KR101982406B1 - 다중평행 모세관 유전장벽방전 플라즈마 발생 장치를 이용한 수 처리 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전극을 유전체 모세관 안에 배치한 넣고 이러한 하나의 DBD 플라즈마 전극 모듈 다수를 평행하게 배열하고, 각각의 DBD 플라즈마 전극 모듈에 내재된 전극에 전압을 인가하되, 상기와 같이 나란히 배열된 전극에 대해 교대로 교류 전원의 양단자를 각각 연결하여 모세관 안에 있는 전극들 사이에서 플라즈마 방전이 일어나게 하여 전체적으로는 일정 면적에서 플라즈마 방전이 일어나는, 다중평행 모세관 플라즈마 발생장치를 구성하고, 상기 다중평행 모세관 플라즈마 발생장치를 밀폐된 제1 챔버에 넣고 상기 제1 챔버에 가스 유입구(흡기 밸브 포함)와 가스 배출구(배기 밸브 포함)를 설치하고, 플라즈마 방전에 의해 생성된 활성종으로 오염 수를 처리할 수 있게 하였다.
또한, 본 발명은, 상기 플라즈마 발생장치가 있는 제1 챔버에서 GO(graphene oxide)를 플라즈마로 직접 처리한 후, 오염 수에 넣어 오염 물질을 흡착처리하는 오염 수 처리방법을 제공하였다.

Description

다중평행 모세관 유전장벽방전 플라즈마 발생 장치를 이용한 수 처리 시스템{Water Treatment System Using Multi parallel Capillary Tube DBD Plasma Generator}

본 발명은 플라즈마를 이용하여 수질을 개선하는 수처리 시스템에 관한 것이다.

플라즈마는 반도체, 디스플레이 소자, 각종 부품의 표면처리 등에 널리 사용되어 왔으며, 더욱 그 응용성을 넓혀 바이오 분야에 적용되고 있다. 즉, 플라즈마 기술은 생명공학 연구, 의료용, 미용용 시술기기, 공기 청정기, 소각로 등에도 사용되는 융합적인 기술분야로 자리매김하고 있다. 구체적으로는, 치아미백, 암세포 사멸, 혈액 응고속도촉진 등의 의료 분야에 있어서, 플라즈마의 경우 대면적 발생이 가능하여 처리 효율을 높일 수 있는 장점이 있다. 특히, DBD(Dielectric Barrier Discharge) 방식의 플라즈마 발생장치는 비교적 저전압으로 대기압 플라즈마 발생을 일으킬 수 있고 처리 면적도 넓게 구성할 수 있어 바이오 분야에 널리 적용되고 있다. 이러한 플라즈마 발생장치를 이용하여 샘플을 처리하는 방식에는 방전된 플라즈마가 직접적으로 샘플에 닿아 원하는 변화를 일으키는 직접 처리 방식과 플라즈마로부터 비롯되는 활성종에 의한 샘플의 변화를 얻는 간접 처리 방식이 있다. 종래의 플라즈마 처리 방식은 모두 직접 처리 방식을 택하고 있다. 등록특허 10-0461516호도 오염물에 대한 플라즈마를 직접 조사하는 직접 방식에 대해 기재한다. 그러나 상황에 따라 플라즈마를 샘플에 직접 조사(助射)하는 직접 방식 외에 플라즈마 방전에서 생성되는 활성종들을 샘플에 조사하는 처리를 요할 때가 있다.

특히, 오염된 물로부터 오염 물질을 제거하기 위해 플라즈마에서 생성되는 활성종들을 이용할 수 있으며, 등록특허 10-0461516호와 등록특허 10-1709644호는 플라즈마를 직접 물에 방전시켜 플라즈마 방전에 따라 얻어지는 과산화수소와 같은 활성종을 물에 처리하는 수처리 기술을 기재한다.

그러나 물과 플라즈마 방전 장치의 직접적인 접촉은 활성종 외에 예상치 못한 물질의 생성이 있을 수 있고 플라즈마 발생장치의 수명을 단축시킬 수도 있다. 또한, 플라즈마 방전에 의한 활성종들의 농도 제어 등 수처리에 대한 세밀한 제어 및 인과관계 분석을 어렵게하는 문제도 있다.

따라서 본 발명의 목적은 오염된 물을 플라즈마에 의해 생성된 활성종들에 의해 처리하여 정화하는 방법과 장치를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 플라즈마에 의해 직접 처리된 물질을 사용하여 오염된 물의 오염물질을 흡착처리하는 수처리 방식을 제공하고자 하는 것이다.

