KR101733851B1

KR101733851B1 - 비정질 소재를 이용한 공명 초음파 수처리 장치

Info

Publication number: KR101733851B1
Application number: KR1020140192131A
Authority: KR
Inventors: 박정경
Original assignee: 박정경
Priority date: 2014-12-29
Filing date: 2014-12-29
Publication date: 2017-05-24
Also published as: KR20160080405A

Abstract

본 발명은 선박 발라스트 수(Ballast Water) 내에 동, 식물성 미생물 사멸을 위한 장치로서 , 더욱 상세하게는 특히 동물성 미생물을 보다 효과적으로 사멸하기 위해 기존 초음파(Ultrasonic wave) 방식에 비정질 소재(non-crystalline)를 결합하여 간단한 구성으로도 높은 처리효율을 갖도록 차별화, 특성화함으로써 기존의 발라스트 수처리 장치(ballast water treatment system)에 전/후처리 또는 주요(Main)처리 기술로 적용이 가능하다.
본 발명은 기존에 사용되고 있는 발라스트 수처리 시스템이 갖는 구조적 문제점 및 동물성 미생물 사멸 효과를 높이기 위하여 기존 초음파(Ultrasonic wave) 방식에 비정질 소재(non-crystalline)를 결합함으로써 기존 초음파 (종파(Longitudinal wave))가 금속결정구조(Metal crystal structure)로 입사되면서 정형화(일률적인 종파, 밀도, 임피던스 등) 됨에 따라서 운동 매질 또한 평면적이면서 단순화 되는 문제점을 극복하고 액체 중에 전달되는 진동에너지를 보다 조밀하게 하면서 입체적으로 전달되도록 하는 것이 특징이다.
기타 활용 분야로는 기존 초음파 방식의 파쇄, 분리, 세척 등에서도 월등히 우수한 성능을 기대할 수 있으며 각종 하/폐수, 상수에서의 유해 미생물, 치어 및 유생, 알 등을 효과적으로 사멸시키는 기술로 활용이 가능하다.

Description

비정질 소재를 이용한 공명 초음파 수처리 장치{WATER TREATMENT APPARATUS USING ULTRASONIC RESONANCE AND NON-CRYSTALLINE}

본 발명은 선박 발라스트 수(Ballast Water) 내에 동, 식물성 미생물 사멸을 위한 장치로서 , 더욱 상세하게는 특히 동물성 미생물을 보다 효과적으로 사멸하기 위해 기존 초음파(Ultrasonic wave) 방식에 비정질 소재(non-crystalline)를 결합하여 간단한 구성으로도 높은 처리효율을 갖도록 차별화, 특성화함으로써 기존의 발라스트 수처리 장치(ballast water treatment system)에 적용이 가능하다. 기타 활용 분야로는 기존 초음파 방식의 파쇄, 분리, 세척 등에서도 월등히 우수한 성능을 기대할 수 있으며 각종 하/폐수, 상수에서의 유해 미생물, 치어 및 유생, 알 등을 효과적으로 사멸시키는 기술로 활용이 가능하다.

선박 발라스트 수처리 시스템은(Ballast Water Treatment System) 발라스트 수(ballast water) 내에 존재하는 동물성/식물성 미생물을 사멸시키기 위한 장치로서 처리방식에 따라 크게 전기분해, UV, 오존, 플라즈마 등의 방식 또는 기타 물리적인 방식들과의 조합 형태로 발전되어 왔다.

현재 발라스트 수처리 시스템에서 가장 대표적인 것은 전기분해 방식 이다. 전기분해 방식은 미생물 사멸 방식에 따라 직접사멸 및 간접사멸로 구분할 수 있다. 직접사멸의 경우 전위차(Potential difference)에 의한 사멸이며 간접사멸은 수중에 존재하는 총 잔류산화물(TRO, Total Residual Oxidant)에 의한 미생물 사멸을 의미 한다. 즉 전위차에 의한 1차 직접사멸은 방대한 발라스트 수로 인한 미처리 수 및 반응조 내에 체류시간 부족 한계로 동물성 미생물이 다량 생존할 수 밖에 없는 환경이며 2차 간접사멸은 총 잔류 산화물에 의한 사멸은 각종 동물성 미생물에 따른 저항성으로 인하여 제한적인 사멸력과 잔류성의 한계가 언급되고 있다.

