KR100355955B1 - 전기 분해에 의한 양의 전하를 가진 미세 기포 발생 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명에 의한 전기 분해에 의한 양의 전하를 가진 미세 기포 발생 장치는, 처리 원수인 수용액이 담그어지는 반응조; 상기 반응조내에 설치되고 외부로부터 전압이 인가되는 금속 박판들로서 외부로부터 음극이 인가되어 반응조내의 수용액의 전기 분해에 의하여 수소 기체를 발생시키는 음극 금속 박판; 및 외부로부터 양극이 인가되어 금속 박판의 양전하가 용출되어 상기한 음극 금속 박판에서 발생한 수소 기체가 양 전하를 띠도록 하는 양극 금속 박판을 포함하여 구성되되, 상기 음극 및 양극 금속 박판들은 반응조내에 수평으로 설치되고, 상기 금속 박판들 중 하부에 위치하는 금속 박판에는 외부 전압의 음극이 인가되고, 상기한 금속 박판들 중에 상부에 위치하는 금속 박판에는 외부 전압의 양극이 인가되며, 상기 상부 금속 박판에는 구멍이 뚫려있는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의한 전기 분해에 의한 양의 전하를 가지는 미세 기포 발생 장치는 별도의 공기 주입 장치가 없이, 처리 수용액을 전기 분해하여 발생하는 수소 기체가, 역시 전기 분해에 의하여 용출되는 금속의 양이온에 의하여 양의 전하를 띠게 하므로, 별도의 공기 주입 장치나 표면 흡착제가 필요하지 않다. 뿐만 아니라, 본 발명에 의한 미세 기포 발생 장치에서 발생되는 양의 전하를 띤 미세 기포에 의하여 원수 중에 포함된 음의 전하를 띠는 탁도 유발 물질들을 효과적으로 제거할 수 있다.

Description

전기 분해에 의한 양의 전하를 가진 미세 기포 발생 장치{Apparatus for Generating Microbubbles with Positive Charge by Electrolysis}

본 발명은 수처리에 사용되는 미세 기포 발생 장치에 관한 것으로서, 특히 전기 분해에 의하여 양의 전하를 가진 미세 기포를 발생시키는 것을 특징으로 한다.

종래에 미세 기포를 주입하여 물 속의 입자를 제거하는 수처리 방법이 알려져 있다. 용존 공기 부상법(DAF, Dissloved Air Flotation)은 미세 기포를 발생시켜 이 때 상승하는 미세 기포와 부유 또는 침전하는 입자들의 충돌을 유발하여 기포와 입자의 집합체를 가볍게 만들어 수면위에서 제거하는 방식으로, 수중의 조류나 플록과 같이 밀도가 낮은 입자를 제거하는데 사용되며, 부유 선광법은 공기를 불어넣어서 광물을 분리하는데 사용된다.

물 속의 입자들의 충돌 이론에 의하면, 미세 기포를 주입하여 입자를 제거하는데 가장 중요한 인자는 두 인자의 정전기적 특성과 크기이며, 그 중에서 정전기적인 특성이 더욱 중요하다고 알려져 있다. 물 속의 입자는 대부분 음으로 하전되어 있는데, 종래의 수처리 방법에서 주입하는 미세 기포 역시 음의 전하를 가지고 있다. 따라서, 종래에는 음전하를 띤 입자와 역시 음전하를 띤 기포를 충돌시켜야 하였기 때문에 효율이 떨어지거나 전처리를 과다하게 하여야 하는 문제가 있다.

한편, 부유 선광법에서 표면 흡착제를 사용하여 양전하를 띤 미세 기포를 만들어서 수처리의 효율을 증대한 예가 있었으나, 음용수나 자연수계에서 표면 흡착제를 사용하는 것은 안전성을 해치는 것일 뿐만 아니라, 처리 비용이 많이 드는 단점이 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 처리수계의 안전성을 해치지 않고 처리 비용이 적게 드는 장점을 가지는 것을 특징으로 하는 양의 전하를 가지는 미세 기포 발생 장치를 제공하고자 한다.

