KR20030065068A - Mixture and one-body type purification apparatus with dielectric barrier structure - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 실내공기정화장치, 내연기관 또는 소각장으로부터 배출되는 유해가스를 정화처리하기 위한 유해가스정화장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 촉매/광촉매가 코팅된 하니콤타입의 담체셀내에 전극들을 배치시켜 유전체장벽방전을유도함으로써 플라즈마 방전효율을 상승시키고 광화학 반응활성을 증대시켜 유해가스처리효율을 향상할 수 있는 유전체장벽구조를 갖는 혼합일체형 유해가스정화장치에 관한 것이다.The present invention relates to a noxious gas purifying apparatus for purifying the noxious gas discharged from an indoor air purifying apparatus, an internal combustion engine or an incinerator. More specifically, by inducing electrodes in a honeycomb carrier cell coated with a catalyst / photocatalyst to induce dielectric barrier discharge, the dielectric can increase the plasma discharge efficiency and the photochemical reaction activity to improve the harmful gas treatment efficiency. The present invention relates to a mixed unit type harmful gas purifying apparatus having a barrier structure.
일반적으로, 엔진 또는 소각장으로부터의 유해 배기가스를 정화하기 위한 방법으로서 고전압에 의한 코로나방전을 생성시켜 플라즈마 화학반응으로 유해성분을 산화 또는 환원시켜 제거하는 방법이 이용되고 있다. 코로나 방전을 이용한 배기가스 정화장치는 배기가스 중에 포함되어 있는 유해물질(질소산화물, 황산화물, VOCs, 다이옥신 등)을 정화하는 원리를 이용한다. 이러한 코로나 방전형 배기가스 정화장치의 배기가스 제거효율을 높이기 위한 여러 가지 기술들이 제안되어 왔다. 알려진 코로나 방전형 배기가스 정화장치들로는 코로나 방전전극을 가는 선형으로 한 와이어전극-대-실린더(Wire-to-cylinder)형과, 코로나 방전전극을 침상으로 한 침상전극-대-평판형(Point source-to-Plate) 등을 대표적으로 들 수 있다.In general, as a method for purifying harmful exhaust gas from an engine or an incinerator, a method of generating corona discharge by high voltage and oxidizing or reducing harmful components by plasma chemical reaction is used. Exhaust gas purification apparatus using corona discharge uses the principle of purifying harmful substances (nitrogen oxides, sulfur oxides, VOCs, dioxins, etc.) contained in the exhaust gas. Various techniques have been proposed to increase the exhaust gas removal efficiency of the corona discharge type exhaust gas purification device. Known corona discharge type exhaust gas purifiers include a linear wire electrode-to-cylinder type with a corona discharge electrode, and a needle electrode-to-flat type with a corona discharge electrode as a needle. -to-plate) and the like.
또한, 광촉매를 이용한 정화방식도 이용되고 있는 데, 이러한 방식은 특정한 파장을 가진 광원을 광촉매, 예를 들면 TiO2에 조사하여 광촉매가 여기될 때 발생되는 자유 라디칼로 오염물질을 정화시키게 된다.In addition, a purification method using a photocatalyst is also used, which irradiates a photocatalyst, for example TiO 2 , with a light source having a specific wavelength to purify contaminants with free radicals generated when the photocatalyst is excited.
이상에서 설명한 코로나방전에 의한 플라즈마정화장치나 광촉매정화장치를 개별적으로 사용하여서는 그 정화처리에 한계가 있을 뿐만 아니라, 효율 또한 높지 않았다. 따라서, 최근에는 처리성능을 개선하기 위하여 이들을 조합한 플라즈마와 촉매 또는 광촉매의 혼합형 유해가스정화장치가 개발되고 있다.The use of the plasma purifier or photocatalytic purifier by the corona discharge described above is not only limited in the purification treatment, but also the efficiency is not high. Therefore, in recent years, in order to improve processing performance, a mixed harmful gas purifying apparatus of a plasma and a catalyst or a photocatalyst in combination thereof has been developed.
플라즈마에 의해 생성된 화학종(각종 이온, 라디칼)의 생명주기는 보통 수 마이크로초(㎲)이하이므로, 이 짧은 시간내에 생성된 화학종이 촉매와 반응하기 위해서는 플라즈마발생부와 촉매반응부가 별도로 분리되어 있으면 높은 가스정화효율을 얻기 힘들다.Since the life cycle of chemical species (various ions, radicals) generated by plasma is usually several microseconds or less, in order for the chemical species generated within this short time to react with the catalyst, the plasma generating part and the catalytic reaction part are separated separately. If present, it is difficult to obtain high gas purification efficiency.
