KR20230035204A - 와이어 메시 기반 광촉매 구조물을 이용한 광촉매 반응기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 와이어 메시 기반 광촉매 구조물과 이를 이용한 광촉매 반응기에 관한 것으로, 표면에 광촉매 물질이 형성되어 있는 와이어 메시 기반 지지체가 여러 겹으로 절첩되어 이루어진 광촉매 구조물과; 상기 광촉매 구조물을 통해서 유체가 흐르도록 상기 광촉매 구조물을 적소에 보지하는 내부 공간과, 상기 내부 공간을 외부공간과 소통하는 유입구와 배출구를 구비한 하우징 몸체와; 상기 하우징 몸체의 일측에서 상기 광촉매 구조물 위에 광을 조사하는 광 어레이와, 상기 광 어레이에 부착되며 상기 내부공간과 통하는 개구부가 형성된 연결 블록과, 상기 연결블록의 개구부에 설치되어 광을 투과시키는 투명창을 포함하는 하나의 광 모듈로 구성된다.

Description

와이어 메시 기반 광촉매 구조물을 이용한 광촉매 반응기{Photocatalytic reactor using wire mesh based structure of photocatalyst}

본 발명은 와이어 메시 기반 광촉매 구조물을 이용한 광촉매 반응기에 관한 것이다.

대기와 수질 오염은 지구의 생태계를 심각하게 파괴하며 지속 가능한 환경을 위협하고 있다. 이를 극복하기 위해 탄소 제로와 같은 오염원의 근원적 감소는 물론, 오염물의 현실적 제거를 위해 다양한 수단들이 동원되고 있다. 그중에서도 자외선을 이용한 직접 살균이나 광촉매의 광분해 작용을 통해 다양한 오염원을 분해하여 대기나 수질을 정화시키는 기술이 각광을 받고 있다.

종래 자외선에 의한 직접 살균방식은 안전성을 위해 밀폐된 공간에서 사용되나 인체에 해로운 오존 발생이라는 문제가 있다. 대한민국 등록특허 제10-1887621호(발명의 명칭 : 살균 모듈, 정수 장치 및 정수장치를 포함하는 시스템)에 기재된 바와 같이 저수조에 정지된 물을 자외선으로 직접 살균하는 경우, 저수량에 따라 다수의 살균 모듈을 설치하여야 하고, 자외선이 도달하지 않은 부위에서는 살균효과를 기대하기 어려운 문제가 있었다. 또한, 파장 280nm 미만의 심자외선을 이용한 유수 살균의 경우, 처리대상 유수가 자외선 조사지역에 체류하는 충분한 시간을 확보하기 어려우므로 단시간에 살균이 가능한 고출력의 조사광이 필요하며, 이는 고출력에 따른 UVC LED의 방열문제 및 원가 상승을 야기하여 범용화의 제한 요소가 되고 있다.

자외선에 의한 직접 살균 외에, 자외선 또는 가시광선에 의해 활성화된 광촉매 물질은 유기물의 광분해를 통해 미생물은 물론 유해 유기화합물을 이산화탄소와 물로 분해하는 친환경 정화기술로 평가받고 있다. 광촉매는 광화학과 촉매가 결합된 의미로 빛에너지에 의하여 활성화되는 촉매를 말한다. 특히, 광촉매는 활성화되면 광촉매 표면에서 강한 산화 및 환원력을 가지기 때문에 여러 분야에 적용이 가능하며, 유기물 분해능이 뛰어나서 대기 정화 기능 및 수중 유해성 난분해물질 제거 기능을 갖고 있다. 광촉매 물질로는 이산화티탄(TiO2), 산화아연(ZnO), 황화카드뮴(CdS), 산화지르코늄(ZrO2), 산화바나듐(V2O2), 산화텅스텐(WO3) 등과 페로브스카이트형 복합금속산화물(SrTiO3) 등이 있다.

이와 같은 광촉매 물질은 기본적으로 광촉매 지지체, 광원 및 정화대상 유체라는 3가지 파라미터들이 다음과 같은 상호관계를 충족해야 높은 광촉매 활성을 유지할 수 있다.

Ⅰ. 광촉매 지지체

(1) 광촉매 물질은 지지체(support or carrier)에 효과적으로 고정되어야 한다.

