KR102143003B1 - 플라즈마 수중방전을 활용한 모바일 선박 평형수 처리 장치 및 이를 포함하는 수처리 시스템 - Google Patents

플라즈마 수중방전을 활용한 모바일 선박 평형수 처리 장치 및 이를 포함하는 수처리 시스템 Download PDF

Info

Publication number
KR102143003B1
KR102143003B1 KR1020190049187A KR20190049187A KR102143003B1 KR 102143003 B1 KR102143003 B1 KR 102143003B1 KR 1020190049187 A KR1020190049187 A KR 1020190049187A KR 20190049187 A KR20190049187 A KR 20190049187A KR 102143003 B1 KR102143003 B1 KR 102143003B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
water
module
plasma
separator
fuel cell
Prior art date
Application number
KR1020190049187A
Other languages
English (en)
Inventor
강위관
이건명
박용해
Original Assignee
두산중공업 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 두산중공업 주식회사 filed Critical 두산중공업 주식회사
Priority to KR1020190049187A priority Critical patent/KR102143003B1/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102143003B1 publication Critical patent/KR102143003B1/ko

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63J—AUXILIARIES ON VESSELS
    • B63J4/00—Arrangements of installations for treating ballast water, waste water, sewage, sludge, or refuse, or for preventing environmental pollution not otherwise provided for
    • B63J4/002—Arrangements of installations for treating ballast water, waste water, sewage, sludge, or refuse, or for preventing environmental pollution not otherwise provided for for treating ballast water
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63B—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; EQUIPMENT FOR SHIPPING 
    • B63B13/00—Conduits for emptying or ballasting; Self-bailing equipment; Scuppers
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/46—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods
    • C02F1/4608—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods using electrical discharges
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F2103/00—Nature of the water, waste water, sewage or sludge to be treated
    • C02F2103/008—Originating from marine vessels, ships and boats, e.g. bilge water or ballast water

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Ocean & Marine Engineering (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Toxicology (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Hydrology & Water Resources (AREA)
  • Water Supply & Treatment (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Physical Water Treatments (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)
  • Treatment Of Water By Oxidation Or Reduction (AREA)

Abstract

본 발명은, 플라즈마 모듈 및 상기 플라즈마 모듈에 전원을 공급하는 연료전지 모듈을 포함하여 피처리수를 살균하는 플라즈마 처리 장치와 해상 이동수단을 구비한, 플라즈마 수중방전을 활용한 모바일 선박 평형수 처리 장치에 관한 것으로, 다른 선박에 사용된 평형수를 위탁 처리함으로써 기존 선박 개조 비용, 신규 선박의 선박 평형수 처리 장치 설치 비용을 절약할 수 있고, 연료전지로 전원을 공급하므로 친환경적이며, 플라즈마 처리된 처리수 내에 포함된 산소 및 오존을 연료전지의 공급기체로 재활용함으로써 연료전지의 전기 생성 효율을 향상시킬 수 있다.

