KR102520510B1 - Air purifying device - Google Patents

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Abstract

본 발명은 공기의 정화를 위한 일체형 공기 청정화 장치로서, 공기 흡입구를 형성하는 원통형 내벽과, 내벽과 함께 집진 공간을 형성하는 외벽을 포함하는 하우징; 공기 흡입구에 배치되는 기류 조절부; 기류 조절부를 통과한 공기를 광분해하는 광분해부; 광분해된 공기가 통과되는 분해부; 및 외벽에 형성되고, 분해부에서 정화 완료된 공기가 외부로 배출되는 공기 배출구를 포함하는 공기 청정화 장치에 관한 것이다. The present invention is an all-in-one air purifying device for purifying air, comprising: a housing including a cylindrical inner wall forming an air inlet and an outer wall forming a dust collection space together with the inner wall; an air flow controller disposed at the air inlet; a photolysis unit that photo-decomposes the air that has passed through the air flow control unit; a decomposition unit through which photodegraded air passes; and an air outlet formed on an outer wall and through which air purified in the decomposition unit is discharged to the outside.

Description

공기 청정화 장치{AIR PURIFYING DEVICE}Air Purifying Device {AIR PURIFYING DEVICE}

본 발명은 실내 가스상 휘발성 유기오염물질(이하, VOC)과 타르 물질을 동시에 분해할 수 있는 공기 청정화 장치로서, 구체적으로, 망간(Mn)과 세륨(Ce)을 포함하는 촉매를 적용하여, 타르 물질의 분해 효과를 극대화할 수 있는 공기 청정화 장치에 관한 것이다. The present invention is an air purifying device capable of simultaneously decomposing indoor gaseous volatile organic pollutants (hereinafter referred to as VOC) and tar materials, and specifically, by applying a catalyst containing manganese (Mn) and cerium (Ce), tar materials It relates to an air purifying device capable of maximizing the decomposition effect of

일반적으로, 공기 청정기는 실내공기를 깨끗하게 정화시키는 장치로서, 송풍팬을 구동하여 흡입되는 실내공기가 필터를 거치도록 하여 미세먼지 등을 걸러내 정화된 공기를 다시 실내로 공급하는 공기 순환과정을 통하여 실내공기를 정화시킨다.In general, an air purifier is a device that cleanly purifies indoor air. Through an air circulation process in which indoor air sucked by driving a blowing fan passes through a filter to filter out fine dust and supply purified air back to the room. purifies the indoor air.

그러나, 종래의 필터 방식의 공기 청정기에는 VOC를 효과적으로 제거할 수 없다는 문제점이 있고, 특히, 담배연기 타르 물질 또는 음식점 주방에서 발생하는 유분 등이 공기 청정기 내의 제거 필터에 쉽게 달라붙어 공기 통과를 저해하는 문제점이 있다. However, conventional filter-type air purifiers have a problem in that they cannot effectively remove VOCs. There is a problem.

따라서, 종래의 필터 방식의 공기 청정기는, 오염물질의 처리가 충분하지 않아 정화된 공기를 다시 실내로 순환시키기에 부적합하며, 필터의 수명이 짧고 자주 교체해야 한다는 문제점이 있다.Therefore, conventional filter-type air purifiers are not suitable for circulating the purified air back into the room because they do not sufficiently treat pollutants, and the filter has a short lifespan and needs to be replaced frequently.

또한, 일반적인 공기청정 시스템은 가스상 대기오염물질을 처리하기 위해 주로 흡착 소재(활성탄, 제올라이트 등)를 이용하여 대상오염물질의 포집하는 방식을 사용하는 경우가 많은데, 이러한 방법은 단순히 오염물질의 매질을 옮기는 방식으로 처리하는 방법으로, 주기적인 필터 교체가 이루어지지 않으면 공기정화 능력이 급격히 감소된다. In addition, general air cleaning systems often use a method of collecting target pollutants using an adsorption material (activated carbon, zeolite, etc.) to treat gaseous air pollutants. This method simply removes the medium of pollutants. As a method of treatment by moving, if periodic filter replacement is not performed, the air purification ability is rapidly reduced.

특히, 필터 방식의 공기정화 장치는 입자상 물질에 효과가 있을 뿐, 그외의 가스상 물질 제거, 미생물 살균에는 효과가 크지 않으며, 타르와 같은 고분자량 화학물질이 다량 존재하는 조건에서는, 사용시간 경과에 따라 필터의 오염에 의해 처리성능은 더욱 떨어지는 문제점이 있다. In particular, filter-type air purifiers are only effective for particulate matter, but are not very effective for removing other gaseous substances and sterilizing microorganisms. There is a problem that the treatment performance is further deteriorated due to contamination of the filter.

따라서, 본 발명은 전술한 종래의 공기 청정기의 문제점들을 해결하고, 유증기, 용제 등 실내에서 고농도, 다량으로 발생하는 공기 오염 물질을 처리하여, 실내의 공기질을 최적화하기 위한 효과적인 공기 청정화 장치를 제공하고자 한다. Therefore, the present invention is to solve the above-mentioned problems of the conventional air purifier, to provide an effective air purifying device for optimizing indoor air quality by treating air pollutants generated in high concentration and large amount indoors, such as oil vapor and solvent. do.

또한, 본 발명은 공기 청정화 장치에 필요한 구성들을 일체의 공기 청정화 모듈 형태로 마련함으로써, 간단한 설계 및 조립만으로 효율적인 공기 청정화 장치를 제공할 수 있다. In addition, the present invention provides an efficient air purifying device with simple design and assembly by providing components necessary for the air purifying device in the form of an integral air purifying module.

또한, 본 발명은 공기 청정화 장치로 흡입되는 오염 공기의 기류를 효과적으로 조절하는 기류 조절부를 통해, 공기 청정화 장치의 오염 물질 제거 효율을 높일 수 있다. In addition, the present invention can increase the pollutant removal efficiency of the air cleaning device through an air flow controller that effectively controls the air flow of polluted air sucked into the air cleaning device.

