KR102265450B1 - 질소산화물 저감용 다공성 콘크리트 구조체와 그 제조방법, 및 이를 구비한 다공성 콘크리트 필터모듈 - Google Patents

질소산화물 저감용 다공성 콘크리트 구조체와 그 제조방법, 및 이를 구비한 다공성 콘크리트 필터모듈 Download PDF

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Abstract

분산성을 향상시킨 다공성 콘크리트 구조체를 형성하여 초미세먼지를 형성하는 질소산화물을 용이하게 저감시킬 수 있고, 다공성 콘크리트 구조체를 콘크리트 필터모듈을 형성함으로써 기존 공기 정화장치 또는 도심 지하터널 환기시설 내부에 간편하게 삽입 설치할 수 있고, 또한, 광촉매 분말을 혼합한 다공성 콘크리트 구조체의 제조시, 광촉매 분말을 콘크리트 내에서 원활하게 혼합할 수 있고, 콘크리트 표면으로 광촉매가 원활하게 유도되어 광활성 반응을 효과적으로 유도할 수 있으며, 또한, 초미세기포를 발생시킬 수 있는 기포 발생장치를 제작함으로써 마이크로 및 나노 단위의 기포를 생성하고 다양한 크기의 기포를 형성함으로써, 오염된 공기와 접촉할 수 있는 비표면적을 증가시킬 수 있고, 이에 따라 공기정화 효율을 증가시킬 수 있으며, 기포의 크기를 줄임으로써 다공성 콘크리트의 강도를 증가시킬 수 있는, 질소산화물 저감용 다공성 콘크리트 구조체와 그 제조방법, 및 이를 구비한 다공성 콘크리트 필터모듈이 제공된다.

Description

질소산화물 저감용 다공성 콘크리트 구조체와 그 제조방법, 및 이를 구비한 다공성 콘크리트 필터모듈 {POROUS CONCRETE STRUCTURE FOR REDUCING NITROGEN OXIDE, MANUFACTURING METHOD FOR THE SAME, AND POROUS CONCRETE FILTER MOUDULE HAVING THE SAME}
본 발명은 질소산화물 저감용 다공성 콘크리트 구조체에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 광촉매를 통해 초미세먼지를 형성하는 질소산화물을 저감시킬 수 있도록 분산성을 향상시킨 다공성 콘크리트 구조체를 형성하는, 질소산화물 저감용 다공성 콘크리트 구조체와 그 제조방법, 및 이를 구비한 다공성 콘크리트 필터모듈에 관한 것이다.
자동차 등 도로이동오염원이나 산업용 보일러나 발전설비와 같은 고정원에서 배출되는 질소산화물(NOx)은 대기 중에 존재하는 탄화수소 유도체류와 반응하여 광화학 스모그를 유발하거나 산성비의 원인이 되는 유해 대기오염물질이다.
국내의 경우, 최근 차량 운행대수의 급격한 증가로 인하여 차량 배기가스량이 급격히 증가되고 있고, 또한, 중국 동부의 급격한 산업화로 인하여 편서풍을 따라 유입되는 대기 오염물의 양도 급격히 증가하고 있기 때문에 국내의 대기오염을 급격히 악화시키고 있다. 따라서, 이러한 질소산화물(NOx)에 의한 대기오염을 완화시킬 수 있는 방안의 마련이 사회적으로 절실히 요구되고 있는 실정이다.
이러한 질소산화물(NOx)은 대도시나 공장지대에서 심각한 대기 공해를 야기시키는 성분으로서 잘 알려져 있으며, 특히, 이산화질소(NO2)는 주요한 위험 성분으로서 대기중에 50ppm 정도의 존재로 생체의 사멸을 초래하며, 0.05∼0.2ppm 사이의 낮은 농도에 서도 호흡기 장애를 일으키는 것으로 알려져 있다. 더욱이, 이보다 낮은 대기중 농도에서도 대기중의 수분 및 탄화수소류와의 광화학 반응을 일으켜 대도시의 가장 심각한 문제중의 하나인 스모그(smog) 현상을 야기하는 것으로 알려져 있다. 또한, 고온의 배기가스 중에서는 대부분의 질소산화물(NOx)이 고온에서 비교적 안정한 일산화질소(NO)의 형태로 존재한다. 그러나, 상온에서는 쉽게 이산화질소(NO2)로 산화되어 공해의 직접적인 원인이 된다.
따라서, 대기오염물질을 배출하는 시설 및 장치 내에서의 질소산화물을 저감시키기 위한 연구가 활발히 이루어지고 있으며, 이러한 연구는 주로 배연탈질 기술 및 연소방법의 변경 기술로 구분될 수 있다. 이러한 질소산화물(NOx)의 제어는 황산화물의 제어와는 달리 연소 방법의 변경이 효율적인 것으로 알려져 있다. 그러나, 저공해 차량 제조 기술만에 의존하여 대기오염 증가를 극복 내지 완화시키기에는 현실적인 한계가 있을 수밖에 없으며, 더욱이 차량의 주요 배출오염물질인 질소산화물(NOx)과 입자상 공해물질(PM:Particulate Materials)의 발생은 상호 교환적 변경 관계에 있어 이 두 가지를 동시에 저감시키는 데에는 한계가 있다.
구체적으로, 대기중에 배출되는 오염물질 중에서 질소산화물(NOx)이 약 30%를 차지하고 있으며, 최근 RV(Recreation Vehicle)차량을 중심으로 디젤차의 증가에 따라 내호흡기에 악영향을 주는 질소산화물(NOx) 증가가 우려된다. 각국의 질소산화물(NOx) 환경설정기준을 살펴보면, 국내의 이산화질소에 대한 환경기준치는 0.05ppm으로서 WHO의 권고기준 0.021ppm과는 상당한 차이를 보이고 있으며, 환경에 대한 인식 제고에 따라 이러한 기준치는 더욱 낮아질 것으로 예상된다.
한편, 광촉매란 용어는 매우 광범위하게 사용되고 있으나, 반응에 직접 참여하여 소모되지 않으며, 기존 광반응에 따른 메커니즘 경로를 제공하여 반응속도를 가속화시키는 것을 광촉매라고 정의하고 있다. 이산화티탄(TiO2)으로 대표되는 광촉매는 반도체 물질로서, 빛(hv)을 받아 생성되는 공유띠 정공과 여기된 전도띠 전자가 계면에서 전자전이를 일으킴으로써 빛에너지를 화학에너지로 변환한다.
이러한 광촉매로서 이산화티탄(TiO2)은 일정한 영역의 에너지(3.2eV 이상, 388nm 이하의 파장)가 가해지면 전자가 가전자대(valence band)에서 전도대(conduction band)로 여기된다. 이때 전도대에는 전자(e-)들이 형성되고, 가전자대에는 전공(h+)이 형성된다. 이렇게 형성된 전자와 정공은 강한 산화작용 또는 환원작용에 의해 유해물질을 분리시키는 등 다양한 반응을 일으키게 된다. 전자와 전공은 각각 O2와 H2O와 반응을 일으켜 이산화티탄(TiO2) 표면에 슈퍼옥사이드음이온(O2 -)과 수산라디칼(OH??)을 형성시켜 오염물질을 제거하게 된다.
전체적인 메커니즘은 수산라디칼뿐만 아니라 공유대 전공, 전도대 전자, 산소 분자 등이 관련되는 일련의 산화환원 표면반응이 복잡하게 연계되어 일어나므로, 광촉매 분해 메커니즘은 대상물질에 따라 매우 다양한 양상을 보이며 일반화시키기 매우 어려우며, 특히, 반응속도가 다른 환경정화공법에 비하여 느린 편이므로 고농도의 환경 정화방법에 비하여 저농도의 오염물질 제거에는 탁월한 성능을 나타내는 것으로 알려져 있다
구체적으로, 광에너지에 의한 화학반응을 매개하는 광촉매로서, 이산화티탄(TiO2) 외에도 루테늄트리스비필리딜, ZnO, ZrO2, CdS, WO3 등을 들 수 있다. 이들 중에서, 이산화티탄(TiO2)은 그 자체가 빛에 의해 분해되거나 촉매독 현상이 없으므로 반영구적으로 사용할 수 있고, 염소 기체나 오존보다 높은 산화력을 갖고 있어서 강한 살균력을 나타냄과 아울러, 대기와 수 중에 함유되어 있는 유기오염물질을 인체에 무해한 이산화탄소와 물로 분해시킬 수 있다. 더욱이, 이산화티탄(TiO2)은 산, 염기, 유기용매 등에 대한 내약품성이 강하여 화학적인 안정성을 가지며, 다른 광촉매와는 달리 중독성 및 발암성도 없다.
