KR20130021069A - 광화학반응촉매기능과 수중 플라즈마 발생기능이 복합된 수질개선용 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광화학반응촉매기능과 수중 플라즈마 발생기능이 복합된 수질개선용 장치에 관한 것으로서 오염된 물을 정화하기 위한 수질개선 공정중, 멸균, 유기화합물의 파괴 환원을 통하여 최종적으로 맑고 깨끗한 물을 얻기 위한 목적이 있으며 더 자세하게 설명하면 내면 벽이 빛과 파장이 반사 되도록 하면서, 장치를 결합하고 수용하는 금속판의 하우징이 외부에 구성되고 하우징 내부에는 자외선조사 수단이 구비 되고 조사된 자외선을 통과하도록 하는 석영관이 설치되며, 석영관 외부표면에는 실 전극이 복수로 인쇄되어 부착되며, 석영관 내부에는 표면에 산화막이 형성된 타이타늄 엘라멘트가 장착되며 플라즈마를 개시시키는 유도전압 발생기가 승압기로서 구비되어 상기 실전극과 엘라멘트가 승압기에 연결되며 승압기와 자외선조사 수단은 전원을 인가하고 차단하는 스위치를 통하여 전원에 연결되도록 하는 특징이 있다.
본 발명에 의하면 오염된 물이 발명의 장치를 통과하면서 광화학 반응과 플라즈마 반응을 동시에 복합적으로 이루면서 효율적인 수질 개선이 이루어지는 최종적인 목적 효과와, 종래 또는 현재까지도 광촉매의 고정난이도로 비드에 촉매를 고착하여 수중에 투여하여 수질을 개선하고 있는 최대 문제점인 촉매의 박리 유실과 수거 재투입되는 반복적인 관리의 어려움과 고비용 비효율적 촉매이용방법을 저비용 고효율적으로 바꾸는 효과와, 플라즈마를 수중에서 이용하여 유기물과 반응하여 정화 시키는 기대효과와 파급효과가 있으며, 화학적인 약품처리 공정이 없이 수중 유해 유기물과 녹조, 세균의 제거, 스케일과 중금속의 제거, 산소농도의 조정, 등을 통하여 수질을 친환경적으로 개선하는 효과가 있다.

Description

광화학반응촉매기능과 수중 플라즈마 발생기능이 복합된 수질개선용 장치{Photochemical reaction occurs, the catalyst features and plasma water treatment system }

수처리 기술

수질개선을 위한 수처리는 환경, 자원분야에 걸쳐 전 세계적인 관심사가 되어 각국마다 수처리를 위한 규제와 연구가 활발하게 진행되고 있다. 수질환경은 건강과 생명과도 직결되므로 수 많은 방법과 공정으로 수질을 개선하는 노력이 경주되고 있기도 하다.

세계적으로 현재 까지 수처리분야에 쓰이는 기술과 방법은 여러 가지가 있으나 대표적이고 효율적인 방법으로 다음의 몇가지를 들 수 있다.

오존을 물속에 용해하여 처리하는 방법

자외선 처리방법

전기분해 방법

염소 또는 염소가스와 같은 화학제를 물속에 투여 하는 방법

광촉매를 이용하여 물을 처리하는 방법

상기와 같은 방법들이 보통 제일 많이 쓰이는 방법과 기술들이나 다음과 같은 문제점과 단점들 그리고 해결해야할 과제들이 있다.

오존을 수처리에 쓰는 방법은 오래전부터 시행하여 왔으나 오존이 물에 용해가 되지 않는 특성으로 인하여 인젝터나 이젝터를 사용하여 물속 오존의 용해를 돕는 강제적인 수단과 장치들이 개발되어 발전 되어 왔다. 그럼에도 불구하고 오존이 물에 용해되는 속도나 처리부피는 해결되어야할 과제로 남아 있는 것이 현실이다.

자외선 처리 방식은 우리 국내에서 많이 사용하는 기술 방식이다. 자외선은 물속의 세균을 멸균하는데 유효한 방법이지만 유기물의 제거에는 적당하지 않은 단점이 있으며 유속에 대한 지속력과 수명이 길지 못한 단점이 있다.

전기분해 방법 역시 오존만큼 많이 사용 하는 방법이나 처리의 속도와 설치비와 관리비 한정된 분야의 특성적 이용이라는 단점을 안고 있어왔다.

염소 또는 염소가스와 같은 화학제를 물속에 투여 하는 방법은 광촉매로 수처리를 하는 기술이 개발 되면서 점차적으로 규제 되고 사용을 기피하고 있는 국가가 많을 정도로 환경의 재오염을 유발하는 단점이 있다.

