KR20200119828A - 유기물 분해 처리용 이온 생성 장치 및 유기물 분해 처리 장치 - Google Patents
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Abstract
유기물의 분해 처리 능력을, 종래보다 한층 향상시킬 수 있는 유기물 분해 처리용 이온 생성 장치 및 유기물 분해 처리 장치를 제공한다. 유기물 분해 처리용 이온 생성 장치(4)는, 대향 배치된 바늘 전극(12) 및 평판 전극(13)과, 정극성의 직류 전압을 바늘 전극(12)에 인가하는 직류 전원부(9)를 구비한다. 직류 전원부(9)에는, 직류 전압을 소정의 전압값으로 설정하고, 대기압 중에서 바늘 전극(12) 및 평판 전극(13) 사이에 정극성 코로나 방전을 발생시키는 전압 제어부(10)를 갖는다.
Description
본 발명은 유기물 분해 처리용 이온 생성 장치 및 유기물 분해 처리 장치에 관한 것으로, 예를 들어 야채 부스러기 등의 음식물 쓰레기를 분해 처리하는 유기물 분해 처리 장치에 적용하기에 적합한 것이다.
종래, 음식물 쓰레기 등의 유기물을 분해할 때 활성 산소종을 사용하는, 음식물 쓰레기 처리 장치가 알려져 있다(예를 들어, 특허문헌 1 참조). 특허문헌 1에는, 예를 들어 활성 산소종으로서, 슈퍼옥시드(O2ㆍ-)나, 히드록시라디칼(ㆍOH), 과산화수소(H2O2), 일중화산소(1O2), 오존(O3) 등을 사용하여, 격납조 내에 투입된 음식물 쓰레기를 분해 처리하는 것이 개시되어 있다.
이러한 활성 산소종을 사용한 음식물 쓰레기 처리 장치는, 박테리아를 사용하는 음식물 쓰레기 처리 장치에 비하여, 분해 처리 시에 메탄 가스가 발생하기 어렵고, 부패 냄새를 억제할 수 있는 등의 이점을 갖고 있다.
그런데, 이와 같은 음식물 쓰레기 처리 장치에 투입되는 음식물 쓰레기 중에는, 종이 재료 등의 음식물 쓰레기 이외의 다른 다양한 유기물이 혼입되어 있을 우려도 있기 때문에, 분별 등의 수고를 고려하면, 종래보다 분해 처리 능력이 높은 유기물 분해 처리 장치의 개발이 요망된다. 또한, 분해 처리에 요하는 시간의 가일층 단축화 등의 관점에서도, 분해 처리 능력의 향상이 요망되고 있다.
그래서, 본 발명은 유기물의 분해 처리 능력을, 종래보다 한층 향상시킬 수 있는 유기물 분해 처리용 이온 생성 장치 및 유기물 분해 처리 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 관한 유기물 분해 처리용 이온 생성 장치는, 격납조 내에 격납된 유기물을 분해 처리하기 위한 이온을 생성하는 유기물 분해 처리용 이온 생성 장치이며, 대향 배치된 바늘 전극 및 평판 전극과, 정극성의 직류 전압을 상기 바늘 전극에 인가하는 직류 전원부를 구비하고, 상기 직류 전원부에는, 상기 직류 전압을 소정의 전압값으로 설정하고, 대기압 중에서 상기 바늘 전극 및 상기 평판 전극 사이에 정극성 코로나 방전을 발생시키는 전압 제어부를 갖는 것이다.
또한, 본 발명에 관한 유기물 분해 처리 장치는, 상술한 유기물 분해 처리용 이온 생성 장치가, 상기 격납조에 마련된 것이다.
본 발명에 의하면, 유기물의 분해 처리 능력이 높은 옥소늄 이온을 생성할 수 있는 점에서, 당해 옥소늄 이온을 사용함으로써, 유기물의 분해 처리 능력을, 종래보다 한층 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 의한 유기물 분해 처리 장치의 전체 구성을 도시한 개략도이다.
도 2A는, 전극 구조체의 구성을 도시하는 개략도이며, 도 2B는, 전극 구조체의 정면 구성을 도시하는 개략도이다.
도 3은 전자 친화력의 설명에 제공하는 그래프이다.
도 4는 증발 속도 v와 기화열 LV와의 관계를 설명할 때 사용하는 그래프이다.
도 5는 옥소늄 이온의 발생 위치로부터 거리 x 떨어진 위치에서의 옥소늄 이온의 개수 밀도를 나타낸 그래프이다.
도 6은 옥소늄 이온을 조사한 경우와, 마이너스 이온 및 오존을 조사한 경우와, 마이너스 이온만을 조사한 경우와, 이온 등을 조사하지 않은 경우에 대해, 각각 함유 고분자 흡수체의 증발 질량을 측정한 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 7은 옥소늄 이온을 조사한 경우와, 마이너스 이온 및 오존을 조사한 경우와, 마이너스 이온만을 조사한 경우와, 이온 등을 조사하지 않은 경우에 대해, 각각 함유 고분자 흡수체의 잔존 질량을 측정한 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 8은 함유 고분자 흡수체로부터 50㎝ 이격된 위치로부터 옥소늄 이온을 조사한 경우와, 이온 등을 조사하지 않은 경우에 대해, 각각 함유 고분자 흡수체의 증발 질량을 측정한 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 9는 함유 고분자 흡수체로부터 50㎝ 이격된 위치로부터 옥소늄 이온을 조사한 경우와, 이온 등을 조사하지 않은 경우에 대해, 각각 함유 고분자 흡수체의 잔존 질량을 측정한 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 10은 옥소늄 이온을 조사한 경우와, 이온 등을 조사하지 않은 경우에 대해, 각각 물의 증발 질량을 측정한 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 11은 옥소늄 이온을 조사한 경우와, 이온 등을 조사하지 않은 경우에 대해, 각각 물의 잔존 질량을 측정한 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 2A는, 전극 구조체의 구성을 도시하는 개략도이며, 도 2B는, 전극 구조체의 정면 구성을 도시하는 개략도이다.
