KR20110104168A - 복합금속산화물촉매를 이용한 공기 정화용 유닛 - Google Patents

Abstract

본 발명은 비교적 저온에서 산화개시가 일어나는 복합 금속산화물 저온촉매를 장착하여 제작한 공기정화용 유닛(Unit)을 이용하여 옥내 공기질을 정화시키는 방법에 관한 것으로 프린터, 복사기, 복합기, 냉장고, 에어컨, 자동차 등과 같은 자체열원을 가진 일반 가전제품 및 각종 산업용 제품에 장착하여 제품의 자체열원에서 발생하는 예열된 공기를 본 공기정화용 유닛으로 강제 유입시켜 촉매반응을 개시함으로써 옥내 공기 중에 존재하는 휘발성유기화합물, 암모니아, 악취 및 기타 유해성분을 제거시킨다. 따라서 본 공기정화용 유닛이 장착된 제품을 옥내에서 사용할 경우 제품 주위 및 실내 공기를 항상 청정하게 유지할 수 있고 유해성분 가스가 발생하는 산업현장에서 사용할 경우 작업장의 공기질을 개선 시킬 수 있다.

Description

복합금속산화물촉매를 이용한 공기 정화용 유닛{Air purification unit using composite metal oxide catalyst}

본 발명은 가정이나 각종 산업현장 그리고 일반건물의 사무실 등 실내에서 발생하는 유해가스를 제거하기 위해 자체열원이 발생 되는 제품의 소정의 위치에 복합금속산화물 저온촉매를 간편하게 장착하여 낮은 온도에서도 실내 공기를 정화하기 위해 사용되는 공기정화기용 유닛 및 이를 응용한 공기정화기에 관한 것이다.

산업화가 진행됨에 따라 대기오염 및 실내 공기의 오염이 심해지면서 공기 중에 인체에 해로운 유해물질과 오염된 먼지 등이 인체에 영향을 주어 아토피와 같은 각종 피부질환 및 심호흡기 질환 등 인체건강에 좋지 않은 영향을 미치게 됨으로, 이러한 유해물질과 오염된 먼지 등을 걸러주는 다양한 형태의 공기청정기 등이 사용되고 있다.

종래의 실내 및 산업현장에서의 유해가스 제거 방법으로는 공기정화 장치를 사용하여 제거하였는데, 보다 상세하게는 분자간 흡인력을 이용하여 흡착 제거하는 활성탄, 실리카겔, 제올라이트, 이온교환수지 등의 흡착제를 일정 형태로 성형하여 공기 유동로의 중간에 충전하여 유해가스를 흡착 제거하거나 상기 흡착제를 부직포, 세라믹과 등과 같은 담체에 도포, 코팅하여 공기 유동로 상에 설치하여 흡착 제거하는 물리적 제거방법을 제공하였다. 이러한 활성탄 또는 제올라이트 등과 흡착제를 이용한 물리적 제거방법은 흡착량이 정해져 있으므로 일정 시간이 경과함에 따라 흡착제거능력이 떨어지며, 일정 주기별로 교환을 해 주어야 하는 번거러움이 발생할 뿐만 아니라 상온 이상의 고온에서는 흡착 정화능력이 떨어진다는 단점이 있다. 또 주거 공간에서 바깥기온 등으로 인하여 온도가 상승시 흡착매체의 흡착능이 떨어져 공기 정화기에 흡착되어 있던 유해 기체가 오히려 주거 공간으로 역 방출되는 문제도 있다. 이 외에 광 촉매를 사용하여 유해가스를 제거하는 방법이 제공되고 있는데 광촉매라 함은 반도체 세라믹의 일종으로 400nm 이하의 파장과 약 3.2eV 이상의 자외선을 조사하면 그 표면에 강한 산화력을 발생시키는 물질을 말하는 것으로, 그 대표적인 광촉매로는 이산화티탄(TiO₂)이 사용되고 있다. 이산화티탄은 자외선을 흡수하여 전자와 정공을 발생하는 데, 이러한 전자와 정공은 각각 대단히 강한 환원력과 산화력을 갖고 있으며, 특히 정공은 물과 용존 산소 등과의 반응에 의해 OH 라디칼(radical)과 활성산소를 생성시킨다. 그에 따라 상기 OH 라디칼 에너지는 유기물을 구성하는 분자들의 결합에너지보다 높아 간단히 유기물질을 절단하여 분해시키기 때문에 공기 중에 함유되어 있는 각종 유해한 화학물질, 악취물질을 제거함은 물론, 공기 중의 화학물질들의 분해/무해화, 각종 오염물질의 분해 등 다양한 환경정화에 적용되고 있다. 도 1은 종래의 상기 광 촉매를 이용한 촉매필터를 적용한 공기 정화 유닛의 사시도로 공기 커버를 개방시킨 상태의 도면이 도시되어 있으며, 도 2, 도 3은 종래의 공기 정화 유닛을 사용하여 공기 중에 포함된 유해성분을 제거하는 원리를 설명한 도면이다.

