KR20110019968A - 정수 필터 시스템과 그의 재생방법 및 정수 필터 시스템을 포함하는 정수 장치 - Google Patents

정수 필터 시스템과 그의 재생방법 및 정수 필터 시스템을 포함하는 정수 장치 Download PDF

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Abstract

정수 필터 시스템과 그의 재생방법 및 정수 필터 시스템을 포함하는 정수 장치가 개시되어 있다. 개시된 정수 필터 시스템은 적어도 하나의 필터층을 포함하는 필터 유닛 및 상기 필터층을 살균 재생하기 위한 전압 인가장치를 구비할 수 있다. 상기 필터 유닛은 서로 이격된 제1 및 제2 전극을 구비할 수 있고, 상기 제1 및 제2 전극 중 적어도 하나가 상기 필터층일 수 있다. 상기 전압 인가장치는 상기 필터층의 살균 재생을 위하여 상기 제1 및 제2 전극 사이에 정전압(forward voltage)과 역전압(reverse voltage)을 교대로 인가하도록 구성될 수 있다.

Description

정수 필터 시스템과 그의 재생방법 및 정수 필터 시스템을 포함하는 정수 장치{Drinking water filter system, method of regenerating thereof and water purifying device comprising the same}
본 개시는 정수 필터 시스템과 그의 재생방법 및 정수 필터 시스템을 포함하는 정수 장치에 관한 것이다.
대부분의 가정용 정수 기기에서는 수돗물의 염소, 맛/냄새 물질, 소독 부산물 등의 제거를 위해 하나 이상의 활성탄 필터를 사용하고 있다. 이러한 활성탄 필터는 사용 초기에는 미생물을 걸러 주는 역할을 충분히 수행할 수 있지만, 미생물을 살균하는 메커니즘이 없으므로, 일정 기간이 지나면 활성탄에 부착된 미생물이 증식하여 오염 물질을 배출할 가능성이 크다. 따라서 활성탄 필터를 주기적으로 교체해 주어야 한다. 통상적인 교체 주기는 2개월 정도로 짧은 편이므로, 관리가 번거로울 뿐 아니라, 유지관리 비용이 증가하는 문제가 있다.
활성탄 필터를 재생시키는 방법으로 열 재생 기술이 제안된바 있다. 그러나 열 재생 기술은 고온의 증기(steam)를 이용하므로, 인-시츄(in-situ) 재생이 어렵고, 가정에서 사용하기는 거의 불가능하다. 이러한 문제를 보완하기 위해 전기 가 열 재생 방식이 제안되었으나, 이는 에너지 소비가 매우 높은 단점이 있다. 또 다른 방법으로, 필터 시스템에 별도의 금속 전극을 삽입하고, 고농도의 전해질을 사용해서, 필터를 재생하는 방법이 있다. 그러나 이 경우, 시스템이 복잡해지고, 재생시 사용한 전해질을 충분히 세척해 주어야 하는 단점이 있다.
재생이 용이한 정수 필터 시스템을 제공한다.
상기 정수 필터 시스템의 재생방법을 제공한다.
상기 정수 필터 시스템을 포함하는 정수 장치를 제공한다.
본 발명의 한 측면(aspect)에 따르면, 서로 이격하여 대향 배치된 제1 및 제2 전극을 구비하되, 상기 제1 및 제2 전극 중 적어도 하나는 필터층인 필터 유닛; 및 상기 적어도 하나의 필터층을 살균 재생하기 위한 것으로, 상기 제1 및 제2 전극 사이에 정전압(forward voltage)과 역전압(reverse voltage)을 교대로 인가하는 전압 인가장치;를 포함하는 정수 필터 시스템이 제공된다.
상기 제1 및 제2 전극 중 적어도 하나는 활성탄 필터층일 수 있다.
상기 제1 및 제2 전극 중 하나는 활성탄 필터층이고, 다른 하나는 금속층일 수 있다.
상기 전압 인가장치는 상기 제1 및 제2 전극에 연결된 전원 공급기(power supply); 및 상기 전원 공급기에 연결된 함수 발생기(function generator);를 포함할 수 있다.
상기 전압 인가장치는 상기 제1 및 제2 전극에 양(+)의 전압과 음(-)의 전압을 교대로 인가하도록 구성될 수 있고, 상기 양(+)의 전압은 2V 초과 50V 이하의 전압일 수 있다.
상기 전압 인가장치는 상기 제1 및 제2 전극 사이에 물을 전기분해시킬 수 있는 세기의 전압을 인가하도록 구성될 수 있다.
상기 전압 인가장치는 상기 제1 또는 제2 전극의 표면에 적어도 1.4V 의 양전위를 발생시키도록 구성될 수 있다.
상기 제1 및 제2 전극 사이에 투수성 절연층이 더 구비될 수 있다.
상기 제1 전극의 바깥면에 제1 집전층이 구비될 수 있고, 상기 제2 전극의 바깥면에 제2 집전층이 구비될 수 있으며, 상기 제1 및 제2 전극은 각각 상기 제1 및 제2 집전층을 통해 상기 전압 인가장치에 연결될 수 있다.
상기 필터 유닛이 복수 개 적층될 수 있고, 상기 복수의 필터 유닛은 상기 전압 인가장치에 병렬로 연결될 수 있다.
상기 필터 유닛은 상기 제1 및 제2 전극 사이에 적어도 하나의 별도의 필터층을 더 포함할 수 있고, 상기 제1 전극, 상기 적어도 하나의 별도의 필터층 및 상기 제2 전극 사이에 투수성 절연층이 구비될 수 있다. 이 경우, 상기 제1 전극의 바깥면에 제1 집전층이, 상기 제2 전극의 바깥면에 제2 집전층이 구비될 수 있고, 상기 제1 및 제2 전극은 각각 상기 제1 및 제2 집전층을 통해 상기 전압 인가장치에 연결될 수 있다.
