KR20220012035A - 폐수 처리를 위한 오존 발생 장치와 결합된 수중 아크 플라즈마 시스템 - Google Patents

폐수 처리를 위한 오존 발생 장치와 결합된 수중 아크 플라즈마 시스템 Download PDF

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최진섭
이병진
조은서
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인하대학교 산학협력단
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Abstract

폐수를 처리하기 위한 수중 플라즈마 반응 장치; 및 오존을 생성하는 오존 발생 장치;를 포함하고, 상기 수중 플라즈마 반응 장치는 아크 플라즈마 장치이고, 상기 오존 발생 장치에서 생성된 오존을 상기 수중 플라즈마 반응 장치로 주입하기 위한 오존 주입 라인을 포함하는 폐수 처리 시스템이 개시된다.

Description

폐수 처리를 위한 오존 발생 장치와 결합된 수중 아크 플라즈마 시스템{Submerged arc plasma coupled with ozone generator for wastewater treatment}
폐수 처리를 위한 오존 발생 장치와 결합된 수중 아크 플라즈마 시스템에 관한 것이다.
인간의 생존과 활동에는 각종 자원을 필요로 하며, 그 결과 필연적으로 폐기물을 배출하게 되고, 이로써, 대기오염, 수질오염, 토양오염은 물론 소음, 진동, 악취 등의 환경오염을 야기하고 있다. 특히, 수질오염은 물에 임의의 이물질이 유입되어 물의 성분과 상태를 변화시켜 물을 그대로 이용할 수 없는 폐수상태에 이른 것을 말하며, 하천, 호수, 해양, 연안 내의 수질오염은 인간의 건강에 큰 위협을 주고 있다.
산업이나 가정에서 나오는 오염된 수자원은 반드시 정화를 해야만 하는 자원이며, 그렇지 못할 경우에 인체나 환경에 심각한 영향을 미친다. 폐수의 오염원으로 유기물, 중금속, 화학물질, 부유물 등 다양한 형태로 물속에 존재하고 그 형태에 따라 처리하는 방법이 정해져 있다.
특히 유기물은 생물학적으로 분해 가능한 유기물, 난분해성 유기물, 휘발성 유기물로 구성되어 있으며, 이를 제거하기 위하여 생물학적 분해, 화학 흡착, 폭기법, 화학적 산화법 등 다양하게 존재하지만 이 방법들은 특정한 pH 조건, 긴 처리 시간, 후처리가 수반된다는 단점이 있다.
일반적으로 난분해성 유기물은, PCB, 유기 염소계 농약.트리클로로에틸렌 등과 같이 재래식 생물학적 처리공정이나 자연환경에서 미생물에 의한 분해가 잘되지 않는 물질로서 BOD / CODCr 비가 낮은 물질일수록 난분해성으로 간주되고 있다. 예를 들면 방향족 벤젠고리 화합물(클로로 벤젠, 니트로벤젠, 데카하이드로나프탈렌, 벤젠, 크레졸, 크실렌, 테트라하이드로 나프탈렌, 테트라 하이드로 퓨란, 톨루엔, 페놀, 에틸페놀, 에틸벤젠, 피리딘 등)과 할로겐화 유기화합물 (TCE : 트리클로로 에틸렌, PCE : 퍼클로로에틸렌, PCP : 펜타클로로페놀, 테트라클로로에틸렌 등) 등이 대표적이다. 난분해성 독성물질은 대부분의 산업폐수에서 발견할 수 있으며, 특히 문제가 되고 있는 제지, 염색, 매립지 침출수 등은 배출량이 많고, 이들 폐수의 색도와 NBDCOD는 기존의 처리법으로는 분해가 매우 어려운 실정이다. 이들 물질들은 자연계에서도 분해속도가 매우 느리거나 전혀 분해가 되지 않는 상태로 잔류하여 생태계에 크게 영향을 끼치거나 지하수 오염의 원인물질로 작용할 수 있다.
