KR20060037181A

KR20060037181A - 저온 플라즈마 광촉매와 열촉매의 하이브리드 휘발성 유기화합물 제거장치

Info

Publication number: KR20060037181A
Application number: KR1020040086364A
Authority: KR
Inventors: 최병철
Original assignee: 전남대학교산학협력단
Priority date: 2004-10-27
Filing date: 2004-10-27
Publication date: 2006-05-03
Also published as: KR100623995B1

Abstract

본 발명은 저온 플라즈마 광촉매와 열촉매의 하이브리드 휘발성 유기화합물 제거시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 휘발성 유기화합물을 제거하기 위한 저온 플라즈마 광촉매장치에서 생성되어 배출되는 일산화탄소와, 플라즈마 방전으로 생성되어 인체에 치명적인 영향을 주는 오존을 동시에 제거할 수 있는 저온 플라즈마 광촉매와 열촉매의 하이브리드 휘발성 유기화합물 제거시스템에 관한 것이다.

본 발명은 휘발성 유기화합물이 포함된 오염공기에서 휘발성 유기화합물을 제거하기 위한 저온 플라즈마를 생성시키는 전극과, 상기 발생된 플라즈마의 자외선을 광원으로 촉매작용을 하는 광촉매를 포함하는 휘발성 유기화합물 제거시스템에 있어서, 상기 플라즈마와 광촉매에 의해 발생된 일산화탄소를 완전산화반응에 의해 제거하는 귀금속촉매(60)와, 상기 귀금속촉매(60)를 통해 일산화탄소가 제거된 배기공기에서 잔존오존을 흡착하거나 오존처리촉매(70)에 의해 제거하는 시스템을 포함하여구성되는 것을 특징으로 한다.

저온플라즈마, 광촉매, 일산화탄소, 오존, 귀금속촉매, 오존처리촉매

Description

저온 플라즈마 광촉매와 열촉매의 하이브리드 휘발성 유기화합물 제거시스템{HYBRID VOC PURIFICATION SYSTEM USING NON-THERMAL PLASMA PHOTO-CATALYST AND THERMAL CATALYTIC CONVERTER}

도1은 본 발명의 일실시예에 의한 저온 플라즈마 광촉매와 열촉매의 하이브리드 휘발성 유기화합물 제거시스템의 개략적인 구성도,

도2는 본 발명의 일실시예에 의한 귀금속촉매에 전기히터를 장착한 단면도.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

10: 송풍기 20: 광촉매

30: 전극 40: 승압기

50: 전기히터 55: 온도제어기

60: 귀금속촉매 70: 오존처리촉매

본 발명은 저온 플라즈마 광촉매와 열촉매의 하이브리드 휘발성 유기화합물 제거시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 휘발성 유기화합물을 제거하기 위한 저온 플라즈마 광촉매장치에서 생성되어 배출되는 일산화탄소와, 플라즈마 방전으 로 생성되어 인체에 치명적인 영향을 주는 오존을 동시에 제거할 수 있는 저온 플라즈마 광촉매와 열촉매의 하이브리드 휘발성 유기화합물 제거시스템에 관한 것이다.

일반적으로 유기용매의 사용이 증가함에 따라 각종 산업공정에서는 다양한 종류의 휘발성 유기화합물(이하, VOC라 칭함)이 발생되고 있다.

상기 VOC를 제거하기 위한 기술로는 물리 화학적 및 생물학적 방법들이 사용되고 있는데, 상기 물리 화학적방법은 오염가스의 제거효율은 높지만 시설비 및 재료비와 약품비등 유지관리비가 많이 소요되는 문제점이 있었다. 특히 연소법은 분진과 각종 유해가스를 발생시키고, 세정법은 폐수를 발생시키는 2차 오염원을 발생하는 문제점이 있었고, 생물학적 방법으로는 상기 VOC가 물에 잘 용해되지 않기 때문에 처리하는데 한계가 있었다.

