KR20230164778A - 저온플라즈마를 이용한 환경정화 시스템 - Google Patents

저온플라즈마를 이용한 환경정화 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 제1 DBD 플라즈마 장치로 플라즈마를 발생시키고 이때 생성되는 고농도의 오존 및 OH 라디칼을 이용하여 대상물질을 처리하는 제1 저온플라즈마 시스템; 및 상기 메쉬형 플라즈마 스크러버를 통해 1차 처리된 대상물질에 대해 다단의 흡착제층으로 구성된 흡착탑을 통해 필터링하고 제2 DBD 플라즈마 장치를 통해 생성된 플라즈마를 상기 흡착탑의 최상부에 형성된 광촉매층의 표면에 조사하여 활성 O-H 라디칼을 생성하고 생성된 활성 O-H 라디칼은 통해 상기 대상물질을 2차 처리하는 제2 저온플라즈마 시스템;을 포함하는 저온플라즈마를 이용한 환경정화 시스템을 제공한다.

Description

저온플라즈마를 이용한 환경정화 시스템{Clean system using low temperature plasma}
본 발명은 환경정화 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 저온 플라즈마 를 이용하여 악취가스와 유해독성물질 및 VOCs를 효과적으로 처리하는 환경정화 시스템에 관한 것이다.
현재 지자체별 각종 산업단지가 조성되고 급속한 산업화에 따라 전국에 약 440,000개의 제조업체 및 공장이 존재하고 있는데, 이들 제조업체 중에서 유해독성물질, 복합 악취, 미세먼지, 특정 대기유해물질 등을 발생시키는 사업장과 화학물질 취급 사업장은 전국적으로 13만여 사업장이 존재하고 있다.
또한, 대기환경보전법 시행령에 따른 업종별 사업장 분류기준에 따른 중·소형 사업장(4~5종) 및 직화구이 음식점 등에서도 유해오염물질의 배출이 증가하고 있다.
이에, 대상지역 주민들의 건강권 확보 문제가 지속적으로 제기되고 있고, 각종 환경민원 및 농작물 피해도 증가하는 실정이다.
특히, 악취가스와 유해독성물질은 인간의 후각을 자극하여 불쾌감을 줄뿐 아니라 건강상에도 유해한 영향을 미친다. 또한, 악취가스와 함께 배출 전구물질인 휘발성 유기화합물(VOCs)은 증기압이 높아 대기 중으로 쉽게 증발되며 대기 중에서질소산화물(NOx)과 광화학반응을 일으켜 광화학 스모그를 유발시켜 대기중의 오존층을 파괴하고 인체에 악영향을 미칠 수 있다.
이러한 악취가스와 VOCs, PAHs, HAPs를 제거하기 위해 활성탄 흡착제거법, 세정제 흡수법, 불꽃산화 연소법, 촉매 산화법, 오존을 이용한 화학적 산화법, 저온 플라즈마를 이용하여 분해하는 방법, 생물학적 여과(bio-filtation) 방식을 이용하는 기술들이 개발되고 있으나, 유해독성물질, VOCs와 난분해성 악취가스를 효과적으로 제거하는 데는 한계가 있다.
한국등록특허 제10-1815382(2017.12.28 등록) 한국공개특허 10-2020-0122142(2020.10.27.공개)
본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 저온 플라즈마 장치를 이용하여 고농도의 오존 및 OH 라디칼을 형성하여 악취 가스와 VOCs, 유해독성물질 성분을 효율적으로 처리할 수 있는 저온플라즈마를 이용한 환경정화 시스템을 제공하는 제공하는 것을 목적으로 한다.
