KR100572514B1 - 습식 플라즈마를 이용한 수중 용존 오존 및 과산화수소의동시 생성장치 - Google Patents

습식 플라즈마를 이용한 수중 용존 오존 및 과산화수소의동시 생성장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고주파 전원을 사용하여 기체, 액체 및 고체가 공존하는 영역에 습식 플라즈마를 발생시켜 수중에서 산화반응의 주요한 인자로 작용하는 용존 오존량을 증가시키고 수중 용존 오존의 자기분해 속도를 증가시킬 수 있는 과산화수소를 동시에 생성하는 장치에 관한 것이다.
이 장치는 기존의 오존 버블(bubble) 방식보다 가스상 오존의 용해 능력이 탁월할 뿐만 아니라, 과산화수소도 동시에 생성되기 때문에 낮은 pH에서도 용존오존의 자기분해 속도를 증가시켜 다량의 OH 라디칼을 발생시킬 수 있다.
또한 이 장치는 수중 방전과 기중 방전의 중간 성질을 가지고 있기 때문에 전도도의 의존도가 크지않아 낮은 전도도에 대해서도 높은 에너지 수율을 가지고 있다. 폐수와 같은 산성의 용액인 경우 플라즈마 처리 후 pH를 상승시키고 용존 산소량도 증가되는 일석이조의 효과를 기대할 수 있다.
플라즈마, 과산화수소, 오존, 동시, 발생(생성), 고주파, 전원

Description

습식 플라즈마를 이용한 수중 용존 오존 및 과산화수소의 동시 생성장치{The Simultaneous Generator of Dissolved Ozone and Hydrogen Peroxide by Using The Wet-Plasma in Water}
도1은 본 발명에 따른 습식 플라즈마를 이용한 수중 용존 오존 및 과산화수소의 동시 생성 장치의 배치도.
도2는 본 발명에 따른 습식 플라즈마를 이용한 수중 용존 오존 및 과산화수소의 동시 생성 장치중 플라즈마 반응기의 사시도.
도3은 도2의 분해 사시도.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
1 : 플라즈마 반응기 2 : 에어개스 공급기
3 : 유량계 4 : 파워 서플라이
5 : 전압 및 주파수 조절장치 11 : 석영관
12 : 접지 전극 13 : 유리관
14 : 상부 유리판 15 : 펠릿(pellet)
16 : 하부 유리판 17 : 고전압 커넥터
본 발명은 고주파 전원을 사용하여 기체, 액체 및 고체가 공존하는 영역에 습식 플라즈마를 발생시켜 수중에서 산화반응의 주요 인자로 작용하는 용존 오존량을 증가시키고 수중 용존 오존의 자기분해 속도를 증가시킬 수 있는 과산화수소를 동시에 생성하는 장치에 관한 것이다.
플라즈마에 의해 발생된 활성 라디칼(OH, O, H)과 과산화수소(H₂O₂), 오존(O₃)의 산화 반응은 페놀 및 유기물 분해 등 수질 정화에 폭넓게 응용되고 있다. 특히 수중에 용해된 오존은 강력한 산화특성을 가지며, 분자상의 오존은 선택적으로 유기물을 분해하고 자기분해에 의해 OH 라디칼을 발생시킨다. 이 라디칼은 분자상 오존보다 산화력이 크고 비 선택적으로 유기물 등을 분해한다.
그리고 오존의 자기분해 속도를 증가시켜 많은 양의 라디칼을 발생시키기 위한 방법으로는 페하(pH)를 높이거나, 과산화수소의 투여, 또는 UV광선(자외선)의 조사 등의 방법이 있다. 오존만 용해된 경우, pH가 10 이상이 되어야 자기분해 속도가 증가된다. 그러나 과산화수소를 오존이 용존된 용액에 투여할 경우는 pH의 크기가 5 이상에서도 용존 오존의 자기분해 속도를 빠르게 할 수 있다. 이중 자외선 조사에 의한 방법은 용량이 작고 특정한 자리에 고정되어야 하며, 자외선 발광램프의 수명이 짧아 자주 교체해야 하는 등의 문제점이 있기 때문에 식기 소독기 등에 한정적으로 적용될 뿐, 산업용으로는 적합하지 않다.
