KR102548895B1 - 마이크로웨이브 플라즈마를 이용한 플라즈마 활성수 제조 시스템 및 이를 이용한 제조장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 플라즈마 발생부, 상기 플라즈마 발생부와 연결된 질소산화물 배출부, 상기 질소산화물 배출부와 연결된 질소산화물 냉각부, 상기 질소산화물 냉각부에 연결된 질소산화물 변환부, 및 상기 질소산화물 변환부에 연결된 플라즈마 활성종 용존 반응부를 포함하여 플라즈마 활성종의 생성량을 최대화할 수 있는, 플라즈마 활성수의 제조 시스템, 제조방법 및 제조장치에 관한 것이다.
Description
본 발명은 공기를 이용하여 플라즈마 활성수를 제조하는 기존의 제조방법과 대비하여, 부산물의 형성을 억제하고, 활성종의 형성량을 증가시킬 수 있도록, 공기 중의 산소와 질소를 이용하는 마이크로웨이브 플라즈마를 이용하되, 일정량의 산소를 추가로 공급한 후 남아있는 질소산화물을 퍼옥시나이트라이트(ONOO-)로 전환함으로써, 활성종의 발생량을 최대화하여 플라즈마 활성수의 생산성을 향상시킨 기술에 관한 것이다.
플라즈마는 제 4의 물질 상태라 불리며, 음전하를 가진 전자와 양전하를 띤 이온 및 중성입자(분자와 원자)가 혼합된 상태를 말한다. 전자는 다양한 방식에 의해 쉽게 가속될 수 있으며 중성입자는 분자와 충돌하여 화학적 활성종을 생성하고, 이온은 처리하고자 하는 피 처리물의 표면을 화학 반응이 일어날 수 있는 조건을 조성함으로 활성종이 표면에서 활발한 화학 작용을 일으킬 수 있다.
또한, 플라즈마는 고진공으로부터 대기압 이상의 높은 압력에서도 발생이 가능하고 기체 뿐만 아니라 액체 상태에서도 방전이 가능하므로 다양한 생산 조건에 맞는 플라즈마 발생 방식을 선택적으로 사용할 수 있는 장점 때문에 반도체, 디스플레이, 에너지, 기계, 화학 및 바이오 등 다양한 산업 분야에서 사용되고 있다. 특히, 플라즈마는 강한 산화력과 높은 반응성을 갖는 플라즈마 활성종 생성을 통해 우수한 살균력을 가질 수 있어 생명/의학 분야, 식품 산업 및 농업 등 바이오 분야에서 활발히 활용되고 있다.
최근에는 플라즈마 활성종을 이용하여 단백질과 관련된 질병인 아토피, 피부병, 알츠하이머, 파킨슨 및 암과 같은 난치병을 근본적으로 치료하려는 연구가 진행되고 있다.
플라즈마 활성수는 플라즈마에서 발생된 이온, 라디칼 등이 포함된 활성종을 물과 반응시킴으로써 물 속에 다양한 플라즈마 활성종이 녹아 있는 용액이다. 특히, 증류수에 플라즈마를 통해 발생된 플라즈마 활성종이 용해되면 전도도가 증가하고, 다양한 산소 활성종(Reactive Oxygen Species, ROS) 및 질소 활성종(Reactive Nitrogen Species, RNS)이 생성되어 pH, 산화-환원 전위(Oxidation/Reduction Potential, ORP) 값이 변화한다.
이 중에서 질소 활성종은 NO2 -(nitrate), NO3 -(nitrite), ONOO-(peroxynitrite) 등이 포함되어 세균, 진균 및 바이러스 등의 살균과 항균에 이용할 수 있다. 특히 퍼옥시나이트라이트(peroxynitrite)라 불리는 ONOO-은 상처 치유, 세포 활성 촉진 및 피부질환 치료 등 다양한 바이오 분야에 응용되고 있으나, 퍼옥시나이트라이트를 포함하는 용액은 제조하기 어려울 뿐만 아니라 생산 효율도 극히 낮아 대량 생산이 어려운 문제가 있다.
이는 플라즈마에 의해 발생되는 불안정한 라디칼에 의해 용액 안에서 퍼옥시나이트라이트가 만들어지기 때문에 자연적으로 합성되기 어렵기 때문이다.
종래의 마이크로 웨이브 플라즈마 시스템을 이용한 활성종의 제조방법은, 공기를 사용하여 질소와 산소를 분해하여 질소화합물, 음이온화합물, 라디칼 등을 생성한다. 공기 중의 질소의 비율은 78%이고, 산소의 비율은 22%로 질소와 산소의 존재 비율이 3:1의 비율을 갖는다.
