WO2022154587A1 - 저농도 대기 오염 물질 선택적 검출 장치 - Google Patents

저농도 대기 오염 물질 선택적 검출 장치 Download PDF

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WO2022154587A1
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김상준
허일정
이진희
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한국화학연구원
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Definitions

  • the present invention relates to a low-concentration air pollutant selective detection device, and more particularly, to a low-concentration air pollutant selective detection device capable of detecting a low-concentration air pollutant with high sensitivity, and selectively detecting an air pollutant when necessary It relates to a detection device.
  • Air pollutants include trace substances that adversely affect living things or substances in the atmosphere, and can be divided into gaseous pollutants and dust.
  • the former includes sulfur dioxide and carbon monoxide, and the latter includes trace heavy metals, silicic acid, and organic materials.
  • An object of the present invention is to provide a detection device capable of selectively detecting various types of air pollutants as needed.
  • Another object of the present invention is to provide a detection device capable of high-sensitivity sensing of a sensor by concentrating and desorbing a small amount of air pollutants.
  • the apparatus for selectively detecting low-concentration air pollutants of the present invention includes: a sensor positioned in a flow path through which a gas moves to detect pollutants in the gas; and an adsorbent positioned in the flow path of the gas moving to the sensor and adsorbing contaminants in the gas, and desorption means positioned adjacent to the adsorbent and individually desorbing different contaminants from the adsorbent.
  • Concentrator for transferring to the sensor includes.
  • the adsorbent is arranged in plurality, and at least two or more are provided with different materials to adsorb different pollutants, and the desorption means includes each It is positioned adjacent to the adsorbent to desorb the contaminants adsorbed to each adsorbent.
  • the adsorbent may be a porous adsorption structure, installed to partition the flow path, and the desorption means may be installed to surround an outer circumferential surface of the adsorbent.
  • the desorption means is a heat generating structure, and is installed to partition the flow path, and the adsorbent may include an adsorbent coated on the surface of the heat generating structure. have.
  • the heating structure includes iron (Fe), chromium (Cr), aluminum (Al), nickel (Ni), platinum (Pt), and molybdenum (Mo).
  • tungsten (W) and tantalum (Ta) may be any one metal or an alloy thereof.
  • the heating structure may be any one of a silicon carbide (SiC)-based, molybdenum silicide (MoSi 2 )-based, carbon-based, and zirconia-based heating element.
  • the adsorbent material is silica gel, activated alumina, synthetic zeolite, charcoal, bone charcoal, activated carbon, metal organic frameworks (MOF), and supercrosslinked polymers (HPR). ; It may be any one or two or more selected from the group consisting of hypercrosslinked polymeric resin) and zeolites.
  • an apparatus for selectively detecting low-concentration air pollutants according to an embodiment of the present invention, comprising: a main line forming a main flow path through which a gas introduced from the outside moves to the sensor; the concentrator located in the main flow path; and a sub-line positioned between the concentrator and the sensor and forming a sub-channel branched from the main flow passage.
  • a plurality of concentrators may be provided and may be connected to each other in parallel to the main flow path.
  • the method for selectively detecting low-concentration air pollutants comprises: an adsorption mode comprising adsorbing different pollutants included in a gas to adsorbents of different materials included in the enrichment unit; and a desorption mode in which different contaminants are individually desorbed from the adsorbent by a desorption means positioned adjacent to the adsorbent and moved to a sensor.
  • the adsorption mode is a step in which a main flow path is opened and a gas is introduced into the concentrator located in the main flow path, and each adsorbent has different contamination a step of adsorbing the material, and discharging the gas passing through the adsorbent through a sub-channel branched from the main flow path, wherein the desorption mode is any one selected from desorption means located adjacent to each of the adsorbents; Desorption of contaminants from the adsorbent by at least two desorption means, moving the desorbed contaminants to a sensor along a main flow path, and measuring, by the sensor, information including the concentration of contaminants can
  • the desorption mode in the adsorption mode, when a predetermined time has elapsed, the desorption mode may proceed.
  • the apparatus for selectively detecting low-concentration air pollutants of the present invention enables high-sensitivity sensing of the sensor as a small amount of air pollutants are adsorbed and concentrated and then desorbed in large amounts by the concentrator provided with the adsorbent.
  • FIG. 1 is a front view of an apparatus for selectively detecting low-concentration air pollutants according to a first embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a partially cutaway perspective view showing the main part of the apparatus for selectively detecting low-concentration air pollutants shown in FIG. 1;
  • FIG. 3 is a partially cutaway perspective view showing the main part of a device for selectively detecting low-concentration air pollutants according to a second embodiment of the present invention
  • FIG. 4 is a perspective view of an apparatus for selectively detecting low-concentration air pollutants according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a photograph of an apparatus for selectively detecting low-concentration air pollutants according to an embodiment of the present invention.
  • 6 to 7 are results of pollutant detection through the apparatus for selectively detecting low-concentration air pollutants according to an embodiment of the present invention.
  • the unit used without special mention is based on the weight, for example, the unit of % or ratio means weight % or weight ratio, and weight % means any one component of the entire composition unless otherwise defined. It means % by weight in the composition.
  • the numerical range used herein includes the lower limit and upper limit and all values within the range, increments logically derived from the form and width of the defined range, all values defined therein, and the upper limit of the numerical range defined in different forms. and all possible combinations of lower limits. Unless otherwise defined in the specification of the present invention, values outside the numerical range that may occur due to experimental errors or rounding of values are also included in the defined numerical range.
  • 'comprising' is an open-ended description having an equivalent meaning to expressions such as 'comprising', 'containing', 'having' or 'characterized', and elements not listed in addition; Materials or processes are not excluded.
  • the apparatus for selectively detecting low-concentration air pollutants includes: a sensor positioned in a flow path through which a gas moves to detect pollutants in the gas; and an adsorbent positioned in the flow path of the gas moving to the sensor and adsorbing contaminants in the gas, and a desorption means positioned adjacent to the adsorbent to individually desorb different pollutants from the adsorbent.
  • Concentrate includes.
  • the apparatus for selectively detecting low-concentration air pollutants of the present invention enables high-sensitivity sensing of the sensor as a small amount of air pollutants are concentrated by the concentrator and then transferred to the sensor.
  • 1 to 2 show an apparatus for selectively detecting low-concentration air pollutants according to an embodiment of the present invention.
  • the apparatus for selectively detecting low-concentration air pollutants includes a main member 250 that forms a main flow path 250a through which gas introduced from the outside is moved to a sensor 650 . ), the enrichment unit 450 located in the main passage 250a, and the sub member 350 located between the enrichment unit 450 and the sensor 650 and forming a sub passage 350a branched from the main passage 250a. ) may be included.
  • the main member 250 forms the main flow path 250a, which is a passage through which the gas containing contaminants moves. It may be a formed body. That is, the main member 250 forms a main flow path 250a that is a passage through which the gas moves, and is not limited as long as it has a structure in which the concentrator 450 can be installed.
  • the main member 250 is opened and closed by the first valve 251 to control whether or not gas is supplied from the outside. Also, the main member 250 may be connected to a mass flow controller (MFC) 252 .
  • MFC mass flow controller
  • the gas introduced through the main member 250 is of a gaseous state containing contaminants, for example, may be an unpurified atmosphere (Atmosphere), but is not limited thereto.
  • the sensor 650 may be a known chemical sensor capable of detecting various contaminants.
  • a semiconductor gas sensor using an oxide semiconductor material an ionization gas sensor detecting VOC by ionizing it by colliding with electrons, or a catalytic combustion gas sensor using a catalyst such as palladium or platinum, or an alumina carrier can be exemplified.
  • the semiconductor-type gas sensor may be a sensor using a metal oxide such as SnO 2 , TiO 2 , ZrO and In 2 O 3 , using the surface reaction of the sensing body generated by adsorption and desorption of surrounding gas. It may be to measure the concentration and type of gas, but is not limited thereto.