상기 도 1에서 제시한 유닛의 구성은 흡기구와 배기구, 및 상기 흡기구로부터 상기 배기구를 향한 공기 유동로를 구비하는 케이스로 그리고 각종 미세 먼지를 전처리 할 수 있는 내장형 필터와 구성되어 있다. 이 기술은 자외선과 같은 강한 에너지의 빛이 직접 이산화 티타늄에 쬐어 주어야 반응성이 있는 작용기가 생성되어 광촉매 반응이 일어나게 된다. 그러나 일반 주거 환경, 사무실, 자동차 실내 등의 생활 공간에서는 항상 최소한 유리와 같은 주거공간과 외부를 분리시키는 막이 있다. 이산화 티타늄과 같은 광촉매는 유리나 기판의 내부에, 즉 실내공간 쪽에, 코팅되어있어서 태양에서 오는 자외선이 유리와 같은 매체를 통과해야 이산화 티타늄에 주사될수 있다. 자외선의 특성상 유리를 통과하면서 자외선 강도가 약해진다. 즉, 일반 주거 환경에서는 독자적인 자외선 광원이 없는 한 광촉매의 효율이 떨어지고 기존의 시설에서 활용할 수 있는 것에 한계가 있다. 그래서 주로 자외선 광원을 장치 내에 따로 설치한다. 상기 도 1의 유닛에서는 유해가스를 광촉매를 이용하여 제거하는 방법을 채택하였으며, 이를 위해 별도로 광촉매를 활성화시키기 위해 자외선을 발산시키는 자외선 램프를 사용하였다. 통상 자외선 램프는 수명이 상대적으로 짧으며, 광원에서 자외선을 발생시키는 효율이 낮아 전력소비량도 많고, 또한 다량의 열을 발생시키는 문제점이 있기 때문에 상기 기술에서는 하나 이상의 자외선 발광다이오드를 채택하였다. 광촉매가 유해가스를 분해 처리하기 위해서는 도 2에서 도시한 것과 같이 광촉매가 활성화되어 유해물질 분해성분인 OH 라디칼을 생성하여야 한다.

이와 같이, 상기 기술은 광촉매를 활성화시켜 광화학반응을 일으키기 위해 별도의 자외선 발생장치와 이를 제어하는 장치가 필요하다. 자외선은 또 피부암을 일으키며, 눈을 실명시키는 치명적인 손상을 주는 등 문제가 많다. 그러므로, 실내 주거 환경이나 사무 및 생활 공간에서 자외선을 촉매의 에너지원으로 사용한다는 것도 안전에 문제가 많아, 자외선을 주거 환경으로부터 보호하기 위한 별도의 안전 장치도 필요하다.

본 발명은 신규 주택 입주시 피부 호흡기 질환을 유발하는 포름알데하이드, 아세트산 등과 같은 새집증후군 유발 물질 즉, 보다 광범위하게는 휘발성 유기화합물 제거와 사무실 및 산업현장에서 발생되는 유해가스를 활성탄 흡착으로 제거하는 방법과 유/무기 화합물을 이용한 흡착 탈취를 이용한 화학적 흡착으로 제거하는 방법 그리고 향료를 이용한 마스킹(masking) 방법 등 종래의 기술을 사용하지 않고 제품의 자체열원이 발생 되는 지점에 복합금속산화물 저온촉매를 사용하여 유해가스를 완전히 분해 제거하고자 한다. 또한 별도의 공기정화용 장치를 사용하지 않고 제거하는 방법을 제공하는 기술로 본 발명에서 제공하는 공기정화용 유닛은 제품 자체가 가지고 있는 열원을 이용하여 공기에 포함된 유해가스인 휘발성유기화합물, 일산화탄소(CO), 암모니아(NH₃) 및 악취 등을 제거하기 때문에 별도의 에너지 공급이 없이도 운전이 가능하여 자동으로 실내 공기질을 청정하게 유지시킬 수 있는 공기정화용 유닛이다. 본 기술은 150℃ 이하의 저온에서도 활성이 뛰어난 복합금속산화 물 저온촉매, 바람직하게는 망간계 금속산화물 저온촉매 등의 개발로 가능하게 되었다. 그러나 망간계 금속산화물 저온촉매만을 한정하는 것은 아니다.

