WO2018199417A1 - 수처리용 글로우 플라즈마 반응장치 및 그 작동방법 - Google Patents

수처리용 글로우 플라즈마 반응장치 및 그 작동방법 Download PDF

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WO2018199417A1
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reaction tube
plasma
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한주호
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주식회사 가나플라텍
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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
    • C02F1/48—Treatment of water, waste water, or sewage with magnetic or electric fields
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/4697—Generating plasma using glow discharges

Definitions

  • the present invention relates to a glow plasma reactor for water treatment and a method of operating the same, and more particularly, to improve the efficiency of water treatment with a configuration that can maintain continuous performance and reactivity of a plasma reactor including a dielectric and an electrode.
  • the present invention relates to a glow plasma reactor for water treatment and a method of operating the same.
  • Plasma is the fourth material discovered by scientists in the 1800's, and in the discharge tube test, an abnormality was found that was different from light. Later, scientist Langmuir discovered that this light-like phase formed a material phase. It was advocated to call it a substance and began to be called the Greek origin plasma.
  • Plasma usage methods in the water treatment process conducted at the highly reliable international conferences show that the plasma generation conditions are satisfied and the plasma technology is based on the plasma technology.
  • Ozone and ultraviolet light are by-products of plasma completion, not targets. That is, the production of plasma to use the plasma should be the basis, not to produce the plasma to use ozone or ultraviolet light.
  • Ozone is a substance entropy gas and one oxygen atom is attached to one oxygen molecule to move in molecular form.
  • One oxygen atom of ozone must be released from oxygen molecule by external energy to become active oxygen and have oxidizing power.
  • the process of water treatment with ozone involves applying physical force such as bubbles or removing oxygen atoms of ozone by particles and wavelength energy such as ultraviolet rays. Dissociation is homogeneous, but identity is completely wrong.
  • Plasma is a fourth phase in which the phase of the material entropy gas is phase-shifted, and unlike ozone, it moves in a separate collection of electrons and ions.
  • there are heavier atoms and dependencies in the set but it would be more accurate to refer to them as plasma groups rather than atoms or molecules.
  • ozone is blue in the atmosphere, and plasma is colored in various colors depending on the type. This similarity, but different energy levels and physical properties.
  • the energy level moving in the direction of the fluid is lowered, the reaction distance is short, and the conductivity is low.
  • the plasma is moved as it is. Since the new plasma is generated in the original place, the reaction length is long and the moved plasma is also conductive.
  • the conductivity described in this section is somewhat different from the meaning of conductor.
  • Plasma has the property of transferring electric charge and polarization like dielectric and even if polarization occurs, internal electric field is not lowered unlike dielectric.
  • Plasma moves and moves collectively, while ozone disperses when it moves. Ozone is generated naturally because gas dissociates when plasma is generated, but plasma is not generated to use ozone. In addition, completing the plasma produces many wavelengths and particles. Ultraviolet rays also exist but do not produce plasma to utilize them. Plasma is used for water treatment directly using plasma, which is a substance, not ozone or ultraviolet rays generated by plasma production. The accompanying ozone and ultraviolet light are just a few of the various light particles and models that plasma has. As described above, the technical background in the plasma water treatment process will be described and solved the problems of the conventional plasma water treatment.
  • the most important part of the above conditions is the design condition of the reactor which becomes the subjective condition. All other conditions are objective. Power source has compatibility and objectivity like DC pulse, AC, high frequency, microwave, and discharge is limited by arc discharge, corona discharge, streamer discharge, glow discharge, dielectric barrier discharge, and anode and cathode according to voltage and waveform. But the reactor has no limit.
  • the prior art in the field of plasma water treatment is subjective and creative but unnecessarily accompanied with a secondary device or equipment. These accompanying devices and installations are often necessary, but they are often accompanied by ancillary installations that are not needed, although the plasma can solve them.
  • the most numerous types of technology for example, are the production of plasma in reactors and then the transfer into air into the water. In some cases, such as a basin or reactant tank may be accompanied.
  • quartz is used as the dielectric because it is resistant to moderate dielectric constant and tropical response. Quartz or glass as a dielectric is not a problem at the laboratory level but is unsuitable for continuous plasma processing or high energy plasma production. Due to the atmospheric pressure characteristics, it is difficult to produce a stable balanced plasma because it does not constitute a vacuum chamber and opens. When the arc discharge occurs at the start voltage before the plasma stabilizes or after the progression of the plasma, even in the low temperature plasma, the quartz is partially melted at the moment due to the movement of the temperature and concentrated on the melted portion, causing the arc to continue, resulting in total damage.
  • the plasma produced is particle and wavelength, so the collision of the particle and the particle and the variation of the wavelength are often equal to the natural frequency of quartz.
  • quartz becomes a problem because the pressure increases due to resonance, and when it reaches the limit point, it is cracked due to coupling loss and eventually damaged.
  • plasma is a low temperature plasma
  • the contact surface is low temperature, but the center is high temperature, so the cathode or anode is deteriorated in operation continuously unless it is in a vacuum state.
  • Plasma is concentrated only partly due to the deviation, making it difficult to generate stable plasma, and the reaction area is reduced, and thus the efficiency is lowered.
  • the present invention is to solve this problem, the reaction tube is installed on the water flow passage to produce a glow plasma by the plasma reaction is a water treatment is quickly performed, the dielectric of the plasma reactor comprising a reaction tube and the electrode The present invention provides a glow plasma reactor for water treatment that prevents thermal deformation and increases water treatment efficiency by maintaining continuous performance.