  • a plurality of sensors may be provided according to the type and number of contaminants.
  • the concentrator 450 of the present invention is for adsorbing and concentrating various contaminants and then moving them to a sensor, and includes an adsorbent 460 capable of adsorbing contaminants and a desorption means 470 capable of desorption.
  • the adsorbent 460 may adsorb various contaminants or may adsorb any one type of contaminants.
  • the desorption means 470 may be positioned adjacent to each of the adsorbents 460 to individually desorb contaminants from the adsorbent 460 by heating the adsorbent. For example, when various contaminants having different desorption temperatures are attached to the adsorbent 450 made of one type of material, the contaminants may be individually desorbed by adjusting the temperature applied to the adsorbent 450 through the desorption means 470 .
  • a plurality of adsorbents are arranged, and at least two or more adsorbents 460 may adsorb different contaminants using different materials.
  • the desorption means 470 is provided in the same number as the adsorbent, and is located adjacent to each adsorbent to desorb the contaminants adsorbed to each adsorbent.
  • the adsorbent 460 made of a material capable of adsorbing the first contaminant and the desorption means 470 adjacent to the adsorbent 460 are operated. Only one pollutant may be transmitted to the sensor 650 and sensed.
  • the two types of contaminants are transferred to the sensor 650 by operating the two adsorbents 460 and the adjacent desorption means 470 to which the two types of contaminants are respectively adsorbed. have.
  • the concentrator 450 of the present invention can selectively deliver concentrated contaminants to the sensor 650 side, thereby improving the selectivity in sensing contaminants by the sensor 650, and at the same temperature. Since desorbed contaminants can also be separated and desorbed, sensing with higher selectivity is possible.
  • the concentrator 450 may include a plurality of adsorbents 460 installed inside the main member 250 and partitioning the main flow path 250a, as shown in the drawing. have.
  • the adsorbent 460 may be provided as a porous adsorption structure in which fine pores are formed so that the contaminants may be adsorbed by contact with the gas, but the gas may pass therethrough.
  • the specific surface area of the porous adsorption structure may be 500 to 5000 m 2 /g, more specifically 1000 to 3000 m 2 /g, but is not limited thereto.
  • the micropore size of the porous adsorption structure is not limited to meso-pores in the range of 2 to 50 nm or macropores in the range of 50 to 500 nm, but the pore volume is on average 0.1 to 5 cm 3 /g, specifically 0.2 to 3 cm 3 /g.
  • the adsorption capacity of the porous adsorption structure may be 10 to 2000 mg/g, specifically, 50 to 1500 mg/g.
  • the adsorbent 460 provided with the porous adsorption structure may be arranged in various ways, but may be spaced apart from each other at equal intervals along the movement direction of the gas in the main flow path 250a. Accordingly, when the desorption means 470 to be described later are installed adjacent to each adsorbent 460 , the location design can be easy so that one desorption means 470 affects only one adsorbent 460 . have.
  • the at least two or more adsorbents 460 of the concentrator 450 may adsorb different contaminants using different materials.
  • the concentrator 450 of the present invention assumes that the adsorbents 460 arranged along the gas movement direction of the main flow path 250a are sequentially first to third adsorbents 461, 463, and 465, , the first to third adsorbents 461 , 463 , and 465 may all be provided with different materials, whereas the first and third adsorbents 461 and 465 have the same material, the second adsorbent 463 . ) may be provided with a material different from the first and third adsorbents 461 and 465 .
  • the same type of contaminants may be adsorbed to the adsorbent 460 made of the same material, and different types of contaminants may be adsorbed to the adsorbent 460 made of a different material.
  • the first adsorbent 461 may be a hydrophilic material capable of adsorbing moisture advantageously, and the second adsorbent 463 may be provided as a hydrophobic material capable of advantageously adsorbing an organic solvent.
  • the first adsorbent 461 may contain any one or two or more materials selected from the group consisting of activated clay, silica gel, activated alumina, and synthetic zeolite, and the second adsorbent 463 is made of charcoal, bone charcoal and activated carbon. It may contain any one or two or more substances selected from the group consisting of.
  • the adsorbent 460 of the present invention is not limited thereto, and any conventional adsorbent 460 capable of adsorbing contaminants contained in a gas may be applied. It is provided with different materials so that different contaminants can be adsorbed.
  • the desorption means 470 is positioned adjacent to each of the adsorbents 460 in each of the plurality of adsorbents 460 to individually desorb contaminants from the adsorbent 460 , and removes the adsorbed material from the adsorbent 460 .
  • Conventional detachable means 470 that can be detached are all applicable. For example, it may be an air supply capable of desorbing contaminants adsorbed to the adsorbent 460 by supplying a carrier gas, or a vibrating body capable of desorbing contaminants by vibrating the adsorbent 460 .
  • the adsorbent 460 may be a heating element 472 for heating each of the adsorbents 460 to desorb contaminants from the adsorbent 460 .
  • the heating body 472 desorbs contaminants from the adsorbent 460 through heat supply, the desorption rate of contaminants is high. Accordingly, the low-concentration air pollutant concentration kit of the present invention may enable more rapid sensing.
  • the heating body 472 can be applied to any conventional heating body 472 capable of supplying thermal energy to heat the adsorbent 460, but preferably may be a resistor that generates Joule heat, and the resistor depends on whether power is applied. Accordingly, supply and interruption of thermal energy can be easily made, so that individual heating of each adsorbent 460 can be facilitated.
  • the heating body 472 is a ring-shaped member having a certain area, and may be positioned to surround the outer surface of the main member 250 in which each adsorbent is located.
  • the heating body 472 may be provided in the same number as n.
  • the first adsorbent 461 is located
  • the first heating element 471 formed to surround the outer surface of the main member 250
  • the second heating element 473 formed to surround the outer surface of the main member 250 in which the second adsorbent 463 is located
  • the third adsorbent It may be divided into a third heating body 475 formed to surround the outer surface of the main member 250 in which the 465 is located.
  • the shape and structure of the heating element 472 capable of heating the adsorbent 460 provided in plurality, such as a spiral hot wire and a linear hot wire, respectively, are not limited and can be applied.
  • the sub member 350 forms a sub-channel 350a branched from the main flow passage 250a, and allows the gas that has passed through the adsorbent 460 to be discharged to the outside without being moved to the sensor 650 .
  • it may be provided as a pipe member, but is not limited thereto.
  • the sub passage 350a of the sub member 350 may be opened and closed by the second valve 351 .
  • the second valve 351 When the second valve 351 is opened, the gas that has passed through the concentrator 450 may be discharged to the outside through the sub oil of the sub member 350 .
  • the second valve 351 is closed, the gas that has passed through the concentrator 450 may move to the sensor 650 .
  • the apparatus for selectively detecting low-concentration air pollutants including the concentrator 450 may be operated by the control unit 750 installed adjacent to the main flow path 250a.
  • the required power may be provided by the battery 850 installed adjacent thereto.
  • the control unit 750 and the battery 850 are located inside the same housing in the drawing, they may be respectively located in separate bodies.
  • FIG. 3 shows an apparatus for selectively detecting low-concentration air pollutants including a concentrator according to another embodiment of the present invention.
  • the desorption means of the concentrator may be provided as a heat generating structure 570
  • the adsorbent may be provided by coating an adsorbent 571 on the surface of the heat generating structure 570 .
  • Contaminants may be adsorbed in the concentrating portion in proportion to the surface area formed by the heating structure 570 by the adsorption material 571 coated on the surface of the heating structure 570 .
  • thermal energy may be uniformly transferred to the adsorption material 571 coated on the surface of the heat generating structure 570 . Due to this, a large amount of contaminants can be desorbed in a relatively short time, and high-sensitivity sensing can be performed quickly.