도1은 본 발명에 의한 미세 기포 발생 장치의 일실시예에 관한 구성도,

도2는 도1에 도시된 미세 기포 발생 장치에서 시간에 따른 알루미늄 양이온의 용출량을 도시한 것,

도3은 본 발명에 의한 미세 기포 발생 장치에 의하여 발생된 양전하를 가진 미세 기포를 수처리에 적용하는 경우(전기 분해식)와 종래의 공기 주입식 수처리 방식의 탁도 제거율을 비교 도시한 것,

도4는 본 발명에 의한 미세 기포 발생 장치에서 전기 분해를 위하여 인가하는 전압에 따른 알루미늄 용출량을 측정하여 도시한 것,

도5는 본 발명에 의한 미세 기포 발생 장치에 의하여 발생된 양의 전하를 가지는 미세 기포를 여러 가지 상태의 원수에 적용할 수 있는지의 여부를 알아보기 위하여, 원수의 탁도를 변화시키면서 탁도 제거율을 측정한 결과를 도시한 것,

도6은 본 발명에 의한 미세 기포 발생 장치에 의하여 발생된 양의 전하를 가지는 미세 기포를 여러 가지 상태의 원수에 적용할 수 있는지의 여부를 알아보기 위하여, 원수의 pH를 변화시키면서 탁도 제거율을 측정한 결과를 도시한 것,

도7은 본 발명에 의한 미세 기포 발생 장치에 의하여 발생된 양의 전하를 가지는 미세 기포를 호수나 바다에서 적용하기 위하여, NaCl를 첨가하여 원수의 전기전도도를 바꾸어가면서 탁도 제거율을 측정한 결과를 도시한 것,

도8은 본 발명에 의한 미세 기포 발생 장치를 적용하는 경우에 반응조의 크기와 사용되는 알루미늄 박판의 양을 결정하기 위하여 반응 용액의 부피를 바꾸어가면서 탁도 제거율을 측정한 결과를 도시한 것,

도9는 본 발명에 의한 미세 기포 발생 장치를 적용하는 경우에 처리수량과 알루미늄 박판의 적정 사용량을 결정하기 위하여 반응조의 직경을 바꾸어가면서 탁도 제거율을 측정한 결과를 도시한 것,

도10은 본 발명에 의한 미세 기포 발생 장치에서 반응조의 크기와 수리학적 체류 시간(Hydraulic Retention Time, HRT)에 관계되는 시간대별 탁도 제거율을 도시한 것.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 전기 분해에 의한 양의 전하를 가진 미세 기포 발생 장치는, 처리 원수인 수용액이 담그어지는 반응조; 상기 반응조내에 설치되고 외부로부터 전압이 인가되는 금속 박판들로서 외부로부터 음극이 인가되어 반응조내의 수용액의 전기 분해에 의하여 수소 기체를 발생시키는 음극 금속 박판; 및 외부로부터 양극이 인가되어 금속 박판의 양전하가 용출되어 상기한 음극 금속 박판에서 발생한 수소 기체가 양 전하를 띠도록 하는 양극 금속 박판을 포함하여 구성되되, 상기 음극 및 양극 금속 박판들은 반응조내에 수평으로 설치되고, 상기 금속 박판들 중 하부에 위치하는 금속 박판에는 외부 전압의 음극이 인가되고, 상기한 금속 박판들 중에 상부에 위치하는 금속 박판에는 외부 전압의 양극이 인가되며, 상기 상부 금속 박판에는 구멍이 뚫려있는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기한 본 발명에 의한 미세 기포 발생 장치에서, 상기 금속 박판들은 알루미늄 박판들로 구현될 수 있다.

또한, 상기한 본 발명에 의한 미세 기포 발생 장치에서, 상기 금속 박판들에 인가되는 외부 전압은 6∼12 V의 범위이다.

이하에서 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 의한 미세 기포 발생 장치의 일실시예를 상세하게 설명한다.

