KR20230042670A - 공기청정기 및 실내 공기질의 개선방법 - Google Patents

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하체츠 그린 테크놀로지즈 엘티디.
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Abstract

공기청정기로서, 하단 섹션, 상단 섹션 및 측면에 의해 경계가 정해지고, 상기 측면에 공기 입구 개구부가 배치되고 상기 상단 섹션에 공기 출구 개구부가 있는, 세장형의, 수직으로 배치된 기체/액체 접촉기; 상기 기체/액체 접촉기의 내부 공간에 수평으로 탑재된 파이프로서, 길이 방향을 따라 복수의 하향 구멍이 천공되어 있는 파이프; 상기 기체/액체 접촉기의 공간 내에 장착된 디미스터; 상기 기체/액체 접촉기를 통해 수용액을 순환시키도록 설치된 펌프로서, 상기 펌프의 토출 라인이 상기 측면에 배치된 액체 입구 개구부로 향하여, 상기 천공된 파이프와 결합된 펌프; 상기 측면에 배치된 공기 입구를 통해 상기 기체/액체 접촉기 내로 공기 스트림을 흡인하기 위한 송풍기;를 포함하고, 상기 공기 입구 및 액체 입구 개구부는 상기 기체/액체 접촉기의 길이방향 축에 대해 서로 다른 방사형 방향에 놓이는, 공기청정기. 또한 공기청정기를 통해 염수 수용액을 순환시켜 실내 공기질을 개선하는 방법도 기술된다.

Description

공기청정기 및 실내 공기질의 개선방법
본 발명은 실내 공기로부터 미립자 물질, 화학적 오염 물질(예: 산성 가스) 및 생물학적 오염 물질을 제거하는 데 사용되는 공기청정기에 관한 것이다.
표준 공기청정기의 주요 기능은 고효율 미립자 공기(High Efficiency Particulate Air:HEPA) 필터를 사용하여 공기 중 미립자 물질을 포집하는 것이다. 그러나 화학적 및 생물학적 오염 물질을 제거하여 실내 공기질을 개선하려는 강력한 요구가 존재한다. 이 목적을 위해, 지난 수십 년 동안 자외선(예: 세균, 바이러스 및 박테리아를 파괴할 수 있는 살균 UV 램프) 및 공기 이온화 관련 기술이 공기청정기에 통합되었다. 예를 들어 US 5,833,740호 및 Heaven Fresh Canada Inc.의 "XJ-3000 C"와 같은 시판 공기청정기 참조.
화학적 및 생물학적 오염 물질을 표적으로 삼는 다른 접근법은 공기를 반응성 수용액에 통과시켜, 오염 물질이 용액 내 반응 종과의 상호 작용으로 인해 흡수 및/또는 중화되도록 하는 것이다. 관련된 주요 과제에는 다양한 오염 물질에 대해 효과적인 강력한 용액을 식별하고 효율적인 공기/액체 접촉을 가능하게 하고 유출되는 정화된 공기 스트림과 함께 수분이 빠져나가는 것을 최소화하기 위한 적절한 반응기의 설계가 포함된다.
본 발명자(US 8,398,917호 참조)는 알칼리 할라이드의 농축 수용액(염수)이 공기 중의 생물학적 오염 물질에 작용한다는 것을 보여주었다. 통기 하에서, 특정 염수는 예를 들어 +200 mV 초과의, 강화된 산화환원 전위를 발생시킨다. 즉, 염수는 산화 용량을 얻는다. US 8,398,917호에서는 전기분해의 도움으로 염수의 산화환원 전위를 더욱 효과적으로 향상시켰다. 염수는 대향류 충진 컬럼에서 테스트되었다. 즉, 상기 용액이 컬럼의 상단에서 분무되는 동안 공기가 바닥에서 도입되어 컬럼을 통해 분사되었다. 염수는 양호한 소독 작용을 보였다.
US 8,398,917호의 대향류 충진 컬럼에서 시험된 염화나트륨 용액은 전해액이었다. 즉, 산화환원 전위를 높이기 위해 전기 분해 셀을 통과했다. US 8,398,917호의 비교예 1에서는 전기분해가 없으면, 염화나트륨 용액이 만족스러운 활성을 얻지 못하는 것으로 나타났다. 유사하게, 본 발명자의 이후의 특허(US 8,603,631호)에서는 상이한 컬럼 설계(기포 컬럼)의 도움으로 공기/액체 계면이 달성되었을 때 전기분해된 염화나트륨 용액은 양호한 살균 작용을 입증하였다. 기포 컬럼에서 방출되는 유출 공기 스트림은 농산물 및 식품 제품의 냉각 저장실에서 양호한 공기질을 유지하는 데 도움이 되었다(또한 EP 2358208호 참조).
상기 제시된 공보들에서 밝혀진, 공기 정화 처리에 있어서 염화나트륨 용액의 잠재적 유용성은 용액을 전기분해해야 하는 필요성에 의해 제한된다. US 10,456,736호에 무전해 염화나트륨 용액을 공기 청정용으로, 즉 흡수제 용액으로 이용하는 것이 보고되어 있으며, 이러한 용액의 살균 효과를 언급하고 있다. 예를 들어, 흡수제 용액을 (액체 수위 아래로 잠긴 튜브를 통해 공급되어) 공기가 버블링되는 용기에 넣었다. 용기에 존재하는 정화된 공기는 개인의 머리에 부착된 안면 마스크에 공급되었다.
