KR102082693B1 - 미세흡착제 유실방지 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 미세흡착제가 유동되는 반응조에 초음파를 조사하여 초음파의 음향방사력(acoustic radiation force) 및 캐비테이션 현상(cavitation)을 통해 미세흡착제가 반응조의 상부로 이동되는 것을 억제시킴으로써 반응조의 처리수 배출시 미세흡착제가 처리수에 포함되어 유실되는 것을 방지할 수 있는 미세흡착제 유실방지 장치에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 미세흡착제 유실방지 장치는 원수와, 원수 내에서 유동되는 미세흡착제를 구비하는 수처리 반응조; 및 상기 수처리 반응조의 상단부에 구비되어 원수에 초음파를 조사하는 초음파 조사장치;를 포함하여 이루어지며, 초음파 조사에 의해 원수 내에서 초음파의 음향방사력이 발생됨과 함께 초음파에 의해 유도되는 캐비테이션 현상이 발생되며, 초음파의 음향방사력 및 캐비테이션 현상을 통해 미세흡착제가 상부로 유동되는 것을 억제시킬 수 있는 것을 특징으로 한다.

Description

미세흡착제 유실방지 장치{Apparatus for preventing loss of micro-adsorbents}
본 발명은 미세흡착제 유실방지 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 미세흡착제가 유동되는 반응조에 초음파를 조사하여 초음파의 음향방사력(acoustic radiation force) 및 캐비테이션 현상(cavitation)을 통해 미세흡착제가 반응조의 상부로 이동되는 것을 억제시킴으로써 반응조의 처리수 배출시 미세흡착제가 처리수에 포함되어 유실되는 것을 방지할 수 있는 미세흡착제 유실방지 장치에 관한 것이다.
산업사회의 발전으로 하천수, 호소수 및 지하수 중에 중금속, 각종 유기오염물 및 무기오염물이 증가하고 있다. 이로 인해, 양질의 먹는 물 생산이 더욱 어려워졌고, 이용 가능한 수자원이 감소하여 하수처리수 등의 재이용 필요성이 크게 증가하였다.
특히, 하천수, 호소수, 지하수 및 하수처리 유출수에 미량독성물질이 증가하여 양질의 먹는 물 생산과 물 재이용에 큰 위협이 되고 있다. 미량독성물질은 낮은 농도에서도 독성이 높으므로, 정수공정 및 물 재이용 공정에서 반드시 제거되어야 한다.
최근에는 미량독성물질 제거를 위해 금속산화물 나노입자 등의 흡착제가 주목을 받고 있다. 미세크기를 갖는 흡착제는 유기오염물 산화/환원을 위한 불균일 촉매 또는 중금속 흡착제로 이용되고 있다.
나노입자 등의 미세크기를 갖는 흡착제는 비표면적이 크고, 표면에 반응활성점(reactive site)과 흡착점(adsorption site)이 풍부하여, 유기물 산화제거 성능과 중금속 흡착제거 성능이 매우 높다. 비표면적이 커서 오염물 제거효율이 높으므로 동일한 양의 오염물을 제거할 때, 크기가 큰 입자에 비해 주입량이 감소하여 경제적으로 적용할 수 있다.
그러나, 미세크기를 갖는 흡착제는 그 크기가 100 nm 이하로 작아 침전, 여과 등에 의해 잘 분리되지 않는다. 즉, 물 처리를 위한 반응기에 미세 흡착제를 주입하면, 오염물 처리 후에 처리된 물과 함께 수계로 유출되어 하천, 호소 및 지하수에 오염을 유발할 수 있는 문제점이 있다.
(특허문헌 1) 한국등록특허 제1386599호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 미세흡착제가 유동되는 반응조에 초음파를 조사하여 초음파의 음향방사력(acoustic radiation force) 및 캐비테이션 현상(cavitation)을 통해 미세흡착제가 반응조의 상부로 이동되는 것을 억제시킴으로써 반응조의 처리수 배출시 미세흡착제가 처리수에 포함되어 유실되는 것을 방지할 수 있는 미세흡착제 유실방지 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 미세흡착제 유실방지 장치는 원수와, 원수 내에서 유동되는 미세흡착제를 구비하는 수처리 반응조; 및 상기 수처리 반응조의 상단부에 구비되어 원수에 초음파를 조사하는 초음파 조사장치;를 포함하여 이루어지며, 초음파 조사에 의해 원수 내에서 초음파의 음향방사력이 발생됨과 함께 초음파에 의해 유도되는 캐비테이션 현상이 발생되며, 초음파의 음향방사력 및 캐비테이션 현상을 통해 미세흡착제가 상부로 유동되는 것을 억제시킬 수 있는 것을 특징으로 한다.