  • the heating structure 570 is installed to partition the main flow path 250a, and as shown in the drawing, a plurality of heating structures 570 may be arranged in a line.
  • the heating structure 570 is a resistor that generates Joule-Heating, iron (Fe), chromium (Cr), aluminum (Al), nickel (Ni), platinum (Pt), molybdenum (Mo), tungsten ( W) and tantalum (Ta) may be any one metal or an alloy thereof.
  • the heating structure may be any one of a silicon carbide (SiC)-based, molybdenum silicide (MoSi 2 )-based, carbon-based, and zirconia-based heating element, but is not limited thereto.
  • SiC silicon carbide
  • MoSi 2 molybdenum silicide
  • carbon-based and zirconia-based heating element
  • the shape of the heating structure 570 may be a monolith structure having a plurality of channels open in a direction parallel to the flow path formation direction of the main flow path, and specifically, a honeycomb-monolith structure may be provided.
  • Such a heating structure 570 may be arranged in various ways in the main flow path 250a, but may be arranged spaced apart at the same distance along the moving direction of the gas in the main flow path 250a as shown in the drawing. Accordingly, it is possible to prevent the adjacent heating structures 570 from interfering with each other.
  • the heating structures 570 may be coated with different adsorbent materials, respectively.
  • the heat generating structures 570 arranged along the gas movement direction of the main flow path 250a are sequentially first to third heat generating structures 571, 573, and 575
  • the first to third heat generation The structures 571, 573, and 575 may all be coated with different adsorbent materials.
  • the first and third heat generating structures 571 and 575 are provided with the same adsorption material
  • the second heat generating structure 573 is coated with an adsorption material different from the first and third heat generating structures 571 and 575.
  • the same type of adsorption material 561 is adsorbed to the heating structure 570 coated with the same adsorbent material, and different types of contaminants may be adsorbed to the heat generating structure 570 coated with a different adsorption material 561 . have.
  • the adsorbent 561 is not limited to an adsorbent that can be used as an adsorbent known in the art, but for example, the adsorbent is a hydrophilic material capable of adsorbing moisture advantageously or a hydrophobic material capable of advantageously adsorbing an organic solvent.
  • the adsorbent material is from the group consisting of silica gel, activated alumina, synthetic zeolite, charcoal, bone charcoal, activated carbon, metal organic frameworks (MOF), hypercrosslinked polymeric resin (HPR) and zeolites. It may contain any one or two or more selected substances.
  • the heating structure 570 is heated by electrical application, and the adsorbent material coated on the surface thereof Contaminants adsorbed to 561 may be desorbed.
  • the apparatus for selectively detecting low-concentration air pollutants of the present invention may include a plurality of concentrating units 450, wherein the concentrating units 450 are parallel to the main flow path 250a. can be connected to As such, the apparatus for selectively detecting low-concentration air pollutants in which a plurality of concentrators 450 are connected in parallel to the main flow path 250a can install various types of adsorbents, thereby selectively sensing various types of pollutants.
  • the apparatus for selectively detecting low-concentration air pollutants of the present invention described above has excellent sensing sensitivity as the concentrated pollutants are delivered to the sensor, and can selectively sense required pollutants.
  • the method for selectively detecting low-concentration air pollutants comprises: an adsorption mode comprising adsorbing different pollutants included in a gas to adsorbents of different materials included in the enrichment unit; and a de-turbidity mode in which contaminants are individually desorbed from the adsorbent by a desorption means positioned adjacent to the adsorbent, and the desorbed contaminants are moved to a sensor.
  • an adsorption mode comprising adsorbing different pollutants included in a gas to adsorbents of different materials included in the enrichment unit
  • a de-turbidity mode in which contaminants are individually desorbed from the adsorbent by a desorption means positioned adjacent to the adsorbent, and the desorbed contaminants are moved to a sensor.
  • the main flow path is opened and gas is introduced into the concentrator located in the main flow path, different contaminants are adsorbed to each adsorbent, and the gas passing through the adsorbent is branched from the main flow path. It may include a discharge step through Such an adsorption mode may be continuously performed for a predetermined time, and air pollutants may be concentrated in the concentrator. The execution time of the adsorption mode is not limited as long as the air pollutants can be sufficiently adsorbed to the adsorbent.
  • the desorption mode includes the steps of individually desorbing contaminants from the adsorbent by any one or two or more desorption means selected from desorption means positioned adjacent to each of the adsorbents, moving the desorbed contaminants to the sensor along the main flow path;
  • the sensor may include measuring information including the concentration of the contaminant.
  • the adsorption mode and the desorption mode may be selectively performed, but preferably, in the adsorption mode, the desorption mode may proceed after a predetermined period of time set so that the air pollutants can be sufficiently concentrated.
  • the first valve 251 installed in the main member 250 is opened, the external atmosphere is introduced along the main flow path 250a, and the concentrator 450 in which a plurality of adsorbents 460 are arranged in a line. ) pass through
  • the second valve 351 installed in the sub member 350 is opened, and the gas that has passed through the concentrator 450 moves through the sub flow path 350a and is discharged to the outside.
  • the adsorption mode may be maintained for a predetermined period of time during which the contaminants can be sufficiently adsorbed to the adsorbent 460 of the concentrator 450 .
  • the control unit performs the detachment mode.
  • the desorption mode the second valve 351 installed in the sub member 350 is closed, and the contaminants concentrated from the adsorbent 460 are desorbed by operating the heating body 472 serving as the desorption means 470 to supply thermal energy. do.
  • the concentrated contaminants may move to the sensor 650 instead of the sub-member 350 , and the main flow path 250a so that the contaminants can easily move to the sensor 650 .
  • a pump 651 connected to may be further provided, and the pump 651 operates.
  • only one of the first to third heating elements 471, 473, and 475 is operated to selectively desorb only one contaminant.
  • only two heating elements 472 of the first to third heating elements 471, 473, and 475 may be operated, and all of the first to third heating elements 471, 473, and 475 may be operated. can work.
  • a heat generating structure coated with zeolite H-beta (Sigma-Aldrich) on the surface as a concentration unit in the main flow path of the detection device according to an embodiment of the present invention
  • 1 ppm of toluene gas was injected into the main flow path.
  • Toluene gas was supplied through a fan.
  • the heating structure used was made of SiC, and a honeycomb monolith structure was used.
  • the sensor unit used a metal oxide-based electrical resistance change sensor.
  • FIG. 6 to 7 are graphs showing a comparison of toluene gas sensing values of the detection device according to the presence or absence of the enrichment unit of Example 1.
  • FIG. 6 is a toluene sensing value of the sensor unit when there is no enrichment unit
  • FIG. 7 is a toluene sensing value of Example 1.
  • SiC heating structure

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Abstract

본 발명은 저농도 대기 오염 물질 선택적 검출 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 저농도의 대기 오염 물질을 고감도로 검출할 수 있으며, 필요에 따라 대기기 오염물질을 선택적으로 검출할 수 있는 저농도 대기 오염물질 선택적 검출 장치에 관한 것이다. 본 발명의 저농도 대기 오염 물질 선택적 검출 장치는 기체가 이동하는 유로에 위치되어 기체 내 오염물질을 감지하는 센서; 및 상기 센서로 이동하는 기체의 유로에 위치하며 기체 내 오염물질이 흡착되는 흡착제, 상기 흡착제와 인접하게 위치하여 상기 흡착제로부터 서로 다른 오염물질을 개별 탈착시키는 탈착수단을 포함하여 농축된 오염물질을 상기 센서로 전달시키는 농축부;를 포함한다.

Description

저농도 대기 오염 물질 선택적 검출 장치
본 발명은 저농도 대기 오염 물질 선택적 검출 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 저농도의 대기 오염 물질을 고감도로 검출할 수 있으며, 필요에 따라 대기기 오염물질을 선택적으로 검출할 수 있는 저농도 대기 오염물질 선택적 검출 장치에 관한 것이다.
