KR20040049587A - 휘발성 유기 화합물 처리를 위한 다중채널 광반응장치 - Google Patents

휘발성 유기 화합물 처리를 위한 다중채널 광반응장치 Download PDF

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박옥현
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Abstract

본 발명은 휘발성 유기 화합물 처리를 위한 다단구조의 광반응장치에 관한 것으로, 기저판의 표면에 이산화티타늄이 광촉매제로 도포된 여과재를 높이방향을 따라 소정간격을 갖도록 다수 적층함으로써 다단의 병렬구조를 갖도록 하여 유입되는 휘발성 유기 화합물 가스에 대해 보다 높은 접촉면적을 갖도록 하고 이 때 UV램프가 설치되어 상기 여과재에 대해 자외선을 조사함으로써, 광촉매산화반응으로 상기 휘발성 유기 화합물 가스를 제거 처리할 수 있는 구조인 것을 특징으로 한다. 또한 상기 다단 병렬 구조의 여과재가 포함되는 하우징의 전후로 점확 및 점축되는 형태의 하우징을 일체로 설치하여 유입된 휘발성 유기 화합물 가스가 여과재를 포함한 하우징에서 보다 많은 체류시간을 갖도록 할 수 있다. 이러한 상기 광반응장치는 주처리장치에 직접 또는 관연결하여 후처리장치로서 곧바로 사용할 수 있어 주처리장치의 부하경감 및 휘발성 유기 화합물 가스의 높은 처리율 제고에 기여할 수 있다.

Description

휘발성 유기 화합물 처리를 위한 다단구조의 광반응장치{Multi Stage Structure Photo Reacting Device For Treating Of Volatile Organic Compounds}
본 발명은 휘발성 유기 화합물(Volatile Organic Compounds: 이하 VOC이라 칭함)의 제거 처리를 위한 광반응장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 광촉매제산화방식 중 고급산화법(Advanced Oxidation Process: AOP)이 구현되도록 이산화티타늄이 표면에 피복된 다수의 여과재가 다단으로 적층된 구조로 이루어짐으로써 단위 면적당 VOC 가스의 제거효율을 향상시킨 휘발성 유기 화합물 처리를 위한 다단구조의 광반응장치에 관한 것이다.
일반적으로 트리클로로에틸텐(Trichloroethylene: 이하 TCE라 칭함)이나 톨루엔과 같은 VOC 가스는 오존층 파괴를 일으키거나 인체에 침투하였을 경우 발암물질로서 기능한다는 것은 주지의 사실이다.
이에 따라 상기 VOC가스의 제거처리를 위한 다양한 종류의 처리방식이나 장치가 개발되고 있다. 또한 각종 환경오염 물질에 대한 국제적 규제노력과 행정적 규제법규 등과 같은 제도적 장치들이 마련되면서 그 개발 노력들이 가속화되고 있다.
상기 VOC 가스에 대한 처리방안으로서 대두되고 있는 것이 광촉매 산화방식이다. 상기 광촉매 산화방식은 특정파장의 빛에 감응하여 활성화됨으로써 VOC 가스를 제거 처리할 수 있는 광촉매제를 사용하는 것으로 이 중 대표적인 것이 고급산화법이다.
상기 고급산화법에서 사용되는 광촉매제는 자외선에 반응하여 활성화됨으로 태양광을 자외선 램프로 대체하여 사용할 수 있는데, 대표적인 광촉매제로는 TiO2, Fe2O3, ZnO, ZnS, CdS 등을 들 수 있다. 이들 중 특히 이산화티타늄(TiO2)을 사용한 TiO2/UV 반응(조사되는 자외선에 감응하는 산회티타늄 광촉매제의 반응)은 불균일 계 반응(Heterogeneous system)으로서 OH 라디칼을 생성하여 오염물질을 제거하며 기존의 여타 산화제들 보다 산화력이 월등히 좋고 반응속도(TiO2의 반응속도상수 : 109-1010m-1s-1)가 매우 빠르며, 거의 모든 유기물과 반응한다.
또한 2차 오염원에 대한 염려가 없고, 재활용이 가능하며, 부식에 대한 안정성 및 생물학적, 화학적 비활성 등의 특징이 있는데, 이미 기존의 흡착법 및 화학적 처리법 등에 비해 오염물질의 완전 분해가 가능하고 2차 오염물질 등을 유발시키는 문제점을 극복할 수 있다고 보고된 바 있다.
