KR20040101806A - 교류 고전압을 이용한 먼지 제거방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 교류 고전압을 이용한 먼지 제거방법 및 장치에 관한 것으로, 교류 고전압을 사용하여 먼지를 미리 대전시켜 먼지가 강한 정전기력을 갖도록 하여 후단에 설치된 직류 전기 집진기에서 쉽게 포집되어 실내 공기중의 먼지를 빠르게 제거될 수 있도록 하는 목적을 갖는다. 이러한 목적을 달성하기 위한 방법은 교류 플라즈마 반응기에서 먼지를 대전시키는 단계; 대전된 먼지가 전기 집진기의 전기장내로 이동하는 단계; 이동되는 먼지가 집진극에 부착되며, 먼지의 일부는 전기 집진기내에서 대전되어 제거되는 단계를 포함한다. 따라서, 기존 전기 집진기형 공기정화기 보다 더 빠르게 먼지를 제거시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

교류 고전압을 이용한 먼지 제거방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR REMOVING THE DUST BY USING DIELECTRIC BARRIER DISCHARGE}

본 발명은 교류 고전압을 이용한 먼지 제거방법 및 장치에 관한 것으로, 특히 전기 집진기형 실내 공기 정화기에 있어서, 교류 고전압을 사용하여 먼지를 미리 대전시켜 먼지가 강한 정전기력을 갖도록 하여 후단에 설치된 직류 전기 집진기에서 쉽게 포집되도록 하여 실내 공기중의 먼지를 빠르게 제거시킬 수 있는 방법 및 장치에 관한 것이다.

통상적으로, 공기 정화기는 적당한 위생환경을 유지하기 위해 실내 공기중의 먼지를 제거하는데 사용되는 장치이다.

이러한 공기 정화기에 이용되는 전기 집진기는 먼지 및 미스트와 같은 입자들을 코로나 방전으로 대전시켜 정전기력을 갖도록 하여 대전된 먼지가 직류 전기장에 의해 집진 전극으로 이동될 수 있도록 하여 제거시키는 것이다.

즉, 전기 집진기는 정전기력에 의해 먼지가 포집되기 때문에 기계적인 방법에 비해 입경이 10∼20㎛ 보다 작은 입자의 제거에 효과적인 것으로, 이는 Cooper, C. D. and Alley, F. C.,Air Pollution Control: A Design Approach, Waveland Press, Inc., 1994에 개시되어 있다.

더욱 상세하게 설명하면, 전기 집진기는 고전압을 인가해 주는 고전압 공급장치와, 방전극과 집진극으로 구성되어 있는 집진 장치로 이루어져 있다.

이러한 전기 집진기는 일반적으로 고전압 직류 전원을 사용하며 고전압이 인가되는 방전극이 음극, 접지된 집진극이 양극이다. 여기서, 전기 집진기는 정전기력, 관성력, 중력 등이 먼지에 작용하고 있으나, 이중 가장 중요 작용은 정전기력이다.

보다 상세하게 설명하면, 정전기력에 의해 먼지가 제거되는 과정은 아래와 같다.

첫째, 방전극에 인가된 고전압에 의한 전기장의 생성과,

둘째, 음이온 전하 생성 및 전하의 이동과,

셋째, 전하에 의한 먼지의 대전과,

넷째, 전기장 내에서 대전된 먼지가 집진극으로 이동하는 것과,

다섯째, 집진극에 이동된 먼지의 부착으로 제거되는 과정이다.

전기 집진기형 공기정화기의 성능향상을 위해 기존 채택된 방법은 직류 고전압을 사용하는 대신 직류/펄스 고전압을 사용하는 것으로, 이러한 방법은 낮은 직류전압에 펄스 고전압을 동시에 인가하여 먼지의 대전 및 포집이 한 단계로 일어나게 되는 것으로, 이는 Mizuno, A., Industrial Applications of Non-Thermal Discharge Plasma in Environmental Technologies,12th International Sympoisum on High Voltage Engineering, Bangalore, India, pp. 48~55, 2001에 잘 개시되어 있다.

그리고, 먼지를 여과재에 여과시켜 제거하는 여과 집진기는 먼지가 여과재에 도입되기 전에 고전압 방전을 이용하여 먼지를 대전시켜 먼지 제거를 감소시키게 되는 것으로, 이는 김용진, 정상현, 새로운 집진기술 동향, 한국대기환경학회지, 11 (3), 221~231, 1995; 김정일, 여석준, 방전극 형상 및 여과재 특성에 따른 정전 여과집진장치 특성에 관한 연구, 한국대기환경학회지, 14 (3), 237~250, 1998에 개시되어 있다.

