KR20230052110A - 유체 처리 과정에 발생되는 플라즈마의 유해물질 해리 모듈을 포함하는 공기 정화장치 및 이를 이용한 공기 정화 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 유체 처리 과정에 발생되는 플라즈마의 유해물질 해리 모듈을 포함하는 공기 정화장치 및 이를 이용한 공기 정화 방법에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 유체(오염 공기) 내에 포함된 유해물질인 바이러스, 박테리아, VOCs, 악취 등을 플라즈마 발생기를 통해 제거하고 플라즈마 발생기에서 발생되는 유해물질인 오존, 질산화물 및 황산화물 등 인체에 유해한 물질을 효율적으로 제거할 수 있는 플라즈마의 유해물질 해리 모듈을 포함하는 공기 정화장치 및 이를 이용한 공기 정화 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 공기 세균 및 악취발생물질 분해 모듈을 포함하는 공기 정화장치는 미세먼지는 물론이고 오존과 반응시켜 공기 중의 다양한 휘발성 유기화합물들과 난분해성 유기물 등을 효과적으로 제거할 수 있으며, 특히 연속 배열된 복수의 챔버들을 통과시킴으로써 악취발생물질 뿐만 아니라 인체에 유해한 미반응 오존을 완전히 제거할 수 있다.
Description
본 발명은 유체 처리 과정에 발생되는 플라즈마의 유해물질 해리 모듈을 포함하는 공기 정화장치 및 이를 이용한 공기 정화 방법에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 유체(오염 공기 또는 대기 중의 공기) 내에 포함된 유해물질인 바이러스, 박테리아, VOCs, 악취 등을 플라즈마 발생기를 통해 제거하고 플라즈마 발생기에서 발생되는 유해물질인 오존, 질산화물 및 황산화물 등 인체에 유해한 물질을 효율적으로 제거할 수 있는 플라즈마의 유해물질 해리 모듈을 포함하는 공기 정화장치 및 이를 이용한 공기 정화 방법에 관한 것이다.
산업활동에서 발생하는 먼지, 황화합물, 질소산화물, 악취, 휘발성 유기화합물(Volatile Organic Compounds, VOCs) 등을 처리하여 깨끗한 공기질을 유지할 수 있도록 하는 대기오염 관리가 중요해지고 있고, 오염 물질의 처리 방법에 따라 전기집진, 탈황설비, 질소산화물 처리 산화 장치 등이 활용되고 있다.
악취는 황화수소, 메르캅탄류, 아민류, 그 밖의 자극성 있는 기체 상태의 물질이 사람의 후각을 자극하여 불쾌감과 혐오감을 주는 냄새로 정의되는데, 이런 악취를 유발하는 물질은 매우 다양하다. 대표적인 물질로 유기산류, 알코올류, 아민류, 방향족 화합물류, 알데하이드류, 에스테르류, 황화합물류 등이 있다.
또한 휘발성 유기화합물(Volatile Organic Compounds, VOCs)은 대기, 실내, 지하 공간, 화학공장, 흡연 장소, 인쇄소, 화학물질 사용 공간, 제철/제련과 같은 특수 공간 등에 존재하는 포름알데히드, 톨루엔, 에틸렌, 스틸렌, 아세트알데히드, 벤젠 등과 같은 가스 상의 물질들로 공기 중 수십 ppm에서 수천 ppm 복합적으로 존재하며 인체에 매우 유해한 것이다.
이러한 VOCs는 대기환경을 오염시킬 뿐만 아니라 인간 및 생태학적으로도 악영향을 미치는 물질이다(Aguero et al., 2009; Chen et al., 2014; Vandenbroucke et al., 2011). 미국환경청(EPA)에서는 대기로 배출되는 VOCs의 약 70%가 독성이 의심된다고 하였다(Larsson et al., 1996). VOCs의 독성은 알레르기 반응, 두통, 눈, 코, 목의 자극, 의식상실, 경련과 같은 질환을 유발할 수 있으며, 대기 중 화학반응으로 PAN, 오존 및 에어로졸 등의 2차 오염물질을 형성하고 이로 인해 오존층 파괴, 산성비, 온실 효과가 가중된다.
지금까지 실제 VOCs에 대해 규제관리를 이행하는데 있어, 미국은 1960년대부터 대기오염의 심각성을 인식하여 세계 최초로 시작하였고, 우리나라는 1978년 아황산가스(SO2)에 이어 1986년 일산화탄소(CO), 이산화질소(NO2), 입자성 물질(PM), 오존(O3), 휘발성 유기화합물 등에 대한 대기환경 기준을 설정하였다.
이러한 유해가스 처리를 위하여 플라즈마를 이용한 연구는 1990년대 초반부터 꾸준히 세계 여러 대학 및 연구소에서 진행되어오고 있으며, VOCs 처리에 관하여 많은 가능성을 보여주고 있지만, 아직 해결해야 할 과제들이 많이 남아있다. 그것은 부산물(by-products)의 발생이 가장 난해한 문제점으로 지목되고 있다. 즉 대기 중의 VOCs를 처리함에 있어서 플라즈마 반응 후에 기대하지 않는 O3, CO, NOx, 제3의 탄화수소들(Polymers의 생성요인) 등이 그 문제점으로 거론될 수 있는데, 이는 저온 플라즈마 반응만으로는 해결할 수 없고 별도의 후처리 장치가 요구되고 있다.
특히, 오존의 경우 플라즈마 장치의 작동에 의해 공기 중의 산소가 바뀌어 생성되는 것으로, 흡입시 호흡기 계통에 문제를 일으킬 가능성이 높다. 따라서 오존이 발생되는 것을 예측하여 배기 시스템을 추가로 구비하여야 하며, 배기 시스템을 활용하더라도 오존이 잔류하는 경우가 많다. 구체적으로 잔류량이 0.05ppm 이상일 경우 인체에 유해하므로 기존의 대기압 플라즈마 장치를 활용할 경우 반드시 배기 시스템이 필요하여 장비 단가의 상승과 이동성에 제약이 발생할 수 밖에 없다.
한편, 전기학회 논문집 59권 5호(2010년 5월)에는 플라즈마 프로세스 및 촉매 표면 화학반응에 의한 유기화합물 분해효율 향상에 관한 연구가 공개되어 있으나, 이는 배리어 방전 리액터의 방전 특성을 조사하고, 제작된 리액터의 오존 발생 특성 및 이산화망간 촉매 표면에서의 오존농도 변화에 대한 레이저 광학측 정법을 통하여 표면 화학반응에 대한 2차원 측정 결과를 논하였으며, 오존 분해 시 촉매 표면에서 발생한 산소 라디칼의 화학반응 특성을 조사하기 위하여 CO의 CO2로의 산화반응, 유기화합물(트리클로로에틸렌(TCE, C2HCl3), 메틸알코올(CH3OH), 아세 톤(CH3COCH3), 디클로로메탄(CH2Cl2)과의 화학반응을 통하여 부산물 생성특성을 분석함으로써 표면 화학반응이 활발히 일어나고 있음을 확인하고, 플라즈마 프로세스 및 촉매공정을 혼합함에 의하여 분해효율 향상 가능성을 연구한 것이다.
그러나 상기 논문에서는 플라즈마 리액터 내부에서 산소분자(O2) 분해로 생성된 산소 원자 라디칼(O)과 또 다른 산소분자와의 화학반응에 의하여 오존(O3)이 생성될 경우 산소원자 라디칼과 CO는 전자구조의 차이에 의하여 CO2로의 산화반응이 잘 진행되지 않는 문제점을 해소하지 못하고 있다. 또한 플라즈마 리액터와 촉매를 통과한 CO2 및 Cl2에 대한 버블링(Bubbling)으로 인체에 무해한 기체를 배출시키는 기술과 CO 센서를 통한 버블링 수용액 및 활성탄소의 교체시기를 관리자에게 통보하지 못하는 문제점을 안고 있다.
플라즈마 프로세스 및 촉매 표면 화학반응에 의한 유기화합물 분해효율 향상에 관한 연구, 전기학회논문지 ABCD, 2010, vol.59, no.5, pp. 932-938 (7 pages)
본 발명자들은 이와 같은 종래 기술의 문제점을 개선하고 효율적인 공기정화 장치를 개발하기 위하여 예의 연구하던 중, 후술하는 바와 같이 제균 특성을 갖는 플라즈마와 유체를 이용한 처리 모듈인 액체 필터를 이용할 경우 발생되는 잔여물인 오존과 같은 유해물질과 미세먼지, 분해부산물과 잔존하는 오존을 완전히 제거할 수 있음을 발견하고 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
따라서, 본 발명은 유해물질 제거 및 제균 특성을 갖는 플라즈마를 이용할 경우 발생되는 잔여물인 오존과 같은 유해물질과 미세먼지, 분해부산물을 제거하기 위하여 유해물질을 해리하는 유해물질 해리 모듈 및 액체 필터를 제작하여 잔존하는 오존을 완전히 제거하는 것을 목적으로 한다.
