KR100432385B1 - Apparatus for removing algae by electrochemical analysis using solar cells - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전기분해 원리를 이용하여 녹조의 원인인 되는 조류를 소멸시키는 장치에 관한 것으로 조류번성의 원인이 되기도 하는 하절기의 일조량을 이용하여 태양전지로 전원을 공급하고 조류가 전기분해 원리에 의해 사멸 또는 분해될 수 있는 특성을 이용하여 저렴한 비용으로 조류를 제거 할 수 있는 장치를 개발한 것이다.The present invention relates to a device for extinction of algae that is the cause of green algae using the electrolysis principle, which supplies power to solar cells using the amount of sunshine in summer, which also causes algae proliferation, and the algae are killed by the electrolysis principle. Or they developed a device that can remove algae at low cost by using decomposable properties.
상부에는 태양전지를 부착 직렬로 연결하여 호수의 수질특성, 조류농도에 따라 전지의 개수를 가변할 수 있도록 하였고, 하부에는 조류의 전기분해가 가능토록 불용성(백금, 이리듐, 루테늄, 스테인레스스틸 등) 또는 용해성(철, 알루미늄) 전극을 부착하였으며 중앙부에는 이 장치가 부유할 수 있도록 프라트틱 등 수밀성 구조를 둔 것이다.In the upper part, solar cells are attached in series so that the number of cells can be varied according to the water quality of the lake and the algae concentration, and the lower part is insoluble to allow electrolysis of algae (platinum, iridium, ruthenium, stainless steel, etc.). Or a soluble (iron, aluminum) electrode is attached, and the center part has a watertight structure such as pratic to allow the device to float.
하절기에 조류의 대번창이 일어나 물에 맛과 냄새를 내며, 독성을 유발하며 정수과정에서 많은양 의 살조제, 활성탄, 여재를 사용케하여 정수비용을 높이고 있으나 본 발명품은 이들 조류를 죽여 침강시키거나 분해시킬 수 있게 된다. 그동안 저수지의 조류제거에 특별한 방법이 없었으나 이 방법이 도입되면 저수지 조류제거에 크게 도움이 될 수 있을 것이다.In the summer, algae thrive, which gives taste and smell to water, induces toxicity, and increases the cost of water purification by using a large amount of algae, activated carbon, and media in the water purification process, but the present invention kills these algae and settles them. Or disassemble it. There has been no special method for removing algae from the reservoir, but the introduction of this method will greatly help to remove algae from the reservoir.
Description
대청호수 등 식수원으로 사용되고 있는 우리나라 대부분의 호수는 부영양화 상태에 있으며 일조량이 많은 하절기에 조류의 대번창이 일어나 저수지 물의 색을 탁하게 할 뿐 아니라 냄새를 내는 등 호수의 미관을 저해한다. 더구나 정수과정에서 많은 량의 소독제(염소 등)을 사용하게 하고 여과지의 폐색현상을 초래하며, 대량의 활성탄을 투입하는 등 많은 정수비용이 들게 하며 염소소독과정과 조류자체가 가지고 있는 독성 유해물질(대청호의 경우 우점종인 microcystis 속, Oscillatoria 속 등의 조류에서 신경계 장애, 간장계 독성을 유발하는 독소함유) 때문에 먹는물로 사용하기 어렵게 한다. 본 발명은 하절기의 일조량을 이용하고 조류가 전기분해 원리에 의해 사멸 또는 분해될 수 있는 특성을 이용하여 저렴한 비용으로 조류를 제거할 수 있는 장치를 개발한 것이다.Most of Korea's lakes, which are used as drinking water sources such as Daecheong Lake, are in eutrophication, and during the summer months when there is a lot of sunshine, algae thrive, which not only makes the water of the reservoir cloudy and smells, but also hinders the aesthetics of the lake. In addition, the use of a large amount of disinfectant (chlorine, etc.) in the water purification process, causing clogging of the filter paper, a large amount of activated carbon, such as a lot of water purification costs, and toxic harmful substances (chlorine disinfection process and algae itself) In the case of Daecheongho, it is difficult to use it as drinking water due to the toxins that cause nervous system disorders and hepatic toxicity in birds such as the genus microcystis and Oscillatoria. The present invention has developed a device that can remove algae at low cost by using the amount of sunshine in summer and the characteristics that algae can be killed or decomposed by the electrolysis principle.
