KR200309178Y1 - 수중에서 배리어 방전을 이용한 실시간 수 처리장치 - Google Patents

Abstract

본 고안은 수중에 잔존하는 각종 오염물질을 배리어 방전에 의해 제거하는 수 처리장치에 관한 것으로, 세라믹파이프의 내측에는 금속봉을 장착하여 세라믹파이프의 내면과 금속봉 사이에 제1유통부를 형성하고, 상기 세라믹파이프의 외측에 도전성파이프를 씌워 장착하여 세라믹파이프의 외면과 도전성파이프의 내면사이에 제2유통부를 형성하며, 상기 도전성파이프의 외측면에 전원링을 장착하여 상기 제1유통부에 물(水)을 흘러 보내고, 제1유통부를 통과한 물을 제2유통부를 통과시키되, 상기 금속봉의 일측과 상기 전원링에 교류(AC)전원을 인가하여 도전성파이프와 금속봉 사이에 흐르는 물에서 배리어 방전(barrier discharge)을 일으켜 여기서 발생한 각종 생성기(radical: O3, OH, H3O, H3O2 등)를 이용하여 수중의 각종 오염물질을 제거하도록 하는 수중에서 배리어 방전을 이용한 실시간 수 처리장치에 관한 것이다.

Description

수중에서 배리어 방전을 이용한 실시간 수 처리장치 { Real time Water Treatment systems take barrier discharge in the water}

본 고안은 수중에 잔존하는 각종 오염물질을 배리어 방전에 의해 제거하는 수 처리장치에 관한 것이다.

더욱 상세하게는, 세라믹파이프의 내측에는 금속봉을 장착하여 세라믹파이프의 내면과 금속봉 사이에 제1유통부를 형성하고, 상기 세라믹파이프의 외측에 도전성파이프를 씌워 장착하여 세라믹파이프의 외면과 도전성파이프의 내면사이에 제2유통부를 형성하며, 상기 도전성파이프의 외측면에 전원링을 장착하여 상기 제1유통부에 물(水)을 흘러 보내고, 제1유통부를 통과한 물을 제2유통부를 통과시키되, 상기 금속봉의 일측과 상기 전원링에 교류(AC)전원을 인가하여 도전성파이프와 금속봉사이에 흐르는 물에서 배리어 방전(barrier discharge)을 일으켜 여기서 발생한 각종 생성기(radical: O₃, OH, H₃O, H₃O₂등)를 이용하여 수중의 각종 오염물질을 제거하도록 하는 수중에서 배리어 방전을 이용한 실시간 수 처리장치에 관한 것이다.

종래의 물(水)처리 방법에는 필터를 이용하는 여과처리 방법과 약품을 투여해서 처리하는 수 처리 제 이용 방법, 및 오존 발생기를 이용하여 물에 오존을 용존 시켜서 처리하는 방법, 막(membrane)을 이용하는 방법 등이 있다.

상기 다양한 방법 중에서도 수중에 오존을 용존 시켜서 수중의 오염원(박테리아, 미생물, 중금속, 유독물질 등)을 처리하는 방법이 가장 광범위하게 사용되고 있는데, 그 이유로는 오존은 강력한 산화력을 가진 물질로 대부분의 오염원들을 빠른시간 안에 살균하기 때문이다.

오존을 이용하는 기존의 수 처리 방법은 공기 중에서 무성방전(無聲放電) 등을 이용하여 생성시킨 오존을 수중에 용존시키는 방법을 사용하여 왔다.

그러나 오존은 난용성 물질로 물에 잘 녹지 않는 단점이 지적되었다.

또한 용존된 오존은 잔류시간을 가지고 있어 인체에도 악영향을 미칠 수도 있는 것이다. 즉, 실시간으로 흐르는 물을 정수 즉 처리하기 위해서는 물의 온도는 낮추고 압력을 높여(헨리의 법칙)서 확산(diffusing)을 시켜서 수중에 공급 시켜야만 오존이 보다 빠른 시간에 물에 용존되기 때문에 별도의 용존 장치들을 반드시 필요로 하게 된다.

아래 수식은 오존 생성 메커니즘을 나타낸 것이다.

