KR20120062954A - 수처리용 수중 방전 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자발형 스파크 갭 스위치를 이용하여 펄스 전압을 인가하는 방법으로 수중에서 방전을 조성하는 장치에 관한 것이다.
본 발명은 가스 젯에 의해 물과 기체의 계면에서 방전이 이루어지는 연면방전을 이용하여 수 kV/mm 수준의 낮은 전압에서도 방전을 일으킬 수 있도록 하는 한편, 특히 자발적인 방전이 가능한 스위치 수단을 이용하여 커패시터에 충전된 전압이 수중 전극 사이에 펄스로 인가되도록 하는 방식을 적용한 새로운 형태의 수중 방전 시스템을 구현함으로써, 낮은 전압으로도 수중에서의 방전을 용이하게 실현할 수 있으며, 펄스을 인가하기 위한 고비용 및 고설계의 펄스발생수단없이도 간단하게 수중에 펄스를 인가할 수 있는 한편, 수중에서 방전이 발생하는 구간에 관을 설치하고 펌프를 통해 관 속으로 물과 가스 버블을 동시에 흐르게 하는 새로운 형태의 연속형 수처리 장치를 구현함으로써, 방전에 의한 라디칼의 작용을 이용하여 폐수처리 효율을 향상시킬 수 있는 수처리용 수중 방전 장치를 제공한다.

Description

수처리용 수중 방전 장치{Apparatus of spark discharge for water cleaning}

본 발명은 수처리용 수중 방전 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 자발형 스파크 갭 스위치를 이용하여 펄스 전압을 인가하는 방법으로 수중에서 방전을 조성하는 장치에 관한 것이다.

일반적으로 수중에서의 방전기술은 산업의 다양화와 더불어 수많은 분야에서 효과적인 대처를 위한 응용이 기대되고 있다.

그 중에서 공장 폐수, 쓰레기 매립지의 폐수, 액상의 산업폐기물 등에서 유해성분을 분해하고 정화하기 위해 수중에서의 방전을 이용하는 기술이 개발되고 있는 추세이다.

예를 들면, 수중에서 발생하는 스파크 방전은 충격파와 자외선, 그리고 화학반응을 유발하는 이온 및 전자, 라디칼 등을 발생시킨다.

그 만큼 다양한 형태의 물리적 화학적 반응이 발생하고, 그 중에서 폐수 처리 및 폐가스 처리에 필요한 반응을 적극적으로 이용하는 연구가 활발하게 진행되고 있다.

보통 20?30㎸의 직류 전압은 일반적인 변압기와 정류기를 이용하여 쉽게 얻을 수 있으나, 고전압 대전류에서 고반복으로 장시간 사용가능한 펄스 스위칭 소자는 아직 없는 실정이다.

예를 들면, 수중에서 방전을 발생시키기 위해서는 공기 중에서 보다 훨씬 높은 전압이 필요하며, 그 이유는 물은 밀도가 높아서 전자가 큰 에너지를 얻기 어려워서 충돌에 의한 전리가 어렵기 때문이다.

물이 절연파괴를 일으키기 위해서는 약 3×10⁷V/m의 전계가 필요하며, 10mm의 갭은 300kV의 전압을 걸어야 절연파괴가 일어나는 것이다.

이와 같은 고전압은 발생이 어렵고 비용이 많이 들어 경제적이지 못하다.

하지만, 전리에 의한 방전이 아니고, 물과 공기의 표면을 따라서 발생하는 연면방전을 이용하면 매우 낮은 전압에서 방전을 발생시킬 수 있다.

이 원리는 물과 공기의 계면에 형성되는 전하 층을 따라서 방전이 발생하기 때문이다.

이와 같은 계면을 수중에서 만들어주기 위해서 가스를 공급하고, 가스의 버블이 전극 사이에 이어져서 20kV 내외의 전압에서도 수 cm의 전극 간에 방전이 발생하게 되는데, 이렇게 하기 위해서는 초고전압을 발생시킬 수 있는 펄스전원장치를 필요로 하게 되고, 결국 펄스전원장치의 설계에서부터 제작까지의 비용 증가, 설계의 복잡함 등을 감수해야 하는 불리한 점이 있다.

