KR101697525B1 - 유기성 슬러지의 건조처리장치 및 방법. - Google Patents
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Abstract
본 발명은 고함수의 유기성 슬러지를 건조처리하기 위한 장치 및 방법에 관한 것으로서, 영구자석에 의한 자기장이 형성된 공간으로서 물탱크로부터 공급되는 물을 자기활성화시키는 물활성화부와; 영구자석에 의해 자기장이 형성되는 공간으로서, 상기 물활성화부로부터 활성화된 물이 유입된 상태로 분말 순철이 공급되어 수산화라디칼을 생성하고, 생성된 3가철 필름층에 조사되어 3가철 슬러지를 환원시키기 위한 UV조사수단을 구비한 라디칼발생부와; 상기 수산화라디칼의 재결합을 억제한 상태로 이송하기 위한 라디칼 이송부; 및, 처리 대상인 유기성 슬러지가 투입되며, 상기 라디칼 이송부로부터 유입된 수산화라디칼을 상기 유기성 슬러지에 조사하는 라디칼 분사수단과, 상기 유기성 슬러지를 가열, 건조시키기 위한 히팅수단을 구비하는 라디칼반응/건조부; 를 포함하여 구성된다.
또한, 본 발명의 건조처리방법은, 물에 자기에너지를 가하여 물 분자의 수소결합을 끊어 물 분자 클러스터를 미세화하는 물의 자기활성화 단계(S1)와; 자기장이 형성된 공간에 상기 S1단계에서 자기활성화된 물이 유입된 상태로, 분말 순철을 주입하여 펜톤반응에 의해 분말 순철이 2가철 및 3가철로 변하면서 수산화라디칼을 생성시키고, 생성된 3가철 슬러지 표면에 UV광을 조사하여 3가철 슬러지를 광환원시킴으로써 지속적으로 수산화라디칼을 생성시키는 수산화라디칼생성단계(S2)와; 상기 S2단계에서 생성된 수산화라디칼을 자기장 하에서 전자스핀의 상호작용을 이용해 라디칼의 재결합반응을 억제시키면서 고압공기와 함께 이송하는 라디칼이송단계(S3); 및, 상기 S3단계로부터 이송된 상기 수산화라디칼을 투입된 유기성 슬러지와 반응시켜 상기 유기성 슬러지 내 수분을 분리, 추출하고 히팅수단에 의해 건조시키며, 생성된 VOCs를 제거하는 라디칼 반응/건조단계(S4);를 순차적으로 진행하는 것을 특징으로 한다.
위와 같은 구성을 가지는 본 발명의 건조처리장치 및 방법에 의하면, 수산화라디칼의 수득율을 향상시킬 수 있으며, 함수율이 10%미만인 슬러지 건조물로 고품질의 고형연료를 생산할 수 있게 되고, 비교적 저온에서도 슬러지 내부에 존재하는 수분을 확실히 건조시킬 수 있어 슬러지 처리비용을 대폭적으로 절감할 수 있으며, 수산화라디칼의 유기물 분해과정에서 생기는 휘발성유기물(VOCs) 및 응축폐수 등의 2차적 환경오염물에 대한 별도의 처리시설이 필요치 않게 되는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 건조처리방법은, 물에 자기에너지를 가하여 물 분자의 수소결합을 끊어 물 분자 클러스터를 미세화하는 물의 자기활성화 단계(S1)와; 자기장이 형성된 공간에 상기 S1단계에서 자기활성화된 물이 유입된 상태로, 분말 순철을 주입하여 펜톤반응에 의해 분말 순철이 2가철 및 3가철로 변하면서 수산화라디칼을 생성시키고, 생성된 3가철 슬러지 표면에 UV광을 조사하여 3가철 슬러지를 광환원시킴으로써 지속적으로 수산화라디칼을 생성시키는 수산화라디칼생성단계(S2)와; 상기 S2단계에서 생성된 수산화라디칼을 자기장 하에서 전자스핀의 상호작용을 이용해 라디칼의 재결합반응을 억제시키면서 고압공기와 함께 이송하는 라디칼이송단계(S3); 및, 상기 S3단계로부터 이송된 상기 수산화라디칼을 투입된 유기성 슬러지와 반응시켜 상기 유기성 슬러지 내 수분을 분리, 추출하고 히팅수단에 의해 건조시키며, 생성된 VOCs를 제거하는 라디칼 반응/건조단계(S4);를 순차적으로 진행하는 것을 특징으로 한다.
위와 같은 구성을 가지는 본 발명의 건조처리장치 및 방법에 의하면, 수산화라디칼의 수득율을 향상시킬 수 있으며, 함수율이 10%미만인 슬러지 건조물로 고품질의 고형연료를 생산할 수 있게 되고, 비교적 저온에서도 슬러지 내부에 존재하는 수분을 확실히 건조시킬 수 있어 슬러지 처리비용을 대폭적으로 절감할 수 있으며, 수산화라디칼의 유기물 분해과정에서 생기는 휘발성유기물(VOCs) 및 응축폐수 등의 2차적 환경오염물에 대한 별도의 처리시설이 필요치 않게 되는 효과가 있다.
Description
본 발명은 유기성 슬러지의 건조처리장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 자기 활성화된 물을 이용한 펜톤반응과 UV 광조사를 이용하여 생성된 수산화라디칼의 강한 산화력에 의해 유기성 슬러지를 산화시키고 건조시키는 장치 및 방법에 관한 것이다.
주로 하/폐수 처리시설, 산업현장 및 축산 농가 등에서 배출되는 슬러지는 수분을 많이 함유한 유기성 슬러지이다. 이러한 유기성 탈수 슬러지는 함수율이 70~80w%에 달하여 일반적인 소각 처리로는 곤란하고 매립을 통한 처리가 일반적으로 행해지고 있다.
그러나, 매립을 통한 유기성 슬러지의 처리방법은 침출수로 인한 2차 오염, 지반의 약화, 매립장 시설의 확보가 중요한 문제점으로 대두되고 있으며, 특히, 런던협약 '96 의정서 발효와 함께 2012년부터는 하수슬러지의 해양배출이 전면적으로 금지되면서 육상 처리비용이 크게 증가될 것으로 예상되며 이를 위한 기술개발이 시급한 실정이다.
위와 같은 필요성에 입각하여, 슬러지에 열풍을 공급하여 그 열에 의해 건조를 시킴과 동시에 탈취수단을 구비한 건조장치가 있는가 하면, 슬러지 내부에 존재하는 수분을 증발시키기 위해 스크류를 다단으로 설치하고 열풍을 공급하여 건조시키는 기술이 있으며, 가열수단으로서 근적외선 램프를 사용하거나 고주파를 조사하는 방법 등도 있다.
그러나, 위와 같은 건조장치로는, 도 1에 도시된 바와 같이, 슬러지의 내부에 잔존하는 세포 내의 내부수 및 모관결합수를 제거하기 위해서는 높은 온도까지 상승시키기 위한 가열수단이 필요하고 효율이 낮으며, 처리시간 및 처리량이 턱없이 부족한 기술적 한계를 가지고 있다.
또한, 유기성 오염물질을 산화시킬 수 있는 것으로 알려진 방법으로 수산화라디칼에 의한 산화처리방법이 있다.
수산화라디칼은 전자쌍을 이루지 못한 원자가 전자를 가지고 있어 매우 불안정하기 때문에 자신은 환원되고 반응물을 산화시키는 반응이 매우 빠르고 격렬하게 일어난다. 수산화라디칼의 산화력은 불소와 비슷한 정도로 강력하다고 알려져 있으며, 유기물은 수산화라디칼과 같은 산화제와 반응하여 이산화탄소 및 물로 무기화 분해된다.
수산화라디칼의 생성방법은 이미 펜톤반응이라고 불리우는 반응에 의해 생성되는데, 펜톤반응은 2가 철(Fe2 +)과 과산화수소(H2O2)가 반응하여 3가철(Fe3 +), 수산화이온(OH-) 및 수산화라디칼(OH)이 생성되는 반응이다.
수산화라디칼의 생성방법 및 장치에 관한 특허문헌 1은, 영구자석에 분말 철을 분산 배열시킨 후, 물과 공기를 공급하여 자기장 하에서 분말 철 표면과 물 및 산소의 상호작용으로 수산화라디칼을 생성시키는 방법 및 장치가 개시되어 있고, 특허문헌 2에는 영가철과 물 및 공기를 혼합한 혼합체를 영구자석에 분사시켜 수산화라디칼을 생성시키는 기술이 개시되어 있다.
