KR100909102B1 - 광섬유와 광촉매를 이용한 수질정화장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 광섬유와 광촉매를 사용한 수질정화장치에 관한 것으로, 이는 수중 하부와 오염된 수질을 정화하기 위한 것이다. 본 발명은 광원으로부터 발생된 빛을 집광하는 집광기와, 상기 집광기에 의해 집광된 빛이 조사되는 조사패널과, 상기 조사패널에 일측이 고정되어 상기 집광기에 의해 집광된 빛이 투입되고 광촉매로 코팅되는 복수개의 광섬유와, 상기 광섬유의 타측을 고정시키는 고정수단으로 구성되는 수질정화장치에 있어서, 상기 고정수단의 전후좌우 측에는 광촉매로 코팅된 복수 개의 측면발광섬유가 설치되는 것을 특징으로 하며, 또한 태양열 에너지를 전기에너지로 변환시키는 복수개의 솔라 셀(Solar cell)과; 상기 솔라 셀 하부에 설치되어 상기 솔라 셀을 수면 위로 부유시키기 위한 부유재와; 상기 솔라 셀에 전기적으로 접속되는 LED 램프와; 상기 LED 램프에 수분이 침투되는 것을 방지하도록 상기 LED 램프를 에워 싸는 방수용 케이스와; 상기 방수용 케이스의 하단부에 일측이 고정되어 상기 LED 램프로부터 공급되는 빛을 통해 측면발광하는 광촉매 코팅된 섬유로 구성되는 것을 특징으로 하여, 심도와 관계 없이 수중의 물을 정화할 수 있다.
광섬유, 광촉매, 측면발광섬유, 고정수단, 집광기, 조사패널
Description
본 발명은 광섬유와 광촉매를 사용한 수질정화장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 수심에 관계없이 하기 위해 광섬유를 통해 광촉매를 활성화시켜 수중의 오염된 물을 정화하는 광섬유와 광촉매를 이용한 수질정화장치에 관한 것이다.
일반적으로 휘발성 유기화합물(揮發性有機化合物, Volatile Organic Compounds; VOC)은 증기압이 높아 대기 중으로 쉽게 증발되는 액체 또는 기체상 유기화합물의 총칭을 말하는 것이고, 대기 중에서 광화학 반응을 일으켜 오존 등 광화학 산화 물질을 생성시켜 광화학 스모그를 유발하는 물질을 일컫는 말로, 대기오염뿐만 아니라 발암성 물질로 지구온난화의 원인물질이므로 국가마다 배출을 줄이기 위해 정책적으로 관리하고 있다. 이와 같은 휘발성 유기화합물질로는 벤젠, 아세틸렌, 휘발유 등을 비롯하여 산업체에서 사용되는 용매 등 다양한 것이 있으며, 대기 중에서 질소산화물과 공존하면 햇빛의 작용으로 광화학반응을 일으켜 오존 및 팬(PAN:퍼옥시아세틸 나이트레이트, Peroxi acetyl nitrate) 등 광화학 산화성 물질을 생성시켜 광화학스모그를 유발시킨다.
국내의 대기환경보전법시행령 제39조 제1항에서는 석유화학제품ㅇ유기용제 또는 기타 물질로 정의하는데, 환경부고시 제1998-77호에 따라 벤젠ㅇ아세틸렌ㅇ휘발유 등 31개 물질 및 제품이 규제대상이다. 산업체에서 많이 사용하는 용매에서 화학 및 제약공장이나 플라스틱 건조공정에서 배출되는 유기가스에 이르기까지 매우 다양하며 끓는점이 낮은 액체연료, 파라핀, 올레핀, 방향족화합물 등 생활주변에서 흔히 사용하는 탄화수소류가 거의 해당된다.