전술한 기술적 과제를 달성하기 위해, 본 발명은 공기의 정화를 위한 일체형 공기 청정화 장치로서, 공기 흡입구를 형성하는 원통형 내벽과, 내벽과 함께 집진 공간을 형성하는 외벽을 포함하는 하우징; 공기 흡입구에 배치되는 기류 조절부; 기류 조절부를 통과한 공기를 광분해하는 광분해부; 광분해된 공기가 통과되는 분해부; 및 외벽에 형성되고, 분해부에서 정화 완료된 공기가 외부로 배출되는 공기 배출구를 포함하는 공기 청정화 장치를 제공할 수 있다. In order to achieve the above technical problem, the present invention is an integrated air purifying device for purifying air, comprising: a housing including a cylindrical inner wall forming an air inlet and an outer wall forming a dust collecting space together with the inner wall; an air flow controller disposed at the air inlet; a photolysis unit that photo-decomposes the air that has passed through the air flow control unit; a decomposition unit through which photodegraded air passes; and an air outlet formed on an outer wall and through which air purified in the decomposition unit is discharged to the outside.

또한, 본 발명의 기류 조절부는, 공기 흡입구로부터 공기를 흡입하여 광분해부에 공급되는 공기에 와류를 발생시키는 가이드 베인을 사용할 수 있다. In addition, the air flow control unit of the present invention may use a guide vane that sucks in air from an air inlet and generates a vortex in the air supplied to the photodecomposer.

또한, 본 발명의 가이드 베인은, 내부 중앙에 배기공을 갖는 내부 프레임과, 내부 프레임으로부터 소정의 간격을 두고 위치되는 외부 프레임과, 내부 프레임과 외부 프레임 사이에서 일정 간격을 두고 설치되며, 가이드 베인의 하부로 갈수록 내측으로 경사지는 가이드 편을 포함할 수 있다. In addition, the guide vane of the present invention is installed with an inner frame having an exhaust hole in the inner center, an outer frame positioned at a predetermined distance from the inner frame, and a predetermined distance between the inner frame and the outer frame, the guide vane It may include a guide piece inclined inward toward the lower part of the.

또한, 본 발명의 분해부는, 공기에 포함된 오염 물질을 필터링 및 분해하는 복수의 필터를 포함할 수 있으며, 복수의 필터는, 활성탄 필터와 TiO2 지지체에 Mn 및 Ce 나노 촉매가 담지된 필터를 포함할 수 있다. In addition, the decomposition unit of the present invention may include a plurality of filters that filter and decompose pollutants contained in the air, and the plurality of filters include an activated carbon filter and a filter in which Mn and Ce nano-catalysts are supported on a TiO2 support. can do.

또한, 본 발명의 TiO2 지지체는 화학증발응축법(CVC) 공정으로 합성한 CVC-TiO2 지지체이고, 이러한 CVC-TiO2 지지체는 아나타제 결정상으로만 형성될 수 있다. In addition, the TiO2 support of the present invention is a CVC-TiO2 support synthesized by a chemical evaporation condensation (CVC) process, and such a CVC-TiO2 support can be formed only in the anatase crystalline phase.

또한, 본 발명의 Mn 및 Ce 나노 촉매는 함침법으로 지지체에 담지될 수 있다. In addition, the Mn and Ce nanocatalysts of the present invention may be supported on a support by an impregnation method.

본 발명은 실내발생 공기 오염물질, 특히, VOC와 타르 물질을 동시에 분해처리할 수 있는 장치로서, 촉매상의 VOC 분해 효과를 극대화하기 위한 나노촉매물질을 코팅한 필터와 가이드베인을 일체화한 공기 청정화 장치를 제공할 수 있다. The present invention is a device capable of simultaneously decomposing and treating indoor air pollutants, in particular, VOC and tar materials, and an air cleaning device in which a guide vane and a filter coated with a nano-catalyst material are integrated to maximize the decomposition effect of VOC on a catalyst. can provide.

도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 공기 청정화 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 단면 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 기류 조절부를 개략적으로 나타낸 개념도이다.
도 3는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 기류 조절부를 통해 조절되는 공기의 흐름을 개략적으로 나타내는 개념도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 집진부에 적용되는 복수의 필터의 사진이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 공기 청정화 장치를 사용하여, 담배 연기 노출 1회에 따른 지지체 표면에 첨착된 타르 물질의 양을 정리한 그래프이다.
도 6는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 공기 청정화 장치를 사용하여, 담배 연기 노출 10회에 따른 지지체 표면에 첨착된 타르 물질의 양을 정리한 그래프이다.
도 7은 담배 연기에 포함되는 타르의 첨착양을 성분별로 정리한 것이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 촉매의 결정상을 확인하기 위한 XRD 분석 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시 형태에 따라 합성된 촉매들의 화학 결합 상태를 확인하기 위한 XPS 결과 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 공기 청정화 장치의 성능을 평가하기 위한 시스템의 사진이다.
도 11은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 필터의 성능을 평가하기 위한 테스트 필터들의 사진이다.
도 12는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 필터들을 적용하여 담배 유해 물질을 분해한 결과를 나타내는 그래프이다.
1 is a cross-sectional perspective view schematically showing the configuration of an air purifying device according to an embodiment of the present invention.
2 is a conceptual diagram schematically illustrating an airflow controller according to an embodiment of the present invention.
3 is a conceptual diagram schematically illustrating an air flow controlled by an air flow controller according to an embodiment of the present invention.
4 is a photograph of a plurality of filters applied to a dust collecting unit according to an embodiment of the present invention.
5 is a graph summarizing the amount of tar material adhering to the surface of a support according to one cigarette smoke exposure using an air purifying device according to an embodiment of the present invention.
6 is a graph summarizing the amount of tar material adhering to the surface of a support according to 10 cigarette smoke exposures using an air purifying device according to an embodiment of the present invention.
7 is a summary of the amount of tar contained in cigarette smoke by component.
8 is an XRD analysis graph for confirming a crystal phase of a catalyst according to an embodiment of the present invention.
9 is an XPS result graph for confirming the chemical bonding state of catalysts synthesized according to an embodiment of the present invention.
10 is a photograph of a system for evaluating the performance of an air purifying device according to an embodiment of the present invention.
11 is a photograph of test filters for evaluating filter performance according to an embodiment of the present invention.
12 is a graph showing the results of decomposing tobacco harmful substances by applying filters according to an embodiment of the present invention.

