KR20090121943A - 연소촉매와 광촉매를 이용한 폐 가스 처리방법 및 그처리장치 - Google Patents

연소촉매와 광촉매를 이용한 폐 가스 처리방법 및 그처리장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연소촉매와 광촉매를 이용한 폐 가스 처리방법 및 그 처리장치에 관한 것으로, 흡착제이면서 촉매 담체의 역할을 하는 난연성 세라믹필터에 귀금속 촉매인 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh)을 주촉매로 하고, 보조촉매로 니켈(Ni), 코발트(Co), 크롬(Cr), 망간(Mn), 바륨(Ba)을 코팅 처리한 다공성 세라믹 촉매필터를 이용하여 산업현장의 생산공정이나 가정의 음식물처리기등에서 발생하는 각종 폐 가스나 폐 유기용제 및 악취(이하 '폐 가스'라고 함)등을 흡착하고, 자외선램프에서 발산되는 150~200℃의 열로 촉매의 산화 연소 발열반응을 일으켜 폐 가스를 분해하면서 탈착시키고, 2차적으로는 자외선 램프에서 조사되는 380nm 이하의 자외선에 의해 활성화된 광촉매 매트를 통과하면서 미반응 물질의 거의 전부가 이산화탄소(CO2)와 물(H2O)로 분해 제거되고, 또한 항균ㆍ살균ㆍ탈취되도록 한 것이다.
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광촉매, 촉매필터, 배기팬, 코팅, 자외선램프, 산화티타늄, 자외선, 촉매

Description

연소촉매와 광촉매를 이용한 폐 가스 처리방법 및 그 처리장치{TREATMENT METHOD AND DEVICE OF WASTE GAS USING COMBUSTION CATALYST AND PHOTOCATALYST}
본 발명은 연소촉매와 광촉매를 이용하여 각종 폐 가스나 폐 유기용제 및 악취(이하 '폐 가스'라고 함)등의 거의 전부를 제거할 수 있는 연소촉매와 광촉매를 이용한 폐 가스 처리방법 및 그 처리장치에 관한 것이다.
일반적으로 산업현장에서 발생하는 폐 가스를 제거하는 방법으로 활성탄에 의한 흡착법이 많이 사용되고 있으며, 상기 활성탄은 일정 시간이 지나면 가스성분에 의해 포화되므로 교체 사용하게 된다.
따라서, 활성탄 교체에 따른 비용 증가와 2차 오염의 문제가 있으며, 폐 가스를 회수하기 위한 또 다른 장치를 필요로 하게 되어 재생 처리비용도 많이 소요되는 문제점이 있다.
또한, 온도 상승에 의해 흡착된 폐 가스 성분의 탈리현상과 악취 성분의 농도가 낮아지면서(흡착 평형) 활성처리 능력이 떨어지는 단점이 있다.
또한, 세라믹 촉매 허니컴을 이용하여 폐 가스(폐 가스, 폐 유기용제, 악취 등)를 처리하는 방법의 경우, 넓은 면적에서 많은 풍량을 처리하는데 어려움이 있고, 설치비가 고가이며, 처리후의 배기가스 온도가 높아 유지비용이 많이 상승되는 단점이 있다.
한편, 촉매연소는 고체촉매를 이용하여 화염을 동반하지 않고서 기상의 연료를 저온의 조건하에서도 완전 연소시키는 것을 말하며, 지금까지 개발된 연소촉매로는 백금족 금속(Pt, Pd, Rh)과 Cr, Co, Ni, Mn, Fe 등의 전이금속 산화물들이 주종을 이룬다.
아래 표 1은 산업공정별 주요 폐 가스 발생현황을 표시한 것이다.
<표 1> 산업공정별 주요 용제 발생현황표.
발생용제류/성분 업 종 VOC 사용설비
Toluene, Xylene, Alcohol류, Ethyl acetate 자동차, 운송장비공장 도장부스
Toluene, Xylene, Alcohol류, Ethyl acetate Steel 가구 제조업체 도장부스/건조로
Toluene, Xylene, Alcohol류, Ethyl acetate 인쇄회사 인쇄건조로
Ethylmethylketone, Lsobuthyl, Cyclohexanone 접착제, 자기테이프 코팅공정, 세정공정
방향족, 알데히드류, 알콜류, 유기산류 화학약품공업 석유화학, 각종반응장치
Stylene, 알데히드류, 에스텔류 합성수지, 접착제 합성수지, 합판제조설비
알콜류, keton류 반도체 제조 세정장치
한편, 광촉매인 산화티타늄(TiO2)은 파장 380nm 이하의 자외선을 흡수하게 되면 광촉매 분해반응이 일어나 유기물질을 이산화탄소(CO2)와 물(H2O)로 분해하게 된다. 이것은 광합성 반응의 역으로 연소반응에 해당되고 30,000℃ 이상에서의 연소반응에 상응하는 연소반응을 일으키지만 통상의 연소반응과는 다르게 온도가 상 승하지 않고 실온에서 반응이 진행되며 자외선이 닿을 때 빛의 양 만큼만 반응이 발생된다. 상기 380nm 이하의 자외선은 자외선 램프에 의해 발생되며, 광촉매를 활성화시켜 분해반응을 용이하게 한다.