또한, 광촉매의 경우 광화학반응을 활성화시키기 위한 빛의 파장영역이 UV영역(400nm 파장영역, E(eV)=hc=hv/λ=1239/λ에 의해 광에너지가 3eV이상)이라는 것이 밝혀지면서, 기존의 UV영역 광발생장치로서 사용되던 자외선램프- 제논램프, 수은램프, 블랙라이트, 냉음극방전관 등등- 대신 플라즈마와 혼합한 정화장치가 개발되고 있다. 이는 기존 자외선램프의 에너지 효율이 20%정도로 낮고 광촉매와 혼합하여 사용하는 데에 다소 복잡하기 때문이다. 더욱이, 플라즈마와 혼합한 정화장치에서는 플라즈마에 의한 가스정화성능과 광촉매에 의한 가스정화성능의 시너지 효과를 얻을 수 있다. 이러한 혼합형 정화장치에 대해 도 1 내지 도 4를 참조하여 설명하면 다음과 같다.In addition, in the case of the photocatalyst, it is found that the wavelength of light for activating the photochemical reaction is the UV region (400 nm wavelength region, the light energy is more than 3 eV by E (eV) = hc = hv / λ = 1239 / λ). Purifiers are being developed that are mixed with plasma instead of UV lamps, which are used as conventional UV light generators, xenon lamps, mercury lamps, black lights, cold cathode discharge tubes, and the like. This is because the energy efficiency of existing UV lamps is as low as 20% and is somewhat complicated to use in combination with photocatalysts. Furthermore, in the purification apparatus mixed with the plasma, a synergy effect of the gas purification performance by the plasma and the gas purification performance by the photocatalyst can be obtained. This mixed purifier is described with reference to FIGS. 1 to 4 as follows.
도 1에는 종래의 촉매의 양쪽단에서 방전이 일어나는 플라즈마 및 촉매/광촉매 혼합일체형 유해가스정화장치를 도시하고 있다. 이 장치는 도시한 바와 같이 반응기(10)의 양측에 전극들(12,14)을 배치하여 방전플라즈마를 생성하고, 전극들(12,14) 사이에 촉매(20)를 위치시켜 유입된 유해가스를 정화처리하고 있다. 하지만, 이 장치는 방전에 의한 플라즈마의 형성이 전극(12,14) 주위에서만 발생되어 촉매(20)의 길이가 길어질수록 촉매(20)의 중앙부분은 플라즈마와의 동시반응에서 제외되어 정화처리효율이 격감하는 문제가 유발되었다. 그같은 문제를 해소하기 위하여 길어지는 촉매(20)의 중간을 분할하여 다단식으로 구성하는 경우도 있으나, 그럴 경우 방전장치내 정전용량이 증가하는 새로운 문제에 봉착하게 된다.FIG. 1 shows a plasma and catalyst / photocatalyst-integrated noxious gas purification apparatus in which discharge occurs at both ends of a conventional catalyst. This apparatus arranges electrodes 12 and 14 on both sides of the reactor 10 to generate a discharge plasma, and places a catalyst 20 between the electrodes 12 and 14 to introduce harmful gas. Is purifying. However, in this apparatus, the formation of plasma by discharge occurs only around the electrodes 12 and 14 so that the longer the length of the catalyst 20 is, the central part of the catalyst 20 is excluded from the simultaneous reaction with the plasma, so that the purification efficiency is increased. This diminishing problem was caused. In order to solve such a problem, the middle of the longer catalyst 20 may be divided into multiple stages, but in this case, a new problem of increasing capacitance in the discharge device is encountered.
또한, 도 2는 종래의 평판-와이어의 방전전극 결합형 플라즈마 및 촉매/광촉매 혼합일체형 유해가스정화장치의 구성도로, 보는 바와 같이 와이어(30)와 평판(32)을 양전극으로 사용하여 전원공급기(34)와 배선하고 있으며, 평판(32)에 촉매(40)를 부착시켜 플라즈마와 함께 촉매(40)에 의한 반응이 일어나게 구성되었다. 하지만, 이 장치에 있어 점선으로 나타낸 것과 같이 와이어전극(30)에 의한 방전이 그로부터 평판(32)의 가까운 곳으로 집중되어 촉매(40)의 전체적인 반응의 활성화를 유도하지 못하는 단점이 있었다.2 is a block diagram of a conventional flat electrode-type discharge electrode-coupled plasma and a catalyst / photocatalyst mixed-integrated noxious gas purifying apparatus. As shown in FIG. 34), the catalyst 40 is attached to the flat plate 32 so that the reaction by the catalyst 40 occurs together with the plasma. However, in this device, as shown by the dotted line, the discharge by the wire electrode 30 is concentrated from there near to the plate 32, which does not induce the activation of the overall reaction of the catalyst 40.
