KR20170097063A - 플라즈마 활성화된 물 - Google Patents

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윌헬무스 프레데릭 로렌스 마리아 회벤
피터 폴로 반 오이즈
파울루스 헨드리쿠스 마리아 린더스
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테크니쉐 유니버시테이트 아인트호벤
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Abstract

반응 챔버를 포함하는 열 및 비-열 플라즈마 활성화된 물 리액터 시스템이 제공되는데, 여기서 이 반응 챔버는 가스 유입구, 물 유입구, 가스 및 물 배출구, 접지 전극 및 반응 전극들을 포함하고, 물 유입구 및 물 배출구는 물이 반응 챔버를 통과하여 흐를 때 반응 챔버에 물 와류(water vortex)를 형성하도록 배치되고, 반응 전극들은 열 플라즈마 전극 및 비-열 플라즈마 전극, 및 반응 챔버로부터 플라즈마 활성화된 물을 수용하도록 배치되고 플라즈마 활성화된 물을 반응 챔버에 리턴하도록 배치된 플라즈마 활성화된 물 리저보어를 포함한다.

Description

플라즈마 활성화된 물{PLASMA ACTIVATED WATER}
본 발명은 일반적으로 플라즈마 활성화된 물(plasma activated water)에 관한 것이다. 더욱 구체적으로, 본 발명은 플라즈마 활성화된 물을 생성하기 위한 열 또는 비-열 플라즈마의 방법 및 시스템에 관한 것이다.
물은, 물과 접촉하는 플라즈마를 가함으로써, 예를 들어, 물(물 속의 물방울들) 안에, 또는 수면(water surface)을 따라 플라즈마를 생성함으로써, “활성화”될 수 있다. PAW(plasma activated water)는 통상적으로 과산화수소, 질산염들, 아질산염들을 포함하는데, 여기서 과산화질산염(peroxynitrite)이 산성 환경에서의 아질산염 및 과산화수소와의 반응으로 인해 형성되고, 활성화 이후에 대략 15분의 기간동안 오직 PAW에만 존재한다. 게다가, PAW는 통상적으로 0 내지 7의 범위의 pH를 갖는다. PAW 및 낮은 pH의 성분들은 박테리아, 바이오필름들, 효모들 및 기타 미생물들에 대한 상승적인 항균 효과(synergistic antimicrobial effect)들이 입증되었다. PAW는 천연 비료로 사용될 수 있으며, 이는 종자 발아(seed germination)를 촉진하고 식물 성장을 자극한다.
현재의 PAW 생산 방법들은 비-열(또는 냉각) 플라즈마 또는 열 플라즈마를 채용한다. 이 둘을 조합하는 것은 몇몇 이점들을 갖지만, 지금까지는 전혀 실현된 적이 없다. 비-열 플라즈마는 본질적으로 반응성 산소 종(ROS; reactive oxygen species) 및 반응성 질소 종(RNS; reactive nitrogen species)을 기체 상(gas phase)으로 생산하여 물 속에 그 생성물들의 형성을 초래한다.
특히, ROS(즉, 과산화수소)의 생성은 비-열 플라즈마에 효과적이다. 도 1은 열 플라즈마 및 비-열 플라즈마 모두에 대한 과산화물, 아질산염, 및 질산염에 대한 통상적인 pH 및 농도들의 종래 기술 그래프를 도시한다.
물 속의 RNS의 생성을 위해, 열 플라즈마는 과산화물의 적은 생성과 함께 더 높은 농도들을 산출하는 이러한 플라즈마의 상대적 고온으로 인해 더욱 효율적인데, 여기서 고온은 과산화물을 분해하고, 과산화 질산염은 아질산염의 이성체(isomer)이며 매우 불안정하여, 이 성분은 항상 빠르게 분해될 것이다.
활성화의 결과로서 질산염의 생산은, 매우 에너지 효율적인 것으로 나타나고, 높은 에너지를 소모하는 하버-보쉬(Haber-Bosch) 프로세스에 의해 현재 생산되는 비료들의 질소 성분들의 생산을 위한 에너지 효율적인 대안으로서 사용될 수 있다. 활성화 프로세스는 또한 과산화물의 생산에 효율적인 것으로 나타난다.
넓은 범위의 잠재적인 응용들은 PAW의 조성에 대한 우수한 제어를 요구한다. 이는, 현재의 방법들로는 어려우며, 더 높은 생산 수율들 및 더 높은 생산 레이트들이 요구된다.
열 및 비-열 플라즈마를 모두 채용하는 것을 포함하는 PAW 생산 시스템 및 방법이 필요하며, 여기서 2개의 플라즈마 모드들이 개별적으로 또는 동시에 생성될 수 있다.
