KR102672659B1 - 뇌 임펄스를 이용한 선박 평형수 처리장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 선박에 수중 플라즈마 압력파 공급 노즐을 설치하여 입항하는 선박이 선박 평형수를 배출하는 구간에서 이 장치를 구동시킴에 의해 출항지에서 싣는 선박 평형수 중에 서식하는 어패류, 수중생물, 및 미생물을 사멸시킴으로서 도착지에 버려지는 선박 평형수에 의해 도착지의 해양 생태계가 교란되는 것을 방지한 뇌 임펄스를 이용한 선박 평형수 처리장치에 관한 것으로,
선박의 평형수 탱크 내부에 저장된 평형수를 배출하는 평형수배출관(10);
상기 평형수배출관을 통해 배출되는 평형수에 압축공기를 공급하는 압축공기공급관(20);
상기 압축공기공급관의 배출단부에 설치된 공급노즐(30);
상기 압축공기공급관으로 공급되는 압축공기에 압력파를 공급하는 플라즈마발생기(40)를 포함하여 구성되어, 압축공기를 공급하고 고주파 고전압을 인가하여 수중 내로 보내면 공기가 전기적 자극을 띠게 되는 동시에 수중에 에어 포켓을 만들고, 에어포켓 속에 플라즈마를 공급하면 뇌 임펄스 파형과 링 웨이브 진동 파형을 연속 가하게 되어 공기 절연파괴와 동시에 강력한 폭발로 수중 압력파를 일으켜 어패류 및 수중생물과 미생물을 멸균 또는 탄화시키는 것을 특징으로 하는 뇌 임펄스를 이용한 선박 평형수 처리장치에 관한 것이다.

Description

뇌 임펄스를 이용한 선박 평형수 처리장치{Ballast water treatment device using lightning impulse}

본 발명은 선박 평형수 처리장치에 관한 것으로 상세하게는 선박에 수중 플라즈마 압력파 공급 노즐을 설치하여 입항하는 선박이 선박 평형수를 배출하는 구간에서 이 장치를 구동시킴에 의해 출항지에서 싣는 선박 평형수 중에 서식하는 어패류, 수중생물, 및 미생물을 사멸시킴으로서 도착지에 버려지는 선박 평형수에 의해 도착지의 해양 생태계가 교란되는 것을 방지한 뇌 임펄스를 이용한 선박 평형수 처리장치에 관한 것이다.

선박 평형수(ballast water)는 선박 운항 시 평형을 유지하고 최적의 속도와 효율을 내기 위해 선박 내 탱크에 싣는 바닷물이다.

평형수는 선박으로부터 화물을 하역하거나 여객이 내리는 항만이나 부근 해역에서 주입이 이루어지고, 도착지에서 다시 화물을 싣거나 여객이 탐승할 때 배출한다.

이러한 평형수는 주입한 장소에서 서식하던 다양한 종류의 해양생물을 비롯한 미생물과 오염원이 선박의 운항에 따라 장거리를 이동한 후 다른 지역 또는 제3국에서 배출됨에 따라 배출된 지역의 생태계를 교란하거나 또는 오염원이 확산되는 문제가 있다.

이에 평형수에 의해 해양이 오염되는 것을 방지하기 위해 선박 평형수 처리는 국제해사기구(IMO)가 작성한 협약으로 규제하고 있다.

국제해사기구는 2004년 ‘선박 밸러스트수 규정’을 도입하여 선박 평형수 내의 해양생물을 사멸시키는 장치를 의무적으로 갖추도록 하였으며 2009년부터 탱크 용량 5천㎥ 이하인 기존 선박과 신조 선박은 공해상에서 밸러스트수를 교환하여 입항하거나 정화 장치를 설치해야 하고 2024년까지 정화 장치를 모든 선박에 의무적으로 부착하도록 하고 있다.

