KR101579349B1 - Water treatment apparatus using plasma-membrane and method using the same - Google Patents

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KR101579349B1 KR1020130094706A KR20130094706A KR101579349B1 KR 101579349 B1 KR101579349 B1 KR 101579349B1 KR 1020130094706 A KR1020130094706 A KR 1020130094706A KR 20130094706 A KR20130094706 A KR 20130094706A KR 101579349 B1 KR101579349 B1 KR 101579349B1
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Abstract

본 발명은 폐수가 담겨져 있는 반응조; 상기 반응조에 담겨져 내부에 중공부를 형성하며, 복수개의 기공이 형성된 세라믹 멤브레인; 상기 반응조의 일측에 연결설치되며, 상기 중공부와 연통하여 기체가 유입되는 기체 유입구; 및 상기 중공부에 삽입되며 전기방전을 일으켜 유입된 기체를 활성화시키는 플라즈마 방전부; 를 포함하며, 활성화된 기체를 상기 기공을 통하여 폐수내로 공급하는 것을 특징으로 하는 폐수 처리장치에 관한 것이다.
본 발명은 폐수 처리장치를 이용하여, 상기 세라믹 멤브레인 중공부로 기체를 유입하는 단계; 상기 방전전극에 전압을 가하여 플라즈마를 생성하여 유입된 기체를 활성화시키는 단계; 및 상기 활성화된 기체가 폐수내로 공급되어 폐수를 정화처리하는 단계; 를 포함하는 폐수 처리방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a reaction tank containing waste water; A ceramic membrane, which is contained in the reaction tank and has a hollow portion formed therein, the porous membrane having a plurality of pores; A gas inlet connected to one side of the reaction tank and communicating with the hollow portion to introduce a gas; And a plasma discharge part inserted in the hollow part to generate an electric discharge to activate the introduced gas; And the activated gas is supplied into the wastewater through the pores.
The present invention relates to a method for manufacturing a ceramic membrane hollow filter, comprising: introducing a gas into the ceramic membrane hollow using a wastewater treatment apparatus; Applying a voltage to the discharge electrode to generate a plasma to activate the introduced gas; And the activated gas is supplied into the wastewater to purify the wastewater; To a wastewater treatment method.

Description

플라즈마-멤브레인을 이용한 폐수 처리장치 및 폐수 처리방법{Water treatment apparatus using plasma-membrane and method using the same}[0001] The present invention relates to a plasma-membrane-based wastewater treatment apparatus and a wastewater treatment method.

본 발명은 수질내에 오염물질이나 유해 미생물을 처리하기 위한 플라즈마-멤브래인을 이용한 폐수 처리장치 및 폐수 처리방법에 관한 것이다.The present invention relates to a wastewater treatment apparatus and a wastewater treatment method using a plasma membrane for treating pollutants or harmful microorganisms in a water quality.

산업기술의 발달과 함께 많은 유해물질과 난분해성 물질을 포함하는 산업폐수, 폐가스 및 폐기물 등이 발생하고 있으며, 이러한 오염물에 대한 효율적인 처리를 위한 연구가 활발하게 진행되고 있다.Industrial wastewater, waste gas and waste containing many hazardous substances and refractory materials are generated along with the development of industrial technology, and studies for efficient treatment of such pollutants are actively conducted.

특히, 폐수 처리방법 중 하나로서 전극을 처리할 폐수에 잠기게 한 다음, 이 전극에 고전압 펄스를 가하여 방전시킴으로써 수중에서 활성 라디칼을 발생시켜 정화처리를 수행하는 수중 플라즈마 발생 장치가 알려져 있다.Particularly, as an example of a wastewater treatment method, there is known an underwater plasma generator in which an electrode is immersed in wastewater to be treated, and then a high voltage pulse is applied to the electrode to generate an active radical in water to perform a purification treatment.

그런데, 이러한 수중 플라즈마 발생 장치에서는 방전을 일으키기 위한 전극이 수중에 잠겨져 있는 상태에 있는 바, 전극에 가해지는 전기가 폐수를 통해 통전됨으로써 플라즈마 발생이 용이하지 않아 실제 적용에 많은 문제점이 존재하고 있다.However, in such an underwater plasma generator, since an electrode for generating a discharge is in a state of being submerged in water, electric power applied to the electrode is conducted through the wastewater, so that plasma generation is not easy and there are many problems in practical application.

또한, 라디칼, 이온, 오존 등 플라즈마에 의해 생성되는 각종 활성성분들 중 라디칼과 이온은 반응 활성이 매우 높은 장점이 있지만, 수명이 매우 짧으므로 생성되는 즉시 물과 접촉시키지 않으면 곧 활성을 상실하는 문제가 있다. 따라서 이러한 활성성분들의 생성에 사용되는 전기에너지의 효과적인 이용을 위해서는 활성성분이 생성되는 즉시 물과 접촉할 수 있도록 해야 하며 반응속도를 극대화시켜야 한다.In addition, radicals and ions of radicals, ions, ozone, and other various active ingredients generated by the plasma have the advantage of highly reactive activity, but their lifespan is very short, . Thus, effective utilization of electrical energy used in the production of these active ingredients requires that the active ingredient be brought into contact with water as soon as it is produced and that the reaction rate be maximized.