산화 작용을 이용하여 수처리를 하기 위한 종래 기술은 오존 가스를 직접 물 에 버블(bubble)하거나 수표면-침전극 형상으로 교류 전압(50헤르쯔)을 인가한 수표면 방전에 의해 발생된 가스상 오존을 수표면으로의 자연 전이 방식을 이용한 용전법과 펄스 전압을 이용하여 직접 수중 스트리머(streamer)에 의한 물을 과산화수소로 변환하는 방식이 있다. 펄스 스트리머 방전은 플라즈마에 의해 산화 반응의 주요한 인자로 작용하는 OH 라디칼이 발생되며 OH 라디칼의 상호 반응에 의해 과산화수소가 생성된다. 그러나 수중방전에서 전극이 물에노출될 경우, 전극 침식으로 인한 물 성분이 변화될 가능성이 문제가 되고있다.
이에 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 산화반응의 주요 인자로 작용하는 용존 오존량을 증가시키고 수중 용존 오존의 자기분해 속도를 증가시킬 수 있는 과산화수소를 동시에 생성시키는 것이다. 이를 위해 고주파 전원(20 내지 30 헤르쯔)을 기체, 액체, 고체가 공존하는 영역에 인가하여 습식 플라즈마를 발생시켜 수중 용존 오존 및 과산화수소를 동시에 생성하는 장치를 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 습식 플라즈마를 이용한 수중 용존 오존 및 과산화수소의 동시 생성 장치는 기체, 액체 및 고체가 공존하는 영역에 습식 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 반응기;와 상기 플라즈마 반응기에 공기를 공급하는 에어개스 공급기;와 상기 에어개스 공급기에서 나오는 공기 의 양을 조절하는 유량계;와 상기 플라즈마 반응기에 고주파 전원을 공급하는 파워 서플라이;와 상기 파워 서플라이의 전압 및 주파수 범위를 조절하는 전압 및 주파수 조절장치를 포함하여 구성된 것에 특징이 있다.
또한, 본 발명에 따른 습식 플라즈마를 이용한 수중 용존 오존 및 과산화수소의 동시 생성 장치중 상기 플라즈마 반응기는 하기의 상부 유리판과 연결되며 구리 테이프 형상의 접지 전극이 외주 표면에 접착된 원통 형상의 물을 담는 용기인 석영관;과 상기 석영관의 좌/우 양측으로 플라즈마 발생영역인 하기 상부 유리판 및 하부 유리판 사이의 석영관 양 측면에 가로로 설치되며 공기의 유입 경로로 사용되는 작은 원통 형상의 유리관;과 주입된 공기가 물속으로 유입될 수 있도록 상기 석영관의 내경 범위내에 다수 개의 작은 구멍을 뚫어서 상기 석영관과는 실리콘으로 접착시킨 상부 유리판;과 상기 상부 유리판과 하기 하부 유리판 사이의 공간에 작은 볼 형태로 다수 개 존재하는 펠릿;과 상기 상부 유리판과 대향하며 위로는 펠릿들이 들어있는 영역과 접하고 아래로는 구리 테이프로 된 고전압 커넥터가 부착되는 하부 유리판;과 상기 파워 서플라이를 거처 전압 및 주파수 조절장치로부터 인가된 전원을 연결하는 구리 테이프로 된 또 다른 전극인 고전압 커넥터를 포함하여 구성되는 것에 특징이 있다.
