KR20210115924A - 고전압 마이크로 펄스 방전을 이용하는 대상수역의 조류 처리장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 조류 처리장치는 선박이나 바지선에 설치되어 고전압 마이크로 펄스를 녹조나 적조가 발생한 대상수역 내에서 방전하여 조류의 기낭만을 파괴하여 조류를 화학약품을 사용하지 않거나 최소한으로 사용하여 녹조나 적조를 효율적으로 해결할 수 있습니다.

Description

고전압 마이크로 펄스 방전을 이용하는 대상수역의 조류 처리장치{ALGAE TREATMENT DEVICE USING HIGH VOLTAGE MICRO PULSE DISCHARGE}

본 발명은 대상수역에 조류의 처리 장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 고전압 마이크로 펄스 방전을 이용하여 대상수역에 과다하게 발생한 조류를 처리할 수 있는 장치에 관한 것이다.

녹조(綠潮)나 적조(赤潮)는 수생태계에 에너지를 공급하는 구성원인 조류(규조류·녹조류·남조류 등)의 과다 성장으로 물이 짙은 녹색 또는 적색으로 변하는 현상을 의미한다. 매년 폭염이 시작되면 낙동강이나 금강 등의 상수원 또는 인근 바다에서 녹조 또는 적조로 인한 오염이 발생한다.

녹조나 적조가 발생한 곳에서는 악취가 발생하거나 용존산소량(DO)이 줄어들어 수생생물을 위협하는 생태계 파괴 문제가 발생한다. 뿐만 아니라 마이크로시스티스·아나베나·오실라토리아·아파니조메논 등의 유해 조류는 사람이나 동물이 흡수할 경우 간세포나 신경계에 나쁜 영향을 준다.

이러한 녹조나 적조 문제를 해결하기 위해 종래 황화구리나 산화알루미늄 또는 이산화티타늄나 황토를 하천에 뿌리거나 조류를 걷어내는 방법 등 이용되고 있으나, 이러한 방법들은 과도한 인력이 요구되거나2차 오염이 발생할 우려가 있다. 또한, 황화구리나 산화알루미늄 또는 이산화티타늄을 하천에 뿌리는 방법은 원할한 녹조나 적조의 처리를 위해서는 pH7~8 정도로 유지해야 하는데, 녹조나 적조가 발생한 경우에는 알칼리성으로 변하게되어 제거 효율이 급격히 떨어진다.

따라서 하천이나 강, 저수지 댐, 정수장이나 인근 바다 등의 대상수역에서 발생되는 녹조나 적조를 처리할 수 있는 새로운 방안이 필요한 실정이다.

한국특허출원 제10-2018-0111753호 한국특허출원 제10-2005-0122925호 한국특허출원 제10-2012-0127206호

본 발명의 일 목적은 하천이나 강, 저수지, 댐, 정수장, 인근 바다 등의 대상수역에서 화학약품을 사용하지 않거나 사용을 최소화하여 고전압 마이크로 펄스 방전을 통해 능동적으로 녹조나 적조를 해결할 수 있는 처리장치를 제공하는 것이다.

한편, 본 발명의 명시되지 않은 또 다른 목적들은 하기의 상세한 설명 및 그 효과로부터 용이하게 추론할 수 있는 범위 내에서 추가적으로 고려될 것이다.

위와 같은 과제를 달성하기 위해 본 발명의 일 예는 대상수역에 과다 발생한 조류 처리장치는 선박 또는 바지선에 설치되며, 고전압 마이크로 펄스를 방전하여 대상수역 내의 조류를 처리할 수 있는 조류 처리장치를 제안한다. 본 발명의 일 예의 조류 처리장치는 고전압 마이크로 펄스를 생성하는 펄스발생유닛; 상기 펄스발생유닛과 연결되어 생성된 고전압 마이크로 펄스를 대상수역 내에서 방전하는 적어도 하나 이상의 선단; 및 상기 선단과 상기 펄스발생유닛 사이를 연결하는 선단 전선이 거치되며, 상기 선단이 대상수역 내에서 일정한 깊이를 유지할 수 있도록 하는 지지프레임;을 포함하는 포함한다.

또는 위와 같은 과제를 달성하기 위해 본 발명의 다른 예는 선박 또는 바지선; 부력체를 구비하여 수면위에서 상기 선박 또는 바지선의 움직임에 종속되어 움직이는 지지프레임; 및 상기 선박 또는 바지선과 상기 지지프레임을 연결하는 연결부재;를 이용한다. 본 발명의 다른 예에 따른 대상수역에 과다 발생한 조류 처리장치는 상기 선박 또는 바지선에 설치되는 펄스발생유닛; 및 상기 지지프레임에 설치되며, 상기 펄스발생유닛과 연결되어 생성된 고전압 마이크로 펄스를 대상수역 내에서 방전하는 적어도 하나 이상의 선단;을 포함한다.

