KR101194796B1 - 펄스 전기장을 이용한 수질정화장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 다양한 종류의 폐수, 오수 또는 일반 물 등에 포함되어 있는 유해 화학물질, 유기성 오탁물질 또는 물을 펄스 전기장으로 처리하여 물성을 변화시켜 정화처리하는 수질정화장치에 관한 것이다.
본 발명의 펄스 전기장을 이용한 수질정화장치는 폐수 또는 오수에 펄스 전기장을 가하여 양이온 계면활성제와 음이온 계면활성제의 임계미셀농도를 낮추어 미셀 형성을 유도함으로써 계면활성제의 제거를 용이하게 하고, 또한 펄스 전기장 처리에 의해 물 분자의 운동속도가 느려져 물의 가장 안정적인 구조인 6각 구조를 형성하며 폐수 또는 오수의 유기물질이 제거되고 시간이 경과하여도 유기물질 제거효과가 유지된다.

Description

펄스 전기장을 이용한 수질정화장치{water purification apparatus using pulsed electric field}
본 발명은 다양한 종류의 폐수, 오수 또는 일반 물 등에 포함되어 있는 유해 화학물질, 유기성 오탁물질 또는 물을 펄스 전기장으로 처리하여 물성을 변화시켜 정화처리하는 수질정화장치에 관한 것이다.
최근 환경문제는 인구증가, 도시화, 산업화와 밀접한 관련을 맺고 있으며, 인구가 증가하면 생산과 소비를 그만큼 더 많이 하게 되고 그 과정에서 환경이 파괴되며 오염물질의 배출량도 늘어나게 된다.
현재, 하천이나 호수, 지하수, 다양한 종류의 산업폐수 및 오수에 포함되어 있는 유해 화학물질 및 유기성 오탁물질을 정화하기 위해 적용되고 있는 생물, 화학적 처리기술들은 처리 후 다량의 폐기물이 발생하고 소독부산물인 트리할로메탄(trihalomethane) 등의 위해성 물질이 잔류하며, 또한 2차 오염의 문제점과 높은 운전비용으로 인해 광범위한 기술의 적용에 걸림돌이 되고 있다.
이러한 추세 속에서 펄스 전기장 처리를 이용한 연구는 생물, 화학적 처리방법에 따른 부산물인 폐기물을 발생시키지 않으며, 위해성 물질 발생 등의 안전성 문제, 2차 오염의 문제, 시스템 관련 유지비의 절감 등 다양한 이익을 얻을 수 있는 기술로 평가되고 있다.
이에 따라 최근 펄스 전기장에 의한 미생물의 사멸, 응집효과, 파울링(fouling) 제어 등 펄스 전기장 처리에 대한 다양한 연구가 진행되고 있으며, 약 25 ㎸/㎝ 이상의 직류전기장에 의해 세균과 효모가 사멸되고 미생물의 종류, 전기장의 세기, 처리시간 등에 의해 처리효율 면에서 영향을 받는 것으로 학계에 보고되어 있다.
또한, 펄스 전기응집을 이용한 폐수처리 방법은 산화제 및 환원제와 같은 첨가제가 필요 없으므로 후속처리가 불필요하며, 생물학적 처리에 비해 단위부피당 장치의 처리능력이 크고 투자비 및 운용비용이 저렴한 장점이 있다.
뿐만 아니라, 중금속 이온 및 시안화물 이온 등과 같이 생물학적 처리가 어려운 폐수에도 적용할 수 있고 상온 상압 조건하에서 처리가 용이하며, 계절적 영향을 받지 않고 간단한 조작으로 다양한 폐수처리가 가능하며 안정적인 처리결과를 얻을 수 있다는 장점이 있다.
펄스 전기응집을 이용한 파울링 제어에서도 멤브레인 파울링의 주요 인자인 콜로이드 입자의 표면전위의 변화를 유도하여 콜로이드 파울링을 억제하고 분리막의 처리효과를 증가시킨다는 결과를 얻었고, 필터 교체주기의 향상에 영향을 미치는 것으로 보고되었다.
그러나 펄스 전기장 처리에 관한 많은 연구가 행해지고 있음에도 불구하고 펄스 전기장 수처리의 매개체인 물과 수처리 대상인 유기물질의 구조적 변화에 관한 연구는 미진한 실정으로서, 펄스 전기장 처리에 의한 물과 유기물질의 물성변화를 이용하여 최적화된 수질정화방법은 아직까지 개발되지 못하고 있다.
한국등록특허공보 제0441405호에는 반응조에 지하수, 지표수, 오수 또는 폐수와 알루미나 시멘트 및 칼슘 화합물을 투입한 다음 전기장을 부가하여 물속에 존재하는 음이온을 불용성 착염으로 형성시켜 제거하는 음이온의 화학적 침전 제거 방법이 개시되어 있다.
