KR101344812B1 - 초음파 세정장치 및 이를 이용한 수처리 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초음파 세정장치 및 이 초음파 세정장치를 구비하는 수처리 장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 수처리 장치는 수처리의 대상이 되는 물이 저장되는 수조와, 수조에 설치되어 오염물질을 제거하는 복수의 멤브레인을 구비하며, 멤브레인에 부착되어 투과율을 저하시키는 부착물을 제거하기 위하여 초음파를 발사하도록 수조에 설치되는 초음파 세정장치를 구비하는 것에 특징이 있다.
그리고 본 발명에 따른 초음파 세정장치는 초음파를 발사하기 위한 초음파 발사체 및 초음파 발사체가 수조에서 부유할 수 있도록 초음파 발사체에 결합되며 물보다 작은 밀도로 형성되는 부유체를 구비한다.

Description

초음파 세정장치 및 이를 이용한 수처리 장치{Cleanig apparatus using ultrasonic energy and Apparatus for water treatment using the same}

본 발명은 세정장치 및 이를 이용한 수처리 장치에 관한 것으로서, 특히 초음파를 이용하여 대상물을 세정하는 초음파 세정장치 및 이 초음파 세정장치를 이용한 것으로서 상수, 하수 또는 폐수를 처리하기 위하여 복수의 멤브레인을 구비하는 수처리 장치에 관한 것이다.

수처리 기술로서 막(membrane)을 이용한 수 처리공정은 기존의 모래 여과막 등에 비하여 다양한 유독성 오염물질의 제거를 위한 고도처리기술 등에서 널리 활용되고 있다. 특히 이러한 멤브레인을 이용한 수처리공정에서 멤브레인은 화학적 처리, 생물학적 처리 또는 물리적 처리와 조합되어 사용된다. 특히 정수처리, 난분해성의 산업폐수처리, 축산폐수처리, 매립지 침출수의 2차 처리와 오염된 지하수 처리를 위한 멤브레인 공정의 응용이 확대되고 있다.

그러나 멤브레인을 이용한 수처리에 있어서 가장 큰 문제점 중 하나로 지적되고 있는 사항은 막 폐색, 즉 막의 막힘 현상(fouling)이다. 수처리를 위한 폐수처리조 등에 부유하는 녹조류 등이 멤브레인에 부착되어 막의 투과율을 저하시켜 수처리가 용이하지 않게 되고, 물리적 청소를 반복하면 사용년한이 짧아지는 문제점이 있었다.

이에 막의 투과속도(투과율)을 향상시키기 위하여 다양한 세정방법 및 장치가 도입되어 활용되고 있다. 예컨대, 멤브레인에 계면활성제와 같은 세정약품을 사용한다거나, 압축공기, 세정수 등을 이용하여 막의 표면에 분사하여 세척하는 등의 시도가 이루어지고 있으나, 이러한 기존의 세정방법에 의해서는 막의 성능이 제대로 회복되지 않는다. 또한 세정과정에서 이용된 약품 등에 의해 2차 오염이 발생되거나, 기포가 막과 막 사이에서 갇혀서 분리되지 않는 등 다른 문제점을 야기하고 있다.

한편 초음파를 액체 중에 조사할 때 형성되는 공동화(cavitation)작용과 기계적인 작용(진동, 파동 등)을 응용하여 현재 각종 고체표면에 부착된 오염물질을 세정하기 위한 도구로 널리 이용되고 있으며, 최근에는 공동(cavity)의 붕괴시 발생되는 물리적이고 화학적인 작용이 수 처리 목적으로도 응용되고 있다.

