KR20150011062A - 세라믹 멤브레인과 플라즈마를 이용한 악취처리장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 세라믹 멤브레인과 플라즈마를 이용한 악취처리장치에 관한 것으로, 상기 장치는 가스유입구와 가스유출구를 양 끝단에 각각 구비한 유전체 튜브; 상기 유전체 튜브의 내부에 삽입되고, 악취가스가 상기 유입구에서 유출구 방향으로 통과할 수 있도록 형성된 복수개의 구멍을 구비하며, 오존분해 촉매가 담지된 다공성 세라믹 멤브레인; 상기 세라믹 멤브레인의 내부 중심에 위치하고, 전압이 인가될 수 있도록 일부가 세라믹 멤브레인 밖으로 노출되어 있는 방전극; 상기 유전체 튜브의 외면에 코일 형태로 감겨있는 접지전극; 및 상기 방전극에 고전압을 인가하기 위한 전원공급수단을 포함한다.

Description

세라믹 멤브레인과 플라즈마를 이용한 악취처리장치 {Deodorizing apparatus using ceramic membrane and plasma}

본 발명은 세라믹 멤브레인과 플라즈마를 이용한 악취처리장치에 관한 것으로, 구체적으로 세라믹 멤브레인 나노 촉매 반응기 내에 미세방전 플라즈마를 생성시켜 상온 및 상압에서 악취를 효과적으로 제거할 수 있는 악취처리장치에 관한 것이다.

축사, 농수축산물 가공시설, 음식물 쓰레기 처리 시설, 냉장고, 화장실, 옷장, 하수처리장, 유기폐기물처리장 등 다양한 개소에서 발생되는 악취는 카르복시산, 암모니아, 황화수소, 메르캅탄, 아민류, 알데하이드류 등을 포함하여 사람의 후각을 자극하고 불쾌감과 혐오감을 주는 화학물질로서 환경오염으로 지정되어 있으며, 바이러스, 박테리아 등 각종 미생물은 인간의 생활과 건강에 피해를 주므로 적절한 처리장치를 이용하여 제거시켜 주어야 한다.