본 발명은 연소촉매와 광촉매의 반응원리를 이용하여 폐 가스를 거의 전부 제거할 수 있는 연소촉매와 광촉매를 이용한 폐 가스 처리장치를 제공함에 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 연소촉매와 광촉매의 반응원리를 이용하여 폐 가스를 거의 전부 제거할 수 있는 연소촉매와 광촉매를 이용한 폐 가스 처리방법을 제공함에 목적이 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 다량의 일산화탄소가 배출되는 화석연료 열기구, 이를테면, 연탄난로의 배기구나 보일러의 배기구에 본 발명 폐 가스 처리장치의 입구를 연결시켜 일산화탄소(연탄가스)의 거의 전부가 제거되도록 함을 특징으로 한다.
본 발명 폐 가스 처리장치는 입구와 출구가 형성된 내열성 케이스와, 상기 케이스 입구에 설치되는 전치필터와, 상기 전치필터 후단에 설치되는 다공성 세라 믹 촉매필터와, 상기 다공성 세라믹 촉매필터를 지지하는 지지봉과, 상기 다공성 세라믹 촉매필터 후단에 설치되는 자외선램프와, 상기 자외선램프 후단에 설치되는 광촉매 세라믹필터와, 상기 광촉매 세라믹필터 후단에 설치되는 속도가변형 배기팬으로 구성되며, 광촉매 세라믹필터 후단에 설치되는 온도센서로 부터 입력되는 온도신호와 설정된 기준온도신호를 비교하여 배기팬의 회전속도를 제어하는 제어기가 부가 구성된다.
상기 다공성 세라믹 촉매필터는 케이스에 고정되는 복수의 지지봉을 이용하여 지그재그 형상으로 설치하고, 상기 지지봉에 의해 형성되는 각각의 요입부에 자외선램프를 설치하여 효율이 향상되도록 구성된다.
또한, 다량의 일산화탄소가 배출되는 연탄난로나 보일러 등의 화석연료 배기구에 본 발명 폐 가스 처리장치의 입구를 연결시켜 일산화탄소(연탄가스)의 거의 전부를 제거할 수 있다.
본 발명 연소촉매와 광촉매를 이용한 폐 가스 처리방법은; 흡착제이면서 촉매 담체의 역할을 하는 난연성 세라믹필터에 귀금속 촉매인 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh)중 하나의 귀금속 주촉매로 하고, 보조촉매로서 니켈(Ni), 코발트(Co), 크롬(Cr), 망간(Mn), 바륨(Ba)을 같거나 비슷한 비율로 혼합하여 코팅 처리한 다공성 세라믹 촉매필터를 이용하여 폐 가스를 흡착하고; 자외선램프에서 발산되는 150~200℃의 열로 상기 다공성 세라믹 촉매필터의 산화 연소 발열반응을 일으켜 흡착된 폐 가스를 분해 탈착하고; 상기 자외선램프에서 조사되는 380nm 이하의 자외선으로 활성화된 광촉매 세라믹필터에 의해 폐 가스의 미반응물질이 거의 전부 분 해 처리된다.
상기 다공성 세라믹 촉매필터는; 가스 통기가 자유로운 내열성 및 다공성 실리카 섬유상을 알칼리 용액조에 담아 초음파로 세척한 후 300℃에서 2시간 건조한 다음 워시코팅액을 상온에서 20분 침적한 후 원심탈수기로 탈수시켜 5~10㎛ 두께로 코팅하고 150℃에서 2시간 건조한 다음, 500℃ 까지는 시간당 200℃로 서서히 온도를 상승하고 800℃에서 12시간 가열한 다음 촉매용액을 상온에서 20분간 습식 침윤후 50℃로 2시간 건조하고, 400℃에서 2시간 산화, 450℃에서 1시간 수소와 질소 분위기에서 환원시킨 다음 200℃까지 냉각시켜 제조된다.
상기 광촉매 세라믹 필터는, 다공성 세라믹 필터에 산화티타늄(TiO2)이 코팅된다.
상기 워시코팅액은 입자 크기가 1,000mesh인 토르마린, 숯, 비표면적이 250~300m2/g이고 크기가 20~30nm인 알루미나 분말을 20:20:60의 무게비로 혼합하여 40~50wt%의 수분을 가하고 2~5wt%의 유기 결합제(PVA)를 첨가한 다음 볼밀(Ball mill)에서 약 6시간 혼합 분쇄된 액상이다.
