KR100927414B1 - 플라즈마 처리장치 및 처리방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 플라즈마 처리장치 및 처리방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 플라즈마 처리장치는, 밸러스트 워터를 플라즈마 처리하여 밸러스트 워터에 포함된 미생물을 제거하는 플라즈마 처리장치로서, 20000 내지 40000 V의 전압, 0.7 내지 1.5 mA의 전류, 10 내지 30KHz의 주파수를 가지는 제1 고전압 펄스를 발생시키는 제1 전원부; 제1 전원부와 병렬로 연결되고, 3000 내지 5000 V의 전압, 200 내지 330 mA의 전류, 50 내지 70Hz의 주파수를 가지는 제2 고전압 펄스를 발생시키는 제2 전원부; 제1 전원부 및 제2 전원부로부터 발생된 제1 고전압 펄스 및 제2 고전압 펄스를 이용하여 수중에서 방전시키는 방전전극; 및 방전전극과 제1 전원부 및 제2 전원부 사이에 각각 연결되어 제1 고전압 펄스 및 제2 고전압 펄스의 공급을 온오프하는 제1 스위칭 소자 및 제2 스위칭 소자;를 포함하고, 제1 고전압 펄스가 방전전극으로 공급되고, 방전전극 간에 아크 플라즈마를 발생시켜 전도채널이 형성된 후, 제2 고전압 펄스가 방전전극으로 공급되어 아크 플라즈마를 소정 시간동안 유지시킨다.
고전압 펄스, 방전전극, 아크 플라즈마, 스위칭 소자

Description

플라즈마 처리장치 및 처리방법{PLASMA TREATMENT DEVICE AND METHOD THEREOF}
본 발명은 플라즈마 처리장치 및 처리방법에 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. 이러한 이유로 인해, 다양한 방법을 이용한 선박 밸러스트 워터처리시스템이 개발되어 지고 있다.
밸러스트 워터처리 시스템은 크게 두 가지 과정으로 나누어져 있다. 첫 번째 밸러스트 워터처리 과정은 해수에 있는 약 10 내지 50마이크론 이상되는 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 형 태(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 수처리 방법이고, 두 번째 방법은 물리적인 수 처리 방법으로서 UV광선(Uultra Violet light), 해수 용존 산소 제거, 고압가스 이용, 초음파 이용, 케비테이션(Cavitation)이용 등이 있다.
화학적 수처리 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. 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 수처리 방법은 이들 화학물질들이 밸러스트 워터처리과정에 사용된 후, 안전하게 폐기 처리하는 것을 의무화하고 있다.
물리적 수처리 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 UV수처리 방법이 제 효과를 낼 수 없게 된다. 또한, UV 램프 표면에 찌꺼기들이 끼게 되면 UV광선이 UV램프에서 해수로 효과적으로 나올수 있게 되어 그 효과가 감소되는 단점이 있다.
물리적 수처리 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 해수에서 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 채워넣어야 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 수처리 방법 중에 초음파를 이용하는 방법은 해수에 초음파를 이용하여 박테리아 표면에 충격을 가해서 박테리아를 죽이는 방법인데, 초음파가 해수에 서 전파되는 폭(길이)이 수 밀리미터(mm)밖에 안되기 때문에 5,000m2나 되는 엄청난 해수를 10시간 정도에 처리해야 하는 밸러스트 워터처리 방법으로서는 현실적이지 못하다는 단점이 있다.
밸러스트 워터처리를 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 워터처리를 위해 플라즈마 아크를 사용할 경우 에너지 소비량이 많아서 경제적이지 못하다. 이 때문에 밸러스트 수처리를 위해 바닷물에서 경제적이면서도 박테리아를 효과적으로 죽일 수 있는 새로운 플라즈마 방전 기술을 개발할 필요가 있다.
