KR102130302B1 - 수처리용 플라즈마 전극 모듈을 포함하는 수처리 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 플라즈마 수중방전을 이용한 수처리 장치 및 이를 포함하는 수처리 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 플라즈마 노즐을 이용하여 피처리수 내에 존재하는 유기물을 분해하거나 미생물을 제거할 수 있는 수처리 장치 및 이를 포함하는 수처리 시스템에 관한 것이다. 이를 위해 수처리 장치는 피처리수가 유입되는 유입구와 정화된 피처리수가 배출되는 배출구를 구비하는 반응기; 반응기 일측에 구비된 접지전극; 및 반응기 일측에 구비되고, 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 노즐;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 플라즈마 수중방전을 이용한 수처리 장치 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 플라즈마 전극 모듈을 사용하여 피처리수 내에 존재하는 유기물을 분해하거나 미생물을 제거할 수 있는 플라즈마 전극 모듈을 포함하는 수처리 장치 시스템에 관한 것이다.
일반적인 하폐수 처리방법으로 오염물질의 침전을 위해 넓은 공간을 확보하여 오염물질을 서서히 침전시킨 후 침전된 오염물질과 대상수를 분리하는 침전 방식이 주로 사용되어 왔다. 그러나, 이러한 침전방식은 시간이 많이 걸리고 넓은 부지를 확보하여야 하는 단점이 있으며, 침전물의 부패와 악취 발생 등의 부작용이 있다.
이에 따라 좁은 공간에서도 하폐수를 오염물질과 분리하여 정수하기 위한 여러 수처리 장치가 개발되어 왔으며, 현재 사용되고 있는 방식으로는 하폐수에 기포를 발생시킴으로써 기포에 미세한 오염물질이 흡착되어 하폐수 표면으로 떠오르게 한 후 제거하는 가압부상법이 있다.
가압부상법 중에서 가장 빈번하게 쓰이는 수처리 방법으로는 폐수 처리장에서 많이 사용되고 있는 용존공기 부상법(Dissolved Air Flatation)이 있으며, 이는 대기압 이상으로 포화된 물을 노즐이나 니들밸브를 통해 부상조에 주입함으로써 미세한 기포(100um 이하)를 발생시키는 방법이다.
그러나 기존의 용존공기 부상법은 일정 면적에서 처리할 수 있는 유량이 적어 소규모 공정에만 적용 가능하고, 노즐의 구조로 버블 사이즈를 제어하므로 한번 설치되면 사이즈 제어가 불가한 단점이 있었다. 또한, 대기압 이상으로 포화된 물을 만들기 위한 가압탱크가 고전력을 요구하므로 가압탱크의 동력비용이 수처리 장치 운용비용의 큰 비중을 차지하는 단점이 존재하였다. 또한, 조류와 같은 유기물의 경우 응집 플록에 잘 부착되지 못하고 부유하는 경우가 많으므로 침전 및 부상 공정으로 처리하기 어려운 단점도 있었다. 이러한 단점을 해결하기 위하여 염소를 주입하는 방법 등이 개량되기도 하였으나, 염소의 과량 주입으로 인하여 부식 문제 등과 같은 새로운 문제점이 발생되었다.
이에 상기 단점을 배제하면서도 피처리수에 존재하는 유기물 및 미생물을 효과적으로 제거할 수 있는 수처리 장치에 대한 개발이 요구되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 플라즈마 노즐을 이용하여 피처리수 내에 존재하는 유기물을 분해하거나 미생물을 제거할 수 있는 수처리 장치 및 이를 포함하는 수처리 시스템을 제공하는데 있다.
본 발명의 상기 및 다른 목적과 이점은 바람직한 실시예를 설명한 하기의 설명으로부터 분명해질 것이다.
본 발명의 일 실시 형태에 따른 수처리용 플라즈마 전극은 원주 형태를 갖는 접지부(33), 고정부(32) 및 방전부(31)가 차례로 적층된 다단구조를 갖고, 상기 접지부(33)는 전극과 접촉되고, 상기 방전부(31)에서 플라즈마가 발생하게 된다.
상기 접지부(33), 고정부(32) 및 방전부(31)는 내부식성을 갖는 동일 재질로 이루어진 일체형 구조인 것이 바람직하고, 상기 접지부(33), 고정부(32) 및 방전부(31)의 직경의 비는 7~8:4~6:1인 것이 바람직하다.
