KR101994361B1 - 오존분해용 촉매구조체, 이를 이용한 공기정화방법, 및 상기 오존분해용 촉매구조체를 포함한 공기정화장치 및 공기정화시스템 - Google Patents

오존분해용 촉매구조체, 이를 이용한 공기정화방법, 및 상기 오존분해용 촉매구조체를 포함한 공기정화장치 및 공기정화시스템 Download PDF

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Abstract

다공성 무기재를 포함한 지지체: 및 상기 지지체 내부의 기공 및 표면 중 적어도 일부에 배치된 α-MnO2 촉매;를 포함하는 오존분해용 촉매구조체, 이를 이용한 공기정화방법, 및 상기 오존분해용 촉매구조체를 포함한 공기정화장치 및 공기정화시스템이 개시된다.

Description

오존분해용 촉매구조체, 이를 이용한 공기정화방법, 및 상기 오존분해용 촉매구조체를 포함한 공기정화장치 및 공기정화시스템{Catalyst structure for ozone decomposition, air-cleaning method using the same, and air-cleaning device and air-cleaning system including the catalyst structure for ozone decomposition}
오존분해용 촉매구조체, 이를 이용한 공기정화방법, 및 상기 오존분해용 촉매구조체를 포함한 공기정화장치 및 공기정화시스템에 관한 것이다.
저장고에 저장한 수확한 과일이나 야채와 같은 농산물은 노화촉진호르몬인 에틸렌 가스를 분비하여 배출한다. 에틸렌 가스의 배출은 수확한 농산물 외에 그 주위에 있는 농산물 또는/및 식물을 시들게 한다. 이러한 에틸렌 가스를 제거하기 위하여 백금촉매를 이용하는 방법, 과망간산칼륨(KMnO4)를 이용하는 방법, 또는 광촉매를 이용하는 방법 등이 알려져 있다.
이 중에서, 광촉매를 이용하는 방법의 예로는 400 nm 이하의 파장의 UV 광원 및 광촉매를 포함한 광촉매 반응장치를 이용하는 방법이 알려져 있다.
그러나 상기 광촉매 반응장치는 광촉매 활성을 높이기 위하여 짧은 파장의 광원을 사용할 수 있다. 이러한 광원은 인체에 유해할 뿐만 아니라 에너지 강도가 너무 높기 때문에 공기 중의 산소가 오존으로 변하여 공기 중에 유독성 물질인 오존을 발생시키는 문제점이 있다.
따라서 에틸렌 가스와 같은 유해가스의 제거를 위해 광촉매 활성을 높이면서동시에 발생하는 오존을 분해하여 공기를 정화하는 오존분해용 촉매구조체, 이를 이용한 공기정화방법, 및 상기 오존분해용 촉매구조체를 포함한 공기정화장치 및 공기정화시스템에 대한 요구가 있다.
일 측면은 에틸렌을 포함한 유해가스 및 유해세균을 감소 또는 제거하는 공정 중에 발생하는 오존을 분해하여 공기를 정화하는 오존분해용 촉매구조체를 제공하는 것이다.
다른 측면은 에틸렌을 포함한 유해가스 및 유해세균을 감소 또는 제거하면서 동시에 발생하는 오존을 분해하여 공기를 정화하는 방법을 제공하는 것이다.
또다른 측면은 필터의 교환없이 지속적으로 발생하는 에틸렌을 포함한 유해가스 및 유해세균과, 오존을 지속적으로 감소 또는 제거할 수 있는 공기정화장치를 제공하는 것이다.
또다른 측면은 상기 오존분해용 촉매구조체를 포함한 공기정화장치를 포함하는 공기정화시스템을 제공하는 것이다.
일 측면에 따르면,
다공성 무기재를 포함한 지지체; 및
상기 지지체 내부의 기공 및 표면 중 적어도 일부에 배치된 α-MnO2 촉매;를 포함하는 오존분해용 촉매구조체가 제공된다.
상기 다공성 무기재는 다공성 세라믹재를 포함할 수 있다.
상기 다공성 무기재는 MgO, SiO2, 및 Al2O3 성분을 50% 이상 함유한 다공성 세라믹재를 포함할 수 있다.
상기 다공성 세라믹재는 알칼리 산화물 성분을 더 포함할 수 있다.
상기 지지체는 모노리스(monolith)일 수 있다.
상기 지지체는 글라스재, 금속재, 플라스틱재, 또는 이들 조합으로부터 선택된 재료를 더 포함할 수 있다.
상기 α-MnO2 촉매는 바인더-프리(binder-free)로 상기 지지체 내부의 기공 및 표면에 고정되어 있을 수 있다.
상기 α-MnO2 촉매의 함량은 상기 지지체 100 중량부를 기준으로 하여 1 내지 10 중량부일 수 있다.
상기 α-MnO2 촉매는 50 nm 내지 5 ㎛의 직경을 갖는 α-MnO2 입자를 포함할 수 있다.
상기 오존분해용 촉매구조체는 β-MnO2, γ-MnO2, 무정형 MnO2, 활성탄, 또는 이들 조합으로부터 선택된 촉매를 더 포함할 수 있다.
다른 측면에 따르면,
광촉매 반응기를 통해 공기 중의 에틸렌을 포함한 유해가스 및 유해세균을 감소시키는 제1 단계; 및
상기 제1 단계 중에 발생한 오존을 전술한 오존분해용 촉매구조체를 이용하여 분해하는 제2 단계;를 포함하는 공기정화방법이 제공된다.
상기 광촉매 반응기는 진공 자외선 램프 및 상기 진공 자외선 램프 주위에 1개 이상의 광촉매 구조물이 배치될 수 있다.
상기 진공 자외선 램프는 254 nm 파장 대 185 nm 파장의 비가 9:1로 구성된 UV-C 램프를 포함할 수 있다.
상기 광촉매 구조물은 기재 및 상기 기재상에 배치된 TiO2광촉매를 포함할 수 있다.
상기 유해가스는 에틸렌, 암모니아, 아세트알데히드, 또는 이들의 조합을 포함하는 유무기 유해가스를 포함할 수 있다.
