WO2016080783A1 - 담수, 해수 살균처리가 가능한 비전수통과방식 전기분해 선박평형수 처리방법 및 장치 - Google Patents

담수, 해수 살균처리가 가능한 비전수통과방식 전기분해 선박평형수 처리방법 및 장치 Download PDF

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WO2016080783A1 PCT/KR2015/012468 KR2015012468W WO2016080783A1 WO 2016080783 A1 WO2016080783 A1 WO 2016080783A1 KR 2015012468 W KR2015012468 W KR 2015012468W WO 2016080783 A1 WO2016080783 A1 WO 2016080783A1
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electrolysis
water
carbon dioxide
treatment
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PCT/KR2015/012468
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이헌영
박영철
신경순
최근형
서민호
이우진
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주식회사 뉴워터텍
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63J—AUXILIARIES ON VESSELS
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • 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
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    • C02F1/467—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrolysis by electrochemical disinfection; by electrooxydation or by electroreduction
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/66—Treatment of water, waste water, or sewage by neutralisation; pH adjustment

Definitions

  • the present invention relates to a method and apparatus for treating non-water passing electrolysis ballast water capable of freshwater and seawater sterilization, and more specifically, dissolving carbon dioxide in seawater to lower the pH of seawater and thus lowering the pH of seawater. Since the presence rate of hypochlorous acid (HOCl) or hypobromic acid (HOBr), which is excellent in oxidizing power, is increased in the total oxide generated during electrolysis, sterilization is compared to the ballast water treatment system of the conventional electrolytic water treatment method under the same TRO concentration. It is possible to increase the efficiency, and only a part of the incoming seawater is treated with microbubbles and electrolysis, so that fresh water and seawater sterilization can maximize the electrolysis efficiency compared to the installation area of the electrolysis treatment means. A method and apparatus for decomposing marine ballast water.
  • HOCl hypochlorous acid
  • HBr hypobromic acid
  • the ship In general, if the ship has no load and the thruster on the back of the ship floats on the surface, the ship will not be properly controlled. Therefore, the ship should lower the center of gravity of the ship while driving to maintain stability.
  • 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.
  • the existing electrolysis ballast water treatment method is to pass the entire amount of raw water to be treated by the electrolysis treatment means, in order to increase the electrolysis efficiency disadvantages to secure more area for installing the electrolysis treatment means. There was this.
  • Patent Document 1 Domestic Patent Registration Publication No. 0883444
  • the main object of the present invention is to increase the sterilization efficiency under the same TRO (Total residual oxidants) concentration conditions, the fresh water, sea water sterilization treatment can increase the electrolysis efficiency compared to the installation area of the electrolytic treatment means
  • the present invention provides a method and apparatus for treating electrolytic ballast water.
  • Electrolytic ballast water treatment apparatus for non-water passing through the fresh water, seawater sterilization treatment according to the present invention, seawater inflow pipe for introducing seawater; Branched from the seawater inlet pipe, the main seawater inlet pipe for transferring 95 to 99% by weight of the inflow of seawater and the sterilization seawater inlet pipe for transporting 1 to 5% by weight of the inflow of seawater; PH adjusting means for lowering the pH of the sea water by injecting carbon dioxide gas into the seawater introduced through the sterilization treatment seawater inlet pipe; Micro-bubble generating means for atomizing the bubbles of the gas contained in the sea water is lowered pH is converted into micro-bubbles; Located behind the microbubble generating means, the microbubble of the hypochlorite (HOCl) or hypobromic acid (HOBr) of the total oxide contained in the electrolyzed seawater by dissolving the seawater is lowered pH Electrolysis treatment means for increasing the abundance ratio compared to the seawater without passing through the pH adjusting means
  • the microbubble generating means may further include an aeration line for transferring the seawater lowered by the microbubble generating means to the sterilized water discharge pipe without passing through the electrolytic treatment means.
  • the sterilized water discharge pipe is installed in communication with one side of the main seawater inlet pipe, the inner tube installed inside the center along the direction of the seawater in the main treated water inlet pipe It has a structure bent to be located at, the end of the inner tube may have an inclined surface so that the vortex is formed so that the sterilized water can be easily mixed with the seawater of the main seawater inlet pipe.
  • the pH control means Venturi injector; A concentrated carbon dioxide tank for injecting carbon dioxide into the seawater introduced into the venturi injector; And 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. It may include.
  • the carbon dioxide injection line for injecting carbon dioxide from the concentrated carbon dioxide tank to the main sea water inlet pipe;
  • a regulator which is provided on the carbon dioxide injection line and adjusts a carbon dioxide injection amount of the concentrated carbon dioxide tank;
  • an injector disposed at a portion where the main seawater inflow pipe and the carbon dioxide injection line are joined together. It may further include.
  • the carbon dioxide injection line is installed in communication with one side of the main seawater inlet pipe
  • the inner pipe is installed inside the main seawater inlet pipe bent in the center along the traveling direction of the seawater in the center
  • the end of the inner tube may have an inclined surface so that a vortex is formed so that carbon dioxide is easily mixed with the seawater of the main seawater inflow pipe.
  • the main seawater inlet pipe is a mixing tank is disposed behind the injector, the mixing tank may be formed with a partition to increase the contact time of the gas and seawater therein.
  • the pH control means Venturi injector; An air compressor for injecting air into the seawater introduced into the venturi injector; And a regulator for adjusting the air injection amount of the air compressor according to the pH and flow rate of the seawater introduced into the venturi injector. It may include.
  • it may further comprise a salinity control means located in front of the electrolytic treatment means.
  • the electrolysis treatment means located behind the electrolysis treatment means, it may further include a gas discharge means for discharging the gas degassed from sea water.
  • it may further comprise a line mixer (static line mixer) located in front of the ballast tank.
  • a line mixer static line mixer
  • the ballast tank may further include a neutralization line for circulating the seawater to the seawater inlet pipe when the TRO of the seawater discharged from the ballast tank is more than the allowable concentration.
  • the microbubble generating means may include a microbubble nozzle to atomize the bubbles introduced from the mixing tank to make microbubbles.
  • a fresh water and seawater disinfection treatment method for non-water passing electrolytic ballast water wherein 95 to 99% by weight of seawater introduced through the seawater inlet pipe is transferred to the ballast tank, and 1 to 5% by weight is Transferring to an electrolytic treatment means; Injecting gas into the seawater of 1 to 5% by weight to lower the pH of the seawater; Atomizing the bubbles of the gas contained in the seawater to make fine bubbles; Electrolysis of the seawater having a low pH by dissolving the microbubble dissolved the presence ratio of hypochlorous acid (HOCl) or hypobromic acid (HOBr) in the total oxide contained in the electrolyzed seawater in seawater without pH adjustment means Compared to the sterilized by the excess water of hypochlorous acid or hypobromic acid, the seawater in which the microbubble is dissolved, and removing the scale generated during the electrolysis treatment using the microbubble; Mixing the sterilized treated water with 95 to 99% by weight of seawater transferred to the bal
  • the ratio of the presence of highly oxidizable HOCl or HOBr in the total oxide contained in the seawater By increasing the seawater, the ratio of HOCl or HOBr is higher than that of the conventional electrolytic ballast water treatment method under the same TRO concentration, so that the sterilization efficiency can be increased, thereby reducing the size of the equipment and lowering the operating cost. It can be effective.
  • FIG. 1 is a structural diagram schematically showing a structure of a ballast water treatment apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a structural diagram showing a mixing tank in the pH adjusting means of FIG.
  • FIG. 3 is an enlarged plan view of an electrolysis reactor in the electrolysis treatment unit of FIG. 1.
  • FIG. 4 is a structural diagram schematically showing the internal structure of the electrolysis module of the electrolysis reactor of FIG.
  • FIG. 5 is a structural diagram of FIG. 4 rotated 90 degrees in the horizontal direction.
  • FIG. 6 is a plan view illustrating an embodiment of an electrolysis unit in the electrolysis module of FIG. 4.
  • FIG. 7 is a plan view illustrating another embodiment of the electrolysis unit in the electrolysis module of FIG. 4.
  • FIG. 8 is a graph showing the distribution of hypochlorous acid and hypochlorite ions and hypobromic acid and hypobromite ions according to pH.
  • FIG. 9 is a structural diagram illustrating an injector positioned at portion A of FIG. 1.
  • FIG. 10 is a structural diagram illustrating an injector located at portion B of FIG. 1.
  • 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 sea water inlet pipe 21 may be provided with a flow meter 43 for measuring the amount of sea water flowing in.
  • the ballast water discharge means is connected to the ballast tank 120 includes a ballast water discharge pipe 232 for discharging the ballast water in the direction (D).
  • the ballast water discharge pipe 232 may be provided with a chemical neutralization device (not shown) if necessary.
  • the end 22 of the ballast discharge pipe 232 may be provided with a TRO sensor 47 for measuring the TRO concentration of the ballast water discharged from the ballast tank 120.
  • the ballast water discharge pipe 232 may further include a ballast water inflow pump (not shown) and a dissolution tank (not shown).
  • the first and second branch pipes (23, 24) is to send the seawater introduced through the seawater inlet pipe 21 toward the ballast tank 120 or to supply some of them to the pH control means and microbubble generating means. .