상기 촉매용액은 담체인 Al2O3 무게를 기준으로 0.1~0.5wt%에 해당하는 귀금속(Pt, Pd, Rh)을 주촉매로 하고, 상기 Al2O3 무게를 기준으로 0.01~0.15wt%에 해당하는 Ni, Mn, Co, Ba 등의 금속촉매를 보조촉매로 하는 용액을 만든 다음 2-아미노에탄올(aminoethanol)과 염산(HCl)으로 pH3이 되게 조정된다.
상기 촉매용액은 담체인 Al2O3 무게를 기준으로 0.1~0.5wt%에 해당하는 귀금속 주촉매와, 상기 Al2O3 무게를 기준으로 0.01~0.15wt%에 해당하는 보조촉매로 용액을 만든 다음 2-아미노에탄올(aminoethanol)과 염산(HCl)으로 pH3이 되게 조정하고, 상기 귀금속 촉매는 PtㆍPdㆍRh 중 하나이고, 상기 보조촉매는 NiㆍCoㆍCrㆍMnㆍBa 이 같은 무게비율로 혼합된 것을 특징으로 한다.
본 발명은 연소촉매와 광촉매 분해반응에 의해 각종 폐 가스의 거의 전부가 이산화탄소(CO2) 및 물(H2O)로 분해 처리되고, 항균, 살균 및 탈취되는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 연소열과 촉매반응 및 광반응을 이용하여 폐 가스를 태우고 분해하므로 필터를 교체할 필요가 없으며, 종래 처리장치에 비하여 에너지 효율은 20% 이상이고, 정화처리효율은 95% 이상의 효과가 있다.
또한, 본 발명은 귀금속 촉매와 광촉매에 의해 원적외선 및 음이온에 다량으로 발생되어 주변공기가 정화되는 효과가 있다.
또한, 본 발명에서 적외선램프(UV lamp) 만으로 다공성 세라믹필터(6)의 점화 및 세라믹필터(9)의 광촉매가 활성화되는 효과가 있으며, 전기에너지를 이용하므로 구조가 간단하고 설치조립이 용이하며, 별도의 점화장치가 불필요하므로 소비전력이 절약되는 등의 효과가 있다.
본 발명을 설명함에 있어, 도면들 중 동일한 구성 요소들은 가능한 한 동일 부호로 기재하고, 관련된 공지구성이나 기능에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지가 모호해지지 않도록 하기 위하여 생략하도록 한다.
도 1은 본 발명 일 예로 도시한 연소촉매와 광촉매를 이용한 폐 가스 처리장치(1)의 단면구성도이다.
상기 폐 가스 처리장치(1)는 입구(2)와 출구(3)가 형성된 내열성 케이스(4)와, 케이스(4) 내부에 설치되는 전치필터(5)와, 다공성 세라믹 촉매필터(6)와, 자외선램프(7)와, 광촉매 세라믹필터(8)와, 속도제어되는 배기팬(9)이 차례로 설치된다.
도 2는 본 발명 다른 예로 도시한 폐 가스 처리장치(1)의 단면도로, 다공성 세라믹 촉매필터(6)를 지그재그 형상으로 설치하여 투과되는 폐 가스의 접촉면적을 확장함으로써 폐 가스의 흡착력을 향상시키고, 자외선램프(7) 또한 증설시켜 처리효율을 보다 향상시킨 것이다.
상기 다공성 세라믹 촉매필터(6)는 케이스(4)에 고정되는 복수의 지지봉(10)을 이용하여 삼각형 또는 지그재그 형상으로 설치하고, 지지봉(10)에 의해 형성되는 다공성 세라믹 촉매필터(6)의 요입부에는 자외선램프(7)가 각각 근접 설치된다.
상기 자외선램프(7)는 광(光) 반응을 필요로하는 광촉매 세라믹필터(8) 보다 는 100~150℃의 연소개시온도를 필요로하는 다공성 세라믹 촉매필터(6)에 근접설치되는 구성이다.
케이스(4) 입구(2) 측에 설치되는 전치필터(5)는 유입되는 폐 가스 중의 이물질이나 먼지 등을 제거하기 위한 필터이며, 다공성 세라믹 촉매필터(6)는 100~150℃의 연소개시온도에 쉽게 도달할 수 있도록 자외선램프(7)가 근접 설치되며, 각 부품들은 1,000℃ 또는 1,200℃ 이상의 내열성이 요구된다.
다공성 세라믹 촉매필터(6)는 내열성 지지봉(10)에 의해 지지되며, 지지봉(10)의 양단은 도 3에 예시한 것처럼 케이스(4)에 고정화된다.
상기 자외선램프(7)는 도 1과 같이 한 개 또는 도 2와 같이 복수 개로 설치된다. 상기 자외선램프(7)로부터 발생되는 380nm 이하의 자외선(紫外線) 작용에 의해 광촉매 세라믹필터(8)의 광촉매가 활성화되며, 이에 따라 폐 가스 및 악취성분들이 쉽게 분해 제거된다. (7a)는 자외선램프(7)로 동작전원을 공급하는 단자이다.
