KR20230115255A - VOCs 처리 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 휘발성유기화합물(VOCs)이 포함된 공기를 고에너지 전자빔이 방출되는 처리부로 유도하여 직접 제거함으로써 적은 에너지로 대량의 휘발성유기화합물을 효율적으로 처리함은 물론 처리 시설의 소형화가 가능한 VOCs 처리 장치에 관한 것으로, VOCs를 포함하는 공기를 내부 유로로 이동시키고 내부 유로에서 전자빔을 방출해 내부 유로를 이동하는 공기에서 VOCs를 제거하는 것을 특징으로 한다.

Description

VOCs 처리 장치{APPARATUS FOR REMOVING VOLATILE ORGANIC COMPOUNDS}

본 발명은 VOCs 처리 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 휘발성유기화합물(VOCs)이 포함된 공기를 고에너지 전자빔이 방출되는 처리부로 유도하여 직접 제거함으로써 적은 에너지로 대량의 휘발성유기화합물을 효율적으로 처리함은 물론 처리 시설의 소형화가 가능한 VOCs 처리 장치에 관한 것이다.

일반적으로 대기오염의 주요 원인물질인 오존은 자동차 및 여러 가지 연소시설에서 발생하는 질소산화물과 석유화학공장 및 유기용제를 사용하는 사업장에서 발생되는 휘발성유기화합물(이하 VOCs라 함)이 태양광선 중의 자외선에 의하여 광화학반응이 일어날 때 주로 발생된다. 이러한 오존은 인체에 직접적으로 유해할 뿐만 아니라 DNA를 변화시키는 돌연변이성 물질이다. VOCs는 그 종류가 매우 다양하고 광범위하여 수천 가지의 화학물질을 생성하며, 인화성이 강해 화재 폭발에 의한 안전사고의 원인이 되기도 한다.

VOCs의 주요물질로는 BTEX(benzene, toluene, ethyl benzene, xylene)와 PCE, TCE, CHC, 할로겐족 및 비할로겐족 염소를 포함한 유기화합물이 VOC 화합물질들의 대부분을 차지하고 있으며, 화학반응성이 높고 발암성이 높은 화합물로 규제가 절대적으로 필요하고 경제적인 제어 방법이 시급히 요구되고 있다.

또한, VOCs는 대기 중에서 이동성이 강하고 냄새를 유발할 뿐만 아니라, 마취성이 강한 오염물질로 알려져 있다. 또한 잠재적인 독성 및 발암성을 가지며, 산화질소 및 다른 화합물질과 광화학적으로 반응하여 오존을 형성하기 때문에 이들에 의한 환경오염은 특별히 관심을 집중시키고 있는 현실이다.

상기한 바와 같은 문제점을 해소하기 위하여 각 사업장에서는 적절한 방지 기술의 선택 및 적용방법에 대해 고심하고 있는 실정이며, 무엇보다도 경제성, 사업장의 안전성이 있어야 한다.

우선, 자동차 운행에 의해 배출되는 배기가스를 제외하더라도 도장 및 석유화학시설에서 배출되는 VOCs의 배출량이 전체 VOCs의 거의 대부분을 차지하고 있기 때문에 이들 산업시설과 공정에 대한 VOCs의 제어가 절대적으로 필요한 실정이다.

하지만, 이들 시설에서 배출되는 VOCs의 종류는 매우 다양하므로, 이들을 모두 같은 방법과 시설로 제어하는 것은 기술적으로 어려운 일이기 때문에 물리화학적인 성질이 유사한 물질을 선별하여 각각의 특징에 맞게 제정하는 것이 필수적으로 요구된다.

이와 같은 VOCs를 제거하기 위하여 최근에는 전자빔을 이용한 오염물질 제거방법이 제기되었다. 도 1에는 종래 기술에 의한 전자빔을 이용한 오염물질 제거장치가 도시되어 있다.

도시된 바와 같이, 프레임(11)에는 각각 흡입관(13)과 유출관(15)이 구비되고, 상기 프레임(11)의 내부에는 VOCs를 흡착시키기 위한 촉매(17)가 구비된다. 그리고 상기 프레임(11)의 상면에는 전자빔 가속기(20)가 구비되어 상기 프레임(11)의 내부로 전자빔을 조사한다. 상기 프레임(11)의 내부로 유입되는 VOCs는 상기 촉매(17)에 흡착되고, 상기 촉매(17)에 의해 흡착된 VOCs는 상기 촉매(17) 및 상기 전자빔 가속기(20)에서 조사되는 전자빔에 의해 탈착이 반복적으로 이루어지면서 상기 VOCs 내의 유해가스가 제거된다.

그러나 상기한 바와 같은 종래 기술에 의한 전자빔 및 외장형 촉매를 이용한 VOCs 제거장치 및 제거방법에서는 다음과 같은 문제점이 있다.

먼저 전자빔 가속기(20)와 VOCs의 이동 경로가 분리되어 있기 때문에 전체적으로 장치가 비대해지고 VOCs의 처리 효율이 떨어지는 문제점을 가지고 있다.

또한 별도의 흡착용 촉매(17)를 채택하고 이에 열을 가해주는 방식이기 때문에 촉매의 노화에 따라 잦은 교체와 유지관리가 필요하고 장비 운영의 연속성이 떨어지는 문제점도 가지고 있다.

또한 전자빔이 촉매(17)에 열을 가해줘 촉매를 활성화시키는 방식이기 때문에 소형 장비에는 적합하지만 중대형 장비의 경우 전자빔에 의한 열전달이 미비해 오염물질 제거율이 현저히 떨어지는 문제점도 가지고 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 그 목적은 VOCs가 포함된 공기를 고에너지 전자빔이 방출되는 처리부로 유도하여 직접 제거함으로써 적은 에너지로 대량의 VOCs를 효율적으로 처리함은 물론 처리 시설의 소형화가 가능한 VOCs 처리 장치를 제공하는데 있다.

본 발명에 따르면, VOCs를 포함하는 공기를 내부 유로로 이동시키고 내부 유로에서 전자빔을 방출해 내부 유로를 이동하는 공기에서 VOCs를 제거하는 것을 특징으로 하는 VOCs 처리 장치를 제공한다.

