WO2023096321A1 - 플라즈마를 이용한 고순도 no2 가스 발생장치 및 플라즈마 이용 질산태 기반의 고농도 활성수 및 비료수 제조장치 - Google Patents

플라즈마를 이용한 고순도 no2 가스 발생장치 및 플라즈마 이용 질산태 기반의 고농도 활성수 및 비료수 제조장치 Download PDF

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water
gas generator
concentration
ozone
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홍용철
양건우
신용욱
김해광
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한국핵융합에너지연구원
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    • C01B2201/70—Cooling of the discharger; Means for making cooling unnecessary

Definitions

  • the present invention relates to a technique for generating NO 2 gas and producing high-concentration active water and fertilizer water using the generated NO 2 gas.
  • nitric oxide As nitric oxide (NO) has been proven to have beneficial medical effects on human health such as cardiovascular disease, anti-aging, skin beauty, and skin diseases, an aqueous solution of nitric oxide that can be drunk or inhaled and an aqueous solution of nitric oxide for sterilization and disinfection have been developed.
  • the aqueous solution of nitric oxide is prepared by dissolving nitrogen oxide (NO) in water using pure water and air as raw materials and combining oxygen and nitrogen at a very high temperature by arc discharge.
  • NO nitrogen oxide
  • the present inventors have developed a high-purity NO 2 gas generating device and a high-concentration activated water producing device capable of increasing the ratio of nitrogen oxide dissolved in water by mixing nitrogen oxide and ozone.
  • the problem to be solved by the present invention is to provide a high-purity NO 2 gas generator and a high-concentration active water production device using the same to generate high-purity NO 2 gas and produce high-concentration activated water with an increased dissolved rate of NO 2 there is.
  • High purity NO 2 gas generator is an ozone gas generator; A nitrogen oxide gas generator containing NO; and a mixing unit mixing the ozone from the ozone gas generator and the gas from the nitrogen oxide gas generator.
  • the nitrogen oxide gas may include NO, N 2 O 4 , N 2 O, NO 2 , and N 2 O 5 .
  • the ozone gas generating device is a plasma device, and the plasma device may be configured to generate ozone by converting a gas containing oxygen into plasma.
  • the plasma device may be a DBD or corona discharge plasma device.
  • the nitrogen oxide gas generator is a plasma device, and the plasma device may be configured to generate NO by converting a gas containing oxygen and nitrogen into plasma.
  • the plasma device may be a gliding arc type plasma device.
  • the gliding arc type plasma device may include a rod-shaped inner electrode; cylindrical external electrodes spaced apart from each other and surrounding the internal electrodes; an injection unit for injecting the gas containing oxygen and nitrogen between the internal electrode and the external electrode; and a discharge hole disposed on the opposite side of the injection part and configured to discharge a gas containing NO, wherein a gap between the internal electrode and the external electrode gradually increases toward the discharge hole in a longitudinal direction of the internal electrode, and between the gaps A gliding arc may be configured to occur.
  • a first cooling means for cooling the ozone gas from the ozone gas generator before being injected into the mixing unit may be included.
  • the first cooling means may increase the preservation rate of ozone by cooling the ozone gas before being mixed with the gas containing NO.
  • a second cooling means for cooling the NO gas from the NO gas generator before being injected into the mixing unit may be included.
  • the second cooling means cools the NO-containing gas before being mixed with the ozone gas, so that when the NO-containing gas and the ozone gas are mixed, the temperature of the ozone gas is controlled by the NO-containing gas. It is possible to increase the retention rate of ozone by preventing an increase in
  • An apparatus for producing high-concentration active water includes an upright cylindrical column forming a flow path along a longitudinal direction; a water supply unit located above the column and supplying water to the passage; a gas supply unit located below the passage and supplied with gas containing NO 2 gas; and an outlet located at a lower end of the passage and discharging fluid.
  • the gas containing the NO 2 gas may be gas generated from the NO 2 gas generator of claim 1 .
  • structured packing may be stacked within the column.
  • the structured packing may increase contact efficiency between the water and a gas containing NO 2 .
  • a circulation pipe branched from the discharge pipe connected to the discharge port and connected to the water supply unit may be further included.
  • the circulation tube circulates water in which NO 2 is dissolved to dissolve NO 2 at a target concentration.
  • the circulation pipe may include a valve or a circulation speed control pump.
  • the circulation tube includes a pH detecting means, and compares the pH of the pH detecting means with a target pH to control the circulation speed through the circulation speed control pump or to determine whether the circulation is blocked through the valve. You can control it.
  • the exhaust gas outlet located on the upper side of the column; And further comprising a nitrogen oxide gas component and concentration detection means from the exhaust gas of the exhaust gas outlet, by comparing the nitrogen oxide gas component and concentration from the detection means with a target component and concentration, water supply, NO 2 supply or
  • the circulation speed of the circulation pipe may be controlled.
  • a water container may be included on the upper side of the outlet at the lower end of the column.
  • NO 2 of the gas supplier to the water container may be supplied through a bubbler.
  • the water of the water supply unit may include KOH or Ca(OH) 2 .
  • the high-purity NO 2 gas can be generated using the high-purity NO 2 gas generator, the high-purity NO 2 gas can be supplied to the high-concentration activated water production device according to the present invention, and the dissolved rate of NO 2 This increased high-concentration active water can be produced, the ratio of NO 2 dissolved in water can be monitored, and through this monitoring, there is an advantage in that high-concentration active water can be produced at a target NO 2 dissolution ratio. .
  • FIG. 1 is a schematic diagram for explaining the configuration of a high-purity NO 2 gas generator according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is an enlarged view of the gliding arc type plasma device shown in FIG. 1 .
  • FIG. 3 is a graph showing the concentration of nitrogen oxides generated in the conventional microwave plasma generator and the gliding arc plasma generator according to FIG. 2 .
  • Figure 4 is a graph showing the result of measuring the ratio of NO 2 generated through the high-purity NO 2 gas generator according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a perspective view for explaining the configuration of an apparatus for producing high-concentration active water according to an embodiment of the present invention.
  • Example 6 shows NO 2 produced by dissolving NO 2 gas generated using only the pH of an NO 2 aqueous solution (Example) and a gliding plasma device in water produced through an apparatus for producing high-concentration active water according to an embodiment of the present invention. It is a graph comparing the pH of an aqueous solution (comparative example).
  • FIG. 7 is a graph measuring the concentration of nitrate ions generated by dissolving NO 2 in each of the high-concentration activated water of Example and Comparative Example of FIG. 6 .
  • first and second may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. These terms are only used for the purpose of distinguishing one component from another. For example, a first element may be termed a second element, and similarly, a second element may be termed a first element, without departing from the scope of the present invention.
  • FIG. 1 is a schematic diagram for explaining the configuration of a high-purity NO 2 gas generator according to an embodiment of the present invention.
  • a high purity NO 2 gas generator includes an ozone gas generator 100 , a nitrogen oxide gas generator 200 and a mixing unit 300 .
  • the ozone gas generator 100 is configured to generate ozone gas.
  • the ozone gas generator 100 may be a plasma device.
  • the plasma device may be configured to generate ozone by converting a gas containing oxygen into plasma.
  • the plasma device may be a dielectric barrier discharge (DBD) or corona discharge capable plasma device.
  • the plasma device may be a device that generates a dielectric barrier discharge.
  • DBD dielectric barrier discharge
  • the plasma device may be a device that generates a dielectric barrier discharge.
  • the nitrogen oxide gas generator 200 may be configured to generate nitrogen oxide gas containing NO.
  • the nitrogen oxide gas generator 200 may be a plasma device, and the plasma device may be configured to generate NO by converting a gas containing oxygen and nitrogen into plasma.
  • the plasma device constituting the nitrogen oxide gas generator 200 may be a gliding arc type plasma device.
  • FIG. 2 is an enlarged view of the gliding arc type plasma device shown in FIG. 1 .