이를 위해, 본 발명은 제1 DBD 플라즈마 장치로 플라즈마를 발생시키고 이때 생성되는 고농도의 오존 및 OH 라디칼을 이용하여 대상물질을 처리하는 제1 저온플라즈마 시스템; 및 상기 메쉬형 플라즈마 스크러버를 통해 1차 처리된 대상물질에 대해 다단의 흡착제층으로 구성된 흡착탑을 통해 필터링하고 제2 DBD 플라즈마 장치를 통해 생성된 플라즈마를 상기 흡착탑의 최상부에 형성된 광촉매층의 표면에 조사하여 활성 O-H 라디칼을 생성하고 생성된 활성 O-H 라디칼은 통해 상기 대상물질을 2차 처리하는 제2 저온플라즈마 시스템;을 포함하는 저온플라즈마를 이용한 환경정화 시스템을 제공한다.
또한, 상기 제1 DBD 플라즈마 장치는 유연 전극장치로서 메쉬(mesh) 형태의 플라즈마 전극 방식인 것이 바람직하다.
또한, 상기 제1 저온플라즈마 시스템은, 상기 대상물질 이동통로의 상부에 형성되는 제1 DBD 플라즈마 장치와, 상기 대상물질 이동통로의 하부에 형성되어 생성된 나노 마이크로 버블을 상부로 확산시키는 나노 마이크로버블 플라즈마 장치와, 약액 탱크로부터 제공되는 세정액을 상기 이동통로상의 대상물질에 분사하는 스프레이 노즐을 포함할 수 있다.
또한, 상기 흡착탑은, 높은 비표면적을 가진 흡착제로서 순차적으로 형성되어 상기 1차 처리된 대상물질을 필터링하는 활성탄소층과 제올라이트층을 구비한 흡착제층과, 상기 흡착제층을 통과하면서 필터링된 대상물질을 UV 램프 내에서 자외선 조사하는 UV 램프 조사층과, 상기 흡착제층과 조사층을 통해서도 제거되지 않고 잔존하는 대상물질은 후방에 존재하는 DBD/저온 플라즈마 장치와 광촉매 반응을 발생시키는 광촉매층을 포함할 수 있다.
또한, 상기 흡착제층의 하부에 형성되어 상기 1차 처리된 대상물질에서 수분을 흡수하는 데미스터(Demister)를 더 포함할 수 있다.
본 발명은 DBD 플라즈마 유연 전극장치를 통해 제1 전극과 제2 전극에 전원이 인가되면 플라즈마 방전이 이루어지고, 생성된 에너지를 이용하여 오존을 생성 할 수 있으며, 플라즈마의 오존 및 OH 라디칼을 이용한 산화반응을 제공한다. 이를 통해, 상기 DBD 플라즈마 유연 전극장치에서 생성된 오존은 챔버로 이동하여 대상물질에 포함되는 악취, 세균, 곰팡이 등의 미생물을 제거하여 정화작용을 수행할 수 있다.
또한, 저온 DBD 플라즈마 장치를 통해 플라즈마 반응과 UVA를 활성 광촉매/광촉매 필터의 표면에 조사하여 이로 인해 광촉매 반응이 발생하여 활성 O-H 라디칼을 생성한다. 생성된 활성 O-H 라디칼은 강력한 산화력으로 분자의 크기와 특성이 다양한 복합오염물질을 완전 제거할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 대상물질 클린(clean) 처리를 위한 저온플라즈마 시스템의 구성을 나타낸 도면이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
비록 제1, 제2 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 구성요소일 수도 있음은 물론이다.
명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 도시된 것이며, 본 발명이 도시된 구성의 크기 및 두께에 반드시 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 여러 실시예들의 각각 특징들이 부분적으로 또는 전체적으로 서로 결합 또는 조합 가능하며, 당업자가 충분히 이해할 수 있듯이 기술적으로 다양한 연동 및 구동이 가능하며, 각 실시예들이 서로에 대하여 독립적으로 실시 가능할 수도 있고 연관 관계로 함께 실시 가능할 수도 있다.
