KR100875523B1 - 이온성 오염인자 제거를 위한 전극과 이온포집체를 이용한수처리 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 지하수 또는 산업용수 중에서 이온성 오염인자로 인해 오염된 물을 양극과 음극을 구성한 수처리탱크를 이용하여 연속적으로 대용량의 수처리가 가능한 이온성 오염인자 제거를 위한 전극과 이온포집체를 이용한 수처리 장치 및 방법에 관한 것이다.

본 발명에 의한 이온성 오염인자 제거를 위한 전극과 이온포집체를 이용한 수처리 장치는, 각각 밸브에 의해 개폐되는 지하수 공급관, 처리수 배출관 및 세척수 배출관이 구비된 수처리탱크(10)와; 상기 수처리탱크의 내부에 결합되며 양전극과 음전극중 어느 하나의 전극을 발생하는 제1전극체(20)와; 상기 수처리탱크 내부에 채워지며 상기 수처리탱크에 공급되는 지하수로부터 이온을 포집하는 이온포집체(30)와; 상기 수처리탱크 내부의 상기 제1전극체 둘레부에 장착되며 상기 제1전극봉과 다른 전극을 발생하는 제2전극체(40)와; 상기 제1,2전극체에 인가되는 전극을 전환하는 제어수단(C)을 포함하여 구성된다.

지하수, 이온, 전극, 이온포집체

Description

이온성 오염인자 제거를 위한 전극과 이온포집체를 이용한 수처리 장치 및 방법{DEVICE AND METHOD FOR REMOVING ION POLLUTION USING AN ELECTRODE AND ION GATRERING }

도 1은 본 발명에 의한 이온성 오염인자 제거를 위한 전극과 이온포집체를 이용한 수처리 장치의 구성도.

도 2는 본 발명에 의한 이온성 오염인자 제거를 위한 전극과 이온포집체를 이용한 수처리 장치에 적용된 수처리탱크의 구성도.

도 3은 본 발명에 의한 이온성 오염인자 제거를 위한 전극과 이온포집체를 이용한 수처리 장치에 적용된 제1전극체의 다른 예시도.

도 4는 본 발명에 의한 이온성 오염인자 제거를 위한 전극과 이온포집체를 이용한 수처리 장치에 적용된 제1전극체의 또 다른 예시도.

도 5는 본 발명에 의한 이온성 오염인자 제거를 위한 전극과 이온포집체를 이용한 수처리 장치에 적용된 제2전극체의 다른 예시도.

도 6은 본 발명에 의한 이온성 오염인자 제거를 위한 전극과 이온포집체를 이용한 수처리 장치에 적용된 제2전극체의 또 다른 예시도.

도 7과 도 8은 각각 본 발명에 의한 이온성 오염인자 제거를 위한 전극과 이 온포집체를 이용한 수처리 장치에 적용된 수처리탱크가 병렬 및 직렬로 연결된 구성도.

도 9는 본 발명에 의한 이온성 오염인자 제거를 위한 전극과 이온포집체를 이용한 수처리 장치의 다른 예시도.

도 10은 본 발명에 의한 이온성 오염인자 제거를 위한 전극과 이온포집체를 이용한 수처리 장치가 지하수 심정에 적용된 것을 도시한 구성도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 수처리탱크, 20,40 : 전극체

30 : 이온포집체, 50 : 처리수탱크

본 발명은 수처리 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 지하수 또는 산업용수 중에서 이온성 오염인자로 인해 오염된 물을 양극과 음극을 구성한 수처리탱크를 이용하여 연속적으로 대용량의 수처리가 가능하도록 한 이온성 오염인자 제거를 위한 전극과 이온포집체를 이용한 수처리 장치 및 방법에 관한 것이다.

종래 지하수는 아무런 수처리도 필요없이도 음용이 가능한 맑고 깨끗한 물로 존재하였다.