종래에 악취제거방법으로 사용되는 기술에는 화학적 산화, 흡착, 생물학적 분해, 마스킹법, 플라즈마 분해법 등이 알려져 있다. 화학적 산화 방법은 이산화염소, 차아염소산소다, 이산화염소산염 등의 화학약품 산화제를 이용하여 악취물질을 산화 및 분해시키는 방법으로서 여러 종류의 악취가 효과적으로 제거되기는 하나 화학약품이 인간의 건강에 영향을 줄 수 있고 산화제 자체가 환경오염의 원인이 되기도 한다. 흡착 방법은 활성탄과 같이 비표면적이 큰 흡착제를 이용하여 악취물질을 흡착시켜 제거하는 방법인데, 냄새원인물질이 흡착제에 반영구적으로 흡착되므로 흡착제가 포화되는 시점에 맞추어 주기적으로 흡착제를 교체해 주어야 하는 번거로움과 교체비용 문제가 있다. 마스킹 방법은 좋은 냄새가 나는 물질을 이용하여 악취를 은폐시키는 방법으로서 근원적인 악취제거 방법이라고 할 수 없다. 악취 제거기술과 관련된 종래 특허로서, 광촉매산화방법 (한국등록번호 20-0224010, 한국등록번호 10-0671232)은 자외선램프와 광촉매(TiO₂)를 이용한 탈취방법인데, 장시간 사용 시 광촉매의 비활성화가 문제점으로 지적되고 있으며, 자외선램프의 연속 운전에 따른 운전비용이 증가하는 문제점도 있다. 미생물 필터를 이용한 악취처리 장치 (한국등록번호 10-0524647)는 배양조에서 미생물을 자체 번식시켜 처리부재에 공급함과 동시에 처리부재에 미생물을 공급하는 과정에서 분사되는 물에 의해 악취가스가 용해되어 배양조로 낙하되는 원리로 악취를 제거하는 방법으로서 처리부재의 교환 없이 악취처리 효과를 얻을 수 있으나, 적용개소 및 적용범위가 매우 제한적이다. 다중 플라스마 처리방법 (한국공개번호 10-2007-0051604)은 고리 노즐형 방전 플라스마 발생장치, 이중원통 원침형 방전플라스마 발생장치 및 마이크로파 플라스마 발생장치로 구성되는데 악취처리 효과가 우수한 장점이 있는 반면 여러 종류의 플라즈마 장치를 사용함에 따른 과다한 전력소모가 실용화에 큰 문제점이다. 저온플라즈마 촉매 복합 처리장치 (한국등록번호 10-0492475)는 다량의 플라즈마를 발생시켜 각종 휘발성 유기화합물, 악취 및 독성 유해가스 등을 제거하고, 저온 플라즈마 반응기에서 미처리된 오염물질을 세정액, 습식촉매 및 건식촉매로 제거하는 장치로서 악취 등 여러 대기오염물질을 동시에 제거할 수 있는 장점이 있으나, 촉매의 피독에 따른 장치 수명문제, 과다한 전력소모, 복잡한 장치구성의 문제점이 있다. 그밖에 여러 기술들을 복합하여 악취를 처리하는 방법, 예를 들면 광촉매반응기, 바이오필터 및 질산화/탈질반응조로 조합된 재순환하이브리드시스템 (한국공개번호 10-2007-0090855)은 여러 기술이 복합되어 있으므로 악취처리는 효과적일 수 있으나, 기술의 조합에 따른 장치의 복잡성, 개별 기술의 최적 결합 방법, 운전방법, 장치유지관리 등 많은 문제점이 있다. 물을 매개체로 한 오염공기 정화장치 (한국등록번호 10-0629108)와 같이 유해물질의 분해생성물을 물로 제거시키면 처리효율이 좋아지기는 하나 유해한 폐수가 발생되는 문제점이 있다.

현재 알려져 있는 살균 방법으로는 사용되는 살균제의 종류에 따라 염소기체를 이용하는 방법, 오존법, 자외선법, 이산화염소법 등이 알려져 있다. 염소를 이용하는 살균 방법은 고압시설을 필요로 하며, 염소의 운반 및 저장 시 누출 위험이 있을 수 있고, 자외선법은 낮은 사멸 속도, 과다한 전력 사용 등의 한계가 문제점으로 지적되고 있다. 오존법은 강력한 산화력을 가진 오존을 분산시켜 미생물을 사멸시키는 기술로서 높은 살균력을 얻을 수 있으나, 미반응 오존이 인체에 노출될 가능성이 높아 악취처리기술로 적용하기에는 문제점이 있다.

이러한 종래의 악취처리 및 살균 방법들의 문제점은 높은 소비전력, 유지관리의 번거로움과 그에 따른 비용, 유해 화학약품 사용, 적용의 제한성, 장치의 복잡성 등으로서, 본 발명에서는 소비전력을 최소화시켜 운전비용을 크게 경감할 수 있고, 화학약품이 사용되지 않으며, 다양한 악취발생 장소에 쉽게 적용 가능한 단순한 구조의 악취처리 장치를 제공하여 종래 기술들의 문제점들을 해결하고자 한다.

