KR102391711B1

KR102391711B1 - 마이크로버블을 이용한 공기정화시스템 및 이의 공기정화방법

Info

Publication number: KR102391711B1
Application number: KR1020200054432A
Authority: KR
Inventors: 장의순
Original assignee: 금오공과대학교 산학협력단
Priority date: 2019-09-16
Filing date: 2020-05-07
Publication date: 2022-04-28
Also published as: KR102391711B9; KR20210032268A

Abstract

제안기술은 마이크로버블을 이용한 공기정화시스템 및 이의 공기정화방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 실내외 미세먼지 및 이산화탄소 제거를 위한 마이크로버블을 이용한 공기정화시스템 및 이의 공기정화방법에 관한 발명이다.

Description

마이크로버블을 이용한 공기정화시스템 및 이의 공기정화방법{Air purification system using microbubble and its air purification method}

일반적으로, 사람들이 머물거나 거주하는 실내 공간은 가정, 사무실, 실내 작업장 등의 내부 공간을 의미할 수 있는데, 이러한 내부 공간에는 호흡에 의해 인체로부터 배출되는 이산화탄소(CO₂) 등을 포함하는 다양한 오염물질들이 공기 중에 포함되어 있다.

여기에서, 공기 중에 포함되는 오염물질로는, 예컨대 이산화탄소(CO₂), 암모니아(NH₃), 황화수소(H₂S), 아황산가스(SO₂), 미세먼지(PM10), 곰팡이 등이 있을 수 있다.

이와 같이, 공기 중에 분포하는 오염물질들은 복합적으로 작용하여 인체에 영향을 미치는데, 주로 호흡기 질환 및 폐 질환, 알레르기성 질환, 구토, 초조함, 현기증 등을 유발할 수 있으며, 특히 장기간 고농도의 오염물질에 노출될 경우에는 암 등을 유발할 수도 있다.

따라서, 실내 공기질이 인체에 미치는 영향을 고려할 때, 실내 공간에서의 공기질(Indoor Air Quality)을 정화시켜주는 것이 필요한데, 이의 일환으로 다양한 공기 정화 필터들이 장착된 공기정화기의 사용이 보편화되고 있다.

그러나, 일반적인 상용 공기정화기의 경우, 주기적으로 공기 청정 필터를 교체해 주어야 하는 문제가 있을 뿐만 아니라 청정 부분이 먼지와 악취 제거와 최근의 가습기능 추가에 제한된 한계점을 갖고 있으므로, 근본적인 실내 공기 청정 기능을 할 수 없는 실정이다.

아울러, 최근 미세먼지 문제가 심각해지면서 실내 환기가 원활히 이루어지지 않고 있으며, 이에 따라 실내 이산화탄소가 급격히 증가되어 이산화탄소로 인해 다양한 문제가 발생된다.

이와 같은 이산화탄소의 증가는 특히 다중 이용시설의 경우 더욱 두드러짐에 따라 미세먼지는 물론 이산화탄소를 동시에 제거할 수 있는 공기정화장치 또는 시스템의 개발이 절실히 요구되는 실정이다.

한국등록특허 제10-0824431호

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 발명된 것으로서, 기존의 공기 정화 장치에서 제거하지 못하는 이산화탄소의 제거가 가능한 공기정화시스템을 제공하는데 목적이 있다.

또한, 공기 중에 포함된 각종 세균 또는 박테리아의 살균 효과를 유도할 수 있는 공기정화시스템을 제공하는데 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 마이크로버블을 이용한 공기정화시스템에 있어서,

챔버형상이며, 내부에 제1용액이 수용되는 제1제거조;

챔버형상이며, 내부에 제2용액이 수용되는 제2제거조;

정화가 요구되는 외부 공기를 제1용액의 내부로 유입시키는 제1에어펌프;

제1제거조의 내부에서 제1용액의 상부 측에 포집된 공기를 제2용액의 내부로 유입시키는 마이크로버블용 펌프; 및

제2제거조의 내부에서 제2용액의 상부 측에 포집된 공기를 외부로 배출하는 제2에어펌프;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

제1용액은 물 보다 점도가 큰 것을 특징으로 한다.