도 3a 및 도 3b는 종래의 와이어-실린더형의 방전전극에 촉매가 코팅된 플라즈마 및 촉매/광촉매 혼합일체형 유해가스정화장치들을 나타내고 있다. 도 3a에 개시된 장치는 실린더(50) 내벽부에 촉매(60)들을 부착하고, 그 중심축상에 와이어형 방전전극(52)을 위치시켜 플라즈마를 발생시키고 있으며, 이 플라즈마발생에 따라 실린더(50) 내벽에 위치한 촉매(60)들이 활성화되어 유해가스와 반응을 일으키게 된다. 또한, 도 3b에 도시된 장치도 실린더(50a)의 중심축상으로 와이어형 방전전극(52a)을 배치하고, 그 내벽에서 방전전극(52a)을 향해 방전전극(52a)과 수직하게 촉매(60a)들을 배치하고 있다. 이와 같은 장치들은 방전이 주로 와이어형 방전전극(52,52a)의 주변에서만 발생되므로 플라즈마가 실린더(50,50a) 쪽으로 퍼져 나가기가 쉽지 않아 촉매(60,60a)의 활성화에 매우 비효율적이었다.3A and 3B show a plasma and a catalyst / photocatalyst mixed-integrated toxic gas purification apparatus in which a catalyst is coated on a conventional wire-cylindrical discharge electrode. In the apparatus disclosed in FIG. 3A, the catalysts 60 are attached to the inner wall of the cylinder 50, and the plasma discharge electrode 52 is positioned on the central axis thereof to generate plasma. Catalysts 60 located on the inner wall are activated to react with the noxious gas. In addition, the apparatus shown in FIG. 3B also arranges the wire type discharge electrode 52a on the central axis of the cylinder 50a, and the catalyst 60a is perpendicular to the discharge electrode 52a toward the discharge electrode 52a on the inner wall thereof. Place them. In such devices, since the discharge is mainly generated only around the wire-type discharge electrodes 52 and 52a, the plasma is not easily spread to the cylinders 50 and 50a, which is very inefficient for activating the catalysts 60 and 60a.
도 4는 종래의 플라즈마와 촉매의 발생영역이 별개로 구분된 혼합분리형 유해가스정화장치의 구성을 나타낸 것으로, 여기에 나타난 장치는 가스가 유입되는 실린더(70)의 입구부(72)에만 와이어형 방전전극(74)을 설치하여 그와 대응되는 상대방전전극인 실린더(70)와의 사이에서만 플라즈마방전이 유발되고, 그 후방의 실린더(70)의 부피가 증가된 중간부분(76)에 촉매(미도시)가 위치하여 촉매반응기로 사용되고 있다. 따라서, 이 장치는 플라즈마에 의한 가스정화반응과 촉매에 의한 가스정화반응이 분리되어 병렬로 처리되는 구조를 가지므로 상호간에 영향을 미치는 시너지효과는 기대하기 어려운 맹점을 지니고 있었다.Figure 4 shows a configuration of a mixed separation type harmful gas purification apparatus in which the generating region of the conventional plasma and the catalyst is separately separated, the apparatus shown here is a wire type only in the inlet portion 72 of the cylinder 70 into which gas is introduced. Plasma discharge is generated only between the discharge electrode 74 and the cylinder 70, which is the counter electrode electrode corresponding thereto, and the catalyst (not shown) in the intermediate portion 76 in which the volume of the cylinder 70 behind is increased. Si) is used as a catalytic reactor. Therefore, this apparatus has a structure in which the gas purifying reaction by plasma and the gas purifying reaction by the catalyst are separated and processed in parallel, so that the synergy effect affecting each other has a blind spot that is difficult to expect.
따라서, 본 발명의 목적은 상기한 문제점들을 극복하기 위하여 안출한 것으로서, 촉매/광촉매가 코팅된 하니콤타입의 담체셀내에 전극들을 배치시켜 유전체장벽방전을 유도함으로써 최대한의 시너지효과를 유발시켜 플라즈마 방전효율을 상승시키는 동시에 광화학 반응활성을 증대시켜 유해가스처리효율을 향상하게 하는 유전체장벽구조를 갖는 혼합일체형 유해가스정화장치를 제공하는 데 있다.Accordingly, an object of the present invention is to overcome the above problems, by placing electrodes in a honeycomb carrier cell coated with a catalyst / photocatalyst to induce a dielectric barrier discharge to induce maximum synergy effect plasma discharge The present invention provides a mixed-integrated noxious gas purification apparatus having a dielectric barrier structure that increases efficiency and increases photochemical reaction activity to improve noxious gas treatment efficiency.
본 발명의 실시예에 관한 상세한 설명은 첨부하는 도면을 참조하여 이루어질 것이며, 도면에서 대응되는 부분을 지정하는 번호는 같다.Detailed description of the embodiments of the present invention will be made with reference to the accompanying drawings, in which numerals designating corresponding parts in the drawings are the same.