최근에 광촉매를 이용하여 수처리를 하는 기술들이 여러형태로 개시되어 있다. 광촉매란 광원과 반응하여 촉매의 물질 표면에 전자와 정공을 생성하여 광화학 반응을 야기하는 물질로서 나노입자 정도의 미세한 이산화 타이타늄이 대표적인 광촉매 물질이다. 이산화타이타늄은 가격이 저렴하고 생산이 쉬워 세계적으로 광촉매로 사용되고 있으며 유독성과 부작용이 없어 식품과 화장품 원료로도 많이 쓰인다. 이러한 광촉매 입자는 물에 녹지 않으므로 수처리분야에 이용하기에 안전하고 효율이 높은 것으로 판명되어 있다.

그러나 광촉매를 이용한 수처리 시설과 시스템에서 시간이 지남에 따라 문제점이 발견되기 시작하였으며 제일 중심적인 문제점은 수처리를 위하여 수중에 투입한 촉매 입자들이 유실되어 보충하는 비용이 작은 비용의 수준이 아니라는 점과 촉매입자들을 고정하는 기술과 기지역할을 하는 물질의 선택이 용이하지 않는 문제점이 지적 되었다. 무기질 세라믹 또는 금속성 물질의 기지가 아니면 촉매 입자들이 자신이 고착되어 있는 기지를 파괴하여 침식시키고 결국은 촉매반응 표면적이 노출되지 않고 사라짐으로 인한 기능 상실이 되어버린다. 또한 무기질의 기지를 사용하더라도 무기질을 기지로 미세한 나노수준의 입자를 안정되고 완벽하게 고정하는 기술은 현재 까지도 해결하지 못하는 세계적인 과제이다. 무기질의 경도가 높은 접착용도의 바인더를 개발하여 사용하였으나 바인더가 물질의 본질적 밀도만큼 치밀하지 못하고 물에 저항력이 떨어져 유실되는 촉매입자는 막지 못하는 것이 현실이다.

현재 까지 제일 진보된 기술로서는 규소계 비드를 기지로 하여 이산화타이타늄을 기상증착한 수처리용 비드를 수중에 투입하는 것이 제일 효과적이고 경제적임이 증명 되었다. 그럼에도 불구하고 유속이 있거나 유동성이 있는 수처리 공정에서는 사용하지 못하는 단점이 있다. 견고하게 고착되어 있는 입자라도 비드와 비드들간의 마찰이 있을때 마다 입자들이 박리되고 유실되기 때문이다. 또한 즉시적인 시간차 기능이 아니고 지속적이고 반복적인 반응을 통한 효과를 유도하는 기능이기 때문에 저수조가 필요하고 관통하는 물의 속도에서는 효과 없다는 단점이 있어왔다.

상기와 같은 단점을 해결하기 위하여 본 발명은 광촉매 입자의 유실이 없으며 수중 반응속도를 즉시적으로 해결하여 별도의 저수 설비가 필요하지 않으며 기능의 결과가 시간차가 없이 실시간으로 수중 반응이 지속되고 반복 되도록 하여 저수 순환시설은 물론 유속이 있는 관로에서도 효율적인 수처리 공정이 이루어 질 수 있도록 하는 과제를 해결 하고자 하는 것이다.

내면 벽이 빛과 파장이 반사 되도록 하면서, 장치를 결합하고 수용하는 금속판의 하우징이 외부에 구성되고 하우징 내부에는 자외선조사 수단이 구비 되고 조사된 자외선을 통과하도록 하는 석영관이 설치되며, 석영관 외부표면에는 실 전극이 복수로 인쇄되어 부착되며, 석영관 내부에는 표면에 산화막이 형성된 타이타늄 엘라멘트가 장착되며 플라즈마를 개시시키는 유도전압 발생기가 승압기로서 구비되어 상기 실전극과 엘라멘트가 승압기에 연결되며 승압기와 자외선조사 수단은 전원을 인가하고 차단하는 스위치를 통하여 전원에 연결되도록 하는 특징이 있는 광화학반응촉매기능과 수중 플라즈마 발생기능이 복합된 수질개선용 장치를 제공한다.

