KR20150000005U - 나선형 정적믹서를 전극으로 채용한 유수처리 방전셀 - Google Patents

Abstract

본 고안은 나선형 정적믹서를 전극으로 채용한 유수처리 방전셀에 관한 것으로서 흐르는 유수의 전기화학적 분해 처리를 종래보다 더 효율적이고 저비용으로 하기위한 목적이 있는 것으로서 좀더 자세히 설명하면 종래의 나선형 정적믹서 구조물을 전도체 소재 또는 비전도체 소재의 나선형 정적믹서 구조물 전극이 되게 하고 상기 나선형 정적믹서 구조물 전극을 내부에 수용하고 대응하도록 하는 배관형 전극을 구성하는 것과 상기 각 전극이 통전되지 않도록 나선형 정적믹서 구조물전극의 외각이 절연되어 배관형 전극 내부에 채용되고, 나선형 정적믹서 구조물 전극과 배관형 전극에 전원을 연결하여 인가하도록 하는 전원선을 접속시키고 배관형 전극 외각을 절연하여 금속배관에 채용하거나 혹은 절연배관에 직접채용하고 각, 각의 전극에 연결된 전원선과 연결된 전원인가수단이 배관 외부에 인출되어 전극에 직류 또는 교류전원을 인가할 수 있도록 한 특징으로 이루어진다.
본 고안에 의하면 종래 평판형 전기분해셀의 단점인 유속의 저항문제를 해결하고 에너지와 설치비를 절감하는 것은 물론 기존 수처리배관에 직접 연결하여 사용할 수 있는 범용성과 작은 비용으로 빠르고 큰 물량의 수처리를 하는 효과가 있다.

Description

나선형 정적믹서를 전극으로 채용한 유수처리 방전셀{electrode using a static mixer on water treatment discharge cell}

수처리를 위한 유수의 수중방전셀

수처리기술은 미래 물부족을 예측하고 대비하는 전세계의 관심사이고 포춘지에서는 20세기의 오일산업을 추월하는 물처리 산업이 도래할 것임을 예상하고 있는 만큼 중요한 기술분야가 되고 있다.

현재 수처리를 위한 필요성은 가정에서부터 산업과 자연에까지 영향을 미치고 있고 이를 위한 기술은 용도별로 많은 방법이 제시되고 사용되어 오고 있다.

근래에 와서 수처리 기술의 하나로 물에 전기적인 에너지를 가하여 물을 분해하여 수중의 유기물이나 미생물을 처리하는 기술을 많이 사용하고 있다.

일정한 간격을 두고 전극과 전극 간에 대응시키고 전원을 인가하여 물을 통과시켜서 전기화학적인 반응을 얻는 것이다.

이러한 전기분해방식 기술은 별첨 도1.과 같이 물을 처리하는 양이 많거나 속도가 빨라지면 비례하여 다수의 전극을 배치하고 물의 유속에 대응하기 위하여 전극 간의 대응거리는 ?아저서 물의 흐름을 방해하고 공정설치 비용과 다수의 전극에 인가되는 에너지 소비가 많은 단점이 있어 왔다.

한편 정적믹서(static mixer)는 유체의 혼합을 위하여 유체가 흐르는 통로에 설치되어 흐르는 유체를 혼합하는 기능을 가지는 구조물로 종류가 많으나 제일 많이 쓰이고 대표적인 믹서가 나선형 정적믹서(static mixer)로서 별첨 도면 도2.와 같이 마디가 뒤틀림 형태로 되어 연결되는 마디를 교차하여 연결함으로써 유체가 이등분되어 교차하여 합류되고 다시 교차하여 흐르도록 한 것으로 유체를 혼합해주는 단일 기능을 가지는 구조물이다.

상기와 같은 단점을 해결하기 위하여 혼합기능만을 가지고 있는 종래의 나선형정적믹서(static mixer)를 전극으로 변경하여 흐르는 물의 전기분해를 공정하고단일전극에 단일 전원을 인가하여 에너지 소비는 줄이고 물의 유속을 저해 하지 않고 빠른 시간에 많은 양의 물을 처리할 수 있는 과제를 해결하는 것이다.