이러한 이산화티탄(TiO2)은 밴드갭이 약 3eV로서, 태양광의 파장으로 환산시 400nm 이하의파장을 갖는 자외선 영역에 해당한다. 즉, TiO2에 자외선을 조사하면 여기(exiting) 되어 전자의 이동이 일어나며, 즉, 밴드 갭에 해당되는 에너지를 가진 빛에 의해 가전자대의 전자가 전도대로 올라가고, 여기된 전자와 정공은 주변의 산소나 수소 혹은 OH- 등과 반응하게 된다. 이와 같이 생성된 O2 -, 0-, 0, OH 등은 강한 산화력을 가지고 있어 다양한 산화반응을 일으키며, 오염물질의 주성분인 유기물질을 분해시키게 된다.
한편, 콘크리트 구조물은 현대 사회에서 매우 유용하게 사용되며, 콘크리트 구조물이 많은 도시 중심은 대기질 악화로 인한 경제 및 보건 영향에 대한 우려가 증가함에 따라 대기오염 및 수질오염의 개선이 필요하다.
이산화티탄(TiO2) 기반의 광촉매는 질소 산화물로 오염된 공기의 정화에 유용한 물질로, 화학적으로 안정하고, 상대적으로 가격이 저렴한 편에 속하며, 독성을 유발하지 않아 환경적으로도 우수한 물질로 알려져 있다.
따라서 이산화티탄 기반의 광촉매를 콘크리트 구조물에 적용하여 오염물질의 정화 향상을 위한 다양한 연구들이 진행되어 왔다. 구체적으로, 광촉매가 적용된 콘크리트는 이미 유럽을 포함하여 세계 여러 나라에서 대기오염물질의 정화 대한 가능성을 보여주었다. 지난 20년간 광촉매 시멘트질 재료에 대한 수많은 연구는 주로 질소 산화물의 농도 감소에 대한 것들이 많았으나, 이러한 연구만으로는 콘크리트 구조물에 광촉매를 적용하기에는 현실적인 문제점이 따른다.
예를 들면, 모르타르 조성물에 이산화티탄 기반의 광촉매를 혼합하여 콘크리트 구조물에 적용할 경우, 일반적으로는 응집이 발생하여 유효 표면적이 감소하고 시멘트의 수화 반응으로 인해 광촉매가 태양광에 대한 활성을 제대로 갖지 못하여 광촉매 효율이 저하되는 문제가 발생한다.
또한, 광촉매인 이산화티탄을 모르타르 조성물에 그대로 혼합하여 콘크리트 구조물에 적용할 경우, 양생과정에서 결함 등을 유발할 수 있으며, 콘크리트 구조물의 압축강도가 현저히 저하되어 구조 안정성이 감소되는 문제도 야기하고 있다.
따라서 이산화티탄 기반의 광촉매를 모르타르 조성물에 적용하면서도, 이로 제조되는 콘크리트 구조물의 구조 안정성의 저하를 방지하고, 콘크리트 구조물 내에 함유된 광촉매의 태양광에 따른 활성의 감소를 최소화하여 오염물질에 대한 정화 효율이 우수한 모르타르 조성물에 대한 연구가 필요하다.
한편, 선행기술로서, 대한민국 등록특허번호 제10-1780294호에는 "내화, 공기질 개선 및 항균효과를 가지는 경량기포콘크리트 패널"이라는 명칭의 발명이 개시되어 있는데, 경량기포 콘크리트 패널에 있어서, 결합재로서 알루미나시멘트, 조강시멘트, 초조강시멘트를 사용하고, 골재로서 규사, 메타카올린, 황토분말을 사용하며, 혼화재료로서 고성능감수제, 광촉매(TiO2) 및 목탄을 사용하고 굴곡강도 개선을 위한 보강섬유와 경량성을 위한 식물성 기포제, 동물성 기포제 또는 합성 기포제를 사용하여 흡음, 차음 및 단열효과 외에도 내화, 공기질 개선 및 항균효과를 가지는 경량기포 콘크리트 패널이 개시되어 있다.
한편, 다른 선행기술로서, 대한민국 등록특허번호 제10-2028924호에는 "질소산화물과 미세먼지 저감용 아스팔트 표면의 코팅장치 및 그 방법"이라는 명칭의 발명이 개시되어 있는데, 기존에 존재하는 아스팔트 도로의 표면에 이산화티탄을 포함한 광촉매 물질의 조성물을 분사하고, 그 광촉매 물질의 조성물을 실시간으로 아스팔트 도로의 표면에서 경화시켜서 코팅층을 형성하도록 해줌으로써, 아스팔트 도로의 표면 코팅층에서 질소산화물을 산화시킬 수 있는 아스팔트 표면의 코팅장치 및 그 방법이 개시되어 있다.
한편, 다른 선행기술로서, 대한민국 등록특허번호 제10-2099085호에는 "광촉매를 포함하는 기능성 모르타르 조성물"이라는 명칭의 발명이 개시되어 있는데, 모르타르 조성물로 제조된 콘크리트 소재는 이산화티탄 기반의 광촉매를 포함함에도, 압축강도 및 구조 안정성 등의 기계적 특성이 우수하고, 또한, 콘크리트 소재는 콘크리트 구조물 내에 함유된 이산화티탄 기반의 광촉매의 태양광에 따른 활성 감소를 최소화하여 오염물질에 대한 정화 효율이 우수한 광촉매를 포함하는 기능성 모르타르 조성물이 개시되어 있다.
한편, 최근 미세먼지 대표적인 처리기법은 정전기력을 이용한 전기적 집진, 필터방식의 여과 집진, 원심력 집진, 습식집진 등으로 입자형태의 미세먼지를 제거하는 방식이 있다.
초미세먼지 원인물질인 NOx, SOx, NH3, VOCc 등을 제거하기 위해 촉매반응을 활용하지만, 기존 방법의 경우, 세라믹 또는 섬유계열의 필터에 광촉매를 코팅하거나 이산화티탄(TiO2) 분말을 필터로 가공처리하여 사용하므로 악취 제거와 같은 유기물(VOCc) 저감에 한정된다는 문제점이 있다.
대한민국 등록특허번호 제10-2028924호(등록일: 2019년 9월 30일), 발명의 명칭: "질소산화물과 미세먼지 저감용 아스팔트 표면의 코팅장치 및 그 방법" 대한민국 등록특허번호 제10-2099085호(등록일: 2020년 4월 3일), 발명의 명칭: "광촉매를 포함하는 기능성 모르타르 조성물" 대한민국 등록특허번호 제10-2143335호(등록일: 2020년 8월 5일), 발명의 명칭: "기능성 모르타르 조성물" 대한민국 등록특허번호 제10-0942149호(등록일: 2010년 2월 4일), 발명의 명칭: "악취원 및 휘발성 유기화합물을 함유한 폐가스처리를 위한 운전 중 동시재생식 자외선(또는 가시광선)/광촉매반응기" 대한민국 등록특허번호 제10-1780294호(등록일: 2017년 9월 14일), 발명의 명칭: "내화, 공기질 개선 및 항균효과를 가지는 경량기포콘크리트 패널" 대한민국 공개특허번호 제2005-77912호(공개일: 2005년 8월 4일), 발명의 명칭: "광촉매제, 광촉매제 제조방법 및 이를 이용한 환경친화성 콘크리트제품 제조방법" 대한민국 공개특허번호 제2002-58946호(공개일: 2002년 7월 12일), 발명의 명칭: "환경친화적 질소산화물 분해성 이산화티탄 고정화 건축재" 대한민국 공개특허번호 제2009-0104703호(공개일: 2009년 10월 6일), 발명의 명칭: "광촉매 분산체, 광촉매 분산체의 제조 방법, 광촉매체 및 광촉매체의 제조 방법"
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 분산성을 향상시킨 다공성 콘크리트 구조체를 형성하여 초미세먼지를 형성하는 질소산화물을 저감시킬 수 있고, 이러한 다공성 콘크리트 구조체를 다공성 콘크리트 필터모듈로 형성할 수 있는, 질소산화물 저감용 다공성 콘크리트 구조체와 그 제조방법, 및 이를 구비한 다공성 콘크리트 필터모듈을 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 광촉매 분말을 혼합한 다공성 콘크리트 구조체의 제조시, 광촉매 분말을 콘크리트 내에서 원활하게 혼합할 수 있고, 콘크리트 표면으로 광촉매가 원활하게 유도되어 광활성 반응을 효과적으로 유도할 수 있는, 질소산화물 저감용 다공성 콘크리트 구조체와 그 제조방법, 및 이를 구비한 다공성 콘크리트 필터모듈을 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 초미세기포를 발생시킬 수 있는 기포 발생장치를 제작함으로써 마이크로 및 나노 단위의 기포를 생성하고 다양한 크기의 기포를 형성함으로써, 오염된 공기와 접촉할 수 있는 비표면적을 증가시킬 수 있고, 기포의 크기를 줄일 수 있는, 질소산화물 저감용 다공성 콘크리트 구조체와 그 제조방법, 및 이를 구비한 다공성 콘크리트 필터모듈을 제공하기 위한 것이다.