이하, 첨부된 도면을 기준으로 본 발명의 바람직한 실시 형태를 통하여, 본 발명에 따른 공기 청정화 장치(1)에 대하여 설명하기로 한다. Hereinafter, an air purifying device 1 according to the present invention will be described through preferred embodiments of the present invention based on the accompanying drawings.

설명에 앞서, 여러 실시 형태에 있어서, 동일한 구성을 가지는 구성 요소에 대해서는 동일 부호를 사용하여 대표적으로 일 실시 형태에서 설명하고, 그 외의 실시 형태에서는 다른 구성 요소에 대해서만 설명하기로 한다. Prior to the description, in various embodiments, components having the same configuration will be representatively described in one embodiment using the same reference numerals, and only different components will be described in other embodiments.

도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 공기 청정화 장치(1)의 구성을 개략적으로 나타낸 단면 사시도이다. 1 is a cross-sectional perspective view schematically showing the configuration of an air purifying device 1 according to an embodiment of the present invention.

도 1에 기재된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 공기 청정화 장치(1)는 원통형의 내벽(11)과 외벽(12)을 포함하는 하우징으로 이루어져 있고, 원통형의 내벽(11)은 하부로부터 오염된 공기를 흡입하는 공기 흡입구(111)를 형성할 수 있다. As described in FIG. 1, an air purifying device 1 according to an embodiment of the present invention is composed of a housing including a cylindrical inner wall 11 and an outer wall 12, and the cylindrical inner wall 11 is formed from the bottom. An air inlet 111 for sucking polluted air may be formed.

또한, 내벽(11)과 외벽(12) 사이에는 소정의 공간이 형성되며, 이 공간 내부에 분해부(40)를 배치하여, 집진 공간으로서 활용할 수 있다. In addition, a predetermined space is formed between the inner wall 11 and the outer wall 12, and the disassembly unit 40 is disposed inside the space to be utilized as a dust collection space.

공기 흡입구(111)에는 기류 조절부(20)를 형성하여, 공기 흡입구(111)로부터 흡입된 공기가 기류 조절부(20)를 통과함에 따라 와류가 발생되고, 따라서 1차적으로 공기와 접하여 이를 광분해하는 광분해부(30)인 UV장치 전체 면적에 공기가 균질하게 공급될 수 있다. 기류 조절부(20)에 대한 구체적인 설명은 후술하기로 한다. An air flow control unit 20 is formed at the air inlet 111, and as the air sucked in from the air intake 111 passes through the air flow control unit 20, a vortex is generated, and thus primarily comes in contact with the air to photodegrade it. Air may be supplied homogeneously to the entire area of the UV device, which is the photolysis unit 30 to do. A detailed description of the airflow control unit 20 will be described later.

정리하면, 공기 흡입구(111)에서 흡입된 오염된 외부 공기는 기류 조절부(20)를 통과하여, 광분해부(30)에서 1차적으로 오염 물질이 분해되고, 통로(112)를 지나 분해부(40)에서 2차적으로 오염 물질이 분해된다. 최종적으로, 2회의 오염 물질이 분해된 청정화된 공기는 공기 배출구(121)를 통해 외부로 배출된다. In summary, the polluted outside air sucked in from the air inlet 111 passes through the air flow control unit 20, the contaminants are primarily decomposed in the photolysis unit 30, and passes through the passage 112 to the decomposition unit ( 40), the contaminants are decomposed secondarily. Finally, the purified air in which pollutants are decomposed twice is discharged to the outside through the air outlet 121 .

한편, 분해부에는 공기에 포함된 오염 물질을 필터링 및 분해하는 복수의 필터가 배치될 수 있으며, 이러한 복수의 필터는 활성탄 필터(42)와 TiO2 지지체에 Mn 및 Ce 나노 촉매가 담지된 필터(41)를 포함할 수 있다. Meanwhile, a plurality of filters for filtering and decomposing pollutants contained in the air may be disposed in the decomposition unit, and the plurality of filters include an activated carbon filter 42 and a filter 41 in which Mn and Ce nano-catalysts are supported on a TiO2 support. ) may be included.

구체적으로, TiO2 지지체는 화학증발응축법(CVC) 공정으로 합성한 CVC-TiO2 지지체를 사용할 수 있으며, 이러한 CVC-TiO2 지지체는 아나타제 결정상으로만 형성되는 것이 바람직하다. 또한, Mn 및 Ce 나노 촉매는 합침법으로 CVC-TiO2 지지체에 담지될 수 있다. 필터의 구체적인 구성과 성능은 후술할 실시예들을 통해 설명하기로 한다. Specifically, the TiO2 support may use a CVC-TiO2 support synthesized by a chemical evaporation condensation (CVC) process, and such a CVC-TiO2 support is preferably formed of only the anatase crystalline phase. In addition, the Mn and Ce nanocatalysts can be supported on the CVC-TiO2 support by the impregnation method. The specific configuration and performance of the filter will be described through embodiments to be described later.

도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 기류 조절부(20)를 개략적으로 나타낸 개념도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 기류 조절부(20)를 통해 조절되는 공기의 흐름을 개략적으로 나타내는 개념도이다. 2 is a conceptual diagram schematically showing an air flow controller 20 according to an embodiment of the present invention, and FIG. 3 schematically illustrates the flow of air controlled by the air flow controller 20 according to an embodiment of the present invention. It is a conceptual diagram represented by

도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 형태에서는 기류 조절부(20)로서 가이드 베인을 사용할 수 있으며, 도 2에서는 원형의 가이드 베인을 예시로서 설명하고 있으나, 가이드 베인의 형상은 형성된 공기 흡입구(111)의 형상에 따라 적절하게 변경될 수 있다. As shown in FIGS. 2 and 3, in one embodiment of the present invention, a guide vane may be used as the air flow control unit 20, and in FIG. 2, a circular guide vane is described as an example, but the shape of the guide vane may be appropriately changed according to the shape of the air inlet 111 formed.