또 다른 수(水)처리 방법으로 제안된 것으로 근래에 들어 전해법을 이용하는 것이 개발되었다.

상기 전해법에 의한 수 처리 방법은 전기분해에 의해 오존을 생성하는 방법으로 백금전극에 전해액으로 황산 또는 염산수용액을 쓰고 있으나, 이는 소비전력이 매우 크고( 56 ~ 67KW ) 고가라는 단점이 지적되었다.

본 고안은 상기와 같은 문제점을 해소할 수 있도록 하는 수중에서 배리어 방전을 이용한 실시간 수 처리장치를 제공하려는 것이다.

본 고안은 종래의 필터에 의해 여과하여 복잡한 구조의 정화장치를 탈피하면서도 보다 신속하고 용이하게 물을 처리할 수 있도록 하는 실시간 수 처리 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 고안의 다른 목적은 수중에서 배리어 방전을 일으키고, 배리어 방전에 의해 산화력이 매우 강한OH-(수산화기)와 활성이 강한H ₃ O+(hydronium ion)와 계면활성 작용이 있는 마이너스 이온인H ₃ O ₂ -(hydroxyl ion)그리고O ₃ (Ozone)등을 생성하고, 이 생성기(radical)가 물속에 활성화 되서 각종 유해물질을 제거하도록 하는 실시간 수 처리 장치를 제공하는데 있다.

본 고안의 또 다른 목적은 생성기(H ₃ O radical)는물속의Fe ₂ O ₃ (산화철)의 부식을 막고(Fe₃O₄) 물로 환원되도록 하고, 수산화기(2.85eV)는 오존(2.07ev) 보다 높은 산화 환원 전위를 갖고 있으므로 유해 물질들을 자기분해( Self-decomposition )를 함으로써 산화분해를 촉진시키며, 산화가 되지 않은 오존 및 수산화기는 서로의 상호 작용에 의하여 2HO₂로 바뀌도록 하여 인체에 유해한 물질을 제거하도록 하는 실시간 수 처리 장치를 제공하는데 있다.

도 1은 본 고안에 따른 실시간 수 처리장치의 구성을 보인 단면도.

도 2는 본 고안에 따른 실시간 수 처리장치에서 주요 요부인 양측 결합

구성을 발췌하여 보인 확대단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

1: 도전성파이프 2: 세라믹파이프 3: 금속봉

4, 5: 하우징 6: 급수튜브 7: 순환튜브

8: 배수튜브 11, 19: 고정너트 12, 14, 16, 18: O링

13, 17: 패킹 15: 전원링 20, 21: 내측관

22, 23, 26, 27 :유통공 24, 25: 플렌지

28, 29, 30, 31: 포트

본 고안의 상기목적들과 특징은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명에 의하여 더욱 명확하게 이해할 수 있을 것이다.

첨부도면 도 1은 본 고안에 따른 실시간 수 처리장치의 구성을 보인 단면도이고, 도 2는 본 고안에 따른 실시간 수 처리장치에서 주요 요부인 양측 결합 구성을 발췌하여 보인 확대단면도이다.

본 고안에 따른 수(水) 처리장치는 세라믹파이프(2)의 내측에는 금속봉(3)을 장착하여 세라믹파이프(2)의 내면과 금속봉(3) 사이에 제1유통부(9)를 형성하고, 상기 세라믹파이프(2)의 외측에 도전성파이프(1)를 씌워 장착하여 세라믹파이프(2)의 외면과 도전성파이프(1)의 내면사이에 제2유통부(10)를 형성하며, 상기 도전성파이프(1)의 외측면에 전원링(15)을 장착하고, 상기 전원링(15)과 상기 금속봉(3)에 교류(AC)전원을 인가하도록 하고, 상기 도전성파이프(1)의 양측 단부에는 하우징(4)(5)을 각각 씌워 장착한 것이다.

상기 도전성파이프(1)는 양 단부에는 방사선 방향으로 다수개의 유통공(26)(27)을 뚫어 형성하고, 재질은 전기가 통하는 도체이면서 비산화재질의 도전성재질로 형성한 것이다.

상기 세라믹파이프(2)는 상기 도전성파이프(1)의 길이와 동일하고, 외경은 상기 도전성파이프(1)의 내경보다 작게 형성하며, 재질은 세라믹재질로 형성한 것이다.