뿐만 아니라, 본 발명에 따른 습식 플라즈마를 이용한 수중 용존 오존 및 과산화수소의 동시 생성 장치중 상기 플라즈마 반응기에서 상기 석영관의 내경은 47㎜이고 높이는 200㎜이며, 상기 유리관의 내경은 3㎜이고 길이는 30㎜이며, 상기 상부 유리판 및 하부 유리판의 가로 및 세로의 길이가 모두 100㎜인 정방형이며, 상기 상부 유리판에 다수 형성된 구멍의 직경은 2㎜이고 그 갯수는 30 개인 것을 특징으로 하고 있다.
이하 본 발명의 바람직한 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도1은 본 발명에 따른 습식 플라즈마를 이용한 수중 용존 오존 및 과산화수소의 동시 생성장치의 배치를 나타낸 것으로, 기체/액체/고체가 공존하는 영역에 습식 플라즈마를 발생하는 플라즈마 반응기(1)가 설치되고, 상기 플라즈마 반응기(1)에 공기를 공급하는 에어개스 공급기(2)가 구비되며, 상기 에어개스 공급기(2)로부터 분출하는 공기의 양을 조절하는 유량계(3)가 에어개스 공급기(2)와 플라즈마 반응기(1) 사이에 설치되며, 전원은 파워 서플라이(4)를 거쳐 전압 및 주파수 조절장치(5)에서 적절한 범위의 전압과 주파수로 변환되어 상기 플라즈마 반응기(1)의 구리 테이프로 된 고전압 커넥터(17)로 연결되어 본 발명에 따른 습식 플라즈마를 이용한 수중 용존 오존 및 과산화수소의 동시 생성장치가 동작하게 된다.
이 때, 사용되는 고주파 전원의 전압은 최소 4 kv 이상에서 수십 kv 이상까지 광범위한 전압 크기에서 사용 가능하나, 본 발명에서는 양호한 결과를 얻기 위해서 10 kv 내지 18 kv까지 적용되었다. 그리고 주파수는 상용 주파수(60헤르쯔) 또는 그 이상에서도 동작이 가능하다.
도2는 본 발명에 따른 습식 플라즈마를 이용한 수중 용존 오존 및 과산화 수소의 동시 생성장치중 플라즈마 반응기(1)의 사시도이며, 도3은 본 발명에 따른 습식 플라즈마를 이용한 수중 용존 오존 및 과산화수소의 동시 생성 장치중 플라즈 마 반응기(1)의 분해 사시도이다.
상기 플라즈마 반응기(1)의 세부 구성으로는 위쪽이 밀폐되고 아래쪽으로 공기가 물속으로 들어갈 수 있도록 다수 개의 작은 구멍이 있는 상부 유리판(14)과 연결되며, 구리 테이프 형상의 접지 전극(12)이 그 외주 표면에 접착된 원통 형상의 물을 담는 용기인 석영관(11)이 설치되어 있다. 도면 도1 내지 도3에서 석영관(11)내의 아래 부분에는 수돗물 또는 정수하고자 하는 대상의 물(폐수, 세제물 등 기타 오염된 물)을 넣을 수가 있다. 본 발명의 실시예에서는 석영관(11)속에 물을 넣어서 일정량만을 플라즈마 처리를 하는 형태이지만, 실제 시스템에 적용시는 필요한 경우 석영관에 다른 관을 연결하여 물을 순환식으로 주입하는 방식을 취할 수도 있다.
상기 석영관(11)의 좌/우 양측으로 플라즈마 발생영역인 상부 유리판(14) 및 하부 유리판(16) 사이의 석영관(11) 양 측면에 가로로 설치되고 공기의 유입 경로로 사용되는 작은 원통 형상의 유리관(13)이 설치되어 있다.
유리관(13)으로 주입된 공기가 물속으로 유입될 수 있도록 상기 석영관(11)의 내경 범위내에 다수 개의 작은 구멍을 뚫어서 상기 석영관(11)과는 실리콘으로 접착시킨 상부 유리판(14)이 위치하고 있다.
