KR20120002189A - 3차원 다공성 복극 전극 및 이를 구비한 전기살균 필터와 이를 이용한 수처리 방법 - Google Patents

Abstract

이 발명은 다수의 기공이 다층 구조로 배열되어 일측과 타측이 서로 연통하는 3차원 구조를 가지며 금속 재질로 구성되어 치수안정성을 갖는 3차원 다공성 모재와, 3차원 다공성 모재에 코팅되는 전극 촉매층으로 구성된 3차원 다공성 복극 전극(140)을 이용해, 처리수 내에 함유된 미생물 등을 살균함에 따라, 미생물 제거에 요구되는 에너지를 최소화하고, 2차 오염을 방지하며, 전극의 내구성을 확보할 수 있다.

Description

3차원 다공성 복극 전극 및 이를 구비한 전기살균 필터와 이를 이용한 수처리 방법{A porous 3-dimensional bipolar electrode, an electrolyzer having the porous 3-dimensional bipolar electrode, and water treatment method using the electrolyzer having the porous 3-dimensional bipolar electrode}

이 발명은 처리수 내에 함유된 미생물 등을 살균하는 수처리 기술에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 환경 친화적인 공정으로 처리수 내에 함유된 미생물 등을 살균할 수 있도록 구성된 3차원 다공성 복극 전극 및 이를 구비한 전기살균 필터와 이를 이용한 수처리 방법에 관한 것이다.

밸러스트수(ballast water), 우물물, 수돗물, 공업용수, 순수, 초순수, 욕조 수, 수영장 수, 산업 배수 혹은 생활 배수 등에는 다양한 미생물이 존재하며, 보건 및 위생을 목적으로 필요에 따라 이를 제거하는 공정이 도입되고 있다.

밸러스트수(ballast water)는 선박의 화물을 하역한 후 운항할 때 선박의 균형을 잃는 것을 방지하기 위하여 선박 내에 채우는 해수를 의미한다. 미국에서는 밸러스트수로 인한 해양 오염 문제로 인해 1996년 국가 침입종 법률을 제정하여 외래종을 침입자로 규정하여, 밸러스트수에 대한 관리와 통제를 의무화하였으며, 국제해사기구(international maritime organization, 이하 'IMO'라 함)에서는 2004년 2월 국제협약을 체결하여 2009년부터 순차적으로 밸러스트수 살균처리장치를 선박에 탑재하도록 하여 위반시 해당 선박의 입항을 전면 금지하도록 하였다.

이러한 밸러스트수 처리장치와 관련한 현재 실용화단계 기술로는 오존, 전기분해, 자외선, 약품처리 등의 다양한 처리장치들이 제시되고 있으나, 운전비 및 투자비 측면에서 만족스럽지 못한 실정이다. 이와 같은 이유는 밸러스트수 중에 존재하는 크기 50㎛ 이상의 동물성 플랑크톤 때문이다. 즉, 밸러스트수(ballast water) 처리에 필요로 하는 장치의 크기 및 소비되는 에너지의 3/4 정도가 50㎛ 이상의 동물성 플랑크톤을 살균하기 위한 용도로 사용되기 때문이다.

한편, 수영장 또는 욕조 수에는 인체에 유해한 세균류 등이 많이 서식하기 때문에, 이러한 세균류들이 이용객의 눈이나 상처에 직접 접촉해 질환을 일으키게 할 가능성이 높다. 따라서, 차아염소산 나트륨 등의 약품을 투입해 물을 소독하여 질환의 발생을 예방하고 있으나, 살균 효과가 강한 차아염소산 나트륨은 자체 또는 소독 후 부산물이 자극성을 가지기 때문에, 약품에 의한 살균 효과는 있으나 이용자의 눈 통증이나 피부가 건조해지는 부작용이 발생하며, 특히 저항력이 약한 유아의 경우는 큰 문제가 되고 있다.

최근에 아파트, 맨션 등과 같은 다세대 주택 또는 빌딩 등의 건축물이 증가하면서, 건축물에 설치되는 각종 냉난방 설비의 설치 대수도 비약적으로 증가하고 있다. 이러한 냉난방 설비가 설치되어 있는 빌딩에는 냉난방 설비의 열교환기 설비(예를 들면, 쿨링 타워) 등이 옥상에 설치되어 있다. 이러한 열교환기 설비의 냉각수도 장기간 사용을 계속하면 세균류 등의 미생물이 번식하여 열교환기의 열교환면에서 증식하여 열교환 성능을 약화시키거나 바이오 필름(미생물이 덩어리진 형태)이 배관 내에서 발생해 배관을 막거나, 미생물 부산물로 인해 배관이나 기기 등을 부식시키는 중대한 문제를 가지고 있다.

또한, 가정용 욕조, 온천 등에서 물의 사용량이 증대하고 있지만, 목욕탕 물은 40℃ 전후로서 미생물이 가장 번식하기 쉬운 온도이기 때문에, 방치만으로도 미생물이 급속히 번식해 사용을 계속할 수 없게 되며, 입욕을 반복하게 되면 사람의 때 등에 의해 오염이 크게 증가하여 미생물이 번식하기 좋은 환경을 제공하게 된다. 이렇게 번식한 미생물은 여과 조작으로는 제거하기 어렵다.

상기와 같이 물을 소독해야 하는 수요가 증가하고 있으며, 이에 많은 물 소독 관련 기술이 도입되고 있으나, 그 중 대표적인 공정은 여과 방법과 전기분해 방법이다.

미생물 제균을 목적으로 하는 여과방법의 공정(예를 들면, RO, MF, UF 여과 필터)은 2차 오염의 발생이 없는 장점을 가진 반면, 막 표면에 미생물 덩어리(floc)나 용존 고형물(Suspension Solid)이 쌓여 케이크 층이 형성되어 막오염 현상이 발생하는 단점이 있다. 막오염 현상은 분리막의 투과저항을 급격하게 증가시켜 처리효율을 감소시키므로 이를 억제하거나 주기적으로 오염층을 제거해야 한다. 따라서, 분리막을 이용한 미생물 처리 공정은 환경 친화적인 매력은 있으나, 미생물 및 오염물질에 대한 분리막의 오염을 최소화하는 것이 필수적으로 선행되어야 한다.

다른 방법 중의 하나인 전기화학적인 방법은 대상 처리수를 전극에서 직접 살균하는 방법과, 살균제를 전기화학적으로 제조한 후 제조한 살균제를 대상 처리수에 공급하여 살균하는 간접 살균하는 방법으로 구분된다.

간접 살균방법은 소금물을 전기분해하여 살균제인 차아염소산 나트륨(염소계 살균제)을 제조하기 위하여 많은 에너지가 소비되는 반면, 직접 살균방법은 차아염소산 나트륨의 발생을 억제하거나 최소화하여 즉, 다른 의미로 저전압 저전류의 저에너지로 미생물을 살균할 수 있다. 따라서, 직접 살균방법이 관심의 대상이 되고 있다.

직접 살균방법의 원리는 물에 직류 전류를 흘려서 형성되는 전기장을 이용하여 세포막을 파괴하는 원리를 이용하는 것으로, 다수의 양극과 음극을 일정 간격으로 유출입 배관 내에 설치하고, 여기에 전압을 인가하여 양극과 음극 사이의 전체 공간에 전류가 흐르게 함으로써, 수중의 모든 미생물, 박테리아의 조직을 전기에너지로 파괴하는 것이다.

