WO2015065114A1 - 이산화탄소를 이용한 고효율 전기분해 선박평형수 처리장치 및 처리방법 - Google Patents

이산화탄소를 이용한 고효율 전기분해 선박평형수 처리장치 및 처리방법 Download PDF

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박영철
김창균
신경순
최근형
서민호
차형곤
이우진
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주식회사 뉴워터텍
한국해양과학기술원
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Definitions

  • the present invention relates to a high-efficiency electrolytic ballast water treatment apparatus and treatment method using carbon dioxide, and more specifically to dissolving carbon dioxide in seawater to lower the pH of the seawater, when the pH of the seawater is lowered, Since the presence ratio of HOCl with excellent oxidizing power among oxidants increases, high efficiency electrolysis ballast water treatment system using carbon dioxide can increase sterilization efficiency under the same TRO concentration than conventional ballast water treatment system. And to a treatment method.
  • the ship In order to maintain the stability of the navigation, the ship should lower the center of gravity of the ship's ship during operation.
  • the ship's hull should be submerged below the surface by injecting the ship's equilibrium material to parallel the center of the ship's hull according to the total weight of the cargo or passenger. do.
  • the ship balance material should be one that can be easily discharged from the ship as needed.
  • ballast water shipment ballast water
  • ballast water Most of this injection and discharge of ballast water takes place in ports or nearby sea areas where cargo and passengers take off.
  • the ballast water is injected or discharged into the vessel using a pump of the vessel, at this time, the aquatic organisms included in the seawater is also injected or discharged into the vessel. Therefore, the seawater and aquatic organisms injected into the ship may travel long distances according to the ship's operating distance and be discharged to other areas than the first place.
  • ballast water treatment As a result, many countries have raised the issue of ballast water treatment by restricting the exchange of ballast water in the ports through their legal systems or by forcing it to be exchanged at a deeper depth before entering the port.
  • the target water source for electrolysis is fresh water
  • the freshwater contains an electrolyte material required for electrolysis generally lower than seawater, so that the efficiency of generating sterilizing substances is low.
  • Patent Document 1 describes a ballast water treatment apparatus and a method, but does not disclose a matter of lowering the pH of seawater using carbon dioxide.
  • Patent Document 1 Domestic Patent Registration Publication No. 0883444
  • ballast water treatment systems and treatment methods that can increase sterilization efficiency under the same total residual oxidants (TRO) concentrations generally have no load on the ship and when the propeller at the rear of the ship floats above the surface, Because of poor steering, new measures are required.
  • TRO total residual oxidants
  • High efficiency electrolysis ballast water treatment apparatus using carbon dioxide seawater inflow pipe for introducing sea water; PH adjusting means for lowering the pH of the sea water by injecting carbon dioxide into some of the sea water introduced through the sea water inlet pipe; Micro-bubble generating means for atomizing the carbon dioxide bubbles contained in the sea water is lowered pH to convert to carbon dioxide micro bubbles; Located at the rear end of the microbubble generating means, pH control means for controlling the presence ratio of hypochlorous acid (HOCl) in the total oxide contained in the electrolyzed seawater by electrolysis of the seawater is dissolved by the carbon dioxide microbubble is lowered pH Electrolysis treatment means for increasing the water content of the seawater in which the carbon dioxide microbubble is dissolved by sterilizing with excess hypochlorous acid and injecting it into the ballast tank; And a ballast tank positioned at a rear end of the electrolytic treatment means.
  • the electrolytic treatment means the rectifier; At least one electrolysis module including a positive electrode and a negative electrode terminal connected to the rectifier, and a comb-type electrolysis unit formed to be alternately disposed on the positive electrode and negative electrode terminal, the scale is removed by the carbon dioxide microbubble; Electrolysis reactor; And a control panel controlling the electrolysis driving time of the electrolysis reactor by controlling the DC rectification of the rectifier and the electrolysis driving time of the comb-type electrolysis unit. Characterized in that it comprises a.
  • the pH control means Venturi injector; A concentrated carbon dioxide tank for injecting carbon dioxide into the seawater introduced into the venturi injector; A regulator for adjusting the carbon dioxide injection amount of the concentrated carbon dioxide tank according to the pH and flow rate of the seawater introduced into the venturi injector; And a mixing tank for dissolving concentrated carbon dioxide and seawater to make carbon dioxide bubbles.
  • the microbubble generating means includes a microbubble nozzle for atomizing the carbon dioxide bubbles introduced from the mixing tank into carbon dioxide microbubbles, and injected into the main seawater inlet pipe.
  • the mixing tank is characterized in that the partition is formed to increase the contact time of the concentrated carbon dioxide and the sea water therein.
  • High efficiency electrolysis ballast water treatment method using the carbon dioxide of the present invention comprises the steps of lowering the pH of the seawater by injecting carbon dioxide into some of the seawater introduced through the seawater inlet pipe; Atomizing carbon dioxide bubbles contained in the seawater into carbon dioxide fine bubbles; The carbon dioxide microbubbles are dissolved so that the pH is lowered by electrolysis to increase the ratio of hypochlorous acid (HOCl) in the total oxide contained in the electrolyzed seawater compared to the seawater without the pH control means to increase the carbon dioxide fine Sterilizing the seawater in which the bubbles are dissolved with an excess of hypochlorous acid, and removing scale generated during electrolysis using the carbon dioxide microbubbles; And injecting the sterilized seawater into a ballast tank; Characterized in that it comprises a.
