KR102529934B1 - 플라즈마 수중방전 장치를 포함하는 막분리 전처리 장치 - Google Patents

플라즈마 수중방전 장치를 포함하는 막분리 전처리 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 막분리 장치; 및 상기 막분리 장치의 전단에 구비되는 제1 플라즈마 수중방전 장치;를 포함하는 막분리 전처리 장치에 관한 것으로, 수처리 분야에서 원수를 전처리하기 위해 사용되는 막분리 장치 전단에서 원수를 플라즈마 수중방전 처리함으로써 막분리 장치에서의 여과 효율 및 막분리 장치의 수명을 향상시킬 수 있는 막분리 전처리 장치에 관한 것이다.

Description

플라즈마 수중방전 장치를 포함하는 막분리 전처리 장치{Water pretreatment apparatus of filter unit including submerged type plasma apparatus}
본 발명은 플라즈마 수중방전 장치를 포함하는 막분리 전처리 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 필터를 이용한 막분리 전처리 장치에 있어서, 필터 전단에 플라즈마 수중방전을 일으켜 필터의 여과 성능 및 내구성을 향상시킬 수 있는 막분리 전처리 장치에 관한 것이다.
수처리 장치는 인간의 활동 과정에서 발생되는 생활하수나 농·축산폐수 및 산업폐수 등과 같은 원수를 정수시키거나, 해수의 담수화를 통해 일상 생활이나 산업 현장에서 사용 가능한 물을 생성하는 장치를 말한다.
정수, 해수 담수화, 폐수 처리 등 대규모 수처리 분야에서는 원수에 포함되어 있는 불순물을 일차적으로 여과하기 위한 여과 설비(filtration unit)가 구비된다. 여과 설비로는 UF필터(Ultra Filtration), DMF필터(Dual Medium Filtration) 등이 이용되며, 이러한 필터는 필터 장치 내부에 다수의 미세 기공이 형성되어, 원수를 필터에 통과시키면 미세 기공의 크기보다 큰 입자를 여과함으로써 원수를 전처리한다.
이러한 여과 설비는 부유물 등의 이물질을 걸러내는 방식으로 구성됨에 따라 오·폐수와 같은 원수에 이물질이 많이 함유된 경우에는 이러한 이물질이 필터에 고착되어 미세 기공을 폐쇄하므로 필터의 기능을 저하시키고, 가용 수명을 단축시키는 등 수처리 장치의 정수 효율성이 저하되는 문제점이 있었다.
이에 따라 여과 설비에 고착화된 이물질을 제거하고 여과 설비의 성능을 향상시키기 위해 주기적으로 드레인 밸브를 열어주거나, 역방향으로 깨끗한 물을 통과시키는 등의 역세(back washing) 작업을 주기적으로 실시해주어야 한다.
그러나, 여과 설비의 사용 기간이 길어짐에 따라 역세 작업 주기가 짧아지고, 역세 작업 후에도 필터의 일부만이 세척되고 그 외의 다른 표면에는 이물질이 그대로 잔류하여 역세 작업의 효율성 및 필터의 성능이 현저하게 저하되는 문제가 있었다.
뿐만 아니라, 필터 내에 잔류된 이물질을 제거하기 위하여 역세 작업을 주기적으로 실시하더라도, 이물질이 고착되어 적층된 영역에는 계속적으로 이물질이 쌓여 이물질이 존재하는 영역과 존재하지 않는 영역의 수압 차이에 의해 여과재가 파손되는 등의 문제가 있었다.
따라서, 여과 설비의 여과 효율 및 역세 효율을 향상시키고, 수명을 증가시킬 수 있는 새로운 전처리 기술이 요구되고 있다.
등록특허 제10-2044024호(2019.11.06. 등록)
본 발명에서는 필터 전단에 플라즈마 수중방전을 일으켜 필터의 여과 성능 및 내구성을 향상시킬 수 있는 플라즈마 수중방전 장치를 포함하는 막분리 전처리 장치를 제공하고자 한다.
상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예는, 막분리 장치; 및 상기 막분리 장치의 전단에 구비되는 제1 플라즈마 수중방전 장치;를 포함하는 막분리 전처리 장치에 관한 것이다.
상기 막분리 장치는, UF(Ultra Filtration) 필터 및 DMF(Dual Medium Filtration) 필터 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 제1 플라즈마 수중방전 장치는, 피처리수가 유입되는 유입구와 정화된 피처리수가 배출되는 배출구를 구비하는 반응기; 상기 반응기의 일측에 구비된 접지전극; 및 상기 반응기 타측에 구비되고, 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 전극 모듈;을 포함할 수 있다.
상기 플라즈마 전극 모듈에는 펄스파 형태의 전력이 인가될 수 있다.
상기 펄스파의 진동수는 3kHz 초과 내지 7.5 kHz 미만일 수 있다.
상기 펄스파의 펄스 폭은 3μs 초과 내지 5μs 미만일 수 있다.
상기 플라즈마 전극 모듈에 의해 발생되는 플라즈마의 진동수는 3kHz 초과 내지 7.5 kHz 미만일 수 있다.
