KR20010016158A - 광분해 및 열분해 복합형 대기 정화장치 및 정화방법 - Google Patents

광분해 및 열분해 복합형 대기 정화장치 및 정화방법 Download PDF

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KR20010016158A
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김성근
심재석
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Abstract

본 발명은 유해가스 정화장치 및 정화방법에 관한 것으로서, O 라디칼 및 오존을 생성하고, 생성된 오존의 광분해 및 이에 따른 이차적인 O 및 OH 라디칼의 생성하며, 근자외선 및 가시광선 영역의 빛과 열을 대량으로 발생시키기 위한 광분해부와 상기 광분해부에서 분해되지 않는 잔류 유해가스를 열처리하기 위한 열분해부를 포함하는 광분해 및 열분해 복합형 대기 정화장치와 이러한 정화장치를 이용한 방법을 제공한다. 본 발명의 정화장치에 의하면 광분해부의 일차분해 및 산화를 통하여 할로겐을 포함한 유기물과 SOx의 제거가 가능하며(효율 98% 이상), 금속 및 비금속 발열체로부터 발생되는 고온을 이용한 이차 산화공정을 통하여 할로겐 화합물, 휘발성 유기화합물 등를 제거할 수 있다. 또한 다양한 종류의 유해가스 정화에 적용 가능하며, 그 크기도 비교적 소형으로 제작가능하여, 소형 소각로 및 실험실 등에서 유용하게 사용할 수 있다.

Description

광분해 및 열분해 복합형 대기 정화장치 및 정화방법{Photolysis and pyrolysis complex air purification apparatus and a purification method thereof}
본 발명은 유해가스 정화장치 및 방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 대소규모 공장 또는 실험실에서 발생하는 대기오염물질(VOC, SOx, NOx, CFC 등)을 정화하는 데 사용될 수 있는 광분해 및 열분해 복합형 대기 정화장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 대기의 유해가스를 정화하는 기존의 기술로서는 물을 살포시켜 유해가스를 물에 녹여 세정시키는 스크루버(scrubber) 방법, 활성탄이나 필터를 이용한 유해가스를 흡착시키는 흡착법, 화석 연료를 이용하여 연소시키는 연소법, 연소법에 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh) 등의 촉매를 이용하여 산화를 촉진하는 촉매 연소법, 미생물의 생물학적 분해를 이용한 생물탈취법 등이 있다. 이러한 종래의 기술중 스크루버 방법은 물 세정으로 인한 수질오염을, 흡착법은 흡착제로 사용되는 흡착제의 오염으로 제 2의 오염물질을 발생시키며, 촉매 연소법은 촉매 열화 물질에 의한 촉매의 교체에 따른 비싼 촉매교체 비용과 특정 폐기물인 페촉매를 유발시키고, 생물탈취법은 많은 설치면적과 유지 관리가 힘들며 분해효과가 떨어지는 한계가 있어서, 이에 대한 해결책이 요구되고 있다.
본 발명의 정화기술로 광분해기술은 수처리에 흔히 사용되는 기술로 파장이 다른 자외선 조사를 통하여 살균 및 소독, 유기물 제거 등의 용도로 사용되고 있다. 용질이 광에너지를 흡수하여 들뜬 상태로 전환되면 용존산소와 반응하여 라디칼 이온 등이 생성하고, 이 라디칼이 산소와 결합하여 유기 라디칼을 생성하여 산화과정에 의해 제거된다. 산화를 촉진하기 위하여 오존이나 과산화수소를 첨가하여 광분해를 통한 강산화제인 OH 라디칼를 생성 시켜 유해물질을 제거하는 고급산화기술(AOT, advanced oxidation technology)로 적용되고 있다. 또한 본 발명의 정화기술로 열분해기술은 무산소 상태에서 열을 가하여 유기성물질을 가스, 액체, 및 고체 형태의 유용한 부산물로 전환시키는 기술로서 폐기물 처리 기술로 사용되고 있으나 대기 정화용으로는 사용된 예가 없다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 대소규모 공장, 소형소각로 또는 실험실등에서 발생하는 다양한 종류의 대기오염물질들을 광분해 및 열분해의 적절한 혼합에 의해 유해가스를 무해가스로 정화하는 고효율의 대기정화장치 개발에 있다.