이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
본 발명은 악취가스와 유해독성물질 처리를 위한 저온플라즈마 시스템에 관한 것으로, 크게 메쉬형 플라즈마 스크러버와 DBD 플라즈마/활성광촉매 시스템으로 구성될 수 있다.
여기서, 산업공정 및 산업체 배출 현장 등에 발생하는 유기화합물(SOx, NOx, VOCs), 악취가스, 유해독성물질, 난분해성 가스물질 등을 이하에서 "대상물질"이라 한다.
도 1은 본 발명에 따른 대상물질 클린(clean) 처리를 위한 저온플라즈마 시스템의 구성을 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 저온플라즈마 시스템은 유연한 전극의 제1 DBD 플라즈마 장치로 플라즈마를 발생시키고 이때 생성되는 고농도의 오존을 및 OH 라디칼을 이용하여 대상물질을 처리하는 메쉬형 플라즈마 스크러버와; 상기 메쉬형 플라즈마 스크러버를 통해 1차 처리된 대상물질은 다단의 흡착제층으로 구성된 흡착탑을 통해 필터링되고 제2 DBD 플라즈마 장치를 통해 생성된 플라즈마를 상기 흡착탑의 최상부에 형성된 광촉매층의 표면에 조사하여 활성 O-H 라디칼을 생성하고 생성된 활성 O-H 라디칼은 통해 상기 대상물질을 2차 처리하는 DBD(Dielectric Barrier Discharge) 플라즈마/활성광촉매 시스템으로 구성된다.
특히, 메쉬형 플라즈마 장치는 질소산화물(NOx) 중 NO를 분해/산화시키고 NO2로 변환시켜 효과적으로 처리 및 제거가 가능한다. 즉, NOx-plasma 산화(oxidation) 후 처리, 악취가스와 유해독성물질, VOCs 파괴처리가 가능하다.
먼저, 메쉬(Mesh)형 플라즈마 스크러버는, 상기 대상물질이 유입되는 챔버와, 상기 챔버의 소정 공간에 형성되고 상기 유입된 대상물질이 이송하는 이동통로와, 상기 대상물질 이동통로의 상부에 형성되는 DBD(Dielectric Barrier Discharge) 플라즈마 유연 전극장치(313)과, 상기 대상물질 이동통로의 하부에 형성되는 나노 마이크로버블 플라즈마 장치(301)와, 상기 챔버의 일측에 연결된 약액 탱크로부터 제공되는 세정액을 상기 이동통로상의 대상물질에 분사하는 스프레이 노즐(300)과, 상기 대상물질 이동통로 상에 적재되는 충진물로서 폴링(307)과, 상기 나노 마이크로버블 플라즈마 장치(301)를 통해 생성된 나노 마이크로버블을 상기 이동통로상의 대상물질과 접촉량이 증가하도록 하부에서 상부로 확산시키는 나노버블 디퓨저(diffuser)(308)을 구비한다.
이때, 스크러버는 세정에 의한 집진시설을 의미하며, 악취 및 유해가스, 분진, 액상오염물질 등을 동시에 처리할 수 있어 가장 많이 적용되고 있다. 또한, 스크러버는 가스흡수탑이라고도 하며, 건식, 습식, 혼합식으로 나눠지나, 여기서는 습식 스크러버를 말하며, 습식 스크러버는 유해가스를 액체에 접촉시켜 씻어내는 방식으로 오염물질을 정화하는 방식이며, 정화효율을 높이기 위해 통상적으로 수산화나트륨, 황산과 같은 흡수액 혹은 세정액 등 여러 가지 화학반응을 일으키는 고비용의 화학약품을 물과 함께 사용한다. 이는 세정액을 포함한 물이 분사되었을 시, 유해가스와의 접촉율을 높이고 오염물질이 용해된 물을 정화시키는 역할을 하여 처리효율을 높이기 위함이다.