상기 유해세균은 곰팡이, 대장균, 녹농균, 포도상구균, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 오존분해용 촉매구조체는 1개 이상의 촉매구조체를 포함할 수 있다.
또다른 측면에 따르면,
하우징 내부에
제어 영역;
공기 유입 영역;
진공 자외선 램프 및 상기 진공 자외선 램프 주위에 배치된 1개 이상의 광촉매 구조물이 위치하는 제1 반응챔버;
전술한 오존분해용 촉매구조체가 위치하는 제2 반응챔버; 및
공기 유출 영역;을 포함하는 공기정화장치가 제공된다.
상기 공기정화장치는 일 방향으로 공기의 유입 및 유출이 가능하다.
상기 공기 유입 영역 및 공기 유출 영역 중 적어도 하나에 팬이 설치되어 있을 수 있다.
상기 오존분해용 촉매구조체는 1개 이상의 촉매구조체를 포함할 수 있다.
상기 공기 유입부는 프리필터를 더 포함할 수 있다.
또다른 측면에 따르면,
전술한 오존분해용 촉매구조체를 포함한 공기정화장치를 포함하는 공기정화시스템이 제공된다.
일 측면에 따른 오존분해 촉매구조체는 다공성 무기재를 포함한 지지체, 및 상기 지지체 내부의 기공 및 표면 중 적어도 일부에 배치된 α-MnO2 촉매를 포함하여 에틸렌을 포함한 유해가스 및 유해세균을 감소 또는 제거하는 공정 중에 발생하는 오존을 분해하여 공기를 정화할 수 있다. 또한 에틸렌을 포함한 유해가스 및 유해세균을 감소 또는 제거하면서 동시에 발생하는 오존을 분해하여 공기를 정화하는 방법을 제공하는 것이다. 또한 필터의 교환없이 지속적으로 발생하는 에틸렌을 포함한 유해가스 및 유해세균과, 오존을 지속적으로 감소 또는 제거할 수 있는 공기정화장치 및 공기정화시스템을 제공하는 것이다.
도 1은 일 구현예에 따른 오존분해용 촉매구조체를 나타낸 개략도이다.
도 2는 실시예 1에 따른 오존분해용 촉매구조체의 α-MnO2 촉매에 대한 XRD 실험결과이다.
도 3a는 일 구현예에 따른 공기정화장치의 개략도이다.
도 3b는 일 구현예에 따른 공기정화장치의 부분분해된 개략적인 사시도이다.
도 4는 일 구현예에 따른 공기정화장치 내부의 부분 개략도이다.
도 5a는 일 구현예에 따른 공기정화장치의 제1 반응챔버 내부의 개략도이다.
도 5b는 일 구현예에 따른 공기정화장치의 제2 반응챔버 내부의 개략도이다.
도 6은 실시예 2에 따른 공기정화장치에 대하여 제2 반응챔버 내에 실시예 1에 의해 제조된 오존분해용 촉매구조체를 설치하지 않은 채 에틸렌 가스 저감 성능을 평가한 그래프이다.
도 7은 실시예 2에 따른 공기정화장치의 제1 반응챔버를 통해 에틸렌 가스 등의 제거 공정 중에 발생하여 축적되는 오존에 대하여 제2 반응챔버 내부에 적층된 실시예 1에 따른 오존분해용 촉매구조체의 오존분해 성능을 평가한 그래프이다.
도 8은 실시예 2에 따른 공기정화장치에 대하여 제2 반응챔버 내에 실시예 1에 의해 제조된 오존분해용 촉매구조체를 설치하지 않은 채 암모니아 가스 저감 성능을 평가한 그래프이다.
도 9는 실시예 2에 따른 공기정화장치에 대하여 제2 반응챔버 내에 실시예 1에 의해 제조된 오존분해용 촉매구조체를 설치하지 않은 채 아세트알데히드 가스 저감 성능을 평가한 그래프이다.
이하에 첨부된 도면을 참조하면서, 예시적인 일 구현예에 따른 오존분해용 촉매구조체, 이를 이용한 공기정화방법, 및 상기 오존분해용 촉매구조체를 포함한 공기정화장치 및 공기정화시스템에 대해서 상세하게 설명한다. 이하는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 특허청구범위의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 또한, 본 명세서 및 도면에 있어서, 실질적으로 동일한 기능구성을 갖는 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 붙여 중복설명을 생략한다.
본 명세서에서 "포함"이라는 용어는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 추가 또는/및 개재할 수 있음을 나타내도록 사용된다.
도 1은 일 구현예에 따른 오존분해용 촉매구조체(10)를 나타낸 개략도이다.
도 1을 참조하면, 일 구현예에 따른 오존분해용 촉매구조체(10)는 다공성 무기재를 포함한 지지체(1); 및 상기 지지체(1) 내부의 기공(2) 및 표면 중 적어도 일부에 배치된 α-MnO2 촉매(3);를 포함할 수 있다.
일반적으로 사용되는 섬유응집체와 같은 유기재 지지체에 α-MnO2 촉매를 코팅하려면 충분한 양의 바인더가 필요하고 이로 인해 α-MnO2 촉매활성이 감소할 수 있다. 또한 섬유응집체와 같은 유기재 지지체는 유연한 특성을 가지고 있어 강산, 고온, 강한 바람과 같은 외부 환경에 의해 형태가 변하기에 상기 지지체를 고정화시키는 별도의 고안이 필요하다.
일 구현예에 따른 오존분해용 촉매구조체의 다공성 무기재를 포함한 지지체(1)는 폴리벤즈이미다졸 또는 폴리아미드와 같은 유기재를 포함한 지지체와 비교하여도 넓은 비표면적을 가지고 있고 우수한 α-MnO2 촉매활성을 나타낼 수 있다. 또한 상기 다공성 무기재를 포함한 지지체(1)는 강산, 고온, 강한 바람과 같은 외부 환경에 의해서도 형태를 유지할 수 있다.