본 발명이 이루고자 하는 또 다른 과제는 대기오염물질을 광분해 및 열분해에 의하여 유해가스를 무해가스로 정화하는 대기 정화방법의 제공에 있다.
도 1은 본 발명에 따른 대기 정화장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 대기 정화장치의 광분해 반응부를 도시한 개략 종단면도이다.
도 3(a) 및 3(b)은 본 발명에 따른 대기 정화장치의 열분해 반응부를 도시한 횡단면도 및 종단면도이다.
도 4는 유해가스가 본 발명에 따른 대기 정화장치의 열분해부 및 광분해부를 통과한 후 배출되는 기체의 성분과 양을 비교 분석한 결과로 점선은 장치 통과전, 실선은 통과후의 농도를 나타내는 질량분석표이다.
〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉
1 : 광분해부 2 : 열분해부 3 : 트랩
4 : 검사장치 5 : 배기펌프 6 : 코넥트
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 O 라디칼 및 오존을 생성하고, 생성된 오존의 광분해 및 이에 따른 이차적인 O 및 OH 라디칼의 생성하며, 근자외선 및 가시광선 영역의 빛과 열을 대량으로 발생시키기 위한 광분해부와 상기 광분해부에서 분해되지 않는 잔류 유해가스를 열처리하기 위한 열분해부를 포함하는 광분해 및 열분해 복합형 대기 정화장치를 제공한다.
본 발명에 따른 정화장치에서, 상기 광분해부는 O 라디칼 및 오존을 생성시키기 위하여 진공 자외선램프(180~300 nm)를 구비하는 제 1챔버, 오존의 광분해 및 이에 따른 이차적인 O 및 OH 라디칼을 생성하기 위하여 자외선램프(200~300 nm)를 구비하는 제 2챔버, 근자외선 및 가시광선 영역의 빛과 열을 대량으로 발생시키기 위하여 메탈할라이드램프를 구비하는 제 3챔버로 이루어진 것을 특징으로 한다.
상기 진공 자외선램프 및 자외선램프는 15 KW 이상의 소비전력을 갖고, 상기 메탈할라이들램프는 0.5 KW 이상의 소비전력을 갖는 것이 바람직하다. 그 이유는 상기 소비전력 이하에서는 유해가스의 분해효율이 50%인 반면에, 상기 소비전력이상에서는 분해효율이 90%이기 때문이다.
상기 열분해부는 유해가스를 고온(1000℃ 이상)의 가열을 통하여 분자구조를 파괴시켜 라디칼을 생성시키고, 이렇게 생성된 여러 라디칼을 완전 산화시켜 유해가스를 탄화 가스 및 물 등으로 정화한다.
상기 열분해부는 열교환 다중 분할관과 이 다중분할관의 저면에 접하거나 감싸는 발열체를 사용하는 것을 특징으로 한다. 상기 다중 분할관은 구경이 작은 여러개의 관으로 구성되어 흡입되는 유해가스와의 접촉면적을 넓혀서 유해가스가 분해될 가능성을 높이는 역활을 하고, 상기 발열체는 전기를 걸어주면 발열체의 큰 저항때문에 고온의 열을 발생하는 역활을 하며, 이 고온의 열에 의해 상술한 바와 같은 라디칼 생성 및 산화반응을 일어나게 한다.
상기 발열체의 소재는 금속 및 비금속물 모두 가능하되 기체의 열분해부에 필요한 온도와 열분해부내의 온도를 1000 ℃ 이상 유지시킬 수 있는 발열량을 갖는 것이 바람직하고, 구체적으로는 탄화규소(SiC)봉, 칸탈봉, 칸탈선, 레늄선 또는 텅스텐선 등을 사용하게 된다. 또한 상기 열분해부는 발열체의 내부에 절연체인 뮬라이트관을 설치하여 산화과정에서 발생할 수 있는 슬러지 코팅이나 부식 등에 의한 열전달율의 감소 문제나 전기적 합선 문제에서 자유로울 수 있는 특징을 지니고 있다.
