KR20040059420A - 공기 정화처리방법 및 그 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 이산화티타늄(TiO2) 광촉매와 자외선을 이용한 공기 정화처리방법과 그에 따른 장치에 관한 것으로서, 투명 반응기 내부에 자외선 램프(8)와 이산화티타늄(TiO2)이 표면에 코팅되어진 비중이 0.01-0.10 사이의 광촉매 담체(12)가 반응기 내부에 충진되어 장치 하부에 구비된 공기를 순환시킬 수 있는 송풍장치(5)에 의해 유동화 되어지면서 공기중의 휘발성 유기화합물을 직접 분해처리하여 2차 오염원을 발생시키지 않을 뿐만 아니라 세균, 바이러스, 곰팡이 등 유해세균의 살균작용과 탈취기능, 그리고 시각적인 인테리어 효과도 제공하는 것을 특징으로 하는 광화학반응 공기 정화처리방법과 그 처리장치이다.
본 발명은 광화학반응의 효율을 최대로 제공하고자 고정상이 아닌 광촉매의 유동화 방식을 채택하였으며, 자외선 광원으로 이용되는 자외선 램프(8)는 253.7nm의 살균선과 184.9nm의 음이온 및 오존생성 파장도 동시에 발생시키는 것을 특징으로 하여 오염된 공기중에 포함되어 있는 오염물질의 분해처리, 유해세균의 살균 및 탈취기능을 제공하는 공기 정화처리방법 및 그에 따른 장치이다.
본 발명에 따르면, 인테리어/조명효과/광화학반응효율을 극대화 하고자 내부순환형(20, 30) 및 외부순환형(40)의 공기 정화처리장치로도 이용되어질 수 있다.
최근에 오염된 실내공기로 인하여 대두되고 있는 빌딩증후군과 밀폐건물증후군을 예방하는 차원에서도 본 발명은 효과적이라 사료된다.

Description

공기 정화처리방법 및 그 장치{Processing methode for air purification and equipment therefor}
본 발명은 공기중에 포함되어 있는 오염물질과 유해세균을 분해처리하는 공기정화 처리방법 및 그에 따른 장치에 관한 것으로서,
보다 상세하게는 이산화티타늄(TiO2) 광촉매가 표면에 코팅되어진 촉매담체(12)가 송풍장치(5)에 의해 발생하는 공기의 유체역학적인 힘으로 유동화 되어지면서 253.7nm 및 184.9nm의 자외선을 조사받아 활성화되는 광화학반응에 의해 공기 중의 휘발성 유기화합물(VOCs)을 무해한 가스로 전환시키며, 특히 공기 중의 유해세균은 253.7nm 자외선의 조사만으로도 살균되고 184.9nm의 자외선에 의해 발생하는 음이온과 오존에 의해 탈취 및 공기정화처리에 대한 방법과 장치에 관한 것이다.
산업의 발달에 따라 환경오염문제는 갈수록 심각해지고 있으며, 오염물질에 대한 규제도 더욱 강화되고 있는 실정이며, 이러한 추세에 따라 환경오염물질을 제거하기 위한 여러 가지 방법들이 강구되어지고 있다.
통상적인 공기정화처리장치는 송풍장치의 구동에 의하여 실내 공기를 강제로 순환시키면서 필터에 의하여 오염물질을 여과시키거나 흡착시켜 제거하는 방식을 채택하고 있다.
그러나 필터가 오염물질에 의하여 폐색되면 효율이 저하되고 고장의 원인이 되는 단점이 있다. 따라서 공기정화장치를 분해하여 필터를 자주 청소해야 하는 번거로운 문제가 상존하고 있다.
특히, 오염물질이 오염되어 있는 필터를 장기간 방치할 경우 오염물질에 곰팡이나 세균 등이 서식하여 악취가 발생할 뿐만 아니라, 공기의 오염원으로 작용되고, 심한 경우 발병의 원인이 되기도 한다.
또한, 활성탄과 같은 흡착제를 사용하여 공기 중의 오염물질을 흡착시키는 방식을 채택하고 있는 공기정화장치는 흡착제의 최고성능에 다다랐을 경우에는 더 이상의 흡착은 이루어지지 않으므로 흡작제의 재생작업이 요구되나, 종래의 공기 정화처리장치는 재생기능을 갖추고 있지 않은바, 불가피하게 흡착제의 교체가 이루어져야 하므로 교체비용 또한 부담이 되고 있는 실정이다.
한편, 실내 공기중의 악취,세균,담배연기 등을 제거하기 위하여 음이온 발생장치에 의하여 음이온을 발생시키는 음이온 방식의 공기정화장치는 음이온 특유의 냄새를 발생시켜 사용자에게 불쾌감을 주는 단점이 있다.
또한, 오존발생장치에 의하여 오존을 발생시키는 오존 방식의 공기정화장치에 있어서는 오존이 일정 농도를 초과하면 인체에 유해할 뿐만 아니라, 일반적으로오존 생성은 전기적 고전압방전으로 이루어지기 때문에 질소산화물 (NOx, SOx)등과 같은 유해물질의 동시 발생과 고전압의 사용에 따른 안전도 등의 문제를 안고 있다.
