KR20100005082A - 기체-방전 플라즈마에 의한 물 및 수용액 처리 방법 및 상기 방법을 수행하기 위한 장치 - Google Patents

기체-방전 플라즈마에 의한 물 및 수용액 처리 방법 및 상기 방법을 수행하기 위한 장치 Download PDF

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Abstract

기체 상태 매질의 예비적 이온화에 의해 제공되는 서로 다른 클록 주파수를 갖는 2개의 주요 전기적 임펄스 방전 I과 II에 의해서, 처리될 액체 흐름의 표면 위에서 유도되고 유지되는 복합 임펄스 기체 방전 플라즈마로 물 및 수용액을 처리하는 방법. 방전 I은 양극 및/또는 음극의 임펄스 주파수 10 Hz 내지 5 kHz, 임펄스 듀티 사이클 1% 내지 99%, 평균 전류 강도 12A 이하 및 350 V 내지 2000 V의 작동 전압으로 생성되고, 방전 II는 양극 및/또는 음극의 임펄스 주파수 5 kHz 내지 80 kHz, 임펄스 듀티 사이클 1% 내지 99%, 평균 전류 강도 10A 이하, 및 작동 전압 350 V 내지 2000 V에서 생성되고, 방전 I의 임펄스 사이의 시간 간격에서 임펄스 패킷의 형태로 생성된다. 예비적 이온화는 예비적 이온화 임펄스 및 배리어 전기 방전, 또는 1개의 예비적 이온화 임펄스 방전과 1개의 배리어 전기 방전에 의해 제공된다. 장치는 처리될 액체의 공급과 방출을 위한 주입구와 배출구 및 기체 상태 매질에 진공 조건을 제공하기 위한 배출구가 있는 반응 챔버, 갈바니로 분리된 전극 "A" 27과 전극 "B" 32 및 이들과 연결된 전력 공급원으로 구성되어 있다. 전극 "A" 27은 파이프 형태로 되어 있고, 그 내부 측벽은 반응 챔버 1의 측벽이고, 반대 극성을 갖는 전극과 함께 배치되어 복합 임펄스 기체 방전의 생성과 처리될 액체의 흐름을 생성한다.
전극 "B" 32는 실린더 또는 배럴 유형의 형태로 설계되어 있고 반응 챔버 1 내부에서 전극 "A" 27에 대해 동축으로 고정되어 있고, 전극 "B"는 전극 "A"에 대 해 반대 극성을 갖는 전극으로 복합 임펄스 기체 방전과 예비적 이온화 임펄스 방전을 생성하도록 배치되어 있다. 제안된 장치에는 반응 챔버 1 내부에서 전극 "B" 32 위에 배치되어 있고 "농형(squirrel cage)" 또는 실린더 또는 배럴 형태의 케이지 형태로 설계된 추가적인 전극 "C" 33이 구비될 수 있다.
플라즈마, 정제

Description

기체-방전 플라즈마에 의한 물 및 수용액 처리 방법 및 상기 방법을 수행하기 위한 장치{METHOD FOR TREATING WATER AND AQUEOUS SOLUTIONS BY MEANS OF A GAS-DISCHARGE PLASMA AND A DEVICE FOR CARRYING OUT SAID METHOD}
본 발명은 광범위한 오염 물질과 오염원의 정화, 및 다양한 종류 또는 활성의 미생물의 살균을 제공하기 위한, 기체 방전 저온 플라즈마를 사용하는 물 및 수용액 처리 분야에 관한 것이다.
주로, 본 발명은 다양한 출처의 하수 처리, 음수(drinking water) 및 공업 용수(technical water)의 처리를 위해 사용될 수 있다. 또한, 본 발명은 화학적으로 순수하고 휴대용 물(portable water)뿐만 아니라 수용액의 활성화(activation)를 위해 사용될 수 있다. 이러한 활성화로부터 생긴 생성물은 의약, 수의 약품, 식품, 미생물, 화장품, 채광 및 화학 산업 및 농업에서 사용될 수 있다.
전기 방전, 예를 들면 아크 방전(US 5464513), 코로나 방전(US 5549795, WO98/09722), 배리어 방전(barrier discharge)(RU2136600, 2164499), 고 전압 방전(RU 2152359), 또는 글로 방전(glow discharge)(RU 2043969, 2043970, 2043971, 2043972, 2043973, WO 02/058839, 02/059045)에 의해 유도되는 기체 방전 플라즈마로 물 및 수용액에 영향을 줌으로써 물 및 수용액(수성 매질, aqueous medium)을 처리하는 공지된 방법이 많이 있다. 이러한 처리의 결과로, O-, O2 -, O3 -, OH-, H2O-, 과산화수소 H2O2 및 과산화물 H2O3가 수성 매질에서 생성된다. 이러한 반응물들이 물 및 수용액에 존재하는 물질 및 미생물과 상호 작용한다. 또한, 보조 요소(cofactor)는 광전 효과와 UV 조사이다.
일련의 30A의 전류 강도(current strength)와 10-50 kV 전압에서의 펄스 전기 아크 방전(US 5464513), 또는 산소-함유 기체 매질 및 10 kV의 전압에서의 임펄스 전기 방전(RU 97117396), 또는 100-500 kV의 전압 및 이와 함께 유체의 표면 층(surface layer)이 전극으로 작용하는 것에 의한 고 전압 전기 방전(RU 1011545)에 의해 유도되는 기체 방전 플라즈마로 수성 매질을 처리하는 방법이 알려져 있다.
일련의 임펄스 전기 아크 방전에 의해 유도되는 기체 방전 플라즈마로 수성 매질을 처리하는 장치(US 5464513)는 고 전압 공급원과 연결된 2개 이상의 전극과 함께, 처리될 물을 공급하기 위한 장치를 갖추고 있는 반응 챔버를 포함한다.
전기 코로나 방전에 의해 유도되는 기체 방전 플라즈마로 수성 매질을 처리하는 방법(JP, PN: 03181393, JP, PN: 62121695)이 알려져 있지만, 이 방법은 그 수행을 위해서는 3000V 이상의 고 전압을 필요로 한다.
이 방법을 수행하기 위한 장치(JP, PN: 03181393, JP, PN: 62121695)는 고 전압 공급원과 연결되어 있고 수평으로 고정된 2개 이상의 평면 전극(planar electrode)과 함께, 처리될 물을 공급하기 위한 장치가 갖추어져 있는 반응 챔버를 포함한다.
1 내지 20 kV의 전압에서 액체 상층(above layer)에서 생성되는 전기 코로나 방전에 의해 유도되는 기체 방전 플라즈마로 수성 매질을 처리하는 방법(WO 98/09722)이 알려져 있다.
이 방법을 수행하기 위한 장치(WO 98/09722)는 배치된 2개 이상의 전극을 갖는 반응 챔버를 포함하고, 상기 전극 중 하나는 처리된 액체의 표면 위에 위치해 있고 200 kHz 주파수의 고 전압 공급원(1-20kV)과 연결되어 있으며, 상기 전극 중 다른 하나는 처리 과정에서 유체에 의해 덮여진다. 상기 장치에는 처리될 액체를 반응 챔버로 공급하는 수단 및 챔버 내부를 진공으로 만들기 위한 장치가 갖추어져 있다.
실행 모드에서 유전체 코팅(dielectric coating)이 있는 고 전압 전극의 도움으로 생성되는 전극 배리어-전기 절연 배리어(electric insulation barrier) 방전에 의해 유도되는 기체 방전 플라즈마로 수성 매질을 처리하는 방법(RU 2136600, 2164499)이 알려져 있다.
이 방법을 수행하기 위한 장치(RU 2136600)는 물-기체 혼합물의 형성과 방출을 위한 수단이 배치되어 있고, 고정된 유전체 배리어(dielectric barrier)가 설치된 전극과 마주보고 있는 상태로 놓여 있는 두 개의 매니폴드(manifold) 형태의 전극 시스템을 갖는 반응 챔버를 포함한다. 이들 중 전극 하나는 그 나머지 전극으로부터 1-15 mm 거리 떨어져 있다. 상기 장치에는 액체를 위한 반응 카메라 주입구(reaction camera branch)와 방출 파이프 브랜치(discharge pipe branch)가 구비 되어 있다.
필라멘트 형태의 전기 방전에 의해 유도되는 기체 방전 플라즈마로 물을 처리하는 장치(DE 4440813)는 반응 챔버, 두 개의 서로 전기적으로 분리된 전극으로서 상기 두 개의 전극 중 하나는 기체 상태의 대기 중에 있고 플레이트(plate)로 제조되며 유전체 및 냉각 시스템이 제공되어 있고 200 kHz의 주파수를 갖는 고 전압(8-12 kV) 공급원과 연결되어 있고, 상기 두 개의 전극 중 나머지는 처리 공정 동안에 유체 내에 있고 접지되어 있는 두 개의 전극을 포함한다. 상기 장치에는 처리된 유체를 상기 반응 챔버에 공급하기 위한 수단이 제공되어 있다.
본 발명자들에 의해 견본으로 채택된, 본 발명의 가장 근접한 종래 기술은 실행 모드에서 클록 주파수(clock frequency) 0.1-100 kHz, 40% 미만의 듀티 사이클(duty cycle) 및 2-10 kV의 임펄스 전류의 초기 전압, 30-5000mkA의 전류 강도, 0.01-20 mksec의 임펄스 지속 시간(impulse duration), 전극 중 하나는 상기 처리된 유체 중에 잠겨 있고 역 포텐셜을 갖는 전극은 기체 상태의 대기 중에 있는 서로 다른 전극의 사용과 함께 0.1-10A의 작동 전류 강도와 500V를 초과하지 않는 전압에서 처리될 액체의 상부 표면에서 생성되는, 자체적으로 유지되지 않는 글로 방전에 의해 유도되는 기체 방전 플라즈마로 수성 매질을 처리하는 방법(WO 02/058839)이다. 자체적으로 유지되지 않는 글로 방전에 의한 처리 동안에, 방전 매질의 온도는 처리된 유체의 본래 끓는점 미만으로 유지되고, 압력은 30-250 torr에서 유지되며, 자기장이 적용되고, 상기 처리될 액체는 0.5-5 mm의 깊이의 난류성 흐름(turbulent flow)으로 공급된다.
상기 방법은 본 발명자들에 의해 견본으로 고려되고 있으며, 상기 자체적으로 유지되지 않는 글로 방전의 개시를 위해 클리어린스(clearance)와 동축으로 배열되어 있는 2개 이상의 고리 모양의 전극(내부 전극 및 외부 전극)이 있는 반응 챔버를 포함하고 상기 내부 전극과 마주보고 있는 반응 챔버의 외부에는 자석이 설치되어 있는, 수성 매질 처리 장치(WO 02/058838)인 가장 근접한 종래 기술에서 수행된다.
상기 장치에는 상기 전극과 전기적으로 연결되어 있고 작동 전압 및 이온화(여기물, excitant) 임펄스 전압의 공급원을 통합하고 있는, 상기 전극에 전기적 포텐셜을 적용하기 위한 수단, 상기 반응 챔버에 상기 수용액을 공급하기 위한 수단, 상기 반응 챔버 내부에 진공을 발생시키기 위한 수단, 및 상기 전극을 냉각시키기 위한 수단이 갖추어져 있다.
상기에서 기술된 방법과 장치의 공통적인 문제점은 상기 제시된 조건에서는 정화에 부적합한 정도(강도)의 오염 물질과 오염원의 종류 및 형태의 다양성과 함께 오염 물질과 오염원의 최초 농도가 높아 수용액 정화의 효율이 낮고, 이와 함께 정제된 물 1 단위당 에너지 소비가 상대적으로 높다는 점이다.
이와는 별개로, 공지된 방법과 장치는 박테리아 및 바이러스로부터 생성된 포자로부터 수용액의 확실한 살균을 제공하지 않는다.
상기에서 기술된 일부의 방법과 장치의 또 다른 심각한 한계점은 500 V를 초과하는 고 전압 사용이 필요하고, 즉 관리인과 환경에 안전하지 않다는 것이다.
본 발명의 주요 기술적인 과제는 플라즈마로 물(수용액) 처리 효율을 증가시키는 것으로, 즉 동시에 무독화되는 오염 물질, 오염원 및 미생물의 스펙트럼을 넓히고, 정제 정도를 증가시키고, 정제수 1 단위당 비용을 동시에 감소시키면서 초기에 고 농도의 오염 물질이 있는 수용액의 효율적인 정제와 정화 및 물과 수용액의 활성화 효율을 증가시키고, 즉 변형되고 새롭게 획득되는 물성의 변화 및 스펙트럼 정도를 증가시키는 것이고, 장치 1개당 에너지 비용뿐만 아니라 활성화된 물 1 단위당 활성화 비용을 동시에 감소시키면서 외부의 영향에 대해 지속성(활성화 결과로 얻어지는 물성의 수명(time life))과 새롭게 획득되는 물성의 안정성을 확대시키는 것이다.
본 발명의 또 다른 과제는 활성화를 통하여 변형된 및/또는 새롭게 획득된 물과 수용액의 물리적, 화학적 및 생물학적 물성을 광범위하게 조절하고 통제하는 능력을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 상기 과제를 해결하기 위하여, 기체 방전 플라즈마로 물 및 수용액을 처리하는 방법이 제안되었고, 상기 방법은 하기로 구성되어 있다: 흐름(flow) 형태로 되어 있고 기체 상태 매질과 인접하는 상기 물(수용액)은 상기 기체 상태 매질의 예비적 이온화로 제공되는 서로 다른 클록 주파수(clock frequency)의 두 개의 주요 전기 임펄스 방전에 의해 유도되고 유지되는 복합 임펄스 기체 방전(combined impulse gas discharge) 요소들의 전체적인 복합체(complex)로 동시에 처리된다.
이와 함께, 두 개의 주요 전기 방전의 유지를 위한, 상기 기체 상태 매질의 예비적 이온화는 1개 또는 2개의 서로 다른 클록 주파수의 두 개의 예비적 이온화 임펄스 전기 방전, 또는 1개 또는 2개의 서로 다른 클록 주파수의 두 개의 예비적 이온화 배리어 전기 방전, 또는 1개 또는 2개의 서로 다른 클록 주파수의 1개의 예비적 이온화 임펄스 전기 방전과 1개의 예비적 이온화 배리어 전기 방전에 의해 제공된다.
바람직한 경우에 있어서, 상기 주요 전기 방전 중 하나(방전 1)는 12A의 평균 방전 전류 강도, 350V 내지 2000V의 작동 전압에서, 10 Hz 내지 5 kHz의 양극 및/또는 음극의 작동 임펄스의 클록 주파수와 1% 내지 99%의 임펄스 듀티 사이클(impulse duty cycle)로 생성되고, 상기 주요 전기 임펄스 방전 중 나머지(방전 2)는 10A의 평균 방전 전류 강도, 350V 내지 2000V의 작동 전압에서, 5kHz 내지 80 kHz의 양극 및/또는 음극의 작동 임펄스의 클록 주파수, 1% 내지 99%의 임펄스 듀티 사이클로 생성된다. 이와 함께, 전기 방전 2는 전기 방전 1의 펄스 사이의 간격에서 펄스 패킷(pulse packet)으로 만들어진다.
