KR100927413B1 - 밸러스트 워터 처리 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 밸러스트 워터 처리장치에 관한 것이다.

본 발명에 따른 밸러스트 워터 처리장치는, 외부로부터 유입된 밸러스트 워터를 플라즈마 처리하여 배출시키는 밸러스트 워터 처리 장치에서, 하부에 장착되어 밸러스트 워터를 섞이도록 수중에서 수평으로 소정 시간동안 회전하는 회전팬; 상부에 장착되어 상기 섞인 밸러스트 워터를 일정한 유량과 유속으로 외부로 배출시키는 분배기; 및 상기 회전 팬과 상기 분배기 사이에 좌우측면으로부터 내부방향으로 각각 돌출된 한 쌍의 도선에 연결되고, 양 단이 소정 간격으로 이격되어 서로 대향하는 전극을 구비하고, 그 외부로부터 공급된 고전압 펄스를 이용하여 상기 밸러스트 워터를 방전시키는 방전전극;을 포함하되, 상기 방전전극은, 20000 내지 40000 V의 전압, 0.7 내지 1.5 mA의 전류, 10 내지 30KHz의 주파수를 가지는 제1 고전압 펄스를 공급받아 상기 방전전극 간에 아크 플라즈마를 발생시켜 전도채널이 형성된 후, 3000 내지 5000 V의 전압, 200 내지 330 mA의 전류, 50 내지 70Hz의 주파수를 가지는 제2 고전압 펄스를 공급받아 상기 아크 플라즈마를 5초 내지 10초동안 유지시킨다.

밸러스트 워터, 아크 플라즈마, 방전전극, 전원부

Description

밸러스트 워터 처리 장치{BALLAST WATER TREATMENT DEVICE}

본 발명은 밸러스트 워터 처리 장치에 관한 것이다.

최근, 여러 나라에서 외래 해양 생물종에 의한 피해가 발생하였는 바, 외래 해양 생물종의 이동수단 및 유입요인으로는 주로 선박을 통해 유입된 것으로 나타나고 있으며, 특히 선박의 밸러스트 워터에 의한 유입이 갈수록 심각해지고 있는 실정이다. 선박의 밸러스트 워터는 선박의 흘수와 트림을 조정하기 위하여 적재하는 중량이고, 선박의 균형유지와 안정성을 높이는 기능과 동시에 화물을 충분히 적재하지 않은 경우에 추진기와 방향타가 물속에서 효과적으로 작동되게 하는 보조기능도 수행한다. 오늘날에는 구하기 쉽고 상대적으로 비용 절감에 유리한 이유로 해수나 담수를 밸러스트 워터로 사용하는 것이 보편화되어 있다. 그러나, 특히 해수를 넣을 때 같이 들어왔던 해양 생물종이 선적항에서 배출됨으로써 다른 지역으로 유입되는데, 국제해사기구(IMO: International Maritime Organization)에 따르면 선박에 의해 연간100 억톤의 바닷물이 옮겨지고, 7 천 여종 이상의 생물이 밸러스트 워터를 따라 이동한 것으로 나타났으며, 전문가들은 이 밸러스트 워터를 통해 하루에만3,000 종 이상의 해양 생물종이 이동되고 있는 것으로 추정하고 있다.

즉, 외국서 온 화물선이나 유조선이 수입 광물이나 석유 등을 내려 놓으면 수면 근처에 있던 배의 무게중심이 위로 올라간다. 이때, 프로펠러 일부가 수면으로 나오면 공기 중에서 헛돌게 돼 배가 앞으로 잘 나아가지 않는다. 가벼워진 탓에 전복될 위험도 커진다. 이에 출발 전 빈 배의 바닥 안 쪽에 바닷물을 채워 약간 가라앉힌다. 이렇게 선박의 균형을 맞추기 위해 채워지는 물이 밸러스트 워터(이하, 밸러스트 워터라 한다.)이다. 보통 20만t 급유 조선에는 5만~7만, 12만t 급 화물선에는 3만~4만t 정도의 밸러스트 워터를 채운다. 이때, 탱크 안을 채우는 바닷물과 함께 해양 생물도 함께 유입되어, 문제는 배가 도착지의 바다에 밸러스트 워터를 방출한다는 것이다. 밸러스트 워터에 실려간 자국의 해양 생물은 이렇게 타국으로 이동되고, 수출 화물선은 반대로 타국의 해양 생물을 밸러스트 워터에 실어 자국의 바다로 가져온다. 따라서, 밸러스트 워터를 통해 유입된 외래 종들로 바다가 황폐화되어 가고 있다. 반대로, 한국생물도 밸러스트 워터에 실려 외국으로 많이 옮겨졌다. 밸러스트 워터에 실려 이동한 생물이 새로운 환경에 적응할 확률은 대략 3%로 매우 낮다. 그러나, 염분이나 온도 변화에 잘 견디거나 해수와 담수에서 모두 서식하는 등 환경변화에 덜 민감한 생물이 주로 살아남아, 살아남은 외래종이 토종 포식자에게 낯선 먹이이기 때문에 잘 잡아먹히지 않아 걷잡을 수 없이 번식한다. 이와 같이, 밸러스트 워터를 통해 유입된 외래종들의 침입으로 서서히 황폐화되어 가는 바다를 지키기 위한 대책이 절실하다. 최근 건조된 선박은 갈수록 대형화 및 고속화되는 추세에 따라 더 많은 생물체가 밸러스트 워터를 통해 빠른 시간 안에 다른 해양환경으로 배출된다. 이러한 이유로 인해, 다양한 방법을 이용한 선박 밸러스트 워터 처리시스템이 개발되어지고 있다.

