KR101639337B1

KR101639337B1 - 미세 버블 환경에서의 플라즈마를 이용한 수처리 방법 및 이를 이용한 수처리 장치

Info

Publication number: KR101639337B1
Application number: KR1020130005780A
Authority: KR
Inventors: 오경환; 노진환; 손하영; 조명종; 신재민; 송 콘스탄틴; 송 에드워드; 노경태
Original assignee: 사단법인 분자설계연구소; 주식회사 이노에이지
Priority date: 2013-01-18
Filing date: 2013-01-18
Publication date: 2016-07-14
Also published as: KR20140093842A

Abstract

미세 버블 환경에서의 플라즈마를 이용한 수처리 방법 및 이를 이용한 수처리 장치 개시된다. 본 발명은 기체가 산기관을 통과하여 버블로 생성되고, 생성된 버블이 폐수와 혼합된 유체가 세라믹 충전제 층을 통과하는 제 1단계; 제 1단계의 유체가 이동노즐을 통과하여 버블의 크기가 0.1~100 ㎛이며, 버블의 부피비율이 60~99 %가 되도록 하는 제 2단계; 제 2단계의 유체가 원형 전극 노즐을 통과할 때에, 플라즈마 체적방전이 일어나는 제 3단계; 및 제 3단계의 플라즈마 체적방전된 버블이 유기물을 분해하는 제 4단계를 포함한 플라즈마를 이용한 수처리 방법 및 장치를 제공한다. 본 발명에 따르면 수중에서 저전압으로 플라즈마 방전이 용이하게 발생 및 확산 되며, 유체를 흘려가면서 연속적으로 유기물을 분해할 수 있는 것이 가능하게 된다.

Description

미세 버블 환경에서의 플라즈마를 이용한 수처리 방법 및 이를 이용한 수처리 장치{water purification method using plasma in microbubble environment and it's apparatus}

본 발명은 플라즈마를 이용한 수처리 방법 및 장치에 관한 것으로서, 좀더 상세하게는 버블(bubble)을 처리 대상 폐수에 혼합하고 플라즈마 발생 전극을 통과시켜, 플라즈마가 상기 폐수에서 상기 버블의 유동에 의해 체적방전(volume discharge)하여, 상기 폐수 중의 유기물을 분해하는 미세 버블 환경에서의 플라즈마를 이용한 수처리 방법 및 장치에 관한 것이다.

최근의 급속한 도시화·공업화에 따른 폐수의 발생량이 기하급수적으로 늘어나고 있는데, 종래 사용되는 대부분의 폐수 처리장치는 장치설비에 많은 비용이 소요되고 있고 또한 대규모의 공간을 차지하기 때문에 폐수 처리장치를 설치하는데 많은 어려움이 있어, 대용량의 폐수를 적은 공간에서 적은 비용으로 효율적으로 처리할 필요가 요구되고 있다.

폐수 처리에 있어서, 최근 재래식 산화처리 공정의 한계를 극복하기 위한 방안으로서 고급산화법(AOP:Advanced Oxidation Process)에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다.

고급산화법이란 오존 및 OH 라디칼, 과산화수소, UV 등을 이용하여 수중 오염물질인 유기물을 산화처리 하는 수처리 기술로서, 기존의 산화제인 염소, 이산화염소, 과망간산칼륨 등보다 훨씬 강한 산화력을 가져 산업 폐수뿐만 아니라 상수처리에도 점차 확대 적용되고 있는 추세이다.

이들 중에서 오존을 이용한 산화처리는 오존의 강력한 산화력을 이용하는 것으로서, 살균효과가 우수하여 소량의 접촉에 의해서도 대부분의 세균을 사멸시키는 등 정수처리 공정에 살균제로서 사용되고 있다. 그리고, 원수 중에 있는 미량의 유기물질의 성상을 변화시켜 제거하거나 악취 물질 등의 제거에 효과적이며, 인공합성 유기물 등의 산화처리에 널리 이용되고 있다. 그러나, 오존은 대다수 유기물과의 반응이 느리거나 어떤 유기물과는 전혀 반응을 하지 않는 등 매우 선택적인 반응을 한다는 단점이 있다.

따라서, 이러한 오존처리의 단점을 극복하기 위해 OH 라디칼의 산화력을 이용하여 오존과 과산화수소, 오존과 UV AOP, 과산화수소와 UV AOP 등으로 병행하여 적용하게 되는데, 오존보다 산화력이 높은 OH 라디칼을 중간생성물로 생성시켜 산화처리에 이용하는 방법이 연구되어 다양한 분야에 적용되고 있다.

이러한 고급산화법의 분야 중 하나로 수중 플라즈마 방전이 연구되고 있는데, 플라즈마의 온도는 유기물의 분자를 해리, 이온화시키는 온도보다 훨씬 높기 때문에 단단히 결합된 유기물도 분해가 가능하여 수질을 정화하는데 적합하다.

또한, 플라즈마는 기체상에서 다량의 활성 라디칼과 이온의 생성 및 들뜬 분자의 진동으로 화학적 반응을 가속화시킨다.