바람직한 경우에 있어서, 상기 예비적 이온화 방전은 3 kV 내지 20 kV의 전압에서 양극 및/또는 음극의 2 mksec 이하의 전압 펄스 지속 시간(voltage pulse duration)으로 10 Hz 내지 250 kHz의 주파수 범위에서 생성되고, 상기 배리어 방전은 3kV 내지 25 kV의 전압에서 2 mksec 이하의 지속 시간으로 양극 또는 음극의 우세를 갖는 교번 극성(alternating polarity)의 전압 펄스로 10 kHz 내지 150 kHz의 주파수 밴드에서 생성된다.
수 처리 효율의 증가를 제공하기 위해서, 복합 방전과 처리될 물은 0.01 T1 이상의 자기장 유도를 갖는 교번 자기장(alternating magnetic field) 또는 정상 자기장(steady magnetic field)에 의한 영향을 추가적으로 받는다.
유수가 난류성인(turbulent) 경우, 처리될 액체의 흐름을 0.3 mm 내지 3 mm의 두께로 생성하고, 상기 기체 상태 매질에서 압력을 10 Torr 내지 대기압으로 유지하는 것이 타당하다.
또한, 공기 또는 다른 산소 함유 기체를 처리될 물(수용액)에 주입하는 것이 타당하고, 예를 들면 물(수용액)에 버블링(bubbling)함으로써 주입하는 것이 타당하다.
또한, 상기 진술된 과제는 본 발명에 따른 기체 방전 플라즈마로 물 및 수용액을 처리하는 방법을 수행하기 위한 제안된 장치에 의해서 해결되고, 상기 장치는 하기의 요소로 구성되어 있다:
- 처리될 액체의 공급 및 방출을 위한 주입구와 배출구, 및 기체 상태 매질에 진공을 제공하기 위한 배출구가 있는 반응 챔버,
- 갈바니(galvanic) 분리된 전극으로서
상기 전극 중 하나로서, 파이프 형태로 만들어져 있고 그 내부 표면은 상기 반응 챔버의 측벽(side wall)이고 반대 극성을 갖는 전극과 함께 분배되어 있어 복합 임펄스 기체 방전을 생성하고 상기 액체의 흐름을 생성하는 전극(전극 "A"),
상기 전극 중 또 다른 하나로서, 1개 이상이고, 실린더 또는 배럴(barrel)-형태의 형상으로 설계되어 있고 상기 반응 챔버 내에서 상기 전극 "A"에 대해 동축으로 고정되어 있고 복합 임펄스 기체 방전의 생성과 예비적 이온화 임펄스 방전의 생성을 위해 반대 극성을 갖는 전극(전극 "B"),
- 상기 전극들과 연결되어 있는 전력 공급원.
제안된 장치에는 1개 이상이고 유전체 배리어(dielectric barrier) 내에 별개로 둘러싸여 있는 전기 전도체로 만들어지고 "농형(squirrel cage)" 또는 실린더 케이지(cylinder cage) 또는 배럴(barrel) 형태로 서로 연결되어 있고 전극 "B" 위에서 상기 반응 챔버 내에 고정되어 있고 추가적인 전력 공급원과 추가로 연결되어 있는, 추가적인 전극(전극 "C")이 갖추어질 수 있다. 이와 함께, 전극 "C"는 전극 "B"에 대해 반대 극성을 갖는 전극으로 예비적 이온화 배리어 방전을 생성한다.
바람직한 경우에 있어서, 상기 전극 "A"의 내부 표면은 그 표면의 젖음성(wettability)을 증가시키도록 특별한 방법으로 처리되고, 선택적으로는 제거되도록 고정되어 있다.
전극 "A"는 탄탈 또는 몰리브데늄, 또는 백금 또는 이리듐 코팅될 수 있다.
전극 "A"는 주로 산성 및/또는 알칼리성 매질에 대해 저항성이 있는 금속, 예를 들면 스테인레스 스틸 또는 티타늄 또는 도전체가 내부 표면에 있는 세라믹으로 만들어질 수 있다. 이와 함께, 선형 또는 망상, 또는 나선 형태의 도전체는 부식이 낮은, 부식 저항성 금속 예를 들면 텅스텐 또는 몰리브데늄 또는 백금으로 만들어질 수 있고; 및 상기 전극 "A"의 세로축 방향으로, 또는 이와 교차하여, 또는 이와 각을 이루면서 배치될 수 있다.
산소 또는 산소-함유 기체를 상기 반응 챔버에 버블링하기 위한 선택적 사항을 보증하기 위하여, 전극 "A"의 벽에 구멍이 제공된다. 이와 함께, 전극 "A"는 내장된(built-in) 도전체가 있는 다공성 티타늄 또는 다공성 스테인레스 스틸, 또는 다공성 세라믹으로 만들어지고, 반응 챔버에는 상기 챔버의 외부 측면에 배치되어 있고 선택적으로는 제거되도록 고정되어 있는 외부 재킷(jacket)이 있다.
전극 "A"의 내장된 세라믹 도전체는 선형 또는 망상, 또는 나선 형태로 설계될 수 있고 부식성이 낮은, 부식 저항성 금속 예를 들면 텅스텐 또는 몰리브데늄으로 만들어질 수 있고; 및 상기 전극 "A"의 세로축 방향으로, 또는 이와 교차하거나, 또는 이와 각을 이루면서 배치될 수 있다.
바람직한 경우에 있어서, 전극 "B"는 전극의 굵은 부분(butt end)이 매끄럽게 둥근 형태로 되어 있고, 가장자리 또는 슬롯(slot)이 전극의 측면에 균일하게 배치되어 있도록 설계되어 있고, 내화성이 있는 전기 전도성 물질 예를 들면 텅스텐 또는 텅스텐 카바이드(carbide) 또는 이와 유사 물질로 만들어지고, 전극 "A"로부터 3 mm 내지 20 mm 거리를 두고 고정되어 있다.
수행을 위한 장치 경우 중 하나에서, 전극 "C"는 선택적으로는 제거되도록 고정되어 있다.
상기 전극 "C"의 도전체가 내장되는 유전체 배리어는 예를 들면, 석영 또는 알루미늄 산화물, 또는 티타늄 산화물, 또는 탄탈 산화물, 또는 유리 절연체, 또는 이들의 유사 물질로 만들어질 수 있다.
수행을 위한 장치 경우 중 하나에서, 장치에는 상기 전극 "B"에 냉각을 제공하는 열 교환기, 및 상기 열 교환기에 냉매 예를 들면 변압기유(transformer oil)를 공급하는 장비 형태의 배치(arrangement)가 갖추어져 있다. 이와 함께, 바람직한 경우에, 전극 "B"는 열 교환기에 직접적으로 위치하고 있다.
상기 열 교환기는 200 W/mKO 이상의 열 전도도 지수를 갖는 금속, 예를 들면 구리 금속 펠트(metal felt)로 만들어진다.
처리 액체의 난류성 흐름(turbulent flow)을 생성하기 위한 선택적 사항을 제공하기 위해서, 상기 반응 챔버에는 반응 챔버의 내부 표면에 대해 접하도록, 특별한 경우에는 반응 챔버의 세로축에 대해 70°내지 88°의 각도로 된, 상기 반응 챔버의 윗부분에 위치된 인젝터(injector) 형태로 설계된 배치가 갖추어져 있다.
특별한 경우에는, 장치에는 상기 반응 챔버에 하나 이상의 자기장을 부과하기 위해 제공된 배치가 갖추어져 있고, 즉 전극 "B"와 바로 마주보고 있으며 반응 챔버의 외부에 배치된 자석의 형태로 설계되어 있고 선택적으로는 제거되도록 고정화된 배치가 갖추어져 있다.
장치에는 또한 0.7 T1 이상의 자기장 유도 및 상기 액체 흐름의 벡터 방향으로 또는 이와 교차하는 자기 유도 벡터의 방향으로, 주입구에서 정상 자기장 또는 임펄스 자기장(impulse magnetic field)을 상기 반응 챔버에 부과하기 위한 배치가 갖추어질 수 있다. 상기 배치는 반응 챔버의 외부에 고정된 하나 이상의 자석의 형태로 설계되고 이는 선택적으로 제거되도록 고정화되어 있다.
본 발명의 본질은 하기와 같다: 복합 임펄스 기체 방전은 처리될 액체(물 또는 수용액) 표면 위의 고정적으로 떨어져 있는 방전 사이의 공간-영역에서 전극 사이의 공간에서 저온 플라즈마를 생성하고 유지하기 위해 제공되고, 즉 상기 영역을 통하여 처리될 액체 흐름이 통과하는 동안에 처리될 액체 흐름이 플라즈마의 모든 요소들의 영향을 받도록 하는 것이다.
복합 임펄스 기체 방전에 의해 저온 플라즈마를 생성하는 과정에서, 이온의 생성, 들뜬 상태의 물 분자 및 제2 전자들이 플라즈마에서 생성되고, 그 결과 주요 활성 입자-라디칼 OH＊, H＊, O＊ 및 N＊ 뿐만 아니라 용매화된 전자와 제2 활성 입자-안정한 산화제-과산화수소 H2O2가 생성된다.
이와 별도로, 처리될 액체는 어코스틱 충격파(acoustic shock wave)에 영향을 받고, 하전된 입자 흐름 및 자외선, 가시광선, 적외선 및 라디오주파수 밴드의 전자기파 조사의 충격을 받게 된다.
이와 함께, 생성된 화학적으로 활성인 입자들은 물 또는 수용액 내부에 축적될 수 있고, 따라서 물 또는 수용액의 전도도와 다른 파라미터를 변화시키고, 생성된 활성 입자들의 화학적 상호 작용이 일반적으로는 입자들의 물성을 변화시킨다. 수 처리 조건 및 물 또는 수용액의 조성에 의존하면서, 복합 임펄스 기체 방전 충격은 성분들을 환원시킬 뿐만 아니라 산화시킬 수 있다. 복합 임펄스 기체 방전 충격은 물의 클러스터(cluster) 구조와 물 및/또는 수용액의 에너지 구조를 변화시킨다.
제안된 방법과 장치는 특징적인 충격과 대응하는 주파수를 선택하게 하는 기회를 제공하고, 즉 오염되거나 및/또는 더러워진 물 또는 수용액과 기체 방전 플라즈마 상호작용의 파라미터 특징을 제공하여, 물 또는 수용액 처리 효율을 증가시킨다.
오염되거나 및/또는 더러워진 물 또는 수용액에 대한 복수 개의 진동수와 광범위한 충격을 선택하는 것은 이들의 특징적인 진동수의 부근에서 다양한 오염 물질의 선택적인 처리를 제공한다.
처리될 물 또는 수용액에 대한 복합 기체 방전의 모든 요소들의 동시 충격은 플라즈마-물 상호 작용 부분에서 화학적 반응 및 물리적 처리의 반응의 주요 조건의 성립을 제공하여, 물 및 수용액의 정제 및 정화에 이르게 하며, 하기와 같은 반응과 처리를 포함한다:
- 산화, 환원 및 수화;
- 처리될 물에 포함된 혼합물과 방전 상호 작용 생성물의 화학적 상호 작용;
- 혼합물(미생물을 포함)과 라디오 주파수(radiofrequency, RF), 적외선(IR), 자외선(UV) 및 가시 광선 주파수 밴드의 조사와의 상호 작용;
- 어코스틱 충격파와 하전된 입자 흐름의 상호 작용.
복합 기체 방전 플라즈마로 물 및 수용액을 처리하는 것은 물의 구조를 변화시키고, 물의 클러스터는 크기가 더 작아지며, 동시에 H, O, OH 이온, 과산화물 및 슈퍼 옥사이드 화합물의 이온, 과산화수소 및 슈퍼 옥사이드, 원자 상태의 산소 등과 같은 대체로 들뜬 상태에 있어 반응을 수행할 수 있는 입자들이 생성되고, 이들은 처리될 액체(물 또는 수용액)가 상기 기술된 반응을 위한 촉매 매질이 되도록 만든다.
오염된 물 또는 수용액과 복합 기체 방전 플라즈마의 상호 작용 결과 오염 물질은 불용성 또는 난용성 형태로 변화되거나, 또는 완전히 또는 부분적으로 파괴되거나, 또는 새로운 무독성 화합물을 생성하게 된다. 화합물을 오염시키는 박테리아, 바이러스 및 곰팡이는 완전히 활성을 잃어버리게 되고 이들의 잔존물이 파괴된다.
제안된 방법은 중금속(Fe, Mn, Al, Ag, Ni, As, Co, Cu, Pb, Zn, Mo, Sr, Ti, Va, Zr, Cd, Cr, Hg를 포함), 방사성 핵종, 유기 오염 물질(석유 화학물질 등을 포함하는, 천연 및 합성 기원을 갖는 유기 물질), 독성 물질, 다이옥신, 계면 활성제로부터, 산업 폐수 및 도시 하수를 포함하는 다양한 기원의 오수의 효과적인 정제 및 음수(휴대용 물)의 후-처리를 제공할 뿐만 아니라, 물에 존재하는 박테리아, 곰팡이 및 바이러스의 완전한 비활성화를 제공한다. 이와 함께, 인간, 동물 및 식물 성장의 생명 유지 활성을 위해 결정적으로 중요한 알칼리 금속 및 알칼리 토금속 염의 최초 농도는 오염된 물을 복합 기체 방전 플라즈마로 처리한 결과 실질적으로 변화되지 않는다.
제안된 방법은 광범위한 오염 물질 및 오염원의 초기 농도뿐만 아니라, 오염 물질 및 오염원의 광범위한 조합에 대해 효과적이다.
제안된 방법은 1 리터 당 수십 그램의 초기 농도를 갖는 오염 물질로부터의 정제 및 정화를 위해 적절하다. 정제 결과 오염 물질의 농도는 상응하는 표준 기준 요건을 충족하여, 개방된 저수지에 정제수의 방출을 제공하거나 또는 공업 과정에서 물을 재사용하게 하고, 음수의 후-처리 경우에는 음수(휴대용 물)의 기준을 충족한다.
플라즈마로 물을 처리하는 과정에서 처리될 액체(물 또는 수용액)를 공기 또는 산소-함유 기체로 버블링하는 방법을 사용하는 것은 오염 물질 파괴의 산화 과정의 효율을 상당히 증가시키고 정제 효율의 증가, 플라즈마 처리의 안정성을 제공하고, 물 및/또는 수용액 내에서 과산화수소(H2O2.)와 같은 것을 포함하는 산화제의 생성을 증가시킨다.
방전 영역에서 0.01 T1 이상의 자기장 유도에 의한 정상 자기장 또는 임펄스 자기장의 충격은 모든 반응 챔버를 통해 비교적 균일한 플라즈마를 생성하는 것을 제공하고, 특히 방전 전류 강도가 높고 기체 상태 매질의 압력이 증가되는 경우에는 균일한 플라즈마를 생성하도록 하여, 제안된 플라즈마 처리 방법의 효율을 증가시킨다.
처리될 액체의 흐름이 0.3 mm 내지 3 mm의 두께를 갖는 얇은 막 형태로 실행되는 물 또는 수용액 처리는 그 몸체가 전극을 나타내는 반응 챔버의 세로축에 대하여 흐름이 꼬인 상태가 되고, 상기 흐름에서 난류성 조건을 유지하고, 또한 제안된 플라즈마 처리 방법의 효율의 증가를 제공한다.
