KR20170121425A - 플라즈마 수처리 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 밸러스트수(Ballast water), 화학 공장배수, 약품 공장배수, 식품 공장배수, 유지 공장배수, 펄프 공장배수, 기타 산업 배수, 하천수, 상수도, 등에 포함되는 유해 유기물 및 다이옥신류와 같은 생물난분해성 유기물 처리를 하기 위한 수중 방전 플라스마 수처리 장치에 관한 것으로 고효율 및 고속 수처리가 가능한 효과를 갖는다.
Description
본 발명은 플라즈마 수처리 장치에 관한 것으로, 더 상세하게는 본 발명은 밸러스트수(Ballast water), 화학 공장배수, 약품 공장배수, 식품 공장배수, 유지 공장배수, 펄프 공장배수, 기타 산업 배수, 하천수, 상수도, 등에 포함되는 유해 유기물 및 다이옥신류와 같은 생물난분해성 유기물 처리를 하기 위한 수중 방전 플라스마 수처리 장치에 관한 것이다.
물 등의 액체를 정화하는 정화 처리 기술로서 침지 중공사막 등에 의한 필터링 처리, 광촉매 처리, 오존 래디컬 등에 의한 화학 처리 등이 많이 제안되어 있다. 이들의 기술은 각각의 특징을 가져 적합한 사용구분이 이루어져 있다. 특히 오존 래디컬 등에 의한 화학 처리에서는 처리해야 할 액체 중에 오존 등을 고농도에 도입시킬 수 있으면 액체 중에 존재하는 유기물 등을 분해시키는 것이 가능하게 된다.
그러한 화학 처리의 하나로서 오존 등을 액체 중에 도입하는 기법이 있다. 이 기법에서는 처리해야 할 액체가 수용되는 탱크와 오존을 발생시키는 오존 발생기가 이용된다. 오존 발생기는 탱크에서 어느 정도 거리를 멀어진 위치에 배치된다.그런데 이 기법에서는 탱크에 도달하기까지 배관내에서 오존의 수명이 다해 오존이 소실해 버려, 충분한 양의 오존을 탱크 까지 보낼 수 없다고 하는 문제가 있었다. 또한 탱크에 도달한 오존 등도 오존을 포함한 기포가 비교적 크기 때문에 그 대부분이 대기 중으로 방출되어 버려, 액체 중으로 고농도의 오존 등을 용해시킬수 없다고 하는 문제가 있었다.
이러한 문제를 해결하기위하여 폐수를 정화처리하기 위하여 최근 플라즈마를 이용한 수처리장치에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 상기 수처리장치는 플라즈마에 의해 발생된 오존, 활성라디칼 등의 기체와 수중의 오염물질을 반응시킴으로써 오염물질의 분해, 산화를 유도하고 수질을 개선하는 작용을 한다. 최근 플라즈마를 이용한 오폐수의 처리에 관심이 증대되고 있으며, 그러한 방식이 적용된 수처리장치가 많이 개발되고 있다. 수중 플라즈마발생장치는, 플라즈마에 의해 발생한 오존과 OH, H2O2, UV, HO2 등이 수중에 존재하는 각종 유해물질과 반응하여 산화 및 분해시킴으로써 오폐수를 정화할 수 있다.
이러한 기술검토를 위하여, 종래의 선행문헌을 살펴보면, 대한민국 등록특허공보 제10-1476644호(2014.12.19)에서는 수조의 상부에 설치되는 세라믹헤드에 고정된 상태로 상기 수조 내의 수중에서 수직으로 연장되고 투명한 재질로 이루어지는 방전용 유전체관과, 상기 세라믹헤드를 통과하여 상기 유전체관의 길이방향을 따라 상기 유전체관의 내부에 삽입되는 도전성 방전극과, 상기 유전체관 외부의 수중에 설치되는 도전성 대향전극과, 상기 세라믹헤드를 통과하여 상기 유전체관 내부로 가압된 공기 또는 가스를 주입하기 위해 상기 유전체관의 상측에 설치되는 가스주입구와, 상기 도전성 방전극과 상기 도전성 대향전극에 전원을 인가하여 상기 도전성 방전극과 상기 도전성 대향전극 사이에 있는 상기 유전체관 내부의 공간에서 플라즈마를 발생시키기 위한 전원인가장치를 포함하되, 상기 유전체관은 상기 공기 또는 가스가 상기 유전체관의 상단에서 유입되어 하단에서 빠져나가도록 석영관, 유리관, 세라믹관 중 선택된 어느 하나로 된 원형관의 형상이고, 상기 방전극은 상기 유전체관의 내주면에 밀착된 상태로 감아 도는 코일형상으로 설치되되 상기 유전체관의 내부에 진입한 방전극의 부분이 상기 코일형상을 가지는 것이며, 상기 유전체관은 그 상단에서만 공기 또는 가스가 유입되도록 개방되어 있고, 상기 유전체관을 유동하는 공기 또는 가스는 상기 유전체관의 하단에서만 상기 유전체관에서 배출되도록 상기 유전체관의 하단이 개방되며, 상기 유전체관의 상단과 하단 사이에서는 상기 유전체관의 내부를 유동하는 공기 또는 가스가 외부로 빠지지 않도록 상기 유전체관에 의해 막힌 상태이며, 상기 방전극의 하단부가 상기 유전체관 내부의 중심부 측으로 굴곡짐으로써 상기 방전극의 하측 끝단이 상기 유전체관 내부의 중심부에 위치하는 것을 특징으로 하는 수중 플라즈마 발생장치에 대하여 개시하였다.
