KR101984437B1

KR101984437B1 - 플라즈마 수처리장치

Info

Publication number: KR101984437B1
Application number: KR1020180169207A
Authority: KR
Inventors: 김숙
Original assignee: 김숙
Priority date: 2018-12-26
Filing date: 2018-12-26
Publication date: 2019-05-30

Abstract

본 발명은 플라즈마 수처리장치에 관한 기술로서, 방전전극을 과열을 방지하기 위한 냉각수단을 구비할 뿐만 아니라, 플라즈마하우징을 접지전극으로 이용할 수 있는 기술에 관한 것이다.

Description

플라즈마 수처리장치{Water treating apparatus using plasma}

본 발명은 플라즈마를 이용한 수처리장치에 관한 기술로서, 보다 구체적으로는 방전전극의 과열을 방지하며, 접지전극으로서 플라즈마하우징을 이용할 수 있는 기술에 관한 것이다.

폐수처리 방법은 화학약품, 필터, 오존 등 다양한 방법이 있으며, 최근에는 플라즈마를 이용한 폐수처리 방법이 사용되고 있다.

플라스마(plasma)는 물질의 상태로 볼 때 고체, 액체, 기체에 이은 제4의 상태라고 정의된다. 플라스마는 전자가 원자로부터 제거된 자유 전자들의 혼합체와 이를 통해 생성된 이온들이 공존하게 될 때 형성된다. 플라스마는 여러 별에서 관측되는데, 실제로 우주에서 가장 흔하게 존재하는 물질상이다. 플라즈마 수처리장치는, 플라즈마에 의해 발생한 오존, 활성라디칼 등의 기체와 수중의 오염물질을 반응시킴으로써 오염물질의 분해, 산화를 유도하고 수질을 개선하는 작용을 한다.

도 1은 한국특허공개공보 제10-2011-0109111호에 공개된 것으로서, 플라즈마를 이용한 수처리장치의 일례를 보여준다. 도 1을 참고하면, 종래 수처리장치는 복수의 플라즈마건(1), 기체 유입구(2), 반응조(3) 및 기포를 생성하는 다공성판(4)을 포함한다. 다공성판(4)은 플라즈마건(1)에 의해 생성되는 화학적 활성종을 포함한 기체와 오폐수의 접촉 효율을 높이기 위해 플라즈마건(1)의 하단부에 설치하여 미세한 기포를 생성시킨다. 플라즈마건(1)은 기체 유입구(2)를 통해 유입기체가 공급되면, 전원 공급 장치를 통해 방전극(5)과 접지전극(6)에 전압을 인가한다. 플라즈마건(1)은 전압이 인가되면, 방전극(5)과 유전체관(7) 사이의 반응공간(8)에서 플라즈마 방전을 일으킨다. 플라즈마건(1)의 방전을 통해 오존 등 화학적 활성종들이 생성되고 생성된 화학적 활성종들이 오폐수와 반응하여 오폐수를 정화하고 있다. 그러한 작용의 과정에서 오존 등이 수중의 오염물질과의 접촉시간이 증대되고 서로 교반되는 과정이 반복될수록 효과적인 반응이 발생하고 에너지 및 수처리효율을 증대시킬 수 있다.

특히, 종래 플라즈마 수처리장치는 방전전극(전극봉)이 과열되는 현상이 있었으나, 이를 해결할 수 있는 방법이 없었다. 또한, 방전전극과 이격되어 방전가스가 흐르는 공간 및 플라즈마의 통로를 제공하는 다공성의 플라즈마하우징(또는 유전체튜브로도 불림)는 통상 유전체로 이루어져 있을 뿐, 전극 역할을 할 수 없는바 별도로 접지전극을 플라즈마하우징의 외부 테두리에 추가하거나 처리 대상 액체를 접지전극으로 하였다.