당업계에서의 필요성을 해결하기 위해, 반응 챔버를 포함하는 열 및 비-열 플라즈마 활성화된 물 리액터 시스템이 제공되는데, 여기서 이 반응 챔버는 가스 유입구, 물 유입구, 가스 및 물 배출구, 접지 전극 및 반응 전극들을 포함하고, 물 유입구 및 물 배출구는 물이 반응 챔버를 통과하여 흐를 때 반응 챔버에 물 와류(water vortex)를 형성하도록 배치되고, 반응 전극들은 열 플라즈마 전극 및 비-열 플라즈마 전극, 및 반응 챔버로부터 플라즈마 활성화된 물을 수용하도록 배치되고 플라즈마 활성화된 물을 반응 챔버에 리턴하도록 배치된 플라즈마 활성화된 물 리저보어를 포함한다.
본 발명의 일 양상에 따르면, 물 리저보어는 반응 챔버 물 유입구에 물 리저보어를 연결하는 물 도관을 포함하고, 여기서 물 도관은 물 리저보어로부터 반응 챔버로 물을 이동시키도록 배치된 물 펌프를 포함한다.
본 발명의 추가적인 양상에서, 물 리저보어는 반응 챔버 물 유입구에 물 리저보어의 헤드스페이스를 연결하는 가스 도관을 포함하고, 여기서 가스 도관은 물 리저보어로부터 반응 챔버로 가스를 이동시키도록 배치된 가스 펌프를 포함한다. 일 양상에서, 가스 도관은 신선한 공기 포트(fresh air port)를 더 포함하고, 여기서 신선한 공기 포트는 신선한 공기를 가스 도관에 입력하도록 배치되고, 신선한 공기는 반응 챔버 가스 유입구에 입력된다.
본 발명의 다른 양상에 따르면, 반응 챔버는 반응 챔버를 물 리저보어에 연결하는 플라즈마 활성화된 물 도관을 포함하며, 여기서 플라즈마 활성화된 물 도관은 반응 챔버로부터 물 리저보어로 이동하는 플라즈마 활성화된 물을 냉각시키도록 배치된 냉각 엘리먼트를 포함한다. 일 양상에서, 플라즈마 활성화된 물 도관은 플라즈마 활성화된 물을 반응 챔버로부터 물 리저보어로 이동시키도록 배치된 플라즈마 활성화된 물 펌프를 포함한다. 추가적인 양상에서, 물 도관은 정적 교반기, 벤처 교반기, 또는 사이클론 교반기를 포함할 수 있다. 추가적인 양상에서, 냉각 엘리먼트는 정적 교반기에 의해 교체된다.
본 발명의 일 양상에 따르면, 비-열 전극 및 열 전극은 독립적으로, 반대로, 또는 동시에 턴 온 및 턴 오프된다.
본 발명의 또 다른 양상에서, 열 플라즈마 전극은 펄싱된 AC 전압, 포지티브 DC 전압 또는 네거티브 DC 전압에 연결된다.
본 발명의 추가적인 양상에 따르면, 비-열 전극은 펄싱된 RF 전압, AC-RF 전압, 또는 DC 전압에 연결되며, 여기서 DC 전압은 오믹 직렬 임피던스 엘리먼트를 포함한다.
본 발명의 다른 양상에서, 반응 챔버는 비-열 부분으로부터 분리된 열 부분을 포함하는데, 여기서 열 부분은 반응 챔버 도관에 의해 비-열 부분에 연결되고, 열 부분은 열 전극을 포함하고, 비-열 부분은 비-열 전극을 포함한다. 일 양상에서, 비-열 전극은 가스 유입구에 커플링되는데, 여기서 가스 유입구는 반응 챔버의 물 유입구에 커플링되고, 상기 물 유입구의 벤투리 힘(venturi force)들에 따라 물 유입구 내부로 가스가 끌어당겨짐에 따라 비-열 전극에 의해 물 유입구 내부의 물이 플라즈마-활성화된다.
본 발명의 다른 양상에 따르면, 열 및 비-열 전극들은 플라즈마 활성화된 물에 반응성 산소 종 및 반응성 질소 종을 생성한다.
본 발명의 추가적인 양상에서, 열 및 비-열 플라즈마 활성화된 물 리액터 시스템은 비료 질소 종 또는 과산화수소 종을 생산하도록 구성된다.
본 발명의 다른 양상에서, 비-열 플라즈마 전극은 복수의 비-열 전극들을 포함하고, 여기서 에너지는 복수의 비-열 전극들 모두에 걸쳐 균일하게 분배된다.
본 발명의 추가적인 양상에 따르면, 접지 전극은 금속성 컨테이너를 포함하고, 반응 챔버는 유리 또는 유전체 챔버를 포함하는데, 여기서 플라즈마 전류는 유리 또는 유전체 반응 챔버의 벽에 의해 전도되며, 플라즈마 전류는 변위 전류, 또는 용량성 전류를 포함한다. 일 양상에서, 금속성 컨테이너는 금속성 포일이다.