  • HOCl hypochlorous acid
  • the carbon dioxide can be used concentrated and separated from the exhaust gas generated during ship operation.
  • the ratio of HOCl is higher than that of conventional electrolytic ballast water treatment under the same TRO concentration, which can increase sterilization efficiency and reduce the size of equipment and lower operating costs. have.
  • FIG. 1 is a structural diagram schematically showing a structure of a ballast water treatment apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 2 is a plan view showing a mixing tank in the pH adjusting means of FIG.
  • FIG. 3 is an enlarged plan view illustrating an electrolysis reactor in the electrolysis treatment unit of FIG. 2.
  • FIG. 4 is a structural diagram schematically showing the internal structure of the electrolysis module of the electrolysis reactor of FIG.
  • 5 is a graph showing the distribution of hypochlorous acid and hypochlorous acid ions according to pH.
  • FIG. 1 is a structural diagram schematically showing a structure of a ballast water treatment apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • the ballast water treatment apparatus according to the present embodiment, the ballast tank 120, ballast water injection means and ballast water discharge means, pH control means, microbubble generating means and electrolysis treatment means .
  • Ballast tank 120 is different depending on the size of the ship, in the case of large vessels may exceed 100,000 m 2, the present invention is not limited thereto.
  • the ballast water injecting means includes a seawater inflow pump 10 and a seawater inflow pipe 21 through which seawater is introduced from the (I) direction by driving the seawater inflow pump 10.
  • the ballast water discharge means is connected to the ballast tank 120 includes a ballast water discharge pipe 22 for discharging the ballast water in the direction (D).
  • the ballast water discharge pipe 22 may further include a ballast water inflow pump (not shown) and a dissolution tank (not shown).
  • the first and second branch pipes 23 and 24 send the seawater introduced through the seawater inlet pipe 21 to the electrolysis treatment means 140 or supply some of them to the pH control means and the microbubble generating means. It is for.
  • the first branch pipe 23 is the main seawater inflow pipe, and most of the seawater is moved to the electrolysis treatment means through the first branch pipe 23.
  • the second branch pipe 24 is a carbon dioxide dissolving seawater inflow pipe, and part of the seawater introduced through the seawater inflow pipe 21 is introduced into the pH control means through the second branch pipe 24.
  • the first and second branch pipes (23, 24) may be provided with a valve for regulating the supply amount of seawater respectively.
  • Figure 2 is a plan view showing a mixing tank in the pH adjusting means of FIG.
  • the pH control means is a means for injecting carbon dioxide into the seawater introduced through the seawater inlet pipe 21 and the second branch pipe 24 to lower the pH of the seawater
  • microbubble generating means Is a means for converting carbon dioxide bubbles contained in the seawater having a lowered pH into atomized carbon dioxide bubbles.
  • the pH control means, the venturi injector 113, the concentrated carbon dioxide tank 111 for injecting carbon dioxide into the seawater introduced into the venturi injector 113, the carbon dioxide injection amount of the concentrated carbon dioxide tank 111 to the venturi injector 113 It may include a regulator 112 to adjust according to the pH and flow rate of the introduced seawater, the mixing tank 150 to dissolve the concentrated carbon dioxide and seawater to make carbon dioxide bubbles.
  • the microbubble generating means atomizes the carbon dioxide bubbles introduced from the mixing tank 150 through the carbon dioxide bubble discharge pipe 26 to make the finer carbon dioxide microbubbles and then flows into the first branch pipe 23 (main seawater inflow pipe). It may include a microbubble nozzle 116 to be mixed with seawater to make a low pH seawater and then injected into the electrolysis treatment means.
  • reference numerals 28 and 29 denote supply pipes for supplying carbon dioxide in the concentrated carbon dioxide tank 111 to the venturi injector 113, respectively.
  • the venturi injector 113 and the mixing tank 150 are connected to the first mixing seawater pipe 25, and a valve for adjusting the amount of the mixed seawater supplied to the mixing tank 150 to the first mixing seawater pipe 25.
  • pH sensor 114 for measuring the pH of the mixed sea water may be installed.
  • the venturi injector 113 may be replaced by a porous plate or an orifice tube if necessary, but the present invention is not limited thereto.
  • Mixing tank 150 may be formed in the body 151 to increase the contact time of the concentrated carbon dioxide and seawater to be dissolved so that the partition walls (152a, 152b) can be formed, in this embodiment two partition walls are formed Although illustrated and described, the present invention is not limited thereto. Only one partition wall may be formed or three or more partition walls may be formed at predetermined intervals.
  • the mixing tank 150 may be provided with a carbon dioxide outlet 115 for discharging carbon dioxide and seawater to make the carbon dioxide bubbles and the remaining undissolved zone carbon dioxide gas or large bubbles too large in the atmosphere.
  • the microbubble nozzle 116 serves to make the atomized carbon dioxide microbubbles by further atomizing the carbon dioxide bubbles introduced from the mixing tank 150.
  • the micro-bubble means that the carbon dioxide bubbles of about 30 ⁇ m are contracted to a pressure of about 1.5 atm to about 10 ⁇ m, and then compressed to a size of 0.1 to 10.0 ⁇ m by shrinking to about 15 atm.
  • the electrolytic treatment means is a pipeline for sterilizing low pH seawater in which carbon dioxide micro bubbles introduced through the microbubble nozzle 116 are dissolved with hypochlorous acid generated by electrolysis and injecting the ballast tank 120 into the ballast tank 120. line) Ballast water treatment means.