Description

플라즈마 수중방전을 활용한 모바일 선박 평형수 처리 장치 및 이를 포함하는 수처리 시스템{Mobile ballast water treatment apparatus using plasma underwater discharge and water treatment system comprising the same}
본 발명은 플라즈마 수중방전을 활용한 모바일 선박 평형수 처리 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 선박에 사용된 평형수를 위탁 처리하는 모바일 선박 평형수 처리 장치에 플라즈마 수중방전을 활용하여 평형수 내의 유기물을 분해하거나 미생물을 제거할 수 있는 수처리 장치 및 이를 포함하는 수처리 시스템에 관한 것이다.
선박의 평형수(Ballast water)는 선박 내부에 채우는 해수로써, 화물량에 따라 선박의 무게 중심을 낮추거나 좌우 균형을 맞춰 선박의 안정성을 향상시키는 역할을 한다. 구체적으로, 선박의 무게중심이 높아지면 프로펠러가 수면 가까이로 올라와 추진력이 감소되는 것을 방지하고, 프로펠러의 회전 시 수면과 부딪히는 충격으로 피로 파괴가 유발되는 것을 방지할 수 있도록 선박의 무게 중심을 낮추어 선박을 효율적으로 운항할 수 있도록 한다.
선박에 있어서 평형수는 운행에 필수적인 요소이나, 화물을 선적하는 곳에서 해수를 취수해 평형수로 사용하고, 화물을 하역하는 곳에서 사용한 평형수를 배출함으로써 해양 생물을 인위적으로 이동시켜 해양 생태계를 교란 및 파괴시키는 문제가 있다. 또한, 해양 오염의 원인 중 하나로 지목되고 있어 이러한 문제를 해결하기 위해 국제적으로 '선박 평형수 관리 협약(2004년)'이 채택되었으며, 2017년 이후에는 전세계 모든 선박에 선박 평형수 처리 시스템을 의무적으로 설치하도록 규정하고 있다.
선박 평형수 처리 시스템은 평형수 탱크에 평형수를 채울 ‹š나 배출할 때 선박 평형수에 포함된 해양 생물이나 병원균을 제거하는 설비로, 종래에는 등록특허 10-1204879호에 개시된 바와 같이, 취수된 해수에 오존이나 염소 등 살균 성분을 주입하는 화학 처리하는 방법이나 전기적인 처리, 또는 물리적으로 단순 필터링하는 처리 방법 등을 통해 선박의 평형수를 처리하였다.
그러나 이러한 종래의 평형수 처리 방법은 처리된 평형수가 화학 약품에 노출된 상태이므로 사용 후 평형수를 배출하면 해양 생태계를 오염시키는 원인이 되며, 해양 생태계에 영향을 적게 주는 방법은 비용이 높은 문제가 있다.
이러한 평형수 처리 장치를 새로 조선되는 선박에 적용하는 경우에는 선박의 설계 단계에서부터 평형수 처리 장치를 위한 공간 및 배관을 고려하여 설계할 수 있으나, 기존 선박의 경우에는 선박 평형수 처리 장치를 설치하기 위한 별도의 공간을 마련해야 하고, 이에 따라 화물 적재 공간이 줄어들어 화물 운송 비용이 증가하는 문제가 있으며, 선박 평형수 처리 장치 설치에 막대한 비용이 소요되는 문제가 있다.
또한, 소형 선박의 경우에는 선박 평형수 처리 장치를 설치하기에 충분한 공간이 없어, 선박 평형수 처리 장치를 설치하기 곤란한 경우도 있다.
따라서 저비용, 고효율로 선박의 평형수를 처리 및 공급함과 동시에, 해양 생태계에 주는 영향을 최소화할 수 있는 친환경적인 선박의 평형수 처리 시스템을 개발할 필요가 있다.
등록특허 제10-1204879호(2012.11.20 등록)
본 발명에서는 선박에 사용된 평형수를 위탁 처리하는 모바일 선박 평형수 처리 장치에 플라즈마 수중방전을 활용하여 평형수 내의 유기물을 분해하거나 미생물을 제거할 수 있는 수처리 장치 및 이를 포함하는 수처리 시스템을 제공하고자 한다.
또한, 연료전지와 열전소자를 이용하여 모바일 선박 평형수 처리 장치에 전원를 공급함으로써 평형수 처리 효율을 향상시키고자 한다.
상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시 형태는, 모바일 선박 평형수 처리 장치에 관한 것으로, 상기 모바일 선박 평형수 처리 장치는 해상 이동수단; 및 상기 해상 이동수단 내부에 위치하여, 유입된 피처리수를 살균하여 처리수로 배출시키는 플라즈마 처리 장치;를 포함하고, 상기 플라즈마 처리 장치는, 상기 피처리수에 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 모듈; 및 상기 플라즈마 모듈에 전원을 공급하는 연료전지 모듈;을 포함하여, 외부 선박의 평형수를 위탁 처리한다.
상기 모바일 선박 평형수 처리 장치는 상기 플라즈마 처리 장치 전단에 배치되는 필터;를 추가로 더 포함할 수 있다.
상기 피처리수가 바다에서 직접 공급되는 경우, 상기 처리수는 상기 외부 선박의 평형수 탱크로 제공되고, 상기 피처리수가 상기 외부 선박의 평형수 탱크로부터 공급되는 경우, 처리수는 바다로 방류될 수 있다.
상기 플라즈마 처리 장치는 상기 플라즈마 모듈에서 배출되는 플라즈마 처리수에 포함된 산소(O2) 및 오존(O3)을 물(H2O)과 분리하는 제1 세퍼레이터; 상기 제1 세퍼레이터에서 분리된 산소(O2)와 오존(O3)을 상기 연료전지 모듈로 공급하는 기체 공급관; 상기 연료전지 모듈에서 배출되는 연료전지 배출수에 포함된 산소(O2) 및 오존(O3)을 물(H2O)과 분리하는 제2 세퍼레이터; 및 제2 세퍼레이터에서 배출되는 산소(O2) 및 오존(O3)을 제1 세퍼레이터에 공급하는 유체 공급 모듈;을 포함할 수 있다.
이때, 상기 제2 세퍼레이터에서 분리된 물은, 제1 처리수일 수 있다.
상기 플라즈마 처리 장치는 상기 연료전지 모듈을 냉각시키는 냉각 모듈;을 더 포함할 수 있다.
상기 냉각 모듈은, 상기 제1 세퍼레이터에서 배출된 물을 상기 연료전지 모듈의 냉각수로 공급하기 위한 저온수 배관; 및 상기 연료전지 모듈을 통과한 뒤 온도가 상승된 고온수로써 상기 냉각 모듈로 되돌아오는 냉각수가 흐르는 고온수 배관;을 포함할 수 있다.
상기 냉각 모듈은, 열전소자;를 포함하고, 상기 열전소자는, 상기 저온수 배관과 고온수 배관을 흐르는 물의 온도차를 이용하여 전류를 생성할 수 있다.
상기 열전소자에서 발생된 전류는 상기 플라즈마 모듈, 제1 세퍼레이터, 제2 세퍼레이터 및 유체 공급 모듈 중 적어도 어느 하나 이상에 공급될 수 있다.
상기 냉각 모듈을 통과한 고온수는 제2 처리수로 배출될 수 있다.
상기 제1 세퍼레이터에서 배출된 물의 일부가 상기 유체 공급 모듈로 공급될 수 있다.
상기 플라즈마 처리 장치는, 상기 플라즈마 모듈 전단에 배치되는 공기 공급 장치;를 더 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예는, 해상 이동수단; 및 상기 해상 이동수단 내부에 위치하여, 유입된 피처리수를 살균하여 처리수로 배출시키는 플라즈마 처리 장치;를 포함하는 모바일 선박 평형수 처리 시스템에 관한 것이다.
이때, 상기 플라즈마 처리 장치는, 상기 피처리수에 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 모듈; 및상기 플라즈마 모듈에 전원을 공급하는 연료전지 모듈;을 포함하며, 상기 피처리수가 바다에서 직접 공급되는 경우, 상기 처리수는 상기 외부 선박의 평형수 탱크로 제공되고, 상기 피처리수가 상기 외부 선박의 평형수 탱크로부터 공급되는 경우, 처리수는 바다로 방류될 수 있다.
또한, 상기 플라즈마 모듈에서 배출되는 플라즈마 처리수에 포함된 산소(O2) 및 오존(O3)을 물(H2O)과 분리하는 제1 세퍼레이터; 상기 제1 세퍼레이터에서 분리된 산소(O2)와 오존(O3)을 상기 연료전지 모듈로 공급하는 기체 공급관; 상기 연료전지 모듈에서 배출되는 연료전지 배출수에 포함된 산소(O2) 및 오존(O3)을 물(H2O)과 분리하는 제2 세퍼레이터; 및 제2 세퍼레이터에서 배출되는 산소(O2) 및 오존(O3)을 제1 세퍼레이터에 공급하는 유체 공급 모듈;을 포함할 수 있다.
또한, 상기 연료전지 모듈을 냉각시키는 냉각 모듈;을 더 포함할 수 있으며, 상기 냉각 모듈은, 상기 제1 세퍼레이터에서 배출된 물을 상기 연료전지 모듈의 냉각수로 공급하기 위한 저온수 배관; 및 상기 연료전지 모듈을 통과한 뒤 온도가 상승된 고온수로써 상기 냉각 모듈로 되돌아오는 냉각수가 흐르는 고온수 배관;을 포함할 수 있다.
이때, 상기 냉각 모듈은, 상기 저온수 배관과 상기 고온수 배관을 흐르는 물의 온도차를 이용하여 전류를 생성하는 열전소자;를 포함하여, 상기 열전소자로부터 생성된 전류는, 상기 플라즈마 모듈, 제1 세퍼레이터, 제2 세퍼레이터 및 유체 공급 모듈 중 적어도 어느 하나 이상에 공급될 수 있다.
상기 제2 세퍼레이터에서 분리된 물은, 제1 처리수로 배출되고, 상기 냉각 모듈을 통과한 고온수는 제2 처리수로 배출될 수 있다.
또한, 상기 제1 세퍼레이터에서 배출된 물의 일부가 상기 유체 공급 모듈로 공급될 수 있다.
