KR20220147748A - 산업 시설용 총탄화수소 저감 시스템 및 비디디전극반응부 구조 - Google Patents

산업 시설용 총탄화수소 저감 시스템 및 비디디전극반응부 구조 Download PDF

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Abstract

본 발명은 산업 시설에서 발생되는 매연의 총탄화수소(THC)를 고도산화공정(AOP)과 비디디(BDD) 전극과 이산화티탄(TiO2)이 코팅된 필터를 이용하고 전기화학적으로 산화 분해시키면서 각종 유해물질을 효과적이며 빠르게 제거하며 비교적 낮은 비용으로 운용 유지되는 산업 시설용 총탄화수소 저감 시스템 및 비디디전극반응부 구조에 관한 것으로 산업시설로부터 배출되며 총탄화수소가 포함된 오염공기를 유입하고 농축하여 배출하는 오염공기유입챔버부; 정수를 유입하고 비디디 전극을 이용하여 라디칼 수를 생성하며 하나의 소독액환형파이프단 또는 하나 이상 다수의 소독액환형파이프단에 각각 구비된 하나 이상의 다수 노즐을 통하여 생성된 라디칼 수를 배출하는 비디디라디칼수공급부; 오염공기유입챔버부(1000)로부터 유입된 오염공기를 상기 비디디라디칼수공급부(2000)로부터 유입된 라디칼 수로 다단 샤워시키며 하나 이상 다수의 이산화티탄 볼필터로 다단 여과시키고 광촉매 반응 시켜 오염공기에 포함된 미세먼지와 악성 유해물질을 제거하며 바이러스를 살균하고 악취를 제거하며 하나 또는 하나 이상 다수로 이루어지는 광촉매반응모듈을 포함하는 특징에 의하여 각종 산업시설에서 대량으로 발생되는 매연에 포함된 총탄화수소(THC)를 매우 효율적으로 저감 또는 차단시키면서 잔여물질이 남지 않아 친환경적이며 물(정수) 사용에 의하여 낮은 비용으로 운용되면서 적은 면적에 설치되어 운용유지 비용이 매우 낮고, BDD 전극을 이용한 라디칼수와 이산화티탄이 코팅된 필터와 고도산화공정(AOP)을 이용하고 산업시설에서 발생되는 매연에 포함된 미세먼지, 바이러스 그리고 nox와 sox와 voc 등의 인체에 유해한 물질들을 일괄적으로 제거, 멸균, 차단하되 전기화학적으로 처리하고 친환경적으로 처리하는 효과가 있다.

Description

산업 시설용 총탄화수소 저감 시스템 및 비디디전극반응부 구조{Reducing system of total hydrocarbon at industrial facility and structure of BDD electrode}
본 발명은 산업 시설용 총탄화수소 저감 시스템 및 비디디전극반응부 구조에 관한 것으로 더욱 상세하게는 산업 시설에서 발생되는 매연의 총탄화수소(THC)를 고도산화공정(AOP : advanced oxidation process)과 비디디(BDD : boron-doped diamond) 전극과 이산화티탄(TiO2)이 코팅된 필터를 이용하고 전기화학적으로 산화 분해시키면서 각종 유해물질을 효과적이며 빠르게 제거하며 비교적 낮은 비용으로 운용 유지되는 산업 시설용 총탄화수소 저감 시스템 및 비디디전극반응부 구조에 관한 것이다.
총탄화수소(THC: total hydrocarbon)는 탄소와 수소 화합물의 총량을 말하는 것으로 알칸, 알켄, 알킨 방향족이 포함되는 모든 탄소와 수소의 화합물을 지칭하는 것이므로 종류가 매우 광범위하다.
탄화수소는 탄소와 수소로만 이루어진 유기화합물이며 광화학 반응을 통하여 오존 등의 2 차 오염 물질을 생성하고, 지구 온난화에 연관된 자연 발생 물인 메탄류와 벤젠, 벤조피렌 등의 다핵탄화수소가 포함된다.
탄화수소(hydrocarbon, CxHy, 炭化水素)는 석유와 천연 가스의 주요 구성성분으로 플라스틱과 섬유와 고무와 용매와 폭발물 및 공업용 화학약품 생산 원료뿐만 아니라 연료와 윤활제로도 사용되고 탄소원자 결합 화합물이며, 수소원자는 다른 형태로 탄소에 결합고, 물에 거의 녹지 않으며 낮은 밀도에 의하여 물 표면에 뜨고, 유기용매에 녹으며 불완전 연소에 의하여 일산화탄소가 방출된다.
우리나라에서는 대기환경보전법에 의하여 2005년 1월 1일부터 총탄화수소(THC)를 허용 기준치 이내로 배출하여야 한다. 일례로 건조시설, 도장시설 등과 같은 시설이 10,000(만) 루베 이상 규모인 경우 시간당 50 ppm 이하이고, 만 루베 미만의 시설은 100 ppm 이하고 배출하도록 허용기준치가 정해져 있다.
차량을 포함하는 산업용 및 공업용 내연기관의 연료는 증발과정에서 인체에 유해한 휘발성 냄새를 띄는 탄화수소 증기를 발생하므로 캐니스터(canisters) 또는 플래컨(flacon)으로 알려진 휘발유 증기 흡수장치를 구비하는 것이 일반적이다.
산업시설과 공업시설에서도 여러 가지 원인에 의하여 다양한 형태의 탄화수소가 포함된 매연을 발생하고 이러한 매연은 주변환경을 크게 오염시키면서 인체에 유해하므로 친환경적 조성을 위하여 탄화수소를 제거할 필요가 있다.
이러한 문제를 일부 해결하는 종래 기술로 대한민국 특허 등록번호 제10-2087929호(2020. 03. 06.)에 의한 것으로 ‘차량의 탄화수소 증기를 제거하는 방법 및 장치’가 있다.
도 1 은 종래기술의 일 실시 예에 의한 탄화수소 제거 장치의 기능 구성도 이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 종래기술을 상세히 설명하면 캐니스터(28)는 U-형상의 구조(architecture)를 가지며 사출 성형된 플라스틱 케이싱(casing)으로 이루어진 몸체(1)로 구성된다.
몸체(1)는 활성탄(activated charcoal)으로 이루어진 흡수제(absorption agent)(2)로 충진된다. 파이프(31)에 연결된 탱크 태핑 캐뉼러(tank tapping canula)(3)와 파이프(29)에 연결된 엔진 퍼지 태핑 캐뉼러(engine purge tapping canula)(4)를 통해 퍼징 시스템(purging system)의 나머지 부분에 연결된다.
퍼징(purging) 단계 중에(왼쪽으로부터 오른쪽으로 연장된 화살표), 증기는 공기배출구(5)로부터 상기 퍼지 태핑 캐뉼러(4)의 방향으로 진행한다.
충전(charging) 상태(오른쪽으로부터 왼쪽으로 연장된 화살표)에서는 총탄화수소 증기가 탱크 태핑 캐뉼러(3)로부터 공기배출구(5) 방향으로 이동하고, 압력 센서(7)에 의하여 총탄화수소 증기의 이동량을 검출하며, 차량용 컴퓨터는 저장된 계수값(Counter)과 대비하여 저압 조정 밸브(low-pressure calibrated valve)(6)의 개폐를 조정한다.
이러한 종래기술은 차량용으로 개발된 구성이므로 휘발유 증기에 의한 탄화수소를 제거하는 장점이 있으나 산업현장 또는 공업현장에서 발생되는 다양한 종류의 총탄화수소를 저감 또는 차단하지 못하는 문제가 여전히 남아 있다.
따라서 산업 및 공업 시설에서 발생되는 매연에 포함된 총탄화수소(THC)를 저감 또는 제거하는 기술의 개발 필요가 있다.
대한민국 특허 등록번호 제10-2087929호(2020. 03. 06.) ‘차량의 탄화수소 증기를 제거하는 방법 및 장치’ 대한민국 특허 등록번호 제10-0477695호(2005. 03. 10.) ‘프린터 배기가스로부터 탄화수소를 제거하는 장치 및 방법’ 대한민국 특허 등록번호 제10-0422506호(2004. 03. 02.) ‘탄화수소 제거장치’ 대한민국 특허 등록번호 제10-0335479호(2002. 04. 23.) ‘배기가스 중의 저급 탄화수소를 제거하기 위한 방법’ 대한민국 특허 출원번호 제10-1998-0705511호(1998. 07. 18.) ‘가스로부터 황-함유 불순물, 방향족계 및 탄화수소류를 제거하는 방법’
상기와 같은 종래 기술의 문제점과 필요성을 해소하기 위하여 안출한 본 발명은 공업시설 또는 산업시설에서 대량으로 발생되는 매연에 포함된 총탄화수소(THC)를 적은 면적과 낮은 비용으로 운용되고 친환경적으로 운용되면서 매우 신속하며 효율적으로 저감시키거나 차단시키는 산업 시설용 총탄화수소 저감 시스템 및 비디디전극반응부 구조를 제공하는 것이 그 목적이다.
한편, 본 발명은 비디디(BDD) 전극을 이용한 라다킬수와 이산화티탄이 코팅된 필터와 고도산화공정(AOP)을 이용하여 산업시설에서 발생되는 매연에 포함된 미세먼지, 바이러스 그리고 질소산화물(녹스, nox, nitrogen oxide)과 황산화물(삭스, sox, sulfur oxides)과 휘발성 유기화합물(복스, voc, volatile organic compound) 등과 같이 인체에 유해한 물질들을 일괄적으로 제거, 멸균, 차단하되 전기화학적으로 처리하는 산업 시설용 총탄화수소 저감 시스템 및 비디디전극반응부 구조를 제공하는 것이 그 목적이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 안출한 본 발명의 산업 시설용 총탄화수소 저감 시스템은 산업시설로부터 배출되며 총탄화수소가 포함된 오염공기를 유입하고 농축하여 배출하는 오염공기유입챔버부(1000); 정수를 유입하고 비디디 전극을 이용하여 라디칼 수를 생성하며 하나의 소독액환형파이프단 또는 하나 이상 다수의 소독액환형파이프단에 각각 구비된 하나 이상의 다수 노즐을 통하여 생성된 라디칼 수를 배출하는 비디디라디칼수공급부(2000); 상기 오염공기유입챔버부(1000)로부터 유입된 오염공기를 상기 비디디라디칼수공급부(2000)로부터 유입된 라디칼 수로 다단 샤워시키며 하나 이상 다수의 이산화티탄 볼필터로 다단 여과시키고 광촉매 반응 시켜 오염공기에 포함된 미세먼지와 악성 유해물질을 제거하며 바이러스를 살균하고 악취를 제거하며 하나 또는 하나 이상 다수로 이루어지는 광촉매반응모듈(3000); 을 포함할 수 있다.
상기 광촉매반응모듈(3000)을 통과한 오염공기를 하나 또는 하나 이상 다수의 와류 돌기에 의하여 와류 형태로 소용돌이 시켜 오염공기의 반응 시간을 확보하는 와류형성부(4000); 를 더 포함할 수 있다.
상기 오염공기를 유입하며 고도산화공정에 의한 반응이 일어나고 자외선으로 멸균처리하는 자외선고도산화공정부(5000); 를 더 포함할 수 있다.
상기 광촉매반응모듈(3000)은 상기 비디디라디칼수공급부(2000)의 해당 소독액환형파이프단에 구비된 다수의 노즐로부터 각각 배출되는 라디칼수로 하나 이상 다수의 필터볼 표면을 적시고 유입된 오염공기에 포함된 미세먼지와 악성 유해물질을 제거하며 바이러스를 살균하고 악취를 제거하는 제 1 광촉매반응부(3100); 로 이루어질 수 있다.
상기 광촉매반응모듈(3000)은 상기 제 1 광촉매반응부(3100)를 내부에 고정 설치하고 상기 비디디라디칼수공급부(2000)의 해당 소독액환형파이프단에 구비된 다수의 노즐로부터 각각 배출되는 라디칼수로 하나 이상 다수의 필터볼 표면을 적시고 유입된 오염공기에 포함된 미세먼지와 악성 유해물질을 제거하며 바이러스를 살균하고 악취를 제거하는 제 2 광촉매반응부(3200); 를 더 포함할 수 있다.