  • the gliding arc plasma device 210 includes a rod-shaped internal electrode 211, a cylindrical external electrode 212 spaced apart from each other and surrounding the internal electrode 211, the internal electrode 211, and An injection part 213 for injecting a gas containing oxygen and nitrogen between the external electrodes 212, and a discharge port 214 for discharging a gas containing NO located on the opposite side of the injection part 213,
  • the gap between the internal electrode 211 and the external electrode 212, that is, the separation distance may be configured to gradually increase toward the discharge port 214 in the longitudinal direction of the internal electrode 211.
  • the injection part 213 is partially hollow in the longitudinal direction of the internal electrode 211 and is formed in the longitudinal direction of the internal electrode 211, and a swirl gas discharge port 215 is provided at the end of the injection part 213. can be formed.
  • the swirl gas outlet 215 may be formed in a tangential direction of the internal electrode 211, and the number of swirl gas outlets 215 may be two.
  • the outlet 214 may be formed opposite the injection part 213, that is, at an end of the external electrode 212.
  • a portion of the internal electrode 211 in the longitudinal direction may be formed in a hollow shape, and the external electrode 212 may include an inclined surface surrounding the internal electrode 211 .
  • the external electrode 212 may have a structure in which an outer circumference gradually increases in a longitudinal direction and then decreases, and a plasma discharge port of the external electrode 212 may be opened.
  • this gliding arc type plasma device 210 power is supplied to the internal electrode 211 and the external electrode 212 to generate the gliding arc plasma, and the injection part 213 of the internal electrode 211 A gas containing oxygen and nitrogen is injected into the furnace, and the injected gas passes through the injection part 213 and is spirally discharged through the swirl gas outlet 215 to form the internal electrode 211 and the external electrode 212.
  • a gliding arc may be generated between the plasma and the gliding arc type plasma.
  • the gas containing oxygen and nitrogen is converted into plasma to generate NO, and the NO may be discharged through the outlet 214 .
  • This gliding arc type plasma can generate nitrogen oxide gas containing NO more efficiently than other plasma devices.
  • FIG. 3 is a graph showing the concentration of nitrogen oxides generated in the conventional microwave plasma generator and the gliding arc plasma generator according to FIG. 2 .
  • the concentration of nitrogen oxides in the conventional microwave plasma generator is about 16000 ppm
  • the concentration of nitrogen oxides in the gliding arc plasma generator according to FIG. 2 is about 26000 ppm. is ppm. Therefore, it can be seen that in the case of the gliding arc type plasma generating device, the concentration of nitrogen oxides generated compared to the input power is higher.
  • the mixing unit 300 may be configured to mix the ozone from the ozone gas generator 100 and the gas from the nitrogen oxide gas generator 200 .
  • the structure of the mixing unit 300 may be configured in the form of a chamber providing a mixing space in which the ozone and the gas can be injected and mixed.
  • the high-purity NO 2 gas generator may further include a first cooling means 410 and a second cooling means 420 .
  • the first cooling unit 410 may cool the ozone gas from the ozone gas generator 100 before being injected into the mixing unit 300 .
  • the first cooling unit 410 may be connected to a rear end of the ozone gas generator 100 to receive ozone gas discharged from the ozone gas generator 100 .
  • the second cooling means 420 may cool the gas containing NO from the nitrogen oxide gas generator 200 before being injected into the mixing unit 300 .
  • the second cooling unit 420 may be connected to a rear end of the nitrogen oxide gas generator 200 to accommodate the gas containing NO discharged from the nitrogen oxide gas generator 200 .
  • first cooling means 410 and the second cooling means 420 there is no particular limitation on the structure of the first cooling means 410 and the second cooling means 420, and for example, the first cooling means 410 and the second cooling means 420 are It may be configured in the form of a heat exchanger in which the ozone or the NO gas is cooled by heat exchange.
  • the retention rate of the ozone can be increased by cooling the ozone gas with the first cooling means 410, and the gas containing NO can be cooled by the ozone gas. If the temperature is higher than that, it is preferable to cool the ozone by the second cooling means 420 because the ozone is easily decomposed by increasing the temperature of the ozone. Therefore, after cooling the ozone and NO gas through the first cooling means 410 and the second cooling means 420, respectively, the ozone and NO gas are mixed to increase the retention rate of ozone, thereby producing high-purity NO 2 gas. may occur.
  • the high-purity NO 2 gas generator converts a gas containing oxygen and nitrogen into plasma in the nitrogen oxide gas generator 200 to produce a nitrogen oxide gas containing NO.
  • the generated gas containing NO is cooled by the first cooling means 410, and after generating the ozone gas in the ozone gas generator 100, the generated ozone gas is cooled by the second cooling means. It was cooled in 420, and NO 2 gas was generated by mixing the pre-cooled nitrogen oxide gas and ozone gas containing NO in the mixing unit 300.
  • the voltage applied to the gliding arc type plasma device 210 constituting the nitrogen oxide gas generator 200 The mixing unit ( 300), the ratio of NO 2 in the gas finally generated was measured.
  • a TESTO flue gas analyzer was used as a measurement tool.
  • Figure 4 is a graph showing the result of measuring the ratio of NO 2 generated through the high-purity NO 2 gas generator according to an embodiment of the present invention.
  • GA means a case where gas containing NO is generated using only the gliding arc type plasma device 210, and GA + Ozone generator generates gas containing NO by including all the configurations of the present invention means in the case of
  • the NO 2 ratio is increased in the device of the present invention compared to the case where only the gliding arc type plasma device 210 is used, and the dielectric barrier plasma constituting the ozone gas generator 100 It was confirmed that the NO 2 ratio further increased when the voltage applied to the device was increased.
  • high-purity NO 2 gas can be generated using the high-purity NO 2 gas generator according to an embodiment of the present invention.
  • High-concentration activated water having a high NO 2 dissolved rate can be produced by dissolving the high-purity NO 2 gas generated by using the high-purity NO 2 gas generator according to an embodiment of the present invention in water.
  • FIG. 5 is a perspective view for explaining the configuration of an apparatus for producing high-concentration active water according to an embodiment of the present invention.
  • High-concentration active water production apparatus is connected to the rear end of the mixing unit 300 of the high-purity NO 2 gas generator, NO 2 gas is introduced, and the introduced NO 2 gas is dissolved in water to obtain high concentration configured to produce activated water.
  • the high-concentration active water production apparatus may include a column 510, a water supply unit 520, a gas supply unit 530, and an outlet 540.
  • the column 510 is provided in a vertically upright cylinder type, and a channel 511 through which fluid can pass may be formed along the longitudinal direction of the column 510 .
  • a plurality of structured packings 512 may be stacked along the longitudinal direction of the flow path 511.
  • the structured packing 512 means an open cell structured packing having a plurality of pores through which a fluid can pass, and there are no particular restrictions on its shape and material.
  • the structured packing 512 may be made of a metal material.
  • the water supply unit 520 is fluidly connected to the upper side of the flow path 511 to supply water to the upper side of the flow path 511 .
  • the water supply unit 520 may be connected to the top of the column 510 in the form of a pipe.
  • the gas supply unit 530 is fluidly connected to the lower side of the flow path 511 to supply gas containing NO 2 gas into the flow path 511 .
  • the gas supply unit 530 is connected between the mixing unit 300 and the column 510 of the high-purity NO 2 gas generator according to an embodiment of the present invention, and the gas generated by mixing in the mixing unit 300 A gas containing NO 2 may be supplied into the passage 511 .
  • the outlet 540 is fluidly connected to the lower end of the flow path 511 to discharge the fluid passing through the flow path 511 .
  • the outlet 540 may be connected to the lower end of the flow path 511 in the form of a pipe, and a discharge pipe 550 may be connected to the end of the outlet 540 .
  • the apparatus for producing highly concentrated active water further includes a circulation pipe 560, and the circulation pipe 560 includes a valve (not shown) or a circulation speed control pump 561 and a pH detecting means. (562).
  • the circulation pipe 560 is branched to the discharge pipe 550 connected to the discharge port 540 and connected to the water supply unit 520, and the NO 2 dissolved water discharged from the discharge port 540 is transferred to the flow path 511 ) can be circulated to the top of
  • the valve When the valve is installed in the circulation pipe 560, the valve may open and close the passage of the circulation pipe 560.
  • the valve may be an electronic on-off valve.