종래의 휘발성유기화합물(VOCs) 처리기술은 최종배출구에서의 배출 이전에 흡착, 흡수, 응축 등의 물리적 방법, 고온소각, 촉매산화 등을 이용한 화학적 방법 및 생물여과 등을 이용한 생물학적 방법 등을 들 수 있다.
가. 응축(Condensation)
주로 VOC 저장탱크나 유기용제를 사용하는 반응기와 같은 고농도를 함유한 저유량의 VOC를 회수할 경우에 많이 이용되는 방법으로 온도에 따라 변하는 증기압의 차이를 이용하여 VOC를 회수하게 된다. 냉각방법으로는 기존의 기계적 냉각법을 주로 이용하였으나 규제치의 강화로 액체질소를 이용하여 -180F까지 VOC를 냉각시켜 회수하는 Cryogenic Condensation 방법이 주로 사용되고 있다.
나. 생물여과(Biofiltration)
이 방법은 생분해성 VOC 또는 가스상 무기물을 미생물이 서식하는 막층을 통과시켜 정화하는 방법으로써 저농도의 VOC처리에 대해 90% 이상의 효율을 가져올 수 있는 방법이다. 막층은 재질에 따라 흙을 이용하는 토양층과 유기담체를 이용하는 방법 등이 있다. 생물여과상 방법을 통해서 알콜류, 에테르류, 알데히드류, 케톤류, 아민류 및 황화합물 등의 오염물질의 제거에 양호한 효과를 보이지만 다량의 염소기를 가진 유기물의 제거에는 분해효율이 낮은 것으로 보고 되고 있다.
다. 축열식 소각(Regenerative Oxidizer : RTO)
축열식 소각은 연소실을 통해서 배출되는 고온의 연소가스가 한 축열재층을 통과하면서 가지고 있던 열을 축열재 층에 빼앗기게 되어 저온가스로서 소각로 연돌을 통해 배출된다. 이때 다음 싸이클에서 소각로로 유입되는 VOC 함유가스가 이미 예열된 축열재 층을 통과하면서 연소실 온도보다 약간 낮은 온도까지 예열된 후 연소실을 통과하면서 버너에 의해 최종 연소온도까지 가열된다. 이 연소공기는 다른 축열재 층을 통해 방출되며 이와 같은 싸이클이 교대로 진행되면서 VOC는 제거된다. 이 방법은 주로 저농도의 VOC를 함유하는 다량의 배출가스의 처리에 경제성을 가지고 있다.
라. 축열식 촉매산화(Regenerative Catalytic Oxidizer : RCO)
축열식 소각과 유사하나 VOC의 소각을 가능하게 하는 Pt, Cu, Cr, V, Ni, Co계열 등의 촉매를 이용 폐가스의 활성화 에너지를 낮추어 600-900F 범위의 낮은 온도에서 처리하는 방법으로 축열식 소각에 비해 10-30%의 경제성을 가지고 있으며, 95-99%의 처리효율을 얻을 수 있다. 그러나 이러한 소각방식은 폐가스의 특성에 상당히 민감하고 폐가스 내에 납, 주석, 아연, 황 등의 물질이 존재하면 촉매의 활성을 떨어뜨려 처리효율을 감소시킬 수 있다.
그러나 대기오염에 있어서는 오염원이 다양해지고 계속적으로 새로운 오염물질이 발생됨으로 인하여 기존의 단순 처리방법으로는 한계에 부딪히고 있다. 또한, 전술한 종래의 공기정화방법 및 그 장치는 공기 중의 오염원을 분해처리하는 방식이 아니고 단순 여과 또는 흡착하여 제 2의 오염원을 발생시킬 뿐만 아니라, 유지관리 하는데도 많은 문제점을 내포하고 있다. 이에 따라 공기 중의 오염물질을 직접 분해처리하여 2차적 오염원을 발생시키지 않고 내부 충진물의 교체가 요구되지 않는 영구적 촉매의 고급산화 공기정화방법 및 이에 부합되는 장치가 강구되어져야 한다고 사료된다.
최근 들어 광촉매와 자외선을 이용한 공기정화 방법 및 그에 따른 장치들이 발명/고안되고 있으나, 자외선만을 이용하거나, 광촉매를 이용한다 하더라도 일부 벽면에 광촉매를 코팅 또는 코팅되어진 고정화 광촉매가 단순 고정상으로 충전되어 있어서 자외선이 모든 광촉매 반응사이트에 조사되어지지 못하므로 광화학반응의 효율이 극히 낮다 할 수 있다. 그리고 모든 공기정화장치가 인테리어 효과는 지니지 못하므로 일정 공간을 차지하는 문제를 안고 있다.
