KR20240071333A - 사용 기간이 향상된 축사 악취 제거용 복합 필터, 축사 악취 제거용 복합 필터의 재사용 방법 및 축사 악취 제거용 복합 필터의 제조 방법 - Google Patents

사용 기간이 향상된 축사 악취 제거용 복합 필터, 축사 악취 제거용 복합 필터의 재사용 방법 및 축사 악취 제거용 복합 필터의 제조 방법 Download PDF

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이한빛
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 악취 제거용 복합 필터는 기공이 형성된 다공성 입자; 상기 다공성 입자에 첨착되며 악취 물질 제거를 촉진하는 전이금속 촉매; 및 상기 다공성 입자에 코팅된 잔류물질 제거용 가시광 촉매;를 포함한다.

Description

사용 기간이 향상된 축사 악취 제거용 복합 필터, 축사 악취 제거용 복합 필터의 재사용 방법 및 축사 악취 제거용 복합 필터의 제조 방법{COMPOSITE FILTER FOR REMOVING BARN ODOR WITH AN IMPROVED USAGE PERIOD, METHOD OF REUSING COMPOSITE FILTER FOR BARN ODOR REMOVAL, AND METHOD OF MANUFACTURING COMPOSITE FILTER FOR BARN ODOR REMOVAL}
본 발명은 사용 기간이 향상된 축사 악취 제거용 복합 필터, 축사 악취 제거용 복합 필터의 재사용 방법 및 축사 악취 제거용 복합 필터의 제조 방법으로서, 보다 구체적으로 손쉽게 재사용이 가능하여 종래보다 오래 사용이 가능한 사용 기간이 향상된 축사 악취 제거용 복합 필터, 축사 악취 제거용 복합 필터의 재사용 방법 및 축사 악취 제거용 복합 필터의 제조 방법에 관한 것이다.
악취는 자극적인 기체상 물질이 사람의 후각을 자극하여 불쾌감과 혐오감을 유발하는 냄새를 의미한다. 이러한 악취 물질은 발생 원인에 따라 다양하며 아주 소량으로도 냄새를 유발할 수 있어 대처와 예방에 있어 많은 어려움이 존재한다. 대부분의 사람들은 악취의 질과 강도를 감지할 수 있으나, 후각 감각은 개인별로 차이가 있어 이를 객관적으로 평가하고 분석하기 어렵다. 악취에 노출되면 알레르기 반응, 식욕 감소, 수분 섭취 감소, 호흡기 질환, 소화기 장애, 정신적 스트레스 등 다양한 생리적 및 심리적 반응을 일으킨다. 즉, 악취도 일종의 환경 오염이라 볼 수 있다.
축산업의 집약화와 기업화가 진행됨에 따라, 대량의 가축 분뇨 처리와 악취 문제 해결은 지속 가능한 축산을 위한 필수적인 과제이다. 특히 양돈장과 같은 축산업의 대표적인 시설은 다른 산업이나 생활 시설에서 발생하는 악취에 비해 농도, 강도, 지속성 면에서 상대적으로 높은 수준이다. 이러한 냄새는 주로 축사 내 남은 사료와 돼지의 배설물이 부패하면서 발생하며, 암모니아, 아민류, 지방산, 황화합물 등이 주요 원인 물질이다.
악취 물질을 줄이기 위해 사료와 물에 미생물제제 및 복합생균제를 혼합하여 소화 효율을 높이거나, 돈사 내부에 마스킹제, 화학 탈취제, 미생물제제 등을 사용하는 방법이 있다. 이 중 돈사에서 나오는 악취를 포집해 습식 세정 탑을 통과시키는 방법은 오염물질을 물에 흡수시키거나 황산과 가성소다를 사용해 중화한 후 방류하는 효율적인 방법 중 하나이다.
돈사 또는 가축분뇨 자원화 시설에서 발생하는 악취를 제거하기 위해 습식세정 탑을 운영할 경우 습식세정 탑으로 처음 사용하는 물 또는 약제일 때는 악취를 잘 제거하나 습식세정 탑의 경제성을 고려하여 사용한 물 또는 약제를 재사용하는 경우 그 탈취 능력이 떨어지게 되며, 돈사나 가축분뇨 자원화 시설에서 발생되는 농도가 항상 일정하지 않기 때문에 경우에 따라서 과한 농도가 습식세정탑으로 들어갈 경우 한정 처리 농도를 초과하여 배출되는 가스에 여전히 악취 물질이 남아 있을 수 있다.