제1용액은 실리콘 오일인 것을 특징으로 한다.

제2용액은 해수인 것을 특징으로 한다.

제2용액은 pH 8 이상이며, 온도는 20℃ 이하인 것을 특징으로 한다.

마이크로버블용 펌프로부터 배출되는 공기는 100㎛이하의 마이크로 버블 형태인 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 마이크로버블을 이용한 공기정화시스템의 공기정화방법에 있어서,

제1에어펌프에 의해 제1제거조에 수용된 제1용액의 내부로 외부 공기가 유입되는 단계;

외부 공기에 포함된 미세먼지 중 일부가 제1용액에 포집되는 단계;

외부 공기에 의해 제1제거조의 내부 공기 압력이 상승하는 단계;

제1제거조의 내부에서 제1용액의 상부 측에 포집된 공기가 마이크로버블용 펌프에 의해 제2제거조에 수용된 제2용액의 내부로 유입되는 단계;

제2용액의 내부로 유입된 공기에 포함된 미세먼지가 제2용액에 포집되는 단계;

제2제거조의 내부에서 제2용액의 상부 측에 포집된 공기가 제2에어펌프에 의해 외부로 배출되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 공기정화시스템 작동 시 별도의 필터가 필요하지 않기 때문에 생산 원가를 줄일 수 있으며, 필터 교체에 따른 유지 보수 및 작업 공수 또한 발생하지 않는 효과가 있다.

또한, 두 번에 나뉘어 진행되는 미세먼지 및 초미세먼지 제거 과정을 통해 미세먼지 및 초미세먼지의 제거율이 대폭 향상되며, 기존 공기정화장치에서 제거하지 못하는 이산화탄소의 제거가 가능한 효과가 있다.

또한, 공기 중에 포함된 각종 세균 또는 박테리아의 살균 효과를 유도할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 공기정화시스템의 개략적인 구성도.
도 2는 표면장력에 따른 기포 크기의 변화를 나타내는 그래프.
도 3은 pH에 따른 이산화탄소의 용해도를 나타내는 그래프.
도 4는 온도에 따른 이산화탄소의 용해도를 나타내는 그래프.
도 5는 염화나트륨(NaCl)의 농도에 따른 항균 효과를 나타내는 그래프.

상술한 본 발명의 특징 및 효과는 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 출원에서 사용되는 용어는 단지 특정한 실시 예들을 설명하기 위한 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명은 마이크로버블을 이용한 공기정화시스템 및 이의 공기정화방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 실내외 미세먼지 및 이산화탄소 제거를 위한 마이크로버블을 이용한 공기정화시스템 및 이의 공기정화방법에 관한 발명이다.

도 1에는 본 발명에 따른 공기정화시스템의 개략적인 구성도가 도시되어 있다.

본 발명의 공기정화시스템은 챔버형상이며, 내부에 제1용액(11)이 수용되는 제1제거조(10)와, 챔버형상이며, 내부에 제2용액(21)이 수용되는 제2제거조(20)와, 정화가 요구되는 외부 공기를 상기 제1용액(11)의 내부로 유입시키는 제1에어펌프(30)와, 상기 제1제거조(10)의 내부에서 상기 제1용액(11)의 상부 측에 포집된 공기를 상기 제2용액(21)의 내부로 유입시키는 마이크로버블용 펌프(40)와, 상기 제2제거조(20)의 내부에서 상기 제2용액(21)의 상부 측에 포집된 공기를 외부로 배출하는 제2에어펌프(50)를 포함하여 구성된다.

상기 제2제거조(20)는 상기 제1제거조(10)의 일측에 위치할 수 있다.

상기 제1제거조(10)는 밀폐된 수용 공간을 가지며, 상기 제1용액(11)은 상기 제1제거조의 상기 수용 공간의 40% 내지 70%의 공간을 차지하는 것이 바람직하다.

상기 제1용액(11)은 물 보다 점도가 높은 특성을 갖는다. 이로 인해 상기 제1에어펌프(30)를 통한 상기 제1용액(11)으로의 상기 외부 공기 유입 시 상기 제1용액(11) 내에서 발생되는 버블의 상승 속도가 느려지게 된다.