  • the circulation speed control pump 561 When the circulation speed control pump 561 is installed in the circulation pipe 560, the circulation speed control pump 561 increases the circulation speed of water in which NO 2 is dissolved circulated through the circulation pipe 560 or can be lowered
  • the pH detection means 562 is installed on the circulation pipe 560 and can detect the pH of water in which NO 2 is dissolved circulated through the circulation pipe 560 .
  • a control unit (not shown) may be electrically connected to the pH detecting unit 562 and the circulation speed control pump 561 or the valve.
  • a target pH value in which the dissolved rate of NO 2 is set to a specific value may be previously input and stored in the control unit, and the pH value of water in which NO 2 is dissolved detected by the pH detecting unit 562 and the target pH value may be stored. pH values are compared, and according to the result, the circulation rate of the water in which the NO 2 is dissolved may be controlled through the circulation rate control pump 561 or whether or not the circulation is blocked may be controlled through the valve.
  • the target pH value may be set to a low pH value.
  • valve and the circulation speed control pump 561 may be used to control whether or not the circulation of the water in which the NO 2 is dissolved is circulated or the circulation speed.
  • the circulation speed control pump 561 In order to quickly reach the target pH value, the NO 2 is dissolved Since it is advantageous to rapidly circulate the water, it is preferable to use the circulation speed control pump 561.
  • the high-concentration active water production apparatus detects the components and concentrations of nitrogen oxide gas from the exhaust gas outlet 570 located on the upper side of the column 510 and the exhaust gas of the exhaust gas outlet 570.
  • a means 580 may be further included.
  • the exhaust gas outlet 570 is supplied through the gas supply unit 530 and then passed through the flow path 511 and supplied through the water supply unit 520 and then contacted with water passing through the flow path 511 and gas after contact. is the exit from which
  • the detection unit 580 may be electrically connected to the control unit, and target components and concentrations of the nitrogen oxide gas set to specific values may be previously input and stored in the control unit. Accordingly, the control unit compares the components and concentrations of the nitrogen oxide gas from the detection means 580 with the target components and concentrations, and supplies water, NO 2 , or the nitrogen oxide gas circulated through the circulation pipe 560. The circulation speed of water in which NO 2 is dissolved can be controlled.
  • the target component and concentration may be set to a value having a low NO 2 component and concentration.
  • the apparatus for producing high-concentration active water may further include a water container 591 and a bubbler 592.
  • the water container 591 may be disposed between the lower end of the column 510 and the upper side of the outlet 540, and may be provided to accommodate a certain amount of water falling to the lower end of the flow path 511. .
  • the bubbler 592 is accommodated inside the water container 591 and is connected to the gas supply unit 530 so that the NO 2 gas supplied through the gas supply unit 530 is bubbled into the flow path 511. ) can be supplied.
  • the gas containing NO 2 generated in the high-purity NO 2 gas generator is supplied from the lower side of the flow path 511 of the column 510 through the gas supply unit 530, Water is supplied to the upper side of the flow path 511 of the column 510 through the water supply unit 520 .
  • water of a certain level may be filled in the water container 591, and the gas containing NO 2 is injected toward the bubbler 592 accommodated in the water container 591, and the It is supplied in the form of bubbles in the water container 591 through the bubbler 592. Accordingly, a portion of NO 2 may be dissolved in water at a stage in which the supply of NO 2 to the flow path 511 starts.
  • the water supplied to the flow path 511 falls toward the lower side of the flow path 511, that is, toward the water container 591, and gas containing NO 2 that is not dissolved in the water container 591 moves toward the upper side of the flow path 511 .
  • the gas including the water and the NO 2 passes through the plurality of structured packings 512 while passing through the structured packings 512 without the structured packings 512.
  • the movement is delayed so that sufficient contact with each other can be made. Accordingly, NO 2 is dissolved in water, the water in which NO 2 is dissolved falls to the lower side of the flow path 511, and a part of the gas not dissolved in water may be discharged through the exhaust gas outlet 570. .
  • the NO 2 dissolved water falling down the flow path 511 may be discharged through the outlet 540 or may be circulated to the upper side of the flow path 511 through the circulation pipe 560 .
  • the water in which the NO 2 is dissolved can be pumped by the circulation speed control pump 561 and supplied to the upper side of the flow path 511, and at this time, the circulation pipe 560 In the process of passing through the pH detection unit 562, the pH of the water in which the NO 2 is dissolved is measured, and the pH value measured by the pH detection unit 562 is compared with the target pH value through the control unit. After that, according to the result, the control unit controls the circulation speed of the water in which the NO 2 is dissolved by controlling the circulation speed control pump 561 .
  • the control unit controls the circulation speed control pump 561 to detect the NO 2 dissolved in water.
  • the circulation speed of the water in which NO 2 is dissolved may be slowed down by controlling the circulation speed control pump 561 .
  • the gas after contacting water in the passage 511 is discharged to the outside of the passage 511 through the exhaust gas outlet 570 .
  • the exhaust gas discharged through the exhaust gas outlet 570 passes through the component and concentration detection unit 580 of the nitrogen oxide gas from the exhaust gas, and the components and concentration of the nitrogen oxide gas are measured.
  • the component and concentration of the nitrogen oxide gas from the measured exhaust gas are compared with the component and concentration of the target nitrogen oxide gas previously input to the control unit in the control unit, and according to the result, the control unit supplies water, NO 2 supply, or the circulation
  • the circulation rate of the water in which the NO 2 is dissolved and circulated through the pipe 560 may be controlled.
  • the composition and concentration of nitrogen oxide gas from the exhaust gas measured by the detection unit 580 is a value that does not reach the target composition and concentration, the water supply amount is increased so that NO 2 gas is more dissolved in water. You can control it.
  • pH detecting means 562 and the nitrogen oxide component and concentration detecting means 580 may control the fluid circulation speed while operating in parallel.
  • the high-concentration active water production apparatus when supplying gas containing NO 2 , it is supplied in bubbles so that NO 2 is primarily added to water at the time of supply of gas containing NO 2 .
  • NO 2 In the process of circulating the water in which NO 2 was dissolved and then circulating the water in which NO 2 was dissolved, while measuring the pH of the water in which NO 2 was dissolved and the components and concentrations of exhaust gas after NO 2 was dissolved, NO 2
  • NO 2 There is an advantage in that the dissolved rate of NO 2 can be increased to produce high-concentration active water with increased dissolved rate of NO 2 .
  • the gas containing NO 2 supplied to the high-concentration active water production device of the present invention is supplied as high-purity NO 2 gas through the high-purity NO 2 gas generator of the present invention, NO 2 can be more easily and quickly dissolved in water. There is an advantage that the dissolved rate of NO 2 can be further increased in high-concentration active water.
  • the ratio of NO 2 dissolved in water can be monitored through the pH detecting means 562 and the nitrogen oxide component and concentration detecting means 580. There is an advantage of being able to produce activated water.
  • the produced high-concentration activated water can be used for sterilization and disinfection in the medical field, food industry, water purification or fertilizer in agriculture and environmental fields.
  • Example 6 shows NO 2 produced by dissolving NO 2 gas generated using only the pH of an NO 2 aqueous solution (Example) and a gliding plasma device in water produced through an apparatus for producing high-concentration active water according to an embodiment of the present invention. It is a graph comparing the pH of an aqueous solution (comparative example).
  • FIG. 7 is a graph measuring the concentration of nitrate ions generated by dissolving NO 2 in each of the high-concentration activated water of Example and Comparative Example of FIG. 6 .
  • the water supplied from the water supply unit ( ) of the high-concentration active water production device may include KOH or Ca(OH) 2 .
  • fertilizer water containing KOH or Ca (OH) 2 can be made by the following reaction equation, and the fertilizer water can be used as liquid fertilizer can
  • the high-concentration active water production device of the present invention is branched from the outlet opening and closing valve for opening and closing the outlet 540 on the exhaust gas outlet 570, and the gas supply unit 530 ), and a recovery pipe opening/closing valve installed on the exhaust gas recovery pipe to open and close the exhaust gas recovery pipe.
  • the components and concentrations of the nitrogen oxides from the exhaust gas through the nitrogen oxide component and concentration detection means 580 are values that do not reach the target components and concentrations
  • the components and concentrations of the measured exhaust gas are converted into the exhaust gas.