KR 10-2012-0028771 (공개번호)KR 10-2012-0028771 (public number)

본 발명은 활성성분이 생성되는 즉시 물과 접촉할 수 있으며, 반응속도를 극대화할 수 있는 플라즈마-멤브레인을 이용한 폐수 처리장치를 제공하고자 한다.The present invention provides a wastewater treatment apparatus using a plasma-membrane capable of maximizing the reaction rate, which can be brought into contact with water immediately after the active ingredient is produced.

본 발명은 폐수가 담겨져 있는 반응조; 상기 반응조에 담겨져 내부에 중공부를 형성하며, 복수개의 기공이 형성된 세라믹 멤브레인; 상기 반응조의 일측에 연결설치되며, 상기 중공부와 연통하여 기체가 유입되는 기체 유입구; 및 상기 중공부에 삽입되며 전기방전을 일으켜 유입된 기체를 활성화시키는 플라즈마 방전부; 를 포함하며, 활성화된 기체를 상기 기공을 통하여 폐수내로 공급하는 것을 특징으로 하는 폐수 처리장치를 제공한다.The present invention relates to a reaction tank containing waste water; A ceramic membrane, which is contained in the reaction tank and has a hollow portion formed therein, the porous membrane having a plurality of pores; A gas inlet connected to one side of the reaction tank and communicating with the hollow portion to introduce a gas; And a plasma discharge part inserted in the hollow part to generate an electric discharge to activate the introduced gas; And the activated gas is supplied into the wastewater through the pores.

본 발명은 폐수 처리장치를 이용하여, 상기 세라믹 멤브레인 중공부로 기체를 유입하는 단계; 상기 방전전극에 전압을 가하여 플라즈마를 생성하여 유입된 기체를 활성화시키는 단계; 및 상기 활성화된 기체가 폐수내로 공급되어 폐수를 정화처리하는 단계; 를 포함하는 폐수 처리방법을 제공한다.The present invention relates to a method for manufacturing a ceramic membrane hollow filter, comprising: introducing a gas into the ceramic membrane hollow using a wastewater treatment apparatus; Applying a voltage to the discharge electrode to generate a plasma to activate the introduced gas; And the activated gas is supplied into the wastewater to purify the wastewater; And a method for treating wastewater.

본 발명은 활성화된 기체를 세라믹 멤브레인에 형성된 기공을 통해 수중으로 즉시 분산되도록 하여 활성화된 기체의 손실을 최소화시키고, 활성화된 기체와 액체의 접촉면적을 극대화시킴으로써 반응속도가 빨라 수중의 유기 오염물질 및 미생물이 효과적으로 제거될 수 있다.The present invention minimizes the loss of the activated gas by allowing the activated gas to be immediately dispersed in water through the pores formed in the ceramic membrane and maximizes the contact area of the activated gas and the liquid, Microorganisms can be effectively removed.

도 1은 본 발명에 따른 폐수 처리장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 폐수 처리장치의 플라즈마 방전부를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 폐수 처리방법의 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 실험예에 따른 Reactive Blue 4의 제거효율이 나타난 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실험예에 따른 Orange Ⅱ의 제거효율이 나타난 도면이다.
1 is a view showing a configuration of a waste water treatment apparatus according to the present invention.
2 is a view showing a plasma discharge unit of a wastewater treatment apparatus according to the present invention.
3 is a flow chart of a wastewater treatment method according to the present invention.
FIG. 4 is a graph showing the removal efficiency of Reactive Blue 4 according to Experimental Example of the present invention. FIG.
FIG. 5 is a graph showing the removal efficiency of Orange II according to the experimental example of the present invention. FIG.

본 발명은 폐수 처리장치에 관한 것으로, 폐수가 담겨져 있는 반응조; 상기 반응조에 담겨져 내부에 중공부를 형성하며, 복수개의 기공이 형성된 세라믹 멤브레인; 상기 반응조의 일측에 연결설치되며, 상기 중공부와 연통하여 기체가 유입되는 기체 유입구; 및 상기 중공부에 삽입되며 전기방전을 일으켜 유입된 기체를 활성화시키는 플라즈마 방전부; 를 포함하며, 활성화된 기체를 상기 기공을 통하여 폐수내로 공급하는 것을 특징으로 한다.The present invention relates to a wastewater treatment apparatus, comprising: a reaction tank containing wastewater; A ceramic membrane, which is contained in the reaction tank and has a hollow portion formed therein, the porous membrane having a plurality of pores; A gas inlet connected to one side of the reaction tank and communicating with the hollow portion to introduce a gas; And a plasma discharge part inserted in the hollow part to generate an electric discharge to activate the introduced gas; And the activated gas is supplied into the wastewater through the pores.

여기서 활성화된 기체라 함은 플라즈마에 의해서 생성된 라디칼 또는 이온과 같은 활성성분을 포함하는 기체일 수 있다.Here, the activated gas may be a gas containing an active component such as a radical or an ion generated by the plasma.

또한, 본 반응조의 내부의 일측면 상기 세라믹 멤브레인의 외경과 대응되는 것을 특징으로 하며, 반응조는 기체 배출구를 추가로 포함할 수 있다.Also, one side of the inside of the reaction tank corresponds to the outside diameter of the ceramic membrane, and the reaction tank may further include a gas outlet.

또한, 상기 세라믹 멤브레인은 외측 표면을 감싸며 접지전극을 접촉하고 있는 코일을 더 포함할 수 있다.The ceramic membrane may further include a coil surrounding the outer surface and contacting the ground electrode.

또한, 상기 세라믹 멤브레인은 소수성인 것을 특징으로 한다.Further, the ceramic membrane is characterized by being hydrophobic.

