KR20180137223A - 미세버블 생성 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 미세버블 생성 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명은 전기분해 시 용액의 기체상(gas phase)이 표면에 형성되는 전극부; 및 상기 전극부의 표면에 형성된 상기 기체상이 성장되는 과정에서 상기 기체상에 진동을 가하여 상기 전극부에서 탈착시키는 진동 인가부를 포함할 수 있다.

Description

미세버블 생성 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR GENERATING NANO BUBBLE}

본 발명은 미세버블 생성 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 유체 내에서 미세버블을 생성하기 위한 미세버블 생성 장치 및 방법에 관한 것이다.

최근, 일반적인 물보다 용존기체량이 높은 물이 제조되고 있는데, 일 예로 축사 등에서 나오는 오폐수를 정화하는 공정에서 사용하기도 하며 양식장에서 어류에게 산소(기체, 버블)를 공급하기 위한 용도로 용존산소량이 높은 산소(기체, 버블)수가 주로 사용되어 왔다.

상기 산소수는 동물이나 사람이 음용할 경우 체내에 흡수가 빠르고 신진대사가 활발해지며 각종 병충해에 대해 면역력이 강해지는 등의 많은 효과가 있어 축산농가뿐만 아니라 일반 가정이나 회사에서 쓰는 정수기에도 이러한 산소수를 적용하는 경우가 많아졌다.

또한, 식물의 경우에는 토양의 환경을 개선하고 잎이나 뿌리 등에 직접적으로 산소를 공급하여 보다 튼튼하게 생장하면서 병충해에 강해져 생산량이 증가하는 효과를 가져오고 있다. 상기와 같은 이유로 산소(기체, 버블)수를 제조하기 위해 다양한 방법 및 장치들이 제공되었다.

그러나, 종래 제공된 기체수 제조방법 및 제조장치는 모터를 이용하여 물을 고속으로 혼합하면서 용존기체량을 높이는 방법을 사용하였으나, 상기 방법으로는 짧은 시간에 원하는 용존기체량을 얻기가 힘들뿐만 아니라 미세한 기포를 생성하는 것이 어려웠다. 또한, 짧은 시간 내에 미세버블을 생성하는 것이 어려운 문제가 있었다.

대한민국 공개특허공보 제10-2015-0040134호　(2015.04.14 공개)

본 발명은 전기분해 시 전극판에 생성되는 버블에 진동을 가하여 미세버블의 생성량을 최대화할 수 있는 미세버블 생성 장치 및 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명에 의한 미세버블 생성 장치는 전기분해 시 용액의 기체상(gas phase)이 표면에 형성되는 전극부; 및 상기 전극부의 표면에 형성된 상기 기체상이 성장되는 과정에서 상기 기체상에 진동을 가하여 상기 전극부에서 탈착시키는 진동 인가부를 포함할 수 있다.

상기 진동 인가부는 상기 기체상의 직경이 5㎛까지 성장하기 전에 진동을 가하여 탈착시킬 수 있다.

상기 진동 인가부는 무게 중심이 편심된 회전자가 회전되도록 구동력을 제공하는 진동모터일 수 있다.

상기 진동 인가부는 초음파진동수로 초음파 진동을 가하는 압전소자일 수 있다.

상기 진동 인가부는 상기 전극부의 주변에 설치되어 용액을 교반시키는 교반장치일 수 있다.

상기 전극부에 설치되어 상기 전극부의 표면에서 성장하는 용액의 기체상의 직경크기를 감지하고, 감지한 정보를 상기 진동 인가부로 전달하여 진동이 가해지도록 하는 측정센서를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 본 발명에 의한 미세버블 생성 방법은 전기분해 시 전극부의 표면에 용액의 기체상(gas phase)을 형성시키는 단계; 및 상기 전극부에 형성된 상기 기체상이 성장되는 과정에서 상기 기체상에 진동을 가하여 상기 전극부에서 탈착시키는 단계를 포함할 수 있다.