따라서, 본 발명은 상기한 종래 기술에 따른 제반 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 본 발명의 목적은 이산화티타늄(TiO2) 광촉매와 자외선의 광화학반응을 이용하여 공기 중에 포함된 휘발성 유기화합물(VOC)과 유해세균/악취를 제거한 후 깨끗한 공기를 얻을 수 있도록 한 공기정화처리방법 및 그 장치를 제공함에 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 공기 정화처리장치의 정화처리방법의 특징은,
단순 필터방식이 아닌 고급산화법인 광촉매/자외선의 광화학반응 방식을 채택하여 공기 중의 오염원을 무해가스로 직접 분해 처리함으로써 2차 오염물질이 발생하지 않도록 하는 공기 정화처리방법에 있어서,
메인케이스는 인테리어/조명효과를 위하여 아크릴수지, 파이렉스(pyrex) 등 투명한 재질을 채택하였으며,
광화학반응의 최대 반응효율을 위하여 광촉매 담체(12)의 유동화(fluidization) 방식을 채택하였는데, 이는 인테리어 효과를 한층 높여 줄 뿐만 아니라,
광화학 반응효율과 인테리어 효과를 극대화시키기 위하여 유동화 되어지는 광촉매 담체(12)가 공기정화장치 내부 및 외부에서 순환되어지게 하였으며,
광원으로 사용되어지는 자외선 램프는 살균선인 253.7nm 뿐만 아니라 음이온과 오존이 발생되는 184.9nm의 파장영역도 방사될 수 있는 고출력 단파장 자외선 램프(8)를 채택하여 자외선이 직접 조사되지 않는 영역에서도 유해 세균의 살균 및 악취제거의 효능을 제공하도록 하였다.
광촉매/자외선(UV)의 광화학반응에 의해 발생하는 OH 라디칼(·OH)의 높은 산화력을 이용하는 고급산화법은 대기 및 수용액중의 유기오염물질을 CO2와 H2O로 완전 분해처리하기 때문에 2차 오염을 유발하지 않으며 생분해성 및 난분해성 오염물질들을 제거할 수 있다는 장점이 있다.
따라서 기존의 환경처리 공정을 대체할 수 있는 기술로써 현재 고급산화법에 대한 많은 연구와 장치들이 고안되어지고 있다.
고급산화법에서 발생되는 OH 라디칼은 유기물과 매우 빠르게 거의 모든 유기물과 골고루 반응하기 때문에 난분해성 유기 오염물질의 산화에서 유용한 결과를 얻을 수 있다.
고급산화법 중에서도 인체에 무해하고 화학적으로 안정적인 이산화티타늄(TiO2)과 같은 반도체 금속화합물을 광촉매로 이용하는 산화시스템은 종래 기술로는 처리가 곤란한 공기 및 폐수를 처리할 수 있기 때문에 수중이나 대기에 함유된 난분해성 유기화합물의 효율적인 제거방법으로 최근 주목받고 있는데,
광촉매를 이용한 환경처리 방법은 공정의 운전 및 조작이 편리하고, 현재 사용되고 있는 자외선에 의한 환경처리 공정에 쉽게 응용할 수 있는 등의 장점을 가지고 있다.
따라서 이러한 장점을 가진 광촉매 공정의 응용 분야는 대단히 광범위하다고 할 수 있다.
대기 및 수용액상에서 이산화티타늄(TiO2)과 자외선(UV)에 의한 광촉매 산화반응 메카니즘에 대해 살펴보면, 자외선 램프(8)에서 방출된 자외선이 광촉매인 이산화티타늄(TiO2)에 band gap 에너지(=3.2eV) 보다 높은 광에너지 (파장<387.5nm)를 공급하면 전자가 채워져 있던 이산화티타늄의 가전자대(valence band)에서 전자가 방출되어 전도대(conduction band)로 이동하게 되며,
동시에 이산화티타늄의 가전자대에서는 정공(positive hole)이 생성된다. 여기된 전자는 촉매의 표면에 흡착되어 있는 전자수용체인 산소와 반응하여superoxide radical(O2 -·)을 생성하며 superoxide radical은 물/수증기 분자와 반응하여 높은 산화력을 가진 hydroxyl radical(OH·)을 생성하는데,
이와 동시에 TiO2의 표면에서 생성된 정공은 촉매에 흡착되어 있는 물분자나 hydroxyl 이온과 반응하여 hydroxyl radical을 생성하거나 유기화합물과 직접 반응하여 유기화합물을 분해하기도 하고,
광촉매에서 생성된 전자와 정공은 모두 산화 및 환원 반응에 의하여 OH radical을 생성하게 되는데, 이 때 생성된 OH radical이 여러 가지 형태로 대기 및 수중의 유기물과 반응하여 분해가 진행된다.
위와 같은 과정을 통하여 광촉매에서 생성된 OH 라디칼은 수학식 1에 도시된 바와 같이, 대기 및 수중의 유기 화합물을 CO2와 H2O로 분해하여 제거하게 되고, 또한 일련의 광촉매 산화반응 메카니즘을 도면으로 나타내면 도 1과 같다.
유기 화합물(Organic Compound + OH 라디칼 → H 2 O + CO 2
하지만, 고가의 TiO2광촉매를 광촉매 산화반응에 직접 분말형태로 사용하게 되면, 입도가 수㎛∼수mn의 TiO2미세입자들이 먼지상태로 분산되어 있는 경우이므로 TiO2를 다시 분리·회수하는 공정상에서 문제점이 있는 바,
상기의 문제점을 해결하기 위하여 이산화티타늄 광촉매를 분말 형태로 직접사용하는 방법보다는 공기정화장치에서 유출되지 않도록 일정 입도와 밀도를 지니는 담체에 표면코팅·고정화 하여 최대 반응효율을 얻고자, 단순충진 고정상이 아닌 유동화 방식을 채택하는 것이 합리적이라 하겠다.