전기 화학적 방법에 의한 유기물의 분해원리를 이용한 것으로 이 원리를 이용한 종래의 기술은 철, 알누미늄, 구리, 백금전극 등 다양한 전극소재를 이용한 오.폐수 처리기술이 소개되고 있다. 또 철이나 알누미늄과 같은 용해성 전극은 전해과정에서 용출되어 2가 또는 3가의 금속성 양이온이 물속에 남게되는 데 이 과정에서 물속의 미세한 부유물과 응집되어 침전을 유리하게 하는 응집제의 역할을 하기도 한다. 전기분해 방법은 그 원리는 비교적 간단하지만 그동안 전력비의 과다로 생물학적 처리방법 만큼 활성화 되지 못해 왔으나 유기물 특히 색소 등 난분해성 물질의 분해도 가능하기 때문에 염색폐수, 피혁폐수, 침출수 등 생물학적 처리가 어렵거나 생물학적 처리후에도 잔류하는 색소나 유기물을 재처리하는 목적으로 많이 사용되어 왔다.Principle of decomposition of organic materials by electrochemical method is used. Conventional techniques using this principle have introduced wastewater treatment technology using various electrode materials such as iron, aluminum, copper, and platinum electrodes. In addition, soluble electrodes such as iron or aluminum are eluted during electrolysis to leave divalent or trivalent metallic cations in the water, and in this process, they are aggregated with fine suspended matter in the water and serve as a flocculant to favor precipitation. Although the principle of electrolysis is relatively simple, it has not been activated as much as biological treatment method due to excessive power ratio, but it is difficult to biologically treat biological treatments such as dyeing wastewater, leather wastewater, and leachate because it can decompose organic materials, especially pigments It has been used a lot for the purpose of reprocessing pigment | dye and organic substance which remain afterwards.
호수의 녹조발생은 호수내 유입되는 유기물질과 질소 인등 영양염류의 과다유입과 하절기 수온의 상승, 풍부한 일조량 등에 원인이 있으며 이를 억제할 수 있는 근본적인 대책은 오염물질의 호소내 유입을 제한하는 것으로 상류유역에 하수처리장, 축산폐수처리장, 분뇨처리장 등 환경기초시설을 설치하여 발생원에서 제거하는 것이며 정부는 엄청난 재원을 투자해 왔다. 그러나 대청호와 같이 오래된 호수는 이미 많은 양의 오염물질이 호소내 들어와 있고 성층과 전도현상에 의한 오염축적 효과에 의해 호소내 상주해 있어 언제든지 조류 성장에 필요한 기상조건만 만족하면 대번창이 일어날 수 있다. 따라서 오염된 호소수의 정화기술이 필요한데 이에 대한 효과적인 방법은 전무한 실정이다. 호소내 정화기술로는 수중 폭기장치가 있는데 이는 호소 심층부에 공기를 주입하여 심층부의 혐기성화를 방지하고 심층부의 찬물을 상부로 강제 순환시켜 조류성장을 억제하는 기술이나 호소의 매우 일부분에서 밖에 시행할 수 없으며 효과는 매우 미미한 수준이다. 또 황산동을 살포하거나 염소를 대량 주입하여 조류를 사멸시키는 방법이 있으나 식수로 사용하는 저수지수에는 사용하기 어렵다. 차광막을 설치하여 호수내 빛 투과를 차단하는 방법이 있으나 이 역시 완전차단을 하면 공기중의 산소공급도 함께 차단되어 물속의 용존산소 농도가 감소하게 되고 부분차단하면 거의 효과가 없으며, 홍수시 파손되어 오히려 폐기물만 가중시키는 결과가 된다. 바다 등 연안역에서 주로 발생되는 적조를 제거하기 위해 전기분해원리를 이용한 연구가 있었으나 적조가 섞인 바닷물을 끌어올려 전해조에서 산화시킨 후 배출하는 구조로 되어 있으며 전력공급이 어렵고, 철과 알누미늄 전극 등 용해성 전극을 사용하여 관리가 어려운 등의 이유로 실용성이 낮았다.Lake green algae are caused by excessive inflow of nutrients such as organic substances and nitrogen phosphorus in the lake, rise in summer water temperature, and abundant sunshine, and the fundamental countermeasure to prevent this is to restrict the inflow of pollutants upstream. Environmental basins such