광촉매 물질은 분말 형태로 사용되는 경우 비표면적이 높아 광활성은 우수하지만, 정화 후에 광촉매 분말을 정화 대상 유체와 분리하여 회수하기 어려운 단점이 있으므로, 일반적으로 광촉매 물질은 지지체에 박막(thin film)형태로 고정된다. 광촉매 지지체로는 위와 같은 탄소기반 재료 외에도 세라믹, 유리, 제올라이트, 스테인레스스틸, 복합재 등이 사용된다. 이러한 지지체의 재질이나 물성에 따라 다양한 광촉매 박막의 고정화 기술이 적용된다. 광촉매 고정화 기술은 졸겔법, 딥코팅, 함침법, 수열법, 전기화학법, 화학기상증착법, 전기영동침착법 등이 사용된다.

일반적으로 범용되고 있는 종래의 딥코팅 방법은 DP25 등의 TiO2 분말을 바인더 및 분산제 등에 혼합한 슬러리 용액에 세라믹 허니컴 등의 지지체를 침지시킨 후 건조 및 소성시키는 슬러리 코팅 공정을 거치지만, 광촉매 분말이 코팅과정에서 응집되어 비표면적이 낮아지며, 정화대상 유체에 대한 광촉매 표면의 흡착력이 낮아 고농도 VOC의 정화에는 한계가 있다.

(2) 지지체의 형태가 유로와 광로에 적합해야 한다.

광촉매의 광화학 반응은 광촉매의 광활성 부위(active sites)에서 일어나므로 지지체의 형태는 광이 도달할 수 있으면서 정화 대상 유체가 유동저항을 덜 받을 수 있는 형태이어야 한다. 지지체의 형태는 평판형, 주름 시트, 구형 비드, 허니컴, 발포체, 부직포, 활성탄 등을 포함한다. 일반적으로, 유동저항이 적다는 점에서, 냉장고 제균탈취기의 경우 모노리스 세라믹 허니컴이 사용되고, 공기청정기 광촉매 제균탈취기의 경우 세라믹 비드가 지지체로 사용되지만 광이용 효율이 낮다. 특히 ACF 부직포(fabric)나 천(cloths)직물은 흡착용량과 흡착속도가 우수해서 흡착제로서는 널리 활용되고 있지만, 재질의 유연성으로 유동저항이 큰 경우 형상유지가 어렵다는 점에서 광촉매 지지체로서 산업적으로는 응용되지 못하였다.

(3) 광촉매 물질은 높은 비표면적(specific surface area)을 갖도록 지지체 표면에 메조포러스하게 고정되어야 한다.

지지체에 고정된 광촉매 물질에 미세기공(micropore)과 중위기공(mesopore)이 계층적으로 형성되거나 나노어레이 구조(나노와이어, 나노로드, 나노튜브, 나노벨트 등)로 성장되는 경우, 그만큼 광활성 부위가 많아지고 처리 유체의 흡착은 물론 광화학 반응물의 확산에 유리하므로 광활성이 높아지는 효과가 있다.

종래의 광촉매 반응기는 코팅기술의 부족, 지지체 선택의 제한, 나노구조 필름의 대량 조제기술이 준비되지 못해서 광촉매 자체의 반응성이 산업계의 수요에 부응하지 못하는 문제점이 있었다.

Ⅱ. 광원

광촉매 물질은 밴드갭 이상의 광에너지를 받음으로써 여기되어 전자와 정공쌍을 생성하며, 광여기 전자는 산소와 반응하여 수퍼옥사이드 이온을 생성하고, 광여기 정공은 물분자 또는 표면의 하이드록시기와 반응하여 하이드록시 라디컬을 생성한다. 수퍼옥사이드 이온이나 하이드록시 라디컬과 같은 반응성 산소종(ROS)은 광촉매의 표면에서 유기 오염물을 산화시키거나 박테리아 등의 미생물을 비활성화시켜 물을 정화시킨다. 이와 같은 광에너지를 제공하는 광원의 빛이 광촉매 표면에 효율적으로 도달하기 위해 광 경로는 광원의 종류와 위치, 그리고 지지체의 형상에 의해 제약을 받는다.

