KR102488876B1

KR102488876B1 - 물리적 정수 시스템

Info

Publication number: KR102488876B1
Application number: KR1020200129790A
Authority: KR
Inventors: 이규환; 김성희; 김종철; 염영호; 김찬수
Original assignee: 한국과학기술연구원; 주식회사 한국마쓰이
Priority date: 2020-10-08
Filing date: 2020-10-08
Publication date: 2023-01-18
Also published as: CN116601119A; WO2022075511A1; KR20220047413A

Abstract

종래기술에 따른 물리적 정수 시스템이 사용중 성능 저하가 생기는 문제점을 보완하고 국내·외 다양한 수질특성을 반영할 수 있는 "성능 저하 방지기능이 있는 물리적 정수 시스템"을 제공하는 것을 목적으로 하며, 냉각수 내지 오염수에서 발견되는 레지오넬라균 또는 일반 세균류에 대한 살균, 유기 오염물의 분해, 용존 산소 제거를 통한 배관 부식방지와 아울러 스케일 성분을 제거할 수 있는 광촉매 산화 장치와 광촉매 산화 장치의 화학적 반응을 활성화하기 위해 Nb-Ti 합판, 합금봉을 알칼리 및 열처리 과정을 통해 자체 광촉매 입자를 생성시켜 반영구적으로 사용할 수 있다. 또한, 스케일 성분을 더욱 효율적으로 제거할 수 있는 전기 분해 장치, 그리고 전기적 방전 문제를 해결하고자 사용된 절연 소재 플라스틱 또는 세라믹 판을 사용한 스크레이퍼를 포함하며, 탁도 물질 또는 스케일 입자를 여과하여 탁도를 개선할 수 있는 볼필터 장치를 포함하는 "성능 저하 방지 물리적 정수 시스템"에 관한 것이다.

Description

물리적 정수 시스템{Physical Water Purification System}

본 발명은 물리적 정수 시스템에 관한 것으로서, 수질 내 스케일을 생성시키는 총경도 성분을 제거하고, 온수를 주로 사용하는 공장, 목욕탕, 병원 등지에서 관찰되는 레지오넬라균 및 일반 세균류를 함께 제거하며, 탁도 개선, 용존산소 감소 및 환원성 환경으로 물성을 변화시켜 배관의 부식을 막을 수 있는 성능 저하 방지 물리적 정수 시스템에 관한 것이다.

국제인구행동연구소(Population Action International, PAI)에 따르면, 사막 국가들이 몰려있는 중동, 동·북아프리카들이 물 기근 국가(1,000m³이하)로 분류되어 있고, 물 부족 국가(1,000m³∼1,700m³)로는 남·북 아프리카, 유럽과 남미의 일부 국가가 포함되어 있으며, 미국 영국 일본 한국 등 대부분의 국가는 물 풍요 국가(1,700m³이상)로 정의되어 있다.

하지만, 한국의 실제 활용 가능한 수자원량을 고려해본다면 1인당 1,452m³으로 물 부족 국가에 해당하며, 미국 및 유럽의 많은 나라는 선진국임에도 불구하고 지리적 요인으로 인해 석회 성분이 많이 포함되어 있어 활용 가능한 수자원이 결코 풍족하다고 할 수 없는 것이 현실이다.

이에 따라 많은 나라의 수자원을 효율적인 사용 및 정화를 통한 재활용이 주된 현안이 되고 있다.

일반 산업체에서 사용하는 공업용수의 대부분이 냉각 계통에 사용되고 있으며, 냉각 순환 과정 중 배관 내 스케일 물질을 형성시켜 배관 막힘 및 배관 부식을 유발하게 된다.

가열된 물은 냉각탑에서 상당량 증발하면 주요 스케일 물질인 칼슘(Ca)과 마그네슘(Mg)이 농축하여 스케일 생성이 촉진된다.

현재로서는 이러한 문제를 해결하기 위해 사업장에서 손쉽게 할 수 있는 방법은 주기적인 냉각수 교체 또는 약품 사용을 통한 스케일 물질 제거 및 생성억제가 가장 쉬운 방법으로 거론되지만, 막대한 물 손실 또는 약품으로 인해 오염된 물을 정수하는데 막대한 비용이 발생되는 문제점이 있다.

주요 스케일 물질인 칼슘 이온과 마그네슘 이온은 물의 주 양이온에 속하여 많은 양 함유되어 있지만, 제거기술로는 이온교환수지 방법 이외에 마땅한 방법이 없는 상태이다.

이온교환수지는 빠른 시간 안에 칼슘 이온과 마그네슘 이온을 제거할 수 있지만 역세 공정, 재생 공정을 거치면서 막대한 물이 소비되는 문제점이 있다.

KR

10-0913187

B1

본 발명은 일반적인 선형(Linear) 파형이 아닌 굴곡이 있는 리플(Ripple) 파형과 펄스(Pulse) 파형을 통해 기존 기술보다 스케일 제거 효과를 증진시킬 수 있고, 스크래퍼의 소재를 플라스틱 소재 중 다소 강도가 있는 베크라이트 또는 절연이 가능한 세라믹 소재 알루미나(Al₂O₃) 또는 지르코늄(ZrO₂) 재질의 스크래퍼를 사용하여 통전으로 인해 발생하는 방전을 방지함으로써 구조적 안정성을 높일 수 있다.