도 3은 전자 친화력의 설명에 제공하는 그래프이다.
도 4는 증발 속도 v와 기화열 LV와의 관계를 설명할 때 사용하는 그래프이다.
도 5는 옥소늄 이온의 발생 위치로부터 거리 x 떨어진 위치에서의 옥소늄 이온의 개수 밀도를 나타낸 그래프이다.
도 6은 옥소늄 이온을 조사한 경우와, 마이너스 이온 및 오존을 조사한 경우와, 마이너스 이온만을 조사한 경우와, 이온 등을 조사하지 않은 경우에 대해, 각각 함유 고분자 흡수체의 증발 질량을 측정한 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 7은 옥소늄 이온을 조사한 경우와, 마이너스 이온 및 오존을 조사한 경우와, 마이너스 이온만을 조사한 경우와, 이온 등을 조사하지 않은 경우에 대해, 각각 함유 고분자 흡수체의 잔존 질량을 측정한 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 8은 함유 고분자 흡수체로부터 50㎝ 이격된 위치로부터 옥소늄 이온을 조사한 경우와, 이온 등을 조사하지 않은 경우에 대해, 각각 함유 고분자 흡수체의 증발 질량을 측정한 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 9는 함유 고분자 흡수체로부터 50㎝ 이격된 위치로부터 옥소늄 이온을 조사한 경우와, 이온 등을 조사하지 않은 경우에 대해, 각각 함유 고분자 흡수체의 잔존 질량을 측정한 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 10은 옥소늄 이온을 조사한 경우와, 이온 등을 조사하지 않은 경우에 대해, 각각 물의 증발 질량을 측정한 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 11은 옥소늄 이온을 조사한 경우와, 이온 등을 조사하지 않은 경우에 대해, 각각 물의 잔존 질량을 측정한 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시 형태에 대해 상세하게 설명한다.
<본 발명의 유기물 분해 처리 장치의 구성>
도 1은, 본 발명에 의한 유기물 분해 처리 장치(1)의 전체 구성을 도시하는 개략도이다. 유기물 분해 처리 장치(1)는, 야채 부스러기 등의 음식물 쓰레기 외에, 고분자체나 종이 재료 등의 다양한 유기물을, 옥소늄 이온을 사용하여 분해 처리할 수 있는 구성을 갖는다. 옥소늄 이온은, 예를 들어 히드로늄 이온, 옥사트리퀴난, 옥사트리키나센 등이며, 플러스의 이온이다. 이 경우, 유기물 분해 처리 장치(1)는, 유기물이 투입되는 격납조(2)와, 송풍기(3)와, 유기물 분해 처리용 이온 생성 장치(4)를 구비하고 있다.
분해 처리 대상이 되는 유기물은, 격납조(2)의 투입구(2a)로부터 내부에 투입되어, 격납조(2) 내에 격납된다. 분해 처리 후의 유기물은, 격납조(2)의 배출구(2b)로부터 외부로 배출할 수 있다. 이 경우, 유기물 분해 처리 장치(1)는, 도시하지 않은 가열기 및 교반기를 내부에 구비하고 있고, 유기물 분해 처리용 이온 생성 장치(4)에서 생성된 옥소늄 이온을 격납조(2) 내의 유기물에 조사하면서, 유기물을 가열 및 교반함으로써 유기물의 수분을 증발시켜 분해 처리한다.
송풍기(3) 및 유기물 분해 처리용 이온 생성 장치(4)는 격납조(2)의 소정 위치에 각각 설치되어 있고, 이들 송풍기(3) 및 유기물 분해 처리용 이온 생성 장치(4)는 배관(5)에 의해 접속되어 있다. 송풍기(3)는, 외기를 흡인하고, 흡인된 기체를, 배관(5)을 통하여 유기물 분해 처리용 이온 생성 장치(4)에 송출한다. 송풍기(3)로부터 유기물 분해 처리용 이온 생성 장치(4) 내에 송출된 기체는, 유기물 분해 처리용 이온 생성 장치(4)의 내부를 통과하여 격납조(2) 내에 송출된다.
유기물 분해 처리용 이온 생성 장치(4)는, 후술하는 전극 구조체가 내부에 설치된 하우징(8)과, 직류 전원부(9)를 구비하고 있다. 하우징(8)에는, 배관(5)에 접속되고, 또한 송풍기(3)로부터 배출된 기체를 하우징(8) 내에 도입하는 도입구(도시하지 않음)가 마련되어 있다. 또한, 하우징(8)에는, 격납조(2)와 연통되고, 또한 송풍기(3)로부터의 기체를 격납조(2) 내로 배출하는 배출구(도시하지 않음)가 마련되어 있다.
하우징(8)은, 내부에 밀봉 공간을 형성하고 있고, 이 밀폐 공간에 송풍기(3)로부터의 기체가 도입됨으로써, 도입구로부터 전극 구조체(후술함)를 경유하여 배출구를 향하여 기체가 흐르는 기류를 형성한다. 이에 의해, 하우징(8)은, 내부에서 생성되어 있는 옥소늄 이온을 배출구로부터 격납조(2) 내에 송출시킨다.