상기 탈착 단계에서는, 상기 기체상의 직경이 5㎛까지 성장하기 전에 진동을 가하여 탈착시킬 수 있다.

상기 탈착 단계에서 진동은 무게 중심이 편심된 회전자가 회전되도록 구동력을 제공하는 진동모터에 의해 가해질 수 있다.

상기 탈착 단계에서 진동은 초음파진동수로 초음파 진동을 가하는 압전소자에 의해 가해질 수 있다.

상기 탈착 단계에서 진동은 상기 전극부의 주변에 설치되어 용액을 교반시키는 교반장치에 의해 가해질 수 있다.

상기 전극부의 표면에서 성장하는 용액의 기체상의 직경크기를 감지하고, 감지한 정보를 상기 진동 인가부로 전달하여 진동이 가해지도록 하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 전기분해 시 전극판에 생성되는 버블에 진동을 가하여 미세버블의 생성량을 최대화할 수 있다.

또한, 미세버블 개체수를 증가시켜 미세버블수의 용존기체량을 최대화할 수 있고, 시간이 지나도 충분한 용존기체량을 유지하는 미세버블수를 제조할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 미세버블 생성 장치를 보인 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세버블 생성 장치의 전극부에 진동모터가 설치된 것을 보인 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 전극부에서 미세버블이 탈착되는 것을 보인 도면.
도 4는 진동을 가한 경우와 가하지 않은 경우에 따른 미세버블의 농도 및 모드직경을 비교한 것을 보인 그래프.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 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.

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.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 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.

본 명세서에서 "미세버블"의 기재는 마이크로미터 크기의 마이크로버블 및/또는 나노미터 크기의 나노버블을 포함하는 것이며, 상기 미세버블의 크기는 약 1 nm 내지 약 5,000 nm의 평균 크기를 갖는 것일 수 있다.

이하, 본 발명에 의한 미세버블 생성 장치 및 방법의 일 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 미세버블 생성 장치를 보인 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세버블 생성 장치의 전극부에 진동모터가 설치된 것을 보인 도면이다.

이에 도시된 바에 따르면, 본 발명에 의한 미세버블 생성 장치는 전기분해 시 용액의 기체상(gas phase)이 형성되는 전극부(12); 및 상기 전극부(12)에 형성된 상기 기체상이 성장되는 과정에서 상기 기체상에 진동을 가하여 상기 전극부(12)에서 탈착시키는 진동 인가부(20)를 포함할 수 있다.

하우징(10)은 미세버블 생성 장치의 외관을 형성하는 것으로서, 내부에는 전기분해를 위한 전해질 용액이 수용되고 분해장비가 설치된다. 하우징(10)은 오폐수를 정화하기 위한 워터탱크, 식수가 포함된 각종 용기, 의료용 캡슐, 앰플, 병, 바이알 등 다양한 형태로 제공될 수 있다.

하우징(10)의 내부에는 한 쌍의 전극부(12)가 소정의 간극을 두고 설치된다. 상기 전극부(12)는 전원의 음극과 연결된 것은 캐소드(cathode)(－), 양극과 연결된 것은 애노드(anode)(＋)라 한다. 이때, 전극부(12)에 전류를 흘려주면 전원의 기전력은 음극으로부터 전자를 캐소드(－)로 밀어내고, 양극은 애노드(＋)가 전자를 흡인하도록 한다. 따라서, 전극부 사이에 발생된 전위차는 액체를 통해서 결국은 서로 같아지게 된다.

이와 같이 하우징(10) 내부에서 전극부(12)에 전류가 흐르게 되면 전극부(12)의 표면에서 용액의 기체상(gas phase)이 성장하게 된다. 전극부(12)의 표면에서 성장하는 기체상에는 부력, 관성력, 접착력 등이 작용하고 있으나, 미소 스케일의 경우 크기효과(size effect)로 인해 기체상과 전극부(12) 표면 사이의 접착력이 가장 주요한 작용력이 된다. 기체상은 최소한의 부력이 유의미해지는 직경 5㎛까지 성장할 수 있다. 즉, 기체상의 직경크기가 5㎛를 초과하면 기체상 자체가 부력에 의해 탈착되기 때문에 일정 직경크기를 초과하기 전에 진동을 통하여 강제적으로 탈착시키는 것이다.