상기 플라즈마에 의해 수중에서 OH 라디칼의 상호반응에 의해 과산화수소가 생성되어 산화반응을 일으키게 한다. 이러한 플라즈마에 의해 생성된 활성 라디칼(OH^-, O^-, O₃)의 산화반응은 유기물 분해 등 수질정화에 폭 넓게 응용될 수 있다는 장점을 지니고 있다.

그런데, 플라즈마 수중 방전은, 전극이 물속에 잠겨 있을 경우 매질 속에 있는 방전극에 전기를 하전하면 물에 의해 통전이 되어 플라즈마가 생성되지 않거나, 플라즈마가 생성될 수 있도록 이온화 작용을 할 수 있는 브레이크다운 전압(breakdown voltage)을 높여야 하는 문제점이 있다.

이러한 이유로 수표면 방전을 발생시켜 처리하는 방식이 많이 연구되었으나, 이러한 수표면 방전의 경우 플라즈마 방전에 의한 수 처리가 이루어지는 공간이 수표면적으로 한정되어 매우 협소하여 비효율적인 처리방법이 되며, 방전 시 수표면과 방전극과의 간격이 일정하지 못하여 수표면에서 절연파괴가 일어나는 등 매우 불안정한 방전현상이 유발된다.

최근에는 활성 라디칼의 발생량을 증가시키기 위해 다양한 종류의 유전체를 이용하여 수중에서 방전시키기 위한 반응기들이 연구되고는 있으나, 매질이 물인 조건에서 안정된 방전을 지속적으로 유지하지 못하여 결국 절연파괴가 일어나거나 방전효율이 급격히 떨어지는 문제를 여전히 안고 있다.

또한 기존의 수중에서 플라즈마를 발생시키는 기술은, 전극이 물속에 잠겨 있을 경우 도전성 물에 의해 단락이 발생하거나 수표면 방전의 경우 방전공간이 한정되어 있어 매우 비효율적인 처리방법이 되며, 전극의 간극 길이가 일정하지 못하여 절연파괴가 일어나기 때문에 매우 고가인 펄스전원을 사용하거나 유전체 코팅된 전극 등을 사용한다. 때문에 고가의 장비와 운전 및 설치의 어려움으로 일반화되지 못하는 문제점이 있다.

따라서, 이러한 문제를 해결할 수 있는 수중 플라즈마 방전이 요구되고 있다.

대한민국공개특허공보 제2006-0124864호에는 수처리에 있어서 물과 공기의 2상 공간에서 플라즈마를 방전시킴으로써, 플라즈마 방전 상태를 유지할 수 있어, 수 표면 방전에 비해 정수처리 효율이 향상되는 수중 플라즈마 방전장치가 개시되어 있다.

그러나 플라즈마를 생성하기 위하여 방전극에 고전압의 펄스나 교류전원을 인가하여야 하는 문제점이 있다.

또한, 대한민국공개특허공보 제2009-0097340호에는 오폐수 내에 기체를 투입하고 기체-액체의 2상 공간에 DBD(Dielectric Barrier Discharge) 플라즈마를 발생시켜 기체를 활성 라디칼로 만든 후 활성 라디칼과 오폐수를 반응시켜 오폐수를 정화하는 DBD 플라즈마 방전을 이용한 오폐수 정화방법에 관하여 개시되어 있다.

상기 방법은 고압전극의 제1유전층과 접지전극의 제2유전층을 일정 간격으로 마주보도록 배치하여 반응공간을 형성하는 단계와; 상기 반응공간 내부로 오폐수를 투입하는 단계와; 상기 반응공간 내부로 반응기체를 투입하는 단계와; 상기 고압전극 및 접지전극 사이에 고전압을 인가하여 상기 제1유전층과 상기 제2유전층 사이에 플라즈마 방전을 발생하는 단계와; 상기 플라즈마 방전에 의해 상기 반응기체가 활성 라디칼을 생성하고 상기 활성 라디칼이 오폐수와 반응하여 오폐수를 정화하는 단계와; 상기 정화 단계에 의해 정화된 정화수를 배출하는 단계로 이루어지며, 반응기체는 산기부를 통과하여 오폐수와 섞이도록 구성된다.

그러나 상기 방법은 여전히 수중에서의 플라즈마 방전이므로 고압전극이 필요하며, 상기 오폐수의 많은 양을 빠른 속도로 정화하기 위하여 반응공간을 넓게 형성하여야 하므로 전극의 넓이를 증대시켜야 하므로 장치가 커지는 문제점이 있다.

대한민국등록특허공보 제0924649호에는 높은 에너지 밀도를 가지는 스트리머 플라즈마(streamer plasma)를 발생시킴과 동시에 물에 플라즈마 에너지를 직접 주입할 수 있는 고밀도 수중 플라즈마 토치(torch)를 발생시키는 장치 및 그 방법에 관하여 개시되어 있다.