본 발명에서, 스프레이 노즐(300)을 통해 분사되는 세정액(cleaning solution)은 인체에 무해한 세정액으로 사고의 위험성을 낮출 수 있고, 상기 스프레이 노즐을 통해 챔버(chamber) 내에서 플라즈마 오존이 발생되며, 이는 OH-라디칼로 환원되어서 오존보다 18,000배 이상의 산화력을 갖는다. 또한, 각각의 약액탱크를 따로 사용하여 목적별로 다른 약액을 사용하여 폭넓은 범위에서 사용 가능하다.
또한, 상기 충진재 폴링(307)은 상기 스플레이 노즐(300)을 통해 대상물질로 약액 분사시에 전처리 물질로서 폴링과 반응하여 처리효과를 증가시켜준다. 또한, 스프레이 노즐(300)의 상부에 형성되어 챔버상의 수분을 제거하는 제1 데미스터(demister)를 더 구비한다. 여기서, 폴링(충진물)과 데미스터를 사용하여 집진 효율, 악취제거, SOx, NOx 저감효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 분진 특성에 맞는 다양한 필터를 채용 가능하다. 가령, 스프레이 노즐, 2차 폴링, 2차 Demister 등의 필터를 사용할 수 있다.
또한, 챔버는 수평방향 또는 가로 방향을 따라 복수개 배치되고, 상기 수평방향에서 좌측에서 우측으로 일방향을 따라 대상물질을 이동통로를 따라 통과시킬 수 있다. 상기 대상물질의 이동통로는 일측은 챔버의 유입구와 연결되고 타측은 송풍기(Fan)가 설치될 수 있다. 송풍기(Fan)는 공기 유동을 일으키며 DBD 플라즈마 유연 전극 장치(300)에서 생성된 플라즈마(P), 활성 라디칼, 오존 등을 챔버로 이동시킬 수 있다.
또한, DBD 플라즈마 유연 전극 장치(313)는, 메쉬(mesh) 형태의 플라즈마 전극 방식으로 저온 플라즈마를 이용하여 공기를 플라즈마시키고 오존을 발생시켜 산화반응을 일으킨다. 여기서, DBD 플라즈마 유연 전극장치는 유연한 특성을 가지는 제1 전극 및 제2 전극을 포함하고, 플라즈마(P)를 생성하는데, 상기 제1 전극 및 제2 전극은 격자구조를 형성할 수 있다. 가령, 제1 전극은 y축 방향을 따라 뻗고 제2 전극은 제1 전극의 하부에서 x축 방향을 따라 뻗으며 서로 교차하며 위치한다. 이때, DBD 플라즈마 유연 전극장치(313)는 메쉬 형태의 플라즈마 전극 방식으로 교차하는 전극 사이 사이로 다량의 오존을 발생시켜 악취 가스 처리에 대한 효율을 높일 수 있다.
또한, DBD 플라즈마 유연 전극장치는 제1 전극과 제2 전극에 전원이 인가되면 플라즈마 방전이 이루어지고, 생성된 에너지를 이용하여 오존을 생성 할 수 있으며, 플라즈마의 오존 및 OH 라디칼을 이용한 산화반응을 제공한다. 이를 통해, 상기 DBD 플라즈마 유연 전극장치에서 생성된 오존은 챔버로 이동하여 대상물질에 포함되는 악취, 세균, 곰팡이 등의 미생물을 제거하여 정화작용을 수행할 수 있다.
또한, DBD 플라즈마 유연전극장치는 제1 전극과 제2 전극의 외측을 둘러싸며 위치하는 하우징을 포함하고, 상기 하우징은 내부에 제1 전극과 제2 전극을 수용하면서 보호할 수 있다. 이때, 상기 하우징에는 전원, 접지선 등이 연결될 수 있는 전원공급부가 설치될 수 있으며, 전원공급부는 메쉬형 플라즈마 장치의 제1 전극 및 제2 전극과 연결되어 전원을 인가할 수 있다. 또한, 전원공급부에서 전원을 인가하면 제1 전극과 제2 전극가 상호 맞닿는 접촉부에서 방전이 되어 플라즈마(P)가 형성될 수 있다. 이 경우, 플라즈마(P)는 대기압 상태에서 안정적으로 장시간 방전될 수 있다.
