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KR20220009187A - 희석용 영공기 생성을 위한 가스 흡착 장치 - Google Patents

희석용 영공기 생성을 위한 가스 흡착 장치 Download PDF

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KR20220009187A
KR20220009187A KR1020200087582A KR20200087582A KR20220009187A KR 20220009187 A KR20220009187 A KR 20220009187A KR 1020200087582 A KR1020200087582 A KR 1020200087582A KR 20200087582 A KR20200087582 A KR 20200087582A KR 20220009187 A KR20220009187 A KR 20220009187A
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KR
South Korea
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gas adsorption
adsorption device
air
adsorbent
dilution
Prior art date
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Ceased
Application number
KR1020200087582A
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English (en)
Inventor
김화진
김영진
Original Assignee
한국과학기술연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국과학기술연구원 filed Critical 한국과학기술연구원
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Abstract

본 발명은, 연소반응에서 생성되는 연소물질의 희석을 위한 에어로졸 희석기에 영공기 상태로 공기의 공급을 가능하게 하는 것을 특징으로 하는 가스 흡착 장치를 제공한다.

Description

희석용 영공기 생성을 위한 가스 흡착 장치{Gas Adsorption Apparatus for Producing Dilution Air}
본 발명은 가스 흡착 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 연소반응을 통해 배출되는 고농도의 오염물질의 측정분석을 고도화하기 위한 희석용 영공기 생성을 위한 가스 흡착 장치에 관한 것이다.
국제암연구소(IARC)에서 1급 발암물질로 분류되고 있는 미세먼지에 대한 국민들의 우려와 경각심이 높아짐에 따라 미세먼지의 문제해결이 최우선적인 과제로 설정된 상황에 있다.
특히, 초미세입자의 경우 상대적으로 조대입자에 비해 표면적이 넓어 유해성 중금속이나 가스상 오염물질이 흡착하기 용이하며, 입자 크기가 작아 폐포에 대한 흡착률이 높기 때문에 폐암 등과 같은 질병을 유발할 가능성이 크다. 또한, 대기중 미세먼지는 빛을 흡수하거나 반사함으로써 기후변화에도 영향을 미친다.
따라서, 미세먼지의 물리적, 화학적, 광학적 특성 등 다양한 방면에서의 측정, 분석, 실험적 연구가 필요한데, 측정과 분석을 진행하는 동안 생기는 오차를 최소한으로 하기 위해 실험 전에 선행되어야 하는 조건설정 중 고농도의 오염물질을, 물리 화학적 특성 변화없이 희석시키기는 것이 중요하다.
뿐만 아니라, 연소물질의 대표적 배출원인 화력발전소, 공장 등의 굴뚝 등에서 배출되는 입자의 연구를 수행함에 있어서 희석은 필수적인 조건이다. 이를 위해 주입되는 공기를 영공기(zero air)의 상태를 만드는 것이 중요하다.
또한, 영공기의 생성은 에어로졸질량분석기(AMS)에서의 IE cal(Ion Efficiency calibration)실험이나 스모그챔버(smog chamber) 및 대기측정장비의 background 점검을 위한 바탕시험 등 활용범위가 굉장히 넓어 많은 실험에서 이용되어지고 있다. 또한 가스를 포함한 다양한 가연물(나무 및 석탄)이 연소반응으로 생성되는 연소물질의 광화학적 조성을 측정하는 연소실험에서도 영공기 생성을 통한 희석이 필요하다. 특히, 연소실험에서 발생되는 연소물질은 고온의 고농도 입자로, 응결 현상 및 측정장비의 손실을 방지하기 위해 희석장비(Diluter system)를 이용하여 오염물질의 온도 제어 및 희석을 진행한다. 사용되는 희석용 공기는 화학적으로 입자가 없고(particle free), 가스가 없는(gas free) 영공기의 상태로 주입되어야 하며 통상적으로 영공기를 생성할 수 있는 발생기(generator)를 이용한다. 가스 발생기(air generator)는 NOx, O3, SO2, CO와 같은 가스상 물질을 내부에 설치된 흡착제(scrubber)나 컬럼(Column)을 통과하면서 흡착을 통하여 제거한다.