본 발명의 일 예에 대상수역에 과다 발생한 조류 처리장치에 의하면 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 선박, 바지선 또는 부력체를 이용하여 대상수역의 일 위치에서 또는 이동하면서 고전압 마이크로펄스 방전을 하여 조류의 기낭을 선택적으로 파괴하여 침전시킬 수 있다. 즉, 황화구리나 산화알루미늄 또는 이산화티탄 등의 화학약품의 사용량을 최소화하거나 아예 사용하지 않고 조류를 제거할 수 있다. 또한, 최소한의 인력으로 이동하면서 넓은 범위의 대상수역의 조류를 제거할 수 있다.

둘째, 고전압 마이크로 펄스가 방전되는 선단의 양전극 또는 음전극을 교체가능한 형태로 구성하여, 조류를 제거하는 과정에서 하루에 수만회 마이크로펄스 방전에 따른 양전극 및 음전극의 마모에 효율적으로 대응할 수 있다.

셋째, 지지프레임에 별도의 선단 리프팅 유닛을 구비하여, 선단의 양전극 또는 음전극을 교체할 경우 선단을 상승시켜 작업자가 용이하게 양전극 또는 음전극을 교체할 수 있다.

한편, 여기에서 명시적으로 언급되지 않은 효과라 하더라도, 본 발명의 기술적 특징에 의해 기대되는 이하의 명세서에서 기재된 효과 및 그 잠정적인 효과는 본 발명의 명세서에 기재된 것과 같이 취급됨을 첨언한다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 조류 처리장치의 개략적 사시도로서, 바지선에 설치된 것을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 조류 처리장치의 개략적 사시도로서, 선박에 설치된 것을 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 제3실시예에 따른 조류 처리장치의 개략적 사시도로서, 부력체를 설치되어 선박을 이용하여 이동시키는 것을 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 조류 처리장치가 설치된 상수도 정수처리 시스템을 개략적으로 도시한 구성도이다.
도 5는 본 발명의 본 발명의 다른 실시예에 따른 조류 처리장치가 설치된 상수도 정수처리 시스템의 사진이다.
도 6은 본 발명의 조류 처리장치의 구성을 개략적으로 나타낸 회로도이다.
도 7은 본 발명의 조류 처리장치에 의해 생성된 고전압 마이크로펄스의 파형을 개략적으로 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 조류 처리장치의 선단의 개략적 사시도이다.
도 9는 도 8의 I-I'에 따른 개략적 단면도이다.
도 10은 본 발명의 조류 처리장치의 선단의 양극 샤프트, 양극척 및 양전극의 분해 단면도이다.
도 11은 본 발명의 조류 처리장치의 선단의 음전극의 개략적 단면도이다.
도 12는 본 발명의 조류 처리장치를 이용하여 수중에서 고전압 마이크로 펄스를 방전했을 때 거리에 따른 발생압력을 측정한 것이다.
도 13은 본 발명의 조류 처리장치의 선단을 2열로 엇갈리게 배치한 것의 사진이다.
도 14는 본 발명의 조류 처리장치를 이용하여 조류를 함유하는 물에 대해 고전압 마이크로펄스 방전을 처리한 실험결과를 나타낸 것이다.
도 15는 본 발명의 조류 처리장치를 이용하여 조류를 함유하는 물에 대한 고전압 마이크로펄스 방전처리 전후의 조류세포의 SEM 사진이다.
도 16은 본 발명의 조류 처리장치를 이용하여 조류를 함유하는 물에 대한 고전압 마이크로펄스 방전처리 전후의 조류세포의 TEM 사진이다.
※첨부된 도면은 본 발명의 기술사상에 대한 이해를 위하여 참조로서 예시된 것임을 밝히며, 그것에 의해 본 발명의 권리범위가 제한되지는 아니한다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시예가 안내하는 본 발명의 구성과 그 구성으로부터 비롯되는 효과에 대해 살펴본다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능에 대하여 이 분야의 기술자에게 자명한 사항으로서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

본 발명은 하천이나 강, 저수지, 댐, 정수장, 인근 바다 등의 대상수역에서 화학약품을 사용하지 않거나 사용을 최소화하여 고전압 마이크로 펄스 방전을 통해 능동적으로 녹조나 적조를 해결할 수 있는 처리장치에 관한 것이다.

이하, 도면을 참고하여 본 발명의 조류 처리장치의 구성과 동작, 효과에 대해 살펴보도록 한다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 조류 처리장치의 개략적 사시도로서, 바지선에 설치된 것을 도시한 것이며, 도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 조류 처리장치의 개략적 사시도로서, 선박에 설치된 것을 도시한 것이다.

본 발명의 조류 처리장치는 펄스발생유닛(100)과 선단(200), 그리고 지지프레임(300)으로 구성되며, 고전압 마이크로 펄스를 방전하여 대상수역 내의 조류를 처리하는 것을 목적으로 한다. 또한, 전원을 발생시키기 위한 발전기와, 콤프레셔, 및 온도조절장치를 구비할 수 있다. 발전기는 조류 처리장치에 공급되는 전력을 생성하는 역할을 하며, 온도조절장치는 조류 처리장치의 과부화를 방지한다. 콤프레셔는 본 발의 조류 처리장치의 스위치가 공압에 의해 작동하는 경우에 압축공기를 공급하는 역할을 한다. 다만, 스위치들이 다른 방식으로 동작할 경우 콤프레셔는 생략될 수 있다.