우리는 이제 예를 들어 공기 중 오염 물질에 대한 비전해 알칼리 클로라이드 수용액의 작용으로부터, 예를 들어 미립자 물질을 포집하고 산성 가스와 같은 화학적 오염 물질을 제거하고 미생물 부하를 줄이는 것으로부터 이점을 얻을 수 있는, 효과적인 기체/액체 접촉기 구성을 발견했다. 달리 말하면, 적절하게 배합된 염 수용액(예: 알칼리 클로라이드 수용액)은 자체적으로 여러 정화 목적을 수행할 수 있으므로, 공기청정기는 특히 중간 크기의 방(~ 70 입방미터) 및 더 큰 공간(예: ＞ 100 입방미터)에서 실내 공기질을 개선하는 데 적합한, HEPA 필터가 없는 장치로 구성될 수 있다.
본 발명의 공기청정기에 사용하기 위한 수용액은 물에 용해된 1종 이상의 알칼리 금속 및 알칼리 토금속 염, 예를 들어 할라이드(예: 클로라이드 및 브로마이드), 나이트레이트(예: 소듐 나이트레이트, 포타슘 나이트레이트 및 마그네슘 나이트레이트), 수용성 카보네이트 및 설페이트(즉, 알칼리 카보네이트 및 알칼리 설페이트; 알칼리 토류 화합물 중에서, 마그네슘 설페이트는 물에 대한 용해도가 양호하며 본 발명에서 사용될 수 있음)를 포함한다. 적합한 용액은 물에 단일 염 또는 염들의 블렌드, 예를 들어 2종 이상의 알칼리 금속/알칼리 토금속 할라이드를, 개별 염으로서 또는 화학식 M1Cl-M2Cl2(H2O)n (M1 및 M2는 각각 알칼리 금속 및 알칼리 토금속을 나타냄; 예: 카르날라이트, 포타슘 및 마그네슘의 수화 혼합 클로라이드로 구성된 미네랄)의 적합한 이중 염의 형태로 용해하거나, 또는 물에 알칼리 카보네이트, 예: Na2CO3를 용해하여 제조할 수 있으며; 카보네이트 용액은 또한 해당 알칼리 바이카보네이트 및 알칼리 하이드록사이드의 반응(즉, NaHCO3 + NaOH → Na2CO3 +H2O)에 의해 얻을 수도 있다. 단순화를 위해, 공기청정기의 작동은 주로 염화나트륨 용액과 관련하여 설명된다; 그러나 이 용액은 위에서 설명한 대안들 중 하나로 대체될 수 있다. 수용액에 용해된 염의 농도는 일반적으로 적어도 10 중량%, 예를 들어 적어도 15 중량%이다.
본 발명의 공기청정기는 기체/액체 접촉기에 수용된 알칼리 클로라이드 용액의 순환이 가능하도록 설계된다. 용액은 세장형의, 수직으로 배치된 기체/액체 접촉기 내로 측면으로 도입되고, 실내 공기 스트림과 양호한 접촉을 달성하기 위해 반응기 내부에 분배되며, 기체/액체 접촉기 내로 측면으로 공급되고 "혼합 영역"을 통과하여 이동하도록 강제된다. 액체 및 공기 스트림은 모두 측면을 통해 기체/액체 접촉기로 들어가지만, (기체/액체 접촉기의 길이방향 축에 대해) 두 개의 서로 다른 방사형 방향에서 들어간다.
본 발명의 한 변형예에서, 알칼리 클로라이드 수용액의 순환은 펌프로부터 기체/액체 접촉기로 공급되는 액체 스트림을 주요 액체 스트림과 보조 액체 스트림으로 분기시키는 것을 포함한다. 주요 액체 스트림은 반응기의 측면을 통해 방사상으로 도입되고, 용액은 이하에서 자세히 설명하는 바와 같이, 액체 커튼을 형성하도록 분무된다. 유입되는 실내 공기 스트림은 반응기에 측면으로 공급되고 액체 커튼의 방향으로 강제로 이동하여, 액체 커튼을 통과한다("공기/액체 접촉기" 및 "반응기"라는 용어는 본 명세서에서 상호 교환적으로 사용됨). 보조 액체 스트림의 역할은 순환 용액의 온도를 주변 온도보다 약간 낮게 유지하는 것이다. 이 목적을 위해, 보조 액체 스트림은 냉각되며, 예를 들어 냉각기를 통과하여 펌프 작동으로 인해 순환 용액에 의해 흡수된 열을 제거한다. 냉각기에서 나올 때, 보조 액체 스트림은 반응기로 직접 안내되거나, 또는 반응기에 들어가기 전에 주요 액체 스트림과 합쳐진다.
반응기를 통해 분사된 공기에 혼입된 용액(액적 형태)은 공기/액체 접촉기 상단에 장착된 디미스터(demister)에 의해 포집된다. 본 발명의 바람직한 디미스터는 공기가 기체/액체 접촉기의 길이방향 축에 대해 횡단방식으로 이동하도록 강제하기 위해 공간적으로 배열된 복수의 디스크 섹터 또는 디스크 세그먼트로 구성된 독특한 기하학적 구조를 가지며, 이에 의해, 이하에서 보는 바와 같이 반응기에서 방출되는 정화된 공기에 의해 수분의 이탈이 최소화된다. 정화된 공기는 실내로 직접 방출되거나 또는 공조 시스템으로 보내진다.
생성된 강렬한 공기/액체 접촉으로 인해, 농축 알칼리 클로라이드 용액은 공기 중의 생물학적 오염 물질에 작용하여 미생물 부하가 감소된 유출 공기 스트림을 생성하고 다른 파라미터와 관련하여 실내 공기질을 개선할 수 있다. 아래에 보고된 실험 작업은 위에서 설명한 방식으로 작동하는 공기청정기의 도움으로, 하기에 의해 양호한 실내 공기질을 유지할 수 있음을 나타낸다:
미립자 물질을 포집(PM2.5 수준 감소, 즉 2.5 미크론 미만의 미립자 물질, 즉 "미세한" 입자).