위와 같은 본 발명의 목적은
대기 중의 공기(처리하고자 하는 공기 또는 오염 공기를 포함함)를 정화하는 공기 정화장치에 있어서,
대기 중의 공기가 유입되는 흡입구가 일측에 형성되고, 타측에는 정화된 공기가 배출되는 배기구가 형성되며, 다른 일측에는 표시부가 구비된 육면체 형상의 하우징;
상기 하우징의 내부에 배치되고, 플라즈마의 방전에 의해 발생되는 미세먼지, 오존 및 분해 부산물을 포함하는 유해물질을 해리하는 유해물질 해리 모듈(1);
실내 및 플라즈마 유해물질의 해리 모듈(1) 내에 장착되어 공기 상태를 측정하는 센서장치; 및
상기 센서장치에서 측정된 정보에 따라 상기 공기 정화장치의 작동을 제어하는 제어장치;를 포함하여 이루어지고,
상기 플라즈마의 유해물질 해리 모듈(1)은
바이러스, 세균 및 악취발생 물질을 포함하는 대기 중의 공기를 모듈 내부로 공급하는 처리 유체 공급 챔버(100);
내부에 플라즈마 발생기 또는 오존 발생기를 포함하여 이들로부터 생성된 오존 및 대기 중의 공기가 혼합되어 세균 및 악취발생 물질을 제거하는 유해물질 제거 챔버(200); 및
내부에 분말형 금속 촉매(310) 및 분말형 금속 촉매(310)가 혼합된 액체를 회전 또는 순환시키기 위한 부재가 구비되고, 상기 유해물질 제거 챔버(200)를 통과한 대기 중의 공기 내 미세먼지, 오존 및 분해부산물을 제거하는 오존 및 미세먼지 제거 챔버(300);를 포함하고,
상기 오존 및 분해 부산물 제거 챔버(300)는 분할되지 않거나 또는 격벽(350)에 의해 1개 이상으로 분할된 공간을 포함하여 이루어지고, 내부에 분말형 금속 촉매(310)가 혼합된 액체와 회전 또는 순환시키기 위한 부재가 구비되고, 상기 처리 공기 유입관(340)의 단부에는 미세 버블을 형성하는 다공질 부재(321)가 결합되며,
유해물질 제거 챔버(200)를 통과한 오존을 포함하는 공기는 처리 공기 유입관(340)을 통하여 오존 및 미세먼지 제거 챔버(300)의 내부로 인입되어 액체의 순환 및 버블링에 의해 오존 및 미세먼지가 제거되는 것을 특징으로 하는 공기 정화장치 및 이를 이용한 공기 정화 방법에 의해 달성될 수 있다.
본 발명에 따른 공기 세균 및 악취발생물질 분해 모듈을 포함하는 공기 정화장치는 미세먼지, 바이러스 및 세균은 물론이고 오존과 반응시켜 공기 중의 다양한 휘발성 유기화합물들과 난분해성 유기물 등을 효과적으로 제거할 수 있으며, 특히 연속 배열된 복수의 챔버들을 통과시킴으로써 악취발생물질 뿐만 아니라 인체에 유해한 미반응 오존을 완전히 제거할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 오존을 이용한 악취발생물질 분해 모듈의 전체 구성도이다.
도 2는 본 발명의 분해 모듈을 이용한 플라즈마 유해물질의 해리방법의 플로 우차트이다.
도 3은 처리 유체 공급 챔버의 일례를 나타내는 도면이다.
도 4는 오존 및 미세먼지 제거챔버의 구조를 설명하는 도면이다.
도 5는 다공질 부재를 설명하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 분해 모듈을 이용한 플라즈마 유해물질의 해리방법의 플로 우차트이다.
도 3은 처리 유체 공급 챔버의 일례를 나타내는 도면이다.
도 4는 오존 및 미세먼지 제거챔버의 구조를 설명하는 도면이다.
도 5는 다공질 부재를 설명하는 도면이다.
본 발명은, 일면에 있어서,
대기 중의 공기를 정화하는 공기 정화 장치에 있어서,
대기 중의 공기가 유입되는 흡입구가 일측에 형성되고, 타측에는 정화된 공기가 배출되는 배기구가 형성되며, 다른 일측에는 표시부가 구비된 육면체 형상의 하우징;
상기 하우징의 내부에 배치되고, 플라즈마의 방전에 의해 발생되는 미세먼지, 오존 및 분해 부산물을 포함하는 유해물질을 해리하는 유해물질 해리 모듈(1);
실내 및 플라즈마 유해물질 해리 모듈(1) 내에 장착되어 공기 상태를 측정하는 센서장치; 및
상기 센서장치에서 측정된 정보에 따라 상기 공기 정화 장치의 작동을 제어하는 제어장치;를 포함하여 이루어지고,
상기 플라즈마의 유해물질 해리 모듈(1)은
바이러스, 세균 및 악취발생물질을 포함하는 대기 중의 공기를 모듈 내부로 공급하는 처리유체 공급 챔버(100);
내부에 플라즈마 발생기 또는 오존 발생기를 포함하여 이들로부터 생성된 오존 및 대기 중의 공기가 혼합되어 세균 및 악취발생물질을 제거하는 유해물질 제거 챔버(200); 및
내부에 분말형 금속 촉매(310) 및 분말형 금속 촉매(310)가 혼합된 액체를 회전 또는 순환시키기 위한 부재가 구비되고, 상기 유해물질 제거 챔버(200)를 통과한 대기 중의 공기 내 미세먼지, 오존 및 분해부산물을 제거하는 오존 및 미세먼지 제거 챔버(300);를 포함하고,
상기 오존 및 분해 부산물 제거 챔버(300)는 분할되지 않거나 또는 격벽(350)에 의해 1개 이상으로 분할된 공간을 포함하여 이루어지고, 내부에 분말형 금속 촉매(310)가 혼합된 액체와 회전 또는 순환시키기 위한 부재가 구비되고, 상기 처리 공기 유입관(340)의 단부에는 미세 버블을 형성하는 다공질 부재(321)가 결합되며,
유해물질 제거 챔버(200)를 통과한 오존을 포함하는 공기는 처리 공기 유입관(340)을 통하여 오존 및 미세먼지 제거 챔버(300)의 내부로 인입되어 액체의 순환 및 버블링에 의해 오존 및 미세먼지가 제거되는 것을 특징으로 하는 공기 정화장치 및 이를 이용한 공기 정화 방법을 제공한다.
이하, 본 발명에 따른 공기 정화장치 및 이를 이용한 공기 정화 방법에 대하여 첨부된 도면을 참고로 하여 보다 상세하게 설명한다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있으며, 특정 실시예들은 상세한 설명에서 구체적으로 설명한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해서 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 본 발명에서 사용하는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, “포함하다” 또는 “가지다” 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
본 발명에서 ‘휘발성 유기화합물(Volatile Organic Compounds, VOCs)’은, 대기, 실내, 지하 공간, 화학공장, 흡연 장소, 인쇄소, 화학물질 사용 공간, 제철/제련과 같은 특수 공간 등에 존재하는 포름알데히드, 톨루엔, 에틸렌, 스틸렌, 아세트알데히드, 벤젠 등과 같은 물질로서 대부분은 탄소-탄소간의 2중 결합(시그마(σ), 파이(π) 결합)을 포함하고 있다.
또한, 화학 결합은 결합에 참여하는 원자의 오비탈이 겹쳐져 형성된다. 예를 들면, 수소 분자는 두 수소 원자의 1s 오비탈이 겹쳐져 형성되고, 플루오린화수소에서는 수소 원자의 1s 오비탈과 플루오린의 2p 오비탈이 겹쳐져 형성된다. 이 두 물질에서 결합을 이루고 있는 전자는 결합을 이루고 있는 두 원자의 핵을 잇는 축(결합축)을 중심으로 그 둘레에 위치하고 있어 전자의 분포가 원통형 대칭이 된다. 이와 같은 결합을 시그마(σ) 결합이라고 한다. 시그마 결합과 다른 특성을 보이는 결합으로 파이(π) 결합이 있다. 즉, py 오비탈과 py 오비탈이 겹쳐 결합을 이루는 경우 전자구름은 결합축의 위와 아래로 분포하게 되는데 이 결합을 파이 결합이라고 한다.
