KR100368457B1

KR100368457B1 - 광원을 이용한 오염물질 제거장치

Info

Publication number: KR100368457B1
Application number: KR10-2000-0050913A
Authority: KR
Inventors: 김영웅; 손희근; 김주헌; 김영희; 우경호; 유윤식; 김철; 윤태경
Original assignee: (주)이씨테크; 김철
Priority date: 2000-08-30
Filing date: 2000-08-30
Publication date: 2003-01-24
Also published as: KR20010000259A

Abstract

본 발명은 오염물질 제거장치에 관한 것으로, 유체가 유입,유출되는 유체유동구(101)(102)가 구비된 정화조(100)와; 상기 정화조(100)의 일측에 설치되는 케이스(110)와; 상기 케이스(110) 내부에 수용되어 외부의 전원을 인가받아 전극간의 방전에 의해 빛을 발생시키는 광원 발생부(120)와; 상기 광원발생부(120)의 전극간의 간격을 조절시키는 전극간격조절부(130)와; 상기 케이스(110) 내부에 설치되어 광원 발생부(120)에서 발생된 광원을 특정부분으로 조사 시키도록 형성된 광반사판(140); 그리고, 상기 광원발생부(120)에 인가되는 전원을 제어하고, 상기 광원발생부(120)에서 나오는 광의 세기를 감지하여 상기 전극간격조절부(130)를 제어하고, 시스템의 전체 동작결과에 대한 정보를 저장하여 관리하는 제어부(150);를 포함하여 구성되어, 유입된 유체 내부에 포함된 오염물질을 광원발생부(120)의 방전에 의해 생성된 빛에너지를 이용하여 정화시킨 후 외부로 유출시키는 광원을 이용한 오염물질 제거장치를 기술적 요지로 한다. 이에 따라, 광에너지만으로 각종 세균 및 바이러스를 짧은 시간내에 사멸시키고 난분해성 유기물까지 제거시킴과 동시에 2차오염물질의 발생을 제거하는 이점이 있으며, 설치장소 및 규모의 제약을 받지 않고 상,하수도처리 공정 중 침사지에서의 응집효율을 증대시키기 위한 전처리 공정인 전염소 산화공정을 대신할 수 있으며 침전지, 여과지, 정수지나 최종방류수의 바이러스 살균처리까지 전 공정에 응용가능하며, 오존이나 염소처리와 같은 별도의 거대시설 없이 설치가 가능하다는 이점이 있다.

Description

광원을 이용한 오염물질 제거장치{apparatus for removing pollutants using powerful photo-radiation}

본 발명은 오염물질 제거장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 고전압 방전시 발생되는 높은 에너지를 가지는 빛을 조사하여 난분해성 물질이나 바이러스 또는 원생동물을 사멸시킴과 동시에 악취물질을 분해시키면서도 2차오염물질의 생성을 억제시키는 광원을 이용한 오염물질 제거장치에 관한 것이다.

일반적으로 기존의 상하수도 처리공정에서는 산화제나 소독제로서 정제성, 산화력 등을 고려하여 염소나 오존을 주입하는 공정을 거의 대부분 이용하고 있다. 그러나 상기의 약품들은 발암물질로 알려진 THM을 비롯한 환경호르몬 물질 등 2차 오염물질을 생성한다는 결정적인 문제점이 있으며, 산업의 발달로 인한 하,폐수성상의 복잡,다양화와 이에 따른 다양한 수중 유해물질의 처리에는 한계를 가지고 있다. 또한 조류 대사물질, 환경호르몬 물질 등 난분해성 미량유해물질의 처리에는 대처가 불가하며, 나아가 최근 상수원에서 검출 논란을 야기시키고 있는 바이러스성 물질들도 상기 산화제나 소독제의 투입공정만으로는 해결이 불가능한 실정이다.