  • the electrolytic treatment means includes a rectifier 130, a control panel (not shown) for controlling the DC rectification of the rectifier 130 and controlling the electrolysis driving time of the comb-type electrolysis unit described later and at least one electrolysis module ( 141 including an electrolysis reactor 140.
  • the electrolytic treatment means includes an electrolytic water injection pipe 30 for injecting the seawater sterilized by the electrolysis into the ballast tank (120).
  • the electrolytic water injection pipe 30 may be provided with a TRO sensor 41 to detect the TRO concentration of the flow meter 42 and the sterilized sea water if necessary.
  • FIG. 3 is an enlarged plan view of an electrolysis reactor of the electrolysis treatment unit of FIG. 2, and FIG. 4 is a structural diagram schematically showing an internal structure of an electrolysis module of the electrolysis reactor of FIG. 3.
  • electrolysis modules 141 are illustrated and illustrated as one set of processing 300 tons per hour, but the present invention is not limited thereto, and the number of electrolysis modules is the ballast of the ship.
  • the capacity can be changed to 3 or less or 5 or more according to need, such as capacity.
  • the electrolysis module 141 includes a body 141a having a generally square shape, and a cathode terminal 142 and a cathode terminal to receive DC rectification from the rectifier 130 into the body 141a.
  • 143 has a structure arranged in connection.
  • the negative electrode terminal 142 and the positive electrode terminal 143 have support portions 142a and 143a facing the inside of the body 141a, respectively.
  • the voltage of the rectifier 130 is different depending on the amount of applied current and may apply a voltage of 10V or less in the case of sea water, 15V or less in the case of fresh water, the present invention is not limited thereto.
  • the comb-shaped electrolysis parts 144 and 145 are connected to the support parts 142a and 143a of the negative electrode terminal 142 and the positive electrode terminal 143 so as to be alternately arranged in the body 141.
  • the comb-type electrolysis unit 144, 145 may be formed by coating ruthenium on the titanium base so as to have excellent corrosion resistance in seawater and fresh water, but the present invention is not limited thereto.
  • the electrolytic treatment means configured as described above is electrolyzed through the potential difference by the following Scheme 1 when the introduced seawater passes through the comb-shaped electrolysis parts 144 and 145 of the electrode decomposition module 141.
  • HOCl and OCl ⁇ are irreversibly generated, and the presence ratio of HOCl and OCl ⁇ varies depending on pH in water, as shown in FIG. 5.
  • HOCl has a strong oxidizing power compared to OCl ⁇ , and the sterilization efficiency is about 80 times higher.
  • concentrated carbon dioxide is injected into the seawater introduced through the seawater inlet pipe to form carbon dioxide microbubbles, and the pH of the seawater is lowered by dissolving the carbon dioxide microbubbles and seawater, and the seawater of low pH is introduced by electrolysis. After sterilizing with hypochlorous acid, it can be injected into ballast tank to increase the sterilization efficiency of ballast water.
  • micro-bubbling of carbon dioxide is to increase the dissolution efficiency so that the dissolution of carbon dioxide can be made better.
  • Table 1 shows the pH change of seawater according to the dissolution of CO2 in the ballast water treatment method. As shown in Table 1, as the amount of carbon dioxide microbubbles increased, the pH was gradually lowered, and the pH was measured as low as 3.7 at a maximum of 1,500 ppm.
  • Table 2 shows biodegradation rate according to the change of pH. As shown in Table 2, as the pH is lowered by carbon dioxide, the biodegradation efficiency is lowered from 8.2 to 3.7 at the same TRO concentration condition, and thus the biodegradation efficiency is 70% for maximum zooplankton. It can be seen that the phytoplankton increases by 50% and the other bacteria (E.Coli) by 60%.
  • the concentrated carbon dioxide may be used that is separated and concentrated from the exhaust gas generated during ship operation.
  • the electrolysis efficiency may be reduced by generating a scale including MgCO 3 and CaCO 3 in the electrode as a problem that may occur in addition to the generation of hydrogen gas and reduction of treatment efficiency in fresh water during conventional electrolysis.

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Abstract

본 발명은 이산화탄소를 해수에 용해시켜 해수의 pH를 낮추고 이산화탄소 미세기포로 변환한 후, 이렇게 해수의 pH가 낮아지면 전기 분해시 발생되는 총 산화물질 중 산화력이 우수한 HOCl의 존재 비율이 증가되므로, 동일 TRO 농도 조건에서 기존의 전해수 처리방식의 선박평형수 처리장치에 비해 살균 효율을 증가시킬 수 있는 이산화탄소를 이용한 고효율 전기분해 선박평형수 처리장치 및 처리방법을 제공한다.

Description

이산화탄소를 이용한 고효율 전기분해 선박평형수 처리장치 및 처리방법
본 발명은 이산화탄소를 이용한 고효율 전기분해 선박평형수 처리장치 및 처리방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 이산화탄소를 해수에 용해시켜 해수의 pH를 낮추고, 이렇게 해수의 pH가 낮아지면 전기 분해시 발생되는 총 산화물질 중 산화력이 우수한 HOCl의 존재 비율이 증가되므로, 동일 TRO 농도 조건에서 기존의 전해수 처리방식의 선박평형수 처리장치에 비해 살균 효율을 증가시킬 수 있는 이산화탄소를 이용한 고효율 전기분해 선박평형수 처리장치 및 처리방법에 관한 것이다.