광촉매 세라믹필터(8)의 후단에는 케이스(4)의 내부온도를 감지하는 온도센서(11)가 설치되고, 배기팬(9)과 자외선램프(7)는 제어기(12)에 각각 접속되어 제어된다.
상기 제어기(12)는 온도센서(11)로부터 입력되는 온도신호와 제어기(12)에 미리 설정된 기준온도신호를 비교하게되며, 온도센서(11)로부터 입력되는 케이스(4) 내부온도가 기준온도범위를 초과하는 경우, 배기팬(9)의 회전속도가 가속되어 배기량이 증가되고, 온도센서(11)로부터 입력되는 케이스(4) 내부온도가 기준온도범위를 믿도는 경우 배기팬(9)의 회전속도가 감속되어 배기량이 감소된다.
상기 제어기(12)는 같은 방법으로 자외선램프(7)의 광량을 제어하거나 또는 자외선램프(7)의 광량과 배기팬(9)의 회전속도를 동시에 제어하는 방법으로 미리 설정된 기준온도범위로 유지되게 제어할 수도 있다.
배기팬(9)에 의해 입구(2)로 유입되는 휘발성 유기용제나 악취를 함유한 폐 가스, 또는 일반 폐 가스는 전치필터(5)를 통과하면서 이물질이나 먼지 등이 제거되며, 촉매가 코팅되고 흡착성능을 가진 다공성 세라믹 촉매필터(6)를 지나면서 촉매의 산화반응에 의해 흡착 제거되는데, 촉매의 초기연소를 위한 100~150℃의 연소개시온도는 자외선램프(7)에서 발생되는 열과 폐 가스의 열이 이용된다.
촉매 산화반응을 거친 폐 가스는, 광촉매 세라믹필터(8)를 지나면서 380nm 이하의 자외선(紫外線)에 의해 활성화 된 광촉매(TiO2)의 분해작용으로 폐 가스 및 악취성분들이 거의 전부가 이산화탄소(CO2)와 물(H2O)로 분해 제거되고, 항균 살균 및 탈취된다.
즉, 광촉매인 산화티타늄(TiO2)은 380nm 이하의 자외선을 흡수하면 광촉매 분해반응이 일어나 유기물질 및 악취등이 이산화탄소(CO2)와 물(H2O)로 분해되고, 항균 살균 및 탈취된다. 이것은 광합성 반응의 역으로 연소반응에 해당되고 30,000℃ 이상에서의 연소반응에 상응하는 연소반응을 일으키지만 통상의 연소반응과는 다르게 온도가 상승하지 않고 실온에서 반응이 진행되며 자외선이 닿을 때 빛의 양 만큼만 반응이 발생된다.
본 발명의 자외선램프(7)의 내부온도는 800~900℃로 유지되지만 표면온도를 200℃ 전후이다.
본 발명은 연소열과 촉매반응 및 광반응을 이용하여 폐 가스를 태우고 분해하므로 필터를 교체할 필요가 없으며, 종래 처리장치에 비하여 에너지 효율은 20% 이상이고, 정화처리효율은 95% 이상이다.
본 발명은 미분해된 물질이 자외선과 활성화된 광촉매에 의해 정화처리되면서 정화된 공기가 배출되며, 정화 공기와 함께 배출되는 열은 도시안된 열교환기를 이용하여 재활용할 수 있다.
본 발명에서 폐 유기용제와 악취 및 폐 가스는 다공성 세라믹촉매필터(2)에 흡착된 다음 자외선열에 의해 분해되는 촉매산화반응이 일어난다.
잔존물질은 배기되면서 광촉매에 의해 거의 전부 제거된다.
본 발명은 같은 구조에서 배기팬(9)의 회전방향을 역으로 회전시켜 역구조로 사용할 수 있으며, 효율 저하없이 사용 가능하다.
또한, 본 발명은 90~100℃의 열과 함께 다량의 일산화탄소가 배출되는 연탄난로나 보일러등의 화석연료 열기구의 배기구에 본 발명 폐 가스 처리장치(1)의 입구(2)를 연결시켜 일산화탄소(연탄가스)를 거의 전부제거할 수 있게된다.
미 설명부호 (13)은 필터를 케이스(4)에 고정시키는 부재이며, (14)는 체결부재이다.
본 발명은 흡착제이면서 촉매 담체의 역할을 하는 난연성 세라믹필터에 귀금속 촉매인 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh)을 주촉매로 하고, 보조촉매로서 코발 트(Co), 크롬(Cr), 망간(Mn), 바륨(Ba)을 코팅 처리한 다공성 세라믹 촉매필터로 폐 가스를 흡착하고;
자외선램프에서 발산되는 150~200℃의 열을 이용하여 상기 다공성 세라믹 촉매필터의 산화 연소 발열반응을 일으켜 폐 가스를 분해 탈착하고;
상기 자외선램프에서 조사되는 380nm 이하의 자외선을 받아 활성화된 광촉매 세라믹필터를 통과하면서 폐 가스의 미반응물질이 완전 분해 처리되도록 하게된다.