상기 플라즈마 전극 모듈에 의해 발생되는 플라즈마의 펄스 폭은 3μs 초과 내지 5μs 미만일 수 있다.
상기 반응기에는, 유입구, 배출구 및 접지전극이 같은 사이드에 구비될 수 있다.
상기 플라즈마 전극 모듈은, 복수개의 홀이 형성된 전도성 기재; 상기 전도성 기재의 외부를 일부 둘러싸도록 형성되는 세라믹 층; 및 상기 홀 안쪽에 배치되는 플라즈마 전극;을 포함하고, 상기 플라즈마 전극은, 원주 형태를 갖는 접지부, 고정부 및 방전부가 차례로 적층된 다단구조를 가지며, 상기 접지부는 전도성 기재와 접촉하고, 상기 방전부에서 플라즈마가 발생될 수 있다.
상기 전도성 기재는, 플레이트 형태 혹은 원주 형태일 수 있다.
상기 접지부, 고정부 및 방전부는 원기둥의 일체형 구조를 갖되, 상부에 위치하는 방전부의 직경이 가장 짧고, 하부에 위치하는 접지부의 직경이 가장 길 수 있다.
상기 제1 플라즈마 수중방전 장치와 막분리 장치 사이에 응집제 주입 장치;가 구비될 수 있다.
상기 막분리 장치에서 배출된 여과수를 다시 막분리 장치의 역세척수로 공급하는 역세 장치;가 추가로 더 구비될 수 있다.
상기 역세 장치에는 제2 플라즈마 수중방전 장치가 추가로 더 구비될 수 있다.
본 발명의 플라즈마 수중방전 장치를 포함하는 막분리 전처리 장치는 필터 전단에 플라즈마 수중방전을 일으켜 필터의 여과 성능 및 내구성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예 따른 플라즈마 수중방전 장치를 포함하는 막분리 전처리 장치를 간략하게 나타낸 도면이다.
도 2 및 도 3은 제1 플라즈마 수중방전 장치를 간략하게 도시한 도면이다.
도 4 및 도 5는 플라즈마 전극 모듈을 간략하게 나타낸 도면이다.
도 6은 플라즈마 전극을 보다 상세하게 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 플라즈마 수중방전 장치를 포함하는 막분리 전처리 장치를 간략하게 도시한 도면이다.
도 8 내지 도 11은 실험예 1의 결과를 나타낸 도면이다.
도 12는 실험예 2의 결과를 나타낸 도면이다.
도 13은 실험예 3의 결과를 나타낸 도면이다.
청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 함을 밝혀둔다.
본 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
각 단계들에 있어 식별부호는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 실시될 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 실시될 수도 있고 실질적으로 동시에 실시될 수도 있으며 반대의 순서대로 실시될 수도 있다.
이하에서는, 본 발명의 실시예를 살펴본다. 그러나 본 발명의 범주가 이하의 바람직한 실시예에 한정되는 것은 아니며, 당업자라면 본 발명의 권리범위 내에서 본 명세서에 기재된 내용의 여러 가지 변형된 형태를 실시할 수 있다.
먼저, 본 발명은 플라즈마 수중방전 장치를 포함하는 막분리 전처리 장치에 관한 것으로, 정수, 해수 담수화, 폐수 처리 등과 같은 수처리 장치의 전단에 구비되는 막분리 장치의 전단에서 플라즈마 수중방전을 수행함으로써 원수에 포함되어 있는 각종 유기물이나 이물질을 제거 혹은 분해하여 막분리 장치에서의 여과 효율을 향상시키고, 막분리 장치의 수명을 향상시키기 위한 막분리 전처리 장치에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예 따른 플라즈마 수중방전 장치를 포함하는 막분리 전처리 장치를 간략하게 도시한 것으로, 상기 막분리 전처리 장치는, 막분리 장치(200); 및 상기 막분리 장치(200)의 전단에 구비되는 제1 플라즈마 수중방전 장치(100);를 포함한다.
상기 막분리 장치(200)는 미세다공성의 특징을 갖는 필터 장치로, UF(Ultra Filtration) 필터 및 DMF(Dual Medium Filtration) 필터 중 어느 하나 이상을 포함하여, 막분리 장치로 공급되는 원수 내의 입자성 물질을 여과한 뒤 배출시킨다.
상기 제1 플라즈마 수중방전 장치(100)는 막분리 장치(200)로 공급되는 피처리수를 일차적으로 처리하여 막분리 장치(200)의 부하를 낮추고, 여과 효율 및 내구성을 향상시키기 위해 구비된다. 제1 플라즈마 수중방전 장치(100)에 의해 막분리 장치(200)로 공급되는 피처리수에 포함되어 있는 유기물이나 미생물의 농도가 낮아지므로, 유기물, 미생물에 의한 응집효과 저해 및 막분리 장치(200)에서의 여과 효율 저하를 예방할 수 있다.