상기 장치는 투명 석영관과, 상기 투명 석영관 내부에 삽입되어 석영관의 내경과 방전 갭(discharge gap)을 확보할 수 있는 직경을 갖는 도전성 방전극과, 상기 투명 석영관 외부표면에 접촉되어 고밀도 플라즈마 영역을 형성하는 메쉬형 도전성 대향전극과, 상기 투명 석영관 상단에 조립되어 석영관 내부에서 도전성 방전극을 중심축에 고정시키며, 가스주입구 및 고압선 인입구를 갖는 토치헤드를 구비하는 수중 플라즈마 반응기를 포함하며, 상기 수중 플라즈마 반응기의 투명 석영관과 도전성 방전극 사이의 공간으로 가스 또는 공기를 주입시키는 레귤레이터와 상기 도전성 방전극 및 메쉬형 도전성 대향전극에 고압전원을 인가시켜 플라즈마를 발생시키는 전자식 네온트랜스를 구비한다.

상기 장치는 수중 플라즈마 반응기를 물에 직접 접촉시켜 플라즈마를 발생시킴으로써, 수표면 및 수중에서 강한 전계를 형성하여 플라즈마 에너지를 전달하여 환경오염물질을 처리할 수 있는 효과를 가진다.

그러나 상기 장치는, 도전성 방전극과 메쉬형 도전성 대향전극의 간격을 3~5 mm의 좁은 간격으로 배치하고 전극 사이의 방전영역이 협소하며, 전극을 상용 전자식 네온트랜스의 전원단자에 각각 연결하여 9~15 kV, 22.5~23 kHz의 전기를 공급하여 플라즈마를 발생시키므로, 고압전원을 필요로 하는 문제점이 있다.

대한민국등록특허공보 제1052486호에는 수중 펄스 플라즈마 처리 장치가 기재되어 있는데, 7 kV의 고전압을 사용하여 플라즈마를 발생시키므로 역시 고압전원을 필요로 하는 문제점이 있다.

상기와 같이 현재 제안되어 있는 플라즈마를 이용한 수질정화장치들은, 상기의 발명을 실제 수질정화처리에 적용할 경우에는 장치의 운전이 지속됨에 따라 강한 산화력을 가진 반응종이 반응기의 전극을 부식시키는 문제가 발생한다.

전극이 부식됨에 따라 전극 간의 간격이 변화하고, 이에 따라 투입되는 전기에너지에 비하여 방전에너지로 전환되는 전환율이 점차 낮아져 수질정화 처리효율이 저하되므로 보수를 위한 가동중단이 빈번히 발생하는 문제가 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 수중에서 저전압으로도 플라즈마 방전이 용이하게 발생 및 확산 되고, 폐수를 흘려가면서 연속적으로 유기물을 분해 처리할 수 있는 미세 버블 환경에서의 체적방전에 의한 플라즈마를 이용한 수처리 방법 및 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 기체(1)가 산기관(13)을 통과하여 마이크로 크기의 버블로 생성되고, 상기 버블과 폐수(2)가 혼합된 유체가 세라믹 충전제 층(14)을 통과하여 펄스 형식의 흐름이 방지되는 제 1단계; 상기 제 1단계의 유체가 이동노즐부(20)를 통과하여 상기 버블을 미세하고 균일하게 분포되도록 하는 제 2단계; 상기 제 2단계의 유체가 원형 전극 노즐(31)을 통과하면서, 상기 버블이 형성하는 경로를 따라 3차원 방향으로 상기 버블이 유동하여 만들어내는 부피 공간에서 플라즈마의 체적방전이 일어나는 제 3단계; 및 상기 제 3단계의 플라즈마 체적방전된 버블이 유기물을 분해하는 제 4단계를 포함한 미세 버블 환경에서의 플라즈마를 이용한 수처리 방법을 제공한다.

또한 버블과 폐수(2)가 혼합된 유체가 세라믹 충전제 층(14)을 통과하는 버블 혼합부(10), 상기 버블 혼합부의 후단에 연결되어 상기 버블 혼합부(10)에서 유출되는 유체를 플라즈마 처리부(30)로 이동시키는 이동노즐부(20) 및 상기 이동노즐부(20)의 후단에 연결되어 상기 이동노즐부(20)에서 유출되는 유체를 플라즈마 체적방전시켜 폐수 속의 유기물을 분해하는 플라즈마 처리부(30)를 포함하며, 상기 버블 혼합부(10)는, 상기 버블 혼합부(10)에 폐수를 공급하는 폐수 공급장치(12), 상기 버블 혼합부(10)에 기체(1)를 공급하는 콤프레셔(11), 상기 콤프레셔(11)와 관으로 연결되어 있으며 상기 콤프레셔(11)로부터 공급된 기체(1)를 마이크로 크기의 버블로 만드는 산기관(13), 상기 산기관(13)의 하류단에 접속하여 상기 버블과 상기 폐수 공급장치(12)에서 공급된 폐수가 혼합된 유체를 통과시키는 상기 버블 혼합부(10)내에 충전된 세라믹 충전제 층(14)을 구비하며, 상기 플라즈마 처리부(30)는, 전기가 인가되어 플라즈마를 방전하는 방전극(32) 및 상기 방전극(32)에 일정 거리 이격되어 있는 상대전극(33)으로 구성되어 상기 유체에 플라즈마 체적방전을 일으키는 원형 노즐 전극(31), 상기 방전극(32)에 연결되어 전기를 공급하는 전원공급장치(34) 및 상기 원형 노즐 전극(31)의 후단에 위치하며 상기 원형 노즐 전극(31)을 통과하여 유기물이 분해된 폐수가 배출되는 유출장치(35)를 구비하는 것을 특징으로 하는 미세 버블 환경에서의 플라즈마를 이용한 수처리 장치를 제공한다.

