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KR102557943B1 - 이산화염소 기체의 실리카겔 흡착과 자외선 조사 및 활성탄 흡착 탈착 교대 프로세스를 활용한 악취 분자의 물리 화학적 제거시스템 및 방법 - Google Patents

이산화염소 기체의 실리카겔 흡착과 자외선 조사 및 활성탄 흡착 탈착 교대 프로세스를 활용한 악취 분자의 물리 화학적 제거시스템 및 방법 Download PDF

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KR102557943B1
KR102557943B1 KR1020220093293A KR20220093293A KR102557943B1 KR 102557943 B1 KR102557943 B1 KR 102557943B1 KR 1020220093293 A KR1020220093293 A KR 1020220093293A KR 20220093293 A KR20220093293 A KR 20220093293A KR 102557943 B1 KR102557943 B1 KR 102557943B1
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Abstract

본 발명은 유기화합물과 무기화합물의 복합성분으로 이루어져 단일방법으로 제거효율이 낮은 악취를 효과적으로 제거할 수 있는 악취제거 시스템 및 방법에 관한 것이다. 본 발명의 악취제거 시스템은, 자외선조사에 의하여 이산화염소를 발생시키는 이산화염소 전구물질층; 상기 이산화염소 전구물질층의 전면 또는 후면에 배치되어 자외선을 조사하는 UV램프층; 상기 UV램프층의 전면 또는 후면에 배치된 산화티타늄 광촉매층 및 상기 이산화염소 전구물질층의 후면에 배치되어 이산화염소를 흡착하는 흡착제층을 포함하는 제1유닛과, 오존제거용 촉매와 활성탄이 함유된 활성탄 박스를 포함하고 상기 제1유닛의 후단에 설치되는 제2유닛을 포함한다. 본 발명의 악취제거 시스템은 UV램프에 의한 자외선조사로 이산화염소 전구물질로부터 이산화염소를 그 자리에서 생성하여 악취분자를 산화시켜 화학적으로 제거하고, 이산화염소를 흡착제에 흡착시켜 이산화염소와 악취분자와의 반응시간을 늘려 악취분자의 제거효율을 높이며, UV램프에 의한 자외선조사 및 산화티타늄 광촉매에 의해 생성되는 라디칼과 오존에 의하여 악취분자를 물리화학적으로 제거하고, 활성탄에 악취분자를 흡착시켜 물리적으로 제거하며, 오존제거용 촉매를 사용하여 잔류오존을 제거함으로써 유기화합물과 무기화합물을 포함하는 복합성분의 악취를 효과적으로 제거할 수 있다.

Description

이산화염소 기체의 실리카겔 흡착과 자외선 조사 및 활성탄 흡착 탈착 교대 프로세스를 활용한 악취 분자의 물리 화학적 제거시스템 및 방법{Physical and Chemical Deodorization System and Method using Gaseous Chlorine Dioxide Adsorption on Silica Gel and UV Irradiation as well as Adsorption-Desorption on-Shifts Process}
본 발명은 각종 산업분야에서 발생하는 악취를 효과적으로 제거하는 악취제거 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 이산화염소, UV램프 및 활성탄을 복합적으로 사용하여 유기화합물과 무기화합물의 복합성분으로 이루어져 단일방법으로 제거효율이 낮은 악취를 효과적으로 제거하는 악취제거 시스템 및 방법에 관한 것이다.
최근 시민들의 환경에 대한 의식이 향상되고 보다 쾌적한 생활환경을 위한 욕구가 증대됨에 따라 악취문제에 대한 민원이 점차 늘어나고 있다.
악취를 일으키는 원인물질은 대기오염물질 중에 포함되어 있는 암모니아, 황화수소, 메틸메르캅탄, 아민, 알데히드, 휘발성 유기화합물(VOCs) 등과 같은 유기화합물과, 다양한 무기화합물들이다. 이러한 악취를 일으키는 성분들은 자극성이 강하여 주민들의 생활에 직접 및 간접적으로 악영향을 미친다.
악취를 일으키는 성분은 대기오염물질 중에서도 가장 까다롭고 처리하기 어려운 특성을 가지고 있고, 그 종류가 대단히 많으며, 여러가지 성분들이 복합적으로 작용한다. 악취를 받아들이는 후각에도 개인적인 차이가 있으므로 악취에 대한 감각 정도와 피해도를 표시하기가 힘들고, 냄새에 대한 설명이나 표현방법도 사람에 따라 달라지는 경우가 많다. 또한, 악취성분은 이로 인해 발생하는 불쾌감에 대한 일정한 기준이나 측정방법을 사용할 때 지리적 기상조건이나 시간변동을 고려해야 하므로, 정량적으로 표시하기 어려운 문제점이 있다.
종래 악취를 제거하는 방법으로는 물리적인 방법, 화학적인 방법 및 생물학적 방법이 알려져 있다. 물리적인 방법으로 UV등을 이용한 광산화법, 산화티타늄 촉매 활용법, 활성탄 흡착법 등이 알려져 있고, 화학적인 방법으로는 이산화염소, 오존 등을 이용하는 방법이 널리 알려져 있으며, 생물학적 방법으로는 미생물 필터 등이 연구되고 있다.