도 1은 열 플라즈마 및 비-열 플라즈마 모두에 대한 과산화물, 아질산염 및 질산염에 대한 전형적인 pH 및 농도들의 종래 기술 그래프를 도시한다.
도 2a는, 본 발명의 일 실시예에 따라, 전극(들), 리액터 리드, 가스 유입구, 물 유입구, 가스 및 물 배출구, 접지 전극, 리액터 하우징, 수위(water level)를 갖는 PAW-리액터를 도시한다.
도 2b는, 본 발명의 일 실시예에 따라, 유리 리액터 하우징을 지지하는 금속성 컨테이너인 접지 전극을 갖는 PAW-리액터를 도시한다.
도 3a 내지 도 3g는, 본 발명의 일 실시예에 따라 PAW의 생산을 위한 폐루프 리액터 시스템을 도시하는데; 도 3a는 공기 및 물 펌프 그리고 신선한 공기 유입구를 모두 갖는 재순환 시스템이고; 도 3b는 물/가스 배출구 및 신선한 공기 유입구 내에 하나의 펌프를 갖는 재순환 시스템이고; 도 3c 및 도 3d는, 도 3a 및 도 3b와 동일하지만 신선한 공기 유입구는 없고, 그리고 도 3e는 물 펌프를 갖는 도 3b와 동일하고(여기서, 리액터들은 비-열 플라즈마를 생성하는 다수의 전극들과 조합된 열 플라즈마를 생성하는 다수의 전극들을 가짐), 도 3f는 공기 펌프가 없이 오직 리액터 안에만 열 전극들을 갖는 도 3c와 동일하고(여기서, 비-열 전극은 리턴 물 포트를 메인 리액터 챔버로 진입시키는 벤투리 포트와 커플링됨), 도 3g는 본 발명의 일 실시예에 따라 냉각 엘리먼트가 정적 교반기로 대체된 도 3c와 동일하다.
도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따라, 비-열 부분으로부터 분리된 열 부분을 갖는 반응 챔버를 도시하는데, 여기서 열 부분은 반응 챔버 도관에 의해 비-열 부분에 연결되고, 열 부분은 열 전극을 포함하고, 비-열 부분은 비-열 전극을 포함한다.
도 5는, 본 발명의 일 실시예에 따라, 절연체를 갖는 전극, 비-열 전극 및 열 전극을 도시한다.
도 6a 내지 도 6d는, 본 발명의 실시예들에 따라, 체적당 NO2 - 및 H2O2 대 플라즈마 에너지의 결과 pH 값들의 그래프들을 도시한다.
본 발명은 열 플라즈마 및 비-열 플라즈마를 모두 채용하는 것을 포함하는 PAW 생산 시스템 및 방법을 제공하며, 여기서 2개의 플라즈마 모드들이 개별적으로 또는 동시에 생성될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 두 플라즈마 모드들의 에너지 및 두 플라즈마 모드들의 온/오프 시간들(이에 따라, 플라즈마 전력)은 독립적으로 제어될 수 있으며, 이는 ROS(reactive oxygen species) 및 RNS(reactive nitrogen species) 생성물들 둘 다, 그리고 PAW의 pH, ORP 및 EC 값들의 농도들에 대한 양호한 제어를 허용한다. 이러한 변수들을 제어하는 것은, 다양한 PAW 성분들의 생산 수율들의 최적화를 허용한다. 이는, PAW의 조성 및 PAW의 튜닝에 대한 완전한 제어를 허용한다.
본 발명은 플라즈마에 의해 생산되는 반응성 종의 최적의 활용을 보장한다. 반응성 종이 매우 잘 활용되어 물에 용해되도록, 플라즈마에 의해 생산되는 반응성 가스와 물의 효율적인 혼합이 제공된다. 본 발명의 일 실시예에서, 가스의 폐쇄 순환과 같은, 조합된 가스/물 배출구 및 제어된 가스 상 재순환은, 반응성 종이 리액터를 통해 가스를 통과시킨 이후에 낭비되지 않도록, 플라즈마 가스의 재-사용을 보장한다. 다른 실시예에서, 물 리저보어를 포함하여 활성화될 물의 양을 버퍼링하는 것이 제공되는데, 여기서 PAW 생산 시스템은 처리될 물의 양으로 스케일링될 수 있다. 본 발명은 하나의 단일 패스에서 물 또는 액체를 활성화시키는 방법을 제공한다. 이러한 후속(follow-through) 양상은, PAW가 사용 시점에서 활성화 이후에 직접 적용될 수 있도록 하나의 단일 패스에서 물을 활성화시키는 방법을 제공하는데, 이는 PAW의 단기 강력한 살균 및 산화 특성들을 활용하기 위한 가능성을 허용한다.