또한, 상기 접지부(33), 고정부(32) 및 방전부(31)의 높이의 비는 1~2:1:1인 것이 바람직하고, 본 발명의 일 실시 형태에 따라 일체형 구조를 갖는 수처리용 플라즈마 전극은 내부식성을 갖는 금속 재질이 바람직한데, 내구성 및 가공성을 고려할 때, 스테인레스 스틸인 SUS 재질을 사용하는 것이 더욱 바람직하다.
본 발명의 다른 실시 형태로는 수처리용 플라즈마 전극 모듈을 들 수 있는데, 복수개의 홀이 형성된 전도성 기재; 상기 홀을 제외한 텅스텐 기재의 외주부를 둘러싸는 세라믹 층; 및 상기 홀 안쪽에 위치하되, 원주 형태를 갖는 접지부(33), 고정부(32) 및 방전부(31)가 차례로 적층된 다단구조를 갖는 플라즈마 전극;을 포함하고, 상기 접지부(33)는 상기 전도성 기재와 접촉하고, 상기 방전부(31)에서 플라즈마가 발생된다.
상기 전도성 기재로는 전기 전도도가 높고 내구성이 우수한 텅스텐 혹은 텅스텐 질화물과 같은 텡스텐 합금 재질이 사용되는 것이 바람직하며, 플라즈마 전극 모듈에 포함되는 플라즈마 전극은, 접지부(33), 고정부(32) 및 방전부(31)는 내부식성을 갖는 동일 재질로 이루어진 일체형 구조인 것이 바람직한데, 상기 일체형 구조를 형성하면서 내부식성을 갖는 재질은 SUS 재질인 것이 더욱 바람직하다.
상기 플라즈마 전극의 접지부(33), 고정부(32) 및 방전부(31)의 직경의 비는 7~8:4~6:1인 것이 바람직하고, 접지부(33), 고정부(32) 및 방전부(31)의 높이의 비는 1~2:1:1인 것이 바람직하다.
상기 전도성 기재는 플레이트 형태 혹은 원주 형태일 수 있으며, 텅스텐 재질이 사용되는 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 실시형태로, 이러한 플라즈마 전극 혹은 플라즈마 전극 모듈을 포함하는 수처리 장치를 들 수 있는데, 피처리수가 유입되는 유입구와 정화된 피처리수가 배출되는 배출구를 구비하는 반응기; 반응기 일측에 구비된 접지전극; 및 반응기 일측에 구비되고, 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 전극 모듈;을 포함하고, 상기 플라즈마 전극 모듈은, 복수개의 홀이 형성된 텅스텐 기재; 상기 홀을 제외한 텅스텐 기재의 외주부를 둘러싸는 세라믹 층; 및 상기 홀 안쪽에 위치하되, 원주 형태를 갖는 접지부(33), 고정부(32) 및 방전부(31)가 차례로 적층된 다단구조를 갖는 플라즈마 전극;을 포함하며, 상기 접지부(33)는 텅스텐 기재와 접촉하고, 상기 방전부(31)에서 플라즈마가 발생되는 것을 특징으로 한다.
상기 반응기에는, 유입구와 배출구가 같은 사이드에 구비되거나, 유입구, 배출구 및 접지전극이 같은 사이드에 구비되는 것이 바람직하고, 접지전극과 플라즈마 전극 모듈이 대향되도록 설치될 수 있다.
상기 반응기에는, 접지전극과 플라즈마 전극 모듈 사이의 거리를 조절할 수 있는 거리 조절부;가 추가로 더 구비될 수 있으며, 상기 접지전극은 플레이트 형상인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 또 다른 실시 형태로, 피처리수 공급부; 상기 피처리수 공급부에서 공급되는 피처리수가 공급되는 복수의 수처리 장치들; 및 복수의 수처리 장치로부터 배출되는 피처리수가 공급되는 후속 공정조;를 포함하되, 상기 복수의 수처리 장치들은 피처리수의 흐름 방향을 기준으로 직렬로 연결되며, 상기 복수의 수처리 장치들은 각각, 피처리수가 유입되는 유입구와 정화된 피처리수가 배출되는 배출구를 구비하는 반응기; 반응기 일측에 구비된 접지전극; 및 반응기 일측에 구비되고, 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 전극 모듈;을 포함하고, 상기 플라즈마 전극 모듈은, 접지부(33), 고정부(32) 및 방전부(31)가 차례로 적층된 다단구조를 갖고, 내부식성의 SUS 재질로 원기둥의 일체형 구조로 형성되며, 상부에 위치하는 방전부(31)의 직경이 가장 짧고, 하부에 위치하는 접지부(33)의 직경이 가장 길며, 상기 방전부(31)의 지름이 1mm를 초과하고, 4mm 미만인 수처리용 플라즈마 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는, 수처리 시스템이 포함된다.