이에 VOC를 효과적으로 제거하기 위한 플라즈마-광촉매를 이용하는 방법이 제안되고 있다. 상기 플라즈마-광촉매를 이용하는 방법은 음극과 양극으로 이루어진 전극 사이에 이산화티탄(TiO₂)을 주성분으로 하는 광촉매를 삽입하고 광촉매의 양단에 수만 볼트의 전압을 공급하면 코로나방전이 발생하여 전자 및 이온과 라디칼로 구성되는 방전을 발생시킴과 동시에 이 코로나 방전 중의 자외선을 광원으로 광촉매를 여기시켜 자유전자기, 전자공의 쌍을 발생시켜 VOC와 같은 유기성분, 악취 등과 같은 오염가스를 분해 및 산화시키는 방법이다.

상기 플라즈마를 이용한 공기정화시스템으로는 다수의 셀과 일정 길이 이상 의 허니콤 모노리스형으로 광촉매 구조체인 광촉매체(body catalyst)로 구성되는 국내공개특허 제2003-0092205호(2003. 12. 06, 발명의 명칭: 저온 플라즈마와 광촉매 필터를 이용한 유해가스 처리장치)가 있다. 상기 "저온 플라즈마와 광촉매 필터를 이용한 유해가스 처리장치"는 양 전극 사이에 존재한 허니콤 광촉매체의 각 셀로 자외선 영역의 파장을 갖는 저온 플라즈마를 발생시켜 광촉매를 활성하고, 여기서 발생하는 자유전자기와 전자공에 의해 정화반응이 발생하고, 여기에 저온 플라즈마에서 발생하는 부수적인 자유기로 정화 효율을 향상시킨다.

또한 광촉매 재료 자체로 허니콤 모노리스 형상으로 압출, 성형하여 제작하여 제조경비와 시간을 단축시키며, 광반응을 활발하게 발생시켜 정화효율을 향상시키며, 저온 플라즈마 발생시 배기 중에 포함된 산소의 결합으로 발생하는 오존의 양을 증가시켜 오존을 이용한 살균과 탈취 기능을 부수적으로 얻을 수 있는 장치가 개시되어 있다.

한편, 국내공개특허 제2004-0085249호(2004. 10. 08, 발명의 명칭: 입체형 셀 구조의 플라즈마 필터를 이용한 공기정화 장치 및 그 방법)에는 입체형 셀 구조의 플라즈마 필터를 이용한 공기정화 장치 및 그 방법으로, 오염된 공기가 1차 여과되는 프리필터부와, 상기 프리필터부에서 1차적으로 여과된 공기를 흡입하여 플라즈마 필터부로 보내는 송풍부, 상기 송풍부를 통해 나오는 공기를 대기압 글로우 플라즈마 방전에 의해 2차적으로 정화시키는 플라즈마 셀이 입체적으로 배열된 플라즈마 필터부와, 상기 플라즈마 필터부와 연결된 플라즈마 전원 공급장치를 포함하는 공기정화 장치와 그 정화 방법에 관한 것이 개시되어 있다.

이 때 상기 플라즈마 필터부는 토르말린(Tourmaline) 또는 TiO₂가 혼합된 재료로 글레이징(Glazing) 처리하여 플라즈마 셀이 3차원의 격자구조, 선반구조 및 와이어구조와 이들의 혼합구조를 가지도록 설계하여 기존의 코로나 방전에 비하여 오존 발생이 현저히 줄어들게 하고 있다.

그러나, 상기와 같은 VOC 제거용 저온 플라즈마 광촉매 장치는 탄화수소 성분이 주성분인 휘발성물질을 제거할 때 광촉매로 사용하는 촉매의 종류에 따라서 탄화수소성분이 완전산화반응을 하여 이산화탄소로 진행하는 것이 아니라 부분산화하여 일산화탄소를 생성하는 문제점과, 플라즈마의 방전으로 인하여 공기 중 산소의 일부를 인체의 호흡기에 치명적인 영향을 주는 오존으로 변화시켜 배출하는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 종래의 VOC 제거용 저온 플라즈마 광촉매 장치에서 부분산화하여 생성되는 일산화탄소를 전기히터 가열방식의 귀금속 열촉매를 이용하여 완전산화시켜 정화할 수 있는 저온 플라즈마 광촉매와 열촉매의 하이브리드 휘발성 유기화합물 제거시스템를 제공하는 것이다.