구체적으로, 가이드 베인(20)은, 내부 중앙에 배기공(21)을 갖는 내부 프레임(22)과, 내부 프레임(22)으로부터 소정의 간격을 두고 위치되는 외부 프레임(23)을 갖는다. Specifically, the guide vane 20 has an inner frame 22 having an exhaust hole 21 at its inner center, and an outer frame 23 positioned at a predetermined distance from the inner frame 22 .

또한, 내부 프레임(22)과 외부 프레임(23) 사이에는 가이드편(24)이 일정 간격을 두고 설치되며, 이러한 가이드편(24)은 가이드 베인(20)의 하부로 갈수록 내측으로 경사지게 형성될 수 있다. In addition, guide pieces 24 are installed at regular intervals between the inner frame 22 and the outer frame 23, and these guide pieces 24 may be formed inclined inward toward the lower part of the guide vane 20. there is.

따라서, 도 3에 도시된 바와 같이, 가이드 베인(20)으로 흡입되는 공기(A)에 불균일이 발생하게 되더라도, 경사지는 가이드편(24)을 통해 흡입 공기가 회전함으로써, 배출 공기(B)는 와류를 발생하면서 배출된다. Therefore, as shown in FIG. 3, even if non-uniformity occurs in the air (A) sucked into the guide vane 20, the intake air rotates through the inclined guide piece 24, and the exhaust air (B) It is discharged while generating a vortex.

이를 통하여, 오염 물질이 포함된 공기가 광분해부(30)의 소정의 지점에 편중되어 공급되지 않고, 광분해부(30)의 전체 면적에 대하여 균질하게 공급될 수 있고, 오염 물질과 광분해부(30)의 접촉을 원활하게 유지함으로써, 오염 물질의 분해를 효율적으로 실현할 수 있다. Through this, air containing contaminants can be uniformly supplied to the entire area of the photolysis unit 30 without being biasedly supplied to a predetermined point of the photolysis unit 30, and contaminants and the photolysis unit 30 ), it is possible to efficiently decompose the contaminant.

[실시예 1][Example 1]

본 발명의 일 실시 형태에서는 화학증발응축법(CVC) 공정으로 합성한 촉매입자 표면에 Mn 과 Ce 을 함침법으로 담지하여, Ce-Mn2O3/TiO2 나노 촉매를 합성하였다. In one embodiment of the present invention, a Ce-Mn 2 O 3 /TiO 2 nanocatalyst was synthesized by impregnating Mn and Ce on the surface of a catalyst particle synthesized by a chemical evaporation condensation (CVC) process.

화학증발응축법(vapor evaporation)을 이용하여 지지체로 이용되는 TiO2 나노입자를 합성함으로써, 함침시 입자 표면에 Mn 과 Ce 산화물을 고르게 분포시킬 수 있으며 균일한 나노 촉매를 합성할 수 있다. By synthesizing TiO 2 nanoparticles used as a support using a vapor evaporation method, Mn and Ce oxides can be evenly distributed on the particle surface during impregnation, and a uniform nanocatalyst can be synthesized.

또한, 비귀금속 물질인 Ce 산화물은 불안정적인 산화 상태(Ce4+와 Ce3+)를 통해 높은 산소 이동능력을 갖추고 있으며, 이러한 특성으로 인해 Ce 산화물과 결합된 촉매는 산소의 이동성이 원활해져 산화반응에 매우 효과적으로 작용될 수 있다. In addition, Ce oxide, a non-noble metal material, has high oxygen mobility through unstable oxidation states (Ce 4+ and Ce 3+ ), and due to this property, catalysts combined with Ce oxide have smooth oxygen mobility, leading to oxidation reactions. can work very effectively.

예를 들어, Ce가 첨가된 광촉매 반응 연구에서 대상물질인 Toluene, O-xylene에서 기존 TiO2물질과 비교하여 Toluene 33%, O-xylene 48% 높은 광촉매 산화효율을 나타내었다. For example, in the study of the photocatalytic reaction in which Ce was added, the target materials, Toluene and O-xylene, showed high photocatalytic oxidation efficiency of 33% for Toluene and 48% for O-xylene compared to the existing TiO2 material.

또한, Mn이 담지된 나노 촉매에 추가로 Ce를 첨가하여 타르내성 및 산화력을 증대시킬 수 있었다. In addition, by adding Ce to the Mn-supported nanocatalyst, tar resistance and oxidizing power could be increased.

도 4는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 집진부에 적용되는 복수의 필터의 사진이다. 4 is a photograph of a plurality of filters applied to a dust collecting unit according to an embodiment of the present invention.

본 발명은 균일한 촉매성능을 유지하도록 Ce가 첨가된 나노소재를 카본 페이퍼인 지지체에 코팅하는 필터 코팅기술을 적용하였다. In the present invention, a filter coating technology is applied in which a nanomaterial to which Ce is added is coated on a carbon paper support to maintain uniform catalytic performance.

필터에 코팅되는 나노소재 코팅 양은 가로세로 30cm, 두께 1cm인 필터에 약 1~10g의 나노소재가 코팅된 것을 확인하였다. 또한, 지지체의 품질은 공기청정화 장치의 설계 및 제거 효율의 영향을 주는 인자가 될 수 있다. It was confirmed that about 1 to 10 g of nanomaterial was coated on a filter having a width of 30 cm and a thickness of 1 cm. In addition, the quality of the support may be a factor influencing the design and removal efficiency of the air purifying device.

