KR102228472B1 - 수질 정화기능이 내장된 조류를 포함한 수중 미생물 제거 장치 - Google Patents
수질 정화기능이 내장된 조류를 포함한 수중 미생물 제거 장치 Download PDFInfo
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Abstract
수질 정화기능이 내장된 조류를 포함한 수중 미생물 제거 장치가 개시된다. 본 발명은, 녹조 및 적조가 활성화된 하천수, 해양수 또는 선박의 발라스트 탱크용 해수, 공업용 하천수 등의 수중에 함유된 각종 세균이나 미생물을 제거하면서 수질을 정화할 수 있다.
Description
본 발명은 수질 정화기능이 내장된 조류를 포함한 수중 미생물 제거 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 녹조 및 적조가 활성화된 하천수, 해양수 또는 선박의 발라스트 탱크용 해수, 공업용 하천수 등의 수중에 함유된 각종 세균이나 미생물을 제거하면서 수질을 정화하기 위한 장치에 관한 것이다.
녹조 및 적조로 오염된 해양수를 정화하기 위한 다양한 기술이 제안된 바 있다. 그 대표적인 예로 황토를 이용한 해양수 정화시도를 대한민국 특허공보 제10-1028175호(발명의 명칭: 황토분사기능을 갖는 선박형적조 및 녹조 제거장치, 이하 '인용발명 1'이라 함)에 의하여 살펴 볼 수 있다.
이러한 인용발명 1은 선박 내부에 설치되며 교반기가 설치된 황토액 혼합탱크에 저장된 황토액을 분사펌프를 이용하여 부력판에 설치된 노즐에 황토액을 공급하여 수면위에 분사함과 동시에 하강수단을 이용하여 수온이 상승된 표층수를 하층부로 분출하여 표층의 산소를 심층에 전달과 함께 표층에 발생된 적조 및 녹조를 심층부로 하강시켜 사멸시키도록 하는 것이다. 그러나, 인용발명 1은 황토액을 연속 투입하여야 하므로 유지관리비가 많이 들고 적조 및 녹조의 사멸효율이 낮으며 사멸시간이 많이 소요된다.
다른 형태로 초음파를 이용한 녹조 방지 시스템이 제안된 바 있으며, 그 구조를 대한민국 특허공보 제10-1570120호(발명의 명칭: 초음파 녹조제거 시스템, 이하 '인용발명 2'라 함)에 의하여 살펴 볼 수 있다. 이러한 인용발명 2는 레일부, 초음파 발생기, 초음파 반사부, 제어부, 수면 감지부로 구성되어 레일부에 초음파 반사부가 설치되어 초음파 반사부가 상기 레일부를 따라 승강 이동하게 하였고, 반사부에 설치되는 반사본체의 바닥 반사판 상부에 초음파 진동자가 내장된 초음파 발생기를 설치하여 초음파 발생기에서 생성되는 초음파를 수면이나 수중에 조사하여 녹조의 기포를 파괴하고 수면에 음파막을 형성하여 조류의 부력을 방해하며, 부유하지 못한 조류는 빛을 보지 못해 광합성 작용을 억제하여 사멸 시키도록 한 것이다.
반면에 이러한 인용발명 2는 해수의 경우 수중에 설치되는 초음파 반사부 자체가 염분으로 인하여 부식되어 사용이 불가능하게 되는 경우가 빈번하고 녹조의 기포파괴만으로 녹조 및 적조 사멸에 장기간 시일이 소요되는 단점이 있는 것이다.
아울러, 플라즈마를 이용하여 녹조 및 적조 제거를 도모할 수 있도록 한 시도가 있었으며 그 예를 대한민국 특허공보 제10-1629202호(발명의 명칭: 플라즈마를 이용하는 녹조 및 적조제거장치, 이하 '인용발명 3'이라 함)에 의하여 살펴 볼 수 있다. 이러한 인용발명 3은 선박 하부에 원형의 유동로를 지지체를 이용하여 선박에 고정하고 유동로 상부 일측을 관통하여 유전체관을 유동로 하부에 설치된 버블 생성기 까지 연장하여 설치하고, 유전체 내부에 방전극을 설치하고, 방전극과 일정거리 이격하여 유동로 일측에 대항전극을 설치하며 전원 인가수단에서 생성된 고전압을 도선을 통하여 방전극 및 대향전극에 인가하여 수중 플라즈마 방전과정에서 생성되는 오존 및 수산기(OH-Radical)를 유로로 유입되는 적조 및 녹조 함유수에 분산 접촉케하여 사멸하도록 한 것이다.
이러한 인용발명 3은 수중에 용해되지 않은 배오존 처리 시설 및 버블 발생기가 별도 필요할 뿐만 아니라 유전체의 표면 오염 시 방전이 불균일하여 적조 및 녹조처리에 많은 소요시간이 필요한 문제점이 있는 것이다.
이상에서 살펴 본 바와 같이 종래의 하천수 및 해양수 녹조 및 적조 제거장치 및 방법들은 전술한 문제점들로 인해 효율성 측면에서 미진한 부분이 있으며, 안정성, 내구성을 확보하면서 넓은 적용범위를 갖는 녹조 및 적조 제거 방안을 제시하지 못하고 있는 실정이다.
본 발명에 따른 수질 정화기능이 내장된 조류를 포함한 수중 미생물 제거 장치는, 방전챔버 내부에 서로 마주보게 설치된 방전전극 및 접지전극으로 구성된 방전극에 고전압 발생기에서 생성된 고전압을 도선을 통해 인가하여 방전극 사이에서 방전을 개시하면서 고전계 전자에너지 대역을 형성하고, FAN에 의해 흡입되는 외부공기를 가압하여 방전극 사이에서 형성되는 고전계 전자에너지 대역을 통과시켜 해리, 여기, 이온화, 산화, 환원반응 등의 전기화학적 반응으로 산소이온(O), 수소양성자(H+), 히드록실 이온(OH-) 등의 활성기체를 생산하고, 생산된 활성기체를 가압기로 가압하여 공급하는 활성기체 공급기;
펌프의 흡인력으로 하천수 또는 해수를 흡입하여 흡입관상에 설치된 필터유닛을 통과시켜 협잡물을 제거하고, 필터유닛과 간격을 두고 흡입관상에 설치된 혼합기로 활성기체 공급기에서 생산되어 가압기로 가압하여 공급되는 활성기체의 양을 유량조절기로 적정량을 조절하여 유입되는 하천수 또는 해수 수중에 공급하여 기체상 액체상이 혼합된 기포를 포함하는 유체상태로 펌프에 흡입되어 고속으로 회전하는 펌프의 날개(Blade)와 충돌하여 유체상의 활성기체를 함유한 기포가 파괴되면서 충격을 수반하면서 활성기체중의 산소이온(O), 수소양성자(H+), 히드록실 이온(OH-) 등의 활성기체가 수중에 방출 용해되면서 녹조 또는 적조류를 1차 살균하는 활성기체 용해기;
벤츄리이젝터 외부에 솔레노이드 형상으로 권선된 히터에 전원공급기에서 전원이 공급되어 히터의 발열로 내면의 온도가 193℃ 보다 높게 가열되는 벤츄리이젝터에 활성기체 용해기의 펌프를 이용하여 하천수 또는 해수를 공급하면, 고온으로 가열되는 벤츄리이젝터에 내면에 유입되는 하천수 또는 해수가 접촉되어 라이텐프로스트 효과(Leidenfrost effect)에 의해 하천수 또는 해수가 비등(증기화)하면서 수중의 조류균이 살균되고, 활성기체 공급기에서 생산되고 가압기에서 가압하여 공급되는 활성기체를 유량조절기로 적정량을 조절하면서 외부에 권선된 히터에 전원이 공급되어 고온으로 가열된 가열기로 통과시켜 전도 및 대류방식으로 활성기체를 250℃ 내지 500℃ 범위로 가열하여 벤츄리이젝터의 목부로 공급하면 벤츄리이젝터의 내면에서 비등하는 수증기와 접촉, 상대적으로 저온상태의 수중에 고온으로 공급되는 활성기체의 기포가 응축되어 파괴되는 초 공동화 현상으로 소음을 수반한 수격작용으로 고온의 기포가 연쇄적으로 파괴되는 과정에서 방출되는 히드록실 이온(OH-) 등의 활성기체와 접촉에 의해 세포막의 천공, 고온의 기포 표면과의 접촉에 의한 열적 충격, 기포파괴에 의해 발생되는 진동을 수반하는 충격파에 의해 수중의 녹조 또는 적조류를 2차 살균하는 살균기;
고전압 펄스 발생장치, 방전전극 및 접지전극, 도선으로 구성되어 사전에 고전압 펄스 발생장치에서 출력전압, 출력전류, 펄스 반복율, 펄스폭이 설정된 출력전원이 도선을 통하여 방전전극 및 접지전극에 인가 되면 방전극 사이로 유입되는 조류가 포함된 수중에 펄스에너지가 전달되면서 조류의 세포막에 1volt 이상의 임계전압이 인가되어 전기천공 방식으로 조류의 세포막이 천공됨과 동시에 방전이 개시되고, 방전에 의하여 충격파가 발생하고, 동시에 방전극을 통과하는 활성기체 용해기에서 파괴되지 않은 활성기체가 함유된 기포와 살균기의 가열기에서 고온으로 가열되어 벤츄리이젝터 목부로 공급되어 수중에 함유된 고온의 기포가 방전 충격파로 파괴되며, 기포가 파괴되면서 발생하는 진동을 수반한 수격압이 가해져 기포를 다시한번 파괴하는 제1 기포파괴기와,
고전압 펄스 발생장치, 방전전극, 접지전극, 도선, 트리거 전압발생기, 트리거 전압전극, 도선으로 구성되어 사전에 고전압 펄스 발생장치에서 출력전압, 출력전류, 펄스 반복율, 펄스폭이 설정된 출력전원이 도선을 통하여 방전전극 및 접지전극에 인가하고, 트리거 전압발생기에서 생성되는 전압을 도선을 통하여 트리거 전압전극에 인가하면 방전전극, 트리거 전압전극 및 접지전극 사이로 유입되는 조류가 포함된 수중에 펄스에너지가 전달되면서 조류의 세포막에 1volt 이상의 임계전압이 인가되어 전기천공 방식으로 조류의 세포막이 천공됨과 동시에 방전이 개시되고, 방전에 의하여 충격파가 발생하고, 동시에 방전전극, 접지전극 및 트리거 전극을 통과하는 활성기체 용해기에서 파괴되지 않은 활성기체가 함유된 기포와 살균기의 가열기에서 고온으로 가열되어 벤츄리이젝터 목부로 공급되어 수중에 함유된 고온의 기포가 방전 충격파로 파괴되며, 기포가 파괴되면서 발생하는 진동을 수반한 수격압이 충격파로 기포를 효율적으로 파괴하는 제2 기포파괴기와,
고전압 펄스 발생 장치, 방전전극, 접지전극, 트리거 전압전극, 트랜스, 도선으로 구성되어 사전에 고전압 펄스 발생장치에서 출력전압, 출력전류, 펄스 반복율, 펄스폭이 설정된 출력전원이 방전전극 및 접지전극 및 트리거 전압전극에 인가되며, 고전압 펄스 발생장치의 출력측의 한 도선은 트랜스의 2차측 인덕터를 경유하여 접지전극에 연결되며, 다른 한 도선은 트랜스의 1차측 인덕터(L1)를 사이에 끼워 콘덴서(c)의 1차측 단자에 접속 및 2차측 단자에 접속되어 방전전극에 연결되고, 고전압 펄스 발생 장치의 다른 한 출력도선은 트리거 전압전극에 연결되며, 제어반에서 고전압 펄스 발생 장치에 전원이 공급되고, 고전압 펄스 발생 장치의 출력선에 정(+)의 전위로 되는 고전압 펄스가 인가되면 콘덴서(c)는 1차측(L1)에 의하여 서서히 충전되며 이때의 전류변화에 의하여 2차측(L2)으로 트리거 전압이 발생하여 트리거 전압전극와 접지전극의 사이로 유입되는 조류가 포함된 수중에 펄스에너지가 전달되면서 조류의 세포막에 1volt이상의 임계전압이 인가되어 전기천공 방식으로 조류의 세포막이 천공됨과 동시에 자유방전이 발생하고, 이 자유 방전에 의해 유발되어서 방전전극 및 접지전극사이로 주 방전이 발생하여 충격파가 발생하고, 동시에 방전전극, 접지전극 및 트리거 전극을 통과하는 활성기체 용해기에서 파괴되지 않은 활성기체가 함유된 기포와 살균기의 가열기에서 고온으로 가열되어 벤츄리이젝터 목부로 공급되에 수중에 함유된 고온의 기포가 방전 충격파로 파괴되며, 기포가 파괴되면서 발생하는 진동을 수반하는 수격압이 충격파로 기포를 효율적으로 파괴하는 제3 기포파괴기 중에서 어느 한기종이 선정되어 사용되는 기포파괴기;
외통(음극), 양 끝단면이 원형인 원기둥 형상의 내통(양극), 구동모터, 직류 전원공급기로 구성되며. 음극은 하부에 벤츄리이젝터가 설치된 원기둥형의 형태이며 외통(음극)의 내면,내통(양극)의 외면이 재질이 철(Fe) 또는 알루미늄(Al) 재질중에 선택되어 사용되거나 또는 상부에서 하부방향으로 복수개의 단수를 두어 단계적으로 철, 알루미늄 재질 순 또는 알루미늄, 철 재질 순으로 서로 다른 재질을 혼용하여 사용할 수 있고 각각의 재질 표면에 복수개 의 돌기가 형성되도록 가공되고, 외통내부 상하부면에 음극과 절연되어 중심부에 베어링이 설치된 상부 및 하부 고정대가 설치되고, 설치된 고정대의 중심부에 설치된 베어링에 양 끝단면 중심부에 회전축이 설치된 양극의 회전축이 삽입되어 양극이 외통내부에 설치되고, 양극의 상부 회전축 끝단에 제2 베벨기어가 설치되며, 회전축 끝단에 제1 베벨기어가 설치된 구동모터가 음극외부에 설치되어 제어반에서 전원을 공급받아 모터가 가동되어 회전력을 회전축 및 베벨기어로 전달받는 양극이 회전하여 음극(501)과 양극(511)사이에서 선회류 유동(Swirl flow)을 형성하면서서 직류 전원공급기로부터 직류 전원을 받아 전기분해 작용으로 음극에서 생성되는 수소(H2)가스 및 활성기체 용해기 및 살균기에서 저온 고온의 활성기체를 함유한 기포가 파괴되면서 방출되는 수소 양성자(H+)가 또는 수소공급기에서 공급되는 수소가스가 수중의 질산성질소가 반응하여 유리질소(N2)와 물(H2O)을 생성하면서 질산성 질소가 제거되고, 수중에 산소에 의해 산화되어 생성된 인산이온(PO4 3-)은 양극에서 전기분해작용으로 석출되는 철이온(Fe3+) 또는 알루미늄 이온(Al3+)과 반응하여 인산철염(FePO4(s)) 및 인산알미늄염(AlPO4(s))으로 침전시키고 잉여의 철이온(Fe3+) 또는 알루미늄 이온(Al3+)은 히드록실 이온(OH-)과 반응하여 수산화제3철(Fe(OH)3(s)) 및 수산화알루미늄염(Al(OH)3(s))으로 침전시켜 수질을 정화하는 선회류(swirl flow)형 질소 및 인 제거기와,
외통(음극), 양 끝단면이 타원형인 타원기둥 형상의 내통(양극), 구동모터, 직류 전원공급기로 구성되며, 음극은 하부에 벤츄리이젝터가 설치된 원기둥형의 형태이며 외통(음극)의 내면의 재질이 철(Fe) 또는 알루미늄(Al) 재질중에 선택되어 사용되거나 또는 상부에서 하부방향으로 복수개의 단수를 두어 단계적으로 철, 알루미늄 재질 순 또는 알루미늄, 철 재질 순으로 서로 다른 재질을 혼용하여 사용할 수 있고 각각의 재질 표면에 복수개 의 돌기가 형성되도록 가공되고, 외통내부 상하부면에 음극과 절연되어 중심부에 베어링이 설치된 상부 및 하부 고정대가 설치되고, 설치된 고정대의 베어링에 양 끝단면 중심부에 회전축이 설치된 양극의 회전축이 삽입되어 양극이 외통 내부에 설치되고, 양극의 상부 회전축 끝단에 제2 베벨기어가 설치되며, 회전축 끝단에 제1 베벨기어가 설치된 구동모터가 음극외부에 설치되어 제어반에서 전원을 공급받아 모터가 가동되어 회전력을 회전축 및 베벨기어 로 전달받는 양극이 회전하면, 음극과 양극사이에서 유체의 흐름은 불규칙한 난류흐름 및 충분한 원심력이 생성되지 않아 간헐적으로 Turbulent Tayler Voltex flow(TTVF) 흐름이 되지만, 사전에 프로그램되어 사전에 입력된 제어반의 제어회로에 의해 구동모터의 회전수를 적정 회전수로 증가시키면 구동모터의 회전력을 전달받는 양극의 회전수가 증가되어 양극의 단변과 장변 차이에 의해 음극과 양극사이에서 유체의 흐름은 강력한 난류흐름 및 음극방향으로 강한 원심력이 생성되어 규칙적이며 강력한 Turbulent Tayler Voltex flow(TTVF) 흐름이 되어 파괴되지 않은 활성기체가 함유된 기포와 음극에서 전기분해작용에 의해 생성되는 수소(H2)가스 및 활성기체 용해기 및 살균기에서 저온 고온의 활성기체를 함유한 기포가 파괴되면서 방출되는 수소 양성자(H+)가 또는 수소발생기 또는 수소공급기에서 공급되는 수소가스가 수중의 질산성질소와 반응하여 유리질소(N2)와 물(H2O)을 생성하면서 질산성 질소가 제거되고, 수중에 산소에 의해 산화되어 생성된 인산이온(PO43-)은 양극에서 전기분해작용으로 석출되는 철이온(Fe3+) 또는 알루미늄 이온(Al3+)과 반응하여 인산철염(FePO4(s)) 및 인산알미늄염(AlPO4(s))으로 침전시키고 잉여의 철이온(Fe3+) 또는 알루미늄 이온(Al3+)은 히드록실 이온(OH-)과 반을하여 수산화제3철(Fe(OH)3(s)) 및 수산화알루미늄염(Al(OH)3(s))으로 침전시켜 수질을 정화하는 쿠에뜨 유동형 질소 및 인 제거기 중에서 어느 한기종이 선정되어 사용되는 질소 및 인 제거기; 및
활성기체 공급기, 활성기체 용해기, 살균기, 기포파괴기, 질소 및 인 제거기에 전원을 공급 및 차단하는등 제어작용을 하는 제어반을 더 포함하여 구성되는 수질 정화기능이 내장된 조류를 포함한 수중 미생물 제거 장치를 제공하는데 있다.