(1) 광원의 종류

광원은 태양광과 인공광(점광원, 면광원)으로 분류되고, 파장에 따라 자외선, 가시광선, 적외선 등으로 구분된다. 파장이 짧은 자외선 보다는 가시광선의 투과거리가 더 크므로 광원과 광촉매 구조물의 간격은 더 커질 수 있다. 태양광의 경우, 자외선은 5% 미만이고 대부분이 가시광이므로 가시광 응답형의 광촉매 물질이 선택되어야 할 것이다. UV LED가 상용화되므로써 UV 램프에 비해 광원의 수명과 형상 자유도가 커졌다.

(2) 광원의 위치

광원의 위치가 정화 대상 유체의 유로 안에 있거나 유로 밖에 있을 수 있다. 예컨대, UV램프가 기질에 평행하게 배치되는 허니컴 모노리스 반응기(Honeycomb monolith reactor)의 경우, 기계적 강도가 높고 반응면적이 크지만, 모노리스가 두꺼우면 광이용율이 낮다는 단점이 있다. UV램프가 중심에 배치되는 환형 반응기(Annular reactor)의 경우, 압력손실은 작지만 반응면적이 적고 대류 질량 전달율이 낮다(Low convective mass transfer rate)는 단점이 있다. UV램프가 기질에 평행하게 배치되는 판형 반응기(Plate reactor)의 경우 단순한 형상에 압력손실은 작지만 대류 질량 전달율이 낮다는 단점이 있다.

Ⅲ. 정화 대상(기체 또는 액체)의 유로

정화 대상 유체의 광화학적 반응은 광촉매 구조물의 광활성화된 표면에서 일어나므로, 정화 대상 유체가 광촉매 표면과 균일하게 충분히 접촉하도록 유로가 디자인되어야 한다. 정화 대상 유체가 흐르는 경우, 반응기의 형상, 광촉매 필름의 비표면적, 유체의 점성(기체 또는 액체), 유체의 속도 등과 같은 다양한 파라미터들에 의하여 유동의 형태가 변하며, 이에 따라 정화대상 유체와 광촉매 필름의 접촉이 영향을 받을 것이다. 다른 한편으로, 정화대상 유체의 시간당 처리량을 고려하여 광촉매 지지체에 의한 유동저항을 최소화시키면서도 충분한 접촉이 이루어지도록 유로가 최적화되어야 한다.

자외선 광원은 램프에서 LED로 발전하여 2010년대에 광원의 소형화를 달성하였고, 광촉매 물질은 자외선 영역뿐만 아니라 가시광에도 반응하도록 밴드갭이 협소화된 다양한 물질들로 개량됨으로써 태양광을 이용한 에너지 변환에도 광촉매 물질이 적용되고 있다. 아울러 최근에는, 실험실 규모에서 다양한 형상과 재질의 지지체에 광촉매 물질을 나노어레이로 성장시키는 연구논문들(Kevin Reilly 2020)이 공개되고 있다.

종래에 광촉매 구조물은, 도 1a 내지 도 1d에 도시한 바와 같이, 지지체로서 일정한 메시 사이즈의 채널들이 다수 관통하는 세라믹 허니컴이나 비정형의 유로들이 형성된 발포체(foam), 다양한 재질의 주름필터(pleated filter)나 비드가 사용되었다. 도 1a와 같은 허니컴 필터의 경우 단면이 원형이거나 장방형이고 다수의 채널들을 통해 오염유체가 통과하도록 유로가 구성되며, 도 1b와 같은 폼 필터의 경우 발포체에 형성된 비정형의 터널들을 통해 오염유체가 통과하도록 구성되고, 광원은 필터의 양측에 주 광경로가 유로와 평행하게 배치되어 채널이나 비정형 터널의 내부에 광이 도달하도록 구성된다. 허니컴 필터의 경우, 채널 직경이 작거나 길이가 늘어날수록 채널 내부에 광촉매를 코팅하기는 어려워지며, 채널 내부에 도달하는 광량이 적어지는 문제가 있다. 그러므로, 채널 내부로 일정한 광량을 확보하기 위해 허니컴의 두께(즉, 채널의 길이)와 채널의 직경은 제한될 수 밖에 없다. 허니컴 필터와 유사하게, 폼 필터의 경우에도 유로나 광경로의 제한 조건에 따라 두께는 제한되고 광원은 유로 방향을 따라 필터의 양측에 배치되어야 한다.