  • the present invention and the reaction tube is provided with a predetermined length;
  • the reaction tube is provided with a ceramic tube, and the first electrode is characterized in that the circular metal tube having an outer diameter of at least 1/2 size than the inner diameter of the reaction tube.
  • the first electrode is coupled to the hollow portion of the fixing piece which is installed in close contact with the inner wall of the reaction tube and water flows from the inlet of the reaction tube to the opening of the first electrode, between the inner wall of the reaction tube and the outer wall of the first electrode.
  • the treated water is discharged through the outlet of the reaction tube located in the.
  • the method of operating the glow plasma reactor for water treatment by which power is supplied to the first and second electrodes when water is ejected into the water passage hole of the first electrode and strikes the inner wall of the reaction tube. It features.
  • a plasma reactor is installed in a pipeline through which water flows to generate a stable glow plasma.
  • the present invention maintains performance by preventing thermal deformation of a plasma reactor including a reaction tube and an electrode while allowing it to react with water.
  • Water treatment efficiency can be improved, and processes such as water sterilization, water disinfection, and ionized hardly decomposable organic substance decomposition are cheaper than conventional electrolysis, ozone treatment, ultraviolet irradiation method, and conventional arc treatment plasma production water treatment method. It has the effect of quick and accurate water treatment.
  • FIG. 1 is a perspective view showing the configuration of a reactor in a glow plasma reactor for water treatment according to the present invention.
  • Figure 2 is a perspective view showing the configuration of the reactor in the glow plasma reactor for water treatment according to the present invention.
  • FIG 3 is a cross-sectional view showing the configuration of a glow plasma reactor for water treatment according to the present invention.
  • Figure 4 is a cross-sectional view showing an embodiment of the operation of the glow plasma reactor for water treatment according to the present invention.
  • Figure 5 is a view of another embodiment showing the arrangement of a plurality of reactors in the glow plasma reactor for water treatment according to the present invention.
  • Figure 6 is a view of another embodiment showing a water treatment by repeatedly supplying water, such as waste water contained in the water tank to the reactor in the water treatment glow plasma reactor according to the present invention.
  • a plasma reactor for generating a glow plasma by a plasma reaction on a pipeline through which water flows includes a reactor including a reaction tube 110, first and second electrodes 120 and 130, and a housing 140. 100) is configured to maintain continuous performance and rapid water treatment.
  • the reaction tube 110 of the present invention is preferably provided with a ceramic tube, the reaction tube 110 is provided for the international standard piping standards to be connected to the current water treatment pipe can be used universally, the present invention
  • the reason why the reaction tube 110 uses ceramics without using quartz, which is a dielectric used to generate a conventional plasma, is because the dielectric constant is lower than quartz, but it is more resistant to heat and has a higher breakdown strength in the case of a circular tube.
  • the reaction tube 110 having a predetermined length of tubular body is provided, and the first electrode 120 is provided as a pipeline with a predetermined gap between the inner wall of the reaction tube 110 and the first electrode 120 is a reaction tube. It is provided with a circular metal tube made of a conductor having an outer diameter of at least 1/2 size than the inner diameter of the 110 and having a thickness of at least 1 mm or more depending on the diameter and the thickness of the reaction tube 110, the first electrode 120 is a negative electrode or It is configured to be connected to the positive electrode.
  • An opening 123 is formed in a portion of the first electrode 120 where water flows in, and a blocking wall 124 is formed on the opposite side in the longitudinal direction to block the flow of water, and the first electrode 120 is formed of a circular metal tube. Water flowing through the opening 123 of the first electrode 120 is blocked by the blocking wall 124 and the blocking wall 124 is formed with a plurality of perforated holes 125 formed around the pipe of the Bubbles are generated by the action of hitting the inner wall of the reaction tube 110 while the water is ejected to the plurality of water passage holes 125 by the blocking pressure of).
  • the inner wall of the reaction tube 110 and the outer wall of the first electrode 120 corresponds to the most appropriate active region as a reaction region in which plasma is generated. This is because water introduced into the first electrode 120 Water is divided into a plurality of water passage holes 125 perforated around the first electrode 120 to eject water, and thus, the tension of the water is weakened, thereby enabling rapid reaction.
  • the first electrode 120 is screwed to the hollow portion 122 of the fixing piece 121 which is installed in close contact with the inner wall of the reaction tube 110, so that the first electrode at the inlet 111 of the reaction tube 110.
  • Water may be introduced into the opening 123 of the 120, and the water flowing through the opening 123 of the first electrode 120 may be blocked by the blocking wall 124 at the end of the pipe and be surrounded by the pipe. It is ejected into a plurality of through-holes (125) formed and hit the inner wall of the reaction tube 110, and then subjected to water treatment by plasma reaction between the inner wall of the reaction tube 110 and the outer wall of the first electrode (120) The water treated through the outlet 112 of the 110 is discharged.
  • the fixing piece 121 to which the first electrode 120 is coupled is made of rubber or a resin material having a low dielectric constant, and is closely attached to the inner wall of the reaction tube 110, and has a first power source at one end of the first electrode 120.
  • the connecting terminal 126 is provided.
  • the length of the first electrode 120 is the diameter of the first electrode 120 at a surface area of about 120 mm per 1 kV of applied voltage except for the surface area of the coupling portion where the first electrode 120 is coupled to the fixing piece 121. It is preferable that the length of the remaining value is obtained by subtracting the multiplied by the circumferential ratio. If the length of the first electrode 120 is too long, the reaction force with water is reduced compared to the charge given with the plasma production efficiency, and if the electric field is too short, There is a disadvantage that the arc is frequently generated.
  • the second electrode 130 corresponding to the first electrode 120 is installed along the outer circumference of the reaction tube 110 to be connected to the negative electrode or the positive electrode.