일예로 상수도와 같은 대규모 시설에는 오존과 입상활성탄을 사용한 고도처리 공정을 도입하여 사용하나, 이 공정의 수중용존 유기물의 처리효율은 20%안팎이며, 이와 관련된 유지관리에도 막대한 예산이 투입되는 등 엄청난 시설투자비에 비해 만족할 만한 성과를 나타내지 못하는 실정이다.

그리고 전기방전을 이용하거나 공기를 프라즈마 상태로 만들어 폐수처리에 응용하는 장치가 소개되고 있으나 전기방전을 이용하는 방법은 전기방전에 의해 생성된 오존을 이용하여 대기중의 악취물질들을 분해시키는 데는 사용되나 수처리에는 응용기술이 미흡하며, 플라즈마를 이용하는 기술 또한 공기를 플라즈마 상태로 만들때 생성되는 산소라디칼 및 오존을 수중에 유입하여 침출 수 처리에 이용하고 있으나 이 또한 처리효과에 의문이 제기될 뿐만 아니라, 전처리 공정으로서 생물학적 공정과 응집, 침전, 여과공정을 거쳐야 하므로 공정이 복잡하며 소용량의 한정된 공간밖에는 적용가능성이 없다는 문제점이 있다.

또한 세균오염을 제어하기 위한 수단으로 자외선램프를 사용하고 있지만 한정된 범위에 국한되며 살균기능 이외에는 독소분해, 오염물질 정화기능은 거의 하지 못한다.

따라서, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 강한 에너지를 빛의 형태로 처리대상물에 직접조사하여 광에너지만으로 각종 세균 및 바이러스를 짧은 시간내에 사멸시키고 난분해성 유기물까지 제거시킴과 동시에 2차오염물질의 발생을 제거하는 광원을 이용한 오염물질 제거장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

그리고 설치장소 및 규모의 제약을 받지 않고 상,하수도처리 공정 중 침사지에서의 응집효율을 증대시키기 위한 전처리 공정인 전염소 산화공정을 대신할 수 있으며 침전지, 여과지, 정수지나 최종방류수의 바이러스 살균처리까지 전 공정에 응용가능하며, 오존이나 염소처리와 같은 별도의 거대시설이나 구조물의 설치가 불필요한 광원을 이용한 오염물질 제거장치를 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.

도1 - 본 발명에 따른 광원을 이용한 오염물질 제거장치의 개략도.

도2 - 본 발명에 따른 광원을 이용한 오염물질 제거장치의 설치 사시도.

도3 - 광촉매가 코팅된 회전부재가 설치된 광원을 이용한 오염물질 제거장치의 설치 사시도.

도4 - 수중보 형태가 형성된 광원을 이용한 오염물질 제거장치의 설치 사시도.

도5 - 세균 및 바이러스 제거효율을 나타낸도.

도6 - 살모넬라균의 광처리전후의 모습을 보인도.

도7 - 쉬겔라균의 광처리전후의 모습을 보인도.

도8 - 황색포도상구균의 광처리전후의 모습을 보인도.

도9 - 녹농균의 광처리전후의 모습을 보인도.

도10 - 일반세균의 광처리전후의 모습을 보인도.

도11 - 대장균군의 광처리전후의 모습을 보인도.

도12 - 폴리오바이러스의 광처리전후의 모습을 보인도.