이를 방지하기 위해 습식 세정 탑에서 나온 정화된 공기를 흡착제로 구성된 필터를 통과시켜 깨끗한 상태의 공기로 배출한다. 흡착 필터가 오염되면 재사용이 불가능하므로 새 필터로 교체해야 하며, 한 번 사용 후 폐기하는 경우 자원 낭비와 폐필터 처리 문제가 발생할 수 있다.
본 발명은 수명이 다하더라도 손쉽게 재사용할 수 있는 축사 악취 제거용 복합 필터, 그의 재사용 방법과 제조 방법을 제공하는 것을 일 목적으로 한다.
본 발명에서는 상술한 문제를 해결하기 위해 다음과 같은 해결 수단을 제안한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 악취 제거용 복합 필터는 기공이 형성된 다공성 입자; 상기 다공성 입자에 첨착되며 악취 물질 제거를 촉진하는 전이금속 촉매; 및 상기 다공성 입자에 코팅된 잔류물질 제거용 가시광 촉매;를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 전이금속 촉매는 Fe 전이금속 촉매일 수있다.
일 실시예에 있어서, 상기 잔류물질 제거용 가시광 촉매는 이산화티탄(TiO2), 블랙 이산화티탄(Black TiO2), 백금-이산화티타늄(Pt-TiO2), 백금-산화텅스텐(Pt-WO3), 산화아연(ZnO)으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 잔류물질 제거용 가시광 촉매는 블랙 이산화티탄(Black TiO2)일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 악취 제거용 복합 필터의 재사용 방법은 상술한 악취 제거용 복합 필터의 수명이 다한 경우에 수명이 다한 상기 악취 제거용 복합 필터를 차아염소산으로 세척하면서 태양광을 조사하여 재사용한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 악취 제거용 복합 필터의 제조방법은 다공성 입자를 마련하는 단계; 전이금속 촉매 분산액을 형성하는 단계; 상기 다공성 입자를 전이금속 촉매가 분산된 용액에 혼합하고, 열처리하여 상기 다공성 입자에 상기 전이금속 촉매를 첨착하는 단계; 및 상기 전이금속 촉매가 첨착된 다공성 입자에 잔류물질 제거용 가시광 촉매가 포함된 용액을 분사하고 건조하여 잔류물질 제거용 가시광 촉매를 건조하여, 상기 잔류물질 제거용 가시광 촉매가 코팅된 전이금속 촉매가 첨착 다공성 입자를 형성하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 축사 악취 제거용 복합 필터는 전이금속 촉매를 이용하여 악취물질을 제거한다. 또한, 악취 제거용 복합 필터의 수명이 다한 경우 잔류물질 제거용 가시광 촉매를 포함하기 때문에 차아염소산 세척과 태양광 조사를 통해 재사용이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 축산 악취 제거 습식 세정탑의 개략적 단면도이며, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 축산 악취 제거 습식 세정탑의 하우징에 충전되는 충진재의 개략적 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 축사 악취 제거용 복합 필터의 개략적 단면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 축사 악취 제거용 복합 필터의 제조방법의 개략적 플로우 차트이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 축사 악취 제거용 복합 필터의 제조방법에 의해 제조된 블랙 이산화티탄이 코팅된 전이금속 첨착 활성탄을 촬영한 것이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 축사 악취 제거용 복합 필터의 제조방법에 의해 제조된 블랙 이산화티탄이 코팅된 전이금속 첨착 활성탄을 허니콤에 충전한 후에 촬영한 것이다.
도 7는 실시예 및 비교예의 파과시험 결과를 도시한 것이다.
도 8은 실시예 및 비교예의 재사용에 따른 파과시험 결과를 도시한 것이다.
첨부된 도면은 본 발명의 기술사상에 대한 이해를 위하여 참조로서 예시된 것임을 밝히며, 그것에 의해 본 발명의 권리범위가 제한되지는 아니한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시예가 안내하는 본 발명의 구성과 그 구성으로부터 비롯되는 효과에 대해 살펴본다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능에 대하여 이 분야의 기술자에게 자명한 사항으로서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
습식 세정탑
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 축산 악취 제거 습식 세정탑의 개략적 단면도이며, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 축산 악취 제거 습식 세정탑의 하우징에 충전되는 충진재의 개략적 사시도이다.
