KR20220056021A - 미세 먼지 포집장치 - Google Patents

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KR20220056021A
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정준선
최형우
강진규
이현철
안익현
육세진
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삼성전자주식회사
한양대학교 산학협력단
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Abstract

개시된 미세 먼지 포집 장치는, 미세 먼지를 포함하는 공기가 흐르는 덕트 내에 물을 분사하여 공기 중의 미세 먼지를 포집하는 액적 분사부와, 상기 미세 먼지를 포함하는 액적을 포집하는 다공성 부재를 구비하는 집진부를 포함한다. 상기 다공성 부재의 표면은 물이 다공성 부재의 표면으로부터 용이하게 분리될 수 있도록 소수성 처리된다.

Description

미세 먼지 포집장치{particulate matter collector}
기체 중의 미세 먼지를 포집하는 장치가 개시된다.
미세 먼지 포집 장치는, 기체, 예를 들어 공기 중의 미세 먼지를 포집하여 공기를 정화한다. 미세 먼지 포집 장치는 산업용 집진 설비, 건물 내 공조/환기 시스템 등에 적용될 수 있다.
공기 중의 미세 먼지를 제거하는 대표적인 방법으로서, 여과법이 있다. 여과법은 필터를 이용하여 공기 중에 포함된 미세 먼지를 포집하는 방법이다. 여과법은 먼지 제거 효율이 우수하고 다양한 형태의 먼지를 공기 중으로부터 걸러낼 수 있다. 필터에 포집된 미세 먼지의 양이 증가되면 필터의 성능이 저하될 수 있으며, 필터에 의한 압력 강하가 커질 수 있다. 필터는 주기적으로 관리되거나 교체될 수 있다.
집진부의 차압(pressure drop)을 줄일 수 있는 습식 미세 먼지 포집 장치를 제공한다.
집진 성능이 향상된 습식 미세 먼지 포집 장치를 제공한다.
일 측면에 따른 미세 먼지 포집 장치는, 미세 먼지를 포함하는 공기가 흐르는 덕트; 상기 덕트 내에 물을 분사하여 기-액 혼합 유체를 형성하며, 공기 중의 미세 먼지를 포집하는 액적 분사부; 상기 기-액 혼합 유체가 통과되는 미세 유로를 형성하며 상기 미세 먼지를 포함하는 액적을 포집하는 다공성 부재를 구비하는 집진부;를 포함하며, 상기 다공성 부재의 표면은 소수성 처리된다.
상기 다공성 부재는 메쉬 스크린을 포함할 수 있다.
상기 다공성 부재는 다공성 폼 블록을 포함할 수 있다.
상기 다공성 부재는, 하우징과, 상기 하우징 내부에 충전되는 다수의 충전제를 포함하며, 상기 다수의 충전제의 표면은 소수성 처리될 수 있다. 상기 하우징에는 상기 다수의 충전제 표면에 포집된 액적이 배출되는 배출구가 마련될 수 있다. 상기 하우징은 상기 액적을 포함하는 공기가 유입되는 입구와 상기 공기가 배출되는 출구를 포함하며, 상기 입구와 상기 출구에는 메쉬 스크린이 배치될 수 있다. 상기 메쉬 스크린은 소수성 처리될 수 있다. 상기 다수의 충전제의 직경은 균일할 수 있다. 상기 다수의 충전제의 직경은 불균일할 수 있다.
상기 액체와 상기 미세 유로의 표면과의 접촉각은 100도 이상일 수 있다.
상기 다공성 부재의 표면은 요철 처리될 수 있다. 상기 다공성 부재는 메쉬 스크린, 다공성 폼 블록, 하우징 내부에 충전되는 다수의 충전제 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 집진부는 상기 공기의 흐름 방향으로 배치되는 다수의 상기 다공성 부재를 포함할 수 있다.
일 측면에 따른 미세 먼지 포집 장치는, 미세먼지를 포함하는 공기가 흐르는 덕트; 상기 덕트 내에 액체를 분사하여 공기 중의 미세 먼지를 포집하는 액적 분사부; 기-액 혼합 유체가 통과되는 미세 유로를 형성하며, 상기 미세 먼지를 포함하는 액적을 포집하는 집진부;를 포함하며, 상기 미세 유로의 표면은 상기 액체에 대하여 비친화적이다.
상기 미세 유로의 표면은 요철 처리될 수 있다.
상기 집진부는 상기 미세 유로를 형성하는 메쉬 스크린을 포함할 수 있다. 상기 메쉬 스크린의 표면은 요철 처리될 수 있다.
상기 집진부는 상기 미세 유로를 형성하는 다공성 폼 블록을 포함할 수 있다.
상기 집진부는, 하우징과, 상기 하우징 내부에 충전되어 상기 미세 유로를 형성하는 다수의 충전제를 포함하며, 상기 다수의 충전제의 표면은 상기 액체에 대하여 비친화적이다.
상기 액체와 상기 미세 유로의 표면과의 접촉각은 100도 이상일 수 있다.
전술한 미세 먼지 포집 장치의 실시예들에 따르면, 미세 먼지를 포함하는 액적이 집진부에 포집된 후에 집진부로부터 쉽게 배출되므로 집진부에서의 차압, 즉 집진부를 통과하는 동안의 압력 강하량을 줄일 수 있다. 따라서, 미세 먼지 포집 장치의 에너지 소비량을 줄일 수 있다. 공기 중의 미세 먼지가 액적에 포집되어 걸러지므로 높은 집진 성능이 구현될 수 있다. 미세 먼지가 포집된 액적이 용이하게 집진부로부터 배출되므로 집진부의 주기적인 관리 또는 교체 부담을 줄일 수 있다.