상기 필터 유닛은 플레이트(plate) 구조 또는 롤(roll) 구조를 가질 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 서로 이격하여 대향 배치된 제1 및 제2 전극을 구비하되, 상기 제1 및 제2 전극 중 적어도 하나는 필터층인 필터 유닛을 포함 하는 정수 필터 시스템의 재생방법에 있어서, 상기 제1 및 제2 전극 사이에 정전압과 역전압을 교대로 인가하여 상기 필터층을 살균하는 단계;를 포함하는 정수 필터 시스템의 재생방법이 제공된다.
상기 제1 및 제2 전극 중 적어도 하나는 활성탄 필터층일 수 있다.
상기 제1 및 제2 전극 중 하나는 활성탄 필터층이고, 다른 하나는 금속층일 수 있다.
상기 제1 및 제2 전극에 연결된 전원 공급기(power supply) 및 상기 전원 공급기에 연결된 함수 발생기(function generator)를 포함하는 전압 인가장치에 의해 상기 정전압 및 상기 역전압이 인가될 수 있다.
상기 제1 및 제2 전극 사이에 상기 정전압과 상기 역전압이 교대로 인가되도록, 상기 제1 및 제2 전극에 양(+)의 전압과 음(-)의 전압을 교대로 인가할 수 있고, 이때, 상기 양(+)의 전압은 2V 초과 50V 이하의 전압일 수 있다.
상기 살균 단계에서, 상기 제1 및 제2 전극 사이에 물을 전기분해시킬 수 있는 세기의 전압을 인가할 수 있다.
상기 살균 단계에서, 상기 제1 또는 제2 전극의 표면에 적어도 1.4V 의 양전위를 발생시킬 수 있다.
상기 살균 단계에서, 상기 필터 유닛에 수돗물을 채워주거나 흘려줄 수 있다.
상기 제1 및 제2 전극 사이에 투수성 절연층이 더 구비될 수 있다.
상기 필터 유닛은 플레이트(plate) 구조 또는 롤(roll) 구조를 가질 수 있 다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 전술한 정수 필터 시스템을 포함하는 정수 장치가 제공된다.
구성이 단순하고 재생이 용이한 정수 필터 시스템을 구현할 수 있다. 상기 정수 필터 시스템을 이용하면, 전해질 등을 첨가하지 않고, 필터를 전기화학적 방법으로 인-시츄(in-situ)로 살균 재생할 수 있다. 따라서, 필터의 유지관리가 용이하고, 필터 수명이 증가될 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 정수 필터 시스템과 그의 재생방법 및 정수 필터 시스템을 포함하는 정수 장치를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 첨부된 도면에 도시된 층이나 영역들의 폭 및 두께는 명세서의 명확성을 위해 다소 과장되게 도시된 것이다. 상세한 설명 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 정수 필터 시스템을 보여준다.
도 1을 참조하면, 서로 이격된 제1 및 제2 활성탄 필터(10a, 10b)가 대향 배치될 수 있다. 제1 및 제2 활성탄 필터(10a, 10b)는 활성탄 섬유(직포), 활성탄 부직포, 활성탄 페이스트(paste), 활성탄 슬러리(slurry)가 코팅된 시트(sheet) 등 다양한 구성을 가질 수 있다. 제1 및 제2 활성탄 필터(10a, 10b) 사이에 분리층(separation layer)(5)이 구비될 수 있다. 분리층(5)은 투수성 절연체로 형성된 층일 수 있다. 예컨대, 분리층(5)은 폴리프로필렌(polypropylene)이나 폴리에스테르(polyester)와 같은 고분자 물질로 형성될 수 있다. 제1 활성탄 필터(10a)의 바깥면(도면에서 하면)에 제1 집전층(current collecting layer)(20a)이 구비될 수 있고, 제2 활성탄 필터(10b)의 바깥면(도면에서 상면)에 제2 집전층(20b)이 구비될 수 있다. 제1 및 제2 집전층(20a, 20b)은, 예컨대, 그래파이트(graphite)와 같이 전기저항이 낮은 물질로 형성될 수 있다. 제1 및 제2 활성탄 필터(10a, 10b), 분리층(5), 그리고 제1 및 제2 집전층(20a, 20b)은 필터 유닛(100)을 구성할 수 있다. 경우에 따라서는, 제1 및 제2 집전층(20a, 20b) 중 적어도 하나는 구비되지 않을 수도 있고, 분리층(5)도 구비되지 않을 수 있다.
필터 유닛(100)에 연결된 전압 인가장치(200)가 구비될 수 있다. 제1 활성탄 필터(10a)는 제1 집전층(20a)을 통해, 제2 활성탄 필터(10b)는 제2 집전층(20b)을 통해 전압 인가장치(200)에 연결될 수 있다. 전압 인가장치(200)는 제1 및 제2 활성탄 필터(10a, 10b) 사이에 정전압(forward voltage)과 역전압(reverse voltage)을 교대로 인가하여 제1 및 제2 활성탄 필터(10a, 10b)를 재생하는 장치일 수 있다. 전압 인가장치(200)는 상기 정전압과 역전압을 교대로 인가하기 위하여, 제1 및 제2 활성탄 필터(10a, 10b)에 양(+)의 전압과 음(-)의 전압을 교대로 인가할 수 있다. 여기서, 상기 양(+)의 전압은 제1 및 제2 활성탄 필터(10a, 10b) 사이에 적어도 물의 전기분해 반응을 일으킬 수 있는 전압일 수 있다. 또한, 상기 양(+)의 전압은 상기 살균 재생시 제1 및 제2 활성탄 필터(10a, 10b)의 표면에 적어도 1.4V 의 양전위를 발생시키는 전압일 수 있다. 예컨대, 상기 양(+)의 전압은 대략 2V 초 과 50V 이하의 전압일 수 있다. 상기 제1 및 제2 활성탄 필터(10a, 10b)의 재생시, 제1 및 제2 활성탄 필터(10a, 10b) 자체가 전극으로 사용된다.