따라서, 본 발명은 이와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 가스 젯에 의해 물과 기체의 계면에서 방전이 이루어지는 연면방전을 이용하여 수 kV/mm 수준의 낮은 전압에서도 방전을 일으킬 수 있도록 하는 한편, 특히 자발적인 방전이 가능한 스위치 수단을 이용하여 커패시터에 충전된 전압이 수중 전극 사이에 펄스로 인가되도록 하는 방식을 적용한 새로운 형태의 수중 방전 시스템을 구현함으로써, 낮은 전압으로도 수중에서의 방전을 용이하게 실현할 수 있으며, 펄스을 인가하기 위한 고비용 및 고설계의 펄스발생수단없이도 간단하게 수중에 펄스를 인가할 수 있는 수처리용 수중 방전 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 수중에서 방전이 발생하는 구간에 관을 설치하고 펌프를 통해 관 속으로 물과 가스 버블을 동시에 흐르게 하는 새로운 형태의 연속형 수처리 장치를 구현함으로써, 방전에 의한 라디칼의 작용을 이용하여 폐수처리 효율을 향상시킬 수 있는 수처리용 수중 방전 장치를 제공하는데 다른 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서 제공하는 수처리용 수중 방전 장치는 커패시터의 충전전압을 이용하여 펄스발생을 위한 전압을 인가하는 펄스전압 장치부와, 내부에 일정량의 물이 채워져 있는 워터 탱크와, 상기 워터 탱크의 내부에서 서로 일정거리를 두고 마주보며 배치되는 제1전극 및 제2전극과, 상기 제2전극과 전기적으로 연결되며 설정전압에 도달하면 도통상태로 전환되는 자발형 스파크 갭 스위치와, 상기 제1전극과 제2전극 사이의 관이나 유로 등을 통해 물 속에 가스를 토출하여 버블을 일으키는 가스젯 장치부를 포함하는 형태로 이루어져 있으며, 상기 펄스전압 장치부에서 연장되는 2개의 전원라인은 제1전극과 자발형 스파크 갭 스위치에 각각 연결되어, 펄스 전압 장치부의 인가전압이 수중의 전극 사이에 펄스로 인가되면서 수중의 전극 사이에 스파크 방전이 발생되도록 함으로써, 펄스를 인가하기 위한 특별한 스위칭 장치가 없어도 간단하게 수중에 펄스를 인가할 수 있도록 한 것이 특징이다.

여기서, 상기 펄스전압 장치부는 승압을 위한 변압기와, 정류를 위한 다이오드와, 전압 충전을 위한 커패시터를 포함하는 형태로 구성하여, 상기 커패시터의 충전 전압을 자발형 스파크 갭 스위치에 공급할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 제1전극과 제2전극 사이에 이와 나란한 유로를 조성하는 동시에 이때의 유로의 양단에는 폐수 유입을 위한 인렛과 정화수 배출을 위한 아웃렛을 각각 연결하여, 상기 유로를 따라 순환하는 폐수를 전극 간의 스파크 방전을 통해 정화처리할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

본 발명에서 제공하는 수처리용 수중 방전 장치는 다음과 같은 장점이 있다.

첫째, 별도의 스위칭 소자없이도 전극간격 수 cm의 거리에서 20?30kV의 전압으로 방전전류 수 kA의 스파크 방전을 초당 수십회 할 수 있다.

둘째, 별도의 트리거 장치없이 자발형 스파크 갭 스위치를 사용함으로써, 스위치의 수명을 극대화할 수 있고, 유지관리가 간편하며, 경제적인 수처리 장치를 구현할 수 있다.

셋째, 커패시턴스와 충전 전류를 조절하여 초당 스파크 방전 횟수를 조절할 수 있다.

넷째, 자발형 스파크 갭 스위치의 갭 간격을 조정하여 방전 전압을 조절할 수 있다.

다섯째, 가스 버블을 이용하는 가스 젯 방식을 적용함으로써, 수 kV 수준의 낮은 전압에서도 스파크 방전을 효과적으로 일으킬 수 있다.

여섯째, 설계가 복잡하고 제작비용이 높은 펄스전원발생장치를 배제할 수 있으므로, 시스템 구성과 관련한 전체적인 비용을 절감할 수 있다.

