KR20080032142A - 수 처리 장비 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 오염된 물을 전기응집(electrocoagulation)에 의해 처리하는 휴대용 장비로서, 상기 장비는 적어도 2 개의 전극들(1, 2)을 포함한다. 또한 상기 장비는 상기 적어도 2 개의 전극들(1, 2)을 전기적으로 절연시키고, 상기 적어도 2 개의 전극들(1, 2)이 서로 간격을 두고 고정된 하우징(housing)(4)을 포함한다. 상기 적어도 2 개의 전극들(1, 2)이 오염된 물에 적어도 부분적으로 잠겨지고, 전기적 전위(electrical potential)를 제공받으면, 상기 적어도 2 개의 전극들(2) 중 하나가 희생 전극이 되어, 오염된 물에 이온을 방출하게 된다.
수 처리 장비, 전기응집, 전극, 희생 전극, 오염된 물, 금속 이온, 응집이온, 음극, 양극, 기체 거품, 전도성
Description
본 발명은 일반적으로 수 처리 장비(water treatment apparatus)에 관한 것으로서, 더 특별하게는, 오염된 물을 전기응집(electrocoagulation)에 의해 처리하는 휴대용 장비에 관한 것이다.
본 발명은 근본적으로, 음용 기준에 맞도록 물을 정화시키는 용도로 개발되었으며, 이런 용도를 참조로 기술될 것이다. 그러나 본 발명이 이런 특별한 용도에만 한정되는 것은 아니며, 예컨대 적은 양의 산업 오염수도 배출 기준에 맞도록 정화시키는 용도에도 적합하다.
많은 경우에 있어, 자연적으로 공급되는 물은 흙, 동물 폐기물, 산업 오염물 및 음용수로서 안전하지 못하거나 입맛에 맞지 않게 하는 기타 오염원 등과 같은 오염 물질들을 포함하고 있다. 고립된 지역의 외딴 집단 및 외딴 지역에서의 도보여행자, 여행가, 캠핑하는 자 등이 이러한 경우에 해당 되며, 음용하기에 안전한 물을 완전 공급하는 것은 비용도 많이 들고 부피도 매우 커진다.
또한 인재나 천재에 의해 물공급 그물망이 손상 또는 파괴되어, 비록 이용가능한 물이 충분하더라도, 하수도/정화조의 넘침이나 부패한 유기물 또는 기타 오염 물질에 의해 오염되는 경우도 많이 있다. 이러한 오염된 물을 마시면 콜레라 또는 다른 수많은 수인성 질병을 초래하게 되며, 그렇다고 이러한 물을 마시지 않으면 오히려 탈수에 의해 더 빨리 사망에 이를 수 있다.
상기의 문제들을 다루기 위해 공지의 많은 방책들이 있는데, 염소 정제(chlorine tablets)(물을 살균함), 오염물질을 걸러내는 필터 등이 여기에 포함된다. 그러나 염소(chlorine)의 경우는, 염소가 물에 첨가되면 물맛이 좋지 않아, 대중에 의해 선호 받지 못하며, 염소 정제를 보관하는 것 또한 어려우며, 많은 경우에 있어 쉽게 이용할 수가 없다는 단점이 있다. 또한 많은 비상필터의 경우, 필터가 막힐 때까지 짧은 기간 동안만 사용할 수 있다는 단점이 있으며, 대부분의 오염 물질을 걸러낼 수 있는 재사용 가능한 필터는 값이 비싼 단점이 있다. 또한 필터로는 수은, 납, 비산염(arsenate)과 같은 것들은 걸러낼 수가 없다. 게다가 소위 비상필터로는 매우 작은 흙 입자를 걸러낼 수 없으며, 설사 여과된 물이 대체로 안전하다 하더라도, 마시기에는 물맛이 여전히 좋지 않다.
본 발명의 목적은 상기의 단점들 중 하나 이상을 실질적으로 극복 또는 적어도 개선하고자 하는 것이다.
배경기술을 좀더 살펴보면, 응집(coagulation) 프로세스는 양호한 수처리 결과를 얻기 위해, 산업분야에서 성공적으로 사용되어 왔다. 상기 프로세스에서는, 물을 정화하기 위해 대개 알루미늄 및/또는 철과 같은 3 가의 금속들(trivalent metals)이 사용된다. 이들 이온(ion) 즉, Al+++및 Fe+++각각은 명반(alum)(황산알루미 늄) 또는 염화제이철(ferric chloride)의 형태로 오염된 물에 첨가된다. 상기 금속 이온은 오염물질과 결합하여, 이를 바닥에 가라 앉히거나(침전지), 상부에 뜨게 하여(용해공기 부양)(dissolved air floatation), 물로부터 오염물질을 제거하는 것을 도와주고, 또는 오염물질의 크기를 키워서 필터에 더욱 쉽게 걸러질 수 있게 해준다. 제거 기법에는 관계없이, 상기 이온들은 수 처리 산업 분야에서 널리 사용되고 있다. 한편 물을 화학 처리하는 방법은, 화학 약품이 매우 해롭고 물의 염도를 높여주기 때문에, 종종 현실적이지 못하다.
전기응집(electrocoagulation)으로 알려진 프로세스에서, 상기의 이온들은 전해에 의해 물에 첨가된다. 이 프로세스에서, 희생 전극들이 오염된 물에 놓여지고, 전압이 이들 전극에 가해진다. 이로 인해 전극들 사이에 전류가 흐르게 되고, 양극 금속이 다음 반응을 거쳐 용액에 빠져나온다:
Al - 3 e- = Al+++ ---- (1
Fe - 3 e- = Fe+++ ---- (2
또한 상기 전류에 의해, 전자가 음극으로부터 물로 빠져나오면서, 음극에서 다음과 같은 반응이 일어난다.
2 H2 O - 4 e- = 2 (OH)- + 2 H2 --- (3
상기 반응에 의해 수소 기체가 발생한다.
반응들의 복잡성과 다량의 물을 처리하기 위한 필요 전력 측면에서, 공지의 이런 형식의 시스템은 대용량의 전원 공급기와 연결되어, 일반적으로 하루에 수 입방미터가 되는 다량의 물을 처리하는데 사용된다. 이런 프로세스에서는 관련된 파라미터(parameter)들의 철저한 감시가 필요하며, 그렇지 못할 경우에는 프로세스가 실패로 되어 물이 정화되지 못한다. 이들은 대용량 분야에서는 적합하지만, 적은 양의 1 단계 수 처리나, 자금 조달력이 매우 약한 지역에는 적합하지 않다.
본 발명의 첫째 양상으로, 본 발명은 전기응집(electrocoagulation)에 의해 오염된 물을 처리하는 휴대용 장비를 제공하는데, 상기 장비는;
적어도 2 개의 전극들(at least two electrod);과
상기 적어도 2 개의 전극들로부터 전기적으로 절연되고, 상기 적어도 2 개의 전극들이 서로 간격을 두고 고정된 하우징(housing);을 포함하며,
상기 적어도 2 개의 전극들이, 오염된 물에 적어도 부분적으로 잠겨지고, 전기적 전위(electic potential)를 제공받으면, 상기 적어도 2 개의 전극들 중 하나는 희생 전극이 되어 오염된 물에 이온(ions)을 제공하게 된다.
상기 적어도 2 개의 전극들 중 하나가 오염된 물에 응집용 이온(coagulating ions)을 제공하는 것이 바람직하다.
상기 적어도 2 개의 전극들이 결합된 무게는 약 15 kg 미만이 바람직하며, 더 바람직하게는, 약 5, 2, 1, 또는 0.2 Kg 이다.
상기 전극들은 다음 중 하나로 형성되는 것이 바람직하다:
고형체를 감싼 금속 포일(metal foil wrapped around a solid former);
얇고 굽어진 금속판(plates of thin bent metal);
편평한 금속판(plates of flat metal); 및
원통형의 금속막대(cylindrical metal rods).
상기 적어도 2 개의 전극들의 단면은 다음 중 하나의 단면을 갖는 것이 바람직하다:
타원형;
원형;
장방형;
환상형(annular); 및
밀폐형 또는 거의 밀폐된 형상.
상기 장비는, 상기 적어도 2 개의 전극들에게 전기적 전위(electrical potential)를 제공하기 위한 전원 공급기(power supply)를 더 포함하는 것이 바람직하며, 상기 전원 공급기는 1 내지 100 볼트의 전압을 생성할 수 있는 것이 바람직하다, 더 바람직하게는 2 내지 40 볼트의 전압을, 더욱 바람직하게는 3 내지 15 볼트의 전압을 생성할 수 있는 것이다.
상기 장비는, 상기 적어도 2 개의 전극들에게 상기 전기적 전위를 제공하기 위한 전원 공급기를 더 포함하는 것이 바람직한데, 상기 전원 공급기를 위한 온/오프 컨트롤(on/off control)을 더 포함하는 것이 또한 바람직하다.
일 형태로, 상기 전원 공급기는 직류 전원 공급기이며, 더 바람직하게는, 다음 중 하나를 포함하는 직류 전원 공급기이다:
충전가능한 배터리;
일회용 배터리;
태양전지판;
휴대용 수동 발전기;
풍력 발전기;
화석연료 구동 발전기; 및
본선 전력을 이용하는 직류 전원 공급기(a mains powered DC power supply).
다른 형태로는, 상기 전원 공급기는 변동이 느린 교류 전원 공급기(slowly varing alternating current power supply)이며, 또 다른 형태로는, 상기 전원 공급기는 정류된 교류 전원 공급기(rectified alternating current power supply)이다.
상기 적어도 2 개의 전극들 중 각각은 대략 같은 단면적을 가지며, 대략 평행하게 서로 간격을 두고 떨어져 있는 것이 바람직하다.
상기 장비는, 상기 적어도 2 개의 전극들이 서로 간격을 두고 떨어져 있는 것을 유지하기 위해, 상기 전극들의 말단부 사이에 절연 스페이서(insulating spacer)를 더 포함하는 것이 바람직하다.
일 실시 예에서, 상기 장비는, 실질상으로 평행하게 나란히 간격을 두고 배치된 3 개의 상기 전극들을 포함하며, 3 개의 상기 전극들 중 가장 바깥쪽 2 개의 전극들에 전기적 전위를 제공한다. 다른 실시 예에서, 상기 장비는, 실질상으로 평행하게 나란히 간격을 두고 배치된 3 개의 상기 전극들을 포함하며, 3 개의 상기 전극들 각각에 전기적 전위를 제공하는데, 가장 바깥쪽 2 개의 전극들은 같은 극성을 갖도록 하고 안쪽 전극은 반대 극성을 갖도록 한다.
또 다른 실시 예에서, 상기 장비는, 실질상으로 평행하게 나란히 간격을 두고 배치된 5 개의 상기 전극들을 포함하며, 5 개의 상기 전극들 중 가장 바깥쪽 2 개의 전극들에 전기적 전위를 제공한다. 또 다른 실시 예에서, 상기 장비는, 실질상으로 평행하게 나란히 간격을 두고 배치된 5 개의 상기 전극들을 포함하며, 5 개의 상기 전극들 중 가장 바깥쪽 2 개의 전극들과 중앙에 있는 1 개의 전극에 전기적 전위를 제공한다.
또 다른 실시 예에서, 상기 적어도 2 개의 전극들은, 하나의 실린더(cylinder) 내에 하나의 막대(rod)가 실질상으로 중심이 같게 배치된 형태이다. 또 다른 실시 예에서, 상기 적어도 2 개의 전극들은, 내측 실린더 및 외측 실린더가 실질상으로 중심이 같게 배치되고, 상기 내측 실린더 내에 하나의 막대가 실질상으로 중심이 같게 배치된 형태이며, 상기 막대와 상기 외측 실린더에 전기적 전위를 제공한다. 또 다른 실시 예에서, 상기 적어도 2 개의 전극들은, 내측 실린더 및 외측 실린더가 실질상으로 중심이 같게 배치되고, 상기 내측 실린더 내에 하나의 막대가 실질상으로 중심이 같게 배치된 형태이며, 상기 막대와 상기 내측 실린더 및 외측 실린더에 전기적 전위를 제공한다.