이하, 도면을 참조하며 본 발명의 축산 악취 제거 습식 세정탑(100)에 대하여 설명하도록 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 축산 악취 제거 습식 세정탑(100)은 축사의 일측에 설치되어 축수에서 발생하는 악취의 원인이 되는 축산 악취물질을 제거한다.
이를 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 축산 악취 제거 습식 세정탑(100)은 축사에서 발생한 축산 악취물질을 흡입하는 냄새물질 유입 팬(71), 냄새물질 유입 팬(71)에서 흡입한 축산 악취물질이 하부로 유입되어 상부로 유출되는 하우징(20), 하우징(20) 내에 채워지며 유체의 이동 경로 및 반응 표면적을 증가시키기 위한 충진재(30), 하우징(20)에 설치되며 충진재(30)로 차아염소산이 포함된 용액을 분사하는 차아염소산 분무 노즐(40) 및 하우징(20) 내로 자외선을 조사하는 자외선 램프(50)를 포함한다.
하우징(20)은 받침대(10) 상에 형성된다. 하우징(20)은 원통형으로 길게 형성되는 것이 바람직하지만, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
축사에서 발생한 축산 악취물질은 냄새물질 유입 팬(71)에 의해 흡입되어 하우징(20) 내부로 유입된다. 이때, 축산 악취물질은 하우징(20)의 하부, 즉 바닥이다 측벽의 아랫부분으로 유입될 수 있다.
한편, 냄새물질 유입 팬(71)와 하우징(20) 사이에는 혼합실(72)이 더 설치될 수 있다. 우리나라는 사계절이 뚜렷하기 때문에 계절별로 축산 악취물질이 생성되는 양이 다르다. 여름철과 같이 기온이 올라가게 되면 축산 악취물질이 급격하게 증가하는데, 이에 따라 과량의 축산 악취물질이 축산 악취 제거 습식 세정탑(100)으로 유입됨에 따라 축산 악취물질을 완전히 제거하지 못하는 경우가 발생할 수 있다. 이러한 문제에 유동적으로 대응하기 위해 본 발명의 일 실시예에 따른 축산 악취 제거 습식 세정탑(100)은 혼합실(72)을 이용한다. 즉, 냄새물질 유입 팬(71)로 축산 악취물질과 외기를 함께 흡입한 후 혼합실(72)에서 혼합하여 하우징(20)으로 유입시킴으로써, 고농도의 축산 악취물질을 희석시켜서 처리한다.
하우징(20)의 내부에는 충진재(30)가 채워진다. 도 2은 충진재(30)의 개략적 사시도이다. 충진재(30)는 탱크(20) 내로 유입된 유체의 이동 경로를 증가시키는 역할을 하며, 후술하는 바와 같이 OH 라디컬과 유체에 포함된 축산 악취물질의 반응 표면적을 증가시키는 역할을 한다. 이를 위해 충진재(30)는 원통형으로 형성되며 원통의 상부 및 하부가 개방된 본체(31), 본체(31)의 측면에 형성되는 윈도우(32) 및 본체(31)의 내측에 형성되어 본체(31)의 내부 공간을 분할하는 가이드(33)을 포함한다. 따라서 충진재를 하우징(20)에 채우게 되면 유입된 축산 악취물질이 충진재(30)에 의해 이동경로가 길어지게 되고, 축산 악취물질이 반응할 수 있는 영역이 증가하게 된다.
하우징(20)에는 충진재 받침대(21)가 형성된다. 충진재 받침대(21)에는 복수개의 구멍이 형성되어, 40% 이상이 개구된다. 구멍의 크기는 클수록 좋지만 충진재(30)가 떨어지지 않을 정도여야 한다. 충진재 받침대(21)는 충진재(30)를 탱크의 바닥면에 일부 이격되도록 한다. 전술한 바와 같이 축산 악취물질이 포함된 유체는 하우징(20)이 하부로 유입된다. 이때, 하우징(20)의 바닥면과 충진재 받침대(21) 사이의 공간이 비어있기 때문에 유입된 축산 악취물질이 포함된 유체는 하우징(20)의 바닥면과 충진재 받침대(21) 사이의 공간에서 확산된 후에 고르게 충진재(30) 측으로 이동하게 된다. 즉, 하우징(20)의 바닥면과 충진재 받침대(21) 사이의 공간이 충진재(30)로 유입되는 유입된 축산 악취물질이 포함된 유체를 고르게 분배하는 역할을 한다.
