KR20210041397A - 무화를 이용한 플라즈마 수처리 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 목적은 오염수(예, 물, 액체 오염원)가 분사되는 액주들을 서로 충돌시켜서 미립화된 액적들로 형성되는 무화영역에서 플라즈마 방전으로 발생되는 플라즈마로 수처리 하는 무화를 이용한 플라즈마 수처리 장치를 제공하는 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 무화를 이용한 플라즈마 수처리 장치는, 유입구로 처리대상인 오염수를 유입하고 적어도 2개의 분사구들로 오염수를 분사하여 설정된 액주 거리의 충돌지점에서 액주들을 서로 충돌시켜 오염수를 공기 중에 액적들로 무화시키는 무화 노즐, 및 상기 충돌지점으로부터 방전갭으로 이격되는 대응부재를 포함하며, 상기 무화 노즐과 상기 대응부재는 고전압전극과 접지전극 중 서로 다른 하나의 전극으로 작용하고, 상기 방전갭 내의 공기 중에 무화된 오염수의 액적들에 플라즈마 방전을 일으킨다.

Description

무화를 이용한 플라즈마 수처리 장치 {PLASMA WATER TREATMEMT APPARATUS USING SPRAY}

본 발명은 플라즈마 수처리 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 오염수의 액주들을 서로 충돌시켜서 무화 액적으로 형성되는 무화영역에서 플라즈마 방전으로 발생되는 플라즈마를 이용하여 오염수를 수처리 하는 무화를 이용한 플라즈마 수처리 장치에 관한 것이다.

알려진 바에 따르면, 종래 수처리 기술의 한계를 극복하여 대유량의 물을 처리하기 위하여, 플라즈마 수처리 기술이 개발되고 있다. 그러나 종래의 플라즈마 수처리 기술은 여전히 한계점을 가진다. 따라서 플라즈마의 종류에 관계없이 플라즈마를 물에 접촉시켜 수처리 효과를 극대화 할 필요성이 제기되고 있다.

액체 내부에서 플라즈마 방전을 일으키는 기술은 오염물질을 제거하는 환경기술로써, 고부가 가치의 새로운 물질을 개발하는 재료기술 등 다양한 분야에서 활용될 수 있다. 수중에서 플라즈마를 효율적으로 발생시키기 위해서는 기포를 발생시키는 것과 미세한 기포들의 분포를 적절히 제어할 필요가 있다.

그러나 일반적으로 알려진 기술은 기체를 추가로 주입하여 수중에서 기포를 발생시킨다. 플라즈마 수처리 효율을 극대화하기 위하여 기체를 추가로 공급하기 위한 시스템은 전체 수처리 시스템의 효율을 저하시키며, 수처리 시스템의 복잡성을 증대시킨다.

또한, 대유량의 물을 처리하기 위하여 기체를 추가로 공급한 이후, 플라즈마 방전을 하게 되면, 기체 주입 방식에 따라 플라즈마 방전의 불안정성이 증가될 수 있고, 물과 기포가 섞이는 기포 영역에서 기포의 균일한 분포가 어려워진다. 따라서 기체를 추가로 공급하는 플라즈마 수처리 방식은 수처리 효율 증가에 한계를 가진다.

본 발명의 목적은 오염수(예, 물, 액체 오염원) 흐름 및 플라즈마 방전을 최적화하여 플라즈마로 대유량의 오염수를 효율적으로 수처리 하는 무화를 이용한 플라즈마 수처리 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 목적은 오염수(예, 물, 액체 오염원)가 분사되는 액주들을 서로 충돌시켜서 미립화된 액적들로 형성되는 무화영역에서 플라즈마 방전으로 발생되는 플라즈마로 수처리 하는 무화를 이용한 플라즈마 수처리 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 무화를 이용한 플라즈마 수처리 장치는, 유입구로 처리대상인 오염수를 유입하고 적어도 2개의 분사구들로 오염수를 분사하여 설정된 액주 거리의 충돌지점에서 액주들을 서로 충돌시켜 오염수를 공기 중에 액적들로 무화시키는 무화 노즐, 및 상기 충돌지점으로부터 방전갭으로 이격되는 대응부재를 포함하며, 상기 무화 노즐과 상기 대응부재는 고전압전극과 접지전극 중 서로 다른 하나의 전극으로 작용하고, 상기 방전갭 내의 공기 중에 무화된 오염수의 액적들에 플라즈마 방전을 일으킨다.