다른 실시 예에서, 상기 적어도 2 개의 전극들은, 제 1 막대와 제 2 막대가 실질상으로 평행하게 간격을 두고 떨어져 배치된 형태이다. 또 다른 실시 예에서, 상기 적어도 2 개의 전극들은, 실질상으로 평행한 4 개의 막대가 종방향 중심축(central longitudinal axis) 주변에 약 90 °각도로 간격을 두고 떨어져 배치된 형태이며, 모든 막대에 전기적 전위를 제공한다.
또 다른 실시 예에서, 상기 적어도 2 개의 전극들은, 4 개의 편평한 판(flat plate)이 서로 마주보는 쌍이 실질상으로 평행하면서, 종방향 중심축 주변에 약 90°각도로 간격을 두고 떨어져 배치된 형태이며, 모든 평판에 전기적 전위를 제공한다. 또 다른 실시 예에서, 상기 적어도 2 개의 전극들은, 1 개의 편평한 판과 2 개의 막대가 실질상으로 평행하게 배치된 형태이며, 상기 평판과 양쪽 막대에 전기적 전위를 제공한다. 또 다른 실시 예에서, 상기 적어도 2 개의 전극들은, 상대적으로 폭넓은 1 개의 편평한 판과, 상대적으로 폭좁은 2 개의 편평한 판이 상기 폭넓은 편평한 판으로부터 서로 평행하게 간격을 두고 떨어져 배치된 형태이며, 상기 2 개의 폭좁은 평판에 전기적 전위를 제공한다.
상기 적어도 2 개의 전극들은 다음 중 하나로 제작되는 것이 바람직하다:
알루미늄;
철;
마그네슘;
구리;
스테인리스 스틸;
백금 코팅된 티타늄; 및
은.
상기 적어도 2 개의 전극들 중 적어도 1 개는 다음 중 2 이상으로 구성될 수 있다:
알루미늄;
철;
마그네슘;
구리;
스테인리스 스틸;
백금 코팅된 티타늄; 및
은.
상기 하우징은 손으로 잡기에 적합한 핸들 형태인 것이 바람직하다.
상기 장비는, 상기 적어도 2 개의 전극들 사이의 전압 감시 회로(voltage monitoring circuit)를 더 포함하는 것이 바람직하다. 상기 전압 감시 회로는 전기적 전위가, 오염된 물에 이온(ion)을 공급하기에 충분한 지를 나타내는 지시계를 포함하는 것이 바람직하다. 일 형태로, 상기 전압 감시 회로는 하우징 내에 있으며, 다른 형태로는, 상기 전압 감시 회로는 하우징 외부에 있다.
일 배치로, 상기 절연된 하우징은 용기(container)의 부분을 형성한다.
본 발명의 둘째 양상으로, 본 발명은 휴대용 장비를 이용하여, 오염된 물을 전기응집에 의해 처리하는 방법을 제공하는데,
상기 장비는:
적어도 2 개의 전극들;과
상기 적어도 2 개의 전극들로부터 전기적으로 절연되고, 상기 적어도 2 개의 전극들이 서로 간격을 두고 고정된 하우징(housing);을 포함하며,
상기 방법은 다음의 단계들을 포함한다:
상기 적어도 2 개의 전극들을 오염된 물에 적어도 부분적으로 잠기게 하는 단계;
상기 적어도 2 개의 전극들 중 적어도 하나는 희생 전극이 되어, 오염된 물에 이온(ions)을 제공하도록, 상기 적어도 2 개의 전극들에 전기적 전위를 제공하는 단계;
오염된 물의 응집 정도를 정하는 단계; 및
상기 정해진 응집을 조정하기 위해, 상기 하우징을 손으로 잡고, 상기 적어도 2 개의 전극들이 오염된 물속에 잠김 정도를 수동으로 조정하는 단계.
적어도 하나의 희생 전극이 오염된 물에 응집용 이온(coagulating ions)을 제공하는 것이 바람직하다.
일 형태로, 상기 오염된 물속의 응집을 정하는 단계에는, 물 표면상에 물질 층(layer of material)이 수 분 내에 형성되기 시작하는지를 관측하기 위해, 상기 적어도 2 개의 전극들 주위의 물을 관찰하는 것과, 만일 상기 물질 층이 형성되지 않으면, 상기 적어도 2 개의 전극들이 오염된 물에 잠김 정도를 줄여주는 것이 포함된다.
다른 형태로, 상기 오염된 물속의 응집을 정하는 단계에는, 상기 적어도 2 개의 전극들 사이의 전압을 감시하는 것과, 만일 상기 전압이 미리 정해진 수준 아래로 떨어지면, 상기 전압이 미리 정해진 수준 이상이 될 때까지, 상기 적어도 2 개의 전극들이 오염된 물에 잠김 정도를 줄여주는 것이 포함된다.
또 다른 형태로, 상기 오염된 물속의 응집을 정하는 단계에는, 전기적 전위공급기의 특성과 함께, 처리될 물의 전도성 범위를 정하는 것과, 응집하기에 충분한 미리 정해진 전압을 유지하기 위해, 상기 적어도 2 개의 전극들이 오염된 물에 잠겨져야 될 면적을 계산하는 것이 포함된다.
본 발명의 셋째 양상으로, 본 발명은 오염된 물을 전기응집에 의해 처리하는 휴대용 장비를 제공하는데, 상기 장비는:
용적(volume)을 형성하는 제 1 전극;
적어도 1 개의 제 2 전극(at least one second electrode);
상기 적어도 1 개의 제 2 전극을 상기 제 1 전극과 접촉하지 않고 상기 용적에 이입할 수 있도록, 상기 제 1 전극을 상기 적어도 1 개의 제 2 전극으로부터 전기적으로 절연시키는 수단;을 포함하며,
상기 적어도 1 개의 제 2 전극이 적어도 부분적으로 잠기게끔, 오염된 물을 상기 용적에 이입하고, 전기적 전위가 상기 제 1 전극과 상기 적어도 1 개의 제 2 전극에 제공될 때, 상기 제 1 전극과 상기 적어도 1 개의 제 2 전극 중 적어도 하나가 희생 전극이 되어, 오염된 물에 이온을 제공하게 된다.
상기 제 1 전극은 상부가 개방된 용기의 형태가 바람직하며, 상기 제 2 전극은, 한쪽 끝에 절연 캡(insulated cap)을 지니고, 반대쪽 끝 또는 근처에는 주변을 절연 시키는 스페이서(insulated peripheral spacer)를 지닌 막대 형태이다. 상기 적어도 1 개의 제 2 전극이 희생 전극이 되는 것이 바람직하다.
본 발명의 넷째 양상으로, 본 발명은 휴대용 장비를 이용하여, 오염된 물을 전기응집에 의해 처리하는 방법을 제공하는데,
상기 장비는:
용적을 형성하는 제 1 전극;
적어도 1 개의 제 2 전극(at least one second electrode); 및
상기 제 1 전극을 상기 적어도 1 개의 제 2 전극으로부터 전기적으로 절연시키는 수단;을 포함하며,
상기 방법은 다음의 단계들을 포함한다:
오염된 물을 상기 용적에 이입하는 단계;
상기 적어도 1 개의 제 2 전극을 오염된 물에 적어도 부분적으로 잠기게 하는 단계;
상기 제 1 전극과 상기 적어도 1 개의 제 2 전극 중 적어도 하나가 희생 전극이 되어 오염된 물에 이온을 제공하도록, 상기 제 1 전극과 상기 적어도 1 개의 제 2 전극에 전기적 전위를 제공하는 단계;
오염된 물의 응집 정도를 정하는 단계; 및
상기 정해진 응집을 조정하기 위해, 상기 적어도 1 개의 제 2 전극이 오염된 물속에 잠김 정도를 수동으로 조정하는 단계.
상기 적어도 1 개의 제 2 전극이 희생 전극이 되는 것이 바람직하다.
본 발명의 추가 양상으로, 본 발명은 일련의 금속 판(plate), 스트립(stripe) 또는 블레이드(blade) (이하 간략히 '판'이라 칭함)를 제공한다. 이들 판들의 길이, 폭, 두께는 편의에 따라 정해질 수 있는데, 이들이 결합된 무게가 일반 사람들이 한 손으로 쉽게 잡고 움직일 수 있는 크기로 하는 것이 바람직하다. 대체로 무게가 15 Kg 미만이면 한 손으로 잡을 수 있다. 그러나 본 장비의 총 무게는 상기 값보다 적으면서, 0.2 Kg 이하나 약 1 Kg, 2 Kg, 5 Kg, 또는 적당하다고 생각되는 임의의 값이 될 수도 있다. 상기 판들의 구조는, 고형체를 둘러싼 금속 포일, 강도를 키우기 위해 구부린 얇은 금속판, 임의 두께의 편평한 판 등, 자신의 강도에 의해 지탱될 수 있는 어떤 형태로도 가능하다. 또한 상기들 판들은 타원형, 원형, 임의의 밀폐형 또는 거의 밀폐된 형상일 수도 있다. 상기 판들의 최소 수량은 2 개인데, 이 중 하나로 금속용기 표면도 가능하며, 2 개를 초과하는 임의의 수량도 가능하다. 상기 판들의 수량은 이용가능한 전압 공급기에 따라 달라진다.
전기응집 프로세스가 작동되기 위해서는, 판으로부터 물로 금속이 이동하기에 충분한 전압이 상기 판들 사이에 제공되어야 한다. 예를 들어 알루미늄이 희생 전극으로 사용된 경우, 상기 반응을 일으키기 위해서는 대체로 최소 2 볼트, 바람직하게는 3 볼트의 전압이 필요하다. 알루미늄 전극과 염화제1수은(calomel) 전극 사이의 전기적 전위차는 단지 +1.55 볼트이지만, 반응이 효과적이기 위해서는 좀더 큰 전압이 필요하다. 실험에 의하면, 최적의 성능을 위해서는 3 내지 4 볼트의 전압이 필요하며, 3 볼트 아래면 반응이 느려지고, 4 볼트를 초과하면, 초과 전압에 의해, 동일한 일을 하기 위한 전력이 증가 된다.
상기 장비의 최소 요구 사항은, 장착되거나 붙들려진 적당한 전극들, 절연된 하우징 또는 조립체(housing or assembly) 및 전압 공급원에 연결될 수 있는 수단의 집합이다.
배터리 또는 변압기/정류기든, 대부분의 전압 공급원은 내부저항(internal resistance)을 지니고 있어, 전극들이 물속에 놓이면, 전류가 흐르게 되고, 전압이 상기 전압 공급원의 정격치 아래로 떨어질 수도 있다. 이러한 현상은 소용량의 휴대용 프로세스가 필요한 경우에 더욱 그러하다. 상기 전극들 사이에 흐르는 전류는 가해진 전압과 물의 전도성에 따라 달라진다. 만일 물의 전도성이 너무 커서 너무 많은 전류가 흐르게 되면, 전압이 떨어져서 프로세스가 제대로 작동되지 않을 것이다. 이러한 형태의 장치에서 적합하다고 여겨지는 물의 전도성은 35 마이크로 지멘스/센티미터 미만에서 2000 마이크로 지멘스/센티미터 이상에서 변하며, 60 보다 더 큰 전도성 범위에 있게 된다. 면적이 고정된 전극에 있어서는, 이런 큰 범주의 전도성을 처리할 수 있는 전원 공급기/전극을 제공하는 것이 항상 가능한 것은 아니다.
연구 결과에 의하면, 만일 전극들이 고정되지 않았다면, 물의 전도성에 따라 삽입되는 면적을 달리하여 만족스런 결과를 얻을 수 있다. 예컨대 오염이 없는 강우림 지역과 같이 물의 전도성이 낮으면, 최대 면적을 제공하게끔, 전극들 전체가 물에 잠겨질 수 있으며, 이렇게 해도 전류의 흐름이 크지 않아, 전압 강하로 인해 반응이 일어나지 않는 일은 없을 것이다. 한편 지하수에 바닷물이 진입된 경우와 같이 전도성이 높아지면, 전극들의 일부분만이 물속에 잠길 필요가 있다. 이로써 전류의 흐름을 제한하여, 최소의 전압을 확실히 유지할 수 있으며, 전기응집 반응을 확실하게 할 수 있다. 그러나 전극들이 고정된 경우에는, 높은 전도성의 물에서는 전류의 흐름이 너무 많아, 전압을 너무 떨어트려 반응의 발생을 막을 수 있다.