하우징(20) 내에는 차아염소산이 포함된 용액을 분사하는 차아염소산 분무 노즐(40)이 설치된다. 하우징(20)의 외측에는 차아염소산 탱크(61)가 위치하며, 차아염소산 펌프(62)를 통해 차아염소산 분무 노즐(40)로 공급된다. 차아염소산 분무 노즐(40)은 하우징(20)의 상부측에 배치될 수 있다. 또한, 차아염소산 분무 노즐(40)은 차아염소산이 포함된 용액을 분무하는 분무 차아염소산 분무 노즐일 수 있다. 분사된 용액은 하우징(20) 하부에 설치된 배출관을 통해 탱크(61) 또는 폐수탱크에서 회수된다.
하우징(20) 내로는 자외선 램프(50)를 통해 자외선이 조사된다. 자외선 램프(50)는 하우징(20)의 상부에 설치될 수 있다. 나아가 자외선 램프(50)는 노즐(40)의 하부에 형성하는 것이 OH 라디컬 생성에 보다 유리하며, 이 경우 자외선 램프(50)는 방수를 위한 처리 또는 별도 구성을 더 가지늘 수 있다.
한편, 본 발명에서는 소켓 형태의 자외선 램프(50')를 이용하여, 하우징의 외부에서 소켓 구멍을 통해 소켓 형태의 자외선 램프(50')를 하우징 내부로 삽입하여 자외선 램프를 설치하는 것도 가능하다. 소켓 형태의 자외선 램프(50')를 이용함으로써 수명이 다하거나 고장난 자외선 램프(50')를 손쉽게 교체 또는 수리할 수 있다.
자외선은 하우징(20) 내로 분사된 용액 내 포함되어 있는 차아염소산에서 OH 라디컬을 생성하는 역할을 한다. 차아염소산(HOCl)으로부터 OH 라디컬이 생성되는 과정은 다음의 화학식 1로 표현되는 반응식과 같다.
여기서 ·Cl 과 ·OCl 은 다시 HOCl을 분해하는 라디컬로 작용하며, 다음의 화학식 2로 표현되는 반응식으로 설명할 수 있다.
차아염소산은 다른 산화제에 비해 산화력이 매우 강력하기 때문에, 축산 악취 물질의 분해에 굉장히 유리하다.
차아염소산 (HOCl) 로부터 ·OH 라디컬의 양자 수율은 자외선 파장 254nm에서 1.4 mol Es-1 이며, 308nm 에서는 1.0 mol Es-1 이다. OCl-의 양자수율은 파장 254nm, 313nm, 365nm에서 각각 0.278, 0.127, 0.08 mol Es-1 이다. 따라서 pH 7에서 수용성 염소 종 (HOCl, OCl-)의 몰 흡광계수 피크는 약 300nm에서 나타나며 HOCl, 과 OCl- 로부터 생성되는 ·OH 라디컬의 양자 수율은 자외선 파장이 약 310nm에서 보다 254nm에서 더 높게 나온다. 이러한 사실을 종합해보면 자외선 램프의 파장대는 254nm 영역의 UVC 램프를 사용하는 것이 바람직하다.
나아가, 자외선 램프로 파장대 184.9 nm 영역의 자외선 램프를 함께 이용하거나, 184.9 nm 와 254nm 파장이 같이 나오는 램프를 사용할 수 있다. 오존은 그 자체로도 악취저감에 효용성이 있으나 HOCL을 활성화시켜 OH라디칼 발생을 도와 하이브리드 효과를 발생 시킬 수 있다.
