KR20040077678A - 기체 스트림의 오염물 흡착 및 흡착제의 현장 재생 - Google Patents

기체 스트림의 오염물 흡착 및 흡착제의 현장 재생 Download PDF

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KR20040077678A
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제랄드 데비엥
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맥길 유니버시티
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Abstract

탄력적으로 압축가능하고, 전기전도성을 가진 활성 탄소부직물 흡착제의 흡착에 의해 기체 스트림, 특히 오염물을 함유한 공기 스트림으로부터 오염물을 제거하여 오염물이 제거된 기체 스트림을 얻고; 오염물이 부착된 탄소부직물은 오염물의 탈착에 의하여 재생될 수 있으며; 오염물이 부착된 탄소부직물을 진공상태에 놓고 이에 전류를 흘려보내 상기 탄소부직물이 상기 오염물을 탈착시키기에 유효한 열을 발생시켜 상기 오염물을 진공상태에서 배출시키며; 발생되는 열의 수준은 필요되는 곳에 따라 변화될 수 있는데, 일반적으로 탄소부직물에 가하는 압축력을 변화시킴으로써 250-500℃까지 전개시킨다; 탈착은 일반적으로 10 토르 혹은 그 이하의 진공하에서 약 30분안에 완료되는 발명이 개시되어 있다.

Description

기체 스트림의 오염물 흡착 및 흡착제의 현장 재생{Adsorption of contaminants from gaseous stream and in situ regeneration of sorbent}
활성탄은 산업상 여과수단으로서 널리 이용되며, 유체 스트림(fluid stream)중 1% 미만을 차지하는 기체, 액체 스트림의 기체 오염물을 제거하는 경우에 있어서도 널리 사용된다. 활성탄은 그 사용 요구량이 연간 220,000 미터톤(metric ton)으로 추산되며, 2002년까지 연 5.4%의 비율로 그 사용요구량이 증대되었다. 이것은 어느정도는, 화학 공정의 산출량이 증대됨에 따라 전세계적으로 엄격한 환경 규제가 이루어졌기 때문이다. 미국 환경보호국(Environmental Protection Agency ; EPA)에서는 몇 가지 환경 오염물질에 관한 배출량 허용 기준을 낮춘 것이 그예가 된다. 미국에서의 1998년 휘발성 유기 오염물질의 총 배출량은 1.62 ×107㎏이었고, 각종 용제의 사용량은 상기 배출량의 30%에 달한다.
덧붙여, 빌딩 사무실의 근무자들, 주택 및 회사의 거주자들, 항공기, 기차 및 각 운송수단의 승객들이 일상생활 속에서의 공기의 질적인 면에 점차 우려를 표명하고 있다. 이러한 우려는 미시적 환경(micro environment)에 대한 에너지 보존 정책의 이행과 더불어 더욱더 확산되어, 가스방출 합성물질(outgasing synthetic material)에 대한 사용을 더욱 증대시켰다. 이것은 공기중의 기체 오염물의 수준을 조절할 수 있는 환풍 시스템에 대한 관심을 증가시켰고, 이러한 시스템들은 오염물질을 조절하기 위해 예외없이 활성탄을 사용한다.
오늘날 공기 스트림으로부터 오염물을 제거하여 그 수준을 1% 미만으로 조절하는데 쓰이는 활성탄의 대부분은 트레이(trays)에 배치된 과립형 혹은 펠릿(pellet)상태 혹은 분말형 활성탄(PAC)이다. 상기 활성탄을 이용한 흡착과정은 오염된 공기 스트림을 활성탄의 베드(bed)로 통과시켜 기체 오염물을 흡착시키고, 정제된 공기 스트림을 재활용하거나 혹은 대기중에 배출시키는 과정을 포함한다. 이러한 흡착시스템의 고질적인 문제점은 높은 압력 강하도(high pressure drop)와 사용된 활성탄을 주기적으로 교체해야 하는 불편함, 그리고 노동력을 많이 필요로하고 잠재적인 위험성과 고가(high price)의 과정이라는 데에 있다. 선택적으로, 탄소는 국제공개공보 WO 94/03270 에 기술된 것처럼 매트릭스 안에 포함될 수 있고 혹은 섬유에 결합될 수 있으며, 형태는 패널(panel), 블록(block), 혹은 슬랩(slab)으로 성형 가능하다. 상기 공보에 기재된 방법은 여과매개물(filtration medium) 전체에 걸쳐 높은 압력 강하도의 문제를 해결할 수 있지만, 결합된 탄소의 흡착능력이 저하되고 잔류물을 주기적으로 교체해 주어야 하는 단점이 있다.
또한, 활성탄은 엮거나 짜서 만든 직물형태의 활성탄 부직물 및 펠트(felt)로서 이용가능하다. 이것은 아주 낮은 압력 강하도와 보다 깊은 과립형 탄소 베드와 같은 흡착력을 가지는 얇은 탄소 베드를 제조하는 데 이용될 수 있다. 상기한 것들은 공기 정화에 이상적으로 적합한 방법이 될 수 있지만, 후자의 형태인 얇은 탄소 베드에 있어서는 주기적인 교체가 필수이며, 그 교체주기 또한 상대적으로 짧을 수 있다.
상기 사용가능한 모든 형태들에 있어서 사용된 탄소는, 재생되거나 혹은 그 효율에 있어 기준치 이하인 경우에는 교체된다. 초기 사용된 활성탄의 교체는 비용과 노동력이 많이 든다. 사용된 탄소의 오프 사이트(off-site) 재생은 운반과 노동에 대한 비용 그리고 재생 중간매개물의 분해과정을 필요로 하는데, 사용된 탄소의 흡착능의 재생을 위한 과정은 언제나 탄소 베드를 가열하는 작업을 포함한다. 여기서 사용되는 열은 뜨거운 공기나 증기를 사용하여 주로 외부적으로 제공되거나 혹은 상기 탄소 중간매개물에 가열 요소(hot element)를 배치함으로써 제공될 수 있다(미국특허 5,187,131). 상기 재생 가스는 탄소 중간매개물을 태우는 과정에서 흡착능과 활성탄소량에 있어서 어느정도 손실을 가져온다. 사용된 탄소의 온 사이트(on-site) 재생 방법 또한 이와 비슷한 과정을 거쳐 이용된다.
진공과정을 이용한 소모된 탄소의 재생은 흡착물을 증발시키기 위해 열 에너지가 필요하고, 가장 효율적인 열 절연 방법으로 알려진 진공 환경을 조성할 경우에는 진공 탈착과정 자체가 탄소에 대해 냉각효과를 지니게 되어 이를 상쇄시키기가 어려웠기 때문에 현재까지 상당히 비효율적으로 알려져 왔다. 이러한 이유로, 현재까지의 모든 활용가능한 진공 흡착 과정에 있어서 열 에너지를 냉각된 탄소에 적용시킬 수 없었다. 기껏해야 과도한 시간을 투자해야 적용가능할 정도로 재생시킬 수 있었다.
일반적으로, 상기 기술된 모든 재생 절차에 있어서 재생된 활성탄소는 그 내부에 제거되지 않아 잔류된 흡착물이 존재하기 때문에 본래의 흡착능을 가질수는 없다. 이것은 특히 활성탄을 이용한 "현장(in-situ)" 증기의 재생에 있어서 공통적인 특성이다. 따라서 재생된 탄소는 오염물 제거 필요조건을 만족시키지 못해 교체 되어야 한다는 결론에 귀착된다.