두 번째는 Chlorinator 방식으로 일부의 해수조건 또는 고농도 염분도에서 전기분해하여 생성된 총 잔류염소(TRC, Total Residual Chlorine)를 발라스트 수 배관 내에 주입하는 방식으로 미생물을 사멸시키는 것이다. 이 방식 또한 각종 동물성 미생물에 따른 저항성으로 인하여 사멸력 및 잔류성에 제한적이다.

세 번째는 UV(Ultraviolet)에 의한 방식이다. UV방식은 강력한 자외선 에너지로 미생물을 직접 사멸하는 방식으로 이론적으로는 매우 높은 사멸력을 자랑하지만 실질적으로는 수중에 존재하는 각종 부유물질 및 탁도로 인한 빛의 간섭 및 산란 등으로 동물성 미생물 사멸에 한계가 있다. 또한 잔류산화물이 없는 관계로 2차 간접 사멸을 기대하기 어렵다.

네 번째 오존(Ozone) 투입 방식이다. 매우 강력한 산화제이지만 방대한 발라스트 수로 인한 충분한 접촉시간 부족으로 인해 수중 용존(Dissolved)이 어려운 상황이다. 특히 오존의 경우 통상적으로 잔류성이 아주 짧은 관계로 동물성 미생물에 대한 사멸이 매우 어려운 실정이다.

다섯 번째 플라즈마 방식은 배관 내 플라즈마 방전장치를 장착하여 플라즈마를 발생하게 된다. 배관 내에서 플라즈마의 고유 특성상 에너지 밀도 및 체적이 편중된다는 가장 큰 단점을 가지고 있다. 그러므로 배관 내에 사각지대가 광범위하게 발생되고 상대적으로 방대한 발라스트 수로 인한 미처리 수가 다량 발생하게 된다. 또한 잔류산화물이 거의 발생하지 않는 관계로 2차 간접 사멸을 기대하기 어려워 각종 발라스트 수 처리 주요 시스템과 조합 형태로 구성되고 있다.

기타 각종 발라스트 수 처리 주요 시스템과 조합 형태로 필터(Filter)나 각종 산화제(Oxidizing agent)을 이용한 배관 내 주입방식이 적용되고 있다. 필터의 경우 고질적으로 세척, 수두손실(Head loss), 제한된 설치면적, 비용 등의 이유로 제한되어 있으며 또한 각종 산화제 화합물의 경우 방대한 물량으로 인한 비용, 운반, 취급상의 어려움 등으로 많은 어려움을 가지고 있다.

하지만 위에서 언급한 방식으로 발라스트 수 내의 식물성 및 동물성 미생물을 처리하기 위해서는 필요 이상의 에너지가 소모되거나 효율이 낮으며, 특히 동물성 미생물을 사멸하는데 매우 제한적인 것이 문제점으로 지적되고 있다.

본 발명은 선박 발라스트 수(Ballast Water) 내에 동, 식물성 미생물 사멸을 위한 장치로서 특히 동물성 미생물을 보다 효과적으로 사멸하기 위해 기존 초음파(Ultrasonic wave) 방식에 비정질 소재(non-crystalline)를 결합하는 장치이다. 기존 초음파를 활용한 기술은 고유의 특성인 종파(Longitudinal wave)가 금속결정구조(Metal crystal structure)로 입사(立射, Incident)되면서 정형화(일률적인 종파, 밀도, 임피던스 등) 특성으로 인해 운동 매질 또한 평면적이면서 단순화되는 결과로 초래되었다. 이는 진동에너지(Vibration Energy)를 효율적으로 활용하지 못하는 가장 큰 단점이며 초음파 발진에 대한 다양한 변화가 제한적이다. 따라서 본 발명은 초음파 발진에 대한 개질(Reforming) 변화를 비정질 소재(non-crystalline)를 통과함으로써 액체 중에 전달되는 진동에너지를 보다 조밀하면서 입체적으로 전달되도록 하는 것이 특징이다.