상기 무화 노즐은 고전압이 인가되는 고전압전극으로 작용하고, 상기 대응부재는 전기적으로 접지되는 접지전극으로 작용할 수 있다.

상기 무화 노즐은, 오염수를 유입하는 상기 유입구, 상기 유입구에 연결되어 오염수를 저장하는 제1챔버, 및 상기 제1챔버에 연결되어 오염수를 공급하는 공급통로를 구비하는 바디, 및 상기 바디에 결합되어, 상기 공급통로에 연결되는 제2챔버를 설정하고, 상기 제2챔버의 오염수를 분사하여 형성되는 액주들이 상기 충돌지점에 이르게 하는 상기 적어도 2개의 분사구들을 구비하는 캡을 포함할 수 있다.

상기 적어도 2개의 분사구들은 상기 캡에서 원주 방향을 따라 설정된 간격으로 배치되어 상기 액주들을 상기 충돌지점에서 충돌시켜 상기 방전갭에서 오염수의 액적들로 공기 중에 무화를 형성할 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 일 실시예는 적어도 2개의 분사구들을 구비한 무화 노즐에서 오염수(물, 오염원)를 분사하여 액주들을 형성하므로 액주 거리의 충돌지점에서 액주들을 공기(기체, 대기) 속에 서로 충돌시켜서 공기(기체, 대기) 중의 방전갭에서 무화된 액적들로 무화영역을 설정하고, 무화영역에서 오염수가 공기(기체, 대기) 중에 균일하게 분포된다.

따라서 일 실시예는 고전압이 인가되는 무화노즐과 전기적으로 접지되는 대응부재 사이에 전압차를 형성하여 공기 중의 방전갭에서 플라즈마 방전을 일으켜 플라즈마를 발생시킨다. 발생된 플라즈마는 무화영역에서 무화된 오염수의 액적들 사이에 형성되어 무화된 액적들에 포함된 오염물질을 제거하여 오염수(물, 오염원)를 수처리 할 수 있다.

또한, 일 실시예는 무화영역에서 오염수의 무화된 액적들이 공기(기체, 대기) 중에 균일하게 분포되므로 방전갭 및 무화영역에서 플라즈마 방전이 균일하게 형성되고, 이에 따라 균일하게 발생되는 플라즈마에 의하여 액적으로 무화된 오염수의 수처리 효율을 더욱 높일 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 무화를 이용한 플라즈마 수처리 장치의 단면도이다.
도 2는 도 1에 사용되는 분사 노즐의 저면도이다.
도 3은 도 1의 무화를 이용한 플라즈마 수처리 장치를 통하여, 액주를 충돌시켜 오염수의 액적들로 공기 중에 무화를 형성하는 상태를 보여주는 사진이다.
도 4는 도 3의 오염수의 액적들로 공기 중에 무화를 형성한 상태에서 플라즈마 방전으로 액적들 사이에 플라즈마를 발생시키는 상태를 보여주는 사진이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 무화를 이용한 플라즈마 수처리 장치의 단면도이고, 도 2는 도 1에 사용되는 분사 노즐의 저면도이다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 일 실시예에 따른 무화를 이용한 플라즈마 수처리 장치는 무화 노즐(10)과 대응부재(20)를 포함한다. 일 실시예는 오염수(예, 물, 액체 오염원, 이하 "오염수"라 함)을 무화시키는 방식으로 오염수와 공기(예, 기체, 대기, 이하 "공기"라 함)의 접촉 면적을 더욱 극대화시킬 수 있다.

일 실시예는 오염수를 액적들로 무화시키므로 오염수의 미립화로 이루어지는 수많은 액적들이 존재하는 공간에 플라즈마 방전으로 발생된 플라즈마를 액적들에 작용시킴으로써, 액적들로부터 오염물질을 제거하며, 이때, 대유량의 오염수를 수처리할 수 있고, 또한 플라즈마와 오염수의 접촉 면적을 극대화 시킴으로써 수처리 효율을 향상시킬 수 있도록 구성된다.