도 1은 미세 먼지 포집 장치의 일 실시예의 개략적인 구성도이다.
도 2는 집진부의 일 실시예를 보여준다.
도 3은 집진부의 일 실시예를 보여준다.
도 4는 도 3에 도시된 메쉬 스크린의 정면도이다.
도 5는 집진부의 일 예의 개략적인 사시도이다.
도 6과 도 7은 충전제의 예를 보여주는 사시도들이다.
도 8과 도 9는 소수성 처리된 니켈 폼을 포함하는 집진부의 입자 제거율을 보여주는 그래프들로서, 도 8은 PM<1.0 미세 먼지에 대한 입자 제거율을, 도 9는 PM>1.0 미세 먼지에 대한 입자 제거율을 각각 보여준다.
도 10은 소수성 처리된 니켈 폼을 포함하는 집진부(3)의 차압의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 11과 도 12는 소수성 처리된 니켈 폼을 포함하는 집진부의 입자 제거 성능 지수를 보여주는 그래프들로서, 도 11은 PM<1.0 미세 먼지에 대한 입자 제거 성능 지수를, 도 12는 PM>1.0 미세 먼지에 대한 입자 제거 성능 지수를 각각 보여준다.
도 13과 도 14는 소수성 처리된 SUS 50 메쉬 스크린을 포함하는 집진부의 입자 제거율을 보여주는 그래프들로서, 도 13은 PM<1.0 미세 먼지에 대한 입자 제거율을, 도 14는 PM>1.0 미세 먼지에 대한 입자 제거율을 각각 보여준다.
도 15는 소수성 처리된 SUS 50 메쉬 스크린을 포함하는 집진부(3)의 차압의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 16과 도 17은 소수성 처리된 SUS 50 메쉬 스크린을 포함하는 집진부의 입자 제거 성능 지수를 보여주는 그래프들로서, 도 16은 PM<1.0 미세 먼지에 대한 입자 제거 성능 지수를, 도 17은 PM>1.0 미세 먼지에 대한 입자 제거 성능 지수를 각각 보여준다.
도 18과 도 19는 요철 처리 및 소수성 처리된 SUS 400 메쉬 스크린을 포함하는 집진부의 입자 제거율을 보여주는 그래프들로서, 도 18은 PM<1.0 미세 먼지에 대한 입자 제거율을, 도 19는 PM>1.0 미세 먼지에 대한 입자 제거율을 각각 보여준다.
도 20은 요철 처리 및 소수성 처리된 SUS 400 메쉬 스크린을 포함하는 집진부의 차압의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 21과 도 22는 여철 처리 및 소수성 처리된 SUS 400 메쉬 스크린을 포함하는 집진부의 입자 제거 성능 지수를 보여주는 그래프들로서, 도 21은 PM<1.0 미세 먼지에 대한 입자 제거 성능 지수를, 도 22는 PM>1.0 미세 먼지에 대한 입자 제거 성능 지수를 각각 보여준다.
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 미세 먼지 포집 장치의 일 실시예의 개략적인 구성도이다. 도 1을 참조하면, 미세 먼지 포집 장치는, 미세 먼지를 포함하는 공기가 흐르는 덕트(1), 덕트(1) 내에 액체를 분사하여 공기 중의 미세 먼지를 포집하는 액적 분사부(2), 기-액 혼합 유체가 통과되는 미세 유로(31)를 형성하며 미세 먼지를 포함하는 액적을 포집하는 집진부(3)를 포함할 수 있다. 미세 유로(31)의 표면은 액체에 대하여 비친화적이다. 예를 들어, 미세 유로(31)의 표면에는 액체에 비친화적인 코팅층이 형성될 수 있다.
덕트(1)는 공기 유동로를 형성한다. 덕트(1)의 형태는 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 덕트(1)의 단면 형상은 원형, 다각형 등 다양할 수 있다. 본 실시예의 덕트(1)의 단면 형상은 사각형이다. 예를 들어, 송풍기(5)에 의하여 미세 먼지를 포함하는 공기가 입구(11)를 통하여 덕트(1)로 공급된다. 공기는 덕트(1)에 의하여 형성되는 공기 유동로를 따라 이동되어 출구(12)를 통하여 배출된다.
액적 분사부(2)는 덕트(1) 내에 액적, 예를 들어 물을 분사할 수 있다. 액적 분사부(2)는 하나 이상의 분사 노즐(21)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 수조(6)에 저장된 물은 펌프(7)에 의하여 가압되어 분사 노즐(21)을 통하여 미세한 액적 형태로 덕트(1) 내에 분사된다. 이 과정에서 공기 중에 포함된 미세 먼지의 일부는 액적에 포집된다. 덕트(1) 내에는 공기와 액적이 혼합된 기-액 혼합 유체가 형성된다. 기-액 혼합 유체는 덕트(1)를 따라 입구(11)에서 출구(12) 쪽으로 흐른다.
집진부(3)는 다수의 미세 유로(31)를 구비한다. 기-액 혼합 유체는 다수의 미세 유로(31)를 통과한다. 기-액 혼합 유체가 다수의 미세 유로(31)를 통과하는 동안에 미세 먼지를 포함하는 액적 중 일부는 미세 유로(31)의 표면에 충돌하여 부착된다. 미세 먼지를 포함하지 않은 액적 중 일부도 미세 유로(31)의 표면에 충돌하여 부착된다. 액적들에 의하여 미세 유로(31)의 표면에는 액막이 형성된다. 액적에 포집되지 않은 미세 먼지는 다수의 미세 유로(31)를 통과하는 동안에 미세 유로(31)의 표면에 형성된 액막에 접촉되어 액막에 포집된다. 액막은 예를 들어 중력에 의하여 미세 유로(31)의 표면을 따라 아래쪽으로 흘러내린다. 집진부(3)는 다수의 미세 유로(31)로부터 흘러내리는 액체를 배출하는 배출구(32)를 구비할 수 있다. 액적에 포집된 미세 먼지는 액적과 함께 배출구(32)를 통하여 집진부(3)로부터 배출된다. 미세 유로(31)는 공기의 흐름 방향으로 직선적으로 연장될 필요는 없다. 미세 유로(31)가 구불구불하게 형성될수록 미세 유로(31)의 표면과 액적과의 접촉면적이 늘어나서 액적이 더 용이하게 미세 유로(31)의 표면에 포집될 수 있다.