  • the first branch pipe 23 is a main seawater inflow pipe, and 95 to 99% by weight of seawater is moved toward the ballast tank 120 through the first branch pipe 23.
  • the second branch pipe (24) is a sterilization seawater inlet pipe 1 to 5% by weight of the seawater introduced through the seawater inlet 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.
  • the second branch pipe 24 may be provided with a flow meter 44 for measuring the supply amount of seawater flowing into the pH control means.
  • the pH adjusting means is a means for lowering the pH of the seawater by injecting gas into the seawater introduced through the seawater inlet pipe 21 and the second branch pipe 24.
  • the pH adjusting means may include one of the venturi injector 113 and carbon dioxide injection means or air injection means.
  • the carbon dioxide injection means the concentrated carbon dioxide tank 111 for injecting carbon dioxide gas into the seawater introduced into the venturi injector 113, and the carbon dioxide injection amount of the concentrated carbon dioxide tank 111 of the seawater introduced into the venturi injector 113 It may include a regulator 112 to adjust according to the pH and flow rate.
  • Reference numerals 28 and 29 denote supply pipes for supplying carbon dioxide of the concentrated carbon dioxide tank 111 to the venturi injector 113.
  • the supply pipe 28 may be provided with a branched carbon dioxide injection line 161 for injecting carbon dioxide from the concentrated carbon dioxide tank 111 toward the main seawater inlet pipe 23.
  • a branched carbon dioxide injection line 161 for injecting carbon dioxide from the concentrated carbon dioxide tank 111 toward the main seawater inlet pipe 23.
  • the regulator 160 is provided on the carbon dioxide injection line 161 to properly adjust the injection amount of carbon dioxide supplied from the concentrated carbon dioxide tank 111 to the main seawater inlet pipe (23).
  • an injector B may be provided at a portion where the main seawater inflow pipe 23 and the carbon dioxide injection line 161 are combined.
  • the injector B is installed such that the carbon dioxide injection line 161 communicates with one side of the main seawater inflow pipe 23, and the inner tube 162 installed inside the carbon dioxide injection line 161 is main.
  • the seawater inflow pipe 23 has a structure that is bent to be located in the center right along the direction of the seawater, the end portion 162a of the inner pipe 162 is a vortex is formed carbon dioxide in the seawater of the main seawater inflow pipe 23 It may be formed to have an inclined surface to facilitate mixing.
  • the ship may be further provided with a carbon dioxide capture device if necessary.
  • the carbon dioxide collecting device may serve to collect and concentrate carbon dioxide from exhaust gas generated when a ship is operating, and then send the carbon dioxide to the concentrated carbon dioxide tank 111 of the carbon dioxide injection unit.
  • the air injection means may include an air compressor 253 for injecting air into the seawater introduced into the venturi injector 113, and a regulator 251 for adjusting the air injection amount according to the pH and flow rate of the seawater introduced into the venturi injector 113. ) May be included.
  • Reference numerals 252 and 254 denote supply pipes for supplying air from the air compressor 253 to the venturi injector 113.
  • the mixing tank 150 may be disposed at the rear of the injector B in the main seawater inflow pipe 23.
  • the microbubble generating means is disposed in the case of the line for sterilizing seawater inlet pipe 24, whereas only the mixing tank 150 is disposed in the main seawater inlet pipe 23. Since the material is well dissolved, both the micro-bubble generating means and the mixing tank 150 can dissolve the injected carbon dioxide sufficiently efficiently.
  • the mixing tank 150 may have barrier ribs 152a and 152b formed therein to increase the contact time of carbon dioxide or air and seawater in the body 151 so as to be dissolved.
  • the present invention is not limited to this, only one of the partitions may be formed or three or more may be formed at a predetermined interval.
  • the mixing tank 150 may be provided with a gas discharge unit 115 for discharging carbon dioxide or air and seawater into a bubble after leaving the undissolved zone gas or the large bubbles are too large.
  • the micro-bubble generating means is a means for atomizing the bubbles of the gas contained in the sea water is lowered pH is converted to fine bubbles.
  • the microbubble generating means Using the microbubble generating means in the bypass line, the microbubble generating means has a short travel time to the electrolysis treatment means located in the rear, and this requires a faster mixing efficiency than in the mixing tank, so a small volume flow rate treatment This is for atomizing the gas bubbles so as to be suitable for.
  • the microbubble generating means is omitted, and the mixing tank 150 suitable for a large flow rate treatment is used.
  • the present invention is not necessarily limited thereto.
  • the microbubble generating means may include a microbubble nozzle 116 for atomizing the introduced air bubbles into a microbubble, mixed with seawater to make low-pH seawater, and then transferred to the electrolytic treatment means.
  • the microbubble nozzle 116 serves to make the atomized microbubble by further atomizing the bubbles introduced from the venturi injector 113.
  • the microbubble means that a bubble of about 30 ⁇ m is contracted to a pressure of about 1.5 atm to make about 10 ⁇ m, and then compressed to a size of 0.1 to 10.0 ⁇ m by shrinking to about 15 atm.
  • venturi injector 113 and the microbubble nozzle 116 are connected to the first mixed seawater pipe 25, and the amount of mixed seawater supplied to the microbubble nozzle 116 is supplied to the first mixed seawater pipe 25.
  • a valve for adjusting and a pH sensor 114 for measuring the pH of the mixed seawater 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.
  • reference numeral 27 denotes a supply line for supplying seawater in which microbubbles are dissolved to the electrolysis treatment means. At this time, the supply line 27 may be provided with a valve.
  • an aeration line may be installed at the rear of the microbubble generating means to transfer the seawater having a lowered pH toward the sterilized water discharge pipe 231 without passing through the electrolytic treatment means.
  • the electrolytic treatment means is an in-line for sterilizing low pH seawater in which microbubbles flowed through the microbubble nozzle 116 are dissolved with hypochlorous acid generated by electrolysis and injecting them into the ballast tank 120. Ballast water treatment means of treatment method.
  • 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 electrolysis unit described later and at least one electrolysis module 141. It includes an electrolysis reactor 140 comprising a.
  • FIG. 3 is an enlarged plan view of the electrolysis reactor of the electrolytic treatment unit of FIG. 1
  • FIG. 4 is a structural diagram schematically showing an internal structure of the electrolysis module of the electrolysis reactor of FIG. 3, and FIG. It is a structural diagram which rotated 90 degrees to the horizontal direction.
  • one electrolysis module 141 is illustrated and illustrated as one set.
  • the present invention is not limited thereto, and the number of electrolysis modules is equal to the ballast capacity of the ship. If necessary, the design can be changed by increasing or decreasing the number to two or more.
  • the electrolysis module 141 has a body 141a having a generally square shape, and a cathode terminal 142 and a cathode terminal 143 are connected to receive DC rectification from the rectifier 130 into the body 141a. Have a structure arranged. At this time, the negative electrode terminal 142 and the positive electrode terminal 143 has a negative electrode busbar 142a and a positive electrode busbar 143a for receiving the negative electrode and the positive electrode, 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 cathode and anode electrolytic parts 144 and 145 are connected to the cathode and anode busbars 142a and 143a of the cathode terminal 142 and the anode terminal 143 alternately stacked in the body 141a, respectively. do.
  • the cathode and anode electrolytic parts 144 and 145 may be formed by coating ruthenium on a titanium base so as to have excellent corrosion resistance in seawater and fresh water, but the present invention is not limited thereto.
  • cathode and anode electrolytic parts 144 and 145 may be formed in a plate shape as shown in FIG. 6, and may be formed in a mesh shape as another example as shown in FIG. 7. Can be.
  • the cathode and anode electrolytic parts 144 and 145 are formed so that the cathode and anode ports 146 and 147 extend at one end thereof, and the cathode and anode ports 146 and 147 respectively correspond to positions.
  • Bolt coupling holes 146a and 147a are formed in the grooves.
  • Reference numerals 142b and 143b denote negative and positive electrode connecting members, and the negative and positive electrode connecting members 142b and 143b are disposed to correspond to at least one of the upper and lower surfaces of the negative and positive electrode ports 146 and 147, respectively.
  • the plurality of cathode ports 146 and the anode ports 147 are electrically insulated from each other, and a part of the cathode and anode connecting members 142b and 143b is connected to the cathode and anode busbars 142a and 143a. Since the negative electrode (-) is connected to the negative electrode electrolytic unit 144, the negative electrode port 146, the negative electrode connecting member 142b and the negative electrode busbar 14a are electrically connected to each other, and the positive electrode (+) is the positive electrode.
  • the electrolysis unit 145, the positive electrode port 147, the positive electrode connecting member 143b, and the positive electrode busbar 143a are electrically connected to each other.
  • the cathode and anode electrolytic parts 144 ′ and 145 ′ may be formed of a support 144a ′ having a plurality of through holes 144b ′.
  • the mesh type electrolytic parts 144 'and 145' have a large specific surface area at the same size as the plate type electrolytic parts 144 and 145, but are advantageous in terms of TRO generation efficiency, but have high efficiency of removing scales generated on the electrodes. Since there is a disadvantage in that it is deteriorated, the shape of the electrolysis unit may be selectively used depending on the situation.
  • the size of the through hole 144b ' may vary as necessary, but the ratio of the length L and the width W is preferably maintained at about 6 (L): 3 (W).