선박 평형수 처리 기술의 종류 및 장단점을 살펴보면 평형수는 유입상태에 따라 침전물, 생물 종, 오염정도, 해수, 담수, 기수(바닷물과 민물이 섞여 염분이 적은 물이 있는 지역, blackish water) 등에 대한 여러 특성이 있으며, 평형수 탱크의 부식, 침전물, 열원, 태양광선의 작용 등에 의해 예측할 수 없는 상태가 되어, 처리 방법을 선택할 때는 살균 요구량, 잔존 접촉시간, HOLDING TIME, 부식, 온도 등의 특성을 고려해줘야 한다.

기존의 선박 평형수 처리에는 몇 가지 방식이 있으나 표 1과 같이 설비비의 과다소요, 유지관리비용 증가, 관리의 어려움 및 2차 환경문제 유발 우려, 기술적 결함 등 단점도 많이 내포하고 있어 이에 대한 개량기술이 필요하다.

이에 다양한 평형수 처리 기술이 개발되고 있고, 그 예로 특허문헌 1 내지 4가 있다.

특허문헌 1은 선박의 밸러스트 탱크에 연결된 해수를 유입 안내하는 취수 파이프에 연결 구비되어 해수에 포함된 해양생물과 오염물을 자외선을 이용하여 살균 처리하는 자외선 살균장치를 구비한 자외선 살균램프 자동세척형 선박평형수 처리장치에 있어서, 자외선 살균장치는, 취수 파이프에 연결되어 해수를 공급받아 배출하도록 입구와 출구가 각각 형성된 내부가 빈 관형상의 안내관과 안내관의 내부에 길이 방향으로 설치되는 것으로 외부로부터 전원을 공급받아 점등되는 자외선 램프 자외선 램프의 외면을 일측이 감싸도록 구비된 상태에서 구동부에 의해 전·후 이동하는 것에 의해 자외선 램프의 외면에 형성된 스케일을 제거하는 램프 브러쉬로 구성되고, 취수 파이프는 해수에 포함된 해양생물과 오염물을 여과하여 안내관으로 이송되게 하는 필터장치를 포함하되, 필터장치는 취수 파이프에 연결되어 해수를 유입 공급하는 요소로 해수가 내부로 유입되게 복수의 입수구가 형성된 유도커버와 유도커버의 내부에 삽입 수용될 수 있게 구비되는 것으로 입수구를 통과한 해수에 섞여 있는 해양생물과 오염물을 걸러내어 그 내부로 통과시키는 필터유닛을 더 포함하여 구성되는 자외선 살균램프 자동세척형 선박평형수 처리장치이고,

특허문헌 2는 선박 내로 유입되는 해양수의 유량을 조절하는 유량조절단계; 해양수에 소용돌이를 가하고 소용돌이에 의하여 해양수에 포함된 생물성 오염물질을 제거하는 1차 오염물질 제거단계; 하나 이상의 여과필터를 이용하여 입자의 크기에 따라 오염물질을 여과할 수 있는 여과막 필터단계; 1차 오염물질 제거단계를 거친 해양수를 다층으로 형성된 복층필터에 통과시켜 해양수에 남아있는 생물성 오염물질을 제거하는 2차 오염물질 제거단계; 해양수에 포함된 오염물질의 입자 크기를 측정하여 측정된 입자크기가 기준치를 초과하는 경우 해양수를 다시 2차 오염물질 제거 단계를 거치도록 하고, 측정된 입자크기가 기준치를 초과하지 않는 경우 해양수를 평형수 저장탱크에 주입하도록 제어하는 센서제어단계; 및 센서제어단계를 거친 해양수를 선박 평형수 저장탱크에 채우는 평형수 저장단계를 포함하며, 복층필터의 각각의 층은 입자 크기가 상이한 자갈 또는 모래가 여과수단으로 채워지고, 각각의 층에 채워진 자갈 또는 모래의 평균입자 크기가 순차적으로 감소하는 선박 평형수에 의한 외래 생물성 오염물질 유입방지방법이고,

