KR20110090329A - 마이크로파로 구동되는 무전극 자외선 램프를 이용한 프레온 가스의 분해방법 및 이를 위한 분해장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 마이크로파로 구동되는 무전극 자외선 램프를 이용한 프레온 가스의 분해방법 및 이를 위한 분해장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 마이크로파 및 자외선, 광촉매를 동시에 이용하여 프레온 가스를 효과적으로 분해할 수 있는 분해방법 및 이를 위한 분해장치에 관한 것이다.
본 발명의 프레온 가스 분해방법은 프레온 가스가 유출입되는 챔버의 내부에 마이크로파에 의해 자외선 광을 방출하는 무전극식 자외선 램프를 설치하는 제 1단계와, 챔버의 내부에 프레온 가스를 유입시키는 제 2단계와, 프레온 가스 중으로 자외선 및 마이크로파를 동시에 방출하여 상기 프레온 가스를 분해할 수 있도록 상기 챔버의 내부로 마이크로파를 발진시키는 제 3단계를 포함한다.
본 발명의 프레온 가스 분해방법은 프레온 가스가 유출입되는 챔버의 내부에 마이크로파에 의해 자외선 광을 방출하는 무전극식 자외선 램프를 설치하는 제 1단계와, 챔버의 내부에 프레온 가스를 유입시키는 제 2단계와, 프레온 가스 중으로 자외선 및 마이크로파를 동시에 방출하여 상기 프레온 가스를 분해할 수 있도록 상기 챔버의 내부로 마이크로파를 발진시키는 제 3단계를 포함한다.
Description
본 발명은 마이크로파로 구동되는 무전극 자외선 램프를 이용한 프레온 가스의 분해방법 및 이를 위한 분해장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 마이크로파 및 자외선, 광촉매를 동시에 이용하여 프레온 가스를 효과적으로 분해할 수 있는 분해방법 및 이를 위한 분해장치에 관한 것이다.
잘 알려진 바와 같이 프레온(Freon)이란 탄화수소인 플루오르치환체에 대한 미국 뒤퐁사의 상품명으로, 대개의 경우 플루오르 이외에도 염소나 할로겐을 함유하며, 할로카본(halocarbon)으로 총칭되는 화합물(예로서, PFC, FFC, CFCS , HFC 및 HCFC 등...)에 속한다.
프레온은 사염화탄소·클로로포름·테트라클로로에틸렌 등 탄화수소의 클로로치환체에 촉매를 사용하여 플루오르수소(경우에 따라서는 플루오르수소와 염소)를 작용시키는 방법 등으로 만들어진다.
프레온은 무색무취의 기체 또는 액체로서, 화학적·열적으로 안정되고 부식성·독성이 낮으며 인화성이 없으며, 화장품용 에어로졸제, 냉방·냉장·냉동용 냉매, 고급 용제, 세정제, 진화제, 우레탄·폴리스티렌폼 등의 발포제 플루오르수지 원료로 사용된다. 사용 후, 대기 속에 방출된 이들 할로카본류는, 안정하기 때문에 그대로 대류권에 축적되어 있으나, 결국에는 성층권으로 흘러들어가 태양자외선에 의해 분해되어 생기는 염소 원자가 오존층을 파괴한다.
오존층을 보호하기 위한 종래의 프레온가스 처리방법으로는, 연소/열분해법, 플라즈마분해법, 촉매분해법, 시약분해법 및 초임계수분해법 등이 주로 사용되고 있다.
상기 연소/열분해법은 석유류의 연소에 의한 내연 및 외연식 연소장치에서 프레온류를 연소시키는 방식으로 CFC의 열분해는 약 2000℃ 이상의 온도가 필요하고, 일반적으로 소각로를 활용할 경우 혼합물의 형태로 공급되어 분해 배출 가스를 확인하여야 하며, 혼합물의 미세한 부생성물의 확인이 필요하다.
상기 플라즈마분해법은 고온 플라즈마와 저온 플라즈마방식이 있는데, 고온 플라즈마의 경우 보통 대기압 하에서 연속적으로 분해 반응을 행하며 플라즈마 상태의 중심부 최고 온도는 10,000℃ 근처에 달하고, 그 고온 유체에 CFC 가스등을 공급하여 고속으로 완전 분해할 수 있다. H2, O2, H2O 등을 첨가하여 얻은 분해 생성물들은 분리 공정을 통하여 산업적으로 재활용할 수 있다. 한편, 저온 플라즈마는 수 ㎒의 전장이 결려있는 부위로 가스를 통과시켜 분해하는 방법으로, H2 또는 O2 를 첨가하기도 한다. 이 저온 플라즈마방식은 파워 공급의 문제로 처리용량에 한계가 있으며, 튜브의 재질면에서도 한계가 있다. 또한, H2 또는 O2 의 공급 라인 형성이 어려운 문제점이 있다.