제안된 방법에 있어서, 통합된 공업적 처리 체제 및 1개의 반응 챔버에서, 예비적 이온화 임펄스 전기 방전 또는 배리어 방전에 의한 기체 상태 매질의 예비적 이온화, 자기장 사용에 의한 처리될 액체에 대한 추가적인 충격, 및 상기 액체에 공기 또는 산소-함유 기체를 버블링하는 것과 함께, 서로 다른 클록와이즈 주파수(clockwise frequency)를 갖는 두 개의 주요 전기 임펄스 방전에 의해 유도되는 복합 임펄스 기체 방전의 사용은 1.5-2.5배 이상으로 유효 전력 소비를 동시에 감소시키고, 2배 이상으로 물 및 수용액 처리의 운전 시간 단축을 제공하여, 공지된 견본 방법과 비교할 때 수성 매질의 보다 효과적이고 충분한 처리를 제공한다.
제안된 방법과 장치의 다 목적성은 기본이 되는 기술과 장치 구성 요소의 설계에 변화를 주지 않고 목표로 하는 결과를 얻기 위한 선언된 한계 내에서 물 및 수용액 처리의 기술적인 파라미터의 변화를 제공한다.
본 발명의 방법은 광범위하고 스펙트럼이 넓은 초기의 정량 및 정성 파라미터를 갖는 천연, 인류 발생, 식물, 동물, 및 인간 기원의 물 및 수용액을 고 효율로 오염 물질을 제거하고 정제하고 활성화시키는 목적으로 처리하는 것을 제공하고,
- 정제된 수용액을 생산에서 재사용하고, 공개된 저수지와 도시 하수에 방출하고, 및 어떤 경우에는 휴대용 물로 사용하는 가능성;
- 산업, 농업, 의학, 및 의약과 같은 인간 활동, 생명에 기본이 되는 활동의 뒷받침 및 하부 구조 유지, 생태계 등의 다양한 분야에서 플라즈마 활성화된 물 및 수용액의 사용 가능성을 보증한다.
본 발명에 따라 제안된 방법과 장치는
- 유기물 및 무기물, 중금속, 플루오르화물(fluoride), 석유화학 생성물, 방사성 핵종, 계면 활성제, 병원성 미생물과 같은 오염 물질 및 오염원을 갖는 물 및 수용액의 정제;
- 정제된 물, 2번 정제된 물 및 3번 정제된 물, 음수(휴대용 물), 염 용액 및 공업 용액, 물에 대응하는 물 및 수용액의 활성화를 제공한다.
제안된 처리 방법은 환경에 안전하고, 어떠한 화학적 반응물의 사용을 필요로 하지 않는다.
첨부된 도면에서 기술된 바와 같이, 기체 방전 플라즈마로 물 및 수용액(이하에서 "액체"로 언급됨)을 처리하기 위한 장치(도 1)는 기체 상태 매질 예를 들면 공기로 채워진 밀폐된 반응 챔버 1을 포함한다. 기체 상태 매질의 미리 고정되어 있고 유지되는 압력 하에서 복합 임펄스 기체 방전이 상기 반응 챔버 1 내에서 유도된다. 액체는 상기 방전의 도움으로 처리된다. 처리될 액체는 또한 정상 자기장 또는 교번(임펄스) 자기장의 영향을 받고 공기 또는 다른 산소-함유 기체로 버블링된다.
처리될 액체를 고정된 온도에서 반응 챔버 1로 공급하기 위한 배치는 주입구 전기적 밸브 2, 예비 정제를 위한 주입구 기계적 여과기 3, 열 교환기 4, 자석 5, 유량계가 있는 유속 조절기 6 및 연결 파이프라인 7과 8로 구성되어 있다.
처리된 액체(물 또는 수용액)를 반응 챔버 1로부터 방출하기 위한 다른 배치는 고체 형태의 배출 펌프 9, 처리된 물을 응집된 현탁액으로부터 정제하기 위한 미세 정제를 위한 배출구 기계적 여과기 10, 배출구 전기적 밸브 11 및 연결 파이프 라인 12로 구성되어 있다.
심하게 오염된 액체를 처리하고 보다 높은 정도로 정화를 달성하기 위한 경우에는, 액체 처리 사이클(복수 회 사이클)이 반응 챔버 1 내에서 수행될 수 있다. 이러한 경우를 위해서는, 처리된 액체를 반응 챔버 1의 배출구로부터 주입구로 공급하기 위한 특별한 배치가 설계되는데, 이 배치는 고체 형태의 배출 펌프 9, 중간 전기적 밸브 13, 반 미세 정제를 위한 중간 기계적 여과기 14, 열 교환기 4, 자석 5, 유량계가 있는 유속 조절기 6, 연결 파이프라인 8 및 파이프라인 15로 구성되어 있다.
반응 챔버에서 처리한 후에 액체의 포집은 배출구 포집기 16에서 일어난다.
반응 챔버 1에는 전극 블록(block of electrodes) 17이 위치해 있다.
반응 챔버 1의 전극 블록 17에 냉각을 제공하기 위한 배치가 있고, 이 배치는 오일 펌프 18, 열 교환기 19, 압력 조절기 20, 거대 탱크(extensive tank) 21 및 연결 파이프라인 22로 구성되어 있다.
반응 챔버 1 내부에 진공을 제공하기 위한 배치는 진공 펌프 23, 압력 조절기 24, 배수 전기적 밸브(drain electro valve) 25 및 파이프라인 26으로 구성되어 있다.
반응 챔버 1은 밀폐된 챔버의 형태로 설계되고 수직 방향으로 위치된다(도 1과 도 2).
반응 챔버 1은 선택적으로는 쉽게 제거되도록 설치되어 있는, 파이프 형태의 케이스(case)를 포함한다. 이 파이프는 전극 "A" 27이고, 처리 전체에 걸쳐 그 내부 표면은 처리될 액체로 덮여지게 된다.
반대 극성을 갖는 다른 전극과 함께 전극 27은 복합 임펄스 기체 방전의 생성 및 유지를 위해 설계되어 있다.
장치를 실행하기 위한 특별한 경우에는, 반응 챔버 1의 전극 27은 300 내지 1500 mm의 높이로 40 내지 200 mm의 내부 직경으로 제조된다. 전극 27의 벽은 동시에 상기 반응 챔버 1의 측 벽이 되고, 표면의 더 나은 젖음성을 제공하도록 내부 표면을 특별한 방법으로 처리하여 제조된다.
전극 27은 산성 및/또는 알칼리성 매질에 대해 주로 저항성이 있는 물질, 예를 들면 스테인레스 스틸 또는 티타늄으로 제조되거나, 또는 탄탈, 또는 몰리브데늄, 또는 백금, 또는 이리듐 코팅하여 제조된다. 전극 27은 그 내부 표면에 도전체가 있는 세라믹으로 제조되거나, 부식성이 낮은 부식 저항성 금속 예를 들면 텅스텐, 또는 몰리브데늄, 또는 백금으로 제조될 수 있다. 상기 도전체는 선형, 망상형, 또는 나선 형으로 설계되고 전극 27의 세로축 방향으로, 또는 이와 교차하여, 또는 이와 각을 이루면서 배치될 수 있다.
전극 27에는 반응 챔버 1의 내부에 공기 또는 다른 산소-함유 기체를 버블링하기 위한 구멍이 만들어질 수 있고, 예를 들면 다공성 티타늄, 또는 다공성 스테인레스 스틸, 또는 내장된 도전체가 있는 다공성 세라믹으로 만들어질 수 있다. 이와 함께, 전극 27의 재료는 처리된 액체와 촉매 효과를 생성하지 않는다.
전극 27이 다공성 물질로 만들어지는 경우, 다공성 물질의 구멍을 통하여 공기 또는 산소-함유 기체를 처리될 액체에 버블링하기 위한 배치는 게이트-형태(gate-type)의 전기적 밸브 28, 고압으로 또는 압축기 30으로 산소-함유 기체를 포함하는 용기 29, 및 연결 파이프라인 31로 구성되어 있다.
전극 블록 17은 1개 이상이고 반응 챔버 1의 내부에서 전극 27과 동축으로 위치하면서 서로 떨어져 있고 이들의 공간이 장치 수행을 위한 특별한 경우 3 mm 내지 20 mm 떨어져 있으며 전극 27에 대해 반대 극성이고 두 개의 주요 전기 임펄스 방전과 예비적 이온화 임펄스 전기 방전을 생성하고 유지하는, 전극 "B" 32로 구성되어 있다.
전극 32는 전극 말단의 굵은 부분이 부드럽게 둥근 형태로 되어 있고, 이들의 후면에 가장자리 또는 슬롯이 균일하게 위치하고 있는 실린더 형태 또는 배럴-형상의 형태로 설계되고, 내화성이 있는 전기 전도성 물질 예를 들면 텅스텐 또는 텅스텐 카바이드, 또는 이와 유사 물질로 만들어져 있다.
전극 32에는 또한 내화성이 있는 전기 전도성 물질 예를 들면 텅스텐, 텅스텐 카바이드 또는 이와 유사 물질로 된 외부 표면이 만들어질 수 있다.
1개 이상인 또 다른 전극 "C" 33은 유전체 배리어(dielectric barrier) 내에 별개로 내장된 도전체로 만들어지고, "농형" 또는 실린더 케이지 또는 배럴 형태로 서로 연결되어 있다.
전극 33은 선택적으로 제거될 수 있도록 상기 전극 32 위에 위치해 있다.
전극 33은 전극 32와 함께 예비적 이온화 배리어 방전의 생성을 제공한다. 전극 33의 도전체가 내장되어 있는 상기 유전체 배리어는 예를 들면, 석영 또는 알루미늄 산화물, 또는 티타늄 산화물, 또는 탄탈 산화물, 또는 유리 절연체, 또는 이들의 유사 물질로 제조된다.
모든 전극 27 "A", 32 "B", 및 33 "C"는 서로 갈바니로(galvanic) 분리되어 있다.
전극 블록 17은 1개 또는 수개의 전극 32 "B"와 33 "C"로 구성될 수 있다.
반응 챔버 1 내에 있는 전극의 개수는 시간 단위당 처리될 액체의 미리 정해진 부피 및/또는 필요한 처리 정도에 의존한다.
장치에는 열 교환기 34의 형태로 설계되어 있고 전극 32를 냉각시키기 위한 배치가 갖추어져 있으며, 이 배치에서 전극 32는 선택적으로는 유전체 냉매 예를 들면 변압기유를 상기 열 교환기 34에 공급할 수 있도록 고정되어 있다.
열 교환기 34는 200 W/mK°이상의 열 전도도 지수를 갖는 금속 예를 들면 구리 금속 펠트로 만들어진다.
열 교환기 34는 유전체성의 속이 비어 있는 슬리브관(sleeve) 35에 의해 서로 갈바니로 분리되어 있다. 슬리브관 35는 세라믹 또는 열에 저항성이 있는 유전체 중합체로 만들어진다.
반응 챔버 1은 전극 27 축에 대하여 액체 흐름의 난류성(turbulent) 및 꼬임 성(twisting)을 제공하고 그 두께를 조절하는 배치를 포함한다. 상기 배치는 견고한 부식 저항성 물질 또는 카바이드로 만들어지고 반응 챔버 1의 내부 표면과 접하도록, 특별한 경우에는 반응 챔버 1의 세로 축에 대해 70°내지 88°의 각도로 반응 챔버 1의 상부에 위치하고 있는, 분리가능한 인젝터 36의 형태로 설계된다. 인젝터 36은 인젝터의 길이 대 직경의 비율이 8:1 이상이 되도록 설계된다.
인젝터 36은 전극 27과 함께 파이프 27의 내부 표면에서 0.3 mm 내지 3 mm의 두께를 갖는 연속적인 액체의 흐름을 생성하고 유지한다.
상기 배치에는, 반응 챔버 1의 고정물(fixture) 38의 바깥 부분에 위치해 있고 처리될 액체를 인젝터 36에 균일하게 공급하기 위한 주입구 포집기 37이 제공되어 있다.
고정물 38에는, 그 원형을 따라 균일하게 배치된 구멍의 형태로 설계된 수로(canal) 39가 제공되어 있다.
장치의 반응 챔버 1에서 필요한 진공을 생성하고 유지하기 위하여, 반응 챔버 1의 고정물 38의 외부 측면에 배치된 기체 포집기 40이 제공되어 있다.
반응 챔버 1에는 다공성 물질로 만들어지고, 전극 27을 통해 상기 챔버 1로 산소-함유 기체를 공급하기 위한 외부 재킷 41이 구비되어 있다. 재킷 41은 선택적으로는 제거될 수 있고, 반응 챔버 1의 외부 측면에 고정되어 있다.
전극 27은 고정물 38 안에 위치해 있고, 대체로 접지(ground connection)가 제공되어 있다.
전극 32는 도전체 42에 의해 전력 공급원 44 및 45와 연결되어 있고, 전극 33은 도전체 43에 의해 전력 공급원 46과 연결되어 있다.
전력 공급원 44는 1개 또는 2개의 주요 전기 임펄스 방전을 유도하기 위하여 제공되어 있고, 전력 공급원 45는 1개 또는 2개의 예비적 이온화 임펄스 전기 방전을 생성하기 위해 제공되어 있고, 전력 공급원 46은 1개 또는 2개의 예비적 이온화 배리어 방전을 생성하기 위해 제공되어 있다.
장치의 조절 및 작동은 대체로 전력 공급원 44, 45 및 46과 연결된 조절기 47, 조절기 20과 24, 전기적 밸브 2, 11, 13, 25 및 28, 및 펌프 9, 18, 23 및 압축기 30의 전기 모터(도면에서 도시되지 않음)에 의해 제공된다(도 1에서 연결 관계가 도시되지 않음).
장치에는 링 형태이고, 전극 32와 마주하고 있는 전극 27의 외부 측면에 위치하고 있으며 선택적으로는 제거될 수 있는 자석 48이 구비되어 있다. 자석 48은 쪼개진(split) 형태로 설계될 수 있다.
수행을 위한 장치의 특별한 경우에, 자석 5는 반응 챔버 1의 주입구에 설치되어 있고 0.1 T1 이상의 자기 유도, 및 처리될 액체의 이동 벡터를 따라 또는 이와 교차하는 자기 유도 벡터의 진행이 적용되는 정상 자기장 또는 교번(임펄스) 자기장을 제공하도록 설계되어 있다. 자석 5는 장치에 존재하지 않을 수 있다.
반응 챔버 1 내부에 유지되는 고정된 압력 하에서 처리될 액체의 온도를 끓는 점 미만으로 유지하기 위하여, 장치에는 열 교환기 4가 제공되어 있다.
장치는 하기와 같이 작동한다:
특정된 프로그램에 따라서 조절기 47로부터의 신호 조절이 장치의 모든 실행 수단에 작용한다.
반응 챔버 1의 내부 부피에서 10 Torr 내지 대기압의 진공이 진공 펌프 23, 가스 포집기 40, 차단 밸브 25, 및 파이프라인 26의 도움으로 만들어진다. 작동하는 장치의 또 다른 경우에, 대기압은 차단 밸브만의 도움으로 유지되고, 이와 함께 기체 상태의 매질은 공기이다.
압력은 전기적 밸브 25의 배수에 의해 유지된다. 반응 챔버 1에서 기체 상태 매질의 특정된 압력의 조절은 압력 조절기 24의 도움으로 제공된다.