도1은 본 발명에 의한 미세 기포 발생 장치의 일실시예에 관한 구성도이다. 도1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 미세 기포 발생 장치는, 처리 원수인 수용액이 담그어지는 반응조(11)내에 수평으로 설치된 두 장의 알루미늄 박판들(12,13)을 포함한다. 두 장의 알루미늄 박판들의 간격은 10㎜ 정도가 바람직하다. 아래쪽에 위치하는 하부 알루미늄 박판(12)에는 구멍이 뚫려있지 않으나, 윗쪽에 위치하는 상부 알루미늄 박판(13)에는 지름 10㎜ 간격 10㎜의 구멍이 뚫려있다.

외부로부터 두 알루미늄 박판들(12,13)에 6∼12 V의 전압을 인가하되, 하부 알루미늄 박판(12)에 음극을 인가하고, 상부 알루미늄 박판(13)에 양극을 인가하면, 전기 분해에 의하여 하부 알루미늄 박판(12)에서 수소 기체가 발생하고, 상부 알루미늄 박판(13)에서는 알루미늄이 용출된다.

음극이 인가된 하부 알루미늄 박판(12)에서 수소 기체가 발생하는 반응은 다음의 화학식 1과 같다.

4H₂0 + 4e- → 2H₂(g) + 4OH-(aq) E₀= -0.83 V

양극이 인가된 상부 알루미늄 박판(13)에서 알루미늄이 용출되는 반응은 다음의 화학식 2와 같다.

Al(s) → Al³⁺(aq) + 3e- E₀= +1.66 V

하부 알루미늄 박판(12)에서 발생한 수소 기체로 이루어진 미세 기포가 발생하여 상부로 서서히 이동하다가 상부 알루미늄 박판(13)의 구멍을 통과하면서 서로뭉쳐지고, 상부 알루미늄 박판(13)에서 용출되는 알루미늄 양이온에 의하여 양의 전하를 띠게 된다.

상부 알루미늄 박판(13)에서 알루미늄이 용출되는 속도를 측정하기 위하여 6V와 11.5V의 전압이 인가된 상태에서, 시간의 경과함에 따라서 물 속에서의 알루미늄의 농도를 각각 측정하여, 그 결과를 도2에 도시하였다. 구체적으로는, 반응조의 바닥으로부터 35㎜ 높이의 포트에서 시료를 채취하여 서울대학교 공과대학 기기분석실의 유도결합 플라즈마 분광기(Inductively Coupled Plasma Spectrometer, ICP)를 이용하여 측정하였다. 도2에서 보이는 바와 같이, 전압이 인가된 상태에서 알루미늄 양이온이 용출되면, 전압에 따라서 Al³⁺의 용출 속도와 용출량이 달라지는 것을 알 수 있다. 또한, 용출 속도가 시간이 지남에 따라서 떨어지는 것을 알 수 있다.

이와 같은 알루미늄 양이온은 하부 알루미늄 박판(12)으로부터 발생하는 수소 기체가 양이온을 띠게 하고, 양이온을 띤 수소 기체는 양전하를 띤 미세 기포로서, 포함되는 입자가 대부부 음전하인 수처리 공정에서 유용하게 사용될 수 있다.

즉, 본 발명에 의한 미세 기포 발생 장치에서는 외부로부터 기포가 주입되는 것이 아니라, 수용액의 전기 분해를 이용하여 자체적으로 미세 기포를 발생시킬 뿐만 아니라, 발생된 미세 기포가 양전하를 띠게 한다.