본 발명에 따르면, 폐수의 색도 및 휘발성 유기화합물과 같은 폐수 속의 난분해성 유기화합물을 보다 효과적으로 제거할 수 있는 장점이 있다.

본 발명에 따르면, 낮은 브레이크다운 전압에서 플라즈마를 방전할 수 있어 전기 사용의 효율성이 제고된다.

또한 본 발명에 따르면, 플라즈마를 발생시키는 전극 사이에서 버블의 유동을 따라 3차원적으로 플라즈마가 체적방전 되므로, 플라즈마 방전영역이 증대하여 폐수의 처리 영역이 넓어져 보다 대량으로 효율적인 수처리가 가능하며, 폐수를 흘려가면서 연속처리하는 것이 가능해진다.

본 발명에 따르면 플라즈마 발생기의 전극이 부식 또는 마모되어 전극 사이의 거리가 멀어져도 저전압에서 플라즈마 방전이 체적방전에 의해 계속 유지될 수 있어 전기의 사용 효율이 우수해지는 장점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 버블의 크기변화에 따른 버블 사이의 거리를 계산하여 나타낸 그래프이며,
도 2는 본 발명에 따른 버블이 만들어 내는 방전 경로에 따라 체적방전이 발생하는 것을 나타내는 개념도이며,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마를 이용한 수처리 장치를 나타낸 개략도이며,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 원형 전극 노즐을 나타낸 단면도이며,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 방전극을 나타낸 사시도이며,
도 6은 본 발명의 미세 버블 환경에서의 플라즈마를 이용한 수처리 방법의 과정을 설명하는 절차 흐름도이며,
도 7은 본 발명에 따른 폐수 처리 결과를 나타내는 그림이다.

플라즈마 방전은 유기물을 분해하여 정화하는데 유용한 방법이다.

플라즈마 방전은 기체상에서 다량의 활성 라디칼과 이온의 생성, 들뜬 분자(excited molecule)의 진동으로 화학적 반응을 가속화시킨다.

그러나 액체상에서 플라즈마 방전은 기체상에서의 방전보다 높은 브레이크다운 전압이 요구되어 효율과 경제성이 저하되는 문제점이 있다.

한편 물과 공기의 2상 공간이 되도록 하여 수중에서 플라즈마 방전을 발생시키는 방법이 대한민국공개특허공보 제2006-0124864호에 기재되어 있으나, 상기 특허에서는 물과 공기의 비율을 고려하지 않고 있다.

본 발명자들은 버블과 폐수가 혼합된 유체가 플라즈마 방전을 일으키는 전극 사이를 통과할 때에, 상기 유체에서 버블 크기를 0.1~100.0 ㎛로 미세화하고 버블의 부피비율이 60~99 %가 되도록 함으로써, 상기 전극에 공급되는 낮은 브레이크다운 전압에서도 플라즈마 방전이 일어나며, 상기 플라즈마 방전이 전달될 수 있도록 간격이 가까워진 버블이 형성하는 경로를 따라 전극 사이에서 플라즈마 방전이 일어나며, 상기 버블이 각각 3차원 방향으로 매우 빠른 속도로 유동하여 만들어내는 전극 사이의 일정부피 공간에서 상기 플라즈마 방전이 균일하게 일어나는 체적방전(volume discharge)을 확인하여 본 발명을 완성하였다.

이하 상기 체적방전에 대해 하기의 모델을 사용하여 좀더 상세히 설명한다.

버블이 포함되어 있는 수중에서 액체의 부피를 VL이라고 가정하고, 임의의 압력 x가 버블의 압력일 때 기체의 부피(버블 내부 부피)를 VG라고 표시하고, 보일의 법칙을 적용하여 xㆍVG=101325VG₍ _atm ₎ 라고 정의한다. 이때 101325VG₍ _atm ₎은 대기압(1atm)일 때의 공기의 부피이다.

수중의 버블내의 압력 P_vap 및 액체의 압력 P_liq의 차압은 Young-Laplace 방정식을 이용하여 하기와 같이 구한다.

P_vap - P_liq = ΔP = 2γ / r_b (식 1-1)

(γ: 액체의 표면장력, r_b: 버블의 반경)

x = P_vap가 된다.

체적방전의 이론을 설명하기 위하여 몇 가지 변수들을 다음과 같이 정리한다. 버블이 포함되어 있는 수중의 입방체 형태 계에서, 버블들이 균일하게 배치되어 있다고 가정한다.

