KR20150002907A

KR20150002907A - 플라즈마와 촉매를 이용한 휘발성 유기화합물 정화 장치

Info

Publication number: KR20150002907A
Application number: KR20130073405A
Authority: KR
Inventors: 성창 최
Original assignee: 재단법인 인천테크노파크
Priority date: 2013-06-26
Filing date: 2013-06-26
Publication date: 2015-01-08
Also published as: KR101508833B1

Abstract

본 발명은, 소규모 공장이나 세탁소와 같이 VOC를 배출하는 작업장에 보급될 수 있는 VOC 정화장치를 제공하고자 한다.
상기 목적에 따라 본 발명은 VOC를 포함한 대기를 활성탄이 들어있는 챔버를 통과하게 하여 VOC를 활성탄으로 흡착한 후, 상기 VOC가 포화상태로 흡착된 활성탄을 포함하고 있는 챔버의 입구와 출구를 폐쇄하고 VOC 제거 장치와 연결된 벨브를 개방함과 동시에 외부에서 열을 공급하여 흡착된 VOC를 탈착시켜 VOC 제거 장치로 보내어 촉매와 함께 대기압 플라즈마를 발생시켜 플라즈마 에너지로 상기 활성탄에 탈착된 VOC를 분해함과 동시에 대기중의 산소를 통해 연소시킴으로써 무해한 기체로 변환하여 배기시키는 VOC 정화장치를 제공하였다.
본 발명의 VOC 정화장치는 대기압 플라즈마를 이용하므로 상대적으로 온도가 낮아 화재위험이 낮고 VOC 분해 속도가 빠르며 오존 배출의 문제도 없어 매우 유용하다.

Description

플라즈마와 촉매를 이용한 휘발성 유기화합물 정화 장치{VOLATILE ORGARNIC COMPOUND―DISPOSAL SYSTEM USING PLASMA AND CATALYST}

본 발명은 인체에 유해한 휘발성 유기화합물(VOC라 약칭된다)을 분해하여 공기를 정화하는 정화장치에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 VOC에 에너지를 가하여 인체에 안전한 물질로 분해되도록 하는 공기정화장치에 관한 것이다.

벤젠, 포름알데히드, 다이옥신 등의 VOC는 암 발병 등 인체 유해물질로 알려져 있으나, 드라이클리닝 등 생활 속에 필요한 활동에 의해 필연적으로 발생 되기도 하고, 각종 제품을 생산 가공하는 과정에서 부산물로 배출되기 때문에 이에 대한 정화장치를 제공할 필요가 있다. 특히, 세탁소와 같은 영세업소와 같은 경우, VOC로 인한 악취 속에서 작업을 하면서 단순히 환풍기만을 가동하여 VOC를 대기중으로 배출하고 있어 보급형 정화장치를 제공할 필요가 있다.

VOC를 정화하는 가장 저렴한 방안은 활성탄을 두어 VOC를 흡착시키는 것이다. 그러나 활성탄의 흡착은 시간이 지나면 곧 포화 되어 더 이상 공기정화 능력을 발휘할 수 없게 되므로, 대부분의 경우 활성탄을 교체하고 사용한 활성탄은 폐기한다. 하지만 폐기된 활성탄 내에 흡착된 VOC는 정화되지 못한 채 버려지기 때문에 환경오염을 유발시킨다. 이러한 활성탄에 외부에 열을 가할 경우 활성탄에 흡착된 VOC 는 대부분 탈착된다. 활성탄에 온도를 가하여 흡착된 VOC를 탈착하여 열처리하거나 플라즈마 처리를 할 경우 활성탄을 재사용 할 수 있다. 활성탄에 흡착된 VOC를 가장 쉽게 분해하는 방법은 VOC 제거 촉매를 활용하여 처리하는 방법인데 탈착된 VOC를 고온(>250^oC)의 VOC 제거 촉매를 통과시키면 촉매가 VOC의 산화반응을 촉진시켜 VOC를 열분해하여 CO₂와 같은 안전한 물질로 변환시켜 배출하게 된다. 그러나 활성탄의 열처리 과정에서 흡착된 VOC가 불완전 연소 될 수 있어 이에 대해 촉매를 추가하기도 한다(대한민국 등록실용 20-0340079호 참조). 그러나 이와 같은 방식으로는 VOC 제거가 불충분할 수 있으며, 250℃ 내지 300℃의 상당히 높은 고온 환경을 형성하는 히터를 설치하여야 하기 때문에 많은 에너지 공급이 필요하며, 고온에서 지속적으로 작동하기 때문에 화재위험을 지니며, VOC의 열 분해속도는 촉매 존재하라 하더라도 그다지 빠르지 않기 때문에 개선의 여지가 있다.