또한, 양극판과 음극판에 전력를 공급하는 샤프트(지지축, 회전축)를 하우징 외부로 노출시켜 전선을 외부에서 체결할 수 있도록 설계하고, 전극과 맞닿거나 이격거리가 짧은 부분은 플라스틱 소재로 절연 처리를 통해 전기와 구조적으로 안정성을 갖춘 고효율 전기분해 장치를 제공하는데 목적이 있다.

그리고, 고도산화처리 기술 중 자외선 광촉매 산화를 이용하여 레지오넬라균 및 세균류의 살균, 유기물 분해를 통한 탄산염 보충, 용존산소(Dissolved Oxygen, DO)를 감소시켜 금속 배관과 장비의 부식방지 및 전기 분해 장치와 연계하여 경도 물질 제거를 도모하고 효율 증대를 통한 광촉매 산화 장치를 제공하는 데 목적이 있다.

이를 위해서, Nb-Ti 합금봉(제1 광촉매부재) 또는 원통형판(제2 광촉매부재)을 알칼리 및 열처리 통해 합판표면에 Nb-TiO₂ 나노 사이즈의 광촉매 입자를 자체 생성시키고, 자외선 램프를 보호하는 석영관 또는 바이코(Vycor) 글라스 튜브 표면에 광촉매 입자를 코팅시켜 광촉매를 반영구적으로 사용할 수 있는 자외선 광촉매 기술을 제안한다.

전기와 구조적인 안정성을 확보함으로써, 소모품의 마모를 최소화하여 교체 비용을 절감할 수 있으며 화학적인 첨가물을 사용하지 않고 냉각수의 고질적인 문제인 경도 물질을 제거하고, 살균과 배관 부식을 방지하며, 스케일 성분을 제거하여 냉각수 소모량을 최소화할 수 있는 효과를 기대할 수 있는 "성능 저하 방지 물리적 정수 시스템"을 제공하는 데 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 광촉매 산화 장치는 UVC 파장의 자외선 램프를 처리수로부터 보호하고 자외선을 원활하게 방사하기 위해 고순도 석영관 튜브 또는 바이코 글라스 튜브로 구성되며, 석영관 또는 바이코 튜브는 광촉매 입자를 생성시킨 Nb-Ti 합금봉(제1 광촉매부재)과 일정 간격 이격시켜 배치되고, 반응조 내부 벽면에는 광촉매 효과를 더욱 활성화하기 위해 원통형으로 제작된 Nb-Ti 판(제2 광촉매부재)이 배치된다.

상기 석영관 튜브 또는 바이코 글라스 튜브 표면에 TiO₂ 광촉매 나노 분말을 코팅시켜 자외선을 통한 살균 작용과 화학적 정화 작용을 촉진하고 아울러 티타늄 합금 봉 또는 원통형 판은 니오븀(Niobium, Nb)을 함유한 합금으로 알칼리처리 및 열처리를 통해 표면에 나노 사이즈에서 마이크로 사이즈의 Nb-Ti 광촉매 입자를 생성시켜 흐르는 물에 손실되지 않고 반영구적으로 광촉매를 사용하는 것을 특징으로 한다.

알칼리 및 열처리를 통해 광촉매 입자를 생성시킨 Nb-Ti 합금봉(제1 광촉매부재) 또는 원통형 판(제2 광촉매부재)에서 자외선으로 인해 광촉매 작용이 활성화될 때, 여기된 전자가 금속의 제1 관형부재를 통해 손실되지 않도록 Nb-Ti 합금봉(제1 광촉매부재) 또는 원통형 판(제2 광촉매부재)은 고무 패드를 통해 절연 처리되거나 플라스틱 소재인 FRP 소재로 제1 관형부재를 제작할 수 있다.

전기 분해 장치는 유입된 처리수가 전극(음극판, 양극판) 표면에 고르게 반응할 수 있도록 측면에서 설치된 분배구로 처리수가 유입되고 전극 반응이 끝난 처리수가 배출될 수 있도록 상부에 배출구가 설치된 원통형의 하우징, 하우징 중심에 회전이 가능하게 축설된 회전축, 소정의 간격으로 연속되는 다수의 음극판을 갖는 음극부, 전기 분해 반응을 일으킬 수 있도록 음극부 사이에 일정한 간격으로 나열된 양극판과 외측에 양극판을 일정한 간격으로 고정하는 고정축을 포함한 양극부로 구성되며, 음극판에 전착된 스케일 입자를 제거하기 위한 스크레이퍼, 각각의 음극판, 각각의 양극판, 각각의 스크레이퍼를 일정한 간격으로 띄어주기 위해 플라스틱 소재인 테프론 또는 MC나일론으로 제작된 부쉬와 스페이서를 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 스크레이퍼는 음극판에 직접 접촉하여 스케일을 제거하고 스크레이퍼는 음극판을 고정하고 회전시키는 회전축과 별도의 지지축에 체결되며, 전기의 간섭을 차단을 위한 절연 소재 포베크라이트(지지부)으로 형성되고 음극판에 전착된 스케일을 효과적으로 절삭하기 위해 음극판과 직접 접촉되는 면에는 알루미나 세라믹 판(제거부)이 부착되는 것을 특징으로 한다.

또, 가장 후단에 광촉매 산화 공정, 전기분해 공정을 거쳐 발생된 스케일 물질을 제거하기 위하여 섬유상의 볼필터를 포함하고 자동 역세 기능을 갖는 볼필터 장치를 포함하여, 세균류 살균, 총경도 감소를 통한 연수화, 스케일 및 탁도 물질 제거와 금속 배관 부식 방지함으로써, 온수/냉각수에 대한 수질 정화 통합 솔루션을 제공할 수 있는 "성능 저하 방지 물리적 정수 시스템"이다.