또한 본 발명은 플라즈마의 방전으로 인하여 공기 중 산소의 일부를 오존으로 변화시켜 배출하여 인체의 호흡기에 치명적인 영향을 주는 오존성분을 정화할 수 있게 광촉매와 가열 귀금속 촉매 후단에 활성탄과 Mn-ZSM-5(니켈 제오라이트계) 촉매를 장착하여 오존을 산소로 환원시켜 오존배출의 문제점을 해소할 수 있는 저온 플라즈마 광촉매와 열촉매의 하이브리드 휘발성 유기화합물 제거시스템을 제공하는 목적이 있다.

본 발명은 휘발성 유기화합물이 포함된 오염공기에서 휘발성 유기화합물을 제거하기 위한 저온 플라즈마를 생성시키는 전극과, 상기 발생된 플라즈마의 자외선을 광원으로 촉매작용을 하는 광촉매를 포함하는 휘발성 유기화합물 제거시스템에 있어서, 상기 플라즈마와 광촉매에 의해 발생된 일산화탄소를 완전산화반응에 의해 제거하는 귀금속촉매와, 상기 귀금속촉매를 통해 일산화탄소가 제거된 배기공기에서 잔존오존을 흡착하여 제거하는 오존처리촉매를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 귀금속촉매에 의해 일산화탄소를 완전산화반응이 되도록 섭씨 350도로 발열하는 전기히터와, 상기 전기히터의 온도를 일정하게 유지시키는 온도제어기를 더 포함하고, 상기 귀금속촉매는 백금, 파라듐, 로듐으로 이루어진 산화촉매군에서 선택되어지는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 오존처리촉매는 잔류오존을 흡착하여 제거하기 위한 활성탄과 Mn-ZSM-5 촉매인 것이 바람직하다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 저온 플라즈마 광촉매와 열촉매의 하이브리드 휘발성 유기화합물 제거시스템을 상세히 설명한다.

도1은 본 발명의 일실시예에 의한 저온 플라즈마 광촉매와 열촉매의 하이브 리드 휘발성 유기화합물 제거시스템의 개략적인 구성도이고, 도2는 본 발명의 일실시예에 의한 귀금속촉매에 전기히터를 장착한 단면도이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 의한 저온 플라즈마 광촉매와 열촉매의 하이브리드 휘발성 유기화합물 제거시스템은, 상기 도1 및 도2에 도시된 바와 같이 휘발성 유기화합물이 함유된 오염공기를 유입하는 송풍기(10)와, 상기 송풍기(10)를 통해 유입된 오염공기에서 휘발성 유기화합물을 제거하기 위한 저온 플라즈마를 생성시키는 전극(30)과, 상기 발생된 플라즈마의 자외선을 광원으로 촉매작용을 하는 광촉매(20)와, 상기 플라즈마에 의해 발생된 일산화탄소를 완전산화반응에 의해 제거하는 귀금속촉매(60)와, 상기 완전산화반응이 되도록 온도를 일정하게 유지하는 전기히터(50)와, 상기 귀금속촉매(60)를 통해 일산화탄소가 제거된 오염공기에서 잔존 오존을 흡착하여 제거하는 오존처리촉매(70)를 포함하여 구성된다.

이 때 상기 플라즈마를 생성하기 위한 전극(30)은 상용 교류전원을 공급받아 15,000 내지 18,000볼트(V)로 승합하는 승압기(40)를 통해 공급받는다. 또한 상기 광촉매(30)는 이산화티탄(TiO₂)과 Ni-ZSM-5(니켈 제오라이트계) 촉매를 사용하여 먼지 공기 중의 산소나 수분을 이용하여 O₂ + e -> O + O + e 반응식에 의해 활성 산소기(O)를 생성하고, 이 활성산소기는 O + HC(유기화합물, 예를 들어 VOC) --> RO(알데히드류), OH(수산화라디칼)등으로 분해하고 다음 단계에서 이산화탄소로 진행한다.

