KR20160144586A - 자외선 물 살균 방법 및 이를 이용한 물 살균 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 물 살균 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 흐르는 물에 자외선을 조사하여 물을 살균하는 방법에 관한 것이다.
본 발명은 255nm 내지 285nm 에서 피크파장을 가지는 자외선을 유동하는 물에 조사하되, 자외선이 조사되는 영역을 통과하는 물의 평균 이동 속도를 1.7 ~ 12.6 cm/sec 로 하고, 자외선이 조사되는 영역을 통과하는 물에 조사되는 자외선의 조사량이 1.4 ~ 184 mJ/cm2 인 물 살균 방법이다.
본 발명은 255nm 내지 285nm 에서 피크파장을 가지는 자외선을 유동하는 물에 조사하되, 자외선이 조사되는 영역을 통과하는 물의 평균 이동 속도를 1.7 ~ 12.6 cm/sec 로 하고, 자외선이 조사되는 영역을 통과하는 물에 조사되는 자외선의 조사량이 1.4 ~ 184 mJ/cm2 인 물 살균 방법이다.
Description
본 발명은 물 살균 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 흐르는 물에 자외선을 조사하여 물을 살균하는 방법에 관한 것이다.
1910년, 수돗물을 염소가스로 소독하여 공급하기 시작하면서 콜레라 등 수인성 세균의 확산에 대한 공포는 크게 사라지게 되었고, 염소를 사용하는 방법은 이후 가장 광범위하게 사용하는 수돗물 소독방법이 되었다. 그러나, 1970년대에 들어 하천수나 호소수 등에 자연적으로 존재하는 유기물(NOM, natural organic matter)과 염소가 반응하여 THM(trihalomethane)등 새로운 발암물질이 생성되는 것이 알려지게 되었다. 또한, 1980년대 이후에는 상수원수에 존재하는 미생물 중에서 Cryptosporidium이나 Giardia와 같은 원생동물이 인체에 유입되어 중대한 질병을 일으키는 사례가 증가되고 있다. 그렇지만, 이들 미생물이 염소 소독에는 저항성이 강하여 C. parvum의 경우 1,000 mg/L의 염소 농도에서도 24시간을 견디는 것으로 보고되고 있다. 이와 같은 염소 소독의 부작용 및 한계를 극복할 만한 다양한 소독 방법이 시도되고 있는데, 그 중 하나의 대안으로서 자외선 소독은 상당한 장점을 가지고 있다. 국내에서도 이미 염소 소독에서 나타나는 여러 가지 부산물들에 대한 연구가 진행되어 왔고, 최근 들어서는 우리나라도 이러한 원생동물이 상수도 순환시스템에 들어올 가능성을 배제할 수 없으므로 대책을 마련하여야 한다는 주장이 힘을 얻고 있다. 자외선(Ultraviolet light, UV)은 상수처리에서 Cryptosporidium이나 Giardia 혹은 다른 병원성 미생물을 살균하는데 일반 화학적 살균 방법보다 더 효과적인 것으로 알려져 있으며, 유럽이나 북미를 중심으로 급속히 확대 설치되고 있는 기술이다.
자외선은 10 ~ 400 nm의 파장대를 가진 모든 전자기적 방사에너지를 말한다. 파장대 별로 구분하여 315 ~ 400 nm 장파장대의 UVA, 280 ~ 315 nm의 UVB 그리고 그 보다 파장이 짧은 200 ~ 280 nm의 UVC로 나뉘는데, UVC 영역의 자외선이 특히 미생물의 살균에 효과적이므로 상수나 하수, 기타 살균 목적으로 사용하는 자외선은 UVC 영역이다. 이 보다 파장이 짧은 10 ~ 200 nm의 자외선을 “진공자외선”이라고 부르는데 대부분 공기에 의해 흡수 되어 버리기 때문이다. 자외선 램프의 종류에 따라 저압램프(Low pressure), 저압고출력램프(Low pressure high output)와 중압램프(medium pressure)로 나눈다. 저압램프는 출력이 보통 40 ~ 100W 정도이고, 253 nm 내외의 한 파장이 발생하는 것이며, 중압램프는 출력이 1 ~ 5 kW 정도로서, 전 자외선 영역에 걸쳐 다양한 파장의 자외선이 모두 발생하는 것이다. 저압램프는 매우 소규모 시스템에 적합하며, 대부분의 도시 수처리 시스템에서는 저압고출력램프나 중압램프를 사용한다.
