KR20160119417A - 이산화탄소 및 수중 플라즈마 방전을 이용한 오염물질 제거장치 및 제거방법 - Google Patents

Abstract

이산화탄소 및 수중 플라즈마 방전을 이용한 오염물질 제거장치 및 제거방법이 개시된다. 본 발명의 일 측면에 따른 오염물질 제거장치는, 원수에 대한 플라즈마 반응에 전도성 물질로서 이산화탄소를 투입하여 카보네이트 라디칼을 생성하여 원수에 포함되어 있는 오염물질을 제거한다.

Description

이산화탄소 및 수중 플라즈마 방전을 이용한 오염물질 제거장치 및 제거방법{APPARATUS AND METHOD FOR REMOVING CONTAMINANTS USING CARBON DIOXIDE AND UNDER WATER PLAZMA DISCHARGE}

본 발명은 오염물질 제거장치 및 제거방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 수중 플라즈마 방전에 이산화탄소를 주입하는 오염물질 제거장치 및 제거방법에 관한 것이다.

각종 오폐수 등과 같은 오염물질에는 다량의 유기 오염 물질이 포함되어 있는데, 이와 같은 유기 오염 물질을 제거하는 방법 중의 하나가 플라즈마 방전을 이용하는 것이다. 플라즈마 방전을 이용한 오염물질 제거방법은, 수중 플라즈마 방전에 의해 생성되는 각종 활성 산화제들을 통해 오염물질을 제거하는 것이다. 이와 같은 수중 플라즈마 방전 기술은 다양한 활성 산화제(오존 및 수산화라디칼 등)를 생산하여 유기 오염 물질을 효과적으로 제거할 수 있는 것으로 알려지고 있다.

그러나 현재 사용되고 있는 수중 플라즈마 방전 기술은 전기 전도성 물질이 없는 조건에서는 방전을 유발할 수 없는 단점이 있다. 따라서 수중 플라즈마 방전 기술을 이용한 현재의 수처리 시스템은 다양한 전도성 물질(예를 들면, NaCl)을 수중에 주입하고 있는데, 이와 같이 주입된 전도성 물질은 수중의 이차 오염물질로 작용할 뿐만 아니라 플라즈마 방전 시스템에서 생성된 활성 산화제를 감소시키는 문제점을 유발한다.

대한민국 공개특허 제2011-0041874호 공보

따라서 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 도출된 것으로서, 오염물질을 효과적으로 제거할 수 있는 오염물질 제거장치 및 제거방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 다른 목적들은 이하에 서술되는 실시예를 통하여 더욱 명확해질 것이다.

본 발명의 일 측면에 따른 오염물질 제거장치는, 원수에 대한 플라즈마 반응에 전도성 물질로서 이산화탄소를 투입하여 카보네이트 라디칼을 생성하여 원수에 포함되어 있는 오염물질을 제거한다.

본 발명에 따른 오염물질 제거장치는 다음과 같은 실시예들을 하나 또는 그 이상 구비할 수 있다. 예를 들면, 플라즈마 반응이 생성되는 반응기와, 반응기에 전원을 공급하는 전원장치를 포함하고, 반응기에는 원수 및 이산화탄소가 투입될 수 있다.

반응기는 접지전극과, 전원장치에 연결되는 전극을 포함할 수 있다. 그리고 반응기는 전극이 교체 가능하게 삽입되는 전극돌기를 구비할 수 있다. 또한, 전극은 세라믹튜브에 삽입될 수 있다.

이산화탄소와 함께 또는 별도로 반응기에 수산화나트륨을 추가로 투입될 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 오염물질 제거방법은, 원수에 전도성 물질로서 이산화탄소를 투입하는 단계와, 전원을 인가하여 원수에 대한 플라즈마 반응을 유도함으로써 카보네이트 라디칼을 형성하여 오염물질을 제거하는 단계를 포함한다.