이에 따라, 최근에는 초음파의 공동화 현상을 이용하여 막의 표면을 세정하는 기술들이 제시되고 있으나, 공동화 작용을 발생시키기 위해서는 고주파의 초음파가 발사되어야 하므로 경제적인 관점에서 유리하지 않을 뿐만 아니라, 고주파의 초음파는 작용하는 유효 범위가 매우 좁고 전력소모가 커서 대규모의 수처리 시설에서는 사용하기에 적합하지 않은 문제점이 있다. 즉 고주파의 초음파는 주파수 자승에 비례하여 신호 크기가 감쇄하므로 기하급수적으로 감쇄가 일어하므로, 배관과 같이 극히 제한된 공간에서나 가능하다는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 막의 막힘 현상을 사전에 방지 가능하며, 막을 주기적으로 별도의 여과 공정없이 세정하여 막의 투과율을 개선함으로써 대상물의 수명을 향상시키고 수처리가 원활하게 진행될 수 있도록 구조가 개선된 수처리 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 초음파 세정장치는, 물이 일시적으로 저장되는 수조에 설치되는 것으로서 초음파를 발사하기 위한 초음파 발사체 및 상기 초음파 발사체를 상기 수조에서 부유 및 침전할 수 있도록 상기 초음파 발사체에 결합되며 물보다 작은 밀도로 형성되는 부유체를 구비하는 것에 특징이 있다.

본 발명에 따르면, 상기 초음파 발사체에서는 40~200kHz의 저주파 초음파를 발사한다.

그리고, 본 발명에 따른 수처리 장치는, 수처리의 대상이 되는 물이 저장되는 수조와, 상기 수조에 설치되어 오염물질을 제거하는 복수의 멤브레인을 구비하는 것으로서, 상기 멤브레인에 부착되어 투과율을 저하시키는 부착물을 제거하기 위하여 초음파를 발사하도록 상기 수조에 설치되는 초음파 세정장치를 구비하는 것에 특징이 있으며, 초음파 세정장치로는 상술한 구성의 세정장치가 사용될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서는 상기 멤브레인의 표면을 세척하기 위하여 주로 공기를 분사하는 노즐이 구비되며, 상기 초음파 세정장치에서 발사되는 주기적, 반복적, 연속적 초음파 탄성파는 매질을 통해 압력 진동파로 상기 멤브레인의 표면에 부착된 공기를 1차적으로 파괴하여 막 투과율을 향상시킨다. 2차적으로는 주기적이고 반복적인 주파수로 발사로 생긴 탄성파의 여기(exciting)로 인하여 부착물질의 결합을 끊거나 약화시켜 세정 및 부착속도를 지연시키고 이러한 효과로 인하여 세정주기 또한 늘려서 막 손상에 따른 교체 주기를 상당기간 연장시킬 수 있다.

상기 초음파 세정장치는 수십 와트 이내로 소모전력이 작아서 작은 태양전지와 전기적으로 연결되어 전원을 공급받을 수 있다.

본 발명에 따른 수처리 장치에서는 복수의 세정장치를 이용하여 주기적으로 초음파를 발사함으로써 수조 내의 유기물 또는 무기물이 멤브레인에 부착되어 멤브레인의 투과율을 저하시키는 것을 방지한다.

그리고 본 발명에 따른 초음파 세정장치는 저주파를 이용함으로써 고주파의 초음파와는 달리 전기에너지의 소모가 작아 경제적일 뿐만 아니라, 수조의 면적이 수십미터로 넓은 경우에도 용이하게 초음파가 전달될 수 있다는 이점이 있다.

또한 본 발명에서는 세정기능과 세정주기의 연장으로 공기주입 등 공정의 중단 빈도가 줄어들어 경제성과 수질 안정성이 향상될 수 있다.

또한 본 발명에서는 초음파 세정장치를 이용하여 멤브레인의 막힘현상을 방지함으로써 멤브레인의 사용년한이 연장되는 이점이 있다. 또한 2차적으로 다른 배관과 수도벽의 오염물 사이의 결합력을 약화시켜 청소 효과가 상승하며 이물질 유입가능성을 차단할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 세정장치의 개략적 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 초음파 세정장치가 설치된 모습을 나타낸 개략적 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수처리 장치의 개략적 평면도이다.
도 4는 도 3의 Ⅳ-Ⅳ선 개략적 단면도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 세정장치와, 이 초음파 세정장치를 구비하는 수처리 장치에 대하여 더욱 자세히 설명하기로 한다.