그러나 지표 토양층의 오염은 결과적으로 지하수의 오염으로까지 발전되게 되었고 가장 큰 오염원은 거름과 비료, 동식물의 배설물로 인해 생성되는 질산성 질소 또는 암모니아성 질소라 할 수 있다. 먹는 물 기준으로 10피피엠이하여야 함에도 불구하고 이들 성분이 이온의 형태로 기준을 초과하는 지하수 관정이 증가추세에 있어 이에 대한 수처리의 요구 또한 증대되어져 가고 있다. 한편 화강암 지역에 개발되는 지하수 관정의 경우에는 암반 대수층의 지하수가 이온형태로 존재하는 불소로 인해 음용이 불가능한 사례도 다반사로 발견되고 있어 지하수 개발에 따른 막대한 비용을 사용하고도 지하수를 사용하지 못하고 폐공으로 처리하여 원상복구를 하여야만 하는 경우가 허다하였다. 이러한 이온 형태로 존재하는 질산성질소나 불소 성분을 제거하여 음용이 가능하도록 하기 위한 방법으로서는 이들 이온성 성분을 제거하기 위한 고가의 수처리장치의 설치를 많이 이용하여 왔다. 종래 사용되어 오던 방법들은 대체적으로 이온교환수지를 충진한 수처리탱크에 지하수를 통과시켜 이온교환수지가 질산성질소나 불소 이온을 흡착하게 한 후 흡착이 포화상태에 이르렀을 때 소금을 용해한 소금물브라인을 이온교환수지에 흐르게 하여 소금물에 이온 형태로 용해되어 있는 나트륨이온과 염소이온을 이용하여 이들 이온과 이온교환수지에 흡착된 이온성 오염인자를 상호 치환하여 역세처리하도록 함으로써 이온교환수지에 흡착된 이온성 오염인자가 탈리되어 세척되어지고 다시금 기능이 재생되도록 하였다. 이러한 작용을 반복하게 함으로써 지속적으로 지하수 중에서 질산성질소나 불소이온을 제거하여 먹는 물 기준에 적합한 지하수의 공급이 가능하게 한 것이다. 물론, 보일러에 공급되는 보일러 공급수 역시 수증기의 증발로 인해 보일러수의 농축이 이루어질 경우 이온성 칼슘과 마그네슘으로 인해 보일러 열교환 배관이나 급수관 계통의 배관내벽에 형성될 수 있는 스케일을 방지하기 위해 이온교환수지를 이용한 이온성 오염인자의 제거를 시행하고 있으며 여기에서도 이온교환수지를 사용하면서 소금물을 이용한 세척과 재생방법을 택하고 있다.

그러나 이러한 장치와 방법은 이온교환수지의 성능을 확보하기 위해 적정 지하수 량이 이온교환수지 수처리탱크를 통과한 다음에는 반드시 소금물 공급과 역세가 이루어지도록 하게 함으로써 다량의 소금이 사용되어지게 됨으로써 비용 면에서 처리용수의 단가 상승으로 이어져 경제적인 장애요인이 될 수밖에 없었을 뿐 아니라 이온치환 후 역세되어 배출되는 다량의 배수는 그대로 폐수로 관리되어져야만 하는 문제로 인해 환경적인 측면에서도 문제를 갖고 있었다. 또한, 역삼투압 방식이나 여과막 방법이 사용되기도 하였으나 이 방법 역시 이온성 오염인자 제거 효율이 낮고 잦은 여과휠터 교환에 따른 운용경비의 증가로 인해 경제성이 떨어져 크게 활성화 되지 못한 어려움이 있었다. 또한, 국내특허출원 제10-2002-34551호에서와 같이 평판의 양음전극과 활성탄판을 이용한 방법 역시 이온성 오염물질 제거에는 큰 체적을 확보하지 못함으로써 대용량의 이온성 오염인자가 포함된 지하수나 산업용수를 위한 수처리에 적용하기에는 무리가 있을 수밖에 없었다.

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로서, 이온성 오염인자가 포함된 용수를 이온교환수지를 사용하지 않고서도 수처리탱크 내에 이온포집체를 충진하고 전원을 공급하는 전극을 사용하여 수처리탱크를 통과 하는 용수중에서 음,양이온성 오염물질 중 한쪽 이온성 오염물질을 집중적으로 포집 제거하는 효과를 갖음은 물론 지속적으로 세척과 재사용이 가능한 이온성 오염인자 제거를 위한 수처리 장치 및 방법을 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.

상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 이온성 오염인자 제거를 위한 전극과 이온성포집체를 이용한 수처리 장치는, 내부가 중공이며 각각 밸브에 의해 개폐되는 지하수 공급관, 처리수 배출관 및 세척수 배출관이 구비된 수처리탱크와; 상기 수처리탱크의 내부에 결합되며 양전극과 음전극 중 어느 하나의 전극을 발생하는 제1전극체와; 상기 수처리탱크 내부에 채워지며 상기 제1전극체와 동일 전극을 발생하여 상기 수처리탱크에 공급되는 지하수로부터 이온을 포집하는 이온포집체와; 상기 수처리탱크 내부의 상기 제1전극체 둘레부에 장착되며 상기 제1전극봉과 다른 전극을 발생하는 제2전극체와; 상기 제1,2전극체에 인가되는 전극을 전환하는 제어수단을 포함하여 구성된 특징으로 한다.

본 발명에 의한 이온성 오염인자 제거를 위한 전극과 이온성포집체를 이용한 수처리 방법은, 수처리탱크에 설치된 전극체에 전원을 공급하여 상기 수처리탱크 내부에 채워진 이온포집체에 이온성 오염인자가 포집되도록 하는 공정과; 이온포집체가 이온성 오염물질로 포화될 때 제어수단을 통해 전극체의 극성을 변환하고 동시에 상기 수처리탱크의 처리수 배출관을 폐쇄하는 한편 세척수 배출관을 개방하여 용수를 통해 상기 이온포집체를 공급수를 이용하여 세척하는 공정과; 이온포집체의 세척공정이 완료된 후 제어수단을 통해 전극의 극성을 환원 변환하고 세척수 배출관을 폐쇄하면서 처리수 배출관을 개방하는 공정을 포함하여 이루어진다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명을 구체적으로 설명한다.