수중에서 생물화학적 산소요구량(BOD), 화학적 산소요구량(COD), 부유물질량(SS), 색도, 탁도, 악취 등의 형태로 나타나는 휘발성 유기화합물과 비휘발성 유기화합물 등을 산화, 환원 및 분해하기 위해 사용되는 광촉매는 빛의 특정 에너지 파장대를 흡수하여 고도 산화 및 환원 반응을 유발시키는 물질로, 광촉매 자체가 빛 또는 유기화합물과 화학반응하지 않는 촉매이기 때문에 반영구적으로 사용이 가능하며, 이러한 광촉매는 n형 반도체 특성을 지니고 있는 금속산화물이 주로 사용되기 때문에 주변(대기 또는 물)에 존재하는 산소나 물과 생성된 전자 및 정공의 반응에 따라 만들어지는 활성산소와 OH 라디컬(수산라디컬)이 강한 산화력을 지니고 있어, 대부분의 처리 대상의 유독 무기물질들을 산화처리하거나 전자의 직접 참여를 통해 환원반응 또한 가능하다.
상기 특성을 갖는 광촉매를 광섬유에 코팅하고 그 광섬유를 통해 광촉매에 특정 파장을 공급하여 광촉매를 활성화시킴으로써, 광촉매 주변의 유기화합물을 고도산화 또는 환원처리할 수 있는데, 이러한 광촉매 코팅 광섬유를 사용한 종래의 수질정화장치는 접촉면적의 한계와 유지관리상의 문제, 그리고 경제성 문제 등으로 인하여 수심이 얕거나 수량이 적은 곳에서만 적용 가능하기 때문에, 물의 유동성이 비교적 적은 수심 저부의 물이나 수량이 많은 중규모 또는 대규모의 물을 정화하기에는 무리가 따른다.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 개발된 것으로서, 물의 유동성이 적고 수심이 깊은 심층부의 물 또는 유량이 많아 기존 방식으로는 처리가 곤란했던 중·대규모 담수 또는 유수를 광촉매로 코팅된 광섬유를 이용해 정화하는 광섬유와 광촉매를 이용한 수질정화장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 광촉매 코팅된 플라스틱 재질의 전반사 특성을 갖는 광섬유, 측면 반사 특성을 갖는 광섬유, 및 비직조 섬유를 적절히 조합하여 견고하고 다양한 형상으로 형성 가능하고 하수처리장, 폐수처리장, 정수장, 배수지, 양어장, 연못, 호소, 댐, 하천, 강 등의 여러 장소에서 사용가능한 수질정화장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
추가로, 본 발명은 솔라 셀을 전력공급원으로 하고 그에 접속된 LED 램프를 광원으로 하여 광섬유에 빛을 공급하는 구성을 통해 장소에 구애받지 않고 비용 효율적이며 반영구적인 수질정화장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 광원으로부터 발생된 빛을 집광하는 집광기와, 상기 집광기에 의해 집광된 빛이 조사되는 조사패널과, 상기 조사패널에 일측이 고정되어 상기 집광기에 의해 집광된 빛이 투입되고 광촉매로 코팅되는 복수 개의 광섬유와, 상기 광섬유의 타 측을 고정시키는 고정수단으로 구성되는 수질정화장치에서, 상기 고정수단의 전후좌우 측에는 광촉매로 코팅된 복수 개의 측면발광섬유가 설치되거나, 경우에 따라 상기 광섬유는 빛을 전반사시키는 플라스틱 섬유 및 측면 반사시키는 플라스틱 섬유가 소정 비율 혼합되거나 빛을 측면 반사시키는 플라스틱 섬유 및 광촉매로 코팅된 비직조 섬유가 소정 비율 혼합되어 구성되고, 상기 광촉매에는 가시광선에 의한 반응효율을 높이기 위해 산화염료가 더 포함되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은, 태양열 에너지를 전기에너지로 변환시키는 복수 개의 솔라 셀과; 상기 솔라 셀 하부에 설치되어 상기 솔라 셀을 수면 위로 부유시키기 위한 부유재와; 상기 솔라 셀에 전기적으로 접속되는 LED 램프와; 상기 LED 램프에 수분이 침투되는 것을 방지하도록 상기 LED 램프를 에워싸는 방수용 케이스와; 상기 방 수용 케이스 의 하단부에 일측이 고정되어 상기 LED 램프로부터 공급되는 빛을 통해 측면 발광하는 광촉매로 코팅된 섬유로 구성되는 것을 특징으로 한다.