한편, 상기 플라즈마 처리 장치는, 상기 플라즈마 모듈 전단에 배치되는 공기 공급 장치;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 모바일 선박 평형수 처리 시스템.
본 발명의 플라즈마 수중방전을 활용한 모바일 선박 평형수 처리 장치는 다른 선박에 사용된 평형수를 위탁 처리할 수 있어, 기존의 선박을 개조하지 않고도 평형수를 처리할 수 있으므로, 기존 선박 개조 비용, 신규 선박의 선박 평형수 처리 장치 설치 비용을 절약할 수 있다.
또한, 모바일 선박 평형수 처리 장치에 플라즈마 수중방전을 활용함으로써 평형수 내의 유기물을 분해하거나 미생물을 효과적으로 제거할 수 있다.
뿐만 아니라, 연료전지와 열전소자를 이용하여 전원을 공급함으로써 친환경적이며, 플라즈마 처리된 처리수 내에 포함된 산소 및 오존을 연료전지의 공급기체로 재활용함으로써 연료전지의 전기 생성 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1과 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 모바일 선박 평형수 처리 장치를 이용한 평형수 위탁 처리 방법을 간략히 도시한 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치를 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 4는 플라즈마 모듈을 자세하게 도시한 도면이다.
도 5는 플라즈마 전극을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 6은 플라즈마 전극모듈의 실시 형태를 도시한 도면이다.
도 7은 전극 개수에 따른 오존 농도 및 클로로필a의 농도 변화 그래프이다.
도 8은 전극 개수에 따른 산화환원전위와 자외선흡광도의 변화를 도시한 그래프이다.
도 9는 전극간 거리에 따른 오존 농도 및 클로로필a의 농도 변화 그래프이다.
도 10은 전극간 거리에 따른 산화환원전위와 자외선흡광도의 변화를 도시한 그래프이다.
도 11과 도 12는 각각 실험예 4와 실험예 5의 공기 주입량에 따른 오존 농도 및 클로로필a의 농도 변화 그래프이다.
도 13과 도 14는 각각 실험예 4와 실험예 5의 공기 주입량에 따른 산화환원전위와 자외선흡광도의 변화를 도시한 그래프이다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 상세히 설명하기에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 함을 밝혀둔다.
본 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
각 단계들에 있어 식별부호는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 실시될 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 실시될 수도 있고 실질적으로 동시에 실시될 수도 있으며 반대의 순서대로 실시될 수도 있다.
도면에서 제안된 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다. 또한, 명세서에서 기술한 "부"란, 특정 기능을 수행하는 하나의 단위 또는 블록을 의미한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 모바일 선박 평형수 처리 장치(10)는 타 선박(20)에 사용되는 평형수를 전문적으로 위탁 처리하기 위한 장치로, 해상을 이동하기 위한 해상 이동수단(300)과 유입된 피처리수를 살균하여 살균된 처리수로 배출시키기 위한 플라즈마 처리 장치(100)를 포함하며, 상기 플라즈마 처리 장치(100)는 상기 해상 이동수단(300) 내부에 위치한다. 상기 해상 이동수단은 해상에서 이동할 수 있는 선박일 수 있으며, 그 형태나 구조는 특별히 제한되지 않는다.
상기 모바일 선박 평형수 처리 장치(10)에는 플라즈마 처리 장치(100)로 공급되는 피처리수 내에 포함되어 있는 소정 크기 이상의 입자형 물질 및 미생물을 물리적으로 제거하기 위한 필터(200)가 추가로 더 구비될 수 있다. 이러한 필터(200)는 플라즈마 처리 장치(100) 전단에 배치되며, 필터(200)의 개구부의 크기는 500 마이크론, 300 마이크론 또는 200 마이크론일 수 있고, 바람직하게는 200 마이크론일 수 있다.
이와 같이 1차로 필터(200)를 이용하여 피처리수 내의 소정 크기 이상의 이물질을 제거함으로써 이후 수행되는 플라즈마 살균 효율이 더욱 향상되는 장점이 있으나, 이러한 필터(200)는 필요에 따라 선택적으로 적용될 수 있다.
도 1과 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 모바일 선박 평형수 처리 장치(10)를 이용한 평형수 위탁 처리 방법을 간략히 도시한 개념도로, 여기에는 모두 필터(200)를 사용하는 것으로 도시하였으나, 앞서 설명한 바와 같이 필터(200)가 반드시 본 발명의 모바일 선박 평형수 처리 장치(10)에 포함되어야 하는 것은 아니다.
계속해서 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 모바일 선박 평형수 처리 장치(10)는, 바다로부터 해수를 직접 공급받아 피처리수로 사용한다. 상기 피처리수는, 필터(200)와 플라즈마 처리 장치(100)를 순차적으로 거쳐 내부의 이물질과 미생물들이 제거된 뒤, 타 선박(20)의 평형수 탱크(21)로 공급되어 타 선박(20)의 평형수로써 사용되고 이후에는 타 선박(20)으로부터 바다로 방류될 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 모바일 선박 평형수 처리 장치(10)를 도시한 것으로써, 이 경우, 도 1의 경우와 달리 타 선박(20)의 평형수를 피처리수로 공급받아, 도 1의 경우와 마찬가지로 상기 피처리수를 필터(200)와 플라즈마 처리 장치(100)를 이용하여 살균한다. 이후, 살균된 처리수는 바다로 방류될 수 있다.
도 1과 도 2에 도시된 모바일 선박 평형수 처리 장치(10) 각각에 사용된 피처리수와 처리수는 서로 반대이나, 피처리수를 필터(200)와 플라즈마 처리 장치(100)를 통해 살균하는 과정은 동일하다. 따라서, 이후 설명에서는 어디서 공급된 물이 피처리수로 사용되었고, 살균 처리된 처리수가 어디로 방류되는지 별도로 언급하지 않거나, 하나의 경우로만 언급하더라도, 플라즈마 처리 장치(100)를 이용한 살균 과정이 도 1 및 도 2의 경우에 모두 적용될 수 있음은 해당 기술 분야의 기술자에게 용이하게 이해될 수 있을 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치(100)를 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 3을 참조하면, 상기 플라즈마 처리 장치(100)는, 상기 피처리수에 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 모듈(110); 및 상기 플라즈마 모듈(110)에 전원을 공급하는 연료전지 모듈(120);을 포함한다.
상기 플라즈마 모듈(110)은 수중에서 플라즈마를 발생시켜, 플라즈마 수중방전에 의해 유기물 및 미생물을 제거함으로써 피처리수를 효과적으로 정화하는 효과를 갖는다. 또한, 플라즈마 모듈(110)에서 발생된 산소(O2) 및 오존(O3)은 정화된 피처리수에서 분리되어 연료전지 모듈(120)의 연료로 공급되므로, 연료전지 모듈(120)에서의 전기 에너지 생성 효율이 향상되는 효과가 있다. 이는 이후에 설명하도록 한다.
한편, 종래에는 해수 등과 같은 피처리수를 전처리하기 전에 염소를 주입하여 유기물에 의해 형성되는 바이오 파울링(Bio-fouling)을 억제하였으나, 염소의 과량 주입으로 인하여 부식과 같은 부작용이 발생하는 문제가 있었으나, 본 발명에서는 염소 주입 방식 대신 플라즈마 방식을 사용함으로써 유기물과 미생물을 효과적으로 제거하고, 바이오-파울링 현상을 억제하며, 동시에 부식 문제를 발생시키지 않는 장점을 갖는다.
이러한 플라즈마 수중방전은, 플라즈마 전극에 인가하는 펄스, 전압 등을 달리하여 발생하는 코로나 방전과 아크 방전 등을 사용할 수 있으며, 플라즈마를 이용한 수처리에서는, 플라즈마에 의해 발생하는 충격파, 초음파 및 고전압 전기장에 의한 유기물 분해 및 세포 파괴 등의 효과를 얻을 수 있다.
이 중 충격파에 의한 세포 파괴는, 급격한 압력의 변동으로 나타나는 충격파로 세포를 파괴시키는 것으로, 세포의 파괴는 세포의 크기 및 세포의 형태, 세포의 두께 및 충격파의 세기에 의존한다.
또한, 초음파에 의한 세포 파괴는, 초음파가 액체 속을 통과하며 발생되는 캐비테이션(Cavitation) 현상에 의해 발생되는 충격파로 세포를 파괴시키는 것으로, 소량의 미생물 세포가 파괴되는 효과가 있다. 캐비테이션 현상은, 초음파 진동자에 의해 액체 매질로 초음파가 통과할 때 진동자에 의해 진동하는 종파를 만들어냄으로써 액체의 밀도가 소한 부분과 밀한 부분을 만들어 내며, 소한 부분이 액체의 증기압보다 낮을 경우에 버블(Bubble)을 만들어 내어 그것이 폭발하는 현상이다.