상기와 같이 구성된 본 발명을 제공함으로써, 자외선을 사용한 광촉매 산화공정을 통해 온수 및 냉각수를 사용하는 공장, 목욕탕, 병원, 아파트 등에서 관찰되는 레지오넬라균 및 일반 세균류에 대한 살균 효과를 얻을 수 있다.

아울러, 자외선을 통한 세균류의 분해 또는 유기오염물이 분해되어 탄산염을 형성해 온수 및 냉각수에 부족한 탄산염을 보충해주고 전기분해 장치에서 스케일 물질을 형성하는데 필요한 탄산염을 공급해 외부 약품을 첨가하지 않고 총경도 물질을 제거할 수 있는 효과가 있다.

또한, 자외선 광촉매 산화를 통해 슈퍼 음이온 라디칼을 형성으로 물속 용존 산소가 감소하여 배관의 부식을 방지하는 효과가 있으며, 용존되어 있는 스케일 생성 성분을 산화시켜 총경도 감소 효과를 얻을 수 있다.

아울러, Nb-Ti 합금을 알칼리 및 열처리를 통해 합금 표면에 광촉매를 생성시킴으로써 광촉매 나노 분말의 손실 없이 반영구적으로 사용 가능한 효과를 얻을 수 있다.

종래기술에 따른 전기분해 장치가 사용되는 수처리 장비에서 적용된 선형의 DC 전원이 아닌 리플 파형 또는 펄스 파형을 공급함으로써, 종래기술에 비해 빠르게 총경도 물질을 제거하고, 음극 전극 표면에 발생한 스케일을 제거하는 스크레이퍼 및 부쉬와 스페이스를 절연체로 사용함으로써 전기적인 간섭을 차단하여 음극판의 손상을 방지하고 스케일 제거 효율을 극대화할 수 있는 효과가 있다.

또한, 5 내지 10μm까지 제거할 수 있는 자동 역세 볼 필터를 통해 탁도까지 개선하여 온수 및 냉각수 재활용 비율을 증가시킴으로써 물 소비를 감소 및 불필요한 인력 낭비를 줄일 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 물리적 정수 시스템의 개념도,
도 2는 도 1에 도시된 광촉매 산화 장치의 정면도,
도 3은 도 1에 도시된 전기분해 장치의 정면도,
도 4는 도 3에 도시된 전기분해 장치에서 하우징을 제거한 나머지 구성에 대한 정면도와 평면도,
도 5는 도 1에 도시된 볼필터 장치의 정면도,
도 6은 광촉매 산화 장치에서 TiO₂ 광촉매와 UVC 자외선 램프를 사용하면서 총경도 성분, 알카리도(탄산염), Ca 경도, Mg 경도를 측정한 그래프,
도 7은 광촉매 산화 장치에서 광촉매가 존재하지 않는 조건, 석영관 표면에 TiO₂ 코팅한 조건, Ti 판과 Nb-Ti 합금 표면에 알칼리 및 열처리를 통해서 생성시킨 조건에서 광촉매의 효율을 비교 테스트한 그래프,
도 8은 광촉매 산화 장치의 광산화 과정에서 처리수에 존재하는 유기물의 분해 능력을 평가하기 위해 1시간 동안 광산화한 결과를 나타낸 그래프,
도 9는 전기분해 장치에서 48시간 동안 선형 DC 전원과 리플 DC 전원을 사용하였을 때 스케일 성분의 제거 능력 차이를 비교한 데이터를 나타낸 그래프, 및
도 10은 전기분해 장치에서 선형 DC 전원과 펄스 DC 전원을 사용하여 8시간 동안 스케일 성분의 제거 능력 차이를 비교한 데이터를 나타낸 그래프이다.

본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, "제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다. 이하, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 관련된 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태를 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 물리적 정수 시스템의 개념도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 물리적 정수 시스템은 처리수를 자외선을 이용하여 광촉매 산화시키는 광촉매 산화 장치(200), 광촉매 산화 장치(200)로부터 처리수를 공급받아, 처리수를 전기분해시키고, 스케일을 제거하는 스크래퍼를 포함하는 전기분해 장치(300), 및 전기분해 장치(300)로부터 처리수를 공급받아, 스크래퍼(404)에 의해서 제거된 스케일과 이물질을 볼필터로 제거하는 볼필터 장치(500)를 포함한다.

기본적으로, 처리수는 펌프(100)를 통해서 광촉매 산화 장치(200)->전기분해 장치(300)->볼필터 장치(500) 순으로 통과한다. 여기서, 광촉매 산화 장치(200)는 처리수를 살균하고, 유기물을 분해하며, 용존산소를 제거하고, 스케일 성분을 제거할 수 있다. 또한, 전기분해 장치(300)는 광촉매 산화 장치(200)에서 제거하지 못한 스케일 성분을 제거하고, 음극판에 전착된 스케일을 스크래퍼로 제거함으로써, 볼필터 장치(500)를 통해서 탁도와 경도 감소, 살균 기능과 부식 방지 효과를 구현할 수 있다. 한편, 본 실시예에서 처리되는 처리수는 정수가 필요한 유체라면 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들어 냉각수 또는 오염수일 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 광촉매 산화 장치(200)는 자외선을 이용하여 처리수를 광촉매 산화시키는 역할을 수행한다. 여기서, 광촉매 산화 장치(200)는 제1 관형부재(205), 자외선 램프(230), 제1 광촉매부재(240), 및 제2 광촉매부재(270)를 포함할 수 있다.