이산화티타늄(TiO2) 광촉매가 코팅되어지는 담체(13)에 있어서는,
송풍장치(5)에 의해 발생하는 공기의 기류만으로도 용이하게 유동화(fluidization)되어질 수 있는 밀도가 0.01-0.10 g/cm3사이의 발포성 폴리스티렌(스티로폼)과 같은 유기 및 무기 화합물로서,
입자 크기는 유동화 조건에 최적인 1-10mm 정도를 채택하였으며, 이러한 담체(13)에 현재 시중에 유통되어지고 있는 상온에서도 코팅할 수 있는 졸(sol) 상태의 광촉매(14) 액상을 스프레이법 또는 함침법과 같은 방법으로 코팅하여 상온 또는 중온에서 경화하면 유동화 광촉매 담체(12)를 제조할 수 있는데,
코팅 횟수를 증가시키면서 이산화티타늄(TiO2)의 함유율이 높은 광촉매 담체를 얻을 수 있다.
본 발명에 따른 이산화티타늄(TiO2) 유동화 광촉매 담체(12)의 단면도를 나타내면 도 2와 같은데, 유동화 담체(13)에 이산화티타늄(TiO2) 광촉매(14)가 코팅되어진 형태를 볼 수 있다.
본 발명에서는 분말형태의 광촉매 산화반응장치와 유사한 반응효율을 얻고, 시각적으로도 인테리어 효과를 추구하고자 타 반응기에 비하여 혼합 및 전달현상이현저히 우수한 유동층 반응기를 응용하고자 하였다.
광촉매 담체(12)는 공기정화장치 내부에서 활발히 유동화 되어지면서 자외선 램프(8)와 빈번히 부딪혀 램프표면의 오염때와 같은 스케일 현상을 방지하는 역할 또한 하게 된다.
본 발명에 있어서, 광원으로 사용되어지는 고출력 자외선 램프(8)는 종래의 광촉매 반응에서 사용되어지고 있는 일반 살균 자외선 램프와는 달리 음이온과 오존을 생성시킬 수 있는 파장까지 방출하는 고출력 단파장 자외선 램프(8)이다.
도 3은 본 발명에 따른 고출력 석영재질의 단파장 자외선 램프(8)의 파장영역도를 도시한 것으로서,
도 3에서 보듯이, 일반 자외선 램프는 주로 살균선인 253.7nm의 파장(광에너지 E=hc/λ=hυ=478mol/kJ)을 방출하는 반면에,
본 발명에 따른 고출력 자외선 램프는 253.7nm 파장 뿐만 아니라 음이온 및 공기중의 수분으로부터 오존을 발생시킬 수 있는 184.9nm의 파장(E=hυ=647mol/kJ)까지도 방출시키는 석영재질의 램프로서,
램프에서 조사되는 강력한 광에너지의 자외선만으로도 유해세균의 살균/탈취 기능 뿐만 아니라 C-C 결합 및 C=C 결합의 유기 오염물질이 분해되도록 하였으며, 이산화티타늄(TiO2) 광촉매(12)에 더욱 강한 광에너지를 조사토록 하였다.
표 1은 여러 유기화합의 결합 및 해리에너지(mol/kJ)이다.
도 1은 일반적인 광촉매 광화학반응 메카니즘을 나타낸 도면,
도 2는 본 발명에 따른 TiO2가 표면에 코팅된 유동화 광촉매 담체의 단면도,
도 3은 본 발명에 따른 고출력 단파장 자외선 램프의 파장 영역도를 나타낸 도면,
도 4a는 본 발명에 따른 공기 정화처리장치를 나타낸 제1 실시예의 정면도,
도 4b는 본 발명에 따른 공기 정화처리장치를 나타낸 제1 실시예의 사시도,
도 5는 본 발명에 따른 내부순환형 공기 정화처리장치를 나타낸 제2 실시예의 구성도,
도 6은 본 발명에 따른 내부순환형 공기 정화처리장치를 나타낸 제3 실시예의 구성도,
도 7은 본 발명에 따른 외부순환형 공기 정화처리장치를 나타낸 제4 실시예의 구성도,
도 8은 본 발명에 따른 산업용 공기 정화처리장치를 나타낸 제5 실시예의 구성도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1. 공기 정화처리장치 5. 송풍장치(Fan)
8. 자외선 램프 10. 안정기
12. 이산화티타늄 유동화 담체 22. 광촉매 담체 내부상승관
42. 광촉매 담체 상승관 43. 외부순환관
이하, 본 발명에 따른 공기 정화처리방법 및 그 장치의 바람직한 실시 예를 첨부 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 4a와 4b는 각각 본 발명에 따른 공기 정화처리장치를 나타낸 제1 실시예의 정면도와 사시도이다.