도 1은 종래의 촉매의 양쪽단에서 방전이 일어나는 플라즈마 및 촉매/광촉매 혼합일체형 유해가스정화장치의 구성도이고,1 is a block diagram of a plasma and catalyst / photocatalyst mixed-integrated toxic gas purification apparatus in which discharge occurs at both ends of a conventional catalyst,
도 2는 종래의 평판-와이어의 방전전극 결합형 플라즈마 및 촉매/광촉매 혼합일체형 유해가스정화장치의 구성도이고,2 is a block diagram of a conventional plate-wire discharge electrode coupled plasma and catalyst / photocatalyst mixed integral toxic gas purification apparatus,
도 3a 및 도 3b는 종래의 와이어-실린더형의 방전전극에 촉매가 코팅된 플라즈마 및 촉매/광촉매 혼합일체형 유해가스정화장치의 구성도이고,3A and 3B are schematic diagrams of a plasma and catalyst / photocatalyst-integrated toxic gas purification apparatus in which a catalyst is coated on a conventional wire-cylindrical discharge electrode,
도 4는 종래의 플라즈마와 촉매의 발생영역이 별개로 구성된 혼합분리형 유해가스정화장치의 구성도이고,4 is a configuration diagram of a mixed separation type harmful gas purifying apparatus in which a generation area of a conventional plasma and a catalyst is separately formed,
도 5는 본 발명에 따른 유전체장벽구조를 갖는 혼합일체형 유해가스정화장치의 구성을 보여주는 측단면도이고,Figure 5 is a side cross-sectional view showing the configuration of a hybrid integrated harmful gas purification apparatus having a dielectric barrier structure according to the present invention,
도 6a 및 도 6b는 본 장치에서 전극의 배선방법들을 보여주는 정면도들이고,6a and 6b are front views showing the wiring method of the electrode in the present device,
도 7a 및 도 7b는 본 장치에서 전극의 결합구조를 나타낸 도면들이고,7a and 7b are views showing the coupling structure of the electrode in the present device,
도 8은 본 발명의 혼합일체형 유해가스정화장치내에서 플라즈마 및 촉매/광촉매에 의한 활성종생성 모형도이고,FIG. 8 is a model diagram of active species generation by plasma and a catalyst / photocatalyst in the mixed-integrated noxious gas purification apparatus of the present invention
도 9a는 본 발명의 혼합일체형 유해가스정화장치에서 방전전극과 상대방전전극 사이에 위치한 촉매담체셀의 단면사진이고,9A is a cross-sectional photograph of a catalyst carrier cell located between a discharge electrode and a counter electrode in the mixed body type harmful gas purifying apparatus of the present invention.
도 9b는 도 9a에 도시된 촉매담체셀을 사이에 두고 방전전극과 상대방전전극에서 일어나는 방전현상을 암실에서 포착한 사진이고,FIG. 9B is a photograph of a discharge phenomenon occurring in a discharge electrode and a counter electrode between the catalyst carrier cells shown in FIG. 9A in a dark room;
도 10a 및 도 10b는 본 발명의 혼합일체형 유해가스정화장치에 펄스파형입력시의 전압/전류파형 및 플라즈마생성을 위한 소요에너지를 보여주는 도표들이다.10A and 10B are diagrams showing voltage / current waveforms and required energy for plasma generation at the time of pulse waveform input to the mixed-integrated noxious gas purifying apparatus of the present invention.
** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 **** Explanation of symbols for main parts of drawings **
100 : 전원부110 : 방전전극100: power supply 110: discharge electrode
112 : 제 1전선120 : 상대방전전극112: first wire 120: counter electrode
122 : 제 2전선130 : 담체122: second wire 130: carrier
132 : 담체셀140 : 절연막132: carrier cell 140: insulating film
150 : 반응기152,154 : 배관150: reactor 152,154: piping
160,162 : 전기투입기160,162 Electric Injector
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 유전체장벽구조를 갖는 혼합일체형 유해가스정화장치는 배관을 통해 반응기내로 유입된 유해가스를 정화처리하는 유해가스정화장치에 있어서, 교류, 직류, 펄스전원을 각각 또는 복합적으로 발생시켜 공급하는 전원부; 상기 반응기내에 위치하며, 하니콤타입의 담체셀들을 갖는 유전체의 담체; 상기 담체셀들중 인접한 담체셀을 건너뛰며 상기 담체셀들내에 위치하고, 상기 전원부로부터 전원을 공급받는 방전전극; 및 상기 방전전극들과 교호로상기 담체셀들내에 배치되고 상기 전원부로부터 전원을 공급받아 상기 이웃한 방전전극들과 전기장을 형성하여 방전을 일으키게 하는 상대방전전극을 포함한다.Mixed-integrated noxious gas purifying apparatus having a dielectric barrier structure according to the present invention for achieving the above object is in the noxious gas purifying apparatus for purifying the noxious gas introduced into the reactor through a pipe, AC, DC, pulse power A power supply unit generating or supplying each or a combination; A dielectric carrier having a honeycomb carrier cell positioned in the reactor; A discharge electrode positioned within the carrier cells while skipping adjacent ones of the carrier cells and receiving power from the power supply unit; And a counter electrode electrode disposed in the carrier cells alternately with the discharge electrodes and receiving power from the power supply unit to form an electric field with the neighboring discharge electrodes to cause discharge.
이하에서는 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 관하여 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 5는 본 발명에 따른 유전체장벽구조를 갖는 혼합일체형 유해가스정화장치의 구성을 보여주는 측단면도이다. 또한, 도 6a 및 도 6b는 본 장치에서 전극의 배선방법들을 보여주는 정면도들이고, 도 7a 및 도 7b는 본 장치에서 전극의 결합구조를 나타낸 도면들이다.Figure 5 is a side cross-sectional view showing the configuration of a hybrid integrated type harmful gas purification apparatus having a dielectric barrier structure according to the present invention. 6A and 6B are front views showing the wiring methods of the electrodes in the apparatus, and FIGS. 7A and 7B are views illustrating the coupling structure of the electrodes in the apparatus.