에, 선박은 항해의 안정성을 유지하기 위해 운행 중 선채의 무게 중심을 낮춰야 한다.
그러나, 선박은 안전을 위해 적재할 수 있는 총 중량이 제한되어 있기 때문에 화물이나 여객의 전체 무게에 따라 선박 내에 선체의 중심을 평행하게 하기 위한 선박평형물질을 주입하여 선체를 수면 아래로 가라앉게 하여야 한다. 또한, 상기 선박평형물질은 필요에 따라 선박으로부터 용이하게 배출할 수 있는 것이어야 한다.
이러한 선채의 무게 중심을 낮추기 위한 방법으로서, 전통적으로 선박 하부에 선박평형물질로서 모래나 납과 같은 고체 물질을 적재하는 방법이 있었다. 그러나, 이러한 고체 물질은 선박으로부터 고체 물질을 배출하는 것이 용이하지 않은 문제점이 있어서 최근에는 대부분 선박에 주입 및 배출이 용이한 물을 선채평행물질로 사용하고 있다. 이러한 선채평형물질로 사용되는 물(해수)을 발라스트수(ballast water, 선박평형수)라고 한다.
이러한 발라스트수의 주입과 배출은 대부분 화물이나 여객이 타고 내리는 항만이나 부근 해역에서 이루어지게 된다.
한편, 상기 발라스트수는 선박의 펌프를 이용하여 선박 내에 주입되거나 배출되는데, 이때 해수에 포함된 수중생물들도 함께 선박 내에 주입되거나 배출된다. 따라서, 선박에 주입된 해수 및 수중생물은 선박의 운항거리에 따라 장거리를 이동하여 처음 있던 곳과 다른 지역에 배출될 수 있다.
이렇게 배출된 수중생물은 대부분 새로운 환경에 적응하지 못하고 죽게 되지만 그 중 일부는 살아남아 기존의 생태계를 교란시키거나 심한 경우 해당 지역의 생태계를 파괴하는 경우도 있다.
이에 여러 국가들이 자국의 법 체제를 통해 항만 내에서는 발라스트수의 교환을 제한하거나 입항 전 수심이 깊은 곳에서 미리 교환하도록 강제 규제하고 있는 등 발라스트수의 처리 문제가 큰 이슈로 부각되고 있다.
한편, 기존 전기분해 선박평형수 처리방법에서 전기분해 대상 수원이 담수인 경우, 담수는 전기분해에 필요한 전해질 물질이 해수 보다 일반적으로 낮게 함유되어 있어 살균물질 발생 효율이 낮은 문제점이 있었다.
하기 특허문헌 1은 발라스트수 처리장치 및 방법을 기재하고 있으나, 이산화탄소를 이용하여 해수의 pH를 낮추는 사항에 대해서 개시하지 않는다.
선행기술문헌
특허문헌
(특허문헌 1) 국내특허등록공보 제0883444호
당 기술분야에서는, 동일 TRO(Total residual oxidants) 농도 조건에서 살균 효율을 증가시킬 수 있는 선박평형수 처리장치 및 처리방법에 대한 일반적으로 선박에 적재물이 없어 배 뒤쪽의 추진기가 수면 위로 떠오르게 되면 선박의 조종이 제대로 되지 않기 때문새로운 방안이 요구된다.
본 발명에 의한 이산화탄소를 이용한 고효율 전기분해 선박평형수 처리장치는, 해수를 유입하는 해수유입관; 상기 해수유입관을 통해 유입된 해수 중 일부에 이산화탄소를 주입하여 해수의 pH를 낮추는 pH조절수단; 상기 pH가 낮추어진 해수에 포함된 이산화탄소 기포를 미립화하여 이산화탄소 미세기포로 변환하는 미세기포 발생수단; 상기 미세기포 발생수단의 후단에 위치하며, 상기 이산화탄소 미세기포가 용해되어 pH가 낮춰진 해수를 전기분해하여 전기분해된 해수에 포함된 총 산화물질 중 차아염소산(HOCl)의 존재비율을 pH조절수단을 거치지 않은 해수에 비하여 증대시켜 상기 이산화탄소 미세기포가 용해된 해수를 과량의 차아염소산으로 살균처리하여 발라스트탱크로 주입하는 전기분해 처리수단; 및 상기 전기분해 처리수단 후단에 위치하는 발라스트탱크; 를 포함하며,
상기 전기분해 처리수단은, 정류기; 상기 정류기와 연결된 양극 및 음극단자와, 상기 양극 및 음극단자에 번갈아 배치되도록 형성되며 상기 이산화탄소 미세기포에 의해 스케일(scale)이 제거되는 빗살형 전기분해부를 포함하는 적어도 하나 이상의 전기분해모듈을 포함하는 전기분해반응기; 및 상기 정류기의 DC 정류 및 상기 빗살형 전기분해부의 전기분해 구동시간을 제어하여 상기 전기분해반응기의 전기분해 구동시간을 제어하는 제어패널; 을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 바람직한 특징에 의하면, 상기 pH 조절수단은, 벤츄리인젝터; 상기 벤츄리인젝터로 유입된 해수에 이산화탄소를 주입하는 농축 이산화탄소 탱크; 상기 농축 이산화탄소 탱크의 이산화탄소 주입량을 상기 벤츄리인젝터에 유입된 해수의 pH 및 유량에 따라 조절하는 레귤레이터; 및 농축 이산화탄소와 해수를 용해시켜 이산화탄소 기포를 만드는 혼합탱크; 를 포함하며,
상기 미세기포 발생수단은, 상기 혼합탱크로부터 유입된 이산화탄소 기포를 미립화하여 이산화탄소 미세기포로 만들고, 메인 해수유입관으로 주입시키는 미세기포노즐을 포함한다.