바람직하게는, VOCs를 포함하는 공기를 공급받는 하부의 제 1 덕트부; 상기 제 1 덕트부를 통해 주입된 공기를 수용하는 하부의 제 1 수용부; 상기 제 1 수용부의 상부에 배치되어 절연관의 내부 유로를 따라 제 1 수용부의 공기를 상부로 이동시키며 전자빔을 방출해 VOCs를 제거하는 처리부; 상기 처리부에서 처리된 공기를 수용하는 상부의 제 2 수용부; 상기 제 2 수용부의 공기를 배출하는 상부의 제 2 덕트부; 및 상기 처리부로 전자빔 구동을 위한 전원을 제공하는 전원 인가부; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, VOCs를 포함하는 공기를 공급받는 상부의 제 2 덕트부; 상기 제 2 덕트부를 통해 주입된 공기를 수용하는 상부의 제 2 수용부; 상기 제 2 수용부의 하부에 배치되어 절연관의 내부 유로를 따라 제 2 수용부의 공기를 하부로 이동시키며 전자빔을 방출해 VOCs를 제거하는 처리부; 상기 처리부에서 처리된 공기를 수용하는 하부의 제 1 수용부; 상기 제 1 수용부의 공기를 배출하는 하부의 제 1 덕트부; 및 상기 처리부로 전자빔 구동을 위한 전원을 제공하는 전원 인가부; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 제 1 수용부의 상부 개방 부위에는 중심에 관통된 유동홀을 가지는 연통판이 설치되며, 상기 연통판은 제 1 수용부의 상부에 결합되는 처리부의 절연관이 중심 위치에 안치될 수 있도록 단차지게 함몰된 안착부를 가지며 이 안착부의 중심 부위는 유동홀로서 관통형성되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 안착부에는 세라믹 재질의 지지판이 배치되며, 상기 지지판은 VOCs 포함 공기가 이동될 수 있도록 다수의 관통홀이 형성되어 있으며 상기 절연관과 직접 접촉된 상태로 절연관을 하부에서 지지하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상하 방향으로 연결되는 상기 제 1 수용부와 처리부, 하측 처리부와 상측 처리부 그리고 처리부와 제 2 수용부는 마주하게 돌출형성되는 상하측의 결합 플랜지가 맞물려 결합되어 연결되며, 결합 플랜지 간의 기밀 결합을 위해 결합 플랜지와 결합 플랜지의 사이에는 가스캣이 개재되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 제 1 수용부의 측면에는 복수의 지지부가 결합되어 제 1 수용부를 지면에서 이격시키는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 처리부는, 상부 중심부와 하부 중심부가 개방되어 중공된 케이스; 상기 케이스에 삽입되어 공기 유로를 형성하고 내외부를 절연시키는 중공된 절연관; 및 상기 절연관 내에 삽입되어 전자빔을 절연관 내로 방출하여 공기 내 VOCs를 제거시키는 전자빔 방출기; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 전자빔 방출기는 세라믹 재질로 이루어진 방출 전극에 코일이 스파이럴 형태로 권회되는 구조를 가지며, 이 코일에는 상기 전원 인가부로부터 고전압 펄스가 인가되어 전자빔을 방출하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 방출 전극은 MCNT 페이스트로 도포되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 코일은 방출 전극의 외면에 같은 방향으로 등간격을 가지게 복수회 권회되어 구비되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 코일은 방출 전극의 외면에 복수회 권회된 코일 군집을 일정 간격 이격시킨 상태로 배치시키고 이웃한 코일 군집이 서로 다른 방향으로 권회되어 구비되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 코일은 방출 전극의 외면에 복수회 권회된 코일 군집을 일정 간격 이격시킨 상태로 배치시키고 이웃한 코일 군집이 같은 방향으로 권회되어 구비되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 처리부는, 상부 중심부와 하부 중심부가 개방되어 중공된 케이스; 상기 케이스에 삽입되어 공기 유로를 형성하고 내외부를 절연시키는 중공된 절연관; 상기 절연관 내에 삽입되어 전자빔을 절연관 내로 방출하여 공기 내 VOCs를 제거시키는 전자빔 방출기; 및 상기 절연관의 외면에 권회되어 상기 절연관 내에 자기장을 인가하는 솔레노이드; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 전자빔 방출기는 금속 재질로 이루어진 원추형 방출 전극이 절연관에 내장되는 구조를 가지며, 이 원추형 방출 전극에는 상기 전원 인가부로부터 고전압 펄스가 인가되어 전자빔을 방출하며, 상기 원추형 방출 전극은 일단부 말단에서부터 타단으로 갈수록 지름이 커지고 정점을 지나 타단부 말단으로 갈수록 다시 지름이 작아지는 형태를 가지는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, VOCs이 포함된 공기를 고에너지 전자빔이 방출되는 처리부로 유도하여 직접 제거함으로써 적은 에너지로 대량의 VOCs를 효율적으로 처리함은 물론 처리 시설의 소형화가 가능하게 되는 효과가 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 전자빔을 이용한 VOCs 제거 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 VOCs 처리 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 처리부의 내부 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 방출 전극의 내부 자기장을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 내부 코일의 배치 방식을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 VOCs 처리 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 처리부의 내부 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 VOCs 처리 장치의 테스트 환경을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 처리부의 내부 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 처리부의 전자기장 분포를 나타내는 도면이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.

제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 출원에서 사용한 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 것이지, 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.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 VOCs 처리 장치를 설명하기 위한 도면이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 VOCs 처리 장치는, VOCs를 포함하는 공기를 배출하는 오염원으로부터 공기를 공급받는 하부의 제 1 덕트부(100)와, 상기 제 1 덕트부(100)를 통해 주입된 공기를 수용하는 하부의 제 1 수용부(200)와, 상기 제 1 수용부(200)의 상부에 배치되어 절연관(320)의 내부 유로를 따라 제 1 수용부(200)의 공기를 상부로 이동시키며 전자빔을 방출해 VOCs를 제거하는 처리부(300)와, 상기 처리부(300)에서 처리된 공기를 수용하는 상부의 제 2 수용부(400)와, 상기 제 2 수용부(400)의 공기를 배출하는 상부의 제 2 덕트부(500)와, 상기 처리부(300)로 전자빔 구동을 위한 전원을 제공하는 전원 인가부(600)를 포함하여 구성될 수 있으며, 상기 각 구성들은 모듈화되어 조립 및 해체가 용이하게 구성되며, 조립된 상태에서 지면과의 이격을 위해 지지부(700)가 상기 제 1 수용부(200)에 연결될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 VOCs 처리 장치의 처리부(300)는 인위적인 전기장 하에서 하전된 입자가 전기장에 이끌려 정지 상태로부터 가속되어 빛의 속도에 가깝게 전자를 방출시키는 장치이다. 이 기술은 고분자, 섬유, 식품, 의약품 등 다양한 분야에서 적용되고 있으며, 환경분야 기술로는 상하수도 및 산업폐수처리, 대기오염제어기술로서 휘발성 유기화합물(VOCs) 제거에 관한 연구도 활발하게 이루어지고 있는 상황이다. 전자빔 제어 공정은 초 사이에 수많은 종류의 라디칼, 이온 등이 형성되어 제어대상물질과 반응하므로 제어속도가 매우 빠르다. 특히 연소식이나 플라즈마를 이용하는 제어기술에 비하여 저온(상온)에서 운영이 가능함에 따라 에너지 소비가 매우 적고, 낮은 농도에서 여러 가지 물질이 복합적으로 대용량 배출되는 산업시설에 경제적으로 적용될 수 있다. 이렇듯 이는 기존에 상용화되어 있는 대기방지시설인 A/C TOWER, RTO 등을 대체할 수 있는 신개념 장치이며, 이는 동일 운전조건에서도 저비용, 고효율의 장점을 지니고 있다.

상기 제 1 덕트부(100)는 외부 오염원과 연결되어 이 오염원으로부터 배출되는 VOCs를 포함한 공기를 공급받게 된다.

상기 오염원은 페인트 공장, 석유화학 공장, 인쇄 공장, 자동차 도장 공장, 자동차 도장 공장 등일 수 있으며, 이 오염원에서는 VOCs가 생성된다. VOCs의 대표적인 물질로는 벤젠, 톨루엔, 프로판, 부탄, 헥산 등이 있다. 이러한 VOCs는 인간 활동에 의해 배출되며 유기용제 사용 및 제조 등을 포함하는 도장 공업이 가장 큰 오염원으로 알려져 있다.

