KR101817907B1

KR101817907B1 - 유해 및 악취가스 제거장치

Info

Publication number: KR101817907B1
Application number: KR1020170113320A
Authority: KR
Inventors: 김은겸
Original assignee: 김은겸
Priority date: 2017-09-05
Filing date: 2017-09-05
Publication date: 2018-01-11
Anticipated expiration: 2037-09-05

Abstract

본 발명은 암모니아, 황화수소, 알데히드 등의 악취가스와 휘발성 유기화합물(VOC) 등의 유해가스를 처리하기 위하여 촉매에 전자기장을 인가하여 촉매 표면에 이온을 발생시키고, 이들 유해 및 악취가스와 이온이 반응하도록 하여 산화반응을 촉진시킨 후, 이온 부산물은 후단의 이온처리장치를 거쳐 산소와 물로 전환시킨 후 무취 및 무해의 처리가스를 대기로 방출하도록 한 유해 및 악취가스 제거장치에 관한 것으로, 악취 및 유해가스와 반응하여 이온과 반응시키는 촉매(12)가 충진되되 상기 촉매(12)에는 외부로부터 전원이 인가되어 자기장이 형성되도록 전극봉(14)이 설치되어 촉매 표면에 이온이 발생하도록 하는 촉매 반응실(10)과; 상기 촉매반응실(10)을 거친 처리가스 중의 잔류이온 및 활성산소를 제거하기 위한 이온처리챔버(20)와; 상기 이온처리챔버(20)를 거쳐 정화된 무해 및 무취가스를 대기중으로 배출시키기 위한 배기수단(30);을 포함하여 이루어져 있다.

Description

유해 및 악취가스 제거장치{Apparatus for eliminating stink and harzardous gas}

본 발명은 암모니아, 황화수소, 알데히드 등의 악취가스와 휘발성 유기화합물(VOCs) 등과 같은 각종 유해가스를 처리하기 위하여 촉매 반응실에 충진된 촉매에 전자기장을 인가하여 촉매 표면에 이온을 발생시키고, 발생된 이온을 유해 및 악취가스와 반응하도록 하여 산화반응을 촉진시킨 후, 이온 부산물은 후단의 이온처리챔버를 거쳐 산소와 물로 전환시킨 후 무취 및 무해의 처리가스를 대기로 방출하도록 한 유해 및 악취가스 제거장치에 관한 것이다.

일반적으로 산업화 및 도시화에 따른 대기환경의 오염이 심각해지면서 실내공기를 깨끗하게 유지하기 위한 장치의 필요성이 크게 부각되고 있다. 그 대표적인 예가 실내공기 중의 세균, 악취성분 등의 오염물질을 제거하여 실내공기를 청정하게 유지시키는 공기정화장치이다. 휘발성유기화합물(Volatile Organic Compounds, VOCs) 또는 악취는 다양한 종류의 공장이나 축산폐기물, 오폐수 처리 시설, 저유소, 주유소 등지에서 발생되며, 이러한 유해가스는 법에 의한 규제대상으로 그 배출량이 통제되고 있다. 이러한 악취로부터 비롯된 유해성 오염은 심각한 사회적 문제를 초래하고 있어 최근, 인체에 유해한 악취를 제거하는 수단으로서 물리적, 화학적 및 생물학적 방법 등의 처리 방법이 시도되어 처리되고 있으며, 다단계 악취 처리 방식을 통해 유해 입자를 제거하는 등 다양한 방법이 제시되어 사용되고 있다.

본 발명과 관련된 종래기술로는 특허문헌 1 및 2를 들 수 있다.

