KR101411405B1 - 금속 이온 발생 장치를 적용한 선박 평형수 처리 장치 - Google Patents

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Abstract

금속 이온 발생 장치를 적용한 선박 평형수 처리 장치가 개시된다. 선박 외부에서 유입되는 해수를 처리하여 밸러스트 탱크에 선박 평형수로 저장하는 선박 평형수 처리 장치에 의하면, 상기 해수가 진행되는 메인 배관의 상류 지점에서 상기 해수의 일부를 유입하는 유입 펌프, 상기 유입 펌프에 의해 유입되는 해수를 전기분해하여 차아염소산을 생성하고 상기 차아염소산이 포함된 1차 처리수를 배출하는 전기분해조, 상기 전기분해조의 후단에 연결되며 상기 1차 처리수를 전기분해하여 발생된 금속 이온을 포함시킨 2차 처리수를 상기 메인 배관으로 배출하는 금속 이온 발생부, 상기 전기분해조 및 상기 금속 이온 발생부에 전류를 공급하는 정류부 및 상기 정류부에서 상기 전기분해조 및 상기 금속 이온 발생부에 공급하는 전류를 제어하는 제어부를 포함한다.

Description

금속 이온 발생 장치를 적용한 선박 평형수 처리 장치{Ship ballast water treatment device having metal ion generator}
본 발명은 금속 이온 발생 장치를 적용한 선박 평형수 처리 장치에 관한 것이다.
유조선, 컨테이너선 또는 LNG 화물선과 같은 대형선박의 경우 선박의 안정성 및 균형을 확보하기 수단으로서 선박의 내부에 밸러스트(Ballast) 탱크를 구비하고 있다. 통상적으로 펌프를 이용하여 주변의 해수를 필요에 따라 밸러스트 탱크로 유입 또는 유출시키게 되는데, 이와 같이 선박의 밸런스(balance)를 맞추기 위한 해수(혹은 담수)를 평형수(ballast water, 밸러스트 수라고도 함)라 한다. 즉, 화물이 하역되는 경우에는 평형수가 밸러스트 탱크로 유입되도록 하고, 화물이 적재되는 경우에는 밸러스트 탱크에 저장되어 있던 평형수가 배출되도록 하여 선박의 밸런스를 맞출 수 있다.
한편, 평형수를 저장한 선박은 제1 국의 해수를 다른 해양 환경의 제2 국의 해양으로 배출하기도 한다. 평형수는 유입하는 지역의 해수이므로 평형수에는 해수에 포함되어 있는 각종 이물질이나 플랑크톤 등의 미생물, 세균 등이 포함된다. 제1 국에서 유입된 평형수가 전혀 다른 환경의 제2 국의 해양에 배출되는 경우, 제1 국의 각종 이물질 또는 미생물 및 세균, 그 밖의 유기물질 등이 제2 국의 해양 생태계에 변화를 초래시키는 위험이 발생할 수 있다.
이에 따라 국제해사기구(IMO, International Maritime Organization)에서는 유해생물종의 국가간 이동을 방지하기 위한 목적으로 2004년에 선박 평형수 관리 협약을 제정하고, 유해생물종의 배출을 통제하기 위해 선박 평형수 교환 기준(D-1)과 처리 기준(D-2)을 제정하여 이를 의무화하도록 하였다. 이 가운데 선박 평형수의 교환은 원양에서 이루어져야 하고, 선박의 안전문제를 야기하기 때문에 선박 평형수의 교환보다는 살균 처리하는 것이 추세가 되고 있다. 본 협약은 35% 이상의 선복량, 30개국 이상의 국가가 비준하는 시점으로부터 1년 뒤 발효되기 때문에 각국에서는 선박 평형수 처리 장치의 개발이 활발히 진행 중에 있다.
기존의 선박 평형수 처리 장치는 한국공개특허공보 제10-2010-0017994호에 개시된 것과 같이 밸러스트 수를 처리하고 선박으로부터 밸러스트 수를 방출시키기 전에 밸러스트수를 탈할로겐화시키고 있다.
기존의 살균 시스템 중 밸러스트 수처리 시스템에 널리 적용되고 있는 전기분해 방식의 경우, 전기분해조에서 강력한 산화제인 차아염소산을 발생시켜 생물을 사멸시키는 원리를 이용하고 있다. 이 방식은 자외선(UV) 혹은 오존 살균과 다른 점은 차아염소산이 잔류성이 있기 때문에 지속적인 살균 효과를 도모할 수 있다는 것이다.
하지만, 차아염소산은 휘발성이 있어 그 주입 농도에 따라 수 시간 혹은 수 일 내에 고갈된다. 차아염소산이 고갈된 후에는 일부 미생물의 재생이 일어나게 되고, 장기 항해 이후 선박 평형수를 배출해야 할 때에 최초 유입 시에 의도하였던 살균 효과를 완전히 만족시키지 못하는 상황을 맞이할 수도 있다.
따라서, 차아염소산이 잔류하는 기간을 연장시키기 위해 초기에 차아염소산의 농도를 높여 주입하기도 하지만, 해수의 전기분해 과정에서 발생하는 차아염소산 농도에 비례하여 트리할로메탄, 할로아세트산과 같은 발암 물질 또한 함께 발생하기 때문에 차아염소산의 농도를 무한정 높이는 데에는 제한이 있다.
또한, 선박 평형수의 배출 시 전기분해를 한번 더 실시하여 차아염소산을 재주입하는 방식을 적용할 수도 있으나, 이 경우 전기분해조를 가동하기 위한 추가 전력이 소모되며, 차아염소산의 재주입 이후 안전한 배출을 위해 수 초 후 다시 예를 들어 티오황산나트륨과 같은 중화제를 과량 주입해야 하는 등의 번거로움이 있다.