단일 전극 또는 다수의 전극들, 접지 전극, 물 유입구, 가스 유입구, 조합된 물 및 가스 배출구, 및 리액터 하우징을 갖는 폐쇄형 시스템을 포함하는 리액터의 일 예시적인 실시예가 도 2a에 도시된다. 접지 전극은 물 내부의 금속성 핀 전극을 포함할 수 있다. 도 2b에 도시된 일 실시예에서, 접지 전극은 유리 리액터 하우징을 또한 지지하는 금속성 컨테이너이다. 플라즈마 전류는, 유리 벽, 예컨대, 유전체 벽에 의해 변위 전류 또는 용량성 전류로서 전도된다. 일 실시예에서, 금속성 컨테이너는 또한 금속성 포일일 수 있다. 도 2a로 다시 돌아와, 수위를 갖는 리액터를 통해 물이 플러싱된다. 공기는, 수위 이상의 체적의 리액터를 통해 플러싱된다.
리액터 내에서, 2개의 플라즈마 모드들이 물 층 위의 가스 체적으로 생성될 수 있다. 이 두 모드들은 개별적으로 또는 동시에 생성 및 제어될 수 있다. 이 예시적인 실시예에서, 열 플라즈마는 물 위의 미리정해진 거리에 포지셔닝된 핀 전극을 사용하여 생성된다(도 2a). 전극은 펄싱된 AC, 포지티브 DC, 또는 네거티브 DC 고-전압에 연결될 수 있다. 게다가, 비-열 전극은 펄싱된 RF 전압, AC-RF 전압, 또는 DC 전압에 연결될 수 있으며, 여기서 DC 전압은 오믹 직렬 임피던스 엘리먼트를 포함한다. 전압은 열 플라즈마를 점화시키기 위해 충분히 높아야만 하는데, 이는 펄싱되거나, AC 또는 연속 아크이다. 플라즈마를 통해 전류를 제어하기 위해, 플라즈마가 점화되고(그러나, 소멸 전압 미만은 아님) 그리고/또는 직렬 커패시터가 사용될 수 있으면, 인가 전압은 낮아질 수 있다. 플라즈마를 통과하는 전류는 아크의 온도에 영향을 주고 그리고 결과적으로는 ROS 및 RNS의 형성의 레이트에 영향을 준다. 전극들의 최종 부식은, 플라즈마 전류를 감소시킴으로써, 전용 전극 재료를 적용함으로써, 네거티브 DC 고전압을 인가함으로써 또는 펄싱된 전압들을 인가함으로써 감소될 수 있다.
비-열 플라즈마 생성을 위해, 제 2 전극 또는 제 2 세트의 전극들이 적용되고, 여기서 전극은 핀 전극일 수 있거나 또는 전극들의 세트는 핀 전극들, (표면) 유전체 배리어 타입 전극, 또는 코로나 배선 전극들의 어레이일 수 있다. 이러한 전극들은, 비-열 플라즈마를 생성하기에 충분히 높은, 펄싱된 또는 AC-RF 고전압에 연결된다. 또한, DC 고-전압이 인가될 수 있는데, 여기서 비-열 플라즈마를 유지하고 안정화시키기 위해 고-오믹(high-ohmic) 직렬 임피던스가 필요하다.
본 발명의 일 실시예에서, 동일한 전극들이 사용되어 사전-정의된 듀티 사이클들로 열 모드와 비-열 모드 사이에서 전력 서플라이를 스위칭함으로써 열 및 비-열 플라즈마 모두를 생성한다.
다른 실시예에서, 리액터는, 물 리저보어를 포함하는, 도 3a-3g에 도시된 것과 같은 폐쇄형 루프 시스템의 일부이다. 이 루프 시스템 내에서, 물 및 공기 둘 다는 플라즈마 활성화를 제어하기 위해 리액터를 통해 순환된다. 순환은, 도 3a 및 도 3c에 도시된 바와 같이 별도의 공기 및 물 펌프에 의해, 또는 도 3b 및 도 3d에 도시된 바와 같이 가스 및 물 배출구의 단일 펌프에 의해 인에이블되고, 도 3e는 물 펌프를 갖는 도 3b와 동일한데, 여기서 리액터들은 비-열 플라즈마를 생성하는 다수의 전극들과 조합된, 열 플라즈마를 생성하는 다수의 전극들을 갖는다. 후자의 경우, 리액터 루프 내의 압력은 약간 감소될 것이다. 플라즈마 활성화 동안, 공기로부터 모두 생산된 ROS 및 RNS는 부분적으로 물에 용해될 것이고, ROS 및 RNS의 형성이 공기를 소모하기 때문에, 공기가 소모될 것이다. 도 3a 및 도 3b에 도시된 구성들은 주기적인 또는 연속적인 신선한 공기 투여량을 사용하여 제어된 가스 상 재순환(controlled gas phase recycling)을 허용한다. 도 3c 및 도 3d에서와 같은 구성들의 경우, 특정된 PAW 특성들을 실현하기 위해 충분한 공기가 존재하도록, 물/공기 비율은 조정되어야만 한다. 도 3f는 도 3c와 유사한 구성을 도시하는데, 오직 리액터 내에만 열 전극들을 갖고 그리고 공기 펌프는 갖지 않고, 여기서 비-열 전극은 메인 리액터 챔버로 리턴 물 포트로 진입시키는 벤투리 포트와 커플링된다. 도 3g는 도 3c와 유사한 구성을 도시하는데, 냉각 엘리먼트가 정적 교반기로 대체되거나 또는 그와 결합된다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따라, 비-열 부분으로부터 분리된 열 부분을 갖는 반응 챔버를 도시하는데, 여기서 열 부분은 반응 챔버 도관에 의해 비-열 부분에 연결되고, 열 부분은 열 전극을 포함하고, 비-열 부분은 비-열 전극을 포함한다. 도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따라, 절연체를 갖는 전극, 비-열 전극 및 열 전극을 도시한다.