축산 악취물질은 질소화합물인 암모니아와 트리메틸아민, 황화합물인 황화수소와 메틸머캅탑, 휘발성지방산인 아세트산, 프로피온산, 부티릭산, 이소-발레르산, 페놀류인 p-크레졸, 인돌류인 인돌 등이 있다. 이 중 대표적인 축산 악취물질인 암모니아와 황화수소의 OH 라디컬에 의한 분해 과정은 다음의 화학식 3 및 4과 같은 반응식으로 표현된다.
OH 라디컬은 강한 산화력을 가져 암모니아와 황화수소 외에 다른 축산 악취물질도 유사한 기작으로 제거하게 된다.
OH 라디컬에 의해 축산 악취물질이 제거된 유체는 하우징(20)의 상부를 통해 외부로 유출된다. 하우징(20)에서 유출된 유체는 축사 악취 제거용 복합 필터 (81)에서 필터링되어 유출 펌프(82)를 통해 외부로 유출된다.
축사 악취 제거용 복합 필터
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 축사 악취 제거용 복합 필터의 개략적 단면도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 축사 악취 제거용 복합 필터는 다공성 입자, 상기 다공성 입자에 첨착되며 악취 물질 제거를 촉진하는 전이금속 촉매, 및 상기 다공성 입자에 코팅된 잔류물질 제거용 가시광 촉매를 포함한다.
다공성 입자는 필터의 주요 구조를 형성하며, 악취 물질의 제거반응이 일어나는 부분이다. 다공성 입자로는 높은 비표면적을 가지는 것을 이용할 수 있으며, 예를 들어 활성탄, 실리카 겔, 제올라이트를 이용할 수 있다. 예컨대, 비표면적 900 ~ 1,100mg/g 특징을 가지는 활성탄을 이용할 수 있으며, 이외에도 석탄계, 야자계, 석유계 중에서 선택되는 활성탄 중에서 선택되는 것을 사용하는 것도 가능하다.
전이금속 촉매는 악취 물질의 제거 과정을 가속화하고 효율을 높이는 역할을 한다. 악취물질은 질소화합물인 암모니아와 트리메틸아민, 황화합물인 황화수소와 메틸머캅탑, 휘발성지방산인 아세트산, 프로피온산, 부티릭산, 이소-발레르산, 페놀류인 p-크레졸, 인돌류인 인돌 등이 있으며, 전이금속 촉매는 이와 같은 악취 물질을 제거한다. 전이금속 촉매로는 Fe, Ni, Mn 등이 있으며, 바람직하게는 Fe를 이용한다. 전이금속 촉매는 다공성 입자 100중량부에 대하여 1 내지 5 중량부로 포함될 수 있다. 전이금속 촉매가 1 중량부 미만인 경우 악취물질 제거능이 감소하며, 5 중량부를 초과할 경우 악취물질 제거능력 향상이 미미하다.
잔류물질 제거용 가시광 촉매는 다공성 입자의 기공에 잔류하는 잔류물을 제거하여 다공성 입자를 재사용 가능하도록 하는 역할을 한다.
축산 악취 제거 습식 세정탑에 본 발명의 축사 악취 제거용 복합 필터를 사용할 경우 시간이 지남에 따라 악취물질 제거 능력이 점차 약해지는 문제가 있다. 이처럼 악취물질의 제거 능력이 감소하는 주된 이유는 다공성 입자의 기공에 악취물질의 제거 과정에서 잔류 물질들이 기공을 막고, 전이금속 촉매의 표면에 피막이 형성되기 때문이다. 잔류 물질이나 피막은 단순히 물로 세정해서 제거되지 않기 때문에, 수명이 다한 필터는 수거하여 폐기하였다. 이처럼 필터의 악취물질 제거 능력이 떨어지면 종래에는 필터를 폐기해야만 하여, 경제적·환경적으로 부담이 되었다.
이에 본 발명에서는 전이금속 촉매가 첨착된 다공성 입자를 잔류물질 제거용 가시광 촉매로 코팅하여 손쉽게 재사용이 가능해진다. 즉, 수명이 다한 본 발명의 축사 악취 제거용 복합 필터를 차아염소산으로 세정하면서 가시광(태양광)을 조사하면 잔류물질 제거용 가시광 촉매가 다공성 입자의 표면과 기공에 존재하던 잔류물질을 분해되어 제거된다(화학식 5 참조).