전압 인가장치(200)의 구성에 대해 보다 구체적으로 설명하면, 전압 인가장치(200)는 제1 및 제2 활성탄 필터(10a, 10b)에 연결된 전원 공급기(power supply)(30) 및 전원 공급기(30)에 연결된 함수 발생기(function generator)(40)를 포함할 수 있다. 전원 공급기(30)는 직류(direct current)(DC) 전압을 발생시키는 장치, 즉, 직류 전원 공급기일 수 있다. 함수 발생기(40)에 의해 사각파, 사인파, 삼각파 등이 발생될 수 있고, 주파수(혹은 펄스의 폭) 등이 조절될 수 있다. 전원 공급기(30) 및 함수 발생기(40)에 의해 제1 및 제2 활성탄 필터(10a, 10b) 사이에 정전압과 역전압을 교대로 인가할 수 있다. 즉, 제1 및 제2 활성탄 필터(10a, 10b)에 양(+)의 전압과 음(-)의 전압을 교대로 인가할 수 있다. 이러한 전압 인가장치(200)의 구성은 일례에 불과하고, 다양하게 변형될 수 있다.
도 1과 같은 구조의 정수 필터 시스템에서 필터 유닛(100)은 물이 관통하여 흐르는 유통형(flow through type) 구조를 가질 수 있다. 예컨대, 물은 투수성의 분리층(5)을 통과하여, 제1 및 제2 활성탄 필터(10a, 10b)를 거쳐 빠져나올 수 있다. 이를 위해, 필터 유닛(100)은 주입구(inlet)와 배출구(outlet)를 갖는 적절한 케이스(case)(미도시) 내에 구비될 수 있고, 분리층(5)은 제1 및 제2 활성탄 필터(10a, 10b)보다 다소 크게 형성되어 상기 케이스의 내부면에 밀착될 수 있다. 또한, 제1 활성탄 필터(10a)와 제1 집전층(20a)에 홀(hole)이 형성되거나, 제2 활성탄 필터(10b)와 제2 집전층(20b)에 홀(hole)이 형성될 수 있다. 상기 주입구를 통 해 유입된 물은 분리층(5)을 통과한 후, 제1 및 제2 활성탄 필터(10a, 10b)를 거치는 동안 정화되어 상기 배출구로 빠져나갈 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 정수 필터 시스템은 도 1의 필터 유닛(100)을 복수 개 포함할 수 있다. 그 일례가 도 2에 도시되어 있다. 도 2에서는 제1 및 제2 활성탄 필터(10a, 10b)를 활성탄 필터(10)로, 제1 및 제2 집전층(20a, 20b)을 집전층(20)으로 표시한다.
도 2를 참조하면, 복수의 필터 유닛(100)이 적층될 수 있다. 각각의 필터 유닛(100)은 두 개의 활성탄 필터(10)와 그 사이에 분리층(5)을 포함할 수 있다. 각각의 필터 유닛(100)에서 각 활성탄 필터(10)의 바깥면에 접촉된 집전층(20)이 구비될 수 있다. 인접한 두 개의 필터 유닛(100) 사이에 구비된 집전층(20)은 상기 두 필터 유닛(100)의 공통 집전층으로 사용될 수 있다. 도 2의 구조에 대해 달리 설명하면, 복수의 활성탄 필터(10), 예컨대, 네 개 이상의 짝수 개의 활성탄 필터(10)가 적층되고, 그 사이에 분리층(5)과 집전층(20)이 교대로 구비된다고 할 수 있다. 이때, 최하층의 활성탄 필터(10) 하면과 최상층의 활성탄 필터(10) 상면에 집전층(20)이 더 구비될 수 있다.
도 2의 다수의 집전층(20) 중에서 양극 집전층(예컨대, 도면에서 홀수 번째 집전층)(20)은 전압 인가수단(200)의 양극 단자에 공통으로 연결될 수 있고, 음극 집전층(예컨대, 도면에서 짝수 번째 집전층)(20)은 전압 인가수단(200)의 음극 단자에 공통으로 연결될 수 있다. 전압 인가수단(200)은 도 1의 그것과 유사할 수 있다. 즉, 도 2에서 전압 인가수단(200)은 다수의 집전층(20)에 연결된 전원 공급 기(30)와 그에 연결된 함수 발생기(40)를 포함할 수 있다. 전압 인가수단(200)을 이용해서, 상기 양극 집전층(20)과 상기 음극 집전층(20)에 양(+)의 전압과 음(-)의 전압을 교대로 인가할 수 있다.
회로적으로 볼 때, 도 2의 구조는 복수의 필터 유닛들(100)이 전압 인가장치(200)에 병렬로 연결된 구조라 할 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시에에 따른 정수 필터 시스템을 보여준다.
도 3을 참조하면, 복수의 활성탄 필터(10), 예컨대, 세 개 이상의 활성탄 필터(10)가 적층될 수 있다. 활성탄 필터들(10) 사이마다 분리층(5)이 구비될 수 있다. 도면에서 최하층의 활성탄 필터(10) 하면과 최상층의 활성탄 필터(10) 상면에 집전층(20)이 구비될 수 있다. 두 개의 집전층(20)은 전압 인가수단(200)에 연결될 수 있다. 전압 인가수단(200)의 구성은 도 1의 그것과 동일할 수 있다.
도 1 내지 도 3에서는 활성탄 필터(10a, 10b, 10)가 평평한 시트(sheet) 형상을 갖고 적층된 구조에 대해서 도시하였다. 즉, 도 1 내지 도 3에서는 플레이트(plate) 타입의 필터 유닛을 도시하고 설명하였다. 하지만, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 도 4에 도시된 바와 같이, 롤(roll) 형태로 권취된 필터 구조도 가능하다.