도 1은 본 발명의 조류 처리장치가 바지선(1)에 설치된 것을 도시한 것이며, 도 2는 본 발명의 조류 처리장치가 선박(2)에 설치된 것을 도시한 것이다.

본 발명은 조류 처리장치를 바지선(1)이나 선박(2)에 설치하고, 대상수역을 이동하면서, 또는 대상수역의 일 위치로 이동한 후 정박하여 고전압 마이크로 펄스를 방전한다.

바지선(1)이나 선박(2)에는 고전압 마이크로 펄스를 생성하는 펄스발생유닛(100)이 설치되고, 펄스발생유닛(100)은 적어도 하나 이상의 선단(200)과 연결된다. 선단(200)은 대상수역 내에 적어도 일 단부가 잠기도록 설치된다. 펄스발생유닛(100)과 선단(200)에 대해서는 뒤에서 다시 구체적으로 살펴보도록 한다.

선단(200)은 지지프레임(300)에 고정된다. 지지프레임(300)은 바지선(1)이나 선박(2)에 설치되는데, 지지프레임(300)의 일 측이 연장되어 바지선(1)이나 선박(2)에 외측으로 돌출되는 돌출부를 가지는 것이 바람직하다. 지지프레임(300)의 돌출부에는 펄스발생유닛(100)과 선단(200)을 연결하는 케이블이 거치되고, 돌출부의 하단에 선단(200)이 위치하게 되는 것이다. 케이블에는 별도의 고정부재를 이용하여 케이블을 지지프레임(300)에 고정시킨다.

도 3은 본 발명의 제3실시예에 따른 조류 처리장치의 개략적 사시도로서, 부력체를 설치되어 선박을 이용하여 이동시키는 것을 도시한 것이다.

도 3은 제1실시예 또는 제2실시예와 달리 지지프레임(300)에 부력체(301)를 설치하는 것이다.

펄스발생유닛(100)은 제1실시예 또는 제2실시예와 마찬가지로 바지선(1) 또는 선박(2)에 설치된다. 바지선(1) 또는 선박(2)의 후미에는 부력체(301)가 설치된 지지프레임(300)이 연결부재(3)에 의해 연결된다. 바지선(1) 또는 선박(2)이 이동하게 되면, 연결부재(3)에 의해 지지프레임(300)이 끌려가게 된다. 지지프레임(300)을 이용할 경우 바지선(1)이나 선박(2)만을 이용할 경우에 비해 보다 넓은 영역에 고전압 마이크로 펄스를 방사하는 것이 가능하며, 특히 좌우로의 확장 뿐만아니라 전후로의 확장도 가능하다는 장점이 있다.

위에서 설명한 것과 달리, 본 발명의 조류 처리장치는 상수도의 정수처리장에 설치되어 이용할 수 있다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 조류 처리장치가 설치된 상수도 정수처리 시스템을 개략적으로 도시한 구성도이며, 도 5는 본 발명의 본 발명의 다른 실시예에 따른 조류 처리장치가 설치된 상수도 정수처리 시스템의 사진이다.

정수장에서는 조류 제거를 위해 응집제(산화알루미늄 등)를 투입하는데 녹조 현상이 발생하면 그 사용량이 급격이 늘어난다. 응집제와 같은 약품의 사용량이 증가하는 것도 문제이지만, 응집제의 경우 응집반응이 잘 일어나는 pH(이를 '응집 pH'라 함)가 약 pH 7-8인데 녹조 현상이 생기면 물의 pH가 중성에서 알칼리성으로 변하게 되어 응집제를 많이 투입하더라도 응집반응이 잘 일어나지 않는 문제가 있다. 물의 pH를 낮추기 위해 응집제와 더불어 pH 조절제(이산화탄소 등)도 함께 투입량을 늘여야 하는 실정이다. 응집제로 조류를 제거한 후, 잔류하는 조류는 염소 처리로 제거하게 되는데 녹조 현상이 발생하면 염소 투입량도 함께 증 가하게 된다. 나아가 여과지에서도 잔류하는 조류를 제거하기 위해 투입되는 모래층(여과사)과 활성탄에 대한 관리 및 유지 비용도 증가하게 된다.

이러한 문제를 해결하기 위해 본 발명의 조류 처리장치를 상수도 정수처리 시스템에 설치하여 사용할 수 있다.