따라서 본 발명은 소비전력을 최소화시켜 운전비용을 크게 경감시킬 수 있고 화학약품을 필요로 하지 않으며 다양한 악취발생 장소에 쉽게 적용 가능한 구조를 갖는, 세라믹 멤브레인과 플라즈마를 이용한 악취처리장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 가스유입구와 가스유출구를 양 끝단에 각각 구비한 유전체 튜브; 상기 유전체 튜브의 내부에 삽입되고, 악취가스가 상기 유입구에서 유출구 방향으로 통과할 수 있도록 형성된 복수개의 구멍을 구비하며, 오존분해 촉매가 담지된 다공성 세라믹 멤브레인; 상기 세라믹 멤브레인의 내부 중심에 위치하고, 전압이 인가될 수 있도록 일부가 세라믹 멤브레인 밖으로 노출되어 있는 방전극; 상기 유전체 튜브의 외면에 코일 형태로 감겨있는 접지전극; 및 상기 방전극에 고전압을 인가하기 위한 전원공급수단을 포함하는 악취처리장치를 제공한다.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 유전체 튜브는 석영관 또는 세라믹관일 수 있다.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 세라믹 멤브레인은 알루미나 90 내지 99.9 중량%와 지르코니아 0.1 내지 10.0 중량%로 구성될 수 있다.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 오존분해 촉매는 세라믹 멤브레인 총 중량에 대하여 0.01 내지 0.5 중량%로 담지될 수 있다.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 오존분해 촉매는 이산화망간 또는 산화구리일 수 있다.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 방전극은 세라믹 멤브레인 밖으로 노출되어 있는 부분이 절연 튜브로 피복되어 있을 수 있다.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 방전극에 고전압이 인가되면 세라믹 멤브레인에 존재하는 미세세공 및 복수개의 구멍에서 플라즈마가 생성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 본 발명의 악취제거장치는 종래기술과 달리 상압 및 상온에서 운전이 가능하고 교류를 기반으로 하고 있어 운전전력을 크게 절감할 수 있는 특징이 있다. 또한 세라믹 멤브레인의 미세세공에서의 플라즈마 생성으로 높은 비표면적의 촉매가 플라즈마에 직접 노출되어 악취제거 및 살균을 위한 촉매 활성화가 쉽게 일어나는 장점이 있다. 따라서 본 발명의 장치는 소비전력이 최소화되어 운전비용이 절감되고 간단한 구조를 가짐으로써 다양한 분야소에 쉽게 적용이 가능하다.

도 1a은 본 발명에 따른 악취처리장치의 개략도이다.
도 1b는 본 발명에 따른 악취처리장치의 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 세라믹 멤브레인을 전자현미경을 이용하여 각각 100배(a) 및 500배(b)로 확대한 사진이다.
도 3은 본 발명에 따른 악취처리장치를 이용하여 반응기에서 플라즈마가 생성됨을 확인한 사진이다.
도 4는 반응기 출구에서 측정된 오존 생성 농도를 전기에너지 밀도 (specific energy density, SEI)의 함수로 나타낸 것이다.
도 5는 이산화망간 촉매의 담지량에 따른 악취가스의 분해효율을 나타낸 것이다.
도 6은 이산화망간 촉매의 담지량에 따른 반응기 출구에서 측정한 FTIR 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명에 따른 다수의 세라믹 멤브레인을 병렬로 설치하여 제작한 대용량 처리용 악취처리장치의 구조를 나타낸 것이다.

본 발명은 촉매가 담지된 세라믹 멤브레인 반응기 내에 미세방전 플라즈마를 생성시켜 악취가스를 처리하기 위한 장치에 관한 것이다. 본 발명자들은 높은 비표면적을 가지고 오존분해 촉매가 담지된 다공성 세라믹 멤브레인을 이용할 경우 미세세공의 기상에서 플라즈마에 의한 각종 산화성 활성종, 여기입자, 고에너지 전자 및 광자의 복합적인 작용에 의해 악취가 제거될 뿐만 아니라 흡착 및 촉매작용에 의해 악취가 제거될 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하게 되었다.