본 발명에서 ‘분해부산물’은 후술하는 플라즈마 발생기를 통해 생성된 라디칼과 상기 휘발성 유기화합물 등의 유해물질이 반응하여 생성되는 물질로, 유해물질의 종류에 따라 생성되는 분해부산물이 다를 수 있으며, 이들의 예를 들면 질산암모늄(NH4NO3), 아질산암모늄(NH4NO2), 아황산(H2SO3), 황산(H2SO4), 메탄(CH4), 수소(H), 포름산(HCOOH), 아세트산(CH3COOH), 질소(N2), 산소(O2), 염소(Cl2) 등이 있다.
본 발명은 축산물 사육장이나 매연 등의 악취 발생 물질을 포함하는 대기 중의 공기를 연속 배열된 복수의 챔버들을 통과시켜 악취발생 물질을 분해, 제거하는 모듈을 포함하며, 이때 상기 모듈은 기본적으로 공기를 사용하여 발생된 오존을 이용하여 악취발생 물질을 제거하며, 악취발생 물질이 제거된 후에 잔존하는 오존까지 완전히 제거하는 것을 특징으로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 오존을 이용한 악취발생물질 분해 모듈의 전체 구성도이고, 도 2는 본 발명의 분해 모듈을 이용한 플라즈마 유해물질의 해리방법의 플로우차트이며, 도 3은 처리 유체 공급 챔버의 일례를 나타내는 도면이고, 도 4는 오존 및 미세먼지 제거챔버의 구조를 설명하는 도면이며, 도 5는 다공질 부재를 설명하는 도면이다.
본 발명에 따른 유체 처리 과정에 발생되는 플라즈마의 유해물질 해리 모듈(1)을 포함하는 공기 정화 장치는 주로 대기 중의 공기 또는 오염 공기를 정화하는 공기 정화 장치로써, 하우징, 유해물질 해리 모듈, 센서 장치, 표시부 및 제어부 등이 유기적으로 작동 가능하게 결합되어 이루어지며, 통상의 접속 라인은 편의상 생략하고 설명한다.
상기 하우징은 대기 중의 공기나 실내공간에서 발생된 악취 성분을 포함하는 오염 물질이 함유된 공기가 인입되는 흡입구가 일 측에 형성되고, 타측에는 오염물질이 정화된 공기를 다시 상기 실내 공간으로 내보내는 배기구가 형성되는 것이 바람직하다.
한편, 작동되는 공기의 순환을 위하여 공기 순환 수단이 더 구비되는 것이 일반적이며, 이러한 상기 공기 순환 수단은 상기 흡입구 측, 상기 하우징의 내부 또는 상기 배기구 측 중 어느 한 곳 이상에 설치되는 것이 가능하나, 상기 공기 순환 수단의 오염 방지 및 안정적인 작동을 위하여 배기구에 더 연결되어 더 설치되는 배기 송풍기(미도시)로 구성되는 것이 바람직할 수 있다.
또한, 하우징의 다른 일측(주로, 상부 정면)에는 제어장치의 제어 작용에 의해 장치의 작동 상태를 가시적으로 확인할 수 있는 표시부가 구비되고, 하우징은 육면체 형상을 갖는 것이 일반적이다.
상기 유해물질 해리 모듈(1)은 상기 하우징의 내부에 배치되고, 플라즈마의 방전에 의해 발생되는 미세먼지, 오존 및 분해 부산물을 포함하는 유해물질(특히, 오존)을 효율적으로 해리한다.
상기 유해물질 해리 모듈(1)은, 악취발생 물질을 포함하는 대기 중의 공기를 모듈 내부로 공급하는 대기 중의 공기공급 챔버(100); 내부에 플라즈마 발생기 또는 오존 발생기를 포함하여 이들로부터 생성된 오존 및 대기 중의 공기가 혼합되어 세균 및 악취발생 물질을 제거하는 유해물질 제거 챔버(200); 및 내부에 분말형 금속 촉매(310) 및 분말형 금속 촉매(310)가 혼합된 액체를 회전 또는 순환시키기 위한 부재가 구비되고, 상기 유해물질 제거 챔버를 통과한 대기 중의 공기 내 미세먼지, 오존 및 분해부산물을 제거하는 오존 및 미세먼지 제거 챔버(300);를 포함하여 구성되는 것이 바람직할 수 있다.
상기 오존 및 분해 부산물 제거 챔버(300)는 분할되지 않거나 또는 격벽(350)에 의해 1개 이상으로 분할된 공간을 포함하여 이루어지고, 내부에 분말형 금속 촉매(310)가 혼합된 액체와 회전 또는 순환시키기 위한 부재가 구비되고, 상기 처리 공기 유입관(340)의 단부에는 미세 버블을 형성하는 다공질 부재(321)가 결합되며,
유해물질 제거 챔버(200)를 통과한 오존을 포함하는 공기는 처리 공기 유입관(340)을 통하여 오존 및 미세먼지 제거 챔버(300)의 내부로 인입되어 액체의 순환 및 버블링에 의해 오존 및 미세먼지가 제거된다.
별법으로, 펌프에 의해 가압 공기가 공급되는 공기 공급관(320)이 저면 또는 측면에서 내부로 인입되고, 상기 공기공급관(320)의 단부에는 미세 버블을 형성하는 다공질 부재(321)가 결합되어도 좋다.
상기 대기 중의 공기 공급 챔버(100)는 악취발생 물질이나 기타 유기화합물을 포함하여 여과가 필요한 공기 또는 유체를 저장하고 처리시 상기 분해 챔버로 공급하기 위한 것으로, 유체의 흐름을 생성하기 위한 블로워(blower, 미도시), 펌프 또는 송풍 수단이 내부에 구비될 수 있다.
상기 대기 중의 공기는 정화 또는 분해가 필요한 악취발생 물질이나 유기화합물, 미세 먼지 등을 포함하는 기체라면 종류에 한정하지 않는다. 예를 들어 대기, 실내, 지하 공간, 화학공장, 흡연 장소, 인쇄소, 화학물질 사용 공간, 제철, 제련 등의 공간에 존재하는 기체들로 기체 내에 파라핀, 올레핀, 벤젠, 톨루엔, 질소산 화물, 아세트알데히드 등을 포함할 수 있다.
또한 상기 대기 중의 공기 공급 챔버(100)는 상기 분해 챔버와 연결되는 통로를 갖되, 상기 통로에는 상기 대기 중의 공기 내 미세먼지나 불순물을 여과하기 위한 여과부(미도시)가 더 구비될 수 있다.
이때 상기 여과부는 본 발명에서 한정하지 않으며, 예를 들어 필터, 다공성 물질 등과 같이 유체를 통과시키면서도 미세먼지나 입자 등을 물리적으로 포집할 수 있는 것이나 전기 집진기, 유수분리기 등을 포함하여 분진, 수분, 유분 등과 같은 액상 또는 고상의 오염물질을 일시적으로 정화할 수 있다.
본 발명에서 상기 유해물질 제거 챔버(200)는 상기 대기 중의 공기 공급챔버(100)와는 별개로 구비되며, 내부에 플라즈마 발생기 또는 오존발생기(210)를 포함하여 유입된 대기 중의 공기에 오존을 공급하여 대기 중의 공기 내 악취발생 물질이나 이들의 1차 분해물을 분해하기 위해 구비되는 것으로, 내부에 플라즈마 발생기 또는 오존 발생기(210)를 구비하여 유체 내 산소를 이온화시켜 악취 발생물질을 완전히 분해할 수 있다.
본 발명에서 상기 플라즈마 발생기 또는 오존 발생기(210)는 필요에 따라 선택적으로 사용될 수 있으며 OH 라디칼을 통해 유기화합물을 분해하는 일반적인 유기물질 분해 시스템에 사용하는 것이라면 종류에 한정하지 않는다.
일반적으로 플라즈마 발생은 두 개의 전극 사이에 기체를 주입하고 전극에 고전압을 가하여 기체를 플라즈마 상태로 변화시킨다. 전극에 전기가 가해지면 전극 사이에 전자가 흐르게 되는데, 이 전자들의 에너지에 의해 산소분자들이 분리되어 강력한 반응성을 가지는 산소라디칼(O·), 수산화라디칼(OH·), 질소라디 칼(N·), 이산화수소라디칼(HO2·) 수소라디칼(H·) 등과 오존분자를 형성하게 된다.