계의 전체 부피: V = VL + VG

1기압일 때 기포와 액체의 부피비율 K ≡ VG₍ _atm ₎ / VL (식 1-2)

전체 계의 버블이 차지하는 비율 α ≡ VG / (VL + VG) (식 1-3)

전체 계에서 버블의 수 nb = 3VG / 4πr³ (식 1-4)

(r: 버블의 반경)

계의 한 변의 길이 L =

(식 1-5)

한 변의 놓여진 버블의 수 n =

(식 1-6)

버블중심 사이 최소 거리 d _bb

버블표면 사이 최소 거리 d _ss

버블중심 사이 최소 거리와 버블표면 사이 최소 거리는 상기 식 1-2 내지 1-6을 이용하여 아래와 같이 구한다.

버블중심 사이 최소 거리 d _bb =L / n = (

/

=

(식 1-7)

버블표면 사이 최소 거리 d _ss = d _bb - 2r = r(

- 2) (식1-8)

x는 버블내의 압력 P_vap로서 P_vap = P_atm + P_hyd + P_sur 이다.

(P_atm: 대기압, P_hyd: 유체동압, P_sur: 버블표면압)

x = P_atm + ρ_mixu²/2 + 2γ/r (식 1-9)

(P_atm:대기압,ρ_mix: 유체혼합밀도, u: 유체속도)

상기 식 1-8을 통해 버블의 크기변화에 따른 버블 사이의 거리를 계산하여 도 1에 나타낸다.

도 1에 의하여 같은 K값을 가진 상태에서 버블의 크기가 작을수록 버블 사이의 거리가 작아지는 것을 확인할 수 있다. K값이 1 이상이 되면 버블 사이의 거리는 마이너스가 됨을 알 수 있는데, 실제로 일정 크기의 버블들은 버블의 막(액체)을 사이에 두고 서로 얽히거나 반발력으로 인하여 튕겨 방전 통로를 만들게 된다.

체적방전은 버블이 이루는 방전 경로를 통해서 일어나기 때문에, 버블 사이의 작아진 거리에 의해 버블에 의한 방전 경로가 형성되게 된다.

방전극에서 시작되는 방전이 버블 사이의 작아진 거리에 의해 버블이 만들어내는 방전 경로를 타고 산발적으로 일어나는, 체적방전의 매커니즘을 하기 도 2에 나타낸다. 이때 상기 버블 집단은 전극과 같은 역할을 한다.

이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 버블 환경에서의 플라즈마를 이용한 수처리 장치를 나타낸 개략도인 도 3을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.

도 3에는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 버블 환경에서의 플라즈마를 이용한 수처리 장치가 부호 100으로서 지시되어 있다.

상기 미세 버블 환경에서의 플라즈마를 이용한 수처리 장치(100)는 폐수 속의 유기물을 분해하여 정화하는 설비로서, 버블과 폐수(2)가 혼합된 유체가 세라믹 충전제 층(14)을 통과하는 버블 혼합부(10), 상기 버블 혼합부의 후단에 연결되어 상기 버블 혼합부(10)에서 유출되는 상기 유체를 플라즈마 처리부(30)로 이동시키는 이동노즐부(20) 및 상기 이동노즐부(20)의 후단에 연결되어 상기 이동노즐부(20)에서 유출되는 유체를 플라즈마 체적방전시켜 상기 폐수 속의 유기물을 분해하는 플라즈마 처리부(30)를 포함한다.

이때 상기 버블 혼합부(10)는, 상기 버블 혼합부(10)에 폐수를 공급하는 폐수 공급장치(12), 상기 버블 혼합부(10)에 기체(1)를 공급하는 콤프레셔(11), 상기 콤프레셔(11)와 관으로 연결되어 있으며 상기 콤프레셔(11)로부터 공급된 기체(1)를 마이크로 크기의 버블로 만드는 산기관(13), 상기 산기관(13)의 하류단에 접속하여 상기 버블과 상기 폐수 공급장치(12)에서 공급된 폐수가 혼합된 유체를 통과시키는 상기 버블 혼합부(10)에 충전된 세라믹 충전제 층(14)을 구비한다.

또한 상기 플라즈마 처리부(30)는, 전기가 인가되어 플라즈마를 방전하는 방전극(32) 및 상기 방전극(32)에 일정 거리 이격되어 있는 상대전극(33)으로 구성되어 상기 유체에 플라즈마 체적방전을 일으키는 원형 노즐 전극(31), 상기 방전극(32)에 연결되어 전기를 공급하는 전원공급장치(34) 및 상기 원형 노즐 전극(31)의 후단에 위치하며 상기 원형 노즐 전극(31)을 통과하여 유기물이 분해된 폐수가 배출되는 유출장치(35)를 구비한다.

상기 버블 혼합부(10)는 버블과 폐수를 혼합하여 상기 폐수 속에 상기 버블이 함유된 유체로 만들고, 세라믹 충전제 층(14)에 의해 펄스 형식의 유체의 흐름을 방지하여 상기 유체를 이동노즐부(20)로 이송한다.