본 발명은 기존 문제점을 해결하기 위해 초음파 진동부의 발진 표면을 비정질(non- Crystalline)소재 또는 이성질(Isomerization)소재로 제작하거나 진동부 발진 외각을 단층 또는 다층화(Multi-Layer)하는 것이다. 즉 진동부 초음파의 종파(Longitudinal wave) 특성과 금속 결정구조(Metal crystal structure)에 의한 평면적인 진동이 비정질(non-Crystalline) 물체에 입사(立射, Incident)되면서 충격파(Shock wave), 표면 탄성파(Surface acoustic wave)가 발생되고 특히 직접적으로 비정질 내부 구조에서 전달되는 개질 변화한 벌크파(Bulk wave) 등으로 인해 초음파 매질(Medium)의 밀도가 급격히 압축되면서 파동(Wave)변형이 발생하게 된다. 이처럼 다양하게 변형된 초음파 매질이 유체에 전달되면 수축(Compression)과 팽창(Rarefaction)이 보다 치밀해지면서 입체적으로 파동의 사각지대 없이 액 중으로 전파된다. 이를 도플러 효과(Doppler effect)라 하는데 이렇게 물리적 기능 매질의 운동력을 증가 시키는 작용을 하게 되면 초음파 개질 변화가 다양한 방향성을 가지면서 미생물 처리효율이 증가하게 된다. 이는 물질을 뒤흔드는 힘이 매우 강하여 빠른 속도로 이동하는 유체에도 매우 효과적이다.

이론적으로 초음파의 전파속도는 수중 약 1480m/s로 알려져 있으며 배관 내 유체속도 보다 초음파 속도가 월등히 높다는 것이다. 그 동안 기존 초음파 방식의 미생물 사멸력이 저조한 이유는 바로 사멸구간 내에서 빠른 유체 속도로 인한 체류시간 부족이 아닌 효과적인 매질(Medium)의 형태가 부재였던 것이다. 따라서 본 발명은 초음파 매질을 변경하여 수 내에 존재하는 미생물 사멸을 극대화하도록 하였으며 기존 초음파에 비해 그 역할은 다양화 할 수 있다. 또한 미생물 사멸을 위한 매질을 최적화한 것으로 유체 내의 초음파 접촉 사각지대를 제거하고 효과적으로 대처 개선할 수 있다.

본 발명은 선박 발라스트 수(Ballast Water) 내에 동, 식물성 미생물 사멸을 위한 장치로서 특히 동물성 미생물을 보다 효과적으로 사멸하기 위해 기존 초음파(Ultrasonic wave) 방식에 비정질 소재(non-crystalline)를 결합함으로써 기존의 미생물 직간접 사멸방식이 갖는 동물성 미생물 사멸에 대한 성능의 한계를 보완하였으며 각종 수질환경 (수온, 탁도, 담수, 해수 등)에 적용성이 제한적이지 않으며 제작비용이 낮고 유지관리 및 부품교체 비용 등이 기존 타 기술에 비하여 거의 발생하지 않는 장점을 갖고 있다.이를 통해 각종 선박 발라스트 수 처리 장치에 독립적 또는 전/후단에 간단하고도 쉽게 설치 장착이 가능하며, 기타 활용 분야로는 기존 초음파 방식의 파쇄, 분리, 세척 등에서도 월등히 우수한 성능을 기대할 수 있으며 각종 하/폐수, 상수에서의 유해 미생물, 치어 및 유생, 알 등을 효과적으로 사멸시키는 기술로 활용이 가능하다.