도3은 본 발명에서와 같이 전기 분해에 의하여 발생하는 미세 기포를 이용하는 수처리 방법과, 공기 주입에 의한 수처리 방법에서의 탁도 제거 효율을 비교한 실험 결과를 도시한 것이다. 구체적으로는 아무런 처리를 하지 않는 경우(대조군),공기만 주입한 경우, 전기 분해의 경우, 전기 분해와 공기 주입을 동시한 경우로서 공기 주입을 1분 이내로 하는 경우, 10분 하는 경우, 20분 하는 경우 각각에 대하여 초기 탁도와 최종 탁도를 도시한 것이다. 도3에서 보이는 바와 같이, 전기 분해를 하는 경우가 전기 분해를 하지 않는 경우에 비하여 탁도 제거 효과가 월등하게 우수하며, 전기 분해를 하게 되면 공기주입 여부와 무관하게 탁도 물질이 잘 제거되는 것임을 알 수 있다.

도4는 본 발명에 의한 미세 기포 발생 장치에서 전기 분해를 위하여 인가하는 전압에 따른 알루미늄 용출량을 측정하여 도시한 것으로서, 구체적으로는 6V와 11.5V의 두가지 경우를 도시한 것이다. 도4에 도시된 바와 같이, 6V와 11.5V의 경우에 있어서, 전압차가 2배 가까이 남에도 불구하고, 탁도 제거율은 크게 차이가 나지 않음을 알 수 있다. 이로부터, 수소 기체가 알루미늄 양이온에 대하여 양이온을 가지기 위하여 많은 양의 알루미늄 양이온을 필요로 하는 것은 아님을 알 수 있다. 단지, 인가되는 전압이 약한 경우에 수소 기체 자체의 발생이 감소하여 제거율에 영향을 미칠 수 있겠으나, 수소 기체의 전위 변화에는 큰 영향을 미치지 않는 것을 알 수 있다.

도5는 본 발명에 의한 미세 기포 발생 장치에 의하여 발생된 양의 전하를 가지는 미세 기포를 여러 가지 상태의 원수에 적용할 수 있는지의 여부를 알아보기 위하여, 원수의 탁도를 변화시키면서 탁도 제거율을 측정한 결과를 도시한 것이다. 구체적으로는 원수 탁도를 5 NTU(네펠로메트릭 탁도 단위, Nephelometric Turbidity Unit), 50 NTU, 500 NTU의 넓게 변화하는 범위에 대하여 실험한 것이다. 도5에서 보이는 바와 같이, 원수의 탁도가 50 NTU, 500 NTU인 경우 거의 100%에 가까운 제거 효율을 보인다. 이와 같은 실험 결과로부터 중탁도, 고탁도에서 뛰어난 제거 능력을 가지는 것을 알 수 있다. 반면에 원수의 탁도가 5 NTU인 저탁도에서는 60% 정도의 제거 효율을 보이는데, 이것은 전기 분해로 방출되는 Al³⁺가 서로 응집하여 탁도를 유발하기 때문이다. 그러나, 이러한 문제는 제거할 입자의 수가 적은데 Al³⁺가 과다하게 방출되는 데에 비롯된 것이므로 전기 분해 전압을 낮추는 방식으로 해결할 수 있다.

도6은 본 발명에 의한 미세 기포 발생 장치에 의하여 발생된 양의 전하를 가지는 미세 기포를 여러 가지 상태의 원수에 적용할 수 있는지의 여부를 알아보기 위하여, 원수의 pH를 변화시키면서 탁도 제거율을 측정한 결과를 도시한 것이다. 도6에 도시된 바와 같이, 원수의 pH가 중간인 영역(pH=7)에서 제거 효율이 가장 높은 것을 알 수 있다. 따라서, 보통의 수처리에서 처리하고자 하는 강물, 바닷물, 하수 등에서 효과적으로 적용될 수 있다.

도7은 본 발명에 의한 미세 기포 발생 장치에 의하여 발생된 양의 전하를 가지는 미세 기포를 호수나 바다에서 적용하기 위하여, NaCl를 첨가하여 원수의 전기전도도를 바꾸어가면 탁도 제거율을 측정한 결과를 도시한 것이다. 도7에서 보이는 바와 같이, 원수의 전기전도도에 따라서 탁도의 제거율이 크게 차이가 없다.