상기 촉매분해법은 고체 촉매 상에서 CFC와 수증기가 포함된 공기를 대기압에서 연속적으로 통과시켜 분해하는 방법이다. 고성능 고체촉매는 제올라이트류, 알루미나, 혼합산화물계, 에탄 등으로 보고되고 있다. 예로서 NF3 가스와 수증기를 공기에 혼합시킨 유체를 유속 500㎖/min으로 H형 제올라이트 촉매와 500℃에서 접촉시키면 98% 정도의 분해가 일어나고 HCl, HF, CO, CO2 가 생성된다. 촉매 반응시 연속적 반응에 대한 촉매의 내구성이 문제시되므로, 알루미나 촉매에서의 정상적인 활성을 200시간 이상 유지해야 확인할 수 있다는 문제점이 있다. 또한, 촉매의 선정이 어렵고, 장비가 정상상태로 준비되는 시간이 길며, 그 가격이 고가인 문제점도 있다.
상기 시약분해법은 Sodium naphthalenide(Na + naph- )시약을 유기 용매에 용해시킨 기체 또는 액체의 CFC와 반응시켜 시약중의 Na+ 이온과 CFC 중의 Cl- 및 F- 와의 반응에서 NaCl 및 NaF를 생성시켜 CFC를 환원식으로 분해하는 방법이나 분해율이 낮다.
상기 초임계수분해법은 물의 임계점(374℃, 218기압)을 초과한 상태에서 액체와 기체와는 다른 초임계상태가 되므로, 가수분해반응이 용이하게 진행되는 것을 이용하는 방법이다. 400℃, 320기압 이상에서 프레온이 분해되는 것으로 알려져 있다.
이와 같이 프레온 분해에 종래의 방법이 다양하게 있으나, 아직까지 뚜렷한 연구 성과는 없으며 상업화된 공정 또한 극소수인 실정이다.
본 발명은 상기의 문제점을 개선하고자 창출된 것으로서, 마이크로파에 의해 구동되는 무전극자외선램프에서 발생되는 강력한 단파장의 자외선을 이용하여 프레온 가스를 분해할 수 있는 분해방법 및 이를 위한 분해장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 마이크로파 및 자외선의 광분해 효과와 광촉매의 광화학 효과를 동시에 이용하여 프레온의 분해 효율을 향상시킬 수 있는 프레온 가스의 분해방법 및 이를 위한 분해장치를 제공하는 데 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 프레온 가스 분해방법은 프레온 가스가 유출입되는 챔버의 내부에 마이크로파에 의해 자외선 광을 방출하는 무전극식 자외선 램프를 설치하는 제 1단계와; 상기 챔버의 내부에 프레온 가스를 유입시키는 제 2단계와; 상기 프레온 가스 중으로 자외선 및 마이크로파를 동시에 방출하여 상기 프레온 가스를 분해할 수 있도록 상기 챔버의 내부로 마이크로파를 발진시키는 제 3단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제 2단계는 상기 자외선 램프로부터 발생된 자외선 광이 조사될 수 있는 반응기를 상기 챔버의 내부에 설치하여 상기 반응기로 상기 프레온 가스를 유입시키는 것을 특징으로 한다.
상기 프레온 가스와 접촉하는 상기 반응기의 내주면에 자외선 광에 의해 광활성화되는 광촉매 코팅층이 형성되어 상기 제 3단계에서 상기 자외선 및 마이크로파와 함께 광촉매에 의해 상기 프레온 가스를 분해하는 것을 특징으로 한다.
상기 제 2단계는 상기 챔버와 연결된 오존발생기에서 생성된 오존을 상기 챔버로 더 유입시켜 상기 프레온 가스 중에 오존을 혼합시키는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 프레온 가스 분해장치는 내부에 일정한 크기의 공간을 갖는 챔버와; 상기 챔버의 내부에 설치되며 프레온가스가 설정된 시간 동안 체류하는 반응기와; 상기 챔버의 내부에 설치되며 마이크로파에 의해 상기 반응기로 자외선 광을 방출하는 무전극식 자외선 램프와; 상기 챔버의 내부로 마이크로파를 발진시키는 마그네트론;을 구비하는 것을 특징으로 한다.