반응성 종이 매우 잘 활용되어 물로 용해되도록 보장하기 위해, 플라즈마에 의해 생산된 반응성 가스와 물의 매우 양호한 혼합은 도 1에 도시된 특징들에 의해 보장되는데, 이 특징들은, 리액터의 물 유입구과 가스 유입구이 중심을 벗어나 배치되는 한편 배출구는 리액터의 중심에서 다소 높거나 또는 다른 경우에는 전형적으로는 낮게 포지셔닝되는 특징을 포함한다. 이는, 공기와 물의 와류 움직임(vortex movement)을 초래하여, 반응성 종의 혼합을 강화시킨다. 조합된 물/가스 배출구를 사용함으로써, 플라즈마 가스는 배출구를 통해 처리된 물과 함께 이동하여 물과 ROS 및 RNS의 접촉을 최대화시킨다. 이 반응에서 공기는 이전 사이클에서 나온 가스 라디칼들을 재-사용하기 위해 재순환된다. 따라서, 플라즈마에 의해 생산된 반응성 가스는 낭비되지 않는다. 처리될 물/액체와 플라즈마의 혼합 사이의 인터페이스를 추가로 최적화하기 위해 반응 챔버 내부에 와류가 생성되는 이러한 방식으로 물과 공기 서플라이의 유입구 및 리액터의 형상이 포지셔닝된다. 리액터의 형상은 원뿔모양일 수 있지만 또한 벤투리 형상 또는 사이클론 형상일 수 있다.
이 방법은, 독립적으로 조정될 수 있고 특정 응용, 원하는 레이트/처리 시간에 대하여, 또는 처리되는 물의 양에 대하여 PAW 프로세스를 최적으로 제어하는데 사용될 수 있는 수많은 파라미터들을 갖는다. 이러한 파라미터들은, 2개의 플라즈마 모드들 각각에 대해 독립적으로 플라즈마 전력 및 플라즈마 온/오프 시간(또는 듀티 사이클)을 조정하는 것, 공기 및 물 모두의 흐름 레이트를 조정하는 것, 리저보어 내의 물의 양을 변화시키는 것, 재순환 루프에서의 공기 리프레시먼트 레이트를 조정하는 것, 리액터 내의 절대 압력을 변화시키는 것, 및 물과 플라즈마 인터페이스를 최적화하는 것을 포함한다.
예시적인 프로토타입은 제작되어 실험실 실험들에 의해 성공적으로 테스트되었다. PAW의 15리터의 제 1 배치는, FloraHolland에 의한 꽃병의 꽃 수명을 연장하는 것에 대한 성공적인 테스트들을 위한 이러한 프로토타입으로 생산되었다. 실험실 셋업에 의해, 이 방법이 사용되어 제어된 특성들을 갖는 PAW를 생산할 수 있음이 입증되었다. EFRO 프로젝트 파트너들에 의한 테스트들은, 생산된 PAW가 보트리티스균에 의한 식물들(거베라(gerbera)/장미(roses))의 감염을 성공적으로 줄이고, 인체 건강에 유해한 박테리아의 최대 5로그 감소를 초래하는 것을 나타낸다.
도 6a 내지 도 6d는, 본 발명에 따라, 체적당 NO2 - 및 H2O2 대 플라즈마 에너지의 결과적인 pH 값들의 그래프들을 도시한다.
PAW의 다른 응용들은 석회질의 방지를 위한 탈회법(decalcification), 종자 발아, 및 작물들과 식물들에 물을 공급하여 천연 비료로서 식물 성장을 증가시키기 위한 용도이다. 일 예에서, PAW가 생산된 이후에 대략 15분 내에 사용될 때, S.Epidermidis의 로그 8,4 감소는 5분 내 달성되고 그리고 S. Aureus에 대한 로그 6,5 감소는 10분 내 달성된다.