본 발명의 다른 바람직한 특징에 의하면, 상기 혼합탱크는 내부에 농축 이산화탄소와 해수의 접촉시간을 늘리기 위해 격벽이 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 이산화탄소를 이용한 고효율 전기분해 선박평형수 처리방법은 해수유입관을 통해 유입된 해수 중 일부에 이산화탄소를 주입하여 해수의 pH를 낮추는 단계; 상기 해수에 포함된 이산화탄소 기포를 미립화하여 이산화탄소 미세기포로 만드는 단계; 상기 이산화탄소 미세기포가 용해되어 pH가 낮춰진 해수를 전기분해하여 전기분해된 해수에 포함된 총 산화물질 중 차아염소산(HOCl)의 존재비율을 pH조절수단을 거치지 않은 해수에 비하여 증대시켜 상기 이산화탄소 미세기포가 용해된 해수를 과량의 차아염소산으로 살균처리하고, 상기 이산화탄소 미세기포를 이용하여 전기분해 처리시 발생되는 스케일을 제거하는 단계; 및 상기 살균처리된 해수를 발라스트탱크로 주입하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 바람직한 특징에 의하면, 상기 이산화탄소는 선박운행시 발생하는 배기가스로부터 분리 농축된 것을 사용할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 이산화탄소를 해수에 용해시켜 해수의 pH를 낮추고, 이 저pH의 해수를 이산화탄소 미세기포로 변환시시켜 해수에 포함된 총 산화물질 중 산화성이 강한 HOCl의 존재 비율을 증가시킴으로써, 해수의 경우 동일 TRO 농도 조건에서 기존의 전기분해 선박평형수 처리방법에 비해 HOCl의 비율이 높아서 살균 효율을 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라 그에 따라 장비의 크기를 축소시키고 구동비용을 낮출 수 있는 효과가 있다.
또한, 발라스트수로 담수를 사용하는 경우에도, 이산화탄소 미세기포에 의해 담수 조건의 pH 보다 더 낮은 pH를 인위적으로 설정하여 HOCl 발생량을 더욱 높임으로써 낮은 TRO 농도에서 일정 수준 이상의 살균 효율을 확보할 수 있는 효과가 있다.
또한, 해수의 pH를 인위적으로 조절하여 HOCl → H+ + OCl-의 반응을 억제함으로써 수소가스 발생량을 감소시킬 수 있으며 이에 전기분해처리시 안전성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박평형수 처리장치의 구조를 개략적으로 나타낸 구조도이다.
도 2는 도 1의 pH 조절수단 중에서 혼합탱크를 나타낸 평면도이다.
도 3은 도 2의 전기분해 처리수단 중 전기분해반응기를 확대하여 나타낸 평면도이다.
도 4는 도 3의 전기분해반응기 중에서 전기분해모듈의 내부 구조를 개략적으로 나타낸 구조도이다.
도 5는 pH에 따른 차아염소산과 차아염소산 이온의 분포를 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시예는 여러가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 실시예는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다. 또한, 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 도면 전체에 걸쳐 동일한 부호를 사용한다.
덧붙여, 명세서 전체에서 어떤 구성요소를 '포함'한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박평형수 처리장치의 구조를 개략적으로 나타낸 구조도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 선박평형수 처리장치는, 발라스트탱크(120), 발라스트수 주입수단 및 발라스트수 배출수단, pH조절수단, 미세기포 발생수단 및 전기분해 처리수단을 포함한다.
발라스트탱크(120)는 선박의 규모에 따라 차이가 있으며, 대형선박의 경우 10만 ㎡를 초과할 수 있으며, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 발라스트수 주입수단은 해수유입펌프(10)와, 해수유입펌프(10)의 구동에 의해 (I)방향으로부터 해수가 유입되는 해수유입관(21)을 포함한다.
상기 발라스트수 배출수단은 발라스트탱크(120)와 연결되어 (D)방향으로 발라스트수를 배출시키기 위한 발라스트수 배출관(22)을 포함한다. 이때, 발라스트수 배출관(22)에는 발라스트수 유입펌프(미도시) 및 용해탱크(미도시) 등이 더 포함될 수 있다.
제1 및 제2 분기관(23, 24)은 해수유입관(21)을 통해 유입된 해수를 전기분해 처리수단(140)으로 보내거나 그 중 일부를 pH조절수단 및 미세기포 발생수단 쪽으로 공급하기 위한 것이다. 제1 분기관(23)은 메인 해수 유입관으로서 대부분의 해수를 이 제1 분기관(23)을 통해 전기분해 처리수단으로 이동된다. 제2 분기관(24)은 이산화탄소 용해용 해수유입관으로서 해수유입관(21)을 통해 유입된 해수 중 일부가 이 제2 분기관(24)을 통해 pH조절수단으로 유입되는 것이다. 이때, 제1 및 제2 분기관(23, 24)에는 해수의 공급량을 각각 조절하여 공급하기 위한 밸브가 설치될 수 있다.