이산화염소는 강력한 산화제로서 각종 유기화합물과 무기화합물을 효과적으로 산화시키는 화학물질로, 우수한 산화력을 바탕으로 악취의 주성분인 암모니아, 메르캅탄류, 황화수소, 황화메틸, 이황화메틸, 아민류, 알데히드 등을 효과적으로 산화시켜 제거한다. 이산화염소가 악취를 일으키는 물질들을 제거하는 반응식은 다음과 같다.
(1) 암모니아
2NH3 + 2ClO2 + H2O → NH4ClO2 + NH4ClO3
(2) 메르캅탄
CH3SH + 2ClO2 + H2O → CH3SO3H + 2HOCl
CH3SO3H + NH3 → CH3SO3NH4
(3) 황화수소
5H2S + 8ClO2 + 4H2O → 5H2SO4 + 8HCl
2NH3 + H2SO4 → (NH4)2SO4
NH3 + HCl → NH4Cl
(4) 황화 메틸
(CH3)2S + 2ClO2 + H2O → (CH3)2SO + 2HClO2
(5) 이황화메틸
2(CH3)2S + 4ClO2 + 2H2O → (2CH3)2S2O2 + 4HClO2
(6) 아민류
(CH3)3N + 2ClO2 + H2O → (CH3)3NO + 2HClO2
(CH3)3N + HCl → (CH3)3NHCl 또는 (CH3)3N + H2SO4 → [(CH3)3NH]2SO4
(7) 알데히드
RCHO + ClO2 →RCOOH
(8) 아세트알데히드
CH3CHO + ClO2 → CH3COOH
상기 황화메틸, 이황화메틸, 아민류가 이산화염소와 반응하여 생성되는 최종생성물은 무독 및 무취의 물질이다.
그러나, 이산화염소는 자연상태에서는 하기 반응식과 같이 스스로 분해되는 특성이 있어 현장에서 사용 직전에 제조해야 하므로 그 활용이 매우 제한적이고, 이산화염소를 제조할 때 아염소산나트륨, 염산, 차아염소산나트륨 등의 유해화학물질을 원료로 사용해야 하는 문제점이 있다.
2ClO2 + H2O → HClO2 + HClO3
또한 이산화염소의 경우, 황화수소와 같은 황화합물은 매우 효율적으로 제거하는 반면, 유기화합물이나 휘발성 유기화합물(VOCs)과는 반응을 하지 않아 제거할 수 없다는 단점이 있다.
오존을 이용한 방법은 에너지가 과다하게 소요되는 문제점이 있고, 산화티타늄 촉매 활용법은 고가의 부품이 소요되는 문제점이 있으며, 활성탄을 사용하는 활성탄 흡착법은 악취분자로 인해 활성탄 미세구공이 포화되면 이를 교체하거나 재생하여야 하는 문제점이 있다.
또한, 상기와 같은 종래의 악취제거방법들은 발생하는 악취가 단일성분이 아니고 유기화합물 및 무기화합물의 복합체이므로, 악취를 모두 제거하기 어려워 부분적인 효과만을 얻을 수 있다는 한계가 있다.
대한민국 특허등록 제10-1834139호 대한민국 특허등록 제10-0665800호 대한민국 특허등록 제10-1874338호 대한민국 특허공개 제10-2021-0078379호 대한민국 특허공개 제10-2020-0126116호
상기 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 UV램프의 자외선 조사로 즉석에서 생성된 이산화염소로 악취분자를 산화시키고, 이산화염소를 흡착제층에 흡착시켜 이산화염소와 악취분자와의 반응시간을 늘리며, UV램프와 산화티타늄 광촉매에 의해 발생한 라디칼과 오존으로 악취분자를 물리화학적으로 제거하고, 활성탄에 악취분자를 흡착시켜 물리적으로 제거하며, 오존제거용 촉매를 사용하여 잔류오존을 제거함으로써 유기화합물과 무기화합물을 포함하는 복합성분의 악취를 효과적으로 제거하는 악취제거 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는,
자외선조사에 의하여 이산화염소를 발생시키는 이산화염소 전구물질층; 상기 이산화염소 전구물질층의 전면 또는 후면에 배치되어 자외선을 조사하는 UV램프층; 상기 UV램프층의 전면 또는 후면에 배치된 산화티타늄 광촉매층 및 상기 이산화염소 전구물질층의 후면에 배치되어 이산화염소를 흡착하는 흡착제층을 포함하는 제1유닛과,
오존제거용 촉매와 활성탄이 함유된 활성탄 박스를 포함하고 상기 제1유닛의 후단에 설치되는 제2유닛을 포함하는, 악취제거 시스템을 제공한다.
상기 악취제거 시스템에서, 상기 이산화염소 전구물질층은, 바람직하게는 아염소산나트륨, 아염소산나트륨과 유기산의 혼합물, 그리고 과황산염으로 구성된 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함한다. 더욱 바람직하게는, 상기 이산화염소 전구물질층은 포타슘 퍼설페이트를 포함한다.
상기 악취제거 시스템에서, 상기 흡착제층은 바람직하게는 제올라이트 또는 실리카겔을 포함한다.
상기 악취제거 시스템에서, 상기 오존제거용 촉매는 바람직하게는 산화망간과 산화구리의 복합물인 홉칼라이트(CuMnOx)를 포함한다.
상기 악취제거 시스템에서, 상기 활성탄 박스는 바람직하게는 활성탄과 오존제거용 촉매를 90~95:5~10의 중량비로 함유한다.