상기 광촉매반응모듈(3000)은 상기 제 2 광촉매반응부(3200)를 내부에 고정 설치하고 상기 비디디라디칼수공급부(2000)의 해당 소독액환형파이프단에 구비된 다수의 노즐로부터 각각 배출되는 라디칼수로 하나 이상 다수의 필터볼 표면을 적시고 유입된 오염공기에 포함된 미세먼지와 악성 유해물질을 제거하며 바이러스를 살균하고 악취를 제거하는 제 3 광촉매반응부(3300); 를 더 포함할 수 있다.
상기 광촉매반응모듈(3000)은 상기 제 1 광촉매반응부(3100)가 형성하는 내부 공간의 중앙 부분, 제 1 광촉매반응부(3100)와 제 2 광촉매반응부(3200)가 형성하는 사이 공간, 제 2 광촉매반응부(3200)와 제 3 광촉매반응부(3300)가 형성하는 사이 공간, 제 3 광촉매반응부(3300)이 형성하는 외부 공간 중 선택된 어느 하나 또는 선택된 어느 하나 이상의 공간에 하나 또는 하나 이상의 다수가 고정설치되고 유입된 오염공기에 포함된 바이러스를 자외선 조사에 의하여 살균처리하며 이산화티탄에 광촉매 파장을 제공하는 하나 또는 하나 이상 다수의 자외선부(3400); 를 더 포함할 수 있다.
상기 자외선부(3400)는 253 내지 255 나노미터 범위 파장과 185 내지 186 나노미터 범위 파장의 자외선 중에서 어느 하나 또는 어느 하나 이상을 해당 제어신호에 의하여 발생 출력하는 구성으로 이루어질 수 있다.
상기 오염공기유입챔버부(1000)와 비디디라디칼수공급부(2000)가 포함되는 산업 시설용 총탄화수소 저감 시스템의 전체 운용을 제어하기 위한 해당 제어신호를 각각 출력하고 운용상태를 감시하는 총탄화수소저감운용부(6000); 를 더 포함할 수 있다.
상기 오염공기유입챔버부(1000)는 외부의 오염공기가 유입되는 경로를 형성하는 유입경로부(1010); 상기 유입경로부(1010)로부터 유입된 오염공기에 포함되고 직경이 센티미터 급 이상의 이물질의 통과를 차단하는 여과망부(1020); 상기 여과망부(1020)를 통과한 오염공기를 해당 제어신호에 의하여 강제 유입시키는 제 1 유입팬부(1030); 상기 제 1 유입팬부(1030)를 통과한 오염공기가 유입되어 농축되고 해당 제어신호에 의하여 온도를 일정하게 유지시키는 가온농축챔버(1040); 상기 가온농축챔버(1040)의 오염공기를 하나 또는 하나 이상 다수의 경로를 통하여 오염공기를 광촉매반응모둘부(3000)로 배출하는 배출경로부(1050); 를 포함할 수 있다.
상기 오염공기유입챔버부(1000)는 상기 제 1 유입팬부(1030)를 통과한 오염공기를 열매체유가 회류하는 라디에이터를 사용하여 일정한 온도로 가온시키는 열매체유가온부(1060); 상기 열매체유가온부(1060)를 통과한 오염공기의 유입속도를 높여 상기 가온농축챔버에 이송시키는 제 2 유입팬부(1070); 를 더 포함할 수 있다.
상기 가온농축챔버(1040)는 유입된 오염공기를 열매체유가 회류하는 파이프 히터를 사용하여 일정한 온도로 가온 유지시키는 구성으로 이루어질 수 있다.
상기 제 1 유입팬부(1030)와 제 2 유입팬부(1070)를 구성하는 각각의 팬은 각각의 모터 축에 연결 설치되거나 하나의 모터 축에 연결 설치되는 구성으로 이루어질 수 있다.
상기 비디디라디칼수공급부(2000)는 밀폐된 통형상을 하며 외부토부터 정수를 유입하여 저장하고 정수저장조(2010); 상기 정수저장조(2010)의 내부 일측에 고정 설치되고 정수를 설정된 온도로 데우는 온도도절부(2020); 상기 정수저장조(2010)의 내부 중앙에 고정 설치되고 밀폐된 통 형상을 하며 정수의 이물질이 차단된 상태로 통과 유입시키는 여과저정조(2030); 상기 여과저정조(2030)의 중앙 위치에 고정 설치되고 총탄화수소저감운용부(6000)의 해당 제어신호에 의하여 라디칼 수를 생성하는 비디디전극반응부(2040); 상기 비비디전극반응부(2040)로부터 라디칼 수를 유입하고 하나 또는 하나 이상 다수의 환형배출관에 구비된 하나 이상의 다수 노즐(2054)을 통하여 배출하는 환형배출부(2050); 를 포함할 수 있다.
상기 온도도절부(2020)는 총탄화수소저감운용부(6000)의 해당 제어신호에 의하여 정수가 평균 섭씨 27 내지 35 범위를 유지하도록 조절하는 구성으로 이루어질 수 있다.
상기 제 1 광촉매반응부(3100)와 제 2 광촉매반응부(3200)와 제 3 광촉매반응부(3300) 증에서 선택된 어느 하나는 통형상을 하며 외부 형상을 형성하는 외측통부(3010); 상기 외측통부(3010)와 같은 형상이되 작은 크기의 형상을 하며 하단부가 상기 외측통부(3010)의 하단부와 수평형상으로 연결되어 밀폐시키고 사이공간을 형성하는 내측통부(3020); 상기 외측통부(3010)와 내측통부(3020)에 각각 형성되되 하나 이상 다수가 관통상태로 형성되는 유통공(3030); 상기 외측통부(3010)와 내측통부(3020)의 사이공간 내부에 채워지고 상기 유통공(3030)을 통과하는 오염공기로부터 미세먼지와 악성 유해물질을 제거하며 바이러스를 살균하는 필터볼부(3040); 상기 외측통부(3010)와 내측통부(3020)의 사이공간 상단 부분에 설치되고 상기 비비디라디칼수부(2000)로부터 유입되는 라디칼수를 흡수하여 서서히 배출하는 라디칼수분산배출부(3050); 를 포함할 수 있다.
상기 필터볼부(3040)는 제올라이트와 세라믹과 카본 중에서 선택된 어느 하나 또는 선택된 어느 하나 이상이 혼합되어 이루어질 수 있다.
상기 필터볼부(3040)는 섭씨 300 내지 500 도 범위에서 소성시켜 이루어질 수 있다.
상기 필터볼부(3040)는 직경이 2 내지 7 밀리미터 범위 중 선택된 어느 하나의 크기 또는 어느 하나 이상의 값에 의한 다수 크기로 이루어질 수 있다.
상기 필터볼부(3040)는 실리카무기바인더와 이산화티탄이 포함된 액체속에 침지시켜 표면을 코팅하고 섭씨 800 내지 1500 도 범위에서 20 내지 40분간 열처리하여 코팅표면을 안정하게 경화시키는 구성으로 이루어질 수 있다.
상기 유통공(3030)은 25 밀리미터 단위 길이마다 4 내지 6 개 형성되어 이루어질 수 있다.
상기 와류형성부(4000)는 상기 오염공기유입챔버부(1000)의 상단에 연결되어 고정 설치되고 밀폐되어 구분된 통 형상을 하는 통하우징(4100); 상기 통하우징(4100)의 하측면을 형성하는 하면부(4200); 상기 하면부(4200)에 형성되고 상기 오염공기유입챔버부(1000)와 관통되어 오염공기를 유입하며 광촉매반응모듈(3000)의 내부공간에 연통되는 하나 또는 하나 이상의 다수로 이루어지는 유입공(4300); 상기 통하우징(4100)의 내부공간에 고정 설치되며 물결 또는 다양한 기하학적 형상을 하고 유동하는 오염공기에 와류를 일으켜 불균일하게 소용돌이 치도록 하며 하나 또는 하나 이상 다수로 이루어지는 와류형돌기(4400); 상기 하면부(4200)의 유입공(4300) 외곽 주변이면서 광촉매반응모듈(3000)의 외주면 바깥 위치에 홈으로 형성되고 상기 통하우징(4100)의 외부로 연장되어 상기 통하우징(4100) 내부의 퇴수를 외부로 배출하는 경로를 형성하는 퇴수경로(4500); 를 포함할 수 있다.
상기 와류형돌기(4400)은 하나 이상 다수가 연속 이어진 상태이거나 불균일한 간격으로 상하좌우 및 측면에 인접하게 배치되어 이루어질 수 있다.
상기 환형배출부(2050)는 상기 비비디전극반응부(2040)가 생성한 라디칼 수를 유입하고 제 1 광촉매반응부(3100)의 상단부 평면과 유사한 형상을 하는 파이프 형상에 하방향을 향하는 다수의 노즐(2054)을 균등한 간격으로 구비하여 소독액을 배출시키는 제 1 소독액환형파이프단(2051); 상기 비비디전극반응부(2040)가 생성한 라디칼 수를 유입하고 제 2 광촉매반응부(3200)의 상단부 평면과 유사한 형상을 하는 파이프 형상에 하방향을 향하는 다수의 노즐(2054)을 균등한 간격으로 구비하여 소독액을 배출시키는 제 2 소독액환형파이프단(2052); 상기 비비디전극반응부(2040)가 생성한 라디칼 수를 유입하고 제 3 광촉매반응부(3300)의 상단부 평면과 유사한 형상을 하는 파이프 형상에 하방향을 향하는 다수의 노즐(2054)을 균등한 간격으로 구비하여 소독액을 배출시키는 제 3 소독액환형파이프단(2053); 를 포함할 수 있다.
상기 자외선부(3400)는 제 1 광촉매반응부(3100)와 제 2 광촉매반응부(3200)의 사이에 형성된 공간 및 제 2 광촉매반응부(3200)와 제 3 광촉매반응부(3300)의 사이에 형성된 공간 중 선택된 어느 하나 또는 모든 공간에 하나 또는 하나 이상 다수가 설치되어 이루어질 수 있다.
상기 유입팬부(1010)는 단위 시간 당 2500 루베 이상의 공기를 이송시키는 구성으로 이루어질 수 있다 .
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 안출한 본 발명의 산업 시설용 총탄화수소 저감 시스템의 비디디전극반응부 구조는 정수를 전기분해하여 OH기와 과산화수소와 오존을 생성시켜 라디칼수를 생성하는 산업 시설용 총탄화수소 저감 시스템의 비디디전극반응부 구조에 있어서, 티타늄 막대로 이루어지고 표면에 다이아몬드 가루와 붕산으로 코팅되어 양극을 형성하는 양극부(2041); 상기 양극부(2041)의 외부 전체를 절연상태로 감싸는 절연막(2042); 상기 절연막(2042)의 외부 전체를 코일 형상으로 감싸고 음극을 형성하며 스텐레스 스틸로 이루어지는 음극부(2043); 를 포함할 수 있다.
상기 양극부(2041)는 전체 직경은 1.4 내지 1.6 밀리미터이며 길이 150 내지 165 밀리미터의 티타늄 막대의 표면에 1 내지 10 마이크로미터 직경 크기의 다이아몬드 가루를 핫 필라멘트 화학적 증기증착(HFCVD) 방식으로 9 내지 10 시간 동안 증착하여 400 내지 500 마이크로미터 두께를 코팅하여 다이아몬트 코팅층을 형성하고 다이아몬드 코팅형성된 층 위에 400 내지 500 마이크로미터 두께로 붕산을 코팅하여 붕산층을 형성하여 이루어질 수 있다.
상기 절연막(2042)은 두께 1.2 내지 1.3 밀리미터 두께의 절연물질로 이루어지고 상기 양극부(3161)의 외부 전체를 감싸는 구조로 이루어질 수 있다.