상기 제1 플라즈마 수중방전 장치(100)와 막분리 장치(200) 사이에는 응집제 주입 장치(300)가 구비될 수 있다. 응집제 주입 장치(300)는 제1 플라즈마 수중방전 장치(100)를 통해 플라즈마 처리된 처리수에 응집제를 주입하여 플라즈마 처리 된 피처리수 내의 유기물이나 부유물질 등을 응집시킴으로써 막분리 장치(200)에서 보다 효과적인 여과를 가능하게 한다. 응집제로는 FeCl3와 같은 철염이 이용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 경우, 막분리 장치(200) 전단에 제1 플라즈마 수중방전 장치(100)가 구비되어 막분리 장치(200)에서의 여과 부하를 충분히 낮출 수 있으므로 응집제의 사용량을 현저히 저감시킬 수 있다. 그러나, 원수의 수질에 따라 막분리 장치(200)에서 배출되는 배출수의 탁도, 총용존고형물(TSS: Total Suspended Solids) 농도 및 유기물의 농도가 높아질 수 있으므로, 원수의 수질에 따라 응집제 주입 장치(300)를 통해 주입되는 응집제의 양을 조절하는 것이 바람직하다.
도 2 및 도 3은 상기 제1 플라즈마 수중방전 장치(100)를 간략하게 도시한 것으로, 상기 제1 플라즈마 수중방전 장치(100)는 피처리수가 유입되는 유입구(11)와 정화된 피처리수가 배출되는 배출구(12)를 구비하는 반응기(10); 상기 반응기(10)의 일측에 구비된 접지전극(20); 및 상기 반응기(10) 타측에 구비되고, 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 전극 모듈(50);을 포함한다.
본 발명의 제1 플라즈마 수중방전 장치(100)는 수중에서 방전되어 오존, OH 라디칼 등을 포함하는 플라즈마를 발생시키며 피처리수 내에 존재하는 유기물 및 미생물을 분해하거나 제거하여 바이오파울링(Bio-fouling)을 방지할 수 있다. 또한, 제1 플라즈마 수중방전 장치(100)는 수중에서 방전되어 산소, 오존, 수소 등과 같은 기체를 생성시켜 미세기포 형태로 방출시키므로, 방출된 미세기포에 의해 막분리 장치(200) 내부가 물리적으로 세척되는 효과도 얻을 수 있다.
종래에는 해수 등과 같은 피처리수를 전처리하기 전에 염소를 주입하여 유기물에 의해 형성되는 바이오 파울링(Bio-fouling)을 억제하였으나, 염소의 과량 주입으로 인하여 장치에 부식이 발생하는 등의 문제가 있었다. 그러나, 본 발명은 이러한 염소 주입 방식을 플라즈마 방식으로 대체함으로써 유기물 및 미생물을 효과적으로 제거하여 바이오-파울링 현상 등을 억제하면서도 부식 문제를 야기하지 않는 장점이 있으며, 이에 따라 후속 공정인 막분리 장치(200)에서의 여과 효율이 향상되고, 막분리 장치(200)의 수명을 늘릴 수 있는 장점이 있다.
구체적으로, 상기 제1 플라즈마 수중방전 장치(100)의 플라즈마 전극(30)에 인가되는 펄스나 전압 등을 달리하면, 코로나 방전이나 아크 방전이 발생하여 플라즈마 수중방전이 이루어질 수 있다. 이러한 플라즈마 수중방전은, 충격파에 의한 세포 파괴, 초음파에 의한 세포 파괴, 고전압 전기장에 의한 세포파괴 등을 통해 물을 정화하며, 이를 좀 더 상세히 설명하면 다음과 같다.
먼저, 충격파에 의한 세포 파괴에서는 급격한 압력의 변동으로 나타나는 충격파로 세포의 파괴를 가져올 수 있다는 것이다. 이때, 세포의 파괴는 세포의 크기 및 세포의 형태, 세포의 두께 등에 의존하며, 충격파 세기에 의존한다.
또한, 초음파에 의한 세포 파괴를 들 수 있는데, 초음파는 액체 속을 통과하면서 캐비테이션(Cavitation) 현상을 일으킬 수 있다. 캐비테이션이란, 초음파 진동자에 의해 액체 매질로 초음파가 통과할 때 진동자에 의해 진동하는 종파를 만들어냄으로써 액체의 밀도가 소한 부분과 밀한 부분을 만들어 내며, 소한 부분이 액체의 증기압보다 낮을 시에 1정도의 버블(Bubble)을 만들어 내어 그것이 폭발하는 현상이다. 이 폭발에 의한 충격파를 이용하여 세포를 파괴시키는 것으로서, 소량의 미생물 세포를 파괴시킬 때 사용하는 방법이다.
또한, 고전압 전기장에 의한 세포 파괴는 세포막에 높은 전위차를 유도하여 세포막이라는 절연체를 파괴시키는것이다. 따라서, 플라즈마 처리에 의해 생성되는 자외선, 활성종, 충격파, 버블 등의 작용에 의해 플랑크톤 및 박테리아의 생존율을 획기적으로 줄일 수 있다.