상기 발명은 전기장을 부가하여 반응조 내의 음이온 및 칼슘이온의 활동도를 향상시킴으로써, 종래의 방법에 비하여 음이온 착염화 반응의 효율을 2배 정도 향상시킬 수 있으며, 이러한 결과로부터 물속의 음이온 제거 효율을 높이고 부가적인 염의 사용과 처리수 내의 염의 존재로 인한 부식 등의 문제를 피할 수 있으며, 분리막 사용에 의한 막대한 유지비와 생물학적 탈질법에 의한 낮은 처리속도 및 미생물의 살균처리 문제를 극복할 수 있는 장점이 있다.
또한, 한국공개특허공보 제2000-0016830호에는 주류 또는 식음료를 넣은 용기에 순간적으로 특정 범위의 고전압 펄스 전기장을 가하여 이들의 변패에 작용하는 미생물을 비열 살균함으로써 이들 주류 또는 식음료의 저장성을 연장시키는 동시에 품질을 향상시키는 비열살균방법이 개시되어 있으며, 한국등록특허공보 제1056352호에는 당귀의 열수추출물에 고전압 펄스 전기장을 가하여 당귀의 활성물질의 파괴 없이 세포벽만 선택적인 파괴가 가능하여 종래 통상적인 추출기술에 비하여 천연물인 당귀의 생리활성물질에 대한 높은 추출 수율을 가지도록 하는 방법이 개시되어 있다.
상기와 같이 펄스 전기장을 이용하여 음이온을 침전 제거하거나 식재료의 살균 또는 활성물질을 추출하는 방법이 일부 분야에 적용되고 있으나, 펄스 전기장으로 물질의 물성, 특히 수처리 분야의 매개체인 물과 처리대상물인 유기물질의 구조적 변화를 도모하여 수질정화 시스템에 적용하는 방법은 아직까지 개발되지 못하고 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 펄스 전기장을 이용하여 폐수 또는 오수에 포함되어 있는 유기물질과 물의 물성변화를 유도하여, 폐수 또는 오수를 첨가제 없이 안정적으로 처리하여 2차 오염을 유발하지 않도록 하는 수질정화장치를 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 수용액을 저장하는 수조(10), 상기 수조(10)의 수용액을 전기장 발생장치(40)로 이송하는 펌프(30) 및 상기 펌프(30)로부터 이송된 수용액에 펄스 전기장을 부가하는 전기장 발생장치(40)를 포함하며, 상기 전기장 발생장치(40)는 내부공간을 가지는 몸체(41), 상기 몸체(41)의 하부에 설치되어 수용액이 상기 몸체(41)의 내부공간으로 유입되는 통로를 제공하는 하부몸체(42), 상기 몸체(41)의 상부에 설치되어 수용액이 상기 몸체(41)의 내부공간으로부터 배출되는 통로를 제공하는 상부몸체(43), 상기 몸체(41)의 내부공간에 고정되며 전극으로 사용되는 하전전극(44), 상기 몸체(41)의 표면에 고정되고 상기 하전전극(44)과 일정간격 이격되며 전극으로 사용되는 반대전극(45), 상기 하전전극(44)과 몸체(41) 사이에 형성되어 수용액이 상방향으로 통과하는 유로(47) 및 상기 하전전극(44)과 반대전극(45)에 전기적으로 연결되어 상기 하전전극(44)과 반대전극(45)에 전기를 공급하는 전기공급부(46)로 구성되며, 상기 하전전극(44)의 외주면에 나선부(50)가 추가되거나, 또는 반대전극(45)이 나선형으로 몸체(41) 내주면에 고정설치되어 상기 유로(47)를 통과하는 수용액이 와류를 형성하는 수질정화장치(100)를 제공한다.
이때, 상기 수조(10), 펌프(30) 및 전기장 발생장치(40)는 배관으로 연결되어 수조(10)에 저장된 수용액이 펌프(30)와 전기장 발생장치(40)를 순환하도록 구성된 것이 바람직하다.
또한, 상기 수조(10)에는 수용액을 교반하는 교반기(20)가 설치된 것이 바람직하다.
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본 발명의 펄스 전기장을 이용한 수질정화장치는 폐수 또는 오수에 펄스 전기장을 가하여 양이온 계면활성제와 음이온 계면활성제의 임계미셀농도를 낮추어 미셀 형성을 유도함으로써 계면활성제의 제거를 용이하게 한다.
또한, 펄스 전기장 처리에 의해 물 분자의 운동속도가 느려져 물의 가장 안정적인 구조인 6각 구조를 형성하며, 폐수 또는 오수의 유기물질이 제거되고 시간이 경과하여도 유기물질 제거효과가 유지된다.