상기 절연막(2042)은 테프론으로 이루어질 수 있다.
상기 음극부(2043)는 외경이 4 밀리미터이고 0.25 밀리미터 직경의 스테인레스 스틸이 1.7 내지 2.2 밀리미터 간격으로 균일하게 나선형으로 감겨 이루어질 수 있다.
상기 붕산층은 상기 다이아몬드 층이 형성된 상태를 99.99 % 수소 기체가 532 sccm의 유속으로 유동하고 100 토르(Torr)의 압력이 인가되는 챔버에 투입하여 보론트리옥사이드(B2O3)가 10 시간 동안 증착되어 이루어지되 탄소가 10 sccm의 유속으로 공급되고 탄소에 대한 붕소의 비율을 10**4 ppm으로 혼합되며, 수소 기체는 탄소와 붕소가 이동되는 캐리어 개스(carrier gas)로 사용될 수 있다.
상기와 같은 구성의 본 발명은 각종 산업시설에서 대량으로 발생되는 매연의 총탄화수소(THC)를 매우 효율적으로 저감 또는 차단시키면서 잔여물질이 남지 않아 친환경적이며 물(정수) 사용에 의하여 낮은 비용으로 운용되면서 적은 면적에 설치되어 운용유지 비용이 매우 낮은 장점이 있다.
한편, 본 발명은 비디디(BDD) 전극을 이용한 라디칼수와 이산화티탄이 코팅된 필터와 고도산화공정(AOP)을 이용하고 산업시설에서 발생되는 매연에 포함된 미세먼지, 바이러스 그리고 질소산화물(nox)과 황산화물(sox)과 휘발성 유기화합물(voc) 등의 인체에 유해한 물질들을 일괄적으로 제거, 멸균, 차단하되 전기화학적으로 처리하여 친환경적인 장점이 있다.
도 1 은 종래기술의 일 실시 예에 의한 탄화수소 제거 장치의 기능 구성도,
도 2 는 본 발명의 일 실시 예에 의한 산업 시설용 총탄화수소 저감 시스템의 전체 기능 구성도.
도 3 은 본 발명의 일 실시 예에 의한 오염공기유입챔버부의 세부 기능 구성도,
도 4 는 본 발명의 일 실시 예에 의한 비디디라디칼수공급부의 세부 기능 구성도,
도 5 는 본 발명의 일 실시 예에 의한 광촉매반응모듈의 단면 세부 기능 구성도,
도 6 은 본 발명의 다른 실시 예에 의하여 다수로 이루어진 광촉매반응모듈과 환형배출부의 조립 사시도,
도 7 은 본 발명의 다른 실시 예에 의하여 다수로 이루어진 광촉매반응모듈과 비디디라디칼수공급부의 조립 사시도,
도 8 은 본 발명의 일 실시 예에 의한 비디디전극반응부의 세부 기능 구성도,
도 9 는 본 발명의 일 실시 예에 의한 산업 시설용 총탄화수소 저감 시스템의 전체 조립 사시도,
그리고
도 10 은 본 발명의 일 실시 예에 의한 산업 시설용 총탄화수소 저감 시스템의 외형도 이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에서 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 2 는 본 발명의 일 실시 예에 의한 산업 시설용 총탄화수소 저감 시스템의 전체 기능 구성도 이고. 도 3 은 본 발명의 일 실시 예에 의한 오염공기유입챔버부의 세부 기능 구성도 이며, 도 4 는 본 발명의 일 실시 예에 의한 비디디라디칼수공급부의 세부 기능 구성도 이고, 도 5 는 본 발명의 일 실시 예에 의한 광촉매반응모듈의 단면 세부 기능 구성도 이며, 도 6 은 본 발명의 다른 실시 예에 의하여 다수로 이루어진 광촉매반응모듈과 환형배출부의 조립 사시도 이고, 도 7 은 본 발명의 다른 실시 예에 의하여 다수로 이루어진 광촉매반응모듈과 비디디라디칼수공급부의 조립 사시도 이며, 도 8 은 본 발명의 일 실시 예에 의한 비디디전극반응부의 세부 기능 구성도 이고, 도 9 는 본 발명의 일 실시 예에 의한 산업 시설용 총탄화수소 저감 시스템의 전체 조립 사시도 이며, 도 10 은 본 발명의 일 실시 예에 의한 산업 시설용 총탄화수소 저감 시스템의 외형도 이다.
매연(SMOKE)은 연료나 기타 물질의 연소 시에 발생하는 검댕, 입자상 물질 또는 황산화물로 정의되고, 구성 입자의 크기는 0.1 내지 1 마이크로미터(μm)로 매우 작으며, 큰 입자의 경우에는 진애(塵埃)라고 한다. 매연의 원인은 유기물질의 불완전 연소이며, 유기물 연료의 연소 과정에서 주로 발생된다. 매연을 구성하는 분진, 주석, 아황산가스, 일산화탄소 등은 대기 중에서 수증기를 응결시키는 응결핵이 되고 안개나 스모그를 발생시킨다. 이하의 설명에서 매연과 오염공기는 같은 의미이고 문맥에 적합하게 선택적으로 사용하기로 한다.
탄화수소(hydrocarbon)는 탄소원자가 매우 다양한 방식으로 서로 결합하여 화합물의 뼈대를 이루며, 수소원자는 다양한 형태로 탄소에 결합된다. 탄화수소는 석유와 천연가스의 주성분이며 플라스틱 섬유, 고무, 용매, 폭발물, 공업용 화학약품 생산을 위한 원료와 연료와 윤활제로 사용되며, 많은 탄화수소가 천연자원으로 매장되어 있다. 화석연료의 화학적 성분이 되는 것 외에 당근과 푸른 잎에서 발견되는 카로틴 같은 색소의 형태로 나무와 식물에도 존재한다.
이하에서 설명할 탄소(C) 원자의 다양한 결합방식을 그림으로 도시하면 아래와 같다.
Figure pat00001
탄화수소의 구조와 화학적 성질은 구성 분자의 원자를 연결하는 화학결합 형태에 따라 다르며, 1 개의 탄소(C) 원자는 최대 4 개 단일결합 구성을 하며 이중 또는 삼중 결합도 하지만 수소원자는 단 하나의 단일결합을 한다. 탄화수소는 결합 구조에 의해 몇 가지로 분류되고 주로 지방족과 방향족으로 분류된다.
지방족 탄화수소는 탄소원자가 사슬형태로 결합되는 구성이고 비고리 화합물이라고도 한다. 또한 탄소원자가 고리형태로 연결되는 화합물을 지방족 고리 화합물 또는 탄소 고리 화합물이라고 한다. 지방족 화합물은 탄소 원자 결합 형태에 따라서도 분류된다. 모두 단일결합 화합물은 포화 화합물이라고 하며, 알칸과 시클로알칸으로 분류된다.
탄소원자가 둘 이상 결합된 탄화수소는 불포화 화합물이며, 알켄이나 알카디엔처럼 이중결합이고 알킨과 같이 삼중 결합일 수도 있다. 분자 내에 2 가지 형태의 다중결합을 갖는 화합물은 지방족 화합물이다. 가장 간단한 알칸은 탄화수소가 가장 풍부한 메탄이며, 에탄과 프로판을 포함하여 단 1 가지 구조로 존재한다.
부탄보다 탄소원자의 수가 더 많은 알칸은 탄소사슬이 곧은 사슬인가 가지형 사슬인가에 따라 2 가지 이상의 다른 결합방식으로 이루어지는데, 이러한 화합물들을 이성질체라 한다. 이성질 현상은 유기화학에서 가장 중요한 현상 중의 하나이고 조성은 같지만 구조가 서로 다른 분자들이므로 보통 화학적 성질이 유사하다.
시클로알칸은 알칸 분자보다 수소원자가 2 개 적으며 고리 구조를 하고 대부분 1 개 이상의 고리를 갖는다. 6 개의 탄소원자로 이루어진 고리는 많은 천연물 특히 스테로이드로 존재한다. 고리형 구조도 이성질체가 존재하지만 치환기들의 공간배열이 서로 다르다.
알칸의 주요 상업적 원료는 석유와 천연 가스이고, 탄소 수가 많은 알칸과 시클로알칸은 특수제품을 위해 고안된 반응으로 합성되며, 포화 탄화수소는 불포화 분자를 수소화 반응(수소 첨가)시켜 합성하며 비교적 비활성이고, 실온에서 산, 알칼리, 산화제, 환원제의 영향을 받지 않는다. 올레핀의 불포화 알켄은 알칸보다 수소원자가 분자당 2 개 적은데, 탄소-탄소의 이중결합 특징이 있다. 알켄 이성질체는 알칸 이성질체보다 더 많으며 알켄 계열에 속하는 것으로 에틸렌과 프로필렌이 있다.
탄소-탄소 이중결합을 2 개 이상 가지고 있는 화합물은 디엔 또는 폴리엔이고, 천연적으로 많이 존재하며 상업적으로 중요하게 활용되며, 물리적 성질은 같은 수의 탄소원자를 갖는 알칸과 알켄의 물리적 성질과 비슷하다. 단일결합과 이중결합이 교대로 배열되어 있는 폴리엔은 짙은 색상이 특징이고 상업적으로 디엔은 1,3-부타디엔으로 합성 고무를 제조하는 데 사용된다.
방향족 탄화수소는 지방족 화합물과 다른 성질을 가지며, 일부는 향기가 좋아 방향성(芳香性)의 이름이 붙으며 대부분 6 개의 탄소 원자로 이루어진 고리형 탄화수소인 벤젠에서 유도되고, 하나 이상의 수소원자를 다른 원자나 원자단으로 치환하여 이루어진다. 이들 화합물의 탄소 원자 결합은 공명혼성 결합을 한다. 비벤젠류 방향성 화합물도 많지만, 벤젠류 화합물이 더 많고 중요한 부류를 형성하며, 보통 석유로부터 생산된다. 대부분 알칸의 촉매 수소화반응으로 생산되며 일부는 방향성 탄화수소가 합성된다.
이러한 여러 가지 탄화수소의 특성을 요약하면 아래 그림과 같다.
Figure pat00002
탄화수소는 광화학 반응을 통하여 오존 등의 2 차 오염 물질을 생성하고, 지구 온난화에 연관된 자연 발생 물인 메탄류와 벤젠, 벤조피렌 등의 다핵탄화수소가 포함된다.
물을 전기분해하기 위하여 충격 방전의 스파크가 일어나는 과전압(overvoltage)과 같은 활성화 에너지가 필요하다.
과전압(overvoltage)은 정상 운전시에 두점 선로사이에서 나타나는 최고 전압값 보다 높은 전압(일반적으로 +5% 이상) 값이 오랜 시간(일반적으로 1 초 이상) 공급되는 현상으로, 전극에서 어떠한 반응이 실제로 일어나고 있을 때의 전압과 동일한 반응이 동일 전극에서 가역적으로 평형을 유지하며 일어나는 전압 차의 전압의 피크치를 넘는 과잉전위 전압으로 정의된다.
일반적으로 백금(Pt) 전극 또는 불용성 금속코팅 전극(DSE : Dimensionally stable electrode)에 의하여 발생되는 과전압(overvoltage)은 수 100 밀리볼트(mV) 이하인데 비하여 비디디(BDD : boron-doped diamond) 전극의 과전압은 1 볼트(V) 이상으로 매우 크다.
물을 전기분해하는 경우 양극에서는 산소원자(O) 2 개가 결합된 O2 발생에 부가하여 수산화라디칼기(OH기, HO*), 과산화수소(H2O2, hydrogen peroxide), 오존(O3, ozone)의 활성산소 생성에 충분히 귀중한(noble) 전위가 유지된다.
본 발명의 설명에서 수산화라디칼기와 라디칼은 같은 의미이며 문맥에 적합하게 선택적으로 사용할 수 있다.