도 4a와 4b에 도시된 바와 같이, 공기 정화처리장치(1)는 이산화티타늄(TiO2)이 내부에 코팅된 투명 재질(예를 들면, 투명 아크릴수지, 파이렉스(pyrex), 유리, 석영 등)의 메인케이스(2)와, 공기통로(4)가 구비된 받침대(3)와, 메인케이스(2) 내부의 상부와 하부에 제공되는 광촉매 담체(12)의 유출방지 수단으로써 이산화티타늄(TiO2)이 코팅된 스텐 망(6)(6')과, 자외선 램프(8)로부터 활성에너지를 받아 공기 중의 오염물질을 분해제거하여 깨끗한 공기를 얻을 수 있게 하는 이산화티타늄이 표면에 코팅되어진 광촉매 담체(12)와, 광촉매 담체(12)의 띠(band gap) 에너지(3.2eV) 보다 높은 빛 에너지(λ<387.5nm)를 조사하며 아울러 공기 중의 유해세균을 살균/탈취할 수 있는 영역의 자외선 파장을 방사하는 안정기(10) 및 전원공급수단(9)(11)이 구비된 석영 재질의 고출력 단파장 자외선 램프(8)와, 광촉매 담체(12)를 유동화(fluidization) 시켜줄 수 있는 공기 기류를형성시키고 아울러 실내공기를 순환시켜 주는 공기 송풍장치(5)와, 광촉매 담체(12) 및 자외선 램프(8)를 용이하게 교체할 수 있게 하는 메인케이스(2)의 분리/조립수단(7)으로 구성된다.
이와 같이 구성된 본 발명에 따른 공기 정화처리장치(1)의 정화처리방법을 설명하면 다음과 같다.
우선, 바이러스, 곰팡이균 등의 유해세균과 휘발성 유기화합물(VOCs ; 예를 들면, 벤젠, 톨루엔, 에틸벤젠, 자일렌, 트리클로로에텐(TCE), 이소프로필알콜, 아세톤, 클로로폼, 메탄올, 메틸에틸케톤)의 난분해성 오염물질을 함유하고 있는 대기 중의 공기는 공기 정화처리장치(1) 저면에 설치된 송풍장치(5)에 의하여, 받침대(3)에 구비된 공기통로(4)를 통하여, 공기 정화처리장치(1)의 투명한 메인케인스(2) 내부로 유입된다.
이때, 상기 공기 정화처리장치(1) 내부로 유입된 공기 중의 휘발성 유기화합물을 비롯한 오염물질들은, 메인케이스(2) 내부에 포함되어, 송풍장치(5)로부터 발생되는 공기의 기류에 의해 유동화(fluidization) 되는 광촉매 담체(12)와 활발히 접촉하게 된다.
이에 따라, 상기 광촉매 담체(12)는 메인케이스(2) 중앙에 구비된 자외선 램프(8)로부터 활성화에너지를 공급받으며, 화학작용을 일으켜 공기 중에 포함된 오염물질을 분해시킨다.
특히, 상기 광촉매 담체(12)의 밀도는 송풍장치(5)로부터 발생하는 공기의 유체역학적인 흐름만으로도 용이하게 유동화(fluidization) 되어질 수 있는0.01g/cm3~ 0.10g/cm3이다.
또한, 상기 광촉매 담체(12)는 유동화 조건에 최적인 1mm ∼ 10mm의 발포성 폴리스티렌과 같은 화합물질 매개체(13)에 상온에서도 코팅할 수 있는 졸(sol) 상태의 광촉매(14) 액상을 스프레이법 또는 함침법으로 코팅하고 상온 및 중온에서의 경화로 제조함이 바람직하다.
한편, 상기 광촉매 담체(12)는 공기 정화처리장치(1) 내부에서 원활히 유동화 되면서 시각적인 인테리어 효과를 한층 높여주며, 자외선 램프(8)와 빈번히 부딪혀 램프 표면의 오염때 증착현상을 방지한다.
그리고, 상기 공기 정화처리장치(1)의 내측 중앙에 수직으로 설치된 자외선 램프(8)는 상기 공기 정화처리장치에 공급된 담체(12)의 띠(band gap) 에너지(3.2eV) 보다 높은 빛 에너지(λ<387.5nm)를 조사하여 상기 담체(12)의 광반응 효율을 극대화시켜 공기 중에 포함된 난분해성 오염물질을 빠르게 분해시킨다.
여기서, 상기 자외선 램프(8)의 안정적인 전원 공급을 위하여 받침대(3) 내부에 안정기(10)가 구비된다.
특히, 광원으로 사용되어지는 자외선 램프(8)는 종래의 광촉매 반응에서 사용되어지고 있는 일반 살균 자외선 램프와는 달리 음이온과 오존을 생성시킬 수 있는 파장까지 방출하는 고출력 단파장 자외선 램프(8)이다.
여기서, 일반 자외선 램프는 주로 살균선인 253.7nm의 파장(광에너지 E=hc/λ=hυ=478mol/kJ) 만을 방출하는 반면에, 상기 고출력 자외선 램프(8)는 253.7nm파장 뿐만 아니라 음이온 및 공기중의 수분으로부터 오존을 발생시킬 수 있는 184.9nm의 파장 (E=hυ=647mol/kJ)까지도 방출시키는 석영재질의 램프이다.
따라서, 상기 자외선 램프(8)에서 조사되는 강력한 광에너지의 자외선만으로도 유해세균의 살균/탈취 기능 뿐만 아니라 C-C 결합 및 C=C 결합의 유기 오염물질이 분해되도록 하였으며, 이산화티타늄(TiO2) 광촉매 담체(12)에 더욱 강한 광에너지를 조사토록 하였다.
미설명 부호 6과 6'는 상기 광촉매 담체(12)가 상기 공기 정화처리장치(1)의 외부로 유출되는 것을 방지하는 광촉매가 코팅된 스텐 망이다.