이와 같은 직접 살균방법에 대한 기술로는 대한민국 공개특허 제2009-0109359호가 있다. 이 기술은 일정한 모양을 가지는 양의 전극과 음의 전극을 서로 특정한 방향으로 이격 및 배치함으로써, 양 전극 간의 가상 전극을 형성하여 미생물의 막을 뚫어 살균함과 동시에 전기화학적 살균을 추가적으로 수행할 수 있도록 그 구조가 개선된 격자 전극 및 이를 포함하는 수처리 시스템에 관한 것이다. 그런데, 이 기술은 산업적으로 적용되는 처리수의 경우 배관 내에서의 유속이 매우 빠르기 때문에, 미생물과 전극 사이에서의 접촉시간이 매우 짧아 미생물의 사멸효과가 급격히 저감되어 산업적 응용 효과가 매우 낮은 단점이 있다.

다른 방법으로는 탄소재질의 고정형 전극을 적용하여 접촉효율을 개선한 일본 특개평3－224686호, 특개평4－27488호 및 특개평11-10156호 등이 있다. 그런데, 이들 기술들은 전기분해시 부반응으로 생성되는 산소로 인해 탄소재질의 고정형 전극의 부식(즉, 전극에서 발생하는 산소와 반응하여 전극의 재질인 탄소가 CO₂로 전환되는 부식현상)이 급격히 일어나 내구성이 감소되어 산업적으로 이용하는데 문제점을 가지고 있다.

따라서, 이 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 다수의 기공이 다층 구조로 배열되어 일측과 타측이 서로 연통하는 3차원 구조를 가지며 금속 재질로 구성되어 치수안정성을 갖는 3차원 다공성 모재를 이용하여 제작된 3차원 다공성 복극 전극을 이용해 처리수 내에 함유된 미생물 등을 살균함에 따라, 미생물 제거에 요구되는 에너지를 최소화하는 데 그 목적이 있다.

또한, 이 발명은 3차원 다공성 복극 전극을 이용한 환경 친화적인 미생물 살균공정으로 전기분해 과정에서 과량의 살균제(예를 들면 차아염소산 나트륨)의 발생을 억제하거나 최소화할 수 있어 2차 오염을 방지하는 데 다른 목적이 있다.

또한, 이 발명은 3차원 다공성 복극 전극을 제작함에 있어 금속 재질의 모재를 사용함에 따라 사용기간이 경과하더라도 초기의 치수를 유지하는 전극의 내구성을 확보하는 데 또다른 목적이 있다.

이 발명의 3차원 다공성 복극 전극은 다수의 기공이 다층 구조로 배열되어 일측과 타측이 서로 연통하는 3차원 구조를 가지며 금속 재질로 구성되어 치수안정성을 갖는 3차원 다공성 모재와, 3차원 다공성 모재에 코팅되는 전극 촉매층으로 구성되어, 통전시에 처리수 내에 함유된 미생물을 흡착하여 전기살균함과 더불어 산화제를 발생시켜 살균이 가능한 것을 특징으로 한다.

이 발명의 3차원 다공성 모재는 엉켜져 있는 가느다란 금속선(Fiber)을 일정 두께로 압착하여 구성하거나, 다수의 금속분말을 바인더와 혼합하여 일정 형태로 성형한 후 소결하여 구성할 수 있다.

이 발명의 3차원 다공성 모재는 0.1 ~ 60㎛의 기공과, 0.5 ~ 5.0mm의 두께를 가질 수 있다.

이 발명의 3차원 다공성 모재는 탄소, 니켈, 코발트, 티타늄, 지르코늄, 니오븀, 텅스텐, 하프늄, 하스텔로이, 스테인레스 스틸, 철 또는 이들 중 2개 이상을 포함하는 혼합물, 산화물 또는 합금으로 구성할 수 있다.

이 발명의 전극 촉매층은 백금, 팔라듐, 로듐, 이리듐, 루테늄, 오스뮴, 탄소, 금, 탄탈륨, 주석, 인듐, 니켈, 텅스텐, 망간 또는 이들 중 2개 이상을 포함하는 혼합물, 산화물 또는 합금으로 구성할 수 있다.

이 발명의 전기살균 필터는 유로를 구비한 유로관과, 유로관 내에 일정 간격을 두고 설치되는 한 쌍의 급전용 전극과, 한 쌍의 급전용 전극 사이에 배열되는 상기와 같이 구성된 1개 이상의 3차원 다공성 복극 전극과, 한 쌍의 급전용 전극과 3차원 다공성 복극 전극 간의 사이 및 3차원 다공성 복극 전극들 간의 사이에 설치되어 전극들 간의 간격을 조절하는 다수의 스페이서, 및 제1, 제2 외부 도선을 통해 한 쌍의 급전용 전극에 직류전류를 공급하는 급전용 직류전원 공급기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이 발명의 수처리 방법은 처리수를 상기와 같이 구성된 전기살균 필터를 통해 통과시키되, 처리수의 통과시에 한 쌍의 급전용 전극에 전류를 인가하여 처리수 내에 함유된 미생물을 3차원 다공성 복극 전극에서 흡착하여 전기살균함과 더불어 산화제를 발생시켜 살균하는 것을 특징으로 한다.

이 발명은 한 쌍의 급전용 전극에 인가되는 인가 전류의 극성을 일정 주기로 반전시키면서 살균할 수 있다.

이 발명은 처리수에 전해질을 첨가한 상태에서 전기살균 필터를 통해 살균할 수 있다.

이 발명은 처리수를 전기살균 필터를 이용한 직접 살균공정과, 해수 성분인 소금물을 전기분해하여 차아염소산을 1000ppm 이상의 농도로 제조하는 간접 살균기를 이용한 간접 살균공정을 혼합하여 처리수 내에 함유된 플랑크톤 및 미생물을 살균할 수 있다.

이 발명의 밸러스트 수처리 방법은, 해수를 펌핑하여 공급하는 해수 공급 펌프와, 해수 저장용 선박평형수 탱크의 시스템에 상기와 같이 구성된 전기살균 필터와 해수를 전기분해하여 차아염소산을 1000ppm 이상의 농도로 제조하는 간접 살균기를 더 구비하여 구성한 밸러스트 수처리 시스템에서의 수처리 방법으로서, 해수를 전기살균 필터를 통해 통과시키되, 해수의 통과시에 한 쌍의 급전용 전극에 전류를 인가하여 해수 내에 함유된 미생물을 3차원 다공성 복극 전극에서 흡착하여 전기살균함과 더불어 산화제를 발생시켜 살균하는 것을 특징으로 한다.

이 발명의 전기살균 필터는 간접 살균기의 전단 또는 후단에 위치할 수 있다.

이 발명은 다수의 기공이 다층 구조로 배열되어 일측과 타측이 서로 연통하는 3차원 구조를 가지며 금속 재질로 구성되어 치수안정성을 갖는 3차원 다공성 모재를 이용하여 제작된 3차원 다공성 복극 전극을 이용해 처리수 내에 함유된 미생물 등을 살균함에 따라, 미생물 제거에 요구되는 에너지를 최소화할 수 있다.

또한, 이 발명은 3차원 다공성 복극 전극을 이용한 환경 친화적인 미생물 살균공정으로 전기분해 과정에서 과량의 살균제(예를 들면 차아염소산 나트륨)의 발생을 억제하거나 최소화할 수 있어 2차 오염을 방지할 수 있다.