도 4를 참조하면, 필터 유닛(100')은 롤(roll) 구조를 가질 수 있다. 필터 유닛(100')은 도 1의 필터 유닛(100)이 롤(roll) 형태로 권취된 구조일 수 있다. 도 4에 도시하지는 않았지만, 필터 유닛(100')은 소정의 권취 코어(core)에 감겨 있을 수 있다. 이러한 구조의 필터 유닛(100')은 원통형 정수 케이스에 용이하게 적용될 수 있다.
여기서 도시하지는 않았지만, 도 2 및 도 3의 필터 구조가 롤(roll) 형태로 권취된 구조도 가능하다.
또한, 경우에 따라서는, 도 1의 정수 필터 시스템에서 제1 및 제2 활성탄 필터(10a, 10b) 중 하나를 금속층으로 대체할 수도 있다. 즉, 하나의 활성탄 필터만 사용하여 정수하고, 그것을 재생하여 사용할 수 있다. 이 경우, 재생시 활성탄 필터가 제1 전극으로, 금속층이 제2 전극으로 사용될 수 있다. 이렇게 활성탄 필터와 금속층을 제1 및 제2 전극으로 사용하는 필터 유닛을 여러 개 적층하여 사용하거나, 롤(roll) 형태로 권취해서 사용할 수도 있다. 도 3의 구조에서도 최하층의 활성탄 필터(10)와 최상층의 활성탄 필터(10) 중 하나는 금속 전극층으로 대체될 수 있다.
이하에서는, 도 5a 내지 도 5c를 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 정수 필터 시스템의 재생방법을 설명하도록 한다. 본 재생방법은 도 1의 정수 필터 시스템을 이용한 것이다.
도 5a는 소정 기간 정수용으로 사용된 제1 및 제2 활성탄 필터(10a, 10b)를 보여준다. 제1 및 제2 활성탄 필터(10a, 10b)에 다량의 미생물(1)이 흡착되어 있다. 미생물(1)의 표면은 중성 pH(potential of hydrogen)에서 음전하(-)를 띨 수 있다.
도 5b를 참조하면, 전압 인가장치(200)(도 1 참조)를 이용해서, 제1 활성탄 필터(10a)에 양(+)의 전압을 인가할 수 있고, 제2 활성탄 필터(10b)에 음(-)의 전 압을 인가할 수 있다. 이는 제1 및 제2 활성탄 필터(10a, 10b) 사이에 정전압을 인가한 것으로 간주할 수 있다. 이때, 필터 유닛(100)(도 1 참조)에 수돗물을 채워주거나 흘려줄 수 있다. 상기 수돗물은 경수(hard water)일 수 있다. 상기 양(+)의 전압이 인가된 제1 활성탄 필터(10a)에서는, 흡착된 미생물(1)들이 산화될 수 있다. 미생물(1)의 산화는, 곧, 살균을 의미한다. 산화된 미생물(1)은 1'로 표시한다. 보다 구체적으로 설명하면, 양(+)의 전압이 인가된 제1 활성탄 필터(10a)는 미생물(1)들의 전자를 빼앗아 직접 산화시키거나, 물의 전기분해에 의해 생성된 활성 산화종(즉, 오존 및 수산화 라디칼 등)과 차아염소산(HOCl, OCl-) 등으로 미생물(1)을 산화시킬 수 있다. 또한, 본 재생방법에서 경수(hard water)를 사용하는 경우, 양(+)의 전압이 인가된 제1 활성탄 필터(10a) 부근에서, 이온, 예컨대, Cl- 이온이 OCl- 또는 HOCl 과 같은 살균 성분으로 바뀌어, 상기 살균 성분에 의해 미생물(1)들이 살균될 수 있다. 부가해서, 상기 양(+)의 전압에 의해 제1 활성탄 필터(10a) 표면에 과산화수소(H2O2), 오존(O3) 및 수산화 라디칼(OH radical)(ㆍOH) 등이 발생할 수 있고, 이들 산화종은 차아염소산에 비해 강한 산화력을 띠고 있어 미생물 살균에 더욱 효과적일 수 있다. 한편, 음(-)의 전압이 인가된 제2 활성탄 필터(10b)에서는 전기적 반발력에 의해 흡착된 미생물(1)들이 제2 활성탄 필터(10b)로부터 탈착(desorption)될 수 있다.
도 5c를 참조하면, 제1 활성탄 필터(10a)에 음(-)의 전압을 인가할 수 있고, 제2 활성탄 필터(10b)에 양(+)의 전압을 인가할 수 있다. 이는 제1 및 제2 활성탄 필터(10a, 10b) 사이에 역전압을 인가한 것으로 간주할 수 있다. 이렇게 하면, 미생물(1)들이 양(+)의 전압이 인가된 제2 활성탄 필터(10b)에 흡착된 후 산화(살균)될 수 있고, 음(-)의 전압이 인가된 제1 활성탄 필터(10a)에서는 미생물들(1', 1)이 탈착될 수 있다.
