WO2016024659A1 - 도전성 유체의 정전 처리 장치 및 상기 장치가 설치된 도전성 유체 공급 배관 - Google Patents

도전성 유체의 정전 처리 장치 및 상기 장치가 설치된 도전성 유체 공급 배관 Download PDF

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WO2016024659A1
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conductive fluid
metal layer
metal
electrostatic
water
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PCT/KR2014/008602
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심학섭
이덕수
박성호
정연임
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주식회사 진행워터웨이
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    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/46—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16L—PIPES; JOINTS OR FITTINGS FOR PIPES; SUPPORTS FOR PIPES, CABLES OR PROTECTIVE TUBING; MEANS FOR THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16L55/00—Devices or appurtenances for use in, or in connection with, pipes or pipe systems
    • F16L55/24—Preventing accumulation of dirt or other matter in the pipes, e.g. by traps, by strainers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16L—PIPES; JOINTS OR FITTINGS FOR PIPES; SUPPORTS FOR PIPES, CABLES OR PROTECTIVE TUBING; MEANS FOR THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16L58/00—Protection of pipes or pipe fittings against corrosion or incrustation

Definitions

  • the present invention relates to an electrostatic treatment device for a conductive fluid capable of preventing corrosion or scale formation of a pipe through which a fluid flows, and a conductive fluid supply pipe including the treatment device. More particularly, the present invention provides a metal pipe material to provide a metal pipe.
  • the electrostatic treatment device of the conductive fluid and the electroconductive fluid supply pipe including the device which can remove and prevent the metal oxide corroded more quickly and effectively, and can effectively prevent the scale formed on the inner tube wall of the metal pipe material. It is about.
  • Korea is one of the UN water shortage countries. Nevertheless, the amount of tap water thrown away due to the aging of water pipes, etc., ruptures due to the aging of water pipes, reached 800 million tons a year. From 2010 to 2010), the amount of water leakage was reported to be 8.4 billion cubic meters, which is reported to amount to 6 trillion won.
  • This water supply pipe is because the pipe uses a metal iron pipe mainly made of iron. Since iron (Fe), which is a main component of the metal iron pipe, has a higher tendency of ionization than water (H 2 O), the iron component melts in the water while flowing inside the piping material, which causes corrosion of the metal pipe material. Over time, this phenomenon is accelerated, leading to rapid deterioration of the piping, which in turn results in red rust being supplied to the end user.
  • Fe iron
  • H 2 O water
  • the corrosion phenomenon occurring inside the metal pipe today has the following theoretical background.
  • water molecules flowing therein cause friction on the inner surface of the metal tube, and the friction causes a potential difference.
  • the iron component of the metal tube is deprived of electrons and converted to iron ions, and the iron ions react with oxygen in water to produce iron oxide.
  • Fe Fe 2+ + 2e -
  • the copper tube can solve the problem of corrosion caused by the iron component, but can not fundamentally prevent the rust phenomenon, and the rust is also known to be harmful to the human body. Furthermore, the copper tube itself can prevent the corrosion problem caused by the iron component, but it cannot be a fundamental solution to the corrosion problem of the already installed cast iron pipe.
  • the copper tube does not corrode, its durability can be recognized, but scale and scale formed in the copper tube cannot be prevented. That is, various mineral components are dissolved in water, including calcium components, and calcium ions (Ca 2+ ) dissolved in water are combined with carbon dioxide (H 2 CO 3 ) dissolved in water. This results in the formation of insoluble calcium carbonate (CaCO 3 ), which is attached to the inner wall of the pipe with the weakest flow rate, which gradually grows to form scale. As a result, the scale acts as a factor to significantly reduce the flow rate by blocking the passage inside the pipe. Therefore, even when the piping material is made of copper, it is not possible to fundamentally solve the scale forming action. This phenomenon occurs similarly in the case of scale.
  • the ion water treatment device dissolves the zinc component by the water flowing from the piping material by friction with the wall surface. Since zinc has a very high tendency to ionize, especially since it has a very high ionization tendency compared to iron, zinc ions already dissolved in water prevent the iron component from ionizing from metal tubes such as cast iron tubes, thereby causing corrosion of the metal tubes. Prevent the phenomenon.
  • the zinc metal and iron components are very different in the ionization tendency, and when they are deposited in the same solvent, the potential difference is generated, the microorganisms are suppressed by this potential difference, contamination of scale or scale, etc. You can prevent it.
  • ionized water treatment device examples include the "fluid treatment apparatus and method" described in Korean Patent Registration No. 0313778.
  • the ion water treatment device described in the patent document uses a zinc block and a flow of a fluid forming a sacrificial anode inside a brass body to generate a potential electrostatic charge due to a natural potential difference between dissimilar metals, thereby preventing harmful substances contained in the fluid. It consists of a fluorine resin block installed inside to induce sedimentation.
  • the zinc block and the fluororesin block are formed with a plurality of through holes through which fluid flows. The fluororesin block neutralizes the charged colloids in the water to allow them to aggregate and settle so that foreign matter can be more easily filtered using a filter.
  • Korean Patent Registration No.0948338 adds a negative electrode to zinc as an ion generating metal and a positive electrode to brass as an ion adsorbing metal to increase zinc ion elution by an electrochemical ion elution method.
  • a technique for improving the descaling effect is disclosed.
  • the present invention seeks to provide an apparatus for electrostatic treatment of fluids which can prevent the formation of corrosion and prevent the formation of scales inside the metal pipe using the principle of the optoelectronic effect.
  • another object of the present invention is to provide an electrostatic treatment apparatus for a fluid that can be provided more quickly and efficiently to prevent corrosion of metal pipes and formation of scales by mounting them between the metal pipes while using conventional metal pipes as they are. To provide a way to use.
  • an electrostatic treatment apparatus for a conductive fluid having a tubular shape provided by a channel through which the conductive fluid passes,
  • a tubular first metal layer of a copper-containing metal A second metal layer made of tubular zinc formed inside the first metal layer and capable of flowing a conductive fluid therein; And an insulating layer formed between the first metal layer and the second metal layer, the insulating layer blocking electrical connection between the first metal layer, the second metal layer, and the conductive fluid, wherein an anode is connected to the first metal layer, and a second A cathode is connected to a metal layer and includes an external power source for applying a voltage.
  • the device provides an electrostatic treatment apparatus for a conductive fluid that elutes metal ions from the second metal layer to the conductive fluid by applying voltage and generates electrons.
  • the first metal layer may be brass or pure copper.
  • the second metal layer may have a tubular shape in which one channel through which the conductive fluid passes, or a tubular bundle in which two or more channels are formed.
  • the insulating layer may be plastic, ceramic or insulator, may be selected from PE, PP, PTFE and fluororubber, and may be formed by laminating an insulating film or coating an insulating resin.
  • the insulating layer may include a space portion in which the first metal layer and the second metal layer are spaced apart from each other by an insulator, and the space portion is filled with air or maintained in a vacuum state. .
  • first metal layer, the insulating layer and the second metal layer may be assembled.
  • the external power source may apply a constant voltage in the range of 3V to 27.5V.
  • the electrostatic treatment apparatus of the conductive fluid may include at least one electrostatic generator for forming a vortex of the conductive fluid at at least one of the front end and the rear end of the second metal layer based on the flow direction of the conductive fluid.
  • the electrostatic treatment of the electroconductive fluid comprising a metal pipe
  • the fluid flow is connected to both side ends of the zinc ion generating device, the conductive fluid flowing through the metal pipe is the electrostatic treatment
  • a conductive fluid supply tubing is provided through which the electrons, generated by the drive of an external power source, react with the iron oxide in the metal tubing to reduce iron.