자연 상의 공기를 그대로 이용하는 경우에는, 살균과 항균 작용을 하는 퍼옥시나이트라이트 외의 부산물이 다량으로 형성되는 문제가 있고, 해당 부산물들은 추가 공정을 통해 퍼옥시나이트라이트으로 변환될 수 있으나, 이는 제조 공정 효율 상 불리한 문제가 있는 바, 이러한 문제점을 해결하여 목적하는 퍼옥시나이트라이트의 생산량을 증가시킬 수 있는 효율적인 제조방법에 대한 연구가 필요한 실정이다.
본 발명은 기존의 마이크로 웨이브 플라즈마를 이용하여 플라즈마 활성수 제조방법과 대비하여, 활성종의 발생량을 증가시켜 제조 효율성을 향상시킨 제조 시스템 및 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 또한, 플라즈마 활성수의 제조과정에서 플라즈마 활성종으로서 실제 살균 및 항균 기능성을 갖지 않는 부산물의 생성을 최소화하고, 활성종의 생성량을 증가시킬 수 있는 플라즈마 활성수의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 대용량의 플라즈마 활성수를 제조하기 위해 높은 파워의 마이크로 웨이브를 인가하는 경우에, 방전관의 손상이 발생되는 것을 방지할 수 있는 플라즈마 활성수의 제조 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 플라즈마 활성수 제조 시스템은, 플라즈마 발생부, 상기 플라즈마 발생부와 연결된 질소산화물 배출부, 상기 질소산화물 배출부와 연결된 질소산화물 냉각부, 상기 질소산화물 냉각부에 연결된 질소산화물 변환부, 및 상기 질소산화물 변환부에 연결된 플라즈마 활성종 용존 반응부를 포함하며, 마이크로웨이브 플라즈마를 이용하는 플라즈마 활성수 제조 시스템이다.
본 발명에 있어서, 상기 플라즈마 발생부는 TE20 모드 마이크로 웨이브 플라즈마 토치를 이용한 것이고, 상기 플라즈마 발생부는 산소 가스 발생부를 더 포함하고, 상기 플라즈마 발생부는 공기 및 산소 가스가 주입되는 것일 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 질소산화물 냉각부는 열교환기를 포함하고, 상기 플라즈마 활성종 용존 반응부는 미세 버블 형성부 및/또는 압력 조절부를 포함할 수 있다.
본 발명은 또한, 플라즈마 활성수의 제조방법으로서, a) 공기 및 산소 가스를 중공형 관으로 주입하는 단계, b) 상기 중공형 관 내부로 마이크로 웨이브를 조사하여 질소산화물을 제조하는 단계, c) 생성된 질소산화물을 냉각시키는 단계, d) 상기 c) 단계의 질소산화물을 플라즈마 활성종으로 변환시키는 단계 및 e) 상기 플라즈마 활성종을 물에 녹여 용존수를 제조하는 단계를 포함하는 플라즈마 활성수 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 제조방법에 있어서, 상기 a) 단계는 공기와 산소 가스의 총량을 기준으로, 질소와 산소의 부피 비율이 1: 2 내지 4가 되도록 산소 가스를 주입하는 것일 수 있다.
본 발명에 따른 제조방법에 있어서, 상기 d) 단계는 오존 가스를 공급하여 ONOO-로 변환시키는 것일 수 있다.
본 발명에 따른 제조방법에 있어서, 상기 e) 단계 후, 미반응 가스를 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상세하게는, 상기 미반응 가스를 제거하는 단계는 우레아를 이용하여 미반응 가스의 질소산화물을 제거하는 것일 수 있다.
본 발명에 따르면, 마이크로 웨이브 플라즈마를 이용하여 형성되는 플라즈마 활성종으로서, 살균 및 항균 기능성을 갖는 플라즈마 활성종의 발생량을 증가시키는 한편, 플라즈마를 이용하여 플라즈마 활성종을 발생시키는 과정에서 발생되는 부산물의 생성량을 현저히 감소시켜, 플라즈마 활성종의 제조 효율성을 향상시키는 효과를 갖는다.
본 발명은, 기존의 기능성 플라즈마 활성종을 발생시키기 위해, 촉매, 산화제 등을 이용하던 방식과 대비하여, 질소 기체와 산소 기체의 비율을 조절하기 위해 추가 산소 기체를 주입하는 방법으로 기능성 플라즈마 활성종의 발생량을 증가시키는 효과를 갖는다.
본 발명에 따르면, 살균 및 항균 기능성을 갖는 플라즈마 활성종의 발생량을 증가시켜 제조 효율성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래의 마이크로 웨이브 플라즈마를 이용한 플라즈마 활성수 제조장치의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 활성수 제조 시스템의 개략도이다.
도 3은 질소 기체와 산소 기체의 비율에 따라 발생되는 퍼옥시나이트라이트의 발생량을 나타낸 그래프이다.