상기 목적에 따라 본 발명은 전극을 유전체 모세관 안에 넣고 이러한 하나의 DBD 플라즈마 전극 모듈 다수를 평행하게 배열하고, 각각의 DBD 플라즈마 전극 모듈에 내재된 전극에 전압을 인가하되, 상기와 같이 나란히 배열된 전극에 대해 교대로 교류 전원의 양단자를 각각 연결하여 모세관 안에 있는 전극들 사이에서 플라즈마 방전이 일어나게 하여 전체적으로는 일정 면적에서 플라즈마 방전이 일어나는, 다중평행 모세관 플라즈마 발생장치를 구성하고, 상기 다중평행 모세관 플라즈마 발생장치를 밀폐된 제1 챔버에 넣고 상기 제1 챔버에 가스 유입구(흡기 밸브 포함)와 가스 배출구(배기 밸브 포함)를 설치하고, 플라즈마 방전에 의해 생성된 활성종으로 오염 수를 처리할 수 있게 하였다.

또한, 본 발명은, 상기 플라즈마 발생장치가 있는 제1 챔버에서 발생되는 활성종으로 GO(graphene oxide)를 처리한 후, 오염 수에 넣어 오염 물질을 흡착처리하는 오염 수 처리방법을 제공하였다.

한편, 오염 수에 대해 플라즈마에 의한 활성종 처리와 병행하여 플라즈마 처리된 GO로 흡착처리하는 것을 병행실시할 수 있다.

본 발명에 따르면, 오염 수에 대해 플라즈마 발생에 의해 생성된 활성종으로 처리함으로써 오염 수에 포함된 오염 물질을 빠른 시간 안에 분해할 수 있다.

또한, 오염 수에 포함된 오염 물질은 플라즈마 처리된 GO(graphene oxide)에 의해 흡착되어 제거될 수 있으며, 활성종 처리와 흡착이 병행되어 오염 수를 정화할 수 있다.

특히, 플라즈마 처리된 GO(graphene oxide)에 의한 오염물의 흡착 제거는 오염물의 농도가 낮아 제거 처리가 어려운 경우에도 오염물의 흡착 제거효과가 우수하다.

본 발명의 플라즈마 발생장치에 의해 오염수를 일차적으로 활성종에 의한 간접 처리하여 단시간 내에 오염물을 분해 제거한 다음, 플라즈마 처리된 그래핀 옥사이드를 넣어 잔류하는 오염물을 추가적으로 흡착 제거함으로써 수처리 효과를 극대화 할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 다중평행 모세관으로 된 DBD 플라즈마 발생장치의 구성도와 방전 사진이다.
도 2는 도 1의 플라즈마 발생장치를 흡기 밸브와 배기 밸브를 구비한 챔버에 배치한 것을 보여주는 평면도와 단면도이다.
도 3은 도 1의 플라즈마 발생장치를 지지대로 지지하여 아래에 샘플을 놓을 수 있는 공간을 마련한 것을 보여주는 단면도이다.
도 4는 도 1의 플라즈마 발생장치와 샘플을 챔버(제1 챔버)에 넣고 샘플을 플라즈마 방전에 의해 직접적으로 처리하는 것을 보여주는 단면도이다.
도 5는 도 1의 플라즈마 발생장치를 제1 챔버에 넣고 샘플은 제1 챔버의 배기 밸브와 연결된 별도의 챔버(제2 챔버)에 넣어 플라즈마 방전으로부터 생성된 활성종으로 샘플을 처리하는 것을 보여주는 단면도이다.
도 6은 본 발명에 따라 오염 수를 플라즈마에 의한 활성종으로 처리하는 것을 보여주는 구성도이다.
도 7은 도 6에 의해 염료 용액을 처리한 결과를 보여주는 그래프이다.
도 8은 본 발명에 따라 산소 플라즈마로 처리한 그래핀 옥사이드를 이용하여 오염 수를 흡착처리한 결과를 보여주는 그래프이다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명한다.

본 발명에 적용된 플라즈마 발생장치는 본 발명자들에 의해 발명되고 본 출원인에 의해 출원된 대한민국 특허출원 10-2017-0102933호, "다중평행 모세관을 이용한 유전장벽방전 플라즈마 발생 장치"에 상세히 나와있으며, 그 내용은 본 발명에 그대로 편입되고 적용된다.

도 1에는 본 발명에 따른 다중평행 모세관으로 된 DBD 플라즈마 발생장치(10)의 구성도가 나와있고 그 옆에 실제 플라즈마 발생장치에 의한 플라즈마 방전사진이 나와있다.