또한, 도 1c와 같은 주름 지지체의 경우는 일반적으로 미세입자의 포집을 위한 에어 필터로 흔히 사용되고, 유해가스 분해를 위한 공기청정기용 광촉매의 지지체로 종종 사용되지만, 흐르는 액체의 경우 정수기용 광촉매 주름형 지지체를 통과하는데 유동저항이 커서 광촉매 지지체로는 사용되지 않고 있다.

반면에, 도 1d와 같은 비드형 구조물의 경우, 세라믹 볼 등의 비드 표면에 PVD 또는 CVD 증착기술을 이용하여 광촉매 물질을 균일하게 형성하고 허니컴 타공판 사출물에 적층하는 공정을 거쳐 제조되지만, 주름형 지지체에 비해 유동 저항이 적어 공기 청정기든 정수기든 광촉매 지지체로 사용되고 있다. 하지만, 이와 같은 광촉매 비드의 경우 유동성은 확보하는 대신, 적층된 비드 층에 의해 광로가 차단되므로 광촉매 물질이 형성된 비드 표면 중 일부만이 광화학적 반응에 참여하게 되어 광활성이 저조하다는 문제가 있다.

이와 같이 광촉매 지지체의 형태에 따라 광원의 광 경로와 정화대상 유체의 유로가 중첩되어 압력손실(유동저항)이 크거나, 광 경로가 차단되어 조사 면적이 제한되는 등의 문제가 있다. 또한, 정화대상이 액체이고 광원이 유로에 설치되는 경우, 광원은 유동저항을 야기하는 것은 물론이고, 광원의 방수처리가 추가되는 문제가 있다.

따라서, 광촉매 반응기에 사용되는 광촉매 구조물의 운전 효율을 향상시키기 위해서는 지지체의 구조와 배치 그리고 광 경로의 구성을 획기적으로 개선할 필요가 있다.

대한민국 등록특허 제10-1887621호 대한민국 등록특허 제10-2138163호

Kevin Reilly, Baizeng Fang, Fariborz Taghipour,*and David P. Wilkinson : Simple and Scalable Synthesis of Vertically Aligned Anatase Nanowires for Enhanced Photoelectrochemical Performance ; ACS Appl. Energy Mater. 2020, 3, 8317?8329, https://dx.doi.org/10.1021/acsaem.0c00886

본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로써, 본 발명의 목적은 와이어 메시 기반 광촉매 구조물을 통해 광원의 광 경로를 정화대상 유체의 유로와 분리시킴으로써 광촉매 표면과 정화대상 유체의 접촉시간을 증가시키는 광촉매 반응기를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따라 제공되는 광촉매 구조물은 표면에 광촉매 물질이 고정되어 있는 와이어 메시 기반 지지체가 유체가 흐르는 방향으로 여러 겹으로 절첩되어 이루어진다.

본 발명에 따라 제공되는 광촉매 반응기는 표면에 광촉매 물질이 형성되어 있는 와이어 메시 기반 지지체가 여러 겹으로 절첩되어 이루어진 광촉매 구조물과; 여러겹으로 절첩된 상기 와이어 메시 기반 지지체를 통과해서 유체가 흐르도록 상기 광촉매 구조물을 적소에 수납하는 내부 공간이 형성되고, 상기 내부 공간을 외부공간과 소통하는 유입구와 배출구를 구비한 하우징 몸체와; 상기 하우징 몸체의 일측에 배치되어 상기 광촉매 구조물 위에 광을 조사하는 광 어레이를 포함하는 적어도 하나의 광 모듈;로 구성된다.

본 발명에 따라 제공되는 광촉매 반응기에서, 상기 와이어 메시 기반 지지체는 폴리우레탄 등의 고분자 섬유, 메탈 와이어 메쉬, 유리섬유, 활성탄소섬유, 탄소섬유 중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따라 제공되는 광촉매 반응기에서, 상기 와이어 메시 기반 지지체는 상기 유체가 흐르는 방향으로 전파되는 주름 구조를 특징으로 한다.