도 4는 종래 기술과 본 발명의 마이크로 웨이브 플라즈마를 이용한 플라즈마 활성수의 제조방법에 따라 제조되는 퍼옥시나이트라이트의 발생량을 비교한 그래프이다.
도 5는 종래의 마이크로 웨이브 플라즈마를 이용한 플라즈마 활성수의 제조방법에서 오존 발생장치의 전력에 따른 질소산화물의 변화량을 비교한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 플라즈마 활성수의 성분분석 결과이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 플라즈마 활성수의 살균력 확인 실험 결과를 나타낸 사진이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 플라즈마 활성수의 퍼옥시나이트라이트 확인을 위한 스캐빈저 살균 테스트를 나타낸 사진이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 활성수 제조 시스템의 개략도이다.
도 3은 질소 기체와 산소 기체의 비율에 따라 발생되는 퍼옥시나이트라이트의 발생량을 나타낸 그래프이다.
도 4는 종래 기술과 본 발명의 마이크로 웨이브 플라즈마를 이용한 플라즈마 활성수의 제조방법에 따라 제조되는 퍼옥시나이트라이트의 발생량을 비교한 그래프이다.
도 5는 종래의 마이크로 웨이브 플라즈마를 이용한 플라즈마 활성수의 제조방법에서 오존 발생장치의 전력에 따른 질소산화물의 변화량을 비교한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 플라즈마 활성수의 성분분석 결과이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 플라즈마 활성수의 살균력 확인 실험 결과를 나타낸 사진이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 플라즈마 활성수의 퍼옥시나이트라이트 확인을 위한 스캐빈저 살균 테스트를 나타낸 사진이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 각 구성을 보다 상세히 설명하나, 이는 하나의 예시에 불과할 뿐, 본 발명의 권리범위가 다음 내용에 의해 제한되지 아니한다.
본 발명에 사용된 "바람직한" 또는 "바람직하게는"은 특정 조건에서 특정 장점을 갖는 본 발명의 실시예를 나타낸다. 그러나, 다른 실시예 또한 동일 조건 또는 다른 조건에서 바람직할 수 있다. 또한, 하나 이상의 바람직한 실시예는 다른 실시예가 유용하지 않다는 것을 의미하는 것은 아니며, 본 발명의 범위 내에 있는 다른 실시예를 배제하는 것도 아니다.
본 명세서에 사용된 "포함한다"는 용어는 본 발명에 유용한 재료, 조성물, 장치, 및 방법들을 나열할 때 사용되며 그 나열된 예에 제한되는 것은 아니다.
본 발명은 공기 중의 질소와 산소를 이용하는 마이크로웨이브 플라즈마로 제조한 질소산화물 중, 기존에 발생하는 NO, NO2 및 기타 플라즈마 발생물질을 현저히 감소시키고, 플라즈마 활성종인 ONOO-의 생산을 극대화하는 제조 시스템, 제조방법 및 제조장치이다.
기존 마이크로웨이브 플라즈마의 경우 ONOO-의 생산은 극소량으로 사업화 생산에 비효율적인 방법으로, 그 효율을 극대화하기 위하여 다양한 시도들이 있었지만 ONOO-의 생산 효율을 극대화하는 방법은 없었다. 공기 중의 질소 가스와 산소 가스만을 사용하여 ONOO-를 생성하기에는 공기 중의 질소와 산소의 비율이 3:1로 ONOO-보다는 다른 부수 질소산화물이 더 많이 생성되는 문제점이 있었다.
본 발명은 퍼옥시나이트라이트의 생산량의 증가를 위해, 마이크로 웨이브 플라즈마가 형성되는 중공형 관의 크기를 크게 하는 한편, 플라즈마 발생부의 안정성을 향상시키고, 공기 중의 질소 가스와 산소 가스 외에, 퍼옥시나이트라이트 생산량을 효율적으로 향상시킬 수 있는 산소 가스의 추가 주입 및 퍼옥시나이트라이트(질소산화물 플라즈마 활성종) 외의 질소산화물을 오존과 추가 반응시켜 퍼옥시나이트라이트으로 변환시키는 구성을 도입하여, 가장 높은 효율로 퍼옥시나이트라이트을 생산하고, 이를 물에 녹여 플라즈마 활성수를 제조하는 시스템, 제조방법 및 이를 구현하기 위한 제조장치를 제공한다.
구체적으로, 본 발명에 따른 플라즈마 활성수 제조 시스템은, 플라즈마 발생부, 상기 플라즈마 발생부와 연결된 질소산화물 배출부, 상기 질소산화물 배출부와 연결된 질소산화물 냉각부, 상기 질소산화물 냉각부에 연결된 질소산화물 변환부, 및 상기 질소산화물 변환부에 연결된 플라즈마 활성종 용존 반응부를 포함하고, 마이크로웨이브 플라즈마를 이용한 것을 특징으로 한다.
