KR102147254B1 - 2차 미세먼지 생성 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 2차 미세먼지 생성을 위한 장치에 관한 것으로서, 반응기에서 2차 미세먼지를 생성하는 장치에 있어서, 상기 반응기 내부에 반응가스를 공급하는 반응가스 공급부와, 상기 반응기 내부에 투입가스를 공급하여 상기 반응가스의 농도를 조절하는 투입가스 공급부와, 내부에 대상시료를 포함하며, 상기 대상시료와 상기 반응가스가 반응하는 영역에 자외선 광이 조사되어, 상기 대상시료와 상기 반응가스를 반응시켜 2차 미세먼지를 생성하는 반응기와, 상기 반응기에서 생성된 2차 미세먼지의 물성을 분석하는 분석부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 2차 미세먼지 생성 장치를 기술적 요지로 한다. 이에 의해 본 발명은 2차 미세먼지 생성에 대한 거동 및 원인물질에 대한 분석을 가능하도록 한 것으로서, 광물질 입자와 반응가스를 반응시켜 2차 미세먼지 생성을 촉진시키는 원인물질을 규명할 수 있도록 하는 것이다.

Description

2차 미세먼지 생성 장치{Second-fine dust generating devices}
본 발명은 2차 미세먼지 생성을 위한 장치에 관한 것으로서, 2차 미세먼지 생성하여 그에 대한 생성 거동 및 원인물질에 대한 분석이 가능한 2차 미세먼지 생성 장치에 관한 것이다.
미세먼지는 공장, 건설현장, 자동차 등에서 고체 상태로 직접 배출되는 1차 미세먼지와 가스 상태로 나와 공기 중의 다른 물질과 화학반응을 일으켜 생성되는 2차 미세먼지로 나뉜다.
즉, 대기오염물질이 대기 중에서 다른 물질과 화학반응을 일으켜 2차 미세먼지로 바뀌는 것으로, 자동차 배기가스인 산화질소와 휘발성 유기화합물이 햇빛을 쬐면 즉시 화학반응이 일어나 배기가스가 미세먼지로 변하게 된다.
이러한 2차 미세먼지는 대부분 200 나노미터를 넘지 않으며, 10 나노미터 밖에 안되는 미세한 입자들도 많아(초미세먼지의 기준이 2.5마이크로미터), 호흡기는 물론 피부로도 직접 침투해 혈관, 세포에까지 영향을 미치므로, 이에 대한 저감 대책이 매우 절실한 추세이다.
2017년 정부의 ‘미세먼지 관리 종합대책’에 따르면, 국내 전체 미세먼지 발생량 중 2차 미세먼지 비중이 72%를 차지했다. 2차 미세먼지 제거가 미세먼지 저감의 관건인 셈이다.
2차 미세먼지 저감을 위한 방법으로 2차 미세먼지의 전 단계인 가스형태의 대기오염물질을 인체에 해롭지 않은 물질로 바꾸는 것인데, 배출원에서부터 휘발성 유기화합물이나 질소산화물 등을 화학반응으로 무해화시키는 연구가 이루어지고 있다. 예컨대 연소과정에서 나오는 질소산화물을 인체에 무해한 질소와 물로 환원하는 것이다.
그러나 종래의 연구들은 미세먼지를 저감시키기 위한 방안으로만 주로 연구되고 있으며, 2차 미세먼지 생성 거동과 2차 미세먼지 생성을 촉진시키는 원인 물질에 대한 근본적인 규명이 부족한 실정이다.
대한민국특허청 등록특허공보 10-0623854호(일체형 반건식반응기 및 전기집진 장치)
본 발명은 상기 필요성에 의해 고안된 것으로서, 2차 미세먼지 생성하고, 그에 대한 거동 및 원인물질에 대한 분석이 가능한 2차 미세먼지 생성 장치의 제공을 그 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 반응기에서 2차 미세먼지를 생성하는 장치에 있어서, 상기 반응기 내부에 반응가스를 공급하는 반응가스 공급부와, 상기 반응기 내부에 투입가스를 공급하여 상기 반응가스의 농도를 조절하는 투입가스 공급부와, 내부에 대상시료를 포함하며, 상기 대상시료와 상기 반응가스가 반응하는 영역에 자외선 광이 조사되어, 상기 대상시료와 상기 반응가스를 반응시켜 2차 미세먼지를 생성하는 반응기와, 상기 반응기에서 생성된 2차 미세먼지의 물성을 분석하는 분석부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 2차 미세먼지 생성 장치를 기술적 요지로 한다.