또 다른 실시 형태로, 피처리수 공급부; 상기 피처리수 공급부에서 공급되는 피처리수가 공급되는 복수의 수처리 장치들; 및 복수의 수처리 장치로부터 배출되는 피처리수가 공급되는 후속 공정조;를 포함하되, 상기 복수의 수처리 장치들은 피처리수의 흐름 방향을 기준으로 병렬로 연결되며, 상기 복수의 수처리 장치들은 각각, 피처리수가 유입되는 유입구와 정화된 피처리수가 배출되는 배출구를 구비하는 반응기; 반응기 일측에 구비된 접지전극; 및 반응기 일측에 구비되고, 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 전극 모듈;을 포함하고, 상기 플라즈마 전극 모듈은, 접지부(33), 고정부(32) 및 방전부(31)가 차례로 적층된 다단구조를 갖고, 내부식성의 SUS 재질로 원기둥의 일체형 구조로 형성되며, 상부에 위치하는 방전부(31)의 직경이 가장 짧고, 하부에 위치하는 접지부(33)의 직경이 가장 길며, 상기 방전부(31)의 지름이 1mm를 초과하고, 4mm 미만인 수처리용 플라즈마 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는, 수처리 시스템이 포함될 수 있다.
본 발명에 따르면, 플라즈마 수중방전을 이용하여 피처리수 내에 존재하는 유기물 및 미생물을 효과적으로 분해하거나 제거할 수 있는 효과를 갖는다.
특히, 반응기에 구비된 접지전극과 플라즈마 노즐 사이의 거리를 용이하게 조절할 수 있고, 3단으로 구성된 일체형 플라즈마 노즐을 사용함으로써 플라즈마를 안정적으로 발생시킬 수 있어 피처리수의 처리 효율을 향상시킬 수 있는 효과를 갖는다.
또한, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 수처리용 플라즈마 전극은, 방전부, 고정부 및 접지부가 일체형으로 제작되어 내구성이 우수하며, 안정적으로 플라즈마를 발생시킬 수 있으며, 복수개의 전극이 구비된 전극 모듈의 형태로 적용되어, 한 개의 전극에 필요 이상의 전력이 인가되어 깨지는 현상이나, 국소 부위 전로 파괴 현상을 방지할 수 있다.
아울러 길이와 지름이 상이한 3단 구성으로 접지 효율 및 방전 효율을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 안정적인 플라즈마 발생으로 많은 양의 OH 라디칼 생성할 수 있어, 처리수 내에 포함된 유기 오염물질을 효과적으로 분해시킬 수 있다.
이러한 본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수처리 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수처리 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 플라즈마 발생원리 및 효과를 설명하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 노즐을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 전극 모듈을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 수처리 장치가 직렬 연결된 수처리 시스템이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 수처리 장치가 병렬 연결된 수처리 시스템이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수처리 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 플라즈마 발생원리 및 효과를 설명하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 노즐을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 전극 모듈을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 수처리 장치가 직렬 연결된 수처리 시스템이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 수처리 장치가 병렬 연결된 수처리 시스템이다.
이하, 본 발명의 실시예와 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위해 예시적으로 제시한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가지는 자에 있어서 자명할 것이다.
또한, 달리 정의하지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 모든 기술적 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 기술 분야의 숙련자에 의해 통상적으로 이해되는 바와 동일한 의미를 가지며, 상충되는 경우에는, 정의를 포함하는 본 명세서의 기재가 우선할 것이다.
도면에서 제안된 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다. 그리고, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에서 기술한 "부"란, 특정 기능을 수행하는 하나의 단위 또는 블록을 의미한다.