한국특허공개 제10-2011-0109111호 한국특허공개 제10-2018-0098435호 한국특허공개 제10-2012-0133454호

본 발명은 방전전극(전극봉)이 과열되는 문제를 해결할 수 있는 기술을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 종래 플라즈마의 생성 공간만을 제공하던 플라즈마하우징을 접지전극으로 이용할 수 있는 기술을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 처리수를 연속적으로 정화하여, 처리수 처리 효율이 높을 뿐만 아니라, 그 크기를 컴팩트하게 구성하여 장소에 구애받지 않고 설치할 수 있는 플라즈마 수처리장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은, 방전전극; 상기 방전전극이 내부에 위치하는 원통형의 유전체튜브; 상기 유전체튜브가 내부에 위치하며, 플라즈마가 형성되는 방전공간을 제공하는 원통형의 플라즈마하우징; 및 상기 플라즈마하우징과 정화 대상인 처리수가 내부에 위치하는 수처리하우징을 포함하는 플라즈마 수처리장치로서, 상기 방전전극의 과열을 방지하도록 냉매가 유전체튜브 내에서 흘러 방전전극을 냉각하는 플라즈마 수처리장치를 제공한다.

특히, 상기 방전전극의 과열을 방지하는 냉매는 가스 또는 액체일 수 있다.

특히, 상기 유전체튜브에는 냉매입구와 냉매출구를 각각 하나 이상 구비할 수 있다.

특히, 상기 냉매입구는 냉매출구보다 방전전극의 전원공급부와 가까이 위치할 수 있다.

특히, 상기 유전체튜브는 석영 또는 알루미나 중 어느 하나의 재질로 이루어질 수 있다.

특히, 상기 플라즈마하우징은 방전가스입구를 2개 이상 갖되, 상기 방전가스입구는 플라즈마하우징의 양 말단 또는 양 말단 근처에 위치할 수 있다.

특히, 상기 플라즈마하우징은 전기전도성 물질로 이루어져 접지전극 역할을 할 수 있다.

특히, 상기 플라즈마하우징의 접지전극은 알루미늄 전극일 수 있다.

특히, 상기 플라즈마하우징은, 내부에 전기전도성 물질의 접지전극과, 상기 접지전극의 외부에 코팅 또는 도금된 유전체코팅층을 포함하여 이루어질 수 있다.

특히, 상기 처리수에 외부로부터 전원을 공급하여 처리수가 접지전극으로 사용될 수 있으며, 또한, 상기 처리수와 플라즈마하우징이 동시에 접지전극으로도 사용될 수 있다.

본 발명에서는 방전전극의 과열을 방지할 수 있는 냉각 수단을 구비함으로써, 종래 기술과는 달리 안정적으로 플라즈마의 생성과 이를 통한 처리수의 안정적인 처리가 가능하다.

또한, 본 발명에서는 종래 단순히 케이스 역할이나 플라즈마의 처리수로의 배출 통로 역할만 하던 플라즈마하우징을 접지전극으로 이용할 수 있게 함으로써, 종래 기술과는 달리 접지전극을 별도로 제조할 필요없다.

또한, 본 발명에 따른 플라즈마를 이용한 수처리장치는, 처리수를 연속적으로 정화처리되도록 구성하고 있어, 연속적으로 단시간에 많은 양의 처리수를 정화처리할 수 있으며, 수처리장치가 매우 컴팩트(compact)하게 구성되어 협소한 공간에서도 설치가 가능하다.

도 1은 종래 플라즈마 수처리장치의 일 예이다.
도 2는 본 발명의 플라즈마 수처리장치의 단면도이다.
도 3은 종래 유전체튜브와 본 발명의 냉각 수단을 구비하는 유전체튜브를 비교한 도면이다.
도 4는 본 발명의 냉각 수단을 구비하는 유전체튜브의 바람직한 일 실시예의 도면이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 일 실시예로서의 플라즈마하우징의 부분 단면도이다.

이하에서는 도면을 참고하면서 본 발명에 대하여 자세히 설명하기로 한다. 도 2는 본 발명의 플라즈마 수처리장치의 단면도이다.

본 발명의 플라즈마 수처리장치(100)는 안에서부터 밖으로 대략적인 순서가 방전전극(40), 유전체튜브(30), 플라즈마하우징(20) 및 수처리하우징(10)을 포함하여 이루어진다. 특히, 본 발명에서는 상기 방전전극(40)의 과열을 방지하는 냉매가 유전체튜브 내에서 흘러 방전전극을 냉각하는 플라즈마 수처리장치(100)를 제공한다.