이산화망간은 결정구조에 따라 α형, β형, γ형, δ형, λ형 등이 있다. 이들 중에서 α-MnO2 촉매(3)는 오존분해와 관련 있는 풍부한 산소 베이컨시(vacancies) 구조를 가지기에 다른 결정구조를 갖는 이산화망간과 비교하여 오존분해 촉매활성이 매우 우수하다. 상기 α-MnO2 촉매(3)는 실온에서 염화망간(MnCl2·4H2O) 수용액, 초산망간(Mn(CH3COO)2·4H2O) 수용액, 또는 황산망간(MnSO4·5H2O) 수용액 등을 출발물질로 하여 소정 당량의 KMnO4 와 반응시켜 MnO2를 침전시킨 후 이를 수열반응기에서 제조할 수 있다.
상기 다공성 무기재는 다공성 세라믹재를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 다공성 무기재는 MgO, SiO2, 및 Al2O3 성분을 50% 이상 함유한 다공성 세라믹재를 포함할 수 있다. 상기 다공성 세라믹재는 세라믹 허니컴 구조일 수 있다. 상기 다공성 세라믹재는 인치당 약 100 개 내지 약 500 개, 예를 들어 약 200개 내지 약 500개, 예를 들어 약 300개 내지 약 400개의 정사각형 셀을 가질 수 있다. 상기 다공성 세라믹재는 상기 정사각형 셀을 통하여 공기 등이 유입될 수 있다.
상기 다공성 세라믹재는 강도가 높고 비표면적이 커서 촉매활성을 높일 수 있다. 또한 상기 다공성 세라믹재는 통기성이 좋아 압력손실을 낮출 수 있으며, 강산, 고온, 강한 바람과 같은 외부 환경에 의해서도 형태가 유지될 수 있다.
상기 다공성 세라믹재는 단면이 원형, 타원형, 직사각형 또는 정사각형과 같은 다양한 형태를 가질 수 있다. 상기 다공성 세라믹재는, 예를 들어, 수 밀리미터(mm) 또는 수십 밀리미터(mm) 크기의 높이와 직경을 가진 원통형, 직육면체형, 또는 정육면체형 등이 있다. 그러나 이에 제한되지 않고 당해 기술분야에서 통상의 기술자가 사용할 수 있는 다양한 형태의 다공성 세라믹재를 이용할 수 있다.
상기 다공성 세라믹재는 알칼리 산화물 성분을 더 포함할 수 있다. 상기 알칼리 산화물 성분의 예로는, Li2O, Na2O, K2O 등을 포함할 수 있다. 상기 알칼리 산화물 성분이 더 포함된 다공성 세라믹재는 고온에도 열적변형 없이 상기 오존분해용 촉매구조체의 형태가 유지될 수 있다.
상기 지지체는 모노리스(monolith)일 수 있다.
상기 지지체는 글라스재, 금속재, 플라스틱재, 또는 이들 조합으로부터 선택된 재료를 더 포함할 수 있다.
상기 α-MnO2 촉매는 바인더-프리(binder-free)로 상기 지지체 내부의 기공 및 표면에 고정되어 있을 수 있다. 상기 α-MnO2 촉매는 예를 들어, 입자 형태인 경우 바인더 없이도 지지체 내부의 기공 및 표면에 고정되어 있을 수 있어 촉매활성을 보다 높일 수 있다.
상기 α-MnO2 촉매(3)의 함량은 상기 지지체 100 중량부를 기준으로 하여 1 내지 10 중량부일 수 있다. 예를 들어, 상기 α-MnO2 촉매의 함량은 상기 지지체 100 중량부를 기준으로 하여 2 내지 9 중량부, 예를 들어 2 내지 8 중량부, 예를 들어 2 내지 7 중량부일 수 있다.
상기 α-MnO2 촉매(3)의 함량 범위 내에서 상기 다공성 무기재를 포함한 지지체(1)에 α-MnO2 촉매(3) 함유 코팅액이 용이하게 촉매활성을 위한 충분한 함량으로 도포될 수 있으며, 다공성 무기재를 포함한 지지체(1) 내부의 기공이 막히지 않을 수 있다.
상기 α-MnO2 촉매는 50 nm 내지 5 ㎛의 직경을 갖는 α-MnO2 입자를 포함할 수 있다. 상기 α-MnO2 촉매는 예를 들어, 60 nm 내지 4 ㎛의 직경, 예를 들어 70 nm 내지 3 ㎛의 직경, 예를 들어 80 nm 내지 3 ㎛의 직경을 갖는 α-MnO2 입자를 포함할 수 있다.
상기 α-MnO2 촉매는 상기 직경을 갖는 범위 내에서 상기 다공성 무기재를 포함한 지지체(1)에 α-MnO2 촉매(3) 함유 코팅액을 사용하여 용이하게 도포할 수 있으며, 도포 후 상기 α-MnO2 촉매(3)가 상기 다공성 무기재를 포함한 지지체(1)로부터 분리되지 않고 촉매활성 또한 높게 유지될 수 있다.
상기 오존분해용 촉매구조체는 β-MnO2, γ-MnO2, 무정형 MnO2, 활성탄, 또는 이들 조합으로부터 선택된 촉매를 더 포함할 수 있다.
다른 일 구현예에 따른 공기정화방법은 광촉매 반응기를 통해 공기 중의 에틸렌을 포함한 유해가스 및 유해세균을 감소시키는 제1 단계; 및 상기 제1 단계 중에 발생한 오존을 전술한 오존분해용 촉매구조체를 이용하여 분해하는 제2 단계;를 포함할 수 있다.
상기 공기정화방법은 에틸렌을 포함한 유해가스 및 유해세균을 감소 또는 제거하는 공정(제1 단계) 및 상기 제1 단계에서 발생하는 오존을 분해하는 공정(제2 단계)를 포함할 수 있다. 일 구현예에 따른 공기정화방법은 상기 제1 단계와 상기 제2 단계를 통하여 에틸렌을 포함한 유해가스 및 유해세균이 함유된 공기가 유입되어도 오존을 발생하지 않으면서 에틸렌을 포함한 유해가스 및 유해세균을 감소 나아가 제거할 수 있는 방법을 제공할 수 있다.
상기 광촉매 반응기는 진공 자외선 램프 및 상기 진공 자외선 램프 주위에 1개 이상의 광촉매 구조물이 배치될 수 있다.