  • the gas may be returned to the gas supply unit 530 through the recovery pipe and supplied to the flow path 511 of the column 510 again. Accordingly, when water and undissolved NO 2 gas in the exhaust gas remain, there is an advantage in that NO 2 in the gas supplied to the flow path 511 can be completely dissolved without being discarded by dissolving them again in water.

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Abstract

본 발명의 고순도 NO2 가스 발생 장치는 오존 가스 발생장치; NO를 포함하는 질소산화물 가스 발생장치; 및 상기 오존 가스 발생장치로부터의 오존과 상기 질소산화물 가스 발생장치로부터의 가스를 혼합하는 혼합부를 포함한다. 상기 고순도 NO2 가스 발생 장치로부터의 NO2를 포함하는 가스는 고농도 활성수 및 비료수 제조장치로 공급될 수 있다. 상기 본 발명의 고농도 활성수 및 비료수 제조장치는 길이방향을 따라 유로를 형성하는 직립된 실린더형 칼럼(column); 상기 칼럼의 상측에 위치하고 상기 유로로 물이 공급되는 물 공급부; 상기 유로의 하측에 위치하고 NO2 가스를 포함하는 가스가 공급되는 가스 공급부; 및 상기 유로의 하단에 위치하고 유체를 배출하는 배출구를 포함한다.

Description

플라즈마를 이용한 고순도 NO2 가스 발생장치 및 플라즈마 이용 질산태 기반의 고농도 활성수 및 비료수 제조장치
본 발명은 NO2 가스를 발생시키고, 그 발생된 NO2 가스를 이용하여 고농도 활성수 및 비료수를 제조하는 기술에 관한 것이다.
산화질소(NO)는 심혈관질환, 노화방지, 피부미용, 피부질환 등의 인체 건강에 유익한 의학적 효능이 입증되면서 음용이나 흡입이 가능한 산화질소 수용액 및 살균 소독용의 산화질소 수용액이 개발되고 있다.
상기 산화질소 수용액은 산화질소(NO)를 순수 물과 공기를 원료로 산소와 질소를 아크방전으로 초고온 화합한 산화질소 기체를 물에 용존시키는 방법으로 제조된다.
이러한 산화질소 수용액은 그 효능을 높이기 위해 산화질소를 물에 용해되는 비율을 높일 필요가 있다.
이에, 본 발명자는 산화질소 및 오존을 혼합하여 물에 용해되는 산화질소의 비율을 높일 수 있는 고순도 NO2 가스 발생 장치 및 고농도 활성수 제조장치를 개발하기에 이르렀다.
[선행기술문헌]
[특허문헌]
한국등록특허 제10-1308788호
한국등록특허 제10-1379274호
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 고순도 NO2 가스를 발생시키고, NO2의 용존율이 증가된 고농도 활성수를 제조할 수 있도록 한 고순도 NO2 가스 발생장치 및 이를 이용한 고농도 활성수 제조장치를 제공하는데 있다.
또한, 물에 용해된 NO2의 비율을 모니터링할 수 있고, 이러한 모니터링을 통해 목표로 하는 NO2의 용해 비율로 고농도 활성수를 제조할 수 있도록 한 고농도 활성수 제조장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고순도 NO2 가스 발생 장치는 오존 가스 발생장치; NO를 포함하는 질소산화물 가스 발생장치; 및 상기 오존 가스 발생장치로부터의 오존과 상기 질소산화물 가스 발생장치로부터의 가스를 혼합하는 혼합부를 포함한다.
예를 들어, 상기 질소산화물 가스는 NO, N2O4, N2O, NO2, N2O5를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 오존 가스 발생장치는 플라즈마 장치이며, 상기 플라즈마 장치는 산소를 포함하는 가스를 플라즈마화 하여 오존을 발생하도록 구성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 플라즈마 장치는 DBD 또는 코로나 방전 플라즈마 장치일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 질소산화물 가스 발생장치는 플라즈마 장치이며, 상기 플라즈마 장치는 산소 및 질소를 포함하는 가스를 플라즈마화 하여 NO를 발생하도록 구성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 플라즈마 장치는 글라이딩 아크형 플라즈마 장치일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 글라이딩 아크형 플라즈마 장치는, 막대형 내부 전극; 상기 내부 전극을 이격하여 둘러싸는 원통형 외부 전극; 상기 내부 전극과 상기 외부 전극 사이로 상기 산소 및 질소를 포함하는 가스를 주입하는 주입부; 및 상기 주입부의 반대측에 위치하는 NO를 포함하는 가스를 토출하는 토출구를 포함하고, 상기 내부 전극과 상기 외부 전극의 간극은 상기 내부 전극의 길이 방향으로 상기 토출구 쪽으로 점차 커지도록 구성되고, 상기 간극 사이로 글라이딩 아크가 발생하도록 구성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 오존 가스 발생장치로부터의 오존 가스를 상기 혼합부로 주입되기 전에 냉각시키는 제1 냉각수단을 포함할 수 있다.
상기 제1 냉각수단은 상기 오존 가스가 NO를 포함하는 가스와 혼합되기 전에 냉각시켜서 오존의 보존율을 높일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 NO 가스 발생장치로부터의 NO 가스를 상기 혼합부로 주입되기 전에 냉각시키는 제2 냉각수단을 포함할 수 있다.
상기 제2 냉각수단은 상기 NO를 포함하는 가스를 상기 오존 가스와 혼합되기 전에 냉각시켜서, 상기 NO를 포함하는 가스와 상기 오존 가스가 혼합될 때 상기 NO를 포함하는 가스에 의해 상기 오존 가스의 온도가 높아지는 것을 방지하여, 오존의 보존율을 높일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고농도 활성수 제조장치는 길이방향을 따라 유로를 형성하는 직립된 실린더형 칼럼(column); 상기 칼럼의 상측에 위치하고 상기 유로로 물이 공급되는 물 공급부; 상기 유로의 하측에 위치하고 NO2 가스를 포함하는 가스가 공급되는 가스 공급부; 및 상기 유로의 하단에 위치하고 유체를 배출하는 배출구를 포함한다.
상기 NO2 가스를 포함하는 가스는 제1항의 NO2 가스 발생 장치로부터 발생된 가스일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 칼럼 내에는 구조화 패킹이 적층될 수 있다. 상기 구조화 패킹은 상기 물과 NO2를 포함하는 가스의 접촉 효율을 높일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 배출구에 연결된 배출관에 분지되어 상기 물 공급부로 연결된 순환관을 추가로 포함할 수 있다. 상기 순환관은 NO2가 용해된 물을 순환시켜서 목표하는 농도로 NO2를 용해시킬 수 있다.
일 실시예에서, 상기 순환관은, 밸브 또는 순환속도제어펌프를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 순환관은, pH 검출 수단을 포함하며, 상기 pH 검출 수단의 pH와 목표하는 pH를 비교하여 상기 순환속도제어펌프를 통해 순환속도를 제어하거나 상기 밸브를 통해 순환 차단 여부를 제어할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 칼럼의 상측에 위치한 배가스 배출구; 및 상기 배가스 배출구의 배가스로부터의 질소산화물 가스 성분 및 농도 검출 수단을 추가로 포함하고, 상기 검출 수단으로부터의 질소산화물 가스 성분 및 농도와 목표하는 성분 및 농도를 비교하여, 물공급, NO2 공급 또는 상기 순환관의 순환속도를 제어할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 칼럼의 하단의 상기 배출구의 상측에 물용기를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 물용기로 상기 가스 공급부의 NO2는 버블러를 통해 공급될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 물 공급부의 물은, KOH 또는 Ca(OH)2를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 고순도 NO2 가스 발생장치를 이용하여 고순도 NO2 가스를 발생시킬 수 있고, 상기 고순도 NO2 가스는 본 발명에 따른 고농도 활성수 제조장치로 공급될 수 있고, NO2의 용존율이 증가된 고농도 활성수를 제조할 수 있고, 물에 용해된 NO2의 비율을 모니터링할 수 있고, 이러한 모니터링을 통해 목표로 하는 NO2의 용해 비율로 고농도 활성수를 제조할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고순도 NO2 가스 발생장치의 구성을 설명하기 위한 개략도이다.