광분해부(30)를 통과한 공기를 1차적으로 광분해하고 동시에 분해부(40)에 오존을 균일하게 공급하기 위하여, 광분해부(30)와 분해부(40)의 필터 사이는 1~5cm 정도의 간격을 주는 것이 바람직하다. In order to firstly photodegrade the air that has passed through the photolysis unit 30 and to uniformly supply ozone to the decomposition unit 40 at the same time, a distance between the photolysis unit 30 and the filter of the decomposition unit 40 is about 1 to 5 cm. It is desirable to give an interval.

도 1에 있어서, UV램프를 185nm 파장의 3개 설치하였으며, 유입되는 오염 물질의 농도에 따라 그 출력을 조절할 수 있도록 제어할 수 있다. In FIG. 1, three UV lamps with a wavelength of 185 nm are installed, and their output can be controlled according to the concentration of the incoming contaminants.

도 5 및 도 6은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 공기 청정화 장치를 사용하여, 담배 연기 노출 1회 및 10회에 따른 지지체 표면에 첨착된 타르 물질의 양을 정리한 그래프이다. 5 and 6 are graphs summarizing the amount of tar material adhering to the surface of the support according to exposure to cigarette smoke once and ten times using the air purifying device according to an embodiment of the present invention.

도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 촉매 입자를 코팅하여 제조한 촉매 필터 표면에 고농도의 담배연기에 노출시켜 저휘발성 타르의 첨착양을 측정하였다. As shown in FIGS. 5 and 6, the surface of the catalyst filter prepared by coating catalyst particles was exposed to high concentration of cigarette smoke to measure the amount of low-volatility tar adhering.

담배연기에 노출시킨 활성탄 필터, 촉매필터 표면에 흡착된 타르물질을 이소프로필알콜을 이용하여 용출시킨 후 감압증류장치를 사용하여 증발 농축시켜 GC-MS로 흡착된 타르물질의 총량을 분석하였으며, 이러한 타르의 첨착량을 성분별로 도 7에 정리하였다. The tar materials adsorbed on the surface of the activated carbon filter and catalyst filter exposed to cigarette smoke were eluted using isopropyl alcohol, and then evaporated and concentrated using a vacuum distillation device to analyze the total amount of tar materials adsorbed by GC-MS. The amount of tar attached is summarized in FIG. 7 for each component.

노출 횟수에 따른 표면의 첨착(누적)된 타르물질의 총량을 분석한 시험 결과, 흡착방식의 활성탄 필터의 경우는 노출 3회 이내에 흡착 한계치를 초과하며, 파과 현상이 나타나는 것이 관찰되었다. 즉, 흡착방식의 필터는 타르 분해성능이 없어서 타르가 그대로 표면에 흡착되어 흡착된 타르의 양이 급격하게 증가하는 것이 확인할 수 있었다. As a result of the analysis of the total amount of tar materials attached (accumulated) to the surface according to the number of exposures, it was observed that the adsorption-type activated carbon filter exceeded the adsorption limit within 3 exposures, and a breakthrough phenomenon appeared. That is, it was confirmed that the adsorption-type filter did not have tar decomposition performance, so that tar was adsorbed on the surface as it was, and the amount of adsorbed tar rapidly increased.

그러나, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 산화촉매 필터의 경우, 활성탄에 비하여 현저하게 적은 타르 물질이 표면에 남는 것을 확인할 수 있었다. However, in the case of the oxidation catalyst filter according to an embodiment of the present invention, it was confirmed that significantly less tar material remained on the surface compared to activated carbon.

[실시예 2][Example 2]

CVC-TiO2와 종래의 P25-TiO2를 각각 지지체로 사용하여, 망간과 세륨을 담지하여 촉매 표면 특성의 변화를 살펴보았다. Changes in catalyst surface properties were investigated by supporting manganese and cerium using CVC-TiO 2 and conventional P25-TiO 2 as supports, respectively.

아래의 [표 1]는 합성된 나노촉매의 비표면적 및 결정의 크기를 각각 나타내었으며, SSA와 입자크기는 BET 방법으로 측정하였다. [Table 1] below shows the specific surface area and crystal size of the synthesized nanocatalyst, respectively, and the SSA and particle size were measured by the BET method.

[표 1][Table 1]

Figure 112020142674381-pat00001
Figure 112020142674381-pat00001

[표 1]에 나타난 바와 같이, 기본 입자인 CVC-TiO2는 종래의 P25에 비하여 2배 이상 큰 SSA를 가지고 있으며, 기본 입자도 14.6nm로서 31.6nm보다 크기가 작다. As shown in [Table 1], the basic particle CVC-TiO 2 has an SSA more than twice as large as that of conventional P25, and the basic particle size is also 14.6 nm, which is smaller than 31.6 nm.

또한, 지지체 TiO2에 함침법으로 Mn과 Ce을 담지한 촉매의 경우, CVC-TiO2에 담지된 촉매의 비표면적이 종래의 P25-TiO2 담지 촉매에 비하여 약 4배 큰 것을 확인할 수 있다. In addition, in the case of the catalyst supporting Mn and Ce by impregnation on the TiO 2 support, it can be confirmed that the specific surface area of the catalyst supported on the CVC-TiO 2 is about 4 times larger than that of the conventional P25-TiO 2 supported catalyst.

큰 비표면적과 기본입자 크기가 작으면 촉매의 표면 반응시 더욱 많은 활성을 나타낼 수 있으므로, 종래의 P25-TiO2 기반 촉매보다 본 발명의 일 실시 형태에 따른 CVC-TiO2 기반 촉매가 촉매 표면에 더 많은 활성점을 제공함을 확인할 수 있었다. Since a large specific surface area and a small basic particle size can show more activity during the surface reaction of the catalyst, the CVC-TiO 2 -based catalyst according to an embodiment of the present invention is more active on the catalyst surface than the conventional P25-TiO 2 -based catalyst. It was confirmed that more active points were provided.

도 8은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 촉매의 결정상을 확인하기 위한 XRD 분석 그래프이다. 8 is an XRD analysis graph for confirming a crystal phase of a catalyst according to an embodiment of the present invention.

