KR20220003237A - 이산화탄소 저감장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 이산화탄소 저감장치에 관한 것으로, 액체를 수용하는 반응 챔버; 반응 챔버에 설치되어 공기를 주입하는 공기 주입관; 공기를 흡입하여 공기 주입관을 통해 반응 챔버로 공기를 공급하는 공기 흡입팬; 반응 챔버에 설치되고, 이산화탄소의 액상화를 촉진하기 위해, 공기가 반응 챔버 내의 액체로 주입될 때 발생하는 기포의 급속 파괴를 유도함으로써, 공기 중의 이산화탄소가 액체 내로 용해 및 탄산화되도록 하는 진동자; 반응 챔버에 배치되고, 용해된 이산화탄소를 흡수하는 흡수제를 포함하는 이산화탄소 저감장치를 제공한다.

Description

이산화탄소 저감장치{Device for reducing carbon dioxide}
본 발명은 이산화탄소를 저감하는 장치에 관한 것이다.
휘발성 유기화합물(VOCs), 악취, 일산화탄소 등의 실내공기 유해물질에 비해, 이산화탄소의 경우, 인체의 급성 독성을 유발하지 않으나, 환기가 어려운 상태에서 재실자가 있을 경우, 그 농도가 10,000 ppm을 초과할 정도로 고농도로 존재한다.
이러한 고농도에 의해, 공기청정기에 이산화탄소 필터를 장착하여 제거하는데 있어서, 필터 수명이 매우 짧아지는 치명적 단점을 갖게 된다.
이산화탄소 흡수제를 적용하는 경우, 제거속도는 빠르나, 여전히 수명이 짧은 한계가 있고, 반응 후 CaCO3, Na2CO3, KHCO3 등으로 전환되는 방식이어서, 재생조차도 어려운 단점이 있다.
플라즈마/촉매 환원 방식의 경우, 저감 능력이 장시간 지속될 수도 있으나, 생성되는 반응 부산물에 의해 운전상 안전성을 유지하기 어려운 단점이 있다.
본 발명의 목적은 이산화탄소를 액체 내로 고속 용해시켜, 단순히 탄산을 주로 물리적으로 흡수시키는 기전을 적용함으로써, 제거 효율을 개선함과 동시에 재생 방법을 단순화시킬 수 있는 이산화탄소 저감장치를 제공하는 것이다.
본 발명은 상술한 목적을 달성하기 위해, 액체를 수용하는 반응 챔버; 반응 챔버에 설치되어 공기를 주입하는 공기 주입관; 공기를 흡입하여 공기 주입관을 통해 반응 챔버로 공기를 공급하는 공기 흡입팬; 반응 챔버에 설치되고, 이산화탄소의 액상화를 촉진하기 위해, 공기가 반응 챔버 내의 액체로 주입될 때 발생하는 기포의 급속 파괴를 유도함으로써, 공기 중의 이산화탄소가 액체 내로 용해 및 탄산화되도록 하는 진동자; 반응 챔버에 배치되고, 용해된 이산화탄소를 흡수하는 흡수제를 포함하는 이산화탄소 저감장치를 제공한다.
본 발명에 따른 이산화탄소 저감장치는 공기 흡입팬의 전단과 후단 중 적어도 한 곳에 설치되는 공기 필터를 추가로 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 이산화탄소 저감장치는 반응 챔버의 내부 표면에 코팅된 항균물질을 추가로 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 이산화탄소 저감장치의 구동은 액체를 채워놓고 회분식으로 수행하거나, 액체가 지속적으로 주입되고 배출되는 연속식으로 수행할 수 있다.
본 발명에 따른 이산화탄소 저감장치는 반응 챔버에 설치되는 액체 배출관; 액체 배출관에 설치되어 흡수제의 유실을 방지하는 필터를 추가로 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 이산화탄소 저감장치는 공기 주입관에 설치되고, 공기가 액체 내로 주입될 때 생성되는 기포의 최소화를 위해 마이크로 유로를 갖는 프릿을 추가로 포함할 수 있다.
본 발명에서 흡수제는 분체가 분산된 콜로이드 상태이거나, 폼 또는 모노리스의 구조체 형태로 함침되어 있을 수 있다.
본 발명에서 흡수제는 교체 및 세정의 용이성을 확보하도록, 콜로이드 또는 구조체가 삽입된 카트리지 형태로 탈부착 방식으로 적용될 수 있다.