상기 제 1 수용부(200)는 일정한 수용공간을 가지고 전체적으로 밀폐된 구조로 형성되며, 하부에 상기 제 1 덕트부(100)가 연결되어 연통되고 상부는 중심 부위가 개방된 구조를 가진다.

상기 제 1 수용부(200)의 상부 개방 부위에는 중심에 관통된 유동홀(222)을 가지는 연통판(220)이 설치되며, 이 연통판(220)의 주변을 따라 결합 플랜지(210)가 구비된다. 상기 연통판(220)은 이 제 1 수용부(200)의 상부에 결합될 처리부(300)의 절연관(320)이 중심 위치에 유동없이 안치될 수 있도록 단차지게 함몰된 안착부(221)를 가지며 이 안착부(221)의 중심 부위는 유동홀(222)로서 관통형성된다. 이 안착부(221)에는 절연처리된 절연관(320)이 절연성을 유지할 수 있도록 세라믹 재질의 지지판(230)이 배치될 수 있다. 이 지지판(230)은 VOCs 포함 공기가 이동될 수 있도록 다수의 관통홀이 형성되어 있으며 상기 절연관(320)과 직접 접촉된 상태로 절연관(320)을 하부에서 지지하게 된다. 따라서 상기 제 1 덕트부(100)를 통해 주입된 VOCs 포함 공기는 상기 제 1 수용부(200)에 수용된 후 상기 유동홀(222)을 통과해 상기 지지판(230)을 거쳐 처리부(300)의 절연관(320) 내로 이동하게 될 것이다.

여기에서 상기 결합 플랜지(210)는 제 1 수용부(200)의 상부 외관을 따라 돌출형성되는 구조물로, 상기 처리부(300)의 하부 외관을 따라 돌출형성되는 결합 플랜지(310)와 맞물려 결합된다. 이 같은 결합 플랜지 간의 기밀 결합을 위해 결합 플랜지와 결합 플랜지의 사이에는 가스캣이 개재될 수 있다.

이 같은 제 1 수용부(200)의 측면에는 복수의 지지부(700)가 결합되어 제 1 수용부(200)를 지면에서 일정 높이로 유지시키게 되며, 이 지지부(700)의 사이에 제 1 덕트부(100)가 배치되게 된다.

상기 처리부(300)는 상기 제 1 수용부(200)의 상부에 결합되어 제 1 수용부(200)에서 공급되는 VOCs 포함 공기를 유입받아 내부 절연관(320)의 내부 유로를 따라 상부로 이동시키면서 절연관(320) 내부에서 플라지마 전자빔을 방출해 VOCs를 제거하게 된다.

상기 처리부(300)는 고전압의 전원을 공급하는 전원 인가부(600)와 연결되어 VOCs 처리 기능을 수행하게 된다.

보다 구체적으로 그 구조를 살펴보면, 상기 처리부(300)는 상부 중심부와 하부 중심부가 개방되어 중공된 케이스(340)를 가지며, 이 케이스(340)의 상부와 하부에는 각각 외관을 따라 돌출형성되는 결합 플랜지(310)가 형성된다. 상기 케이스(340)는 철재나 스테인레스 재질로 이루어지게 된다.

이 케이스(340)의 중심부에는 상기 제 1 수용부(200)에서 공급되는 VOCs 포함 공기가 하부에서 상부로 이동될 수 있도록 중공된 절연관(320)이 복수개 구비될 수 있으며, 각 절연관(320)의 내부에는 플라즈마 전자빔 방출기(330)가 내장되게 된다. 여기에서 상기 절연관(320)은 외부 절연을 위해 세라믹 재질로 이루어지게 된다.

상기 전자빔 방출기(330)는 절연관(320)의 내부를 이동하는 VOCs 포함 공기에 전자빔(Electron Beam)을 방출하여 VOCs를 제거하게 된다.

전자빔의 명칭은 전자(Electron)와 빔(Beam)의 합성어이다. 전자는 19세기 말에 톰슨(Tomson)에 의해 발견되었으며, 인류가 제일 처음 발견한 소립자이다. 음전하를 갖고 있으며, 질량(10^-31kg)도 작아 광자 같은 질량이 0인 입자를 제외하면 가장 가벼운 소립자이다. 빔은 이러한 입자들의 흐름 집단이라고 정의된다. 따라서, 전자빔은 전자들의 흐름이라고 정의되고 있다.

모든 물질은 원자 또는 분자간의 결합으로 구성되어 있으며, 이 결합부위에 빠르게 가속된 전자를 충돌시키면 분자간의 결합이 끊어지거나 새로운 결합이 형성되면서 기존의 물질과는 물리적, 화학적 특성이 다른 물질이 생성된다. 이러한 원리를 응용하여 전자빔에서 가속된 전자를 폐수 또는 배기가스 등에 투사시키면 강력한 에너지를 형성, 화학반응을 통해 분자간의 결합을 완전히 파괴시켜 기존의 물질과는 다른 물질을 생성케 함으로써 오염물질을 근본적으로 변화시킨다.

전자빔이 대상물질에 조사되면 먼저 빠른 속도로 분자의 여기나 이온화가 일어나며, 단지 전자빔에서 발생된 일부 전자가 수많은 충돌을 하여 열화(thermalization) 되어진다. 분자의 여기상태가 진행되면서 안정화된 전자는 결국 분자들에 의해 포착된다. 그러나 이들의 과잉에너지 때문에 생성된 이온이나 여기된 분자는 불안정하며 일련의 연속적인 반응을 통해 안정화된다. 한편, 이 활동적인 전자들은 기본적인 구성요소(물, 토양, 가스)로부터 생성된 자유라디칼 및 이온과 함께 VOCs를 분해시키고 이온화시킬 수 있다. 이 처리법은 VOCs를 제거하기 위한 또 다른 기술이며, 다종의 VOCs가 제거되는 등의 이점이 있다.

VOCs 제어 방법들의 문제점을 해결하는 또 다른 방법으로 고에너지 전자빔을 이용한 에너지 절약형 VOCs 제어 연구가 미국, 러시아, 일본 등지에서 활발히 진행되고 있다. 전자빔 이용분야는 금속표면처리 및 세라믹 합성, 공중합 및 그래프트 중합을 이용한 고분자의 물리적 및 화학적 물성의 향상, 합성고무의 경화, 곡물 및 유류의 살균으로부터 장기 저장법 개발, 의약품 및 의료기기의 살균, 소독 등에 다양하게 적용되고 있으며 환경분야 기술로는 상하수도 및 산업폐수처리에 일부 상용화되어 이용되고 있으며, 대기오염 제어기술로는 연도가스의 SOx, NOx, VOCs에 대한 연구가 진행 중이다.

전자빔 가속기를 이용할 경우 장점들로는 시간 당 방출되는 대량의 고에너지 전자빔으로부터 대량 처리의 가능성, 고효율의 에너지 이용, 소규모의 설치면적, 전원을 차단했을 때 순간적으로 전자방출의 중단과 전자빔의 완벽한 차단시설로부터 우수한 안정성, 공정의 연속성 및 자동제어 등을 들 수 있다.

전자빔을 이용한 VOCs 제거 기술은 상온에서 이루어지므로 연소 방법에 비해 에너지 소모량이 0.2%, 촉매연소방법에 비해 0.5% 이하의 적은 에너지로 VOCs를 제거 할 수 있는 에너지 절약형 제어 방법이다.