CO2, SO2 및 NO2와 같은 산성 가스 및 기타 화학적 오염 물질을 흡수; 및
미생물 부하 감소.
따라서, 본 발명의 일 측면은 하기를 포함하는 공기청정기이다:
하단 섹션, 상단 섹션 및 측면(바람직하게는 원통형)에 의해 경계가 정해지고, 측면에 배치된 공기 입구 개구부와 상단 섹션에 공기 출구 개구부가 있는, 세장형의, 수직으로 배치된 기체/액체 접촉기,
기체/액체 접촉기의 내부(예를 들어, 원통형) 공간에 바람직하게는 직경을 따라 수평으로 탑재된 파이프로서, 상기 파이프는 길이방향을 따라 복수의 하향 구멍이 천공되어 있는 파이프,
기체/액체 접촉기의 내부(예: 원통형) 공간 내에 장착된 디미스터,
상기 기체/액체 접촉기를 통해 수용액을 순환시키도록 설치된 펌프로서, 상기 펌프의 토출 라인은 상기 측면에 배치된 액체 입구 개구부로 향하여, 상기 천공된 파이프와 결합된 펌프,
상기 측면에 배치된 공기 입구를 통해 기체/액체 접촉기로 공기 스트림을 흡인하기 위한 송풍기로서, 공기 입구 및 액체 입구 개구부는 기체/액체 접촉기의 길이방향(예를 들어, 축의) 축에 대해 서로 다른 방사형 방향에 위치하는 송풍기.
본 발명의 또 다른 측면은 미립자 물질 및/또는 화학적 오염 물질 및/또는 생물학적 오염 물질의 수준을 감소시켜 실내 공기의 질을 개선하는 방법으로서, 상기 방법은:
세장형의, 수직으로 배치된 기체/액체 접촉기에 수용된 염 수용액(예를 들어, 알칼리 금속 및 알칼리 토금속 할라이드, 나이트레이트, 카보네이트 및 설페이트로부터 선택되는 1종 이상의 수용성 염을 포함함)을 순환시키는 단계로서, 여기서 순환은 용액을 기체/액체 접촉기의 길이방향 축에 수직인 방향을 따라, 수용액 저장소의 표면 수위 위로, 기체/액체 접촉기의 내부로 도입하는 단계, 상기 수용액을 아래쪽으로 분무하는 단계, 및 선택적으로 예를 들어 순환된 수용액의 일부를 냉각하여 냉각된 용액 스트림을 기체/액체 접촉기의 수용액 저장소로 전달하는 단계를 포함하는 단계;
실내 공기를 상기 기체/액체 접촉기 내로 흡인하고 기체/액체 접촉기의 상단으로부터 정화된 공기 스트림을 방출하는 단계로서, 유입되는 공기 스트림은 수용액 저장소의 표면 수위 위로, 기체/액체 접촉기로 측면으로 공급되어, 수용액의 표면 수위로 향하여, 분무된 수용액을 통과하도록 강제되고, 여기서 혼입된 액체와 함께 이동하는 공기는 기체/액체 접촉기의 길이방향 축에 대해 횡방향으로 배열된 복수의 공간을 통해 흐르고, 기체/액체 접촉기의 내벽의 섹션에 인접하거나, 또는 이에 의해 경계가 정해진 통로를 통해 상기 공기가 상기 횡방향 공간에 접근하여 상기 횡방향 공간을 통해 이동하는 경로를 증가시키는 단계.
도 1a, 1b 및 1c는 각각 본 발명의 공기청정기의 하나의 바람직한 디자인의 등척도, 측면도 및 평면도이다.
도 2는 공기청정기 내부에 탑재된, 순환된 염 수용액을 전달하기 위한 파이프를 도시한다.
도 3a 및 3b는 공기청정기에 사용되는 디미스터를 도시한다.
도 4는 실시예 1에서 보고된 연구에서 측정된, PM 10 수준 대 시간 도면을 도시한다.
도 5는 실시예 1에서 보고된 연구에서 측정된, PM 2.5 수준 대 시간 도면을 도시한다.
도 6은 실시예 1에서 보고된 연구에서 측정된, SO2 수준 대 시간 도면을 도시한다.
도 7은 실시예 1에서 보고된 연구에서 측정된, NO2 수준 대 시간 도면을 도시한다.
도 8은 실시예 1에서 보고된 연구에서 측정된, CO2 수준 대 시간 도면을 도시한다.
도 9는 실시예 1에서 보고된 연구에서 측정된, 오존 수준 대 시간 도면을 도시한다.
도 10은 실시예 1에서 보고된 연구에서 측정된, 납 수준 대 시간 도면을 도시한다.
도 11 및 12는 실시예 1에서 보고된 연구에서 측정된, 생물학적 부하 수준(각각 CFU/플레이트 단위의 박테리아 수 및 효모와 곰팡이 수) 대 시간 도면을 도시한다.
본 발명의 공기청정기의 일 바람직한 설계는 각각 장치의 등척도 및 측면도를 제공하는 도 1a 및 1b에 도시되어 있다. 도 1c는 장치의 평면도이다. 이들 도면에 표시된 세장형 공기/액체 접촉기(1)는 원통형 대칭을 가지며, 이하의 설명은 이러한 대칭에 중점을 둔다. 그러나, 반응기의 형상은 본질적으로 서로 수직인 방사형 방향을 따라 반응기의 측면을 통해 액체 및 공기 스트림이 도입될 수 있도록 하여야 한다는 이해와 함께, 다른 반응기 형상, 예를 들어 정사각형 또는 직사각형 단면을 갖는 탑형 디자인도 고려될 수 있다. 이 요구 사항은 원통형 기체/액체 접촉기(1)의 경우, 액체 입구 개구부 및 공기 입구 개구부가 (비록 아래 설명된 바와 같이, 높이가 다르지만) 바람직하게는 측면에서 약 90˚ 떨어져 배향된다는 것을 의미한다.