밸러스트 워터 처리 시스템은 크게 두 가지 과정으로 나누어져 있다. 첫 번째 밸러스트 워터 처리 과정은 해수에 있는 약 10 내지 50 마이크론 이상 되는 부유물질들을 제거하는 과정이다. 두 번째 과정은 해수에 있는 여러 종류의 박테리아들을 박멸하는 과정이다.

여기서, 첫 번째 과정은 주로 기존에 상용화되어 있는 필터를 이용하는데, 원심력을 이용하여 이들 부유 물질들을 해수로부터 분리하는 싸이클론 형태(Hydrocyclon)와 일반적인 멤브레인(Membrane)필터가 있다. 필터를 이용하여 이들 부유물질들을 제거하는 과정을 더 효과적으로 하기 위하여 응집(coagulation) 및 응결(flocculation)을 일으키는 화학물질을 해수에 첨가할 수도 있다.

두 번째 밸러스트 워터 처리과정은 해수에 있는 여러 종류의 박테리아들을 박멸하는 과정으로서, 크게 두 가지 방법으로 나눌 수 있다. 첫 번째 방법은, 화학물질을 해수에 넣음으로써 해수에 있는 박테리아들을 박멸하는 화학적 수 처리방법이고, 두 번째 방법은 물리적인 수 처리 방법으로서 UV광선(Uultra Violet light), 해수 용존산소 제거, 고압가스 이용, 초음파 이용, 케비테이션(Cavitation)이용 등이 있다.

여기서, 화학적 수 처리 방법은 염소이온을 해수에 첨가하는 염소처리(Chlorination)방법, 전기화학전지에서 해수를 전기분해하면 전기화학적 및 화학적 반응들에 의해 NaOCl(sodium hypochlorite)을 생성시키는 시스템(sodium hypochlorite generating system, Electrochlorination)이 있다. 또한, 오존가스를 공기중에서 만들어 해수에 투입(Inject)하는 방법도 있고, 이산화 염소(Chlorine dioxide) 또는 과산화초산(Peracetic acid), 과산화수소(hydrogen peroxide), 메나디온(Menadione)등의 화학물질들을 해수에 직접 첨가하는 방법들이 있다.

한편, 밸러스트 탱크는 선박의 크기에 따라 다르다. 보통 작은 선박의 경우 밸러스트 탱크의 크기는 1,500m²정도이고, 큰 선박의 경우 5,000m²이상 될 수도 있다. 따라서, 밸러스트 탱크에 들어가는 해수의 양에 비례하여 화학물질이 밸러스트 탱크에 첨가되는데, 상당한 양의 화학물질들이 첨가된다. 이 때문에 화학적 수 처리 방법은 이들 화학물질들이 밸러스트 워터 처리과정에 사용된 후. 안전하게 폐기 처리하는 것을 의무화하고 있다.

또한, 물리적 수 처리 방법에는 UV광선을 이용한 방법이 잘 알려져 있는데 여러 종류의 박테리아를 효과적으로 박멸할 수 있다는 것이 보고되고 있다. 그러나, UV방법은 UV램프에서 UV광선이 해수에 잘 뻗어나갈 수 있다는 가정하에서 그 효력을 발휘하는데 해수가 깨끗하지 않은 경우 UV수 처리 방법이 제 효과를 낼 수 없게 된다. 또한, UV 램프 표면에 찌꺼기들이 끼게 되면 UV광선이 UV램프에서 해수로 효과적으로 나올 수 있게 되어 그 효과가 감소되는 단점이 있다.

물리적 수 처리 방법 중에 용존 산소 제거 방법은 해수에 있는 용존 산소를 진공펌프를 이용하여 제거한 후에, 대신 고압의 질소가스를 채워 넣음으로서 해수에 있는 박테리아들을 박멸시키는 방법이다. 이 방법의 문제는 용존 산소를 해수에 서 제거한 후에, 약 5일 이후에야 해수에 있는 박테리아들이 죽기 시작한다는데 있다. 즉, 이 방법은 5일 정도 항해하는 선박의 경우에는 적용할 수 없다는 점이다. 또한, 용존 산소를 제거한 후에 고압의 질소가스를 밸러스트 탱크에 채워 넣어야 하는데, 이 경우 밸러스트 탱크가 고압용기로 변하게 된다. 문제는 밸러스트 탱크는 본래 고압용기로 쓰이도록 설계되어 있지 않기 때문에, 밸러스트 탱크의 용접부위들에서 질소가스가 새어나갈 수 있어서 그 효과가 감소할 수 있다.

물리적 수 처리 방법중에 초음파를 이용하는 방법은 해수에 초음파를 이용하여 박테리아 표면에 충격을 가해서 박테리아를 죽이는 방법인데, 초음파가 해수에서 전파되는 폭(길이)이 수 밀리미터(mm)밖에 안되기 때문에 5,000m²나 되는 엄청난 해수를 10시간 정도에 처리해야 하는 밸러스트 워터 처리 방법으로서는 현실적이지 못하다는 단점이 있다.