이에 더하여, 본 발명의 플라즈마 방전부는 길이방향으로 확장되며 전압이 인가되어 플라즈마를 발생시키는 방전전극; 및 상기 방전전극의 외측 표면을 감싸는 유전체 튜브; 를 포함한다.In addition, the plasma discharge unit of the present invention includes a discharge electrode extending in the longitudinal direction and applying a voltage to generate a plasma; And a dielectric tube surrounding the outer surface of the discharge electrode; .

특히, 상기 방전전극은 스테인리스 스틸, 탄소강, 구리, 황동, 티타늄, 텅스텐 또는 몰리브덴으로 이루어질 수 있고, 상기 유전체 튜브는 석영관, 유리관 또는 세라믹관으로 이루어질 수 있다.In particular, the discharge electrode may be made of stainless steel, carbon steel, copper, brass, titanium, tungsten or molybdenum, and the dielectric tube may be made of a quartz tube, a glass tube or a ceramic tube.

특정 양태로서, 상기 기공의 직경은 0.8 내지 10 ㎛ 인 것을 특징으로 한다.In a specific embodiment, the diameter of the pores is 0.8 to 10 mu m.

또한, 상기 폐수를 상기 반응조에 공급하는 폐수 공급부를 더 포함할 수 있으며, 상기 기체는 공기, 산소, 질소 및 아르곤 중 적어도 하나일 수 있다.
Further, the apparatus may further include a wastewater supply unit for supplying the wastewater to the reaction tank, and the gas may be at least one of air, oxygen, nitrogen, and argon.

본 발명은 폐수 처리방법에 관한 것으로, 폐수 처리장치를 이용하여, 상기 세라믹 멤브레인 중공부로 기체를 유입하는 단계; 상기 방전전극에 전압을 가하여 플라즈마를 생성하여 유입된 기체를 활성화시키는 단계; 및 상기 활성화된 기체가 폐수내로 공급되어 폐수를 정화처리하는 단계; 를 포함한다.The present invention relates to a method of treating wastewater, comprising the steps of introducing gas into the ceramic membrane hollow using a wastewater treatment apparatus; Applying a voltage to the discharge electrode to generate a plasma to activate the introduced gas; And the activated gas is supplied into the wastewater to purify the wastewater; .

여기서, 상기 방전전극에 인가되는 전압은 5 내지 30kV일 수 있으며, 상기 방전전극에 인가되는 전압의 주파수는 0.5 내지 1000kHz일 수 있다.
Here, the voltage applied to the discharge electrode may be 5 to 30 kV, and the frequency of the voltage applied to the discharge electrode may be 0.5 to 1000 kHz.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하도록 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Prior to this, terms and words used in the present specification and claims should not be construed as limited to ordinary or dictionary terms, and the inventor should appropriately interpret the concepts of the terms appropriately It should be interpreted in accordance with the meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention based on the principle that it can be defined.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
Therefore, the embodiments described in this specification and the configurations shown in the drawings are merely the most preferred embodiments of the present invention and do not represent all the technical ideas of the present invention. Therefore, It is to be understood that equivalents and modifications are possible.

도 1은 본 발명에 따른 폐수 처리장치의 구성을 나타내는 도면, 도 2는 본 발명에 따른 폐수 처리장치의 플라즈마 방전부를 나타내는 도면, 도 3은 본 발명에 따른 폐수 처리방법의 흐름도, 도 4는 본 발명의 실험예에 따른 Reactive Blue 4의 제거효율이 나타난 그래프, 도 5는 본 발명의 실험예에 따른 Orange Ⅱ의 제거효율이 나타난 도면이다. 이하, 도 1 내지 도 5와 실시예를 통해 본 발명인 플라즈마-멤브레인을 이용한 폐수 처리장치 및 폐수 처리방법을 상세히 설명한다.
2 is a view showing a plasma discharge unit of a wastewater treatment apparatus according to the present invention, Fig. 3 is a flowchart of a wastewater treatment method according to the present invention, Fig. 4 is a flow chart of a wastewater treatment apparatus according to the present invention, FIG. 5 is a graph showing removal efficiencies of Reactive Blue 4 according to an experimental example of the present invention, and FIG. 5 is a graph showing removal efficiencies of Orange II according to an experimental example of the present invention. Hereinafter, the apparatus and method for treating wastewater using the plasma membrane according to the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 1 to 5 and embodiments.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 폐수 처리장치는 폐수가 담겨져 있는 반응조(100), 상기 반응조(100)에 담겨져 내부에 중공부(220)를 형성하며, 복수개의 기공(210)이 형성된 세라믹 멤브레인(200), 상기 반응조(100)의 일측에 연결설치되며, 상기 중공부(220)와 연통하여 기체가 유입되는 기체 유입구(110)와 상기 중공부(220)에 삽입되며 전기방전을 일으켜 유입된 기체를 활성화시키는 플라즈마 방전부(300)로 이루어진다.1, a wastewater treatment apparatus according to the present invention includes a reaction tank 100 containing wastewater, a hollow portion 220 formed in the reaction tank 100, and a plurality of pores 210 formed therein, The membrane 200 is connected to one side of the reaction tank 100 and is inserted into the hollow portion 220 and the gas inlet 110 through which the gas flows in communication with the hollow portion 220, And a plasma discharge unit 300 for activating the gas.