또한, 이 발명은 3차원 다공성 복극 전극을 제작함에 있어 금속 재질의 모재를 사용함에 따라 사용기간이 경과하더라도 초기의 치수를 유지하는 전극의 내구성을 확보할 수 있다.

도 1은 이 발명의 한 실시예에 따른 전기살균 필터의 구성관계를 도시한 개략도이고,
도 2는 도 1에 도시된 3차원 다공성 복극 전극의 원리를 나타낸 개념도이고,
도 3은 이 실시예에서 대상 처리수를 전기 살균할 때 전극에 인가되는 전압의 극성을 반전시키는 방법에 대한 그래프이고,
도 4는 이 실시예의 전기살균 필터를 이용한 수처리 시스템의 개략도이고,
도 5는 이 실시예의 전기살균 필터를 이용한 다른 수처리 시스템의 개략도이고,
도 6은 이 실시예의 전기살균 필터를 이용한 밸러스트 수처리 시스템의 개략도이고,
도 7은 이 실시예의 전기살균 필터를 이용한 다른 밸러스트 수처리 시스템의 개략도이고,
도 8은 이 실시예의 전기살균 필터를 이용한 수영장 수처리 시스템의 개략도이고,
도 9는 도 1에 도시된 3차원 다공성 복극 전극의 표면을 촬영한 사진이고,
도 10은 체류시간과 전류밀도와 A. salina의 사멸율의 관계를 나타낸 그래프이고,
도 11은 A. salina 사멸에 대한 차아염소산 나트륨의 영향을 나타낸 그래프이고,
도 12는 소듐치오설페이트로 염소를 중화시켰을 때의 A. salina 사멸율을 나타낸 그래프이며,
도 13은 돈사 폐수를 수처리한 전과 후의 색도변화를 보여주는 사진이다.

아래에서, 이 발명에 따른 3차원 다공성 복극 전극 및 이를 구비한 전기살균 필터와 이를 이용한 수처리 방법의 양호한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 이 발명의 한 실시예에 따른 전기살균 필터의 구성관계를 도시한 개략도이고, 도 2는 도 1에 도시된 3차원 다공성 복극 전극의 원리를 나타낸 개념도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 이 실시예에 따른 전기살균 필터(100)는 그 전단 및 후단이 개방된 구조를 갖는다. 즉, 전기살균 필터(100)는 대상 처리수가 그 전단으로 유입되어 전기살균 처리된 후 후단으로 배출되도록 구성된다.

전기살균 필터(100)는 일정 폭과 길이를 갖는 유로를 구비한 유로관(110)과, 유로관(110) 내에 일정 간격을 두고 설치되는 한 쌍의 급전용 전극(120, 130)과, 한 쌍의 급전용 전극(120, 130) 사이에 배열되는 1개 또는 1개 이상의 3차원 다공성 복극 전극(140)과, 한 쌍의 급전용 전극(120, 130)과 3차원 다공성 복극 전극(140) 간의 사이 및 3차원 다공성 복극 전극(140)들 간의 사이에 설치되어 전극(120, 130, 140)들 간의 간격을 조절하는 스페이서(150), 및 제1, 제2 외부 도선(170, 180)을 통해 한 쌍의 급전용 전극(120, 130)에 직류전류를 공급하는 급전용 직류전원 공급기(160)로 구성된다.

여기서, 유로관(110)은 그 단면이 원형을 비롯하여 다각형 형태를 갖는 것으로서, 전기가 통하지 않는 비전도성 재질로 구성된다. 급전용 전극(120, 130)은 처리수가 잘 유동할 수 있는 메쉬 형태로 구성된 것으로서, 그 일측에 제1, 제2 외부도선(170, 180)이 접속된다. 이때, 제1, 제2 외부도선(170, 180)은 유로관(110)에 구멍을 형성하고 그곳을 통해 급전용 전극(120, 130)에 접속된다.

3차원 다공성 복극 전극(Bipolar Electrode)(140)은 한 개의 전극을 기준으로 통전시 산화특성과 환성특성을 동시에 가지는 전극을 의미하는 것으로서, 다공성을 갖도록 구성된다. 이 실시예의 3차원 다공성 복극 전극(140)은 다수의 기공이 다층 구조로 배열되어 일측과 타측이 서로 연통하는 3차원 구조를 가지며 금속 재질로 구성되어 치수안정성을 갖는 3차원 다공성 모재와, 3차원 다공성 모재에 코팅되는 전극 촉매층으로 구성되어, 통전시에 처리수 내에 함유된 미생물을 흡착하여 전기살균함과 더불어 산화제를 발생시켜 살균하는 역할을 한다. 여기서, 3차원 다공성 모재는 엉켜져 있는 가느다란 금속선을 일정 두께로 압착하여 구성하거나, 다수의 금속분말을 바인더와 혼합하여 일정 형태로 성형한 후 소결하여 구성한 것이다.

스페이서(150)는 전극(120, 130, 140)들 사이에 각각 설치되어 전극(120, 130, 140) 간의 간격을 조절하는 것으로서, 물이 원활하게 유동할 수 있는 형태로 구성된다. 한편, 이 실시예의 급전용 전극(120, 130) 및 3차원 다공성 복극 전극(140)은 전도성 재질로 구성된다.

따라서, 전류는 급전용 직류전원 공급기(160)에서 제1 외부 도선(170)을 통해 일측의 급전용 전극(120)에 공급되며, 이어서 다수의 3차원 다공성 복극 전극(140) 층을 거쳐 타측의 급전용 전극(130) 및 제2 외부도선(180)을 거쳐 다시 직류전원 공급기(160)로 이동한다.

여기서, 3차원 다공성 복극 전극(140)은 복극의 특성을 갖는다. 즉, 도 2에 도시된 바와 같이 3차원 다공성 복극 전극(140)에는 한 개의 전극을 기준으로 서로 다른 2개의 극성이 형성된다.

이 실시예의 전기살균 필터(100)에서의 살균 과정은 다음과 같다.

첫째는 미생물을 3차원 다공성 복극 전극(140)으로 흡착하는 과정이다. 둘째는 3차원 다공성 복극 전극(140)에 접촉한 미생물이 전자를 잃고 산화되면서 그들의 생명활동에 필요한 효소가 파괴되어 1차적으로 직접 소멸되는 과정으로 1차 살균과정이다. 셋째는 3차원 다공성 복극 전극(140)에서 일어나는 산화 환원반응을 통해 부가적으로 발생한 산화제, 예를 들면 염소, 오존, 과산화수소 및 각종 라디칼(하이드록실, 카보네이트)에 의한 2차 살균과정이다.

상기와 같은 3차원 다공성 복극 전극(140)의 한 특징은 전극에서 미생물을 흡착하고, 전극에 가해준 전압에 의해 살균하는 것이다. 이는 짐머만(Zimmerman)의 연구결과의 미생물 제거 과정으로 추론할 수 있다. 짐머만은 "미생물 세포막 주위에 약 1Volt의 전위차가 있으면 세포막이 절연 파괴(Dielectric Breakdown)되어 세포안의 내용물이 세포 밖으로 흘러 나가 미생물이 사멸된다"는 연구결과를 발표하였다(Zimmerman, U., G. Pilwat, and F. Riemann, "Dielectric breakdown of cell membranes", Biophys. J. 1974 Nov;14(11):88199.).