그러나, 위 특허문헌 1, 2에 기재된 수산화라디칼의 생성방법은, 반응의 결과물로서 발생하는 3가철(Oxyhydroxide Iron)이 영구자석의 표면에 부착되어 필름층을 형성함으로써 지속적인 수산화라디칼의 생성을 방해하여 이론적으로 예상되는 수산화라디칼의 수득율이 현저히 낮은 문제가 있고, 철의 산화과정에 필요한 산소가 원활히 환원되기 위해서는 산소가 환원되기에 충분한 활성화에너지가 필요하지만 이에 대한 언급이 없고, 반응속도를 결정하는 산소의 농도에 대한 대책이 거론되지 않아, 수산화라디칼의 수득율이 높아야 하는 실제 공정에서 적용되기에는 부족함이 있다.
그뿐만 아니라, 위 특허문헌 1에는 폐수와 같은 오염물질을 산화처리하기 위해 수산화라디칼을 이용한다는 기재가 있을 뿐이고, 유기성 슬러지를 건조처리하는 장치나 방법에 대해서는 하등의 언급이 없고, 특허문헌 2에는 폐유를 가열한 열매체를 혼합하여 건조처리함으로 별도의 가스정화 시설과 수처리 시설이 필요한 문제점이 있다.
위와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은, 수산화라디칼을 생성하는데 필요한 산소를 보다 용이하게 환원될 수 있도록 하여 수산화라디칼의 수득율을 향상시키는 유기성 슬러지의 건조처리장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 펜톤반응으로 인해 발생하는 3가철 필름층을 수산화라디칼의 생성과정에서 제거함으로써 안정적이고 지속적인 수산화라디칼을 생성시킬 수 있는 건조장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
그뿐만 아니라, 비교적 저온에서도 건조가 이루어지도록 하여 슬러지 처리비용을 대폭적으로 절감할 수 있으며, 수산화라디칼의 유기물 분해과정에서 생기는 휘발성유기물(VOCs) 및 응축폐수 등의 2차적 환경오염물에 대한 별도의 처리 시설 이 필요치 않는 건조처리장치 및 방법을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
본 발명은 상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명에 따른 유기성 슬러지의 건조처리장치는, 영구자석에 의한 자기장이 형성된 공간으로서 물탱크로부터 공급되는 물을 활성화시키는 물활성화부와; 영구자석에 의해 자기장이 형성되는 공간으로서, 상기 물활성화부로부터 활성화된 물이 유입된 상태로 분말 순철이 공급되어 수산화라디칼을 생성하고, 생성된 3가철 필름층에 조사되어 3가철 슬러지를 환원시키기 위한 UV조사수단을 구비한 라디칼발생부와; 자기장이 형성되어 상기 수산화라디칼의 재결합을 억제한 상태로 이송하는 라디칼 이송부; 및 처리가 요구되는 유기성 슬러지가 투입되며, 상기 라디칼 이송부로부터 유입된 수산화라디칼을 상기 유기성 슬러지에 분사하는 라디칼 분사수단과, 상기 유기성 슬러지를 가열하기 위한 히팅수단을 구비하는 라디칼반응/건조부; 를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 라디칼반응/건조부에서 발생한 수증기를 응축시킨 응축수를 다시 상기 물탱크로 재순환시키고, 건조된 유기성 슬러지는 팔렛 제조를 위한 성형기로 이송되도록 구성될 수 있다.
이때, 상기 물활성화부는, 물이 이동하는 다수개의 분류관들과, 상기 분류관들과 접하고 물의 이동방향으로 자극이 교번하도록 배치된 복수개의 영구자석들과, 상기 영구자석들 사이에 개재된 제1스페이서와, 상기 영구자석들의 외면을 감싸는 요크, 및 상기 영구자석들과 요크를 격리시키기 위한 제2스페이서를 포함하여, 상기 영구자석들에 의해 형성되는 자력선의 방향이 물의 흐름방향과 수직한 방향으로 균일하게 형성하도록 하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 라디칼발생부의 영구자석은, 상기 라디칼발생부의 원통형 하우징 내에서 중심방향을 향하도록 배치되어 있고, 상기 라디칼발생부의 높이방향으로 상부자석군과 하부자석군으로 구분되어 분리되어 있으며, 상기 하부자석군은 상기 활성화된 물에 잠기고 상기 상부자석군은 물의 수면으로부터 일정거리 이격된 상태로 배치되어 하부자석군에서 발생된 라디칼 함유 기체가 상부자석군에 의한 자기장을 선회하면서 수산화라디칼의 재결합 반응을 억제시키도록 하는 구조일 수 있다.
또한, 분말 순철을 분사하기 위한 분말 순철 분사수단은 상기 라디칼발생부의 하면 중앙부에 위치하여 상기 하부자석군을 향해 방사상으로 분말 순철을 고르게 분사하며, 상기 UV조사수단은 상기 영구자석들 사이에 높이방향으로 설치되는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 라디칼발생부의 각각의 상기 상부자석군과 하부자석군은 동일한 고정수단에 의해 고정되어 있으며, 각각의 영구자석은 강자성체인 스페이서를 개재하여 동일한 극성끼리 인접하게 배열되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 상기 라디칼 이송부는, 내부가 직육면체 형상의 하우징과, 상기 하우징의 내부 좌우측에 구비되되 동일한 극성이 서로 대향되도록 배치된 영구자석들과, 상기 각각의 영구자석의 상면 및 측면의 상부를 커버하면서 좌우측 영구자석들 사이에 길이방향의 상부 관통홈이 형성되도록 배치된 ㄱ자 형상의 상부요크와, 상기 각각의 영구자석의 하면 및 측면의 하부를 커버하면서 좌우측 영구자석들 사이에 길이방향의 하부 관통홈이 형성되도록 배치된 ㄴ자 형상의 하부요크와, 상기 상부요크와 하부요크에 의해 생긴 길이방향으로의 관통홈에 끼워진 비자성의 스페이서를 포함하여 구성되어 있고, 상기 영구자석들의 각 측면과 요크들에 의해 생기는 공간부와, 상기 영구자석들의 측면과 연통되도록 상기 상부 요크 및 하부요크의 중앙부에 형성된 공간부가 H자형 관로를 형성하여 상기 수산화라디칼이 이송되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 건조처리장치의 상기 라디칼반응/건조부에는, 투입되는 유기성 슬러지의 두께 및 폭을 일정하게 유지시키기 위한 슬러지 분배기가 더 포함될 수 있다.
이는, 투입되는 상기 유기성 슬러지는 길이방향으로 일정한 간격을 두고 폭 방향으로 일정한 높이의 돌기가 형성된 에어프런 컨베이어에 의해 이송되며, 상기 슬러지 분배기에 형성된 폭 방향으로의 슬롯으로 상기 유기성 슬러지가 통과하면서 일정한 두께 및 폭을 유지하도록 한 것이 바람직하다.
여기서, 상기 슬러지 분배기는, 상기 에이프런 컨베이어가 이동할 때 탄성복원력에 의해 하측방향으로 누르는 힘이 작용하도록 하고, 상기 에이프런 컨베이어의 이동방향으로는 고정되도록 누름 스프링에 의해 지지되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 라이칼분사수단과 상기 히팅수단은 상기 슬러지 분배기의 후방으로 교대로 복수개가 배치되어 있으며, 상기 에어프런 컨베이어의 폭 방향으로 연장된 파이프형일 수 있다.
여기서, 상기 히팅수단은 적외선램프이고, 적외선 조사량 조절을 위한 회동가능한 반사갓이 더 구비될 수 있다.
본 발명의 건조처리장치의 상기 라디칼반응/건조부 내부의 온도는 온도자동제어기에 의해 120℃~130℃로서 비교적 저온상태로 건조가 이루어지는 것을 특징으로 한다.