예를 들어, 상기 광촉매 반응기는 UV-C 램프 및 상기 UV-C 램프 주위에 1개 이상의 광촉매 구조물이 배치될 수 있다. 상기 UV-C 램프는 254 nm 파장 대 185 nm 파장의 비가 9:1로 구성될 수 있다. 상기 UV-C 램프는 상기 파장의 비를 갖는 범위 내에서 16W 출력 이상으로 사용하면 광촉매에 의해 분해되기 어려운 에틸렌을 포함한 유해가스 및 유해세균을 감소 또는 제거하는 성능이 보다 향상될 수 있다. 에틸렌을 포함한 유해가스 및 유해세균을 감소 또는 제거하는 성능을 보다 향상하기 위하여 UV-C 램프의 개수, 전압, 전류, 또는 출력 등을 높이는 방법으로 적절하게 조절하여 사용할 수 있다.
상기 광촉매 구조물은 기재 및 상기 기재상에 배치된 TiO2 광촉매를 포함할 수 있다. 상기 기재의 예로는 제한되지 않으나, 3차원 그물구조인 스테인레스 망에 TiO2 광촉매를 코팅하거나 또는 투명한 유리관에 TiO2 광촉매를 코팅할 수 있다. 이 때, 코팅하는 방법으로는 제한되지 않으나, 예를 들어 딥 코팅을 이용할 수 있다.
상기 유해가스는 에틸렌, 암모니아, 아세트알데히드, 또는 이들의 조합을 포함하는 유무기 유해가스를 포함할 수 있다. 상기 유해세균은 곰팡이, 대장균, 녹농균, 포도상구균, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 상기 유해가스 또는 유해세균은 제1 단계를 통하여 수십분 내지 수 시간 또는 수십 시간 경과 후에 극미량으로 감소되거나 또는 제거될 수 있다.
상기 제1 단계를 통해 공기 중의 산소가 오존으로 변하게 되어 과잉의 오존이 발생하게 되는바, 상기 제2 단계의 전술한 오존분해용 촉매구조체를 통과시켜 오존을 제거한 공기를 배출할 수 있다. 상기 오존분해용 촉매구조체에 대해서는 전술한 바와 같으므로 자세한 설명은 이하 생략한다.
상기 오존분해용 촉매구조체는 1개 이상의 촉매구조체, 예를 들어 2개 이상, 3개 이상, 4개 이상, 5개 이상, 6개 이상, 7개 이상, 또는 8개 이상의 촉매구조체를 포함할 수 있다. 상기 오존분해용 촉매구조체는 개수가 증가함에 따라 오존분해의 성능이 보다 향상될 수 있다.
도 3a는 일 구현예에 따른 공기정화장치(100)의 개략도이다.
도 3a를 참조하면, 일 구현예에 따른 공기정화장치(100)는 하우징 내부에 제어영역(101); 공기 유입 영역(102); 진공 자외선 램프 및 상기 진공 자외선 램프 주위에 배치된 1개 이상의 광촉매 구조물이 위치하는 제1 반응챔버(103); 전술한 오존분해용 촉매구조체가 위치하는 제2 반응챔버(104); 및 공기 유출 영역(105);을 포함하고 있다.
상기 공기정화장치(100)는 일 방향으로 공기의 유입 및 유출이 가능하다. 도 3a를 참조하면, 상기 공기정화장치(100)는 하부에서 상부로 빈 공간(void) 또는 홀(hole)과 같은 개구부를 통해 공기의 유입 및 유출이 가능하다.
상기 공기 유입 영역(102) 및 공기 유출 영역(105) 중 적어도 하나에 팬(106)이 설치되어 있을 수 있다. 도 3a를 참조하면, 상기 공기 유출 영역(105)의 상면에 팬(106)이 설치되어 있다. 상기 공기 유출 영역(105)은 또한 정화된 공기를 저장하는 저장공간으로서 기능할 수 있다.
도 3b는 일 구현예에 따른 공기정화장치(200)의 부분분해된 개략적인 사시도이다.
도 3b를 참조하면, 일 구현예에 따른 공기정화장치(200)는 하우징(201, 202, 203, 204) 내 부에 회로기판(211) 및 안전기(212)가 위치한 제어 영역(210), 메쉬형 제2 지지대(242) 및 제1 지지대(240) 상에 배치된 프리필터(241)가 위치한 공기 유입 영역; UV-C 램프(221) 및 상기 UV-C 램프(221) 주위에 배치된 복수의 광촉매 구조물(222)이 위치하는 제1 반응챔버(230); 전술한 오존분해용 촉매구조체가 위치하는 제2 반응챔버(220); 공기 유출 영역(250); 및 상기 공기 유출 영역(250) 상면에 팬(206)이 설치되어 있다.
상기 제어 영역(210), 공기 유입 영역(102), 제1 반응챔버(230), 제2 반응챔버(220), 및 공기 유출 영역(105)은 각각 개구부를 갖는 격벽에 의해 분리되어 있다. 상기 제어 영역(210) 내의 회로기판(211) 및 안전기(212)는 제1 반응챔버(230)의 UV-C 램프(221) 및 상기 공기 유출 영역(250) 상면의 팬(206)과 전기적으로 연결되어 있다. 상기 프리필터(240)는 예를 들어, 부직포를 이용할 수 있으나, 이에 제한되지 않고 당해 기술분야에서 이용 가능한 프리필터 재료를 모두 사용할 수 있다.
도 4는 일 구현예에 따른 공기정화장치(300) 내부의 부분 개략도이다.
도 4를 참조하면, 일 구현예에 따른 공기정화장치(300)는 공기 유입 영역(310); UV-C 램프 및 상기 UV-C 램프 주위에 배치된 1개 이상의 광촉매 구조물이 위치하는 제1 반응챔버(311); 상기 제1 반응챔버에 연결되고 전술한 오존분해용 촉매구조체가 위치하는 제2 반응챔버(312); 및 공기 유출 영역(313);을 포함하고 있다.
상기 제1 반응챔버(311)와 상기 제2 반응챔버(312)는 연결관(321)에 의해 연결되어 있을 수 있다.
상기 공기 유입 영역(310) 및 공기 유출 영역(113) 중 적어도 하나에 팬이 설치되어 있을 수 있다.