전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 수단으로서, 본 발명에 따른 질소산화물 저감용 다공성 콘크리트 구조체를 구비한 다공성 콘크리트 필터모듈은, 대기 중의 초미세먼지를 형성하는 질소산화물(NOx)을 저감시키기 위한 다공성 콘크리트 구조체를 구비한 다공성 콘크리트 필터모듈로서, 물분사 장치에 공급되는 물이 저장된 저수조; 상기 저수조에 연결되어 제1 및 제2 다공성 콘크리트 구조체에 물을 분사하는 물분사 장치; 광촉매 분말이 포함된 다공성 콘크리트로서, 상기 저수조 상부의 공기 유입부 측에 설치되는 제1 다공성 콘크리트 구조체; 광촉매 분말이 포함된 다공성 콘크리트로서, 상기 저수조 상부의 공기 배출부 측에 설치되는 제2 다공성 콘크리트 구조체; 및 상기 제1 및 제2 다공성 콘크리트 구조체 사이에 설치되어 상기 제1 및 제2 다공성 콘크리트 구조체 내의 광촉매에 광원을 조사하는 자외선 조사기를 포함하되, 상기 제1 및 제2 다공성 콘크리트 구조체(130, 140) 각각은, 시멘트; 굵은골재; 잔골재; 배합수; 다공성 콘크리트 형성을 위해 기포를 발생시키도록 혼합되는기포제; 분산성 혼화재를 혼합하여 분산성을 향상시킨 이산화티탄(TiO2)-매개담체인 광촉매 분말; 분산성 혼화재; 및 급속경화재를 포함하되, 상기 분산성 혼화재는 일정한 유동성과 점성을 갖도록 유도하는 감수제 또는 증점제로서, 상기 광촉매 분말이 분산성을 갖도록 혼합되고, 상기 분산된 광촉매 분말이 가라앉지 않고 일정한 위치에 머물게 하며; 상기 제1 및 제2 다공성 콘크리트 구조체는 상기 자외선 조사기에 의해 조사되는 광원에 따른 광활성 반응을 통해 상기 제1 및 제2 다공성 콘크리트 구조체 내 시멘트의 칼슘 성분과 초미세먼지를 형성하는 대기중의 질소산화물이 상기 제1 및 제2 다공성 콘크리트 구조체 표면에 이온결합하여 흡착된 후, 상기 물분사 장치에 의해 공급되는 물에 의해 씻겨내려 상기 질소산화물이 제거되며; 그리고 상기 다공성 콘크리트 필터모듈은 기설치된 공기 정화장치에 교체 가능하도록 삽입 설치되는 것을 특징으로 한다.
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여기서, 상기 물분사 장치는, 상기 제1 및 제2 다공성 콘크리트 구조체 상부에 설치되어 물을 분사하는 분사노즐; 상기 분사노즐에 물을 공급하는 물 공급배관; 및 상기 분사노즐에 물을 공급하도록 상기 물 공급배관 사이에 설치되는 순환 펌프를 포함할 수 있다.
삭제
여기서, 상기 다공성 콘크리트 필터모듈은 도심 지하터널의 환기시설 내부 또는 도심 지하터널의 입자 형태의 미세먼지를 포집하여 집진장치로 처리하는 공기정화시설 내부에 교체 가능하도록 삽입 설치될 수 있다.
한편, 전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 다른 수단으로서, 본 발명에 따른 질소산화물 저감용 다공성 콘크리트 구조체는, 대기 중의 초미세먼지를 형성하는 질소산화물을 저감시키기 위한 다공성 콘크리트 구조체에 있어서, 결합재로서, 100중량부의 시멘트; 상기 100중량부의 시멘트를 기준으로 65~85중량부의 굵은골재; 상기 100중량부의 시멘트를 기준으로 45~55중량부의 잔골재; 상기 100중량부의 시멘트를 기준으로 40~60중량부의 배합수; 다공성 콘크리트 형성을 위해 기포를 발생시키도록 혼합되는 상기 100중량부의 시멘트를 기준으로 10~20중량부의 기포제; 상기 100중량부의 시멘트를 기준으로 2~10중량부의 광촉매 분말; 상기 100중량부의 시멘트를 기준으로 0.1~0.8중량부의 분산성 혼화재; 및 상기 100중량부의 시멘트를 기준으로 0.1~0.5중량부의 급속경화재를 포함하되, 상기 광촉매 분말은 상기 분산성 혼화재에 의해 분산성을 향상시킨 이산화티탄(TiO2)-매개담체이고; 상기 분산성 혼화재는 일정한 유동성과 점성을 갖도록 유도하는 감수제 또는 증점제로서, 상기 광촉매 분말이 분산성을 갖도록 혼합되고, 상기 분산된 광촉매 분말이 가라앉지 않고 일정한 위치에 머물게 하며; 상기 광촉매 분말은 광활성 반응을 통해 상기 시멘트의 칼슘성분과 초미세먼지를 형성하는 대기중의 질소산화물이 콘크리트 구조체 표면에서 이온결합하여 흡착하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 급속경화재는 응결 및 경화속도를 촉진하도록 혼합되는 급결제 또는 급결 성분을 갖는 혼화재인 것이 바람직하다.
여기서, 상기 분산성 혼화재는 일정한 유동성과 점성을 갖도록 유도하는 감수제 또는 증점제로서, 상기 광촉매 분말이 분산성을 갖도록 혼합되고, 상기 분산된 광촉매 분말이 가라앉지 않고 일정한 위치에 머물게 하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 광촉매 분말은 광활성 반응이 원활하도록 진동장치를 사용하여 다공성 콘크리트 구조체의 상부 표면으로 유도되는 것을 특징으로 한다.
한편, 전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 다른 수단으로서, 본 발명에 따른 질소산화물 저감용 다공성 콘크리트 구조체의 제조방법은, 대기 중의 초미세먼지를 형성하는 질소산화물을 저감시키기 위한 다공성 콘크리트 구조체의 제조방법에 있어서, a) 기포발생 장치에서 물과 기포제의 혼합액에 공기를 공급하여 기포를 형성시키는 단계; b) 상기 기포발생 장치에서 발생시킨 기포가 함유된 소정 량의 배합수를 형성하는 단계; c) 상기 기포가 함유된 소정 량의 배합수에 결합재, 굵은골재 및 잔골재를 혼합하는 단계; d) 분산성 혼화재 및 급속 경화재를 혼합하여 다공성 콘크리트 페이스트 또는 모르타르를 형성하는 단계; e) 상기 다공성 콘크리트 페이스트 또는 모르타르에 광촉매 분말을 혼합하는 단계; 및 f) 상기 광촉매 분말이 혼합된 다공성 콘크리트 페이스트 또는 모르타르를 경화 및 양생시켜 다공성 콘크리트 구조체를 완성하는 단계를 포함하되, 상기 a) 단계의 기포발생 장치는 마이크로 및 나노 크기를 갖는 기포가 함유된 물을 제조하는 초미세기포 발생장치로서, 기포의 크기를 줄임으로써 다공성 콘크리트의 강도를 증가시키며; 상기 다공성 콘크리트 구조체는, 시멘트; 굵은골재; 잔골재; 배합수; 다공성 콘크리트 형성을 위해 기포를 발생시키도록 혼합되는기포제; 분산성 혼화재를 혼합하여 분산성을 향상시킨 이산화티탄(TiO2)-매개담체인 광촉매 분말; 분산성 혼화재; 및 급속경화재를 포함하되, 상기 분산성 혼화재는 일정한 유동성과 점성을 갖도록 유도하는 감수제 또는 증점제로서, 상기 광촉매 분말이 분산성을 갖도록 혼합되고, 상기 분산된 광촉매 분말이 가라앉지 않고 일정한 위치에 머물게 하며; 상기 광촉매 분말은 광활성 반응을 통해 상기 다공성 콘크리트 페이스트 또는 모르타르 내의 시멘트의 칼슘 성분과 초미세먼지를 형성하는 대기중의 질소산화물이 콘크리트 구조체 표면에서 이온결합하여 흡착하는 것을 특징으로 한다.