일본 등록특허공보 제5067802호(2012.08.24)에서는 액체를 수용하는 액체 수용부와 기체를 수용하는 기체 수용부와 상기 액체 수용부와 상기 기체 수용부를 멀리해 상기 기체 수용부 중의 상기 기체의 유통을 허용해 상기 기체를 상기 액체 수용부로 유도하는 가스 통로가 형성된 격벽부와 상기 기체 수용부에 배설된 제1 전극과 상기 제 1 전극과 거리를 멀어져 적어도 상기 제 1 전극과 대향하는 측의 부분이 상기 액체 수용부 중의 상기 액체와 접촉하지 않도록 배설된 제2 전극과 상기 기체 수용부의 상기 기체를 상기 가스 통로를 통해 상기 액체 수용부로 압송시키는 양태로 상기 기체 수용부에 적어도 산소를 포함한 가스를 공급하는 가스 공급부와 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 소정의 전압을 공급해 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 방전을 발생시킴으로써, 상기 기체 수용부에 도입된 상기 가스를 플라스마화하는 플라즈마 전원부를 준비 , 상기 제 1 전극은 상기 격벽부와 거리를 사이에 두고 배설되고 상기 제 2 전극은 상기 제 1 전극과 상기 격벽부 사이에 배설되는 플라스마 발생 장치를 개시하고 있다.
대한민국 등록특허공보 10-1437373호(2014.08.28)에서는 펌프에 의해 수족관의 물을 공급받는 공급관과, 상기 공급관으로부터 공급받은 물을 수용하는 수조와, 상기 수조에서 정화된 물이 상기 수족관으로 배출되는 배출관과, 상기 수조에 설치되고 플라즈마 반응한 공기 또는 가스를 배출하여 물을 정화하는 플라즈마처리기를 포함하는 수족관용 플라즈마 수처리장치에 있어서, 상기 플라즈마처리기는 수중에 설치되고 공기 또는 가스가 내부에서 유동하며 내부에 방전극이 설치된 투명한 유전체관과, 상기 유전체관의 외부에서 수중에 설치된 대향전극과, 상기 방전극과 상기 대향전극에 전원을 인가하여 상기 유전체관 내부에서 플라즈마를 발생시키기 위한 전원인가수단과, 상기 유전체관에 연결되어 상기 공기 또는 가스가 통과하면서 수중에서 다수의 기포로 변환되기 위한 버블생성기를 포함하되, 상기 배출관은 상기 수조의 측면을 관통하여 설치되고, 상기 수조의 물이 배출되기 위한 상기 배출관의 입구는, 상기 배출관이 상기 수조의 측면을 관통하는 위치보다 낮게 수중에 위치하고, 상기 수조의 외부에서 상기 배출관은, 상기 수조보다 낮은 위치에 있는 상기 수족관과 연결되기 위해 하측방향으로 연장되어 있으며, 상기 배출관의 입구는 상기 버블생성기와 소정간격으로 이격되고, 상기 수조의 외부에서 상기 배출관에는, 상기 배출관의 내부를 대기와 연통 및 차단시키는 개폐밸브가 설치되며, 상기 펌프와 상기 개폐밸브의 작동을 제어하는 제어기가 더 설치되고, 상기 제어기는 상기 펌프의 작동시 상기 개폐밸브를 개방하여 대기와 상기 배출관의 내부가 연통되도록 제어하고, 상기 수조에는 수위검출기가 더 설치되어 수위에 관한 검출신호를 상기 제어기에 전송하고, 상기 제어기는 상기 검출신호에 따라 상기 펌프를 제어하여 상기 배출관보다 높은 범위에서 수위를 유지시키며, 상기 제어기는 상기 플라즈마처리기의 작동을 정지시키기 전에, 상기 개폐밸브를 폐쇄하여 상기 배출관의 내부가 대기에 대하여 차단되도록 함으로써, 상기 수조 내부의 물이 사이펀(siphon) 작용에 의해 상기 배출관으로 배출되도록 하는 것을 특징으로 하는 수족관용 플라즈마 수처리장치를 개시하고 있다.