활성탄은 전류를 전도할 수 있다고 알려져 있다. 활성탄의 이러한 전기적 저항이라는 물성의 유용성 때문에 이를 이용하여 열을 발생시킬 수 있다(미국특허 6,107,612). 탄소의 이러한 물성을 이용하여 사용된 탄소의 재생에 필요한 열을 발생시키기 위해 많은 시도가 있었다(독일특허 4104513). 하지만, 이러한 시도의 과립형/펠릿/분말 탄소에의 적용은 무정형의 방열 패턴, 핫 스팟(hot spot), 그리고 짧은 회선(circuit) 때문에 제한적으로 성공할 수 밖에 없었다.
한편, 탄소 부직물에 전류를 통하여 흡착제 자체에 탈착에 필요한 열을 발생시키게 함으로써 흡착과 탈착과정의 열역학적 방법을 적용시켜 보다 좋은 결과를 얻을 수 있다(미국특허 5,912,423). 이 방법은 본질적으로 상기 기술된 선행기술보다 열 효율성이 보다 높지만, 흡착과정을 거친 탄소 부직물로부터 탈착된 오염물을 제거하기 위해서는 공기 정화 스트림 혹은 불활성 기체를 필요로 한다.
공기를 사용하게 되면 시간이 지남에 따라 예외없이 탄소가 산화되어 중대한 손실을 가져오므로 이 방법은 적당하지 않고, 하중이나 흡착물의 성질에 따라서 3시간 이상이 소요되는 재생과정 동안에 상당한 양의 불활성 기체를 필요로 한다. 또한 이 방법은 상기에서 사용된 많은 양의 불활성 기체로부터 오염물을 제거하는 데 있어서 기술적으로 복잡한 과정, 보통 극저온물리학(cryogenics)의 방법이 필요하다.
본 발명은 오염물을 함유하는 기체 스트림(gaseous stream)으로부터 오염물을 제거하는 방법 및 그 장치 혹은 기구에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 오염물을 흡착한 탄소부직물(carbon cloth material)로부터 오염물을 탈착시키는 방법 및 그 장치 혹은 기구에 관한 것이다.
보다 상세하게는, 본 발명은 활성탄소 부직물 흡착제(activated carbon cloth sorbent)를 이용하여 기류로부터 기체 오염물을 제거한 후, 이어서 상기 탄소 부직물에 직접 전류를 적용시켜 이를 원래의 탄소 부직물로 재생시키는 방법에 관한 것이다. 전류를 적용시켜 탄소부직물을 가열하는 동안에는 진공상태를 유지시키고, 상기의 흡착과정에서 부수적으로 생성된 오염물 혹은 배출된 공기의 열 분해 생성물들은 재생되거나 처분된다. 본 발명은 항공기 객실, 잠수함, 운송기구, 빌딩, 주택과 같은 폐쇄된 공간에서의 공기 정화 및 개인 공기 호흡기 등에 유용하게 사용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 방법을 수행할 수 있도록 제조된 장치의 모식도이다.
도 2는 본 발명의 오염물 흡착 방법에 사용되는 감지 시스템을 개략적으로나타낸 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 탈착된 오염물을 수집하는 장치를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 장치내의 챔버에서의 전력의 소비와 진공압력의 변화의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 장치에서 탄소부직물의 평형온도와 30분 안에 제거된 흡착물(톨루엔)의 양과의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 장치에서 탈착된 양(톨루엔)과 탈착시간과의 관계를 나타내는 그래프이다.
본 발명의 바람직한 실시예의 도면에 따른 상세한 설명
도면 1을 참조하여, 본 발명의 장치(10)는 흡착제 베드(14)가 내장된 챔버(12)를 가진다. 베드(14)의 마주보는 양 말단은 구리전극(16,18)으로 각각 전기적 접촉을 할 수 있게 되어 있다.
챔버(12)는 입구 포트(20), 출구 포트(22) 및 진공 밸브(24,26)로 이루어져 있다.
흡착제 베드(14)는 복수개의 나란히 위치한 활성 탄소 부직물층(28)으로 구성되어 있으며, 근접한 층들(28)간에는 전기적인 접촉이 되어 있고, 이렇게 형성된 흡착제 베드(14)는 탄력적으로 압축가능하며, 그래파이트 직물층(40) 사이에 배치시킨다. 흡착제 베드(14)는 세라믹 슬리브(sleeve:30)내에 내장된다.
열전쌍(thermocouple:32)은 흡착제 베드(14)의 온도를 측정한다.
챔버(12)는 또한 압력 변환기(34)와 버니어(vernier:36)를 포함하고 있어 구리전극(16,18) 사이의 간격을 조절하여 흡착제 베드(14)의 탄소 부직물층(28)의 압축 정도를 변화시킬 수 있다.
출구 포트(22)는 진공관(38)과 연결되어 있다(도시되지 아니함).
도면 2를 참조하여, 병렬로 배치된 본 발명의 장치(56,58) 한쌍이 구비된 시스템(50)을 설명한다. 시스템(50)은 오염물의 흡착을 위해 사용되는 장치(56)와 활성 탄소 부직물의 재생을 위한 장치(58)로 구성된다.
또한 상기 시스템(50)은 오염된 기체 스트림 라인(52)와 청정 기체 스트림 라인(54)을 포함한다. 센서(60)는 라인(54)에 설치되어 있다.
상기 장치(56,58)는 특히 도면 1에서의 장치(10)와 동일한 성형을 갖는다.
도면 3과 관련하여, 오염물 회수 어셈블리(70)는 탄소 부직물을 재생하는 동안 도면 1의 장치(10)와 연결되어 있으며, 회수 콘테이너(72)와 진공펌프(74)를 포함한다.
오염물 입구 라인(76)은 작동시에 도면 1의 장치(10)의 출구 포트(22)와 연결되어 작동된다.
어셈블리(70)는 또한 진공밸브(78)와 콘테이너(72)를 포함하며, 공기에 의해서 활성화되는 피스톤(80)과 액체 오염물 출구(82)를 포함한다.
도면 1의 장치(10)의 작동에 대해 설명하면, 오염물을 함유하는 기체 스트림을 입구 포트(20)를 통해 챔버(12)까지 흘려보내 흡착제 베드(14)를 통과시키면,활성 탄소 부직물층(28)에 의해 오염물이 흡착되며; 오염물이 탈착된 가스는 챔버(12)로부터 출구 포트(22)를 통해 배출된다. 이러한 흡착 과정은 주위 온도 범위에서 이루어진다.
따라서, 도면 2에 의하면, 챔버(12)로부터 출구 포트(22)를 통해 배출된 오염물이 탈착된 가스는 청정 기체 스트림 라인(54)으로 흘러 들어가고, 오염물은 효율적으로 도 2의 장치 56에 위치한 흡착제 베드 14에 잔류한다. 도면 2에서 오염된 기체 스트림은 따라서 장치(58번이 아닌 56번)를 통과하여 흐르게 된다. 청정 기체 스트림 라인(54)안의 기체 스트림의 오염의 정도는 센서(60)에 의하여 감지된다.
흡착제 베드(14)의 오염물로 인한 과부하로 본 발명의 장치(56)안의 흡착제 베드의 효율이 떨어질 정도의 오염물의 수준을 센서(60)가 감지하게 되면, 장치(56)으로의 오염된 기체 스트림의 유입은 중단된다.
장치 56번이 작동중 일때에는, 58번 장치는 흡착제 베드(14)의 재생의 과정을 수행한다. 58번 장치가 작동하면 오염된 기체 스트림이 오염물 제거를 위해 58번 장치로 들어가게 되고, 여기서 오염물이 제거된 가스는 청정 기체 스트림 라인(54)로 흘러들어가 센서(60)에 의해 오염물의 수준이 측정된다. 상기 센서가 작동하는 동안에는, 더 이상 사용되지 않는 56번 장치는 흡착제 베드의 재생작업을 실시하게 된다.