구체적으로, 제1 관형부재(205)는 내부에 공간이 구비되도록 관형으로 형성되고, 일측에 처리수가 유입되는 제1 포트(210)와 타측에 처리수가 유출되는 제2 포트(220)가 형성될 수 있다. 따라서, 처리수는 제1 포트(210)로 유입되어 제1 관형부재(205)의 내부를 통과한 후 제2 포트(220)로 유출될 수 있다. 추가적으로, 제1 관형부재(205)에는 유사시 내부에서 채워진 처리수를 배출시키는 배출구(260)가 구비될 수 있다.

또한, 자외선 램프(230)는 제1 관형부재(205)의 내부에 2 이상의 구비될 수 있다. 이때, 자외선 램프(230)는 제1 관형부재(205)의 길이방향을 따라 막대형으로 연장될 수 있고, 자외선 램프(230)를 보호하는 석영관이나 바이코관이 구비될 수 있다. 석영관 또는 바이코관 표면에는 자외선을 통한 화화적 반응을 활성화시키기 위해서 TiO₂ 광촉매가 코팅될 수 있다. 한편, 자외선 램프(230)는 양단이 제1 관형부재(205)로부터 노출될 수 있고, 노출된 자외선 램프(230)의 양단에는 마개(250)가 결합될 수 있다.

그리고, 제1 광촉매부재(240)는 2 이상의 자외선 램프(230)의 사이에 구비된 것으로, 광촉매가 형성될 수 있다. 예를 들어, Nb-Ti 합금 표면에 알칼리 및 열처리를 통해서 Nb-TiO₂ 나노 사이즈의 광촉매 입자를 자체 생성시킬 수 있다. 한편, 제1 광촉매부재(240)는 자외선 램프(230)의 길이방향을 따라 원기둥형으로 형성될 수 있고, 외주면을 따라 나사산(241)이 연장될 수 있다. 이와 같이, 제1 광촉매부재(240)의 외주면에 나사산(241)이 형성되면, 제1 광촉매부재(240)가 자외선을 받을 수 있는 면적이 증가함으로써, 자외선을 통한 화학적 반응이 더욱 활성화될 수 있다.

또한, 제2 광촉매부재(270)는 2 이상의 자외선 램프(230)를 둘러싸도록 관형으로 형성된 것으로(제1 관형부재(205)의 내주면에 대응하도록 형성됨), 광촉매가 형성될 수 있다. 예를 들어, Nb-Ti 합금 표면에 알칼리 및 열처리를 통해서 Nb-TiO₂ 나노 사이즈의 광촉매 입자를 자체 생성시킬 수 있다.

한편, 제1 및 제2 광촉매부재(240, 270)로부터 여기된 전자(-)가 소모되는 것을 방지하기 위해서, 제1 및 제2 광촉매부재(240, 270)와 제1 관형부재(205)가 접촉하는 영역은 고무 패드로 절연 처리되거나, 또는 제1 관형부재(205)가 플라스틱 소재인 FRP(fiber reinforced plastics) 등으로 제작될 수 있다.

광촉매 산화 장치(200)에서 처리수는 제1 포트(210)로 유입되어 자외선 램프(230)와 제1 광촉매부재(240) 사이 및 자외선 램프(230)와 제2 광촉매부재(270) 사이를 통과하면서, 광촉매 반응에 의해서 광촉매 산화될 수 있다. 이후, 처리수는 제2 포트(220)를 통해서 유출되어 전기분해 장치(300)로 전달된다.

도 3 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 전기분해 장치(300)는 광촉매 산화 장치(200)로부터 처리수를 공급받아, 처리수를 전기분해시키는 역할을 수행한다. 여기서, 전기분해 장치(300)는 하우징(305), 회전축(391), 음극판(393), 고정축(392), 양극판(394), 및 스크래퍼(404)를 포함할 수 있다.

구체적으로, 하우징(305)은 내부에 공간이 구비되도록 형성되고, 일측에 처리수를 음극판(393)과 양극판(394)에 고르게 분배하여 유입시키는 분배구(310)가 형성되고, 타측에 처리수를 유출하는 유출구(320)가 형성될 수 있다. 따라서, 처리수는 분배구(310)로 유입되어 하우징(305)의 내부를 통과한 후 유출구(320)로 유출될 수 있다. 또한, 하우징(305)에는 내부에서 스케일의 전착 상태를 확인하기 위한 사이트 글래스(380)가 형성될 수 있다. 추가적으로, 하우징(305)에는 비상시 처리수를 배출하는 배출구(330)가 형성되며, 하우징(305)의 하측에는 하우징(305)을 지지하는 지지대(370)가 형성될 수 있다.

또한, 회전축(391)은 하우징(305)에 회전가능하게 결합되고, 하우징(305)의 내부 중앙을 가로지르도록 배치될 수 있다. 이러한 회전축(391)에는 다수의 음극판(393)이 소정간격으로 연속적으로 배치될 수 있다. 즉, 다수의 음극판(393)은 회전축(391)의 길이방향을 따라 소정간격마다 배치될 수 있다. 이때, 회전축(391)은 전동 밸브(350)에 의해서 회전되고, 회전축(391)이 회전됨에 따라 다수의 음극판(393)도 함께 회전된다.