대기오염물질이란 생물이나 물질에 악영향을 끼치는 미량물질이 대기 중에 포함된 것으로, 가스 상태의 오염물질과 분진으로 나눌 수 있다. 전자에는 아황산가스, 일산화탄소 등이 있으며, 후자에는 미량중금속, 규산, 유기물질 등이 있다.
인체가 장시간 또는 고농도의 대기 오염물질에 노출될 시, 인체에 악영향을 끼칠 수 있음에 따라, 대기 오염물질을 측정 및 처리하기 위한 다양한 장치들이 개발되었다.
그러나, 종래 대기 오염물질을 측정하기 위한 보급형 감지 센서는 대부분 p.p.m. 범위까지 검출이 가능한 것으로, ppm 이하의 극미량의 대기 오염물질을 감지하기 어려움이 있었다. 이에, ppb, ppt 농도까지 감지할 수 있는 고감도 대기오염물질 센서가 개발되었으나, 고가로 실질적으로 보급하여 산업에 적용하기 어려웠다.
대한민국 등록특허 제10-1634653호 “분석대상가스 농축용 흡착제 및 제조방법, 분석대상가스의 검출방법”에는 미량의 독성가스를 흡착할 수 있는 흡착제 및 이의 검출방법이 개시되어 있으나, 발수성을 나타내는 흡착제를 통해 수분이 제외된 독성물질을 탈착하는 것으로, 측정하고자하는 독성물질이 매우 한정적이며, 농축단계, 회수단계, 제거단계 및 분석 단계 등 여러 단계를 거쳐 독성물질을 측정함에 따라, 분석 시간이 매우 오래 걸린다는 단점이 있다.
본 발명의 목적은 다종의 대기 오염물질을 필요에 따라 선택적으로 검출할 수 있는 검출 장치를 제공하는 것이다.
또한, 미량의 대기 오염물질을 농축한 후 탈착하여 센서의 고감도 센싱이 가능한 검출 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 저농도 대기오염물질 선택적 검출장치는 기체가 이동하는 유로에 위치되어 기체 내 오염물질을 감지하는 센서; 및 상기 센서로 이동하는 기체의 유로에 위치하며 기체 내 오염물질이 흡착되는 흡착제, 상기 흡착제와 인접하게 위치하며 상기 흡착제로부터 서로 다른 오염물질을 개별 탈착시키는 탈착수단을 포함하여 농축된 오염물질을 상기 센서로 전달시키는 농축부;를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 저농도 대기 오염물질 선택적 검출 장치에 있어서, 상기 흡착제는 복수개로 배열되되, 적어도 둘 이상은 서로 다른 소재로 구비되어 각각 다른 오염물질이 흡착되며, 상기 탈착수단은 각각의 흡착제와 인접하게 위치하여 각각의 흡착제에 흡착된 오염물질을 탈착시킬 수 있다.
발명의 일 실시예에 따른 저농도 대기 오염물질 선택적 검출 장치에 있어서, 상기 흡착제는 다공성 흡착구조체로, 상기 유로를 구획하도록 설치되고, 상기 탈착수단은 상기 흡착제의 외주면을 감싸도록 설치될 수 있다.
발명의 일 실시예에 따른 저농도 대기 오염물질 선택적 검출 장치에 있어서, 상기 탈착수단은 발열구조체로, 상기 유로를 구획하도록 설치되고, 상기 흡착제는 상기 발열구조체의 표면에 코팅된 흡착물질을 포함할 수 있다.
발명의 일 실시예에 따른 저농도 대기 오염물질 선택적 검출 장치에 있어서, 상기 발열구조체는 철(Fe), 크롬(Cr), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 백금(Pt), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W) 및 탄탈럼(Ta) 중 어느 하나의 금속 또는 이들의 합금일 수 있다.
발명의 일 실시예에 따른 저농도 대기 오염물질 선택적 검출 장치에 있어서, 상기 발열구조체는 탄화규소(SiC)계, 몰리브덴 실리사이드(MoSi2)계, 탄소계 및 지르코니아계 중 어느 하나의 발열체일 수 있다.
발명의 일 실시예에 따른 저농도 대기 오염물질 선택적 검출 장치에 있어서, 흡착물질은 실리카겔, 활성 알루미나, 합성비석, 목탄, 골탄, 활성탄, 금속유기구조체(MOF; metal organic frameworks), 초가교 고분자(HPR; hypercrosslinked polymeric resin) 및 제올라이트(zeolites)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상일 수 있다.
발명의 일 실시예에 따른 저농도 대기 오염물질 선택적 검출 장치에 있어서, 외부로부터 유입된 기체가 상기 센서로 이동되는 메인유로를 형성하는 메인라인; 상기 메인유로에 위치되는 상기 농축부; 및 상기 농축부와 상기 센서 사이에 위치하며 상기 메인유로로부터 분기된 서브유로를 형성하는 서브라인;을 포함할 수 있다.
발명의 일 실시예에 따른 저농도 대기 오염물질 선택적 검출 장치에 있어서, 상기 농축부는 복수개로 구비되며 메인유로에 상호 병렬로 연결될 수 있다.
본 발명의 저농도 대기 오염물질 선택적 검출 방법은 기체에 포함된 서로 다른 오염물질이 농축부에 포함된 서로 다른 소재의 흡착제에 각각 흡착되는 단계를 포함하는 흡착모드; 및 상기 흡착제에 인접하게 위치하는 탈착수단에 의해 상기 흡착제로부터 서로 다른 오염물질이 개별 탈착되어 센서로 이동하는 단계를 포함하는 탈착모드;를 포함하며, 상기 흡착모드 및 상기 탈착모드는 선택적으로 이루어진다.
본 발명의 일 실시예에 따른 저농도 대기 오염물질 선택적 검출 방법에 있어서, 상기 흡착모드는 메인유로가 개방되며 상기 메인유로에 위치하는 상기 농축부에 기체가 유입되는 단계, 상기 각 흡착제에 각각 다른 오염물질이 흡착되는 단계, 상기 흡착제를 통과한 기체가 상기 메인유로로부터 분기된 서브유로를 통해 배출되는 단계,를 포함하고, 상기 탈착모드는 상기 흡착제 각각에 인접하게 위치하는 탈착수단 중 선택된 어느 하나 또는 둘 이상의 탈착수단에 의해 상기 흡착제로부터 오염물질이 탈착되는 단계, 상기 탈착된 오염물질이 메인유로를 따라 센서로 이동하는 단계, 상기 센서가 오염물질의 농도를 포함하는 정보를 측정하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 저농도 대기오염 물질 선택적 검출 방법에 있어서, 상기 흡착모드 시, 설정된 일정 시간이 경과할 경우, 상기 탈착모드가 진행될 수 있다.
본 발명의 저농도 대기 오염물질 선택적 검출 장치는 흡착제가 구비된 농축부에 의해 미량의 대기 오염 물질이 흡착되어 농축된 후 다량으로 탈착됨에 따라 센서의 고감도 센싱이 가능하다.
또한, 탈착수단을 통해 필요에 따라 각 흡착제에 부착된 오염물질을 별도로 탈착시켜 오염물질의 선택적 센싱이 가능하다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 저농도 대기 오염 물질 선택적 검출 장치의 정면도,
도 2는 도 1에 도시된 저농도 대기 오염 물질 선택적 검출 장치의 요부를 도시한 일부 절개 사시도,
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 저농도 대기 오염 물질 선택적 검출 장치의 요부를 도시한 일부 절개 사시도,
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 저농도 대기 오염 물질 선택적 검출 장치의 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 저농도 대기 오염 물질 선택적 검출 장치의 사진,
도 6 내지 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 저농도 대기 오염 물질 선택적 검출 장치를 통한 오염 물질 검출 결과이다.