하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지의 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.

그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 설정된 용어들로서 이는 생산자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

또한, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

도 1과 도 2에서 보이는 것처럼, 본 발명에 의한 이온성 오염인자 제거를 위한 전극과 이온성포집체를 이용한 수처리 장치는, 미도시된 원수 탱크에 저장된 지하수를 공급받는 수처리탱크(10)와, 수처리탱크(10) 내부에 설치되며 양극과 음극 중 어느 하나의 전극(설명의 편의를 위해 양극으로 정함)을 발생하는 제1전극체(20)와, 수처리탱크(10) 내부에 채워지며 제1전극체(20)와 동일 전극을 발생하여 수처리탱크(10)에 공급되는 지하수로부터 이온을 포집하는 이온포집체(30)와, 수처리탱크(10) 둘레부에 양극과 음극 중 어느 하나의 전극(설명의 편의를 위해 음극으 로 정함)에 음극을 발생하는 제2전극체(40)와, 제1,2전극체(20,40)에 극성을 부여하는 제어수단(C)(미도시)과, 수처리탱크(10)를 통해 처리된 처리를 저장하는 처리수 탱크(50)를 포함하여 구성되며, 이하 각 구성요소를 구체적으로 설명한다.

수처리탱크(10)는 내부가 중공이며 지하수 공급, 처리수 배출, 세척수 배출을 위한 공급관(11), 처리수 배출관(12), 세척수 배출관(13)이 갖추어진다.

공급관(11), 처리수 배출관(12) 및 세척수 배출관(13)은 각각 밸브(11a,12a,13a)에 의해 개폐되어 지하수의 처리 및 세척시 선택적으로 개폐된다. 밸브(11a,12a,13a)는 수동 및 자동 조작이 가능하다.

수처리탱크(10)는 제1,2전극체(20,40)와 이온수 포집체(30)의 설치 및 보수 등을 위하여 상하부가 개방된 본체(10a), 본체(10a)의 상하 개방부에 플랜지를 통해 볼트 체결되어 상기 개방부를 개폐하는 예컨대 반구형상의 상하 덮개(10b,10c)로 이루어질 수 있다. 그리고, 수처리탱크(10)의 내부에는 이온포집체(30)를 채우고 이 지하수에 포함된 이물질을 여과하기 위한 스크린(14,15)이 서로 다른 높이로 각각 상하부 덮개(10b,10c)측으로 장착된다. 구체적으로 설명하면 상부 스크린(14)은 수처리탱크(10)에 공급되는 지하수에 포함된 이물질을 여과함과 아울러 이온 포집체(30)의 부유를 막고 하부 스크린(15)은 이온 포집체(30)의 빠짐을 막기 위한 것이다. 물론 처리수 배관을 수처리탱크(10) 내부에까지 연장하여 설치하고 그 말단부에 스크린망을 설치하여 구성할 수도 있다.

제1전극체(20)는 상기 제어수단(C)을 통해 수처리시 양극을 발생하는 것으로, 봉형상으로 이루어질 수 있다. 제1전극체(20)는 도 2에서와 같이 1개가 설치되 거나, 도 3에서처럼 다수개가 설치될 수 있고, 다르게는 도 4에서 보이는 바와 같이, 이온 포집체(30)와의 접촉 표면적을 증대하기 위하여 다수의 확장전극(21)이 방사상으로 형성될 수 있다. 이때 확장전극(21)은 봉형상, 판형상 등 다양한 형상이 가능하며 모세혈관처럼 미세한 굵기를 갖는 전도체강선을 이온포집체(30)의 전체적에 분포될 수 있도록 구성하게 할 수 도 있다. 또한, 수처리탱크(10) 내에서 통수가 원활하도록 다공판 형태도 바람직하며 또한, 확장전극(21)은 제1전극체(20)에 일체로 형성될 수도 있고 분리 가능하게 결합되어 사용될 수도 있으며, 스프링체로 이루어질 수도 있다.

전극봉(20)은 수처리탱크(10)의 형태에 따라 다양하게 변형될 수 있으며 전극봉(20)과 확장전극(21)의 차이는 단지 전극선이 연결된 주 전극이 전극봉으로 이해되어야 할 것이다. 즉, 수처리탱크(10)가 사각형으로 구성되는 경우 전극봉(20)은 사각형의 타공판 형태나 그물망 형태의 메쉬철망 형태일 수 있고, 이 경우 전극봉(20)과 확장전극(21)의 경계 구분이 어려울 수 있으나 전원이 연결된 전극선과 결합된 부분이 전극봉으로 이해되어지면 된다.

이와 같은 구성의 제1전극체(20)는 절연 소켓(22)(도 2참고)을 수처리탱크(10)에 결합될 수 있다. 절연 소켓(22)은 예를 들어 내주면과 외주면에 각각 나사부가 형성되어 상기 외주면측 나사부를 통해 수처리탱크(10)에 결합되고 상기 내주면측 나사부에 제1전극체(20)가 결합될 수 있다.