  • the size of the through holes 144b 'of the mesh type electrolytic parts 144' and 145 ' may be 6 * 3mm (L * W), but may be smaller if a high concentration of TRO is required.
  • the electrolytic treatment means configured as described above is an example, when inflow of carbon dioxide gas through the pH control means, when the seawater passes through the electrolysis unit (144, 145) of the electrode decomposition module 141 by the following reaction formula 1 It is electrolyzed through a potential difference.
  • HOCl, OCl- ? Among the species produced by Scheme 1 above , OH -, NaOCl, HOBr, OBr -? Oxides, etc. are collectively called TRO (Total Residual Oxidants), and TRO sterilizes various microorganisms.
  • free chlorine which has high double-oxidation efficiency and high sterilization efficiency, is HOCl and OCl ⁇ .
  • HOCl and OCl ⁇ are irreversibly generated, and the presence ratio of HOCl and OCl ⁇ varies depending on pH in water, as shown in FIG. 7.
  • the lower the pH the higher the percentage of active acids of HOCl or HOBR and the lower the percentage of active ions.
  • HOCl has a strong oxidizing power compared to OCl ⁇ , and the sterilization efficiency is about 80 times higher.
  • a concentrated gas such as carbon dioxide
  • the pH of the seawater is lowered by dissolving the carbon dioxide microbubbles and the seawater and introducing the low pH seawater into electricity.
  • hypochlorous acid generated by decomposition it can be injected into the ballast tank to increase the sterilization efficiency of the ballast water.
  • microbubbling of the gas introduced into the seawater is to increase the dissolution efficiency to better dissolve the gas.
  • a gas discharge unit 220 for discharging the gas degassed from the sea water to the outside through the discharge pipe 222 may be located at the rear end of the electrolytic treatment means.
  • a gas discharge unit 220 for discharging the gas degassed from the sea water to the outside through the discharge pipe 222 may be located at the rear end of the electrolytic treatment means.
  • the concentration can be maintained by maintaining the concentration below the concentration of the effluent notified by the IMO (0.2 mg / L).
  • the gas discharge means 220 is also connected to the rear end of the aeration line 234.
  • the gas discharge unit 220 may be provided with a sensor 221 for measuring the amount of degassed hydrogen gas or air.
  • Hydrogen gas is known to cause an explosion at a concentration of 5 to 27% under normal temperature and pressure. Hydrogen concentrations generated during electrolysis occur below the lower explosive limit (LEL), but there is a high possibility of hydrogen gas staying in the curved pipe during the passage of pipes from the electrolysis reactor to the ballast tank. The concentration is likely to be concentrated above the blast line. Hydrogen gas also penetrates several sensors including TRO sensor, and there is a risk of explosion due to the concentration of hydrogen gas in a confined space.
  • LEL lower explosive limit
  • the gas discharge means 220 can be installed by reducing the gas-liquid separation device, and the work time is greatly reduced. Can be.
  • Reference numeral 231 denotes a sterilized treated water discharge pipe for transferring the sterilized treated water discharged from the gas discharge means 220 toward the ballast tank 120.
  • the sterilized water discharge pipe 231 may be provided with a valve, a flow meter 46 and, if necessary, a TRO sensor 45 to detect the TRO concentration of the sterilized sea water.
  • the electrolysis method it is neutralized and discharged using chemicals from the rear of the ballast tank, and this may cause problems such as additional maintenance (maintenance), chemical cost, and neutralization of large amounts of marine discharges.
  • additional maintenance maintenance
  • chemical cost and neutralization of large amounts of marine discharges.
  • the neutralizing agent sodium thiosulfate
  • the salinity control means 211 may be located in front of the electrolytic treatment means.
  • the treatment efficiency is more effective than other technologies due to the high efficiency of TRO generation in water environments with high salinity, such as seawater.
  • TRO generation efficiency is low in a low salt water environment, and other auxiliary sterilization facilities such as ozone and UV are required.
  • Some electrolytic water treatment technologies attempt to increase the generation efficiency of TRO by artificially increasing salt by using salt or seawater. However, in the case of the whole water passing method, the use of salt is excessive due to the large number of targets. Electrolytic water treatment is not solved.
  • the processing flow rate is small, so that the salt consumption can be reduced, and in some cases, a high concentration of salt water can be injected.
  • the difference in TRO generation efficiency according to the salinity is analyzed to be insignificant.
  • Set 7.0 PSU as the lower limit, and maintain the salinity above the lower limit through the salt cartridge or brine injector before electrolysis. You can.
  • the injector (A), the treatment water inlet pipe 231 is installed in communication with one side of the main seawater inlet pipe 23, the inner tube 232 installed on the inside of the main treatment water inlet pipe It has a structure bent to be located in the center right along the direction of travel. At this time, the end of the inner tube 232 is formed to have an inclined surface so that the vortex is formed so that the seawater sterilized in the seawater of the main seawater inlet pipe 23 can be easily mixed.
  • a line mixer 240 may be installed between the injector A and the ballast tank 120.
  • the line mixer 240 is, for example, a liquid-liquid static type, and rapidly mixes the sterilized TRO with high concentration and the seawater introduced through the main seawater inlet pipe 23.
  • reference numeral 30 denotes an injection tube for injecting seawater passing through the line mixer 240 into the ballast tank 120.
  • the 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.
  • the ballast tank 120 may further include a neutralization line 233 branching from the ballast water discharge pipe 232 at the rear end.
  • the neutralization line 233 is connected to the seawater inlet pipe 21, and serves to circulate the seawater toward the seawater inlet pipe 21 when the TRO of the seawater discharged from the ballast tank 120 is greater than or equal to the allowable concentration.
  • 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 dissolution of the microbubbles increased, the pH was gradually lowered, resulting in a low pH of 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.
  • a carbon dioxide capture device may be further provided in the vessel. The carbon dioxide capture device is installed to capture about 65% of the carbon dioxide in the exhaust gas discharged during the operation of the ship.
  • 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.
  • the scales generated and attached to the electrodes of the electrolysis treatment means can be effectively removed. This can effectively suppress the reduction of electrolysis efficiency.
  • the electrolytic treatment means is applied through the main seawater inflow pipe 23 by generating a high TRO concentration of up to 1,000mg / L by applying the same amount of current as the whole water passing method (hereinafter referred to as a comparative example)
  • the desired level of TRO concentration can be set by mixing with the prepared seawater.
  • the total TRO concentration of the ballast tank 120 may be maintained constant.
  • C t total TRO concentration (mg / L)
  • Q M Flow rate in the main seawater inlet (m 3 / hr)
  • C m TRO concentration in mg / L in the main seawater inlet.
  • the TRO concentration equation is assuming that the TRO is completely mixed at the point A where the main seawater inflow pipe 23 and the treated water inflow pipe 231 meet.
  • C t total TRO concentration (mg / L)
  • Q M Flow rate in the main seawater inflow pipe 23 (m 3 / hr)
  • Q B flow rate in the seawater inflow pipe 24 for sterilization (m 3 / hr)
  • C m main seawater inflow pipe 23 TRO concentration in mg / L
  • C B TRO concentration (mg / L) in the seawater inlet tube 24 for sterilization.
  • the amount of TRO generated for the total flow rate is also the same, so if the applied current is the same in the Comparative Example or Example, the TRO concentration in the ballast tank Is the same. In other words, it can be seen that while generating a relatively high concentration of TRO in the embodiment, the amount of power is consumed in the same manner as the comparative example.
  • the non-water passing method using the bypass line as in the present embodiment is the same as the existing capacity (size) in the case of the rectifier, but the size of all the equipment other than the rectifier can be reduced as the amount of processing water is reduced.
  • the flow rate through the electrolysis reactor was fast, so that the electrode interval was maintained at 5 to 6 mm for smooth flow, but in this embodiment, the flow rate through the electrolysis reactor was reduced, so that the electrode interval could be reduced to 2 to 3 mm. have.
  • reactants A and B are well mixed, they can all participate in the reaction no matter where they are located in the reactor.
  • electrochemical reactions such as electrolytic water treatment, only reactants that are present in close proximity to the electrode can participate in the reaction.
  • the range of the solution near the electrode where the reactants that can participate in the electrochemical reaction is called a diffusion layer, and the part away from the electrode is called a bulk solution.
  • the diffusion layer has a thickness on the order of 1 ⁇ m to 10 mm.
  • the electrolytic efficiency is maximized by maximizing the surface area of the electrode at a certain reactor volume through the modularization using a plurality of anodes and cathodes, rather than the electrolytic treatment of the solution between the anode and the cathode using a single electrode. This is a technique to increase.
  • the spacing of the diffusion layer can be reduced within the theoretical range to increase the electrolysis efficiency and reduce the size of the electrolysis treatment means. Therefore, it is possible to additionally secure the required equipment installation area according to the reduction of the entire equipment, it is possible to install an auxiliary device, such as to operate the auxiliary equipment in case of emergency such as equipment failure.
  • an auxiliary device such as to operate the auxiliary equipment in case of emergency such as equipment failure.
  • the auxiliary equipment can be operated, it is easy to remove the scale, and there is an advantage that can be maintained regardless of whether the ballasting operation is performed.