직류 전원부(9)는, 정극성의 직류 전압을 생성하고, 이것을 하우징(8) 내의 전극 구조체에 인가한다. 직류 전원부(9)는, 직류 전압의 전압값을 제어 가능한 전압 제어부(10)를 가지고 있고, 전압 제어부(10)에 의해 직류 전압을 소정의 전압값으로 설정한다. 이에 의해, 전압 제어부(10)는, 전극 구조체에 의해 정극성 코로나 방전을 발생시켜, 전극 구조체에서 옥소늄 이온을 생성시킬 수 있다. 이 때, 전압 제어부(10)는, 유기물의 분해 처리 능력이 높은 옥소늄 이온을 생성하기 위해, 직류 전압의 전압값을 최적의 값으로 설정하고 있다.
<전극 구조체에 대하여>
다음에, 유기물 분해 처리용 이온 생성 장치(4)의 하우징(8) 내에 설치되는 전극 구조체에 대해 이하 설명한다. 도 2A에 나타내는 바와 같이, 전극 구조체(11)는, 바늘 전극(12)과 평판 전극(13)과 전극 지지 부재(14)를 구비하고 있다. 전극 지지 부재(14)는, 예를 들어 폴리염화비닐 등의 절연 재료로 이루어지고, 원통형으로 형성되어 있고, 바늘 전극(12) 및 평판 전극(13)을 지지하고 있다.
또한, 본 실시 형태에서는, 통형으로 이루어지는 전극 지지 부재로서, 원통형으로 이루어지는 전극 지지 부재(14)를 적용한 경우에 대해 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 예를 들어 4변이나 다각 등의 각통형으로 이루어지는 전극 지지 부재를 적용해도 된다.
전극 지지 부재(14)는, 통형 내벽부(14a)로 둘러싸인 중공 공간 ER1 내에서 바늘 전극(12) 및 평판 전극(13)이 대향 배치되도록 지지하고 있다. 전극 지지 부재(14)는, 하우징(8)(도 1)의, 도시하지 않은 도입구 및 배출구 사이에 배치되어 있다. 이에 의해, 송풍기(3)로부터의 기체가 도입구로부터 하우징(8) 내에 도입되면, 중공 공간 ER1 내의 중심축 X를 따라 한 방향(예를 들어, 중심축 X의 화살표 방향)으로 흐르는 기류가, 중공 공간 ER1 내에 형성된다.
보다 구체적으로는, 중공 공간 ER1의 중심축 X 상에, 하우징(8)의 도입구 및 배출구가 배치되도록, 전극 지지 부재(14)가 하우징(8) 내에 배치되는 것이 바람직하다. 특히, 전극 지지 부재(14)의 중공 공간 ER1에 있어서의 개구 단부를 하우징(8)의 배출구를 향함으로써, 중공 공간 ER1로부터 배출구를 직선적으로 연결하는 기류를 형성할 수 있다. 이에 의해, 중공 공간 ER1 내에서 생성된 옥소늄 이온(후술함)이 하우징(8)의 내벽 등에 닿는 것을 억제할 수 있고, 옥소늄 이온을 배출구를 향하여 직접 유도할 수 있다.
전극 지지 부재(14)는, 도 2B에 나타내는 바와 같이, 예를 들어 통형 내벽부(14a)간의 내부 직경 Y2는, 25±5㎜, 외부 직경 Y3은, 32±5㎜로 선정되어 있다.
바늘 전극(12)과 평판 전극(13)은, 도 2B에 나타내는 바와 같이, 중공 공간 ER1의 중심축 X에 대해 직교하는 하나의 직교선 Y 상에 대향 배치되어 있고, 바늘 전극(12)의 바늘형 선단부(12a)의 바로 밑에 평판 전극(13)의 평판부(13b)가 배치되어 있다. 바늘 전극(12)은, 예를 들어 텅스텐 등의 금속 재료로 형성되고, 직경이 0.1 내지 2㎜로 선정되어 있다. 바늘 전극(12)은, 전극 지지 부재(14)의 통형 내벽부(14a)를 관통하도록 마련되어 있고, 바늘형 선단부(12a)가 중공 공간 ER1 내에 노출되어 있다.
평판 전극(13)은, 예를 들어 스테인리스 등의 금속 재료로 형성되어 있고, 봉형으로 형성된 지지부(13a)와, 지지부(13a)의 단부에 형성된 평판부(13b)를 구비하고 있다. 평판부(13b)는, 직경 5 내지 20㎜, 두께 1.5±1㎜의 원반형으로 형성되어 있다. 지지부(13a)는, 전극 지지 부재(14)의 통형 내벽부(14a)를 관통하도록 마련되어 있고, 평판부(13b)를 중공 공간 ER1 내에 노출시킨다.
또한, 본 실시 형태에 있어서는, 바늘 전극(12)과, 평판 전극(13)의 지지부(13a)를 통형 내벽부(14a)를 관통하도록 마련한 경우에 대해 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 바늘 전극(12)의 근본부 선단을 통형 내벽부(14a)의 표면에 고정하고, 바늘 전극(12)을 통형 내벽부(14a)에 대해 비관통으로 마련하도록 해도 된다. 또한, 평판 전극(13)에 대해서도, 지지부(13a) 또는 평판부(13b)를 통형 내벽부(14a)의 표면에 고정하고, 통형 내벽부(14a)에 대해 비관통으로 마련하도록 해도 된다.
바늘 전극(12)의 바늘형 선단부(12a)와, 이 바늘형 선단부(12a)에 대향한 평판 전극(13)의 평판부(13b)와의 전극간 거리 Y1은, 예를 들어 20㎜로 선정되어 있다. 또한, 전극간 거리 Y1은, 20㎜로는 한정되지 않고, 후술하는 정극성의 직류 전압의 전압값(kV)과, 전계 강도(kV/㎜)에서 기본적으로 규정된다.