이에 따라 상기 고급산화법을 구현하여 직물재 표면에 이산화티타늄을 피복한 여과재를 VOC 및 분진등의 처리에 사용하는 처리시설 등이 개발되어 있다.
그런데 상기와 같이 주처리시설에 해당되는 설비는 다량의 VOC 가스의 처리에 있어 약 20∼30% 정도의 제거효율을 갖는다. 그럼에도 불구하고 종래에는 상기 주처리시설만을 단독으로 설치 사용함으로써, VOC 가스의 완전한 제거에는 실효성을 갖지 못하고 있다. 결국 나머지 70∼80% 정도의 VOC가스는 대기중에 확산되어 환경오염에 기능하게 되는 문제점이 있다.
따라서 상기 주처리시설의 부하경감과 동시에 VOC 가스의 실효성 있는 제거를 위해 보다 간단한 구조로서 주처리시설에 연속 설치될 수 있는 후처리시설의 개발이 요구되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 본 발명의 제 1목적은, 단위 면적당 보다 높은 VOC 가스를 제거할 수 있도록 광촉매제를 도포한 다수의 여과재가 다단으로 적층한 구조로 이루어진 휘발성 유기 화합물 처리를 위한 다단구조의 광반응장치를 제공하는 것이다.
그리고 본 발명의 제 2목적은, VOC 가스 제거를 위한 주처리장치에 용이하게 장착하여 부족한 VOC 가스 제거 효율을 향상시킬 수 있는 휘발성 유기 화합물 처리를 위한 다단구조의 광반응장치를 제공하는 것이다.
이러한 본 발명의 목적들은, 일방향을 따라 단면적이 확장되는 형태의 제 1하우징과,
상기 제 1하우징의 타측에 일체로 형성되며 단면적이 일정한 형태의 제 2하우징 및 상기 제 2하우징의 타측에 일체로 형성되며 일방향을 따라 단면적이 축소되는 형태의 제 3하우징;
상기 각 하우징의 일방향을 따라 연속 통과하는 휘발성 유기 화합물 가스가 광촉매 산화반응으로 제거 처리되도록 상기 제 2하우징 내부에 높이방향을 따라 상호 소정간격을 두고 병렬로 적층되며 표면에 광촉매제가 도포된 다수의 여과재; 및
상기 각 여과재의 상부 양측으로 각각 설치되어 상기 광촉매제에 대해 광촉매제산화반응이 유도되도록 자외선을 조사하는 UV램프;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 휘발성 유기 화합물 처리를 위한 다단구조의 광반응장치에 의하여 달성된다.
여기서 상기 여과재는 기저판 및 상기 기저판의 표면에 도포되어진 이산화티타늄 광촉매제를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다.
그리고 상기 기저판은 폴리에스테르 직물로 이루어진 부직포인 것이 바람직하다.
아울러 상기 제 2하우징 내에는 상기 각 여과재의 온도감지를 위해 대응 설치되는 다수의 서모커플이 더 포함되는 것이 바람직하다.
본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 분명해질 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 광반응장치의 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 여과재의 부분절개 사시도,
도 3은 본 발명에 따른 광반응장치의 사용상태도,
도 4는 본 발명에 따른 단수별 톨루엔가스 제거효율변화를 도시한 그래프도,
도 5는 본 발명의 광촉매제 면적 부하에 따른 톨루엔가스 제거효율 변화를 도시한 그래프도이다.
< 도면의 주요부분에 관한 부호의 설명 >
100: 봄베 200: 체크밸브
300: 컴프레셔 310: 질량유량 체크기
400: 실리카겔 용기500: 공압 레귤레이터
600: 질량유량 조절기 700: 임핀저
800: 습도조절기 900: 믹싱챔버
1000: 광반응장치 1100: 서모커플
1200: UV램프 1300: 여과재
1300a: 기저판 1300b: 광촉매제
1400: 제 1하우징1500: 제 2하우징
1600: 제 3하우징
다음으로는 본 발명에 따른 휘발성 유기 화합물 처리를 위한 다단구조의 광반응장치에 관하여 첨부되어진 도면과 더불어 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 광반응장치의 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 여과재의 부분절개 사시도이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 광반응장치(1000)는 VOC 가스를 광촉매 산화반응으로 활성화시켜 처리하기 위한 후처리용 장치이며 이를 위해 기저판(1300a)의 표면에 이산화티타늄을 광촉매제(1300b)로 도포하여 이루어진 여과재(1300)가 포함되어 있다.