  • Salinity control means

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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 있으며, 유입되는 해수 중 일부만 미세기포 처리 및 전기분해 처리를 진행함으로써 전기분해 처리수단의 설치면적 대비 전기분해효율을 극대화할 수 있는 담수, 해수 살균처리가 가능한 비전수통과방식 전기분해 선박평형수 처리방법 및 장치를 제공한다.

Description

담수, 해수 살균처리가 가능한 비전수통과방식 전기분해 선박평형수 처리방법 및 장치
본 발명은 담수, 해수 살균처리가 가능한 비전수통과방식 전기분해 선박평형수 처리방법 및 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 이산화탄소를 해수에 용해시켜 해수의 pH를 낮추고, 이렇게 해수의 pH가 낮아지면 전기 분해시 발생되는 총 산화물질 중 산화력이 우수한 차아염소산(HOCl) 또는 차아브롬산(HOBr)의 존재 비율이 증가되므로, 동일 TRO 농도 조건에서 기존의 전해수 처리방식의 선박평형수 처리장치에 비해 살균 효율을 증가시킬 수 있으며, 유입되는 해수 중 일부만 미세기포 처리 및 전기분해 처리를 진행함으로써 전기분해 처리수단의 설치면적 대비 전기분해효율을 극대화할 수 있는 담수, 해수 살균처리가 가능한 비전수통과방식 전기분해 선박평형수 처리방법 및 장치에 관한 것이다.
일반적으로 선박에 적재물이 없어 배 뒤쪽의 추진기가 수면 위로 떠오르게 되면 선박의 조종이 제대로 되지 않기 때문에, 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.
또한, 기존 전기분해 선박평형수 처리방법은 처리대상인 원수 전량을 전기분해 처리수단으로 통과시켜 처리하는 방식으로, 전기분해효율을 높이기 위해서는 전기분해 처리수단을 설치하기 위한 면적을 보다 많이 확보해야 하는 단점이 있었다.
선행기술문헌
특허문헌
(특허문헌 1) 국내특허등록공보 제0883444호
본 발명의 주된 목적은, 동일 TRO(Total residual oxidants) 농도 조건에서 살균 효율을 증가시킬 수 있으며, 전기분해 처리수단의 설치면적 대비 전기분해효율을 높일 수 있는 담수, 해수 살균처리가 가능한 비전수통과방식 전기분해 선박평형수 처리방법 및 장치를 제공하는데 있다.
본 발명에 의한 담수, 해수 살균처리가 가능한 비전수통과방식 전기분해 선박평형수 처리장치는, 해수를 유입하는 해수유입관; 상기 해수유입관에서 분기되며, 유입된 해수의 95 내지 99중량%를 이송시키는 메인 해수유입관과 유입된 해수의 1 내지 5중량%를 이송시키는 살균 처리용 해수유입관; 상기 살균 처리용 해수유입관을 통해 유입된 해수에 이산화탄소 가스를 주입하여 해수의 pH를 낮추는 pH조절수단; 상기 pH가 낮추어진 해수에 포함된 가스의 기포를 미립화하여 미세기포로 변환하는 미세기포 발생수단; 상기 미세기포 발생수단의 후방에 위치하며, 상기 미세기포가 용해되어 pH가 낮춰진 해수를 전기분해하여 전기분해된 해수에 포함된 총 산화물질 중 차아염소산(HOCl) 또는 차아브롬산(HOBr)의 존재비율을 pH조절수단을 거치지 않은 해수에 비하여 증대시켜 상기 미세기포가 용해된 해수를 과량의 차아염소산 또는 차아브롬산으로 살균처리하여 발라스트탱크로 주입하는 전기분해 처리수단; 상기 메인 해수유입관과 상기 전기분해 처리수단의 후방으로부터 연장되는 살균 처리수 배출관이 접합되는 인젝터; 및 상기 인젝터 후방에 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 전기분해부를 포함하는 적어도 하나 이상의 전기분해모듈을 포함하는 전기분해반응기; 및 상기 정류기의 DC 정류 및 상기 전기분해부의 전기분해 구동시간을 제어하여 상기 전기분해반응기의 전기분해 구동시간을 제어하는 제어패널; 을 포함하는 바이패스 라인을 이용한 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 바람직한 특징에 의하면, 상기 미세기포 발생수단에 의해 pH가 낮춰진 해수를 상기 전기분해 처리수단을 거치지 않고 상기 살균 처리수 배출관으로 이송시키는 에어레이션(aeration) 라인을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 바람직한 특징에 의하면, 상기 인젝터에서, 상기 살균 처리수 배출관은 메인 해수유입관의 일측에 연통되게 설치되며, 내측에 설치된 내관이 상기 메인 처리수유입관 내부에 해수의 진행방향을 따라 정중앙에 위치하도록 절곡된 구조를 가지며, 상기 내관의 단부는 와류가 형성되어 메인 해수유입관의 해수에 살균 처리수가 혼합되기 용이하도록 경사면을 가질 수 있다.
본 발명의 다른 바람직한 특징에 의하면, 상기 pH조절수단은, 벤츄리인젝터; 상기 벤츄리인젝터로 유입된 해수에 이산화탄소를 주입하는 농축 이산화탄소 탱크; 및 상기 농축 이산화탄소 탱크의 이산화탄소 주입량을 상기 벤츄리인젝터에 유입된 해수의 pH 및 유량에 따라 조절하는 레귤레이터; 를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 바람직한 특징에 의하면, 상기 농축 이산화탄소탱크의 이산화탄소를 메인 해수유입관으로 주입하는 이산화탄소 주입라인; 상기 이산화탄소 주입라인 상에 구비되며, 상기 농축 이산화탄소 탱크의 이산화탄소 주입량을 조절하는 레귤레이터; 및 상기 메인 해수유입관과 상기 이산화탄소 주입라인이 합쳐지는 부분에 배치되는 인젝터; 를 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 인젝터에서, 상기 이산화탄소 주입라인은 상기 메인 해수유입관의 일측에 연통되게 설치되며, 내측에 설치된 내관이 상기 메인 해수유입관 내부에 해수의 진행방향을 따라 정중앙에 위치하도록 절곡된 구조를 가지며, 상기 내관의 단부는 와류가 형성되어 상기 메인 해수유입관의 해수에 이산화탄소가 혼합되기 용이하도록 경사면을 가질 수 있다.
본 발명의 다른 바람직한 특징에 의하면, 상기 메인 해수유입관은 상기 인젝터 후방에 혼합탱크가 배치되며, 상기 혼합탱크는 내부에 가스와 해수의 접촉시간을 늘리기 위해 격벽이 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 바람직한 특징에 의하면, 상기 pH조절수단은, 벤츄리인젝터; 상기 벤츄리인젝터로 유입된 해수에 에어(air)를 주입하는 에어콤프레셔; 및 상기 에어콤프레셔의 에어 주입량을 상기 벤츄리인젝터에 유입된 해수의 pH 및 유량에 따라 조절하는 레귤레이터; 를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 바람직한 특징에 의하면, 상기 전기분해 처리수단 전방에 위치하는 염분조절수단을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 바람직한 특징에 의하면, 상기 전기분해 처리수단 후방에 위치하며, 해수로부터 탈기된 가스를 배출시키기 위한 가스배출수단을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 바람직한 특징에 의하면, 상기 발라스트탱크 전방에 위치하는 라인 믹서(static line mixer)를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 바람직한 특징에 의하면, 상기 발라스트탱크 후방에 위치하며, 상기 발라스트탱크에서 배출되는 해수의 TRO가 허용농도 이상일 경우 상기 해수를 해수유입관 쪽으로 순환시키는 중화라인을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 바람직한 특징에 의하면, 상기 미세기포 발생수단은, 상기 혼합탱크로부터 유입된 기포를 미립화하여 미세기포로 만드는 미세기포노즐을 포함할 수 있다.
본 발명의 담수, 해수 살균처리가 가능한 비전수통과방식 전기분해 선박평형수 처리방법은, 해수유입관을 통해 유입된 해수 중 95 내지 99중량%를 발라스트탱크 쪽으로 이송시키고, 1 내지 5중량%는 전기분해 처리수단 쪽으로 이송시키는 단계; 상기 1 내지 5 중량%의 해수에 가스를 주입하여 해수의 pH를 낮추는 단계; 상기 해수에 포함된 가스의 기포를 미립화하여 미세기포로 만드는 단계; 상기 미세기포가 용해되어 pH가 낮춰진 해수를 전기분해하여 전기분해된 해수에 포함된 총 산화물질 중 차아염소산(HOCl) 또는 차아브롬산(HOBr)의 존재비율을 pH조절수단을 거치지 않은 해수에 비하여 증대시켜 상기 미세기포가 용해된 해수를 과량의 차아염소산 또는 차아브롬산으로 살균처리하고, 상기 미세기포를 이용하여 전기분해 처리시 발생되는 스케일을 제거하는 단계; 상기 발라스트 탱크 쪽으로 이송된 95 내지 99중량%의 해수와 상기 살균 처리된 처리수를 혼합하는 단계; 및 상기 혼합된 해수를 발라스트탱크로 주입하는 단계; 를 포함하는 바이패스 라인을 이용하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 이산화탄소를 해수에 용해시켜 해수의 pH를 낮추고, 이 저pH의 해수를 이산화탄소 미세기포로 변환시시켜 해수에 포함된 총 산화물질 중 산화성이 강한 HOCl 또는 HOBr의 존재 비율을 증가시킴으로써, 해수의 경우 동일 TRO 농도 조건에서 기존의 전기분해 선박평형수 처리방법에 비해 HOCl 또는 HOBr의 비율이 높아서 살균 효율을 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라 그에 따라 장비의 크기를 축소시키고 구동비용을 낮출 수 있는 효과가 있다.