본 발명에 따라 제공되는 광촉매 반응기에서, 상기 와이어 메시 기반 지지체는 망상 구조인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따라 제공되는 광촉매 반응기에서, 상기 광촉매 구조물은 상기 와이어 메시 기반 지지체의 주름 구조를 등간격으로 유지시키는 스페이서를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따라 제공되는 광촉매 반응기에서, 상기 하우징 몸체의 유입구에는 상기 와이어 메시 기반 지지체에 유입되는 유체를 분산시키는 분산 가이드부가 연결되어 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따라 제공되는 광촉매 반응기에서, 상기 하우징 몸체의 배출구에는 상기 와이어 메시 기반 지지체를 경유한 유체를 통합시키는 통합 가이드부가 연결되어 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따라 제공되는 광촉매 반응기에서, 상기 광 모듈은 상기 광 어레이에 부착되며 상기 내부공간과 통하는 개구부가 형성된 연결 블록을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따라 제공되는 광촉매 반응기에서, 상기 광 모듈은 상기 연결블록의 개구부에 설치되어 광을 투과시키는 투명창을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따라 제공되는 광촉매 반응기는 표면에 광촉매 물질이 형성되어 있는 와이어 메시 기반 지지체가 여러 겹으로 절첩되어 이루어진 광촉매 구조물과; 여러겹으로 절첩된 상기 와이어 메시 기반 지지체를 통과해서 유체가 흐르도록 상기 광촉매 구조물을 적소에 보지하는 내부 공간이 형성되고, 상기 내부 공간을 외부공간과 소통하는 유입구와 배출구를 구비한 하우징 몸체와; 상기 하우징 몸체의 양측에서 상기 광촉매 구조물 위에 광을 조사하는 1쌍의 광 어레이를 포함하는 1쌍의 광 모듈;로 구성된다.

본 발명에 따라 제공되는 광촉매 반응기에서, 상기 광 모듈 각각은 상기 광 어레이에 부착되며 상기 내부공간과 통하는 개구부가 형성된 연결 블록을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따라 제공되는 광촉매 반응기에서, 상기 광 모듈 각각은 상기 연결블록 각각의 개구부에 고정되어 광을 투과시키는 투명창을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따라 제공되는 광촉매 반응기에서, 상기 와이어 메시 기반 지지체는 주름 구조인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 와이어 메시 기반 광촉매 구조물은 아코디언 구조로 인하여 광촉매 구조물의 두께 방향으로 광을 조사하여도 주름의 골 깊숙이, 그리고 와이어 메시의 개구부를 통해 광촉매 구조물의 이면까지 광이 도달할 수 있어 광조사 효율이 높아진다.

또한, 광촉매 구조물의 두께 방향과 직교하는 방향으로 유로가 형성되는 경우, 유체가 와이어 메시의 개구부를 반복적으로 통과하므로써 압력손실이 작으면서도 광촉매 물질과 접촉하는 면적이 늘어나 정화 효율이 높아진다. 사용 환경에 따라 와이어 메시의 절첩되는 피치를 작게 하거나, 그리고 메시의 개구율을 작게 하므로써 유체가 광촉매 물질과 접촉하는 면적을 증가시킬 수 있다.

더구나, 광 경로를 유로와 직교하게 디자인함으로써 광촉매 구조물의 외부에 광 모듈을 설치할 수 있으므로, 광 모듈이 유로 밖에 배치되어 압력 손실을 야기하지 않으면서 광 모듈의 광이용율을 극대화시킬 수 있다. 특히, 정수처리의 경우 광 모듈의 방열처리가 단순해지고 방수처리가 불필요해진다.

또한, 유로의 너비와 길이에 대응하여 광 모듈의 조사 면적을 디자인함으로써 사용조건에 따라 처리 유체의 통과 유량을 용이하게 조절할 수 있다. 특히 대용량의 정화처리를 위해서 광촉매 구조물의 두께가 증가할 경우에는 하우징 몸체의 상하로 광 모듈을 각각 배치함으로써 스케일업이 용이하다.