상기 다공성 세라믹 촉매필터의 제조과정은 다음과 같다.
1. 워시코팅액 준비공정
입자 크기가 1,000mesh인 토르마린(전기석), 숯, 비표면적이 250~300m2/g이고 크기가 20~30nm인 알루미나 분말을 20:20:60의 무게비로 혼합하여 40~50wt%의 수분을 가하고 점도 및 결합 강도를 향상시키기 위해 2~5wt%의 유기 결합제(PVA)를 첨가한 다음 볼밀(Ball mill)에서 6시간 혼합 분쇄하여 슬러리를 제조한다.
이때 슬러리의 점도는 0.2~0.5poise 정도로 한다.
상기 토르마린(Tourmaline)은 화성암의 일종이며 육방정계(六方晶系)의 결정구조를 갖는 전기석(電氣石)으로 비중이 2.90 ~ 3.10g/㎠이고, 경도는 7.0 ~ 7.5이며, 화학성분은 철, 마그네슘, 알칼리 금속 등과 알루미늄의 복잡한 붕규산염으로 서 우라늄광, 자철광 등과 같이 스스로 에너지를 축척하여 끊임없이 방출하는 광물 중의 하나이며, 원적외선과 음이온을 방사하여 인체(人體)에 활력(活力)을 주는 건강보석의 일종이기도 하다.
또한, 토르마린은 결정의 양단에 양극(+)과 음극(-)이 상존하면서 약 100만 볼트(Volt)의 전위차(電位差)를 갖는 0.06㎃ 정도의 미약한 전류(電流)가 영구히 흐르는 성질이 있어 전기석(電氣石)으로도 불리우며, 투명ㆍ핑크색ㆍ청색ㆍ자색ㆍ 담녹색ㆍ적색 등의 다양한 색을 띤다.
2. 다공성 실리카 섬유 세척 및 건조공정
내열성이 약 1,200℃이고, 가스의 통기가 자유로운 다공성 실리카 섬유상을 알칼리 용액조(알칼리 용액이 담긴 세척조)에 담아 초음파로 세척한 후 300℃에서 약 2시간 건조한다
3. 워시코팅액 침적 및 탈수 건조공정
세척 및 건조된 다공성 실리카 섬유상에 상기 워시코팅액을 상온(20℃)에서 20분 침적한 후에 원심탈수기로 탈수하여 5~10㎛ 두께로 코팅하고 150℃에서 2시간 건조한다.
이런 과정을 3회에 걸쳐서 코팅을 한다.
4. 소성공정
워시코팅액이 침적 및 탈수 건조된 다공성 실리카 섬유(세라믹 필터)를 500℃ 까지는 시간당 200℃로 서서히 온도를 상승시켜 유기 결합제등의 가스가 급격히 빠져 나가면서 미세한 균열이 생기는 것을 방지하고 800℃에서 12시간 가열하여 다공성 세라믹 필터를 완성한다.
5. 촉매용액 준비공정
촉매용액은 담체인 Al2O3 무게를 기준으로 0.1~0.5wt%에 해당하는 귀금속(Pt, Pd, Rh)을 주촉매로 하고, 상기 Al2O3 무게를 기준으로 0.01~0.15wt%에 해당하는 Ni, Mn, Co, Ba 등의 금속촉매를 보조촉매로 하는 용액을 만든 다음 2-아미노에탄올(aminoethanol)과 염산(HCl)으로 조정하여 알루미나 담체의 등전점인 pH3으로 맞춘다.
상기 귀금속 촉매는 폐 가스의 종류나 특성에 따라 가장 적합한 하나의 귀금속, 이를테면 Pt 또는 Pd 또는 Rh 중 하나의 귀금속이 사용된다. 예컨대, LPGㆍ에탄올ㆍ알콜계 등에는 Pt나 Pd가 사용될 수 있고, 크실렌ㆍ톨루엔ㆍLNG 등의 처리에는 Rh이 사용될 수 있다. 보조촉매인 Ni, Co, Cr, Mn, Ba이 같은 비율 또는 비슷한 비율로 혼합된다.
6. 촉매코팅공정
소성된 다공성 세라믹 필터에 준비된 상기 촉매용액을 상온에서 20분간 습식 침윤한 다음 진공건조기에서 약 50℃로 약 2시간 건조한다.
7. 산화 및 환원공정
담지된 촉매를 활성화하기 위해서 약 400℃에서 약 2시간 산화공정, 약 450℃에서 약 1시간 수소와 질소 분위기에서 환원시킨 다음 약 200℃까지 냉각하여 다공성 세라믹 촉매필터를 완성한다.