여기서, 도 2A에 나타내는 바와 같이, 전극 지지 부재(14)의 외부에 노출된 바늘 전극(12)의 근원부는, 전압 제어부(10)에 접속되어 있다. 또한, 이 실시 형태의 경우, 평판 전극(13)은 접지에 접속되어 있다. 또한, 평판 전극(13)에 대해서는 접지에 접속하지 않고, 전압 제어부(10)에 접속되어, 부극성의 직류 전압이 인가되어 부극으로서 기능시켜도 된다.
평판 전극(13)을 접지에 접속한 구성의 경우, 전압 제어부(10)가 바늘 전극(12)에 인가하는 정극성의 직류 전압으로서, 전계 강도가 0.25 내지 1.5kV/㎜이며, 또한 전압값이 5 내지 30kV인 것이 바람직하다. 정극성의 직류 전압의 전계 강도를 0.25 내지 1.5kV/㎜로 함으로써, 전극간 거리 Y1에 있어서 정극성 코로나 방전을 안정되게 발생시킬 수 있다.
직류 전압의 전계 강도를 0.25 내지 1.5kV/㎜로 하였을 때에도, 정극성의 직류 전압의 전압값이 5kV 미만일 때에는, 유기물을 분해 처리하기 위해 필요로 하는 충분한 옥소늄 이온을 생성하기 어렵다. 또한, 정극성의 직류 전압의 전압값이 30kV 초과일 때에는, 방전의 안정성을 유지하기 위한 조건이, 전압값이 30kV 이하일 때보다 매우 엄격해지고, 메인터넌스 등의 관점에서, 실용성이 저하될 우려가 있다. 따라서, 직류 전압의 전계 강도를 0.25 내지 1.5kV/㎜로 하면서, 정극성의 직류 전압의 전압값을 5 내지 30kV로 하는 것이 바람직하다.
이와 같이, 상술한 전압값의 직류 전압이 바늘 전극(12)에 인가됨으로써, 대기압 중에 있는 바늘 전극(12) 및 평판 전극(13) 사이에는 정상 불평등 전계가 발생하고, 정극성 코로나 방전이 발생된다. 이에 의해, 방전 공간이 되는 중공 공간 ER1 내에 옥소늄 이온을 생성시킬 수 있다.
진공 중의 방전과 대기 중의 방전의 차이에 대해 설명한다. 동일한 바늘 전극(12)과 평판 전극(13)을 사용하는 것으로 하고, kV/㎜를 고정하여, 전압과 전극간 거리를 바꾼 경우에 대해 고찰한다. 진공 중이라면, 전계 강도 분포는 상사형이 된다. 그러나, 대기 중의 경우에는, 미량으로 존재하는 양 음 이온의 영향을 받기 때문에, 전계 강도 분포는 상사형이 되는 것으로 한정되는 것은 아니다. 전극간 거리가 커질수록, 양 음이온의 영향을 크게 받기 때문에, 방전의 안정성을 확보하기가 어려워진다.
여기서, 방전 공간 내에 이온을 생성시키는 주된 반응의 하나로서, 분자 이온의 생성 반응을 들 수 있다. 기체 분자 M이 전리하여, 분자 이온 M+와 전자 e-로 나눠지기 위해서는, 기체 분자 M의 이온화 에너지 이상의 에너지를, 기체 분자 M에 부여할 필요가 있다. 대기압 하의 방전 공간에 있어서, 이 에너지는, 고전계의 글로우 영역에서 가속되는 전자의 충돌에 의해 부여된다.
방전에 의해 생성된 1차 이온은, 스스로의 극성에 따라 전기력선을 따라 전계중을 진행한다. 평판 전극(13)을 향하는 1차 이온은, 평균 자유 행정을 진행하면, 방전 공간 내에 존재하는 기체나 중성 라디칼종 Aㆍ, [M-B]ㆍ, Bㆍ에서 유래하는 방전 부생성물과 충돌하여 다양한 이온 분자 반응을 일으키고, 보다 긴 수명의 이온종으로 변화한다. 이 과정은 드리프트 영역을 이동하면서 계속해서 일어나고, 순차적인 이온 분자 반응을 거쳐, 최종 이온이 생성된다.
대기 중에서의 정극성 코로나 방전의 경우, 방전 조건에 상관없이 옥소늄 이온이 최종 이온이 된다. 대기 중에서의 정극성 코로나 방전에 있어서의 옥소늄 이온의 생성과 그 발전 과정은, 각 단위 반응의 속도 상수의 실측값에 기초하여 예측되고 있다. 이에 의하면, 예를 들어 옥소늄 이온 중 히드로늄 이온은, 글로우 영역에서의 전리에 의해 생성되는 N2 +ㆍ와 O2 +ㆍ를 1차 이온으로 하고, 주로 H2O가 관여하는 발전 과정을 거쳐 생성된다.
<옥소늄 이온의 산화력에 대하여>
다음으로 옥소늄 이온의 산화력에 대해 설명한다. 원자는, 방출한 에너지의 분만큼 안정된다. 전자 친화력은, 최외각에 전자를 1개 도입할 때 방출되는 에너지이다. 전자 친화력이 크다는 것은, 대상물로부터 전자를 빼앗아 자신이 안정해지려고 하는 경향이 높다는 것을 나타낸다. 즉, 전자 친화력이 크다는 것은, 산화력이 강하다고 할 수 있다.