도 1a 내지 도 1d는 종래의 광촉매 지지체로 사용되는 다양한 형태의 모듈을 보여준다.
도 2는 종래 전형적인 광촉매 광촉매 반응기의 유로와 광 경로 배치 관계를 보여주는 개략도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따라 디자인된 와이어 메시 기반 광촉매 구조물을 이용한 광촉매 반응기의 개략도이다.
도 4는 도 3에 도시된 광촉매 반응기의 분해도이다.
도 5a는 도 3에 도시된 광촉매 구조물을 나타내는 개략도이다.
도 5b은 본 발명의 제1 실시예에 따른 아코디언형으로 절첩된 와이어 메시 기반 광촉매 구조물의 전체 모습을 보여주는 사시도이다.
도 6은 일반적인 와이어 메시의 구조를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따라 디자인된 와이어 메시 기반 광촉매 구조물을 이용한 광촉매 반응기의 개략도이다.
도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 와이어 메시 기반 광촉매 구조물을 이용한 광촉매 반응기의 개략도이다.
도 9는 도 8에 도시된 투명창 지지체와 광원의 배치를 나타내는 도면이다.
도 10은 도 8에 도시된 투명창 지지체의 사시도이다.
도 11은 본 발명의 제4 실시예에 따른 와이어 메시 기반 광촉매 구조물을 이용한 광촉매 반응기의 개략도이다.
도 12는 본 발명의 제5 실시예에 따른 와이어 메시 기반 광촉매 구조물을 이용한 광촉매 반응기의 개략도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있는 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예의 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다.

덧붙여, 명세서 전체에서 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우 이외에 그 중간에 다른 구성요소를 사이에 두고 간접적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 "포함"한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 와이어 메시 기반 광촉매 구조물을 이용한 광촉매 반응기의 개략도이고, 도 4는 도 3에 도시된 광촉매 반응기의 분해도이며, 도 5a는 도 3에 도시된 와이어 메시 기반 광촉매 구조물에 대한 유체흐름 방향과 광조사 방향을 개략적으로 나타내는 도면이고, 도 5b는 본 발명의 제1 실시예에 따라 아코디언형으로 절첩된 와이어 메시 기반 광촉매 구조물의 전체 모습을 보여주는 사시도이며, 도 6은 평직으로 구성된 와이어 메시를 나타낸다.

도 3 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 실시예에 디자인된 와이어 메시 기반 광촉매 구조물을 이용한 광촉매 반응기는 광촉매 구조물(100), 하우징 몸체(200) 및 광 모듈(300)을 포함한다.

도 3 및 도 5b에 도시한 대로, 광촉매 구조물(100)은 표면에 광촉매 물질이 형성되어 있는 와이어 메시가 파형으로, 바람직하게 아코디언 형상으로 여러 겹으로 절첩되어 이루어지는데, 도 5a와 같이 유체가 흐르는 방향으로 골과 마루가 반복하여 진행되며, 광 모듈(300)은 광촉매 구조물(100)의 외부에서 조사하도록 배치되어 있다. 메시의 와이어는 망상 구조로 이루어지며, 수평 와이어(또는 씨실)와 수직 와이어(또는 날실)가 동일한 굵기를 갖도록 이루어진 구조, 도 6과 같이 수평 와이어가 수직 와이어보다 더 굵게 형성된 구조 등의 평직이거나 능직 등 다양한 형상을 취할 수 있다.

이때, 와이어 메시는 폴리우레탄 등의 고분자 섬유, 스테인레스스틸, 탄소섬유, 유리 섬유 중 어느 하나로 형성된다. 이 와이어 메시에 다양한 광촉매 물질이 코팅되어 있다.

이러한 광촉매 구조물(100)은 와이어 메시 기반 지지체의 아코디언 구조를 등간격으로 유지시키는 스페이서(도시하지 않음)를 포함할 수 있다.

하우징 몸체(200)는 광촉매 구조물(100)을 통해서 유체가 흐르도록 광촉매 구조물(100)을 적소에 보지하는 내부 공간(202), 내부 공간(202)을 외부공간과 소통하는 유입구(212)와 배출구(214)를 구비한다.

이러한 하우징 몸체(200)는 광 모듈(300)이 설치되는 일측 방향이 개방된 형태로 형성되고, 개방된 부분을 통해 광촉매 구조물(100)이 하우징 몸체(200)의 내부에 안착되게 된다.