  • the metal pipe may be at least one selected from the group consisting of boiler pipe, water supply pipe, sewage pipe, industrial water transfer pipe and industrial wastewater pipe.
  • the present invention can be used by directly connecting to an industrial water pipe or a water pipe, and the heavy metal component dissolved in water can be efficiently removed.
  • the present invention can efficiently remove even a metal component having a high ionization tendency, and in particular, a calcium component can be removed before it is combined with carbon dioxide in water, thereby greatly reducing the possibility of forming a scale. There is an advantage to being there.
  • the present invention can remove the positive ions of the conductive fluid or lower the concentration, there is an advantage that can minimize the side effects caused by the positive ions of the conductive fluid.
  • FIG. 1 is a schematic view showing an electrostatic treatment apparatus of a conductive fluid provided by the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of an electrostatic treatment apparatus for a conductive fluid of the present invention, in which an insulator film is formed as an insulating layer between a first metal layer and a second metal layer.
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of an electrostatic treatment apparatus for a conductive fluid of the present invention, wherein an air layer is formed as an insulating layer between the first metal layer and the second metal layer, and partially insulated between the first metal layer and the second metal layer. Is a diagram schematically showing an example in which is mounted.
  • FIG. 4 is a view showing the concept that the scale is removed through the formation of a complex by the zinc ion and water molecules.
  • FIG. 5 is a graph showing ORP change according to the voltage change measured by Example 1.
  • FIG. 6 is a graph showing a change in the amount of zinc ions according to the voltage change measured in Example 1.
  • FIG. 7 is a graph showing a change in the amount of zinc ions according to the change in current measured by 1 in comparison.
  • Example 8 is a graph showing a change in the amount of iron ions contained in the water passed through the cast iron pipe in Example 2.
  • Example 9 is a graph showing the degree of inhibition of iron oxide production in Example 3.
  • FIG. 10 is a graph showing the time taken to convert iron oxide to magnetite in Example 4.
  • FIG. 11 is a graph showing the results of measuring the scale removal amount in Example 5.
  • the present invention relates to an electrostatic treatment apparatus of a conductive fluid capable of efficiently removing rust formed in a metal pipe through which a conductive fluid flows and preventing rust generation.
  • the electrostatic treatment apparatus of the present invention is provided as a channel through which a conductive fluid passes. It has a tubular shape, and consists of a first metal layer, an insulating layer and a second metal layer.
  • the electrostatic treatment apparatus is inserted into and operated in the existing metallic pipe in which the fluid flows, and has a tubular shape through which the fluid can pass. If the electrostatic treatment apparatus is connected to the existing metallic pipe, the shape is not particularly limited.
  • the conductive fluid flowing through the pipe is not particularly limited as long as it has conductivity, but water may be mentioned as a representative fluid.
  • the electrostatic treatment apparatus of the conductive fluid provided by this invention consists of a 1st metal layer, an insulation layer, and a 2nd metal layer from the exterior toward the inside, as shown to FIGS. 1 is a view schematically showing an electrostatic treatment apparatus of a conductive fluid provided in the present invention, FIG. 2 schematically shows a cross section of the electrostatic treatment device of FIG. 1, and FIG. 3 is an electrostatic treatment of the present invention shown in FIG. A schematic representation of the longitudinal cross section of the device.
  • the first metal layer of the present invention is a metal containing copper, for example, may be made of brass or pure copper, and the second metal layer may be made of zinc.
  • Electrostatic treatment devices for conductive fluids generally use the principle of dissociating zinc ions into water by first ionizing zinc, which has a higher tendency to ionize, due to a natural potential difference between copper and zinc dissimilar metals, that is, 1.1 V potential difference. will be. At this time, it is possible to prevent corrosion of metal pipes, especially iron, and to remove scales present in water by sacrificial methods generated by zinc ions.
  • the second metal layer is preferably formed therein so as to be in contact with the conductive fluid so as to elute zinc ions in the conductive fluid.
  • the second metal layer is not particularly limited as long as it includes a channel through which the fluid can flow, and may have a tubular shape including one channel.
  • the channel may have a tubular bundle shape including two or more, as shown in FIG. 2.
  • the number of the channels can be appropriately selected within the range in which the flow rate of the conductive fluid is not excessively reduced while passing through the second metal layer, and is not particularly limited. For example, 2-30, 3-15, 3-10 etc. can be variously selected.
  • zinc ions are eluted into the conductive fluid by ionization to generate electrons.
  • calcium or magnesium cations are generally present in the water together with carbonate (HCO 3 ⁇ ) and react with each other according to temperature change to form calcium carbonate (CaCO 3 ) or magnesium carbonate (MgCO 3 ).
  • the carbonate has a needle-like structure of about 7 ⁇ m in size and is firmly attached to the inner wall of the pipe to form a scale.
  • the scale of the needle structure grows into an aragonite spherical shape of about 110 ⁇ m in diameter, and the spherical scale flows with the fluid without being attached to the inner wall of the pipe. As a result, scale formation on the inner wall of the pipe can be suppressed.
  • the eluted zinc ions tend to be more ionized than iron in the conductive fluid, and thus have a low potential to act as an anode, and iron becomes a cathode.
  • zinc is dissolved in water by the anodic reaction, and electrons are consumed in the cathode reaction occurring on the iron surface.
  • zinc in the anode can be accelerated by corrosion while iron can be inhibited by corrosion by cathodic protection.
  • zinc which is the anode, sacrifices the amount of dissolved oxygen in the water of zinc ions, thereby slowing down the corrosion rate of iron.
  • the electrons generated from the second metal layer should be suppressed from being received at the anode.
  • the first metal layer must be insulated from the second metal layer, and the first metal layer must also be insulated from the conductive fluid. Therefore, an insulating layer needs to be formed over the entire surface of the first metal layer or the outside of the second metal layer (hereinafter, for convenience, the inside of the first metal layer will be described).
  • the insulating layer is not particularly limited as long as the first metal layer can insulate the conductive fluid and the second metal layer.
  • plastics, ceramics, rubber, or other non-conductors having properties as insulators can be used. Among them, the plastic material is most preferred.
  • plastics having good processability, excellent insulation, and excellent electrostatic properties due to friction are more suitable, and it is preferable to use engineering plastics having good functionality and mechanical strength, and polytetrafluoroethylene (known as teflon) (PTFE) is most preferred.
  • teflon polytetrafluoroethylene
  • such a fluorine resin generates a static charge when water passes through its surface, thereby causing the electrostatic particles to agglomerate inside the fluid. Once agglomerated, the particles also promote agglomeration of other particulates present in the aqueous solution. As a result, as described above, it is possible to coarsen the scale of the needle-like structure into a spherical shape and prevent the scale from being formed on the inner wall of the pipe.
  • the insulating layer may be a coating layer formed by coating the inside of the first metal layer, and may be formed by stacking a film of the insulating material.
  • the insulating layer of the present invention may be formed by forming a structure by the first and second metal layers and assembling the inside of the first metal layer.
  • a predetermined space may be formed between the structure by the insulating material and the first metal layer, and may include an air space filled with air. Air can serve as an insulating material, and can achieve an insulating effect between the first metal layer and the second metal layer or the conductive fluid.
  • the first metal layer is preferably made of a material including copper, and more preferably, the first metal layer may be brass. Further, the first metal layer may further include a nickel plating layer on the outside. The nickel plating is preferable to prevent the impact from the outside.