본 명세서에서 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 단수 형태는 문맥에서 특별한 지시가 없는 한 복수 형태도 포함하는 것으로 의도할 수 있다.
또한, 본 명세서에서 특별한 언급 없이 사용된 단위는 중량을 기준으로 하며, 일 예로 % 또는 비의 단위는 중량% 또는 중량비를 의미하고, 중량%는 달리 정의되지 않는 한 전체 조성물 중 어느 하나의 성분이 조성물 내에서 차지하는 중량%를 의미한다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 수치 범위는 하한치와 상한치와 그 범위 내에서의 모든 값, 정의되는 범위의 형태와 폭에서 논리적으로 유도되는 증분, 이중 한정된 모든 값 및 서로 다른 형태로 한정된 수치 범위의 상한 및 하한의 모든 가능한 조합을 포함한다. 본 발명의 명세서에서 특별한 정의가 없는 한 실험 오차 또는 값의 반올림으로 인해 발생할 가능성이 있는 수치범위 외의 값 역시 정의된 수치범위에 포함된다.
본 명세서의 용어, '포함한다'는 '구비한다', '함유한다', '가진다' 또는 '특징으로 한다' 등의 표현과 등가의 의미를 가지는 개방형 기재이며, 추가로 열거되어 있지 않은 요소, 재료 또는 공정을 배제하지 않는다.
본 발명의 저농도 대기 오염 물질 선택적 검출 장치는 기체가 이동하는 유로에 위치되어 기체 내 오염물질을 감지하는 센서; 및 센서로 이동하는 기체의 유로에 위치하며 기체 내 오염물질이 흡착되는 흡착제, 흡착제와 인접하게 위치하여 흡착제로부터 서로 다른 오염물질을 개별 탈착시키는 탈착수단을 포함하여 농축된 오염물질을 센서로 전달시키는 농축부;를 포함한다.
종래, 대기 오염물질 검출 장치는 미량의 오염물질을 측정하기 어려웠다. 이에, 흡착제에 오염물질을 농축시킨 후 탈착시켜 농축된 오염물질을 통해 센서의 센싱이 가능하도록 하였으나 여러 오염물질이 동시에 센서부로 이동함에 따라 센싱하고자 하는 특정 오염물질의 농도는 비교적 낮아 신뢰성 있는 결과를 얻기 어려웠다. 게다가, 측정을 필요로 하는 오염물질을 선택적으로 측정할 수 없어 각 오염물질에 따라 따로 센싱을 해야한다는 번거로움이 있었다. 또한, 농축단계, 회수단계, 제거 단계 및 분석단계등 여러 단계를 거쳐 독성물질을 측정함에 따라 분석 시간이 매우 오래 걸린다는 단점이 있다.
반면, 본 발명의 저농도 대기 오염 물질 선택적 검출 장치는 농축부에 의해 미량의 대기 오염 물질이 농축된 후 센서 측으로 전달됨에 따라, 센서의 고감도 센싱이 가능하다. 아울러, 본 발명은 선택적으로 타겟 오염 물질을 흡착시키고 탈착수단을 통해 각 흡착제에 부착된 서로 다른 오염물질을 필요에 따라 개별 탈착시킨 후 센서 전달할 수 있다. 이에, 오염물질의 선택적 센싱이 가능하다.
이하, 상기와 같은 본 발명의 일실시예에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1 내지 도 2에는 본 발명의 일 실시예에 따른 저농도 대기 오염 물질 선택적 검출 장치가 도시되어 있다.
도 1 내지 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 저농도 대기오염 물질 선택적 검출장치는 외부로부터 유입된 기체가 센서(650)로 이동되는 메인유로(250a)를 형성하는 메인부재(250), 메인유로(250a)에 위치되는 농축부(450) 및 농축부(450)와 센서(650) 사이에 위치하며 메인유로(250a)로부터 분기된 서브유로(350a)를 형성하는 서브부재(350)을 포함할 수 있다.
상세하게, 메인부재(250)는 오염물질이 포함된 기체가 이동하는 통로인 메인유로(250a)를 형성하는 것으로, 도면에 도시된 바와 같이 관부재로 구비될 수 있으나, 함체 등과 같이 내부공간이 형성된 본체일 수 있다. 즉, 메인부재(250)는 기체가 이동하는 통로인 메인유로(250a)를 형성하며, 농축부(450)가 설치될 수 있는 구조라면 한정되지 않는다. 메인부재(250)는 제1밸브(251)에 의해 개폐되어 외부로부터 기체의 공급 여부를 조절할 수 있다. 또한, 메인부재(250)는 질량 유량 제어기(Mass Flow Controller, MFC)(252)와 연결될 수 있다. 메인부재(250)를 통해 유입된 기체는 오염물질이 포함된 기상의 것으로, 예를 들어 정화되지 않은 대기(Atmosphere)일 수 있으나 이에 한정 되지 않는다.
센서(650)는 구체적으로, 각종 오염물질을 감지할 수 있는 공지의 화학센서일 수 있다. 예를 들어, 산화물 반도체 재료를 사용하는 반도체식 가스센서, VOC를 전자와 충돌하여 이온화시켜 검출하는 이온화식 가스센서 또는 팔라듐, 백금 같은 촉매, 알루미나 담체를 이용한 접촉 연소식 가스센서가 예시될 수 있다. 구체적인 일 예로, 반도체식 가스센서는 SnO2, TiO2, ZrO 및 In2O3와 같은 금속 산화물을 이용한 센서일 수 있으며, 주위 가스의 흡착 및 탈착에 의해 발생하는 감지체의 표면반응을 이용하여 가스의 농도 및 종류를 측정하는 것일 수 있으나, 이에 제한받지 않는다. 센서는 도면에 도시된 바와 달리 오염물질의 종류 및 갯수에 따라 복수개로 구비될 수 있다.
본 발명의 농축부(450)는 각종 오염물질을 흡착하여 농축시킨 후 센서로 이동시키기 위한 것으로, 오염물질을 흡착할 수 있는 흡착제(460) 및 탈착할 수 있는 탈착수단(470)을 포함한다. 흡착제(460)는 다양한 오염물질을 흡착시키거나 어느 한 종류의 오염물질을 흡착시킬 수 있다. 탈착수단(470)은 흡착제(460) 각각에 인접하게 위치하여 흡착제를 가열시켜 흡착제(460)로부터 오염물질을 개별 탈착시킬 수 있다. 일 예로, 한 종류의 소재로 이루어진 흡착제(450)에 탈착 온도가 다른 다양한 오염물질이 부착되었을 경우, 탈착수단(470)을 통해 흡착제(450)에 가해지는 온도를 조절하여 오염물질이 개별 탈착될 수 있다.
이와 달리, 흡착제는 복수개로 배열되되, 적어도 둘 이상의 흡착제(460)는 서로 다른 소재로 각각 서로 다른 오염물질이 흡착될 수 있다. 이때 탈착수단(470)은 흡착제와 동일한 개수로 구비되며, 각 흡착제와 인접하게 위치하여, 각 흡착제에 흡착된 오염물질을 탈착 시킬 수 있다.
구체적으로, 어느 한 종류의 오염물질(이하, 제1오염물질)만을 센싱하고자 할 때, 제1오염물질을 흡착할 수 있는 소재로 이루어진 흡착제(460)와 인접한 탈착수단(470)을 작동시켜 제1오염물질 만을 센서(650)로 전달하여 센싱할 수 있다. 아울러, 둘 이상의 종류를 센싱할 시엔 두 종류의 오염물질이 각각 흡착된 두 개의 흡착제(460)와 인접한 탈착수단(470)을 작동시켜 두 종류의 오염물질을 센서(650)로 전달하여 센싱할 수 있다. 이와 같은 본 발명의 농축부(450)는 농축된 오염물질을 선택적으로 센서(650)측으로 전달할 수 있음에 따라, 센서(650)의 오염 물질 센싱에 있어 선택도를 향상시킬 수 있으며, 동일한 온도에서 탈착되는 오염물질들도 구분하여 탈착할 수 있음에 따라 더욱 더 선택성이 높은 센싱이 가능하도록 한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 농축부(450)는 도면에 도시된 바와 같이, 메인유로(250a)를 구획하며, 메인부재(250) 내부에 설치되는 다수개의 흡착제(460)를 포함할 수 있다. 흡착제(460)는 기체와 접촉하여 오염물질이 흡착될 수 있되 기체가 통과할 수 있도록 미세한 기공이 형성된 다공성 흡착구조체로 구비될 수 있다.