본 발명에 따른 수질 정화기능이 내장된 조류를 포함한 수중 미생물 제거 장치는, 방전챔버(111) 내부에 서로 마주보게 설치된 방전전극(112) 및 접지전극(113)에 고전압 발생기(114)에서 생성된 고전압을 도선(115)을 통하여 인가하여 방전극(112, 113) 사이에서 방전을 개시하면서 고전계 전자에너지 대역을 형성하고, FAN(101)에 의해 흡입되는 외부공기를 가압하여 방전극(112,113) 사이에서 형성되는 고전계 전자에너지 대역을 통과시켜 해리, 여기, 이온화, 산화, 환원반응의 전기화학적 반응으로 산소이온(O), 히드록실 이온(OH-)의 활성기체를 생산하고, 생산된 활성기체를 가압기(120)로 가압하여 활성기체 용해기(220)와 살균기(300)로 공급하는 활성기체 공급기(100);
펌프(204)의 흡인력으로 하천수 또는 해수를 흡입하는 과정에서 흡입관상에 설치된 필터유닛(201)을 통과시켜 협잡물을 제거하고, 흡입관상에 필터유닛(201)과 간격을 두고 설치된 혼합기(203)로 통과시키는 과정에서 활성기체 공급기(100)에서 생산되고 가압기(120)에서 가압하여 유량조정기로 공급하여 유량조정기(202)에서 유량을 적정량으로 조절하여서 혼합기(203)에 공급하여, 유입되는 하천수 또는 해수 수중에 공급하여 기체상 액체상이 혼합된 기포를 포함하는 유체상태로 펌프(204)에 흡입되어 고속으로 회전하는 펌프의 날개(Blade)와 충돌하여 유체상의 활성기체를 함유한 기포가 파괴되면서 진동을 수반한 충격파와 수중에 방출되는 산소이온(O), 히드록실 이온(OH-), 수소양성자(H+)의 활성기체중의 산소이온(O)은 수중에 용해되고, 히드록실 이온(OH-)이 녹조 또는 적조류의 세포막을 천공하여 1차 살균하는 활성기체 용해기(200);
벤츄리이젝터(303)외부에 솔레노이드 형상으로 권선된 히터(304)에 전원공급기(305)에서 전원이 공급되어 히터의 발열로 내면이 193℃ 이상으로 가열되는 벤츄리이젝터(303)에 활성기체 용해기(200)의 펌프(204)를 이용하여 하천수 또는 해수를 공급하면, 193℃ 이상의 고온으로 가열되는 벤츄리이젝터(303)에 내면에 유입되는 하천수 또는 해수가 접촉되어 라이텐프로스트 효과(Leidenfrost effect)에 의해 하천수 또는 해수가 비등(증기화)하는 상태에서 이 비등하는 증기층과 접촉하는 수중의 조류균의 세포막이 열적충격(50℃ 이상)으로 용해되어 살균되고, 활성기체 공급기(100)에서 생산되고 가압기(120)에서 가압하여 공급되는 활성기체를 유량조절기(301)로 적정량을 조절하면서 외부에 권선된 히터(302c)에 전원이 공급되어 고온으로 가열된 가열기(302)로 통과시켜 전도 및 대류방식으로 활성기체를 250℃ 내지 500℃ 범위로 가열하여 벤츄리이젝터(303)의 목부(303a)로 공급하면 벤츄리이젝터(303)의 내면에서 비등하는 수증기와 접촉, 상대적으로 저온상태의 수중에 고온으로 공급되는 활성기체의 기포가 응축되어 파괴되는 초 공동화 현상으로 소음과 진동을 수반한 수격작용으로 고온의 기포가 연쇄적으로 파괴되는 과정에서 방출되는 히드록실 이온(OH-)의 활성기체와 접촉에 의한 세포막의 천공, 고온의 기포 표면과의 접촉에 의한 열적 충격, 기포파괴에 의해 발생되는 진동을 수반한 충격파에 의해 수중의 녹조 또는 적조류를 2차 살균하는 살균기(300);
고전압 펄스 발생장치(411), 방전전극(412) 및 접지전극(413), 도선(414)으로 구성되어 사전에 고전압 펄스 발생장치(411)에서 출력전압, 출력전류, 펄스 반복율, 펄스폭이 설정된 출력전원이 도선(414)을 통하여 방전전극(412) 및 접지전극(413)에 인가 되면 방전극(412, 413)사이로 유입되는 조류가 포함된 수중에 펄스에너지가 전달되면서 조류의 세포막에 1volt 이상의 임계전압이 인가되어 전기천공 방식으로 조류의 세포막이 천공됨과 동시에 방전이 개시되고, 방전에 의하여 충격파가 발생하고, 동시에 방전극(412, 413)을 통과하는 활성기체 용해기(200)에서 파괴되지 않은 활성기체가 함유된 기포와 살균기(300)의 가열기(302)에서 고온으로 가열되어 벤츄리이젝터(303) 목부(303a)로 공급되어 수중에 함유된 고온의 기포가 방전 충격파로 파괴되며, 기포가 파괴되면서 발생하는 수격압(충격파)이 가해져 기포를 다시한번 파괴하는 제1 기포파괴기(410)와,
고전압 펄스 발생장치(421), 방전전극(422), 접지전극(423), 도선(424), 트리거 전압발생기(425), 트리거 전압전극(426), 도선(427)으로 구성되어 사전에 고전압 펄스 발생장치(421)에서 출력전압, 출력전류, 펄스 반복율, 펄스폭이 설정된 출력전원이 도선(422a)을 통하여 방전전극(422) 및 도선(424)를 통하여 접지전극(423)에 인가하고, 트리거 전압발생기(425)에서 생성되는 전압을 도선(427)을 통하여 트리거 전압전극(426)에 인가하면 방전전극(421), 트리거 전압전극(426) 및 접지전극(423) 사이로 유입되는 조류가 포함된 수중에 펄스에너지가 전달되면서 조류의 세포막에 1volt 이상의 임계전압이 인가되어 전기천공 방식으로 조류의 세포막이 천공됨과 동시에 방전이 개시되고, 방전에 의하여 충격파가 발생하고, 동시에 방전전극(422), 접지전극(423) 및 트리거 전극(426)을 통과하는 활성기체 용해기(200)에서 파괴되지 않은 활성기체가 함유된 기포와 살균기(300)의 가열기(302)에서 고온으로 가열되어 벤츄리이젝터 목부(303a)로 공급되어 수중에 함유된 고온의 기포가 방전 충격파로 파괴되며, 기포가 파괴되면서 발생하는 진동을 수반한 충격파로 기포를 효율적으로 파괴하는 제2 기포파괴기(420)와,
고전압 펄스 발생 장치(431), 방전전극(432), 접지전극(433), 트리거 전압전극(434), 트랜스(435), 도선(431a, 431b)으로 구성되어 사전에 고전압 펄스 발생장치(431)에서 출력전압, 출력전류, 펄스 반복율, 펄스폭이 설정된 출력전원이 방전전극(432) 및 접지전극(433) 및 트리거 전압전극(434)에 인가되며, 고전압 펄스 발생장치(431)의 출력측의 한 도선(431a)은 트랜스(435)의 2차측 인덕터(L2)를 경유하여 접지전극(433)에 연결되며, 다른 한 도선은 트랜스(435)의 1차측 인덕터(L1)을 사이에 끼워 콘덴서(c)의 1차측 단자에 접속 및 2차측 단자에 접속되어 방전전극(433)에 연결되고, 고전압 펄스 발생 장치(431)의 다른 한 출력도선(431b)은 트리거 전압전극(434)에 연결되며, 제어반(600)에서 고전압 펄스 발생 장치(431)에 전원이 공급되고, 고전압 펄스 발생 장치(431)의 출력선에 정(+)의 전위로 되는 고전압 펄스가 인가되면 콘덴서(c)는 1차측(L1)에 의하여 서서히 충전되며 이때의 전류변화에 의하여 2차측(L2)으로 트리거 전압이 발생하여 트리거 전압전극(434)와 접지전극(433)의 사이로 유입되는 조류가 포함된 수중에 펄스에너지가 전달되면서 조류의 세포막에 1volt 이상의 임계전압이 인가되어 전기천공 방식으로 조류의 세포막이 천공됨과 동시에 자유방전이 발생하고, 이 자유 방전에 의해 유발되어서 방전전극(432) 및 접지전극(433)사이로 주 방전이 발생하여 충격파가 발생하고, 동시에 방전전극(432), 접지전극(433) 및 트리거 전극(434)을 통과하는 활성기체 용해기(200)에서 파괴되지 않은 활성기체가 함유된 기포와 살균기(300)의 가열기(302)에서 고온으로 가열되어 벤츄리이젝터 목부(303a)로 공급되에 수중에 함유된 고온의 기포가 방전 충격파로 파괴되며, 기포가 파괴되면서 발생하는 진동을 수반한 충격파로 기포를 효율적으로 파괴하는 제3 기포파괴기(430) 중에서 어느 한기종이 선정되어 사용되는 기포파괴기(400);
외통(501)(음극), 양 끝단면이 원형인 원기둥 형상의 내통(511)(양극), 구동모터(520), 직류 전원공급기(530), 수소발생기(540) 또는 수소공급기(540a)로 구성되며, 음극(501)은 하부에 펌프(504)와 벤츄리이젝터(505)가 설치된 원기둥형의 형태이며 외통(501)(음극)의 내면, 내통(511)(양극)의 외면의 재질이 철(Fe) 또는 알루미늄(Al) 재질중에 선택되어 사용되거나 또는 상부에서 하부방향으로 복수개의 단수를 두어 단계적으로 철, 알루미늄 재질 순 또는 알루미늄, 철 재질 순으로 서로 다른 재질을 혼용하여 사용할 수 있고 각각의 재질 표면에 복수개의 돌기(501a)가 형성되도록 가공되고, 외통(501)내부 상하부면에 중심부에 베어링(502a)이 설치되고 음극(501)과 절연되어 중심부에 베어링(502a)이 설치된 상부 고정대(502) 및 하부 고정대(503)가 설치되고, 설치된 고정대(502, 503)의 베어링(502a)에 양 끝단면 중심부에 회전축(512)이 설치된 양극(511)의 회전축(512)이 삽입되어 양극(511)이 설치되고, 양극(511)의 상부 회전축(512) 끝단에 제2 베벨기어(512a)가 설치되며, 회전축 끝단에 제1 베벨기어(522)가 설치된 구동모터(520)가 음극(501)외부에 설치되어 제어반(600)에서 전원을 공급받아 모터(520)가 가동되어 회전력을 회전축 및 베벨기어(512a, 522) 로 전달받는 양극(511)이 회전하면 음극(501)과 양극(511)사이에서 선회류 유동(Swirl flow)을 형성하면서서 직류 전원공급기(530)로부터 직류 전원을 받아 전기분해 작용으로 음극(501)에서 생성되는 수소(H2)가스 및 활성기체 용해기(200) 및 살균기(300)에서 저온 고온의 활성기체를 함유한 기포가 파괴되면서 방출되는 수소 양성자(H+)가 수중의 질산성질소가 반응하여 유리질소(N2)와 물(H2O)을 생성하면서 질산성 질소가 제거하는데, 수소(H2) 및 수소양성자(H+)공급량이 부족하여 수중의 질산성질소의 제거율이 목표치에 미달시에는 테일러 꾸에트 유동형(Tayler-Couette flow) 질소 및 인 제거기(500B)와 공용사용하는 수소 발생기(540)에서 가열되는 반응기(541)에 알카리 금속저장용기(542)에 저장되어 공급되는 알카리금속의 적정량과 무기염촉매저장용기(543)에 저장되어 공급되는 무기염 촉매의 적정량과 금속수화물 저장용기(544)에 저장되어 공급되는 금속수화물의 적정량이 계량기(542a, 543a, 544a)에서 계량되어 반응기(541)에 중력차로 투입되어 물과 혼합되고 교반기(545)로 교반되면서 발열반응으로 생성된 수소가스를 가압기(549)로 가압하여 벤츄리이젝트 목부(515a)로 공급 또는 테일러 꾸에트 유동형(Tayler-Couette flow) 질소 및 인 제거기(500B)와 공용사용하는 압축수소용기(541a)에 저장된 수소가스를 압력조정기(541b)에서 적정압력으로 조정하면서 유량조정기(541c)에서 유량이 조정되어 벤츄리이젝트 목부(515a)로 공급되는 수소가스를 유입되는 하천수또는 해수에 미세기포 형태로 공급하여, 수중의 질산성 질소와 반응하여 유리질소(N2)와 물을 생성하고 생성된 유리질소는 최종 출구를 통헤 대기로 배기되고 물은 수중에 첨가되고, 수중에 산소에 의해 산화되어 생성된 인산이온(PO4 3-)은 양극에서 전기분해작용으로 석출되는 철이온(Fe3+) 또는 알루미늄 이온(Al3+)과 반응하여 인산철염(FePO4(s)) 및 인산알미늄염(AlPO4(s))으로 침전시키고 잉여의 철이온(Fe3+) 또는 알루미늄 이온(Al3+)은 히드록실 이온(OH-)과 반을하여 수산화제3철(Fe(OH)3(s)) 및 수산화알루미늄염(Al(OH)3(s))으로 침전시켜 수질을 정화하는 선회류(swirl flow) 유동형 질소 및 인 제거기(500A)와,
외통(음극)(501a), 양 끝단면이 타원형인 타원기둥 형상의 내통(양극)(511a), 구동모터(520a), 직류 전원공급기(530a), 수소공급기(53a)로 구성되며, 음극(501a)은 하부에 벤츄리이젝터가(514a) 설치된 원기둥형의 형태이며 외통(음극)(501a)의 내면의 재질이 철(Fe) 또는 알루미늄(Al) 재질중에 선택되어 사용되거나 또는 상부에서 하부방향으로 복수개의 단수를 두어 단계적으로 철, 알루미늄 재질 순 또는 알루미늄, 철 재질 순으로 서로 다른 재질을 혼용하여 사용할 수 있고 각각의 재질 표면에 복수개의 돌기(501b)가 형성되도록 가공되고, 외통(501a)내부 상하부면에 중심부에 베어링(502b, 503b)이 설치되고 음극(501a)과 절연되어 중심부에 베어링(502b)이 설치된 상부 고정대(502a) 및 하부 고정대(503a)가 설치되고, 설치된 고정대(502a, 503a)의 베어링(502c, 503c)에 양 끝단면 중심부에 회전축(512a)이 설치된 양극(511a)의 회전축이 삽입되어 양극(511a)이 설치되고, 양극의 상부 회전축(512a) 끝단에 제2 베벨기어(512a)가 설치되며, 회전축(521a) 끝단에 제1 베벨기어(522a)가 설치된 구동모터(520a)가 음극(501)외부에 설치되어 제어반(600)에서 전원을 공급받아 모터(520a)가 가동되어 회전력을 회전축(521a, 512a) 및 베벨기어(522a, 512b)로 전달받는 양극(511a)이 회전하면, 음극(501a)과 양극(511a)사이에서 유체의 흐름은 불규칙한 난류흐름 및 충분한 원심력이 생성되면서 Turbulent Tayler Voltex flow(TTVF) 흐름이 되어 파괴되지 않은 활성기체가 함유된 기포와 음극(501a)에서 전기분해작용에 의해 생성되는 수소(H2)가스 및 활성기체 용해기 및 살균기(300)에서 저온 고온의 활성기체를 함유한 기포가 파괴되면서 방출되는 수소 양성자(H+)와 수중의 질산성질소와 반 수소양성응하여 유리질소(N2)와 물(H2O)을 생성하면서 질산성 질소가 제거되고, 수소(H2) 및 수소 양성자(H+)공급량이 부족하여 수중의 질산성질소의 제거율이 목표치에 미달시에는 선회류(swirl flow) 유동형 질소 및 인 제거기(500A)와 공용사용하는 수소 발생기(540)에서 가열되는 반응기(541)에 알카리 금속저장용기(542)에 저장되어 공급되는 알카리금속의 적정량과 무기염촉매저장용기(543)에 저장되어 공급되는 무기염 촉매의 적정량과 금속수화물 저장용기(544)에 저장되어 공급되는 금속수화물의 적정량이 계량기(542a, 543a, 544a)계량되어 반응기(541)에 중력차로 투입되어 물과 혼합되고 교반기(545)로 교반되면서 발열반응으로 생성된 수소가스를 가압기(549)로 가압하여 벤츄리이젝트 목부(515a)로 공급 또는 선회류(swirl flow) 유동형 질소 및 인 제거기(500A)와 공용사용하는 압축수소용기(541a)에 저장된 수소가스를 압력조정기(541b)에서 적정압력으로 조정하면서 유량조정기(541c)에서 유량이 조정되어 벤츄리이젝트 목부로(515a) 공급되는 수소가스를 유입되는 하천수 또는 해수에 미세기포 형태로 공급하여 수중의 질산성 질소와 반응하여 유리질소(N2)와 물을 생성하고 생성된 유리질소는 최종 출구를 통헤 대기로 배기되고 물은 수중에 첨가되고,수중에 산소에 의해 산화되어 생성된 인산이온(PO4 3-)은 양극에서 전기분해작용으로 석출되는 철이온(Fe3+) 또는 알루미늄 이온(Al3+)과 반응하여 인산철염, 알루미늄 이온(Al3+)은 히드록실 이온(OH-)과 반응하여 수산화제3철(Fe(OH)3(s)) 및 수산화알루미늄염(Al(OH)3(s))으로 침전시켜 수질을 정화하는 테일러 꾸에트 유동형(Tayler-Couette flow) 질소 및 인 제거기(500B) 중에서 어느 한기종이 선정되어 사용되는 질소 및 인 제거기(500); 및
활성기체 공급기(100), 활성기체 용해기(200), 살균기(300), 기포파괴기(400), 질소 및 인 제거기(500)에 전원을 공급하거나 차단하는 제어역할을 하는 제어반(600);을 포함한다.
본 발명에 따른 수질 정화기능이 내장된 조류를 포함한 수중 미생물 제거 장치에 의하면, 녹조 및 적조가 활성화된 하천수, 해양수 또는 선박의 발라스트 탱크용 해수, 공업용 하천수 등의 수중에 함유된 각종 세균이나 미생물을 제거하면서 수질을 정화할 수 있다.
도 1은 본 발명에 의한 수질 정화기능이 내장된 조류를 포함한 수중 미생물 제거 장치를 나타낸 전체 계통도이다.
도 2는 도 1의 수질 정화기능이 내장된 조류를 포함한 수중 미생물 제거 장치의 활성기체공급기를 나타낸 단면도이다.
도 3은 도 2의 활성기체공급기의 고전압 방전부를 나타낸 단면도이다.
도 4은 도 1의 수질 정화기능이 내장된 조류를 포함한 수중 미생물 제거 장치의 활성기체 용해기를 나타낸 단면도이다.
도 5는 도 1의 수질 정화기능이 내장된 조류를 포함한 수중 미생물 제거 장치의 조류균 살균기를 나타낸 단면도이다.
도 6은 도 1의 수질 정화기능이 내장된 조류를 포함한 수중 미생물 제거 장치의 기포파괴기를 나타낸 단면도이다.
도 7a는 도 6의 기포파괴기의 제1 기포파괴기를 나타낸 단면도이다.
도 7b는 도 6의 기포파괴기의 제2 기포파괴기를 나타낸 단면도이다.
도 7c는 도 6의 기포파괴기의 제3 기포파괴기를 나타낸 단면도이다.
도 8은 도 1의 수질 정화기능이 내장된 조류를 포함한 수중 미생물 제거 장치의 질소 및 인 제거기를 나타낸 단면도이다.
도 9a는 도 1의 수질 정화기능이 내장된 조류를 포함한 수중 미생물 제거 장치의 선회류(swirl flow) 유동형 질소 및 인 제거기를 나타낸 단면도이다.
도 9b는 도 1의 수질 정화기능이 내장된 조류를 포함한 수중 미생물 제거 장치의 쿠에뜨 유동형 질소 및 인 제거기를 나타낸 단면도이다.
도 9c 도 8의 질소 및 인 제거기의 수소발생기를 나타낸 단면도이다.
도 9d 도 8의 질소 및 인 제거기의 수소공급기를 나타낸 단면도이다.
도 10은 도 1의 수질 정화기능이 내장된 조류를 포함한 수중 미생물 제거 장치의 제어반을 나타낸 단면도이다.
도 2는 도 1의 수질 정화기능이 내장된 조류를 포함한 수중 미생물 제거 장치의 활성기체공급기를 나타낸 단면도이다.
도 3은 도 2의 활성기체공급기의 고전압 방전부를 나타낸 단면도이다.
도 4은 도 1의 수질 정화기능이 내장된 조류를 포함한 수중 미생물 제거 장치의 활성기체 용해기를 나타낸 단면도이다.
도 5는 도 1의 수질 정화기능이 내장된 조류를 포함한 수중 미생물 제거 장치의 조류균 살균기를 나타낸 단면도이다.
도 6은 도 1의 수질 정화기능이 내장된 조류를 포함한 수중 미생물 제거 장치의 기포파괴기를 나타낸 단면도이다.
도 7a는 도 6의 기포파괴기의 제1 기포파괴기를 나타낸 단면도이다.
도 7b는 도 6의 기포파괴기의 제2 기포파괴기를 나타낸 단면도이다.
도 7c는 도 6의 기포파괴기의 제3 기포파괴기를 나타낸 단면도이다.
도 8은 도 1의 수질 정화기능이 내장된 조류를 포함한 수중 미생물 제거 장치의 질소 및 인 제거기를 나타낸 단면도이다.
도 9a는 도 1의 수질 정화기능이 내장된 조류를 포함한 수중 미생물 제거 장치의 선회류(swirl flow) 유동형 질소 및 인 제거기를 나타낸 단면도이다.
도 9b는 도 1의 수질 정화기능이 내장된 조류를 포함한 수중 미생물 제거 장치의 쿠에뜨 유동형 질소 및 인 제거기를 나타낸 단면도이다.
도 9c 도 8의 질소 및 인 제거기의 수소발생기를 나타낸 단면도이다.
도 9d 도 8의 질소 및 인 제거기의 수소공급기를 나타낸 단면도이다.
도 10은 도 1의 수질 정화기능이 내장된 조류를 포함한 수중 미생물 제거 장치의 제어반을 나타낸 단면도이다.
이하에서 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 수질 정화기능이 내장된 조류를 포함한 수중 미생물 제거 장치의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명한다.
먼저, 도 1을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수질 정화기능이 내장된 조류를 포함한 수중 미생물 제거 장치에 대하여 설명한다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 수질 정화기능이 내장된 조류를 포함한 수중 미생물 제거 장치는 활성기체 공급기(100), 활성기체 용해기(200), 살균기(300), 기포파괴기(400), 질소 및 인 제거기(500), 제어반(600)을 포함한다.
활성기체 공급기(100)는, 방전챔버(111) 내부에 서로 마주보게 설치된 방전전극(112) 및 접지전극(113)에 고전압 발생기(114)에서 생성된 고전압을 도선(115)을 통하여 인가하여 방전극(112, 113) 사이에서 방전을 개시하면서 고전계 전자에너지 대역을 형성하고, FAN(101)에 의해 흡입되는 외부공기(N2, O2, 수증기의 H2O)를 가압하여 방전극(112, 113) 사이에서 형성되는 고전계 전자에너지 대역을 통과시켜 해리, 여기, 이온화, 산화, 환원반응 등의 전기화학적 반응으로 산소이온(O), 히드록실 이온(OH-) 등의 활성기체를 생산하고, 생산된 활성기체를 가압기(120)로 가압하여 활성기체 용해기 및 살균기에 공급한다.
활성기체 용해기(200)는, 펌프(204)의 흡인력으로 하천수 또는 해수를 흡입하는 과정에서 흡입관상에 설치된 필터유닛(201)을 통과시켜 협잡물을 제거하고, 흡입관상에 필터유닛(201)과 간격을 두고 설치된 혼합기(203)로 통과시키는 과정에서 활성기체 공급기(100)에서 생산되고 가압기(120)에서 가압하고, 유량조절기(202)에서 유량을 적정량으로 조절하여서 혼합기(203)에 공급하여 유입되는 하천수 또는 해수 수중에 공급하여 기체상 액체상이 혼합된 기포를 포함하는 유체상태로 펌프(204)에 흡입되어 고속으로 회전하는 펌프의 날개(Blade)와 충돌하여 유체상의 활성기체를 함유한 기포가 파괴되면서 활성기체를 함유한 기포가 파괴되면서 충격(Cavitation)을 수반하면서 활성기체중의 산소이온(O), 히드록실 이온(OH-), 수소양성자(H+) 등의 활성기체가 수중에 방출 용해되면서 녹조 또는 적조류를 살균한다.
살균기(300)는, 벤츄리이젝터(303)외부에 솔레노이드 형상으로 권선된 히터(304)에 전원공급기(305)에서 전원이 공급되어 히터의 발열로 벤츄리이젝터(303)의 내면의 온도가 193℃ 보다 높게 유지되도록 250℃ 내지 500℃ 범위에서 선정된 특정온도의 고온으로 가열되는 벤츄리이젝터(303)에 활성기체 용해기(200)의 펌프(204)를 이용하여 하천수 또는 해수를 공급하면 고온으로 가열되는 벤츄리이젝터(303)에 내면에 유입되는 하천수 또는 해수가 접촉되어 라이텐프로스트 효과(Leidenfrost effect)에 의해 하천수 또는 해수가 비등(증기화)하면서 비등하는 고온의 증기와 접촉에 의한 열적충격 및 기포가 파괴되면서 방출되는 히드록실이온(OH-)에 의한 세포막의 천공, 그리고 기포가 파괴되면서 진동을 수반한 충격파에 의해 수중의 조류균이 살균되고, 활성기체 공급기(100)에서 생산되고 가압기(120)에서 가압하여 공급되는 활성기체를 유량조절기(301)로 적정량을 조절하면서 외부에 권선된 히터(302c)에 전원이 공급되어 고온으로 가열된 가열기(302)로 통과시켜 전도 및 대류방식으로 활성기체를 250℃ 내지 500℃ 범위로 가열하여 벤츄리이젝터(303)의 목부(303a)로 공급하면 벤츄리이젝터(303)의 내면에서 비등하는 수증기와 접촉 및, 상대적으로 저온상태의 수중(하천수 또는 해수)에 고온으로 공급되는 활성기체의 기포가 응축되어 파괴되는 초 공동화 현상으로 소음을 수반한 수격작용으로 고온의 기포가 연쇄적으로 파괴되는 과정에서 방출되는 히드록실 이온(OH-) 등의 활성기체와 접촉하여 세포막의 천공, 고온으로 가열된 벤츄리이젝터(303)의 내부표면에 비등하는 고온의 수증기와 접촉하여 열적충격, 기포파괴에 의해 발생되는 충격파에 의해 수중의 녹조 또는 적조류를 살균한다.
기포파괴기(400)는, 제1 기포파괴기(410), 제2 기포파괴기(420), 제3 기포파괴기(430) 중에서 어느 한기종이 선정되어 사용된다.
제1 기포파괴기(410)는, 고전압 펄스 발생장치(411), 방전전극(412) 및 접지전극(413), 도선(414)으로 구성되어 사전에 고전압 펄스 발생장치(411)에서 출력전압, 출력전류, 펄스 반복율, 펄스폭이 설정된 출력전원이 도선(414)을 통하여 방전전극(412) 및 접지전극(413)에 인가되면 방전극(412, 413)사이로 유입되는 조류가 포함된 수중에 펄스에너지가 전달되면서 조류의 세포막에 1volt 이상의 임계전압이 인가되어 전기천공 방식으로 조류의 세포막이 천공됨과 동시에 방전이 개시되고, 방전에 의하여 충격파가 발생하고, 동시에 방전극(412, 413)을 통과하는 활성기체 용해기(200)에서 파괴되지 않은 활성기체가 함유된 기포와 살균기(300)의 가열기(302)에서 고온으로 가열되어 유속이 빠르고 저압상태인 벤츄리이젝터(303) 목부(303a)로 공급 및 통과되면서 유속이 감속되고 고압인 상태와 수중에 분사되는 고온의 기포가 급냉되어 수축과정에서 파괴되며, 방전 충격파로 기포가 파괴되며, 기포가 파괴되면서 발생하는 진동을 수반한 충격파로 기포를 효율적으로 파괴한다.
제2 기포파괴기(420)는, 고전압 펄스 발생장치(421), 방전전극(422), 접지전극(423), 도선(424), 트리거 전압발생기(425), 트리거 전압전극(426), 도선(427)으로 구성되어 사전에 고전압 펄스 발생장치(421)에서 출력전압, 출력전류, 펄스 반복율, 펄스폭이 설정된 출력전원이 도선(422a)을 통하여 방전전극(422) 및 도선(424)를 통하여 접지전극(423)에 인가하고, 트리거 전압발생기(425)에서 생성되는 전압을 도선(427)을 통하여 트리거 전압전극(426)에 인가하면 방전전극(421), 트리거 전압전극(426) 및 접지전극(423) 사이로 유입되는 조류가 포함된 수중에 펄스에너지가 전달되면서 조류의 세포막에 1volt 이상의 임계전압이 인가되어 전기천공 방식으로 조류의 세포막이 천공됨과 동시에 방전이 개시되고, 방전에 의하여 충격파가 발생하고, 동시에 방전전극(422), 접지전극(423) 및 트리거 전극(426)을 통과하는 활성기체 용해기(200)에서 파괴되지 않은 활성기체가 함유된 기포와 살균기(300)의 가열기(302)에서 고온으로 가열되어 유속이 빠르고 저압상태인 벤츄리이젝터 목부(303a)로 공급 및 통과되면서 유속이 감속되고 고압인 상태와 수중에 분사되는 고온의 기포가 급냉되어 수축과정에서 파괴되며, 방전 충격파로 기포가 파괴되며, 기포가 파괴되면서 발생하는 진동을 수반한 충격파로 기포를 효율적으로 파괴한다.
제3 기포파괴기(430)는, 고전압 펄스 발생 장치(431), 방전전극(432), 접지전극(433), 트리거 전압전극(434), 트랜스(435), 도선(431a, 431b)으로 구성되어 사전에 고전압 펄스 발생장치(431)에서 출력전압, 출력전류, 펄스 반복율, 펄스폭이 설정된 출력전원이 방전전극(432) 및 접지전극(433) 및 트리거 전압전극(434)에 인가되며, 고전압 펄스 발생장치(431)의 출력측의 한 도선(431a)은 트랜스(435)의 2차측 인덕터(L2)를 경유하여 접지전극(433)에 연결되며, 다른 한 도선은 트랜스(435)의 1차측 인덕터(L1)을 사이에 끼워 콘덴서(c)의 1차측 단자에 접속 및 2차측 단자에 접속되어 방전전극(433)에 연결되고, 고전압 펄스 발생 장치(431)의 다른 한 출력도선(431b)은 트리거 전압전극(434)에 연결되며, 제어반(600)에서 고전압 펄스 발생 장치(431)에 전원이 공급되고, 고전압 펄스 발생 장치(431)의 출력선에 정(+)의 전위로 되는 고전압 펄스가 인가되면 콘덴서(c)는 1차측(L1)에 의하여 서서히 충전되며 이때의 전류변화에 의하여 2차측(L2)으로 트리거 전압이 발생하여 트리거 전압전극(434)과 접지전극(433)의 사이로 유입되는 조류가 포함된 수중에 펄스에너지가 전달되면서 조류의 세포막에 1volt 이상의 임계전압이 인가되어 전기천공 방식으로 조류의 세포막이 천공됨과 동시에 자유방전이 발생하고, 이 자유 방전에 의해 유발되어서 방전전극(432) 및 접지전극(433)사이로 주 방전이 발생하여 충격파가 발생하고, 동시에 방전전극(432), 접지전극(433) 및 트리거 전극(434)을 통과하는 활성기체 용해기(200)에서 파괴되지 않은 활성기체가 함유된 기포와 살균기(300)의 가열기(302)에서 고온으로 가열되어 유속이 빠르고 저압상태인 벤츄리이젝터 목부(303a)로 공급 및 통과되면서 유속이 감속되고 고압인 상태와 수중에 분사되는 고온의 기포가 급냉되어 수축과정에서 파괴되며, 방전 충격파로 기포가 파괴되며, 기포가 파괴되면서 발생하는 진동을 수반한 충격파로 기포를 효율적으로 파괴한다.
질소 및 인 제거기(500)는, 선회류(swirl flow) 유동형 질소 및 인 제거기(500A), 테일러 꾸에트 유동형(Tayler-Couette flow) 질소 및 인 제거기(500B) 중에서 어느 한가지 기종이 선택되어 사용된다.