덕트(1)에는 적어도 하나의 배출구(13)(14)가 마련될 수 있다. 기-액 혼합 유체가 덕트(1)의 내벽에 부딪히면 덕트(1)의 내벽에 액막이 형성되며, 미세 먼지가 액막에 포집될 수 있다. 액막은 덕트(1)의 내벽을 타고 중력방향(G)으로 흘러 내리며, 배출구(13)(14)를 통하여 덕트(1) 밖으로 배출된다. 예를 들어 배출구(13)는 액적 분사부(2)와 집진부(3) 사이에 배치될 수 있다. 배출구(14)는 집진부(3)의 하류측에 배치될 수 있다. 배출구(13)(14), 및 집진부(3)의 배출구(32)를 통하여 배출된 액체는 수집 탱크(8)에 저장될 수 있다.
기-액 혼합 유체가 집진부(3)를 통과하는 동안에 압력 강하가 발생된다. 압력 강하량은 집진부(3)의 상류측의 압력과 집진부(3)의 하류측의 압력의 차이이며, 차압이라고도 한다. 차압이 증가하면 미세 먼지 포집 장치의 에너지 효율이 저하되며, 운전 비용이 상승된다. 미세 유로(31)의 표면에 포집된 액막은 미세 유로(31)의 단면적을 좁히며, 이는 차압 상승의 원인이 될 수 있다.
미세 유로(31)의 표면으로부터 액막을 빠르게 분리시킴으로써 차압의 상승을 최소화 또는 방지할 수 있다. 본 실시예에서는 미세 유로(31)의 표면을 액적 분사부(2)로부터 분사되는 액체에 대하여 비친화적인 성질을 갖도록 한다. 이에 의하면, 미세 유로(31)의 표면에 대한 액적의 접촉각이 커져서 액적이 미세 유로(31)의 표면으로부터 용이하게 분리될 수 있다. 미세 유로(31)의 표면의 액체에 대한 비친화성은 미세 유로(31)의 표면에 대한 액적의 접촉각에 의하여 표현될 수 있으며, 미세 유로(31)의 표면에 대한 액적의 접촉각은 100도 이상일 수 있다. 예를 들어, 액적 분사부(2)는 공기 중으로 물을 분사할 수 있으며, 미세 유로(31)의 표면은 소수성 처리될 수 있다. 소수성 처리는 예를 들어 미세 유로(31)의 표면에 소수성 코팅층을 형성함으로써 수행될 수 있다. 액적 분사부(2)는 공기 중으로 유증기를 분사할 수 있으며, 미세 유로(31)의 표면은 소유성 처리될 수 있다. 소유성 처리는 예를 들어 미세 유로(31)의 표면에 소유성 코팅층을 형성함으로써 수행될 수 있다.
이와 같이 액체가 미세 유로(31)의 표면으로부터 용이하게 분리되므로, 집진부(3)의 상류측과 하류측의 압력차, 즉 압력 강하량을 조절할 수 있는 집진부(3)의 공극률의 선택 폭에 넓어진다. 따라서, 종래의 여과법에 비하여 압력 강하량을 작게 할 수 있어 미세 먼지 포집 장치의 에너지 소비를 줄일 수 있다. 또한, 미세 유로(31)와 미세 먼지 및 액적의 접촉 확률을 높일 수 있으므로, 종래의 여과법에 비하여 높은 공기 정화 효율을 얻을 수 있다. 또한, 미세 먼지가 포집된 액적이 미세 유로(31)의 표면으로부터 용이하게 분리되므로, 종래의 여과법과 달리 장시간 사용하더라도 미세 유로(31)가 막히지 않는다. 따라서, 집진부(3)의 주기적인 관리 또는 교체 부담을 줄일 수 있다. 경우에 따라서는 집진부(3)를 교체할 필요가 없을 수도 있다.
소수성 처리된 미세 유로(31)의 표면의 면적이 넓을 수록 접촉각이 더 커지며, 액적이 미세 유로(31)의 표면으로부터 더 용이하게 분리될 수 있다. 이를 위하여, 미세 유로(31)의 표면은 요철 처리될 수 있다. 요철 처리는 예를 들어, 식각 공정에 의하여 수행될 수 있다. 요철 처리 후에 소수성 처리가 수행될 수 있다.
미세 유로(31)를 형성하는 구조는 특별히 제한되지 않는다. 미세 유로(31)의 표면적이 클수록 기-액 혼합 유체와 미세 유로(31)의 표면과의 접촉률이 높아지며 미세 먼지의 집진 성능이 향상될 수 있다. 일 실시예로서, 집진부(3)는 미세 유로(31)를 형성하는 다공성 부재를 포함할 수 있다. 집진부(3)는 미세 유로(31)를 형성하는 다수의 충전제를 포함할 수도 있다. 이하에서, 집진부(3)의 실시예들을 설명한다.