일본 공표특허공보 제2010-523326호(2010.07.15)에서는 펄스 파워를 발생시키기 위한 전원공급수단; 상기 전원공급수단에서 발생된 펄스 파워를 공기층을 포함하는 수면 또는 공기방울을 포함하는 수중에 방전시키기 위한 적어도 하나의 방전수단; 및 상기 적어도 하나의 방전수단에 의해 발생된 플라즈마를 통해 수중 미생물을 사멸시키기 위한 플라즈마 처리수단을 포함하되, 상기 적어도 하나의 방전수단은 각각, 중앙에 형성된 홀을 통해 자체적으로 공기를 주입하는(Air Blowing) 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 수중 펄스 플라즈마 처리 장치를 개시하였다.
한국공개특허 제2009-0021413호(2009.03.04)에서는 직경보다 길이가 더 긴 석영관과, 상기 석영관 안으로 삽입되어 석영관의 내경과 틈새(공간)를 유지할수 있는 직경을 가지는 도전성 제1 전극과, 상기 제1 전극과 소정의 거리를 유지한 채 물과 직접 접촉되어 제1 전극과 대전작용을 일으키도록 하는 도전성 제2 전극과, 상기 전극들에 전원을 인가하기 위한 네온 트랜스와, 상기 석영관과 제1 전극과의 틈새 사이로 가스 또는 공기를 주입시키기 위한 레귤레이터를 준비하는 과정과; 상기 전극에 전원을 인가함과 아울러 석영관 내부로는 상기 레귤레이터를 통해 가스 또는 공기를 주입시켜 수표면 쪽에는 플라즈마 제1 영역이 형성되도록 하고, 그 아래로는 플라즈마 제2 영역이 형성되도록 하여 석영관 내부에 삽입되어 있는 제1 전극의 단부가 물과 직접 접촉되지 않도록 하면서 플라즈마 제1 영역 그리고 플라즈마 제2 영역을 동시에 발생시키면서 영역별 특성을 제어하여 원하는 대상 물질을 처리를 할 수 있는 구조로 구성된 하이브리드 플라즈마 토치를 개시하고 있다.
그러나, 기존의 수중 플라즈마 수처리 장치의 경우, 플라즈마 장치에 의하여 생성된 오존, OH, H2O2, UV, HO2, 활성 라디칼 등을 처리수에 접촉시키는 방식으로 본 발명의 처리수에 플라즈마가 직접 접촉하는 형태의 수중 플라즈마 수처리 장치는 제시된 바가 없다.
상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 주된 목적은 플라즈마를 이용한 수처리시 처리시간, 반응성 증진, 전력 소비양 저감 및 처리 효율을 높이기 위한 목적을 달성하기 위하여 플라즈마제트를 처리수에 직접적으로 접촉시키는 플라즈마 수처리 장치를 제공하는 데 있다.