이온포집체(30)는 주로 활성탄이 사용될 수 있으며 이온포집면적의 확대를 위해 작은 과립형태의 흑연 또는 금속체이거나 작은 구상, 또는 절단칩상의 형태로 제작되어 수처리탱크(10) 내부에 충진되는 것도 가능하다 할 것이다. 또한, 이온포집체(30)의 형태를 활성탄을 고압으로 성형한 중공의 원통체로 가공하고 중공된 부분에 전극봉(20)을 삽입하여 일체화된 몸체로 제작된 제품으로 사용될 수도 있으며 나노입자의 결합을 통해 얻어지는 전도체물질을 이용하여 이온성 오염인자의 포집 표면적이 확대될 수 있도록 할 수도 있다.

제2전극체(40)는 수처리탱크(10)에 절연 소켓(41)을 통해 설치되며, 이때 선단부는 수처리탱크(10)의 둘레부에 격막(42)에 의해 구획된 제2전극포집부(43)에 대응되도록 설치된다. 격막(42)은 섬유로 직조된 것이거나 스테인레스 철망, 또는 합성수지 원통체에 이온포집체(30)가 빠져나가지 않을 정도의 구멍들이 천공된 스크린 원통체 형태인 것일 수도 있다. 다르게는 도 5에서와 같이, 제2전극포집부(43)는 수처리탱크(10)의 둘레부로 돌출 형성되고 수처리탱크(10)의 내부 공간과 제2전극포집부(43) 사이에 격막(42)이 형성된다. 격막(42)은 수처리탱크(10) 내벽과 격막(42) 사이에 형성된 제2전극포집부(43)는 제2전극(40)과 격막(42)이 상호 닿지 않는 거리가 유지되도록 형성하며, 제2전극포집부(43)에는 수처리탱크(10) 내부에 충진된 이온포집체(30)의 통과저항으로 인해 용수의 흐름이 제2전극포집부(43) 쪽으로 쏠림지 않도록 모래 등 여과사를 충진할 수도 있게 하였다.

도 6은 본 발명에 적용된 제2전극체의 다른 예시도로서, 수처리탱크(10) 자체를 전극으로 활용할 수 있도록 수처리탱크(10)에 제2전극체(40)(음극)을 직접 결합하고 수처리탱크(10) 내부에 확장전극(16)이 방사상으로 형성된 제1전극체(20)를 설치한다. 수처리탱크(10) 중심에는 작은 직경을 갖는 원통체의 격막(42)을 설치하여 이들 확장전극(16)과 고정되도록 형성시키도록 한다. 이 경우 제1전극체(20)는 격막(42) 중심에 구성되도록 한다.

이상에서 설명된 양극의 제1전극체(20)는 수처리탱크(10)를 관통하여 외부로 노출 구성한 상부에 전선단자와 전선을 결합할 수 있는 통상의 결합체를 구성하고 있으며 외부 절연을 위해 보호커버(미도시)가 씌워져 설치될 수 있다. 음극의 제2전극체(40) 역시 동일한 구성을 가지고 있음은 당연하나 단지 수처리탱크(10) 둘레부, 즉, 측면, 또는 상 하단, 수처리탱크(10)와 연결된 배관에 설치하도록 할 수 있으며, 수처리탱크(10)가 전기전도체인 금속재질로 제작되어 있는 경우 수처리탱크(10)의 외주연 한곳에 단자를 용접 고정하고 전기부전도체로 제작된 통상의 단자대(미도시)를 구성하고 여기에 제2전극체(40)를 연결할 수도 있다. 또한, 수처리탱크(10)는 그 몸체를 전기 부전도체 재질인 에프알피(FRP)나 피이(PE)재질로 제작하여 각 전극에 전원을 공급하였을 때 수처리탱크(10) 몸체의 전기 전도성으로 인해 이온포집 기능이 장애가 없도록 하였다. 다만, 수처리탱크(10)의 상하부 덮개(10b,10c), 그리고, 격막(42)을 절연재질로 제작하여 결합하는 경우에는 직접 제1,2전극체(20,40)이 전기적으로 직접 접촉되는 것을 피할 수 있어 적용이 가능하다 하겠다.

또한, 활성탄 등 이온포집체(30)를 수처리탱크(10)에 충진한 후 공기배출밸브(17)에 진공펌프를 연결하여 수처리탱크(10) 내부를 진공으로 형성한 다음 최초 증류수 또는 깨끗하게 처리된 청수등 물을 충진하게 함으로써 이온포집체(30)의 미세공간에 함유되어 있는 모든 공기막을 제거하고 물입자가 충수될 수 있게 되어 이온포집체 내부에 공기에 의한 이온 포집이 방해되지 않도록 함으로써 용수 중 함유되어 있는 이온성 오염인자의 효율성 높은 이온포집이 이루어지도록 하였으며, 평상시 수처리장치 운전시에는 공기배출밸브를 상부 덮개(10b) 최상단 또는 처리수 배출관(12) 상부에 설치하고 통상의 자동에어벤트와 연결하여 구성함으로써 혹 직류전원 공급에 의한 용수의 전기분해로 발생될 수 있는 미량의 수소가스와 산소가스 기포가 수집되어 외부로 수시 배출될 수 있도록 하였다.