구체적으로 다공성 흡착구조체의 비표면적은 500 내지 5000 m2/g, 더욱 구체적으로 1000 내지 3000m2/g 일 수 있으나 이에 한정되진 않는다. 다공성 흡착구조체의 미세기공 크기는 2 내지 50 ㎚ 범위의 메조포어(meso-pore) 또는 50 내지 500 ㎚ 범위의 매크로포어(macropores)로 기공 크기가 한정되진 않으나, 기공 부피(pore volume)는 평균 0.1 내지 5cm3/g, 상세하게 0.2 내지 3 cm3/g 일 수 있다. 또한, 다공성 흡착구조체의 흡착량(adsorption capacity)은 10 내지 2000mg/g, 구체적으로, 50 내지 1500 mg/g 일 수 있다.
이처럼 다공성 흡착구조체로 구비된 흡착제(460)는 다양한 방식으로 배열될 수 있으나, 메인유로(250a)에서 기체의 이동방향을 따라 동일 간격으로 이격되어 배열될 수 있다. 이에, 후술할 탈착수단(470)이 각각의 흡착제(460)에 인접하게 각각 설치될 시, 하나의 탈착수단(470)이 하나의 흡착제(460)에 만 영향을 끼치도록 위치 설계가 용이할 수 있다.
상술한 바와 같이 농축부(450)의 적어도 둘 이상의 흡착제(460)는 상이한 소재로 각각 상이한 오염물질이 흡착될 수 있다. 구체적으로, 본 발명의 농축부(450)는 메인유로(250a)의 기체 이동방향을 따라 나열된 흡착제(460)를 순차적으로 제 1 내지 제3 흡착제(461)(463)(465)라 가정할 시, 제1 내지 제3 흡착제(461)(463)(465)는 모두 상이한 소재로 구비될 수 있으며, 이와 달리, 제1 및 제3 흡착제(461)(465)는 동일한 소재, 제2 흡착제(463)는 제1 및 제3흡착제(461)(465)와 다른 소재로 구비될 수 있다. 이와 같은 농축부(450)는 동일한 소재로 구비된 흡착제(460)에는 동일한 종류의 오염물질이 흡착되며, 다른 소재로 구비된 흡착제(460)에는 다른 종류의 오염물질이 흡착될 수 있다.
일 예로, 제1 흡착제(461)는 수분을 유리하게 흡착할 수 있는 친수성 물질일 수 있으며, 제2 흡착제(463)는 유기용제를 유리하게 흡착할 수 있는 소수성 물질로 구비될 수 있다. 구체적으로, 제1 흡착제(461)는 활성백토, 실리카겔, 활성 알루미나 및 합성비석으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 또는 둘 이상의 물질을 함유할 수 있으며, 제 2 흡착제(463)는 목탄, 골탄 및 활성탄으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 또는 둘 이상의 물질을 함유할 수 있다. 본 발명의 흡착제(460)는 이에 한정되지 않고 기체에 함유된 오염물질을 흡착할 수 있는 종래 흡착제(460)는 모두 적용이 가능하나, 복수개로 구비되는 흡착제(460) 중 적어도 두 개 이상은 서로 다른 소재로 구비되어 서로 다른 오염물질이 흡착될 수 있도록 한다.
탈착수단(470)은 복수개로 구비된 흡착제(460) 각각에 흡착제(460) 각각에 인접하게 위치하여 흡착제(460)로부터 오염물질을 개별 탈착시킬 수 있는 것으로, 흡착제(460)로부터 흡착된 물질을 탈착시킬 수 있는 종래 탈착수단(470)은 모두 적용이 가능하다. 예를 들어, 캐리어 가스를 공급하여 흡착제(460)에 흡착된 오염물질을 탈착할 수 있는 에어공급기, 흡착제(460)를 진동시켜 오염물질을 탈착할 수 있는 진동체 일 수 있다. 바람직하게는 흡착제(460) 각각을 가열시켜 흡착제(460)로부터 오염물질을 탈착시키는 가열체(472)일 수 있다. 이와 같은 가열체(472)는 열공급을 통해 흡착제(460)로부터 오염물질을 탈착시킴에 따라, 오염물질의 탈착속도가 빠르다. 이에, 본 발명의 저농도 대기 오염물질 농축 키트는 더욱 신속한 센싱이 가능할 수 있다.
가열체(472)는 흡착제(460)를 가열시킬 수 있도록 열에너지를 공급할 수 있는 종래 가열체(472) 모두 적용이 가능하나 바람직하게는 줄열을 발생하는 저항체일 수 있으며, 저항체는 전원의 인가 여부에 따라 손쉽게 열에너지의 공급 및 중단이 이루어져, 각 흡착제(460)의 개별 가열이 용이할 수 있다. 가열체(472)는 도면에 도시된 바와 같이, 일정한 면적을 가지는 링형상의 부재로, 각각의 흡착체가 위치하는 메인부재(250)의 외측면을 감싸도록 위치될 수 있다.
가열체(472)는 흡착제(460)가 n개 구비될 시, 이와 동일한 개수인 n개로 구비될 수 있다. 구체 예로, 흡착제(460)가 3개 구비되고, 기체의 이동방향을 따라 순차적으로 제 1 내지 제3 흡착제(461)(463)(465)라 가정할 시, 제1흡착제(461)가 위치하는 메인부재(250) 외측면을 감싸도록 형성된 제1가열체(471), 제2흡착제(463)가 위치하는 메인부재(250) 외측면을 감싸도록 형성된 제2가열체(473), 제3흡착제(465)가 위치하는 메인부재(250) 외측면을 감싸도록 형성하는 제3가열체(475)로 구분될 수 있다. 도면에 도시된 바와 달리, 가열체(472)는 나선형 열선, 선형 열선 등 복수개로 구비된 흡착제(460)를 각각 가열시킬 수 있는 형상 및 구조는 한정되지 않고 적용이 가능하다.
서브부재(350)은 메인유로(250a)로부터 분기된 서브유로(350a)를 형성하는 것으로, 흡착제(460)를 통과한 기체가 센서(650)로 이동되지 않고 외부로 배출되게 한다. 도면에 도시된 바와 같이 관부재로 구비될 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 서브부재(350)의 서브유로(350a)는 제2밸브(351)에 의해 개폐될 수 있다. 제2밸브(351)가 개방되면 농축부(450)를 통과한 기체는 서브부재(350)의 서브유를 통해 외부로 배출될 수 있다. 이와 달리, 제2밸브(351)가 폐쇄되면 농축부(450)를 통과한 기체는 센서(650)로 이동할 수 있다.
이와 같은 농축부(450)를 포함하는 저농도 대기 오염물질 선택적 검출 장치는 메인유로(250a)에 인접하게 설치되는 제어부(750)에 의해 작동될 수 있다. 또한, 이와 인접하게 설치되는 배터리(850)에 의해 필요한 전력을 제공받을 수 있다. 도면에는 제어부(750) 및 배터리(850)가 동일한 하우징 내부에 위치하나, 이와 달리 각각 별도의 본체에 위치될 수 있다.
도 3에는 본 발명의 다른 실시예에 따른 농축부를 포함하는 저농도 대기 오염물질 선택적 검출장치가 도시되어 있다.