PAW 기술은 폐수, 식수 또는 정화 또는 소독될 필요가 있는 임의의 다른 물을 정화 및/또는 소독하는데 사용된다. 본 발명은, 다른 화학물질들이 첨가되지 않은 경우 공기, 전기, 및 물만을 오로지 사용하여 PAW의 생산을 가능하게 한다.
의료 응용에서, PAW는 인간의 피부, 상처들, 치아의 뿌리 채널들(root channels in teeth), 의료 기기들, 장비 및 표면의 소독을 허용한다. 소독뿐만 아니라, PAW와 약한 소독제를 혼합할 때의 시너지 효과로 인해 살균이 가능하게 된다. PAW에 용해된 ROS 및 RNS는 소독을 초래할 뿐만 아니라 다른 중요한 생물학적 프로세스들에서도 역할을 한다. 인간의 피부에 PAW의 도포는 피부를 전체적으로 세정하여 소독할 것이다. 이에 의해, 미생물(microorganism)들은 피부와 건강한 조직에 영향을 주지 않고 제거될 것이다. 이는, 피부 질병들, 이를테면, 곰팡이 발 감염들, 건선, 곰팡이 손톱들 등의 치료를 가능하게 한다.
농업 응용들에서, 종자들, 식물들, 꽃들, 채소들 및 작물들의 보호, 소독 및 발아, 및 식물 성장의 증가가 본 발명에 의해 가능해지는데, 여기서 열 및 비-열 PAW 시스템이 작물에 직접 PAW를 출력하도록 구성되며, 활성화된 액체/물이 즉시 또는 PAW가 저장된 이후에 분사되거나 임의의 다른 형태로 적용된다. 이는 가장 액티브한 형태의 PAW의 사용을 보장한다. 꽃병의 절단된 꽃들의 수명은 PAW에 의해 상당히 연장될 수 있다. 또한, 보트리티스균에 감염된 꽃들(장미들)의 꽃봉오리들은 약 60%만큼 감소될 수 있다. PAW는 농업분야 및 원예분야의 기존 살생제 및 살충제들에 대한 대안책으로서 사용될 수 있다. 용해된 RNS는 식물들 및 작물들에 대한 공급원료로서 사용될 수 있다.
다른 응용들은, 쓰레기/음료수 세정, 식수 세정용 멤브레인들과 같은 멤브레인들의 바이오필름들에 의한 오염(fouling)의 제거일 수 있다. 특히, 작물들 및 식물들에 대한 비료로 사용될 수 있는 질소 성분들의 생산은 매우 흥미로운 적용인데, 이는 PAW 프로세스의 에너지 소모가 현재 사용되는 하버-보쉬(Haber-Bosch) 프로세스보다 훨씬 더 적기 때문이다. PAW 생산 프로세스는 특히 소독에 사용되는 과산화수소를 생산하고 그리고 화학물질 생산 프로세스들에서의 원료로서 사용될 수 있다.
본 발명의 중요한 양상들이 여기에 제공된다. 일 양상에서, 리액터는 PAW(plasma activated water)를 형성하는 물 또는 액체 또는 플라즈마 활성화된 액체를 활성화시키기 위해 열 플라즈마 및/또는 비-열 플라즈마를 생성한다. 두 플라즈마 모두는 서로 독립적으로 또는 동시에 구동할 수 있다. 다른 양상에서, 반응성 종, ROS 및 RNS 그리고 다른 플라즈마 성분들의 생산은 열 플라즈마와 비-열 플라즈마를 조합함으로써 제어될 수 있고, 이에 의해 PAW 또는 활성화된 액체의 조성을 제어할 수 있다. 추가적인 양상에 따르면, 플라즈마 활성화된 가스는, 반응성 종, ROS 및 RNS가 액체에 침투하여 용해될 수 있는 방식으로 액체와 혼합되고, 와류가 바람직하게 사용되지만 액체 내 가스 버블들 또는 플라즈마와 혼합하기 위한 액체의 스프레이를 형성하는 것도 또한 제공된다. 게다가, 활성화 프로세스를 강화하기 위해 압력이 감소 또는 증가될 수 있다.
일 실시예에서, 리액터는 1개 또는 그 초과의 전극들을 포함하며, 전극에서 활성화 프로세스 동안 플라즈마들이 점화되어 유지될 것이다. 이는, 서로 독립적으로 또는 동시에 구동하는 열 플라즈마 및 비-열 플라즈마일 수 있다.