도 5에 도시한 바와 같이, 본 장치는 방전을 위한 전원을 공급하는 전원부(100)를 구비하고 있다. 이 전원부(100)에서는 교류(AC), 직류(DC), 펄스를 각각 또는 복합적으로 승압하여 인가할 수 있으며, 현재 상용되는 모든 저렴한 AC, DC, 펄스 전원공급장치를 이용하는 것이 가능하다. 그리고, 이 전원부(100)와 연결되는 극성이 다른 전극들(110,120)과, 이 전극들(110,120)이 위치하고 있는 담체(130)를 구비하고 있다. 이 담체(130)는 하니콤타입의 작은 담체셀(132)들로 이루어져 있으며, 담체셀(132) 각각에는 촉매나 광촉매가 코팅되어 있다. 이 담체셀(132)들의 내부에는 전극들(110,120)이 위치되어 있어 전기공급시 전극들 사이에서 전기장이 형성되어 방전이 일어나게 된다. 특히, 반응기(150)와 담체(130) 사이에는 절연막(140)이 개재되어 있으며, 전극들(110,120)에 전기를 공급하기 위하여 제 1,제 2전선(112,122)들이 전원부(100)로부터 반응기(150)내로 진입되고 있는데, 이때 반응기(150)내로 진입되는 부위에는 전선들(112,122)을 절연하며 안정적으로 전원을 공급하기 위한 전기투입기들(160,162)이 설치되어 있다. 물론, 유해가스는 반응기(150)와 연결된 배관(152)을 통해 도 5의 화살표와 같이 담체(130)의 측면에서 유입되어 담체(130)내부를 유동하며 정화처리된 후, 배관(154)을 통해 배출되게 된다. 촉매로는 일반촉매와 광촉매가 사용되는 데, 사용용도에 따라 그에 적합한 종류를 선택하여 적용하게 된다. 예를 들어, 먼지입자의 집진, 냄새(방향족)분자의 탈취, NOx/SOx의 제거, CO의 제거등의 용도에 따라서 그에 적합한 종류의 촉매가 취사선택되며, 이러한 촉매가 적용된 공기정화장치는 자동차 디젤엔진의 배가스, 산업용 플랜트 배가스, 발전소 배가스, 비상용 발전소 배가스, 실내용 에어컨 등의 가스정화장치로 사용된다.As shown in FIG. 5, the apparatus includes a power supply unit 100 for supplying power for discharging. In the power supply unit 100, AC, DC, and pulses may be respectively applied in combination or boosted, and it is possible to use all inexpensive AC, DC, and pulse power supplies currently commercially available. In addition, electrodes 110 and 120 having different polarities connected to the power supply unit 100 and a carrier 130 on which the electrodes 110 and 120 are positioned are provided. The carrier 130 is composed of honeycomb-type small carrier cells 132, and each of the carrier cells 132 is coated with a catalyst or a photocatalyst. Electrodes 110 and 120 are positioned inside the carrier cells 132 so that an electric field is formed between the electrodes when electricity is supplied to cause discharge. In particular, an insulating film 140 is interposed between the reactor 150 and the carrier 130. In order to supply electricity to the electrodes 110 and 120, the first and second wires 112 and 122 are connected to the reactor from the power supply unit 100. 150 is entered into the reactor, in which the electric reactors 160 and 162 are installed to insulate the wires 112 and 122 and stably supply power to a portion to be entered into the reactor 150. Of course, the harmful gas is introduced from the side of the carrier 130 through the pipe 152 connected to the reactor 150 and flows inside the carrier 130 as shown in the arrow of FIG. Will be discharged through. As a catalyst, a general catalyst and a photocatalyst are used, and a suitable type is selected according to the intended use. For example, a suitable type of catalyst is selected according to the use of dust particles, deodorization of odor (aromatic) molecules, removal of NOx / SOx, removal of CO, and the like. It is used as gas purifier of diesel engine flue gas, industrial plant flue gas, power plant flue gas, emergency power plant flue gas, and indoor air conditioner.