구체적으로 상기 플라즈마 발생기는 일반적인 대기나 산소 분위기에서 플라즈마를 가함으로써 가속된 전자와 산소분자의 충돌에 의해 산소라디칼 등의 다양한 활성종들(N2 +, N+, e, N, N(2D), O2 +, O+, O, O(2D), H2O+, OH, H, CO2 + 등)을 생성하게 된다. 상기와 같이 생성된 라디칼은 플라즈마 발생기에 의해 형성된 전자와 함께 악취물질과 반응하여 악취물질의 시그마(σ) 및 파이(π) 결합을 절단하여 다양한 탄소화합물을 생성하게 되며, 생성된 탄소화합물은 다시 다른 라디칼과 반응하여 질소, 산소, 염소, 이산화탄소, 고형탄소 등의 분해부산물로 완전히 분해되어 변환된다.
이때 플라즈마 발생기는 보통 전극에 적용된 전력의 세기나 주파수 에 따라 구분될 수 있으며, 일반적으로 저주파(50 내지 60㎐)와 중주파(60 내지 1,000㎐)를 이용한 오존발생기가 사용된다. 중주파 발생기는 효율적이고 고농도의 오존을 생성할 수 있으나 저주파 발생기에 비해 고열이 발생하므로 이를 소형화하여 저온 플라즈마를 발생할 수 있는 마이크로 플라즈마 형태의 저주파 발생기를 사용하는 것이 바람직하다.
다만 상기 플라즈마 발생기는 상기와 같은 다양한 활성종들도 생성 하나 아래와 같은 반응들을 통해 산소 라디칼이 오존으로 전환되기도 한다.
(상기 반응식 4에서 M은 오존의 생성을 보조하는 제3의 물질을 뜻한다.)
상기 오존은 산소 원자 3개가 결합된 산소의 동소체로, 일반적인 산소보다 산화력이 훨씬 강해 살균이나 악취 제거에 이용된다. 이러한 오존은 오존산화법을 통해 살균, 철·망간처리, 시안제거, 맛, 냄새 처리, 응집 보조효과, 유기물 생물분해 증진, 난분해성 유기물 처리 등으로 정·폐수처리 분야에서 널리 활용 되고 있다.
또한 오존은 수산화기에 의해 분해가 시작되어 중간생성물질로 hydroperoxy 라디칼(HO2 -), superoxide 라디칼(O2 -), ozonide 라디칼(O3 -) 등의 중간 경로를 거쳐 OH 라디칼을 생성하게 된다. 이 OH 라디칼은 오존 그 자체보다 높은 전위차를 가지며(O3: 2.07V, OH 라디칼: 3.08V) 거의 모든 유기물과 매우 빠른 속도로 골고루 반응하는 특징이 있으므로 악취발생물질의 제거 속도를 더욱 높이는 역할을 한다.
상기와 같이 생성된 오존을 혼합챔버 내에서 대기 중의 공기와 혼합되면, 상기 라디칼 등과 유사하게 유기화합물의 시그마(σ) 및 파이(π) 결합을 절단하여 다양한 탄소화합물을 생성하게 되며, 생성된 탄소화합물은 다시 다른 라디칼과 반응하여 분해부산물로 완전히 분해되어 변환된다.
또한 플라즈마 방전 시 발산되는 특정 대역의 자외선(300 내지 400nm 파장 대역의 UVA 광)이 수산기 자유 라디칼을 생성하여 유기화합물이나 암모니아, 아민류를 분해할 수 있다. 다만 상기와 같은 자외선에 의한 유기화합물 분해는 광촉매 반응에 의해 촉진될 수 있으므로 상기 분해챔버는 내벽에 상기 자외선과 광촉매 반응을 일으킬 수 있는 광촉매가 더 코팅되는 것이 바람직하다.
구체적으로 상기 플라즈마 방전 시 발생하는 자외선이 분해챔버의 내주면에 코팅 형성된 광촉매층에 조사되면, 광촉매 반응을 일으켜 히드록실 라디칼을 발생시킴으로써 오염 가스에 포함된 포름알데히드(formaldehyde) 또는 VOCs(Volatile Organic Compounds: 휘발성 유기 화합물) 등과 같은 유해 물질을 인체에 무해한 H2O와 CO2 등으로 분해할 수 있다.
상기 플라즈마 발생기(210)는 홀타입 면방전 플라즈마를 채택하거나 또는 DBD 세라믹 플레이트로 구성되어, 15ppm 전후의 고농도의 오존을 발생시켜 바이러스 및 세균의 멸균이 확실하게 이루어지게 하는 것이 바람직할 수 있다.
본 발명에서 상기 유해물질 제거 챔버(200)는 도 3에 나타낸 바와 같이, 대기 중의 공기와 오존을 혼합하여 접촉시키는 장치로서 내부식성 물질이나 금속으로 이루어진 하우징으로 구성될 수 있다.
상기 플라즈마 발생기 또는 오존 발생기(210)에 의해 발생된 고농도의 오존은 유입되는 실내 공기, 대기 중의 공기 또는 오염 공기(BA)와 접촉하여, 박테리아나 바이러스를 포함하는 미생물을 살균하고, 오존 및 처리 공기는 지그재그로 배치된 복수의 격벽(220)을 통과하여 격벽(220)을 통과한 처리 공기(AA)는 오존 및 미세먼지 제거 챔버(300)로 이송된다.
또한 상기 유해물질 제거 챔버(200)는 대기 중의 공기가 액체를 포함하는 경우, 유해물질과 라디칼, 오존 등과의 접촉성을 더욱 높이기 위해 오존을 용해하는 다양한 수단을 구비할 수 있다. 이들의 예를 들면 오존을 기포 형태로 확산시키거나(기포 확산형 접촉조, bubble diffuser contactor), 오존주입기(injector)를 구비하거나, 챔버 내에 터빈 믹서(turbine mixer contactor) 등을 포함할 수 있다.
상기 유해물질 제거 챔버(200)는 상기 악취발생 물질의 분해에 의해 생성된 분해부산물을 여과하기 위한 여과부(미도시)가 더 구비될 수 있다. 이때 상기 여과부는 상기 분해 챔버와 오존 및 미세먼지 제거 챔버 사이의 유로 내에 구비될 수 있으며, 여과 방법이나 구조, 종류 등을 한정하지 않으나 상술한 다공성 물질이나 필터 등을 구비하는 것이 좋다.
또한, 상기 유해물질 제거 챔버(200) 내에는 악취발생 물질과 오존, 분해부산물 등을 흡착하여 이들 간의 접촉 시간을 늘림으로써 악취발생 물질의 처리 효율을 증가시키며 분해부산물의 여과를 보조하는 흡착 필터(미도시)가 더 구비될 수도 있다. 이때 상기 흡착 필터 또한 재질 등을 한정하지 않으나, 분자량이 큰 악취발생 물질의 흡착을 촉진하기 위해 제올라이트 계열의 다공성 메조포러스(mesoporous) 물질을 포함 하는 것이 좋다.
상기와 같이 유해물질 제거 챔버(200)를 빠져나온 공기(AA)는 내부에 잔존하는 오존을 포함할 수 있으므로 이를 제거하기 위해 내부에 분말형 금속 촉매(310) 및 분말형 금속 촉매(310)가 혼합된 액체를 회전 또는 순환시키기 위한 부재가 구비된 오존 및 미세먼지 제거 챔버(300)를 통과할 수 있다.
일반적으로 오존은 상술한 바와 같이 강력한 살균력과 산화력을 가지는 세정제이기도 하나, 지구 온난화에 기여하기도 하며 환경 및 인체에 악영향을 줄 수 있다. 따라서 이를 제거하는 공정을 더 추가하기 위해 악취발생물질을 모두 제거한 대기 중의 공기를 오존 및 미세먼지 제거챔버에 통과시켜 오존까지 완전히 제거하는 것이다.
종래의 오존 제거 기술로는 활성탄이나 제올라이트 등을 이용한 흡착법이나 고온의 열을 가하는 가열법, 약액세정법 등이 있으나, 흡착법의 경우 흡착제 별로 포화 흡착 농도가 낮으며 포화점에 다다르면 재생이 필요한 단점을 가지며, 가열법의 경우 유체의 가열을 위해 많은 에너지를 소모하여야 한다.
본 발명은 이러한 단점을 해소하기 위해 오존을 산화하기 위한 분말형 금속 촉매를 사용하여 촉매 반응을 통해 오존을 분해하는 방식을 도입하되, 강력한 산화물질인 금속의 산수산화물을 촉매로 사용함으로써 오존을 0.01 ppm 이하로 제거하여 바이러스를 포함하는 미생물, 오존 및 미세먼지의 제거효율을 극대화한 것이다.
구체적으로 상기 금속의 산수산화물은 산화-환원 과정에서 OH 라디칼이 발생하는데, 이 OH 라디칼은 오존과의 반응성이 높기 때문에 잔존하는 오존을 신속하게 제거할 수 있다.
