KR20210097030A - 공기 정화 장치 및 공기 정화 방법 - Google Patents

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하루히코 야마사키
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타다오 야기
이현철
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Abstract

개시된 공기 정화 장치는, 일 방향을 따라 연장된 중공 형상의 반응기, 반응기의 외벽에 배치되는 제1 전극과 상기 반응기의 내부에 배치되는 제2 전극을 구비하며, 소정의 방전 영역에 방전 플라즈마를 발생시키는 방전 플라즈마 발생 장치. 반응기의 충전층(packed-bed)에 배치되는 복수 개의 유전체 입자들, 반응기의 내부로 액체를 공급하는 액체 공급부 및 반응기로부터 배출되는 상기 액체를 회수하는 액체 회수부를 포함한다.

Description

공기 정화 장치 및 공기 정화 방법{air purifier and method for purifying air}
기체 중의 미세 먼지 및 오염 물질을 정화하는 공기 정화 장치 및 공기 정화 방법이 개시된다.
공기 정화 장치는, 기체, 예를 들어 공기 중의 미세 먼지 및 오염 물질을 포집 또는 분해하여 공기를 정화한다. 공기 정화 장치는 산업용 집진 설비, 건물 내 공조/환기 시스템 등에 적용될 수 있다.
공기 중의 미세 먼지 및 오염 물질을 제거하는 대표적인 방법으로서, 필터법 및 전기 집진법이 있다. 필터법은 필터를 이용하여 공기 중에 포함된 미세 먼지 및 오염 물질을 포집하는 방법이다. 필터법은 미세 먼지 및 오염 물질 제거 효율이 우수하고 다양한 형태의 미세 먼지 및 오염 물질을 공기 중으로부터 걸러낼 수 있다. 다만, 필터에 포집된 미세 먼지의 양이 증가되면 필터의 성능이 저하될 수 있으며, 필터에 의한 압력 강하가 커질 수 있다. 필터는 주기적으로 관리되거나 교체될 수 있다. 또한, 전기 집진법은 전기적인 방전 원리를 이용, 공기 속의 오염물질을 이온화해 강력한 집진판에 흡착시켜 공기를 정화한다. 다만, 금속재질의 집진판을 정기적으로 세척 관리해주어야 하는 어려움이 있다.
방전 플라즈마 및 용액 분사를 통해 미세 먼지 및 오염 물질을 제거할 수 있는 공기 정화 장치 및 공기 정화 방법을 제공한다.
미세 먼지 및 오염 물질 제거 성능이 향상된 공기 정화 장치 및 공기 정화 방법을 제공한다.
일 측면에 따른 공기 정화 장치는, 일 방향을 따라 연장된 중공 형상의 반응기, 상기 반응기의 외벽에 배치되는 제1 전극과 상기 반응기의 내부에 배치되는 제2 전극을 구비하며, 소정의 방전 영역에 방전 플라즈마를 발생시키는 방전 플라즈마 발생 장치, 상기 반응기의 충전층(packed-bed)에 배치되는 복수 개의 유전체 입자들, 상기 반응기의 내부로 액체를 공급하는 액체 공급부 및 상기 반응기로부터 배출되는 상기 액체를 회수하는 액체 회수부를 포함할 수 있다.
상기 액체는 물을 포함할 수 있다.
상기 액체는 염기성 수용액을 포함할 수 있다.
상기 염기성 수용액의 알칼리성 강도(PH)는 상기 반응기 내부의 오존 농도에 따라 결정될 수 있다.
상기 액체는 1mmol/L 이상 20mmol/L 이하의 몰농도를 구비하는 수산화나트륨 수용액일 수 있다.
상기 액체 회수부에 저장된 액체를 상기 액체 공급부로 전달하기 위한 압력을 발생시키는 펌프:를 더 포함할 수 있다.
상기 충전층의 공극률은 0% 초과 90% 이하일 수 있다.
상기 복수 개의 유전체 입자들의 평균 입경은 1mm 이상 20mm이하일 수 있다.
상기 복수 개의 유전체 입자들은 산화규소, 산화붕소, 산화알루미늄, 산화망간, 산화티타늄, 산화바륨, 산화구리, 산화마그네슘, 산화아연, 산화지르코늄, 산화이트륨, 산화칼슘, 산화니켈, 산화철 중 하나 이상 또는 상기 물질 간 혼합물 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 방전 영역에 2kV 이상 500kV이하의 전압이 인가될 수 있다.
상기 반응기 내부에 고전압을 인가하는 고전압 발생 장치; 및 상기 고전압 발생 장치의 발생 전압을 제어하는 제어부;를 더 포함하며, 상기 제어부는 상기 반응기로 유입되는 오염 공기의 유입량이 증가함에 따라, 상기 고전압 발생 장치에서 생성되는 전압의 크기를 증가시키는 제어 신호를 상기 고전압 발생 장치로 전달할 수 있다.
상기 제1 전극은 실버 페이스트 필름(silver paste film)으로 마련될 수 있다.
상기 제2 전극은 상기 일 방향을 따라 연장되며, 상기 제1 전극과 소정의 간격을 사이에 두고 이격되도록 배치될 수 있다.
상기 반응기는 상기 일 방향을 따라 연장된 금속, 세라믹 또는 유리 도관 중 어느 하나로 마련될 수 있다.
다른 측면에 따른 공기 정화 방법은, 상기 반응기 내부로 액체를 유입시키는 단계, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극에 소정의 전압을 인가하여 방전 플라즈마 발생시키는 단계, 상기 오염 공기를 상기 반응기 내부로 유입시키는 단계; 및 상기 반응기로부터 액체 및 정화된 공기를 배출시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 반응기로부터 배출된 상기 액체를 상기 액체 공급부로 공급하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 액체는 물을 포함할 수 있다.
상기 액체는 염기성 수용액을 포함할 수 있다.
상기 방전 플라즈마를 발생시키기 위해 2kV 이상 500kV 이하의 전압이 인가될 수 있다.
상기 반응기의 후단에서 촉매를 이용하여 오존을 제거하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 촉매는 산화망간, 산화구리, 산화알루미늄, 산화티타늄 중 하나 이상 또는 상기 물질 간 혼합물 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
전술한 공기 정화 장치 및 공기 정화 방법의 실시예들에 따르면, 미세 먼지 및 오염 물질이 방전 플라즈마에 의해 이온화되거나 분해되며, 반응기를 통과하는 액체에 포집된 후에 반응기로부터 쉽게 배출될 수 있다. 따라서, 공기 중의 미세 먼지 및 오염 물질이 액체에 보다 쉽게 포집되어 외부로 배출되므로 우수한 오염 물질 제거 성능이 구현될 수 있다. 또한, 미세 먼지 및 오염 물질이 포집된 액체가 용이하게 반응기로부터 배출되므로 반응기의 주기적인 관리 또는 교체 부담을 줄일 수 있다.
도 1은 공기 정화 장치의 일 실시예의 개략적인 구성도이다.
도 2은 도 1에 도시된 공기 정화 장치의 일부를 확대한 확대 단면도이다.
도 3a 및 도 3b는 도 2에 도시된 M영역을 확대한 개략도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 플라즈마 전압과 수용성 유기 화합물(VOCsol)의 제거 효율을 도시한 그래프이다.
도 5a는 일 실시예 및 비교예에 따른 플라즈마 전압과 비수용성 유기 화합물(VOCinsol)의 제거 효율을 도시한 그래프이다.
도 5b는 실시예에 따른 플라즈마 전압과 미세 먼지(PM)의 제거 효율을 도시한 그래프이다.
도 6은 일 실시예 및 비교예에 따른 플라즈마 전압과 오존(O3) 농도의 관계를 도시한 그래프이다.
도 7a 내지 도 7d는 실험예에 따른 톨루엔 농도와 오존 농도 변화를 도시한 그래프이다.
도 8a 내지 도 8b는 실험예에 따른 톨루엔 농도와 오존 농도 변화를 도시한 그래프이다.
도 9는 일 실시예에 따른 공기 정화 방법의 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다.