계속해서 도 2 및 도 3을 참조하여 본 발명의 제1 플라즈마 수중방전 장치(100)를 설명한다.
일 실시예에 있어서, 반응기(10)는 피처리수가 유입되는 유입구(11)와 피처리수가 배출되는 배출구(12)를 구비하고, 내부에 피처리수를 수용할 수 있다. 반응기(10)는 특별히 제한되는 것은 아니고, 여러가지 형상으로 제조될 수 있으며, 일반적으로 직육면체 형상으로 제조될 수 있다. 반응기(10)의 일측에는 접지전극(20)이 구비될 수 있고, 타측에는 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 전극(30)이 구비된 플라즈마 전극 모듈(50)이 구비될 수 있다.
유입구(11)와 배출구(12)의 위치는 특별히 제한되는 것은 아니나, 유입구(11)와 배출구(12)는 같은 사이드(직육면체 형상일 경우, 같은 면을 의미)에 위치되는 것이 바람직하다. 또한, 접지전극(20)과 유입구(11) 및 배출구(12)가 같은 사이드에 구비될 수 있고, 플라즈마 전극 모듈(50)은 접지전극(20)과 대향되도록 설치되는 것이 바람직하다. 이 경우, 평판 형상의 접지전극(20)이 반응기(10)의 상부면을 형성(도 2 참조)할 수 있고, 접지전극(20)에 유입구(11) 및 배출구(12)가 형성될 수도 있다.
일 실시예에 있어서, 반응기(10)는 접지전극(20)과 플라즈마 전극 모듈(50) 사이의 거리를 조절할 수 있는 거리 조절부(40)(도 3 참조)를 구비할 수 있다. 피처리수의 종류에 따라 플라즈마 전극(30)에 걸어주는 전압이나 접지전극(20)과 플라즈마 전극(30) 사이의 간격을 조절할 수 있는데, 거리 조절부(40)는 반응기(10)의 양 측면에 마주보게 형성되어 반응기(10)의 높이를 신장 또는 수축하여 반응기(10)의 피처리수 수용 용량을 조절함과 동시에 접지전극(20)과 플라즈마 전극(30) 사이의 간격을 조절할 수 있다.
이때, 상기 플라즈마 전극 모듈(50)에는 펄스파 형태의 전력이 인가될 수 있다.
상기 플라즈마 전극 모듈(50)로 인가되는 펄스파의 진동수(frequency)는 3kHz 초과 내지 7.5 kHz 미만인 것이 바람직하다. 입력 펄스파의 진동수가 3kHz 이하인 경우에는 플라즈마 발생이 되지 않는 문제가 있다. 반면, 입력 펄스파의 지동수가 7.5 kHz를 초과하는 경우에는 소비 전력이 과도하게 증가하는 문제가 있으므로, 펄스파의 진동수는 3kHz 초과 내지 7.5 kHz 미만인 것이 바람직하다.
동시에, 플라즈마 전극 모듈(50)로 인가되는 펄스파의 펄스 폭(pulse width)은 3μs 초과 내지 5μs 미만인 것이 바람직한데, 펄스 폭이 3μs 이하인 경우에는 플라즈마 방전이 미미하게 이루어지는 문제가 있고, 5μs를 초과하는 경우에는 플라즈마 발생량이 증가하나, 플라즈마 발생량 대비 전력 소비율이 과도하게 높아 플라즈마 방전 효율이 좋지 않기 때문에 펄스파의 펄스 폭은 3μs 초과 내지 5μs 미만인 것이 바람직하다.
일 실시예에 있어서, 접지전극(20)은 통상의 전극을 사용할 수 있고, 상술한 바와 같이 반응기(10)의 일측에 구비될 수 있으며, 평판 형태로 형성되어 반응기(10)의 일면을 형성할 수도 있다. 접지전극(20)은 피처리수와 전기적으로 연결(접촉)되어 피처리수가 접지(earth)될 수 있게 한다.
일 실시예에 있어서, 플라즈마 전극(30)은 텅스텐이나 스테인레스 강(stainless steel, SUS)을 이용하여 제조될 수 있고, 전원 공급부(도시하지 않음)와 연결되어 플라즈마 전극(30)에 펄스, 교류 또는 직류전압이 인가됨으로써 플라즈마 수중방전이 이루어질 수 있다.
플라즈마 전극(30)은 반응기(10)의 일측에 구비될 수 있으며, 접지전극(20)과 대향되게 설치되는 것이 바람직하다. 또한, 플라즈마 전극(30)은 피처리수의 처리량 등에 따라 복수 개 설치될 수 있다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 전극 모듈을 간략히 도시한 것으로, 상기 플라즈마 전극 모듈(50)은, 복수개의 홀(51)이 형성된 전도성 기재(52); 상기 전도성 기재(52)의 외부의 일부를 둘러싸도록 형성되는 세라믹 층(53); 및 상기 홀(51)의 안쪽에 배치되는 플라즈마 전극(30)(미도시);을 포함한다.