도 3을 참조하면 농축부의 탈착수단은 발열구조체(570)로 구비될 수 있으며, 흡착제는 발열구조체(570) 표면에 흡착제(571)가 코팅되어 구비될 수 있다. 이와 같은 농축부는 발열구조체(570)의 표면에 코팅된 흡착물질(571)에 의해, 발열구조체(570)가 형성하는 표면적에 비례하여 오염물질이 흡착될 수 있다. 또한, 흡착물질(571)에 오염물질이 농축된 후, 발열구조체(570)가 발열될 시, 발열구조체(570) 표면에 코팅된 흡착물질(571)에 균일하게 열에너지가 전달될 수 있다. 이로 인해, 비교적 빠른시간에 다량의 오염물질이 탈착될 수 있으며, 고감도 센싱이 빠르게 이루어질 수 있다.
구체적으로, 발열구조체(570)는 메인유로(250a)를 구획하도록 설치되는 것으로, 도면에 도시된 바와 같이 다수개가 일렬로 배열되어 구비될 수 있다.
발열구조체(570)는 줄열(Joule-Heating)을 발생하는 저항체로, 철(Fe), 크롬(Cr), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 백금(Pt), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W) 및 탄탈럼(Ta) 중 어느 하나의 금속 또는 이들의 합금일 수 있다. 또는 발열구조체는 탄화규소(SiC)계, 몰리브덴 실리사이드(MoSi2)계, 탄소계 및 지르코니아계 중 어느 하나의 발열체일 수 있으나, 이에 한정되진 않는다. 일예 로, SiC로 이루어져 일 수 있다. 발열구조체(570)의 형태는 메인유로의 유로형성 방향과 나란 방향으로 오픈된 다수의 채널을 갖는 모노리스(monolith) 구조를 할 수 있으며, 구체적으로, 허니컴-모노리스 구조로 구비될 수 있다.
이와 같은 발열구조체(570)는 메인유로(250a)내에 다양한 방식으로 배열될 수 있으나, 도면에 도시된 바와 같이 메인유로(250a)에서 기체의 이동방향을 따라 동일 간격으로 이격되어 배열될 수 있다. 이에, 상호 인접한 발열구조체(570)가 서로 간섭하는 것을 방지할 수 있다.
이때, 발열구조체(570)들은 상이한 흡착물질이 각각 코팅될 수 있다. 구체적으로, 메인유로(250a)의 기체 이동방향을 따라 나열된 발열구조체(570)를 순차적으로 제 1 내지 제3 발열구조체(571)(573)(575)라 가정할 시, 제1 내지 제3 발열구조체(571)(573)(575)는 모두 상이한 흡착물질이 코팅될 수 있다. 이와 달리, 제1 및 제3 발열구조체(571)(575)는 동일한 흡착물질, 제2 발열구조체(573)는 제1 및 제3 발열구조체(571)(575)와 다른 흡착물질이 코팅되어 구비될 수 있다. 이처럼, 동일한 흡착물질로 코팅된 발열구조체(570)는 동일한 종류의 흡착물질(561)이 흡착되며, 다른 흡착물질(561)로 코팅된 발열구조체(570)에는 다른 종류의 오염물질이 흡착될 수 있다.
흡착물질(561)은 당업계에 알려진 흡착제로 사용 가능한 흡착물질은 한정되지 않으나, 일 예로 흡착물질은 수분을 유리하게 흡착할 수 있는 친수성 물질 또는 유기용제를 유리하게 흡착할 수 있는 소수성 물질로 구비될 수 있다. 구체적으로, 흡착물질은 실리카겔, 활성 알루미나, 합성비석, 목탄, 골탄, 활성탄, 금속유기구조체(MOF; metal organic frameworks), 초가교 고분자(HPR; hypercrosslinked polymeric resin) 및 제올라이트(zeolites) 으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 또는 둘 이상의 물질을 함유할 수 있다.
이와 같은 흡착물질(561)이 코팅된 발열구조체(570)를 포함하는 농축부를 구비하는 저농도 대기 오염물질 선택적 검출 장치는 전기적 인가에 의해 발열구조체(570)가 발열되며, 이의 표면에 코팅된 흡착물질(561)에 흡착된 오염물질이 탈착될 수 있다.
이와 같은 본 발명의 저농도 대기 오염물질 선택적 검출 장치는 도 4에 도시된 바와 같이, 복수개의 농축부(450)가 구비될 수 있으며, 이때, 농축부(450)는 메인유로(250a)에 상호 병렬로 연결될 수 있다. 이처럼 메인유로(250a)에 다수개의 농축부(450)가 병렬 연결된 저농도 대기 오염물질 선택적 검출 장치는 다양한 종류의 흡착제 설치가 가능하여 더욱 더 다양한 종류의 오염물질을 선택적으로 센싱할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 저농도 대기 오염물질 선택적 검출 장치는 센서에 농축된 오염물질이 전달됨에 따라 우수한 센싱 감도를 가짐과 동시에, 필요로 하는 오염물질을 선택적으로 센싱할 수 있다.
본 발명의 저농도 대기 오염물질 선택적 검출 방법은 기체에 포함된 서로 다른 오염물질이 농축부에 포함된 서로 다른 소재의 흡착제에 각각 흡착되는 단계를 포함하는 흡착모드; 및 흡착제에 인접하게 위치하는 탈착수단에 의해 흡착제로부터 오염물질이 개별 탈착되며 탈착된 오염물질이 센서로 이동하는 단계로 포함하는 탈탁모드를 포함하는 것으로 흡착모드 및 탈착모드는 선택적으로 이루어질 수 있다. 이와 같은 검출 방법은 농축된 오염물질을 필요에 따라 종류별로 선택적으로 센싱이 가능하다.
구체적으로 흡착모드는 메인유로가 개방되며 메인유로에 위치하는 농축부에 기체가 유입되는 단계, 각 흡착제에 각각 다른 오염물질이 흡착되는 단계, 흡착제를 통과한 기체가 메인유로로부터 분기된 서브유로를 통해 배출단계를 포함할 수 있다. 이와 같은 흡착모드는 일정시간 동안 연속적으로 진행되며, 농축부에 대기 오염물질이 농축될 수 있다. 흡착모드의 수행시간은 흡착제에 대기 오염물질이 충분히 흡착될 수 있는 시간이라면 한정되지 않고 진행될 수 있다.
탈착모드는 상기 흡찰제 각각에 인접하게 위치하는 탈착수단 중 선택된 어느 하나 또는 둘 이상의 탈착수단에 의해 흡착제로부터 오염물질이 개별 탈착되는 단계, 탈착된 오염물질이 메인유로를 따라 센서로 이동하는 단계, 센서가 오염물질의 농도를 포함하는 정보를 측정하는 단계를 포함할 수 있다. 이와 같은 흡착모드 및 탈착모드는 선택적으로 수행될 수 있으나 바람직하게는 흡착모드 시, 대기 오염물질이 충분히 농축될 수 있도록 설정된 일정 시간이 경과한 후, 탈착모드가 진행될 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 저농도 대기 오염물질 선택적 검출 장치의 일 실시예 따른 검출방법에 대해 상세히 설명한다.
제어부의 흡착모드 시, 메인부재(250)에 설치된 제1밸브(251)가 개방되며, 외부 대기가 메인유로(250a)를 따라 유입되고 다수의 흡착제(460)가 일렬로 배열된 농축부(450)를 통과한다. 아울러, 서브부재(350)에 설치된 제2밸브(351)가 개방되며, 농축부(450)를 통과된 기체가 서브유로(350a)를 통해 이동하여 외부로 배출된다. 농축부(450)의 흡착제(460)에 오염물질이 충분히 흡착될 수 있는 일정 시간동안 흡착모드를 유지할 수 있다.