  • the second electrode 130 is composed of a ceramic tube, but is formed of a porous conductive metal mesh to closely wrap the outer wall of the reaction tube 110 or spaced within a limit of not more than 1 mm from the outer wall of the reaction tube 110. It is preferable to maintain the length of the second electrode 130 is proportional to the length of the first electrode 120.
  • cylindrical magnet 150 is installed around the reaction tube 100 in the proximal position spaced apart without contacting the longitudinal end of the second electrode 130 so that the plasma extends out of the proper region by the magnet 150. It is desirable to perform the role of confining the energy so that it is not dispersed.
  • a second power connection terminal 131 is also provided at one end of the second electrode 130, and the plasma produced by applying power to the first electrode 120 and the second electrode 130 is provided.
  • a housing 140 for blocking ozone generated by contact with ambient air is configured.
  • the housing 140 is installed to a predetermined length on the outside of the reaction tube 110 to allow a component including the reaction tube 110 and the first and second electrodes 120 and 130 to be accommodated therein, and the housing ( 140 is preferably a cylindrical tube made of a resin material which is a non-conductive insulator, because when the housing 140 is a conductive metal, the plasma may conduct and lose reaction energy.
  • the present invention provides an air pump (160) provided to increase bubbles of water flowing into the first electrode (120) inside the reaction tube (110), and water in the first electrode (120) inside the reaction tube (110). It is provided with a water flow pump 170 for introducing the power, the power required to produce a plasma is supplied with power such as DC pulse, AC, high frequency, microwave.
  • the power supply step (S1) of the air pump 160 to supply air to the pipe constituting the first electrode 120 in the reaction tube 110;
  • a power supply step (S2) of the water flow pump 170 for introducing water into the first electrode 120 inside the reaction tube 110;
  • the water is ejected to the water passage hole 125 of the first electrode 120 to hit the inner wall of the reaction tube 110, power is applied to the first and second electrodes 120 and 130 (S3). It consists of;
  • the second electrode 130 is connected to the negative electrode.
  • the first electrode 120 is the positive electrode
  • the second electrode 130 is connected to the positive electrode.
  • the plasma reactor 100 according to the present invention may be used by connecting a plurality of reactors 100 as shown in FIG. 5 according to the capacity and processing speed of the water to be treated, and water for water treatment by the configuration installed as shown in FIG. 6.
  • the water tank 200 and the plasma reactor 100 in which the water inlet 201 and the water outlet 202 are provided are connected thereto, and the water in the water tank 200 is controlled by the controller 180. It is desirable to be able to treat the source of the pollutant with a high pollutant load, such as livestock wastewater, as a means to continuously and repeatedly supplied to the water treatment.
  • An embodiment of the plasma reactor according to the present invention as described above is as follows.
  • the power is applied to the air pump 160 to constitute the first electrode 120 inside the reaction tube 110 by the air pump 160.
  • the air is supplied to the water supply and then the power is supplied to the water flow pump 170, the water flows into the pipe of the first electrode 120 installed inside the reaction tube 110 by the water flow pump 170.
  • the water flowing into the pipe of the first electrode 120 is a primary bubble is generated by the air of the air pump 160 and then a plurality of water passage holes 125 formed around the pipe of the first electrode 120 As the water is divided and ejected, the tension of the water is greatly weakened by the bubbles further enhanced by the secondary bubble generation by the action of hitting the inner wall of the reaction tube 110.
  • the present invention can greatly increase the efficiency of water treatment, such as sterilization of the water, water disinfection, ionization, etc., and enables rapid water treatment.

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Abstract

본 발명은 유전체와 전극을 포함하는 플라즈마 반응기의 지속적인 성능유지와 반응성을 높일 수 있도록 한 구성으로 수처리 효율성을 크게 향상시킬수 있도록 한 수처리용 글로우 플라즈마 반응장치 및 그 작동방법에 관한 것이다. 즉, 본 발명은 일정 길이로 구비되어 있는 반응관과; 상기 반응관의 내벽과 일정 간극을 두고 관로로 구비되는 제1전극을 설치하되 물이 유입되는 부분은 개구부가 형성되고, 길이방향 반대편은 물의 흐름을 차단하는 차단벽이 형성되며, 관로 둘레에 복수개로 천공된 통수구멍이 형성되어 있는 제1전극과; 상기 반응관의 외부 둘레를 따라서 제1전극과 대응하는 제2전극이 설치하되 다공성의 전도체 금속 메쉬로 되어 있는 제2전극과; 상기 제2전극의 길이방향 끝단부와 이격되고 반응관 둘레에 설치되는 원통형 자석과; 상기 반응관의 외측에 일정길이로 설치되고 절연체로 구비되는 하우징으로 이루어진 반응기를 포함하며; 상기 반응관 내부의 제1전극에 물을 유입시키기 위한 수류펌프와; 상기 반응관 내부의 제1전극에 유입되는 물의 기포증대를 위해 구비되는 에어펌프와; 상기 반응관의 내벽과 제1전극의 외벽 사이에서 플라즈마 반응으로 수처리되어 배출되도록 한 수처리용 글로우 플라즈마 반응장치 및 그 작동방법을 특징으로 한다.

Description

수처리용 글로우 플라즈마 반응장치 및 그 작동방법
본 발명은 수처리용 글로우 플라즈마 반응장치 및 그 작동방법에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 유전체와 전극을 포함하는 플라즈마 반응기의 지속적인 성능유지와 반응성을 높일 수 있도록 한 구성으로 수처리 효율성을 크게 향상시킬수 있도록 한 수처리용 글로우 플라즈마 반응장치 및 그 작동방법에 관한 것이다.