밸러스트 워터 처리를 위하여 플라즈마 방전을 이용하고자 할 때, 기술적으로 어려운 점은 바닷물의 전기전도도가 약 30,000㎲/cm정도가 된다는 점이다. 상수도에서 나오는 식수의 전기전도도는 약 200 내지 400㎲/cm이고, 발전소에서 쓰이는 냉각수의 전기전도도는 약 2,000㎲/cm이다. 바닷물의 전기전도도가 이와 같이 매우 높기 때문에 플라즈마 방전이 일어나기 전에 전극으로부터 바닷물로 전류의 누출이 상당히 크게 되어 박테리아를 죽이는데 효과적인 스파크(Spark) 플라즈마 방전을 일으키기가 어렵다. 아크 플라즈마 방전은 바닷물에서도 상대적으로 쉽게 일으킬 수 있지만 밸러스트 워터 처리를 위해 플라즈마 아크를 사용할 경우 에너지 소비량 이 많아서 경제적이지 못하다. 이 때문에 밸러스트 수 처리를 위해 바닷물에서 경제적이면서도 박테리아를 효과적으로 죽일 수 있는 새로운 플라즈마 방전 기술을 개발할 필요가 있다.

따라서, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 밸러스트 워터 처리를 위하여 해수에 화학물질을 첨가하지 않고, 물리적인 방법을 사용하여 해수에 있는 박테리아를 박멸할 수 있는 밸러스트 워터 처리장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

또한, 본 발명은, 해수에서 고전압방전 플라즈마를 생성시켜 해수에 있는 각종 박테리아를 박멸할 수 있는 밸러스트 워터 처리장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

또한, 본 발명은, 전기전도도가 높은 해수에서 고전압방전 펄스아크 플라즈마를 사용하여 두 전극 사이에 전자가 흐르는 전도채널(conductive channel)을 만들 수 있는 밸러스트 워터 처리장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

또한, 본 발명은, 전기전도도가 높은 해수에서 두 전극 사이에 만들어진 전도채널에 고 전류의 플라즈마를 지속적으로 유지시킬 수 있는 밸러스트 워터 처리장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

또한, 본 발명은, 전기 전도도가 높은 해수에서 고전압방전 펄스 아크 플라즈마를 이용하여 두 전극 사이에 전도채널(conductive channel)을 만든 후 이 채널에 고전류 플라즈마를 지속적으로 유지함으로써 밸러스트 워터처리에 요구되는 에너지 소비를 최소화할 수 있는 밸러스트 워터 처리장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

또한, 본 발명은, 밸러스트 워터처리 장치 내에 다수의 방전전극을 배열하고, 또한 회전 팬과 분배기를 설치하여 줌으로써, 밸러스트 워터 처리장치 내에 밸러스트 워터의 잔류시간을 증가시켜 해수에 있는 박테리아를 박멸할 수 있는 밸러스트 워터 처리장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 밸러스트 워터 처리장치는, 외부로부터 유입된 밸러스트 워터를 플라즈마 처리하여 배출시키는 밸러스트 워터 처리 장치에서, 하부에 장착되어 밸러스트 워터를 섞이도록 수중에서 수평으로 소정 시간동안 회전하는 회전팬; 상부에 장착되어 상기 섞인 밸러스트 워터를 일정한 유량과 유속으로 외부로 배출시키는 분배기; 및 상기 회전 팬과 상기 분배기 사이에 좌우측면으로부터 내부방향으로 각각 돌출된 한 쌍의 도선에 연결되고, 양 단이 소정 간격으로 이격되어 서로 대향하는 전극을 구비하고, 그 외부로부터 공급된 고전압 펄스를 이용하여 상기 밸러스트 워터를 방전시키는 방전전극;을 포함하되, 상기 방전전극은, 20000 내지 40000 V의 전압, 0.7 내지 1.5 mA의 전류, 10 내지 30KHz의 주파수를 가지는 제1 고전압 펄스를 공급받아 상기 방전전극 간에 아크 플라즈마를 발생시켜 전도채널이 형성된 후, 3000 내지 5000 V의 전압, 200 내지 330 mA의 전류, 50 내지 70Hz의 주파수를 가지는 제2 고전압 펄스를 공급받아 상기 아크 플라즈마를 5초 내지 10초 동안 유지시킨다.

아울러, 밸러스트 워터 처리장치는, 밸러스트 워터 처리장치에 있어서, 상기 방전전극 간에 전도채널이 발생되면, 상기 제1 고전압 펄스를 상기 방전전극으로의 공급을 오프시키고, 상기 제2 고전압 펄스를 상기 방전전극으로의 공급을 온시키는 제어부를 더 포함한다.

또한, 밸러스트 워터 처리장치는, 밸러스트 워터 처리장치에 있어서, 상기 회전 팬에 연결되어 상기 회전 팬의 구동전원을 공급하는 구동전원부를 더 포함한다.

아울러, 밸러스트 워터 처리장치는, 밸러스트 워터 처리장치에 있어서, 상기 방전전극은, 상기 회전 팬과 상기 분배기 사이에 좌우측면으로부터 내부방향으로 각각 돌출된 2쌍의 도선에 연결되고, 양 단이 소정 간격으로 이격되어 서로 대향하는 전극을 구비한다.

