KR102112294B1 - 수중 플라즈마 방전을 이용한 수처리 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 의하면, 물이 저장되는 저장 공간 또는 물이 유동하는 유동 공간에 설치되어서 수중 플라즈마 방전을 일으키는 전극 구조물; 및 수중에서 버블이 방전기체로 상기 전극 구조물로 공급되도록 상기 저장 공간 또는 상기 유동 공간에 기체를 공급하는 기체 공급 모듈을 포함하며, 상기 전극 구조물은, 제1 전극과, 상기 제1 전극과 대향하여 배치되는 제2 전극과, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이의 공간에 배치되는 유전체 부재를 구비하며, 상기 제1 전극에는 상기 유전체 부재의 일부분이 삽입되어서 안착되는 제1 안착 구멍이 형성되며, 상기 제1 안착 구멍에는 상기 유전체 부재가 안착된 상태에서 상기 유전체 부재에 의하여 가려지지 않은 버블 유입 통로가 존재하여, 상기 버블 유입 통로를 통하여 상기 기체 공급 모듈에 의해 공급되는 버블이 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이의 공간으로 유입되어, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이의 공간에서 수중 플라즈마 방전을 일으키는 수중 플라즈마 방전을 이용한 수처리 장치가 제공된다.

Description

수중 플라즈마 방전을 이용한 수처리 장치 {APPARATUS FOR TREATING WATER USING UNDERWATER PLASMA DISCHARGE}
본 발명은 수처리 기술에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 수중 플라즈마 방전을 이용한 수처리 장치에 관한 것이다.
수중 플라즈마 방전은 수중 방전을 이용하여 플라즈마 상태를 만드는 기술로서, 이온수 생성 또는 수질 개선을 위한 수처리 등에 주로 활용되고 있다.
본 발명의 기술분야와 관련된 선행특허문헌으로서 등록특허 제10-1061227호에는 수중 플라즈마 방전을 이용한 수산기 라디칼 수와 수소산소가스 발생장치가 기재되어 있다. 상기 선행특허문헌에 기재된 장치는 제1 전극과, 제1 전극과 이격되어 위치하고 제1 전극과의 간극 내의 물 속에서 플라즈마 방전을 일으키는 제2 전극을 구비한다. 이러한 구성을 갖는 종래의 수중 플라즈마 방전용 전극 구조에서 두 전극의 사이의 간격이 클수록 처리용량이 증가하여 유리하지만, 두 전극 사이의 간격 증가에는 한계가 있다. 따라서, 요구되는 처리용량에 대하여 많은 수의 전극들과 고전압이 필요하게 되며 전력 사용 효율 향상에도 한계가 따른다.
농업분야에서는 토양의 생산력을 유지 또는 증진시키기고 작물을 잘 생장시키기 위하여 토양 또는 식물에 투입하는 영양 물질인 비료의 개발이 꾸준히 이루어지고 있다. 비료는 시비 방법에 따라 밑거름, 웃거름, 제법과 성상에 따라 입상 비료, 분상 비료, 사상 비료, 고형 비료 및 액상 비료로 분류되고, 원료에 따라 유기질 비료, 무기질 비료 및 광물질 비료로 분류되며, 또 주성분에 따라 단비, 복합 비료, BB 비료, 질소질 비료, 인산질 비료, 가리질 비료 및 미량요소 비료로 분류되고, 또한 효과에 따라 속효성 비료, 완효성 비료, 지효성 비료로 분류되며, 용도에 따라 수도용 비료, 원예용 비료 및 과수용 비료 등으로 분류된다. 이중 액비라 불리는 액체로 이루어지는 액상비료는 분말 또는 입자 모양의 비료를 희석하여 제조되고 있다. 또한, 액상 비료나 관수를 살균하여 세균에 의한 병충해를 줄이고자 하고 있다.
대한민국 등록특허공보 등록번호 제10-1061227호 (2011.08.31.)
본 발명의 목적은 플라즈마 처리용량을 향상시킨 수중 플라즈마 방전을 이용한 수처리 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 수중 플라즈마 방전을 이용하여 재배용 배양액을 생산하고 살균하는 수처리 장치를 제공하는 것이다.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 물이 저장되는 저장 공간 또는 물이 유동하는 유동 공간에 설치되어서 수중 플라즈마 방전을 일으키는 전극 구조물; 및 수중에서 버블이 방전기체로 상기 전극 구조물로 공급되도록 상기 저장 공간 또는 상기 유동 공간에 기체를 공급하는 기체 공급 모듈을 포함하며, 상기 전극 구조물은, 제1 전극과, 상기 제1 전극과 대향하여 배치되는 제2 전극과, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이의 공간에 배치되는 유전체 부재를 구비하며, 상기 제1 전극에는 상기 유전체 부재의 일부분이 삽입되어서 안착되는 제1 안착 구멍이 형성되며, 상기 제1 안착 구멍에는 상기 유전체 부재가 안착된 상태에서 상기 유전체 부재에 의하여 가려지지 않은 버블 유입 통로가 존재하여, 상기 버블 유입 통로를 통하여 상기 기체 공급 모듈에 의해 공급되는 버블이 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이의 공간으로 유입되어, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이의 공간에서 수중 플라즈마 방전을 일으키는 수중 플라즈마 방전을 이용한 수처리 장치가 제공된다.