우선 초음파 세정장치에 대하여 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 세정장치의 개략적 도면이며, 도 2는 도 1에 도시된 초음파 세정장치가 설치된 모습을 나타낸 개략적 도면이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 세정장치(50)는 초음파 발사체(51)와 부유체(52)를 구비한다.

초음파 발사체(51)는 그 내부에 초음파 진동자(미도시)가 설치되어 있다. 초음파 진동자는 압전소자 등으로 전원이 인가되면 진동함으로써 초음파를 발사한다.

또한, 초음파 진동자는 하나만 설치되는 것이 아니라, 복수의 초음파 진동자가 병렬적으로 복수 개 설치될 수 있다. 그리고 복수의 초음파 진동자에서는 제거하고자 하는 이물질의 종류와 크기에 따라 동시에 초음파를 발사하거나 순차적으로 초음파를 발사하는 식으로 초음파의 발사를 조절할 수 있다.

그리고 동시에 해당 주파수의 반파장에 해당하는 펄스 다발(구형파 패킷)로 초음파가 발사되도록 수 ms에서 수백초까지 발사 펄스의 폭 조정이 가능하다. 이는 초음파진동자와 연결되어 있는 콘트롤러(60)로부터 펄스 신호를 조절함으로써 이루어진다.

본 실시예에서 초음파 진동자가 발사하는 초음파는 대략 40~200kHz의 저주파 영역의 초음파이다. 이러한 진동자와 케이블의 매칭을 위하여 진동자와 컨트롤러의 결합시 용량값을 조절하여 실제 발사시 최적의 펄스 향상으로 구동되도록 부가장치를 구성할 수 있다.

또한 진동자는 작용, 반작용의 효과가 있는 압전소자이므로 에너지 활용을 극대화하기 위하여 발사체의 전면과 후면이 노출되도록 설계한다. 이는 초음파의 두께 모드, 주파수 발사방법을 나타낸다. 두께 모드에서 공진주파수 주변의 주파수 발생 유효 주파수 특성이 넓은 점을 이용하여 다양한 폭으로 구형파를 생성하여 멀티 주파수 생성을 통해 다양한 종류와 크기의 세정 대상물에 효과적으로 대응할 수 있다. 또한 측면 진동을 극대화하기 위하여 두께모드 보다 훨씬 낮은 저주파수로 발사하여(일반적으로 1/2, 1/10 주파수에서 발생) 측면방향으로 방사 에너지를 발사하여 공간적인 저파수 파면을 형성하여 탄성파 에너지의 다양한 주파수 발사를 조절할 수 있다.

환경이나 화학분야에서 초음파에 의한 공동화 현상을 이용한 세정시에는 MHz 수준의 주파수를 필요로 하고, 수백와트(예컨대 400W) 이상의 에너지가 공급되어야 하다. 그러나 이렇게 고주파 영역의 초음파를 사용하면 에너지 소비가 크다는 문제점이 있으며, 더욱이 고주파 초음파의 경우 작용하는 면적이 매우 좁아서 넓은 면적에서 사용하려면 엄청난 수의 진동자 설치와 과다 에너지가 소모되므로 실제적인 사용은 적절하지 않다는 문제점이 있다.

이에 본 발명에서는 초음파 에너지 수십 와트급(예컨대 10W급) 모듈을 사용하여, 40~200kHz의 저주파 영역에서 초음파를 발사한다. 이렇게 저주파 영역에서는 에너지 소모가 적으면서도 넓은 범위(수십m에서 수백m까지)에서 초음파가 잘 전달된다는 이점이 있다(초음파 에너지 감소의 크기는 주파수 자승과 거리에 반비례하여 감소하기 때문이다.). 특히, 상수조, 하수조를 비롯하여, 골프장의 연못 등 넓은 범위에서 세정이 필요한 대상에서는, 본 실시예와 같이 저주파 초음파의 사용이 훨씬 유리하다.