종래의 나선형 정적믹서 구조물을 전도체 소재 또는 비전도체 소재의 나선형 정적믹서 구조물 전극이 되게 하고 상기 나선형 정적믹서 구조물 전극을 내부에 수용하고 대응하도록 하는 배관형 전극을 구성하는 것과 상기 각 전극이 통전되지 않도록 나선형 정적믹서 구조물전극의 외각이 절연되어 배관형 전극 내부에 채용되고, 나선형 정적믹서 구조물 전극과 배관형 전극에 전원을 연결하여 인가하도록 하는 전원선을 접속시키고 배관형 전극 외각을 절연하여 금속배관에 채용하거나 혹은 절연배관에 직접채용하고 각, 각의 전극에 연결된 전원선과 연결된 전원인가수단이 배관 외부에 인출되어 전극에 직류 또는 교류전원을 인가할 수 있도록 한 특징으로 이루어진 나선형 정적믹서를 전극으로 채용한 유수처리 방전셀을 제공한다.

종래 평판형 전기분해셀의 단점인 유속의 저항문제를 해결하고 에너지와 설치비를 절감하는 것은 물론 기존 수처리배관에 직접 연결하여 사용할 수 있는 범용성과 작은 비용으로 빠르고 큰 물량의 수처리를 하는 효과가 있다.

도1.은 종래 통상적인 전기분해 방전셀의 구조도.
도2.는 나선형 정적 믹서(static mixer)의 구조도
도3.는 본 고안의 외부와 내부가 절연되는 설명도
도4.은 본 고안의 구성도
도5.는 본 고안 내부전극의 구성과 공정도
도6.은 본 고안의 도면

본 고안을 실시하기 위하여 첨부된 도면을 통하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

도1.은 종래 전기분해셀의 통상적인 구성 형태로서 도1.(가)와 같이 평판 전극(101)이 물이 흐르는 방향으로 수평으로 서로 대응하여 수중에서 방전을 하게 되는 것으로 전극간의 간격이 평행을 이루고 면적이 평탄한것이 특징이다. 이와 같이 물이 흐르는 방향과 수평이되면 물의 유속이 빨라지면 전기분해의 반응속도가 유속을 감당하지 못하므로 평판전극(101)간의 거리가 ?아 지고 통과하는 물의 부피에 비례하여 도1.(나)와 같이 복수의 전극을 배치하여 흐르는물에 대응하게 하므로 다수의 전극과 다수의 전극에 인가하는 복수 전원이 필요하게 된다. 이러한 종래의 전기분해셀은 유수의 속도에 많은 저항을 발생시키고 설치비 및 관리비가 높은 단점이 있어왔다.