본 발명에 따른 플라즈마 발생장치(10)를 살펴보면, 전극(100)을 유전체로 된 모세관(200) 안에 넣어 하나의 전극 모듈을 구성하고, 이와 같은 전극 모듈 여러 개를 나란히 배열하여 다중 평행 모세관 플라즈마 발생장치(10)를 만든다. 처리하고자 하는 샘플의 종류, 양, 크기 등에 따라 플라즈마 발생장치(10)의 크기도 정해질 수 있고, 상기한 전극 모듈의 개수를 늘려 그 크기를 크게 할 수 있고, 반대로 전극 모듈의 개수를 줄여 그 크기를 작게 할 수 있다. 나란히 배열된 다수의 전극 모듈에 대한 전원 연결은, 서로 인접한 전극을 전원의 서로 반대되는 극성의 단자에 연결하여 전극 모듈 사이에서 유전 장벽 방전이 일어나게 한다. 상기에서 전원은 교류 전원을 사용하는 것이 바람직하다.

전극(100)은 플라즈마를 발생시키기 위해 필요한 전력을 공급하는 도체 물질로 구리, 스테인레스 스틸, 텅스텐 등을 사용할 수 있으며 이들 소재에 한정되어 있지 않고 도체 중에서 다양하게 선택,사용할 수 있다.

또한, 전극의 형태는 막대뿐만 아니라 코일 형태로도 구성할 수 있으며, 코일과 막대가 혼합된 방식으로도 구성 가능하다. 이러한 전극의 다양한 형상은 플라즈마 방전을 활발히 일으키는 데 도움이 될 수 있다.

상기에서 모세관(200)은 유전체 물질의 원통(cylinder) 형태 또는 기둥형태로 이루어지며, 석영, 유리, 알루미나와 같은 세라믹, 실리카 등의 유전체로 구성될 수 있고, 어느 한 종류에 한정되지 않고 다양하게 선택, 사용할 수 있다.

전극(100)과 유전체 모세관(200)이 하나의 모듈로 취급되며, 샘플의 종류 및 크기에 따라 모듈 N 개를 연결하여 플라즈마 장치를 구성할 수 있어, 플라즈마 장치의 크기 또한 한정적이지 않다.

본 발명에 따른 다중평행 모세관 DBD 플라즈마 발생장치(10)는 별도의 주입 가스 없이 대기 중의 공기(Air)를 이용하여 방전이 가능하며, 석영박스와 같은 챔버(500)를 이용하면 공기 이외에 질소(N₂), 산소(O₂), 아르곤(Ar), 헬륨(He) 등의 필요에 따라 특정 기체를 주입하여 원하는 수준의 플라즈마 발생 및 활성종 생성을 가능하게 할 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 플라즈마 발생장치를 이용한 플라즈마 처리 방법에는 샘플을 직접 처리하는 방식과 플라즈마에서 생성되는 활성종을 이용하여 처리하는 간접적인 방식이 있다.

본 발명의 플라즈마 발생장치의 구성 목적은 플라즈마를 이용한 샘플의 직접적인 처리와 플라즈마에서 생성되는 활성종(reactive species)을 이용하여 샘플을 간접적으로 처리하는 2가지 방식이 모두 가능하도록 한 것이다.

기존에 플라즈마를 이용한 샘플 처리의 경우 플라즈마 장치 하단에 샘플을 놓고 직접적으로 플라즈마를 처리하는 방식이었다. 그러나 본 발명의 플라즈마 발생장치의 경우, 기존의 직접처리 방식도 적용가능 하면서, 플라즈마 처리에 있어서 중요한 역할을 하는 활성산소종(reactive oxygen species)과 활성질소종(reactive nitrogen species)을 샘플에 전달하는, 간접적인 처리가 가능하다.

도 1에 보인 본 실시예에서, 플라즈마 발생장치는 총 10개의 전극과 유전체 모세관이 평행하도록 배치하였고 장치의 전체 크기는 가로 70 mm, 세로 60 mm가 된다. 전극(100)은 직경 1 mm, 길이가 50 mm인 스테인레스 스틸을 사용하였고 모세관(200)으로는 석영관을 사용하였으며 외경이 3 mm이고 내경이 2 mm이며 길이는 50 mm이다. 이와 같은 전극과 모세관의 수치 및 모듈의 개수는 상황에 따라 변경될 수 있다.

전원(300) 인가를 편리하게 하기 위해, 전극 패드(400, 410)을 전극 양단에 배치하여 전극 모듈에 포함된 전극을 교대로 좌측 전극 패드(400)와 우측 전극 패드(410)에 접속시켰다. 즉, 총 10개의 전극 중 5개 전극은 한쪽의 구리판 전극 패드(400)에 연결되어 있으며 나머지 5개 전극은 다른 한쪽의 구리판 전극 패드(410)에 연결되어 있다. 두 개의 구리판 전극 패드에는 교류 전압이 인가되고 10개의 전극(100)과 모세관(200) 사이에서 플라즈마가 발생 된다. 도 1의 우측 사진에는 본 실시예의 플라즈마 발생 장치(10)에 의해 플라즈마 발생이 매우 활발히 일어남을 보여준다.