또한, 고전압 전기장에 의한 세포 파괴는, 세포막에 높은 전위차를 유도하여 세포막이라는 절연체를 파괴시키는 것이다. 따라서, 플라즈마 처리에 의해 생성되는 자외선, 활성종, 충격파, 버블 등의 작용에 의해 플랑크톤 및 박테리아의 생존율을 획기적으로 줄일 수 있다.
한편, 도 4는 상술한 효과를 갖는 플라즈마 수중방전을 발생시키는 플라즈마 모듈(110)을 자세하게 도시한 것으로서, 상기 플라즈마 모듈(110)은 피처리수가 유입되는 유입구(111a)와 정화된 피처리수가 배출되는 배출구(111b)를 구비하는 반응기(111); 반응기(111) 일측에 구비된 접지전극(113); 및 반응기(111) 일측에 구비되고, 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 전극(115);을 포함한다.
상기 반응기(111)는 내부에 피처리수를 수용할 수 있고, 유입구(111a)와 배출구(111b)의 위치는 특별히 제한되는 것은 아니나, 유입구(111a)와 배출구(111b)가 같은 사이드(반응기가 직육면체 형상일 경우, 같은 면을 의미)에 위치하는 것이 바람직하다. 또한, 접지전극(113)과 유입구(111a) 및 배출구(111b)가 같은 사이드에 구비될 수 있고, 플라즈마 전극(115)은 접지전극(113)과 대향되도록 설치되는 것이 바람직하다. 이 경우, 평판 형상의 접지전극(113)이 반응기(111)의 상부면을 형성할 수 있고, 접지전극(113)에 유입구(111a) 및 배출구(111b)를 형성할 수도 있다.
상기 반응기(111)는 접지전극(113)과 플라즈마 전극(115) 사이의 거리를 조절할 수 있는 거리 조절부(117)를 구비할 수 있다. 피처리수의 종류에 따라 플라즈마 전극(115)에 걸어주는 전압이나 접지전극(113)과 플라즈마 전극(115) 사이의 간격을 조절할 수 있는데, 거리 조절부(117)는 반응기(111)의 양 측면에 마주보게 형성되어 반응기(111)의 높이를 신장 또는 수축하여 반응기(111)의 피처리수 수용 용량을 조절함과 동시에 접지전극(113)과 플라즈마 전극(115) 사이의 간격을 조절할 수 있다.
상기 접지전극(113)은 통상의 전극을 사용할 수 있고, 상술한 바와 같이 반응기(111)의 일측에 구비될 수 있으며, 평판 형태로 형성되어 반응기(111)의 일면을 형성할 수도 있다. 접지전극(113)은 피처리수와 전기적으로 연결(접촉)되어 피처리수가 접지(earth)될 수 있게 한다.
상기 플라즈마 전극(115)은 연료전지 모듈(120)에 연결되어 펄스, 교류 또는 직류 전압을 인가 받아 작동될 수 있다. 플라즈마 전극(115)은 반응기(111)의 일측에 구비될 수 있는데, 개별적으로 형성될 수 있으나, 복수의 플라즈마 전극(115)이 모인 플라즈마 전극 모듈(116) 형태로 반응기 내부에 위치될 수 있으며, 접지전극(113)과 대향되게 설치되는 것이 바람직하다.
이와 같이 복수의 플라즈마 전극(115)이 모여 플라즈마 전극 모듈(116) 형태로 사용되는 경우, 사용되는 전극의 개수는 5~20개일 수 있고, 바람직하게는 10~15개일 수 있다.
플라즈마 전극 모듈(116)에 사용되는 플라즈마 전극(115)의 개수가 너무 적은 경우에는 플라즈마 처리에 의한 충분한 수처리 효과를 얻기 곤란하고, 너무 많은 경우에는 용존산소율 감소로 인한 수질 저하가 발생할 수 있을 뿐만 아니라, 소비 전력이 증가하여 연료전지 모듈(120) 및/또는 열전소자(미도시)로부터 공급되는 전력으로 가동하기 어려울 수 있기 때문이다.
또한, 각 플라즈마 전극(115)들 간의 간격은 3~6 cm일 수 있는데, 플라즈마 전극(115)들 간의 간격이 너무 작거나 너무 큰 경우에는 수처리 효율 및 오존 생성 효율이 저하될 수 있으므로, 상기 간격을 갖도록 각 플라즈마 전극(115)이 배치되는 것이 바람직하다.
도 5는 플라즈마 전극(115)을 개략적으로 나타낸 도면으로, 상기 플라즈마 전극(115)은 방전부(115a), 고정부(115b) 및 접지부(115c)를 포함하는 일체의 구조로 형성될 수 있다. 일체형으로 제조됨으로써, 1개의 전극단에 필요 이상의 전력이 인가되어 깨지는 현상을 방지할 수 있어 내구성을 향상시킬 수 있고, 추후 플라즈마 전극(115)의 교체가 용이하다는 장점이 있다.
상기 플라즈마 전극(115)은 내부식성을 갖는 동일 재질로 이루어진 일체형 구조인 것이 바람직하며, 이러한 재질은 텅스텐, 텅스텐 합금, 또는 스텐인레스 강(stainless steel)일 수 있고, 더욱 바람직하게는 스테인레스 강일 수 있다.
또한, 각 단의 전극은 특별히 제한되는 것은 아니고, 다양한 형상으로 제조될 수 있으나, 안정적으로 플라즈마를 발생시키기 위하여 원기둥 형상인 것이 바람직하고, 상부에 위치하는 방전부(115a)의 직경이 가장 짧으며, 하부에 위치하는 접지부(115c)의 직경이 가장 긴 것이 바람직하다(도 5 기준). 이와 같이 상부로 갈수록 직경을 감소시킴으로써 플라즈마 전극(115)의 절연 효율 및 방전 효율을 향상시킬 수 있다.
이때, 플라즈마 전극(115)의 절연 효율 및 방전 효율을 극대화하기 위하여 방전부(115a), 고정부(115b) 및 접지부(115c)의 직경의 비는 d1 : d2 : d3 = 1~2 : 8~10 : 12~16 인 것이 바람직하고, 방전부(115a), 고정부(115b) 및 접지부(115c)의 높이의 비는 h1 : h2 : h3 = 1 : 1 : 1~2 인 것이 바람직하다.
또한, 상기 방전부(115a)의 지름은 1 mm 초과 내지 4 mm 미만인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 2~3 mm일 수 있다. 방전부(115a)의 지름이 1 mm 이하일 경우에는 플라즈마가 적절하게 형성되지 않아 오존의 발생이 미미하고, 4 mm 이상일 경우에는 방전부(115a) 표면에서 플라즈마가 불균일하게 발생하여 전체적으로 발생되는 오존의 양이 감소되기 때문이다. 플라즈마 전극(115)에서 발생되는 오존의 양은, 플라즈마 수중방전 효율을 확인할 수 있는 지표로 사용될 수 있을 뿐만 아니라, 여기서 생성되는 오존은 이후 연료전지 모듈(120)의 연료로 사용되기 때문에, 발생되는 오존의 양이 높을수록 바람직하다.
한편, 도 6은 플라즈마 전극 모듈(116)의 실시 형태를 도시한 것으로서, 플라즈마 전극 모듈(116)은 복수개의 홀(116a)이 형성된 전도성 기재(116b) 및 상기 홀(116a)을 제외한 전도성 기재의 외주부를 둘러싸는 세라믹 층(116c)으로 구성될 수 있다.
상기 홀(116a) 안쪽에는, 앞서 살펴본 플라즈마 전극(115)이 위치하고, 전도성 기재(116b)의 형태에 따라 도 6(a)와 같은 플레이트 형태 또는 도 6(b)와 같은 관 형태로 구현될 수 있으며, 반응기(111)의 형태에 따라 선택적으로 사용될 수 있다.
상기 전도성 기재(116b)로는 전기 전도도가 높고 내구성이 우수한 텅스텐 혹은 텅스텐 질화물과 같은 텡스텐 합금 재질이 사용되는 것이 바람직하다.
도 4 내지 도 6을 참조하여 설명한 플라즈마 모듈(110)은 단독 혹은 복수개로 사용될 수 있고, 복수개로 사용되는 경우에는 복수의 플라즈마 모듈(110)들이 직렬형, 병렬형 또는 직렬과 병렬 혼합된 형태로 연결되어 사용될 수 있다.
플라즈마 모듈(110)들이 직렬로 연결되어 사용되는 경우에는, 오염도가 높은 피처리수를 정화하는 데 유용하고, 병렬로 연결되어 사용되는 경우에는 오염도는 다소 낮고 대용량의 피처리수를 정화하는 데 효과적이며, 직렬과 병렬이 혼합되어 사용되는 경우에는 이러한 효과를 복합적으로 얻을 수 있다.
한편, 다시 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치(100)는 플라즈마 모듈(110)과 연료전지 모듈(120)을 함께 사용한다.
상기 연료전지 모듈(120)은 캐소드(cathode), 전해질(electrolyte) 및 애노드(anode)가 순차적으로 적층 형성된 연료전지 셀, 또는 이러한 연료전지 셀 복수개가 적층 된 연료전지 스택일 수 있다.
본 발명의 실시예에 사용될 수 있는 연료전지 모듈(120)에 사용되는 연료전지는 용융탄산염 연료전지(MCFC; Molten Carbonate Fuel Cell), 고분자전해질 연료전지(PEMFC; Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cel), 고체산화물 연료전지(SOFC; Solid Oxide Fuel Cell), 직접메탄올 연료전지(DMFC; Direct Methanol Fuel Cell), 직접에탄올 연료전지(DEFC; Direct Ethanol Fuel Cell) 및 인산형 연료전지(PAFC; Phosphoric Acid Fuel Cell) 등 다양한 형태의 연료전지가 사용될 수 있다.