도 2.는 나선형 정적믹서의 대표적인 형태로서 하나로 흐르는 물의 흐름을 두갈래로 나누어 교차하여 흐르게 하는 것을 반복하게 하는 인위적 구조물(201)로 유체의 통로상에 설치하여 유체의 혼합에 가장 많이 사용해오던 정적 믹서이다. 종래의 나선형 정적믹서 구조물(201)을 전도체소재의 나선형 정적믹서 구조물 전극(B)으로 구성하는 것은 흐르는 물의 전기분해와 혼합을 동시에 하며 통과시킬 수 있어 전극간의 대응 거리가 ?지 않더라도 물의 혼합으로 전기분해가 골고루 잘 이루어지는 효과가 생기게된다. 또한 종래 평판형 전기분해셀의 전극(101)과 마찬가지로 나선형 정적믹서 구조물 전극(B)과 배관형 전극(A)간의 거리 편차도 일정한 것을 알 수 있게 된다. 그것은 나선형 정적믹서 구조물 전극(B)중심축과 대응전극인 배관형 전극(A) 통로의 내벽은 어는 부분에서나 평행이 되기 때문이다. 이로 인하여 단일전원을 인가하여 사용하여도 처음 인가되는 전하가 말단까지 형성되어 유지되므로 종래 복수의 전원과 여러개의 전극을 사용하던 전기분해셀에 비교하여 설치비와 에너지를 절감할 수 있게 되고 유속의 저항을 개선하게 된다. 상기와 같이 나선형 정적믹서 구조물 전극(B)을 시행하기 위하여서는 전극의 소재가 전도성이 있는 금속류, 또는 전도성이 있는 비금속류가 되는 경우와 비전도체가 소재가 되는 경우가 있다. 전도체인 경우에는 나선형 정적믹서 구조물(201)과 같은 형상의 구조물을 소재로 만들고 외각 테두리를 절연하며, 인출선(301)을 연결하여 전원을 배관 외부에서 인가 할수 있도록 하여 나선형 정적믹서 구조물 전극(B)으로 제작하는 것으로 구성된다. 비전도체인 소재로 제작을 할 경우는 구조물 중앙을 중심으로 하여 전도성 심재를 비틀림 방향을 따라 감아 올라가 고정하고 전원인가 인출선(301)을 부착하는 방법과 심재대신 전도성페이스트로 인쇄를 하여 심재를 대신하여 나선형 정적믹서 구조물 전극(B)을 제작을 할 수도 있다. 이때에는 나선형 정적믹서 구조물 전극(B)외각 테두리를 절연할 필요성이 없지만 전도체들이 소재가 될 경우에는 나선형 정적믹서 구조물 전극(B)의 외각 테두리는 도5.(다)에서 (라)와 같이 절연되며 이것은 배관형 전극(A)과 통전되지 않도록 하는 것이다. 통전이 되면 물의 전기화학적 분해가 이루어 지지 않기 때문이다.30mm이상의 직경을 가지는 나선형 정적믹서 구조물 전극(B)일 경우에는 전도성 금속류, 또는 전도성이 있는 비금속류를 소재로 하고 직경이 .30mm이하 일때는 비전도체의 비금속류로 하게 된다. 그 이유는 직경이 작으면 테두리 절연부위도 그만큼 좁아지므로 절연의 경계가 작아지고 작아진 만큼 절연부위가 손상될 우려가 있기 때문이다. 이때는 소재 자체를 비전도성 소재로 제작하고 전도성 심재를 감아 올라가서 전극을 만들어 주는 것이 테두리를 절연하지 않아도 되므로 효율적이다. 그러나 직경이 크게 되면 테두리 절연되는 부위의 폭도 넓어지고 안전한 절연이 이루어질 수 있고 전극 간의 대응면적도 커지게 되므로 소재를 전도성이 있는 금속류, 또는 전도성이 있는 비금속류로 하고 외각 테두리를 절연하는 것으로 직경이 커진 만큼의 반응면적에 대응하게 하는 것이다. 나선형 정적믹서 구조물 전극(B)의 직경은 외곽 테두리를 절연하는 것을 고려하여 외경을 정하게 되는데 직경이 150mm이하일 경우에는 1mm에서 2mm의 두께로 절연 되는것을 고려하고 150mm이상일 경우에는 2mm이상이 되는 것을 고려하여 제작된다. 나선형 정적믹서 구조물 전극(B)의 한마디 길이는 전극의 직경을 기준으로 1배에서 2.5배사이로 하여 직경의 크기와 처리물량이 작고 많음에 따라 길이도 작고 길어지게 된다.