상기 상부 유리판(14)과 하부 유리판(16) 사이의 공간에 작은 볼 형태로 다수 개의 펠릿(pellet)(15)이 삽입되어 존재한다. 이 펠릿(15)이 차지하고 있는 공간에 플라즈마가 발생되며, 이러한 상부 유리판(14)과 하부 유리판(16) 사이의 영역을 '플라즈마 영역'이라고 한다.
상기 상부 유리판(14)과 대향하며 위로는 펠릿(15)들이 들어있는 영역과 접하고 아래로는 구리 테이프로 된 고전압 커넥터(17)가 부착되는 하부 유리판(16)이 위치하고 있다.
고주파 전원은 상기 파워 서플라이(4)를 거쳐 전압 및 주파수 조절장치(5)로부터 인가되고, 구리 테이프로 된 또 다른 전극인 고전압 커넥터(17)를 통하여 전원이 연결되어 상기 플라즈마 반응기(1)가 동작하게 된다.
상부 유리판(14)과 하부 유리판(16) 사이의 작은 유리관(13)으로 공기가 유입되고 유입된 공기는 플라즈마 발생영역을 통과한 후, 상부 유리판(14)에 형성된 다수 개의 작은 구멍을 통해 석영관(11)에 있는 물속으로 버블(bubble)된다. 플라즈마 영역에는 작은 볼 형태의 펠릿(15)이 존재하므로 전계가 집중되는 효과가 있으며, 펠릿(15)의 재료를 촉매제로 사용할 경우, 플라즈마에서 발생된 빛에너지에 의한 촉매작용으로 산화효과를 더욱 더 증가시킬 수가 있다. 공기중의 산소가 플라즈마에 의해 오존(O₃)으로 변환되며 또한 스트리머(streamer)가 상부 유리판(14)에 형성된 다수 개의 작은 구멍을 통해 성장되어 물과 직접 반응할 수 있고, 플라즈마에 의하여 발생된 라디칼이 직접 물속에서 버블되기 때문에 용존 오존과 과산화수소의 농도가 더욱 더 증가하게 된다.
본 발명의 습식 플라즈마를 이용한 수중 용존 오존 및 과산화수소의 동시 생성 장치중 상기 플라즈마 반응기(1)에서 바람직하기로는, 상기 석영관(11)의 내경은 47㎜이고 높이는 200㎜이며, 상기 유리관(13)의 내경은 3㎜이고 길이는 30㎜이며, 상기 상부 유리판(14) 및 하부 유리판(16)의 가로 및 세로의 길이가 모두 100㎜인 정방형이 적절하며, 상기 상부 유리판(14)에 다수 형성된 구멍의 직경은 2㎜이고 그 갯수는 30 개가 적절하다. 플라즈마 영역(즉, 상부 유리판과 하부 유리판 사이의 펠릿이 존재하는 부분)은 내경은 47㎜이고 높이 10㎜인 원통 형상 부분이다.
그리고 플라즈마 반응기(1)의 전극(12)이 물에 노출될 경우 발생되는 전극(12)의 침식작용으로 물의 성분 변화에 미치는 영향을 극소화하기 위해서 본 발명의 플라즈마 반응기(1)의 전극(12)을 물과 비접촉식의 Wet-Type(습식)과 Barrier-Packed Type을 결합한 방식으로 안출하게 되었다.