상기 자외선램프는 내측에 빈 공간을 형성하는 환형으로 구비되며, 상기 반응기는 상기 자외선 램프의 내측 빈 공간에 삽입되며 일측에 상기 프레온 가스가 유입되는 유입관이 연결되고 타측에 분해된 가스가 유출되는 유출관이 연결된 석영관으로 구비되고, 상기 프레온 가스와 접촉하는 상기 반응기의 내주면에는 상기 자외선 램프로부터 방출된 자외선 광에 의해 광활성화되는 광촉매 코팅층이 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 프레온 가스 분해장치는 내부에 일정한 크기의 공간을 갖는 챔버와; 상기 챔버의 내부에 설치되어 마이크로파에 의해 자외선 광을 방출하며 프레온가스가 설정된 시간 동안 체류하는 반응공간이 내측에 마련되도록 환형으로 형성된 무전극식 자외선 램프와; 상기 자외선 램프에 형성된 반응공간을 밀폐하도록 상기 자외선 램프의 양측에 각각 결합하는 제 1 및 제 2캡과; 상기 챔버의 내부로 마이크로파를 발진시키는 마그네트론;을 구비하고, 상기 제 1캡은 프레온 가스가 유입되는 유입관이 연결된 제 1베이스플레이트와, 상기 제 1베이스플레이트의 가장자리에 형성되어 상기 자외선 램프의 외측을 둘러싸는 제 1외측벽과, 상기 제 1외측벽과 일정 거리 이격되도록 상기 제 1베이스플레이트에 형성되어 상기 자외선 램프의 반응공간으로 삽입되고 내측에 상기 유입관과 연통되는 유입로가 형성된 제 1내측벽을 구비하고, 상기 제 2캡은 분해된 가스가 유출되는 유출관이 연결된 제 2베이스플레이트와, 상기 제 2베이스플레이트의 가장자리에 형성되어 상기 자외선 램프의 외측을 둘러싸는 제 2외측벽과, 상기 제 2외측벽과 일정 거리 이격되도록 상기 제 2베이스플레이트에 형성되어 상기 자외선 램프의 반응공간으로 삽입되고 내측에 상기 유출관과 연통되는 유출로가 형성된 제 2내측벽을 구비하고, 상기 프레온 가스와 접촉하는 상기 자외선램프의 표면에는 자외선 광에 의해 광활성화되는 광촉매 코팅층이 형성된 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이 본 발명에 의하면 마이크로파에 의해 구동되는 무전극자외선램프에서 발생되는 강력한 단파장의 자외선 및 마이크로파를 이용하여 프레온 가스를 효과적으로 분해할 수 있다.
또한, 마이크로파 및 자외선의 광분해 효과와 광촉매의 광화학 효과를 동시에 이용하여 프레온 가스의 분해 효율을 향상시킬 수 있다.
그리고 자외선 발생원으로 마이크로파로 구동되는 무전극식 자외선 램프를 이용함으로써 가스가 흐르는 반응기와 자외선램프를 일체로 구성함으로써 부피 및 구성을 간소화시킬 수 있을뿐더러, 하나의 반응기 내부에서 마이크로파, 자외선 광, 광촉매를 동시에 작용시킬 수 있다는 장점을 갖는다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 분해방법의 작용을 개략적으로 나타낸 그림이고,
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 분해장치를 나타내는 구성도이고,
도 3은 도 2에 적용된 자외선 램프의 일부 절개 사시도이고,
도 4는 도 3의 단면도이고,
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 분해장치에 적용된 요부의 분리 사시도이고,
도 6은 R-134a 분해 실험 결과는 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 분해장치를 나타내는 구성도이고,
도 3은 도 2에 적용된 자외선 램프의 일부 절개 사시도이고,
도 4는 도 3의 단면도이고,
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 분해장치에 적용된 요부의 분리 사시도이고,
도 6은 R-134a 분해 실험 결과는 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 마이크로파로 구동되는 무전극 자외선 램프를 이용한 프레온 가스의 분해방법 및 이를 위한 분해장치에 대해서 구체적으로 설명한다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 프레온 가스의 분해장치는 크게 챔버(10)와, 반응기(20)와, 마그네트론(90)과, 자외선 램프(50)를 구비한다.
챔버(10)는 내부에 일정한 공간을 가지는 사각의 통형으로 이루어진다. 이러한 챔버(10)는 통상적인 공진 캐비티로 이루어질 수 있다. 챔버(10)의 전면에는 챔버(10)의 내부 공간을 개폐할 수 있는 도어(미도시)가 설치된다.
챔버(10)의 외측에는 챔버(10)의 내부로 마이크로파를 발진시키는 마그네트론(90)이 설치된다. 그리고 마그네트론(90)과 연결되어 챔버(10)의 내부로 연장된 도파관(95)이 형성된다. 도파관(95)은 반응기의 방향으로 개구가 형성된다.