as sewage treatment plants, livestock wastewater treatment plants and manure treatment plants are installed in the watershed to remove them from the source. The government has invested tremendous resources. However, old lakes, such as the Daecheong Lake, already contain large amounts of contaminants in the lake and reside in the lake due to the effects of stratification and pollution, which can lead to prosperity whenever the weather conditions necessary for algae growth are met. . Therefore, contaminated lake water purification technology is required, and there is no effective method for this. In the appeal, there is an underwater aeration system, which injects air into the deep part of the appeal to prevent anaerobicization of the deep part and forcibly circulates cold water in the deep part to suppress algae growth, or only a very part of the appeal. Can't and the effect is very slight. In addition, there is a method of killing algae by spraying copper sulfate or injecting chlorine in a large amount, but it is difficult to use for reservoir water used as drinking water. There is a method to block the light transmission in the lake by installing a light shielding film, but if it is completely blocked, oxygen supply to the air is also blocked, which reduces the dissolved oxygen concentration in the water. Rather, only the waste is weighted. In order to remove the red tide mainly generated in the coastal areas such as the sea, there has been a study using the electrolysis principle, but it is a structure that pulls up the seawater mixed with the red tide and oxidizes it in the electrolytic cell and discharges it, and it is difficult to supply power, and solubility such as iron and aluminum electrode Practical use was low for reasons such as difficult management using an electrode.
본 발명의 목적은 조류가 서식하는 호수가 엄청나게 넓은 공간이어서 기존의 방법으로 조류제거에 효율성이 적다는 점을 해결하기 위한 것으로, 조류가 번창하는 기간이 일조량이 많은 시기여서 태양전지의 이용이 유리한 특성을 이용하여 자동전원 공급이 가능한 전해전극을 이용한 부유형 조류제거 장치를 개발하는 것이다.An object of the present invention is to solve the problem that the lake in which the algae inhabits an incredibly large space, so that the algae is less efficient in removing algae. It is to develop a floating algae removal device using an electrolytic electrode capable of automatic power supply using the.
도1은 태양전지를 이용한 전기 소멸식 조류제거장치의 사시도1 is a perspective view of an electric decay type algae removal device using a solar cell
도2는 태양전지를 이용한 전기 소멸식 조류제거장치의 평면도Figure 2 is a plan view of the electric decay type algae removal device using a solar cell