상기 여과재(1300)는 점확(granual expanding) 및 점축(granual contraction)되는 형태의 하우징(1400,1500,1600) 중간에 상호 소정간격을 갖도록 높이방향을 따라 적층됨으로써, 전체적으로 다단의 병렬구조를 갖게 된다.
만일 상기 하우징(1400,1500,1600)의 일측을 통해 VOC 가스가 유입될 경우 상기 VOC 가스가 형성하는 기류의 방향과 상기 각 여과재(1300)의 설치방향은 평행을 이루게 되어 상기 각 여과재(1300)에 대한 상기 VOC 가스의 접촉면적은 여과재(1300)의 양면에 걸쳐 분포하게 된다.
여기서 상기 하우징(1400,1500,1600)은 아크릴로 이루어져 있으며, 일방향을 따라 단면적이 확장되는 점확 형태의 제 1하우징(1400)과, 상기 제 1하우징(1400)의 타측에 일체로 형성되며 단면적이 일정한 제 2하우징(1500)과, 상기 제 2하우징(1500)의 타측에 일체로 형성되며 일방향을 따라 단면적이 축소되는 점축 형태의 제 3하우징(1600)으로 이루어져 있다.
상기 제 1하우징(1400)에서 상대적으로 단면적이 가장 작은 부분에는 입구가 형성되어 있고, 상기 제 3하우징(1600)에서 상대적으로 단면적이 가장 작은 부분에는 출구가 형성되어 있다. 만일 VOC가스가 유입되면 상기 제 1하우징(1400) 및 제 2하우징(1500)을 거치면서 상대적으로 공간이 확장됨에 따라 유속이 느려져 더 많은 체류시간을 갖게 된다. 그리고 제 3하우징(1600)에서는 상대적으로 공간이 협소해짐에 따라 유속이 빨라져 단축된 배기시간을 갖게 된다.
아울러 상기 각 여과재(1300)는 상기 제 2하우징(1500) 내에 높이방향을 따라 상호 소정간격을 두고 적층되는 형태로 배치되어 결국 다단의 병렬구조를 갖는다. 이러한 상기 각 여과재(1300)는 기저판(1300a)과 상기 기저판(1300a)의 표면에 광촉매제(1300b)로서 도포된 이산화티타늄으로 이루어진다. 상기 이산화티타늄은 자외선에 감응하여 광촉매 산화반응을 일으키는 것으로, 기저판(1300a)을 젤 형태의 이산화티타늄에 침적한 뒤 꺼내어 약 100℃ 정도의 온도하에서 약 20∼30분 정도 건조하여 제작된다.
상기 기저판(1300a)으로는 폴리에스테르 재질의 부직포를 사용는 것이 바람직한데 상기 부직포는 직물형태이므로 이산화티타늄의 침적에 대해 보다 많은 침적공간을 제공한다.
또한 상기 각 여과재(1300)의 상부 양측에는 자외선을 상기 여과재(1300)의 표면에 조사하기 위해 UV램프(1200)가 설치되어 있다. 상기 UV램프(1200)에서 상기 각 여과재(1300)에 자외선을 조사하면 이산화티타늄 광촉매제(1300b)는 광촉매산화반응으로 활성화된다. 본 발명에서는 일실시예로서 최대에너지 발생파장이 약 253.7nm이고 25W의 전력소모량을 갖는 UV램프(1200)를 사용하였다.
그리고 상기 제 2하우징(1500) 내에는 과도한 온도상승을 감지하여 작동을 중지시키기 위해 각 여과재(1300) 별로 0∼400℃까지의 온도변화 측정이 가능한 서모커플(1100)이 설치되어 있다.
만일 상기 제 1하우징(1400)의 입구를 통해 유입된 VOC 가스가 기류로서 제2하우징(1500) 내에 유입되면 각 여과재(1300)의 표면을 지나가게 되면서 UV램프(1200)가 점등되어 각 여과재(1300) 표면에 대해 자외선을 조사한다. 그러면 TiO2/UV 반응인 광촉매 산화반응이 유도되면서 OH 라디칼이 발생되고 VOC가스가 활성화되면서 무독성화 처리된다. 처리된 가스는 제 3하우징(1600)의 출구를 통해 외부로 배기된다.