상기 반응조(100)는 원통형 또는 'L'자 형태일 수 있으며, 일측에는 기체 유입구(110)가 형성될 수 있고, 타측에는 기체 배출구(120)가 형성될 수 있다. 이 때, 기체 배출구(120)는 상부에 형성되는 것이 좋다. 일 예로 'L'자형의 아크릴 관일 수 있으며, 이때, 기체 유입구(110)는 하부의 일단, 기체 배출구(120)는 상부의 타단에 형성될 수 있다. 또한, 반응조(100)의 몸체에는 폐수가 유입되는 유입구 및 정화처리된 폐수가 유출되는 유출구가 형성되어 있다.The reaction tank 100 may have a cylindrical shape or an L shape, and a gas inlet 110 may be formed at one side and a gas outlet 120 may be formed at the other side. At this time, the gas outlet 120 is preferably formed on the upper part. The gas inlet 110 may be formed at one end of the lower portion and the gas outlet 120 may be formed at the other end of the upper portion. In addition, the body of the reaction tank 100 is formed with an inlet through which the wastewater flows and an outlet through which the purified wastewater flows out.

세라믹 멤브레인(200)은 내부에 중공부(220)를 형성하는 원통형으로 이루어지며, 소수성인 것을 특징으로 한다.The ceramic membrane 200 has a cylindrical shape having a hollow portion 220 formed therein, and is characterized in that the ceramic membrane 200 is hydrophobic.

여기서 소수성이라 함은, 물 분자와 쉽게 결합하지 못하는 성질을 의미하며, 본 발명에서는 세라믹 멤브레인(200) 내부로 물의 침투를 막기위함일 수 있다. 본 발명의 세라믹 멤브레인(200)은 소수성으로 표면처리를 할 수 있으며, 폴리비닐리덴 불화물(PVDF, Polyvinylidene fluoride), 폴리에테르술폰(PES, Polyethersulphone) 또는 테플론(PTFE, Polytetrafluoroetylene) 등을 코팅하여 표면처리할 수 있다. Here, the term 'hydrophobic' means a property of not easily bonding with water molecules. In the present invention, it may be possible to prevent penetration of water into the ceramic membrane 200. The ceramic membrane 200 of the present invention can be subjected to a surface treatment with a hydrophobic property and can be subjected to surface treatment by coating polyvinylidene fluoride (PVDF), polyethersulphone (PES), or polytetrafluoroethylene (PTFE) can do.

특히, 본 발명의 세라믹 멤브레인(200)은 일 예로 실리콘 레진(KP-18C, Shin-Etsu Chemical Co. LTd, 일본)을 증류수에 희석하여 1.75wt% 수용액을 제조한 후에, 세라믹 멤브레인(200)을 상기 수용액에 담지시켜 초음파로 4시간 처리후 세라믹 멤브레인(200)을 수용액에서 꺼내어 상온에서 1시간 동안 자연건조시키고, 100 내지 120℃ 4시간 건조시켜 표면처리한 소수성 세라믹 멤브레인(200)을 사용하였다.Particularly, the ceramic membrane 200 of the present invention is prepared by diluting a ceramic resin (KP-18C, Shin-Etsu Chemical Co., LTd, Japan) with distilled water to prepare an aqueous solution of 1.75 wt% A hydrophobic ceramic membrane (200) having a surface treated with ultrasonic waves for 4 hours, taken out of the aqueous solution, naturally dried at room temperature for 1 hour, and dried at 100 to 120 ° C for 4 hours was used.

또한, 세라믹 멤브레인(200)에 형성된 기공(210)의 직경은 0.8 내지 10㎛ 또는 1 내지 8㎛ 인 것을 특징으로 한다. 일 예로 평균 기공(210)의 크기가 1.2㎛인 것을 사용하였다. 특히, 수처리 반응속도는 기체와 액체의 접촉면적에 크게 의존하게 되는데, 본 발명에 사용된 세라믹 멤브레인(200)의 기공(210)은 매우 미세하므로, 기공(210)을 통해 기체가 미세하게 수중에 분산될 수 있도록 하여 기/액 접촉이 매우 커질 수 있다.
The pores 210 formed in the ceramic membrane 200 are 0.8 to 10 μm or 1 to 8 μm in diameter. For example, the average pore 210 having a size of 1.2 탆 was used. The pore 210 of the ceramic membrane 200 used in the present invention is very fine, so that the gas is finely dispersed in the water through the pore 210. In this case, So that vapor / liquid contact can be made extremely large.

도 2를 참조하면, 본 발명의 플라즈마 방전부(300)는 방전전극(310)과 유전체 튜브(320)로 구성되어 있으며, 상기 방전전극(310)은 스테인리스 스틸, 탄소강, 구리, 황동, 티타늄, 텅스텐 또는 몰리브덴 등의 도전성 소재로 형성되어 있으며, 외측 표면에 유전체 튜브(320)가 형성되어 있다. 특히, 상기 유전체 튜브(320)는 하나의 마이크로 방전에 의해 전해지는 전하의 양을 제한하고 마이크로 방전이 전극 전체로 퍼지도록 할 수 있다. 이를 위하여, 상기 유전체 튜브(320)는 유전율이 높은 물질로 구성될 수 있다. 일 예로 유리, 석영 또는 세라믹으로 구성될 수 있다. 2, the plasma discharge unit 300 includes a discharge electrode 310 and a dielectric tube 320. The discharge electrode 310 is formed of stainless steel, carbon steel, copper, brass, titanium, Tungsten or molybdenum, and a dielectric tube 320 is formed on the outer surface. In particular, the dielectric tube 320 may limit the amount of charge delivered by one microdischarge and cause the microdischarge to spread throughout the electrode. For this, the dielectric tube 320 may be made of a material having a high dielectric constant. For example, glass, quartz or ceramics.