도13 - 클로로포름의 제거효율을 나타낸도.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

100 : 정화조 101,102 : 유체유동구

103 : 수중보 110 : 케이스

111 : 가스주입구 120 : 광원발생부

130 : 전극간격 조절부 131 : 수평조절부

132 : 수직조절부 140 : 광반사판

150 : 제어부 151 : 전원공급부

152 : 시스템제어부 153 : 데이타베이스

160 : 회전부재

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 유체가 유입,유출되는 유체유동구가 구비된 정화조와; 상기 정화조의 일측에 설치되는 케이스와; 상기 케이스 내부에 수용되어 외부의 전원을 인가받아 전극간의 방전에 의해 빛을 발생시키는 광원 발생부와; 상기 광원발생부의 전극간의 간격을 조절시키는 전극간격조절부와; 상기 케이스 내부에 설치되어 광원 발생부에서 발생된 광원을 특정부분으로 조사 시키도록 형성된 광반사판; 그리고, 상기 광원발생부에 인가되는 전원을 제어하고, 상기 광원발생부에서 나오는 광의 세기를 감지하여 상기 전극간격조절부를 제어하고, 시스템의 전체 동작결과에 대한 정보를 저장하여 관리하는 제어부;를 포함하여 구성되어, 유입된 유체 내부에 포함된 오염물질을 광원발생부의 방전에 의해 생성된 빛에너지를 이용하여 정화시킨 후 외부로 유출시키는 광원을 이용한 오염물질 제거장치를 기술적 요지로 한다.

여기서, 상기 광원발생부의 전극은, 텅스텐 전극, 탄소전극, 티타늄과 팔라듐을 합성한 전극, 티타늄 금속표면에 이리듐을 코팅한 전극 중 하나가 되는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 케이스 내부에는, 질소가스, 헬륨가스, 아르곤가스, 네온가스, 크세논가스 중 하나의 가스가 충전되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 반사판에는 광촉매가 코팅되는 것이 바람직하다.

이에 따라, 방전에 의해 생선된 에너지가 빛의 형태로 처리대상물에 직접전달되어 각종 세균 및 바이러슬 단시간내에 사멸시키며, 수돗물 등의 2차 오염물질인 트리할로메탄 등 각종 난분해성 유기물까지 제거시킴과 동시에 시설이나 설치가 간편하여 범용적으로 설치가 가능하다는 이점이 있다.

이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명을 상세히 설명한다.

도1은 본 발명에 따른 광원을 이용한 오염물질 제거장치의 개략도이고, 도2는 오염물질 제거장치의 설치사시도이고, 도3은 광촉매가 코팅된 회전부재가 설치된 오염물질 제거장치의 설치사시도이며, 도4는 수중보 형태가 형성된 오염물질 제거장치의 사시도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 광원을 이용한 오염물질 제거장치는 크게 정화조(100)와, 케이스(110)와, 광원발생부(120)와, 전극간격조절부(130)와, 광반사판(140) 그리고 제어부(150)로 구성된다.

먼저 정화조(100)에 대해 설명한다.

상기 정화조(100)의 일측에는 정화하고자 하는 폐수 및 오염공기등의 유체가 유입되는 유체유동구(101)가 형성되어 유체유동구(101)를 통하여 유체가 정화조(100) 내로 유입된다. 그리고 상기 정화조(100)의 타측에는 상기 유체유동구(101)로 유입된 유체가 후술하는 광원발생부(120)에서 발생되는 고에너지의 빛에 의해 정화된 다음에 외부로 배출되는 또 하나의 유체유동구(102)가 형성된다. 여기서 상기 정화조(100)는 특별한 모양을 가지지 않더라도 유체가 유입, 유출되는 다른 형태의 것도 포함하며 본 발명의 범주에 속한다.

또한 상기 정화조(100)에는 광촉매가 코팅된 회전부재(160)가 설치되어 후술하는 광원발생부(120)에서 발생되는 빛 에너지가 회전부재(160)에 조사되어 회전부재(160)의 광촉매에서 발생되는 에너지가 오염부위에 조사됨에 의해 살균 및 정화효과가 높아진다.