이제 도면을 참조하면, 공기청정기는 정화된 공기가 방출되는 출구 개구부(3)로 종결되는 절두원추형 상단 섹션(2)을 갖는, 수직으로 배치된, 바람직하게는 원통형 형상의 공기/액체 접촉기(1)를 포함한다. 반응기의 최하단 섹션 또한 배수를 용이하게 하기 위해 절두원추형 형상(4)이다.
예를 들어, 2500-3000 입방 피트 크기의 공간(약 70-100 입방 미터)에서 실내 공기를 처리하기 위해, 반응기(1)의 높이와 직경은 각각 50 내지 90 cm 범위(예, 60 내지 80 cm) 및 30 내지 50 cm(예, 35 내지 45 cm) 범위로 조정된다. 반응기(1)는 일반적으로 스테인레스 강(예를 들어 스테인레스 강 316) 또는 폴리(염화비닐), 폴리에틸렌 및 폴리프로필렌과 같은 플라스틱 재료로 만들어진다.
반응기(1)는 반응기(1) 내부의 약 1/3 내지 1/2(예를 들어, 반응기(1) 내부의 30 내지 45%)을 차지하는 알칼리 클로라이드 수용액을 수용한다. 예를 들어, 위에 명시된 치수의 반응기(1)는 25 내지 30 리터의 알칼리 클로라이드 용액으로 충전된다.
물에 200 내지 400g/리터의 염화나트륨 및/또는 염화칼륨 및/또는 염화리튬과 같은 알칼리 클로라이드, 및 선택적으로 염화마그네슘과 같은 알칼리토류 클로라이드를 용해시켜 적합한 용액을 제조한다. 바람직한 농도 범위는 물 중 25 내지 35 wt%의 알칼리 클로라이드이다. 언급할 가치가 있는 적절한 염의 공급원은 화학식 KCl·MgCl2의 이중 염, 즉 카르날라이트라는 이름으로 알려진 수화된 미네랄이다. 용액의 pH는 순환되는 알칼리 클로라이드 용액의 부식 특성을 최소화하기 위해, 소량의 알칼리 수산화물을 첨가하여 알칼리성 범위로, 예를 들어 pH 8 내지 11에 도달하도록 조정할 수 있다. 150 내지 300 g/리터 Na2CO3 용액도 사용할 수 있다.
수용액의 순환은 펌프(5)에 의해 이루어진다. 펌프, 배출 라인(5d) 및 흡입 라인(5s)은 도 1c에서 제공하는 평면도에서 가장 잘 보인다. 적합한 유체 펌프(예: 원심) 펌프는 30 내지 90 리터/분의 유속을 공급하며, 예를 들어 이탈리아 Pedrollo에서 제조한 PQm 60이다.
펌프(5)에서 배출된 액체 스트림(5d)은 주요 스트림(6)과 보조 스트림(8), 즉 상부 분지(도관(6)로 구성됨) 및 하부 분지(도관(8))로 분기된다. 일반적으로 도관(6) 및 (8)의 직경 비는 5:1 내지 3:1이다. 예를 들어, 주요 스트림을 전달하기 위한 1 인치(25.4 mm) 직경의 도관(6)과 보조 스트림을 전달하기 위한 2/8-3/8 인치(6.4-9.5 mm) 직경의 도관(8)이다.
주요 액체 스트림은 도관(6)을 통해 반응기(1)로 흐르고, 도관(6)은 반응기에 수용된 수용액 수위보다 높은 지점에서, 방사형 방향으로 반응기의 측면으로 들어가고, 여기서 기체/액체 접촉기의 원통형 공간에서 직경을 따라 수평으로 장착된 파이프(7)와 연결된다. 파이프(7)는 반응기(1)의 액체 수위보다 약 20 내지 30 cm 위에 위치한다.
파이프(7)는 도 2에 도시되어 있고, 여기에서, 설명을 쉽게 하기 위해, 구멍이 종이 평면에서 돌출된 상태로, 수직 방향으로 배치되어 있다. 파이프(7)의 직경은 약 1.5 내지 3.0 cm이다. 파이프(7)는 그 길이를 따라 균등하게 간격을 둔 복수의 구멍이 천공되어 있다. 파이프(7)는 구멍이 아래쪽을 향하도록 반응기(1)에 탑재된다. 도 2에 도시된 바람직한 구현예에서, 구멍은 2개의 평행한 열로 파이프의 길이를 따라 균일하게 분포된다. 각 구멍의 직경은 1.5 내지 2.5 mm이고, 같은 열에 있는 두 개의 인접한 구멍 사이의 중심 간 거리는 15 내지 20 mm일 수 있다. 열들은 파이프(7)의 둘레를 따라 약 15-25˚ 떨어져 배향된다. 반응기 내로의 액체 공급의 이 독특한 디자인으로 인해, 수용액은 파이프(7)로부터 복수의 인접한 하향 제트 형태로 분무되어, 파이프(7)로부터 반응기(1)에 수용된 액체의 표면까지 연장되는 액체 커튼을 생성한다.