모든 생물체의 대사와 복제는 핵산(Nuclein acid)이 담당한다. 핵산의 중요한 두가지 형태는 DNA(deoxyribonucleic acid)와 RNA(ribonucleic acid)이다. DNA와 RNA는 뉴클리오타이드 배열이 단일 혹은 이중구조로 형성되어 있다. DNA에서 뉴클리오타이드는 퓨린(아데닌과 구아닌) 또는 피리미딘(티민과 시토신)으로 구성된다. RNA는 퓨린은 DNA와 같고, 피리미딘은 우라실과 시토신으로 구성된다. 뉴클리오타이드는 자외선의 200 ~ 300 nm 파장을 흡수한다. DNA나 RNA가 자외선을 흡수하는 정도는 뉴클리오타이드의 구성에 따라 차이가 나는데 대략 260 nm에서 최대 흡수율을 보인다.
퓨린과 피리미딘 모두 자외선을 강하게 흡수하지만 UV에 의한 손상은 피리미딘이 더 크다. 흡수된 UV는 핵산의 피리미딘에 6 종류의 손상을 입힌다고 하는데, 그 중에서도 피리미딘 2중 결합(pyrimidine dimers)에 따른 손상이 미생물의 불활성화에 직접적인 영향을 미친다.
피리미딘 2중 결합은 DNA나 RNA 배열 구조에서 인접한 피리미딘들 사이에 공유결합이 존재할 때 자외선에 의해 피리미딘 2중 결합이 만들어진다. 피리미딘 2중 결합에 의한 손상은 다른 손상 예를 들면, 나선 구조의 파괴, DNA와 DNA의 교차, 단백질과 DNA의 교차에 의한 손상보다 1000배나 더 흔히 나타나는 손상으로 알려져 있다.
피리미딘 2중 결합이나 다른 형태의 핵산 손상으로 인해 미생물은 복제가 불가능하고, 인체에 유입된다 하더라도 발병하지 못하게 된다. 그렇다고 미생물의 대사작용까지 불가능하게 하지는 못한다. 다른 화학적 살균과 같이 세포 파괴나 산화를 통해 미생물을 사멸시키기 위해서는 핵산의 손상에 필요한 조사량의 수십 수백배 많은 조사량이 필요하다. 미생물은 생물학적 회복(microbial repair)이나 광 회복(photorepair), 암실 회복(dark repair) 등의 기능이 있어 일차 손상이 있더라도 회복하는 기능이 있다.
미생물의 종류에 따라 자외선에 대한 내성도 서로 다르다. 바이러스와 박테리오파아지의 자외선에 대한 민감도는 100배 이상 차이가 나며, 박테리아 안에서도 포자형성균이나 그람양성균은 그람음성균보다 자외선에 대한 저항성이 더 크다. 수도의 병원균 관점에서 보면 자외선 살균에 대해서 바이러스가 가장 저항성이 크고, Bacteria, Cryptosporidium, Giardia순이다.
하지만 도시 수처리 시스템에서 자외선 살균을 하고, 집에서 정수기를 쓴다고 하더라도 상수로에서 세균이나 바이러스가 혼입되거나 정수기 필터가 세균이나 바이러스에 의해 오염되면 사람이 마시는 물에 이들이 혼입되는 문제가 발생한다. 또한 정수기 필터를 거친 후 물이 저장되는 수조도 세균이나 바이러스로부터 자유로울 수는 없다. 특히 수도꼭지(노즐)가 오염되어 세균이 역류할 가능성도 배제할 수 없다.
위와 같은 우려들은 사람이 물을 받아 먹기 직전의 배관에서 살균을 하면 대부분 해결될 수 있다. 하지만 빠르게 흐르는 물에 자외선이 잠시 스치는 것만으로는 살균 효율에 한계가 있다.
자외선 강도에 대해서는 다음과 같은 인자들이 사용되고 있다.