도 2는 도 1에 도시된 글라이딩 아크형 플라즈마 장치를 확대 도시하는 도면이다.
도 3은 종래의 마이크로웨이브 플라즈마 발생 장치와 도 2에 따른 글라이딩 아크형 플라즈마 발생 장치에서의 질소산화물 생성 농도를 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 고순도 NO2 가스 발생장치를 통해 발생되는 NO2의 비율을 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 고농도 활성수 제조장치의 구성을 설명하기 위한 사시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 고농도 활성수 제조장치를 통해 제조된 NO2 수용액(실시예)의 pH와 글라이딩 플라즈마 장치만을 이용하여 발생된 NO2 가스를 물에 용해시켜 제조된 NO2 수용액(비교예)의 pH를 비교하는 그래프이다.
도 7은 도 6의 실시예 및 비교예 각각의 고농도 활성수에서 NO2가 용해되어 생성된 질산 이온의 농도를 측정한 그래프이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 고순도 NO2 가스 발생장치 및 이의 NO2 가스가 공급되는 고농도 활성수 제조장치에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고순도 NO2 가스 발생장치의 구성을 설명하기 위한 개략도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 고순도 NO2 가스 발생장치는 오존 가스 발생장치(100), 질소산화물 가스 발생장치(200) 및 혼합부(300)를 포함한다.
상기 오존 가스 발생장치(100)는 오존 가스를 생성하도록 구성된다. 일 예로, 상기 오존 가스 발생장치(100)는 플라즈마 장치일 수 있다. 상기 플라즈마 장치는 산소를 포함하는 가스를 플라즈마화 하여 오존을 발생하도록 구성될 수 있다. 상기 플라즈마 장치는 유전체장벽방전(DBD) 또는 코로나 방전 가능한 플라즈마 장치일 수 있다. 예를 들어, 상기 플라즈마 장치는 유전체장벽방전을 발생하는 장치일 수 있다. 상기 유전체장벽방전을 발생하는 플라즈마 장치의 구조에는 특별한 제한은 없으며, 유전체를 사이에 두는 두 전극을 포함하는 형태이면 모두 가능하다.
상기 질소산화물 가스 발생장치(200)는 NO를 포함하는 질소산화물 가스를 발생시키도록 구성될 수 있다. 일 예로, 상기 질소산화물 가스 발생장치(200)는 플라즈마 장치일 수 있고, 상기 플라즈마 장치는 산소 및 질소를 포함하는 가스를 플라즈마화 하여 NO를 발생하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 질소산화물 가스 발생장치(200)를 구성하는 플라즈마 장치는 글라이딩 아크형 플라즈마 장치일 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 글라이딩 아크형 플라즈마 장치를 확대 도시하는 도면이다.
도 2를 참고하면, 상기 글라이딩 아크형 플라즈마 장치(210)는, 막대형 내부 전극(211), 상기 내부 전극(211)을 이격하여 둘러싸는 원통형 외부 전극(212), 상기 내부 전극(211) 및 상기 외부 전극(212) 사이로 산소 및 질소를 포함하는 가스를 주입하는 주입부(213), 상기 주입부(213)의 반대측에 위치하는 NO를 포함하는 가스를 토출하는 토출구(214)를 포함하고, 상기 내부 전극(211)과 상기 외부 전극(212) 간의 간극, 즉 이격 거리는 상기 내부 전극(211)의 길이방향으로 상기 토출구(214) 쪽으로 점차 커지도록 구성될 수 있다.
상기 주입부(213)는 상기 내부 전극(211)의 길이 방향으로 일부가 중공으로 형성되어 상기 내부 전극(211)의 길이방향으로 형성되며, 상기 주입부(213)의 끝에는 스월가스 배출구(215)가 형성될 수 있다. 이때, 상기 스월가스 배출구(215)는 내부 전극(211)의 접선 방향으로 형성될 수 있고, 상기 스월가스 배출구(215)는 2개일 수 있다.
상기 토출구(214)는 상기 주입부(213)의 반대편, 즉 상기 외부 전극(212)의 끝단에 형성될 수 있다.
내부 전극(211)은 길이 방향으로 일부가 중공형으로 형성될 수 있고, 상기 외부 전극(212)은 상기 내부 전극(211)을 둘러싸는 경사진 면을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 외부 전극(212)은 외주가 길이 방향으로 점점 증가하다가 감소되는 구조를 가질 수 있고, 상기 외부 전극(212)은 플라즈마 배출구가 개방될 수 있다.
이러한 글라이딩 아크형 플라즈마 장치(210)는, 글라이딩 아크형 플라즈마의 발생을 위해, 상기 내부 전극(211)과 상기 외부 전극(212)으로 전원이 공급되며, 내부 전극(211)의 주입부(213)로 산소 및 질소를 포함하는 가스가 주입되고, 주입된 가스가 상기 주입부(213)를 통과하여 상기 스월가스 배출구(215)를 통해 나선형으로 토출되면서 상기 내부 전극(211) 및 외부 전극(212) 사이에 글라이딩 아크가 발생되어, 글라이딩 아크형 플라즈마가 형성될 수 있다. 이때, 상기 산소 및 질소를 포함하는 가스가 플라즈마화 되어 NO를 발생하고, 상기 NO는 상기 토출구(214)를 통해 토출될 수 있다.
이러한 글라이딩 아크형 플라즈마는 NO를 포함하는 질소산화물 가스를 다른 플라즈마 장치에 비해 더욱 효율적으로 발생시킬 수 있다.
도 3은 종래의 마이크로웨이브 플라즈마 발생 장치와 도 2에 따른 글라이딩 아크형 플라즈마 발생 장치에서의 질소산화물 생성 농도를 나타내는 그래프이다.
도 3을 참조하면, 650W를 인가하는 경우, 종래의 마이크로웨이브 플라즈마 발생 장치에서의 질소산화물의 농도는 약 16000 ppm이고, 도 2에 따른 글라이딩 아크형 플라즈마 발생 장치에서의 질소산화물 생성 농도는 약 26000 ppm이다. 따라서, 글라이딩 아크형 플라즈마 발생 장치의 경우 입력 전원 대비 질소산화물 생성 농도가 더 높은 것을 알 수 있다.
상기 혼합부(300)는 상기 오존 가스 발생장치(100)로부터의 오존과 상기 질소산화물 가스 발생장치(200)로부터의 가스를 혼합하도록 구성될 수 있다. 상기 혼합부(300)의 구조에는 특별한 제한은 없으며, 예를 들어, 상기 오존과 상기 가스가 투입되어 혼합될 수 있는 혼합 공간을 제공하는 챔버 형태로 구성될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 고순도 NO2 가스 발생장치는 제1 냉각수단(410) 및 제2 냉각수단(420)을 더 포함할 수 있다.
상기 제1 냉각수단(410)은 상기 오존 가스 발생장치(100)로부터의 오존 가스를 상기 혼합부(300)로 주입되기 전에 냉각시킬 수 있다. 상기 제1 냉각수단(410)은 상기 오존 가스 발생장치(100)의 후단에 연결되어 상기 오존 가스 발생장치(100)로부터 배출되는 오존 가스를 수용하도록 구성될 수 있다.
상기 제2 냉각수단(420)은 상기 질소산화물 가스 발생장치(200)로부터의 NO를 포함하는 가스를 상기 혼합부(300)로 주입되기 전에 냉각시킬 수 있다. 상기 제2 냉각수단(420)은 상기 질소산화물 가스 발생장치(200)의 후단에 연결되어 상기 질소산화물 가스 발생장치(200)로부터 토출되는 상기 NO를 포함하는 가스를 수용하도록 구성될 수 있다.
상기 제1 냉각수단(410) 및 상기 제2 냉각수단(420)의 구조에는 특별한 제한은 없으며, 예를 들어, 상기 제1 냉각수단(410) 및 상기 제2 냉각수단(420)은 냉매유체와 상기 오존 또는 상기 NO 가스가 열교환하여 냉각되는 열교환기 형태로 구성될 수 있다.