따라서, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 밸러스트 워터처리를 위하여 해수에 화학물질을 첨가하지 않고, 물리적인 방법을 사용하여 해수에 있는 박테리아를 박멸할 수 있는 플라즈마 처리장치 및 처리방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 본 발명은, 해수에서 고전압방전 플라즈마를 생성시켜 해수에 있는 각종 박테리아를 박멸할 수 있는 플라즈마 처리장치 및 처리방법을 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 플라즈마 처리장치 및 처리방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 본 발명은, 전기전도도가 높은 해수에서 두 전극 사이에 만들어진 전도채널에 고 전류의 플라즈마를 지속적으로 유지시킬 수 있는 플라즈마 처리장치 및 처리방법을 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 워터 처리에 요구되는 에너지 소비를 최소화할 수 있는 플라즈마 처리장치 및 처리방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 플라즈마 처리장치는, 밸러스트 워터를 플라즈마 처리하여 밸러스트 워터에 포함된 미생물을 제거하는 플라즈마 처리장치로서, 20000 내지 40000 V의 전압, 0.7 내지 1.5 mA의 전류, 10 내지 30KHz의 주파수를 가지는 제1 고전압 펄스를 발생시키는 제1 전원부; 제1 전원부와 병렬로 연결되고, 3000 내지 5000 V의 전압, 200 내지 330 mA의 전류, 50 내지 70Hz의 주파수를 가지는 제2 고전압 펄스를 발생시키는 제2 전원부; 제1 전원부 및 제2 전원부로부터 발생된 제1 고전압 펄스 및 제2 고전압 펄스를 이용하여 수중에서 방전시키는 방전전극; 및 방전전극과 제1 전원부 및 제2 전원부 사이에 각각 연결되어 제1 고전압 펄스 및 제2 고전압 펄스의 공급을 온오프하는 제1 스위칭 소자 및 제2 스위칭 소자;를 포함하고, 제1 고전압 펄스가 방전전극으로 공급되고, 방전전극 간에 아크 플라즈마를 발생시켜 전도채널이 형성된 후, 제2 고전압 펄스가 방전전극으로 공급되어 아크 플라즈마를 소정 시간동안 유지시킨다.
또한, 플라즈마 처리장치는, 플라즈마 처리장치에 있어서, 제1 스위칭 소자는, 제1 전원부로부터 방전전극 방향으로의 순방향 다이오드이다.
아울러, 플라즈마 처리장치는, 플라즈마 처리장치에 있어서, 제2 스위칭 소자는, 제2 전원부로부터 방전전극 방향으로의 순방향 다이오드이다.
또한, 플라즈마 처리장치는, 플라즈마 처리장치에 있어서, 소정 시간은 5초 내지 10초이다.
아울러, 플라즈마 처리방법은, 플라즈마 처리장치를 이용하여 밸러스트 워터 에 포함된 미생물을 제거하는 플라즈마 처리방법이고, 밸러스트 워터 중에 20000 내지 40000 V의 전압, 0.7 내지 1.5 mA의 전류, 10 내지 30KHz의 주파수를 가지는 제1 고전압 펄스를 방전전극으로 공급하는 제1 단계; 방전전극 간에 아크 플라즈마를 발생시켜 전도채널을 형성하는 제2 단계; 밸러스트 워터중에 3000 내지 5000 V의 전압, 200 내지 330 mA의 전류, 50 내지 70Hz의 주파수를 가지는 제2 고전압 펄스를 공급하는 제3 단계: 및 제2 단계에서 발생된 아크 플라즈마를 소정 시간동안 유지시키는 제4 단계;를 포함한다.
또한, 플라즈마 처리방법은, 플라즈마 처리방법에 있어서, 제2 단계는, 방전전극 간에 전도채널이 발생되면, 제1 고전압 펄스를 방전전극으로의 공급을 오프시키는 과정을 더 포함한다.
아울러, 플라즈마 처리방법은, 플라즈마 처리방법에 있어서, 제4 단계에서, 소정 시간은 5초 내지 10초이다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 플라즈마 처리장치 및 처리방법에 의하면, 밸러스트 워터처리를 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 전극 사이에 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.