특히, 본 발명의 플라즈마 방전부(300)는 세라믹 멤브레인(200)의 중공부(220) 내부에서 소정간격으로 이격되어 배치된다. 상기 소정간격은 1 내지 5mm 가 유지될 수 있다. 일 예로, 세라믹 멤브레인(200)의 외경은 11mm, 유전체 튜브(320)의 내경과 외경은 각각 2mm와 4mm 였으며, 세라믹 멤브레인(200)의 내벽과 유전체 튜브(320)의 외벽 사이의 거리는 3mm였다.Particularly, the plasma discharge unit 300 of the present invention is spaced apart from the hollow portion 220 of the ceramic membrane 200 by a predetermined distance. The predetermined interval may be maintained at 1 to 5 mm. For example, the outer diameter of the ceramic membrane 200 was 11 mm, the inner diameter and outer diameter of the dielectric tube 320 were 2 mm and 4 mm, respectively, and the distance between the inner wall of the ceramic membrane 200 and the outer wall of the dielectric tube 320 was 3 mm.

또한, 세라믹 멤브레인(200)의 내부에 형성된 중공부(220), 보다 구체적으로 플라즈마 방전부(300)와 세라믹 멤브레인(200) 사이의 공간은 기체 유입구(110)와 연통되어, 상기 기체 유입구(110)를 통해서 기체가 상기 공간으로 유입되고, 플라즈마 방전부가 전기방전을 일으켜 유입된 기체를 활성화시킬 수 있다.The space between the plasma discharge part 300 and the ceramic membrane 200 is communicated with the gas inlet 110 so that the gas inlet 110 The gas is introduced into the space, and the plasma discharge part generates an electric discharge to activate the introduced gas.

여기서 기체라 함은, 공기, 산소, 질소, 또는 아르곤 중 적어도 하나일 수 있으며, 일 예로 공기가 사용될 수 있다. 여기서, 공기라 함은 질소, 산소, 아르곤, 이산화탄소 등의 혼합물이 섞여있는 지구를 둘러싼 대기의 하층 부분에 있는 무색, 투명, 무취의 혼합기체를 의미한다.
Here, the gas may be at least one of air, oxygen, nitrogen, and argon, and air may be used as an example. Here, air means a colorless, transparent, odorless gas mixture in the lower atmosphere of the atmosphere surrounding a mixture of nitrogen, oxygen, argon, and carbon dioxide.

하나의 양태로서, 본 발명의 세라믹 멤브레인(200)의 외경은 본 발명의 반응조(100) 내부의 일측면과 대응될 수 있다. 이는, 세라믹 멤브레인(200)의 외경이 반응조(100)의 내경과 대응되어 폐수 처리장치의 운전 정지시 플라즈마 반응부 내부로 물이 유입되는 것을 방지하기 위함이다.In one embodiment, the outer diameter of the ceramic membrane 200 of the present invention may correspond to one side of the interior of the reactor 100 of the present invention. This is to prevent water from flowing into the plasma reaction part when the outside diameter of the ceramic membrane 200 corresponds to the inside diameter of the reaction tank 100 to stop the operation of the wastewater treatment device.

또한, 본 발명의 세라믹 멤브레인(200)의 외측 표면에 코일(230)이 형성되어 있으며, 상기 코일(230)은 접지전극(231)과 연결될 수 있다. A coil 230 is formed on the outer surface of the ceramic membrane 200 of the present invention. The coil 230 may be connected to the ground electrode 231.

여기서, 접지전극(231)이라 함은 접지를 하기 위해 대지 속에 매설되는 전극으로, 금속막대, 금속판, 금속 메시일 수 있으며, 본 발명은 Y-자 형 접지전극일 수 있다.
Here, the ground electrode 231 may be a metal rod, a metal plate, or a metal mesh embedded in the ground for grounding, and the present invention may be a Y-shaped ground electrode.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 폐수 처리과정을 나타내는 흐름도이다.3 is a flow chart illustrating a wastewater treatment process according to an embodiment of the present invention.

도 3을 참조하면, 폐수 처리장치를 이용하여, 상기 세라믹 멤브레인(200) 중공부(220)로 기체를 유입하는 단계; 상기 방전전극(310)에 전압을 가하여 플라즈마를 생성하여 유입된 기체를 활성화시키는 단계; 및 상기 활성화된 기체가 폐수내로 공급되어 폐수를 정화처리하는 단계; 를 포함한다.Referring to FIG. 3, introduction of gas into the hollow portion 220 of the ceramic membrane 200 using a wastewater treatment apparatus; Applying a voltage to the discharge electrode 310 to generate a plasma to activate the introduced gas; And the activated gas is supplied into the wastewater to purify the wastewater; .

보다 구체적으로, 기체는 기체 유입구(110)를 통하여, 세라믹 멤브레인(200)과 플라즈마 방전부(300) 사이의 공간으로 유입된다.More specifically, the gas flows into the space between the ceramic membrane 200 and the plasma discharge unit 300 through the gas inlet 110.