도 3은, 원자 번호와 전자 친화력의 관계를 나타낸 그래프이다. 동일 주기내에서 비교하면, 불소(F)나 염소(Cl)의 할로겐 원소의 전자 친화력이 극대해지고 있다. 염소의 전자 친화력은 매우 크고, 3.617eV이다. 통상 이온화할 때에는 1가의 음이온이 된다. 여기서, 어느 원자의 1가의 양이온의 전자 친화력에 대해 생각한다. 원자의 제1 이온화 에너지란, 그 원자의 최외각으로부터 전자를 1개 강제로 빼앗고, 1가의 양이온으로 하는 데 필요한 에너지를 나타낸다. 즉, 「어떤 원자의 1가의 양이온의 전자 친화력」과 「그 원자의 제1 이온화 에너지」는 동등하다고 할 수 있다.
동일 주기에서는, 희가스의 제1 이온화 에너지는 매우 크지만, 예를 들어 방전 등에서는, 희가스를 이온화하기는 어렵다. 희가스를 제외하고, 수소보다 제1 이온화 에너지가 높은 원소는, 질소, 산소, 불소, 염소밖에 없다. 불소와 염소는, 기본적으로 단체로는 존재하지 않는다. 질소, 산소는, 예를 들어 방전 등에서는 1가의 양이온은 되지 않는다. 따라서, 1가의 양이온의 전자 친화력으로서는, 수소 이온이 최대가 된다.
예를 들어, 옥소늄 이온 중 히드로늄 이온은, H+와 H2O의 결합이기 때문에, 히드로늄 이온의 전자 친화력(산화력)은, 수소 이온의 전자 친화력과 동등한 약13.6eV라고 생각된다. 이 값으로부터, 히드로늄 이온의 산화력은, 활성 산소종의 산화 환원 전위와 비교하여 훨씬 높다고 할 수 있다.
다음에, 옥소늄 이온의 산화력의 강도를 확인하는 검증 시험을 행하였다. 이 검증 시험에서는, 도 2A 및 도 2B에 나타낸 전극 구조체(11)를 제작하고, 이를 사용하여 옥소늄 이온을 생성하였다. 여기서, 텅스텐으로 형성한 직경 1㎜의 바늘 전극(12)과, 스테인리스로 형성한 직경 10㎜ 두께 1.5㎜의 원반형의 평판 전극(13)과, 내부 직경 Y2가 25㎜, 외부 직경 Y3이 32㎜, 두께 1.4㎜의 폴리염화비닐로 형성된 전극 지지 부재(14)를 사용하여, 실시예가 되는 전극 구조체(11)를 제작하였다.
이 실시예에서는, 전극간 거리 Y1은 20㎜로 하고, 정극성의 직류 전압으로서 바늘 전극(12)에 20kV를 인가하고, 평판 전극(13)은 접지에 접속하였다. 이에 의해, 바늘 전극(12) 및 평판 전극(13) 사이에 방전을 확인할 수 있었다. 이 방전은, 바늘 전극(12)에 정극성의 직류 전압이 인가되고, 평판 전극(13)을 접지에 접속시키고 있는 점에서, 정극성 코로나 방전이 된다.
그리고, 복수개의 철 못을 준비하고, 철 못에 전극 지지 부재(14)의 개구 단부를 가깝게 하고, 약48시간, 정극성 코로나 방전을 계속해서 발생시켰다. 또한, 이것과는 별도로, 비교예로서, 마이너스 이온ㆍ오존 발생기(무라타 세이사쿠쇼제 마이너스 이온 발생기 MHM305, 및 무라타 세이사쿠쇼제 마이너스 이온/오존 발생기MHM306)를 준비하고, 마찬가지로, 복수개의 철 못에 약48시간, 마이너스 이온 및 오존을 계속해서 조사하였다. 마이너스 이온 및 오존을 조사할 때의 설정 조건은, 마찬가지로, 복수개의 철 못에 약48시간, 마이너스 이온 및 오존을 계속해서 조사하였다. 인가 전압은, 제품의 사양으로 2kV로 하였다.
그 결과, 실시예에서는, 철 못의 표면 전체가 검게 변색되어 녹이 생겨 있는 것을 눈으로 보아 확인하였다. 한편, 비교예에서는, 철 못의 표면이 거의 당초의 은색의 상태이며, 거의 녹이 생기지 않은 것을 눈으로 보아 확인하였다. 이와 같이, 실시예에서는, 활성 산소종을 사용한 비교예에 비하여, 산화력이 강한 것이 확인되었다.
<옥소늄 이온의 산화력과 건조 능력의 관계에 대하여>
여기서, 물의 비점은 100℃, 기화열은 2250kJ/kg이다. 에탄올의 비점은 80.3℃, 기화열은 393kJ/kg이다. 에테르의 비점은 34.5℃, 기화열은 327kJ/kg이다. 이와 같이, 물이 매우 큰 기화열을 갖는 것을 알 수 있다. 이것은, 물 분자가 극성을 가짐으로써, 수소 결합이 작용하고, 클러스터라고 하는 덩어리를 만들고 있는 것이 원인이라고 생각된다.
물의 기화열인 2250kJ/kg을, 물 1분자당 환산하면, 0.4eV 정도이다. 클러스터가 되고 있는 물 분자에, 예를 들어 히드로늄 이온이 가까워지면, 13.6eV의 산화력(전자 친화력)이 작용하고, 수소 결합을 형성하고 있는 전자를 벗겨내, 그 전자를 고에너지(13eV 정도)의 자유 전자로 바꾸는 것이 기대된다. 고에너지의 자유 전자는, 수소 결합을 형성하고 있는 전자에 충돌하고, 또한 그 전자를 고에너지의 자유 전자로 바꾸는 것도 기대할 수 있다.