본 발명에 의하면 앞서서 기재한 본 발명의 목적을 모두 달성할 수 있다. 구체적으로는, 하부 전극과 상부 전극 사이에 형성된 공간에 개시 방전을 일으키는 복수개의 유전체부재들이 배치되고, 복수개의 유전체 부재들이 하부 전극에 형성된 안착 구멍에 안착된 상태에서 방전기체로서 마이크로 버블이 안착 구멍을 통해 두 전극 사이의 공간으로 유입된 후 상승하여 배출되므로, 수중 플라즈마 방전 효율이 향상되어서, 살균을 포함한 수처리 성능이 증대된다.
또한, 수중 플라즈마 방전을 일으키는 전극 구조물에 공기와 같이 질소를 함유하는 방전기체가 공급하여 수중에서 질소계 비료 성분을 발생시키므로 질소비료 성분을 함유하는 배양약을 생산할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수중 플라즈마 방전을 이용한 수처리 장치의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 수중 플라즈마 방전을 이용한 수처리 장치에서 전극 구조물의 일 실시예를 도시한 사시도이다.
도 3은 도 2에 도시된 전극 구조물의 분해 사시도이다.
도 4는 도 2에 도시된 전극 구조물의 평면도이다.
도 5는 도 4에 도시된 전극 구조물의 A-A'선에 대한 측단면도이다.
도 6은 도 5에서 B 부분을 확대하여 도시한 것이다.
도 7은 도 3에 도시된 하부 전극의 평면도이다.
도 8은 도 7에 도시된 하부 안착 구멍의 다른 실시예들을 도시한 도면이다.
도 9는 도 3에 도시된 상부 전극의 다른 실시예를 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극 구조물의 평면도이다.
도 11은 도 10에 도시된 전극 구조물에 대한 분해 사시도이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예의 구성 및 작용을 상세히 설명한다.
도 1에는 본 발명의 일 실시예에 따른 수중 플라즈마 방전을 이용한 수처리 장치의 개략적인 구성이 도시되어 있다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 수중 플라즈마 방전을 이용한 수처리 장치(100)는 수중 방전에 의한 플라즈마를 이용하여 수처리하는 장치로서, 처리 대상수(W)가 담기는 수조(110)와, 수조(110)에 담긴 처리 대상수(W)에서 플라즈마 방전을 발생시키는 플라즈마 방전 모듈(120)과, 수조(110)에 담긴 처리 대상수(W)에 방전기체를 마이크로 버블(B) 형태로 공급하는 기체 공급 모듈(190)을 포함한다. 수처리 장치(100)는 수중 플라즈마 방전을 이용하여 수조(110)에 담긴 처리 대상수(W)에 포함된 오염 물질 및 유해 세균을 분해하고 제거한다.
수조(110)는 내부에 처리 대상수(W)가 담기는 저장 공간(112)을 제공한다. 저장 공간(112)에 담긴 처리 대상수(W)에 포함된 오염 물질 및 유해 세균은 수중 플라즈마 방전에 의해 분해되고 제거되어서 처리 대상수(W)가 수처리된다.
플라즈마 방전 모듈(120)은 수조(110)에 담긴 처리 대상수(W)에서 기체 공급 모듈(190)로부터 방전기체를 공급받아서 플라즈마 방전을 발생시킨다. 플라즈마 방전 모듈(120)은 수조(110)의 저장 공간(112)에 배치되는 전극 구조물(130)과, 전극 구조물(130)에 전원을 공급하는 전원 공급부(180)를 구비한다.
전극 구조물(130)은 수중 플라즈마 방전을 위해 수조(110)의 저장 공간(112)에 배치된다. 도면에서는 전극 구조물(130)이 수조(110)의 저장 공간(112)에 하나만 배치되는 것으로 도시되어 있으나, 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니며 전극 구조물(130)이 복수개 배치되어서 사용될 수 있고, 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것이다. 도 2 내지 도 6은 전극 구조물(130)의 일 실시예에 대한 도면이다. 도 2 내지 도 6을 참조하면, 전극 구조물(130)은 제1 전극인 하부 전극(140)과, 하부 전극(140)의 위에 위치하는 제2 전극인 상부 전극(150)과, 하부 전극(140)과 상부 전극(150)의 사이에 배치되는 복수개의 유전체 부재(160)들과, 하부 전극(140)과 상부 전극(150)의 사이에 배치되는 격벽 부재(170)를 구비한다. 본 실시예에서는 제1 전극(140)이 아래에 위치하고 제2 전극(150)이 위에 위치하는 것으로 설명하지만, 이와는 달리 두 전극(140, 150)은 세워진 형태 또는 경사진 형태로 대향하여 배치될 수 있으며, 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것이다. 또한, 본 발명은 격벽 부재(170)가 구비되는 것이 한정되지 않고, 격벽 부재(170)가 배치되지 않을 수도 있다.