본 발명에 따른 오염물질 제거방법은 다음과 같은 실시예들을 하나 또는 그 이상 구비할 수 있다. 예를 들면, 이산화탄소와 함께 또는 별로도 수산화나트륨을 투입하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 오염물질 제거장치 및 제거방법은, 별도의 전기 전도성 물질을 주입할 필요가 없으면서도 수중의 오염물질을 효과적으로 제거할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 오염물질 제거장치를 예시하는 도면이다.
도 2는 도 1에 예시된 오염물질 제거장치에서 반응기를 예시하는 도면이다.
도 3은 도 2에 예시된 반응기에서 전극을 예시하는 도면이다.
도 4는 이산화탄소 주입에 따른 pH 및 전기전도도의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 5는 이산화탄소를 이용한 수중 플라즈마 반응에 의해서 메틸렌블루의 제거율 변화를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 오염물질 제거방법을 예시하는 순서도이다.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에서 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어 도면 부호에 상관없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

이하에서는 도 1 내지 도 3을 참고하면서, 본 발명의 일 실시예에 따른 오염물질 제거장치(100)에 대해서 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 오염물질 제거장치(100)를 예시하는 도면이고, 도 2는 도 1에 예시된 오염물질 제거장치(100)에서 반응기(110)를 예시하는 도면이다. 그리고 도 3은 도 2에 예시된 반응기(110)에서 전극(120)을 예시하는 도면이다.

도 1 내지 도 3을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 오염물질 제거장치(100)는 반응기(110)와 전원장치(150)를 포함한다. 반응기(110)에는 오염물질을 포함하는 원수가 투입되고 플라즈마 방전에 의한 처리 효율을 더욱 높이기 위해서 이산화탄소가 투입된다.

본 실시예에 따른 오염물질 제거장치(100)는 수중 플라즈마 반응을 위해서 별도의 전도성 물질을 투입하지 않고 이산화탄소를 투입하는 것을 특징으로 한다. 수중에 용존된 이산화탄소는 플라즈마를 생성시키기 위한 전도성 물질로 작용하고, 또한 산화제 중의 하나에 해당하는 카보네이트 라디칼을 생성하는 역할을 한다.

반응기(110)는 원통 형상의 바디(112)를 구비하고 그 일단에는 원수 및 이산화탄소가 투입되는 유입구(114)가 형성되어 있으며 그 타단에는 처리수가 배출되는 유출구(116)가 형성되어 있다. 그리고 반응기(110)는 투명한 특성을 갖는 아크릴 재질에 의해서 형성될 수 있는데, 이로 인해 반응기(110) 내부에서 발생하는 플라즈마 방전을 육안으로 관찰할 수 있다.

반응기(110)의 둘레에는 다수 개의 전극돌기(118)가 돌출 형성되어 있다. 전극돌기(118)에는 전극(120)이 교체 가능하게 삽입되어서 그 일단부가 반응기(110)의 내부로 돌출된다. 본 실시예에 따른 반응기(110)는 네 개의 전극(120)이 일정한 간격을 갖고 배치되어 있는 것으로 예시하였지만 본 발명은 반응기(110)에 삽입되는 전극(120)의 수 및 배치 형태에 의해서 제한되지 않는다.

반응기(110)에는 전극(120)과 함께 접지전극(130)이 구비되어 있다.

전극(120)은 전원장치(150)와 연결되어서 반응기(110) 내부에서 플라즈마 반응이 생성되도록 한다. 본 실시예에 따른 반응기(110)에 사용되는 전극(120)은 일반적으로 사용되는 철, 알루미늄, 텅스텐 및 구리 용접봉에 해당할 수 있다.

도 3을 참조하면, 전극(120)은 세라믹튜브(122)의 내부에 삽입되어서 누수가 되지 않도록 함과 동시에, 세라믹튜브(122)에 의해서 플라즈마를 분산시키지 않고 집중함으로써 공정 효율을 높일 수 있다. 세라믹튜브(122)의 일 단부는 차폐된 구조를 갖는 것으로 반응기(110)의 내부에 위치한다. 또한, 세라믹튜브(122)의 타 단부(121)는 개방된 구조를 가져서 전원장치(150)와 전기적으로 연결될 수 있다.