도 2는 도 1의 pH 조절수단 중에서 혼합탱크를 나타낸 평면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 상기 pH 조절수단은 해수유입관(21) 및 제2 분기관(24)을 통해 유입된 해수에 이산화탄소를 주입하여 해수의 pH를 낮추는 수단이며, 미세기포 발생수단은 상기 pH가 낮추어진 해수에 포함된 이산화탄소 기포를 미립화하여 이산화탄소 미세기포로 변환시키는 수단이다.
이러한 pH조절수단은, 벤츄리인젝터(113), 벤츄리인젝터(113)로 유입된 해수에 이산화탄소를 주입하기 위한 농축 이산화탄소 탱크(111), 농축 이산화탄소 탱크(111)의 이산화탄소 주입량을 벤츄리인젝터(113)에 유입된 해수의 pH 및 유량에 따라 조절하는 레귤레이터(112), 농축 이산화탄소와 해수를 용해시켜 이산화탄소 기포를 만드는 혼합탱크(150)를 포함할 수 있다. 상기 미세기포 발생수단은 혼합탱크(150)로부터 이산화탄소 기포 배출관(26)을 통해 유입된 이산화탄소 기포를 미립화하여 더 미립화된 이산화탄소 미세기포로 만든 후 제1 분기관(23, 메인 해수유입관)으로 유입된 해수에 혼합하여 저pH의 해수로 만든 후 상기 전기분해 처리수단으로 주입시키는 미세기포노즐(116)을 포함할 수 있다.
여기서, 도면부호 28 및 29는 농축 이산화탄소 탱크(111)의 이산화탄소를 벤츄리인젝터(113)로 공급하기 위한 공급관을 각각 나타낸다.
벤츄리인젝터(113)와 혼합탱크(150)는 제1 혼합해수관(25)으로 연결되며, 제1 혼합해수관(25)에는 혼합해수가 혼합탱크(150)로 공급되는 양을 조절하기 위한 밸브 및 혼합해수의 pH를 측정하기 위한 pH센서(114)가 설치될 수 있다. 이때, 벤츄리인젝터(113)는 필요시 다공판 또는 오리피스관으로도 대체할 수 있으며, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
혼합탱크(150)는 몸체(151) 내부에 농축 이산화탄소와 해수의 접촉시간을 늘려 용해가 잘 되도록 하기 위해 격벽(152a, 152b)이 형성될 수 있으며, 본 실시예에서는 이러한 격벽이 2개 형성된 것으로 도시하여 설명하고 있으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 격벽은 1개만 형성되거나 3개 이상을 소정 간격으로 형성할 수 있다.
또한, 혼합탱크(150)에는 이산화탄소와 해수를 혼합하여 이산화탄소 기포로 만든 후 남은 미용존 이산환탄소 가스 또는 크기가 너무 큰 거대 기포를 대기 중으로 배출시키는 이산화탄소 배출부(115)가 구비될 수 있다.
미세기포노즐(116)은 혼합탱크(150)로부터 유입된 이산화탄소 기포를 더 미립화하여 보다 미립화된 이산화탄소 미세기포를 만드는 역할을 수행한다.
여기서, 미세기포란 약 30 ㎛의 이산화탄소 기포를 약 1.5 atm의 압력으로 수축하여 약 10 ㎛로 만든 후, 다시 약 15 atm의 압력으로 수축하여 0.1 내지 10.0 ㎛의 크기로 압축시킨 것을 의미한다.
상기 전기분해 처리수단은 미세기포노즐(116)을 통해 유입된 이산화탄소 미세기포가 용해된 저 pH의 해수를 전기분해로 생성된 차아염소산으로 살균 처리하여 발라스트 탱크(120)로 주입하는 관로(in-line)처리방식의 발라스트수 처리수단이다.
이러한 전기분해 처리수단은 정류기(130), 정류기(130)의 DC 정류를 제어하고 후술하는 빗살형 전기분해부의 전기분해 구동시간 등을 제어하는 제어패널(미도시) 및 적어도 하나 이상의 전기분해모듈(141)을 포함하는 전기분해반응기(140)를 포함한다. 또한 상기 전기분해 처리수단은 전기분해에 의해 살균처리된 해수를 발라스트탱크(120)로 주입하는 전해수주입관(30)을 포함한다.
이때, 전해수주입관(30)에는 필요시 유량계(42)와 살균처리된 해수의 TRO 농도를 감지하기 위해 TRO센서(41)가 구비될 수 있다.
도 3은 도 2의 전기분해 처리수단 중 전기분해반응기를 확대하여 나타낸 평면도이고, 도 4는 도 3의 전기분해반응기 중에서 전기분해모듈의 내부 구조를 개략적으로 나타낸 구조도이다.
도 3을 참조하면, 본 실시예에서는 전기분해모듈(141) 4개를 시간당 300톤을 처리하는 1셋트로서 도시하여 설명하고 있으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 전기분해모듈의 개수는 선박의 발라스트수 용량 등 필요에 따라 3개 이하 또는 5개 이상으로 증감하여 설계 변경될 수 있다.