또한, 도 2는, 상기 플라즈마 발생장치(10)를 흡기밸브(510)와 배기밸브(520)가 장착된 석영 챔버(500)에 넣고 밀봉하여 가스를 주입하면 다양한 기체의 플라즈마를 발생시킬 수 있음을 시사한다. 대기 중의 공기를 이용하여 플라즈마를 발생시킬 수도 있으나 이 석영박스를 사용하면 공기 이외에 질소(N₂), 산소(O₂), 아르곤(Ar), 헬륨(He) 등의 다양한 기체를 이용하여 플라즈마를 발생시킬 수 있는 장점이 있다.

상기 챔버(500)의 재질은 석영 외에 스테인레스스틸, 유리, 세라믹일 수 있으며, 본 실시예의 경우, 그 크기를 가로 120 mm, 세로 110 mm, 높이 47 mm로 하였으나 이러한 크기 자체를 제한하지 않는다. 다만, 플라즈마 발생 장치(10)의 크기와의 관계에서 최적화될 수 있으며, 후술할 간접 처리 방식에 적용되기 위해, 적절한 농도의 활성종들이 신속히 샘플이 들어있는 제2 챔버(530)(도 5 참조)로 확산될 수 있을 정도의 크기로 설계되는 것이 바람직하다.

본 실시예에서, 다중형 모세관 플라즈마 발생장치(10)에 사용된 전력은 슬라이닥스와 네온트랜스를 사용하였으며, 인가전압은 1차 전압으로는 슬라이닥스 100V이고, 오실로스코프로 측정한 2차 전압은 11 kV이고 주파수는 20 kHz이다.

다중형 모세관 플라즈마 발생장치(10)에 포함된 모세관 전극수 증가 시에 플라즈마 발생을 위한 에너지가 증가하면서 인가하는 전압 또한 증가하게 된다. 상기에서 모세관 전극수는 10개였으며, 필요에 따라 전극수를 증감시키고 그에 맞추어 인가전압을 증감시킨다.

상기 다중형 모세관 플라즈마 발생장치(10)에 의해 생성되는 활성종은 사용하는 가스 종류에 의존하게 된다. 가스의 종류가 고정되어 있는 상태에서는 모세관 전극과 인가전압이 증가할 경우 활성종들의 종류는 같으며 생성되는 활성종의 농도가 증가한다. 상술한 공기, 질소, 산소, 아르곤, 헬륨은 예시적이고, 필요에 따라 다양한 가스를 혼합하여 사용할 수 있으며 혼합 비율에 따라서도 활성종의 종류뿐만 아니라 농도 또한 변화할 수 있다.

예를 들어, 아르곤 + 산소(0.2%, 0.3%, 1%, 2% 등), 헬륨 + 질소와 같은 가스 혼합과 혼합 비율을 적용하여 활성종의 농도를 선택적으로 제어할 수 있다.

본 발명의 플라즈마 발생장치(10)를 이용한 샘플 처리 방법은 다음과 같다.

기본적으로 플라즈마 장치 하단에는 샘플이 배치될 수 있도록 소정의 높이를 갖는 지지대(600)를 설치하여 샘플을 직접 처리할 수 있으며 별도의 주입 가스 없이 공기(Air)를 이용하여 대기 중에서 샘플의 직접 처리가 가능하다(도 3 참조).

본 실시예에서 지지대(600)의 높이는 9 mm로 하였다.

또한, 플라즈마 발생장치(10)를 챔버(500)에 넣고 밀봉한 후에 기체를 주입할 경우 공기(Air) 플라즈마 이외에 다양한 기체 플라즈마로 샘플의 직접 처리가 가능하다(도 4 참조).

이와 다른 방식의 플라즈마 처리 방법으로는 도 5에 보인 바와 같이, 플라즈마 발생장치(10)를 챔버(500)('제1 챔버'라 한다)에 넣고 샘플은 제2 챔버(530)에 넣고 밀봉 후, 제1 챔버의 배기밸브(520)에 가스연결관(550)을 연결하여 제1 챔버의 플라즈마로부터 생성되는 활성종을 이용하여 샘플을 처리할 수도 있다.

상기와 같은 다중평행 모세관을 이용한 DBD 플라즈마 발생 장치는 수질 개선에 적용될 수 있다. 수질오염의 원인으로는 중금속, 염료, 약품, 살충제, 병원균 등이 있으며 이러한 오염물질을 포함한 물을 피처리물로 하여 상기 플라즈마 발생장치를 적용할 수 있다.

그에 따라 본 발명은 상기 플라즈마 발생장치를 이용하여 다음과 같은 수처리를 실시하였다.