그러나, 기존 전기 집진기형 공기정화기는 직류고전압에 의한 먼지의 대전 및 집진극으로의 이동이 한 단계로 일어나기 때문에 먼지가 충분히 대전되지 않았을 때 제거효율이 저하되는 문제점이 있어, 실내의 공기를 오랜 시간동안 반복적으로 순환시켜야 하는 문제점이 있다.

그리고, 공기정화기의 성능향상을 위해 종래에 채택된 직류/펄스 고전압을 사용하는 방법은 직류 고전압만을 사용하는 방법에 비해 먼지의 제거효율은 높으나 펄스 고전압을 발생시키기 위한 펄스 발생장치의 제작에 많은 비용이 소요되어 결국 공기정화기의 가격이 높아지는 문제점을 갖고 있다.

따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 그 목적은 교류 고전압을 사용하여 먼지를 미리 대전시켜 먼지가 강한 정전기력을 갖도록 하여 후단에 설치된 직류 전기 집진기에서 쉽게 포집되어 실내 공기중의 먼지를 빠르게 제거될 수 있도록 하는 교류 고전압을 이용한 먼지 제거방법 및 장치를 제공함에 있다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 교류 고전압을 이용한 먼지 제거방법은 교류 플라즈마 반응기에서 먼지를 대전시키는 단계; 대전된 먼지가 전기 집진기의 전기장내로 이동하는 단계; 이동되는 먼지가 집진극에 부착되며, 먼지의 일부는 전기 집진기내에서 대전되어 제거되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 교류고전압을 이용한 먼지 제거장치는 60 Hz의 교류 고전압이 인가되어 먼지의 대전을 목표로 하는 교류 플라즈마 반응기; 직류 고전압으로 운전되며, 먼지의 포집을 위한 전기 집진기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 교류 고전압을 이용한 먼지 제거장치의 개략도를 도시한 도면이고,

도 2는 본 발명에 따른 교류 플라즈마 반응기의 구조를 도시한 도면이며,

도 3은 본 발명에 따른 전기 집진기의 구조를 도시한 도면이며,

도 4는 도 3에 도시된 전기 집진기 전압이 5 kV에서 공기정화기 가동시간 및 교류 플라즈마 반응기의 전압에 따른 실내 먼지 농도 변화를 도시한 도면이며,

도 5는 도 3에 도시된 전기 집진기 전압이 9 kV에서 공기정화기 가동시간 및 교류 플라즈마 반응기의 전압에 따른 실내 먼지 농도 변화를 도시한 도면이며,

도 6은 본 발명에 따른 교류 플라즈마 반응기의 전압에 따른 오존 발생농도를 도시한 도면이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 교류 플라즈마 반응기 20 : 전기 집진기

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구성 및 동작에 대하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 교류 고전압을 이용한 먼지 제거장치의 개략도를 도시한 도면으로서, 60 Hz의 교류 고전압이 인가되어 먼지의 대전을 목표로 하는 교류 플라즈마 반응기(10) 및 직류 고전압으로 운전되며, 먼지의 포집을 위한 전기 집진기(20)를 포함한다.

교류 플라즈마 반응기(10)는 도 2a의 정면도와 도 2b의 측면도의 구조로 이루어져 있다.

즉, 교류 플라즈마 반응기(10)에 설치된 전극(S1)은 0.5 ㎜ 두께의 동판(S3)을 2 ㎜ 두께의 유리판(S2)으로 감싸고 있는 구조이다. 각 전극의 폭은 200 ㎜이고, 실내공기 흐름방향의 길이는 20 ㎜이며, 동판(S3)을 감싸고 있는 유리판(S2)의 폭은 200 ㎜이고 기체 흐름방향의 길이는 40 ㎜이다.

또한, 교류 플라즈마 반응기(10) 내에는 상술한 전극(S1)이 11개 설치되어 있고 전극(S1)간의 거리는 4 ㎜로 일정하게 유지되며, 이로 인하여 교류 플라즈마 반응기(10)의 높이는 89.5㎜가 되며, 전극(S1)에는 교대로 0∼15 ㎸의 교류 고전압 인가되고 교류 고전압이 인가되지 않는 나머지 전극들은 접지되어 있다.

전기 집진기(20)는 도 3a의 정면도와 도 3b의 측면도의 구조로 이루어져 있다.

즉, 전기 집진기(20)의 집진극은 스테인레스 재질의 200 ㎜ ×120 ㎜ 의 평판이고, 직류 고전압이 인가되는 방전극(S4)은 1 ㎜ 직경의 스테인레스 철사이다. 방전극(S4)과 집진극 그리고 방전극(S4)과 방전극(S4) 사이의 간격은 15 ㎜이며, 방전극(S4)에는 0∼10 ㎸의 직류 고전압이 인가되며, 직류 고전압의 극성은 음성이다. 여기서, 공기가 흐르는 유로의 수는 총 3개이며 전기 집진기(20)의 높이는 90 ㎜이다.

