KR20160056566A - 플라즈마를 이용한 수처리 장치 - Google Patents

플라즈마를 이용한 수처리 장치 Download PDF

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Abstract

플라즈마를 이용한 수처리 장치가 개시된다. 플라즈마를 이용한 수처리 장치는 유전체로 이루어진 원통형 실린더; 기둥 형상에 다수의 환형 플레이트가 적층된 전극으로서, 상기 환형 플레이트의 가장자리는 상기 원통형 실린더 내면과 이격되어 있는 제1 전극; 상기 원통형 실린더의 외면에 위치하는 제2 전극; 상기 제1 및 제 2 전극에 전압을 인가하는 전원공급장치; 및 상기 원통형 실린더의 상단부에 위치하여 상기 원통형 실린더의 내면을 향해 피처리수를 공급하는 피처리수 주입관을 포함하고, 상기 제1 및 제2 전극에 전압이 인가되면 상기 제1 전극으로부터 상기 피처리수로 플라즈마가 발생한다.

Description

플라즈마를 이용한 수처리 장치{WATER TREATMENT DEVICE USING PLASMA}
본 발명은 플라즈마를 이용한 수처리 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 수표면에서 플라즈마를 발생시키는 구조가 간단하고 제작이 용이한 플라즈마를 이용한 수처리 장치에 관한 것이다.
고도산화공정(Advanced Oxidation Process, AOP)이란 일반적인 산화공정에서 사용하는 산화제보다 강력한 산화력을 가지는 OH, O, 라디칼 등을 이용하여 수중의 오염원을 산화, 분해하는 기술로써, 일반적으로는 오존을 사용하는 기술, 과산화수소나 자외선 등을 복합적으로 이용하는 방식을 일컫는다.
오존의 경우 강력한 산화력을 가지고 있으며 이론상으로도 유기물을 CO2, H2O 형태로 완전분해가 가능하나, 최근들어 일부 물질에만 선택적으로 반응하거나 반응속도가 느리고 스크러버 등의 배기시설이 필요한 문제로 인한 단점이 있다.
자외선의 경우에는 UV 방사선의 침투깊이가 짧으며 경우에 따라 자외선 램프의 수명이 단축되는 단점이 있다.
이러한 종래의 수처리 기술의 단점을 보완하기 위해 최근에는 수처리의 기술로서 플라즈마를 이용한 수처리 기술이 널리 이용되고 있다. 플라즈마를 이용한 수처리 기술은 앞서 언급된 종래의 일반적인 기술과 달리 약품투입이 필요 없고, 처리공정도 간편하며, 2차 오염을 발생시키지 않는 장점이 있다.
플라즈마를 이용하는 수처리 기술로서, 유전체 장벽 방전, 코로나 방전, 마이크로웨이브 방전, 아크방전 등이 있으며, 플라즈마를 발생시키는 기술은 수중에서 직접 발생시키는 방법과 수표면에서 발생시키는 방법으로 구분된다.
수중에서 플라즈마를 발생시키는 방법은 물이 가진 낮은 저항의 전도특성에 의해 방전을 일으키기 위한 충분한 전압을 공급하기 어려운 단점이 있으며 연속적으로 안정적인 방전특성을 확보하기가 어렵다. 코로나 방전의 경우 종래 대부분이 수중에서 방전을 일으키는 방식을 이용하고 있어 이러한 단점을 갖게 된다.
반면, 수표면에서 고전압 펄스 방전을 일으켜 플라즈마를 발생시키는 방법은 다양한 물리, 화학적 과정이 발생하여 자외선, 충격파(shock wave), 활성종 라디칼 등을 생성시키며 이는 물속으로 용존되면서 다양한 화학적 반응을 일으킨다. 따라서 수표면에서 고전압 펄스 방전을 일으켜 플라즈마를 발생시키는 방법을 이용하는 것이 수처리에 효과적이다.
수표면에서 플라즈마를 발생시키는 방법은 대표적으로 유전체 장벽 방전 방식의 DBD 방전전극을 이용하고 있다. 그러나 DBD 방식을 이용한 방전기법은 방전을 개시하기 위한 인가전압이 수~수십 kV로 높아 고전압이 인가되는 금속전극의 절연이 어려우며, 이를 보완하더라도 일정 시간 이후에 유전체 재료의 불완전성 등으로 인한 내부 기생저항에 의해 장시간 구동이 어려운 문제가 있다. 또한 방전이 유지되더라도 유전체 장벽 방전의 특성상 방전전류가 수십~수백 mA 이하의 일정한 범위 내에서만 인가되므로 방전에 의해 발생되는 화학적 활성종의 농도가 제한적일 수 밖에 없으며, 이에 의해 많은 용량의 피처리수를 처리하지 못하는 단점이 있다.
마이크로웨이브 방전과 아크 방전의 경우에는 열에 약한 재료에는 사용할 수 없다는 단점과 장치의 복잡성으로 인해 고가의 설비비용이 소요되는 단점이 있다.
이에, 본 발명자는, 이러한 종래의 문제점을 해결하기 위해, 아래와 같은 구성을 도입하여, 원통형 실린더의 내면에 얇은 층으로 피처리수를 공급하여 수표면에서 플라즈마를 발생시키고, 얇은 층으로 흐르는 피처리수에 화학적 활성종들이 고르게 용존되어 피처리수의 유기물 또는 오염물질의 분해효과가 증대되며, 구조가 간단하고 제작이 용이한 수처리 장치를 제공하며, 피처리수의 연속적인 처리가 가능한 수처리 장치를 개발하기에 이르렀다.
본 발명은 유전체로 이루어진 원통형 실린더; 기둥 형상에 다수의 환형 플레이트가 적층된 전극으로서, 상기 환형 플레이트의 가장자리는 상기 원통형 실린더 내면과 이격되어 있는 제1 전극; 상기 원통형 실린더의 외면에 위치하는 제2 전극; 상기 제1 및 제 2 전극에 전압을 인가하는 전원공급장치; 및 상기 원통형 실린더의 상단부에 위치하여 상기 원통형 실린더의 내면을 향해 피처리수를 공급하는 피처리수 주입관을 포함하고, 상기 제1 및 제2 전극에 전압이 인가되면 상기 제1 전극으로부터 상기 피처리수로 플라즈마가 발생하는 플라즈마를 이용한 수처리 장치를 제공한다.