  • an external power source is connected to the first metal layer and the second metal layer, respectively.
  • the first metal layer may be connected to a positive electrode
  • the second metal layer may be connected to a negative electrode
  • zinc ions may be eluted from the second metal layer by applying a constant voltage from an external power source.
  • the present invention is applied to the theory of ion emission by the photoelectron effect of Einstein, the negative electrode is applied to the inner second metal layer, for example, zinc, the outer first metal layer, for example, copper
  • the positive electrode zinc is ionized from the second metal layer into zinc ions and electrons, thereby releasing electrons.
  • the released electrons are moved along the tube to move to the (+) electrode, the hydrogen ions in the water receives the electrons, the hydrogen gas is released and the ions are eluted by the amount of electrons emitted from the second metal layer.
  • the (+) electrode is connected to the copper forming the first metal layer, copper ions are eluted, so it is preferable to block the brass from water so that such ions are not eluted.
  • An insulating layer is formed on the.
  • the constant voltage applied by the external power source is not particularly limited, but may be applied in the present invention as long as it is capable of emitting electrons by the photoelectric effect from the second metal layer of zinc, preferably 3V to 27.5V. Can be adjusted within the range of.
  • the voltage can be appropriately selected and applied according to the amount of zinc ions required, and the amount of zinc ions can be adjusted by changing the voltage applied in the above range.
  • the setting of the constant voltage can be selected depending on the degree of corrosion and scale content of the conductive fluid to be treated, and is not particularly limited. For example, when a constant voltage of 3 to 27.5V is applied at an electric conductivity of 100-3000 ⁇ S / cm, which is a tap water condition, the amount of zinc ions released may be maximized within a range that satisfies the water quality standard.
  • the electrostatic treatment apparatus of the conductive fluid provided in the present invention may be mounted in a housing made of a metal material such as stainless steel on the outside of the first metal layer.
  • the electrostatic treatment apparatus of the conductive fluid of the present invention can be applied without particular limitation as long as it causes a corrosion problem of the pipe, for example, water and sewage pipes, as well as scale generation of boiler pipes, heating and hot water pipes It can be applied to various places such as pipes through which other industrial water or industrial wastewater flows.
  • Electrostatic water treatment devices 1 1
  • a brass tube is mounted inside a stainless steel housing, and the brass tube is coated with polytetrafluoroethylene (PTFE) to block contact with fluid flowing into the tube. It is.
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • the inside of the brass tube is inserted into the tube of the zinc-like tube bundle having five channels.
  • a positive electrode is connected to the brass, and a negative electrode is connected to zinc so that a voltage can be applied by an external power source.
  • Electrostatic water treatment devices 2 1
  • the voltage can be adjusted to significantly elute zinc ions, and the amount of zinc ions can be controlled by controlling the voltage. It can also be seen.
  • the amount of zinc ions present in the water was measured in the same manner as in Example 1 and Comparative Example 1, except that 2 L of water was circulated for 90 minutes, and the results are shown in FIG. 6.
  • a 100m cast iron pipe (diameter 100mm) was installed to corrode for 6 months. Fe ions contained in the water passing through the corroded cast iron pipe was measured, which was measured to a maximum of 4.75 ppm. The photograph which photographed the water at this time is shown to FIG. 8 (a).
  • the electrostatic water treatment device 1 was connected to the corroded cast iron pipe, and operated by applying a voltage of 10 V to the tap water for 40 days.
  • the other specimen was operated by mounting the electrostatic water treatment device 1 (Example 4), and the other specimen was operated by mounting the electrostatic treatment device 2 (Comparative Example 3).
  • Example 4 in which the electrostatic water treatment device 1 was installed and operated, the corrosion amount was significantly reduced as compared with Comparative Example 3 using the electrostatic water treatment device 2.
  • the degree of corrosion of Example 4 was 100%
  • Comparative Example 3 was 175%
  • Reference Example 1 which was not installed, exhibited a degree of corrosion of 400%, whereby the electrostatic water treatment apparatus of the present invention was installed. It can be expected that the service life of the pipe can be significantly extended.
  • Specimens (10 ⁇ 10 ⁇ 3 kPa) were placed in a water bath as defined in US ASTM G31-72, and water was circulated by passing a pump at a flow rate of 500 ml / min to corrode the specimens for 168 hours.
  • Example 5 Each of the corroded specimens was placed in two tanks, one electrostatic water treatment device 1 was installed (Example 5), and the other electrostatic water treatment device 2 was installed (Comparative Example 4). 500 ml / min of water was continuously circulated for 10 days for each electrostatic treatment device.
  • the specimens were analyzed by XRD to confirm the degree of conversion of iron oxide to magnetite (Fe 3 O 4 ), and a period in which all of the iron oxide is converted to magnetite is shown in FIG. 10.
  • Example 5 the specimen of the tank operated by installing the electrostatic water treatment device 1 took 5 days to convert iron oxide to magnetite, whereas according to Comparative Example 4, the electrostatic water treatment device The two-bed specimens took 10 days to convert iron oxide to magnetite.
  • Specimens of the same mass were placed in a water bath, water was discharged for 10 days at a flow rate of 500 ml / min, and the scale removal amount was measured after 10 days.
  • the electrostatic water treatment device 1 was installed and operated in one tank (Example 6), and the electrostatic water treatment device 2 was installed and operated in the other tank (Comparative Example 5). It was not installed (Reference Example 2).
  • the amount of descaling was about two to three times higher than the descaling amount of Reference Example 2 without any treatment, while the electrostatic water treatment In Example 6 to which the apparatus 1 was applied, the scale removal amount was about 4-5 times higher based on the descaling amount of the reference example 2 without any treatment.

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Abstract

본 발명은 유체가 유동하는 배관의 부식 또는 스케일 형성을 방지할 수 있는 정전 수처리 장치에 관한 것으로서, 도전성 유체가 통과하는 수로로 제공되는 관 형상을 갖는 도전성 유체의 정전 수처리 장치로서, 구리 함유 금속으로 된 제1 금속층; 상기 제1 금속층의 내부에 위치하며, 통과하는 도전성 유체와 접촉하되, 상기 제1 금속층이 상기 도전성 유체와 접촉하는 것을 차단하는 절연층; 및 상기 절연층 내부의 적어도 일부에 형성되되, 상기 도전성 유체가 통과하며, 상기 도전성 유체에 아연이온을 용출시키고 전자를 생성하는 아연으로 된 제2 금속층을 포함하며, 상기 제1 금속층에 양극이 연결되고, 제2 금속층에 음극이 연결되어 전압을 인가하는 외부 전원을 포함하며, 정전압의 인가에 의해 상기 도전성 유체에 상기 제2 금속층으로부터 금속이온을 용출하고, 전자를 생성하는 도전성 유체의 정전 수처리 장치를 제공하며, 또한 상기 장치가 설치된 도전성 유체 공급 배관을 제공한다.

Description

도전성 유체의 정전 처리 장치 및 상기 장치가 설치된 도전성 유체 공급 배관
본 발명은 유체가 유동하는 배관의 부식 또는 스케일 형성을 방지할 수 있는 도전성 유체의 정전 처리 장치 및 상기 처리장치를 포함하는 도전성 유체 공급 배관에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 금속성 배관재에 제공되어 금속 배관에 부식된 금속산화물을 더욱 신속하고 효과적으로 제거 및 방지할 수 있고, 그 금속 배관재의 내부 관벽에 형성되는 스케일을 효과적으로 방지할 수 있는 도전성 유체의 정전 처리 장치 및 상기 장치를 포함하는 도전성 유체 공급 배관에 관한 것이다.