도 1은 본 발명에 따른 수질정화장치의 바람직한 일 실시예를 개략적으로 나타낸 구성도이다,
도 2는 양이온 계면활성제의 임계미셀농도 변화를 도전율계로 측정한 그래프이다.
도 3은 음이온 계면활성제의 임계미셀농도 변화를 도전율계로 측정한 그래프이다.
도 4는 펄스 전기장 처리시간에 따른 물의 구조변화를 FT-IR 스펙트럼으로 로 분석한 그래프이다.
도 5는 이온교환수의 반피폭 변화를 NMR 장치로 측정한 그래프이다.
도 6은 펄스 전기장 처리시간에 따른 수돗물의 UV-vis 변화를 UV-vis Spectrophotometer로 측정한 그래프이다.
도 7은 100 ㎎/ℓ 농도의 음이온 계면활성제에 대한 펄스 전기장 처리시간에 따른 UV-vis 변화를 UV-vis Spectrophotometer로 측정한 그래프이다.
도 8은 1000 ㎎/ℓ 농도의 음이온 계면활성제에 대한 펄스 전기장 처리시간에 따른 UV-vis 변화를 UV-vis Spectrophotometer로 측정한 그래프이다.
도 9는 펄스 전기장 처리시간에 따른 휴믹산의 UV-vis 변화를 UV-vis Spectrophotometer로 측정한 그래프이다.
도 10은 휴믹산에 대한 펄스 전기장 처리 7 일 후의 UV-vis 변화를 UV-vis Spectrophotometer로 측정한 그래프이다.
본 발명은 펄스 전기장 발생장치가 구비된 수질정화장치에 폐수, 오수 또는 일반 물 등의 수용액을 통과시켜 폐수 또는 오수에 포함되어 있는 유해 화학물질, 유기성 오탁물질 또는 물의 물성변화를 유도하여 펄스 전기장 발생장치에서 안정적인 정화처리가 이루어질 수 있도록 한다.
이하, 본 발명을 첨부도면에 의거하여 상세히 설명한다.
도 1에는 본 발명에 따른 수질정화장치의 바람직한 일 실시예가 부호 100으로서 지시되어 있다.
상기 도 1에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 수질정화장치(100)는 수용액을 저장하는 수조(10), 상기 수조(10)의 수용액을 전기장 발생장치(40)로 이송하는 펌프(30) 및 상기 펌프(30)로부터 이송된 수용액에 펄스 전기장을 부가하는 전기장 발생장치(40)를 포함하며, 상기 장치들은 배관으로 연결되어 수조(10)에 저장된 수용액이 펌프(30)와 전기장 발생장치(40)를 순환하도록 구성된다.
상기 수조(10)는 내부에 수용액을 교반하는 교반기(20)가 설치되고, 도시되지는 않았으나 수조(10) 내부의 수용액 온도를 조절하는 가열수단과 온도계, pH 미터 등의 계측수단을 포함할 수 있다.
상기 전기장 발생장치(40)는 내부공간을 가지는 몸체(41), 상기 몸체(41)의 하부에 설치되어 수용액이 상기 몸체(41)의 내부공간으로 유입되는 통로를 제공하는 하부몸체(42), 상기 몸체(41)의 상부에 설치되어 수용액이 상기 몸체(41)의 내부공간으로부터 배출되는 통로를 제공하는 상부몸체(43), 상기 몸체(41)의 내부공간에 고정되며 전극으로 사용되는 하전전극(44), 상기 몸체(41)의 표면에 고정되고 상기 하전전극(44)과 일정간격 이격되며 전극으로 사용되는 반대전극(45) 및 상기 하전전극(44)과 반대전극(45)에 전기적으로 연결되어 상기 하전전극(44)과 반대전극(45)에 전기를 공급하는 전기공급부(46)로 구성되어 있다.
상기 몸체(41)는 내부에 상기 하전전극(44)을 수용하고 수용액이 흐를 수 있는 공간을 가지는데, 그 형상은 원통형, 사각통형, 육각통형 등 필요에 따라 여러 가지 형태가 가능하다.
상기 몸체(41)의 하부에는 수용액이 상기 몸체(41)로 유입되는 통로를 제공하는 하부몸체(42)가 상기 몸체(41)의 하부와 협력하여 수용액이 흐를 수 있는 내부공간을 형성한다.
상기 몸체(41)의 상부에는 수용액이 상기 몸체(41)로부터 배출되는 통로를 제공하고 상기 전기공급부(46)를 지지하는 상부몸체(43)가 상기 몸체(41)의 상부와 협력하여 수용액이 흐를 수 있는 내부공간을 형성한다.
상기 몸체(41)의 내부공간에 수용되는 하전전극(44)은 상기 상부몸체(43)와 하부몸체(42)에 고정 설치되는데, 원기둥 형상으로 상부몸체(43)와 하부몸체(42)에 분리가능하게 고정 설치되는 것이 바람직하다.