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 플라즈마 처리장치 및 처리방법에 관하여 설명하기로 한다.
도 1a 및 1b는 본 발명에 따른 플라즈마 처리장치의 제1 전원부(10)와의 연결 관계 및 출력 펄스를 나타내는 도면이다. 여기서, 도 1a는 본 발명에 따른 플라즈마 처리장치의 제1 전원부(10)와의 연결 관계를 나타내고, 도 1b는 도 1a의 연결 관계를 통한 출력 펄스를 나타내는 도면이다.
도 1a 및 1b에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 플라즈마 처리장치의 제1 전원부(10)는 20000 내지 40000 V의 전압, 0.7 내지 1.5 mA의 전류, 10 내지 30KHz의 주파수를 가지는 제1 고전압 펄스를 발생시킨다. 이때, 발생된 제1 고전압 펄스는 방전전극(EL1, EL2)으로 입력된다.
여기서, 제1 전원부(10)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(10)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.
제1 전원부(10)는, 일반적으로 사용되는 전원 공급기(power supply)와 같은 장치로서, 신호 발생기(Signal generator, 미도시), 증폭기(Amplifier, 미도시), 변환기(Converter, 미도시)로 구성된다. 제1 전원부(10)에 의하여 발생되는 제1 고전압 펄스는, 예를 들면, 전압은 약 30,000V, 주파수는 약 10,000Hz, 전류는 약 1mA로서 소비되는 전력량은 약 30W이 될 수 있다. 이와 같이, 고전압, 고주파, 저전류의 제1 고전압 펄스를 밸러스트 워터 속에 잠겨있는 방전 전극(EL1, EL2) 사이에 걸어주어서 방전 전극(EL1, EL2) 사이에 전자가 흐르는 전도채널(Conductive Channel)을 만든다. 제1 고전압 펄스는 전압이 최대점에 이를 때마다 방전 전극(EL1, EL2) 사이에 아크를 발생시키면서 방전 전극(EL1, EL2) 사이에 전자가 흐르는 전도채널을 형성한다. 즉, 주파수가 10,000Hz의 고전압 펄스를 사용할 경우, 일 초에 약 이 만번씩 두 전극 사이에 아크가 형성되면서 아주 짧은 기간 동안, 즉 수 마이크로 초 동안 방전 전극(EL1, EL2) 사이에 전도채널을 형성하게 된다.
한편, 수중에서 발생시킬 수 있는 플라즈마 공정에 사용되는 열 플라즈마의 생성은 대부분 직류 아크방전에 의해 이루어진다. 이때, 아크 플라즈마의 발생을 유도하기 위해서는 순간적으로 대전력 출력이 용이한 펄스파워를 이용한다. 이 펄스 파워는 아주 짧은 시간에 많은 에너지를 방출하므로, 순간적으로 높은 파워에도 달할 수 있어 폐수 속에 각종 미생물을 제거하는데 효과적으로 적용될 수 있다.
도 2a 및 2b는 본 발명에 따른 플라즈마 처리장치의 제2 전원부(20)와의 연결 관계 및 출력 펄스를 나타내는 도면이다. 여기서, 도 2a는 본 발명에 따른 플라즈마 처리장치의 제2 전원부(20)와의 연결 관계를 나타내고, 도 2b는 도 2a의 연결 관계를 통한 출력 펄스를 나타내는 도면이다.
도 2a 및 2b에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 플라즈마 처리장치의 제2 전원부(20)는, 제1 전원부(10)와 병렬로 연결되고, 3000 내지 5000 V의 전압, 200 내지 330 mA의 전류, 50 내지 70Hz의 주파수를 가지는 제2 고전압 펄스를 발생시킨 다. 이때, 발생된 제2 고전압 펄스는 방전전극(EL1, EL2)으로 입력된다.
여기서, 제2 전원부(20)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(20)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.