상기 악취제거 시스템에서, 상기 활성탄 박스는 바람직하게는 허니콤(Honeycomb) 형태를 가질 수 있다.
상기 악취제거 시스템에서, 상기 제2유닛은 바람직하게는 상기 제1유닛의 후단에 복수로 설치되며, 더욱 바람직하게는 상기 제1유닛의 후단에서 분지된 형태로 이중으로 설치된다.
또한, 본 발명에서는,
UV램프의 자외선 조사에 의해 생성된 이산화염소로 악취분자를 산화시키는 단계;
상기 이산화염소를 흡착제층에 흡착시켜 흡착된 이산화염소와 악취분자를 반응시키는 단계;,
UV램프와 산화티타늄 광촉매에 의해 발생한 라디칼 및 오존과 반응시켜 악취분자를 물리화학적으로 제거하는 단계;
활성탄에 악취분자를 흡착시켜 물리적으로 제거하는 단계 및
상기 악취분자와 반응하고 남은 잔류오존을 오존제거용 촉매를 사용하여 제거하는 단계를 포함하는 악취제거 방법을 제공한다.
상기 악취제거 방법에서,
상기 UV램프의 자외선 조사에 의해 생성된 이산화염소는, 바람직하게는,
아염소산나트륨, 아염소산나트륨과 유기산의 혼합물, 그리고 과황산염으로 구성된 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 이산화염소 전구물질층에 자외선을 조사시켜 이산화염소를 발생시킨다.
상기 악취제거 방법에서,
상기 활성탄과 오존제거용 촉매는, 바람직하게는, 90~95:5~10의 중량비로 혼합된 상태로 허니콤 형태의 활성탄 박스를 형성한다.
본 발명의 악취제거 시스템은 UV램프에 의한 자외선조사로 이산화염소 전구물질로부터 이산화염소를 그 자리에서 생성하여 악취분자를 산화시켜 화학적으로 제거하고, 이산화염소를 흡착제에 흡착시켜 이산화염소와 악취분자와의 반응시간을 늘려 악취분자의 제거효율을 높이며, UV램프에 의한 자외선조사 및 산화티타늄 광촉매에 의해 생성되는 라디칼과 오존에 의하여 악취분자를 물리화학적으로 제거하고, 활성탄에 악취분자를 흡착시켜 물리적으로 제거하며, 오존제거용 촉매를 사용하여 잔류오존을 제거함으로써 유기화합물과 무기화합물을 포함하는 복합성분의 악취를 효과적으로 제거할 수 있다.
제2유닛에서 활성탄에 흡착되어 축적된 유기화합물은 휘발시켜 연소실에서 연소의 원료로 재활용하고 이러한 연소과정에서 얻어지는 에너지는 본 발명의 시스템에서 재활용하여 사용되는 에너지를 최소화할 수 있고, 악취분자의 제거에 필요한 활성탄 등의 각종 부품을 재사용함으로써 처리비용도 최소화할 수 있다.
또한 제2유닛을 이중으로 사용하는 경우 제1활성탄 박스와 제2활성탄 박스에서 교대로 악취분자를 흡착 및 탈착시켜 휴지시간없이 악취를 제거할 수 있다.
도 1은 본 발명의 악취제거 시스템의 다이아그램이다.
도 2는 UV 램프에 의해 이산화염소가 발생되는 과정을 나타낸 모식도이다.
도 3은 본 발명의 제1유닛에서 UV램프 및 산화티타늄층에 의한 악취제거 원리를 설명한 개념도이다.
도 4는 배기가스 분배플레이트(Exhaust Gas Flow Distribution Plate)의 사진이다.
도 5a와 5b는 UV램프의 사진이고, 5c는 램프 안정기(Ballast)의 사진이다.
도 6a 및 6b는 산화티타늄 촉매플레이트의 사진이다.
도 7a 및 7b는 허니콤형태 활성탄의 육각구조를 나타낸 사진이다.
도 8a 및 8b는 산화망간과 산화구리의 복합물인 오존제거용 촉매를 혼합한 허니콤형태 활성탄의 사진이다.
도 9는 실리카겔에 흡착된 이산화염소의 사진이다.
도 10은 일 일시예에서 사용된 UV램프의 규격을 나타낸 것이다.
도 11은 일 일시예에서 사용된 UV램프 안정기의 규격을 나타낸 것이다.
도 12는 본 발명의 악취제거 시스템 중 제1유닛을 사용하였을 때의 악취제거효과를 측정한 실험에서 시스템 입구의 악취를 측정한 결과이다.
도 13은 본 발명의 악취제거 시스템 중 제1유닛을 사용하였을 때의 악취제거효과를 측정한 실험에서 시스템 출구의 악취를 측정한 결과이다.
도 14는 본 발명의 악취제거 시스템인 제1유닛과 제2유닛을 사용하였을 때의 악취제거효과를 측정한 실험에서 시스템 입구의 악취를 측정한 결과이다.
도 15는 본 발명의 악취제거 시스템인 제1유닛과 제2유닛을 사용하였을 때의 악취제거효과를 측정한 실험에서 시스템 출구의 악취를 측정한 결과이다.