상기 반대전극(45)은 상기 몸체(41)의 표면에 고정되어 상기 하전전극(44)과 협력하여 펄스 전기장(48)을 발생하며, 도 1에는 반대전극(45)이 몸체(41)의 외주면에 복수 개 분리설치된 형태를 예시하였으나 원통형, 사각통형, 육각통형 등 몸체(41)의 형상에 맞추어 몸체(41)의 외주면을 감싸도록 설치할 수도 있다.
상기 하전전극(44)과 반대전극(45)은 각각 상기 전기공급부(46)와 전기적으로 연결되어 상기 하전전극(44)과 반대전극(45) 간에 펄스 전기장(48)이 형성되도록 구성되며, 상기 전기공급부(46)는 공급된 교류 전원을 직류로 전환하고 10~50 ㎸로 승압하여 하전전극(44)과 반대전극(45)에 공급한다.
하전전극(44)과 몸체(41) 사이의 유로(47)를 통하여 수용액이 상방향으로 통과하며, 수용액에 의한 하전전극(44)과 반대전극(45)의 부식을 방지하기 위하여 상기 하전전극(44) 외주면에 격벽 또는 피복(49)을 설치하거나 상기 반대전극(45)을 몸체(41)의 외측 표면에 설치하는 것이 바람직하다.
상기 하전전극(44)과 반대전극(45)의 소재로는 탄소, 알루미늄, 구리, 백금, 백금 도금 티타늄 또는 스테인레스 스틸 등이 사용될 수 있으며, 상기 격벽 또는 피복(49)은 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, PVC 또는 세라믹 등이 사용될 수 있다.
상기 하전전극(44)의 외주면과 상기 반대전극(45)의 내측 면 사이의 간격은 360°방향으로 등간격을 유지하는 것이 바람직하며, 이는 전극으로서 작동하는 하전전극(44)과 반대전극(45) 간에 균일한 펄스 전기장(48)을 형성토록 하여 수용액이 전기장 발생장치(40)를 통과하는 동안 균일한 세기의 전기장에 노출되도록 하고, 수용액의 성상에 맞추어 전기공급부(46)의 전압을 제어함으로써 수용액의 유기물질과 물의 물성변화를 수질정화에 최적화시켜 효율적이고 안정적인 정화처리가 이루어지도록 하기 위함이다.
그런데 전기장 발생장치(40)의 반대전극(45)을 원통형으로 설치하여 유로(47)의 모든 공간에 펄스 전기장(48)을 균일하게 형성하도록 할 수 있으나 이 경우 반대전극(45)의 제작비용이 증가하고 전기사용량이 많아지는 단점이 있으며, 또한 운전이 지속됨에 따라 하전전극(44)과 반대전극(45)의 부식으로 인하여 유로(47) 내에 형성되는 펄스 전기장(48)이 불균일하게 될 우려가 있다.
또한, 반대전극(45)을 복수 개 분리된 형태로 설치할 경우 유로(47) 상에는 펄스 전기장(48)이 형성되지 않거나 세기가 약한 공간이 존재할 수 있다.
상기와 같이 유로(47) 상의 모든 공간에 펄스 전기장(48)이 균일하게 형성되지 않았을 경우, 수용액이 정상류(steady flow)를 이루면서 유로(47)를 통과하면 통과위치에 따라 처리된 수용액의 물성차이가 생기고 전기장 발생장치(40)의 처리효율이 저하되는 문제가 있다.
이러한 문제를 해결하는 방안으로써 유로(47)를 통과하는 수용액이 와류를 형성하도록 하여 유로(47) 상에 펄스 전기장(48)이 불균일하게 형성되어도 수용액이 펄스 전기장(48)의 강?약 공간을 최대한 골고루 통과하도록 함으로써 수용액이 전체적으로 동일한 펄스 전기장(48)을 받도록 하는 것이 바람직하다.
수용액에 와류를 형성하는 수단으로는, 하전전극(44) 외주면에 나선부(50)를 추가하거나, 또는 반대전극(45)을 나선형으로 제작하여 몸체(41) 내주면에 고정설치하는 방법이 있다.
전기장 발생장치(40)가 수직으로 설치되고 수용액이 유로(47)를 통하여 상방향으로 진행하므로, 펄스 전기장(48)에 의해 분해되어 기체화되거나 저분자화된 유기물질은 상승하려는 성질을 가지므로 수용액의 흐름에 따라 자연스럽게 상방향으로 신속히 배출됨으로써 수용액의 흐름이 방해받지 않는 동시에 수용액의 전기장 노출시간이 증가하는 효과가 있다.