그리고, 고정축(392)은 회전축(391)과 나란하게 배치되도록, 하우징(305)에 고정되게 결합되고, 하우징(305)의 내부 외곽을 가로지르도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 고정축(392)은 회전축(391)을 둘러싸는 형태로 4개가 구비될 수 있다. 이러한 고정축(392)에는 다수의 양극판(394)이 소정간격으로 연속적으로 배치될 수 있다. 이때, 다수의 양극판(394)은 다수의 음극판(393) 사이에 배치될 수 있다. 즉, 다수의 양극판(394)은 회전축(391)의 길이방향을 따라 소정간격마다 배치될 수 있고, 하나의 양극판(394)이 인접한 2개의 음극판(393) 사이에 배치될 수 있는 것이다. 이때, 고정축(392)은 하우징(305)에 고정되므로, 다수의 양극판(394) 역시 일정한 위치에 고정된 상태를 유지한다.

결국, 다수의 음극판(393)은 회전축(391)을 기준으로 회전하고, 다수의 양극판(394)은 고정축(392)에 고정된 상태에서, 음극판(393)과 양극판(394)에는 전력이 인가되면, 마주보는 음극판(393)과 양극판(394) 사이에서 전기분해가 발생할 수 있다.

이때, 음극판(393)과 양극판(394)은 각각 회전축(391)과 고정축(392)으로부터 전력을 전달받는다. 구체적으로, 회전축(391)의 말단과 고정축(392)의 말단은 하우징(305)의 외측까지 연장되어 하우징(305)의 외부로 노출될 수 있고, 노출된 회전축(391)의 말단과 고정축(392)의 말단에 전력이 공급되어, 최종적으로 회전축(391)과 고정축(392)에 각각 결합된 음극판(393)과 양극판(394)에 전력이 전달될 수 있다. 예를 들어, 고정축(392)의 말단은 하우징 본체(305a)로부터 돌출될 수 있고, 회전축(391)의 말단은 하우징 본체(305a)를 밀폐하는 하우징 덮개(305b)로부터 돌출될 수 있다. 고정축(392)과 회전축(391)이 돌출된 부분에서 처리수가 누수되지 않도록, 하우징(305)에는 오링이 체결된 밀봉부재(301)가 구비될 수 있다. 이때, 밀봉부재(301)는 예를 들어 테프론 등으로 형성될 수 있다. 또한, 회전축(391)이 회전하는데 방해되지 않도록, 회전축(391)의 말단에는 슬립링(360)을 통해서 전력선이 연결될 수 있다.

한편, 다수의 음극판(393) 사이에는 제1 스페이서(410)가 배치되어, 다수의 음극판(393)을 소정간격으로 상호 이격시킬 수 있다. 이때, 제1 스페이서(410)는 예를 들어 테프론 등의 절연성 재질로 형성될 수 있다. 이와 유사하게, 다수의 양극판(394) 사이에는 제2 스페이서(402)가 배치되어, 다수의 양극판(394)을 소정간격으로 상호 이격시킬 수 있다. 이때, 제2 스페이서(402)는 예를 들어 MC 나일론 등의 절연성 재질로 형성될 수 있다.

또한, 다수의 음극판(393)과 다수의 양극판(394)의 최외곽에는 회전축(391)과 고정축(392)을 지지하는 가이드판(406)이 구비될 수 있다. 이러한 가이드판(406)에는 체결홀이 형성되고, 체결홀에 회전축(391)과 고정축(392)이 관통될 수 있다. 이때, 가이드판(406)은 예를 들어 스테인레스 재질로 형성될 수 있다.

한편, 전기분해 과정에서 음극판(393)의 표면에는 스케일이 형성될 수 있는데, 이를 제거하는 스크래퍼(404)가 구비될 수 있다. 여기서, 스크래퍼(404)는 다수의 음극판(393)에 대응하도록 다수가 구비된다. 이때, 스크래퍼(404)는 하우징(305)의 내부에 고정되는 지지부(404a), 및 음극판(393)의 표면과 마주보도록, 지지부(404a)의 일면에 배치되어 스케일을 제거하는 제거부(404b)를 포함할 수 있다. 제거부(404b)의 일면은 음극판(393)의 표면과 면접촉한다. 구체적으로, 스크래퍼(404)는 회전축(391)과 나란하게 배치되도록, 하우징(305)의 내부에 고정되게 결합되고(보조 가이드판(399)에 고정되게 결합될 수 있음), 하우징(305)의 내부 외곽을 가로지르도록 배치된 지지축(397)을 포함할 수 있다. 이때, 지지부(404a)는 일측이 회전축(391)에 결합되고, 타측이 지지축(397)에 고정되게 결합될 수 있다. 더욱 구체적으로, 지지부(404a)의 일측에는 제1 체결홀(404a-1)이 형성되고, 지지부(404a)의 타측에는 제2 체결홀(404a-2)이 형성되어, 제1 체결홀(404a-1)에 회전축(391)이 결합되고, 제2 체결홀(404a-2)에 지지축(397)이 결합될 수 있다. 제1 체결홀(404a-1)은 원형으로 형성되어, 회전축(391)의 회전력이 전달되지 않는다. 따라서, 지지부(404a)는 양측이 회전축(391)과 지지축(397)에 결합되어 일정한 위치에 고정된 상태를 유지한다. 이와 같이, 지지부(404a)가 고정된 상태를 유지하므로, 지지부(404a)의 일면에 형성된 제거부(404b) 역시 고정된 상태를 유지한다. 따라서, 회전축(391)의 회전에 따라 음극판(393)이 회전하면, 음극판(393)의 표면에 접촉한 제거부(404b)가 음극판(393)의 표면으로부터 스케일을 제거할 수 있다. 한편, 지지부(404a)에는 일면에 소정두께로 함몰된 함몰부(405)가 형성되고, 함몰부(405)에는 제거부(404b)가 배치될 수 있다. 이와 같이, 지지부(404a)의 함몰부(405)에 제거부(404b)가 배치됨으로써, 스케일을 제거하는 동안 제거부(404b)가 지지부(404a)와 분리되는 것을 최대한 방지할 수 있다. 이때, 지지부(404a)는 예를 들어 포베크라이트로 형성되어 절연성을 유지함으로써, 스크래퍼(404)를 통해서 방전이 발생하여 음극판(393)이나 양극판(394)이 손상되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 제거부(404b)는 예를 들어 알루미나 또는 지르코늄 재질의 세라믹판으로 형성되어 음극판(393)의 표면에 전착된 스케일에 대한 절삭력을 향상시킬 수 있다.