보조 액체 스트림(8)은 90 내지 150 와트의 냉각 용량을 전달하기 위해 압축기(250~300 와트)가 있는 냉각 단위(9)를 통과한다. 냉각된 스트림의 온도는 기체/액체 반응기에서 액체 저장소 온도를 주변 온도보다 약 4-5도 낮게 유지함으로써, 액체 저장소의 일정한 수위을 유지하도록 조정된다. 도 1a, 1b 및 1c에 도시된 구현예에서, 냉각기(9)를 나가는 보조 스트림은 도관(6)으로 안내되고, 여기서 주요 액체 스트림에 합류한다. 그러나 일반적으로 보조 냉각 스트림을 반응기(1)에 직접 별도로 공급하는 것이 더 편리하다.
따라서, 본 발명의 일 변형예에서, 공기청정기는 냉각기를 더 포함하고, 여기서 펌프로부터의 수성 스트림을 전달하기 위한 라인은 주요 라인과 보조 라인으로 분기되고, 주요 라인은 측면에 배치된 액체 입구 개구부를 통해 (기체/액체 접촉기 내부에 수평으로 장착되는) 천공된 파이프와 결합하고, 보조 라인은 상기 냉각기를 통과하고, 냉각기를 빠져나가는 냉각된 액체 스트림을 기체/액체 접촉기로 공급하도록 안내된다.
기체/액체 접촉기 외부에 위치한 냉각기를 통과하고 기체/액체 접촉기로 되돌아가 용액의 주요 부분과 혼합되는 보조 스트림을 포함하는 냉각 방법은 단지 선택 사항이라는 점에 유의해야 한다. 냉각 코일(냉각 시스템에 연결됨)은 용액의 온도를 약 10 내지 20℃로 유지하기 위해, 용액 표면 수위 아래로, 기체/액체 접촉기에 삽입될 수 있다.
실내 공기는 공기를 이동시키는 데 사용되는 장치, 예를 들어 1500 - 2500 입방 미터/시간의 공기 스트림을 생성하도록 작동하는 송풍기(10)에 의해 반응기(1) 내로 흡인된다. 공기는 60-80 mm 직경의 도관(11)을 통해 흐르고, 액체 표면 수위에서 ~18 ~ 20 cm 위에(즉, 도관(7)이 있는 평면에서 약 ~2-5 cm(예: ~3 cm) 아래에) 위치한 개구부(12)를 통해 기체/액체 접촉기의 측면으로 들어간다. 공기 입구 및 액체 입구 개구부(각각 12, 13)는 (반응기(1)의 축(axial axis)에 대해) 서로 다른 방사형 방향에 위치한다는 점에 유의하여야 한다. 도관(11)은 개구부(12)에서 반응기(1)의 측면에 도달하는 파이프(11a)의 방사상으로 배향된 부분에 대해 적어도 30 내지 80°의 각도로 배향된 원통형 섹션(14)에 의해 생성된, 비방사형 방향으로 반응기 내부로 연장되고, 이에 의해 유입 공기 스트림은 액체 표면 방향으로, 아래쪽으로 흐르도록 강제된다.
디미스터(15)는 기체/액체 접촉기(1)의 상부 영역, 즉 직경 방향 파이프(7)가 배치되는 평면 위의 공간과 절두 원추형 섹션(2) 아래에 장착된다. 바람직한 디미스터 구성은 도 3a 및 3b에 도시된 바와 같이 2개 이상의, 예를 들어 4개의, 수직으로 이격된 디스크 섹터 또는 디스크 세그먼트(미도시)로 구성된다.
용어 "디스크 섹터"는 중심각(α) 및 대응하는 호(arc)에 의해 경계가 정해진 디스크의 일부를 의미하며, 바람직하게는 180˚≤α≤250˚이다. 예를 들어 도 3a에서 α=200˚이다.
용어 "디스크 세그먼트"는 호와 그 코드(원의 원주의 두 지점을 연결하는 세그먼트)에 의해 경계가 정해진 디스크의 일부를 의미하며, 여기서 코드에 놓인 해당 중심각 β는 바람직하게는 50˚≤ β ≤70˚ 범위이고, 이에 의해 디스크 면적은 전체 디스크 면적에 비해 약 15 내지 25% 감소한다.
디스크 섹터/디스크 세그먼트의 두께는 1 내지 2 mm이며, 일반적으로 스테인레스 강(예: 316) 또는 폴리(염화비닐), 폴리에틸렌 및 폴리프로필렌과 같은 폴리머로 만들어진다.
도 3a 및 3b에 도시된 특정 디자인에서, 디미스터는 반응기(1)의 원통형 공간의 반경에 해당하는 동일한 반경의[지정된 (17(1), 17(2), 17(3) 및 17(4)], 4개의 디스크 섹터/디스크 세그먼트로 구성된다. 인접한 디스크 섹터들/디스크 세그먼트들은 약 2 내지 4 cm 떨어져 있다(수직 거리). 디미스터(15)는 수직으로 연장되는 막대(16)의 도움으로, 반응기(1)의 원통형 공간에, 보다 정확하게는 반응기의 절두 원추형 상단(2) 바로 아래 섹션에, 동축 및 동심으로 장착되며, 전체 디미스터를 쉽게 제거할 수 있도록 (최하단 디스크 섹터/디스크 세그먼트(17(1))의 호는 반응기(1)의 내벽 둘레를 따라 제공된 얇은 테두리 상에 위치한다).