또한, DBD 플라즈마 유연전극 장치(313)와 나노 마이크로버블 플라즈마 장치(301)를 제어하는 제어패널이 더 구비될 수 있고, 제어 패널은 중앙집중방식 내장형 채택과 전원 스위치를 집약하여 시인성이 향상되고, 이동중 파손이나 고장율이 낮은 장점이 있다. 또한, 디스플레이를 통해 내부상태 확인이 가능하다.
이와같이, 메쉬형 플라즈마 장치는 제1 전극 및 제2 전극에 전원이 인가되면 플라즈마(P)가 방전되어 전자는 해리(dissociation), 이온화(ionization), 여기(excitation) 반응을 통하여 질소(N2), 산소(O2), 수분(H20) 등을 활성화시켜서 활성 라디칼과 오존을 생성시킬 수 있다. 이러한 활성 라디칼과 오존에 의해 암모니아, 황화수소, 메틸메캅탄, 아황산 등을 분해시킬 뿐만 아니라, 세균이나 곰팡이 등의 유해한 미생물을 제거할 수 있다.
특히, 메쉬형 플라즈마 장치는 질소산화물(NOx) 중 NO를 분해/산화시키고 NO2로 변환시켜 효과적으로 처리 및 제거가 가능한다. 즉, NOx-plasma 산화(oxidation) 후 처리, 악취가스와 유해독성물질, VOCs 파괴처리가 가능하다.
또한, 메쉬형 플라즈마 장치는 활성 O-H 라디칼을 생성하여 분자의 크기와 특성이 다양한 복합오염물질을 제거하고, 담체와 최고 성능의 복합 촉매를 사용하여 처리 및 저감 효과를 극대화할 수 있고, 이어, 2차적으로 DBD 플라즈마/활성 광촉매 시스템을 통해 대상물질을 연소/산화/분해/제거 처리한다.
즉, DBD(Dielectric Barrier Discharge) 플라즈마 방식은 대기압, 상온에서 플라즈마 작업이 가능하다. 또한, 대기압 환경에서 플라즈마를 발생시키는 DBD 방전방식은 고밀도 (10 ~10 cm ) 산소 활성층을 발생시킴으로써 처리대상 물질을 효과적으로 처리할 수 있다.
또한, DBD 플라즈마/활성 광촉매 시스템은 다층의 흡착탑(Adsorption Tower) 방식으로 구성되어 필터 분리형(Filter plate)으로 개별 분리가 가능하여 교체가 용이하다.
먼저, 메쉬형 플라즈마 스크러버를 통해 1차 처리된 대상물질은 제2 데미스터(Demister)(306)를 통해 수분이 흡수되고, 높은 비표면적을 가진 흡착제로서 활성탄소층(305)과 제올라이트층(306)을 통과하면서 2차 필터링된다.
즉, 활성탄, 제올라이트 흡착제와 유기물 분자에 대한 고도의 흡착능력, 세공(Micropore)가 잘 발달하여 유효 표면적인 매우 넓어 효율적인 처리가 가능하다. 가령, 활성카본(Activated Carbon)과 제올라이트(Zeolite) 등의 높은 비표면적을 갖는 흡착제를 사용하여 효율적인 처리가 가능하고, 고품질의 활성탄을 사용하여 교체주기를 늘릴 수 있다.
이어 UV 램프 조사 구간층(309)에서는 상기 흡착제층을 통과하면서 2차 필터링된 대상물질은 UV 램프 내에서 자외선 조사를 수행한다. 이처럼 자외선 조사를 통해 오염물질 살균 및 분해, 광촉매와 상호작용으로 살균 시너지를 제공할 수 있다.