특허문헌 3은 평형수 주요 관로, 평형수 분기 관로, 평형수 주요 관로에 위치한 필터 및 평형수 분기 관로에 위치한 전기분해 유닛을 포함하고, 선박 평형수 처리 시스템의 일부 해수를 인입하여 필터로 필터링을 거친 후 평형수 분기 관로와 전기분해 유닛으로 유입시키며, 전기분해 유닛의 전기분해를 거친 후의 해수는 평형수 분기 관로를 거쳐 평형수 주요 관로에 재주입하는 온라인으로 오염을 방지할 수 있는 선박 평형수 처리 시스템에 있어서, 선박 평형수 처리 시스템은 약물 주입 관로와 약물 주입 관로에 위치한 약물 주입 펌프를 더 포함하고, 전기분해 유닛의 전기분해를 거친 후의 일부 해수는 밸러스팅 과정이 완료된 후 약물 주입 펌프와 약물 주입 관로를 거쳐 필터에 재주입되며, 필터에서 일정한 시간 동안 유지되되, 평형수 분기 관로의 전기분해 유닛의 하류에는 수소 이탈 탱크가 설치되고, 전기분해 유닛의 전기분해를 거친 후의 해수는 수소 이탈 탱크를 거쳐 수소가 이탈된 후 다른 약물 주입 펌프의 작용하에서 평형수 주요 관로에 주입되며, 수소 이탈 탱크의 상부 중앙에는 분무 헤드가 설치되고, 수소 이탈 탱크의 중부와 저부에는 난류 모듈이 설치되고, 약물 주입 관로는 평형수 주요 관로와 필터의 오물 배출구 사이에 설치되고, 평형수 주요 관로와 약물 주입 관로의 연결점은 평형수 분기 관로의 출구와 평형수 주요 관로의 연결점의 하류에 위치하는 온라인으로 오염을 방지할 수 있는 선박 평형수 처리 시스템이며,

특허문헌 4는 이산화티탄과 산화텅스텐을 혼합한 광촉매복합체를 선박의 평형수에 혼합시키고, 광촉매복합체가 혼합된 평형수에 자외선을 조사하여 선박의 평형수를 살균처리 하는 광촉매복합체를 이용한 선박 평형수 처리방법이다.

이와 같이 다양한 평형수 처리 기술이 개발되어 있다.

즉, 종래의 평형수 처리 기술은 크게 전기분해, 오존살균, 여과 및 자외선 처리, 고전압 펄스 방전 등의 기술이 사용되고 있고, 전기분해 기술은 일정 크기 이상 미생물은 막 여과기로 처리한 후 작은 미생물은 전기분해 장치를 통해 생성된 차아염소나트륨 이용하여 제거하는 방식으로 전력소비량이 적고 바닷물의 탁도와 상관없이 미생물을 살균할 수 있으나, 평형수를 다시 바다에 내보낼 때 염소를 중화시키는 단계 필요하고, 수소와 산소를 생성하여 전극의 사소한 스파크에도 폭발 등 위험 요소 상존하며, 극판 및 선체 부식의 우려가 있고 설비비가 고가인 단점이 있다.

또한 오존살균 방법은 대기 중의 산소를 활성이 높은 오존 가스로 전환시키는 방식으로 오존의 강력한 산화력을 바탕으로 막여과기를 거치지 않고 해양생물 제거가 가능한 장점이 있으나, 오존생성을 위한 다양한 보조 기기 장치 필요로 설비비가 과다소요고, 해수 내의 브롬, 이온 등과 반응하여 소독부산물 발생으로 2차 환경문제 유발 우려가 예상되며, 여과 및 자외선을 이용한 기술은 막 여과기 등 물리적 방법으로 1차로 해양생물을 처리한 후 2차로 자외선 등의 기계적 방법으로 해양생물 제거하는 방식으로 오염물질을 배출하지 않는 장점이 있으나, 막 오염 및 막 교체 비용 발생하고, 해수가 탁할수록 효율이 저하되고, 전기 소모량이 많으며, 생물이 변이 또는 생존이 가능할 수 있어 처리 효과의 지속성이 없는 단점이 있다.

또한 고전압 펄스 방전 기술은 해수 내부에 플라즈마 충격파를 발생시켜 해양생물을 제거하는 방식으로, 화학물질 등을 투입할 필요가 없는 친환경적인 장점이 있으나, 해수 내의 미생물 제거 기초 연구사항만 기술되어 제품 상업화가 어렵고, 선박 평형수의 대용량 처리에는 미흡한 단점이 있다.