1. 자외선 출력(UV Output)
램프에서 물로 전달되는 동력(파장 200 ~ 300 nm 영역)으로 램프당 와트(W)로 표시한다. 램프에서 나오는 동력은 수정이나 물을 통과하면서 감소하게 되며, 램프의 출력 역시 램프의 수명, 수온, 램프의 fouling 등에 따라 감소하게 된다.
2. 자외선 강도(UV Irradiance)
자외선 에너지가 단위 면적당 입사하는 자외선 에너지를 말하며, 단위면적당 자외선 동력으로 표시한다. 즉, 단위 cm2당 마이크로와트(μW/cm2) 또는 단위 cm2당 밀리와트(mW/cm2) 등이다.
3. 자외선 조사량(UV Dose)
자외선의 살균력은 자외선의 강도와 접촉시간의 곱으로 정의되는 자외선 주입율(UV dose)에 비례하는데, 화학적 처리에서 농도와 접촉시간의 곱으로 정의되는 주입율(dose)과 같은 의미로 사용된다. 주입된 에너지는 자외선 강도와 실제 노출시간의 곱으로 정량화할 수 있다.
조사율(mWsec / cm2) = UV강도(mW / cm2) × Time(sec)
조사율(mJ / cm2) = UV강도(mW / cm2) × Time(sec)
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 흐르는 물에 대해서도 자외선을 사용하여 물을 살균할 수 있도록 하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 물 살균 효율이 가장 높은 자외선 파장과 함께, 탁월한 살균율을 가지는 물의 이동 속도와 자외선 조사량으로 물을 살균하는 방법을 제공한다.
상기 방법은, 255nm 내지 285nm 에서 피크파장을 가지는 자외선을 유동하는 물에 조사하되, 자외선이 조사되는 영역을 통과하는 물의 평균 이동 속도를 1.7 ~ 12.6 cm/sec 로 하고, 자외선이 조사되는 영역을 통과하는 물에 조사되는 자외선의 조사량이 1.4 ~ 184 mJ/cm2 인 물 살균 방법이다.
상기 자외선의 피크파장은 260nm 내지 280nm 의 범위에 있을 수 있다. 자외선이 조사되는 영역을 통과하는 물에 조사되는 자외선의 조사량이 1.4 ~ 132 mJ/cm2 이다.
상기 자외선의 피크파장은 265nm 내지 275nm 의 범위에 있을 수 있다. 자외선이 조사되는 영역을 통과하는 물에 조사되는 자외선의 조사량이 1.4 ~ 100 mJ/cm2 이다.
또한 본 발명은, 물이 유동하는 배관(10); 및 상기 배관(10)의 소정 구간에 255nm 내지 285nm 에서 피크파장을 가지는 자외선을 조사하는 UV LED(20);를 포함하는 물 살균 장치로서, 상기 배관의 단면적은 상기 소정 구간 내를 통과하는 물의 평균 이동 속도가 1.7 ~ 12.6 cm/sec 가 되도록 설정되고, 상기 소정 구간을 통과하는 동안 물이 받는 자외선의 조사량이 1.4 ~ 184 mJ/cm2 인 물 살균 장치를 제공한다.
상기 자외선의 피크파장은 260nm 내지 280nm 의 범위에 있을 수 있다. 상기 소정 구간을 통과하는 동안 물이 받는 자외선의 조사량이 1.4 ~ 132 mJ/cm2 이다.
상기 자외선의 피크파장은 265nm 내지 275nm 의 범위에 있을 수 있다. 상기 소정 구간을 통과하는 동안 물이 받는 자외선의 조사량이 1.4 ~ 100 mJ/cm2 이다.
본 발명에 의하면, 흐르는 물에 대해서도 자외선으로 효과적인 살균을 할 수 있다.
상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 사항을 설명하면서 함께 기술한다.
도 1은 E. coli O157:H7 (ATCC 43894)을 물에 혼합하고 파장별로 자외선을 조사한 후 자외선 조사량과 살균율의 관계를 나타낸 그래프.
도 2는 B. subtilis spore (ATCC 6633)을 물에 혼합하고 파장별로 자외선을 조사한 후 자외선 조사량과 살균율의 관계를 나타낸 그래프.