상수도 정수처리 시스템에서 고전압 마이크로 펄스 방전의 조류의 침전은 제1 처리공간에서 실시되고, 응집제 투입에 의한 조류의 응집반응은 제2 처리공간에서 실시된다. 바람직하게는 제1 처리공간은 침사지이고, 제2 처리공간은 침전지일 수 있다. 다만 본 발명은 이에 한정되지 않으며 제1 처리공간 및 제2 처리공간은 상수도 정수처리 시스템 중 서로 기능적으로 구분된 임의의 공간일 수 있다.

본 발명의 상수도 정수처리 시스템은 취수장(10), 침사지(20), 침전지(30), 여과지(40) 및 소독장(50)을 포함한다.

취수장(10)은 수돗물의 용수를 위해 강이나 저수지 등에서 원수를 끌어들여 정수장으로 보내는 시설로서, 최수탑, 취수문, 취수관 등으로 구성될 수 있다. 취수장으로 취수된 물은 침사지(20)로 유입된다.

강, 저수지, 하천 등에서 취수된 원수에는 토사가 함께 섞여 들어오 는데, 침사지(20)는 원수로부터 침전법에 의하여 토사를 제거하는 공간이다. 녹조 현상에 대응하기 위해 침사지(20)에 본 발명의 조류 처리장치를 구비하며 고전압 마이크로펄스 방전을 이용해 유입된 원수에 포함된 조류를 침전시킨 후 상등수를 배출시킨다.

침사지(20)로 원수가 유입되면 조류 처리장치에 의해 원수에 포함된 조류의 기낭을 파괴하여 조류를 침전시킨 후 상등수를 배출시킨다. 이러한 상등수는 잔류 조류와 함께 침전지(30)로 유입된다.

침전지(30)는 응집제를 투입하여 상등수 내에 함유된 잔류 조류 및 부유 물질을 침전시키는 공간이다. 침전지(30)에 직접 응집제를 투입할 수도 있으 나, 바람직하게는 침전지(30)로 상등수가 유입되기 전에 응집제를 투입하고 침전지 (30)에서 침전반응을 유도할 수도 있다. 예를 들어, 응집제는 규소(Si)에 수산화알루미늄(Al(OH)₃)을 결합시킨 제재로, 수중에서 알루미늄이 조류와 반응하여 침강하는 원리로 작동한다. 그 외에 이미 공개된 임의의 응집제를 사용할 수 있다.

일반적으로 응집제에 의한 응집반응이 잘 일어나는 응집 pH는 약 7-8인데, 조류가 번성하면 원수의 알칼리도가 높아져서 응집반응이 잘 일어나지 않는다. 하지만 본 발명의 경우 침사지에서 1차적으로 조류를 제거하기 때문에 원수의 알칼리도를 낮춰 응집반응을 촉진할 수 있다. 더불어 원수의 pH를 낮추기 위한 pH 조절제(이산화탄소 등)의 투입량을 줄일 수 있다.

침전지(30)로 유입된 조류는 침사지(20)에서 고전압 마이크로펄스 방전에 노출되는 동안 제타전위가 낮아진 상태이다. 조류가 수중에서 침전되지 않고 부유하는 성질을 지니는 것은 조류 입자들이 가지는 양/음 이온들로 반발작용에 의한 것인데, 이렇게 반발하는 힘을 제타전위라 한다. 정수처리에서 제타전위는 응집현상이 제대로 진행되는지를 결정하는 주요지표인데, 본 발명의 고전압 마이크로 펄스 방전은 조류의 제타전위를 낮춰 응집제에 의한 응집반응을 촉진시킨다. 따라서 침전지(30)에 잔류하는 조류는 적은 양의 응집제를 투입하더라도 쉽게 응집반응이 일어난다.

침전지(30)를 통과한 원수는 여과지(40)로 유입된다. 여과지(40)는 침전지(30)에서 가라앉지 않은 미세한 부유물질을 모래층, 활성탄 등의 여과막 사이로 통과시켜 제거하는 공간이다.

여과지(40)를 통과한 원수는 소독장(50)으로 유입되고, 일반적으로 각종 세균의 멸균을 위한 염소소독이 실시된다. 염소 약품을 투입할 경우 몇몇 조류에서는 트리할로메탄(THM)이나 마이크로시스틴 등의 오염물질이 발생하는데, 본원 발명의 조류 처리 장치를 이용한 경우에는 이러한 오염물질이 발생하지 않는다. 즉, 2차적인 오염이 방지된다.

도 1 내지 4에서 이용되는 본 발명의 조류 처리장치는 펄스발생유닛(100)에서 생성되는 고전압 마이크로 펄스를 이용한다. 특히, 본 발명의 조류 처리장치는 펄스발생유닛(100)에서 생성되는 고전압 마이크로 펄스는 도 7과 같이 5 내지 30kV의 전압과, 6내지 300 μs 펄스폭을 가지는 것이 바람직하다.

또한, 고전압 마이크로 펄스를 이용하여 대상수역에서 실제로 조류를 처리하는 고정에서는 하루에 수천회 내지 수만회의 고전압 마이크로 펄스의 방전이 필요하다. 따라서 펄스발생유닛(100)은 안정적으로 고전압 마이크로 펄스를 방전할 필요가 있다.