디스크 섹터들/디스크 세그먼트들의 호들은 기본적으로 반응기(1)의 내부 벽과 본질적으로 인접한다. 이동하는 공기, 즉 공기/용액으로 구성된 미스트(mist)는 디스크 섹터들/디스크 세그먼트들 사이의 공간을 통해 이동하며, 디스크의 "결실ㄷ도된(missing)" 부분에 의해 생성된 진입로를 통해 상향 진행한다. 인접한 디스크 섹터들/디스크 세그먼트들은 이들의 호가 반응기(1)의 본질적으로 직경 방향으로 대향되는 벽에 위치하도록, 또는 달리 말하면 n번째 디스크의 "결실된" 조각이 n-1번째 디스크 및 n+1번째 디스크의 고체 표면(solid surface)의 위와 아래에 있도록, 서로에 대해 공간적으로 배향된다. 최하단 디스크 섹터/디스크 세그먼트(17(1))의 호는 공기 유입 개구부(12) 위에 위치한다.
디스크 섹터/디스크 세그먼트(17(1), 17(2), 17(3) 및 17(4))의 공간 배열은 용액 증기가 응축할 수 있는 넓은 표면적을 생성하여, 이에 의해 수분의 이탈을 최소화한다. 우리의 결과는 이러한 디미스터와 반응기(1)에 공급되는 냉각된 보조 스트림의 도움으로, 용액의 이탈을 방지하고 반응기(1)의 액체 수위가 긴 작동 시간 동안 상당히 일정하여, 농축된/거의 포화된 순환 용액으로부터 염이 결정화하는 것을 억제한다.
따라서, 본 발명의 또 다른 측면은 기체/액체 접촉기가 원통형 형상이고 혼입된 액체와 함께 이동하는 공기가 기체/액체 접촉기에 탑재된 디스크 섹터들 또는 디스크 세그먼트들의 세트에 의해 획정된 공간을 통해 흐르는 방법으로서, 상기 기체/액체 접촉기는 상기 디스크 섹터들 또는 디스크 세그먼트들 사이에 수직 간격을 갖고, 상기 디스크 섹터들 또는 디스크 세그먼트들의 호는 기체/액체 접촉기의 내벽과 인접하고, 인접한 디스크 섹터들 또는 디스크 세그먼트들은 이들의 호가 본질적으로 기체/액체 접촉기의 직경 방향으로 대향되는 벽 위에 위치하도록 서로에 대해 공간적으로 배향되며, 이에 의해 이동하는 공기의 흐름을 위한 통로를 생성한다.
실시예
실시예 1
이 연구의 목표는 2400 입방 피트 크기의 방(~ 70 ㎥; 중간 크기의 거실)에서 양호한 공기질을 유지하는 데 있어서 본 발명의 장치(도 1에 도시된 것과 유사하지만, 냉각기가 없는)의 효율성을 평가하는 것이었다. 장비는 방 1에 배치하였다.
비교를 위해, HEPA 필터와 활성탄이 장착된 상업용 공기청정기를 방 2에 배치하였다. 세 번째 방은 대조군으로 사용되었다(방 3). 환경, 즉, 3개의 방 주변의 개방된 공간을 연구실 방 0으로 지정한다.
실험 프로토콜 및 방법
테스트를 14일 이상 지속하였다. 처음 48시간 동안, 세 개의 방 모두 환경과의 공기 교환이 가능하도록 열어 두었다. 방을 폐쇄하고, 방 1과 방 2에 배치한 공기청정기를 켜고 이후 12일 동안 계속 가동하도록 했다.
방 1에서 본 발명의 공기청정기가 작동하는 동안, 실내 공기를 기체/액체 접촉기(1)를 통해 1500 ㎥/시간의 유량으로 송풍하였다. 25 리터의 30 wt% 염화나트륨 용액을 이탈리아 Pedrollo에서 제조한 PQm 60 펌프를 사용하여 50 리터/분의 유속으로 순환시켰다.
실내 공기의 질은 테스트 기간 동안 주기적으로 평가하였다. 미립자 물질 및 화학 오염 물질의 수준은 하루에 한 번 측정하였다(1일부터 시작하여 14일까지 매일 아침). 생물학적 오염 물질의 측정은 3일 째에 시작하였다(그날 오전, 오후, 저녁 시간에 세 개의 샘플을 채취했다); 다음 생물학적 샘플링은 14일 시험 기간의 짝수 날에, 하루에 한 번 수행되었다.
10 미크론(PM10) 및 2.5 미크론(PM2.5) 미만의 미립자 물질은 Perfect Prime의 디지털 실내 공기질 측정기로 측정하였다.
IS:5182(P-2) 2001에 명시된 방법으로 SO2 수준을 측정하였다. 간단히 말해서, 포타슘 테트라클로로머큐레이트 용액에 의해 공기로부터 SO2를 수집한다. 이렇게 형성된 내산화성 HgCl2SO3 2- 착체는 포름알데히드 및 파라로사닐린 염산염(pararosaniline hydrochloride)과 반응하여 강렬한 색상의 용액을 생성한다. 생성된 용액의 흡광도는 560 nm 파장에서 분광광도계로 측정한다.
IS:5182(P-6) 2006에 명시된 방법으로 NO2 수준을 측정하였다. 수산화나트륨(NaOH)과 아비산나트륨(NaAsO2) 용액을 통해 공기를 버블링하여 NO2를 수집한다. 형성된 질산 이온을 인산, 술파닐아미드 및 N-(1-나프틸)에틸렌디아민 디히드로클로라이드를 포함하는 용액 시약과 반응시킨다. 생성된 유색 용액의 흡광도를 560 nm 파장에서 분광광도계로 측정한다.
Lutron Electronic Enterprise Ltd.의 온라인 이산화탄소 측정기로 CO2 수준을 측정하였다.
IS:5182(P-9) 1974에 명시된 방법으로 O3 수준을 측정하였다. O3를 수집하는 데 사용되는 흡수제는 요오드화칼륨 용액(pH 버퍼 6.8)으로 구성된다. 요오드화물은 원소 요오드로 환원된다. 생성된 유색 용액의 흡광도를 352 nm 파장에서 분광광도계로 측정한다.