그뿐만 아니라, 본 발명은 위와 같은 건조처리장치를 이용하여 유기성 슬러지를 건조처리하는 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 유기성 슬러지의 건조처리방법은, 물에 자기에너지를 가하여 물 분자의 수소결합을 끊어 물 분자 클러스터를 미세화하는 물의 자기활성화 단계(S1)와; 자기장이 형성된 공간에 상기 S1단계에서 자기활성화된 물이 유입된 상태로, 분말 순철을 주입하여 펜톤반응에 의해 분말 순철이 2가철 및 3가철로 변하면서 수산화라디칼을 생성시키면서, 생성된 3가철 슬러지 표면에 UV광을 조사하여 3가철 슬러지를 광환원시킴으로써 지속적으로 수산화라디칼을 생성시키는 수산화라디칼생성단계(S2)와; 상기 S2단계에서 생성된 수산화라디칼을 자기장 하에서 전자스핀의 상호작용을 이용해 라디칼의 재결합반응을 억제시키면서 고압공기와 함께 이송하는 라디칼이송단계(S3); 및, 상기 S3단계로부터 이송된 상기 수산화라디칼을 투입된 유기성 슬러지와 반응시켜 상기 유기성 슬러지 내 수분을 분리, 추출하고 히팅수단에 의해 건조시키며, 생성된 VOCs를 제거하는 라디칼 반응/건조단계(S4);를 순차적으로 진행하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 S4단계로부터 생성된 유기성 슬러지의 함수율이 10% 미만인 것을 특징으로 하며, 120℃ 내지 130℃에서 수행하는 것이 특히 바람직하다.
또한, 상기 S4단계에서 상기 투입된 유기성 슬러지를 일정한 폭과 두께로 이송시키면서 수분을 분리, 추출하고 건조시키는 것이 바람직하다.
상기 S1단계는, 물의 이동방향으로 자극이 교번하도록 배치된 복수개의 영구자석들에 의해 수행되는 것이 바람직하며, 상기 S2단계의 자기장은 상기 자기활성화된 물에 잠겨있는 하부자석군과, 상기 자기활성화된 물의 수면 위에 위치한 상부자석군에 의해 형성하되, 상기 분말 순철은 하부자석군에 분사되어 생성된 수산화라디칼이 상승하여 상기 상부자석군에 의한 자기에너지를 받은 상태로 상기 S3단계로 이송되도록 하는 것이 바람직하다.
이에 더하여, 상기 S4단계에서 발생된 수증기를 기액 분리하여 기체는 스택으로, 액체는 다시 재순환시켜 상기 S1단계의 물로 사용하고, 상기 S4단계에서 건조된 상기 유기성슬러지는 고체연료로서 사용될 수 있도록 성형공정을 수행할 수 있다.
위와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 유기성 슬러지의 건조처리장치 및 방법에 의하면, 수산화라디칼을 생성하는데 필요한 산소를 물의 활성화로 인하여 보다 용이하게 환원될 수 있도록 하여 수산화라디칼의 수득율을 향상시킬 수 있으며, 펜톤반응으로 인해 필수적으로 발생하는 3가철 필름층을 수산화라디칼의 생성과정에서 제거함으로써 안정적이고 지속적인 수산화라디칼을 생성시킬 수 있으며, 함수율이 10%미만인 슬러지 건조물로 고품질의 고형연료를 생산할 수 있게 된다.
그뿐만 아니라, 비교적 저온에서도 슬러지 내부에 존재하는 수분을 확실히 건조시킬 수 있어 슬러지 처리비용을 대폭적으로 절감할 수 있으며, 수산화라디칼의 유기물 분해과정에서 생기는 휘발성유기물(VOCs) 및 응축폐수 등의 2차적 환경오염물에 대한 별도의 처리시설이 필요치 않게 되는 효과가 있다.
1. 도 1은 유기성 슬러지에 포함된 수분의 상태를 모식적을 나타낸 모식도,
2. 도 2는 본 발명의 유기성 슬러지 건조처리장치의 전체 계통도,
3. 도 3a는 본 발명의 실시예에 따른 물활성화장치의 외관사시도,
4. 도 3b는 도 3a의 물활성화장치의 내부 분해사시도,
5. 도 3c는 실시예에 따른 물활성화장치의 정단면도,
6. 도 3d는 실시예에 따른 물활성화장치 내부의 자력선 분포도,
7. 도 4a는 본 발명의 실시예에 따른 라디칼발생장치의 외관사시도,
8. 도 4b는 도 4a의 라디칼발생장치의 내부사시도,
9. 도 4c는 실시예에 따른 라디칼발생장치의 정단면도,
10. 도 4d는 실시예에 따른 라디칼발생장치에 사용된 영구자석의 배열을 보여주는 사시도,
11. 도 4e는 실시예에 따른 라디칼발생장치에 사용된 영구자석에 분포하는 자력선의 분포도,
12. 도 5a는 본 발명의 실시예에 따른 라디칼이송부의 외관사시도,
13. 도 5b는 실시예에 따른 라디칼이송부의 영구자석 및 요크, H자형 관로를 보여주는 사시도,
14. 도 5c는 실시예에 따른 라디칼이송부에서 H자형 관로 주변에 형성되는 자력선의 분포를 보여주는 분포도,
15. 도 6a는 본 발명의 실시예에 따른 라디칼반응/건조장치의 내부 구조를 보여주는 사시도,
16. 도 6b는 도 6a의 라디칼반응/건조장치에 사용된 슬러지 분배기의 사용 상태를 보여주는 사시도,
17. 도 6c는 도 6b를 각도를 달리하여 보여주는 사시도,
18. 도 7a 내지 도 7c는 본 발명의 실시예에 따른 실험결과를 촬영한 이미지이며,
19. 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 유기성 슬러지의 처리방법을 나타내는 흐름도이다.
2. 도 2는 본 발명의 유기성 슬러지 건조처리장치의 전체 계통도,
3. 도 3a는 본 발명의 실시예에 따른 물활성화장치의 외관사시도,
4. 도 3b는 도 3a의 물활성화장치의 내부 분해사시도,
5. 도 3c는 실시예에 따른 물활성화장치의 정단면도,
6. 도 3d는 실시예에 따른 물활성화장치 내부의 자력선 분포도,
7. 도 4a는 본 발명의 실시예에 따른 라디칼발생장치의 외관사시도,
8. 도 4b는 도 4a의 라디칼발생장치의 내부사시도,
9. 도 4c는 실시예에 따른 라디칼발생장치의 정단면도,
10. 도 4d는 실시예에 따른 라디칼발생장치에 사용된 영구자석의 배열을 보여주는 사시도,
11. 도 4e는 실시예에 따른 라디칼발생장치에 사용된 영구자석에 분포하는 자력선의 분포도,
12. 도 5a는 본 발명의 실시예에 따른 라디칼이송부의 외관사시도,
13. 도 5b는 실시예에 따른 라디칼이송부의 영구자석 및 요크, H자형 관로를 보여주는 사시도,
14. 도 5c는 실시예에 따른 라디칼이송부에서 H자형 관로 주변에 형성되는 자력선의 분포를 보여주는 분포도,
15. 도 6a는 본 발명의 실시예에 따른 라디칼반응/건조장치의 내부 구조를 보여주는 사시도,
16. 도 6b는 도 6a의 라디칼반응/건조장치에 사용된 슬러지 분배기의 사용 상태를 보여주는 사시도,
17. 도 6c는 도 6b를 각도를 달리하여 보여주는 사시도,
18. 도 7a 내지 도 7c는 본 발명의 실시예에 따른 실험결과를 촬영한 이미지이며,
19. 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 유기성 슬러지의 처리방법을 나타내는 흐름도이다.
이하, 본 발명에 따른 유기성 슬러지의 건조처리장치 및 방법을 첨부된 도면에 의거하여 바람직한 실시예를 통해 상세히 설명한다.
도 2는, 본 발명의 실시예에 따른 유기성 슬러지의 건조처리장치의 구성을 보여주는 개략도이다.
도 2에 도시된 건조처리장치는, 영구자석에 의한 자기장이 형성된 공간으로서 물탱크(WT)로부터 공급되는 물을 활성화시키는 물활성화장치(100)와, 영구자석에 의해 자기장이 형성되는 공간으로서, 상기 물활성화장치로부터 활성화된 물이 유입된 상태로 분말 순철이 공급되어 수산화라디칼을 생성하며 생성된 3가철 필름층에 조사되어 3가철 슬러지를 환원시키기 위한 UV램프(210)를 구비한 라디칼발생장치(200)와, 상기 수산화라디칼의 재결합을 억제한 상태로 이송하는 라디칼 이송부(300)와, 슬러지호퍼(H)로부터 유기성 슬러지가 투입되어 상기 라디칼 이송부(300)로부터 유입된 수산화라디칼을 상기 유기성 슬러지에 분사하는 라디칼 분사장치(410)와 상기 유기성 슬러지를 가열하기 위한 적외선램프(420)을 구비하는 라디칼반응/건조장치(400)와, 상기 라디칼반응/건조장치(400)에서 발생한 수증기를 응축시키는 응축기(500), 및 건조가 완료된 유기성 슬러지를 고형연료로서 제조하기 위한 성형기(600)으로 구성되어 있고, 응축기(500)에서 응축된 물이 다시 물탱크(WT)로 순환되는 구성을 보여주고 있다.