결국 차아염소산은 그 살균 성능이 우수하나 잔류성이라는 한계를 가지고 있는 바 이를 보완할 수 있는 수단이 필요한 실정이다.
종래 한국공개특허공보 제10-2010-0105646호에서는 자외선 조사를 통해 발라스트 수를 처리하는 장치 및 방법이 개시되어 있으나, 이는 별도의 자외선 조사 장치를 장착해야 하는 바 별도의 설치 공간을 요구하며 장착 자체도 번거로운 문제점이 있다.
한국공개특허공보 제10-2010-0017994호 한국공개특허공보 제10-2010-0105646호
본 발명은 전기분해 혹은 약품 주입을 통한 잔류 염소 살균 방식을 채택한 선박 평형수 처리 장치에서 원수(해수)로부터 금속 이온(예를 들어, 구리 및/또는 은 이온)을 발생시켜 선박 평형수에 주입함으로써 배출 직전까지 살균 상태의 유지를 보완해주는 금속 이온 발생 장치를 적용한 선박 평형수 처리 장치를 제공하기 위한 것이다.
본 발명은 차아염소산을 이용한 살균 장치의 보조 수단으로 기존의 전기분해조와 부대 설비를 공유하여 설치 측면에서 유리하고 경제성을 가지는 금속 이온 발생 장치를 적용한 선박 평형수 처리 장치를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 이외의 목적들은 하기의 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 선박 외부에서 유입되는 해수를 처리하여 밸러스트 탱크에 선박 평형수로 저장하는 선박 평형수 처리 장치로서, 상기 해수가 진행되는 메인 배관의 상류 지점에서 상기 해수의 일부를 유입하는 유입 펌프; 상기 유입 펌프에 의해 유입되는 해수를 전기분해하여 차아염소산을 생성하고 상기 차아염소산이 포함된 1차 처리수를 배출하는 전기분해조; 상기 전기분해조의 후단에 연결되며 상기 1차 처리수를 전기분해하여 발생된 금속 이온을 포함시킨 2차 처리수를 상기 메인 배관으로 배출하는 금속 이온 발생부; 상기 전기분해조 및 상기 금속 이온 발생부에 전류를 공급하는 정류부; 및 상기 정류부에서 상기 전기분해조 및 상기 금속 이온 발생부에 공급하는 전류를 제어하는 제어부를 포함하는 선박 평형수 처리 장치가 제공된다.
상기 메인 배관에 설치되어 상기 선박 평형수의 차아염소산 농도 및 금속 이온 농도 중 적어도 하나의 농도를 측정하는 측정부를 더 포함하되, 상기 제어부는 상기 측정부에서 측정한 차아염소산 농도 및 상기 금속 이온 농도에 기초하여 상기 정류부에서 상기 전기분해조 및 상기 금속 이온 발생부 중 적어도 하나에 공급하는 전류값을 제어할 수 있다.
한편 본 발명의 다른 측면에 따르면, 선박 외부에서 유입되는 해수를 처리하여 밸러스트 탱크에 선박 평형수로 저장하는 선박 평형수 처리 장치로서, 상기 해수가 진행되는 메인 배관에 살균 효과를 가지는 약품을 주입하는 약품 주입부; 상기 메인 배관의 상류 지점에서 상기 해수의 일부를 유입하고 전기분해하여 발생된 금속 이온을 상기 메인 배관에 재주입하는 금속 이온 주입부; 및 상기 약품 주입부에서 주입되는 약품의 양 및 상기 금속 이온 주입부에서 발생되는 금속이온의 양 중 적어도 하나를 제어하는 제어부를 포함하는 선박 평형수 처리 장치가 제공된다.
상기 약품은 염소계 물질, 페라클린(Peraclean), 비타민 K3(Vitamin K3), 철산염 이온(Ferrate ion) 중 하나 혹은 둘 이상의 조합을 포함할 수 있다.
상기 금속 이온 주입부는, 상기 메인 배관의 상류 지점에서 상기 해수의 일부를 유입하는 유입 펌프; 상기 유입 펌프에 의해 유입된 해수를 전기분해하여 금속 이온을 생성하고 상기 메인 배관으로 배출하는 금속 이온 발생부; 및 상기 금속 이온 발생부에 전류를 공급하는 정류부를 포함하되, 상기 제어부는 상기 정류부에서 상기 금속 이온 발생부에 공급하는 전류를 제어할 수 있다.
상기 금속 이온 발생부는 구리 및 은 중 하나 이상의 금속 혹은 구리 및 은이 포함된 합금으로 이루어진 전극부를 포함할 수 있다.
상기 금속 이온 발생부는 복수의 층으로 구분되는 전극부를 포함하며, 각 층의 전극부는 하나 이상의 금속판이 서로 평행하게 배열된 형태를 가질 수 있다.
상기 금속 이온 발생부는 하층에서 상층으로 연결되는 층간 연결홀이 지그재그로 배치될 수 있다.
상기 메인 배관에 설치되어 상기 선박 평형수의 약품 농도 및 금속 이온 농도 중 적어도 하나의 농도를 측정하는 측정부를 더 포함하되, 상기 제어부는 상기 측정부에서 측정한 상기 약품 농도 및 상기 금속 이온 농도에 기초하여 상기 정류부에서 상기 금속 이온 발생부에 공급하는 전류값을 제어할 수 있다.
상기 금속 이온 발생부의 후단에 연결되며 상기 금속 이온 발생부에서 생성된 부산물인 기체 성분을 분리한 액체 성분만이 상기 메인 배관에 주입되도록 하는 기액분리부를 더 포함할 수 있다.
전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점이 이하의 도면, 특허청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.