플라즈마는 이미 1800년대에 과학자들이 발견한 제4의 물질로서 방전관 시험과정에서 빛과는 틀린 전이상이 발견되어 후에 과학자 랭뮤어가 이 빛과 비슷한 상이 하나의 물질상을 이루는 것을 밝혀내고 제4의 물질로 지칭하자고 주창하고 그리이스어원인 플라즈마(plasma)라고 명명하기 시작 하였다.
현대에 들어서면서 과학자들은 플라즈마가 고체, 액체, 기체, 플라즈마로 물질 3상에서 물질 4상으로 기체에서 플라즈마로 전이되는 상과정을 연구하기 시작하면서 많은 분야에 플라즈마가 쓰일 수 있다는 것을 예측하기 시작 하였고 다양한 용도성을 가지는 공정용 플라즈마와 장치들을 개발하기까지에 이르고 있다.
최근에는 산업발전과 화석연료 사용의 증가로 파괴된 자연환경의 보호와 복구를 위하여 플라즈마를 사용하여 매연을 줄이고 산업 배연을 줄여 환경을 보호하는 기술이 환경응용산업기술로 주목 받고 있다. 탄소연료 사용으로 대기상으로 배출되는 유해가스는 그동안 열을 사용하여 소각하여 배출 되어 왔으나 비용과 제2차 오염을 유발하여 문제가 되어 왔으나 플라즈마로 처리함으로서 제2차 오염이 없고 운용비용도 줄이는 효과를 도출 하고 있기 때문이다.
앞으로도 대기환경 분야에 플라즈마가 어떤 형태로던 도입 되어 더 많은 역할을 수행할 것이라는 예측에는 변함이 없으나 일부 선도적 과학자나 플라즈마엔지니어들이 수질환경쪽에서도 플라즈마가 미래에 역할을 할 것이라는 이론에는 많은 학자들이 부정적인 입장을 취하여 오고 있었다. 그것은 플라즈마는 기체로부터 상전이 되기 때문이고 재료도 기체가 재료가 되기 때문이다. 그러나 이러한 부정적 견해는 수중플라즈마 발생 식품살균처리 시연의 성공으로부터 시작하여 아래의 문헌들과 같이 복수의 실제 실험과 추적결과에 의하여 수중에서도 플라즈마의 발생과 이용이 가능하고 수처리 용도로서의 유용함이 검증되고 있고, 수처리에 이용하는 플라즈마 기술들도 다수 개시되어 있다.
신뢰성 높은 국제학술 발표회에서 시행한 수처리공정상의 플라즈마 이용방법들을 보면 플라즈마 생성조건을 만족시키고 플라즈마라는 중심기술을 기반하고 있으며 그 효과의 결과 또한 플라즈마에서 기인되고 있음을 알 수 있다. 오존과 자외선은 플라즈마를 완성하면 생기는 부수물이지 생성의 목적물은 아니다. 즉, 플라즈마를 사용하기 위한 플라즈마의 생성이 기본이 되어야지 오존이나 자외선을 사용하기 위하여 플라즈마를 생산하는 것은 아니다.
오존은 물질 엔트로피상 기체이고 산소원자 하나가 산소분자 하나에 붙은 형태로 존재하여 분자형태로 움직인다 오존의 산소원자 하나가 외부에너지에 의하여 산소분자에서 떨어져 나와야 활동산소가 되어 산화력을 가지게 된다. 그래서 오존으로 수처리를 하는 공정에서는 기포와 같은 물리적인 힘을 가하던지 자외선과 같은 입자와 파장 에너지로 오존의 산소원자 하나를 떼어내는 공정을 수반하게 된다.오존이나 플라즈마나 높은 에너지를 발생시켜 기체를 해리하는 방법은 동질성을 가지나 정체는 완전히 틀리다. 플라즈마는 물질 엔트로피상 기체가 상전이된 제4의 물질상으로 오존과는 다르게 전자와 이온이 분리된 집합으로 움직인다. 물론 집합내에는 보다 더 무거운 원자들과 종속들도 존재하지만 원자나 분자집단이라기보다는 플라즈마 집단이라고 지칭하는 것이 더 정확할 것이다.
오존이나 플라즈마나 직접 눈으로는 볼 수 없으나 기종이 피크에너지로 들뜬 상태에서 기저될 때 열과 빛으로 들떳던 에너지를 이전하므로 대기상에서 오존은 푸른빛으로 플라즈마는 종류에 따라 여러 가지 색상의 빛을 보게 되는 것이다.이와 같은 유사성은 가지고 있으나 에너지 준위와 물리적 성질은 다르다. 오존에 방향을 가진 적당한 유체를 가하면 유체의 방향으로 이동되는 에너지 준위는 낮아지고 반응거리가 짧고 전도성이 낮다. 플라즈마에 같은 세기의 유체를 가하면 플라즈마는 그대로 이동 된다. 원래 있었던 자리에는 새 플라즈마가 생성되므로 반응길이가 길고 이동된 플라즈마도 전도성을 가진다. 이부분에서 설명하는 전도성이란 도체라는 뜻과는 좀 다르다. 전하를 이송하는 성질을 가지고 유전체와 같이 분극성을 가지며 분극이 일어나도 유전체와는 다르게 내부 전기장은 낮아 지지 않는 성질이 있다. 플라즈마는 움직이면서도 집합적으로 움직이고 오존은 움직일때는 분산이 된다. 플라즈마를 생성할 때 기체가 해리되므로 오존이 자연적으로 생성 되지만 오존을 이용하기 위하여 플라즈마를 생성하는 것은 아니다. 또한 플라즈마를 완성시키면 많은 파장과 입자가 생성된다. 자외선도 존재하지만 자외선을 이용하기 위하여 플라즈마를 생산하는 것은 아니다. 플라즈마를 수처리에 이용하는 것은 플라즈마 생산으로 발생된 오존이나 자외선이 아니고 물질인 플라즈마를 직접 이용하는 것이다. 동반되어 생성된 오존과 자외선은 플라즈마가 가지는 다양한 광 입자들과 기종들중의 일부일 뿐이다. 상기와 같이 플라즈마 수처리 공정에서의 기술적 배경을 설명하면서 종래의 플라즈마 수처리의 문제점도 제시하고 해결 하고자 한다.