또한, 일 실시예는 공기 중에 오염수가 미립화된, 즉 무화된 액적들 사이에 플라즈마 방전(PL)으로 발생된 플라즈마를 주입하므로 습식 스크러버(wet scrubber) 작용에 의한 수처리 효과 및 플라즈마 반응으로 인하여 오염물질을 추가로 제거하는 수처리 효과를 동시에 구현할 수 있다. 따라서 수처리 효율이 증대될 수 있도록 구성된다.

무화 노즐(10)은 처리대상인 오염수를 유입하여 분사하여 공기 중에 액적들로 무화시키도록 구성된다. 즉 무화 노즐(10)은 일측에 유입구(11)와 다른 일측에 적어도 2개의 분사구들(12, 13, 14)을 구비한다. 편의상, 본 실시예의 무화 노즐(10)은 3개의 분사구들(12, 13, 14)을 구비하고 있다.

일례를 들면, 무화 노즐(10)은 바디(15) 및 캡(16)을 포함한다. 바디(15)는 오염수를 유입하는 유입구(11), 유입구(11)에 연결되어 오염수를 일시적으로 저장하여 공급 충격을 흡수하는 제1챔버(152), 및 제1챔버(152)에 연결되어 오염수를 공급하는 공급통로(153)를 구비한다. 바디(15)에 제1챔버(152)의 구비로 인하여, 공급통로(153)는 설정된 양의 오염수를 설정된 속도로 공급할 수 있게 한다.

캡(16)은 바디(15)에 결합되어, 공급통로(153)에 연결되는 제2챔버(161)를 설정하고, 제2챔버(161)의 오염수를 분사하여 형성되는 액주들(LC)이 충돌지점(P)에 이르러 서로 충돌되게 하는 적어도 2개의 분사구들(12, 13, 14)을 구비한다. 캡(16)에 제2챔버(161)의 구비로 인하여, 제2챔버(161)에서 분사구들(12, 13,1 4)로 설정된 양의 오염수를 설정된 속도로 공급하여 분사할 수 있게 된다. 일례로써, 캡(16)의 바디(15)에 나사 결합될 수 있고, 나사 결합의 설정으로 제2챔버(161)가 설정된 부피를 가질 수 있다.

적어도 2개의 분사구들(12, 13, 14)은 캡(16)에서 원주 방향을 따라 설정된 간격으로 배치되어, 오염수의 액주들(LC)을 하나의 충돌지점(P)에서 서로 충돌시켜 방전갭(G) 내의 공기 중에서 오염수를 액적들로 무화할 수 있게 한다.

3개의 분사구들(12, 13, 14) 또는 더 많은 개수의 분사구들(미도시)은 캡(16)의 직경 방향 중심 및 공급통로(153)의 연장 방향에 대하여 대칭 구조로 배치 및 형성되므로 캡(16)의 직경 방향 중심에서 방전갭(G)에 대응하는 충돌지점(P)의 공기 중에서 오염수를 액적들로 무화할 수 있게 한다.

도 3은 도 1의 무화를 이용한 플라즈마 수처리 장치를 통하여, 액주를 충돌시켜 오염수의 액적들로 공기 중에 무화를 형성하는 상태를 보여주는 사진이다. 도 1 내지 도 3을 참조하면, 처리대상인 오염수는 무화 노즐(10)의 유입구(11)로 유입되어 제1챔버(152), 공급통로(153) 및 제2챔버(161)를 순차적으로 경유하여 분사구들(12, 13, 14)로 분사되면서, 액주 거리(L) 내에서 복수의 액주들(LC)을 형성한다.

각 분사구들(12, 13, 14)에서 분사되는 오염수의 액주들(liquid column, LC)은 설정된 액주 거리(L)에 위치하는 충돌지점(P)에서 서로 충돌되어, 충돌지점(P)으로부터 대응부재(20)에 이르는 공간에 위치하는 공기 중에서 오염수를 액적들로 무화시킨다.