상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명은 플라즈마제트 처리수 직접접촉 방식의 플라즈마 수처리 장치에 있어서, 전원을 공급하는 전원공급부(100);상기 전원공급부에서 공급된 전원을 인가받는 1개 이상의 고전압전극(200);상기 방전전극에 가스를 주입하는 가스공급부(300); 및
상기 고전압전극을 내부에 포함하는 유전체관(400)을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마제트 처리수 직접접촉 방식의 플라즈마 수처리 장치를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 유전체관의 외측에 형성되는 외부전극(500)을 포함될 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 고전압전극과 유전체관 사이의 공간에서 발생된 플라즈마가 배출되는 제트홀(600)을 포함될 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 제트홀은 상기 유전체관의 길이방향으로 소정의 간격으로 복수개가 배치되며, 상기 유전체관의 단면에 대하여 방사상으로 1라인 또는 2이상의 라인으로 배치될 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 고전압전극은 상기 유전체관내에 동축에 배치되거나 편심으로 배치될 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 고전압전극 및/또는 외부전극은 망상, 원통형, 스파이럴 및 각형 중 어느 하나의 형태로 형성될 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 처리수는 유입구(710)를 통해 주입된 후 배출구(720)으로 배출되면서 보텍스 흐름을 갖는 반응기(700)에 설치할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 플라즈마제트 처리수 직접접촉 방식의 플라즈마 수처리 장치가 직렬형, 병렬형, 계단형, 방사형, 환형 중 어느 하나의 형태로 1개 또는 2이상의 상기 플라즈마제트 처리수 직접접촉 플라즈마 수처리 장치를 배치할 수 있는 반응기일 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 유전체관은 원형, 각형, 다각형 중 어느 하나의 형태를 갖으며 표면에 표면적 증가 및 처리수의 보텍스 흐름을 유도하기 위한 요철을 갖을 수 있다.
본 발명은 플라즈마제트의 처리수 직접 접촉을 통해 반응성을 높이는 효과가 있다.
또한, 소량부터 대량의 수처리를 고효율 및 고속으로 처리할 수 있는 효과가 있다.
또한, 플라즈마의 처리수 직접 접촉 및 오존, OH, H2O2, UV, HO2, 활성 라디칼 등에 의한 반응성 증대 효과가 있다.
또한, 전극 마모 및 전극 물질의 오염이 없는 플라즈마 수처리 장치를 제공할 수 있다.
또한, 플라즈마를 이용한 오염수 처리시 기존의 플라즈마 수처리장치보다 소비 전력을 줄일 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 플라즈마제트 처리수 직접접촉 방식의 플라즈마 수처리 장치 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예인 플라즈마제트 처리수 직접접촉 방식의 플라즈마 수처리 장치의 제트홀 배치 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예인 플라즈마제트 처리수 직접접촉 방식의 플라즈마 수처리 장치의 유전체관 구성도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예인 플라즈마제트 처리수 직접접촉 방식의 플라즈마 수처리 장치의 직렬형 반응기 구성도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예인 플라즈마제트 처리수 직접접촉 방식의 플라즈마 수처리 장치의 병렬형, 계단형, 방사형, 환형 반응기 구성도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예인 플라즈마제트 처리수 직접접촉 방식의 플라즈마 수처리 장치의 제트홀을 통한 플라즈마제트가 처리수에 분사되는 결과이다.
도 7은 본 발명의 일실시예인 플라즈마제트 처리수 직접접촉 방식의 플라즈마 수처리 장치의 주입가스량을 증가시킨 결과이다.
도 8은 본 발명의 일실시예인 플라즈마제트 처리수 직접접촉 방식의 플라즈마 수처리 장치의 제트홀의 직경 및 주입가스량에 따른 실험 결과이다.
도 9는 본 발명의 일실시예인 플라즈마제트 처리수 직접접촉 방식의 플라즈마 수처리 장치의 염색폐수의 플라즈마 처리후 결과이다.
도 10은 본 발명의 일실시예인 플라즈마제트 처리수 직접접촉 방식의 플라즈마 수처리 장치의 다양한 제트홀 배치 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예인 플라즈마제트 처리수 직접접촉 방식의 플라즈마 수처리 장치의 제트홀 배치 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예인 플라즈마제트 처리수 직접접촉 방식의 플라즈마 수처리 장치의 유전체관 구성도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예인 플라즈마제트 처리수 직접접촉 방식의 플라즈마 수처리 장치의 직렬형 반응기 구성도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예인 플라즈마제트 처리수 직접접촉 방식의 플라즈마 수처리 장치의 병렬형, 계단형, 방사형, 환형 반응기 구성도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예인 플라즈마제트 처리수 직접접촉 방식의 플라즈마 수처리 장치의 제트홀을 통한 플라즈마제트가 처리수에 분사되는 결과이다.
도 7은 본 발명의 일실시예인 플라즈마제트 처리수 직접접촉 방식의 플라즈마 수처리 장치의 주입가스량을 증가시킨 결과이다.
도 8은 본 발명의 일실시예인 플라즈마제트 처리수 직접접촉 방식의 플라즈마 수처리 장치의 제트홀의 직경 및 주입가스량에 따른 실험 결과이다.