제2 전원부(20)는, 신호 발생기(Signal generator, 미도시), 증폭기(Amplifier, 미도시), 변환기(Converter, 미도시)로 구성된다. 본 발명에 사용될 수 있는 제2 고전압 펄스는, 예를 들면, 전압은 약 4,000V, 주파수는 약 60Hz, 전류는 약 250mA로서 소비되는 전력량은 약 1000W가 될 수 있다.
일단 방전전극(EL1, EL2) 사이에 전도채널이 형성되면 제2 전원부(20)를 이용하여 방전전극(EL1, EL2) 사이에 이미 형성된 전도채널에 고전류의 플라즈마를 계속 유지시켜준다.
상기와 같은 구조를 가지는 본 발명에 따른 플라즈마 처리장치에 의하면, 약 1 내지 2 KW의 에너지를 소비하여 밸러스트 워터의 플라즈마 처리를 수행 가능하므로, 대략 10KW이상의 에너지를 소비하는 종래의 플라즈마 처리장치에 비하여 획기적으로 에너지 소비를 줄일 수 있다.
도 3a 및 3b는 본 발명에 따른 플라즈마 처리장치의 구성 및 출력 파형을 나타내는 도면이다. 여기서, 도 3a는 본 발명에 따른 플라즈마 처리장치의 구성을 나타내는 도면이고, 도 3b는 본 발명에 따른 플라즈마 처리장치의 출력 파형을 나타내는 도면이다.
도 3a에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 플라즈마 처리장치는, 밸러스트 워터를 플라즈마 처리하여 밸러스트 워터에 포함된 미생물을 제거하는 플라즈마 처리장치로서, 제1 전원부(10), 제2 전원부(20), 방전전극(EL1, EL2), 제1 스위칭 소자(30) 및 제2 스위칭 소자(40)를 포함한다.
제1 전원부(10)는, 20000 내지 40000 V의 전압, 0.7 내지 1.5 mA의 전류, 10 내지 30KHz의 주파수를 가지는 제1 고전압 펄스를 발생시킨다. 이때, 발생된 제1 고전압 펄스는 방전전극(EL1, EL2)으로 입력된다. 제1 고전압 펄스가 공급된 제1 전원부(10)로부터 출력신호들이 시간에 따라 어떻게 변화하는지를 설명하자면, 제1 전원부(10)에서 나오는 고전압, 고주파수의 펄스신호(즉, 제1 고전압 펄스)가 방전전극(EL1, EL2) 사이에 공급되어, 위쪽 최대값과 아래쪽 최대값을 가질 때, 방전전극(EL1, EL2) 사이에 아크 플라즈마가 형성되면서 아주 짧은 기간 동안이지만 전도채널이 형성된다.
제2 전원부(20)는, 제1 전원부(10)와 병렬로 연결되고, 3000 내지 5000 V의 전압, 200 내지 330 mA의 전류, 50 내지 70Hz의 주파수를 가지는 제2 고전압 펄스를 발생시킨다. 이때, 발생된 제2 고전압 펄스는 방전전극(EL1, EL2)으로 입력된다.
방전전극(EL1, EL2)은, 제1 전원부(10) 및 제2 전원부(20)로부터 발생된 제1 고전압 펄스 및 제2 고전압 펄스를 이용하여 수중에서 방전시킨다.
제1 스위칭 소자(30) 및 제2 스위칭 소자(40)는, 방전전극(EL1, EL2)과 제1 전원부(10) 및 제2 전원부(20) 사이에 각각 연결되어 제1 고전압 펄스 및 제2 고전압 펄스의 공급을 온오프시켜준다.
보다 상세하게 설명하자면, 도 3a에 도시된 본 발명에 따른 플라즈마 처리장치는, 약 20000 내지 40000 V의 고전압을 사용하는 제1 전원부(10)와 약 3000 내지 5000V의 전압을 사용하는 제2 전원부(20)가 서로 병렬로 연결된 구조이다. 또한, 제1 전원부(10)에서 사용되는 고전압이 제2 전원부(20)로 흘러들어가는 것을 방지하기 위하여 제2 전원부(20) 쪽의 고압 전극선에 제1 스위칭 소자(30)가 연결된다. 마찬가지로 제1 전원부(10) 쪽의 고압 전극선에 또 하나의 제2 스위칭 소자(40)가 연결되어 제1 전원부(10) 쪽의 전압이 제2 전원부(20)의 전압보다 낮아질 경우에도 제2 전원부(20)에서 전압이 거꾸로 제1 전원부(10)로 흐르는 것을 막아준다.