특허문헌 1은 코로나방전 및 저온복합산화촉매를 이용하여 유해가스를 정화하는 장치 및 방법이 개시되어 있는데, 특허문헌 1에서 코로나방전은 그 자체가 유입되는 수분이나 먼지 및 온도에 취약하다는 문제점이 있다. 일반적으로 사업장에서 배출되는 가스 내에는 90% 이상의 상대습도를 포함하는데, 이러한 수분이 코로나방전 전극이나 접지에 응축되는 경우 절연파괴가 발생하여 전극이 손상되고 전기단자에서의 화재가 발생할 우려가 있다. 다량의 먼지는 대부분의 사업장 가스에 포함된 물질로 이러한 먼지나 분진이 방전극에 축적되면 폭발할 위험성을 가지고 있다. 코로나방전에서 발생하는 이온을 이용하여 촉매층에서 2차 처리하는 방식을 제시하고 있는데, 코로나방전에서 발생하는 이온은 순간적으로 존재하는 것으로 촉매층까지 도달하기전에 대부분의 양이 소멸되므로 그 효과를 기대하기 어렵다. 코로나방전 자체로 가스제거효율을 50%이상 달성하기 위해서는 방전영역에서 가스 체류시간이 최소한 5초 이상이 필요한데, 이러한 조건은 실제 장비에 적용하기에는 현실성이 떨어진다.

특허문헌 2에는 악취가스를 제거하기 위한 복합 반응기가 개시되어 있는데, 이는 고농도의 활성산소를 반응시켜 생성된 수산화라디칼을 암모니아, 황화수소 등의 악취가스와 혼합하여 악취제거효율을 향상시킬 수 있도록 한 것으로, 특허문헌 2에서는 고농도의 활성산소를 발생시켜 수산화라디칼로 전환시키는 기술을 특징으로하는데, 고농도 오존을 포함하는 활성산소를 발생하기 위해서는 산소농도가 평균 20%인 일반공기로는 부족하여 대부분 80%이상의 산소농도를 발생하는 고가의 산소농축장치인 산소발생장치를 이용하여야 한다. 또한, 이러한 활성산소를 라디칼 내지 이온으로 전환하기 위해서 플라즈마반응기를 별도로 구성하게 되는데, 이러한 플라즈마반응기의 설치를 위해서는 별도의 전기공급장치와 방전장치를 필요로 하게 되어 장치 구성의 번거로움과 장비의 가격상승요인이 큰 부담을 주게 되는 문제점이 있다.

한국등록특허 제10-1312414호(2013.09.23.) 한국등록특허 제10-1595335호(2016.02.12.)

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 악취 및 유해가스 제거를 목적으로 필요한 이온을 전자기장 전극봉에 직접 접촉되는 촉매층에서 발생시킴으로써 처리가스와 이온의 접촉효율을 극대화하여 가스 처리효율을 높일 수 있는 유해 및 악취가스 제거장치를 제공하는데 있다.

한편, 전자기장 전극봉은 촉매표면에서 이온발생을 위한 전자를 전달하는 역할을 하는데, 유입되는 가스 내 수분이나 먼지 또는 분진의 영향을 최소화할 수 있어 절연파괴나 화재의 위험을 감소시킬 수 있고, 가스가 100% 접촉되는 촉매 표면에서 이온이 발생하게 되므로 순간적으로 발생하여 소멸되는 이온이 가스와 반응할 수 있는 충분한 기회를 제공할 수 있으므로 발생되는 이온을 대부분 활용할 수 있는 방식이므로 가스 처리효율을 극대화할 수 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 악취 및 유해가스를 흡착하여 이온과 반응시키는 촉매가 충진되고, 상기 촉매에는 외부로부터 전원이 인가되어 자기장이 형성되도록 전극봉이 설치되어 촉매 표면에 이온이 발생하도록 하는 촉매 반응실과;

상기 촉매 반응실을 거친 처리가스 중의 잔류이온 및 활성산소를 제거하기 위한 이온처리챔버와;

상기 이온처리챔버를 거쳐 정화된 무해 및 무취가스를 대기중으로 배출시키기 위한 배기수단;을 포함하여 이루어지는 유해 및 악취가스 제거장치를 제공한다.

본 발명에 의하면 악취 및 유해가스 제거에 필요한 이온 및 활성산소를 전자기장 전극봉에 직접 접촉되는 촉매층에서 발생시킴으로써 처리가스와 이온의 접촉효율을 극대화할 수 있어 악취 및 유해가스의 처리효율을 높일 수 있으며, 경과시간에 따른 제거성능 또한 안정적으로 유지될 수 있어 장치의 운전성능을 향상시킬 수 있고, 장치의 크기나 구조 또한 대형화가 용이하고 간편하게 제작되므로 설비비 및 운전비를 절감할 수 있는 이점이 있다.