즉, 상기 제1용액(11) 내에서 발생되는 버블이 물 보다 상대적으로 오랜 시간 상기 제1용액(11) 내에 머무르게 된다.

상기 제1용액(11) 내에서 발생되는 버블의 상승 시 저속 특성은 상기 외부 공기 내에 포함된 각종 미세먼지 및 유해가스 등을 상기 제1용액(11)이 포집할 수 있는 충분한 시간을 제공하게 된다.

상기 제1용액(11)으로는 물 보다 점도가 100배 내지 1000배 높은 실리콘 오일인 것이 바람직하다.

물의 경우 점도가 1cSt이며, 상기 실리콘 오일의 경우 일반적으로 100cSt 내지 1000cSt의 점도를 갖는다.

도 2에는 표면장력에 따른 기포 크기의 변화를 나타내는 그래프가 도시되어 있다.

Young-Laplace 법칙에 따르면 액체 내에서 생성된 버블의 내부 압력과 그 외부 압력 간의 압력차가 액체의 표면장력에 비례한다.

즉, 액체의 표면장력이 작을수록 액체 내에서 생성된 버블의 내부 압력과 그 외부 압력 간의 압력차가 적으며, 액체의 표면장력이 클수록 상기 압력차가 커진다.

상기 압력차는 버블의 크기와 안정성에 영향을 주기 때문에 표면장력이 작은 경우 상기 버블의 크기가 보다 커질 수 있고, 상기 버블의 안정성은 보다 안정될 수 있다.

상기 실리콘 오일의 경우 표면장력이 20~21 dyn/cm로 물의 72 dyn/cm 보다 작기 때문에 상기 실리콘 오일 내에서 생성된 버블의 내부 압력과 그 외부 압력 간의 압력차가 낮아 상기 실리콘 오일 내에서 발생되는 버블의 크기와 안정성이 증가한다.

상기 제1에어펌프(30)를 통해 상기 제1용액(11)으로 유입된 정화가 요구되는 외부 공기는 버블 형태로 상승하게 되고, 이때 상기 외부 공기에 포함된 미세먼지 및 각종 유해가스 중 일부가 1차 제거된다.

상기 제1용액(11)으로 유입된 상기 외부 공기는 상기 버블이 터지면서 상기 제1제거조(10)의 내부에서 상기 제1용액(11) 상부 측의 공기층으로 이동한다.

이에 따라, 상기 제1제거조(10)의 공기층은 내부 공기 압력이 상승하게 되어 압축되고, 압축된 상기 제1제거조(10)의 공기층의 내부 공기는 상기 마이크로버블용 펌프(40)를 통해 상기 제2제거조(20)의 상기 제2용액(21) 내부로 유입된다.

상기 마이크로버블용 펌프(40)는 유입구와 배출구가 각각 구비되어 상기 유입구를 통해 유입된 공기가 상기 배출구를 통해 배출될 때 마이크로버블이 발생되도록 구성된다.

상기 마이크로버블은 5㎛ 이하의 육안으로 확인할 수 없는 초미세 기포로써, 일반 버블의 1/2000 크기로 피부의 모공인 25㎛ 보다 미세한 공기 입자이다.

상기 마이크로버블은 소멸 시 40KHz의 초음파를 발생시키고, 140db의 높은 음압을 발생시키며, 순간적으로 4000~6000의 고열이 발생된다.

즉, 일반 버블은 수중에서 상승하여 표면에서 파열되지만, 마이크로버블은 수중에서 압력에 의해 축소되며 다양한 에너지를 발생시키면서 소멸된다.

상기와 마이크로버블을 발생시키기 위한 상기 마이크로버블용 펌프(40)는 다양한 형태로 적용될 수 있으며, 바람직하게는 마이크로 멤브레인을 이용한 전단 마이크로 버블장치가 사용된다.

상기 제1제거조(10)의 공기층에 수용된 압축 공기는 상기 마이크로버블용 펌프(40)를 통해 상기 제2용액(21)의 내부로 유입되며, 이때 상기 압축 공기는 상기 마이크로버블용 펌프(40)에 의해 마이크로버블 형태로 유입된다.