또한, 상기 반응가스 공급부에서 공급되는 반응가스는, NO2, SO2 및 NH3 중 어느 하나 이상인 것이 바람직하며, 상기 투입가스 공급부에서 공급되는 투입가스는, O2, 공기 및 N2 중 어느 하나 이상인 것이 바람직하다.
또한, 상기 2차 미세먼지 생성 장치는 상기 투입가스 공급부와 연결되어, 상기 투입가스가 통과되어 상기 반응기 내부의 온도와 수분량을 조절하는 수분공급부를 더 포함하는 것이 바람직하며, 상기 수분공급부는, 물을 순환시켜 일정 온도를 유지하는 순환수조와, 상기 순환수조 내부에 담궈지며, 상기 투입가스가 통과되어 상기 반응기 내 수분을 공급하는 워터버블러를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 반응가스 공급부 및 투입가스 공급부는, MFC(Mass Flow Controller)와 연결되어 유량이 제어되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 반응가스 공급부 및 투입가스 공급부에서 공급되는 반응가스 및 투입가스는, 교반기에서 혼합된 후 상기 반응기로 공급되는 것이 바람직하다.
또한 상기 반응기는, 원통형으로 형성되어 상기 2차 미세먼지가 층류층을 형성하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 반응기에 포함된 대상시료는, Al2O3, CaO, TiO2, Fe2O3, SiO2, MgO 및 ZnO 중 어느 하나 또는 이들을 둘 이상 포함하는 혼합물인 것이 바람직하다.
또한, 상기 반응기에 포함된 대상시료는, 플레이트 상에 도포되어 제공되는 것이 바람직하다.
또한 상기 자외선 광의 파장은, 315~400nm인 것이 바람직하다.
또한, 상기 분석부는, 온·습도 센서계, 가스농도 측정기 중 어느 하나 이상인 것이 바람직하다.
본 발명은 2차 미세먼지 생성 장치를 제공하여 2차 미세먼지 생성에 대한 거동 및 원인물질에 대한 분석을 가능하도록 한 것이다.
특히 다양한 광물질 입자와 반응가스를 반응시켜 2차 미세먼지 생성을 촉진시키는 원인물질의 규명이 용이한 2차 미세먼지 생성 장치를 제공하는 것이다.
이에 의해 2차 미세먼지 생성 거동을 분석할 수 있어 미세먼지 저감을 위한 연구에 크게 활용될 것으로 기대된다.
도 1 - 본 발명에 따른 2차 미세먼지 생성 장치에 대한 블럭도.
도 2 - 본 발명에 따른 2차 미세먼지 생성 장치에 대한 모식도.
도 3 - 본 발명에 따른 2차 미세먼지 생성 장치의 반응기에 대한 모식도.
도 4 - 본 발명에 따른 2차 미세먼지 생성 장치의 반응기 내부에서의 2차 미세먼지의 층류층 발생에 관한 모식도.
도 5 - 본 발명의 일실시예에 따른 대상시료에 대한 샘플 사진을 나타낸 도.
도 6 ~ 도 7 - 본 발명의 일실시예에 따라 생성된 2차 미세먼지 샘플에 대한 농도를 나타낸 도.