상기 케이스(110)는 대략 내부가 빈 직육면체 형태로 구성되어 상기 정화조(100)의 일측에 설치된다. 그리고 상기 케이스(110)의 내부에는 후술하는 광원발생부(120), 전극간격조절부(130), 광반사판(140)이 형성된다. 그리고 상기 케이스(110)의 소정지점에 내부와 관통되는 가스주입구(111)가 형성되어 가스주입구(111)를 통하여 질소가스, 헬륨가스, 아르곤 가스, 네온가스, 크세논 가스 등의 비활성 가스가 주입되어 후술하는 전극이 공기와 무단접촉되는 것을 방지시켜 전극의 산화를 방지시킴과 동시에 전력소모를 줄일 수 있다. 여기서 상기 케이스(110)의 재질로는 사용목적상 투명한 재질이 적합하며 광원이 조사되는 특정지점을 제외하고는 후술하는 광반사판(140)이 설치되어 빛의 외부로의 무단 누출을 방지시킨다.

상기 광원발생부(120)는 후술하는 제어부(150)의 전원공급부(151)와 연결된 두개의 전극으로 구성되어 전극간의 전압차에 의한 아크방전의 결과로 에너지인 빛이 방출된다.

상기 광원발생부(120)에 인가되는 전원은 제어부(150)의 제어에 의해 전압 및 전류가 제어되며 오염물질의 양에 비례하여 전압은 10V∼220V까지 제어되며, 전류는 10A∼400A까지 제어된다. 여기서 상기 광원발생부(120)의 전극은 탄소전극 또는 텅스텐 전극으로 구성되며, 전극사이의 간극 조정은 후술하는 전극간격조절부(130)로 제어시킨다.

상기 전극에서 발생된 빛은 스펙트럼 조사결과 파장이 200nm이하인 강력한 자외선 에너지가 방출된다.

상기에서 전극의 재질은 탄소 또는 텅스텐 전극 뿐만 아니라 티타늄과 팔라듐을 합성한 전극 또는 티타늄 금속 표면에 이리듐을 코팅한 전극을 사용하여도 된다.

상기 전극간격조절부(130)는 수평조절부(131) 및 수직조절부(132)로 구성되어 후술하는 제어부(150)의 제어에 의해 상기 수평조절부(131)가 상기 전극간의 수평거리를 조절시키며 상기 수직조절부(132)가 전극간의 수직거리를 조절시킨다. 상기 전극간의 간극은 적외선으로 간극의 높이 및 거리가 감지되여 후술하는 제어부(150)로 전달되고 제어부(150)의 제어명령에 의해 수평조절부(131) 및 수직조절부(132)가 유동되어 전극간의 간극이 자동 조절된다. 이때 전극간의 간극은 통상 1mm∼10mm의 거리를 유지하도록 제어된다.

상기 광반사판(140)은 소정굽은 얇은 갓형상으로 구성되어 상기 케이스(110) 내부의 상측 인접부와 측면 인접부에 설치되어 상기 광원발생부(110)에서 발진되는 고에너지파인 빛을 특정부위, 즉 오염원이 존재하는 부위로 반사시킴과 동시에 빛이 외부로 무단 누출되는 것을 방지시킨다. 상기 광반사판(140)의 재질은 표면조도가 치밀한 스테인레스 박판이나 알루미늄을 증착시킨 형태로 구성된다. 여기서 필요에 따라서는 상기 광반사판(140)의 반사면에 산화티탄 등과 같은 광촉매를 코팅하여 광원발생부(120)에서 발생되는 빛이 광촉매에 조사되어 광촉매에서 발생되는 에너지를 오염부위에 조사시킴에 의해 살균 및 정화효과를 높일 수 있다.

상기 제어부(150)는 크게 전원공급부(1510와, 시스템 제어부(152) 그리고 데이타 베이스(153)로 구성된다.

상기 전원공급부(151)는 상기 광원발생부(120)에 전원을 공급하며 후술하는 시스템 제어부(152)의 제어명령에 의해 광원발생부(1200에 소정전압 및 소정전류를 소정시간 동안 인가시킨다.

상기 시스템 제어부(152)는 상기 전원공급부(151)를 제어함과 동시에 상기 전극간격조절부(130)를 자동제어하여 전극간의 간격을 조절하는 등 전체시스템을 동작시키고 조절시키며 상기 시스템 제어부(152)에서의 제어내용은 상기 데이타 베이스(153)로 자동 전달되어 등록 저장된다.