도 3은 B. MS2 phage (ATCC 15597-B1)을 물에 혼합하고 파장별로 자외선을 조사한 후 자외선 조사량과 살균율의 관계를 나타낸 그래프.
도 4는 275nm의 UV LED를 12개 사용하였을 때, 275nm의 UV LED를 60개 사용하였을 때, 카본 블록과 함께 275nm의 UV LED를 12개 사용하였을 때, 카본 블록과 함께 275nm의 UV LED를 60개 사용하였을 때, 물의 체적유량(volume flow rate)에 따른 E. coli O157:H7 (ATCC 43894)의 살균율의 추이를 나타낸 그래프.
도 5는 275nm의 UV LED를 2개 용하였을 때, 275nm의 UV LED를 4개 사용하였을 때 물의 체적유량(volume flow rate)에 따른 E. coli O157:H7 (ATCC 43894)의 살균율의 추이를 나타낸 그래프.
도 6은 배관을 지나는 물에 자외선이 조사되는 상태를 나타낸 단면도.
도 2는 B. subtilis spore (ATCC 6633)을 물에 혼합하고 파장별로 자외선을 조사한 후 자외선 조사량과 살균율의 관계를 나타낸 그래프.
도 3은 B. MS2 phage (ATCC 15597-B1)을 물에 혼합하고 파장별로 자외선을 조사한 후 자외선 조사량과 살균율의 관계를 나타낸 그래프.
도 4는 275nm의 UV LED를 12개 사용하였을 때, 275nm의 UV LED를 60개 사용하였을 때, 카본 블록과 함께 275nm의 UV LED를 12개 사용하였을 때, 카본 블록과 함께 275nm의 UV LED를 60개 사용하였을 때, 물의 체적유량(volume flow rate)에 따른 E. coli O157:H7 (ATCC 43894)의 살균율의 추이를 나타낸 그래프.
도 5는 275nm의 UV LED를 2개 용하였을 때, 275nm의 UV LED를 4개 사용하였을 때 물의 체적유량(volume flow rate)에 따른 E. coli O157:H7 (ATCC 43894)의 살균율의 추이를 나타낸 그래프.
도 6은 배관을 지나는 물에 자외선이 조사되는 상태를 나타낸 단면도.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다.
본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다.
자외선에 살균력에 미치는 요소는 자외선 강도, 자외선 흡수율, 수온, pH 등이 있다. 이들 중 자외선 흡수율, pH는 수질에 의해 결정되는 것이고, 수온은 계절이나 환경에 따른 취수 형태에 따라 얼마든지 달라질 수 있으므로, 본 발명에서 인위적으로 한정할 부분은 아니다.
앞서 종래기술에서 설명하였던 자외선 강도에 대해서는 다음과 같은 인자들을 확인할 필요가 있다.
먼저 자외선 출력(UV Output)은 광원에서 물로 전달되는 동력이다. 이는 광원의 관점에서 의미 있는 치수이며 살균율과 직접적인 관계를 가지지는 않는다. 따라서 이 수치를 기준으로 살균 방법을 설계하기에는 무리가 있다.
자외선 강도(UV Irradiance)는 자외선 에너지가 단위 면적당 입사하는 자외선 에너지를 말하므로 살균 능력과 직접적인 관련이 있다. 하지만 자외선 강도 하나만으로는 살균율을 직접적으로 표현할 수 없다. 즉 어떠한 자외선 강도를 가진 자외선을 얼마의 시간 동안 조사하는가가 살균율과 직접적으로 연관되고, 이것이 자외선 조사량(UV Dose)이다.
일반적으로 260nm의 자외선이 살균력이 가장 뛰어난 파장으로 알려져 있다. 하지만 실제 실험 결과 물에 혼입되어 있는 세균을 살균하는데 있어서 가장 살균력이 높은 파장은 270nm인 것으로 확인되었다.
도 1은 E. coli O157:H7 (ATCC 43894)을 물에 혼합하고 파장별로 자외선을 조사한 후 자외선 조사량과 살균율의 관계를 나타낸 그래프이다. 물에 혼입된 세균의 초기 농도는 1.9~3.0×105 cfu/mL이다. 자외선의 파장을 제외한 나머지 실험 조건은 동일하다.