또한, 일정한 주파수를 가지는 전압이 방전전극(310)에 인가되어 플라즈마 방전부(300) 내부에 전기장이 발생하게 되면, 유전체 튜브(320)와 세라믹 멤브레인(200) 내벽 사이의 공간 및 멤브레인의 수많은 미세 기공(210)에서 플라즈마가 생성되어 유입된 기체를 활성화시키게 된다. 상기 활성화된 기체와 관련하여 많은 해리 및 이온화 반응들이 가능하며, 주요 반응식만 요약해 보면 다음과 같다.
When a voltage having a predetermined frequency is applied to the discharge electrode 310 and an electric field is generated in the plasma discharge unit 300, a space between the dielectric tube 320 and the inner wall of the ceramic membrane 200, Plasma is generated in the pores 210 to activate the introduced gas. Many dissociation and ionization reactions are possible with respect to the activated gas, and only the main reaction schemes are summarized as follows.

O2 + e → O + O + e (반응식 1)O 2 + e? O + O + e (Scheme 1)

N2 + e → N + N + e (반응식 2)N 2 + e - > N + N + e (scheme 2)

O+O2 → O3 (반응식 3)O + O 2 ? O 3 (Scheme 3)

N2 + e → N2 + + e (반응식 4)N 2 + e? N 2 + + e (scheme 4)

O2 + e → O2 + + e (반응식 5)O 2 + e? O 2 + + e (scheme 5)

O2 + e → O2 (반응식 6)O 2 + e? O 2 (Scheme 6)

O2 + e → O + O (반응식 7)O 2 + e? O + O (Scheme 7)

N2 + e → N2 * (반응식 8)N 2 + e? N 2 * (Reaction Scheme 8)

상기 반응식에서 e는 고에너지 전자, N2 * 는 여기상태의 질소분자를 나타낸다. 또한, O, O3, N, N2 +, O2 +, O2 - 등의 활성화된 기체는 세라믹 멤브레인(200)을 통해 미세한 기포 형태로 수중에 고르게 분산하게 되며, 수중 유기물 및 미생물은 이들 성분들과 반응을 통해 제거된다.In the above reaction formula, e represents a high energy electron and N 2 * represents a nitrogen molecule in an excited state. In addition, activated gases such as O, O 3 , N, N 2 + , O 2 + , O 2 - and the like are dispersed evenly in water in the form of fine bubbles through the ceramic membrane 200, Lt; RTI ID = 0.0 > components.

한편, 방전전극(310)에 인가되는 전압은 적절하게 조절될 필요가 있다. 전압이 너무 높으면 전기장에 의해서 물 분자가 직접 분해될 수 있으며, 전압이 너무 낮으면 버블 내의 가스가 이온화되지 못할 수 있기 때문이다. 이와 같은 점을 종합적으로 고려하여 볼 때에, 방전전극(310)에 인가되는 전압은 5 내지 30kV인 것이 바람직하다.On the other hand, the voltage applied to the discharge electrode 310 needs to be adjusted appropriately. If the voltage is too high, the water molecules can be directly decomposed by the electric field, and if the voltage is too low, the gas in the bubble may not be ionized. Considering this point, it is preferable that the voltage applied to the discharge electrode 310 is 5 to 30 kV.

또한, 방전전극(310)에 인가되는 전압의 주파수 역시 절절하게 조절될 필요가 있다. 주파수가 너무 높으면 전기적인 정합 문제로 인해 전력이 비효율적으로 사용될 수 있으며, 주파수가 너무 낮으면 플라즈마가 생성이 안되어 기체가 활성화하지 못할 수 있기 때문에, 이와 같은 점을 종합적으로 고려하여 볼 때에, 방전전극(310)으로 인가되는 주파수는 0.5 내지 1000kHz인 것이 바람직하다.
In addition, the frequency of the voltage applied to the discharge electrode 310 needs to be adjusted properly. If the frequency is too high, the electric power may be inefficiently used due to the electric matching problem. If the frequency is too low, the plasma may not be generated and the gas may not be activated. Therefore, It is preferable that the frequency applied to the capacitor 310 is 0.5 to 1000 kHz.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 실험예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 다만 하기의 실험예는 본 발명의 내용을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범위가 하기 실험예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실험예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.
Hereinafter, in order to facilitate understanding of the present invention, experimental examples will be described in detail. It should be understood, however, that the following examples are illustrative only and are not intended to limit the scope of the present invention. Experimental examples of the present invention are provided to enable those skilled in the art to more fully understand the present invention.

<< 실험예Experimental Example >>

실험예 1. 모사 폐수의 제조Experimental Example 1. Preparation of Simulated Wastewater

본 발명의 실험예에서는 모사 폐수의 제조를 위해 증류수에 유기물이나 미생물을 희석하여 사용하였다. 사용된 유기성 수질오염물질은 유기물인 Reactive Blue (C23H14C12N6O8S2)을 사용하였고, 미생물은 대장균(E.coli)을 사용하였다. 본 발명의 실험예에서 사용한 Reactive Blue와 Acid Red 4는 Sigma-Aldrich에서 구입하였다.In the experimental example of the present invention, organic matter or microorganisms were diluted in distilled water for the production of simulated wastewater. Reactive blue (C 23 H 14 C 12 N 6 O 8 S 2 ) was used as the organic water pollutant and E. coli was used as the microorganism. Reactive Blue and Acid Red 4 used in the experimental examples of the present invention were purchased from Sigma-Aldrich.

유기성 수질오염물질의 농도는 3.5~17.5 mg/L 였으며, 대장균의 초기 농도는 1×107 cfu/mL 였다(cfu: colony forming unit). The concentration of organic pollutants was 3.5 ~ 17.5 mg / L, and the initial concentration of E. coli was 1 × 10 7 cfu / mL (cfu: colony forming unit).