본 발명의 악취제거 시스템은,
자외선조사에 의하여 이산화염소를 발생시키는 이산화염소 전구물질층; 이산화염소 전구물질층의 전면 또는 후면에 배치되어 자외선을 조사하는 UV램프층; UV램프층의 전면 또는 후면에 배치된 산화티타늄 광촉매층; 그리고 이산화염소 전구물질층의 후면에 배치되어 이산화염소를 흡착하는 흡착제층을 포함하는 제1유닛과,
오존제거용 촉매와 활성탄이 함유된 활성탄 박스를 포함하고 상기 제1유닛의 후단에 설치되는 제2유닛을 포함한다.
본 발명의 악취제거 방법은,
UV램프의 자외선 조사에 의해 생성된 이산화염소로 악취분자를 산화시키는 단계;
상기 이산화염소를 흡착제층에 흡착시켜 흡착된 이산화염소와 악취분자를 반응시키는 단계;,
UV램프와 산화티타늄 광촉매에 의해 발생한 라디칼 및 오존과 반응시켜 악취분자를 물리화학적으로 제거하는 단계;
활성탄에 악취분자를 흡착시켜 물리적으로 제거하는 단계 및
상기 악취분자와 반응하고 남은 잔류오존을 오존제거용 촉매를 사용하여 제거하는 단계를 포함한다. 본 발명의 악취제거 방법은, 바람직하게는 상기 악취제거 시스템을 이용하여 악취를 제거한다.
이하 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
본 발명의 악취제거 시스템은 제1유닛과 제2유닛으로 구성된다.
1. 제1유닛
제1유닛은 자외선조사에 의하여 이산화염소를 발생시키는 이산화염소 전구물질층, 이산화염소 전구물질층의 전면 또는 후면에 배치되어 자외선을 조사하는 UV램프층, UV램프층의 전면 또는 후면에 배치된 산화티타늄 광촉매층, 및 이산화염소 전구물질층의 후면에 배치되어 이산화염소를 흡착하는 흡착제층을 포함한다. 제1유닛은 바람직한 일 실시예에서 박스 형태로 구성될 수 있으나, 이러한 형태로 한정되지는 않는다.
(1) 이산화염소 전구물질층
본 발명의 제1유닛 내에 이산화염소를 발생시키는 전구물질층을 배치한다. 이산화염소는 강력한 산화제로서 각종 유기화합물과 무기화합물을 효과적으로 산화시키지만 자연상태에서 스스로 분해되는 특성이 있으므로 사용직전에 전구물질로부터 이산화염소를 제조하여야 한다.
전구물질로는 바람직하게는 아염소산나트륨, 아염소산나트륨과 유기산의 혼합물, 과황산염 등을 사용할 수 있다. 보다 바람직하게는 고형(80%) 아염소산나트륨, 젤형 아염소산나트륨, 아염소산 나트륨과 구연산이 혼합된 고체 또는 젤형태의 혼합물, 포타슘 퍼설페이트와 같은 과황산염을 사용할 수 있다. 특히 바람직한 실시예의 하나로 고체 포타슘 퍼설페이트를 사용할 수 있다.
이산화염소 전구물질은 전구물질 플레이트의 형태로 제1유닛 내에 배치되어 이산화염소 전구물질층을 형성할 수 있다.
이산화염소 전구물질은 제1유닛 내에 배치된 UV램프에 의하여 발생한 자외선의 조사로 활성화되어 그 자리에서(in situ) 이산화염소를 발생시킨다. UV램프에 의해 이산화염소가 발생되는 과정을 도 2에 나타내었다.
발생한 이산화염소는 악취의 주성분인 암모니아, 메르캅탄류, 황화수소, 황화메틸, 이황화메틸, 아민류, 알데히드 등을 효과적으로 산화시켜 제거하게 된다.
(2) UV램프층
제1유닛에서 UV램프층은 이산화염소 전구물질층의 전면 또는 후면에 배치된다. 바람직하게는 다수의 UV램프층이 배치될 수 있다.
UV램프는 185~254nm 파장의 자외선을 발생시킨다. 바람직한 일 실시예에서는 길이 770mm인 UV램프를 다수 배치하여 강력한 고에너지의 자외선인 185~254nm 파장의 자외선을 발생시킨다. 배기가스의 용량이 분당 300루베(㎥)인 경우 80개 내외, 배기가스의 용량이 분당 500루베인 경우 120개 내외의 UV램프를 배치하는 것이 바람직하다.
UV램프는 이산화염소 전구물질을 활성화시켜 이산화염소를 발생시킨다. 또한 UV램프는 이산화염소가 산화시키지 못해 제거할 수 없었던 악취분자를 포함하여 다양한 악취분자를 이산화탄소와 물로 분해하여 제거한다. 즉, UV램프는 암모니아, 폴리에틸렌, 고분자 다중 염화물(polymer polychlorinated compounds), 트리메틸아민(trimethylamine), 황화수소(hydrogen sulfide), 황화메틸(methyl sulfide), 메틸메르캅탄(methyl mercaptan), 디메틸디설파이드(dimethyl disulfide), 이황화탄소(carbon disulfide), 스티렌(styrene), 황화물(sulfides, R2S), 휘발성 유기화합물(VOCs), 벤젠, 톨루엔, 크실렌(xylene) 등의 악취분자들에 185-254nm 파장의 자외선을 조사하여 강력한 고에너지 광력으로 악취분자들을 이산화탄소와 물로 분해하여 악취를 제거한다.
또한 고에너지를 내는 UV램프는 UVD 광을 조사하여 공기 중의 물과 산소를 분해하여 자유산소(free oxygen), 즉 하이드록실(OH) 라디칼(hydroxyl radical)과 산소 라디칼(oxygen radical)을 생성한다. 산소 라디칼은 다시 산소와 결합하여 오존을 발생시킨다.