이온교환막을 이용한 2실 전해조에서 초순수를 전해할 때 비디디(BDD) 전극에서는 과산화수소(H2O2)와 오존(O3)이 동시에 대량 합성되고, 전자스핀공명(ESR ; Electron Spin Resonance)에 의해서는 OH기(HO*)가 검출된다.
비디디(BDD) 전극을 사용한 전해조에서는 오존(O3)을 주성분으로 하는 고도산화공정(AOP : advanced oxidation process)에 의하여 오존이 발생하며 다음과 같은 화학식으로 발생된다.
화학식 1 ---
Figure pat00003
이산화납(PbO2), 백금(Pt), 이산화티탄(TiO2), 이산화주석(SnO2) 및 등록상표 DSE로 이루어지는 전극은 비디디(BDD) 전극 보다 산화력이 작고 안정성이 부족하며 큰 전류밀도를 흘릴 수 없는 문제가 있다. 비디디(BDD) 전극을 사용한 전해조에서 라디칼 수를 대량 생성할 수 있다.
비디디(BDD) 전극이 무기물을 전기분해하는 특성을 살펴보기로 한다.
0.5 몰(mol) dm**-3 의 소금(염화나트륨, NaCl, sodium chloride)과 0.2 몰 dm**-3 의 황산나트륨(Na2SO4) 수용액을 사용하는 경우 백금(Pt)의 양극은 소금(NaCl) 수용액에서 Cl2가 발생하고, 황산나트륨(Na2SO4) 수용액에서는 O2가 발생한다.
비디디(BDD)의 양극은 백금(Pt)의 양극에 비하여 2 배 이상 빠른 속도로 차아염소산(HClO)을 생산(생성)하고 원료염분은 과염소산이온(ClO4-)으로 산화된다.
과염소산이온(ClO4-)으로 산화시키는 BDD 전극은 백금(Pt) 전극보다 우수한 성능을 발휘한다. 또한, BDD 전극은 과황산이온(S2O82-) 수용액에서 70 % 이상의 전류 효율을 얻을 수 있다. 과탄산이온(C2O62-)의 탄산염과 알칼리를 원료로 하고 BDD 전극을 사용하는 저온 전해에서는 상용의 백금(Pt) 전극과 비교하여 3 배 이상의 효율을 얻고, 요소산(IO3-)은 과요소산이온(IO4-)을 고효율로써 합성시킬 수 있다. 또한, BDD 전극은 용융염에서 불소(F2)와 질화불소(NF3)를 가스 합성하는데 있어서 흑연과 니켈(Ni)을 대체하는 전극으로 주목 받는다.
비디디(BDD) 전극이 유기물을 전기분해하는 특성을 살펴보기로 한다. BDD 전극은 포름산, 페놀 등의 분해대상 물질에 대하여 종래의 전극과 비교하여 이산화탄소(CO2) 를 분해하는 특성이 뛰어나고 또한, 산화환원에 의해 유기화합물을 저분자로 분해하는 유기폐수처리 응용 분야에서 비교적 매우 적합하다는 수많은 보고서가 알려져 있다.
유기물의 분해 방식에는 ① 직접전해, ② 전극표면에 생긴 OH기에 의한 간접전해, ③ 오존, 과산화수소와 전해질 본래의 과산화물 등의 활성종에 의한 간접전해, ④ 활성종에서 생긴 OH기에 의한 간접전해 가 있다.
BDD 전극은 간접반응을 발생하므로 저농도의 대상물질을 분해와 살균 처리하는데 유용하다.
일례로, Cyan 착체는 PbO2 전극으로써도 분해될 수 있지만 BDD 전극을 사용하는 편이 보다 작은 전기량으로 분해를 가능하게 하고 또한, 장치의 크기 또는 규모를 작게할 수 있다.
포름산의 분해전위는 O2 발생전위보다 낮으므로 산화반응이 용이하게 진행될 수 있다. Na2CO3 및 NaHCO3 수용액에서 포름산 농도에 대응하는 총 유기탄소(TOC; Total Organic Carbon) 감쇠비율은 BDD 전극이 현저하게 우수하다.
한편, 페놀(C6H5OH)의 분해전위는 O2 발생전위보다 낮으므로 용이하게 산화반응이 진행할 수 있다. 관(pipe)상의 전해조 내에 BDD 전극을 설치하고 화학도금 폐수처리를 실시하면, BDD 전극의 음극표면에 금속회수와 동시에 잔존하는 차아인산, 아인산과 유기화합물을 산화 분해할 수 있고, 방류 가능한 농도영역까지 감소시킬 수 있는 장점이 있다.
BDD 전극을 이용하여 산업공업용수에 함유된 유기물질을 분해하는 시험이 매우 많이 보고되고 있다. TOD, 화학적 산소요구량(COD; Chemical Oxygen Demand)을 감소시키고 난분해성 물질의 킬레이트제, 불소계 계면활성제의 분해가 가능하며, 도금폐수에서는 광택제를 분해하여 회수 및 재이용할 수 있다.
BDD 전극을 이용하면 농축산업의 토양수는 비료와 가축사료에 존재하는 질소성분을 제거 분해하는 것이 가능하고, 생태계에 영향이 심각한 환경호르몬과 유기 인 화합물인 농약(Methamidophos) 등의 살충제와 제초제 분해를 가능하게 한다.
BDD 전극은 전해기능수와 오존수 생성에도 적합하고, 기존의 세정소독약품을 대체하는 현장 합성기술로서 약품의 보존관리의 번거로움을 생략할 수 있으며 약품 사용량을 감소 시킨다. 또한, BDD 전극은 내구성이 높아 전자부품 세정에도 사용되며 산성 전해수는 차아염소산나트륨(NaClO4)과 비교하여 해리하지 않는 HClO 이 많기 때문에 살균력이 수십 배에 달한다.
봉상의 BDD양극에 띠 모양의 불소수지계 이온교환막과 H2 발생극인 음극선을 감은 전극-막 접합체는 전류의 증가에 따라 오존수 농도가 증가한다. Cl-농도 1 몰 dm-3 이하에서는 오존수가 생성되고, Cl-농도 3 몰 dm-3 이상에서는 HClO 가 생성된다. BDD 전극을 사용하여 HClO를 생성하는 경우에는 Cl-농도가 3 몰 dm-3 이상이 바람직하다.
봉상의 BDD 전극 2개에 격막의 Sheet 상의 막과 음극선을 감아 양극과 Sheet 상의 막 사이의 틈새를 흐름통로로 하면 음극에서 H2 가스를 분리시킬 수 있다. 분리형 전극은 높은 오존가스 분압이 유지되기 때문에 혼합형 전극의 3 배에 이르는 고농도 오존수 생성이 가능하다.
BDD 전극은 오염물질 검출용 센서, 과산화물의 전해 합성, 살균 폐수처리, 유가금속의 회수, 탈취, 도금, 전기투석, 전해가공 등에 유용하게 응용될 수 있고, 단순한 직접전해와 간접전해의 작용을 기대할 수 있으며, 음극과 격막 및 전해질을 포함하여 높은 활성물질의 반응장과 반응시스템을 구축할 수 있는 장점이 있는 것으로 확인된다.
다이아몬드는 무색투명하고 견고하여 공업용이나 보석용으로 사용되지만 지구환경 오염방지와 수자원 확보를 위한 전기화학 전극재료로 개발 및 사용되고 있다. 다이아몬드는 활성화 에너지가 높기 때문에 높은 전압에서도 내구성이 강한 장점이 있다. 다이아몬드는 에너지 갭이 큰 반도체이지만 내구성이 강하며 첨가제를 가하여 전기화학적 저항을 감소시킬 수 있다. 최근 Permelec Electrode사는 다이아몬드 막을 코팅하여 수자원확보를 위한 붕산을 첨가한 다이아몬드 코팅전극을 개발하였다. 다이아몬드 코팅 전극은 친환경 전기화학적 기술이며 고분자의 유기물질을 산화분해하고 물질로 전환시킨다. 전기화학적 분해는 지구온난화 방지를 위한 환경개선과 수자원을 확보하는 장점이 있다.
또한, 다이아몬드 코팅전극은 과염소산 이온이나 차아염소산, 과황산이온, 과탄산이온을 발생시켜 유기물분해, 살균, 표백, 탈색처리를 할 수 있고, 과전압이 높으므로 전기화학적으로 내식성과 내구성이 강하며 기존의 백금, 이산화이리듐, 이산화납 전극보다 양극에서 오존과 과산화수소를 10 내지 300 배 발생시키며 유기물이나 폐수처리, 살균, 표백작용도 강하다. 미국 식품의약국은 붕산첨가 다이아몬드전극으로 식품저장, 살균제를 개발하고 있으며 인체장기 기능회복을 위한 전해육각수 개발에도 활용된다.
고도산화공정(AOP : advanced oxidation process)은 OH 라디칼을 이용한 산화반응을 통하여 매연 또는 폐수속의 유기용매 또는 무기용매를 제거하는 화학적 처리방법 또는 기술이다. 현재 이러한 처리에 오존(O3)과 과산호수소(H2O2) 또는 자외선(UV)을 사용하는 화학공정이 사용된다.
고도산화공정(AOP)은 반응성이 매우 높은 하이드록실 라디칼(*OH) 등을 이용하고, 이러한 화학종은 현존하는 가장 강력한 산화제이며 그 어떠한 화합물도 산화시킬 수 있으며, 확산제어 및 반응속도를 통해 작용한다.
하이드록실 라디칼(*OH)은 생성되는 순간부터 다양한 오염물질과 적극 반응하여 오염물질을 작은 무기분자로 매우 빠르며 효율적으로 산화시키고 분해시키며, 하이드록실 라디칼(*OH)은 1개 또는 여러 개의 산화제(오존, 과산화수소, 산화이온 등), 에너지원이나 촉매(자외선, 이산화티타늄 등)로부터 생성되고, 수득률을 높이기 위하여 반응물의 투여량과 순서, 조합 등의 조건이 매우 정확하며 사전 준비되고 예상된 상태로부터 반응시켜야 한다.
AOP 공정은 잘 조정된 반응조건의 경우 적어도 5 ppb 에서 수백 ppm 까지 활용하여 오염불질의 초기 농도를 줄이고, 총 유기탄소량과 화학적 산소 요구량을 감소시킨다. 특히, 매연 속에 녹아있는 방향족 화합물, 살충제, 석유계 구성성분, 휘발성 유기화합물 등과 생물학적으로 독성이거나 잘 분해되지 않는 물질을 대상으로 유용하게 사용된다. 한편, 2차 처리를 마친 폐수를 다시 살균 소독하는 3차 처리에도 이용되는 경우 대량의 오염물질이 물, 이산화탄소, 염과 같은 안정된 무기화합물로 변환(미네랄화) 된다. 그리고 깨끗이 처리된 폐수의 독성과 화학 오염물질을 줄여 폐수를 다시 시냇물이나 재래식 하수 처리장으로 보낼 수 있다. 또한, 높은 산화력과 효율에 의하여 다루기 힘든 유기물과 무기물을 제거하는 3차 처리 과정에서도 많이 사용된다.
AOP 공정의 화학적 원리는 크게 3 가지가 있다.
첫째 ; 하이드록실 라디칼(*OH)의 형성.
둘째 : 하이드록실 라디칼(*OH)의 표적분자에 대한 초기 반응과 부산물에 대한 파괴.
셋째 : 최종 무기화 작용으로 진행될 때 까지 하이드록실 라디칼(*OH)에 이한 후속적 반응.
하이드록실 라디칼(*OH)의 합성 메커니즘은 고도산화공정 기술의 종류에 크게 의존하며, 일 례로, 오존화, 자외선/과산화수소, 광촉매 산화작용은 각각 다른 하이드록실 라디칼(*OH) 합성 경로를 구성한다.
하나 ; 자외선과 과산화수소 기반의 AOP
Figure pat00004
둘 ; 오존 기반의 AOP
Figure pat00005
Figure pat00006
(두번째 오존 분자가 HO2-와 반응하여 오존 라디칼 음이온(ozonide radical)을 생성한다.)