추가적인 양상에 따르면, 리액터는 별도의 물 및 별도의 공기 유입구를 포함하는데, 여기서 두 흐름들이 특정 활성화 프로세스로 조정될 수 있다. 물 유입구 및 공기 유입구는 리액터 내에 위치되어, 이들은 플라즈마와 액체 사이의 인터페이스를 최적화하기 위한 와류를 생성한다. 리액터의 배출구는 또한 독립적으로 조정될 수 있다. 비-열 플라즈마와 열 플라즈마의 조합은, pH 범위가 0 내지 7인 PAW, 또는 200mV 내지 800mV 범위의 ORP 값을 생성하도록 제어될 수 있다. PAW의 품질 및 조성은 이러한 값들로 제한되지 않는다는 점에 유의한다. 이 조합은 또한, 과산화수소, 질산염, 아질산염, 및 임의의 다른 ROS 및 RNS의 생산 및 생산 레이트들을 제어할 수 있는 가능성을 제안한다.
본 발명의 추가적인 양상에 따르면, 리액터의 형상은 처리되는 중인 액체와 플라즈마 사이의 최적의 콘택을 위해 구성되며, 여기서 리액터는 바람직하게는 원뿔형 형상, 벤처 형상의 리액터 및/또는 사이클론 형상의 리액터이다. 리액터 내의 압력은 플라즈마와 처리된 액체 사이의 인터페이스를 최적화하기 위해 감소되거나 또는 증가될 수 있다.
다른 양상에서, 본 발명은 임의의 PAW 성분, pH, ORP 또는 EC 값의 원하는 농도를 획득하기 위해 PAW를 희석하도록 구성된다. 리저보어는, 그 내부에서 PAW를 생산하기 위해 액체 또는 물이 저장되어 리액터를 통해 펌핑되는데, 리저보어는 이 리저보어가 원하는 응용에 적용될 때까지 PAW를 저장하는데 사용될 수 있다.
본 발명은 현재 모든 양상들에서 제한적이라기 보다는 예시적인 것으로 의도되는 몇몇 예시적인 실시예들에 따라 설명되었다. 따라서, 본 발명은 당업자에 의해 본원에 포함된 설명으로부터 도출될 수 있는 상세한 구현에서 수많은 변형들이 가능하다. 예컨대, 자신의 활성화 이후에 약 15분의 기간 동안, PAW는 S.Epidermidids 및 S. Aureus와 같은 박테리아의 6 내지 8 로그 감소를 실현하는 것과 같은 매우 강력한 소독 특성들을 갖는다. 약 15분의 이러한 기간 이후에, PAW는 자신의 생산 이후에(PAW가 적절하게 저장될 때: 냉각되고, 어둡고 그리고 공기로부터 격리됨) 적어도 1.5년의 기간 동안 지속될 수 있는 “온화한(mild)” 소독 특성들을 갖는다. 그래서, 본 발명에 의해 형성된 PAW는, 자신의 플라즈마 활성화 이후에 15분 내에 사용되어야만 하는 매우 강력한 소독제, 및 최소한 1.5년 동안 저장될 수 있고 적절하게 저장될 때 이러한 긴 기간 동안 자신의 소독 특성들을 유지하는 더욱 적당한 소독제의 2가지 별도의 버전들을 가질 수 있다. 모든 이러한 변경들은 이하의 청구범위들 및 그 법적 등가물들에 의해 정의되는 것과 같은 본 발명의 범위 및 사상 내에 있는 것으로 고려된다.

Claims (18)

  1. 열 및 비-열 플라즈마 활성화된 물 리액터 시스템(thermal and non-thermal plasma activated water reactor system)으로서,
    a. 반응 챔버 ― 상기 반응 챔버는 가스 유입구, 물 유입구, 가스 및 물 배출구, 접지 전극 및 반응 전극들을 포함하고, 상기 물 유입구 및 상기 물 배출구는 물이 관통하여 흐를 때 상기 반응 챔버 내에 물 와류(water vortex)를 형성하도록 배치되고, 상기 반응 전극들은 열 플라즈마 전극 및 비-열 플라즈마 전극을 포함함 ― ; 및
    b. 플라즈마 활성화된 물 리저보어를 포함하고,
    상기 물 리저보어는 상기 반응 챔버로부터 상기 플라즈마 활성화된 물을 수용하도록 배치되고 그리고 상기 플라즈마 활성화된 물을 상기 반응 챔버에 리턴하도록 배치되는,
    열 및 비-열 플라즈마 활성화된 물 리액터 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 물 리저보어는 상기 물 리저보어를 상기 반응 챔버 물 유입구에 연결하는 물 도관을 포함하고,
    상기 물 도관은 상기 물 리저보어로부터 상기 반응 챔버로 물을 이동시키도록 배치된 물 펌프를 포함하는,
    열 및 비-열 플라즈마 활성화된 물 리액터 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 물 리저보어는 상기 물 리저보어의 헤드 스페이스(head space)를 상기 반응 챔버 가스 유입구에 연결하는 가스 도관을 포함하고,
    상기 가스 도관은 상기 물 리저보어로부터 상기 반응 챔버로 가스를 이동시키도록 배치된 가스 펌프를 포함하는,
    열 및 비-열 플라즈마 활성화된 물 리액터 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 가스 도관은 신선한 공기 포트를 더 포함하고,
    상기 신선한 공기 포트는 신선한 공기를 상기 가스 도관에 입력하도록 배치되고,
    상기 신선한 공기는 상기 반응 챔버 가스 유입구에 입력되는,