도 3은 본 발명에 따른 광반응장치의 사용상태도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 대표적인 VOC 가스인 TCE 및 톨루엔의 혼합가스를 일실시예로서 처리하기 위해 상기 TCE 및 톨루엔을 혼합하는 믹싱챔버(900)에 연결되어 있다.
TCE 및 톨루엔으로 이루어진 혼합가스는 봄베(100)에 담겨있고, 상기 봄베(100)에는 체크밸브(200)를 통해 상기 믹싱챔버(900)가 연결되어 있다.
그리고 공기를 압축하기 위한 컴프레셔(300) 및 상기 컴프레셔(300)에서 압축되어 배기되는 공기의 유량의 체크하기 위해 질량유량 체크기(310)가 연결되어 있다. 이 때 상기 컴프레셔(300)의 출구에는 수분제거를 위해 흡습제로서 실리카겔이 담긴 실리카겔 용기(400)가 연결되어 있다.
또한 상기 실리카겔 용기(400)에는 공압이 일정하도록 공압 레귤레이터(500)가 연결되고, 상기 공압 레귤레이터(500)에는 질량유량을 조절하기 위한 질량유량조절기(600)가 연결되어 있다.
그리고 상기 질량유량조절기(600)에는 임핀저(700) 및 체크밸브(200)를 거쳐믹싱챔버(900)가 연결되는데, 상기 임핀저(700)는 상기 질량유량조절기(600)로부터 유입되는 공기의 압력을 현저하게 떨어뜨린 뒤 믹싱챔버(900)에 주입하기 위해 구비된다.
결국 상기 믹싱챔버(900)에는 상기 봄베(100)로부터 유입되는 TCE/톨루엔 혼합가스와 상기 임핀저(700)로부터 유입되는 공기가 혼합된다. 이 때 상기 믹싱챔버(900)에는 습도조절기(800)가 연결되어 있다, 상기 습도조절기(800)는 상기 믹싱챔버(900)에 연결된 솔레노이드밸브(미도시)를 포함하며 상기 믹싱챔버(900) 내에 설치된 습도감지센서(미도시)에 전기적으로 연결되어 상기 믹싱챔버(900) 내의 감지습도에 따라 상기 솔레노이드 밸브를 개폐함으로써, 습도가 일정하도록 조절한다.
아울러 상기 믹싱챔버(900)의 출구측에는 광반응장치(1000)의 제 1하우징(1400)에 연결되어 있다. 따라서 상기 공기와 혼합된 TCE/톨루엔 가스는 상기 제 1하우징(1400) 및 제 2하우징(1500)에 유입된다.
유입된 상기 TCE/톨루엔 가스는 제 2하우징(1500) 내에 다단으로 병렬 적층된 여과재(1300)의 표면을 거치게 되며 이 때 각 여과재(1300)의 상부에 설치된 UV램프(1200)로부터 자외선이 조사된다. 이에 따라 이산화티타늄 광촉매제(1300b)와 이에 조사된 자외선 간의 광촉매 산화반응에 따라 상기 TCE/톨루엔 가스는 활성화 처리되고 제 3하우징(1600)의 출구를 통해 배기된다.
만일 상기 광반응장치(1000)가 설치되는 위치에 주처리장치(미도시)가 설치될 경우 상기 주처리장치의 출구부위에 상기 제 1하우징(1400)의 입구를 직접 연결하거나 관으로 연결하는 것으로, 후처리장치로서의 광반응장치(1000)가 기능할 수 있으며, 주처리장치에서 미처 처리되지 못한 채 배기되는 VOC가스는 상기 광반응장치(1000)에서 재차 처리될 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 단수별 톨루엔가스 제거효율변화를 도시한 그래프도이다. 도 4에 도시된 바와 같이, X축에 해당되는 부분은 자외선의 조사시간(분)이고, Y축에 해당되는 부분은 제거율(%)이다.