이하에서는 각 구성요소별로 자세히 설명하기로 한다.

수처리하우징(10)

수처리하우징(10)은 일종의 욕조에 해당하는 구성으로서, 그 내부에 처리수가 유입되어 플라즈마에 의해 정화되어 유출되며, 플라즈마하우징(20), 방전전극(40), 유전체튜브(30)의 양단의 일부가 수처리하우징(10) 밖에 있지만, 전체적으로 수처리하우징(10) 내에 위 구성요소들의 대부분이 위치한다.

수처리하우징(10)은 전체적으로 원통형, 원뿔형 또는 육면체 등의 다양한 형상이 가능하며, 내부가 비어 있어, 플라즈마하우징(20) 등의 다른 구성요소들이 내부에 위치하며, 특히, 처리수가 유입 및 유출되는 처리수의 저류조 역할을 수행한다.

수처리하우징(10)의 일측 상부면 또는 측부면에는 정화가 필요한 처리수가 유입되는 처리수입구(11)를 1개 이상 구비하여 처리수를 수처리하우징(10) 내로 유입하며, 정화된 처리수가 나가는 배출구 역할을 하는 처리수출구(12) 역시 수처리하우징(10)의 일측 상부면 또는 측부면에 1개 이상 구비된다. 처리수입구(11) 및 처리수출구(12)는 각각 자동밸브, 수동밸브 등에 의해 처리수의 유입 및 유출이 제어되며, 특히, 도면에는 표시하지 않았으나 수질 검사 센서에 의해 측정된 수질에 따라 처리수 유입을 막고 처리수의 체류 시간을 늘릴 수도 있다. 또한, 처리수입구(11)는 도 1을 기준으로 좌측, 즉, 방전전극(40)의 전원이 공급되는 부분과 가까운 쪽에 위치하며 처리수출구(12)는 방전전극(40)의 우측 끝에 위치하는 것이 바람직하다. 이는 플라즈마에 의한 처리수 정화 시 처리수의 수처리하우징(10) 내의 체류시간을 고려한 것이다.

수처리하우징(10)의 어느 한 면, 예를 들어, 상부면에는 플라즈마 생성 시 발생한 가스, 처리수 처리 시 발생한 다양한 폐가스를 배출하기 위한 폐가스출구(13)를 1개 이상 구비한다. 가스의 특성상 상부로 상승하므로 폐가스출구(13)는 수처리하우징(10)의 상부면에 갖는 것이 바람직하다.

수처리하우징(10) 내의 처리수의 수위는 처리수출구(12)를 통해 정화된 처리수가 유출될 수 있는 높이 이상으로 위치하도록 제어한다.

방전전극(40) 및 유전체튜브(30)

방전전극(40)은 봉 형상으로서, 전원공급장치로부터 교류 또는 직류전원이 공급됨에 따라 후술하는 접지전극과의 전위차로 인해 플라즈마가 발생되도록 한다. 방전가스는 방전전극(40)에 의하여 플라즈마화되며, 생성된 플라즈마는 처리수의 물 분자를 분해하여 OH^-, O, H, H₂O₂, HO₂, HClO, Cl₂, HCl 등의 활성종을 생성하며, 이러한 활성종들이 처리수 내부의 오염물질인 휘발성 유기화합물, 미생물, 조류 등을 제거하게 된다.

방전전극(40)은, 외부 전원을 인가받아 이를 소정 크기의 전압을 가지는 직류 또는 교류로 전원으로 변환하여 출력하는 전원공급부(도면 미도시, 도 2 기준 왼쪽에 위치하는 것이 통상적임)로부터 전원을 공급받는데, 통상 방전전극(40)은 직류의 경우 "+"를 후술하는 접지전극은 "-" 극을 형성한다.