예를 들어 상기 금속의 산수산화물로 철산수산화물을 사용하는 경우 하기 반응식 5와 같이 Fe2+/Fe3+ 산화환원 사이클 과정에서 발생된 OH라디칼에 의해 오존을 제거하며, 상기와 같은 촉매를 사용함으로서 활성화 에너지를 낮춰 오존 제거 시간 효율을 극대화할 수 있다.
또한 상기 금속 산수화물은 오존을 분해하는 역할 이외에 대기 중의 공기 내 불순물, 특히 비소 및 중금속을 제거하는 여과재로도 작용할 수 있기 때문에 대기 중의 공기의 여과효율을 더욱 높일 수 있는 장점을 가진다.
본 발명에 따른 금속수산화물은 하기 화학식 1의 수산화염 형태를 갖는 것을 특징으로 한다.
상기 화학식 1에서, n은 1 내지 6의 정수이고, Me는 3가 금속인 Fe, Al과 2가 금속인 Fe, Mg, Mn, Zn, Ca, Cu, Na, 및 Li 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 금속을 포함한다.
상기의 금속수산화물은 황산염 또는 염화물 형태에서 발생하는 양이온을 이용하여 제조하며, 3가 금속인 Fe, Al이나 2가 금속인 Fe, Mg, Mn, Zn, Ca, Cu, Na, Li와 같은 양이온들은 약알칼리성 또는 약산성 용액에서 물과 반응하여 잘 용해되지 않는 수산화염 침전물이 발생한다.
가령, 아래의 반응식 6과 같이, 철이나 망간의 황산염 또는 염화물로부터 발생한 단분자에 pH 조절을 위한 알칼리 첨가제, 예를 들어 수산화나트륨을 첨가하여 반응시킴으로써 수산화염 형태의 침전물을 생성할 수 있으며, 이 침전물이 금속산화물로 사용된다.
본 발명에서 상기 금속산수화물의 제조방법은 당업계에서 통상적으로 사용하는 방법이라면 종류에 한정하지 않으며, 예를 들어 철 또는 망간의 산수산화물의 경우 철염 또는 망간염을 주성분으로 하는 고체 상태의 수용성 무기응집제를 물과 혼합하여 고체 상태의 응집제가 완전히 용해될 때까지 교반하고, 이를 알칼리 첨가제와 반응시킨 후, 침전물이 발생하면 이를 여과 및 건조하여 제조할 수 있다. 이때 상기 무기응집제는 철염이나 망간염이 고체 상태인 경우에만 국한되며 액체 상태인 경우 무기응집제가 필요하지 않다.
또한 상기 수산화염의 침전물을 발생시키기 위해 첨가하는 알칼리 첨가제는 전체 pH를 6 이상으로 조절하기 위한 것으로, 알칼리 첨가제를 첨가한 후, 1 내지 3 시간 반응시켜 진행하는 것이 바람직하다. 이때 상기 알칼리 첨가제로 예를 들면 수산화칼슘(Ca(OH)2), 탄산나트륨(Na2CO3), 수산화나트륨(NaOH)이 적용될 수 있다.
여기에 상기 알칼리 첨가제와는 별개로 석출되는 금속수산화물의 기공률을 높이기 위해서 염산(HCl) 등을 혼합할 수 있다.
한편, 상기와 같이 제조된 금속수산화물은 다른 매체, 가령 고분자, 세라믹과 발포 등의 방법을 통하여 내부에 공극을 갖는 다공성 성형체를 형성할 수 있다.
본 발명에서 상기 금속 산수화물로 더욱 바람직하게는 goethite(α- FeOOH), akaganeite(β-FeOOH), lepidocrocite (γ-FeOOH), the high pressure phase(hp(ε)-FeOOH) 및 feroxyhyte (δ-FeOOH)의 5종의 동질이상체(polymorph)를 포함하는 철산수산화물과 알루미늄 수산화물 중에서 보헤마이트(-AlOOH) 그리고 망간 산수화물의 혼합물을 사용하는 것이 바람직하다. 상기와 같이 철 수산화물과 알루미늄 수산화물과 망간 산수화물을 혼합하여 사용할 경우 오존의 분해효율이 더욱 증가할 수 있으나, 철 수산화물과 망간 수산화물의 함량이 적정 범위를 벗어나는 경우 오히려 분해효율이 하락할 수 있으므로 철산수산화물과 망간산수산화물이 5.5 내지 8.0 : 2.0 내지 4.5 중량비의 철산수산화물 및 망간산수산화물에 알루미늄수산화물이 1~5 중량비, 가장 바람직하게는 3 중량비로 혼합되는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 금속촉매의 양, 반응온도 및 반응시간과 같은 제반 처리조건은 본 발명에서 한정하지 않는다. 예를 들어 상기 금속촉매의 양은 대기 중의 공기 100 중량부 대비 5 내지 15 중량부이며, 온도는 상온(20℃ 내외), 반응시간은 자유롭게 조절할 수 있다. 또한 상기 오존을 포함하는 대기 중의 공기의 공급량 또한 한정하지 않으나 0.01 내지 100 ℓ/sec 범위에서 자유롭게 조절할 수 있다.
상기 오존 및 미세먼지 제거 챔버(300)는 오존 농도에 따라 분할되지 않거나 또는 중간 격벽(350)에 의해 하나 이상의 공간으로 분할될 수 있고, 상기 격벽(350)의 일측에는 중화수 용액의 이동을 위한 통로가 개방될 수 있다.
상기 오존 및 미세먼지 제거 챔버(300)의 상부에는 챔버 내에 중화수 함유 용액을 공급하는 중화수 용액 공급관(330)이 내부로 인입되어 구비되고,
상기 유해물질 제거 챔버(200)에서 세균 및 악취발생물질이 제거된 공기가 유입되는 처리 공기 유입관(340)이 저면에서 내부로 인입되어 구비되고, 챔버의 내부에는 분말형 금속 촉매(310) 용액이 구비되고, 분말형 금속 촉매(310)가 혼합된 액체를 회전 또는 순환시키기 위한 부재가 더 구비될 수 있다.
또한, 필요에 따라 펌프에 의해 가압 공기가 공급되는 공기 공급관(320)이 챔버의 바닥(또는 측면 지점)에서 내부로 인입되어 구비될 수 있다.
상기 중화수 용액 공급관(330)은 중화수 용액 주입과 증발되는 중화수 용액의 증발분을 간헐적으로 보충해주는 역할을 수행한다.
세균 및 악취발생 물질이 제거된 공기는 상기 금속 분말형 촉매(310) 용액과 접촉되고, 상기 처리공기 유입관(340) 및(또는) 공기 공급관(320)에 의해 공급된 가압 공기에 의해 형성된 미세 기포와 중화수 용액 공급관(330)을 통해 공급된 중화수 용액과 버블링되어 미세먼지, 오존 및 분해 부산물이 중화수 용액 내에 용해되어 정화되고, 상부로 밀려난 공기는 펌핑관(360)을 통해 다른 분할 공간으로 이송되어 버블링 과정을 거쳐서 재차 정화된 후 정화된 공기는 상부에 형성된 유출구(370)를 통해 배기되는 것이 바람직할 수 있다.
상기 펌핑관(360)은 상기 오존 및 미세먼지 제거 챔버(300)의 상부에서 분할된 공간의 상부에서 서로 연통되고, 버블링 과정에 의해 정화된 공기가 다른 분할 공간으로 이동되는 통로를 제공한다.
상기 펌핑관(360)의 일측은 오존 및 미세먼지 제거 챔버(300)의 상면의 공간부와 연통되고, 타측은 연장된 길이를 가짐으로써 수중에 충분히 잠기게 한다.
상기 공기 공급관 또는 유입관은 펌프의 작동에 의해 공기를 공급 또는 이송할 수 있다.
상기 처리공기 유입관(340) 및(또는) 공기 공급관(320)은 미세 기포를 중화수 용액의 수중에 발생시키고, 가압 공기를 공급하여, 버블링된 공기가 압력에 의해 펌핑관(360)으로 이동되게 한다.
상기 챔버(300)가 분할되지 않은 경우에는 상기 중간 격벽(350)과 펌핑관(360)은 생략될 수 있다.
추가로, 상기 오존 및 미세먼지 제거 챔버(300)의 저면에는 회전 팬(385) 또는 스파이럴 구조체(386)가 구비될 수 있고, 상기 처리 공기 유입관(340)의 단부에는 링브로워(미도시)가 구비되어 액체의 회전이나 순환이 일어나게 함으로써 미세기포에 의한 오존의 제거를 더욱 촉진하는 것이 바람직할 수 있다.