도 4를 참조하면, 전기분해모듈(141)은 대체로 정사각형 형상으로 이루어진 몸체(141a)와, 몸체(141a) 내부로 정류기(130)로부터 DC 정류를 제공받을 수 있도록 음극단자(142) 및 양극단자(143)가 연결되어 배치된 구조를 갖는다. 이때, 음극단자(142) 및 양극단자(143)는 몸체(141a) 내부에 마주보는 지지부(142a, 143a)를 각각 가진다. 또한, 정류기(130)의 전압은 인가 전류량에 따라 다르며 해수의 경우 10V 이하, 담수의 경우 15V 이하의 전압을 인가할 수 있으며, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
음극단자(142) 및 양극단자(143)의 지지부(142a, 143a)에는 몸체(141) 내부에서 서로 번갈아 배치되는 형태로 빗살형 전기분해부(144, 145)가 각각 연결 형성된다. 이때, 빗살형 전기분해부(144, 145)는 바람직하게 해수 및 담수에서도 우수한 내식성을 가질 수 있도록 티타늄 베이스에 루테늄을 코팅하여 형성될 수 있으며, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
위와 같이 구성된 전기분해 처리수단은 유입된 해수가 전극분해모듈(141)의 빗살형 전기분해부(144, 145)를 통과할 때 아래 반응식 1에 의해 전위차를 통해 전기분해된다.
[반응식 1]
<염소화>
NaCl → Na+ + Cl-
2Cl- → Cl2 + 2e-
Cl2 + H20 → HCl + HOCl
HOCl → H+ + OCl-
H2O → H+ + OH-
Na+ + OH- → NaOH
Cl2 + 2NaOH → NaOCl + NaCl + H2O
<브롬화>
HOCl + Br- → HOBr + Cl-
HOBr → H+ + OBr-
위 반응식 1에 의해 생성된 화학종 중 HOCl, OCl- , OH-, NaOCl, HOBr, OBr- 등의 산화물질을 총칭하여 TRO(Total residual oxidants)라고 하며, TRO는 각종 미생물을 살균 소독하게 된다. 특히, 이중 산화성이 강해 살균소독 효율이 높은 유리잔류염소(Free available chlorine)는 HOCl과 OCl- 이다.
전기분해시 HOCl과 OCl-은 상호 비가역적으로 발생하며, 수중의 pH에 따라 HOCl과 OCl-의 존재 비율이 도 5에 도시된 바와 같이 다르게 된다.
도 5를 참조하면, pH가 낮을수록 HOCl의 존재 비율이 높고, pH가 높아질수록 OCl-의 존재 비율이 높아짐을 알 수 있다.
일반적으로 해수의 경우 pH가 8~9 사이이므로 실제 전기분해 반응을 통해 발생된 HOCl이 분해되어(HOCl → H+ + OCl-) OCl- 형태로 대부분 존재하게 된다.
통상 HOCl은 OCl-과 비교하여 산화력이 강해 살균효율이 약 80배 정도 높다.
본 실시예에서는 해수유입관을 통해 유입된 해수에 농축 이산화탄소를 주입하여 이산화탄소 미세기포를 만들고, 상기 이산화탄소 미세기포와 해수를 용해시켜 해수의 pH를 낮추며, 상기 저pH의 해수를 유입하여 전기분해로 생성된 차아염소산으로 살균처리한 후 발라스트탱크로 주입하여 발라스트수의 살균효율을 높일 수 있다.
여기서, 이산화탄소를 미세기포화하는 것은 용해효율을 높여 이산화탄소의 용해가 더 잘 이루어질 수 있도록 하기 위함이다.
즉, 본 실시예에서와 같이 이산화탄소를 미세기포화 하여 해수에 용해함으로써 해수의 pH를 인위적으로 조절하여 낮추게 되면 HOCl의 존재비율이 높아지고 이로써 살균효과가 상승하게 되는 것이다.
하기 표1 은 이와 같은 발라스트수 처리방법에서 CO2의 용해에 따른 해수의 pH 변화량을 나타낸 것이다. 표 1에 나타난 바와 같이, 이산화탄소 미세기포의 용해량이 늘어나면 pH가 점차적으로 낮아져 최대 1,500 ppm에서 pH가 3.7로 낮게 측정되었다.
표 1
CO2 용해량(농도) pH
0 ppm 8.2
50 ppm 7.8
100 ppm 7.1
500 ppm 6.0
1,000 ppm 4.3
1,500 ppm 3.7
하기 표 2는 pH의 변화에 따른 생물사멸율 나타낸 것이다. 표 2에 나타난 바와 같이, 이산화탄소에 의하여 pH가 낮아짐에 따라 동일 TRO 농도 조건에서 생물사멸효율은 pH가 8.2에서 3.7으로 낮아지고, 이에 따라 생물사멸 효율이 최대 동물성플랑크톤(Zooplankton)의 경우 70%, 식물성플랑크톤(phytoplankton)의 경우 50%, 기타 박테리아(E.Coli)의 경우 60% 각각 상승됨을 확인할 수 있다.
표 2
pH TRO 생물사멸율
Zooplankton Phytoplankton E.Coli
8.2 5.0mg/L 30% 50% 40%
7.8 5.0mg/L 40% 60% 50%
7.1 5.0mg/L 40% 60% 50%
6.0 5.0mg/L 80% 90% 90%
4.3 5.0mg/L 100% 100% 100%
3.7 5.0mg/L 100% 100% 100%
한편, 상기 농축 이산화탄소는 선박운행시 발생하는 배기가스로부터 분리 농축된 것을 사용할 수 있다.
현재 국제해사기구(IMO)에서는 선박평형수 규제와 같이 선박에서 발생되는 배기가스 중 온난화 가스를 별도로 규제화 하고 있어 향후 이러한 규제가 실효화 되면 선박의 배기가스 내 이산화탄소 농축 기술이 선박에 적용될 것이며, 이를 통해 필요한 이산화탄소를 공급받기 용이해질 수 있다.