일곱째, 처리대상의 물을 방전이 발생하는 구간으로 펌핑하여 연속적으로 처리하는 시스템을 적용함으로써, 간단한 구조 및 저렴한 비용으로 녹조 처리, 염색 폐수 처리 등 폐수 처리의 효율성을 높일 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수처리용 수중 방전 장치를 나타내는 개략도
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수처리용 수중 방전 장치를 응용한 연속형 수처리 장치를 나타내는 개략도
도 3은 수중 스파크 방전 파형을 나타내는 그래프
도 4는 수저항을 통한 방전 파형을 나타내는 그래프
도 5는 반복 펄스 발생 파형을 나타내는 그래프
도 6은 본 발명에서 제공하는 연속형 수처리 장치에 의해 처리된 안료 희석액을 나타내는 사진
도 7은 수중 방전을 일으키는 사진

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수처리용 수중 방전 장치를 나타내는 개략도이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 상기 수처리용 수중 방전 장치는 자발형 스파크 갭 스위치(14)의 자발 방전과 가스젯 장치부(16)의 수중 가스젯의 버블을 이용하여 수중에서 방전을 일으키고, 이때의 수중에서의 스파크 방전을 통해 폐수 등을 처리하는 방식으로 이루어진다.

이를 위하여, 커패시터의 충전전압을 이용하여 펄스발생을 위한 전압을 인가하는 펄스전압 장치부(10)가 마련되며, 수중 스파크 환경을 조성하는 상부의 제1전극(12)과 하부의 제2전극(13)가 설치되어 있는 워터 탱크(11)가 마련된다.

상기 펄스전압 장치부(10)는 승압을 위한 변압기(18), 정류를 위한 다이오드(19), 전압 충전을 위한 커패시터(20) 등을 포함하며, 상기 커패시터(20)의 충전 전압을 자발형 스파크 갭 스위치(14)에 공급할 수 있게 된다.

즉, 일반 전원 220V를 슬라이닥을 이용하여 가변하고, 변압기(18)를 통하여 승합한 다음, 다이오드(19)로 정류하여 커패시터(20)에 충전한다.

이때, 상기 커패시터(20)는 자발형 스파크 갭 스위치(14)를 통하여 수중의 전극과 연결되어 있다.

즉, 상기 커패시터(20)가 속해 있는 펄스전원 장치부(10)로부터 연장되는 1개의 전원라인(17a)은 워터 탱크(11)에 설치되어 있는 제1전극(12)과 연결되고, 다른 1개의 전원라인(17b)은 워터 탱크(11)에 설치되어 있는 제2전극(12)측의 자발형 스파크 갭 스위치(14)에 연결된다.

따라서, 워터 탱크(11) 내에 처리하고자 하는 액체를 채운 다음, 전원을 인가하면 펄스가 인가되며, 수중에서 방전이 발생하게 된다.

도 7은 방전 발생 순간의 사진으로서, 약 20 내지 25kV의 인가전압에 가스젯의 버블을 통해 40mm 정도의 전극거리에서 방전이 발생하고 있는 상태를 나타내고 있다.

이러한 펄스전압 장치부(10)는 구성품들, 예를 들면 변압기, 다이오드, 커패시터 등은 절연을 위해 오일 속에 수용되는 구조로 구성하여 절연에 유리한 환경을 조성하는 것이 바람직하다.

상기 워터 탱크(11)의 내부에는 일정량의 물이 채워져 있게 되며, 이러한 워터 탱크(11)의 내부에는 서로 일정거리를 두고 일직선상에서 마주보며 배치되는 제1전극(12) 및 제2전극(13)이 설치된다.

이때의 제1전극(12)과 제2전극(13)은 물 속에서 상호 도통가능한 상태가 될 수 있게 된다.

또한, 상기 제1전극(12)은 워터 탱크(11)상에 나사체결구조로 설치되어 위아래로 위치를 이동할 수 있게 되며, 이에 따라 제1전극(12)과 제2전극(13) 사이의 거리를 조정할 수 있게 된다.

그리고, 상기 자발형 스파크 갭 스위치(14)는 수중 방전의 특성을 최대한 활용하여 펄스 스위칭 기능을 하도록 된 스위치이다.

즉, 상기 자발형 스파크 갭 스위치(14)는 펄스전압 장치부(10)의 커패시터(20)로부터 인가되는 직류 전압에 의해 충전되는 전압이 상승하면, 즉 갭 사이의 전압이 상승하면 어느 순간에 갭이 자발적으로 방전하는 타입의 스위치로서, 제2전극(13)과 전기적으로 연결되어 설정전압에 도달하면 도통상태로 전환된다.

이때, 자발형 스파크 갭 스위치(14)의 갭 방전을 위한 설정전압은 갭 조절을 통해 설정할 수 있으며, 도 3에서 볼 수 있듯이 본 발명의 일 예에서 제공하는 자발형 스파크 갭 스위치(14)는 약 7mm 정도의 갭에서 약 23kV의 설정전압을 갖도록 설계될 수 있게 된다.