오염된 물이 발명의 장치를 통과하면서 광화학 반응과 플라즈마 반응을 동시에 복합적으로 이루면서 효율적인 수질 개선이 이루어지는 최종적인 목적 효과와, 종래 또는 현재까지도 광촉매의 고정난이도로 비드에 촉매를 고착하여 수중에 투여하여 수질을 개선하고 있는 최대 문제점인 촉매의 박리 유실과 수거 재투입되는 반복적인 관리의 어려움과 고비용 비효율적 촉매이용방법을 저비용 고효율적으로 바꾸는 효과와, 플라즈마를 수중에서 이용하여 유기물과 반응하여 정화 시키는 기대효과와 파급효과가 있으며, 화학적인 약품처리 공정이 없이 수중 유해 유기물과 녹조, 세균의 제거, 스케일과 중금속의 제거, 산소농도의 조정, 등을 통하여 수질을 친환경적으로 개선하는 효과가 있다.

도1.은 본 발명의 하우징 구조도
도2.은 본 발명의 단면도
도3.은 본 발명의 구조도
도4.은 원리 비교도
도5.은 본 발명의 주요 원리도
도6.은 본 발명의 구조도

본 발명의 실시를 위하여 구체적인 내용을 첨부된 도면과 함께 설명 하면 다음과 같다.

내면 벽(102)이 빛과 파장이 반사 되도록 하면서, 장치를 결합하고 수용하는 금속판의 하우징(101)이 외부에 구성되는 단계로 하우징 재질은 반사율이 높은 알미늄계 합금의 금속이 바람직 하지만 금속외에 수지, 또는 세라믹을 사용할 때는 내면 벽(102)에 다음에 설명될 자외선조사 수단(201)에서 발생한 빛과 파장을 반사하여 석영관(301) 내부 타이타늄 엘라멘트(401)표면에 효과적으로 반사하여 타이타늄 엘라멘트(401)표면의 광반응 촉매에 반응 광원이 될 수 있게 하는 것이 좋다. 또한 하우징(101)은 개폐가 가능하여 내부 부품들의 교환과 정비가 용이하도록 제작하게 된다. 하우징(101) 내부에는 자외선조사 수단(201)이 구비 되는데 자외선은 광반응 촉매의 제일 적당한 광원으로서 램프 또는 다이오드로 구성하여 자외선 영역의 파장이나 빛을 생산하여 석영관(301) 내부 타이타늄 엘라멘트(401)표면에 조사하게 하여 광화학 반응이 타이타늄 엘라멘트(401)표면에 일어나게 하도록 하며 종국적으로 이 타이타늄 엘라멘트(401)표면에 물이 지나가면서 물도 라디칼 반응에 접촉이 되도록 구성하는 것이다. 다음 단계로

자외선조사 수단(201)에서 조사된 자외선을 통과하도록 하는 석영관(301)이 설치되는데 석영관 외부표면에는 도4.와 같이 실 전극(701)이 복수로 인쇄되어 부착되며, 석영관 내부에는 표면에 산화막(501)이 형성된 타이타늄 엘라멘트(401)가 장착되도록 한다.