방전전극(40)은 원통형의 유전체튜브(30) 내에 위치하되 유전체튜브(30)의 내경으로부터 일정 거리 떨어진 상태로 장착된다. 유전체튜브(30)는 유전체 물질, 예를 들어, 대표적인 유전체 물질인 석영으로 제조된 튜브 형상이나, 알루미나 등의 다른 유전체 물질로도 제조 가능하다.

유전체튜브(30)는 적절한 위치, 예를 들어, 도 1과 같이 왼쪽 끝과 오른쪽 끝 또는 그 근방에 냉매가 유입 또는 유출될 수 있는 냉매입구(31)와 냉매출구(32)를 각각 1개 이상 가질 수 있다. 플라즈마 생성시 방전전극(40)이 고열로 가열되는데, 이를 냉각해주기 위해서 본 발명에서는 유전체튜브(30) 내로 냉매, 예를 들어, 공기와 같은 가스, 또는 액체 냉매를 유전체튜브(30) 내로 주입하여 유전체튜브(30) 내의 방전전극(40)을 냉각할 수 있다.

도 3의 (a)을 참고하면, 종래 방전전극(40')과 유전체튜브(30')의 경우 별도로 방전전극(40')을 과열을 냉각할 수단이 구비되어 있지 않으나, 도 3의 (b)와 같이, 본 발명에서는 냉매를 유전체튜브(30) 내에 주입함으로써 방전전극(40')의 과열을 방지할 수 있다.

도 4는 본 발명의 유전체튜브(30)의 다른 예로서, 도 2 및 3과는 달리, 냉매입구가 2개(31-1, 31-2)이며, 냉매출구(32)가 하나인 예로서, 다양하게 냉매입구(31)와 냉매출구(32)의 위치나 개수 조합이 가능하다는 것을 설명하기 위해 제시된 예이다.

플라즈마하우징(20)

플라즈마하우징(20)은 전체적으로 파이프 형태(원통형)이며, 전술한 바와 같이 수처리하우징(10) 내의 처리수에 잠겨진 상태로 위치한다. 플라즈마하우징(20)은 양 말단 또는 양 말단의 근처에 각각 하나 이상의 방전가스입구(21, 22)를 갖는다. 봉 형상의 방전전극(40)에 균일하게 플라즈마 원료인 방전가스를 주입하기 위하여 본 발명에서는 플라즈마하우징(20)의 양단 또는 그 근방에 최소한 하나씩 총 2개의 방전가스입구(21, 22)를 구비하는 것이 바람직하다.

방전가스는 오존, 산소, 질소, 아르곤, 헬륨, 공기 또는 이들의 혼합물이 모두 가능하며, 위에 나열된 것 이외에도 모두 가능하다.

플라즈마하우징(20)은 전술한 유전체튜브(30)가 내부에 위치하되, 플라즈마하우징(20)의 내경에 일정 거리 이격된 상태에서 유전체튜브(20)가 위치하며, 유전체튜브(30)의 외경과 플라즈마하우징(20)의 내경 사이의 공간이 플라즈마가 형성되는 공간인 방전공간(24)을 이룬다.

방전공간(24)에서 생성된 플라즈마는 플라즈마하우징(20)에 형성된 통공인 플라즈마배출구(23)를 통해 처리수로 공급된다. 통상 플라즈마하우징(20)의 상부 원통 측면에 플라즈마배출구(23)가 다수 개 일정 간격으로 형성되며, 플라즈마배출구(23)를 통한 플라즈마의 토출 압력에 의해 처리수가 방전공간(24)으로 침입하지 않는다. 작은 크기의 통공인 플라즈마배출구(23)를 통과하면서 플라즈마처리된 기체가 잘게 쪼개져 수중에 미세기포의 형태로 분산됨으로써, 플라즈마처리된 기체의 오존, OH라디칼 등 고농도 활성종들이 물과 접촉하는 시간 및 표면적이 증가하고, 고농도 활성종들의 용존율과 접촉산화분해작용을 매우 증대시킴으로써 수처리 효율을 높일 수 있다.