일반적으로 연료전지의 작동 원리는, 애노드에 공급된 수소가 촉매의 산화환원반응에 의해 전자를 잃어 수소 이온으로 변화하고, 생성된 수소 이온은 전해질을 통해 캐소드로 이동하여 산소 및 전자와 반응하여 물을 형성하게 되는데, 이 과정에서 애노드와 캐소드의 전위차로 인해 전류가 발생하는 원리이다.
그러나, 이는 일반적인 연료전지의 작동 원리로, 연료전지의 종류에 따라 다른 방식으로 연료전지가 작동할 수 있다. 예를 들어, 용융탄산염 연료전지의 경우에는, 캐소드에 공급된 산소와 이산화탄소가 전자와 결합하여 탄산염(CO3 -2)을 형성하고, 생성된 탄산염이 전해질을 통과해 애노드로 이동하면, 애노드에 공급된 수소가 탄산염과 반응하여 이산화탄소, 물 및 전자를 생성함으로써 발생되는 애노드와 캐소드의 전위차로 인해 전류가 발생한다.
이와 같이 연료전지의 종류에 따라 물이 발생하는 위치나 미반응물이 발생하는 위치가 다를 수 있기 때문에, 연료전지 모듈(120)로부터 제1 세퍼레이터(130)로 연결되는 배관의 위치가 도 3에 도시한 것과 같이 반드시 캐소드에서 제1 세퍼레이터(130)로 향하는 것은 아니며, 애노드에서 제1 세퍼레이터(130)로 향할 수도 있고, 이 둘이 복합적으로 적용될 수 있음은 해당 기술 분야의 기술자에게 자명할 것이나, 설명의 편의를 위해 도 3에 도시한 도면을 기준으로 설명하도록 한다.
계속해서 도 3을 참조해서 설명하면, 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치(100)는 상기 플라즈마 모듈(110)에서 배출되는 플라즈마 처리수에 포함된 산소(O2) 및 오존(O3)을 물(H2O)과 분리하는 제1 세퍼레이터(130); 상기 제1 세퍼레이터(130)에서 분리된 산소와 오존을 연료전지 모듈(120)로 공급하는 기체 공급관(131); 상기 연료전지 모듈(120)에서 배출되는 연료전지 배출수에 포함된 산소 및 오존을 물과 분리하는 제2 세퍼레이터(140); 및 제2 세퍼레이터(140)에서 배출되는 산소 및 오존을 제1 세퍼레이터(130)에 공급하는 유체 공급 모듈(150);을 포함한다.
상기 제1 세퍼레이터(130)는, 플라즈마 모듈(110)에서 배출되는 플라즈마 처리수에 포함된 산소와 오존을 물과 분리하는 기능을 수행한다. 여기서 분리된 산소와 오존은 제1 세퍼레이터(130)와 연료전지 모듈(120)을 연결하는 기체 공급관(131)을 따라 연료전지 모듈(120)의 캐소드로 공급된다.
연료전지 모듈(120)에서는 앞서 설명한 반응들이 발생하고, 반응 생성물로 물이 생성되어 연료전지 모듈(120)로부터 배출되며, 이때 미반응 산소 및 오존이 함께 배출되게 된다. 연료전지 모듈(120)로부터 배출되는 물, 산소 및 오존을 포함하는 연료전지 배출수는 제2 세퍼레이터(140)로 유입되어, 산소, 오존을 포함하는 기상 물질과 물을 포함하는 액상 물질로 분리되며, 여기서 기상 물질은 다시 제1 세퍼레이터(130)로 공급된 후, 제1 세퍼레이터(130)에서 플라즈마 처리수로부터 분리된 산소와 오존과 함께 다시 연료전지 모듈(120)로 공급된다.
상술한 바와 같이, 플라즈마 모듈(110)로부터 배출되는 플라즈마 처리수에 포함된 산소 및 오존이 연료전지 모듈(120)의 공급기체로 사용되며, 동시에 연료전지 모듈(120)에서 배출되는 미반응 기체들은 연료전지 배출수와 분리되어 다시 연료전지 모듈(120)의 공급기체로 사용되므로, 산소와 오존이 외부로 방출되지 않거나, 방출되더라도 아주 미량으로 방출되기 때문에, 연료전지 모듈(120)의 전기 에너지 생성 효율을 향상시킬 수 있다.
제2 세퍼레이터(140)에서 분리된 산소와 오존은 다시 제1 세퍼레이터(130)로 공급되는데, 이때, 유체 공급 모듈(150)을 통해서 제1 세퍼레이터(130)로 공급될 수 있고, 또한 제1 세퍼레이터(130)에서 분리된 물의 일부와 유체 공급 모듈(130)을 통해 함께 제1 세퍼레이터(130)로 공급될 수 있다.
이때, 상기 유체 공급 모듈(150)은, 이젝터일 수 있으며, 이 경우에는 상기 제1 세퍼레이터(130)에서 분리된 물의 일부가 고압 유체로 작용하여, 제2 세퍼레이터(140)에서 분리된 산소와 오존이 유체 공급 모듈(150) 내부로 흡입됨으로써 제2 세퍼레이터(140)에서 분리된 산소와 오존을 다시 제1 세퍼레이터(130)에 공급할 수 있다.
상기 제1 세퍼레이터(130)로부터 분리된 물의 일부는 이후 설명할 냉각 모듈(160)의 냉각수로 사용되고, 나머지 일부는 유체 공급 모듈(150)로 공급되며, 제2 세퍼레이터(140)로부터 분리된 물은 제1 처리수(145)로 방류된다.
연료전지 모듈(120)에서는, 앞서 설명한 바와 같이 수소와 산소의 반응을 통해 물이 생성되는 발열 반응이 일어나, 연료전지 모듈(120)의 온도가 상승한다. 그러나, 연료전지가 고온에서 장기간 동안 작동하는 경우, 연료전지에 사용된 재료의 내구성 저하, 연료전지 성능 저하 등의 문제가 발생하므로, 연료전지 모듈(120)의 온도가 적정 작동 온도인 약 200~600 ℃로 유지되도록 연료전지 모듈(120)을 냉각하는 냉각 모듈(160)이 구비된다.
상기 냉각 모듈(160)은 연료전지 모듈(120)에서 발생하는 열을 제거하기 위해 포함되는 것으로, 냉각 모듈(160)은 제1 세퍼레이터(130)에서 배출되는 물의 적어도 일부를 연료전지 모듈(120)의 냉각수로 공급하기 위한 저온수 배관(161)과, 상기 냉각수가 연료전지 모듈(120)을 통과한 뒤 온도가 상승된 고온수로써 냉각 모듈(160)로 되돌아오는 고온수 배관(162)을 포함한다.
또한, 냉각 모듈(160)은 열전소자(미도시)를 포함하여, 상기 저온수 배관(161)을 흐르는 저온의 냉각수와 상기 고온수 배관(162)을 흐르는 고온의 냉각수의 온도차를 이용하여 전류를 생성한다. 열전소자(미도시)는, 2종의 금속 또는 반도체를 폐로가 되게 접속하고, 접속한 두 점 사이에 온도차를 주면 기전력이 발생하여 전류가 흐르는 현상인 제백효과(Seebeck effect)를 이용한 것으로, 상기 열전소자(미도시)를 통해, 연료전지 모듈(120)에서 발생되는 열을 냉각 모듈(160)을 이용하여 제거하는 과정에서 사용 및 생성되는 저온의 냉각수와 고온의 냉각수의 온도차로 인해 전류가 생성될 수 있다.
이때 생성되는 전류는, 상기 플라즈마 모듈(110), 제1 세퍼레이터(130), 제2 세퍼레이터(140) 및 유체 공급 모듈(150) 중 적어도 어느 하나 이상에 공급될 수 있다.
상기 고온수 배관(162)을 흐르는 물은, 냉각 모듈(160)을 통과하는 과정에서 열전소자(미도시)에 고온 공급원으로써 사용된 후, 냉각 모듈(160)로부터 배출되며, 이때 배출되는 배출수는 제2 처리수(165)로써 방류된다.
한편, 상기 모바일 선박 평형수 처리장치는, 연료전지 모듈(120)에서 생성된 전기 에너지를 직류에서 교류로 변환시키는 제1 인버터(121)와 제1 인버터(121)에서 공급된 교류전압을 직류전압으로 변환시켜 플라즈마 모듈(110)에 공급하기 위한 제1 파워서플라이(122)를 포함한다.
또한, 냉각 모듈(160)의 열전소자(미도시)에서 생성된 전기 에너지를 직류에서 교류로 변환시키기 위한 제2 인버터(163) 및 제2 인버터(163)에서 공급된 교류전압을 직류전압으로 변환시켜 플라즈마 모듈(110), 제1 세퍼레이터(130), 제2 세퍼레이터(140) 및 유체 공급 모듈(150) 중 적어도 어느 하나 이상에 공급하기 위한 제2 파워서플라이(164)를 포함한다.
한편, 상기 플라즈마 모듈(110) 전단에는 공기 공급 장치(170)가 더 포함될 수 있으며, 구체적으로, 플라즈마 모듈(110)로 피처리수를 공급하는 펌프(미도시) 전단에 공기 공급 장치(170)가 배치될 수 있다.
플라즈마 모듈(110) 내부로 직접 공기가 공급되지 않고, 플라즈마 모듈(110) 전단에 공기 공급 장치(170)가 포함됨으로써 플라즈마 모듈(110)에서의 엽록소 a 제거율과 용존산소율(DO)이 높아져 더욱 효율적인 수질 향상 효과를 얻을 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예는, 모바일 선박 평형수 처리 시스템에 관한 것으로, 상기 모바일 선박 평형수 처리 시스템은 앞서 설명한 모바일 선박 평형수 처리 장치(10)를 포함한다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 상기 모바일 선박 평형수 처리 장치(10)는 해상 이동수단(300) 및 유입된 피처리수를 살균하여 처리수를 배출시키는 플라즈마 처리 장치(100)를 포함하고, 상기 플라즈마 처리 장치(100)는 상기 피처리수에 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 모듈(110) 및 상기 플라즈마 모듈(110)에 전원을 공급하는 연료전지 모듈(120)을 포함하며, 상기 피처리수가 바다에서 직접 공급되는 경우, 상기 처리수는 상기 외부 선박(20)의 평형수 탱크(21)로 제공되고, 상기 피처리수가 상기 외부 선박(20)의 평형수 탱크(21)로부터 공급되는 경우, 처리수는 바다로 방류된다.