본 발명에서 유해가스를 제거하기 위해 사용된 공기정화기술은 촉매연소방식이다. 이미 알려진 바와 같이 유해가스를 연소시켜 제거하기 위해서는 750~800℃의 고온에서 연소하여 완전히 제거시킨다. 따라서 에너지 비용의 저감 및 공정개선을 위해 이보다 낮은 온도에서 유해가스를 제거하기 위해 많은 연구를 통해 촉매를 개발하여 촉매 산화방식(Catalytic Oxidation: CO방식)에 의해 유해가스를 제거하는 방법을 개발하였다. 이때 사용되는 상용화된 촉매가 백금(Pt), 티타늄(Ti) 등 귀금속 계통의 촉매들이며, 300~400℃에서 반응시켜 분해 제거하고 있다. 이러한 귀금속류의 촉매들은 가격이 고가이며, 300℃ 이하에서는 촉매의 성능이 발휘되지 않기 때문에 경제성이 떨어질 뿐더러 일반 가전제품이나 산업용 제품에 적용하기가 쉽지 않다. 따라서 본 과제에서는 150℃ 이하에서도 제거효율이 우수한 복합금속산화물저온촉매를 사용하여 일반 가전제품이나 산업용 제품에 공기정화 유닛형태로 적용하여 유해가스를 제거하고자 한다. 여기서 적용하는 촉매는 망간계 촉매로서 경제적이고 친환경적으로 유해가스를 제거할 수 있으며 촉매 가격이 저렴하고 운전 및 경제성이 우수한 장점이 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 가정, 사무실, 작업장, 및 차량 등의 옥내에 설치되어, 전기 제품이나 기존이 시설에서 나오는 자체열원을 이용하여 공기에 포함된 유해가스인 휘발성유기화합물, 일산화탄소, 암모니아 및 기타 악취 등을 제거하기 때문에 별도의 에너지 공급이 없이도 자체열원만으로도 운전이 가능하여, 자동으로 실내 공기질을 청정하게 유지시킬 수 있는 공기정화용 유닛이다.

도 1은 종래의 공기 정화 유닛의 사시도로, 커버를 개방시킨 상태의 도면이다.
도 2, 도 3은 종래의 공기 정화 유닛을 사용하여 공기 중에 포함된 유해성분을 제거하는 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 상용 제품의 자체열 발생 부위에 본 발명의 공기 정화용 유닛을 장착한 사시도이다.
도 5는 본 발명에 의한 공기정화용 유닛의 구성이 분해된 사시도이다.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
51 : 케이스 52 : 흡기구 53 :필터 54 : 열교환부 55 : 촉매부 56 : 필터 57 : 송풍팬 58 : 상부 조임 나사 59 : 하부 조임 나사

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 공기정화용 유닛은 가정이나 각종의 산업현장이나 일반건물의 실내에서 발생하는 오염물질을 제거하기 위해 열원이 이미 존재하는 제품에 간편하게 장착하여 비교적 저온에서 실내 공기 중에 존재하는 각종 유해가스 및 악취를 분해 제거하여 공기를 정화하는 것을 특징으로 한다.

또한 흡입구(52)와 흡입구 또는 배기구에 부착된 송풍팬(57), 기존 제품의 열원발생 부위, 고온의 공기 또는 방열판을 통해 열을 회수할 수 있는 열교환부(54), 저온촉매를 충전할 수 있는 촉매 케이스(55)를 거쳐 청정한 공기를 배출하는 배출부로 구성됨을 특징으로 한다. 이와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의하면, 전체적으로 공기의 흡입/배기기능을 이용하여 제품 주위의 공기를 정화할 수 있다.

이하 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 공기정화용 유닛의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명하였다.