도 5는 본 발명의 플라즈마하우징(20)의 상부를 일부 발췌한 것으로서, 본 발명에서는 플라즈마하우징(20)을 종래에 유전체 재질로 만들었던 것과는 달리, 접지전극으로 이용하기 위하여 도전성 금속 재질, 예를 들어, 알루미늄으로 플라즈마 하우징(20)을 제조하여 알루미늄 재질의 플라즈마하우징(20) 몸체가 접지전극(25) 역할을 하도록 할 수 있다. 플라즈마하우징(20)을 접지전극으로 이용하는 경우 외부 전원으로부터 플라즈마하우징(20)으로 전원을 공급하여야 한다.

또한, 플라즈마하우징(20)을 접지전극으로 사용할 경우, 도전성 금속의 접지전극(25)의 내외 모두 유전체 물질의 코팅층, 즉, 유전체코팅층(26)을 더 구비함으로써, 플라즈마하우징(20)은 내부에 전기 전도성 재료로 이루어진 접지전극(25)과 외부의 유전체코팅층(26)을 포함하여 이루어지도록 할 수 있다. 금속에 유전체 물질의 코팅 또는 도금 방법은 다양한 방법으로 구현 가능하므로 구체적인 방법은 생략하기로 한다.

본 발명에서는 플라즈마하우징(20)을 접지전극(25)으로 사용함으로써, 종래 처리수를 접지전극으로 사용하는 것에 비하여 균일하게 플라즈마가 형성될 수 있도록 할 수 있는 장점이 있다. 물론, 본 발명에서도 플라즈마하우징(20)을 접지전극(25)으로 사용하지 않고, 처리수에 전원을 공급함으로써 처리수를 접지전극으로 사용할 수 있다.

10 : 수처리하우징 11: 처리수입구
12 : 처리수출구 13 : 폐가스출구
20 : 플라즈마하우징 21, 22 : 방전가스입구
23 : 플라즈마배출구 24 : 방전공간 25 : 접지전극 26 : 유전체코팅층 30 : 유전체튜브 31 : 냉매입구 32 : 냉매출구 40 : 방전전극(=전극봉) 100 : 플라즈마 수처리장치

Claims

방전전극;
상기 방전전극이 내부에 위치하는 원통형의 유전체튜브;
상기 유전체튜브가 내부에 위치하며, 플라즈마가 형성되는 방전공간을 제공하는 원통형의 플라즈마하우징; 및
상기 플라즈마하우징과 정화 대상인 처리수가 내부에 위치하는 수처리하우징을 포함하는 플라즈마 수처리장치로서,
상기 방전전극의 과열을 방지하는 냉매가 유전체튜브 내에서 방전전극을 직접 냉각하며,
상기 유전체튜브에는 상기 냉매가 흐를 수 있도록 냉매입구와 냉매출구를 각각 하나 이상 구비하는, 플라즈마 수처리장치.
제1항에서, 상기 방전전극의 과열을 방지하는 냉매는 가스 또는 액체인, 플라즈마 수처리장치.
삭제
제1항에서, 상기 냉매입구는 냉매출구보다 방전전극의 전원공급부와 가까이 위치하는, 플라즈마 수처리장치.
제1항에서, 상기 유전체튜브는 석영 또는 알루미나 중 어느 하나의 재질인, 플라즈마 수처리장치.
제1항에서, 상기 플라즈마하우징은 방전가스입구를 2개 이상 갖되,
상기 방전가스입구는 플라즈마하우징의 양 말단 또는 양 말단 근처에 위치하는, 플라즈마 수처리장치.
제1항에서, 상기 플라즈마하우징은 전기전도성 물질로 이루어져 접지전극으로 이용되는, 플라즈마 수처리장치.
제7항에서, 상기 플라즈마하우징의 접지전극은 알루미늄 전극인, 플라즈마 수처리장치.
제7항에서, 상기 플라즈마하우징은, 내부에 전기전도성 물질의 접지전극과, 상기 접지전극의 외부에 코팅 또는 도금된 유전체코팅층을 포함하여 이루어지는, 플라즈마 수처리장치.
제1항에서, 상기 처리수에 외부로부터 전원을 공급하여 처리수가 접지전극인, 플라즈마 수처리장치.