도 2 내지 도 7을 참조하면, 하부 전극(140)은 평판 형태로서, 대체로 연직방향에 직각인 수평으로 배치된다. 하부 전극(140)에는 복수개의 유전체 부재(160)들 각각이 안착되는 제1 안착 구멍인 복수개의 하부 안착 구멍(142)들이 형성된다. 복수개의 하부 안착 구멍(142)들은 하부 전극(140)에 대체로 균일하게 분포되도록 위치한다. 하부 안착 구멍(142)은 유전체 부재(160)가 안착될 수 있는 크기와 형태를 갖는다. 하부 안착 구멍(142)에 유전체 부재(160)의 하부가 얹혀지고 하부 안착 구멍(142)을 통해 유전체 부재(160)의 하부가 아래로 돌출된다. 본 실시예에서는 도시된 바와 같이 유전체 부재(160)의 하부가 하부 안착 구멍(142)을 통해 하부 전극(140)의 아래로 돌출되는 것으로 설명하지만, 이와는 달리 하부 전극(140)의 두께 또는 하부 안착 구멍(142)의 크기에 따라 유전체 부재(160)는 하부 안착 구멍(142) 아래로 돌출되지 않을 수도 있다. 본 실시예에서는 하부 안착 구멍(142)이 도시된 바와 같이 정삼각형을 포함하는 삼각형인 것으로 설명한다. 하부 안착 구멍(142)에 유전체 부재(160)가 안착되었을 때, 하부 안착 구멍(142)의 전체 영역 중 중앙 영역(도 7에서 이점 쇄선으로 도시된 원의 내부)은 유전체 부재(160)의 하부에 의해 막히고, 나머지 주변 영역(도 7에서 이점 쇄선으로 도시된 원의 외부)은 개방된다. 하부 안착 구멍(142)에서 유전체 부재(160)에 의해 막히지 않고 개방된 주변 영역으로는 상승하는 마이크로 버블(B)이 통과한다. 도 2 내지 도 7에 도시된 실시예에서는 하부 안착 구멍(142)이 삼각형인 것으로 설명하지만, 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니며, 유전체 부재(160)와 2개 이상의 지점에서 접촉하여 유전체 부재를 지지할 수 있는 형태이면 모두 가능하고, 3개 이상의 지점에서 접촉하여 유전체 부재(160)를 안정적으로 지지할 수 있는 형태이면 바람직하다.
도 8에는 하부 안착 구멍의 가능한 다른 실시예들이 도시되어 있다. 도 8에서 이점 쇄선으로 도시된 원의 내부 영역은 하부 안착 구멍에서 유전체 부재(160)에 의해 막히는 영역을 의미하고, 이점 쇄선으로 도시된 원의 외부 영역은 개방된 영역을 의미한다. 도 8의 (a)를 참조하면, 하부 안착 구멍(242)은 정사각형을 포함하는 사각형으로서, 유전체 부재(160)와 4개의 지점에서 접촉한다. 도 8의 (b)를 참조하면, 하부 안착 구멍(342)은 십자형으로서, 안쪽 모서리 4개의 지점에서 유전체 부재(160)와 접촉한다. 도 8의 (c)를 참조하면, 하부 안착 구멍(442)은 대체로 사각형으로서, 각 변부로부터 안쪽으로 연장되는 4개의 다리부(443)들을 구비한다. 4개의 다리부(443)들 각각의 끝단이 유전체 부재(160)와 접촉한다. 도 8의 (d)를 참조하면, 하부 안착 구멍(552)은 대체로 원형으로서, 에지로부터 안쪽으로 연장되고 둘레방향을 따라서 이격되어서 차례대로 배치되는 3개의 다리부(553)들을 구비한다. 3개의 다리부(553)들 각각의 끝단이 유전체 부재(160)와 접촉한다. 도 8의 (c) 및 (d)의 다리부(443, 553)에 방전이 집중되어서 수중 플라즈마 방전 효과가 향상될 수 있다. 다리부(443, 553)은 하나, 둘 또는 다섯 개 이상일 수 있으며, 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것이다.