UV + H2O → HO* (활성 하이드록실, OH 라디칼)
UV + O2 → O*(활성 산소, O 라디칼) + O → O3 (오존, ozone)
오존은 강력한 산화제로서 각종 유기 및 무기 악취분자를 산화시켜 제거한다. 오존이 악취분자를 제거하는 반응의 대표적인 예는 다음과 같다.
① 황화수소
H2S + O3 → SO2 + H2O
3SO2 + 3H2O + O3 → 3H2SO4
② 암모니아
2NH3 + 4O3 → NH4NO3 + 4O2 + H2O
③ 탄소
C + 2O3 → CO2 + 2O2
④ 황
S + H2O + O3 → H2SO4
(3) 산화티타늄 광촉매층
산화티타늄(TiO2) 광촉매층은 바람직하게는 산화티타늄 플레이트의 형태로 UV램프층의 전면 또는 후면에 배치될 수 있다.
산화티타늄 플레이트의 크기는 분당 500루베의 배기가스를 처리하는 것을 기준으로 할 때 1600mm×1800mm×10mm 정도가 바람직하나, 이에 한정되지는 않는다.
산화티타늄(TiO2)은 강력한 광산화촉매이다. 산화티타늄(TiO2) 광촉매는 자외선을 에너지로 사용하여 원자가(Valence) 전자대의 전자(e-)를 여기시켜 전도대에 점프하여 대응하는 홀을 생성(h+)하여 원자가 밴드에서 활성 산소 라디칼과 하이드록실 라디칼을 생성한다. 산화 및 분해력이 강한 라디칼은 포름알데히드, 메틸아민, 벤젠, 크실렌, VOC 및 기타 유해 유기물질, 오염물질, 악취, 세균 등을 제거하는 동시에 공기를 정화하고 분해하여 무해, 무취한 이산화탄소와 물로 변환시킨다.
산화티타늄은 다음과 같은 반응으로 하이드록실(OH) 라디칼의 생성을 촉진하며, 생성된 하이드록실(OH) 라디칼의 작용으로 산화반응을 통한 악취분자의 제거효율이 더 높아진다.
TiO2 + hν → e- + h+ νb
h+ νb → h+ tr
O2 + e- → O2 -
O2 - + O2 -+ 2H+ → H2O2 + O2
O2 - + h+ νb → O2
O2 - + h+ tr → O2
OH- + h+ νb → HO [OH(하이드록실) 라디칼]
생성된 라디칼의 악취제거 메카니즘은 하기 표 1과 같다.
제1유닛에서 UV램프와 산화티타늄층에 의한 악취제거원리를 설명한 개념도를 도 3에 나타내었다.
(4) 흡착제층
발생된 이산화염소 기체가 악취분자와 반응할 수 있는 시간을 최대화하기 위하여 이산화염소 전구물질층의 후면에 이산화염소를 흡착하는 흡착제층을 배치한다. 흡착제층은 발생된 이산화염소 기체를 흡착하여 이산화염소와 악취분자가 충분한 시간동안 반응할 수 있도록 한다.
이산화염소를 발생시키는 전구물질과 자외선의 반응에 의해 발생된 이산화염소는 악취분자와의 산화반응을 한다. 악취를 발생시키는 배기가스는 유속이 초당 5m 이상(분당 500루베 배기가스 처리기준)으로 매우 빠르므로 악취분자와 이산화염소가 충분한 반응이 이루어질 수 있는 조건이 필요하다.
흡착제층은 이산화염소 전구물질층의 후면에 배치되어 이산화염소 전구물질과 자외선의 반응에 의하여 발생된 이산화염소를 신속하게 충분히 흡착한다. 흡착된 이산화염소는 악취분자와 접촉하여 충분한 산화반응을 일으킬 수 있는 시간을 확보할 수 있으므로 악취분자의 제거효율을 높일 수 있다.
흡착제로는 실리카겔, 제올라이트 등의 흡착제를 사용할 수 있다. 바람직한 일 실시예로, 60메쉬 실리카겔을 사용할 수 있다.
흡착제층은 짧게는 1분, 길게는 10분 이상 이산화염소를 흡착하여 유지함으로써 이산화염소의 산화 탈취 반응에 충분한 시간을 제공한다.
2. 제2유닛
제2유닛은 오존제거용 촉매와 활성탄이 함유된 활성탄 박스를 포함하며, 상기 제1유닛의 후단에 설치된다.
활성탄 박스는, 바람직하게는 활성탄에 오존제거용 촉매를 일정 비율로 혼합하여 충전한다. 바람직하게는 활성탄과 오존제거용 촉매를 90~95:5~10의 중량비로 혼합한다.
제1유닛에서 강력한 자외선 조사에 의해 발생된 오존은 분해시간이 72시간으로 장시간이 소요되므로 사용되지 않고 분해되지 않은 잔류오존은 제1유닛의 외부로 배출된다. 국내 대기측정에 관한 공식적인 방법은 관능 검사에 의한 복합악취측정법이 표준방법으로 사용되고 있는데, 사람의 후각에서는 오존이 악취로 느껴지므로 오존은 탈취효능을 측정하는데 방해인자로 작용하는 문제점이 있다. 따라서 잔류오존은 제거되어야 하는데 활성탄 자체로는 오존제거가 매우 제한적이므로 오존제거용 촉매를 활성탄에 혼합하여 잔류오존을 제거한다. 잔류오존을 제거함으로써 탈취측정의 오류 및 방해요인을 사전에 제거할 수 있다.