상기 재생작업을 도면 1과 관련하여 하기에 기술한다.
재생작업이 수행되는 동안에는 입구 포트(20)가 닫히고, 출구 포트(22)가 진공관(38)과 연결되어 챔버(12)는 진공이 된다. 구리전극(16,18)사이에 전류를 흘려보내면 흡착제 베드(14)의 탄소 부직물층(28)에도 전류가 통하게 되는데, 이때 상기 층(28)은 상기 기체 스트림으로부터 오염물을 흡착한 상태이다. 전류가 통과하게 되면 탄소 부직물층(28)에 열이 발생하는데, 열의 수준은 탄소부직물층(28)에 대한 압축력의 변화를 통해서 변화시킬 수 있다. 상기 압축력은 분리된 두 전극(16,18)사이의 거리를 조정함으로써 변화가능한데, 이 전극간 거리는 버니어(36)를 이용하여 전극 16번을 적절히 18번 전극으로 이동시킴으로서 조정할 수 있다.
상기 후자의 발열량의 수준의 조절 과정에 대해서는 미국특허 6,107,612호에 상세하게 기술되어 있으며, 상기 개시 내용은 참조문헌으로서 본 명세서에 편입된다.
발열량의 수준은 상기 기술된 바와 같이 진공상태하에서 챔버(12)내의 탄소 부직물층(28)로부터 오염물의 탈착이 적절한 정도까지 조절된다. 대체로, 온도 범위는 300-500℃ 사이이다. 상기 온도범위는 10 토르 혹은 그 이하의 진공상태하에서 대부분의 오염물에 대해서 충분하며, 탄소 부직물층(28)의 탈착은 20-45분 안에 완결된다.
오염물은 발생되는 열의 온도에 따라서 가스나 증기 상태로 탈착된다. 바람직하게는, 발열이 고온으로 되는 것이 효과적인데, 그 이유는 재사용 또는 처리를 위해 오염물을 수집하는 것이 바람직하지 않은 경우에 오염물이 단순한 가스 분자들로 열분해되어 대기중으로 배출될 수 있기 위해서이다.
탈착된 오염물 혹은 열분해 생성물은 진공하에서 챔버(12)로부터 출구 포트(22)를 통해 배출된다.
도면 3과 관련된 오염물 회수 어셈블리(70)는 도면 1의 장치(10)과 연결되어 있으며, 이것은 오염물 열분해나 재사용 혹은 처리되기 보다는 회수하는 경우에 이용되는 부분이다.
도면 1의 챔버(12)로부터 출구 포트(22)를 통해 배출된 오염물은 진공펌프(74)에 의해 흡입되어 오염물 입구 라인(76)을 통해 회수 콘테이너(72)로 들어가게 된다. 콘테이너(72)는 필요하다면 입구 라인(76)으로부터 봉합될 수도 있다. 회수 컨테이너(72)에서 수집된 오염물 증기는 공기에 의해 작동되는 피스톤(80)에 의하여 액상의 형태로 압축될 수 있고, 결과적으로 생성된 액상 오염물은 산업 공정상에서 처리 혹은 재사용을 위해 출구(82)로 배출될 수 있다.
일반적 기술 설명
상기한 바와 같이, 도면 1은 본 발명의 기체 스트림에서 기체 오염물을 흡착 및 탈착을 위한 기구의 개략적인 단면도이다.
상기 본 발명의 장치는 저 진공 작업(low vacuum work)에 사용되는 상업적으로 구입할 수 있는 부품들로 구성된다. 여기서 저 진공이란 봉인된 플렌지관(flanged piping)이 누출(leakage)없이 낮은 압력(<0.1mmHg)에 도달할 수 있는 것을 말한다. 흡착제 베드(14)는 구리 링 전극인 16, 18 사이에 세라믹 슬리브(sleeve:30) 안에 포함되어 있다. 하지만 여기서 사용되는 전도성 금속은 오염된 기체 스트림의 성질에 따라서 결정된다. 예를 들면, 부식성(corrosive) 기체 스트림의 경우에는 스테인레스 강(stainless steel)과 같은 금속이 필요하다.
흡착제 베드(14)는 베드 14에 전류의 흐름을 잘 분배시키는 역할을 하는 비흡착성 그래파이트 직물층(40)사이에 포함되어 있다. 흡착제 베드(14)안의 열전쌍(32)은 재생작업 동안 온도를 측정하게 되며 압력변환기(34)는 상기과정 동안 챔버(12)안의 압력을 측정한다. 버니어(vernier:36) 혹은 스크류(screw)와 같은 조금 덜 복잡하면서 비슷한 장치는 본 발명에서 필요한 재생 온도를 설정할 수 있도록 전극 16과 18사이의 거리 조정이 가능하게 되어 있다(미국특허 6,107,612, 패런트). 흡착제 베드(14)의 온도는 베드에 적용시키는 전류를 증가시키고 전극 16과 18을 고정시킴으로써 변화될 수 있다. 하지만, 전극 거리는 장기간 사용에 따른 수축의 결과로 인한 흡착제 베드(14) 심도의 감소 때문에 주기적으로 재설정되어야 한다.
흡착 공정:
사용되는 흡착제 베드(14)의 특성은 기체 스트림으로부터 제거될 기체 오염물의 성질에 의해 결정되는데, 다시말하면, 특정 조건을 위해 흡착제 베드(14)의 세공 크기(pore size) 분포 혹은 배치가 미리 선택된다는 것이다. 흡착제 베드(14)의 흡착능과 베드심도는 또한 본 발명에서 필요한 오염물의 농도, 기체 유속 및 재생단계간 시간에 따라서 선택된다.
오염된 기체 스트림은 상온에서 도면 1의 장치(10)로 도입된다. 흡착제 베드(14)와의 접촉 시간은 0.1초 이하이다. 센서(60)에 의해 청정 공기 스트림(도면 2)의 오염농도가 0.1%로 감지되면 흡착공정은 정지된다. 이때, 오염된 공기 스트림은 병렬로 연결된 관에 위치한 두번째 동일 장치(58)를 통해 재순환된다(도면 2). 상기 작업은 사용되는 장치(56)를 포함하는 관에 대한 엑세스 밸브를 폐쇄시키고 동시에 재생장치(58)로 연결된 관의 밸브를 개방함으로써 수행된다. 이러한 방법으로, 재생 과정 동안 오염된 기체의 흐름은 차단되지 않는다. 오염된 기체 스트림의 성분들의 농도와 성질에 따라서 두번째 기체 정제 시스템은 필요하지 않을 수도 있으며, 오염된 가스는 흡착제 베드(14)를 재생시키는 데 필요한 20-45분동안 대기중으로 배출된다. 재생 빈도율이 시간당 1회 정도로 설정되면 기체 정제 시스템은 기체 스트림내 오염물의 농도 변화에 반응할 수 있다.
탈착 공정:
탈착 개시 이전에, 기체 정제 시스템은 밸브로 폐쇄되어 과도한 누출 없이 챔버(12)내의 압력이 0.1mmHg까지 도달하게 된다. 이후, 챔버(12)는 급속하게 진공상태가 되어 절한 진공상태에 도달하게 된다(5분 혹은 그 이하의 시간이 소요된다). 그 다음에는 전극 16, 18이 배치되고 필요한 온도에 이를때까지 흡착제 베드(14)에 전류가 적용된다(300-500℃ ; 1분 혹은 그 이하의 시간 소요). 상기 온도범위에 이르기 위해서 필요한 전력은 상대적으로 낮다(20 와트 미만). 이러한 높은 온도/낮은 압력을 이용한 처리법은 20-45분 동안 계속된다(베드 심도, 오염물 성분 및 온도에 따라서 시간이 달라짐). 챔버로부터 배출된 오염물은 회수 컨테이터(72)로 들어가게 된다. 주목할 만한 것은 챔버(12)의 외부벽의 온도는 40℃를 넘지 않기 때문에 다른 안전 대책이 별도로 필요없다는 것이다. 일단 가열/진공(heating/vacuum) 단계가 완료되면, 흡착제 베드(14)로의 전류공급은 차단되고, 베드는 진공펌프(74)가 작동이 중단되고 챔버(12)가 공기와 접촉되기 전에 100℃ 미만까지 냉각된다(15분 혹은 그 이하의 시간 소요).