그러나, 각각의 방법들은 편의성과 휴대성 및 비선택적인 흡착, 컬럼사용으로 인한 운전비용 및 재생가능성 등 모든 측면에서 고려하였을 때 고도화된 측정 분석을 하는데 적합하지 않다. 뿐만 아니라, 영공기의 생성을 위한 대부분의 시스템은 고정식이어서 이동형, 혹은 유동성이 요구되는 실험에서는 사용이 어려움이 있다. 따라서 흡착제를 포함한 가스흡착장치를 이용하여 측정, 분석에 적합한 등급(grade)의 공기를 생성시켜 희석하는 시스템이 필요하다.
이에 희석용 공기 주입부 및 흡착제 교체의 편의성, 다양성을 고려한 연결고리 및 덮개, 누설 발생을 방지하기 위한 고무패킹을 통해 흡착 효율을 극대화 시킬 수 있는 흡착 시스템을 개발하였다.
이를 위해 기존 입자의 특성을 바꾸거나 오염시키지 않는 희석 시스템이 요구되며, 이를 위해 영공기의 생성 시스템 구축이 필수적이다. 만약 고농도의 입자가 희석과정을 거치지 않고 장비로 유입시, 측정 데이터의 오차율 및 장비 손상의 우려가 있다.
일 문헌(Arinto Y.P. Wardoyo et al., 2006.)에 따르면 희석비(dilution ratio)를 장비의 특성과 실험 조건 등에 따라 100 ~ 300으로 설정하여 실험을 진행한 바 있다. 연소실험에서 사용되는 장비인 SMPS(Scanning Mobility Particle Sizer)의 최대 유입농도는 108 particles/cm3이고, Aethalometer(AE33)의 경우 100 ㎛/m3로 각 장비의 최대농도를 반영하여 희석비를 설정 후, 영공기를 주입하여야 오차율 및 장비 손상을 방지할 수 있다.
기존의 가스흡착장치(Gas absorber)는 얇은 원통형 철망으로 연결된 라인을 이용하여 공기가 유입되므로 실리카겔(silica gel)을 통한 입자상의 수분을 제거하기에는 용이하나 CO2나 VOCS와 같은 가스상 물질을 제거하기에는 효율적인 측면에서 부족한 면이 있다. 그러나, 상기 가스흡착장치는 원통형의 철망 대신, 공기 주입구 상하단에 철망을 평면으로 설치하여 흡착제가 공기 주입구로 유입되지 못하게 하는 기존의 기능을 포함하면서, 가스상 물질의 효율적인 흡착을 할 수 있다는 장점이 있다. 또한, 주입구 위치를 가스흡착장치의 상하단 중앙에 설치하던 기존의 방식에서 상하단 측면에 설치함으로써 2개 이상의 가스흡착장치를 병렬식 구조로 설치가 가능하도록 하여, 머무름 시간(Retention Time)을 확보 할 수 있게 되었다.
다른 일 문헌(Zhen-Shu Liu et al., 2015.)에 따르면 온도 및 흡착제 종류 이외에도 머무름 시간을 확보하는 것은 흡착 효율을 높일 수 있는 중요한 조건설정 중 하나이다. 이러한 가스상 물질의 효율적인 제거를 통해 외부요인에 의한 측정 오차 가능성을 줄여 정확한 유기성분 분석 및 광학적 특성 분석이 가능하다.
연소반응을 통해 배출되는 고농도의 오염물질의 측정분석을 고도화하기 위한 희석용 영공기 생성을 위한 가스 흡착 장치의 개발이 요구된다.
공개 특허 공보 제10-2018-0044413호(2018.5.2)
본 발명은 상기의 과제를 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 연소반응을 통해 배출되는 고농도의 오염물질의 측정분석을 고도화하기 위한 희석용 가스 흡착 시스템 개발하는 것이다.
상기의 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 가스 흡착 장치는 연소반응에서 생성되는 연소물질의 희석을 위한 에어로졸 희석기에 영공기 상태로 공기의 공급을 가능하게 한다.
본 발명의 가스 흡착 장치는 희석에 필요한 공기를 공급 가능하게 하는 공기 주입구를 포함하고, 가스 흡착 장치의 몸체의 내측에는 입자를 제거할 수 있는 철망이 구비된다.
바람직하게는, 상기 공기 주입구에는, 상기 에어로졸 희석기에 기 결정된 유량의 공기를 공급 가능하게 하는 질량흐름제어기가 연결될 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예에 의하면, 상기 공기 주입구는, 가스 흡착 장치의 몸체의 측면에 구비되고, 상기 가스 흡착 장치의 몸체는 복수 개로 구비되며, 상기 가스 흡착 장치의 몸체는 상기 공기 주입구를 사이에 두고 병렬적 구조를 형성할 수 있다.