상기 공기 유입 영역(310)은 상기 제1 반응챔버(311)의 일 면에 공기 유입구의 형태로 고정 배치되어 있거나 상기 제1 반응챔버(311)와 분리된 용기에 설치될 수 있다. 상기 공기 유출 영역(313)은 상기 제2 반응챔버(312)의 일 면에 고정 배치되어 있거나 상기 제2 반응챔버(312)와 분리된 용기에 설치될 수 있다. 상기 제1 반응챔버(311) 또는/및 상기 제2 반응챔버(312)는 각각 상기 제1 반응챔버(311) 또는/및 상기 제2 반응챔버(312)로부터 나온 공기 등이 저장된 저장용기(들)를 설치하여 연결관으로 연결할 수 있다.
제1 반응챔버(111) 내의 UV-C 램프 및 상기 공기 유출 영역(313)에 설치된 팬을 각각 전원과 연결할 수 있다.
도 5a는 일 구현예에 따른 공기정화장치의 제1 반응챔버(11) 내부의 개략도이다. 도 5b는 일 구현예에 따른 공기정화장치의 제2 반응챔버(15) 내부의 개략도이다.
도 5a를 참조하면, 제1 반응챔버(11)는 내부에 UV-C 램프(12) 및 상기 UV-C 램프(12) 주위에 랜덤하게 배치된 1개 이상의 광촉매 구조물(13)이 위치하고 있다. 도 5b를 참조하면, 제2 반응챔버(15)는 내부에 오존분해용 촉매구조체(16) 복수 개가 적층되어 있다.
또다른 일 구현예에 따른 공기정화시스템은 전술한 오존분해용 촉매구조체를 포함한 공기정화장치를 포함할 수 있다. 상기 공기정화시스템은 필요에 따라 제어장치, 온도조절기 등을 더 구비할 수 있다.
이하 본 발명의 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명의 일 실시예일뿐 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
[실시예]
(오존분해용 촉매구조체의 제조)
실시예 1: 오존분해용 촉매구조체의 제조
물 250ml에 MnCl2·4H2O 39.4g과 KMnO4 31.6g을 첨가 및 교반하여 혼합액을 수득하였다. 상기 혼합액 250 mL을 수열반응기에서 2시간에 걸쳐 220℃까지 승온시키고, 220℃에서 3시간 동안 반응시킨 후 여과하였다. 이후 얻은 침전물을 100℃에서 2시간 건조하여 벌크 상태의 α-MnO2를 얻었다. 상기 벌크 상태의 α-MnO2를 물속에 분산한 α-MnO2 함유 용액(고형분 약 10% 함량)을 밀링하여 약 2.5 ㎛ 평균직경(D50)의 α-MnO2 입자를 함유하는 α-MnO2 분산액을 얻었다.
둥근 형태의 MgO, SiO2, 및 Al2O3 성분을 50% 이상 포함하는 직경 93mm x 높이 50mm의 다공성 코디어라이트(cordierite) 모노리스(monolith)(93X50mm/300cpsi, ㈜세라컴 제조)를 준비하였다. 상기 α-MnO2 분산액에 상기 다공성 코디어라이트 모노리스를 디핑(dipping)한 후 건조하여 α-MnO2 입자가 다공성 코디어라이트(cordierite) 모노리스(monolith)의 내부의 기공 및 표면에 코팅된 도 1에서 보이는 바와 같은 오존분해용 촉매구조체를 제조하였다.
이 때, 상기 α-MnO2 촉매의 함량은 상기 다공성 코디어라이트 모노리스 100 중량부를 기준으로 하여 5 중량부이었다.
비교예 1: 다공성 코디어라이트 모노리스
둥근 형태의 MgO, SiO2, 및 Al2O3 성분을 50% 이상 포함하는 직경 93mm x 높이 50mm의 다공성 코디어라이트(cordierite) 모노리스(monolith)(93X50mm/300cpsi, ㈜세라컴 제조)를 준비하였다.
비교예 2: 오존분해용 촉매구조체의 제조
물 250ml에 MnCl2·4H2O 39.4g과 KMnO4 31.6g을 첨가 및 교반하여 혼합액을 수득하였다. 상기 혼합액 250 mL을 수열반응기에서 2시간에 걸쳐 220℃까지 승온시키고, 220℃에서 3시간 동안 반응시킨 후 여과하고, 얻어진 침전물을 100℃에서 2시간 건조하여 벌크 상태의 α-MnO2를 얻었다. 상기 벌크 상태의 α-MnO2 50 g을 나일론 망사로 둘러싼 오존분해용 촉매구조체를 제조하였다.
비교예 3: 오존분해용 촉매구조체의 제조
상기 벌크 상태의 α-MnO2 50 g 대신 벌크 상태의 α-MnO2 100 g을 사용한 것을 제외하고는, 비교예 2와 동일한 방법으로 오존분해용 촉매구조체를 제조하였다.
비교예 4: 오존분해용 촉매구조체의 제조
상기 벌크 상태의 α-MnO2 50 g 대신 벌크 상태의 α-MnO2 200 g을 사용한 것을 제외하고는, 비교예 2와 동일한 방법으로 오존분해용 촉매구조체를 제조하였다.
비교예 5: 오존분해용 촉매구조체의 제조
상기 벌크 상태의 α-MnO2 50 g 대신 벌크 상태의 α-MnO2 270 g을 사용한 것을 제외하고는, 비교예 2와 동일한 방법으로 오존분해용 촉매구조체를 제조하였다.
비교예 6: 오존분해용 촉매구조체의 제조
상기 벌크 상태의 α-MnO2 50 g 대신 벌크 상태의 α-MnO2 312 g을 사용한 것을 제외하고는, 비교예 2와 동일한 방법으로 오존분해용 촉매구조체를 제조하였다.
(공기정화장치의 제작)
실시예 2: 공기정화장치의 제작
공기정화실험은 1 m x 1 m x 1m 크기의 챔버 공간 내에서 이루어지며, 실험에 사용할 공기정화장치(300)를 도 4에 보이는 바와 같이 제작하였다.