실험 결과 270nm의 자외선을 1.4 mJ/cm2만큼 조사하였을 때 99%의 살균율을 보였으며, 이는 다른 파장의 자외선보다 매우 탁월한 수치이다.
도 2는 B. subtilis spore (ATCC 6633)을 물에 혼합하고 파장별로 자외선을 조사한 후 자외선 조사량과 살균율의 관계를 나타낸 그래프이다.
역시 실험 결과 270nm의 자외선을 22 mJ/cm2만큼 조사하였을 때 99%의 살균율을 보였으며, 이는 다른 파장의 자외선보다 매우 탁월한 수치이다.
도 3은 B. MS2 phage (ATCC 15597-B1)을 물에 혼합하고 파장별로 자외선을 조사한 후 자외선 조사량과 살균율의 관계를 나타낸 그래프이다.
역시 실험 결과 270nm의 자외선을 42 mJ/cm2만큼 조사하였을 때 99%의 살균율을 보였으며, 이는 다른 파장의 자외선보다 매우 탁월한 수치이다.
실험 결과에 대해서는 다양한 분석이 나왔다. 이들 중 하나는 매질이 공기인 경우와 물인 경우 살균율이 변화할 수 있다는 점이고, 다른 하나는 표면 살균이 아니라 매질이 채워진 입체 공간에 분포된 세균에 대한 살균이라는 점이다. 또 하나는 물에 혼입되는 세균이나 바이러스의 경우, 일반적인 DNA 또는 RNA가 270nm에 더 민감할 수 있다는 점이다.
결과적으로 실험 결과 270nm를 기준으로 + - 방향으로 파장이 멀어질수록 살균효율이 떨어지는 점을 확인하였다.
다음으로 동일한 자외선 살균 환경에서 물의 유량에 따라 살균율이 어떠한 추이로 변화되는지를 확인하였다.
도 4는 275nm의 UV LED를 12개 사용하였을 때(LEDs-DW12 w/o CB), 275nm의 UV LED를 60개 사용하였을 때(LEDs-DW60 w/o CB), 카본 블록과 함께 275nm의 UV LED를 12개 사용하였을 때(LEDs-DW12 w/CB), 카본 블록과 함께 275nm의 UV LED를 60개 사용하였을 때(LEDs-DW60 w/CB), 물의 체적유량(volume flow rate)에 따른 E. coli O157:H7 (ATCC 43894)의 살균율의 추이를 나타낸 그래프이다.
E. coli의 초기농도는 105 CFU/mL 이며, 물은 직경 25mm의 도관을 통과하였으며, UV LED의 중심 조사 방향은 물의 진행방향에 수직한 방향이었다.
도 4에서 중점적으로 살펴볼 사항은 살균율과 체적유량의 관계이다. 즉 살균율은 자외선 파장이나 조사량에 따라 도 1 내지 도 3과 같이 파장별로 차이를 보이나, 결국 이는 세균의 RNA나 DNA의 파장별 자외선 흡수율과 연관되는 것이기 때문이다. 가령 99%의 살균이 되었다는 것은 세균들의 99%가 그 RNA나 DNA에서 자외선을 흡수했다는 것이고, 세균들의 99%가 그 RNA나 DNA에서 자외선을 흡수하는 조건은 가령 도 1의 경우 270nm의 자외선을 1.4mJ/cm2 조사하거나 280nm의 자외선을 2.3mJ/cm2 조사하는 것이다. 거꾸로 말하면 270nm의 자외선을 1.4mJ/cm2 조사한 경우 세균들의 99%가 그 RNA나 DNA에서 자외선을 흡수하게 된다는 것이고, 280nm의 자외선을 2.3mJ/cm2 조사한 경우 세균들의 99%가 그 RNA나 DNA에서 자외선을 흡수하게 된다는 것이다.
따라서 도 4의 그래프에서 눈 여겨 보아야 할 것은 동일한 자외선 조사 환경에서 변화하는 체적유량과 살균율의 추이라 할 것이다.