수처리공정에서“플라즈마를 이용한다”라고 하였을 때 모든 방법이 다 같을 수는 없지만 플라즈마를 기반으로 하는 것은 동일하며 목표 실현을 위해서 가장 경제적이고 실용적으로 어떻게 접근을 할 것인지가는 다음과 같은 공통적인 조건이 제시된다.
하나 : 전원의 설계조건
하나 : 방전방법의 조건
하나 : 반응기의 설계조건
하나 : 캐소드와 애노드의 선택조건
상기 조건중에 제일 중요한 부분이 주관적 조건이 되는 반응기의 설계조건이다. 그 외 조건들은 모두가 객관적이다. 전원은 직류펄스,교류,고주파,마이크로파와 같이 상용성과 객관성을 가지고 있으며 방전은 전압과 파형에 따라 아크방전,코로나방전,스트리머방전,글로우방전,유전체장벽 방전등으로 한계적이고 애노드와 캐소드도 한계적이지만 반응기는 한계가 없다. 그런데 플라즈마 수처리분야의 종래 기술들은 주관성과 창작성은 있으나 불필요하게 부수장치나 설비를 동반하고 있다. 이러한 동반되는 장치와 설비들이 꼭 필요한 경우도 있지만 직접 플라즈마가 해결 할 수 있음에도 불구하고 필요하지 않은 부수설비들을 동반하는 경우들이 많다. 제일 많은 유형의 예를 들면 반응기에서 플라즈마를 생산한 다음에 에어로 수중에 이송시키는 기술들이다. 거치수조나 반응물탱크와 같은 것 들이 동반 되는 경우들도 있다.
한편 수중 플라즈마 실험과 연구가 이루어지는 이유는 효율이 좋은 반응기의 하나이기 때문이지만, 이를 실용화 하기 위해서는 사용되는 유전체가 지속성을 유지해야 하는 해결과제가 있으며 전극은 열화 되므로 열화 되지 않도록 하는 해결과제가 존재 한다.
대개 유전체로 석영을 사용하고 있는데 이유는 적당한 유전율과 열대응에 강하기 때문이다. 유전체로서의 석영이나 유리는 실험실 수준에서는 문제가 되지 않으나 지속적으로 플라즈마 공정에 사용하거나 고에너지의 플라즈마 생성 용도에서는 적합치가 않게 된다. 대기압 특성상 진공의 챔버를 구성하지 않고 오픈하는 관계로 안정된 평형 플라즈마를 생산하기 어렵다. 플라즈마가 안정되기전의 개시전압이나 진행후의사태전압에서 아크 방전이 되면 저온플라즈마라도 온도의 중심이동으로 부분적으로 석영이 순간에 녹아 버리고 녹은 부분에 집중되어 아크가 계속 발생되어 결국 전체적인 손상으로 이어진다.
또한 생산된 플라즈마는 입자와 파장이어서 입자와 입자의 충돌과 파장의 변동으로 석영의 고유 주파수와 같아지는 경우가 많다. 이때 석영은 공진으로 압력이 증가하여 한계점이 되면 결합 손실로 금이 가고 결국 손상 되므로 문제점이 된다.
한편 플라즈마는 저온플라즈마라고 하더라도 접촉표면이 저온이지 중심은 고온이므로 진공상태가 아닌 이상 캐소드(cathode)이든 애노드(anode)이든 계속 운전에서 열화되기 마련인데 열변형이 되던지 부분적 용융이 일어나더라도 전압분배 편차에 의하여 부분적으로만 플라즈마가 집중되어 안정적인 플라즈마 생성이 어렵고 그만큼 반응영역이 작아지게 되어 능률이 낮아져 지속적인 성능유지의 문제점이 있다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 물이 흐르는 관로상에 플라즈마 반응으로 글로우 플라즈마가 생성되도록 하는 반응관이 설치되어 신속하게 수처리가 이루어지고, 유전체인 반응관과 전극을 포함하는 플라즈마 반응기의 열변형을 방지하여 지속적인 성능유지로 수처리 효율을 높일 수 있도록 한 수처리용 글로우 플라즈마 반응장치를 제공함에 있다.
본 발명은 일정 길이로 구비되어 있는 반응관과; 상기 반응관의 내벽과 일정 간극을 두고 관로로 구비되는 제1전극을 설치하되 물이 유입되는 부분은 개구부가 형성되고, 길이방향 반대편은 물의 흐름을 차단하는 차단벽이 형성되며, 관로 둘레에 복수개로 천공된 통수구멍이 형성되어 있는 제1전극과; 상기 반응관의 외부 둘레를 따라서 제1전극과 대응하는 제2전극이 설치하되 다공성의 전도체 금속 메쉬로 되어 있는 제2전극과; 상기 제2전극의 길이방향 끝단부와 이격되고 반응관 둘레에 설치되는 원통형 자석과; 상기 반응관의 외측에 일정길이로 설치되고 절연체로 구비되는 하우징으로 이루어진 반응기를 포함하며;
상기 반응관 내부의 제1전극에 물을 유입시키기 위한 수류펌프와; 상기 반응관 내부의 제1전극에 유입되는 물의 기포증대를 위해 구비되는 에어펌프와; 상기 반응관의 내벽과 제1전극의 외벽 사이에서 플라즈마 반응으로 수처리되어 배출되도록 한 수처리용 글로우 플라즈마 반응장치를 특징으로 한다.