상기 전도성 기재(52)는 플레이트 형태 혹은 원주 형태로 형성될 수 있다. 플레이트 형태로 형성되는 경우에는 보다 넓은 영역에 플라즈마 및 미세기포를 공급할 수 있고, 원주 형태로 형성되는 경우에는 상대적으로 좁은 영역에 밀도 높은 플라즈마 및 미세기포의 공급이 가능하므로, 필요에 따라 적절한 형태를 선택하여 적용할 수 있다.
상기 세라믹 층(53)은 전도성 기재(52)의 외부를 일부 둘러싸도록 형성되어 전도성 기재(52)를 보호하며, 세라믹 층(53)에 의해 둘러싸이지 않은 나머지 일부 영역을 통해 홀(51)의 안쪽에 배치된 플라즈마 전극(30)에서 발생되는 플라즈마나 미세기포가 외부로 이동할 수 있다.
일 예로, 세라믹 층(53)은 홀(51)이 형성된 영역을 제외한 전도성 기재(52)의 전면을 둘러싸도록 형성될 수 있고, 일 예로, 세라믹 층(53)은 홀(51)이 형성된 면을 제외한 전도성 기재(52)의 나머지 면을 둘러싸도록 형성될 수 있으나, 이는 예시적으로 제시한 것으로, 세라믹 층(53)의 형태는 이에 제한되지 않는다.
상기 전도성 기재(52)에 형성되는 복수개의 홀(51)의 지름은 1mm 내지 10mm로 형성될 수 있으며, 홀(51)의 지름이 1mm 미만인 경우에는 플라즈마 전극(30)보다 홀(51)의 크기가 작기 때문에 플라즈마 전극(30)에서 발생된 플라즈마 라디칼의 재결합이 증가하여 플라즈마 방전에 따른 유기물, 미생물 등의 제거 효과가 감소할 수 있고, 10mm를 초과하는 경우에는 발생되는 기포의 크기가 과도하게 커지고, 기포의 확산력이 저하되어 기포에 의한 유기물 응집 및 부상 효과, 막 세척 효과를 얻기 곤란하다
또한, 상기 복수개의 홀(51)은 90mm 내지 120mm의 간격으로 이격 형성되는 것이 바람직하다. 이는 플라즈마 전극(30)에서 발생하는 미세기포의 크기를 균일하게 유지시키고, 미세기포가 확산되는 영역을 조절하여 미세기포에 의한 막분리 장치(200)의 세척 효율을 높이기 위함이다. 구체적으로, 인접한 복수개의 홀(51) 사이의 간격이 90mm 미만인 경우에는 서로 다른 홀(51)에서 발생된 미세기포가 서로 충돌하는 횟수가 과도하게 증가하여 대형 기포로 성장하며 막분리 장치(200)의 세척 효율을 저감시키는 문제가 발생하고, 120mm를 초과하면 홀 사이의 일부 하부 영역에서 난류 형성이 충분히 이루어지지 않아 피처리수 내에 포함되어 있는 응집체인 플록이 하부로 침강되어, 플록 케이크를 형성하는 문제가 발생할 수 있다.
따라서 미세기포의 크기를 약 30~100㎛로 균일하게 유지시켜 미세기포에 의한 막분리 장치(200)에 세척 효율을 높임으로써 막분리 장치(200)의 수명 및 여과 효율을 향상시키기 위해 홀(51)의 지름은 1mm 내지 10mm로 형성되며, 복수개의 홀(51)은 서로 90mm 내지 120mm의 간격으로 이격 형성되는 것이 바람직하다.
도 6은 상기 플라즈마 전극(30)을 보다 상세하게 도시한 도면으로, 도 6을 참조하면, 상기 플라즈마 전극(30)은, 원주 형태를 갖는 접지부(33), 고정부(32) 및 방전부(31)가 차례로 적층된 다단구조를 갖고, 상기 접지부(33)는 전도성 기재(52)와 접촉하며, 상기 방전부(31)에서 플라즈마가 발생된다.
상기 접지부(33), 고정부(32) 및 방전부(31)는 일체로 형성될 수 있으며, 이와 같이 일체형으로 형성되는 경우, 하나의 전극단에 필요 이상의 전력이 인가되어 전극이 파손되는 현상을 방지함으로써 플라즈마 전극(30)의 내구성을 향상시킬 수 있고, 추후 플라즈마 전극(30)의 교체가 용이한 장점이 있다.
상기 접지부(33), 고정부(32) 및 방전부(31)의 형태는 특별히 제한되지 않고 다양한 형상으로 제조될 수 있으나, 플라즈마를 안정적으로 발생시키기 위해 원기둥 형상을 갖는 것이 바람직하며, 도 6에 도시된 바와 같이 상부에 위치하는 방전부(31)의 직경이 가장 짧고, 하부에 위치하는 접지부(33)의 직경이 가장 길게 형성되는 것이 바람직하다.