상술된 바와 같이, 본 발명에 따른 광섬유와 광촉매를 이용한 수질정화장치는 집광기를 통해 집광된 빛을 광섬유의 일측에 투입하여 타 측으로 전반사된 빛을 다시 측면발광섬유 측으로 전반사시킴으로써, 수중 저부에서도 수질을 정화하는 것이 가능하다.
또한, 본 발명에 따른 수질정화장치는 광촉매 코팅된 전반사 특성을 갖는 광섬유, 측면 반사 특성을 갖는 광섬유, 및 비직조 섬유를 적절히 조합하여 견고하고 다양하게 구성될 수 있고, 수질정화를 위한 다양한 장소에서도 사용가능하다.
추가적으로, 본 발명에 따른 수질정화장치는 태양 에너지를 전원공급원으로 하여 LED 램프를 작동시켜 직접적으로 측면발광섬유에 빛을 공급하는 구성을 통해 장소에 구애받지 않으며 또 다른 방식으로 수중 저부의 수질을 정화할 수 있다.
이하, 도면을 참조로 하여 본 발명에 따른 광섬유와 광촉매를 이용한 수질정화장치를 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 광섬유와 광촉매를 이용한 수질정화장치의 제1 실시예를 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명에 따른 광섬유와 광촉매를 이용한 수질정화장치의 제2 실시예를 도시한 도면이고, 도 3은 본 발명에 따른 광섬유와 광촉매를 이용한 수질정화장치의 제3 실시예를 도시한 도면이고, 도 4는 본 발명에 따른 광섬유와 광촉매를 이용한 수질정화장치의 제4 실시예를 도시한 도면이며, 도 5는 본 발명에 따른 광섬유와 광촉매를 이용한 수질정화장치의 제5 실시예를 도시한 도면이다.
도 1을 참조로 하면, 본 발명에 따른 제1 실시예의 수질정화장치는 집광기(10), 조사패널(20), 광섬유(30), 고정수단(40), 및 측면발광섬유(50)로 구성된다.
상기 집광기(10)는 광원으로부터 공급된 빛 에너지를 집광하여 광섬유(30)에 전달하기 위한 수단으로, 특정 대역의 파장을 선택적으로 집광할 수 있도록 파장 선택형 렌즈로 구성되거나, 광섬유(30) 상면에 빛을 균일하게 조사하기 위한 플라이 아이 렌즈(Fly Eye Lens)와 같은 렌즈가 사용될 수도 있으며, 이러한 집광기(10)는 광원으로 사용되는 태양광이나, DC 전원공급원을 사용하는 LED 램프 또는 적외선 램프를 사용하는 인공광원에 의해 조사되는 빛을 집광한다.
또한, 상기 조사패널(20)은 복수 개의 광섬유(30) 일측 끝단을 이에 고정시 키기 위한 수단으로, 집광기(10)를 통해 집광된 빛은 조사패널(20)로 조사되어, 이 조사된 빛이 광섬유(30) 상면으로 입사하게 된다. 이러한 조사패널(20)에 고정되는 광섬유(30)는 다발형태로 묶여서 고정되거나 조사패널(20)에 구비된 홀에 일대일로 고정될 수 있고, 조사패널(20)의 모양 또한 사각에 제한되지 않으며 원형, 다각형 등의 다양한 형태로 형성될 수 있다.
한편으로, 상기 광섬유(30)는 광촉매로 코팅된 유리 재질의 섬유로도 구성될 수 있으나, 유리 섬유보다 그 휨 정도가 훨씬 양호하고 빛의 전반사율이 우수하고 제조단가가 저렴하며 입사된 빛을 수심이 깊은 곳까지 전달하기에도 적합한 플라스틱 재질의 광섬유(30)를 사용하는 것이 바람직하며, 이러한 플라스틱 광섬유를 통해 광섬유(30)의 상면에 입사된 빛을 수심이 깊은 곳 까지 전반사시킬 수 있다.