도 8에 도시된 바와 같이, CVC-TiO2와 CVC-TiO2를 지지체로 제조된 촉매는 모두 아나타제 결정상만을 나타내었으며, 종래의 P25-TiO2 지지체를 이용한 촉매에 비교하여 낮은 강도의 XRD 피크를 나타내었다. As shown in FIG. 8, the catalysts prepared using CVC-TiO 2 and CVC-TiO 2 as supports showed only the anatase crystalline phase, and compared to catalysts using conventional P25-TiO 2 supports, XRD peaks of lower intensity were obtained. showed up

이와 대조적으로, 종래의 P25-TiO2 지지체로 합성한 촉매의 경우 XRD 피크의 강도가 높고, 아나타제와 루타일 결정상이 모두 존재하는 것을 확인할 수 있었고, 일반적으로, 루타일이 혼합된 TiO2 보다 순수 아나타제 결정상의 TIO2가 우수한 촉매 활성을 보인다. In contrast, in the case of the catalyst synthesized with the conventional P25-TiO 2 support, it was confirmed that the XRD peak intensity was high and both anatase and rutile crystal phases were present. Crystalline TIO 2 shows excellent catalytic activity.

또한, CVC-TiO2 지지체를 이용하여 합성한 촉매의 결정성은 세륨을 첨가할 때 더욱 감소하며, 이 현상은 망간 및 세륨 산화물을 촉매가 대부분 CVC-TiO2에 비해 매우 작은 비정형 입자로 구성됨을 나타낸다.In addition, the crystallinity of the catalyst synthesized using the CVC-TiO 2 support is further reduced when cerium is added, indicating that most of the manganese and cerium oxide catalysts are composed of very small amorphous particles compared to the CVC-TiO 2 support. .

일반적으로 CeO2 결정상은 28.3~5°에서 나타나는데, Ce-MnO2/P25-TiO2 촉매에서는 28.3~5°에서 CeO2 피크를 나타내었다. In general, the CeO 2 crystal phase appears at 28.3~5°, but the Ce-MnO 2 /P25-TiO 2 catalyst showed a CeO 2 peak at 28.3~5°.

그러나, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 Ce-MnO2/CVC-TiO2 촉매에서는 CeO2 피크가 나타나지 않으며, 비정질 결정상으로 더 지지체 표면에 잘 분산되어 응집되지 않아 피크가 나타나지 않은 것으로 판단된다. However, in the Ce-MnO 2 /CVC-TiO 2 catalyst according to an embodiment of the present invention, the CeO 2 peak does not appear, and as an amorphous crystal phase, it is better dispersed on the surface of the support and does not aggregate, so it is determined that no peak appears.

이는 Ce-MnO2/CVC-TiO2 촉매는 지지체와 담지 촉매 사이에 강한 상호작용을 가지며, 이러한 현상은 전자 또는 산소 및 산소 이온 사이의 상호작용 때문에 촉매 성능의 향상을 가져올 수 있다. This indicates that the Ce-MnO 2 /CVC-TiO 2 catalyst has a strong interaction between the support and the supported catalyst, and this phenomenon can lead to improved catalytic performance due to the interaction between electrons or oxygen and oxygen ions.

도 9는 본 발명의 일 실시 형태에 따라 합성된 촉매들의 화학 결합 상태를 확인하기 위한 XPS 결과 그래프이고, 아래의 [표 2]에 합성된 촉매들의 XPS 결과를 나타내었다. 9 is an XPS result graph for confirming the chemical bonding state of the catalysts synthesized according to an embodiment of the present invention, and the XPS results of the synthesized catalysts are shown in [Table 2] below.

일반적으로, XPS 분석은 광전자의 측정으로 에너지 준위를 결정함으로써 촉매의 화학결합 상태 및 원소 분석이 가능하다. XPS 가우시안 모델 기법을 이용한 O1s spectra fitting 결과를 [표 2]와 도 9에 나타내었다. In general, XPS analysis can analyze the chemical bonding state and elements of a catalyst by determining an energy level by measuring photoelectrons. The O 1s spectra fitting results using the XPS Gaussian model technique are shown in [Table 2] and FIG.

[표 2][Table 2]

Figure 112020142674381-pat00002
Figure 112020142674381-pat00002

XPS를 통해 분석된 O1s peak는 금속산화물의 격자산소 (529.2 eV, O1) 와 OH 라디칼 (531 eV, O2), 표면의 흡착산소 (532 eV, O3)로 분리가 가능하며, 산화 반응에 이용되는 산소종은 OH 라디칼과 나노 촉매 표면에 흡착된 산소이다. The O 1s peak analyzed through XPS can be separated into lattice oxygen (529.2 eV, O 1 ) of metal oxide, OH radical (531 eV, O 2 ), and adsorbed oxygen (532 eV, O 3 ) on the surface. Oxygen species used in the reaction are OH radicals and oxygen adsorbed on the surface of the nanocatalyst.

또한, 전이금속 담지시 격자 빈 공간을 통해 산소 이온이 이동하는데, 전이금속 담지에 따른 격자 공간이 증가할수록 산소 이온의 움직임이 활발해져 산화 및 환원 능력이 증가하게 된다.In addition, when the transition metal is supported, oxygen ions move through the lattice vacancy. As the lattice space according to the transition metal support increases, the movement of oxygen ions becomes more active, thereby increasing oxidation and reduction capabilities.

촉매 반응에서는 산화 환원 반응이 주로 산소 교환을 통해 진행된다. 상온에서의 산화 반응 역시 촉매와 반응물 사이에서 산소 전달을 통해 이루어지기 때문에, 촉매의 표면에서 산소를 전달할 수 있는 능력이 중요한 인자이다. In catalytic reactions, oxidation-reduction reactions proceed mainly through oxygen exchange. Since the oxidation reaction at room temperature is also performed through oxygen transfer between the catalyst and the reactants, the ability to transfer oxygen from the surface of the catalyst is an important factor.