또한, 잔류물질 제거용 가시광 촉매는 전이금속 촉매의 악취물질의 제거능력을 향상시키는 역할도 한다.
잔류물질 제거용 가시광 촉매로는 이산화티탄(TiO2), 블랙 이산화티탄(Black TiO2), 백금-이산화티타늄(Pt-TiO2), 백금-산화텅스텐(Pt-WO3), 산화아연(ZnO)으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나 일 수 있으며, 바람직하게는 블랙 이산화티탄일 수 있다. 잔류물질 제거용 가시광 촉매는 전이금속 촉매가 첨착된 다공성 입자의 100 중량부에 대하여 2 ~ 4 중량부를 포함할 수 있다. 잔류물질 제거용 가시광 촉매가 2 중량부 미만인 경우 세척하더라도 필터의 성능 회복이 부족하며, 4 중량부를 초과할 경우 전이금속 촉매의 악취물질 분해능을 오히려 저해한다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 축사 악취 제거용 복합 필터의 제조방법의 개략적 플로우 차트이다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 축사 악취 제거용 복합 필터의 제조방법은 다공성 입자를 마련하는 단계; 전이금속 촉매 분산액을 형성하는 단계; 상기 다공성 입자를 전이금속 촉매가 분산된 용액에 혼합하고, 열처리하여 상기 다공성 입자에 상기 전이금속 촉매를 첨착하는 단계; 상기 전이금속 촉매가 첨착된 다공성 입자에 잔류물질 제거용 가시광 촉매가 포함된 용액을 분사하고 건조하여 잔류물질 제거용 가시광 촉매를 건조하여, 상기 잔류물질 제거용 가시광 촉매가 코팅된 전이금속 촉매가 첨착 다공성 입자를 형성하는 단계;를 포함한다.
전이금속 촉매 분산액을 형성하는 단계에서 분산액은 전이금속 화합물을 용제에 혼합하여 500 내지1,000rpm으로 교반한 후, 그 이후에 초음파 처리를 50 ~ 60도의 온도에서 수행하여 형성된다. 전이금속 화합물로는 구리 화합물, 철 화합물, 마그네슘 화합물 및 망간 화합물 중 적어도 어느 하나를 이용할 수 있으며, 바람직하게는 철 화합물을 이용할 수 있다. 구리 화합물로써 질산구리 (Cu(NO3)2·3H2O), 피로인산구리 (Cu2P2O7·3H2O), 황산구리(CuSO4, 5H2O), 염화제일구리(CuCl), 염화제이구리(CuCl2 2H2O)으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 이용할 수 있다. 철 화합물로써 염화철(Ⅱ)(FeCl2)와 염화철(Ⅲ)(FeCl3), 황산철(Ⅱ) (FeSO4：보통 7수화물인 FeSO4·7H2O 형태로 이용)와 황산철(Ⅲ)(Fe2(SO4)3)으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 이용할 수 있다. 마그네슘 화합물로써 마그네슘 클로라이드(MgCl2), 마그네슘 나이트레이트(Mg(NO3)2·6H2O)으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 이용할 수 있다. 망간 화합물로써 더욱 상세하게 산화망간(MnO), 망간클로라이드(MnCl2), 망간 황산염(MnCO3)으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 이용할 수 있다. 교반은 고성능 임펠러를 이용할 수 있다. 초음파 처리를 통해 분산액 내 기포를 제거하여 원활한 촉매 첨착이 가능하도록 한다.
다공성 입자에 전이금속 촉매를 첨착하는 단계에서 열처리는 70 ~ 90 도의 온도에서 12시간동안 수행된다.
잔류물질 제거용 가시광 촉매가 코팅된 전이금속 촉매가 첨착 다공성 입자를 형성하는 단계에서는 잔류물질 제거용 가시광 촉매가 포함된 용액을 분사한 후에 70 ~ 90도의 온도에서 3 ~ 5시간 동안 건조하여 수행된다.