상기 수질정화장치(100)를 구성하는 각 장치들은 배관으로 연결되는데, 일단이 수조(10)와 접속되고 타단이 전기장 발생장치(40)의 하부몸체(42)와 접속되며 도중에 펌프(30)가 개재되어 수조(10)의 수용액을 전기장 발생장치(40)로 이송하는 배관(L1) 및 일단이 전기장 발생장치(40)의 상부몸체(43)와 접속되고 타단이 수조(10)와 접속되며 전기장 발생장치(40)에서 처리된 수용액을 수조(10)로 이송하는 배관(L2)이 설치되며, 도시되지는 않았으나 수조(10)에 수용액이 인입되는 배관과 수조(10)로부터 수용액을 배출하는 배관이 더 설치될 수 있다.
도 1에는 수조(10)에 저장된 수용액이 펌프(30)와 전기장 발생장치(40)를 순환하도록 한 구성이 예시되어 있으나, 전기장 발생장치(40)를 통과한 수용액이 수조(10)로 순환되지 않고 별도의 용기로 이송되도록 구성하는 것도 물론 가능하다.
이하에서는 상기의 수질정화장치(100)를 이용하여 수질을 정화하는 방법을 실시예 및 시험예를 통하여 설명한다.
단, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명이 하기 실시예에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 치환 및 균등한 타 실시예로 변경할 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백할 것이다.
<실시예>
먼저 전기장 발생장치(40)의 전기공급부(46)에 220 V의 교류전원이 공급되고 상기 전기공급부(46)는 공급된 교류전류를 24 V의 직류전류로 전환한 다음 30 ㎸로 승압하여 몸체(41) 내부의 하전전극(44)과 몸체(41) 표면의 반대전극(45)에 공급하여 하전전극(44)과 반대전극(45) 사이에 펄스 전기장(48)이 형성되도록 하였다.
상기 전기장 발생장치(40)의 크기는 130×120×1700 ㎜(가로×세로×높이)이고 유효 용량은 2 ℓ이며, 상기 하전전극(44)과 반대전극(45)은 백금 도금 티타늄 전극을 사용하였다.
이온교환수(Easy Pure-RoDi, Barnstead, 미국)에 양이온 계면활성제(benzalkonium chloride, Dae-Jung, 한국) 또는 음이온 계면활성제(sodium laurylsulfate, 昭和化學, 일본)를 첨가하여 4000 ㎎/ℓ의 표준용액을 제조하였고, 상기 표준용액에 다시 이온교환수를 첨가하여 4,000 ㎎/ℓ부터 50 ㎎/ℓ간격으로 희석하여 시료용액을 제조하였다.
또한, 이온교환수에 휴믹산(humic acid, ALDRICH, 독일)을 첨가하여 100 ㎎/ℓ의 시료용액을 제조하였고, 이온교환수 또는 수돗물을 그대로 시료용액으로 사용하였다.
상기 시료용액 각각을 교반기(20)와 가열수단이 구비된 수조(10)에 4 ℓ를 채운 다음 교반기(20)로 교반하면서 가열수단을 이용하여 25±1 ℃를 유지하였다.
수조(10)의 시료용액은 배관(L1)상의 펌프(30)를 통하여 전기장 발생장치(40)의 하부몸체(42)로 공급되고, 하부몸체(42)의 내부공간을 통하여 몸체(41)로 유입되어 몸체(41)의 하전전극(44)과 반대전극(45) 사이의 유로(47)를 상방향으로 통과한다.
상기 하전전극(44)과 반대전극(45) 사이에 형성된 펄스 전기장(48)에 의해 시료용액이 반응하여 물과 유기물질이 분해된 후 상부몸체(43)를 통하여 배출된 다음 배관(L2)을 통하여 다시 수조(10)로 순환된다.
상기 전기장 발생장치(40)에서의 시료용액 유량은 1.32 ℓ/min이고 수조(10)의 시료용액이 전기장 발생장치(40)를 1 회 순환하여 반응한 시간은 180 초로서 이를 1 cycle로 하여 640 cycle(1920 분) 동안 접촉시키면서 0, 10, 20, 40, 80, 160, 320, 640 cycle 시점에서 샘플링하였다.
<시험예 1> 임계미셀농도(CMC) 변화
계면활성제는 친수성기와 소수성기를 갖고 있기 때문에 수용액 중에 용해되면 소수성기 부분은 물과의 접촉을 피하기 위하여 가운데로 모이고 친수성기 부분은 바깥쪽으로 배향하여 하나의 회합체인 미셀(micelle)을 형성한다.
이때, 최초로 미셀을 형성하게 되는 농도를 임계미셀농도(critical micelle concentration, CMC)라고 한다.