또한, 본 발명에서는 가스 버블을 더욱 강력하게 하기 위하여 가스젯 방식의 가스젯 장치부(16)를 제공한다.

상기 가스젯 장치부(16)는 제1전극(12)과 제2전극(13) 사이의 물 속에 가스를 토출하여 버블을 일으키는 장치로서, 가스젯에 의한 물과 기체의 계면에서 연면방전을 통한 방전이 수 kV/mm 수준의 낮은 전압에서도 일어날 수 있게 해준다.

일 예로서, 20 내지 30kV의 전압으로 40 내지 50mm 의 전극 간 거리에서 스파크 방전을 일으킬 수 있게 해준다.

이때, 상기 가스젯 장치부(16)에서 공급되는 가스는 제2전극(12)의 내부에 형성되는 통로를 통해 물 속으로 토출되는 방식, 제2전극(12)의 한쪽 옆에서 물 속으로 토출되는 방식 등 다양한 구조로 토출될 수 있게 된다.

이러한 가스젯 장치부(16)에서 사용하는 가스는 헬륨이나 아르곤 등과 같이 이온화 에너지가 낮은 가스를 사용하는 것이 바람직하다.

이는 상기 헬륨이나 아르곤 가스가 전극 사이에 방전전압을 대기압보다 낮은 수준으로 형성하는 것이 가능하며, 이때 주변의 액체가 방전을 유지하는 보호벽이 되어주므로 다른 가스, 특히 산소 등과의 혼합을 차단해주기 때문이다.

이와 같은 가스젯 장치부(16)는 고압가스가 담겨 있는 가스용기, 고압가스의 흐름을 제어하는 공압밸브 등을 갖춘 공지의 수단을 적용할 수 있다.

따라서, 이와 같이 구성되는 수처리용 수중 방전 장치에서 자발 방전이 가능한 자발형 스파크 갭 스위치(14)를 이용하여 펄스 전압을 인가하는 방법을 살펴보면 다음과 같다.

물은 전류가 흐르는 도체이다.

따라서, 인가된 직류 전압은 자발형 스파크 갭 스위치(14)의 갭 사이에 걸린다.

충전전압이 상승하여 갭 사이의 전압이 상승하면 어느 순간(갭 스위치가 설정전압에 도달하는 순간)에 갭이 자발적으로 방전을 하게 된다.

이렇게 갭이 자발 방전을 하면 커패시터(20)에 충전된 전압이 수중 제1전극(12)과 제2전극(13) 사이에 펄스로 인가된다.

이때, 가스젯 장치부(16)의 가스 토출에 따른 가스젯에 의해 전극 사이에 방전경로가 형성되면서 도 3과 같은 스파크 방전이 발생하게 된다.

그러나, 가스젯에 의한 방전경로가 형성되어 있지 않은 경우에는 도 4와 같은 조용한 방전이 일어나게 된다.

도 4의 경우는 물을 통하여 수백 ㎲ 동안 전류가 흘러서 커패시터에 충전된 에너지가 소비된다.

이와 같이, 본 발명의 경우에는 펄스를 인가하기 위한 특별한 스위칭 장치가 없어도 간단하게 수중에 펄스를 인가할 수 있으며, 자발형 스파크 갭 스위치(14)의 갭 거리를 조정하면 수 kV에서 수십 kV 범위에서 방전 전압도 조절이 가능하다.

자발 방전 특성상 일정한 주기로 방전을 발생시키기 어렵지만, 도 5에 나타낸 바와 같이 비교적 규칙적으로 방전을 발생할 수 있으며, 충전 전원의 전류와 커패시턴스를 조절하면 펄스 반복률도 조절이 가능하다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수처리용 수중 방전 장치를 응용한 연속형 수처리 장치를 나타내는 개략도이다.

도 2에 도시한 바와 같이, 여기서는 연속형 수처리장치의 구성을 보여준다.

워터 탱크(11)의 내부에는 제1전극(12)과 제2전극(13) 사이에 이와 나란하게 유로(21)가 조성된다.

이때의 유로는 파이프 등과 같은 관 등을 적용할 수 있다.

그리고, 상기 유로(21)의 양단에는 폐수가 유입되는 인렛(22)과 정화처리를 마친 물이 배출되는 아웃렛(23)이 각각 연결되며, 상기 제2전극(13)의 일측으로는 가스젯 방식의 버블 토출을 위한 가스젯 장치부(16)가 연결 설치된다.