본 발명의 초음파 방식은 PFR(Plug Flow Reactor)형식으로 유닛화하여 배관에 수월하게 결속할 수 있도록 플랜지(Flange) 배관 타입으로 구성하였다. 진동부 외벽 케이스는 금속재질(Metal crystal structure)로 구성하였으며 유체(Fluid)와 접촉되는 부분은 비정질 소재(non- Crystalline)로 구성한다. 이는 초음파 진동이 유체에 효과적으로 개질 변화하여 발진하기 위한 것이다.
도 1은 초음파 부와 외부 하우징 형태를 나타낸 외형도면.
도 2는 본 발명에 사용되는 비정질 소재를 이용한 초음파 장치의 구조도.
도 3 내지 도 6은 본 발명에 따른 효율 증가를 위해 격벽 또는 다층, 다발배관 구조도.

본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도면 1과 같이 초음파 부와 외부 하우징의 일체형 구조로 이루어지며 상단 부에는 초음파 구동을 위한 제어 장치가 설치된다. 외부 하우징에는 진동자(Vibration oscillator)를 감싸는 형태로 배선장치가 들어가게 되며 이 배선을 통합하여 하우징 상부에 진동자 구동 및 제어를 위한 제어부 장치가 위치한다. 도면 2와 같이 외부 하우징(1번) 내부에는 진동자(2번)가 배관을 감싸는 형태로 비대칭 또는 원형, 선형으로 구성 배열된다.

진동자는 초음파 개질 변화를 위해 주파수 변동, 원형, 선형, 비대칭 구조 및 다단의 주파수(Multi-Frequency)로 다양한 구성이 가능하며, 대상에 따라 진동자(Vibration oscillator)의 개수 및 위치를 조절한다. 진동자를 고정하는 주 배관(Mine pipe) 하우징(3번)은 원형 배관이나 사각형 등으로 구성되며 진동자를 소켓방식, 스크류 고정방식, 원 터치 방식, 용접 등으로 고정 연결되어 금속재질(Metal crystal structure)의 배관 형태로 진동면(Vibration surface) (4번)이 구성된다. 또한 진동부(Vibration zone)의 진동 편중을 방지하기 위해 가역화(Reversible) 비정질 배관(5번)과의 간격유지를 위한 Spacer(6번)가 설치된다. Spacer(6번)가 설치된 공간 즉 진동부(Vibration zone)와 가역화 비정질 배관과의 공간은 순환수 혹은 처리수 일부가 채워지게 된다. 이는 진동에너지가 금속재질에서 비정질 소재로 직접적으로 전달되면서 두 소재 간 계면에 의한 매질 입자에너지 상쇄 간섭(Destructive interference)을 방지하기 위한 것으로 진동에너지 상쇄 간섭방지 유도공간으로 활용된다. 또한 Spacer(6번)가 설치된 공간에 개방된 형태의 구조로 순환수가 아닌 원수가 Spacer(6번) 공간으로 직접 통과되는 경우도 활용이 가능하다. 이는 진동에너지가 비정질 소재에 입사되면서 일부 반사작용에 의한 충격파(Shock wave), 표면 탄성파(Surface acoustic wave), 중첩(Superposition), 회절, 굴절, 진폭(Amplitude)의 보강 변화 등으로 다시 역방향으로 가역파(Reversible wave)가 개질 전파되어 처리되기 때문이다. 그리고 진동부와 가역화 비정질 배관(5번)과의 공간 즉 진동에너지 상쇄 간섭방지 공간 활용을 대신하여 금속재질의 배관 진동면(Pipe vibration surface) 내부(4번)에 비정질 재질 혹은 이성질 소재를 직접 코팅(Coating) 또는 라이닝(Lining)하는 형태로도 활용이 가능하다.