도8은 본 발명에 의한 미세 기포 발생 장치를 적용하는 경우에 반응조의 크기와 사용되는 알루미늄 박판의 양을 결정하기 위하여 반응 용액의 부피를 바꾸어가면서 탁도 제거율을 측정한 결과이다. 도8에 도시된 바와 같이, 반응 용액의 부피가 많을수록 탁도 제거율이 감소한다. 이는 알루미늄 박판의 크기는 제한된 상태에서 반응 용액의 부피만을 늘렸기 때문이다. 따라서, 반응 용액의 부피가 늘어남에 따라서 사용되는 알루미늄 박판의 양도 늘려야 한다. 갑작스러운 유량의 큰 변동이 발생하는 경우에, 탁도 제거율이 약간 감소할 수 있다.

도9는 본 발명에 의한 미세 기포 발생 장치를 적용하는 경우에 처리수량과 알루미늄 박판의 적정 사용량을 결정하기 위하여 반응조의 직경을 바꾸어가면서 탁도 제거율을 측정한 결과이다. 도9에 도시된 결과에 의하면, 같은 양의 물을 처리하는데 알루미늄 박판의 양을 달리하여도 탁도 제거율은 크게 영향을 받지 않는 것을 알 수 있다. 도9에서 반응조의 직경이 40㎜인 경우와 60㎜인 경우에 모두 100% 가까운 탁도 제거율을 나타낸다.

도10은 본 발명에 의한 미세 기포 발생 장치에서 반응조의 크기와 HRT에 관계되는 시간대별 탁도 제거율을 도시한 것이다. 도10에서 보이는 바와 같이 탁도 제거율은 시간이 흐름에 따라서 증가하였다가 다시 감소한다. 이는 Al³⁺의 용출 속도와 관계되는 것이며, 용출 속도가 크면 클수록 그 만큼 양으로 대전된 기포가 많이 만들어지므로 탁도 제거율이 높아진다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 전기 분해에 의한 양의 전하를 가지는 미세 기포 발생 장치는 별도의 공기 주입 장치가 없이, 처리 수용액을 전기분해하여 발생하는 수소 기체가, 역시 전기 분해에 의하여 용출되는 금속의 양이온에 의하여 양의 전하를 띠게 하므로, 별도의 공기 주입 장치나 표면 흡착제가 필요하지 않다. 뿐만 아니라, 본 발명에 의한 미세 기포 발생 장치에서 발생되는 양의 전하를 띤 미세 기포에 의하여 원수 중에 포함된 음의 전하를 띠는 탁도 유발 물질들을 효과적으로 제거할 수 있다.

Claims (6)

1. 처리 원수인 수용액이 담그어지는 반응조;

   상기 반응조내에 설치되고 외부로부터 전압이 인가되는 금속 박판들로서

   외부로부터 음극이 인가되어 반응조내의 수용액의 전기 분해에 의하여 수소 기체를 발생시키는 음극 금속 박판; 및

   외부로부터 양극이 인가되어 금속 박판의 양전하가 용출되어 상기한 음극 금속 박판에서 발생한 수소 기체가 양 전하를 띠도록 하는 양극 금속 박판을 포함하여 구성되되,

   상기 음극 및 양극 금속 박판들은 반응조내에 수평으로 설치되고,

   상기 금속 박판들 중 하부에 위치하는 금속 박판에는 외부 전압의 음극이 인가되고, 상기한 금속 박판들 중에 상부에 위치하는 금속 박판에는 외부 전압의 양극이 인가되며,

   상기 상부 금속 박판에는 구멍이 뚫려있는 것을 특징으로 하는 전기 분해에 의한 양의 전하를 가진 미세 기포 발생 장치.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,

   상기 금속 박판들은 알루미늄 박판들임을 특징으로 하는 전기 분해에 의한 양의 전하를 가진 미세 기포 발생 장치.
6. 제1항 또는 제5항에 있어서,

   상기 알루미늄 금속 박판들에는 6∼12 V의 외부 전압이 인가되는 것임을 특징으로 하는 전기 분해에 의한 양의 전하를 가진 미세 기포 발생 장치.