옥소늄 이온을 조사하면, 산화 반응의 연쇄가 일어나고, 클러스터 분자의 크기가 작아지는 것을 기대할 수 있다. 물 클러스터의 구조나 안정성에 대해서는, 근년, 실험 및 계산에 의해 연구되고 있다. 계산 화학에서는, 환상의 클러스터 (H2O)n에 대해, n을 3부터 60까지인 것의 구조가 검토되고 있다. 환이 커짐에 따라, 산소 원자 간의 거리는 줄어든다는 계산 결과가 얻어지고 있다.
이것은, 수소 결합에 의해 수소를 수용한 분자는 전하의 분포가 바뀌어 수소를 공여하는 힘도 증가하기 때문에, 물의 집합체가 커지면, 협동적으로 수소 결합을 강화할 수 있기 때문이라고 생각되고 있다. 이것은, 클러스터의 크기가 작아지면, 기화열이 작아지는 것을 의미한다. 물 분자의 6량체에는 몇개의 이성체가 예상되어 있고, 환상, 책자형, 백형, 바구니형, 프리즘형의 것이 거의 동일 정도의 안정성을 갖는다고 산출되어 있다. 7량체에 대해서도 2종류의 바구니형의 이성체가 계산으로 얻어지고 있고, 8량체에서는 환상의 것과 입방체형의 것이 산출되어 있다. 또한 거대한 클러스터로서, 풀러렌형의 28양체 「bucky water」와, 280개의 물 분자가 정20면체형으로 모인 것이, 에너지의 극솟값을 갖는 것으로 계산되어 있다. 근년은 ab initio법(비경험적 방법)에 의한 물 클러스터의 해석도 이루어지고 있다.
여기서, 물의 증발 속도를 v라 하고, 기화열을 LV라 하면, 이들 증발 속도 v 및 기화열 LV의 관계에 대해서는, 클라페이론(Clapeyron)-클라우지우스(Clausius)의 식에 의해 하기와 같이 나타낼 수 있다.
여기서, vO는, 적분 상수를 나타내고, kB는, 볼츠만 상수를 나타내고, T는 온도를 나타낸다.
도 4는, v/vO의 값을, 기화열 LV의 함수로서 나타낸 것이다. 도 4로부터, 기화열 LV가 작아지면, 증발 속도 v가 커지는 것을 알 수 있다. 따라서, 옥소늄 이온을 조사함으로써, 산화 반응의 연쇄가 일어나고, 클러스터 분자의 크기가 작아져서 기화열이 작아지면, 증발 속도가 커진다. 따라서, 옥소늄 이온을 유기물에 조사한 경우, 동일한 에너지로, 보다 많은 물을 증발시키는 것을 기대할 수 있다. 또한, 옥소늄 이온을 사용한 건조 능력의 검증 시험에 대해서는 「실시예」에서 후술한다.
<작용 및 효과>
이상의 구성에 있어서, 유기물 분해 처리용 이온 생성 장치(4)에서는, 바늘 전극(12) 및 평판 전극(13)을 대향 배치하고, 직류 전원부(9)에 의해 정극성의 직류 전압을 바늘 전극(12)에 인가한다. 직류 전원부(9)는, 전압 제어부(10)에 의해 직류 전압을 소정의 전압값으로 설정하고, 대기압 중에서 바늘 전극(12) 및 평판 전극(13) 사이에 정극성 코로나 방전을 발생시킨다.
이에 의해, 유기물 분해 처리용 이온 생성 장치(4)에서는, 바늘 전극(12) 및 평판 전극(13) 사이에 발생된 정극성 코로나 방전에 의해, 유기물의 분해 처리 능력이 높은 옥소늄 이온을 생성할 수 있다. 이와 같이 하여, 유기물 분해 처리용 이온 생성 장치(4)에서는, 유기물의 분해 처리에 옥소늄 이온을 사용함으로써, 유기물의 분해 처리 능력을 종래보다 한층 향상시킬 수 있다.
또한, 유기물 분해 처리용 이온 생성 장치(4)에서는, 전극 지지 부재(14)의 중공 공간 ER1에서 바늘 전극(12) 및 평판 전극(13)을 대향 배치시켜 정극성 코로나 방전을 발생시킨다. 이에 의해, 유기물 분해 처리용 이온 생성 장치(4)는, 통형의 전극 지지 부재(14)의 개구 단부에서만 옥소늄 이온을 배출시킬 수 있으므로, 개구 단부의 방향을 선정함으로써, 의도한 방향으로만 옥소늄 이온을 집중적으로 송출시킬 수 있다. 이렇게 하여, 유기물 분해 처리용 이온 생성 장치(4)는, 하우징(8) 내에서 옥소늄 이온이 방사형으로 비산되는 것을 억제하고, 의도한 방향을 향하여, 보다 멀리까지 옥소늄 이온을 비산시킬 수 있다.
또한, 유기물 분해 처리용 이온 생성 장치(4)에서는, 중공 공간 ER1의 중심축 X 상에 하우징(8)의 배출구가 위치하도록 전극 지지 부재(14)를 배치하고, 도입구로부터 하우징(8) 내에 도입된 송풍기(3)로부터의 기체를, 중공 공간 ER1을 통과시켜 직선적으로 배출구를 향하여 송출한다. 이에 의해, 유기물 분해 처리용 이온 생성 장치(4)에서는, 중공 공간 ER1에서 생성된 옥소늄 이온을, 직접, 배출구로부터 격납조(2) 내로 유도할 수 있다. 이렇게 하여, 옥소늄 이온이 하우징(8) 내에서 분사되는 개소를 한정하고, 그만큼, 강력한 산화력을 갖는 옥소늄 이온에 의해 하우징(8) 내가 손상되어 버리는 것을 억제할 수 있다.