본 발명에 따른 이산화탄소 저감장치는 반응 챔버에 설치되는 기체 배기관; 기체 배기관에 설치되는 이산화탄소 센서를 추가로 포함할 수 있다.
본 발명에서 이산화탄소 센서는 기본적으로 배기되는 공기 중의 이산화탄소 농도를 표시함과 동시에, 지정된 이산화탄소 농도보다 배기되는 공기 중의 이산화탄소 농도가 일정 시간 높게 유지되는 경우, 알람 기능을 포함함으로써 흡수제의 교체 또는 유지보수에 대한 정보를 제공할 수 있다.
본 발명에 따른 이산화탄소 저감장치는 반응 챔버에 설치되고, 액체에 용해되었거나 흡수제에 흡수된 이산화탄소의 재-기화를 억제하는 압력 밸브 및 압력 센서를 추가로 포함할 수 있다.
본 발명에서 진동자는 초음파 진동자, 압전 진동자, 또는 초음파 진동자와 압전 진동자의 혼합 형태일 수 있다.
본 발명에 따른 이산화탄소 저감장치는 이산화탄소를 액체 내로 고속 용해시켜, 단순히 탄산을 주로 물리적으로 흡수시키는 기전을 적용함으로써, 제거 효율을 개선함과 동시에 재생 방법을 단순화시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 이산화탄소 저감장치의 구성도이다.
본 발명은 이산화탄소 저감장치에 관한 것으로, 공기 중에 존재하는 이산화탄소를 저감하기 위해, 이산화탄소의 액상화 기술(또는 습식 제거 기술)을 적용하는 경우, 1) 이산화탄소의 액상화를 촉진하기 위해, 흡입된 공기가 액체(물)로 주입될 때 발생되는 기포의 급속 파괴(초음파 진동 또는 압전 진동: 5 kHz~5 MHz)를 유도함으로써, 공기 중의 이산화탄소가 효과적으로 액체 내로 용해(탄산화)되도록 하고, 2) 상기 용해된 이산화탄소는 액체 내에 함침되어 있는 흡수제를 의해 곧바로 흡수되는 기전을 구성한다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 이산화탄소 저감장치의 구성도로서, 본 발명에 따른 이산화탄소 저감장치는 반응 챔버(10), 액체 주입관(12), 액체 주입관 밸브(14), 공기 흡입팬(20), 공기 필터(22), 공기 주입관(24), 프릿(26), 진동자(30), 진동자 팁(32), 흡수 베드(40), 액체 배출관(50), 액체 배출관 필터(52), 액체 배출관 밸브(54), 기체 배기관(60), 기체 배기구(62), 이산화탄소 센서(64), 농도 표시 패널(66), 압력 조절관(70), 압력 밸브(72) 등으로 구성될 수 있다.
반응 챔버(10)는 반응이 일어나는 곳으로, 금속이나 플라스틱 등을 이용하여 원통형이나 다각통(사각통 등) 등의 밀폐된 통 형상으로 제작될 수 있다. 반응 챔버(10)는 반응에 필요한 액체 및 흡수제 등을 수용할 수 있다. 액체는 예를 들어 물(증류수, 수돗물 등)일 수 있다. 액체의 수용 부피 또는 액위는 필요에 따라 적절하게 설정할 수 있고, 예를 들어 전체 부피 또는 전체 높이의 2/3 이상일 수 있다. 또한, 반응 챔버(10)의 내부 표면에는 항균물질을 코팅시킴으로써, 미생물 등에 의한 오염을 방지할 수 있다. 항균물질은 예를 들어 이산화 티타늄, 구리, 나노 실버 등을 포함할 수 있고, 적절한 바인더 등을 이용하여 코팅할 수 있다.
액체 주입관(12)은 반응 챔버(10)의 일측에, 예를 들어 좌측면 상부에 배치되어 반응 챔버(10)에 액체(물 등)를 주입할 수 있다. 액체 주입관(12)에는 액체 주입관 밸브(14)가 설치되어 액체 주입관(12)의 개폐 및 액체 주입량을 제어할 수 있다.
공기 흡입팬(20)은 대기 중의 공기를 흡입하여 공기 주입관(24)을 통해 반응 챔버(10)로 공기를 공급할 수 있다. 공기 흡입팬(20)의 일단에는 공기 흡입관이 연결될 수 있고, 공기 흡입팬(20)의 타단에는 공기 주입관(24)이 연결될 수 있다. 공기 흡입팬(20)의 흡입력 및 공기 유속 등은 필요에 따라 적절하게 설정할 수 있다.