이후 설정된 일정 시간이 경과되면 제어부는 탈착모드를 수행한다. 탈착모드 시, 서브부재(350)에 설치된 제2밸브(351)가 폐쇄되고, 탈착수단(470)인 가열체(472)를 작동시켜 열에너지를 공급함으로써 흡착제(460)로부터 농축된 오염물질이 탈착된다. 제2밸브(351)가 폐쇄됨에 따라, 농축된 오염물질은 서브부재(350)이 아닌 센서(650)로 이동할 수 있으며, 센서(650)로 오염물질이 용이하게 이동할 수 있도록 메인유로(250a)와 연결된 펌프(651)가 더 구비될 수 있으며, 펌프(651)가 작동한다. 탈착모드 시, 센싱하고자 하는 오염물질의 종류에 따라, 제1 내지 제3 가열체(471)(473)(475) 중 어느 한 가열체(472)만 작동시켜 선택적으로 한 오염물질만 탈착시킬 수 있다. 이와 달리, 제1 내지 제3 가열체(471)(473)(475) 중 두 개의 가열체(472)만 작동시킬 수 있고, 제1 내지 제3 가열체(471)(473)(475) 모두를 작동시킬 수 있다.
이하 실시예를 통해 본 발명에 대하여 더욱 상세히 설명한다. 다만 하기 실시예는 본 발명을 상세히 설명하기 위한 하나의 참조일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 여러 형태로 구현될 수 있다.
또한 달리 정의되지 않은 한, 모든 기술적 용어 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 당업자 중 하나에 의해 일반적으로 이해되는 의미와 동일한 의미를 갖는다. 본원에서 설명에 사용되는 용어는 단지 특정 실시예를 효과적으로 기술하기 위함이고 본 발명을 제한하는 것으로 의도되지 않는다.
(실시예 1)
도 5에 도시된 바와 같이, 표면에 제올라이트 H-beta(Sigma-Aldrich)가 코팅된 발열구조체를 농축부로써 본 발명의 일 실시예에 따른 검출장치의 메인유로에 설치한 후, 상온에서, 1 ppm의 톨루엔 가스를 메인유로에 주입하였다. 톨루엔 가스는 fan를 통해 공급되었다. 사용된 발열구조체는 SiC으로 이루어졌으며, 허니컴 모노리스 구조인 것을 사용하였다. 센서부는 상용적으로 판매되는 TVOC 센서로 금속산화물기반 전기저항변화식 센서를 활용하였다.
도 6 내지 7은 실시예 1의 농축부 유무에 따른 검출장치의 톨루엔 가스 센싱값 비교를 나타내는 그래프이다. 구체적으로, 도 6은 농축부가 없을 시, 센서부의 톨루엔 센싱값이며, 도 7은 실시예 1의 톨루엔 센싱값이다. 더욱 구체적으로, 15 분동안 상온에서 톨루엔을 흡착 농축 시킨 후 발열구조체(SiC)에 전압을 가하여 가열시켜 주어 농축된 톨루엔을 탈착 시켜 센서부에 농축 톨루엔을 공급하였다.
도 7에서 확인할 수 있듯이 가열을 180 ℃로 하였을 때 농축(흡착)된 톨루엔의 탈착으로 센서의 감지부에 고농도의 톨루엔이 주입되어 감도가 0.2 정도 반응 함을 확인하였고, 탈착 온도를 250 ℃로 가져갔을 때 감도 값 2가 넘는 검출이 가능하였다. 즉, 본 발명의 검출장치를 통해 저농도의 대기오염물질의 고감도 센싱이 가능함을 확인할 수 있었다.
이상과 같이 본 발명에서는 특정된 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (12)

  1. 기체가 이동하는 유로에 위치되어 기체 내 오염물질을 감지하는 센서; 및
    상기 센서로 이동하는 기체의 유로에 위치하며 기체 내 오염물질이 흡착되는 흡착제, 상기 흡착제와 인접하게 위치하며 상기 흡착제로부터 서로 다른 오염물질을 개별 탈착시키는 탈착수단을 포함하여 농축된 오염물질을 상기 센서로 전달시키는 농축부;를 포함하는 저농도 대기 오염물질 선택적 검출 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 흡착제는 복수개로 배열되되, 적어도 둘 이상은 서로 다른 소재로 구비되어 각각 다른 오염물질이 흡착되며,
    상기 탈착수단은 각각의 흡착제와 인접하게 위치하여 각각의 흡착제에 흡착된 오염물질을 탈착시키는 저농도 대기 오염물질 선택적 검출 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 흡착제는 다공성 흡착구조체로, 상기 유로를 구획하도록 설치되고,
    상기 탈착수단은 상기 흡착제의 외주면을 감싸도록 설치되는 저농도 대기 오염물질 선택적 검출 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 탈착수단은 발열구조체로, 상기 유로를 구획하도록 설치되고,
    상기 흡착제는 상기 발열구조체의 표면에 코팅된 흡착물질을 포함하는 저농도 대기 오염물질 선택적 검출 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 발열구조체는 철(Fe), 크롬(Cr), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 백금(Pt), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W) 및 탄탈럼(Ta) 중 어느 하나의 금속 또는 이들의 합금인 저농도 대기 오염물질 선택적 검출 장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 발열구조체는 탄화규소(SiC)계, 몰리브덴 실리사이드(MoSi2)계, 탄소계 및 지르코니아계 중 어느 하나의 발열체인 저농도 대기 오염물질 선택적 검출장치.
  7. 제4항에 있어서,
    흡착물질은 실리카겔, 활성 알루미나, 합성비석, 목탄, 골탄, 활성탄, 금속유기구조체(MOF; metal organic frameworks), 초가교 고분자(HPR; hypercrosslinked polymeric resin) 및 제올라이트(zeolites)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상인 저농도 대기 오염물질 선택적 검출장치.
  8. 제1항에 있어서,
    외부로부터 유입된 기체가 상기 센서로 이동되는 메인유로를 형성하는 메인라인;
    상기 메인유로에 위치되는 상기 농축부; 및
    상기 농축부와 상기 센서 사이에 위치하며 상기 메인유로로부터 분기된 서브유로를 형성하는 서브라인;을 포함하는 저농도 대기 오염물질 선택적 검출 장치.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 농축부는 복수개로 구비되며 메인유로에 상호 병렬로 연결되는 저농도 대기 오염물질 선택적 검출 장치.
  10. 기체에 포함된 서로 다른 오염물질이 농축부에 포함된 서로 다른 소재의 흡착제에 각각 흡착되는 단계를 포함하는 흡착모드; 및
    상기 흡착제에 인접하게 위치하는 탈착수단에 의해 상기 흡착제로부터 서로 다른 오염물질이 개별 탈착되어 센서로 이동하는 단계를 포함하는 탈착모드;를 포함하며,
    상기 흡착모드 및 상기 탈착모드는 선택적으로 이루어지는 저농도 대기 오염 물질 선택적 검출 방법.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 흡착모드는
    메인유로가 개방되며 상기 메인유로에 위치하는 상기 농축부에 기체가 유입되는 단계, 상기 각 흡착제에 각각 다른 오염물질이 흡착되는 단계, 상기 흡착제를 통과한 기체가 상기 메인유로로부터 분기된 서브유로를 통해 배출되는 단계,를 포함하고,
    상기 탈착모드는
    상기 흡착제 각각에 인접하게 위치하는 탈착수단 중 선택된 어느 하나 또는 둘 이상의 탈착수단에 의해 상기 흡착제로부터 오염물질이 탈착되는 단계, 상기 탈착된 오염물질이 메인유로를 따라 센서로 이동하는 단계, 상기 센서가 오염물질의 농도를 포함하는 정보를 측정하는 단계를 포함하는 저농도 대기 오염물질 선택적 검출 방법.
  12. 제 10항에 있어서,
    상기 흡착모드 시, 설정된 일정 시간이 경과할 경우, 상기 탈착모드가 진행되는 저농도 대기 오염 물질 선택적 검출 방법.
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