또한, 유입되는 해수 중 1 내지 5중량%만 미세기포 처리 및 전기분해 처리를 진행함으로써 전기분해 처리수단의 설치면적 대비 전기분해효율을 극대화시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 발라스트수로 담수를 사용하는 경우에도, 이산화탄소 미세기포에 의해 담수 조건의 pH 보다 더 낮은 pH를 인위적으로 설정하고 적절한 염분조절장치를 사용하여 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- 또는 HOBr → H+ + OBr-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 구조도이다.
도 3은 도 1의 전기분해 처리수단 중 전기분해반응기를 확대하여 나타낸 평면도이다.
도 4는 도 3의 전기분해반응기 중에서 전기분해모듈의 내부 구조를 개략적으로 나타낸 구조도이다.
도 5는 도 4를 가로방향으로 90도 회전하여 나타낸 구조도이다.
도 6은 도 4의 전기분해모듈에서 전기분해부의 일 실시예를 나타낸 평면도이다.
도 7은 도 4의 전기분해모듈에서 전기분해부의 다른 실시예를 나타낸 평면도이다.
도 8은 pH에 따른 차아염소산과 차아염소산 이온 및 차아브롬산과 차아브롬산 이온의 분포를 나타낸 그래프이다.
도 9는 도 1의 A 부분에 위치하는 인젝터를 나타낸 구조도이다.
도 10은 도 1의 B 부분에 위치하는 인젝터를 나타낸 구조도이다.
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. 이때, 해수유입관(21)에는 유입되는 해수의 양을 측정하기 위한 유량계(43)가 설치될 수 있다.
상기 발라스트수 배출수단은 발라스트탱크(120)와 연결되어 (D)방향으로 발라스트수를 배출시키기 위한 발라스트수 배출관(232)을 포함한다. 이때, 발라스트수 배출관(232)에는 필요시 화학적 중화장치(미도시)가 설치될 수 있다. 또한, 발라스트 배출관(232)의 단부(22)에는 발라스트탱크(120)로부터 배출되는 발라스트수의 TRO농도를 측정하기 위한 TRO센서(47)가 구비될 수 있다. 또한, 발라스트수 배출관(232)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 발라스트탱크(120) 쪽으로 보내거나 그 중 일부를 pH조절수단 및 미세기포 발생수단 쪽으로 공급하기 위한 것이다.
제1 분기관(23)은 메인 해수 유입관으로서 95 내지 99중량%의 해수는 이 제1 분기관(23)을 통해 발라스트탱크(120) 쪽으로 이동된다. 제2 분기관(24)은 살균 처리용 해수유입관으로서 해수유입관(21)을 통해 유입된 해수 중 1 내지 5중량%가 이 제2 분기관(24)을 통해 pH조절수단 쪽으로 유입되는 것이다. 이때, 제1 및 제2 분기관(23, 24)에는 해수의 공급량을 각각 조절하여 공급하기 위한 밸브가 설치될 수 있다. 또한, 제2 분기관(24)에는 pH조절수단 쪽으로 유입되는 해수의 공급량을 측정하기 위한 유량계(44)가 설치될 수 있다.
상기 pH 조절수단은 해수유입관(21) 및 제2 분기관(24)을 통해 유입된 해수에 가스를 주입하여 해수의 pH를 낮추는 수단이다. 이러한 pH조절수단은, 벤츄리인젝터(113)와, 이산화탄소 주입수단 또는 에어 주입수단 중 하나를 포함할 수 있다.
상기 이산화탄소 주입수단은, 벤츄리인젝터(113)로 유입된 해수에 이산화탄소 가스를 주입하기 위한 농축 이산화탄소 탱크(111), 및 농축 이산화탄소 탱크(111)의 이산화탄소 주입량을 벤츄리인젝터(113)에 유입된 해수의 pH 및 유량에 따라 조절하는 레귤레이터(112)를 포함할 수 있다. 도면부호 28 및 29는 농축 이산화탄소 탱크(111)의 이산화탄소를 벤츄리인젝터(113)로 공급하기 위한 공급관을 나타낸다.
또한, 공급관(28)에서는 농축 이산화탄소탱크(111)의 이산화탄소를 메인 해수유입관(23) 쪽으로 주입하는 이산화탄소 주입라인(161)이 분기되어 구비될 수 있다. 본 실시 예에 따르면, 해수유입관(21)을 통해 유입된 담수나 해수 중 1~5 중량%만이 살균 처리되어 pH가 조정된다. 즉, 도 1의 인젝터(A)에서 살균 처리수와 메인 해수유입관(23)을 통해 유입된 95 중량% 이상의 해수가 서로 혼합되는 경우 혼합 수의 pH는 다시 대폭 상승되기 때문에 해수 내의 HOCl의 존재 비율을 사용자가 원하는 수준으로 유지시키기 어렵다. 본 실시 예의 이산화탄소 주입라인(161)은 이러한 문제를 해소하고자 메인 해수유입관(23)으로 이산화탄소를 직접 주입하는 역할을 한다.
이때, 이산화탄소 주입라인(161) 상에는 레귤레이터(160)가 구비되어 농축 이산화탄소 탱크(111)에서 메인 해수유입관(23)으로 공급되는 이산화탄소의 주입량을 적절히 조절할 수 있다.
그리고, 메인 해수유입관(23)과 이산화탄소 주입라인(161)이 합쳐지는 부분에는 인젝터(B)가 구비될 수 있다.
도 10을 참조하면, 인젝터(B)는, 이산화탄소 주입라인(161)이 메인 해수유입관(23)의 일측에 연통되게 설치되며, 이산화탄소 주입라인(161)의 내측에 설치된 내관(162)이 메인 해수유입관(23) 내부에 해수의 진행방향을 따라 정중앙에 위치하도록 절곡된 구조를 가지며, 내관(162)의 단부(162a)는 와류가 형성되어 메인 해수유입관(23)의 해수에 이산화탄소가 혼합되기 용이하도록 경사면을 갖도록 형성될 수 있다.
한편, 선박 내에는 필요시 이산화탄소 포집 장치가 더 구비될 수 있다. 상기 이산화탄소 포집 장치는 선박 운행시 발생하는 배기 가스로부터 이산화탄소를 포집하여 농축시킨 후, 상기 이산화탄소 주입수단의 농축 이산화탄소 탱크(111)로 보내는 역할을 수행할 수 있다.
상기 에어 주입수단은, 벤츄리인젝터(113)로 유입된 해수에 에어를 주입하기 위한 에어콤프레셔(253), 에어 주입량을 벤츄리인젝터(113)에 유입된 해수의 pH 및 유량에 따라 조절하는 레귤레이터(251)를 포함할 수 있다. 도면부호 252 및 254는 에어콤프레셔(253)의 에어를 벤츄리인젝터(113)로 공급하기 위한 공급관을 나타낸다.
그리고, 메인 해수유입관(23)에서 인젝터(B) 후방에는 혼합탱크(150)가 배치될 수 있다. 본 실시 예에서, 살균 처리용 해수유입관(24) 쪽 라인의 경우 미세기포 발생수단이 배치되는데 대해서, 메인 해수유입관(23)에는 혼합탱크(150)만 배치되는 것은, 이산화탄소의 경우 해수에 용해가 잘 되는 물질이므로, 미세기포 발생수단 및 혼합탱크(150) 모두 주입된 이산화탄소를 충분히 효율적으로 용해시킬 수 있기 때문이다.
도 2를 참조하면, 혼합탱크(150)는 몸체(151) 내부에 이산화탄소 또는 에어와 해수의 접촉시간을 늘려 용해가 잘 되도록 하기 위해 내부에 격벽(152a, 152b)이 형성될 수 있다. 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 이산화탄소 또는 에어와 해수를 혼합하여 기포로 만든 후 남은 미용존 가스 또는 크기가 너무 큰 거대 기포를 대기 중으로 배출시키는 가스 배출부(115)가 구비될 수 있다.
상기 미세기포 발생수단은 상기 pH가 낮추어진 해수에 포함된 가스의 기포를 미립화하여 미세기포로 변환시키는 수단이다. 바이패스라인에서 상기 미세기포 발생수단을 사용하는 것은, 상기 미세기포 발생수단은 후방에 위치한 전기분해 처리수단까지의 이동 시간이 짧고, 이에 혼합탱크에서 보다 더 빠른 혼합효율이 요구되므로, 소용량 유량 처리에 적합하도록 가스의 기포를 미립화하기 위해서이다. 앞서 설명한 메인 해수유입관(23)에서는 인젝터(A)까지 여유가 있기 때문에 미세기포 발생수단을 생략하고 대용량 유량처리에 적합한 혼합탱크(150)를 사용한 것이다. 다만 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 미세기포 발생수단은 유입된 기포를 미립화하여 미세기포로 만든 후 해수에 혼합하여 저pH의 해수로 만든 후 상기 전기분해 처리수단 쪽으로 이송시키는 미세기포노즐(116)을 포함할 수 있다. 이러한 미세기포노즐(116)은 벤츄리인젝터(113) 쪽으로부터 유입된 기포를 더 미립화하여 보다 미립화된 미세기포를 만드는 역할을 수행한다.