마그네트론(90)은 전원공급기(미도시)로부터 전원을 공급받아 발진회로에 의해 마이크로파를 발진시켜 도파관(95)을 통해 챔버(10)의 내부로 방출시킨다. 그리고 챔버(10)의 내측면에는 마이크로파를 반사시키는 금속판이 부착될 수 있다. 상기 마그네트론(90), 도파관(95)은 통상적인 마이크로파 생성장치에 적용되는 것으로서 구체적인 설명은 생략한다. 마그네트론(90)에서 발생되는 마이크로파(Microwave)는 1,000MHz 내지 300GHz의 주파수를 가진다.
상기의 마이크로파에 의해서 프레온 분자가 1초간 약 24억5000만 회의 분자 배향에 의한 회전운동을 일으키며 이때 분자 간의 마찰열이 발생하는데 이때의 열효과와 함께 분자를 진동 및 병진과 회전운동을 시켜 분해반응을 촉진시킨다. 마이크로파는 온도를 상승시키는 열적효과와 화학반응의 반응 속도를 향상시키는 비열적 효과를 가지고 있다. 열적효과에 의해 선택적으로 빠르고 균일한 온도상승과 흡수재 존재 시에는 수백 ℃까지 온도상승이 가능하다. 비열적 효과로는 반응물질 간 충돌빈도수의 증가와 반응 활성화 에너지의 감소가 있으며 또한 열적 효과와 함께 시너지 효과를 얻을 수 있다.
한편, 상술한 챔버(10), 마그네트론(90), 도파관(95)의 구성은 통상적인 전자렌지를 이용하여 대체할 수 있다.
반응기(25)는 챔버(10)의 내부에 설치된다. 반응기(25)에는 프레온 가스가 설정된 시간 동안 체류하면서 도 1에 도시된 바와 같이 마이크로파, 자외선, 오존, 광촉매에 의해 프레온이 분해 처리된다. 프레온 가스는 플루오르 이외에도 염소나 할로겐을 함유하며, 할로카본(halocarbon)으로 총칭되는 화합물, 즉, PFC, FFC, CFCS , HFC 및 HCFC 등을 포함한다.
반응기(25)는 내부에 일정한 크기의 공간을 가지는 원통형의 형상으로 마이크로파가 투과될 수 있는 석영 재질의 석영관으로 형성된다. 본 발명에 적용되는 반응기(25)는 일정 유량으로 가스가 계속적으로 유입되고 배출되는 연속흐름을 가지는 반응기로 구성된다. 따라서 반응기(25)의 내부로 유입되는 가스는 반응기(25) 내에서 체류시간 동안 머물면서 프레온이 분해되어 배출된다.
반응기(25)의 상하 양측에는 유입관(5) 및 유출관(7)이 연결된다. 유입관(5) 및 유출관(7)은 반응기(25)와 다른 소재를 이용하여 이체로 형성되어 반응기(25)의 상하부에 결합되거나, 유입관(5) 및 유출관(7)은 석영소재로 반응기(25)와 일체로 형성될 수 있다.
반응기(25)의 외측에는 자외선 램프(20)가 설치된다. 본 실시 예에서는 자외선 램프(20)의 형상이 환형으로 형성된다. 즉, 내측에 빈 공간을 갖도록 자외선 램프(20)를 형성하고, 상기 빈 공간에 반응기(25)를 삽입하여 결합시킨다. 이와 같은 구조에 의해 자외선 램프(20)와 반응기(25)를 하나로 유니트화시킬 수 있어 부피를 줄이고 구성을 간소화할 수 있다.
본 발명에 이용되는 자외선 램프(20)로는 무전극식을 이용한다. 종래의 전극식 자외선 램프는 자외선을 발생시키기 위해서 램프 내의 양측에 전극을 설치하여 전극 사이로 방전전류를 흘려주며, 이 경로에 존재하는 가스를 여기시켜 스펙트럼을 발산하도록 구성한다. 이러한 전극식 자외선 램프는 방전시 전극을 가열하여 열전자를 방출하므로 전극을 구성한 금속이 증발되고, 램프 관벽에 침착되어 광량이 저하되고 전극소손현상이 발생하여 수명이 짧아지는 문제점이 있다. 특히, 마이크로파가 조사되는 챔버(10) 내에서는 종래의 금속전극이 설치된 전극식 자외선 램프를 사용할 수 없다.