바람직하게는, 상기 철망은 착탈 가능하다.
본 발명과 관련된 다른 일 예에 의하면, 가스 흡착 장치의 몸체의 양 단에는 덮개가 배치되고, 가스 흡착 장치의 내부로 희석용 공기를 주입 시에, 가스 흡착 장치의 덮개와 가스 흡착 장치의 몸체 사이에는 고무 패킹이 설치되어 가스 흡착 장치의 몸체로부터의 희석용 공기의 누설을 방지하게 한다.
본 발명과 관련된 또 다른 일 예에 의하면, 가스 흡착 장치의 몸체의 내부에 흡착제가 설치되고, 가스는, 가스 흡착 장치의 내부에 위치한 흡착제를 순환 후에 에어로졸 희석기(Dilluter System)를 통해 고농도의 오염물질을 희석시켜 일반 대기조건으로 측정 분석을 가능하게 한다.
바람직하게는, 상기 흡착제의 종류는 상기 연소물질의 종류에 따라 달라질 수 있다.
또한, 상기 흡착제의 종류에 따라, 악취제거 및 연소물질 정화를 가능하게 할 수 있다.
바람직하게는, 상기 복수 개의 가스 흡착 장치의 몸체 내부 각각에 흡착제가 구비될 수 있다.
본 발명은 연소실험에서 사용하는 에어로졸 희석기(diluter system)에 연결 할 수 있도록 제작하여 연소물질의 광화학적 특성 연구에 이용할 수 있다. 연소물질 특성 연구는 입자의 수 농도를 측정하는 장비(SMPS), 유기 및 블랙카본의 흡수 특성 분석기(Aethalometer), 실시간으로 CO2의 농도를 확인할 수 있는 장비(CO2 analyzer), 유무기 물질에 대한 화학적 특성을 분석할 수 있는 에어로졸 질량분석기(AMS)을 이용하게 되는데, 연소물질 희석 시 주입되는 희석용 공기로 인하여 각 장비의 측정값 오류를 발생시키는 영향인자를 제거함으로써 보다 정확한 데이터를 확보할 수 있다.
도 1은 본 발명의 가스 흡착 장치를 도시하는 사진.
도 2는 본 발명의 가스 흡착 장치의 단면도.
도 3은 본 발명의 가스 흡착 장치의 평면도.
도 4는 본 발명의 가스 흡착 장치의 직/병렬 연결의 일례를 보여주기 위한 사시도.
도 5는 본 발명의 가스 흡착 장치와 관련된 공기의 유동을 서술하기 위한 사진.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 동일하거나 유사한 구성요소에는 동일, 유사한 도면 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 가스 흡착 장치(100)를 도시하는 사진이고, 도 2는 본 발명의 가스 흡착 장치(100)의 단면도이며, 도 3은 본 발명의 가스 흡착 장치(100)의 평면도이다.
또한, 도 4는 본 발명의 가스 흡착 장치(100)의 직/병렬 연결의 일례를 보여주기 위한 사시도이고, 도 5는 본 발명의 가스 흡착 장치(100)와 관련된 공기의 유동을 서술하기 위한 사진이다.
이하, 도 1 내지 도 5를 참조하여, 본 발명의 가스 흡착 장치(100)에 대하여 서술한다.
본 발명의 가스 흡착 장치(100)는, 연소반응에서 생성되는 연소물질의 희석을 위한 에어로졸 희석기에 영공기(zero air) 상태의 공기의 공급을 가능하게 한다.
본 발명의 가스 흡착 장치(100)는, 공기 주입구(20)를 포함할 수 있다.
공기 주입구(20)는, 희석에 필요한 공기를 공급 가능하게 할 수 있다.
공기 주입구(20)는, 가스 흡착 장치의 몸체(10)의 외부에서 가스 흡착 장치의 몸체(10)의 연장 방향과 교차하는 방향으로 배치될 수 있다. 일례로, 도 1 및 도 3에 도시되는 바와 같이, 공기 주입구(20)는 가스 흡착 장치의 몸체(10)의 연장 방향과 90°의 각도를 이룰 수 있다.