한가지 특정 오염물인 톨루엔에 있어서는, 흡착/재생 공정을 6개월에 걸쳐서 50번 이상 반복하여도 흡착제 베드(14)의 흡착능이나 물리적 성질의 보전에 있어서 아무런 문제가 없었다.
오염물 회수:
재생 단계 동안 전기적, 열적 방법으로 흡착제로부터 탈착된 기체 오염물은 진공(50-70 토르)/압력(20-60 psig) 펌프에 의해 낮은 압력(<400 토르)이 유지된 회수 컨테이너(72)로 흘러 들어가게 된다. 일단 재생 단계가 완료되면, 회수 컨테이너(72)에 연결된 액세스 밸브(78)가 자동적으로 폐쇄된다. 피스톤(80)은 컨테이너(72)의 낮은 압력(<400 토르)를 유지하기 위해 재배치 된다. 여러번의 재생 단계의 순환(컨테이너의 크기에 따라서 결정)후 피스톤(80)이 가장 낮은 지점에 이르렀을 때, 피스톤(80)은 작동되어 대부분의 기체 오염물을 압축하여 액상으로 만들기 위해 필요한 내부 압력까지 회수 컨테이너(72)의 부피를 압축한다. 이후 출구(82)가 개방되어 액상 오염물은 폐처리 컨테이너로 흘러 들어가게 된다. 피스톤(80)은 이후 컨테이너(72)의 내부 압력을 400 토르 미만으로 재설정하는 위치로 돌아와서 다음 재생 단계를 준비하게 된다. 선택적으로, 진공펌프(74)의 설치 없이 컨테이너(12)안의 피스톤(80)의 운동에 의해 상기 어셈블리(70)안의 적절한 진공상태를 만들어 낼 수도 있다.
발명의 적용
본 발명에서는 일반적으로 오염물을 함유하는 기체 스트림에 관한 언급을 하고 있지만, 대부분의 경우 상기 기체는 공기이며, 더 나아가서는 오염된 공기에 대해서도 본 발명을 기술할 수 있다. 본 발명은 상기 기체들이 본 발명의 흡착 및 탈착 공정에 대해서 반응이 없는 조건하에서도 기체로부터 오염물을 제거하는 데에 적용될 수 있다.
여기에 기술된 발명은 연속적 공기 스트림의 흐름 혹은 주기적, 연속적 혹은 비연속적인 공기의 흐름에 의함을 특징으로 하는 시스템에 적절하고 동일하게 적용될 수 있다.
1) 연속적 공기 흐름 시스템(Continuous air flow system)
이 시스템의 훌륭한 예로서 고층빌딩에서 찾아볼 수 있는 HVAC 시스템을 들 수 있다. 공기의 흐름은 연속적이고 공기가 함유하는 오염물의 성분들은 성질에 있어서 복잡하며 낮은 농도를 갖는다. 악취 조절은 이러한 시스템을 위한 주요한 필요조건이다. HVAC 시스템은 빌딩에서 실내 공기의 질에 대한 불평의 주요 원인으로 확인되어왔다.
상기 기술된 발명은 두 가지 가능성 중에서 하나를 제공한다. 즉, 공기 정화 시스템(흡착/탈착 장치)이 주요 환풍 시스템의 일부로서 구성될 수 있고, 또는 좀더 작은 단위 구성요소를 가지고 주요 공기 배출관을 개장(retrofit)하여 빌딩의 각층으로부터 순환 공기를 운반할 수도 있다. 상기 두 가지 타입의 공기 정화 시스템 모두 아주 많은 양의 공기 재 순환이 가능한데, 이것은 오염된 순환 공기의 냄새나는 오염물이 효율적으로 제거되기 때문이다. 여기에 기술된 발명에 기초하여 적절히 디자인된 공기 정화 시스템은 일상생활에 있어서 기체 오염물이나 냄새를 효율적으로 제거할 것으로 기대된다. 흡착제의 재생은 일상 근무시간 이후에 이루어지게 되어, 공기 정화 시스템은 익일의 사용을 위한 준비를 하게 된다. 공기 정화 시스템의 개장이나 작동을 위한 비용은, 빌딩에 쓰이는 공기의 가열/냉각을 위한 비용의 감소를 통해 절약될 수 있다. 또한, 이러한 시스템은 빌딩내의 거주자들의 실내 공기 질에 대한 불평을 효율적으로 처리할 수 있다. 이러한 공기 정화 시스템은 연속적 공기 흐름에 있는 다른 폐쇄된 공간, 즉 항공기 객실, 기차, 지하철, 차, 운반기구, 및 개인 주택 등에 개조되어 사용될 수 있다.
2) 주기적 공기 흐름(Periodic air flow)
이 공기 흐름의 훌륭한 예로서 용제를 사용하는 근로자 및/또는 다른 기체 오염물에 노출된 근로자들에 의해 사용되는 개인 공기 호흡기가 있다. 현재까지의 이러한 개인 공기 호흡기의 가장 큰 고질적인 문제점은 그 호흡기 자체내에 효율성이 급격하게 떨어짐을 알려주는 시스템이 없기 때문에, 이것을 사용하고 있는 근로자들은 항상 상해나 심지어는 죽음에 이를 수 있는 위험에 놓여있다. 미국과 캐나다의 현행 법규는 이러한 문제점이 시정될 것을 권고하고 있다. 여기에 기술된 발명은 탈착가능한 호흡기 카트리지안에 공기 정화 시스템을 적용시켜 상기의 문제점을 해결할 것이다. 이러한 목적을 달성하기 위해 필요한 변용은 쉽게 수행될 수 있으며, 단계별로 사용 후에 카트리지의 흡착제의 "현장(in-situ)" 재생을 통해 가능하다. 이러한 목적을 달성하기 위해서, 각 카트리지는 진공 상태하에서 전류에 접촉할 수 있도록 되어 있으며, 본 발명에 있어서 전극 및/또는 흡착제에 적용되는 전류의 증감을 통해 얻어진 흡착제에 적용되는 온도와도 접촉할 수 있도록 되어 있다. 재생 주기 동안(일반적으로 30분)의 흡착제의 온도는 흡착제 베드에 위치한 열전쌍에 의해 측정된다. 각 호흡기 카트리지는 이후 초기 흡착능을 회복하여 공기 호흡기를 이용하는 근로자들의 안전을 보장할 수 있게 된다. 흡착제 베드의 상태는 그 고유의 저항력을 측정함으로써 측정가능하다.
3) 기타 적용
본 발명의 가장 큰 장점 중의 하나는 공기 스트림으로부터 기체 오염물을 제거하는 곳이 필요한 거의 모든 종류의 시스템에 본 발명이 사실상 적용될 수 있다는 것이다. 이러한 점에서 본 발명은 선행기술이 가지는 기술의 적용에 있어서의 제한은 없다할 것이다. 예를 들면, 본 발명은 공장의 굴뚝에서 나오는 기체 오염 배출물을 효과적으로 제거하는데 쓰일 수 있고, 화학 공정에서 배출되는 활용가능한 용제의 재생에도 이용할 수 있다.