도3은 태양전지를 이용한 전기 소멸식 조류제거장치의 정면도Figure 3 is a front view of the electric decay algae removal device using a solar cell
도4는 태양전지를 이용한 전기 소멸식 조류제거장치의 측면도Figure 4 is a side view of the electric decay algae removal device using a solar cell
도5는 태양전지를 이용한 전기 소멸식 조류제거장치의 저면도Figure 5 is a bottom view of the electric decay algae removal device using a solar cell
도6는 장치 각 부분의 상세도Figure 6 is a detailed view of each part of the device
< 도면 주요부분에 대한 부호의 설명 ><Description of Symbols for Main Parts of Drawings>
① 태양열 전지판(10Cm*10Cm의 크기를 갖는 태양열 전지를 연결한 구조)① Solar panel (Structure of connecting solar cells with the size of 10Cm * 10Cm)
② 도너츠 모양의 수밀성 튜브형 구조를 가지는 본 장치의 부상부② Floating part of the device with donut-shaped watertight tubular structure
③ 전해 전극③ electrolytic electrode
④ 지지축④ support shaft
⑤ 추⑤ weight
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 태양전지를 이용한 전기 소멸식 조류제거장치는 태양전지; 장치 전체를 물에서 부상시킬 수 있는 구조를 가지는 부상부; 상기 태양전지와 상기 부상부를 지지하는 지지축; 및 상기 지지축에 의하여 지지되고, 상기 태양전지와 전기적으로 연결되는 전해전극을 포함하며, 상기 태양전지와 전기적으로 연결된 전해전극에 의해서 조류가 사멸침강 또는 소멸되는 것을 특징으로 한다.이하, 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.본 발명은 전해원리 및 태양전지의 특성을 이용하여 자가발전이 가능한 조류사멸 및 분해소멸 장치를 개발한 것으로 각 부분별 기능 및 특징은 다음과 같다.도 1 및 도 6에서 ①의 태양열 전지판은 10㎝*10㎝의 크기를 갖는 태양열 전지를 연결한 구조로서 조류의 농도, 수질오염 농도, 요구되는 전극의 전류밀도에 따라 가로와 세로의 배열과 개수를 조절할 수 있으며, 전지판의 크기를 달리 할 수 있고 직렬로 연결하여 전압 및 전류밀도를 조절할 수 있는 구조를 가진다. 또한 전지판을 고정시키기 위해 플라스틱 틀을 사용한다.도 1 및 도 6에서 ②는 도너츠 모양의 수밀성 튜브형 구조로 본 조류제거 장치의 부상을 가능토록 하는 기능을 하며 도5의 규격 이외에 전극의 종류와 무게에 따라 직경을 달리하여 부상이 가능토록 하여야 한다. 그 바람직한 재질로는 플라스틱, 고무, 세라믹 등을 들 수 있다.도 1 및 도 7에서 ③은 전해전극으로서 철망형 원통전극과 안쪽 중심부의 막대형 전극이 각각 음극과 양극으로 사용되며 철망형 전극의 표면적과 길이는 조류의 농도 및 처리 목적에 따라 변경할 수 있다. 전극의 소재는 불용성 또는 용해성 전극이 사용되는데, 구체적으로는 음극과 양극소재에 대하여 스테인레스 스틸, 철, 알루미늄, 티타늄판에 백금을 도포한 것, 티타늄판에 루테늄을 도포한 것, 티타늄판에 이리듐을 도포한 것 등이 사용되며, 전극의 형상은 철망형, 원판형, 사각형 판형이 사용 될 수 있다. 또 음극과 양극에 대하여 같은 재질을 사용하거나 서로 달리할 수 있다. 수개월 또는 1년에 한번정도 음극과 양극의 단자를 바꾸어 이물질을 자동 제거할 수 있도록 단자를 구성하였다.도 1 및 도 7에서 ④는 지지축으로 이 장치의 각 부품을 연결, 지지하는 기능을 하며 각 부품간의 위치를 상하 조절할 수 있는 플라스틱 또는 스테인레스 재질로 구성된다. 또 내부에 태양전지의 전류를 전극에 이송하는 전선을 둘 수 있다.도 1 및 도 7에서 ⑤는 추로서 본 장치의 무게중심을 유지하기 위한 것으로 사각형 또는 원반형 전극의 사용으로 무게중심이 안정되어 있으면 생략할 수 있다.본 발명은 태양전지를 이용하여 전기분해 장치의 전원을 자동 공급하고 전기분해 과정에서 발생되는 OH래디컬을 이용해 조류를 분해 또는 사멸시켜 별도의 동력 없이 반 영구적인 조류제거 장치를 개발하는 것이다.직류전원에 의한 전해원리는 물을 전기분해 하여 OH 래디컬을 얻고 상기 OH 래디컬의 강력한 산화작용을 이용하여 조류를 분해 또는 사멸시키는 원리를 이용한 것이다.양극 2H2O = O2 + 4e- + 4H+ -------------------------(1)4OH- = 2H2O + 4e- + O2 -------------------------(2)음극 2H+ + 2e- = H2 -----------------------(3)2H2O + 2e- = H2 + 2OH- -------------------------(4)음극에서 발생된 OH 래디컬은 조류등 유기물을 분해시킨다. 