본 발명의 실시예에 따르면, 전기분해 혹은 약품 주입을 통한 잔류 염소 살균 방식을 채택한 선박 평형수 처리 장치에서 원수(해수)로부터 금속 이온(예를 들어, 구리 및/또는 은 이온)을 발생시켜 선박 평형수에 주입함으로써 배출 직전까지 살균 상태의 유지를 보완해주는 효과가 있다.
또한, 차아염소산을 이용한 살균 장치의 보조 수단으로 기존의 전기분해조와 부대 설비를 공유하여 설치 측면에서 유리하고 경제성을 가지는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 이온 발생 장치를 적용한 선박 평형수 처리 장치의 개념을 나타낸 도면,
도 2는 생물종의 생존에 영향을 미치는 구리 이온의 농도를 나타낸 테이블,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 이온 발생부의 구성을 도시한 예시도,
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 금속 이온 발생 장치를 적용한 선박 평형수 처리 장치의 개념을 나타낸 도면.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
또한, 명세서에 기재된 "…부" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
또한, 각 도면을 참조하여 설명하는 실시예의 구성 요소가 해당 실시예에만 제한적으로 적용되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상이 유지되는 범위 내에서 다른 실시예에 포함되도록 구현될 수 있으며, 또한 별도의 설명이 생략될지라도 복수의 실시예가 통합된 하나의 실시예로 다시 구현될 수도 있음은 당연하다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일하거나 관련된 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 이온 발생 장치를 적용한 선박 평형수 처리 장치의 개념을 나타낸 도면이고, 도 2는 생물종의 생존에 영향을 미치는 구리 이온의 농도를 나타낸 테이블이다.
도 1을 참조하면, 선박 평형수 처리 장치(100), 메인 배관(50), 유입 펌프(110), 전기분해조(120), 금속 이온 발생부(130), 정류부(140), 제어부(150), 기액분리부(160)가 도시되어 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 선박 평형수 처리 장치(100)는 메인 스트림에서 일부 유량이 분기된 사이드 스트림에 대하여 전기분해 방식으로 생성된 잔류 염소를 이용하여 선박 평형수의 살균 처리를 수행하면서 금속 이온을 추가적으로 발생시켜 전기분해조의 부하를 줄이면서도 선박 평형수의 배출 시까지 높은 살균력을 유지할 수 있도록 한 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 선박 평형수 처리 장치(100)는 유입 펌프(110), 전기분해조(120), 금속 이온 발생부(130), 정류부(140), 제어부(150), 기액분리부(160)를 포함한다.
선박 평형수 처리 장치(100)는 밸러스트 탱크와 씨 체스트(sea chest) 사이에 연결되어 있어 선박 외부의 해수(원수)가 선박 내부의 밸러스트 탱크로 유입되는 주 경로인 메인 배관(50)을 구비하고 있다.
이하에서는 메인 배관(50)을 따른 선박 평형수의 흐름을 메인 스트림이라 한다. 또한, 본 명세서에서는 씨 체스트 쪽을 메인 스트림의 상류, 밸러스트 탱크 쪽을 메인 스트림의 하류로 가정하여 설명하기로 한다.
유입 펌프(110)는 메인 배관(50)의 상류 지점 근처의 해수를 펌핑하고 유입관을 통해 해수의 메인 스트림 중 일부 유량을 사이드 스트림으로서 전기분해조(120)에 원수로 인입할 수 있도록 한다.
유입 펌프(110)의 하류에는 전기분해조(120)가 배치된다.
전기분해조(120)는 유입 펌프(110)에 의해 유입관을 통해 인입된 원수, 즉 사이드 스트림을 전기분해하여 살균 물질에 해당하는 차아염소산(HClO)을 생성한다. 차아염소산은 선박 평형수 내 살균 대상 물질(예를 들어, 동식물성 플랑크톤, 박테리아 등)을 사멸시키는 잔류 염소에 해당한다.
이 과정에서 전기분해조(120)는 정류부(140)에서 공급되는 전류값에 따라 차아염소산의 생성량을 변화시킴으로써 살균액 농도를 변화시킬 수 있다.
전기분해조(120)는 예를 들어 금속 티타늄 전극으로 이루어지는 전극부를 포함하며, 정류부(140)에서 공급되는 전류를 이용한 전기분해 과정을 통해 음극에서는 차아염소산이 생성되며, 양극에서는 평형수 처리와는 무관한 부산물인 수소(H2), 염소가스(Cl2) 등이 생성된다.
차아염소산의 농도는 전기분해조(120)에서 사이드 스트림에 가해지는 전류값과 소정의 상관관계를 가지고 있다. 전류값 및 생성되는 차아염소산의 농도에 대한 상관관계는 예를 들어 테이블 형태 혹은 함수식 형태(예를 들어, y=ax와 같은 일차함수, 여기서, y는 차아염소산 농도, x는 전류값, a는 비례상수)로 표현될 수 있으며, 제어부(150)에 저장되어 있을 수 있다.
즉, 제어부(150)에서는 미리 저장되어 있는 전류값 및 차아염소산의 농도에 대한 상관관계에 기초하여 제어 신호를 생성 출력함으로써, 정류부(140)에서 전기분해조(120)에 공급하는 전류값을 제어하여 전기분해를 통한 차아염소산의 생성량을 조절할 수 있다.
전기분해조(120)의 후단에는 금속 이온 발생부(130)가 배치된다.
전기분해조(120)에서의 전기분해에 의해 차아염소산이 생성된 후, 차아염소산을 포함하고 있는 1차 처리수(도 1의 ① 참조)가 금속 이온 발생부(130)로 이송된다.
금속 이온 발생부(130)는 일종의 전기분해 장치로서, 본 실시예에서는 보조적인 처리 장치에 해당하여 그 규모는 예를 들어 전단의 전기분해조(120)에 비해 작을 수 있다.