도 1은 본 발명에 의한 유해 및 악취가스 제거장치의 개략 구성도,
도 2는 도 1에서의 가스 처리과정을 개략적으로 도시한 플로우챠트,
도 3은 촉매반응실에서의 자기장 발생과 촉매반응시의 처리가스가 이온화되고 수산이온과 라디칼로 변환되는 것을 설명하기 위한 도면,
도 4는 본 발명의 장치에서 톨루엔의 경과시간에 따른 제거효율을 나타낸 그래프,
도 5는 본 발명의 장치에서 톨루엔의 제거량과 제거효율을 나타낸 그래프이다.

이하, 본 발명을 한정하지 않는 바람직한 실시 예를 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1에는 본 발명에 의한 유해 및 악취가스 제거장치의 전체 구성이 개략적으로 도시되어 있다.

도면에 도시된 바와같이 본 발명의 유해 및 악취가스 제거장치(1)는 악취 및 유해가스와 반응하여 이온과 반응시키는 촉매(12)가 충진되되 상기 촉매(12)에는 외부로부터 전원이 인가되어 자기장이 형성되도록 전극봉(14)이 설치되어 촉매 표면에 이온이 발생하도록 하는 촉매 반응실(10)과;

상기 촉매반응실(10)을 거친 처리가스 중의 잔류이온 및 활성산소를 제거하기 위한 이온처리챔버(20)와;

상기 이온처리챔버(20)를 거쳐 정화된 무해 및 무취가스를 대기중으로 배출시키기 위한 배기수단(30);을 포함하여 이루어져 있다.

도면 중 부호 16은 상기 전극봉(14)으로 고전압(11kV)을 걸어주기 위한 전원이다.

도 2에는 도 1에 도시된 장치에서의 가스 처리과정이 개략적으로 도시되어 있는데, 이는 피처리가스인 악취가스 및 유해가스가 촉매반응실로 유입되어 산소가 농축되고, 자기장하에서 촉매반응을 하게 되며, 이온처리챔버에서 잔류이온이 제거된 후 배기수단을 통해 외부로 무해가스가 배출되는 과정을 거치게 된다.

상기 촉매 반응실(10)과 이온처리챔버(20)는 일체로 이루어져 있고, 그 사이에 처리가스가 통과하기 위한 타공 격벽(18)이 설치되어 있으며, 상기 촉매 반응실(12)의 일측으로는 악취 및 유해가스가 유입되는 유입구(11)가 형성되어 있고, 상기 이온처리챔버(20)의 타측은 배기수단(30) 측으로 배관(22)이 연결되어 있다.

상기 촉매 반응실(10)에 채워지는 촉매(12)는 펠릿(pellet)이나 구형(sphrical) 등으로 입자화된 알루미나, 제올라이트, 활성탄 등의 지지체 표면에 촉매를 코팅시킨 것으로, 이러한 지지체에 촉매를 코팅하기 전에 전처리 단계로 인산용액을 지지체 중량 대비 2~3% 중량이 되도록 지지체에 분사한 후, 110℃에서 건조한다. 인산을 지지체에 먼저 코팅하는 이유는 지지체의 열적 안정성을 향상시키고 지지체 표면에서의 촉매 분산도를 높임과 동시에 촉매의 피독현상을 줄이는데 목적이 있다. 상기 인산이 코팅된 지지체에 촉매는 전자에 의해 활성화가 잘되는 광촉매인 TiO₂(이산화티타늄)을 지지체 물질 100중량% 대비 3~5% 중량을 코팅하여 사용한다. 코팅방식은 지지체에 광촉매 졸을 일정량 분사시키는 방식이며, 이후 500~600℃에서 소성시켜 사용된다.

상기 촉매 반응실(10)에 설치되는 전극봉(14)은 텅스텐 재질로 구성된 원형 단면의 장축 형태를 사용하되, 봉의 지릉은 2cm를 기준으로 제작 사용하고, 그 길이는 촉매가 충진되는 촉매 반응실(10)의 부피(체적)에 따라 가변적으로 촉매 반응실(10) 중앙에 도달하도록 설치하면 되는데, 예를 들면, 1m×1m×1m의 부피를 갖는 촉매반응실(10)에 설치되는 전극봉(14)의 길이는 0.5m를 기준으로 제작하면 된다.