그 이후에, 기체 상태 매질 17의 전극 블록 내에서는, 열 교환기 34의 도움, 열 교환기 19, 거대 탱크 21 및 파이프라인 22를 통한 오일 펌프 18의 도움, 압력 조절기 20의 도움에 의한 냉각 시스템에서 압력 조절로, 전극 32를 냉각시키기 위한 변압기유를 냉각시키기 위한 펌핑이 제공된다. 열 교환기 19는 변압기유의 냉각을 제공하여, 반응 챔버 1 내에서 안정한 저온 플라즈마의 유지를 가능하게 하고 처리될 수용액의 온도를 반응 챔버 1의 특정 압력 하에서 끓는 점 미만으로 유지하게 한다.
그런 다음, 조절기 47의 신호 조절에서, 주입구 전기적 밸브 2가 열려지고, 처리될 액체는 주요 정제를 위한 주입구 기계적 여과기 3, 열 교환기 4, 자석 5, 유량계가 있는 유속 조절기 6 및 파이프라인 8을 통하여 반응 챔버 1의 주입구 포집기 37에 제공된다. 열 교환기 4는 특히 사이클형 처리 모드에서, 처리될 액체의 안정하고 감소된 온도의 유지를 제공한다.
인젝터 36의 도움으로, 전극 27의 세로축 방향 주위에는 처리될 액체의 꼬여진 액체 흐름의 난류성 얇은 막이 전극 27의 내부 표면에서 0.3 mm 내지 3 mm의 두께로 형성되고 유지된다.
반응 챔버 1 내부에서, 액체는 하기와 같이 유도되는 복합 임펄스 기체 방전 플라즈마로 처리된다:
도전체 42의 도움으로 전력 공급원 45로부터 전압이 전극 27과 32에 적용되고, 예비적 이온화 임펄스 전기 방전이 생성된다.
방법 실행을 위한 다른 형태에서, 도전체 43의 도움으로 전력 공급원 46으로부터 전극 32와 33에 전압이 적용된 후에, 예비적 이온화 배리어 방전이 생성된다.
그런 다음, 도전체 42를 통한 전력 공급원 44로부터의 전압이 전극 27과 32에 적용된 후에, 서로 다른 클록 주파수의 두 개의 주요 전기 임펄스 방전이 생성되고, 예비적 이온화 방전과 함께 반응 챔버 1 내부에서 복합 임펄스 기체 방전을 제공하고 유지한다.
주요 임펄스 방전 중 하나의 전류 임펄스는 상기 임펄스 방전의 또 다른 전류 임펄스 사이의 간격(휴지기)에 펄스 패킷으로 형성된다.
수행을 위한 방법의 특별한 경우에, 상기 주요 임펄스 전기 방전 중 첫 번째(방전 1)는 양극 및/또는 음극의 10 Hz 내지 5 kHz의 임펄스 계속의 클록와이즈 주파수, 1% 내지 99%의 듀티 사이클, 방전에서 12 A 이하의 평균 전류 강도, 350 V 내지 2000V의 작동 전압으로 형성되고, 상기 주요 방전 중 두 번째(방전 2)는 양극 및/또는 음극의 5 kHz 내지 80 kHz의 임펄스 계속의 클록와이즈 주파수, 1% 내지 99%의 듀티 사이클, 방전에서 10A의 평균 전류 강도, 350 V 내지 2000 V의 작동 전압으로 형성되고, 이와 함께 두 번째 전기 방전(방전 2)은 방전 1의 펄스 간의 사이(휴지기)에 펄스 패킷으로 형성된다.
반응 챔버 1에서 복합 기체 방전의 유도 및 유지 기간은 선택적으로는 처리 파라미터, 즉 주요 전기 임펄스 방전 각각에 대해 미리 정해진 범위 내에서 주요 및 예비적 이온화 방전의 전기적 파라미터의 변화를 통하여, 복합 기체 방전의 모든 요소 각각에 작용하는 처리 강도 및 주파수 파라미터를 조절하면서 액체를 처리하는 것을 제공한다. 제안된 장치의 설계는 반응 챔버 1의 다양한 반응 영역에서 서로 다른 방전 파라미터의 성립을 제공한다.
반응 챔버 1 내에서 복합 임펄스 기체 방전으로 액체를 처리함과 동시에, 처리될 액체의 움직이는 흐름의 막으로 모든 내부 표면이 덮여져 있는 전극 27의 다공성 물질의 공극을 통하여 공기 또는 다른 산소 함유 기체로 처리될 액체를 버블링하는 것이 가능하다. 예비적으로는, 압력 하에서 산소-함유 기체는 탱크 29 또는 압축기 30으로부터 재킷 41에 공급된다. 산소 함유 기체는 전기적 밸브 28, 파이프라인 31을 통하여 공급되고, 미리 고정된 압력 하에서 재킷 41의 부피를 채운다.
반응 챔버 1에서 유도되는 복합 임펄스 기체 방전의 요소들뿐만 아니라, 처리될 액체를 자석 48에 의해 생성되는 정상 자기장 또는 교번(임펄스) 자기장으로 영향을 주는 것이 가능하다.
처리된 액체는 전극 27의 내부 표면 아래로 배출구 포집기 16으로 배수되고, 그로부터 불용성, 반 가용성, 흡수된 및 응집된 슬러지의 추출을 위하여 고체 형태의 배출 펌프 9의 도움으로 미세 정제를 위한 기계적 여과기 10에 주입되고, 그런 다음 전기적 밸브 11로 주입되고 파이프라인 12를 통하여 방출된다.
분해하기에 어려운 복잡한 오염 물질을 제거하기 위하여 높은 정도의 액체 정제가 필요로 할 때, 및 경우에 따라서는 물 및 수용액의 활성화를 위한 높은 파라미터가 필요로 할 때, 액체는 사이클형 모드로 처리된다. 이를 위하여, 반응 챔버 1 내에서 이미 처리된 액체는 반복적인 처리를 위하여, 전기적 밸브 13을 통한 고체 형태의 배출 펌프 9, 반 미세 정제를 위한 중간 기계적 여과기 14, 열 교환기 4, 자석 5, 파이프라인 8을 통한 유량계가 있는 유속 조절기 6의 도움으로, 반응 챔버 1의 주입구 포집기 37로 돌려 보내지게 된다. 이러한 과정은 여러 회 반복될 수 있다.
처리될 액체는 반응 챔버 1의 주입구에 위치된 자석 5의 도움으로 자기장에 영향을 추가적으로 받을 수 있다.
상기 기술된 방법으로 처리된 액체가 고객에게 제공된다.
본 발명의 더 나은 이해를 위하여, 첨부된 설명을 참조로 하는 제안된 방법과 장치의 실제 실행을 위한 실시예가 하기에 제시된다:
도 1은 물 및 수용액을 기체 방전 플라즈마로 처리하는 장치의 블록 다이아그램을 설명한다;
도 2는 반응 챔버에서 선 A-A(산소 함유 기체의 버블링이 제공된 복합 임펄스 기체 방전과 자기장의 영역)의 횡단 부분을 설명한다;
도 3은 반응 챔버의 전극의 그림을 3차원 투영법으로 설명한다;
도 4는 광학적 경로 0.1 cm로 활성화된 물이 있는 셀(cell)에서 빛 흡수 정도를 파장에 의존하여 다이아그램으로 설명한다(곡선에 있는 숫자는 물 활성화 정도를 상대적 단위로 나타낸 것이다).
도 5는 플라즈마 활성화된 물의 충격 이후에 박테리아 균주 E. coli JM109의 콜로니 형성 유닛의 개수를 충격 시간에 의존하여 다이아그램으로 설명한다.
도 6은 활성화된 물을 포함하는 테스트 시료와 대조군 시료에서 미생물 캔디다 알비칸(Candida albican)의 개수를 충격 시간에 의존하여 다이아그램으로 설명한다.
실시예 ＃1
하기 기술된 실시예의 목적은 복합 기체 방전 플라즈마를 가지고, 중금속으로부터 물을 정화하는 본 발명의 방법의 수행 능력 및 효율을 제시하는 것이다.
물 정제 방법의 효율을 입증하기 위하여, 하기의 초기 농도의 금속 이온: Fe2+ = 192 mg/l, Pb2 + = 0.32 mg/l, Hg2 + = 0.14 mg/l, Cd2 + = 0.29 mg/l, Cr6 + = 69 mg/l, Ni2 + = 24 mg/l, Mo4 + = 13 mg/l 및 Co4 + = 19mg/l(전체 중금속의 농도는 317.75 mg/l)으로 오염된 pH=6.9의 수용액을 채택하였다.
제안된 방법 수행을 위해 제공된 기체 방전 플라즈마로 물 및 수용액을 정제하기 위한 제안된 장치(도 1)에서 상기 수용액의 정제를 수행하였다.
장치 수행을 위한 특별한 경우에서, 장치는 전극 27과 32가 있는 반응 챔버 1, 전력 공급원 44와 45, 조절기 47, 자석 5, 반응 챔버 1 내에서 진공을 생성하고, 진공 펌프 23, 압력 조절기 24, 배수 전기적 밸브 25 및 파이프라인 26을 포함하는 배치, 열 교환기 34의 형태이고, 선택적으로는 유전체 냉매 예를 들면 변압기유를 공급하기 위한 전극 32를 냉각시키기 위한 배치, 처리될 용액을 반응 챔버 1의 내부에 공급하고 주입구 전기적 밸브 2, 1차 정제를 위한 주입구 기계적 여과기 3, 열 교환기 4, 자석 5, 유량계가 있는 유속 조절기 6, 및 연결 파이프라인 7과 8로 구성되는 배치, 및 반응 챔버 1로부터 처리된 용액의 방출을 제공하고, 고체 형태의 배출 펌프 9, 응집된 현탁액으로부터 처리된 액체를 정제하기 위하여 미세 정 제를 위한 배출구 기계적 여과기 10, 배출구 전기적 밸브 11 및 연결 파이프라인 12로 구성되는 배치로 구성되어 있다.
이와 함께, 반응 챔버 1의 전극 27은 전극 27과 32가 동일하게 8 mm로 떨어져 있고, 약 950 mm의 높이와 대략 98 mm의 내부 직경을 가지며 스테인레스 스틸로 만들어져 있고, 전극 32가 4개 있고, 자석 5가 반응 챔버 1의 주입구에서 0.2 T1의 자기장 유도로 자기장을 제공하도록 하는 영역에 제공되어 있고, 및 기체 상태의 매질은 대기중 공기이다.
수용액의 정제를 제공하기 위하여, 반응 챔버 1의 내부 부피에서 잔존 공기의 압력이 50 Torr인 진공을 진공 펌프 23, 기체 포집기 40, 전기적 밸브 25 및 파이프라인 26의 도움으로 만들었고, 배수 전기적 밸브 25 및 압력 조절기 24로 유지하였다. 그런 다음, 상기에서 장치 조작의 설명 부분에서 기술된 바와 같이, 열 교환기 24의 도움으로 전극 32를 냉각시켰으며, 이것은 반응 챔버 1 내에서 안정한 저온 플라즈마의 유지 및 반응 챔버 1 내의 고정된 압력에서 처리될 액체의 온도를 끓는 점 미만으로 유지하는 것을 용이하게 한다.
다음에, 조절기 47의 신호 조절 이후에, 주입구 전기적 밸브 2를 개방하여, 1차 정제를 위한 기계적 여과기 3, 열 교환기 4, 자석 5, 유량계가 있는 유속 조절기 6 및 파이프라인 8을 통하여 처리될 수용액을 반응 챔버 1의 주입구 포집기 38에 공급하였다.
전극 27의 축에 대하여 꼬임 상태로 약 0.65 mm의 두께를 갖는 처리될 액체의 얇은 막 형태의 난류성 흐름이 인젝터 36의 도움으로 전극 27의 내부 표면에서 형성되고 유지되었다.
반응 챔버 1 내에서, 처리될 용액은 상기 기술된 방법(장치 조작 설명 부분)으로 유도된 복합 임펄스 기체 방전 플라즈마의 작용을 받았다.
처리 과정에서 방전 파라미터는 하기와 같다:
1) 주요 임펄스 전기 방전 I : 전류 임펄스의 주파수 - 440 Hz, 임펄스 듀티 사이클 - 25%; 18kHz의 클록 주파수와 1 mksec의 임펄스 지속 시간을 갖는 전기 임펄스 방전에 의하여, 예비적 이온화를 제공하였다.
2) 주요 임펄스 전기 방전 II : 전류 임펄스의 주파수 - 24 kHz, 임펄스 듀티 사이클 - 25%; 120 kHz의 클록 주파수와 0.3 mksec의 임펄스 지속 시간을 갖는 전기 임펄스 방전에 의하여, 예비적 이온화를 제공하였다.
방전 I의 임펄스 간의 간격(휴지기, pause)에서 방전 II의 임펄스는 펄스 패킷 형태로 생성되었다. 전극 27에 대하여 모든 방전의 임펄스의 극성은 양극이었다. 주요 방전 I과 주요 방전 II에서 평균 전류 강도는 1.65 A이었다. 방전 I의 작동 전압은 415V이었고, 방전 II의 작동 전압은 430V이었다. 예비적 이온화 방전의 작동 전압은 5kV이었다.
처리된 용액의 방출은 배출 펌프 9, 미세 정제의 기계적 여과기 10, 전기적 밸브 11 및 파이프라인 12의 도움으로, 배출구 포집기 16으로부터 수행되었다.
제안된 방법에 따라서 오염된 용액을 처리한 후에, 처리된 액체에서 잔존하는 금속의 농도는 하기의 분석용 측정 결과와 같았다: Fe2 + = 10 mkg/l, Pb2 + = 3 mkg/l, Hg2 + = 1 mkg/l, Cd2 + = 1 mkg/l, Cr6 + = 28 mkg/l, Ni2 + = 5 mkg/l, Mo4 + = 15 mkg/l 및 Co4 + = 6 mkg/l(전체: 69 mkg/l).
따라서, 기체 방전 플라즈마로 수용액을 처리하는 방법의 실시예는 견본이 되는 방법인 WO 02/058839 실시예 1 및 유사 방법인 WO 02/058838 실시예 1, WO 02/058452 실시예 4보다 중금속으로부터 물을 정제하는 더 높은 효율을 입증하고,
- 보다 광범위한 스펙트럼의 오염 물질을 동시에 정화하는 것, 특히 기록된 바와 같이 5개 이하의 오염 물질이 성공적으로 정화되는 상기 기술된 유사 방법과 비교할 때, Pb2 +, Hg2 +, Cd2 +와 같은 매우 독성인 오염 물질을 포함하는 8개 오염 물질을 동시에 정화하는 것;
- 유사 방법의 설명에서 105.8 mg/l 이하의 오염 물질의 초기 농도를 갖는 수용액의 성공적인 정화가 기록된 반면에, 더 높은 오염 물질의 초기 농도를 갖는 수용액을 처리하고, 따라서 수용액 내에서 오염 물질의 전체 초기 농도가 317.75 mg/l이었을 때 수용액을 처리하는 능력. 그러므로, 제안된 방법의 처리 효율은 이러한 파라미터에 의할 때 유사 방법의 처리 효율을 3배 이상 초과하는 것;
- 유사 방법의 설명에서 오염 물질의 잔존하는(최종) 농도가 153 mg/l으로 기록된 반면에, 용액 정화도 정도가 더 높고, 따라서 제안된 방법에 따라 처리된 용액에서 금속의 전체 잔류량은 69 mkg/l이었다. 따라서, 제안된 방법 수행의 경우에 용액의 잔류 오염 물질은 유사 방법의 수행 경우보다 3배 더 낮았다. 유사 방법에 따라 정제된 용액에서 오염 물질의 잔류 농도가 개방된 저수지로 방출될 물의 WHO 요건을 충족하는 반면에, 제안된 방법 수행의 경우에 용액의 잔류 오염 물질은 음수(휴대용 물)에 대한 세계 보건 기구(WHO)의 요건을 충족한다는 점이 주목할만하다.