가역화 배관(5번) 원형, 사각형 등의 형태로 사용될 수 있으며 또한 가역화 배관(5번) 내부에는 대상에 따라 진동에너지의 반사, 굴절, 회절, 중첩 상쇄 및 교란 방지, 진폭(Amplitude)의 보강 변화, 충격파(Shock wave), 표면 탄성파(Surface acoustic wave), 벌크파(Bulk wave)의 개질 증폭(Reforming amplification) 등을 통해 효율을 증가시키기 위하여 격벽(도면3,4) 또는 다층, 다발배관(도면5,6) 구조를 가질 수 있다.
바람직한 실시예에 따른 본 발명의 고효율 초음파 미생물 사멸 장치에 대하여 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 고효율 초음파 미생물 사멸 장치는 발라스트 수(Ballast Water) 내에 동, 식물성 미생물 사멸을 위한 연속식(Continuous) 또는 회분식 (Batch) 장치로서 , 특히 동물성 미생물을 보다 효과적으로 사멸하기 위해 기존 초음파(Ultrasonic wave) 방식에 비정질 소재(non-crystalline)를 이용한 미생물 사멸 장치로써,초음파 장치 내부의 유체 접촉면을 가역화(Reversible) 비정질 배관(도면2. 5번)을 세라믹류(파인 세라믹 포함), 유리(강화유리 포함), 고분자 화합물 (High molecular compound), 사파이어글라스(Sapphireglass), 비정질 금속, PVC, PP, PE, PA, GRE(Glassfiber Reinforced Epoxy), GRP(Glassfiber Reinforced Polyester), GRV(Glassfiber Reinforced Vinylester), FRP(Fiberglass Reinforced Plastic), RTRP(Reinforced Thermosetting Resin Pipe), 기타 플라스틱 소재, 수지류, 에폭시류, 아크릴류, 실리콘, 석영, 고무, 도료코팅, 라미네이팅(Laminating) 등의 소재를 이용한다.
그리고 진동부 금속재질(Metal crystal structure, 도면2. 4번) 배관과 가역화 비정질 배관(도면2. 5번) 사이에 간격유지를 위한 스페이서(Spacer)(도면2. 6번)등의 구조로 금속재질과 비정질 배관 사이에 유체가 존재하도록 함으로써 진동에너지 전파를 증대할 수 있는 구조를 갖는다.
그리고 비정질 배관 내부 추가하여 비정질 소재 (도면3, 4, 5, 6) 등의 형상 변화(예: 십자형, 원형, 판형, 격자, 환봉, 환관 다각구조, 다층 배관형, 다중변화 배관형, 다발 배관형, 터빈 형, 스크류 형상) 등을 통해 맥동 및 임펄스(Impluse) 효과 상승 등을 통해 사멸효과를 증진 시키는 구조 및 장치를 포함한다.
본 발명의 고효율 초음파 미생물 사멸 장치는 진동부 금속재질과 비정질 배관에 간격을 유지하고 가역화 비정질 배관을 설치하는 대신 진동부 금속재질(Metal crystal structure, 도면2. 4번)에 직접 비정질 소재로 코팅(Coating) 또는 라이닝(Lining) 등을 통하여 이성질화(Isomerization)하여 사멸효과를 증진시키는 구조를 갖는다.
본 발명의 고효율 초음파 미생물 사멸 장치는 적용 구간별 진동부 금속재질(Metal crystal structure, 도면2. 4번)과 가역화 비정질 배관(도면2. 5번) 사이에 간격을 다변화하거나 순환수의 종류(예:물, 알코올, 유기용매 등)를 달리 적용하여 사멸효과를 증진시키는 구조를 갖는다.
본 발명의 고효율 초음파 미생물 사멸 장치는 적용 구간 전체 또는 일부분의 비정질 배관(도면2. 5번)의 소재에 따른 두께 및 표면 굴곡(Embossing)변화 또는 거칠기를 달리 하거나 재질 다변화(예: 유리플라스틱세라믹 등의 혼용) 또는 다층화(Multi-Layer) 등을 통하여 처리 효율을 증진 시키는 구조를 갖는다.
본 발명의 고효율 초음파 미생물 사멸 장치는 적용 구간별 다중 발진 주파수 제어, 진동자 또는 강력 초음파 혼(Ultrasonic Horn)을 용량별, 형상별, 설치위치별(배관 내 삽입구조) 등의 다중 변화로 효율을 증진 시키는 구조를 갖는다.
본 발명의 고효율 초음파 미생물 사멸 장치는 적용 구간별 진동자 설치 위치, 배열 방법에 따른 다중 변화로 효율을 높이는 구조(예: 원형직선형비대칭 형 등 혼용 구조)를 갖는다.
본 발명의 고효율 초음파 미생물 사멸 장치는 제어장치 하우징에 설치되는 일제형 구조(도면1.), 분리되어 구동되는 분리형 구조, 원격으로 조정되는 원격 제어 등을 포함한다.
본 발명의 고효율 초음파 미생물 사멸 장치는 기타 세척, 파쇄, 분리, 혼합 균질기(Ultrasonic homogenizer), 화합물 합성, 수 처리(하폐수, 상수 포함), 해양 부착생물, 수중 유해 유생 제거, 발전소 냉각수 처리, 양어장, 수영장, 수족관, 분수대, 골프장, 이밖에 생태 교란 생물, 식품 음용수 및 음료, 초음파 용접(Ultrasonic Welding), 초음파 쇄석기(Ultrasonic crushing) 등 특정 대상 물질의 사멸 또는 세척, 융착(Accretion) 등의 분야에 초음파 및 비정질 개체를 활용한 구조 및 장치 등을 포함한다.