    열 및 비-열 플라즈마 활성화된 물 리액터 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 반응 챔버는 상기 반응 챔버를 상기 물 리저보어에 연결하는 플라즈마 활성화된 물 도관을 포함하고,
    상기 플라즈마 활성화된 물 도관은 상기 반응 챔버로부터 상기 물 리저보어로 이동하는 상기 플라즈마 활성화된 물을 냉각시키도록 배치된 냉각 엘리먼트를 포함하는,
    열 및 비-열 플라즈마 활성화된 물 리액터 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 플라즈마 활성화된 물 도관은 상기 반응 챔버로부터 상기 물 리저보어로 상기 플라즈마 활성화된 물을 이동시키도록 배치된 플라즈마 활성화된 물 펌프를 포함하는,
    열 및 비-열 플라즈마 활성화된 물 리액터 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 물 리저보어는, 정적 교반기(static mixer), 벤처 교반기(venture mixer), 및 사이클론 교반기(cyclone mixer)로 이루어진 그룹으로부터 선택된 교반기를 포함하는,
    열 및 비-열 플라즈마 활성화된 물 리액터 시스템.
  8. 제 5 항에 있어서,
    정적 교반기는 상기 냉각 엘리먼트를 대체하거나, 또는 상기 정적 교반기 및 상기 냉각 엘리먼트는 나란히 배치되는,
    열 및 비-열 플라즈마 활성화된 물 리액터 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 비-열 전극 및 상기 열 전극은, 독립적으로, 반대로, 또는 동시에 턴 온 및 턴 오프되는,
    열 및 비-열 플라즈마 활성화된 물 리액터 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 열 플라즈마 전극은 펄싱된 AC 전압, 포지티브 DC 전압 또는 네거티브 DC 전압에 연결되는,
    열 및 비-열 플라즈마 활성화된 물 리액터 시스템.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 비-열 전극은 펄싱된 RF 전압, AC-RF 전압, 또는 DC 전압에 연결되고,
    상기 DC 전압은 오믹 직렬 임피던스 엘리먼트를 포함하는,
    열 및 비-열 플라즈마 활성화된 물 리액터 시스템.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 반응 챔버는 비-열 부분으로부터 분리된 열 부분을 포함하고,
    상기 열 부분은 반응 챔버 도관에 의해 상기 비-열 부분에 연결되고,
    상기 열 부분은 상기 열 전극을 포함하고,
    상기 비-열 부분은 상기 비-열 전극을 포함하는,
    열 및 비-열 플라즈마 활성화된 물 리액터 시스템.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 비-열 전극은 상기 가스 유입구에 커플링되고,
    상기 가스 유입구는 상기 반응 챔버의 상기 물 유입구에 커플링되고,
    상기 물 유입구의 벤투리 힘(venturi force)들에 따라 상기 물 유입구 내부로 가스가 끌어당겨짐에 따라 상기 물 유입구의 물이 상기 비-열 전극에 의해 플라즈마-활성화되는,
    열 및 비-열 플라즈마 활성화된 물 리액터 시스템.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 열 전극 및 상기 비-열 전극은, 상기 플라즈마 활성화된 물에 반응성 산소 종 및 반응성 질소 종을 생산하는,
    열 및 비-열 플라즈마 활성화된 물 리액터 시스템.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 열 및 비-열 플라즈마 활성화된 물 리액터 시스템은, 비료 질소 종, 및 과산화수소 종으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 화합물을 생산하도록 구성되는,
    열 및 비-열 플라즈마 활성화된 물 리액터 시스템.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 비-열 플라즈마 전극은 복수의 비-열 전극들을 포함하고,
    상기 복수의 비-열 전극들 모두에 걸쳐 에너지가 균일하게 분배되는,
    열 및 비-열 플라즈마 활성화된 물 리액터 시스템.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 접지 전극은 금속성 컨테이너를 포함하고 상기 반응 챔버는 유리 또는 유전체 챔버를 포함하며,
    플라즈마 전류는 상기 유리 또는 상기 유전체 반응 챔버의 벽에 의해 전도되고,
    상기 플라즈마 전류는 변위 전류 또는 용량성 전류를 포함하는,
    열 및 비-열 플라즈마 활성화된 물 리액터 시스템.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 금속성 컨테이너는 금속성 포일을 포함하는,
    열 및 비-열 플라즈마 활성화된 물 리액터 시스템.
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