상기 스파이럴 구조체는 오존 및 미세먼지 제거 챔버(300)의 저면에 돌기 형태로 형성되는 것이 바람직하고, 처리공기 유입관(340) 또는 공기 공급관(320)에서 토출되는 미세기포는 챔버 저면에 설치된 스파이럴 구조의 돌기에 충돌하면서 미세기포가 회전력을 받아 액체와 함께 회전하면서 부상하게 된다.
이러한 회전 팬(385)과 스파이럴 구조체(386)에 의하여 액체가 저속으로 회전되면서 공기 유입관(340)에서 토출되는 미세기포가 수직으로 부상하기 않고 액체가 회전하는 방향을 따라 순환하면서 부상함으로써 오존 제거 효율을 더욱 높일 수 있다.
이러한 경우에는 상부로 밀려난 정화된 공기는 상부에 형성된 유출구(370)를 통해 배기된다.
또한, 상기 공기 공급관(320)은 챔버의 저면에 설치되거나 또는 챔버의 저면 보다는 공기를 측면 중간에서 공급함으로써 펌프의 부하가 덜 걸리게 하고 미세 기포가 잘 형성되게 하는 것이 더욱 바람직할 수 있다.
한편, 상기 공급관 또는 유입관(320, 330, 340, 350)의 일부는 생략하거나 다른 관과 삼방 밸브 등을 이용하여 도중에 연결될 수도 있다. 예를 들면, 오존을 함유하는 처리 공기 공급관(340)과 가압 공기 공급관(320)은 하나로 통합하여, 공기 공급관(320)을 생략하고, 가압 공기와 함께 오존을 함유하는 공기가 처리 공기 공급관(340)을 통하여 함께 유입되게 설계해도 좋다. 이 경우 다공질 부재(321)의 단부에는 링브로워가 구비될 수 있다.
장시간 사용된 중화수 용액은 배출구(380)를 통하여 배출한다.
상기 미세 기포를 형성하기 위한 다공질 부재(321)는 도 5에 예시한 바와 같이 처리 공기 유입관(340)의 단부 또는 공기 공급관(320)에 결합되어 형성되며, 천연광물, 세라믹스 및 이들의 혼합물 중에서 선택된 1종 이상으로 부터 제조되는 세라믹 폼 또는 스펀지로 이루어진 것이 바람직하다.
상기 다공질 부재(321)는 원통형, 기둥형, 또는 구형에 제한되지 않고 가압 공기를 수중에서 확산시켜 미세 기포를 형성한다.
상기 다공질 부재(321)는 평균 직경이 10㎛인 미만 개방형 기공을 포함하고, 기공률은 80% 이상인 것이 바람직할 수 있으며, 형성되는 미세 기포의 평균 직경은 0.3~1.5 mm인 것이 더욱 바람직할 수 있다.
상기 중화수 함유 용액은 pH가 6.5~7.5이며, 알루미늄 화합물을 포함하는 수용액인 것이 바람직하다.
상기 알루미늄 화합물을 포함하는 용액에 포함된 알루미늄 화합물의 농도는 1~3.5㎎/L인 것이 바람직하다.
상기 센서 장치는 실내 및 공기 플라즈마 유해물질 해리 모듈 내에 장착되어 공기 상태를 측정하여 제어장치로 출력한다.
센서는 유입 공기, 배출 공기, 방전 과정을 거치면서 생성된 그리고 방전 과정이 수행되는 방전영역을 포함하는 각 챔버 영역에서 O3, VOC, PM2.5, PM10, PM100, 온습도 센서 등으로 감지된 값을 제어장치로 출력한다.
상기 제어 장치는 공기 정화장치의 전체적인 작동을 제어하며, 상기 센서장치에서 측정된 산화질소, 오존, 및 이산화질소의 농도 등의 정보에 따라 상기 공기정화장치의 작동을 제어한다.
구체적으로, 제어장치는 센서장치에서 감지된 값을 연산하여 각 실내 공간의 공기 상태를 결정하도록 제어할 수 있다. 이때, 제어장치는 센서장치에서 감지된 값에 따라 다수의 단계로 각 실내 공간의 공기 상태를 나눌 수 있다. 예를 들어, 공기 상태는 센서장치에서 감지된 값이 커질수록 '좋음', '보통', ' 나쁨', '매우 나쁨'과 같은 4단계의 구간으로 나눠질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 특히, 제어장치는 미세 먼지 센서로부터 측정된 미세 먼지 농도 값의 구간에 따라 다수의 단계로 미세 먼지 상태를 나눌 수 있다.
또한, 제어장치는 각 실내 공간에 배치된 공기정화장치의 온(on)/오프(off) 동작을 제어할 수 있다. 즉, 제어장치는 각 공기정화장치가 일정 시간마다 작동하도록 제어하거나, 센서장치에서 측정된 공기 상태 감지값에 따라 각 공기정화장치가 작동하도록 제어할 수 있다. 예를 들어, 어느 실내 공간의 미세 먼지 상태가 '보통' 또는 '나쁨' 이상의 단계에 해당하는 경우, 제어장치는 해당 실내 공간의 공기정화장치가 작동하거나 강하게 작동하도록 제어할 수 있다. 따라서 본 발명의 일 실시예에 따른 공기 질 관리 시스템의 병원 내 감염 등을 효율적으로 예방할 수 있다.
또한, 제어장치는 표시 정보를 생성하여 표시부 또는 사용자단말에 전달할 수 있으며, 각종 정보를 저장장치(미도시)에 저장하도록 제어할 수 있다.
상기 표시부는 제어장치에서 생성된 표시 정보를 표시하여 관리자(예를 들어, 병원 건물인 경우에 의료진 등)에게 제공할 수 있다.
이때, 표시부는 각 실내 공간별로 공기 상태 측정 항목(예를 들어, 미세 먼지 농도, 이산화탄소 농도, 온도, 습도, VOC 농도, 오존 농도 등)과, 해당 실내 공간의 센서장치의 각 센서별 측정값 등을 표시할 수 있다. 특히, 표시부는 각 공기 상태 측정 항목에 대해 다수 단계로 나누어 표시할 수 있다.
예를 들어, 표시부는 액정 디스플레이 장치(liquid crystal display; LCD), 발광 다이오드 (light-emitting diode; LED) 디스플레이 장치, 유기 발광 다이오드(organic light-emitting diode; OLED) 디 스플레이 장치, 퀀텀닷(quantum dot; QD) 디스플레이 장치, 마이크로 전자기계 시스템(microelectromechanical systems; MEMS) 디스플레이 장치, 또는 전자종이(electronic paper) 디스플레이 장치일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이와 같이 제어장치를 이용하여 ICT 플랫폼을 포함하는 네트워크 환경을 구축할 수 있다.
본 발명은, 추가의 일면에 있어서, 상기 유체 처리 과정에 발생되는 플라즈마의 유해물질 해리 모듈을 이용한 공기 정화 방법을 제공한다.
상기 공기 정화 방법은 a) 세균 및 악취발생물질을 포함하는 대기 중의 공기를 모듈 내부로 공급하는 단계; b) 유입되는 유체에 플라즈마(오존)를 접촉시켜 세균 및 악취발생물질을 제거하는 플라즈마 처리 단계; c) 플라즈마 처리 후 대기 중의 공기 내 오존 및 분해부산물의 농도를 측정하는 오존 농도 측정 단계; 및 d) 상기 c) 단계의 대기 중의 공기에서 오존의 농도가 설정된 농도 이상일 경우 금속촉매와 접촉하여 상기 대기 중의 공기 내 잔존하는 오존을 수산화라디칼을 이용하여 제거하고, 공기 공급관(320)에 의해 공급된 가압 공기에 의해 형성된 미세 기포와 중화수 용액 공급관(330)을 통해 공급된 중화수 용액과 버블링되어 미세먼지, 오존 및 분해 부산물을 중화수 용액 내에 용해시켜 정화하고, 상부로 밀려난 공기는 펌핑관(360)을 통해 다른 분할 공간으로 이송하여 버블링 과정을 거쳐서 재차 정화된 후 정화된 공기를 상부에 형성된 유출구(370)를 통해 배기시키는 미세먼지 오존 및 분해 부산물을 해리시키는 단계;를 포함한다.
본 발명에서 상기 a), b) 및 d) 단계는 상술한 모듈을 통해 진행하는 것으로 중복되는 설명은 생략하며, 다만 상기 c) 단계와 같이 플라즈마 처리 후 대기 중의 공기의 오존과 분해부산물의 농도를 확인하는 과정을 거쳐 대기 중의 공기 내 오존 농도가 설정된 농도 이하인 경우 상기 d) 단계를 거치지 않고 바로 대기 중의 공기 배출 단계(S500)로 진행할 수 있으나, 용존 오존 농도가 설정된 농도 이상인 경우 상기와 같이 금속촉매와 접촉하여 대기 중의 공기 내 잔존하는 오존을 수산화라디칼(·OH)을 이용하여 제거할 수 있다.