공기 필터(22)는 공기 흡입팬(20)의 전단(공기 흡입관)과 후단(공기 주입관) 중 적어도 한 곳에 설치됨으로써, 주입되는 공기 중의 오염물질을 여과하여 반응 챔버(10) 내의 액체(물 등) 및 흡수 베드 등의 오염을 방지할 수 있다. 공기 필터(22)는 입자상 오염물질 및/또는 가스상 오염물질을 여과할 수 있다. 공기 필터(22)는 예를 들어 통상적인 활성탄 필터 및/또는 정전 필터 등으로 구성될 수 있다. 공기 필터(22)는 필터 모듈 형태로 공기 주입관(24)에 장착될 수 있다.
공기 주입관(24)은 반응 챔버(10)에 설치되어 공기를 주입할 수 있다. 공기 주입관(24)의 일단은 공기 흡입팬(20)에 연결될 수 있고, 공기 주입관(24)의 타단은 반응 챔버(10)의 내부에 배치되되, 반응 챔버(10) 내의 액체에 잠길 수 있는 높이로 배치될 수 있다. 공기 주입관(24)에는 상술한 바와 같이 공기 필터(22)가 설치될 수 있다.
프릿(Frit)(26)은 반응 챔버(10) 내의 액체에 잠기는 공기 주입관(24)의 타단에 설치될 수 있고, 공기가 액체 내로 주입될 때 생성되는 기포의 최소화를 위해 마이크로 유로를 가질 수 있다. 프릿(26)은 유리나 세라믹 재료 등으로 제작될 수 있다. 마이크로 유로는 수직 방향으로 평행하게 배치되는 복수의 유로(예를 들어, 2 내지 100개)를 포함할 수 있다. 마이크로 유로의 크기는 특별히 제한되지 않고, 그 직경은 예를 들어 1 내지 1000 ㎛일 수 있다. 프릿(26)은 공기 주입관(24)의 타단에 장착되거나, 공기 주입관(24)의 타단 내부에 삽입되거나, 공기 주입관(24)과 일체로 형성될 수 있다.
진동자(30)는 반응 챔버(10)에 설치되고, 이산화탄소의 액상화를 촉진하기 위해, 공기가 반응 챔버(10) 내의 액체로 주입될 때 발생하는 기포의 급속 파괴를 유도함으로써, 공기 중의 이산화탄소가 액체 내로 용해 및 탄산화되도록 할 수 있다. 진동자(30)는 초음파 진동자, 압전 진동자, 또는 초음파 진동자와 압전 진동자의 혼합 형태일 수 있다. 즉, 초음파 진동자 대신 압전 진동자, 또는 초음파 진동자와 압전 진동자를 혼합하여 사용할 수 있으며, 이들의 배열과 위치는 필요에 따라 적절하게 변경될 수 있다. 진동자(30)의 주파수는 5 kHz 내지 5 MHz일 수 있다. 진동자(30)는 적어도 그 일부가 반응 챔버(10) 내의 액체에 잠기도록 배치될 수 있다. 특히, 진동이 발생하는 진동자(30)의 끝 부부인 진동자 팁(32)은 액체 속에 잠기되, 프릿(26) 하부에 프릿(26)과 인접하게 배치됨으로써, 진동 효과를 극대화할 수 있다.
공기는 프릿(26)을 통과하면서 기포가 최소화된 후, 반응 챔버(10) 내의 액체로 주입되어 기-액 접촉이 일어나는 순간에, 프릿(26)과 인접한 진동자(30)에 의해 기포가 급속하게 파괴되면서, 공기 중의 이산화탄소가 액체 내로 용해됨과 동시에, 물과 반응하여 하기 반응식과 같이 탄산이 형성된다. 이후, 탄산 형태의 이산화탄소는 흡수제에 흡수되어 제거된다.
[반응식 1]
CO2 + H2O → H2CO3 (탄산)
흡수 베드(40)는 반응 챔버(10)에 배치되고 흡수제를 포함하여 액체에 용해된 탄산 형태의 이산화탄소를 흡수하는 역할을 한다. 여기서, 베드는 흡수제를 포함하는 폼, 모노리스, 카트리지, 층, 시트, 용기, 모듈 등을 의미할 수 있다. 구체적으로, 흡수제는 분체(가루)가 분산된 콜로이드 상태이거나, 폼(Foam) 또는 모노리스(Monolith) 등의 구조체 형태로 함침되어 있을 수 있다. 또한, 흡수제는 교체 및 세정의 용이성을 확보하도록, 콜로이드 또는 구조체가 삽입된 카트리지 형태로 탈부착 방식으로 적용될 수 있다.