도 1은 공기 정화 장치의 일 실시예의 개략적인 구성도이다. 도 2은 도 1에 도시된 공기 정화 장치의 일부를 확대한 확대 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 일 예시에 따른 공기 정화 장치(1)는, 일 방향을 따라 연장된 중공 형상의 반응기(10), 반응기(10) 내부에서 방전 플라즈마를 발생시키는 방전 플라즈마 발생장치(20), 반응기(10)의 충전층(packed-bed)에 배치되는 복수 개의 유전체 입자들(30), 반응기(10)의 내부로 액체를 공급하는 액체 공급부(40) 및 반응기(10)로부터 배출되는 액체를 회수하는 액체 회수부(50) 및 액체 회수부(50)에 저장된 액체를 액체 공급부(40)로 전달하기 위한 압력을 발생시키는 펌프(60) 및 제어부(90)를 포함할 수 있다.
본 명세서에서 오염 공기(Air1)는 미세 먼지(PM), 수용성 유기 화합물(VOCsol) 및 비수용성 유기 화합물(VOCinsol) 중 하나 이상을 포함하는 혼합 기체를 의미한다. 일 예로서, 미세먼지(PM)는 10㎛ 이하의 작은 미세 먼지 및 2.5㎛ 이하의 초미세 먼지를 포함할 수 있다. 또한, 수용성 유기 화합물(VOCsol)은 휘발성 유기 화합물로서, 물 또는 수용액에 포집되어 제거될 수 있는 기체 물질, 예를 들어 암모니아(NH3), 아세트알데히드(CH3CHO), 초산(CH3COOH)을 포함할 수 있다. 또한, 비수용성 유기 화합물(VOCinsol)은 물 또는 수용액에 포집되지 않는 휘발성 유기 화합물로서, 예를 들어 벤젠(C6H6), 포름알데히드(CH2O), 톨루엔 (C6H5CH3)등을 포함할 수 있다. 다만, 본 개시가 이에 제한되는 것은 아니며, 방전 플라즈마에 의해 분해 및 이온화되어 반응기의 외부로 방출될 수 있는 임의의 기체가 오염 공기(Air1)에 포함될 수도 있다.
반응기(10)는 오염 공기(Air1) 및 액체의 유동로를 형성한다. 또한, 반응기(10)의 내부에는 복수 개의 유전체 입자들(30)이 배치된 충전층(11)이 마련된다. 일 예로서, 충전층(11)은 방전 플라즈마 발생장치(20)를 이용하여 방전 플라즈마가 생성되는 방전 영역일 수 있다. 다만, 본 개시가 이에 제한되는 것은 아니며, 충전층(11)을 포함한 다른 영역이 방전 영역일 수도 있다.
일 예시에 따른 반응기(10)는 일 방향을 따라 연장되며, 오염 공기(Air1) 및 액체가 유동할 수 있는 중공 형상을 구비할 수 있다. 다만, 반응기(10)의 형상은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 반응기(10)의 단면 형상은 원형, 다각형 등 다양할 수 있다. 본 실시예의 반응기(10)의 단면 형상은 원형이다. 일 예로서, 반응기(10)는 일 방향을 따라 연장된 유리 도관 또는 알루미늄 도관으로 마련될 수 있다. 다만, 본 개시가 이에 제한되는 것은 아니며, 방전 플라즈마 발생이 가능한 임의의 중공 형상의 도관이 반응기(10)로 사용되어도 무방하다.
일 예시에 따르면, 송풍기(미도시)에 의하여 오염 공기(Air1)가 오염 공기 유입구(70)를 통하여 반응기(10)로 공급된다. 오염 공기(Air1)는 반응기(10)에 의하여 형성되는 공기 유동로를 따라 이동되어 정화 공기 배출구(80)를 통하여 배출된다. 또한, 후술하게 될 액체 공급부(40)로부터 공급된 액체는 반응기(10)의 제1 단부(12)를 통해 유입되며, 액체 회수부(50)에 저장될 액체는 제2 단부(13)를 통해 배출될 수 있다.
방전 플라즈마 발생장치(20)는 반응기(10)의 외벽에 배치되는 제1 전극(21), 반응기(10)의 내부에 배치되는 제2 전극(22) 및 고전압 발생 장치(23)를 포함할 수 있다. 일 예시에 따른 제1 전극(21)은 접지 전극으로서, 방전 플라즈마가 발생될 수 있는 방전 영역은 제1 전극(21)으로 둘러싸일 수 있다. 예를 들어, 제1 전극(21)은, 반응기(10)가 도체일 경우, 반응기(10)와 일체화될 수 있으며, 반응기(10)가 부도체인 경우, 실버 페이트스 필름(silver paste film)으로 마련되어 반응기(10)의 외벽을 둘러싸도록 배치될 수 있다.
또한, 제2 전극(22)은 전력 전극으로서, 방전 플라즈마가 발생될 수 있는 방전 영역에서 제1 전극(21)과 소정의 간격을 사이에 두고 이격되도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 제2 전극(22)은 일 방향을 따라 연장된 스틸 와이어(steel wire)로 마련되어 반응기(10)의 내부에 배치될 수 있다.
또한, 고전압 발생 장치(23)는 방전 플라즈마가 발생될 수 있는 방전 영역에 고전압을 인가할 수 있다. 일 예시에 따른 고전압 발생 장치(23)는 정현파 AC 전원 공급 장치 및 변압기를 구비할 수 있다. 고전압 발생 장치(23)는 상술한 전기 시스템을 통해 지속적으로 고전압을 반응기(10) 내부 예를 들어, 방전 플라즈마가 발생될 수 있는 방전 영역에 인가할 수 있다. 일 예로서, 방전 영역에 인가된 전압은 2kV 이상 500kV 이하일 수 있으며, 주파수는 10 Hz이상 1000 Hz 이하일 수 있으나, 본 개시가 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 방전 영역에서 제1 전극(21)과 제2 전극(22) 사이의 이격 거리가 10mm이상 100mm이하될 수 있으며, 이에 따라 방전 영역에는 2kV/cm 이상 5kV/cm 이하의 전기장이 인가될 수 있다.
복수 개의 유전체 입자들(30)은 반응기(10) 내부의 충전층(11)에 배치될 수 있다. 일 예시에 따른 복수 개의 유전체 입자들(30)은 분극화되어 이온화된 오염 물질을 유인할 수 있다. 예를 들어 복수 개의 유전체 입자들(30)은 방전 플라즈마 발생장치(20)에 의해 발생된 방전 영역에서 분극화될 수 있는 유전 물질을 포함할 수 있다. 일 예로서, 복수 개의 유전체 입자들(30)은 금속 산화물 또는 금속질화물, 예를 들어 산화규소, 산화붕소, 산화알루미늄, 산화망간, 산화티타늄, 산화바륨, 산화구리, 산화마그네슘, 산화아연, 산화지르코늄, 산화이트륨, 산화칼슘, 산화니켈, 산화철 중 하나 이상 또는 상기 물질 간 혼합물 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 일 예로서, 복수 개의 유전체 입자들(30)은 소정의 기공을 형성하여, 오염 공기(Air1)가 반응기(10)에 잔존하는 시간을 조정할 수 있다. 예를 들어, 복수 개의 유전체 입자들(30)은 소정의 입경, 예를 들어 1mm이상 20mm이하의 평균 직경을 구비하는 비드(bead) 형상을 구비할 수 있다. 다만, 본 개시가 이에 제한되는 것은 아니며, 임의의 직육면체 등 다른 3차원 형상을 구비할 수도 있다.
복수 개의 유전체 입자들(30)이 충전층(11)에 배치될 수 있으며, 이에 따라 복수 개의 유전체 입자들(30)이 배치되는 충전층(11)은 0% 초과 90% 이하, 예를 들어 30%이상 60%이하의 공극률(porosity)을 구비할 수 있다. 일 예로서, 오염 공기(Air1) 및 액체가 반응기(10)에 잔존하는 시간을 조정하기 위해 충전층(11)에 배치되는 복수 개의 유전체 입자들(30)의 직경을 조절하여 충전층(11)의 공극률을 조정할 수 있다. 예를 들어, 오염 공기(Air1) 및 액체가 반응기(10)에 잔존하는 시간하는 시간을 증가시키기 위해 충전층(11)의 공극률을 감소시켜야 한다. 이때, 복수 개의 유전체 입자들(30)의 평균 직경은 감소시킴으로써, 충전층(11)의 공극률을 감소시킬 수 있다.