상기 금속봉(3)은 상기 도전성파이프(1)보다 길게 형성하고, 외경은 상기 세라믹파이프(2)의 내경보다 작게 형성하며, 양단부에는 수나사부를 형성한 것이다.

상기 하우징(4)(5)은 일측이 트인 원통형상으로 형/성하되, 내면의 중앙에는 체결공을 형성하고, 원통의 외측에는 복수개의 포트(28)(30)와 포트(29)(31)를 길이방향으로 각각 이격시켜서 형성하며, 상기 외측 원통과 동심으로 내측에 내측관(20)(21)을 형성하되, 내측관(20)(21)의 길이는 상기 포트(28)(30)와 포트(29)(31)사이에 위치하도록 하고, 내측관(20)(21)의 내경은 상기 세라믹파이프(2)의 내경보다 작고, 상기 금속봉(3)의 외경보다 크게 형성하며, 내측관(20)(21)의 단부에는 플렌지(24)(25)를 형성하고, 상기 내측관(20)(21)에는 방사선 방향으로 다수개의 유통공(22)(23)을 뚫어 형성한 것이다.

상기 하우징(4)(5)의 플랜지(24)(25)에는 환형 형상의 패킹(13)(17)을 삽입하되, 패킹(13)(17)의 중심에는 상기 내측관(20)(21)의 직경과 동일한 크기의 유통공을 형성하였다.

상기 패킹(13)(17)의 일측면에는 상기 도전성파이프(1)와 세라믹파이프(2)를 수용하기 위한 자리 홈을 형성하여 주어도 무방하다.

상기 도전성튜브(1)의 외측에는 통상의 도전체 재질의 전원링(15)을 삽입시켜 교류전원의 일측 라인을 연결한 것이다.

이하 결합구성을 설명한다.

도전성파이프(1)의 내경에 세라믹파이프(2)를 삽입하고, 상기 세라믹파이프(2)의 내경에 금속봉(3)을 삽입하며, 금속봉(3)의 양측 수나사부에는 기밀을 유지하도록 하는 O링(12)(18)을 각각 끼워 넣고, 상기 도전성파이프(1)의 외경에는 O링(14)(16)을 양단에 각각 끼워 넣으며, 상기 하우징(4)(5)의 체결공에 수나사부를 삽입시키고, 하우징(4)의 외측으로 돌출된 수나사부에 고정너트(11)(19)체결하여 일체로 장착한 것이다.

상기와 같이 체결하게 되면, 내측관(20)의 내경 및 세라믹파이프(2)의 내경과 금속봉(3)사이에 제1유통부(9)가 형성되고, 상기 세라믹파이프(2)의 외경과 도전성파이프(1)의 내경사이에 제2유통부(10)가 형성되며, O링(14)(16)에 의해 도전성파이프(1)의 외경과 하우징(4)(5)의 외통사이에 기밀이 유지되는 것이다.

또한 패킹(13)(17)에 의해 밀착된 상기 도전성파이프(1)의 양단부와 세라믹파이프(2)의 양단부가 기밀을 유지하게 되는 것이다.

상기 일측의 하우징(4)에 형성한 바깥쪽 포트(28)에는 물(水)을 공급하는 급수튜브(6)를 연결장착하고, 하우징(4)의 내측 포트(29)에는 순환튜브(7)의 일측을 연결장착하며, 상기 타측의 하우징(5)에 형성한 내측 포트(30)에는 배수튜브(8)를 연결장착하고, 하우징(5)의 바깥쪽 포트(31)에는 상기 순환튜브(7)의 타측을 연결 장착한 것이다.

상기 도전성파이프(1)의 외면에 일체로 장착한 전원링(15)과 상기 금속봉(19)의 일측에는 각각 교류(AC)전원의 라인을 연결하여 전원 공급수단(미도시)과 제어기(미도시)의해 조작에 의해 전원을 인가시켜 주는 것이다.

이하 작동관계를 설명한다.