우리나라는 UN에서 지정한 물부족 국가 중 하나이다. 그럼에도 불구하고, 상수도관의 발청 등으로 인해 파열되는 등, 상수도관의 노후화 등으로 인해 버려지는 수돗물의 양 만해도 한 해 8억여 톤에 이르며, 환경부와 수자원공사에 따른 우리나라의 과거 10년간(2001년~2010년) 상수도 누수량은 84억㎥로 재정 손실액만 6조원에 달하는 것으로 보고되고 있다.
이와 같은 상수도관의 발청은 배관이 주로 철로 이루어진 금속철관을 사용하고 있기 때문이다. 금속철관의 주성분인 철(Fe)은 물(H2O)에 비하여 이온화 경향이 크므로, 배관재의 내부를 흘러가는 도중에, 상기의 철 성분이 물에 녹아 들어가게 되고, 이로 인하여 금속배관재가 부식을 일으키게 되며, 시간이 지나면 지날수록 이러한 현상은 더욱 가속화되어, 배관의 급속한 노후화를 야기하며, 나아가 최종 수요처에서는 붉은 녹물을 공급받게 되는 상황을 맞게 되기도 한다.
통상적으로, 수도관에 사용되는 금속관의 경우 대부분 5년차부터 부식이 관찰되며, 15년 차에 누수 현상이 발생하고 있다. 이러한 실정에서 상수도관은 21년 이상된 배관이나 누수 배관이 일부 교체되고 있으나, 교체된 상수도관과 연결되는 아파트, 건물 등은 배관 관리 부족과 유지 관리 지침 미흡 등으로 배관관리가 부실하여 부식에 매우 취약하며, 이로 인한 수자원 및 비용 낭비와 인체 유해물질 및 수질 오염이 발생하고 있다.
오늘날 금속관의 내부에서 발생된 부식현상은 다음과 같은 이론적 배경을 갖고 있다. 금속관의 내부에서는 비록 미약할지라도 그 내부를 흘러가는 물 분자들이 금속관의 내부표면에 마찰을 일으키게 되고, 그 마찰로 인하여 전위차가 발생하게 된다. 그 과정에서 금속관의 철 성분이 전자를 빼앗겨 철 이온으로 전환되고, 상기의 철 이온이 물속의 산소와 반응하여 산화철을 생성하게 된다.
상기의 산화철은 붉은 색을 띠고 있으므로, 금속배관재가 심하게 부식을 일으킬 경우, 순간적으로 붉은 색의 녹물을 쏟아내게 된다. 이를 화학식으로 나타내면 아래와 같다.
Fe = Fe2+ + 2e-
Fe2+ + O2 + H2O = Fe2O3
한편, 철 성분을 포함한 주철관 등의 부식문제를 우려하여 동관을 사용하는 경우가 있는데, 이는 동관이 주철관 등에 비하여 고가이므로 소규모 배관의 경우에 주로 이용되고 있다. 그러나, 동관은 철 성분에 의한 부식의 문제는 해결될 수 있지만, 청녹 현상을 근본적으로 방지할 수는 없으며, 또한 상기 청녹은 인체에 유해 물질로 알려져 있다. 나아가, 동관은 그 자체로서 철 성분에 의한 부식 문제를 방지할 수 있지만, 이미 설치된 주철관 등의 부식문제에 대해서는 근본적인 해결책이 될 수 없다.
또한, 동관은 부식되지 않으므로 그 내구성을 인정받을 수 있지만, 동관 내부에 형성되는 스케일 및 물때 등을 방지할 수는 없다. 즉, 물속에는 각종의 미네랄 성분이 녹아 있고, 그 중에는 칼슘 성분 등이 포함되어 있으며, 물속에 용존되어 있는 칼슘 이온(Ca2+)이 역시 물속에 녹아 있는 이산화탄소(H2CO3)와 결합하게 되면, 불용성인 탄산칼슘(CaCO3)을 형성하는데, 이들은 유속이 가장 약한 배관재 내부 벽면에 부착되고, 이것이 점점 성장하여 스케일을 형성하게 된다. 이로 인해 상기 스케일은 배관 내부의 통로를 막아 유속을 현저하게 저하시키는 요인으로 작용하게 된다. 따라서, 배관재를 동관으로 할 경우에도 스케일의 형성 작용을 근본적으로 해결할 수는 없는 것이다. 이러한 현상은 물때의 경우에도 유사하게 발생된다.
이러한 점들을 고려하여, 다양한 형태의 제품들이 등장하였는데, 그 중에서도 가장 효율적인 제품으로 평가되는 것이 스케일 부스터라 불리는 이온 수 처리기를 들 수 있다. 상기 이온 수 처리기는 배관재에서 흘러온 물이 벽면과의 마찰에 의해 아연 성분을 용해시킨다. 상기 아연은 이온화 경향이 매우 큰 것으로, 특히 철 성분에 비하여 이온화 경향이 매우 높기 때문에, 이미 물에 용해된 아연 이온이 주철관 등의 금속관으로부터 철 성분이 이온화되는 것을 방해하게 되고, 이로 인하여 금속관의 부식현상을 방지한다. 또한, 상기의 아연 금속과 철 성분은 이온화 경향이 매우 크게 차이가 나게 되고, 이를 동일한 용매에 침적시켰을 경우 전위차가 발생하게 되는데, 이러한 전위차에 의해 미생물 발생이 억제되고, 스케일 내지 물때 등의 오염을 방지할 수 있다.
상기와 같은 이온 수 처리기의 대표적인 예로서는 대한민국 특허등록번호 제0313778호에 기재된 "유체처리장치 및 방법"을 들 수 있다. 상기 특허문헌에 기재된 이온 수 처리기는 황동 재질의 몸체 내부에 희생 양극을 형성하는 아연블록 및 유체의 흐름을 이용하여, 이종 금속간의 자연 전위차에 의한 전위 정전하를 발생시켜 유체에 포함된 유해물질을 침전을 유도하는 불소수지 블록이 내부에 설치된 것으로 구성되어 있다. 여기서 상기 아연블록과 불소수지 블록에는 유체의 유동을 다수개의 관통공이 형성되어 있다. 상기 불소수지 블록은 물 내부에 있는 하전된 콜로이드를 중성화시켜 그것들이 응집 및 침전되게 함으로써 필터를 이용하여 이물질을 보다 손쉽게 여과할 수 있도록 한다.
그렇지만, 상기와 같은 수처리 장치는 실제로 금속 배관재에 사용하여 가시적인 효과를 확인하는 데까지 상당한 기간의 경과가 요구되는 등, 수처리 장치에 의한 수 처리 효과가 매우 더디고 서서히 일어나는 것으로 알려져 있다. 즉, 금속 배관재의 내부에 흐르는 물에 대하여 필요하고도 충분할 정도로 그 기능을 수행하지 못하는 것으로 평가된다. 또한, 온도 및 수질에 따른 효과의 차이가 크고, 보일러 등 스케일이 많은 곳에는 효과가 적은 문제가 있다.
또, 대한민국 특허등록번호 제0948338호에는 전기 화학적 이온용출방법으로 이온 발생금속인 아연에 (-)극을 가하고 이온 흡착금속인 황동에 (+)극을 가하여 아연 이온 용출량을 증가시켜 부식억제 효과와 스케일제거 효과를 개선한 기술이 개시되어 있다.