예컨대 강우림의 물 또는 습지의 물과 같이 물의 전도성 범위에 의해 물의 종류를 선정함으로써, 전극의 면적과 전원 공급기를 적절히 선택하여, 특정의 전원 공급기와 고정된 전극을 지닌 시스템이 잘 작동되게끔 할 수 있다. 이와 관련하여, 반응이 일어나기에 필요한 최소의 전압을 유지하게끔, 특정 범주의 전도성에 대해 선택된 전압 공급기와 전극의 면적을 고정시키는 것은, 최소 전압을 유지하기 위한 계산이 필요한 만큼, 본 발명의 부분으로 여겨질 것이다. 최소 전압을 유지하는 것은 본 발명의 필수적인 부분이며, 이것 없이는 시스템이 제대로 작동이 안 될 것이다. 가동률이 전압과는 역비례하여 변하지만, 상기 필요한 최소 전압은 1 볼트 미만이 될 수 있다.
또한 배터리 및 전원 공급원 종류에 따라 그들의 내부 저항들이 매우 다양하기 때문에 적당한 전극 면적 및 전압을 규정하는 것이 어려워진다. 예컨대 12 볼트의 자동차 배터리는 내부 임피던스(internal impedance)가 작아서, 큰 전압 강하 없이 상당한 전류를 제공할 수 있다. 그러나 같은 장비에, 자동차 배터리만큼 전류 용량을 제공할 수 없는 12 볼트의 토치 배터리(torch battery)로 전원을 공급하는 것은 본 발명이 작동되기에 부적합할 수도 있다. 전원 공급원의 정격 전압은 같지만 내부 임피던스가 다른 경우, 전극 간의 적당한 최소 전압을 유지하기 위해서 전극 면적 계산이 필요하다는 것이 당업자들에게는 명백하다.
전극 간에는 최소 3 볼트(양호한 범위인 2 볼트 내지 4 볼트의 대표값)의 전압이 필요함을 염두에 두고, 사용될 전극의 수량은 전원 공급기의 유효 전압에 따라 변할 수 있다. 전압 공급원이 3 볼트 내지 6 볼트인 경우, 하나는 양극, 다른 하나는 음극으로 하는 2 개의 판이 바람직할 것이다. 이용가능한 유효전압이 6 볼트 내지 12 볼트인 경우에는 3 개의 판이 바람직할 것이며, 상기 3 개의 판을 일렬로 배치하여 외측 판 1 개는 양극, 다른 외측 판 1 개는 음극, 그리고 중앙 판의 한 면은 음극, 다른 한 면은 양극으로 작용하게 된다.
상기 판들의 한쪽 끝단은 전기적 절연체인 핸들에 지탱되며, 이들은 핸들에 영구적으로 부착되거나 또는 판들이 쉽게 교체될 수 있도록 일시적으로 부착될 수도 있다. 상기 판들의 면간 거리는, 5 mm 내지 10 mm 가 바람직하지만, 1 mm 내지 50 mm 사이에서 임의로 정해질 수 있다. 상기 핸들 끝단에서, 상기 판들의 일부 또는 전부는 전기 도선과 연결되며, 상기 도선은 적합한 전원 공급기에 차례로 연결된다. 작동 중에 상기 판들이 서로 닿지 않게 하기 위해, 상기 판들 사이에 전기 절연체를 임의의 위치에, 바람직하게는 판들의 개방 끝단에, 배치할 수 있다. 이것은 바람직한 사항이지만, 본 발명의 기본 사항은 아니다.
도 1은 수 처리 장비의 제 1 실시 예에 대한 개략적 측면, 정면, 평면도.
도 2는 수 처리 장비의 제 2 실시 예에 대한 개략적 측면, 정면, 평면도.
도 3은 수 처리 장비의 제 3 실시 예에 대한 개략적 측면, 정면, 평면도.
도 4는 수 처리 장비의 제 4 실시 예에 대한 개략적 평면, 측면도.
도 5는 수 처리 장비의 제 5 실시 예에 대한 개략적 평면, 측면도.
도 6은 수 처리 장비의 제 6 실시 예에 대한 개략적 평면, 측면도.
도 7은 수 처리 장비의 제 7 실시 예에 대한 개략적 평면, 측면도.
도 8은 수 처리 장비의 제 8 실시 예에 대한 개략적 평면, 측면도.
도 9는 수 처리 장비의 제 9 실시 예에 대한 개략적 평면, 측면도.
도 10은 수 처리 장비의 제 10 실시 예에 대한 개략적 평면도.
도 11은 수 처리 장비의 제 11 실시 예에 대한 개략적 평면도.
도 12는 수 처리 장비의 제 12 실시 예에 대한 개략적 평면도.
도 13은 수 처리 장비의 제 13 실시 예에 대한 개략적 평면도.
도 14는 수 처리 장비의 제 14 실시 예에 대한 개략적 투시도.
도 15는 수 처리 장비의 제 15 실시 예에 대한 두 종류의 투시도.
도 1 내지 도 8 에서 전기응집에 의한 휴대용 수 처리 장비에 대한 여러가지 가능한 실시 예들이 도시되어 있다. 상기 모든 경우에 있어서, 판 전극들은 한쪽이 절연 조립체(insulating assembly)에 지탱되어 진다. 상기 조립체가 핸들이 되는 것이 바람직하며, 이하 간략히 '핸들'이라고 칭한다. 상기 전극들의 일부 또는 전부에는 전기 결선이 되어 있다. 비록 전극들의 다른 한쪽이 서로 떨어져 있게끔 하는 전기 절연체가 모든 도면에 도시되어 있지만, 만일 상기 전극들이 충분히 단단하여 자체의 강도에 의해 서로 떨어져 있을 수 있는 경우에는, 상기 절연체는 필수 사항이 아니며 필요하지도 않다. 그러나 모든 경우에 있어, 상기 판들이 서로 분리되어 상이한 전위를 유지하게끔, 하나의 구조물에 상기 전극들이 지지되어야 한다. 상기 판들은 직류 전원 공급기 또는 변동이 느린 교류 전원 공급기(slowly varing alternating current power supply)에 연결되어야 하며, 상기 직류 전원 공급기는 다음 중 하나로 구성될 수 있다:
a) 충전 가능한 배터리 또는 일회용 배터리
b) 태양 전지판
c) 휴대용 수동 발전기;
d) 정류된 교류 전원 공급기(rectified alternating current power supply);
e) 전류 용량을 지니고 단극성 전압(uni polar polarity electrical voltage)을 제공하는 기타의 공급원.
전압 정류기(voltage rectifier)는 상기 장비의 핸들에 붙박이로 설치될 수 있으며, 정류된 교류 또는 평탄해진 직류 전압(smoothed DC voltage)을 생성한다. 또한 변압기(transformer)를 상기 핸들에 붙박이로 설치하여, 본선의 교류를 워터 원드(water wand)에 가해 동일하게 바람직한 효과를 얻을 수 있다. 같은 방법으로, 초당 20 사이클 미만의 주파수로 변동하는 전압을 생성하는 회로가 제공될 수 있다. 이것을, 상업적으로 이용가능한 초당 50 사이클 또는 초당 60 사이클의 교류와 구별하기 위해, 변동 전압 직류(varing voltage direct current)라 칭한다. 상기의 모든 변형들은 본 발명의 바람직한 실시 예에 적용 가능할 것이다.
판들 또는 전극들의 배치
판들의 형상 및 배치에 관한 한, 상기 판들은 거의 동일한 면적을 가지면서 대략 평행하게 떨어져 있는 것이 바람직하다. 이로써 전극의 마모가 균등해지고, 필요 전력도 최소가 된다. 그러나 만일 상기 판들이 규칙적인 형상이 아니고 대략 균일한 간격이 아닌 경우에는, 장비의 작동은 여전히 가능 하지만, 전력이 많이 필요하게 된다. 따라서 균일하고 평행한 또는 대략 평행한 판들이 바람직하다. 그러나 평탄하지 않고 그리고/또는 규칙적이지 않은 판들도 사용 가능하다.
도 1 에 도시된 바와 같이, 수 처리 장비의 제 1 실시 예는 2 개의 판(1, 2)을 가지고 있으며, 상기 판들은 절연 핸들(4)에 부착된다. 각각의 판에는 전기 결선(5, 6)이 제각기 부착된다. 절연 스페이서 조립체(insulating spacer assembly)(7)가 판들을 먼 끝단에서 지지하는데, 이것이 도 1에는 도시되어 있지만, 만일 상기 절연 핸들 조립체가 충분히 튼튼하여, 상기 판들이 전 길이에 걸쳐 스스로 단단히 지탱될 수 있으면, 필요한 것은 아니다. 또한 상기 핸들은 반드시 절연 조립체의 부분이 될 필요는 없으며, 상기 핸들은 전도체일 수도 있으며, 심지어 상기 판들 중 하나가 될 수도 있다. 그러나 절연 조립체는 2 개의 작동 판을 서로 분리시켜야 한다. 상기 판들은 서로 평행하게 놓여질 필요는 없다. 실제로 상기 판들을 절연 핸들로부터 먼 끝단에서 더 가깝게 하면, 상기 판들이 끝에서부터 빨리 닳게 되어, 상기 판들을 교체하기 전까지 최대량의 물을 처리할 수 있게끔, 상기 판들을 완벽하게 활용할 수 있게 하는 장점이 있다. 중요한 점은, 물과의 접촉은 별도 문제로 하고, 상기 판들이 서로 전기적으로 격리되어 유지되어야 하는 것 이다. 작동시에는, 상기 판들(1, 2)이 물속에 놓여지고, 앞에서 규정된 직류 전원 공급기가 전기 결선(5, 6)을 통해 1 볼트가 넘는 전압을 제공한다. 실용적 목적을 위해, 3 볼트 넘는 전압이 반응을 일으키는데 바람직하다.
같은 방법으로, 도 2 에는 3 개의 전극(11, 12, 13)을 사용한 수 처리 장비의 제 2 실시 예가 도시되었는데, 상기 전극들은 절연 핸들(14)에 의해 지탱되고, 전기 결선(15, 16)에 각각 연결되며, 상기 전기 결선(15, 16)에는 전기적 연결이 이루어진다. 상기 조립체가 물속에 놓여지면, 전극(11)에서 전극(13)으로 전류가 흐르면서 전술한 반응이 일어나게 된다. 그러나 중간 전극(12)이 상기 2 개의 전극 사이에 있기 때문에, 전극(11)과 전극(13) 사이의 전류는 중간 전극(12)을 통과해서 흐르게 된다. 이는 전류에 관한 한, 본질적으로 전류가 두 배로 이용되는 것이며 따라서 본 장비의 효율이 더 높아짐을 의미한다. 이것의 유일한 단점은, 도 2 에 도시된 2 개의 판 배치에 비해 2 배의 직류 전압이 필요하다는 것이다. 상기 내측 전극(12)은 상기 외측 전극(11, 13)보다 약간 크게 도시되었는데, 이는 전류가 전극(11)에서 전극(13)으로 직접 흐르는 것을 방지하여, 실용적 관점에서 보아 바람직하다.
도 3 에는 3 개의 전극이 사용되는 수 처리 장비의 제 3 실시 예가 도시되었는데, 여기서는 상기 3 개의 전극 각각에 전기 결선이 된다. 여기에는 2 가지 작동 모드(mode)가 있다. 한가지 작동 모드로서, 전기 결선(28)을 통해 내측판(22)에 한가지 극성의 전압이 가해지고, 여타 2 개의 판들(21, 23)은 전기 결선(25, 26)을 통해 반대 극성에 연결된다. 이와 같은 방법으로, 저 전압 고전류의 전원 공급기에 대해 보다 적합한 작동이 이루어진다. 실제로는, 적합한 전류 용량을 지닌 3 볼트 내지 6 볼트의 전압 공급기에 가장 적합할 것이다. 두 번째 작동 모드로서, 전기 결선(25, 26)을 통해 외측 전극(21, 23)에만 서로 반대되는 전기 연결이 되며, 내측 전극은 전기 연결이 안 되는 것이다. 이로써, 도 2 와 같은 상황이 되며, 이러한 상황은 고 전압 저 전류의 전원 공급기에 대해 최대의 효율성을 제공한다. 상기 2 가지 모드는 다음과 같은 편리한 방법에 의해 선택될 수 있다:
a) 전원 공급기와 물의 전기적 전도성에 따라 하드 와이어(hard wire)로 선택하는 방법;
b) 적합하다고 여겨지는 방식으로, 또는 전원 공급기와 물의 전기적 전도성에 따라, 상기 2 가지 모드 사이의 기계적 스위칭(mechanical switching)으로 선택하는 방법;
c) 전원 공급기의 파라미터(parameters)를 감지하여 상황을 자동으로 조정할 수 있는 전기 회로 수단에 의해, 자동으로 선택하는 방법.