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여기서, 상기 a) 단계의 기포발생 장치는, 펌프 및 수압조절밸브를 포함하며, 물 공급을 제어하는 물공급제어 모듈; 콤프레셔 및 솔레노이드 밸브를 포함하며, 공기 공급을 제어하는 공기공급제어 모듈; 물과 기포제를 혼합하여 혼합액을 형성하여 정량 공급하는 정량공급 모듈; 상기 정량공급 모듈에서 공급되는 물과 기포제의 혼합액에 상기 공기공급제어 모듈에서 공급되는 공기를 혼합하여 기포를 발생하는 기포발생 모듈; 및 상기 물과 공기의 압력, 상기 물과 기포제의 혼합액의 압력을 모니터링하여, 상기 물과 공기의 공급을 제어하는 제어패널을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 정량공급 모듈은, 상기 물과 기포제의 혼합액의 안정적으로 공급되도록 압력조절장치와 체크밸브가 설치된 정량공급펌프일 수 있다.
본 발명에 따르면, 분산성을 향상시킨 다공성 콘크리트 구조체를 형성하여 초미세먼지를 형성하는 질소산화물을 용이하게 저감시킬 수 있고, 다공성 콘크리트 구조체를 콘크리트 필터모듈을 형성함으로써 기존 공기 정화장치 또는 도심 지하터널 환기시설 내부에 간편하게 삽입 설치할 수 있다.
본 발명에 따르면, 광촉매 분말을 혼합한 다공성 콘크리트 구조체의 제조시, 광촉매 분말을 콘크리트 내에서 원활하게 혼합할 수 있고, 콘크리트 표면으로 광촉매가 원활하게 유도되어 광활성 반응을 효과적으로 유도할 수 있다.
본 발명에 따르면, 초미세기포를 발생시킬 수 있는 기포 발생장치를 제작함으로써 마이크로 및 나노 단위의 기포를 생성하고 다양한 크기의 기포를 형성함으로써, 오염된 공기와 접촉할 수 있는 비표면적을 증가시킬 수 있고, 이에 따라 공기정화 효율을 증가시킬 수 있으며, 기포의 크기를 줄임으로써 다공성 콘크리트의 강도를 증가시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 질소산화물 저감용 다공성 콘크리트 구조체를 구비한 다공성 콘크리트 필터모듈에서 다공성 콘크리트 필터의 원리를 개략적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 다공성 콘크리트 필터모듈에서 질소산화물 저감용 다공성 콘크리트 구조체의 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 질소산화물 저감용 다공성 콘크리트 구조체를 구비한 다공성 콘크리트 필터모듈의 구성도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 질소산화물 저감용 다공성 콘크리트 구조체를 구비한 다공성 콘크리트 필터모듈이 적용되는 공기정화장치를 예시하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 질소산화물 저감용 다공성 콘크리트 구조체를 구비한 다공성 콘크리트 필터모듈이 적용되는 도심 지하터널 공기정화시설을 예시하는 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 질소산화물 저감용 다공성 콘크리트 구조체의 배합을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 질소산화물 저감용 다공성 콘크리트 구조체의 제조방법을 나타내는 동작흐름도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 다공성 콘크리트 구조체 제조용 기포발생 장치의 설치구조를 나타내는 도면이다.
도 9는 도 8에 도시된 기포발생 장치의 정량공급펌프를 예시하는 사진이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
[질소산화물 저감용 다공성 콘크리트 구조체를 구비한 다공성 콘크리트 필터모듈(100)]
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 질소산화물 저감용 다공성 콘크리트 구조체를 구비한 다공성 콘크리트 필터모듈에서 다공성 콘크리트 필터의 원리를 개략적으로 설명하기 위한 도면으로서, 도 1a는 다공성 콘크리트 필터를 부착하지 않은 경우를 나타내고, 도 1b는 다공성 콘크리트 필터를 부착한 것을 나타내는 도면이며, 한편, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 다공성 콘크리트 필터모듈에서 질소산화물 저감용 다공성 콘크리트 구조체의 개념을 설명하기 위한 도면이다.
질소산화물(NOx)과 같은 PM2.5의 초미세먼지를 일으키는 원인물질들은 가능한 발생지에서 집중적으로 저감시키는 것이 매우 중요한 대책이다. 예를 들면, 도심지 터널이나 장대터널의 경우, 미세먼지의 농도 감소를 위해 환기시설을 이용하거나 PM10 또는 PM2.5의 입자 형태 미세먼지 등을 포집 및 집진장치로 처리하는 공기정화 시설을 갖추고 있다.
하지만, 기존 공기정화장치의 경우, 도 1a에 도시된 바와 같이, 프리 필터 및 집진 필터들 구비하지만, PM10 또는 PM2.5의 미세먼지에 포함된 질소산화물(NOx)과 같은 초미세먼지는 정화하지 못한 유해 공기를 공급할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 질소산화물 저감용 다공성 콘크리트 구조체를 구비한 다공성 콘크리트 필터모듈에서 광촉매를 이용한 질소산화물(NOx)을 제거하는 방법은 광촉매가 포함된 콘크리트가 광원에 노출되는 경우, 도 1b에 도시된 바와 같이, 광활성 반응을 통해 칼슘(Ca) 성분과 대기 중 질소산화물(NOx)이 콘크리트 표면에 이온결합하여 흡착된 후 물에 의해 씻겨 제거되는 원리를 이용하며, 이에 따라, 다송성 콘크리트 필터를 통해 질소산화물(NOx)을 제거하여 청정 공기를 제공할 수 있다.
한편, 건설재료 중 시멘트에는 풍부한 칼슘(Ca) 성분이 함유되어 있기 때문에 광촉매 분말을 시멘트계 재료에 혼입하여 사용하는 연구들이 최근 진행되고 있지만, 미세한 입자인 광촉매 특성상 배합 시 내부에서 또다시 광촉매 입자끼리 재응집하기 때문에 광촉매 사용량에 비해 질소산화물(NOx) 제거율이 낮아지기 때문에, 이를 극복하는 것이 매우 어려운 문제라고 할 수 있다.
따라서 본 발명의 실시예에 따른 질소산화물 저감용 다공성 콘크리트 구조체를 구비한 다공성 콘크리트 필터모듈의 경우, 도 2에 도시된 바와 같이, 분산성이 향상된 광촉매를 활용한 시멘트계 소재의 필터기술을 개발함으로써, 입자형태의 미세먼지만을 처리하던 기존 공기정화장치의 한계점인 질소산화물(NOx) 제거문제를 해결하여 매우 효과적인 미세먼지 관리대책을 마련할 수 있다.
기존 연구는 세라믹 또는 섬유계열의 필터에 광촉매를 코팅하거나 이산화티탄(TiO2) 분말을 필터 소재로 가공처리한 것으로 악취제거 등의 유기물 분해 효과에만 한정된다. 따라서 본 발명의 실시예에 따른 질소산화물 저감용 다공성 콘크리트 구조체를 구비한 다공성 콘크리트 필터모듈의 경우, 분산성이 향상된 이산화티탄(TiO2)-매개담체를 사용한 다공성 경량기포 콘크리트를 필터로 개발하여 질소산화물(NOx)을 제거할 수 있다.
한편, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 질소산화물 저감용 다공성 콘크리트 구조체를 구비한 다공성 콘크리트 필터모듈의 구성도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 질소산화물 저감용 다공성 콘크리트 구조체를 구비한 다공성 콘크리트 필터모듈(100)은, 대기 중의 초미세먼지를 형성하는 질소산화물(NOx)을 저감시키기 위한 다공성 콘크리트 구조체를 구비한 다공성 콘크리트 필터모듈(100)로서, 저수조(110), 물분사 장치(120), 제1 다공성 콘크리트 구조체(130), 제2 다공성 콘크리트 구조체(140) 및 자외선 조사기(UV Light)(150)를 포함한다.