따라서, 본 발명은 가스유입구와 가스유출구를 양 끝단에 각각 구비한 유전체 튜브; 상기 유전체 튜브의 내부에 삽입되고, 악취가스가 상기 유입구에서 유출구 방향으로 통과할 수 있도록 형성된 복수개의 구멍을 구비하며, 오존분해촉매가 담지된 다공성 세라믹 멤브레인; 상기 세라믹 멤브레인의 내부 중심에 위치하고, 전압이 인가될 수 있도록 일부가 세라믹 멤브레인 밖으로 노출되어 있는 방전극; 상기 유전체 튜브의 외면에 코일 형태로 감겨있는 접지전극; 및 상기 방전극에 고전압을 인가하기 위한 전원공급수단을 포함하는 악취처리장치를 제공한다.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 유전체 튜브는 유전율이 높고 열변형 온도가 높은 물질로 구성된 방전관을 의미하는 것으로, 당업계에서 오존발생장치, 플라즈마생성장치 등에 공지되어 있는 유전체로 구성된 관을 선택하여 사용할 수 있으며, 바람직하게는 석영관(quartz tube), 세라믹관(ceramic tube) 등을 사용할 수 있다. 열변형 온도가 높은 유전체로는 석영관이 적당하고 기계적 강도가 높은 유전체로는 세라믹관을 선택하여 사용할 수 있다.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 세라믹 멤브레인은 세라믹 분말을 용매에 녹인 후 적절한 틀에 주입하고 고온에서 소성시켜 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 당업계에 공지된 다양한 방법들에 의해서도 제조될 수 있고, 또한 상업적으로 제조되어 판매되는 상용제품의 세라믹 멤브레인을 사용할 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 A-TECH(Germany)로부터 구입한 세라믹 멤브레인을 사용하였다. 상기 세라믹 멤브레인은 바람직하게는 비표면적과 다공성을 향상시키기 위해 알루미나 90 내지 99.9 중량%와 지르코니아 0.1 내지 10.0 중량%로 구성될 수 있다.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 오존분해촉매는 세라믹 멤브레인 총 중량에 대하여 0.01 내지 0.5 중량%로 담지될 수 있다.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 오존분해촉매는 종래 널리 알려져 있는 것을 사용할 수 있는데, 예를 들어 금속 산화물로서 MnO₂, NiO, CoO, CuO, Fe₂O₃, V₂O₅, AgO₂ 등이 있다. 바람직하게는 이산화망간 또는 산화구리이다. 이들 금속 산화물은 그들의 혼합물로 사용하여도 효과적이다.

상기 촉매는 당업계에 공지된 촉매 담지 방법을 이용하여 세라믹 멤브레인에 담지시킬 수 있다. 예들 들어, 이산화망간 촉매의 담지는, 질산망간(manganese nitrate) 수용액에 세라믹 멤브레인을 함침시킨 후, 오븐(110℃)에서 12시간 건조시키고, 다시 소성로(furnace)에서 550℃로 공기 분위기에서 소성하여 수행될 수 있다.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 방전극은 세라믹 멤브레인 밖으로 노출되어 있는 부분이 절연 튜브로 피복되어 있을 수 있다. 이러한 절연 튜브에 의한 피복을 통해 플라즈마가 세라믹 멤브레인 이외의 부분에서 발생되는 것을 방지할 수 있다.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 방전극에 고전압이 인가되면 세라믹 멤브레인에 존재하는 미세세공 및 복수개의 구멍에서 플라즈마가 생성됨으로써, 악취제거 및 미생물 살균 효과를 나타낼 수 있다.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 촉매가 담지된 세라믹 멤브레인에는 나노미터 크기의 이산화망간 촉매가 담지되어 있으며, 교류 고전압에 의해 세라믹 멤브레인의 미세 세공에 플라즈마가 생성되어 촉매를 활성화시킴과 동시에 악취 및 미생물을 제거하게 된다. 세라믹 멤브레인의 구성성분은 알루미나와 지르코니아로서 높은 비표면적을 가지고 있다. 악취원인물질은 기상에서 플라즈마에 의한 각종 산화성 활성종, 여기 입자, 고에너지 전자 및 광자의 복합적인 작용에 의해 제거되기도 하지만, 악취가 흡착 및 촉매작용에 의해 제거되기도 한다. 악취가스에 산소가 공존하므로 플라즈마에 의해 유해물질인 오존이 발생되는데, 오존은 악취제거 및 살균에 중요한 역할을 하기도 하지만, 미반응 오존의 배출은 바람직하지 않다. 미반응 오존은 세라믹 멤브레인에 담지된 나노미터 크기의 이산화망간 촉매에 의해 악취처리장치 내에서 완전 분해되어 산소로 전환되므로, 본 발명의 장치는 미반응 오존 배출에 따른 문제는 없다.