전자빔을 이용한 VOCs 처리 기술은 시간당 방출되는 고에너지의 전자빔으로부터 대량 처리의 가능성, 고효율의 에너지 이용, 소규모의 설치 면적, 전원을 차단했을 때 순간적인 전자방출의 차단으로 인한 안전성 확보, 전자빔에 의한 2차적 오염원의 배제, 공정의 연속성 및 자동제어를 통해 기존의 VOCs 처리 기술의 문제점들을 보완할 수 있다.

전자빔은 대개 100 KeV ~ 10 MeV의 에너지를 이용하여 광범위한 분야에서 이용되고 있다.

먼저, 전자빔 처리 초기 반응(Primary reaction)을 살펴보면 다음과 같다.

(1) 이온화(Ionizing)

에너지를 가진 전자가 분자내 전자를 극성화 시킨다.

(2) 여기(Excitation)

가속된 전자에 의해 전달된 에너지가 전자의 추방을 유발시키기에 충분하다면, 전자궤도는 기저상태에서부터 높은 에너지를 가지는 분자상태로 이동된다.

다음으로, 2차 반응(Secondary reaction)을 살펴보면 다음과 같다.

일반적으로 1차 반응은 부가적인 2차 반응으로 이어진다.

1차 반응에 의해 생성된 양이온은 전자와 결합하여 높은 에너지를 가진 분자를 생성시킨다.

(1) 이온-전자 재결합(Ion-electron recombination)

에너지를 잃은 전자는 중성분자와 결합하여 음이온을 생성한다.

(2) 분자-전자 결합(Molecule-electron combination)

음이온 존재 하에 1차 생성된 양이온은 여러 개의 높은 에너지를 가진 분자를 생성한다.

(3) 이온-분자 반응(Ion-Molecule Reaction)

높은 에너지를 가진 분자가 방사화학에서 자유라디칼 생성의 주요 근원이 된다.

전자빔 조사 반응기의 설계 및 제작을 고찰하면, 전자빔 조사반응기 설계에서 주요 인자는 다음과 같다.

- 기체의 흐름특성 및 겉보기 반응속도

- 전자빔에 의한 반응기의 온도 상승

기체의 흐름특성 및 겉보기 반응속도 인자를 살펴보면, 일반적으로 반응차수가 양 또는 음인 경우에 따라 반응물의 흐름특성에 의한 반응물 전환율 영항은 다음과 같다.

- 양의 반응 차수 : 플러그 흐름특성이 반응 효율을 증가

- 음의 반응 차수 : 완전 혼합 흐름특성이 반응 효율 증가

또한 전자빔에 의한 반응기 온도 상승 인자를 살펴보면, 전자빔은 고에너지를 지닌 전자이다. 이와 같은 전자가 물체에 충돌하게 되면 물체의 온도는 짧은 시간에 급격히 증가하게 된다. 따라서 반응기를 구성하고 있는 재질에 따른 최적 허용온도를 제시하여 적절한 냉각 시스템을 장착하여야 한다. 냉각 방식은 수냉식 또는 공냉식을 채택할 수 있는데 본 발명의 실시예에서는 수냉식 냉각 시스템을 채택하였다.

휘발성유기화합물은 산업체에서 많이 사용되고 있는 용매와 화학, 제약공장, 플라스틱의 건조공정에서 배출되는 유기가스 등까지 매우 다양하며, 저비점 액체연료, 파라핀, 올레핀, 방향족화합물 등 우리 생활주변에서 흔하게 사용되는 탄화수소류들이 거의 VOCs이다. VOCs 특히, 방향족화합물 및 할로겐화 탄화수소물질은 독성화학물질이고 오존층 파괴물질이기도 하며 또한, 지구온난화에도 영항을 미치는 물질이기도 하다. 또한 인체에 직접적인 유해 이외에 VOCs가 유발하는 최대효과는 NOx 존재하에서 OH radical 연쇄반응에 관여하여 오존을 시발로 하는 광화학적 산화성 물질을 생성하는 것이다.

도면에서는 처리부(300)가 상하 2단으로 적층된 상태를 예로 하여 도시하고 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, VOCs의 처리용량에 따라 처리부(300)의 개수는 가감될 수 있다. 이러한 개별 처리부(300)는 내부에 절연관(320)이 삽입되어 설치될 수 있도록 중공된 구조를 가지며, 다단으로 처리부(300)를 구축하더라도 내부의 절연관(320)과 전자빔 방출기(330)는 하나의 연동 구성으로 연장형성될 것이다.

상기 제 2 수용부(400)에는 상기 처리부(300)에서 처리되어 VOCs가 제거된 공기가 수용되게 된다.

상기 제 2 수용부(400)는 일정한 수용공간을 가지고 전체적으로 밀폐된 구조로 형성되며, 하부에 상기 처리부(300)의 절연관(320)이 연결되어 연통되고 측부에는 상기 제 2 덕트부(500)가 연결되는 구조를 가진다.

여기에서 결합 플랜지(410)는 제 2 수용부(400)의 하부 외관을 따라 돌출형성되는 구조물로, 상기 처리부(300)의 상부 외관을 따라 돌출형성되는 결합 플랜지(310)와 맞물려 결합된다. 이 같은 결합 플랜지 간의 기밀 결합을 위해 결합 플랜지와 결합 플랜지의 사이에는 가스캣이 개재될 수 있다.

상기 제 2 덕트부(500)는 외부로 상기 제 2 수용부(400)의 공기를 배출시키게 된다. 물론 이렇게 배출되는 공기는 상기 처리부(300)의 처리 과정에 의해 VOCs가 제거된 공기이다. 원활한 공기 배출을 위해 제 2 덕트부(500)에는 배기팬(510)이 설치될 수 있다.

상기 전원 인가부(600)는 상기 처리부(300)로 전자빔 구동을 위한 전원을 제공하게 된다. 이 전원 인가부(600)는 고전압의 전원을 처리부(300)의 전자빔 방출기(330)로 공급하게 되며, 고전압 전원 공급을 직접적으로 제어하는 전원 제어 장비(도시 않음)의 제어에 따라 동작할 수 있게 된다.

상기 전원 인가부(600)는 예컨데 ±30kV(Peak to Peak 60kV)의 고전압 펄스를 인가할 수 있는 고전압 펄스 인가용 피드스루(Feed-Through) 장비를 포함하여 구성될 수 있다. 이 피드스루 장비를 VOCs 처리 장치에 연결하는 플랜지는 고전압의 절연을 위해서 상판 플랜지와 하판 플랜지로 구성되고 그 사이에 원통형 세라믹으로 50kV의 고전압 절연을 이루도록 하였으며, 상판 플랜지에 안착된 피드스루의 온도를 내려 주기 위하여 별도의 공기팬을 구비시킬 수 있다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 처리부(300)의 내부 구성을 설명하기 위한 도면이다.

도 3을 참조하면, 상기 처리부(300)의 내부에 삽입되어 공기 유로를 형성하는 절연관(320)과, 이 절연관(320) 내에 삽입되어 전자빔을 절연관(320) 내로 방출하여 공기 내 VOCs를 제거시키는 전자빔 방출기(330)가 도시되어 있다.