탄산 흡수 베드에 사용되는 흡수제로는 탄소계 흡수제, 알칼리 금속계 흡수제, 제올라이트계 흡수제, 금속 유기 구조체(MOFs)계 흡수제, 및/또는 마이크로다공성 유기 고분자(MOPs)계 흡수제 등을 사용할 수 있다.
표 1은 탄소계 흡수제의 종류, 흡수 온도, 흡수 압력, 흡수 용량을 나타낸 것이다. 표 1에서 AC는 활성탄, CNT는 탄소나노튜브를 의미한다.
[표 1]
Figure pat00001
탄소계 흡수제의 경우, 성능 개선을 위해, 표면을 하기 표 2의 물질로 표면 처리해서 사용할 수도 있다.
[표 2]
Figure pat00002
표 3은 알칼리 금속계 흡수제의 종류, 담체 종류, 흡수 온도, 재생 온도, 흡수 용량을 나타낸 것이다. 추가로 포함시킬 수 있는 담체 재료(Support Materials)로는 CeO2, ZrO2, Y2O3, TiO2, Ni2O3, Fe2O3, Co3O4, MgO, WO3, ZnO, Al2O3, La2O3, Ga2O3 등을 사용할 수 있다.
[표 3]
Figure pat00003
표 4는 제올라이트계 흡수제의 종류, 흡수 온도, 흡수 압력, 흡수 용량을 나타낸 것이다.
[표 4]
Figure pat00004
표 5는 금속 유기 구조체(Metal Organic Frameworks; MOFs)계 흡수제의 종류, 흡수 온도, 흡수 압력, 흡수 용량을 나타낸 것이다.
[표 5]
Figure pat00005
표 6은 마이크로다공성 유기 고분자(Microporous Organic Polymers; MOPs)계 흡수제의 종류, 흡수 온도, 흡수 압력, 흡수 용량을 나타낸 것이다.
[표 6]
Figure pat00006
액체 배출관(50)은 반응 챔버(10)의 일측에, 예를 들어 우측면 하부에 배치되어 반응 챔버(10)로부터 액체(물 등)를 배출할 수 있다. 액체 배출관(50)에는 흡수제의 유실을 방지하기 위해 액체 배출관 필터(52)를 설치할 수 있다. 필터(52)로는 흡수제를 여과할 수 있는 통상적인 필터를 사용할 수 있고, 모듈 형태로 액체 배출관(50)에 장착될 수 있다. 또한, 액체 배출관(50)에는 액체 배출관 밸브(54)가 설치되어 액체 배출관(50)의 개폐 및 액체 배출량을 제어할 수 있다.
기체 배기관(60)은 반응 챔버(10)의 일측에, 예를 들어 우측 상면에 배치되어 반응 챔버(10)로부터 기체(공기 등)를 배출할 수 있다. 기체 배기관(60)의 말단에는 기체 배기구(62)가 설치될 수 있다.
이산화탄소 센서(64)는 기체 배기관(60)에 설치되고, 알람 기능을 포함하는 농도 표시 패널(66)을 구비할 수 있다. 이산화탄소 센서(64)는 기본적으로 배기되는 공기 중의 이산화탄소 농도를 표시함과 동시에, 지정된 이산화탄소 농도보다 배기되는 공기 중의 이산화탄소 농도가 일정 시간 높게 유지되는 경우, 알람 기능을 포함함으로써 흡수제(탄산 흡수 베드)의 교체 또는 세정 등과 같은 유지보수에 대한 정보를 제공할 수 있다.
압력 조절관(70)은 반응 챔버(10)의 일측에, 예를 들어 우측 상면에 배치될 수 있다. 압력 조절관(70)에는 반응 챔버(10) 내의 압력을 조절하기 위한 압력 밸브(72) 및 반응 챔버(10) 내의 압력을 측정하기 위한 압력 센서(미도시)가 설치될 수 있다. 이와 같이, 압력 밸브(72)와 압력 센서를 설치함으로써, 물에 용해되었거나, 흡수 베드(40)에 흡수된 이산화탄소의 재기화(Re-Gasification)를 억제할 수 있다.