상술한 구성을 바탕으로, 본 발명에 따른 교류 고전압을 이용한 전기 집진기형 실내 공기 정화기의 먼지 제거방법에 대하여 보다 상세하게 설명한다.

먼저, 교류 고전압을 이용한 먼지 제거장치의 성능을 평가하기 위해 2×2×2 m³크기의 실험실에 도 1에 도시된 교류 플라즈마 반응기(10) 및 전기 집진기(20)를 설치한다.

즉, 교류 플라즈마 반응기(10)의 가동 여부에 따라 실내 공기를 정화하는데 걸리는 시간이 변화됨에 따라 성능을 평가할 수 있다. 교류 플라즈마 반응기(10)의 최대 전압은 오존이 발생되지 않는 범위로 한정하며, 실내 공기의 유량은 1.96 m³/min으로 하며, 먼지의 농도를 분석하는 데에는 광산란 방식의 휴대용 분진계를 사용한다. 여기서, 휴대용 분계는 먼지 농도를 0.001∼10 ㎎/m³의 범위까지 측정 가능하여 실내오염측정에 적합하다. 그리고, 교류 플라즈마 반응기(10) 및 전기 집진기(20)의 방전 전극 고전압 측정에는 1000:1 고전압 측정장치를 사용한다고 가정한다.

상술한 바와 같이 가정한 상태에서, 도 4는 도 3에 도시된 전기 집진기(20) 전압이 5 ㎸에서 공기정화기 가동시간 및 교류 플라즈마 반응기(10)의 전압에 따른 실내 먼지 농도 변화를 도시한 도면이다.

도 4를 참조하면, 먼지의 농도는 초기농도(C₀)와 임의의 시간에서의 농도(C)의 비율로 나타내며, 교류 플라즈마 반응기(10)에 인가되는 고전압의 세기에 따라 공기정화기 가동전에 존재하던 먼지가 얼마나 빨리 저감되는지를 알 수 있다.

다시 말해서, 도 4의 전기 집진기(20)에 인가된 직류 고전압은 5.0 ㎸(평균전기장 세기 : 3.3 ㎸/㎝)이고 교류 플라즈마 반응기(10)에 인가된 교류 고전압은 0∼11.6 ㎸(첨두치) 범위이다.

즉, 도 4에서 알 수 있듯이, 교류 고전압을 증가시킴에 따라 실내 공기의 먼지 농도가 더 빨리 감소하는데, 이 결과는 교류 플라즈마 반응기(10)에서 먼지가 미리 대전됨에 따라 강한 정전기력을 갖게 되어 전기 집진기(20)에서 쉽게 포집될 수 있기 때문이다. 교류 플라즈마 반응기(10)의 전압이 9.0 ㎸와 11.6 ㎸이었을 때는 먼지의 저감 속도에 있어서 뚜렷한 차이를 보이지 않는데, 그 이유는 먼지 농도가 0.59∼0.70 ㎎/m³으로 작아 9.0 ㎸의 전압에서도 충분히 대전될 수 있기 때문이다.

도 5는 도 3에 도시된 전기 집진기(20) 전압이 9 kV에서 공기정화기 가동시간 및 교류 플라즈마 반응기(10)의 전압에 따른 실내 먼지 농도 변화를 도시한 도면이다.

도 5를 참조하면, 교류 플라즈마 반응기(10)의 전압이 6.3∼11.4 ㎸(첨두치)이고, 전기 집진기(20)에 인가된 전압이 9 ㎸(평균 전기장세기 : 6.0 ㎸/cm)이었을 때의 실내 먼지를 나타낸다.

즉, 도 5와 같이, 교류 플라즈마 반응기(10)에 의해 먼지가 미리 대전되었을 때 그 효과를 확인 할 수 있는 것으로, 교류 플라즈마 반응기(10)의 전압을 일정 전압 이상으로 높이는 것은 효과 측면에서 두드러진 향상을 나타내지 못하는데, 그 이유는 먼지 농도가 작아 낮은 교류 고전압에서도 먼지가 충분히 대전될 수 있기 때문이다.

한편, 도 4와 도 5를 비교해 보면, 교류 플라즈마 반응기(10)의 전압이 같을 때, 전기 집진기(20) 전압이 높을수록 먼지가 빠르게 제거됨을 알 수 있는데, 이는 전기 집진기(20)의 전압이 증가할수록 전류가 증가되어 전기 집진기(20)에서도 먼지가 추가적으로 대전될 수 있고, 또한 전기 집진기(20) 전압이 높을수록 강한 전기장이 형성되어 대전된 먼지를 끌어당길 충분한 힘이 제공되기 때문이다.