도 9는 본 발명의 일실시예인 플라즈마제트 처리수 직접접촉 방식의 플라즈마 수처리 장치의 염색폐수의 플라즈마 처리후 결과이다.
도 10은 본 발명의 일실시예인 플라즈마제트 처리수 직접접촉 방식의 플라즈마 수처리 장치의 다양한 제트홀 배치 구성도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나 첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상의 내용과 범위를 쉽게 설명하기 위한 예시일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적 범위가 한정되거나 변경되는 것은 아니다. 또한 이러한 예시에 기초하여 본 발명의 기술적 사상의 범위 안에서 다양한 변형과 변경이 가능함은 당업자에게는 당연할 것이다.
또한, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시 예는 본 발명의 가장 바람직한 일 실시 예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
본 발명은 플라즈마제트 처리수 직접접촉 방식의 플라즈마 수처리 장치에 있어서, 전원을 공급하는 전원공급부(100);상기 전원공급부에서 공급된 전원을 인가받는 1개 이상의 고전압전극(200);상기 방전전극에 가스를 주입하는 가스공급부(300); 및 상기 고전압전극을 내부에 포함하는 유전체관(400)을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마제트 처리수 직접접촉 방식의 플라즈마 수처리 장치를 제공한다.
도 1은 본 발명의 플라즈마제트 처리수 직접접촉 방식의 플라즈마 수처리 장치 구성도이다.
전원 공급부는 외부 전원(예를 들어 상용 AC 전원)을 인가받아 이를 소정 크기의 전압을 가지는 직류 또는 교류 전원으로 변환하여 출력한다. 외부에서 입력된 전원을 소정 전압의 직류 전원으로 변환하거나 전원 공급부는 교류 전원을 출력하는 회로 또한 사용할수 있다. 전원 공급부는 입력되는 전원의 전압을 증폭하는 트랜스포머 및 정류기 등을 포함하여 구성될 수 있다. 그러나 이는 하나의 예시일 뿐이며, 입력되는 전원의 종류 및 전압, 출력되는 전원의 종류 등에 따라 적절한 형태의 전원 공급부를 구성할 수 있다.
전원공급부는 전극에 펄스 전압 혹은 고주파 전압이 인가된다. 전압은 내외부 전극의 간격에 따라 다르지만, 일반적으로 수 kV 이상입니다. 본 발명에서는 비대칭 전극구조를 사용하여 젯이 더 잘 나오도록 구성하였습니다. 주파수는 수백Hz에서 수백 kHz에서 적용할 수 있다. 펄스 전압으로서는 예를 들어 수μ초~수십 n초의 펄스폭을 가지는 약 100 V~1 kV정도의 전압이 바람직하다. 한편, 고주파 전압으로서는 대기압하에 두어 글로우 방전을 가능하게 하는 주파수 50 Hz정도 이상의 전압(RF파워:약 10 W~100 W정도)이 바람직하다.
고전압전극은 전원공급부에서 공급된 전원을 인가받아 오염된 처리수에 대하여 플라즈마제트를 분사하여 오염수 등의 처리수를 정화한다. 이와 같은 플라즈마 방전으로 발생된 플라즈마는 처리수의 물 분자를 분해시켜 OH-, O, H, H2O2, HO2, HClO, Cl2, HCl 등의 활성종을 생성하며, 생성된 활성종들은 처리수의 휘발성유기화합물, 미생물, 조류 등의 오염물질 제거하게 된다. 예를 들어 OH래디컬 등은 약 120 kcal/mol 정도의 비교적 큰 에너지를 가지고 있다. 이 에너지는 질소 원자와 질소
원자와의 이중 결합(N=N), 탄소 원자와 탄소 원자와의 이중 결합(C=C) 혹은 탄소 원자와 질소 원자와의 이중 결합(C=N) 등의 결합 에너지(~100kcal/mol)를 웃도는 것이며 질소나 탄소 등의 결합으로 구성되는 유기물 등은 이 OH래디컬 등에 의해 용이하게 그 결합이 절단되어 분해되게 된다. 덧붙여 이러한 유기물 등의 분해에 기여하는 오존이나 OH래디컬 등은 염소 등과 같은 잔류성이 없고 시간과 함께 소멸하기 때문에, 환경에 배려한 물질이기도 하다.