도 3b에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 플라즈마 처리장치의 출력 파형은, 제1 전원부(10)에 의하여 공급된 제1 고전압 펄스에 의한 출력 파형에 제2 전원부(20)에 의하여 공급된 제2 고전압 펄스(즉, 저전압 고전류)가 중첩된 신호이다. 이때, 중첩된 신호는, 제1 고전압 펄스에 의하여 플라즈마 발생장치의 방전전극(EL1, EL2) 사이에 전도채널이 형성되는 순간, 제2 고전압 펄스에 의하여 플라즈마 발생장치의 고전류를 약 4,000V정도로 계속 공급함으로써, 방전전극(EL1, EL2) 사이에 아크 플라즈마가 계속 유지될 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 플라즈마 처리방법의 순서를 나타내는 순서도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 플라즈마 처리방법은, 밸러스트 워터에 포함된 미생물을 제거하는 플라즈마 처리방법이고, 밸러스트 워터 중에 20000 내지 40000 V의 전압, 0.7 내지 1.5 mA의 전류, 10 내지 30KHz의 주파수를 가지는 제1 고전압 펄스를 방전전극으로 공급하는 제1 단계(S100); 방전전극 간에 아크 플라즈마를 발생시켜 전도채널을 형성하는 제2 단계(S200); 밸러스트 워터중에 3000 내지 5000 V의 전압, 200 내지 330 mA의 전류, 50 내지 70Hz의 주파수를 가지는 제2 고전압 펄스를 공급하는 제3 단계(S300); 및 제2 단계에서 발생된 아크 플라즈마를 소정 시간동안 유지시키는 제4 단계(S400);를 포함한다.
제2 단계(S200)는, 방전전극 간에 전도채널이 발생되면, 제1 고전압 펄스를 방전전극으로의 공급을 오프시키는 과정을 더 포함한다.
여기서, 제4 단계(S400)에서는, 아크 플라즈마를 5초 내지 10초동안 유지시키게 된다. 아크 플라즈마를 5초 미만 또는 10초를 초과하도록 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.
제1 및 제2 고전압펄스의 공급에 의하여 발생된 플라즈마는 방전전극을 통해 해수 내에서 펄스를 일으켜 플랑크톤 및 박테리아의 생존율을 획기적으로 줄일 수 있다. 펄스전압은 고전압의 경우에 멸균의 효과가 더 있고, 궁극적으로는 단위시간당 펄스의 발생 주파수가 높아지고, 그 충격량이 크면 클수록 멸균에 효과가 있다. 그러나, 이를 달성하기 위하여는 에너지의 소비가 과도하게 증대될 수 있으므로, 본 발명에서는 제1 및 제2 전원부를 방전전극에 연결하여 제1 전원부로부터 공급된 고전압 펄스를 통해 아크 플라즈마를 발생시킨 다음, 제2 전원부로부터 공급된 저전류 펄스를 통하여 플라즈마 상태를 오래 지속시켜줌으로써, 에너지 소비를 크게 절약할 수 있다.
상기와 같이, 본 발명에 따른 플라즈마 처리장치 및 처리방법에 의하면, 밸러스트 워터처리를 위하여 해수에 화학물질을 첨가하지 않고, 물리적인 방법, 즉 해수에서 고전압방전 플라즈마를 생성시켜 해수에 있는 각종 박테리아를 박멸할 수 있다. 또한, 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.
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 한정적 인 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 발명에 따른 플라즈마 처리장치의 제1 전원부와의 연결 관계 및 출력 펄스를 나타내는 도면.