본 발명 광촉매 세라믹필터(8)는 다공성 세라믹 필터에 산화티타늄(TiO2)이 코팅되어 구성된다.
상기 광촉매는 광(光)을 받으면 촉매반응을 일으키는 물질이다. 광촉매 중 산화티타늄(TiO2)이 가장 많이 사용되고 있다. 이는 산화티타늄이 내산성, 내알카리성 등이 좋으며 인체에 무해하기 때문이다. 각종 오염물질을 무해한 물질로 변화시켜주는 친환경적 소재이다.
산화티타늄은 자외선(380nm)을 받으면 전자(Electron), 전공대(Electron Hole)가 형성되어 강한 산화력을 가진 하이드록시 라티칼(-OH)과 슈퍼 옥사이드(O2-e)를 생성한다.
이 하이드록시 라디칼과 슈퍼 옥사이드가 유기 화합물을 산화 분해시켜 물과 탄산가스로 변화시키며, 분자내에서 산화, 환원반응 및 친수성 반응이 동시에 가능 한 고기능성의 광촉매로 VOCs 분해, 항균, 살균, 탈취, 자정작용(Self Cleaning)등의 기능을 나타낸다.
이런 원리로 공기중 오염물질을 산화 분해시켜 무해한 물과 탄산가스로 변화시키고 수중의 오염 물질인 유기화합물을 분해시켜 물과 이산화탄소(탄산가스)로 변화시키게 된다. 또한 세균도 유기화합물이므로 광촉매의 강한 산화작용에 의해 산화 분해되어 항균 살균된다.
광촉매의 산화력은 반영구적인 효과지속, 산화력은 살균용 염소나 차아염소산, 오존보다도 강력한 산화력을 갖는다
광 산화분해반응을 살펴보면, 물질을 분해하는 현상으로 380nm 이하의 자외선을 흡수했을 때 반응이 진행된다. 이 반응은 30,000℃ 이상에서의 연소반응과 동일하지만 통상의 연소반응과는 다른 온도가 상승하지 않고, 실온의 상태에서 반응이 진행된다. 이런 반응에 의해 유해한 유기휘발성 화합물(VOCs), 세균, 바이러스의 산화분해 및 NOx, SOx 산화제거 효과를 나타낸다.
본 발명 촉매 산화연소법은 폐 가스등의 가연성 물질을 촉매작용에 의해 저온 연소시키는 방법으로 각종 가스(또는 용제)의 연소 특성과 농도에 따라 아래 <표 2>와 같이 각기 다른 촉매(백금촉매) 연소온도를 가진다.
<표 2> 촉매에 대한 각종 가연성 가스의 연소 성질 비교표.(촉매:백금)
연 료 화염연소 착화온도(℃) 촉매연소 개시온도(℃) 촉매완전 연소온도(℃)
H2 510 20 20
CO 610~650 80~120 ~200
CH3OH 450~500 20 150
C2H5OH 450 80~100 250~300
MEK 505~516 100~175 300~350
MIBK 460 105~175 320~350
H2S 100 260~400 ~425
C2S 100 350 375~400
Phenol 700 140~180 320~325
Benzene 700 130~180 250~300
Toulene 540~620 130~160 240
Methane 615 370~380(1,000ppm)
LPG 190~210
위의 표 2에서 보는 바와 같이 가연성 가스 중 촉매 반응성이 가장 용이한 것은 수소이고, 가장 어려운 것은 메탄이다. 상기 메탄의 경우 주성분인 LNG 연소에 어려움이 있어 촉매반응이 가장 어려운 편이다.
반응식은 다음과 같다.
CxHyOz(유기 용제) + O₂(공기 중의 산소) = CO₂+ H2O + 반응열
위 반응식과 같이 가연성 물질인 탄화수소의 경우에 완전 연소되어 이산화탄소와 물로 분해되며, 저온에서 연소시키므로 화염 연소에서 발생하는 Thermal NOx가 발생하지 않고 초희박한 경우에도 연소가 이루어지는 장점이 있다.
또한, 폐 가스의 농도가 높은 경우에도 다공성 세라믹 촉매필터(6)의 면적을 넓게 설계하여 과열을 방지할 수 있으며 폐 가스의 특성에 따른 촉매의 설계가 가능하므로 효율적으로 연소방법을 선택할 수 있다.
본 발명에서 주(主)촉매로 사용되는 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh)과 보조촉매로 사용되는 코발트(Co), 크롬(Cr), 망간(Mn), 바륨(Ba) 등은 폐 가스를 저온 에서 CO2와 H2O로 완전 산화시킬 수 있는 능력을 갖고 있어서 완전 산화촉매라고도 한다.
본 발명은 폐 가스의 처리방법에 따라 1차적으로 광촉매(TiO2)를 코팅하여 광촉매 흡착필터를 구성하고, 2차적으로 산화연소형 촉매 필터로 구성할 수도 있다. 즉, 역구조로 구성시켜 사용할 수 있다.