이하, 각 구성들을 보다 상세하게 설명한다.
도 3(a) 내지 도 3(d)는 본 실시예에 사용된 물활성화장치(100)를 설명하기 위한 도면이다.
도 3(a)는 물활성화장치(100)의 외관을 보여주고, (b)는 물활성화장치의 내부를 보여주는 분해도이며, (c)는 물활성화장치에 사용된 영구자석과 요크 및 분류관의 위치관계를 보여주는 단면도이며, (d)는 위 도 3(c)의 분류관에 작용하는 자력선의 분포도이다.
물활성화장치(100)는 물을 자기활성화시켜서 물 분자들간의 수소결합을 끊어 물 분자 클러스터(cluster)를 미세화시키는 장치이다.
물은 쌍극자 사이의 벡터합이 0이 아닌 극성분자이다. 어느 하나의 물분자의 수소원자와 다른 물분자의 산소원자 사이에는 강한 수소결합을 이루고 있으며, 5개 정도의 물분자가 하나의 클러스터를 형성하는 것으로 알려져 있다.
이 수소결합은 무극성 분자들 간의 반데르발스의 힘보다는 매우 강한 것으로 알려져 있으나, (+)전하를 띄는 수소원자와 (-)전하를 띄는 산소원자로 인하여 자력에 반응하게 된다.
즉, 물분자 중의 산소원자들은 자석의 N극에 반응하고, 수소원자들은 S극에 반응한다.
물 분자를 연결시키고 있는 수소결합은 정전 인력에 의한 결합이기 때문에 강력한 자계를 통과하는 물 분자는 거듭되는 회전운동에 의해 물리적으로 분리되어 미세 클러스터, 또는 단분자로 된다. 물의 단분자화가 증가하면 수화가 촉진되어 불안정화 즉 활성화됨을 의미한다.
또한 로렌츠효과(Lorentz effect)에 의한 기전력을 발생시키는 자성유체역학에 근거하여, 물의 활성화에 필요한 충분한 기전력을 발생시키기 위해서는 자계의 방향이 물의 흐름 방향과 직각 방향으로, 강력한 자기력(본 발명에서는 10,000 ~ 12,000 Gauss)과 빠른 유속(본 발명에서는 5 ~ 7 m/sec)이 필요하다.
로렌츠 효과에 의한 기전력에 의해, 자기장내의 물속의 산소분자가 적당한 속도(운동 에너지)를 갖는 전자와 충돌하면, 전자의 운동에너지가 공명적으로 산소분자에 전달되어 여기 상태의 산소분자를 생성시키면서, 일정한 확률로 산소 간의 결합을 끊고(O2 + e → O + O + e) 산소원자를 생성시킨다.
여기서, 산소원자의 생성속도식은 다음과 같다.
d[O]/dt = 2k [O2] [e] (k는 반응속도정수)
전자가 단위시간에 산소분자와 충돌하여 산소분자를 해리하는 빈도(γ)는,
γ = vd σ [O2] [e] (vd는 전자의 drift 속도, σ는 전자충돌에 의한 산소분자 해리의 부분 충돌 단면적)
vd와 σ는 환산 전계강도의 함수이므로 강한 자기장하에서 산소 분자의 해리 빈도가 높다는 것을 말하는 것이고, 충분한 자기장 조건이라면 물속의 산소가 충분한 활성화에너지를 받아 여기된 산소의 농도를 높인다는 것을 의미한다.
화학반응의 반응속도는 반응물의 농도, 온도, 촉매 등에 의존한다. 순간적인 산화, 환원 반응이 훨씬 짧은 시간에 이루어져, 많은 생성물을 얻기 위해서는 반응속도를 높여야 한다.
반응속도(V) = α[Fe0][O] (α는 속도상수)
본 실시예의 물활성화장치(100)은, 순철(Fe0)과 산소(O)의 산화반응의 반응속도를 높이기 위해 물을 활성화시켜, 여기 된 산소의 몰 농도를 충분히 높여 주는 것이다.
즉, 반응물의 몰 농도를 높이면 더 많은 반응물 분자가 존재하기 때문에 서로 부딪치는 확률이 높고, 충분한 에너지를 갖고 부딪치는 확률이 증가함에 따라 반응속도 역시 빨라질 것이며, 자계의 방향이 물의 흐름방향으로 180о 변화하는 교번자계 하라면 더욱 좋을 것이다.
이러한 이론적 근거에 따라, 도 3(a) 내지 도 3(c)의 물활성화장치(100)는, 물탱크(WT)로부터 공급된 물이 이동하는 4개의 분류관들(110)과, 상기 분류관들(110)과 접하고 물의 이동방향으로 자극이 교번하도록 배치된 복수개의 영구자석들(120)과, 상기 영구자석들(120) 사이에 개재된 제1스페이서(125)와, 상기 영구자석들(120)의 외면을 감싸는 요크(130), 및 상기 영구자석들(120)과 요크(130)를 격리시키기 위한 제2스페이서(135)를 포함하여, 상기 영구자석들(120)에 의해 형성되는 자력선의 방향이 물의 흐름방향과 수직한 방향으로 균일하게 형성하도록 하고, 물의 흐름방향으로 볼 때 자계의 방향이 180°교번되도록 구성되어 있다.
급수펌프(미도시)에 의해 물탱크(WT)로부터 유입구(190)를 통해 유입되어, 분류관(110)을 통해 이동하면서 활성화된 물은 유출구(191)를 통하여 후술할 라디칼발생장치(200)로 이송되며, 도시하지는 않았지만, 물활성화장치(100)와 라디칼발생장치(200) 사이에는 순환펌프가 설치되어 자동수위계의 제어로 계속 순환되므로 라디칼발생장치(200) 내의 물은 활성화된 상태를 유지하고 있다.
물활성화장치(100)의 요크(130)는, 마그네틱 요크로서 자계 누설을 차단하면서 영구자석(120)의 상부에 설치된 분류관(110)에 자계를 균등하게 집중시키는 역할을 한다.
또한, 제1스페이서(125) 및 제2스페이서(135)는 각각 영구자석(120)과 요크(130) 사이 및 영구자석들(120) 사이의 자계 간섭을 피하는 구조로 되어 있다.
이와 같은 구조를 갖는 물활성화장치(100)에 형성되는 자력선의 분포는 자기장 해석 소프트웨어(Maxwell, Magnetic Field Simulator)를 활용한 시뮬레이션 결과로 확인할 수 있으며, 도 3(d)와 같이, 분류관(110)에 균등한 자력선을 형성하는 것을 확인할 수 있다.
자기활성화된 물도 시간의 경과에 따라 수소결합에 의한 클러스터를 형성하겠지만 자력이 강하고 교번 자계의 수가 많을수록 자기처리효과와 지속성이 향상될 것임은 물론이다.
다음으로, 수산화라디칼이 생성되는 본 발명의 라디칼발생부에 대해 설명한다.
도 4(a) 내지 도 4(e)는 각각 본 발명의 실시예에 따른 라디칼발생장치(300)의 외관사시도, 내부사시도, 정단면도, 사용된 영구자석의 배열도 및 자력선의 분포도이다.
본 실시예는 펜톤반응을 근간으로 하여, H2O2 대체물로 자기 활성화된 물, 그리고 펜톤반응에서 요구되는 2가 철이온의 대체물로 분말 순철을 사용하여, 산소분자는 물속에 포함된 산소를 물활성부에서 자기 활성화한 여기된 산소이온으로서강한 자기장(Magnetic field) 하에서 수산화라디칼을 생성한다.
자기장 하에서 Fenton 반응에 의한 수산화라디칼 생성과정을 살펴보면, 강자성체(ferromagnetic)인 순철(Fe 0 )과 상자성체(paramagnetic)인 O 2 의 반응으로 순철 표면에는 Fenton 반응을 위한 H 2 O 2 와 Fe 2 + 가 생성된다.
Fe 0 + O 2 + 2H + → Fe 2 + + H 2 O 2
순철 표면에서 Fe 2 + 와 H 2 O 2 의 Fenton 반응으로 Fe 2 + 가 Fe 3 + 이온으로 산화되는 동시에 수산화라디칼(OH)이 생성된다.