다시, 도 2 내지 도 6을 참조하면, 상부 전극(150)은 평판 형태로서, 대체로 연직방향에 직각인 수평으로 하부 전극(140)과 평행하게 배치되며, 하부 전극(140)의 위에 이격되어서 위치한다. 상부 전극(150)에는 제2 안착 구멍인 복수개의 상부 안착 구멍(152)들과 복수개의 버블 배출 구멍(155)들을 구비한다.
복수개의 상부 안착 구멍(152)들은 복수개의 하부 안착 구멍(142)들과 일대일로 높이방향을 따라서 대응하여 위치한다. 복수개의 상부 안착 구멍(152)들 각각에 유전체 부재(160)의 상부가 끼워져서 유전체 부재(160)를 안정적으로 지지한다. 상부 안착 구멍(152)의 위로 유전체 부재(160)의 상부가 돌출된다. 본 실시예에서는 도시된 바와 같이 유전체 부재(160)의 상부가 상부 안착 구멍(152)을 통해 상부 전극(150)의 위로 돌출되는 것으로 설명하지만, 이와는 달리 상부 전극(150)의 두께 또는 상부 안착 구멍(152)의 크기에 따라 유전체 부재(160)는 상부 안착 구멍(152) 위로로 돌출되지 않을 수도 있다. 본 실시예에서는 상부 안착 구멍(152)이 도시된 바와 같이 하부 안착 구멍(142)과 같은 정삼각형을 포함하는 삼각형인 것으로 설명하지만, 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니며, 유전체 부재(160)와 2개 이상의 지점에서 접촉하여 유전체 부재를 지지할 수 있는 형태이면 모두 가능하고, 3개 이상의 지점에서 접촉하여 유전체 부재(160)를 안정적으로 지지할 수 있는 형태이면 바람직하다. 상부 안착 구멍(152)에 유전체 부재(160)의 상부가 안착되었을 때, 상부 안착 구멍(152)의 전체 영역 중 중앙 영역(도 4에서 이점 쇄선으로 도시된 원의 내부)은 유전체 부재(160)의 상부에 의해 막히고, 나머지 주변 영역(도 4에서 이점 쇄선으로 도시된 원의 외부)은 개방된다. 상부 안착 구멍(152)에서 유전체 부재(160)에 의해 막히지 않고 개방된 주변 영역으로는 상승하는 마이크로 버블(B)이 통과하여 배출된다. 도 2 내지 도 6에 도시된 실시예에서는 상부 안착 구멍(152)이 삼각형인 것으로 설명하지만, 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니며, 도 8에 도시된 안착 구멍들과 같이 다양한 형태일 수 있으며, 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것이다.
복수개의 버블 배출 구멍(155)들은 상부 전극(150)에서 복수개의 상부 안착 구멍(152)들 사이에서 대체로 균일하게 분포되도록 위치한다. 버블 배출 구멍(155)을 통해서 상승하는 마이크로 버블(B)이 통과하여 두 전극(140, 150) 사이의 공간으로부터 배출된다.
본 발명은 하부 전극(140)과 상부 전극(150) 중 적어도 하나의 전극에 유전체층이 형성되는 경우를 더 포함하며, 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것이다. 하부 전극(140) 또는 상부 전극(150)에 형성되는 유전체층은 아노다이징(anodizing)에 의해 형성되는 산화알루미늄(Al2O3) 피막일 수 있으며, 그 외에 세라믹 또는 수지 계열의 재질이 사용될 수 있다.
상기한 실시예들에서 전극 구조물(130)이 처리 대상수(W)에 전체가 침지되는 것으로 도시되어서 설명하지만, 이와는 달리 제1 전극(140)의 적어도 일부와 제2 전극(150)의 적어도 일부가 침지되도록 설치될 수 있으며, 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것이다. 또한, 본 실시예에서는 전극 구조물(130)이 수조(110)에 유동하지 않고 저장된 처리 대상수(W)에 침지된 상태로 설치되는 것으로 설명하지만, 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니며, 전극 구조물(130)은 흐르는 처리 대상수에 전체 또는 일부가 침지되도록 설치될 수 있고, 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것이다.