선회류(swirl flow) 유동형 질소 및 인 제거기는, 외통(501)(음극), 양 끝단면이 원형인 원기둥 형상의 내통(511)(양극), 구동모터(520), 직류 전원공급기(530), 수소 공급기(540)로 구성되며, 음극(501)은 하부에 벤츄리이젝터(505)가 설치된 원기둥형의 형태이며 외통(501)(음극)의 내면, 내통(511)(양극)의 외면의 재질이 철(Fe) 또는 알루미늄(Al) 재질중에 선택되어 사용되가 또는 상부에서 하부방향으로 복수개의 단수를 두어 단계적으로 철, 알루미늄 재질 순으로 서로 다른 재질을 혼용하여 사용할 수 있고 각각의 재질 표면에 복수개의 돌기(501b)가 형성되도록 가공되고,
외통(501)(음극) 내부에 음극(501)과 절연되어 중심부에 베어링(502a)이 설치된 상부 고정대(502) 및 중심부에 베어링(503a)이 설치된 하부 고정대(503)가 설치되고, 설치된 고정대(502, 503)의 중심부에 설치된 베어링(502a, 503a)에 양 끝단면 중심부에 회전축(512)이 설치된 양극(511)의 회전축(512)이 삽입되어 설치되고, 양극(511)의 상부 회전축(512) 끝단에 제2 베벨기어(512a)가 설치되며, 회전축 끝단에 제1 베벨기어(522)가 설치된 구동모터(520)가 음극(501)외부에 설치되어 제어반(600)에서 전원을 공급받아 모터(520)가 가동되어 회전력을 회전축 및 베벨기어(512a, 522)로 전달받는 양극(511)이 회전하면 음극(501)과 양극(511)사이에서 선회류 유동(Swirl flow)을 형성하면서서 직류 전원공급기(530)로부터 직류 전원을 받아 전기분해 작용으로 음극(501)에서 생성되는 수소(H2)가스 및 활성기체 용해기(200) 및 살균기(300)에서 저온 고온의 활성기체를 함유한 기포가 양극(511)이 회전하여 형성되는 선회류 유동(Swirl flow)에 의해 음극(502)의 내면 및 양극(511)의 외표면에 설치된 복수개의 돌기(501a)에 충돌하여 파괴되면서 방출되는 수소 양성자(H+)가 수중의 질산성질소와 반응하여 유리질소(N2)와 물(H2O)을 생성하면서 질산성 질소가 제거되는데, 음극(501)에서 생성되는 수소(H2) 및 파괴되지 않은 잉여의 기포가 파괴되면서 방출되는 수소양성자(H+) 공급량이 부족하여 수중의 질산성질소의 제거율이 목표치에 미달시에는 테일러 꾸에트 유동(Tayler-Couette flow)형 질소 및 인 제거기(500B)와 공용 사용하는 수소발생기(540)의 가열되는 반응기(541)에 알카리 금속저장용기(542)에 저장되어 공급되는 알카리금속의 적정량과 무기염촉매저장용기(543)에 저장되어 공급되는 무기염 촉매의 적정량과 금속수화물 저장용기(544)에 저장되어 공급되는 금속수화물의 적정량이 계량기(542a, 543a, 544a)에서 계량되어 반응기(541)에 중력차로 투입되어 물과 혼합되고 교반기(545)로 교반되면서 발열반응으로 생성된 수소가스를 가압기(549)로 가압하여 벤츄리이젝트 목부(515a)로 공급하거나 또는 테일러 꾸에트 유동(Tayler-Couette flow)형 질소 및 인 제거기(500B)와 공용사용하는 압축수소용기에서 저장된 수소가스를 충전한 수소저장용기(540a), 압력조정기(541b)에서 적정압력으로 조정하면서 유량조정기(541c)에서 유량이 조정되어 벤츄리이젝트 목부(515a)로 공급되는 수소가스를 유입되는 하천수 또는 해수에 미세기포 형태로 공급하여 유입되는 하천수 또는 해수에 미세기포 형태로 공급하여 수중의 질산성 질소와 반응하여 유리질소(N2)와 물을 생성하고 생성된 유리질소는 최종 출구를 통헤 대기로 배기되고 물은 수중에 첨가되고, 수중에 산소에 의해 산화되어 생성된 인산이온(PO43-)은 양극에서 전기분해작용으로 석출되는 철이온(Fe3+) 또는 알루미늄 이온(Al3+)과 반응하여 인산철염(FePO4(s)) 및 인산알미늄염(AlPO4(s))으로 침전시키고 잉여의 철이온(Fe3+) 또는 알루미늄 이온(Al3+)은 히드록실 이온(OH-)과 반을하여 수산화제3철(Fe(OH)3(s)) 및 수산화알루미늄염(Al(OH)3(s))으로 침전시켜 수질을 정화한다.
또한, 테일러 꾸에트 유동형(Tayler-Couette flow) 질소 및 인 제거기는, 외통(음극)(501a), 양 끝단면이 타원형인 타원기둥 형상의 내통(양극)(511a), 구동모터(520a), 직류 전원공급기(530a), 수소공급기(540)로 구성되며, 음극(501a)은 하부에 벤츄리이젝터(514a)가 설치된 원기둥형의 형태이며 외통(501)(음극)의 내면, 내통(511)(양극)의 외면의 재질이 철(Fe) 또는 알루미늄(Al) 재질중에 선택되어 사용되가 또는 상부에서 하부방향으로 복수개의 단수를 두어 단계적으로 철, 알루미늄 재질 순으로 서로 다른 재질을 혼용하여 사용할 수 있고 각각의 재질 표면에 복수개의 돌기(501b)가 형성되도록 가공되고, 외통(501a) 내부에 음극(501)과 절연되어 중심부에 베어링(501c)이 설치된 상부 고정대(502a) 및 중심부에 베어링(503c)이 설치된 하부 고정대(503a)가 설치되고, 설치된 고정대(502a, 503a)의 베어링(502c, 503c)에 양 끝단면 중심부에 회전축(512a)이 설치된 양극(511a)의 회전축(512a)이 삽입되어 설치되고, 양극의 상부 회전축(512a) 끝단에 제2 베벨기어(512b)가 설치되며, 회전축(521a) 끝단에 제1 베벨기어(522b)가 설치된 구동모터(520a)가 음극(501a)외부에 설치되어 제어반(600)에서 전원을 공급받아 모터(520)가 가동되어 회전력을 회전축(521a), 제1 베벨기어(522a) 및 제2 베벨기어(512b)로 전달받는 양극(511a)이 회전하면, 양극의 단변과 장변 차이에 의하여 음극(501a)과 양극(511a)사이에서 난류흐름인 테일러 꾸에트 유동(Tayler-Couette flow)이 형성되어 원심력으로 난류흐름이 생성되면서, 파괴되지 않은 활성기체가 함유된 기포와 음극(501a)에서 전기분해작용에 의해 생성되는 수소(H2)가스 및 활성기체 용해기(200) 및 살균기(300)에서 저온 고온의 활성기체를 함유한 기포가 음극(501a)의 내면 및 양극(511a)의 외면에 복수개 설치된 돌기(501a, 511a)에 충돌하여 파괴되면서 방출되는 수소 양성자(H+)와 수중의 질산성질소(NO3 -)와 반응하여 유리질소(N2)와 물(H2O)을 생성하면서 질산성 질소(NO3 -)가 제거되는데, 수소(H2) 및 수소양성자(H+)공급량이 부족하여 수중의 질산성질소(NO3 -)의 제거율이 목표치에 미달시에는 선회류(swirl flow)형 질소 및 인 제거기(500A)와 공용 사용하는 수소 공급기(540)에서 가열되는 반응기(541)에 알카리 금속저장용기(542)에 저장되어 공급되는 알카리금속의 적정량과 무기염촉매저장용기(543)에 저장되어 공급되는 무기염 촉매의 적정량과 금속수화물 저장용기(544)에 저장되어 공급되는 금속수화물의 적정량이 계량기(542a, 543a, 544a)에서 계량되어 반응기(541)에 중력차로 투입되어 물과 혼합되고 교반기(545)로 교반되면서 발열반응으로 생성된 수소가스를 가압기(549)로 가압하여 벤츄리이젝트 목부(515a)로 공급 하거나 또는 선회류 유동(Swirl flow)형 질소 및 인 제거기(500A) 공용사용하는 압축수소용기(541a)에 저장된 수소가스를 압력조정기(541b)에서 적정압력으로 조정하면서 유량조정기(541c)에서 유량이 조정되어 벤츄리이젝트 목부(515a)로 공급하여 유입되는 하천수또는 해수에 미세기포 형태로 공급하여 수중의 질산성 질소(NO3 -)와 반응하여 유리질소(N2)와 물을 생성하고 생성된 유리질소는 최종 출구를 통헤 대기로 배기되고 물은 수중에 첨가되고, 수중에 산소에 의해 산화되어 생성된 인산이온(PO43-)은 양극에서 전기분해작용으로 석출되는 철이온(Fe3+) 또는 알루미늄 이온(Al3+)과 반응하여 인산철(FePO4(s))염 및 인산알미늄염(AlPO4(s))으로 침전시키고 잉여의 철이온(Fe3+) 또는 알루미늄 이온(Al3+)은 히드록실 이온(OH-)과 반응하여 수산화제3철(Fe(OH)3(s)) 및 수산화알루미늄염(Al(OH)3(s))으로 침전시켜 수질을 정화하여 방류한다.
제어반(600)은, 활성기체 공급기(100), 활성기체 용해기(200), 살균기(300), 기포파괴기(400), 질소 및 인 제거기(500)에 전원을 공급하거나 차단하는 제어역할을 한다.
도 2는 도 1의 수질 정화기능이 내장된 조류를 포함한 수중 미생물 제거 장치의 활성기체생성기를 나타낸 단면도로서, 첨부된 도면을 참조하여 설명하면, 상기 활성기체 공급기(100)는 FAN(101), 고전압 방전부(110), 가압기(120)으로 구성된다. 상기 고전압 방전부(110)는 방전챔버(111), 방전전극(112), 접지전극(113), 고전압 발생기(114), 도선(115)로 구성된다. 상기 FAN(101)은 방전챔버(111) 상부에 면접하여 설치되거나 배관으로 연결되어 설치되고, 상기 방전챔버(111)는 직육면체 형상 또는 내통 및 외통의 이중 중공구조의 형상중에 선택되어 사용되며 방전극은 방전전극(112), 접지전극(113)로 구성되어 방전챔버(111) 내부에 서로 마주보게 설치되고 방전챔버(111)외부에 설치된 고전압 발생기(114)와 도선(115)으로 연결되어 고전압 발생기(114)에서 생성된 고전압을 도선(115)을 통해 인가된다. 상기 가압기(120)는 방전챔버(111) 허부에 FAN(101)의 반대방향으로 설치된 배관과 연결 설치된다. 가압기(120)와 일정거리 이격되고 분기된 배관상에 복수개의 유량조절기(202, 301)가 설치된다.
상기 FAN(101)은 시로코(Sirocco Type)형 FAN, 축류(Axil flow Type)형 FAN, 에어포일(Airfoil Type)형 FAN, 터보(Turbo Type)형 FAN, 브로워(Blower) 중에서 어느 한가지 기종을 선택 사용된다.
도 3은 도 2의 수질 정화기능이 내장된 조류를 포함한 수중 미생물 제거 장치의 활성기체공급기(100)의 고전압 발생부(110)를 나타낸 단면도로서, 첨부된 도면을 참조하여 설명하면, 상기 고전압 발생부(110)는 방전챔버(111), 안내판(111a), 소켓(111b), 절연봉(111c), 고정볼트 및 너트(111d), 방전가이드핀 조정구(111e)로 구성되고, 방전전극(112)은 방전 가이드핀(112a), 영구자석(112b), 돌출방전극(112c), 플레이트(112d)로 구성되고, 접지전극(113)은 방전 가이드핀(113a), 영구자석(113b), 돌출방전극(113c), 플레이트(113d)로 구성된다.
상기 방전챔버(111)는 직육면체 형상 또는 내통 및 외통의 이중 중공구조의 형상중에 어느 한가지 형상을 선택하여 사용할 수 있으나 직육면체 형상이 시공면에서 바람직하다. 상기 방전챔버(111)의 재질은 철, 동, 스테인레스스틸(STS304) 등의 금속재질과, 베크라이트, PVC, PE, PC, FRP(유리섬유 성형폼) 등의 비금속 재질중에 어느 한가지 이상의 재질이 선정하여 사용한다. 방전챔버(111) 내부에는 복수개의 안내판(111a)이 설치되고, 안내판(111a)과 아랫방향으로 간격을 두고 제1 소켓(111b)이 설치되고 제1 소켓(111b)과 아래방향으로 간격을 두고 제2 소켓(111b)이 설치된다.
상기 안내판(111a)은 방전챔버(111) 내부에서 제1 소켓(111b)와 상부방향으로 간격을 두고 복수개가 서로마주보게 설치되며 방전챔버(111)의 수직면에서 30도 내지 75도 각도에서 선정된 각도로 설치되며, 재질은 철, 동, 스테인레스스틸(STS304) 등의 금속재질과, 베크라이트, PVC, PE, PC 등의 비금속 재질중에 어느 한가지 이상의 재질이 선정되어 사용한다. 안내판(111a)의 기능은 FAN(101)에 의해 흡입 및 가압되어 방전챔버(111) 내부로 공급되는 외부공기를 방전전극(112) 및 접지전극(113) 사이로 집중 공급되게 하여 방전극(112, 113)사이에서 방전이 용이하게 한다. 안내판(111a)과 아래방향으로 간격을 두고 내부에 절연봉(111c)을 설치하기 위한 내면에 나사산이 가공된 복수개의 제1 소켓(111b)이 직육면체 형상의 방전챔버(111)를 관통하여 서로 마주보게 복수개가 설치된다.
상기 방전 가이드핀 조정구(111e)는 제1 소켓(111b)과 아래방향으로 간격을 두고 방전챔버(111)을 관통하여 서로 마주보게 복수개가 설치되어 방전전극(112)용 복수개의 방전 가이드핀(112a) 및 접지전극(113)용 복수개의 방전 가이드핀(113a)과의 간극을 조절하여 고전압 발생기에서 생성된 고전압을 방전전극(112) 및 접지전극(113) 인가시 두 극(112, 113) 사이에서 균등한 전계가 형성되게하여 균등한 방전개시 및 두극(112, 113)의 돌출방전극(112c, 113c)에서도 균등한 방전이 되도록 한다.
상기 제2 소켓(111b)은 방전 가이드핀 조정구(111e)와 아래방향으로 간격을 두고 내부에 절연봉(111c)을 설치하기 위한 내면에 나사산을 가공하고 직육면체 형상의 방전챔버(111)를 관통하여 서로 마주보게 복수개가 설치된다.
방전전극(112)은 방전 가이드핀(112a), 영구자석(112b), 돌출방전극(112c), 방전 플레이트(112d)로 구성된다.
상기 방전 플레이트(112d)의 폭은 30mm 내지 100mm 범위에서 선정하고 길이는 100mm 내지 500mm 범위에서 선정하며 높이는 양끝단에서 20mm 간격을 두어 서로 반대방향으로 절곡하여 30mm 내지 60mm 범위에서 높이가 되도록 한다. 또한, 양 끝단부에서 안쪽으로 10mm 이격된 중심부에 6mm 내지 10mm 범위의 직경을 갖는 타원형 홀(112e)을 타공하고, 타공된 홀(112e)에 방전극(112, 113) 고정용 볼트(111d)를 삽입한다. 방전 플레이트(112d)의 뒷면에 돌출된 방전 가이드핀(112a)과 아랫방향으로 간격을 두고 일정 두께를 갖는 직육면체 형상의 3200G 이상의 네오디움 재질의 영구자석(112b)이 면접하여 설치되고, 절곡된 정면에는 직경 4mm 내지 8mm범위의 방전 가이드핀(112a)이 수평방향으로 복수개 설치되고, 방전 가이드핀(112a)과 아랫방향으로 간격을 두고 방전 플레이트(112d)의 폭과 동일하게 돌출방전극(112c)이 아래 방향으로 간격을 두고 복수개가 설치된다.
상기 플레이트(112d), 돌출된 방전 가이드핀(112a), 영구자석(112b), 돌출방전극(112c)의 크기, 높이 간격등은 접지전극(113)의 배열과 같다.
접지전극(113)은 방전 가이드핀(113a), 영구자석(113b), 돌출방전극(113c), 방전 플레이트(113d)로 구성된다.
상기 방전 플레이트(113d)의 폭은 30mm 내지 100mm 범위에서 선정하고 길이는 100mm 내지 500mm 범위에서 선정하며 높이는 양끝단에서 20mm 간격을 두어 서로 반대방향으로 절곡하여 30mm 내지 60mm 범위에서 높이가 되도록 한다. 또한, 양 끝단부에서 안쪽으로 10mm 이격된 중심부에 6mm 내지 10mm 범위의 직경을 갖는 홀(113e)을 타공하고, 타공된 홀(113e)에 방전극(112, 113) 고정용 볼트(111d)를 삽입한다. 방전 플레이트(113d)의 뒷면에 돌출된 방전 가이드핀(113a)과 아랫방향으로 간격을 두고 일정 뚜꼐를 갖는 직육면체 형상의 3200G 이상의 네오디움 재질의 영구자석(113b)이 면접하여 설치되고, 절곡된 정면에는 직경 4mm 내지 8mm범위의 방전 가이드핀(113a)이 수평방향으로 복수개 설치되고, 방전 가이드핀(113a)과 아랫방향으로 간격을 두고 방전 플레이트(113d)의 폭과 동일하게 돌출방전극(113c)이 아래 방향으로 간격을 두고 복수개가 설치된다. 상기 플레이트(113d), 돌출된 방전 가이드핀(113a), 영구자석(113b), 돌출방전극(113c)의 크기, 높이 간격등은 방전전극(112)의 배열과 같다.
상기 방전전극(112) 및 접지전극(113)은 직육면체 형상의 방전챔버(111)내부에서 수평방향 및 수직방향으로 간격을 두고 복수개가 설치되고, 절연봉(111c)을 관통하여 설치되는 고정용 볼트 및 너트에 의해 고정되는데 한 끝단은 방전전극(112) 및 접지전극(113)을 고정하고 다른 한 끝단은 고전압발생기(114)의 출력선(115)의 터미널이 볼트에 삽입된 후 너트에 의해 고정된다.
상기 외표면에 나사산이 가공된 절연봉(111c)은 내면에 나사산이 가공되어 방전챔버(111)의 양측면 일측에 측면을 관통하여 설치되는 제1, 제2소켓(111b)에 삽입되고, 수공구를 이용하여 절연봉(111c)을 회전시켜 방전챔버(111)내부 중앙부근까지 전진시킨 후 끝단면에 방전전극(112) 및 접지전극(113)을 방전극의 타공된 홀과 절연봉 절연봉(111c)중심에 타공된 홀에 고정볼트(111d)를 삽입 및 관통 시킨 후 방전챔버(111)외부에 돌출된 볼트를 너트로 고정한다. 방전극(112) 및 접지전극(113)의 1차 간극조정은 절연봉(111c)을 수공구를 이용하여 회전시키는 방법으로 방전전극(112) 및 접지전극(113) 사이를 mm단위로 1차 간격을 조정한다.
상기 방전전극(112) 및 접지전극(113)의 절곡된 방전플레이트(112d, 113d) 정면부에 간격을 두고 설치되는 돌출방전극(112c, 113c)은 직경 2mm 내지 10mm 범위의 봉형으로 외부에 삼각나사 또는 둥근나사가 가공되어 고전압 발생기(114)에서 생성된 고전압을 도선(115)을 통해 고전압이 인가될 때 나사산 끝단의 첨두부분에 전계가 집중되어 방전이 용이 하도록 가공하고, 방전 가이드핀(113a)은 돌출방전극(112c, 113c)과 상부로 간격을 두고 설치하여 서로 마주보게 방전챔버(111)내부에 설치된 방전극(112)의 돌출방전극(112c) 및 접지전극(113)의 돌출방전극(113c)의 미세 불규칙한 간격을 mm단위로 2차 간격을 조절하여 대향하는 돌출방전극(112c, 113c)의 전체에서 균일한 방전이 개시 되도록 설치하며, 방전 가이드핀(113a)의 대향 높이의 방전챔버(111)의 일측에 방전챔버(111)를 관통하여 설치되는 방전 가이드핀 조정구(111e)는 고전압 방전부(110)의 장기간 운전중 진동 및 기타 원인에 의하여 방전전극(112)용 방전 가이드핀(112a)과 접지전극(113)용 방전 가이드핀(113a)과의 미세 간극이 조정치를 초과하여 방전극(112, 113)의 돌출방전극(112c,113c) 사이에서 불규칙한 방전이 개시될 때 볼트로 체결된 방전 가이드핀조정구(111e)의 볼트를 수공구를 이용하여 탈착한 후 에 확보되는 홀 속으로 외부에서 내부로 미니 도라이버를 삽입하여 간극이 벌어진 방전 가이드핀(112a)의 길이를 조절하는 방법으로 방전극(112, 113)의 돌출방전극(112c, 113c)간의 간극을 조정한다.
상기 고전압 발생기(114)는 고전압 방전 챔버 외부에 독립되게 설치되어 단상 220V 60Hz의 교류전원이 입력되어 단상 1KV 내지 300KV범위 주파수 1KHz 내지 500KHz 범위의 고전압이 출력되어 도선(115)을 통하여 고전압 방전 챔버 내부에 설치된 방전전극(112) 및 접지전극(113)에 인가되어 두극 사이에서 방전이 개시 및 산소(O2)분자의 공유결합을 분해할 수 있는 전계전자에너지(IE,eV);12.0857eV, 질소(N2)분자의 공유결합을 분해할 수 있는 전계전자에너지(IE,eV);15.58eV, 수증기의 물분자(H2O)분자의 공유결합을 분해할 수 있는 전계전자에너지(IE,eV);12.62eV보다 큰 전계 전자 에너지 대역을 형성하고 이 고전계 전자에너지 대역에 FAN에 의에 흡입 및 가압되어 고전압 챔버 내부로 공급되는 공기를 통과시켜 해리, 여기 이온화, 산화, 환원 반응의 전기화학적 반응으로 활성기체를 아래 열거된 반응식과 같이 공기를 주 원료로 하여 제조한다.
[반응식 1] 해리 반응식
1) e + O2 ▶ O + O + e
2) e + N2 ▶ N + N + e
3) e + O2 ▶ O- + O + e
[반응식 2] 이온화 반응식
1) e + N2 ▶ N + N+ + 2e
2) e + N2 ▶ N2 + + 2e
3) e + O2 ▶ O + O+ + 2e
4) e + O2 ▶ O2 + + 2e
5) N+ + O- + e ▶ NO + e
[반응식 3] 환원 반응식
1) e + N2 ▶ e + N + N
2) N + NO ▶ N2 + O
[반응식 4] 수중에 세균 및 박테리아를 살균하는 히드록실이온(OH-) 생성반응식
1) e + H2O ▶ H+ + OH-
2) e + H2O ▶ H + OH
3) O + H2O ▶ 2OH
출처1: 학위논문 : 아크방전을 이용한 다중이용시설의 실내 공기정화에 관한 연구(부유 공기 중 세균살균 중심으로) - 53p ~ 55p / 출처2: 대한민국 등록특허 제10-1379274호(살균기능을 갖는 산화질소 함유수 제조장치)
여기서 e는 전계 전자에너지를, N2는 질소분자를, N은 질소 원자를, O2는 산소분자를, O는 산소 원자를, H2O는 공기중 수증기의 물 분자를, H+는 수소 양성자를, OH-는 히드록실 이온을 나타낸다.
도 4 는 도 1의 수질 정화기능이 내장된 조류를 포함한 수중 미생물 제거 장치의 활성기체 용해기를 나타낸 단면도로서, 첨부된 도면을 참조하여 설명하면, 상기 활성기체 용해기(200)는 필터유닛(201), 유량조절기(202), 기액혼합기(203), 펌프(204)로 구성된다.
필터유닛(201)은 직육면체 형상 또는 원기둥 형상중에 어느 한가지 형상이 선택되어 사용되며, 재질은 스테인레스(STS304), 또는 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE), PVC, FRP(유리섬유 성형폼) 중에 어느 한가지 재질이 선정되어 사용되며 내부에 설치되는 판상, 봉상, 직육면체의 필터의 재질은 스테인레스스틸(STS304), 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE), 섬유중에 어느 한가지 재질을 선정하여 사용하며 10 내지100㎛범위의 기공을 갖는다.
상기 유량조절기(202)는 활성기체 공급관상에 설치되고 인입 및 출구 직경은 6mm 내지 50mm의 범위내에 적정 직경을 선정하며 유량 조절의 조절은 펌프(202)에 설치된 케비테이션 감지센서(601)에 의해 실시간 계측되어 제어반(600)으로 전송되는 데이터에 의해 사전에 프로그램되어 입력된 제어회로에 의해 공급되는 활성기체량을 조절하는데 조절 범위는 1에서 10단계범위로 조절한다. 활성기체 전체 유입량을 100으로 가정시 1단계 조절은 전체 유입량의 10%가 조절된 90%가 공급되고, 2단계 조절은 전체 유입량의 20%가 조절된 80%가 공급되고, 3단계 조절은 전체 유입량의 30%가 조절된 70%가 공급되고, 4단계 조절은 전체 유입량의 40%가 조절된 60%가 공급되는 방법으로 전체유량을 조절하여 공급한다.
상기 기액혼합기(203)는 벤츄리이젝터 형식으로 펌프(204)의 가동에 의해 유입되는 하천수 또는 해수에 활성기체 공급기(100)에서 생성된 활성기체를 가압기(120)를 이용하여 100mmAq 내지 2000mmAq 범위로 가압한 후 유량조절기(202)에서 적정유량으로 활성기체 공급량이 가감되어 조절된 후 기액혼합기(203)에 공급되어 활성기체와 하천수 또는 해수가 혼합된 유체상태로 펌프(204)의 흡입측으로 흡입되어 분당회전수 1800rpm 내지 3600rpm 범위로 고속회전하는 펌프(204)의 날개(Blade)에 하천수 또는 해수에 기포형태로 혼합된 활성기체가 함유된 기포가 충돌하면서 파괴되어 활성기체 기포속에 함유된 수소양성자(H+), 히드록실이온(OH-), 산소원자(O), 산소이온(O-, O2 +), 질소이온(NO, N+, N2 +)이 수중에 용해되거나 함유되면서 유입되는 하천수 또는 해수중의 녹조류 또는 적조류의 세포막을 히드록실이온(OH-)이 천공하여 사멸시키면서 잉여의 산소이온(O-, O2 +)은 용존산소량을 증가시켜 수질을 정화하고 불용되는 질소이온(N+)과 질소이온(N+)은 결합하여 유리질소(N2)되어 수중에 불용기체로 함유되고, 질소이온(N2 +)은 활성기체가 함유된 기포가 파괴면서 전자를 얻는 환원반응으로 유리질소(N2)가 되어 수중에 불용기체로 함유되다가 방류시 탈기되어 대기로 배출된다.
도 5는 도 1의 수질 정화기능이 내장된 조류를 포함한 수중 미생물 제거 장치의 조류 살균기를 나타낸 단면도로서, 첨부된 도면을 참조하여 설명하면, 상기 조류균 살균기(300)는 유량조절기(301), 가열기(302), 벤츄리이젝터(303)로 구성된다.
상기 유량조절기(301)는 활성기체 공급관상에 설치되고 인입 및 출구 직경은 6mm 내지 50mm의 범위내에 적정 직경을 선정하며 유량 조절범위는 1에서 10단계 범위로 조절한다 활성기체 전체 유입량을 100으로 가정시 1단계 조절은 전체 유입량의 10%가 조절된 90%가 공급되고, 2단계 조절은 전체 유입량의 20%가 조절된 80%가 공급되고, 3단계 조절은 전체 유입량의 30%가 조절된 70%가 공급되고, 4단계 조절은 전체 유입량의 40%가 조절된 60%가 공급되는 방법으로 전체유량을 조절하여 공급하는 방법으로 활성기체 공급량을 조절한 후 가압기(120)의 가압력으로 가열기(302)로 유량이 조절된 활성기체를 가열기(302)로 공급한다.