게다가, 제안된 방법 수행의 경우에 전력 소비는 유사 방법 수행의 경우 보다 2배 더 낮았다.
그러므로, 제시된 실시예는 제안된 장치의 도움으로 수행된 제안된 방법이 독성 중금속을 포함하는 무기물로부터 산업에 적용된 하수의 더 높은 정제 효율을 제공함을 확인시켜 준다.
실시예 ＃2
하기에서 제시된 실시예의 목적은 기체 방전 플라즈마를 가지고, 유기 물질 특히 석유 화학 생성물로부터 오염된 물 정화 방법의 수행 능력과 효율을 입증하는 것이다.
정화 방법의 효율을 입증하기 위하여, 첨가제 MTBE(메틸-터트-부틸 에테르)가 있는 납이 제거된 가솔린으로 오염되어 있고 물 1 리터 당 가솔린 약 10ml(오염 물질의 전체 농도 - 1 g/l)의 가솔린 농도를 갖는 물을 처리하였다.
오염된 물, 보다 정확하게는, 물 가솔린 에멀젼을 제안된 장치(도 1)에서 처리하였고, 그 수행을 위한 특별한 경우로, 전극 33, 전력 공급원 46 및 자석 48이 추가로 갖추어진 것을 제외하고는 실시예 ＃1에서 기술된 바와 같게 하였다.
이러한 경우에, 반응 챔버 1의 전극 27은 전극 27과 32가 10 mm 떨어져 있고, 높이가 약 950 mm, 내부 직경이 약 98 mm이고 다공성 스테인레스 스틸로 만들 어져 있으며, 전극 33이 전극 32의 슬롯에 고정되어 있고, 전극 32와 33이 각각 4개 있고, 자석 48은 반응 챔버 1에서 0.02 T1의 자기장 유도로 자기장을 생성하기 위한 영역에 만들어져 있고, 자석 5는 반응 챔버 1의 주입구에서 0.2 T1의 자기장 유도로 자기장을 생성하기 위한 영역에서 만들어져 있고, 기체 상태의 매질로서 대기중 공기가 있고, 처리 과정 동안에 물에는 산소를 버블링하였다.
실시예 ＃1에서 기술한 바와 같이, 반응 챔버 1의 내부 부피에서 잔존하는 공기의 압력이 300 Torr인 진공 조건을 생성하였다.
전극 32를 냉각시켰고, 처리될 액체의 꼬여진 난류성 흐름이 약 0.65 mm의 두께로 실시예 ＃1에서 기술한 바와 같이 생성하였고 유지하였다.
이와는 별도로, 장치 작동 부분에서 기술된 바와 같이, 산소 탱크 29, 전기적 밸브 28, 파이프라인 31의 도움으로 산소가 재킷 41에 공급되었고, 처리될 액체에 산소 버블링을 제공하였다.
반응 챔버 1에서, 오염수는 기체 상태 매질의 예비적 이온화와 함께 두 개의 주요 전기 임펄스 방전에 의해 유도되고 유지되는 복합 기체 방전 플라즈마에 의해 처리되었다.
처리 전체에 걸쳐 방전 파라미터는 하기와 같았다:
1) 임펄스 주파수 460 Hz, 임펄스 듀티 사이클 50%를 갖는 주요 임펄스 전기 방전 I, 20 kHz의 주파수와 1 mksec의 예비적 이온화 임펄스 지속 시간을 갖는 배리어 방전에 의해서 예비적 이온화를 제공하였다:
2) 임펄스의 주파수 22 kHz, 임펄스 듀티 사이클 50%를 갖는 주요 임펄스형 전기 방전 II, 70 kHz의 주파수와 0.5 mksec의 예비적 이온화 임펄스 지속 시간을 갖는 배리어 방전에 의해서 예비적 이온화를 제공하였다:
주요 방전 I의 임펄스 간의 간격(휴지기)에서 주요 방전 II의 임펄스가 펄스 패킷 형태로 생성되었다. 전극 27에 대하여, 주요 전기 방전의 임펄스 I과 II의 극성은 양극이었고, 전극 27에 대하여 예비적 이온화 배리어 방전의 임펄스의 극성은 양극이 우세하였다.
방전 I과 II에서 평균 전류 강도는 5A이었다. 방전 I의 작동 전압은 500 V이었고, 방전 II의 작동 전압은 515V이었다. 예비적 이온화 방전의 작동 전압은 8 kV이었다.
처리된 물의 방출은 실시예 ＃1에서 기술한 바와 같이 수행하였다.
처리 전과 처리 후의 주요 오염 물질의 농도에 관한 상세한 데이타를 표 1에서 제시하였다. 대체로, 250개의 유기 물질의 농도 조절을 수행하였다.
표 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 제안된 방법에 따라 복합 기체 방전 플라즈마로 최초 오염수를 처리한 결과, 최종 생성물(처리된 물)에서 모든 오염 물질의 실질적인 농도는 음수(휴대용 물)를 위한 USA의 연방 기준에 의해 설정된 허용 농도를 초과하지 않았다.
따라서, 기체 방전 플라즈마로 수용액을 처리하는 제안된 방법은 하기를 제공한다:
- 최초 용액에서 더 높은 초기 농도의 오염 물질이 있고 MTBE와 같은 오염 물질을 포함하는 더 광범위한 스펙트럼의 오염 물질로부터 효과적인 정화. 따라서, 최초 용액에서의 오염 물질의 전체 초기 농도는 1 g/l이었고, 견본의 방법인 WO 02/058839에서 실시예 6은 246.5 mg/l이었다:
- 정제도가 더 높음, 따라서 분석 방법의 데이타에 의할 때 오염 물질의 잔류 농도는 67 mkg/l이었고, 견본의 방법에서는 4.5 mg/l이었다;
- 전력 소비는 1 m3 당 2.54 kW/h이었고, 견본의 방법에서는 1 m3 당 3.84 kW/h이었고, 이는 견본의 방법보다 3배 더 낮았다.
표 1
오염 물질의 명칭 음수를 위해 허용되는 최고 농도(USA) mkg/l (최초의) 오염된 용액(mkg/l) 정제된 용액(mkg/l)
벤젠 5 12800 BLD*
n-부틸벤젠 결정되지 않음 360 BLD*
에틸벤젠 700 5700 BLD*
이소프로필벤젠 결정되지 않음 270 BLD*
MTBE 70 90400 67
나프탈렌 20 1100 BLD*
톨루엔 1.000 31300 BLD*
m,p-자일렌 10.000 19400 BLD*
o-자일렌 10.000 8600 BLD*
1,2,4-트리메틸벤젠 결정되지 않음 7200 BLD*
1,3,5-트리메틸벤젠 결정되지 않음 2000 BLD*
디브로모플루오로에탄(% SR) 107 BLD*
1,2-디클로로에탄-d4(SR%) 112 BLD*
톨루엔 d8 (SR%) 111 BLD*
전체 탄화수소 (mg/l) 300 312 BLD*
＊)BLD - 검출 한계 미만(below limits of detection)
그러므로, 제안된 장치의 도움으로 수행된 제안된 방법은 석유 화학 생성물을 포함하는 유기 물질로부터 산업 폐수 및 도시 하수의 고 효율 정제를 위한 광범위한 적용 범위를 찾을 수 있다.
실시예 ＃3
하기에서 제시된 실시예의 목적은 석유 화학 생성물로 오염된 바닷물에 복합 기체 방전 플라즈마를 적용하여 오염된 액체 처리의 수행 능력 및 효율을 입증하는 것이다.
석유 화학 생성물로부터 바닷물의 정제 효율을 입증하기 위하여, 바닷물 1 리터당 오염 물질 약 10 ml의 비율로 바닷물을 가솔린과 디젤 연료로 오염시켰다. 바닷물의 염도는 27.6 g/l이었고, pH는 6.11이었다.
오염수, 보다 정확하게는, 물 가솔린 에멀젼을 제안된 장치(도 1)에서 처리하였고, 그 수행을 위한 특별한 경우로서, 전극 32와 33의 개수가 각각 2개인 것을 제외하고는 실시예 ＃2에서 기술한 바와 같게 하였다.
이러한 경우에, 반응 챔버 1의 전극 27은 전극 27과 32가 10 mm 떨어져 있고, 높이가 약 950 mm이고, 내부 직경이 약 98 mm인 스테인레스 스틸로 만들어져 있고, 전극 33이 전극 32의 슬롯에 고정되어 있고, 기체 상태의 매질을 대기중 공기로 구성하였다. 반응 챔버의 내부 부피에서, 실시예 ＃1에서 기술된 바와 같이, 350 Torr의 공기 압력을 갖는 진공 조건을 생성하였고 유지하였다.
전극 32를 냉각시켰고, 0.65 mm의 두께를 갖는 처리될 액체의 꼬여진 난류성 흐름을 실시예 ＃1에서 기술한 바와 같이 생성하였고 유지하였다.
처리될 액체에 대해 산소 버블링은 없었다.
반응 챔버 1에서, 처리될 액체에는 반응 챔버 1에서 예비적 이온화와 함께 2개의 주요 전기 방전에 의해 유도되고 유지되는 복합 임펄스 기체 방전 플라즈마가 작용하였다.
방전 파라미터는 하기와 같았다:
1) 주요 임펄스 전기 방전 I은 임펄스 주파수 420 Hz이었고, 임펄스 듀티 사이클은 25%이었고, 19 kHz의 주파수와 1 mksec의 임펄스 지속 시간을 갖는 배리어 전기 방전에 의해서 예비적 이온화를 제공하였다:
2) 주요 임펄스형 전기 방전 II는 임펄스 주파수 20 kHz이었고, 임펄스 듀티 사이클은 25%이었고, 70 kHz의 주파수와 0.5 mksec의 임펄스 지속 시간을 갖는 배리어 전기 방전에 의해서 예비적 이온화를 제공하였다:
주요 전기 방전 I 사이의 간격(휴지기)에서 주요 전기 방전 II의 임펄스가 펄스 패킷으로 생성되었다. 전극 27에 대하여 주요 전기 방전 I과 II의 임펄스의 극성은 양극이었고, 전극 27에 대하여 예비적 이온화 배리어 방전의 임펄스의 극성은 양극이 우세하였다. 방전 I과 II에서 평균 전류 강도는 7A이었다. 주요 방전 I의 작동 전압은 345V이었고, 주요 방전 II의 작동 전압은 360V이었다. 예비적 이온화 방전의 작동 전압은 4 kV이었다.
처리 전과 처리 후의 바닷물에서 주요 오염 물질의 농도에 대한 상세한 데이타를 표 2에 나타내었다. 대체로, 250개의 유기 오염 물질 농도의 조절이 수행되었다.
표 2
오염 물질의 명칭 표면수를 위한 최고 허용 농도(USA) (mkg/l) 가솔린으로 오염된 바닷물 (mkg/l) 가솔린으로부터 정제된 바닷물 (mkg/l) 디젤 연료로 오염된 바닷물 (mkg/l) 디젤 연료로부터 정제된 바닷물 (mkg/l)
벤젠 710 4100 86 198 84
n-부틸 벤젠 BLD＊ BLD＊ 210 BLD＊
sec-부틸 벤젠 BLD＊ BLD＊ 130 BLD＊
에틸 벤젠 29000 2800 18 140 BLD＊
MTBE 3000-4000 7800 720 7.4 BLD＊
나프탈렌 7100 310 BLD＊ 690 BLD＊
톨루엔 1000 14100 180 150 130
m,p-자일렌 8700 BLD＊ 550 BLD＊
o-자일렌 4000 BLD＊ 280 17
Machine Oil ＃2 (mg/l) BLD＊ BLD＊ 470 BLD＊
가솔린(mg/l) 23 BLD＊ BLD＊ BLD＊
＊)BLD - 검출 한계 미만(below limits of detection)
표 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 제안된 방법에 따라서 복합 기체 방전 플라즈마로 처리된 최초 오염된 바닷물의 결과, 최종 생성물(정제된 바닷물)에서 오염 물질의 실제 농도는 개방된 저수지로 물을 방출할 수 있게 하는 USA 연방 기준에 의해 정해진, 최고 허용 농도를 초과하지 않았다.
따라서, 기체 방전 플라즈마로 바닷물을 처리하는 제안된 방법은 석유 화학 생성물로부터 염수(saline water) 정제의 고 효율을 입증하였다.
유사 방법인 WO 02/058838과 견본 방법인 WO 02/058839는 바닷물을 정제하는 능력을 기록하고 있지 않다.
따라서, 제안된 장치의 도움으로 수행된 제안된 방법은 석유 화학 생성물로 오염된 바닷물의 고 효율의 정제를 위한 광범위한 적용 범위를 가질 수 있다.
실시예 ＃4
하기에서 제시된 실시예의 목적은 복합 기체 방전 플라즈마를 가지고, 표면 활성화 물질(계면 활성제)로부터 물을 처리하는 수행 능력과 효율을 입증하는 것이다.
정제를 위해서, pH=6.5의 물을 비 이온발생형 계면 활성제(non ionogenic surfactant) "Syntanol DC-10"로 1360 mg/l의 초기 농도로 오염시켰다.
오염수를 제안된 장치(도 1)에서 처리하였고, 그 수행을 위한 특별한 경우로서, 전극 32와 33의 개수가 각각 3개인 것을 제외하고는 실시예 ＃2에서 기술된 바와 같게 하였다.
실시예 ＃1에서 기술된 바와 같이, 반응 챔버 1의 내부 부피에서 300 Torr의 공기 압력을 갖는 진공을 생성하였고 유지하였다.
반응 챔버 1 내에서, 예비적 이온화를 갖는 두 개의 임펄스 전기 방전에 의하여 복합 임펄스 기체 방전을 유도하였고 유지하였다.
방전 파라미터는 하기와 같았다:
1) 주요 임펄스 전기 방전 I은 임펄스의 주파수 500 Hz이었고, 임펄스 듀티 사이클은 30%이었고, 20 kHz의 주파수와 1 mksec의 임펄스 지속 시간을 갖는 배리어 전기 방전에 의해서 예비적 이온화를 제공하였다:
2) 주요 임펄스 전기 방전 II는 임펄스의 주파수 30 kHz이었고, 임펄스 듀티 사이클은 30%이었고, 90 kHz의 주파수와 0.5 mksec의 임펄스 지속 시간을 갖는 배리어 전기 방전에 의해서 예비적 이온화를 제공하였다.
주요 전기 방전 I의 임펄스 사이의 간격(휴지기)에서 주요 전기 방전 II의 임펄스가 펄스 패킷으로 생성되었다. 전극 27에 대하여 주요 전기 방전 I과 II의 임펄스의 극성은 양극이었고, 전극 27에 대하여 예비적 이온화 배리어 방전의 임펄스의 극성은 양극이 우세하였다. 방전 I과 II에서 평균 전류 강도는 3.3 A이었다.
주요 방전 I의 작동 전압은 510V이었고, 주요 방전 II의 작동 전압은 530V이었다. 예비적 이온화 방전의 작동 전압은 5kV이었다.