여기서, 미세기포란 약 30 ㎛의 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.
또한, 벤츄리인젝터(113)와 미세기포노즐(116)은 제1 혼합해수관(25)으로 연결되며, 제1 혼합해수관(25)에는 혼합해수가 미세기포노즐(116)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. 또한, 도면부호 27은 미세기포가 용해된 해수를 전기분해 처리수단으로 공급하는 공급라인을 나타낸다. 이때, 공급라인(27)에는 밸브가 구비될 수 있다.
한편, 상기 미세기포 발생수단의 후방에는 pH 가 낮춰진 해수를 상기 전기분해 처리수단을 거치지 않고 살균 처리수 배출관(231) 쪽으로 이송시키기 위한 에어레이션(aeration) 라인이 설치될 수 있다.
상기 전기분해 처리수단은 미세기포노즐(116)을 통해 유입된 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 전기분해부의 전기분해 구동시간 등을 제어하는 제어패널(미도시) 및 적어도 하나 이상의 전기분해모듈(141)을 포함하는 전기분해반응기(140)를 포함한다.
도 3은 도 1의 전기분해 처리수단 중 전기분해반응기를 확대하여 나타낸 평면도이고, 도 4는 도 3의 전기분해반응기 중에서 전기분해모듈의 내부 구조를 개략적으로 나타낸 구조도이고, 도 5는 도 4를 가로방향으로 90도 회전하여 나타낸 구조도이다.
도 3 내지 도 5를 참조하면, 본 실시예에서는 전기분해모듈(141) 1개를 1셋트로서 도시하여 설명하고 있으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 전기분해모듈의 개수는 선박의 발라스트수 용량 등 필요에 따라 2개 이상으로 증감하여 설계 변경될 수 있다.
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 음극과 양극을 각각 인가 받기 위한 음극 부스바(142a) 및 양극 부스바(143a)를 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 음극 및 양극 부스바(142a, 143a)에는 몸체(141a) 내부에서 서로 번갈아 적층되는 구조로 음극 및 양극 전기분해부(144, 145)가 각각 연결 형성된다. 이때, 음극 및 양극 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.
또한, 음극 및 양극 전기분해부(144, 145)는 도 6에 도시된 바와 같이, 플레이트(plate)형으로 이루어질 수 있으며, 다른 예로서 도 7에 도시된 바와 같이, 메쉬(mesh)형으로 이루어질 수 있다.
이때, 일 예로서, 음극 및 양극 전기분해부(144, 145)는 일측 선단에 음극 및 양극 포트(146, 147)가 연장되게 형성되며, 음극 및 양극 포트(146, 147)에는 각각 대응되는 위치에 볼트 결합공(146a, 147a)이 형성된다. 도면부호 142b, 143b는 음극 및 양극 연결부재로서, 이 음극 및 양극 연결부재(142b, 143b)를 각각 음극 및 양극 포트(146, 147)의 상면 또는 하면 중 적어도 일면에 대응되게 배치된 후, 음극 및 양극 포트(146, 147)를 관통하도록 볼트 결합공(146a, 147a)에 볼트(142c, 143c)를 결합시켜 서로 연결하게 된다. 따라서, 복수의 음극 포트(146)와 복수의 양극 포트(147)는 서로 전기적으로 절연된 상태에서, 음극 및 양극 연결부재(142b, 143b)의 일부가 음극 및 양극 부스바(142a, 143a)와 연결되므로, 음극(-)은 음극 전기분해부(144), 음극 포트(146), 음극 연결부재(142b) 및 음극 부스바(14a)가 서로 전기적 연결이 이루어지도록 하고, 양극(+)은 양극 전기분해부(145), 양극 포트(147), 양극 연결부재(143b) 및 양극 부스바(143a)가 서로 전기적 연결이 이루어지게 된다.
도 7을 참조하면, 음극 및 양극 전기분해부(144', 145')는 복수의 관통공(144b')을 갖는 지지체(144a')로 이루어질 수 있다. 이러한 메쉬형 전기분해부(144', 145')는 플레이트형 전기분해부(144, 145)에 비해 같은 크기에서 비표면적이 커 TRO 발생효율 면에서는 유리하나 전극에 발생되는 스케일을 제거하는 효율이 저하되는 단점이 있으므로, 상황에 따라 전기분해부의 형태는 선택적으로 사용될 수 있다.
이때, 관통공(144b')의 크기는 필요에 따라 달라질 수 있으나, 길이(L)와 폭(W)의 비율은 약 6(L):3(W)을 유지하는 것이 바람직하다. 예컨대 메쉬형 전기분해부(144', 145')의 관통공(144b')의 크기는 6*3mm(L*W)일 수 있으나, 고농도의 TRO 발생이 필요한 경우 더 작게 할 수 있다.
위와 같이 구성된 전기분해 처리수단은 일 예로서, pH조절수단을 통해 이산화탄소 가스를 유입하는 경우, 해수가 전극분해모듈(141)의 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 7에 도시된 바와 같이 다르게 된다.
도 8을 참조하면, pH가 낮을수록 HOCl 또는 HOBR의 활성산의 존재 비율(%)이 높고 활성이온 존재 비율(%)은 낮아지며, pH가 높아질수록 HOCl 또는 HOBR의 활성산의 존재 비율은 낮아지고, 활성이온 존재 비율(%)은 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 가스, 예컨대 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, 해수에 유입된 가스를 미세기포화하는 것은 용해효율을 높여 가스의 용해가 더 잘 이루어질 수 있도록 하기 위함이다.
즉, 본 실시예에서와 같이 가스를 미세기포화 하여 해수에 용해함으로써 해수의 pH를 인위적으로 조절하여 낮추게 되면 HOCl의 존재비율이 높아지고 이로써 살균효과가 상승하게 되는 것이다.
그리고, 상기 전기분해 처리수단 후단에는 해수로부터 탈기된 가스를 배출관(222)를 통해 외부로 배출시키기 위한 가스배출수단(220)이 위치할 수 있다. 중화 단계에서 이산화탄소를 주입하는 대신 에어를 주입하여 미세기포화한 경우, 가스배출수단(220)에서 탈기(deaeration) 또는 OH 레디컬(radical) 또는 고압, 고열과 같은 미세기포의 물리적 힘에 의하여 잔류 TRO 농도를 IMO에서 고지한 배출수의 농도 이하(0.2mg/L)로 유지시켜 배출시킬 수 있다. 가스배출수단(220)은 에어레이션 라인(234)의 후단과도 연결된다. 또한, 가스배출수단(220)에는 탈기되는 수소가스나 에어의 양을 측정하기 위한 센서(221)가 구비될 수 있다.
수소가스의 경우 상온상압 하에서 5~27% 농도에서 폭발을 일으키는 것으로 알려져 있다. 전기분해시 발생하는 수소농도의 경우 폭발하한선(LEL, Lower explosive limit) 이하로 발생되나 전기분해반응기 통과 후 밸러스트탱크로 이동하기 까지 여러 배관을 거치는 동안 특히 곡관에서 수소가스가 체류될 가능성이 높아 그 농도가 폭발하안선 이상으로 농축될 소지가 높다. 또한 TRO 센서를 포함한 여러 센서류에도 수소가스가 침투하여 밀폐된 공간에서 수소가스가 농축되어 폭발 위험성이 존재한다.
따라서, 전기분해장치에서 발생되는 수소가스 농도가 LEL 이하라 하더라도 전기분해반응기 다음에 기-액 분리를 통해 수소가스를 저감시킬 필요가 있다. 기존의 전수통과방식의 영우 유입되는 총 유량에 대해 수소가스를 제어해야 하기 때문에 실질적으로 기체(수소)-액체(해수처리수) 분리를 위한 시설이 커질 수 밖에 없어 선박 내에서는 불가능하다.
그러나, 본 실시예에서는 전기분해 처리수단 쪽으로 이송되는 유량은 전체의 5% 이하로서 작으므로, 기-액분리 장치를 축소시켜 이러한 가스배출수단(220)을 설치할 수 있으며, 작업 소요시간도 대폭 줄일 수 있다.
도면부호 231은 가스배출수단(220)에서 배출된 살균처리된 처리수를 발라스트탱크(120) 쪽으로 이송시키는 살균 처리수 배출관이다. 이때, 살균 처리수 배출관(231)에는 밸브와, 필요시 유량계(46)와 살균 처리된 해수의 TRO 농도를 감지하기 위해 TRO센서(45)가 구비될 수 있다.
한편, 전기분해방식의 경우, 발라스트스탱크 후방에서 화학약품을 사용하여 중화한 후 배출하며, 이에 화학약품에 대한 추가 관리(Maintenance), 약품비 소요, 중화제 다량 해양배출 등의 문제가 발생할 수 있다. 본 실시 예에서는 전기분해 처리수단에서 에어레이션 라인(234)을 사용하여 잔류 TRO를 탈기함으로써 배출허용 TRO 농도를 안정적으로 유지할 수 있으며, 중화제(sodium thiosulfate)를 사용하지 않거나 절감할 수 있는 효과가 있다.