하지만 본 발명에 적용된 무전극식 자외선 램프(20)는 고밀도의 고주파 전기장 내에 설치되어 램프(20)의 내부에 봉입된 가스가 여기되면서 방전을 일으키게 되므로 높은 발광효율과 긴 수명을 갖는 장점이 있다. 무전극식 자외선 램프(20)는 내부에 전극을 형성하지 않고 외부에서 마이크로파를 조사시킴으로써 자외선이 방출되는 원리를 이용하는 것이다. 즉 고밀도의 마이크로파 전기장 내에 설치된 램프(50)는 진공관 내부에 충전된 수은 등의 기체분자가 여기되어 방전을 일으켜 자외선을 방사하게 된다.
상기의 무전극식 자외선 램프(20)를 이용함으로써 마이크로파를 이용하는 본 발명의 구성이 용이할 뿐만 아니라 전극식 자외선 램프에 비해 전극부분에서 발생하는 열로 인한 손실을 방지하고 수명을 반영구적으로 유지시킬 수 있는 장점을 제공한다. 또한, 마이크로파가 발진되는 챔버(10)의 내부에 자외선 램프(20)를 설치할 수 있다는 장점이 있다.
본 발명에서 자외선 램프(20)는 석영재질로 내부 체적 1㎤ 당 0.5 내지 2mg의 수은이 봉입된다. 자외선 램프(20)의 내경은 반응기(25)의 외경보다 더 크게 형성된다. 반응기(25)는 자외선램프(20)와 동심원상으로 설치된다. 자외선 램프(20)의 내측에 반응기(25)를 삽입하여 고정시키기 위해 별도의 고정도구를 이용하거나 본딩에 의해 결합할 수 있다.
유입관(5)을 통해 반응기(25)로 유입되는 프레온 가스는 일정 시간 동안 체류하면서 분해처리되어 유출관(7)을 통해 배출된다. 이때 가스와 접촉하는 반응기(25)의 내주면에 광촉매 코팅층(80)이 형성되는 것이 바람직하다.
광촉매는 자외선광에 의해 강력한 산화 환원 능력을 갖는 물질로서, 광촉매로 사용할 수 있는 것으로는 ZnO, CdS, WO3, TiO2 등이 있다. 이 중 ZnO와 CdS는 빛을 흡수함으로써 촉매 자신이 빛에 분해되는 단점을 갖고 WO3은 특정물질에 대해서만 광촉매로서 효율이 좋고 그 외에는 효율이 이산화티타늄만큼 좋지 않다.
반면에 이산화티타늄은 빛을 받아도 자신은 변화시키지 않아 반영구적으로 사용할 수 있다. 또한 이산화티타늄은 여기전자가 갖는 환원력보다도 정공이 갖는 산화력이 대단히 세다. 정공의 에너지 위치는 전위로 나타내면 수소기준 전위로 약 +3 V로서 염소(Cl2)의 1.36 V와 오존(O3)의 2.07 V에 비하여 훨씬 높은 산화력을 가져 강력한 분해능력을 갖는다. 따라서 광촉매로서 이산화티타늄( TiO2 )을 이용하는 것이 바람직하다.
이산화티타늄 광촉매는 자외선광이 조사되면 전자, 전공대가 형성되어 강한 산화력을 가지는 하이드록시 라디칼(-OH)과 슈퍼옥사이드를 생성하고 하이드록시 라디칼과 슈퍼 옥사이드가 프레온 가스를 분해시킨다.
광촉매 코팅층(80)은 이산화티타늄을 이용하는 경우 아나타제형 이산화티탄(TiO2, Degussa의 P-25) 분말을 물 또는 아세트산과 같은 용매에 분산시켜 생성된 코팅액을 투명기판에 코팅한 후, 상기 투명기판을 반응기의 내주면에 부착하여 형성시킨다. 이때 용매에 첨가되는 바인더로서는 SiO2, Al2O3와 같은 무기계 바인더, 아세트산, 지방산과 같은 유기계 바인더, 또는 유기-무기 하이브리드 바인더가 사용될 수 있다. 이와는 다르게 졸 상태로 코팅하는 방법으로서, 티타늄페트라이소프로옥사이드(TTIP)를 물에 질산을 혼합한 용매에 넣고 80℃ 정도에서 5시간 정도 가열하여 가수분해된 졸 상태의 코팅액을 투명기판에 도포하고 500℃ 정도에서 5시간 정도 소성시킨 것을 적용할 수 있다. 또한, 투명기판에 CVD법을 이용하여 코팅층을 형성할 수 있다.
광촉매반응물질로 광촉매 코팅층(80)을 형성하는 방법은 상기 설명된 방법 외에도 종래의 기술로 다양하게 알려져 있으므로 그 상세한 설명은 생략한다. 광촉매 코팅층(80)은 광촉매물질을 반응기에 직접 형성할 수도 있다.