상기 광분해부와 열분해부를 통하여 정화된 기체는 트랩을 통하여 술러지나 고체는 분리되며, 잔류 기체는 바람직한 검사장치, 예를 들면 기체 크로마토그래피를 이용하여 성분 및 양을 분석하게 된다.
또한 상기한 또 다른 기술적 과제를 달성하기 위하여, (a) O 라디칼 및 오존을 생성하여 유해가스를 광분해하는 단계, (b) 상기 (a)에서 생성된 오존의 광분해 및 이에 따른 이차적인 O 및 OH 라디칼의 생성하여 유해가스를 광분해하는 단계; (c) 근자외선 및 가시광선 영역의 빛과 열을 대량으로 발생시켜 유해가스를 광분해하는 단계; 및 (d) 상기 광분해단계에서 분해되지 않은 잔류 유해가스를 열처리하여 열분해하는 단계를 포함하는 광분해 및 열분해 복합형 대기 정화방법을 제공한다.
이하에서는 첨부된 도면에 의거 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 정화장치의 구성도로서, 광분해부(1), 열분해부(2), 트랩(3), 검사장치(4), 및 배기펌프(5)를 보여준다.
도 2는 본 발명에 따른 대기 정화장치의 광분해부를 도시한 개략적인 종단면도로서, 내부구조를 보여준다.
상기 도 1에 표시된 바와 같이, 광분해부(1)는 제 1챔버(11)와 제 2챔버(12) 및 제 3챔버(13)로 분리되어 제 1챔버(11) 일축 상부로 유해가스가 유입되고, 유입된 유해 가스는 제 1챔버(11)의 하부를 통해 제 2챔버(12)의 하부로 유입된 후 제 2챔버(12)를 거쳐 다시 제 3챔버(13)의 상부로 들어가 하부로 나오는 과정을 거치면서 다양한 광분해 과정들을 통해 정화된다.
상기 도 2에 도시된 바와 같이, 광분해부(1)의 제 1챔버(11) 및 제 2챔버(12) 내부에는 각각 진공 자외선램프(14)와 자외선램프(15)가 등간격을 이루면서 다수개 설치되어 유해 기체가 흐르는 동안 O 라디칼 및 오존의 생성과, 오존의 광분해 그리고 이에 따른 2차적인 O 및 OH 라디칼의 생성과 후처리 과정등을 수행하며, 상기 제 3챔버(13) 내부에는 많은 열을 발생하는 메탈할라이드램프(16)가 설치되어 자외선 및 가시광선 광분해 반응 및 적외선 가열과정을 거쳐 열분해의 선구과정을 수행한다. 상기 광분해 부(1)를 통과하는 유해 가스는 O, 오존 및 여러 라디칼과의 반응을 통해 분해가 이루어지며 특히 할로겐원소가 포함된 유기물과 SOx 등의 경우에는 초고효율(98% 이상) 처리가 가능하게 된다.
여기에서, 상기 광분해부의 반응원리를 더욱 상세히 기술한다.
(1) 오존의 생성 : 오존은 그 자체로서도 매우 강력한 산화제로서 대기 및 용액 환경 어느 곳에서나 산화작용 및 이를 수반하는 분해 반응을 유발하는 것으로 잘 알려져 있다. 본 발명은 오존의 이러한 강력한 반응성을 이용하여 유해가스를 무해가스로 전환시킨다.
오존은 흔히 대기 중 산소 분자의 광분해 산물인 산소 라디칼을 다시 산소 분자와 반응하도록 하여 얻게 된다. 산소분자는 200 nm 이하의 VUV(Vacuum Ultra Violet) 파장에서 광분해 효율이 높은데 175∼195 nm 간의 영역은 슈만-룽게 밴드(Schumann-Runge band), 그리고 130∼170 nm 간의 영역은 슈만-룽게 컨티늄(Schumann-Runge continuum)으로 불리는 구간으로서 후자의 경우 특히 광흡수율이 큰 것으로 알려져 있다. (140 nm에서 약 500 atm-1cm-1) 본 단계에서 사용하는 170∼190 nm 영역의 진공 자외선은 O2 → O(3P) + O(1D) 과정을 통한 O(1D)을 만들어 내는 임계에너지(threshold energy)에 해당되며 이렇게 만들어진 O(1D) 라다칼은 그 자체로서도 매우 활발한 기체상 반응을 일으키기도 하는 동시에 산소 분자와 반응하여 오존을 생성시킨다.