가스공급부는 고전압전극에 의하여 플라즈마 방전이 일어나는 유체(112)의 내부로 보조 가스를 주입한다. 이와 같은 보조 가스의 예로는, 오존(O3), 산소(O2), 질소(N2), 아르곤(Ar), 헬륨(He), 공기(Air) 또는 이들의 혼합물이 될 수 있으며, 또는 가스 공급부에서 액체 상태의 과산화수소수(H2O2)를 분사하는 것 또한 가능하다. 이와 같이 주입되는 보조 가스는 고전압전극으로부터 발생되는 플라즈마로 공급되며, 이에 따라 상기 플라즈마의 발생 및 이를 통한 처리수 정화를 보조하게 된다. 즉, 상기와 같이 보조 가스를 주입할 경우, 보조 가스를 주입하지 않을 경우와 비교하여 처리수 내의 상기 활성종들의 농도 및 유체 내 체류시간(Lifetime)을 증가시키게 되므로, 플라즈마에 의한 처리수 정화 효과가 극대화될 수 있다. 또한, 이와 같이 보조 가스를 공급할 경우 가스를 주입하지 않을 경우와 비교하여 더 낮은 전력 공급으로도 플라즈마 발생이 가능하므로, 유체 정화를 위한 에너지 소비를 감소시킬 수 있다.
상기 고전압전극의 전극은 전원공급부의 출력단과 전기적으로 연결되며, 금속 재질, 예를 들어 텅스텐, 몰리브덴, 티타늄 또는 스테인레스중 하나의 재질로 구성될 수 있다. 이러한 전극을 구성하는 재질은 전극의 형태, 크기, 금속 재료의 가공성 또는 가격 등을 고려하여 결정될 수 있다. 예를 들어, 전극을 가공성이 좋은 스테인레스로 구성하고, 플라즈마가 발생되는 끝 부분은 내마모성이 큰 텅스텐 등으로 형성할 수 있다.
또한, 상기 전극은 유전체로 피복될 수 있다.
유전체관는 고전압전극을 둘러싸는 원통형으로 구성되며, 고전압전극의 끝 단 보다 일정 길이만큼 돌출된다. 즉, 고전압전극의 끝 부분은 유전체관의 안쪽으로 일정간격만큼 들어간 상태로 형성된다. 상기 간격은 유전체관 내부에 형성되는 방전 효과를 고려하여 적절하게 정해질 수 있으며, 2mm 내지 4mm 정도의 값을 가질 수 있다. 이와 같은 유전체관은 알루미나 또는 석영등으로 구성될 수 있다. 유전체 관은 고전압전극을 포함할 수 있는 중공형태라면 그 형태에 특별히 제한되지 않는다. 바람직하게는 원통형이다.
또한, 본 발명은 상기 유전체관의 외측에 형성되는 외부전극(500)을 포함될 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 고전압전극과 유전체관 사이의 공간에서 발생된 플라즈마가 배출되는 제트홀(600)을 포함될 수 있다.
상기 제트홀은 플라즈마제트를 분사할 수 있다면 그 제트홀의 단면 형태 및 크기에 제한되지 않는다. 바람직하게는 원형이다. 제트홀의 직경은 바람직하게는 0.1 내지 2mm일 수 있다. 더욱 바람직하게는 0.2 내지 1.5mm 일수 있다. 상기 직경보다 크거나 작으면 프라즈마제트가 원활하게 처리수에 분사되지 못한다.
또한, 외부 유전체관의 홀(Hd: 직경)과 외부전극의 홀(Eod)의 alignment를 잘 맞추는 것이 바람직하며 더욱 바람직한 것은 Hd ≥ Eod일 때이다.
또한, 본 발명은 상기 제트홀은 상기 유전체관의 길이방향으로 소정의 간격으로 복수개가 배치되며, 상기 유전체관의 단면에 대하여 방사상으로 1라인 또는 2이상의 라인으로 배치될 수 있다. 상기 제트홀은 등간격으로 배치될 수도 있고 가변 간격으로 배치될 수도 있다. 홀의 배열은 일직선상에 등간격이 바람직하며, 스피럴(spiral)선상의 등간격 배치 등 일 수 있다. 홀의 간격은 홀의 반지름을 r이라고 하고 홀의 중심간의 간격을 HD라 할 때,HD > 2r제트홀의 간격이 바람직하다. 상기 간격보다 넓거나 좁다면 플라즈마제트간의 간섭효과가 발생하거나 플라즈마제트의 처리수 접촉 효율이 떨어지게 된다.