저수조(110)는 물분사 장치(120)에 공급되는 물이 저장되며, 물분사 장치(120)에 의해 분사된 물을 취수한 후 다시 물분사 장치(120)에 공급한다.
물분사 장치(120)는 상기 저수조(110)에 연결되어 제1 및 제2 다공성 콘크리트 구조체(130, 140)에 물을 분사한다. 구체적으로, 상기 물분사 장치(120)는, 상기 제1 및 제2 다공성 콘크리트 구조체(130, 140) 상부에 설치되어 물을 분사하는 분사노즐(121); 상기 분사노즐(121)에 물을 공급하는 물 공급배관(122); 및 상기 분사노즐(121)에 물을 공급하도록 상기 물 공급배관(122) 사이에 설치되는 순환 펌프(123)를 포함할 수 있지만, 이에 국한되는 것은 아니다.
제1 다공성 콘크리트 구조체(130)는 광촉매 분말이 포함된 다공성 콘크리트로서, 상기 저수조(110) 상부의 공기 유입부측에 설치된다.
제2 다공성 콘크리트 구조체(140)는 광촉매 분말이 포함된 다공성 콘크리트로서, 상기 저수조(110) 상부의 공기 배출부측에 설치된다.
여기서, 상기 제1 및 제2 다공성 콘크리트 구조체(130, 140)의 광촉매 분말은 분산성 혼화재를 혼합하여 분산성을 향상시킨 이산화티탄(TiO2)-매개담체일 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 및 제2 다공성 콘크리트 구조체(130, 140) 각각은, 결합재로서, 100중량부의 시멘트; 상기 100중량부의 시멘트를 기준으로 65~85중량부의 굵은골재; 상기 100중량부의 시멘트를 기준으로 45~55중량부의 잔골재; 상기 100중량부의 시멘트를 기준으로 40~60중량부의 배합수; 다공성 콘크리트 형성을 위해 기포를 발생시키도록 혼합되는, 상기 100중량부의 시멘트를 기준으로 10~20중량부의 기포제; 상기 100중량부의 시멘트를 기준으로 2~10중량부의 광촉매 분말; 상기 100중량부의 시멘트를 기준으로 0.1~0.8중량부의 분산성 혼화재; 및 상기 100중량부의 시멘트를 기준으로 0.1~0.5중량부의 급속경화재를 포함한다.
여기서, 상기 급속경화재는 응결 및 경화속도를 촉진하도록 혼합되는 급결제 또는 급결 성분을 갖는 혼화재인 것이 바람직하다. 또한, 상기 분산성 혼화재는 일정한 유동성과 점성을 갖도록 유도하는 감수제 또는 증점제로서, 상기 광촉매 분말이 분산성을 갖도록 혼합되고, 상기 분산된 광촉매 분말이 가라앉지 않고 일정한 위치에 머물게 하는 것을 특징으로 한다.
도 3을 다시 참조하면, 자외선 조사기(150)는 상기 제1 및 제2 다공성 콘크리트 구조체(130, 140) 사이에 설치되어 상기 제1 및 제2 다공성 콘크리트 구조체(130, 140) 내의 광촉매에 광원을 조사한다.
이에 따라, 상기 제1 및 제2 다공성 콘크리트 구조체(130, 140)는 상기 자외선 조사기(150)에 의해 조사되는 광원에 따른 광활성 반응을 통해 상기 제1 및 제2 다공성 콘크리트 구조체(130, 140) 내 시멘트의 칼슘(Ca) 성분과 초미세먼지를 형성하는 대기중의 질소산화물(NOx)이 상기 제1 및 제2 다공성 콘크리트 구조체(130, 140) 표면에 이온결합하여 흡착된 후, 상기 물분사 장치(120)에 의해 공급되는 물에 의해 씻겨내려 상기 질소산화물(NOx)이 제거될 수 있다.
한편, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 질소산화물 저감용 다공성 콘크리트 구조체를 구비한 다공성 콘크리트 필터모듈이 적용되는 공기정화장치를 예시하는 도면이고, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 질소산화물 저감용 다공성 콘크리트 구조체를 구비한 다공성 콘크리트 필터모듈이 적용되는 도심 지하터널 공기정화시설을 예시하는 도면이다.
본 발명의 실시예에 따른 질소산화물 저감용 다공성 콘크리트 구조체를 구비한 다공성 콘크리트 필터모듈(100)은, 도로 및 공원의 질소산화물(NOx) 저감용 대용량 공기정화시설, 지하철 공기순환 배출구 및 도심 지하터널 공기정화시설 내 질소산화물(NOx) 저감 필터로 활용될 수 있다.
구체적으로, 본 발명의 실시예에 따른 질소산화물 저감용 다공성 콘크리트 구조체를 구비한 다공성 콘크리트 필터모듈(100)은, 도 4에 도시된 바와 같이, 기설치된 공기 정화장치(200)에 교체 가능하도록 삽입 설치될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 질소산화물 저감용 다공성 콘크리트 구조체를 구비한 다공성 콘크리트 필터모듈(100)은, 도 5에 도시된 바와 같이, 도심 지하터널(300)의 환기시설 내부 또는 도심 지하터널(300)의 PM10 또는 PM2.5의 입자 형태 미세먼지를 포집하여 집진장치로 처리하는 공기정화시설 내부에 교체 가능하도록 삽입 설치될 수 있다.
결국, 본 발명의 실시예에 따른 질소산화물 저감용 다공성 콘크리트 구조체를 구비한 다공성 콘크리트 필터모듈에 따르면, 분산성을 향상시킨 다공성 콘크리트 구조체를 형성하여 초미세먼지를 형성하는 질소산화물을 용이하게 저감시킬 수 있고, 다공성 콘크리트 구조체를 콘크리트 필터모듈을 형성함으로써 기존 공기 정화장치 또는 도심 지하터널 환기시설 내부에 간편하게 삽입 설치할 수 있다.
[질소산화물 저감용 다공성 콘크리트 구조체(130)]
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 질소산화물 저감용 다공성 콘크리트 구조체의 배합을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 실시예에 따른 질소산화물 저감용 다공성 콘크리트 구조체는, 도 6에 도시된 바와 같이, 대기 중의 초미세먼지를 형성하는 질소산화물(NOx)을 저감시키기 위한 다공성 콘크리트 구조체로서, 결합재로서, 100중량부의 시멘트; 상기 100중량부의 시멘트를 기준으로 65~85중량부의 굵은골재; 상기 100중량부의 시멘트를 기준으로 45~55중량부의 잔골재; 상기 100중량부의 시멘트를 기준으로 40~60중량부의 배합수; 다공성 콘크리트 형성을 위해 기포를 발생시키도록 혼합되는 상기 100중량부의 시멘트를 기준으로 10~20중량부의 기포제; 상기 100중량부의 시멘트를 기준으로 2~10중량부의 광촉매 분말; 상기 100중량부의 시멘트를 기준으로 0.1~0.8중량부의 분산성 혼화재; 및 상기 100중량부의 시멘트를 기준으로 0.1~0.5중량부의 급속경화재를 포함한다.
이때, 상기 광촉매 분말은 광활성 반응을 통해 상기 시멘트의 칼슘(Ca) 성분과 초미세먼지를 형성하는 대기중의 질소산화물(NOx)이 콘크리트 구조체 표면에서 이온결합하여 흡착하게 되며, 상기 광촉매 분말은 상기 분산성 혼화재에 의해 분산성을 향상시킨 이산화티탄(TiO2)-매개담체일 수 있다.
여기서, 상기 급속경화재는 응결 및 경화속도를 촉진하도록 혼합되는 급결제 또는 급결 성분을 갖는 혼화재인 것이 바람직하다.
또한, 상기 분산성 혼화재는 일정한 유동성과 점성을 갖도록 유도하는 감수제 또는 증점제로서, 상기 광촉매 분말이 분산성을 갖도록 혼합되고, 상기 분산된 광촉매 분말이 가라앉지 않고 일정한 위치에 머물게 하는 것을 특징으로 한다. 즉, 초미세원자인 광촉매의 특성상 시멘트와 배합시, 광촉매 입자끼리 재응집하므로, 광촉매의 배합량에 비해 질소산화물(NOx)의 제거율이 낮아지므로, 본 발명의 실시예에 따른 질소산화물 저감용 다공성 콘크리트 구조체의 경우, 분산성이 향상된 광촉매를 활용하여 시멘트 배합한다.