제1,2전극체(20,40)는 제어수단(C)에서 공급되는 전원을 함께 공급받게 되며 극성을 변환하여 전원을 공급하는 극성변환기(미도시)를 거쳐 단선으로 각 전극에 전원이 공급되도록 구성된다. 물론 상기 극성변환기는 상기 제어수단(C)의 내부에 형성시킬 수도 있다. 즉, 앞서 설명한 것처럼, 설명의 편의를 위해 제1전극체(20)를 양극으로 제2전극체(40)를 음극으로 설명하였으나, 제1,2전극체(20)는 전극이 전환될 수 있는 것인바, 제1전극체(20)가 양극, 제2전극체(40)가 음극을 절대적으로 의미한 것은 아니다.

다만, 본 발명의 특징 중의 하나는 단일한 극성을 갖는 이온성 오염인자의 집중적인 제거를 위해 제1전극체(20)에 이온포집체(30)를 형성하여 이온포집을 위한 표면적을 극대화 시킨 반면 음극인 제2전극체(40)는 단순히 표면적을 극소화한 전극의 기능만을 갖게 한 것이다.

본 발명은 도 7에서 보이는 것처럼, 다수(도면에는 2개로 도시됨)의 수처리 탱크(10-1,10-2)를 병렬로 연결하여 순도 높은 처리수를 생산할 수 있다. 이처럼 수처리탱크(10-1,10-2)들이 병렬로 연결되면 대용량의 단일 극성의 이온 오염인자를 제거할 수 있다.

그리고, 도 8에서처럼, 다수의 수처리탱크(10-1,10-2)(도면에는 2개만 도시됨)를 의 직렬로 연결할 수 있다. 수처리탱크(10-1,10-2)가 직렬로 연결된 경우 제1수처리탱크(10-1)를 통과해 처리된 처리수가 제2수처리탱크(10-2)를 통해 반복 처리되어 이온성 오염인자를 제거함으로써 이온성 오염인자의 제거율을 높일 수 있다. 한편, 수처리탱크(10-1.10-2)의 이온포집체(30)의 극성을 서로 반대로 구성하여 작동시킴으로써 제1수처리탱크(10-1)의 양전극은 음극 극성을 갖게 하여 양이온성 오염인자를 흡착 제거하게 하고 제2수처리탱크(10-2)의 음전극(2)은 양극 극성을 갖게 하여 음이온성 오염인자를 흡착 제거하게 하여 양, 음이온성 오염물질을 모두 함께 흡착제거할 수도 있도록 구성될 수도 있다.

수처리탱크(10) 또는 제2전극체(40)가 결합되는 배관과 결합되는 모든 결합배관은 절연처리된 후렌지와 볼트너트 또는 절연연결소켓을 사용하도록 하여 수처리탱크(10)나 제2전극체(40)에서 흐르는 전극 전류가 직접 타 배관이나 시설에 전가되지 않도록 하였다. 물론, 수처리탱크(10) 또는 연결배관등은 접지하도록 하여 누적되는 전류로 인해 단락 등 사고발생이 일어나지 않도록 한다.

본 발명에 의한 이온포집체(30)의 이온성 오염인자의 탈리와 세척은 처리수 배출관(12에 설치하는 수량계(미도시)의 신호에 따라 일정 수량이 통과할 경우 제어수단(C)에서 이를 연산하여 작동시키는 방법이 있으며 단순히 제어수단(C)에 내 장된 타이머에 의해 정해진 시각에 작동되게 하는 방법, 그리고 처리수 배관에 설치되는 이온성 오염물질의 측정 센서에 의해 측정된 수치에 따라 제어수단(C)에서 이를 연산하여 작동시키는 방법 등이 있다.

이렇게 구성된 본 발명은 통상의 수처리를 위해 설치되는 기계실 내에 모든 장치를 설치하여 운용하는 것이 일반 예이긴 하지만 설치장소의 구비가 어려울 경우 도 9 와 같은 구성을 하여 땅을 굴삭하여 수처리탱크(10)를 지하에 매설하고 공급관(11), 처리수 배출관(12), 세척수 배출관(13) 등은 지상에 구성할 수 있으며 제어수단(C)은 별도 공간에 구성하여 연결하게 할 수 있다. 공급관(11)을 통해 수처리탱크(10)에 유입되는 이온성 오염인자를 함유한 용수는 수처리탱크(10)의 상부에서부터 하부로 이동하게 되며 이 과정에서 이온포집체(30)에 의해 이온성 오염이자는 포집되어 제거되어지게 되고 수처리탱크(10) 하부에 설치된 스트레이너를 통해 처리수는 처리수배출관(12)으로 배출이 이루어지게 된다. 이때 제2전극체(40)(음극)는 처리수배출관(12)에 결합하여 운용되도록 하며 세척수 배출관(13) 역시 처리수배출관(12)에서 분기하여 설치되도록 한다.