또한, 밸러스트 워터 처리장치는, 밸러스트 워터 처리장치에 있어서, 상기 방전전극은, 상기 회전 팬과 상기 분배기 사이에 좌우측면으로부터 내부방향으로 각각 돌출된 2쌍의 도선에 연결되고, 양 단이 소정 간격으로 이격되어 서로 대향하는 전극을 구비하고, 상기 2쌍의 도선중 어느 하나는 좌측 도선이 우측 도선보다 짧고, 다른 하나는 우측 도선이 좌측 도선보다 짧다.

아울러, 밸러스트 워터 처리장치는, 밸러스트 워터 처리장치에 있어서, 상기 방전전극은, 상기 회전 팬과 상기 분배기 사이에 좌우측면으로부터 내부방향으로 각각 돌출된 한 쌍의 도선에 연결되고, 양 단이 소정 간격으로 이격되어 서로 대향하는 전극을 구비하고, 상기 도선은 좌측 또는 우측 도선이 우측 또는 좌측 도선보다 짧다.

또한, 밸러스트 워터 처리장치는, 밸러스트 워터 처리장치에 있어서, 상기 방전전극은, 상기 회전 팬과 상기 분배기 사이에 좌우측면으로부터 내부방향으로 각각 돌출된 4쌍의 도선에 연결되고, 양 단이 소정 간격으로 이격되어 서로 대향하는 전극을 구비하고, 상기 4쌍의 도선 중 어느 2 쌍은 좌측 도선이 우측 도선보다 짧고, 다른 2 쌍은 우측 도선이 좌측 도선보다 짧다.

아울러, 밸러스트 워터 처리장치는, 밸러스트 워터 처리장치에 있어서, 상기 방전전극 간의 소정 간격은 10mm내지 30mm이다.

또한, 밸러스트 워터 처리장치는, 밸러스트 워터 처리장치에 있어서, 상기 밸러스트 워터 처리장치의 좌측면으로부터 우측면까지의 거리는 80mm내지 350mm이다.

아울러, 밸러스트 워터 처리장치는, 밸러스트 워터 처리 장치를 복수 개로 병렬로 배열하여 외부로부터 유입된 밸러스트 워터를 플라즈마 처리하여 배출시킨다.

또한, 밸러스트 워터 처리장치는, 밸러스트 워터 처리 장치를 복수 개로 병렬로 배열하고, 상기 밸러스트 워터 처리 장치로부터 각각 배출된 밸러스트 워터를 하나의 저장소로 모으고, 상기 모아진 밸러스트 워터를 복수 개의 밸러스트 워터 처리 장치로 공급하여 재플라즈마 처리하여 배출시킨다.

아울러, 밸러스트 워터 처리장치는, 밸러스트 워터 처리 장치를 복수 개로 병렬로 배열하고, 외부로부터 유입되는 밸러스트 워터를 상기 복수개의 밸러스트 워터 처리 장치로 동일하게 분배하여, 상기 동일하게 분배되어 유입된 밸러스트 워터를 각각 플라즈마 처리하여 배출시킨다.

상기한 바와 같이 본 발명에 따른 밸러스트 워터 처리장치에 의하면, 밸러스트 워터 처리를 위하여 해수에 화학물질을 첨가하지 않고, 물리적인 방법을 사용하여 해수에 있는 박테리아를 박멸할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 해수에서 고전압방전 플라즈마를 생성시켜 해수에 있는 각종 박테리아를 박멸할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 전기전도도가 높은 해수에서 고전압방전 펄스아크 플라즈마를 사용하여 두 전극 사이에 전자가 흐르는 전도채널(conductive channel)을 만들 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 전기전도도가 높은 해수에서 두 전극사이에 만들어진 전도채널에 고 전류의 플라즈마를 지속적으로 유지시킬 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 전기 전도도가 높은 해수에서 고전압방전 펄스 아크 플라즈마를 이용하여 두 전극 사이에 전도채널(conductive channel)을 만든 후 이 채널에 고전류 플라즈마를 지속적으로 유지함으로써 밸러스트 워터처리에 요구되는 에너지 소비를 최소화할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 밸러스트 워터처리 장치 내에 다수의 방전전극을 배열하고, 또한 회전 팬과 분배기를 설치하여 줌으로써, 밸러스트 워터 처리장치 내에 밸러스트 워터의 잔류시간을 증가시켜 해수에 있는 박테리아를 박멸할 수 있다.

이하 본 발명의 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다. 다만, 첨부된 도면은 본 발명의 내용을 보다 쉽게 개시하기 위하여 설명되는 것일 뿐, 본 발명의 범위가 첨부된 도면의 범위로 한정되는 것이 아님은 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 용이하게 알 수 있을 것이다.

한편, 플라즈마를 이용하여 밸러스트 워터를 처리하기 위하여, 선박 내에 유입되는 밸러스트 워터에서 부유물질 및 미생물을 걸러내는 여과기, 여과기에 의하여 걸러진 밸러스트 워터에서 미생물 또는 박테리아를 제거하기 위한 플라즈마 처리장치를 필요로 한다. 이하, 본 발명의 실시예에서는 고전압 방전 플라즈마를 밸러스트 워터 내에서 직접 방전시킴으로써, 밸러스트 워터에서 원하지 않는 박테리아들을 박멸시키는 밸러스트 워터 처리장치에 관하여 설명하기로 한다.

도 1a 및 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 밸러스트 워터 처리 장치의 구성을 나타내는 도면이다.