Fe 2 + + H 2 O 2 → Fe 3 + + HO - + OH (Fenton 반응)
[관련이론,「Bremner, D. H.; Phenol degradation using hydroxyl radicals generated from zero-valent iron and hydrogen peroxide, Appl . Catal ., B 2006, 63, 15-19.」
「Harik, D.; Mammar, M.; Degradation of obsolete DDT by Fenton oxidation with zero-valent iron. Desalination 2007, 206, 369-372.」]
순철 표면에 존재하는 철 원자(Fe 0 ) 1 mol이 Fe(OH) 3 로 산화되면서 수산화라디칼(OH) 1 mol을 생성하고, 이 과정에서 물 분자(H2O) 2 mol과 산소 분자(O2) 1mol을 소비한다. 상기 반응에서, 반응 후 생성되는 Fe 3 + 는 대부분이 슬러지 상태의 산화철종[침철광(α-Fe(O)OH)]으로, 반응계 내 순철 분말 표면에 Film 층으로 형성되어 지속적이고 안정적인 반응을 방해한다.
따라서, 본 발명은 펜톤반응에 의해 생성된 3가철이온(제2철)에 UV 광조사(λ=280nm)를 하여 2가철이온(제1철)으로 광환원시켜, 3가철 슬러지를 생성 즉시 제거시키면서 지속적이고 안정적인 수산화라디칼을 생성시키는 구조이다.
hν
Fe(III)-OH → Fe(II) + OH
[관련이론,「N. Deng; Discoloration of Aqueous reactive DYE solutions in the UV/Fe0 SYSTEM. Wat. Res. 2000, 34, 2408-2411.」
「Wu Feng; Photochemistry of hydrolytic iron (III) species and photoinduced degradation of organic compounds. A minireview. Chemosphere 2000, 41,1137-1147.」]
도 4(a)에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 라디칼 발생장치(200)의 외관은 원통형의 하우징(201)이며, 자기활성화 된 물이 유입되는 유입구(220)와 유출구(221), 고압공기의 유입구(230), 분말순철의 유입구(240) 및 라디칼토출구(250)가 형성되어 있다.
도 4(b) 및 도 4(c)를 참조하여 본 실시예의 라디칼발생장치(200)의 내부 구조를 설명한다.
도 4(b)에 도시된 바와 같이, 라디칼발생장치(200)의 내부에는, 하우징(201)의 내벽면을 따라 4개의 영구자석(260)군이 각각 동일한 자석고정볼트(261)과 너트(262)로 고정되어 있고, 그 영구자석(260)군 사이에 4개의 UV램프(210)가 세워져 있으며, 중앙 바닥면에는 분말 순철 분사장치(270)가 상방향으로 설치되어 있다.
위 라디칼발생장치(200)의 영구자석(260)군은, 서로 중심방향을 향하도록 배치되어 있고, 상기 라디칼발생장치(200)의 높이방향으로 상부자석군(260a)과 하부자석군(260b)으로 구분되어 분리되어 있으며, 도 4(c)에 도시한 바와 같이, 상기 하부자석군(260b)은 활성화된 물에 잠긴 상태이고, 상기 상부자석군(260a)은 물의 수면 위로 배치되어 하부자석군(260b)에서 발생된 라디칼 함유 기체가 상부자석군(260a)에 의한 자기장을 선회하면서 생성되는 수산화라디칼의 재결합 반응을 억제시키는 구조로 되어 있다.
본 실시예의 영구자석(260)군은, 네오디윰(Neodymium)계 사각 영구자석이 N극ㆍN극의 척력으로 배치되어 자기 중첩에 의한 강력한 고자기장(10,000 ~ 12,000 Gause)을 형성하고 있다.
도 4(d)에 도시한 바와 같이, 각각의 영구자석은 강자성체인 순철 스페이서(265)를 개재하여 동일한 극성끼리 인접하게 배열된 구조를 하고 있다.
하우징(201), 자석고정볼트(261) 및 너트(262)는 비자성체인 SUS로 되어 있다.
분말 순철은 콤프레셔(미도시)의 압축공기(5kgf/cm2 이상)와 함께 하부에서 분말 순철 유입구(240)를 통해 간헐적으로 이송되고, 분말 순철 분사장치(270)에서 방사상으로(더 정확하게는 360°입체방향) 하부자석군(260b) 표면에 고르게 분사된다.
브로어(미도시)로부터 토출된 고압공기는 고압공기 유입구(230)를 통해 접선방향으로 유입되어 라디칼 발생장치(200)의 하우징(201) 내부를 선회하면서, 충분한 접촉 시간과 난류를 형성하며 기ㆍ액을 혼합시키면서 상승한다. 이때, 하부 자석군(260b)에서 발생된 라디칼 함유 기체가 상부 자석군(260a) 주위의 강력한 자기장을 선회하면서 충분한 자기 에너지를 받아, 전자스핀(electron spin)의 상호 작용을 통해 라디칼의 재결합 반응이 억제된 상태로 라디칼 함유 습공기가 토출구(250)를 통해 토출된다.
본 발명에서, 고압공기는 라디칼을 이송하는 목적으로 사용되므로, 외부에서 공급된 공기에 포함된 산소를 펜톤반응의 반응물질로 사용하는 특허문헌 1 및 2의 기술과는 다르다.
도4(e)는 본 실시예에 의한 라디칼 발생장치(200)의 영구자석에 분포하는 자력선을 자기장 해석 소프트웨어(Maxwell, Magnetic Field Simulator)를 활용한 시뮬레이션 결과로서 나타낸 것이며, 스페이서(265) 주변에 자계가 중첩된 고 자력선이 형성된 것을 확인할 수 있다.
UV램프(210)는 영구자석(260)군 사이에 배치되고 외부는 석영관으로 둘러싸여 있고, 라디칼 발생장치(200)에 유입된 활성화된 물은 자동 수위 조절계(미도시)로 제어되어 하부 자석군(260b)이 잠길 정도의 수위를 유지한다.
하부자석군(260b) 표면에는 분말 순철 분사장치(270)에서 분사된 분말 순철이 자기력선을 따라 분포되고, 영구자석의 자기장 하에서 강자성체인 순철 분말(Fe 0 )과 자기 활성화된 물속의 산소 O 2 의 반응으로 순철 분말 표면에 Fenton 반응을 위한 H 2 O 2 와 Fe 2+ 가 생성된다.
Fe 0 의 Fe 2 + 로의 전기화학적 산화는 H 2 O 2 생성과 더불어 O 2 에 2개의 전자가 이동되어, 표면 산화작용을 진행하여 펜톤반응을 수행하면서 수산화라디칼을 발생시킨다.
또한, 본 실시예의 UV램프(210)(파장은 280nm)에 의해 상기 반응 후에 생성되는 슬러지 상태로 필름층을 형성하는 산화철종[침철광(α-Fe(O)OH)]을 광환원시킴으로써 3가철 슬러지를 생성 즉시 제거할 뿐만 아니라, 2가철로의 환원을 통해 과산화수소의 공급없이도 수산화라디칼을 생성할 수 있게 된다.
도 5(a) 내지 도 5(c)를 참조하여 본 실시예에 따른 라디칼이송부(300)를 설명한다.
수산화라디칼의 수명은 매우 짧다. 수산화라디칼(hydroxyl radical, O:H)dml 반응속도정수는 10-8 ~ 10-10 /mol/sec 로서 유기 화합물과의 반응속도가 매우 빠르고, 화합물에 대한 반응 선택성이 없어 대부분의 유기 화합물의 무기화가 가능하다.
따라서, 발생한 수산화라디칼을 자체 결합에 의한 소멸을 최소화면서 후술할 라디칼반응/건조부로 보내기 위해서는 강한 자력선을 유지하고 있는 이송관로가 필요하다.
도 5(a)는 본 실시예에 따른 라디칼이송부(300)의 외관사시도이고, (b)는 영구자석(320), 요크(330), 스페이서(350) 및 그로 인해 형성된 H자형 관로(340)를 보여주는 도면이고, 도 5(c)는 본 실시예에 따른 라디칼이송부(300)에 형성되는 자력선 분포도이다.
도 5(a)에 도시된 바와 같이, 라디칼이송부(300)는, 내부가 직육면체 형상인 하우징(301)의 양끝단에는 각각 수산화라디칼을 함유한 기체가 유입되는 유입구 및 후술할 라디칼반응/건조실(400)로 유입시키기 위한 유출구가 구비되어 있다.
도 5(b)에 도시된 바와 같이, 하우징(301)의 내부 좌우측에 각각 영구자석(320)이 배치되어 있다. 이 영구자석(320)은 N-N극과 S-S극이 서로 대향되도록 배치되어 있다.