3차원 다공성 복극 전극(140)의 다른 특징은 전해질의 전기화학 촉매 반응에 의해 발생하는 살균제(전기화학 반응에 의해 물 또는 염소이온 등이 산화되어 오존분자, OH·라디칼, HO₂(hydroperoxyl radical), 카보네이트 라디칼(Carbonate Radical), 염소 등)를 통해 미생물을 용이하게 제거할 수 있다는 것이다(E nv iron. S ci. & T echnol., Vol. 12, No. 1, pp. 79- 84, 1978, Environ. Sci. & T echnol., Vol. 32, No. 1, pp. 63- 70, 1998).

3차원 다공성 복극 전극(140)은 3차원 다공성 모재와, 모재에 코팅된 전극 촉매층으로 구성된다. 3차원 다공성 복극 전극(140)의 양극 측(산화 반응측 또는 +측) 촉매층은 다공성 모재에 흡착된 미생물을 전기살균하고, 전해질인 물 또는 소금물을 전기화학적 산화 과정을 통해 살균제인 오존, OH·라디칼, 염소 등을 생성하는 기능을 하며, 음극 측(환원 반응측 또는 -측) 촉매층은 물의 환원 반응을 통해 수소를 발생시키는 반응을 한다.

전기화학적 산화와 환원 과정에 동시에 적합한 촉매 금속으로는, 백금, 팔라듐, 로듐, 이리듐, 루테늄, 오스뮴, 탄소, 금, 탄탈륨, 주석, 인듐, 니켈, 텅스텐, 망간 또는 이들 중 2개 이상을 포함하는 혼합물, 산화물 또는 합금 등이 있으며, 가장 바람직하게는 하나 이상의 백금, 이리듐, 루테늄 등의 혼합촉매로 이루어진다.

3차원 다공성 모재의 재질로는 도전성 기능과 전기분해 공정에서의 산화-환원 분위기에 대한 내구성을 가지는 물질이면 적합하며, 바람직하게는 탄소, 니켈, 코발트, 티타늄, 지르코늄, 니오븀, 텅스텐, 하프늄, 하스텔로이, 스테인레스 스틸, 철 또는 이들 중 2개 이상을 포함하는 혼합물, 산화물 또는 합금 등이다.

3차원 다공성 모재의 형상은 섬유형태의 금속선, 그래뉼, 입자상의 금속분말 등으로부터 형성된 3차원 구조가 바람직하다. 즉, 3차원 다공성 모재는 섬유와 같이 엉켜져 있는 가느다란 금속선을 일정 두께로 압착하여 구성하거나, 다수의 금속분말을 바인더와 혼합하여 일정 형태로 성형한 후 소결하여 구성할 수 있다. 따라서, 3차원 다공성 모재는 서로 간에 겹쳐짐에 따라 가느다란 금속선들 사이에 형성되거나 소결시에 타버린 바인더들에 의해 형성된 다수의 기공이 다층 구조로 배열되어 일측과 타측이 서로 연통하는 3차원 구조를 갖는다. 또한, 3차원 다공성 모재는 금속 재질로 구성됨에 따라 사용 기간이 경과하더라도 초기의 치수를 유지하는 치수안정성을 갖는다.

3차원 다공성 모재의 두께는 10mm 이하의 두께를 가질 수 있으며, 약 0.5 내지 약 5.0mm의 두께를 가지는 것이 바람직하다. 그 이유는 0.5mm 이하에서는 미생물의 흡착에 필요한 시간이 짧고, 5.0mm 이상에서는 단일 전극층에서의 압력 강하가 커지는 문제를 갖기 때문이다.

3차원 다공성 모재의 적당한 기공율은 일반적인 부피비로 약 10% 이상이고, 바람직하게는 약 40% 내지 약 90% 이다. 그 이유는 10% 이하에서는 대상 처리수가 다공성 모재를 통과하는 데 압력손실이 발생하게 되며, 90% 이상에서는 다공성 모재에 대상 처리수 중에 존재하는 미생물의 흡착이 어려워져 살균 목적의 효과를 기대하기 어렵기 때문이다.

3차원 다공성 모재의 평균 기공은 약 100㎛ 이하일 경우 이용될 수 있으나, 0.1㎛ 내지 60㎛인 것이 바람직하다. 그 이유는 0.1㎛ 이하에서는 대상 처리수가 3차원 다공성 모재를 통과하는 데 압력손실이 발생하게 되며, 60㎛ 이상에서는 3차원 다공성 모재에 대상 처리수 중에 존재하는 미생물의 흡착이 어려워져 살균 목적의 효과를 기대하기 어렵기 때문이다.

3차원 다공성 모재에 전기화학 촉매층을 형성하는 방법은 원하는 전기화학 촉매 성분을 가지는 전구체 및 이를 용해할 수 있는 용매로 구성된 촉매 전구체 용액에 3차원 다공성 모재를 딥핑(Dipping)한 후 소결하여 3차원 다공성 전극을 형성하는 것이다. 이 실시예의 전기화학 촉매층 형성방법이 상기와 같은 방법으로만 국한되는 것은 아니다.

3차원 다공성 모재에 적용하는 촉매 로딩량은 0.24 내지 24mg/cm² 인 것이 바람직하다. 그 이유는 0.24mg/cm² 이하에서는 촉매의 활성이 매우 낮아 균을 사멸시키는 데 한계가 있으며, 24mg/cm² 이상에서는 살균 효과가 증가되지 않아 귀금속 촉매의 손실이 발생하기 때문이다.

전기를 공급하는 급전용 전극(120, 130)의 터미널의 재질로는 백금족 산화물 피복 티탄재, 백금 피복 티탄재, 니켈재, 스테인레스재, 하스테로이, 탄소재, 또는 백금족 금속을 피복한 금속재료 등이 적합하다.

이 실시예의 3차원 다공성 복극 전극(140)에 인가되는 전류는 전류밀도로 환산하여 1 내지 1000mA/cm² 인 것이 바람직하다. 그 이유는 1mA/cm² 이하에서는 미생물을 살균시키기가 어렵고, 1000mA/cm² 이상에서는 과전류로 인해 촉매 손상 및 내구성 감소가 일어날 수 있기 때문이다.

이 실시예의 전기살균 필터(100)내 스페이서(150)는 급전용 전극(120, 130) 및/또는 인접하는 3차원 다공성 복극 전극(140) 사이에 위치하며, 재질로는 유리, 세라믹, 수지, 섬유, 부직포 등의 비전도성 물질이 바람직하고, 두께는 0.5 내지 5mm, 평균 구멍 지름은 200㎛ 이상인 것이 바람직하다.

도 3은 대상 처리수를 전기 살균할 때 전극에 인가되는 전압의 극성을 반전시키는 방법에 대한 그래프로서, 제1 인가전압(Vf)을 전해조에 인가한 후에 인가전압의 극성을 반전시킬 때 제2 인가전압(Vr)은 제1 인가전압(Vf) 보다 낮거나 같고, 극성은 역 전압을 인가하는 것이다. 이와 같은 방법은 극성 반전 방법에 의해 미생물의 살균이 용이하다는 것에 기초한 것이다. 3차원 다공성 복극 전극(140)에 미생물이 흡착되고, 흡착된 미생물은 전극에 인가된 전압이나 전극에서 발생한 살균제에 의해 살균된다. 3차원 다공성 복극 전극(140)에서 살균된 균은 전극에서 쉽게 박리도 되지만, 전압의 극성을 반복 반전시키면 흡착 미생물이 더 쉽게 박리되고, 다시 새로운 미생물이 3차원 다공성 복극 전극(140) 상에 쉽게 흡착되어 살균 효과를 상승시킬 수 있다.