상기 플라즈마 처리 장치(100)는, 상기 플라즈마 모듈(110)에서 배출되는 플라즈마 처리수에 포함된 산소(O2) 및 오존(O3)을 물(H2O)과 분리하는 제1 세퍼레이터(130), 상기 제1 세퍼레이터(130)에서 분리된 산소(O2)와 오존(O3)을 상기 연료전지 모듈(120)로 공급하는 기체 공급관(131), 상기 연료전지 모듈(120)에서 배출되는 연료전지 배출수에 포함된 산소(O2) 및 오존(O3)을 물(H2O)과 분리하는 제2 세퍼레이터(140) 및 제2 세퍼레이터(140)에서 배출되는 산소(O2) 및 오존(O3)을 제1 세퍼레이터(130)에 공급하는 유체 공급 모듈(150)을 포함할 수 있다.
또한, 상기 연료전지 모듈(120)을 냉각시키기 위한 냉각 모듈(160)을 포함하고, 상기 냉각 모듈(160)은, 상기 제1 세퍼레이터(130)에서 배출된 물의 적어도 일부를 상기 연료전지 모듈(120)의 냉각수로써 공급하기 위한 저온수 배관(161) 및 상기 연료전지 모듈(120)을 통과한 뒤 고온수로써 상기 냉각 모듈(160)로 되돌아오는 냉각수가 흐르는 고온수 배관(162)을 포함할 수 있다.
이때, 상기 냉각 모듈(160)은, 상기 저온수 배관(161)을 흐르는 저온의 냉각수와 상기 고온수 배관(162)을 흐르는 고온의 냉각수 사이의 온도차를 이용하여 전류를 생성하는 열전소자(미도시)를 포함하며, 상기 열전소자(미도시)로부터 생성된 전류는, 상기 플라즈마 모듈(110), 제1 세퍼레이터(130), 제2 세퍼레이터(140) 및 유체 공급 모듈(150) 중 적어도 어느 하나 이상에 공급될 수 있다.
상기 제2 세퍼레이터(140)에서 분리된 물은, 제1 처리수(145)로써 배출되고, 상기 고온수가 냉각 모듈(160)을 통과한 뒤 배출되는 물은 제2 처리수(165)로써 배출될 수 있으며, 상기 제1 세퍼레이터(130)에서 배출된 물의 일부는 상기 유체 공급 모듈(150)로 공급될 수 있다.
또한, 상기 플라즈마 모듈(110) 전단에는 공기 공급 장치(170)가 추가로 더 배치될 수 있다.
상술한 설명은 상기 모바일 선박 평형수 처리 시스템에 포함되는 모바일 선박 평형수 처리 장치(10)를 간략히 설명한 것으로, 상기 모바일 선박 평형수 처리 장치(10)는 앞서 본 발명의 일 실시예에서 설명한 것과 동일하므로 이하 중복되는 설명은 생략하도록 한다.
[ 실시예 1]
일 실시예에 따른 수리처용 플라즈마 전극(115)의 방전부(115a) 지름에 따른 방전 특성을 확인하기 위해, 접지부(115c), 고정부(115b) 및 방전부(115a)가 일체의 원주 형태로 형성된 플라즈마 전극을 사용하여 오존(O3)의 생성 정도를 확인하였다.
접지부(115c)와 고정부(115b) 및 방전부(115a)의 길이를 각각 16mm, 11mm, 11mm로 일정하게 유지한 후, 방전부(115a)의 직경을 다양한 범위로 변화시켜 가면서 전류를 가하여 발생되는 오존의 농도를 측정하였다. 전극의 끝부분인 방전부(115a)에서 생성되는 플라즈마로 인해 오존이 발생하게 되며, 이러한 오존은 플라즈마 수처리 과정에서 TOC(total organic carbon)의 감소와 같은 오염물질의 분해에 중요한 영향을 미치게 된다.
방전부(115a)의 지름을 1 내지 4mm의 범위로 변화시켰으며, 접지부(115c), 고정부(115b) 및 방전부(115a)의 직경의 비는 7.5:5:1로 일정하게 유지하였으며, 동일한 전압을 가하여 생성되는 오존의 농도를 측정한 결과는 아래의 표와 같다.
방전부의 지름[mm] 1 2 3 4
생성된 O3 농도[ppm] - 0.06 0.07 0.0001
상기 표 1의 결과에서 확인되듯이, 방전부(115a)의 지름이 너무 낮을 경우에는 플라즈마가 적절하게 형성되지 못하여 오존의 발생이 미미하였음을 알 수 있고, 직경이 너무 커질 경우에는, 방전(115a)부 표면에서 균일하게 플라즈마가 발생하지 못하여 전체적으로 발생되는 오존의 양이 감소하는 것을 확인할 수 있었다.
[ 실시예 2]
플라즈마 모듈(110)에 사용되는 플라즈마 전극(115)의 개수를 달리하여 전극 개수에 따른 오존 생성 농도, 클로로필a 제거율, 산화환원전위(ORP), 자외선 흡광도(UV254)를 측정한 뒤, 그 결과를 도 7 및 도 8에 도시하였다.
도 7 및 도 8의 결과를 참조하면, 플라즈마 전극(115)의 개수가 증가할수록 오존 생성 농도가 증가하고, 클로로필a 제거율이 향상되며, 자외선 흡광도의 세기 및 산화환원전위가 감소하는 것을 확인할 수 있다.
플라즈마 모듈(110)에서 생성되는 오존은 이후 연료전지 모듈(120)에 사용되므로, 오존의 농도는 높을수록 좋고, 클로로필a는 조류 농도를 나타내므로 클로로필a 제거율은 높을수록 바람직하다. 또한, 자외선 흡광도, 특히 파장 254cm-1대의 자외선 흡광도는 분해가 어려운 방향성 유기물 농도를 나타내는 지표이므로 여기에서의 흡광도는 낮을수록 바람직하며, 산화환원전위는 용존산소율과 비례하는 경향이 있으므로 높을수록 바람직하다.
즉, 도7과 도 8의 결과는, 플라즈마 전극(115)의 개수가 증가할수록 오존 생성 농도가 증가하고, 조류 제거율, 방향성 유기물 농도 제거율이 높아지나, 용존 산소율이 저하된다는 것을 의미한다.
따라서, 오존 생성 효율과 수처리 효율을 모두 향상시키기 위해 적절한 개수의 플라즈마 전극(115)이 사용되어야 하며, 적절한 플라즈마 전극(115)의 개수는 5~20개, 바람직하게는 10~15개임을 상기 실험 결과로부터 확인할 수 있었다.
[ 실시예 3]
플라즈마 모듈(110)에 사용되는 플라즈마 전극(115)의 간격을 달리하여 전극 간격에 따른 오존 생성 농도, 클로로필a 제거율, 산화환원전위(ORP), 자외선 흡광도(UV254)를 측정한 뒤, 그 결과를 도 9 및 도 10에 도시하였다.
도 9 및 도 10을 참조하면, 플라즈마 전극(115)의 간격이 증가하면 오존 생성 농도와 클로로필a 제거율이 감소하고, 용존산소율이 증가하며, 유기물 제거 효율이 저하되는 것을 확인할 수 있다.
실험 결과로부터 적절한 수처리 효율을 얻고, 오존 생성 농도를 높일 수 있는 바람직한 플라즈마 전극(115)의 간격은 3~6 cm임을 알 수 있다.
[ 실시예 4]
본 발명의 실시예에 사용되는 플라즈마 모듈(110)에 직접 공기를 주입하는 경우와 플라즈마 모듈(110)에 피처리수를 공급하는 펌프(미도시) 전단에 공기 공급 장치(170)를 배치하여 공기를 주입하는 경우의 수처리 효율 및 오존 생성 효율을 측정하고, 그 결과를 도 11 내지 도 14에 도시하였다. 이때, 도 11과 도 13은 플라즈마 모듈(110)에 직접 공기를 주입한 경우(실험예 4)의 실험 결과이고, 도 12와 도 14는 플라즈마 모듈(110)로 공급되는 피처리수에 공기를 주입한 경우(실험예 5)의 실험 결과이다.
도 11과 도 12를 살펴보면, 실험예 5의 오존 생성 농도와 클로로필a 제거율이 더 높은 것을 확인할 수 있으며, 이러한 효과는 공기 주입 속도가 증가할수록 더 향상되는 것을 확인할 수 있다.
또한, 도 13과 도 14를 참조하면, 실험예 4와 실험예 5의 방향성 유기물 제거 효과는 유사하나, 실험예 5의 용존산소율이 더 낮은 것으로 나타났다. 이는, 플라즈마에 의해 산소가 오존으로 합성되었기 때문에 나타난 결과인데, 본 발명에서는 여기서 발생되는 오존 및 산소를 연료전지 모듈(120)의 캐소드로 공급하여 사용하고, 오존의 수소 또는 수소 이온과의 반응성이 산소보다 더 높기 때문에, 플라즈마 모듈(110)에서 생성되는 오존의 이온이 높은 것이 연료전지 모듈(120)의 전기 에너지 생성 효율을 더 높일 수 있다.
따라서, 도 11 내지 도 14의 결과로부터 플라즈마 모듈(110)내로 직접 공기를 공급하는 것보다 플라즈마 모듈(100) 전단에서 공기를 주입시키는 것이 수처리 효율 및 오존 생성 농도를 더욱 향상시킬 수 있는 것을 확인할 수 있었다.
본 발명은 상술한 특정의 실시예 및 설명에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능하며, 그와 같은 변형은 본 발명의 보호 범위 내에 있게 된다.
10: 모바일 선박 평형수 처리 장치 20: 외부 선박
21: 평형수 탱크 100: 플라즈마 처리 장치
110: 플라즈마 모듈 111: 반응기
111a: 유입구 111b: 배출구
113: 접지전극 115: 플라즈마 전극
115a: 방전부 115b: 고정부
115c: 접지부 116: 플라즈마 전극 모듈
117: 거리 조절부 120: 연료전지 모듈
130: 제1 세퍼레이터 131: 기체 공급관
140: 제2 세퍼레이터 145: 제1 처리수
150: 유체 공급 모듈 160: 냉각 모듈
161: 저온수 배관 162: 고온수 배관
165: 제2 처리수 170: 공기 공급 장치
200: 필터 300: 해상 이동수단