전술한 담체셀(132)의 벽면은 유전율이 높은 절연체인 알루미나(Al2O3) 또는 제올라이트(Zeolite)가 주로 사용되며, 이로 인하여 본 발명에 의한 방전현상은 유전체 장벽방전(DBD; Dielectric Barrier Discharge)으로 분류된다. 이러한 유전체 장벽방전의 구조를 갖게 되면 저전압이 인가되어도, 또는 전극(110,120)과 촉매 혹은 광촉매 간의 거리가 매우 근접하게 설치되어도 안정적이고 지속적인 방전이 유지되게 된다. 이는 도체인 방전전극(110)과 상대방전전극(120) 사이에 위치한 담체셀(132)이 절연체이기도 하지만 또 한편으로는 유전율(εr)을 갖는 유전체로서 유전분극에 의해 입력전위차(Vinput)를 감소시키고 전하의 유입을 증대시켜 유전체의정전용량에 의한 메모리전위차(Vmemory)를 유도하므로, 전체 전위차(Vtotal=Vinput+Vmemory)가 입력전위차보다 더 커지게 되어, 결과적으로 방전효율을 증대시키는 역할을 하게 된다.The wall surface of the carrier cell 132 described above is mainly used alumina (Al 2 O 3 ) or zeolite (Zeolite) which is a high dielectric constant insulator, and the discharge phenomenon according to the present invention is a dielectric barrier discharge (DBD) Are classified as). Having such a structure of dielectric barrier discharge maintains stable and continuous discharge even when a low voltage is applied or when the distance between the electrodes 110 and 120 and the catalyst or photocatalyst is very close. This potential difference inputted by the dielectric polarization is also the carrier cell (132) located between the conductor of the discharge electrode 110 and the other discharge electrode 120, the insulator, but in the other hand is a dielectric having a dielectric constant (ε r) (V input) By reducing the voltage and increasing the charge inflow, the memory potential (V memory ) is induced by the dielectric capacitance, so the total potential difference (V total = V input + V memory ) becomes larger than the input potential difference, resulting in discharge efficiency. It will act to increase.
담체셀(132)의 크기와 개수에 비례하여 전극(110,120)도 동일한 크기와 개수로 제작된다. 또한, 담체셀(132)의 크기가 크고 개수가 적을수록 제작이 용이하지만, 바람직하게는 담체셀(132)의 크기가 작고 개수가 많을수록 가스정화효율이 증가하게 된다. 전극들(110,120)은 담체셀(132)에 접촉되어 있어도 필요이상의 전기장을 형성시키지만 않는다면 아크로의 전이는 진전되지 않는다. 하지만, 중심부에 있을수록 아크로의 전이방지력이 상승하므로 담체셀(132)의 중심부에 전극(110,120)가 위치하는 것이 바람직하다.The electrodes 110 and 120 are also manufactured in the same size and number in proportion to the size and number of the carrier cells 132. In addition, the larger and smaller the number of the carrier cell 132 is easier to manufacture, but preferably the larger and larger the number of the carrier cell 132, the gas purification efficiency is increased. Even if the electrodes 110 and 120 are in contact with the carrier cell 132, the transition to the arc does not progress unless it generates an electric field more than necessary. However, as the center of gravity increases in the center, the electrode 110 and 120 are preferably positioned at the center of the carrier cell 132.
본 장치에서 전극(110,120)의 길이는 촉매(130)의 길이(d)에 비례하므로 조절이 가능하다. 또한, 그 길이와 방전 전기장의 세기는 상관관계가 없으므로 길이에 의한 방전형성에는 아무런 영향을 받지 않는다. 전극(110,120)의 삽입은 담체셀(132)의 길이방향을 따라 일정간격을 유지하면서 수평으로 이루어지며, 전원부(100)와 연결된 전선(112,122)과 담체셀(132) 내부에 위치하는 전극(110,120)과의 배선은 도 6a에서와 같이 수직과 수평으로, 즉 두 구성요소가 직각으로 배선되거나, 도 6b에서 보는 바와 같이 대각선으로도 가능하며, 이때 방전전극(110)과 상대방전전극(120)은 서로 촉매(130)의 반대편에서 전원이 공급되도록 한다. 특히, 전극들(110,120)은 그 삽입단부를 도 7a에 도시한 바와 같이 병렬로 고정하여 연결할 수 있을 뿐만 아니라, 도 7b에서와 같이 담체셀(132)에 삽입한 후 담체셀(132)내부에서 단부끼리 연결하여 접속할 수도 있다. 이때에는, 전극들(110,120)이 담체(130)내부에서 연결되므로 전극이 이웃하고 있는 각각의 담체셀(132)내의 전극과 연결되기 위하여 담체셀(132)에 연결선이 통과하기 위한 구멍을 담체셀(132)의 끝부분에 내주게 된다.In the present apparatus, the lengths of the electrodes 110 and 120 may be adjusted because they are proportional to the length d of the catalyst 130. In addition, since the length and the intensity of the discharge electric field are not correlated, the discharge is not affected by the length. Insertion of the electrodes (110, 120) is made horizontally while maintaining a predetermined interval along the longitudinal direction of the carrier cell 132, the wires (112, 122) connected to the power supply unit 100 and the electrodes (110, 120) located inside the carrier cell (132) 6A can be wired vertically and horizontally as shown in FIG. 6A, that is, two components are wired at right angles, or diagonally as shown in FIG. 6B, wherein the discharge electrode 110 and the counter electrode 120 are connected to each other. Allow power to be supplied from opposite sides of the catalyst 130 to each other. In particular, the electrodes 110 and 120 may not only be connected to the insertion end in parallel as shown in Figure 7a, but also inserted into the carrier cell 132 as shown in Figure 7b and then inside the carrier cell 132 End parts can also be connected and connected. In this case, since the electrodes 110 and 120 are connected inside the carrier 130, holes for connecting lines to the carrier cell 132 to pass through the carrier cells 132 to be connected to the electrodes in the respective carrier cells 132 that the electrodes are adjacent to. At the end of 132.