상기 플라즈마 발생부는 반응 가스가 채워진 중공형의 관에 마이크로 웨이브를 조사함으로써, 반응 가스가 방전되어 질소산화물로 생성되는 부분이다. 중공형의 관은 속이 빈 원통형으로, 석영관일 수 있으며, 마이크로 웨이브에 의하여 손상되지 않도록 구성되는 것이 필요하다.
상기 중공형의 관은 내경이 70 내지 80 mm인 것을 사용할 수 있는데, 이는 뒤에서 설명할 바와 같이, 기존의 플라즈마 토치의 모드와 대비하여, 더 많은 반응 공간을 형성하여, 플라즈마 활성종의 생산량을 증가시키는 한편, 단위 면적당 인가되는 파워 밀도를 감소시켜 과열에 의해 중공형의 관의 손상이 발생되지 않도록 하기 위한 것이다.
본 발명에서 마이크로 웨이브에 의한 플라즈마 형성 시 사용되는 플라즈마 토치는, 기존의 TE10 모드 마이크로 웨이브 플라즈마 토치 대신, TE20 모드를 사용한 것을 특징으로 한다.
기존에 사용된 TE10 모드는 중공형 관(방전관)의 내부 직경이 좁아 높은 파워의 마이크로 웨이브를 인가하는 경우, 과열에 의한 방전관 손상이 발생되는 문제가 있어, 높은 파워로 많은 양의 퍼옥시나이트라이트를 제조하는 것이 어려웠다.
본 발명에서는 중공형 관의 직경을 넓힐 수 있는 TE20 모드를 이용함으로써, 단위 면적당 인가되는 파워의 밀도를 낮추어 중공형 관의 손상을 방지하고, 생성물의 양을 증가시킬 수 있다. 또한, 단위 면적당 인가되는 파워의 밀도를 낮추지 않고 높게 유지하면서, TE20 모드를 이용하면, 기존의 플라즈마 토치를 이용하는 경우와 대비하여, 약 9배 정도의 많은 파워를 인가할 수 있게 되어 생성물을 대량 생산할 수 있는 장점이 있다.
한편, 플라즈마 생성부에서 산소 가스 생성부를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 반응 가스는 공기 및 산소 가스일 수 있다. 기존에는 공기만을 이용하여 질소산화물을 제조하였던 것과 대비하여, 본 발명에서는 산소 가스 발생부에서 추가 산소 가스를 주입하여 질소산화물을 제조하도록 구성함으로써, 질소산화물 중 퍼옥시나이트라이트의 생성양을 보다 효율적으로 향상시킬 수 있다.
한편, 상기 반응 가스로서, 대기 중의 공기를 이용할 경우, 수분의 함량이 낮을수록 활성종의 생산에 보다 유리하며, 필요에 따라서는, 반응 가스로서 사용되는 공기에서 수분을 제거할 수 있는 수단을 플라즈마 가스 주입부 전단에 추가로 설치하는 것이 바람직하다.
플라즈마 활성종, 즉, 퍼옥시나이트라이트를 제조하기 위한 최적의 질소 기체와 산소 기체의 비율은 1: 3의 비율인 것이 바람직하며, 일정 부피의 공기를 주입하였을 때, 추가 산소 기체는 해당 부피의 8배로 주입되는 경우에, 최적의 퍼옥시나이트라이트 발생량을 나타낸다. 이에 따라, 공기와 산소 가스의 총량(혼합된 최종 반응 가스)을 기준으로, 질소와 산소의 부피 비율이 1: 2 내지 4가 되도록 산소 가스를 주입할 수 있다.
또한, 도파관 내에서 마이크로웨이브가 유도되는 영역(도파관 내에 석영관이 설치된 내부 공간, microwave-driven region)으로부터 이격되어 500℃ 이상의 온도를 갖는 영역에 추가 산소가스를 별도로 주입하면, 플라즈마에 의해 생성된 질소산화물 중 NO를 NO3 내지 NO2로 산화시켜 플라즈마 활성수의 플라즈마 활성종의 용존율을 증가시킬 수 있다. 바람직하게는, ONOO-의 생성양을 증가시킬 수 있다.
도 1은 종래의 마이크로 웨이브 플라즈마를 이용한 플라즈마 활성수의 제조장치의 개략도로서, 도 1을 참고하면, 기존 사용하는 마이크로웨이브 플라즈마의 경우에는 공기를 사용하여 질소와 산소를 분해하여 퍼옥시나이트를 포함한 다양한 질소산화물, 음이온 화합물, 라디칼 등을 생성하게 된다.