대한민국 등록특허 제10-1495726호 대한민국 공개특허 제10-2017-0138217호 대한민국 공개특허 제10-2017-0135960호 대한민국 공개특허 제10-2023-0115556호

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 개발된 것으로, 선박이 장기 운항 중인 대양 환경에서도 처리장치의 기기를 보호하고 운전조건을 초월한 돌발적 상황 및 극한 온도 변화에서도 전기적 작동이 만족시킬 수 있는 뇌 임펄스를 이용한 선박 평형수 처리장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 선박 평형수에서 혼합되어 유입된 어패류 및 수중생물 미생물이 환경문제 유발시키지 않도록 평형수 중의 원하는 않는 생물을 효과적으로 사멸시키고 대용량 선박 평형수 처리가 가능하며, 유지관리가 쉽고 경제성이 있는 뇌 임펄스를 이용한 선박 평형수 처리장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 해결하기 위한 본 발명에 따른 뇌 임펄스를 이용한 선박 평형수 처리장치는 선박의 평형수 탱크 내부에 저장된 평형수를 배출하는 평형수배출관; 상기 평형수배출관을 통해 배출되는 평형수에 압축공기를 공급하는 압축공기공급관; 상기 압축공기공급관의 배출단부에 설치된 공급노즐; 상기 압축공기공급관으로 공급되는 압축공기에 압력파를 공급하는 플라즈마발생기를 포함하여 구성되어, 압축공기를 공급하고 고주파 고전압을 인가하여 수중 내로 보내면 공기가 전기적 자극을 띠게 되는 동시에 수중에 에어 포켓을 만들고, 에어포켓 속에 플라즈마를 공급하면 뇌 임펄스 파형과 링 웨이브 진동 파형을 연속 가하게 되어 공기 절연파괴와 동시에 강력한 폭발로 수중 압력파를 일으켜 어패류 및 수중생물과 미생물을 멸균 또는 탄화시키는 것을 특징으로 한다.

상기 압축공기공급관은 전도성파이프로 구성된 것이 바람직하다.

상기 전도성파이프의 외면에는 전기절연층이 더 설치된 것이 바람직하다.

상기 전기절연층은 전도성파이프의 외부에 코팅된 테프론층, 적어도 평형수배출관의 내부를 통과하는 부분의 테프론층 외부에 적층된 난연고무와 비닐수지로 이루어진 것이 바람직하다.

상기 플라즈마발생기는 세라믹으로 만들어진 고정수단에 의해 압축공기공급관의 중간에 고정 설치되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 뇌 임펄스를 이용한 선박 평형수 처리장치는 수중 플라즈마 압력파 공급 노즐을 설치하여 수중에 낙뢰 수준의 폭발적인 수중 압력파를 발생시키므로 선박 평형수에서 서식하는 어패류 및 수중생물과 미생물을 사멸시킴에 의해환경이 오염되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.

특히 본 발명은 저비용 고효율 장치로서 제품의 상업화가 가능하여 해양 생태계를 보전 및 선박의 안전성 확보는 물론 유지관리의 용이성에 따른 경제적 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 뇌 임펄스를 이용한 선박 평형수 처리장치의 구성도
도 2는 본 발명에 따른 뇌 임펄스를 이용한 선박 평형수 처리장치를 구성하는 노즐의 도면
도 3은 본 발명에 따른 뇌 임펄스를 이용한 선박 평형수 처리장치의 실험예의 사진
도 4는 본 발명에 따른 뇌 임펄스를 이용한 선박 평형수 처리장치의 뇌 임펄스의 파형도
도 5는 본 발명에 따른 뇌 임펄스를 이용한 선박 평형수 처리장치의 링 웨이브 파형도

본 발명은 다양한 변경을 가하여 실시할 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고, 상세한 설명을 통해 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

본 발명은 선박 평형수 중에 서식하는 어패류, 수중생물, 및 미생물을 사멸시킴으로서 도착지에 버려지는 선박 평형수에 의해 도착지의 해양 생태계가 교란되는 것을 방지할 수 있다.