프레온 가스 중에 오존을 혼합하기 위해 오존공급부가 구비된다. 오존공급부는 유입관(5)에서 분기된 분기관(71)과 연결된 오존발생기(70)와, 오존발생기(70)로 산소를 공급하기 위해 오존발생기(70)와 산소공급관(75)으로 연결된 산소탱크(77)로 이루어진다. 상기 오존발생기(70)는 통상적인 구성을 가지며, 다수의 특허 문헌 등에 공지된 것으로서, 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 본 발명에서는 오존발생기(70)에 공기를 공급하는 것이 아니라 산소를 공급함으로써 오존의 생성효율을 크게 높일 수 있다.
상술한 오존공급부에 의해 공급되는 오존은 광촉매의 산화반응시 OH라디컬의 생성률을 높임으로써 분해반응을 촉진시킨다. 뿐만 아니라 마이크로파에 의한 분해 촉진 효과와 함께 상호 상승작용을 유도하여 더한층 높은 프레온 가스의 분해 능력을 갖는다.
상술한 오존공급부는 본 발명의 실시 예에 따라 생략될 수 있음은 물론이다.
본 발명의 다른 실시 예에 적용되는 반응장치의 요부를 도 5 및 도 6에 도시하고 있다. 도면을 참조하면, 챔버의 내부에 별도의 반응기를 설치하지 않고 환형으로 형성된 자외선 램프(20)의 내측 빈 공간에 프레온 가스를 유입시켜 분해처리한다. 즉, 자외선 램프의 내측 빈 공간이 반응공간(23)으로 이용된다.
이때, 자외선 램프(20)에 형성된 반응공간(23)을 밀폐하도록 상기 자외선 램프(20)의 양측에 각각 제 1 및 제 2캡(30)(40)이 결합된다.
제 1캡(30)은 프레온 가스가 유입되는 유입관(5)이 연결된 제 1베이스플레이트(31)와, 제 1베이스플레이트(31)의 가장자리에 형성되어 자외선 램프(20)의 외측을 둘러싸는 제 1외측벽(33)과, 제 1외측벽(33)과 일정 거리 이격되도록 제 1베이스플레이트(31)에 형성되어 자외선 램프의 반응공간(23)으로 삽입되고 내측에 유입관(5)과 연통되는 유입로(37)가 형성된 제 1내측벽(35)을 구비하고,
상기 제 2캡(40)은 분해된 가스가 유출되는 유출관(7)이 연결된 제 2베이스플레이트(41)와, 제 2베이스플레이트(41)의 가장자리에 형성되어 자외선 램프(20)의 외측을 둘러싸는 제 2외측벽(43)과, 제 2외측벽(43)과 일정 거리 이격되도록 제 2베이스플레이트(41)에 형성되어 자외선 램프(20)의 반응공간(23)으로 삽입되고 내측에 유출관(7)과 연통되는 유출로가 형성된 제 2내측벽(미도시)을 구비한다.
그리고 반응공간과 접촉하는 자외선램프(20)의 표면에는 자외선 광에 의해 광활성화되는 광촉매 코팅층(미도시)이 형성될 수 있다.
상술한 것처럼 도시된 예에서는 자외선램프(20)에 직접 반응공간(23)을 형성함으로써 구성을 더욱 간소화할 수 있다.
한편, 상술한 실시 예들과 달리 챔버의 내부 공간 자체가 반응공간으로 이용될 수 있다. 즉, 자외선 램프가 내부에 설치된 챔버에 프레온 가스를 유출입시키고 마이크로파를 챔버의 내부로 발진시켜 프레온 가스를 분해처리할 수 있다.
이하, 상술한 분해장치를 이용한 본 발명의 프레온가스의 분해방법의 일 실시 예를 도 1 내지 도 4를 참조하면서 설명한다.
본 발명의 분해방법은 먼저, 챔버(10)의 내부에 마이크로파에 의해 자외선 광을 방출하는 무전극식 자외선 램프(20)를 설치한다. 그리고 자외선 램프(20)로부터 발생된 자외선 광이 조사될 수 있는 반응기(25)를 챔버(10)의 내부에 설치한다. 도시된 예에서는 환형의 자외선 램프(20)의 내측 빈 공간에 반응기(25)를 장착한다.
자외선 램프(20) 및 반응기(25)가 챔버(10)에 설치되면 유입관(5)을 통해 프레온 가스를 유입시켜 반응기(25)의 내부로 가스를 통과시킨다. 반응기(25)로 공급되는 가스의 속도를 적절히 조절함으로써 반응기(25) 내에서 가스의 체류시간을 조절할 수 있다.