제안된 방법에 의하여, 계면 활성제로 오염된 물을 처리한 결과, 하기 결과를 제공하였다:
- 정제도가 높음, 주목할만하게는, 정제된 용액 속의 계면활성제의 잔류 농도는 분석 측정법의 데이타에 따를 때 검출 한계 미만이었다:
- 초기 농도가 높은 계면 활성제를 갖는 물을, 계면활성제로부터 효율적으로 정제. 따라서, 초기 용액 중 오염물질 계면 활성제의 전체 농도는 1360 mg/l이었고, 견본인 WO 02/058839의 실시예 5와 유사 방법인 WO 02/058838의 실시예 5에서는 500 mg/l이었고, 즉, 이러한 파라미터에 의한 제안된 방법의 정제 효율은 상기 기술된 유사 방법들의 효율보다 2배 이상 더 높았다. 이와 별도로, 제안된 방법의 경우에서 전력 소비는 상기 유사 방법의 경우의 전력 소비를 초과하지 않았다.
따라서, 제안된 장치의 도움으로 수행된 제안된 방법은 산업 용도 및 도시 공학에서 계면 활성제로부터 물을 정화하는 높은 효율을 제공한다.
실시예 ＃5
하기에서 제시된 실시예의 목적은 복합 기체 방전 플라즈마를 가지고, 고 농도의 병원성 박테리아, 포자 형성 박테리아 및 바이러스로부터 액체 정화 방법의 수행 능력과 효율을 입증하는 것이다.
1. 입증을 위해서, 박테리아 콜리바실러스(Bacteria colibacillus)(E. Coli), 효모-유사 곰팡이(캔디다 알비칸 , Candida albican ), 황색 포도상 구균(golden staphylococcus)( S. aureus ), 블루 푸스 바실러스(blue pus bacillus)( P. aeruginosa )로 물을 오염시켰다. 미생물 오염의 필요한 수준은 현탁액의 계대 희석 방법으로 수행하였다.
상기 미생물 균주 각각 107개 세포/ml를 갖는 용액의 정화는 제안된 장치(도 1)에서 수행하였고, 그 수행을 위한 특별한 경우로서, 자석 5와 48이 존재하지 않는 것을 제외하고는 실시예 ＃4에서 기술된 바와 같았다.
반응 챔버 1의 전극 27은 높이가 약 950 mm, 내부 직경이 약 98 mm로 만들어졌고, 전극 27과 32 사이의 공간은 6 mm이었고, 기체 상태의 매질로서 대기중 공기를 사용하였다.
용액 정화를 위해서, 반응 챔버 1 내에서는 대기 압력과 동일한 공기 압력이 실시예 ＃1에서 기술된 바와 같이 전기적 밸브 25, 파이프라인 26의 도움으로 제공되었다.
전극 32를 냉각시켰고, 약 1.4 mm의 두께로 처리될 액체의 꼬여진 난류성 흐름이 실시예 ＃1에서 기술된 바와 같이 생성되었고 유지되었다.
반응 챔버 1 내에서, 처리될 용액은 예비적 이온화를 갖는 2개의 주요 임펄스 전기 방전에 의해 반응 챔버 1 내에서 유도되고 유지되는 복합 임펄스 기체 방 전 플라즈마의 작용을 받았다.
처리 전체에 걸쳐 방전 파라미터는 하기와 같았다:
1) 주요 임펄스 전기 방전 I은 전류 임펄스의 주파수 3 kHz로 유도되었고, 임펄스 듀티 사이클은 25%이었고, 24 kHz의 주파수와 0.7 mksec의 임펄스 지속 시간을 갖는 배리어 전기 방전에 의해서 예비적 이온화를 제공하였다:
2) 주요 임펄스 전기 방전 II는 전류 임펄스의 주파수 35 kHz로 유도되었고, 임펄스 듀티 사이클은 25%이었고, 120 kHz의 주파수와 0.3 mksec의 임펄스 지속 시간을 갖는 배리어 전기 방전에 의해서 예비적 이온화를 제공하였다.
주요 전기 방전 I 사이의 간격(휴지기)에서 주요 전기 방전 II의 임펄스가 펄스 패킷으로 생성되었다. 전극 27에 대하여 주요 전기 방전 I과 II의 임펄스의 극성과, 전극 27에 대하여 예비적 이온화 배리어 방전의 임펄스의 극성은 양극과 음극이었다.
주요 방전 I에서 평균 전류 강도는 2.5A이었고, 주요 방전 II에서 평균 전류 강도는 5A이었다.
주요 방전 I의 작동 전압은 645V이었고, 주요 방전 II의 작동 전압은 650V이었다. 예비적 이온화 방전의 작동 전압은 12 kV이었다.
처리한 후에, 수용액에 중화제(차아황산나트륨의 10% 멸균 용액 1ml)를 주입하였다. 중화하고 5분 후에, 10배의 계대 희석을 하였고, 각각의 미생물 균주의 영양 배지에 상응하도록 접종(seeding)하였다. 밀집된 영양 배지의 표면에서 박테리아 덩어리의 존재 또는 부재로서, 정화 결과를 평가하였다.
오염수 처리 결과 데이타를 표 3에 나타내었다.
표 3
테스트 배양물 1 ml 당 살아있는 세포의 개수
처리전 2.5A의 평균 전류 강도 5A의 평균 전류 강도
박테리아 콜리바실러스 E. Coli 2.5＊107 검출되지 않음 검출되지 않음
효모-유사 곰팡이 캔디다 알비칸 1.9＊107 검출되지 않음 검출되지 않음
황색 포도상 구균 S. aureus 1.5＊107 9.2＊102 검출되지 않음
블루 퍼스 바실러스 P. aeruginosa 2.98＊107 검출되지 않음 검출되지 않음
2. 입증을 위해서, 포자 형성 박테리아 - B. cereus의 포자로 오염된 물을 채택하였다. 실험은 약 105 개 세포/ml의 미생물 농도로 수행하였다.
용액의 정화를 제안된 장치(도 1)에서 수행하였고, 그 수행을 위한 특별한 경우로서, 전극 32와 22 각각이 4개 설치된 것을 제외하고는 동일 실시예의 단락 1에서 기술된 것과 같게 하였다.
처리될 액체의 꼬여진 난류성 흐름의 생성과 유지는, 액체 흐름의 두께가 0.8 mm인 것을 제외하고는 실시예 ＃1에서 기술된 바와 같이 제공하였다.
반응 챔버 1에서, 처리될 액체에, 예비적 이온화와 함께 2개의 주요 임펄스 전기 방전에 의해 반응 챔버 1에서 유도되고 유지되는 복합 임펄스 기체 방전 플라즈마를 작용하였다.
방전 파라미터는 하기와 같았다:
1) 주요 임펄스 전기 방전 I은 전류 임펄스의 주파수 2 kHz로 유도되었고, 임펄스 듀티 사이클은 50%이었고, 20 kHz의 주파수와 1 mksec의 임펄스 지속 시간을 갖는 배리어 전기 방전에 의해서 예비적 이온화를 제공하였다:
2) 주요 임펄스 전기 방전 II는 전류 임펄스의 주파수 20 kHz로 유도되었고, 임펄스 듀티 사이클은 25%이었고, 60 kHz의 주파수와 0.5 mksec의 임펄스 지속 시간을 갖는 배리어 전기 방전에 의해서 예비적 이온화를 제공하였다.
주요 전기 방전 I 사이의 간격(휴지기)에서 주요 전기 방전 II의 임펄스가 펄스 패킷으로 생성되었다. 전극 27에 대하여 주요 전기 방전 I과 II의 임펄스의 극성과, 전극 27에 대하여 예비적 이온화 배리어 방전의 임펄스의 극성은 양극과 음극이었다.
주요 방전 I에서 평균 전류 강도는 5A이었고, 주요 방전 II에서 평균 전류 강도는 12A이었다. 주요 방전 I의 작동 전압은 645V이었고, 주요 방전 II의 작동 전압은 650V이었다. 예비적 이온화 방전의 작동 전압은 12 kV이었다.
포자로 오염된 물의 정화 효율의 평가는 처리한 후에 즉시 및 처리하고 1시간 후에 중화제를 주입하지 않고 유지하면서 수행하였다. 정화 결과 데이타를 표 4에 나타내었다.
표 4
테스트 배양물 처리된 물 1 ml 당 포자의 개수
처리 전 평균 전류 강도 (A) 처리한 후 즉시 처리한 후 1시간 지났을 때
포자 배양물 B. cereus 2.8＊105 5 2.9＊101 검출되지 않음
12 검출되지 않음 검출되지 않음
3. 입증을 위해서, 바이러스로 오염된 물을 채택하였다. 테스트 배양물로서, 소아마비 바이러스 균주(Sabin 4Sc)를 채택하였다. 역가 B. 107.36 TCD50/ml를 갖는 초기 상태의 바이러스를 채택하였다. 물에서 필요로 하는 바이러스 농도(105 TCD50/ml)에 도달하기 위해서, 바이러스를 포함하는 현탁액을 물에서 희석하였다.
상기 실시예의 단락 2에서 기술된 바와 같이, 제안된 장치(도 1)에서 물 정화를 수행하였다.
실시예 ＃1에서 기술된 바와 같이, 약 0.8 mm의 두께를 갖는 처리될 액체의 꼬인 상태의 난류성 흐름을 생성하였고 유지하였다.
반응 챔버 1 내에서, 처리될 액체에, 예비적 이온화와 함께 2개의 임펄스 전기 방전에 의하여 반응 챔버 1에서 유도되고 유지되는 복합 임펄스 기체 방전 플라즈마를 작용시켰다.
처리 전체에 걸쳐서 방전 파라미터는 하기와 같았다:
1) 주요 임펄스 전기 방전 I은 전류 임펄스의 주파수 2 kHz로 유도되었고, 임펄스 듀티 사이클은 50%이었고, 20 kHz의 주파수와 1 mksec의 임펄스 지속 시간을 갖는 배리어 전기 방전에 의해서 예비적 이온화를 제공하였다:
2) 주요 임펄스 전기 방전 II는 전류 임펄스의 주파수 20 kHz로 유도되었고, 임펄스 듀티 사이클은 50%이었고, 60 kHz의 주파수와 0.5 mksec의 임펄스 지속 시간을 갖는 배리어 전기 방전에 의해서 예비적 이온화를 제공하였다.
주요 전기 방전 I 사이의 간격(휴지기)에서 주요 전기 방전 II의 임펄스가 펄스 패킷으로 생성되었다. 전극 27에 대하여 주요 전기 방전 I과 II의 임펄스의 극성과, 전극 27에 대하여 예비적 이온화 배리어 방전의 임펄스의 극성은 양극과 음극이었다.
주요 방전 I에서 평균 전류 강도는 5A이었고, 주요 방전 II에서 평균 전류 강도는 12A이었다. 주요 방전 I의 작동 전압은 645V이었고, 주요 방전 II의 작동 전압은 650V이었다. 예비적 이온화 방전의 작동 전압은 12 kV이었다.
다음에, 6A와 12A의 서로 다른 전류 강도의 값에서 처리된 오염수 시료에 차아 황산나트륨의 멸균 용액을 첨가하였다. 중화하고 5분 후에, 각각의 시료를 10배 계대 희석하여 제조하였고, 테스트 세포 배양물을 오염시키기 위해 사용하였다. 오염된 시료와 세포 테스트 배양물의 접촉 기간은 1시간이었다. 접촉한 후에, 세포들을 헹크 용액(Henck's solution)으로 세척하였고, 지지체 매질에 넣었다. 예비적 결과의 기록은 5-7일째 하였고, 최종 기록은 3주 기간 후에 하였다.
수 처리 결과의 데이타는 표 5에 나타내었다.
표 5
테스트 배양물 바이러스 함량, Ig TCD50/ml 방전에서 평균 전류 강도 (A)
처리 전 처리 후
Type 1 소아마비의 바이러스 균주 5.19 0.43 6
5.26 검출되지 않음 12
따라서, 제안된 기체 방전 플라즈마로 수용액의 처리 방법은 하기 결과를 제공한다:
- 견본 방법(WO 02/058839, 실시예 8)과 유사 방법(WO 02/058838, 실시예 4) 보다 병원성 박테리아, 포자 형성 박테리아, 바이러스 및 곰팡이로부터 더 효과적인 정제, 특히: 블루 퍼스 바실러스 P.aeruginosa, 포자 형성 박테리아 및 소아마비 바이러스를 포함하는 보다 광범위한 스펙트럼의 미생물로부터 오염수의 정제를 제공함;
- 유사 방법에서의 경우보다 10배 이상 더 높은 초기 농도를 갖는 미생물의 비활성화 및 제안된 방법의 경우에 처리된 물에서의 미생물의 더 낮은 최종 농도;
- 유사 방법과 비교할 때 비활성화 처리의 높은 산출(output);
- 제안된 방법에서 오염수 1 m3의 비활성화를 위한 전력 소비는, 상기 유사 방법의 경우에서 보다 2.5배 더 낮음.
따라서, 제안된 장치로 수행된 제안된 방법은 도시 하수의 고 효율의 정화 및 정제를 위한 광범위한 적용을 가질 수 있다.
실시예 ＃6
2회 정제된 물을 제안된 방법에 따른 복합 임펄스 기체 방전 플라즈마로 활성화시켰고, 그런 다음 물 클러스터의 크기를 레이저 상관 분광(laser correlation spectroscopy)(Spectroscopy of optical bias and correlation of photons. G.Kammins, A.Pike, Mir, Moscow. 1978; T. Allen. Particle Size Measurement; Chapman ＆ Hall. 제 4판, 1992) 방법의 도움으로 측정하였다.
제안된 장치(도 1)에서 물 활성화를 수행하였고, 그 수행을 위한 특별한 경우로서, 전극 32가 6개가 설치되는 것을 제외하고는 실시예 ＃1에서 기술된 바와 같이 하였다.
실시예 ＃1에서 기술된 바와 같이, 반응 챔버 1의 내부 부피에서 20 Torr로 고정된 공기 압력을 생성하였다.
전극 32를 냉각시켰고, 처리될 물의 공급 및 처리된 물의 방출, 처리될 물의 약 0.65 mm의 두께를 갖는 꼬인 상태의 난류성 흐름의 생성과 유지를 실시예 ＃1에서 기술된 바와 같이 제공하였다.
반응 챔버 1 내에서, 하기의 파라미터에서 유도되는 복합 임펄스 기체 방전 플라즈마를 처리될 용액에 작용시켰다:
1) 주요 임펄스 전기 방전 I은 전류 임펄스의 주파수 2 kHz로 유도되었고, 임펄스 듀티 사이클은 50%이었고, 20 kHz의 주파수와 2 mksec의 임펄스 지속 시간을 갖는 임펄스 전기 방전에 의해서 예비적 이온화를 제공하였다:
2) 주요 임펄스 전기 방전 II는 전류 임펄스의 주파수 20 kHz로 유도되었고, 임펄스 듀티 사이클은 50%이었고, 120 kHz의 주파수와 0.3 mksec의 임펄스 지속 시간을 갖는 임펄스 전기 방전에 의해서 예비적 이온화를 제공하였다.
주요 전기 방전 I의 임펄스 사이의 간격(휴지기)에서 주요 전기 방전 II의 임펄스가 펄스 패킷으로 생성되었다.
전극 27에 대하여 모든 전기 방전 펄스의 극성은 양극이었다.
주요 방전 I과 주요 방전 II에서 평균 전류 강도는 20A이었다. 주요 방전 I의 작동 전압은 630V이었고, 주요 방전 II의 작동 전압은 650V이었다. 예비적 이온화 방전의 작동 전압은 4 kV이었다.