한편, 종래에 고전압을 사용하여 냄새를 처리하는 대부분의 방법들은 한국 특허공개번호 10-2007-0051604 (다중 플라스마 처리방법)와 같이 냄새제거에 주로 산화성 활성종 만을 이용하므로 공급되는 전력이 효율적으로 사용되지 못한다. 반면, 본 발명은 높은 비표면적을 지닌 세라믹 멤브레인의 미세 세공에서의 플라즈마 생성으로 촉매 표면이 플라즈마에 직접 노출되어 촉매가 활성화되어 악취가 더 효과적으로 제거된다. 세라믹 멤브레인 나노 촉매 반응기는 반영구적으로 사용가능하며, 일반적으로 사용되는 펠렛(pellet) 충진형 촉매 반응기와 달리 압력손실이 거의 발생하지 않아 기체의 이송에 소비되는 전력이 크게 절감된다. 현재까지 진공을 기반으로 한 다양한 종류의 플라즈마 기술이 알려져 있으나, 경제성 및 실용화 가능성을 높이기 위해서는 상압, 상온 플라즈마가 바람직하며, 본 발명의 플라즈마-세라믹 멤브레인 나노 촉매 반응기는 상압, 상온에서 교류에 의해 작동된다. 상압 교류 플라즈마를 기반으로 한 저비용 고효율 미세방전 플라즈마 세라믹 멤브레인 나노 촉매 반응기는 기계적 안정성 뿐만 아니라, 미세 세공 내의 플라즈마 방전을 통해 촉매를 활성화시키므로 저온 조건에서도 우수한 악취제어 특성을 나타낼 수 있다는 점이 종래 기술과 크게 차별화된다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.

도 1a는 본 발명의 악취처리장치 개략도이며, 도 1b는 단면도이다. 도면에 나타난 본 발명의 악취처리장치는 내경 30 mm (외경 34 mm) 석영관(10), 석영관의 내부에 삽입된 세라믹 멤브레인(20) (직경: 30 mm), 세라믹 멤브레인 중심에 설치된 철 전극(30) (직경 4 mm)으로 구성되어 있다. 세라믹 멤브레인(20)은 총 19개의 구멍(21)(hole)으로 이루어져 있으며, 각 구멍의 직경은 4 mm이다. 세라믹 멤브레인(20) 중심에 설치된 철 전극(30)에는 0-25 kV의 교류 고전압(주파수 400 Hz)이 인가된다. 철 전극 대신 다른 전도성 재질의 전극이 사용되어도 효과는 동일하다. 석영관(10)의 외부에는 코일 형태로 구리선을 감아 접지전극(40)으로 사용하였다. 세라믹 멤브레인(20)의 총 길이는 25 cm이며, 구리선이 감겨진 길이는 10 cm이다. 석영관(10)은 좋은 유전체이나 기계적 강도를 더욱 높이기 위해 석영관 대신 세라믹관이 사용될 수 있다. 철 전극(30)에는 고전압이 인가되어 방전전극 역할을 하고, 세라믹 멤브레인(20)의 4 mm 구멍(21) 및 미세세공에서 플라즈마가 생성된다. 악취가스의 유입구(11) 및 유출구(12)를 설치하기 위하여 석영관을 아크릴 재질의 통(13)에 고정하였다. 석영관(10)의 한 쪽에서 기체가 유입되며, 반대쪽에서는 처리된 기체가 유출된다. 세라믹 멤브레인(20)은 악취에 대한 높은 흡착성을 지니고 있고 상대유전율이 약 9.4 내외로서 플라즈마 방전을 효과적으로 일으킬 수 있다. 본 발명에 사용된 세라믹 멤브레인의 주요 구성성분인 알루미나(Al₂O₃)의 함량이 전체 조성의 90 중량% 이상을 차지하고 있으며, 비표면적과 평균 세공 크기는 각각 2.1 m²/g과 1.2 μm이다. 세라믹 멤브레인의 총 세공 부피는 0.135 cm³/g이었다.