한편, 다수의 지지부(404a) 사이에는 제3 스페이서(411)가 배치되어, 다수의 지지부(404a)를 소정간격으로 상호 이격시킬 수 있다. 이때, 제3 스페이서(411)는 예를 들어 테프론 등의 절연성 재질로 형성될 수 있다.

또한, 가이드판(406)의 내측에는 지지축(397)을 지지하는 보조 가이드판(399)이 구비될 수 있다. 여기서, 보조 가이드판(399)에는 체결홀이 형성되고, 이러한 체결홀에는 회전축(391)과 고정축(392)이 관통되고, 고정축(392)이 고정된다. 즉, 보조 가이드판(399)은 하우징(305)에 고정된 고정축(392)에 고정되는 것이고, 그에 따라 하우징(305) 내부에 고정될 수 있다. 또한, 보조 가이드판(399)의 체결홀에는 지지축(397)이 관통되어 고정될 수 있다. 결국, 스크래퍼(404)를 지지하는 지지축(397)이 보조 가이드판(399)에 고정됨으로써, 스크래퍼(404)는 하우징(305) 내부에 고정된 상태를 유지할 수 있다. 이때, 보조 가이드판(399)은 예를 들어 MC 나일론 등의 절연성 재질로 형성될 수 있다.

추가적으로, 스테인레스 재질로 형성될 수 있는 가이드판(406)에 직접적으로 전력이 전달되지 않도록 테프론 재질의 부쉬(405, 407)가 구비될 수 있고, 음극판(393)과 양극판(394) 등을 고정시키는 티타늄 재질의 너트(409, 412)가 구비될 수 있으며, 가이드판(406)을 고정시키고 양극판(394)의 간격을 조절하는 테프론 재질의 너트(401)가 구비될 수 있다.

도 5에 도시된 바와 같이, 볼필터 장치(500)는 전기분해 장치(300)로부터 처리수를 공급받아, 스크래퍼에 의해서 제거된 스케일과 이물질을 제거한다. 여기서, 볼필터 장치(500)는 제2 관형부재(505), 제1 망부재(550), 제2 망부재(560), 볼필터(590), 유입구(510), 유출구(520), 역세 유입구(530), 및 역세 유출구(540)를 포함할 수 있다.

구체적으로, 제2 관형부재(505)는 내부에 공간이 구비되도록 형성되고, 제2 관형부재(505)의 일측에는 처리수가 유입되는 유입구(510)가 형성되고, 제2 관형부재(505)의 타측에 처리수가 유출되는 유출구(520)가 형성될 수 있다. 따라서, 처리수는 유입구(510)로 유입되어 제2 관형부재(505)를 통과하면서 볼필터(590)에 의해서 여과된 후 유출구(520)로 유출될 수 있다. 이때, 볼필터(590)는 예를 들어 5~10μm의 입자까지 제거 가능하다. 한편, 제2 관형부재(505)의 타측에는 역세수가 유입되는 역세 유입구(530)가 형성되고, 제2 관형부재(505)의 일측에는 역세수가 유출되는 역세 유출구(540)가 형성될 수 있다. 따라서, 역세수는 역세 유입구(530)로 유입되어 제2 관형부재(505)를 통과하면서 여과된 탁도물질이나 스케일 입자를 털어낸 후 역세 유출구(540)로 유출될 수 있다.

또한, 제1 망부재(550)는 제2 관형부재(505)의 일단으로부터 소정거리 이격되어 형성되고, 제2 망부재(560)는 제2 관형부재(505)의 타단으로부터 소정거리 이격되어 형성될 수 있다. 이때, 볼필터(590)가 제1 망부재(550)와 제2 망부재(560) 사이에 구비될 수 있다. 또한, 유입구(510)는 제2 관형부재(505)의 일단과 제1 망부재(550) 사이에 형성되고, 유출구(520)는 제2 관형부재(505)의 타단과 제2 망부재(560) 사이에 형성될 수 있다. 따라서, 처리수가 유입구(510)로 유입되어 유출구(520) 방향으로 이동하더라도, 볼필터(590)는 제2 망부재(560)에 의해서 유출되지 않을 수 있다. 그리고, 역세 유입구(530)는 제2 관형부재(505)의 타단과 제2 망부재(560) 사이에 형성되고, 역세 유출구(540)는 제2 관형부재(505)의 일단과 제1 망부재(550) 사이에 형성될 수 있다. 따라서, 역세수가 역세 유입구(530)로 유입되어 역세 유출구(540) 방향으로 이동하더라도, 볼필터(590)는 제1 망부재(550)에 의해서 유출되지 않을 수 있다. 한편, 제1 망부재(550)와 제2 망부재(560)는 샤프트(570)에 의해서 체결될 수 있고, 샤프트(570)의 말단(상단)에는 손잡이가 구비될 수 있다.