제1 인가전압을 Vf, 제2 인가전압을 Vr 이라고 하면, Vr/Vf의 비는 1 ~ 0.5 인 것이 바람직하며, 공급시간(tf, tr)의 변경주기는 각각 약 15 ~ 60분 간격으로 하되, 제1 인가전압(Yf)의 공급시간(tf)이 제2 인가전압(Vr)의 공급시간(tr)보다 큰 것이 바람직하다. 반전 방법은 +Vf → -Vr → +Vf 로 반전시키는 것이 바람직하다. 이와 같은 방법에 의해 장기간 높은 살균 효율을 얻을 수 있다.

도 4는 이 실시예의 전기살균 필터를 이용한 수처리 시스템의 개략도이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 이 실시예의 수처리 시스템(400)은 상기와 같이 구성된 전기살균 필터(100)를 이용하여 수처리하는 것으로서, 대상 처리수를 저장하는 제1 저장조(410)와, 제1 저장조(410) 내의 대상 처리수를 공급하는 공급 펌프(420)와, 공급 펌프(420)에 의해 공급되는 대상 처리수를 전기 살균하는 상기와 같이 구성된 전기살균 필터(100), 및 전기 살균된 처리수를 저장하는 제2 저장조(430)로 구성된다.

도 5는 이 실시예의 전기살균 필터를 이용한 다른 수처리 시스템의 개략도이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 이 실시예의 수처리 시스템(500)은 상기와 같이 구성된 전기살균 필터(100)를 이용하여 수처리하는 것으로서, 대상 처리수에 전해질을 첨가하여 처리하도록 구성된다. 즉, 수처리 시스템(500)은 대상 처리수를 저장하는 저장조(510)와, 저장조(510) 내의 대상 처리수를 공급하는 공급 펌프(520)와, 공급 펌프(520)에 의해 공급되는 대상 처리수를 전기 살균하는 상기와 같이 구성된 전기살균 필터(100), 및 전기 살균된 처리수를 저장하는 저장조(530)로 구성된다. 여기서, 대상 처리수에 첨가되는 전해질로는 소금(NaCl), 염화칼륨(KCl), 산 또는 알카리 등이며, 전해질의 농도는 0.1 ~ 3%인 것이 바람직하다. 전해질의 농도가 3% 이상인 경우에는 과량의 염소가 발생하여 대상 처리수 중의 유기물과 반응하여 부산물이 생성될 수 있다.

도 5의 수처리 시스템(500)은 전기살균 필터(100)에 의한 전기 살균의 목적이 아닌 유기물의 전기분해 용도로 적용할 수도 있다. 즉, 물에 다량의 유기물이 포함된 경우에는 대상 처리수에 염화물을 첨가하여 전기분해 함으로써, 효율적인 유기물 제거 및 색도 제거 등을 실시할 수 있다.

도 6은 이 실시예의 전기살균 필터를 이용한 밸러스트 수처리 시스템의 개략도이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 이 실시예의 밸러스트 수처리 시스템(600)은 상기와 같이 구성된 전기살균 필터(100)를 이용한 직접살균 방법과, 간접 살균기에 의한 간접살균 방법을 동시에 적용하도록 구성된다. 즉, 이 실시예의 밸러스트 수처리 시스템(600)은 해수를 펌핑하여 공급하는 해수 공급 펌프(610)와, 해수 저장용 선박평형수 탱크(640) 등의 기존 시스템에 상기와 같이 구성된 전기살균 필터(100), 간접 살균기(620) 및 수소 분리기(630)를 더 구비하여 구성된다.

여기서, 전기살균 필터(100)는 간접 살균기(610)의 전단에 위치하며, 50㎛ 이상의 플랑크톤을 흡착하여 살균 제거하고, 간접 살균기(620)는 해수 성분인 소금을 전기분해하여 차아염소산을 1000ppm 이상의 농도로 제조하여 밸러스트 메인라인에 공급한다. 이와 같이 구성된 이 실시예의 밸러스트 수처리 시스템(600)은 밸러스트 메인 스트림의 염소 농도를 5ppm 이하로 유지할 수 있어, 기존의 간접 살균기(620)로 단독처리하는 경우(밸러스트 메인 스트림의 염소 농도를 20ppm 염소 농도 유지) 보다 낮게 농도를 유지할 수 있어, 유기물과의 반응에 의한 부산물이 적어지고, 에너지 소비량 또한 75% 저감할 수 있다.

도 7은 이 실시예의 전기살균 필터를 이용한 다른 밸러스트 수처리 시스템의 개략도이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 이 실시예의 밸러스트 수처리 시스템(700)은 전기살균 필터(100)가 간접 살균기(720)의 후단에 설치되는 것을 제외하고는 도 6의 밸러스트 수처리 시스템(600)과 동일하게 구성된다. 즉, 이 실시예의 밸러스트 수처리 시스템(700)은 해수를 펌핑하여 공급하는 해수 공급 펌프(710)와, 해수 저장용 선박평형수 탱크(740) 등의 기존 시스템에 전기살균 필터(100), 간접 살균기(720) 및 수소 분리기(730)를 더 구비하여 구성된다.

도 8은 이 실시예의 전기살균 필터를 이용한 수영장 수처리 시스템의 개략도이다. 도 8에 도시된 바와 같이, 이 실시예의 수영장 수처리 시스템(800)은 상기와 같이 구성된 전기살균 필터(100)를 이용하여 수영장의 물을 처리하도록 구성된다. 즉, 이 실시예의 수영장 수처리 시스템(800)은 수영장 풀(810)에 유입되는 오염물과 세균을 순환 과정을 통해 제거하도록 구성된다.

수영장 수처리 시스템(800)은 순환수의 유량을 조절하기 위한 중간 탱크인 균형조(820)와, 균형조(820) 내의 물을 펌핑하여 순환시키는 순환 펌프(830)와, 순환 펌프(830)에 의해 순환되는 물에 포함된 오염물질을 제거하는 여과기(840)와, 차아염소산 나트륨 액체 염소 주입장치 또는 현장에서 소금물을 전기분해하여 차아염소산 나트륨을 생성하여 여과기(840)를 거쳐 유동하는 유동라인에 공급하는 살균 장치(850, 도 8에서는 현장형 차아염소산 나트륨 발생기의 구조임)와, 차아염소산 나트륨이 함유된 물을 전기 살균하는 전기살균 필터(100)와, 전기살균 필터(100)에 의해 전기 살균된 물을 열교환하는 열교환기(860)로 구성된다.

여기서, 전기살균 필터(100)는 여과기(840)의 후단에 설치되어 살균 기능외에 물속에 함유된 유기물 및 무기물을 효과적으로 분해하여 여과기(840)의 오염물 부하를 낮추어 물의 역세주기를 보다 길게 유지할 수 있어, 수영장의 물사용량을 감소시켜 물을 가온하는데 필요한 에너지를 절약할 수 있다. 한편, 전기살균 필터(100)는 여과기(840)에 전단에 설치되어 상기와 동일한 기능을 수행할 수도 있다.