이러한 공기 주입구(20)의 구조로 인해, 불필요한 입자의 유입을 최소화하고, 후술하는 바와 같이, 복수의 가스 흡착 장치의 몸체(10)를 연결하는 병렬식 구조를 가능하게 할 수 있다.
가스 흡착 장치의 몸체(10)는 예를 들면, 아크릴(acryl) 재질로 이루어질 수 있다.
가스 흡착 장치의 몸체(10)의 내측에는 입자를 제거할 수 있는 철망(30)이 구비될 수 있다. 특히, 철망(30)은 기기에 손상을 줄 수 있는 큰 입자를 제거하는데 용이하고, 흡착제(17)의 이탈을 방지한다.
일례로, 철망(30)은, 가스 흡착 장치의 몸체(10)의 내측에 철망(30)을 지지하는 철망 지지대(33)에 의해 설치될 수 있다.
철망(30)은 철망(30)이 손상 또는 오염되는 경우 교체를 용이하게 할 수 있도록 착탈 가능하도록 설치될 수 있다.
공기 주입구(20)에는, 에어로졸 희석기(5, 도 5)에 기 결정된 유량의 공기를 공급 가능하게 하는 질량흐름제어기(4, Mass Flow Controller, MFC)가 연결될 수 있다. 질량흐름제어기(4)에 의해 에어로졸 희석기(5)로 일정한 유량으로 공기를 공급할 수 있다.
도 4를 참조하면, 공기 주입구(20)는, 가스 흡착 장치의 몸체(10)의 측면에 구비되고, 상기 가스 흡착 장치의 몸체(10)는 복수 개로 구비되며, 가스 흡착 장치의 몸체(10)는 상기 공기 주입구(20)를 사이에 두고 병렬적 구조를 형성할 수 있다.
또한, 도 4에는 복수의 공기 주입구(20)가 튜브(23)로 연통되며, 튜브(23)를 통해 가스 흡착 장치(100)의 외부와도 연통될 수 있다. 튜브(23)는 튜브 커넥터(23a)에 의해 서로 연통될 수 있다.
이런 구조로 인해, 공기 주입시 와류(vortex)형태의 기체 흐름으로 인하여, 주입된 공기와 흡착제(17)의 접촉 면적 증대를 통한 효율적인 흡착반응이 유도된다. 또한, 제거하고자 하는 가스 및 입자에 필요한 흡착제(17)를 원하는 만큼 늘릴 수 있게 하도록 한다.
가스 흡착 장치의 몸체(10)의 양 단에는 덮개(13)가 배치될 수 있다.
도 1 및 도 3에는, 가스 흡착 장치의 몸체(10)의 양 단에 배치된 덮개(13)가 도시되는데, 덮개(13)는 착탈 가능하도록 배치되어, 가스 흡착 장치의 몸체(10) 내부의 흡착제(17)의 제거나 철망(30) 교체를 용이하게 할 수 있다.
또한, 가스 흡착 장치(100)의 덮개(13)와 가스 흡착 장치의 몸체(10) 사이에는 고무 패킹(15)이 설치될 수 있다.
이런 구조로 인해, 가스 흡착 장치(100)의 내부로 희석용 공기를 주입 시에, 가스 흡착 장치의 몸체(10)와 덮개(13) 사이에서의 희석용 공기의 누설을 방지하게 한다.
가스 흡착 장치의 몸체(10)의 내부에는 흡착제(17)가 설치될 수 있다. 가스는, 가스 흡착 장치(100)의 내부에 위치한 흡착제(17)를 순환 후에 에어로졸 희석기(Dilluter System)를 통해 고농도의 오염물질을 희석시켜 일반 대기조건으로 측정 분석을 가능하게 할 수 있다.
본 발명에서, 흡착제(17)는, 예를 들면, 활성탄(active carbon), 규조토(Diatomite), 제올라이트(zeolite), 실리카겔(silica gel), 녹말, 벤토나이트(bentonite) 및 알루미나(alumina)일 수 있다.
상기 흡착제(17)의 종류는 상기 연소물질의 종류에 따라 달라지게 된다.
또한, 상기 흡착제(17)의 종류에 따라, 악취제거 및 연소물질 정화를 가능하게 할 수 있다.
가스 흡착 장치의 몸체(10)는 공기 주입구(20)를 사이에 두고 병렬적 구조를 형성하는 경우, 한편, 상기 복수 개의 가스 흡착 장치의 몸체(10) 내부 각각에 흡착제(17)가 구비될 수 있다.