도 8은 본 발명의 혼합일체형 유해가스정화장치내에서 플라즈마 및 촉매/광촉매에 의한 활성종생성 모형도이다.FIG. 8 is a model diagram of active species generation by plasma and a catalyst / photocatalyst in the mixed body harmful gas purifying apparatus of the present invention.
이 도면에서는 방전전극(110)과 상대방전전극(120) 사이의 담체셀(132)에서 방전에 의해 플라즈마가 형성되고, 이 플라즈마에 의해 화학종이 생성된 즉시, 촉매 또는 광촉매와 반응할 수 있다는 것을 보여주고 있으며, 이로부터 플라즈마방전부와 촉매 혹은 광촉매 간의 거리가 매우 근접할 경우 화학종 생성을 위한 에너지 소모량을 절감할 수 있다는 것을 확인할 수 있다. 특히, 광촉매는 방전에 의해 발광되는 UV파장영역의 빛을 이용하여 활성화된다.In this figure, the plasma is formed by the discharge in the carrier cell 132 between the discharge electrode 110 and the counter electrode 120, and as soon as the species is generated by the plasma, it can react with the catalyst or the photocatalyst. From this, it can be seen that the energy consumption for generating species can be reduced when the distance between the plasma discharge unit and the catalyst or photocatalyst is very close. In particular, the photocatalyst is activated by using light in the UV wavelength region emitted by the discharge.
도 9a는 본 발명의 혼합일체형 유해가스정화장치에서 방전전극과 상대방전전극 사이에 위치한 촉매담체셀의 단면사진이고, 도 9b는 도 9a에 도시된 촉매담체셀을 사이에 두고 방전전극과 상대방전전극에서 일어나는 방전현상을 암실에서 포착한 사진이다. 여기에서 방전이 전극의 전체적인 부분에서 발생되는 것을 확인할 수 있다. 이에 따라서, 본 장치는 플라즈마에 의한 화학종과 촉매 또는 광촉매와의 반응을 위한 접촉시간이 충분히 제공될 수 있다는 것이 입증된다 할 것이다.FIG. 9A is a cross-sectional photograph of a catalyst carrier cell located between a discharge electrode and a counter electrode in the mixed body type harmful gas purifying apparatus of the present invention, and FIG. 9B is a cross section of the discharge electrode and the counter electrode with the catalyst carrier cell shown in FIG. 9A interposed therebetween. This is a picture of the discharge phenomenon in the dark room. Here it can be seen that the discharge is generated in the entire part of the electrode. Accordingly, it will be demonstrated that the apparatus can provide sufficient contact time for the reaction of chemical species with plasma and catalyst or photocatalyst.
도 10a 및 도 10b는 본 발명의 혼합일체형 유해가스정화장치에 펄스파형입력시의 전압/전류파형 및 플라즈마생성을 위한 소요에너지를 보여주는 도표들이다.10A and 10B are diagrams showing voltage / current waveforms and required energy for plasma generation at the time of pulse waveform input to the mixed-integrated noxious gas purifying apparatus of the present invention.
담체셀의 재질은 대부분 절연체인 알루미나로 구성되는 데, 셀두께는 보통 0.2~0.5mm로서 통상 0.1mm 두께의 알루미나가 견딜 수 있는 전기장의 세기는 1.2kV이므로 실제 3~5kV의 전기장을 걸어주었을 때 방전형성이 잘 되는 것을 확인할 수 있다. 이때, 담체셀의 두께가 견딜 수 있는 절연파괴전위차까지 최대한의 유전체 장벽방전이 가능하다.The material of the carrier cell is mostly composed of alumina, which is an insulator. The cell thickness is usually 0.2 ~ 0.5mm, and the electric field strength that alumina of 0.1mm thickness can withstand is 1.2kV, so when an electric field of 3 ~ 5kV is actually applied It can be confirmed that the discharge formation is good. At this time, the maximum dielectric barrier discharge is possible up to the dielectric breakdown potential that can withstand the thickness of the carrier cell.
도 10a에서와 같은 펄스전압 인가시의 에너지투입량은 도 10b에서 볼 때 0.007J이므로 300Hz로 운전시 2.1W가 소요된다. 이 경우 촉매의 담체셀에 적용되는 전극의 총길이에 따라 소요되는 에너지량도 달라지게 된다. 물론, 펄스전압 뿐만 아니라, AC, DC에서도 거의 유사한 에너지량이 투입된다.The energy input amount when the pulse voltage is applied as in FIG. 10A is 0.007J in FIG. 10B, and thus 2.1 W is required when operating at 300 Hz. In this case, the amount of energy required depends on the total length of the electrode applied to the carrier cell of the catalyst. Of course, not only the pulse voltage, but also a very similar amount of energy is input in AC and DC.
이하, 첨부된 전도면들을 참조하면서 본 장치의 작용효과에 대해 상세히 설명한다.Hereinafter, the operation and effect of the apparatus will be described in detail with reference to the attached conductive surfaces.