도 2는 집진부(3)의 일 실시예를 보여준다. 도 2를 참조하면, 다공성 부재는, 다공성 폼 부재(310)를 포함할 수 있다. 다공성 폼 부재(310)는 예를 들어 하우징(311)의 내부에 수용될 수 있다. 하우징(311)은 기-액 혼합 유체의 흐름 방향(F)으로 개구된 입구(311a)와 출구(311b)를 구비할 수 있다. 입구(311a)와 출구(311b)에는 메쉬 스크린(312)이 설치될 수 있다. 입구(311a)를 통하여 하우징(311) 내부로 유입된 기-액 혼합 유체는 다공성 폼 부재(310)에 의하여 형성된 미세 유로(31)를 거쳐서 출구(311b)를 통하여 배출된다. 이 과정에서 미세 유로(31)의 표면에 액적이 포집된다. 액적은 중력 방향(G)으로 낙하하여 배출구(32)를 통하여 배출된다.
액적이 미세 유로(31)의 표면, 다시 말하면 다공성 폼 부재(310)로부터 용이하게 분리될 수 있도록, 다공성 폼 부재(310)는 액체에 대하여 비친화성을 갖도록 처리될 수 있다. 이에 의하여, 다공성 폼 부재(310)에 의하여 형성되는 미세 유로(31)의 표면이 액체에 대하여 비친화적이 되며, 액체가 미세 유로(31)의 표면으로부터 용이하게 분리될 수 있다. 예를 들어, 다공성 폼 부재(310)는 소수성 처리될 수 있다. 메쉬 스크린(312)은 액체에 대하여 비친화성을 갖도록 처리될 수 있다. 이에 의하여 메쉬 스크린(312)의 공극이 액체에 의하여 막히지 않도록 할 수 있다. 소수성 처리된 표면적을 확장하기 위하여, 소수성 처리 전에 다수의 다공성 폼 부재(310)의 표면은 요철 처리될 수 있다. 물론, 메쉬 스크린(312)은 소수성 처리 전에 요철 처리될 수 있다. 다공성 부재는 공기의 흐름 방향(F)으로 배치되는 다수의 다공성 폼 부재(310)를 포함할 수 있다.
도 3은 집진부(3)의 일 실시예를 보여준다. 도 4는 메쉬 스크린(320)의 정면도이다. 도 3과 도 4를 참조하면, 다공성 부재는 메쉬 스크린(320)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 메쉬 스크린(320)은 한 쌍의 가스켓(321)을 개재하여 한 쌍의 거치판(322)에 사이에 지지될 수 있다. 메쉬 스크린(320)은 금속 메쉬 스크린일 수 있다. 거치판(322)에는 기-액 혼합 유체가 통과되는 개구(323)가 마련된다. 기-액 혼합 유체는 메쉬 스크린(320)에 의하여 형성된 미세 유로(31)를 통과한다. 이 과정에서 미세 유로(31)의 표면에 액적이 포집된다. 액적은 중력 방향(G)으로 낙하된다. 액적이 미세 유로(31)의 표면, 다시 말하면 메쉬 스크린(320)으로부터 용이하게 분리될 수 있도록, 메쉬 스크린(320)은 액적에 대하여 비친화성을 갖도록 처리될 수 있다. 예를 들어, 메쉬 스크린(320)은 소수성 처리될 수 있다. 다공성 부재는 공기의 흐름 방향(F)으로 배치되는 다수의 메쉬 스크린(320)을 포함할 수 있다. 소수성 처리된 표면적을 확장하기 위하여, 소수성 처리 전에 메쉬 스크린(320)의 표면은 요철 처리될 수 있다.
도 5는 집진부(3)의 일 예의 개략적인 사시도이다. 도 6과 도 7은 충전제(331)의 예를 보여주는 사시도이다. 도 5 내지 도 7을 참조하면, 다공성 부재는 하우징(330)과, 하우징(330) 내부에 충전되는 다수의 충전제(331)를 포함할 수 있다. 다수의 충전제(331) 사이의 틈새에 의하여 미세 유로(31)가 형성된다. 하우징(330)에는 다수의 충전제(331) 표면에 포집된 액적이 배출되는 배출구(32)가 마련된다. 하우징(330)은 액적을 포함하는 기-액 혼합 유체가 유입되는 입구(330a)와 기-액 혼합 유체가 배출되는 출구(330b)를 포함할 수 있다. 입구(330a)와 출구(330b)에는 메쉬 스크린(333)이 배치될 수 있다.
충전제(331)는 예를 들어 비드일 수 있다. 비드는 예를 들어 글래스, 금속 등으로 형성될 수 있다. 다수의 비드의 직경은 균일할 수 있으며, 불균일할 수도 있다. 다수의 비드는 하우징(330) 내부에 규칙적으로 또는 불규칙하게 패킹될 수 있다. 다수의 비드는 기-액 혼합 유체의 흐름 방향(F)으로 1층 이상 적층될 수 있다. 미세 유로(31)는 다수의 비드 사이의 공극에 의하여 형성될 수 있다. 비드는 도 6에 도시된 바와 같은 구형 비드일 수 있다. 다수의 비드의 직경은 동일할 수 있다. 다수의 비드는 다양한 형태로 하우징(330) 내부에 패킹될 수 있다. 다수의 비드의 패킹 형태는, 예를 들어, 단순 입방(PCC: premitive centered cubic) 구조, 면심 입방(FCC: face centered cubic) 구조, 체심 입방(BCC: body centered cubic) 구조 등의 입방 구조, 육방(HCP: Hexagonal Closed- Packed) 구조, 등 다양할 수 있다. 단순 입방 구조의 공극률은 약 48.6%이다. 면심 입방 구조의 공극률은 약 26% 이다. 체심 입방 구조의 공극률은 약 32% 이다. 미세 유로(31)는 인접하는 적어도 3개의 비드에 의하여 정의될 수 있다. 미세 유로(31)를 통과하는 동안에 기-액 혼합 유체와 다수의 비드와의 접촉 확률을 높이기 위하여, 다수의 비드는 적어도 2층으로 적층될 수 있다. 입구(330a)와 출구(330b) 사이에서 미세 유로(31)의 단면적은 기-액 혼합 유체의 흐름 방향(F)으로 적어도 한 번 이상 수축과 확장을 반복하게 된다. 따라서, 기-액 혼합 유체와 다수의 비드와의 접촉 확률이 높아져서 미세 먼지 포집 효율이 향상될 수 있다. 충전제(331)는 도 7에 도시된 바와 같은 래시그 링(raschig ring)일 수 있다. 다수의 래시그 링은 규칙적으로 또는 불규칙적으로 하우징(300) 내부에 패킹될 수 있다.