본 발명은 광전자 효과의 원리를 이용하여 금속 배관 내부의 부식 생성을 방지하고, 스케일 형성을 방지할 수 있는 유체의 정전 처리 장치를 제공하고자 한다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 종래의 금속 배관재를 그대로 사용하면서 그 금속 배관재의 사이에 장착시킴으로써, 금속 배관재의 부식 방지 및 스케일의 형성 방지를 더욱 신속하고 효율적으로 제공할 수 있는 유체의 정전 처리 장치의 사용방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 일 견지에 따르면, 도전성 유체의 정전 처리 장치에 관한 것으로서, 도전성 유체가 통과하는 수로로 제공되는 관 형상을 갖는 도전성 유체의 정전 처리 장치로서,
구리 함유 금속으로 된 관상의 제1 금속층; 상기 제1 금속층 내부에 형성되어 내부로 도전성 유체가 유동가능한 관상의 아연으로 된 제2 금속층; 및 상기 제1 금속층 및 상기 제2 금속층 사이에 형성되되, 제1 금속층과 제2 금속층 및 도전성 유체와의 전기적 연결을 차단하는 절연층을 포함하되, 상기 제1 금속층에 양극이 연결되고, 제2 금속층에 음극이 연결되어 전압을 인가하는 외부 전원을 포함하며, 전압의 인가에 의해 상기 도전성 유체에 상기 제2 금속층으로부터 금속이온을 용출하고, 전자를 생성하는 도전성 유체의 정전 처리 장치를 제공한다.
상기 제1 금속층은 황동 또는 순수 구리일 수 있다.
상기 제2 금속층은 상기 도전성 유체가 통과하는 채널이 하나인 관 형상이거나, 또는 2 이상의 채널이 형성된 관다발 형상일 수 있다.
상기 절연층은 플라스틱, 세라믹 또는 부도체일 수 있으며, PE, PP, PTFE 및 불소고무로부터 선택될 수 있으며, 절연 필름을 적층하거나 절연 수지를 코팅함으로써 형성될 수 있다.
또한, 상기 절연층은 상기 절연층은 절연체에 의해 제1 금속층과 제2 금속층이 이격되어 형성된 공간부를 포함하며, 상기 공간부는 공기로 충진되거나 또는 진공 상태로 유지되는 것인 도전성 유체의 정전 수처리 장치.
나아가, 상기 제1 금속층, 절연층 및 제2 금속층은 조립 가능한 것일 수 있다.
상기 외부 전원은 3V 내지 27.5V 범위 내의 정전압을 인가할 수 있다.
나아가, 상기 도전성 유체의 정전 처리 장치는 상기 도전성 유체의 유동방향을 기준으로 제2 금속층의 전단 및 후단 중 적어도 하나에 도전성 유체의 와류를 형성하는 정전 발생부를 적어도 하나 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 견지에 따르면, 상기 도전성 유체의 정전 처리 장치를 포함하고, 상기 아연 이온 발생장치의 양 측단에 유체가 유동하는 금속 배관이 연결되며, 상기 금속 배관을 통해 흐르는 도전성 유체가 상기 정전 처리 장치를 통과하되, 외부 전원의 구동에 의해 생성된 전자가 상기 금속 배관 중의 산화철과 반응하여 철을 환원시키는 도전성 유체 공급 배관이 제공된다.
이때, 상기 금속 배관은 보일러 배관, 상수도 배관, 하수도 배관, 공업용수 이송배관 및 산업폐수 배관으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나일 수 있다.
본 발명은 도전성 유체가 공업용수 또는 수돗물일 경우, 공업용수관 또는 수도관에 직접 연결하여 사용할 수 있고, 물속에 용해된 중금속 성분을 효율적으로 제거할 수 있게 된다.
또한, 본 발명은 이온화 경향이 큰 금속성분에 대해서도 이를 효율적으로 환원시켜 제거할 수 있고, 특히 칼슘 성분의 경우 물속에서 이산화탄소와 결합되기 이전에 제거될 수 있으므로, 스케일을 형성할 가능성을 매우 낮출 수 있게 되는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 도전성 유체의 양 이온을 제거하거나 그 농도를 낮출 수 있으므로, 도전성 유체의 양 이온에 의한 부작용을 최소화할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명에서 제공하는 도전성 유체의 정전처리장치를 나타내는 개략적인 도면이다.
도 2는 본 발명의 도전성 유체의 정전처리장치의 횡단면을 개략적으로 나타내는 것으로서, 제1 금속층과 제2 금속층 사이에 절연층으로 절연체 필름이 형성된 예를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 도전성 유체의 정전처리장치의 종단면을 개략적으로 나타내는 것으로서, 제1 금속층과 제2 금속층 사이에 절연층으로 공기층이 형성되되, 제1 금속층과 제2 금속층 사이에 부분적으로 절연체 고무가 장착되어 있는 예를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 아연 이온과 물 분자에 의한 착화합물 형성을 통해 스케일이 제거되는 개념을 나타내는 도면이다.
도 5는 실시예 1에 의해 측정된 전압 변화에 따른 ORP 변화를 나타내는 그래프이다.
도 6은 실시예 1에 의해 측정된 전압 변화에 따른 아연 이온량 변화를 나타내는 그래프이다.
도 7은 비교에 1에 의해 측정된 전류 변화에 따른 아연 이온량 변화를 나타내는 그래프이다.
도 8은 실시예 2에서 주철관을 통과한 물에 포함된 철 이온량의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 9는 실시예 3에서 산화철 생성 억제 정도를 나타내는 그래프이다.
도 10은 실시예 4에서 산화철의 마그네타이트로 변환되는데 소요된 시간을 나타내는 그래프이다.
도 11은 실시예 5에서 스케일 제거량을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
본 발명은 도전성 유체가 유동하는 금속 배관에 형성된 녹을 효율적으로 제거하고, 녹 발생을 방지할 수 있는 도전성 유체의 정전 처리 장치에 관한 것으로서, 본 발명의 정전 처리 장치는 도전성 유체가 통과하는 수로로 제공되는 관 형상을 가지며, 제1 금속층, 절연층 및 제2 금속층으로 구성된다.
상기 정전 처리장치는 유체가 유동하던 기존 금속재 배관에 삽입 설치되어 운영되는 것으로서, 유체를 통과시킬 수 있는 관상을 갖는 것으로서, 기존의 금속재 배관과 연결될 수 있는 것이라면, 그 형상은 특별히 한정하지 않는다.
이때, 상기 배관을 통해 유동하는 도전성 유체는 도전성을 갖는 것이라면 특별히 한정하지 않으나, 대표적인 유체로서 물을 들 수 있다.
본 발명에서 제공되는 도전성 유체의 정전 처리 장치는 도 1 내지 3에 나타낸 바와 같이, 외부에서 내부를 향해 제1 금속층, 절연층 및 제2 금속층으로 구성된다. 도 1은 본 발명에서 제공하는 도전성 유체의 정전처리장치를 개략적으로 나타내는 도면이며, 도 2는 상기 도 1의 정전 처리 장치의 횡단면을 개략적으로 나타내며, 도 3은 도 1에 나타낸 본 발명의 정전처리장치의 종 횡단면을 개략적으로 나타내는 도면이다.
이때, 본 발명의 상기 제1 금속층은 구리를 함유하는 금속으로서, 예를 들어, 황동 또는 순수 구리 등으로 이루어질 수 있으며, 상기 제2 금속층은 아연으로 이루어질 수 있다.