Claims (20)

  1. 해상 이동수단; 및
    상기 해상 이동수단 내부에 위치하며, 유입된 피처리수를 살균하여 처리수로 배출시키는 플라즈마 처리 장치;를 포함하고,
    상기 플라즈마 처리 장치는,
    상기 피처리수에 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 모듈;
    상기 플라즈마 모듈에 전원을 공급하는 연료전지 모듈;
    상기 플라즈마 모듈에서 배출되는 플라즈마 처리수에 포함된 산소(O2) 및 오존(O3)을 물(H2O)과 분리하는 제1 세퍼레이터;
    상기 제1 세퍼레이터에서 분리된 산소(O2)와 오존(O3)을 상기 연료전지 모듈로 공급하는 기체 공급관;
    상기 연료전지 모듈에서 배출되는 연료전지 배출수에 포함된 산소(O2) 및 오존(O3)을 물(H2O)과 분리하는 제2 세퍼레이터;
    상기 제2 세퍼레이터에서 배출되는 산소(O2) 및 오존(O3)을 제1 세퍼레이터에 공급하는 유체 공급 모듈; 및
    상기 연료전지 모듈을 냉각시키는 냉각 모듈;을 포함하고,
    상기 냉각 모듈은,
    상기 제1 세퍼레이터에서 배출된 물을 상기 연료전지 모듈의 냉각수로 공급하기 위한 저온수 배관;
    상기 연료전지 모듈을 통과한 뒤 온도가 상승된 고온수로써 상기 냉각 모듈로 되돌아오는 냉각수가 흐르는 고온수 배관; 및
    상기 저온수 배관과 고온수 배관을 흐르는 물의 온도차를 이용하여 전류를 생성하는 열전소자;를 포함하여,
    외부 선박의 평형수를 위탁 처리하는 것을 특징으로 하는, 모바일 선박 평형수 처리 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 플라즈마 처리 장치 전단에 배치되는 필터;를 추가로 더 포함하는, 모바일 선박 평형수 처리 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 피처리수가 바다에서 직접 공급되는 경우, 상기 처리수는 상기 외부 선박의 평형수 탱크로 제공되는 것을 특징으로 하는, 모바일 선박 평형수 처리 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 피처리수가 상기 외부 선박의 평형수 탱크로부터 공급되는 경우, 처리수는 바다로 방류되는 것을 특징으로 하는, 모바일 선박 평형수 처리 장치.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제2 세퍼레이터에서 분리된 물은, 제1 처리수인 것을 특징으로 하는, 모바일 선박 평형수 처리 장치.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제1항에 있어서,
    상기 열전소자에서 발생된 전류는 상기 플라즈마 모듈, 제1 세퍼레이터, 제2 세퍼레이터 및 유체 공급 모듈 중 적어도 어느 하나 이상에 공급되는 것을 특징으로 하는, 모바일 선박 평형수 처리 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 냉각 모듈을 통과한 고온수는 제2 처리수로 배출되는 것을 특징으로 하는, 모바일 선박 평형수 처리 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제1 세퍼레이터에서 배출된 물의 일부가 상기 유체 공급 모듈로 공급되는 것을 특징으로 하는, 모바일 선박 평형수 처리 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 플라즈마 모듈 전단에 배치되는 공기 공급 장치;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 모바일 선박 평형수 처리 장치.
  14. 해상 이동수단; 및
    상기 해상 이동수단 내부에 위치하며, 유입된 피처리수를 살균하여 처리수로 배출시키는 플라즈마 처리 장치;를 포함하고,
    상기 플라즈마 처리 장치는,
    상기 피처리수에 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 모듈;
    상기 플라즈마 모듈에 전원을 공급하는 연료전지 모듈;
    상기 플라즈마 모듈에서 배출되는 플라즈마 처리수에 포함된 산소(O2) 및 오존(O3)을 물(H2O)과 분리하는 제1 세퍼레이터;
    상기 제1 세퍼레이터에서 분리된 산소(O2)와 오존(O3)을 상기 연료전지 모듈로 공급하는 기체 공급관;
    상기 연료전지 모듈에서 배출되는 연료전지 배출수에 포함된 산소(O2) 및 오존(O3)을 물(H2O)과 분리하는 제2 세퍼레이터;
    제2 세퍼레이터에서 배출되는 산소(O2) 및 오존(O3)을 제1 세퍼레이터에 공급하는 유체 공급 모듈; 및
    상기 연료전지 모듈을 냉각시키는 냉각 모듈;을 포함하고,
    상기 냉각 모듈은,
    상기 제1 세퍼레이터에서 배출된 물을 상기 연료전지 모듈의 냉각수로 공급하기 위한 저온수 배관;
    상기 연료전지 모듈을 통과한 뒤 온도가 상승된 고온수로써 상기 냉각 모듈로 되돌아오는 냉각수가 흐르는 고온수 배관; 및
    상기 저온수 배관과 고온수 배관을 흐르는 물의 온도차를 이용하여 전류를 생성하는 열전소자;를 포함하여 외부 선박의 평형수를 위탁 처리하며,
    상기 피처리수가 바다에서 직접 공급되는 경우, 상기 처리수는 외부 선박의 평형수 탱크로 제공되고,
    상기 피처리수가 외부 선박의 평형수 탱크로부터 공급되는 경우, 처리수는 바다로 방류되는 것을 특징으로 하는, 모바일 선박 평형수 처리 시스템.
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 제14항에 있어서,
    상기 열전소자로부터 생성된 전류는, 상기 플라즈마 모듈, 제1 세퍼레이터, 제2 세퍼레이터 및 유체 공급 모듈 중 적어도 어느 하나 이상에 공급되는 것을 특징으로 하는, 모바일 선박 평형수 처리 시스템.
  18. 제14항에 있어서,
    상기 제2 세퍼레이터에서 분리된 물은, 제1 처리수로 배출되고,
    상기 냉각 모듈을 통과한 고온수는 제2 처리수로 배출되는 것을 특징으로 하는, 모바일 선박 평형수 처리 시스템.
  19. 제14항에 있어서,
    상기 제1 세퍼레이터에서 배출된 물의 일부가 상기 유체 공급 모듈로 공급되는 것을 특징으로 하는, 모바일 선박 평형수 처리 시스템.
  20. 제14항에 있어서,
    상기 플라즈마 모듈 전단에 배치되는 공기 공급 장치;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 모바일 선박 평형수 처리 시스템.
KR1020190049187A 2019-04-26 2019-04-26 플라즈마 수중방전을 활용한 모바일 선박 평형수 처리 장치 및 이를 포함하는 수처리 시스템 KR102143003B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190049187A KR102143003B1 (ko) 2019-04-26 2019-04-26 플라즈마 수중방전을 활용한 모바일 선박 평형수 처리 장치 및 이를 포함하는 수처리 시스템