기-액 혼합 유체는 다수의 충전제(331)에 의하여 형성된 미세 유로(31)를 통과한다. 이 과정에서 미세 유로(31)의 표면, 즉 충전제(331)의 표면에 액적이 포집된다. 액적은 중력 방향(G)으로 낙하된다. 액적이 충전제(331)의 표면으로부터 용이하게 분리될 수 있도록, 충전제(331)의 표면은 액적에 대하여 비친화성을 갖도록 처리될 수 있다. 예를 들어, 충전제(331)의 표면은 소수성 처리될 수 있다. 소수성 처리된 표면적을 확장하기 위하여, 소수성 처리 전에 충전제(331)의 표면은 요철 처리될 수 있다. 메쉬 스크린(333)은 액체에 대하여 비친화성을 갖도록 처리될 수 있다. 이에 의하여 메쉬 스크린(333)의 공극이 액체에 의하여 막히지 않도록 할 수 있다. 소수성 처리된 표면적을 확장하기 위하여, 메쉬 스크린(333)은 소수성 처리 전에 요철 처리될 수 있다. 다공성 부재는 공기의 흐름 방향(F)으로 배치되는 다수의 하우징(330)과 다수의 하우징(330) 내부에 충전되는 충전제(331)를 포함할 수 있다. 이 경우, 다수의 하우징(330)에 패킹되는 충전제(331)의 직경은 동일할 수 있으며, 동일하지 않을 수도 있다.
미세 입자 포집 장치의 성능은 입자 제거율(E), 집진부(3)의 차압(△P), 및 입자 제거 성능 지수(QF: quality factor)로 표시될 수 있다. 입자 제거율(E)은 집진부(3)를 통과하기 전의 공기 중에 포함된 미세 입자 수(Nin)와 집진부(3)를 통과한 후의 공기 중에 포함된 미세 입자 수(Nout)로부터 아래의 식(1)에 의하여 계산될 수 있다. 예를 들어, Nin과 Nout은 각각 집진부(3)의 상류측과 하류측에서 약 2분동안 수집된 미세입자의 수일 수 있다. 입자 제거 성능 지수(QF)는 입자 제거율(E)과 집진부(3)의 압력 강하량, 즉 차압(△P)으로부터 아래의 식(2)에 의하여 계산될 수 있다. 입자 제거 성능 지수(QF)가 크면 적은 에너지로 미세 입자를 효과적으로 제거할 수 있다는 것을 의미한다.
Figure pat00001
...(1)
Figure pat00002
...(2)
<실험 1>
다공성 폼 부재(310)로서 소수성 처리된 니켈 폼, 친수성 처리된 니켈 폼, 및 미처리 니켈 폼을 준비한다.
니켈 폼의 소수성 처리는 다음과 같은 과정으로 수행된다. 두께 1.6mm, 80~110 ppi(pores per inch)의 니켈 폼을 준비한다. 80~110 ppi는 공극율(porosity)로 환산하면 약 97.5%이다. 니켈 폼을 80℃의 2.5mol/L NaOH 수용액에 1시간 동안 함침하여 니켈 폼 표면의 불순물을 제거한다. 다음으로, 2:8 에탄올:물 혼합액에 PFOTES(1H,1H,2H,2H-Perfluoro-octyltriethoxysilane, Sigma-aldrich) 1wt%를 넣고 1시간 동안 교반한다. 니켈 폼을 적절한 크기, 예를 들어 100×100mm 크기로 제단하여 용액에 1시간 동안 함침한 후에 공기 중에서 1시간 동안 건조한다. 건조된 니켈 폼을 120℃ 오븐에서 1시간 건조하여 잔존 용매를 제거한다.
니켈 폼의 친수성 처리는 다음과 같은 과정으로 수행된다. 두께 1.6mm, 80~110 ppi(pores per inch)의 니켈 폼을 준비한다. 니켈 폼을 80℃의 2.5mol/L NaOH 수용액에 1시간 동안 함침하여 니켈 폼 표면의 불순물을 제거한다. 다음으로, 2:8 에탄올:물 혼합액에 PEG-silane (2-[METHOXY(POLYETHYLENEOXY)6-9PROPYL]TRIMETHOXYSILANE, tech-90, Gelest) 1wt%를 넣고 1시간 동안 교반한다. 니켈 폼을 적절한 크기, 예를 들어 100×100mm 크기로 제단하여 용액에 1시간 동안 함침한 후에 공기 중에서 1시간 동안 건조한다. 건조된 니켈 폼을 120℃ 오븐에서 1시간 건조하여 잔존 용매를 제거한다.