Figure pat00007
Figure pat00008
셋 ; 이산화티탄을 이용한 광촉매 산화
Figure pat00009
(광촉매의 표면에 빛을 조사시 생기는 들뜸전자(e-)와 궤도에서(h-)를 생성한다.)
Figure pat00010
Figure pat00011
여기서 제시된 반응 단계는 반응순서의 일부일 뿐이다.
‘셋’ 부분의 자세한 메커니즘에 대한 정설은 존재하지 않지만 ‘둘’ 부분의 반응에서 하이드록실 라디칼(*OH)에 의한 표적분자의 산화과정에 관한 실마리는 확인 된 것으로 알려지고 있다.
본질적으로 하이드록실 라디칼(*OH)은 라디칼 분자이고 반응성이 매우 높은 친전자체로 작용하며, 초기 산화반응 중 수소제거 반응과 첨가 반응이 필요하다.
아래는 하이드록실 라디칼(*OH)을 이용한 벤젠의 산화 메카니즘이다.
Figure pat00012
‘둘’의 초기 반응은 (A)의 방향족 고리를 분해시켜 중간체(C)에 있는 2개의 하이드록실기(-OH)를 만드는 친전자성 반응이다. 나중에 하이드록실 라디칼(*OH) 분자가 하이드록실기(-OH) 중 하나에 있는 수소 원자를 붙잡게 되고 라디칼종(D)을 만든다. 이 화합물은 더욱 안정한 (E)로 쉽게 재배열되고 (E)는 순조롭게 하이드록실 라디칼(*OH)의 산화를 받고 2,4-hexadiene-1,6-dione(F)를 생성한다.
충분한 하이드록실 라디칼(*OH)이 있는 이상 (F) 이후로는 계속 산화가 일어나고 마지막에는 (F)가 H2O 또는 CO2 같은 작고 안정된 분자로 분해된다.
고도산화공정(AOP) 또는 고도산화반응은 수처리에서 많은 장점이 있다. 그 중 하나가 수용성 상태의 유기화물물을 효과적으로 제거하며, 오염물질을 다른 상태로 바꾸거나 흡착하여 포집하는데 능률적이다.
하이드록실 라디칼(*OH)의 큰 반응성에 의하여 모든 수용성 오염물질과 무차별적 반응이 이루어지며, 다양한 유기오염물질 제거 분야에 많이 활용된다.
일부 중금속은 침전된 M(OH)x 형태로 제거되면, 소독작용이 가능하므로 수질문제를 한번에 해결하게 된다. 또한, 생성된 하이드록실 라디칼(*OH)이 감소된 후에는 하이드록실 라디칼(*OH)이 환원되어 최종적으로 물(H2O)이 생성되므로 다른 해로운 물질이 남지 않는다.
고도산화공정(AOP)에는 산화티탄/자외선 시스템, 과산화수소/자외선 시스템, 펜톤(fenton), 광-펜톤(photo-fenton) 그리고 전자-펜톤 시스템(electro-fenton system)이 있으며 계속 다른 시스템이 개발되고 있는 실정이다. 일 예로 산화티탄에 비금속 원소를 투여하여 광촉매성을 증신시키거나 초음파 처리를 적용하여 하이드록실 라디칼(*OH)의 생성을 중가시키는 기술 등과 같다.
다이아몬드를 코팅하기 위하여 핫 필라멘트 화학적 증기 침착(HFCVD : hot-filament chemical vapour deposition) 방법이 비교적 많이 사용되는 코팅 기술이다. HFCVD 기술을 이용한 다이아몬드 필름 침작(코팅)은 공구, 기계 구성 요소, 전극 등의 제작에 적합하며 화학적으로 안정하고 윤활 상태가 좋지 않은 상태에서도 마찰 계수가 매우 낮으며 마모성 물질과 접촉 시에도 최고의 마모 저항성을 갖는 특징이 있으며 일반적으로 잘 알려져 있다 .
광촉매(photocatalyst)란 광화학(photochemistry)과 촉매(catalyst)가 결합된 의미로 빛에너지에 의하여 활성을 나타내는 촉매를 말한다. 일반적으로 촉매란 촉매 자신은 변화하지 않으면서 화학반응의 속도를 빠르게 또는 느리게 조절하는 역할을 하는 것으로서, 화학반응 과정에서는 열이나 기타 에너지원들이 사용되는데, 광촉매의 경우에는 화학반응에 사용되는 에너지로 빛을 사용한다. 햇빛이나 또는 인공 광에 의한 빛에너지를 촉매에 조사하면 빛에너지를 흡수한 촉매가 활성을 나타내어 유기물들을 산화 또는 환원시키는 역할을 한다.
광촉매의 기능이 있을 때에는 빛 에너지를 흡수하는 것이 반드시 필요하다. 널리 이용되고 있는 기존 광촉매인 산화티타늄 또는 이산화티타늄(TiO2)이 흡수할 수 있는 것은 빛의 파장이 약 380 nm 이하의 자외선이다. 이러한 산화티타늄의 광촉매반응은 자외선이 조사될 때에만, 자외선의 광량만큼 반응이 일어난다.
본 발명의 설명에서 산화티타늄 또는 이산화티타늄은 같은 의미이고 문맥에 적합하게 선택적으로 사용하기로 한다.
이러한 산화티타늄은 백색 안료나 고주파용 콘덴서 소재, 저반사 코팅 등의 광학 재료, 쎈서 및 보호재료 등으로 매우 광범위하게 이용되고 있으며 특히 무한한 응용 가능성을 지닌 새로운 환경 개선형 광촉매 소재로써 매우 활발하게 연구되어지고 있다.
반도체 재료인 이산화티타늄의 광활성에 관한 연구는 1972년 후지시마 교수에 의하여 발표된 혼다-후지시마 효과에 그 시초를 두고 있다. 이산화티타늄 전극과 백금 전극으로 이루어진 전지에 광을 조사하면 약 -0.5 V에서 물의 분해가 일어나며 이산화티타늄 전극의 표면에서 산소가 발생하고 백금 전극의 주변에서 수소가 발생한다. 이는 물의 통상적인 산화 분해 전위인 +1.23 V에 크게 못 미치는 전위에서 발생하는 특이한 현상으로 후지시마 교수는 이러한 현상을 자외선에 의해 이산화티타늄의 가전자띠(valance band)의 전도띠(conduction band)로 전이되며 이때 발생하는 정공에 의하여 물의 산화가 일어나 수소를 발생시키는 것으로 설명하였다. 티타늄 광물은 지구상에서 9 번째로 흔한 광물이며 지맥의 0.6 %, 지표의 약 1 % 정도를 차지한다.
반도체 성질의 광촉매 물질에 고유의 띠에너지－반도체 물질 내에는 전자가 채워지지 않은 전도띠(Conduction Band, E cb)와 전자가 채워져 있는 공유띠(Valaence Band, E vb)라는 원자궤도들의 선형결합으로 이루어진 분자궤도가 존재한다. 이에 따라, 이 두 띠의 사이에는 전자가 점유할 수 없는 금지된 공간이 존재한다. 이를 띠에너지(Eg)라 하며, 그 크기는 E cb -E vb 에 해당한다. － 이상의 빛에너지를 받고 E vb 내의 전자(e-)가 여기된 후(Excitation) 생성된 전자(e-)와 정공(h+) 쌍이 유익하게 쓰이는 광화학 시스템은 기존 반응기 설계의 제약을 해소할 수 있는 빛의 전달을 가능하게 한다.
광화학 반응의 과정을 거쳐 빛에너지를 화학에너지 또는 전기에너지로 전환시키는 것은 생성된 전자/정공이 광촉매에 흡착되거나 확산층(Diffusion Layer) 내에 있는 물질을 환원/산화시키거나, 구성된 전극회로에 의하여 전류를 생성시킴으로 가능하다. 이를 활용하면 주변의 유기물질을 분해하는 환경정화는 물론, 물분해 수소제조, 태양전지 등에 활용할 수 있는 장점이 있다.
일 실시 예로, 25 내지 30 나노미터(nm) 크기의 이산화티탄 나노물질 1 그람(g)으로 90 평방미터(m**2)를 코팅할 수 있다. 또한, 5 내지 10 나노미터(nm) 크기의 나노물질 1 그람으로 280 평방미터(m**2)를 코팅할 수 있다. 코팅된 광촉매는 미세먼지를 분해하는 작용을 하고, 바이러스를 제거하는 방역의 약리성이 있다.
크기가 나노미터로 작은 이산화티탄 나노물질은 식용으로 먹을 수도 있고 화이트 초코렛의 재료로도 사용되며 인체에 무해한 친환경 소재이다.
OH 라디칼(Radical, 수산기)는 강력한 산화력을 가지고 있으며 불소(F) 다음으로 강력한 산화력이 있고 오존(O3)과 염소(ClO2)보다 강력하며 강한 산화력에 의하여 살균력과 소독력과 분해력이 매우 우수한 특성을 가지고 있으나 불소, 염소, 오존처럼 인체에 독성이 있거나 유해한 물질이 아니다. 또한, 산소 음이온계 천연물질의 일종이고 인체에 무해하며 빠르게 분해되어 친환경적인 특성이 있다.
본 발명은 이러한 특성의 라디칼 수(water)를 저렴한 비용으로 대량 생산하는 기술을 제공하는 것이 포함된 다수의 기술적 사상 중에 하나이다.
이하, 첨부된 모든 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시 예에 의한 산업 시설용 총탄화수소 저감 시스템(900)을 상세히 설명하면 오염공기유입챔버부(1000)와 비디디라디칼수공급부(2000)와 광촉매반응모듈(3000)과 와류형성부(4000)와 자외선고도산화공정부(5000)와 총탄화수소저감운용부(6000)를 포함하는 구성이다.
오염공기유입챔버부(1000)는 산업시설로부터 배출되며 총탄화수소(THC)가 포함된 오염공기를 유입하고 농축하여 배출한다.
오염공기유입챔버부(1000)는 유입경로부(1010)와 여과망부(1020)와 제 1 유입팬부(1030)와 가온농축챔버(1040)와 배출경로부(1050)와 열매체유가온부(1060)와 제 2 유입팬부(1070)를 포함하는 구성이다.
유입경로부(1010)는 공조장치의 덕트(duct)와 같은 구성 및 기능을 하며 외부의 오염공기가 유입되는 경로를 형성한다.
여과망부(1020)는 유입팬부(1010)로부터 유입된 오염공기에 포함되고 직경이 1 센티미터 크기 이상의 비교적 큰 크기의 이물질 통과를 차단한다.
제 1 유입팬부(1030)는 외부의 오염공기를 해당 제어신호에 의하여 강제 유입시키는 구성이다. 제 1 유입팬부(1030)는 단위 시간 당 평균 2500 루베(입방미터) 이상의 외부 공기를 이송시키는 구성이다. 필요에 의하여 가감할 수 있음은 매우 당연하다.
가온농축챔버(1040)는 통형상을 하며 제 1 유입팬부(1030)를 통과한 오염공기가 유입되어 농축되고 해당 제어신호에 의하여 온도를 일정하게 유지시키는 구성이다. 가온농축챔버(1040)는 내부 공간 일부부에 고정 설치되고 일정한 온도의 열매체유가 회류하는 파이프 히터를 구비하여 유입된 오염공기를 일정한 온도로 가온 유지시키는 구성이다.
가온농축챔버(1040)는 유입된 오염공기가 섭씨 27 내지 75 도 범위를 유지하도록 이루어지는 구성이 매우 바람직하다.
배출경로부(1050)는 가온농축챔버(1040)의 오염공기를 하나 또는 하나 이상 다수의 경로를 통하여 오염공기를 광촉매반응모둘부(3000)로 배출한다. 그러므로 배출경로부(1050)는 유입공(4300)와 연통된다.
열매체유가온부(1060)는 제 1 유입팬부(1030)를 통과한 오염공기를 열매체유가 회류하는 라디에이터를 사용하여 일정한 온도로 가온시킨다.