도전성 유체의 정전 처리 장치는 일반적으로 구리와 아연의 이종 금속간에 발생하는 자연적인 전위차, 즉, 1.1V의 전위차에 의해 이온화 경향이 더 큰 아연이 먼저 이온화되어 물속에 아연이온을 용출시키는 원리를 이용하는 것이다. 이때 발생된 아연 이온에 의한 희생 방식으로 금속재 배관, 특히 철의 부식을 방지하고, 물 속에 존재하는 스케일을 제거하는 효과를 얻을 수 있다.
따라서, 상기 도전성 유체에 아연 이온을 용출할 수 있도록 상기 제2 금속층은 도전성 유체와 접촉할 수 있도록 내부에 형성되는 것이 바람직하다. 상기 제2 금속층은 유체가 유동할 수 있는 채널을 포함하는 것이라면 특별히 한정하지 않으며, 하나의 채널을 포함하는 관 형상일 수 있다. 또한, 상기 채널은 도 2에 나타낸 바와 같이, 2 이상 포함하는 관다발 형상일 수 있다. 이때, 도전성 유체와의 접촉 면적을 보다 넓힘으로써 아연 이온 용출량을 증대시킨다는 측면에서 2 이상의 채널을 포함하는 것이 바람직하다. 이때, 상기 채널의 수는 제2 금속층을 통과하는 중에 도전성 유체의 유량이 지나치게 감소되지 않는 범위에서 적절히 선택할 수 있는 것으로서, 특별히 한정하지 않는다. 예를 들면, 2 내지 30개, 3 내지 15개, 3 내지 10개 등 다양하게 선택할 수 있다.
상기 제2 금속층의 아연은 이온화에 의해 아연 이온이 도전성 유체 중으로 용출되고, 전자를 생성한다.
이때, 일반적으로 물속에는 칼슘이나 마그네슘 양이온들이 탄산(HCO3 -)과 함께 존재하고 있다가 온도 변화에 따라 서로 반응하여 탄산칼슘(CaCO3)나 탄산마그네슘(MgCO3)을 형성한다. 이러한 탄산염은 약 7㎛ 크기의 침상형 구조를 하고 있는데 배관 내부 벽면에 단단히 부착되어 스케일을 형성한다.
그러나, 도전성 유체 중에 용출된 아연 이온이 유체 중에 존재하는 경우에는 아연이온과 물 분자에 의한 착화합물 형성을 통해 스케일이 제거되는 개념에 대하여 도 4에 나타낸 바와 같이, 아연 이온 주위로 Cl-, NO3 -, SO4 2-, PO4 3- 등과 같은 많은 음전하가 정전기적 인력에 의해 아연 이온을 중심으로 모여 음 전하를 띄는 구름을 형성하게 되고, 양 전하의 이온을 정전기적 인력으로 끌어당겨 이온 담체(ionophore)를 형성하게 된다.
이와 같은 전기적 인력에 의해 상기 침상구조의 스케일이 성장하여 약 110㎛ 정도 직경의 아라고나이트(aragonite) 형태의 구상으로 변화되는데, 이러한 구상의 스케일은 배관 내벽에 부착되지 않고 유체와 함께 유동하며, 이에 의해 배관 내벽에의 스케일 형성을 억제할 수 있다.
한편, 상기 용출된 아연 이온은 도전성 유체 중에서 철보다 더 이온화 경향이 커 전위가 낮아 양극으로 작용하고, 철은 음극이 된다. 즉, 아연은 양극 반응으로 물에 용해되고, 전자는 철 표면에서 일어나는 음극 반응에서 소모된다. 따라서, 양극의 아연은 부식이 촉진되는 반면, 철은 음극 보호에 의해 부식이 억제될 수 있다.
이와 같이 전기적으로 접촉하고 있는 서로 다른 금속이 전해질 수용액에 노출될 때 발생되는 두 금속의 전위차로 인하여 양극인 아연이 희생하면서 아연 이온의 물속의 용존 산소량을 낮춰 철의 부식속도를 늦추게 된다.
이와 같은 원리로 황동과 아연의 전위차에 의해 아연 용출장치에서 아연 이온이 지속적으로 용출되며, 상기 용출된 아연 이온은 물을 pH를 높여 알칼리도를 높이고, 산소 및 물과 반응하여 수산화이온(OH-)을 발생시키며, 전자는 배관 내 형성된 녹(Fe2O3)과 반응하여 산화철인 검정색의 마그네타이트(Fe3O4)로 환원시킨다.
아연 이온과 전자에 의해 부식이 방지되는데, 이에 대한 이론식은 아래와 같은 Schikorr reaction 반응식으로 나타낼 수 있다.
3Fe(OH)2 -> FeO + Fe2O3 + 2H2O +H2 -> Fe(Ⅱ)O + Fe(Ⅲ)2O3 -> Fe3O4
다만, 상기와 같은 반응을 위해서는 제2 금속층으로부터 생성된 전자가 양극에서 수용되는 것이 억제되어야 한다. 따라서, 제1 금속층은 제2 금속층과 절연되어야 하며, 또한, 제1 금속층은 도전성 유체와도 절연되어야 한다. 따라서, 상기 제1 금속층의 내부, 또는 제2 금속층의 외부(이하, 편의상 제1 금속층의 내부를 기준으로 설명한다.)에는 전면에 걸쳐 절연층이 형성될 필요가 있다.
상기 절연층은 제1 금속층이 도전성 유체 및 제2 금속층과 절연할 수 있는 것이라면 특별히 한정하지 않으며, 예를 들어, 부도체로서의 성질을 갖는 플라스틱, 세라믹, 고무 또는 기타 부도체 등을 사용할 수 있다. 본 발명은 그 중에서도 플라스틱 재질이 가장 바람직하다.
플라스틱 재질 중에서 가공성이 양호하고, 절연성이 뛰어나며, 마찰에 의한 정전기적 성질도 우수한 플라스틱이 보다 적합하며, 기능성과 기계적 강도가 양호한 엔지니어링 플라스틱을 사용하는 것이 바람직하며, 테프론으로 알려진 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)이 가장 바람직하다.
특히, 이와 같은 불소 수지는 물이 그 표면을 지날 때 정전기(static charge)가 발생하게 되는데, 이에 의한 정전하는 유체 내부에 존재하는 미립자가 응집되도록 한다. 일단 응집된 입자는 수용액 중에 존재하는 다른 미립자의 응집을 또한 촉진시킨다. 이에 의해 상기한 바와 같이, 침상 구조의 스케일을 구상으로 조대화하여 배관 내벽에 스케일이 형성되는 것을 방지할 수 있다.
상기 절연층은 제1 금속층의 내부에 코팅되어 형성된 코팅층일 수 있으며, 상기 절연성을 갖는 재질로 된 필름이 적층되어 형성될 수 있다. 또한, 본 발명의 절연층은 도 3에 나타낸 바와 같이, 상기 절연재를 제1 및 제2 금속층 에 의한 구조물을 형성하고, 상기 제1 금속층 내부에 조립하여 형성할 수도 있다. 이때, 상기 절연재에 의한 구조물과 상기 제1 금속층 간에는 도 3에 나타낸 바와 같이, 소정 공간이 형성될 수 있으며, 공기로 충진된 에어 스페이스를 포함할 수도 있다. 공기는 절연재로서의 역할을 수행할 수 있어, 제1 금속층과 제2 금속층 또는 도전성 유체간의 절연 효과를 도모할 수도 있다.
이와 같은 작용을 수행할 수 있도록 하기 위해, 상기 제1 금속층은 구리를 포함하는 재질로 이루어지는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 상기 제1 금속층은 황동일 수 있다. 나아가, 상기 제1 금속층은 외부에 니켈 도금층을 더 포함할 수 있다. 상기 니켈 도금은 외부로부터의 충격을 방지하는데 바람직하다.