상기 오존 가스 내의 오존은 온도가 높으면 분해가 빨리 일어나는 특성이 있으므로 상기 오존 가스를 상기 제1 냉각수단(410)으로 냉각하여 상기 오존의 보존율을 높일 수 있고, 상기 NO를 포함하는 가스는 냉각된 오존보다 온도가 높으면 상기 오존의 온도를 높여서 상기 오존이 쉽게 분해되는 문제가 발생될 수 있으므로 상기 제2 냉각수단(420)으로 냉각하는 것이 바람직하다. 따라서, 상기 제1 냉각수단(410) 및 상기 제2 냉각수단(420)을 통해 상기 오존 및 NO 가스를 각각 냉각한 후에 상기 오존 및 NO 가스를 혼합하여, 오존의 보존율을 높여, 고순도 NO2 가스가 발생될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고순도 NO2 가스 발생장치는 NO2 가스를 발생시키기 위해, 질소산화물 가스 발생장치(200)에서 산소 및 질소를 포함하는 가스를 플라즈마화 하여 NO를 포함하는 질소산화물 가스를 발생시킨 후 그 발생된 NO를 포함하는 가스를 제1 냉각수단(410)으로 냉각하며, 이와 함께 오존 가스 발생장치(100)에서 오존 가스를 발생시킨 후 그 발생된 오존 가스를 제2 냉각수단(420)으로 냉각하고, 사전 냉각된 각각의 NO를 포함하는 질소산화물 가스 및 오존 가스를 혼합부(300)에서 혼합하여 NO2 가스를 발생시켰다.
이러한 과정을 통해 상기 혼합부(300)에서 최종 발생되는 가스 내에 NO2 가스 비율을 측정하기 위해, 상기 질소산화물 가스 발생장치(200)를 구성하는 글라이딩 아크형 플라즈마 장치(210)에 인가되는 전압을 70W로 고정하고, 상기 오존 가스 발생장치(100)를 구성하는 유전체장벽 플라즈마 장치에 인가되는 전압을 60W~90W로 점차 증가시키면서 상기 유전체장벽 플라즈마 장치에 인가되는 각각의 전압 환경에 따라 상기 혼합부(300)에서 최종 발생되는 가스 내의 NO2 비율을 측정하였다. 측정도구로는 TESTO 연소가스 분석기를 사용하였다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 고순도 NO2 가스 발생장치를 통해 발생되는 NO2의 비율을 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 4에서 GA는 상기 글라이딩 아크형 플라즈마 장치(210)만을 이용하여 NO를 포함하는 가스를 발생시킨 경우를 의미하며, GA+Ozone generator은 본 발명의 구성을 모두 포함하여 NO를 포함하는 가스를 발생시킨 경우를 의미한다.
도 4에 나타나는 바와 같이, 글라이딩 아크형 플라즈마 장치(210)만을 이용한 경우보다, 본 발명의 장치에서 NO2 비율이 증가하는 것을 확인할 수 있고, 상기 오존 가스 발생장치(100)를 구성하는 유전체장벽 플라즈마 장치에 인가되는 전압을 높이면 NO2 비율이 더욱 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 고순도 NO2 가스 발생장치를 이용하여 고순도 NO2 가스를 발생시킬 수 있다.
이러한 본 발명의 일 실시예에 따른 고순도 NO2 가스 발생장치를 이용하여 발생되는 고순도 NO2 가스를 물에 용존시켜서 NO2 용존률이 높은 고농도 활성수를 제조할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 고농도 활성수 제조장치의 구성을 설명하기 위한 사시도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고농도 활성수 제조장치는 상기 고순도 NO2 가스 발생장치의 혼합부(300) 후단에 연결되어, NO2 가스가 유입되고, 유입된 NO2 가스를 물에 용해시켜서 고농도 활성수를 제조하도록 구성된다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 고농도 활성수 제조장치는 칼럼(510), 물 공급부(520), 가스 공급부(530), 배출구(540)를 포함할 수 있다.
상기 칼럼(510)은 수직으로 직립된 실린더 타입으로 구비되고, 내부에는 유체가 통과할 수 있는 유로(511)가 상기 칼럼(510)의 길이방향을 따라 형성될 수 있다. 상기 칼럼(510)의 유로(511) 내부에는 구조화 패킹(512)이 상기 유로(511)의 길이방향을 따라 다수 적층될 수 있다. 상기 구조화 패킹(512)은 유체가 통과 가능한 다수의 기공을 갖는 오픈 셀(open cell) 구조의 패킹을 의미하며, 그 형태 및 재질에는 특별한 제한은 없다. 예를 들어, 상기 구조화 패킹(512)은 금속 재질일 수 있다.
상기 물 공급부(520)는 상기 유로(511)의 상측에 유체 소통 가능하게 연결되어 상기 유로(511)의 상부로 물을 공급할 수 있다. 예를 들어, 상기 물 공급부(520)는 배관 형태로 상기 칼럼(510)의 상부에 연결될 수 있다.
상기 가스 공급부(530)는 상기 유로(511)의 하측에 유체 소통 가능하게 연결되어 상기 유로(511)의 내부로 NO2 가스를 포함하는 가스를 공급한다. 이러한 가스 공급부(530)는 상기 본 발명의 일 실시예에 따른 고순도 NO2 가스 발생장치의 혼합부(300) 및 상기 칼럼(510)의 사이에 연결되어 상기 혼합부(300)에서 혼합되어 발생된 NO2를 포함하는 가스를 상기 유로(511)의 내부로 공급할 수 있다.
상기 배출구(540)는 상기 유로(511)의 하단에 유체 소통 가능하게 연결되어 상기 유로(511)를 통과하는 유체를 배출한다. 예를 들어, 상기 배출구(540)는 배관 형태로 상기 유로(511)의 하단에 연결될 수 있고, 상기 배출구(540)의 끝단에는 배출관(550)이 연결될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 고농도 활성수 제조장치는 순환관(560)을 더 포함하고, 상기 순환관(560)은 밸브(미도시) 또는 순환속도제어펌프(561) 및 pH 검출 수단(562)을 포함할 수 있다.
상기 순환관(560)은 상기 배출구(540)에 연결된 배출관(550)에 분지되어 상기 물 공급부(520)에 연결되어, 상기 배출구(540)에서 배출되는 NO2가 용해된 물을 상기 유로(511)의 상부로 순환시킬 수 있다.
상기 순환관(560)에 상기 밸브가 설치되는 경우, 상기 밸브는 상기 순환관(560)의 통로를 개폐할 수 있다. 예를 들어, 상기 밸브는 전자식 개폐밸브일 수 있다.
상기 순환관(560)에 상기 순환속도제어펌프(561)가 설치되는 경우, 상기 순환속도제어펌프(561)는 상기 순환관(560)을 통해 순환되는 NO2가 용해된 물의 순환 속도를 높이거나 낮출 수 있다.
상기 pH 검출 수단(562)은 상기 순환관(560) 상에 설치되어, 상기 순환관(560)을 통해 순환되는 NO2가 용해된 물의 pH를 검출할 수 있다.
한편, 상기 pH 검출 수단(562) 및 상기 순환속도제어펌프(561) 또는 상기 밸브에는 제어부(미도시)가 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 제어부에는 NO2의 용존율을 특정 수치로 설정한 목표로 하는 pH 값이 미리 입력되어 저장될 수 있고, 상기 pH 검출 수단(562)에서 검출된 NO2가 용해된 물의 pH 값과 상기 목표로 하는 pH 값을 비교하여, 그 결과에 따라, 상기 순환속도제어펌프(561)를 통해 상기 NO2가 용해된 물의 순환 속도를 제어하거나, 상기 밸브를 통해 순환 차단 여부를 제어할 수 있다.
예를 들어, 상기 목표로 하는 pH 값은 pH 수치가 낮게 설정될 수 있다.
여기서, 상기 밸브 및 상기 순환속도제어펌프(561)는 상기 NO2가 용해된 물의 순환 여부 또는 순환 속도를 제어하기 위해 사용될 수 있는데, 상기 목표로 하는 pH 값에 빠르게 도달하기 위해서는 상기 NO2가 용해된 물을 빠르게 순환시키는 것이 유리하므로 상기 순환속도제어펌프(561)를 이용하는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 고농도 활성수 제조장치는 상기 칼럼(510)의 상측에 위치하는 배가스 배출구(570) 및 상기 배가스 배출구(570)의 배가스로부터의 질소산화물 가스의 성분 및 농도 검출 수단(580)을 더 포함할 수 있다.