또한, 일 예시에 따른 복수 개의 유전체 입자들(30) 각각의 표면에는 액체가 둘러싸는 수막(31: 도 3a 참조)이 형성되어 오염 공기(Air1)를 포집할 수도 있다. 후술하게 될 액체 공급부(40)로부터 공급된 액체는 중력 방향(G)을 따라 하방으로 이동한다. 이때, 하방으로 이동하는 액체와 복수 개의 유전체 입자들(30) 각각이 접촉할 수 있다. 하방으로 이동하는 액체와 복수 개의 유전체 입자들(30)의 접촉에 의해 복수 개의 유전체 입자들(30) 각각의 표면에 수막(31)이 형성될 수 있다. 상술한 수막(31)에 인접하게 배치된 오염 공기(Air1)는, 수막(31)에 의해 포집되어 액체와 함께 반응기(10) 외부로 배출될 수 있다.
액체 공급부(40)는 액체를 저장하고, 저장된 액체를 반응기(10) 내에 공급할 수 있다. 일 예로서, 액체 공급부(40)는, 액체 공급부(40)에 저장된 액체를 반응기(10) 내부로 분사할 수 있는 하나 이상의 분사 노즐(42)을 포함할 수 있다. 액체 공급부(40)에 저장된 액체는 오염 공기(Air1)를 포집하여 반응기(10) 외부로 배출시킬 수 있는 임의의 유체일 수 있다. 예를 들어 액체는 물 또는 염기성 수용액일 수 있다.
일 예로서, 액체 공급부(40)에 저장된 물은 분사 노즐(42)을 통하여 미세한 액적 형태로 반응기(10) 내에 분사된다. 이 과정에서 액체는 복수 개의 유전체 입자들(30) 각각의 표면에 부착되어 수막(31)을 형성한다. 오염 공기(Air1) 중 일부는 복수 개의 유전체 입자들(30) 각각에 유인되어 수막(31)에 포집된다. 또한, 복수 개의 유전체 입자들(30)에 의해 오염 공기(Air1)의 흐름 방향이 구불구불하게 형성될 수 있다. 이에 따라 복수 개의 유전체 입자들(30) 각각의 표면에 형성된 수막(31)과 오염 공기(Air1)와의 접촉면적이 늘어나서 오염 공기(Air1)가 더 용이하게 수막(31)에 포집될 수 있다. 반응기(10) 내에는 오염 공기(Air1)와 액체가 혼합된 기-액 혼합 유체가 형성된다. 기-액 혼합 유체는 반응기(10)의 제2 단부(13) 쪽으로 흘러 반응기(10)의 외부로 배출된다.
일 예로서, 방전 플라즈마 발생장치(20)에 의해 공기 중의 산소(O2)로부터 오존(03)이 생성될 수 있다. 반응기(10) 내부에 오존(03)이 생성되어 오존(03) 농도가 상승하는 경우, 이를 방지하기 위해 액체 공급부(40)에 염기성 수용액이 저장될 수 있다. 일 예로서, 염기성 수용액은 2mmol/L 이상 20mmol/L 이하의 몰농도를 구비하는 수산화 나트륨(NaOH) 수용액일 수 있다. 반응기(10) 내부의 오존(03) 농도에 따라 염기성 수용액의 알칼리성 강도(PH) 또한 결정될 수 있다. 예를 들어 반응기(10) 내부의 오존(03) 농도가 증가하는 경우, 염기성 수용액의 알칼리성 강도(PH) 또한 이에 비례하여 증가될 수 있다.
액체 회수부(50)는 반응기(10)의 외부로 배출된 액체를 저장하고, 저장된 액체를 액체 공급부(40)로 다시 공급할 수 있다. 일 예로서, 액체 회수부(50)는 반응기(10)의 외부로 배출된 기-액 혼합 상태의 배출물을 저장한다. 이때, 액체 회수부(50)는 소정의 정화 장치(미도시)를 통해 기-액 혼합 상태의 배출물을 정화할 수 있다. 정화된 액체는 펌프(60)를 이용하여 액체 공급부(40)로 다시 공급되어 재사용될 수 있다.
제어부(90)는 예를 들면, 소프트웨어(예: 프로그램)를 실행하여　제어부(90)에 연결된 적어도 하나의 다른 구성요소(예: 하드웨어 또는 소프트웨어 구성요소)를 제어할 수 있고, 다양한 데이터 처리 또는 연산을 수행할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 제어부(90)는 고전압 발생 장치(23)에 대한 제어 신호를 생성하여, 고전압 발생 장치(23)에서 발생되는 전압의 크기를 제어할 수 있다. 예를 들어, 반응기(10)로 유입되는 오염 공기(Air1)의 유입량이 증가하거나 오염 물질의 농도가 증가하는 경우, 제어부(90)는 고전압 발생 장치(23)에서 생성되는 전압의 크기를 증가시키는 제어 신호를 고전압 발생 장치(23)로 전달할 수 있다. 이에 따라 오염 공기(Air1)의 유입량이 증가하는 경우에도 오염 공기(Air1)의 정화 효율을 유지하거나 증가시킬 수 있다.
촉매 반응기(95)는 반응기(10)의 후단에 배치되어 반응기(10)로부터 배출되는 오존을 촉매를 이용하여 제거할 수 있다. 일 예로서, 촉매 반응기(95)에 포함되는 촉매는 금속 산화물 또는 금속 질화물, 예를 들어 산화망간, 산화구리, 산화알루미늄, 산화티타늄 중 하나 이상 또는 상기 물질 간 혼합물 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
상술한 바와 같이, 공기 정화 장치(1)는 방전 플라즈마에 의한 분해와 액체에 의한 포집을 동시에 적용하여 오염 공기(Air1)를 정화할 수 있다. 이하에서는 오염 공기(Air1)에 포함된 미세 먼지(PM), 수용성 유기 화합물(VOCsol), 비수용성 유기 화합물(VOCinsol) 및 오존(03)을 구분하여 방전 플라즈마와 액체를 이용한 오염 공기(Air1)의 정화에 대해 보다 구체적으로 서술한다.
도 3a 및 도 3b는 도 2에 도시된 M영역을 확대한 개략도이다.
도 3a를 참조하면, 일 실시예에 따라 방전 플라즈마 발생장치(20)를 이용하여 충전층(11)에 고전압을 인가하는 경우, 반응기(10)의 내부에 배치된 제2 전극(22) 자체에서 전자(e)가 생성되거나 제2 전극(22) 주위의 기체에서 전자(e)가 만들어짐으로써 제2 전극(22) 주위에 방전　플라즈마가 형성될 수 있다. 제2 전극(22) 주위에서 생성된 전자(e)는 전기적 인력에 의해 반대 전하가 인가된 제2 전극(22)으로 이동한다. 반면, 전자가 분리된 이온은 주위의 미세 먼지(PM)를 하전시킴으로써, 미세 먼지(PM)는 (+)전하를 띠게 된다.
일 예로서, 방전 플라즈마 발생장치(20)를 이용하여 충전층(11)에 고전압을 인가하는 경우, 제1 전극(21)과 제2 전극(22) 사이에 전기장이 인가된다. 이때, 전기장에 배치된 복수 개의 유전체 입자들(30)은 분극될 수 있다. 일 예로서, 도 3a 에 도시된 바와 같이 제2 전극(22)과 마주보도록 배치된 유전체 입자(30)는 (-)전하를 띠게 된다. 상술한 바와 같이 플라즈마에 의해 (+)전하를 띤 미세 먼지(PM)는 전기적 인력에 의해 반대 전하가 걸려 있는 복수 개의 유전체 입자들(30)을 향해 이동한다. 이때, 복수 개의 유전체 입자들(30) 각각의 표면에는 액체에 의한 수막(31)이 형성되며, (+)전하를 띤 미세 먼지(PM)는 수막(31)에 의해 포집된다. 수막(31)을 형성한 액체는 중력 방향(G)을 따라 이동하여 반응기(10)의 외부로 배출된다. 이에 따라 액체에 포집된 미세 먼지(PM) 또한 액체와 함께 반응기(10)의 외부로 배출될 수 있다.