그리고 상기한 바와 같이 저주파의 초음파를 사용하는 경우 상,하수조, 골프장의 연못에서의 세정작용에 큰 효과가 있다.

예컨대, 골프장의 연못에서는 녹조가 발생할 수 있는데, 저주파의 초음파는 녹조류를 제거하는데 탁월한 효과가 있다. 즉, 저주파의 초음파가 녹조류에 발사되면, 녹조류 내의 기포가 파괴되어 성장을 방해할 뿐만 아니라 녹조류들 사이의 결합이 방지되어 녹조류가 증식하는 것을 막을 수 있다.

따라서, 본 실시예에 따른 초음파 세정장치(50)에서는 녹조류가 연못이나 수조 위에 부유하는 점에 착안하여, 초음파가 효과적으로 녹조류에 도달할 수 있도록 초음파가 수면과 비슷한 수위에서 발사 및 전파되도록 하였다.

녹조류는 광합성을 위해 수면에 떠올라 에너지를 공급받아 수중으로 하강하고, 에너지를 물속에서 사용하면서 공기를 흡입하여 공기층을 형성하면 다시 가벼워져서 수면으로 부상하는 싸이클을 가지고 성장한다. 초음파가 효과적으로 녹조류에 도달할 수 있도록 녹조류가 광합성을 주로 하는 영역인 수면 근처에서 초음파가 넓고 고르게 방사할 수 있도록 한다.

또한 깊이별로 세정 대상의 크기가 다르고 압력이 다르므로 사용 주파수와 에너지 크기를 차별화할 수 있다. 다른 녹조류나 미생물의 경우 성장을 위해 이러한 기포낭을 갖거나 서로 연결고리가 존재하는데, 이러한 연결고리를 주기적인 충격파나 진동파가 여진과 공진을 이루어 결국 터뜨리고 고리를 파괴하는 것이다.

이를 위해, 초음파 발사체(51)가 수면에 부유할 수 있도록 초음파 발사체(51)를 부유체(52)와 결합시켰다. 부유체(52)는 물보다 작은 밀도를 가지고 있어, 초음파 발사체(51)와 결합되어도 물속으로 가라앉지 않고 초음파 발사체(51)가 수면 근처에서 부유하도록 한다. 부유체(52)로는 예컨대 내부가 비어 있으며, 물에 대한 저항성이 강한 플라스틱 재질의 육면체가 사용될 수 있다.

초음파 발사체(51)는 방수케이블(53)에 의해 육상에 설치된 콘트롤러(60)에 전기적으로 연결되며, 콘트롤러(60)의 제어에 따라 주기적으로 초음파를 발사한다.

그리고 초음파 발사체(51)와 콘트롤러(60)에 전기를 공급하기 위한 전원이 필요한데, 본 실시예에서는 복수의 태양전지에 의하여 에너지를 생산하는 솔라셀전원(70)을 이용할 수 있다. 본 초음파 세정장치(50)는 연못, 상수조, 하수조 등 대부분 외부이므로, 태양전지에 의한 전원공급이 가능하다. 본 실시예에서 솔라셀전원(70)은 콘트롤러(60)와 결합되게 설치되며, 일조 방향에 따라 태양과 직면하도록 방향을 변경가능하다.

상기한 구성으로 이루어진 초음파 세정장치(50)는 본 발명에 따른 수처리 장치에 사용되어 수처리 장치의 효율을 증대시키는 작용을 한다.

도 3 및 도 4에는 본 발명의 일 실시예에 따른 수처리 장치가 도시되어 있다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수처리 장치의 개략적 평면도이며, 도 4는 도 3의 Ⅳ-Ⅳ선 개략적 단면도이다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 수처리 장치(100)는 수조(10)와 복수의 멤브레인(20) 및 상기한 구성의 초음파 세정장치를 구비한다.