이를 위하여, 각 분사구들(12, 13, 14)은 액주 거리(L)의 충돌지점(P)에서 충돌될 수 있도록 무화 노즐(10)의 중심축 전방에 위치하는 충돌지점(P)을 향하도록 기울기(θ)를 가진다. 일례로써, 기울기(θ)는 중심축으로부터 30도로 형성될 수 있다. 따라서 각 분사구들(12, 13, 14)에서 분사되는 액주들(LC)은 충돌지점(P)에서 충돌되어 공기 중에서 오염수를 액적들로 무화시킨다. 즉 무화 노즐(10)은 액주 충돌형(Impinging jet injector) 노즐로 형성된다.

대응부재(20)는 충돌지점(P)으로부터 방전갭(G)만큼 이격되어 있다. 따라서 분사구들(12, 13, 14)로 분사되는 오염수의 액주들(LC)은 기울기(θ)를 가지고 충돌지점(P)에 이르러 서로 충돌되는 충격력에 의하여 오염수를 액적들로 무화시킨다. 즉 방전갭(G)에는 공기와 액적들이 혼합 상태를 유지하는 무화영역(SA)이 형성된다.

도 4는 도 3의 오염수의 액적들로 공기 중에 무화를 형성한 상태에서 플라즈마 방전으로 액적들 사이에 플라즈마를 발생시키는 상태를 보여주는 사진이다. 도 1, 도 3 및 도 4를 참조하면, 무화 노즐(10)과 대응부재(20)는 플라즈마 방전(PL)을 위한 고전압전극과 접지전극 중 서로 다른 하나의 전극으로 작용하여, 방전갭(G) 내에 형성되는 무화영역(SA)에서 오염수의 무화된 액적들과 공기에 플라즈마 방전(PL)을 일으킨다.

일 실시예에서, 무화 노즐(10)은 고전압전극으로 작용하고, 대응부재(20)는 접지전극으로 작용한다. 도시하지 않았으나, 무화 노즐이 접지전극으로 작용하고, 대응부재가 고전압전극으로 작용할 수 있다.

따라서 분사구들(12, 13, 14)로 분사되는 오염수의 액주(LC)는 충돌지점(P)에 이를 때, 고전압이 인가된 상태를 유지하고, 충돌지점(P)에서 충돌한 후, 방전갭(G) 및 무화영역(SA)에서 고전압이 인가된 상태의 액적들로 무화된다.

이러한 상태에서 대응부재(20)가 전기적으로 접지되므로 방전갭(G)에서 형성되는 전위차로 인하여 무화영역(SA)에서 공기를 방전기체로하여 플라즈마 방전(PL)이 일어나고, 이로 인하여 액적들 사이에서 플라즈마가 발생된다.

공기 중에 균일하게 무화된 오염수의 액적들 및 공기는 무화영역(SA)에서 균일한 플라즈마 방전(PL)을 일으키고, 이로 인하여, 액적들 사이에서 플라즈마를 균일하게 발생시킨다. 따라서 무화영역(SA)에서 액적으로 무화된 오염수를 더욱 효과적으로 수처리할 수 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 고전압이 인가된 바디(15)를 통과한 오염수는 캡(16)의 분사구들(12, 13, 14)로 분사되어 각각의 액주들(PC)을 형성하고, 액주들(LC)은 분사된 후 충돌지점(P)에서 서로 충돌하여, 모멘텀에 의하여 액적들로의 무화를 발생시킨다.

도 3은 실험적으로 분사구들(12, 13, 14)로 액주들(LC)을 분사하고, 액주들(LC)의 충돌위치(P)에서 충돌시켜 액주들(LC)을 공기 중에서 액적들로 무화시키는 것을 실험적으로 검증하는 것을 보여 주고 있다.

도 4에 도시된 바와 같이, 액주들(LC)이 충돌하는 하나의 충돌지점(P)에서 집중되어 서로 충돌되며, 고전압으로 대전된 액주들(LC)에 의하여 공기 중에 무화된 오염수의 액적들은 충돌지점(P)과 접지된 대응부재(20)와의 사이에서 플라즈마 방전을 위한 전위차를 형성하게 된다.