전원부(100)에서는 방전을 위하여 직류, 교류, 펄스를 각각 또는 복합적으로 승합하여 인가한다. 이때, 방전에 의해 발생되는 플라즈마 광에너지는 방전에 참여하는 가스에 의해 좌우된다. 물론, 이때 참여하는 가스가 유해가스라 할지라도 그 주성분은 주로 질소, 산소, 수분들이다. 발생되는 플라즈마 광에너지는 주로 3~4eV이며, 또한 이때 함께 발생되는 자유전자(전자사태동반)에 의한 가스분자 이온화를 위한 운동에너지는 0~20eV이다. 이와 같은 에너지에 의해 생성되는 가스성분의 화학종은 곧바로 담체셀(132)내에 존재하게 되므로 즉시 촉매(130) 또는 광촉매와 반응하여 처리되게 된다. 이때, 펄스전원에 의한 방전의 경우에는 이온화에너지가 큰 자유전자를 다량 생성시킬 수 있는 장점이 있다.The power supply unit 100 multiplies DC, AC, and pulses individually or in combination for discharge. At this time, the plasma light energy generated by the discharge depends on the gas participating in the discharge. Of course, even if the participating gas is a harmful gas, the main components are mainly nitrogen, oxygen, and moisture. The generated plasma light energy is mainly 3 to 4 eV, and the kinetic energy for ionizing gas molecules by free electrons (along with the avalanche) generated at this time is 0 to 20 eV. The chemical species of the gas component generated by such energy are immediately present in the carrier cell 132 and immediately reacted with the catalyst 130 or the photocatalyst to be treated. At this time, in the case of the discharge by the pulse power source, there is an advantage that can generate a large amount of free electrons having a large ionization energy.
더욱이, 본 발명에 의한 유해가스정화장치는 촉매 또는 광촉매가 방전에 의해 생성된 화학종과 동시순차적으로 반응할 수 있도록 되어 있어 유해가스의 분자가 여기된(들뜬) 상태에서 반응이 진행된다. 따라서, 기저(바닥)상태에 있는 분자에서의 반응보다 유리하게 진행되어 처리효율이 상승하게 된다. 특히, 방전에 의해 생성되는 화학종(O·,N·,OH,O2 -,O2 +, N2 +등 각종 이온 및 라디칼)의 생명주기는 보통 10-6~10-12초인 데, 본 장치는 플라즈마와 촉매 또는 광촉매반응부가 근접하게 혼합구성되어 있어 위와 같은 짧은 화학종의 생명주기내에서 화학종이 촉매표면과 반응할 수 있게 된다.Furthermore, the noxious gas purifying apparatus according to the present invention is capable of reacting the catalyst or photocatalyst with the chemical species produced by the discharge sequentially, so that the reaction proceeds in a state where molecules of the noxious gas are excited (excited). Therefore, the reaction proceeds more advantageously than the reaction in the molecules in the ground state, resulting in an increase in processing efficiency. In particular, the chemical species generated by the discharge-life period of the (· O, N ·, OH, O 2, O 2 +, N + 2, such as various ions and radicals) is usually 10 -6 to 10 -12 seconds to, The device is composed of a mixture of plasma and catalyst or photocatalytic reaction in close proximity, allowing chemical species to react with the catalyst surface within the life cycle of these short species.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 유전체장벽구조를 갖는 혼합일체형 유해가스정화장치는 전극을 따라 방전이 촉매의 담체셀 내부에서 균일하게 형성되므로 균일한 유해가스의 처리가 가능할 뿐만 아니라, 상호반응에 의해 시너지효과가 배가된다. 이와 더불어, 플라즈마에 의해 생성되는 화학종과 촉매 또는 광촉매와의 화학반응이 거의 동시순차적으로 진행되어 반응상호간에 시너지효과를 최대화시킬 수 있는 잇점이 있다. 이로 인하여, 에너지소비를 절감할 수 있을 뿐만 아니라, 유해가스의 처리효율이 향상되는 효과를 갖는다.As described above, the mixed-integrated noxious gas purifying apparatus having the dielectric barrier structure according to the present invention is capable of uniformly treating noxious gases because the discharge is uniformly formed in the carrier cell of the catalyst along the electrode, and the mutual reaction is also possible. The synergy effect is doubled. In addition, the chemical reaction between the chemical species produced by the plasma and the catalyst or photocatalyst proceeds almost simultaneously in order to maximize the synergy effect between the reactions. As a result, not only energy consumption can be reduced, but also the effect of improving the treatment efficiency of harmful gases.
여기에서 개시되는 실시예는 여러 가지 실시 가능한 예 중에서 당업자의 이해를 돕기 위하여 가장 바람직한 예를 선정하여 제시한 것일 뿐, 본 발명의 기술적 사상이 반드시 이 실시예에만 의해서 한정되거나 제한되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화와 변경이 가능함은 물론, 균등한 다른 실시예가 가능하다.The embodiments disclosed herein are only presented by selecting the most preferred examples to help those skilled in the art from the various possible examples, the technical spirit of the present invention is not necessarily limited or limited only by this embodiment, Various changes and modifications are possible within the scope without departing from the spirit of the invention, as well as other equivalent embodiments.
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