본 발명의 특징
본 발명의 두드러진 특징 중의 하나는 높은 진공상태 하에서 오염물을 흡착한 탄소 부직물의 온도를 상승시키기 위한 신속한 가열과정에 있는데, 이의 결과로서 신속하고 효율적인 오염물의 탈착과 상대적으로 짧은 시간(일반적으로 30분 미만)내에 활성 탄소 부직물의 "현장(in-situ)" 재생 작업이 가능하다.
본 발명의 또 다른 현저한 특징은 재생공정 동안 모든 경우는 아니라할지라도 대부분의 흡착된 오염물을 효율적으로 재생할 수 있다는 것이다. 이는 대부분의 경우에 있어서, 본 발명에서 다루는 배출된 공기가 상대적으로 부피가 적기 때문에 가능하다(챔버의 부피).
더 나아가서는, 본 발명의 흡착제는 긴 수명을 가지며, 반복적인 흡착과 탈착 공정의 긴 시간 동안에도 불구하고 본래의 흡착능을 보존할 수 있다.
이와 같은 형태의 공기 정화 시스템에 있어서, 흡착제 베드의 재생 시간 주기는 흡착제 베드의 심도, 베드 탄소 부직물의 흡착능, 공기 스트림내의 기체 오염물의 농도 및 공기 흐름 속도에 의해 결정된다. 본 발명에 의해 가능한 흡착제 베드 심도가 본 시스템의 공기 이동 장비의 능력에 의해서만 제한 받기 때문에, 재생 시간 주기는 원하는데로 길어질 수 있다. 이것이 현재까지의 선행기술에 있어서 탄소 부직물 흡착제 베드의 주요 제한점이다. 본 시스템의 본래 채택된 구성 때문에 상대적으로 낮은 심도의 흡착제 베드로 제한된다.
효율적인 재생공정을 위하여 탄소 부직물을 가열시키는 데 필요한 전력 또한 기존 선행기술에 의해 제안된 것보다 낮은데, 이는 다음의 두가지 이유 때문이다: (1) 재생 주기의 지속(일반적으로 30분 혹은 그 이하) 및 (2) 전류를 탄소 부직물 흡착제 베드에 적용시키는 방법, 즉, 보다 저항력이 있는 "b" 방향(탄소 부직물의 한쪽 끝에서 다른쪽 끝으로)보다는 "a" 방향(탄소부직물의 위에서 아랫방향 혹은 부직물의 두께 방향으로의 측면방향)으로 전류를 적용시키는 것의 두 가지의 이유에 기인한다.
본 발명의 또 다른 특징은 선행기술에 비하여 다양한 종류의 공기 정화 시스템에 있어서 실용가능한, 비용면에서도 효율적인, 신속한 개장이 가능하다는 것이다.
또한, 탄소 부직물 흡착제 베드의 바람직한 배치 구성은 부직물 전체에 걸친 기 선택된 압력강하도의 범위를 넓게 허용한다. 이 배치 구성은 직물을 엮는 방법과 세공 크기를 적절히 선택하거나 흡착제 베드 자체 내에 전도성 금속 역전류기(spacer)를 적절히 이용함으로써 압력 강하도를 최소화 할 수 있다.
여기에 기술된 탄소 부직물 흡착제 베드의 평균 여명(교체가 필요할 때까지임)은 일반 사용 기간인 6개월보다 더 긴 것으로 평가된다.
재생공정은 높은 진공 상태(일반적으로 10 토르 이하, 바람직하게는 0.51 토르 이하)에서 수행되기 때문에, 1,000℃에 다다르는 온도를 사용하여 재생 주기를 단축시키거나 재생공정의 효율성을 증가시킬 수 있다.
발명의 제한
본 발명의 가능한 제한점으로써 한가지는 모든 탄소를 주재료로 하는 흡착제 베드에 있어서 문제가 되는 것인데, 즉, 정화중인 공기 스트림이 HF와 같은 부식성 기체를 함유하고 있으면 이것이 탄소와 반응하는 것이 문제이다. 이것은 높은 온도에서 불화탄소를 형성하게 된다. 하지만, 재생공정이 상대적으로 짧은 시간동안에 높은 압력하에서 수행되기 때문에, 이것은 별로 문제가 되지 않을 것으로 보인다.
본 발명의 설계에 있어서 제한점은 흡착제 베드 챔버가 비전도성 외벽을 가져야 한다는 것이다. 이것은 잠재적으로 여기 기술된 본 발명에 기초하여 제작될수 있는 공기 정화 시스템의 모든 범위를 제한할 수 있다. 하지만, 스테인레스 강 챔버의 내부 표면에 세라믹 페이스트(paste)를 적용시키고 이를 높은 온도에서 구워내는 예비 시도로써 상기의 제한점을 제거할 수 있었다.
실험적 결과
도면 4는 301℃에서 30분동안 수행되는 재생 단계동안 탄소 부직물 흡착제 베드 챔버 내의 전력소비(와트)와 측정된 진공 압력(mmHg)이 시간이 지남에 따라서 어떻게 감소되는지를 나타낸다. 1분 간격으로 수치를 기록하였으며, 온도는 301±2℃로 유지하였다. 전력 소비는 초기치의 1/3로 감소하였고, 챔버안의 순환 압력 또한 거의 10배 감소하였다. 상기 전력 소비와 순환 압력의 감소는 탄소 부직물로부터의 흡착물(톨루엔)의 제거와 관련이 있는 것으로 보인다. 상대적으로 낮은 전력 소비와 챔버 압력의 두가지 취득은 재생 공정이 필요한 시점이라는 표시로 이용될 수 있다. 이 결과는 탄소 부직물 흡착제의 재생을 완료하기 위해서 상대적으로 낮은 전력이 필요하다는 것을 명백히 입증한다.
도면 5는 탄소 부직물 흡착제 베드의 온도 평형과 30분 동안 제거된 흡착물(톨루엔)의 양과의 관계를 보여준다. 300℃까지 선형 관계(r2= 0.9985)가 얻어지는데, 이것은 제거된 오염물의 양은 흡착제 베드에 전열적으로 적용되는 온도에 직접적으로 좌우된다는 것을 보여준다. 이 실험에서는, 0.26mmHg(0.26 토르)의 평균 주위 압력(챔버)아래, 300℃에서 100%의 재생율을 보였다. 이 단계에서는 300℃보다높은 모든 온도에 있어서도 상기의 결과를 얻을 수 있었다. 상기의 결과는 다음과 같은 관계를 보여준다:
흡착된 톨루엔(%) = 7.2 + 0.31 ×흡착온도
상기의 결과들은 본 발명에 기술된 것처럼 재생공정이 신속하다는 것을 명백히 보여준다.
도면 6은 탄소 부직물 흡착제로부터 제거된 흡착물(톨루엔)의 양과 0.5mmHg(0.5 토르)의 평균 흡착제 챔버 진공 압력하에서, 300℃의 평형 온도에서 재생공정(탈착)의 지속 시간과의 관계를 보여준다. 주목할 만한 것은 이와 같은 상황 아래서, 5분안에 70% 이상의 재생이 이루어지며, 20분 혹은 그 이하의 시간동안에 80% 이상의 흡착물이 제거된다는 것이다. 상기의 결과는 여기에 기술된 공정을 이용하면 상대적으로 짧은 시간안에 만족할 만한 재생량(80% 혹은 그 이상)을 달성할 수 있다는 것을 보여준다. 또한, 재생 시간이 어느정도 변동이 있어도 이것은 재생 달성 정도에 그다지 큰 영향을 주지 못한다.