활성화한 후에, 먼지가 없는 상자에서 0.2 mkm의 보정된 공극을 갖는 필터 "Millipore"를 통해 물을 여과하였다. 플라즈마로 활성화된 물의 레이저 상관 분산의 스펙트럼을 He-Ne 레이저 빔에 대하여 90°의 각도에서 얻었다. 상관 함수는 "혼합물"의 유효 크기를 찾기 위해서 역 함수 방법을 사용하는 소프트웨어 Dinils(Alango Co.)으로 처리하였다(T. Allen. Particle Size Measurement; Chapman ＆ Hall. 제 4판, 1992). 3개의 서로 다른 기간에서 신호 축적의 최적화를 통하여, 소프트웨어는 클러스터 1개당 1-2개의 물 분자에 상응하는 약 0.35 nm 크기의 입자의 명백한 존재를 제공하였다. 최초의 여과된 이중-증류수 스펙트럼의 대조군 측정은 어떠한 입자도 보여주지 않았다.
입자 또는 형태 기록의 다른 형성이 스펙트럼 기록의 형상을 갖는 측정 정확도의 한계와 밀접하다는 사실에 비추어, 12°의 각도에서 상관 스펙트럼의 기록을 제공하여, 측정 정확도를 50배 증가시키는 A.D. Lebedev et al "Laser correlation spectroscopy in biology", Naukova Dumka, Kiev, 1987, p. 53에서 기술된 장치로 스펙트럼 측정을 반복하였다.
이러한 특정한 경우에, 염도 700 mg/l 및 pH 7.85의 병에 들어 있는 음수를 최초의 물로 사용하였고, 이것은 이중-증류수의 활성화를 위해 본 실시예에서 기술된 바와 동일한 방법으로 활성화시켰고, 추가로 여과하였으며, 레이저 분산의 상관 함수를 처리하였다.
병에 들어 있는 음수의 레이저 상관 스펙트럼의 처리 결과는 0.34-0.35 nm 크기를 갖는 입자의 존재를 명백하게 보여준다.
활성화된 물의 동결 및 뒤이어 해동 이후에, 입자 크기는 변하지 않았다. 대조군 스펙트럼이 90일 기간 지나서 기록되었을 때 동일한 크기의 입자들이 검출되었다.
이러한 사실은 복합 기체 방전 플라즈마로 물을 활성화한 후에 물의 클러스터 구조에서 상당한 변화가 일어나고, 이러한 변화는 시간에 따라 및 외부 충격에 대해 부분적으로 안정함을 입증한다.
유사 방법 WO 02/059046의 도움으로 물을 활성화시킨 결과, 평균 클러스터 크기는 2-3배 더 컸다.
클러스터 구조의 변화와는 별개로, 플라즈마로 활성화된 물은 시간에 따라 안정하고 외부 영향에 대해 부분적으로 안전한 물 분자의 에너지 구조의 실질적인 변화를 특징으로 한다. 하기 실시예는 이러한 변화를 설명하고 입증한다.
실시예 ＃7
700 mg/l 미만의 염도를 갖고 pH=7.6인 병에 들어 있는 음수를 제안된 방법에 따라 복합 임펄스 기체 방전 플라즈마로 활성화시켰고, 그런 다음 활성화된 물과 초기 상태의 물에서 빛 흡수도를 가시광 UV 스펙트럼에서 측정하였다.
물을 제안된 장치(도 1)의 도움으로 활성화시켰고, 그 수행을 위한 특별한 경우로서, 실시예 ＃6에서 기술된 바와 같이 수행하였다. 실시예 ＃1에서 기술된 바와 같이, 반응 챔버 1의 내부 부피에서, 30 Torr의 공기 압력을 생성하였다.
전극 32를 냉각시켰고, 처리될 물의 공급과 처리된 물의 방출, 0.55 mm의 두께를 갖는 꼬인 난류성 흐름의 생성과 유지를 실시예 ＃1에서 기술한 바와 같이 제 공하였다.
반응 챔버 1 내에서, 하기의 파라미터에서 유도되는 복합 임펄스 기체 방전 플라즈마를 처리될 용액에 작용시켰다:
1) 주요 임펄스 전기 방전 I은 전류 임펄스의 주파수 1 kHz로 유도되었고, 임펄스 듀티 사이클은 50%이었고, 작동 전압은 515V 이었고, 30 kHz의 주파수와 1 mksec의 임펄스 지속 시간을 갖는 임펄스 전기 방전 I에 의해서 예비적 이온화를 제공하였고, 작동 전압은 3 kV이었다;
2) 주요 임펄스 전기 방전 II는 전류 임펄스의 주파수 20 kHz로 유도되었고, 임펄스 듀티 사이클은 50%이었고, 작동 전압은 525V이었고, 120 kHz의 주파수와 0.3 mksec의 임펄스 지속 시간을 갖는 임펄스 전기 방전 II에 의해서 예비적 이온화를 제공하였고, 작동 전압은 3 kV이었다.
주요 전기 방전 I의 임펄스 사이의 간격(휴지기)에서 주요 전기 방전 II의 임펄스가 펄스 패킷으로 생성되었다.
전극 27에 대하여 모든 전기 방전 펄스의 극성은 양극이었다.
주요 방전 I과 주요 방전 II에서 평균 전류 강도는 20A이었다.
플라즈마로 처리된 물의 흡수 스펙트럼을 기록하기 위해서, 인터페이스(interface)를 가지고 Karl Zeis Co.에 의해 제조된 UV 분광기 "Specord M-40"은 디지탈 형태의 개인용 컴퓨터(PC)로 스펙트럼을 기록하였다. 모든 스펙트럼은 0.1 cm의 광학 흡수 경로를 갖는 동일한 표준 석영 셀(cell)에서 측정하였다. 플라즈마 활성화된(다양한 정도로 활성화된) 물에서의 흡수를 파장에 의존하여 도 4에서 나 타내었다.
떨어지는 빛(falling light)의 파장을 나노미터로 X-축에 나타내었고, 떨어지는 빛의 강도 대 통과하는 빛(passing light)의 강도 비율의 로그 값을 Y-축에 나타내었다. 도 4에서 제시된 데이타로부터, 플라즈마 활성화된 물은 특정 파장 밴드에서 흡수 스펙트럼의 최고점에서 활성화 정도에 의존하면서, 초기 상태의 물보다 3.8 내지 100.9배 더 흡수하는 것을 알 수 있다. 물을 활성화하고 90일, 180일, 270일, 및 360일 이후의 흡수 스펙트럼 측정의 대조군 실험에서, 얻은 결과는 실질적으로 동일하였고, 불일치는 2% 미만이었다. 활성화된 물의 흡수 스펙트럼의 상술된 특징들은 동결 및 그 후의 해동의 사이클 이후뿐만 아니라 끓는 점까지 도달하게 한 후에도 변하지 않았다.
이것은 물의 에너지 구조가 복합 임펄스 기체 방전 플라즈마로 활성화한 후에 실질적으로 변하였고, 이러한 변화가 시간에 따라 및 외부 충격에 대해 안정함을 입증한다.
실시예 ＃8
하기에서 제시된 실시예의 목적은 복합 임펄스 기체 방전 플라즈마로 활성화된 물의 항 박테리아, 항바이러스 및 항진균 특징의 능력 및 효능을 입증하는 것이다.
700 mg/ml 미만의 염도와 pH=7.6의 병에 들어 있는 음수를 최초의 생성물로 채택하였다.
물을 제안된 장치(도 1)의 도움으로 활성화시켰고, 그 수행을 위한 특별한 경우는 실시예 ＃6에서 기술되어 있다.
30 Torr의 공기 압력을 실시예 ＃1에서 기술한 바와 같이 반응 챔버 1의 내부 부피에서 생성하였고 유지하였다.
전극 32를 냉각시켰고, 처리될 물의 공급 및 처리된 물의 방출, 0.55 mm 두께의 처리될 물의 꼬인 상태의 난류성 흐름의 생성과 유지를 실시예 ＃1에서 기술한 바와 같이 제공하였다.
반응 챔버 1 내에서, 하기의 파라미터에서 유도되는 복합 임펄스 기체 방전 플라즈마를 처리될 용액에 작용시켰다:
1) 주요 임펄스 전기 방전 I은 전류 임펄스의 주파수 1 kHz로 유도되었고, 임펄스 듀티 사이클은 50%이었고, 20.5 kHz의 주파수와 1 mksec의 임펄스 지속 시간을 갖는 임펄스 전기 방전에 의해서 예비적 이온화를 제공하였다;
2) 주요 임펄스 전기 방전 II는 전류 임펄스의 주파수 20.5 kHz로 유도되었고, 임펄스 듀티 사이클은 50%이었고, 120 kHz의 주파수와 0.3 mksec의 임펄스 지속 시간을 갖는 임펄스 전기 방전에 의해서 예비적 이온화를 제공하였다.
주요 전기 방전 I의 임펄스 사이의 간격(휴지기)에서 주요 전기 방전 II의 임펄스가 펄스 패킷으로 생성되었다.
전극 27에 대하여 모든 전기 방전 펄스의 극성은 양극이었다.
주요 방전 I과 주요 방전 II에서 평균 전류 강도는 18A이었다. 주요 방전 I의 작동 전압은 525V이었고, 주요 방전 II의 작동 전압은 550V이었다. 예비적 이온화 방전의 작동 전압은 4 kV이었다.
A. 복합 임펄스 기체 방전 플라즈마로 활성화된 물의 항 박테리아 성질은 예로서 박테리아 균주 E.Coli로 조사하였다. 박테리아 배양물을 통기를 제공하면서 37℃에서 L 브로스(L broth)(1 리터당 트립톤 10g, 효모 추출물 5g, NaCl 5g)에서 밤새 길렀다. 신선한 배양물을 얻기 위해서, 밤새 기른 배양물을 L 브로스 10 ml(125 ml 플라스크)에서 1:100으로 희석시켰고 통기를 제공하면서 3-4시간 동안 37℃에서 길렀다(OD600 = ~ 0.5-1.0까지).
E.Coli JM109의 표준 배양물 시료 100 ㎕(OD= 1.0)를 활성화된 물(또는 보통의 물) 9.9 ml에 첨가하였고, 혼합하였고, 실온(22℃)에서 배양하였다. 다양한 시간 후에 시료 100 ㎕를 채취하였고, 멸균 염수로 계대 1:10 희석하였다. 각각의 희석 시료 100 ㎕를 L 아가 플레이트에 플레이트하였고, 밤새 배양하였고, 그런 다음 콜로니를 계수하여, 콜로니 형성 단위(colony forming units, CFUs)를 결정하였다.
대조군 시료와 활성화된 물을 포함하는 시료에서 콜로니를 형성한 박테리아의 계산 결과를 도 5에 나타내었다. 이러한 데이타로부터의 결과로, 플라즈마 활성화된 물은 E. Coli 균주를 죽이는데 높은 효율을 보여주었다.
B. 복합 임펄스 기체 방전 플라즈마로 활성화된 물의 항 곰팡이 성질을 예로서 효모 유사 곰팡이인 캔디다 알비칸으로 조사하였다.
캔디다 알비칸 105개 세포/ml의 표본을 갖는 브로스를 제조하였다. 이러한 배양물 시료 100 ㎕를 플라즈마 활성화된 물(또는 초기 상태의 물-대조군 시료) 9.9 ml에 첨가하였고, 혼합하였고, 실온(22℃)에서 배양하였다. 고정된 시간 간격 에서 시료 100 ㎕를 채취하였고, 멸균 염 용액에서 1:10의 비율로 희석하였다. 시료 100 ㎕를 L-아가가 있는 페트리 디쉬에 놓았고, 밤새 배양하였고, 그런 다음 표본의 개수를 결정하였다. 플라즈마 활성화된 물 시료와 대조군 시료에서 캔디다 알비칸의 표본 개수의 계산 결과를 도 6에 나타내었다. 캔디다 알비칸 배양물 시료에 플라즈마 활성화된 물을 노출시키는 시간을 X-축에 나타내었고, 캔디다 알비칸 표본의 개수를 로그 값으로 Y-축에 나타내었다. 제시된 데이타로부터, 활성화된 물은 캔디다 알비칸의 성장을 완전히 억제하였음이 명백하다.
B. 복합 임펄스 기체 방전 플라즈마로 활성화된 물의 항 바이러스 성질을 예로서 소아마비 바이러스(균주 Sabin 4Sc)로 조사하였다.
역가 B 107.36TCD50/ml를 갖는 초기 상태의 바이러스를 채택하였다. 물에서 바이러스의 필요한 농도(105TCD50/ml)에 도달하기 위하여, 바이러스를 포함하는 현탁액을 플라즈마 활성화된 물과 초기 상태의 물(대조군 시료)로 희석시켰다.
오염된 용액의 시료를 15분, 30분, 45분, 60분 및 120분의 시간 간격에서 채취하였고, 이것을 차아 황산나트륨의 멸균 용액에 첨가하였다. 중화하고 5분 후에, 각각의 시료의 10배 계대 희석 시료를 제조하였고, 테스트 배양물을 이러한 프로브로 오염시켰다. 긴꼬리 원숭이 신장 4647 세포의 배양물을 테스트 배양물로 사용하였다. 조사된 프로브와 테스트 배양물의 접촉 기간은 1시간이었다. 접촉 이후에, 세포들을 헹크 용액으로 세척하였고, 지지체 배지에 넣었다. 항생제(페니실린과 스 트렙토마이신, 각각 50 유닛/ml)를 첨가하고, 배지 IGLA MAM과 배지 199가 1:1의 비율로 구성되는 배지를 지지체 배지로 사용하였다. 그런 다음, 프로브에서 바이러스의 역가를 측정하였다. 초기 상태의 물(활성화되지 않은 물)에서 바이러스의 프로브를 대조군 프로브로 사용하였다. 얻은 결과를 표 6에 나타내었다.
표 6
활성화된 물의 바이러스에 대한 충격 시간 초기 생성물 15분 30분 45분 60분 120분
바이러스 함량 (Ig TCD50/ml) 5.19 4.15 2.13 1.36 0.43 0.00
제시된 데이타로부터, 플라즈마 활성화된 물은 1시간 동안 유지되는 접촉에서 소아마비 바이러스를 완전히 불활성화시킨다는 것이 명백하다.
이러한 실시예는 복합 기체 방전 플라즈마로 활성화된 물이 효과적인 항 박테리아, 항 곰팡이, 및 항 바이러스 성질을 갖고 있음을 입증한다.
이와 비교할 때, 소아마비 바이러스(균주 Sabin 4Sc)에 대하여 활성화된 물의 효과적인 항 바이러스 성질은 유사 방법(WO 02/059046, 실시예 5)에서 기록되어 있지 않고, 박테리아 E.Coli와 효모 유사 곰팡이인 캔디다 알비칸에 대해서는, 제안된 방법에 따라 처리된 활성화된 물이 이러한 미생물을 억제하는 성질은 모든 다른 조건이 동일할 때 유사 방법으로부터 나온 성질에 비해 10-100배 더 높다.
실시예 ＃9
하기에서 제시된 실시예의 목적은 복합 기체 방전 플라즈마를 가지고, 테트 라클로로에탄(Tetrachloroethane, PCE)으로부터 수 용액을 정화하는 방법의 수행 능력과 효율을 입증하는 것이다.
표 7에서 제시된 바와 같은 오염 물질을 포함하고 pH=6.65의 폐수를 정제를 위해 채택하였다.