일 면에 공기 유입구(팬 포함, 310)가 설치된 제1 반응챔버(311) 내부의 중앙에 UV-C 램프(254 nm 파장: 185 nm 파장의 비 = 9:1, 출력: 16W, GPH357T5VH/4P, light sources Inc. 제조)를 설치하고, 상기 UV-C 램프 주위에 스테인레스 망의 표면 및 내부에 TiO2 광촉매가 코팅된 광촉매 필터를 랜덤하게 배치하였다. 상기 광촉매 필터에 사용된 TiO2는 Degussa P25 TiO2(75% 아나타제/25% 루타일; Nippon Aerosil Co. Ltd. 제조)이었고, 상기 사용된 스테인레스 망은 2 mm x 2 mm 메쉬인 스테인레스 망을 길이방향을 따라 동일한 간격으로 상기 UV-C 램프를 끼울 수 있게 원형 홀을 형성하고, 이웃하는 원형 홀의 중간지점을 절곡하여 지그재그형태가 되도록 한 상기 UV-C 램프주위에 다층구조를 갖는 연속 구조체로 제작한 스테인레스 망이었고, 딥 코팅법을 이용하여 코팅하였다.
제2 반응챔버(312)는 내부에 실시예 1에 의해 제조된 오존분해용 촉매구조체 8개를 적층시켰다. 상기 제1 반응챔버(311)와 제2 반응챔버(312)는 연결관(321)에 의해 연결하여 제1 반응챔버에서 발생한 오존이 포함된 공기를 제2 반응챔버에 유입하는 통로로 사용하였다. 제2 반응챔버(312)의 일 면에 공기 유출구(313)를 설치하고 이를 통해 정화된 공기가 배출되었다. 이 때, 상기 공기 유출구(313)에 팬을 설치하였다.
또한 제1 반응챔버(311) 내의 UV-C 램프 및 상기 공기 유출 영역(313)에 설치된 팬을 각각 전원과 연결하였다.
실시예 3: 공기정화장치의 제작
제1 반응챔버(311) 내부의 중앙에 UV-C 램프(254 nm 파장: 185 nm 파장의 비 = 9:1, 출력: 16W) 대신 UV-C 램프(254 nm 파장: 185 nm 파장의 비 = 9:1, 출력: 25W)를 사용한 것을 제외하고는, 실시예 2와 동일한 방법으로 공기정화장치를 제작하였다.
실시예 4~10: 공기정화장치의 제작
제2 반응챔버(312) 내부에 실시예 1에 의해 제조된 오존분해용 촉매구조체를 각각 1개~7개를 적층하여 사용한 것을 제외하고는, 실시예 2와 동일한 방법으로 공기정화장치를 각각 제작하였다.
비교예 7: 공기정화장치의 제작
제1 반응챔버(311) 내부의 중앙에 UV-C 램프(254 nm 파장: 185 nm 파장의 비 = 9:1, 출력: 16W) 대신 UV-C 램프(365 nm 파장, 출력: 15W)를 사용한 것을 제외하고는, 실시예 2와 동일한 방법으로 공기정화장치를 제작하였다.
비교예 8: 공기정화장치의 제작
제1 반응챔버(311) 내부의 중앙에 UV-C 램프(254 nm 파장: 185 nm 파장의 비 = 9:1, 출력: 16W) 대신 UV-C 램프(254 nm 파장, 출력: 8W)를 사용한 것을 제외하고는, 실시예 2와 동일한 방법으로 공기정화장치를 제작하였다.
비교예 9: 공기정화장치의 제작
제2 반응챔버(312)는 내부에 실시예 1에 의해 제조된 오존분해용 촉매구조체 대신 비교예 1에 의해 준비된 다공성 코디어라이트 모노리스를 사용한 것을 제외하고는, 실시예 2와 동일한 방법으로 공기정화장치를 제작하였다.
비교예 10~14: 공기정화장치의 제작
제2 반응챔버(312)는 내부에 실시예 1에 의해 제조된 오존분해용 촉매구조체 대신 비교예 2~6에 의해 제조된 오존분해용 촉매구조체를 사용한 것을 제외하고는, 실시예 2와 동일한 방법으로 공기정화장치를 각각 제작하였다.
분석예 1: XRD (X-ray diffraction) 데이터 - α- MnO 2 함유층 성분 분석
실시예 1에 따른 오존분해용 촉매구조체의 α-MnO2 촉매에 대하여 XRD 실험을 수행하였다. 수열합성법으로 합성한 α-MnO2 촉매 분산액을 여과하고 건조하여 얻어진 분말을 XRD 측정하였다. 그 결과를 도 2에 나타내었다.
XRD 분석기로는 CuKαradiation(1.540598Å)을 이용한 Rigaku RINT2200HF+ 회절계(diffractometer)를 이용하였다.
도 2를 참조하면, 실시예 1에 따른 오존분해용 촉매구조체의 α-MnO2 촉매는회절각 2θ가 약 13°, 약 18°, 약 29°, 약 37°, 및 약 60°에서 각각 뚜렷한 피크가 나타났다. 이로부터 오존분해용 촉매구조체의 α-MnO2 촉매는 순수한(pure) α-MnO2임을 확인할 수 있다.
평가예 1: 유해가스 저감 성능 평가
(1) 에틸렌 가스 저감 성능 평가
1m x 1m x 1m의 챔버 공간 내에서 소정 농도의 에틸렌을 넣고, 실시예 2, 실시예 3, 비교예 7, 및 비교예 8에 따른 공기정화장치에 대하여 제2 반응챔버 내에 실시예 1에 의해 제조된 오존분해용 촉매구조체를 설치하지 않은 채 공기정화장치를 가동하여 에틸렌 가스 저감 성능에 대한 평가를 수행하였다. 공기정화장치의 가동시간의 경과에 따른 챔버 공간 내에 잔존하고 있는 에틸렌의 농도를 측정하여 그 결과를 도 5, 표 1, 및 표 2에 각각 나타내었다.
경과시간 (분) 에틸렌 농도 (ppm)
실시예 3
0 54
10 32
20 18
30 6
40 0
경과시간 (분)
 에틸렌 농도 (ppm)
비교예 7 비교예 8
0 50 50
60 50 50
120 50 50
180 50 50
도 5를 참조하면, 실시예 2에 따른 공기정화장치는 에틸렌 가스의 초기농도가 60 ppm인 경우 6시간 후에 에틸렌 가스가 완전히 제거되었음을 확인할 수 있다.