수처리 방식은 플라즈마에서 생성되는 활성종을 오염 수에 처리하는 방식과 이 활성종을 이용하여 그래핀 옥사이드에 처리한 다음 오염 수에 넣어 오염 물질을 흡착시키는 방식을 제공하였다. 어떤 방식이든지 처리하는 오염수에 따라 플라즈마의 강도를 조절하거나 그래핀 옥사이드의 농도를 조절하여 최적화된 처리가 가능하다.

먼저, 상기 플라즈마 발생장치를 사용하여 활성종으로 오염 수를 처리하기 위하여 다음과 같은 실험예를 실시하였다. 도 6은 본 발명에 따라 오염 수를 플라즈마에 의한 활성종으로 처리하는 것을 보여준다.

즉, 상기 플라즈마 발생장치로부터 생성된 활성종으로 처리될 오염 수로서 메틸렌 블루(methylene blue) 염료 용액으로 초기 농도는 200 ppm이 되게 제조한다.

또한, 상기 플라즈마 발생장치에서 생성되는 활성종을 미리 조사하였으며, 이를 위해 증류수를 공기(Air), 질소(N₂), 산소(O₂) 플라즈마로 처리한 후에 증류수 내 생성되는 H₂O₂(hydrogen peroxide, 과산화수소)와 NO₂ ^-(Nitrite ion, 아질산 이온), NO₃ ^-(Nitrate ion, 질산 이온)을 측정한다. 실질적으로 생성되는 활성종들은 더 여러 가지가 있지만, 본 실험예에서는 상기 세 종류의 활성종에 대해서만 정량분석을 하였다.

구체적인 실험을 위해, 다중평행 모세관을 이용한 DBD 플라즈마 발생 장치는 제1 챔버에서 플라즈마를 방전하고, 여기에서 생성되는 활성종(reactive species)을 제1 챔버에 들어있는 오염수에 간접적으로 처리한다.

제1 챔버(500)에 플라즈마 발생장치가 설치되고 제1 챔버 가스 배출구에 노즐을 연결함으로써 플라즈마에서 생성되는 활성종들을 이용하여 오염된 물을 처리한다.

노즐은 오염 수 내에 잠겨진 상태로 처리할 수 있다. 다중형 모세관 플라즈마 발생장치는 슬라이닥스와 네온트랜스를 사용하여 전압을 인가하였고, 장치에 인가된 전압은 11 kV이며 주파수는 20 kHz 이다.

오염 수 처리 이전에 노즐에 의해 피처리물로 전달되는 활성종을 알아보기 위해 증류수를 제2 챔버에 넣고 공기(Air), 질소(N₂), 산소(O₂) 플라즈마로 처리한 후에 증류수 내 생성되는 H₂O₂(hydrogen peroxide, 과산화수소)와 NO₂ ^-(Nitrite ion, 아질산 이온), NO₃ ^-(Nitrate ion, 질산 이온)을 측정하였다.

H₂O₂는 황산티타늄 비색법(titanium sulfate colorimetric method)을 사용하였으며, NO₂ ^-와 NO₃ ^-의 농도는 Nitrite/Nitrate Assay Kit(colorimetric method)를 사용하여 측정하였다.

H₂O₂는 공기 플라즈마의 의해 21 μM/mL가 생성되었고, 질소와 산소 플라즈마에 의해서는 각각 32 μM/mL와 103 μM/mL가 생성되었다.

또한, 공기 플라즈마 처리에 의해서 NO₂ ^-가 11 nM/μL이며 NO₃ ^-는 12 nM/μL로 측정되었다.

질소 플라즈마에서는 NO₂ ^-와 NO₃ ^-의 농도가 각각 4 nM/μL와 8 nM/μL 이었으며 산소 플라즈마 처리에서는 NO₂ ^-가 0.1 nM/μL, NO₃ ^-는 4 nM/μL이 생성되었다.

상술한 바와 같이 초기 농도 200 ppm의 메틸렌 블루(methylene blue) 염료 용액을 플라즈마의 활성종을 이용하여 처리한다.

5 lpm(liter per minute) 유량의 공기(Air), 질소(N₂), 산소(O₂)를 사용하여 5분, 10분, 20분 동안 상기 염료 용액을 플라즈마 활성종 처리를 하였다.

플라즈마 활성종 처리 전과 후의 염료 변화를 확인하기 위해 자외선-가시광선 분광 분석법(UV-Vis Spectroscopy)을 사용하였고 염료 용액의 초기 농도 대비 처리 후 농도의 열화율(% of degradation)을 계산하여 비교하였다. 도 7은 염료 용액을 처리한 결과를 보여준다.