도 1a 및 1b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 밸러스트 워터 처리 장치는, 외부로부터 유입된 밸러스트 워터를 플라즈마 처리하여 배출시키는 밸러스트 워터 처리 장치이고, 회전팬(130), 분배기(140), 방전전극(EL1, EL2), 제어부(미도시)를 포함한다.

회전팬(130)은, 여과기(미도시) 등에 의하여 필터링된 밸러스트 워터가 유입된 밸러스트 워터 처리장치의 하부에 장착되어 밸러스트 워터를 섞이도록 수중에서 수평으로 소정 시간동안 회전한다. 또한, 회전 팬(130)에 구동전원부(150)가 연결되어 회전 팬(130)의 구동전원을 공급한다. 즉, 구동전원부(150)로부터 구동전원이 입력되면 회전팬(130)이 좌우로 회전하게 되고, 그 회전력에 의하여 밸러스트 워터가 섞이게 되고, 이와 동시에 방전전극(EL1, EL2)의 방전에 의하여 그 섞인 밸러스트 워터를 플라즈마 처리하게 된다. 이때, 밸러스트 워터는 도선(W1, W2)주위를 회전하는 방향(F)으로 섞이게 된다.

분배기(140)는, 밸러스트 워터 처리장치의 상부에 장착되어 상기 섞인 밸러스트 워터를 일정한 유량과 유속으로 외부로 배출시킨다. 이때, 방전전극(EL1, EL2)에 의하여 플라즈마 상태에 놓인 밸러스트 워터의 배출을 일정하게 조절하여줌으로써, 그 플라즈마 상태를 오랜 시간동안 유지시켜 밸러스트 워터에 포함된 미생물 등의 생존율을 획기적으로 줄일 수 있게 된다.

방전전극(EL1, EL2)은, 회전 팬(130)과 분배기(140) 사이에 좌우측면으로부터 내부방향으로 각각 돌출된 한 쌍의 도선(W1, W2)에 연결된다. 또한, 그 양 단이 소정 간격으로 이격되어 서로 대향하며, 제1 전원부(PS1) 및 제2 전원부(PS2)(110, 120)로부터 공급된 고전압 펄스를 이용하여 밸러스트 워터를 방전시켜준다. 이때, 제1 전원부(PS1) 및 제2 전원부(PS2)(110, 120)는 전기적 에너지를 축적하였다가 순간적으로 방출하는 파워(Power)를 공급한다. 한편, 펄스화된 전력, 즉 전기적인 에너지를 축적하였다가 순간적으로 방출할 때에 엄청난 양의 펄스 에너지를 얻을 수 있는 것을 펄스파워(Pulse power) 라 한다.

일반적으로, 방전전극은 평판-평판, 탐침-평판, 원통-선, 봉-봉 등이 있으 며, 플라즈마 발생을 위해서 Anode와 Cathod의 대향 전극을 사용하여, Anode는 일반적으로 접지단으로, Cathod는 전원 인가단으로 사용하게 되는데, 본 발명에서는 두 전극에 다른 크기의 전압을 인가하여 플라즈마 발생시킨 다음 플라즈마 상태를 오래 지속할 수 있게 한다. 즉, 제1 전원부(PS1)로부터 공급된 제1 고전압 펄스에 의하여 방전전극 간에 아크 플라즈마에 의한 전도채널을 형성한 후, 제2 전원부(PS2)로부터 공급된 제2 고전압 펄스에 의하여 발생된 플라즈마 상태를 지속시켜줌으로써, 밸러스트 워터내에서 플라즈마 멸균 효과를 강화할 수 있다.

방전전극(EL1, EL2)을 통한 플라즈마 발생 상태를 상세하게 설명하자면, 먼저 제1 전원부(110)로부터 20000 내지 40000 V의 전압, 0.7 내지 1.5 mA의 전류, 10 내지 30KHz의 주파수를 가지는 제1 고전압 펄스를 공급받아 해수 속에 잠겨있는 방전전극(EL1, EL2) 간에 아크 플라즈마를 발생시켜 전도채널이 형성된다. 여기서, 제1 전원부(110)로부터 공급되는 전압, 전류 및 주파수가 각각 20000 V 미만이거나, 0.7 mA 미만이거나, 10 KHz 미만일 경우에는 방전전극(EL1, EL2) 간에 아크 플라즈마 발생이 용이하지 않다. 또한, 전압이 40000 V를 초과하거나, 전류가 1.5 mA를 초과하거나, 주파수가 30KHz를 초과할 경우에는 플라즈마 발생을 위한 에너지 소비가 과다하여 적합하지 않다. 따라서, 본 발명의 실시예에서는 제1 전원부(110)로부터 20000 내지 40000 V의 전압, 0.7 내지 1.5 mA의 전류, 10 내지 30KHz의 주파수를 가지는 제1 고전압 펄스를 공급받아, 방전전극(EL1, EL2)간에 아크 플라즈마를 발생시키는 것이 바람직하다.이때, 전압 제1 고전압 펄스는 전압이 최대 점에 이를 때마다 두 전극 사이에 아크를 발생시키면서, 두 전극 사이에 전자가 흐르는 전도채널을 형성한다. 즉, 주파수가 10,000Hz의 고전압 펄스를 사용할 경우 일 초에 약 이만 번씩 두 전극 사이에 아크가 형성되면서, 아주 짧은 기간 동안, 수 마이크로 초 동안 두 전극 사이에 전도채널을 형성하게 된다.