각 단계들에 있어 식별부호(제1, 제2, 등)는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 실시될 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 실시될 수도 있고 실질적으로 동시에 실시될 수도 있으며 반대의 순서대로 실시될 수도 있다.
도 1 및 도 2는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 수처리 장치(100)를 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 1 및 도 2를 참조하여 설명하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 수처리 장치(100)는 피처리수가 유입되는 유입구(11)와 정화된 피처리수가 배출되는 배출구(12)를 구비하는 반응기(10); 반응기(10) 일측에 구비된 접지전극(20); 및 반응기(10) 일측에 구비되고, 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 전극(30);을 포함한다. 본 발명은 플라즈마 전극(30)을 이용한 플라즈마 수중방전을 통해 피처리수 내에 존재하는 유기물 및 미생물을 분해하거나 제거할 수 있는 효과를 갖는다.
종래에는 해수 등과 같은 피처리수를 전처리하기 전에 염소를 주입하여 유기물에 의해 형성되는 바이오 파울링(Bio-fouling)을 억제하였으나, 염소의 과량 주입으로 인하여 부식 등의 문제가 발생하지만, 본 발명은 이러한 염소 주입 방식을 플라즈마 방식으로 대체함으로써 유기물 및 미생물을 효과적으로 제거함으로써 바이오-파울링 현상 등을 억제하면서도 부식 문제를 발생하지 않는 장점을 갖는다.
도 3은 플라즈마 발생원리 및 효과를 설명하는 도면으로, 본 발명을 구체적으로 설명하기에 앞서, 도 3을 참조하여 플라즈마 수중방전을 이용한 수처리의 효과에 관하여 설명하고자 한다.
플라즈마 수중방전은, 플라즈마 전극에 인가하는 펄스, 전압 등을 달리하여 코로나 방전과 아크 방전 등을 사용할 수 있다. 플라즈마를 이용한 수처리를 통해 얻을 수 있는 효과는 충격파에 의한 세포 파괴, 초음파에 의한 세포 파괴, 고전압 전기장에 의한 세포 파괴 등이다. 이를 좀 더 상세히 설명하면 다음과 같다.
먼저, 충격파에 의한 세포 파괴에서는 급격한 압력의 변동으로 나타나는 충격파로 세포의 파괴를 가져올 수 있다는 것이다. 이때, 세포의 파괴는 세포의 크기 및 세포의 형태, 세포의 두께 등에 의존하며, 충격파 세기에 의존한다.
또한, 초음파에 의한 세포 파괴를 들 수 있는데, 초음파는 액체 속을 통과하면서 캐비테이션(Cavitation) 현상을 일으킬 수 있다. 캐비테이션이란, 초음파 진동자에 의해 액체 매질로 초음파가 통과할 때 진동자에 의해 진동하는 종파를 만들어냄으로써 액체의 밀도가 소한 부분과 밀한 부분을 만들어 내며, 소한 부분이 액체의 증기압보다 낮을 경우에 버블(Bubble)을 만들어 내어 그것이 폭발하는 현상이다. 이 폭발에 의한 충격파를 이용하여 세포를 파괴시키는 것으로서, 소량의 미생물 세포를 파괴시킬 때 사용하는 방법이다.
또한, 고전압 전기장에 의한 세포 파괴는 세포막에 높은 전위차를 유도하여 세포막이라는 절연체를 파괴시키는 것이다. 따라서, 플라즈마 처리에 의해 생성되는 자외선, 활성종, 충격파, 버블 등의 작용에 의해 플랑크톤 및 박테리아의 생존율을 획기적으로 줄일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 반응기(10)는 피처리수가 유입되는 유입구(11)와 피처리수가 배출되는 배출구(12)를 구비하고, 내부에 피처리수를 수용할 수 있다. 반응기(10)는 특별히 제한되는 것은 아니고, 여러가지 형상으로 제조할 수 있으며, 일반적으로 직육면체 형상으로 제조할 수 있다. 반응기(10)의 일측에는 접지전극(20)이 구비될 수 있고, 또 다른 일측에는 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 전극(30)이 구비될 수 있다. 유입구(11)와 배출구(12)의 위치는 특별히 제한되는 것은 아니나, 유입구(11)와 배출구(12)가 같은 사이드(직육면체 형상일 경우, 같은 면을 의미)에 위치하는 것이 바람직하다. 또한, 접지전극(20)과 유입구(11) 및 배출구(12)가 같은 사이드에 구비될 수 있고, 플라즈마 전극(30)은 접지전극(20)과 대향되도록 설치되는 것이 바람직하다. 이 경우, 평판 형상의 접지전극(20)이 반응기(10)의 상부면을 형성(도 1 참조)할 수 있고, 접지전극(20)에 유입구(11) 및 배출구(12)를 형성할 수도 있다.