또한, 청이나 알루미늄과 같은 용해성 전극은 전기분해시 아래와 같은 수산화반응이 진행되어 응집제가 생성된다.Fe = Fe3+ + 3e- ------------------------(5)Fe3+ + 3OH- = Fe(OH)3 ↓ 침강 또는 부상 ---------------------(6)Al = Al3+ + 3e- -----------------------(7)Al3+ + 3OH- = Al(OH)3 ↓침강 또는 부상 ---------------------(8)결국 양극에서 생성된 Fe3+, Al3+은 알칼리도와 결합하여 수산화물로 침전된다. 따라서 사멸된 조류나 미처리된 유기물질 등 부유물을 침전시키는 응집제로 작용한다.태양전지는 제품에 따라 다르지만 대략 10Cm * 10Cm 전지에서 0.3볼트 3암페어의 전원을 공급받을 수 있는 데 이를 직렬 연결하여 전극에 직류전원을 공급하게 된다.이 장치의 특징은 태양전지를 직렬로 연결하여 원하는 전류를 얻도록 되어 있어 기존의 외부전원을 사용하지 않는 특징이 있으며 튜브형 플라스틱통을 사용하여 장치를 수면에 부유 시킬 수 있도록 되어있다. 전극은 티타늄에 백금, 이리듐, 루테늄 등 백금족 금속으로 코팅한 불용성 전극을 사용하여 반 연구적 사용이 가능토록 하였으며 축에 고정볼트를 두어 수면과 전극의 위치를 조절 할 수 있도록 되어 있다. 전극은 원통형 철망과 중앙부의 막대형 전극을 각각 음극과 양극으로 사용하며, 경우에 따라서는 정사각형 또는 직사각형 판형전극을 사용할 수 있다. 조류를 제거하려는 수역(호수)의 특성에 따라 용해성 전극인 알누미늄 전극, 철 전극 등을 장착할 수 있다. 철전극은 물 빛을 붉게 할 경우가 있어 수역의 이용 목적에 따라 신중히 선택하여야 한다.<성능실험 1>본 발명의 성능을 시험하기 위하여 다양한 실험을 수행하였다. 가로 세로 높이가 각각 1m*1m*1.5m 인 수조에 대청호의 호수수를 채수하여 배양하므로서 대청호의 우점종인 anabaena속과 microcystis속의 조류가 우점종이 되게 한 후 야외 배양조에서 2000년 8월 2일에서 10일까지 8일간 실험하였다. 다양한 조건에 대하여 실험하였으나 제시된 구조도와 같은 조건인 태양전지 20개의 직렬연결 전원에 티타늄에 백금을 도포한 불용성 원통형 망형전극을 사용하여 시험하였다. 수조의 측면은 빛의 투과를 막기 위하여 검은색 천으로 차광하였으며 상부로만 빛이 투과하도록 하였다. 장치는 고정시켰으며 검수로 사용할 채수지점은 일정한 위치를 확보하기 위하여 5개의 축으로 구성된 망전극의 중앙부에 피펫을 고정하고 1시간 간격으로 채수하였다. 시험결과 조류세포 평균감소율은 정오 12시에 시험을 시작하여 1시간 경과후 8.2%, 2시간 경과후 13.9%, 3시간 경과후 18.5%, 4시간 경과후 21.9%로 나타나 제거효과가 우수한 것으로 나타났다. 또 COD 농도의 제거율은 1시간 경과후 6.2%, 2시간 경과후 11.2%,3시간 경과후 15.2%, 4시간 경과후 18.2%로 나타나 조류 세포수의 감소율 보다는 낮았으나 역시 제거효과가 우수한 것으로 나타났다. 이때 일조량 감소의 영향을 줄이기 위하여 오후 5시 이후에는 60와트 백열전등 2개를 사용하여 상부에서 조사하였다. 표 1은 성능실험 1의 연속처리 결과를 나타낸 것이다.
이상에서 상술한 바와 같이 본 발명은, 조류가 번창하는 기간이 일조량이 많은 시기여서 태양전지의 이용이 유리한 특성을 이용 자동전원 공급이 가능하며 불용성 또는 용해성 전극을 사용하여 조류를 사멸 또는 소멸시키는 장치로서 현재로서는 거의 제거 대책이 없는 대형 호수의 조류를 제거 할수 있는 특성을 갖고 있다. 불용성 전극을 사용할 경우 반 영구적으로 사용할 수 있고 상시 수면에 부유시켜 놓아도 유해한 물질이 생성되지 않으며 별도의 외부전원을 사용하지 않아 경제적이다.As described above, the present invention is a period in which algae thrives in a large amount of sunshine, so that the use of a solar cell is advantageous, the automatic power supply is possible, and an apparatus for killing or extinguishing algae using an insoluble or soluble electrode. At present, it has the characteristic of removing algae from large lakes, which have almost no countermeasures. Insoluble electrodes can be used semi-permanently, and do not generate harmful substances even if they are suspended on the surface at all times and are economical because they do not use a separate external power source.
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KR20010000262A (en) | 2001-01-05 |
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