광 모듈(300)은 하우징 몸체(200)의 내부 공간(202)에 안착되는 광촉매 구조물(100)에 광을 조사하기 위한 것으로, 하우징 몸체(200)의 일측에서 광촉매 구조물(100) 위로 광을 조사하는 광 어레이(310), 광 어레이(310)의 일측에 부착되게 광 어레이(310)와 하우징 몸체(200) 사이에 설치되고, 하우징 몸체(200)의 내부 공간(202)과 통하는 개구부가 형성된 연결 블록(320) 및 내부 공간(202)과 광 어레이(310) 사이가 격리되도록 연결 블록(320)의 개구부에 설치되어 광 어레이(310)에서 조사된 광을 하우징 몸체(200)쪽으로 투과시키는 투명창(330)을 포함한다. 광 어레이(300)는 UV LED 등의 점광원, 면광원, 램프 등을 포함한다.

도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따라 디자인된 와이어 메시 기반 광촉매 구조물을 이용한 광촉매 반응기의 개략도이고, 도 3에 도시된 본 발명의 제1 실시예에 따라 디자인된 와이어 메시 기반 광촉매 구조물을 이용한 광촉매 반응기과 비교하여 하우징 몸체(200)의 유입구(212)과 배출구(214)에 각각 유체를 분산시키는 분산 가이드부(230)와 와이어 메시 기반 지지체를 경유한 유체를 통합시키는 통합 가이드부(240)가 설치된 것을 제외한 나머지 구성요소는 도 3에 도시된 본 발명의 제1 실시예에 따라 디자인된 와이어 메시 기반 광촉매 구조물을 이용한 광촉매 반응기과 모두 동일하므로 상세한 설명은 상술한 설명으로 대체하기로 한다.

도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따라 디자인된 와이어 메시 기반 광촉매 구조물을 이용한 광촉매 반응기의 개략도이고, 도 3에 도시된 본 발명의 제1 실시예에 따라 디자인된 와이어 메시 기반 광촉매 구조물을 이용한 광촉매 반응기과 비교하여 하우징 몸체(200)의 내부 압력에 의해 투명창(330)이 광 어레이(310)쪽으로 휘는 것을 방지하기 위해 광 어레이(310)와 투명창(330) 사이에 투명창 지지체(350)가 설치된 것을 제외한 나머지 구성요소는 도 3에 도시된 본 발명의 제1 실시예에 따라 디자인된 와이어 메시 기반 광촉매 구조물을 이용한 광촉매 반응기과 모두 동일하므로 상세한 설명은 상술한 설명으로 대체하기로 한다.

여기서, 투명창 지지체(350)는 도 9 및 도 10과 같이 광 어레이(310)의 광원과는 중첩되지 않게 복수 개의 지지바(352)가 형성되고, 지지바(352)에는 투명창(330)과 밀착되는 지지돌기(354)가 형성된다.

도 11은 본 발명의 제4 실시예에 따라 디자인된 와이어 메시 기반 광촉매 구조물을 이용한 광촉매 반응기의 개략도이고, 도 7에 도시된 본 발명의 제2 실시예에 따라 디자인된 와이어 메시 기반 광촉매 구조물을 이용한 광촉매 반응기과 비교하여 하우징 몸체(200)의 내부 압력에 의해 투명창(330)이 광 어레이(310)쪽으로 휘는 것을 방지하기 위해 광 어레이(310)와 투명창(330) 사이에 투명창 지지체(350)가 설치된 것을 제외한 나머지 구성요소는 도 7에 도시된 본 발명의 제2 실시예에 따라 디자인된 와이어 메시 기반 광촉매 구조물을 이용한 광촉매 반응기과 모두 동일하므로 상세한 설명은 상술한 설명으로 대체하기로 한다.