상술한 바와 같이, 충전층(11)에 복수 개의 유전체 입자들(30)을 충진시키고, 액체를 분사함으로써, 복수 개의 유전체 입자들(30) 각각의 표면에 수막(31)이 형성될 수 있다. 이에 따라 수막(31)을 형성한 액체와 미세 먼지(PM) 사이의 접촉 면적을 향상시켜 미세 먼지(PM)의 포집율을 향상시킬 수 있다. 또한, 방전 플라즈마 발생장치(20)를 이용하여 미세 먼지(PM)를 특정 전하 상태로 변화시키고, 복수 개의 유전체 입자들(30)을 반대 전하 상태로 변화시킴으로써, 복수 개의 유전체 입자들(30)과 미세 먼지(PM) 사이에 인력을 형성할 수 있다. 이에 따라 복수 개의 유전체 입자들(30) 각각에 형성된 수막(31)은 미세먼지(PM)에 대한 포집율을 향상시킬 수 있다.
일 예시에 따른 공기 정화 장치(1)는 플라즈마 발생장치(20)와 반응기(10) 내부에 분사되는 액체를 이용하여, 미세 먼지(PM) 뿐만 아니라 수용성 유기 화합물(VOCsol)과 비수용성 유기 화합물(VOCinsol) 또한 동시에 제거할 수 있다.
도 3b를 참조하면, 일 실시예에 따라 수용성 유기 화합물(VOCsol)을 제거하는 1차적 방법은, 반응기(10) 내부로 공급되는 액체에 수용성 유기 화합물(VOCsol)을 용해시켜 액체와 함께 배출시키는 것이다. 다만, 수용성 유기 화합물(VOCsol)의 유입 유량에 따라, 반응기(10) 내부에서 수용성 유기 화합물(VOCsol)이 잔존하는 시간이 상대적으로 충분하지 않을 수 있다. 이때, 수용성 유기 화합물(VOCsol)과 액체 사이의 접촉이 충분히 이루어지지 않음으로써, 수용성 유기 화합물(VOCsol)이 충분히 제거되지 않을 수 있다.
상술한 1차적 방법을 보충하기 위해, 방전 플라즈마 발생장치(20)를 이용하여 수용성 유기 화합물(VOCsol)을 직접 분해할 수 있다. 일 실시예에 따라 방전 플라즈마 발생장치(20)를 이용하여 충전층(11)에 고전압을 인가하는 경우, 수용성 유기 화합물(VOCsol)은 OH라디칼(OH·)을 이용하여 분해될 수 있다. 일 예로서, 방전 플라즈마 발생장치(20)를 이용하여 충전층(11)에 고전압을 인가하는 경우, 반응기(10)의 내부에 배치된 제2 전극(22) 주위에 있던 공기중의 산소(O2)와 물분자(H2O)들이 깨지면서 중성을 띤 가스 이온체 상태(플라즈마 상태)가 되고,　이 이온 중에서 OH라디칼(OH·)이 생성될 수 있다. 일 예로서, 수용성 유기 화합물(VOCsol) 중 초산(CH3COOH), 아세트알데히드(CH3CHO) 및 메탄(CH4)은 아래 반응식 1 내지 반응식 3과 같이 이산화탄소(CO2)와 물(H2O)로 분해될 수 있다.
[반응식 1]
CH3COOH+4OH+O2 → 2CO2+4H2O　
[반응식 2]
CH3CHO+6OH+O2　→ 2CO2+5H2O　
[반응식 3]
CH4+4OH+O2　→ CO2+4H2O　
분해 산물인 이산화탄소(CO2)와 물(H2O)는 액체와 함께 반응기(10) 외부로 배출될 수 있다. 상술한 바와 같이, 액체에 의해 수용성 유기 화합물(VOCsol)를 용해시키는 1차적 방법 및 방전 플라즈마 발생장치(20)를 이용한 2차적 방법을 이용함으로써, 수용성 유기 화합물(VOCsol)의 제거 효율을 향상시킬 수 있다.
비수용성 유기 화합물(VOCinsol)은 반응기(10)로 공급되는 액체, 예를 들어 물 또는 염기성 수용액에 용해될 수 없다. 따라서, 비수용성 유기 화합물(VOCinsol)을 액체에 용해시켜 제거하는 방식은 사용될 수 없다.
일 예시에 따르면, 플라즈마 발생장치(20)를 이용하여 비수용성 유기 화합물(VOCinsol)을 직접 분해할 수 있다. 일 실시예에 따라 방전 플라즈마 발생장치(20)를 이용하여 충전층(11)에 고전압을 인가하는 경우, 비수용성 유기 화합물(VOCinsol)은 OH라디칼(OH·)을 이용하여 분해될 수 있다. 일 예로서, 방전 플라즈마 발생장치(20)를 이용하여 충전층(11)에 고전압을 인가하는 경우, 반응기(10)의 내부에 배치된 제2 전극(22) 주위에 있던 공기중의 산소(O2)와 물분자(H2O)들이 깨지면서 중성을 띤 가스 이온체 상태(플라즈마 상태)가 되고,　이 이온 중에서 OH라디칼(OH·)이 생성될 수 있다. 일 예로서, 수용성 유기 톨루엔(C6H5CH3)은 OH라디칼(OH·)에 의해 이산화탄소(CO2)와 물(H2O)로 분해될 수 있다.
분해 산물인 이산화탄소(CO2)와 물(H2O)는 액체와 함께 반응기(10) 외부로 배출될 수 있다. 상술한 바와 같이, 방전 플라즈마 발생장치(20)를 이용한 분해 방법을 이용함으로써, 일 예시에 따른 공기 정화 장치(1)에서 비수용성 유기 화합물(VOCinsol)의 제거 효율을 향상시킬 수 있다.
도 4는 일 실시예에 따른 플라즈마 전압과 수용성 유기 화합물(VOCsol)의 제거 효율을 도시한 그래프이다.
<실험예 1>
대기압 및 실온에 가까운 온도에서, 공기 정화 장치(1)와 수용성 유기 화합물(VOCsol)의 반응을 수행하였다.
수용성 유기 화합물(VOCsol)인 암모니아(NH3), 아세트알데히드(CH3CHO), 초산(CH3COOH)의 혼합물 (NH3: CH3CHO: CH3COOH = 1:1:1)의 체적 유량(volume flow rate)은 4L/min이었다. 반응기(10)의 유전체 장벽으로는 내경 20 mm, 두께 2 mm의 석영관을 사용하였다. 2 mm 직경의 스텐레스강 로드를 제2 전극(22: 전력 전극)으로 사용하고 실버 페이스트 필름을 제1 전극(21: 접지 전극)으로 사용했다. 반응기(10) 중 280mm 길이의 방전 영역은 접지 전극으로 둘러쌓았다. 석영관 내부 표면과 제2 전극(22)인 고전압 전극 사이의 방전 갭은 9mm이다. 이때, 플라즈마 방전 영역의 체적은 80.865cm3으로 고정한다. 플라즈마 방전 영역에 마련된 충전층(11)에는 복수 개의 유전체 입자들(30)이 완전히 충전된다. 이때, 복수 개의 유전체 입자들(30)은 직경 6mm의 구 형상의 유리 입자이며 충전층(11)의 공극률은 58%이다. 반응기(10) 내부로 공급되는 액체는 물(H2O)이 사용되었으며, 100mL/min의 체적 유량으로 분사되었다. 정현파 AC 전원 공급 장치를 변압기에 연결하고, 이 전기 시스템을 통해 지속적으로 고 전압을 플라즈마 방전 영역에 가했다. 플라즈마 방전 영역에 인가된 전압을 0kV 내지 35 kV 로 변화시키며, 이때 전기장은 0kV/cm 내지 38.89kV/cm로 변화된다. 정화 공기 배출구(80)에서 암모니아(NH3), 아세트알데히드(CH3CHO), 초산(CH3COOH)의 잔존 비율을 측정하였다.