최근에는 상기와 같은 화학적 폐수처리의 한계를 극복하기 위한 방안으로, 고급산화법(advanced oxidation process: AOP)에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 상기 고급산화법이란 오존(O3) 및 OH라디칼, 과산화수소(H2O2), UV 등을 이용하여 수중 오염물질인 유기물을 산화 처리하는 진보된 수처리 기술로, 기존의 염소, 이산화염소, 과망간산칼륨 등의 산화제보다 훨씬 강한 산화력을 갖고 있을 뿐만 아니라 화학약품이 가진 2차 환경오염우려도 거의 없어 산업폐수뿐만 아니라 상수처리에도 점차 확대 적용되고 있는 추세이다. 이와 같은 고급산화법은 다양하게 개발되고 있는데, 예컨대, 오존과 과산화수소, 오존과 UV, 과산화수소와 UV 등으로 병행하여 적용하는 경우가 대부분이며, 특히, 오존보다 산화력이 월등히 높은 OH라디칼을 중간생성물로 생성시켜 산화처리에 이용하는 방법이 연구되어 다양한 분야에 적용되고 있다.
예를 들어, 상기 고급산화법의 분야 중 하나로 수중 플라즈마 방전을 들 수 있다. 상기 수중 플라즈마 방전은 플라즈마에 의해 OH라디칼을 다량 발생시키며, 수중에서 OH라디칼의 상호반응에 의해 OH라디칼, 음이온 내지 과산화수소가 생성되어 산화반응을 일으키게 한다. 이러한 플라즈마에 의해 생성된 활성라디칼의 산화반응은 살균, 소독, 탈취 및 유기물 분해 등에 강력한 성능을 가지고 있어 깨끗한 수질정화에 폭 넓게 응용될 수 있는 장점이 있다.
대한민국 공개특허 제10-2009-0054483호
본 발명의 일 측면에서의 목적은 수중에 있는 난분해성 유기물을 빠른 시간안에 제거할 수 있는 시스템을 제공하고자 하는 것으로, 특히, 고농도의 폐수를 처리하는 데 있어서 수중 아크 플라즈마 장치와 오존 발생 장치의 결합을 통해 난분해성 유기물을 단시간에 분해하고 더 높은 무기화율을 얻고자 하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에서
폐수를 처리하기 위한 수중 플라즈마 반응 장치; 및
오존을 생성하는 오존 발생 장치;를 포함하고,
상기 수중 플라즈마 반응 장치는 아크 플라즈마 장치이고,
상기 오존 발생 장치에서 생성된 오존을 상기 수중 플라즈마 반응 장치로 주입하기 위한 오존 주입 라인을 포함하는 폐수 처리 시스템이 제공된다.
또한, 상기 폐수 처리 시스템은 고농도의 유기물을 포함하는 폐수를 처리하는 것일 수 있다.
또한, 상기 폐수 처리 시스템은,
상기 수중 플라즈마 반응 장치에서 발생하는 아크 플라즈마가 폐수의 온도를 국부적으로 상승시켜 반응속도를 향상시키며,
상기 오존 발생 장치에서 주입되는 오존을 열분해하여 산소 원자를 형성하는 것일 수 있다.
또한, 상기 수중 플라즈마 반응 장치는,
플라즈마를 구성하는 가스를 주입하기 위한 가스 주입부; 아크 플라즈마를 형성하는 아크 플라즈마 토치; 아크 플라즈마 발생부; 폐수를 저장하는 반응기; 오존 주입 라인과 연결되어 반응기로 오존을 주입하기 위한 오존 주입부; 배출되는 가스를 응축시키는 응축부; 및 가스를 유출시키기 위한 유출부;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 오존 발생 장치는 유전체 장벽 플라즈마 발생 장치일 수 있다.
또한, 상기 오존 발생 장치는,
플라즈마를 구성하는 가스를 주입하기 위한 가스 주입부; 고전압 전극; 접지 전극; 상기 고전압 전극과 접지 전극 사이에 형성되는 플라즈마 발생부; 상기 플라즈마 발생부에서 발생하는 오존을 상기 수중 플라즈마 반응 장치로 주입하기 위해 오존 주입 라인과 연결된 오존 배출부;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 오존 발생 장치의 접지 전극은 나사선 형태이며,
상기 나사선 형태의 접지 전극은 유전체와 밀착하여 상기 플라즈마 발생부가 나사선 홈에 형성되어 에너지 밀도를 높이는 것일 수 있다.