열매체유가온부(1060)는 유입된 오염공기를 섭씨 27 내지 75 도 범위로 가온하여 유지시키도록 이루어지는 구성이 바람직하다.
라디에이터는 통과하는 오염공기에 열을 전달하는 일반적인 구성이 적용될 수 있다. 유입된 오염공기는 열매체유가온부(1060)를 통과하면서 열매체유가온부(1060)에 접속하여 발생된 저항에 의하여 이송속도가 늦어지게 된다.
열매체유(heating medium oil)는 유입된 기체(공기) 또는 액체를 선택된 일정한 온도로 유지하기 위하여 가열 또는 제열하는 기름 종류 이며 합성기름으로 이루어지고, 물을 사용하는 스팀보일러보다 10 분의 1 의 낮은 압력을 사용하므로 설치 유지비용이 비교적 간단하고 저렴아며 폭발 위험이 있는 가스 류 등을 안전하게 가열하는 장점이 있는 것으로 잘 알려져 있다.
제 2 유입팬부(1070)는 열매체유가온부(1060)를 통과한 오염공기의 유입속도가 열매체유가온부(1060)에 의하여 이송속도가 떨어진 상태를 다시 높여 즉, 유입속도를 높여 상기 가온농축챔버에 이송시킨다.
제 2 유입팬부(1070)는 단위 시간 당 평균 2,500 루베(입방미터) 이상의 속도로 오염공기를 이송시키는 구성이고, 필요에 의하여 가감할 수 있음은 매우 당연하다. 바람직하게 제 2 유입팬부(1070)는 제 1 유입팬부(1030) 보다 약 10 % 이상의 이송속도로 오염공기를 유동시키는 구성으로 이루어질 수 있다.
제 1 유입팬부(1030)와 제 2 유입팬부(1070)를 구성하는 각각의 팬은 각각의 모터를 사용할 수 있으나 필요에 의하여 하나의 동일한 모터를 사용하고 하나의 동일한 모터 축에 연결 설치되는 구성으로 이루어질 수 있다.
비디디라디칼수공급부(2000)는 정수를 유입하고 비디디(BDD) 전극을 이용하여 라디칼 수를 생성하며 하나의 소독액환형파이프단 또는 하나 이상 다수의 소독액환형파이프단에 각각 구비된 하나 이상의 다수 노즐을 통하여 생성된 라디칼 수를 배출한다.
비디디라디칼수공급부(2000)는 정수저장조(2010)와 온도도절부(2020)와 여과저정조(2030)와 비디디전극반응부(2040)와 환형배출부(2050)를 포함하는 구성이다.
정수저장조(2010)는 밀폐된 통형상을 하며 외부토부터 정수를 유입하여 저장한다.
온도도절부(2020)는 정수저장조(2010)의 내부 일측에 고정 설치되고 정수를 설정된 온도로 데우는 구성이다. 온도도절부(2020)는 총탄화수소저감운용부(6000)의 해당 제어신호에 의하여 주변을 데우는 히터부(2020-1)와 주변의 온도를 검출하여 총탄화수소저감운용부(6000)에 통보하는 검출부(2020-2)를 포함하는 구성이다.
온도도절부(2020)는 총탄화수소저감운용부(6000)의 해당 제어신호에 의하여 정수가 평균 섭씨 27 내지 35 범위를 유지하도록 조절한다. 바람직하게는 평균 섭씨 28 도를 유지하도록 구성된다.
여과저정조(2030)는 정수저장조(2010)의 내부 중앙에 고정 설치되고 밀폐된 통 형상을 하며 정수의 이물질이 차단된 상태로 통과시켜 유입시킨다.
비디디전극반응부(2040)는 여과저정조(2030)의 중앙 위치에 고정 설치되고 총탄화수소저감운용부(6000)의 해당 제어신호에 의하여 라디칼 수를 생성한다.
비디디전극반응부(2040)는 양극부(2041)와 절연막(2042)과 음극부(2043)를 포함하는 구성이다.
양극부(2041)는 티타늄 막대로 이루어지고 표면에 다이아몬드 가루와 붕산으로 코팅되어 양극을 형성한다.
양극부(2041)는 전체 직경은 1.4 내지 1.6 밀리미터이며 길이 150 내지 165 밀리미터의 티타늄 막대의 표면에 1 내지 10 마이크로미터 직경 크기의 다이아몬드 가루를 핫 필라멘트 화학적 증기증착(HFCVD) 방식으로 9 내지 10 시간 동안 증착하여 400 내지 500 마이크로미터 두께를 코팅하여 다이아몬트 코팅층을 형성하고 다이아몬드 코팅형성된 층 위에 400 내지 500 마이크로미터 두께로 붕산을 코팅하여 붕산층을 형성하여 이루어진다.
붕산층은 다이아몬드 층이 형성된 상태를 99.99 % 수소 기체가 532 sccm의 유속으로 유동하고 100 토르(Torr)의 압력이 인가되는 챔버에 투입하여 보론트리옥사이드(B2O3)가 10 시간 동안 증착되어 이루어지되 탄소가 10 sccm의 유속으로 공급되고 탄소에 대한 붕소의 비율을 10**4 ppm으로 혼합되며, 수소 기체는 탄소와 붕소가 이동되는 캐리어 개스(carrier gas)로 사용되는 구성이다.
절연막(2042)은 양극부(2041)의 외부 전체를 절연상태로 감싸는 구성이다.
절연막(2042)은 두께 1.2 내지 1.3 밀리미터 두께의 절연물질로 이루어지고 상기 양극부(3161)의 외부 전체를 감싸는 구조로 이루어진다. 절연막(2042)은 테프론으로 이루어진다.
음극부(2043)는 절연막(2042)의 외부 전체를 코일 형상으로 감싸고 음극을 형성하며 스텐레스 스틸로 이루어진다. 음극부(2043)는 외경이 4 밀리미터이고 0.25 밀리미터 직경의 스테인레스 스틸이 1.7 내지 2.2 밀리미터 간격으로 균일하게 나선형으로 감겨 이루어진다.
환형배출부(2050)는 비비디전극반응부(2040)로부터 라디칼 수를 유입하고 하나 또는 하나 이상 다수의 환형배출관(2051, 2052, 2053)에 구비된 하나 이상의 다수 노즐(2054)을 통하여 배출한다.
환형배출부(2050)는 제 1 소독액환형파이프단(2051)과 제 2 소독액환형파이프단(2052)과 제 3 소독액환형파이프단(2053)을 포함하는 구성이다.
제 1 소독액환형파이프단(2051)은 비비디전극반응부(2040)가 생성한 라디칼 수를 유입하고 제 1 광촉매반응부(3100)의 상단부 평면과 유사한 형상을 하는 파이프 형상에 하방향을 향하는 다수의 노즐(2054)을 균등한 간격으로 구비하여 소독액을 배출시킨다.
제 2 소독액환형파이프단(2052)은 비비디전극반응부(2040)가 생성한 라디칼 수를 유입하고 제 2 광촉매반응부(3200)의 상단부 평면과 유사한 형상을 하는 파이프 형상에 하방향을 향하는 다수의 노즐(2054)을 균등한 간격으로 구비하여 소독액을 배출시킨다.
제 3 소독액환형파이프단(2053)은 비비디전극반응부(2040)가 생성한 라디칼 수를 유입하고 제 3 광촉매반응부(3300)의 상단부 평면과 유사한 형상을 하는 파이프 형상에 하방향을 향하는 다수의 노즐(2054)을 균등한 간격으로 구비하여 소독액을 배출시킨다.
광촉매반응모듈(3000)는 오염공기유입챔버부(1000)로부터 유입된 오염공기를 상기 비디디라디칼수공급부(2000)로부터 유입된 라디칼 수로 다 단계로 샤워시키며 하나 이상 다수의 이산화티탄(TiO2)이 코팅된 볼필터로 다 단계에 걸쳐 여과시키고 광촉매 반응 시켜 오염공기에 포함된 미세먼지와 악성 유해물질을 제거하며 바이러스를 살균하고 악취를 제거하며 하나 또는 하나 이상 다수로 이루어지는 구성이다.
광촉매반응모듈(3000)은 제 1 광촉매반응부(3100)로 이루어지거나 또는 제 2 광촉매반응부(3200)를 더 포함하거나 또는 제 3 광촉매반응부(3300)를 또 더 포함할 수 있다. 한편, 자외선부(3400)를 내부 중앙 또는 외부에 하나 또는 하나 이상 다수를 더 설치할 수 있다.
제 1 광촉매반응부(3100)는 비디디라디칼수공급부(2000)의 해당 소독액환형파이프단에 구비된 다수의 노즐로부터 각각 배출되는 라디칼수로 하나 이상 다수의 필터볼 표면을 적시고 유입된 오염공기에 포함된 미세먼지와 악성 유해물질을 제거하며 바이러스를 살균하고 악취를 제거한다.
제 2 광촉매반응부(3200)는 제 1 광촉매반응부(3100)를 내부에 고정 설치하고 비디디라디칼수공급부(2000)의 해당 소독액환형파이프단에 구비된 다수의 노즐로부터 각각 배출되는 라디칼수로 하나 이상 다수의 필터볼 표면을 적시고 유입된 오염공기에 포함된 미세먼지와 악성 유해물질을 제거하며 바이러스를 살균하고 악취를 제거한다.
제 3 광촉매반응부(3300)는 제 2 광촉매반응부(3200)를 내부에 고정 설치하고 비디디라디칼수공급부(2000)의 해당 소독액환형파이프단에 구비된 다수의 노즐로부터 각각 배출되는 라디칼수로 하나 이상 다수의 필터볼 표면을 적시고 유입된 오염공기에 포함된 미세먼지와 악성 유해물질을 제거하며 바이러스를 살균하고 악취를 제거한다.
광촉매반응모듈(3000)은 제 1 광촉매반응부(3100)와 제 2 광촉매반응부(3200)와 제 3 광촉매반응부(3300)를 모두 포함하고, 제 1 광촉매반응부(3100)와 제 2 광촉매반응부(3200)와 제 3 광촉매반응부(3300)는 크기에 차이가 있을 뿐이며 동일 유사한 구성과 작용을 하므로 이하에서 광촉매반응모듈(3000)의 구성을 설명하는 것으로 대체하기로 한다.
제 1 광촉매반응부(3100)와 제 2 광촉매반응부(3200)와 제 3 광촉매반응부(3300) 증에서 선택된 어느 하나는 외측통부(3010)와 내측통부(3020)와 유통공(3030)과 필터볼부(3040)와 라디칼수분산배출부(3050)를 포함하는 구성이다.
외측통부(3010)는 통형상을 하며 외부 형상을 형성한다.
내측통부(3020)는 외측통부(3010)와 같은 형상이되 작은 크기의 형상을 하며 하단부가 외측통부(3010)의 하단부와 수평형상으로 연결되어 밀폐시키고 사이공간을 형성한다.
유통공(3030)은 외측통부(3010)와 내측통부(3020)에 각각 형성되되 하나 이상 다수가 관통상태로 형성된다. 유통공(3030)은 25 밀리미터 단위 길이마다 4 내지 6 개 형성되어 이루어지는 구성이다.
필터볼부(3040)는 외측통부(3010)와 내측통부(3020)의 사이공간 내부에 채워지고 유통공(3030)을 통과하는 오염공기로부터 미세먼지와 악성 유해물질을 제거하며 바이러스를 살균한다.
필터볼부(3040)는 제올라이트와 세라믹과 카본 중에서 선택된 어느 하나 또는 선택된 어느 하나 이상이 혼합되어 이루어지고 섭씨 300 내지 500 도 범위에서 소성시켜 이루어지며 직경이 2 내지 7 밀리미터 범위 중 선택된 어느 하나의 값에 의한 크기 또는 어느 하나 이상의 값에 의한 다수 크기로 이루어진다. 또한, 실리카무기바인더와 이산화티탄이 포함된 액체속에 침지시켜 표면을 코팅하고 섭씨 800 내지 1500 도 범위에서 20 내지 40분간 열처리하여 코팅표면을 안정하게 경화시키는 구성이다.