이와 같이 상부로 갈수록 플라즈마 전극(30)의 직경을 감소시킴으로써 플라즈마 전극(30)의 절연 효율 및 방전 효율을 향상시킬 수 있으며, 플라즈마 전극(30)의 절연 효율 및 방전 효율을 극대화하기 위하여 접지부(33), 고정부(32) 및 방전부(31)의 직경(d)의 비는 12~16 : 8~10 : 1~2인 것이 바람직하고, 높이(h)의 비는 1~2 : 1 : 1인 것이 바람직하다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 플라즈마 수중방전 장치를 포함하는 막분리 전처리 장치를 간략하게 도시한 도면이다.
도 7을 참조하면, 본 실시예에 따른 막분리 전처리 장치는 막분리 장치(200); 상기 막분리 장치(200)의 전단에 구비되는 제1 플라즈마 수중방전 장치(100); 상기 제1 플라즈마 수중방전 장치(100)와 막분리 장치(200) 사이에 구비되는 응집제 주입 장치(300); 및 상기 막분리 장치(200)에서 배출된 여과수를 다시 막분리 장치(200)의 역세척수로 공급하는 역세 장치(400);를 포함한다.
본 실시예에서 막분리 장치(200), 제1 플라즈마 수중방전 장치(100) 및 응집제 주입 장치(300)는 앞서 도 1 내지 도 6을 참조하여 설명한 것과 동일하므로 중복되는 설명은 생략한다.
상기 역세 장치(400)는 가동 시간이 증가함에 따라 여과 성능이 저하된 막분리 장치(200)의 여과 성능을 다시 복구하기 위해 구비되는 것으로, 막분리 장치(200)에서의 수압, 배출수의 수질이 기준치에서 벗어나는 경우 자동으로 가동되거나, 소정 주기에 따라 자동으로 가동되거나, 또는 작업자에 의해 수동으로 가동될 수 있다.
상기 역세 장치(400)는 펌프를 포함하여, 펌프를 통해 막분리 장치(200)에서 배출되는 배출수를 다시 막분리 장치(200)의 역세척수로 공급한다.
또한, 상기 역세 장치(400)에는 제2 플라즈마 수중방전 장치(400)가 추가로 더 구비되어 역세수를 플라즈마 처리한 뒤 막분리 장치(200)의 역세수로 공급할 수 있다. 이때 제2 플라즈마 수중방전 장치(400)는 앞서 설명한 제1 플라즈마 수중방전 장치(100)와 동일하므로, 중복되는 설명은 생략한다.
제1 플라즈마 수중방전 장치(100)와 막분리 장치(200)를 거쳐 얻어진 배출수는 탁도 0.2NTU 이하, 총용존고형물 농도 2 mg/L 이하의 수질을 나타내나, 여전히 소량의 유기물과 부유물질 등이 포함되어 있으므로, 역세수로 사용하는 경우 막분리 장치(200)의 세정 효율이 떨어질 수 있다.
그러나, 이와 같이 역세 장치(400)에 제2 플라즈마 수중방전 장치(400)가 추가로 더 구비되는 경우에는 역세수가 추가적으로 정화되므로, 역세 장치(400)에 의한 막분리 장치(200)의 세정 효율이 향상되는 효과를 얻을 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시예를 통해 본 발명의 구체적인 작용과 효과를 설명하고자 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로서 제시된 것으로, 실시예에 따라 본 발명의 권리범위가 한정되는 것은 아니다.
[ 실험예 1]
도 1의 막분리 전처리 장치를 이용하고, 막분리 장치로는 DMF 필터를 이용하였으며, 첨가되는 응집제(FeCl3)의 농도를 변화시켜가며 정수 시스템을 운영하였다. 이때 원수와 막분리 장치에서 배출되는 배출수의 탁도(Turbidity) 및 총용존고형물(TSS) 농도를 측정하여 도 8 및 도 9에 도시하고, 유기물(Chlorophyll-A) 농도를 측정하고, 유기물 제거율을 계산하여 도 10 및 도 11에 도시하였다.
도 8 내지 도 11에서 Raw water, Medium DMF, Normal DMF 및 plasma는 샘플 채취 위치를 나타내는 것으로, Raw water는 원수를, Medium DMF는 Medium DMF를 통과한 처리수를, Normal DMF는 Normal DMF를 통과한 처리수를, plasma는 플라즈마 방전장치를 통과한 처리수를 의미한다.
도 8 및 도 10은 플라즈마 수중방전이 이루어지지 않았을 때의 결과이고, 도 9 및 도 11은 플라즈마 수중방전이 이루어졌을 때의 결과를 도시한 것이다.
먼저 도 8을 참조하면, 플라즈마 수중방전이 이루어지지 않은 경우에는 응집제가 12 ppm 이상 투입되어야만 기준치인 탁도 0.2NTU 이하 및 총용존고형물 농도 2 mg/L 이하를 만족한다.
반면 도 9를 참조하면, 플라즈마 수중방전이 이루어진 경우에는 상기 탁도와 총용존고형물 농도 기준치를 만족하기 위한 응집제의 최소 투입량은 4 ppm으로 플라즈마 수중방전이 이루어지지 않은 경우에 비해 약 1/3로 감소한다.