본 발명의 일 측면에서 제공되는 폐수 처리 시스템은 수중에서 아크 플라즈마를 발생시키고, 아크 플라즈마 발생부에 오존 발생 장치에서 발생한 오존을 주입하여 아크 플라즈마의 고열에 의해 오존을 산화력이 더 강한 산소원자로 전환시키고, 아크 플라즈마의 고열에 의해 폐수의 온도를 국부적으로 수 백도의 온도 영역으로 만들어 반응속도를 증가시키고, 아크 플라즈마에서 방출되는 고에너지 전자(highly energetic electron)에 의해 난분해성 유기물의 안정한 화학 구조가 깨지는 효과를 기대할 수 있다. 이러한 3가지 효과가 중첩되어 동반 상승효과를 기대할 수 있으며 실제로 단시간에 난분해성 물질을 분해 및 무기화할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 폐수 처리 시스템을 나타낸 모식도이고;
도 2는 수중 아크 플라즈마가 방전되지 않을 때 배출되는 가스의 FT-IR 스펙트럼을 나타낸 것이고;
도 3은 수중 아크 플라즈마가 방전될 때 배출되는 가스의 FT-IR 스펙트럼을 나타낸 것이고;
도 4는 페놀의 분해 효율을 보여주는 그래프로, 수중 아크 플라즈마 방전만을 적용하는 경우(SS), 수중 아크 플라즈마에 산소를 주입하는 경우(SO), 수중 아크 플라즈마에 오존을 농도별로 주입하는 경우(SOZ20, SOZ30, SOZ40, SOZ50, SOZ60) 각각의 페놀의 분해 효율을 나타내는 그래프이고;
도 5는 폐수의 TOC 제거 효율을 보여주는 그래프로, 수중 아크 플라즈마 방전만을 적용하는 경우(SS), 수중 아크 플라즈마에 산소를 주입하는 경우(SO), 수중 아크 플라즈마에 오존을 농도별로 주입하는 경우(SOZ20, SOZ30, SOZ40, SOZ50, SOZ60) 각각의 폐수의 TOC 제거 효율을 나타내는 그래프이고;
도 6은 수중 아크 플라즈마 방전만을 적용하는 경우(SS), 수중 아크 플라즈마에 산소를 주입하는 경우(SO), 수중 아크 플라즈마에 오존을 주입하는 경우(SOZ60)에 각 시간에 따른 폐수의 색변화를 보여주는 사진이다.
이하 본 발명의 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의한다. 또한 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 당업자에게 자명하거나 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
본 발명의 일 측면에서
폐수를 처리하기 위한 수중 플라즈마 반응 장치(100); 및
오존을 생성하는 오존 발생 장치(200);를 포함하고,
상기 수중 플라즈마 반응 장치(100)는 아크 플라즈마 장치이고,
상기 오존 발생 장치에(200)서 생성된 오존을 상기 수중 플라즈마 반응 장치(100)로 주입하기 위한 오존 주입 라인(300)을 포함하는 폐수 처리 시스템(1000)이 제공된다.
이때, 도 1의 모식도를 통해 폐수 처리 시스템(1000)의 일례를 나타내었으며,
이하, 도 1의 모식도를 참조하여 본 발명의 일 측면에서 제공되는 폐수 처리 시스템(1000)에 대하여 상세히 설명한다.
폐수 속에 존재하는 고농도의 유기물을 단시간에 제거하기 위한 폐수 처리 시스템(1000)을 제공하고자 한다. 이러한 폐수 처리 시스템(1000)은 수중 플라즈마 반응 장치(100)와 산화력을 월등히 높이기 위해 오존 발생 장치(200)와 결합하였다.
상기 폐수 처리 시스템(1000)은 고농도의 유기물을 포함하는 폐수를 처리할 수 있다. 상기 유기물은 생물원료에서 유래되는 폐기물 또는 생물의 신진대사 과정에서 배설되는 분뇨, 하수, 농축산폐수, 식품공장의 폐수 등을 포함할 수 있다.