일 실시예에 있어서, 반응기(10)는 접지전극(20)과 플라즈마 전극(30) 사이의 거리를 조절할 수 있는 거리 조절부(40)(도 2 참조)를 구비할 수 있다. 피처리수의 종류에 따라 플라즈마 전극(30)에 걸어주는 전압이나 접지전극(20)과 플라즈마 전극(30) 사이의 간격을 조절할 수 있는데, 거리 조절부(40)는 반응기(10)의 양 측면에 마주보게 형성되어 반응기(10)의 높이를 신장 또는 수축하여 반응기(10)의 피처리수 수용 용량을 조절함과 동시에 접지전극(20)과 플라즈마 전극(30) 사이의 간격을 조절할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 접지전극(20)은 통상의 전극을 사용할 수 있고, 상술한 바와 같이 반응기(10)의 일측에 구비될 수 있으며, 평판 형태로 형성되어 반응기(10)의 일면을 형성할 수도 있다. 접지전극(20)은 피처리수와 전기적으로 연결(접촉)되어 피처리수가 접지(earth)될 수 있게 한다.
일 실시예에 있어서, 플라즈마 전극(30)은 텅스텐이나 스테인레스 강(stainless steel)을 이용하여 제조할 수 있고, 전원 공급부(도시하지 않음)와 연결될 수 있다. 전원공급부는 플라즈마 전극(30)에 펄스, 교류 또는 직류 전압을 인가할 수 있다. 플라즈마 전극(30)은 반응기(10)의 일측에 구비될 수 있는데, 개별적으로 형성될 수 있으나, 복수의 플라즈마 전극이 모인 플라즈마 전극 모듈(50) 형태로 반응기 내부에 위치될 수 있는데, 접지전극(20)과 대향되게 설치되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 플라즈마 전극 모듈(50)은 피처리수의 처리량 등에 따라 반응기 내에 복수 개 설치될 수 있다.
도 4는 일 예에 따른 플라즈마 전극(30)을 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 4를 참조하여 플라즈마 전극(30)을 구체적으로 설명하면, 플라즈마 전극(30)은 방전부(31), 고정부(32) 및 접지부(33)를 포함하는 일체의 구조로 형성될 수 있다. 일체형으로 제조됨으로써, 1개의 전극단에 필요 이상의 전력이 인가되어 깨지는 현상을 방지할 수 있어 내구성을 향상시킬 수 있고, 추후 플라즈마 전극(30)의 교체가 용이하다는 장점이 있다.
또한, 각 단의 전극은 특별히 제한되는 것은 아니고, 다양한 형상으로 제조될 수 있으나, 안정적으로 플라즈마를 발생시키기 위하여 원기둥 형상인 것이 바람직하고, 상부에 위치하는 방전부(31)의 직경이 가장 짧으며, 하부에 위치하는 접지부(33)의 직경이 가장 긴 것이 바람직하다(도 4 기준). 상부로 갈수록 직경을 감소시킴으로써 플라즈마 전극(30)의 절연 효율 및 방전 효율을 향상시킬 수 있다. 플라즈마 전극(30)의 절연 효율 및 방전 효율을 극대화하기 위하여 방전부(31), 고정부(32) 및 접지부(33)의 직경(d)의 비는 1 : 4~6 : 7~8 인 것이 바람직하고, 방전부(31), 고정부(32) 및 접지부(33)의 높이(h)의 비는 1 : 1 : 1~2 인 것이 바람직하다.
이러한 플라즈마 전극은 수처리용 반응기 내에 개별적으로 설치될 수 있으나, 복수개의 전극들이 배치된 전극 모듈 형태로 반응기 내에 설치되는 것도 가능하다.