그런 다음, 외부의 제2 전원부(120)로부터 3000 내지 5000 V의 전압, 200 내지 330 mA의 전류, 50 내지 70Hz의 주파수를 가지는 제2 고전압 펄스를 공급받아 아크 플라즈마를 5초 내지 10초동안 유지시킨다. 여기서, 제2 전원부(120)로부터 공급되는 전압, 전류 및 주파수가 각각 3000 V 미만이거나, 200 mA 미만이거나, 50 KHz 미만일 경우에는 방전전극(EL1, EL2) 간에 아크 플라즈마 상태를 지속시키기 어렵게 된다. 또한, 전압이 5000 V를 초과하거나, 전류가 330 mA를 초과하거나, 주파수가 70KHz를 초과할 경우에는 아크 플라즈마 상태를 지속시키기 위한 에너지 소비가 과다하여 적합하지 않다.따라서, 본 발명의 실시예에서는 제2 전원부(120)로부터 3000 내지 5000 V의 전압, 200 내지 330 mA의 전류, 50 내지 70Hz의 주파수를 가지는 제2 고전압 펄스를 공급받아, 방전전극(EL1, EL2)간에 발생된 아크 플라즈마 상태를 유지시키는 것이 바람직하다.또한, 아크 플라즈마를 5초 이하 또는 10초이상의 시간동안 유지시키게 되면, 플라즈마를 통한 멸균 효과가 미약하거나, 에너지 소비가 과다하게 된다는 문제점이 있으므로, 5초 내지 10초동안 유지시키는 곳이 바람직하다. 즉, 두 전극 사이에 전도채널이 형성되는 순간, 고 전류를 계속 공급함으로써, 두 전극 사이에 아크 플라즈마가 계속 유지될 수 있게 된다. 이를 통하여, 밸러스트 워터내의 잔존하는 미생물을 사멸시킨다. 특히, 수중 펄스 플라즈마를 이용하면 박테리아의 세포벽까지 파괴할 수 있어 독성 미생물의 완전 사멸을 실현시킬 수 있다.

제어부(미도시)는, 방전전극(EL1, EL2) 간에 전도채널이 발생되면, 제1 고전압 펄스를 방전전극(EL1, EL2)으로의 공급을 오프 시키고, 제2 고전압 펄스를 방전전극(EL1, EL2)으로의 공급을 온 시킨다.

이하, 도 2 내지 도 6에 도시된 본 발명의 실시예에 따른 밸러스트 워터 처리장치의 구성 중에서 도 1의 밸러스트 워터 처리장치의 구조와 상이한 방전전극의 구조를 중심으로 하여 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 밸러스트 워터 처리 장치의 구성을 나타내는 도면이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 밸러스트 워터 처리 장치는, 회전 팬(230)과 분배기(240) 사이에 좌우측면으로부터 내부방향으로 각각 돌출된 2쌍의 도선(W1a, W1b, W2a, W2b)에 연결되고, 양 단이 소정 간격으로 이격되어 서로 대향하는 방전 전극(EL1a, EL1b, EL2a, EL2b)을 구비한다. 이때, 2 쌍의 도선(W1a, W1b, W2a, W2b)에 연결된 방전 전극(EL1a, EL1b, EL2a, EL2b)에 의해 강한 아크 플라즈마 방전이 발생한다. 하부에서는 회전 팬(230)의 회전에 의해 밸러스트 워터가 섞이게 되고, 상부의 분배기(240)에 의해 섞인 밸러스트 수의 유출 및 유속을 제어한다. 이와 같이, 밸러스트 워터의 섞임과 잔류시간을 증가시켜주는 것을 통하여 밸러스트 워터 처리장치의 내부에 유입된 밸러스트 워터에 포함된 미생물 등을 효율적으로 파괴시킬 수 있다.

도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 밸러스트 워터 처리 장치의 구성을 나타내는 도면이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 밸러스트 워터 처리 장치는, 방전전극(EL1, EL2)은, 회전 팬(330)과 분배기(340) 사이에 좌우측면으로부터 내부방향으로 각각 돌출된 2쌍의 도선(W1a, W1b, W2a, W2b)에 연결되고, 양 단이 소정 간격으로 이격되어 서로 대향하는 전극(EL1a, EL1b, EL2a, EL2b)을 구비한다.

이때, 2쌍의 도선(W1a, W1b, W2a, W2b)중 어느 하나는 좌측 도선(W1a)이 우측 도선(W2a)보다 짧고, 다른 하나는 우측 도선(W2b)이 좌측 도선(W1b)보다 짧게 형성된다. 전자에 의한 밸러스트 워터 처리장치의 좌측 영역과 후자에 의한 우측 영역에 플라즈마 방전이 전 영역에 걸쳐 골고루 발생되고, 회전 팬(330)과 분배기(340)에 의한 밸러스트 워터의 섞임과 잔류시간 증대로 인하여, 밸러스트 워터 처리장치의 내부에 유입된 밸러스트 워터에 포함된 미생물 등을 효율적으로 파괴시킬 수 있다.

도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 밸러스트 워터 처리 장치의 구성을 나타내는 도면이고, 도 5a 및 5b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 밸러스트 워터 처리 장치의 구성을 나타내는 도면이다.