즉, 교류 플라즈마 반응기(10)는 먼지를 대전시켜 쉽게 전기 집진기(20)에서 포집될 수 있도록 하는 역할을 하지만 오존을 발생시킬 가능성이 있음에 따라 오존을 발생시키지 않는 교류 플라즈마 반응기(10)의 최대 허용 전압을 결정하기 위하여, 발생된 오존 농도를 도 6에 도시된 바와 같이 직접 측정한다.

도 6은 본 발명에 따른 교류 플라즈마 반응기의 전압에 따른 오존 발생농도를 도시한 도면이다.

도 6을 참조하면, 오존은 플라즈마 방전에 의해 산소분자가 산소원자로 해리된 다음 산소분자와 결합하는 경로로 발생되는 것으로, Atkinson, R., Baulch, D. L., Cox, R. A., Hampson Jr., R. F., Kerr, J. A., Troe, J., Evaluated kinetic and photochemical data for atmospheric chemistry: Supplement IV.Journal of Physical and Chemical Reference Data,21, 1125-1568, 1992에 잘 개시되어 있다.

그리고, 도 6에 도시된 바와 같이, 교류 플라즈마 반응기(10)의 전압을 11.5 ㎸까지 변화시켰을 때는 오존이 검출되지 않으나, 전압을 13.2 ㎸로 증가시켰을 때 약 0.3 ppm의 오존이 검출되며, 전압을 14.2 ㎸로 증가시켰을 때는 1.6 ppm의 오존이 검출된다. 이에 따라, 교류 플라즈마 반응기(10)의 전압은 11.5 ㎸이하로 유지하는 것이 바람직함을 알 수 있다.

상기와 같이 설명한 본 발명은 교류 고전압을 사용하여 먼지를 미리 대전시켜 먼지가 강한 정전기력을 갖도록 하여 후단에 설치된 직류 전기 집진기에서 쉽게 포집시켜 실내 공기중의 먼지를 빠르게 제거시킴으로써, 기존 전기 집진기형 공기정화기 보다 더 빠르게 먼지를 제거시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (6)

1. 정기 집진기형 실내 공기 정화기의 먼저 제거장치에 있어서,

   60 Hz의 교류 고전압이 인가되어 먼지의 대전을 목표로 하는 교류 플라즈마 반응기와,

   직류 고전압으로 운전되며, 상기 먼지의 포집을 위한 전기 집진기

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 교류 고전압을 이용한 먼지 제거장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 교류 플라즈마 반응기에 설치된 전극은, 0.5 ㎜ 두께의 동판을 2 ㎜ 두께의 유리판으로 감싸고 있는 구조로서, 상기 각 전극의 폭은 200 ㎜이고, 실내공기 흐름방향의 길이는 20 ㎜이며, 상기 동판을 감싸고 있는 유리판의 폭은 200 ㎜이고 기체 흐름방향의 길이는 40 ㎜인 것을 특징으로 교류 고전압을 이용한 먼지 제거장치.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 교류 플라즈마 반응기내 전극은, 11개 설치하고, 상기 전극간의 거리는 4 ㎜로 일정하게 유지되며, 상기 교류 플라즈마 반응기의 높이는 89.5㎜가 되며, 상기 전극에는 교대로 0∼15 ㎸의 교류 고전압 인가되고, 상기 교류 고전압이 인가되지 않는 나머지 전극들은 접지(GND)되는 것을 특징으로 하는 교류 고전압을 이용한 먼지 제거장치.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 전기 집진기의 집진극은, 스테인레스 재질의 200 ㎜ ×120 ㎜ 의 평판이고, 직류 고전압이 인가되는 방전극은 1 ㎜ 직경의 스테인레스 철사인 것을 특징으로 하는 교류 고전압을 이용한 먼지 제거장치.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 방전극과 집진극, 및 상기 방전극과 방전극 사이의 간격은, 15 ㎜이며, 상기 방전극에는 0∼10 ㎸의 직류 고전압이 인가되며, 직류 고전압의 극성은 음성이며, 상기 전기 집진기의 높이는 90 ㎜인 것을 특징으로 하는 교류 고전압을 이용한 먼지 제거장치.
6. 교류 플라즈마 반응기 및 전기 집진기로 이루어진 실내 공기 정화기의 먼저 제거방법에 있어서,

   상기 교류 플라즈마 반응기에서 먼지를 대전시키는 단계와,

   상기 대전된 먼지가 상기 전기 집진기의 전기장내로 이동하는 단계와,

   상기 이동되는 먼지가 집진극에 부착되며, 상기 먼지의 일부는 전기 집진기내에서 대전되어 제거되는 단계

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 교류 고전압을 이용한 먼지 제거방법.