상기 산기관(13)은 구멍의 크기가 100 ㎛ 이하인 다공성 금속판 혹은 세라믹판으로서, 상기 콤프레셔(11)로부터 공급된 기체(1)를 마이크로 크기의 버블로 만든다.

상기 세라믹 충전제 층(14)은, 상기 버블 혼합부(10) 내에 속이 빈 원통형 또는 구형의 세라믹 충전제가 다수 채워져 이루어진 층으로서, 상기 속이 빈 원통형 세라믹 충전제 각각은 높이가 5~10 mm, 외경이 4~5 mm, 내경이 2~3 mm이며, 상기 구형 세라믹 충전제 각각은 지름이 0.5~1.0 mm 인 것이 바람직하며, 상기 유체의 펄스 형식의 흐름을 막고, 상기 버블의 크기를 더 미세화하여 상기 폐수와 상기 버블 사이의 계면의 표면적을 더욱 넓게 하고, 상기 버블을 상기 유체 속에 균일하게 분산시켜 상기 유체 속의 상기 버블이 균일하게 분포된 안정적인 상태로 유지한다.

상기 이동노즐부(20)은 상기 버블 혼합부(10)에서 유입된 유체를 공동현상에 의해 상기 유체에서 상기 버블의 크기를 0.1~100.0 ㎛로 하고 버블의 부피비율을 60~99 %로 하는 미세 버블 환경을 만들어 상기 플라즈마 처리부(30)에 공급한다.

상기 플라즈마 처리부(30)는 상기 유체를 상기 미세 버블 환경에서 플라즈마 체적방전시켜 상기 폐수 속의 유기물을 분해하여 정화한다.

상기 전원공급장치(34)로부터 공급된 전기는 상기 방전극(32)과 상기 상대전극(33) 사이에서, 상기 이동노즐부(20)에 의해 형성된 미세 버블 환경에 의해 플라즈마 체적방전 되어 상기 폐수 속의 유기물을 분해하여 정화한다.

도 6은 본 발명에 따른 플라즈마를 이용한 수처리 방법의 과정을 설명하는 절차 흐름도이다. 도 3 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 플라즈마를 이용한 수처리 방법을 하기와 같이 설명한다.

콤프레셔(11)에 의해 미세 버블 환경에서의 플라즈마를 이용한 수처리 장치(100)에 투입되는 기체(1)가, 구멍의 크기가 100 ㎛ 이하인 다공성 금속판 혹은 세라믹판으로 만들어진 산기관(13)을 통과하여 마이크로 크기의 버블로 생성되고, 상기 생성된 버블이 폐수(2)와 혼합된 유체가 상기 버블 혼합부(10) 내에 구비된 세라믹 충전제 층(14)을 통과하는 제 1단계가 수행된다.(S100)

이때 상기 기체(1)는 공기, 산소, 아르곤, 질소 및 오존 중에서 선택된 적어도 어느 하나인 것이 바람직하다.

상기 유체는 버블의 부피비율이 50 % 이상이 되면 유체의 흐름이 연속적이지 않게 되어 흘렀다가 흐르지 않는 펄스 형식의 흐름이 발생한다. 즉, 버블이 일정하게 분포되지 않고 뭉치게 되어 버블만의 흐름과 폐수 액체만의 흐름이 발생할 수 있는데, 상기 펄스 형식의 흐름은 수처리 장치에 심각한 진동을 유발하여 바람직하지 못하고, 버블이 뭉쳐진 큰 덩어리가 원형 전극 노즐(31)을 통과할 때에 일률적인 방전이 일어나지 않고 플라즈마 체적방전을 일으키지 못하게 할 수 있다.

본 발명은 상기 세라믹 충전제 층(14)이, 상기 유체의 펄스 형식의 흐름을 막고, 버블의 크기를 더 미세화하여 폐수와 버블 사이의 계면의 표면적을 더욱 넓게 하고, 버블을 유체 속에 균일하게 분산시켜 유체 속의 버블이 균일하게 분포된 안정적인 상태로 유지될 수 있게 할 수 있다.

상기 세라믹 충전제 층(14)에 충전되는 다수의 세라믹 충전제 각각은 속이 빈 원통형 또는 구형이며, 상기 속이 빈 원통형은 높이가 5~10 mm, 외경이 4~5 mm, 내경이 2~3 mm이며, 상기 구형은 지름이 0.5~1.0 mm 인 것이 상기 유체의 펄스 형식의 흐름을 제어할 수 있어 바람직하다.

또한, 버블과 폐수가 혼합되는 영역의 혼합량 또는 혼합 부피가 커지면 커질수록 세라믹 충전제의 크기가 큰 것을 사용하는 것이 바람직하다.

그 다음에 상기 제 1단계의 유체가 이동노즐부(20)를 통과하여, 공동현상에 의해 유체에서 버블의 크기가 0.1~100.0 ㎛ 이며, 버블의 부피비율이 60~99 % 가 되도록, 버블을 균일하게 분산시켜 미세 버블 환경의 유체를 형성하는 제 2단계가 수행된다(S200).