상기의 구성에 의한 실시예를 아래에서 실험데이타등을 통하여 상세히 설명한다.

< 제1실시예 >

본 발명의 제1실시예에 따른 광원을 이용한 오염물질 제거장치 케이스(110)는 도4에서 하부면적은 가로 600mm, 세로 1200mm가 되도록 구성하였으며, 케이스(110)의 하부 즉, 정화조(100)의 하면이 상측으로 돌출된 형상으로 상부에 광이 도달 할 수 있는 크기만큼 수중보(103)를 만들었으며 정화조(100)의 크기는 대략 500리터가 되도록 구성하였다. 유체유동구(101)를 통하여 물이 유입되는 양은 초당 1.44리터(하루 처리용량 125톤)로 조절시키며 수중보(103)위의 물층의 두께를 10mm로 조절하였다. 그리고 물층과 광원발생부(120)와의 거리는 200mm 되게 설치하였으며, 물이 갑자기 차오르는 것을 방지시키기 위해 반대쪽 정화조의 상단에 드레인 파이프를 설치한다. 또한 상기 정화조(100)의 유체유동구(101)는 외부수조와 연결되며, 외부 수조에는 각종 세균과 바이러스를 상온에서 배양하여 물에 접종한 뒤 외부수조에 충전된 물이 유체유동구(101)를 통하여 상기 정화조(100) 내부로 유입된다.

상기 전원공급부(151)에서 광원발생부(120)로 인가되는 전압은 20V이며, 전류는 400A로 조절하여 정전류원을 사용하였으며, 방전을 위한 전극간의 간격은 5mm로 고정하였다. 그리고 상기 광반사판(140)은 상기 케이스(110) 내부의 상면 및 측면에 설치되어 광원발생부(120)에 발생된 빛은 하부로만 조사되도록 하였으며, 상기 정화조(100)의 물이 수중보(103) 형성부에 머무는 시간은 5초를 유지하도록 하였으며, 빛을 조사하기전과 빛을 조사한 후의 시료를 채취하여 조사를 하였다.

실험에 사용한 균주는 한국유전자 은행(Korean Collection for Type Cultures KCTC)에서 분양받아 사용하였다, 파이롯트 실험조건은 상온(25±2℃)에서 실시하였으며 , 스탠다드 메서드(Standard Method for he examination of water and wastewater, 18th ed. Washington, DC, American Public Health Association)로 균수를 측정하고 배지는 플레이트 아가(Plate count agar(Difco))를 사용하여 실험하였다. 여기서 상기 바이러스 실험과정을 요약하면 아래와 같다.

먼저 가압여과장치(직경10cm 여과지)로 시료 20리터를 여과한 후 탈리과정과 농축과정을 거쳐 추출용액을 25㎤플라스크에서 4∼6일간 배양된 BGM세포에 시료를 접종하여 세포병변효과로 바이러스 사멸여부를 확인한다. 상기와 같은 조건으로 실험한 예는 아래의 표1에 나타내었으며, 도6 내지 12는 실험결과에 대한 배지사진이다.

상기 표1은 도5에 나타낸 결과와 같이 모든 병원성 세균과 바이러스가 5초이내에 사멸되는 것을 알 수 있다.

< 실시예2 >

본 발명의 제2실시예에 따른 광원을 이용한 오염물질 제거장치 케이스(110)는 도2에서 하부면적은 가로 600mm, 세로 1200mm가 되도록 구성하였으며, 물의 깊이별, 광조사 시간에 대한 유기물 분해능을 평가 실험하였다.