계면활성제는 용액 속에 소량만 존재하여도 용액 계면이나 표면의 성질을 바꿀 수 있으며, 수용액에서 계면활성제의 농도가 증가함에 따라 세척성, 점성율, 굴절율, 삼투압, 전기전도도, 계면장력 및 표면장력이 크게 변화하게 되지만 임계미셀농도를 기준으로 그 이상의 농도에서는 이런 물성들이 더 이상 크게 변화하지 않으므로 임계미셀농도는 계면활성제의 중요한 특성 중의 하나이다.
계면활성제의 전도도 측정값은 임계미셀농도 전에는 농도가 증가할수록 전도도의 증가폭이 커 기울기가 크지만, 임계미셀농도 이후에는 농도가 증가하여도 전도도의 증가폭이 작아지면서 기울기가 작아지는 양상을 보인다.
따라서 농도에 따른 증가폭의 기울기를 최소자승법으로 구해 임계미셀농도를 얻을 수 있으며, 측정은 도전율계(conductivity meter, YSI 30-10FT, YSI Incorporated, 미국)를 이용하여 전기전도도를 측정하여 나타내었다.
도 2는 양이온 계면활성제인 벤잘코늄클로라이드(benzalkonium chloride)의 임계미셀농도를 측정한 결과로서, 펄스 전기장 처리를 하지 않았을 경우 25 ℃에서 임계미셀농도는 2068 ppm으로 계산되었으나, 펄스 전기장 처리를 하였을 경우 2042 ppm으로 계산되어 약 1.3% 낮아졌다.
도 3은 음이온 계면활성제인 소듐라우릴설페이트(sodium laurylsulfate)의 임계미셀농도를 측정한 결과로서, 펄스 전기장 처리를 하지 않았을 경우 25 ℃에서 임계미셀농도는 1365 ppm으로 계산되었으나, 펄스 전기장 처리를 하였을 경우에는 1240 ppm으로 계산되어 약 9.2% 낮아졌다.
계면활성제는 일반적으로 세척력?에멀션화력?분산력?삼투력?기포력 등을 지니고 있어, 각기 그 특성에 따라 세척제?섬유처리제?에멀션화제?부유선광제(浮遊選鑛劑)?시멘트용 기포제?윤활유 첨가제?살균제?도료분산제 등으로 널리 이용되고 있다.
계면활성제는 자체에 유해성분을 함유하고 있을 뿐만 아니라 농약이나 세제 등의 유해성분이 인체에 쉽게 침투할 수 있게 하므로 이를 제거할 필요가 있는데, 계면활성제가 함유된 물을 펄스 전기장으로 처리함으로써 계면활성제의 임계미셀농도를 낮추어 미셀을 형성하도록 한 다음 이를 투석 등으로 제거하는 방법으로 유해한 계면활성제를 제거할 수 있다.
<시험예 2> FT-IR 변화
FT-IR은 분자의 진동에 바탕을 두고 있는 장비이며, 분자 내에 있는 모든 원자의 화학적 작용기와 관련 있는 스펙트럼을 나타내는 장비로서, 삼원자 분자로 가장 단순한 형태의 화합물이면서 가장 특이한 성질을 가진 물질인 물의 펄스 전기장 처리 전/후의 구조해석 및 구조분석을 위하여 가장 일반적인 물인 수돗물을 시료용액으로 하여 분석하였다.
측정은 FT-IR(Tensor27, BRUKER, 독일)을 이용하였고 측정 kit은 ZnSe, KBr window for liquid cell로 liquid 전용 kit을 사용하였으며, 측정범위는 400~4000 ㎝-1이고 분해능은 1 ㎝-1로 하여 용액상태의 구조변화를 분석하였다.
도 4는 펄스 전기장 처리시간에 따른 FT-IR의 스펙트럼을 나타낸 결과로서, 펄스 전기장 처리 전과 후의 투과도 차이를 확연하게 보여준다.
2200 파장대의 C-N 복합구조 및 1700 파장대의 C=O 구조에서 투과도의 차이를 보이며, 탄소와 산소의 결합구조, 탄소와 질소의 결합구조에 펄스 전기장 처리가 영향을 준 것으로 판단된다.
<시험예 3> NMR-17O 변화
NMR은 초전도 물질을 이용하여 강한 자기장을 발생시켜 원자 내의 핵 스핀이 흡수하는 공명 에너지를 측정함으로써 화합물의 구조를 분석하는 장비이며, 본 시험예에서는 NMR을 이용하여 물의 운동속도를 측정하였다.
측정에 사용된 시료용액은 이온교환수로서 비저항이 18.2 ㏁/㎝ 이상인 것을 사용하였고 측정은 NMR(Jeol Lambda 300, 일본전자(주), 일본)을 이용하였으며, 측정 자속밀도 7.05 테슬러(T=㏝/㎡), 측정온도 25 ℃로 고정하여 측정하였다.