이때 상기 버블의 크기가 100.0 ㎛를 초과하면 불안정한 방전으로 연속적인 체적방전이 이루어 지지 못하며, 상기 버블의 부피비율이 60 % 미만이면, 버블들 사이에 간격이 멀어져 플라즈마 방전이 전달되는 방전 경로를 형성하기 어려워 체적방전이 발생하기 어려우며, 따라서 고압의 전기를 인가하여야 하므로 효율 및 경제성이 저하되어 바람직하지 못하다. 또한 상기 버블의 크기가 0.1 ㎛ 미만이면 체적방전을 위한 브레이크다운 전압 강하가 미미하여 바람직하지 못하다.

그 다음에 상기 제 2단계의 유체가, 원형 전극 노즐(31)에서 플라즈마를 방전하는 방전극(32)과 상대전극(33) 사이의 공간을 통과할 때에, 상기 미세 버블 환경에서 버블들이 형성하는 경로를 따라 3차원 방향으로 유동하여 만들어내는 일정부피 내에서 플라즈마 방전이 전달되는 체적방전이 일어나는 제 3단계가 수행된다(S300).

이때 상기 제 2단계의 유체는 폐수와 버블이 잘 섞여 있고 버블은 폐수 내에 골고루 꽉 차 있으므로, 2~5 kV의 저전압의 13~15 kHz의 전기가 공급되어도 플라즈마 체적방전이 용이하게 일어날 수 있다.

또한 상기 원형 전극 노즐(31)의 유입부는 노즐 형태로서 유입되는 유체의 버블 크기를 더 미립화 할 수 있어 버블의 크기가 증대되는 것을 방지할 수 있다.

그 다음에 상기 제 3단계의 플라즈마 체적방전된 버블이 유체에서 유동하여 확산하면서 상기 폐수의 유기물을 분해하는 제 4단계가 수행된다(S400).

상기 플라즈마는 곧바로 폐수 중의 유기물을 산화반응시켜 분해하기 때문에 정화 효과가 뛰어나며, 이러한 산화반응은 체적방전된 버블에 의해 플라즈마가 안정적으로 유지되는 한 지속적으로 이루어지기 때문에 연속적인 공정이 가능하고 정화 처리 능력이 향상된다.

상기 제 3단계에서 플라즈마를 발생시키는 전극 사이에서 버블이 만들어내는 방전 경로를 따라 방전이 진행되고, 상기 버블의 3차원적 유동에 따라 플라즈마가 상기 버블을 따라 체적방전 되므로, 플라즈마 방전영역이 3차원적으로 증대하여 폐수와의 접촉 면이 증대하므로, 많은 량의 폐수를 단기간에 처리하는 효율성이 향상되며, 또한 증대된 방전영역으로 폐수를 흘려가면서 연속처리하는 것도 가능하다.

또한 원형 전극 노즐(31)의 전극이 부식 또는 마모되어 전극 사이의 거리가 멀어져도, 전극 사이에서 버블이 작은 간격으로 서로 배열됨으로써 방전 경로를 계속 만들어 내고, 상기 버블의 3차원적 유동에 따라 플라즈마가 체적방전 될 수 있으므로, 저전압에서 플라즈마 방전이 체적방전에 의해 계속 유지될 수 있어 전기의 사용 효율이 우수해지는 장점이 있다.

본 발명에 따른 폐수 처리 효과를 측정하기 위하여 유기물질 중 하나인 인디고 카민(Indigo Carmine) 염료를 물에 20 mg/L의 농도로 섞어서, 오염수를 만든 후에, 본 발명에 의한 폐수 처리 방법으로 처리한 후 상태를 하기 표 1과 도 7에 나타내었다.

구분	처리 유량(L/hr)	외관
오염수	0	푸른색
처리수 1	396	무색
처리수 2	156	무색
처리수 3	102	무색

상기 표 1에서와 같이 폐수 처리 유량 396 L/hr에서 인디고 카민의 푸른색이 없어졌으며 UV 흡수 측정 결과 인디고 카민이 98.5 % 감소하였으며, 상기 처리 유량 156 L/hr에서 인디고 카민의 푸른색이 없어졌으며 UV 흡수 측정 결과 인디고 카민이 99.0 % 감소하였으며, 상기 처리 유량 102 L/hr에서는 인디고 카민의 푸른색이 없어지고 UV 흡수 측정 결과 인디고 카민이 100.0 % 감소하여 인디고 카민이 완전히 분해되는 결과를 얻을 수 있었다.

물에 용해되는 시약 중에서 분해하기가 가장 어려운 인디고 카민이 본 발명에 의해 쉽게 분해된 결과를 얻은 것으로 보아, 본 발명은 일반적인 거의 모든 유기물을 분해할 수 있을 것으로 기대된다. 또한, 본 발명의 플라즈마를 이용한 수처리 장치를 이용하여, 물속에 용존하는 유기물질을 분해한 후에, 필요하다면, 다른 정화 공정을 추가하여 더 수행할 수도 있다.

상기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명이 상기 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.

