거나 그 자체가 소수성을 띄는 소재로 형성될 수 있다.

또한, 상기 포집부(20)는, 도 1 내지 도 2b, 도 4a 및 도 4b에 도시된 것처럼, 이격연결부재(23)에 의해 상기 수집부(10)의 하측에 이격되어 결합될 수 있다. 보다 상세하게는 수집부(10)와 이격연결부재(23)에 의해 연결되되, 상기 이격연결부재(23) 자체가 수집부(10)와 함께 터널 상부면에 단단히 고정될 수도 있다. 예를 들면, 상기 포집부(20)의 무게 중심을 지지하기 위해 짝수개의 이격연결부재(23)를 포함할 수 있으며, 바람직하게는 2개 이상의 이격연결부재(23)가 패널부(21)의 기울기가 생기는 중심을 기준으로 대칭적으로 배치할 수 있다. 이경우 이격연결부재(23) 또한, 소수성 소재로 형성되거나 코팅되어 수집부(10)에서 흡수된 물을 자연스럽게 포집부(20)로 유도할 수도 있다.

개시된 내용은 예시에 불과하며, 특허청구범위에서 청구하는 청구의 요지를 벗어나지 않고 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 다양하게 변경 실시될 수 있으므로, 개시된 내용의 보호범위는 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 않는다.

10 : 수집부
11 : 필름
12 : 접착제
20 : 포집부
21 : 패널부
22 : 챔버
23 : 이격연결부재
30 : 측정부
40 : 분사부
50 : 제어부

Claims

금속유기복합체를 포함하고, 터널 상부면에 설치되어 물을 흡수하는 수집부; 및
상기 수집부의 하부에 이격되어 위치하고, 상기 수집부에 흡수된 물을 포집하여 저장하는 포집부; 를 포함하되,
상기 포집부는,
상기 수집부에 흡수된 물을 수용하는 패널부;
상기 패널부에 저장된 물의 양을 측정하는 측정부;
상기 패널부에 저장된 물을 지면으로 분사하는 분사부; 및
상기 측정부에서 측정된 물의 양에 따라 분사부의 동작을 제어하는 제어부;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속유기복합체를 이용한 미세먼지 저감장치.
청구항 1에 있어서,
상기 수집부는, 상기 터널 상부면에 금속유기복합체계 페인트가 도포된 금속유기복합체층인 것을 특징으로 하는 금속유기복합체를 이용한 미세먼지 저감장치.
청구항 1에 있어서,
상기 수집부는, 금속유기복합체로 형성된 필름 또는 그물인 것을 특징으로 하는 금속유기복합체를 이용한 미세먼지 저감장치.
청구항 1에 있어서,
상기 패널부는 판상으로 형성되되, 일단 또는 양단부가 기울기를 가지도록 형성되고, 상기 기울기가 형성된 단부에 상기 포집부의 물을 저장할 수 있는 챔버; 를 포함하며,
상기 측정부는 상기 챔버에 저장된 물의 양을 측정하고,
상기 분사부는 상기 챔버의 하부에 형성되는 것을 특징으로 하는 금속유기복합체를 이용한 미세먼지 저감장치.
청구항 1에 있어서,
상기 포집부는, 소수성 소재로 형성되거나 또는 외부면에 소수성 필름으로 코팅되는 것을 특징으로 하는 금속유기복합체를 이용한 미세먼지 저감장치.
청구항 1에 있어서,
상기 포집부는, 이격연결부재에 의해 상기 수집부의 하측에 이격되어 결합되는 것을 특징으로 하는 금속유기복합체를 이용한 미세먼지 저감장치.
청구항 1에 있어서,
상기 제어부는 상기 측정부에서 측정된 물의 양과 설정값을 비교하여 상기 분사부를 동작시키는 것을 특징으로 하는 금속유기복합체를 이용한 미세먼지 저감장치.