본 발명에 따른 뇌 임펄스를 이용한 선박 평형수 처리장치는 도 1에 도시한 바와 같이, 선박의 평형수 탱크 내부에 저장된 평형수를 배출하는 평형수배출관(10); 상기 평형수배출관을 통해 배출되는 평형수에 압축공기를 공급하는 압축공기공급관(20); 상기 압축공기공급관의 배출단부에 설치된 공급노즐(30); 상기 압축공기공급관으로 공급되는 압축공기에 압력파를 공급하는 플라즈마발생기(40)를 포함하여 구성된다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 선박 평형수 처리장치는 압축공기공급관을 통해 공급되는 압축공기에 고주파 고전압을 인가하여 수중 내로 보내면, 압축공기가 전기적 자극을 띠게 됨과 동시에 수중에 에어 포켓을 만들고, 플라즈마발생기에서 발생된 플라즈마가 에어포켓 속에 공급되면, 뇌(雷) 임펄스 파형과 링 웨이브 진동 파형이 연속으로 가하게 되어 공기 절연파괴와 동시에 강력한 폭발로 수중 압력파를 일으켜 어패류 및 수중생물과 미생물을 멸균 또는 탄화시킨다.

즉, 도 1에 도시한 바와 같이, 평형수배출관의 입구로 유입되어 배출구로 배출되는 평형수는 압축공기공급관의 배출단부에 설치된 공급노즐(30)을 통과하여 배출되고 이 과정에서 공기 절연파괴와 동시에 강력한 폭발로 수중 압력파를 일으켜 어패류 및 수중생물과 미생물을 멸균 또는 탄화시킨다.

상기 압출공기공급관(20)은 전기가 통전할 수 있는 도전체 재질로 고주파 고전압이 접속하고 내부 직경은 5ø 정도인 파이프 구조로서, 그 내부로 압축공기가 통과한다.

상기 공급노즐(30)은 평형수배출관을 통과하는 평형수를 빠른 유속으로 처리하기 위해 수중에서 고압으로 배출하는 기능을 한다.

상기 플라즈마발생기(40)는 전기 에너지의 주 전력으로 구동되어, 6㎸의 뇌 임펄스(도 4 참조)가 발생되고, 연이은 2차 충격에너지로 3㎸ 링 웨이브(도 5 참조)인 진동 충격파가 평형수에 공급되며 이를 반복하여 공급 운영한다.

상기 플라즈마발생기의 주 전력인 뇌 임펄스의 전기적 사양으로 전압의 조건은 전압의 최고치는 6㎸(6,000V)이고, 이 전압을 인가하는 시작점 0㎸에서 중간지역인 3㎸까지 도달하는 상승시간은 1;sec 이내에 수행되어야 하고 최고치인 6㎸까지는 1.5sec에 도달하여야 하고 다시 3㎸까지 하강하는 시간은 50µsec가 유지되어야 한다.

2차 충격에너지는 그 파형이 진동형이며 최고점 전압은 3㎸이고 전압 상승시간은 1µsec이며 감쇠 진동 주파수는 100Khz 이다. 이때 선박 평형수 수중 압력파를 발생시킬 때 장치 내 바닷물의 나트륨(Na) 비중의 영향으로 고유 저항값은 통상 0.5Ω, 전류파는 3㎸로 하고, 압력파를 만들어 낼 때 사용되는 에너지의 주파수는 고주파인 13.56Mhz를 사용하여 각종 전기 에너지 장치의 안정성 및 효율성을 확보하였다.

또한 고주파 고전압 전력 에너지의 효율적인 운영을 위해 철재 외함에 전기적 중성점 접지를 하고, 뇌 임펄스를 공급하는 다수의 유니트와 링 웨이브를 공급하는 다른 다수의 유니트으로 구성하되 전력 생산 대기 시간을 고려하여 3개 유니트를 병렬로 하여 시차 운전 및 자동 방어 운전을 할 수 있도록 하였다.