상기 관계는 다음과 식으로 표현된다:
흡착된 톨루엔(%) = 74.9 + 0.81 ×흡착시간
상기와 같은 선형관계가 얻어진다(r2= 0.78)
본 발명의 목적은 기존 선행기술이 가지는 문제점이 없으면서 기체 스트림, 특히 공기 스트림으로부터 오염물을 제거하는 방법을 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 목적은 진공상태에서 탄소 부직물에 전류를 통하게 함으로써 "현장(in-situ)"에서 효율적으로, 일정하게, 그리고 신속하게 재생될 수 있는 흡착제를 이용하여 기체 혹은 공기 스트림에 존재하는 기체 오염물을 제거하는 방법을 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 목적은 처분 혹은 처리되기 위하여 배출된 오염물의 효율적인 재생방법과 그 장치를 제공하는 것이다.
본 발명은 또한 흡착제에서 기체 스트림, 특히 공기 스트림으로부터 오염물을 연속적으로 제거하고, 뒤이어 신속하고 비파괴적인 흡착제 재생 방법을 제공한다. 본 발명은 최소의 압력 강하도와 긴 평균 여명(life expectancy), 및 재생에 의한 회복된 본래의 흡착능을 갖고, 베드 심도(bed depth)가 오직 본 시스템(host system)의 흡착능에 의해서만 제한되는 흡착제 베드를 제공한다.
본 발명의 한 측면에 따르면, 오염물을 함유하는 기체 스트림으로부터 오염물을 제거하는 방법은 다음의 단계를 포함한다:
i) 오염물을 함유한 기체 스트림을 탄력적으로 압축가능하며 전기 전도성을 가진 활성 탄소 부직물이 내장된 챔버(chamber)에 통과시키는 단계,
ii) 상기 탄소 부직물에 부착된 오염물을 흡착한 후, 상기 오염물이 탈착된 기체 스트림을 상기 챔버로부터 제거하는 단계; 및
챔버에 오염물을 함유하는 기체 스트림을 흘러보내는 것을 중단시키고, 상기 챔버를 진공상태에 놓고, 진공상태를 유지하는 동안 상기 오염물이 부착된 탄소 부직물에 전류를 흘려보내 열을 발생시켜 상기 탄소 부직물로부터 상기 오염물을 탈착시키기에 유효한 열을 상기 탄소부직물에 발생시키는 단계.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 탄력적으로 압축가능하며 전기 전도성을 가진, 오염물이 흡착된 활성 탄소부직물로부터 오염물을 탈착시키는 방법은 다음의 단계를 포함한다:
a) 흡착된 오염물이 부착된 상기 탄소부직물을 챔버에 내장하는 단계,
b) 상기 챔버를 진공상태에 놓는 단계, 및
상기 탄소 부직물에 전류를 흘려보내 상기 탄소부직물로부터 상기 오염물을 탈착시키기에 유효한 열을 발생시키는 단계.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 오염물을 함유하는 기체 스트림으로부터 오염물을 제거하는 장치는 다음을 포함한다:
a) 탄력적으로 압축가능하며 전기 전도성을 가진 활성 탄소 부직물이 내장된 챔버,
b) 상기 챔버에 내장된, 오염물을 함유하는 기체 스트림을 상기 챔버에 도입시키는 첫 번째 포트(port)와 오염물이 제거된 기체 스트림을 상기 챔버로부터 제거하는 두 번째 포트(port);
c) 상기 챔버 내에서 전극들 사이에 전류가 흐를 수 있도록 상기 탄소부직물과 전기적으로 접촉되고, 상기 탄소 부직물을 통과하는 전류에 의해 열을 발생시키는, 일정한 간격을 지니는 한쌍의 전극(electrodes), 및
탄소 부직물에 의해 열을 발생시키는 동안 진공상태를 유지하기 위한 가스 밀폐된(gas-tight) 상기 챔버를 포함한다.
본 발명의 또 하나 다른 측면에 따르면, 탄력적으로 압축가능하며 전기 전도성을 가진 활성 탄소 부직물로부터 흡착된 오염물을 탈착시킬 수 있는 장치는 다음을 포함한다:
i) 상기의 탄소 부직물이 내장된 챔버,
ii) 상기 챔버 내에서 전극들 사이에 전류가 흐를 수 있도록 상기 탄소부직물과 전기적으로 접촉되고, 상기 탄소 부직물을 통과하는 전류에 의해 열을 발생시키는, 일정한 간격을 지니는 한쌍의 전극(electrodes),
iii) 탄소 부직물을 이용해 열을 발생시키는 동안 진공상태를 유지하기 위한 가스 밀폐된(gas-tight) 상기 챔버, 및
iv) 탄소 부직물에 의하여 발생된 열을 이용하여 탄소부직물로부터 탈착된 오염물을 진공상태에서 배출시킬 수 있는 배출 포트(exhaust port)를 포함한다.
바람직한 실시예의 기술
a) 흡착 및 탈착
본 발명은 탄력적으로 압축가능하며 전기 전도성을 가진 활성 탄소 부직물을 이용하여 오염물을 함유하는 기체 스트림으로부터 오염물을 흡착하는 데에 초점을 두었다.
또한 본 발명은 오염물이 부착된 탄소 부직물로부터 오염물을 탈착시키는 데에도 초점을 두었다.
흡착(adsorption)은 일반적으로 10-30 ℃ 사이의 순환온도 범위, 특히 20℃에서 활성 탄소 부직물에 오염믈을 함유한 기체 스트림을 흘려보냄으로써 이루어지며; 흡착시간은 일반적으로 1초 미만, 특히 0.1초 미만으로 한다.
오염물은 재사용을 위한 일련의 과정을 거치면 유용하게 사용될 수도 있는데, 예를 들면, 산업적 이용을 전제로 한 대기중의 용제가 그것이다. 또한 오염물은 유독하거나 유용성이 없어 처분될 수도 있다. 일반적으로, 오염물은 산업용 용제같이 일정 온도에서 증발하는 유기물일수 있고, 혹은 높은 온도에서 증발되거나 열분해되어 가스로 방출되는 유기 혹은 무기 가스 또는 미세 유기 입자(fine particulate organic substance) 혹은 미세 입자 유기 금속 물질(fine particulate organometallic substance)일 수 있다.
탈착(desorption)은 진공 하에서 탄소부직물에서 발생한 열이 오염물을 증발시킴으로써 이루어진다. 열은 탄소부직물에 전류를 흘려보냄으로써 발생하며, 발생되는 열의 수준은 탄소부직물을 압축 혹은 팽창시키거나 또는 탄소부직물에 흘려보내는 전류량의 가감을 통하여 또는 두가지 방법을 모두 사용하여 조절할 수 있다. 따라서, 열 또는 온도는 오염물, 혹은 탈착될 오염물 및 원하는 탈착속도에 따라 선택되어질 수 있다. 보다 높은 온도에서 좀더 신속한 탈착이 이루어지지만, 오염물의 열분해는 보다 더 높은 온도에서 잘 이루어진다.
본 발명이 다루는 범위에는 유기 오염물을 대기중에 방출시킬 수 있는 이산화탄소, 질소 및 물과 같은 간단한 분자, 혹은 대기중에 방출시키거나 회수할 수 있는 암모니아 및 이산화황과 같은 간단한 분자들로 열분해시킬 수 있을 정도로 유효한 수준의 열량을 발생시키는 것도 포함된다.
일반적으로 10 토르(torr) 이하, 바람직하게는 5.0 토르 이하, 보다 바람직하게는 1 토르 이하, 가장 바람직하게는 0.5 토르 이하 압력의 진공상태 하에서, 250-500℃ 사이, 특히 300-350℃ 사이의 온도에서 탈착이 쉽게 이루어지며, 보통 20-45분, 대개 30분이내에 탈착이 완료된다.