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190049187A KR102143003B1 (ko) 2019-04-26 2019-04-26 플라즈마 수중방전을 활용한 모바일 선박 평형수 처리 장치 및 이를 포함하는 수처리 시스템

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR102143003B1 true KR102143003B1 (ko) 2020-08-10

Family

ID=72049626

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020190049187A KR102143003B1 (ko) 2019-04-26 2019-04-26 플라즈마 수중방전을 활용한 모바일 선박 평형수 처리 장치 및 이를 포함하는 수처리 시스템

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102143003B1 (ko)

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20100120946A (ko) * 2009-05-07 2010-11-17 현대중공업 주식회사 전기분해방식의 선박평형수 처리장치의 전해수 수소 분리장치
KR101183611B1 (ko) * 2012-01-10 2012-09-18 주식회사 리폼테크 밸러스트 수 처리장치를 구비한 해양구조물을 이용한 수처리 시스템
KR101204879B1 (ko) 2011-05-30 2012-11-26 한국원자력연구원 선박평형수 살균장치 및 이를 이용한 선박평형수 살균방법
KR20130100591A (ko) * 2012-03-02 2013-09-11 국방과학연구소 연료전지 시스템, 그 냉각 방법 및 연료전지 시스템을 구비한 운동체
KR20140046190A (ko) * 2012-10-10 2014-04-18 대우조선해양 주식회사 잠수함의 연료전지 시스템 및 그 연료전지 시스템의 가스 제거방법
KR101436138B1 (ko) * 2011-04-06 2014-09-01 (주) 테크윈 해수전해 및 연료전지 복합시스템
KR20140139143A (ko) * 2010-05-07 2014-12-05 대우조선해양 주식회사 잠수함의 ＡＩＰ(Ａｉｒ Ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ Ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ) 폐열을 이용한 발전효율 향상 시스템

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20100120946A (ko) * 2009-05-07 2010-11-17 현대중공업 주식회사 전기분해방식의 선박평형수 처리장치의 전해수 수소 분리장치
KR20140139143A (ko) * 2010-05-07 2014-12-05 대우조선해양 주식회사 잠수함의 ＡＩＰ(Ａｉｒ Ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ Ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ) 폐열을 이용한 발전효율 향상 시스템
KR101436138B1 (ko) * 2011-04-06 2014-09-01 (주) 테크윈 해수전해 및 연료전지 복합시스템
KR101204879B1 (ko) 2011-05-30 2012-11-26 한국원자력연구원 선박평형수 살균장치 및 이를 이용한 선박평형수 살균방법
KR101183611B1 (ko) * 2012-01-10 2012-09-18 주식회사 리폼테크 밸러스트 수 처리장치를 구비한 해양구조물을 이용한 수처리 시스템
KR20130100591A (ko) * 2012-03-02 2013-09-11 국방과학연구소 연료전지 시스템, 그 냉각 방법 및 연료전지 시스템을 구비한 운동체
KR20140046190A (ko) * 2012-10-10 2014-04-18 대우조선해양 주식회사 잠수함의 연료전지 시스템 및 그 연료전지 시스템의 가스 제거방법

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9352984B2 (en) Fluid treatment using plasma technology
US6620210B2 (en) Method of washing laundry using ozone to degrade organic material
US7704401B2 (en) Liquid treatment apparatus and liquid treatment method
EP2089324B1 (en) Ballast water treatment method and apparatus
KR101210558B1 (ko) 플라즈마 수처리장치
KR101057453B1 (ko) 플라즈마 처리장치
KR20090054483A (ko) 수중 플라즈마 발생장치 및 방법
KR102130302B1 (ko) 수처리용 플라즈마 전극 모듈을 포함하는 수처리 시스템
KR20090110060A (ko) 수중 플라즈마 발생장치 및 방법
US6516738B2 (en) Method and apparatus for delivering ozone to ballast tanks
KR101600037B1 (ko) 선박평형수 처리시스템
KR101211823B1 (ko) 플라즈마와 버블을 이용한 폐수 처리 시스템
KR101497591B1 (ko) 방전을 이용한 수처리장치
KR102143036B1 (ko) 플라즈마 수중방전을 활용한 육상 이동형 선박 평형수 처리 장치 및 이를 포함하는 수처리 시스템
JP2001000974A (ja) バラスト水の処理方法、及び船舶
CN103112980A (zh) 一种流动式介质阻挡放电废水处理装置
US20220098745A1 (en) Water electrolysis apparatus, and sterilization/cleaning method and method for decomposing/removing harmful substance, each using water electrolysis apparatus
KR101303832B1 (ko) 스컴 제거를 위한 고전압 방전 시스템
KR102143003B1 (ko) 플라즈마 수중방전을 활용한 모바일 선박 평형수 처리 장치 및 이를 포함하는 수처리 시스템
KR102044024B1 (ko) 수처리용 플라즈마 전극, 플라즈마 전극 모듈 및 이를 포함하는 수처리 시스템
KR101479261B1 (ko) 액체 공급 장치 및 이를 이용한 플라즈마 수처리 장치
US10239772B2 (en) Recycling loop method for preparation of high concentration ozone
US20210101804A1 (en) Plasma Treatment System With Multiple Horizontal Channels
KR101444290B1 (ko) 전자기 공명 장치와 전자장 장치, 전기 화학적 분해 장치를 이용한 바이오 메탄가스 정제 처리 시스템 중 배출수의 재순환 처리 장치
KR100950415B1 (ko) 담수 또는 해수의 전기분해장치

Legal Events

Date Code Title Description
GRNT Written decision to grant