동일한 자외선 조사 조건에 대해서 체적유량이 빠를수록 살균율은 낮아질 것이 예상되는 것이 일반적이다. 하지만 실험 결과 이러한 예상은 99% 이하의 살균율을 보이는 2 log 이하의 살균율 범위에서는 성립하지만, 99% 이상의 살균율을 보이는 2 log 이상의 범위에서 예외적인 구간이 존재하였다. 즉 도시된 바와 같이 체적유량(volume flow rate)이 0.5 L/min 을 넘는 구간에서, 오히려 체적유량이 높아질수록 살균율도 높아지는 구간이 존재함을 확인할 수 있었다. 그리고 이러한 살균율 상승은 도시된 바와 같이 2log ~ 4 log 범위 내(즉 99 ~ 99.99 %) 범위 내에서 존재한다.
이러한 현상의 원인은, 물 입자들의 소정 속도 구간의 유동은 세균을 적절한 속도로 이동시키며 혼합하여 세균의 DNA나 RNA가 자외선을 더 잘 흡수할 수 있는 환경이 조성되는 것이기 때문이라 추정된다.
이러한 원인에 따르면, 체적유량(volume flow rate)보다는 물 분자의 이동속도로서 그 구간을 특정해야 한다. 도 4의 실험에서 25mm 직경의 관에 물을 흘린 점을 감안하면, 체적유량(volume flow rate)이 0.5 L/min 인 것은 물 입자들이 층류(laminar flow)로 동일한 속도로 이동한다고 가정하였을 때 평균 1.7cm/sec (500/ 1.252π/60)로 이동하는 것에 해당한다.
이러한 살균율 상승 구간의 추이는 대략 2.0L/min의 체적유량까지 이어지는데, 도 4의 실험에서는 그 추이가 이어지는 체적유량의 상한선까지 실험하지 못하였다. 이에 대한 보완 실험 결과는 도 5에 도시하였다.
도 5는 275nm의 UV LED를 2개 용하였을 때, 275nm의 UV LED를 4개 사용하였을 때 물의 체적유량(volume flow rate)에 따른 E. coli O157:H7 (ATCC 43894)의 살균율의 추이를 나타낸 그래프이다.
E. coli의 초기농도는 3×103 ~ 4×104 CFU/mL 이며, 물은 직경 19mm의 도관을 통과하였으며, UV LED의 중심 조사 방향은 물의 진행방향에 평행한 방향이었다.
도 5에 따르면 이렇게 체적유량이 대략 2.14 L/min이 될 때까지 앞서 설명한 살균율 상승 구간의 추이가 계속되었다. 즉 이를 물의 평균 이동 속도로 환산하면 12.6cm/sec (2140/0.952π/60)이다.
즉 도 4와 도 5의 실험 결과에 따르면, 살균율이 99% 이상이 되는 자외선 조사 환경에서 물 분자의 이동 속도가 1.7 ~ 12.6 cm/sec 인 경우, 통상적인 이동 속도보다 높은 살균 효율을 가지게 됨을 확인하였다.
도 4와 도 5에서는 E.coli 를 대상으로 살균율의 상승을 실험한 것이지만, 위와 같은 원인(물 입자들의 소정 속도의 유동은 세균을 적절한 속도로 이동시키며 혼합하여 세균의 DNA나 RNA가 자외선을 더 잘 흡수할 수 있는 환경이 조성되는 것)은 세균의 종류에 관계 없다고 할 수 있다. 즉 도 3을 예를 들면, 정체된 물에서 MS2 phage 들의 99%가 그 RNA나 DNA에서 자외선을 흡수하여 살균되는 조건은, 270nm의 자외선이 42 mJ/cm2 만큼 조사될 때이다. 따라서 물이 1.7 ~ 12.6 cm/sec 의 속도로 흐르는 동안 270nm의 자외선이 42 mJ/cm2 만큼 조사된다면, 해당 속도로 흐르던 물 속의 MS2 phage는 정체된 물에 있을 때보다 더 높은 비율로 살균된다.