상기 다공성 세라믹 촉매필터는 흡착체이면서 촉매 담체의 역할을 하며, 실리카(SiO2)가 주성분이며, 넓은 표면적을 가진 r-Al2O3(150 - 200m2/g)와 세라믹 분말을 1차로 워시코팅하고 2차적으로 촉매를 습식침윤법으로 코팅하여 구성된다.
흡착이 시작되는 초기 단계에서는 흡착속도가 매우 빠르며 흡착의 정도는 매우 완벽하다. 그러나, 어느 정도 흡착이 진행되면 흡착율이 점차 감소하다가 결국 흡착제 입구와 출구의 흡착질 농도가 같아지는데 이점을 흡착필터의 포화점이라고 한다. 즉, 주어진 온도와 압력의 조건에서 흡착필터가 가장 많은 양의 흡착질을 흡착하는 점이다.
또한, 일반적으로 흡착질로 포화된 흡착필터를 주어진 온도와 압력 조건에서 순수한 공기를 통과시킬때 흡착필터로부터 탈착하지 않고 잔류하는 흡착질의 양을 흡착필터의 보전력이라하며, 이는 흡착필터가 보지하는 가스의 무게로 나타내며 보지된 흡착질의 무게를 사용한 흡착필터의 무게로 나눈 값으로 표시한다.
흡착필터의 가스 흡착량은 흡착될 가스의 비점 분자량, 농도, 압력 및 온도의 함수이다. 흡착은 발열반응이므로 열이 발생하며 흡착시 발생한 열은 흡착필터 상의 온도를 증가시키며 이는 연소촉매의 연소반응 개시에 필요한 열원이 된다.
폐 가스가 흡착필터에 투과되면 처음에는 흡착율이 매우 높으나 투과시간이 진행될수록 흡착율이 점차 떨어져 필터의 보지점에 달하면 출구 흡착면에 증기 성분이 서서히 나타나는데 이점을 흡착필터의 파괴점이라고 한다.
폐 가스가 흡착될 때 파괴점을 지나면 흡착효율은 점차 감소되며, 흡착입구와 출구의 증기 농도가 같아 질 때를 흡착필터가 포화되었다고 한다.
흡착필터의 미세한 구멍에 코팅되는 촉매는 흡착필터가 포화되기 이전 단계를 유지할 수 있도록 흡착과 촉매의 산화 연소반응에 의한 탈착을 계속하므로 흡착필터의 교체없이 지속적인 사용이 가능하다.
또한, 발생되는 폐 가스의 양에 따라서 촉매 흡착필터의 표면적을 넓게 함으로서 촉매 흡착필터가 포화되는 것을 방지할 수 있으며 희박한 연소가스의 농도에서도 촉매의 발열반응이 지속되도록 하여 과열을 방지할 수 있다.
촉매 흡착필터로서 사용되는 다공성 세라믹 촉매필터는 1,200℃까지 견디는 난연성 재질로 섬유상으로 되어있다.
또한 이 재료는 표면이 매우 매끄러운 상태이므로 마찰이나 진동에 의한 손실이 적고 소량의 알루미나를 제외한 소재 자체의 여타 불순물이 없다.
촉매 흡착필터에서는 저농도의 희박한 폐 가스를 흡착하여 촉매의 산화 연소반응에 의해 즉시 분해하여 탈착함으로서 폐 가스의 축적없이 처리할 수 있는 장점이 있으며 각종 성분으로 구성된 폐 가스를 축적하지 않고 처리함으로서 화재나 폭발 위험으로 안전할 수 있으며 가열된 공기는 순환하여 재 이용할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것은 아니다.
도 1 : 본 발명 일 예의 폐 가스 처리장치 단면도.
도 2 : 본 발명 다른 예의 폐 가스 처리장치 단면도.
도 3 : 본 발명 폐 가스 처리장치의 부분 단면도.
도 4 : 본 발명 일 예로 도시한 다공성 세라믹 촉매필터의 제조공정도.
도 5 : 본 발명 다른 예로 도시한 다공성 세라믹 촉매필터의 상세 제조공정도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
(1)--폐 가스 처리장치 (2)--입구
(3)--출구 (4)--케이스
(5)--전치필터 (6)--다공성 세라믹 촉매필터
(7)--자외선램프 (7a)-자외선램프의 단자
(8)--광촉매 세라믹필터 (9)--배기팬
(10)--지지봉 (11)--온도센서
(12)--제어기

Claims (9)

  1. 폐 가스 처리장치를 구성함에 있어서;
    입구와 출구가 형성된 내열성 케이스와,
    상기 케이스 입구에 설치되는 전치필터와,
    상기 전치필터 후단에 설치되는 다공성 세라믹 촉매필터와,
    상기 다공성 세라믹 촉매필터를 지지하는 지지봉과,
    상기 다공성 세라믹 촉매필터 후단에 설치되는 자외선램프와,
    상기 자외선램프 후단에 설치되는 광촉매 세라믹필터와,
    상기 광촉매 세라믹필터 후단에 설치되는 속도가변형 배기팬,
    으로 구성하여서 된 연소촉매와 광촉매를 이용한 폐 가스 처리장치.