또한, 상기 각각의 영구자석의 상면 및 측면의 상부를 커버하면서 좌우측 영구자석들 사이에 길이방향의 상부 관통홈이 형성되도록 한쌍의 ㄱ자 형상의 상부요크(330a)와, 상기 각각의 영구자석의 하면 및 측면의 하부를 커버하면서 좌우측 영구자석들 사이에 길이방향의 하부 관통홈이 형성되도록 한쌍의 ㄴ자 형상의 하부요크(330b)가 배치되어 있으며, 상기 상부요크(330a)와 하부요크(330b)에 의해 생긴 길이방향으로의 관통홈에 끼워진 비자성의 스페이서(350)로 구성되어 있다.
상기 영구자석(320)들의 각 측면과 요크(330)들에 의해 생기는 공간부와, 상기 영구자석(320)들의 측면과 연통되도록 상기 상부요크(330a) 및 하부요크(330b)의 중앙부에 가로로 형성된 공간부가 H자형 관로(340)를 형성하여 상기 수산화라디칼 함유 기체가 이송되도록 한 구조를 하고 있다.
도 5(c)는 본 실시예에 의한 라디칼이송부(300)의 내부에 분포하는 자력선을 자기장 해석 소프트웨어(Maxwell, Magnetic Field Simulator)를 활용한 시뮬레이션 결과로서 나타낸 것이며, H형 관로(340) 주변에 자계가 중첩된 고자력선이 형성된 것을 확인할 수 있으며, 이로 인하여, 수산화라디칼의 이송도중에 자체 결합으로 인한 소멸을 억제할 수 있다.
다음으로, 실제로 수산화라디칼이 처리대상인 유기성 슬러지에 분사되어 그 속에 포함된 수분을 추출해 내고 건조시키는 라디칼반응/건조부에 대해 첨부된 도 6(a) 내지 도 6(c)을 참조하여 상세히 설명한다.
위 라디칼반응/건조부는 투입되는 유기성 슬러지를 에이프런 컨베이어를 통해 이송시키면서 수산화라디칼을 분사하여 슬러지 내부 미생물 세포를 파괴하여 수분을 분리, 추출해 내고, 저온(약 120℃ 정도) 열원에 의해 건조가 이루어지도록 할 뿐 아니라, 생성된 휘발성 유기화합물(VOCs)도 수산화라디칼에 의해 제거하는 구성이다.
도 6(a)는 본 실시예에 따른 라디칼반응/건조장치(400)의 내부 사시도이다.
도 6(a)에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 라디칼반응/건조장치(400)는, 슬러지호퍼(H)로부터 처리대상인 유기성슬러지가 투입되는 슬러지 투입구(401)가 있고, 투입된 유기성 슬러지는 에이프런컨베이어(430) 상에 안치되어 이송된다.
에이프런컨베이어(430) 상에는 폭방향으로 일정한 돌기(431)가 소정의 간격으로 형성되어 있다.
이 돌기(431)는 유기성 슬러지가 진행할 때 진행방향으로의 추력을 증가시켜 이송효율을 향상시키기 위함이다.
위 에이프런컨베이어(430)의 상면에 구비되어 하부에 다수개의 슬롯(441)이 형성된 슬러지분배기(440)는, 상기 에이프런 컨베이어(430)가 이동할 때 돌기(431)에 의해 상승했다가 다시 탄성적으로 복원될 수 있고, 상기 에이프런 컨베이어(430)의 이동방향으로는 밀려가는 일없이 고정되도록 누름 스프링(445)에 의해 지지되어 있다.
상기 슬러지 분배기(440)에 형성된 폭 방향으로의 슬롯(441)을 통해 상기 유기성 슬러지가 통과하면서 일정한 두께 및 폭을 유지하면서 이송되는 것이다.
이는, 유기성 슬러지가 덩어리가 져 있거나 두께가 다르면 수산화라디칼에 의한 산화반응 또는 히팅수단에 의한 건조가 고르게 진행되지 못하기 때문에 최대한 얇으면서도 일정한 두께와 폭을 가지도록 유지하면서 산화 및 건조가 이루어질 수 있게 한 것이다.
도 6(b), 6(c)에 도시된 바와 같이, 누름스프링(445)은 경강선이나 피아노선이 사용되며, 라디칼반응/건조장치(400) 내의 가로방향으로 고정된 고정파이프(446)의 양단부에 누름스프링(445)의 일단이 고정되도록 클램프형상으로 된 클램핑부재(447)가 설치되어 있다.
클램핑부재(447)는 하부클램프과 상부클램프로 분리가능한 구조로 되어 있고, 특히 하부클램프에는 위 누름스프링(445)의 일단이 삽입되어 볼트조임이 가능하도록 관통홈이 형성되어 있다.
상부클램프는 볼트 등의 체결수단에 의해 고정파이프(446)의 양단부에서 하부클램프와 체결됨으로써 누름스프링(445)를 단단하게 고정,지지한다.
누름스프링(445)의 타단부는 위 슬러지분배기(440)의 양측부에 설치된 체결볼트를 관통하여 고정되어 있다.
또한, 도 6(a)에 도시된 바와 같이, 라디칼이송부(300)로부터 유입되는 수산화라디칼을 분사하기 위한 라디칼분사장치(410)가 라디칼반응/건조장치(400)의 폭방향으로 파이프형으로 설치되어 있고, 이와 교대로 히팅열원인 적외선램프(420)가 설치되어 있다.
라디칼분사장치(410)는 SUS파이프로 되어 있고, 하측방향으로 다수개의 분사 노즐이 형성되어 있다.
적외선램프(420)에는 그 조사범위를 조절하기 위해 상부에 반사갓이 회동가능하게 설치되어 있으며 본 실시예에 따른 라디칼반응/건조장치(400)의 내부온도는 120℃ ~ 130℃의 비교적 저온에서도 확실한 건조효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 실시예에서는 히팅열원으로서 원적외선램프 또는 근적외선램프가 사용되는데, 자외선이나 가시광선에 비해 열집중성과 열침투성과 같은 열작용이 강하고 에너지 효율이 높은 장점이 있다.
도시하지는 않았지만, 라디칼반응/건조장치(400)의 내부의 온도는 온도자동제어기에 의해 위 온도 범위 내로 제어된다.
수산화라디칼에 의해 유기성 슬러지가 산화 분해되는 특성을 살펴보면, 수산화라디칼은 고분자의 전자밀도가 높은 이중결합 부위에 위치한 탄소원자를 공격하여 이를 라디칼로 만들고, 동시에 이 탄소원자에 붙어있는 수소원자 하나를 떼어내어 물 분자를 생성시키면서 라디칼 연쇄반응을 개시한다. 이때 분해 생성되는 분자들은 수산화라디칼과의 추가적인 산화 분해 반응으로 인해 CO를 생성시키면서 더욱 작은 크기로 저분자화 되면서 수소라디칼과 수산화라디칼과의 결합을 통해 물이 생성되는 과정을 거친다.
위와 같은, 상기 산화 반응을 거치면서 유기성 슬러지의 세포막은 파괴되고 세포내의 내부수 및 모관 결합수가 추출되어 히팅열원(420)에 의해 고함수의 유기성 슬러지는 많은 에너지를 투입하지 않는 저온(120℃)에서도 함수율 10% 이내로 건조될 수 있다.
그뿐만 아니라, 본 실시예의 라디칼반응/건조장치(400)는 종래의 슬러지 건조장치와는 달리, 수산화라디칼에 의한 산화분해 및 건조가 하나의 공간에서 연속적으로 수행되기 때문에 유기성 슬러지의 건조과정에서 발행하는 휘발성 유기성 산화물인 VOCs 또한 수산화라디칼에 의해 발생 즉시 제거되므로 VOCs 등의 오염물질을 처리하기 위한 별도의 장치가 생략될 수 있는 것이다.
실험예
위 실시예에 사용된 구성으로 다음과 같은 조건에서 건조시간에 따른 슬러지의 함수율을 측정하였고, 그 상태를 촬영하여 도 7의 (a) 내지 (c)에 그 이미지를 나타내었다.
-실시조건
1. 대상 슬러지: 하수처리 후 탈수된 케이크(cake) 상태인 슬러지.