상기 마이크로버블용 펌프(40)로부터 배출되는 공기는 100㎛이하의 마이크로 버블 형태가 된다.

상기 제2용액(21)의 내부로 유입된 마이크로버블 형태의 압축 공기 내에 포함된 미세먼지 즉, 제1제거조(10)에서 제거되지 않고 상기 제2제거조(20)로 유입되는 미세먼지 또는 각종 유해가스는 상기 제2제거조(20) 내부의 상기 제2용액에(21) 의해 2차 제거 과정을 거치게 된다.

상기 제2용액(21)으로는 상기 제2제거조(20)로 유입되는 미세먼지 또는 각종 유해가스 중 이산화탄소의 효과적인 제거를 위해 해수가 적용되는 것이 바람직하다.

상기와 같이 구성되는 본 발명의 공기정화시스템의 공기정화방법은,

제1에어펌프(30)에 의해 제1제거조(10)에 수용된 제1용액(11)의 내부로 외부 공기가 유입되는 단계;

상기 외부 공기에 포함된 미세먼지 중 일부가 상기 제1용액(11)에 포집되는 단계;

상기 외부 공기에 의해 상기 제1제거조(10)의 내부 공기 압력이 상승하는 단계;

상기 제1제거조(10)의 내부에서 상기 제1용액(11)의 상부 측에 포집된 공기가 마이크로버블용 펌프(40)에 의해 제2제거조(20)에 수용된 제2용액(21)의 내부로 유입되는 단계;

상기 제2용액(21)의 내부로 유입된 공기에 포함된 미세먼지가 상기 제2용액(21)에 포집되는 단계;

상기 제2제거조(20)의 내부에서 상기 제2용액(21)의 상부 측에 포집된 공기가 제2에어펌프(50)에 의해 외부로 배출되는 단계;를 포함하여 진행된다.

도 3에는 pH에 따른 이산화탄소의 용해도를 나타내는 그래프가 도시되어 있다.

상기 해수를 이용한 이산화탄소의 제거 과정은 하기의 화학식 1에서와 같이, 상기 해수로 유입된 압축 공기 내 이산화탄소는 상기 해수 내에 포함된 2가 칼슘이온에 의해 석회석(CaCO₃)로 생성됨에 따라 제거된다.

pH 8의 해수 조건에서는 대부분의 용존 CO₂가 HCO₃ ^-나 CO₃ ^2-로 존재하며, 이는 용존 Ca²⁺ 이온과 결합하여 CaCO₃를 생섬함으로써 지속적인 Ca²⁺이온 농도의 감소를 초래한다.

따라서 상기 제2용액(21)으로 적용되는 해수는 이산화탄소의 용해도가 높은 pH 8 이상으로 적용되는 것이 바람직하다.

도 4에는 온도에 따른 이산화탄소의 용해도를 나타내는 그래프가 도시되어 있다.

상기 해수의 온도가 낮아질수록 이산화탄소의 용해도가 증가하기 때문에 20℃ 이하의 수온을 갖는 해수를 이용한다면 이산화탄소를 석회석(CaCO₃)으로 포집시키기 용이하다.

도 5에는 염화나트륨(NaCl)의 농도에 따른 항균 효과를 나타내는 그래프가 도시되어 있다.

상기 해수의 염기 조건, 상기 해수 내에 포함되는 염화나트륨(NaCl), 상기 마이크로버블에 의해 발생되는 활성산소 등에 의해 본 발명의 공기정화시스템에서는 세균 또는 박테리아 등을 살균시키는 효과 또한 기대할 수 있다.