라디칼 및 몇몇 음이온 등은 수십 초 혹은 수십 분 만에 사라진다. 질소산화물 NO-의 경우 물에 용해도가 낮아 물에 잘 녹지 않으며, NO2 -의 경우 산화과정을 통하여 ONOO-로 전환된다. 하지만 많은 양의 플라즈마 에너지가 ONOO-로 전환되지 않고 다른 형태의 물질로 생성되어 효율적으로 ONOO- 생산이 어려운 문제가 있었다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 활성수의 제조장치의 개략도로서, 일반적으로 산소와 질소를 주입하여 발생하는 마이크로웨이브 플라즈마의 경우 질소산화물 등을 포함한 다양한 플라즈마 물질이 발생하여 ONOO-의 경우 소량 발생하게 된다.
이러한 플라즈마로부터 여러 효능을 가진 활성화된 ONOO-의 생산을 최적화하기 위하여 주입되는 공기에 대해 산소 가스와 질소 가스의 함량을 측정한 후, 이로부터 두 가스의 비율을 계상한 후, 추가 산소 가스를 산소 가스 발생부를 통하여 일정 농도로 플라즈마에 주입하여 산소 가스와 질소 가스의 비율을 최적화하여 플라즈마를 통해 최적의 ONOO-를 생산하는 것을 특징으로 한다.
도 3은 질소 기체와 산소 기체의 비율에 따라 발생되는 질소산화물의 발생량을 나타낸 그래프로서, 보통의 공기 중 질소 가스와 산소 가스는 3:1의 비율로 구성되어 있다. 공기 중의 질소 가스와 산소 가스를 그대로 이용하면, 공기 중의 산소 가스의 비율이 적어서 ONOO-가 많이 형성되지 못하고 다량의 다른 질소산화물이 생성된다.
따라서, 높은 비율로 ONOO-를 생성하고자 할 때 공기 중의 부족한 산소 가스의 비율을 외부 산소 가스 발생기를 통하여 주입하도록 하여, 추가 산소 가스를 공기와 함께 주입하면 플라즈마의 고열에 의하여 분자가 분해된 후 재조합 되면서 ONOO-로 형성되는 비율이 증가한다. 이러한 ONOO-는 안정한 형태로 물속에서 오랜 시간 존재가 가능하다.
도 3에서 플라즈마 활성종 형태의 질소산화물을 가장 많은 양으로 생성할 수 있는 질소와 산소의 주입비율은 1:3으로, 최종 반응 가스에서 질소와 산소 원자의 비율을 의미한다. 즉, 공기 중의 질소 가스와 산소 가스 및 산소 발생기를 이용하여 추가로 주입된 추가 산소 가스가 모두 혼합된 반응 가스에서의 질소 원자와 산소 원자의 비율이자, 질소 가스와 산소 가스의 부피 비율을 의미한다.
본 발명에서는, 추가 산소 가스를 공기에 포함되어 있는 산소 가스의 8배 이상의 주입하여 최종 반응 가스의 질소 가스와 산소 가스가 1:3을 이루도록 추가 산소 가스 공급을 수행함으로써, 질소산화물 중 활성종, 즉, 퍼옥시나이트라이트(ONOO-)의 수득량을 크게 향상시킬 수 있다.
도 4는 종래의 마이크로 웨이브 플라즈마를 이용한 플라즈마 활성수의 제조방법에 따라 제조되는 퍼옥시나이트라이트의 발생량(도 4의 Plasma)과, 본 발명에 따른 플라즈마 활성수의 제조방법에 따라 제조되는 퍼옥시나이트라이트의 발생량(도 4의 Plasma+산소발생기+질소산화물 변환기)을 비교한 그래프이고, 도 5는 종래의 마이크로 웨이브 플라즈마를 이용한 플라즈마 활성수의 제조방법에서 오존 발생장치의 전력에 따른 퍼옥시나이트라이트의 변화량을 비교한 그래프이다.
도 4 및 5를 참고하면, 마이크로웨이브 플라즈마에 공기만 주입하였을 때에는 계상해 보았다. 공기만 주입되었을 때, 비율 상으로 1개의 NO2나 2개의 NO가 생성이 가능하다. 하지만 ONOO-는 만들어지기 어려운 형태이다.
이러한 공기를 반복적으로 주입하게 된다면 다량의 NO, NO2가 만들어지며, 일부 소량의 ONOO-가 생성된다. 게다가 NO의 경우 물에 녹지 않고 가스로 대부분 존재하다가 제거되어 ONOO-로의 재합성이 어려우므로, 시간 대비, 공정 대비 ONOO-의 수득량이 많지 않은 문제가 있는 바, 본 발명에서는 이러한 문제를 미연에 방지하기 위해, ONOO-의 수득 비율을 높일 수 있는 최적의 질소 가스와 산소 가스의 비율을 맞추기 위해, 추가 산소 가스를 공급하는 산소 가스 발생부를 더 구비하도록 구성될 수 있다.