상기 가열기는 챔버(302a), 코일 형태로 권선된 활성기체 공급관(302b), 활성기체 공급관(302b)외부에 면접하여 원기둥 형상으로 설치되는 밴드형 히터(302c), 밴드형 히터(302c)와 활성기체 공급관(302b)에 설치되는 온도검출센서(302d), 출력전류 조절기능이 내장된 전원 공급기(302e)로 구성된다.
상기 히터(302c)의 형상은 밴드형에 한정하는 것은 아니며 코일 형태로 권선된 활성기체 공급관(302b)을 히터의 발열로 고온으로 가열할 수 있으면 형태에 제한받지 않는다.
전원 공급기(302e)에서 활성기체 공급관(302b)을 감싸고 있는 밴드형 히터(302c)에 전원을 공급하면 히터가 가열되어 발생되는 열이 열전도, 대류 방식으로 코일 형태의 활성기체 공급관에 열이 전도되어 공급관을 통과하는 활성기체 온도를 250℃ 내지 500℃ 범위에서 선정된 특정온도가 사전에 프로그램되어 제어반(600)에 입력된 제어회로에 의해 밴드형 히터(302c)와 활성기체 공급관(302b)사이에 설치된 온도검출센서(302d)에서 계측되어 실시간 제어부(600)로 전송되는 데이터에 의해 전원공급기(302e)에서 히터(302c)에 공급되는 전원을 공급 및 차단하여 가열되는 온도를 유지하며 공급관(302b)을 통과하는 활성기체도 고온으로 가열되어 벤츄리이젝터(303)로 공급된다.
상기 음극(501)(303)는 입구 및 출구 직경은 펌프 토출측 배관과 동일 직경이거나 확대될 수 있으며 벤츄리 목부의 직경은 펌프(204) 출구 직경의 60% 내지 80% 범위의 축소된 직경이며, 300mm 내지 1200mm범위의 일정길이를 갖고 길이방향으로 외표면에 전원 공급기(305)로부터 전원을 공급받는 가열용히터(304)가 솔레로이드 형상으로 일정권수 권선되어 벤츄리이젝터(303)를 250℃ 내지 350℃ 범위에서 선정된 특정온도의 고온으로 가열하여 펌프(204)의 가압력으로 유입되는 하천수 또는 해수에 접하는 벤츄리이젝터(303)의 내면에서 하천수 또는 해수가 비등하는(증기화되는) 라이텐프로스트 효과(Leidenfrost effect)가 발생되게한다.
상기 벤츄리이젝터(303)는 입구, 출구 직경보다 중앙부분 목부의 직경이 60% 내지 80% 축소되어 목부의 단면적이 축소되어 베르누이 정리 이론에 따라 유속이 급속하게 증가되는 반면 압력이 감압되어 250℃ 내지 350℃ 범위에서 선정된 특정온도의 고온으로 가열되어 가압기(120)에서 가압된 압력(100mmAq 내지 2000mmAq)범위로 가압한 후 용이하게 목부를 통하여 공급하면 인접 기포끼리 충돌하면 어느 한 기포가 파괴되어 보다 큰 기포로 성장하면서 파괴되고, 기포파괴에 의한 Cavitation(공동화)현상이 발생된다
전원공급기(305)에서 벤츄리이젝터(303)의 외부에 권선된 히터(304)에 전원을 공급하면 벤츄리이젝터(303)의 내면의 온도가 193℃ 보다 높게 유지되도록 250℃ 내지 500℃ 범위에서 선정된 특정온도의 고온으로 가열되어 가압기(120)으로 가압하여 벤츄리이젝타 목부(303a)에 공급하여 내부를 통과하는 하천수에 공급하면, 하천수가 흐르는 벤츄리이젝타 내면의 온도가 193℃를 넘게 되어 녹조가 활성화된 하천수 또는 해수의 비등점보다 높아지게 되어 유로 내면에서 라이텐프로스트 효과(Leidenfrost effect)에 의해 녹조가 활성화된 하천수 또는 해수가 기화되어 일정거리만큼 증기층이 형성되면서 초 공동현상이 발생된다. 이러한 현상을 라이텐프로스트 효과(Leidenfrost effect)라 한다.
라이텐프로스트 효과(Leidenfrost effect)는 어떤 액체가 그 액체의 끓는점보다 훨씬 더 뜨거운 부분과 접촉할 경우 빠르게 액체가 끓으면서 증기로 이루어진 단열 절연층이 만들어 지는 현상이다.
또한, 활성기체 공급기에서 생성된 활성기체가 가열기(302)에서 상기 하천수 또는 해수의 비등점보다 높은 250℃ 내지 350℃ 범위의 고온으로 가열된 활성기체가 조류 살균기(300)의 벤츄리이젝트 목부(304)로 공급되어 하천수에 분사되면 고온의 미세기포 표면과 하천수의 액면에서 라이텐프로스트 효과(Leidenfrost effect)에 의해 녹조가 활성화된 하천수 또는 해수 일부가 기화되어 일정거리만큼 증기층이 형성되고, 벤츄리 이젝터 목부로 공급된 활성기체가 상대적 저압상태에서 목부를 통과시 유속은 느려지고 상대적으로 고압이 형성되어 활성기체의 기포가 파괴되면서 충격파를 수반하는 초 공동현상이 발생된다.
상기 초 공동현상이 발생되는 과정에서 하천수 또는 해수 수중에 함유된 녹조를 포함한 미생물은 열적 충격 및 기포가 파괴되며 방출되는 히드록실 이온(OH-radical)에 의한 세포막의 천공, 기포가 파괴되면서 진동을 수반한 충격파에 의해 살균된다.
이 라이텐프로스트 효과(Leidenfrost effect)의 예를 설명하면 달궈진 프라이팬에 물방울을 떨어뜨려 보는 것으로 확인할 수 있다. 처음에 프라이팬의 온도는 100℃ 직전이면 물은 퍼지면서 천천히 증발하며, 100℃ 보다 낮은 경우에는 물은 액체상태를 유지하고 있다. 팬의 온도가 100℃를 넘어서면 팬에 물방울이 닿을 때마다 쉬익 소리를 내면서 재빨리 증발한다. 이후, 팬의 온도가 라이텐프로스트 지점을 돌파하는 순간 라이텐프로스트 효과가 나타난다. 팬과 접촉한 물은 작은 공모양으로 변하면서 주변으로 빠르게 움직이며, 이보다 낮은 온도에 있을 때보다 더 오랫동안 액체상태로 머무르게 된다. 이 효과는 너무 높은 온도에 노출된 물이 너무 빨리 증발하여 물방울 모양을 오랫동안 유지하게 되는 원리이다.
이 효과가 일어나게 되는 이유는 라이텐프로스트 지점 이상의 온도에서는 물방울의 바닥 부분이 순식간에 기화하기 때문이다. 이로 인해 생긴 증기는 바로위의 물방울과 바닥 사이에 끼어 있게 되며, 물과 뜨거운 판 사이의 직접적인 접촉을 막게 된다. 증기는 열전도율이 매우 낮기 때문에 팬과 물방울 사이의 열전달은 매우 느려지게 된다. 또한, 증기층이 팬에서 미끄러지면서 물방울 또한 빠르게 움직이는 것처럼 보이게 된다.
라이텐프로스트 효과가 일어나는 온도를 예측하는 것은 쉽지 않다. 심지어 액체 물방울의 부피가 서로 동일하더라도 라이텐프로스트 효과는 복잡한 표면 성질, 액체 내의 불순물 등 상당히 여러 성질에 의존하기 때문에 라이텐프로스트 지점은 서로 다를 수 있다. 일부 연구는 이 효과에 대한 이론적인 모델을 제시하고 있지만 이 모델은 매우 복잡하다.(출처 : Bernardin, John D. ; Mudawar, Issam(2002), "A Cavity Activation and Bubble Growth Model of the Leidenfrost Point". <Journal df HeatTransfer> 124(5) : 864-74. DOI : 10.1115/1.1470487(HTTPS;//DX.DOI,ORG/10,1115%2FI 1.1470487) 아주 대략적으로 프라이팬에 떨어진 물방울의 라이텐프로스트 지점은 약 193℃이다. 라이텐프로스트 지점은 물방울이 공중에 띄어 있을 때, 가장 오랫동안 지속되는 온도로도 알 수 있다.(출처 : Incropera, DeWitt, Bergman and Lavine : Fundamentals of Heat and Mass Transfer <6th edition). 이것은 초소수성 표면을 이용하여 물과 라이텐프로스트 공기층을 안정화 하면서 증명할 수 있게 되었다. 이 경우, 일단 증기층이 만들어지면 냉각으로도 이 층은 작아지지 않으며, 어떠한 핵비등도 나타나지 않는다. 이 증기층은 표면이 냉각될 때만 서서히 줄어든다.(출처 : Vakarelski, IvanU ; Patankar, Neelesh A, ; Marston, Jeremy O, ; Chan, Derek Y, ; Thoroddsen, Sigurdur T(2012) "Stabilization of Leidenfrost vapor layer by textured superhydrophobicsurfaces"<<Nature>> 489(7415):274-7Bibcode: 2012Natur.274V)
라이텐프로스트 지점은 안정한 막비등이 발생하는 지점이다. 이 때가 열유속에서 비등곡선상에 점이 최소인 때이며 표면이 완전히 증기로 덮혀있는 상태를 나타낸다. 액체 표면에서의 열전달은 증기를 통한 열 전도와 복사열을 통해 이루어진다. 1976년, 라이텐프로스트는 뜨거운 표면위의 물이 증기막의 보호를 받아 천천히 증발하면서 이리저리 움직이는 현상을 관찰했다. 표면의 온도가 증가하면서 증기막을 통한 복사열이 증가하며 온도 증가와 함께 열유속이 증가한다는 것을 밝혀냈다.
크고 수평인 판 위의 최소 열유속은 제베르(Zuber)방정식으로 유도할 수 있다.(출처:Incropera,DeWitt,Bergman and Lavine:Fundamentals of Heat and Mass Transfer<6th edition)
열전달의 상관관계
열전달 계수는 브롬방정식을 이용하여 근사할 수 있다.
(출처: Incropera,DeWitt,Bergman and Lavine:Fundamentals of Heat and Mass Transfer<6th edition)
세포막(cell membrane)은 모든세포가 가지고 있는 구성요소이며 세포 내부와 외부를 서로 구분해 준다. 세포막은 인지질 및 단백질 분자로 구성된 두꼐 10 나노미터의 얇고 구조적인 인지질 이중층으로 되어 있으며 선택적인 투과성을 지닌다.
세포 표면막은 수용체 단백질과 세포부착 단백질(막단백질)을 지니고 있고 세포벽이 최외각 경계를 형성하여 물리적인 방호력을 제공한다.
또한 세포막 내부의 모든 지방분자는 자유롭게 확산할 수 있으며 세포는 세포막의 유동성을 유지하기 위해서 지질의 종류 및 양을 다양하게 변화시킨다. 이중층 내부에 있는 콜레스트롤 분자(진핵세포의 경우) 나호파노이드(원핵세포의 경우)는 유동성을 유지시키는데 도움을 준다.
물질 교환에서 새로운 물질은 다음과같은 여러방식에 의해 세포막에 포함되거나 혹은 제거된다.
첫째, 세포간의 소포의 융합은 소포 내부 물질을 분비할 뿐만아니라 소포막의 물질을 세포막에 포함시킨다. 세포막은 훗날 소포가 되는 수포를 형성하기도 한다. 둘째, 세포를 관상 구조를 가지고 있다면, 관으로의 물질은 세포속으로 흡수될 수 있다. 셋째, 비록 세포막 내부에 수성물질의 농도가 낫다고 하더라도(안정된 세포막 구성물은 물에 녹지 않음), 이러한 수성물질에서 분자 교환이 가능하다.
상기 첫째, 둘째, 셋째의 모든 경우에서, 세포막의 장력은 물질의 교환비율에 영향을 미친다. 일부 세포에서, 특히 매끈한 형태를 가지는 세포에서, 세포막의 장력 및 면적은 각각 탄력성 및 유동성과 관련이 있다. 초 공동현상에 의해 노출된 녹조의 단면에 작용하는 기포가 파괴시 발생되는 600 내지 3000 싸이클 범위내 진동을 수반하는 수백기압(최대 300)의 충격파에 의해 녹조는 허용장력이 초과되어 세포가 파괴된다.
고온의 활성기체가 함유된 기포가 하천수 액면과의 기액접촉 및 라이텐프로스트 효과 및 수중에 파괴될 때 방생되는 충격 과 히드록실 이온(OH-)에 의해 조류균이 열충격 및 히드록실 이온(OH-)이온에 의해 조류균 세포의 생물막이 천공되어 살균되며 또한 전체 30%이상이 지방(또는 단백질)으로 구성된 조류균 및 수중의 미생물이 고온체에 접촉되어 열적 충격으로 세포막이 일부 용해되어 조류균끼리 달라붙게되어 개체수(혹은 부피)가 커져서 여과기에 쉽게 걸러지며 살균되면서 하천수 또는 해수는 펌프(204)의 가압력으로 기포파괴기(400)로 유입된다.
도 6은 도 1의 수질 정화기능이 내장된 조류를 포함한 수중 미생물 제거 장치의 기포파괴기를 나타낸 단면도로서, 첨부된 도면을 참조하여 설명하면, 상기 기포파괴기(400)는 제1 기포파괴기(410), 제2 기포파괴기(420), 제3 기포파괴기(430)로 구성되고 제1, 제2, 제3 기포파괴기(430) 중에 어느 한가지 기종이 선택되어 사용된다.
제1 기포파괴기(410)는 챔버(401), 고전압 펄스 발생장치(411), 방전전극(412), 접지전극(413), 도선(414) 및 침상형 반사판(415)으로 구성되고,
제2 기포파괴기(420)는 챔버(401), 고전압 펄스 발생장치(421), 방전전극(422), 접지전극(423), 도선(422a, 424), 트리거 전압발생기(425), 트리거 전압전극(426), 도선(427)으로 구성되고,
제3 기포파괴기(430)는 고전압 펄스 발생 장치(431), 방전전극(432), 접지전극(433) 및 트리거 전압전극(434), 트랜스(435), 도선(431a,b)로 구성되는데 현장 여건을 고려하여 제1, 제2, 제3 기포파괴기중 어느 한기종을 선택하여 사용한다.
유체(히천수 또는 해수와 활성기체의 혼합물)가 관경이 큰 유로에서 관경이 작은 유로로 고속으로 유입할 때, 또는 벽면을 따라 흐를 때 벽면에 요철이 있거나 만곡부가 있으면 흐름은 직선적이 못되며, 관경이 작은 유로는 관경이 큰 유로보다 저압이 되어 여기에 CAVITY(공동)이 생긴다. 또 수중에는 압력 비례하여 공기가 용입되는데, 이 공기가 물과 분리되어 기포로 나타난다. 이와 같은 현상을 CAVITATION, 즉 공동현상이라고 한다.
CAVITATION현상에 의하여 생긴 기포는 고압의 영역에 이르렀을 때 갑자기 파괴되어 다시 수중으로 말려들어 소멸하고 만다.
기포가 파괴될때에는 심한 충격을 동반하고 소음과 진동을 초래한다. 이 진동은 대체로 600~3000사이클 정도나 된다. 또 기포가 파괴될 때 기포의 전주에 밀어 붙이는 액체의 압력은 기포 체적의 급격한 축소에 따른 기포 표면적의 급격한 격감에 의하여 그 압력의 강도가 매우커져 실측에 의하면 300기압이 될 때도 있다.
(출처; 목포해양대학교 기관시스템 공학부 A Study on the Propeller Cavitation; 백신영)
도 7a는 도 6의 기포파괴기의 제1 기포파괴기를 나타낸 단면도로서, 첨부된 도면을 참조하여 설명하면, 상기 제1 기포파괴기(410)는 챔버(401), 고전압 펄스 발생장치(411), 방전전극(412), 접지전극(413), 도선(414) 및 침상형 반사판(415)으로 구성되어, 고전압 펄스 발생장치(411)에서 생성되는 고전압 펄스를 도선(414)을 통하여 방전전극(412) 및 접지전극(413)에 인가하여 양 전극(412, 413)간에 방전시켜, 이 방전에 의하여 발생되는 충격파에 의해서 살균기(300)에서 파괴되지 않은 잉여의 활성기체를 파괴한다.
고전압 펄스 발생장치(411)의 출력측 전압은 1KV 내지 30KV 범위내서 적정전압을 선택하여 선정하고, 전류값은 5A 내지 300A 범위내서 적정전압을 선택하여 선정하고, 펄스반복율(단위시간당 펄스횟수;PRR)은 20Hz 내지 10KHz 범위내서 적정전압을 선택하여 선정하며, 펄스폭은 1ms 내지 5ms범위내서 적정전압을 선택되어 출력되는 전원을 도선을 통하여 방전전극(412) 및 접지전극(413)에 공급한다.
기포검출 센서(미도시)에 의해 실시간 제어부(600)로 전송되는 계측데이터에 의해 제어부(600)에서 고전압 펄스 발생장치(411)의 출력전압을 조절한다. 기포파괴율이 설정된 목표치에 미달되면 펄스전압이나 펄스 반복율을 높게하고, 목표치를 상향하면 펄스전압이나 펄스 반복율을 하향 조절한다.
상기 방전전극(412) 및 접지전극(413)의 재질은 스테인레스스틸(STS304), 티타늄, 하스탈로이, 철, 동, 알미늄, 주석 등의 재질중에서 어느 한가지 이상의 재질이 선택되어 사용된다.
사전에 고전압 펄스 발생장치(411)에서 출력전압, 출력전류, 펄스 반복율, 펄스폭이 설정된 출력전원이 도선을 통하여 방전전극(412) 및 접지전극(413)에 인가 되면, 방전극(412, 413)사이로 유입되는 조류가 포함된 수중에 펄스에너지가 전달되면서 조류의 세포막에 1volt 이상의 임계전압이 인가되어 전기천공 방식으로 조류의 세포막이 천공됨과 동시에 방전이 개시되고, 방전에 의하여 충격파가 발생하고, 동시에 방전극을 통과하는 활성기체 용해기(200)에서 파괴되지 않은 활성기체가 함유된 기포와 살균기(300)의 가열기(302)에서 고온으로 가열되어 벤츄리이젝터 목부(303a)로 공급되어 조류균을 살균후 파괴되지 않은 잉여의 수중에 함유된 고온의 기포가 방전 충격파로 파괴되며, 기포가 파괴되면서 발생하는 진동을 수반한 충격파로 기포를 효율적으로 파괴하면서 파동을 발생시켜 하천수 또는 해수를 침상형 반사판(415)방향으로 와류시켜 파괴되지 않은 수중의 기포가 침상형 반사판(415)에 충돌하여 추가 파괴된다.
단, 기포의 크기에 따라서는 파괴시 충격파를 발생하기도 하고 역으로 방전 충격파를 흡수해버리는 문제가 발생할 수 있으나 기포입경이 약 1.0㎜를 경계로 하여, 기포 입경 약 1.0㎜ 이하에서는 수격압을 발생하고, 방전충격파로 계속 작용되는데 반대로 기포 입경 약 1.0㎜ 이상의 큰 입경의 기포는, 기포가 파괴되는, 방전 충격파를 흡수하기 때문에 활성기체 용해기(200), 조류균 살균기(300)에 활성기체를 공급하여 수중에 분사하는 기포의 크기를 1.0mm 이하가 되도록한다.
여기서 기포파괴 수격압은, 기포가 파괴했을 때에 수중에서 발생하는 압력이다.
또한. 기포는 단지 방전거리를 늘릴 뿐만 아니라, 방전충격파로 기포를 파괴하며, 이 기포가 파괴시에 발생하는 수격압이 진동을 수반한 충격파로 거듭되는 상승효과를 초래한다.
기포중에는 대소의 기포가 혼합하지만, 평균입경이 1㎜ 이하라면, 상기한 「수격압이 방전충격파로 거듭되는 상승효과」 「평균입경 1㎜ 이하의 기포의 분위기」이므로, 「수격압이 방전충격파로 거듭되는 상승효과가 발생된다.
또한, 방전 시에, 양전극간에 기포나 플라스마가 생성된다. 플라스마는 잔류물로서 이온이나 래디칼을 남긴다. 20㎐ 이상에서 고전압펄스를 양 전극에 인가할 수 있으므로, 이온, 래디칼이 소멸하기 전에 이들을 다음 번의 방전에 이용할 수 있다. 이 경우에, 이온, 래디칼은 기포이상으로 방전거리를 신장시킨다.
동일한 입경의 기포를 파괴함에 있어서 방전거리에 따라 방전거리가 크면 클수록 고전압펄스 발생장치(411)도 초 고전압 고 전류화가 되고 장치가 대형화 되고, 방전거리가 적을수록 고전압펄스 저전압화, 저비용화, 저소음화할 수 있고 또 안전하게 효율적으로 기포를 파괴할 수 있다.
또한, 수중에 입경이 작은 미세기포가 많이 존재할수록 동일한 방전전압이 방전극(412, 413)에 인가될 때 방전거리를 길게할 수 있어 기포파괴 능력을 향상시킬 수 있다. 고전압펄스 발생장치(411)에서 생성되는 고전압이 도선(414)을 통하여 방전전극(412) 및 접지전극(413)에서 방전이 개시되어 이 방전극(412, 413)를 통과하는 고온의 활성기체를 함유한 기포가 파괴되면서 고온의 활성기체가 수중에 방출되면서 수중에의 조류, 적조류의 세포막과 접촉하면서 열적 충격 및 히드록실 이온(OH-)과의 접촉에 의한 세포막의 천공, 그리고 동시에 기포가 파괴되면서 발생되는 진동을 수반한 충격파로 다시한번 수중의 조류, 또는 적조류를 사멸시키고 산소원자(O) 및 산소이온(O2 *)이 수중에 용해되어 수중의 용존산소 농도(DO)를 증가시킨다.
또한, 활성기체 용해기의 펌프(204)에 의해 제1 기포파괴기(410)의 방전전극(412) 및 접지전극(413)을 통과하는 하천수 또는 해수중의 조류는 고전압 펄스 발생장치(411)에서 출력전압, 출력전류, 펄스 반복율, 펄스폭이 설정된 출력전원이 도선을 통하여 방전전극(412) 및 접지전극(413)에 인가 되면, 방전극(412, 413)사이에서 펄스에너지가 전달되면서, 조류의 세포막을 가로질러 부가적인 전압(V)에 유도되고 누적된 전위의 합이 200mmV에서 1V사이인 임계전압(threshold voltage)을 능가하면, 세포막에서 기공(transmembrane pore.p)이 형성되기 시작하고, 세포막의 전위가 임계치 이상인 상태에서 세포가 보다 오랜 시간 동안 노출되면, 천공은 세포외 이온의 유입을 야기하고, 이는 항상성(homeostasis)의 상실 및 그에 따를 세포 자멸(apoptosis)로 이어져 결과적으로 돌이킬 수 없는(irreversible) 세포사(cell death)를 초래한다.
도 7b는 도 6의 기포파괴기의 제2 기포파괴기를 나타낸 단면도로서, 첨부된 도면을 참조하여 설명하면, 상기 제2 기포파괴기(420)는 챔버(401), 고전압 펄스 발생장치(421), 방전전극(422), 접지전극(423), 도선(422a, 424), 트리거 전압발생기(425), 트리거 전압전극(426), 도선(427), 제어부(600)으로 구성된다.
상기 전극의 배열은 방전전극(422) 및 접지전극(423) 사이에 간격을 두고 트리거전압전극(426)이 설치된다.
고전압펄스 발생 장치(421)와 도선(427)에 의하여 트리거전압 발생기(425)연결 설치되고, 그리고 트리거전압전극(426)이 도선(427)에 의하여 트리거전압 발생기(425)와 연결 설치되고, 출력선(424)의 한 도선은 방전전극(422)에 연결 설치되며, 다른 한 출력선(424)은 접지전극(423)에 연결 설치된다.
고전압펄스 발생 장치(421)가 방전전극(422) 및 접지전극(423)에 고전압펄스를 인가할 때, 도선을 사이에 끼워 트리거전압발생기(425)에 동기작동신호를 부여한다(또한, 역으로 되어있어도 좋다). 그러면, 트리거전압 발생기(425)는, 고전압펄스 발생 장치(421)가 고전압펄스를 방전전극(422) 및 접지전극(423)에 인가하기보다 이전에(또는 동시에), 트리거전압을 트리거전압전극(426)에 인가한다. 그러면, 우선 트리거전압전극(426)은 자기와 달리하는 극성의 방전전극(422) 및 접지전극(423)사이에서 펄스에너지가 전달되면서 방전을 개시한다. 그러면, 방전전극(422) 및 접지전극(423)은 방전전극(422) 및 접지전극(423) 인가된 고전압펄스 보다도 저전압으로 주 방전을 개시한다.
즉, 제1 기포파괴기(410)의 고전압 펄스발생기(411)에서 방전전극(412) 및 접지전극(413)에 고전압펄스를 인가하여 동일한 전압으로 방전할 때 보다 트리거전압전극(426)을 사용할 때의 방전거리가 수배로 신장한다.
제2 기포파괴기(420)는 고전압 펄스 발생장치(421)에서 생성되는 고전압 펄스를 도선(424)을 통하여 방전전극(422) 및 접지전극(423)에 인가하고, 트리거 전압발생기(425)에서 생성되는 전압을 도선(427)을 통하여 트리거 전압전극(426)에 인가하면, 방전전극(422), 트리거 전압전극(426) 및 접지전극(423) 사이로 유입되는 조류가 포함된 수중에 펄스에너지가 전달되면서 조류의 세포막에 1volt 이상의 임계전압이 인가되어 전기천공 방식으로 조류의 세포막이 천공됨과 동시에 방전이 개시되고, 방전에 의하여 충격파가 발생하고, 동시에 방전극(422, 426, 423)을 통과하는 활성기체 용해기(200)에서 파괴되지 않은 활성기체가 함유된 기포와 살균기(300)의 가열기(302)에서 고온으로 가열되어 벤츄리이젝터 목부(303a)로 공급되어 수중에 함유된 고온의 기포가 방전 충격파로 파괴되며, 기포가 파괴되면서 발생하는 수격압이 방전 충격파로 인접한 기포를 효율적으로 추가 파괴한다.