도 6은 본 발명의 조류 처리장치의 구성을 개략적으로 나타낸 회로도이다.

도 6을 참조하면, 펄스발생유닛(100)은 전원부(110)와, 전원부(110)에 병렬로 연결되어 고전압 마이크로펄스 방전을 생성하는 복수의 펄스인가유닛(105)을 포함한다. 전원부(110)는 DC 전압을 제공할 수 있으며, 예를 들어 일단자는 접지되고 타단자는 전원전압을 제공할 수 있다. 전원부(110)와 펄스인가유닛 (105) 사이에는 충전전류의 크기를 제어하는 충전저항부(112)가 설치된다.

각 펄스인가유닛(105)은 충전스위치(118), 충전다이오드부(114), 충전부(120), 덤프저항부(116), 환류다이오드부(122) 및 방전스위치(124)를 포함한다. 펄스인가유닛(105)에서 발생된 고전압 마이크로 펄스는 선단(200)의 방전 갭을 통해 방전된다.

충전부(120)는 전원부(110)로부터 입력되는 전원을 이용하여 충전전압을 저장하며, 적어도 하나의 커패시터로 구성될 수 있다. 전원부(110)와 충전부(120) 사이에는 서지 전류를 차단하기 위한 충전스위치(118)와 충전다이오드부(114)가 설치된다. 충전부(120)와 병렬로 연결된 환류다이오드부(122)는 충전부 (120)의 충전 시에는 충전 스위치로 작동하고 충전부(120)의 방전 시에는 충전부(120)의 손상을 방지하는 역할을 한다. 충전부(120)와 병렬로 연결된 선단(200)의 방전 갭은 충전부(120)의 방전 시에 대상수역의 물 내에서 고전압 마이크로펄스를 인가한다. 충전부(120)와 병렬로 연결된 덤프저항부(116)는 안전을 위하여 충전부(120)의 작동 전후로 충전부(120)에 잔류된 전하를 방전시키기 위한 방전경로를 형성한다. 선단(200)의 방전 갭과 충전부(120) 사이에 설치된 방전스위치(124)가 방전을 제어한다.

충전스위치(118)와 방전스위치(124)는 한 주기(T) 내에서 교대로 온 오프될 수 있다. 예를 들어, 고전압 마이크로펄스 방전의 주기가 2초라고 가정할 때, 충전스위치(118)는 온 상태 그리고 방전스위치(124)는 오프 상태에서 약 1.5초 동안 충전부(120)에 전압을 충전한다. 이어서 충전스위치(118)는 오프 상태 그리고 방전스위치(124)는 온 상태로 전환되어 약 0.5초 동안 선단(200)의 방전 갭을 통해 고전압 마이크로펄스 방전이 인가된다.

본 실시예에서는 설명의 편의를 위해 충전다이오드부(114) 또는 환류다이오드부(122)가 하나의 다이오드로 구성된 경우를 예로 들어 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 충전다이오드부(114) 또는 환류다이오드부(122)를 복수의 회로소자로 구성하여 실질적으로 동일한 기능을 수행하도록 설계할 수 있다. 또한 마찬가지로 충전저항부(112) 또는 덤프저항부(116)가 하나의 저항으로 구성된 경우를 예로 들어 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 충전저항부(112) 또는 덤프저항부(116)를 복수의 회로소자로 구성하여 실질적으로 동일한 기능을 수행하도록 설계할 수 있다.

이상과 같은 조류 처리장치의 펄스발생유닛(100)에 구성에 의해, 생성되는 고전압 마이크로 펄스는 생성되는 고전압 마이크로 펄스는 5 내지 30kV의 전압과, 6내지 300 μs 펄스폭을 가지면서, 동시에 수십만번 이상의 방전을 안정적으로 수행할 수 있다.

도 8은 본 발명의 조류 처리장치의 선단의 개략적 사시도이며, 도 9는 도 8의 I-I'에 따른 개략적 단면도이고, 도 10은 본 발명의 조류 처리장치의 선단의 양극 샤프트, 양극척 및 양전극의 분해 단면도이고, 도 11은 본 발명의 조류 처리장치의 선단의 음전극의 개략적 단면도이다.

도 8 내지 도 11을 참조하여, 본 발명의 조류 처리장치의 선단(200)에 대해 설명하도록 한다.

선단(200)은 양전극 유닛(210)과 음전극 유닛(220)을 포함하여 구성된다.

양전극 유닛(210)은 펄스발생유닛(100)의 양극 단자에 전기적으로 접속된다. 보다 정확하게는 양전극(215)이 펄스발생유닛(100)의 양극 단자에 전기적으로 접속된다. 양전극 유닛(210)은 일 방향으로 길게 설치되는 양극팁 샤프트(211)와, 양극틱 샤프트의 전방에 탈착가능하도록 설치되는 양극척(214)과, 양극척(214)에 의해 고정되는 양전극(215)과, 양전극의 일단부가 노출된 상태로 상기 양전극을 감싸서 전기적으로 절연하는 양극 절연체(213)를 구비한다. 이때, 양전극(215)은 양극척(214)에 용접에 의해 고정될 수 있다.