산소 플라즈마 처리에 의해 가장 빠른 시간 내에 높은 염료 열화율을 보였으며 공기 플라즈마 처리의 경우에도 처리 시간이 증가함에 따라 염료 용액의 열화율이 증가하는 것을 확인하였다. 질소 플라즈마 처리에 의한 염료 용액의 열화율이 가장 낮은 것을 알 수 있다.

상기 실험으로부터 산소 플라즈마나 공기 플라즈마를 발생시키고 그에 따라 생성되는 활성종을 수집하여 오염 수에 공급하면 오염 수에 포함된 오염물질이 분해되어 정화처리될 수 있음을 알 수 있다.

따라서 플라즈마 발생장치가 들어가는 제1 챔버와 이에 연결되는 노즐을 오염 수에 넣고 제1 챔버에 산소 또는 공기를 공급하여 플라즈마를 방전시켜 얻어지는 활성종들이 노즐을 통해 오염 수에 공급되게 하는 수처리 시스템을 제공할 수 있다. 상기에서 오염 수는 제2 챔버와 같이 밀폐된 챔버를 구성하고 여기에 넣어 처리된 후 방류되는 시스템을 통과하게 할 수도 있지만, 오염 수가 방치된 곳에 제1 챔버와 연결된 노즐을 오염 수에 넣어 수처리할 수 있다.

다음으로, 플라즈마가 처리된 물질을 사용하여 흡착처리(adsorption)를 하는 방식에 대해 설명한다.

여기서, 플라즈마에 의한 활성종으로 오염물을 처리하고 오염물을 흡착할 물질로서 GO(graphene oxide)를 선택하고, 피처리물(오염수 샘플)로는 TNT(trinitrotoluene, 트라이나이트로톨루엔) 용액을 사용하였다. GO는 물질에 대한 흡착력이 있어 그 자체로도 TNT를 어느 정도 흡착할 수 있으며, 본 발명의 플라즈마 발생장치의 제1 챔버에서 방전된 플라즈마에 의해 생성되는 활성종을 이용한 처리를 실시함에 따라 수많은 라디칼이 흡착되어 흡착력이 더욱 강화될 수 있다.

플라즈마 처리된 물질을 이용한 흡착처리 실험에서 사용된 TNT는 톨루엔을 황산과 질산의 혼합물에 의해서 나이트로화시켜 만들어진다. 일반적으로 폭약에 사용되는 것으로 잘 알려져 있으며 군사용 및 산업용 등 그 용도가 광범위하다. 이러한 TNT는 수질오염원 중 하나로 자연에 존재하는 TNT가 저농도일수록 TNT 제거하는데 한계를 가지고 있다. 따라서 본 실험에서는 물에 잔류하는 저농도의 TNT를 제거하는 것을 목표로 하여 실험을 전개하였다.

본 실험에서 사용한 TNT 용액의 농도는 1 mg/L이다. 즉, 상기 농도의 TNT 용액(오염수)을 제조하고, 상기 오염수에 넣어 흡착을 일으킬 처리매체로서 GO(그래핀 옥사이드: 파우더 형태)를 준비하였다. 그래핀 옥사이드는 상용화되어있어 구입하여 사용할 수 있다.

상기 플라즈마 발생장치가 있는 제1 챔버에 산소를 공급하여 플라즈마를 발생시켜 생성된 활성종으로 GO를 처리하였다. 처리시간은 20분~40분이었고, 처리된 GO를 오염수에 넣어 오염물을 흡착시켰다.

본 발명과의 비교를 위해 GO를 사용하여 단독 흡착 처리를 진행한 결과 60%의 흡착율(% of adsorption)을 보임을 확인하였다.

또한, TNT 용액을 플라즈마로 20분 동안 직접 단독 처리한 경우 흡착율(TNT 제거율)은 10%였다.

이에 비해, GO를 산소 플라즈마로 20분 처리한 후에 TNT 용액에 첨가할 경우 그 흡착율이 약 75%까지 증가하는 것을 확인하였다. 그러나 산소 플라즈마로 40분 처리한 GO의 경우에는 흡착율이 70%로 감소하였고, 이 수치는 플라즈마 직접 단독 처리 또는 GO 단독 처리와 비교했을 때 그보다는 상대적으로 높은 흡착율에 보였다. 따라서 플라즈마 처리한 GO를 이용하여 흡착 처리를 하였을 때 단독 플라즈마 또는 흡착 처리한 경우보다 피처리물에 대한 흡착율이 증가하는 것을 확인할 수 있었다.