상기 폐수 처리 시스템(1000)은 상기 수중 플라즈마 반응 장치(100)에서 발생하는 아크 플라즈마가 폐수의 온도를 국부적으로 상승시켜 반응속도를 향상시키며, 상기 오존 발생 장치(200)에서 주입되는 오존을 열분해하여 산소 원자를 형성할 수 있다. 아크 플라즈마의 고열에 의해 오존을 산화력이 더 강한 산소 원자로 전환시키고, 아크 플라즈마의 고열에 의해 폐수의 온도를 국부적으로 수백도의 온도 영역으로 만들어 반응속도를 증가시키며, 아크 플라즈마에서 방출되는 고에너지 전자에 의해 난분해성 유기물의 안정한 화학구조가 깨지는 효과를 기대할 수 있다. 다시 말해서, 고온 열 플라즈마와 폐수의 계면의 온도가 국부적으로 수백도 상승하게 되어 반응온도 상승으로 인한 반응속도 향상을 기대할 수 있음과 동시에 오존이 이러한 고온 열 플라즈마 계면으로 주입되면서 더욱 강력한 산화제인 산소 원자로 분해되어 유기물 분해 반응에 긍정적인 영향을 미치며, 또 아크 플라즈마에서 발생하는 강력한 전자들은 난분해성인 유기물을 직접 공격하면서 안정적인 유기물의 분자 구조를 쉽게 부술 수 있다.
상기 수중 플라즈마 반응 장치(100)는 폐수를 처리하기 위해 폐수를 저장하고 플라즈마로 폐수 내 난분해성 유기물을 제거하는 수단으로, 도 1에 나타낸 바와 같이, 플라즈마를 구성하는 가스를 주입하기 위한 가스 주입부(110), 아크 플라즈마를 형성하는 아크 플라즈마 토치(120), 아크 플라즈마 발생부(130), 폐수를 저장하는 반응기(140), 오존 주입 라인(300)과 연결되어 반응기(140)로 오존을 주입하기 위한 오존 주입부(150), 배출되는 가스를 응축시키는 응축부(160), 및 가스를 유출시키기 위한 유출부(170)를 포함한다.
상기 수중 플라즈마 반응 장치(100)는 반응기(140) 바닥에 아크 플라즈마 토치(120)가 위치할 수 있으며, 반응기(140) 바닥부는 점점 가늘어지는 형상일 수 있다. 아크 플라즈마 토치(120)는 텅스텐으로 제조된 양극과 구리로 제조된 음극인 2개의 전극으로 구성될 수 있다. 반응기(140) 상부로 오존 주입부(150), 응축부(160) 및 유출부(170)가 형성될 수 있으며, 반응기(140) 상단에 응축부(160)가 구비되고, 응축부(160)를 지나 응축부 상단으로 유출부(170)가 형성될 수 있다. 또, 응축부(160) 상단으로부터 오존 주입부(150)가 형성되어, 오존 주입 라인(300)과 연결된 오존 주입부(150)로부터 오존이 반응기(140) 내부로 투입될 수 있다.
또한, 상기 수중 플라즈마 반응 장치(100)는 반응기(140)를 냉각시키기 위한 냉각수 라인(180)을 포함할 수 있으며, 상기 냉각수 라인(180)은 반응기(140)의 외주면을 따라 형성될 수 있다.
나아가, 상기 수중 플라즈마 반응 장치(100)는 반응기(140) 내부로 폐수를 공급하기 위한 폐수 공급부(190)를 더 포함할 수 있다. 상기 폐수 공급부(190)는 반응기(140) 하부에 형성되어, 폐수는 아크 플라즈마 발생부(130)를 통해 반응기(140) 내부로 공급될 수 있다.
상기 오존 발생 장치(200)는 오존을 생성하여 수중 플라즈마 반응 장치(100)로 생성된 오존을 공급하기 위한 것으로, 유전체 장벽 플라즈마 발생 장치일 수 있다.
상기 오존 발생 장치(200)는 도 1에 나타낸 바와 같이, 플라즈마를 구성하는 가스를 주입하기 위한 가스 주입부(210), 고전압 전극(220), 접지 전극(230), 상기 고전압 전극(220)과 접지 전극(230) 사이에 형성되는 플라즈마 발생부(240), 상기 플라즈마 발생부(240)에서 발생하는 오존을 상기 수중 플라즈마 반응 장치(100)로 주입하기 위해 오존 주입 라인(300)과 연결된 오존 배출부(250)를 포함할 수 있다.