도 4 에는 수 처리 장비의 제 4 실시 예가 도시되었는데, 여기서는 5 개의 전극들(31, 32, 33, 39, 40)이 절연 핸들(34)에 부착되어 있으며, 단지 2 개의 외측 전극들(31, 40)만 각각의 전선(35, 36)을 통해 직류 전원 공급원에 연결된다. 작동시에는 전류가 전극(31)과 전극(40) 사이에 흐르게 되지만, 사이에 개재된 판들(32, 33, 39)때문에 전류는 상기 개재된 판들 각각을 통해서 흐르게 되며, 이는 본질적으로 같은 전류가 여러번에 걸쳐 사용되는 것을 의미한다. 상기 판들을 격리시키기 위한 전기 절연 조립체나 핸들과 같은 여타의 모든 특징들은 여전히 적용 가능하다.
단지 2 개, 3 개, 및 5 개의 판들이 상기의 방법으로 연결된 것만 예시되었지만, 임의 수량의 판들도 적용될 수 있다. 적용되는 판들의 수량이 많을수록 필요한 전압이 높아지게 되며, 어느 전압 이상이 되면 전기적 쇼크가 일어날 가능성이 있고, 또 전류가 중간 전극들을 우회하여 흐르게 되어 프로세스의 효율을 감소시키는 전압이 제한치가 될 것이다.
도 5 에는 수 처리 장비의 제 5 실시 예가 도시되었는데, 여기서는 5 개의 전극들(51, 52, 53, 59, 60)이 절연 핸들(54)에 부착되어 있으며, 2 개의 외측 전극들(51, 60)이 각각의 전선(55, 56)을 통해 직류 전원 공급원의 한가지 극성에 연결되고, 반면에 내측 전극(53)은 전선(58)을 통해 반대 극성에 연결된다. 이러한 상황은 도 4 에 도시된 것에 비해, 전원 공급기가 저 전압이며 고 전류 용량인 경우에 유리하다. 또한 각각의 전극들이 동등하게 양극, 음극을 교대로 하여 연결될 수 있는데, 이는 전극들 면적을 효과적으로 증가시켜서, 물의 전도성이 낮은 경우나 직류 전원 공급기가 상대적으로 낮은 전압에서 높은 전류를 유지할 수 있는 경우에 유리하다.
병렬로 연결될 수 있는 전극의 수량에는 제한이 없으며, 이는 각 극성에 대한 전극들의 면적을 효과적으로 증가시켜 준다.
상기 수 처리 장비는 다양한 방법으로 형상화될 수 있는데, 예를 들어 도 6 내지 도 8 에 도시된 실시 예에서는, 관(tube) 자재로 구성된 전극들이 배치된 형상이 나타나 있다. 또한 중앙에 있는 막대(81)는 작동 원리에 영향을 주지 않으면 서 관으로 할 수도 있다. 상기 전극은 결선(86)을 통해 하나의 극성에 연결되고, 반면에 외측 전극(82)은 결선(87)을 통해 반대 극성에 연결된다. 전체 조립체는, 상기 전극들을 물리적으로 격리되게 유지시키기 위한 절연 스페이서(insulating spacer)(74)를 포함하고 있는 절연 핸들(75)에 지지된다. 이러한 장치가 물속에 놓여져 작동이 이루어지면, 반응식 (3 에 따른 반응을 거쳐 기체 거품이 생성되기 때문에, 오염 물질이 표면상에 올라오게 된다. 이와 같은 밀폐형의 전극 상부에는 물이 통과할 수 있는 개구부(79)가 있는 것이 바람직하지만, 필수적인 것은 아니다. 도면에는 상기 개구부가 구멍으로 도시되었지만, 도 8 에 참조 번호 100으로 명시된 슬릿(slit)도 동등하게 활용될 수 있다.
도 7 및 도 8 에는 3 개의 실린더 자재를 이용한 실시 예가 도시되었는데, 도 7 에 도시된 바로는, 내측 전극(81) 및 외측 전극(83)만 각각 결선(85, 87)을 통해 전원 공급기에 연결된다. 중간 전극(82)은 중성 전극이 되어, 전류가 중간 전극을 거쳐 흐르게 함으로써, 전류 통과의 효과를 두 배로 증진시킨다. 상기 전체의 조립체는 절연 조립체(84, 85)에 의해 함께 지지되어, 상기 전극들이 서로 전기적으로 절연되도록 유지된다. 또한 이러한 밀폐된 루프(closed loop) 형태의 전극들에 구멍을 시공하는 것이 어떤 상황에서 바람직하지만, 본 발명의 필수적인 부분은 아니다. 도 8 에 도시된 실시 예에서는, 3 개의 모든 전극들(91, 92, 93)에 전기 결선이 이루어진다. 이 경우, 중간 전극(92)은 결선(98)을 통해 하나의 극성에 연결되고, 반면에 여타 2 개의 전극들은 결선(96, 97)을 통해 함께 연결되어 반대 극성에 공동으로 연결된다. 상기 조립체는, 물이 조립체를 통해 재순환할 수 있게 하 는 슬롯(slot)을 지니면서, 절연 조립체 및 핸들(94, 95)에 의해 함께 지지된다. 또한 상기 슬롯은 어떠한 경우, 특히 장비 전체가 물에 삽입되지 않는 경우에 유익하다. 상기 슬롯은 도 6 및 도 7 에 도시된 실시 예에서도 동일하게 적용될 수 있다. 상기 원형 또는 실린더 형의 전극들은 여기에서 명시된 3 개를 초과할 수 있는데, 전극의 수가 10 개를 넘으면 시스템을 제조하는 비용이 너무 비싸지므로 최대 10 개까지로 한다.
전극들은 판과 같은 형상일 필요는 없으며, 도 9 에 도시된 바와 같이, 막대들도 동일하게 사용될 수 있다. 도 9 에는 단지 2 개의 막대 전극들(101, 102)이 전기 결선(105, 106)을 지니면서, 절연 핸들(104)에 의해 서로 떨어져 지지된다. 전원 공급기의 한 극성이 상기 전극들 중 한 개에 적용되고, 다른 전극에는 반대의 극성이 적용된다. 상기 막대 전극의 단면 형상은 원형 외에도 정방형, 장방형, 실린더형 또는 이들의 조합형이 될 수도 있다. 또한 이들 전극의 수량도 2 개로 한정되지는 않는다. 도 10 에는 4 개의 막대 전극들(111, 112, 113, 117)이 제각기 전기 결선(115, 116, 118, 119)을 지니면서, 절연 조립체(114)에 의해 지지되고 있는 것이 도시되어 있다. 한 예로서, 결선(115, 116)이 전원 공급기의 한 극성에 연결되고, 결선(118, 119)은 반대 극성에 연결된다. 도 11 에 도시된 또 다른 실시 예에서는, 4 개의 막대 같은 전극들(121, 122, 123, 127)이 내측 전극(130)을 둘러싸고 있으며, 상기 내측 전극(130)은 결선(131)을 통해 한 극성에 연결되고, 여타의 전극들(121, 122, 123, 127)은 결선(125, 126, 128, 129)을 통해 반대 극성에 연결된다.
또한 막대 전극의 수량을 추가하는 것도 가능하며, 예로서, 하나의 극성을 갖는 막대 전극들이 반대 극성을 갖는 내측 전극을 원형으로 둘러싼 형태도 가능하다. 전극들의 극성 배열을 달리하는 것도 또한 가능하다. 상기 전극들은 서로 같거나 유사한 형상일 필요는 없으며, 도 12 에 도시된 바와 같이 전극들의 일부가 서로 다른 형상을 갖는 것도 가능하다. 도 12 에는 2 개의 막대 같은 전극들(141, 142)이 판 전극(143)의 양쪽에 배치된 상태가 도시되어 있다. 이들 전극들은 절연 핸들/지지 구조(144)에 함께 지지되어야 한다. 상기 전극들(141, 142)은 결선(145, 146)을 통해 서로 반대의 극성을 갖도록 연결되며, 중앙 전극(143)은 전원에 연결되지 않아, 상기 2 개의 활동 전극들(141, 142) 사이에서 중성 전극의 역할을 한다. 다르게는, 상기 전극들(141, 142)이 결선(145, 146)을 통해 동일 극성에 연결되고, 중앙 전극(143)은 반대 극성에 연결될 수도 있다. 도 13 에 도시된 또 다른 대안에서는, 전극들(151, 152)이 결선(155, 156)을 통해 서로 다른 극성에 연결되고, 전극(153)은 중성 전극이 된다. 만일 전극들(151, 152)이 함께 같은 극성에 연결되고, 전극(153)이 반대 극성에 연결되는 경우, 이는 도 1 에 도시된 배치와 동일한 경우가 된다.
핸들은 절연 자재로 제작될 수 있으며, 전극들은 적당한 수단에 의해 연결될 수 있다. 이들은 영구적으로 부착되거나 퀵 핏 방법(quick fit method)을 통해 연결될 수도 있다. 영구적으로 부착된 경우에는 본 장비가 일회용으로 사용되며, 반면에 퀵 핏 방법은 전극을 교체함으로써, 본 장비를 계속적으로 사용 가능케 한다. 상기 핸들은 손으로 움켜잡을 수 있는 것일 수도 있으며 또는 단순히, 도 1, 도 2, 도 3, 도 4 에 제각기 도시된 스페이서(7, 17,27,37)와 유사한 스페이서들의 집합체일 수도 있다. 상기 핸들은, 적절한 전극들에 전기 결선이 만들어질 수 있게끔 하여야 한다.
유사한 방식으로, 도 14 에 도시된 실시 예에서와 같이, 용기(container)에 의해 전극들이 지지될 수도 있다. 전극들(161, 162)이 부착 기구(164)에 의해, 용기(163) 내 제 위치에 지지되고, 전기 결선(165, 166)에 의해 서로 반대 극성의 전압이 제공된다. 상기 전체 조립체는 여전히 휴대가 가능하다. 상기 부착 기구(164)는 용기(163)에 영구히 부착될 수도 있으며 또는 분리가 가능할 수도 있는데, 분리 가능한 경우, 용기가 없는 조립체는 도 1 에 도시된 것과 동일한 경우가 된다. 여기서 보여진 2 개의 전극 배치 대신에, 도 1 내지 도 13 에 도시된 배치들이 사용될 수도 있다. 그러나 만일 상기 전극들이 용기로부터 분리 가능하다면, 본 장비는 도 1 내지 도 13 에 도시된 것과 유사한 방식으로 기능을 발휘할 것이며, 휴대 가능성이 그대로 보존된다.
또한 유사한 방식으로, 도 15 에 도시된 실시 예에서와 같이, 금속 용기가 상기 전극들 중 하나로 사용될 수도 있다. 아이템(172)은 용기 겸 하나의 전극인데 결선(176)에 의해 전원 공급기에 연결된다. 다른 전극(171)은 결선(175) 및 절연 부품(174)을 지니고 있으며, 이 절연 부품에 의해, 상기 전극이 용기(172)와 전기적 접촉 없이 용기(172) 내에 놓여 질 수 있게 된다.
상기 전극 (171)이 용기(172)에 영구히 부착되지 않으면 휴대도 가능해진다.
또한 다른 전극들의 배치도 가능한데, 특히, 도 6 및 도 7 에 도시된 외측 전극의 전기 결선이 조립체로부터 분리되어 용기에 연결되면, 상기 도면과 같은 실시 예도 활용될 수 있다.
무게가 15 Kg 미만이면, 보통의 성인 남자들이 손으로 쉽게 다룰 수 있을 것이다. 본 장비는 본질적으로 정지 상태에서 사용되므로, 상기 무게는 빈 용기와 전극들 조합체의 무게이며, 일단 물이 채워지면, 총 무게는 용기에 채워지는 물 무게만큼 증가할 수 있다.
수 처리 장비의 실시 예로는 다양한 기하학적 형상이 적용 가능한데, 실제의 형태는 전원 공급기의 전압과 전류 및 물의 전도성에 의해 결정된다.