도 5에서는 플라즈마 발생 시 생성되는 다양한 질소화합물을, 목표하는 ONOO-로 변환시키기 위한 질소산화물 변환기를 장착한 상태에서 2000 ppm 이상의 ONOO-를 형성할 수 있음을 확인할 수 있다.
본 발명에 따른 플라즈마 활성수 제조 시스템은 상기 플라즈마 발생부에 연결되어 플라즈마 발생부에서 생성된 질소산화물을 배출하는 배출부를 포함한다. 이는 생성물이 플라즈마 발생부로부터 배출되도록 하고, 역류하는 것을 방지할 수 있도록 밸브를 구비할 수 있다.
상기 질소산화물 배출부를 통해서는, 퍼옥시나이트라이트와 같은 플라즈마 활성종 외에 NO, NO2 등의 다양한 질소산화물이 질소산화물 냉각부로 이동된다.
상기 질소산화물 냉각부는 이중관으로 구성되어 내부에 질소산화물이 채워진 상태에서 외부와 내부의 관 사이 공간에 물을 유동시켜 냉각시키는 수냉각 구조를 채용할 수 있다.
또한, 상기 질소산화물 냉각부는 열교환기를 포함하여 플라즈마 발생부에서 형성된 질소산화물을 냉각시킨다. 가스의 특성 상 용존 반응을 위해 냉각이 필요하며, 질소산화물 변환기에서 오존과 질소산화물을 반응시킬 때, 오존이 열에 의해 분해되는 것을 방지하기 위함이다.
상기 질소산화물 냉각부에 연결된 질소산화물 변환부는 질소산화물 중에서 플라즈마 활성종이 아닌 질소산화물을 오존과 반응시켜 물에 대한 용해도가 높은 플라즈마 활성종으로 변환시킨다.
<질소산화물 변환 반응>
NO+O3 → NO3 (ONOO-)+O-
NO2 +O- → NO3 (ONOO-)
NO+O2 → NO3 (ONOO-)
NO2 + O3 → NO3(ONOO-)+ O2
이에 따라, 상기 질소산화물 변환부는, 오존 발생부를 더 포함하여, 질소산화물과 오존을 반응시킨다. 오존은 열에 의해 빠르게 분해되므로, 냉각된 질소산화물에 오존을 공급하고, 질소산화물과 오존은 난류(Turbulent flow)를 형성할 수 있는 수단에 의해 믹싱될 수 있다.
상기 식에서 일산화질소와 오존은 이론 상 1:1의 몰비율로 반응하지만, 실험적으로는 1:1.2의 몰비율로 반응시키는 것이 반응 속도, 시간 측면에서 바람직하다. 반응 후의 잔류 오존은 가열방식이나 오존 분해 촉매에 의해 제거될 수 있다.
이와 같이, 플라즈마 활성종 형성 시, 공기만 주입하게 되면 ONOO- 생성이 비효율적으로 낮게 생성되지만, 추가 산소와 오존을 투입함으로써 ONOO-의 생산량을 80~90% 가량 증대시킬 수 있다.
상기 질소산화물 변환부에 연결된 플라즈마 활성종 용존 반응부에서는 변환된 플라즈마 활성종을 물에 녹여 플라즈마 활성수로 제조하는 단계이다. 상기 플라즈마 활성종 용존 반응부에서는 미세 버블 형성부 및/또는 압력 조절부를 포함하여, 미세 버블에 의해 물과 플라즈마 활성종의 비표면적을 증가시켜, 용존량을 증가시키고, 압력 조절부에 의하여 내부 압력을 조절하여 용존량을 증가시킬 수 있다.
본 발명은 살균 및 항균 기능을 갖는 플라즈마 활성수를 제조할뿐만 아니라, 창상 및 염증완화능 플라즈마 활성수의 다른 기능에 맞추어 생산 가능하도록 산소 발생기와 오존 발생부에 밸브를 구비하여 플라즈마 활성종의 농도 및 플라즈마 활성종의 비율을 조절할 수 있다.
상기 플라즈마 활성종 용존 반응부를 거쳐, 플라즈마 활성수를 제조한 후에는, 미반응 가스를 제거하는 과정을 거쳐, 플라즈마 활성수를 최종 수득한다. 목표한 농도로 생산한 플라즈마 활성수를 장기간 저장하기 위하여 저온 보관 혹은 초저온 보관장소에 보관하여 얼음상태로 보관하여 사용할 수 있다.