또한, 상기 광촉매 분말은 광활성 반응이 원활하도록 진동장치를 사용하여 다공성 콘크리트 구조체의 상부 표면으로 유도될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 질소산화물 저감용 다공성 콘크리트 구조체의 경우, 광촉매가 태양빛, 자외선(UV) 등의 광원에 노출될 경우, 광활성 반응을 통해 시멘트의 칼슘(Ca) 성분과 대기중의 질소산화물(NOx)이 콘크리트 표면에 이온결합하여 흡착된 후, 물에 의해 씻겨 질소산화물(NOx)이 제거될 수 있다.
결국, 본 발명의 실시예에 따른 질소산화물 저감용 다공성 콘크리트 구조체를 구비한 다공성 콘크리트 필터모듈에 따르면, 분산성을 향상시킨 다공성 콘크리트 구조체를 형성하여 초미세먼지를 형성하는 질소산화물을 용이하게 저감시킬 수 있다.
[질소산화물 저감용 다공성 콘크리트 구조체의 제조방법]
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 질소산화물 저감용 다공성 콘크리트 구조체의 제조방법을 나타내는 동작흐름도이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 질소산화물 저감용 다공성 콘크리트 구조체의 제조방법은, 대기 중의 초미세먼지를 형성하는 질소산화물(NOx)을 저감시키기 위한 다공성 콘크리트 구조체의 제조방법으로서, 먼저, 기포발생 장치(400)에서 물과 기포제의 혼합액에 공기를 공급하여 기포를 형성시킨다(S110). 이때, 상기 기포발생 장치(400)는 마이크로 및 나노 크기를 갖는 기포가 함유된 물을 제조하는 초미세기포 발생장치로서, 기포의 크기를 줄임으로써 다공성 콘크리트의 강도를 증가시킬 수 있다. 여기서, 상기 기포발생 장치(400)에 대한 구체적인 설명은 도 8 및 도 9를 참조하여 후술하기로 한다.
다음으로, 상기 기포발생 장치(400)에서 발생시킨 기포가 함유된 소정 량의 배합수를 형성한다(S120).
다음으로, 상기 기포가 함유된 소정 량의 배합수에 결합재, 굵은골재 및 잔골재를 혼합한다(S130).
다음으로, 분산성 혼화재 및 급속 경화재를 혼합하여 다공성 콘크리트 페이스트 또는 모르타르를 형성한다(S140).
다음으로, 상기 다공성 콘크리트 페이스트 또는 모르타르에 광촉매 분말을 혼합한다(S150). 이때, 다공성 콘크리트 구조체 제작 과정에서 경화되지 않은 상태의 다공성 콘크리트 구조체에 일정한 진동을 가함으로써, 광촉매를 다공성 콘크리트 구조체 상부 표면으로 유도하는 것이 바람직하다.
다음으로, 상기 광촉매 분말이 혼합된 다공성 콘크리트 페이스트 또는 모르타르를 경화 및 양생시켜 다공성 콘크리트 구조체(130, 140)를 완성한다(S160). 이에 따라, 상기 광촉매 분말은 광활성 반응을 통해 상기 시멘트의 칼슘(Ca) 성분과 초미세먼지를 형성하는 대기중의 질소산화물(NOx)이 콘크리트 구조체 표면에서 이온결합하여 흡착하게 된다. 여기서, 상기 광촉매 분말은 상기 분산성 혼화재에 의해 분산성을 향상시킨 이산화티탄(TiO2)-매개담체일 수 있다.
여기서, 상기 다공성 콘크리트 페이스트(또는 모르타르)는, 결합재로서, 100중량부의 시멘트; 상기 100중량부의 시멘트를 기준으로 45~55중량부의 잔골재; 상기 100중량부의 시멘트를 기준으로 40~60중량부의 배합수; 다공성 콘크리트 형성을 위해 기포를 발생시키도록 혼합되는 상기 100중량부의 시멘트를 기준으로 10~20중량부의 기포제; 상기 100중량부의 시멘트를 기준으로 2~10중량부의 광촉매 분말; 상기 100중량부의 시멘트를 기준으로 0.1~0.8중량부의 분산성 혼화재; 및 상기 100중량부의 시멘트를 기준으로 0.1~0.5중량부의 급속경화재를 포함한다.
여기서, 상기 급속경화재는 응결 및 경화속도를 촉진하도록 혼합되는 급결제 또는 급결 성분을 갖는 혼화재인 것이 바람직하다.
구체적으로, 급결이 필요한 이유는 다량의 기포를 생성하여 미리 배합된 특정된 배합으로 구성된 시멘트 페이스트 또는 모르타르 배합에 첨가하여 배합하게 되면 내부에 생성된 기포들끼리 재응집과정을 통해 기포와 기포간에 부착을 하게 된다.
이때, 기포는 시간이 흐르면 대기중에서 팽창하며 소포가 되어 그 형상을 잃어버리고 시멘트 페이스트 또는 모르타르 배합 내에서 소포된 기포로 인하여 다공성 콘크리트 구조체의 경화 과정에서 침하를 일으킨다. 이에 따라, 원래 배합보다 물이 많아지게 된다. 따라서 다공성 콘크리트 구조체의 배합 구성에서 급속경화재료를 이용하여 응결 및 경화속도를 조절하면 기포가 서로 부착된 형상을 유지하게 되어 연속공극을 유지할 수 있게 된다.
또한, 상기 분산성 혼화재는 일정한 유동성과 점성을 갖도록 유도하는 감수제 또는 증점제로서, 상기 광촉매 분말이 분산성을 갖도록 혼합되고, 상기 분산된 광촉매 분말이 가라앉지 않고 일정한 위치에 머물게 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 질소산화물 저감용 다공성 콘크리트 구조체의 제조방법에 따르면, 콘크리트 페이스트에 광촉매 분말을 혼합한 다공성 콘크리트 구조체를 제조할 때, 광촉매 분말이 콘크리트 내에서 원활하게 혼합할 수 있게 하며, 특히, 콘크리트 표면으로 광촉매가 원활히 유도되어 광활성 반응이 효과적으로 나타나게 할 수 있다.
[다공성 콘크리트 구조체 제조용 기포발생장치(400)]
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 다공성 콘크리트 구조체 제조용 기포발생 장치의 설치구조를 나타내는 도면으로서, 도 8는 a)는 정면도이고, 도 8의 b)는 측면도이며, 도 9는 도 8에 도시된 기포발생 장치의 정량공급펌프를 예시하는 사진이다.
도 8의 a) 및 b)를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 다공성 콘크리트 구조체 제조용 기포발생 장치(400)는, 물공급제어 모듈(410), 공기공급제어 모듈(420), 정량공급(Dosing) 모듈(430), 기포발생 모듈(440) 및 제어 패널(450)을 포함한다.
물공급제어 모듈(410)은 펌프(411) 및 수압조절밸브(412)를 포함하며, 물 공급을 제어한다. 구체적으로, 상기 물공급제어 모듈(410)은 가압펌프(411)로 물을 공급하고, 수압조절밸브(412)를 통하여 미리 설정된 수압으로 스트레이너 필터를 통과시킨 후 솔레노이드 밸브를 이용하여 공급과 차단을 결정하는 단위로 구성되며, 상기 정량공급 모듈(430)인 정량공급펌프에 안정된 수량수질의 물을 공급한다.
공기공급제어 모듈(420)은 콤프레셔(421) 및 솔레노이드 밸브(422)를 포함하며, 공기 공급을 제어한다. 구체적으로, 상기 공기공급제어 모듈(420)은 공기 콤프레셔(421)로부터 공급된 압축공기의 압력을 실험조건에 맞도록 조절하여 발포혼합액과 혼합하는 공기의 공급과 제어하는 모듈로 구성된다. 이때, 상기 공기공급제어 모듈(420)은 공기 콤프레셔(421)의 압력을 실험조건에 따라 조절하는 압력제어장치와 압력계, 차단과 공급을 수행하는 솔레노이드 밸브, 공기중 응축수를 제거하는 스트레이너로 구성될 수 있다.
정량공급 모듈(430)은 물과 기포제를 혼합하여 혼합액을 형성하여 정량 공급한다. 구체적으로, 상기 정량공급 모듈(430)은 탱크(431)에 저장된 기포제와 상기 물공급제어 모듈(410)을 통해 공급되는 물을 유량에 관계없이 일정한 비율(0.5∼5%)로 혼합하여 물과 기포제의 혼합액을 공급하는 역할을 한다. 예를 들면, 상기 정량공급 모듈(430)은 정량공급펌프일 수 있고, 도 9에 도시된 바와 같이, 혼합액의 안정공급을 위해 압력조절장치와 체크밸브가 설치될 수 있다.