전극들의 크기는, 보통의 성인 남자들이 한 손으로 쉽게 다룰 수 있는 정도의 크기면 가능하다. 폭 100 mm x 길이 500 mm x 두께 3 mm 정도의 크기가 편리할 것이다. 또한 직경 6 mm x 길이 1000 mm 또는 직경 20 mm x 길이 100 mm 의 막대도 동등하게 사용될 수 있다. 상기 크기는 중요한 사항은 아니며, 화학 이온 및 기체 거품(gas bubble)을 발생하는 희생 전극을 이용한다는 것이 중요한 것이다.
상기 전극들 사이의 간격은 어떠한 값이어도 좋은데, 간격이 1 mm 미만인 경우는, 응집된 오염 입자가 전극들 사이로부터 빠져나가기에 간격이 너무 좁으므로, 적합하지 않다. 한편 전극들 사이의 간격이 200 mm 를 초과하면, 전극 간에 전류를 유도하기 위한 필요 전력이 너무 커서 프로세스가 효과적으로 되지 못하므로, 또한 적합하지 않다. 전극 간의 간격이 5 mm 내지 20 mm 인 것이 가장 효율적인 범주로 간주되며, 게다가 전극 간격이 2 mm 내지 10 mm 인 경우 또한 장점이 있다. 상기 간격들은 전극들 사이를 청소할 수 있게 하며, 반면에 물속을 통해 이온들에 의해 일어나는 전류를 유도하는데, 효율 손실이 크지 않다.
판들 또는 전극들의 성분
전술한 수 처리 장비 실시 예들에서의 작동 원리는, 금속/물 표면을 통하는 전류에 의해 전극들의 일부가 희생 전극이 되어 활동성 금속 이온을 방출한다는 것이다. 식 (1 및 (2 에 의한 반응이 양극 전극에서 일어나는데, 이러한 양극- 양성 극성의 전극-은 적당한 이온을 방출하는 희생 금속으로 구성되어야 한다. 바람직한 양극 금속은 알루미늄(Al)인데, 철(Fe)도 동등하게 사용 가능하며, 상기 양 금속은 모두 3 가의(trivallent) 금속이다. 다른 적합한 금속으로는 마그네슘(Mg)이 있는데, 이것은 오염된 물로부터 어떤 유형의 입자를 제거하는데 도움을 준다. 또 다른 방안으로, 상기 양극이 구리(Cu)로 구성될 수 있는데, 이것은 살균력이 강하고 오염된 물로부터 조류(algae)를 제거하는데 도움을 준다. 게다가 은 양극을 사용하면, 많은 병원체들을 죽여 물을 살균하는 이온을 제공한다.
음극은 양극과 같은 금속인 상기 금속들 중 하나 또는 스테인리스 스틸과 같은 비활성 금속으로 이루어질 수 있다. 가장 양호한 금속 중 하나는 백금 도금된 티타늄인데, 이것은 비활성금속으로서 물에 어떠한 오염도 일으키지 않는다. 만일 알루미늄이 음극으로 사용되는 경우, 반응식은 다음과 같다.
Al + 4 H2 O + e- = Al(OH)4 - + 2 H2 ----- (4
또는 이와 유사한 반응이 음극에서 일어난다. 상기의 경우, 물속에 더 많은 알루미늄이 방출되어, 적은 전기 소모로 물을 더 빠르게 정화시킬 수 있는 장점이 있다. 식 (3 및 (4 에 의한 반응은 음극에서의 반응과 서로 경합하게 되며, 식 (4 의 반응이 알루미늄 음극에서 일어나는 반응의 전체는 아니다.
필요에 의해, 중성 전극의 한 면은 음극으로, 다른 한 면은 양극으로 작용할 수 있다. 이러한 중성 전극은 예컨대 알루미늄, 철, 마그네슘 또는 구리 등, 양극과 같은 재질로 구성될 수 있다. 또는 상기 중성 전극은 2 가지 금속으로 구성될 수 있는데, 음극으로 작동하는 면은 스테인리스 스틸이나 백금 도금된 티타늄(또는 동등의 비활성 금속)으로 구성되고, 다른 면은 양극 금속(Al, Fe, Mg, Cu)으로 구성될 수 있다.
알루미늄이 음극 재료로 사용될 경우, 산소가 풍부한 절연층이 음극의 활동표면에 쌓이게 되며, 이들이 제거되지 않으면, 이 절연층이 궁극적으로 음극을 통하는 전류의 흐름을 방해하여, 반응의 발생을 중단시키게 된다. 이러한 상황이 발생시에는, 상기 산화 물질 층이 어떤 물리적 또는 화학적 프로세스에 의해 제거되어야 한다. 상기 물질을 적절히 제거하기 위해서는, 단단하고 날카로운 것으로 전극 표면을 긁어내는 것으로 대체로 충분하다. 또한 극도의 제타 전위(zeta potential)를 지닌 물질 및 여타의 잔류 전하 공급원(other sources of residual electric charge)이 있게 되면, 전극의 표면에 물질의 축적이 일어날 수 있다. 이것 또한 전극들이 물속에서 전압을 제공받을 때, 전류의 흐름을 충분히 방해할 수 있다. 이런 상황이 발생하면, 단단하고 날카로운 면으로 전극들을 긁어서, 축적된 물질을 제거하는 것이 필요할 것이다.
필요한 전극들의 수량은 다음의 조합에 의해 결정된다.
1) 이용가능한 전원 공급기. 6 볼트 미만인 경우, 모든 전극들이 교대로 양극, 음극에 연결되는 것이 바람직하다. 그러나 교대로 연결된 전극에 높은 전압을 사용하는 것이 배제되는 것은 아니다.- 이는 단지 프로세스의 효율을 감소시킬 따름이다.
2) 6 볼트 이상인 경우, 양극과 음극 전극 사이에 1 개의 중성 전극을 사용하는 것이 더 효율적 일 수 있다.
3) 12 볼트 이상인 경우, 양극과 음극 전극 사이에 2 개의 중성 전극을 사용하는 것이 더 효율적 일 수 있다.
4) 15 볼트 이상인 경우, 양극과 음극 전극 사이에 3 개의 중성 전극을 사용하는 것이 더 효율적 일 수 있다.
이것은 더 높은 전압과 더 많은 중성 전극으로 확장될 수 있지만, 일반적으로 이용가능한 전원 공급기가 쉽게 구해지지 않을 수 있다. 기술되지는 않았지만, 이러한 유형에 맞는 더 많은 전극들의 사용도 본 발명에 포함된다.
같은 방법으로, 판들의 크기와 형상도 다양해질 수 있다. 한 끝단에서 연결되는 긴 장방형의 판들은 제조하기가 용이하다. 짧은 정방형의 판 또는 넓적한 판(squat plate)은 깊이가 낮은 양동이에 더 적합하며, 도 1 내지 도 4 에 도시된 길쭉한 판들에 비해 더 넓은 면적을 제공하여 정화를 더 빠르게 할 수 있다. 장방형이 아닌 판들은 제조하기에는 어렵지만, 가공 및 교체가 쉬운 장점을 가질 수 있다. 도 7 및 도 8 에 도시된 바와 같은 밀폐된 루프(closed loop)형태의 전극은 물의 전도성이 더 높은 경우에 유리할 수 있는데, 왜냐하면 전류가 물을 통하여 한 전극으로부터 다른 전극으로 중성 전극을 우회하여 흐르기가 더 어려워지기 때문이다.
유사한 방법으로, 판들에 외부 결선을 할 수 있으며, 이 결선은, 사용되는 배터리에 따라 필요에 의해 추가 또는 제거될 수 있다. 따라서 응집하는 양이온(coagulating cations) 및 기체 거품을 발생할 목적으로, 판들을 직류 전원 공급기에 연결하여 사용하는 것이 적은 양의 오염된 물을 정화하는데 도움이 된다. 상기 판들은 휘거나 굽은 형태일 수 있다.
기체 거품이 자신이 발생한 근처에서 빠져나갈 수 있고, 포획된 응집제를 표면에 떠오르게 할 수 있도록, 이들 판들은 개방이 될 필요가 있다.
상기 판들의 측면은 개방되어 있으며, 이로써 물에 뜬 플록(floated floc)이 전극 근처에서 빠져나와 표면상에 형성될 수 있다. 프로세스는 오염 입자를 응집함으로써 작동하며, 이리하여 오염 물질이 더욱 쉽게 제거될 수 있다. 상기 프로세스에 의해 물속에 있는 병원체가 전기 분해될 가능성은 있지만, 병원체가 제거되거나 죽는다는 보장은 없다. 상기 물이 음용하기에 적합함을 확실히 하기 위해, 모든 잔류 병원체를 죽이는 것이 바람직하다. 이러한 것을 달성하기 위해서는, 전통적인 염소 또는 브롬 살균법 또는 여타의 화학 처리법 등을 포함하여 여러 방법이 있는데, 이들은 추가적인 공급이 필요하다는 단점이 있다. 모든 병원체를 확실히 죽이는 다른 방법으로는 미생물에 유독한 금속을 추가하는 것이다. 이런 금속의 두 가지로 구리와 은이 있다. 상기 금속 중 어느 하나의 소량이 물에 추가되면, 박테리아 및 바이러스와 반응하여 해가 없게 만든다. 적어도 하나의 양극이 상기 금속 중 하나를 함유하든지, 상기 금속 중 하나가 1 개 이상의 양극과 전기적 접촉을 하든지 또는 상기 금속 중 하나를 함유하는 양극을 추가함으로써, 상기 금속을 물속에 추가시킬 수 있다. 이런 방식에 의해 소량의 은 또는 구리가 전기응집 프로세스 중에 물속에 추가된다. 이들 소량의 금속은 침전 프로세스 중에 제거될 수 있다.
추가되는 살균 금속(은 또는 구리) 이온의 양은 추가되는 응집용 금속의 양에 비례한다는 것이 중요하다. 이것은 응집용 금속과 살균용 금속의 상대적 표면적과 이온들의 원자가 및 이온들의 원자량에 의해 조정된다. 은은 원자량 108 에 1 가(monovalent)이며, 알루미늄은 원자량 27 에 3 가이다. 예로서, 은 0.5 mg/L 와 알루미늄 10 mg/L 를 추가하려면, 알루미늄의 표면적은 20 x 3/4 = 15, 즉 은 표면적의 15배가 요구된다. 여기서, 20 은 10/0.5 의 비율로부터 나오며, 3 은 은에 비해 알루미늄 이온을 방출하기 위한 전자 수는 3 배가 필요한 조건에서 나오고, 4 는 알루미늄과 은 사이의 상대적 원자량 차이로부터 나온다. 상기 계산은 알루미늄과 은이 음극으로부터 동일하게 떨어져 있다는 가정하에 된 것이다. 예컨대 구리와 아연의 합금인 황동과 같은 상기 금속들의 합금들을 사용하더라도, 여전히 주요 금속의 반응이 일어날 수 있음을 당업자들은 알 것이다.
작 동
전술한 수 처리 장비의 실시 예들에 대한 사용에 대해 기술하고자 한다.
우선 정화될 물을 용기에 채운다. 상기 용기는 합리적인 크기와 형상이며, 플라스틱(투명, 반투명, 또는 불투명), 강제(steel), 구리 등과 같은 적합한 재질로 제작될 수 있다. 만일 금속 용기가 사용될 경우에는, 금속 용기에 전극을 놓을 때, 금속 용기를 통해 서로 전기적으로 연결되지 않도록 전극을 배치하여야 한다. 또한 상기 용기는, 본 장비의 전극들이 삽입가능하도록 충분히 큰 상부 개구부를 가져야 한다. 상기 용기는 정화된 물을 뽑아내기 위해 바닥에 배수꼭지(drain tab)을 가질 수도 있고 안 가질 수도 있다. 만일 상기 용기가 투명한 플라스틱으로 제작되었다면, 언제 물이 정화되었고 반응이 완료되었는지를 쉽게 정할 수 있을 것이다. 상기 용기의 크기는 그리 중대한 것은 아니나, 용기의 깊이는 전극의 길이와 같은 정도여야 하며, 용기의 표면 면적이 전극들의 스웨프트(swept) 면적의 20 배보다 훨씬 크지 않아야 한다. 여기서 전극들의 스웨프트 면적은 상기 전극들을 완전히 둘러싸는 원의 직경이다. 여기서 스웨프트 면적의 20 배라는 값은 단지 실용 목적상의 지침에 불과하며 - 스웨프트 면적이 훨씬 크더라도 시스템은 여전히 작동될 것이다. 스웨프트 면적이 50 배 또는 100 배가 되더라도 정화 작업은 여전히 이루어 질 것이다. 용적이 더 크고 스웨프트 면적이 더 크다는 것은 단지 물을 정화하는데 시간이 더 오래 걸린다는 것을 의미하며, 만일 물의 용적이 너무 크게 되면, 정화기 불가능해질 수도 있다.