시료가스로서 톨루엔을 사용하고 병렬 적층된 여과재(1300)의 각 단에서 홀수번째 단인 맨하부에서부터 1,3,5,7,9번째 여과재(1300)에서의 제거율이 도시되었다. 자외선 조사량이 클수록 각 단별 가스 제거율이 향상됨을 알 수 있다.
도 5는 본 발명의 광촉매제(1300b) 면적 부하에 따른 톨루엔가스 제거효율 변화를 도시한 그래프도이다. 도 5에 도시된 바와 같이, X축에 해당되는 부분은 광촉매제(1300b)에 대한 접촉면적 부하(mg/㎠)이고, Y축에 해당되는 부분은 제거율(%)이다.
즉 여과재(1300) 표면에 광촉매제(1300b)가 도포되어 있으므로 여과재(1300) 표면에 대한 접촉면적에 따른 제거율이며, 10∼15 mg/㎠ 범위에서 가장 높은 제거율이 나타난다.
이상에서와 같은 본 발명에 따른 휘발성 유기 화합물 처리를 위한 다단구조의 광반응장치(1000)에서, 높이방향을 따라 병렬 적층으로 하나의 열을 이루는 여과재(1300)를 제 2하우징(1500)의 용적이 허용되는 범위 내에서 바닥면을 따라 다수 설치하여 사용할 수 있다.
아울러 상기 UV램프(1200) 이외에, 태양광을 각 여과재(1300)로 직접 조사하거나 반사시켜 사용할 수 있다.
또한 상기 기저판(1300a)은 폴리에스테르 재질의 부직포 이외에, 폴리에스테르 재질의 플라스틱판, 금속판 등으로 대체하여 사용할 수 있다.
이상에서와 같은 본 발명에 따른 휘발성 유기 화합물 처리를 위한 다단구조의 광반응장치에 의하면, 주처리장치에서 처리하지 못한 VOC가스를 대부분 처리할 수 있어 주처리장치의 부하를 경감할 수 있는 후처리장치로서의 특징이 있다.
아울러 이미 설치된 주처리시설이나 장치에서의 처리공정에 연속하여 부대적인 별도의 시설없이 바로 연결하여 사용할 수 있는 장점이 있다.
또한 여과재의 병렬 설치로 인해 VOC 가스에 대한 접촉면적이 증가됨으로써, 보다 높은 처리율을 발현할 수 있는 효과가 있다.
비록 본 발명이 상기에서 언급한 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 본 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다른 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 첨부된 청구의 범위는 본 발명의 진정한 범위내에 속하는 그러한 수정 및 변형을 포함할 것이라고 여겨진다.

Claims (4)

  1. 일방향을 따라 단면적이 확장되는 형태의 제 1하우징(1400);
    상기 제 1하우징(1400)의 타측에 일체로 형성되며 단면적이 일정한 형태의 제 2하우징(1500);
    상기 제 2하우징(1500)의 타측에 일체로 형성되며 일방향을 따라 단면적이 축소되는 형태의 제 3하우징(1600);
    상기 각 하우징(1400,1500,1600)의 일방향을 따라 연속 통과하는 휘발성 유기 화합물 가스가 광촉매 산화반응으로 제거 처리되도록 상기 제 2하우징(1500) 내부에 높이방향을 따라 상호 소정간격을 두고 다단으로 병렬 적층되며 표면에 광촉매제(1300b)가 도포된 다수의 여과재(1300); 및
    상기 각 여과재(1300)의 상부 양측으로 각각 설치되어 상기 광촉매제(1300b)에 대해 광촉매산화반응이 유도되도록 자외선을 조사하는 UV램프(1200);를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 휘발성 유기 화합물 처리를 위한 다단구조의 광반응장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 여과재(1300)는 기저판(1300a) 및
    상기 기저판(1300a)의 표면에 도포되어진 이산화티타늄 광촉매제(1300b)를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 휘발성 유기 화합물 처리를 위한 다단구조의 광반응장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 기저판(1300a)은 폴리에스테르 직물로 이루어진 부직포인 것을 특징으로 하는 휘발성 유기 화합물 처리를 위한 다단구조의 광반응장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제 2하우징(1500) 내에는 상기 각 여과재(1300)의 온도감지를 위해 대응 설치되는 다수의 서모커플(1100)이 더 포함되는 것을 특징으로 하는 휘발성 유기 화합물 처리를 위한 다단구조의 광반응장치.
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