아래에서는 이 발명을 다양한 실험예에 근거해 설명하겠지만, 이 발명의 실시형태가 이것으로 국한되는 것은 아니다.

[실험예 1]

실험예 1은 3차원 다공성 복극 전극(140)을 이용하여 미생물의 전기살균을 수행한 예이다.

가. 전기살균 필터 및 이를 이용한 수처리 시스템(도 1 및 도 4 참조)

(1) 3차원 다공성 복극 전극(140)

○ 모재 : 기공율 60%, 평균 기공 지름 51㎛, 직경 10cm, 두께 0.5mm인 섬유형 티타늄

○ 촉매층 : 모재를 산으로 화학세정한 후 팔라듐, 이리듐, 루테늄(무게비로 1 : 0.1 : 0.5)이 포함된 염화물과 알코올이 포함된 용액에 딥핑한 후 이를 소결하는 방법을 통해 촉매층을 형성하였다. 이 과정을 통해 얻은 전극의 표면 사진은 도 9와 같다.

○ 개수 : 1

(2) 급전용 전극(120, 130) : 티타늄소재의 메쉬 타입 모재에 팔라듐, 이리듐, 루테늄 코팅하여 제작

(3) 수처리 시스템(도 4)의 운전조건

도 4와 같이 시스템을 구성하고, Pseudomonas diminuta을 포함한 물을 제1 저장조(410) 내에 준비하고 대상 처리수를 2L/분의 양으로 공급 펌프(420)를 이용하여 전기살균 필터(100)에 공급하고, 전류를 인가하여 실험을 수행했다. 이때, 주요한 운전인자는 다음과 같다.

○ 전류공급 : 전극면적기준으로 0.1A/cm² 정전류 인가

○ 전기살균 필터 통과속도 : 1sec

대상 처리수를 저장하고 있는 제1 저장조(410)와 전기 살균된 처리수를 보관하고 있는 제2 저장조(430)에서 물을 각각 채수하여 생균수를 측정했다.

나. 분석 방법

(1) 미생물 측정방법

측정방법은 한천 배지(에이켄 화학제)를 이용한 한천 평판법을 이용하였다. Pseudomonas diminuta를 액체 배양지를 이용해 1일간 배양한 후, 균체를 5,000rpm으로 원심분리한 후, 순수로 세정하고 재차 원심분리했다. 이를 수돗물(잔류 염소 농도가 0.01ppm 이하)에 첨가하여 대상 처리수로 했다.

(2) 염소분석방법

잔류염소는 standard method 4500 Cl-B method I 법으로 측정하고, 염도는 Crison microCM 2002 conductivity meter로 측정하였다.

다. 결과

측정결과를 표 1에 나타냈다. 표 1로부터 이 실험예의 3차원 다공성 복극 전극을 이용한 시스템에서 분명하게 제균효율이 뛰어난 것으로 판명되었다.

[실험예 2]

실험예 1과 동일한 구성 및 실험조건에서 인가전류(전압)를 펄스형으로 공급하여 제균성능을 비교했다.

가. 전기살균 필터 및 이를 이용한 수처리 시스템(도 1 및 도 4 참조)

(1) 3차원 다공성 복극 전극(140) : 실험예 1과 동일

(2) 급전용 전극(120, 130) : 실험예 1과 동일

(3) 수처리 시스템(도 4)의 운전조건

실험예 1과 동일하며, 전류인가 조건을 달리 하였다.

○ 전류공급 : 전극면적 기준으로 0.1A/cm² 정전류로 펄스 인가(정방향 30분, 역방향 30분)

나. 분석 방법 : 실험예 1과 동일

다. 결과

실험결과를 표 1에 나타냈다. 표 1로부터 이 실시예의 3차원 다공성 복극 전극을 이용한 시스템이 분명하게 제균효율이 뛰어난 것으로 판명되었다.

[실험예 1과 실험예 2의 비교]

표 1에서 알 수 있듯이, 실험예 1, 2와 같이 이 실시예의 3차원 다공성 복극 전극(140)을 이용한 전기살균 필터(100)와 실험예 2의 펄스형 전기인가를 이용하는 전기살균 필터 공정이 제균효율이 뛰어나며, 특히 저전력으로도 제균 효율이 뛰어난 것으로 판명되었다.

[실험예 3]

실험예 3은 밸러스트 수처리 공정에 이 실시예의 3차원 다공성 복극 전극(140)의 적용 가능성을 파악하기 위하여 50㎛ 이상 크기의 미생물을 전기 살균한 예이다. 실제 밸러스트 수처리 공정은 도 6 및 도 7과 같으나 50㎛ 이상 크기의 미생물을 제거할 목적으로 하는 전기살균 필터만의 효과를 살피기 위하여 도 4와 같이 구성하여 평가하였다.

가. 전기살균 필터 및 이를 이용한 수처리 시스템(도 1 및 도 4 참조)

(1) 3차원 다공성 복극 전극(140) : 실험예 1과 동일

(2) 급전용 전극(120, 130) : 실험예 1과 동일

(3) 대상미생물 : Artemia salina(이하 A. salina로 기술함)

Artemia salina는 탈수된 낭종(cysts) 형태로 구입하여 4℃의 암실에서 보관하였다. 사용을 위한 부화시에는 낭종 25mL를 1L의 인공해수에 넣어 28℃에서 유지하면서 공기로 지속적인 에어레이션(aeration)을 하였다. Artemia salina의 부화는 24시간 후 완료되었다. 그 후 부화된 Artemia salina를 대상 처리수로 사용되는 200L의 인공해수에 첨가하여 사용하였으며, 또한 에어레이션(aeration)을 지속적으로 수행하였다.

나. 시스템의 구성 및 운전

도 4와 같이 시스템을 구성하고, 최종농도 30‰ 염도를 갖는 인공염수는 수돗물에 정제되지 않은 소금을 첨가하여 약 30gpl인 인공해수를 제조하였다. 이렇게 제조된 인공염수에 A. salina를 첨가하여 제1 저장조(410)에서 보관하고 있다가, 대상 처리수를 공급 펌프(420)를 이용하여 4개의 다른 유량조건 50L/h(체류시간 기준 65.5sec), 100L/h(체류시간 기준 32.8sec), 20L/h(체류시간 기준 16.4sec), 그리고 300L/h(체류시간 기준 10.9sec)로 전기살균 필터(100)에 공급하고, 전압을 각각의 유량조건에서 0 ~ 20V 범위(전류값 0 ~ 47A 상당)에서 공급하였다.

연속적으로 운전하면서 살균 처리된 인공해수의 샘플은 전기 살균된 인공해수가 저장되어 있는 제2 저장조(430)에서 채수하여 생균수를 측정했다. 즉, 제2 저장조(430) 내의 물을 500mL씩 2개의 샘플 비이커에 수집한 후, 한 비이커에는 샘플채수 즉시 전기분해 과정에서 생성된 자유염소를 분해하기 위하여 2mL의 소디움치오설페이트용액(1N)을 첨가하고, 다른 비이커에는 소디움치오설페이트 용액을 첨가하지 않았다. 1차 샘플은 생존한 A. salina 미생물을 측정하는데 이용하고, 다른 2차 샘플은 총잔류 염소(total residual chlorine) 측정에 이용하였다. 주어진 유량과 전류조건에서 샘플링은 3회 반복하였다.