수조(10)는 처리 대상이 되는 물이 일정 시간 체류하는 곳으로, 상수조, 하수조, 폐수처리조 등 다양한 시설이 그 대상이 된다.

수조(10)에는 정수, 정화처리할 물에 포함되어 있는 오염물질을 제거하기 위한 복수의 멤브레인(20)이 설치된다. 이 멤브레인(20)은 오염물질의 종류에 따라서 다양한 것이 사용될 수 있다. 예컨대, 생물막이 사용될 수도 있으며, 단순한 여과막이 사용될 수도 있다.

그리고 수조에는 오염물의 종류에 따라 혐기성 조건으로 구성될 수도 있지만, 본 실시예에서는 반응의 활성화를 위해 공기를 공급하는 호기성 조건으로 형성한다.

한편, 도시하지는 않았지만, 멤브레인(20)의 전면과 후면을 세정하기 위하여 멤브레인(20)의 하측에는 노즐 등이 구비되어 멤브레인(20)의 전면과 후면에 세정용 에어나 세정수를 분사한다.

그리고 초음파 세정장치가 수조(10)에 설치되어 멤브레인(20)에 이물질이 부착되는 것을 방지한다. 본 실시예에서, 초음파 세정장치(58,59)는 수조(10)의 전면과 측면에 각각 하나씩 설치된다.

수조(10)의 전면에 설치된 초음파 세정장치(58)는 앞에서 초음파 발사체(51)와 부유체(52)를 구비한 것으로 설명한 초음파 세정장치와 구성이 완전히 동일하며, 부유체(52)에 의하여 수조(10)의 수면 부근에서 부유한다. 그리고 콘트롤러(60)와 솔라셀 전원(70)도 동일하게 설치된다.

그러나 수조(10)의 측면에 설치된 초음파 세정장치(59)는 수조(10)의 전체 깊이에서 반 정도의 깊이에 설치된다. 이에 부유체는 필요가 없으며, 초음파 발사체가 직접 수조(10)의 벽면에 고정되게 설치된다.

상기한 바와 같이, 초음파 세정장치(58,59) 중 하나는 수면 부근에 설치하고, 다른 하나는 수중에 설치함으로써 수조(10) 내부의 오염물질이 멤브레인(20)에 부착되는 것을 최대한 방지할 수 있다.

즉, 녹조류 같은 이물질은 주로 수면에 부유하는 경우가 많으므로 초음파를 수면 근처에서 발사시켜 수면에 부유하는 유기물 또는 무기물을 방해한다. 예컨대, 녹조류의 경우 저주파의 초음파를 주기적으로 발사시키면 녹조 내부의 기포가 파괴되어 성장이 저해되며, 녹조류가 서로 결합되는 것을 방지한다. 이렇게 수면에 부유하는 유기물에 초음파의 진동에너지를 가하여 제거함으로써 이 유기물들이 멤브레인(20)에 부착되는 것 자체를 방지한다.

그리고 수중에 설치된 초음파 세정장치(59)는 멤브레인(20)에 이미 부착되어 있는 유기물 등에 초음파 진동에너지를 가함으로써 유기물이 멤브레인(20)으로부터 탈착되도록 유도한다.

또한, 세정용 에어를 이용하여 멤브레인(20)을 세정한 후, 버블이 멤브레인(20)의 표면에 부착되어 있을 수 있다. 수중에 설치된 초음파 세정장치(59)는 버블에 진동에너지를 가하여 버블을 제거한다.

도시하지는 않았지만, 본 실시예에서는 수중에 설치된 초음파 세정장치(59)는 수면에 설치된 초음파 세정장치(58)와 연결된 콘트롤러(60) 및 솔라셀 전원(70)에 함께 연결되지만, 다른 실시예에서는 별도의 콘트롤러 및 전원과 연결될 수도 있다.