제2 금속층으로부터의 금속 이온을 용출시키기 위해 상기 제1 금속층과 제2 금속층에는 각각 외부 전원이 연결된다. 상기 제1 금속층은 (+)극을 연결하고, 제2 금속층에는 (-)극을 연결하고, 외부 전원으로부터 정전압을 인가함으로써 제2 금속층으로부터 아연 이온을 용출시킬 수 있다.
즉, 본 발명은 아인슈타인의 광전자 효과에 의한 이온 방출 이론을 응용한 것으로서, 내부의 제2 금속층, 예를 들어, 아연에 (-)극을 걸어주고, 외부의 제1 금속층, 예를 들어, 구리에 (+)극을 걸어 전압을 가하면 상기 제2 금속층으로부터 아연이 아연 이온과 전자로 이온화되어 전자가 방출된다.
상기 방출된 전자는 (+)극으로의 이동을 위해 관을 따라 이동하게 되고, 물속의 수소 이온이 전자를 받아 수소 기체가 방출되며 제2 금속층으로부터 방출된 전자의 양만큼 이온이 용출되게 된다. 이때, 제1 금속층을 형성하는 구리에 (+)극을 연결하면 구리 이온이 용출되기 때문에 이러한 이온이 용출되지 않도록 황동을 물과 차단하는 것이 바람직하며, 이를 위해 상기 제1 금속층과 제2 금속층 사이에 절연층을 형성한다.
외부 전원에 의해 전압을 인가함으로써 상기와 같은 광전자 효과에 의한 아연 이온 용출을 극대화할 수 있다. 상기 외부전원에 의해 인가되는 정전압은 특별히 한정하지 않으나, 아연의 제2 금속층으로부터 광전효과에 의해 전자의 방출을 도모할 수 있는 범위라면 본 발명에서 적용할 수 있는 것으로서, 바람직하게는 3V 내지 27.5V의 범위 내에서 조절할 수 있다.
이때, 상기 전압은 요구되는 아연 이온의 용출양에 따라 적절히 선택하여 인가할 수 있는 것으로서, 상기 범위에서 인가되는 전압을 변화시킴으로써 아연 이온량을 조절할 수 있다. 상기 정전압의 설정은 처리대상이 되는 도전성 유체의 부식 정도 및 스케일 함량에 따라 선택할 수 있는 것으로서, 특별히 한정하지 않는다. 예를 들어, 수돗물 조건인 전기전도도 100-3000μS/㎝에서 3 내지 27.5V의 정전압을 인가하는 경우에 수질 기준을 만족하는 범위에서 아연 이온의 방출량을 극대화시킬 수 있다.
본 발명에서 제공되는 전도성 유체의 정전 처리장치는 상기 제1 금속층의 외부에 스테인리스 재질 등의 금속재질로 된 하우징 내에 장착될 수 있다.
본 발명의 전도성 유체의 정전 처리장치는 배관의 부식 문제를 야기하는 곳이라면 특별한 제한없이 적용될 수 있는 것으로서, 예를 들어, 상수도 및 하수도 배관은 물론, 스케일의 발생이 심한 보일러 배관, 난방 및 온수 배관, 기타 공업용수 또는 산업 폐수가 유동하는 배관 등 다양한 곳에 적용될 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예를 들어, 보다 구체적으로 설명한다. 그러나, 이하의 실시예는 본 발명을 설명하기 위한 일 예에 불과한 것으로서, 이에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
정전 수처리 장치 1
도 1 내지 도 3에 나타낸 바와 같이, 스테인리스재의 하우징 내부에 황동으로 된 관이 장착되고, 상기 황동관 내부에는 관 내부로 흐르는 유체와의 접촉을 차단하기 위해 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)으로 코팅되어 있다. 또, 상기 황동관 내부는 5개의 채널을 갖는 아연재 관다발 형상의 튜브가 삽입되어 있다.
상기 황동에 (+)극이 연결되고, 아연에 (-)극이 연결되어 외부 전원에 의해 전압이 인가될 수 있다.
정전 수처리 장치 2
특허 제0948338호에서 개시된 정전 수처리 장치로서, 외부 전원의 인가 없이 이종 금속간의 자연 전위차에 의한 1.1V의 전압이 발생하도록 하였다.
실시예 1 및 비교예 1
상기 정전 수처리 장치 1의 양 말단에 금속재 배관을 체결하고, 수돗물을 유속 500mL/min으로 흘렸다. 이때, 상기 외부 전원을 통해 10V의 전압을 인가하였다. (실시예 1)
한편, 정전 수처리 장치 2의 양 말단에 금속재 배관을 체결하고, 수돗물을 유속 500mL/min으로 흘렸다(비교예 1). 이때, 아연과 황동간의 전위차를 측정하였는바, 이종 금속간에 발생되는 자연 전위차로 1.1V임을 확인하였다.
위 실시예 1 및 비교예 1에 따른 물 1L를 분석하여 물속에 포함된 아연 이온량을 각 5회 측정하고, 그 결과를 도 5에 나타내었다.
도 5에 나타낸 바와 같이, 종래의 자연전위차 방식에 의한 정전 수처리 장치 2를 이용한 비교예 1의 경우에 용출된 아연 이온량에 비하여 본 발명에 따른 정전 수처리 장치 1을 이용한 실시예 1에서 용출된 아연 이온량이 현저히 많은 것을 알 수 있다.
이는 외부 전원에 의한 전압을 인가하는 정전 수처리 장치 1을 이용한 경우에 전압을 조절할 수 있어 현저히 많은 아연 이온을 용출할 수 있음을 알 수 있으며, 전압의 조절에 의해 아연 이온의 용출량을 제어할 수 있음을 또한 알 수 있다.
실시예 2 및 비교예 2
물 2L를 90분간 순환시킨 것을 제외하고는 실시예 1 및 비교예 1과 동일한 방법으로 수행하여 물 내에 존재하는 아연 이온량을 측정하고, 그 결과를 도 6에 나타내었다.
도 6에 나타낸 바와 같이, 자연전위차 방식을 이용한 정전 수처리 장치 2를 이용한 비교예 2에 비하여 외부 전원에 의한 전압을 인가하는 정전 수처리 장치 1을 이용한 실시예 2의 경우에 물속에 용출된 총 아연 이온량이 약 6배 정도 많은 것을 알 수 있다.
실시예 3
100m의 주철관(관경 100mm)을 설치하여 6개월간 부식시켰다. 상기 부식된 주철관 내부를 통과하는 물에 포함된 Fe 이온을 측정하였는바, 최대 4.75ppm으로 측정되었다. 이때의 물을 촬영한 사진을 도 8의 (a)에 나타내었다.
상기 부식된 주철관에 상기 정전 수 처리장치 1을 연결하여 장착하고, 수돗물에 10V의 전압을 40일간 인가하여 가동시켰다.
상기 정전처리장치의 가동 중에 상기 주철관을 2m/sec의 유속으로 통과하는 수도물을 취수하여 Fe 이온 농도를 측정하고, 그 결과를 도 7에 나타내었다. 이때의 물을 촬영한 사진을 도 8 (b)에 나타내었다.
도 7로부터 알 수 있는 바와 같이, 상기 정전 처리장치를 설치한 후에 물속에 포함된 철 이온량이 현저히 감소하였음을 알 수 있다.
또한, 도 8로부터 알 수 있는 바와 같이, 붉은색의 녹물이 본 발명에 따른 정전 수처리 장치를 설치함으로 인해 육안으로는 녹의 존재를 확인할 수 없을 정도로 깨끗한 물로 전환되었음을 알 수 있다.