IS:5182(P-22) 2004에 명시된 방법으로 Pb 수준을 측정하였다. 미립자 Pb 및 증기 Pb는 절차에 따라 별도로 측정한다. 이 절차는 펌프 또는 흡입원과 유량 조절기가 있는 샘플링 트레인을 사용한다. 샘플링 트레인에는 0.45 pm 멤브레인과 활성탄이 장착되어 있다. 공기는 8시간 동안 1 내지 1.5 L/min의 유속으로 샘플링 트레인을 통과한다. 미립자 납을 질산/과염소산 용액에 용해시키고, 용해된 납은 ICP-MS에 의해 측정한다.
한천 함유 페트리 접시를 공기 중에 노출시켜 생물학적 오염 물질을 측정하였다. 한천 배지에서 성장한 미생물은 한천 플레이트를 배양한 다음 발현된 콜로니 수를 세어 결정한다.
결과
결과는 오염 물질 수준 대 시간의 도면을 도시하는, 플롯으로 표시한다. 화학 오염 물질의 측정된 농도는 μg/㎥ 또는 ppm 단위로 표시한다. 생물학적 오염 물질의 경우, CFU/플레이트 단위를 사용한다.
도 4 및 5는 미립자 물질(각각 PM10과 PM2.5)의 수준을 시간에 따라 도시한다. 도 6 내지 10은 SO2, NO2, CO2, 오존 및 납 수준을 시간 도면에 대해 도시한다. 도 11 및 12는 각각 총 박테리아 수와 총 효모 및 곰팡이 수를 보고한다.
첨부된 각각의 그래프는 방 0(환경; 파란색의, 가장 높은 곡선), 방 1(본 발명의 장치가 작동하는 곳; 주황색의, 일반적으로 가장 낮은 곡선), 방 2(시판 경쟁사 공기청정기가 사용됨; 회색 곡선) 및 방 3(대조군, 무처리실; 노란색 곡선)에서 행한 측정에 해당하는, 4개의 도면을 나타낸다.
결과는 본 발명의 HEPA가 없는 공기청정기는, 방 2에서 작동하고 있는 HEPA/활성탄 필터 기반의 시판 공기청정기와 적어도 동등하게, 그리고 실제로는 약간 더 좋게, 방 1에서 일관되게 낮은 수준의 미립자 물질 및 화학적 오염 물질을 유지하고 미생물 부하를 효과적으로 감소시켰음을 나타낸다.
실시예 2
이 연구의 목표는 주간 시간(day time) 동안 수십 명이 수용되는 800 ㎥ 홀에서 미생물 부하를 감소시키는 데 본 발명의 장치의 효율성을 평가하는 것이었다. 장치의 구성은 도 1과 유사하지만, 액체의 표면 수위 아래로 기체/액체 접촉기 내부에 스테인리스 스틸 냉각 코일을 장착하고, 1 kW 출력으로 작동하는 냉각기에 연결하였다.
실험 프로토콜 및 방법
테스트는 3일에 걸쳐 진행하였다. 홀에서 본 발명의 공기청정기가 작동하는 동안, 실내 공기는 기체/액체 접촉기(1)를 통해 600 ㎥/시간의 유량으로 송풍하였다. 30 리터의 30 wt.%의 카날라이트 용액을 이탈리아 Pedrollo에서 제조한 PQm 60 펌프를 사용하여 50 리터/분의 유속으로 순환시켰다. 테스트 기간 내내 ~20℃의 일정한 온도를 유지했다.
공기 시료를 실험 시작 전(t0), 이후 3일의 시험 기간이 끝날 때까지 수시로 (t6시간, t24시간 및 t72시간) 채취하여 미생물 오염도를 측정하였다. 샘플러로 공기(500 리터 부피)를 추출하여 한천 스트립으로 보냈다. 공기 중의 미생물이 한천상에 퇴적된다.. 한천 스트립을 채샘플러에서 꺼내어 48시간 동안 배양한 후 콜로니 수를 세었다.
결과
실험 시작할 때(t0), 초기 박테리아 부하는 입방 미터당 120 CFU로 추정하였다. 다음과 같이 3일의 테스트 기간 동안 박테리아 수의 꾸준한 감소가 나타났다:
t6시간 = 50 CFU/㎥ → t24시간 = 20 CFU/㎥ → t72시간 = 11 CFU/㎥.
그 결과 카날라이트 용액 순환과 함께, 공기청정기를 지속적으로 작동시키면, 사람이 거주하는 밀폐된 공간에서 실내 환경의 질이 개선되어, 약 90%의 박테리아 제거율을 달성함을 보여준다(즉, 120 CFU/㎥에서 11 CFU/㎥으로 감소).