본 발명은 또한, 플라즈마 활성수의 제조방법으로서, a) 공기 및 산소 가스를 중공형 관으로 주입하는 단계, b) 상기 중공형 관 내부로 마이크로 웨이브를 조사하여 질소산화물을 제조하는 단계, c) 생성된 질소산화물을 냉각시키는 단계, d) 상기 c) 단계의 질소산화물 중 퍼옥시나이트라이트를 제외한 질소산화물을 플라즈마 활성종으로 변환시키는 단계 및 e) 상기 플라즈마 활성종을 물에 녹여 용존수를 제조하는 단계를 포함하는 플라즈마 활성수 제조방법을 제공한다.
먼저, a) 단계에서 공기와 산소 가스를 중공형 관의 내부로 주입한다. 이 때, 주입되는 산소 가스의 양은 공기로부터 질소 가스와 산소 가스의 비율을 측정하고, 이로부터 산출된 추가 산소 가스의 양만큼 주입된다.
보다 상세하게는, 상기 a) 단계는 공기와 산소 가스의 총량을 기준으로, 질소와 산소의 부피 비율이 1: 2 내지 4가 되도록 산소 가스를 주입하는 것일 수 있다.
b) 단계에서는 상기 공기와 산소 가스, 즉, 반응 가스가 중공형 관의 내부에 주입된 상태에서 마이크로 웨이브를 조사하여 질소산화물을 형성하는 단계이다. 이 때, 질소산화물 중 일부는 플라즈마 활성종으로 형성되며, 공기로부터 도출된 질소 가스와 산소 가스의 비율에 따라 추가된 산소 가스를 함께 주입하여 반응시킴으로써, 플라즈마 활성종의 수득량을 극대화할 수 있다.
상기 c) 단계에서는 생성된 질소산화물을 냉각시킨 후, 퍼옥시나이트라이트 외의 질소산화물을 퍼옥시나이트라이트로 변환시키는 단계를 수행하여, 퍼옥시나이트라이트의 수득량을 더욱 높인다.
보다 상세하게는, d) 단계는 오존 가스를 공급하여 ONOO-로 변환시키는 것일 수 있다.
해당 과정을 거친 후에는, e) 이를 물에 녹여 용존수로 제조함으로써, 플라즈마 활성수로 제조한다.
상기 e) 단계 후, 미반응 가스를 제거하는 단계를 더 포함하여, 최종 플라즈마 활성수를 제조 과정이 완료된다.
상기 미반응 가스를 제거하는 단계는, 우레아를 이용하여 퍼옥시나이트라이트 외의 질소산화물을 제거하는 것일 수 있다.
<미반응 가스 제거 반응>
CO(NH2)2 + H2O → CO2 + 2NH3
4NH3 + 4NO + O2 → 4N2 + 6H2O
4NH3 + 2NO + 2NO2 → 4N2 + 6H2O
2NH3 + 2NO2 → N2 + NH4NO3 + H2O
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 플라즈마 활성수의 성분 분석 결과이다.
마이크로웨이브 플라즈마의 주요 성분을 찾고자 플라즈마에 의해 생성 가능한 다양한 물질들을 확인하였다.
마이크로웨이브 플라즈마의 경우 여러 질소산화물이 생산된다. 이러한 질소산화물은 NO, NO2 -, NO3 -, ONOO-로 알려져 있다.
이러한 질소산화물 중에서 NO의 용해도는 약 56 mg/L로 매우 낮아 액체에 용해시키기가 어려움이 있다. 반면 NO2의 용해도는 가수분해되어 액체에 쉽게 용해되어 다량의 NO2가 물에 존재한다.
상기 성분 분석 결과를 참고하면, 본 발명에 따라 제조된 플라즈마 활성수에서 지표 성분이 NO3라는 것을 IC-MS를 통하여 확인하였다. 이러한 NO3의 농도는 1000 ppm이상 존재하는 것을 확인하였다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 플라즈마 활성수의 살균력 확인 실험 결과를 나타낸 사진이다.
본 발명의 플라즈마 활성종인 ONOO-는 NO3의 이성질체로 성질이 서로 전혀 다르다. 마이크로웨이브에서 생성된 플라즈마 활성수에 대해 IC-MS를 통하여 플라즈마 활성종인 ONOO-라는 것을 확인하였다. 이러한 성분을 확인하기 위하여 질소산화물을 포함하여 효능을 확인해 본 결과 NO, NO2 -, NO3는 플라즈마 활성수와 같이 살균, 항균 등의 효능이 나타나지 않는 것을 확인하였다. KNO3와 NaNO3 모두 플라즈마 활성종 (ONOO-)의 농도보다 높은 상태에서도 황색포도상구균의 살균력에는 영향을 주지 않는다는 것을 통하여 화학적으로 안정화된 NO3와는 다른 형태인 ONOO-라는 것을 추측할 수 있었다.