이어서 도 10를 살펴보면, 플라즈마 수중방전이 이루어지지 않은 경우, 응집제가 10 ppm 이상 첨가될 때 유기물 제거 효율이 높고, 그 이상 첨가되더라도 추가적인 유기물 제거 효과는 미미한 것으로 나타났다.
반면, 도 11에 도시된 바와 같이 플라즈마 수중방전이 이루어진 경우에는 응집제가 투입되지 않더라도 약 65%의 유기물이 제거되었고, 특히 응집제가 4 ppm 이상 투입된 경우에는 90% 이상의 유기물이 제거된 것으로 확인되었다.
따라서, 도 1의 막분리 전처리 장치를 이용하되, 막분리 장치 전단에서 플라즈마 처리하는 경우, 적은 양의 응집제를 사용하더라도 탁도, 총용존고형물 농도 및 유기물 농도 저감 효과가 우수한 것을 확인할 수 있었다.
[ 실험예 2]
도 1의 막분리 전처리 장치를 이용하고, 막분리 장치로 UF 필터를 이용하여, 플라즈마 수중방전 장치 가동 여부에 따른 UF 필터 막의 차압 변화를 측정하고 그 결과를 도 12에 도시하였다.
여과수량 65 L/m2·h으로 하여 24 시간 동안 가동하였으며, 응집제는 투입하지 않았다. 도 12에서 UF #1은 플라즈마 수중방전이 이루어지지 않은 경우이고, UF #2는 플라즈마 수중방전이 이루어진 경우이다.
도 12를 참조하면, 플라즈마 처리가 이루어진 경우 그렇지 않은 경우에 비해 막간 차압이 약 0.05 bar 저감된 것으로 확인되었다.
[ 실험예 3]
본 발명의 플라즈마 수중방전 장치(100)의 플라즈마 전극 모듈(50)에 인가되는 전력의 진동수와 펄스 폭을 변화시켜가며 운영하고, 각 조건에서의 방전 효율 및 소비 전력을 측정하여 표 1에 기재하였다.
방전 효율을 계산하기 위해 각 조건에서의 오존 발생량을 측정하고, 소비 전력 대비 오존 발생량을 방전 효율로 정의하여 계산하였다.
이때, 진동수 5kHz일 때 펄스 폭을 변화시켜가며 파형을 측정하여 도 13에 도시하였다. 펄스 폭이 2 μs일 때는 플라즈마 방전이 이루어지지 않았고, 3 μs일 때는 미약한 플라즈마 방전이 이루어졌으며 4 μs일 때 충분한 플라즈마 방전이 이루어졌다.
진동수(kHz) 펄스 폭(μs) A: 소비전력(kWh/m3) B: 오존발생량(ppm) 방전 효율(B/A)
3 5 0.05 - -
6 0.07 - -
7 0.09 - -
5 3 0.05 0.0005 0.01
4 0.07 0.0630 0.90
5 0.10 0.0650 0.65
7.5 2.5 0.06 0.0010 0.02
3 0.08 0.0425 0.53
4 0.12 0.0720 0.60
상기 표 1의 실험 결과를 살펴보면, 진동수가 증가할수록, 펄스 폭이 증가할수록 소비 전력 및 오존발생량이 증가하는 것으로 나타났다.
그러나, 진동수가 3kHz 이하인 경우에는 플라즈마 발생이 되지 않는 것으로 나타났으며, 진동수가 7.5kHz 이상인 경우에는 소비 전력 대비 오존발생 효율, 즉 플라즈마 방전 효율이 떨어지는 것으로 확인되었다.
또한, 진동수 5kHz인 경우를 살펴보면, 펄스 폭이 3 μs 이하인 경우에는 오존 발생량이 적고, 6 μs 이상인 경우에는 오존발생량에 비해 소비전력이 현저히 높아 방전 효율이 낮은 것으로 나타났다.
따라서, 플라즈마 발생량을 높이면서 소비전력을 절감하여 방전 효율을 향상시키기 위해 플라즈마 전극 모듈(50)로 인가되는 펄스파의 진동수(frequency)는 3kHz 초과 내지 7.5 kHz 미만인 것이 바람직고, 펄스 폭(pulse width)은 3μs 초과 내지 5μs 미만인 것이 바람직한 것으로 확인되었다.
[ 실험예 4]
도 1의 막분리 전처리 장치 중 플라즈마 수중방전 장치(100) 및 응집제 투입 장치(300)만을 설치하고, 응집제 주입 농도를 8ppm으로 하여 운영한 뒤, 플라즈마 수중방전 장치(100)에 의한 수처리 성능을 평가하였다.
이때, 플라즈마 전극 모듈(50)의 홀(51)의 간격은 100mm로 고정하고, 지름을 0.5 ~ 11mm로 다양하게 변화시켜가며 운영하였다.