가스를 반응기(25) 내부로 공급한 상태에서 마그네트론(90)에 전원을 인가하여 챔버(10)의 내부로 마이크로파를 발진시킨다. 마이크로파가 챔버(10) 내부로 발진되면 자외선램프(20)에서 방출된 자외선 광은 반응기(25)의 내부로 조사된다. 이와 함께 자외선램프(20)를 통과한 마이크로파도 반응기(25)의 내부로 조사된다.
이와 같이 본 발명은 반응기(25)를 통과하는 프레온 가스 중으로 자외선 및 마이크로파가 동시에 방출되므로 분해효과가 높다. 특히, 반응기에 광촉매코팅층(80)을 형성하는 경우 분해효과를 더욱 높일 수 있다. 또한, 오존발생기(70)에서 생성된 오존을 반응기로 더 유입시키면 도 1에 도시된 바와 같이 마이크로파, 자외선, 오존, 광촉매의 광분해 및 광화학적 작용에 의해 프레온 가스의 분해효율을 크게 상승시킬 수 있다.
한편, 도시되지 않았지만 본 발명은 프레온 가스의 분해시 반응 부산물로 염산 가스가 발생하므로 유출관을 통해 배출되는 가스 중 염산 가스를 중화처리할 수 있는 별도의 처리장치가 더 구비될 수 있다.
이하, 실시 예를 통하여 본 발명을 설명하고자 한다. 다만, 하기의 실시 예는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위를 하기의 실시 예로 한정하는 것은 아니다.
(실시예)
본 발명의 분해장치를 이용하여 HFC의 일종인 R-134a의 분해능력 실험을 수행하였다. 분해장치로는 도 2에 도시된 챔버, 마그네트론, 자외선램프, 반응기를 이용하였다. R-134a는 챔버 내부에 설치된 반응기를 통과하면서 마이크로파와 자외선광이 동시에 조사되도록 하였다.
마그네트론은 한국 고주파 응용기기에서 의뢰 제작하였으며, 사용 주파수는 2450MHz (파장λ=122.45mm)이며, 파워는 0.6kW였다. 반응기는 내주면이 광촉매 코팅층이 형성된 것과 형성되지 않은 것을 각각 이용하였다. 반응기(길이 250mm, 외경 32mm)는 석영으로 제작하여 사용하였으며, 자외선램프는 4Watt UV-A lamp를 이용하였다. 광촉매 코팅층은 평균 particle size가 25nm이며, 조성은 Anatase 70%와 Rutile 30%로 구성된 Degussa사의 P-25를 원료로 하였다. 그리고 반응기 내로 유입되는 가스 중의 R-134a의 농도는 500.0mg/L이고, 반응기에서 체류시간은 약 1초였다.
(비교예)
본 실시예와 비교하기 위하여 비교예로서 도 2에 도시된 장치를 이용하였다. 다만, 챔버의 내부에 자외선 램프를 설치하지 않았다. 그리고 반응기의 내부에 광촉매 코팅층을 형성하지 않았다. 이외의 다른 조건은 상기 실험예와 동일하게 실험하였다.
R-134a의 분해실험결과를 살펴보기 위해 60분 동안 R-134a의 농도를 측정하여 도 6에 나타내었다. 도 6에서 그래프의 횡축은 분해반응시간을 나타내고, 종축은 일정시간 분해반응이 진행된 후에 R-134a의 농도를 나타낸 값이다. 분석은 FTIR spectrophotometer(Gasmet Cx-4000, Temet Instruments)를 이용하였다.
그래프에서 M.W는 마이크로파만을 이용하여 분해실험한 결과이고, M.W+UV는 마이크로파와, 자외선광을 이용하여 분해실험한 결과이고, M.W+UV+TiO2는 마이크로파, 자외선광, 광촉매를 이용하여 분해실험한 결과이다.
도 6의 결과, 마이크로파가 발진되면서 R-134a가 분해되기 시작하였다. 다만, 마이크로파만을 이용한 경우 반응초기에 분해가 조금 일어나다 반응시간이 경과하여도 분해가 크게 일어나지 않았다. 하지만 마이크로파와 자외선을 동시에 이용한 경우 24.9%, 마이크로파와 자외선, 광촉매를 이용한 경우 30.7%로 분해율이 매우 높음을 확인할 수 있었다.
본 실험에서 반응기 내에서 가스의 체류시간이 1초인 점을 감안할 때, 가스의 유입유량을 적게 하여 체류시간을 연장시키면 분해율이 100%에 가까워질 것으로 기대된다.