실시예 4 및 비교예 3
미국 ASTM G31-12a에 규정된 바에 따라 규격 시편(10×10×3㎣)을 수조에 넣고, 500ml/min의 유속으로 펌프를 통과시켜 물을 순환시키면서 168시간 후의 시편의 부식 정도를 관찰하여 산화철(Fe2O3)의 생성 정도를 측정하였다.
다른 하나의 시편에 대하여는 상기 정전 수처리 장치 1을 장착하여 운전하였으며(실시예 4), 또 다른 하나의 시편에 대하여는 정전처리장치 2를 장착하여 운전하였다(비교예 3).
부식 테스트 168시간 후의 각각의 시편에 생성된 Fe2O3 산화철의 함량을 측정한 부식량을 도 9에 나타내었다. 비교를 위해 정전 수처리 장치를 설치하지 않은 경우의 부식량을 참고예 1로 함께 나타내었다.
도 9로부터 알 수 있는 바와 같이, 정전 수처리 장치 1을 설치하여 운전한 실시예 4의 경우에는 정전 수처리 장치 2를 사용한 비교예 3에 비하여도 부식량이 현저히 감소한 결과를 나타내었다. 실시예 4의 부식 정도를 100%라고 할 때, 비교예 3은 175%이고, 미설치한 참고예 1은 400%의 부식 정도를 나타내었는바, 이로부터 본 발명의 정전 수처리 장치를 설치하는 경우에 배관의 수명을 현저히 연장시킬 수 있음을 예측할 수 있다.
실시예 5 및 비교예 4
미국 ASTM G31-72에 규정된 바에 따라 규격 시편(10×10×3㎣)을 수조에 넣고, 500ml/min의 유속으로 펌프를 통과시켜 물을 순환시켜, 168시간 동안 상기 시편을 부식시켰다.
상기 부식된 시편을 2개의 수조에 각각 넣고, 하나의 수조에는 정전 수처리 장치 1을 설치하고(실시예 5), 다른 하나에는 정전 수처리 장치 2를 설치하였다(비교예 4). 각 정전처리장치에 대하여 500ml/min의 물을 10일 동안 지속적으로 순환시켰다.
상기 각 시편을 XRD로 분석하여 산화철이 마그네타이트(Fe3O4)로 변환되는 정도를 확인하고, 산화철이 마그네타이트로 모두 변환되는 기간을 도 10에 나타내었다.
도 10으로부터 알 수 있는 바와 같이, 실시예 5에 따라, 정전 수처리 장치 1을 설치하여 운전한 수조의 시편은 산화철이 마그네타이트로 변환되는데 5일이 소요된 반면, 비교예 4에 따라, 정전 수처리 장치 2를 운전한 수조의 시편은 산화철이 마그네타이트로 변환되는데 10일이 소요되었다.
실시예 6 및 비교예 5
수돗물 기준으로 물에 함유된 Ca, Mg, K, Si의 이온 함유량을 계산하여 다음과 같은 함량의 스케일을 제조하였다.
스케일 = CaCO3(64%) + MgCO3(16%) + K2PO4(8%) + SiO2(12%)
동일 질량의 시편을 수조에 넣고, 500ml/min의 유량으로 물을 10일간 배출하고, 10일 후에 스케일 제거량을 측정하였다.
이때, 하나의 수조에는 정전 수처리 장치 1을 설치하여 운전하고(실시예 6), 다른 하나의 수조에는 정전 수처리 장치 2를 설치하여 운전하였으며(비교예 5), 또 다른 하나의 수조에는 아무런 장치를 설치하지 않았다(참고예 2).
상기와 같은 실험을 3회 실시하고, 각 결과를 도 11에 나타내었다.
도 11로부터 알 수 있는 바와 같이, 정전 수처리 장치 2를 적용한 비교예 5의 경우에는 아무런 처리를 하지 않은 참고예 2의 스케일 제거량을 기준으로 약 2-3배 정도 많은 스케일 제거량을 나타낸 반면, 정전 수처리 장치 1을 적용한 실시예 6의 경우에는 아무런 처리를 하지 않은 참고예 2의 스케일 제거량을 기준으로 약 4-5배 정도 많은 스케일 제거량을 나타내었다.

Claims (12)

  1. 도전성 유체가 통과하는 수로로 제공되는 관 형상을 갖는 도전성 유체의 정전 처리 장치로서,
    구리 함유 금속으로 된 제1 금속층;
    상기 제1 금속층의 내부에 위치하며, 통과하는 도전성 유체와 접촉하되, 상기 제1 금속층이 상기 도전성 유체와 접촉하는 것을 차단하는 절연층; 및
    상기 절연층 내부의 적어도 일부에 형성되는, 상기 도전성 유체가 통과하며, 상기 도전성 유체에 아연 이온을 용출시키고 전자를 생성하는 아연으로 된 제2 금속층을 포함하며,
    상기 제1 금속층에 양극이 연결되고, 제2 금속층에 음극이 연결되어 전압을 인가하는 외부 전원을 포함하며, 정전압의 인가에 의해 상기 도전성 유체에 상기 제2 금속층으로부터 금속이온을 용출하고, 전자를 생성하는 도전성 유체의 정전 처리 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 제1 금속층은 황동 또는 순수 구리인 도전성 유체의 정전 처리 장치.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 제2 금속층은 상기 도전성 유체가 통과하는 채널이 하나인 관 형상이거나, 또는 2 이상의 채널이 형성된 관다발 형상인 도전성 유체의 정전 처리 장치.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 절연층은 플라스틱, 세라믹 또는 부도체로 된 것인 도전성 유체의 정전 처리 장치.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 절연층은 PE, PP, PTFE 및 불소고무로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 도전성 유체의 정전 처리 장치.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 절연층은 절연 필름을 적층하거나 절연 수지를 코팅함으로써 형성된 것인 도전성 유체의 정전 처리 장치.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 절연층은 절연체에 의해 제1 금속층과 제2 금속층이 이격되어 형성된 공간부를 포함하며, 상기 공간부는 공기로 충진되거나 또는 진공 상태로 유지되는 것인 도전성 유체의 정전 수처리 장치.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 제1 금속층, 절연층 및 제2 금속층은 조립 가능한 것인 도전성 유체의 정전 수처리 장치.
  9. 제 1항에 있어서, 상기 외부 전원은 3V 내지 27.5V 범위 내의 정전압을 인가하는 것인 도전성 유체의 정전 처리 장치.
  10. 제 1항에 있어서, 상기 도전성 유체의 정전 처리 장치는 상기 도전성 유체의 유동방향을 기준으로 제2 금속층의 전단 및 후단 중 적어도 하나에 도전성 유체의 와류를 형성하는 정전 발생부를 적어도 하나 포함하는 것인 도전성 유체의 정전 처리 장치.
  11. 제 1항 내지 제 10항 중 어느 한 항의 도전성 유체의 정전 처리 장치를 포함하고, 상기 장치의 양 측단에 금속 배관이 연결되며,
    상기 금속 배관을 통해 흐르는 도전성 유체가 상기 정전 처리 장치를 통과하되, 상기 외부 전원의 구동에 의해 생성된 전자가 상기 금속 배관 중의 산화철과 반응하여 철을 환원시키는 도전성 유체 공급 배관.
  12. 제 11항에 있어서, 상기 금속 배관은 보일러 배관, 상수도 배관, 하수도 배관, 공업용수 이송배관 및 산업폐수 배관으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 도전성 유체 공급 배관.
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