라디칼수분산배출부(3050)는 외측통부(3010)와 내측통부(3020)의 사이공간 상단 부분에 설치되고 비비디라디칼수부(2000)로부터 유입되는 라디칼수를 흡수하여 서서히 배출한다.
자외선부(3400)는 제 1 광촉매반응부(3100)가 형성하는 내부 공간의 중앙 부분에 고정 설치되고 유입된 오염공기에 포함된 바이러스를 자외선 조사에 의하여 살균처리하며 이산화티탄에 광촉매 파장을 제공하는 하나 또는 하나 이상 다수로 이루어진다.
자외선부(3400)는 제 1 광촉매반응부(3100)와 제 2 광촉매반응부(3200)의 사이에 형성된 공간 및 제 2 광촉매반응부(3200)와 제 3 광촉매반응부(3300)의 사이에 형성된 공간 중 선택된 어느 하나의 공간 또는 모든 공간에 하나 또는 하나 이상 다수가 설치되는 구성이 포함된다.
자외선부(3400)는 253 내지 255 나노미터 범위 파장과 185 내지 186 나노미터 범위 파장의 자외선 중에서 어느 하나 또는 어느 하나 이상의 파장에 해당하는 자외선을 해당 제어신호에 의하여 발생 출력하는 구성이다. 자외선부(3400)가 출력하는 자외선 파장은 이산화티탄의 광촉매 작용을 매우 활성화 시키며 또한, 바이러스를 살균 또는 멸균시키기에 매우 적합한 파장의 자외선이다.
와류형성부(4000)는 광촉매반응모듈(3000)을 통과한 오염공기를 하나 또는 하나 이상 다수의 와류 돌기에 의하여 와류 형태로 소용돌이 시켜 오염공기의 반응 시간을 확보한다.
와류형성부(4000)는 그 내부 공간에 통하우징(4100)과 하면부(4200)와 유입공(4300)과 와류형돌기(4400)와 퇴수경로(4500)를 포함하는 구성이다.
통하우징(4100)은 오염공기유입챔버부(1000)의 상단에 연결되어 고정 설치되고 밀폐되어 구분된 통 형상을 한다.
하면부(4200)는 통하우징(4100)의 하측 평면을 형성한다.
유입공(4300)은 하면부(4200)에 형성되고 오염공기유입챔버부(1000)와 관통되어 오염공기를 유입하며 광촉매반응모듈(3000)의 내부공간에 연통되는 하나 또는 하나 이상의 다수로 이루어진다. 그러므로 유입공(4300)은 배출경로부(1050)와 연통된다. 즉, 배출경로부(1050)와 연통된 유입공(4300)의 상측에 광촉매반응모듈(3000) 또는 제 1 광촉매반응부(3100)가 밀착된 상태로 설치되므로 오염공기가 광촉매반응모듈(3000)을 통과하여 와류형성부(4000)의 통하우징(4100)이 형성하는 내부 공간으로 유입된다.
와류형돌기(4400)는 통하우징(4100)의 내부 측면 벽에 고정 설치되거나 내부 공간 임의 위치에 고정 설치되며 물결 또는 다양한 기하학적 형상을 하고 유동하는 오염공기에 와류를 일으켜 불균일하게 소용돌이 치도록 하며 하나 또는 하나 이상 다수로 이루어진다.
와류형돌기(4400)은 하나 이상 다수가 연속 이어진 상태이거나 불균일한 간격으로 상하좌우 및 측면에 인접하게 배치된다.
퇴수경로(4500)는 하면부(4200)의 유입공(4300) 외곽 주변이면서 광촉매반응모듈(3000)의 외주면 바깥 위치에 홈으로 형성되고 통하우징(4100)의 외부로 연장되어 통하우징(4100) 내부의 퇴수를 외부로 배출하는 경로를 형성한다.
자외선고도산화공정부(5000)는 오염공기를 유입하며 고도산화공정에 의한 반응이 일어나고 자외선으로 멸균처리한다.
총탄화수소저감운용부(6000)는 오염공기유입챔버부(1000)와 비디디라디칼수공급부(2000)가 포함되는 산업 시설용 총탄화수소 저감 시스템의 전체 운용을 제어하기 위한 해당 제어신호를 각각 출력하고 운용상태를 감시한다.
상기와 같은 구성은 각종 산업시설에서 대량으로 발생되는 매연에 포함된 총탄화수소(THC)를 매우 효율적으로 저감 또는 차단시키면서 잔여물질이 남지 않아 친환경적이며 물(정수) 사용에 의하여 낮은 비용으로 운용되면서 적은 면적에 설치되어 운용유지 비용이 매우 낮은 장점이 있다. 한편, 본 발명은 비디디(BDD) 전극을 이용한 라디칼수와 이산화티탄이 코팅된 필터와 고도산화공정(AOP)을 이용하고 산업시설에서 발생되는 매연에 포함된 미세먼지, 바이러스 그리고 질소산화물(nox)과 황산화물(sox)과 휘발성 유기화합물(voc) 등의 인체에 유해한 물질들을 일괄적으로 제거, 멸균, 차단하되 전기화학적으로 처리하고 친환경적으로 처리하는 장점이 있다.
이상에서 본 발명은 기재된 구체 예에 대해서 상세히 설명하였지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.
900 : 산업 시설용 총탄화수소 저감 시스템
1000 : 오염공기유입챔버부 1010 : 유입경로부
1020 : 여과망부 1030 : 제 1 유입팬부
1040 : 가온농축챔버 1050 : 배출경로부
1060 : 열매체유가온부 1070 : 제 2 유입팬부
2000 : 비디디라디칼수공급부
2010 : 정수저장조 2020 : 온도도절부
2030 : 여과저정조 2040 : 비디디전극반응부
2041 : 양극부 2042 : 절연막
2043 : 음극부 2050 : 환형배출부
2051 : 제 1 소독액환형파이프부 2052 : 제 2 소독액환형파이프부
2053 : 제 3 소독액환형파이프부 3000 : 광촉매반응모듈
3010 : 외측통부 3020 : 내측통부
3030 : 유통공 3040 : 필터볼부
3050 : 라디칼수분산배출부 3100 : 제 1 광촉매반응부
3200 : 제 2 광촉매반응부 3300 : 제 3 광촉매반응부
3400 : 자외선부 4000 : 와류형성부
4100 : 통하우징 4200 : 하면부
4300 : 유입공 4400 : 와류형돌기
4500 : 퇴수경로 5000 : 자외선고도산화공정부
6000 : 총탄화수소저감운용부

Claims (32)

  1. 산업시설로부터 배출되며 총탄화수소가 포함된 오염공기를 유입하고 농축하여 배출하는 오염공기유입챔버부(1000);
    정수를 유입하고 비디디 전극을 이용하여 라디칼 수를 생성하며 하나의 소독액환형파이프단 또는 하나 이상 다수의 소독액환형파이프단에 각각 구비된 하나 이상의 다수 노즐을 통하여 생성된 라디칼 수를 배출하는 비디디라디칼수공급부(2000);
    상기 오염공기유입챔버부(1000)로부터 유입된 오염공기를 상기 비디디라디칼수공급부(2000)로부터 유입된 라디칼 수로 다단 샤워시키며 하나 이상 다수의 이산화티탄 볼필터로 다단 여과시키고 광촉매 반응 시켜 오염공기에 포함된 미세먼지와 악성 유해물질을 제거하며 바이러스를 살균하고 악취를 제거하며 하나 또는 하나 이상 다수로 이루어지는 광촉매반응모듈(3000); 을 포함하는 산업 시설용 총탄화수소 저감 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 광촉매반응모듈(3000)을 통과한 오염공기를 하나 또는 하나 이상 다수의 와류 돌기에 의하여 와류 형태로 소용돌이 시켜 오염공기의 반응 시간을 확보하는 와류형성부(4000); 를 더 포함하는 산업 시설용 총탄화수소 저감 시스템.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 오염공기를 유입하며 고도산화공정에 의한 반응이 일어나고 자외선으로 멸균처리하는 자외선고도산화공정부(5000); 를 더 포함하는 산업 시설용 총탄화수소 저감 시스템.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 광촉매반응모듈(3000)은
    상기 비디디라디칼수공급부(2000)의 해당 소독액환형파이프단에 구비된 다수의 노즐로부터 각각 배출되는 라디칼수로 하나 이상 다수의 필터볼 표면을 적시고 유입된 오염공기에 포함된 미세먼지와 악성 유해물질을 제거하며 바이러스를 살균하고 악취를 제거하는 제 1 광촉매반응부(3100); 로 이루어지는 산업 시설용 총탄화수소 저감 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 광촉매반응모듈(3000)은
    상기 제 1 광촉매반응부(3100)를 내부에 고정 설치하고 상기 비디디라디칼수공급부(2000)의 해당 소독액환형파이프단에 구비된 다수의 노즐로부터 각각 배출되는 라디칼수로 하나 이상 다수의 필터볼 표면을 적시고 유입된 오염공기에 포함된 미세먼지와 악성 유해물질을 제거하며 바이러스를 살균하고 악취를 제거하는 제 2 광촉매반응부(3200); 를 더 포함하는 산업 시설용 총탄화수소 저감 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 광촉매반응모듈(3000)은
    상기 제 2 광촉매반응부(3200)를 내부에 고정 설치하고 상기 비디디라디칼수공급부(2000)의 해당 소독액환형파이프단에 구비된 다수의 노즐로부터 각각 배출되는 라디칼수로 하나 이상 다수의 필터볼 표면을 적시고 유입된 오염공기에 포함된 미세먼지와 악성 유해물질을 제거하며 바이러스를 살균하고 악취를 제거하는 제 3 광촉매반응부(3300); 를 더 포함하는 산업 시설용 총탄화수소 저감 시스템.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 광촉매반응모듈(3000)은
    상기 제 1 광촉매반응부(3100)가 형성하는 내부 공간의 중앙 부분, 제 1 광촉매반응부(3100)와 제 2 광촉매반응부(3200)가 형성하는 사이 공간, 제 2 광촉매반응부(3200)와 제 3 광촉매반응부(3300)가 형성하는 사이 공간, 제 3 광촉매반응부(3300)이 형성하는 외부 공간 중 선택된 어느 하나 또는 선택된 어느 하나 이상의 공간에 하나 또는 하나 이상의 다수가 고정설치되고 유입된 오염공기에 포함된 바이러스를 자외선 조사에 의하여 살균처리하며 이산화티탄에 광촉매 파장을 제공하는 하나 또는 하나 이상 다수의 자외선부(3400); 를 더 포함하는 산업 시설용 총탄화수소 저감 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 자외선부(3400)는
    253 내지 255 나노미터 범위 파장과 185 내지 186 나노미터 범위 파장의 자외선 중에서 어느 하나 또는 어느 하나 이상을 해당 제어신호에 의하여 발생 출력하는 구성으로 이루어지는 산업 시설용 총탄화수소 저감 시스템.
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 오염공기유입챔버부(1000)와 비디디라디칼수공급부(2000)가 포함되는 산업 시설용 총탄화수소 저감 시스템의 전체 운용을 제어하기 위한 해당 제어신호를 각각 출력하고 운용상태를 감시하는 총탄화수소저감운용부(6000); 를 더 포함하는 산업 시설용 총탄화수소 저감 시스템.