산화막(501)이 형성된 타이타늄 엘라멘트(401)를 설치하는 이유는 다음에 설명하는 플라즈마를 수중에서 발생시키는 단계에서 전극 역할을 하게하며 수중에 산소를 용해하는 시간차를 없애고 실시간의 반응이 유지 되도록 하기 위한 것이다. 도5.의 (가)와(나),(나a), (다)는 엘라멘트의 유무에 따라 플라즈마가 발생되고 발생되지 않는 원리를 설명하기 위한 것과 반응효과가 시간차가 있고 없는 것과, 실시간의 반응이 유지 되도록 하는 원리를 설명하기 위한 것으로서 (가)의 경우 엘라멘트(401)가 없으며 전극도 설치가 없이 자외선만 물에 조사 하는 형식 도이다. 이 경우 자외선 1W당 100g/sec의 물을 처리하며 물속 세균100 CFU(colony forming unit)를 처리한다고 가정 하였을때 현장에서의 실질적인 결과는 초당 100코로니의 세균으로 오염된물을 100리터 처리하였다는 성능치가 결과 되어진다. (나)는 플라즈마 전문 과학자들이 미래 수중 플라즈마 발생 가능성을 열기 위하여 제시한 방법으로서 관로형 플라즈마 용기에 버블을 발생시켜 버블속의 공기가 플라즈마를 개시하도록 하여 버블이 발생되고 터지는 것이 반복됨으로 플라즈마도 개시진행, 소거가 반복 되도록 한다는 원리에서 기인 한 것이다. 여기에 상기 (가)를 결합 한다고 가정하여 (나a)와 같이 반응용기를 석영관으로 하고 플라즈마 전극을 배치하여 하여 강제적인 산소 주입과 버블 장치로 버블을 발생 하도록 한 것이다. 결과치를 도출 하면 현장에서의 실질적인 결과는 초당 100코로니의 세균으로 오염된물을 100리터 처리하였다는 (가)와 성능치가 똑 같은 결과가 나온다. 다만 수중 용존산소만 증가 하는 이익이 늘어날 뿐이지 수중에서의 플라즈마 반응 효과는 없다는 결론이 나온다. 그 이유는 플라즈마가 발생 되지 않기 때문이다. 아무리 높은 에너지를 가한 플라즈마 반응용기라고 할지라도 마이너스 전기장과 플러스전기장이 대전 되지 않으면 그 용기에는 플라즈마가 형성 되지 않는다. 일반적인 플라즈마 반응용기는 마이너스 전기장과 플러스전기장이 대전 되도록 되어 있으며 대전 공간에는 기체가 존재 하여 기체절연 파괴 전압이 가해지면 절연이 파괴 되면서 전하가 형성되어 플라즈마가 형성되는 기초가 되는 것이다. (나a)경우는 대전이 아니고 물에 의하여 통전이 된다. 단, 석영관의 내부면이 물과 접촉하는 부분에 전극 위치점이 있으며 버블이 그 위치점에서 터진다고 하였을때는 유전체인 석영관과 물의 접촉점에 자기(self) 전기장이 형성되며 그 전기장의 압력이 버블속의 기체를 절연 파괴할 수 있는 정도이면 그 위치점에 플라즈마가 형성된다. 그러나 정석학적인 물리학자들의 실험에서는 이 조차도 무시되는 부분이다. 강한 전압이 인가된 일단의 전극이 유전체에 결합되고 그 유전체와 접촉되는 물속 전극 꼭지점에 불활성 기체와 산소 방울을 대롱으로 만들어 방울속 전하의 진행을 관찰 하였으나 음이온만 측정 되었을 뿐이다. 본 발명에서 시행하는(다)를 비교하여 보면 (가),(나a)와 같은 형태와 조건에서 같은 길이 내의 석영관 속에 엘라멘트를 여러마디로 연결하여 석영관속에 장착 하였다. 여기에서의 조건은 엘라멘트에 본 발명을 충족 시키는 플라즈마를 형성하기 위한 전원의 연결은 하지 않고 또한 엘라멘트 표면에 촉매의 형성도 하지 않은 상태로서 우선 단순히 엘라멘트만을 장착 한 것으로 조건하여 비교하는 것이다. 물은 엘라멘트 1개를 통과할 때마다 도면과 같이 2등분 되므로 통로를 지나면서 분할수는 기하급수적으로 증가되어 20개의 엘라멘트를 통과하는 경우에는 약 100만 등분으로 분할된다. 또한 자외선이 조사 되는 영역과 등분위가 100만배가 되나 엘라멘트의 저항이 물의 유속을 방해 하는 것을 반감 하더라도 50만배의 효율이 증대가 된다. 그럼에도 본 발명은 여기에 만족 하지 않고 엘라멘트 표면을 촉매입자로 구성하는 산화막(501)이 형성된 타이타늄 엘라멘트(401)로 구성하여 광반응 효율을 더욱 극대화 시키며, 동시에 플라즈마를 개시시키는 유도전압 발생기가 승압기(801)로서 구비되게하여 상기 실전극과 산화막(501)이 형성된 타이타늄 엘라멘트(401)가 승압기에 연결되어 수중에 플라즈마가 형성 되도록 하는 것이다. 전제된 비교에서 수중에서의 플라즈마 형성 방법과 원리는 확연하게 틀려지게 된다. 도6.에서 주시하면 엘라멘트의 형성 외각(401a)은 석영관의 내부 표면에 나선형으로 선을 그리며 연결되며 석영관 외부에 복수로 인쇄된 실 전극(701)과 반복 적으로 교차 하게 된다.