복수개의 유전체 부재(160)들은 하부 전극(140)과 상부 전극(150)의 사이에 대체로 균일하게 분포되도록 서로 이격되어서 배치된다. 본 실시예에서는 도시된 바와 같이 유전체 부재(160)가 볼(ball) 형상인 것으로 설명하는데, 이와는 달리 기둥 형상 등 다양한 다른 형상일 수 있으며, 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것이다. 유전체 부재(160)는 하부 전극(140)에 형성된 하부 안착 구멍(142) 및 상부 전극(140)에 형성된 상부 안착 구멍(152)에 안착될 수 있는 형태이면 모두 가능하다. 하부 전극(140)과 상부 전극(150)의 사이에 전계가 형성된 상태에서 복수개의 유전체 부재(160)들 사이에는 플라즈마 형성을 위한 개시 방전이 일어나며, 유전체 부재(160)의 표면에 버블(B)이 부착되어서 버블(B)의 방전 공간 내 체류 시간이 증가되고, 유전체 부재(160) 주변 버블(B) 내 전기장 세기가 커진다. 그에 따라 두 전극(140, 150) 사이에 인가되는 동일한 전원에 대해 증가된 두 전극(140, 150) 사이의 간격을 얻을 수 있게 되어서 대량의 방전 기체 버블이 넓은 면적을 통과하게 되고, 이는 플라즈마 처리 용량의 증가를 의미하게 된다. 또한, 두 전극(140, 150) 사이의 동일한 간격에 대해 복수개의 유전체 부재(160)들에 의해 두 전극(140, 150)에 인가되는 전원의 전압을 낮출 수 있게 되므로 전력 소비 측면에서 유리하게 된다. 이를 위하여 유전체 부재(160)는 기체 공급 모듈(190)에 의해 공급되는 방전기체(예를 들어, 공기)의 유전율보다 높은 유전율을 갖는 부도체가 사용된다. 이는 전도성의 물이 방전을 방해하지만, 분극(polarization) 특성을 갖는 유전체가 교류 시 공기 및 물의 방전을 도와주는 효과를 이용하는 것이다. 본 실시예에서는 유전체 부재(160)로서 세라믹 소재가 사용되는 것으로 설명하며, 알루미나(Al2O3) 또는 이산화티타늄(TiO2)이 사용될 수 있다. 이산화티타늄(TiO2)의 경우 플라즈마에 의해 발생한 자외선에 의해 광촉매로서 기능을 하게 된다. 또한, 유전체 부재(160)로서 테프론과 같은 고강도 수지계열 유전체가 사용될 수도 있으며, 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것이다. 유전체 부재(160)는 마이크로 버블(B)을 잡아두는 역할도 하게 된다.
격벽 부재(170)는 하부 전극 부재(140)와 상부 전극 부재(150)의 사이에 위치한다. 격벽 부재(170)는 유전체 재질로 이루어지며, 하부 전극 부재(140)와 상부 전극 부재(150) 중 하나에 고정되거나 두 전극 부재(140, 150) 모두에 고정된다. 격벽 부재(170)는 복수개의 단위 격벽부(171)들을 구비한다. 복수개의 단위 격벽부(171)들 각각은 유전체 부재(160) 하나가 수용될 수 있는 크기의 내부 공간을 제공한다. 단위 격벽부(171)는 두 전극 부재(140, 150)의 사이에 위치한 상태에서, 수용되는 유전체 부재(160)의 측면을 둘러싼다. 단위 격벽부(171)에서 하부 전극 부재(140)와 대향하는 하부와 상부 전극 부재(150)와 대향하는 상부는 각각 개방되어서 단위 격벽부(171)의 내부 공간은 하부 안착 구멍(142) 및 상부 안착 구멍(152)과 각각 통하게 된다. 본 실시예에서는 복수개의 단위 격벽부(171)들 각각이 하부 전극 부재(140) 및 상부 전극 부재(150) 모두와 접하는 것으로 설명하지만 이와는 달리 단위 벽벽부(171)의 높이에 따라서 어느 하나의 전극 부재와는 접하지 않을 수도 있으며, 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것이다. 복수개의 단위 격벽부(171)들 각각에 의해 수중 플라즈마 방전이 하부 안착 구멍(142) 및 상부 안착 구멍(152)에 집중될 수 있다. 또한, 단위 격벽부(171)는 수용되는 유전체 부재(160)의 위치를 안정적으로 유지시키는 역할도 하게 된다. 격벽 부재(170)가 사용되는 경우에는 하부 안착 구멍(142) 및 상부 안착 구멍(152)이 유전체 부재(160)와 2개의 지점에서 접촉하더라도 유전체 부재(160)는 격벽 부재(170)에 의해 대응하는 하부 안착 구멍(142) 및 상부 안착 구멍(152)의 영역 내에 안정적으로 위치할 수 있다.