여기서, Wet-Type이란 플라즈마가 발생되는 영역이 완전한 공기와 펠릿(15)만의 영역이 아니라, 습기 또는 물기를 포함한 상태 즉, 공기(기체), 펠릿(15)(고체) 및 물방울(액체)이 공존하는 영역에서 플라즈마가 발생되는 방식을 말한다. Barrier-Packed Type이란 플라즈마 영역에 펠릿(15)이 삽입되어 있고 이 펠릿(15)이 존재하는 영역에 플라즈마가 발생되고 코로나 방전관에서 발생하는 고에너지의 방전에 의해 오존이 생성되는 무성방전(Silent Discharge) 특성을 가진 기존의 플라즈마 발생 장치에 널리 활용되어온 방식을 말한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의한 습식 플라즈마를 이용한 수중 용존 오존 및 과산화수소의 동시 생성 장치는 기존의 오존 버블(bubble) 방식보다 가스상 오존의 용해 능력이 탁월하며, 과산화수소도 동시에 생성되기 때문에 낮은 pH 에서도 용존 오존의 자기분해 속도를 증가시켜 다량의 OH 라디칼을 발생시킬 수 있다. 또한, 직접 수중방전의 경우 전도도에 대한 의존도가 크지만, 본 발명에 의한 플라즈마 반응기는 수중방전과 기중방전을 결합한 중간 성질을 가지고 있기 때문에 전도도에 대한 의존도가 크지 않아 낮은 전도도에 대해서도 높은 에너지 수율을 가지고 있다. 따라서 pH가 낮은 산성 성질의 용액(폐수, 일반 수돗물 등)의 효율적인 정수처리가 가능하며, 수처리 후에는 수중 용존 산소량과 pH도 증가가 되는 일석이조의 효과도 기대된다.
뿐만 아니라, 플라즈마 반응기의 구조가 간단하여 제작이 용이한 반면, 그 성능과 기능은 탁월하여 경제성도 기대된다.

Claims (3)

  1. 삭제
  2. 기체, 액체 및 고체가 공존하는 영역에 습식 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 반응기와;
    상기 플라즈마 반응기에 공기를 공급하는 에어개스 공급기;와
    상기 에어개스 공급기에서 나오는 공기의 양을 조절하는 유량계;와
    상기 플라즈마 반응기에 고주파 전원을 공급하는 파워 서플라이;와
    상기 파워 서플라이의 전압 및 주파수 범위를 조절하는 전압 및 주파수 조절장치를 포함하며,
    상기 플라즈마 반응기는,
    하기의 상부 유리판과 연결되며 구리 테이프 형상의 접지 전극이 외주 표면에 접착된 원통 형상의 물을 담는 용기인 석영관;과
    상기 석영관의 좌/우 양측으로 플라즈마 발생영역인 하기 상부 유리판 및 하부 유리판 사이의 석영관 양 측면에 가로로 설치되며 공기의 유입 경로로 사용되는 작은 원통 형상의 유리관;과
    주입된 공기가 물속으로 유입될 수 있도록 상기 석영관의 내경 범위내에 다수 개의 작은 구멍을 뚫어서 상기 석영관과는 실리콘으로 접착시킨 상부 유리판;과
    상기 상부 유리판과 하기 하부 유리판 사이의 공간에 작은 볼 형태로 다수 개 존재하는 펠릿;과
    상기 상부 유리판과 대향하며 위로는 펠릿들이 들어있는 영역과 접하고 아래로는 구리 테이프로 된 고전압 커넥터가 부착되는 하부 유리판;과
    상기 파워 서플라이를 거처 전압 및 주파수 조절장치로부터 인가된 전원을 연결하는 구리 테이프로 된 또 다른 전극인 고전압 커넥터를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 습식 플라즈마를 이용한 수중 용존 오존 및 과산화수소의 동시 생성 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 석영관의 내경은 47㎜이고 높이는 200㎜이며, 상기 유리관의 내경은 3㎜이고 길이는 30㎜이며, 상기 상부 유리판 및 하부 유리판의 가로 및 세로의 길이가 모두 100㎜인 정방형이며, 상기 상부 유리판에 다수 형성된 구멍의 직경은 2㎜이고 그 갯수는 30개인 것을 특징으로 하는 습식 플라즈마를 이용한 수중 용존 오존 및 과산화수소의 동시 생성 장치.
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