이상, 본 발명은 도면에 도시된 일 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 등록청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
5: 유입관 7: 유출관
10: 챔버 20: 자외선 램프
25: 반응기 70:오존발생기
80: 광촉매 코팅층 90: 마그네트론
10: 챔버 20: 자외선 램프
25: 반응기 70:오존발생기
80: 광촉매 코팅층 90: 마그네트론
Claims (7)
- 프레온 가스가 유출입되는 챔버의 내부에 마이크로파에 의해 자외선 광을 방출하는 무전극식 자외선 램프를 설치하는 제 1단계와;
상기 챔버의 내부에 프레온 가스를 유입시키는 제 2단계와;
상기 프레온 가스 중으로 자외선 및 마이크로파를 동시에 방출하여 상기 프레온 가스를 분해할 수 있도록 상기 챔버의 내부로 마이크로파를 발진시키는 제 3단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 프레온 가스의 분해방법. - 제 1항에 있어서, 상기 제 2단계는 상기 자외선 램프로부터 발생된 자외선 광이 조사될 수 있는 반응기를 상기 챔버의 내부에 설치하여 상기 반응기로 상기 프레온 가스를 유입시키는 것을 특징으로 하는 프레온 가스의 분해방법.
- 제 2항에 있어서, 상기 프레온 가스와 접촉하는 상기 반응기의 내주면에 자외선 광에 의해 광활성화되는 광촉매 코팅층이 형성되어 상기 제 3단계에서 상기 자외선 및 마이크로파와 함께 광촉매에 의해 상기 프레온 가스를 분해하는 것을 특징으로 하는 프레온 가스의 분해방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 제 2단계는 상기 챔버와 연결된 오존발생기에서 생성된 오존을 상기 챔버로 더 유입시켜 상기 프레온 가스 중에 오존을 혼합시키는 것을 특징으로 하는 프레온 가스의 분해방법.
- 내부에 일정한 크기의 공간을 갖는 챔버와;
상기 챔버의 내부에 설치되며 프레온가스가 설정된 시간 동안 체류하는 반응기와;
상기 챔버의 내부에 설치되며 마이크로파에 의해 상기 반응기로 자외선 광을 방출하는 무전극식 자외선 램프와;
상기 챔버의 내부로 마이크로파를 발진시키는 마그네트론;을 구비하는 것을 특징으로 하는 프레온 가스 분해장치. - 제 5항에 있어서, 상기 자외선램프는 내측에 빈 공간을 형성하는 환형으로 구비되며,
상기 반응기는 상기 자외선 램프의 내측 빈 공간에 삽입되며 일측에 상기 프레온 가스가 유입되는 유입관이 연결되고 타측에 분해된 가스가 유출되는 유출관이 연결된 석영관으로 구비되고,
상기 프레온 가스와 접촉하는 상기 반응기의 내주면에는 상기 자외선 램프로부터 방출된 자외선 광에 의해 광활성화되는 광촉매 코팅층이 형성된 것을 특징으로 하는 프레온 가스의 분해장치. - 내부에 일정한 크기의 공간을 갖는 챔버와;
상기 챔버의 내부에 설치되어 마이크로파에 의해 자외선 광을 방출하며 프레온가스가 설정된 시간 동안 체류하는 반응공간이 내측에 마련되도록 환형으로 형성된 무전극식 자외선 램프와;
상기 자외선 램프에 형성된 반응공간을 밀폐하도록 상기 자외선 램프의 양측에 각각 결합하는 제 1 및 제 2캡과;
상기 챔버의 내부로 마이크로파를 발진시키는 마그네트론;을 구비하고,
상기 제 1캡은 상기 프레온 가스가 유입되는 유입관이 연결된 제 1베이스플레이트와, 상기 제 1베이스플레이트의 가장자리에 형성되어 상기 자외선 램프의 외측을 둘러싸는 제 1외측벽과, 상기 제 1외측벽과 일정 거리 이격되도록 상기 제 1베이스플레이트에 형성되어 상기 자외선 램프의 반응공간으로 삽입되고 내측에 상기 유입관과 연통되는 유입로가 형성된 제 1내측벽을 구비하고,
상기 제 2캡은 분해된 가스가 유출되는 유출관이 연결된 제 2베이스플레이트와, 상기 제 2베이스플레이트의 가장자리에 형성되어 상기 자외선 램프의 외측을 둘러싸는 제 2외측벽과, 상기 제 2외측벽과 일정 거리 이격되도록 상기 제 2베이스플레이트에 형성되어 상기 자외선 램프의 반응공간으로 삽입되고 내측에 상기 유출관과 연통되는 유출로가 형성된 제 2내측벽을 구비하고,
상기 프레온 가스와 접촉하는 상기 자외선램프의 표면에는 자외선 광에 의해 광활성화되는 광촉매 코팅층이 형성된 것을 특징으로 하는 프레온 가스의 분해장치.
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-
2010
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