도 4 내지 도 5a 및 5b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 밸러스트 워터 처리 장치는, 도 1의 방전전극과 상이하게 형성되는데, 방전전극(EL1, EL2)은, 회전 팬(530)과 분배기(550) 사이에 좌우측면으로부터 내부방향으로 각각 돌출된 한 쌍의 도선(W1, W2)에 연결되고, 양 단이 소정 간격으로 이격되 어 서로 대향하는 전극(EL1, EL2)을 구비한다. 한편, 도 4의 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 밸러스트 워터 처리 장치는, 도 5a 및 5b에 도시된 회전 팬(530)과 분배기(550)와 동일한 위치에 회전팬(미도시)과 분배기(미도시)가 배치된다.

이때, 도선(W1, W2)은 좌측 또는 우측 도선이 우측 또는 좌측 도선보다 짧다. 또한, 밸러스트 워터는 도선(W1, W2)의 외주변을 소용돌이 회전하며 섞인다. 즉, 도 4는 밸러스트 워터가 정방향으로 소용돌이 흐름(vortex flow)을 가지고, 도 5a 및 5b는 역방향으로 소용돌이 흐름(F; reverse vortex flow)을 갖게 된다. 이를 통하여, 밸러스트 워터 처리장치 내부의 전 영역에 걸쳐 밸러스트 워터가 섞이게 되어, 플라즈마 처리의 효율이 향상되고, 회전 팬(530)과 분배기(550)를 통하여 밸러스트 워터의 잔류시간을 증대시킬 수 있다.

도 6a 및 6b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 밸러스트 워터 처리 장치의 구성을 나타내는 도면이다.

도 6a 및 6b 에 도시된 바와 같이, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 밸러스트 워터 처리 장치는, 방전전극(EL1, EL2)은, 회전 팬(630)과 분배기(640) 사이에 좌우측면으로부터 내부방향으로 각각 돌출된 4쌍의 도선(W1a, W1b, W1c, W1d, W2a, W2b, W2c, W2d)에 연결되고, 양 단이 소정 간격으로 이격되어 서로 대향하는 전극(EL1a, EL1b, EL1c, EL1d, EL2a, EL2b, EL2c, EL2d)을 구비한다. 여기서, 회전팬(630)은 구동 전원부(650)로부터 전원을 공급받아 회전하게 된다.

이때, 4쌍의 도선(W1a, W1b, W1c, W1d, W2a, W2b, W2c, W2d)중 어느 2 쌍(W1b, W1d, W2b, W2d)은 좌측 도선(W1b, W1d)이 우측 도선(W2b, W2d)보다 짧고, 다른 2 쌍(W1a, W1c, W2a, W2c)은 우측 도선(W1a, W1c)이 좌측 도선(W2a, W2c)보다 짧게 형성된다. 도선 W1b, W1d, W2b, W2d 주변에서는 밸러스트 워터 처리장치의 좌측 영역의 플라즈마 처리를 지속시켜 잔류시간을 증대시키고, 도선 W1a, W1c, W2a, W2c 주변에서는 밸러스트 워터 처리장치의 좌측 영역의 플라즈마 처리를 지속시켜 잔류시간을 증대시킬 수 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 실시 예에서는, 밸러스트 워터가 도선의 외주변을 회전, 소용돌이 회전 또는 역 소용돌이 회전하며 섞이게 된다. 방전전극간의 소정 간격은 10mm내지 30mm이고, 밸러스트 워터 처리장치의 좌측면으로부터 우측면까지의 거리는 80mm내지 350mm로 형성하여, 아크 플라즈마 발생을 강화하는 것이 바람직하다. 여기서, 방전전극간의 소정 간격이 10mm 미만일 경우에는 제조가 어렵고, 30mm를 초과할 경우에는 플라즈마 발생 효율이 떨어지는 문제점이 있다. 또한, 밸러스트 워터 처리장치의 좌측면으로부터 우측면까지의 거리가 80mm 미만이거나 350mm를 초과하도록 형성되면, 모두 방전전극간의 플라즈마 발생 효율이 떨어지는 문제점이 있다. 따라서, 방전전극간의 소정 간격은 10mm내지 30mm이고, 밸러스트 워터 처리장치의 좌측면으로부터 우측면까지의 거리는 80mm내지 350mm로 형성하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 실시예에서는 방전 전극의 구조로서 상기와 같은 구조를 그 예로 들었으나, 이에 한정되는 것은 아니고, 방전전극의 배열 및 개수를 변경하여 밸러스트 워터 처리장치 내에서의 플라즈마 방전을 위한 다른 구조에도 적용될 수 있다는 것은 자명하다.

한편, 도 1 내지 도 6에 도시된 방전전극의 구조는 도 7 내지 도 9에 도시된 다단의 밸러스트 워터 처리장치(multi-statement ballast water control device)에도 각각 적용될 수 있다.

도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 밸러스트 워터 처리 장치의 구성을 나타내는 도면이다.

도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 밸러스트 워터 처리 장치는, 밸러스트 워터 처리 장치를 다단 구조물(710, 720)상에 복수 개(700a~700e)로 병렬로 배열하여 외부로부터 유입된 밸러스트 워터를 플라즈마 처리하여 배출시키는 구조이다.

도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 밸러스트 워터 처리 장치의 구성을 나타내는 도면이다.

도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 밸러스트 워터 처리 장치는, 밸러스트 워터 처리 장치를 다단 구조물(810, 820)상에 복수 개(800a~800e)로 병렬로 배열하고, 밸러스트 워터 처리 장치로부터 각각 배출된 밸러스트 워터를 하나의 저장소(830)로 모으고, 모아진 밸러스트 워터를 다단 구조물(840, 850)상에 배열된 복수 개(850a~850e)의 밸러스트 워터 처리 장치로 공급하여 재플라즈마 처리하여 배출시키는 구조이다.