금속 이온 발생부(130)는 전기분해 방식으로 금속 이온을 발생시켜 차아염소산을 포함하고 있는 1차 처리수에 포함시킴으로써 선박 평형수가 수처리된 이후 밸러스트 탱크 내에서 보관되는 기간 동안에도 휘발성 없이 수중에 지속적으로 존재하면서 살균 효과를 유지할 수 있도록 한다.
즉, 기존의 전기분해 방식을 이용하여 잔류 염소 살균 방식을 채택한 경우에 살균 물질(차아염소산)이 부분적인 잔류성은 가지고 있으나 선박 평형수의 배출 직전까지는 살균 상태를 유지할 만큼의 잔류성을 보장하지 못하고 있는 선박 평형수 처리 장치에 대하여 보완적인 방법으로 금속 이온을 이용한 살균 방식이 추가 적용되어 있다.
금속 이온에 의한 살균은 고대에서부터 물의 오염 방지를 위해서 예를 들어 구리 혹은 은을 물 속에 넣어 물의 신선도를 유지하는 데에 이용하는 것과 같이 경험적인 방식으로 적용된 바가 있다.
금속을 전극으로 하고, 여기에 직류 전류를 흘리면 양극에서는 금속 이온이 발생하게 된다. 금속 이온은 양전하를 띠고 있어, 음전하를 띠는 미생물(본 발명에서는 살균 대상 생물)의 세포벽에 정전기적으로 흡착된다.
흡착된 금속 이온은 미생물 세포가 수중 유기물 혹은 양분을 세포벽 내로 취하는 것을 방해한다. 예를 들어, 은 이온의 경우 DNA 및 RNA, 세포단백질, 호흡 효소 등과 결합하여 세포의 활성을 저해한다. 그 결과 세포의 증식이 억제됨과 동시에 세포 자체의 생존이 불가능하게 된다.
이러한 금속 이온의 살균력은 은 > 수은 > 구리 > 카드뮴 > 크롬 > 니켈 > 납 > 코발트 > 아연 > 철 > 칼슘의 순서이며, 이 중 구리와 은이 독성이 적으면서 살균력이 우수하다.
구리 이온은 특히 병원균 및 바이러스의 사멸과 살균 상태 유지에 좋은 효과를 보이고 있으며, 도 2에 도시된 것과 같은 농도에서 각 생물종의 생존에 영향을 미치게 된다.
도 2를 참조하면, 생물종의 생존에 영향을 미치는 구리 이온 농도가 예시되어 있다(출처 : 환경공학용어사전, 환경용어연구회 편, 성안당).
잉어의 경우에는 0.016ppm(16ppb) 이상에서, 산천어의 경우에는 0.015ppm(15ppb) 이상에서, 석화(굴) 및 물벼룩의 경우에는 0.010ppm(10ppb) 이상의 구리 이온 농도를 가지는 환경 하에서는 그 생존에 영향을 미치게 된다.
즉, 크기가 큰 생물에 대해서는 대략적으로 10ppb 이상의 구리 이온 농도를 가지는 환경 하에서 그 생존에 영향을 미치게 되지만, 박테리아나 바이러스와 같은 미생물의 경우에는 매우 낮은 농도(예를 들어, 대략 2ppb 정도)만으로도 그 살균 상태의 유지가 가능하다.
또한, 이처럼 구리 이온에 의한 살균이 이루어지는 농도는 음용수 수질 기준인 1.0ppm(서울시 보건환경연구원, EPA)에 훨씬 미치지 않는 수준이기 때문에, 이로 인해 환경에 악영향이 야기되는 일이 발생하지는 않을 것이다.
또한, 은의 경우에는 전기분해할 때 양극에서 발생하는 은 이온이 위에서 언급한 살균 효과 이외에도 수중의 산소를 활성산소로 전환하고, 이 활성산소로 인해 미생물을 불활성화시키는 간접적인 살균 능력을 보유하고 있다.
따라서, 금속 이온 발생부(130)는 은, 수은, 구리, 카드뮴, 크롬, 니켈, 납, 코발트, 아연, 철, 칼슘 등 중 하나 이상의 금속 혹은 이들이 포함된 합금으로 이루어진 전극부를 포함할 수 있다. 이하에서는 독성이 적으면서 살균력이 우수한 구리 및 은 중 하나 이상의 금속 혹은 구리 및 은이 포함된 합금이 전극부로 이용되는 것을 가정하여 설명하기로 하며, 금속 이온 발생부(130)의 전극 배치와 같은 상세 구조에 대해서는 추후 관련 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
금속 이온 발생부(130)는 금속 전극(구리 전극, 은 전극 혹은 구리/은 합금 전극)으로 이루어진 전극부를 포함하며, 양극에서 생성된 금속 이온(구리 및/또는 은의 양 이온인 Cu2 +, Cu+, Ag+ 등)이 전기분해조(120)로부터 인입된 1차 처리수 내에 포함되도록 한다. 이 과정에서 전기분해조(120)에서와 마찬가지로 평형수 처리와는 무관한 부산물인 수소(H2), 염소가스(Cl2) 등이 재차 생성된다.
금속 이온의 농도는 금속 이온 발생부(130)에서 1차 처리수에 가해지는 전류값과 소정의 상관관계를 가지고 있다. 전류값 및 생성되는 금속 이온의 농도에 대한 상관관계는 예를 들어 테이블 형태 혹은 함수식 형태(예를 들어, y=bx와 같은 일차함수, 여기서, y는 금속 이온 농도, x는 전류값, b는 비례상수)로 표현될 수 있으며, 제어부(150)에 저장되어 있을 수 있다.
즉, 제어부(150)에서는 미리 저장되어 있는 전류값 및 금속 이온의 농도에 대한 상관관계에 기초하여 제어 신호를 생성 출력함으로써, 정류부(140)에서 금속 이온 발생부(130)에 공급하는 전류값을 제어하여 전기분해를 통한 금속 이온의 생성량을 조절할 수 있다.