본 발명의 도 4는 상용 제품의 자체 열 발생 부위에 본 발명의 공기 정화용 유닛을 장착한 사시도가 도시되어 있으며, 도 5와 도 6에는 본 발명에 의한 공기정화용 유닛의 구성이 분해된 사시도로 도시되어 있다. 본 공기 정화용 유닛은 열원을 가진 상용제품의 방열판(54) 또는 고온가스 배출부 등의 소정 위치에 부착되어 운전되며 본 공기정화용 유닛에 사용되는 송풍팬의 전원은 상용제품의 전원과 연결되어 있어서 상용제품의 주전원을 콘센트에 꽂으면 자동으로 송풍팬(57)이 작동된다. 본 실시 예의 방열판(54)을 이용한 공기 정화 유닛은, 케이스(51)의 흡입구(52) 또는 배기구에 송풍팬(57)이 설치되어 있다. 송풍팬(57)은 외부의 공기를 케이스(51) 내부 촉매공간으로 강제 유입되도록 한다. 따라서 내부로 유입된 공기는 흡입구(52)를 거쳐 열교환부(54)에서 가열되어 촉매 충전층(55)을 통과하여 필터(56)를 통해 외부로 배출된다. 고온가스 배출부가 있는 상용 제품을 이용한 공기 정화 유닛은, 배출부와 상기 촉매 충전층(55)을 직접 연결하여 필터(56)를 통해 외부로 배출된다.

이와 같이 공기가 유동하는 과정에서, 복합금속산화물 저온촉매, 바람직하게는 망간계 저온촉매의 작용은 상술한 바와 같다. 즉, 예열된 공기 중의 유해가스를 상기촉매와 반응시켜 인체에 무해한 가스로 분해되어 별도의 에너지 공급 없이 제품 주위의 오염된 공기를 정화하는 것이다. 본 발명은 상기 실시 예에 한정되지 아니하고 본원의 정신과 범위를 이탈함이 없이 많은 변형을 가하여 실시될 수 있음은 두말할 것도 없다.

Claims (10)

1. 본 공기정화용 유닛은 열원 및 열을 발생하는 제품에서 나오는 열 또는 주위 공기를 흡입시키는 흡기부, 제품 자체열원을 이용한 예열부, 복합금속산화물저온촉매를 장착할 수 있는 촉매부 및 촉매부를 통과하여 나온 공기를 배기하는 배기구로 구성되며, 본 유닛을 장착시킨 제품에서 발생하는 열원을 이용하여 촉매산화 개시를 일으켜 운전중인 제품 주위 공기에 포함된 유해가스를 제거하는 것을 특징으로 한다.
2. 제 1항에 있어서, 상기 촉매는 귀금속촉매도 가능하나 복합금속산화물 저온촉매, 바람직하게는 망간계 저온촉매로 제품에서 발생 되는 열을 이용하여 휘발성유기화합물 및 각종 유해가스를 인체에 무해한 가스로 분해 제거하는 것을 특징으로 하나 이에 국한 된 것은 아니다.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 촉매는, 그레뉼, 펠렛, 하니컴, 분말 등의 여러가지 형태로 상기 유닛의 내부에 충전하거나 각종 필터에 첨착하여 탈부착이 가능 \하도록 장착하는 것을 특징으로 한다.
4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 촉매는 염소, 염화수소, 불화수소, 삼염화붕소 등 할로겐계 유해물질을 흡착에 의해 제거하는 약제로 대체가 가능하며, 그레뉼, 펠렛, 하니컴 등의 형태로 상기 유닛의 내부에 충전하거나 각종 필터에 첨착하여 탈부착이 가능하도록 장착할 수도 있다.
5. 제 2항에 있어서, 상기 촉매는 그 적용온도를 한정하지 않고 상온부터 고온까지 가능하나 바람직하게는 150℃까지의 열을 이용하여 분해 제거하는 것이 좋다.
6. 제 2항 있어서, 상기 촉매를 가전제품이나 산업제품에 부착된 방열판에 직접 코팅하여 별도의 열원이나 추가적인 전기소모 없이 방열판의 열을 이용하여 촉매반응을 일으켜 각종 유해가스를 정화할 수 있다.
7. 제 1항 또는 제 3항에 있어서, 상기 유닛에는 집진기능을 할 수 있는 프리필터와 에프터 필터가 포함될 수 있다.
8. 주변의 전자제품 등 열원이나 혹은 주변 시설에서 나오는 열원 등으로 인해 발생되는 자연적인 대류나 기존의 환기 장치 등을 이용하여 공기를 촉매내부로 유통시켜서 일어나는 자연적인 공기 흐름에 이용한 촉매 공기정화 장치도 포함한다.
9. 기존의 가전 제품 등에 앞에서 서술된 방식의 장치를 부착하여 촉매 방식의 공기 정화 방식도 포함한다.
10. 전자제품이나 사무기기 등에서 적외선 (infra-red radiation)이나 근 적외선 (near infra-red radiation) 광원을 설치하여 이를 열원으로 한 열 촉매 반응도 이 특허에 포함한다.
    

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