상기 고정수단(40)은 조사패널(20)에 광섬유(30) 일측 끝단을 고정하는 것과 같이 광섬유(30)의 타 측 끝단을 고정수단(40)의 상부에 고정시키고 복수개의 측면발광섬유(50)를 그 전후좌우측에 설치하기 위한 것으로, 이는 광섬유(30)의 하면으로 전반사된 빛을 다시 측면발광섬유(50)로 전반사하도록 소정각도를 갖는 반사경(60) 또는 전반사프리즘을 구비한다.
상기 측면발광섬유(50)는 그 내부벽에 필터 또는 형광물질을 도포하여 측면방향으로 빛이 조사되도록 하는 섬유로, 광섬유(30)와 마찬가지로 광촉매가 코팅된 플라스틱 섬유로 형성되어 있어, 광섬유(30)를 거쳐 고정수단(40)을 통해 전반사된 빛을 통해 광촉매가 활성화됨으로써 측면발광섬유(50) 주변의 물을 정화시킬 수 있다.
도 2를 참조로 하면, 본 발명에 따른 제2 실시예의 수질정화장치는 광섬유(30)가 빛을 전반사시키는 플라스틱 섬유(30-1)와 측면 반사시키는 측면발광섬유(50)로 혼합되는 것을 특징으로 한다.
상기와 같이 플라스틱 섬유(30-1)와 측면발광섬유(50)가 일정 비율로 혼합된 광섬유(30)는 상기 제1 실시예와는 달리 비교적 수심이 얕은 곳에서 사용가능한 것으로, 광섬유(30)의 일부는 빛이 투입된 측면으로 그 빛을 반사하고, 나머지 일부는 빛이 투입된 반대면으로 그 빛을 반사하기 때문에, 광섬유(30) 자체에서도 광촉매에 의한 수질정화작용을 기대할 수 있고 직진된 빛을 전반사시켜 그 빛이 측면발광섬유(50)로 향하게 함으로써 측면발광섬유(50) 주위에서도 수질정화작용을 기대할 수 있다. 이러한 플라스틱 섬유(30-1)와 측면발광섬유(50)의 혼합비율은 수심에 따라 조절되는 것이 바람직하다.
추가로, 상기 고정수단(40)에 전후좌우로 설치되는 측면발광섬유(50)는 조사패널(20)에 고정되는 광섬유(30) 끝단과 마찬가지로, 고정수단(40)의 전후좌우면에 형성된 구멍의 직경보다 더 큰 다발형태로 일측이 고정수단(40) 내에서 묶여져 고 정되거나, 고정수단(40)의 전후좌우면에 구비된 홀에 일측이 일대일로 고정될 수 있다.
상기 측면발광섬유(50)는 반사경(60) 또는 전반사프리즘 없이, 광섬유(30)의 하면을 측면발광섬유(50)의 일측과 직접적으로 마주보도록, 측면발광섬유(50)의 일측이 광섬유(30) 하면에 대향하여 설치된 플레이트의 구멍을 통과하여 그 구멍으로 빠져나오지 않도록 다발로 묶이거나 그 플레이트에 구비된 복수개의 홀에 측면발광섬유(50)의 일측이 일대일로 대응하게 고정되도록 한 후, 측면발광섬유(50)의 타측을 고정수단(40)의 전후좌우에 구비된 홀을 통해 인출한다.
또한, 태양광 또는 인공광에 많이 포함되어 있는 가시광선을 광촉매 현상의 에너지원으로 사용하기 위해 아닐린 블랙과 같은 산화물 계통의 염료 또는 기타염료를 광촉매(대표적으로 이산화티탄)에 가하여 사용하는 것도 가능한데, 이러한 이유는 대기중에서 염료가 자연분해되는 현상으로 인해 내후성이 떨어져 사용할 수 없으나, 본 발명에 따른 실시예에서는 수중에서 염료를 사용하므로 자외선 뿐 아니라 가시광선에서도 반응하여 분해효율을 높일 수 있다.