도 4를 참조하면, 암모니아(NH3)의 경우, 플라즈마 방전 영역에 전압이 5kV 이하로 인가된 제1 영역(Area 1)에서 모두 제거되었음을 확인할 수 있다. 즉, 암모니아(NH3)는 반응기(10) 내부로 공급되는 물(H2O)에 의해 액체 회수부(50)로 제거된다. 아세트알데히드(CH3CHO), 초산(CH3COOH) 또한, 플라즈마 방전 영역에 전압이 5kV 이하로 인가된 제1 영역(Area 1)에서 80%이상 제거되었음을 확인할 수 있다. 아세트알데히드(CH3CHO), 초산(CH3COOH) 중 나머지 잔존 물질은 25kV 이상의 고전압이 인가된 제2 영역(Area 2)에서 이산화탄소(CO2)와 물(H2O)로 분해되어 제거됨을 확인할 수 있다. 따라서, 수용성 유기 화합물(VOCsol)의 대부분은 액체에 의해 포집되어 1차적으로 제거됨을 확인할 수 있다. 잔존하는 나머지 수용성 유기 화합물(VOCsol)는 플라즈마 방전 영역에 인가된 고전압에 의해 분해되어 제거됨을 확인할 수 있다.
액체에 대한 용해성이 높은 암모니아(NH3)의 비율이 높은 경우, 수용성 유기 화합물(VOCsol)이 반응기(10) 내부에 잔존하는 시간을 향상시켜야 한다. 이를 위해, 충전층(11) 내부의 공극률이 감소될 수 있도록 복수 개의 유전체 입자들(30)의 평균 직경을 감소시킬 수 있다.
반면, 액체에 대한 용해성이 상대적으로 낮은 아세트알데히드(CH3CHO), 초산(CH3COOH)의 비율이 높은 경우, 플라즈마 방전 영역에 인가되는 전압을 상승시킴으로써, 수용성 유기 화합물(VOCsol)의 제거 효율을 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 제어부(90)는 고전압 발생 장치(23)에 대한 제어 신호를 생성하여, 고전압 발생 장치(23)에서 발생되는 전압의 크기를 증가시킴으로써, 수용성 유기 화합물(VOCsol)의 제거 효율을 향상시킬 수 있다.
도 5a는 일 실시예 및 비교예에 따른 플라즈마 전압과 비수용성 유기 화합물(VOCinsol)의 제거 효율을 도시한 그래프이다.
<실험예2-1 내지 실험예 2-3>
반응기(10)로 공급되는 오염 공기의 종류 및 체적 유량과 액체의 체적 유량을 제외한 나머지 실험 방법은 실험예 1과 동일하다.
실험예 2-1에서 반응기(10)로 유입되는 비수용성 유기 화합물(VOCinsol)은 22ppm의 톨루엔(C6H5CH3)이며, 톨루엔(C6H5CH3)을 포함하는 오염 공기의 체적 유량은 4L/min이다. 반응기(10)로 액체가 유입되지 않는다.
실험예 2-2에서 반응기(10)로 유입되는 비수용성 유기 화합물(VOCinsol)은 22ppm의 톨루엔(C6H5CH3)이며, 톨루엔(C6H5CH3)을 포함하는 오염 공기의 체적 유량은 4L/min이다. 반응기(10)로 유입되는 액체는 물(H2O)이며, 체적 유량은 100mL/min이다.
실험예 2-3에서 반응기(10)로 유입되는 비수용성 유기 화합물(VOCinsol)은 22ppm의 톨루엔(C6H5CH3)이며, 톨루엔(C6H5CH3)을 포함하는 오염 공기의 체적 유량은 4L/min이다. 반응기(10)로 유입되는 액체는 물(H2O)이며, 체적 유량은 200mL/min이다.
<실험예3-1 내지 실험예 3-3>
반응기(10)로 공급되는 오염 공기의 종류 및 체적 유량과 액체의 체적 유량을 제외한 나머지 실험 방법은 실험예 1과 동일하다.
실험예 3-1에서 반응기(10)로 유입되는 비수용성 유기 화합물(VOCinsol)은 22ppm의 톨루엔(C6H5CH3)이며, 톨루엔(C6H5CH3)을 포함하는 오염 공기의 체적 유량은 10L/min이다. 반응기(10)로 액체가 유입되지 않는다.
실험예 3-2에서 반응기(10)로 유입되는 비수용성 유기 화합물(VOCinsol)은 22ppm의 톨루엔(C6H5CH3)이며, 톨루엔(C6H5CH3)을 포함하는 오염 공기의 체적 유량은 10L/min이다. 반응기(10)로 유입되는 액체는 물(H2O)이며, 체적 유량은 100mL/min이다.
실험예 3-3에서 반응기(10)로 유입되는 비수용성 유기 화합물(VOCinsol)은 22ppm의 톨루엔(C6H5CH3)이며, 톨루엔(C6H5CH3)을 포함하는 오염 공기의 체적 유량은 10L/min이다. 반응기(10)로 유입되는 액체는 물(H2O)이며, 체적 유량은 200mL/min이다.
도 5a를 참조하면, 실험예 2-1 내지 실험예 2-3에서, 플라즈마 방전 영역에 전압이 25kV까지 상승함에 따라 톨루엔(C6H5CH3)의 제거 비율이 상승함을 확인할 수 있다. 다만, 반응기(10)로 공급되는 물(H2O)의 체적 유량에 관계 없이 플라즈마 방전 영역에 인가되는 전압에 따라 톨루엔(C6H5CH3)이 제거된다. 따라서, 비수용성 유기 화합물(VOCinsol)은 반응기(10)로 공급되는 액체의 유량에 관계 없이 잔존함을 확인할 수 있다.
또한, 실험예 3-1 내지 실험예 3-3에서, 플라즈마 방전 영역에 전압이 25kV까지 상승함에 따라 톨루엔(C6H5CH3)의 제거 비율이 상승함을 확인할 수 있다. 다만, 실험예 2-1 내지 실험예 2-3와 비교하여 톨루엔(C6H5CH3)을 포함하는 오염 공기의 체적 유량이 증가함에 따라 반응기(10) 내부에 톨루엔(C6H5CH3)이 잔존하는 시간이 단축될 수 있다. 이에 따라 플라즈마 방전 영역의 전압이 30kV까지 상승하는 경우에도 60% 정도의 톨루엔(C6H5CH3)만이 제거됨을 확인할 수 있다.
상술한 바와 같이 톨루엔(C6H5CH3)을 포함하는 오염 공기의 체적 유량이 증가함에 따라 반응기(10) 내부에 톨루엔(C6H5CH3)이 잔존하는 시간이 단축되는 경우, 톨루엔(C6H5CH3)을 완전히 제거하기 위해, 반응기(10) 내부에 톨루엔(C6H5CH3)이 잔존하는 시간을 증가시켜야 한다. 예를 들어, 반응기(10)로 공급되는 톨루엔(C6H5CH3)의 체적 유량을 감소시키거나, 충전층(11) 내부의 공극률을 감소시킴으로써, 반응기(10) 내부에 톨루엔(C6H5CH3)이 잔존하는 시간하는 시간을 증가시킬 수 있다. 상술한 실시예에서는 미세먼지(PM) 또는 수용성 유기 화합물(VOCsol), 비수용성 유기 화합물(VOCinsol)이 각각 포함된 오염 공기(Air1)에 대해 서술하였으나, 일 예시에 따른 공기 정화 장치(1)는 미세먼지(PM) 또는 수용성 유기 화합물(VOCsol), 비수용성 유기 화합물(VOCinsol) 중 2 이상이 포함된 오염 공기(Air1)를 정화시킬 수도 있다.
