산소 발생장치는 공기 중의 산소를 분리하여
고순도로 생성하는 장치를 말합니다.
주로 의료, 산업, 과학 연구 등
다양한 분야에서 사용되고 있는데요,
주요 작동 원리는 공기 중의 산소(약 21%)를
질소(약 78%) 및 기타 기체로부터
분리하는 기술에 기반합니다.
이를 위해 사용되는 주요 기술은
압력 변동 흡착(PSA, Pressure Swing Adsorption)과 막 분리 기술 (Membrane Separation)입니다.
아래에서 각각의 원리를 자세히 설명해 드리도록 하겠습니다.
압력 변동 흡착(PSA) 방식
PSA 방식은 산소 발생장치에서 가장
널리 사용되는 기술로,
공기 중의 산소와 질소를 선택적으로
분리하기 위해 흡착제를 사용합니다.
이 과정은 다음과 같이 진행됩니다.
공기 압축: 외부 공기를 압축기(compressor)를
통해 흡입하고 압력을 높입니다.
이 과정에서 공기는 필터를 거쳐
먼지, 습기, 오염물질이 제거됩니다.
흡착탑 통과: 압축된 공기는 흡착제가 채워진
두 개 이상의 흡착탑(adsorption columns)을
통과합니다.
흡착제로는 주로 제올라이트(zeolite)가
사용되는데, 이는 질소를 더 강하게
흡착하는 특성을 가집니다.
따라서 공기가 흡착탑을 통과할 때 질소는
제올라이트에 붙잡히고,
산소는 통과하여 분리됩니다.
압력 조절 및 재생: 한쪽 흡착탑에서 산소가
생성되는 동안, 다른 흡착탑은 압력을 낮춰
흡착된 질소를 방출합니다.
이 과정은 주기적으로 반복되며,
이를 통해 연속적인 공급이 가능해집니다.
저장 및 공급: 분리된 산소는
저장 탱크로 보내지며, 필요에 따라 고순도(90~95% 이상)로 공급됩니다.
PSA 방식은 에너지 효율이 높고,
비교적 간단한 설비로 안정적인
공급이 가능하다는 장점이 있습니다.
특히 병원, 산업 현장, 수족관 등에서
널리 사용됩니다.
막 분리 기술
막 분리 기술은 특수한 반투과성 막
(membrane)을 사용하여 분리하는 방식으로서
다음과 같은 원리로 작동합니다.
공기 흡입 및 여과: 외부 공기를 흡입하여
필터로 오염물질을 제거합니다.
막 통과: 공기는 반투과성 막을 통과하며,
이 막은 산소 분자가 질소 분자보다 빠르게
통과하도록 설계되었습니다.
산소와 질소의 분자 크기 및 확산
속도 차이를 이용한 것입니다.
산소 수집: 막을 통과하면 수집되어 사용되고,
질소와 기타 기체는 배출됩니다.
막 분리 방식은 PSA 방식에 비해 설비가
간단하고 유지 보수가 쉬우나,
순도가 상대적으로 낮아(약 30~40%)
고순도로 필요한 경우에는 덜 적합합니다.
이 방식은 소규모 공급이나
특정 산업 환경에서 주로 사용됩니다.
기타 방식
저온 분리(Cryogenic Distillation)
공기를 극저온으로 냉각하여 액화시킨 뒤,
산소와 질소의 끓는점 차이를 이용해
분리하는 방식입니다.
대규모 산업용 생산에 주로 사용되며,
매우 높은 순도로 얻을 수 있습니다.
전기분해
물을 전기분해하여 생성하는 방식으로,
주로 소규모 실험실이나 특수 환경에서 사용됩니다.
산업적 활용
다양한 산업에서 필수적인 자원으로 활용됩니다.
특히 고순도는 화학적 반응, 연소, 생명 유지 등에 필수적이며, 산업별 활용 사례는
아래와 같습니다.
의료 산업
의료 분야에서 가장 중요한 용도 중 하나로,
호흡기 질환이나 저산소증
환자의 치료에 활용됩니다.
산소 요법
만성 폐쇄성 폐질환(COPD), 폐렴, 폐섬유증 등으로 호흡이 어려운 환자에게
산소 발생장치를 통해 고농도로 공급합니다.
혈중 농도를 높여 생명을 유지하거나
증상을 완화합니다.
응급 의료
수술실, 중환자실, 응급실에서 마취 기기,
인공호흡기 등에 사용됩니다.
재택 의료
휴대용 발생장치는 만성 질환 환자가
집에서도 지속적으로 공급받을 수 있도록 돕습니다.
철강 및 금속 산업
철강 생산과 금속 가공에서
핵심적인 역할을 합니다.
용광로 및 제강
고로(blast furnace)에서 철광석을 제련하거나,
전로(BOF, Basic Oxygen Furnace)에서
불순물을 제거하여 강철을 제하는데 필요합니다.
연소 효율을 높여 에너지 소비를 줄이고
생산 속도를 향상시킵니다.
절단 및 용접
아세틸렌과 함께 고온의 불꽃을 생성,
금속 절단 및 용접에 활용됩니다.
조선, 건설, 자동차 산업에서 필수적입니다.
화학 산업
화학 산업에서는 다양한 화학 반응의
산화제로 활용됩니다.
산화 반응
에틸렌 옥사이드, 암모니아, 메탄올 등
주요 화학물질 생산에서 촉매 반응을 촉진합니다.
폐수 처리
하수 처리장에서 미생물의 호흡을 촉진하여
유기물을 분해하는 데 사용됩니다.
항공우주 및 군사
항공우주
우주선 및 고고도 비행기에서 승무원의
생명 유지를 위해 필수적입니다.
또한, 로켓 연료의 산화제로서 연소를 지원합니다.
군사
잠수함, 전투기, 잠수 장비에서
호흡용으로 사용되며 특수 임무에서는
고순도가 필수적입니다.
환경 및 에너지 산업
연소 효율화
석탄, 천연가스, 바이오매스 연소 과정에서 효율을 높이고
이산화탄소 배출을 줄이는 데 기여합니다.
Oxy-fuel 연소 기술에서 특히 중요합니다.
수족관 및 양식업
수족관이나 양식장에서
물속 농도를 높여 수생 생물의 생존을 보장합니다.
기타 활용
식품 산업
식품 포장(MAP, Modified Atmosphere Packaging)에서 신선도를 유지하거나,
발효 과정에서 미생물 활동을 촉진하는 데 사용됩니다.
광업
광석에서 금, 은 등 귀금속을 추출하는
시안화 침출 공정에서도 활용됩니다.
스포츠 및 레저
고지대 등산이나 다이빙에서
휴대용 캔이 사용됩니다.
산소 발생장치는 PSA, 막 분리, 저온 분리 등의
기술을 통해 고순도 산소를 효율적으로 공급하며,
이를 통해 의료, 철강, 화학, 항공우주 등
다양한 산업에서 필수적인 역할을 합니다.
이처럼 산업의 효율성을 높이고,
환경 보호 및 생명 유지에 기여하며,
현대 사회의 다양한 요구를 충족시키는
핵심 자원으로 자리 잡고 있는 것이죠.
지속적인 기술 발전으로 산소 발생장치의
효율성과 접근성이 더욱 향상되면서,
산업적 활용 범위는 앞으로도
계속 확장될 것입니다.