온도가 높은 물일수록 물 분자의 운동 속도가 빠르고 헤르쯔(㎐)가 작은 값을 나타내며, 물의 가장 안정적인 구조인 6각 구조(육각수)는 고온상태가 아닌 저온상태에서 그 형태를 더 확실하게 나타내는 것에 비추어 볼 때 헤르쯔가 클수록 물의 가장 안정적인 구조인 6각 구조를 유지한다.
하기 표 1과 도 5는 전기장 처리 유/무와 각 cycle별 측정된 피크 높이의 반에서의 폭(반피폭)을 측정한 결과로서, 이를 통하여 물의 운동속도를 가늠할 수 있다.
펄스 전기장 처리에 따른 반피폭 변화
처리시간
(cycle)		 0 10 20 40 80 160 320 640
반피폭 값
(㎐)		 52.38 55.71 62.27 56.32 56.06 54.89 56.10 54.65
상기 결과를 보면, 펄스 전기장 처리 전의 이온교환수를 측정한 결과 52.38 ㎐를 나타내었고 펄스 전기장 처리를 하였을 때에는 평균 56.57 ㎐로서 4.2 ㎐의 증가를 보였으며, 전기장 발생장치(40)와의 접촉시간을 20 cycle(60분)로 하였을 때는 62.27 ㎐로서 약 9.9 ㎐가 증가하여 가장 많은 변화를 나타내었다.
물의 화학적 구조는 6각형 고리구조, 5각형 고리구조, 5각형 사슬구조 등으로 나뉘며, 그 중에서 인체 세포가 가장 좋아하는 물은 6각형 고리구조를 이루는 육각수로서 건강한 인체 세포 안과 밖에는 육각수가 모여 있다.
육각수를 지속적으로 마시면 뇌졸중?신장병?당뇨병 등 각종 성인병을 예방할 수 있고 식생활 개선에 도움을 주어 비만을 막아주는 것으로 알려져 있어서, 물을 펄스 전기장으로 처리함으로써 물을 인체에 효과적인 구조로 변화시킬 수 있다.
<시험예 4> UV-vis 변화
UV-vis Spectrophotometer는 각각의 물질마다 자외선과 가시광선을 흡수 또는 투과하는 정도가 다름을 이용하여 이들 파장의 빛을 시료에 투과시킴으로써 그 빛의 흡수 또는 투과정도에 따라 시료를 정성 및 정량 분석하는 장비이다.
측정은 UV-vis Spectrophotometer(SPECORD 50, Analytikjena, 독일)를 이용하였으며, 분석을 위한 파장(wavelength)은 scan 모드로 190~1100 ㎚까지 측정하여 정성분석하였고 정량분석은 280 ㎚에서 측정하였으며, 측정 셀 standard 1-㎝ path, scan 분해능 1 ㎚, 속도 5 ㎚/sec로 분석하였다.
전체적으로 펄스 전기장 처리시간이 증가함에 따라 적색이동(bathochromic shift) 및 청색이동(hypsochromic shift)은 나타나지 않았으나 흡광광도의 세기가 증가하는 농색효과(hyperchromic effect)가 나타남을 알 수 있었다.
도 6은 펄스 전기장 처리시간에 따른 수돗물의 UV-vis 변화를 측정한 결과로서, 펄스 전기장 처리가 지속됨에 따라 흡광광도의 세기가 증가하는 농색효과가 나타났으며, 농색효과의 크기는 크지 않았으나 자외선 영역에서의 농색효과가 두드러지게 나타났다.
도 7 및 도 8은 펄스 전기장 처리시간에 따른 음이온 계면활성제의 UV-vis 변화를 측정한 결과로서, 도 7은 100 ㎎/ℓ 농도이고 도 8은 1000 ㎎/ℓ 농도의 음이온 계면활성제이며, 계면활성제에서도 펄스 전기장 처리가 지속됨에 따라 흡광광도의 세기가 증가하는 농색효과가 나타남을 알 수 있었고 농도가 100 ㎎/ℓ에서 1000 ㎎/ℓ로 증가하면 흡광광도의 세기는 증가하나 경향은 비슷하게 나타났다.
도 9에서는 휴믹산을 대상으로 UV-vis 변화를 측정한 결과를 나타내었는데, 농색효과가 아닌 담색효과(hypochromic effect)가 나타났으며, λmax는 198 ㎚에서 나타났다.
또한, π→π* transition이 나타났고 청색이동현상이 나타나지 않은 것으로 미루어 수소결합은 나타나지 않은 것으로 판단된다.
UV-vis 측정결과 처리시간이 증가함에 따라 흡광도 값은 감소하는 경향을 나타내었으며, 이러한 결과를 정량적으로 분석하지는 않았으나 펄스 전기장 처리가 휴믹산의 제거에 영향을 미친 것으로 판단된다.