1: 기체, 2: 폐수,
10: 버블 혼합부, 20: 이동노즐부, 30: 플라즈마 처리부,
11: 콤프레셔, 13: 산기관, 14: 세라믹 충전제 층, 31: 원형 전극 노즐, 32: 방전극, 33: 상대전극, 100: 미세 버블 환경에서의 플라즈마를 이용한 수처리 장치

Claims

기체(1)가 산기관(13)을 통과하여 마이크로 크기의 버블로 생성되고, 상기 버블과 폐수(2)가 혼합된 유체가 세라믹 충전제 층(14)을 통과하여 펄스 형식의 흐름이 방지되는 제 1단계;
상기 제 1단계의 유체가 이동노즐부(20)를 통과하여, 상기 버블의 크기가 0.1~100.0 ㎛이며, 버블의 부피비율이 60~99 %가 되는, 상기 버블을 미세하고 균일하게 분포되도록 하는 제 2단계;
상기 제 2단계의 유체가 원형 전극 노즐(31)을 통과하면서, 상기 버블이 형성하는 경로를 따라 3차원 방향으로 상기 버블이 유동하여 만들어내는 부피 공간에서 플라즈마의 체적방전이 일어나는 제 3단계; 및
상기 제 3단계의 플라즈마 체적방전된 버블이 유기물을 분해하는 제 4단계를 포함하며,
상기 산기관(13)은 구멍의 크기가 100 ㎛ 이하인 다공성 금속판 혹은 세라믹판이며,
상기 세라믹 충전제 층(14)을 형성하는 세라믹 충전제는 높이가 5~10 mm, 외경이 4~5 mm, 내경이 2~3 mm인 속이 빈 원통형이며,
상기 원형 전극 노즐(31)은 노즐형태로서, 노즐의 중심부에 방전극(32)이 위치하고 방전극(32)에 이격하여 상대전극(33)이 위치하고, 원형 전극 노즐(31)의 유입부와, 방전극(32) 및 상대전극(33)으로 이루어진 전극부가 일체화되어 있으며, 상기 유체가 노즐형태의 노즐 유입부를 거쳐 방전극(32)과 상대전극(33) 사이로 통과되는 것을 특징으로 하는 미세 버블 환경에서의 플라즈마를 이용한 수처리 방법.
삭제
제 1항에 있어서,
상기 기체(1)는 공기, 산소, 아르곤, 질소 및 오존 중에서 선택된 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 미세 버블 환경에서의 플라즈마를 이용한 수처리 방법.
삭제
삭제
버블과 폐수(2)가 혼합된 유체가 세라믹 충전제 층(14)을 통과하는 버블 혼합부(10), 상기 버블 혼합부의 후단에 연결되어 상기 버블 혼합부(10)에서 유출되는 유체를 플라즈마 처리부(30)로 이동시키는 이동노즐부(20) 및 상기 이동노즐부(20)의 후단에 연결되어 상기 이동노즐부(20)에서 유출되는 유체를 플라즈마 체적방전시켜 폐수 속의 유기물을 분해하는 플라즈마 처리부(30)를 포함하며,
상기 버블 혼합부(10)는, 상기 버블 혼합부(10)에 폐수를 공급하는 폐수 공급장치(12), 상기 버블 혼합부(10)에 기체(1)를 공급하는 콤프레셔(11), 상기 콤프레셔(11)와 관으로 연결되어 있으며 상기 콤프레셔(11)로부터 공급된 기체(1)를 마이크로 크기의 버블로 만드는 산기관(13), 상기 산기관(13)의 하류단에 접속하여 상기 버블과 상기 폐수 공급장치(12)에서 공급된 폐수가 혼합된 유체를 통과시키는 상기 버블 혼합부(10)내에 충전된 세라믹 충전제 층(14)을 구비하며,
상기 플라즈마 처리부(30)는, 전기가 인가되어 플라즈마를 방전하는 방전극(32) 및 상기 방전극(32)에 일정 거리 이격되어 있는 상대전극(33)으로 구성되어 상기 유체에 플라즈마 체적방전을 일으키는 원형 노즐 전극(31), 상기 방전극(32)에 연결되어 전기를 공급하는 전원공급장치(34) 및 상기 원형 노즐 전극(31)의 후단에 위치하며 상기 원형 노즐 전극(31)을 통과하여 유기물이 분해된 폐수가 배출되는 유출장치(35)를 구비하며,
상기 세라믹 충전제 층(14)을 형성하는 세라믹 충전제는 높이가 5~10 mm, 외경이 4~5 mm, 내경이 2~3 mm인 속이 빈 원통형이며,
상기 원형 전극 노즐(31)은 노즐형태로서, 노즐의 중심부에 방전극(32)이 위치하고 방전극(32)에 이격하여 상대전극(33)이 위치하고, 원형 전극 노즐(31)의 유입부와, 방전극(32) 및 상대전극(33)으로 이루어진 전극부가 일체화되어 있는 것을 특징으로 하는 미세 버블 환경에서의 플라즈마를 이용한 수처리 장치.