제어기(미도시)의 조작에 의해 전원을 인가시켜주고, 급수튜브(6)를 통하여 물(水)을 공급하면, 공급된 물은 하우징(4)의 포트(28)와 내측관(20)의 유통공(22)을 통하여 제1유통부(9)로 흘러들고, 흘러든 물은 계속 진행하여 타측의 하우징(5)에 형성한 내측관(21)의 유통공(23)과 포트(31)를 통하여 순환튜브(7)쪽으로 흐르게 된다.

순환튜브(7)를 통화여 되돌아오는 순환수(循環水)는 일측의 하우징(4)에 형성한 포트(29)와 도전성파이프(1)의 유통공(26)을 통하여 제2유통부(10)로 흘러들고, 흘러든 물은 계속 진행하여 타측의 하우징(5)에 형성한 유통공(27)과 포트(30)를 통하여 배수튜브(8)로 흘러 배수되는 것이다.

상기와 같이 제1유통부(9) 및 제2유통부(10)에 물이 흐르는 동안에 교류(AC)전원이 인가되면, 도전성파이프(1)와 금속봉(3)사이에서 배리어 방전(barrier discharge)을 수중에서 발생하게 되고, 배리어 방전에 의해 각종 생성기(radical: O₃, OH, H₃O, H₃O₂등)가 생성된다.

상기 배리어 방전에 대하여 좀더 상세하게 설명하면 다음과 같다.

H ₂ O → H ⁺ + OH ^-

H ⁺ + 2O → H ₃ O ⁺

OH ^- + H ₂ O → H ₃ O ₂ ^-

상기 수식은 각 생성기가 발생하는 메커니즘을 보인 것이다.

본 고안에 따른 수 처리장치는 배리어 방전(barrier discharge)을 이용하여 수중에 각종 radical을 생성시켜 수중의 오염원을 빠르게 정화하는 원리를 적용한 것으로, 각종 radical을 생성시키는 원리는 다음과 같은 방전 원리에 기인한다.

유전율이 ε1인 물이 ε2인 고체(세라믹파이프:2)사이를 통과할 때 고체중의 전계 E2라 하면, 물의 전계 E1은 E1=(ε2/ε1)E2 와 같은 관계수식이 성립된다.

일반적으로 물의 절연파괴 전압은 세라믹의 절연파괴 전압보다 상당히 낮으므로 ε1 < ε2이다.

따라서 절연내력이 약한 물에 강한 전계가 가해지는 것이 되어 물 쪽이 먼저 절연파괴를 일으키고, 양 전극 사이에 일정한 압을 갖고 물이 움직일 때 교류 고전압을 인가하면 전계와 평행한 방향으로 스트리머(streamer)가 발생한다.

스트리머(streamer)의 전하는 전극에 흘러 들어가지 않으므로 고체(세라믹파이프:2)주변에 축적되는데 이 것을 벽 전하(wall charge)라고 한다.

벽전하가 증가해 물속의 전계가 떨어지면 방전은 그치지만, 다음 반 사이클에서는 전극의 전계와 벽전하의 전계 방향이 일치하므로 용이하게 방전이 일어난다. 즉 한번 방전을 일으키면 그 후에는 낮은 전압에서도 방전을 유지 할 수 있는 것이다.

따라서 전원링(15)과 금속봉(9)에 교류(AC)고전압(高電壓)을 인가하면 세라믹파이프(2)와 금속봉(3)사이에서 분극현상이 발생하고, 상기 설명한 바와 같이 세라믹파이프(2)주위에 벽전하가 발생하며 연속적으로 방전을 하게 되는 것이다.

정화(Purification)의 원리를 좀더 상세히 설명하면 다음과 같다.

수소결합으로 이루어진 적은 에너지로도 분해가 된다. 세라믹파이프(2)와 금속봉(3)사이의 물에 방전이 일어나면 산화력이 매우 강한OH-(수산화기)와 활성이 강한H ₃ O+(hydronium ion)와 계면활성 작용이 있는 마이너스 이온인H ₃ O ₂ -(hydroxylion)그리고O ₃ (Ozone)등이 생성된다.

이 생성기(radical)가 물속에 활성화 되서 각종 유해물질을 제거한다.

특히H ₃ O 생성기(radical)는물속의Fe ₂ O ₃ (산화철)의 부식을 막고(Fe₃O₄) 물로 환원된다.