또한, 미설명 부호 7은 상기 광촉매 담체(12) 및 자외선 램프(8) 교체시 용이한 작업을 제공하는 메인케이스(2)의 분리/조립 수단이다.
도 5 내지 도 7은 각각 본 발명에 따른 공기 정화처리장치를 나타낸 제2, 제3, 제4 실시예의 구성도이다.
도 5 내지 도 7을 참조하여 본 발명의 내부순환형 공기 정화처리장치(20)(30) 및 외부순환형 공기 정화처리장치(40)를 설명하면, 공기 정화처리장치(20)(30)(40)는 이산화티타늄(TiO2)이 내부에 코팅된 투명재질(예를들면, 투명 아크릴수지, 파이렉스(pyrex), 유리, 석영 등)의 메인케이스(21)(31)(42)와, 공기통로(4)가 구비된 받침대(3) 및 대기 중의 공기 포집수단(31)과, 메인케이스(21)(31)(42) 내부의 상부와 하부에 제공되는 광촉매 담체(12)의 유출방지 수단으로써 이산화티타늄(TiO2)이 코팅된 스텐 망(6)(6')과, 자외선 램프(8)로부터 활성에너지를 받아 공기 중의 오염물질을 분해제거하여 깨끗한 공기를 얻을 수 있게 하는 이산화티타늄이 표면에 코팅되어진 광촉매 담체(12)와, 광촉매 담체(12)의 띠(band gap) 에너지(3.2eV) 보다 높은 빛 에너지(λ<387.5nm)를 조사하며 아울러 공기 중의 유해세균을 살균/탈취할 수 있는 영역의 자외선 파장을 방사하는 안정기(10) 및 전원공급수단(9)(11)이 구비된 석영 재질의 고출력 단파장 자외선 램프(8)와, 광촉매 담체(12)를 유동화(fluidization) 시켜줄 수 있는 공기 기류를 형성시키고 아울러 실내공기를 순환시켜 주는 공기 송풍장치(5)와, 도 5에 있어서 광촉매 담체(12)의 내부순환 수단(22)(23)과, 도 6에 있어서 광촉매 담체(12)의 내부순환 수단(32)(33)(35)(36)과, 도 7에 있어서 광촉매 담체(12)의 외부순환 수단(43)(44)과 아울러 깨끗하게 정화된 공기가 유출되는 배출관(45)으로 구성된다.
이와 같이 구성된 본 발명에 따른 내부순환형 공기 정화처리장치(20)(30)와 외부순환형 공기 정화처리장치(40)의 정화처리방법을 조합해서 설명하면 다음과 같다.
먼저, 바이러스, 곰팡이균 등의 유해세균과 휘발성 유기화합물(VOCs ; 예를 들면, 벤젠, 톨루엔, 에틸벤젠, 자일렌, 트리클로로에텐(TCE), 이소프로필알콜, 아세톤, 클로로폼, 메탄올, 메틸에틸케톤)의 난분해성 오염물질을 함유하고 있는 대기 중의 공기는 공기 정화처리장치(20)(30)의 저면에 설치된 송풍장치(5)에 의하여, 도 5와 도 6에서는 받침대(3)에 구비된 공기통로(4)를 통하여, 도 7에 있어서는 공기 포집수단(41)을 통하여, 공기 정화처리장치(20)(30)(40)의메인케인스(21)(31)(42) 내부로 유입된다.
이때, 상기 공기 정화처리장치(20)(30)(40) 내부로 유입된 공기 중의 휘발성 유기화합물을 비롯한 오염물질들은, 메인케이스(21)(31)(42) 내부에 포함되어, 송풍장치(5)로부터 발생되는 공기의 기류에 의해 유동화(fluidization) 되는 광촉매 담체(12)와 활발히 접촉하게 된다.
이에 따라, 상기 광촉매 담체(12)는 메인케이스(21)(31)(42) 내부에 구비된 자외선 램프(8)로부터 활성화에너지를 공급받으며, 화학작용을 일으켜 공기 중에 포함된 오염물질을 분해시킨다.
특히, 상기 광촉매 담체(12)의 밀도는 송풍장치(5)로부터 발생하는 공기의 유체역학적인 흐름만으로도 용이하게 유동화(fluidization) 되어질 수 있는 0.01g/cm3~ 0.10g/cm3이다.
또한, 상기 광촉매 담체(12)는 유동화 조건에 최적인 1mm ∼ 10mm의 발포성 폴리스티렌과 같은 화합물질 매개체(13)에 상온에서도 코팅할 수 있는 졸(sol) 상태의 광촉매(14) 액상을 스프레이법 또는 함침법으로 코팅하고 상온 및 중온에서의 경화로 제조함이 바람직하다.
한편, 상기 광촉매 담체(12)는 공기 정화처리장치(20)(30)(40) 내부에서 원활히 유동화 되면서 시각적인 인테리어 효과를 한층 높여주며, 자외선 램프(8)와 빈번히 부딪혀 램프 표면의 오염때 증착현상을 방지한다.
그리고, 상기 공기 정화처리장치(20)(30)(40)의 내측에 수직/수평으로 설치된 자외선 램프(8)는 상기 공기 정화처리장치에 공급된 담체(12)의 띠(band gap) 에너지(3.2eV) 보다 높은 빛 에너지(λ<387.5nm)를 조사하여 상기 담체(12)의 광반응 효율을 극대화시켜 공기 중에 포함된 난분해성 오염물질을 빠르게 분해시킨다.