이어, 활성 광촉매/광촉매 필터의 산화반응에서 제거되지 않고 잔존하는 대상물질은 후방에 존재하는 DBD/저온 플라즈마 장치와 광촉매 비드(303)로 유도되어 제거된다. 이때, DBD 플라즈마 장치는 플라즈마 반응과 UVA를 활성 광촉매/광촉매 필터의 표면에 조사하여 이로 인해 광촉매 반응이 발생하여 활성 O-H 라디칼을 생성한다. 생성된 활성 O-H 라디칼은 강력한 산화력으로 분자의 크기와 특성이 다양한 복합오염물질을 최종적으로 제거된 상태로 출구를 통해 정화된 클린가스가 제공된다. 이때, 광촉매 비드는 촉매 반응을 촉진시켜 세균 및 오염물질을 분해하는 반도체 물질을 말한다. 또한, 하부에 먼지 집진기(311)을 통해 미세먼지를 집진하고 볼밸브(311)를 통한 개폐를 통해 먼지 청소 및 수시 점검이 가능하다.
이상의 설명에서 본 발명은 특정의 실시 예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 특허청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능하다는 것을 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.
300: 스프레이 노즐
301: 나노 마이크로버블 플라즈마 장치
302, 306: 데미스터(demister)
303: 광촉매층
304: 제올라이트층
305: 활성탄소층
307: 폴링
308: 마이크로버블 확산기
309: UV 램프
310: 볼밸브
311: 먼지 집진기
312, 313: DBD 플라즈마 장치

Claims (5)

  1. 제1 DBD 플라즈마 장치로 플라즈마를 발생시키고 이때 생성되는 고농도의 오존 및 OH 라디칼을 이용하여 대상물질을 처리하는 제1 저온플라즈마 시스템; 및
    상기 메쉬형 플라즈마 스크러버를 통해 1차 처리된 대상물질에 대해 다단의 흡착제층으로 구성된 흡착탑을 통해 필터링하고 제2 DBD 플라즈마 장치를 통해 생성된 플라즈마를 상기 흡착탑의 최상부에 형성된 광촉매층의 표면에 조사하여 활성 O-H 라디칼을 생성하고 생성된 활성 O-H 라디칼은 통해 상기 대상물질을 2차 처리하는 제2 저온플라즈마 시스템;을 포함하는 저온플라즈마를 이용한 환경정화 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 DBD 플라즈마 장치는 유연 전극장치로서 메쉬(mesh) 형태의 플라즈마 전극 방식인 저온플라즈마를 이용한 환경정화 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 저온플라즈마 시스템은,
    상기 대상물질 이동통로의 상부에 형성되는 제1 DBD 플라즈마 장치와,
    상기 대상물질 이동통로의 하부에 형성되어 생성된 나노 마이크로 버블을 상부로 확산시키는 나노 마이크로버블 플라즈마 장치와,
    약액 탱크로부터 제공되는 세정액을 상기 이동통로상의 대상물질에 분사하는 스프레이 노즐을 포함하는 저온플라즈마를 이용한 환경정화 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 흡착탑은,
    높은 비표면적을 가진 흡착제로서 순차적으로 형성되어 상기 1차 처리된 대상물질을 필터링하는 활성탄소층과 제올라이트층을 구비한 흡착제층과,
    상기 흡착제층을 통과하면서 필터링된 대상물질을 UV 램프 내에서 자외선 조사하는 UV 램프 조사층과,
    상기 흡착제층과 조사층을 통해서도 제거되지 않고 잔존하는 대상물질은 후방에 존재하는 DBD/저온 플라즈마 장치와 광촉매 반응을 발생시키는 광촉매층을 포함하는 저온플라즈마를 이용한 환경정화 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 흡착제층의 하부에 형성되어 상기 1차 처리된 대상물질에서 수분을 흡수하는 데미스터(Demister)를 더 포함하는 저온플라즈마를 이용한 환경정화 시스템.
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