본 발명은 2차 미세먼지 생성 장치를 고안하여 2차 미세먼지 생성에 대한 거동 및 원인물질에 대한 분석이 가능하도록 한 것이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 대해 상세히 설명하고자 한다. 도 1은 본 발명에 따른 2차 미세먼지 생성 장치에 대한 블럭도이고, 도 2는 본 발명에 따른 2차 미세먼지 생성 장치에 대한 모식도이고, 도 3은 본 발명에 따른 2차 미세먼지 생성 장치의 반응기에 대한 모식도이고, 도 4는 본 발명에 따른 2차 미세먼지 생성 장치의 반응기 내부에서의 2차 미세먼지의 층류층 발생에 관한 모식도이고, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 대상시료에 대한 샘플 사진을 나타낸 도이며, 도 6 및 도 7은 본 발명의 일실시예에 따라 생성된 2차 미세먼지 샘플에 대한 농도를 나타낸 도이다.
도시된 바와 같이 본 발명에 따른 2차 미세먼지 생성 장치는, 반응기(400)에서 2차 미세먼지를 생성하는 장치에 있어서, 상기 반응기(400) 내부에 반응가스를 공급하는 반응가스 공급부(100)와, 상기 반응기(400) 내부에 투입가스를 공급하여 상기 반응가스의 농도를 조절하는 투입가스 공급부(200)와, 내부에 대상시료를 포함하며, 상기 대상시료와 상기 반응가스가 반응하는 영역에 자외선 광이 조사되어, 상기 대상시료와 상기 반응가스를 반응시켜 2차 미세먼지를 생성하는 반응기(400)와, 상기 반응기(400)에서 생성된 2차 미세먼지의 물성을 분석하는 분석부(500)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일실시예에 따른 반응가스 공급부(100)는 상기 반응기(400) 내부로 반응가스를 공급하기 위한 것으로서, 최종 생성하고자 하는 미세먼지의 종류에 따라 반응가스의 종류를 정하여 공급할 수 있다.
예컨대 상기 반응가스 공급부(100)에서 공급되는 반응가스는, NO2, SO2 및 NH3 중 어느 하나 또는 이들을 둘 이상 혼합하여 공급할 수 있다.
그리고, 상기 투입가스 공급부(200)는 상기 반응기(400) 내부에 투입가스를 공급하여 상기 반응가스의 농도를 조절하도록 한다. 상기 투입가스는 공기, N2 또는 O2 등이 투입될 수 있으며, 화학반응에 안정적인 비활성 가스가 투입될 수도 있다.
여기에서 N2는 미리 투입되어 반응기(400) 내부의 오염물질을 제거하는 작용을 할 수 있다.
이러한 상기 반응가스 공급부(100) 및 투입가스 공급부(200)에서 공급되는 반응가스 및 투입가스는 MFC(Mass Flow Controller)와 연결되어 유량이 제어되도록 하여, 생성되는 2차 미세먼지의 농도 및 양을 조절할 수 있도록 한다.
또한, 본 발명에 따른 2차 미세먼지 생성 장치는 수분공급부(600)가 더 형성될 수 있다. 상기 수분공급부(600)는 상기 투입가스 공급부(200)와 연결되어, 상기 투입가스가 통과되도록 하여 상기 반응기(400) 내부의 온도와 수분량을 조절할 수 있도록 한다.
즉 상기 수분공급부(600)는 투입가스 공급부(200)와 반응기(400) 사이에 형성되어 상기 투입가스가 상기 수분공급부(600)를 통과하도록 하여 일정 온도의 투입가스가 일정량의 수분과 함께 상기 반응기(400) 내부로 공급되도록 하여 상기 반응기(400) 내부의 온도와 수분량을 조절할 수 있도록 한다.
구체적으로 상기 수분공급부(600)는 온도와 물을 순환시켜 일정 온도를 유지하는 순환수조(610)와 상기 순환수조(610) 내부에 담궈지며, 상기 투입가스가 통과되어 상기 반응기(400) 내부에 수분을 공급하는 워터버블러(Water Bubbler)(620)를 포함하여 이루어진다.
상기 순환수조(610)는 내부에 물을 수용할 수 있도록 형성되며, 물을 순환시켜 순환수조(610) 내부는 일정 온도로 온도 유지가 가능하도록 구현되며, 순환수조(610)에 담긴 워터버블러(620)에 상기 투입가스를 통과시켜 상기 반응기(400) 내부의 온도를 일정하게 유지하도록 한다.