특히 수산화기(2.85eV)는 오존(2.07ev) 보다 높은 산화 환원 전위를 갖고 있으므로 유해 물질들을 자기분해( Self-decomposition )를 함으로써 산화분해를 촉진시킨다.

산화가 되지 않은 오존 및 수산화기는 서로의 상호 작용에 의하여 2HO2로 바뀌는 것이다.

따라서 수중에서 배리어 방전을 일으키도록 하고, 배리어 방전에 의해 생성되는 생성기에 의해 물(水)을 깨끗하게 처리하는 것이다.

본 고안에서는 구체적인 실시예에 대하여 설명했지만 본 고안의 기술사상범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함을 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 실용신안등록청구범위에 속함은 당연한 것이다.

본 고안에 따른 수 처리장치는 기존의 복잡한 장치를 수반해서 물을 정화시키는 것이 아니라, 배리어 방전의 원리를 이용한 것으로 물이 적절하게 이 곳을 통과하게 하여 기존의 필터방식이나 여타 방법처럼 이 물질을 거르거나 물속에 오존을 용존시키거나 약품을 넣어 전해시키는 시스템이 아니라 필터나 기타 복잡한 장치 없이도 실시간에 완벽하게 이 물질들을 산화시켜 물을 정화시키는 효과적인 수 처리장치인 것이다.

Claims (2)

1. 물(水)을 정화시키는 장치에 있어서,

   양 단부에 방사선방향으로 다수개의 유통공(26)(27)을 형성하고, 외경에 O링(14)(16)을 끼워 넣으며, 외경중간에는 전원링(15)을 구비하고, 재질은 전류가 통하는 비산화재질로 형성하는 도전성파이프(1)와,

   상기 도전성파이프(1)의 내경에 장착하되, 길이는 도전성파이프(1)의 길이와 동일하게 형성하고, 외경은 도전성파이프(1)의 내경보다 작게 형성하며, 재질은 세라믹재질로 형성하는 세라믹파이프(2)와,

   상기 세라믹파이프(2)의 내경에 장착하되, 길이는 상기 도전성파이프(1)보다 길게 형성하고, 직경은 상기 세라믹파이프(2)의 내경보다 작게 형성하며, 양단부에는 수나사부를 형성하고 재질은 금속으로 형성하는 금속봉(3)과,

   상기 도전성파이프(1), 세라믹파이프(2) 및 금속봉(3)의 양측 단부에 밀착되고, 도전성파이프(1)의 외경에 밀착하여 장착하되, 외통에는 금속봉(3)의 길이방향으로 복수개의 포트(28)(30)와 포트(29)(31)를 이격시켜 형성하고, 외통의 내측에는 내측관(20)(21)을 형성하되 내측관(20)(21)의 단부는 상기 포트(28)(30)와 포트(29)(31)사이에 위치하도록 하고, 내측관(20)(21)의 단부에는 외통의 내면까지 닿도록 플렌지(24)(25)를 형성하며, 플렌지(24)(25)에는 내측관(20)(21)의 내경과 동일한 유통공을 형성하는 패킹(13)(17)을 끼워 넣은 하우징(4)(5), 및

   상기 하우징(4)의 도전성파이프(1)가 장착되는 쪽의 포트(29)와 상기 하우징(5)의 도전성파이프(1)가 장착되는 반대쪽의 포트(31)에 연결 장착하는 순환튜브(7)로 구성하여, 일측의 하우징(4)의 외측 포트(28)를 통해 물(水)을 공급하고, 타측 하우징(5)의 내측 포트(30)를 통해 배수하도록 하며, 상기 전원링(15)과 금속봉(3)에 교류(AC)전원을 인가하도록 구성하는 것을 특징으로 하는 수중에서 배리어 방전을 이용한 실시간 수 처리장치.
2. 청구항 1에 있어서, 패킹(13)(17)은,

   도전성파이프(1)와 세라믹파이프(2)가 닿는 면에 도전성파이프(1)와 세라믹파이프(2)의 두께만큼의 자리 홈을 동심원으로 형태로 형성하여서 구성하는 것을 특징으로 하는 수중에서 배리어 방전을 이용한 실시간 수 처리장치.