한편 다양한 방법을 통하여 VOC를 제거하기 위하여서는 VOC의 농도와는 상관없이 VOC 촉매를 지속적으로 열을 가하여 주거나 지속적으로 플라즈마를 작동시켜 VOC를 제거하여야 하나 농도가 낮을 경우 제거되는 VOC의 양에 비하여 많은 에너지를 소모 하게 된다. 따라서 저농도 VOC를 효율적으로 제거할 수 있는 방법이 필요하다.

따라서 본 발명의 목적은 저농도 VOC를 활성탄에 흡착시킨 후 이를 활성탄에 외부에서 열을 가하여 VOC를 탈착시켜 고농도 농축시킨 상태에서 처리함으로써 높은 에너지 효율의 VOC 제거 장치를 제공하고자 하며, VOC 제거 장치의 경우 기존의 VOC 제거 장치 보다 좀 더 낮은 온도에서 좀 더 고속으로 VOC를 충분한 정도로 분해할 수 있으면서, 제작비가 적게 드는 보급형 VOC 정화장치를 제공하고자 하는 것이다.

상기 목적에 따라 본 발명은, VOC를 포함한 대기를 활성탄이 들어있는 챔버를 통과하게 하여 VOC를 활성탄으로 흡착한 후, 상기 VOC가 포화상태로 흡착된 활성탄이 들어있는 챔버의 흡입구와 배출구를 폐쇄하고 촉매와 함께 대기압 플라즈마를 발생시켜 플라즈마 에너지로 상기 활성탄에 탈착된 VOC를 분해할 수 있는 VOC 분해 장치와 연결된 통로를 개방함과 동시에 활성탄을 가열하여 흡착된 VOC를 탈착시켜 흡입된 공기와 함께 VOC 분해 장치로 이동시켜 플라즈마 에너지와 VOC 제거 촉매를 이용하여 대기중의 산소를 통해 연소시킴으로써 무해한 기체로 변환하여 배기시키는 VOC 정화장치를 제공한다.

상기와 같은 본 발명의 VOC 정화장치는 플라즈마 에너지를 이용하기 때문에 상대적으로 처리 온도가 저온으로 낮아지며, 저온임에도 불구하고 플라즈마 특유의 고에너지로 인해 VOC 가스 분해 능력은 뛰어나 고속으로 분해반응이 일어나는 장점이 있다. 또한, 촉매 존재하에 플라즈마를 이용하기 때문에 플라즈마 처리시 발생 되는 오존은 촉매에 의해 쉽게 분해되어 제거되며, 오존이 분해된 산소 원자는 촉매와 함께 분해되지 못한 VOC 성분들을 분해하거나, 플라즈마 에너지로 분해된 VOC 구성 원소들과 빠른 속도로 결합하여 더욱 더 정화 반응을 촉진하므로 고효율의 VOC 정화장치가 될 수 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예의 구성을 나타내는 블록 구성도이다.
도 2는 본 발명에 사용되는 플라즈마 처리장치의 구성을 개략적으로 나타내는 단면 구성도이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 VOC 정화장치의 구성을 개략적으로 나타낸다.

본 발명의 VOC 정화장치는 주로 소규모 공장이나 세탁소와 같이 현재 유해가스 분해처리 시설을 갖추지 못한 곳에 보급형 공기정화장치로서 제공되는 것을 목적으로 하므로, 가급 저렴한 설비비로 구성되어야 하고 공기정화처리는 지속적으로 이루어져야 한다. 그에 따라 사업장에서 발생하는 저농도 VOC를 제거하기 위하여 저렴하게 구입할 수 있는 활성탄을 사용하여 1 차적으로 VOC를 흡착시켜 공기를 정화하고, 활성탄의 재생을 위한 후속조치로서 플라즈마와 VOC 제거용 복합촉매로 구성된 VOC 제거 장치를 통하여 VOC 제거를 통하여 활성탄을 재생할 수 있도록 구성하였다.