금속 이온 발생부(130)의 후단에는 기액분리부(160)가 배치되어, 전기분해조(120) 및 금속 이온 발생부(130)에서 생성된 물질 중 평형수 처리에 무관한 부산물인 수소 및 염소가스를 제거한다. 즉, 액체 성분의 고농도 차아염소산 및 소정 농도의 금속 이온이 포함된 살균액은 통과시키고, 기체 성분의 수소 및 염소가스만을 분리하여 장치 외부로 배출함으로써 메인 스트림에 주입되는 것을 방지한다.
기액분리부(160)에서 기체 성분이 분리된 액체 성분의 살균액(도 1의 ② 참조)은 차아염소산 및 금속 이온(구리 이온 및/또는 은 이온)을 함유한 채 메인 배관(50)의 중하류 지점에서 주입되어 메인 스트림에 혼합된다.
메인 배관(50) 내에서는 씨 체스트를 통해 유입된 해수와 전기분해조(120) 및 금속 이온 발생부(130)를 거치면서 생성된 살균액이 혼합된다.
전기분해조(120) 및 금속 이온 발생부(130)를 거쳐 생성된 살균액은 소정 농도의 차아염소산과 구리 및/또는 은 이온을 함유하고 있어 메인 스트림의 중하류 지점에서 합류되면서, 희석화 및 완전 혼합 과정을 거쳐 메인 스트림이 적절한 농도의 차아염소산과 구리 및/또는 은 이온을 가지도록 하며, 대용량의 해수(메인 스트림)에 대한 살균 처리가 원활히 수행된 처리수(treated water)가 되어 밸러스트 탱크로 이송되도록 한다.
제어부(150)는 선박 평형수 처리 장치(100)에 포함되는 각 구성요소의 기능을 제어한다.
예를 들어, 제어부(150)는 유입 펌프(110)의 펌핑 동작을 제어하여 전기분해조(120)로 유입되는 사이드 스트림의 양을 조절할 수 있다.
또한, 제어부(150)는 정류부(140)에서 전기분해조(120)에 공급되는 전류값을 제어하여 전기분해조(120)에서 생성되는 차아염소산의 양, 즉 잔류 염소의 농도를 조절할 수도 있다. 또한, 제어부(150)는 정류부(140)에서 금속 이온 발생부(130)에 공급되는 전류값을 제어하여 금속 이온 발생부(130)에서 생성되는 금속 이온의 양, 즉 금속 이온의 농도를 조절할 수도 있다.
선박 평형수 처리 장치(100)는 살균액의 주입 지점 이하에 위치하는 메인 배관(50)의 중하류 지점을 지나는 메인 스트림에 대해서 잔류 염소 농도 및/또는 금속 이온 농도를 측정하기 위한 측정부(미도시)를 더 포함할 수도 있다.
측정부에서 측정된 잔류 염소 농도 및/또는 금속 이온 농도에 기초하여 현재 생성되는 살균액 농도의 적정성을 판단하고, 그 농도가 적정값에 이르지 않은 경우에는 제어부(150)는 이를 적정한 기준 농도로 맞추기 위해 전기분해조(120)에서 생성되는 차아염소산의 양을 증가 혹은 감소시키거나 금속 이온 발생부(130)에서 생성되는 금속 이온의 양을 증가 혹은 감소시키는 제어 신호를 생성하여 정류부(140)로 출력할 수 있다.
즉, 제어부(150)는 사이드 스트림에 대하여 2차례에 걸친 전기분해 결과 생성된 살균액이 메인 스트림이 주입된 이후 측정된 메인 스트림의 잔류 염소 농도 및/또는 금속 이온 농도에 기초하여 정류부(140)에서 전기분해조(120) 및/또는 금속 이온 발생부(130)에 공급하는 전류값을 조절하는 제어 신호를 생성하여 출력할 수 있다.
본 실시예에서는 앞서 설명한 것처럼 차아염소산을 이용한 살균 장치의 보조 수단으로 금속 이온 발생부(130)를 적용하고 있어, 잔류 염소의 초기 발생량을 경감시킬 수 있다. 기존의 전기분해 방식에 의하면 차아염소산의 잔류성을 최대한 이용하기 위해서 차아염소산을 초기 살균이 가능한 수준보다 훨씬 과량 주입해야 했으나, 본 실시예에 따르면 수처리된 선박 평형수, 즉 처리수는 밸러스트 탱크 내에 저장되어 있는 동안에도 금속 이온의 존재로 인해 휘발성 없이 수중에서 지속적으로 존재하면서 그 살균 효과를 나타내게 되므로, 과량의 차아염소산을 생성 및 주입할 필요가 없게 된다. 또한, 선박 평형수의 배출 과정에서도 배출 직전에 밸러스트 탱크 내에서 재생된 미생물을 사멸시키기 위해 추가적으로 잔류 염소를 생성하는 장치가 불필요하게 된다.
또한, 금속 이온 발생부(130)는 전기분해조(120)와 마찬가지로 전기적인 에너지를 전극에 공급하는 방식에 의해 동작하는 바, 정류부(140), 기액분리부(160), 센서부(미도시) 등의 부대설비를 전기분해조(120)와 공유할 수 있으므로 추가 장비가 필요없어 설치 측면에서도 유리하고 경제적인 효과도 있다.
이하에서는 이러한 금속 이온 발생부(130)의 구성에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 이온 발생부의 구성을 도시한 예시도이다.
도 3을 참조하면, 금속 이온 발생부(130)는 하나 이상의 층마다 배치된 전극부(131a, 131b, 131c)를 포함한다.