다시, 도 1을 참조하면, 전원 공급부(180)는 전극 구조물(130)에 전원을 공급한다. 전원 공급부(180)에 의해 전극 구조물(130)에 전원이 공급되어서 하부 전극(140)과 상부 전극(150) 사이에 전계가 형성되고, 그에 따라 두 전극(140, 150) 사이에서 플라즈마 형성을 위한 방전이 일어난다. 본 실시예에서는 전원 공급부(180)가 하부 전극(140)과 상부 전극(150)에 교류전압을 인가하는 것으로 설명하는데, 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어서, 하부 전극(140)과 상부 전극(150) 중 하나의 전극은 접지 전극으로 기능하고 다른 하나의 전극은 전원 공급부(180)와 연결되어서 구동 전극으로 기능하며 전원 공급부(180)는 두 전극(140, 150) 중 구동 전극으로 기능하는 전극에 교류 전압이나 펄스 전압을 인가할 수 있다. 하부 전극(140)과 상부 전극(150)의 사이에는 전원 공급부(180)에 의해 전계가 형성되며, 그에 따라 하부 전극(140)과 상부 전극부(150)의 사이에서 플라즈마 형성을 위한 방전이 일어나며, 특히 안착 구멍(142, 152)의 에지(edge)에서 발생하는 강한 전기장을 이용하여 마이크로 버블(B)에서 방전이 쉽게 일어날 수 있다.
기체 공급 모듈(190)은 수조(110)에 담긴 처리 대상수(W)에서 전극 구조물(130)에 방전기체를 버블 형태로 공급하는데, 바람직하기로는 1 내지 2mm 크기의 버블 형태로 공급하며, 가장 바람직하게는 수십㎛ ~ 수백㎛의 크기를 갖는 마이크로 버블 형태로 공급한다. 기체 공급부(190)는 전극 구조물(130)의 아래에 배치되어서 전극 구조물(130)에 마이크로 버블(B)을 방전기체로서 공급하는 노즐부(191)들과, 노즐부(191)로 공기와 같은 기체를 공급하는 기체 공급 펌프(192)를 구비한다. 도시되지는 않았으나, 노즐부(191)는 복수개의 버블 주입구들을 구비하며, 복수개의 버블 주입구들 각각은 복수개의 하부 안착 구멍(142)들 각각에 일대일로 대응하여 위치하도록 정렬되는 것이 바람직하다. 노즐부(191)는 전극 구조물(130)의 하부 전극(140)에 형성된 복수개의 하부 안착 구멍(142)들 각각에 대응하여 마이크로 버블(B)을 공급하는 것이 바람직하다. 노즐부(191)로부터 배출되는 마이크로 버블(B)은 상승하여 하부 안착 구멍(142)에서 유전체 부재(160)에 막히지 않은 개방된 영역을 통해 하부 전극(140)과 상부 전극(150)의 사이에 형성된 공간으로 유입되고 수중 플라즈마 방전에 의해 생성된 OH라디칼 및 오존 등의 살균 성분을 포함하게 된다.
하부 전극(140)과 상부 전극(150)의 사이의 마이크로 버블은 상승하여 상부 전극(150)에 형성된 상부 안착 구멍(152)과 버블 배출 구멍(155)을 통해 배출되고, 수조(110) 내 처리 대상수(W)의 살균 등 수처리에 이용된다.
다만, 본 발명의 수중 플라즈마 방전을 이용한 수처리 장치는 살균 기능 이외에도 다양한 기능을 수행할 수 있다. 즉, 상기 수처리 장치는, 수중 플라즈마 방전을 이용하여 재배용 배양액을 생산할 수 있다. 이를 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다. 기체 공급 모듈(190)을 통해 질소(N2)를 포함하는 공기와 같은 기체가 공급되는 경우에, 질소를 포함하는 기체 버블(B)은 플라즈마 방전에 의해 물과 함께 플라즈마 처리되어서 질산 이온(NO3 -) 및 암모늄 이온(NH4 +)과 같은 질소계 비료 성분을 생성하고 물에 녹아서 잔존하게 됨으로써, 비료성분을 함유하는 물인 배양액이 생산된다. 비료 성분을 생산하는 수중 플라즈마 방전 중에는 살균력이 있는 OH- 등이 부가적으로 생성되어 살균 기능도 포함하게 된다.
도 9에는 본 발명의 다른 실시예에 따른 상부 전극이 평면도로서 도시되어 있다. 도 9를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 상부 전극(750)은, 두 지지대(751, 752)들과, 두 지지대(751, 752)들 사이에 연결되는 복수개의 연결부(753)들을 구비한다.
두 지지대(751, 752)들 각각은 직선으로 연장되는 막대형상으로서, 나란하게 이격되어서 배치된다. 두 지지대(751, 752)의 사이에 복수개의 연결부(753)들이 위치한다.
복수개의 연결부(753)들 각각은 두 지지대(751, 752)들 사이에 위치하며 두 지지대(751, 752)에 연결되어서 일체로 결합된다.
연결부(753)는 복수개의 덮개판부(754)들과, 복수개의 연장부(756)들을 구비한다. 복수개의 덮개판부(754)들은 서로 이격되어서 배치되며 복수개의 덮개판부(754)들 각각에는 상부 안착 구멍(755)이 형성된다. 본 실시예에서는 상부 안착 구멍(755)가 삼각형 형상인 것으로 설명하지만, 이와는 달리 도 8에 도시된 바와 같은 다른 다양한 형태의 것이 사용될 수 있으며, 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것이다. 복수개의 연장부(756)는 인접한 두 덮개판부(754)들을 연결하거나 덮개판부(754)를 지지대(751, 752)와 연결시킨다.