이런 구조로 인해, 공기 주입시 와류(vortex)형태의 기체 흐름으로 인하여, 주입된 공기와 흡착제(17)의 접촉 면적 증대를 통한 효율적인 흡착반응 유도 된다.
본 발명의 가스 흡착 장치(100)는 몸체 각각의 덮개(13)에 부착된 고무패킹을 부착함으로써 주입되는 공기의 누설 현상을 차단할 수 있고, 덮개(13)에 고무 패킹(15)이 설치되고, 아크릴에 스레드(thread)를 만들어 덮개(13)를 덮음으로써, 고압의 가스가 주입되어도 가스 흡착 장치의 몸체(10) 내부에서 순환한 후 헤파 필터(High Efficiency Particulate Air)와 질량흐름제어기(4)를 거쳐 안정적으로 에어로졸 희석기(Dilluter System)에 주입되어 연소반응에서 발생되는 연소물질을 영공기로 희석시킬 수 있으므로 측정 분석 시 신뢰성 있는 데이터를 확보할 수 있다.
도 5를 참조하면, 에어펌프를 통해 생성된 공기는 제습장치(1)와 가스 흡착 장치(100) 그리고 헤파 필터(3)을 통해 필터링되며 질량흐름제어기(4)를 거쳐 일정한 유량으로 희석기(5)까지 도달한 공기(파란선)는 연소생성물을 희석(빨간선)시킵니다. 희석된 연소생성물은 각각의 측정장비의 유입구까지 유입되어 측정을 진행하게 된다.
이상에서 설명한 가스 흡착 장치(100)는 위에서 설명된 실시예들의 구성과 방법에 한정되는 것이 아니라, 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.
100:가스 흡착 장치
20:공기 주입구 23:튜브 23a:튜브 커넥터
10:가스 흡착 장치의 몸체 13:덮개 15:고무 패킹 17:흡착제
30:철망 33:철망 지지대

Claims (10)

  1. 연소반응에서 생성되는 연소물질의 희석을 위한 에어로졸 희석기에 영공기 상태로 공기의 공급을 가능하게 하는 것을 특징으로 하는 가스 흡착 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    희석에 필요한 공기를 공급 가능하게 하는 공기 주입구를 포함하고, 가스 흡착 장치의 몸체의 내측에는 입자를 제거할 수 있는 철망이 구비되는 것을 특징으로 하는 가스 흡착 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 공기 주입구에는, 상기 에어로졸 희석기에 기 결정된 유량의 공기를 공급 가능하게 하는 질량흐름제어기가 연결되는 것을 특징으로 하는 가스 흡착 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 공기 주입구는, 가스 흡착 장치의 몸체의 측면에 구비되고,
    상기 가스 흡착 장치의 몸체는 복수 개로 구비되며, 상기 가스 흡착 장치의 몸체는 상기 공기 주입구를 사이에 두고 병렬적 구조를 형성하는 것을 특징으로 하는 가스 흡착 장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 철망은 착탈 가능한 것을 특징으로 하는 가스 흡착 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    가스 흡착 장치의 몸체의 양 단에는 덮개가 배치되고, 가스 흡착 장치의 내부로 희석용 공기를 주입 시에, 가스 흡착 장치의 덮개와 가스 흡착 장치의 몸체 사이에는 고무 패킹이 설치되어 가스 흡착 장치의 몸체로부터의 희석용 공기의 누설을 방지하게 하는 것을 특징으로 하는 가스 흡착 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    가스 흡착 장치의 몸체의 내부에 흡착제가 설치되고,
    가스는, 가스 흡착 장치의 내부에 위치한 흡착제를 순환 후에 에어로졸 희석기(Dilluter System)를 통해 고농도의 오염물질을 희석시켜 일반 대기조건으로 측정 분석을 가능하게 하는 것을 특징으로 하는 가스 흡착 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 흡착제의 종류는 상기 연소물질의 종류에 따라 달라지는 것을 특징으로 하는 가스 흡착 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 흡착제의 종류에 따라, 악취제거 및 연소물질 정화를 가능하게 하는 것을 특징으로 하는 가스 흡착 장치.
  10. 제4항에 있어서,
    상기 복수 개의 가스 흡착 장치의 몸체 내부 각각에 흡착제가 구비되는 것을 특징으로 하는 가스 흡착 장치.
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