본 발명의 선단(200)의 양전극 유닛(210)은 양극척(214)을 이용하여 양전극(215)을 손쉽게 교체가 가능하다는 장점이 있다. 상술한 바와 같이, 본 발명의 조류 저리장치로 조류를 처리할 경우 하루에 수천회 내지 수만회의 고전압 마이크로 펄스의 방전이 일어나게 된다. 본 발명의 조류 처리장치의 펄스발생유닛(100)의 회로 구성을 통해 안정적인 동작을 구현했음은 별론, 많은 횟수의 방전으로 전극이 마모되는 것을 완전히 방지하기는 어렵다. 이에 본 발명은 양극척(214)을 이용하여 손쉽게 마모된 양전극을 교체하여 유지보수에 용이성을 더했다.

음전극 유닛(220)은 펄스발생유닛(100)의 음극 단자에 전기적으로 접속된다. 보다 정확하게는 음전극(225)이 펄스발생유닛(100)의 음극 단자에 전기적으로 접속된다. 음전극 유닛(220)은 양전극 유닛(210)으로부터 일정거리 이격된다. 즉, 음전극 유닛(220)은 양전극 유닛으로부터 이격되게 배치되는 음전극 지그(221)와, 음전극 지그(221)에 의해 양전극(215)에 대응하는 위치에 교체가능하도록 고정되는 음전극(225)을 구비한다. 음전극(225)은 양전극(215)과 소정의 거리 이격되는데, 양전극(215)과 음전극(225) 사이의 유체를 통해 플라즈마에 의한 통전 경로가 형성된다. 즉, 양전극(215)과 음전극(225) 사이가 상술한 방전갭이 되는 것이다.

음전극 지그(221)는 후술하는 리턴부(232)가 연결되는 복수개의 다리와 음전극(225)이 설치되는 몸체를 가진다. 다리는 도 8에 도시된 바와 같이 몸체를 중심으로 복수의 갈래로 분기되는데, 다리 사이의 각도가 일정하도록 하는 것이 중요하다. 예컨대, 다리 사이의 각도는 도 8에 도시된 바와 같이 120도 로 하거나 90도 일 수 있다. 즉 모든 다리 사이의 각도는 360도/N (N은 다리의 개수) 일 수 있다. 음전극 지그(221)의 몸체의 후방으로 음전극(225)이 끼워지며, 끼워진 음전극(225)의 일단은 몸체의 외측으로 노출된다. 음전극(225)의 일단과 양전극(215)의 일단은 서로 동일 선상의 축에 위치한다. 음전극(225)은 가압부재(224)에 의해 음전극 지그(221)의 몸체 안에 고정된다. 음전극(225)과 양전극(215)의 거리는 고전압 마이크로 펄스의 방전에 매우 중요한 요소이다. 따라서 음전극(225)과 양전극(215) 사이의 거리를 조절하기 위해, 음전극(225)이 몸체에 삽입되기 전에 높이조절부재(223)가 끼워질 수 있다. 높이조절부재(223)는 단위높이로 생성된 복수개의 높이조절부재(223)의 개수를 조절하는 방식으로 음전극(225)이 몸체외부로 돌출되는 높이를 조절할 수 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 음전극(225)이 돌출된 부분의 주위에는 음전극 보호부재(222)가 설치될 수 있다. 음전극 보호부재(222)는 SUS를 이용할 수 있다. 양전극(215)과 음전극(225) 사이에서 과전압 마이크로 펄스가 방전될 때 그 충격에 의해 음전극 유닛(220)이 손상되는 문제가 있었으며, 본 발명에서는 SUS 재질로 음전극 보호부재(222)를 돌출된 음전극(225)의 주위에 배치하여 음전극 유닛(220)의 손상을 최소화 하였다. 또한, 본 발명의 조류 저리장치로 조류를 처리할 경우 하루에 수천회 내지 수만회의 고전압 마이크로 펄스의 방전이 일어나게 되는데, 많은 방전으로 양전극(215) 뿐만아니라 음전극(225)에서도 마모가 발생한다. 본 발명에서는 음전극 지그(221)를 이용하여 음전극(225)을 교체가능하도록 구성하여 손쉽게 마모된 음전극을 교체하여 유지보수에 용이성을 더했다.

음전극(225)은 음전극 지그(221)를 통해 음전극으로부터 적어도 하나 이상의 갈래로 분기되어 연장되며 전류의 리턴 경로를 형성하는 리턴부(232)와 연결된다. 고전압 마이크로 펄스를 방정할 때 전방위로 고르게 에너지를 방출하기 위해서는 리턴되는 전류가 복수의 리턴부(232) 각각에서 균등하게 흘러야 한다. 이에 본 발명의 선단(200)은 음전극 지그(221)의 모든 다리 사이의 각도는 360도/N (단, N은 다리의 개수)으로 하여 음전극(225)으로 흐르는 전류가 복수의 리턴부(232)로 균등하게 분배되어 펄스발생유닛(100)으로 회수된다. 리턴부(232)는 리턴부 절연체(240)에 의해 감싸져서 절연된다.