상기 표 1을 참조하면, 실시예 3에 따른 공기정화장치는 에틸렌 가스의 초기농도가 54 ppm인 경우 40분 후에 에틸렌 가스가 완전히 제거되었음을 확인할 수 있다. 이와 비교하여 표 2를 참조하면, 비교예 7 및 비교예 8에 따른 공기정화장치는 에틸렌 가스의 초기농도가 50 ppm인 경우 180분 후에도 여전히 동일한 농도의 에틸렌 가스가 존재함을 확인할 수 있다.
이로부터, 실시예 2 및 실시예 3에 따른 공기정화장치 모두 비교예 7 및 비교예 8에 따른 공기정화장치에 비하여 빠른 시간 내에 에틸렌 가스가 완전히 제거되었음을 알 수 있다. 또한 실시예 3에 따른 공기정화장치가 실시예 2에 따른 공기정화장치와 비교하여 에틸렌 가스 제거 능력이 보다 개선되었다.
(2) 암모니아 및 아세트알데히드 가스 저감 성능 평가
실시예 2에 따른 공기정화장치에 대하여 제2 반응챔버 내에 실시예 1에 의해 제조된 오존분해용 촉매구조체를 설치하지 않은 채 암모니아 및 아세트알데히드 가스 저감 성능에 대한 평가를 수행하였다. 그 결과를 도 7 및 도 8에 각각 나타내었다.
도 7을 참조하면, 실시예 2에 따른 공기정화장치는 암모니아 가스의 초기농도가 50 ppm인 경우 30분 후에 암모니아 가스가 완전히 제거되었음을 확인할 수 있다. 도 8을 참조하면, 실시예 2에 따른 공기정화장치는 아세트알데히드 가스의 초기농도가 40 ppm인 경우 3시간 후에 암모니아 가스가 완전히 제거되었음을 확인할 수 있다.
이로부터, 실시예 2에 따른 공기정화장치는 빠른 시간 내에 암모니아 및 아세트알데히드 가스 모두가 완전히 제거되었음을 알 수 있다.
평가예 2: 오존분해 성능 평가
(1) 오존분해 성능 평가 1
실시예 2에 따른 공기정화장치의 제1 반응챔버를 통해 에틸렌 가스 등의 제거 공정 중에 발생하여 축적되는 오존에 대하여 제2 반응챔버 내부에 적층된 실시예 1에 따른 오존분해용 촉매구조체의 오존분해 성능을 평가하였다. 그 결과를 도 6에 나타내었다.
도 6을 참조하면, 실시예 2에 따른 공기정화장치에 포함된 제2 반응챔버 내부에 설치된 실시예 1에 따른 오존분해용 촉매구조체는 20시간 경과 후에도 오존 농도가 약 0.16 ppm로 오존분해 성능이 우수하였다.
(2) 오존분해 성능 평가 2
실시예 4~10, 비교예 9, 및 비교예 10~14에 따른 공기정화장치에 대하여 주위에 에틸렌 가스가 없는 상태에서 제1 반응챔버 내부의 중앙에 설치된 UV-C 램프에 의해 발생하여 축적되는 오존의 농도를 측정하여 제2 반응챔버 내부에 적층된 실시예 1 및 비교예 2~6에 따른 오존분해용 촉매구조체의 오존분해 성능을 평가하였다. 그 결과를 표 3 및 표 4에 각각 나타내었다.
경과시간
(시)		 오존 농도 (ppm)
비교예
9		 실시예 4 실시예 5 실시예 6 실시예 7 실시예 8 실시예
9		 실시예
10
0 0.02 0.02 0.02 0.02 0.02 0.02 0.02 0.02
1 22.33 0.60 0.17 0.20 0.26 0.12 0.09 0.10
2 33.59 0.67 0.17 0.22 0.26 0.13 0.10 0.11
3 39.52 0.79 0.18 0.23 0.26 0.14 0.10 0.12
경과시간
(시)		 오존 농도 (ppm)
비교예 10 비교예 11 비교예 12 비교예 13 비교예 14
0 0 0 0 0 0
1 23 5.2 1 0.9 0.85
2 42 6.3 1.2 1.25 1.1
3 46 6.7 1.5 1.5 1.25
4 55 11.5 1.75 1.7 1.55
상기 표 3을 참조하면, 비교예 9에 따른 공기정화장치에 포함된 제2 반응챔버 내부에 설치된 비교예 1에 따른 오존분해용 촉매구조체와 비교하여 실시예 4~10에 따른 공기정화장치에 포함된 제2 반응챔버 내부에 설치된 실시예 1에 따른 오존분해용 촉매구조체는 모두 3시간 경과 후에 오존 농도가 0.20 ppm 이하로 오존분해 성능이 우수하였다. 또한 실시예 1에 따른 오존분해용 촉매구조체 개수의 증가에 따라 오존분해 성능이 보다 향상됨을 확인할 수 있다.
이와 비교하여 표 4를 참조하면, 비교예 10~14에 따른 공기정화장치에 포함된 제2 반응챔버 내부에 설치된 비교예 2~6에 따른 오존분해용 촉매구조체는 모두 4시간 경과 후에도 1.55 ppm 이상의 오존분해 성능을 나타내었다.
이로부터, 실시예 4~10에 따른 공기정화장치에 포함된 제2 반응챔버 내부에 설치된 실시예 1에 따른 오존분해용 촉매구조체가 비교예 9~14에 따른 공기정화장치에 포함된 제2 반응챔버 내부에 설치된 비교예 1~6에 따른 오존분해용 촉매구조체와 비교하여 오존분해 성능이 개선됨을 확인할 수 있다.
평가예 3: 유해균 저감 성능 평가
실시예 2에 따른 공기정화장치에 대하여 곰팡이, 대장균, 녹농균, 포도상구균의 유해균 저감 성능에 대한 평가를 한국건설생활환경연구원에 의해 KS I 2008:2013에 준하는 방법을 이용하여 수행하였다. 즉, 8m3의 챔버 내부에 일정 농도의 시험균주를 분산시키고 공기정화기를 3시간 동안 작동시킨 후 챔버 내부의 세균 감소율을 측정하여 그 결과를 아래의 표 5에 나타내었다.