오존제거용 촉매로는 오존제거효과가 우수한 것으로 알려진 산화망간(MnO2)과 산화구리(CuO)의 복합물인 홉칼라이트(Hopcalite)(CuMnOx)를 사용하는 것이 바람직하다.
활성탄과 오존제거용 촉매를 혼합하여 충전한 활성탄 박스는 바람직하게는 허니콤(Honeycomb) 형태를 가질 수 있다. 허니콤 형태가 되면 배기가스와 접촉하는 흡착면적이 넓어지므로 악취분자를 제거하는 효과가 높아진다.
제2유닛의 활성탄 박스는 제1유닛에서 충분히 제거되지 못한 고분자물질, 또는 자외선, 이산화티탄 및 이산화염소에 의해 분자가 일부 분할되고 쪼개졌으나 이산화탄소와 물로 완전히 분해되지 못한 분해산물을 추가로 흡착하여 제거하며, 사용되지 않고 분해되지 않은 잔류오존을 제거하게 된다.
제2유닛은 바람직하게는 제1유닛의 후단에 복수로 설치된다. 더욱 바람직하게는 제1유닛 후단에서 분지된 형태로 이중으로 설치될 수 있다. 활성탄은, 일정한 사용시간이 경과하면 흡착을 수행하는 미세구공이 포화되므로 매 3개월마다 교체하거나 재생하여야 하는 문제점이 있다. 제2유닛을 이중으로 설치하면 활성탄 박스가 제1활성탄 박스와 제2활성탄 박스로 이중으로 있으므로, 활성탄을 교체하거나 재생하는데 시간을 소요하지 않고 지속적으로 악취를 제거할 수 있다.
즉, 제1유닛을 통과한 배기가스는 제2유닛 중 하나로 들어가 제1활성탄 박스에 흡착되고 정화된 배기가스는 출구로 배출된다. 이때 휘발성 유기화합물(VOCs)등의 유기화합물은 활성탄의 미세구공에 집중적으로 축적되므로, 일정한 시간이 경과하면 제1활성탄박스의 활성탄의 미세구공은 포화되고 흡착능은 저하된다. 그러면 제1유닛을 통과한 배기가스가 제1활성탄박스로 유입되는것을 차단하고, 다른 제2유닛의 제2활성탄박스로 유입되도록 하여 활성이 강한 포화되지 않은 신선한 제2활성탄박스에서 흡착을 수행하도록 한다.
제2활성탄박스에서 악취분자를 흡착하는 동안, 제1활성탄 박스에 흡착되어 축적된 휘발성 유기화합물(VOCs) 등 악취성 유기화합물은 열풍을 주입하여 온도가 흡착된 유기화합물의 비등점(boiling point)에 다다르면 흡착된 유기화합물이 휘발하여 활성탄 미세구공에서 빠져나와 별도로 설치된 연소실로 이동한다.
연소실로 이동한 유기화합물은 연소의 원료로 재활용되고 연소되면 이산화탄소와 물로 변환된다. 연소과정에서 얻어지는 에너지는 본 발명의 시스템에서 사용된다.
이와 같이 이중으로 설치된 제2유닛의 제1활성탄 박스와 제2활성탄 박스에서 교대로 악취분자를 흡착 및 탈착하는 방법을 이용하여 악취를 발생시키는 유기 및 무기화합물을 휴지시간없이 완벽하게 제거하는 동시에, 활성탄을 반영구적으로 사용하면서 악취를 발생시키는 유기화합물을 에너지원으로 재 활용할 수 있다.
이하 실시예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명한다. 이들 실시예는 본 발명을 예시하는 것으로 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1>
본 발명의 악취제거 시스템의 일 실시예를 도 1을 참조하여 설명한다.
배기가스는 배기가스 입구(1)로 유입하여 필터(2)를 통과한다. 이때 필터로는 헤파(HEPA, High Efficiency Particulate Air) 필터를 사용하였다. 헤파필터는 배기가스 중에 있는 0.3㎛ 크기의 입자를 99.97% 이상 여과할 수 있다.
필터(2)를 통과한 배기가스는 배기가스 분배플레이트(3)를 통과하면서 분배된다. 배기가스 분배플레이트(3)는 유입되는 배기가스가 제1유닛에서 각각의 탈취장치와 고르게 접촉하여 최대한 빠른 시간 내에 악취분자와 자외선 및 이산화염소와 반응하여 탈취효과가 극대화 될 수 있도록 배치한다.
배기가스 분배플레이트(3)를 통과한 배기가스는 다수의 UV램프(4), 산화티타늄 촉매플레이트(5), 이산화염소를 발생시키는 이산화염소 전구물질 플레이트(6)를 통과하면서 악취분자가 제거되고 흡착제(7)에 흡착된 이산화염소와 충분한 반응을 하면서 악취분자를 제거한다.