플라즈마 전극 모듈(50)의 일 실시 형태로 도 5(a)의 플레이트 형태와 도 5(b)의 관 형태가 제시되어 있는데, 복수개의 홀(51)이 형성된 전도성 기재(52) 및 상기 홀을 제외한 텅스텐 기재의 외주부를 둘러싸는 세라믹 층(53)으로 구성될 수 있다.
상기 홀 안쪽에는, 앞서 살펴본 플라즈마 전극이 위치하는데, 원주 형태를 갖는 접지부(33), 고정부(32) 및 방전부(31)가 차례로 적층된 다단구조를 갖는 플라즈마 전극;을 포함하고, 상기 접지부(33)는 상기 전도성 기재와 접촉하고, 상기 방전부(31)에서 플라즈마가 발생된다.
전도성 기재의 형태에 따라 플레이트 형태의 플라즈마 전극 모듈과 관 형태의 플라즈마 전극 모듈로 구현될 수 있으며, 수처리 반응기의 형태에 따라 선택적으로 사용될 수 있다.
상기 전도성 기재로는 전기 전도도가 높고 내구성이 우수한 텅스텐 혹은 텅스텐 질화물과 같은 텡스텐 합금 재질이 사용되는 것이 바람직하며, 플라즈마 전극 모듈에 포함되는 플라즈마 전극은, 접지부(33), 고정부(32) 및 방전부(31)는 내부식성을 갖는 동일 재질로 이루어진 일체형 구조인 것이 바람직한데, 상기 일체형 구조를 형성하면서 내부식성을 갖는 재질은 SUS 재질인 것이 더욱 바람직하다.
상기 플라즈마 전극의 접지부(33), 고정부(32) 및 방전부(31)의 직경의 비는 7~8:4~6:1인 것이 바람직하고, 접지부(33), 고정부(32) 및 방전부(31)의 높이의 비는 1~2:1:1인 것이 바람직하다.
상기 전도성 기재는 플레이트 형태 혹은 원주 형태일 수 있으며, 텅스텐 재질이 사용되는 것이 바람직하다.
다음으로, 플라즈마 수중방전을 이용한 수처리 장치를 포함하는 수처리 시스템에 대해 설명한다. 설명의 편의를 위하여 상술한 수처리 장치(100)를 예로 들어 설명하고, 중복된 부분에 대해서는 설명을 생략하나, 이에 제한되는 것은 아니다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 수처리 장치가 직렬 연결된 수처리 시스템(200)을 제시하고 있다. 상기 도 6를 참조하여 설명하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 수처리 시스템(200)은 피처리수를 공급하는 피처리수 공급부(110); 및 직렬로 연결된 복수 개의 수처리 장치(100) 및 선택적으로 후속 공정조(120) 혹은 피처리수 저장조;를 포함한다.
상기 수처리 장치(100)는, 피처리수가 유입되는 유입구(11)와 정화된 피처리수가 배출되는 배출구(12)를 구비하는 반응기(10); 반응기(10) 일측에 구비된 접지전극(20); 및 반응기(10) 일측에 구비되고, 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 전극(30);을 포함한다. 상기 플라즈마 전극(30)은 통상적으로 복수개 사용되며, 이들은 플라즈마 전극 모듈(50)의 형태로 반응기(10) 내부에 위치될 수 있다.
수처리 장치는 앞서 도 1 혹은 도 2에서 상술한 수처리 장치(100)를 사용할 수 있고, 피처리수 공급부(110)로부터 공급되는 피처리수를 복수 개의 수처리 장치(100)에 순차적으로 통과시키면서 피처리수를 정화시킬 수 있다. 수처리 장치(100)가 직렬로 연결된 수처리 시스템(200)의 경우, 오염도가 심한 피처리수를 정화하는 데 유용하다. 즉, 내부에 유기물 및 미생물이 많이 존재하여 이어질 후속 처리 공정에서 바이오 파울링 현상을 일으킬 우려가 있는 피처리수를 플라즈마 수중방전을 여러 차례 수행함으로써 피처리수 내의 유기물 및 미생물을 제거할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 수처리 장치가 병렬 연결된 수처리 시스템(300)이다. 도 7을 참조하여 설명하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 수처리 시스템(300)은 피처리수를 공급하는 피처리수 공급부(110); 및 병렬로 연결된 복수 개의 수처리 장치(100); 및 선택적으로 후속 공정조(120) 혹은 피처리수 저장조;를 포함하고, 상기 수처리 장치(100)는, 피처리수가 유입되는 유입구(11)와 정화된 피처리수가 배출되는 배출구(12)를 구비하는 반응기(10); 반응기(10) 일측에 구비된 접지전극(20); 및 반응기(10) 일측에 구비되고, 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 전극(30);을 포함한다. 상기 플라즈마 전극(30)은 통상적으로 복수개 사용되며, 이들은 플라즈마 전극 모듈(50)의 형태로 반응기(10) 내부에 위치될 수 있다.