추가적으로, 제2 관형부재(505)에는 내부의 압력을 체크하는 압력계가 설치될 수 있는 배관(580)이 구비될 수 있고, 이때 배관(580)의 직경은 예를 들어 Ø12일 수 있다.

본 실시예에 따른 물리적 정수 시스템은 처리수가 광촉매 산화 장치(200), 전기분해 장치(300), 및 볼필터 장치(500)를 순서대로 통과함으로써, 살균, 유기물 분해, 용존 산소 감소를 통한 부식방지, 총경도 물질 제거를 통한 연수화, 탁도 개선 등을 통합적으로 구현할 수 있다.

도 6은 광촉매 산화 장치에서 TiO₂ 광촉매와 UVC 자외선 램프(230)를 사용하면서 총경도 성분, 알카리도(탄산염), Ca 경도, Mg 경도를 측정한 그래프이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 모든 성분이 감소하는 경향을 보여서 광촉매 산화를 통해서 스케일 성분이 제거됨을 확인할 수 있었다.

도 7은 광촉매 산화 장치에서 광촉매가 존재하지 않는 조건, 석영관 표면에 TiO₂ 코팅한 조건, Ti 판과 Nb-Ti 합금 표면에 알칼리 및 열처리를 통해서 생성시킨 조건에서 광촉매의 효율을 비교 테스트한 그래프이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 1시간 동안 광촉매 산화 과정을 통해서 Nb-Ti 합금 표면과 Ti 판에서 라디칼 생성이 빠르게 진행되는 것을 확인할 수 있었다. 이때, Nb-Ti 합금 표면과 Ti 판에 생성된 광촉매 입자는 화학적 반응을 도모하고, 라디칼 생성을 촉진시켜 처리수 속의 스케일 성분을 산화시키고 2개의 수산기 라디칼이 결합하여 생성된 과산화수소는 레지오넬라균 또는 일반 세균류를 살균할 수 있다.

도 8은 광촉매 산화 장치의 광산화 과정에서 처리수에 존재하는 유기물의 분해 능력을 평가하기 위해 1시간 동안 광산화한 결과를 나타낸 그래프이다. 도 8에 도시된 바와 같이, 1시간 동안 유기물이 약 10% 감소되면서, 자외선의 강한 에너지 빛으로 인하여 세균류의 세포가 파괴되고, 탄소(C)를 주요 성분으로 하는 유기물을 이산화탄소(CO₂), 이산화질소(NO₂), 질산염(NO₃) 등과 같이 무해한 화학 성분으로 분해된다. 또한, 일부 이산화탄소(CO₂)는 처리수와 반응하여 탄산염(HCO₃) 형태로 잔존하여 광촉매 산화 또는 전기 분해 과정에서 외부 첨가제 없이 스케일이 제거될 수 있다.

도 9는 전기분해 장치에서 48시간 동안 선형 DC 전원과 리플 DC 전원을 사용하였을 때 스케일 성분의 제거 능력 차이를 비교한 데이터를 나타낸 그래프이다. 도 9에 도시된 바와 같이, 선형 DC 전원을 사용했을 때에 비해서 리플 DC 전원을 사용했을 때 약 10% 정도로 제거 효율이 증가하는 것을 확인할 수 있다. 특히, Mg의 제거가 눈에 띄게 증가하는 것을 확인할 수 있는데, 이는 마그네슘이 CaMgCO₃ 또는 Mg(OH)₂ 형태의 스케일이 생성되기 위해서는 CaCO₃ 형태의 스케일이 생성되는 경우보다 큰 에너지가 필요한데, 리플 DC 전원이 선형 DC 전원에 비해서 큰 에너지를 공급한다고 할 수 있다.

도 10은 전기분해 장치에서 선형 DC 전원과 펄스 DC 전원을 사용하여 8시간 동안 스케일 성분의 제거 능력 차이를 비교한 데이터를 나타낸 그래프이다. 도 10에 도시된 바와 같이, 펄스 DC 전원이 선형 DC 전원에 비해서 약 20% 정도 제거 효율이 증가하는 것을 확인할 수 있다.

결국, 전기분해 장치의 음극판(393)과 양극판(394)에 공급되는 전력은 리플 파형이나 펄스 파형일 수 있다.

본 발명은 종래기술에 따른 물리적 정수 시스템의 문제점이나 단점을 보완하고 차별성을 설명함으로써 국내외 다양한 수질특성을 반영할 수 있는 "성능 저하 방지 물리적 정수 시스템"을 제공하는데 목적이 있다.

이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.