전기분해조(120)에서 이송된 1차 처리수가 금속 이온 발생부(130)의 하부를 통해 유입되고, 최하층에서부터 최상층으로 진행한 후 금속 이온 발생부(130)의 상부를 통해 금속 이온을 포함하는 2차 처리수가 배출되어 후단의 기액 분리부(160)로 이송된다(도 3의 화살표 참조). 1차 처리수가 최하층에서부터 최상층으로 진행하는 과정 중에 각 층에 배치된 전극부(131a, 131b, 131c)를 통과하면서 전기분해가 이루어진다.
각 층의 전극부(131a, 131b, 131c)는 예를 들어 하나 이상의 직사각형의 금속판이 전극판으로서 서로 평행하게 배열된 형태를 가진다. 도면에서는 하나 이상의 금속판이 세로로 세워져 있어 가로 방향으로 평행하게 배열된 형태를 가지지만, 이는 일 실시예에 불과하며, 경우에 따라 하나 이상의 금속판이 가로로 누워 있어 세로 방향으로 평행하게 배열될 수도 있을 것이다. 또한, 금속판의 형상이 직사각형인 것으로 도시되어 있지만, 이는 일 실시예에 불과하며, 금속판이 배치될 층의 단면 형상 등에 따라 다양한 형상을 가질 수 있을 것이다.
하층에서 상층으로 연결되는 층간 연결홀(134a, 134b)은 지그재그로 배치되어 1차 처리수가 최하층에서 최상층으로 S자로 진행하는 과정 중에 그 경로를 최대한 연장시킴으로써 각 층에 배치된 전극부(131a, 131b, 131c)의 전극판과 충분히 접촉할 수 있도록 한다.
예를 들어, 도 3에 예시된 것과 같이, 제1 층(L1)과 제2 층(L2)을 연결하는 제1 층간 연결홀(134a)은 제1 층(L1)의 좌측편에 형성된 유입구(132)의 반대편(우측)에 형성되며, 제2 층(L2)과 제3 층(L3)을 연결하는 제2 층간 연결홀(134b)은 제1 층간 연결홀(134a)의 반대편(좌측)에 형성되고, 제3 층(L3)의 배출구(133)는 제2 층간 연결홀(134b)의 반대편(우측)에 형성될 수 있을 것이다.
금속 이온 발생부(130)에서 각 층의 전극부(131a, 131b, 131c)는 도 3에 예시된 것과 같이 구리-은-구리의 3층 구성 이외에도 1층, 2층 혹은 4층 이상으로도 구성될 수 있으며, 각 전극부(131a, 131b, 131c)에 포함되는 전극판의 개수 역시 임의로 조절이 가능하다.
또한, 각 전극부(131a, 131b, 131c)는 동일 종류의 금속의 전극판을 포함할 수도 있지만, 실시예에 따라 상이한 종류의 전극판을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 임의의 층에 배치된 전극부가 구리-은-구리-은, 구리-구리-은-은 등의 순서로 평행 배열된 전극판으로 이루어질 수도 있을 것이다.
또한, 경제적인 문제로 은 전극판의 설치가 불가능할 경우에는 구리 전극판만으로도 금속 이온 발생부(130)의 구성이 가능할 것이다.
또한, 본 실시예에서는 1차 처리수가 하층에서 상층으로 이동하는 것을 가정하여 설명하였지만, 필요에 따라 1차 처리수가 상층에서 하층으로 이동하도록 금속 이온 발생부(130)가 구성될 수도 있을 것이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 금속 이온 발생 장치를 적용한 선박 평형수 처리 장치의 개념을 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 선박 평형수 처리 장치(200), 메인 배관(50), 금속 이온 주입부(205), 유입 펌프(210), 금속 이온 발생부(230), 정류부(240), 기액분리부(260), 제어부(250), 약품 주입부(220), 약품 탱크(222), 주입 펌프(224)가 도시되어 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 선박 평형수 처리 장치(200)는 살균제를 메인 스트림에 주입하는 약품 주입 방식으로 선박 평형수를 처리하면서 보완적으로 메인 스트림에서 일부 유량이 분기된 사이드 스트림에 대하여 전기분해 방식으로 금속 이온을 발생시켜 금속 이온을 포함하는 살균액을 메인 스트림에 주입하여 선박 평형수의 배출 시까지 높은 살균력을 유지할 수 있도록 한 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 선박 평형수 처리 장치(200)는 금속 이온 주입부(205), 약품 주입부(220) 및 제어부(250)를 포함한다.
약품 주입부(220)는 약품 탱크(222)와 주입 펌프(224)를 포함한다.
약품 탱크(222)는 해수에 대한 살균 처리가 가능한 약품이 액체 형태로 저장되어 있는 공간이다. 약품 탱크(222)에 저장되어 있는 약품으로는 예를 들어 살균 효과가 있는 염소계 물질 혹은 페라클린(Peraclean), 비타민 K3(Vitamin K3), 철산염 이온(Ferrate ion) 등과 같은 화학 물질 등 중 하나 혹은 둘 이상의 조합이 적용될 수 있다.
약품이 고체 형태인 경우에는 물에 녹여 용액 형태로 변형시킨 후 사용할 수 있으며, 이 경우 약품 탱크(222)에는 별도의 교반기(미도시)가 설치될 수도 있다.
약품 탱크(222)에 저장되어 있는 액체 형태의 약품은 주입 펌프(224)의 펌핑 동작에 의해 주입관을 거쳐 대상 선박의 메인 배관(50) 내에 주입될 수 있다.
금속 이온 주입부(205)는 유입 펌프(210), 금속 이온 발생부(230), 정류부(240), 기액분리부(260)를 포함하며, 도 1에 도시된 선박 평형수 처리 장치(100)에서 전기분해조(120)가 제거된 구성과 유사한다.