VOC 가 발생하는 공간에 설치된 환기구로부터 유입되는 공기를 활성탄에 흡착시키며, 일정 시간이 지나면 활성탄이 더 이상 VOC를 흡착하지 못하게 되는 포화상태에 이르게 된다. 따라서 그 시점에 흡착포화 된 활성탄이 들어있는 챔버의 흡기와 배기쪽의 벨브를 닫고 플라즈마 장치와 연결된 벨브를 개방하면서 활성탄을 가열하여 흡착된 VOC가 활성탄으로부터 탈착되도록 하여 플라즈마 발생장치와 VOC제거 촉매가 설치된 반응기로 옮겨가도록 하여 플라즈마 처리와 촉매 처리를 통하여 VOC를 분해하고 인체에 무해한 CO₂, H₂O 같은 산화물로 변환시켜 배기시킨다. 활성탄은 적어도 2 개의 분리된 챔버에 저장되며, 각 저장 챔버 전단(110,130)과 후단(120,140)에는 밸브를 설치하여 하나의 저장 챔버 밸브를 열어 활성탄에 VOC를 흡착시키고 다른 저장 챔버 밸브는 잠김 상태로 둔 상태에서 열을 가하여 흡착된 VOC를 탈착시켜 VOC제거 장치를 이용하여 활성탄을 재생한다. 도 1은 활성탄이 배치된 VOC 흡착용 제1 챔버(210)의 전단에 제1 밸브(110)가, 후단에는 제2 밸브(120)가 설치되어 있고, 제2 챔버(220) 전단에는 제3 밸브(130)가, 후단에는 제4 밸브(140)가 설치되어 있음을 도시한다. 제1 밸브(110)를 개방하고 제2 밸브(120)는 폐쇄하여 일정 기간 동안 활성탄에 VOC를 흡착시킨 후, 포화상태에 이르렀다고 판단되는 시점에 제1 밸브(110)와 제2 벨브(120)를 폐쇄하고 제3 밸브(130)와 제4 밸브(140)를 개방하여 제2 챔버(220)에서 지속적으로 VOC를 활성탄을 이용하여 제거하고, 동시에 제5 벨브(150)을 개방하여 제1 챔버에서 탈착된 VOC가 플라즈마 촉매 반응로로 이동할 수 있도록 하며 외부 산소 공급을 위한 제7 벨브(170)도 개방하여 외부로부터 공기를 유입하여 VOC의 산화반응을 촉진하도록 한다.

에어펌프(500)가 작동하면 외부에서부터 신선한 공기가 제1 챔버(210)에서 탈착된 VOC와 혼합되어 플라즈마 촉매 반응 챔버(410)로 옮겨가고 이때 전극에 전원을 인가하여 대기압 플라즈마를 발생시켜 VOC를 제거한다. 이때 대기압 플라즈마는 다양한 종류의 대기압 플라즈마를 사용할 수 있으나 대기압 저온(cold) 플라즈마의 경우 VOC 제거율이 높지 못하다. 한편 대기압 플라즈마 중 플라즈마 토치는 VOC 분해 능력은 뛰어나나 플라즈마 토치 작동시 발생하는 열로 인하여 장치가 복잡해지는 단점이 있다. 한편 비교적 적은 열을 발생하는 대기압 고온(thermal) 플라즈마는 발생하는 열이 플라즈마 토치에 비해 적지만 VOC를 비교적 높은 효율로 분해하며 또한 VOC 촉매를 100~200 ^oC 로 가열할 수 있을 만큼 충분한 열에너지를 공급할 수 있기 때문에 VOC 제거용 촉매를 가열하기 위한 별도의 히터가 필요 없어 적은 에너지로 매우 효율적 VOC를 제거 할 수 있다.

플라즈마와 VOC 분해 촉매가 탈착된 VOC를 분해하는 동안에는 제2 챔버(220)에 있는 활성탄에 의해 VOC를 흡착하게 하여 공기정화가 지속되게 한다. 경우에 따라서 활성탄 챔버를 2개 이상 배치할 수 있음은 물론이다.

플라즈마 챔버(410) 내부의 상태에 대해 도 2를 참조할 수 있다.

플라즈마 챔버(410)에 들어있는 촉매(200)는 MnOx, AlOx, CuOx 계열 촉매를 기본으로 하여 단독으로 사용하거나 두 가지 이상을 혼합하여 복합적으로 사용할 수 있으며, 여기에 Pd, Pt, Ag, Au 등의 금속 촉매가 더하여진 것을 사용함이 바람직하다.

플라즈마 발생을 위해 애노드와 캐소드를 포함한 전극(300)을 설치하고, DC 내지는 DC 펄스 전압 또는 교류를 인가하며, 플라즈마 챔버는 밸브(150)를 개방하여 대기를 흘려준 상태에서 1 내지 30 kV의 고전압을 인가하여 대기압 플라즈마를 방전시킨다. 이러한 대기압 플라즈마는 그 자체로서 높은 에너지를 보유한 이온 및 전자를 생성하고 추가적으로 100~200 ℃ 내외의 열을 공급하므로 흡착된 VOC 가스를 신속히 분해하게 된다. 더욱이 촉매 존재 하이기 때문에 신속한 분해반응과 동시에 산소와 결합하는 반응이 일어나게 된다. 플라즈마 처리에 따르는 부산물로서 오존(O₃)이 생성되나 이들은 촉매로 인해 생성되자마자 분해된 탄소 등과 화합되어 별도의 오존 처리는 전혀 필요하지 않게 된다.