이와 같이 본 발명에 따른 제1 및 제2 실시예의 수질정화 장치의 동작을 살펴보면, 태양광이나 인공광원으로부터 공급된 빛 에너지가 집광기(10)를 통해 집광되어, 그 집광된 빛이 조사패널(20)에 고정된 광섬유(30)의 상면에 조사되고, 광섬유(30)의 상면에 조사된 빛이 전반사되어 광섬유(30)의 하면으로 나오면, 그 전반 사된 빛이 다시 고정수단(40)에 구비된 반사경(60) 또는 전반사프리즘을 통해 고정수단(40)의 전후좌우측에 설치된 측면발광섬유(50)로 전반사되어 측면발광섬유(50)에 코팅된 광촉매가 활성화됨으로써 측면발광섬유(50) 주변에 있는 수질이 정화된다.
도 3을 참조로 하면, 상기 광섬유(30)는 측면발광섬유(50) 및 나일론(Nylon, NY), 폴리에틸렌(Polyethylene, PE), 폴리프로필렌(Polypropylene, PP), 폴리에스테르(Polyester), 폴리비닐 클로라이드(Polyvinyl chloride, PVC), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(Polyethylene terephtalate, PET), 레이온(Rayon), 폴리비닐리덴 클로라이드(Polyvinylidene chloride, PVDC) 등의 합성섬유 또는 면, 마, 모, 실크 등의 천연섬유와 같은 비직조 섬유(30-2)가 소정비율로 혼합된 것으로, 일반적으로 광섬유(30) 외주면에 광촉매를 코팅하는 것이 어렵고 광촉매를 코팅하여도 광섬유(30)로부터 광촉매가 이탈될 확률이 있기 때문에, 이를 보완하기 위해 광촉매 코팅 후에도 광촉매가 잘 이탈되지 않는 비직조 섬유(30-2)를 사용하여 측면발광섬유(50)와 혼합함으로써, 그 측면발광섬유(50)를 통해 공급된 빛이 비직조 섬유(30-2)에 코팅된 광촉매도 활성화시켜 주변의 수질을 정화할 수 있다. 이는 상기 형태로 수중에 직접 설치하거나, SS41, STS304, STS316, STS444 재질 등의 철재 또는 고분자 합성수지, 섬유강화플라스틱(FRP) 등의 복합수지 등과 전기·계장제품 등을 복합적으로 활용하여 처리장치를 구성한 후 상기 형태의 혼합체를 그 내부에 설치하여 오염된 물을 통과시키며 처리할 수 있다.
도 4는 측면발광섬유(50)를 세로방향으로 설치하고 비직조 섬유(30-2)를 가로방향으로 설치하여 견고한 그물망 형태로 수질정화부를 구성함으로써 수질정화 단면적을 최대화할 수 있다. 이에 따른 수질정화장치를 하수처리장, 폐수처리장, 정수장, 배수지, 양어장, 연못, 호소, 댐 등에 설치하여 유기화합물과 조류(Algae) 등을 제거할 수도 있다.
상기된 바와 같은 구성을 통해, 본 발명의 수질정화장치는 수심과 관계없이 사용가능하며, 측면발광섬유(50)를 고정수단(40)의 전후좌우로 설치하는 것이 용이하기 때문에, 하수처리장, 폐수처리장, 정수장, 배수지, 양어장, 연못, 호소, 댐, 강, 하천 등 수질정화가 필요한 다양한 곳에서 사용하기에 적합하다.
도 5에 따른 수질정화장치는 복수개의 솔라 셀(70), 부유재(80), LED 램프(90), 및 측면발광섬유(50)로 구성된다.
상기 솔라 셀(70)은 태양광 에너지를 전기에너지로 변환하기 위한 것으로, 현재 다양한 종류의 솔라 셀들이 판매되고 있으므로 솔라 셀(70)을 통해 구동되는 LED 램프(90)의 규격에 따라 선택적으로 사용가능하며, 미적 효과를 추가하도록 수생 식물 형태 등의 다양한 형태로 제작하여 사용될 수 있다.