도 3에 도시된 바와 같이 본 실시예에서는 기체상의 직경이 5㎛까지 성장하기 전에 기계적, 초음파 등의 진동을 가하여 전극부(12)의 표면에서 탈착시켜 미세버블을 생성한다. 즉, 기체상이 직경이 5㎛ 이하에서 탈착되도록 하면, 최대한 작은 미세버블이 단시간 내에 많이 생성될 수 있기 때문에 미세버블수의 용존기체량을 최대화할 수 있고, 시간이 지나도 충분한 용존기체량을 유지하는 미세버블수를 제조할 수 있는 장점이 있다.

한편, 진동 인가부(20)는 상술한 바와 같이 기계적인 진동뿐만 아니라 초음파 등의 진동도 가해질 수 있다. 본 실시예에서 진동 인가부(20)의 일 예로서 도 2에 도시된 진동모터를 도시하였다. 진동 인가부(20)인 진동모터는 대상물에 일정한 주기로 기계적인 진동을 가하는 구동원으로서, 일측에 회전축(22)이 구비되고 회전축(22)의 선단에 회전자(24)가 무게 중심이 편심되게 연결된다. 그러면, 회전자(24)가 회전되면서 전극부(12)의 표면에 주기적으로 진동을 가하게 되고, 이에 의해 전극부(12)의 표면에서 성장하는 기체상이 탈착되어 미세버블이 단시간 내에 생성될 수 있는 것이다.

본 도면에 도시된 진동모터는 일 예로 들어 설명한 것이고, 진동모터로서 코인형 진동모터, 리니어 진동모터 등 다양한 형태의 진동모터가 진동 인가부(20)로서 사용될 수 있다. 또한, 진동 인가부(20)는 초음파진동을 인가하기 위한 압전소자, 초음파진동기 등이 사용될 수도 있다.

진동 인가부(20)는 상술한 바와 같이 전극부(12) 자체에 설치되어 진동을 가할 수도 있지만, 하우징(10)의 용액 내에 스태틱 믹서와 같은 교반장치를 설치하여 전극부(12)에 간접적인 진동을 가할 수 있는 장치도 채용될 수 있다.

한편, 전극부(12) 상에는 전극부(12)의 표면에서 성장하는 용액의 기체상을 측정하기 위한 측정센서(26)가 설치될 수 있다. 측정센서(26)는 기체상이 성장하는 과정을 측정하면서 기체상의 직경 크기를 감지하고 이에 대한 정보를 진동 인가부(20)로 전달하여 진동 인가부(20)에서 특정 직경 크기에서는 진동을 가하도록 구성할 수 있다.

예를 들어, 측정센서(26)는 기체상의 직경이 3㎛에 도달하면 해당 정보를 진동 인가부(20)로 전달하고 진동 인가부(20)가 구동되면서 전극부(12)에 직간접적으로 진동을 전달하게 된다. 그러면, 기체상의 직경이 5㎛까지 성장하기 전에 진동에 의해 전극부(12)의 표면에서 탈착되기 때문에 미세버블의 생성을 촉진할 수 있다.

도 4는 진동을 가한 경우와 가하지 않은 경우에 따른 미세버블의 농도 및 모드직경을 비교한 것을 보인 그래프이다.

도 4를 참조하면, 전극부(12)에 진동을 가했을 경우 미세버블의 농도(concentration)는 약 1.2 E8 particles/ml 로써, 진동을 가하지 않았을 경우의 농도인 약 0.7 E8 particles/ml 보다 약 1.7배가 증가한 것을 알 수 있다. 이와 같이 전기분해 시 전극부(12)에 진동을 가할 경우 직경이 상대적으로 작은 미세버블이 성장하기 전에 탈착되기 때문에 미세버블의 개체수를 최대화할 수 있다.