수처리 장치는 앞서 도 1 혹은 도 2에서 상술한 수처리 장치(100)를 사용할 수 있고, 피처리수 공급부(110)로부터 공급되는 피처리수를 복수 개의 수처리 장치(100)에 분할 공급하여 동시에 통과시키면서 피처리수를 정화시킬 수 있다. 수처리 장치(100)가 병렬로 연결된 수처리 시스템(300)의 경우, 오염도가 심각하지는 않으나, 대용량의 피처리수를 정화하는 데 유용하다.
[실시예]
일 실시예에 따른 수리처용 플라즈마 전극의 방전부 지름에 따른 방전 특성을 확인하기 위해, 접지부, 고정부 및 방전부가 일체의 원주 형태로 형성된 플라즈마 전극을 사용하여 오존(O3)의 생성 정도를 확인하였다.
접지부와 고정부 및 방전부의 길이를 각각 16mm, 11mm, 11mm로 일정하게 유지한 후, 방전부의 직경을 다양한 범위로 변화시켜 가면서 전류를 가하여 발생되는 오존의 농도를 측정하였다. 전극의 끝부분인 방전부에서 생성되는 플라즈마로 인해 오존이 발생하게 되며, 이러한 오존은 플라즈마 수처리 과정에서 TOC의 감소와 같은 오염물질의 분해에 중요한 영향을 미치게된다.
방전부의 지름을 1 내지 4mm의 범위로 변화시켰으며, 접지부(33), 고정부(32) 및 방전부(31)의 직경의 비는 7.5:5:1로 일정하게 유지하였으며, 동일한 전압을 가하여 생성되는 오존의 농도를 측정한 결과는 아래의 표와 같다.
| 방전부의 지름[mm] | 1 | 2 | 3 | 4 |
| 생성된 O3 농도[ppm] | - | 0.06 | 0.07 | 0.0001 |
상기 표 1의 결과에서 확인되듯이, 방전부의 지름이 너무 낮을 경우에는 플라즈마가 적절하게 형성되지 못하여 오존의 발생이 미미하였음을 알 수 있고, 직경이 너무 커질 경우에는, 방전부 표면에서 균일하게 플라즈마가 발생하지 못하여 전체적으로 발생되는 오존의 양이 감소하는 것을 확인할 수 있었다.
본 명세서에서는 본 발명자들이 수행한 다양한 실시예 가운데 몇 개의 예만을 들어 설명하는 것이나 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고, 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.