  10. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 오염공기유입챔버부(1000)는
    외부의 오염공기가 유입되는 경로를 형성하는 유입경로부(1010);
    상기 유입경로부(1010)로부터 유입된 오염공기에 포함되고 직경이 센티미터 급 이상의 이물질의 통과를 차단하는 여과망부(1020);
    상기 여과망부(1020)를 통과한 오염공기를 해당 제어신호에 의하여 강제 유입시키는 제 1 유입팬부(1030);
    상기 제 1 유입팬부(1030)를 통과한 오염공기가 유입되어 농축되고 해당 제어신호에 의하여 온도를 일정하게 유지시키는 가온농축챔버(1040);
    상기 가온농축챔버(1040)의 오염공기를 하나 또는 하나 이상 다수의 경로를 통하여 오염공기를 광촉매반응모둘부(3000)로 배출하는 배출경로부(1050); 를 포함하는 산업 시설용 총탄화수소 저감 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 오염공기유입챔버부(1000)는
    상기 제 1 유입팬부(1030)를 통과한 오염공기를 열매체유가 회류하는 라디에이터를 사용하여 일정한 온도로 가온시키는 열매체유가온부(1060);
    상기 열매체유가온부(1060)를 통과한 오염공기의 유입속도를 높여 상기 가온농축챔버에 이송시키는 제 2 유입팬부(1070); 를 더 포함하는 산업 시설용 총탄화수소 저감 시스템.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 가온농축챔버(1040)는
    유입된 오염공기를 열매체유가 회류하는 파이프 히터를 사용하여 일정한 온도로 가온 유지시키는 구성으로 이루어지는 산업 시설용 총탄화수소 저감 시스템.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 1 유입팬부(1030)와 제 2 유입팬부(1070)를 구성하는 각각의 팬은 각각의 모터 축에 연결 설치되거나 하나의 모터 축에 연결 설치되는 구성으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 산업 시설용 총탄화수소 저감 시스템.
  14. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 비디디라디칼수공급부(2000)는
    밀폐된 통형상을 하며 외부토부터 정수를 유입하여 저장하는 정수저장조(2010);
    상기 정수저장조(2010)의 내부 일측에 고정 설치되고 정수를 설정된 온도로 데우는 온도도절부(2020);
    상기 정수저장조(2010)의 내부 중앙에 고정 설치되고 밀폐된 통 형상을 하며 정수의 이물질이 차단된 상태로 통과 유입시키는 여과저정조(2030);
    상기 여과저정조(2030)의 중앙 위치에 고정 설치되고 총탄화수소저감운용부(6000)의 해당 제어신호에 의하여 라디칼 수를 생성하는 비디디전극반응부(2040);
    상기 비비디전극반응부(2040)로부터 라디칼 수를 유입하고 하나 또는 하나 이상 다수의 환형배출관에 구비된 하나 이상의 다수 노즐(2054)을 통하여 배출하는 환형배출부(2050); 를 포함하는 포함하는 산업 시설용 총탄화수소 저감 시스템.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 온도도절부(2020)는 총탄화수소저감운용부(6000)의 해당 제어신호에 의하여 정수가 평균 섭씨 27 내지 35 범위를 유지하도록 조절하는 구성으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 포함하는 산업 시설용 총탄화수소 저감 시스템.
  16. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 광촉매반응부(3100)와 제 2 광촉매반응부(3200)와 제 3 광촉매반응부(3300) 증에서 선택된 어느 하나는
    통형상을 하며 외부 형상을 형성하는 외측통부(3010);
    상기 외측통부(3010)와 같은 형상이되 작은 크기의 형상을 하며 하단부가 상기 외측통부(3010)의 하단부와 수평형상으로 연결되어 밀폐시키고 사이공간을 형성하는 내측통부(3020);
    상기 외측통부(3010)와 내측통부(3020)에 각각 형성되되 하나 이상 다수가 관통상태로 형성되는 유통공(3030);
    상기 외측통부(3010)와 내측통부(3020)의 사이공간 내부에 채워지고 상기 유통공(3030)을 통과하는 오염공기로부터 미세먼지와 악성 유해물질을 제거하며 바이러스를 살균하는 필터볼부(3040);
    상기 외측통부(3010)와 내측통부(3020)의 사이공간 상단 부분에 설치되고 상기 비비디라디칼수부(2000)로부터 유입되는 라디칼수를 흡수하여 서서히 배출하는 라디칼수분산배출부(3050); 를 포함하는 산업 시설용 총탄화수소 저감 시스템.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 필터볼부(3040)는
    제올라이트와 세라믹과 카본 중에서 선택된 어느 하나 또는 선택된 어느 하나 이상이 혼합되어 이루어지는 구성을 특징으로 하는 산업 시설용 총탄화수소 저감 시스템.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 필터볼부(3040)는
    섭씨 300 내지 500 도 범위에서 소성시켜 이루어지는 구성을 특징으로 하는 산업 시설용 총탄화수소 저감 시스템.
  19. 제 16 항에 있어서,
    상기 필터볼부(3040)는
    직경이 2 내지 7 밀리미터 범위 중 선택된 어느 하나의 크기 또는 어느 하나 이상의 값에 의한 다수 크기로 이루어지는 구성을 특징으로 하는 산업 시설용 총탄화수소 저감 시스템.
  20. 제 16 항에 있어서,
    상기 필터볼부(3040)는
    실리카무기바인더와 이산화티탄이 포함된 액체속에 침지시켜 표면을 코팅하고 섭씨 800 내지 1500 도 범위에서 20 내지 40분간 열처리하여 코팅표면을 안정하게 경화시키는 구성을 특징으로 하는 산업 시설용 총탄화수소 저감 시스템.
  21. 제 16 항에 있어서,
    상기 유통공(3030)은 25 밀리미터 단위 길이마다 4 내지 6 개 형성되어 이루어지는 구성을 특징으로 하는 비디디를 이용한 가정용 친환경 미세먼지 바이러스 정화 시스템.
  22. 제 2 항에 있어서,
    상기 와류형성부(4000)는
    상기 오염공기유입챔버부(1000)의 상단에 연결되어 고정 설치되고 밀폐되어 구분된 통 형상을 하는 통하우징(4100);
    상기 통하우징(4100)의 하측면을 형성하는 하면부(4200);
    상기 하면부(4200)에 형성되고 상기 오염공기유입챔버부(1000)와 관통되어 오염공기를 유입하며 광촉매반응모듈(3000)의 내부공간에 연통되는 하나 또는 하나 이상의 다수로 이루어지는 유입공(4300);
    상기 통하우징(4100)의 내부공간에 고정 설치되며 물결 또는 다양한 기하학적 형상을 하고 유동하는 오염공기에 와류를 일으켜 불균일하게 소용돌이 치도록 하며 하나 또는 하나 이상 다수로 이루어지는 와류형돌기(4400);
    상기 하면부(4200)의 유입공(4300) 외곽 주변이면서 광촉매반응모듈(3000)의 외주면 바깥 위치에 홈으로 형성되고 상기 통하우징(4100)의 외부로 연장되어 상기 통하우징(4100) 내부의 퇴수를 외부로 배출하는 경로를 형성하는 퇴수경로(4500); 를 포함하는 산업 시설용 총탄화수소 저감 시스템.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 와류형돌기(4400)은
    하나 이상 다수가 연속 이어진 상태이거나 불균일한 간격으로 상하좌우 및 측면에 인접하게 배치되어 이루어지는 구성을 특징으로 하는 산업 시설용 총탄화수소 저감 시스템.
  24. 제 14 항에 있어서,
    상기 환형배출부(2050)는
    상기 비비디전극반응부(2040)가 생성한 라디칼 수를 유입하고 제 1 광촉매반응부(3100)의 상단부 평면과 유사한 형상을 하는 파이프 형상에 하방향을 향하는 다수의 노즐(2054)을 균등한 간격으로 구비하여 소독액을 배출시키는 제 1 소독액환형파이프단(2051);
    상기 비비디전극반응부(2040)가 생성한 라디칼 수를 유입하고 제 2 광촉매반응부(3200)의 상단부 평면과 유사한 형상을 하는 파이프 형상에 하방향을 향하는 다수의 노즐(2054)을 균등한 간격으로 구비하여 소독액을 배출시키는 제 2 소독액환형파이프단(2052);
    상기 비비디전극반응부(2040)가 생성한 라디칼 수를 유입하고 제 3 광촉매반응부(3300)의 상단부 평면과 유사한 형상을 하는 파이프 형상에 하방향을 향하는 다수의 노즐(2054)을 균등한 간격으로 구비하여 소독액을 배출시키는 제 3 소독액환형파이프단(2053); 을 포함하는 산업 시설용 총탄화수소 저감 시스템.
  25. 제 7 항에 있어서,
    상기 자외선부(3400)는
    제 1 광촉매반응부(3100)와 제 2 광촉매반응부(3200)의 사이에 형성된 공간 및 제 2 광촉매반응부(3200)와 제 3 광촉매반응부(3300)의 사이에 형성된 공간 중 선택된 어느 하나 또는 모든 공간에 하나 또는 하나 이상 다수가 설치되어 이루어지는 구성을 특징으로 하는 산업 시설용 총탄화수소 저감 시스템.
  26. 제 10 항에 있어서,
    상기 유입팬부(1010)는
    단위 시간 당 2500 루베 이상의 공기를 이송시키는 구성으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 산업 시설용 총탄화수소 저감 시스템.
  27. 정수를 전기분해하여 OH기와 과산화수소와 오존을 생성시켜 라디칼수를 생성하는 산업 시설용 총탄화수소 저감 시스템의 비디디전극반응부 구조에 있어서,
    티타늄 막대로 이루어지고 표면에 다이아몬드 가루와 붕산으로 코팅되어 양극을 형성하는 양극부(2041);
    상기 양극부(2041)의 외부 전체를 절연상태로 감싸는 절연막(2042);
    상기 절연막(2042)의 외부 전체를 코일 형상으로 감싸고 음극을 형성하며 스텐레스 스틸로 이루어지는 음극부(2043); 를 포함하는 산업 시설용 총탄화수소 저감 시스템의 비디디전극반응부 구조.
  28. 제 27 항에 있어서,
    상기 양극부(2041)는
    전체 직경은 1.4 내지 1.6 밀리미터이며 길이 150 내지 165 밀리미터의 티타늄 막대의 표면에 1 내지 10 마이크로미터 직경 크기의 다이아몬드 가루를 핫 필라멘트 화학적 증기증착(HFCVD) 방식으로 9 내지 10 시간 동안 증착하여 400 내지 500 마이크로미터 두께를 코팅하여 다이아몬트 코팅층을 형성하고 다이아몬드 코팅형성된 층 위에 400 내지 500 마이크로미터 두께로 붕산을 코팅하여 붕산층을 형성하여 이루어지는 구성을 특징으로 하는 산업 시설용 총탄화수소 저감 시스템의 비디디전극반응부 구조.
  29. 제 27 항에 있어서,
    상기 절연막(2042)은
    두께 1.2 내지 1.3 밀리미터 두께의 절연물질로 이루어지고 상기 양극부(3161)의 외부 전체를 감싸는 구조로 이루어지는 것을 특징으로 하는 산업 시설용 총탄화수소 저감 시스템의 비디디전극반응부 구조.
  30. 제 27 항에 있어서,
    상기 절연막(2042)은 테프론으로 이루어지는 구조를 특징으로 하는 산업 시설용 총탄화수소 저감 시스템의 비디디전극반응부 구조.
  31. 제 27 항에 있어서,
    상기 음극부(2043)는 외경이 4 밀리미터이고 0.25 밀리미터 직경의 스테인레스 스틸이 1.7 내지 2.2 밀리미터 간격으로 균일하게 나선형으로 감겨 이루어지는 구조를 특징으로 하는 산업 시설용 총탄화수소 저감 시스템의 비디디전극반응부 구조.
  32. 제 28 항에 있어서,
    상기 붕산층은
    상기 다이아몬드 층이 형성된 상태를 99.99 % 수소 기체가 532 sccm의 유속으로 유동하고 100 토르(Torr)의 압력이 인가되는 챔버에 투입하여 보론트리옥사이드(B2O3)가 10 시간 동안 증착되어 이루어지되 탄소가 10 sccm의 유속으로 공급되고 탄소에 대한 붕소의 비율을 10**4 ppm으로 혼합되며, 수소 기체는 탄소와 붕소가 이동되는 캐리어 개스(carrier gas)로 사용되는 것을 특징으로 하는 산업 시설용 총탄화수소 저감 시스템의 비디디전극반응부 구조.

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