또한, 상기 전기분해 처리수단 전방에는 염분조절수단(211)이 위치할 수 있다. 전기분해 처리를 이용한 선박평형수의 경우 해수와 같이 염분(Salinity)이 높은 수환경에서 TRO 발생효율이 높아 그 처리효율이 타 기술대비 효과적이다.
반면 염분이 낮은 수환경에서는 TRO 발생효율이 낮아 오존, UV 등 기타 보조살균설비가 필요한 실정이다. 일부 전해수처리 기술에서 인위적으로 소금 또는 해수사용으로 염분을 높여 TRO 발생효율을 높이려는 시도는 있으나 전수통과방식의 경우 대상 수량이 많아 소금사용이 과다하고 용해효율 및 시간 등의 문제로 아직까지 담수의 전해수처리는 해결되지 않고 있는 실정이다.
그러나, 본 실시예에서와 같이, 비전수통과방식의 경우 처리유량이 적어 소금사용량을 줄일 수 있고 경우에 따라서 고농도의 소금물을 주입하는 등의 작용이 가능하다.
예컨대, 전기분해시 해당 수질의 염분이 7.0 PSU이상에서는 염분에 따른 TRO 발생효율 차이는 미미한 것으로 분석되어 7.0 PSU를 하한선으로 설정하고, 전기분해 전 소금 카트리지 또는 소금물 주입장치를 통해 하한선 이상의 염분도를 유지시킬 수 있다.
또한, 발라스트탱크(120) 전에, 메인 해수유입관(23)으로부터 유입된 미처리수와 상기 전기분해 처리수단에 의해 살균처리된 처리수가 처리수유입관(231)을 통해 혼합되는 지점에 인젝터(A)가 구비될 수 있다.
도 9를 참조하면, 인젝터(A)는, 처리수유입관(231)은 메인 해수유입관(23)의 일측에 연통되게 설치되며, 내측에 설치된 내관(232)이 메인 처리수유입관 내부에 해수의 진행방향을 따라 정중앙에 위치하도록 절곡된 구조를 가진다. 이때, 내관(232)의 단부는 와류가 형성되어 메인 해수유입관(23)의 해수에 살균처리된 해수가 용이하게 혼합될 수 있도록 경사면을 갖도록 형성된다.
*또한, 인젝터(A)와 발라스트탱크(120) 사이에는 라인 믹서(240)가 설치될 수 있다. 라인 믹서(240)는 예컨대 액체-액체 스태틱 타입으로서, 고농도의 살균 처리된 TRO와 메인 해수유입관(23)을 통해 유입된 해수를 빠르게 혼합시킨다. 여기서, 도면부호 30은 라인 믹서(240)를 통과한 해수를 발라스트탱크(120)로 주입하는 주입관이다. 이때, 주입관(30)에는 필요시 유량계(42)와 살균처리된 해수의 TRO 농도를 감지하기 위해 TRO센서(41)가 구비될 수 있다.
또한, 발라스트탱크(120) 후단에서 발라스트수 배출관(232)으로부터 분기되는 중화라인(233)을 더 포함할 수 있다. 중화라인(233)은 해수유입관(21) 쪽에 연결되며, 발라스트탱크(120)에서 배출되는 해수의 TRO가 허용농도 이상일 경우 상기 해수를 해수유입관(21) 쪽으로 순환시키는 역할을 한다.
하기 표 1은 이와 같은 발라스트수 처리방법에서 CO2의 용해에 따른 해수의 pH 변화량을 나타낸 것이다. 표 1에 나타난 바와 같이, 미세기포의 용해량이 늘어나면 pH가 점차적으로 낮아져 최대 1,500 ppm에서 pH가 3.7로 낮게 측정되었다.
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.
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. . 이를 위해서, 선박 내에 이산화탄소 포집 장치가 더 구비될 수 있다. 상기 이산화탄소 포집 장치는 선박 운행시 배출되는 배기 가스에서 이산화탄소의 약 65%를 포집할 수 있는 정도로 설치된다.
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/포집 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 처리수단의 전단 또는 염분조절수단의 전단에서 이산화탄소 미세기포의 물리적인 힘 및 흡착효과에 의해 상기 전기분해 처리수단의 전극에서 발생하여 부착된 스케일을 효과적으로 제거할 수 있으며, 이에 전기분해 효율 감소를 효과적으로 억제할 수 있다.
이하, 본 실시예의 바이패스 라인(234)의 작용에 대해 설명한다.
본 실시예에 의하면, 전기분해 처리수단에서 전수통과방식(이하, 비교예라고 함)과 같은 전류량을 인가시켜 최대 1,000mg/L의 높은 TRO 농도를 발생시켜 메인 해수유입관(23)을 통해 유입된 해수와 혼합하여 원하는 수준의 TRO 농도를 설정할 수 있다. 이때, 발라스트탱크(120)의 총 TRO 농도를 일정하게 유지될 수 있다.
비교예에서 발라스트수 탱크로 이어지는 메인 해수유입관에서의 TRO 농도 식은 다음의 식 1과 같다.
<식 1>
Ct = QMCm / Qm
여기서, Ct = 총 TRO 농도(mg/L), QM = 메인 해수유입관에서의 유량(m3/hr), Cm = 메인 해수유입관에서의 TRO 농도(mg/L) 이다.
비전수통과방식인 본 실시예의 경우, 메인 해수유입관(23)과 처리수유입관(231)이 만나는 지점(A)에서의 TRO의 완전 혼합 가정시 TRO 농도식은 다음의 식 2와 같다.
<식 2>
Ct = (QMCM + QBCB) / QM + QB
여기서, Ct = 총 TRO 농도(mg/L), QM = 메인해수유입관(23)에서의 유량(m3/hr), QB = 살균 처리용 해수유입관(24)에서의 유량(m3/hr), Cm = 메인 해수유입관(23)에서의 TRO 농도(mg/L), CB = 살균처리용 해수유입관(24)에서의 TRO 농도(mg/L) 이다.
위 두 물질수지 식 1 및 2에서와 같이 비교예와 실시예에서 총 유량은 동일하므로 총 유량에 대해 발생되는 TRO량 또한 동일하므로, 비교예 또는 실시예에서 인가전류량이 같다면 밸러스트탱크 내 TRO 농도는 동일하다. 즉, 실시예에서 상대적으로 고농도의 TRO 농도를 발생시키는 반면 전력량은 비교예와 동일하게 소비됨을 알 수 있다.
따라서, 본 실시예와 같은 바이패스라인을 이용한 비전수통과방식은, 정류기의 경우 기존 용량(크기)과 동일하지만 처리수량이 줄어든 만큼 정류기 외 모든 장비의 크기를 축소할 수 있다. 특히, 전기분해 처리수단의의 챔버의 크기를 크게 축소시킬 수 있어 선박에서 선박평형수 처리장치를 위한 별도의 공간(밸러스트룸)을 마련할 필요성이 낮다.
또한, 전기분해 처리수단에서 전기분해모듈의 크기를 축소시킨다 하더라도 인가 전류량의 크기는 변하지 않으므로, 허용 전류밀도를 유지하기 위해 전기분해모듈의 크기를 축소하기는 어렵다.
다만, 비교예에서는 전기분해반응기를 통과하는 유속이 빨라 원활한 유량흐름을 위해 전극간격을 5~6mm로 유지하였으나, 본 실시예에서는 전기분해반응기 통과 유속이 느려 전극간격을 2~3mm까지 축소할 수 있다. 이렇게 전극간격을 축소함으로써 전기분해모듈의 크기를 축소할 수 있으며, 전체적으로 전기분해반응기의 크기도 축소할 수 있다.
일반적인 화학반응(A + B → C)에서 반응물 A와 B가 잘 섞여 있다면 반응물이 반응기 내 어느 곳에 위치하고 있더라도 모두 반응에 참여할 수 있다. 그러나 전해수처리와 같은 전기화학반응에서는 전극과 가까운 거리에 존재하는 반응물만이 반응에 참여할 수 있다. 전기화학반응에 참여 할 수 있는 반응물이 존재하는 전극 근처 용액의 범위를 확산층(Diffusion layer)라 하고, 전극으로부터 떨어진 부분을 벌크용액(Bulk solution)이라 한다.
이론적으로 확산 층은 1㎛ 내지 10mm 정도의 두께를 갖는다. 본 실시예는 단일 전극을 사용하여 양극, 음극 사이의 용액을 전기분해 처리를 하는 방식이 아닌 다수의 양극, 음극을 사용하여 하나의 모듈화를 통해 일정 반응기 부피에서 전극의 표면적을 극대화 하여 전기분해효율을 높이고자 하는 기술이다.
이러한 경우 확산 층의 간격을 이론적 범위 내에서 축소시켜 전기분해 효율을 증가시키고, 전기분해 처리수단의 크기를 축소시킬 수 있다. 이에, 전체 장비 축소에 따른 장비설치 소요면적을 추가로 확보할 수 있어 보조 장치 설치가 가능하여 장비고장 등 유사시에 보조장비를 가동하는 등 대비가 가능하다. 또한, 보조장비 운영이 가능해짐에 따라 스케일제거가 용이해지고, 발라스팅(Ballasting) 동작 유무에 상관 없이 유지관리 가능한 이점이 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.