2. 슬러지의 투입량: 10 kg
3. 투입 슬러지의 함수율 측정치: 76.5 wt%
4. 라디칼반응/건조장치의 내부설정온도: 120℃
5. 함수율 측정기: 적외선 수분계(FD-660, 일본산)
-실험결과
위 조건에 따라 연속 건조 시간에 따른 함수율을 측정하였고, 각 슬러지의
건조상태를 확인하기 위해 이미지를 촬영하였다.
| 연속 건조 시간 (min) | 건조 후 함수율 (%) | 촬영이미지 |
| 25 | 5.7 | 도 7(a) |
| 30 | 2.9 | 도 7(b) |
| 35 | 1.3 | 도 7(c) |
위 실험결과로부터 확인할 수 있듯이, 비교적 짧은 건조시간과 저온의 조건에서도 슬러지의 함수율이 10% 보다 훨씬 적게 나타났다.
이는 처리대상인 유기성 슬러지가 대량인 산업현장에 적용되더라도 함수율이 10%미만으로 슬러지를 처리할 수 있을 것으로 예상되며, 이를 이용해 고품질의 고형연료를 생산할 수 있을 것이다.
라디칼 반응/건조장치(400)에서 슬러지를 건조하면서 발생된 수증기는 배출 팬(미도시)을 통해 응축기(500)로 보내져 기액이 분리되고, 그 중 기체는 Stack 으로, 폐 응축수는 배수펌프(미도시)를 통해 물탱크(WT)로 보내져 재순환된다.
또한, 건조된 슬러지(함수율 10% 이내)는 성형기(600)로 이송되어 팔렛(Pallet)으로 가공되어 고체연료로 최종 생산된다.
이하, 본 발명에 따른 유기성 슬러지의 건조처리방법에 대해 도 8을 참고하여 설명한다.
위 건조처리장치에 관한 실시예에 사용된 장치를 이용하는 방법이기 때문에 동일한 작용이나 효과에 대해서는 중복을 피하기 위해 자세한 설명을 생략하기로 한다.
도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 건조처리방법은, 물에 자기에너지를 가하여 물 분자의 수소결합을 끊어 물 분자 클러스터를 미세화하는 물의 자기활성화 단계(S1)와; 자기장이 형성된 라디칼발생장치(200)에 상기 S1단계에서 자기활성화된 물이 유입된 상태로, 분말 순철을 주입하여 펜톤반응에 의해 분말 순철이 2가철 및 3가철로 변하면서 수산화라디칼을 생성시키고, 생성된 3가철 슬러지 표면에 UV광을 조사하여 3가철 슬러지를 광환원시킴으로써 지속적으로 수산화라디칼을 생성시키는 수산화라디칼생성단계(S2)와; 상기 S2단계에서 생성된 수산화라디칼을 자기장 하에서 전자스핀의 상호작용을 이용해 라디칼의 재결합반응을 억제시키면서 고압공기와 함께 이송하는 라디칼이송단계(S3); 및, 상기 S3단계로부터 이송된 상기 수산화라디칼을 투입된 유기성 슬러지와 반응시켜 상기 유기성 슬러지 내 수분을 분리,추출하고 히팅수단에 의해 건조시키며, 생성된 VOCs를 제거하는 라디칼 반응/건조단계(S4);를 순차적으로 진행한다.
위 단계들은 위에서 설명한 건조장치에 관한 실시예에 사용된 구성에 의해 수행되는 것으로서, 각 구성들의 작용 및 반응과 결합관계들은 해당 실시예를 통해 충분히 설명하였으므로 이에 대한 구체적인 설명은 생략하도록 한다.
이상, 본 발명의 유기성 슬러지의 건조처리장치 및 방법을 바람직한 실시예를 통해 설명하였으나, 이는 본 발명의 기술적 이해를 돕고자 하는 것일 뿐이고, 본 발명의 기술적 범위를 이에 한정하고자 함이 아니다.
본 발명의 기술적 범위를 벗어나지 않고서도 다양한 개조나 변경 또는 개량이 가능함은 물론이다.
예를 들어, 본 실시예에 사용된 영구자석의 개수나 자력의 세기 등은 얼마든지 변경가능한 것이고, 각종 구성 간의 체결수단은 다양한 균등물에 의해서도 가능할 것이다.
100: 물활성장치 110: 분류관 120:영구자석
125:제1스페이서 130:요크 135:제2스페이서
190:유입구 191:유출구 195:하우징
200:라디칼발생장치 201:하우징 210:UV램프
220:활성화물유입구 221:활성화물유출구 230:공기유입구
240:분말순철유입구 250:라디칼유출구 260:영구자석
260a:상부자석군 260b:하부자석군 261:자석고정볼트
262:너트 265:스페이서 270:분말순철분사장치
300:라디칼이송부 301:하우징 320:영구자석
330:요크 330a:상부요크 330b:하부요크
340:H형 관로 350:스페이서
400:라디칼발생/건조장치 401:슬러지 투입구
410:라디칼분사장치 420:적외선램프
430:에이프런컨베이어 431:돌기
440:슬러지분배기 441:슬롯
445:누름스프링 446:고정파이프
447:클램핑부재 500:응축기
600:성형기 WT:물탱크
H:슬러지호퍼 1000:건조처리장치
125:제1스페이서 130:요크 135:제2스페이서
190:유입구 191:유출구 195:하우징
200:라디칼발생장치 201:하우징 210:UV램프
220:활성화물유입구 221:활성화물유출구 230:공기유입구
240:분말순철유입구 250:라디칼유출구 260:영구자석
260a:상부자석군 260b:하부자석군 261:자석고정볼트
262:너트 265:스페이서 270:분말순철분사장치
300:라디칼이송부 301:하우징 320:영구자석
330:요크 330a:상부요크 330b:하부요크
340:H형 관로 350:스페이서
400:라디칼발생/건조장치 401:슬러지 투입구
410:라디칼분사장치 420:적외선램프
430:에이프런컨베이어 431:돌기
440:슬러지분배기 441:슬롯
445:누름스프링 446:고정파이프
447:클램핑부재 500:응축기
600:성형기 WT:물탱크
H:슬러지호퍼 1000:건조처리장치
Claims (20)
- 영구자석에 의한 자기장이 형성된 공간으로서 물탱크로부터 공급되는 물을 자기활성화시키는 물활성화부와;
영구자석에 의해 자기장이 형성되는 공간으로서, 상기 물활성화부로부터 활성화된 물이 유입된 상태로 분말 순철이 공급되어 수산화라디칼을 생성하고, 생성된 3가철 필름층에 조사되어 3가철 슬러지를 환원시키기 위한 UV조사수단을 구비한 라디칼발생부와;
자기장이 형성되어 상기 수산화라디칼의 재결합을 억제한 상태로 이송하기 위한 라디칼 이송부; 및
처리 대상인 유기성 슬러지가 투입되며, 상기 라디칼 이송부로부터 유입된 수산화라디칼을 상기 유기성 슬러지에 조사하는 라디칼 분사수단과, 상기 유기성 슬러지를 가열, 건조시키기 위한 히팅수단을 구비하는 라디칼반응/건조부; 를 포함하여 구성되며, 상기 라디칼반응/건조부에서 발생한 수증기를 응축시킨 응축수를 다시 상기 물탱크로 재순환시키고, 건조된 유기성 슬러지는 팔렛 제조를 위한 성형기로 이송되는 것을 특징으로 하되,
상기 라디칼반응/건조부에는, 유기성 슬러지의 진행방향으로 일정한 간격을 두고 폭 방향으로 일정한 높이의 돌기가 형성된 에어프런 컨베이어에 의해 이송되는 유기성 슬러지를 상기 에어프런 컨베이어가 이동할 때 탄성복원되고 상기 에어프런 컨베이어의 이동방향으로는 고정되도록 누름 스프링에 의해 지지되며 폭방향으로의 슬롯이 형성되어 상기 유기성 슬러지가 통과하면서 일정한 폭과 두께를 유지하도록 하는 슬러지 분배기가 더 포함된 것을 특징으로 하는 유기성 슬러지의 건조처리장치. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 물활성화부는,
물이 이동하는 다수개의 분류관들과, 상기 분류관들과 접하고 물의 이동방향으로 자극이 교번하도록 배치된 복수개의 영구자석들과, 상기 영구자석들 사이에 개재된 제1스페이서와, 상기 영구자석들의 외면을 감싸는 요크, 및 상기 영구자석들과 요크를 격리시키기 위한 제2스페이서를 포함하여, 상기 영구자석들에 의해 형성되는 자력선의 방향이 물의 흐름방향과 수직한 방향으로 균일하게 형성하도록 한 것을 특징으로 하는 유기성 슬러지의 건조처리장치. - 제1항에 있어서,
상기 라디칼발생부의 영구자석은,
상기 라디칼발생부의 원통형 하우징 내에서 중심방향을 향하도록 배치되어 있고, 상기 라디칼발생부의 높이방향으로 상부자석군과 하부자석군으로 구분되어 분리되어 있으며, 상기 하부자석군은 활성화된 물에 잠기고 상기 상부자석군은 물의 수면으로부터 일정거리 이격된 상태로 배치되어 하부자석군에서 발생된 라디칼 함유 기체가 상부자석군에 의한 자기장을 선회하면서 수산화라디칼의 재결합 반응을 억제시키는 것을 특징으로 하는 유기성 슬러지의 건조처리장치. - 제4항에 있어서,