Claims

진동 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 진동자;
금속 재질로 형성되고, 외면 상에 상기 진동자가 배치되며, 상기 진동자로부터 발생된 진동에너지를 가역화 비정질 배관으로 전파하는 진동부 배관; 및
상기 진동부 배관의 내면 상에 구비되되 상기 진동부 배관의 내면으로부터 간격을 두고 배치되는 상기 가역화 비정질 배관을 포함하고,
상기 가역화 비정질 배관은,
비정질의 비금속 소재로 형성되고,
상기 진동부 배관으로부터 전파되는 진동 에너지가 상기 가역화 비정질 배관으로 입사되어 상기 가역화 비정질 배관을 통과 후 수처리 대상인 유체에 전달되게 구성되는 것을 특징으로 하는 비정질 소재를 이용한 공명 초음파 수처리 장치.
제1 항에 있어서,
상기 진동부 배관의 내면과 상기 가역화 비정질 배관의 외면 사이에 개재되어 상기 진동부 배관과 상기 가역화 비정질 배관 간의 상기 간격을 유지시키는 스페이서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 비정질 소재를 이용한 공명 초음파 수처리 장치.
제1 항에 있어서,
상기 비정질의 비금속은,
세라믹류, 유리, 고분자 화합물, 사파이어글라스(Sapphireglass), PVC, PP, PE, PA, GRE(Glassfiber ReinforcedEpoxy), GRP(Glassfiber Reinforced Polyester), GRV(Glassfiber Reinforced Vinylester), FRP(Fiberglass Reinforced Plastic), RTRP(Reinforced Thermosetting Resin Pipe), 플라스틱 소재, 수지류, 에폭시류, 아크릴류, 실리콘, 석영 및 고무 중에서 선택된 적어도 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 비정질 소재를 이용한 공명 초음파 수처리 장치.
제1 항에 있어서,
상기 가역화 비정질 배관의 내부에는,
십자형, 원형, 판형, 격자형, 환봉형, 환관 다각구조, 다층 배관형, 다중변화 배관형, 다발 배관형, 터빈형 및 스크류형 중에서 선택된 적어도 어느 하나의 형상으로 형성되고 비정질의 비금속 소재로 이루어진 구조체가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 비정질 소재를 이용한 공명 초음파 수처리 장치.
제1 항에 있어서,
상기 진동부 배관과 상기 가역화 비정질 배관 사이에 충진되는 순환수를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 비정질 소재를 이용한 공명 초음파 수처리 장치.
제1 항에 있어서,
상기 진동부 배관과 상기 가역화 비정질 배관 간의 상기 간격은 다변화되게 형성되는 것을 특징으로 하는 비정질 소재를 이용한 공명 초음파 수처리 장치.
제1 항에 있어서,
상기 가역화 비정질 배관은 부위별로 상이한 두께, 표면 굴곡, 거칠기 또는 재질을 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 비정질 소재를 이용한 공명 초음파 수처리 장치.
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