본 발명에 따른 이산화탄소 저감장치의 구동은 액체를 채워놓고 회분식으로 수행하거나, 액체가 지속적으로 주입되고 배출되는 연속식으로 수행할 수 있다.
본 발명에 따른 이산화탄소 저감장치는 이산화탄소를 액체 내로 고속 용해시켜, 단순히 탄산을 주로 물리적으로 흡수시키는 기전을 적용함으로써, 제거 효율을 개선함과 동시에 재생 방법을 단순화시킬 수 있다.
10: 반응 챔버, 12: 액체 주입관, 14: 액체 주입관 밸브, 20: 공기 흡입팬, 22: 공기 필터, 24: 공기 주입관, 26: 프릿, 30: 진동자, 32: 진동자 팁, 40: 흡수 베드, 50: 액체 배출관, 52: 액체 배출관 필터, 54: 액체 배출관 밸브, 60: 기체 배기관, 62: 기체 배기구, 64: 이산화탄소 센서, 66: 농도 표시 패널, 70: 압력 조절관, 72: 압력 밸브

Claims (12)

  1. 액체를 수용하는 반응 챔버;
    반응 챔버에 설치되어 공기를 주입하는 공기 주입관;
    공기를 흡입하여 공기 주입관을 통해 반응 챔버로 공기를 공급하는 공기 흡입팬;
    반응 챔버에 설치되고, 이산화탄소의 액상화를 촉진하기 위해, 공기가 반응 챔버 내의 액체로 주입될 때 발생하는 기포의 급속 파괴를 유도함으로써, 공기 중의 이산화탄소가 액체 내로 용해 및 탄산화되도록 하는 진동자;
    반응 챔버에 배치되고, 용해된 이산화탄소를 흡수하는 흡수제를 포함하는 이산화탄소 저감장치.
  2. 제1항에 있어서,
    공기 흡입팬의 전단과 후단 중 적어도 한 곳에 설치되는 공기 필터를 추가로 포함하는 이산화탄소 저감장치.
  3. 제1항에 있어서,
    반응 챔버의 내부 표면에 코팅된 항균물질을 추가로 포함하는 이산화탄소 저감장치.
  4. 제1항에 있어서,
    이산화탄소 저감장치의 구동은 액체를 채워놓고 회분식으로 수행하거나, 액체가 지속적으로 주입되고 배출되는 연속식으로 수행하는 이산화탄소 저감장치.
  5. 제1항에 있어서,
    반응 챔버에 설치되는 액체 배출관;
    액체 배출관에 설치되어 흡수제의 유실을 방지하는 필터를 추가로 포함하는 이산화탄소 저감장치.
  6. 제1항에 있어서,
    공기 주입관에 설치되고, 공기가 액체 내로 주입될 때 생성되는 기포의 최소화를 위해 마이크로 유로를 갖는 프릿을 추가로 포함하는 이산화탄소 저감장치.
  7. 제1항에 있어서,
    흡수제는 분체가 분산된 콜로이드 상태이거나, 폼 또는 모노리스의 구조체 형태로 함침되어 있는 이산화탄소 저감장치.
  8. 제1항에 있어서,
    흡수제는 교체 및 세정의 용이성을 확보하도록, 콜로이드 또는 구조체가 삽입된 카트리지 형태로 탈부착 방식으로 적용되는 이산화탄소 저감장치.
  9. 제1항에 있어서,
    반응 챔버에 설치되는 기체 배기관;
    기체 배기관에 설치되는 이산화탄소 센서를 추가로 포함하는 이산화탄소 저감장치.
  10. 제9항에 있어서,
    이산화탄소 센서는 기본적으로 배기되는 공기 중의 이산화탄소 농도를 표시함과 동시에, 지정된 이산화탄소 농도보다 배기되는 공기 중의 이산화탄소 농도가 일정 시간 높게 유지되는 경우, 알람 기능을 포함함으로써 흡수제의 교체 또는 유지보수에 대한 정보를 제공하는 이산화탄소 저감장치.
  11. 제1항에 있어서,
    반응 챔버에 설치되고, 액체에 용해되었거나 흡수제에 흡수된 이산화탄소의 재-기화를 억제하는 압력 밸브 및 압력 센서를 추가로 포함하는 이산화탄소 저감장치.
  12. 제1항에 있어서,
    진동자는 초음파 진동자, 압전 진동자, 또는 초음파 진동자와 압전 진동자의 혼합 형태인 이산화탄소 저감장치.
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