석영관(301)과 산화막(501)은 플라즈마의 유전체 장벽이 되고 전원을 인가하면 물과 엘라멘트 그리고 실전극(701)과 타이타늄 엘라멘트(401)는 복수로 대전하게 되며 무수히 많이 형성 되는 대전점에 엘라멘트에 의하여 분리되면서 형성 되는 무수히 많은 공기방울인 버블이 접촉 하게 되면 그 공기 방울속의 공기는 플라즈마의 재료가 되어 플라즈마를 무수히 많이 형성하고 진행시키게 된다. 또한 상기 예시 비교에서와 같이 개선 대상인 물의 입자 위치와 분리는 같은 비교상에서의 길이로 볼때 말단에서는 167,000,000만번의 위치 변동과 분리가 이루어 졌으므로 비교 대상체와 비교하면 167,000,000배의 효율 상승이 수학적으로는 완성 되었다고 할 수 있다. 다만 비교 대상체도 물의 위치는 유속의 유동성으로 바뀔 수 있다는 것을 예상 할 수 있지만 반응자체의 속성과 접촉이 없으므로 무시할 정도의 숫자이라고 할 수 있다. 또한 촉매와 플라즈마 반응 속성은 세균의 멸균만이 대상이 아니고 수중의 유해 유기화합물을 파괴하여 순수한 무해 유기물과 순수한 물로서 환원하는 기능도 함께 가지게 되므로 복합적이고 유기적인 기능으로 유속이 있는 수로에도 직접 이용 할 수 있는 장점과 저수조의 순환식 시스템에도 구조 변경 없이 사용 할 수 있는 장점이 있게 된다. 타이타늄 엘라멘트()는 별도로 특허 가 개시되는 산화막이 형성된 타이타늄 엘라멘트를 쓰게 되는데 촉매의 입자 유실이 없으며 산화막 형성방법에 의하여 표면이 아나타제(antase) 또는 루틸형(rutile)의 산화 타이타늄 나노입자막이 형성되어 있어서 광원과 반응하여 표면에 전자와 정공을 생성 하는 성능 높은 광촉매가 되며 또한 플라즈마의 일단 전극으로서 전도체가 되므로 촉매표면에 생성된 전자를 빠른 속도로 이동 시켜 주므로 전자 위치를 치환하는 정공의 생성 속도가 빠르게 되어 광화학 반응의 속도와 효율을 증대 시킨다. 또한 본 발명에서 언급 되는 플라즈마는 화학반응을 도출하는 라디칼을 형성하는 매개체임은 이미 국제적으로 검증 되어 있다. 마지막 단계로 승압기(801)와 자외선조사 수단(201)은 전원을 인가하고 차단하는 스위치(601)를 통하여 전원에 연결되어 제어 작동하게 하는 것으로서 장치를 단순화 하여 특별한 장치의 작동 방법과 지식이 없어도 사용에 불편이 없도록 하여 완성하는 특징으로 이루어진다.

Claims (6)

1. 내면 벽이 빛과 파장이 반사 되도록 하면서, 장치를 결합하고 수용하는 금속판의 하우징이 외부에 구성되고 하우징 내부에는 자외선조사 수단이 구비 되고 조사된 자외선을 통과하도록 하는 석영관이 설치되며, 석영관 외부표면에는 실 전극이 복수로 인쇄되어 부착되며, 석영관 내부에는 표면에 산화막이 형성된 타이타늄 엘라멘트가 장착되며 플라즈마를 개시시키는 유도전압 발생기가 승압기로서 구비되어 상기 실전극과 엘라멘트가 승압기에 연결되며 승압기와 자외선조사 수단은 전원을 인가하고 차단하는 스위치를 통하여 전원에 연결되도록 하는 특징이 있는 광화학반응촉매기능과 수중 플라즈마 발생기능이 복합된 수질개선용 장치
   
2. 상기 청구항 1.에서 자외선조사 수단은 램프, 다이오드, 방전 중 적어도 하나가 되는 수단의 특징으로 이루어지는 광화학반응촉매기능과 수중 플라즈마 발생기능이 복합된 수질개선용 장치
   
3. 상기 청구항 1.에서 금속판의 하우징을 대신 하여 수지, 또는 세라믹을 사용할 때는 내면 벽에 자외선조사 수단에서 발생한 빛과 파장을 반사하여 석영관 내부 타이타늄 엘라멘트 표면에 효과적으로 반사하여 타이타늄 엘라멘트 표면의 광반응 촉매에 반응 광원이 될 수 있게 하는 특징이 있는 광화학반응촉매기능과 수중 플라즈마 발생기능이 복합된 수질개선용 장치
4. 상기 청구항 1.에서 하우징은 개폐가 가능하여 내부 부품들의 교환과 정비가 용이하도록 하는 것을 특징으로한 광화학반응촉매기능과 수중 플라즈마 발생기능이 복합된 수질개선용 장치
   
5. 상기 청구항 1.에서 플라즈마를 개시시키는 승압기는 입력 전압이 DC 4v에서 24v, AC 110v에서 240v이며 출력 전압은 배수의 승압 출력으로 하는 특징으로 이루어지는 광화학반응촉매기능과 수중 플라즈마 발생기능이 복합된 수질개선용 장치
6. 상기 청구항 5.에서 개시되는 플라즈마는 정상 글로우, 비정상 글로우. 코로나, 아크, 슬라이딩, 미스티, 유전체장벽 방전 중 적어도 하나로 이루어지는 특징의 광화학반응촉매기능과 수중 플라즈마 발생기능이 복합된 수질개선용 장치
   
   

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