상기 용기는 어떤 형식이 있는 것이 아니며, 물을 담을 수 있으면 어떠한 것이라도 사용될 수 있다. 플라스틱 시트(sheet)를 적절히 말아서 물을 담을 수 있게하고, 그것의 깊이가 전극들을 집어넣기에 충분하다면, 이 또한 용기에 포함될 수 있다. 궁극적으로, 지표상에 있는 물 웅덩이조차도 이 같은 방식으로 처리될 수 있으며, 처리된 물을 사용하기 위해 적절히 떠낼 수 있을 것이다.
도 1 을 참조하여, 상기 전극들이 물 용기 속에 놓여 지면, 전극(1) 및 전 극(2) 사이에 전류가 흐르게 된다. 양극에서는 식 (1 또는 식 (2 (다른 금속의 경우는 대등한 식)에 따른 반응이 일어나 응집하는 금속 이온을 방출할 것이며, 반면에 음극에서는 기체가 방출될 것이다.
도 2 를 참조하면, 1 개 이상의 중간 중성 전극이 있는 경우에는, 양극에 가장 가까운 면이 음극과 같은 역할을 하고, 음극에 가장 가까운 면은 양극과 같은 역할을 하게 된다. 양극의 역할을 하는 면은 식 (1 또는 식 (2 의 반응에 따라 금속 이온을 증가시키고, 음극 역할을 하는 반대면은 기체를 방출하게 된다.
상기 금속 이온은 오염 물질을 응집하여 그것들을 더 크게 할 것이며, 또한 응집된 오염 물질은 기체 거품에 의해 묶여 질 것이다. 이로써 많은 양의 오염 물질이 물속에서 상승하여 물 표면에 올라오게 되며, 물 표면에서 안정된 조직을 형성하게 될 것이다. 전극에서 흘러나오는 거품의 이러한 특성 때문에, 거품 주위의 물도 거품과 함께 위로 유동하게 될 것이다. 이러한 이유로, 상기 장비의 상부에 개구부를 두어, 처리된 물이 전극으로부터 멀리 흘러갈 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 판이나 막대 전극의 경우는 이러한 것이 자연스레 해결되지만, 도 6 내지 도 8 과 같은 밀폐 루프형 전극에서는 반드시 그런 것은 아니다. 만일 원드(wand) 형태의 전극 전체가 수면 아래에 놓여진다면, 물이 빠져나갈 수 있는 이러한 구멍은 필요하지 않다. 상기 장비에 이러한 개구부가 없더라도 프로세스는 여전히 작동할 것이나, 효율이 떨어질 것이다. 따라서 이러한 개구부, 구멍, 또는 슬롯(slot)이 바람직하다.
식 (1 내지 식 (4 에 따른 반응이 일어나기에 충분한 에너지가 제공되도록, 양극과 음극 사이에 충분한 전압이 유지되어야 한다. 일반적으로 양극-음극 한 세트당 적어도 3 볼트의 직류 전압이 필요하다. 실용 목적상으로는 4 볼트 이상이 바람직하다. 그러나 양극-음극 한 세트당 2 볼트의 낮은 전압에서도 어느 정도의 반응이 일어날 수 있다. 따라서, 양극-음극이 연속된 계열에서 양극-음극 한 세트당 최소 양극-음극 전압은 본 발명의 부분으로서, 2 볼트로 정한다. 정류된 교류 전원 공급기 경우, 여기에서의 상기 전압은 피크 투 피크(peak to peak) 값이며, 루트 민 스퀘어(root mean sqare) 값이 아니다. 1 볼트 이하의 전압은 너무 낮아 실용적이지 못하다.
대부분의 전원 공급기는 전압과 전류에 제한이 있다. 일단 전극들에 전압이 가해지면, 물과 전극 사이의 저항에 의해 이들 사이에 흐를 전류가 정해진다. 만일 전극 표면에 대한 물의 전도성이 너무 크면, 최소 전압이 더 이상 유지되지 않을 정도로 전원 공급기의 전압이 떨어질 수도 있다. 이런 경우, 비록 음극에서는 기체 거품이 발생하더라도, 양극에서의 반응은 금속 이온을 방출하기에 불충분하여, 프로세스가 제대로 작동을 하지 못한다. 전원 공급기와 물의 전도성이 주어진 상태에서, 상기와 같은 문제는, 전압이 상승하여 반응이 다시 일어날 때까지 전극의 물에 잠김 정도를 줄임으로써 해결될 수 있다.
전극의 얼마만큼을 물에 잠기게 할 것인가를 정하는 데는 3 가지 방법이 있다. 제 1 방법으로는, 배터리 또는 전원 공급기의 특성(본 특성에는 전압 및 내부 저항 특성을 포함한다)과 함께, 처리될 물의 전도성 범위를 정하고, 적절한 전압이 유지되어 프로세스가 작동되게끔 전극들의 면적을 계산한다.
제 2 방법으로는, 전극 표면상에 물질 층(layer of material)이 수 분 내에 형성되기 시작하는지를 관측하기 위해 프로세스를 관찰하고, 만일 상기 물질 층이 형성되지 않으면, 전극들을 약간 들어내서 다시 관찰한다. 전극들이 물에서 빠져나오거나 상기 물질 층이 표면상에 형성되는 것이 관찰될 때까지 상기 프로세스를 수 분마다 반복한다. 이것은 확실히 시간 소모적이며 만족스런 방법은 아니다.
제 3 방법으로는, 양극과 음극 사이의 전압을 감시한다. 이를 위한 한가지 방법으로 양극과 음극 사이에 볼트 미터(volt-meter)를 연결하여 전압을 감시하는 것이다. 만일 전압이 너무 낮게 떨어지면, 전압이 최소 요구 전압보다 높아질 때까지 전극들을 들어낸다. 같은 결과를 얻기 위한 다른 방법으로는, 양극과 음극 사이에 전압 감시 회로(voltage monitoring circuit)를 설치하는 것이다. 전압이 최소 전압보다 높을 때는, 상기 전압 감시 회로가 발광 다이오드(LED)(또는 램프, 액정표시장치의 신호, 적합한 기계적 장치, 기타 전압이 만족스럽다는 것을 표시하는 적합한 방법 등)를 점등한다. 전압이 최소 전압 아래로 떨어지면 다른 신호가 발생하는데, 여기에는 발광다이오드가 꺼진다든지 또는 색깔이 변하는 것(또는 장애를 표시하는 여타의 적합한 전기-기계식 청각-시각 신호) 등이 있다. 이런 경우에는, 전자식, 기계식, 청각 또는 시각적 신호가, 전압이 적당하고 프로세스가 효율적으로 작동되고 있음을 표시할 때까지, 본 발명의 부분을 이루고 있는 전극세트를 들어낸다.
전압 감시가 가능한 것은 바람직한 사항이다. 그러나 만일 전극의 면적이 전원 공급기의 용량 및 물의 전도성과 적절히 조화되어 선정되면, 전압은 항상 최소 요구 전압보다 높을 것이다. 전술한 바와 같이, 전압이 최소 요구치 아래로 떨어지더라도, 사용자는 이를 해결해나가는 방법이 있다.
방출된 응집용 금속 이온은 공지의 응집 반응을 통해 물속의 오염 입자를 묶어, 이들 입자들을 약간 크게 할 것이다. 방출되는 기체는 미세 거품을 형성하여, 응집된 오염 물질 집합체를 포획하여 부양성 있게 하며, 상기 부양성의 집합체는 수면으로 떠올라 준 안정층(quasi-stable layer)을 형성할 것이다. 오염 물질이 떠오름에 따라 물은 깨끗하게 보일 것이다. 전극으로부터 떠오르는 기체의 움직임 때문에 물도 기체와 같이 올라오게 되며, 이로 인해 용기 내의 물이 판 전극을 통해 순환하게 될 것이다. 이것은 두 가지 효과가 있는데, 첫째는 전극들을 물속에서 휘저을 필요가 없다는 것이다. 왜냐하면 물이 모두 전극을 통해 지나가면서 정화되기 때문이다(단, 용기의 크기가 이러한 일이 일어날 수 없을 정도로 크지 않아야 함). 두번째 효과로는, 물속의 미생물들이 전극들 사이를 지나면서 강한 전기력을 받게 될 것이다. 이것이 모든 미생물을 죽일 정도로 충분하지 않을 수도 있지만, 많은 미새물들의 운동성이 떨어져서, 플럭(floc)에서 분리된 후 물속에 남아있는 활기있는 박테리아의 수는 상당히 감소할 것이다.
게다가 알루미늄 및/또는 철 양극에 추가하여 구리 및/또는 은 양극을 사용하면, 구리(Cu) 및/또는 은(Ag) 이온들이 물속에 들어올 것이다. 이들 이온들 중 일부는 응집 금속에 의해 제거되더라도, 일부는 남아서 플럭이 물로부터 정리되기에 필요한 수 시간 동안 잔류 병원체를 무력화할 것이다. 이리하여 물의 정화뿐 아니라 물의 살균도 이루어진다.
작동자가 적당하다고 판단되는 시점(예컨대 물이 깨끗하게 보이거나, 수면에 있는 플럭이 흰색으로 변하기 시작할 때)에, 상기 전극들을 물에서 완전히 들어낼 수 있다. 이때 물을 너무 휘젓지 않도록 주의하여, 오염 물질들을 함유한 수면의 플럭이 교란되어 도로 물속에 가라앉지 않도록 한다. 물 위에 있는 플럭을 그대로 유지하도록 물이 교란되지 않는 것이 유리하다. 다른 방법으로는, 전원 공급기를 원드(wand)로부터 분리하거나, 전원 공급기와 원드 사이에 있는 스위치를 끄든지 하여, 상기 장비의 전원을 차단하는 것이다. 일단 반응이 완료된 후에는, 설사 물이 교란되어 상기 플럭이 깨져 물속에 재분포되더라도, 물과는 분리된 상태로서 서서히 바닥에 가라앉게 될 것이다.
반응이 끝나더라도, 약간의 거품이 물속에 여전히 있을 것이다. 따라서 상기 장비를 들어낸 후에도, 모든 거품이 부상하여 물을 최대로 정화하기 위해, 수 분간 기다리는 것이 바람직하다. 이 시간은, 용기의 크기에 따라 달라지는데, 대략 5 분 내지 30 분 정도 될 수 있다. 반응이 끝난 후에도 몇 시간 동안 물을 그대로 놔두는 것이 유리하다. 이로써 가장 작은 거품도 물 밖으로 부상할 것이며, 어떤 응집된 오염 물질도 용기 바닥에 침전하기 위한 충분한 시간을 갖게 될 것이다. 반응하지 않은 알루미늄은 오염 물질 또는 입자들을 정리할 것이다. 몇 시간 동안, 물을 오래 놔둘수록 처리된 물이 더 깨끗하게 보일 것이다.
플럭이 수면에 부상한 후, 편리한 시간 주기로 플럭을 제거할 수 있다. 플럭을 제거하는 방법으로는, 용기를 쥐어짜서 수위를 높여 플럭이 상부로 흘러 넘치게 하는 방법, 수면에서 플럭을 떠내어 제거하는 방법 또는 여타 적합한 방법 등이 있 을 수 있다. 이렇게 함으로써 물속의 오염 물질이 적게 남게 된다. 만일 플럭 제거 프로세스에 의해 플럭이 교란되면, 물이 동요되어 모든 잔류 거품들이 붕괴될 수 있는데, 몇 시간 후면 플럭이 바닥에 가라앉게 되어 물이 수정같이 맑게 될 것이다. 이물을 단순히 따라서 사람들에게 맑고 살균된 물을 제공할 수 있다.