상기 오존 발생 장치(200)는 유전체 장벽 플라즈마 발생 장치로, 유전체(260)를 포함할 수 있다.
상기 오존 발생 장치(200)는 튜브 형태의 반응기 내부에 유전체 및 2개의 전극(고전압 전극(220), 접지 전극(230))을 포함하는 형태로 구성되어, 접지 전극(230)은 반응기 중앙에 와이어 형태로 형성될 수 있고, 고전압 전극(220)은 반응기 외벽에 부착된 형태일 수 있다. 또, 유전체(260)는 고전압 전극(220)과 접지 전극(230) 사이에 위치할 수 있으며, 유전체(260)와 접지 전극(230) 사이에서 플라즈마가 형성될 수 있다. 발생한 오존이 고온에 의해 파괴될 수 있으므로 저온을 유지하기 위하여 두 전극 사이에 냉각수 라인(270)을 형성할 수 있다.
또한, 상기 오존 발생 장치(200)의 접지 전극(230)은 나사선 형태일 수 있고, 상기 나사선 형태의 접지 전극(230)은 유전체(260)와 밀착하여 상기 플라즈마 발생부(240)가 나사선 홈에 형성되어 에너지 밀도를 높일 수 있다.
나아가, 상기의 폐수 처리 시스템을 준비하여, 수중 아크 플라즈마 반응 장치에 폐수를 투입하는 단계; 및
상기 수중 아크 플라즈마 반응 장치에 아크 플라즈마를 발생시키고, 오존을 주입하는 단계;를 포함하는 폐수 처리 방법이 제공된다.
이하, 실시예 및 실험예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다.
단, 하기의 실시예 및 실험예는 본 발명을 설명하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기의 실시예 및 실험예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1> 폐수 처리 시스템
도 1에 나타낸 바와 같이, 수중 아크 플라즈마 장치와 오존 발생 장치를 결합하여 폐수 처리 시스템을 구축하였다.
이 시스템에서, 아크 플라즈마 토치는 반응기의 바닥에 위치하였고, 반응기는 2개의 유리 튜브 사이에 물을 흐르게 함으로써 폐수의 온도를 유지하기 위해 이중벽 파이렉스 튜브(내경: 83 mm, 길이: 230 mm)로 제조되었다. 반응기의 바닥은 점점 가늘어지는 형태이고, 아크 플라즈마 토치는 아래에 위치 되었다. 아크 플라즈마 토치는 텅스텐으로 제조된 캐소드와 구리로 제조된 애노드인 2개의 전극으로 구성되었다. 노즐 직경은 5 mm였다. 2개의 전극에 의해 발생된 아크 플라즈마 제트는 도 1에 나타낸 바와 같이 폐수에 직접 주입되었따. 플라즈마의 전력은 직류(DC) 전원(400 A)으로 공급되었다. 아크 플라즈마 토치에서 방출되는 플라즈마 가스의 유량은 열팽창으로 인해 매우 빠르며 아크 플라즈마 제트는 용액을 순환시킬 수 있다. 점점 가늘어지는 형태의 반응기 및 아크 플라즈마는 방전 동안보다 역동적인 난류 형성을 야기한다.
이러한 수중 아크 플라즈마 장치를 오존 발생 장치와 결합하였다. 오존 발생 장치는 오존 발생을 위해 고주파 전압 교류 전류(AC) 펄스 전력 공급 장치(Genius 2, EN Tech., 대한민국)와 연결된 유전체 장벽 방전(DBD) 반응기를 사용하였다. 유전체 장벽 방전 반응기는 유전체 알루미나 튜브 및 2개의 전도성 전극으로 구성되었다. 하나는 내부 전극(접지 전극)으로서 튜브의 중앙에 와이어를 고정하고 나사산의 스테인레스 스틸로 형성하였다. 다른 하나는 외부 전극(고전압 전극)으로서, 내부 표면이 알루미나 튜브의 외부 벽에 부착된 실린더 형으로 형성하였다. 내부 전극 및 외부 전극은 각각 고전압 및 접지에 연결되었고, 전력을 인가함으로써 두 전극 사이에서 표면 방전이 발생하였다. 발생된 오존이 고온에 의해 파괴될 수 있기 때문에 저온을 유지하기 위해 두 전극에 냉각수가 유입되었다. 고주파 전압 AC 펄스 전원 공급 장치는 세 가지 입력 모드를 제어 할 수 있다.