도 10은 본 발명이 지하수 심정(1)에 적용된 것을 도시한 것으로, 지하수 심정(1)의 경우에는 지표로부터 일정 깊이를 굴삭 한 후 지하에 삽입되어 설치되는 케이싱(2)에 수처리탱크(10)를 내장할 수 있다. 이러한 경우 수처리탱크(10)의 공급관(11)은 양수파이프(3)와 아래쪽에서 연결되어 수처리탱크(10) 상부로 연장되어 설치되고 상부스크린(14)을 거쳐 이온포집체(30)를 통과하면서 이온성 오염인자의 포집이 이루어지게 된다. 이온포집이 이루어진 처리수는 하부 스크린(15)을 거쳐 처리수배관(12)을 통해 미도시된 물탱크로 이동하게 된다. 물론 수처리탱크(10)의 용량이 커질 경우 지하수 심정(1)의 주변을 굴삭하고 적정 깊이에서 케이싱(2)을 절단한 뒤 케이싱(2)을 확대설치하여 공간을 크게 확보하여 설치할 수도 있다. 도면 중 미설명 부호는 전술한 바와 동일하다.

도면 중 미설명부호 1은 펌프, 2는 여과탱크이다.

본 발명에 의한 이온성 오염인자 제거를 위한 전극과 이온포집체를 이용한 수처리 방법은 다음과 같다.

용수 공급. 펌프를 가동하여 이온성 오염인자가 함유된 용수(지하수)를 수처리탱크(10)에 공급한다.

이온성 오염인자 포집; 수처리탱크(10)에 설치된 제1,2전극체(20,40)에 각각 전원을 공급하여 제1,2전극체(20,40)가 각각 양극과 음극을 띠도록 하며, 이렇게 되면 제1전극체(20)를 통해 이온포집체(30)에 제1전극체(20)가 갖는 전극과 동일한 전극이 형성되는 효과를 갖게 되고 이때 제1전극체(20)와 반대되는 극성을 갖는 이온성 오염인자가 이온포집체(30)에 포집된다.

세척. 이온포집체(30)가 이온성 오염인자로 포화될 때 제어수단(C)을 통해 제1,2전극체(20,40)의 극성을 반대로 변환하고 동시에 공급관 밸브(11a)를 개방한 상태에서 처리수 배출관(12)의 밸브(12a)를 차단하고 세척수 배출관(13)의 밸브(13a)를 개방하여 세척수가 이온포집체(30)를 통과하게 함으로써 이온포집체(30)를 세척하게 한다.

환원. 이온포집체(30)의 세척공정이 완료된 후 제어수단(C)을 통해 전극의 극성을 환원 변환하고 처리수 배출관(12)의 밸브(12a)를 개방하고 세척수 배출관(13)의 밸브(13a)를 차폐한다.

한편, 다수의 수처리탱크(10-1,10-2)를 병렬로 연결한 경우 제1수처리탱크(10-1)의 제1전극체(20)에 양극을 부여하고, 제2수처리탱크(10-2)의 제1전극체(20)에 음극을 부여하여, 각각 음이온성 오염인자와 양이온성 오염인자를 포집하도록 할 수도 있다.

위와 같이 구성된 본 발명을 이용한 장치의 이온포집을 위한 운용은 다음과 같다.

펌프(1)를 통해 공급된 용수는 여과탱크(2)를 거쳐 수처리탱크(10) 내부로 유입되어지게 된다. 이때 제어수단(C)을 통해 이미 제1,2전극체(20,40)에는 각각 전원이 공급되어진 상태이며 수처리탱크(10) 내부로 유입된 용수 중 함유된 이온성 오염인자들은 각각의 전하 값에 의해 음이온성 오염인자는 양전극을 띠는 제1전극체(20) 측에, 양이온성 오염인자는 제2전극체(40) 측에 흡착되어지게 된다. 수처리탱크(10) 내부에 충진된 이온포집체(30)는 흡착표면적이 넓게 형성되어져 있게 되고 전극과 밀착된 상태로 있게 되어 전기 전도성을 갖는 이온포집체(30) 자체가 전극의 확대로 나타나게 되어지게 된다. 그 결과 수처리탱크(10) 내부의 이온포집체(30)를 통과하는 중 이온포집체(30)와 접촉된 전극이 양극(제1전극체(20))일 경우에는 음이온성 오염인자가 포집이 이루어지게 되나 이온포집체(30)와 접촉된 전극이 음극(제2전극체)일 경우에는 양이온성 오염인자가 포집되어 처리수에서 제거 되어지게 된다. 이온포집체(30)가 통과 처리수의 증가로 이온성 오염인자로 포집이 포화상태에 이르게 되면 더 이상의 이온성 오염인자의 포집이 어려워져 처리수 중의 이온성 오염인자의 양은 다시금 증가하게 되어지게 되는데 이러한 현상이 발생하기 전에 측정장치 또는 사전에 입력된 프로그램에 의해 정해진 통과수량이나 정해진 시각에 이온포집체(30)에 포집된 이온성 오염인자의 탈리 세척을 시행하게 된다. 이온포집체(30)에 포집된 이온성 오염인자의 탈리 세척은 전극에서 형성된 극성에 따라 이온포집체(30)가 함께 극성을 갖게 되어 반대 극성을 갖는 이온성 오염인자가 포집된 것이므로 이온포집체(30)와 연결된 전극의 극성을 제어수단(C)의 극성변환기를 이용하여 반대로 전환하게 되면 이온포집체(30)의 극성과 이온포집체(30)에 포집된 이온성 오염인자 극성이 동일하게 되어 급속한 속도로 이온포집체(30)에서 이온성 오염인자의 탈리 제거가 이루어지게 된다. 이때 제어수단(C)에 의해 처리수 배출관(12)의 밸브(12a)를 차단하고 세척수 배출관(13)의 밸브(13a)는 개방하여 이온포집체(30)에서 탈리 제거된 이온성 오염인자를 공급관(11)을 통해 공급되는 용수를 이용하여 세척을 하게 된다. 물론 제어수단(C)의 정해진 프로그램에 따라 세척 공정이 완료되어제 되면 전극의 극성을 환원 변환하고 처리수 배출관(12)의 밸브(12a)를 개방하고 세척수 배출관(13)의 밸브(13a)를 차폐시긴 후 다시금 이온포집체(30)에 용수를 통과시켜 이온성 오염인자의 흡착제거를 지속하게 되며 이러한 공정을 반복하여 처리수 생산을 끊임없이 시행할 수 있게 한다.