도 10 및 도 11에는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극 구조물이 도시되어 있다. 도 10 및 도 11을 참조하면, 전극 구조물(650)은 제1 전극인 하부 전극(640)과, 하부 전극(640)의 위에 위치하는 제2 전극인 상부 전극(650)과, 하부 전극(640)과 상부 전극(650)의 사이에 배치되는 복수개의 유전체 부재(160)들을 구비한다. 본 실시예에서는 제1 전극(640)이 아래에 위치하고 제2 전극(650)이 위에 위치하는 것으로 설명하지만, 이와는 달리 두 전극(640, 650)은 세워진 형태 또는 경사진 형태로 대향하여 배치될 수 있으며, 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것이다. 도시되지는 않았으나, 전극 구조물(650)은 도 3에 도시된 바와 같은 격벽 부재(170)를 더 포함할 수 있으며, 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것이다.
하부 전극(640)은 평판 형태로서, 하부 전극(640)에는 나란하게 배치되는 복수개의 주 하부 슬릿(641)들과, 복수개의 주 하부 슬릿(641)들 각각에 길이방향을 따라서 위치하는 복수개의 보조 하부 슬릿(642)들이 형성된다.
복수개의 주 하부 슬릿(641)들은 하부 전극(640)에 나란하게 배치된다. 본 실시예에서는 주 하부 슬릿(641)이 3개인 것으로 설명하지만, 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니며, 둘 이하 또는 넷 이상일 수 있고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것이다. 주 하부 슬릿(641)의 길이방향 복수의 위치에 보조 하부 슬릿(642)이 형성된다. 복수개의 보조 하부 슬릿(642)들 각각은 주 하부 슬릿(641)과 교차하도록 연장된다. 본 실시예에서는 보조 하부 슬릿(642)이 하나의 주 하부 슬릿(641) 마다 2개씩 형성되는 것으로 설명하지만, 이와는 달리 하나 또는 셋 이상일 수 있고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것이다.
주 하부 슬릿(641)과 보조 하부 슬릿(642)이 교차하여 형성되는 '+' 형태의 구멍이 유전체 부재(160)가 안착되는 하부 안착 구멍을 형성하게 된다.
상부 전극(650)은 평판 형태로서, 상부 전극(650)에는 나란하게 배치되는 복수개의 주 상부 슬릿(651)들과, 복수개의 주 주 상부 슬릿(651)들 각각에 길이방향을 따라서 위치하는 복수개의 보조 상부 슬릿(652)들이 형성된다.
복수개의 주 상부 슬릿(651)들은 상부 전극(650)에 나란하게 배치되며, 하부 전극(640)에 형성된 복수개의 주 하부 슬릿(641)들과 교차하는 방향으로 연장되어서 형성된다. 본 실시예에서는 주 상부 슬릿(651)은 주 하부 슬릿(641)과 직각을 이루도록 배치되는 것으로 설명한다. 본 실시예에서는 주 상부 슬릿(651)이 하나의 주 하부 슬릿(641)에 형성된 2개의 보조 하부 슬릿(642)에 대응하여 2개인 것으로 설명하는데, 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니다. 주 상부 슬릿(651)의 길이방향 복수의 위치에 보조 상부 슬릿(652)이 형성된다. 복수개의 보조 하부 슬릿(652)들 각각은 주 상부 슬릿(651)과 교차하도록 연장된다. 본 실시예에서는 보조 상부 슬릿(652)이 하나의 주 상부 슬릿(651) 마다 주 하부 슬릿(641)에 대응하여 2개씩 형성되는 것으로 설명하지만, 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니다.
주 상부 슬릿(651)과 보조 상부 슬릿(652)이 교차하여 형성되는 '+' 형태의 구멍이 유전체 부재(160)가 안착되는 상부 안착 구멍을 형성하게 된다.
이상 실시예를 통해 본 발명을 설명하였으나, 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 실시예는 본 발명의 취지 및 범위를 벗어나지 않고 수정되거나 변경될 수 있으며, 본 기술분야의 통상의 기술자는 이러한 수정과 변경도 본 발명에 속하는 것임을 알 수 있을 것이다.