상기 절연관(320)은 공기 유로로서 기능하는 한편, 내외부를 절연시키는 절연 기능을 담당한다.

상기 절연관(320)은 전극을 통해 전자빔 방출기(330)에 인가되는 고전압을 장비 본체와 분리시키는 역할을 하게 된다. 절연관(320)이 없을 경우 전자빔 장치 전체에 고전압이 인가되어 VOCs에 대한 처리효율이 낮아질 뿐 아니라 감전사고로 이어질 수 있어 절연관(320)의 역할이 중요하다고 할 수 있다.

상기 전자빔 방출기(330)는 세라믹 재질로 이루어진 봉 형태의 방출 전극(331)에 코일(332)이 권회되는 구조를 가지며, 이 코일(332)에는 상기 전원 인가부(600)로부터 고전압 전원이 인가되게 된다. 따라서 이 같은 전자빔 방출기(330)는 상기 절연관(320) 내에 삽입된 상태에서 고전압 전원의 인가에 따라 전자빔을 방출하게 된다.

중심 전극인 방출 전극(331)은 예컨데 20mm 외경의 세라믹 재질 봉으로 이루어질 수 있으며, 고전압 펄스가 인가되는 코일(332)은 1.4mm 외경의 니켈 크롬선으로 이루어져 상기 방출 전극(331)에 스파이럴(spiral) 형태로 감겨져 구성될 수 있다.

유입된 VOCs의 처리 시 처리부(300)로만 독립적으로 처리할 수는 없으며, 상기 전원 인가부(600)에서 공급되는 고전압 전원에 의한 전기에너지의 분해 과정 진행 시에 처리부(300)의 코어(Core)를 중심으로 하여 전자빔이 사방으로 방사되며, 이 때 방사되는 전자빔이 처리부(600)의 절연관(320) 내부에 유입된 VOCs의 분자 구조를 파괴하여 VOCs를 처리하게 되는 것이다.

전자빔의 경우, 전기에너지의 투입 후 방전 발생 시 생성되는 전자, 이온을 이용하여 가스처리에 적용하는 기술이며 두 전극 사이에 고전압을 인가, 전극 간의 전위 차에 의해 가스 분자에 전기를 전도하게 된다. 이때 기체 내의 전자들이 전기장에 의해 운동에너지를 받아 가스 분자들과 충돌반응을 하며, 중성 분자에서 발생되는 자유전자는 가스분자들과 충돌하며 분해반응을 진행하게 되며 일련의 과정을 통하여 VOCs가 처리된다.

이하에서는 상술한 기본 VOCs 처리 장치의 구조에서 세부 구성의 변화나 유로 변경을 통해 VOCs 처리 장치의 효율을 더욱 개선시킨 연구 내용들을 상세히 기술함으로써 본 발명에 따른 VOCs 처리 장치의 다양한 실시예들을 상세히 설명하도록 하겠다.

탄소나노튜브를 이용한 전자빔 방출기(330)의 개선

원자 및 전자들의 전자기적인 결합으로부터 내부전자를 외부로 효과적으로 방출시키기 위해서는 높은 열을 가하거나, 광에너지를 조사하거나, 높은 전기장을 가하여야 한다.

이때 높은 전기장을 가하여 전자를 높은 확률로 방출시키기 위해서는 전자들이 분포하는 곳의 전자기적인 결합 에너지가 상대적으로 낮을 필요가 있다. 이러한 전계전자방출현상은 통상 FN(fowler-Nordheim) 이론을 기반으로 해석되며, 자유전자를 구속하는 전위장벽을 외부에서 인가하는 강력한 전기장으로 왜곡시킴으로 내부전자의 양자역학적인 터널링 현상으로 설명된다.

이러한 터널링 현상이 높은 확률로 발생하는 냉음극(Cold cathode) 중에서 팁 끝의 직경이 작을수록 전계 방출에 필요한 유호 전기장을 강화할 수 있으므로, ~수십um의 직경과 ~수 내지 ~수십 nm에 해당하는 나노 와이어나 탄소나노튜브에 대한 연구가 많이 진행되었다.

탄소나노튜브(CNT: Carbon nanotube)는 6개의 탄소가 육각형을 이룬 벌집형 2차원이 연속적으로 연결된 원기둥 모양으로 3차원의 나노구조를 가지는 탄소의 동소체이며, 우수한 전기적, 기계적, 물리적 성질을 가지고 있다.

본 발명에서는 상대적으로 큰 길이와 지름의 비를 가져 전계 방출에 유리한 탄소나노튜브(CNT)가 여러 겹으로 이루어진 MCNT(Multi walled carbon nanotube)를 세라믹 분말 및 점착물과 섞어서 MCNT 페이스트를 만들고, 이 MCNT 페이스트를 플라즈마를 발생시키는 전자빔 방출기(330)에 접착하였다.

상기 MCNT 페이스트는 MCNT를 세라믹 분말과 믹싱하여 MCNT를 세라믹 분말과 효율적으로 분산한 페이스트로, 고온에서 MCNT가 안정적으로 전자 방출 포인트로 작동이 되어서 균일한 여러 곳에서 전자가 안정적으로 방출될 수 있도록 하며, 고전압이 걸릴 때 많은 MCNT에서 Field induced 전자 방출 포인트의 포텐셜이 낮아지므로 많은 전자를 안정적으로 방사하여 플라즈마가 골고루 발생될 수 있도록 유도할 수 있게 된다.

나아가 이 MCNT 페이스트는 방출 전극(331)에 권회되는 코일(332)을 방출 전극(331)의 외벽에 고정하는 역할도 할 수 있어 별도의 코일 점착제의 사용을 배제할 수 있게 할 것이다.

내부 코일(332)의 권회 방식 개선

본 발명의 제 1 실시예에 따른 내부 코일(332)은 도 3에 도시된 바와 같이 전자빔 방출기(330)의 방출 전극(331)의 외면에 같은 방향으로 등간격을 가지게 복수회 권회되어 상기 전원 인가부(600)로부터의 고전압 전원 인가에 따라 전자빔을 방출하게 된다.

전자빔 방출기(330)에서, 인가된 고전압의 전기장에 의해서 방출되는 일차 자유전자는 공기 및 VOCs와 부딪혀서 2차 자유전자 및 이온을 형성하고 연속적인 재결합 및 충돌로 인하여 플라즈마가 형성된다.

이러한 플라즈마가 안정적으로 발생하기 위해서는 방출 전극(331)에서 방출되는 자유전자가 고르게 방출이 되어야 하며, 또한 방출된 이후에는 방출된 자유전자의 충돌 확률을 높여야 한다. 이를 위해서 전자 및 이온에 자기장(V)을 인가하면 운동 방향(V)에 대하여 로렌츠 힘(F=qVxB)을 벡터적으로 적용받아서 휘어지고, 전하가 반대인 전자 및 이온들이 반대 방향으로 힘을 받으며, 더 많은 공기 및 VOC 분자들과 충돌하는 궤적으로 이동하게 된다.

이러한 자기장을 생성하기 위해서, 전자빔 방출기(330)의 외부에 솔레노이드로 전기장을 만들어 줄 수도 있고, 내부 방출 전극(331)의 코일(332)의 모양을 특별하게 만들어서 강한 자기장을 만들어 줄 수도 있다. 외부에서 자기장을 인가할 때는 솔레노이드로 전기를 인가하고, 이때 원칙적으로 무한하게 긴 솔레노이드 외부 자기장은 0이고, 내부 자기장은 내부 공간에 상관없이 일정한 자기장을 가지게 된다.