<다른 실시 형태>
본 발명은 상기 실시 형태에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 취지 범위 내에서 적절하게 변경하는 것이 가능하다. 예를 들어, 전극 구조체(11)를 하우징(8) 내의 다양한 위치에 마련해도 된다. 또한, 유기물 분해 처리 장치(1)로서, 유기물로의 옥소늄 이온의 조사에 더하여, 유기물에 대한 가열 및 교반을 동시에 행하고, 유기물을 분해 처리하는 경우에 대해 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 유기물로의 옥소늄 이온의 조사만을 행하는 유기물 분해 처리 장치나, 유기물로의 옥소늄 이온의 조사에 더하여, 유기물에 대한 가열 또는 교반의 어느 하나만을 행하는 유기물 분해 처리 장치여도 된다.
실시예
다음에, 전극 구조체(11)를 사용한 상술한 실시예와 마찬가지로, 20kV의 정극성의 직류 전압을 바늘 전극(12)에 인가되고, 평판 전극(13)을 접지에 접속되어, 대기압 중에서 정극성 코로나 방전을 발생시켰다. 그리고, 생성된 옥소늄 이온의 개수 밀도에 대해 조사하는 검증 시험을 행하였다. 여기서는, 전극 구조체(11)로부터 측정 위치를 이격해 가고, 소정 거리 x마다, 전극 구조체(11)에서 생성된 옥소늄 이온의 개수 밀도를 이온 카운터(이온 트레이딩사제, 상품명 이온 카운터 NKMH-103(초와이드 레인지형)으로 측정하였다. 그 결과, 도 5에 도시하는 바와 같이 결과가 얻어졌다.
도 5 중, ○는 이온 카운터로 측정한 측정값을 나타내고, 실선은 측정값을 지수 함수로 피팅한 것이다. 거리 x=0㎝ 부근에서는, 5000만개/㎤ 정도 이상의 옥소늄 이온이 생성되어 있다고 생각된다. 도 5에 도시하는 바와 같이, 옥소늄 이온의 개수 밀도는, 거리 x를 크게 함에 따라 점차로 저하되어 갔다. 따라서, 전극 구조체(11)는, 분해 처리하는 유기물에 가까운 위치에 설치하고, 옥소늄 이온을 유기물에 직접 도달시키는 것이 바람직한 것을 확인할 수 있었다.
다음에, 옥소늄 이온의 건조 능력을 평가하는 검증 시험을 행하였다. 여기서는, 충분한 양의 물을 흡수시킨 고분자 흡수체(이하, 함유 고분자 흡수체라고 칭함)을 100g씩 각각 나누어, 4개의 함수 고분자 흡수체를 준비하여 각각 용기(터퍼)에 넣었다. 그리고, 전극 구조체(11)를 사용한 상술한 실시예와 마찬가지로, 20kV의 직류 전압을 바늘 전극(12)에 인가하여 정극성 코로나 방전을 발생시켜, 생성된 옥소늄 이온을, 첫번째의 함수 고분자 흡수체에 조사하였다.
두 번째의 함수 고분자 흡수체에는, 비교예 1로서 준비한 마이너스 이온ㆍ오존 발생기(무라타 세이사쿠쇼제 마이너스 이온 발생기 MHM305 및 무라타 세이사쿠쇼제 마이너스 이온/오존 발생기 MHM306)를 사용하고, 마이너스 이온 및 오존을 조사하였다. 마이너스 이온 및 오존을 조사할 때의 설정 조건은, 마찬가지로, 복수개의 철 못에 약48시간, 마이너스 이온 및 오존을 계속해서 조사하였다. 인가 전압은, 제품의 사양으로 2kV이다.
세 번째의 함수 고분자 흡수체에는, 비교예 2로서 준비한 마이너스 이온 발생기(무라타 세이사쿠쇼제 마이너스 이온 발생기 MHM305 및 무라타 세이사쿠쇼제 마이너스 이온/오존 발생기 MHM306)를 사용하고, 마이너스 이온만을 조사하였다. 마이너스 이온을 조사할 때의 설정 조건은, 제품의 사양으로 인가 전압은 2kV로 하였다.
4번째의 함수 고분자 흡수체는, 옥소늄 이온이나 마이너스 이온, 오존 등을 조사하지 않고 자연 건조시켰다.
그리고, 이들 4개의 함유 고분자 흡수체에 대해, 각각 12시간마다 48시간 경과시까지의 증발 질량과 잔존 질량을 측정하였다. 그 결과, 도 6 및 도 7에 도시하는 바와 같은 결과가 얻어졌다. 도 6 및 도 7에서는, 실시예의 측정 결과를 「본 장치」라 하고, ○로 나타내고 있다. 또한, 비교예 1의 측정 결과는 □로 나타내고, 비교예 2의 측정 결과는 △로 나타내고, 무 조사 시의 측정 결과는 ×로 나타내고 있다.
여기서, 잔존 질량은 타니타의 KD-192로 측정하고, 초기 질량에서 잔존 질량을 빼는 것에 의해, 증발 질량을 구하였다. 도 6 및 도 7로부터, 마이너스 이온 및 오존을 조사한 비교예 1이나, 마이너스 이온만을 조사한 비교예 2는, 증발 질량 및 잔존 질량이 무 조사일 때와 거의 변하지 않는 것이 확인되었다.
이에 반하여, 실시예인, 옥소늄 이온을 조사한 경우는, 비교예 1이나 비교예 2, 무 조사일 때와 비교하여, 증발 질량이 매우 커지고, 또한 잔존 질량이 매우 작아지는 것을 확인할 수 있다.