도 5b는 실시예에 따른 플라즈마 전압과 미세 먼지(PM)의 제거 효율을 도시한 그래프이다.
<실험예 4-1 내지 실험예 4-3>
대기압 및 실온에 가까운 온도에서, 공기 정화 장치(1)를 이용하여 미세먼지(PM)와 비수용성 유기 화합물(VOCinsol)의 반응을 수행하였다.
비수용성 유기 화합물(VOCinsol)은 22ppm의 톨루엔(C6H5CH3)이며, 톨루엔(C6H5CH3) 을 포함하는 오염 공기와 미세 먼지(PM)의 혼합물의 체적 유량(volume flow rate)은 10L/min이었다. 반응기(10)의 유전체 장벽으로는 내경 20 mm, 두께 2 mm의 석영관을 사용하였다. 2 mm 직경의 스텐레스강 로드를 제2 전극(22: 전력 전극)으로 사용하고 실버 페이스트 필름을 제1 전극(21: 접지 전극)으로 사용했다. 반응기(10) 중 260mm 길이의 방전 영역은 접지 전극으로 둘러쌓았다. 유리관 내부 표면과 제2 전극(22)인 고전압 전극 사이의 방전 갭은 9mm이다. 이때, 플라즈마 방전 영역의 체적은 80.865cm3으로 고정된다. 플라즈마 방전 영역에 마련된 충전층(11)에는 복수 개의 유전체 입자들(30)이 완전히 충전된다. 이때, 복수 개의 유전체 입자들(30)은 직경 2mm의 구 형상의 유리 입자이며 충전층(11)의 공극률은 53%이다. 반응기(10) 내부로 공급되는 액체는 2.5mmol/L 농도 및 PH11의 수산화나트륨(NaOH) 수용액이 사용되었으며, 75mL/min의 체적 유량으로 분사되었다. DC 펄스 전원 공급 장치를 반응기에 연결하고, 이 전기 시스템을 통해 지속적으로 고 전압을 플라즈마 방전 영역에 가했다.
도 5b를 참조하면, 실험예 4-1에서, 플라즈마 방전 영역에 인가된 전압은 18kV이며, 주파수는 840Hz이다. 실험예 4-2에서, 플라즈마 방전 영역에 인가된 전압은 20kV이며, 주파수는 840Hz이다. 실험예 4-3에서, 플라즈마 방전 영역에 인가된 전압은 22kV이며, 주파수는 840Hz이다. 실험예 4-1 내지 실험예 4-3와 관련하여, 정화 공기 배출구(80)에서, 미세먼지(PM), 톨루엔(C6H5CH3)의 잔존 비율 및 오존(O3)의 발생 농도를 측정하였다.
실험예 4-1에서, 미세먼지(PM)는 평균 83%이상 제거되며, 톨루엔(C6H5CH3)은 55%이상 제거된다. 반면, 10ppm의 오존(O3)이 발생된다.
실험예 4-2에서, 미세먼지(PM)는 평균 91%이상 제거되며, 톨루엔(C6H5CH3)은 64%이상 제거된다. 반면, 25ppm의 오존(O3)이 발생된다.
실험예 4-3에서, 미세먼지(PM)는 평균 94%이상 제거되며, 톨루엔(C6H5CH3)은 71%이상 제거된다. 반면, 38ppm의 오존(O3)이 발생된다.
실험예 4-1 내지 실험예 4-3를 참조하면, 플라즈마 방전 영역에 인가된 전압이 증가할수록 미세먼지(PM)와 톨루엔(C6H5CH3)의 제거 비율은 상승함을 확인할 수 있다. 다만, 플라즈마 방전 과정에서 산소(O2)의 분해가 발생되어 오존(O3) 발생량이 증가함을 확인할 수 있다. 오염 공기의 제거를 위해 플라즈마 방전 영역에 인가된 전압을 상승시킬 수 있으나, 오존(O3) 발생량 또한 감축시켜야 한다. 이를 위해 반응기(10) 내부로 유입되는 액체의 알칼리성 강도(PH)를 조정할 수 있다.
도 6은 일 실시예 및 비교예에 따른 플라즈마 전압과 오존(O3) 농도의 관계를 도시한 그래프이다.
<실험예 5-1 내지 실험예 5-4>
대기압 및 실온에 가까운 온도에서, 공기 정화 장치(1)를 이용하여 비수용성 유기 화합물(VOCinsol)의 반응을 수행하였다.
실험예 5-1에서, 비수용성 유기 화합물(VOCinsol)은 23ppm의 농도를 구비한 톨루엔(C6H5CH3)이며, 톨루엔(C6H5CH3)을 포함하는 오염 공기의 체적 유량(volume flow rate)은 10L/min이었다. 반응기(10)의 유전체 장벽으로는 내경 20 mm, 두께 2 mm의 유리관을 사용하였다. 2 mm 직경의 스텐레스강 로드를 제2 전극(22: 전력 전극)으로 사용하고 실버 페이스트 필름을 제1 전극(21: 접지 전극)으로 사용했다. 반응기(10) 중 260mm 길이의 방전 영역은 접지 전극으로 둘러쌓았다. 석영관 내부 표면과 제2 전극(22)인 고전압 전극 사이의 방전 갭은 9 mm이다. 이때, 플라즈마 방전 영역의 체적은 80.865 cm3으로 고정된다. 플라즈마 방전 영역에 마련된 충전층(11)에는 복수 개의 유전체 입자들(30)이 완전히 충전된다. 이때, 복수 개의 유전체 입자들(30)은 직경 2mm의 구 형상의 유리 입자이며 충전층(11)의 공극률은 53%이다. 반응기(10) 내부로 공급되는 액체가 공급되지 않는다. 플라즈마 방전 영역에 인가된 전압은 변화되며, 주파수는 210Hz이다.
실험예 5-2에서, 비수용성 유기 화합물(VOCinsol)은 22ppm의 농도를 구비한 톨루엔(C6H5CH3)이며, 톨루엔(C6H5CH3)을 포함하는 오염 공기의 체적 유량(volume flow rate)은 10L/min이었다. 반응기(10) 내부로 체적 유량 100mL/min의 물(H2O)이 공급된다. 나머지 구성은 실험예 5-1과 동일하다.
실험예 5-3에서, 비수용성 유기 화합물(VOCinsol)은 24ppm의 농도를 구비한 톨루엔(C6H5CH3)이며, 톨루엔(C6H5CH3)을 포함하는 오염 공기의 체적 유량(volume flow rate)은 10L/min이었다. 반응기(10) 내부로 체적 유량 100mL/min이며 몰 농도 1.25mmol/L의 수산화나트륨(NaOH) 수용액이 공급된다. 나머지 구성은 실험예 5-1과 동일하다.
실험예 5-4에서, 비수용성 유기 화합물(VOCinsol)은 25ppm의 농도를 구비한 톨루엔(C6H5CH3)이며, 톨루엔(C6H5CH3)을 포함하는 오염 공기의 체적 유량(volume flow rate)은 10L/min이었다. 반응기(10) 내부로 체적 유량 100mL/min이며 몰 농도 6.25mmol/L의 수산화나트륨(NaOH) 수용액이 공급된다. 나머지 구성은 실험예 5-1과 동일하다.
실험예 5-1을 참조하면, 가장 낮은 방전 플라즈마 전압에서도 오존(O3) 농도가 상승하는 것을 확인할 수 있다. 실험예 5-2를 참조하면, 실험예 5-1 보다 높은 방전 플라즈마 전압에서 오존(O3) 농도가 실험예 5-1과 유사하게 상승하는 것을 확인할 수 있다.
실험예 5-3을 참조하면, 실험예 5-2 보다 높은 방전 플라즈마 전압에서 오존(O3) 농도가 상승하며, 오존(O3) 농도가 실험예 5-1 보다 낮게 유지되는 것을 확인할 수 있다. 실험예 5-4를 참조하면, 실험예 5-3 보다 높은 방전 플라즈마 전압에서 오존(O3) 농도가 상승하며, 오존(O3) 농도가 실험예 5-3 보다 낮게 유지되는 것을 확인할 수 있다.