물론, 상기 제1전극(12)과 제2전극(13)은 폐수가 흐르는 유로(21) 내의 양단측에 속해 있게 된다.

따라서, 상기 유로(21)을 따라 순환하는 폐수를 전극 간의 스파크 방전을 통해 정화처리할 수 있게 된다.

예를 들면, 방전이 발생하는 구간을 직경 10mm 정도의 가는 관으로 하고, 펌프를 통하여 물과 가스 버블을 동시에 흐르게 하면, 방전에 의한 자외선과 라디칼이 폐수(처리수)에 골고루 작용하게 되면서 폐수(처리수) 중의 미생물 살균 및 정화 효과를 얻을 수 있게 된다.

도 6에서는 안료를 수돗물에 희석한 후, 방전 처리한 결과를 나타낸다.

사진을 보면, 처리 후 18시간 경과 후의 상태를 나타낸 것이며, 방전 처리한 샘플의 경우 안료가 응집되어 침전되었음을 알 수 있다.

사진에서 왼쪽부터 2분간, 4분간, 6분간, 8분간, 10분간 각각 방전 처리한 결과를 나타낸다.

따라서, 위와 같은 연속형 수처리장치를 적용하는 경우 선박용 발라스트 수(Ballast water) 미생물 처리, 녹조 처리는 물론, 염색 폐수 탈색 처리 등 모든 일반 폐수를 효과적으로 처리할 수 있는 이점을 얻을 수 있다.

10 : 펄스전압 장치부 11 : 워터 탱크
12 : 제1전극 13 : 제2전극
14 : 자발형 스파크 갭 스위치 15 : 아웃렛
16 : 가스젯 장치부 17a,17b : 전원라인
18 : 변압기 19 : 다이오드
20 : 커패시터 21 : 유로
22 : 인렛 23 : 커넥터

Claims (6)

1. 커패시터의 충전전압을 이용하여 펄스발생을 위한 전압을 인가하는 펄스전압 장치부(10);
   내부에 일정량의 물이 채워져 있는 워터 탱크(11);
   상기 워터 탱크(11)의 내부에서 서로 일정거리를 두고 마주보며 배치되는 제1전극(12) 및 제2전극(13);
   상기 제2전극(13)과 전기적으로 연결되며 설정전압에 도달하면 도통상태로 전환되는 자발형 스파크 갭 스위치(14);
   상기 제1전극(12)과 제2전극(13) 사이의 물 속에 가스를 토출하여 버블을 일으키는 가스젯 장치부(16);
   를 포함하며, 상기 펄스전압 장치부(10)에서 연장되는 2개의 전원라인(17a,17b)은 제1전극(12)과 자발형 스파크 갭 스위치(14)에 각각 연결되어, 펄스 전압 장치부(10)의 인가전압이 수중의 전극 사이에 펄스로 인가되면서 수중의 전극 사이에 스파크 방전이 발생되도록 한 것을 특징으로 하는 수처리용 수중 방전 장치.
   
2. 청구항 1에 있어서, 상기 펄스전압 장치부(10)는 승압을 위한 변압기(18)와, 정류를 위한 다이오드(19)와, 전압 충전을 위한 커패시터(20)를 포함하며, 상기 커패시터(20)의 충전 전압을 자발형 스파크 갭 스위치(14)에 공급할 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 수처리용 수중 방전 장치.
   
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 펄스전압 장치부(10)의 구성품들은 절연을 위해 오일 속에 수용되는 것을 특징으로 하는 수처리용 수중 방전 장치.
   
4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 제1전극(12)은 워터 탱크(11)상에 나사체결구조로 설치되어 위아래로 위치를 이동할 수 있게 되므로서, 제2전극(13)과의 거리를 조정할 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 수처리용 수중 방전 장치.
   
5. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 제1전극(12)과 제2전극(13) 사이에는 이와 나란한 유로(21)가 조성되는 동시에 이때의 유로(21)의 양단에는 폐수 유입을 위한 인렛(22)과 정화수 배출을 위한 아웃렛(15)이 각각 연결되어, 상기 유로(21)을 따라 순환하는 폐수를 전극 간의 스파크 방전을 통해 정화처리할 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 수처리용 수중 방전 장치.
   
6. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 가스젯 장치부(16)에서 공급되는 가스는 제2전극(12)의 내부에 형성되는 통로를 통해 물 속으로 토출되거나, 또는 제2전극(12)의 한쪽 옆에서 물 속으로 토출되는 것을 특징으로 하는 수처리용 수중 방전 장치.

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