상기 전극봉(14)은 촉매 반응실(10)의 체적이 1㎥ 당 1개의 전극봉을 적용하며, 만약 4㎥ 체적을 갖는 촉매 반응실(10)의 경우 전극봉(14) 4개를 사용하며 각 전극봉(14)의 간격은 최대의 공간을 활용할 수 있도록 각 전극봉(14)마다 가장 넓은 면적을 차지할 수 있도록 설계한다.

상기 전원(16)은 교류(AC)나 직류(DC)를 공급할 수 있는데, 바람직하게는 5~10kV의 전압과 0.1~0.5mA의 전류를 공급할 수 있는 전원공급장치이다. 한편, 전압이 15kV 또는 전류가 0.5mA 이상에서는 코로나가 발생하여 촉매층이 과열할 수 있다.

상기 촉매 반응실(10)에서는 도 3에 도시된 바와 같이 촉매 반응실(10) 내부로 유입되는 악취 및 유해가스 중의 산소는 촉매(12)에 흡착되며, 촉매(12)에 흡착된 산소는 전자기장에서 전달되는 전자와 반응하여 이온으로 전환된다. 악취분자 역시 촉매에 흡착된 후, 전자와 반응하여 이온화되며 이온화된 악취분자와 산소이온은 급격히 반응하여 분해된다.

예를 들면, 암모니아가스는 대부분 질소와 물분자로 분해되고, 황화수소는 이산화황과 물분자로 분해되며, 탄소화합물인 VOC는 이산화탄소와 물분자로 분해된다.

상기 촉매 반응실(10)에서의 이온발생 메커니즘은 아래와 같다.

이온발생 메커니즘

O₂-

+ H+ → HO₂

HO₂

+ O₃ → 2O₂ + HO

O₂-

+ O₃ → O₂ + O₃-

O₃-

→ O₂ + O-

O-

+ H+ → HO

위 식에서,

O₃ : ozone

O-

: oxide radical

O₂-

: superoxide radical

HO₂

: hydroperoxyl radical

HO

: hydroxyl radical이다.

상기 이온처리챔버(20) 내부에 충진되는 담체는 이산화망간이나 이산화마그네슘을 물과 배합하여 펠릿(pellet)이나 하니컴(honeycomb) 형태로 사출한 후 500~600℃에서 소성한 것을 사용하되, 사출 시 물의 배합비율은 담체 중량 대비 60~80%로 배합하여 사용한다.

본 발명의 처리장치에서 암모니아가스가 분해되는 과정은 아래와 같다.

암모니아가스 분해메커니즘

2NH₃ + HO- + O₃ → N₂ + 3H₂O + HO^-

2NH₃ + HO₂- + O₃ → N₂ + 3H₂O + HOO^-

2NH₃ + O₂- + O₃ → N₂ + 3H₂O +O₂

암모니아분자는 촉매(12) 표면에서 발생한 수산화이온(HO-), 활성산소(오존 및 산소이온(O₂-))과 반응하여 질소분자와 물분자로 분해되고, 본 반응에서 이온 및 활성산소는 촉매(12) 표면에서 동시에 발생하게 되므로 가스분자와 동시에 반응하게 된다.

또, 본 발명의 처리장치에서 황화수소가스가 분해되는 과정은 아래와 같다.

황화수소가스 분해메카니즘

H₂S + HO- + O₃ → SO₂ + H₂O + OH-

H₂S + HO₂- + O₃ → SO₂+ H₂O + HO2-

H₂S + O₂- + O₃ → SO₂ + H₂O + O2^-

황화수소 분자는 촉매(12) 표면에서 발생한 수산화이온(HO-), 활성산소(오존 및 산소이온(O2-))과 반응하여 이산화황과 물분자로 분해되고, 본 반응에서 이온 및 활성산소는 촉매(12) 표면에서 동시에 발생하게 되므로 가스분자와 동시에 반응한다. 여기에서 이온들은 오존과 황화수소 분자간의 반응을 촉진시켜주는 촉매역할을 수행한다.