100 : 수처리 장치 110 : 수조
120 : 플라즈마 방전 모듈 130 : 전극 구조물
140 : 하부 전극 142 : 하부 안착 구멍
150 : 상부 전극 152 : 상부 안착 구멍
155 : 버블 배출 구멍 160 : 유전체 부재
170 : 격벽 부재 180 : 전원 공급부
190 : 기체 공급 모듈 191 : 노즐부
192 : 기체 공급 펌프

Claims (20)

  1. 물이 저장되는 저장 공간 또는 물이 유동하는 유동 공간에 설치되어서 수중 플라즈마 방전을 일으키는 전극 구조물; 및
    수중에서 버블이 방전기체로 상기 전극 구조물로 공급되도록 상기 저장 공간 또는 상기 유동 공간에 기체를 공급하는 기체 공급 모듈을 포함하며,
    상기 전극 구조물은, 판상의 제1 전극과, 상기 제1 전극과 대향하여 배치되는 판상의 제2 전극과, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이의 공간에 분포되어서 배치되는 복수개의 유전체 부재들과, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이의 공간에 위치하고 상기 복수개의 유전체 부재들을 수용하는 격벽 부재를 구비하며,
    상기 제1 전극에는 상기 복수개의 유전체 부재들 각각의 일부분이 삽입되어서 안착되는 복수개의 제1 안착 구멍들이 형성되며,
    상기 제2 전극에는 상기 복수개의 유전체 부재들 각각의 일부분이 삽입되어서 안착되는 복수개의 제2 안착 구멍들이 형성되며,
    상기 복수개의 제1 안착 구멍들 각각에는 상기 유전체 부재가 안착된 상태에서 상기 유전체 부재에 의하여 가려지지 않은 버블 유입 통로가 존재하고, 상기 복수개의 제2 안착 구멍들 각각에는 상기 유전체 부재가 안착된 상태에서 상기 유전체 부재에 의하여 가려지지 않은 버블 배출 통로가 존재하여, 상기 버블 유입 통로를 통하여 상기 기체 공급 모듈에 의해 공급되는 버블이 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이의 공간으로 유입된 후 상기 버블 배출 통로를 통하여 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이의 공간으로부터 배출되어, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이의 공간에서 수중 플라즈마 방전을 일으키며,
    상기 격벽 부재는 상기 복수개의 유전체 부재들 각각의 측면을 둘러싸는 복수개의 단위 격벽부들을 구비하며,
    상기 복수개의 단위 격벽부들 각각은 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극과 접하는,
    수중 플라즈마 방전을 이용한 수처리 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 전극은 상기 제1 전극보다 위에 위치하는,
    수중 플라즈마 방전을 이용한 수처리 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 기체 공급 모듈은 상기 버블을 상기 제1 전극의 아래에서 공급하는,
    수중 플라즈마 방전을 이용한 수처리 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 버블은 상기 복수개의 제1 안착 구멍들 각각의 위치에 대응하여 공급되는,
    수중 플라즈마 방전을 이용한 수처리 장치.
  5. 삭제
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 전극에는 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이의 공간으로부터 버블이 배출되는 버블 배출 구멍이 더 형성되는,
    수중 플라즈마 방전을 이용한 수처리 장치.
  7. 삭제
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 안착 구멍 또는 상기 제2 안착 구멍은 삼각형, 사각형 또는 십자형인,
    수중 플라즈마를 이용한 수처리 장치.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 안착 구멍 또는 상기 제2 안착 구멍에는 에지로부터 안쪽으로 연장되어서 상기 유전체 부재와 접촉하는 적어도 하나의 다리부가 형성되는,
    수중 플라즈마를 이용한 수처리 장치.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 안착 구멍은 상기 제1 전극에 형성된 제1 주 슬릿의 일 부분이며,
    상기 제2 안착 구멍은 상기 제2 전극에 형성된 제2 주 슬릿의 일 부분이며,
    상기 제1 주 슬릿과 상기 제2 주 슬릿 중 적어도 하나는 복수개이며,
    상기 복수개의 유전체 부재들 각각은 상기 제1 주 슬릿과 상기 제2 주 슬릿의 교차 지점에 위치하는,
    수중 플라즈마를 이용한 수처리 장치.
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 청구항 1에 있어서,
    상기 버블은 마이크로 버블인,
    수중 플라즈마 방전을 이용한 수처리 장치.
  15. 청구항 1에 있어서,
    상기 유전체 부재는 볼 형상인,
    수중 플라즈마 방전을 이용한 수처리 장치.
  16. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극 중 적어도 하나의 전극에는 유전체층이 형성되는,
    수중 플라즈마 방전을 이용한 수처리 장치.
  17. 청구항 1에 있어서,
    상기 기체 공급 모듈은 상기 저장 공간 또는 상기 유동 공간에서 상기 버블을 배출하는 복수개의 버블 주입구들을 구비하며,
    상기 복수개의 버블 주입구들 각각은 상기 복수개의 제1 안착 구멍들 각각에 대응하여 위치하도록 정렬되는,
    수중 플라즈마 방전을 이용한 수처리 장치.
  18. 삭제
  19. 삭제
  20. 삭제
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