(2) 오존의 광분해 : 이렇게 만들어진 오존은 그 자체로서도 다양한 산화성 분해반응을 일으키는데 사용되지만 다른 기체 환경 하에서 이를 다시 광분해하여 산소 라디칼을 재생성함으로써 다음 단계에서 보게 될 O 및 OH 라디칼 등과 같은 추가적인 활성 화학종들을 만들게 된다.
이를 위해서는 오존의 효율적인 광분해가 필요한데 오존의 경우 산소와는 달리 200 nm 이상의 자외선 영역인 254 nm에서 광흡수가 가장 강하게 일어나기 때문에 (130 atm-1cm-1), 바로 이 파장의 자외선을 이용하여 오존을 광분해하게 된다. 이 영역에서의 광분해는 하틀리 밴드(Hartley band)에서 일어나는 것으로 알려져 있는데 그 주된 광분해 생성물은 O3(1B2) → O2(1Δ) + O(1D) 이며 이외에도 매우 다양한 부차적인 반응이 일어나게 되는데 이 과정에서 많은 양의 활성화된 화학종을 생성하게 된다.
(3) O 및 OH 라디칼의 생성 : 위의 과정에서 만들어진 O 라디칼은 그 자체로서 매우 반응성이 높아 대부분의 기체 분자들과 활성화 에너지가 필요없이 매우 쉽게 반응하게 된다. 본 발명은 이러한 추가적인 활성 화학종들을 이용하여 유해가스를 무해가스로 전환시킨다.
간단한 경우 그 몇 가지 예를 들면 O(1D) + H2O → 2OH 반응의 경우, 상온에서의 속도상수는 2.2 × 10-10 cm3molec-1s-1이며 O(1D) + CH4→ OH + CH3의 경우나 O(1D) + CH4→ H2+ CH2O의 경우도 각각의 속도상수는 1.4 × 10-10과 1.4 × 10-11cm3molec-1s-1의 매우 높은 값을 가지는 것으로 알려져 있다. 이와 같은 경향은 대표적 대기 오염물질인 탄화수소 계열의 할로겐화합물과의 반응에서도 나타나는데 예를 들어 O(1D) + CF2Cl2의 경우는 1.4 × 10-10, 그리고 O(1D) + C2F4Cl2의 경우는 1.3 × 10-10cm3molec-1s-1의 매우 큰 속도상수를 갖는 뛰어난 활성을 보이고 있다. 더구나 O(1D) 라디칼은 대기중의 수분에 포함된 물 분자와 반응하여 또 다른 강력한 활성 화학종인 OH 라디칼을 생성하기 때문에 이에 의한 추가적인 분해반응 경로를 열 수 있게 된다.
상기 도 1에 도시된 바와 같이, 열분해부(2)는 상기 광분해부(1)의 제 3챔버(13)로부터 유입되는 기체로 하여금 비금속발열체(칸탈, SiC 등)로 둘러 싸인 고온 절연체(세라믹 또는 뮬라이트)를 통과하도록 하면서 열을 흡수하여 고온 산화과정을 거치도록 한다.
도 3(a) 및 3(b)은 본 발명에 따른 대기 정화장치의 열분해 반응부를 도시한 횡단면도 및 종단면도로서, 다중 분할관(21) 및 발열체(22)을 보여준다.
상기 다중 분할관(21)은 도면 3(a) 및 3(b)에서와 같이 상하로 소정의 간격을 이루면서 총 6개가 배열되어 있으나, 이에 한정되지 않고 기체의 열분해 양에 따라 증감이 가능하다.