부호의 설명
21 ; 해수유입관 22 ; 발라스트수 배출관
23, 24 ; 제1 및 제2 분기관 111 ; 이산화탄소 탱크
112 ; 레귤레이터 113 ; 벤츄리인젝터
114 ; pH 센서 116 ; 미세기포노즐
120 ; 발라스트탱크
130 ; 정류기 140 ; 전기분해 처리수단
141 ; 전기분해모듈 150 ; 혼합탱크
151 ; 몸체 152a, 152b ; 격벽
211 ; 염분조절수단
220 ; 가스배출수단
233 ; 중화라인

Claims (15)

  1. 해수를 유입하는 해수유입관;
    상기 해수유입관에서 분기되며, 유입된 해수의 95 내지 99중량%를 이송시키는 메인 해수유입관과 유입된 해수의 1 내지 5중량%를 이송시키는 살균 처리용 해수유입관;
    상기 살균 처리용 해수유입관을 통해 유입된 해수에 가스를 주입하여 해수의 pH를 낮추는 pH조절수단;
    상기 pH가 낮추어진 해수에 포함된 가스의 기포를 미립화하여 미세기포로 변환하는 미세기포 발생수단;
    상기 미세기포 발생수단의 후방에 위치하며, 상기 미세기포가 용해되어 pH가 낮춰진 해수를 전기분해하여 전기분해된 해수에 포함된 총 산화물질 중 차아염소산(HOCl) 또는 차아브롬산(HOBr)의 존재비율을 pH조절수단을 거치지 않은 해수에 비하여 증대시켜 상기 미세기포가 용해된 해수를 과량의 차아염소산 또는 차아브롬산으로 살균처리하여 발라스트탱크로 주입하는 전기분해 처리수단;
    상기 메인 해수유입관과 상기 전기분해 처리수단의 후방으로부터 연장되는 살균 처리수 배출관이 접합되는 인젝터; 및
    상기 인젝터 후방에 위치하는 발라스트탱크;를 포함하며,
    상기 전기분해 처리수단은, 정류기; 상기 정류기와 연결된 양극 및 음극단자와, 상기 양극 및 음극단자에 번갈아 배치되도록 형성되며 이산화탄소 미세기포에 의해 스케일(scale)이 제거되는 전기분해부를 포함하는 적어도 하나 이상의 전기분해모듈을 포함하는 전기분해반응기; 및 상기 정류기의 DC 정류 및 상기 전기분해부의 전기분해 구동시간을 제어하여 상기 전기분해반응기의 전기분해 구동시간을 제어하는 제어패널; 을 포함하는 담수, 해수 살균처리가 가능한 비전수통과방식 전기분해 선박평형수 처리장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 미세기포 발생수단에 의해 pH가 낮춰진 해수를 상기 전기분해 처리수단을 거치지 않고 상기 살균 처리수 배출관으로 이송시키는 에어레이션(aeration) 라인을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 담수, 해수 살균처리가 가능한 비전수통과방식 전기분해 선박평형수 처리장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 인젝터에서, 상기 살균 처리수 배출관은 메인 해수유입관의 일측에 연통되게 설치되며, 내측에 설치된 내관이 상기 메인 처리수유입관 내부에 해수의 진행방향을 따라 정중앙에 위치하도록 절곡된 구조를 가지며, 상기 내관의 단부는 와류가 형성되어 메인 해수유입관의 해수에 살균 처리수가 혼합되기 용이하도록 경사면을 갖는 것을 특징으로 하는 담수, 해수 살균처리가 가능한 비전수통과방식 전기분해 선박평형수 처리장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 pH조절수단은, 벤츄리인젝터; 상기 벤츄리인젝터로 유입된 해수에 이산화탄소를 주입하는 농축 이산화탄소 탱크; 및 상기 농축 이산화탄소 탱크의 이산화탄소 주입량을 상기 벤츄리인젝터에 유입된 해수의 pH 및 유량에 따라 조절하는 레귤레이터; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 담수, 해수 살균처리가 가능한 비전수통과방식 전기분해 선박평형수 처리장치.
  5. 제4항에 있어서, 선박 운행시 발생하는 배기 가스로부터 이산화탄소를 포집하여 농축시킨 후 상기 농축 이산화탄소 탱크로 보내는 이산화탄소 포집 장치를 더 포함하는 담수, 해수 살균처리가 가능한 비전수통과방식 전기분해 선반평형수 처리장치.
  6. 제4항에 있어서, 상기 농축 이산화탄소탱크의 이산화탄소를 메인 해수유입관으로 주입하는 이산화탄소 주입라인; 상기 이산화탄소 주입라인 상에 구비되며, 상기 농축 이산화탄소 탱크의 이산화탄소 주입량을 조절하는 레귤레이터; 및 상기 메인 해수유입관과 상기 이산화탄소 주입라인이 합쳐지는 부분에 배치되는 인젝터; 를 더 포함하는 담수, 해수 살균처리가 가능한 비전수통과방식 전기분해 선박평형수 처리장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 인젝터에서, 상기 이산화탄소 주입라인은 상기 메인 해수유입관의 일측에 연통되게 설치되며, 내측에 설치된 내관이 상기 메인 해수유입관 내부에 해수의 진행방향을 따라 정중앙에 위치하도록 절곡된 구조를 가지며, 상기 내관의 단부는 와류가 형성되어 상기 메인 해수유입관의 해수에 이산화탄소가 혼합되기 용이하도록 경사면을 갖는 것을 특징으로 하는 담수, 해수 살균처리가 가능한 비전수통과방식 전기분해 선박평형수 처리장치.
  8. 제6항에 있어서, 상기 메인 해수유입관은 상기 인젝터 후방에 혼합탱크가 배치되며, 상기 혼합탱크는 내부에 가스와 해수의 접촉시간을 늘리기 위해 격벽이 형성되는 것을 특징으로 하는 담수, 해수 살균처리가 가능한 비전수통과방식 전기분해 선박평형수 처리장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 pH조절수단은, 벤츄리인젝터; 상기 벤츄리인젝터로 유입된 해수에 에어(air)를 주입하는 에어콤프레셔; 및 상기 에어콤프레셔의 에어 주입량을 상기 벤츄리인젝터에 유입된 해수의 pH 및 유량에 따라 조절하는 레귤레이터; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 담수, 해수 살균처리가 가능한 비전수통과방식 전기분해 선박평형수 처리장치.
  10. 제1항에 있어서, 상기 전기분해 처리수단 전방에 위치하는 염분조절수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 담수, 해수 살균처리가 가능한 비전수통과방식 전기분해 선박평형수 처리장치.
  11. 제1항에 있어서, 상기 전기분해 처리수단 후방에 위치하며, 해수로부터 탈기된 가스를 배출시키기 위한 가스배출수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 담수, 해수 살균처리가 가능한 비전수통과방식 전기분해 선박평형수 처리장치.
  12. 제1항에 있어서, 상기 발라스트탱크 전방에 위치하는 라인 믹서(static line mixer)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 담수, 해수 살균처리가 가능한 비전수통과방식 전기분해 선박평형수 처리장치.
  13. 제1항에 있어서, 상기 발라스트탱크 후방에 위치하며, 상기 발라스트탱크에서 배출되는 해수의 TRO가 허용농도 이상일 경우 상기 해수를 해수유입관 쪽으로 순환시키는 중화라인을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 담수, 해수 살균처리가 가능한 비전수통과방식 전기분해 선박평형수 처리장치.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 미세기포 발생수단은, 메인 해수유입관에서 인젝터 후방에 배치되는 혼합탱크로부터 유입된 기포를 미립화하여 미세기포로 만드는 미세기포노즐을 포함하는 것을 특징으로 하는 담수, 해수 살균처리가 가능한 비전수통과방식 전기분해 선박평형수 처리장치.
  15. 해수유입관을 통해 유입된 해수 중 95 내지 99중량%를 발라스트탱크 쪽으로 이송시키고, 1 내지 5중량%는 전기분해 처리수단 쪽으로 이송시키는 단계;
    상기 1 내지 5 중량%의 해수에 가스를 주입하여 해수의 pH를 낮추는 단계;
    상기 해수에 포함된 가스의 기포를 미립화하여 미세기포로 만드는 단계;
    상기 미세기포가 용해되어 pH가 낮춰진 해수를 전기분해하여 전기분해된 해수에 포함된 총 산화물질 중 차아염소산(HOCl) 또는 차아브롬산(HOBr)의 존재비율을 pH조절수단을 거치지 않은 해수에 비하여 증대시켜 상기 미세기포가 용해된 해수를 과량의 차아염소산 또는 차아브롬산으로 살균처리하고, 상기 미세기포를 이용하여 전기분해 처리시 발생되는 스케일을 제거하는 단계;
    상기 발라스트 탱크 쪽으로 이송된 95 내지 99중량%의 해수와 상기 살균 처리된 처리수를 혼합하는 단계; 및
    상기 혼합된 해수를 발라스트탱크로 주입하는 단계; 를 포함하는 담수, 해수 살균처리가 가능한 비전수통과방식 전기분해 선박평형수 처리방법.
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