상기 부유재(80)는 솔라 셀(70)의 하부에 설치되어 수면 위로 솔라 셀(70)을 부유시키기 위한 것이며, 가능한 한 솔라 셀(70)이 수면에 수평한 방향으로 부유하 도록 설치되는 것이 바람직하다.
상기 LED 램프(90)는 솔라 셀(70)에 전기적으로 접속되어 솔라 셀(70)에 의해 공급된 전기에너지를 통해 빛을 발광하게 되며, 이러한 LED 램프(90)가 수중에서도 사용되기 위해 LED 램프(90)는 그를 둘러싸는 방수 케이스(90-1)를 통해 수분으로부터 보호된다.
상기 방수 케이스(90-1)의 하단부에 일측이 고정되는 측면발광섬유(50)는 그 고정방식이 상기된 바와 같은 묶음 방식이나 LED 램프(90)에 대향하여 설치된 플레이트의 복수개 홀에 일대일로 섬유가 개별적으로 고정되는 방식에 따르고, LED 램프(90)에 의해 공급된 빛을 통해 발광하게 되어 주변 물을 정화하게 된다.
도 5에 따른 수질정화장치의 동작 순서를 살펴보면, 태양열을 전기에너지로 변환하여 LED 램프(90)가 작동되고, 그에 따라 LED 램프(90)에 의해 공급되는 빛을 통해 측면발광섬유(50)가 발광함으로써 광촉매가 활성화되어 주변 수질을 정화하게 된다.
상기된 바와 같은 수질정화장치는 순수히 태양광을 전원공급원으로 하기 때문에 특정 장소에 구애되지 않으며, LED 램프의 빛을 측면발광섬유(50)에 직접적으로 조사할 수 있으므로 그 측면발광섬유(50)에 코팅된 광촉매가 활성화되기에 충분 한 빛을 제공하여 심도가 깊은 수심 저부에서도 사용가능하다.
도 1은 본 발명에 따른 광섬유와 광촉매를 이용한 수질정화장치의 제1 실시예를 도시한 도면.
도 2는 본 발명에 따른 광섬유와 광촉매를 이용한 수질정화장치의 제2 실시예를 도시한 도면.
도 3은 본 발명에 따른 광섬유와 광촉매를 이용한 수질정화장치의 제3 실시예를 도시한 도면.
도 4는 본 발명에 따른 광섬유와 광촉매를 이용한 수질정화장치의 제4 실시예를 도시한 도면.
도 5는 본 발명에 따른 광섬유와 광촉매를 이용한 수질정화장치의 제5 실시예를 도시한 도면.
Claims (6)
- 광원으로부터 발생된 빛을 집광하는 집광기(10)와, 상기 집광기(10)에 의해 집광된 빛이 조사되는 조사패널(20)과, 상기 조사패널(20)에 일 개 측이 고정되어 상기 집광기(10)에 의해 집광된 빛이 투입되고 광촉매로 코팅되는 복수개의 광섬유(30)와, 상기 광섬유(30)의 타 측을 고정시키는 고정수단(40)으로 구성되는 수질정화장치에 있어서,상기 고정수단(40)의 전후좌우측에는 광촉매로 코팅된 복수 개의 측면발광섬유(50)가 설치되는 것을 특징으로 하는 광섬유와 광촉매를 이용한 수질정화장치.
- 청구항 1에 있어서,상기 고정수단(40)에는 상기 광섬유(30)를 통해 투입된 빛을 상기 측면발광섬유(50)측으로 조사하기 위한 반사경(60)이 설치되는 것을 특징으로 하는 광섬유와 광촉매를 이용한 수질정화장치.
- 청구항 1에 있어서,상기 광섬유(30)는 빛을 전반사시키는 플라스틱 섬유(30-1)와 측면 반사시키는 측면발광섬유(50)가 혼합되어 구성되는 것을 특징으로 하는 광섬유와 광촉매를 이용한 수질정화장치.
- 청구항 3에 있어서,상기 광촉매에는 가시광선에 의한 반응효율을 높이기 위해 산화물 계통의 염료가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 광섬유와 광촉매를 이용한 수질정화장치.
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