일 예시에 따른 공기 정화 장치(1)에서 플라즈마 방전 전압이 상승하는 경우, 비수용성 유기 화합물(VOCinsol)의 제거 비율이 상승할 수 있다. 반면, 플라즈마 방전 전압이 상승하는 경우, 산소(O2)의 분해 과정에서 오존(O3) 농도가 상승할 수 있다. 실험예 5-1 내지 실험예 5-4에서와 같이 반응기(10)로 공급되는 액체의 알칼리성 강도(PH)가 상승하는 경우, 오존(O3) 농도 상승을 억제할 수 있음을 확인할 수 있다. 따라서, 오염 공기(Air1)의 체적 유량 및 오염화도가 증가함에 따라 플라즈마 방전 전압을 상승시킬 수 있으며, 이때, 반응기(10)로 공급되는 액체의 알칼리성 강도(PH)를 상승시키는 경우, 오염 공기(Air1)를 정화할 수 있을 뿐만 아니라 오존(O3) 발생을 억제할 수 있다.
도 7a 내지 도 7d는 실험예에 따른 톨루엔 농도와 오존 농도 변화를 도시한 그래프이다.
<실험예 6-1 내지 실험예 6-4>
대기압 및 실온에 가까운 온도에서, 공기 정화 장치(1)를 이용하여 비수용성 유기 화합물(VOCinsol)의 반응을 수행하였다.
실험예 6-1에서, 비수용성 유기 화합물(VOCinsol)은 23ppm의 농도를 구비한 톨루엔(C6H5CH3)이며, 톨루엔(C6H5CH3)을 포함하는 오염 공기의 체적 유량(volume flow rate)은 10L/min이었다. 반응기(10)의 유전체 장벽으로는 내경 20 mm, 두께 2 mm의 유리관을 사용하였다. 2 mm 직경의 스텐레스강 로드를 제2 전극(22: 전력 전극)으로 사용하고 실버 페이스트 필름을 제1 전극(21: 접지 전극)으로 사용했다. 반응기(10) 중 260mm 길이의 방전 영역은 접지 전극으로 둘러쌓았다. 석영관 내부 표면과 제2 전극(22)인 고전압 전극 사이의 방전 갭은 9 mm이다. 이때, 플라즈마 방전 영역의 체적은 80.865 cm3으로 고정된다. 플라즈마 방전 영역에 마련된 충전층(11)에는 복수 개의 유전체 입자들(30)이 완전히 충전된다. 이때, 복수 개의 유전체 입자들(30)은 직경 2.2mm의 구 형상의 알루미나 입자이며 충전층(11)의 공극률은 53%이다. 반응기(10) 내부로 공급되는 액체가 공급되지 않는다. 플라즈마 방전 영역에 인가된 전압은 변화되며, 주파수는 210Hz이다.
실험예 6-2에서 반응기(10)로 유입되는 비수용성 유기 화합물(VOCinsol)은 30ppm의 톨루엔(C6H5CH3)이며, 톨루엔(C6H5CH3)을 포함하는 오염 공기의 체적 유량은 10L/min이다. 반응기(10)로 유입되는 액체는 물(H2O)이며, 체적 유량은 100mL/min이다. 나머지 구성은 실험예 6-1과 동일하다.
실험예 6-3에서 반응기(10)로 유입되는 비수용성 유기 화합물(VOCinsol)은 25.5ppm의 톨루엔(C6H5CH3)이며, 톨루엔(C6H5CH3)을 포함하는 오염 공기의 체적 유량은 10L/min이다. 반응기(10)로 액체가 유입되지 않는다. 반응기 후단에는 이산화망간(MnO2) 촉매가 충진된 반응기를 연결하였으며, 충진된 이산화망간 촉매의 체적은 80cm3이다. 나머지 구성은 실험예 6-1과 동일하다.
실험예 6-4에서 반응기(10)로 유입되는 비수용성 유기 화합물(VOCinsol)은 20ppm의 톨루엔(C6H5CH3)이며, 톨루엔(C6H5CH3)을 포함하는 오염 공기의 체적 유량은 10L/min이다. 반응기(10)로 유입되는 액체는 물(H2O)이며, 체적 유량은 100mL/min이다. 반응기 후단에는 이산화망간(MnO2) 촉매가 충진된 반응기를 연결하였으며, 충진된 이산화망간 촉매의 체적은 80cm3이다. 나머지 구성은 실험예 6-1과 동일하다.
실험예 6-1에서 톨루엔 제거율은 90%이며, 오존 농도는 476ppm이다.
실험예 6-2에서 톨루엔 제거율은 82%이며, 오존 농도는 74ppm이다.
실험예 6-3에서 톨루엔 제거율은 89%이며, 오존 농도는 1ppm 미만이다.
실험예 6-4에서 톨루엔 제거율은 73%이며, 오존 농도는 1ppm 미만이다.
실험예 6-3 내지 실험예 6-4를 참조하면, 이산화망간(MnO2)와 같은 오존 제거 촉매를 도입하여 오존 농도를 1ppm 미만으로 감소시킬 수 있음을 확인할 수 있다. 이 때, 유입 액체의 유무는 촉매의 오존 제거 성능에 영향을 미치지 않음을 확인할 수 있다.
도 8a 내지 도 8b는 실험예에 따른 톨루엔 농도와 오존 농도 변화를 도시한 그래프이다.
<실험예 7-1 내지 실험예 7-2>
대기압 및 실온에 가까운 온도에서, 공기 정화 장치(1)를 이용하여 비수용성 유기 화합물(VOCinsol)의 반응을 수행하였다.
실험예 7-1에서, 비수용성 유기 화합물(VOCinsol)은 22ppm의 톨루엔(C6H5CH3)이며, 톨루엔(C6H5CH3)을 포함하는 오염 공기와 미세 먼지(PM)의 혼합물의 체적 유량(volume flow rate)은 10L/min이었다. 반응기(10) 내부로 공급되는 액체가 공급되지 않는다. 반응기 후단에는 이산화망간(MnO2) 촉매가 충진된 반응기를 연결하였으며, 충진된 이산화망간 촉매의 체적은 80cm3이다. 나머지 구성은 실험예 6-1과 동일하다.
실험예 7-2에서, 비수용성 유기 화합물(VOCinsol)은 22ppm의 톨루엔(C6H5CH3)이며, 톨루엔(C6H5CH3)을 포함하는 오염 공기와 미세 먼지(PM)의 혼합물의 체적 유량(volume flow rate)은 10L/min이었다. 반응기(10)로 유입되는 액체는 물(H2O)이며, 체적 유량은 100mL/min이다. 반응기 후단에는 이산화망간(MnO2) 촉매가 충진된 반응기를 연결하였으며, 충진된 이산화망간 촉매의 체적은 80cm3이다. 나머지 구성은 실험예 6-1과 동일하다.
실험예 7-1에서, 미세먼지(PM)는 평균 99%이상 제거되며, 톨루엔(C6H5CH3)은 91%이상 제거된다. 오존(O3) 발생량은 1ppm 미만이다.
실험예 7-2에서, 미세먼지(PM)는 평균 99%이상 제거되며, 톨루엔(C6H5CH3)은 74%이상 제거된다. 오존(O3) 발생량은 1ppm 미만이다.
실험예 7-1 내지 실험예 7-2를 참조하면, 미세먼지(PM)와 톨루엔이 동시에공급되는 경우에도, 이산화망간(MnO2)와 같은 오존 제거 촉매를 도입하여 오존 농도를 1ppm 미만으로 감소시킬 수 있음을 확인할 수 있다.
도 9는 일 실시예에 따른 공기 정화 방법의 흐름도이다.
도 1 및 도 9를 참조하면, 일 예시에 따라 반응기(10) 내부로 액체를 유입시킬 수 있다. (S110) 일 예로서, 반응기(10)는 액체와 오염 공기(Air1)가 이동할 수 있는 유동 경로를 구비할 수 있다. 이때, 액체는 물 또는 염기성 수용액일 수 있다.