상기 수처리 반응조의 상단 일측에 초음파 조사장치와 초음파 조사장치 사이에 미세흡착제 대류유도판이 구비되며, 상기 미세흡착제 대류유도판은 수처리 반응조 상부로 부상된 미세흡착제를 초음파 세기가 상대적으로 큰 영역으로의 이동을 유도한다.
상기 수처리 반응조의 상단부에 복수개의 초음파 조사장치가 이격되어 구비되며, 초음파 조사장치와 초음파 조사장치 사이의 수처리 반응조 내벽 영역은 수처리 반응조의 중앙부에 비해 상대적으로 초음파 세기가 작으며, 수처리 반응조 상부로 부상된 미세흡착제는 미세흡착제 대류유도판과 부딪혀 초음파 세기가 상대적으로 큰 영역으로 이동되어 수처리 반응조의 하부로 침강될 수 있다.
상기 수처리 반응조의 일측에 원수의 온도를 30℃ 이하로 조절하는 온도조절장치가 더 구비될 수 있다.
캐비테이션의 강도가 클수록 미세흡착제에 인가되는 물리적 힘이 커지며, 캐비테이션 강도의 조절을 통해 미세흡착제의 수직 위치를 조절할 수 있으며, 캐비테이션의 강도는 초음파 주파수 및 원수에 용존되어 있는 기포에 반비례하고, 원수의 표면장력에 비례한다.
상기 초음파 조사장치를 통해 원수에 조사되는 초음파는 20∼40kHz의 주파수를 갖거나 100∼130kHz의 주파수를 가질 수 있다.
본 발명에 따른 미세흡착제 유실방지 장치는 다음과 같은 효과가 있다.
초음파의 음향방사력 및 캐비테이션 현상을 통해 처리수의 배출시 미세흡착제가 수처리 반응조의 상부로 이동되는 것을 억제시킬 수 있어, 미세흡착제가 처리수에 포함되어 유실되는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 미세흡착제 유실방지 장치의 구성도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세흡착제 유실방지 장치의 평면도.
본 발명은 미세흡착제를 이용하는 수처리 반응조에 있어서, 반응조의 처리수 배출시 반응조 내부의 미세흡착제가 처리수에 포함되어 유출되는 것을 방지할 수 있는 기술을 제시한다.
이를 위해, 초음파 자체의 음향방사력(acoustic radiation force) 및 초음파 조사에 의해 유도되는 캐비테이션 현상(cavitation)을 이용하며, 초음파의 음향방사력 및 캐비테이션 현상을 통해 미세흡착제가 반응조 상부로 이동되는 것을 억제시킬 수 있어, 처리수 배출시 미세흡착제 유출을 방지할 수 있다.
초음파 자체의 음향방사력(acoustic radiation force)이라 함은 매질에 인가되는 초음파의 물리적 힘을 의미한다. 초음파 조사에 의해 유도되는 캐비테이션 현상(cavitation)은 초음파 조사에 의해 형성된 공동(cavity)이 붕괴될 때 발생되는 충격파 현상을 일컫는다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 미세흡착제 유실방지 장치를 상세히 설명하기로 한다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 미세흡착제 유실방지 장치는 수처리 반응조(110)를 구비한다. 상기 수처리 반응조(110) 내에는 원수에 포함되어 있는 오염물질을 흡착하는 미세흡착제(10)가 구비된다. 상기 미세흡착제(10)는 크기에 제한되지 않으나 100nm 이하의 크기를 가질 수 있다. 상기 미세흡착제(10)는 수처리 반응조(110) 내에서 유동되면서 원수에 포함되어 있는 오염물질을 흡착하는 역할을 한다. 상기 수처리 반응조(110)는 원통, 직육면체 형상으로 이루어질 수 있다.