또한 상기 워터버블러(620)는 상기 투입가스가 통과되어 상기 반응기(400) 내에 투입가스와 수분을 함께 공급할 수 있도록 한다.
이와 같이 상기 수분공급부(600)에 의해 2차 미세먼지 생성과정에서 수분이 광물질(대상시료)과 오염물질(SO2, NO2)의 반응에 어떠한 영향을 미치는지 알아보기 위해 반응기 내부에 수분을 공급할 수 있도록 하며, 상기 반응기(400) 내부 분위기가 안정적으로 형성되도록 하고 일정한 실험조건으로 실험이 이루어지도록 하기 위해 반응기(400) 내부의 습도 및 온도를 조절할 수 있도록 한다. 이에 따른 2차 미세먼지 생성 거동을 살펴볼 수 있도록 하는 것이다.
이러한 상기 반응가스, 투입가스 및 수분은 교반기(300)에서 균일하게 혼합된 후 상기 반응기(400)로 공급되도록 하여 2차 미세먼지 생성을 위한 반응이 균일하고 효율적으로 이루어지도록 한다.
그리고, 상기 반응기(400)는 내부에 대상시료를 포함하며, 상기 대상시료와 상기 반응가스가 반응하는 영역에 자외선 광이 조사되어, 상기 대상시료와 상기 반응가스를 반응시켜 2차 미세먼지를 생성하게 된다.
상기 대상시료는 상기 반응가스(오염 물질)와의 화학 반응에 의해 2차 미세먼지를 생성할 수 있는 시료를 의미하며, 광물질 입자가 바람직하게 사용될 수 있다.
예컨대 Al2O3, CaO, TiO2, Fe2O3, SiO2, MgO 및 ZnO 중 어느 하나 또는 이들을 둘 이상 포함하는 혼합물 등을 사용할 수 있다.
상기의 대상시료는 2차 미세먼지 생성 원인 물질인 광물질 입자(화력발전소 석탄 회분 등), 자동차 배기가스 등에서 나오는 물질)로, 상기 반응가스와의 반응을 통해 2차 미세먼지를 생성하고자 하는 것이다.
즉, 화력 발전소 굴뚝에서는 석탄 회분과 NOx, SOx 성분이 배출되는데, 이러한 환경과 유사한 환경을 반응기(400) 내부에서 조성하여 2차 미세먼지 생성 조건을 만드는 것이다.
여기에서, 상기 대상시료와 상기 반응가스가 반응되는 반응영역으로 자외선 광을 조사하여, 고체상(대상시료)과 기체상(반응가스)의 불균일계 화학반응(Heterogeneous chemical reaction)을 유도하여 황산에어로졸, 황산염 또는 질산염을 생성하여 2차 미세먼지로 전환되게 된다.
이와 같이 본 발명에서는 석탄 회분 내 존재하는 상기의 각 광물질 입자를 반응가스와 반응시켜 2차 미세먼지 생성을 촉진시키는 원인물질을 규명하고자 하는 것으로, 대상시료와 반응가스의 종류에 따라 생성되는 2차 미세먼지의 농도를 분석하여 2차 미세먼지 생성을 촉진시키는 원인물질을 규명할 수 있는 연구의 발판을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명에서의 상기 반응기(400)는, 원통형으로 형성되어 상기 2차 미세먼지가 층류층을 형성하도록 하여, 2차 미세먼지 생성을 효율적으로 발생시키고 샘플의 채취가 용이하도록 한다.
일반적으로 보통 지름 20 마이크로미터보다 큰 입자는 강풍이 불어도 먼거리를 이동할 수 없지만, 지름 20 마이크로미터 이하의 작은 입자는 강풍에 의해 쉽게 떠올라 대기 상층까지 이동하게 된다. 대기 상층으로 이동한 미세먼지는 층류 흐름을 타고 장시간 먼거리를 이동할 수 있게 된다.