다음으로, 제1 전극(21) 및 제2 전극(22)에 소정의 전압을 인가하여 방전 플라즈마 발생시킬 수 있다. (S210) 일 예로서, 반응기(10)의 외벽부에는 접지 전극으로서 제1 전극(21)이 배치되고, 반응기(10)의 내부에는 전력 전극으로서 제2 전극(22)이 배치될 수 있다. 이때, 제1 전극(21)과 제2 전극(22)은 소정의 간격을 사이에 두고 상호 이격되도록 배치될 수 있다. 제1 전극(21)과 제2 전극(22)에 소정의 전압을 인가함으로써, 충전층(11)에 방전 플라즈마가 생성된다. 이때, 제1 전극(21)과 제2 전극(22)에 인가되는 전압의 크기는 제어부(90)를 통해 제어될 수 있다.
다음으로, 오염 공기(Air1)를 반응기(10) 내부로 유입시킬 수 있다. (S130) 일 예로서, 오염 공기(Air1)는 미세 먼지(PM), 수용성 유기 화합물(VOCsol) 및 비수용성 유기 화합물(VOCinsol) 중 하나 이상을 포함하는 혼합 기체일 수 있다. 오염 공기(Air1)가 유입되는 체적 유량은 공기 정화 장치(1)의 정화 능력에 따라 증가되거나 감소될 수 있다. 반응기(10) 내부로 유입된 오염 공기(Air1)는 액체에 의해 포집되거나, 플라즈마에 의해 이산화탄소(C02) 및 물(H20)로 분해될 수 있다.
다음으로, 반응기(10)의 후단에서 촉매를 이용하여 오존을 제거할 수 있다. (S140) 일 예로서, 촉매 반응기(95)에 포함되는 촉매는 산화망간, 산화구리, 산화알루미늄 중 하나 이상 또는 상기 물질 간 혼합물 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
다음으로, 반응기(10)로부터 액체 및 정화된 공기를 배출시킬 수 있다. (S150) 일 예시에 따라 오염 공기(Air1) 중 일부를 포집한 액체와 오염 공기(Air1) 중 일부가 분해되어 정화된 공기(Air2)가 반응기 외부로 배출될 수 있다.
오염 공기(Air1) 중 일부를 포집한 액체는 액체 회수부(50)에 저장될 수 있다. 액체 회수부(50)에 저장된 액체는 정화 장치를 이용하여 오염 공기(Air1)를 제거한 후 펌프(60)를 이용하여 액체 공급부(40)로 이동할 수 있다. 이에 따라 액체 공급부(40)는 정화된 물 또는 염기성 수용액을 다시 사용할 수 있다.
공기 정화 장치 및 공기 정화 방법의 실시예들이 이해를 돕기 위하여 도면들을 참고하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.
1: 공기 정화 장치
10: 반응기
11: 충전층
20: 플라즈마 발생장치
21: 제1 전극
22: 제2 전극
23: 고전압 발생 장치
30: 복수 개의 유전체 입자들
31: 수막
40: 액체 공급부
41: 액체 저장부
42: 분사 노즐
50: 액체 회수부
60: 펌프
70: 오염 공기 유입구
80: 정화 공기 배출구
90:제어부

Claims (24)

  1. 일 방향을 따라 연장된 중공 형상의 반응기;
    상기 반응기의 외벽에 배치되는 제1 전극과 상기 반응기의 내부에 배치되는 제2 전극을 구비하며, 소정의 방전 영역에 방전 플라즈마를 발생시키는 방전 플라즈마 발생 장치;
    상기 반응기의 충전층(packed-bed)에 배치되는 복수 개의 유전체 입자들;
    상기 반응기의 내부로 액체를 공급하는 액체 공급부; 및
    상기 반응기로부터 배출되는 상기 액체를 회수하는 액체 회수부;를 포함하는
    공기 정화 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 액체는 물을 포함하는
    공기 정화 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 액체는 염기성 수용액을 포함하는,
    공기 정화 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 염기성 수용액의 알칼리성 강도(PH)는 상기 반응기 내부의 오존 농도에 따라 결정되는,
    공기 정화 장치.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 액체는 2mmol/L 이상 20mmol/L 이하의 몰농도를 구비하는 수산화나트륨 수용액인,
    공기 정화 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 액체 회수부에 저장된 액체를 상기 액체 공급부로 전달하기 위한 압력을 발생시키는 펌프:를 더 포함하는,
    공기 정화 장치.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 충전층의 공극률은 0% 초과 90% 이하인,
    공기 정화 장치.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 복수 개의 유전체 입자들의 평균 입경은 1mm 이상 20mm 이하인,
    공기 정화 장치.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 복수 개의 유전체 입자들은 산화규소, 산화붕소, 산화알루미늄, 산화망간, 산화티타늄, 산화바륨, 산화구리, 산화마그네슘, 산화아연, 산화지르코늄, 산화이트륨, 산화칼슘, 산화니켈, 산화철 중 하나 이상 또는 상기 물질 간 혼합물 중 하나 이상을 포함하는,
    공기 정화 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 방전 영역에 2kV 이상 500kV 이하의 전압이 인가되는,
    공기 정화 장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 반응기 내부에 고전압을 인가하는 고전압 발생 장치; 및
    상기 고전압 발생 장치의 발생 전압을 제어하는 제어부;를 더 포함하며,
    상기 제어부는 상기 반응기로 유입되는 오염 공기의 유입량이 증가함에 따라, 상기 고전압 발생 장치에서 생성되는 전압의 크기를 증가시키는 제어 신호를 상기 고전압 발생 장치로 전달하는,
    공기 정화 장치.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 전극은 실버 페이스트 필름(silver paste film)으로 마련되는,
    공기 정화 장치.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 전극은 상기 일 방향을 따라 연장되며, 상기 제1 전극과 소정의 간격을 사이에 두고 이격되도록 배치되는,
    공기 정화 장치.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 반응기는 상기 일 방향을 따라 연장된 유리 도관으로 마련되는,
    공기 정화 장치.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 반응기의 후단에 배치되어 상기 반응기로부터 배출되는 오존을 촉매를 이용하여 제거할 수 있는 촉매 반응기;를 더 포함하는,
    공기 정화 장치.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 촉매는 산화망간, 산화구리, 산화알루미늄, 산화티타늄 중 하나 이상 또는 상기 물질 간 혼합물 중 하나 이상을 포함하는,
    공기 정화 장치.
  17. 제1 항에 따라 공기 정화 장치를 이용하여 오염 공기를 정화하는 공기 정화 방법에 관한 것으로서,
    상기 반응기 내부로 액체를 유입시키는 단계;
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극에 소정의 전압을 인가하여 방전 플라즈마 발생시키는 단계;
    상기 오염 공기를 상기 반응기 내부로 유입시키는 단계; 및
    상기 반응기로부터 액체 및 정화된 공기를 배출시키는 단계:를 포함하는,
    공기 정화 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 반응기로부터 배출된 상기 액체를 상기 액체 공급부로 공급하는 단계;를 더 포함하는,
    공기 정화 방법.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 액체는 물을 포함하는
    공기 정화 방법.
  20. 제 17 항에 있어서,
    상기 액체는 염기성 수용액을 포함하는,
    공기 정화 방법.
  21. 제20 항에 있어서,
    상기 염기성 수용액의 알칼리성 강도(PH)는 상기 반응기 내부의 오존 농도에 따라 결정되는,
    공기 정화 방법.
  22. 제 17 항에 있어서,
    상기 방전 플라즈마를 발생시키기 위해 2kV 이상 500kV 이하의 전압이 인가되는,
    공기 정화 방법.
  23. 제 17 항에 있어서,
    상기 반응기 후단에서 촉매를 이용하여 오존을 제거하는 단계를 더 포함하는,
    공기 정화 방법.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 촉매는 산화망간, 산화구리, 산화알루미늄, 산화티타늄 중 하나 이상 또는 상기 물질 간 혼합물 중 하나인,
    공기 정화 방법.

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