기포발생 모듈(440)은 상기 정량공급 모듈(430)에서 공급되는 물과 기포제의 혼합액에 상기 공기공급제어 모듈(420)에서 공급되는 공기를 혼합하여 기포를 발생시킨다. 즉, 상기 기포발생 모듈(440)은 상기 물과 기포제의 혼합액과 가압공기 접촉으로 발포화를 수행한다. 구체적으로, 상기 기포발생 모듈(440)은 물과 기포제를 일정 비율로 혼합하여 배출되는 관과 압축공기를 Y상방합류관으로 혼합하여 기포를 발생시키는 장치로서, 합류부에 균일기포 발생장치를 추가할 수 있고, 상기 Y 상방합류관을 통하여 물과 기포제의 혼합액과 압축공기를 2∼3 Bar로 분사하여 혼합액을 기포화한다.
제어패널(450)은 상기 물과 공기의 압력, 상기 물과 기포제의 혼합액의 압력을 모니터링하여, 상기 물과 공기의 공급을 제어한다. 구체적으로, 상기 제어 패널(450)은 물과 공기의 공급을 제어하는 솔레노이드 밸브제어장치와 압력계 모니터링부로 구성되며, 구체적으로, 물공급 차단스위치와 공기공급 차단 스위치, 각종 배출 밸브 및 압력감지 모니터링부로 구성될 수 있고, 이때, 압력감지 모니터링부는 물과 공기의 압력, 혼합액의 압력을 모니터링할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 다공성 콘크리트 구조체 제조용 기포발생 장치(400)의 상부에 정량공급 모듈(430), 상기 기포발생 모듈(440) 및 상기 제어패널(450)이 위치하고, 상기 다공성 콘크리트용 기포발생 장치(400)의 하부에 물공급제어 모듈(410), 공기공급제어 모듈(420)이 위치한다. 예를 들면, 도 8의 a) 및 b)에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 다공성 콘크리트 구조체 제조용 기포발생 장치(400)의 전체 규격은, 예를 들면, 약 650x700x1100㎜일 수 있다.
결국, 본 발명의 실시예에 따른 다공성 콘크리트 구조체 제조용 기포발생 장치의 경우, 기포제와 함께 투입되는 물을 기존의 일반 수도수를 사용하는 것에서 업그레이드하여 초미세기포 발생 장치에 의해 생성된 물을 사용하며, 이때, 초미세기포 발생 장치는 마이크로 및 나노 크기를 갖는 기포가 함유된 물을 제조하기 위한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 다공성 콘크리트 구조체 제조용 기포발생 장치에 따르면, 기포제와 일반 수도수에 의해 생성된 ㎜ 단위의 기포를 형성하지만, 초미세기포 발생장치를 통해 생성된 물을 사용하면 기포제에 의해 생성된 ㎜ 단위의 기포와 함께 마이크로 및 나노 단위의 기포를 생성하게 되므로, 이를 다공성 콘크리트 제조에 활용하면 다양한 크기의 기포를 형성하게 되어 비표면적을 더욱 향상시킬 수 있어 오염된 공기와 접할수 있는 비표면적을 증가시켜 공기정화 효율을 획기적으로 증가시킬 수 있다. 또한, 다공성 콘크리트 구조체의 강도는 콘크리트내 생성된 공극의 양과 크기에 좌우되므로, 공극량이 많고 공극의 크기가 크면 강도가 저하되는데, 이때, 기포의 크기를 줄임으로써 다공성 콘크리트의 강도를 증가시킬 수 있다. 이에 따라, 다공성 콘크리트 구조체의 강도 증가에 따라 다공성 콘크리트의 단면을 줄이거나 사용연한을 증가시킬 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 다공성 콘크리트 필터모듈
110: 저수조 120: 물분사 장치
130: 제1 다공성 콘크리트 구조체
140: 제2 다공성 콘크리트 구조체
150: 자외선 조사기(UV Light)
121: 분사노즐 122: 물 공급배관
123: 순환 펌프
200: 공기정화장치 300: 도심 지하터널
400: 기포발생장치
410: 물공급제어 모듈 420: 공기공급제어 모듈
430: 정량공급(Dosing) 모듈 440: 기포발생 모듈
450: 제어패널

Claims (22)

  1. 대기 중의 초미세먼지를 형성하는 질소산화물(NOx)을 저감시키기 위한 다공성 콘크리트 구조체를 구비한 다공성 콘크리트 필터모듈(100)로서,
    물분사 장치(120)에 공급되는 물이 저장된 저수조(110);
    상기 저수조(110)에 연결되어 제1 및 제2 다공성 콘크리트 구조체(130, 140)에 물을 분사하는 물분사 장치(120);
    광촉매 분말이 포함된 다공성 콘크리트로서, 상기 저수조(110) 상부의 공기 유입부측에 설치되는 제1 다공성 콘크리트 구조체(130);
    광촉매 분말이 포함된 다공성 콘크리트로서, 상기 저수조(110) 상부의 공기 배출부측에 설치되는 제2 다공성 콘크리트 구조체(140); 및
    상기 제1 및 제2 다공성 콘크리트 구조체(130, 140) 사이에 설치되어 상기 제1 및 제2 다공성 콘크리트 구조체(130, 140) 내의 광촉매에 광원을 조사하는 자외선 조사기(UV Light)(150)를 포함하되,
    상기 제1 및 제2 다공성 콘크리트 구조체(130, 140) 각각은, 시멘트; 굵은골재; 잔골재; 배합수; 다공성 콘크리트 형성을 위해 기포를 발생시키도록 혼합되는기포제; 분산성 혼화재를 혼합하여 분산성을 향상시킨 이산화티탄(TiO2)-매개담체인 광촉매 분말; 분산성 혼화재; 및 급속경화재를 포함하되, 상기 분산성 혼화재는 일정한 유동성과 점성을 갖도록 유도하는 감수제 또는 증점제로서, 상기 광촉매 분말이 분산성을 갖도록 혼합되고, 상기 분산된 광촉매 분말이 가라앉지 않고 일정한 위치에 머물게 하며;
    상기 제1 및 제2 다공성 콘크리트 구조체(130, 140)는 상기 자외선 조사기(150)에 의해 조사되는 광원에 따른 광활성 반응을 통해 상기 제1 및 제2 다공성 콘크리트 구조체(130, 140) 내 시멘트의 칼슘(Ca) 성분과 초미세먼지를 형성하는 대기중의 질소산화물(NOx)이 상기 제1 및 제2 다공성 콘크리트 구조체(130, 140) 표면에 이온결합하여 흡착된 후, 상기 물분사 장치(120)에 의해 공급되는 물에 의해 씻겨내려 상기 질소산화물(NOx)이 제거되며; 그리고
    상기 다공성 콘크리트 필터모듈(100)은 기설치된 공기 정화장치(200)에 교체 가능하도록 삽입 설치되는 것을 특징으로 하는 질소산화물 저감용 다공성 콘크리트 구조체를 구비한 다공성 콘크리트 필터모듈.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 다공성 콘크리트 구조체(130, 140) 각각은,
    결합재로서, 100중량부의 시멘트;
    상기 100중량부의 시멘트를 기준으로 65~85중량부의 굵은골재;
    상기 100중량부의 시멘트를 기준으로 45~55중량부의 잔골재;
    상기 100중량부의 시멘트를 기준으로 40~60중량부의 배합수;
    다공성 콘크리트 형성을 위해 기포를 발생시키도록 혼합되는, 상기 100중량부의 시멘트를 기준으로 10~20중량부의 기포제;
    상기 100중량부의 시멘트를 기준으로 2~10중량부의 광촉매 분말;
    상기 100중량부의 시멘트를 기준으로 0.1~0.8중량부의 분산성 혼화재; 및
    상기 100중량부의 시멘트를 기준으로 0.1~0.5중량부의 급속경화재를 포함하되,
    상기 급속경화재는 응결 및 경화속도를 촉진하도록 혼합되는 급결제 또는 급결 성분을 갖는 혼화재인 것을 특징으로 하는 질소산화물 저감용 다공성 콘크리트 구조체를 구비한 다공성 콘크리트 필터모듈.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서, 상기 물분사 장치(120)는,
    상기 제1 및 제2 다공성 콘크리트 구조체(130, 140) 상부에 설치되어 물을 분사하는 분사노즐(121);
    상기 분사노즐(121)에 물을 공급하는 물 공급배관(122); 및
    상기 분사노즐(121)에 물을 공급하도록 상기 물 공급배관(122) 사이에 설치되는 순환 펌프(123)를 포함하는 질소산화물 저감용 다공성 콘크리트 구조체를 구비한 다공성 콘크리트 필터모듈.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 다공성 콘크리트 필터모듈(100)은 도심 지하터널(300)의 환기시설 내부 또는 도심 지하터널(300)의 PM10 또는 PM2.5의 입자 형태 미세먼지를 포집하여 집진장치로 처리하는 공기정화시설 내부에 교체 가능하도록 삽입 설치되는 것을 특징으로 하는 질소산화물 저감용 다공성 콘크리트 구조체를 구비한 다공성 콘크리트 필터모듈.