앞서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시 예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술 분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술 될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

10 : 제1제거조
11 : 제1용액
20 : 제2제거조
21 : 제2용액
30 : 제1에어펌프
40 : 마이크로버블용 펌프
50 : 제2에어펌프

Claims

챔버형상이며, 내부에 제1용액이 수용되는 제1제거조;
챔버형상이며, 내부에 제2용액이 수용되는 제2제거조;
정화가 요구되는 외부 공기를 상기 제1용액의 내부로 유입시키는 제1에어펌프;
상기 제1제거조의 내부에서 상기 제1용액의 상부 측에 포집된 공기를 상기 제2용액의 내부로 유입시키는 마이크로버블용 펌프; 및
상기 제2제거조의 내부에서 상기 제2용액의 상부 측에 포집된 공기를 외부로 배출하는 제2에어펌프;를 포함하며,
상기 마이크로버블용 펌프는 유입구와 배출구가 각각 구비되어 상기 유입구를 통해 유입된 공기가 상기 배출구를 통해 배출될 때 마이크로버블이 발생되고,
상기 마이크로버블은 소멸 시 40KHz의 초음파를 발생시키고, 140db의 음압을 발생시키며,
상기 마이크로버블용 펌프에는 마이크로 멤브레인을 이용한 전단 마이크로 버블장치가 사용되고,
상기 제1에어펌프를 통해 상기 제1용액으로 유입된 정화가 요구되는 외부 공기는 버블 형태로 상승하여 상기 외부 공기에 포함된 미세먼지 및 각종 유해가스 중 일부가 1차 제거되며,
상기 제1제거조의 공기층에 수용된 압축 공기는 상기 마이크로버블용 펌프를 통해 마이크로버블 형태로 상기 제2용액의 내부로 유입되고,
상기 제1제거조에서 제거되지 않고 상기 제2제거조로 유입되는 상기 마이크로버블 형태의 압축 공기 내에 포함된 미세먼지 또는 유해가스는 상기 제2제거조 내부의 상기 제2용액에 의해 2차 제거되는 것
을 특징으로 하는 마이크로버블을 이용한 공기정화시스템.
제1항에 있어서,
상기 제1용액은 물 보다 점도가 큰 것을 특징으로 하는 마이크로버블을 이용한 공기정화시스템.
제2항에 있어서,
상기 제1용액은 실리콘 오일인 것을 특징으로 하는 마이크로버블을 이용한 공기정화시스템.
제1항에 있어서,
상기 제2용액은 해수인 것을 특징으로 하는 마이크로버블을 이용한 공기정화시스템.
제4항에 있어서,
상기 제2용액은 pH 8 이상이며, 온도는 20℃ 이하인 것을 특징으로 하는 마이크로버블을 이용한 공기정화시스템.
제1항에 있어서,
상기 마이크로버블용 펌프로부터 배출되는 공기는 100㎛ 이하의 마이크로 버블 형태인 것을 특징으로 하는 마이크로버블을 이용한 공기정화시스템.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항의 마이크로버블을 이용한 공기정화시스템의 공기정화방법에 있어서,
제1에어펌프에 의해 제1제거조에 수용된 제1용액의 내부로 외부 공기가 유입되는 단계;
상기 외부 공기에 포함된 미세먼지 중 일부가 상기 제1용액에 포집되는 단계;
상기 외부 공기에 의해 상기 제1제거조의 내부 공기 압력이 상승하는 단계;
상기 제1제거조의 내부에서 상기 제1용액의 상부 측에 포집된 공기가 마이크로버블용 펌프에 의해 제2제거조에 수용된 제2용액의 내부로 유입되는 단계;
상기 제2용액의 내부로 유입된 공기에 포함된 미세먼지가 상기 제2용액에 포집되는 단계;
상기 제2제거조의 내부에서 상기 제2용액의 상부 측에 포집된 공기가 제2에어펌프에 의해 외부로 배출되는 단계;를 포함하며,
상기 마이크로버블용 펌프는 유입구와 배출구가 각각 구비되어 상기 유입구를 통해 유입된 공기가 상기 배출구를 통해 배출될 때 마이크로버블이 발생되고,
상기 마이크로버블은 소멸 시 40KHz의 초음파를 발생시키고, 140db의 음압을 발생시키며,
상기 마이크로버블용 펌프에는 마이크로 멤브레인을 이용한 전단 마이크로 버블장치가 사용되는 것
을 특징으로 하는 마이크로버블을 이용한 공기정화시스템의 공기정화방법.