오염물이 열분해되는 경우에 있어서, 1,000℃ 혹은 그 이상의 온도는 압축(compression)정도의 조절, 혹은 탄소 부직물에 흘려주는 전류를 변화시킴으로써 용이하게 발생된다.
진공하에서 탄소 부직물로부터 오염물을 탈착시키는 작업은 상기 활성탄소 부직물을 본래의 흡착능을 가질 수 있도록 재생시킨다. 진공상태 하에서의 작업은 공기에 의한 탄소 부직물의 분해를 막고, 낮은 가열 온도에서 탈착을 시킴으로써 높은 온도에서 나타날 수 있는 탄소 부직물의 분해를 방지할 수 있다.
b) 탄소 부직물(Carbon Cloth Material)
본 발명에서 사용된 흡착제는 탄소 부직물(carbon cloth material)이다. 탄소 부직물이란 전기 전도성이 있으며, 압축시에 열 발생 정도가 클 뿐만 아니라, 상대적으로 적은 압축력의 변화를 적용시켜도 신속하게 높은 열 발생량을 얻을 수 있다.
특히, 예를 들어 상기 탄소 부직물은 짜여지거나 짜여지지 않거나, 탄소 펠트(felt), 탄소가 주입된 직물(carbon impregnated clot) 및 흑연화된(graphitized) 탄소 직물일 수 있다.
상기 탄소 직물과 펠트는 직물을 탄화하거나, 폴리아크릴로니트릴 섬유, 미세섬유 또는 방사(yarn)와 같은 합성 섬유 또는 면 또는 탄소 수지와 같은 천연섬유일 수 있는 유기섬유, 미세섬유, 미세단섬유 방사(monofilament yarns) 및 다중 미세 섬유 방사(multi-filament yarns)를 탄화함으로써 제조가능하다.
탄소 직물은 400℃ 이상의 온도에서 산소 존재하에 품질이 좋지 않게 된다. 따라서 온도 설정을 상기 범위 이상으로 하여 탄소 직물을 적용시키는 경우에 있어서는 화학적 처리를 해주어 직물의 산화를 방지하는 것이 필요한데, 오염물을 함유하는 불활성(무산소) 기체는 이러한 결점이 없다.
열은 전극사이에 전류를 통하게 함으로써 탄소 부직물에서 발생 되며, 이 열은 상기 기체 스트림으로부터 흡착한 탄소부직물의 오염물을 탈착시키는 역할을 한다.
본 발명에서의 "탄력적으로 압축가능한(resiliently compressible)"이란 용어는 압축력의 유뮤에 따른 탄소 부직물의 변형이 가능하다는 의미로 이해되어야한다. 탄소 부직물에 압축력을 가했을때는 압축될 수 있으며, 압축력을 제거하였을 경우에는 탄소 부직물이 팽창되거나 원상태로의 회복됨을 의미한다. 부분적으로는 탄소 부직물이 압축상태로부터 원상태로의 탄성력을 가지고 있어 압축력의 수준에 따라 반복적으로 압축될 수 있고, 이를 다시 초기상태 혹은 조금 덜 압축된 상태 혹은 부분적으로 압축된 상태 등으로 회복될 수 있다고 이해될 수도 있다.
압축된 가열 요소들(comprssed heating element)이 원상태로 회복할 수 있는 능력 혹은 탄성은 그 시기에 따라서 변화될 수 있다고 이해될 수 있다.
압축된 가열 요소들의 압축 상태의 변화는 압축량을 감소시키는 방법, 즉 발열량을 증가시키기 위한 감압과 압축량을 증가시키는 방법, 즉 발열량을 줄이기 위한 가압에 촛점을 둔다.
탄소 부직물은 초기에 특정 전류에 대한 만족할 만한 열 수준의 효과를 가지기 위해서 부분적으로 압축될 수 있다. 이후 압축력을 감소시키면서 발열량을 증가시키게 된다.
상기 탄소 부직물은 전개될 각 온도범위에서 발생하는 열에 대해서 적절하게 잘 견딜 수 있어야하며, 연속적이거나 빈번하고 반복적인 열에 대한 노출로 인해서 손상을 입어서는 안된다. 탄소 부직물은 특히, 전기 전도성이 있는 탄소 부직물들이 나란히 인접하여 복수개의 층(layer)을 형성하는데, 각 층들은 적어도 하나 이상의 근접 층과 전기적으로 접촉되어 있고 특히, 각 직물층의 주요 표면은 근접 직물 층의 주요표면과 전기적으로 접촉되어 있고, 스택 베드(stack bed) 혹은 파일(pile)을 형성하는 직물층들은 서로 반대의 위치에 마주보는 관계에 있다. 하지만, 스택이나 파일이 층의 형성에 있어서 항상 수평적일 필요는 없으며, 층들의 배치는 수평방향 및 수직방향이 모두 가능하다.
복수층은 동종 혹은 이종의 구분되는 분리층으로부터 형성되거나 복수층을 형성하기 위하여 콘서티나(concertina) 형태로 반복적으로 접힌, 연속적인 길이를 가진 직물로부터 만들 수 있고, 또는 콘서티나 형태로 접어서 함께 쌓은 서로다른 길이의 층을 조합하거나, 콘서티나 형태로 접은 서로 다른 길이의 층과 구분되는 분리층을 조합하여 쌓음으로써 형성될 수 있다.
c) 압축력
특히 본 발명의 바람직한 실시예에서의 탄력적으로 압축가능한, 전기 전도성을 가지는 탄소 부직물은 직물의 복수개의 층들로 이루어져 한쌍의 전극 사이의 분리된 공간에 배치되어, 상기 복수개의 층들 중 가장 바깥에 있는 층이 전극과 전기적으로 접촉되어 전극사이의 전류가 흐를 수 있는 경로를 제공하게 된다.
이 경우에 있어서, 한쌍의 전극 중 하나 이상을 움직여 전극사이의 간격, 즉 전극이 분리된 공간을 적절히 조절할 수 있다. 전극의 위치를 조정하는 것은 전극사이의 거리를 변화시켜 복수개의 직물층에 대한 가압이나 감압력을 제공할 수 있기 때문이다.
또한, 상기 직물층들을 일정 간격 떨어진 한쌍의 절연체들(예를 들면, 세라믹 절연체) 사이에 위치시키고 전기 연결자(connector)를 전극으로부터 절연체를 통해 직물층 혹은 직접적으로 바깥 직물층들에 접촉시켜 전기적 접촉을 형성하는 것도 가능하다. 이 경우에 있어 한쌍의 절연체 중 하나이상의 위치를 조정하여 절연체 사이의 분리된 공간을 변화시키는 것은 필요한 가압이나 감압력을 제공할 수 있다.
이는 전극 혹은 절연체들이 탄소 직물층에 압축력을 적용가능하게 하는 구조적 완결성을 지녀야 함으로 이해될 수 있다.