또한, 활성 금속과 지지체의 화학적 상호작용으로 인한 산소 전달 능력이 우수하기 때문에 향상된 반응 활성을 나타낸다. OH 라디칼(O2)과 나노 촉매 표면에 흡착된 산소(O3)의 피크는 오염물질과의 산화 반응에 직접적으로 관여하는 산소 활성종이다.In addition, since the oxygen transfer ability due to the chemical interaction between the active metal and the support is excellent, it shows improved reaction activity. The peaks of OH radical (O 2 ) and oxygen (O 3 ) adsorbed on the surface of the nanocatalyst are active oxygen species directly involved in the oxidation reaction with pollutants.

따라서, CVC-TiO2의 지지체와 그를 이용한 촉매들의 표면에서의 OH 라디칼 및 산소 라디칼의 함량이 종래의 P25-TiO2 지지체에 비하여 약 2배 정도 높다. 전술한 2개의 피크는 오염물질과의 산화 반응에 직접적으로 관여하는 활성종 산소로 알려져 있으며, 나노 촉매의 산화 반응 효율이 더욱 우수한 것을 확인할 수 있다. Therefore, the content of OH radicals and oxygen radicals on the surface of the CVC-TiO2 support and catalysts using the same is about twice as high as that of the conventional P25-TiO2 support. The aforementioned two peaks are known as active oxygen species directly involved in the oxidation reaction with contaminants, and it can be confirmed that the oxidation reaction efficiency of the nanocatalyst is more excellent.

또한, 세륨을 첨가하였을 경우 산소 활성종의 함량이 가장 높게 나타났으며, 이는 촉매 표면에 흡착된 높은 산소의 이동성을 나타내는 활성종 산소가 많이 분포하며, 이는 촉매 표면에서 내구성 강화 및 흡착 물질에 대한 산화 반응에 긍정적 효과로 작용하는 것을 확인할 수 있다. In addition, when cerium was added, the content of active oxygen species was the highest, which shows a high mobility of oxygen adsorbed on the catalyst surface. It can be confirmed that it acts as a positive effect on the oxidation reaction.

[실시예 3][Example 3]

도 10은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 공기 청정화 장치의 성능을 평가하기 위한 시스템의 사진이고, 도 11은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 필터의 성능을 평가하기 위한 테스트 필터들의 사진이다. 10 is a photograph of a system for evaluating the performance of an air cleaning device according to an embodiment of the present invention, and FIG. 11 is a photograph of test filters for evaluating the performance of a filter according to an embodiment of the present invention.

도 10 및 도 11에 나타난 바와 같이, 여러 필터들을 공기 청정 시스템에 적용하여 오염물질의 분자량에 따른 처리 성능의 차이를 검증하였다. 성능 검증은 1m3 챔버를 이용하여 진행하였고, 오염물질의 공급은 담배 연기를 챔버 내로 유입하여 일정 조건으로 실험을 진행하였다. As shown in FIGS. 10 and 11, various filters were applied to the air cleaning system to verify the difference in treatment performance according to the molecular weight of pollutants. Performance verification was carried out using a 1m 3 chamber, and the supply of contaminants was carried out under certain conditions by introducing cigarette smoke into the chamber.

처리 성능은 챔버 내부에서 벽면 흡착 등에 의한 자연 감소와 활성탄 필터, Mn/CVC-TiO2 촉매 필터와 Ce-Mn/CVC-TiO2 나노 필터를 적용하여 비교 평가를 진행하였다.The treatment performance was comparatively evaluated by applying natural reduction due to wall adsorption inside the chamber, activated carbon filter, Mn/CVC-TiO 2 catalytic filter, and Ce-Mn/CVC-TiO 2 nano filter.

챔버 내부에서 담배를 흡연 후 30분 동안 아무런 필터도 끼우지 않은 공기청정기를 작동시켰을 경우, 벽면 흡착 등에 의해 30분후 10% 정도 자연 감소되는 것을 확인할 수 있었다. When the air purifier without any filter was operated for 30 minutes after smoking a cigarette inside the chamber, it was confirmed that the air was naturally reduced by about 10% after 30 minutes due to adsorption on the wall.

상용 활성탄 필터를 적용 후 공기 청정기를 가동하여 실험을 진행한 결과, 고분자량 물질에 대하여도 30분후 약 60% 정도의 처리 성능을 나타내는 것을 확인할 수 있었다. As a result of conducting the experiment by operating the air purifier after applying a commercial activated carbon filter, it was confirmed that the treatment performance was about 60% after 30 minutes even for high molecular weight materials.

본 발명의 일 실시 형태에 따른 Ce-Mn/CVC-TiO2 나노촉매를 적용하면, 도 12에 도시된 바와 같이, 분자량이 낮은 물질부터 높은 물질까지 30분후 95% 이상의 분해 성능을 나타내는 것을 확인할 수 있었다. When the Ce-Mn/CVC-TiO 2 nanocatalyst according to an embodiment of the present invention is applied, as shown in FIG. 12, it can be confirmed that the decomposition performance of 95% or more is exhibited after 30 minutes from a low molecular weight material to a high molecular weight material. there was.

따라서, 세륨이 첨가된 촉매 코팅필터의 경우, 기존에 비해 20% 이상 분해 성능을 향상시킬 수 있으며, 이는 촉매 표면에서의 활성종 산소 함량의 증가와 활성 산소가 필터 표면에 고르게 분포되어 반응성이 향상되기 때문이다. Therefore, in the case of a catalyst coated filter with cerium added, the decomposition performance can be improved by more than 20% compared to the conventional one, which increases the active oxygen content on the catalyst surface and the active oxygen is evenly distributed on the filter surface, resulting in improved reactivity. because it becomes

또한, 반응 중 활성종 산소 생성을 위해 투입된 오존은 촉매 필터에서 모두 분해되어 산소 라디칼과 산소분자로 변화되며, 처리 후 배출되는 배출가스 중의 오존은 실내환경 권고치인 20ppb 이하로 측정되었다. In addition, the ozone introduced to generate active species oxygen during the reaction is decomposed in the catalyst filter and changed into oxygen radicals and oxygen molecules, and the ozone in the exhaust gas discharged after the treatment was measured to be less than 20 ppb, which is the recommended indoor environment.