상기 발열체(22)는 상기 다중 분할관(21)의 저면에 접하거나 감싸서 열을 전달하게 되며, 발열체(22)로부터 발생된 열은 다중 분할관(21)을 통해 내부를 통과하는 기체로 열교환되면서 기체가 열분해되도록 이루어지며, 도면 3(b)에서와 같이 전원공급용 코넥터(6)를 통해 각각의 발열체(22)에 전류가 공급되어 발열하게 된다.
상기 열분해부(2)로부터 열분해되어 정화된 기체는 무해가스(물과 탄화가스 등)로 변화하여 배출구로 이동되고 슬러지나 기타 고체 들은 트랩을 이용하여 걸러지고 바람직한 검사장치, 예를 들면 기체크로마토그래피를 통하여 정화효율을 분석하도록 이루어졌다.
상기 설명에 있어서 광분해부(1) 및 열분해부(2)의 램프 및 발열체 그리고 배기펌프 등은 통상적인 전원콘트롤장치에 접속되어 전원을 공급받는 것으로 상세한 설명은 생략한다.
이하에서는 실시예를 통하여 보다 상세히 설명하되, 이는 본 발명의 범위를 한정하지 않는다.
〈실시예〉
광분해 및 열분해 복합형 정화장치를 도 1과 같은 형태로 제작하고, 분석을 위해 소형질량분석기를 설치하여, 전체 크기가 1000×600×700 mm인 소형장치를 제작하여 SOx, 할로겐화합물, 휘발성유기화합물을 대상으로 실험을 하였다. 상기 소형장치를 제작함에 있어서, 다중 분할관의 소재는 세라믹을 사용하였고, 진공 자외선 및 자외선 램프는 각각 16 W, 25 W 산쿄(SANKYO, 일본) 제품을, 메탈할라이드램프는 3 KW 우쇼(USHIO, 일본) 제품을 사용하였다. 또한 발열체의 소재로는 칸탈선을 사용하였다.
시료로 사용되는 SO, SO2는 99.9% 순도의 혼합가스를 사용하였고, CCl4, C6H5CH3및 C2H3Cl3는 99.9%의 액체 시약에 공기를 주입시켜 증발되는 기체를 사용하여 실험을 하였다. 시료 주입시, 가스 시료는 압력을 조절하여 가스라인으로 유속이 100 mL/min 정도로 주입하고, 공기라인으로 공기를 800-1000 mL/min으로 조절하여 주입하여 혼합챔버(미도시)에서 혼합되어 농도가 조절되어 광분해부로 들어가게 된다. 액체 시료는 공기라인의 트랩에 30 mL 정도의 액체 시료를 채운 후, 공기라인으로 공기를 400-600 mL/min으로 흘려주어 액체 시료를 증발시키며, 공기라인으로 공기를 800-1000 mL/min으로 흘려보내면서 농도를 조절하여 혼합챔버에서 혼합하여 광분해부로 들어가게 한다.
그 실험 결과를 도 4와 표 1에 나타내었다. 도 4는 가스가 본 발명의 정화장치를 통과한 후 기체의 성분과 양을 비교 분석한 질량분석표로서, 점선은 장치를 통과전, 실선은 통과후의 농도를 나타낸다. 도 4와 하기 표는 열분해와 광분해를 각각 독립적으로 시행한 결과이다.
〈표 1〉
열 분 해 광 분 해
시 료 초기정도(ppm) 분해율(%) 시 료 초기농도(ppm) 분해율(%)
SO 70,000 33 SO 20,000 98
SO2 60,000 28 SO2 34,000 98
CCl4 22,000 95 CCl4 10,000 98
C2H3Cl3 5,000 98 C6H5CH3 5,000 98
상기 표에서 보는 바와 같이, 매우 높은 초기농도에도 불구하고 대부분의 유해가스는 우수한 열분해 효율을 보이며, 특히 광분해의 경우는 거의 완전분해를 유발함을 알 수 있다. 따라서, 이 두 방법의 복합처리법을 이용하면 유해가스의 종류와 농도에 거의 무관하게 보편적인 처리기술을 구현할 수 있다.