소수성 처리된 니켈 폼, 친수성 처리된 니켈 폼, 및 미처리 니켈 폼을 순차로 집진부(3)에 설치한다. 미세 입자로서는 3㎛ 이하 크기의 염화 칼륨(KCl)입자를 3~3.5×108 개/m3의 농도로 덕트(1) 내부에 공급한다. 액적 분사부(2)는 0.1L/min의 체적 유량(volume flow rate)으로 물을 덕트(1) 내부에 분사한다. 집진부(3)의 상류측과 하류측에서 각각 2분동안 미세 입자의 수를 측정하여 Nin과 Nout을 얻는다. 집진부(3)의 상류측과 하류측에서 각각 압력을 측정하여 차압(△P)를 구한다. 식(1)과 식(2)를 이용하여 입자 제거율(E)과 입자 제거 성능 지수(QF)를 계산한다. 위 실험을 소수성 처리된 니켈 폼, 친수성 처리된 니켈 폼, 및 미처리 니켈 폼에 대하여 각각 10회 수행한다.
도 8과 도 9는 소수성 처리된 니켈 폼을 포함하는 집진부(3)의 입자 제거율을 보여주는 그래프들로서, 도 8은 PM<1.0 미세 먼지에 대한 입자 제거율을, 도 9는 PM>1.0 미세 먼지에 대한 입자 제거율을 각각 보여준다. 도 10은 소수성 처리된 니켈 폼을 포함하는 집진부(3)의 차압의 변화를 보여주는 그래프이다. 도 11과 도 12는 소수성 처리된 니켈 폼을 포함하는 집진부(3)의 입자 제거 성능 지수를 보여주는 그래프들로서, 도 11은 PM<1.0 미세 먼지에 대한 입자 제거 성능 지수를, 도 12는 PM>1.0 미세 먼지에 대한 입자 제거 성능 지수를 각각 보여준다.
도 8을 참조하면, PM<1.0 미세 입자에 대한 입자 제거율(E)은 [미처리 니켈 폼>소수성 처리된 니켈 폼>친수성 처리된 니켈 폼]이다. 다만, 소수성 처리된 니켈 폼과 미처리 니켈 폼의 입자 제거율(E)의 차이는 약 5% 이내이다. 도 9를 참조하면, PM >1.0 미세 입자에 대한 입자 제거율(E)은 소수성 처리된 니켈 폼이 가장 낮고, 친수성 처리된 니켈 폼 미처리 니켈 폼은 거의 유사하다. 따라서, 전체적으로 보면, 입자 제거율(E)의 관점에서 소수성 처리된 니켈 폼은 미처리 니켈 폼과 유사하거나 5% 정도 낮다. 그러나, 도 10을 참조하면, 미세 먼지 포집 장치의 작동 시간이 경과됨에 따라서 소수성 처리된 니켈 폼이 가장 낮는 차압을 보이며, 친수성 처리된 니켈 폼의 차압은 미처리 니켈 폼의 차압과 거의 유사하거나 더 높다. 도 11과 도 12를 참조하면, PM<1.0 및 PM>1.0 미세 입자에 대한 입자 제거 성능 지수(QF)는 [소수성 처리된 니켈 폼>미처리 니켈 폼>친수성 처리된 니켈 폼]이다. 따라서, 집진부(3)에 소수성 처리된 니켈 폼을 채용함으로써 적은 에너지를 소모하면서 미처리 니켈 폼을 채용한 경우와 유사한 입자 제거율(E)과 미처리 니켈 폼을 채용한 경우에 비하여 높은 입자 제거 성능 지수(QF)를 얻을 수 있는 미세 입자 포집 장치의 구현이 가능하다.
<실험2>
메쉬 스크린(320)으로서 소수성 처리된 SUS 50 메쉬 스크린과 미처리 SUS 50 메쉬 스크린을 준비한다. SUS 50 메쉬 스크린의 소수성 처리 방법은 실험1과 동일하다.
소수성 처리된 SUS 50 메쉬 스크린과 미처리 SUS 50 메쉬 스크린을 순차로 집진부(3)에 설치한다. 미세 입자로서는 3㎛ 이하 크기의 염화 칼륨(KCl)입자를 3~3.5×108 개/m3의 농도로 덕트(1) 내부에 공급한다. 액적 분사부(2)는 미처리 SUS 50 메쉬 스크린에 대하여 0.1L/min의 물을 덕트(1) 내부에 분사하며, 소수성 처리된 SUS 50 메쉬 스크린에 대하여 0.1L/min와 0.2L/min의 체적 유량으로 물을 덕트(1) 내부에 공급한다. 집진부(3)의 상류측과 하류측에서 각각 2분동안 미세 입자의 수를 측정하여 Nin과 Nout을 얻는다. 집진부(3)의 상류측과 하류측에서 각각 압력을 측정하여 차압(△P)를 구한다. 식(1)과 식(2)를 이용하여 입자 제거율(E)과 입자 제거 성능 지수(QF)를 계산한다. 위 실험을 미처리 SUS 50 메쉬 스크린-체적 유량 0.1L/min, 소수성 처리된 SUS 50 메쉬 스크린-체적 유량 0.1L/min, 소수성 처리된 SUS 50 메쉬 스크린폼-체적 유량 0.2L/min에 대하여 각각 10회 수행한다.
도 13과 도 14는 소수성 처리된 SUS 50 메쉬 스크린을 포함하는 집진부(3)의 입자 제거율을 보여주는 그래프들로서, 도 13은 PM<1.0 미세 먼지에 대한 입자 제거율을, 도 14는 PM>1.0 미세 먼지에 대한 입자 제거율을 각각 보여준다. 도 15는 소수성 처리된 SUS 50 메쉬 스크린을 포함하는 집진부(3)의 차압의 변화를 보여주는 그래프이다. 도 16과 도 17은 소수성 처리된 SUS 50 메쉬 스크린을 포함하는 집진부(3)의 입자 제거 성능 지수를 보여주는 그래프들로서, 도 16은 PM<1.0 미세 먼지에 대한 입자 제거 성능 지수를, 도 17은 PM>1.0 미세 먼지에 대한 입자 제거 성능 지수를 각각 보여준다.