<실험예 1> 오존의 분해
폐수 처리 시스템에 오존 주입 후 플라즈마 방전이 켜지지 않았을 때와, 플라즈마 방전을 켰을 때 FT-IR 분석을 수행하였으며, 플라즈마 방전이 켜지지 않았을 때 FT-IR 분석 그래프를 도 2에 나타내었으며, 플라즈마 방전을 켰을 때 FT-IR 분석 그래프를 도 3에 나타내었다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 플라즈마 방전이 켜지지 않았을 때 주입된 오존은 후단에서 측정하는 FT-IR 분석에 의하여 그대로 빠져나오는 것을 확인할 수 있으나, 플라즈마 방전시, 오존이 사라지는 것을 도 3을 통해 확인할 수 있다. 이때, 오존은 산소 분자와 산소 원자로 분해되는 것으로 산화력이 강력한 산소 분자 또는 산소 원자를 통해 폐수 처리에 더 효과적인 반응을 기대할 수 있다.
<실험예 2> 폐수 처리
수중 아크 플라즈마만을 사용하였을 경우와, 수중 아크 플라즈마에 산소를 주입하는 경우와, 본 발명의 폐수 처리 시스템을 통해 아크 플라즈마에 오존을 농도별로 주입하였을 경우에 대해 페놀을 포함하는 폐수의 분해 효율 및 무기화율을 확인하였다. 그 결과를 도 4 및 도 5에 나타내었다.
또한, 시간에 따른 처리된 폐수의 색을 육안으로 확인하였으며, 그 결과를 도 6에 나타내었다.
도 4에 나타낸 바와 같이, 수중 아크 플라즈마만 사용하였을 때(SS), 아크 플라즈마에 산소를 주입하였을 때(SO), 아크 플라즈마에 오존을 농도별로 넣었을 때(SOZ20, SOZ30, SOZ40, SOZ50, SOZ60) 페놀 폐수의 분해 효율을 보면, 페놀은 수중 아크 플라즈마에 의해 쉽게 분해될 수 있으나, 오존을 주입하는 경우 더욱 우수한 분해 효율을 나타냄을 확인할 수 있다.
더욱이, 도 5에 나타낸 바와 같이, 수중 아크 플라즈만을 사용하거나, 아크 플라즈마에 산소를 주입하는 경우에는 페놀의 무기화가 어렵다는 것을 알 수 있다. 하지만 오존을 넣어줌으로써, 반응속도가 훨씬 더 빠른 것을 확인할 수 있고, 무기화율 또한 50% 상승하는 것을 확인할 수 있다.
전체적인 에너지 사용을 비교하자면 오존 발생 장치에서 소모되는 에너지의 양이 아크 플라즈마에서 소모되는 에너지에 비해 훨씬 적은 양이므로 아크 플라즈마와 오존을 사용했을 때 아주 적은 양의 에너지를 더 소모함으로써 전체적인 분해 효율을 50% 향상시킬 수 있었다.
또한, 도 6에 나타낸 바와 같이 수중 아크 플라즈마만 사용하였을 때(a), 아크 플라즈마에 산소를 주입하였을 때(b), 아크 플라즈마에 오존을 넣었을 때(c) 폐수의 색을 확인하여 보면, 아크 플라즈마에 오존을 넣은 경우에만 폐수의 색이 투명해지는 것을 확인할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 측면에서 제공되는 폐수 처리 시스템은 수중에서 아크 플라즈마를 발생시키고, 아크 플라즈마 발생부에 오존 발생 장치에서 발생한 오존을 주입하여 아크 플라즈마의 고열에 의해 오존을 산화력이 더 강한 산소원자로 전환시키고, 아크 플라즈마의 고열에 의해 폐수의 온도를 국부적으로 수 백도의 온도 영역으로 만들어 반응속도를 증가시키고, 아크 플라즈마에서 방출되는 고에너지 전자(highly energetic electron)에 의해 난분해성 유기물의 안정한 화학 구조가 깨지는 효과를 기대할 수 있다. 이러한 3가지 효과가 중첩되어 동반 상승효과를 기대할 수 있으며 실제로 단시간에 난분해성 물질을 분해 및 무기화할 수 있다.