제1유닛을 통과한 배기가스는 오존제거용 촉매인 산화망간과 산화구리의 복합물인 홉칼라이트를 혼합한 허니콤형태의 활성탄(8)으로 이루어진 제2유닛으로 유입된다. 제2유닛은 제1유닛의 후단에서 분지되어 2개의 제2유닛이 이중으로 설치된다. 이중으로 설치된 제2유닛은 교대로 하나의 제2유닛에 배기가스가 유입되도록 조절한다. 허니콤형태의 활성탄(8)에서 악취분자들이 추가로 제거되고 잔류오존도 제거된다.
허니콤형태 활성탄을 거친 배기가스는 배기가스 출구(9)를 통해 외부로 배출된다.
배기가스 분배플레이트(3)의 사진을 도 4에, UV램프(4)의 사진을 도 5a와 5b에, 산화티타늄 촉매플레이트(5)의 사진을 도 6a와 6b에, 허니콤형태 활성탄(8)의 사진을 도 7a, 7b, 8a 및 8b에 나타내었다. 도 9는 실리카겔에 흡착된 이산화염소의 사진이다.
<실시예 2>
본 발명에서 사용하는 UV램프 및 램프 안정기의 일 실시예를 설명한다.
UV램프로는 파장 185~254nm이고, 길이 770mm이며, 전력 150W인 것을 사용한다. UV램프의 부품 및 재질은 하기 표 2와 같다.
UV램프 부품 재질(Materials)
유리튜브 오존 쿼츠(quartz) 유리
필라멘트 F 09233
외부 와이어 몰리브덴 유도 로드(rod)
내부 차폐 기체 불활성 기체
램프 지지체 세라믹
수은(mercury) 액체 수은(mercury)
램프의 재질은 고성능 쿼츠(quartz)을 사용하여 자외선의 침투력이 상승되도록 하고, 편리하고 안전한 세라믹 램프 지지체를 사용한다.
램프를 작동시키는 환경조건은 다음과 같다.
(1) 작동온도: 0~50℃, 작동습도: 20~90% (물방울 얼음 무생성)
(2) 보관온도: 0~70℃, 보관습도: 85% 이하 (물방울 얼음 무생성)
UV램프의 규격은 도 10에 나타내었고, 램프의 성능은 하기 표 3에 나타내었다.
순번 항목 코드 성능값 단위 편차범위
1 발광관(light tube) power PL 150 W ±15%
2 램프 관(lamp tube) 전압 UL 200 V ±30%
3 램프 전류 IL 800 mA
4 185nm 광조사 밀도(irradiation intensity), 거리 1m 450 ㎼/cm2
5 오존 농도 220 ppm
6 광선 안정화 소요 시간 T 15 min
7 평균 수명 H 8,000 hr
UV램프 안정기(150W)의 규격은 도 11에 나타내었고, 안정기의 성능은 하기 표 4에 나타내었다.
형식 Input Power(W) Input Current(A) Power/Lamp Lamp Current(A)
PH6-800-150W 95-167 max.0.65-230 95-155 0.75~0.85
AC Source: 198~264V Mains. Frequency: 50/60Hz
Power Factor: >0.99typ. Efficiency: >90% typ.
Operating Frequency: 40-50KHz Dimensions: 200*62*28 m
<실시예 3>
오존제거용 촉매의 제조
오존제거용 촉매인 산화망간과 산화구리의 복합물인 홉칼라이트(CuMnOx)를 다음과 같이 제조하였다.
24.2g의 질산제이구리 삼수화물{copper(II) nitrate trihydrate}(대정 화금)과 14.7g의 초산망간{manganese(II) acetate}(대정 화금)을 물 100㎖에 용해시켰다. 이 수용액을 천천히 상온에서 과망간산칼륨(KMnO4, Potassium Permangante)(대정 화금) 19.0g을 용해시킨 수용액 50㎖에 350rpm의 속도로 교반하면서 적가하였다. 생성되는 현탁액을 25℃에서 24시간 동안 계속 교반하였다.
고체를 여과하고 물로 세척한 후 100℃에서 12시간 동안 건조시켜 갈색 고체인 홉칼라이트(CuMnOx)를 얻었다.
<실험예 1>
제1유닛의 악취제거효능평가
본 발명의 악취제거 시스템 중 제1유닛을 이용한 하수슬러지 플랜트 저장시설의 악취 제거효능을 다음과 같이 평가하였다.
시험장소는 (유)부령산업(전북 부안군 백산면 하청로 120)이고, 시험은 2021년 7월 8일 ~ 7월 19일에 실시하였다. 배기가스 풍속은 1.4m/sec이고 풍량은 300루베/min이며, 온도는 25~30℃이었다.
평가대상인 제1유닛은 실시예 1에서 제조한 악취제거 시스템 중 제1유닛만을 사용하였다. 실험은 주식회사 블루이엔지에 의뢰하였으며 공기 희석 관능법으로 악취의 양을 평가하였다.
본 발명의 악취제거 시스템 중 제1유닛을 활용한 악취제거효과를 측정한 실험에서 시스템 입구의 악취를 측정한 결과를 도 12에 나타내었고, 시스템 출구의 악취를 측정한 결과를 도 13에 나타내었다. 또한 하기 표 5에도 결과를 나타내었다.
측정위치 복합악취 비고
시스템 입구 2,080 공기 희석 관능법 (ES 09301.b)
시스템 출구 449 공기 희석 관능법 (ES 09301.b)
상기 표 5의 결과에서와 같이, 제1유닛만을 사용하였을 때도 시스템 입구로 유입된 배기가스의 악취가 2,080에서 시스템 출구로 배출될 때 449로 현저히 낮아진 것을 확인할 수 있다.