상기 배가스 배출구(570)는 상기 가스 공급부(530)를 통해 공급된 후 상기 유로(511)를 통과하면서 상기 물 공급부(520)를 통해 공급된 후 상기 유로(511)를 통과하는 물과 접촉 후의 가스가 배출되는 출구이다.
상기 검출 수단(580)은 상기 제어부와 전기적으로 연결될 수 있고, 상기 제어부에는 질소산화물 가스의 성분 및 농도가 특정 수치로 설정된 목표로 하는 성분 및 농도가 미리 입력되어 저장될 수 있다. 이에, 상기 제어부는 상기 검출 수단(580)으로부터의 질소산화물 가스의 성분 및 농도와 상기 목표로 하는 성분 및 농도를 비교하여, 물공급, NO2 공급 또는 상기 순환관(560)을 통해 순환되는 상기 NO2가 용해된 물의 순환속도를 제어할 수 있다.
예를 들어, 상기 목표로 하는 성분 및 농도는 NO2의 성분 및 농도가 낮은 수치로 설정될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 고농도 활성수 제조장치는 물용기(591) 및 버블러(592)를 더 포함할 수 있다.
상기 물용기(591)는 상기 칼럼(510)의 하단과 상기 배출구(540)의 상측 사이에 배치될 수 있고, 상기 유로(511)의 하단으로 낙하하는 물을 일정 용량 수용 가능하게 구비될 수 있다.
상기 버블러(592)는 상기 물용기(591)의 내부에 수용되며, 상기 가스 공급부(530)와 연결되어, 상기 가스 공급부(530)를 통해 공급되는 NO2 가스를 버블 형태로 상기 유로(511) 내에 공급할 수 있다.
이하에서는 이러한 본 발명의 일 실시예에 따른 고농도 활성수 제조장치를 통해 NO2가 용해된 고농도 활성수를 제조하는 과정에 대해 설명한다.
먼저, 본 발명의 일 실시예에 따른 고순도 NO2 가스 발생장치에서 발생된 NO2를 포함하는 가스가 상기 가스 공급부(530)를 통해 상기 칼럼(510)의 유로(511)의 하측에서 공급되며, 상기 물 공급부(520)를 통해 상기 칼럼(510)의 유로(511)의 상측에 물이 공급된다.
이때, 상기 물용기(591) 내에는 일정 수위의 물이 채워진 상태일 수 있고, 상기 NO2를 포함하는 가스는 상기 물용기(591) 내에 수용되는 상기 버블러(592)를 향해 주입되며, 상기 버블러(592)를 통해 상기 물용기(591) 내에서 버블 형태로 공급된다. 이에 따라, NO2는 상기 유로(511)로 공급이 시작되는 단계에서 일부가 물에 용해될 수 있다.
이와 함께, 상기 유로(511)로 공급된 물은 상기 유로(511)의 하측, 즉 상기 물용기(591)를 향해 낙하하고, 상기 물용기(591) 내에서 용해되지 않은 NO2를 포함하는 가스는 상기 유로(511)의 상측을 향해 이동한다. 이때, 상기 유로(511)의 내부에는 구조화 패킹(512)이 다수 배열되어 있으므로 상기 물과 상기 NO2를 포함하는 가스는 상기 다수의 구조화 패킹(512)을 통과하면서 상기 구조화 패킹(512)이 없는 경우에 비해 이동이 지연되어 서로 충분한 접촉이 이루어질 수 있다. 이에 따라, NO2는 물에 용해되고, NO2가 용해된 물은 상기 유로(511)의 하측으로 낙하하며, 물에 용해되지 않은 가스의 일부는 상기 배가스 배출구(570)를 통해 배출될 수 있다.
한편, 상기 유로(511)의 하측으로 낙하하는 NO2가 용해된 물은 배출구(540)를 통해 배출될 수 있고, 또는 순환관(560)을 통해 유로(511)의 상측으로 순환될 수 있다.
순환관(560)을 통해 순환되는 경우, 순환속도제어펌프(561)에 의해 상기 NO2가 용해된 물은 펌핑되어 상기 유로(511)의 상측 방향으로 공급될 수 있고, 이때 순환관(560)을 통과하는 과정에서 pH 검출 수단(562)을 통해 상기 NO2가 용해된 물의 pH가 측정되며, 상기 pH 검출 수단(562)에서 측정된 pH 값은 상기 제어부를 통해, 목표로 하는 pH 값과 비교된 후, 그 결과에 따라 상기 제어부는 상기 순환속도제어펌프(561)를 제어하여 상기 NO2가 용해된 물의 순환속도를 제어한다.
예를 들어, 상기 pH 검출 수단(562)에서 측정된 pH 값이 상기 목표로 하는 pH 값에 도달하지 못하는 수치이면 상기 제어부는 상기 순환속도제어펌프(561)를 제어하여 상기 NO2가 용해된 물의 순환 속도를 높여서 상기 가스 공급부(530)를 통해 공급되는 NO2가 포함된 가스와 접촉하는 회수를 빠르게 늘려서 상기 목표로 하는 pH 값에 빠르게 도달하도록 제어할 수 있다. 반대로, 상기 pH 검출 수단(562)에서 측정된 pH 값이 상기 목표로 하는 pH 값에 도달하면 상기 순환속도제어펌프(561)를 제어하여 상기 NO2가 용해된 물의 순환 속도를 늦출 수 있다.
한편, 상기 유로(511) 내에서 물과 접촉한 후의 가스는 상기 배가스 배출구(570)를 통해 상기 유로(511)의 외부로 배출된다. 이때, 상기 배가스 배출구(570)를 통해 배출되는 배가스는 배가스로부터의 질소산화물 가스의 성분 및 농도 검출 수단(580)을 거치면서 질소산화물 가스의 성분 및 농도가 측정된다.
측정된 배가스로부터의 질소산화물 가스의 성분 및 농도는 제어부에서 제어부에 미리 입력된 목표로 하는 질소산화물 가스의 성분 및 농도와 비교되며, 그 결과에 따라 상기 제어부는 물공급, NO2 공급 또는 상기 순환관(560)을 통해 순환되는 상기 NO2가 용해된 물의 순환속도를 제어할 수 있다.
예를 들어, 상기 검출 수단(580)에서 측정된 배가스로부터의 질소산화물 가스의 성분 및 농도가 목표로 하는 성분 및 농도에 도달하지 못하는 수치이면 물공급 양을 늘려서 NO2 가스가 물에 더 용해되도록 제어할 수 있다.
또한, 상기 pH 검출 수단(562) 및 질소산화물 성분 및 농도 검출 수단(580)은 병행하여 동작하면서 유체 순환 속도를 제어할 수 있다.
이러한 본 발명의 일 실시예에 따른 고농도 활성수 제조장치를 이용하면, NO2를 포함하는 가스를 공급할 때 버블로 공급하도록 하여 NO2를 포함하는 가스의 공급 시점에 NO2가 물에 1차적으로 용해되도록 하고, 이어서 NO2가 용해된 물을 순환시키는 것과 함께, NO2가 용해된 물의 순환 과정에서 NO2가 용해된 물의 pH 및 NO2가 용해된 후의 배가스의 성분 및 농도를 측정하면서 NO2의 용존율을 높여, NO2의 용존율이 증가된 고농도 활성수를 제조할 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명의 고농도 활성수 제조장치로 공급되는 NO2를 포함하는 가스는 본 발명의 고순도 NO2 가스 발생장치를 통해 고순도의 NO2 가스로 공급되므로 물에 NO2가 더욱 쉽고 빠르게 용해될 수 있고, 고농도 활성수에서 NO2의 용존율은 더욱 증가될 수 있는 이점이 있다.
또한, 상기 pH 검출 수단(562) 및 질소산화물 성분 및 농도 검출 수단(580)을 통해 물에 용해된 NO2의 비율을 모니터링할 수 있고, 이러한 모니터링을 통해 목표로 하는 NO2의 용해 비율로 고농도 활성수를 제조할 수 있는 이점이 있다.