홀의 지름(mm) 탁도(NTU) TSS(mg/L)
비교예 1 0.5 1.87 6.1
실시예 1 1.5 0.92 3.2
실시예 2 4.0 0.85 2.9
실시예 3 7.0 0.88 3.3
실시예 4 9.5 0.94 3.0
비교예 2 11 1.76 5.8
상기 표 2의 실험 결과를 살펴보면, 실시예 1 내지 실시예 4의 경우, 탁도 및 TSS 농도가 비교예 1 및 비교예 2에 비해 현저히 낮게 나타나는 것으로 확인되었다.
이는 홀의 지름이 1~10mm로 형성되기 때문에 미세기포의 크기 조절이 원활하게 이루어지고 미세기포의 생성량이 충분하기 때문에 나타난 결과로 판단되며, 이러한 실험 결과로부터 홀의 지름이 1~10mm로 형성되는 것이 바람직함을 확인할 수 있었다.
[ 실험예 5]
실험예 4와 동일한 막분리 전처리 장치를 설치하고 운영하되, 플라즈마 전극 모듈(50)의 홀(51)의 지름을 4mm로 고정하고, 각 홀(51) 사이의 간격을 80~130mm로 변화시켜가며 운영하였다.
홀의 간격(mm) 탁도(NTU) TSS(mg/L)
비교예 3 80 1.52 5.5
실시예 5 90 0.88 3.1
실시예 6 100 0.85 2.9
실시예 7 110 0.90 3.1
실시예 8 120 0.91 3.2
비교예 4 130 1.44 5.1
상기 표 3의 실험 결과를 살펴보면, 실시예 5 내지 실시예 8의 경우, 비교예 3 및 비교예 4에 비해 탁도 및 TSS 농도가 현저히 우수한 것으로 확인되었다. 이는, 플의 간격이 90~120mm로 형성되어 미세기포의 생성과 유지가 양호하게 이루어졌기 때문에 나타난 결과로 판단된다.
본 발명은 상술한 특정의 실시예 및 설명에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능하며, 그와 같은 변형은 본 발명의 보호 범위 내에 있게 된다.
10: 반응기 11: 유입구
12: 배출구 20: 접지전극
30: 플라즈마 전극 31: 방전부
32: 고정부 33: 접지부
40: 거리 조절부 50: 플라즈마 전극 모듈
51: 홀 52: 전도성 기재
53: 세라믹 층 100: 제1 플라즈마 수중방전 장치
200: 막분리 장치 300: 응집제 투입 장치
400: 제2 플라즈마 수중방전 장치

Claims (13)

  1. 막분리 장치;
    상기 막분리 장치의 전단에 구비되는 제1 플라즈마 수중방전 장치;및
    상기 제1 플라즈마 수중방전 장치와 상기 막분리 장치 사이에 응집제 주입 장치;를 포함하고,
    상기 제1 플라즈마 수중방전 장치는,
    피처리수가 유입되는 유입구와 정화된 피처리수가 배출되는 배출구를 구비하는 반응기; 상기 반응기의 일측에 구비된 접지전극; 및 상기 반응기 타측에 구비되고, 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 전극 모듈;을 포함하고,
    상기 플라즈마 전극 모듈은,
    복수개의 홀이 형성된 전도성 기재; 상기 전도성 기재의 외부를 일부 둘러싸도록 형성되는 세라믹 층;및 상기 홀 안쪽에 배치되는 플라즈마 전극;을 포함하고,
    상기 홀의 지름은 1 mm 이상 10 mm 이하이고, 상기 홀은 90 mm 이상 120 mm 이하의 간격으로 이격 형성되고,
    상기 플라즈마 전극 모듈에 인가되는 펄스파의 진동수는 3kHz 초과 내지 7.5 kHz 미만이고,
    상기 펄스파의 펄스 폭은 3μs 초과 내지 5μs 미만인,
    막분리 전처리 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 막분리 장치는, UF(Ultra Filtration) 필터 및 DMF(Dual Medium Filtration) 필터 중 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는, 막분리 전처리 장치.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 반응기에는, 유입구, 배출구 및 접지전극이 같은 사이드에 구비되는 것을 특징으로 하는, 막분리 전처리 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 플라즈마 전극은, 원주 형태를 갖는 접지부, 고정부 및 방전부가 차례로 적층된 다단구조를 가지며,
    상기 접지부는 전도성 기재와 접촉하고, 상기 방전부에서 플라즈마가 발생되는 것을 특징으로 하는, 막분리 전처리 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 전도성 기재는, 플레이트 형태 혹은 원주 형태인 것을 특징으로 하는, 막분리 전처리 장치.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 접지부, 고정부 및 방전부는 원기둥의 일체형 구조를 갖되, 상부에 위치하는 방전부의 직경이 가장 짧고, 하부에 위치하는 접지부의 직경이 가장 긴 것을 특징으로 하는, 막분리 전처리 장치.
  11. 삭제
  12. 제1항에 있어서,
    상기 막분리 장치에서 배출된 여과수를 다시 막분리 장치의 역세척수로 공급하는 역세 장치;가 추가로 더 구비되는 것을 특징으로 하는, 막분리 전처리 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 역세 장치에는 제2 플라즈마 수중방전 장치가 추가로 더 구비되는 것을 특징으로 하는, 막분리 전처리 장치.
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