상기에서, 그래핀 옥사이드의 흡착처리 시간은 오염수의 농도에 따라 상이하게 조절될 수 있다. 본 실시예에서는 TNT 용액의 농도가 10 ppm이었으며 20분동안 플라즈마 처리한 GO를 사용하여 24시간동안 흡착처리를 한 결과 75%의 흡착율을 보였다. 따라서 피처리물의 농도가 높을 경우 높은 농도의 GO를 사용하여 흡착처리를 할 수 있으며 그에 따라 플라즈마의 처리 시간 조절이 가능하다. 흡착처리에 사용된 그래핀 옥사이드는 원심분리(centrifuge) 후에 여과(filtration) 방법을 사용하여 TNT 용액으로부터 제거되었다. 그래핀 옥사이드의 제거 방법으로는 본 예시에서 사용한 원심분리와 여과 방법 이외에도 침전(precipitation) 방법이 있다. 그래핀 옥사이드로 흡착 처리한 오염수의 pH를 수산화나트륨(sodium hydrooxide, NaOH) 등을 사용하여 pH 8 정도의 염기성 상태를 만들면 그래핀 옥사이드는 침전되고 이후에 필터를 사용하여 제거될 수 있다.

실험은 산소에 대하여만 실시되었지만, 산소를 포함한 공기, 그리고 질소에 의한 플라즈마 발생에 의해서도 그래핀 옥사이드를 처리하고 이를 이용한 오염물 흡착이 가능함은 당업자 상식에 속한다.

상기 실험에 따르면, 그래핀 옥사이드를 상기 플라즈마 발생장치의 제1 챔버에서 생성되는 활성종으로 처리를 한 다음, 이것을 오염수에 넣어 오염물질을 흡착 제거하는 수처리 시스템을 제공할 수 있다.

또한, 상기 플라즈마 발생장치에 의해 생성된 활성종으로 오염수를 1차 처리한 다음, 잔류하는 저농도 오염물은 그래핀 옥사이드를 플라즈마 활성종으로 처리하여 오염수에 넣어 2차 흡착처리하는 방식으로 수처리할 수 있다. 이는 플라즈마 활성종으로 처리된 그래핀 옥사이드가 제거하기 어려운 저농도의 오염물까지 효율적으로 흡착제거할 수 있어 전체적으로 우수한 수처리시스템이 될 수 있다.

상술한 수처리 방식은 저수지, 음료수 탱크, 수영장뿐만 아니라 섬유 산업, 제약 산업에서 방출되는 오염수와 같은 산업 오염수 처리에도 적용할 수 있다. 플라즈마 단독 처리 시에는 다중평행 모세관을 이용한 유전장벽방전 플라즈마 발생 장치의 간접 처리 방식을 채택하여 활성종을 활용한 수처리가 가능하다. 예를 들어 본 예시는 플라즈마 장치를 수중에 설치하여 직접 처리하는 방법이 아닌 활성종을 이용한 간접 처리로써 외부에 챔버와 플라즈마 장치로 구성된 수처리 시스템을 설치하고 플라즈마에 의해 생성된 활성종이 배출될 수 있는 노즐을 직접 저수지, 수영장과 같은 물에 넣어 처리할 수 있다. 또한, 플라즈마 처리한 그래핀 옥사이드를 사용하여 흡착 처리가 가능하고 플라즈마 처리와 흡착처리를 동시에 사용하는 병행 처리도 가능하다. 실제 저수지, 음료수 탱크 등과 같은 대량의 오염수 처리에는 펌프가 장착되어 있고 주입구(inlet)와 배출구(outlet)가 설치된 수처리 시스템이 사용된다. 이러한 수처리 시스템 내에 플라즈마 장치를 설치하거나 플라즈마 처리한 그래핀 옥사이드를 넣어두면, 수처리 시스템에 유입된 물이 플라즈마에서 생성된 활성종 및/또는 플라즈마에 의해 처리된 그래핀 옥사이드에 의해 처리된 후 다시 배출구를 통해 자연으로 방출될 수 있다.

각각의 경우, 오염수 규모와 특성에 따라 플라즈마 장치의 규모를 달리할 수 있다. 즉, 오염수의 양과 농도에 따라 플라즈마 처리 장치의 규모가 달라진다. 처리하는 오염수에 따라서 다중평행 모세관을 이용한 유전장벽방전 플라즈마 발생 장치의 전극 수를 증가시킬 수 있다. 전극 수가 증가함에 따라 요구되는 에너지가 증가함으로써 인가 전압은 상승하게 된다. 더불어 동일한 개수의 전극을 가진 플라즈마 장치를 다수 설치함으로써 생성되는 활성종을 증가시켜 다량 및 고농도의 오염수 처리가 가능하다. 예를 들어, 본 예시에서 사용한 제 1 챔버를 포함하는 플라즈마 장치와 교류 전원을 한 세트로 가정하여 4~5개 세트를 사용하면 동시에 다량의 수처리가 가능하다. 그래핀 옥사이드를 이용한 흡착처리의 경우에도 오염수의 규모와 정도에 따라 그래핀 옥사이드의 농도를 다르게 할 수 있으며 플라즈마 처리 시간 또한 조절이 가능하다.