이때 상기 c) 단계는 별도로 구비되는 욕조에 플라즈마와 접촉한 대기 중의 공기를 수용하여 대기 중의 공기 내 오존 농도를 측정하는 것이 바람직하며, 상기 욕조는 내부에 대기 중의 공기의 용존오존의 농도를 측정할 수 있는 용존오존농도계 및 각각 배관을 통해 플라즈마발생욕조, 금속촉매접촉욕조 및 대기 중의 공기배출욕조와 연결되도록 구비되는 것이 좋다.
이와 같이 용존오존 농도계가 욕조 내 대기 중의 공기의 용존오존 농도를 측정하여 설정된 농도 이상임을 감지하면 상기 금속촉매접촉 욕조와 연결된 배관을 열어 상기 대기 중의 공기를 금속촉매접촉 욕조로 흘려보내 용존 오존을 분해할 수 있다. 이와는 반대로 측정된 용존오존의 농도가 설정 농도 이하인 경우 상기 대기 중의 공기배출 욕조와 연결된 배관을 열어 대기 중의 공기를 배출하는 것이 바람직하다.
이와 같이 대기 중의 유해물질이 함유된 대기 중의 공기는 플라즈마에서 발생된 OH라디칼을 이용하여 유해물질 제거 챔버(200)에서 유해물질을 제거하고, 상기 d) 단계에서는 플라즈마에서 발생된 2차 유해물질인 오존은 오존 및 미세먼지 제거챔버(300)로 유입되어 다공질 부재가 설치되어 미세 버블링으로 가스가 부상하면서 오존이 제거되는 것이다.
또한 상기 a) 내지 d) 단계를 통해 대기 중의 공기를 공급하는 경우 각 처리욕조는 잔류 용존 오존이 대기 중으로 방출되는 것을 방지하기 위해 완전히 폐쇄된 배관으로 연결하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 플라즈마 공기 살균기에 따른 버블링 케어 방식에 의하면, 펌프 등에 의해 가압되는 유해물질이 포함된 공기를 유해물질 제거 챔버(200)를 통해 공기 중에 포함된 유해물질(바이러스, 세균, VOCs)을 제거하고 플라즈마에서 발생된 오존과 함께 오존 및 미세먼지 제거 챔버(300)로 유입되어 금속촉매가 혼합된 액체에 다공질 부재를 통해 미세버블을 형성하고 챔버 저면에 설치된 액체를 회전시키기 위한 부재(팬 또는 스파이럴 구조체)에 의해 회전하는 액체와 함께 미세버블이 회전하면서 부상하는 과정에 오존을 분해하고 미세먼지를 제거하여 최종 공기 배출구를 통해 배출하는 공기는 유해물질과 미세먼지 오존이 제거된 깨끗한 공기를 공급시키는 효과를 얻을 수 있다.
본 발명은 상기와 같이 플라즈마를 이용하여 황화수소, 메르캅탄, 아민류, 방향족화합물 등의 악취발생물질을 효과적으로 제거할 수 있는 분해 모듈을 제공한다.
또한 악취발생 물질을 제거한 후에도 플라즈마 발생기에서 발생된 오존을 금속 산수산화물 촉매를 통해 완전히 제거함으로써 우수한 악취발생물질 저감효과와 동시에 인체에 유해한 환경을 조성하지 않는 장점을 가진다.
이하, 실시예 및 비교예를 들어 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 다만 하기 실시예 및 비교예는 본 발명을 더욱 상세히 설명하기 위한 하나의 예시일 뿐, 본 발명이 하기 실시예 등에 제한되는 것은 아니다.
(오존 제거율)
플라즈마 발생기를 통해 공기 중의 오존 농도가 10 ppm이 되도록 오존을 발생시켰다. 그리고 상기 오존을 함유하는 기체를 금속촉매가 구비된 욕조를 통과시킨 후의 농도를 용존 오존 측정기(Gastiger 2000, Wandi)로 측정한 후 제거율을 하기 식 1에 대입하여 계산하였다.
(상기 식 1에서 Ca는 초기 공기 중의 오존 농도이며, Cb는 금속촉매 접촉 후 공기 중의 오존 농도를 뜻한다.)
실시예 1 내지 5
철염화물로 황산제1철(FeSO4)과 망간염화물로 황산망간(MnSO4)을 하기 표 1의 조건에 따라 일정 비율(단위 mol)로 혼합한 금속화합물에 물을 혼합하여 액상화한 다음 여기에 수산화나트륨(NaOH)를 투입하여 pH 6으로 조절한 상태에서 3 시간 동안 반응시켜 철산수산화물과 망간산수산화물의 혼합물을 제조하였다. 도 1에 나타낸 바의 오존을 이용한 악취발생물질 분해 모듈을 이용하고, 도 2에 나타낸 바의 플라즈마 유해물질의 해리방법에 따라 오존 제거 시험을 수행하였다.
상기와 같은 금속산수산화물의 혼합물을 욕조 내에 설치한 후 오존 제거 단계 전후의 오존농도를 측정하여 제거율을 분석하였다.
상기 표 1과 같이 본 발명에 따른 해리 모듈 및 해리 방법은 모듈의 오존제거 챔버 내부에 철산수산화물과 망간산수산화물의 혼합물인 금속촉매를 포함함으로써 유체 내 오존을 제거할 수 있다.
구체적으로 철과 망간 산수산화물이 각각 6:4, 7:3 및 8:2 중량비로 혼합된 실시예 2 내지 4는 용존 오존의 제거율이 모두 99.5% 이상을 만족하고 있으나, 철과 망간 산수산화물의 함량이 1:1인 실시예 1, 9:1인 실시예 5는 모두 80%도 만족하지 못하는 낮은 오존 제거율을 가짐을 알 수 있어 금속 산수산화물의 최적의 조성비는 철산수산화물과 망간산수산화물이 5.5 내지 8.0 : 2.0 내지 4.5 중량비로 혼합되어야 함을 알 수 있다.
실시예 6 내지 8
플라즈마에서 발생된 오존농도가 높을 경우 철산수산화물과 망간산수산화물만으로 오존을 해리시키는데 한계가 발생되고 있어 고농도의 오존을 제거하기 위해 철산수산화물과 망간산수산화물 중량비에 알루미늄 수산화물을 첨가한 경우 오존 제거 효율을 확인하고, 그 결과를 다음의 표 2에 나타내었다.
| Al 중량비 | 오존농도 | 제거율(%) | ||
| 처리전 | 처리후 | |||
| 실시예 6 | 1 | 20 | 2.615 | 86.9 |
| 실시예 7 | 3 | 20 | 1.305 | 93.4 |
| 실시예 8 | 5 | 20 | 2.230 | 88.5 |
상기 표 2의 결과로부터 알루미늄 수산화물을 첨가한 경우 오존의 제거 효율이 더욱 증대됨을 확인하였다.
실시예 9~12: 다공질부재의 기공크기에 따른 오존 제거율 비교
다공질 부재의 기공 크기를 달리하여 오존의 제거율을 비교 시험하고 그 결과를 표 3에 나타내었다.
| 다공질 부재 기공 크기 | 오존농도 | 제거율(%) | ||
| 처리전 | 처리후 | |||
| 실시예 9 | 기공 제어 안함 | 20 | 12.504 | 37.48 |
| 실시예 10 | 1~10㎜ | 20 | 8.959 | 55.205 |
| 실시예 11 | 10~1000㎛ | 20 | 3.656 | 81.72 |
| 실시예 12 | 10㎛ 이하 | 20 | 1.992 | 90.04 |
상기 표 3에서 다공질 부재의 기공제어 및 기공크기에 따른 오존제거율을 분석한 결과, 다공질 부재의 기공크기를 10㎛ 이하로 조절할 경우 오존 제거 농도가 증가되는 것으로 조사되었다.