고전압 펄스 발생장치(421)의 출력측 전압은 1KV 내지 30KV 범위내서 적정전압을 선택하여 선정하고, 전류값은 5A 내지 300A 범위내서 적정전압을 선택하여 선정하고, 펄스반복율(단위시간당 펄스횟수;PRR)은 20Hz 내지 10KHz 범위내서 적정전압을 선택하여 선정하며, 펄스폭은 1ms 내지 5ms범위내서 적정전압을 선택되어 출력되는 전원을 도선을 통하여 방전전극(422) 및 접지전극(423)에 공급한다. 기포검출 센서(미도시)에 의해 실시간 제어부(600)로 전송되는 계측데이터에 의해 제어부(600)에서 고전압 펄스 발생장치(421)의 출력전압을 조절한다. 기포파괴율이 설정된 목표치에 미달되면 펄스전압이나 펄스 반복율을 높게하고 목표치를 상향하면 펄스전압이나 펄스 반복율을 하향 조절한다.
상기 방전전극(422) 및 접지전극(423)의 재질은 스테인레스스틸(STS304), 티타늄, 하스탈로이, 철, 동, 알미늄, 주석 등의 재질중에서 어느 한가지 이상의 재질이 선택되어 사용된다.
사전에 고전압 펄스 발생장치(421)에서 출력전압, 출력전류, 펄스 반복율, 펄스폭이 설정된 출력전원이 도선(424)을 통하여 방전전극(422) 및 접지전극(423)에 인가 하고, 트리거 전압발생기(425)에서 생성되는 전압을 도선(427)을 통하여 트리거 전압전극(426)에 인가하여 방전전극(422), 트리거 전압전극(426) 및 접지전극(423) 사이로 유입되는 조류가 포함된 수중에 펄스에너지가 전달되면서 조류의 세포막에 1volt 이상의 임계전압이 인가되어 전기천공 방식으로 조류의 세포막이 천공됨과 동시에 방전이 개시되고 동시에 방전극(422, 426, 423)사이를 통과하는 활성기체 용해기(200)에서 파괴되지 않은 활성기체가 함유된 기포와 살균기(300)의 가열기(302)에서 고온으로 가열되어 벤츄리이젝터 목부(303a)로 공급되에 수중에 함유된 고온의 기포가 방전 충격파로 파괴되며, 기포가 파괴되면서 발생하는 진동을 수반한 충격파로 기포를 효율적으로 파괴한다. 단, 기포의 크기에 따라서는 역으로 방전 충격파를 흡수해버리는 문제가 발생할 수 있으나 기포입경이 약 1.0㎜를 경계로 하여, 기포 입경 약 1.0㎜ 이하에서는 수격압을 발생하고, 방전충격파로 계속 작용되는데 반대로 기포 입경 약 1.0㎜ 이상의 큰 입경의 기포는, 기포가 파괴되기, 방전 충격파를 흡수한다.
여기서 기포파괴 수격압은, 기포가 파괴했을 때에 수중에서 발생하는 압력이다.
또한, 기포는 단지 방전거리를 늘릴 뿐만 아니라, 방전충격파로 기포를 파괴하며, 이 기포가 파괴시에 발생하는 수격압이 방전충격파로 거듭되는 상승효과를 초래한다.
기포중에는 대소의 기포가 혼합하지만, 평균입경이 1㎜ 이하라면, 상기한 「수격압이 방전충격파로 거듭되는 상승효과」 「평균입경 1㎜ 이하의 기포의 분위기」이므로, 「수격압이 방전충격파로 거듭되는 상승효과가 발생된다.
또한, 방전 시에, 양전극간에 기포나 플라스마가 생성된다. 플라스마는 잔류물로서 이온이나 래디칼을 남긴다. 20㎐ 이상에서 고전압펄스를 양 전극에 인가할 수 있으므로, 이온, 래디칼이 소멸하기 전에 이들을 다음 번의 방전에 이용할 수 있다. 이 경우에, 이온, 래디칼은 기포이상으로 방전거리를 신장시킨다.
또한, 동일한 입경의 기포를 파괴함에 있어서 방전거리에 따라 방전거리가 크면 클수록 고전압펄스 발생장치(421)도 초 고전압 고 전류화가 되고 장치가 대형화 되고, 방전거리가 적을수록 고전압펄스 저전압화, 저비용화, 저소음화할 수 있고 또 안전하게 효율적으로 기포를 파괴할 수 있다.
또한, 수중에 입경이 작은 미세기포가 많이 존재할수록 동일한 방전전압이 방전극(422, 423)인가될 때 방전거리를 길게할 수 있어 기포파괴능력을 향상시킬 수 있다. 고전압펄스 발생장치(421)에서 생성되는 고전압이 도선(424)을 통하여 방전전극(422) 및 접지전극(423)에서 방전이 개시되어 이 방전극(422, 423)를 통과하는고온의 활성기체를 함유한 기포가 파괴되면서 고온의 활성기체가 수중에 방출되면서 수중에의 조류, 적조류의 세포막과 접촉하면서 열적 충격 및 히드록실 이온(OH-)과의 접촉, 그리고 동시에 기포가 파괴되면서 발생되는 수격압으로 다시한번 수중의 조류, 또는 적조류를 사멸시키고 산소원자(O) 및 산소이온(O2 *)이 수중에 용해되어 수중의 용존산소 농도(DO)를 증가시킨다.
또한, 활성기체가 함유된 기포의 입경이 작을수록 동일 체적의 수중에 미세기포가 많이 존재할수록 방전극(422, 426, 423)사이에서 방전효과가 더욱 커지고, 수중의 조류균과 접촉횟수가 많아지고, 고온의 미세기포일수록 조류균의 살균의 신뢰성은 개선되며, 기포가 파괴시 발생되는 수격압력은 더욱 조류균의 살균율을 향상 시킨다.
또한, 활성기체 용해기의 펌프(204)에 의해 제2 기포파괴기(420)의 방전전극(422) 및 접지전극(423), 트리거 전압전극(426)을 통과하는 하천수 또는 해수중의 조류는 고전압 펄스 발생장치(421)에서 출력전압, 출력전류, 펄스 반복율, 펄스폭이 설정된 출력전원이 도선을 통하여 방전전극(422) 및 접지전극(423)에, 트리거 전압발생기(425)에서 생성된 전압을 트리거 전압전극(426)에 인가하면 방전극(422, 426, 423)사이에서 펄스에너지가 전달되면서, 조류의 세포막을 가로질러 부가적인 전압(V)에 유도되고 누적된 전위의 합이 200mmV에서 1V사이인 임계전압(threshold voltage)을 능가하면, 세포막에서 기공(transmembrane pore.p)이 형성되기 시작하고, 세포막의 전위가 임계치 이상인 상태에서 세포가 보다 오랜 시간 동안 노출되면, 천공은 세포외 이온의 유입을 야기하고, 이는 항상성(homeostasis)의 상실 및 그에 따를 세포 자멸(apoptosis)로 이어져 결과적으로 돌이킬 수 없는 (irreversible) 세포사(cell death)를 초래한다.
도 7c는 도 6의 기포파괴기의 제3 기포파괴기를 나타낸 단면도로서, 첨부된 도면을 참조하여 설명하면, 상기 제3 기포파괴기(430)는 고전압 펄스 발생 장치(431), 방전전극(432), 접지전극(433) 및 트리거 전압전극(434), 트랜스(435), 도선(431a, 431b)로 구성된다.
고전압 펄스 발생 장치(431)에서 생성된 고전압이 방전전극(432) 및 접지전극(433) 및 트리거 전압전극(434)에 인가되며, 고전압 펄스 발생장치(431)의 출력측의 한 도선(431-2b)은 트랜스(435)의 2차측 인덕터(L2)를 경유하여 접지전극(433)에 연결되며, 다른 한 도선(431-2e)은 트랜스(435)의 1차측 인덕터(L1)을 사이에 끼워 콘덴서(c)의 1차측 단자에 접속 및 2차측 단자에 접속되어 방전전극(432)에 연결된다.
고전압 펄스 발생 장치(431)의 다른 한 출력도선(431-b)은 트리거 전압전극(434)에 연결된다. 제어반(600)에서 고전압 펄스 발생 장치(431)에 전원이 공급되고, 고전압 펄스 발생 장치(431)의 출력선(431-a)에 정(+)의 전위로 되는 고전압 펄스가 인가되면 콘덴서(c)는 1차측(L1)에 의하여 서서히 충전된다. 이때의 전류변화에 의하여 2차측(L2)으로 트리거 전압이 발생하여 트리거 전압전극(434)과 접지전극(433)의 사이로 유입되는 조류가 포함된 수중에 펄스에너지가 전달되면서 조류의 세포막에 1volt 이상의 임계전압이 인가되어 전기천공 방식으로 조류의 세포막이 천공됨과 동시에 자유방전이 발생한다.
이 자유 방전에 의해 유발되어서 방전전극(432) 및 접지전극(433)사이로 주 방전이 발생한다. 또한, 트리거 전압은 콘덴서(c)에 충전될때만 발생한다.
방전전극(432) 및 접지전극(433)의 2전극으로 구성된 방전의 경우에는 큰 브레이크다운전압(즉, 큰 고전압펄스)를 인가하지 않으면 방전전극(432) 및 접지전극(433)에서 주 방전이 일어나지 않는다.
그러나 제3 기포파괴기(430)에서는 트리거 전압 전극(434)을 보유하고 있으므로 작은 브레이크다운전압(즉, 작은 고전압펄스)에서도 주 방전을 개시할 수 있다. 일단 주 방전이 일어나면 고전압펄스 같은 수준으로 되어있다.
LC직렬회로를 사용하여 고전압 펄스 발생 장치(431)로부터의 고전압 펄스뿐이고, 트리거 전압을 생성하는 간단한 구조이다.
고전압 펄스 발생장치(431)의 출력측 전압은 1KV 내지 30KV 범위내서 적정전압을 선택하여 선정하고, 전류값은 5A 내지 300A 범위내서 적정전압을 선택하여 선정하고, 펄스반복율(단위시간당 펄스횟수;PRR)은 20Hz 내지 10KHz 범위내서 적정전압을 선택하여 선정하며, 펄스폭은 1ms 내지 5ms범위내서 적정전압을 선택되어 출력되는 전원을 한도선(431b)를 통하여 트리거 전압전극(434)에 직접 인가하고,다른 한 도선(431a)는 트랜스(435)에 연결되고, 트랜스(435)의 한 도선(431-2b)는 인덕터(L2)를 경유하여 접지전극(433)에 인가하고, 트랜스(435)의 다른 한 도선(431-2e)은 트랜스(435)의 1차측 인덕터(L1)을 사이에 끼워 콘덴서(c)의 1차측 단자에 접속 및 2차측 단자에 접속된 도선(431-2f)을 통하여 방전전극(432)에 인가하여 방전전극(432), 트리거 전압전극(434) 및 접지전극(433)사이에서 방전을 개시한다.
기포검출 센서에 의해 실시간 제어부(600)로 전송되는 계측데이터에 의해 제어부(600)에서 고전압 펄스 발생장치(431)의 출력전압을 조절한다. 기포파괴율이 설정된 목표치에 미달되면 펄스전압이나 펄스 반복율을 높게하고 목표치를 상향하면 펄스전압이나 펄스 반복율을 하향 조절한다.
상기 방전전극(432), 접지전극(433) 및 트리거 전압전극(434)의 재질은 스테인레스스틸(STS304), 티타늄, 하스탈로이, 철, 동, 알미늄, 주석 등의 재질중에서 어느 한가지 이상의 재질이 선택되어 사용된다.
사전에 고전압 펄스 발생장치(431)에서 출력전압, 출력전류, 펄스 반복율, 펄스폭이 설정된 출력전원이 도선을 통하여 방전전극(432), 접지전극(433) 및 트리거 전압전극(434)에 인가하여, 방전전극(432), 트리거 전압전극(434) 및 접지전극(433) 사이에서 펄스에너지가 전달되면서 방전이 개시되면 방전에 의해 충격파가 발생되고, 동시에 방전극(432, 434, 433)사이를 통과하는 활성기체 용해기(200)에서 파괴되지 않은 활성기체가 함유된 기포와 살균기(300)의 가열기(302)에서 고온으로 가열되어 벤츄리이젝터 목부(303a)로 공급되어 수중에 함유된 고온의 기포가 방전 충격파로 파괴되며, 기포가 파괴되면서 발생하는 수격압에 의한 충격파로 기포를 효율적으로 파괴한다. 단, 기포의 크기에 따라서는 역으로 방전 충격파를 흡수해버리는 문제가 발생할 수 있으나 기포입경이 약 1.0㎜를 경계로 하여, 기포 입경 약 1.0㎜ 이하에서는 수격압을 발생하고, 방전충격파로 계속 작용되는데 반대로 기포 입경 약 1.0㎜ 이상의 큰 입경의 기포는 기포가 파괴되기 전에 방전 충격파를 흡수하기 때문에 기포의 크기를 1.0㎜ 이하게 되게 한다.
여기서 기포파괴 수격압은, 기포가 파괴했을 때에 수중에서 발생하는 압력이다.
또한. 기포는 단지 방전거리를 늘릴 뿐만 아니라, 방전충격파로 기포를 파괴하며, 이 기포가 파괴시에 발생하는 수격압이 방전충격파로 거듭되는 상승효과를 초래한다.
기포중에는 대소의 기포가 혼합하지만, 평균입경이 1㎜ 이하라면, 상기한 「수격압이 방전충격파로 거듭되는 상승효과」 「평균입경 1㎜ 이하의 기포의 분위기」이므로, 「수격압이 방전충격파로 거듭되는 상승효과가 발생된다.
또한, 방전 시에, 양전극간에 기포나 플라스마가 생성된다. 플라스마는 잔류물로서 이온이나 래디칼을 남긴다. 20㎐ 이상에서 고전압펄스를 양 전극에 인가할 수 있으므로, 이온, 래디칼이 소멸하기 전에 이들을 다음 번의 방전에 이용할 수 있다. 이 경우에, 이온, 래디칼은 기포이상으로 방전거리를 신장시킨다.
또한, 동일한 입경의 기포를 파괴함에 있어서 방전거리에 따라 방전거리가 크면 클수록 고전압펄스 발생장치(431)도 초 고전압 고 전류화가 되고 장치가 대형화 되고,방전거리가 적을수록 고전압펄스 저전압화, 저비용화, 저소음화할 수 있고 또 안전하게 효율적으로 기포를 파괴할 수 있다.
또한, 수중에 입경이 작은 미세기포가 많이 존재할수록 동일한 방전전압이 방전극(432, 434, 433)인가될 때 방전거리를 길게할 수 있어 기포파괴능력을 향상시킬 수 있다. 고전압펄스 발생장치(431)에서 생성되는 고전압이 도선(431a,등)을 통하여 방전전극(432), 접지전극(433), 트리거전압전극(434)사이에서 방전이 개시되어 이 방전극(432, 434, 433)를 통과하는고온의 활성기체를 함유한 기포가 파괴되면서 고온의 활성기체가 수중에 방출되면서 수중에의 조류,적조류의 세포막과 접촉하면서 열적 충격 및 히드록실 이온(OH-)과의 접촉 ,그리고 동시에 기포가 파괴되면서 발생되는 수격압으로 다시한번 수중의 조류,또는 적조류를 사멸시키고 산소원자(O) 및 산소이온(O2 *)이 수중에 용해되어 수중의 용존산소 농도(DO)를 증가시킨다.
또한, 활성기체가 함유된 기포의 입경이 작을수록 동일 체적의 수중에 미세기포가 많이 존재할수록 방전극(432, 434, 433)사이에서 방전효과가 더욱 커지고, 수중의 조류균과 접촉횟수가 많아지고,고온의 미세기포일수록 조류균의 살균의 신뢰성은 개선되며, 기포가 파괴시 발생되는 수격압력은 더욱 조류균의 살균율을 향상 시킨다.
또한, 활성기체 용해기의 펌프(204)에 의해 제3 기포파괴기(430)의 방전전극(432) 및 접지전극(433)을 통과하는 하천수 또는 해수중의 조류는 고전압 펄스 발생장치(431)에서 출력전압, 출력전류, 펄스 반복율, 펄스폭이 설정된 출력전원이 도선을 통하여 방전전극(432) 및 접지전극(433)에 인가 되면, 방전극(432, 433)사이에서 펄스에너지가 전달되면서, 조류의 세포막을 가로질러 부가적인 전압(V)에 유도되고 누적된 전위의 합이 200mmV에서 1V사이인 임계전압(threshold voltage)을 능가하면, 세포막에서 기공(transmembrane pore.p)이 형성되기 시작하고, 세포막의 전위가 임계치 이상인 상태에서 세포가 보다 오랜 시간 동안 노출되면, 천공은 세포외 이온의 유입을 야기하고, 이는 항상성(homeostasis)의 상실 및 그에 따를 세포 자멸(apoptosis)로 이어져 결과적으로 돌이킬 수 없는(irreversible) 세포사(cell death)를 초래한다.
고전압 발생장치에서 생성된 고전압이 방전극에 인가되어 전기천공 방법에 의해 세포막이 사멸(파괴)되는 방법이 개시되어있다.
짐머만(Zimmerman)의 연구결과의 미생물 제거과정으로 추론할 수 있다.짐머만은 “ 미생물의 세포막 주위에 약 1Volt의 전위차가 있으면 미생물막이 절연파괴(Dielectric Breakdown)되어 세포안의 내용물이 세포밖으로 흘러 나가 미생물이 사멸된다.”는 연구결과를 발표하였다.( Zimmerman, U., G. Pilwat, and F. Eiemann,"Dielectric Breakdown of cell membrane" ,Biophys. J. 1974 Nov;14(11):88199).
전기천공이란 어떤 특정파라미터들 내에서 고 전압 펄스 전기장에 노출된 세포의 원형질막(plsma membrane)이 지질 이중층(lipid bilayer)의 불안정화와 기공(p)의 형성으로 인하여 일시적으로 투과성을 띄게 된다는 사실을 말해준다.
세포 원형질막은 대략 5㎚ 두께 (t)의 지질 이중층으로 구성된다.
세포막은 본질적으로 축전(capacitor)를 형성하는 비 전도성 유전체 배리어로 작용한다. 생리적 조건들로 인하여 인가된 전기장이 없을 경우에도 ,세포막 내부와 외부 사이의 세포막을 가로질러 형성된 전하 분리 현상에 의해 자연적으로 전위차가 생기게 된다.
세포가 외부에서 인가된 전기장(E)에 노출되면 (예 제1 기포파괴기(410)의 고전압 펄스 발생장치(411)에서 방전전극(412) 및 접지전극(413)에 고전압을 인가시킬 때와
제2 기포파괴기(420)의 고전압 펄스 발생장치(421)에서 방전전극(422) 및 접지전극(423)에 고전압을 인가시킬 때와 트리거 전압발생기(425)에서 트리거 전압전극(426)에 전압을 인가시킬 때와
제3 기포파괴기(430)의 고전압 펄스 발생장치(431)에서 방전전극(432) 및 접지전극(433)에 고전압을 인가시킬 때)
, 상기 전기장이 존재하는 한,세포막을 가로질러 부가적인 전압(V)에 유도된다. 유도된 전압은 외부 전장의 세기 및 세포의 반경에 정비례한다.세포에 누적된 전위의 합이 200mmV에서 1V사이인 임계전압(threshold voltage)을 능가하면 ,세포막에서 기공(transmembrane pore.p)이 형성되기 시작한다.
만일 세포막의 전위가 임계치(critical value)를 초과하지 않아서 기공 영역이 전체 세포막 표면에 비해 작다면 .세포막의 천공은 원상태로 되돌려질 수 있다(reversible). 이러한 가역적인 전기 천공법에서는 ,인가된 전기장이 제거되면 세포막은 원상회복 되며,세포는 생존 가능한 상태로 남게된다. 세포막의 전위가 임계치 이상인 상태에서 세포가 보다 오랜 시간 동안 노출되면, 천공은 세포외 이온의 유입을 야기하고, 이는 항상성(homeostasis)의 상실 및 그에 따를 세포 자멸(apoptosis)로 이어져 결과적으로 돌이킬 수 없는 (irreversible) 세포사(cell death)를 초래한다.
고전압 발생장치에서 생성된 고전압이 방전극에 인가되어 전기천공 방법에 의해 세포막이 사멸(파괴)되는 방법이 개시되어있다.
짐머만(Zimmerman)의 연구결과의 미생물 제거과정으로 추론할 수 있다. 짐머만은 "미생물의 세포막 주위에 약 1Volt의 전위차가 있으면 미생물막이 절연파괴(Dielectric Breakdown)되어 세포안의 내용물이 세포밖으로 흘러 나가 미생물이 사멸된다."는 연구결과를 발표하였다.(Zimmerman, U., G. Pilwat, and F. Eiemann, "Dielectric Breakdown of cell membrane" ,Biophys. J. 1974 Nov;14(11):88199)
전기천공이란 어떤 특정파라미터들 내에서 고 전압 펄스 전기장에 노출된 세포의 원형질막(plsma membrane)이 지질 이중층(lipid bilayer)의 불안정화와 기공(p)의 형성으로 인하여 일시적으로 투과성을 띄게 된다는 사싱을 말해준다.
세포 원형질막은 대략 5㎚ 두께(t)의 지질 이중층으로 구성된다.
세포막은 본질적으로 축전(capacitor)를 형성하는 비 전도성 유전체 배리어로 작용한다. 생리적 조건들로 인하여 인가된 전기장이 없을 경우에도, 세포막 내부와 외부 사이의 세포막을 가로질러 형성된 전하 분리 현상에 의해 자연적으로 전위차가 생기게 된다.
세포가 외부에서 인가된 전기장(E)에 노출되면(예 제1 기포파괴기(410)의 고전압 펄스 발생장치(411)에서 방전전극(412) 및 접지전극(413)에 고전압을 인가시킬 때와 제2 기포파괴기(420)의 고전압 펄스 발생장치(421)에서 방전전극(422) 및 접지전극(423)에 고전압을 인가시킬 때와 트리거 전압발생기(425)에서 트리거 전압전극(426)에 전압을 인가시킬 때와 제3 기포파괴기(430)의 고전압 펄스 발생장치(431)에서 방전전극(432) 및 접지전극(433)에 고전압을 인가시킬 때), 상기 전기장이 존재하는 한, 세포막을 가로질러 부가적인 전압(V)에 유도된다. 유도된 전압은 외부 전장의 세기 및 세포의 반경에 정비례한다. 세포에 누적된 전위의 합이 200mmV에서 1V사이인 임계전압(threshold voltage)을 능가하면, 세포막에서 기공(transmembrane pore.p)이 형성되기 시작한다.
만일 세포막의 전위가 임계치(critical value)를 초과하지 않아서 기공 영역이 전체 세포막 표면에 비해 작다면. 세포막의 천공은 원상태로 되돌려질 수 있다(reversible). 이러한 가역적인 전기 천공법에서는, 인가된 전기장이 제거되면 세포막은 원상회복 되며, 세포는 생존 가능한 상태로 남게된다. 세포막의 전위가 임계치 이상인 상태에서 세포가 보다 오랜 시간 동안 노출되면, 천공은 세포외 이온의 유입을 야기하고, 이는 항상성(homeostasis)의 상실 및 그에 따를 세포 자멸(apoptosis)로 이어져 결과적으로 돌이킬 수 없는(irreversible) 세포사(cell death)를 초래한다.
전기화학반응에 의해 하천수의 경우에는 물의 해리 또는 해수의 경우 염소이온등이 산화되어 오존분자, 히드록실 이온(OH-Radical), HO2(hydroproxyl Radical)염소등을 통해 미생물을 용이하게 제거할 수 있다는 것이다.(E nv iron.sci.& Technol., vol 1, pp 79-84, Environ Sci & Technol., ., vol. 32, no.1, pp,63-70 ,1998)
도 8은 도 1의 수질 정화기능이 내장된 조류를 포함한 수중 미생물 제거 장치의 질소 및 인 제거기(500)를 나타낸 단면도로서, 첨부된 도면을 참조하여 설명하면, 상기 질소 및 인 제거기(500)은 전기분해기를 이용하는 전기분해 방식으로서 선회류(swirl flow) 유동형 질소 및 인 제거기(500A)와 테일러 꾸에트 유동형(Tayler-Couette flow) 질소 및 인 제거기(500B)로 구성될 수 있다.
도 9a는 도 1의 수질 정화기능이 내장된 조류를 포함한 수중 미생물 제거 장치의 선회류(swirl flow)형 질소 및 인 제거기(500A)를 나타낸 단면도로서, 첨부된 도면을 참조하여 설명하면, 상기 선회류(swirl flow) 유동형 질소 및 인 제거기(500A)는 외통(음극)(501), 내통(양극)(511), 구동모터(520), 전원공급기(530), 수소 발생기(540) 또는 수소 공급기(540a)로 구성된다.
상기 음극(501)은 하부에 벤츄리이젝터(514)가 설치된 원기둥형의 형태이며 내면의 재질이 철(Fe) 또는 알루미늄(Al) 재질중에 선택되어 사용되거나 또는 상부에서 하부방향으로 복수개의 단수를 두어 단계적으로 철, 알루미늄 재질 순으로 또는 알루미늄, 철 순으로 서로 다른 재질을 혼용하여 사용할 수 있고 각각의 재질 표면에 복수개의 돌기(501a)가 형성되도록 가공된다. 내부 상부 일측에 일정 두께를 갖는 상부고정판(502)이 설치되고, 고정판(502) 중심부에 일정직경의 홀이 타공되어 부싱 또는 베어링의 회전구체(502a)가 설치되고, 상부 고정판(502)과 상부 방향으로 간격을 두고 일측면에 내면에 암 나산이 가공된 일정직경을 갖는 소켓(502b)이 설치되고, 소켓(502b)내부에 구동모터(520)의 회전축(521)이 방수(Seal)처리되어 설치되고, 상부 고정판(502)과 아랫방향으로 일정 간격을 두고 일정 두께를 갖는 하부 고정판(503)이 설치되고, 하부 고정판(503)중심부 일정직경의 홀이 타공되어 부싱 또는 베어링의 회전구체(503a)가 설치된다. 또한 하부 고정판(503)과 간격을 두고 하부에 설치된 벤츄리이젝터 목부(515)에 수소발생기(540) 또는 수소공급기(540a)에서 수소를 공급하는 공급관(541)이 연결 설치된다.