전술한 설명들을 참고하여, 본 발명이 속하는 기술 분야의 종사자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.With reference to the foregoing description, those skilled in the art to which the present invention pertains will be able to understand that the present invention can be embodied in other specific forms without changing its technical spirit or essential features.

그러므로, 지금까지 전술한 실시 형태는 모든 면에서 예시적인 것으로서, 본 발명을 상기 실시 형태들에 한정하기 위한 것이 아님을 이해하여야만 하고, 본 발명의 범위는 전술한 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 균등한 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다. Therefore, it should be understood that the foregoing embodiments are illustrative in all respects and are not intended to limit the present invention to the above embodiments, and the scope of the present invention is set forth in the claims below rather than the foregoing detailed description. It is indicated by, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and equivalent concepts should be construed as being included in the scope of the present invention.

본 발명은 담배연기 및 타르에 내성이 강한 환경 촉매는 기존의 활성탄 필터 흡착방식을 대체하여, 공기 중 고농도 VOCs 제거하는데 저 관리비용으로 소규모 시설에 효과적이다.The present invention replaces the existing activated carbon filter adsorption method with an environmental catalyst resistant to tobacco smoke and tar, and is effective in removing high-concentration VOCs in the air at low management costs and in small-scale facilities.

또한, 본 발명은 산화분해촉매 시스템을 적용할 수 있는 다양한 산업현장, 휘발성유기화합물 중 처리가 어려운 물질을 처리할 수 있는 반도체산업현장, 다량의 VOCs 배출 국소오염시설 및 도장 시설 등에 적용될 수 있다. In addition, the present invention can be applied to various industrial sites to which an oxidative decomposition catalyst system can be applied, semiconductor industrial sites to process difficult-to-process substances among volatile organic compounds, local pollution facilities emitting large amounts of VOCs, and painting facilities.

1 공기 청정화 장치 10 하우징
11 내벽 12 외벽
20 기류 조절부 21 배기공
22 내부 프레임 23 외부 프레임
24 가이드편 30 광분해부
40 분해부 41 Mn 및 Ce 나노 촉매 필터
42 활성탄 필터 111 공기 흡입구
112 통로 121 공기 배출구
A 흡입 공기 B 배출 공기
1 air cleaning unit 10 housing
11 inner wall 12 outer wall
20 Air flow control part 21 Exhaust hole
22 inner frame 23 outer frame
24 Guide 30 Optical decomposition
40 Decomposition section 41 Mn and Ce nano catalyst filter
42 Activated carbon filter 111 Air inlet
112 passage 121 air outlet
A intake air B exhaust air

Claims (9)

공기의 정화를 위한 일체형 공기 청정화 장치로서,
공기 흡입구를 형성하는 원통형 내벽과, 상기 내벽과 함께 집진 공간을 형성하는 외벽을 포함하는 하우징;
상기 공기 흡입구에 배치되는 기류 조절부;
상기 기류 조절부를 통과한 공기를 광분해하는 광분해부;
상기 광분해된 공기가 통과되는 분해부; 및
상기 외벽에 형성되고, 상기 분해부에서 정화 완료된 공기가 외부로 배출되는 공기 배출구를 포함하고,
상기 분해부는, 공기에 포함된 오염 물질을 필터링 및 분해하는 복수의 필터를 포함하고, 상기 복수의 필터는 화학증발응축법(CVC) 공정으로 아나타제 결정상으로만 형성된 CVC-TiO2 지지체에 Mn 및 Ce 나노 촉매가 담지된 필터인 것을 특징으로 하는 공기 청정화 장치.
As an integrated air purifying device for purifying air,
A housing including a cylindrical inner wall forming an air inlet and an outer wall forming a dust collecting space together with the inner wall;
an air flow controller disposed in the air inlet;
a photolysis unit for photolysis of the air that has passed through the air flow control unit;
a decomposition unit through which the photodegraded air passes; and
An air outlet formed on the outer wall and through which the air purified in the decomposition unit is discharged to the outside;
The decomposition unit includes a plurality of filters for filtering and decomposing contaminants contained in the air, and the plurality of filters are formed of only anatase crystalline phase through a chemical evaporation condensation (CVC) process on a CVC-TiO 2 support formed of Mn and Ce An air purifying device characterized in that it is a filter supported with a nano-catalyst.
◈청구항 2은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈◈Claim 2 was abandoned when the registration fee was paid.◈ 제 1 항에 있어서,
상기 기류 조절부는, 상기 공기 흡입구로부터 공기를 흡입하여 상기 광분해부에 공급되는 공기에 와류를 발생시키는 가이드 베인인 것을 특징으로 하는 공기 청정화 장치.
According to claim 1,
The air purifier according to claim 1 , wherein the air flow controller is a guide vane that sucks in air from the air inlet and generates a vortex in the air supplied to the photolysis unit.
◈청구항 3은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈◈Claim 3 was abandoned when the registration fee was paid.◈ 제 2 항에 있어서,
상기 가이드 베인은, 내부 중앙에 배기공을 갖는 내부 프레임과, 상기 내부 프레임으로부터 소정의 간격을 두고 위치되는 외부 프레임과,
상기 내부 프레임과 상기 외부 프레임 사이에서 일정 간격을 두고 설치되며, 상기 가이드 베인의 하부로 갈수록 내측으로 경사지는 가이드 편을 포함하는 것을 특징으로 하는 공기 청정화 장치.
According to claim 2,
The guide vane includes an inner frame having an exhaust hole in the inner center, an outer frame positioned at a predetermined distance from the inner frame,
and a guide piece installed at a predetermined interval between the inner frame and the outer frame and inclined inward toward a lower portion of the guide vane.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 Mn 및 Ce 나노 촉매는 함침법으로 지지체에 담지되는 것을 특징으로 하는 공기 청정화 장치.


According to claim 1,
The air purifier, characterized in that the Mn and Ce nano-catalysts are supported on a support by an impregnation method.


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