도 5b 및 도 5c에서 양(+)의 전압은 제1 및 제2 활성탄 필터(10a, 10b) 사이에 적어도 물의 전기분해 반응을 일으킬 수 있는 전압일 수 있다. 또한 양(+)의 전압은 제1 및 제2 활성탄 필터(10a, 10b)의 표면에 적어도 1.4V 의 양전위를 발생시키는 전압일 수 있다. 상기 예컨대, 상기 양(+)의 전압은 대략 2V 초과 50V 이하의 전압일 수 있다. 이 정도의 전압을 사용할 때, 전술한 미생물(1)의 살균 반응이 용이하게 일어날 수 있다. 물의 전기분해 반은은 표면 전위가 약 1.2V 이상일 때 발생할 수 있는데, 만약 물의 전기분해 반응 등이 일어날 수 없는 낮은 양(+)의 전압을 사용하는 경우, 본 발명의 실시예에서 원하는 화학 반응(산화)을 기대하기 어렵다. 이에 대해 보다 상세하게 설명하면, 차아염소산(HOCl, OCl-)의 경우 제1 및 제2 활성탄 필터(10a, 10b)의 표면 전위가 약 1.4V 이상일 때 발생될 수 있고, 과산화수소(H2O2)는 상기 표면 전위가 약 1.8V 이상일 때, 오존(O3)은 상기 표면 전위가 약 2.1V 이상일 때 발생될 수 있다. 수산화 라디칼(OH radical)의 경우 상기 표면 전위가 약 2.7V 이상일 때 발생될 수 있다. 따라서 제1 및 제2 활성탄 필터(10a, 10b)의 표면에 최소한 1.4V 이상의 전위를 발생시킬 수 있는 양(+)의 전압을 사용 해야 전술한 산화/살균 성분들을 용이하게 발생시킬 수 있고, 원하는 화학 반응(살균)을 기대할 수 있다. 제1 및 제2 활성탄 필터(10a, 10b)의 저항을 고려하면, 제1 및 제2 활성탄 필터(10a, 10b)의 표면에 1.4V 이상의 전위를 발생시키기 위해서는, 2V 보다 큰 양(+)의 전압이 요구될 수 있다. 그러나 살균/산화를 유도하기 위한 상기 양(+)의 전압의 최소 세기는 필터 시스템의 구성에 따라 달라질 수 있다.
한편, 도 5b 및 도 5c에서 음(-)의 전압은 미생물(1, 1')을 탈착시킬 수 있을 정도의 세기를 가질 수 있다.
도 5b와 도 5c의 단계를 교대로 반복 수행할 수 있다. 즉, 제1 및 제2 활성탄 필터(10a, 10b)를 전극으로 이용해서, 두 필터(10a, 10b)에 양(+)의 전압과 음(-)의 전압을 교대로 인가함으로써, 즉, 두 필터(10a, 10b) 사이에 정전압과 역전압을 교대로 인가함으로써, "살균→탈착→살균→탈착" 이 반복되도록 하여, 제1 및 제2 활성탄 필터(10a, 10b)를 용이하게 재생할 수 있다. 이 과정에서 필터 유닛(100)(도 1 참조)을 통해 수돗물을 흘려주면, 산화된 후 탈착된 미생물(1')들과 미산화된 상태로 탈착된 미생물(1)들이 상기 수돗물과 함께 필터 유닛(100) 밖으로 배출될 수 있다. 이때, 필터 유닛(100)으로 유입된 수돗물이 필터 유닛(100)을 거쳐 밖으로 버려질 수 있다. 하지만, 경우에 따라서는, 재생과정에서 필터 유닛(100)을 통해 수돗물을 순환시킬 수도 있다.
도 6a 및 도 6b는 각각 양(+) 전압 및 음(-) 전압을 5분간 인가한 활성탄 필터에 붙은 미생물을 관찰한 주사전자현미경(scanning electron microscope)(SEM) 사진이다.
도 6a를 참조하면, 양(+) 전압을 인가한 활성탄 필터의 경우, 다수의 미생물이 흡착되어 있음을 알 수 있다. 흡착된 미생물 대부분은 산화에 의해 살균될 수 있다.
도 6b를 참조하면, 음(-) 전압을 인가한 활성탄 필터의 경우, 흡착되었던 미생물이 대부분 떨어진 것을 확인할 수 있다.
본 실시예에 따른 재생방법에서는, 제1 및 제2 활성탄 필터(10a, 10b) 자체를 재생용 전극으로 사용하기 때문에, 별도의 금속 전극을 사용할 필요가 없다. 또한, 본 재생방법에서 고농도의 전해질이 아닌 수돗물을 사용할 수 있다. 따라서, 재생형 필터 시스템의 구조가 단순화될 수 있고, 필터의 재생이 간편하면서도 빠르게 이루어질 수 있다.
표 1은 본 발명의 실시예에 따른 정수 필터 시스템의 오염수 조건별 재생효율을 보여준다.

구 분		 유입수의 오염도
(CFU/ml)		 재생 전,
배출수 오염도
(CFU/ml)		 재생 후,
배출수 오염도
(CFU/ml)		 재생효율
(%)
1 2×105 30 5 84
2 2×106 100 10 90
3 5×106 245 50 80
4 1×107 1367 87 94
5 2×107 5030 303 94
표 1의 결과는 도 1의 구조를 갖는 정수 필터 시스템에 대한 것이다. 이때, 제1 및 제2 활성탄 필터(10a, 10b)로 10×10 ㎠ 크기의 활성탄 섬유를 사용하고, 집전층(20)으로 그래파이트 호일(graphite foil)을 사용하였으며, 메쉬(mesh) 구조의 분리층(5)을 사용하였다.