도 4는 본 발명에 따른 2차 미세먼지 생성 장치의 반응기(400) 내부에서의 2차 미세먼지의 층류층 발생에 관한 모식도를 나타낸 것으로서, 본 발명에 따른 반응기(400)를 원통형으로 형성하여 상기와 같은 층류 형성 조건을 구현할 수 있도록 한 것이다. 이에 의해 본 발명에 따라 생성된 2차 미세먼지가 층류층을 형성하고 그 흐름을 유지하도록 하여, 20 마이크로미터 이하의 2차 미세먼지 거동에 대한 실제 환경과 유사한 환경을 조성하여 더욱 정밀한 실험이 이루어질 수 있도록 한 것이다.
또한 상기 반응기(400)에 포함된 대상시료는, 플레이트(plate)(410) 상에 도포되어 제공되도록 한다. 예컨대 소정 메쉬 크기를 갖는 채를 이용하여 대상시료를 플레이트(410) 상에 얇게 도포하여 균일한 반응표면을 형성하고, 상기와 같이 원통형 반응기(400)를 구현하여 층류층을 형성함으로써 상기 반응가스가 상기 대상시료 표면을 균일하게 거쳐갈 수 있도록 한다.
본 발명에 따라 2차 미세먼지 생성을 위해서는 자외선 광을 조사하여야 하며, 상기 자외선 광은 반응기(400) 외부에서 조사되어 상기 반응기(400) 내부로 투과되도록 한다. 상기 자외선 광의 파장은 315~400nm로, 2차 미세먼지 생성에 가장 효율적인 세기이다.
생성된 2차 미세먼지는 NaOH 용액에 투입된 후, 발생된 가스는 대기중으로 방출하여 처리하게 된다.
이와 같이 석탄연소 비산재 내 광물질과 SO2는 자외선 광을 조사하게 되면 황산에어로졸을 생성하여 2차 미세먼지로 전환하게 되며, NO2는 광물질 산화물과 반응하여 분자상태의 산소 활성이 강화되어 산화촉매제의 역할을 함으로서 광물질 산화물 표면에서 SO2가 황산염으로 쉽게 전환되어 2차 미세먼지를 생성하게 된다. 여기에 NH3를 추가로 투입하여 NH3의 영향을 고려하여 2차 미세먼지 생성 특성을 파악할 수 있다.
따라서 본 발명은 2차 미세먼지 생성 장치에 다양한 대상시료를 투입하여 반응가스와의 생성 거동을 파악하여 2차 미세먼지 생성 특성을 파악하고, 원인 물질에 대한 규명에 대한 접근이 용이하도록 하는 것이다.
그리고, 상기 분석부(500)는, 상기 반응기(400)에서 생성된 2차 미세먼지의 물성을 분석하는 것으로서, 반응기(400) 내부의 온도 및 습도 측정을 위한 온·습도 센서계, 생성된 2차 미세먼지의 농도를 측정하기 위한 가스농도 측정기 등으로 구현될 수 있다.
이에 의해 2차 미세먼지 생성 조건을 조절하거나, 생성된 2차 먼지의 물성을 분석할 수 있으며, 샘플링하여 2차 미세먼지의 입도 분석 등이 추가로 행해질 수 있다.
이하에서는 본 발명의 일실시예에 따라 2차 미세먼지를 생성하고, 그 실험예를 설명하고자 한다.
대상시료는 Al2O3, CaO, Fe2O3를 사용하였으며, 75 마이크로미터 채를 이용하여 샘플링 플레이트에 얇게 도포하였고, 그 양은 0.2g 이었다. 이를 도 5에 나타내었다.
반응기 내부에 SO2와 NO2를 각 200ppm의 농도로 100cc/min으로 공급하고, 투입가스(공기)는 200cc/min, 반응시간은 2시간으로, 자외선 광의 세기는 315~400nm 였다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 일실시예에 따라 생성된 2차 미세먼지 샘플에 대한 농도를 나타낸 것으로, 도 6은 각 대상시료에 대한 NO3 -의 농도, 도 7은 각 대상시료에 대한 SO4 2-의 농도를 나타낸 것이다.