한편, 잔류물질 제거용 가시광 촉매가 블랙 이산화 티탄인 경우 아나타제 이산화티탄과 은을 이용하여 잔류물질 제거용 가시광 촉매를 형성할 수 있다. 증류수에 질산을 용해시키고, 계면활성제를 넣어 은이온 입자의 크기를 안정화시킨다. 그 다음 포름알데히드, 메탄올, ascorbic acid, NaBH4 중 적어도 하나의 환원제와 이산화티탄을 함께 넣고 반응시켜 블랙 이산화티탄을 형성한다. 반응이 완료된 후에 수분을 증발시키고 소성로에서 소성시켜 유기물 및 기타 불순물을 제거하고, 건조물을 분쇄하여 블랙 이산화티탄을 형성할 수 있다. 화이트 이산화티탄의 밴드갭은 3.2 eV인 것에 비해 블랙 이산화티탄의 밴드갭은 1.54 eV로 가시광선 하에서 재상용 촉매로 기능할 수 있다.
한편, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 축사 악취 제거용 복합 필터의 재사용 방법은 수명이 다한 축사 악취 제거용 복합 필터에 차아염소산수를 부어 세척하면서 태양광을 조사하여 수행된다.
실시예
먼저, 다공성 입자로 활성탄은 다공성 구조를 가지는 야자계 활성탄으로 비표면적이 1,100m2/g, 분체크기는 3~5mm 정도 되는 구형 또는 원통형 팰렛으로 pH가 4.5~7.5정도인 성형 활성탄을 준비하였다.
그 다음 전이금속 촉매 분산액을 준비하였다. 전이금속 촉매로는 구리(Cu), 철(Fe), 마그네슘(Mg) 및 망간(Mn)을 사용하였다.
전이금속 촉매 분산액을 준비하는 과정은 전이금속 화합물을 용제에 녹이고 교반한 후 초음파 처리하여 수행되었다.
실시예로 활성탄 100 중량부에 대해 5 중량부의 염화철(Ⅱ)(FeCl2)을 500내지1,000rpm의 교반속도로 교반하고, 그 후에 50hz 초음파로 온도를 55도로 유지하면서 처리하여 처리하여 전이금속 촉매 분산액을 준비하였다. 동일한 방법으로 질산구리 (Cu(NO3)2·3H2O), 마그네슘 클로라이드(MgCl2), 산화망간(MnO)으로 비교예의 전이금속 촉매 분산액을 준비하였다.
준비된 활성탄이 있는 반응기에 전이금속 혼합액을 투입하여, 수용액이 균일하게 분산되도록 첨착하였으며, 80도 조건에서 12시간 처리를 통해 제조를 하였다. (실시예 Fe-활성탄, 비교예 1(Raw 활성탄), 비교예2,(Cu-활성탄), 비교예3(Mn-활성탄), 비교예4(Mg-활성탄).
한편, 블랙 이산화티탄은 다음과 같이 준비하였다. 먼저 60g의 증류수에 4g의 AgNO₃을 혼합한다. 이 혼합물을 60℃에서 가열하여 AgNO₃을 완전히 용해시켰다. AgNO₃ 용액에 0.4g의 양이온 계면활성제 (예: CTAB, CPC, CPB)를 첨가한다. 계면활성제는 은 이온 입자의 크기를 조절하고 안정화한다. 이어서, 1g의 환원제 (포름알데히드, 메탄올, 아스코르브산, NaBH₄ 등)를 추가한다. 이때, AgNO₃ 대비 환원제의 비율은 약 2:1이며, 사용하는 환원제의 종류에 따라 비율이 달라질 수 있다. 혼합물에 8g의 아나타제 타입 TiO₂를 넣고, 혼합물을 수열합성 반응기에 넣어 200℃의 온도와 3 ~ 6bar의 압력 조건에서 58시간 동안 반응시킨다. 이 과정을 통해 Black TiO₂가 형성된다. 반응이 완료되면 건조기에서 수분을 증발시킨 후, 소성로에서 250℃ 조건 하에서 4시간 동안 소성하여 유기물 및 기타 불순물을 제거한다. TiO₂ 건조물을 볼밀로 분쇄하여 최종적으로 Black TiO₂ 산물을 얻는다.
준비한 블랙 이산화 티탄을 용제(예를 들어, 에탄올)에 분산시켰다. 그 다음 전이금속 촉매 첨착 활성탄 100 중량부에 대해 4 중량부의 잔류물질 제거용 가시광 촉매(Blakc TiO2)가 포함된 용액을 균일하게 분사한 뒤 80도 조건에서 4시간 건조하여 코팅을 수행하였다.