특히, 광원으로 사용되어지는 자외선 램프(8)는 종래의 광촉매 반응에서 사용되어지고 있는 일반 살균 자외선 램프와는 달리 음이온과 오존을 생성시킬 수 있는 파장까지 방출하는 고출력 단파장 자외선 램프(8)이다.
여기서, 일반 자외선 램프는 주로 살균선인 253.7nm의 파장(광에너지 E=hc/λ=hυ=478mol/kJ) 만을 방출하는 반면에, 상기 고출력 자외선 램프(8)는 253.7nm 파장 뿐만 아니라 음이온 및 공기중의 수분으로부터 오존을 발생시킬 수 있는 184.9nm의 파장 (E=hυ=647mol/kJ)까지도 방출시키는 석영재질의 램프이다.
따라서, 상기 자외선 램프(8)에서 조사되는 강력한 광에너지의 자외선만으로도 유해세균의 살균/탈취 기능 뿐만 아니라 C-C 결합 및 C=C 결합의 유기 오염물질이 분해되도록 하였으며, 이산화티타늄(TiO2) 광촉매 담체(12)에 더욱 강한 광에너지를 조사토록 하였다.
하지만, 상기 자외선 램프(8)로부터 발생하는 음이온과 오존으로 인하여 사람에게 불쾌감 또는 인체에 유해한 영향을 끼칠 수 있다.
따라서, 본 발명에서는 상기 자외선 램프(8)로부터 발생하는 음이온과 오존성분이 광촉매 담체(12) 및 공기 중의 오염원과 충분히 접촉하고 반응하도록 하여 반응효율을 높임과 아울러 외부로의 유출을 최대한 방지하였다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 도 5와 도 6에서는 광촉매 담체(12)의 내부순환 수단(22)(23)(32)(33)(35)(36)과, 도 7에 있어서는 광촉매 담체(12)의 외부순환 수단(43)(44)을 구비하였다.
여기서, 부호 22, 부호 32, 부호 42는 광촉매 담체(12)가 상승/이송되는 상승관(riser)이며, 부호 23, 부호 33, 부호 44는 상승된 광촉매 담체(12)가 재순환되기 위하여 중력으로 수집되는 경사판/경사관 이고, 부호 35는 상승된 광촉매 담체(12)가 수평으로 이송되는 수평이송관으로서 광촉매 담체의 하강수단(36)이 구비되며, 부호 43은 상승된 광촉매 담체(12)가 외부순환이 이루어질 수 있도록 하강하게 될 하강관(down-comer)이다.
특히, 상기 내/외부순환 수단에 있어서, 상승관(22)(32)(42)에서의 압력부하를 광촉매 담체(12)가 수집되는 경사판(23)(33)/경사관(44)에서의 압력부하보다 낮게 유지시켜 광촉매 담체(12)가 상기 공기 정화처리장치(20)(30)(40)의 내부와 외부에서 원활히 순환되도록 하였다.
따라서, 상기와 같이 내부순환 수단(22)(23)(32)(33) 및 외부순환수단(43)(44)을 구비한 공기 정화처리장치(20)(30)(40)는 자외선 램프(8)로부터 발생되는 음이온/오존성분을 공기의 오염원/광촉매 담체(12)와 충분히 반응시켜 외부로의 유출을 방지함과 아울러 시각적인 인테리어 효과를 한층 더 높여준다.
미설명 부호 6과 6'는 상기 광촉매 담체(12)가 상기 공기 정화처리장치(20)(30)(40)의 외부로 유출되는 것을 방지하는 광촉매가 코팅된 스텐망이다.
또한, 미설명 부호 24와 부호 34는 공기 유출부가 구비된 공기 정화처리장치(20)(30)의 뚜껑이고, 미설명 부호 45는 깨끗이 정화된 공기가 외부로 유출되는 배출관이다.
도 8은 본 발명에 따른 공기 정화처리장치를 나타낸 제5 실시예의 구성도이다.
도 8을 참조하여 본 발명의 공장/산업형 공기 정화처리장치(50)를 설명하면, 공기 정화처리장치(50)는 견고한 재질(예를 들면, 스틸, 스텐레스, PVC등)의 메인케이스(52)와, 대기 중의 공기 포집수단(51)과, 메인케이스(52) 내부의 상부와 하부에 제공되는 광촉매 담체(12)의 유출방지 수단으로써 이산화티타늄(TiO2)이 코팅된 스텐 망(6)(6')과, 자외선 램프(8)로부터 활성에너지를 받아 공기 중의 오염물질을 분해제거하여 깨끗한 공기를 얻을 수 있게 하는 이산화티타늄이 표면에 코팅되어진 광촉매 담체(12)와, 광촉매 담체(12)의 띠(band gap) 에너지(3.2eV) 보다 높은 빛 에너지(λ<387.5nm)를 조사하며 아울러 공기 중의 유해세균을 살균/탈취할 수 있는 영역의 자외선 파장을 조사하는 안정기(10) 및 전원공급수단(9)(11)이 구비된 석영 재질의 고출력 단파장 자외선 램프(8)와, 광촉매 담체(12)를 유동화(fluidization) 시켜줄 수 있는 공기 기류를 형성시키고 아울러 공기를 순환시켜 주는 공기송풍장치(5)와, 깨끗하게 정화된 공기가 유출되는 배출관(53)으로 구성된다.