유입 펌프(210)는 메인 배관(50)의 상류 지점 근처의 해수를 펌핑하고 유입관을 통해 해수의 메인 스트림 중 일부 유량을 사이드 스트림으로서 금속 이온 발생부(230)에 원수로 인입할 수 있도록 한다.
유입 펌프(210)의 하류에는 금속 이온 발생부(230)가 배치된다.
금속 이온 발생부(230)는 전기분해 방식으로 금속 이온을 발생시켜 원수에 포함시킴으로써 선박 평형수가 약품 주입 방식으로 수처리된 이후 밸러스트 탱크 내에서 보관되는 기간 동안에도 휘발성 없이 수중에 지속적으로 존재하면서 살균 효과를 유지할 수 있도록 한다.
즉, 기존의 약품 주입 방식을 이용하여 잔류 염소 살균 방식을 채택한 경우에 약품(살균제)이 부분적인 잔류성은 가지고 있으나 선박 평형수의 배출 직전까지는 살균 상태를 유지할 만큼의 잔류성을 보장하지 못하고 있는 선박 평형수 처리 장치에 대하여 보완적인 방법으로 금속 이온을 이용한 살균 방식이 추가 적용되어 있다.
금속 이온 발생부(230)는 금속 전극(구리 전극, 은 전극 혹은 구리/은 합금 전극)으로 이루어진 전극부를 포함하며, 양극에서 생성된 금속 이온(구리 및/또는 은의 양 이온인 Cu2 +, Cu+, Ag+ 등)이 원수 내에 포함되도록 한다. 이 과정에서 평형수 처리와는 무관한 부산물인 수소(H2), 염소가스(Cl2) 등이 생성된다.
금속 이온의 농도는 금속 이온 발생부(230)에서 원수에 가해지는 전류값과 소정의 상관관계를 가지고 있다. 전류값 및 생성되는 금속 이온의 농도에 대한 상관관계는 예를 들어 테이블 형태 혹은 함수식 형태(예를 들어, y=bx와 같은 일차함수, 여기서, y는 금속 이온 농도, x는 전류값, b는 비례상수)로 표현될 수 있으며, 제어부(250)에 저장되어 있을 수 있다.
즉, 제어부(250)에서는 미리 저장되어 있는 전류값 및 금속 이온의 농도에 대한 상관관계에 기초하여 제어 신호를 생성 출력함으로써, 정류부(240)에서 금속 이온 발생부(230)에 공급하는 전류값을 제어하여 전기분해를 통한 금속 이온의 생성량을 조절할 수 있다.
본 실시예에서의 금속 이온 발생부(230)는 앞서 도 3을 참조하여 설명한 금속 이온 발생부(130)와 그 구성이 동일할 수 있다. 다만, 본 실시예에서의 금속 이온 발생부(230)는 유입구를 통해 원수(해수)가 유입되는 차이점이 있을 뿐이다.
금속 이온 발생부(230)의 후단에는 기액분리부(260)가 배치되어, 금속 이온 발생부(230)에서 생성된 물질 중 평형수 처리에 무관한 부산물인 수소 및 염소가스를 제거한다. 즉, 액체 성분의 소정 농도의 금속 이온이 포함된 살균액은 통과시키고, 기체 성분의 수소 및 염소가스만을 분리하여 장치 외부로 배출함으로써 메인 스트림에 주입되는 것을 방지한다.
기액분리부(260)에서 기체 성분이 분리된 액체 성분의 살균액은 금속 이온(구리 이온 및/또는 은 이온)을 함유한 채 메인 배관(50)의 중하류 지점에서 주입되어 메인 스트림에 혼합된다.
메인 배관(50) 내에서는 씨 체스트를 통해 유입된 해수와 약품 주입부(220)에서 주입된 약품과 금속 이온 발생부(230)를 거치면서 생성된 살균액이 혼합된다.
금속 이온 발생부(230)를 거쳐 생성된 살균액은 소정 농도의 구리 및/또는 은 이온을 함유하고 있어 메인 스트림의 중하류 지점에서 합류되면서, 희석화 및 완전 혼합 과정을 거쳐 메인 스트림이 적절한 농도의 구리 및/또는 은 이온을 가지도록 하며, 대용량의 해수(메인 스트림)에 대한 살균 처리가 원활히 수행된 처리수가 되어 밸러스트 탱크로 이송되도록 한다.
제어부(250)는 선박 평형수 처리 장치(200)에 포함되는 각 구성요소의 기능을 제어한다. 제어부(250)는 주입 펌프(224)의 펌핑 동작을 제어하여 약품 탱크(222)에 저장된 살균액이 대상 선박의 메인 배관에 주입되는 양을 조절할 수 있다.
또한, 제어부(250)는 유입 펌프(210)의 펌핑 동작을 제어하여 금속 이온 발생부(230)로 유입되는 사이드 스트림의 양을 조절할 수 있으며, 정류부(240)에서 금속 이온 발생부(230)에 공급되는 전류값을 제어하여 금속 이온 발생부(230)에서 생성되는 금속 이온의 양, 즉 금속 이온의 농도를 조절할 수도 있다.
선박 평형수 처리 장치(200)는 약품 주입 지점 및 살균액 주입 지점 이하에 위치하는 메인 배관(50)의 중하류 지점을 지나는 메인 스트림에 대해서 약품 농도 및/또는 금속 이온 농도를 측정하기 위한 측정부(미도시)를 더 포함할 수도 있다.
측정부에서 측정된 약품 농도 및/또는 금속 이온 농도에 기초하여 현재 생성되는 살균액 농도의 적정성을 판단하고, 그 농도가 적정값에 이르지 않은 경우에는 제어부(250)는 이를 적정한 기준 농도로 맞추기 위해 약품 주입부(220)에서 주입되는 약품의 양을 증가 혹은 감소시키는 제어 신호를 생성하여 약품 탱크(222)로 출력하거나 금속 이온 발생부(230)에서 생성되는 금속 이온의 양을 증가 혹은 감소시키는 제어 신호를 생성하여 정류부(240)로 출력할 수 있다.