적당한 시점에, 상기 정화된 물을 용기로부터 빼낼 수 있는데, 만일 플럭이 제거되지 않은 상태라면, 물을 빼낼 때 수면의 플럭이 교란되지 않도록 하는 것이 바람직하다. 이를 위한 몇 가지 방법이 있는데, 한가지 방법으로는, 용기 바닥 근처에 꼭지가 있는 용기를 사용하는 것으로, 적절한 시점에 꼭지를 열어 물을 배수시키는 것이다. 이러한 용기가 없을 시는, 단순히 작은 호스를 사용하여 사이폰(siphone)으로 물을 빨아 올리는 것이다. 호스의 한끝은 용기에 담고 다른 끝에 진공을 만들면, 물이 빨려오게 된다. 이때 플럭이 교란되지 않도록 하는 것이 중요하며, 이 일을 할 때는, 플럭이 교란되어 오염 물질이 도로 물속에 들어가지 않도록 주의 깊은 훈련이 필요하다. 셋째 방법으로는 물 따르는 주둥이(spout)가 있는 용기를 사용하여 단순히 주둥이를 이용해 따르는 것이다. 넷째 방법으로는, 귀때(pouring lip)가 있는 용기를 사용하는 것인데, 단순히 플럭을 귀때에서 멀리 밀고, 용기의 물을 따르는 것이다. 상기 모든 경우에 있어서, 제거된 오염 물질이 다시 물을 오염시키지 않도록, 따라지는 물을 계속 관찰하는 것이 바람직하다.
다른 대안은, 처리된 물을 휘저어 떠있는 플럭을 붕괴시키고, 모든 입자들이 용기 바닥에 침전하도록 하는 것이다. 이로써 상부에 있는 물에는 오염 물질이 없으므로, 단순히 물을 따르거나 물을 떠내는 방법이 있다. 또 다른 대안으로는, 물 을 적절한 필터를 거쳐 따르는 것인데, 어떤 경우에 이 필터는, 전기응집 프로세스 전에는 입자를 걸러내지 못했던 거친 필터도 가능하다. 만일 상기 후자의 프로세스가 적용되는 경우, 물이 필터를 통과하기 전에 물을 몇 시간 동안(24 시간 내면 양호하게 여겨짐) 가만히 놔두는 것이 가장 좋다.
일반적으로, 본 장비를 끄거나 들어낸 후, 물을 그대로 놔두는 시간이 길면 길수록, 주어진 용적의 물을 정화하는데 필요한 처리가 줄어든다.
결 과
본 발명을 적절히 사용하면, 한가지 단순한 작동으로 물속의 많은 오염 물질을 95％ 내지 99.9％+ 를 제거할 수 있다. 제거되는 양은 오염 물질의 성질에 따라 달라진다. 본 시스템은 진흙 및 하수도/정화조의 넘침으로 오염된 물, 산업 또는 광산 오염물로 가볍게 오염된 물과 같은 가볍게 오염된 물에만 적합하다. 본 시스템은 정화조 폐수, 하수 폐수 또는 산업적으로 심하게 오염된 물 등을 처리하는 데는 적합하지 못하다. 그러나 상기 수 처리 장비가 지시에 따라 사용될 경우, 오염 물질의 제거율은 전형적으로 다음과 같다.
| 오염 물질 | 제거율(％) |
| 현탁 고형물 전체- 진흙, 흙 | 99+ |
| 혼탁도(turbidity) | 99+ |
| 박테리아 | 99+ |
| 기생충 | 99+ |
| 수은, 카드뮴, 비산염, 납, 기타 무거운 무기질 이온 | 95 - 99+ |
| 거대 단백질 분자(large protein molecules) | 95 - 99+ |
| 염도(salinity) | < 10 |
| 색깔- 거대 염료분자(lager dye molecules), 탄닌 | 95+ |
비록 제거율이 약 99％에 불과하지만, 구리/은을 사용하면 잔류 병원체는 비활동성이 된다.
수 처리 후에는 물이 깨끗하게 보일 것이며, 대부분의 오염 물질과 병원체도 제거될 것이다. 처리된 물은 수정과 같이 맑게 보이며 원래의 물(original raw water)보다 훨씬 입맛에 맞을 것이다. 대부분 경우에 있어, 잔여 활동성 병원체 비율은 없을 것이다. 그러나 본 프로세스에 의해 모든 병원체가 제거되거나 죽는다는 보장은 없으며, 따라서 본 프로세스가 모든 합리적인 원천으로부터 음용수를 생산하는 데 적합한 단일 스텝 프로세스로 고려될 수는 없다. 대단히 오염된 원천수(water source) 경우에는 다른 방안의 살균법이 고려되어야 한다.
장 점
이상에서 설명한 휴대용 수 처리 장비의 제일 큰 장점은, 본 장비가 폭 넓은 오염 물질들을 제거할 수 있는 간단한 장비이며, 매우 약간의 교육으로도 손 쉽게 사용 가능하며 반복 사용할 수 있다는 것이다.
또한 상기 휴대용 수 처리 장비는 제조 및 운반이 용이하며, 약간의 전력이 있고, 약간의 기술력 또는 지원만 있으면 거의 모든 장소에서 작동이 가능하다.
상기 휴대용 수 처리 장비에 의해 처리된 물은 대부분의 오염 물질들이 제거된 상태로 음용하기에 적합하다.
또한 상기 휴대용 수 처리 장비는 다음과 같은 장점들을 지니고 있다.
1) 상기 휴대용 수 처리 장비에 필요한 전력은 매우 적다. 전형적인 예로, 혼탁도가 100 NTU 이며 미량의 박테리아를 함유하고 있는 심하게 오염된 물을 10 리터 정화하는데 상기 장비는 3 볼트 전압에서 0.1 암페어-시(amp-hour)밖에 사용하지 않는다. 오염도가 크면, 정화하는데 더 많은 전기가 필요하며, 오염도가 낮으 면 더 많은 물이 정화될 수 있다.
2) 상기 휴대용 수 처리 장비에 필요한 전력은 매우 적어서, 한 개의 6 볼트, 5 암페어-시 배터리로 500 리터 이상의 물을 정화할 수 있고, 한 개의 작은 상업용 9 볼트 배터리로 물 50 리터까지 정화할 수 있다.
3) 상기 휴대용 수 처리 장비에는 태양 전지판을 적용할 수 있어서, 맑은 날씨에는 12 볼트 10 와트의 태양 전지판으로, 상기 장비 2-3 개를 가동시켜, 하루에 1,000 - 2,000 리터의 오염된 물을 처리할 수 있다. 이는 현존하는 다른 어떤 방법보다 더 효율적인 수 처리 방법이다.
4) 약간의 전력만 있으면, 상기 휴대용 수 처리 장비를 이용하여 외딴 곳에서 깨끗한 음용수를 제공할 수 있는 능력이 상당히 향상된다. 또한 외딴 곳을 여행하는 사람이, 음용수 전부를 휴대하지 않고도, 여행 도중에 음용수를 획득할 수 있다. 또 중요한 것은 자연 재해 구조와 같이 기반 시설이 열악한 곳에서도 깨끗한 물의 공급이 가능하다는 것이다.
본 발명의 바람직한 실시 예에 대해서 예시되었지만, 당업자들은 본 발명이 다양한 형태로 실시될 수 있음을 알 것이다.
Claims (52)
- 오염된 물을 전기응집(electrocoagulation)에 의해 처리하는 휴대용 수 처리 장비로서,상기 장비는:적어도 2 개의 전극들(at least two electrodes)과;상기 적어도 2 개의 전극들을 전기적으로 절연시키고, 상기 적어도 2 개의 전극들이 서로 간격을 두고 고정된 하우징(housing); 을 포함하며,상기 적어도 2 개의 전극들이 오염된 물에 적어도 부분적으로 잠겨지고, 전기적 전위(electrical potential)를 제공받으면, 상기 적어도 2 개의 전극들 중 하나는 희생 전극이 되어 오염된 물에 이온(ions)을 제공하는 것을 특징으로 하는 휴대용 수 처리 장비.
- 제 1 항에 있어서,상기 적어도 2 개의 전극들 중 하나는 희생 전극이 되어 오염된 물에 응집용 이온(coagulating ions)을 제공하는 것을 특징으로 하는 휴대용 수 처리 장비.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,상기 적어도 2 개의 전극들이 결합된 무게는 약 15 kg 미만인 것을 특징으로 하는 휴대용 수 처리 장비.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,상기 적어도 2 개의 전극들이 결합된 무게는 약 5 kg 인 것을 특징으로 하는 휴대용 수 처리 장비.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,상기 적어도 2 개의 전극들이 결합된 무게는 약 2 kg 인 것을 특징으로 하는 휴대용 수 처리 장비.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,상기 적어도 2 개의 전극들이 결합된 무게는 약 1 kg 인 것을 특징으로 하는 휴대용 수 처리 장비.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,상기 적어도 2 개의 전극들이 결합된 무게는 약 0.2 kg 인 것을 특징으로 하는 휴대용 수 처리 장비.
- 전술한 상기 항 중 어느 하나에 있어서,상기 적어도 2 개의 전극들은:고형체를 감싼 금속 포일(metal foil wrapped around a solid former);얇고 굽어진 금속판(plates of thin bent metal);편평한 금속판(plates of flat metal); 및원통형의 금속막대(cylindrical metal rods); 중 어느 하나로 형성된 것을 특징으로 하는 휴대용 수 처리 장비.
- 전술한 상기 항 중 어느 하나에 있어서,상기 적어도 2 개의 전극들의 단면은:타원형;원형;장방형;환상형(annular); 및밀폐형 또는 거의 밀폐된 형상; 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 휴대용 수 처리 장비.
- 전술한 상기 항 중 어느 하나에 있어서,상기 적어도 2 개의 전극들 중 적어도 2 개에게 상기 전기적 전위를 제공하기 위한 전원 공급기(power supply)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 휴대용 수 처리 장비.
- 제 10 항에 있어서,상기 전원 공급기를 위한 온/오프 컨트롤(on/off control)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 휴대용 수 처리 장비.
- 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,상기 전원 공급기는 약 1 내지 100 볼트의 전압을 생산할 수 있는 것을 특징으로 하는 휴대용 수 처리 장비.
- 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,상기 전원 공급기는 약 2 내지 40 볼트의 전압을 생산할 수 있는 것을 특징으로 하는 휴대용 수 처리 장비.
- 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,상기 전원 공급기는 약 3 내지 15 볼트의 전압을 생산할 수 있는 것을 특징으로 하는 휴대용 수 처리 장비.
- 제 10 항 내지 제 14 항 중 어느 하나에 있어서,상기 전원 공급기는 직류 전원 공급기인 것을 특징으로 하는 휴대용 수 처리 장비.
- 제 15 항에 있어서,상기 직류 전원 공급기는:충전가능한 배터리;일회용 배터리;태양전지판;휴대용 수동 발전기;풍력 발전기; 및본선 전력을 이용하는 직류 전원 공급기(a mains powered DC power supply); 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 휴대용 수 처리 장비.
- 제 10 항 내지 제 14 항 중 어느 하나에 있어서,상기 전원 공급기는 변동이 느린 교류 전원 공급기(slowly varing alternating current power supply)인 것을 특징으로 하는 휴대용 수 처리 장비.
- 제 10 항 내지 제 14 항 중 어느 하나에 있어서,상기 전원 공급기는 정류된 교류 전원 공급기(rectified alternating current power supply)인 것을 특징으로 하는 휴대용 수 처리 장비.
- 전술한 상기 항 중 어느 하나에 있어서,상기 적어도 2 개의 전극들 중 각각은 대략 같은 표면적을 가지며, 대략 평행하게 서로 간격을 두고 떨어져 있는 것을 특징으로 하는 휴대용 수 처리 장비.
- 전술한 상기 항 중 어느 하나에 있어서,상기 적어도 2 개의 전극들이 서로 간격을 두고 떨어져 있는 것을 유지하기 위해, 상기 전극들의 말단부 사이에 절연 스페이서(insulating spacer)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 휴대용 수 처리 장비.
- 전술한 상기 항 중 어느 하나에 있어서,실질상으로 평행하게 나란히 간격을 두고 배치된 3 개의 전극들을 포함하며, 3 개의 상기 전극들 중 가장 바깥쪽 2 개의 전극들에 전기적 전위를 제공하는 것을 특징으로 하는 휴대용 수 처리 장비.