일반적으로 솔레노이드는 외부의 자기장이 0이라고 단순히 계산하지만 유한 한 길이를 가진 솔레노이드는 외부 자기장이 0이 아니므로, 이를 극대화 한다면 고전압을 거는 내부 방출 전극(331)을 유한한 솔레노이드 형태로 만들어서 고전압을 인가하면서 동시에 자기장을 만들게 할 수도 있다.

도 4는 실시예에 따른 방출 전극의 내부 자기장을 설명하기 위한 도면이다.

도 4를 참조하면, 일반적인 유한한 솔레노이드의 내부 전기장의 한 점 P에서 길이 L과 반경 a를 가질 때 θ1과 θ2의 각을 가지는 지점에서 자기장 B는 도 4의 공식을 통해 산출될 수 있다. 이 공식에서 내부 자기장은 무한한 솔레이노드의 공식과 비교해서 작음을 알 수 있다.

결과적으로 내부 자기장의 크기는 외부 자기장의 크기를 모두 합한 것이 된다. 이를 적극적으로 활용하기 위해서 코일(332)이 감기는 방출 전극(331)을 유한한 솔레노이드의 군집으로 제작하면 될 것이다.

본 발명의 제 2 실시예에 따른 내부 코일(332)은 도 5의 (a)에 도시된 바와 같이 전자빔 방출기(330)의 방출 전극(331)의 외면에 복수회 권회된 코일 군집을 일정 간격 이격시킨 상태로 배치시키되 이웃한 코일 군집이 서로 다른 방향으로 권회되도록 하며 상기 전원 인가부(600)로부터의 고전압 전원 인가에 따라 전자빔을 방출하게 된다.

도 3 혹은 도 4의 제 1 실시예와 같이 방출 전극(331)의 외면에 같은 방향으로 등간격을 가지게 내부 코일(332)을 일정하게 권회되게 해 유한한 길이의 솔레노이드 군집을 같은 방향으로 만들면 자기장이 내부로 계속 지나가려고 하므로, 이를 제 2 실시예와 같이 서로 반대의 극성을 가지도록 도 5의 (a)와 같이 만들면 자기장 극성이 같은 부분들은 서로 반발하여서 외부 자기장이 더욱 강력하게 작용한다.

이를 연속적으로 연결하면 도 5의 (b)에서와 같이 고전압의 자기장 및 전기장을 동시에 만들 수 있으며 도면에서와 같이 이온과 전자가 서로 다른 방향으로 힘을 받게 된다.

또한 같은 원리로, 본 발명의 제 3 실시예에 따른 내부 코일(332)은 도 5의 (c)에 도시된 바와 같이 전자빔 방출기(330)의 방출 전극(331)의 외면에 복수회 권회된 코일 군집을 일정 간격 이격시킨 상태로 배치시키되 이웃한 코일 군집이 같은 방향으로 권회되도록 하며 상기 전원 인가부(600)로부터의 고전압 전원 인가에 따라 전자빔을 방출하게 된다.

이 역시 도 5의 (a) 혹은 (b)와 같이 히터를 지그 재그 방식으로 감게 되기 때문에 자체 외부 자기장이 발생해서 전자 및 이온들을 골고루 균일하게 방사시킬 수 있으며, 전자는 바깥으로 향해 나가며 자기장에서 휘어지면서 궤적 길이가 길어 질 것이고 이온은 반대로 내부를 향해 들어오면서 휘어지는 현상을 유도할 수 있게 될 것이다.

따라서 상술한 제 2 실시예와 제 3 실시예의 솔레노이드 코일은 제 1 실시예에 비해 보다 강한 자기장을 절연관(320)의 내부에 형성해 자유전자와 이온의 움직임을 더욱 활성화시키고 이를 통해 VOCs와의 충돌 확률을 높여 VOCs의 제거효율을 높일 수 있게 될 것이다.

하향식 공기 이동 설계와 절연관(320) 외부의 솔레노이드(350)를 통한 자기장 인가

상술한 본 발명의 일 실시예에서는 하부의 제 1 덕트부(100)를 통해 오염원으로부터 공기를 주입하고 이 공기를 처리부(300)를 따라 상부로 이동시키면서 VOCs를 제거한 후 상부의 제 2 덕트부(500)를 통해 VOCs가 제거된 공기를 외부로 배출하는 상향식 공기 이동 설계의 VOCs 처리 장치를 설명하였다.

그간, 고전압 전자를 적용시켜 플라즈마를 생성시키고 VOCs를 처리하려는 시도들이 많이 있지만, 대다수의 경우 실험실 규모에서 매우 소량의 VOCs에 대하여서만 한정적으로 VOCs 제거 처리를 하는 형태였으며, 이를 대용량으로 적용하려고 할 때는 처리부(300) 내부에서 지속적이고도 안정적인 플라즈마 형성 및 균일한 플라즈마 형성에 많은 문제가 발생하였다.

고전압 전자를 통해 플라즈마를 발생시킬 때 처리부(300) 내부에서는 전체적으로 플라즈마가 발생하지 않고 상대적으로 대단히 국소적인 부분에서만 플라즈마가 발생하였으며, 일부 발생되어진 플라즈마 또한 플라즈마의 특성에 따라 물리적으로 공간적 상부에 도달하고자 하는 특성이 나타나는 상황이 빈번히 발생했기 때문에 VOCs의 대용량 처리에는 현실적 어려움이 존재했다. 이로 인하여 대용량 VOCs 처리에는 고전압 전자를 적용한 플라즈마 전자빔의 효율적 적용이 현실적 한계를 나타냈기 때문에 산업현장에서는 제대로 된 방지시설로 활용되지 못하였다.

이 같은 현상을 개선하기 위해, 첫째 고전압 전자를 활용한 VOCs 처리가 이루어지는 절연관(320)의 외부에 솔레노이드(350)를 설치하여 자기장을 적용시킴으로써 국소 부위에서 발생되는 플라즈마를 순간적으로 흩트리는 효과를 지속적이고 반복적으로 일으키게 하여 보다 넓은 지역에 플라즈마 발생을 유도하고 플라즈마 발생의 균일화를 유도하였다.

둘째, 플라즈마 상태에서는 물리적인 플라즈마 특성에 의하여 위로 상승하려는 경향이 발생하므로, 처리하고자 하는 VOC 공기의 흐름을 상부에서 하부 방향으로 흐르게 하향식으로 제어하여 상승하고자 하는 플라즈마를 억제시켜서 보다 확장된 절연관(320) 내부 영역에서 안정적인 플라즈마 발생을 유도하였다.

이러한 하향식 공기 이동 설계와 절연관(320) 외부의 솔레노이드(350)를 통한 자기장 인가를 통해 기존에 절연관(320) 내부에서 국소적인 형태로 발생되는 플라즈마를 보다 확장시켜 절연관(320) 전반에서 안정적인 방식으로 발생을 유도함으로 대용량 VOCs 처리에도 효율적으로 적용할 수 있게 되었다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 VOCs 처리 장치는 전술한 일 실시예에서의 상향식 공기 흐름을 하향식으로 제어한 점과 절연관(320) 외부에 솔레노이드(350)를 설치한 점을 제외하면 전술한 일 실시예와 유사하므로 중복되는 설명은 생락하도록 하겠다.