다음 단계로 설명되는 배관형 전극(A)은 전도체 소재로 원통형으로 구성되어 나선형 정적믹서 구조물 전극(B)의 길이 만큼으로 하여 대응하게 된다. 도4.의 (마)와 같이 나선형 정적믹서 구조물 전극(B)이 장착되게 하며 나선형 정적믹서 구조물 전극(B) 외경 크기에 따라 내경을 결정하게 되는데 나선형 정적믹서 구조물 전극(B)이 수용되면 고정되어 흔들리지 않게 하기 위하여서는 2mm이상의 유격이 생기면 안되게 배관형 전극(A)의 내경을 구성하게 된다. 이때의 배관형 전극(A)의 두깨는 직경이 150mm이하일 경우에는 1mm에서 2mm가 적합하며 구경이 150mm이상일 경우에는 두께가 2mm이상이 되는 것으로 제작된다. 직경에 비하여 두께가 너무 얇을 경우 흐르는 물의 압력에 대응하는 강도가 약하여 변형이 올 수 있기 때문이다. 절연의 두께가 너무 얇을 경우에는 역시 물의 압력으로 절연이 파괴될 수 있기 때문이다. 통전이 되지 않아야할 중요한 부분이 되는 또 하나는 각, 각의 전극 말단에 설치되는 전원이 인가될 수 있도록 하는 전원인출선(301)과 (302)의 사이이다. 나선형 정적믹서 구조물 전극(B)에는 전원선(301)을 인출하고 배관형 전극(A)에는 전원선(302)가 연결되어 인출 된다. 인출된 전원인출선(301)과 (302)는 도4.의 (바)와(사)와 같이 최외각 배관(C) 외부에 노출하게 되는데 이때 서로 접촉이 되어 통전되지 않도록 간격이 유지되고 최외각 배관(C)는 금속배관이 될 수도 있고 전도성이 없는 고분자 수지 소재의 배관이 될 수도 있으므로 전극이 노출되는 부위에는 절연과 방수처리(303)가 된다.

수처리의 현장 조건이 금속배관을 채용하여야 할때에는 배관형 전극(A)외경 테두리를 절연처리하거나 도3.의(A")와 같이 외각을 절연하거나 절연튜브에 배관형 전극(A)를 삽입한 후에 최외각 배관(C)에 장착하여야 전하가 누설되지 않고 단속이 되며 감전이 없게 된다. 수처리의 현장 조건이 고분자 소재의 비전도성 수지나 비전도체 무기물소재의 배관일 경우에는 배관형 전극(A)외각을 절연하거나 절연튜브에 삽입하는 것을 생략하고 직접 채용하여도 외부가 절연이 되어 감전위험이 없으므로 무방하게 된다. 상기와 같이 구성된 본 고안 최외각 배관(C) 외부로 노출된 전원인출선(301)과 (302)에 직류 또는 교류전원을 인가하여 수중방전 시킴으로서 흐르는 물을 전기화학적으로 분해하여 처리하게 된다. 도7.의 (아)는 투시도 (자)는 평면도 및 정면도, (카)는 측면도이다.

본 고안은 유수를 처리하는 것이므로 별도의 물을 저장하여 별도의 처리장치를 두지 않고 처리를 할 수 있으므로 아래의 실시예1.과 같이 아주 작은 양의 물을 처리하는 소형 수처리나 아래 실시예 2.와 같이 대량의 수처리를 요하는 대형 시스템과 같이 물이 흐르는 배관이 있으면 그 배관에 바로 연결하여 적용하는 범용성과 확장성이 있다. 물의 전기화학적 분해는 수처리방법으로 이미 세계적으로 제일 많이 쓰이는 방법 중 하나이다.

(실시예)

실시예1)

본 고안인 나선형 정적믹서를 전극으로 채용한 유수처리 방전셀을 외경10mm로하여 시중 일반적인 족욕기 내부 배관(12.5mm배관)에 장착하여 플라즈마 인가전압으로 DC 3kV와 0.2mA를 인가하여 10분간 작동하도록 한뒤 대장균과 백선균으로 세균 감소시험을 공인시험기관에 의뢰한 결과 99.9%의 감소율을 확인하였다.

실시예2)

선박평형수처리 가능 유무를 시험하기 위하여 본 고안인 나선형 정적믹서를 전극으로 채용한 유수처리 방전셀을 외경75mm로 제작하여 DC12V의전압과 5A의 전원을 인가하도록 하고 영국현지의 항만중 바닷물과 민물이 합쳐지는 장소의 기수를 여러 샘플로 체취하여 통과시킨 결과 다음표1.과 같은 결과를 얻을 수 있었다.