상기 양극(511)은 단면이 원형인 원기둥 형태로 일정직경과 일정길이를 갖으며 외표면의 재질이 철(Fe) 또는 알루미늄(Al) 재질중에 선택되어 사용되거나 또는 상부에서 하부방향으로 복수개의 단수를 두어 단계적으로 철, 알루미늄 재질 순으로 또는 알루미늄, 철 순으로 서로 다른 재질을 혼용하여 사용할 수 있고 각각의 재질 표면에 복수개의 돌기(501b)가 형성되도록 가공된다.
상기 양극(511)은 단면이 원형인 원기둥 현상으로 상부, 하부 끝단이 밀봉된 원형판 중심부에 일정직경과 길이를 같는 상부 축(512)이 설치되고 상부축(512) 끝단에는 제2 베벨기어(512a)가 설치되고, 하부끝단이 밀봉된 원형판 중심부에 일정직경과 길이를 같는 하부 축(513)이 설치되어 음극(외통)의 상부 고정판(502)의 중심부에 부싱 또는 베어링의 회전구체(502a)에 상부 축(512)이 삽입되어 설치되고, 하부 고정판(503)의 중심부에 부싱 또는 베어링의 회전구체(503a)에 하부 축(513)이 삽입되어 설치되며, 상부 축(512) 끝단에는 제1 베벨기어(512a)설치되어 제2 베벨기어(522)가 맞물리고, 제2 베벨기어(522)와 회전축(521)과 연결된 구동모터(520)의 구동에 의해 생성되는 회전력을 양극(511)에 전달하여 음극(501) 내부에서 양극(511)이 회전하여 음극(501)과 양극(511)의 사이로 유입되는 하천수 또는 해수의 흐름이 선회류(Swirl Flow)가 되게한다.
또한, 상기 음극(501)의 내면의 원주면에 미세 간격을 두고 철 및 알루미늄 재질의 돌기(501a)가 복수개가 가공되어 설치되며, 양극(511)의 외표면의 일측면의 원주면에 미세 간격을 두고 철 및 알루미늄 재질의 돌기(511a)가 복수개가 가공되어 음극(501)의 내면 원주면에 설치된 돌기(501a)와 서로 마주보게 설치된다.
상기 구동모터(520)는 음극(501) 일측면에 전원공급기(503)와 간격을 두고 상부에 설치된다.
구동모터(520)의 회전축(521)은 음극(501)의 일측면에 내면에 암 나사산이 가공된 일정직경을 갖는 소켓(502b)의 절연체(미도시)를 관통하여 끝단에 제1 베벨기어(522)가 설치되고, 제1 베벨기어(522)는 양극(511)의 상부축(512) 끝단에 설치된 제2 베벨기어(512a)와 기어 이가 맞물리게 설치되어 구동모터(520)의 회전력을 양극(511)에 전달하는 동력전달 링크 역할을 하게된다.
또한, 구동모터(520)의 회전축(521)의 일부는 엔지니어링 플라스틱 재질로된 절연부(플랜지 타입; 521b)로 대체하여 구동모터(520)와 양극(511)사이를 절연시킨다.
상기 직류 전원공급기(530)는 음극(501) 일측면에 구동모터(520)와 하부방향으로 간격을 두고 설치된다.
직류전원 공급기(530)의 출력측 플러스(+)단자는 구동모터(520)의 절연된 축(521)에서 음극(501)방향의 축(521b)에 롤러형태로 접속되게 설치되고, 직류전원 공급기(520)의 마이너스 단자는 음극(501) 외표면 일측에 연결 설치된다.
상기 직류전원 공급기(530)는 단상 220V,60Hz의 교류(A.C)전원이 입력되어 변압기(미도시)에서 단상 12V 내지 600V,60Hz의 범위에서 어느 특정값이 선정되어 승압 또는 감압되며, 정류기(미도시)에서 승압 또는 감압된 교류전원이 직류전원으로 전환되어 양극(511), 및 음극(501)에 도선(531)을 통하여 공급한다.
전원공급기(530)에서 전원을 양극(511) 및 음극(501)에 직류전원을 공급하면 두극(501, 511)에서 전기분해 반응이 개시된다.
제어반(600)에서 구동모터(520)에 전원을 공급하면 구동모터(520)가 가동되어 회전력을 모터축(521)에 설치된 제1 베벨기어(522)로, 제1 베벨기어(522)와 맞물리게 설치된 제2 베벨기어(512a)로, 제2 베벨기어(512a)에 연결된 축(512)을 통하여 양극(511)으로 전달하여 양극(511)이 회전하면서 음극(501)과 양극(511)사이로 유입되는 하천수 또는 해수의 흐름이 선회류(Swirl Flow) 가 되게하면서,음극(501)내면 및 양극(511)의 외면에 가공되어 설치된 돌기(501a, 511a)에 의해 파괴되지않은 잉여의 기포가 파괴되어 수중의 조류를 살균 및 활성기체(O, O2 *, H+, OH-)가 수중에 용해되고, 전원공급기(530)에서 생성되는 직류전원을 양극(511)과 음극(501)에 공급하면 두극(501, 511)사이에서 전기분해가 시작되며 전기분해에 의해 음극(501)에서 생성되는 수소(H2)가스와 수중의 질산성 질소가 하기 반응식과 같이 음극(501)에서 수소가스 존재하에 환원반응으로 질산성질소를 제거한다.
NO3 - + H2 ▶ NO2 - + H2O (1)
NO2 - + 3H2 ▶ N2 + 2H2O + 2OH- (2)
NO2 - + 3H2 ▶ NH4 + + 2OH- (3)
2NO2 - + 4H2 ▶ N2 + 4H2O (4)
그러나 전기분해에 의해 생성되는 수소가스(H2)가 충분하지 않을 때에는 수중의 질산성 질소가 충분하게 제거하지 못할 때에는 외부에 설치된 수소발생기(540), 또는 수소공급기(540a)에서 생성된 수소를 감압 또는 가압하여 벤츄리이젝터(515)에 공급 미세기포형태로 공급한다.
또한, 수중 산소에 의해 산화된 인은 인산이온(PO43-)으로 존재하게 되며 이러한 인산이온은 전기분해할 때 양극(502)에서 발생하는 철이온(Fe3+) 또는 알루미늄 이온(Al3+)과 결합하여 난용성 인산염이 형성한다. 이 과정에서 화학반응식은 하기와 같다.
Fe3+ + PO4 3- ▶ FePO4(s) (5)
Al3+ + PO4 3- ▶ AlPO4(s) (6)
또한, 여분의 철 및 알루미늄 이온은 활성기체 용해기(200)에서 파괴되지 않은 기포와 가 조류 살균기(300)에서 수중에 공급되는 고온의 활성기체의 기포가 돌기(501a, 501b)에 충돌과정에서 파괴되어 수중에 방출되는 히드록실이온(OH-)과 반응하여 아래 반응식과 같이 수산화제2철염(Fe(OH)3(s)) 및 수산화알루미늄염(Al(OH)3(s))하여 제거 및 침전된다.
Fe3+ + 3OH- ▶ Fe(OH)3(s) (7)
Al3+ + 3OH- ▶ Al(OH)3(s) (8)
상기와 같이 본 발명에 따른 양극(502)의 외 표면에 돌기형태로 가공된 양극(502)의 재질에서 방출되는 철이온(Fe3+)또는 알루미늄 이온(Al3+)과의 전기화학적 반응에 의해 수중의 질상성 질소 및 인이 제거되어 수중에서 부영양화 되는 것을 예방할 수 있다. 또한,방전 시에, 양전극간에 기포나 플라스마가 생성된다. 플라스마는 잔류물로서 이온이나 래디칼을 남긴다. 20㎐ 이상에서 고전압펄스를 양 전극에 인가할 수 있으므로, 이온, 래디칼이 소멸하기 전에 연속되는 방전에 의해 이온, 래디칼이 계속하여 발생되므로, 이온, 래디칼은 기포이상으로 방전거리를 신장시킨다.
도 9b는 도 1의 수질 정화기능이 내장된 조류를 포함한 수중 미생물 제거 장치의 꾸에트 유동형 질소 및 인 제거기(500B)를 나타낸 단면도로서, 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 상기 꾸에트 유동형 질소 및 인 제거기는 외통(음극)(501a), 내통(양극)(511a), 구동모터(520a), 전원공급기(530a), 수소공급기(540a)로 구성된다.
상기 음극(501a)은 하부에 벤츄리이젝터(514a)가 설치된 원기둥형의 형태이며 내면의 재질이 철(Fe) 또는 알루미늄(Al) 재질중에 선택되어 사용되거나 또는 상부에서 하부방향으로 복수개의 단수를 두어 단계적으로 철, 알루미늄 재질 순으로 서로 다른 재질을 혼용하여 사용할 수 있고 각각의 재질 표면에 복수개의 돌기(501b)가 형성되도록 가공되고, 상부 고정판(502b) 중심부에 일정직경의 홀이 타공되어 부싱 또는 베어링의 회전구체(502c)가 설치되고, 상부 고정판(502a)과 상부 방향으로 간격을 두고 일측면에 내면에 암 나산이 가공된 일정직경을 갖는 소켓(502d)이 설치되고, 소켓(502d)내부에 구동모터(520a)의 회전축(521a)이 방수(Seal)처리되어 설치되고, 상부고정판(502b)과 아랫방향으로 일정 간격을 두고 일정 두께를 갖는 하부고정판(503a)이 설치되고, 하부 고정판(503a)중심부 일정직경의 홀이 타공되어 부싱 또는 베어링의 회전구체(503c)가 설치된다. 또한 하부고정판(503a)과 간격을 두고 하부에 설치된 벤츄리이젝터 목부(515a)에 수소발생기(540) 또는 수소공급기(540a)에서 생성된 수소를 공급하는 공급관(541)이 연결 설치된다.
상기 양극(511a)은 단면이 타원형인 타원기둥 형태로 일정직경과 일정길이를 갖으며 외표면의 재질이 철(Fe) 또는 알루미늄(Al) 재질중에 선택되어 사용되거나 또는 상부에서 하부방향으로 복수개의 단수를 두어 단계적으로 철, 알루미늄 재질 순으로 서로 다른 재질을 혼용하여 사용할 수 있고 각각의 재질 표면에 복수개의 돌기(511b)가 형성되도록 가공된다.
상기 양극(511a) 상부 끝단이 밀봉된 중심부에 일정직경과 길이를 같는 상부 축(512a)이 설치되고 상부축(512a) 끝단에는 제2 베벨기어(512b)가 설치되고, 하부끝단이 밀봉된 중심부에 일정직경과 길이를 같는 하부 축(513a)이 설치되어 음극(501a)(외통)의 상부 고정판(502b)의 부싱 또는 베어링의 회전구체(502c)에 상부 축(512a)이 삽입되어 설치되고, 하부 고정판(503a)의 부싱 또는 베어링의 회전구체(503c)에 하부 축(513a)이 삽입되어 설치되며. 상부 축(512a) 끝단에는 제1 베벨기어(512b)가 설치되고, 제1베벨기어(512b)이와 제2 베벨기어(522a)이가 맞물리게 설치되어 구동모터(520a)의 구동에 의해 생성되는 회전력을 회전축(521a), 제1베벨기어(522a), 제2베벨기어(512b), 회전축(512a)순으로 양극(511a)에 전달하여 음극(501a) 내부에서 양극(511a)이 회전하는데 양극(511a)이 양 끝단이 타원형인 타원기둥 형태이기 때문에 장변과 단변의 차이에 의하여 음극(501a)과 양극(511a)사이에서 유체의 흐름은 불규칙한 난류흐름 되고 모터(520a)의 회전수가 고회전수가 될수록 충분한 원심력이 음극(501a) 방향으로 생성되면서 Turbulent Tayler Voltex flow(TTVF) 흐름이 되게한다.
또한, 상기 음극(501a)의 내면의 원주면에 미세 간격을 두고 철 및 알루미늄 재질의 돌기(501b)가 복수개가 가공되어 설치되며 또한, 상기 양극(511a)의 외표면의 일측면의 원주면에 미세 간격을 두고 철 및 알루미늄 재질의 돌기(511b)가 복수개가 가공되어 음극(501a)의 내면 원주면에 설치된 돌기(501b)와 서로 마주보게 설치된다.
상기 구동모터(520a)는 음극(501a) 일측면에 전원공급기(530a)와 간격을 두고 상부에 설치된다.
구동모터(520a)의 회전축(521a)은 음극(501a)의 일측면에 내면에 암 나사산이 가공된 일정직경을 갖는 소켓(502c)의 절연체(미도시)를 관통하여 끝단에 제1 베벨기어(522a)가 설치되고, 제1 베벨기어(522a)는 양극(511a)의 상부축(512a) 끝단에 설치된 제2 베벨기어(512b)와 기어 이가 맞물리게 설치되어 구동모터(520a)의 회전력을 양극에 전달하는 동력전달 링크 역할을 하게된다.
또한, 구동모터(520a)의 회전축(521a)의 일부는 엔지니어링 플라스틱 재질로된 절연부(플랜지 타입; 521c)로 대체하여 구동모터(520a)와 양극(511a)사이를 절연시킨다.
상기 직류 전원공급기(530a)는 음극(501) 일측면에 구동모터(520a)와 하부방향으로 간격을 두고 설치된다.
직류전원 공급기(530a)의 출력측 플러스(+)단자는 구동모터(520a)의 절연된 축(521a)에서 음극(501a)방향의 축(521d)에 롤러형태로 접속되게 설치되고, 직류전원 공급기(520a)의 마이너스 단자는 음극(501a) 외표면 일측에 연결 설치된다.
상기 직류전원 공급기(530a)는 단상 220V,60Hz의 교류(A.C)전원이 입력되어 변압기에서 단상 12V 내지 600V,60Hz의 범위에서 어느 특정값이 선정되어 승압 또는 감압되며, 정류기에서 승압 또는 감압된 교류전원이 직류전원으로 전환되어 양극(511a), 및 음극(501a)에 도선(531a)을 통하여 공급된다.
전원공급기(530a)에서 전원을 양극(511a) 및 음극(501a)에 직류전원을 공급하면 두극(501a, 511a)에서 전기분해 반응이 개시된다.
제어반(600)에서 구동모터(520a)에 전원을 공급하면 구동모터(520a)가 가동되어 회전력을 모터축(521a)에 설치된 제1 베벨기어(522a)로, 제1 베벨기어(522a)이와 맞물리게 설치된 제2 베벨기어(512b)로, 제2 베벨기어(512b)에 연결된 축(512a)을 통하여 양극(511a)으로 전달하여 양극(511a)이 회전하면서 음극(501a)과 양극(511a)사이로 유입되는 하천수 또는 해수의 흐름이 양 끝단면이 타원형인 타원기둥 형태의 양극(511a)의 단변과 장변의 차이에 의한 불규칙한 난류흐름인 쿠에뜨 유동(Turbulent Tayler Voltex flow(TTVF)) 흐름이 되게하면서, 음극(501a)내면 및 양극(511b)의 외면에 가공되어 설치된 돌기(501b, 511b)에 의해 파괴되지않은 잉여의 기포가 파괴되어 수중의 조류를 살균 및 활성기체(O, O2 *, H+, OH-)가 수중에 용해되고, 전원공급기(530a)에서 생성되는 직류전원을 양극(511a)과 음극(501a)에 공급하면 두극(501a, 511a)사이에서 전기분해가 시작되며 전기분해에 의해 음극(501a)에서 생성되는 수소(H2)가스와 수중의 질산성 질소가 하기 반응식과 같이 음극(501a)에서 수소가스 존재하에 환원반응으로 질산성질소를 제거한다.
NO3 - + H2 ▶ NO2 - + H2O (1)
NO2 - + 3H2 ▶ N2 + 2H2O + 2OH- (2)
NO2 - + 3H2 ▶ NH4 + + 2OH- (3)
2NO2 - + 4H2 ▶ N2 + 4H2O (4)
그러나 전기분해에 의해 생성되는 수소가스(H2)가 충분하지 않을 때에는 수중의 질산성 질소가 충분하게 제거하지 못할 때에는 외부에 설치된 수소발생기(540) 또는 수소공급기(540a)에서 생성된 수소를 감압 또는 가압하여 벤츄리이젝터(515a)에 공급 미세기포형태로 공급한다.
또한 수중 산소에 의해 산화된 인은 인산이온(PO43-)으로 존재하게 되며 이러한 인산이온은 전기분해할 때 양극(511a)에서 발생하는 철이온(Fe3+) 또는 알루미늄 이온(Al3+)과 결합하여 난용성 인산염이 형성한다; 이 과정에서 화학반응식은 하기와 같다.
Fe3+ + PO4 3- ▶ FePO4(s) (5)
Al3+ + PO4 3- ▶ AlPO4(s) (6)
또한 여분의 철 및 알루미늄 이온은 활성기체 용해기(200)에서 파괴되지 않은 기포와 가 조류 살균기(300)에서 수중에 공급되는 고온의 활성기체의 기포가 돌기(501a, 511b)에 충돌과정에서 파괴되어 수중에 방출되는 히드록실이온(OH-)과 반응하여 아래 반응식과 같이 수산화제2철염(Fe(OH)3(s)) 및 수산화알루미늄염(Al(OH)3(s)) 하여 제거 및 침전된다.
Fe3+ + 3OH- ▶ Fe(OH)3(s) (7)
Al3+ + 3OH- ▶ Al(OH)3(s) (8)
상기와 같이 본 발명에 따른 양극(511a)의 외 표면에 돌기형태로 가공된 양극(511a)의 재질에서 방출되는 철이온(Fe3+)또는 알루미늄 이온(Al3+)과의 전기화학적 반응에 의해 수중의 질상성 질소 및 인이 제거되어 수중에서 부영양화 되는 것을 예방할 수 있다. 또한, 방전 시에, 양전극간에 기포나 플라스마가 생성된다. 플라스마는 잔류물로서 이온이나 래디칼을 남긴다. 20㎐ 이상에서 고전압펄스를 양 전극에 인가할 수 있으므로, 이온, 래디칼이 소멸하기 전에 연속되는 방전에 의해 이온, 래디칼이계속하여 발생되므로, 이온, 래디칼은 기포이상으로 방전거리를 신장시킨다.
도 9c는 도 8의 질소 및 인 제거기의 수소발생기를 나타낸 단면도로서, 첨부된 도면을 참조하여 설명하면, 상기 수소발생기(540)는 반응기(541), 알카리금속저장용기(542), 무기염촉매저장용기(543), 금속수화물 저장용기(544), 교반기(545), 가열코일(546), 전원공급기(547), 냉각용 자켓(548) 및 가압기(549)로 구성되어, 선회류 유동형 질소 및 인 제거기(500A)와 테일러 꾸에트 유동형(Tayler-Couette flow) 질소 및 인 제거기(500B)용으로 공용 사용된다.
외부에 가열용 코일(546)이 일정권수 권선된 냉각용 자켓(548)구조의 반응기(541)의 상부 일측면에 급수관(541a)가 설치되고, 하부 일측면에는 냉각용 급수관(541b)이 냉각용 자켓(548) 일측에 설치되고, 하부에는 냉각용 급수배출관(541c) 및 반응기(541)용 배출관(541d)이 설치되며, 상부 중심부에는 교반기(545)가 설치되고 간격을 두어 우측으로 수소가스 발생용 원료가 저장된 용기(542, 543, 544)와 공통으로 연결된 원료 공급관이 설치되고, 좌측에는 반응기(541)에서 발생된 수소가스 배기관이 설치되고, 배기관상에 배기되는 수소가스를 흡입 및 가압하는 가압기(549)가 설치된다.
상기 알카리금속저장용기(542)에는 수소화붕소나트륨(NaBH4), 수소화붕소리튬(LiBH4), 수소화붕소칼륨(KBH4), 수소화붕소암모늄(NH4BH4), 수소화붕소암모늄디메틸((CH3)3NH4BH4), 수소화알루미늄나트륨(NaAlH4), 수소화알루미늄리튬(LiAlH4), 수소화알루미늄칼륨(KAlH4), 수소화갈륨나트륨(NaGaH4), 수소화갈륩리튬(LiGaH4), 수소화갈륨칼륨(KGaH4) 등의 금속하이드라이드의 가수분해물(metalhydride) 또는 수소화칼슘(CaH2), 디수소화붕소칼슘(Ca(BH4)2), 수소화마그네슘(MgH2), 디수소화붕소마그네슘(Mg(BH4)2), 수소화일루미늄칼륨(KAlH4), 수소화리튬(LiH) 등의 물질중에서 어느 한가지 물질이 선택되어 저장된다.
상기 무기염촉매저장용기(543)에는 염화나트륨(Nacl), 염화칼슘(CaCl2), 질산나트륨(NaNO3)의 물질중 어느 한가지 물질이 선택되어 적정량 저장된다.
상기 수소발생용 금속수화물 저장용기(544)에는 알루미늄, 규소, 아연 등의 알카리 금속이 선택되어 저장된다.
상기 반응기(541)의 상부 일측면에 설치된 급수관(541a)의 밸브(미도시)를 개방하여 하천수 또는 해수를 펌프(미도시)로 흡입 및 가압하여 적정량을 반응기(541)에 공급한 후 밸브를 닫은 다음, 제어반에서 가열용 코일(556)에 전원을 공급하여 반응기(541)에 채워진 하천수 또는 해수를 섭씨온도 80℃ 내지 90℃ 범위로 가열한다.
제어반(600)에서 교반기(545)에 전원을 공급하여 분당 회전수 30rpm 내지 100rpm 범위로 가동하면서, 알카리금속저장용기(542)에 저장된 수소화붕소나트륨(NaBH4), 수소화붕소리튬(LiBH4), 수소화붕소칼륨(KBH4), 수소화붕소암모늄(NH4BH4), 수소화알루미늄나트륨(NaAlH4), 수소화알루미늄리튬(LiAlH4), 수소화알루미늄칼륨(KAlH4), 수소화갈륨나트륨(NaGaH4), 수소화갈륩리튬(LiGaH4), 수소화갈륨칼륨(KGaH4) 또는 CaH2, Ca(BH4)2, MgH2, Mg(BH4)2, K(BH4), LiH 등의 물질중 어느 한가지 이상의 물질을 계량기(542a)를 이용하여 적량 중력차로 반응기(541)에 공급하면 교반기(545)에 의해 교반되면서 물과 반응하여 수소가스를 발생시킨다.
수소화붕소나트륨(NaBH4)과 물과의 반응식 1
NaBH4 + 2H2O ▶ NaBO2 + 4H2
수소화붕소칼륨(KBH4)과 물과의 반응식 2
KBH4 + 2H2O ▶ KBO2 + 4H2
수소화붕소리튬(LiBH4)과 물과의 반응식 3
LiBH4 + 2H2O ▶ LiBO2 + 4H2
수소화칼슘(CaH2)과 물과의 반응식 4
CaH2 + 2H2O ▶ Ca(OH)2 + 2H2
수소화마그네슘(MgH2)과 물과의 반응식 5
MgH2 + 2H2O ▶ Mg(OH)2 + 2H2
금속하이드라이드의 가수분해물(metalhydride)의 공급이 완료되면, 무기염 촉매 저장용기(543)에 저장된 염화나트륨(Nacl), 염화칼슘(Cacl2), 질산나트륨(NaNO3)의 물질중 어느 한가지 이상의 물질을 선택하여 계량기(543a)를 이용하여 적량을 중력차로 반응기(541)에 공급하면 교반기(545)에 의해 교반되면서 물과 금속하이드라이드 의 가수분해물(metal hydride)반응에 촉매작용으로 수소가스 발생을 촉진 시킨다.
무기염 촉매물질이 반응기(541)에 적정량이 공급완료되면 수소발생용 금속수화물 저장용기(544)에 저장된 알루미늄, 규소, 아연 등의 금속수화물중 어느 한가지 이상의 물질을 선택하여 계량기(544a)를 이용하여 적량을 중력차로 반응기(541)에 공급하여 교반기(545)에 의해 교반되면서 물과 반응시켜 수소가스를 생성 한다.
알루미늄(Al)과 물과 수산화나트륨과의 반응식 6
2Al + 6H2O + 2NaOH ▶ 2Al(OH)3 + 3H2 + 2NaOH
상기 가열용 코일은 반응기(541)의 자켓(541a)외부 일측에 솔레노이드 타입으로 전원공급기(547)에서 가열용 코일(548)에 전원을 공급하여 반응기(541)에 채워진 하천수 또는 해수를 섭씨온도 80℃ 내지 90℃ 범위로 가열한다.
상기 반응기(541)내부 채워진 물의 온도가 섭씨온도 80℃이하로 냉각시 수소 생성반응이 활성화 되지못하여 수소 발생량이 적어 수중에 질산성 질소 제거율이 미진하여, 전원공급기(547)에서 가열용 코일(548)에 전원을 공급하여 반응기(541)내부에 채워진 물의 온도를 섭씨온도 80℃ 내지 90℃ 범위로 유지한다.
그러나, 상기 반응식 1 내지 6의 반응식에 의한 수소발생은 전부 발열반응 이기 때문에 반응기 내부의 온도가 이상급등시 반응폭주로 반응기(541)의 압력이 급상승 하는 심각한 위험상태로 발전될 수 있다.
상기와 같이 반응기(541)의 폭주반응을 제어하기 위하여 반응기(541)의 자켓(541a)에 냉각수를 공급하여 반응기(541)내부 물의 온도를 80℃ 내지 90℃ 범위로 유지하기 위하여 자켓(541a)에 냉각수를 공급하여 내부의 온도를 적절하게 제어한다.
상기 반응기(541)에서 생성된 수소가스는 배출관으로 배기되어 가압기(549)로 흡입 및 가압된 후 선회류 유동형 질소 및 인 제거기(500A)와 테일러 꾸에트 유동형(Tayler-Couette flow) 질소 및 인 제거기(500B)의 벤츄리이젝터 목부(515, 515a)에 연결된 배관에 공급하여 벤츄리이젝터 목부(515, 515a)에서 하천수 또는 해수에 분사한다.
도 9d는 도 8의 질소 및 인 제거기의 수소공급기를 나타낸 단면도로서, 첨부된 도면을 참조하여 설명하면, 상기 수소공급기(540a)는 압축수소저장용기(541a), 압력조정기(542a), 유량조절기(543a)로 구성되어, 선회류 유동형 질소 및 인 제거기(500A)와 테일러 꾸에트 유동형(Tayler-Couette flow) 질소 및 인 제거기(500B)용으로 공용 사용된다.