한편, 이상에서는 전기분해를 예로 들어 미세버블이 생성되는 것에 대하여 설명하였지만, 이에 제한되지 않고 비균질 핵화(heterogeneous nucleation) 등에도 적용될 수 있다. 핵화(nucleation)는 액상, 고상을 불문하고 상 변태(phase transition)에서 새로운 상(phase)이 형성되기 시작하는 초기에서 열역학적으로 안정하게 성장할 수 있는 최소한의 크기를 갖는 미소 핵(nuclei)이 형성되는 것을 말한다. 비균질 핵화(heterogeneous nucleation)는 계(system)의 표면(예: 액체-고체 계면) 상에 존재하는 핵생성처(nucleation site)에서 일어나는 핵화를 말한다. 비균질 핵화의 대표적인 사례는 탄산수(또는 탄산음료)에 꽂혀있는 빨대, 끓는 냄비의 바닥, 샴페인 잔 등에서 찾아볼 수 있으며, 상기한 사례들의 고체 표면에서는 비균질 핵화에 의해 버블로 성장할 수 있는 핵이 생성될 수 있다.

상기에서는 본 발명의 특정의 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.

10 : 하우징 12 : 전극부
20 : 진동 인가부 22 : 회전축
24 : 회전자 26 : 측정센서

Claims (12)

1. 전기분해 시 용액의 기체상(gas phase)이 표면에 형성되는 전극부; 및
   상기 전극부의 표면에 형성된 상기 기체상이 성장되는 과정에서 상기 기체상에 진동을 가하여 상기 전극부에서 탈착시키는 진동 인가부를 포함하는 미세버블 생성 장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 진동 인가부는 상기 기체상의 직경이 5㎛까지 성장하기 전에 진동을 가하여 탈착시키는 것을 특징으로 하는 미세버블 생성 장치.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 진동 인가부는 무게 중심이 편심된 회전자가 회전되도록 구동력을 제공하는 진동모터인 것을 특징으로 하는 미세버블 생성 장치.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 진동 인가부는 초음파진동수로 초음파 진동을 가하는 압전소자인 것을 특징으로 하는 미세버블 생성 장치.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 진동 인가부는 상기 전극부의 주변에 설치되어 용액을 교반시키는 교반장치인 것을 특징으로 하는 미세버블 생성 장치.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 전극부에 설치되어 상기 전극부의 표면에서 성장하는 용액의 기체상의 직경크기를 감지하고, 감지한 정보를 상기 진동 인가부로 전달하여 진동이 가해지도록 하는 측정센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미세버블 생성 장치.
7. 전기분해 시 전극부의 표면에 용액의 기체상(gas phase)을 형성시키는 단계; 및
   상기 전극부에 형성된 상기 기체상이 성장되는 과정에서 상기 기체상에 진동을 가하여 상기 전극부에서 탈착시키는 단계를 포함하는 미세버블 생성 방법.
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 탈착 단계에서는, 상기 기체상의 직경이 5㎛까지 성장하기 전에 진동을 가하여 탈착시키는 것을 특징으로 하는 미세버블 생성 방법.
9. 제 7 항에 있어서,
   상기 탈착 단계에서 진동은 무게 중심이 편심된 회전자가 회전되도록 구동력을 제공하는 진동모터에 의해 가해지는 것을 특징으로 하는 미세버블 생성 방법.
10. 제 7 항에 있어서,
    상기 탈착 단계에서 진동은 초음파진동수로 초음파 진동을 가하는 압전소자에 의해 가해지는 것을 특징으로 하는 미세버블 생성 방법.
11. 제 7 항에 있어서,
    상기 탈착 단계에서 진동은 상기 전극부의 주변에 설치되어 용액을 교반시키는 교반장치에 의해 가해지는 것을 특징으로 하는 미세버블 생성 방법.
12. 제 7 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전극부의 표면에서 성장하는 용액의 기체상의 직경크기를 감지하고, 감지한 정보를 상기 진동 인가부로 전달하여 진동이 가해지도록 하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미세버블 생성 방법.
    

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