MV TEST (Microbial Activity)
TIME	DATE	RLU	SAMPLE FROM
	18/04/2012
14.10pm		1750	BOTTOM
14.40pm		1646	TOP
	19/04/2012
08.30am		54	MIDDLE
09.00am		28	MIDDLE
09.20am		168	TOP
09.40am		69	TOP
09.45am		0	BOTTOM
	19/04/2012
10.10am		911	MIDDLE
10.40am		1609	TOP
10.45am		878	MIDDLE
11.15am		1387	TOP
11.20am		376	MIDDLE
11.36am		1289	TOP
11.40am		737	MIDDLE
12.03pm		984	TOP
12.07pm		129	MIDDLE
12.30pm		894	TOP
12.34pm		317	MIDDLE
14.50pm		235	TOP
14.54pm		161	MIDDLE
16.00pm		251	TOP
16.05pm		81	MIDDLE
	20/04/2012
08.00am		16	TOP
5am		7	MIDDLE

본 고안은 산업상 수처리 시설의 배관에 연결하여 미생물 제거 용도, 유해유기물의 제거, 이온화공정, 담수화 처리상에서의 전, 후처리 공정, 유기농업 및 수산업,축산산업, 해양환경산업 등 많은 산업상의 용도로 쓰일 수 있다.

(가). 종래 전기분해셀의 통상적 전극구조
(나). 종래 전기분해시 복수전극 배치구조
(다). 본고안의 절연공정
(라). 본고안의 절연공정
(마). 내부전극이 삽입되는 형태
(바). 내부전극이 삽입된 모습
(사). 완성된 외형 모습
(아).투시도
(자). 평면도
(카). 측면도

Claims (5)

1. 종래의 나선형 정적믹서 구조물을 전도체 소재 또는 비전도체 소재의 나선형 정적믹서 구조물 전극이 되게 하고 상기 나선형 정적믹서 구조물 전극을 내부에 수용하고 대응하도록 하는 배관형 전극을 구성하는 것과 상기 각 전극이 통전되지 않도록 나선형 정적믹서 구조물전극의 외각이 절연되어 배관형 전극 내부에 채용되고, 나선형 정적믹서 구조물 전극과 배관형 전극에 전원을 연결하여 인가하도록 하는 전원선을 접속시키고 배관형 전극 외각을 절연하여 금속배관에 채용하거나 혹은 절연배관에 직접채용하고 각, 각의 전극에 연결된 전원선과 연결된 전원인가수단이 배관 외부에 인출되어 전극에 직류 또는 교류전원을 인가할 수 있도록 한 특징으로 이루어진 나선형 정적믹서를 전극으로 채용한 유수처리 방전셀
2. 상기 청구항 1.에서 나선형 정적믹서 구조물전극은 도면2.에서의 (201)도면 3,4,5,에서의 (B)와 같은 형태를 취한 것을 특징으로 한 나선형 정적믹서를 전극으로 채용한 유수처리 방전셀
3. 상기 청구항 1.에서 전도체소재는 전도성이 있는 금속류와 전도성이 있는 비금속류와 전도성이 없는 금속류 또는 비금속류 표면에 전도체를 코팅한 것중 적어도 하나가 되는 것을 특징으로 하는 나선형 정적믹서를 전극으로 채용한 유수처리 방전셀
4. 상기 청구항 1.에서 비전도체 소재는 수지, 세라믹, 목재, 성형할 수 있는 무기물중에서 적어도 하나가 되는 것을 특징으로하는 나선형 정적믹서를 전극으로 채용한 유수처리 방전셀
5. 상기 청구항4.에서처럼 비전도체가 소재가 될 경우 구조물 중앙을 중심으로 하여 전도성 심재를 비틀림 방향을 따라 감아 올라가 고정하는 방법이나 심재대신 전도성페이스트로 인쇄를 하여 나선형 정적믹서 구조물 전극으로 제작한 것을 특징으로한 나선형 정적믹서를 전극으로 채용한 유수처리 방전셀
   
   

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