전원장치(150)는 고압의 전압을 전극(120)에 인가하는 것으로, 변압기를 구비하여 전압을 높일 수 있다. 전원장치(150)의 후면에는 전극(120)과 연결되는 고전압 채널과 접지 채널이 구비되어 반응기(110) 내부에서 플라즈마를 발생시킬 수 있도록 하였다. 또한, 전원장치(150)의 전면에는 전력량계(도시하지 않음)를 설치하여 플라즈마 방전시 소요되는 전력을 산정할 수 있도록 하였다.

반응기(110)에는 별도의 투입장치에 의해서 이산화탄소(CO₂)가 투입될 수 있다. 이산화탄소 투입장치는 원수와 함께 또는 원수의 투입 후 플라즈마 반응이 발생하기 이전에 반응기(110)의 내부에 이산화탄소를 투입한다. 또한, 투입장치는 이산화탄소 가스 주입 이외에 pH 조절을 위한 수산화나트륨(NaOH)을 추가로 투입할 수 있다.

반응기(110)에는 펌프(도시하지 않음)가 결합되어 플라즈마 반응에 의해 처리된 처리수가 원수와 함께 다시 반응기(110)로 반복적으로 유입되도록 할 수 있다. 이와 같이, 일단 처리된 폐수를 펌프를 이용하여 다시 반응기(110)로 유입되도록 함으로써 오염물질을 확실하게 제거할 수 있게 된다.

도 4는 이산화탄소 주입에 따른 pH 및 전기전도도의 변화를 나타낸 그래프이다.

반응기(110)에 투입되는 이산화탄소는 수중에 용존되어 플라즈마를 생성시키기 위한 전도성 물질로 작용한다. 도 4를 참고하면, 이산화탄소를 투입한 후 하천수(river water) 및 증류수(DI water)의 전기 전도도(conductivity)가 시간에 따라서 증가함을 알 수 있다. 또한, 이산화탄소를 투입함으로써 하천수 및 증류수의 pH도 증가함을 알 수 있다. 이와 같이, 본 실시예에 따른 오염물질 제거장치는 플라즈마 반응을 유발하기 위해서 별도의 전도성물질(예를 들면, NaCl)을 투입하지 않고 지구 온실가스인 이산화탄소를 주입하는 것을 특징으로 한다. 따라서 본 실시예에 따른 오염물질 제거장치는 이산화탄소 저감 기술로도 활용될 수 있다.

반응기(110)에 투입되는 이산화탄소는 산화제 중의 하나인 카보네이트 라디칼(HCO₃ ^-)을 생성하는 원료 물질로도 작용한다. 이산화탄소는 산성 기체에 해당하므로 그 농도가 증가할수록 수중의 pH는 감소한다 따라서 수중의 이산화탄소를 제거할수록 pH는 증가하게 되는데, 플라즈마 방전시 발생되는 대량의 산소 기포(bubble)들이 수중에 용존되면서 이산화탄소를 제거한다. 이때, 수중의 산소는 아래 화학식1 내지 화학식4와 같이 이산화탄소(CO₂)를 중탄산이온(HCO₃ ^-)으로 변화시킨다.

화학식1: CO₂ + H₂O ↔ HCO₃ ^- + H⁺ (pH 5 이하)

화학식2: CO₂ + H₂O ↔ H₂CO₃ ↔ HCO₃ ^- + H⁺ (pH 5.5~6)

화학식3: CO₃ ^{2 -} + H₂O ↔ HCO₃ ^- + OH^- (pH 7~10)

화학식4: CO₃ ^{2 -} + H₂O + CO₂ ↔ 2HCO₃ ^- (pH 11 이상)

생성된 중탄산이온(HCO₃ ^-)은 수중의 OH 라디칼과 반응하여 아래 화학식5 내지 화학식7과 같이 카보네이트 라디칼(CO₃ ^-)을 형성한다.