또한, 본 발명의 처리장치에서 유기화합물이 분해되는 과정은 아래와 같다.

유기화합물 중 대표적인 악취물질인 아세트알데히드 분해 메커니즘

CH₃CHO + HO- + 2O₃ → 2CO₂ + 2H₂O + HOO^-

CH₃CHO + HO₂- + O₃ → 2CO₂ + 2H₂O + H⁺

CH₃CHO + O₂- + O₃ → 2CO₂ + 2H₂O

아세트알데히드 분자는 촉매(12) 표면에서 발생한 수산화이온(HO-), 활성산소(오존 및 산소이온(O₂-))과 반응하여 이산화탄소와 물분자로 분해된다. 본 반응에서 이온 및 활성산소는 촉매(12) 표면에서 동시에 발생하게 되므로 가스분자와 동시에 반응한다.

한편, 유기화합물 중에서 대표적인 탄화수소인 톨루엔의 분해 메커니즘은 아래와 같다.

톨루엔 분해메커니즘

C₇H₇ + HO- + 6O₃ → 7CO₂ + 4H₂O + O^-

C₇H₇ + HO₂- + 6O₃ → 7CO₂ + 4H₂O + O2-

C₇H₇ + O₂- + 5O₃ → 7CO₂ + 3H₂O + H

톨루엔 분자는 촉매표면에서 발생한 수산화이온(HO-), 활성산소(오존 및 산소이온(O₂-))과 반응하여 이산화탄소와 물분자로 분해된다. 본 반응에서 이온 및 활성산소는 촉매표면에서 동시에 발생하게 되므로 가스분자와 동시에 반응하게 된다.

도 4에는 본 발명의 장치에서 톨루엔의 경과시간에 따른 제거효율을 나타낸 것이고, 도 5은 도 4의 결과를 이용하여 제거량(x축)으로 환산한 톨루엔의 제거량과 제거효율을 나타낸 그래프이다.

테스트 조건은 유입농도가 2,000~4,000ppm이고, 공간속도는 5,000hr^-1이며, 인가되는 전력은 10kV이고, 반응온도는 20~25℃였다.

도 4에서 알 수 있는 바와 같이, 촉매만을 사용하는 경우에는 톨루엔의 제거효율이 10시간이 경과되기도 전에 급격하게 저하되어 거의 제로에 가까운 상태가 됨으로써 더이상 제거장치로의 기능을 발휘하지 못하는 것과는 달리, 촉매에 전자기장을 인가하는 방식을 채용하는 본원발명의 처리장치에서는 톨루엔의 제거효율이 100시간 경과시까지도 거의 변화가 없이 100%를 유지하다가 100시간이 경과하더라도 제거효율이 완만하게 감소하면서 300시간까지도 90%의 제거효율을 보여주고 있음을 확인할 수 있으며, 도 5에 도시된 바와 같이 제거량 또한 일정한 수준을 유지함을 확인할 수 있다.

1 : 제거장치
10 : 촉매 반응실
11 : 유입구
12 : 촉매
14 : 전극
16 : 전원
18 : 격벽
20 : 이온처리챔버
22 : 배관
30 : 배기수단

Claims

악취 및 유해가스와 반응하여 산소를 흡착하는 촉매(12)가 충진되되 상기 촉매(12)에는 외부로부터 전원이 인가되어 자기장이 형성되도록 전극봉(14)이 설치되어 촉매 표면에 이온이 발생하도록 하는 촉매 반응실(10)과; 상기 촉매반응실(10)을 거친 처리가스 중의 잔류이온 및 활성산소를 제거하기 위한 이온처리챔버(20)와; 상기 이온처리챔버(20)를 거쳐 정화된 무해 및 무취가스를 대기중으로 배출시키기 위한 배기수단(30);을 포함하여 이루어지며,
상기 촉매(12)는 입자화된 알루미나나 제올라이트 또는 활성탄 중에서 선택되는 하나 이상의 지지체 표면에 인산을 코팅한 후 그 위에 이산화티타늄(TiO₂)을 코팅한 것을 특징으로 하는 유해 및 악취가스 제거장치.
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