다. 분석방법

(1) 미생물 분석

전기분해 전과 전기분해 후의 A. salina의 샘플링 및 측정을 3회 반복하였다. A. salina의 측정에 사용된 각 샘플의 부피는 5mL다. 각 샘플들은 페트리접시(Petri dishes, 직경 90mm)에 옮겨 콜리노 카운터 장치(colony counter apparatus)를 이용하여 측정하였다. 생존 유무의 판단은 생물의 움직임 여부로 판단하였다. A. salina 개수는 l리터 당 생물의 수로 표현하였다.

라. 결과

도 10은 체류시간과 전류밀도와 A. salina의 사멸율의 관계를 나타낸 그래프이다. 도 10에 나타난 바와 같이, 체류시간과 전류밀도가 높을수록, A. salina의 사멸율이 커졌다. 한편, 65.5sec 체류시간과 전류밀도 135mA/cm² 조건에서 A. salina는 완전히 사멸되었다. 도 10에서 알 수 있듯이, 전기살균 처리공정은 그 체류시간이 비록 1분과 같이 매우 짧더라도 매우 효과적인 공정임을 알 수 있다.

[비교예 1]

가. 실험방법

비교예 1은 시장에서 유통되고 있는 불활성화제제로 차아염소산의 Artemia salina에 대한 영향을 파악하기 위한 실험으로 500mL 원뿔형 플라스크에서 수행하였다. 인공해수에 차아염소산 화학약품을 첨가한 후에 부화된 Artemia salina를 첨가했다. 이때, 잔류 염소농도는 50, 100 및 200mg/L 수준으로 조절하였다. 샘플은 5, 10, 15, 30 그리고 45분이 경과한 상태에서 살아 있는 Artemia salina를 측정하였다.

나. 결과

A. salina 사멸에 대한 차아염소산 나트륨(자유잔류염소, free residual chlorine)의 영향을 도 11에 나타냈다. 잔류염소 수준은 50, 100, 200mg/L로 하고, 염소 접촉시간은 0 에서 45분으로 하였다. 일반적으로 A. salina의 사멸은 염소 도징 농도(chlorine dose)와 접촉시간이 클수록 컸다. 가장 큰 A. salina 사멸율(75% 이상)은 고농도의 염소농도(200mg/L)와 15분 이상의 접촉시간에서 얻을 수 있었다.

[비교예 2]

가. 실험방법

비교예 2에서는 Artemia salina 증식에 대한 잔류염소와 소듐치오설페이트의 영향을 파악하는 실험을 수행하였다.

1N 소듐치오설페이트 용액(sodium thiosulfate solution, Na₂S₂O₃·5H₂O) 2mL를 원뿔형 플라스크에 첨가한다. 이 양은 200mg/L 잔류염소(residual chlorine)를 제거하는데 충분한 양이다.

나. 결과

도 12는 소듐치오설페이트로 염소를 중화시켰을 때의 A. salina 사멸율을 나타낸 것이다. 도 12에 나타난 바와 같이, 임의의 염소 도징 조건과 접촉시간 조건에서도 A. salina 사멸율이 14%를 넘지 않는다. 이는 샘플의 탈염소화 과정에 의해 A. salina의 사멸율이 감소되는 것을 의미한다.

[실험예 3과 비교예 1, 비교예 2의 비교 검토]

전기분해 과정에서 잔류염소의 농도 수준을 비교하면, 매우 짧은 체류시간에서 고농도를 얻는다. 예를 들면, 135mA/cm², 체류시간 66.5초에서 염소수준은 475mg/L이며, 동일한 염소농도를 기준으로 하는 전기화학적 처리는 차아염소산 나트륨보다 효과적이다. 한편, A. salina 사멸은 차아염소산 나트륨을 이용하는 경우보다 전기화적 처리에서 더욱 크다. 이는 불활성화 메커니즘이 양극 표면에서의 직접산화 뿐만 아니라 전극에서 발생하는 차아염소산과의 결합 효과에 의한 것임을 의미한다.

상기와 같은 결과로부터 얻는 결론은 다음과 같다.

첫째, 차아염소산 나트륨은 효과적인 살균제이지만, 200mg/L의 고농도 염소 농도, 접촉시간 1.5min 이상에서는 사멸율이 75% 수준이다.

둘째, 전기화학적 처리는 높은 사멸율을 제공한다. 즉, 전류밀도 135mA/cm² 과 1분 정도의 체류시간에서도 A. salina를 100% 수준으로 사멸시킨다. 이 조건에서 잔류염소의 농도는 약 400mg/L이다.

셋째, 전기소모량은 0.07 ~ 19.2kWh/m³ 수준이다. 따라서, 최적의 처리조건은 전류밀도 135mA/cm², 체류시간 65.5sec이고, A. salina 사멸율 100%에서 전기소모량은 3.6kWh/m³ 이다.

[실험예 4]

실험예 4에서는 일반 수처리 공정에 이 실시예의 3차원 다공성 복극 전극(140)의 적용 가능성을 파악하였다.

가. 3차원 다공성 복극 전극(140) 제조 : 실험예 1과 동일

나. 전기분해용 실험장치

돈사 폐수 500ml를 비이커에 넣고, 3차원 다공성 복극 전극(140)을 설치하여, 회분식 방법(Batch)으로 0.2A/cm²의 운전조건에서 40분간 실시하였다. 실험에 사용한 돈사 폐수의 성상은 표 2의 시간 0에서의 값이다.

다. 분석방법

원수 및 처리수의 물리화학적 특성분석은 색도의 경우 흡광도법을 적용하고, 암모니아성질소(NH3-N)는 Salicylate method를 적용하였으며, 전기화학 반응에서의 전해 전압은 멀티미터를 적용하고, 염소 발생효율는 요오드 적정법을 적용하였다.

라. 결과

실험 결과는 표 2에 나타냈다. 표 2와 같이 시간에 따라 3차원 다공성 복극 전극(140)을 사용하였을 때 색도가 쉽게 제거되었다.

[비교예 3]

기존의 2차원 평판 전극(DSA 전극)을 이용하여 동일크기, 동일 전류밀도 조건에서 표 2의 돈사 폐수의 색도를 제거하였다. 이때, 실험예 1에서 적용한 것과 동일하게 전극 촉매 로딩, 실험장치, 분석방법을 적용하였다.

[실험예 4와 비교예 3의 비교 결과]

표 2에서 알 수 있듯이, 실험예 4의 3차원 다공성 복극 전극(140)을 사용하였을 때 시간에 따라 색도 및 암모니아가 쉽게 제거되는 반면, 비교예 3의 기존 평판 전극은 암모니아는 제거되지만 색도가 증가되는 것을 확인할 수 있다. 색도와 관련된 이와 같은 원인은, 평판 전극의 경우에는 색과 관련한 유기체와 전기화학 반응에서 발생한 염소와의 반응에 의해 색도가 증가하는 부산물이 형성되는 것에 반하여, 3차원 다공성 복극 전극(140)의 경우에는 색과 관련한 유기체가 3차원 다공성 복극 전극(140)에 흡착 분해되는 양이 염소와의 반응에 참여한 양보다 커서 색도의 감소가 이루어지는 것으로 추정된다.

[실험예 5] (소금이 첨가된 전해질의 전기분해)

실험예 5에서는 전해질 소금물 1%를 가지는 폐수에 이 실시예의 3차원 다공성 복극 전극(140)의 적용 가능성을 파악하였다.