또한, 선박의 배기가스로부터 이산화탄소의 공급이 원활하지 않을때는 단가가 매우 저렴한 시판되는 농축 이산화탄소를 농축 이산화탄소 탱크(111)에 저장하여 활용할 수 있다.
또한, 종래의 전기분해시 수소가스 발생, 담수에서의 처리효율 감소 이외 발생할 수 있는 문제점으로 전극에서의 MgCO3 및 CaCO3를 포함하는 스케일(scale)이 발생하여 전기분해 효율이 감소될 수 있다.
그러나, 본 실시예에 따르면, 전기분해 전단에서 이산화탄소 미세기포의 물리적인 힘 및 흡착효과에 의해 전극에서 발생하여 부착된 스케일을 효과적으로 제거할 수 있으며, 이에 전기분해 효율 감소를 효과적으로 억제할 수 있다.
본 발명은 상술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다.
따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.
21 ; 해수유입관 22 ; 발라스트수 배출관
23, 24 ; 제1 및 제2 분기관 111 ; 이산화탄소 탱크
112 ; 레귤레이터 113 ; 벤츄리인젝터
114 ; pH 센서 116 ; 미세기포노즐
130 ; 정류기 140 ; 전기분해 처리수단
141 ; 전기분해모듈 150 ; 혼합탱크
151 ; 몸체 152a, 152b ; 격벽

Claims (5)

  1. 해수를 유입하는 해수유입관;
    상기 해수유입관을 통해 유입된 해수 중 일부에 이산화탄소를 주입하여 해수의 pH를 낮추는 pH조절수단;
    상기 pH가 낮추어진 해수에 포함된 이산화탄소 기포를 미립화하여 이산화탄소 미세기포로 변환하는 미세기포 발생수단;
    상기 미세기포 발생수단의 후단에 위치하며, 상기 이산화탄소 미세기포가 용해되어 pH가 낮춰진 해수를 전기분해하여 전기분해된 해수에 포함된 총 산화물질 중 차아염소산(HOCl)의 존재비율을 pH조절수단을 거치지 않은 해수에 비하여 증대시켜 상기 이산화탄소 미세기포가 용해된 해수를 과량의 차아염소산으로 살균처리하여 발라스트탱크로 주입하는 전기분해 처리수단; 및
    상기 전기분해 처리수단 후단에 위치하는 발라스트탱크;를 포함하며,
    상기 전기분해 처리수단은, 정류기; 상기 정류기와 연결된 양극 및 음극단자와, 상기 양극 및 음극단자에 번갈아 배치되도록 형성되며 상기 이산화탄소 미세기포에 의해 스케일(scale)이 제거되는 빗살형 전기분해부를 포함하는 적어도 하나 이상의 전기분해모듈을 포함하는 전기분해반응기; 및 상기 정류기의 DC 정류 및 상기 빗살형 전기분해부의 전기분해 구동시간을 제어하여 상기 전기분해반응기의 전기분해 구동시간을 제어하는 제어패널; 을 포함하는 이산화탄소를 이용한 고효율 전기분해 선박평형수 처리장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 pH 조절수단은,
    벤츄리인젝터;
    상기 벤츄리인젝터로 유입된 해수에 이산화탄소를 주입하는 농축 이산화탄소 탱크;
    상기 농축 이산화탄소 탱크의 이산화탄소 주입량을 상기 벤츄리인젝터에 유입된 해수의 pH 및 유량에 따라 조절하는 레귤레이터; 및
    농축 이산화탄소와 해수를 용해시켜 이산화탄소 기포를 만드는 혼합탱크; 를 포함하며,
    상기 미세기포 발생수단은, 상기 혼합탱크로부터 유입된 이산화탄소 기포를 미립화하여 이산화탄소 미세기포로 만들고, 메인 해수유입관으로 주입시키는 미세기포노즐을 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소를 이용한 고효율 전기분해 선박평형수 처리장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 혼합탱크는 내부에 농축 이산화탄소와 해수의 접촉시간을 늘리기 위해 격벽이 형성된 것을 특징으로 하는 이산화탄소를 이용한 고효율 전기분해 선박평형수 처리장치.
  4. 해수유입관을 통해 유입된 해수 중 일부에 이산화탄소를 주입하여 해수의 pH를 낮추는 단계;
    상기 해수에 포함된 이산화탄소 기포를 미립화하여 이산화탄소 미세기포로 만드는 단계;
    상기 이산화탄소 미세기포가 용해되어 pH가 낮춰진 해수를 전기분해하여 전기분해된 해수에 포함된 총 산화물질 중 차아염소산(HOCl)의 존재비율을 pH조절수단을 거치지 않은 해수에 비하여 증대시켜 상기 이산화탄소 미세기포가 용해된 해수를 과량의 차아염소산으로 살균처리하고, 상기 이산화탄소 미세기포를 이용하여 전기분해 처리시 발생되는 스케일을 제거하는 단계; 및
    상기 살균처리된 해수를 발라스트탱크로 주입하는 단계; 를 포함하는 이산화탄소를 이용한 고효율 전기분해 선박평형수 처리방법.
  5. 제5항에 있어서, 상기 이산화탄소는 선박운행시 발생하는 배기가스로부터 분리 농축된 것을 사용하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소를 이용한 고효율 전기분해 선박평형수 처리방법.
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