Claims (20)

  1. i) 오염물을 함유한 기체 스트림을 탄력적으로 압축가능하며 전기 전도성을 가진 활성 탄소 부직물이 내장된 챔버(chamber)에 통과시키는 단계,
    ii) 상기 탄소 부직물에 부착된 오염물을 흡착한 후, 상기 오염물이 탈착된 기체 스트림을 상기 챔버로부터 제거하는 단계; 및
    iii) 챔버에 오염물을 함유하는 기체 스트림을 흘러보내는 것을 중단시키고, 상기 챔버를 진공상태에 놓고, 진공상태를 유지하는 동안 상기 오염물이 부착된 탄소 부직물에 전류를 흘려보내 열을 발생시켜 상기 탄소 부직물로부터 상기 오염물을 탈착시키기에 유효한 열을 상기 탄소부직물에 발생시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 오염물을 함유하는 기체 스트림으로부터 오염물을 제거하는 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 진공상태에서 상기 챔버의 iii)단계에서의 상기 부직물로부터 탈착된 오염물을 배출시키는 ⅳ) 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 진공상태는 1.0 토르 이하인 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1항 내지 제 3항에 있어서, 상기 iii)단계에서 발생된 열은 상기 탄소 부직물의 온도를 300-500℃로 설정하는 데에 효과적이며, 탈착과정이 20-45분 안에 완료되는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 1항 내지 제 4항에 있어서, 상기 ⅳ)단계에서 챔버로부터 배출된, 탈착된 오염물을 수집하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 1항 내지 제 5항의 어느 한 항에 있어서, 상기 iii)단계의 오염물을 함유한 탄소 부직물로부터의 오염물의 탈착이 상기 활성 탄소 부직물을 재생시키고, 상기 재생된 탄소 부직물이 오염물을 함유하는 기체 스트림으로부터 오염물을 흡착할 수 있게 상기 i),ii)단계에 이용되는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 1항 내지 제 6항의 어느 한 항에 있어서, 상기 i)단계의 활성 탄소 부직물은 전기 전도성이 있는 복수개의 층(layer)을 형성하며, 상기 각 층들은 적어도 하나 이상의 인접 층과 전기적으로 접촉되어 있고, 상기 복수개의 층들이 일정한간격을 두고 떨어져 있는 첫번째와 두번째 전극 사이에 위치하여 전기적으로 접촉되어 있고, 상기 iii)단계는 상기 탄소 부직물로부터 오염물을 탈착시키기 위해 필요한 열발열량을 변화시키키 위하여 상기 탄소 부직물의 압축 수준을 변화시키는 작업을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 1항 내지 제 7항의 어느 한 항에 있어서, 상기 iii)단계에서 발생된 열이 탈착된 오염물을 대기중으로 배출가능한 간단한 분자형태의 가스로 열분해하는 데에 효과적이며, 상기 챔버로부터 상기 간단한 분자형태의 가스를 대기중으로 배출시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. a) 흡착된 오염물이 부착된 상기 탄소부직물을 챔버에 내장하는 단계,
    b) 상기 챔버를 진공상태에 놓는 단계, 및
    c) 상기 탄소 부직물에 전류를 흘려보내 상기 탄소부직물로부터 상기 오염물을 탈착시키기에 유효한 열을 발생시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄력적으로 압축가능하며 전기 전도성을 가진, 오염물이 흡착된 활성 탄소 부직물로부터 오염물을 탈착시키는 방법.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 진공상태 하에서 상기 챔버로부터 탈착된 오염물을 배출시키는 d)단계를 포함하는 방법.
  11. 제 9항 또는 제 10항에 있어서, 상기 진공 압력은 10 토르 이하이며 상기 c)단계에서 발생된 열이 상기 탄소 부직물의 온도를 300-500℃로 설정하는 데에 효과적이며, 탈착과정이 20-45분 안에 완료되는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제 9항 내지 11항에 있어서, 상기 활성 탄소 부직물은 전기 전도성이 있는 복수개의 층(layer)을 형성하며, 상기 각 층들은 적어도 하나 이상의 인접 층과 전기적으로 접촉되어 있고, 상기 복수개의 층들이 일정한 간격을 두고 떨어져 있는 첫번째와 두번째 전극 사이에 위치하여 전기적으로 접촉되어 있고, 상기 c)단계는 상기 탄소 부직물로부터 오염물을 탈착시키기 위해 필요한 열발열량을 변화시키기 위하여 상기 탄소 부직물의 압축 수준을 변화시키는 작업을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제 9항 내지 제 12항의 어느 한 항에 있어서, 상기 c)단계에서 발생된 열이 탈착된 오염물을 대기중으로 배출가능한 간단한 분자형태의 가스로 열분해하는 데에 효과적이며, 상기 챔버로부터 상기 간단한 분자형태의 가스를 대기중으로 배출시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. a) 탄력적으로 압축가능하며 전기 전도성을 가진 활성 탄소 부직물이 내장된 챔버,
    b) 상기 챔버에 내장된, 오염물을 함유하는 기체 스트림을 상기 챔버에 도입시키는 첫 번째 포트(port)와 오염물이 제거된 기체 스트림을 상기 챔버로부터 제거하는 두 번째 포트(port);
    c) 상기 챔버 내에서 전극들 사이에 전류가 흐를 수 있도록 상기 탄소부직물과 전기적으로 접촉되고, 상기 탄소 부직물을 통과하는 전류에 의해 열을 발생시키는, 일정한 간격을 지니는 한쌍의 전극(electrodes), 및
    d) 탄소 부직물에 의해 열을 발생시키는 동안 진공상태를 유지하기 위한 가스 밀폐된(gas-tight) 상기 챔버를 포함하는 것을 특징으로 하는 오염물을 함유하는 기체 스트림으로부터 오염물을 제거하는 장치.
  15. 제 14항에 있어서, 상기 활성 탄소 부직물은 전기 전도성이 있는 복수개의 층(layer)을 형성하며, 상기 각 층들은 적어도 하나 이상의 인접 층과 전기적으로 접촉되어 있고, 상기 복수개의 층들이 일정한 간격을 두고 떨어져 있는 첫번째와두번째 전극 사이에 위치하여 전기적으로 접촉되어 있고; 더 나아가 상기 일정한 전류가 흐르는 탄소 부직물로부터 오염물을 탈착시키기 위해 필요한 열발열량을 변화시키기 위하여 상기 탄소 부직물의 압축 수준을 변화시키는 작업을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  16. 제 14항 또는 제 15항에 있어서, 상기 챔버내에 진공상태를 만드는 수단을 포함하는 장치.
  17. i) 상기의 탄소 부직물이 내장된 챔버,
    ii) 상기 챔버 내에서 전극들 사이에 전류가 흐를 수 있도록 상기 탄소부직물과 전기적으로 접촉되고, 상기 탄소 부직물을 통과하는 전류에 의해 열을 발생시키는, 일정한 간격을 지니는 한쌍의 전극(electrodes),
    iii) 탄소 부직물을 이용해 열을 발생시키는 동안 진공상태를 유지하기 위한 가스 밀폐된(gas-tight) 상기 챔버, 및
    iv) 탄소 부직물에 의하여 발생된 열을 이용하여 탄소부직물로부터 탈착된 오염물을 진공상태에서 배출시킬 수 있는 배출 포트(exhaust port)를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄력적으로 압축가능하며 전기 전도성을 가진 활성 탄소 부직물로부터 흡착된 오염물을 탈착시킬 수 있는 장치.
  18. 제 17항에 있어서, 상기 활성 탄소 부직물은 전기 전도성이 있는 복수개의 층(layer)을 형성하며, 상기 각 층들은 적어도 하나 이상의 인접 층과 전기적으로 접촉되어 있고, 상기 복수개의 층들이 일정한 간격을 두고 떨어져 있는 첫번째와 두번째 전극 사이에 위치하여 전기적으로 접촉되어 있고; 더 나아가 상기 일정한 전류가 흐르는 탄소 부직물로부터 오염물을 탈착시키기 위해 필요한 열발열량을 변화시키기 위하여 상기 탄소 부직물의 압축 수준을 변화시키는 작업을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  19. 제 17항 또는 제 18항에 있어서, 상기 챔버내에 진공상태를 만드는 수단을 포함하는 장치.
  20. 제 17항 내지 제 19항에 있어서, 탈착된 오염물의 수집을 위한 상기 배출 포트와 연결된 컨테이너를 포함하는 장치.
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