상기한 구성으로 이루어진 양전극과 음전극을 펄스발생유닛(100)과 연결된 케이블(미도시)에 전기적으로 접속 시키기 위해서 다양한 형태의 구성이 채용될 수 있으며, 본 실시예에서 그 일 예로 채용한 커넥터(233), 연결소켓(250) 및 제2접속단자(251)에 대하여 설명한다. 커넥터(233)는 중공형의 도전체로 이루어져 복수의 리턴부(232)가 접속된다. 그리고 커넥터(233)의 상부 내주 면에는 나사산이 형성된다. 커넥터(233)는 절연체(240)에 의하여 함께 감싸져 전기적으로 절연된다. 연결소켓(250)은 커넥터(233)와의 결합을 통해 음전극 유닛(230)을 펄스발생유닛(100)과 연결되는 케이블(미도시) 에 전기적으로 접속시키기 위한 것이다. 본 실시예에서 연결소켓(250)은 원통형의 도전체로 형성되며 하단부 외주면에 나사산이 형성되어 커넥터(233)에 나사결합됨으로써 전기적으로 접속된다. 연결소켓(250)의 내측에는 펄스발생유닛(100)과 연결된 전선(252)이 배치되며, 전선(252)의 하단부에는 제2접속단자(251)가 마련되어 제1접속단자(212)와 결합된다. 즉, 본 실시예에서 양전극(215)은 양전극 샤프트(211), 제1접속단자(212), 제2접속단자(251), 전선(252) 및 케이블을 통해 펄스발생유닛(100)과 연결된다. 그리고 음전극 유닛(230)은 커넥터(233), 연결소켓(250) 및 케이블을 통해 펄스발생유닛(100)과 연결된다. 본 실시예에서 펄스파워시스템과 연결된 케이블은 동축케이블이 사용된다. 동축케이블은 공지의 부재로서 중공형의 외부 도체와, 이 외부 도체 내측의 내부 도체로 이루어지는데, 연결소켓(250)은 외부 도체에 전선(252)은 내부 도체에 연결된다.

한편, 지지프레임에 별도의 선단 리프팅 유닛을 구비하여, 선단의 양전극 또는 음전극을 교체할 경우 선단을 상승시켜 작업자가 용이하게 양전극 또는 음전극을 교체할 수 있다.

도 12는 본 발명의 조류 처리장치를 이용하여 수중에서 고전압 마이크로 펄스를 방전했을 때 거리에 따른 발생압력을 측정한 것이다.

도 12는 선단(200)의 방전 갭으로부터 수평거리로 압력센서를 이동시키면서 고전압 마이크로 펄스 방전시 발생하는 압력을 측정하였다. 방전 갭의 거리는 3.4 mm였으며, 전압은 20 kV였다.

도 12를 참조하면, 수평거리로 100 cm를 초과하여 떨어질 경우 발생압력이 현저히 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 효율적인 조류 제거를 위해서는 선단(200)을 일렬로 배치할 때 선단사이의 거리는 50 cm 이내로 유지하는 것이 바람직하다.

또는 도 13과 같이, 2열 이상으로 지지프레임(300)에 선단(200)들을 배치하되, 하나의 선단(200)에 의해 약 100 cm의 반지름을 가지는 구형 영역, 바람직하게는 약 50cm의 반지름을 가지는 구형 영역에 고전압 마이크로 펄스가 방전되는바, 인접하는 열의 선단(200)은 서로 엇갈리게 설치하는 것이 바람직하다. 2열의 경우 지그재그로 선단(200)을 배치하는 것이다.

도 14는 본 발명의 조류 처리장치를 이용하여 조류를 함유하는 물에 대해 고전압 마이크로펄스 방전을 처리한 실험결과를 나타낸 것이다.

이 실험에서 18kV 의 전압과 25 us의 펄스폭을 가지는 고전압 마이크로펄스를 0.1 pps (pulse per second)의 반복률로 인가하였다. 대조군(Control)은 방전회수가 0인 경우, 제1 실 험군(5 shots)은 방전회수가 5회인 경우, 제2 실험군(10 shots)은 방전회수가 10회 인 경우, 제3 실험군(20 shots)은 방전회수가 20회인 경우를 나타낸다. 도 14에 도시된 바와 같이, 본 발명의 고전압 마이크로펄스 방전에 노출된 조류는 응집제 없이도 소정의 시간 내에 물 아래로 침전되는 것을 알 수 있다. 한편, 여기에 나타내지는 않았으나 응집제를 투입할 경우 고전압 마이크로펄스를 방전하지 않은 것에 비해 훨씬 빠르게 조류가 침전한다.