생성된 SO4 2-의 농도 분석 결과를 통해 NO2, SO2와의 반응성은 Al2O3, Fe2O3, CaO 순으로 높다는 것을 알 수 확인할 수 있었다.
이와 같이 본 발명은 화력발전소 굴뚝이나 자동차 배기가스 등에서 나오는 광물질 입자와 반응가스를 반응시켜 2차 미세먼지 생성을 촉진시키는 원인물질을 규명할 수 있도록 한 2차 미세먼지 생성 장치를 제공하는 것이다.
즉, 다양한 대상시료와 반응가스의 종류에 따라 생성되는 2차 미세먼지의 농도를 분석하여 2차 미세먼지 생성을 촉진시키는 원인물질을 규명할 수 있으며, 2차 미세먼지 생성 거동을 분석할 수 있어 미세먼지 저감을 위한 연구에 크게 활용될 것으로 기대된다.
100 : 반응가스 공급부 200 : 투입가스 공급부
300 : 교반기 400 : 반응기
410 : 플레이트 500 : 분석부
600 : 수분공급부 610 : 순환수조
620 : 워터버블러

Claims (12)

  1. 반응기에서 2차 미세먼지를 생성하는 장치에 있어서,
    상기 반응기 내부에 반응가스를 공급하는 반응가스 공급부;
    상기 반응기 내부에 투입가스를 공급하여 상기 반응가스의 농도를 조절하는 투입가스 공급부;
    내부에 대상시료를 포함하며, 상기 대상시료와 상기 반응가스가 반응하는 영역에 자외선 광이 조사되어, 상기 대상시료와 상기 반응가스를 반응시켜 2차 미세먼지를 생성하는 반응기;
    상기 반응기에서 생성된 2차 미세먼지의 물성을 분석하는 분석부;를 포함하며,
    상기 투입가스 공급부와 연결되어,
    상기 투입가스가 통과되어 상기 반응기 내부의 온도와 수분량을 조절하는 수분공급부를 더 포함하고,
    상기 수분공급부는,
    물을 순환시켜 일정 온도를 유지하는 순환수조;
    상기 순환수조 내부에 담궈지며, 상기 투입가스가 통과되어 상기 반응기 내 수분을 공급하는 워터버블러;를 포함하는 것을 특징으로 하는 2차 미세먼지 생성 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 반응가스 공급부에서 공급되는 반응가스는,
    NO2, SO2 및 NH3 중 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 2차 미세먼지 생성 장치.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 투입가스 공급부에서 공급되는 투입가스는,
    O2 공기 및 N2 중 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 2차 미세먼지 생성 장치.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제 1항에 있어서, 상기 반응가스 공급부 및 투입가스 공급부는,
    MFC(Mass Flow Controller)와 연결되어 유량이 제어되는 것을 특징으로 하는 2차 미세먼지 생성 장치.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 반응가스 공급부 및 투입가스 공급부에서 공급되는 반응가스 및 투입가스는,
    교반기에서 혼합된 후 상기 반응기로 공급되는 것을 특징으로 하는 2차 미세먼지 생성 장치.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 반응기는,
    원통형으로 형성되어 상기 2차 미세먼지가 층류층을 형성하는 것을 특징으로 하는 2차 미세먼지 생성 장치.
  9. 제 1항에 있어서, 상기 반응기에 포함된 대상시료는,
    Al2O3, CaO, TiO2, Fe2O3, SiO2, MgO 및 ZnO 중 어느 하나 또는 이들을 둘 이상 포함하는 혼합물인 것을 특징으로 하는 2차 미세먼지 생성 장치.
  10. 제 1항에 있어서, 상기 반응기에 포함된 대상시료는,
    플레이트 상에 도포되어 제공되는 것을 특징으로 하는 2차 미세먼지 생성 장치.
  11. 제 1항에 있어서, 상기 자외선 광의 파장은,
    315~400nm인 것을 특징으로 하는 2차 미세먼지 생성 장치.
  12. 제 1항에 있어서, 상기 분석부는,
    온·습도 센서계, 가스농도 측정기 중 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 2차 미세먼지 생성 장치.
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