상술된 바와 같은 본 발명에 따른 정화장치는 공장 및 소각로 등에서 발생하는 대기 오염물질인 유해가스를 진공자외선 및 자외선램프와 메탈할라이드램프를 이용하는 광분해부의 1차 분해 및 산화를 통해서 할로겐을 포함한 유기물과 SOx의 제거가 가능하며(효율 98% 이상), 금속 및 비금속 발열체로부터 발생되는 고온을 이용한 열분해부의 2차 산화공정을 통해 할로겐 화합물, 휘발성 유기화합물 등의 제거에 이용될 수 있다(효율 95% 이상). 다양한 종류의 유해가스 정화에 적용 가능하며, 그 크기도 비교적 소형으로 제작 가능하여 소형 소각로 및 실험실 등에서 유용하게 사용할 수 있다.

Claims (10)

  1. O 라디칼 및 오존을 생성하고, 생성된 오존의 광분해 및 이에 따른 이차적인 O 및 OH 라디칼의 생성하며, 근자외선 및 가시광선 영역의 빛과 열을 대량으로 발생시키기 위한 광분해부와 상기 광분해부에서 분해되지 않는 잔류 유해가스를 열처리하기 위한 열분해부를 포함하는 것을 특징으로 하는 광분해 및 열분해 복합형 대기 정화장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 광분해부는 O 라디칼 및 오존을 생성시키기 위하여 진공 자외선램프를 구비하는 제 1챔버, 오존의 광분해 및 이에 따른 이차적인 O 및 OH 라디칼을 생성하기 위하여 자외선램프를 구비하는 제 2챔버, 근자외선 및 가시광선 영역의 빛과 열을 대량으로 발생시키기 위하여 메탈할라이드램프를 구비하는 제 3챔버를 포함하는 것을 특징으로 하는 광분해 및 열분해 복합형 대기 정화장치.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 진공 자외선 및 자외선 램프는 15 W 이상의 소비전력을 갖고, 상기 메탈할라이드램프는 0.5 KW 이상의 소비전력을 갖는 것을 특징으로 하는 광분해 및 열분해 복합형 대기 정화장치.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 열분해부는 여러개의 관으로 구성되어 흡입되는 유해가스와의 접촉면적을 넓혀서 유해가스가 분해될 가능성을 높이는 열교환 다중 분할관과 상기 열교환 다중 분할관의 저면에 접하거나 감싸고 있고, 전기에너지를 열원으로 하는 발열체를 사용하는 것을 특징으로 하는 광분해 및 열분해 복합형 대기 정화장치.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 다중 분할관은 세라믹이나 뮬라이트로 제조된 것을 특징으로 하는 광분해 및 열분해 복합형 정화장치.
  6. 제 4항에 있어서, 상기 발열체는 기체의 열분해에 필요한 온도와 열분해부내의 온도를 1000oC 이상 유지시킬 수 있는 발열량을 갖는 것을 특징으로 하는 광분해 및 열분해 복합형 정화장치.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 발열체는 탄화규소(SiC)봉, 칸탈봉, 칸탈선, 레늄선, 또는 텅스텐선 중의 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광분해 및 열분해 복합형 대기 정화 장치.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 광분해부와 열분해부를 통과한 배출가스의 정화상태를 검사하는 검사장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광분해 및 열분해 복합형 정화장치.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 검사장치는 기체크로마토그래피장치인 것을 특징으로 하는 광분해 및 열분해 복합형 정화장치.
  10. (a) O 라디칼 및 오존을 생성하여 유해가스를 광분해하는 단계, (b) 상기 (a)에서 생성된 오존의 광분해 및 이에 따른 이차적인 O 및 OH 라디칼의 생성하여 유해가스를 광분해하는 단계; (c) 근자외선 및 가시광선 영역의 빛과 열을 대량으로 발생시켜 유해가스를 광분해하는 단계; 및 (d) 상기 광분해단계에서 분해되지 않은 잔류 유해가스를 열처리하여 열분해하는 단계를 포함하는 광분해 및 열분해 복합형 대기 정화방법.
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