기존의 약품 주입 방식에 의하면 약품의 잔류성을 최대한 이용하기 위해서 약품을 초기 살균이 가능한 수준보다 훨씬 과량 주입해야 했으나, 본 실시예에 따르면 수처리된 선박 평형수, 즉 처리수는 밸러스트 탱크 내에 저장되어 있는 동안에도 금속 이온의 존재로 인해 휘발성 없이 수중에서 지속적으로 존재하면서 그 살균 효과를 나타내게 되므로, 과량의 약품을 주입할 필요가 없게 된다.
상기에서는 본 발명의 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100, 200: 선박 평형수 처리 장치 110, 210: 유입 펌프
120: 전기분해조 130, 230: 금속 이온 발생부
140, 240: 정류부 150, 250: 제어부
160, 260: 기액분리부 220: 약품 주입부
222: 약품 탱크 224: 주입 펌프
131a, 131b, 131c: 전극부 132: 유입구
133: 유출구 134a, 134b: 층간 연결홀

Claims (10)

  1. 선박 외부에서 유입되는 해수를 처리하여 밸러스트 탱크에 선박 평형수로 저장하는 선박 평형수 처리 장치로서,
    상기 해수가 진행되는 메인 배관의 상류 지점에서 상기 해수의 일부를 유입하는 유입 펌프;
    상기 유입 펌프에 의해 유입되는 해수를 전기분해하여 차아염소산을 생성하고 상기 차아염소산이 포함된 1차 처리수를 배출하는 전기분해조;
    상기 전기분해조의 후단에 연결되며 상기 1차 처리수를 전기분해하여 발생된 금속 이온을 포함시킨 2차 처리수를 상기 메인 배관으로 배출하는 금속 이온 발생부;
    상기 전기분해조 및 상기 금속 이온 발생부에 전류를 공급하는 정류부; 및
    상기 정류부에서 상기 전기분해조 및 상기 금속 이온 발생부에 공급하는 전류를 제어하는 제어부를 포함하되,
    상기 금속 이온 발생부의 후단에 연결되며 상기 금속 이온 발생부에서 생성된 부산물인 기체 성분을 분리한 액체 성분만이 상기 메인 배관에 주입되도록 하는 기액분리부를 더 포함하는 선박 평형수 처리 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 메인 배관에 설치되어 상기 선박 평형수의 차아염소산 농도 및 금속 이온 농도 중 적어도 하나의 농도를 측정하는 측정부를 더 포함하되,
    상기 제어부는 상기 측정부에서 측정한 상기 차아염소산 농도 및 상기 금속 이온 농도에 기초하여, 상기 정류부에서 상기 전기분해조 및 상기 금속 이온 발생부 중 적어도 하나에 공급하는 전류값을 제어하는 선박 평형수 처리 장치.
  3. 선박 외부에서 유입되는 해수를 처리하여 밸러스트 탱크에 선박 평형수로 저장하는 선박 평형수 처리 장치로서,
    상기 해수가 진행되는 메인 배관에 살균 효과를 가지는 약품을 주입하는 약품 주입부;
    상기 메인 배관의 상류 지점에서 상기 해수의 일부를 유입하고 전기분해하여 발생된 금속 이온을 상기 메인 배관에 재주입하는 금속 이온 주입부; 및
    상기 약품 주입부에서 주입되는 약품의 양 및 상기 금속 이온 주입부에서 발생되는 금속이온의 양 중 적어도 하나를 제어하는 제어부를 포함하되,
    상기 금속 이온 주입부는,
    상기 메인 배관의 상류 지점에서 상기 해수의 일부를 유입하는 유입 펌프;
    상기 유입 펌프에 의해 유입된 해수를 전기분해하여 금속 이온을 생성하고 상기 메인 배관으로 배출하는 금속 이온 발생부; 및
    상기 금속 이온 발생부에 전류를 공급하는 정류부를 포함하고,
    상기 제어부는 상기 정류부에서 상기 금속 이온 발생부에 공급하는 전류를 제어하며,
    상기 금속 이온 발생부의 후단에 연결되며 상기 금속 이온 발생부에서 생성된 부산물인 기체 성분을 분리한 액체 성분만이 상기 메인 배관에 주입되도록 하는 기액분리부를 더 포함하는 선박 평형수 처리 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 약품은 염소계 물질, 페라클린(Peraclean), 비타민 K3(Vitamin K3), 철산염 이온(Ferrate ion) 중 하나 혹은 둘 이상의 조합을 포함하는 선박 평형수 처리 장치.
  5. 삭제
  6. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 금속 이온 발생부는 구리 및 은 중 하나 이상의 금속 혹은 구리 및 은이 포함된 합금으로 이루어진 전극부를 포함하는 선박 평형수 처리 장치.
  7. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 금속 이온 발생부는 복수의 층으로 구분되는 전극부를 포함하며,
    각 층의 전극부는 하나 이상의 금속판이 서로 평행하게 배열된 형태를 가지는 선박 평형수 처리 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 금속 이온 발생부는 하층에서 상층으로 연결되는 층간 연결홀이 지그재그로 배치되는 선박 평형수 처리 장치.
  9. 제3항에 있어서,
    상기 메인 배관에 설치되어 상기 선박 평형수의 약품 농도 및 금속 이온 농도 중 적어도 하나의 농도를 측정하는 측정부를 더 포함하되,
    상기 제어부는 상기 측정부에서 측정한 상기 약품 농도 및 상기 금속 이온 농도에 기초하여, 상기 정류부에서 상기 금속 이온 발생부에 공급하는 전류값을 제어하는 선박 평형수 처리 장치.
  10. 삭제
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