상기 수처리 반응조(110)의 상단부에는 수처리 반응조(110)의 내부 공간에 초음파를 조사하는 초음파 조사장치(120)가 구비된다. 수처리 반응조(110) 내에 원수 및 미세흡착제(10)가 구비된 상태에서, 초음파 조사장치(120)를 통해 원수에 초음파를 조사하면 초음파 자체의 음향방사력(acoustic radiation force) 및 초음파 조사에 의해 유도되는 캐비테이션 현상(cavitation)에 의해 미세흡착제(10)가 수처리 반응조(110) 상부로 유동되는 것을 억제시킬 수 있다. 즉, 초음파에 의해 유도되는 두 가지 물리력인 음향방사력 및 캐비테이션 현상을 통해 미세흡착제(10)가 수처리 반응조(110)의 상부로 이동되는 억제시킬 수 있다.
초음파에 의해 유도되는 음향방사력 및 캐비테이션 현상에 의해 미세흡착제(10)가 수처리 반응조(110)의 상부로 이동되는 것이 억제되면, 수처리 반응조(110)의 상부를 통해 처리수를 배출할 때 미세흡착제(10)가 처리수에 포함되어 유실되는 것을 방지할 수 있게 된다.
초음파의 음향방사력 및 캐비테이션 현상에 의해 미세흡착제(10)의 유동을 제어하는 원리에 대해 설명하면 다음과 같다.
미세흡착제(10)의 유동은 초음파의 음향방사력과 캐비테이션 현상에 의해 발생되는 물리적 힘에 의해 제어된다. 음향방사력은 초음파 조사에 따른 초음파 자체의 물리적 힘이다. 캐비테이션 현상은 공동(cavity)이 붕괴될 때 발생되는 충격파이며, 충격파에 의해 유도되는 물리적 힘을 미세흡착제(10)의 유동 제어에 이용한다.
구체적으로, 수중에 초음파를 조사하면 음압(negative pressure)에 의해 공동(cavity)이 생성된다. 공동(cavity)은 일정 크기로 팽창하다가 양압(positive pressure)에 의해 축소되어 최종적으로는 붕괴된다. 공동(cavity)의 붕괴시 수백 기압의 충격파가 발생되는데, 공동(cavity)의 붕괴시 발생되는 충격파 형상을 캐비테이션 현상이라 하며, 공동(cavity)의 붕괴시 발생되는 수백 기압의 충격파를 미세흡착제(10)의 유동 제어에 이용한다.
캐비테이션의 강도 즉, 캐비테이션에 의해 발생되는 물리적 힘이 클수록 미세흡착제(10)에 인가되는 물리적 힘이 커진다. 따라서, 캐비테이션 강도의 조절을 통해 미세흡착제(10)에 인가되는 물리적 힘을 제어할 수 있으며, 이를 통해 수처리 반응조(110) 내에서의 미세흡착제(10)의 수직 위치 즉, 침강 위치를 조절할 수 있다.
캐비테이션의 강도는 초음파 주파수 및 원수에 용존되어 있는 기포에 반비례하고, 원수의 표면장력에 비례하는 특성을 갖는다.
초음파는 15kHz 이상의 음파인데, 20∼40kHz의 상대적으로 낮은 주파수의 초음파를 조사하는 경우, 캐비테이션 강도가 증가하여 미세흡착제(10)에 강한 압력을 전달할 수 있으며, 100∼130kHz의 상대적으로 높은 주파수의 초음파를 조사하는 경우, 나노크기 등의 극미세흡착제(10)에 대한 유동 제어가 용이하다.
수처리 반응조(110)의 상단부에 구비되는 초음파 조사장치(120)는 하나 또는 복수개 구비될 수 있으며, 바람직하게는 2개 이상의 초음파 조사장치(120)가 구비되는 것이 바람직하다. 2개 이상의 초음파 조사장치(120)가 구비되는 경우, 초음파의 음향방사력이 배가됨과 함께 수처리 반응조(110)에 균일하게 초음파를 조사할 수 있다. 복수개의 초음파 조사장치(120)가 구비되는 경우, 일정 간격을 두고 초음파 조사장치(120)를 배치하는 것이 바람직하다.