두 개의 초음파 세정장치(58,59)에서 발사된 초음파는 수조의 벽면에 맞고 다시 반사되므로, 전면과 일측면에서 초음파가 발사되더라도 수조의 후면 및 타측면에서 초음파가 반사되어 진행하므로 수조(10)의 전 영역, 특히 멤브레인(20)의 전면과 후면에 모두 초음파의 영향이 미친다.

상기한 바와 같이, 본 실시예에서 40~200kHz 범위의 저주파 초음파를 발사하는 복수의 세정장치(58,59)를 이용하여 주기적으로 초음파를 발사함으로써 수조 내의 유기물 또는 무기물이 멤브레인(20)에 부착되어 멤브레인의 투과율을 저하시키는 것을 방지한다.

그리고 본 초음파 세정장치는 저주파를 이용함으로써 고주파의 초음파와는 달리 전기에너지의 소모가 작아 경제적일 뿐만 아니라, 수조의 면적이 수십미터 정도로 넓은 경우에도 용이하게 초음파가 전달될 수 있다는 이점이 있다.

그리고 상기한 바와 같이 초음파 세정장치를 이용하여 멤브레인의 막힘현상을 방지함으로써 멤브레인의 사용년한이 연장되는 이점이 있다.

그리고, 도시하지는 않았지만, 초음파 에너지 전달율을 측정하기 위한 초음파 검출기를 세정장치에 부착하여 초음파를 발신 및 수신하게 할 수 있다. 즉 양단의 세정장치에 각각 초음파 검출기를 부착하여 세정장치 상호간에 보정을 할 수 있다.

또한 수조 내 유체의 속도에 따라 체류시간이 결정되므로 초음파 에너지 효율과 속도를 고려하여 검출기의 설치개수와 분포를 조절 및 선택하게 할 수 있다.

본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

100 ... 수처리 장치 10 ... 수조
20 ... 멤브레인 50,58,59 ... 초음파 세정장치
51 ... 초음파 발사체 52 ... 부유체
60 ... 콘트롤러 70 ... 솔라셀전원

Claims (6)

1. 물이 일시적으로 저장되는 수조에 설치되는 것으로서 저주파의 초음파를 주기적으로 발사하기 위한 초음파 발사체; 및
   상기 초음파 발사체가 상기 수조에서 부유할 수 있도록 상기 초음파 발사체에 결합되며 물보다 작은 밀도로 형성되는 부유체;를 구비하며,
   상기 초음파 발사체에는 복수의 초음파 진동자가 설치되며,
   유효 공진주파수의 범위를 넓히도록 상기 초음파 진동자의 전면과 후면은 노출되도록 구성하고,
   상기 초음파 발사체에서는 40~200kHz의 저주파 초음파를 전후방 및 측면방향으로 발사하는 것을 특징으로 하는 초음파 세정장치.
2. 삭제
3. 수처리의 대상이 되는 물이 저장되는 수조와, 상기 수조에 설치되어 오염물질을 제거하는 복수의 멤브레인을 구비하는 수처리장치에 있어서,
   상기 멤브레인에 부착되어 투과율을 저하시키는 부착물을 제거하기 위하여 초음파를 발사하도록 상기 수조에 설치되는 초음파 세정장치를 구비하며,
   상기 초음파 세정장치는 상기 청구항 1에 기재된 초음파 세정장치인 것을 특징으로 하는 수처리 장치.
4. 삭제
5. 제3항에 있어서,
   상기 멤브레인의 표면을 세척하기 위하여 공기를 분사하는 노즐이 구비되며,
   상기 초음파 세정장치에서 발사된 초음파는 상기 멤브레인의 표면에 부착된 공기를 파괴하는 것을 특징으로 하는 수처리 장치.
6. 제3항에 있어서,
   상기 초음파 세정장치는 태양전지와 전기적으로 연결되어 전원을 공급받는 것을 특징으로 하는 수처리 장치.

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