도 12는 본 발명의 제5 실시예에 따라 디자인된 와이어 메시 기반 광촉매 구조물을 이용한 광촉매 반응기의 개략도이고, 도 8에 도시된 본 발명의 제3 실시예에 따라 디자인된 와이어 메시 기반 광촉매 구조물을 이용한 광촉매 반응기과 비교하여 하우징 몸체(200)의 양측에 광 모듈(300)이 설치된 것을 제외한 나머지 구성요소는 도 8에 도시된 본 발명의 제3 실시예에 따라 디자인된 와이어 메시 기반 광촉매 구조물을 이용한 광촉매 반응기과 모두 동일하므로 상세한 설명은 상술한 설명으로 대체하기로 한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 관해서 설명하였으나, 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변형과 모방이 가능함은 물론이다. 따라서, 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져선 안 되며, 후술하는 청구범위뿐만 아니라 이와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

100: 와이어메시 기반 광촉매 구조물 200: 하우징 몸체
202: 내부 공간 212: 유입구
214: 배출구 230: 분산 가이드부
240: 통합 가이드부 300: 광 모듈
310: 광 어레이 320: 연결 블록
330: 투명창 350: 투명창 지지체
352: 지지바 354: 지지돌기

Claims (10)

1. 표면에 광촉매 물질이 형성되어 있는 와이어 메시 기반 지지체가 유체가 흐르는 방향으로 여러 겹으로 절첩되어 이루어진 광촉매 구조물.
2. 표면에 광촉매 물질이 형성되어 있는 와이어 메시 기반 지지체가 여러 겹으로 절첩되어 이루어진 광촉매 구조물과;
   상기 광촉매 구조물을 통해서 유체가 흐르도록 상기 광촉매 구조물을 적소에 보지하는 내부 공간과, 상기 내부 공간을 외부공간과 소통하는 유입구와 배출구를 구비한 하우징 몸체와;
   상기 하우징 몸체의 일측에서 상기 광촉매 구조물 위에 광을 조사하는 광 어레이와, 상기 광 어레이에 부착되며 상기 내부공간과 통하는 개구부가 형성된 연결 블록과, 상기 연결블록의 개구부에 설치되어 광을 투과시키는 투명창을 포함하는 하나의 광 모듈;로 구성되는 것을 특징으로 하는 광촉매 반응기.
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 와이어 메시 기반 지지체는 폴리우레탄, 스테인레스스틸, 활성탄 섬유, 탄소섬유 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 광촉매 반응기.
4. 청구항 2에 있어서,
   상기 와이어 메시 기반 지지체는 상기 유체가 흐르는 방향으로 주름진 구조인 것을 특징으로 하는 광촉매 반응기.
5. 청구항 2에 있어서,
   상기 와이어 메시 기반 지지체는 망상 구조인 것을 특징으로 하는 광촉매 반응기.
6. 청구항 2에 있어서,
   상기 광촉매 구조물은 상기 와이어 메시 기반 지지체의 주름진 구조를 등간격으로 유지시키는 스페이서를 포함하는 것을 특징으로 하는 광촉매 반응기.
7. 청구항 2에 있어서,
   상기 하우징 몸체의 유입구에는 상기 와이어 메시 기반 지지체에 유입되는 유체를 분산시키는 분산 가이드부가 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 광촉매 반응기.
8. 청구항 7에 있어서,
   상기 하우징 몸체의 배출구에는 상기 와이어 메시 기반 지지체를 경유한 유체를 통합시키는 통합 가이드부가 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 광촉매 반응기.
9. 표면에 광촉매 물질이 형성되어 있는 와이어 메시 기반 지지체가 여러 겹으로 절첩되어 이루어진 광촉매 구조물과;
   상기 광촉매 구조물을 통해서 유체가 흐르도록 상기 광촉매 구조물을 적소에 보지하는 내부 공간과, 상기 내부 공간을 외부공간과 소통하는 유입구와 배출구를 구비한 하우징 몸체와;
   상기 하우징 몸체의 양측에서 상기 광촉매 구조물 위에 광을 조사하는 1쌍의 광 어레이와, 상기 광 어레이 각각에 부착되며 상기 내부공간과 통하는 개구부가 형성된 연결 블록과, 상기 연결블록 각각의 개구부에 고정되어 광을 투과시키는 투명창을 포함하는 1쌍의 광 모듈;로 구성되는 것을 특징으로 하는 광촉매 반응기.
10. 청구항 9에 있어서,
    상기 와이어 메시 기반 지지체는 망상 구조인 것을 특징으로 하는 광촉매 반응기.

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