1000 : 폐수 처리 시스템
100 : 수중 플라즈마 반응 장치 110 : 가스 주입부
120 : 아크 플라즈마 토치 130 : 아크 플라즈마 발생부
140 : 반응기 150 : 오존 주입부
160 : 응축부 170 : 유출부
180 : 냉각수 라인 190 : 폐수 공급부
200 : 오존 발생 장치 210 : 가스 주입부
220 : 고전압 전극 230 : 접지 전극
240 : 플라즈마 발생부 250 : 오존 배출부
260 : 유전체 270 : 냉각수 라인
300 : 오존 주입 라인

Claims (11)

  1. 폐수를 처리하기 위한 수중 플라즈마 반응 장치; 및
    오존을 생성하는 오존 발생 장치;를 포함하고,
    상기 수중 플라즈마 반응 장치는 아크 플라즈마 장치이고,
    상기 오존 발생 장치에서 생성된 오존을 상기 수중 플라즈마 반응 장치로 주입하기 위한 오존 주입 라인을 포함하는 폐수 처리 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 폐수 처리 시스템은 고농도의 유기물을 포함하는 폐수를 처리하는 것을 특징으로 하는 폐수 처리 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 폐수 처리 시스템은,
    상기 수중 플라즈마 반응 장치에서 발생하는 아크 플라즈마가 폐수의 온도를 국부적으로 상승시켜 반응속도를 향상시키며,
    상기 오존 발생 장치에서 주입되는 오존을 열분해하여 산소 원자를 형성하는 폐수 처리 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 수중 플라즈마 반응 장치는,
    플라즈마를 구성하는 가스를 주입하기 위한 가스 주입부; 아크 플라즈마를 형성하는 아크 플라즈마 토치; 아크 플라즈마 발생부; 폐수를 저장하는 반응기; 오존 주입 라인과 연결되어 반응기로 오존을 주입하기 위한 오존 주입부; 배출되는 가스를 응축시키는 응축부; 및 가스를 유출시키기 위한 유출부;를 포함하는 폐수 처리 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 수중 플라즈마 반응 장치의 반응기는 반응기를 냉각시키기 위한 냉각수 라인을 포함하는 폐수 처리 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 오존 발생 장치는 유전체 장벽 플라즈마 발생 장치인 폐수 처리 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 오존 발생 장치는,
    플라즈마를 구성하는 가스를 주입하기 위한 가스 주입부; 고전압 전극; 접지 전극; 상기 고전압 전극과 접지 전극 사이에 형성되는 플라즈마 발생부; 상기 플라즈마 발생부에서 발생하는 오존을 상기 수중 플라즈마 반응 장치로 주입하기 위해 오존 주입 라인과 연결된 오존 배출부;를 포함하는 폐수 처리 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 고전압 전극과 접지 전극 사이에 형성된 유전체를 포함하는 폐수 처리 시스템.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 오존 발생 장치의 접지 전극은 나사선 형태이며,
    상기 나사선 형태의 접지 전극은 유전체와 밀착하여 상기 플라즈마 발생부가 나사선 홈에 형성되어 에너지 밀도를 높이는 폐수 처리 시스템.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 오존 발생 장치는 냉각수 라인을 포함하는 폐수 처리 시스템.
  11. 제1항의 폐수 처리 시스템을 준비하여, 수중 아크 플라즈마 반응 장치에 폐수를 투입하는 단계; 및
    상기 수중 아크 플라즈마 반응 장치에 아크 플라즈마를 발생시키고, 오존을 주입하는 단계;를 포함하는 폐수 처리 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115893575A (zh) * 2022-12-05 2023-04-04 上海城市水资源开发利用国家工程中心有限公司 一种抽出地下水中复合污染物的处理系统及方法

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20090054483A (ko) 2007-11-27 2009-06-01 주식회사 에스디알앤디 수중 플라즈마 발생장치 및 방법

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