도 2a 및 2b는 본 발명에 따른 플라즈마 처리장치의 제2 전원부와의 연결 관계 및 출력 펄스를 나타내는 도면.
도 3a 및 3b는 본 발명에 따른 플라즈마 처리장치의 구성 및 출력펄스를 나타내는 도면.
도 4는 본 발명에 따른 플라즈마 처리방법의 순서를 나타내는 순서도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10: 제1 전원부 20: 제2 전원부
30: 제1 스위칭 소자 40: 제2 스위칭 소자
EL1, EL2: 방전 전극

Claims (7)

  1. 밸러스트 워터를 플라즈마 처리하여 상기 밸러스트 워터에 포함된 미생물을 제거하는 플라즈마 처리방법에 있어서,
    밸러스트 워터 중에 20000 내지 40000 V의 전압, 0.7 내지 1.5 mA의 전류, 10 내지 30KHz의 주파수를 가지는 제1 고전압 펄스를 방전전극으로 공급하는 제1 단계;
    상기 방전전극 간에 아크 플라즈마를 발생시켜 전도채널을 형성하는 제2 단계;
    상기 밸러스트 워터중에 3000 내지 5000 V의 전압, 200 내지 330 mA의 전류, 50 내지 70Hz의 주파수를 가지는 제2 고전압 펄스를 공급하는 제3 단계: 및
    상기 제2 단계에서 발생된 아크 플라즈마를 소정 시간동안 유지시키는 제4 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 20000 내지 40000 V의 전압, 0.7 내지 1.5 mA의 전류, 10 내지 30KHz의 주파수를 가지는 제1 고전압 펄스를 발생시키는 제1 전원부(10); 상기 제1 전원부(10)와 병렬로 연결되고, 3000 내지 5000 V의 전압, 200 내지 330 mA의 전류, 50 내지 70Hz의 주파수를 가지는 제2 고전압 펄스를 발생시키는 제2 전원부(20); 상기 제1 전원부(10) 및 상기 제2 전원부(20)로부터 발생된 제1 고전압 펄스 및 제2 고전압 펄스를 이용하여 수중에서 방전시키는 방전전극(EL1, EL2); 및 상기 방전전극(EL1, EL2)과 상기 제1 전원부(10) 및 상기 제2 전원부(20) 사이에 각각 연결되어 상기 제1 고전압 펄스 및 상기 제2 고전압 펄스의 공급을 온오프하는 제1 스위칭 소자(30) 및 제2 스위칭 소자(40);를 포함하고, 상기 제1 고전압 펄스가 상기 방전전극(EL1, EL2)으로 공급되고, 상기 방전전극(EL1, EL2) 간에 아크 플라즈마를 발생시켜 전도채널이 형성된 후, 상기 제2 고전압 펄스가 상기 방전전극(EL1, EL2)으로 공급되어 상기 아크 플라즈마를 소정 시간동안 유지시키도록 된 플라즈마 처리장치를 이용하여 밸러스트 워터에 포함된 미생물을 제거하는 플라즈마 처리방법에 관한 것으로,
    밸러스트 워터 중에 20000 내지 40000 V의 전압, 0.7 내지 1.5 mA의 전류, 10 내지 30KHz의 주파수를 가지는 제1 고전압 펄스를 방전전극으로 공급하는 제1 단계;
    상기 방전전극 간에 아크 플라즈마를 발생시켜 전도채널을 형성하는 제2 단계;
    상기 밸러스트 워터중에 3000 내지 5000 V의 전압, 200 내지 330 mA의 전류, 50 내지 70Hz의 주파수를 가지는 제2 고전압 펄스를 공급하는 제3 단계: 및
    상기 제2 단계에서 발생된 아크 플라즈마를 소정 시간동안 유지시키는 제4 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제2 단계는, 상기 방전전극 간에 전도채널이 발생되면, 상기 제1 고전압 펄스를 상기 방전전극으로의 공급을 오프시키는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제4 단계에서, 상기 소정 시간은 5초 내지 10초인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리방법.
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