먼저, 고농도의 녹농균(pseudomonas aeruginosa PA01) 용액(2×105 ∼ 2×107 CFU/ml) 100ml 정도를 50 ml/min 의 유속으로 필터 유닛에 30분간 순환시켜 상기 필터 유닛을 오염시킨다. 다음, 모의 수돗물(simulated tap water)(∼0 CFU/ml, 500μS/cm, Cl- 60 ppm) 200 ml 를 50 ml/min 정도의 유속으로 상기 오염된 필터 유닛을 통과시킨다. 이때 배출된 물의 오염도를 측정하였다. 이것이 표 1의 '재생 전 배출수의 오염도'(재생 전 오염도)이다. 이후, 모의 수돗물(∼0 CFU/ml, 500μS/cm, Cl- 60 ppm) 200 ml 정도를 상기 오염된 필터 유닛에 50 ml/min 의 유속으로 순환시키면서, 전술한 본 발명의 실시예에 따른 방법으로 상기 필터 유닛을 재생하였다. 이때, 두 개의 활성탄 필터에 +3V 정도의 양(+)의 전압과 -3V 정도의 음(-)의 전압을 교대로 인가하되, 5분씩 총 20분간 인가하였다. 그런 후, 모의 수돗물(∼0 CFU/ml, 500μS/cm, Cl- 60 ppm) 200 ml를 50 ml/min 의 유속으로 상기 재생된 필터 유닛을 통과시킨다. 이때 배출된 물의 오염도가 표 1의 '재생 후 배출수의 오염도'(재생 후 오염도)이다. 한편, 표 1에서 '재생효율'은 (1 - 재생 후 오염도/재생 전 오염도)에 100을 곱한 값이다.
표 1을 참조하면, 다섯 가지 조건에서, 재생 후에 배출수(effluent)에 포함된 미생물의 농도가 재생 전과 대비해 약 80∼94% 정도 감소하였음을 확인할 수 있다. 오염수의 오염도가 2×107 CFU/ml 인 경우, 재생 전 오염도가 5030 CFU/ml 정도인 반면, 재생 후 오염도는 303 CFU/ml 정도로 낮았고, 이때, 재생효율은 94% 정도였다. 표 1의 결과를 그래프로 나타내면 도 7과 같다.
표 2는 본 발명의 실시예 및 다양한 비교예에 따른 정수 필터 시스템의 재생 전/후 오염도(CFU/ml) 및 재생효율(%)을 정리한 것이다. 이때 오염수로는 107 CFU/ml 정도의 농도를 갖는 녹농균(pseudomonas aeruginosa PA01) 용액을 사용하였다. 그 밖의 오염 조건 및 처리수(즉, 모의 수돗물) 조건은 표 1에서 설명한 바와 동일하였다. 그리고 상기 본 발명의 실시예에 따른 정수 필터 시스템에 대한 재생 조건도 표 1을 참조하여 설명한 바와 동일하였다. 비교예1 내지 4에 따른 정수 필터 시스템의 재생 조건(전압의 세기 및 인가 시간 등)은 표 2에 기재되어 있다.
비교예1 비교예2 비교예3 비교예4 실시예1
특징 활성탄: 전극 아님
교대전압: No
+3V/-3V 20분		 활성탄: (+)극
교대전압: No
+3V 20분		 활성탄: (-)극
교대전압: No
-3V 20분		 활성탄: 양쪽전극
교대전압: No
+3V/-3V 20분		 활성탄: 양쪽전극
교대전압: Yes
+3V/-3V 5분마다 교대 (총 20분)
재생 전
오염도		 3500 3850 3950 3950 1367
재생 후
오염도		 3500 3500 1600 1200 87
재생
효율		 0 9 59 70 94
표 2의 '비교예1∼4' 및 '실시예1'에 따른 정수 필터 시스템은 도 8a 내지 도 8e에 도시된 바와 같다.
도 8a를 참조하면, '비교예1'에 따른 정수 필터 시스템에서는 제1 활성탄 필터(10a)와 제1 집전층(20a) 사이, 그리고, 제2 활성탄 필터(10a, 10b)와 제2 집전층(20b) 사이에 분리층(5)이 구비되어 있다. 제1 및 제2 집전층(20a, 20b)이 직류 전원(V1)에 연결되어 있다. 이 경우, 제1 및 제2활성탄 필터(10a, 10b)는 직류 전원(V1)에 전기적으로 연결되어 있지 않기 때문에, 전극으로 사용되지 않는다. 대신, 제1 및 제2 집전층(20a, 20b)이 전극으로 사용된다. 직류 전원(V1)은 도 8b 내지 도 8d에서도 사용된다.
도 8b를 참조하면, '비교예2'에 따른 정수 필터 시스템에서는 하나의 활성탄 필터(10)가 (+)극으로 사용된다. 활성탄 필터(10)의 하면에 분리층(5)과 제1 집전층(20a)이 차례로 구비되고, 활성탄 필터(10)의 상면에 제2 집전층(20b)이 구비된다. 제1 및 제2 집전층(20a, 20b)은 각각 직류 전원(V1)의 (-)극 및 (+)극에 연결되어 있다. 재생시, 활성탄 필터(10)는 (+)극으로 사용되고, 제1 집전층(20a)이 (-)극으로 사용된다. 이 경우, 활성탄 필터(10)에 양(+)의 전압과 음(-)의 전압이 교대로 인가될 수 없다. 즉, 활성탄 필터(10)에 역전압이 인가되지 않는다.
도 8c를 참조하면, '비교예3'에 따른 정수 필터 시스템에서는 하나의 활성탄 필터(10)가 (-)극으로 사용된다. 즉, 활성탄 필터(10)의 하면에 제1 집전층(20a) 구비되고, 활성탄 필터(10)의 상면에 분리층(5)과 제2 집전층(20b)이 차례로 구비된다. 제1 및 제2 집전층(20a, 20b)은 각각 직류 전원(V1)의 (-)극 및 (+)극에 연결되어 있다. 재생시, 활성탄 필터(10)는 (-)극으로, 제2 집전층(20b)은 (+)극으로 사용된다. 이 경우에도, 활성탄 필터(10)에 양(+)의 전압과 음(-)의 전압이 교대로 인가될 수 없다. 즉, 활성탄 필터(10)에 역전압이 인가될 수 없다.