Claims (14)

  1. 공기청정기로서,
    하단 섹션, 상단 섹션 및 측면에 의해 경계가 정해지고, 상기 측면에 공기 입구 개구부가 배치되고 상기 상단 섹션에 공기 출구 개구부가 있는, 세장형의, 수직으로 배치된 기체/액체 접촉기;
    상기 기체/액체 접촉기의 내부 공간에 수평으로 탑재된 파이프로서, 길이 방향을 따라 복수의 하향 구멍이 천공되어 있는 파이프;
    상기 기체/액체 접촉기의 상기 공간 내에 장착된 디미스터(demister);
    상기 기체/액체 접촉기를 통해 수용액을 순환시키도록 설치된 펌프로서, 상기 펌프의 토출 라인이 상기 측면에 배치된 액체 입구 개구부로 향하여, 상기 천공된 파이프와 결합된 펌프;
    상기 측면에 배치된 공기 입구를 통해 상기 기체/액체 접촉기 내로 공기 스트림을 흡인하기 위한 송풍기;를 포함하고,
    상기 공기 입구 및 액체 입구 개구부는 상기 기체/액체 접촉기의 길이방향 축에 대해 서로 다른 방사형 방향(radial direction)에 위치하는, 공기청정기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 기체/액체 접촉기는 원통형 형상이고, 상기 수평으로 탑재된 파이프는 상기 기체/액체 접촉기의 내부 공간의 직경을 따라 놓여진, 공기청정기.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 냉각기를 더 포함하고, 상기 펌프로부터의 수성 스트림을 전달하기 위한 라인이 주요 라인과 보조 라인으로 분기되고, 이에 의해 상기 주요 라인은 상기 측면에 배치된 액체 입구 개구부를 통해 상기 천공된 파이프와 결합하고, 상기 보조 라인은 상기 냉각기를 통과하고 상기 냉각기를 빠져나가는 냉각된 액체 스트림을 상기 기체/액체 접촉기로 공급하도록 안내되는, 공기청정기.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 디미스터는 2개 이상의 수직으로 이격된 디스크 섹터 또는 디스크 세그먼트로 구성되고, 상기 디스크 섹터 또는 디스크 세그먼트의 호(arc)는 상기 원통형 기체/액체 접촉기의 내벽과 인접한, 공기청정기.
  5. 제4항에 있어서, 인접한 디스크 섹터 또는 디스크 세그먼트는 이들의 호가 상기 원통형 기체/액체 접촉기의 본질적으로 직경 방향으로 대향하는 벽에 놓이도록 서로에 대해 공간적으로 배향되는, 공기청정기.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 실내 공기 스트림을 전달하는 도관이 비방사형(non-radial) 방향으로 상기 반응기의 내부로 연장되는 섹션에서 종결되어, 상기 기체/액체 접촉기의 측면에 도달하는 상기 도관의 방사형 부분에 대해 30 내지 80°의 각도를 생성하는, 공기청정기.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기체/액체 접촉기는 200 내지 400 g/리터 농도의 알칼리 클로라이드를 포함하는 수용액을 수용하고, 상기 수용액은 선택적으로 약알칼리성인, 공기청정기.
  8. 미립자 물질 및/또는 화학적 오염 물질 및/또는 생물학적 오염 물질의 수준을 감소시켜 실내 공기의 질을 개선하는 방법으로서, 상기 방법은:
    세장형의, 수직으로 배치된 기체/액체 접촉기에 수용된 염 수용액을 순환시키는 단계로서, 상기 순환은 상기 수용액을 상기 기체/액체 접촉기의 길이방향 축에 수직인 방향을 따라, 수용액 저장소의 표면 수위 위로, 상기 기체/액체 접촉기의 내부로 도입하는 단계, 상기 수용액을 아래쪽으로 분무하는 단계, 및 선택적으로 상기 순환된 수용액의 일부를 냉각하여 냉각된 수용액 스트림을 상기 기체/액체 접촉기의 수용액 저장소로 전달하는 단계를 포함하는 단계;
    실내 공기를 상기 기체/액체 접촉기 내로 흡인하고 상기 기체/액체 접촉기의 상단으로부터 정화된 공기 스트림을 방출하는 단계로서, 유입되는 공기 스트림은 상기 수용액 저장소의 표면 수위 위로, 상기 기체/액체 접촉기로 측면으로 공급되어, 상기 수용액의 표면 수위로 향하여, 상기 분무된 수용액을 통과하도록 강제되고, 여기서 혼입된 액체와 함께 이동하는 공기는 상기 기체/액체 접촉기의 길이방향 축에 대해 횡방향으로 배열된 복수의 공간을 통해 상향으로 흐르고, 상기 기체/액체 접촉기의 내벽의 섹션에 인접하거나, 또는 이에 의해 경계가 정해진 통로를 통해 상기 횡방향 공간에 접근하여 상기 공기가 상기 횡방향 공간을 통해 이동하는 경로를 증가시키는 단계;를 포함하는, 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 기체/액체 접촉기는 원통형 형상이고, 상기 혼입된 액체와 함께 이동하는 공기는 상기 기체/액체 접촉기에 탑재된 디스크 섹터들 또는 디스크 세그먼트들의 세트에 의해 획정된 공간을 통해 흐르고, 상기 디스크 섹터들 또는 디스크 세그먼트들은 수직으로 이격되고, 상기 디스크 섹터들 또는 디스크 세그먼트들의 호(arcs)는 상기 기체/액체 접촉기의 내벽과 인접하고, 인접한 디스크 섹터들 또는 디스크 세그먼트들은 이들의 호가 상기 기체/액체 접촉기의 본질적으로 직경 방향으로 대향되는 벽에 놓이도록 서로에 대해 공간적으로 배향되고, 이에 의해 상기 이동하는 공기의 흐름을 위한 통로를 생성하는, 방법.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 수용액이 200 내지 400 g/리터의 알칼리 클로라이드를 포함하고 선택적으로 약알칼리성인 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 수용액이 염화나트륨을 포함하는 방법.
  12. 제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 수용액이 200 내지 400 g/리터의 알칼리 클로라이드와 알칼리 토금속 클로라이드의 혼합물을 포함하고 선택적으로 약알칼리성인 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 수용액이 염화칼륨 및 염화마그네슘을 포함하는 방법.
  14. 제8항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 미립자 물질 및/또는 산성 가스 및/또는 미생물 부하의 수준을 감소시킴으로써 상기 실내 공기의 질이 개선되는 방법.
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