도 10은 본 발명의 일실시예인 플라즈마제트 처리수 직접접촉 방식의 플라즈마 수처리 장치의 다양한 제트홀 배치 구성도이다.
도 10과 같은 제트홀의 배치는 고전압전극이 중심에 있을 때 바람직하다.
제트홀의 크기를 다양하게 변경한다면, 수직형태로 설치하여 수처리가 가능할 것이다.
도 2는 본 발명의 일실시예인 플라즈마제트 처리수 직접접촉 방식의 플라즈마 수처리 장치의 제트홀 배치 구성도이다.
상기 외부전극은 제트홀의 위치에 대응하여 슬릿 또는 관통홀이 형성될 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 고전압전극은 상기 유전체관내에 동축에 배치되거나 편심으로 배치될 수 있다. 고전압전극을 편심하게 되면 플라즈마 발생의 Breakdown 전압을 낮출 수 있어 플라즈마제트의 강도를 높일 수 있다. 편심의 정도는 유전체관면에서 중심축까지 거리에 대하여 고전압전극의 직경비로 설정할 수 있다. 예를 들어 유전체관면에서 중심축까지의 거리가 100mm이고 고전압전극의 직경이 10mm일 경우, 1:1인 지점에서 9:1인 지점까지 위치할 수 있다. 바람직하게는 제트홀의 위치는 편심축에 가까운 방향에 형성된다.
또한, 본 발명은 상기 고전압전극 및/또는 외부전극은 망상, 원통형, 스파이럴 및 각형 중 어느 하나의 형태로 형성될 수 있다. 망상일 경우, 메쉬망 또는 네트망일 수 있으며, 메쉬의 크기는 플라즈마 생성이 되는 조건이라면 제한되지 않는다.
또한, 본 발명은 상기 처리수는 유입구(710)를 통해 주입된 후 배출구(720)으로 배출되면서 보텍스 흐름을 갖는 반응기(700)에 설치할 수 있다. 보텍스 흐름을 주기 위해 난류발생기를 추가할 수 있다. 선회류를 만들기 위한 선회블록이 설치될 수 도 있다.
또한, 본 발명은 상기 플라즈마제트 처리수 직접접촉 방식의 플라즈마 수처리 장치가 직렬형, 병렬형, 계단형, 방사형, 환형 중 어느 하나의 형태로 1개 또는 2이상의 상기 플라즈마제트 처리수 직접접촉 플라즈마 수처리 장치를 배치할 수 있는 반응기일 수 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예인 플라즈마제트 처리수 직접접촉 방식의 플라즈마 수처리 장치의 직렬형 반응기 구성도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예인 플라즈마제트 처리수 직접접촉 방식의 플라즈마 수처리 장치의 병렬형, 계단형, 방사형, 환형 반응기 구성도이다.
또한, 본 발명은 상기 유전체관은 원형, 각형, 다각형 중 어느 하나의 형태를 갖으며 표면에 표면적 증가 및 처리수의 보텍스 흐름을 유도하기 위한 요철을 갖을 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예인 플라즈마제트 처리수 직접접촉 방식의 플라즈마 수처리 장치의 유전체관 구성도이다.
(실시예 1)
주입되는 가스 주입량의 변화에 따른 플라즈마 제트의 분사특성을 실험하였다. 주입가스는 공기로 10LPM의 유량으로 공급하였고, 제트홀은 유전체관에 수직방향을 기준으로 상하 각 10mm 간격으로 20개씩 형성하였다.
도 6은 본 발명의 일실시예인 플라즈마제트 처리수 직접접촉 방식의 플라즈마 수처리 장치의 제트홀을 통한 플라즈마제트가 처리수에 분사되는 결과이다.
공기의 유량을 20LPM으로 증가시켰을 때도 동일한 조건으로 실험하였다.
도 7은 본 발명의 일실시예인 플라즈마제트 처리수 직접접촉 방식의 플라즈마 수처리 장치의 주입가스량을 증가시킨 결과이다.
(실시예2)
제트홀의 직경에 따른 플라즈마 제트의 분사특성을 실험하였다. 제트홀의 직경은 0.2mm, 0.5mm, 0.7mm, 1.0mm 및 1.2mm로 하였고, 이에 따른 가스 유량을 확인하였다.
도 8은 본 발명의 일실시예인 플라즈마제트 처리수 직접접촉 방식의 플라즈마 수처리 장치의 제트홀의 직경 및 주입가스량에 따른 실험 결과이다.