도 8d를 참조하면, '비교예4'에 따른 정수 필터 시스템에서는 분리층(5)을 사이에 두고 제1 및 제2 활성탄 필터(10a, 10b)가 이격 배치되고, 제1 활성탄 필터(10a) 하면 및 제2 활성탄 필터(10b) 상면에 각각 제1 및 제2 집전층(20a, 20b)이 구비되어 있다. 제1 및 제2 집전층(20a, 20b)은 각각 직류 전원(V1)의 (-)극 및 (+)극에 연결되어 있다. 이 경우, 제1 및 제2활성탄 필터(10a, 10b)가 모두 전극으로 사용되지만, 재생시, 양(+)의 전압과 음(-)의 전압이 교대로 인가되지는 않는다. 즉, 역전압은 사용되지 않는다.
도 8e를 참조하면, '실시예1'에 따른 정수 필터 시스템은 도 1의 구조를 갖는다. 이때, 제1 및 제2활성탄 필터(10a, 10b)가 모두 전극으로 사용되고, 재생시, 제1 및 제2활성탄 필터(10a, 10b)에 양(+)의 전압과 음(-)의 전압이 교대로 인가된다. 즉, 제1 및 제2활성탄 필터(10a, 10b) 사이에 정전압과 역전압이 교대로 인가된다.
도 8a 내지 도 8e에서, 활성탄 필터(10a, 10b, 10)로는 활성탄 섬유를 사용하였다.
표 2를 참조하면, '비교예1' 및 '비교예2'의 경우, 재생효율이 0% 및 9% 정도로 매우 낮았다. '비교예3' 및 '비교예4'의 경우, 재생효율이 59% 및 70%로 어느 정도 재생 효과가 있지만, '실시예1'에 따른 필터 시스템의 재생효율인 94% 에는 크게 미치지 못하였다. 이를 통해, 제1 및 제2활성탄 필터(10a, 10b)를 모두 전극으로 사용하고, 제1 및 제2활성탄 필터(10a, 10b)에 양전압과 음전압을 교대로 인가할 때, 비교예들보다 월등히 우수한 재생효율을 얻을 수 있음을 알 수 있다.
표 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 정수 필터 시스템의 재생 전/후 오염도(CFU/ml) 및 재생효율(%)을 정리한 것이다. 표 2의 '실시예1'에서는 활성탄 섬유를 필터로 사용하였지만, 표 3의 '실시예2∼4'에서는 활성탄 페이스트(paste)를 필터로 사용하였다. '실시예2'와 '실시예3'에서는 페이스트 제조를 위한 분말 활물질로 오사카 가스사의 PC 를 사용하였고, '실시예4'에서는 페이스트 제조를 위한 분말 활물질로 관서열화학사의 MSP 를 사용하였다. 활성탄 필터의 물질을 제외하면, 표 2의 '실시예1'과 표 3의 '실시예2∼4'에 따른 정수 필터 시스템의 구조는 동일하였다.
실시예2 실시예3 실시예4
특징 활성탄: Paste (PC)
교대전압: 5V/-5V		 활성탄: Paste (PC)
교대전압: 7V/-7V		 활성탄: Paste (MSP)
교대전압: 5V/-5V
재생 전 오염도
(CFU/ml)		 155000 310000 295000
재생 후 오염도
(CFU/ml)		 15150 31650 40000
재생효율
(%)		 90 90 86
표 3의 결과를 얻는데 사용한 오염수는 107 CFU/ml 정도의 농도를 갖는 녹농균(pseudomonas aeruginosa PA01) 용액으로, 이는 표 2의 결과를 얻는데 사용한 것과 동일하였다. 그 밖의 오염 조건 및 처리수(즉, 모의 수돗물) 조건 등은 표 1에서 설명한 바와 동일하였다. 다만, '실시예2' 및 '실시예4'의 경우, 재생을 위해 5V/-5V 의 전압을 교대로 인가하였고, '실시예3'의 경우, 7V/-7V 의 전압을 교대로 인가하였다.
표 3을 참조하면, '실시예2' 및 '실시예3'의 재생효율이 90% 정도로 유사하다. '실시예4'의 경우도 재생효율이 86% 정도로 '실시예2' 및 '실시예3'의 결과와 큰 차이가 없었다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따르면, 구성이 단순한 재생형 정수 필터 시스템을 구현할 수 있다. 이러한 정수 필터 시스템을 이용하면, 전해질 등 첨가 물질 없이 필터를 전기화학적 방법으로 인-시츄(in-situ)로 살균 재생할 수 있다. 따라서 필터를 위생적으로 유지관리하기가 용이할 수 있고, 결과적으로는, 먹는 물의 생물학적 안정성을 유지할 수 있다. 부가해서 필터 수명이 증가되는 효과도 기할 수 있다.
이러한 정수 필터 시스템은 다양한 정수 장치(water purifying device)에 적용될 수 있다. 일반적인 가정용 정수기뿐 아니라, 냉장고 디스펜서(dispenser), 주전자형 정수기, 수도직결식 정수기 등 수돗물을 정화하는 다양한 장치에 적용될 수 있다. 본 발명의 사상(idea)은 가정용 정수 기기뿐 아니라 산업용 정수 장치에도 적용될 수 있다. 정수 필터 시스템을 채용하는 정수 기기들의 구성은 잘 알려진바, 그에 대한 상세한 설명은 생략한다.
상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 구체적인 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 예들 들어, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 도 1 내지 도 4의 정수 필터 시스템의 구성요소 및 구조는 각각 다양화 및 변형될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 구체적인 예로, 도 1 내지 도 4의 정수 필터 시스템에서 필터(10, 10a, 10b)는 활성탄이 아닌 다른 물질로 구성될 수 있을 것이다. 또한, 당업자라면 도 5a 내지 도 5c의 재생방법도 다양하게 변화될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 때문에 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
도 1 내지 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 정수 필터 시스템의 단면도이다.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 실시예에 따른 정수 필터 시스템의 재생방법을 보여주는 단면도이다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 실시예에 따라 양(+) 전압 및 음(-) 전압을 인가한 활성탄 필터를 보여주는 주사전자현미경(scanning electron microscope)(SEM) 사진이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 정수 필터 시스템의 오염수 조건별 재생효율을 보여주는 그래프이다.