상기 플라즈마발생기는 접속터미널(41)을 통해 외부로부터 전기를 공급받으며, 고주파 고전압 전류의 누전을 방지하기 위해 세라믹 재질로 제작된 고정수단(40f)에 의해 압축공기공급관의 중간에 고정 설치된다.

상기한 바와 같이, 선박 평형수는 매우 빠른 유속과 많은 양이 연속적으로 관로를 통과함에 따라 수중에 압력파를 가하여 어패류 및 수중생물과 미생물을 파괴하기 위해서는 특별한 전기 에너지가 필요하고, 이를 위해 사용되는 에너지 특수 전기로서 그 전압 파형의 순간적 위력은 낙뢰 수준이고, 이러한 에너지를 사용하기 위해서는 특수 절연과 사용 조건을 만족하여야 하며 이런 등급의 전기를 뇌 임펄스 또는 충격전압이라고 할 수 있고, 사용되는 에너지는 잘못 관리 할 시에는 인명 및 설비의 파괴가 일어날 수 있다.

이에 상기 압축공기공급관(20)은 전도성파이프(21)로 구성하되, 상기 전도성파이프(21)의 외면에는 전기절연층(22)이 더 설치하였다.

상기 전기절연층(22)은 다양하게 변형하여 실시할 수 있으나, 바람직하게는 전도성파이프의 외부에 코팅된 테프론층(22t), 적어도 평형수배출관의 내부를 통과하는 부분의 테프론층 외부에 적층된 난연고무(22r)와 비닐수지(22v)로 이루어지는 것이다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 뇌 임펄스를 이용한 선박 평형수 처리장치를 구성하는 플라즈마발생기를 이용한 실험 결과는 도 3에 도시한 바와 같이, 플라즈마처리 후, 동물성 플랑크톤이 모두 사멸된 것을 확인할 수 있었다.

10: 평형수배출관
20: 압축공기공급관
21: 전도성파이프
22: 전기절연층 22t: 테프론층
22r: 난연고무 22v: 비닐수지
30: 공급노즐 31: 분사구
40: 플라즈마발생기 40f: 고정수단
41: 접속터미널
50: 체결수단

Claims (5)

1. 선박의 평형수 탱크 내부에 저장된 평형수를 배출하는 평형수배출관(10);
   상기 평형수배출관을 통해 배출되는 평형수에 압축공기를 공급하는 압축공기공급관(20);
   상기 압축공기공급관의 배출단부에 설치된 공급노즐(30);
   상기 압축공기공급관으로 공급되는 압축공기에 압력파를 공급하는 플라즈마발생기(40)를 포함하여 구성되어, 압축공기를 공급하고 고주파 고전압을 인가하여 수중 내로 보내면 공기가 전기적 자극을 띠게 되는 동시에 수중에 에어 포켓을 만들고, 에어포켓 속에 플라즈마를 공급하면 뇌 임펄스 파형과 링 웨이브 진동 파형을 연속 가하게 되어 공기 절연파괴와 동시에 강력한 폭발로 수중 압력파를 일으켜 어패류 및 수중생물과 미생물을 멸균 또는 탄화시키되,
   상기 압축공기공급관(20)은 외면에는 전기절연층(22)이 설치된 전도성파이프(21)로 구성되고, 상기 전기절연층(22)은 전도성파이프의 외부에 코팅된 테프론층(22t), 적어도 평형수배출관의 내부를 통과하는 부분의 테프론층 외부에 적층된 난연고무(22r)와 비닐수지(22v)로 이루어지며,
   상기 플라즈마발생기(40)는 세라믹으로 만들어진 고정수단(40f)에 의해 압축공기공급관의 중간에 외부 고정 설치된 선박 평형수 처리장치에 있어서,
   상기 플라즈마발생기(40)는 전기 에너지의 주 전력으로 구동되어, 6㎸의 뇌 임펄스가 발생되고, 연이은 2차 충격에너지로 3㎸ 링 웨이브인 진동 충격파가 평형수에 공급되며 이를 반복하여 공급 운영하는 것을 특징으로 하는 뇌 임펄스를 이용한 선박 평형수 처리장치.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제