물 처리는 반응 챔버 1의 내부 부피에서 공기 압력을 125 Torr의 수준으로 유지하는 것을 제외하고는, 실시예 ＃3에서 기술한 바와 같은 동일한 방법으로 수행하였다.
예비적 이온화와 함께 2개의 임펄스 전기 방전에 의해서 복합 임펄스 기체 방전을 반응 챔버 1 내에서 유도하였고 유지하였다. 이온화는 예비적 이온화 전기 임펄스 방전과 예비적 이온화 배리어 방전으로 제공하였다.
처리 전체에 걸쳐서 방전 파라미터는 하기와 같았다:
1) 주요 임펄스 전기 방전 I은 전류 임펄스의 주파수 480 Hz로 유도되었고, 임펄스 듀티 사이클은 35%이었고, 20 kHz의 주파수와 1 mksec의 임펄스 지속 시간을 갖는 배리어 전기 방전에 의해서 예비적 이온화를 제공하였다;
2) 주요 임펄스 전기 방전 II는 전류 임펄스의 주파수 28 kHz로 유도되었고, 임펄스 듀티 사이클은 35%이었고, 120 kHz의 주파수와 0.5 mksec의 임펄스 지속 시간을 갖는 임펄스 전기 방전에 의해서 예비적 이온화를 제공하였다.
주요 전기 방전 I의 임펄스 사이의 간격(휴지기)에서 주요 전기 방전 II의 임펄스가 펄스 패킷으로 생성되었다.
전극 27에 대해서 주요 전기 방전 I과 II의 임펄스의 극성은 양극이었다. 전 극 27에 대해서 예비적 이온화 전기 방전의 임펄스의 극성은 양극이었고, 전극 27에 대해서 예비적 이온화 배리어 전기 방전의 임펄스의 극성은 양극이 우세하였다.
주요 방전 I에서 평균 전류 강도는 4A이었고, 주요 방전 II에서 평균 전류 강도는 3A이었다. 주요 방전 I에서 작동 전압은 540V이었고, 주요 방전 II에서 작동 전압은 550V이었다. 예비적 이온화 전기 임펄스 방전의 작동 전압은 9kV이었고, 예비적 이온화 배리어 전기 방전의 작동 전압은 3.5 kV이었다.
처리 전과 처리 후의 오염 물질 농도의 상세한 데이타를 표 7에 나타내었다.
표 7
오염 물질의 명칭 음수를 위한 최고 허용 농도(USA) (mkg/ml) 오염된 용액 (mkg/ml) 정제된 용액 (mkg/ml)
MTBE 70 340 1.8
테트라클로로에탄 (PCE) 5 8.500 3.8
트리클로로에탄 (TCE) 200 430 BLD＊
＊)BLD - 검출 한계 미만(below limits of detection)
표 7에서 제시된 데이타로부터 볼 수 있는 바와 같이, 제안된 방법에 따라 복합 기체 방전 플라즈마로 초기 상태의 폐수를 처리하는 결과, 최종 생성물(처리된 물)에 있는 모든 오염 물질의 농도는 음수(휴대용 물)를 위한 USA 연방 기준에 의해 정해진 최고 허용 농도를 초과하지 않았다.
유사-방법 (WO 02/058838)은 테트라클로로에탄(PCE)로부터 물을 정제하는 능력에 대해서 기록하고 있지 않았다.
따라서, 제안된 장치의 도움으로 수행된 제안된 방법은 산업용 폐수를 테트라클로로에탄(PCE)로부터 매우 효과적으로 정제하는데 광범위한 용도를 가질 수 있 고, 화학 산업에서 사용할 수 있다.
이로써, 실제 수행의 제시된 실시예는 제안된 방법이 실용 가능하고, 특히 제안된 장치의 도움을 받는 특별한 경우에 실용 가능함을 입증한다.
공지된 견본-방법 WO 02/058839와 비교할 때, 제안된 방법은 하기를 제공한다:
- 동시에 중화되는 오염원과 오염 물질 및 미생물의 스펙트럼을 넓힘;
- 수성 매질의 정화 정도를 증가시킴;
처리되는 물 1 단위당 비용을 동시에 감소시키면서 초기 농도가 높은 오염 물질을 포함하는 수성 매질의 처리 능력.
공지된 유사-방법 WO 02/059046과 비교할 때,
- 물과 수용액 활성화 효율을 증가시킴, 즉 변경되고 새롭게 획득되는 성질의 정도를 증가시키고 스펙트럼을 넓힐 뿐만 아니라, 활성화된 물 1 단위당 에너지 소비 비용을 포함하는 1 단위당 비용을 동시에 감소시키면서, 활성화 결과 획득되는 성질의 지속 시간을 증가시키고 외부 충격에 대한 안정성을 증가시킴.
제안된 방법이 제안된 장치가 아닌 장치의 도움으로 수행될 수 있음은 명백하다.
상기 특정 설명에서 사용된 용어와 표현은 제한적인 것으로 고려되지 않아야 하는 것이 또한 명백하다.
본 발명이 그의 수행을 위한 특별한 경우를 통한 개시 내용을 포함하여 완전 히 개시되어 있지만, 본 발명은 개조될 수 있고, 현재의 특허 출원은 모든 변경 사항, 대체로 본 발명의 원리에 따른 본 발명의 변수 또는 변화의 사용을 고려할 의무가 없고, 상기에서 기술된 본 발명의 주요 특징과 하기에 첨부된 청구항에 적용 가능한 일반화되고 공통의 실행으로 발생되는 본 출원에서 명문화된 일탈을 포함한다.

Claims (33)

  1. 기체 방전 플라즈마로 물 및 수용액을 처리하는 방법으로서, 흐름(flow) 형태이고 기체 상태 매질에 인접하는 상기 액체가 상기 기체 상태 매질의 예비적 이온화가 수행되면서 제공되는 서로 다른 클록 주파수(clock frequency)의 2개의 주요 전기 임펄스 방전에 의해 유도되고 유지되는 복합 임펄스 기체 방전 플라즈마 요소의 전체 복합체(complex)에 의해 동시에 영향을 받는 단계를 포함하는 것인 방법.
  2. 제1항에 있어서, 2개의 주요 전기 임펄스 방전을 유지하는 기체 상태 매질의 예비적 이온화가 1개 또는 2개의 서로 다른 클록 주파수의 2개의 예비적 이온화 임펄스 전기 방전, 또는 1개 또는 2개의 서로 다른 클록 주파수의 2개의 예비적 이온화 배리어(barrier) 전기 방전, 또는 1개 또는 2개의 서로 다른 클록 주파수의 1개의 예비적 이온화 임펄스 전기 방전과 1개의 예비적 이온화 배리어 전기 방전에 의해서 수행되는 것인 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 임펄스 전기 방전 중 하나(방전 I)는 양극 및/또는 음극의 임펄스 클록 주파수 10 Hz 내지 5 kHz, 임펄스 듀티 사이클(impulse duty cycle) 1% 내지 99%, 방전에서의 평균 전류 강도(average current strength) 12 A 이하, 작동 전압 350 V 내지 2000 V으로 생성되고, 상기 주요 임펄스 전기 방전 중 나머지(방전 II)는 양극 및/또는 음극의 임펄스 클록 주파수 5 kHz 내지 80 kHz, 임펄스 듀티 사이클 1% 내지 99%, 방전에서의 평균 전류 강도 10A 이하, 작동 전압 350 V 내지 2000 V로 생성되고, 상기 생성된 전기 방전 II는 전기 방전 1의 임펄스 간의 시간 간격에서 펄스 패키지(pulse package)로 생성되는 것인 방법.
  4. 제2항에 있어서, 상기 예비적 이온화 전기 임펄스 방전은 주파수 밴드 10 kHz 내지 250 kHz, 양극 및/또는 음극의 전압 임펄스 지속 시간 2 mksec 이하, 전압 3kV 내지 20kV로 생성되는 것인 방법.
  5. 제2항에 있어서, 상기 배리어 전기 방전은 주파수 밴드 10 kHz 내지 150 kHz, 교번 극성(alternating polarity)의 전압 임펄스 지속 시간 2 mksec 이하, 전압 3kV 내지 25kV로 생성되는 것인 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 배리어 전기 방전은 양극 또는 음극(진폭)의 우세로 생성되는 것인 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 복합 임펄스 기체 방전과 액체는 0.001 T1 이상의 자기 유도 값을 갖는 정상 자기장(steady magnetic filed) 또는 임펄스 자기장(impulse magnetic field)에 추가적으로 영향을 받는 것인 방법.
  8. 제1항에 있어서, 난류성 조건(turbulence condition)을 제공하는 0.3 내지 3 mm의 두께를 갖도록 형성된 액체의 흐름이 존재하는 것인 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 기체 상태 매질에서 대기 압력이 유지되는 것인 방법.
  10. 제1항에 있어서, 공기 또는 다른 산소 함유 기체가 버블링(bubbling)에 의해 상기 액체에 주입되는 것인 방법.
  11. 기체 방전 플라즈마로 물 및 수용액을 처리하기 위한 장치로서,
    - 처리될 액체의 공급과 방출을 위한 주입구와 배출구 및 기체 상태 매질에 진공을 제공하기 위한 배출구가 있는, 반응 챔버,
    - 갈바니로(galvanically) 분리된 전극으로서,
    상기 전극 중 하나(전극 "A")는 파이프 형태로 만들어지고, 그 내부 표면은 상기 반응 챔버의 측벽(side wall)에 있고, 반대 극성을 갖는 전극과 함께 설계되어 복합 임펄스 기체 방전을 생성하고 상기 액체의 흐름을 생성하고,
    1개 이상인 나머지 전극(전극 "B")은 실린더 또는 배럴-유형의 형태로 설계되고, 상기 반응 챔버 내에서 상기 전극 "A"에 대해 동축으로 고정되어 있고, 복합 임펄스 기체 방전의 생성과 예비적 이온화 임펄스 방전을 생성하기 위한 반대 극성의 전극이고,
    - 상기 전극과 연결된 전력 공급원을 포함하는 것인 장치.
  12. 제11항에 있어서, 상기 장치에는 1개 이상이고, 유전체 배리어(dielectric barrier) 내에서 별개로 둘러싸인 전기 도전체로 제조되고, "농형(squirrel cage)" 또는 실린더 케이지(cage of cylinder) 또는 배럴 형태로 서로 연결되어 있고, 상기 반응 챔버 내에서 전극 "B" 위에 고정되어 있고, 추가적인 전력 공급원과 추가로 연결되어 있는 추가적인 전극(전극 "C")가 구비되어 있고, 전극 "C"는 전극 "B"에 대하여 반대 극성의 전극으로 예비적 이온화 배리어 방전을 생성하는 것인 장치.
  13. 제11항에 있어서, 상기 전극 "A"는 선택적으로는 제거되도록 설치된 것인 장치.
  14. 제11항에 있어서, 상기 전극 "A"의 내부 표면은 상기 표면의 젖음성(wettability)을 증가시키도록 특별하게 처리된 것인 장치.
  15. 제11항에 있어서, 상기 전극 "A"는 주로 산성 및/또는 알칼리성 매질에 대한 저항성 금속 예를 들면 스테인레스 스틸 또는 티타늄으로 제조된 것인 장치.
  16. 제11항에 있어서, 상기 전극 "A"는 탄탈 또는 몰리브데늄 또는 백금 또는 이리듐 코팅이 된 것인 장치.
  17. 제11항에 있어서, 상기 전극 "A"는 그 내부 표면에 도전체가 있는 세라믹으로 제조된 것인 장치.
  18. 제17항에 있어서, 상기 도전체는 부식성이 낮은 부식 저항성 금속 예를 들면 텅스텐 또는 몰리브데늄 또는 백금으로 제조된 것인 장치.
  19. 제17항에 있어서, 상기 도전체는 선형 또는 망상형 또는 나선형으로 제조되고 상기 전극 "A"의 세로축을 따라 또는 교차하여 또는 각을 이루면서 배치된 것인 장치.
  20. 제11항에 있어서, 상기 전극 "A"는 상기 반응 챔버 내부에 공기 또는 산소 함유 기체를 버블링(bubbling)하기 위한 공극이 있는 것인 장치.
  21. 제20항에 있어서, 상기 전극 "A"는 다공성 티타늄 또는 다공성 스테인레스 스틸 또는 내장된 도전체가 있는 다공성 세라믹으로 제조된 것인 장치.
  22. 제11항에 있어서, 상기 전극 "B"는 전극의 굵은 말단(butt end)이 매끈하게 둥근 형태로 되어 있고 그 측면에는 균일하게 배치된 슬롯이 있는 것인 장치.
  23. 제11항에 있어서, 상기 전극 "B"는 전극 "A"에 대해 3 mm 내지 20 mm 떨어져 고정된 것인 장치.
  24. 제11항에 있어서, 상기 전극 "B"는 내화성이 있는 전도성 물질 예를 들면 텅스텐 또는 텅스텐 카바이드 또는 유사 물질로 제조된 것인 장치.
  25. 제12항에 있어서, 상기 전극 "C"는 선택적으로 제거되도록 설치된 것인 장치.
  26. 제12항에 있어서, 상기 전극 "C"의 도전체가 내장되는 유전체 배리어는 예를 들면 석영 또는 알루미늄 산화물 또는 티타늄 산화물 또는 탄탈 산화물 또는 유리질의 절연체 또는 유사 물질로 제조되는 것인 장치.
  27. 제12항에 있어서, 상기 장치에는 상기 전극 "B"의 냉각을 제공하는 열 교환기 형태의 배치, 및 냉매 예를 들면 변압기유의 공급을 제공하는 배치가 갖추어져 있고, 이와 함께 전극 "B"는 상기 열 교환기에 고정된 것인 장치.
  28. 제27항에 있어서, 상기 열 교환기는 200 W/mk°이상의 열 전도도를 갖는 물질 예를 들면 구리 금속 펠트(metal felt)로 제조되는 것인 장치.
  29. 제11항에 있어서, 상기 반응 챔버에는 선택적으로는 제거가능하고 상기 반응 챔버의 외부 측면에 위치해 있으며 상기 반응 챔버 내부로 공기 또는 산소 함유 기체의 공급을 위한 외부 재킷이 갖추어져 있는 것인 장치.
  30. 제11항에 있어서, 상기 반응 챔버에는 반응 챔버의 내부 표면에 대해 접하도록 상기 반응 챔버의 상부에 위치해 있는 인젝터의 형태로 제조되고 상기 액체의 난류성 흐름(turbulent flow)의 생성을 제공하기 위한 배치가 갖추어져 있는 것인 장치.
  31. 제30항에 있어서, 상기 인젝터는 반응 챔버의 세로축에 대해 70°내지 80°의 각도로 위치된 것인 장치.
  32. 제11항에 있어서, 상기 장치에는 선택적으로 제거가능하고 직접적으로 마주하는 전극 "B"의 외부에 위치된 자석의 형태이고 상기 반응 챔버에 하나 이상의 자기장을 공급하기 위한 배치가 갖추어져 있는 것인 장치.
  33. 제11항에 있어서, 상기 장치에는 선택적으로 제거가능하고 반응 챔버의 외부에 고정된 1개 이상의 자석의 형태이고 상기 액체 흐름 벡터를 따라 또는 교차하는 자기 유도 벡터의 방향 및 0.1 T1 이상의 자기장 유도를 갖는 정상 자기장 또는 임펄스 자기장을 부과하는 배치가 갖추어져 있는 것인 장치.
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