<실험예 2>
악취제거 시스템의 악취제거효능평가
본 발명의 악취제거 시스템을 이용한 하수슬러지 플랜트 저장시설의 악취 제거효능을 다음과 같이 평가하였다.
시험장소는 (유)부령산업(전북 부안군 백산면 하청로 120)이고, 시험은 2021년 7월 8일 ~ 7월 19일에 실시하였다. 배기가스 풍속은 1.4m/sec이고 풍량은 300루베/min이며, 온도는 25~30℃이었다.
평가대상인 악취제거 시스템은 실시예 1에서 제조한 악취제거 시스템을 사용하였다. 실험은 주식회사 블루이엔지에 의뢰하였으며 공기 희석 관능법으로 악취의 양을 평가하였다.
본 발명의 악취제거 시스템을 활용한 악취제거효과를 측정한 실험에서 시스템 입구의 악취를 측정한 결과를 도 14에 나타내었고, 시스템 출구의 악취를 측정한 결과를 도 15에 나타내었다. 또한 하기 표 6에도 결과를 나타내었다.
측정위치 복합악취 비고
시스템 입구 2,080 공기 희석 관능법 (ES 09301.b)
시스템 출구 173 공기 희석 관능법 (ES 09301.b)
상기 표 6의 결과에서와 같이, 본 발명의 악취제거 시스템을 사용하였을 때 시스템 입구로 유입된 배기가스의 악취가 2,080에서 시스템 출구로 배출될 때 173으로 현저히 낮아진 것을 확인할 수 있다.
또한 제1유닛만을 사용하여 실험한 실험예 1의 결과와 비교해 보더라도, 제2유닛을 추가함으로써 악취제거효능이 크게 증가하는 동시에 잔류오존을 제거함으로써 잔류오존에 의한 탈취효능방해도 제거됨을 확인하였다.
1 : 배기가스 입구
2 : 필터
3 : 배기가스 분배플레이트
4 : UV램프
5 : 산화티타늄 촉매플레이트
6 : 이산화염소 전구물질 플레이트
7 : 흡착제
8 : 오존제거용 촉매를 혼합한 허니콤형태의 활성탄
9 : 배기가스 출구
10 : 제1유닛 (UV+이산화염소 박스)
20 : 제2유닛 (카본 박스)

Claims (12)

  1. 자외선조사에 의하여 이산화염소를 발생시키는 이산화염소 전구물질층; 상기 이산화염소 전구물질층의 전면 또는 후면에 배치되어 자외선을 조사하는 UV램프층; 상기 UV램프층의 전면 또는 후면에 배치된 산화티타늄 광촉매층 및 상기 이산화염소 전구물질층의 후면에 배치되어 이산화염소를 흡착하는 흡착제층을 포함하는 제1유닛과,
    오존제거용 촉매와 활성탄이 함유된 활성탄 박스를 포함하고 상기 제1유닛의 후단에 설치되는 제2유닛을 포함하는, 악취제거 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 이산화염소 전구물질층은 아염소산나트륨, 아염소산나트륨과 유기산의 혼합물, 그리고 과황산염으로 구성된 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 악취제거 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 이산화염소 전구물질층은 포타슘 퍼설페이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 악취제거 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 흡착제층은 제올라이트 또는 실리카겔을 포함하는 것을 특징으로 하는 악취제거 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 오존제거용 촉매는 산화망간과 산화구리의 복합물인 홉칼라이트(CuMnOx)를 포함하는 것을 특징으로 하는 악취제거 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 활성탄 박스는 상기 활성탄과 오존제거용 촉매를 90~95:5~10의 중량비로 함유하는 것을 특징으로 하는 악취제거 시스템.
  7. 제1항 또는 제6항에 있어서,
    상기 활성탄 박스는 허니콤(Honeycomb) 형태인 것을 특징으로 하는 악취제거 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제2유닛이 상기 제1유닛의 후단에 복수로 설치되는 것을 특징으로 하는 악취제거 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제2유닛이 상기 제1유닛의 후단에 분지된 형태로 이중으로 설치되는 것을 특징으로 하는 악취제거 시스템.
  10. UV램프의 자외선 조사에 의해 생성된 이산화염소로 악취분자를 산화시키는 단계;
    상기 이산화염소를 흡착제층에 흡착시켜 흡착된 이산화염소와 악취분자를 반응시키는 단계;,
    UV램프와 산화티타늄 광촉매에 의해 발생한 라디칼 및 오존과 반응시켜 악취분자를 물리화학적으로 제거하는 단계;
    활성탄에 악취분자를 흡착시켜 물리적으로 제거하는 단계 및
    상기 악취분자와 반응하고 남은 잔류오존을 오존제거용 촉매를 사용하여 제거하는 단계를 포함하는 악취제거 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 UV램프의 자외선 조사에 의해 생성된 이산화염소는,
    아염소산나트륨, 아염소산나트륨과 유기산의 혼합물, 그리고 과황산염으로 구성된 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 이산화염소 전구물질층에 자외선을 조사시켜 이산화염소를 발생시키는 것을 특징으로 하는 악취제거 방법.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    상기 활성탄과 오존제거용 촉매는 90~95:5~10의 중량비로 혼합된 상태로 허니콤 형태의 활성탄 박스를 형성하고 있는 것을 특징으로 하는 악취제거 방법.
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