화학식5: H₂O → H + OH

화학식6: OH + HCO₃ ^- → H₂O + CO₃ ^- k = 8.5 × 10⁶M^-1s^-1

화학식7: OH + CO₃ ^{2 -} → OH^- + CO^{3 -} k = 3.9 × 10⁸M^-1s^-1

이와 같이 생성된 카보네이트 라디칼은 산화력이 매우 강력하기 때문에 수중의 오염물질을 효과적으로 제거할 수 있다. 카보네이트 라디칼은 탄산 및 중탄산 이온이 수산화 라디칼 및 설페이트 라디칼과 반응하여 생성되는 2차 라디칼로서, 기존의 하이드록실 라디칼(OH)에 비해 더 높은 산화력을 가지고 있으며, pH 12.5에서 1.59 V, pH 7에서 1.78 V의 산화환원전위를 가진다. 현재 카보네이트 라디칼을 이용하여 수처리에서 미량오염물질 및 유해화합물, 유기화합물 제거에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

도 5는 이산화탄소를 이용한 수중 플라즈마 반응에 의해서 메틸렌블루(MBH(Methylene Blue Hydrate))의 제거율 변화를 나타낸 그래프이다.

도 5를 참고하면, 증류수(DI water) 및 하천수(river water)를 플라즈마 반응만을 이용한 경우에 비해서, 플라즈마 반응에 이산화탄소를 주입한 경우(수산화나트륨(NaOH)도 투입함)가 유기염료 중의 하나인 메틸렌블루의 제거율이 더욱 높음을 알 수 있다.

본 실시예에 따른 오염물질 제거장치(100)에서 이산화탄소 투입 이외에 pH 조절을 위해서 수산화나트륨(NaOH)을 투입할 수 있다. 이는, 이산화탄소 주입으로 인한 수중 pH 감소로 인해서 수중의 이산화탄소가 제대로 용해되지 못하여 전기 전도도가 떨어지는 문제점을 방지하기 위한 것이다. 수중 전기 전도도가 떨어지는 경우 플라즈마 방전이 제대로 발생하지 않는 문제점이 발생하는데, 본 실시예에 따른 오염물질 제거장치(100)는 수산화나트륨을 투입함으로써 이와 같은 문제점을 해결할 수 있게 된다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 오염물질 제거방법을 예시하는 순서도이다.

도 6을 참고하면, 본 실시예에 따른 오염물질 제거방법은, 원수에 전도성 물질로서 이산화탄소를 투입하는 단계와, 전원을 인가하여 원수에 대한 플라즈마 반응을 유도함으로써 카보네이트 라디칼을 형성하여 오염물질을 제거하는 단계와, 오염물질이 제거된 처리수가 원수와 함께 다시 반응기(110)에 투입되는 단계를 포함한다.

상기에서는 본 발명의 일 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

100: 오염물질 제거장치
110: 반응기 112: 바디
114: 유입구 116: 유출구
118: 전극돌기 120: 전극
122: 세라믹튜브 130: 접지전극
150: 전원장치

Claims (8)

1. 원수에 대한 플라즈마 반응에 전도성 물질로서 이산화탄소를 투입하여 카보네이트 라디칼을 생성하여 원수에 포함되어 있는 오염물질을 제거하는 오염물질 제거장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 플라즈마 반응이 생성되는 반응기와,
   상기 반응기에 전원을 공급하는 전원장치를 포함하고,
   상기 반응기에는 원수 및 이산화탄소가 투입되는 것을 특징으로 하는 오염물질 제거장치.
3. 제2항에 있어서,
   상기 반응기는 접지전극과, 상기 전원장치에 연결되는 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 오염물질 제거장치.
4. 제3항에 있어서,
   상기 반응기는 상기 전극이 교체 가능하게 삽입되는 전극돌기를 구비하는 것을 특징으로 하는 오염물질 제거장치.
5. 제3항 및 제4항 중 어느 하나의 항에 있어서,
   상기 전극은 세라믹튜브에 삽입되는 것을 특징으로 하는 오염물질 제거장치.
6. 제1항에 있어서,
   수산화나트륨을 추가로 투입하는 오염물질 제거장치.
7. 원수에 전도성 물질로서 이산화탄소를 투입하는 단계; 및
   전원을 인가하여 원수에 대한 플라즈마 반응을 유도함으로써 카보네이트 라디칼을 형성하여 오염물질을 제거하는 단계를 포함하는 오염물질 제거방법.
8. 제7항에 있어서,
   수산화나트륨을 투입하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 오염물질 제거방법.
   

Images