한편, 상기 실시예를 변형하여 별도의 플라즈마 챔버를 구성하지 않고 활성탄이 들어있는 저장 챔버 안에 촉매를 배치하고 플라즈마 발생용 전극을 설치하여 활성탄이 흡착 포화 되면 플라즈마 발생용 전극에 전압을 인가하여 플라즈마 처리하는 방식으로 운용할 수도 있다. 이 경우 각각의 활성탄 저장 챔버에 촉매를 배치하고 플라즈마 발생용 전극을 설치하여야 한다.

활성탄의 무게와 VOC 농도에 따라 플라즈마 처리 주기가 산출될 수 있으나, 이에 대해 제1 챔버(210) 및 제2 챔버(220)에 VOC 농도 측정기를 설치하여 문턱 치를 설정하고 그 값을 넘어서면 플라즈마 처리하도록 구성하는 것이 바람직하다. 문턱치는 10 내지 100ppm, 바람직하게는 수십 ppm 내외로 정할 수 있다.

본 발명에 따른 플라즈마 처리는 플라즈마가 제공하는 에너지 형태가 열 이외의 다른 형태로도 전달되므로 VOC를 처리하는 온도가 촉매만을 사용하는 경우 보다 상대적으로 낮아 화재 위험이 낮고, VOC를 농축하여 분해하기 때문에 VOC 제거 효율이 높아 에너지 절감 효과가 있으며, 자원을 지속적으로 재생하기 때문에 환경 오염을 예방할 수 있다.

본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.

100: 활성탄
200: VOC 제거용 촉매
300: 전극
110, 120, 130, 140, 150, 160, 170, 180, 190: 밸브
210, 220, 410: 챔버
500 : 에어 펌프
610, 620 : 히터

Claims

활성탄이 들어있는 하나 이상의 VOC 흡착용 챔버; 및
촉매가 들어있고 플라즈마 발생장치가 설치된 플라즈마 챔버;를 포함하고,
상기 활성탄에 VOC 흡착이 포화 되면, 포화된 챔버의 벨브를 닫고 플라즈마 처리장치와 연결된 벨브를 열고 챔버 외부에서 열을 공급하여 활성탄에 흡착된 VOC를 탈착시켜 플라즈마 촉매 반응로 이동하게 하며, 이때 대기압 플라즈마를 발생시켜 VOC 제거 촉매하에서 플라즈마로 VOC를 분해 정화하는 것을 특징으로 하는 VOC 정화장치.
제1항에 있어서, 상기 VOC 흡착용 챔버는 대기 유입구와 배출구를 구비하고 유입구와 배출구에 각각 밸브를 구비하며, 어느 하나의 VOC 흡착용 챔버의 활성탄을 플라즈마 처리하기 위해, 해당 챔버의 유입구 및 배출구 밸브를 폐쇄하는 동시에 다른 VOC 흡착용 챔버의 유입구와 배출구 밸브를 개방하고 VOC를 흡착하게 함으로써, 하나의 활성탄을 플라즈마 처리하는 동안에도 지속적으로 VOC를 활성탄에 흡착되게 하는 것을 특징으로 하는 VOC 정화장치.
활성탄;
촉매;및
플라즈마 발생장치;가 들어있는 하나 이상의 VOC 정화용 챔버;를 포함하고,
상기 활성탄이 VOC 흡착 포화 되면, 활성탄에 열을 가하여 VOC를 탈착하고 탈착된 VOC 를 대기압 플라즈마와 VOC 제거 촉매로 처리하여 VOC를 분해 정화하는 것을 특징으로 하는 VOC 정화장치.
제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 플라즈마는 대기압 플라즈마로서 DC 전압, DC 펄스 전압 및 AC 전압을 인가하여 발생 되게 하는 것을 특징으로 하는 VOC 정화장치.
제4항에 있어서, 상기 전압은 1 내지 30kV인 것을 특징으로 하는 VOC 정화장치.
제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 플라즈마 처리시 VOC 촉매는 플라즈마에 의하여서만 가열되며 VOC 촉매를 가열하기 위한 별도의 히터를 구비하지 않는 것을 특징으로하는 VOC 정화장치.
제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 플라즈마 처리시 온도는 100~250℃ 이하인 것을 특징으로 하는 VOC 정화장치.
제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 촉매는 MnOx, AlOx, CuOx 또는 두 개 이상의 복합 촉매에 Pd, Pt, Au 또는 Ag 중 하나 이상을 첨가하여 구성된 것을 특징으로 하는 VOC 정화장치.