이와 같이 구성된 본 발명에 따른 공장/산업형 공기 정화처리장치(50)의 정화처리방법은 도 4 내지 도 7에서 설명한 바와 같다.
이상에서와 같이 본 발명에 의하면, 이산화티타늄(TiO2) 광촉매와 자외선의 광화학적인 반응으로 공기 중의 유기화합물을 비롯한 오염원을 빠른 시간 내에 분해시켜 청정공기를 용이하게 얻을 뿐만 아니라 광촉매 담체의 유동화 방식을 채택하여 공기 정화효율을 높임과 아울러 시각적인 인테리어 효과도 가져와 기존 공기 정화장치의 부지를 축소시킬 수 있다.
또한, 기존 고급 공기 정화방식에서 우려가 되었던 음이온과 오존성분을, 본 발명에서는 광촉매 담체의 순환방식을 통하여 음이온/오존성분의 외부로의 유출을 최대한 방지하였다. 그리고 기본 원리가 간단하고 저렴한 비용과 설치가 간단하므로 산업형으로 대형화가 용이하므로 기존 복잡한 대기처리 장치들을 대체할 수 있다.
따라서, 본 발명에 의하며, 최근에 오염된 실내공기로 인하여 대두되고 있는 빌딩증후군과 밀폐건물증후군을 예방하는 차원에서도 매우 효과적이다.

Claims (4)

  1. 유해세균과 휘발성 유기화합물을 함유하고 있는 오염공기를 처리하기 위하여 광화학반응을 이용하는 공기 정화처리방법에 있어서,
    투명재질의 메인케이스 내부에 자외선 램프(8)가 설치되어 송풍장치(5)에 의해 유입된 오염공기를 자외선과 이산화티타늄(TiO2)이 표면에 코팅된 광촉매 담체(12)의 유동화(fluidization)로 오염물질을 분해/살균하기 위하여 담체의 띠(band gap) 에너지 보다 높은 빛 에너지(λ<387.5nm)를 조사하여 담체의 유동화와 광화학적인 반응작용에 의해 공기 중에 포함된 오염원을 분해시키는 것을 특징으로 하는 공기 정화처리방법.
  2. 제 1항에 있어서, 광원으로 253.7nm의 살균선과 184.9nm의 음이온/오존생성 파장도 동시에 생성시키는 고출력 단파장 자외선 램프(8)가 수평/수직으로 내부에 설치되며,
    상기 광원으로부터 자외선을 조사받아 활성에너지를 얻는 광촉매 담체(12)가 메인케이스 내부에서 공기의 기류에 의해 유동화되되,
    상기 광촉매 담체가 메인케이스 외부로 유출되는 것을 방지하기 위한, 광촉매가 코팅된 스텐망(6, 6')이 상 ·하부, 공기 유출부에 각각 설치되며,
    상기 자외선 램프(8)로부터 발생하는 음이온/오존성분의 잔류배출농도를 최소로 하여 광화학 반응효율을 극대화함과 아울러 인테리어 효과를 한층 높여주는 담체의 내부순환수단(22, 23, 32, 33) 및 외부순환수단(43, 44)으로 광촉매 담체를 순환시키면서 공기 중에 포함된 오염원을 광화학적 반응으로 분해하여 깨끗한 공기를 얻게 하는 것을 특징으로 하는 공기 정화처리방법.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 광촉매 담체로서 밀도가 0.01g/cm3~ 0.10g/cm3이고, 크기가 1mm ∼ 10mm인 것을 이용하는 것을 특징으로 하는 공기 정화처리방법.
  4. 유해세균과 휘발성 유기화합물을 함유하고 있는 오염공기를 처리하기 위하여 광화학반응을 이용하는 공기 정화처리장치에 있어서,
    투명재질의 메인케이스 내부에 광원으로 253.7nm의 살균선과 184.9nm의 음이온/오존생성 파장도 동시에 생성시키는 고출력 단파장 자외선 램프(8)가 수평/수직으로 내부에 설치되며,
    상기 광원으로부터 자외선을 조사받아 활성에너지를 얻는 이산화티타늄(TiO2)이 표면에 코팅된 밀도가 0.01g/cm3~ 0.10g/cm3이고, 크기가 1mm ∼ 10mm인 광촉매 담체(12)가 메인케이스 내부에서 송풍장치(5)로부터 발생된 공기의 기류에 의해 유동화되되,
    상기 광촉매 담체가 메인케이스 외부로 유출되는 것을 방지하기 위한, 광촉매가 코팅된 스텐 망(6, 6')이 상·하부, 공기 유출부에 각각 설치되며,
    상기 자외선 램프(8)로부터 발생하는 음이온/오존성분의 잔류배출농도를 최소로 하여 광화학 반응효율을 극대화함과 아울러 인테리어 효과를 한층 높여주는 담체의 내부순환수단(22, 23, 32, 33) 및 외부순환수단(43, 44)으로 광촉매 담체를 순환시키면서 공기 중에 포함된 오염원을 광화학적 반응으로 분해하여 깨끗한 공기를 얻게 하는 것을 특징으로 하는 공기 정화처리장치.
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