플라즈마의 코로나방전에 의해 생성되거나 광촉매반응에서 생성된 오존은 광 촉매(30) 후단에 설치된 귀금속촉매(60)와 오존처리 촉매(70)에 의해 환원하거나 미반응 부산물을 완전산화시킨다. 한편, 상기 광촉매(30)가 도포된 광촉매체는 허니컴 모노리식으로 형성하는 것이 바람직하다.

상기 귀금속촉매(60)는 실질적으로 오염가스를 인체에 무해한 가스로 전환시키는 촉매제 역할을 하는 것으로써 일산화탄소를 산소(O₂)와의 산화반응을 촉진시켜 물(H₂O)과 이산화탄소(CO₂)로 전환시키는 산화촉매인 Pt(Platinum; 백금)와 Pd(Palladium; 파라듐)과 Rh(Rhodium; 로듐)이 사용된다. 또한 이 때에 귀금속촉매로 섭씨 200도에서 일산화탄소와 반응이 시작되어 약 섭씨 350도에서는 완전산화반응이 일어난다. 따라서 상기 온도제어기(55)는 전기히터(50)를 통해 항상 약 섭씨 350도를 유지하여, 광촉매(20)를 통과한 일산화탄소를 완전히 정화하게 된다.

한편, 상기 전기히터(50)를 귀금속촉매(60)에 장착하는 방법은 상기 도2에 도시된 바와 같이 촉매설 내부에 따라 전기히터(50)를 상하로 직접 감아 설치할 수도 있고, 반응가스가 흐르는 상류 혹은 하류방향에 전기히터(50)를 코일형태로 감아 설치하는 방법도 있다.

상기 오존처리촉매(70)는 잔류오존을 흡착하여 제거하기 위한 활성탄과 Mn-ZSM-5 촉매를 사용한다. 즉 상기와 같이 일산화탄소가 제거되도록 전기 가열식 촉매를 나온 배기에는 잔류오존이 일부 남아 있을 수 있다. 따라서 상기 오존처리촉매(70)를 사용하여 오존의 흡착과 환원반응을 진행시켜 완전히 산소로 변환시켜 외부로 배출하게 된다.

앞에서 설명되고, 도면에 도시된 본 발명의 일실시예는 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의하면 VOC가 저온 플라즈마 광촉매에 유입되어 처리되는 과정에서 생성되어 나온 가스 중에 포함된 일산화탄소와 오존을 전기히터로 가열하는 귀금속촉매에 의해 정화하고, 오존은 오존처리를 위한 활성탄과 Mn-ZSM-5 촉매에 의해 흡착과 환원반응을 진행시켜 완전히 산소로 변환시켜 2차 유해가스의 완전정화할 수 있게 된다.

Claims

휘발성 유기화합물이 포함된 오염공기에서 휘발성 유기화합물을 제거하기 위한 저온 플라즈마를 생성시키는 전극과, 상기 발생된 플라즈마의 자외선을 광원으로 촉매작용을 하는 광촉매를 포함하는 휘발성 유기화합물 제거시스템에 있어서,

상기 플라즈마와 광촉매에 의해 발생된 일산화탄소를 완전산화반응에 의해 제거하는 귀금속촉매(60)와, 상기 귀금속촉매(60)를 통해 일산화탄소가 제거된 배기공기에서 잔존오존을 흡착하여 제거하는 오존처리촉매(70)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 저온 플라즈마 광촉매와 열촉매의 하이브리드 휘발성 유기화합물 제거시스템.
제1항에 있어서,

상기 귀금속촉매(60)에 의해 일산화탄소를 완전산화반응이 되도록 섭씨 350도로 발열하는 전기히터(50)와, 상기 전기히터(50)의 온도를 일정하게 유지시키는 온도제어기(55)를 더 포함하고,

상기 귀금속촉매(60)는 백금, 파라듐, 로듐으로 이루어진 산화촉매군에서 선택산화되어지는 것을 특징으로 하는 저온 플라즈마 광촉매와 열촉매의 하이브리드 휘발성 유기화합물 제거시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 오존처리촉매(70)는 잔류오존을 흡착하여 제거하기 위한 활성탄과 Mn-ZSM-5 촉매인 것을 특징으로 하는 저온 플라즈마 광촉매와 열촉매의 하이브리드 휘발성 유기화합물 제거시스템.