분말 순철을 분사하기 위한 분말 순철 분사수단은, 상기 라디칼발생부의 하면 중앙부에 위치하여 방사상으로 분말 순철을 상기 하부자석군에 고르게 분사하며, 상기 UV조사수단은 상기 영구자석들 사이에 높이방향으로 설치된 것을 특징으로 하는 유기성 슬러지의 건조처리장치. - 제4항에 있어서,
상기 라디칼발생부의 각각의 상기 상부자석군과 하부자석군은 동일한 고정수단에 의해 고정되어 있으며, 각각의 영구자석은 강자성체인 스페이서를 개재하여 동일한 극성끼리 인접하게 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 유기성 슬러지의 건조처리장치. - 제1항에 있어서,
상기 라디칼 이송부는,
내부가 직육면체 형상의 하우징과,
상기 하우징의 내부 좌우측에 구비되되 동일한 극성이 서로 대향되도록 배치된 영구자석들과,
상기 각각의 영구자석의 상면 및 측면의 상부를 커버하면서 좌우측 영구자석들 사이에 길이방향의 상부 관통홈이 형성되도록 배치된 ㄱ자 형상의 상부요크와,
상기 각각의 영구자석의 하면 및 측면의 하부를 커버하면서 좌우측 영구자석들 사이에 길이방향의 하부 관통홈이 형성되도록 배치된 ㄴ자 형상의 하부요크와,
상기 상부요크와 하부요크에 의해 생긴 길이방향으로의 관통홈에 끼워진 비자성의 스페이서를 포함하여 구성되어 있고,
상기 영구자석들의 각 측면과 요크들에 의해 생기는 공간부와, 상기 영구자석들의 측면과 연통되도록 상기 상부 요크 및 하부요크의 중앙부에 형성된 공간부가 H자형 관로를 형성하여 상기 수산화라디칼이 이송되는 것을 특징으로 하는 유기성 슬러지의 건조처리장치. - 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 라디칼분사수단과 상기 히팅수단은 상기 슬러지 분배기의 후방으로 교대로 복수개가 배치되어 있으며, 상기 에어프런 컨베이어의 폭 방향으로 연장된 파이프형인 것을 특징으로 하는 유기성 슬러지의 건조처리장치. - 제11항에 있어서,
상기 히팅수단은 적외선램프이고, 적외선 조사량 조절을 위한 회동가능한 반사갓이 더 구비된 것을 특징으로 하는 유기성 슬러지의 건조처리장치. - 제1항에 있어서,
상기 라디칼반응/건조부 내부의 온도는 온도자동제어기에 의해 120℃~130℃를 유지하는 것을 특징으로 하는 유기성 슬러지의 건조처리장치. - 제1항, 제3항 내지 제7항, 제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 유기성 슬러지의 건조처리장치를 이용한 건조처리방법으로서,
물에 자기에너지를 가하여 물 분자의 수소결합을 끊어 물 분자 클러스터를 미세화하는 물의 자기활성화 단계(S1)와;
자기장이 형성된 공간에 상기 S1단계에서 자기활성화된 물이 유입된 상태로, 분말 순철을 주입하여 펜톤반응에 의해 분말 순철이 2가철 및 3가철로 변하면서 수산화라디칼을 생성시키고, 생성된 3가철 슬러지 표면에 UV광을 조사하여 3가철 슬러지를 광환원시킴으로써 지속적으로 수산화라디칼을 생성시키는 수산화라디칼생성단계(S2)와;
상기 S2단계에서 생성된 수산화라디칼을 자기장 하에서 전자스핀의 상호작용을 이용해 라디칼의 재결합반응을 억제시키면서 고압공기와 함께 이송하는 라디칼이송단계(S3); 및,
상기 S3단계로부터 이송된 상기 수산화라디칼을, 유기성 슬러지의 진행방향으로 일정한 간격을 두고 폭 방향으로 일정한 높이의 돌기가 형성된 에어프런 컨베이어에 의해 이송되는 유기성 슬러지를 상기 에어프런 컨베이어가 이동할 때 탄성복원되고 상기 에어프런 컨베이어의 이동방향으로는 고정되도록 누름 스프링에 의해 지지되며 폭방향으로의 슬롯이 형성되어 상기 유기성 슬러지가 통과하면서 일정한 폭과 두께를 유지하도록 하는 슬러지 분배기를 통과시켜, 유기성 슬러지와 반응시켜 상기 유기성 슬러지 내 수분을 분리,추출하고 히팅수단에 의해 건조시키며,생성된 VOCs를 제거하는 라디칼반응/건조단계(S4);를 순차적으로 진행하되,
상기 S4단계에서 발생된 수증기를 기액 분리하여 기체는 스택으로, 액체는 다시 재순환시켜 상기 S1단계의 물로 사용하고, 상기 S4단계에서 건조된 상기 유기성슬러지는 고체연료로서 사용될 수 있도록 성형공정을 수행하는 것을 특징으로 하는 유기성 슬러지의 건조처리방법. - 제14항에 있어서,
상기 S4단계로부터 생성된 유기성 슬러지의 함수율이 10% 미만인 것을 특징으로 하는 유기성 슬러지의 건조처리방법. - 제14항에 있어서,
상기 S4단계는 120℃ 내지 130℃에서 수행하는 것을 특징으로 하는 유기성 슬러지의 건조처리방법. - 삭제
- 제14항에 있어서,
상기 S1단계는, 물의 이동방향으로 자극이 교번하도록 배치된 복수개의 영구자석들에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 유기성 슬러지의 건조처리방법. - 제14항에 있어서,
상기 S2단계의 자기장은 상기 자기활성화된 물에 잠겨있는 하부자석군과, 상기 자기활성화된 물의 수면 위에 위치한 상부자석군에 의해 형성하되, 상기 분말 순철은 하부자석군에 분사되어 생성된 수산화라디칼이 상승하여 상기 상부자석군에 의한 자기에너지를 받은 상태로 상기 S3단계로 이송되도록 한 것을 특징으로 하는 유기성 슬러지의 건조처리방법.
- 삭제
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020160010023A KR101697525B1 (ko) | 2016-01-27 | 2016-01-27 | 유기성 슬러지의 건조처리장치 및 방법. |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| KR1020160010023A KR101697525B1 (ko) | 2016-01-27 | 2016-01-27 | 유기성 슬러지의 건조처리장치 및 방법. |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR101697525B1 true KR101697525B1 (ko) | 2017-01-18 |
Family
ID=57992027
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020160010023A KR101697525B1 (ko) | 2016-01-27 | 2016-01-27 | 유기성 슬러지의 건조처리장치 및 방법. |
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| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR101697525B1 (ko) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106904682A (zh) * | 2017-04-10 | 2017-06-30 | 中科圣泉（深圳）生物有限公司 | 一种非接触式分子低频共振活化水装置 |
| CN109081535A (zh) * | 2018-08-06 | 2018-12-25 | 同济大学 | 一种改善好氧消化污泥脱水性能的方法 |
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| KR101338369B1 (ko) * | 2013-11-08 | 2013-12-06 | 배희동 | 기류순환형 저온 열풍 슬러지 건조 처리설비 및 처리방법 |
| KR20130142277A (ko) * | 2012-06-19 | 2013-12-30 | 광주대학교산학협력단 | 수산화라디칼의 생성 방법 및 장치 |
| KR101383914B1 (ko) | 2013-11-25 | 2014-04-14 | 주식회사 그린이엔이 | 유기성 슬러지의 고체 연료화 장치 및 그 방법 |
-
2016
- 2016-01-27 KR KR1020160010023A patent/KR101697525B1/ko active IP Right Grant
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| KR20130142277A (ko) * | 2012-06-19 | 2013-12-30 | 광주대학교산학협력단 | 수산화라디칼의 생성 방법 및 장치 |
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