도 2의 (a)와 (b)는 각각 100배 및 500배 확대한 세라믹 멤브레인의 전자현미경 사진이다. 도 2에서 본 발명에 사용된 세라믹 멤브레인의 다공성을 쉽게 확인할 수 있으며, 세라믹 멤브레인에 이산화망간의 담지 시 뛰어난 촉매성능을 발휘할 수 있다. 이산화망간은 플라즈마 방전 중에 발생되는 오존을 분해시키는 역할을 한다. 본 발명의 실시예에서는 이산화망간 함량이 Mn 기준으로 0.1 중량%였다. 세라믹 멤브레인의 미세 세공에서 일어나는 플라즈마 방전은 세라믹 멤브레인의 세공 표면을 촉매적으로 활성화시켜 악취의 분해를 도와준다. 상기한 바와 같은 알루미나가 주성분인 세라믹 멤브레인 대신에 제올라이트가 주성분인 멤브레인이 사용되어도 효과는 유사하며, 이산화망간 대신 산화구리 같은 다른 오존분해 촉매를 담지하여 사용해도 무방하다.

본 발명의 장치에서 악취처리는 19개의 구멍에서 기상반응으로 일어나기도 하며, 세라믹 멤브레인의 미세 세공에서 일어나기도 하는데, 미세 세공에서는 기상반응과 촉매 반응이 동시에 일어나므로 미세 세공에서 일어나는 반응에 의해 악취가 주로 분해된다. 플라즈마에 의해 생성된 오존은 악취제거반응에 참여하기도 하지만, 미반응 상태로 배출될 수 있는데, 미반응 오존은 이산화망간에 의해 제거된다. 이산화망간에 의해 오존이 분해되는 과정은 다음과 같다:

이하, 본 발명에 따른 악취처리장치의 효과를 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

악취가스는 도 1에 개시된 악취처리장치의 우측에 마련된 유입구(11)로 주입되었다. 악취가스를 모사하기 위해 질소(80%), 산소(20%) 및 미량의 에틸렌을 혼합하였는데, 에틸렌은 분해과정 중에 알데하이드류 및 카르복시산 등을 생성하므로 악취물질을 잘 모사할 수 있다. 총 악취가스의 유량은 2 L/min, 에틸렌의 농도는 20.4 μmol/L로 하였다. 실제 악취농도는 이보다 훨씬 낮으나 실험 및 분석을 용이하게 하기 위해 농도를 높인 것이다. 플라즈마-촉매 반응기에 공급된 고전압은 오실로스코프로 관찰하였다. 공급된 고전압은 실효치 기준으로 18.5 kV였으며, 이때 Lissajous 전압-전하 선도에 의해 측정된 전력은 약 17 W였다. 에틸렌의 농도는 기체크로마토그래프(GC)와 퓨리에변환적외선분광기(FTIR)를 이용하여 측정하였다. 본 발명의 실시예에서 사용한 교류 고전압 공급 장치의 주파수는 400 Hz이나, 다른 주파수의 교류 고전압이 사용될 수 있다. 악취처리장치에 인가되는 전압이 같을 때는 높은 주파수의 교류가 사용될 경우 더 많은 전력이 공급되어 분해가 효과적으로 일어난다.