방전갭(G)으로 형성되는 무화영역(SA) 내에서 전위차를 가지고 공기 중에 무화된 오염수의 액적들 사이에서 플라즈마 방전(PL)이 일어난다. 플라즈마 방전(PL)으로 발생되는 플라즈마는 오염수의 액적들에 포함된 오염물질들을 제거하여, 오염수를 수처리하게 된다.

도 4는 실험적으로 무화영역(SA) 내에 플라즈마 방전(PL)으로 플라즈마를 발생시키고, 플라즈마로 오염수를 수처리 하는 것을 실험적으로 검증하는 것을 보여 주고 있다.

일 실시예의 무화를 이용한 플라즈마 수처리 장치는 다양한 분야, 즉 오염수를 정화하기 위하여 무화를 일으켜 플라즈마 방전을 일으키는 경우, 귀금속 촉매를 대체할 수 있는 탄소 촉매 제작을 위하여 액체 유기물을 무화하여 플라즈마 방전을 일으키는 경우, 친환경 수소를 생산하기 위하여 물을 무화하여 플라즈마 방전을 일으키는 경우, 플라즈마 처리된 물의 농업용수로 활용하는 경우, 및 플라즈마 처리된 물로 살균하는 경우, 등에 효과적으로 사용될 수 있다.

무화를 이용한 플라즈마 수처리 장치는 오염수를 공기 중에서 서로 충돌시켜 공기 중에 오염수를 액적들로 무화시키는 현상을 이용하므로 수중에서 기포를 발생시켜 수중 기포를 이용하여 플라즈마를 발생시키는 것보다 공기와 오염수 액적들 사이의 접촉 면적을 더 증대시킬 수 있다.

이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이들에 한정되는 것이 아니고 청구범위와 발명의 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

10: 무화 노즐 11: 유입구
12, 13, 14: 분사구 15: 바디
16: 캡 20: 대응부재
152: 제1챔버 153: 공급통로
161: 제2챔버 G: 방전갭
L: 액주 거리 LC: 액주
P: 충돌지점 SA: 무화영역
θ: 기울기

Claims (4)

1. 유입구로 처리대상인 오염수를 유입하고 적어도 2개의 분사구들로 오염수를 분사하여 설정된 액주 거리의 충돌지점에서 액주들을 서로 충돌시켜 오염수를 공기 중에 액적들로 무화시키는 무화 노즐; 및
   상기 충돌지점으로부터 방전갭으로 이격되는 대응부재
   를 포함하며,
   상기 무화 노즐과 상기 대응부재는,
   고전압전극과 접지전극 중 서로 다른 하나의 전극으로 작용하고,
   상기 방전갭 내의 공기 중에 무화된 오염수의 액적들에 플라즈마 방전을 일으키는
   무화를 이용한 플라즈마 수처리 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 무화 노즐은 고전압이 인가되는 고전압전극으로 작용하고,
   상기 대응부재는 전기적으로 접지되는 접지전극으로 작용하는
   무화를 이용한 플라즈마 수처리 장치.
3. 제1항에 있어서,
   상기 무화 노즐은
   오염수를 유입하는 상기 유입구, 상기 유입구에 연결되어 오염수를 저장하는 제1챔버, 및 상기 제1챔버에 연결되어 오염수를 공급하는 공급통로를 구비하는 바디, 및
   상기 바디에 결합되어, 상기 공급통로에 연결되는 제2챔버를 설정하고, 상기 제2챔버의 오염수를 분사하여 형성되는 액주들이 상기 충돌지점에 이르게 하는 상기 적어도 2개의 분사구들을 구비하는 캡
   을 포함하는 무화를 이용한 플라즈마 수처리 장치.
4. 제3항에 있어서,
   상기 적어도 2개의 분사구들은
   상기 캡에서 원주 방향을 따라 설정된 간격으로 배치되어 상기 액주들을 상기 충돌지점에서 충돌시켜 상기 방전갭에서 오염수의 액적들로 공기 중에 무화를 형성하는
   무화를 이용한 플라즈마 수처리 장치.

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