도 13을 참조하면, 분사되는 물의 체적 유량이 0.1L/min으로 동일한 경우 PM<1.0 미세 입자에 대한 입자 제거율(E)은 미처리 SUS 50 메쉬 스크린이 소수성 처리된 SUS 50 메쉬 스크린보다 높다. 그러나, 분사되는 물의 체적 유량 0.2L/min으로 증가시키면 PM<1.0 미세 입자에 대한 입자 제거율(E)은 소수성 처리된 SUS 50 메쉬 스크린이 미처리 SUS 50 메쉬 스크린과 동등하거나 더 높아진다. 이는 도 14에 도시된 바와 같이 PM>1.0 미세 입자에 대한 입자 제거율(E)의 경우도 마찬가지이다. 따라서, 전체적으로 보면, 물의 체적 유량을 증가시킴으로써 소수성 처리된 SUS 50 메쉬 스크린을 채용한 집진부(3)의 입자 제거율(E)을 미처리 SUS 50 메쉬 스크린과 동등하거나 더 높게 할 수 있다. 도 15를 참조하면, 소수성 처리된 SUS 50 메쉬 스크린은 미처리 SUS 50 메쉬 스크린에 비하여 낮는 차압을 보인다. 또한, 소수성 처리된 SUS 50 메쉬 스크린을 채용한 경우에 차압은 물의 체적 유량을 증가시키면 증가된다. 그러나, 물의 체적 유량을 약 2배 증가시키더라도 여전히 소수성 처리된 SUS 50 메쉬 스크린은 미처리 SUS 50 메쉬 스크린에 비하여 낮은 차압을 보인다. 도 16과 도 17을 참조하면, PM<1.0 및 PM>1.0 미세 입자에 대한 입자 제거 성능 지수(QF)는 소수성 처리된 SUS 50 메쉬 스크린이 미처리 SUS 50 메쉬 스크린에 비하여 높게 나타난다. 따라서, 집진부(3)에 소수성 처리된 SUS 50 메쉬 스크린을 채용하고, 물의 체적 유량을 적절히 결정함으로써 적은 에너지를 소모하면서 높은 입자 제거율(E)과 입자 제거 성능 지수(QF)를 얻을 수 있는 미세 입자 포집 장치의 구현이 가능하다.
<실험3>
메쉬 스크린(320)으로서 소수성 처리된 SUS 400 메쉬 스크린과 요철 처리 및 소수성 처리된 SUS 400 메쉬 스크린과 미처리 SUS 400 메쉬 스크린을 준비한다. SUS 400 메쉬 스크린의 소수성 처리는 <실험1>과 동일한 방법으로 수행될 수 있다. 요철 처리는 화학적 식각법에 의하여 수행될 수 있다. 예를 들어, 상온에서 37% HCl:70% HNO3:DI를 체적 비율 3:1:30으로 혼합한 혼합액에 SUS 400 메쉬 스크린을 1시간 동안 함침시킴으로써 SUS 400 메쉬 스크린을 요청 처리할 수 있다. 다음으로 실험1과 동일한 방법으로 요철처리된 SUS 400 메쉬 스크린을 소수성 처리한다.
소수성 처리된 SUS 400 메쉬 스크린과 요철 처리 및 소수성 처리된 SUS 400 메쉬 스크린과 미처리 SUS 400 메쉬 스크린을 순차로 집진부(3)에 설치한다. 미세 입자로서는 3㎛ 이하 크기의 염화 칼륨(KCl)입자를 3~3.5×108 개/m3의 농도로 덕트(1) 내부에 공급한다. 액적 분사부(2)는 0.1L/min의 물을 덕트(1) 내부에 분사하한다. 집진부(3)의 상류측과 하류측에서 각각 2분동안 미세 입자의 수를 측정하여 Nin과 Nout을 얻는다. 집진부(3)의 상류측과 하류측에서 각각 압력을 측정하여 차압(△P)를 구한다. 식(1)과 식(2)를 이용하여 입자 제거율(E)과 입자 제거 성능 지수(QF)를 계산한다. 위 실험을 소수성 처리된 SUS 400 메쉬 스크린과 요철 처리 및 소수성 처리된 SUS 400 메쉬 스크린과 미처리 SUS 400 메쉬 스크린에 대하여 각각 4회 수행한다.
도 18과 도 19는 요철 처리 및 소수성 처리된 SUS 400 메쉬 스크린을 포함하는 집진부(3)의 입자 제거율을 보여주는 그래프들로서, 도 18은 PM<1.0 미세 먼지에 대한 입자 제거율을, 도 19는 PM>1.0 미세 먼지에 대한 입자 제거율을 각각 보여준다. 도 20은 요철 처리 및 소수성 처리된 SUS 400 메쉬 스크린을 포함하는 집진부(3)의 차압의 변화를 보여주는 그래프이다. 도 21과 도 22는 요철 처리 및 소수성 처리된 SUS 400 메쉬 스크린을 포함하는 집진부(3)의 입자 제거 성능 지수를 보여주는 그래프들로서, 도 21은 PM<1.0 미세 먼지에 대한 입자 제거 성능 지수를, 도 22는 PM>1.0 미세 먼지에 대한 입자 제거 성능 지수를 각각 보여준다.