도 6을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 VOCs 처리 장치는, VOCs를 포함하는 공기를 배출하는 오염원으로부터 공기를 공급받는 상부의 제 2 덕트부(500)와, 상기 제 2 덕트부(500)를 통해 주입된 공기를 수용하는 상부의 제 2 수용부(400)와, 상기 제 2 수용부(400)의 하부에 배치되어 절연관(320)의 내부 유로를 따라 제 2 수용부(400)의 공기를 하부로 이동시키며 전자빔을 방출해 VOCs를 제거하는 처리부(300)와, 상기 처리부(300)에서 처리된 공기를 수용하는 하부의 제 1 수용부(200)와, 상기 제 1 수용부(200)의 공기를 배출하는 하부의 제 1 덕트부(100)와, 상기 처리부(300)로 전자빔 구동을 위한 전원을 제공하는 전원 인가부(600)를 포함하여 구성될 수 있다.

여기에서 본 발명의 다른 실시예에 따른 VOCs 처리 장치는 도 7에 도시된 바와 같이 처리부(300)가 세라믹 방출 전극(331)을 활용한 전자빔 방출기(330)와, 이 전자빔 방출기(330)로부터 방출되는 플라즈마를 보호하기 위한 절연관(320)과, 이 절연관(320)의 외면에 권회되어 설치되는 솔레노이드(350)로 구성된다.

먼저 처리부(300)를 구성하면서 고전압 절연 및 가스의 반응을 유지하는 용기로 원통형 세라믹을 사용해 절연관(320)을 구성했으며, 이 절연관(320)의 중심에 고전압 인가 코어로서 전자빔 방출기(330)가 위치하고 또한 절연관(320)의 바깥에 솔레노이드(350)가 위치하게 된다.

상기 솔레노이드(350)는 절연관(320) 내에 균일한 자기장을 인가하기 위하여 절연관(320)의 외면에 권회되어 설치된다. 상기 솔레노이드(350)에 그라운드 단이 연결되어 절연관(320) 내에 고전압 펄스 전위차를 유지하게 된다. 상기 솔레노이드(350)에는 저전압이 연결되어 자기장을 형성하므로 고전압 펄스 유지에는 문제가 없게 된다.

또한 절연관(320) 내에서 플라즈마 상태의 가스가 위로 상승하려는 모멘텀을 상쇄하여 안정적인 VOCs 처리 효율을 달성하기 위해서 가스가 위에서 아래로 흐르도록 가스 입구인 제 2 덕트부(500)는 상부에 위치하여 VOCs를 포함하는 공기를 배출하는 오염원으로부터 공기를 공급받아 하부에 위치한 처리부(300)로 공급하게 된다.

그리고 처리부(300) 내에서 상부에서 하부로 내려와서 처리된 가스가 아래로 배출되도록 가스 출구인 제 1 덕트부(100)가 하부에 위치된다.

따라서 본 발명의 다른 실시예에 따른 VOCs 처리 장치는 전술한 일 실시예에서의 상향식 공기 흐름을 하향식으로 제어할 수 있게 될 것이다.

즉 고전압 전자를 활용한 VOCs 처리 절연관(320)의 외부에 자기장을 인가시키고, VOCs 공기의 흐름을 상부에서 하부 방향으로 제어하여 절연관(320) 내부 영역에서 안정적인 플라즈마 발생을 유도함으로써 전체적인 VOCs 처리 효율을 상승시킬 수 있었다.

발명의 효과를 검증하기 위하여 도 8에 도시된 바와 같이 VOCs 처리시스템의 테스트 환경을 구축하여 테스트를 진행했다.

1. VOCs(xylene) 발생기를 통해 실험 가스를 생성한다.

2. 외부에서 펌프를 가동시켜 실험 가스를 본 발명의 다른 실시예에 따른 VOCs 처리 장치의 상부 제 2 덕트부(500)로 공급하며, 이렇게 공급되는 실험 가스의 농도를 가스측정기 1에서 측정한다.

3. VOCs 처리 장치는 실험 가스가 공급되면 고전압 펄스를 전원 인가부(600)로 인가하여 고전압이 걸리는 전자빔 방출기(330)와 절연관(320)의 사이에서 저에너지 전자빔을 발생시키고 솔레노이드(350)를 통해 저에너지 전자빔을 VOCs와 골고루 충돌시켜서 처리하게 된다.

4. 처리된 실험 가스를 하부의 제 1 덕트부(100)를 통해 배출하고 이렇게 배출되는 실험 가스의 농도를 가스측정기 2에서 측정한다.

VOCs 처리시스템의 실험 가스 농도 측정은 약 30분간 1초 단위로 측정을 진행하였으며, 입구 및 출구의 VOCs 농도(VOCs(Xylene) 농도의 최대값,최소값,평균값)를 계산한 결과, VOCs가 평균 97.466% 처리가 되는 것을 확인하였다.

여기에서 실험 가스의 처리효율은 아래의 수학식 1을 통해 계산될 수 있다.

또한 30분 동안 수집된 데이터에 대해 VOCs(Xylene) 처리효율은 아래의 수학식 2를 통해 계산될 수 있다.

가스측정기 1과 가스측정기 2를 통해 수집한 VOCs(Xylene) 농도의 최대값, 최소값 및 평균값은 아래의 표 1과 같이 정리될 수 있다.

이를 통해 본 발명의 다른 실시예에 따른 VOCs 처리 장치의 VOCs(Xylene) 처리 효율은 평균 97.466% 임을 확인할 수 있다.

원추형 전극 설계

상술한 실시예들에서는 절연관(320) 내에 삽입되어 전자빔을 절연관(320) 내로 방출하여 공기 내 VOCs를 제거시키는 전자빔 방출기(330)의 방출 전극(331)이 봉 형태인 것으로 설명되었다.

하지만 봉 형태의 방출 전극(331)은 전체적으로 플라즈마가 발생하지 않고 상대적으로 국소적인 부분에서만 플라즈마가 발생하는 문제점을 가지고 있었다. 이로 인하여 대용량 VOCs 처리에 그대로 적용하기에는 제한이 있다.

이 같은 현상을 개선하기 위해 봉 형태의 방출 전극(331)을 도 9에 도시된 바와 같은 구리 등의 금속 재질로 이루어지는 원추형 방출 전극(331’)으로 교체하였다.

도 9를 참조하면, 상기 원추형 방출 전극(331’)은 일단부 말단에서부터 타단으로 갈수록 지름이 커지고 지름이 가장 큰 정점을 지나 타단부 말단으로 갈수록 다시 지름이 작아지는 형태를 가지게 되며, 절연관(320)에 내장되어 처리부(300)의 내부에 삽입되게 된다. 바람직하게는 도 9에 도시된 바와 같이 상기 원추형 방출 전극(331’)에서 지름이 가장 큰 정점은 공기가 배출되는 타측으로 치중되게 형성된다. 이 원추형 방출 전극(331’)에는 상기 전원 인가부(600)로부터 고전압 전원이 인가되게 된다. 따라서 이 원추형 방출 전극(331’)은 절연관(320) 내에 삽입되어 전자빔을 절연관(320) 내로 방출하여 공기 내 VOCs를 제거시키게 된다.