또한, 모사 폐수의 부피는 800mL 이었으며, 액상 펌프에 의해 100L/min 유속으로 폐수 처리장치 내부로 유입하였다. 이때, 폐수 처리장치에는 교류 또는 펄스 고전압이 사용 가능하며, 본 발명의 실험예에서는 주파수 60Hz의 교류 고전압이 사용되었다. 유기성 수질오염물질의 제거 성능은 분광광도계에 의해 분석되었고, 대장균의 사멸 효율 측정에는 3M사의 E.coli 용 Petrifilm이 이용되었다. 또한 모든 실험은 15 내지 25℃ 온도에서 수행되었다.
Also, the volume of the simulated wastewater was 800 mL, and flowed into the wastewater treatment device at a flow rate of 100 L / min by the liquid pump. At this time, alternating current or pulse high voltage can be used in the wastewater treatment apparatus, and in the experimental example of the present invention, AC high voltage having a frequency of 60 Hz was used. The removal efficiency of organic water pollutants was analyzed by a spectrophotometer. Petrifilm for E. coli from 3M company was used for measuring the killing efficiency of E. coli. All experiments were also carried out at temperatures between 15 and 25 ° C.

실험예Experimental Example 2. 폐수 처리장치를 이용한 폐수 처리 방법. 2. Wastewater treatment method using wastewater treatment device.

폐수처리 성능 분석을 위해 주기적으로 시료를 채취하여 농도를 측정하였다. 모사 폐수의 유기물 농도는 UV/visible spectrophotometer (Model UV-2500, Labomed, Inc.)를 이용하여, Reactive Blue는 595nm 에서, Acid Red 4는 508nm에서 분석하였다.For the wastewater treatment performance analysis, samples were collected periodically and their concentrations were measured. The organic wastewater concentration was analyzed using UV / visible spectrophotometer (Model UV-2500, Labomed, Inc.), Reactive Blue at 595 nm and Acid Red 4 at 508 nm.

본 발명의 폐수 처리장치 내부에 기체를 연속으로 흘리며, 방전전극(310)에 고전압을 인가하면 유리관으로 형성된 유전체 튜브(320) 내부에서 기체가 활성화되었다. 특히, 공기 중의 산소와 수증기가 해리되어 오존, 산소원자, 수산화라디칼 등의 각종 산화성 성분들이 발생되었다.When a high voltage is applied to the discharge electrode 310 while the gas is continuously flowing into the wastewater treatment apparatus of the present invention, the gas is activated inside the dielectric tube 320 formed of the glass tube. Particularly, oxygen and water vapor in the air dissociate and various kinds of oxidizing components such as ozone, oxygen atoms and hydroxyl radicals are generated.

도 4는 전압 15.6kV (실효값)를 인가하여 방전 전력을 2W로 고정하고, 인가 시간별로 측정한 Reactive Blue 4의 제거효율을 나타낸 그래프이다. 도 4에 나타난바와 같이 초기 농도가 3.5mg/L일 때는 약 6분, 8.75mg/L일 때는 약 10분, 17.5mg/L 일 때는 약 14분 후 완전히 제거됨을 알 수 있었다.4 is a graph showing the removal efficiency of Reactive Blue 4 measured by applying the voltage of 15.6 kV (effective value) to fix the discharge power at 2 W and measuring the applied time. As shown in FIG. 4, it was found that when the initial concentration was 3.5 mg / L, it was completely removed for about 6 minutes, about 10 minutes for 8.75 mg / L and about 14 minutes for 17.5 mg / L.

표 1은 도 4와 같은 운전조건(2W)에서 측정한 다른 유기물 및 대장균의 10분 후 제거효율을 나타내었다. 표 1에 제시한 바와 같이 Acid Red 4, Orange Ⅱ 및 대장균이 10분에 100% 제거됨을 알 수 있었다. 특히, 도 5는 Orange Ⅱ의 처리전과 처리후를 나타낸 도면으로 대장균이 제거됨을 알 수 있엇다. Table 1 shows the removal efficiencies of other organic substances and Escherichia coli measured at the operating condition (2W) as shown in FIG. 4 after 10 minutes. As shown in Table 1, Acid Red 4, Orange II and Escherichia coli were found to be 100% removed in 10 minutes. In particular, FIG. 5 shows that before and after treatment of Orange II, E. coli was removed.

따라서, 본 발명의 폐수 처리장치가 수처리에 매우 효과적임을 알 수 있었다.Therefore, it was found that the wastewater treatment apparatus of the present invention is very effective for water treatment.

10분 후 처리 후 제거성능(%)Removal performance after 10 minutes treatment (%) Acid Red 4

Figure 112013072369555-pat00001
Acid Red 4
Figure 112013072369555-pat00001
100% (초기농도 5mg/L)100% (initial concentration 5 mg / L) Orange Ⅱ
Figure 112013072369555-pat00002
Orange II
Figure 112013072369555-pat00002
100% (초기농도 5mg/L)
100% (initial concentration 5 mg / L)
대장균Escherichia coli 100% (초기농도: 1 × 107 cfu/mL)
100% (initial concentration: 1 x 10 &lt; 7 &gt; cfu / mL)