도 3은 야간에 촬영한 플라즈마-촉매 반응기의 플라즈마 생성 사진이다. 공급되는 전압을 증가시킴에 따라 중심으로부터 시작하여 방사방향으로 플라즈마 발생이 전개되며, 일정 전압을 넘어서면 다중 세라믹 멤브레인 전체적으로 플라즈마가 균일하게 생성된다. 도 3의 세 번째 사진은 공급 전압이 18.5 kV일 때 촬영한 것이며, 측면 사진도 제시되어 있다. 잘 알려진 바와 같이, 플라즈마의 생성은 평균 전기장 세기와 밀접한 관련이 있다. 본 발명의 반응기는 전극 간격이 고정되어 있으므로 평균 전기장 세기는 전압의 증가에 따라 증가되며, 방사방향으로 플라즈마의 생성을 전개시키게 된다. 반응기의 측면 사진을 보면, 세라믹 막의 구멍에서와 마찬가지로 밝은 모습을 관찰할 수 있는데, 이는 막의 미세 기공에서도 같은 전기장 세기의 영향 하에 플라즈마가 안정적으로 생성되기 때문이다. 따라서 세라믹 멤브레인에 촉매를 담지하여 사용하게 되면, 미세 기공에서 일어나는 플라즈마 방전과 표면의 상호 작용에 의해 촉매가 활성화될 수 있다.

도 4는 반응기 출구(12)에서 측정된 오존 생성 농도를 전기에너지 밀도(specific energy density, SEI)의 함수로 나타낸 것이다. 측정된 방전 전력과 유량으로부터 전기에너지 밀도는 하기 식 1로 계산된다:

[식 1]

여기서, P는 방전전력(W), Q는 기체유량(L min^-1), 그리고 60은 시간단위 min을 s로 바꾸기 위한 계수이다.

도 4에서는 세 가지 경우를 비교하였다. 첫째, 이산화망간 촉매가 담지되지 않은 경우(Bare ceramic membrane); 둘째, 세라믹 멤브레인의 절반만 이산화망간 촉매를 담지한 경우(Half-coated ceramic membrane); 셋째, 세라믹 멤브레인 전체를 이산화망간 촉매로 담지한 경우(Fully-coated ceramic membrane)이다. 도 4에 나타난 바와 같이, 이산화망간의 담지 영역이 커짐에 따라 오존배출이 현격히 저하되었음을 알 수 있는데, 이는 이산화망간이 상온의 조건에서도 플라즈마에 의해 생성된 오존을 효과적으로 분해시킬 수 있다는 것을 의미한다.

오존은 산화력이 강하여 악취제거에 중요한 역할을 할 수 있으므로, 이산화망간에 의한 오존 분해가 악취제거 성능을 저하시키는지에 대한 검증이 필요하다.

도 5는 이산화망간 촉매가 담지되지 않은 경우, 세라믹 멤브레인의 절반만 이산화망간 촉매를 담지한 경우, 및 세라믹 멤브레인 전체를 이산화망간 촉매로 담지한 경우, 세 가지에 대해서, 상기 식 1에서 정의된 전기에너지 밀도의 함수로 표현한 에틸렌 분해효율을 나타낸 것이다. 도 5에서, 세라믹 멤브레인에 이산화망간을 담지하여도 에틸렌의 분해성능에는 거의 영향을 미치지 않았다. 오존은 악취제거에 중요한 역할을 할 수 있지만, 이산화망간에 의해 오존이 제거되어도 오존의 분해과정 중에 또 다른 활성성분(산소 원자 등의 강력한 산화성 성분)이 생성될 수 있고 또한 이산화망간이 플라즈마에 의해 활성화되어 에틸렌을 산화시킬 수 있으므로, 세 가지 경우 모두 유사한 분해성능을 보여준 것으로 판단된다.

도 6은 세라믹 멤브레인의 절반만 이산화망간 촉매를 담지한 경우, 세라믹 멤브레인 전체를 이산화망간 촉매로 담지한 경우에 대해, 반응기 출구에서 측정한 FTIR 스펙트럼이다. 도 6에서, 세라믹 멤브레인의 절반만 이산화망간 촉매를 담지한 경우는 에틸렌의 분해 부산물로 포름알데히드 (Formaldehyde), 아세트알데히드(Acetaldehyde), 포름산(Formic acid) 등이 관찰되었으나, 세라믹 멤브레인 전체를 이산화망간으로 담지시켰을 때는, 이산화망간에 의한 산화작용이 일어나 이러한 유해 부산물들이 관찰되지 않았다. 대신 산화에틸렌이 미량 관찰되었는데, 630 J L^-1 이상의 전기에너지 밀도에서 산화에틸렌이 완전히 사라짐을 확인하였다.