상기 원추형 방출 전극(331’)은 국소 부위에서 발생되던 플라즈마를 개선해 원추형 돌출부의 전체 원형 부위에서 안정적인 플라즈마 발생이 일어날 수 있도록 유도하고 좁아진 틈을 지나는 VOCs 처리의 균일화를 유도할 수 있게 된다.

상기 원추형 방출 전극(331’)에서 발생된 플라즈마 전자빔은 원추형 전극 모양에 따라서 회전하는 유동 형태의 공기와 반응하게 되는데, 도 10의 전자기장 분포도에 도시된 바와 같이 지름이 가장 커 정점이 되는 부위에서 가장 많은 전자기장이 분포되게 된다.

이상과 같이 도면과 명세서에서 최적 실시 예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

100 : 제 1 덕트부 200 : 제 1 수용부
300 : 처리부 400 : 제 2 수용부
500 : 제 2 덕트부 600 : 전원 인가부
700 : 지지부

Claims (15)

1. VOCs를 포함하는 공기를 내부 유로로 이동시키고 내부 유로에서 전자빔을 방출해 내부 유로를 이동하는 공기에서 VOCs를 제거하는 것을 특징으로 하는 VOCs 처리 장치.
   
2. 제 1항에 있어서,
   VOCs를 포함하는 공기를 공급받는 하부의 제 1 덕트부;
   상기 제 1 덕트부를 통해 주입된 공기를 수용하는 하부의 제 1 수용부;
   상기 제 1 수용부의 상부에 배치되어 절연관의 내부 유로를 따라 제 1 수용부의 공기를 상부로 이동시키며 전자빔을 방출해 VOCs를 제거하는 처리부;
   상기 처리부에서 처리된 공기를 수용하는 상부의 제 2 수용부;
   상기 제 2 수용부의 공기를 배출하는 상부의 제 2 덕트부; 및
   상기 처리부로 전자빔 구동을 위한 전원을 제공하는 전원 인가부; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 VOCs 처리 장치.
   
3. 제 1항에 있어서,
   VOCs를 포함하는 공기를 공급받는 상부의 제 2 덕트부;
   상기 제 2 덕트부를 통해 주입된 공기를 수용하는 상부의 제 2 수용부;
   상기 제 2 수용부의 하부에 배치되어 절연관의 내부 유로를 따라 제 2 수용부의 공기를 하부로 이동시키며 전자빔을 방출해 VOCs를 제거하는 처리부;
   상기 처리부에서 처리된 공기를 수용하는 하부의 제 1 수용부;
   상기 제 1 수용부의 공기를 배출하는 하부의 제 1 덕트부; 및
   상기 처리부로 전자빔 구동을 위한 전원을 제공하는 전원 인가부; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 VOCs 처리 장치.
   
4. 제 2항 또는 제 3항에 있어서,
   상기 제 1 수용부의 상부 개방 부위에는 중심에 관통된 유동홀을 가지는 연통판이 설치되며,
   상기 연통판은 제 1 수용부의 상부에 결합되는 처리부의 절연관이 중심 위치에 안치될 수 있도록 단차지게 함몰된 안착부를 가지며 이 안착부의 중심 부위는 유동홀로서 관통형성되는 것을 특징으로 하는 VOCs 처리 장치.
   
5. 제 4항에 있어서,
   상기 안착부에는 세라믹 재질의 지지판이 배치되며,
   상기 지지판은 VOCs 포함 공기가 이동될 수 있도록 다수의 관통홀이 형성되어 있으며 상기 절연관과 직접 접촉된 상태로 절연관을 하부에서 지지하는 것을 특징으로 하는 VOCs 처리 장치.
   
6. 제 2항 또는 제 3항에 있어서,
   상하 방향으로 연결되는 상기 제 1 수용부와 처리부, 하측 처리부와 상측 처리부 그리고 처리부와 제 2 수용부는 마주하게 돌출형성되는 상하측의 결합 플랜지가 맞물려 결합되어 연결되며, 결합 플랜지 간의 기밀 결합을 위해 결합 플랜지와 결합 플랜지의 사이에는 가스캣이 개재되는 것을 특징으로 하는 VOCs 처리 장치.
   
7. 제 2항 또는 제 3항에 있어서,
   상기 제 1 수용부의 측면에는 복수의 지지부가 결합되어 제 1 수용부를 지면에서 이격시키는 것을 특징으로 하는 VOCs 처리 장치.
   
8. 제 2항 또는 제 3항에 있어서,
   상기 처리부는,
   상부 중심부와 하부 중심부가 개방되어 중공된 케이스;
   상기 케이스에 삽입되어 공기 유로를 형성하고 내외부를 절연시키는 중공된 절연관; 및
   상기 절연관 내에 삽입되어 전자빔을 절연관 내로 방출하여 공기 내 VOCs를 제거시키는 전자빔 방출기; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 VOCs 처리 장치.
   
9. 제 8항에 있어서,
   상기 전자빔 방출기는 세라믹 재질로 이루어진 방출 전극에 코일이 스파이럴 형태로 권회되는 구조를 가지며, 이 코일에는 상기 전원 인가부로부터 고전압 펄스가 인가되어 전자빔을 방출하는 것을 특징으로 하는 VOCs 처리 장치.
   
10. 제 9항에 있어서,
    상기 방출 전극은 MCNT 페이스트로 도포되는 것을 특징으로 하는 VOCs 처리 장치.
    
11. 제 9항에 있어서,
    상기 코일은 방출 전극의 외면에 같은 방향으로 등간격을 가지게 복수회 권회되어 구비되는 것을 특징으로 하는 VOCs 처리 장치.
    
12. 제 9항에 있어서,
    상기 코일은 방출 전극의 외면에 복수회 권회된 코일 군집을 일정 간격 이격시킨 상태로 배치시키고 이웃한 코일 군집이 서로 다른 방향으로 권회되어 구비되는 것을 특징으로 하는 VOCs 처리 장치.
    
13. 제 9항에 있어서,
    상기 코일은 방출 전극의 외면에 복수회 권회된 코일 군집을 일정 간격 이격시킨 상태로 배치시키고 이웃한 코일 군집이 같은 방향으로 권회되어 구비되는 것을 특징으로 하는 VOCs 처리 장치.
    
14. 제 3항에 있어서,
    상기 처리부는,
    상부 중심부와 하부 중심부가 개방되어 중공된 케이스;
    상기 케이스에 삽입되어 공기 유로를 형성하고 내외부를 절연시키는 중공된 절연관;
    상기 절연관 내에 삽입되어 전자빔을 절연관 내로 방출하여 공기 내 VOCs를 제거시키는 전자빔 방출기; 및
    상기 절연관의 외면에 권회되어 상기 절연관 내에 자기장을 인가하는 솔레노이드; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 VOCs 처리 장치.
    
15. 제 8항에 있어서,
    상기 전자빔 방출기는 금속 재질로 이루어진 원추형 방출 전극이 절연관에 내장되는 구조를 가지며, 이 원추형 방출 전극에는 상기 전원 인가부로부터 고전압 펄스가 인가되어 전자빔을 방출하며,
    상기 원추형 방출 전극은 일단부 말단에서부터 타단으로 갈수록 지름이 커지고 정점을 지나 타단부 말단으로 갈수록 다시 지름이 작아지는 형태를 가지는 것을 특징으로 하는 VOCs 처리 장치.
    

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