도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 밸러스트 워터 처리 장치의 구성을 나타내는 도면이다.

도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 밸러스트 워터 처리 장치는, 밸러스트 워터 처리 장치를 다단 구조물(910 내지 940)상에 복수 개(920a~920e, 930a~930e, 940a~940e)로 병렬로 배열하고, 외부로부터 유입되는 밸러스트 워터를 복수개의 밸러스트 워터 처리 장치로 동일하게 분배하여, 동일하게 분배되어 유입된 밸러스트 워터를 각각 플라즈마 처리하여 배출시키는 구조이다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 밸러스트 워터 처리장치에 의하면, 두 전극 사이에 전도채널을 형성할 때만 고전압을 형성하고, 일단 형성된 전도채널에 플라즈마 방전을 유지하기 위해서는 저전압을 사용하기 때문에 효과적으로 밸러스트 워터 처리를 할 수 있을 뿐만 아니라, 밸러스트 워터 처리를 위해 요구되는 에너지를 크게 절약할 수 있다.

이와 같이, 상술한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타나며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

도 1a 및 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 밸러스트 워터 처리 장치의 구성을 나타내는 도면.

도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 밸러스트 워터 처리 장치의 구성을 나타내는 도면.

도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 밸러스트 워터 처리 장치의 구성을 나타내는 도면.

도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 밸러스트 워터 처리 장치의 구성을 나타내는 도면.

도 5a 및 5b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 밸러스트 워터 처리 장치의 구성을 나타내는 도면.

도 6a 및 6b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 밸러스트 워터 처리 장치의 구성을 나타내는 도면.

도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 밸러스트 워터 처리 장치의 구성을 나타내는 도면.

도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 밸러스트 워터 처리 장치의 구성을 나타내는 도면.

도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 밸러스트 워터 처리 장치의 구성을 나타내는 도면.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100: 밸러스트 워터 처리장치 110: 제1 전원부

120: 제2 전원부 130, 230, 330, 430, 530, 630: 회전 팬

140, 240, 340, 440, 540, 640: 분배기

150, 650: 구동전원부

EL1, EL2, EL1a, EL1b, EL1c, EL1d, EL2a, EL2b, EL2c, EL2d: 방전 전극

W1, W2, W1a, W1b, W1c, W1d, W2a, W2b, W2c, W2d: 도선

700a~700e,800a~800e,920a~920e,930a~930e,940a~940e: 복수 개의 밸러스트 워터 처리장치

830: 저장소

Claims (12)

1. 외부로부터 유입된 밸러스트 워터를 플라즈마 처리하여 배출시키는 밸러스트 워터 처리 장치에서,

   하부에 장착되어 밸러스트 워터를 섞이도록 수중에서 수평으로 소정 시간동안 회전하는 회전팬(130);

   상부에 장착되어 상기 섞인 밸러스트 워터를 일정한 유량과 유속으로 외부로 배출시키는 분배기(140); 및

   상기 회전 팬(130)과 상기 분배기(140) 사이에 좌우측면으로부터 내부방향으로 각각 돌출된 한 쌍의 도선(W1, W2)에 연결되고, 양 단이 소정 간격으로 이격되어 서로 대향하는 전극을 구비하고, 그 외부로부터 공급된 고전압 펄스를 이용하여 상기 밸러스트 워터를 방전시키는 방전전극(EL1, EL2);을 포함하되,

   상기 방전전극(EL1, EL2)은, 20000 내지 40000 V의 전압, 0.7 내지 1.5 mA의 전류, 10 내지 30KHz의 주파수를 가지는 제1 고전압 펄스를 공급받아 상기 방전전극(EL1, EL2) 간에 아크 플라즈마를 발생시켜 전도채널이 형성된 후, 3000 내지 5000 V의 전압, 200 내지 330 mA의 전류, 50 내지 70Hz의 주파수를 가지는 제2 고전압 펄스를 공급받아 상기 아크 플라즈마를 5초 내지 10초동안 유지시키고;

   방전전극(EL1, EL2) 간에 전도채널이 발생되면, 제1 고전압 펄스를 상기 방전전극(EL1, EL2)으로의 공급을 오프시키고, 상기 제2 고전압 펄스를 상기 방전전극(EL1, EL2)으로의 공급을 온시키는 제어부(미도시)를 더 포함하며;

   상기 회전 팬(130)에 연결되어 상기 회전 팬(130)의 구동전원을 공급하는 구동전원부(150)를 더 포함하고;

   방전전극(EL1, EL2)은, 회전 팬(330)과 분배기(340) 사이에 좌우측면으로부터 내부방향으로 각각 돌출된 2쌍의 도선(W1a, W1b, W2a, W2b)에 연결되고, 양 단이 소정 간격으로 이격되어 서로 대향하는 전극(EL1a, EL1b, EL2a, EL2b)을 구비하고, 2쌍의 도선(W1a, W1b, W2a, W2b)중 어느 하나는 좌측 도선(W1a)이 우측 도선(W2a)보다 짧고, 다른 하나는 우측 도선(W2b)이 좌측 도선(W1b)보다 짧은 것을 특징으로 하는 밸러스트 워터 처리 장치.
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