도 8a 내지 도 8d는 다양한 비교예에 따른 정수 필터 시스템의 단면도이다.
도 8e는 본 발명의 실시예에 따른 정수 필터 시스템의 단면도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호설명 *
5 : 분리층 10, 10a, 10b : 활성탄 필터
20a, 20b : 집전층 30 : 전원 공급기
40 : 함수 발생기 100, 100' : 필터 유닛
200 : 전압 인가장치 V1 : 직류 전원

Claims (24)

  1. 서로 이격하여 대향 배치된 제1 및 제2 전극을 구비하되, 상기 제1 및 제2 전극 중 적어도 하나는 필터층인 필터 유닛; 및
    상기 적어도 하나의 필터층을 살균 재생하기 위한 것으로, 상기 제1 및 제2 전극 사이에 정전압(forward voltage)과 역전압(reverse voltage)을 교대로 인가하는 전압 인가장치;를 포함하는 정수 필터 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 전극 중 적어도 하나는 활성탄 필터층인 정수 필터 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 전극 중 하나는 활성탄 필터층이고, 다른 하나는 금속층인 정수 필터 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 전압 인가장치는,
    상기 제1 및 제2 전극에 연결된 전원 공급기(power supply); 및
    상기 전원 공급기에 연결된 함수 발생기(function generator);를 포함하는 정수 필터 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 전압 인가장치는 상기 제1 및 제2 전극에 양(+)의 전압과 음(-)의 전압을 교대로 인가하도록 구성되고,
    상기 양(+)의 전압은 2V 초과 50V 이하의 전압인 정수 필터 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 전압 인가장치는 상기 제1 및 제2 전극 사이에 물을 전기분해시킬 수 있는 세기의 전압을 인가하도록 구성된 정수 필터 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 전압 인가장치는 상기 제1 또는 제2 전극의 표면에 적어도 1.4V 의 양전위를 발생시키도록 구성된 정수 필터 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 전극 사이에 투수성 절연층이 더 구비된 정수 필터 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 전극의 바깥면에 제1 집전층이 구비되고,
    상기 제2 전극의 바깥면에 제2 집전층이 구비되며,
    상기 제1 및 제2 전극은 각각 상기 제1 및 제2 집전층을 통해 상기 전압 인 가장치에 연결된 정수 필터 시스템.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    복수의 상기 필터 유닛이 적층되고,
    상기 필터 유닛들은 상기 전압 인가장치에 병렬로 연결된 정수 필터 시스템.
  11. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 필터 유닛은 상기 제1 및 제2 전극 사이에 적어도 하나의 별도의 필터층을 더 포함하고,
    상기 제1 전극, 상기 적어도 하나의 별도의 필터층 및 상기 제2 전극 사이에 투수성 절연층이 구비된 정수 필터 시스템.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제1 전극의 바깥면에 제1 집전층이 구비되고,
    상기 제2 전극의 바깥면에 제2 집전층이 구비되며,
    상기 제1 및 제2 전극은 각각 상기 제1 및 제2 집전층을 통해 상기 전압 인가장치에 연결된 정수 필터 시스템.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 필터 유닛은 플레이트(plate) 구조 또는 롤(roll) 구조를 갖는 정수 필 터 시스템.
  14. 서로 이격하여 대향 배치된 제1 및 제2 전극을 구비하되, 상기 제1 및 제2 전극 중 적어도 하나는 필터층인 필터 유닛을 포함하는 정수 필터 시스템의 재생방법에 있어서,
    상기 제1 및 제2 전극 사이에 정전압과 역전압을 교대로 인가하여 상기 필터층을 살균하는 단계;를 포함하는 정수 필터 시스템의 재생방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 전극 중 적어도 하나는 활성탄 필터층인 정수 필터 시스템의 재생방법.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 전극 중 하나는 활성탄 필터층이고, 다른 하나는 금속층인 정수 필터 시스템의 재생방법.
  17. 제 14 항에 있어서, 상기 정전압 및 상기 역전압은,
    상기 제1 및 제2 전극에 연결된 전원 공급기(power supply) 및 상기 전원 공급기에 연결된 함수 발생기(function generator)를 포함하는 전압 인가장치로 인가하는 정수 필터 시스템의 재생방법.
  18. 제 14 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 전극 사이에 상기 정전압과 상기 역전압이 교대로 인가되도록, 상기 제1 및 제2 전극에 양(+)의 전압과 음(-)의 전압을 교대로 인가하되,
    상기 양(+)의 전압은 2V 초과 50V 이하의 전압인 정수 필터 시스템의 재생방법.
  19. 제 14 항에 있어서, 상기 살균 단계에서,
    상기 제1 및 제2 전극 사이에 물을 전기분해시킬 수 있는 세기의 전압을 인가하는 정수 필터 시스템의 재생방법.
  20. 제 14 항에 있어서, 상기 살균 단계에서,
    상기 제1 또는 제2 전극의 표면에 적어도 1.4V 의 양전위를 발생시키는 정수 필터 시스템의 재생방법.
  21. 제 14 항에 있어서, 상기 살균 단계에서,
    상기 필터 유닛에 수돗물을 채워주거나 흘려주는 정수 필터 시스템의 재생방법.
  22. 제 14 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 전극 사이에 투수성 절연층이 더 구비된 정수 필터 시스템의 재생방법.
  23. 제 14 항에 있어서,
    상기 필터 유닛은 플레이트(plate) 구조 또는 롤(roll) 구조를 갖는 정수 필터 시스템의 재생방법.
  24. 청구항 1에 기재된 정수 필터 시스템을 포함하는 정수 장치.
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