상기 반응관은 세라믹관으로 구비되고, 상기 제1전극은 반응관의 내경보다 적어도 1/2크기의 외경을 가지는 원형 금속관으로 구비됨을 특징으로 한다.
상기 제1전극은 반응관의 내벽을 따라 밀착되게 설치되는 고정편의 중공부에 결합되어 반응관의 입구에서 제1전극의 개구부로 물이 유입되고, 상기 반응관의 내벽과 제1전극의 외벽 사이에 위치하는 반응관의 출구를 통해 수처리된 물이 배출되는 것을 특징으로 한다.
상기 제1항의 구성으로 이루어진 플라즈마 반응장치에 전원 공급이 이루어지되 상기 반응관 내부의 제1전극을 구성하는 관로에 에어공급이 이루지도록 하는 에어펌프의 전원 인가단계와; 반응관 내부의 제1전극에 물이 유입되도록 하는 수류펌프의 전원 인가단계와; 상기 제1전극의 통수구멍으로 물이 분출되어 반응관의 내벽에 부딪히는 작용시에 제1,2전극에 전원이 인가되는 단계;로 전원 공급이 이루어지도록 한 수처리용 글로우 플라즈마 반응장치의 작동방법을 특징으로 한다.
본 발명은 물이 흐르는 관로에 플라즈마 반응기가 설치되어 안정된 글로우 플라즈마(glow plasma)를 생성할 수 있고, 물과 반응하게 하면서도 반응관과 전극을 포함하는 플라즈마 반응기의 열변형을 방지하여 지속적인 성능유지로 수처리 효율을 높일 수 있고, 물의 살균, 수세소독, 이온화 난분해성 유기물 분해등의 공정을 종래의 전기분해, 오존처리, 자외선 조사 방식은 물론이고 종래의 아크성 방전 플라즈마생산 이용 수처리 방식보다 더 저렴하면서도 빠르고 정확하게 수처리를 할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 의한 수처리용 글로우 플라즈마 반응장치에서 반응기의 구성을 나타낸 사시도.
도 2는 본 발명에 의한 수처리용 글로우 플라즈마 반응장치에서 반응기의 구성을 나타낸 사시도.
도 3은 본 발명에 의한 수처리용 글로우 플라즈마 반응장치의 구성을 나타낸 단면도.
도 4는 본 발명에 의한 수처리용 글로우 플라즈마 반응장치의 작동 실시예를 나타낸 단면도.
도 5는 본 발명에 의한 수처리용 글로우 플라즈마 반응장치에서 복수개의 반응기를 배치한 것을 나타낸 또 다른 구성 실시예의 도면.
도 6은 본 발명에 의한 수처리용 글로우 플라즈마 반응장치에서 물탱크에 담겨지는 폐수 등의 물을 반응기에 연속 반복적으로 순환 공급시켜 수처리하는 것을 나타낸 또 다른 구성 실시예의 도면.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 발명은 물이 흐르는 관로상에 플라즈마 반응으로 글로우 플라즈마가 생성되도록 하는 플라즈마 반응장치는 유전체인 반응관(110), 제1,2전극(120)(130), 하우징(140)으로 이루어진 반응기(100)를 포함하는 구성으로 지속적인 성능 유지 및 신속한 수처리가 이루어지도록 되어 있다.
본 발명의 반응관(110)은 세라믹관으로 구비함이 바람직한 것으로, 반응관(110)은 국제 규격의 배관 규격별로 구비되어 현재의 수처리 배관에 연결하여 범용적으로 사용할 수 있도록 되어 있으며, 본 발명의 반응관(110)은 종래 플라즈마를 생성시키기 위해 사용하는 유전체인 석영을 쓰지 않고 세라믹을 쓰는 이유는 유전율은 석영보다 낮으나 열에 강하며 원형관일 경우 파괴강도가 더 높기 때문이다.
상기 일정 길이의 관체로 된 반응관(110)이 구비되고, 반응관(110)의 내벽과 일정 간극을 두고 관로로 구비되는 제1전극(120)을 설치하되 제1전극(120)은 반응관(110)의 내경보다 적어도 1/2크기의 외경을 가지며 반응관(110)의 구경과 두께에 따라 적어도 1mm이상의 두께가 되는 전도체로된 원형 금속관으로 구비되고, 제1전극(120)은 음전극 또는 양전극과 연결되는 구성으로 되어 있다.
상기 제1전극(120)의 물이 유입되는 부분은 개구부(123)가 형성되고, 길이방향 반대편은 물의 흐름을 차단하는 차단벽(124)이 형성되며, 원형 금속관으로 된 제1전극(120)의 관로 둘레에 복수개로 천공된 통수구멍(125)이 형성되어 있는 구성으로 제1전극(120)의 개구부(123)를 통해 유입되는 물은 차단벽(124)에 의해 차단됨과 아울러 차단벽(124)의 차단압력에 의해 복수개의 통수구멍(125)으로 물이 분출되면서 반응관(110)의 내벽에 부딪히는 작용으로 기포 생성이 이루어진다.
상기 반응관(110)의 내벽과 제1전극(120)의 외벽 사이는 플라즈마가 생성되는 반응영역으로 가장 적정한 활성영역에 해당되는 것으로, 이는 제1전극(120)의 내부로 유입되는 물이 제1전극(120)의 둘레에 복수개로 천공된 통수구멍(125)으로 물이 분할되어 분출되는 작용으로 물의 장력이 약해져서 빠른 반응이 이루어질 수 있다.