10 : 반응기 11 : 유입구
12 : 배출구 20 : 접지전극
30 : 플라즈마 전극 31 : 방전부
32 : 고정부 33 : 접지부
40 : 거리 조절부 50 : 플라즈마 전극 모듈
100 : 수처리 장치 110 : 피처리수 공급부
200, 300 : 수처리 시스템
12 : 배출구 20 : 접지전극
30 : 플라즈마 전극 31 : 방전부
32 : 고정부 33 : 접지부
40 : 거리 조절부 50 : 플라즈마 전극 모듈
100 : 수처리 장치 110 : 피처리수 공급부
200, 300 : 수처리 시스템
Claims (11)
- 피처리수 공급부;
상기 피처리수 공급부에서 공급되는 피처리수가 공급되는 복수의 수처리 장치들; 및
복수의 수처리 장치로부터 배출되는 피처리수가 공급되는 후속 공정조;를 포함하되,
상기 복수의 수처리 장치들은 피처리수의 흐름 방향을 기준으로 직렬로 연결되며,
상기 복수의 수처리 장치들은 각각, 피처리수가 유입되는 유입구와 정화된 피처리수가 배출되는 배출구를 구비하는 반응기; 반응기 일측에 구비된 접지전극; 및 반응기 일측에 구비되고, 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 전극 모듈;을 포함하고,
상기 플라즈마 전극 모듈은,
복수개의 홀이 형성된 텅스텐 기재;
상기 홀을 제외한 텅스텐 기재의 외주부를 둘러싸는 세라믹 층; 및
상기 홀 안쪽에 위치하되, 원주 형태를 갖는 접지부(33), 고정부(32) 및 방전부(31)가 차례로 적층된 다단구조를 갖는 플라즈마 전극;을 포함하고,
상기 접지부(33)는 텅스텐 기재와 접촉하고, 상기 방전부(31)에서 플라즈마가 발생되며,
상기 접지부(33), 고정부(32) 및 방전부(31)는 내부식성을 갖도록 동일한 재질인 SUS로 원기둥의 일체형 구조를 갖되, 상부에 위치하는 방전부(31)의 직경이 가장 짧고, 하부에 위치하는 접지부(33)의 직경이 가장 길며,
상기 방전부(31)의 지름은 1mm를 초과하고, 4mm 미만인 것을 특징으로 하는, 수처리 시스템. - 피처리수 공급부;
상기 피처리수 공급부에서 공급되는 피처리수가 공급되는 복수의 수처리 장치들; 및
복수의 수처리 장치로부터 배출되는 피처리수가 공급되는 후속 공정조;를 포함하되,
상기 복수의 수처리 장치들은 피처리수의 흐름 방향을 기준으로 병렬로 연결되며,
상기 복수의 수처리 장치들은 각각, 피처리수가 유입되는 유입구와 정화된 피처리수가 배출되는 배출구를 구비하는 반응기; 반응기 일측에 구비된 접지전극; 및 반응기 일측에 구비되고, 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 전극 모듈;을 포함하고,
상기 플라즈마 전극 모듈은,
복수개의 홀이 형성된 텅스텐 기재;
상기 홀을 제외한 텅스텐 기재의 외주부를 둘러싸는 세라믹 층; 및
상기 홀 안쪽에 위치하되, 원주 형태를 갖는 접지부(33), 고정부(32) 및 방전부(31)가 차례로 적층된 다단구조를 갖는 플라즈마 전극;을 포함하고,
상기 접지부(33)는 텅스텐 기재와 접촉하고, 상기 방전부(31)에서 플라즈마가 발생되며,
상기 접지부(33), 고정부(32) 및 방전부(31)는 내부식성을 갖도록 동일한 재질인 SUS로 원기둥의 일체형 구조를 갖되, 상부에 위치하는 방전부(31)의 직경이 가장 짧고, 하부에 위치하는 접지부(33)의 직경이 가장 길며,
상기 방전부(31)의 지름은 1mm를 초과하고, 4mm 미만인 것을 특징으로 하는, 수처리 시스템. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 수처리용 플라즈마 전극을 구성하는, 접지부(33), 고정부(32) 및 방전부(31)의 직경의 비는 7~8:4~6:1인 것을 특징으로 하는 수처리 시스템. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 수처리용 플라즈마 전극을 구성하는, 접지부(33), 고정부(32) 및 방전부(31)의 높이의 비는 1~2:1:1인 것을 특징으로 하는, 수처리 시스템. - 삭제
- 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 텅스텐 기재는, 플레이트 형태 혹은 원주 형태인 것을 특징으로 하는, 수처리 시스템. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 반응기는, 유입구와 배출구가 같은 사이드에 구비되는 것을 특징으로 하는, 수처리 시스템. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 반응기는, 유입구, 배출구 및 접지전극이 같은 사이드에 구비되는 것을 특징으로 하는, 수처리 시스템. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 반응기에는, 접지전극과 플라즈마 전극 모듈이 대향되도록 설치된 것을 특징으로 하는, 수처리 시스템. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 반응기에는, 접지전극과 플라즈마 전극 모듈 사이의 거리를 조절할 수 있는 거리 조절부;가 추가로 더 구비되는 것을 특징으로 하는, 수처리 시스템. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 접지전극은, 플레이트 형상인 것을 특징으로 하는, 수처리 시스템.
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