  2. 청구항 1에 있어서;
    광촉매 세라믹필터 후단에 설치되는 온도센서와,
    상기 온도센서로부터 입력되는 온도신호와 설정된 기준온도신호를 비교하여 배기팬의 회전속도를 제어하는 제어기로 구성하여서 된 연소촉매와 광촉매를 이용한 폐 가스 처리장치.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서 ;
    케이스에 고정되는 복수의 지지봉을 이용하여 다공성 세라믹 촉매필터를 지 그재그 형상으로 설치하고, 상기 지지봉에 의해 형성되는 각각의 요입부에 자외선램프를 설치하여서 된 연소촉매와 광촉매를 이용한 폐 가스 처리장치.
  4. 흡착제이면서 촉매 담체의 역할을 하는 난연성 세라믹필터에 귀금속 촉매인 백금(Pt)ㆍ팔라듐(Pd)ㆍ로듐(Rh)중 하나를 주촉매로 하고, 보조촉매로서 니켈(Ni)ㆍ코발트(Co)ㆍ크롬(Cr)ㆍ망간(Mn)ㆍ바륨(Ba)을 골고루 혼합하여 코팅 처리한 다공성 세라믹 촉매필터로 폐 가스를 흡착하고;
    자외선램프에서 발산되는 150~200℃의 열을 이용하여 상기 다공성 세라믹 촉매필터의 산화 연소 발열반응을 일으켜 흡착 폐 가스를 분해 탈착하고;
    상기 자외선램프에서 조사되는 380nm 이하의 자외선을 받아 활성화된 광촉매 세라믹필터를 통과하면서 폐 가스의 미반응물질이 완전 분해 처리되도록 하여서 된 연소촉매와 광촉매를 이용한 폐 가스 처리방법.
  5. 청구항 4에 있어서;
    다공성 세라믹 촉매필터는, 가스 통기가 자유로운 내열성 및 다공성 실리카 섬유상을 알칼리 용액조에 담아 초음파로 세척한 후 300℃에서 2시간 건조하고 워시코팅액을 상온에서 20분 침적한 후에 원심탈수기로 탈수시켜 5~10㎛ 두께로 코팅하고 150℃에서 2시간 건조한 다음 500℃ 까지는 시간당 200℃로 서서히 온도를 상승하고 800℃에서 12시간 가열한 다음 촉매용액을 상온에서 20분간 습식 침윤후 50℃로 2시간 건조하고 400℃에서 2시간 산화하고 450℃에서 1시간 수소와 질소 분위 기에서 환원시킨 다음 200℃까지 냉각하여서 된 연소촉매와 광촉매를 이용한 폐 가스 처리방법.
  6. 청구항 5 또는 청구항 6에 있어서;
    광촉매 세라믹 필터는 다공성 세라믹 필터에 산화티타늄(TiO2)이 코팅된 것임을 특징으로 하는 연소촉매와 광촉매를 이용한 폐 가스 처리방법.
  7. 청구항 5에 있어서;
    워시코팅액은, 입자 크기가 1,000mesh인 토르마린, 숯, 비표면적이 250~300m2/g이고 크기가 20~30nm인 알루미나 분말을 20:20:60의 무게비로 혼합하여 40~50wt%의 수분을 가하고 2~5wt%의 유기 결합제(PVA)를 첨가한 다음 볼밀(Ball mill)에서 6시간 혼합 분쇄하여서 된 연소촉매와 광촉매를 이용한 폐 가스 처리방법.
  8. 청구항 5에 있어서;
    촉매용액은 담체인 Al2O3 무게를 기준으로 0.1~0.5wt%에 해당하는 귀금속 주촉매와, 상기 Al2O3 무게를 기준으로 0.01~0.15wt%에 해당하는 보조촉매로 용액을 만든 다음 2-아미노에탄올(aminoethanol)과 염산(HCl)으로 pH3이 되게 조정하고, 상기 귀금속 주촉매는 PtㆍPdㆍRh 중 하나이고, 상기 보조촉매는 NiㆍCoㆍCrㆍMnㆍ Ba 이 같은 무게비율로 혼합된 것임을 특징으로 하는 연소촉매와 광촉매를 이용한 폐 가스 처리방법.
  9. 청구항 1 또는 청구항 2에 의한 연소촉매와 광촉매를 이용한 폐 가스 처리장치 입구에 화석연료 열기구의 배기구를 연결하여서 된 연소촉매와 광촉매를 이용한 폐 가스 처리장치.
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