도 18과 도 19를 참조하면, PM<1.0 및 PM>1.0 미세 입자에 대한 입자 제거율(E)은 요철 처리 및 소수성 처리된 SUS 400 메쉬 스크린이 소수성 처리된 SUS 400 메쉬 스크린 및 미처리 SUS 400 메쉬 스크린보다 높다. 이는, 요철 처리에 의하여 SUS 400 메쉬 스크린의 표면의 거칠기와 표면적이 증가하여 소수성 처리된 표면의 면적이 증가되었기 때문이다. 소수성 처리된 표면의 면적이 증가되면 액적이 SUS 400 메쉬 스크린의 표면으로부터 더 용이하게 분리되므로 입자 제거율(E)이 증가된다. 실제로 표면 접촉각을 측정해 보면, 미처리 SUS 400 메쉬 스크린, 소수성 처리된 SUS 400 메쉬 스크린, 요철 처리 및 소수성 처리된 SUS 400 메쉬 스크린의 순서로 표면 접촉각이 높아진다. 도 20을 참조하면, 소수성 처리된 SUS 400 메쉬 스크린은 미처리 SUS 400 메쉬 스크린에 비하여 낮는 차압을 보인다. 요철 처리 및 소수성 처리된 SUS 400 메쉬 스크린은 소수성 처리된 SUS 400 메쉬 스크린보다도 더 낮은 차압을 보인다. 도 21과 도 22를 참조하면, PM<1.0 및 PM>1.0 미세 입자에 대한 입자 제거 성능 지수(QF)는 소수성 처리된 SUS 400 메쉬 스크린이 미처리 SUS 400 메쉬 스크린보다 높으며, 요철 처리 및 소수성 처리된 SUS 400 메쉬 스크린은 소수성 처리된 SUS 400 메쉬 스크린보다도 높다. 따라서, 집진부(3)에 요철 처리 및 소수성 처리된 SUS 400 메쉬 스크린을 채용함으로써 적은 에너지를 소모하면서 높은 입자 제거율(E)과 입자 제거 성능 지수(QF)를 얻을 수 있는 미세 입자 포집 장치의 구현이 가능하다.
미세 먼지 포집 장치의 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...덕트 2...물 분사부
21...분사 노즐 13, 14...물 배출구
3...집진부 31...미세 유로
32...배출구 310...다공성 폼
320...메쉬 330...충전제
5...송풍기 6...수조
7...펌프 8... 수집 탱크

Claims (20)

  1. 미세 먼지를 포함하는 공기가 흐르는 덕트;
    상기 덕트 내에 물을 분사하여 기-액 혼합 유체를 형성하며, 공기 중의 미세 먼지를 포집하는 액적 분사부;
    상기 기-액 혼합 유체가 통과되는 미세 유로를 형성하며 상기 미세 먼지를 포함하는 액적을 포집하는 다공성 부재를 구비하는 집진부;를 포함하며,
    상기 다공성 부재의 표면은 소수성 처리된 미세 먼지 포집 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 다공성 부재는 메쉬 스크린을 포함하는 미세 먼지 포집 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 다공성 부재는 다공성 폼 블록을 포함하는 미세 먼지 포집 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 다공성 부재는, 하우징과, 상기 하우징 내부에 충전되는 다수의 충전제를 포함하며,
    상기 다수의 충전제의 표면은 소수성 처리된 미세 먼지 포집 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 하우징에는 상기 다수의 충전제 표면에 포집된 액적이 배출되는 배출구가 마련된 미세 먼지 포집 장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 하우징은 상기 액적을 포함하는 기-액 혼합 유체가 유입되는 입구와 상기 기-액 혼합 유체가 배출되는 출구를 포함하며,
    상기 입구와 상기 출구에는 메쉬 스크린이 배치된 미세 먼지 포집 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 메쉬 스크린은 소수성 처리된 미세 먼지 포집 장치.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 다수의 충전제의 직경은 균일한 미세 먼지 포집 장치.
  9. 제4항에 있어서,
    상기 다수의 충전제의 직경은 불균일한 미세 먼지 포집 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 액체와 상기 미세 유로의 표면과의 접촉각은 100도 이상인 미세 먼지 포집 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 다공성 부재의 표면은 요철 처리된 미세 먼지 포집 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 다공성 부재는 메쉬 스크린, 다공성 폼 블록, 하우징 내부에 충전되는 다수의 충전제 중 적어도 하나를 포함하는 미세 먼지 포집 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 집진부는 상기 공기의 흐름 방향으로 배치되는 다수의 상기 다공성 부재를 포함하는 미세 먼지 포집 장치.
  14. 미세 먼지를 포함하는 공기가 흐르는 덕트;
    상기 덕트 내에 액체를 분사하여 공기 중의 미세 먼지를 포집하는 액적 분사부;
    기-액 혼합 유체가 통과되는 미세 유로를 형성하며, 상기 미세 먼지를 포함하는 액적을 포집하는 집진부;를 포함하며,
    상기 미세 유로의 표면은 상기 액체에 대하여 비친화적인 미세 먼지 포집 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 미세 유로의 표면은 요철 처리된 미세 먼지 포집 장치.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 집진부는 상기 미세 유로를 형성하는 메쉬 스크린을 포함하는 미세 먼지 포집 장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 메쉬 스크린의 표면은 요철 처리된 미세 먼지 포집 장치.
  18. 제14항에 있어서,
    상기 집진부는 상기 미세 유로를 형성하는 다공성 폼 블록을 포함하는 미세 먼지 포집 장치.
  19. 제14항에 있어서,
    상기 집진부는, 하우징과, 상기 하우징 내부에 충전되어 상기 미세 유로를 형성하는 다수의 충전제를 포함하며,
    상기 다수의 충전제의 표면은 상기 액체에 대하여 비친화적인 미세 먼지 포집 장치.
  20. 제14항에 있어서,
    상기 액체와 상기 미세 유로의 표면과의 접촉각은 100도 이상인 미세 먼지 포집 장치.
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