물론, 제2전극체(40)의 경우에는 전극기능을 하는 최소한의 전극 자체의 표면적만을 유지하게 됨으로써 이온포집체(30)가 포집하는 이온성 오염인자와 반대되 는 극성을 갖는 이온성 물질의 포집은 거의 이루어지지 않게 된다.

또한, 다수의 수처리탱크(10-1,10-2)를 직렬 또는 병렬로 연결하고 이온성 오염인자가 함유된 용수를 제1수처리탱크(10-1)의 제1전극체(20)에 양전극을 부여하여 이온포집체(30)에 음이온성 오염인자를 포집시키는 한편, 제2수처리탱크(10-2)에 설치된 이온포집체(30)의 전극에는 음전극 전원을 공급하여 이온포집체(30)에 양이온성 오염인자를 포집시키도록 함으로써, 통과되는 처리수가 음이온성 오염인자와 양이온성 오염인자를 모두 제거할 수 있다.

따라서, 주 흡착제거해야 하는 이온성 오염인자의 전하 값에 따라 이온포집체(14)의 전극 극상을 결정 운용하게 되며 목적하는 이온성 오염인자의 전하 값에 따라 집중적으로 해당 이온성 오염인자만을 제거할 수 있는 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 발명에 의한 이온성 오염인자 제거를 위한 전극과 이온포집체를 이용한 수처리 장치 및 방법에 의하면, 이온성 오염인자가 포함된 용수를 이온교환수지를 사용하지 않고서도 수처리탱크 내에 봉상의 전극을 중심에 설치하고 수처리탱크 외주연에 전극을 설치하여 각 전극을 양극과 음극으로 사용하여 전원을 공급하고 수처리탱크 내부에 이온포집체를 충진하여 사용함으로써 한 극성의 이온성 오염인자를 집중적으로 흡착제거하고 이온포집체가 이온성 오염인자의 이온으로 포화될 때 각 전극의 극상을 변환하여 이온성 오염인자의 포집과 이온성 오염인자의 탈리세척이 반복될 수 있도록 하는 기술이 확보될 수 있게 되어 지속 사용이 가능한 이온성 오염인자 제거를 위한 수처리 장치 및 방법을 제공할 수 있게 되었다. 이로 인해 이온성 오염인자로 오염된 용수의 수처리에 이온교환수지나 여과휠터처리방법에 비해 경제성을 확보할 수 있게 됨은 물론 유지관리측면에서도 단순히 전원의 공급과 극상의 변환만으로 이온성 오염인자의 제거가 가능하게 되어 장치의 운용이 아주 간편하고 용이할 뿐 아니라 대용량의 산업용수 뿐 아니라 지하수나 보일러수 등에 함유된 이온성 오염인자를 효과적으로 제거할 수 있는 기술을 확보할 수 있게 되는 효과를 갖게 되었다. 또한, 본 발명을 이용하여 양이온성을 갖는 칼슘이온이나 마그네슘이온을 흡착 제거하여 경도가 높은 목욕용수를 경도가 극히 낮은 연수로 제조하는데도 활용될 수도 있는 원천적인 기술을 확보하는 효과를 갖게 됨은 물론, 직렬로 연결된 다단계처리를 통해 해수 담수화 설비로도 적용이 될 수 있게 되는 아주 유용하고 유익한 발명인 것이다.

이상, 본 발명을 본 발명의 원리를 예시하기 위한 바람직한 실시 예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 그와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용으로 한정되는 것이 아니다. 오히려, 첨부된 청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.