상기 결과를 바탕으로 휴믹산 분자에 존재하는 색도 유발물질에 대한 특성을 정량적으로 나타내는 280 ㎚에서의 흡광계수 값을 측정하여 하기 표 2에 나타내었다.
펄스 전기장 처리에 따른 휴믹산의 농도변화
처리시간
(cycle)		 측정횟수
(No.)		 측정농도
(㎎/ℓ)		 평균농도
(㎎/ℓ)		 제거율
(%)
0 cycle 1 96.6 96.5 0
2 96.3
3 96.7
10 cycle 1 94.7 94.9 1.72
2 95.0
3 94.9
20 cycle 1 93.7 93.9 2.73
2 93.7
3 94.2
40 cycle 1 92.8 92.6 4.06
2 92.6
3 92.3
80 cycle 1 90.5 90.6 6.11
2 90.8
3 90.6
160 cycle 1 87.1 87.1 9.75
2 87.2
3 87.1
휴믹산의 농도변화는 펄스 전기장 처리 전의 96.5 ㎎/ℓ에서 160 cycle 처리 후 87.1 ㎎/ℓ로 약 9.7% 제거되었음을 알 수 있으며, 제거율이 크지는 않았으나 펄스 전기장 처리가 휴믹산의 제거에 영향을 미친 것으로 나타났다.
또한, 기억현상의 지속시간을 알아보기 위하여 같은 방법으로 반복실험하여 7 일간 상온에 방치한 후 분석하고 그 결과를 도 10에 나타내었다.
도 10을 보면, 펄스 전기장 처리수를 7 일간 방치하여도 기억현상이 유지되는 것으로 미루어 펄스 전기장 처리가 수용액의 물성변화에 있어서 환원변화가 아닌 영구적인 변화를 가져온 것으로 판단된다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 펄스 전기장을 이용한 수질정화장치는 폐수 또는 오수에 펄스 전기장을 가하여 양이온 계면활성제와 음이온 계면활성제의 임계미셀농도를 낮추어 미셀 형성을 유도함으로써 계면활성제의 제거를 용이하게 하고, 또한 펄스 전기장 처리에 의해 물 분자의 운동속도가 느려져 물의 가장 안정적인 구조인 6각 구조를 형성하며 폐수 또는 오수의 유기물질이 제거되고 시간이 경과하여도 유기물질 제거효과가 유지된다.
10:수조, 20:교반기, 30:펌프, 40:전기장 발생장치, 41:몸체, 42:하부몸체, 43:상부몸체, 44:하전전극, 45:반대전극, 46:전기공급부, 47:유로, 48:펄스 전기장, 49:격벽 또는 피복, 50:나선부, 100:수질정화장치,
L1, L2:배관

Claims (6)

  1. 수용액을 저장하는 수조(10),
    상기 수조(10)의 수용액을 전기장 발생장치(40)로 이송하는 펌프(30) 및
    상기 펌프(30)로부터 이송된 수용액에 펄스 전기장을 부가하는 전기장 발생장치(40)를 포함하며,
    상기 전기장 발생장치(40)는 내부공간을 가지는 몸체(41), 상기 몸체(41)의 하부에 설치되어 수용액이 상기 몸체(41)의 내부공간으로 유입되는 통로를 제공하는 하부몸체(42), 상기 몸체(41)의 상부에 설치되어 수용액이 상기 몸체(41)의 내부공간으로부터 배출되는 통로를 제공하는 상부몸체(43), 상기 몸체(41)의 내부공간에 고정되며 전극으로 사용되는 하전전극(44), 상기 몸체(41)의 표면에 고정되고 상기 하전전극(44)과 일정간격 이격되며 전극으로 사용되는 반대전극(45), 상기 하전전극(44)과 몸체(41) 사이에 형성되어 수용액이 상방향으로 통과하는 유로(47) 및 상기 하전전극(44)과 반대전극(45)에 전기적으로 연결되어 상기 하전전극(44)과 반대전극(45)에 전기를 공급하는 전기공급부(46)로 구성되며,
    상기 하전전극(44)의 외주면에 나선부(50)가 추가되거나, 또는 반대전극(45)이 나선형으로 몸체(41) 내주면에 고정설치되어 상기 유로(47)를 통과하는 수용액이 와류를 형성하는 수질정화장치(100).
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 수조(10), 펌프(30) 및 전기장 발생장치(40)는 배관으로 연결되어 수조(10)에 저장된 수용액이 펌프(30)와 전기장 발생장치(40)를 순환하도록 구성된 것을 특징으로 하는 수질정화장치(100).
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 수조(10)에는 수용액을 교반하는 교반기(20)가 설치된 것을 특징으로 하는 수질정화장치(100).
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