결과적으로 도 5과 같은 블랙 이산화티탄이 코팅된 전이금속 첨착 활성탄을 얻을 수 있었으며, 이를 허니콤에 충전하여 도 6과 같은 필터를 마련하였다.
실시예 및 비교예의 축사 악취 제거용 복합 필터의 성능을 평가하기 위해 파과실험을 수행하였다. 파과 실험은 내경 1/2 inch , 길이 15cm의 흡착 장치를 이용하였으며, 샘플을 충전한 양은 3 cm (Volume) 였다. 가스는 대표적 악취 물질인 황화수소(H2S)였으며, 농도 및 유량은 100 ppm, 1L/min이었다. 가스는 가스 분석기를 이용하여 분석하였다.
도 7는 실시예 및 비교예의 파과시험 결과를 도시한 것이다. 도 7에서 보는 바와 같이 실시예(Fe-활성탄)이 가장 뛰어난 악취물 제거 능력을 보였다.
다음으로는 잔류물질 제거용 가시광 촉매의 유무에 따른 재사용 성능을 평가하였다. 도 8은 실시예 및 비교예의 재사용에 따른 파과시험 결과를 도시한 것이다. 재사용은 악취 물질 제거 능력을 상실한 필터를 차아염소산으로 세척하면서 태양광에 노출시켜 수행되었다. 실시예는 잔류물질 제거용 가시광 촉매가 형성되어 있으며, 비교예 5는 실시예와 달리 잔류물질 제거용 가시광 촉매를 형성하지 않은 것이다.
도 8에서 보는 바와 같이 실시예의 축사 악취 제거용 복합 필터는 1회 재사용시에는 90 % 수준의 성능을 보였으며, 2회 재사용 시에도 70 % 수준의 성능을 보였다. 이에 비해 비교예 5의 경우 재사용 과정을 거치더라도 악취 물질 제거 능력이 거의 상실된 것을 알 수 있다. 또한, 실시예의 경우 잔류물질 제거용 가시광 촉매가 전이금속 촉매의 악취 물질 제거 능력 향상에 기여함을 알 수 있다.
본 발명의 보호범위가 이상에서 명시적으로 설명한 실시예의 기재와 표현에 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 자명한 변경이나 치환으로 말미암아 본 발명이 보호범위가 제한될 수도 없음을 다시 한번 첨언한다.

Claims (6)

  1. 기공이 형성된 다공성 입자;
    상기 다공성 입자에 첨착되며 악취 물질 제거를 촉진하는 전이금속 촉매; 및
    상기 다공성 입자에 코팅된 잔류물질 제거용 가시광 촉매;를 포함하는 악취 제거용 복합 필터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전이금속 촉매는 Fe 전이금속 촉매인 악취 제거용 복합 필터.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 잔류물질 제거용 가시광 촉매는 이산화티탄(TiO2), 블랙 이산화티탄(Black TiO2), 백금-이산화티타늄(Pt-TiO2), 백금-산화텅스텐(Pt-WO3), 산화아연(ZnO)으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나인 악취 제거용 복합 필터.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 잔류물질 제거용 가시광 촉매는 블랙 이산화티탄(Black TiO2)인 악취 제거용 복합 필터.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항의 악취 제거용 복합 필터의 수명이 다한 경우에 수명이 다한 상기 악취 제거용 복합 필터를 차아염소산으로 세척하면서 태양광을 조사하여 재사용하는 악취 제거용 복합 필터의 재사용 방법.
  6. 다공성 입자를 마련하는 단계;
    전이금속 촉매 분산액을 형성하는 단계;
    상기 다공성 입자를 전이금속 촉매가 분산된 용액에 혼합하고, 열처리하여 상기 다공성 입자에 상기 전이금속 촉매를 첨착하는 단계; 및
    상기 전이금속 촉매가 첨착된 다공성 입자에 잔류물질 제거용 가시광 촉매가 포함된 용액을 분사하고 건조하여 잔류물질 제거용 가시광 촉매를 건조하여, 상기 잔류물질 제거용 가시광 촉매가 코팅된 전이금속 촉매가 첨착 다공성 입자를 형성하는 단계;를 포함하는 악취 제거용 복합 필터의 제조방법.



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