상기 반응관(110)의 내벽을 따라 밀착되게 설치되는 고정편(121)의 중공부(122)에 제1전극(120)이 나사 결합되어 반응관(110)의 입구(111)에서 제1전극(120)의 개구부(123)로 물이 유입될 수 있게 되어 있고, 상기 제1전극(120)의 개구부(123)를 통해 유입되는 물은 관로 끝단의 차단벽(124)에 차단되고 관로 둘레에 형성된 복수개의 통수구멍(125)으로 분출되어 반응관(110)의 내벽에 부딪힌 다음 상기 반응관(110)의 내벽과 제1전극(120)의 외벽 사이에서 플라즈마 반응으로 수처리가 된 다음 반응관(110)의 출구(112)를 통해 수처리된 물이 배출되는 구성으로 되어 있다.
상기 제1전극(120)이 결합되는 고정편(121)은 고무나 유전율이 낮은 수지재질로 구비되어 반응관(110) 내벽에 밀착 지지되고, 제1전극(120)의 일측단에 제1전원접속단자(126)가 구비되어 있다.
이때, 제1전극(120)의 길이는 제1전극(120)이 고정편(121)에 결합되는 결합부분의 표면적을 제외하고 인가전압 1kV당 120mm정도의 표면적에서 제1전극(120)의 관경과 원주율을 곱한 값을 뺀 나머지 값의 길이로 구성함이 바람직한 것으로, 이는 제1전극(120)의 길이가 너무 길면 플라즈마 생산효율이 주어지는 전하에 비하여 떨어져서 물과의 반응력을 감소시키고 너무 짧으면 전기장이 강해져서 아크가 자주 일어나는 단점이 생기게 된다.
상기 반응관(110)의 외부 둘레를 따라서 제1전극(120)과 대응하는 제2전극(130)이 설치되어 음전극 또는 양전극과 연결되는 구성으로 되어 있다. 제2전극(130)은 세라믹관으로 구성하되 다공성의 전도체 금속 메쉬로 구비되어 반응관(110)의 외벽을 밀착되게 감싼 형태이거나 반응관(110)의 외벽으로 부터 1mm이내를 벗어나지 않는 한도에서 간격을 유지하도록 함이 바람직하고, 제2전극(130)의 길이는 제1전극(120)의 길이와 비례하도록 되어 있다.
또, 제2전극(130)의 길이방향 끝단부와 맞닿지 않고 이격되는 근접 위치의 반응관(100) 둘레에 원통형 자석(150)이 설치되어 자석(150)에 의해 플라즈마가 적정영역을 벗어나 확대되어 에너지가 분산되지 못하게 가두어 두는 역할을 수행하도록 함이 바람직하다.
상기 제2전극(130)의 일측단에도 전원을 연결하는 제2전원접속단자(131)가 구비되고, 상기 제1전극(120)과 제2전극(130)에 전원을 인가하여 생산된 플라즈마가 주위공기와의 접촉으로 생성되는 오존의 차단을 위한 하우징(140)이 구성된다.
상기 하우징(140)은 반응관(110)의 외측에 일정 길이로 설치되어 반응관(110), 제1,2전극(120)(130)을 포함하는 구성부재가 수납될 수 있게 하고, 하우징(140)은 비전도성 절연체인 수지 소재의 원통관이 바람직한 것으로, 하우징(140)이 전도체 금속인 경우 플라즈마가 전도 되어 반응 에너지를 손실할 수 있기 때문이다.
본 발명은 상기 반응관(110) 내부의 제1전극(120)에 유입되는 물의 기포증대를 위해 구비되는 에어펌프(160)와, 상기 반응관(110) 내부의 제1전극(120)에 물을 유입시키기 위한 수류펌프(170)로 구비되어 있으며, 플라즈마를 생산하는데 필요한 전원은 직류펄스, 교류, 고주파, 마이크로파와 같은 전원이 공급된다.
그리고 플라즈마 반응기(100)에 유입되는 물의 역류방지 및 제1,2전극(120)(130)을 포함하는 전원이 공급되는 구성부재들의 열화를 방지하기 위하여 단계별 전원공급이 되어 작동되도록 함이 바람직하다.
먼저, 반응관(110) 내부의 제1전극(120)을 구성하는 관로에 에어공급이 이루지도록 하는 에어펌프(160)의 전원 인가단계(S1)와; 반응관(110) 내부의 제1전극(120)에 물이 유입되도록 하는 수류펌프(170)의 전원 인가단계(S2)와; 상기 제1전극(120)의 통수구멍(125)으로 물이 분출되어 반응관(110)의 내벽에 부딪히는 작용시에 제1,2전극(120)(130)에 전원이 인가되는 단계(S3);로 이루어진다.
이는 반응관(110)에 물이 채워지지 않은 상태에서 제1,2전극(120)(130)에 전원이 인가되는 경우에 아크나 코로나 플라즈마나 글라이드 플라즈마가 생성되어 열변형이 되는 것을 방지하도록 함에 있으며, 또한 인가된 전원은 차단하는 경우에도 상기 전원인가의 역순으로 함으로써 종래 수중플라즈마 공정에서의 전극열화의 방지, 유전체 손상을 방지하고 장기간 지속적인 성능 유지가 가능하도록 한 것이다.
상기에서 제1전극(120)이 양전극이면 제2전극(130)은 음전극과 연결되고, 반대로 제1전극(120)이 음전극이면 제2전극(130)은 양전극과 연결이 되도록 한다.