제트홀의 크기가 증가함에 따라 가스 유량이 증가하는 것을 확인할 수 있다.
(실시예3)
염색폐수를 대상으로 플라즈마제트 처리수 직접접촉 방식의 플라즈마 수처리 장치를 실험하였다. 전원공급부의 파워는 10W이며, 배치타입으로 2L의 반응용기에 염색폐수의 농도는 10,000ppm이다. 처리수만 염색폐수로 한것에 차이가 있을 뿐, 나머지 실험조건은 실시예1과 동일하다.
도 9는 본 발명의 일실시예인 플라즈마제트 처리수 직접접촉 방식의 플라즈마 수처리 장치의 염색폐수의 플라즈마 처리후 결과이다.
(a)는 플라즈마 처리전의 상태이고, (b)는 0.6분후의 플라즈마 제트 처리 상태로 색깔이 옅어진 것을 확인할 수 있다. (c)는 최종적으로 1분후의 염색폐수의 상태로 색깔이 확연히 옅어진 것으로 확인할 수 있다.
이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다.
그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100 : 전원공급부 200 : 고전압전극
300 : 가스공급부 400 : 유전체관
500 : 외부전극 600 : 제트홀
700 : 반응기 710 : 유입구
720 : 유출구
300 : 가스공급부 400 : 유전체관
500 : 외부전극 600 : 제트홀
700 : 반응기 710 : 유입구
720 : 유출구
Claims (9)
- 플라즈마제트 처리수 직접접촉 방식의 플라즈마 수처리 장치에 있어서,
전원을 공급하는 전원공급부(100);
상기 전원공급부에서 공급된 전원을 인가받는 1개 이상의 고전압전극(200);
상기 방전전극에 가스를 주입하는 가스공급부(300); 및
상기 고전압전극을 내부에 포함하는 유전체관(400)을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마제트 처리수 직접접촉 방식의 플라즈마 수처리 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 유전체관의 외측에 형성되는 외부전극(500)을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마제트 처리수 직접접촉 방식의 플라즈마 수처리 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 고전압전극과 유전체관 사이의 공간에서 발생된 플라즈마가 배출되는 제트홀(600)을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마제트 처리수 직접접촉 방식의 플라즈마 수처리 장치.
- 제3항에 있어서,
상기 제트홀은 상기 유전체관의 길이방향으로 소정의 간격으로 복수개가 배치되며, 상기 유전체관의 단면에 대하여 방사상으로 1라인 또는 2이상의 라인으로 배치되는 것을 특징으로 하는 플라즈마제트 처리수 직접접촉 방식의 플라즈마 수처리 장치.
- 제2항에 있어서,
상기 고전압전극은 상기 유전체관내에 동축에 배치되거나 편심으로 배치되는 것을 특징으로 하는 플라즈마제트 처리수 직접접촉 방식의 플라즈마 수처리 장치.
- 제1항 및 제2항에 있어서,
상기 고전압전극 및/또는 외부전극은 망상, 원통형, 스파이럴 및 각형 중 어느 하나의 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마제트 처리수 직접접촉 방식의 플라즈마 수처리 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 처리수는 유입구(710)를 통해 주입된 후 배출구(720)으로 배출되면서 보텍스 흐름을 갖는 반응기(700)에 설치되는 것을 특징으로 하는 플라즈마제트 처리수 직접접촉 방식의 플라즈마 수처리 장치.
- 제7항에 있어서,
상기 플라즈마제트 처리수 직접접촉 방식의 플라즈마 수처리 장치가 직렬형, 병렬형, 계단형, 방사형, 환형 중 어느 하나의 형태로 1개 또는 2이상의 상기 플라즈마제트 처리수 직접접촉 플라즈마 수처리 장치를 배치할 수 있는 반응기를 특징으로 하는 플라즈마제트 처리수 직접접촉 방식의 플라즈마 수처리 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 유전체관은 원형, 각형, 다각형 중 어느 하나의 형태를 갖으며 표면에 표면적 증가 및 처리수의 보텍스 흐름을 유도하기 위한 요철을 갖는 것을 특징으로 하는 플라즈마제트 처리수 직접접촉 방식의 플라즈마 수처리 장치.
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Publications (2)
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2016
- 2016-04-25 KR KR1020160049828A patent/KR101918147B1/ko active IP Right Grant
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