100: 반응조
110: 기체 유입구 120: 기체 배출구
200: 세라믹 멤브레인
210: 기공 220: 중공부
230: 코일 231: 접지전극
300: 플라즈마 방전부
310: 방전전극 320: 유전체 튜브
100: Reactor
110: gas inlet 120: gas outlet
200: Ceramic membrane
210: Pore 220: Hollow
230: coil 231: ground electrode
300: Plasma discharge unit
310: discharge electrode 320: dielectric tube

Claims (15)

폐수가 담겨져 있는 반응조;
상기 반응조에 담겨져 내부에 중공부를 형성하며, 복수개의 기공이 형성된 소수성의 세라믹 멤브레인;
상기 반응조의 일측에 연결설치되며, 상기 중공부와 연통하여 기체가 유입되는 기체 유입구; 및
상기 중공부에 삽입되며 전기방전을 일으켜 유입된 기체를 활성화시키는 플라즈마 방전부; 를 포함하며, 활성화된 기체를 상기 기공을 통하여 폐수내로 공급하는 것을 특징으로 하는 폐수 처리장치.
A reaction tank containing waste water;
A hydrophobic ceramic membrane, which is contained in the reaction tank and has a hollow portion therein, the hydrophobic ceramic membrane having a plurality of pores;
A gas inlet connected to one side of the reaction tank and communicating with the hollow portion to introduce a gas; And
A plasma discharge part inserted in the hollow part to cause an electric discharge to activate the introduced gas; Wherein the activated gas is supplied into the wastewater through the pores.
제1항에 있어서,
상기 반응조의 내부의 일측면은 상기 세라믹 멤브레인의 외경과 대응되는 것을 특징으로 하는 폐수 처리장치.
The method according to claim 1,
Wherein one side of the inside of the reaction tank corresponds to an outer diameter of the ceramic membrane.
제1항에 있어서,
상기 반응조는 기체 배출구를 추가로 포함하는 폐수 처리장치.
The method according to claim 1,
Wherein the reaction tank further comprises a gas outlet.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 세라믹 멤브레인은 외측 표면을 감싸는 코일을 포함하는 것을 특징으로 하는 폐수 처리장치.
The method according to claim 1,
Wherein the ceramic membrane comprises a coil surrounding the outer surface.
제5항에 있어서,
상기 코일은 접지전극을 접촉하고 있는 것을 특징으로 하는 폐수 처리장치.
6. The method of claim 5,
Wherein the coil is in contact with the ground electrode.
제1항에 있어서,
상기 플라즈마 방전부는
길이방향으로 확장되며 전압이 인가되어 플라즈마를 발생시키는 방전전극; 및
상기 방전전극의 외측 표면을 감싸는 유전체튜브; 를 포함하는 폐수 처리장치.
The method according to claim 1,
The plasma discharge unit
A discharge electrode extending in the longitudinal direction and applying a voltage to generate a plasma; And
A dielectric tube surrounding the outer surface of the discharge electrode; And a waste water treatment device.
제7항에 있어서,
상기 방전전극은 스테인리스 스틸, 탄소강, 구리, 황동, 티타늄, 텅스텐 또는 몰리브덴으로 이루어진 것을 특징으로 하는 폐수 처리장치.
8. The method of claim 7,
Wherein the discharge electrode is made of stainless steel, carbon steel, copper, brass, titanium, tungsten or molybdenum.
제7항에 있어서,
상기 유전체 튜브는 석영관, 유리관 또는 세라믹관으로 이루어진 것을 특징으로 하는 폐수 처리장치.
8. The method of claim 7,
Wherein the dielectric tube is made of a quartz tube, a glass tube, or a ceramic tube.
제1항에 있어서,
상기 기공의 직경은 0.8 내지 10 ㎛ 인 것을 특징으로 하는 폐수 처리장치.
The method according to claim 1,
And the diameter of the pores is 0.8 to 10 mu m.
제1항에 있어서,
상기 폐수를 상기 반응조에 공급하는 폐수 공급부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 폐수 처리장치.
The method according to claim 1,
Further comprising a wastewater supply unit for supplying the wastewater to the reaction tank.
제1항에 있어서,
상기 기체는 공기, 산소, 질소 및 아르곤 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 폐수 처리장치.
The method according to claim 1,
Wherein the gas is at least one of air, oxygen, nitrogen, and argon.
제1항 내지 제3항, 제5항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 폐수 처리장치를 이용하여,
상기 세라믹 멤브레인 중공부로 기체를 유입하는 단계;
상기 방전전극에 전압을 가하여 플라즈마를 생성하여 유입된 기체를 활성화시키는 단계; 및
상기 활성화된 기체가 폐수내로 공급되어 폐수를 정화처리하는 단계; 를 포함하는 폐수 처리방법.
A wastewater treatment apparatus according to any one of claims 1 to 3 and 5 to 12,
Flowing a gas into the ceramic membrane hollow portion;
Applying a voltage to the discharge electrode to generate a plasma to activate the introduced gas; And
The activated gas is supplied into the wastewater to purify the wastewater; &Lt; / RTI &gt;
제13항에 있어서,
상기 방전전극에 인가되는 전압은 5 내지 30kV인 것을 특징으로 하는 폐수 처리방법.
14. The method of claim 13,
Wherein the voltage applied to the discharge electrode is 5 to 30 kV.
제13항에 있어서,
상기 방전전극에 인가되는 전압의 주파수는 0.5 내지 1000kHz인 것을 특징으로 하는 폐수 처리방법.
14. The method of claim 13,
Wherein the frequency of the voltage applied to the discharge electrode is 0.5 to 1000 kHz.
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