수소가스 제조사에서 제조되어 압력용기(541a)에 충전되어 입고되는 수소가스 충전용기(541a)를 전용장소에 설치 고정하고 배관으로 연결된 고정구를 이용하여 유량조절기(543a)에 연결한 후 용기(541a)의 발부를 개방하고 이어서 압력조정기(542a)에서 공급압력으로 감압하여 조절하고 이어서 유량조절기(543a)에서 적정유량으로 조절한 후 선회류 유동형 질소 및 인 제거기(500A)와 테일러 꾸에트 유동형(Tayler-Couette flow) 질소 및 인 제거기(500B)의 벤츄리이젝터 목부(515, 515a)에 연결된 배관에 공급하여 벤츄리이젝터 목부(515, 515a)에서 하천수 또는 해수에 분사한다.
전원공급기(530, 530a)에서 전원을 양극(511, 511a) 및 음극(501, 501a)에 직류전원을 공급하면 두극(501, 501a 및 511, 511a)에서 전기분해 반응이 개시된다.
제어반(600)에서 구동모터(520, 520a)에 전원을 공급하면 구동모터(520, 520a)가 가동되어 회전력을 모터축(521, 521a) 제1 베벨기어(522, 522a), 제2 베벨기어(512a, 512b)를 통하여 양극(511, 511a)으로 전달하여 양극(511, 511a)이 회전하면서 전원공급기(530, 530a)에서 생성되는 직류전원을 양극(511, 511a)와 음극(501, 501a)에 공급하면 두극(501, 501a 및 511, 511a)사이에서 전기분해가 시작되며 전기분해에 의해 음극(501, 501a)에서 생성되는 수소(H2)가스와 수중의 질산성 질소가 하기 반응식과 같이 환원반응으로 질산성질소를 제거한다.
NO3 - + H2 ▶ NO2 - + H2O (1)
NO2 - + 3H2 ▶ N2 + 2H2O + 2OH- (2)
NO2 - + 3H2 ▶ NH4 + + 2OH- (3)
2NO2 - + 4H2 ▶ N2 + 4H2O (4)
그러나 전기분해에 의해 생성되는 수소가스(H2)량이 충분하지 않을 때에는 수중의 질산성 질소가 충분하게 제거할 수 없으므로 수소발생기(530) 또는 수소공급기(540a)에서 생성된 수소를 가압하여 벤츄리이젝터 목부(515, 515a)에 공급하여 벤츄리이젝터 목부(515, 515a)에서 미세기포형태로 수중에 공급한다.
또한 수중 산소에 의해 산화된 인은 인산이온(PO43-)으로 존재하게 되며 이러한 인산이온은 전기분해할 때 양극(502)에서 발생하는 철이온(Fe3+) 또는 알루미늄 이온(Al3+)과 결합하여 난용성 인산염이 형성한다. 이 과정에서 화학반응식은 하기와 같다.
Fe3+ + PO4 3- ▶ FePO4(s) (5)
Al3+ + PO4 3- ▶ AlPO4(s) (6)
또한 여분의 철(Fe3+) 및 알루미늄 이온(Al3+)은 활성기체 용해기(200)에서 파괴되지 않은 기포와 가 조류 살균기(300)에서 수중에 공급되는 고온의 활성기체의 기포가 돌기(501a, 501b)에 충돌과정에서 파괴되어 수중에 방출되는 히드록실이온(OH-)과 반응하여 아래 반응식과 같이 수산화제2철염(Fe(OH)3(s)) 및 수산화알루미늄염(Al(OH)3(s)) 하여 제거 및 침전된다.
Fe3+ + 3OH- ▶ Fe(OH)3(s) (7)
Al3+ + 3OH- ▶ Al(OH)3(s) (8)
상기와 같이 본 발명에 따른 선회류 유동형 질소 및 인 제거기(500A)와 테일러 꾸에트 유동형(Tayler-Couette flow) 질소 및 인 제거기(500B)의 양극(511, 511a)의 외 표면에 돌기(511a, 511b)형태로 가공된 양극(511, 511a)의 재질에서 방출되는 철이온(Fe3+) 또는 알루미늄 이온(Al3+)과의 전기화학적 반응에 의해 수중의 질상성 질소 및 인이 제거되어 수중에서 부영양화 되는 것을 예방할 수 있다.
또한, 통로(501과 511사이 및 501a와 511a)에서의 와류의 유동이 지속적으로 활발하게 유지하기 위하여 단면이 원형인 원기둥 또는 단면이 타원형의 원기둥 형상의 양극(511, 511a)의 회전수(RPM)가 1 내지 500(RPM)사이에 적정 회전수가 되도록 상기 구동모터(520, 520a)에 인버터 제어회로를 부착하여 양극(511, 511a)의 회전수(RPM)를 조절한다.
상기 양극(511, 511a)이 구동모터(520, 520a)에 의해 1 내지 5000(RPM)범위에서 선정된 회전수(예 500RPM 이상)로 회전하면 음극(501, 501a)과 양극(511, 511a)사이에서 음극(501, 501a)방향으로 원심력이 작용하여 난류흐름이 생성되는데 이러한 유동을 양극의 형상이 원기둥 형상일 때는 선회류 유동(Swirl flow)이라하고, 양극의 형상이 단면이 타원인 타원형 원기둥 형상일때는 쿠에트 유동(Tayler-Couette flow 또는 Turbulent Tayler Voltex flow(TTVF))이라 하는데 특히 쿠에트 유동(Tayler-Couette flow 또는 Turbulent Tayler Voltex flow(TTVF)) 유동의 경우 음극(501)정지시키고 양극(511)을 구동하면, 양극(511) 끝 단면이 타원형인 원기둥 형태이기 때문에 즉 타원형의 장변과 단변의 직경 차이에서 구동모터(520)의 회전수가 100RPM 이하일 경우에 구동모터(520)의 회전력을 전달받는 양극(511)의 회전수 또한 100RPM 이하 이어서 음극(501)과 양극(511)사이에서 유체의 흐름은 불규칙한 난류흐름 및 충분한 원심력이 생성되지 않아 간헐적으로 Turbulent Tayler Voltex flow(TTVF) 흐름이 되어 파괴되지 않은 활성기체가 함유된 기포와 음극(501)과 양극(511)발생된 철이온(Fe3+) 또는 알루미늄 이온(Al3+)과 인산이온(PO4 3-)의 반응효율이 저하되고, 동시에 수중에 함유된 수소(H2) 및 히드록실이온(OH-)과 질산성질소와의 반응효율이 저하될 수 있다. 기대수준의 반응 효율을 유지하기 위하여 상기 구동모터(520)에 인버터 제어회로를 부착하여 양극(511)의 회전수(RPM)를 조절한다.
(출처:불규칙한 조화가 이루는 변화, 출판사:사이언스북스, 저자:필립 볼)
또한, 미세기포기(320)에서 생성된 고온의 활성기체가 함유된 미세기포의 일부가 펌프(202)의 가압력으로 선회류 유동형 질소 및 인 제거기(500A)와 테일러 꾸에트 유동형(Tayler-Couette flow) 질소 및 인 제거기(500B)의 내면에 돌기가 가공된 음극(501, 501a)과 외표면에 돌기가 복수개 설치된 양극(511, 511a)사이로 유입 되어 구동모터(520, 520a)에 의해 양극(511, 511a)이 고속 회전하면 외표면의 돌기와 충돌하여 파괴되고, 이어서 양극(511, 511a)의 고속회전에 의해 생성되는 선회류(Swirl flow) 또는 Tayler-Couette flow 또는 Turbulent Tayler Voltex flow(TTVF)의 원심력으로 잉여의 고온의 활성기체가 함유된 기포가 음극(501, 501a)내면에 복수개가 설치된 돌기(501a, 501b)에 충돌하여 파괴되면서 방출되는 열 충격파동과 고온의 히드록실이온(OH-) 등의 활성기체에 의해 세포막이 천공되어 다시한번 수중의 녹조 또는 적조균의 세포막이 천공되어 사멸된다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 다음의 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
100: 활성기체 공급기
101: FAN 110: 고전압 방전부
111: 방전챔버 111a: 안내판
111b: 소켓 111c: 절연봉
111d: 고정용 볼트 및 너트 111e: 방전가이드핀 조정구
112: 방전전극 112a: 방전가이드 핀
112b: 영구자석 112c: 돌출방전극
112d: 플레이트 113: 접지전극
113a: 방전가이드 핀 113b: 영구자석
113c: 돌출방전극 113d: 플레이트
113d: 플레이트 114: 고전압 발생기
115: 도선 120: 가압기
200: 활성기체 용해기
201: 필터유닛 202: 유량조절기
203: 기액혼합기 204: 펌프
300: 살균기
301: 유량조절기 302: 가열기
302a: 챔버 302b: 활성기체 공급관
302c: 히터 302d: 온도검출센서
303: 벤츄리이젝터 303a: 벤츄리이젝터 목부
304: 히터 305: 전원공급기
400: 기포파괴기 401: 본체
410: 제1 기포파괴기 411: 고전압펄스 발생기
412: 방전전극 413: 접지전극
414: 도선
420: 제2 기포파괴기 421: 고전압펄스 발생기
422: 방전전극 423: 접지전극
424: 도선 425: 트리거 전압발생기
426: 트리거 전압전극 427: 도선
430: 제3 기포파괴기 431: 고전압펄스 발생기
431a: 도선 431b: 도선
431-2b: 도선 431-2e: 도선
432: 방전전극 433: 접지전극
434: 트리거 전압전극 435: 트랜스
500: 질소 및 인 제거기
500A: 선회류(swirl flow)형 질소 및 인 제거기
501: 음극 501a: 돌기
502: 상부 고정판 503: 하부 고정판
504: 소켓 511: 양극
511a: 돌기 512: 상부축
512a: 제2 베벨기어 513: 하부축
514: 베츄리이젝터 515: 베츄리이젝터 목
520: 구동모터 521: 모터축
521b: 절연부 522: 제1 베벨기어
530: 직류전원 공급기 531: 도선
500B: 꾸에트 유동형 질소 및 인 제거기
501a: 음극 501b: 돌기
502b: 상부 고정판 503a: 하부 고정판
504a: 소켓 511a: 양극
511b: 돌기 512a: 상부축
512b: 제2 베벨기어 513a: 하부축
514a: 베츄리이젝터 515a: 베츄리이젝터 목
520a: 구동모터 521a: 모터축
521c: 절연부 522a: 제1 베벨기어
530a: 직류전원 공급기 531a: 도선
540: 수소발생기 541: 반응기
541a: 급수관 541b: 냉각용 급수관
542: 알카리금속 저장용기 542a: 계량기
543: 무기염 촉매저장용기 543a: 계량기
544: 금속수화물 저장용기 544a: 계량기
545: 교반기
546: 가열코일 547: 전원공급기
548: 자켓 549: 가압기
540a: 수소공급기 541a: 압축수소저장용기
542a: 압력조정기 543a: 유량조정기
600: 제어반
601: 캐비테이션 검출기 602: 미세기포 건축기
101: FAN 110: 고전압 방전부
111: 방전챔버 111a: 안내판
111b: 소켓 111c: 절연봉
111d: 고정용 볼트 및 너트 111e: 방전가이드핀 조정구
112: 방전전극 112a: 방전가이드 핀
112b: 영구자석 112c: 돌출방전극
112d: 플레이트 113: 접지전극
113a: 방전가이드 핀 113b: 영구자석
113c: 돌출방전극 113d: 플레이트
113d: 플레이트 114: 고전압 발생기
115: 도선 120: 가압기
200: 활성기체 용해기
201: 필터유닛 202: 유량조절기
203: 기액혼합기 204: 펌프
300: 살균기
301: 유량조절기 302: 가열기
302a: 챔버 302b: 활성기체 공급관
302c: 히터 302d: 온도검출센서
303: 벤츄리이젝터 303a: 벤츄리이젝터 목부
304: 히터 305: 전원공급기
400: 기포파괴기 401: 본체
410: 제1 기포파괴기 411: 고전압펄스 발생기
412: 방전전극 413: 접지전극
414: 도선
420: 제2 기포파괴기 421: 고전압펄스 발생기
422: 방전전극 423: 접지전극
424: 도선 425: 트리거 전압발생기
426: 트리거 전압전극 427: 도선
430: 제3 기포파괴기 431: 고전압펄스 발생기
431a: 도선 431b: 도선
431-2b: 도선 431-2e: 도선
432: 방전전극 433: 접지전극
434: 트리거 전압전극 435: 트랜스
500: 질소 및 인 제거기
500A: 선회류(swirl flow)형 질소 및 인 제거기
501: 음극 501a: 돌기
502: 상부 고정판 503: 하부 고정판
504: 소켓 511: 양극
511a: 돌기 512: 상부축
512a: 제2 베벨기어 513: 하부축
514: 베츄리이젝터 515: 베츄리이젝터 목
520: 구동모터 521: 모터축
521b: 절연부 522: 제1 베벨기어
530: 직류전원 공급기 531: 도선
500B: 꾸에트 유동형 질소 및 인 제거기
501a: 음극 501b: 돌기
502b: 상부 고정판 503a: 하부 고정판
504a: 소켓 511a: 양극
511b: 돌기 512a: 상부축
512b: 제2 베벨기어 513a: 하부축
514a: 베츄리이젝터 515a: 베츄리이젝터 목
520a: 구동모터 521a: 모터축
521c: 절연부 522a: 제1 베벨기어
530a: 직류전원 공급기 531a: 도선
540: 수소발생기 541: 반응기
541a: 급수관 541b: 냉각용 급수관
542: 알카리금속 저장용기 542a: 계량기
543: 무기염 촉매저장용기 543a: 계량기
544: 금속수화물 저장용기 544a: 계량기
545: 교반기
546: 가열코일 547: 전원공급기
548: 자켓 549: 가압기
540a: 수소공급기 541a: 압축수소저장용기
542a: 압력조정기 543a: 유량조정기
600: 제어반
601: 캐비테이션 검출기 602: 미세기포 건축기
Claims (19)
- 방전챔버(111) 내부에 서로 마주보게 설치된 방전전극(112) 및 접지전극(113)에 고전압 발생기(114)에서 생성된 고전압을 도선(115)을 통하여 인가하여 방전극(112, 113) 사이에서 방전을 개시하면서 고전계 전자에너지 대역을 형성하고, FAN(101)에 의해 흡입되는 외부공기를 가압하여 방전극(112,113) 사이에서 형성되는 고전계 전자에너지 대역을 통과시켜 해리, 여기, 이온화, 산화, 환원반응의 전기화학적 반응으로 산소이온(O), 히드록실 이온(OH-), 수소양성자(H+)의 활성기체를 생산하고, 생산된 활성기체를 가압기(120)로 가압하여 활성기체 용해기(200) 및 살균기(300)로 공급하는 활성기체 공급기(100);
펌프(204)의 흡인력으로 하천수 또는 해수를 흡입하는 과정에서 흡입관상에 설치된 필터유닛(201)을 통과시켜 협잡물을 제거하고, 흡입관상에 필터유닛(201)과 간격을 두고 설치된 혼합기(203)로 통과시키는 과정에서 활성기체 공급기(100)에서 생산되고 가압기(120)에서 가압하여 유량조정기로 공급하여 유량조절기(202)에서 유량을 적정량으로 조절하여서 혼합기(203)에 공급하여, 유입되는 하천수 또는 해수 수중에 공급하여 기체상 액체상이 혼합된 기포를 포함하는 유체상태로 펌프(204)에 흡입되어 고속으로 회전하는 펌프의 날개(Blade)와 충돌하여 유체상의 활성기체를 함유한 기포가 파괴되면서 충격을 수반하고 수중에 방출되는 활성기체중의 산소이온(O), 히드록실 이온(OH-), 수소양성자(H+)의 활성기체가 용해되면서 히드록실 이온(OH-)에 의해 녹조 또는 적조류를 1차 살균하는 활성기체 용해기(200);
벤츄리이젝터(303)외부에 솔레노이드 형상으로 권선된 히터(304)에 전원공급기(305)에서 전원이 공급되어 히터의 발열로 193℃ 이상으로 가열되는 벤츄리이젝터(303)에 활성기체 용해기(200)의 펌프(204)를 이용하여 하천수 또는 해수를 공급하면, 193℃ 이상의 고온으로 가열되는 벤츄리이젝터(303)에 내면에 유입되는 하천수 또는 해수가 접촉되어 라이텐프로스트 효과(Leidenfrost effect)에 의해 하천수 또는 해수가 비등(증기화)하고 증기층에 수중의 조류가 접촉되어 열적충격으로 살균 제거되고, 활성기체 공급기(100)에서 생산되고 가압기(120)에서 가압하여 공급되는 활성기체를 유량조절기(301)로 적정량을 조절하면서 외부에 권선된 히터(302c)에 전원이 공급되어 고온으로 가열된 가열기(302)로 통과시켜 전도 및 대류방식으로 활성기체를 250℃ 내지 500℃ 범위로 가열하여 벤츄리이젝터(303)의 목부(303a)로 공급하면 벤츄리이젝터(303)의 내면에서 하천수 또는 해수가 증발하여 생성되는 수증기와 접촉 및 상대적으로 저온상태의 수중에 고온으로 공급되는 활성기체의 기포가 응축되어 파괴되는 초 공동화 현상으로 소음과 진동을 수반한 수격작용으로 고온의 기포가 연쇄적으로 파괴되는 과정에서 방출되는 히드록실 이온(OH-)의 활성기체와 접촉에 의한 세포막의 천공, 비등하는 수증기 및 고온의 기포 표면과의 접촉에 의한 열적 충격, 기포파괴에 의해 발생되는 진동을 수반한 충격파에 의해 수중의 녹조 또는 적조류를 2차 살균하는 살균기(300);
고전압 펄스 발생장치(411), 방전전극(412) 및 접지전극(413), 도선(414)으로 구성되어 사전에 고전압 펄스 발생장치(411)에서 출력전압, 출력전류, 펄스 반복율, 펄스폭이 설정된 출력전원이 도선(414)을 통하여 방전전극(412) 및 접지전극(413)에 인가 되면 방전극(412, 413)사이로 유입되는 조류가 포함된 수중에 펄스에너지가 전달되면서 조류의 세포막에 1volt 이상의 임계전압이 인가되어 전기천공 방식으로 조류의 세포막이 천공됨과 동시에 방전이 개시되고, 방전에 의하여 충격파가 발생하고, 동시에 방전극(412, 413)을 통과하는 활성기체 용해기(200)에서 파괴되지 않은 활성기체가 함유된 기포와 살균기(300)의 가열기(302)에서 고온으로 가열되어 벤츄리이젝터(303) 목부(303a)로 공급되어 수중에 함유된 고온의 기포가 방전 충격파로 파괴되며, 기포가 파괴되면서 발생하는 수격압이 가해져 기포를 다시한번 파괴하는 제1 기포파괴기(410)와,
고전압 펄스 발생장치(421), 방전전극(422), 접지전극(423), 도선(424), 트리거 전압발생기(425), 트리거 전압전극(426), 도선(427)으로 구성되어 사전에 고전압 펄스 발생장치(421)에서 출력전압, 출력전류, 펄스 반복율, 펄스폭이 설정된 출력전원이 도선(422a)을 통하여 방전전극(422) 및 도선(424)를 통하여 접지전극(423)에 인가하고, 트리거 전압발생기(425)에서 생성되는 전압을 도선(427)을 통하여 트리거 전압전극(426)에 인가하면 방전전극(421), 트리거 전압전극(426) 및 접지전극(423) 사이로 유입되는 조류가 포함된 수중에 펄스에너지가 전달되면서 조류의 세포막에 1volt 이상의 임계전압이 인가되어 전기천공 방식으로 조류의 세포막이 천공됨과 동시에 방전이 개시되고, 방전에 의하여 충격파가 발생하고, 동시에 방전전극(422), 접지전극(423) 및 트리거 전극(426)을 통과하는 활성기체 용해기(200)에서 파괴되지 않은 활성기체가 함유된 기포와 살균기(300)의 가열기(302)에서 고온으로 가열되어 벤츄리이젝터 목부(303a)로 공급되어 수중에 함유된 고온의 기포가 방전 충격파로 파괴되며, 기포가 파괴되면서 발생하는 진동을 수반한 충격파로 작용하여 기포를 효율적으로 파괴하는 제2 기포파괴기(420)와,
고전압 펄스 발생 장치(431), 방전전극(432), 접지전극(433), 트리거 전압전극(434), 트랜스(435), 도선(431a, 431b)으로 구성되어 사전에 고전압 펄스 발생장치(431)에서 출력전압, 출력전류, 펄스 반복율, 펄스폭이 설정된 출력전원이 방전전극(432) 및 접지전극(433) 및 트리거 전압전극(434)에 인가되며, 고전압 펄스 발생장치(431)의 출력측의 한 도선(431a)은 트랜스(435)의 2차측 인덕터(L2)를 경유하여 접지전극(433)에 연결되며, 다른 한 도선은 트랜스(435)의 1차측 인덕터(L1)을 사이에 끼워 콘덴서(c)의 1차측 단자에 접속 및 2차측 단자에 접속되어 방전전극(432)에 연결되고, 고전압 펄스 발생 장치(431)의 다른 한 출력도선(431b)은 트리거 전압전극(434)에 연결되며, 제어반(600)에서 고전압 펄스 발생 장치(431)에 전원이 공급되고, 고전압 펄스 발생 장치(431)의 출력선에 정(+)의 전위로 되는 고전압 펄스가 인가되면 콘덴서(c)는 1차측(L1)에 의하여 서서히 충전되며 이때의 전류변화에 의하여 2차측(L2)으로 트리거 전압이 발생하여 트리거 전압전극(434)와 접지전극(433)의 사이로 유입되는 조류가 포함된 수중에 펄스에너지가 전달되면서 조류의 세포막에 1volt 이상의 임계전압이 인가되어 전기천공 방식으로 조류의 세포막이 천공됨과 동시에 자유방전이 발생하고, 이 자유 방전에 의해 유발되어서 방전전극(432) 및 접지전극(433)사이로 주 방전이 발생하여 충격파가 발생하고, 동시에 방전전극(432), 접지전극(433) 및 트리거 전극(434)을 통과하는 활성기체 용해기(200)에서 파괴되지 않은 활성기체가 함유된 기포와 살균기(300)의 가열기(302)에서 고온으로 가열되어 벤츄리이젝터 목부(303a)로 공급되에 수중에 함유된 고온의 기포가 방전 충격파로 파괴되며, 기포가 파괴되면서 발생하는 진동을 수반한 충격파로 작용하여 기포를 효율적으로 파괴하는 제3 기포파괴기(430) 중에서 어느 한기종이 선정되어 사용되는 기포파괴기(400);
외통(501)(음극), 양 끝단면이 원형인 원기둥 형상의 내통(511)(양극), 구동모터(520), 직류 전원공급기(530)로 구성되며, 음극(501)은 하부에 벤츄리이젝터(514)가 설치된 원기둥형의 형태이며 외통(501)(음극)의 내면, 내통(511)(양극)의 외면의 재질이 철(Fe) 또는 알루미늄(Al) 재질중에 선택되어 사용되거나 또는 상부에서 하부방향으로 복수개의 단수를 두어 단계적으로 철, 알루미늄 재질 순 또는 알루미늄, 철 재질 순으로 서로 다른 재질을 혼용하여 사용할 수 있고 각각의 재질 표면에 복수개의 돌기(501a)가 형성되도록 가공되고, 외통(501)내부 상하부면에 중심부에 베어링(502a)이 설치되고 음극(501)과 절연되어 중심부에 베어링(502a)이 설치된 상부 고정대(502) 및 하부 고정대(503)가 설치되고, 설치된 고정대(502, 503)의 베어링(502a, 503a)에 양 끝단면 중심부에 회전축(512)이 설치된 양극(511)의 회전축(512)이 삽입되어 양극(511)이 설치되고, 양극(511)의 상부 회전축(512) 끝단에 제2 베벨기어(512a)가 설치되며, 회전축 끝단에 제1 베벨기어(522)가 설치된 구동모터(520)가 음극(501)외부에 설치되어 제어반(600)에서 전원을 공급받아 모터(520)가 가동되어 회전력을 회전축 및 베벨기어(512a, 522) 로 전달받는 양극(511)이 회전하면 음극(501)과 양극(511)사이에서 선회류 유동(Swirl flow)을 형성하면서서 직류 전원공급기(530)로부터 직류 전원을 받아 전기분해 작용으로 음극(501)에서 생성되는 수소(H2)가스 및 활성기체 용해기(200) 및 살균기(300)에서 저온 고온의 활성기체를 함유한 기포가 파괴되면서 방출되는 수소 양성자(H+)가 수중의 질산성질소와 반응하여 유리질소(N2)와 물(H2O)을 생성하면서 질산성 질소가 제거되는데, 수소(H2) 및 수소양성자(H+)공급량이 부족하여 수중의 질산성질소의 제거율이 목표치에 미달시에는 수소발생기에서 가열되는 반응기(541)에 알카리 금속저장용기(542)에 저장되어 공급되는 알카리금속의 적정량과 무기염촉매저장용기(543)에 저장되어 공급되는 무기염 촉매의 적정량과 금속수화물 저장용기(544)에 저장되어 공급되는 금속수화물의 적정량이 계량기(542a, 543a, 544a)에서 계량되어 반응기(541)에 중력차로 투입되어 물과 혼합되고 교반기(545)로 교반되면서 발열반응으로 생성된 수소가스를 가압기(549)로 가압하여 벤츄리이젝트 목부(515a)로 공급 또는 압축수소용기(541a)에 저장된 수소가스를 압력조정기(541b)에서 적정압력으로 조정하면서 유량조정기(541c)에서 유량이 조정되어 벤츄리이젝트 목부(515a)로 공급되는 수소가스를 유입되는 하천수또는 해수에 미세기포 형태로 공급하여, 수중의 질산성 질소와 반응하여 유리질소(N2)와 물을 생성하고 생성된 유리질소는 최종 출구를 통헤 대기로 배기되고 물은 수중에 첨가되고, 수중에 산소에 의해 산화되어 생성된 인산이온(PO4 3-)은 양극에서 전기분해작용으로 석출되는 철이온(Fe3+) 또는 알루미늄 이온(Al3+)과 반응하여 인산철(FePO4(s))염 및 인산알미늄염(AlPO4(s))으로 침전시키고 잉여의 철이온(Fe3+) 또는 알루미늄 이온(Al3+)은 히드록실 이온(OH-)과 반을하여 수산화제3철(Fe(OH)3(s)) 및 수산화알루미늄염(Al(OH)3(s))으로 침전시켜 수질을 정화하는 선회류(swirl flow) 유동형 질소 및 인 제거기와,