다음에, 상술한 검증 시험과 같은 함수 고분자 흡수체를 준비하고, 함수 고분자 흡수체로부터 50㎝ 정도 이격한 위치에 실시예의 전극 구조체(11)를 설치한 후, 함유 고분자 흡수체에 대해 옥소늄 이온을 조사하였다. 함유 고분자 흡수체에 대해, 12시간마다 48시간 경과시까지의 증발 질량과 잔존 질량을 측정한 바, 도 8 및 도 9에 도시하는 바와 같은 결과가 얻어졌다.
도 8 및 도 9에서는, 비교예로서 무 조사일 때 측정 결과를 나타내고 있다. 도 8 및 도 9에 도시하는 바와 같이, 전극 구조체(11)를 함수 고분자 흡수체로부터 50㎝ 정도 이격해도, 증발 질량이 매우 커지고, 또한 잔존 질량이 매우 작아지는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 전극 구조체(11)를 함수 고분자 흡수체로부터 50㎝ 이격해도, 물의 증발량을 충분히 확보할 수 있는 것이 확인되었다.
다음에, 2개의 용기(터퍼)를 준비하고, 각 용기 내에 각각 물을 100cc씩 넣었다. 그리고, 첫 번째 용기에는, 용기로부터 5㎝ 정도 이격한 비스듬하게 상부 위치에, 전극 구조체(11)를 설치하였다. 다음에, 용기 내의 물에 대해, 전극 구조체(11)에서 생성한 옥소늄 이온을 조사하였다. 또한, 나머지의 용기의 물은 그대로 방치하였다. 그리고, 12시간마다 48시간 경과시까지의 물의 증발 질량과 잔존 질량을 각각 측정한 바, 도 10 및 도 11에 나타낸 바와 같은 결과가 얻어졌다.
실시예로서, 옥소늄 이온을 조사한 경우에는, 방치하였을 때와 비교해서(도면 중, 무 조사라고 표기), 증발 질량이 매우 커지고, 또한 잔존 질량이 매우 작아지는 것을 확인할 수 있다.
이상과 같이, 바늘 전극(12) 및 평판 전극(13)을 통형의 전극 지지 부재(14)로 지지하고, 또한 20kV라고 하는 높은 직류 전압을 바늘 전극(12)에 인가한 실시예에서는, 5㎝나 50㎝ 이격된 개소에서도 물의 증발에 큰 효과를 발휘하는 것을 확인할 수 있었다. 실시예와 같은 구성으로 함으로써, 전극 구조체(11)에서 생성된 옥소늄 이온의 비행 속도는 빨라져, 옥소늄 이온이 보다 멀리까지 비행하고 있다고 추정된다.
또한, 상술한 실시 형태에 있어서는, 송풍기(3)로부터 배출된 기체를, 도입구를 통하여 하우징(8) 내에 도입하도록 한 경우에 대해 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 블로어 등의 배기 장치기를 격납조(2)의 외부 배기구에 마련하고, 배기 장치기에 의해 격납조(2) 내의 기체를 외기로 배출함으로써, 하우징(8) 내의 기체를 격납조(2)에 인입하고, 이에 의해 도입구로부터 하우징(8) 내에 기체(외기)를 도입시키도록 해도 된다. 이 경우에도, 하우징(8)에는, 도입구로부터 기체가 도입하고, 배출구로부터 격납조(2) 내에 기체를 배출할 수 있다.
1: 유기물 분해 처리 장치
2: 격납조
3: 송풍기
4: 유기물 분해 처리용 이온 생성 장치
8: 하우징
9: 직류 전원부
10: 전압 제어부
12: 바늘 전극
13: 평판 전극
14: 전극 지지 부재
2: 격납조
3: 송풍기
4: 유기물 분해 처리용 이온 생성 장치
8: 하우징
9: 직류 전원부
10: 전압 제어부
12: 바늘 전극
13: 평판 전극
14: 전극 지지 부재
Claims (4)
- 격납조 내에 격납된 유기물을 분해 처리하기 위한 이온을 생성하는 유기물 분해 처리용 이온 생성 장치이며,
대향 배치된 바늘 전극 및 평판 전극과,
정극성의 직류 전압을 상기 바늘 전극에 인가하는 직류 전원부를
구비하고,
상기 직류 전원부에는,
상기 직류 전압을 소정의 전압값으로 설정하고, 대기압 중에서 상기 바늘 전극 및 상기 평판 전극 사이에 정극성 코로나 방전을 발생시키는 전압 제어부를 갖는, 유기물 분해 처리용 이온 생성 장치. - 제1항에 있어서, 상기 바늘 전극 및 상기 평판 전극을 지지하는 통형의 전극 지지 부재를 구비하고,
상기 전극 지지 부재는, 통형 내벽부로 둘러싸인 중공 공간에서 상기 바늘 전극 및 상기 평판 전극을 대향 배치시켜, 상기 중공 공간 내에서 상기 정극성 코로나 방전을 발생시키는, 유기물 분해 처리용 이온 생성 장치. - 제2항에 있어서, 상기 전극 지지 부재가 내부에 설치된 하우징을 구비하고,
상기 하우징에는, 기체를 도입하는 도입구와, 상기 격납조 내에 상기 기체를 배출하는 배출구가 마련되어 있고,
상기 전극 지지 부재는, 상기 중공 공간의 중심축 상에 상기 배출구가 위치하도록 배치되고,
상기 하우징은, 상기 도입구로부터 도입된 상기 기체를, 상기 중공 공간을 통과시켜 직선적으로 상기 배출구를 향하여 송출하는, 유기물 분해 처리용 이온 생성 장치. - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 기재된 유기물 분해 처리용 이온 생성 장치가, 상기 격납조에 마련된, 유기물 분해 처리 장치.
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