가. 3차원 다공성 복극 전극(140) 제조 : 실험예 1과 동일

나. 전기분해용 실험장치

돈사 폐수 500ml와 소금물 농도로 1%가 되도록 소금을 비이커에 넣고, 3차원 다공성 치수안정성 전극(140)을 설치하여, 회분식 방법(Batch)으로 0.2A/cm²의 운전조건에서 40분간 실시하였다. 실험에 사용한 돈사 폐수의 성상은 표 3의 시간 0에서의 값이다.

다. 분석방법 : 실험예 4와 동일

라. 결과

실험 결과는 표 3에 나타냈다. 표 3과 같이 시간이 경과함에 따라 3차원 다공성 복극 전극(140)을 사용하였을 때 색도가 쉽게 제거되었다.

[비교예 4]

비교예 4에서는 비교예 3의 조건에서 전해질에 소금 농도가 1% 되게 돈사 폐수에 소금을 첨가하여, 동일한 전류밀도, 전극 촉매 로딩, 실험장치 및 분석방법을 적용하였다. 실험결과는 표 3에 나타냈다.

[실험예 4, 실험예 5와 비교예 3, 비교예 4의 비교 결과]

표 2, 표 3에서 알 수 있듯이, 실험예 4, 실험예 5의 3차원 다공성 복극 전극(140)이 비교예 3, 비교예 4의 기존의 평판 전극 보다 시간 경과에 따른 색도제거율이 컸다. 실험예 4와 실시예 5에 의하면 전해질 첨가에 의해 색도 및 암모니아 제거율이 증가됨을 알 수 있다.

도 13은 실험예 5에서 수행한 연구결과로서 처리전과 처리후의 색도변화를 보여주는 사진이다.

이상에서 이 발명의 3차원 다공성 복극 전극 및 이를 구비한 전기살균 필터와 이를 이용한 수처리 방법에 대한 기술사항을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 이 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 이 발명을 한정하는 것은 아니다.

또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 이 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않고 첨부한 특허청구범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

100 : 전기살균 필터 120, 130 : 급전용 전극
140 : 3차원 다공성 복극 전극 150 : 스페이서
160 : 직류전원 공급기 170 : 제1 외부도선
180 : 제2 외부도선

Claims (13)

1. 다수의 기공이 다층 구조로 배열되어 일측과 타측이 서로 연통하는 3차원 구조를 가지며 금속 재질로 구성되어 치수안정성을 갖는 3차원 다공성 모재와, 상기 3차원 다공성 모재에 코팅되는 전극 촉매층으로 구성되어, 통전시에 처리수 내에 함유된 미생물을 흡착하여 전기살균함과 더불어 산화제를 발생시켜 살균이 가능한 것을 특징으로 하는 3차원 다공성 복극 전극.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 3차원 다공성 모재는 엉켜져 있는 가느다란 금속선을 일정 두께로 압착하여 구성하거나, 다수의 금속분말을 바인더와 혼합하여 일정 형태로 성형한 후 소결하여 구성한 것을 특징으로 하는 3차원 다공성 복극 전극.
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 3차원 다공성 모재는 0.1 ~ 60㎛의 기공과, 0.5 ~ 5.0mm의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 3차원 다공성 복극 전극.
4. 청구항 2에 있어서,
   상기 3차원 다공성 모재는 탄소, 니켈, 코발트, 티타늄, 지르코늄, 니오븀, 텅스텐, 하프늄, 하스텔로이, 스테인레스 스틸, 철 또는 이들 중 2개 이상을 포함하는 혼합물, 산화물 또는 합금으로 구성되는 것을 특징으로 하는 3차원 다공성 복극 전극.
5. 청구항 2에 있어서,
   상기 전극 촉매층은 백금, 팔라듐, 로듐, 이리듐, 루테늄, 오스뮴, 탄소, 금, 탄탈륨, 주석, 인듐, 니켈, 텅스텐, 망간 또는 이들 중 2개 이상을 포함하는 혼합물, 산화물 또는 합금으로 구성되는 것을 특징으로 하는 3차원 다공성 복극 전극.
6. 유로를 구비한 유로관과, 상기 유로관 내에 일정 간격을 두고 설치되는 한 쌍의 급전용 전극과, 상기 한 쌍의 급전용 전극 사이에 배열되는 1개 이상의 3차원 다공성 복극 전극과, 상기 한 쌍의 급전용 전극과 상기 3차원 다공성 복극 전극 간의 사이 및 상기 3차원 다공성 복극 전극들 간의 사이에 설치되어 상기 전극들 간의 간격을 조절하는 다수의 스페이서, 및 제1, 제2 외부 도선을 통해 상기 한 쌍의 급전용 전극에 직류전류를 공급하는 급전용 직류전원 공급기를 포함하며,
   상기 3차원 다공성 복극 전극은 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 기재된 것을 특징으로 하는 전기살균 필터.
7. 처리수를 청구항 6에 기재된 전기살균 필터를 통해 통과시키되, 상기 처리수의 통과시에 상기 한 쌍의 급전용 전극에 전류를 인가하여 상기 처리수 내에 함유된 미생물을 상기 3차원 다공성 복극 전극에서 흡착하여 전기살균함과 더불어 산화제를 발생시켜 살균하는 것을 특징으로 하는 수처리 방법.
8. 청구항 7에 있어서,
   상기 한 쌍의 급전용 전극에 인가되는 인가 전류의 극성을 일정 주기로 반전시키면서 살균하는 것을 특징으로 하는 수처리 방법.
9. 청구항 7에 있어서,
   상기 처리수에 전해질을 첨가한 상태에서 상기 전기살균 필터를 통해 살균하는 것을 특징으로 하는 수처리 방법.
10. 청구항 7에 있어서,
    상기 처리수를 상기 전기살균 필터를 이용한 직접 살균공정과, 해수 성분인 소금물을 전기분해하여 차아염소산을 1000ppm 이상의 농도로 제조하는 간접 살균기를 이용한 간접 살균공정을 혼합하여 상기 처리수 내에 함유된 플랑크톤 및 미생물을 살균하는 것을 특징으로 하는 수처리 방법.
11. 해수를 펌핑하여 공급하는 해수 공급 펌프와, 해수 저장용 선박평형수 탱크의 시스템에 청구항 6에 기재된 전기살균 필터와 상기 해수를 전기분해하여 차아염소산을 1000ppm 이상의 농도로 제조하는 간접 살균기를 더 구비하여 구성한 밸러스트 수처리 시스템에서의 수처리 방법으로서,
    상기 해수를 상기 전기살균 필터를 통해 통과시키되, 상기 해수의 통과시에 상기 한 쌍의 급전용 전극에 전류를 인가하여 상기 해수 내에 함유된 미생물을 상기 3차원 다공성 복극 전극에서 흡착하여 전기살균함과 더불어 산화제를 발생시켜 살균하는 것을 특징으로 하는 밸러스트 수처리 방법.
12. 청구항 11에 있어서,
    상기 전기살균 필터는 상기 간접 살균기의 전단에 위치하는 것을 특징으로 하는 밸러스트 수처리 방법.
13. 청구항 11에 있어서,
    상기 전기살균 필터는 상기 간접 살균기의 후단에 위치하는 것을 특징으로 하는 밸러스트 수처리 방법.

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