플라즈마 활성수의 유효성분을 확인하기 위하여 여러 NO3의 농도를 증가시켜 확인해 보았을 때도 NO3의 농도가 높아도 플라즈마 활성수와 같은 효능이 나타나지 않는 것을 확인하였다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 플라즈마 활성수의 플라즈마 활성종 확인을 위한 스캐빈저 살균 테스트를 나타낸 사진이다.
NO3와 이성질체인 ONOO-의 효능을 확인하고자 ONOO-의 억제제인 MnTBAP를 사용하여 살균력을 확인하였다. MnTBAP에 의하여 ONOO-의 살균력이 현저히 감소되는 것을 확인하였는 바, 플라즈마 활성수의 주요 성분이 NO3가 아니라 NO3의 이성질체인 ONOO-라는 것을 확인하였다.
이와 같이, 본 발명에 따른 플라즈마 활성수 제조 시스템을 이용하여, 살균, 항균 효능이 뛰어나며, 플라즈마 활성종의 함량이 높은 용존수를 제조할 수 있음을 확인할 수 있다.
Claims (9)
- 마이크로웨이브 플라즈마 발생부, 상기 마이크로웨이브 플라즈마 발생부와 연결된 질소산화물 배출부, 상기 질소산화물 배출부와 연결된 질소산화물 냉각부, 상기 질소산화물 냉각부에 연결된 질소산화물 변환부, 및 상기 질소산화물 변환부에 연결된 플라즈마 활성종 용존 반응부를 포함하고,
상기 마이크로웨이브 플라즈마 발생부는 공기 및 산소 가스가 주입되며,
상기 마이크로웨이브 플라즈마 발생부는 산소 가스 발생부를 더 포함하고,
상기 산소 가스 발생부는 상기 마이크로웨이브 플라즈마 발생부 내의 질소가스와 산소가스의 비율이 1: 2 내지 4가 되도록 산소 가스를 주입하는 것이고,
상기 플라즈마 활성종은 퍼옥시나이트라이트(ONOO-)이며,
상기 질소산화물 변환부는 오존 발생부를 포함하는,
마이크로웨이브 플라즈마를 이용한 플라즈마 활성수 제조 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 마이크로웨이브 플라즈마 발생부는 TE20 모드 마이크로 웨이브 플라즈마 토치를 이용한 것인 플라즈마 활성수 제조 시스템.
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 질소산화물 냉각부는 열교환기를 포함하고,
상기 플라즈마 활성종 용존 반응부는 미세 버블 형성부 및/또는 압력 조절부를 포함하는 것인,
플라즈마 활성수 제조 시스템.
- 플라즈마 활성수의 제조방법으로서,
a) 공기 및 산소 가스를 중공형 관으로 주입하는 단계;
b) 상기 중공형 관 내부로 마이크로 웨이브 플라즈마를 조사하여 질소산화물을 제조하는 단계;
c) 생성된 질소산화물을 냉각시키는 단계;
d) 상기 c) 단계의 질소산화물 중 퍼옥시나이트라이트(ONOO-)를 제외한 질소산화물을 퍼옥시나이트라이트로 변환시키는 단계; 및
e) 상기 퍼옥시나이트라이트를 물에 녹여 용존수를 제조하는 단계;
를 포함하고,
상기 d) 단계는 오존 가스를 공급하여 퍼옥시나이트라이트로 변환시키는 것이며,
상기 a) 단계는 공기와 산소 가스의 총량을 기준으로, 질소가스와 산소가스의 부피 비율이 1: 2 내지 4가 되도록 산소 가스를 주입하는 것인,
플라즈마 활성수 제조방법.
- 삭제
- 삭제
- 제5항에 있어서,
상기 e) 단계 후, 미반응 가스를 제거하는 단계를 더 포함하는 플라즈마 활성수 제조방법.
- 제8항에 있어서,
상기 미반응 가스를 제거하는 단계는 우레아를 이용하여 퍼옥시나이트라이트 외의 질소산화물을 제거하는 것인 플라즈마 활성수 제조방법.
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| KR101480096B1 (ko) | 2014-03-17 | 2015-01-07 | 한국기초과학지원연구원 | 고압 전자파 플라즈마 토치를 이용한 반응 장치 및 이를 이용한 질소산화물생산 |
| KR101548603B1 (ko) * | 2014-12-01 | 2015-08-31 | 한국기초과학지원연구원 | 고압 전자파 플라즈마 토치를 이용한 반응 장치 및 이를 이용한 질소산화물생산 |
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2022
- 2022-12-14 KR KR1020220175004A patent/KR102548895B1/ko active IP Right Grant
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