오염물질의 흡착 제거에 사용되는 그래핀 옥사이드의 제거 방법 또한 처리 규모에 따라 변형될 수 있다. 일반적으로 그래핀 옥사이드 제거 방법으로 원심분리, 여과, 침전 방법 등이 있다. 본 예시와 같이 실험실 단위에서 이뤄지는 소량에 대해서는 원심분리, 여과, 침전 방법이 모두 사용된다. 이렇게 처리되는 오염수의 규모에 제한이 없으며 수처리에 사용된 그래핀 옥사이드는 여과 또는 침전 방법을 사용하여 제거할 수 있다.

또한, 그래핀 옥사이드를 제1 챔버에 넣고 플라즈마를 직접 처리하는 경우 수명(Life time)이 상대적으로 짧은 활성종들이 GO에 영향을 많이 줄 수 있다. 따라서 그러한 GO는 신속히 오염수에 공급되고 필요에 따라 지속적으로 추가 공급하여 오염수를 정화할 수 있다.

한편, 상기 실시 예와 실험 예들에서 제시한 구체적인 수치들은 예시적인 것으로 필요에 따라 변형 가능함은 물론이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

10: 플라즈마 발생장치
100: 전극
200: 모세관
300: 전원
400, 410: 전극 패드
500: 챔버
510: 흡기 밸브
520: 배기 밸브
550: 가스연결관
600: 지지대

Claims (6)

1. 유전체로 된 모세관 안에 넣어진 전극으로 구성된 전극 모듈;
   상기 전극 모듈 여러 개가 나란히 배열된 다중 평행 모세관 플라즈마 발생장치; 및
   상기 전극 모듈에 인가될 전력을 공급하는 전원;을 구비하고,
   상기 다중 평행 모세관 플라즈마 발생장치에 포함된 전극들에 대해 상기 전원의 단자 중 한쪽 극성 단자와 반대 극성 단자를 서로 인접한 전극들에 대해 교대로 연결하여 인접한 전극 모듈 사이에서 유전 장벽 방전 플라즈마가 발생 되게 한 다중 평행 모세관 플라즈마 발생장치가 배치되는 제1 챔버;를 구비하고,
   상기 제1 챔버에 산소, 공기, 또는 질소 중 하나 이상의 기체를 공급하여 플라즈마를 발생시키고,
   상기 제1 챔버에서 플라즈마 발생으로부터 생성되는 활성종을 오염물을 포함한 오염 수에 유입시켜 오염 수를 정화 처리하는 것을 특징으로 하는 수처리 시스템.
2. 유전체로 된 모세관 안에 넣어진 전극으로 구성된 전극 모듈;
   상기 전극 모듈 여러 개가 나란히 배열된 다중 평행 모세관 플라즈마 발생장치; 및
   상기 전극 모듈에 인가될 전력을 공급하는 전원;을 구비하고,
   상기 다중 평행 모세관 플라즈마 발생장치에 포함된 전극들에 대해 상기 전원의 단자 중 한쪽 극성 단자와 반대 극성 단자를 서로 인접한 전극들에 대해 교대로 연결하여 인접한 전극 모듈 사이에서 유전 장벽 방전 플라즈마가 발생 되게 한 다중 평행 모세관 플라즈마 발생장치가 배치되는 제1 챔버;를 구비하고,
   상기 제1 챔버에 산소, 공기, 또는 질소 중 하나 이상의 기체를 공급하여 플라즈마를 발생시키고,
   상기 제1 챔버에서 플라즈마 발생으로부터 생성되는 활성종으로 그래핀 옥사이드를 처리하고,
   플라즈마 활성종으로 처리된 그래핀 옥사이드를 오염 수에 넣어 오염물을 흡착 제거하는 것을 특징으로 하는 수처리 시스템.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 다중 평행 모세관 플라즈마 발생장치의 전극은 막대, 코일, 또는 막대와 코일이 혼합된 것으로 구성되는 것을 특징으로 하는 수처리 시스템.
4. 제1항의 수처리 시스템에 의해 오염 수를 처리한 다음, 제2항의 수처리 시스템에 의해 오염 수를 처리하는 것을 특징으로 하는 수처리 방법.
5. 제1항의 수처리 시스템에 의해 오염 수를 처리하는 동시에 제2항의 수처리 시스템에 의해서도 오염 수를 처리하는 것을 특징으로 하는 수처리 방법.
6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 챔버와 가스연결관으로 연결되는 제2 챔버를 더 구비하고, 오염 수 또는 그래핀 옥사이드를 상기 제2 챔버에 넣어 처리하는 것을 특징으로 하는 수처리 시스템.
   

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