실시예 13~15: 액체 혼합용 팬 및 스파이럴 구조에 따른 오존 제거율 비교
액체 혼합용 팬 및 스파이럴 구조에 따른 오존 제거율을 비교하고 그 결과를 표 4에 나타내었다.
| 액체 순환방법 | 오존농도 | 제거율(%) | ||
| 처리전 | 처리후 | |||
| 실시예 13 | 액체 순환 없음(기공 바로 부상) | 20 | 11.02 | 44.9 |
| 실시예 14 | 액체순환용 팬 | 20 | 6.113 | 69.435 |
| 실시예 15 | 스파이럴 구조를 이용한 액체 순환 방법 | 20 | 6.824 | 65.88 |
상기 표 4에서와 같이 액체 순환 없이 기포를 부상하는 것 보다 액체를 순환시켜 기포를 부상시키는 방식이 오존제거 효율이 증가되는 것으로 조사되었다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
1 : 플라즈마의 유해물질 해리 모듈
100 : 대기 중의 공기 공급 챔버
200 : 플라즈마 발생 및 유해물질 제거 챔버
210 : 플라즈마 발생기
300 : 오존 및 미세먼지 제거 챔버
310 : 분말형 금속촉매
S100 : 대기 중의 공기 공급 단계
S200 : 플라즈마 처리 단계
S300 : 오존 농도 측정단계
S400 : 플라즈마의 유해물질 해리단계
S500 : 공기 배출단계
100 : 대기 중의 공기 공급 챔버
200 : 플라즈마 발생 및 유해물질 제거 챔버
210 : 플라즈마 발생기
300 : 오존 및 미세먼지 제거 챔버
310 : 분말형 금속촉매
S100 : 대기 중의 공기 공급 단계
S200 : 플라즈마 처리 단계
S300 : 오존 농도 측정단계
S400 : 플라즈마의 유해물질 해리단계
S500 : 공기 배출단계
Claims (5)
- 대기 중의 공기 또는 오염 공기를 정화하는 공기 정화 장치에 있어서,
대기 중의 공기 또는 오염 공기가 유입되는 흡입구가 일측에 형성되고, 타측에는 정화된 공기가 배출되는 배기구가 형성되며, 다른 일측에는 표시부가 구비된 육면체 형상의 하우징;
상기 하우징의 내부에 배치되고, 플라즈마의 방전에 의해 발생되는 미세먼지, 오존 및 분해 부산물을 포함하는 유해물질을 해리하는 유해물질 해리 모듈;
실내 및 공기 플라즈마 유해물질 해리 모듈 내에 장착되어 공기 상태를 측정하는 센서장치; 및
상기 센서장치에서 측정된 정보에 따라 상기 공기정화 장치의 작동을 제어하는 제어장치;를 포함하여 이루어지고,
상기 플라즈마의 유해물질 해리 모듈은
세균 및 악취발생 물질을 포함하는 대기 중의 공기를 모듈 내부로 공급하는 처리유체 공급 챔버(100);
내부에 플라즈마 발생기 또는 오존 발생기를 포함하여 이들로 부터 생성된 오존 및 대기 중의 공기가 혼합되어 세균 및 악취발생물질을 제거하는 유해물질 제거 챔버(200); 및
내부에 금속 분말형 촉매(310) 및 분말형 금속 촉매(310)가 혼합된 액체를 회전 또는 순환시키기 위한 부재가 구비되고, 상기 유해물질 제거 챔버(200)를 통과한 대기 중의 공기 내 미세먼지, 오존 및 분해부산물을 제거하는 오존 및 미세먼지 제거 챔버(300);를 포함하고,
상기 오존 및 분해 부산물 제거 챔버(300)는 분할되지 않거나 또는 격벽(350)에 의해 1개 이상으로 분할된 공간을 포함하여 이루어지고, 내부에 분말형 금속 촉매(310)가 혼합된 액체와 회전 또는 순환시키기 위한 부재가 구비되고, 상기 처리 공기 유입관(340)의 단부에는 미세 버블을 형성하는 다공질 부재(321)가 결합되며,
유해물질 제거 챔버(200)를 통과한 오존을 포함하는 공기는 처리 공기 유입관(340)을 통하여 오존 및 미세먼지 제거 챔버(300)의 내부로 인입되어 액체의 순환 및 버블링에 의해 오존 및 미세먼지가 제거되는 것을 특징으로 하는 공기 정화장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 오존 및 분해 부산물 제거 챔버(300)는
상부에는 챔버 내에 중화수 함유 용액을 공급하는 중화수 용액 공급관(330)이 내부로 인입되어 구비되고,
상기 유해물질 제거 챔버(200)에서 세균 및 악취발생물질이 제거된 공기가 유입되는 처리 공기 유입관(340)이 저면에서 내부로 인입되어 구비되고,
펌프에 의해 가압 공기가 공급되는 공기 공급관(320)이 측면에서 내부로 인입되어 구비되며,
챔버 내에 분말형 금속 촉매(310) 용액이 구비되어 세균 및 악취발생 물질이 제거된 공기는 상기 금속 촉매(310) 용액과 1차로 접촉되고,
상기 처리공기 유입관(340) 또는 공기 공급관(320)에 의해 공급된 가압 공기에 의해 형성된 미세 기포와 중화수 용액 공급관(330)을 통해 공급된 중화수 용액과 버블링되어 미세먼지, 오존 및 분해 부산물이 중화수 용액 내에 용해되어 정화되고, 상부로 밀려난 공기는 펌핑관(360)을 통해 다른 분할 공간으로 이송되어 버블링 과정을 거쳐서 재차 정화된 후 정화된 공기는 상부에 형성된 유출구(370)를 통해 배기되는 것을 특징으로 하는 공기 정화장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 다공질 부재(321)는 천연광물, 세라믹스 및 이들의 혼합물 중에서 선택된 1종 이상으로 부터 제조되는 세라믹 폼 또는 스펀지로 이루어진 것을 특징으로 하는 공기 정화장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 오존 및 분해 부산물 제거 챔버(300)는 세균 및 악취발생물질이 제거된 공기가 분말형 금속 촉매(310)의 용액과 접촉되고, 처리공기 유입관(340) 또는 공기 공급관(320)에 의해 공급된 가압 공기에 의해 형성된 미세 기포와 중화수 용액 공급관(330)을 통해 공급된 중화수 용액과 버블링되어 미세먼지, 오존 및 분해 부산물이 중화수 용액 내에 용해되어 정화되고, 상부로 밀려난 정화된 공기는 상부에 형성된 유출구(370)를 통해 배기되게 함으로써 오존을 제거하는 액체 필터로 작용하는 것을 특징으로 하는 공기 정화장치. - a) 세균 및 악취발생물질을 포함하는 대기 중의 공기를 모듈 내부로 공급하는 단계;
b) 유입되는 유체에 플라즈마를 접촉시켜 세균 및 악취발생물질을 제거하는
플라즈마 처리 단계;
c) 플라즈마 처리 후 처리 공기 내 오존 및 분해부산물의 농도를 측정하는 오존 농도 측정 단계; 및
d) 상기 c) 단계의 대기 중의 공기에서 오존의 농도가 설정된 농도 이상일 경우 분말형 금속촉매 용액과 접촉하여 상기 대기 중의 공기 내 잔존하는 오존을 수산화라디칼을 이용하여 제거하고,
처리 공기 유입관(340) 또는 공기 공급관(320)에 의해 공급된 가압 공기에 의해 형성된 미세 기포와 중화수 용액 공급관(330)을 통해 공급된 중화수 용액과 버블링되어 미세먼지, 오존 및 분해 부산물을 중화수 용액 내에 용해시켜 정화하고, 정화된 공기를 상부에 형성된 유출구(370)를 통해 배기시키는 미세먼지 오존 및 분해 부산물을 해리시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 공기 정화 방법.
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| KR1020210135274A KR102622375B1 (ko) | 2021-10-12 | 2021-10-12 | 유체 처리 과정에 발생되는 플라즈마의 유해물질 해리 모듈을 포함하는 공기 정화장치 및 이를 이용한 공기 정화 방법 |
| PCT/KR2021/014081 WO2023063440A1 (ko) | 2021-10-12 | 2021-10-13 | 유체 처리 과정에 발생되는 플라즈마의 유해물질 해리 모듈을 포함하는 공기 정화장치 및 이를 이용한 공기 정화 방법 |
| CN202180021304.4A CN116390801A (zh) | 2021-10-12 | 2021-10-13 | 将在流体处理过程中产生的等离子体的有害物质解离模块包括在内的空气净化装置以及利用其的空气净化方法 |
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| KR1020210135274A KR102622375B1 (ko) | 2021-10-12 | 2021-10-12 | 유체 처리 과정에 발생되는 플라즈마의 유해물질 해리 모듈을 포함하는 공기 정화장치 및 이를 이용한 공기 정화 방법 |
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2021
- 2021-10-12 KR KR1020210135274A patent/KR102622375B1/ko active IP Right Grant
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| Title |
|---|
| 플라즈마 프로세스 및 촉매 표면 화학반응에 의한 유기화합물 분해효율 향상에 관한 연구, 전기학회논문지 ABCD, 2010, vol.59, no.5, pp. 932-938 (7 pages) |
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