구분 시험균주 세균 감소율(%)
1 흑곰팡이(Aspergillus brasilliensis ATCC 9642) 93.4
2 대장균((Escherichia Coll. ATCC 25922) 99.9
3 녹농균(Pseudomonas aeruginosa ATCC 15442) 99.9
4 포도상구균(MRSA; Staphylococcus aureus subsp. aureus ATCC 33591 99.9
상기 [표 5]를 참조하면, 실시예 2에 따른 공기정화장치는 곰팡이, 대장균, 녹농균, 포도상구균의 세균 감소율이 93.4% 이상으로 유해균 저감 성능이 우수하였다.
이상, 첨부도면을 참조하면서 실시예들에 대해서 상세하게 설명하였지만, 본 발명은 관련례에 한정되지 않는다. 본 발명이 속하는 기술분야에 있어서 통상의 지식을 가진 자라면, 특허청구범위에 기재된 기술적 사상의 범주 내에서 각종 변경례 또는 수정례에 생각이 미치는 것은 분명하며, 이들에 대해서도 당연히 본 발명의 기술적 범위에 속하는 것으로 이해된다.
1: 지지체, 2: 기공, 3: α-MnO2 촉매(입자형)
10: 오존분해용 촉매구조체, 11,103, 230, 311: 제1 반응챔버,
12, 221: UV-C 램프, 13, 222: 광촉매 구조물(필터),
15, 104, 220, 312: 제2 반응챔버,
16: 오존분해용 촉매구조체, 100, 200, 300: 공기정화장치,
201, 202, 203, 204: 하우징,
101, 210: 제어 영역, 211: 회로기판, 212: 안전기,
240: 제1 지지대, 241: 프리필터, 242: 메쉬형 제2 지지대,
102, 310: 공기 유입 영역(구), 105, 250, 313: 공기 유출 영역(구),
106, 206: 팬, 321: 연결관

Claims (22)

  1. 다공성 무기재를 포함한 지지체; 및
    상기 지지체 내부의 기공 및 표면 중 적어도 일부에 배치된 α-MnO2 촉매;를 포함하고,
    상기 α-MnO2 촉매는 50 nm 내지 5 ㎛의 직경을 갖는 α-MnO2 입자를 포함하는 오존분해용 촉매구조체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 다공성 무기재는 다공성 세라믹재를 포함하는 오존분해용 촉매구조체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 다공성 무기재는 MgO, SiO2, 및 Al2O3 성분을 50% 이상 함유한 다공성 세라믹재를 포함하는 오존분해용 촉매구조체.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 다공성 세라믹재는 알칼리 산화물 성분을 더 포함하는 오존분해용 촉매구조체.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 지지체는 모노리스(monolith)인 오존분해용 촉매구조체.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 지지체는 글라스재, 금속재, 플라스틱재, 또는 이들 조합으로부터 선택된 재료를 더 포함하는 오존분해용 촉매구조체.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 α-MnO2 촉매가 바인더-프리(binder-free)로 상기 지지체 내부의 기공 및 표면에 고정되어 있는 오존분해용 촉매구조체.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 α-MnO2 촉매의 함량은 상기 지지체 100 중량부를 기준으로 하여 1 내지 10 중량부인 오존분해용 촉매구조체.
  9. 삭제
  10. 제1항에 있어서,
    상기 오존분해용 촉매구조체는 β-MnO2, γ-MnO2, 무정형 MnO2, 활성탄, 또는 이들 조합으로부터 선택된 촉매를 더 포함하는 오존분해용 촉매구조체.
  11. 광촉매 반응기를 통해 공기 중의 에틸렌을 포함한 유해가스 및 유해세균을 감소시키는 제1 단계; 및
    상기 제1 단계 중에 발생한 오존을 제1항 내지 제8항 및 제10항 중 어느 한 항에 따른 오존분해용 촉매구조체를 이용하여 분해하는 제2 단계;를 포함하는 공기정화방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 광촉매 반응기는,
    진공 자외선 램프; 및
    상기 진공 자외선 램프 주위에 1개 이상의 광촉매 구조물;이 배치된 공기정화방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 진공 자외선 램프는 254 nm 파장 대 185 nm 파장의 비가 9:1로 구성된 UV-C 램프를 포함하는 공기정화방법.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 광촉매 구조물은,
    기재; 및
    상기 기재상에 배치된 TiO2 광촉매;를 포함하는 공기정화방법.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 유해가스는 에틸렌, 암모니아, 아세트알데히드, 또는 이들의 조합을 포함하는 유무기 유해가스를 포함하는 공기정화방법.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 유해세균은 곰팡이, 대장균, 녹농균, 포도상구균, 또는 이들의 조합을 포함하는 공기정화방법.
  17. 제11항에 있어서,
    상기 오존분해용 촉매구조체는 1개 이상의 촉매구조체를 포함하는 공기정화방법.
  18. 하우징 내부에
    제어 영역;
    공기 유입 영역;
    진공 자외선 램프 및 상기 진공 자외선 램프 주위에 배치된 1개 이상의 광촉매 구조물이 위치하는 제1 반응챔버;
    제1항 내지 제8항 및 제10항 중 어느 한 항에 따른 오존분해용 촉매구조체가 위치하는 제2 반응챔버; 및
    공기 유출 영역;을 포함하는 공기정화장치.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 공기정화장치는 일 방향으로 공기의 유입 및 유출이 가능한 공기정화장치.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 공기 유입 영역 및 공기 유출 영역 중 적어도 하나에 팬이 설치되어 있는 공기정화장치.
  21. 제18항에 있어서,
    상기 오존분해용 촉매구조체는 1개 이상의 촉매구조체를 포함하는 공기정화장치.
  22. 제1항 내지 제8항 및 제10항 중 어느 한 항에 따른 오존분해용 촉매구조체를 포함한 공기정화장치를 포함하는 공기정화시스템.
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