Claims (13)

1. 이온성 오염인자 제거를 위한 전극과 이온성포집체를 이용한 수처리 장치에 있어서,

   내부가 중공이며 각각 밸브에 의해 개폐되는 지하수 공급관, 처리수 배출관 및 세척수 배출관이 구비된 수처리탱크와;

   상기 수처리탱크의 내부에 결합되며 양전극과 음전극 중 어느 하나의 전극을 발생하는 제1전극체와;

   상기 수처리탱크 내부에 채워지며 상기 제1전극체와 동일 전극을 발생하여 상기 수처리탱크에 공급되는 지하수로부터 이온을 포집하는 이온포집체와;

   상기 수처리탱크 내부의 상기 제1전극체 둘레부에 장착되며 상기 제1전극봉과 다른 전극을 발생하는 제2전극체와;

   상기 제1,2전극체에 인가되는 전극을 전환하는 제어수단을 포함하여 구성된 특징으로 하는 이온성 오염인자 제거를 위한 전극과 이온성포집체를 이용한 수처리 장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   수처리탱크의 내부 중심에 형성된 전극봉은 그 형태가 원통형인 것을 특징으로 하는 이온성 오염인자 제거를 위한 전극과 이온성포집체를 이용한 수처리 장치.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 제1전극체는 봉형상으로 이루어져 하나 이상 설치되는 것을 특징으로 하는 이온성 오염인자 제거를 위한 전극과 이온성포집체를 이용한 수처리 장치.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 제1전극체의 둘레부에 돌출 형성되어 이온포집체와의 접촉 표면적을 확대하는 확장전극이 더 포함되는 것을 이온성 오염인자 제거를 위한 전극과 이온성포집체를 이용한 수처리 장치.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 확장전극은 스프링체인 것을 특징으로 하는 이온성 오염인자 제거를 위한 전극과 이온성포집체를 이용한 수처리 장치.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 제2전극체는 제1전극체와 공간을 사이에 두고 설치되는 것을 특징으로 하는 이온성 오염인자 제거를 위한 전극과 이온성포집체를 이용한 수처리 장치.
7. 제 1 항에 있어서, 수처리탱크는 전기부전도체 재질로 제작된 것을 특징으로 하는 이온성 오염인자 제거를 위한 전극과 이온성포집체를 이용한 수처리 장치.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 수처리탱크 또는 제2전극체가 결합되는 배관과 결합 되는 모든 결합배관은 절연처리된 후렌지와 볼트너트 또는 절연연결소켓을 사용하도록 하여 수처리탱크나 제2전극체에서 흐르는 전극 전류가 직접 타 배관이나 시설에 전가되지 않도록 한 것을 특징으로 하는 이온성 오염인자 제거를 위한 전극과 이온성포집체를 이용한 수처리 장치.
9. 제 1 항에 있어서, 상기 수처리탱크는 다수개가 직렬 또는 병렬로 연결된 것을 특징으로 하는 이온성 오염인자 제거를 위한 전극과 이온성포집체를 이용한 수처리 장치.
10. 제 1 항에 있어서,

    상기 수처리탱크에 설치되는 공기배출밸브와; 상기 공기배출밸브와 연결되며 상기 제어수단의 제어를 통해 상기 수처리탱크 내부의 공기를 빼내 상기 수처리탱크 내부를 진공으로 형성하는 진공펌프가 더 포함된 것을 특징으로 하는 이온성 오염인자 제거를 위한 전극과 이온성포집체를 이용한 수처리 장치.
11. 이온성 오염인자 제거를 위한 전극과 이온성포집체를 이용한 수처리 방법에 있어서,

    이온성 오염인자가 함유된 용수를 수처리탱크에 공급하는 공정과;

    수처리탱크에 설치된 전극체에 전원을 공급하여 상기 수처리탱크 내부에 채워진 이온포집체에 이온성 오염인자가 포집되도록 하는 공정과;

    이온포집체가 이온성 오염물질로 포화될 때 제어수단을 통해 전극체의 극성을 변환하고 동시에 상기 수처리탱크의 처리수 배출관을 폐쇄하는 한편 세척수 배출관을 개방하여 용수를 통해 상기 이온포집체를 공급수를 이용하여 세척하는 공정과;

    이온포집체의 세척공정이 완료된 후 제어수단을 통해 전극의 극성을 환원 변환하고 세척수 배출관을 폐쇄하면서 처리수 배출관을 개방하는 공정을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 이온성 오염인자 제거를 위한 전극과 이온성포집체를 이용한 수처리 방법.
12. 제 11 항에 있어서, 상기 세척공정은 상기 수처리탱크의 처리수 배출관을 따라 배출되는 처리수의 수량을 측정하여, 이 수량이 일정량에 도달하면 상기 제어수단에 의해 진행되는 것을 특징으로 하는 이온성 오염인자 제거를 위한 전극과 이온성포집체를 이용한 수처리 방법.
13. 제 11 항에 있어서, 상기 세척공정은 상기 수처리탱크의 전극체에 전원이 인가되는 시간을 측정하여, 이 처리 시간이 일정 시간에 경과하면 진행되는 것을 특징으로 하는 이온성 오염인자 제거를 위한 전극과 이온성포집체를 이용한 수처리 방법.

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