도 15는 본 발명의 조류 처리장치를 이용하여 조류를 함유하는 물에 대한 고전압 마이크로펄스 방전처리 전후의 조류세포의 SEM 사진(5000배 확대)이며, 도 16은 본 발명의 조류 처리장치를 이용하여 조류를 함유하는 물에 대한 고전압 마이크로펄스 방전처리 전후의 조류세포의 TEM 사진(15000배 확대)이다. 도 15 및 도 16에서 확인할 수 있듯이, 조류세포에 고전압 마이크로 펄스 방전을 인가하면, 조류의 기낭은 파괴되더라도 세포벽은 그대로 유지되는 것을 확인할 수 있다.

본 발명의 보호범위가 이상에서 명시적으로 설명한 실시예의 기재와 표현에 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 자명한 변경이나 치환으로 말미암아 본 발명이 보호범위가 제한될 수도 없음을 다시 한 번 첨언한다.

Claims (8)

1. 선박 또는 바지선에 설치되며, 고전압 마이크로 펄스를 방전하여 대상수역 내의 조류의 기낭을 파괴할 수 있는 조류 처리장치로서:
   고전압 마이크로 펄스를 생성하는 펄스발생유닛;
   상기 펄스발생유닛과 연결되어 생성된 고전압 마이크로 펄스를 대상수역 내에서 방전하는 적어도 하나 이상의 선단; 및
   상기 선단과 상기 펄스발생유닛 사이를 연결하는 선단 전선이 거치되며, 상기 선단이 대상수역 내에서 일정한 깊이를 유지할 수 있도록 하는 지지프레임;을 포함하는 조류 처리장치.
2. 선박 또는 바지선; 부력체를 구비하여 대상수역의 수면위에서 상기 선박 또는 바지선의 움직임에 종속되어 움직이는 지지프레임; 및 상기 선박 또는 바지선과 상기 지지프레임을 연결하는 연결부재;를 포함하고,
   상기 선박 또는 바지선에 설치되는 펄스발생유닛; 및
   상기 지지프레임에 설치되며, 상기 펄스발생유닛과 연결되어 생성된 고전압 마이크로 펄스를 대상수역 내에서 방전하는 적어도 하나 이상의 선단;을 포함하는 조류 처리장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 펄스발생유닛은, 전원부로부터 전원을 받아 충전전압을 저장하는 충전부; 및 상기 충전부와 병렬로 연결되어, 상기 충전부의 충전시에는 충전스위치로 작동하고 상기 충전부의 방전 시에는 상기 충전부의 손상을 방지하는 환류다이오드부;를 포함하고,
   상기 선단은, 상기 충전부와 병렬로 연결되고 상기 충전부의 방전시에 대상수역 내에서 고전압 마이크로 펄스를 방전하는 방전 갭;을 포함하고,
   상기 방전 갭과 상기 충전부 사이에는 고전압 마이크로펄스의 방전을 제어하는 방전스위치가 설치되는 조류 처리장치.
4. 제3항에 있어서,
   상기 충전부와 상기 전원부 사이에 서지 전류를 차단하기 위한 충전다이오드부가 설치되고, 상기 충전다이오드부와 상기 방전스위치는 한 주기 내에서 교대로 온-오프되는 조류 처리장치.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 펄스발생유닛에서 생성되는 고전압 마이크로펄스는 5 내지 30kV의 전압과, 6내지 300 μs 펄스폭을 가지는 조류 처리장치.
6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   복수개의 상기 선단은 상기 지지프레임에 일 방향으로 길게 설치되거나, 상기 지지프레임에 일방향으로 2열 이상으로 설치되도 인접하는 열의 선단은 서로 엇갈리게 설치되는 조류 처리장치.
7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 선단은,
   일 방향으로 길게 설치되는 양극팁 샤프트와, 상기 양극팁 샤프트의 전방에 탈착가능하도록 설치되는 양극척과, 상기 펄스발생유닛의 양극 단자와 전기적으로 접속하며 상기 양극척에 의해 고정되는 양전극과, 상기 양전극의 일단부가 노출된 상태로 상기 양전극을 감싸서 전기적으로 절연하는 양극 절연체를 가지는 양전극 유닛;
   상기 양전극 유닛으로부터 이격되게 배치는 음전극 지그와, 상기 음전극 지그에 의해 상기 양전극에 대응하는 위치에 교체가능하도록 고정되되 상기 펄스발생유닛의 음극 단자와 전기적으로 접속되어 상기 양전극과 사이에 플라즈마에 의한 통전 경로를 형성하는 음전극을 구비하는 음전극 유닛; 및
   상기 음전극으로부터 적어도 하나 이상의 갈래로 분기되어 연장되며 전류의 리턴 경로를 형성하는 리턴부;를 포함하는 조류 처리장치.
8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 지지프레임에 설치되어 상기 선단의 높이를 조절 할 수 있는 선단 리프팅 유닛을 더 포함하는 조류 처리장치.

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