상기 실험 결과들에 따르면, 에틸렌을 악취 모사가스로 사용하여 처리했을 때, 이산화망간이 전체적으로 담지된 세라믹 멤브레인에서 플라즈마를 생성시켜 완전히 분해시킬 수 있었다. 또한, 미반응 오존의 배출도 현격히 저감되었으며 유해 부산물의 생성이 현격히 저감되었다. 이는 오존이 이산화망간 촉매에 의해 분해 처리되었고, 플라즈마-촉매 작용으로 악취도 효과적으로 저감될 수 있었음을 의미한다.

한편, 냉장고와 같은 소량의 악취처리에는 도 1에 개시된 장치가 사용될 수 있으며, 축사와 같은 큰 유량의 악취가스는 다수의 세라믹 멤브레인을 병렬로 설치하여 처리할 수 있는데, 도 7과 같은 구조로 제작할 수 있다.

본 발명의 장치는 악취처리 성능 이외에도 공기 중에 부유하는 각종 미생물들이 미세방전 플라즈마 세라믹 멤브레인 나노 촉매 반응기를 통과하며 고전압에 의해 사멸되는 장점도 있으므로, 악취처리와 살균 두 가지 목적을 한 장치 안에서 이룰 수 있는 특징도 있다.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

10: 유전체 튜브 11: 가스유입구
12: 가스유출구 13: 가스 유입구와 유출구를 설치하기 위한 용기
20: 다공성 세라믹 멤브레인 21: 구멍(hole)
30: 방전극(discharging electrode) 31: 절연 튜브(insulation tube)
32: 테프론부싱(teflon bushing)
40: 접지전극 50: 전원공급장치

Claims (7)

1. 가스유입구(11)와 가스유출구(12)를 양 끝단에 각각 구비한 유전체 튜브(10);
   상기 유전체 튜브(10)의 내부에 삽입되고, 악취가스가 상기 유입구(11)에서 유출구(12) 방향으로 통과할 수 있도록 형성된 복수개의 구멍(21)을 구비하며, 오존분해 촉매가 담지된 다공성 세라믹 멤브레인(20);
   상기 세라믹 멤브레인(20)의 내부 중심에 위치하고, 전압이 인가될 수 있도록 일부가 세라믹 멤브레인(20) 밖으로 노출되어 있는 방전극(30);
   상기 유전체 튜브(10)의 외면에 코일 형태로 감겨있는 접지전극(40); 및
   상기 방전극(30)에 고전압을 인가하기 위한 전원공급수단(50)을 포함하는 악취처리장치.
   
2. 제 1항에 있어서, 상기 유전체 튜브(10)는 석영관 또는 세라믹관인 것을 특징으로 하는 장치.
   
3. 제 1항에 있어서, 상기 세라믹 멤브레인(20)은 알루미나 90 내지 99.9 중량%와 지르코니아 0.1 내지 10.0 중량%로 구성된 것을 특징으로 하는 장치.
   
4. 제 1항에 있어서, 상기 오존분해 촉매는 세라믹 멤브레인(20) 총 중량에 대하여 0.01 내지 0.5 중량%로 담지되는 것을 특징으로 하는 장치.
   
5. 제 1항에 있어서, 상기 오존분해 촉매는 이산화망간 또는 산화구리인 것을 특징으로 하는 장치.
   
6. 제 1항에 있어서, 상기 방전극(30)은 세라믹 멤브레인(20) 밖으로 노출되어 있는 부분이 절연 튜브(31)로 피복되어 있는 것을 특징으로 하는 장치.
   
7. 제 1항에 있어서, 상기 방전극(30)에 고전압이 인가되면 세라믹 멤브레인(20)에 존재하는 미세세공 및 복수개의 구멍(21)에서 플라즈마가 생성되는 것을 특징으로 하는 장치.

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