  9. 대기 중의 초미세먼지를 형성하는 질소산화물(NOx)을 저감시키기 위한 다공성 콘크리트 구조체에 있어서,
    결합재로서, 100중량부의 시멘트;
    상기 100중량부의 시멘트를 기준으로 65~85중량부의 굵은골재;
    상기 100중량부의 시멘트를 기준으로 45~55중량부의 잔골재;
    상기 100중량부의 시멘트를 기준으로 40~60중량부의 배합수;
    다공성 콘크리트 형성을 위해 기포를 발생시키도록 혼합되는 상기 100중량부의 시멘트를 기준으로 10~20중량부의 기포제;
    상기 100중량부의 시멘트를 기준으로 2~10중량부의 광촉매 분말;
    상기 100중량부의 시멘트를 기준으로 0.1~0.8중량부의 분산성 혼화재; 및
    상기 100중량부의 시멘트를 기준으로 0.1~0.5중량부의 급속경화재를 포함하되,
    상기 광촉매 분말은 상기 분산성 혼화재에 의해 분산성을 향상시킨 이산화티탄(TiO2)-매개담체이고; 상기 분산성 혼화재는 일정한 유동성과 점성을 갖도록 유도하는 감수제 또는 증점제로서, 상기 광촉매 분말이 분산성을 갖도록 혼합되고, 상기 분산된 광촉매 분말이 가라앉지 않고 일정한 위치에 머물게 하며;
    상기 광촉매 분말은 광활성 반응을 통해 상기 시멘트의 칼슘(Ca) 성분과 초미세먼지를 형성하는 대기중의 질소산화물(NOx)이 콘크리트 구조체 표면에서 이온결합하여 흡착하는 것을 특징으로 하는 질소산화물 저감용 다공성 콘크리트 구조체.
  10. 삭제
  11. 제9항에 있어서,
    상기 급속경화재는 응결 및 경화속도를 촉진하도록 혼합되는 급결제 또는 급결 성분을 갖는 혼화재인 것을 특징으로 하는 질소산화물 저감용 다공성 콘크리트 구조체.
  12. 삭제
  13. 제9항에 있어서,
    상기 광촉매 분말은 광활성 반응이 원활하도록 진동장치를 사용하여 다공성 콘크리트 구조체의 상부 표면으로 유도되는 것을 특징으로 하는 질소산화물 저감용 다공성 콘크리트 구조체.
  14. 대기 중의 초미세먼지를 형성하는 질소산화물(NOx)을 저감시키기 위한 다공성 콘크리트 구조체의 제조방법에 있어서,
    a) 기포발생 장치(400)에서 물과 기포제의 혼합액에 공기를 공급하여 기포를 형성시키는 단계;
    b) 상기 기포발생 장치(400)에서 발생시킨 기포가 함유된 소정 량의 배합수를 형성하는 단계;
    c) 상기 기포가 함유된 소정 량의 배합수에 결합재, 굵은골재 및 잔골재를 혼합하는 단계;
    d) 분산성 혼화재 및 급속 경화재를 혼합하여 다공성 콘크리트 페이스트 또는 모르타르를 형성하는 단계;
    e) 상기 다공성 콘크리트 페이스트 또는 모르타르에 광촉매 분말을 혼합하는 단계; 및
    f) 상기 광촉매 분말이 혼합된 다공성 콘크리트 페이스트 또는 모르타르를 경화 및 양생시켜 다공성 콘크리트 구조체를 완성하는 단계를 포함하되,
    상기 a) 단계의 기포발생 장치(400)는 마이크로 및 나노 크기를 갖는 기포가 함유된 물을 제조하는 초미세기포 발생장치로서, 기포의 크기를 줄임으로써 다공성 콘크리트의 강도를 증가시키며;
    상기 다공성 콘크리트 구조체는, 시멘트; 굵은골재; 잔골재; 배합수; 다공성 콘크리트 형성을 위해 기포를 발생시키도록 혼합되는기포제; 분산성 혼화재를 혼합하여 분산성을 향상시킨 이산화티탄(TiO2)-매개담체인 광촉매 분말; 분산성 혼화재; 및 급속경화재를 포함하되, 상기 분산성 혼화재는 일정한 유동성과 점성을 갖도록 유도하는 감수제 또는 증점제로서, 상기 광촉매 분말이 분산성을 갖도록 혼합되고, 상기 분산된 광촉매 분말이 가라앉지 않고 일정한 위치에 머물게 하며;
    상기 광촉매 분말은 광활성 반응을 통해 상기 다공성 콘크리트 페이스트 또는 모르타르 내의 시멘트의 칼슘(Ca) 성분과 초미세먼지를 형성하는 대기중의 질소산화물(NOx)이 콘크리트 구조체 표면에서 이온결합하여 흡착하는 것을 특징으로 하는 질소산화물 저감용 다공성 콘크리트 구조체의 제조방법.
  15. 삭제
  16. 제14항에 있어서,
    상기 e) 단계에서 진동장치를 사용하여 상기 광촉매분말을 다공성 콘크리트 페이스트 상부 표면으로 유도하는 것을 특징으로 하는 질소산화물 저감용 다공성 콘크리트 구조체의 제조방법.
  17. 제14항에 있어서, 상기 d) 단계의 다공성 콘크리트 페이스트는,
    결합재로서, 100중량부의 시멘트;
    상기 100중량부의 시멘트를 기준으로 45~55중량부의 잔골재;
    상기 100중량부의 시멘트를 기준으로 40~60중량부의 배합수;
    다공성 콘크리트 형성을 위해 기포를 발생시키도록 혼합되는 상기 100중량부의 시멘트를 기준으로 10~20중량부의 기포제;
    상기 100중량부의 시멘트를 기준으로 2~10중량부의 광촉매 분말;
    상기 100중량부의 시멘트를 기준으로 0.1~0.8중량부의 분산성 혼화재; 및
    상기 100중량부의 시멘트를 기준으로 0.1~0.5중량부의 급속경화재를 포함하되,
    상기 급속경화재는 응결 및 경화속도를 촉진하도록 혼합되는 급결제 또는 급결 성분을 갖는 혼화재인 것을 특징으로 하는 질소산화물 저감용 다공성 콘크리트 구조체의 제조방법.
  18. 삭제
  19. 삭제
  20. 삭제
  21. 제14항에 있어서, 상기 a) 단계의 기포발생 장치(400)는,
    펌프(411) 및 수압조절밸브(412)를 포함하며, 물 공급을 제어하는 물공급제어 모듈(410);
    콤프레셔(412) 및 솔레노이드 밸브(412)를 포함하며, 공기 공급을 제어하는 공기공급제어 모듈(420);
    물과 기포제를 혼합하여 혼합액을 형성하여 정량 공급하는 정량공급(Dosing) 모듈(430);
    상기 정량공급 모듈(430)에서 공급되는 물과 기포제의 혼합액에 상기 공기공급제어 모듈(420)에서 공급되는 공기를 혼합하여 기포를 발생하는 기포발생 모듈(440); 및
    상기 물과 공기의 압력, 상기 물과 기포제의 혼합액의 압력을 모니터링하여, 상기 물과 공기의 공급을 제어하는 제어패널(450)을 포함하는 질소산화물 저감용 다공성 콘크리트 구조체의 제조방법.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 정량공급 모듈(430)은, 상기 물과 기포제의 혼합액의 안정적으로 공급되도록 압력조절장치와 체크밸브가 설치된 정량공급펌프인 것을 특징으로 하는 질소산화물 저감용 다공성 콘크리트 구조체의 제조방법.
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