한편 이러한 자외선 살균 장치는 물을 마시는 사람이 물을 받게 되는 정수기의 물 배출 노즐 직전에 설치되는 것이 바람직한데, 정수기마다 한 컵의 물을 받는 시간은 모두 차이가 있다. 이 때 한 컵의 물을 받는 시간은 물의 체적유량(volume flow rate)에 관계가 있다. 가령 200mL의 컵에 물을 채우는데 5초가 걸렸다면, 이 정수기의 체적유량은 2.4mL/min 이다. 따라서 이러한 정수기에서 자외선이 조사되는 구간의 물의 평균 이동 속도를 1.7 ~ 12.6 cm/sec 내에 두기 위해서는 자외선이 조사되는 구간에서 배관의 직경을 2 ~ 5.5 cm로 하면 된다.
이렇게 자외선이 조사되는 구간에서 흐르는 물의 평균 이동속도가 1.7 ~ 12.6 cm/sec 가 되도록 배관의 직경을 설계한 후에는, 이 구간에서 흐르는 물이 유동하는 동안 받는 자외선 조사량이 도 1 내지 도 3에서 살균율 2 log, 즉 99% 이상이 되게 하면 된다.
가령 도 6에서 배관(10) 내부로 자외선을 조사하는 UV LED(20)들이 설치된 구간에서 물(30)이 흘러갈 때 걸리는 시간이 t (sec) 이고, UV LED의 피크파장이 275 nm 이면, 물이 흐르는 부분(A)에서 측정된 자외선 강도(UV Irradiance)가 a (mW/cm2) 라 할 때, 도 1에서 a × t (mJ/cm2) = 2 가 되도록 하는 a 만큼 물이 흐르는 부분(A)에 자외선 강도가 형성되도록 UV LED를 구성하면, 실제 물이 흐를 때 도 4와 도 5의 구간(체적유량 0.5 ~ 2.14 L/min)에 해당하여 E.coli에 대한 살균율은 2 log 보다 더 높게 된다.
즉 이러한 조건에 맞춘 살균 장치는, 기타 살균 장치에 비해 보다 적은 자외선 광량으로도 훨씬 높은 살균 효율을 갖게 된다.
따라서 자외선이 조사되는 영역을 통과하는 물의 평균 이동 속도가 1.7 ~ 12.6 cm/sec 이고, 이러한 구간을 물이 지나가는 동안 받는 자외선 조사량이, 도 1(자외선에 대한 저항이 가장 약한 균의 경우)과 같이 파장에 따라 정체된 물에서 99%의 살균율을 가지는 조사량 이상이 되도록 하면(최소한 도 1과 같이 RNA나 DNA가 자외선을 흡수하는 정도가 가장 높은 세균을 기준으로 하여 2 log 이상의 살균율을 가지도록 자외선이 조사되도록 하면), 최소한 해당 세균에 대해서는 살균 효율이 훨씬 높게 된다.
다음으로 자외선이 조사되는 영역을 통과하는 물의 평균 이동 속도가 1.7 ~ 12.6 cm/sec 이라 하더라도, 이러한 구간을 물이 지나가는 동안 받는 자외선 조사량이, 도 3(자외선에 대한 저항이 가장 센 균의 경우)과 같이 파장에 따라 정체된 물에서 99.99%의 살균율을 가지는 조사량 이상이 되도록 하면(도 3과 같이 RNA나 DNA가 자외선을 흡수하는 정도가 가장 낮은 균을 기준으로 하여 4 log 이상의 살균율을 가지도록 자외선이 조사되도록 하면), 어떠한 세균에 대해서도 더 이상의 살균 효율의 상승은 기대할 수 없다.
따라서 255nm 내지 285nm 에서 피크파장을 가지는 UV LED를 사용할 때에는 가장 자외선에 약한 세균(도 1)이 99% 살균되는 조사량인 1.4 mJ/cm2 (@270nm) 이상의 자외선을 조사하고, 가장 자외선에 센 세균(도 3)이 99.99% 살균되는 조사량인 184 mJ/cm2 (@285nm) 이하의 자외선을 조사해야 적어도 어느 하나의 세균에 대한 살균율의 상승 효과를 얻을 수 있다.
다음으로 260nm 내지 280nm 에서 피크파장을 가지는 UV LED를 사용할 때에는 가장 자외선에 약한 세균(도 1)이 99% 살균되는 조사량인 1.4 mJ/cm2 (@270nm) 이상의 자외선을 조사하고, 가장 자외선에 센 세균(도 3)이 99.99% 살균되는 조사량인 132 mJ/cm2 (@280nm) 이하의 자외선을 조사해야 적어도 어느 하나의 세균에 대한 살균율의 상승 효과를 얻을 수 있다.