그리고 본 발명에 의한 플라즈마 반응기(100)는 처리대상 물의 용량과 처리속도에 따라 도 5과 같은 반응기(100)를 복수개로 연결하여 사용 할 수도 있고, 도 6과 같이 설치된 구성에 의해 수처리하기 위한 물이 담겨지고 입수부(201)와 출수부(202)가 구비되어 있는 물탱크(200)와 플라즈마 반응기(100)가 연결되고 제어부(180)에 의해 물탱크(200)의 물이 플라즈마 반응기(100)에 연속 반복적으로 순환 공급되어 수처리가 되도록 한 수단으로 축산 폐수 등과 같은 오염부하량이 높은 오염원의 수처리를 할 수 있도록 함이 바람직하다.
이와 같이 된 본 발명에 의한 플라즈마 반응장치의 실시예를 설명하면 다음과 같다.
먼저, 본 발명의 플라즈마 반응기(100)에 의해 수처리를 하기 위해서는 에어펌프(160)에 전원을 인가하여 에어펌프(160)에 의해 반응관(110) 내부의 제1전극(120)을 구성하는 관로에 에어공급이 이루지도록 한 다음 수류펌프(170)에 전원을 인가하여 수류펌프(170)에 의해 반응관(110) 내부에 설치된 제1전극(120)의 관로에 물이 유입된다.
이때 제1전극(120)의 관로에 유입되는 물은 에어펌프(160)의 에어에 의해 1차적인 기포가 생성이 이루어진 다음 제1전극(120)의 관로 둘레에 형성된 복수개의 통수구멍(125)으로 물이 분할되어 분출되면서 반응관(110)의 내벽에 부딪히는 작용으로 2차적인 기포 생성으로 한층 증진된 기포에 의해 물의 장력이 크게 약해지게 된다.
이어서 제1,2전극(120)(130)에 전원을 인가하게 되면, 반응관(110)의 내벽과 제1전극(120)의 외벽 사이의 플라즈마가 생성되는 반응영역에서는 기포와 기포, 기포와 물 사이의 장벽에 전하가 전달되어 기포와 기포, 기포와 물입자의 충돌에 의해 유기물들을 분해하여 이온화하는 수처리가 이루어진다.
이러한 본 발명은 물의 살균, 수세소독, 이온화 등의 수처리 효율성을 크게 증대시키고 신속한 수처리를 할 수 있게 된다.
이상에서 본 발명은 상기 실시예를 참고하여 설명하였지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형실시가 가능함은 물론이다.

Claims (5)

  1. 일정 길이로 구비되어 있는 반응관(110)과;
    상기 반응관(110)의 내벽과 일정 간극을 두고 관로로 구비되는 제1전극(120)을 설치하되 물이 유입되는 부분은 개구부(123)가 형성되고, 길이방향 반대편은 물의 흐름을 차단하는 차단벽(124)이 형성되며, 관로 둘레에 복수개로 천공된 통수구멍(125)이 형성되어 있는 제1전극(120)과;
    상기 반응관(110)의 외부 둘레를 따라서 제1전극(120)과 대응하는 제2전극(130)이 설치하되 다공성의 전도체 금속 메쉬로 되어 있는 제2전극(130)과;
    상기 제2전극(130)의 길이방향 끝단부와 이격되고 반응관(100) 둘레에 설치되는 원통형 자석(150)과;
    상기 반응관(110)의 외측에 일정길이로 설치되고 절연체로 구비되는 하우징(140)으로 이루어진 반응기(100)를 포함하며;
    상기 반응관(110) 내부의 제1전극(120)에 물을 유입시키기 위한 수류펌프(170)와,
    상기 반응관(110) 내부의 제1전극(120)에 유입되는 물의 기포증대를 위해 구비되는 에어펌프(160)와,
    상기 반응관(110)의 내벽과 제1전극(120)의 외벽 사이에서 플라즈마 반응으로 수처리되어 배출되도록 한 것을 특징으로 하는 수처리용 글로우 플라즈마 반응장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 반응관(110)은 세라믹관으로 구비되는 것을 특징으로 하는 수처리용 글로우 플라즈마 반응장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제1전극(120)은 반응관(110)의 내경보다 적어도 1/2크기의 외경을 가지는 원형 금속관으로 구비됨을 특징으로 하는 수처리용 글로우 플라즈마 반응장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제1전극(120)은 반응관(110)의 내벽을 따라 밀착되게 설치되는 고정편(121)의 중공부(122)에 결합되어 반응관(110)의 입구(111)에서 제1전극(120)의 개구부(123)로 물이 유입되고, 상기 반응관(110)의 내벽과 제1전극(120)의 외벽 사이에 위치하는 반응관(110)의 출구(112)를 통해 수처리된 물이 배출되는 것을 특징으로 하는 수처리용 글로우 플라즈마 반응장치.
  5. 상기 제1항의 구성으로 이루어진 플라즈마 반응장치에 전원 공급이 이루어지되
    상기 반응관(110) 내부의 제1전극(120)을 구성하는 관로에 에어공급이 이루지도록 하는 에어펌프(160)의 전원 인가단계(S1)와;
    반응관(110) 내부의 제1전극(120)에 물이 유입되도록 하는 수류펌프(170)의 전원 인가단계(S2)와;
    상기 제1전극(120)의 통수구멍(125)으로 물이 분출되어 반응관(110)의 내벽에 부딪히는 작용시에 제1,2전극(120)(130)에 전원이 인가되는 단계(S3);로 전원 공급이 이루어지도록 한 것을 특징으로 하는 수처리용 글로우 플라즈마 반응장치의 작동방법.
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