한편, 복수개의 초음파 조사장치(120)를 배치함으로써 수처리 반응조(110)에 균일하게 초음파를 조사할 수 있으나, 초음파가 조사되지 않는 영역이 존재할 수 밖에 없다. 예를 들어, 초음파 조사장치(120)와 초음파 조사장치(120) 사이의 수처리 반응조(110) 내벽 영역에는 상대적으로 초음파가 균일하게 조사되지 않는다. 이와 같이, 수처리 반응조(110)에 초음파가 조사되지 않는 영역 또는 상대적으로 초음파의 세기가 작은 영역에서는 미세흡착제(10)가 상부로 부상될 수 있다. 이러한 초음파의 세기가 작은 영역에서의 미세흡착제(10) 부상을 방지하기 위해 수처리 반응조(110)의 상단 일측에 미세흡착제 대류유도판(130)을 구비시킬 수 있다. 보다 구체적으로, 초음파 조사장치(120)와 초음파 조사장치(120) 사이에 미세흡착제 대류유도판(130)이 구비될 수 있다. 미세흡착제 대류유도판(130)이 구비됨에 따라, 미세흡착제(10)가 상부로 부상되더라도 미세흡착제 대류유도판(130)과 부딪혀 초음파 세기가 큰 영역으로 이동되어 수처리 반응조(110)의 하부로 침강될 수 있다.
앞서, 캐비테이션의 강도는 초음파 주파수 및 원수에 용존되어 있는 기포에 반비례하고, 원수의 표면장력에 비례하는 특성을 언급하였는데, 캐비테이션의 강도는 원수의 온도와도 연동된다. 원수의 온도가 상승하면 캐비테이션의 강도는 약해지는 특성이 있어, 수처리 반응조(110) 내의 원수는 30℃ 이하로 조절되는 것이 바람직하며, 이를 위해 수처리 반응조(110)의 일측에 온도조절장치(140)가 더 구비될 수 있다.
10 : 미세흡착제
110 : 수처리 반응조 120 : 초음파 조사장치
130 : 미세흡착제 대류유도판 140 : 온도조절장치

Claims (7)

  1. 원수와, 원수 내에서 유동되는 미세흡착제를 구비하는 수처리 반응조; 및
    상기 수처리 반응조의 상단부에 구비되어 원수에 초음파를 조사하는 초음파 조사장치;를 포함하여 이루어지며,
    초음파 조사에 의해 원수 내에서 초음파의 음향방사력이 발생됨과 함께 초음파에 의해 유도되는 캐비테이션 현상이 발생되며, 초음파의 음향방사력 및 캐비테이션 현상을 통해 미세흡착제가 상부로 유동되는 것을 억제시킬 수 있으며,
    캐비테이션의 강도가 클수록 미세흡착제에 인가되는 물리적 힘이 커지며, 캐비테이션 강도의 조절을 통해 미세흡착제의 수직 위치를 조절할 수 있으며,
    캐비테이션의 강도는 초음파 주파수 및 원수에 용존되어 있는 기포에 반비례하고, 원수의 표면장력에 비례하는 것을 특징으로 하는 미세흡착제 유실방지 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 수처리 반응조의 상단 일측에 초음파 조사장치와 초음파 조사장치 사이에 미세흡착제 대류유도판이 구비되며,
    상기 미세흡착제 대류유도판은 수처리 반응조 상부로 부상된 미세흡착제를 초음파 세기가 상대적으로 큰 영역으로의 이동을 유도하는 것을 특징으로 하는 미세흡착제 유실방지 장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 수처리 반응조의 상단부에 복수개의 초음파 조사장치가 이격되어 구비되며,
    초음파 조사장치와 초음파 조사장치 사이의 수처리 반응조 내벽 영역은 수처리 반응조의 중앙부에 비해 상대적으로 초음파 세기가 작으며,
    수처리 반응조 상부로 부상된 미세흡착제는 미세흡착제 대류유도판과 부딪혀 초음파 세기가 상대적으로 큰 영역으로 이동되어 수처리 반응조의 하부로 침강될 수 있는 것을 특징으로 하는 미세흡착제 유실방지 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 수처리 반응조의 일측에 원수의 온도를 30℃ 이하로 조절하는 온도조절장치가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 미세흡착제 유실방지 장치.
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 초음파 조사장치를 통해 원수에 조사되는 초음파는 20∼40kHz의 주파수를 갖는 것을 특징으로 하는 미세흡착제 유실방지 장치.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 초음파 조사장치를 통해 원수에 조사되는 초음파는 100∼130kHz의 주파수를 갖는 것을 특징으로 하는 미세흡착제 유실방지 장치.
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