100: 펌프 200: 광촉매 산화 장치
205: 제1 관형부재 210: 제1 포트
220: 제2 포트 230: 자외선 램프
240: 제1 광촉매부재 241: 나사산
250: 마개 260: 배출구
270: 제2 광촉매부재 300: 전기분해 장치
305: 하우징 305a: 하우징 본체
305b: 하우징 덮개 391: 회전축
392: 고정축 393: 음극판
394: 양극판 397: 지지축
399: 보조 가이드판 402: 제2 스페이서
404: 스크래퍼 404a: 지지부
404a-1: 제1 체결홀 404a-2: 제2 체결홀
404b: 제거부 405: 함몰부
406: 가이드판 410: 제1 스페이서
411: 제3 스페이서 500: 볼필터 장치
505: 제2 관형부재 510: 유입구
520: 유출구 530: 역세 유입구
540: 역세 유출구 550: 제1 망부재
560: 제2 망부재 570: 샤프트
580: 배관

Claims

처리수를 자외선을 이용하여 광촉매 산화시키는 광촉매 산화 장치;
상기 광촉매 산화 장치로부터 처리수를 공급받아, 처리수를 전기분해시켜 총경도 물질을 제거하고, 스케일을 제거하는 스크래퍼를 포함하는 전기분해 장치; 및
상기 전기분해 장치로부터 처리수를 공급받아, 상기 스크래퍼에 의해서 제거된 스케일과 이물질을 볼필터로 제거하는 볼필터 장치;
를 포함하고,
상기 전기분해 장치는,
내부에 공간이 형성된 하우징;
상기 하우징에 회전가능하게 결합된 회전축;
상기 회전축에 소정간격으로 연속적으로 배치된 다수의 음극판;
상기 회전축과 나란하게 배치되도록, 상기 하우징에 고정되게 결합된 고정축; 및
상기 고정축에 소정간격으로 연속적으로 배치되며, 상기 음극판 사이에 배치되는 다수의 양극판;
을 포함하고,
상기 스크래퍼는 상기 음극판의 표면에 발생되는 스케일을 제거하며,
상기 스크래퍼는 다수의 상기 음극판에 대응하도록 다수가 구비되고,
상기 스크래퍼는,
상기 하우징의 내부에 고정된 지지부; 및
상기 음극판의 표면과 마주보도록, 상기 지지부의 일면에 배치되어, 스케일을 제거하는 제거부;
를 포함하고,
상기 제거부의 일면은 상기 음극판의 표면과 면접촉하며,
상기 스크래퍼는,
상기 회전축과 나란하게 배치되도록, 상기 하우징의 내부에 고정되게 결합된 지지축;
을 더 포함하고,
상기 지지부는,
일측이 상기 회전축에 결합되고, 타측이 상기 지지축에 고정되게 결합되며,
상기 지지부는 일면에 소정두께로 함몰된 함몰부가 형성되고,
상기 제거부는 상기 함몰부에 배치되는 물리적 정수 시스템.
삭제
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삭제
청구항 1에 있어서,
상기 지지부의 일측에는 제1 체결홀이 형성되고, 상기 지지부의 타측에는 제2 체결홀이 형성되며,
상기 제1 체결홀에 상기 회전축이 결합되고, 상기 제2 체결홀에 상기 지지축이 결합되는 물리적 정수 시스템.
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 지지부는 포베크라이트로 형성되고,
상기 제거부는 알루미나 재질 또는 지르코늄 재질로 형성되는 물리적 정수 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 회전축의 말단과 상기 고정축의 말단은 상기 하우징의 외측까지 연장되고,
상기 회전축의 말단과 상기 고정축의 말단에 전력이 공급되는 물리적 정수 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 전기분해 장치는,
상기 회전축에 구비되어, 다수의 상기 음극판을 상호 이격시키는 절연성의 제1 스페이서; 및
상기 고정축에 구비되어, 다수의 상기 양극판을 상호 이격시키는 절연성의 제2 스페이서;
를 더 포함하는 물리적 정수 시스템.
청구항 5에 있어서,
상기 스크래퍼는,
상기 지지축에 구비되어, 다수의 상기 지지부를 상호 이격시키는 절연성의 제3 스페이서;
를 더 포함하는 물리적 정수 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 음극판과 상기 양극판에 공급되는 전력은 리플 파형이나 펄스 파형인 물리적 정수 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 광촉매 산화 장치는,
내부에 공간이 구비된 제1 관형부재;
상기 제1 관형부재의 내부에 2 이상 구비된 자외선 램프;
2 이상의 상기 자외선 램프의 사이에 구비되고, 광촉매가 형성된 제1 광촉매 부재; 및
2 이상의 상기 자외선 램프를 둘러싸도록 관형으로 형성되고, 광촉매가 형성된 제2 광촉매부재;
를 포함하는 물리적 정수 시스템.
청구항 12에 있어서,
상기 제1 광촉매 부재는 원통형으로 형성되고, 외주면을 따라 나사산이 연장된 물리적 정수 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 볼필터 장치는,
내부에 공간이 구비된 제2 관형부재;
상기 제2 관형부재의 일단으로부터 소정거리 이격되어 형성된 제1 망부재;
상기 제2 관형부재의 타단으로부터 소정거리 이격되어 형성된 제2 망부재;
상기 제1 망부재와 상기 제2 망부재 사이에 구비된 볼필터;
상기 제2 관형부재의 일단과 상기 제1 망부재 사이에 형성되고, 처리수가 유입되는 유입구; 및
상기 제2 관형부재의 타단과 상기 제2 망부재 사이에 형성되고, 처리수가 유출되는 유출구;
를 포함하는 물리적 정수 시스템.
청구항 14에 있어서,
상기 볼필터 장치는,
상기 제2 관형부재의 타단과 상기 제2 망부재 사이에 형성되고, 역세수가 유입되는 역세 유입구; 및
상기 제2 관형부재의 일단과 상기 제1 망부재 사이에 형성되고, 역세수가 유출되는 역세 유출구;
를 더 포함하는 물리적 정수 시스템.