- 제 1 항 내지 제 20 항 중 어느 하나에 있어서,실질상으로 평행하게 나란히 간격을 두고 배치된 3 개의 전극들을 포함하며, 3 개의 상기 전극들 각각에 전기적 전위를 제공하는데, 가장 바깥쪽 2 개의 전극들은 같은 극성을 갖도록 하고 안쪽 전극은 반대 극성을 갖도록 하는 것을 특징으로 하는 휴대용 수 처리 장비.
- 제 1 항 내지 제 20 항 중 어느 하나에 있어서,실질상으로 평행하게 나란히 간격을 두고 배치된 5 개의 전극들을 포함하며, 5 개의 상기 전극들 중 가장 바깥쪽 2 개의 전극들에 전기적 전위를 제공하는 것을 특징으로 하는 휴대용 수 처리 장비.
- 제 1 항 내지 제 20 항 중 어느 하나에 있어서,실질상으로 평행하게 나란히 간격을 두고 배치된 5 개의 전극들을 포함하며, 5 개의 상기 전극들 중 가장 바깥쪽 2 개의 전극들과 중앙에 있는 1 개의 전극에 전기적 전위를 제공하는 것을 특징으로 하는 휴대용 수 처리 장비.
- 제 1 항 내지 제 20 항 중 어느 하나에 있어서,상기 적어도 2 개의 전극들은 하나의 실린더(cylinder) 내에 하나의 막대(rod)가 실질상으로 중심이 같게 배치된 형태인 것을 특징으로 하는 휴대용 수 처리 장비.
- 제 1 항 내지 제 20 항 중 어느 하나에 있어서,상기 적어도 2 개의 전극들은 내측 실린더 및 외측 실린더가 실질상으로 중심이 같게 배치되고, 상기 내측 실린더 내에 하나의 막대가 실질상으로 중심이 같게 배치된 형태이며, 상기 막대와 상기 외측 실린더에 전기적 전위를 제공하는 것을 특징으로 하는 휴대용 수 처리 장비.
- 제 1 항 내지 제 20 항 중 어느 하나에 있어서,상기 적어도 2 개의 전극들은 내측 실린더 및 외측 실린더가 실질상으로 중심이 같게 배치되고, 상기 내측 실린더 내에 하나의 막대가 실질상으로 중심이 같게 배치된 형태이며, 상기 막대와 상기 내측 실린더 및 상기 외측 실린더에 전기적 전위를 제공하는 것을 특징으로 하는 휴대용 수 처리 장비.
- 제 1 항 내지 제 20 항 중 어느 하나에 있어서,상기 적어도 2 개의 전극들은 제 1 막대와 제 2 막대가 실질상으로 평행하게 간격을 두고 떨어져 배치된 형태인 것을 특징으로 하는 휴대용 수 처리 장비.
- 제 1 항 내지 제 20 항 중 어느 하나에 있어서,상기 적어도 2 개의 전극들은, 실질상으로 평행한 4 개의 막대가 종방향 중심축(central longitudinal axis) 주변에 약 90 °각도로 간격을 두고 떨어져 배치된 형태이며, 상기 모든 막대에 전기적 전위를 제공하는 것을 특징으로 하는 휴대용 수 처리 장비.
- 제 1 항 내지 제 20 항 중 어느 하나에 있어서,상기 적어도 2 개의 전극들은, 4 개의 편평한 판(flat plate)이 서로 마주보는 쌍이 실질상으로 평행하면서, 종방향 중심축 주변에 약 90 °각도로 간격을 두 고 떨어져 배치된 형태이며, 상기 모든 판에 전기적 전위를 제공하는 것을 특징으로 하는 휴대용 수 처리 장비.
- 제 1 항 내지 제 20 항 중 어느 하나에 있어서,상기 적어도 2 개의 전극들은, 1 개의 편평한 판과 2 개의 막대가 실질상으로 평행하게 배치된 형태이며, 상기 편평한 판과 양쪽 막대에 전기적 전위를 제공하는 것을 특징으로 하는 휴대용 수 처리 장비.
- 제 1 항 내지 제 20 항 중 어느 하나에 있어서,상기 적어도 2 개의 전극들은, 상대적으로 폭넓은 1 개의 평판과, 상대적으로 폭좁은 2 개의 평판이 상기 폭넓은 평판으로부터 서로 평행하게 간격을 두고 떨어져 배치된 형태이며, 상기 폭좁은 2 개의 평판에 전기적 전위를 제공하는 것을 특징으로 하는 휴대용 수 처리 장비.
- 전술한 상기 항 중 어느 하나에 있어서,상기 적어도 2 개의 전극들은:알루미늄;철;마그네슘;구리;스테인리스 스틸;백금 코팅된 티타늄; 및은; 중 어느 하나로 개별적으로 제작되는 것을 특징으로 하는 휴대용 수 처리 장비.
- 제 1 항 내지 제 32 항 중 어느 하나에 있어서,상기 적어도 2 개의 전극들 중 적어도 1 개는:알루미늄;철;마그네슘;구리;스테인리스 스틸;백금 코팅된 티타늄; 및은; 중 2 개 이상이 포함되는 것을 특징으로 하는 휴대용 수 처리 장비.
- 전술한 상기 항 중 어느 하나에 있어서,상기 하우징은 손으로 잡기에 적합한 핸들 형태인 것을 특징으로 하는 휴대용 수 처리 장비.
- 전술한 상기 항 중 어느 하나에 있어서,상기 장비는 상기 적어도 2 개의 전극들 사이의 전압 감시 회로(voltage monitoring circuit)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 휴대용 수 처리 장비.
- 제 36 항에 있어서,상기 전압 감시 회로는 전기적 전위가, 오염된 물에 이온(ion)을 공급하기에 충분한 지를 나타내는 지시계(indicator)를 포함하는 것을 특징으로 하는 휴대용 수 처리 장비.
- 제 36 항 또는 제 37 항에 있어서,상기 전압 감시 회로는 하우징 내에 있는 것을 특징으로 하는 휴대용 수 처리 장비.
- 제 36 항 또는 제 37 항에 있어서,상기 전압 감시 회로는 하우징 외부에 있는 것을 특징으로 하는 휴대용 수 처리 장비.
- 전술한 상기 항 중 어느 하나에 있어서,절연된 상기 하우징이 용기의 부분을 형성하고 있는 것을 특징으로 하는 휴대용 수 처리 장비.
- 전술한 상기 항 중 어느 하나에 있어서,상기 적어도 2 개의 전극들은 서로 약 5 mm 내지 20 mm 간격을 두고 떨어져 있는 것을 특징으로 하는 휴대용 수 처리 장비.
- 제 41 항에 있어서,상기 적어도 2 개의 전극들은 서로 약 2 mm 내지 10 mm 간격을 두고 떨어져 있는 것을 특징으로 하는 휴대용 수 처리 장비.
- 휴대용 장비를 이용하여, 오염된 물을 전기 응집에 의해 처리하는 방법으로서,상기 장비는:적어도 2 개의 전극들;과상기 적어도 2 개의 전극들을 전기적으로 절연시키고, 상기 적어도 2 개의 전극들이 서로 간격을 두고 고정된 하우징(housing);을 포함하며,상기 방법은:상기 적어도 2 개의 전극들을 오염된 물에 적어도 부분적으로 잠기게 하는 단계;상기 적어도 2 개의 전극들 중 적어도 하나는 희생 전극이 되어, 오염된 물에 이온을 제공하도록, 상기 적어도 2 개의 전극들에 전기적 전위를 제공하는 단 계;오염된 물속의 응집 정도를 정하는 단계; 및상기 정해진 응집을 조정하기 위해, 상기 하우징을 손으로 잡고, 상기 적어도 2 개의 전극들이 오염된 물속에 잠김 정도를 수동으로 조정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 오염된 물을 전기응집에 의해 처리하는 방법.
- 제 43 항에 있어서,상기 적어도 1 개의 희생 전극이 오염된 물에 응집용 이온을 제공하는 것을 특징으로 하는 오염된 물을 전기응집에 의해 처리하는 방법.
- 제 43 항 또는 제 44 항에 있어서,상기 오염된 물속의 응집 정도를 정하는 단계에는, 물 표면상에 물질의 층(a layer of material)이 수 분 내에 형성되기 시작하는지를 관측하기 위해, 상기 적어도 2 개의 전극들 주위의 물을 관찰하는 것과, 만일 상기 물질 층이 형성되지 않으면, 상기 적어도 2 개의 전극들이 오염된 물에 잠김 정도를 줄여주는 것이 포함되는 것을 특징으로 하는 오염된 물을 전기응집에 의해 처리하는 방법.
- 제 43 항 또는 제 44 항에 있어서,상기 오염된 물속의 응집 정도를 정하는 단계에는, 상기 적어도 2 개의 전극들 사이의 전압을 감시하는 것과, 만일 상기 전압이 미리 정해진 수준 아래로 떨어 지면 상기 전압이 미리 정해진 수준 이상이 될 때까지, 상기 적어도 2 개의 전극들이 오염된 물에 잠김 정도를 줄여주는 것이 포함되는 것을 특징으로 하는 오염된 물을 전기응집에 의해 처리하는 방법.
- 제 43 항 또는 제 44 항에 있어서,상기 오염된 물속의 응집 정도를 정하는 단계에는, 전기적 전위 공급기의 특성과 함께, 처리될 물의 전도성 범위를 정하는 것과, 응집하기에 충분한 미리 정해진 전압을 유지하기 위해, 상기 적어도 2 개의 전극들이 오염된 물에 잠겨져야 될 면적을 계산하는 것이 포함되는 것을 특징으로 하는 오염된 물을 전기응집에 의해 처리하는 방법.
- 오염된 물을 전기응집에 의해 처리하는 휴대용 수 처리 장비로서,상기 장비는:용적(volume)을 형성하는 제 1 전극;적어도 1 개의 제 2 전극(at least one second electrode);상기 적어도 1 개의 제 2 전극을 상기 제 1 전극과 접촉하지 않고 상기 용적에 이입할 수 있도록, 상기 제 1 전극을 상기 적어도 1 개의 제 2 전극으로부터 전기적으로 절연시키는 수단;을 포함하며,상기 적어도 1 개의 제 2 전극이 적어도 부분적으로 잠기게끔, 오염된 물을 상기 용적에 이입하고, 전기적 전위가 상기 제 1 전극과 상기 적어도 1 개의 제 2 전극에 제공될 때, 상기 제 1 전극과 상기 적어도 1 개의 제 2 전극 중 적어도 하나가 희생 전극이 되어, 오염된 물에 이온을 제공하는 것을 특징으로 하는 휴대용 수 처리 장비.
- 제 48 항에 있어서,상기 제 1 전극은 상부가 개방된 용기의 형태이며, 상기 제 2 전극은 한쪽 끝에 절연 캡(insulated cap)을 지니고, 반대쪽 끝 또는 근처에는 주변을 절연 시키는 스페이서(insulated peripheral spacer)를 지닌 막대 형태인 것을 특징으로 하는 휴대용 수 처리 장비.
- 제 48 항 또는 제 49 항에 있어서,상기 적어도 1 개의 제 2 전극이 희생 전극인 것을 특징으로 하는 휴대용 수 처리 장비.
- 휴대용 장비를 이용하여, 오염된 물을 전기 응집에 의해 처리하는 방법으로서,상기 장비는:용적을 형성하는 제 1 전극;적어도 1 개의 제 2 전극; 및상기 제 1 전극을 상기 적어도 1 개의 제 2 전극으로부터 전기적으로 절연시 키는 수단;을 포함하며,상기 방법은:오염된 물을 상기 용적에 이입하는 단계;상기 적어도 1 개의 제 2 전극을 오염된 물에 적어도 부분적으로 잠기게 하는 단계;상기 제 1 전극과 상기 적어도 1 개의 제 2 전극 중 적어도 하나가 희생 전극이 되어 오염된 물에 이온을 제공하도록, 상기 제 1 전극과 상기 적어도 1 개의 제 2 전극에 전기적 전위를 제공하는 단계;오염된 물속의 응집 정도를 정하는 단계; 및상기 정해진 응집을 조정하기 위해, 상기 적어도 1 개의 제 2 전극이 오염된 물속에 잠김 정도를 수동으로 조정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 오염된 물을 전기응집에 의해 처리하는 방법.
- 제 51 항에 있어서,상기 적어도 1 개의 제 2 전극이 희생 전극인 것을 특징으로 하는 오염된 물을 전기응집에 의해 처리하는 방법.
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