정화조(100)의 크기는 가로 600mm, 세로120mm, 높이 1200mm로써, 총용적은 0.864톤이 되도록 구성하였다. 물층의 깊이는 100mm, 200mm, 300mm, 400mm, 500mm, 1000mm 두께, 광조사 시간은 0, 5, 10, 20, 30, 60초 동안 배치(Batch)실험으로 진행하였다. 시험항목는 수돗물의 2차 오염물질인 클로로포름을 대상으로 하였으며, 본 실험에 사용된 분석기기는 가스크로마토 그래피를 이용하였다. 이용된 분리칼럼은 비극성 칼럼을 사용하고, 오븐 온도 프로그램은 60℃에서 5분 유지시킨 후 분당2℃로 승온 80℃까지로 하였으며, 주입구온도는 150℃, 검출기는 ECD(전자포획검출기)를 사용하였다. 상기와 같은 조건하에서의 실험결과는 초기 100ppb농도의 클로로포름을 물층의 두께 100mm(72리터)에서1000mm(720리터)까지 제거하는 데 소요되는 시간은 5∼30초 이내로 우수한 유기물 처리효과를 나타내었다. 위의 실험결과는 도13에 나타낸 바와 같이 약30초 동안의 광조사후에는 클로로포름이 거의 다 제거되었다.

상기의 구성에 본 발명은, 방전시 발생되는 강한 에너지를 빛의 형태로 처리대상물에 직접조사되어 각종 바이러스나 세균을 단시간내에 사멸시킴과 동시에 수돗물등의 2차오염물질인 트리할로메탄 등 각종 난분해성 유기물까지 제거시키는 효과가 있다.

그리고 설치장소 및 규모의 제약을 받지 않고 상,하수도처리 공정 중 침사지에서의 응집효율을 증대시키기 위한 전처리 공정인 전염소 산화공정을 대신할 수 있으며 침전지, 여과지, 정수지나 최종방류수의 바이러스 살균처리까지 전 공정에 응용가능하며, 오존이나 염소처리와 같은 별도의 거대시설이나 구조물의 설치가 불필요하다는 효과가 또한 있다.

Claims

유체가 유입,유출되는 유체유동구가 구비된 정화조와;

상기 정화조의 일측에 설치되는 케이스와;

상기 케이스 내부에 수용되어 외부의 전원을 인가받아 전극간의 방전에 의해 빛을 발생시키는 광원 발생부와;

상기 광원발생부의 전극간의 간격을 조절시키는 전극간격조절부와;

상기 케이스 내부에 설치되어 광원 발생부에서 발생된 광원을 특정부분으로 조사 시키도록 형성된 광반사판; 그리고,

상기 광원발생부에 인가되는 전원을 제어하고, 상기 광원발생부에서 나오는 광의 세기를 감지하여 상기 전극간격조절부를 제어하고, 시스템의 전체 동작결과에 대한 정보를 저장하여 관리하는 제어부;를 포함하여 구성되어,

유입된 유체 내부에 포함된 오염물질을 광원발생부의 방전에 의해 생성된 빛에너지를 이용하여 정화시킨 후 외부로 유출시키는 것을 특징으로 하는 광원을 이용한 오염물질 제거장치.
제1항에 있어서, 상기 광원발생부의 전극은,

텅스텐 전극, 탄소전극, 티타늄과 팔라듐을 합성한 전극, 티타늄 금속표면에 이리듐을 코팅한 전극 중 하나가 됨을 특징으로 하는 광원을 이용한 오염물질 제거장치.
제1항에 있어서, 상기 케이스 내부에는,

질소가스, 헬륨가스, 아르곤가스, 네온가스, 크세논가스 중 하나의 가스가 충전됨을 특징으로 하는 광원을 이용한 오염물질 제거장치.
제1항에 있어서, 상기 반사판에는 광촉매가 코팅됨을 특징으로 하는 광원을 이용한 오염물질 제거장치.
제 1항에 있어서, 상기 정화조에는 광촉매가 코팅된 회전부재가 설치됨을 특징으로 하는 광원을 이용한 오염물질 제거장치.