외통(음극)(501a), 양 끝단면이 타원형인 타원기둥 형상의 내통(양극)(511a), 구동모터(520a), 직류 전원공급기로 구성되며, 음극(501a)은 하부에 벤츄리이젝터(515a)가 설치된 원기둥형의 형태이며 외통(음극)(501a)의 내면, 내통(양극)(511a)의 외면의 재질이 철(Fe) 또는 알루미늄(Al) 재질중에 선택되어 사용되거나 또는 상부에서 하부방향으로 복수개의 단수를 두어 단계적으로 철, 알루미늄 재질 순 또는 알루미늄, 철 재질 순으로 서로 다른 재질을 혼용하여 사용할 수 있고 각각의 재질 표면에 복수개의 돌기(501b)가 형성되도록 가공되고, 외통(501a)내부 상하부면에 중심부에 베어링(502c, 503c)이 설치되고 음극(501a)과 절연되어 중심부에 베어링(502c, 503c)이 설치된 상부 고정대(502b) 및 하부 고정대(503a)가 설치되고, 설치된 고정대(502b, 503a)의 베어링(502c, 503c)에 양 끝단면 중심부에 회전축(512a)이 설치된 양극(511a)의 회전축이 삽입되어 양극(511a)이 설치되고, 양극의 상부 회전축(512a) 끝단에 제2 베벨기어(512b)가 설치되며, 회전축(521a) 끝단에 제1 베벨기어(522a)가 설치된 구동모터(520a)가 음극(501a)외부에 설치되어 제어반(600)에서 전원을 공급받아 모터(520a)가 가동되어 회전력을 회전축(521a, 512a) 및 베벨기아(522a 512b)로 전달받는 양극(511a)이 회전하면, 음극(501a)과 양극(511a)사이에서 유체의 흐름은 불규칙한 난류흐름 및 충분한 원심력이 생성되면서 Turbulent Tayler Voltex flow(TTVF) 흐름이 되어 파괴되지 않은 활성기체가 함유된 기포와 음극(501a)에서 전기분해작용에 의해 생성되는 수소(H2)가스 및 활성기체 용해기 및 살균기에서 저온 고온의 활성기체를 함유한 기포가 파괴되면서 방출되는 수소 양성자(H+)와 수중의 질산성질소와 반응하여 유리질소(N2)와 물(H2O)을 생성하면서 질산성 질소가 제거되고, 수소(H2) 및 수소양성자(H+)공급량이 부족하여 수중의 질산성질소의 제거율이 목표치에 미달시에는 수소발생기에서 가열되는 반응기(541)에 알카리 금속저장용기(542)에 저장되어 공급되는 알카리금속의 적정량과 무기염촉매저장용기(543)에 저장되어 공급되는 무기염 촉매의 적정량과 금속수화물 저장용기(544)에 저장되어 공급되는 금속수화물의 적정량을 계량기(542a, 543a, 544a)계량되어 반응기(541)에 중력차로 투입되어 물과 혼합되고 교반기(545)로 교반되면서 발열반응으로 생성된 수소가스를 가압기(549)로 가압하여 벤츄리이젝트 목부(515a)로 공급 또는 압축수소용기(541a)에 저장된 수소가스를 압력조정기(541b)에서 적정압력으로 조정하면서 유량조정기(541c)에서 유량이 조정되어 벤츄리이젝트 목부로 공급되는 수소가스를 유입되는 하천수 또는 해수에 미세기포 형태로 공급하여 수중의 질산성 질소와 반응하여 유리질소(N2)와 물을 생성하고 생성된 유리질소는 최종 출구를 통헤 대기로 배기되고 물은 수중에 첨가되고,수중에 산소에 의해 산화되어 생성된 인산이온(PO4 3-)은 양극에서 전기분해작용으로 석출되는 철이온(Fe3+) 또는 알루미늄 이온(Al3+)과 반응하여 인산철(FePO4(s))염 및 인산알미늄염(AlPO4(s))으로 침전시키고 잉여의 철이온(Fe3+) 또는 알루미늄 이온(Al3+)은 히드록실 이온(OH-)과 반을하여 수산화제3철(Fe(OH)3(s)) 및 수산화알루미늄염(Al(OH)3(s))으로 침전시켜 수질을 정화하는 쿠에뜨 유동형 질소 및 인 제거기(500B)
중에서 어느 한기종이 선정되어 사용되는 질소 및 인 제거기(500); 및
활성기체 공급기(100), 활성기체 용해기(200), 살균기(300), 기포파괴기(400), 질소 및 인 제거기(500)에 전원을 공급하거나 차단하는 제어역할을 하는 제어반(600);
을 포함하는 수질 정화기능이 내장된 조류를 포함한 수중 미생물 제거 장치. - 삭제
- 제1항에서,
상기 활성기체 공급기(100)의 방전챔버(111)는 직육면체형상이며, 내부에 서로 마주보게 복수개의 안내판(111a)이 챔버 수직면과 30도 내지 75도 범위의 각도로 복수개가 서로 마주보게 설치되고, 안내판(111a)과 아래방향으로 간격을 두고 방전챔버(111)를 관통하여 내부에 절연봉(111C)이 삽입되는 제1 소켓(111b)이 직육면체 형상의 방전챔버(111)에 서로 마주보게 설치되고, 제1 소켓(111b)과 아래방향으로 간격을 두고 방전 가이드핀 조정구(111e)가 챔버를 타공하여 직육면체 형상의 방전챔버(111)에 서로 마주보게 설치되고, 방전 가이드핀 조정구(111e)와 아래방향으로 간격을 두고 제2 소켓(111b)이 방전챔버(111)을 관통하여 서로 마주보게 복수개가 방전챔버(111)를 관통하여 내부에 절연봉(111C)이 삽입되는 제2 소켓(111b)이 직육면체 형상의 방전챔버(111)에 서로 마주보게 설치되는,
수질 정화기능이 내장된 조류를 포함한 수중 미생물 제거 장치. - 제1항에서,
고전압 방전부(110)의 방전전극(112) 및 접지전극(113)은 방전 가이드핀(112a, 113a), 영구자석(112b, 113b), 돌출방전극(112c, 113c), 양 끝단면에서 20mm 간격을 두어 절곡되어 일정한 높이를 가진 방전 플레이트(112d, 113d)로 구성되고, 양 끝단부에서 안쪽으로 10mm 이격된 중심부에 6mm 내지 10mm 범위의 직경을 갖는 방전극(112, 113) 고정용 홀(112e, 113e)이 타공되며, 절곡되어 일정높이를 갖게되는 정면부의 절곡선과 간격을 두고 수평방향으로 서로 간격을 두고 설치되는 복수개의 방전 가이드핀(112a, 113a)이 방전 플레이트(112d, 113d)를 관통하여 설치되고, 방전 가이드핀(112a, 113a)과 아랫방향으로 서로 간격을 일정 두께를 갖는 원기둥 형상이며 외표면이 삼각 나사산으로 가공된 돌출방전극(112c, 113c)이 복수개가 설치되고 배면에는 방전 플레이트(112d, 113d)를 관통하여 돌출된 방전 가이드핀(112a, 113a)과 아랫방향으로 간격을 두고 일정 두께를 갖는 직육면체의 네오디움 제질의 영구자석이 방전 플레이트(112d, 113d)와 면접하여 설치되는,
수질 정화기능이 내장된 조류를 포함한 수중 미생물 제거 장치. - 제3항에서,
방전전극(112) 및 접지전극(113)사이의 방전간극 1차 간격조정은,
방전챔버(111) 일측면에 관통하여 내면에 나사산이 가공되어 복수개가 설치된 제1, 제2 소켓(111b)내부에 설치되는 외표면에 나사산이 가공되어 복수개 설치된 절연봉(111c)를 수공구를 이용하여 회전시켜 mm단위로 조정하고, 1차 간격조정은 방전전극(112) 및 접지전극(113)의 정면에 복수개 설치된 방전 가이드핀(112a, 113a)을 수공구를 이용 회전시켜 mm단위로 조정하여 방전극간 방전이 용이하게 하고 균일한 방전을 유지하는,
수질 정화기능이 내장된 조류를 포함한 수중 미생물 제거 장치. - 제1항에서,
상기 활성기체 용해기(200)는,
필터유닛(201), 유량조절기(202), 혼합기(203), 펌프(204)로 구성되어 펌프(204)의 흡인력으로 흡입관에 유입되는 하천수 또는 해수를 흡입하여 필터유닛(201)에서 협잡물을 제거하고 혼합기(203)에 공급하면서 활성기체 공급기(100)에서 생성되고 가압기(120)에서 가압되고 유량조절기(202)에서 적정량으로 유량을 조절한 후 혼합기(203)로 공급되어 유입되는 하천수 또는 해수에 분사하여 유체상태로 펌프(204)에 흡입되어 고속으로 회전하는 펌프의 날개(Blade)와 충돌하여 유체상의 활성기체를 함유한 기포가 파괴되면서 활성기체중의 산소이온(O), 히드록실 이온(OH-), 수소양성자(H+)의 활성기체가 수중에 용해되거나 함유되면서 유입되는 하천수 또는 해수중의 녹조류 또는 적조류의 세포막을 히드록실이온(OH-)이 천공하여 녹조 또는 적조류를 1차살균하는,
수질 정화기능이 내장된 조류를 포함한 수중 미생물 제거 장치. - 제1항에서,
상기 살균기(300)는,
유량조절기(301), 가열기(302), 제1 히터(302c), 벤츄리이젝터(303), 제2 히터(304)로 구성되어, 벤츄리이젝터(303)외부에 솔레노이드 형상으로 권선된 히터(304)에 전원공급기(305)에서 전원이 공급되어 히터의 발열로 내면이 193℃ 이상으로 가열되는 벤츄리이젝터(303)에 활성기체 용해기(200)의 펌프(204)를 이용하여 하천수또는 해수를 공급하면 193℃ 이상의 고온으로 가열되는 벤츄리이젝터(303)에 내면에 유입되는 하천수 또는 해수가 접촉되어 라이텐프로스트 효과(Leidenfrost effect)에 의해 하천수 또는 해수가 비등(증기화)하면서 수중의 조류균이 살균되고, 활성기체 공급기(100)에서 생산되고 가압기(120)에서 가압하여 공급되는 활성기체를 유량조절기(301)로 적정량을 조절하면서 외부에 권선된 히터(302c)에 전원이 공급되어 고온으로 가열된 가열기(302)로 통과시켜 전도 및 대류방식으로 활성기체를 250℃ 이상으로 가열하여 벤츄리이젝터(303)의 목부(303a)로 공급하면 벤츄리이젝터(303)의 내면에서 비등하는 수증기와 접촉, 상대적으로 저온상태의 수중에 고온으로 공급되는 활성기체의 기포가 응축되어 파괴되는 초 공동화 현상으로 소음을 수반한 수격작용으로 고온의 기포가 연쇄적으로 파괴되는 과정에서 방출되는 히드록실 이온(OH-)의 활성기체와 접촉, 고온의 기포 표면과의 접촉에 의한 열적 충격, 기포파괴에 의해 발생되는 진동을 수반한 충격파에 의해 수중의 녹조 또는 적조류를 2차 살균하는,
수질 정화기능이 내장된 조류를 포함한 수중 미생물 제거 장치. - 삭제
- 제1항에서,
제1 기포파괴기(410)는,
챔버(401), 고전압 펄스 발생장치(411), 방전전극(412), 접지전극(413), 도선(414) 및 침상형 반사판(415)으로 구성되어, 고전압 펄스 발생장치(411)에서 생성되는 고전압 펄스를 도선(414)을 통하여 방전전극(412) 및 접지전극(413)에 인가하여 양 전극간(412, 413)에 방전시켜, 이 방전에 의하여 발생되는 충격파에 의해서 살균기(300)에서 유입되는 고온의 활성기체가 함유된 기포가 1차 파괴하고, 기포가 파괴될 때 생성되는 수격압력 의하여 기포가 2차 파괴하고, 기포가 파괴될 때 방출되는 히드록실이온(OH-)은 수중의 조류균의 세포막을 천공하여 살균하고, 수소양성자(H+)와 잉여의 히드록실이온(OH-), 산소원자(O) 및 산소이온(O2 *)이 수중에 용해 및 기포형태로 질소 및 인 제거기(500)로 유입되는,
수질 정화기능이 내장된 조류를 포함한 수중 미생물 제거 장치. - 제1항에서,
제2 기포파괴기(420)는,
챔버(401), 고전압 펄스 발생장치(421), 방전전극(422), 접지전극(423), 도선(424), 트리거 전압발생기(425), 트리거 전압전극(426), 도선(427)으로 구성되어 고전압펄스 발생 장치(421)의 한 출력선은 트리거전압 발생기(425)에 연결되고, 트리거전압 발생기(425)의 출력선은 트리거전압전극(426)에 연결되고, 고전압펄스 발생 장치(411)의 한 출력선은 방전전극(422)에 또다른 출력선은 접지전극(423)에 연결 설치되어 고전압펄스 발생장치(421)가 방전전극(422) 및 접지전극(423)에 고전압펄스를 인가할 때, 도선을 사이에 끼워 트리거전압발생기(425)에 동기작동신호를 부여하고, 트리거전압 발생기(425)는, 고전압펄스발생장치(421)가 고전압펄스를 방전전극(422) 및 접지전극(423)에 인가하기보다 이전에 또는 동시에 트리거전압을 트리거전압전극(426)에 인가시 트리거전압전극(426)은 자기와 달리하는 극성의 방전전극(422) 및 접지전극(423)사이에서 펄스에너지가 전달되면서 방전을 개시하면, 방전전극(422) 및 접지전극(423)은 방전전극(422) 및 접지전극(423) 인가된 고전압펄스 보다도 저전압으로 주 방전을 개시하여 방전거리를 신장하고, 이 방전에 의하여 발생되는 충격파에 의해서 살균기(300)에서 유입되는 고온의 활성기체가 함유된 기포가 1차 파괴하고, 기포가 파괴될 때 생성되는 진동을 수반한 충격파(수격압력)에 의하여 기포가 2차 파괴하고, 기포가 파괴될 때 방출되는 히드록실이온(OH-)은 수중의 조류균의 세포막을 천공하여 살균하고, 수소양성자(H+)와 잉여의 히드록실이온(OH-), 산소원자(O) 및 산소이온(O2 *)이 수중에 용해 및 기포 형태로 질소 및 인 제거기(500)로 유입되는,
수질 정화기능이 내장된 조류를 포함한 수중 미생물 제거 장치. - 제1항에서,
제3 기포파괴기(430)는,
고전압 펄스 발생 장치(431), 방전전극(432), 접지전극(433) 및 트리거 전압전극(434), 트랜스(435), 도선(431a,b)로 구성되며,
고전압 펄스 발생 장치(431)에서 생성된 고전압이 방전전극(432), 접지전극(433) 및 트리거 전압전극(434)에 인가되며, 고전압 펄스 발생장치(431)의 출력측의 한 도선(431-2b)은 트랜스(435)의 2차측 인덕터(L2)를 경유하여 접지전극(433)에 연결되며, 다른 한 도선(431-2e)은 트랜스(435)의 1차측 인덕터(L1)을 사이에 끼워 콘덴서(c)를 거쳐 방전전극(432)에 연결되고, 또 다른 한도선은 트리거 전압전극(434)에 연결되어, 제어반(600)에서 고전압 펄스 발생 장치(431)에 전원이 공급되고, 고전압 펄스 발생 장치(431)의 출력선(431-a)에 정(+)의 전위로 되는 고전압 펄스가 인가되면 콘덴서(c)는 1차측(L1)에 의하여 서서히 충전되고, 이때의 전류변화에 의하여 2차측(L2)으로 트리거 전압이 발생하여 트리거 전압전극(434)와 접지전극(433)의 사이로 펄스에너지가 전달되면서 자유방전이 발생이 개시되고, 이 자유 방전에 의해 유발되어서 방전전극(432) 및 접지전극(433)사이로 주 방전이 발생되어 이 방전에 의하여 발생되는 충격파에 의해서 살균기(300)에서 유입되는 고온의 활성기체가 함유된 기포가 1차 파괴하고, 기포가 파괴될 때 생성되는 수격압력 의하여 기포가 2차 파괴하고, 기포가 파괴될 때 방출되는 히드록실이온(OH-)은 수중의 조류균의 세포막을 천공하여 살균하고, 수소양성자(H+)와 산소원자(O) 및 산소이온(O2 *)이 수중에 용해 및 기포 형태로 질소 및 인 제거기(500)로 유입되는,
수질 정화기능이 내장된 조류를 포함한 수중 미생물 제거 장치. - 제1항에서,
상기 기포파괴기(400)는,
제1 기포파괴기(410), 제2 기포파괴기(420), 제3 기포파괴기(430)의 고전압 펄스 발생장치(411, 421, 431)의 출력측 전압은 1KV 내지 30KV 범위내서 적정전압을 선택하여 선정하고, 전류값은 5A 내지 300A 범위내서 적정전압을 선택하여 선정하고, 펄스반복율(단위시간당 펄스횟수;PRR)은 20Hz 내지 10KHz 범위내서 적정전압을 선택하여 선정하며, 펄스폭은 1ms 내지 5ms범위내서 적정전압을 선정하여 사용하는,
수질 정화기능이 내장된 조류를 포함한 수중 미생물 제거 장치. - 제1항에서,
상기 기포파괴기(400)는,
제1 기포파괴기(410), 제2 기포파괴기(420), 제3 기포파괴기(430)의 어느 한기종이 선택되어 사용되며 제1 기포파괴기(410)의 방전전극(412) 및 접지전극(413)을 통과하는 하수 또는 해수 수중의 조류가 고전압 펄스 발생장치(411)에서 방전전극(412) 및 접지전극(413)에 고전압을 인가시키면, 방전극(412, 413)사이로 유입되는 조류가 포함된 수중에 펄스에너지가 전달되면서, 조류의 세포막을 가로질러 부가적인 전압(V)에 유도되고 누적된 전위의 합이 200mmV에서 1V사이인 임계전압(threshold voltage)을 능가하면, 세포막에서 기공(transmembrane pore.p)이 형성되기 시작하고, 세포막의 전위가 임계치 이상인 상태에서 세포가 보다 오랜 시간 동안 노출되면, 천공은 세포외 이온의 유입을 야기하고, 이는 항상성(homeostasis)의 상실 및 그에 따를 세포 자멸(apoptosis)하는 전기천공의 특성을 갖는,
수질 정화기능이 내장된 조류를 포함한 수중 미생물 제거 장치. - 제1항에서,
제2 기포파괴기(420)의 방전전극(422), 접지전극(423) 및 트리거 전압전극(426)을 통과하는 하수 또는 해수 수중의 조류가 고전압 펄스 발생장치(421) 및 트리거전압발생기(425)에서 방전전극(422), 접지전극(423) 및 트리거 전압전극(426)에 고전압을 인가시키면, 방전전극(422), 접지전극(423) 및 트리거 전압전극(426)사이로 유입되는 조류가 포함된 수중에 펄스에너지가 전달되면서, 조류의 세포막을 가로질러 부가적인 전압(V)에 유도되고 누적된 전위의 합이 200mmV에서 1V사이인 임계전압(threshold voltage)을 능가하면, 세포막에서 기공(transmembrane pore.p)이 형성되기 시작하고, 세포막의 전위가 임계치 이상인 상태에서 세포가 보다 오랜 시간 동안 노출되면, 천공은 세포외 이온의 유입을 야기하고, 이는 항상성(homeostasis)의 상실 및 그에 따른 세포가 자멸(apoptosis)하는 전기천공의 특성을 갖는,
수질 정화기능이 내장된 조류를 포함한 수중 미생물 제거 장치. - 제1항에서,
제3 기포파괴기(430)의 방전전극(432) 및 접지전극(433)을 통과하는 하수 또는 해수 수중의 조류가 고전압 펄스 발생장치(431)에서 방전전극(432) 및 접지전극(433)에 고전압을 인가시키면, 방전극(432, 433)사이로 유입되는 조류가 포함된 수중에 펄스에너지가 전달되면서, 조류의 세포막을 가로질러 부가적인 전압(V)에 유도되고 누적된 전위의 합이 200mmV에서 1V사이인 임계전압(threshold voltage)을 능가하면, 세포막에서 기공(transmembrane pore.p)이 형성되기 시작하고, 세포막의 전위가 임계치 이상인 상태에서 세포가 보다 오랜 시간 동안 노출되면, 천공은 세포외 이온의 유입을 야기하고, 이는 항상성(homeostasis)의 상실 및 그에 따른 세포가 자멸(apoptosis)하는 전기천공의 특성을 갖는,
수질 정화기능이 내장된 조류를 포함한 수중 미생물 제거 장치. - 제1항에서,
질소 및 인 제거기(500)는,
선회류(swirl flow) 유동형 질소 및 인 제거기, 꾸에트 유동형 질소 및 인 제거기 중에서 어느 한가지 기종이 선택되어 사용되는데,
선회류(swirl flow) 유동형 형 질소 및 인 제거기(500)는,
양 끝단면이 원형인 원기둥형 외통(501) 및 내통(511)구조의 이중 중공구조이며 내통(511)의 외면 및 외통(501)의 내면의 재질이 철(Fe) 또는 알루미늄(Al) 재질중에 선택되어 사용되거나 또는 상부에서 하부방향으로 복수개의 단수를 두어 단계적으로 철, 알루미늄 재질 순 또는 알루미늄, 철 재질 순으로 서로 다른 재질을 혼용하여 사용할 수 있고 각각의 재질 표면에 복수개의 돌기(501a)가 형성되도록 가공되고, 내통(511)은 외통(501)의 내부 상하 고정대(502, 503)에 설치되고 외부에 설치된 구동모터(520)와 동력전달 링크로 연결되어 모터(520)의 회전력을 동력전달 링크(521, 522)로 전달받아 회전하여 음극과 양극 사이에서 선회류(swirl flow)를 형성하면서 외부에 설치된 직류전원공급기(530)로부터 생성된 직류전원을 외통(501)(음극) 및 내통(511)(양극)에 공급받아 외통(501)과 내통(511)사이에서 전기분해작용으로 양극(511)과 음극(501)에서 발생되는 철이온과 알루미늄 이온과 활성기체 용해기(200) 및 기포파괴기(400)에서 생성된 수소양성자(H+), 전기분해작용에 의하여 생성된 수소(H2), 수소발생기(540)에서 생성되어 공급되는 수소(H2)가스 및 히드록실 이온(OH-)이 수중에 존재하는 질산성질소 및 인과 반응하여 수중의 질산성질소 및 인을 제거하여 수질을 정화하는,
수질 정화기능이 내장된 조류를 포함한 수중 미생물 제거 장치. - 제16항에서,
꾸에트 유동형 질소 및 인 제거기는,
양 끝단면이 타원형인 타원기둥형 외통(501a) 및 내통(511a)구조의 이중 중공구조이며 내통의 외면 및 외통의 내면의 재질이 철(Fe) 또는 알루미늄(Al) 재질중에 선택되어 사용되거나 또는 상부에서 하부방향으로 복수개의 단수를 두어 단계적으로 철, 알루미늄 재질 순 또는 알루미늄, 철 재질 순으로 서로 다른 재질을 혼용하여 사용할 수 있고 각각의 재질 표면에 복수개의 돌기(501b)가 형성되도록 가공되고, 내통(양극;511a)은 외통(501a)의 내부 상하 고정대(502b, 503a)에 설치되고 외부에 설치된 구동모터(520a)와 동력전달 링크(521a, 522a)로 연결되어 모터(520a)의 회전력을 동력전달 링크(521a, 522a)로 전달받아 회전되어 단변과 장변의 차이에 의해 음극(501b)과 양극(511b)사이에서 음극(501b)방향으로 원심력이 작용하여 난류흐름이 생성되는데 이러한 난류흐름을 쿠에트 유동(Tayler-Couette flow 또는 Turbulent Tayler Voltex flow(TTVF))형성하면서 음극(501b)외부에 설치된 직류전원공급기(530a)로부터 생성된 직류전원을 외통(501a)(음극) 및 내통(511a)(양극)에 공급받아 외통(501a)과 내통(511a)사이에서 전기분해작용으로 양극과 음극에서 발생되는 철이온과 알루미늄 이온과 활성기체 용해기(200) 및 기포파괴기(400)에서 생성된 수소양성자(H+), 전기분해작용에 의하여 생성된 수소(H2), 수소발생기(540)에서 생성되어 공급되는 수소(H2)가스 및 히드록실 이온(OH-)과 수중에 존재하는 질산성질소 및 인과 반응하여 수중의 질산성질소 및 인을 제거하여 수질을 정화하는,
수질 정화기능이 내장된 조류를 포함한 수중 미생물 제거 장치. - 제16항에서,
상기 수소발생기(540)는,
반응기(541), 알카리금속저장용기(542), 무기염촉매저장용기(543), 수소발생용 금속수화물 저장용기(544), 교반기(545), 가열코일(546), 전원공급기(547), 냉각용 자켓(548) 및 가압기(549)로 구성되며,
상기 알카리금속저장용기(542)에서 계량되어 반응기 내부로 수소화붕소나트륨(NaBH4), 수소화붕소리튬(LiBH4), 수소화붕소칼륨(KBH4), 수소화붕소암모늄(NH4BH4) 또는 알카리금속저장용기(542)에 저장된 수소화알루미늄나트륨(NaAlH4), 수소화알루미늄리튬(LiAlH4), 수소화알루미늄칼륨(KAlH4), 수소화갈륨나트륨(NaGaH4), 수소화갈륩리튬(LiGaH4), 수소화갈륨칼륨(KGaH4)의금속하이드라이드의 가수분해물(metalhydride)중의 어느 한물질이 선택되어 반응기(541)에 공급되어 물과 반응하여 수소를 발생시는 방법 또는 수소화칼슘(CaH2), 디수소화붕소칼슘(Ca(BH4)2), 수소화마그네슘(MgH2), 디수소화붕소마그네슘(Mg(BH4)2), 수소화일루미늄칼륨(KAlH4), 수소화리튬(LiH)의 물질중에서 어느 한가지 물질이 선택되어 반응기(541)에 공급되어 물과 반응하여 수소를 발생시키는,
수질 정화기능이 내장된 조류를 포함한 수중 미생물 제거 장치. - 제16항에서,
금속수화물 저장용기(544)에 저장된 알루미늄, 규소, 아연의 물질중에서 어느 한가지 물질이 선택되어 반응기(541)에 공급되어 물과 반응하여 수소를 발생시키는,
수질 정화기능이 내장된 조류를 포함한 수중 미생물 제거 장치.
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