제조된 고농도 활성수는 의료 분야, 식품 산업에서의 살균 및 소독, 농업 및 환경 분야에서의 수질정화 또는 비료 등으로 이용될 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 고농도 활성수 제조장치를 통해 제조된 NO2 수용액(실시예)의 pH와 글라이딩 플라즈마 장치만을 이용하여 발생된 NO2 가스를 물에 용해시켜 제조된 NO2 수용액(비교예)의 pH를 비교하는 그래프이다.
도 6에 나타나는 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예의 고농도 활성수의 pH가 비교예의 고농도 활성수의 pH보다 감소된 것을 확인할 수 있고, 이를 통해 본 발명의 고농도 활성수 제조장치에서 NO2의 용존율이 증가된 것을 확인할 수 있다.
도 7은 도 6의 실시예 및 비교예 각각의 고농도 활성수에서 NO2가 용해되어 생성된 질산 이온의 농도를 측정한 그래프이다.
도 7에 나타나는 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예에서 질산 이온(NO3-)의 농도가 높게 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 이를 통해 본 발명의 고농도 활성수 제조장치에서 NO2의 용존율이 증가된 것을 확인할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 고농도 활성수 제조 장치의 상기 물 공급부()에서 공급되는 물은, KOH 또는 Ca(OH)2를 포함할 수 있다.
즉, 상기 물 공급부()로 물과 함께 K+ 또는 Ca2+가 공급되면 아래의 반응식에 의해 KOH 또는 Ca(OH)2를 포함하는 비료수를 만들 수 있고, 그 비료수는 액체비료로 사용될 수 있다.
<반응식 1>
K+ + OH- + H+ + NO3 - → KNO3 + H2O
<반응식 2>
Ca2+ + OH- + NO3 - → Ca(NO3)2 + H2O
한편, 도시하지는 않았지만, 본 발명의 고농도 활성수 제조장치는 상기 배가스 배출구(570)에 상에 상기 배출구(540)를 개폐하는 배출구 개폐밸브와, 상기 배출구(540)로부터 분지되어 상기 가스 공급부(530)로 연결되는 배가스 회수관과, 상기 배가스 회수관 상에 설치되어 상기 배가스 회수관을 개폐하는 회수관 개폐밸브를 더 포함할 수 있다.
이러한 경우, 상기 질소산화물 성분 및 농도 검출 수단(580)을 통해 배가스로부터의 질소산화물 가스의 성분 및 농도가 목표로 하는 성분 및 농도에 도달하지 못하는 수치이면 상기 성분 및 농도가 측정된 배가스를 상기 배가스 회수관을 통해 상기 가스 공급부(530)로 회수되도록 하여 다시 칼럼(510)의 유로(511)로 공급할 수 있다. 이에 따라, 배가스 내의 물과 용해되지 않은 NO2 가스가 남아있는 경우 이를 다시 물에 용해되도록 하여, 유로(511)로 공급된 가스 내의 NO2를 버려지는 일 없이 완전히 용해시킬 수 있는 이점이 있다.
제시된 실시예들에 대한 설명은 임의의 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 이용하거나 또는 실시할 수 있도록 제공된다. 이러한 실시예들에 대한 다양한 변형들은 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이며, 여기에 정의된 일반적인 원리들은 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 다른 실시예들에 적용될 수 있다. 그리하여, 본 발명은 여기에 제시된 실시예들로 한정되는 것이 아니라, 여기에 제시된 원리들 및 신규한 특징들과 일관되는 최광의의 범위에서 해석되어야 할 것이다.

Claims (18)

  1. 오존 가스 발생장치;
    NO를 포함하는 질소산화물 가스 발생장치; 및
    상기 오존 가스 발생장치로부터의 오존과 상기 질소산화물 가스 발생장치로부터의 가스를 혼합하는 혼합부를 포함하는,
    고순도 NO2 가스 발생 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    제1항에 있어서,
    상기 오존 가스 발생장치는 플라즈마 장치이며,
    상기 플라즈마 장치는 산소를 포함하는 가스를 플라즈마화 하여 오존을 발생하도록 구성되는,
    고순도 NO2 가스 발생 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 플라즈마 장치는 DBD 또는 코로나 방전 플라즈마 장치인,
    고순도 NO2 가스 발생 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 질소산화물 가스 발생장치는 플라즈마 장치이며,
    상기 플라즈마 장치는 산소 및 질소를 포함하는 가스를 플라즈마화 하여 NO를 발생하도록 구성되는,
    고순도 NO2 가스 발생 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 플라즈마 장치는 글라이딩 아크형 플라즈마 장치인,
    고순도 NO2 가스 발생 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 글라이딩 아크형 플라즈마 장치는,
    막대형 내부 전극;
    상기 내부 전극을 이격하여 둘러싸는 원통형 외부 전극;
    상기 내부 전극과 상기 외부 전극 사이로 상기 산소 및 질소를 포함하는 가스를 주입하는 주입부; 및
    상기 주입부의 반대측에 위치하는 NO를 포함하는 가스를 토출하는 토출구를 포함하고,
    상기 내부 전극과 상기 외부 전극의 간극은 상기 내부 전극의 길이 방향으로 상기 토출구 쪽으로 점차 커지도록 구성되고,
    상기 간극 사이로 글라이딩 아크가 발생하도록 구성된,
    고순도 NO2 가스 발생 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 오존 가스 발생장치로부터의 오존 가스를 상기 혼합부로 주입되기 전에 냉각시키는 제1 냉각수단을 포함하는,
    고순도 NO2 가스 발생 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 NO 가스 발생장치로부터의 NO를 포함하는 가스를 상기 혼합부로 주입되기 전에 냉각시키는 제2 냉각수단을 포함하는,
    고순도 NO2 가스 발생 장치.
  9. 길이방향을 따라 유로를 형성하는 직립된 실린더형 칼럼(column);
    상기 칼럼의 상측에 위치하고 상기 유로로 물이 공급되는 물 공급부;
    상기 유로의 하측에 위치하고 NO2 가스를 포함하는 가스가 공급되는 가스 공급부; 및
    상기 유로의 하단에 위치하고 유체를 배출하는 배출구를 포함하는,
    고농도 활성수 및 비료수 제조장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 NO2 가스를 포함하는 가스는 제1항의 NO2 가스 발생 장치로부터 발생된 가스인,
    고농도 활성수 및 비료수 제조장치.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 칼럼 내에는 구조화 패킹이 적층되어 있는,
    고농도 활성수 및 비료수 제조장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 배출구에 연결된 배출관에 분지되어 상기 물 공급부로 연결된 순환관을 추가로 포함하는,
    고농도 활성수 및 비료수 제조장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 순환관은, 밸브 또는 순환속도제어펌프를 포함하는,
    고농도 활성수 및 비료수 제조장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 순환관은, pH 검출 수단을 포함하며,
    상기 pH 검출 수단의 pH와 목표하는 pH를 비교하여 상기 순환속도제어펌프를 통해 순환속도를 제어하거나 상기 밸브를 통해 순환 차단 여부를 제어하는,
    고농도 활성수 및 비료수 제조장치.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 칼럼의 상측에 위치한 배가스 배출구; 및
    상기 배가스 배출구의 배가스로부터의 질소산화물 가스 성분 및 농도 검출 수단을 추가로 포함하고,
    상기 검출 수단으로부터의 질소산화물 가스 성분 및 농도와 목표하는 성분 및 농도를 비교하여, 물공급, NO2 공급 또는 상기 순환관의 순환속도를 제어하는,
    고농도 활성수 및 비료수 제조장치.
  16. 제9항에 있어서,
    상기 칼럼의 하단의 상기 배출구의 상측에 물용기를 포함하는,
    고농도 활성수 및 비료수 제조장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 물용기로 상기 가스 공급부의 NO2는 버블러를 통해 공급되는,
    고농도 활성수 및 비료수 제조장치.
  18. 제9항에 있어서,
    상기 물 공급부의 물은, KOH 또는 Ca(OH)2를 포함하는,
    고농도 활성수 및 비료수 제조장치.
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