다음으로 265nm 내지 275nm 에서 피크파장을 가지는 UV LED를 사용할 때에는 가장 자외선에 약한 세균(도 1)이 99% 살균되는 조사량인 1.4 mJ/cm2 (@270nm) 이상의 자외선을 조사하고, 가장 자외선에 센 세균(도 3)이 99.99% 살균되는 조사량인 100 mJ/cm2 (@275nm) 이하의 자외선을 조사해야 적어도 어느 하나의 세균에 대한 살균율의 상승 효과를 얻을 수 있다.
마지막으로 270nm의 피크파장을 가지는 UV LED를 사용할 때에는 가장 자외선에 약한 세균(도 1)이 99% 살균되는 조사량인 1.4 mJ/cm2 (@270nm) 이상의 자외선을 조사하고, 가장 자외선에 센 세균(도 3)이 99.99% 살균되는 조사량인 83 mJ/cm2 (@270nm) 이하의 자외선을 조사해야 적어도 어느 하나의 세균에 대한 살균율의 상승 효과를 얻을 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 대해서 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 당업자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 자명하다. 아울러 앞서 본 발명의 실시예를 설명하면서 본 발명의 구성에 따른 작용 효과를 명시적으로 기재하여 설명하지 않았을 지라도, 해당 구성에 의해 예측 가능한 효과 또한 인정되어야 함은 당연하다.
10: 배관
20: UV LED
30: 물
20: UV LED
30: 물
Claims (10)
- 255nm 내지 285nm 에서 피크파장을 가지는 자외선을 유동하는 물에 조사하되,
자외선이 조사되는 영역을 통과하는 물의 평균 이동 속도를 1.7 ~ 12.6 cm/sec 로 하고,
자외선이 조사되는 영역을 통과하는 물에 조사되는 자외선의 조사량이 1.4 ~ 184 mJ/cm2 인 물 살균 방법.
- 청구항 1에 있어서,
상기 자외선의 피크파장은 260nm 내지 280nm 의 범위에 있는 물 살균 방법.
- 청구항 2에 있어서,
자외선이 조사되는 영역을 통과하는 물에 조사되는 자외선의 조사량이 1.4 ~ 132 mJ/cm2 인 물 살균 방법.
- 청구항 1에 있어서,
상기 자외선의 피크파장은 265nm 내지 275nm 의 범위에 있는 물 살균 방법.
- 청구항 4에 있어서,
자외선이 조사되는 영역을 통과하는 물에 조사되는 자외선의 조사량이 1.4 ~ 100 mJ/cm2 인 물 살균 방법.
- 물이 유동하는 배관(10); 및
상기 배관(10)의 소정 구간에 255nm 내지 285nm 에서 피크파장을 가지는 자외선을 조사하는 UV LED(20);를 포함하는 물 살균 장치로서,
상기 배관의 단면적은 상기 소정 구간 내를 통과하는 물의 평균 이동 속도가 1.7 ~ 12.6 cm/sec 가 되도록 설정되고,
상기 소정 구간을 통과하는 동안 물이 받는 자외선의 조사량이 1.4 ~ 184 mJ/cm2 인 물 살균 장치.
- 청구항 6에 있어서,
상기 자외선의 피크파장은 260nm 내지 280nm 의 범위에 있는 물 살균 장치.
- 청구항 7에 있어서,
상기 소정 구간을 통과하는 동안 물이 받는 자외선의 조사량이 1.4 ~ 132 mJ/cm2 인 물 살균 장치.
- 청구항 6에 있어서,
상기 자외선의 피크파장은 265nm 내지 275nm 의 범위에 있는 물 살균 장치.
- 청구항 9에 있어서,
상기 소정 구간을 통과하는 동안 물이 받는 자외선의 조사량이 1.4 ~ 100 mJ/cm2 인 물 살균 장치.
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| KR102381503B1 (ko) | 2021-10-01 | 2022-04-01 | 주식회사 에이텍코리아 | 흐르는 물을 살균하는 uvc led 리액터 |
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