여기서, 상기 원통형 실린더 내로 공급된 피처리수는 원통형 실린더 외부로 배출될 수 있다. 이를 위해, 상기 원통형 실린더는, 상기 원통형 실린더의 하단부에 위치하는 피처리수 배출구를 포함한다.
한편, 피처리수 주입관은 상기 원통형 실린더의 내면의 접선 방향으로 설치된다. 이에 의해 피처리수는 원통형 실린더의 내부로 스월(swirl) 형태로 주입된다.
본 발명의 다른 실시예에 따라, 상기 제1 전극은 상기 환형 플레이트의 가장자리에서 상기 환형 플레이트의 원주 방향을 따라 배열된 방전핀들을 더 포함하고, 상기 방전핀들은 상기 원통형 실린더 내면과 일정 거리 이격된다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 플라즈마를 이용한 수처리 장치의 구성을 나타낸 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 피처리수 주입관의 연결 상태를 나타낸 평면도이다.
도 3은 도 1에 도시된 제1 전극을 나타낸 사시도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 플라즈마를 이용한 수처리 장치의 구성을 나타낸 단면도이다.
도 5는 도 4에 도시된 제1 전극을 나타낸 사시도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마를 이용한 수처리 장치에 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.
제1 실시예
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 플라즈마를 이용한 수처리 장치의 구성을 나타낸 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 플라즈마를 이용한 수처리 장치는 원통형 실린더(110), 제1 전극(120), 제2 전극(130), 전원공급장치(140)를 포함한다.
원통형 실린더(110)는 내부공간을 갖는다. 내부공간에는 제1 전극(120)이 수용되고 피처리수 및 방전가스가 공급된다. 피처리수 및 방전가스의 주입을 위해 원통형 실린더(110)에는 방전가스 주입관(114) 및 피처리수 주입관(113)이 형성된다.
방전가스 주입관(114)은 원통형 실린더(110)의 축방향에 평행하도록 원통형 실린더(110)의 상면부에 형성된다. 이러한 방전가스 주입관(114)을 통해 원통형 실린더(110) 내로 방전가스가 주입되며, 주입되는 방전가스는 산소(O2), 질소(N), 아르곤(Ar), 헬륨(He) 등의 기체일 수 있다.
피처리수 주입관(113)은 원통형 실린더(110)의 축방향에 평행하지 않은 방향에 형성되고 피처리수를 원통형 실린더(110)의 내면을 따라 스월(swirl)형태로 주입이 가능하도록 형성된다. 이를 위해, 피처리수 주입관(113)은 원통형 실린더(110)의 내면의 접선 방향으로 설치된다. 도 2는 도 1에 도시된 피처리수 주입관의 연결 상태를 나타낸 평면도로써, 이러한 피처리수 주입관(113)의 연결 상태를 확인할 수 있다.
이러한 원통형 실린더(110)는 내부공간에 수용된 제1 전극(120)에 대응하여 방전이 일어날 수 있도록 유전체로 이루어진다. 예를 들면, 원통형 실린더(110)는 축방향에 평행한 측면부가 유전체관(111)으로 이루어질 수 있다. 이러한 경우, 유전체관(111)의 내부는 원통형 실린더(110)의 내부공간을 형성하며 유전체관(111)의 내면은 제1 전극(120)과 대향한다. 이러한 유전체관(111)에는 피처리수 주입관(113)이 연결되어 유전체관(111)의 내면에 피처리수가 주입된다.
한편, 이러한 원통형 실린더(110)의 상면부 및 하면부는 상기 유전체관(111)과 동일한 유전체일 수도 있고, 또는 절연체로 이루어질 수도 있다. 일 예로, 원통형 실린더(110)의 상면부 및 하면부는 절연체일 수 있다. 절연체는 예를 들면, 플라스틱일 수 있다. 이러한 경우, 원통형 실린더(110)의 상면부 및 하면부는 측면부의 상단부 및 하단부와 부착되어 고정될 수 있다. 원통형 실린더(110)의 하단부에는 플라즈마 처리된 피처리수가 배출되기 위한 피처리수 배출구(115)가 형성된다.
제2 전극(130)은 원통형 실린더(110)의 외면에 위치한다. 예를 들면, 제2 전극(130)은 유전체관(110)을 수용할 수 있는 지름을 갖는 원통 형상으로 이루어질 수 있고, 이러한 경우, 제2 전극(130)은 유전체관(110)의 외면을 감싼다.
도 3은 도 1에 도시된 제1 전극을 나타낸 사시도이다.
도 2를 참조하면, 제1 전극(120)은 원기둥 형상의 축에 다수의 환형 플레이트(121)가 적층된 형태를 갖는다. 이러한 제1 전극(120)은 축이 원통형 실린더(110)의 축방향에 평행하도록 원통형 실린더(110)의 내부로 삽입된다. 이때, 다수의 환형 플레이트(121)의 가장자리는 원통형 실린더(120), 즉 유전체관(111)과 일정 거리 이격된다. 여기서, 다수의 환형 플레이트(121)의 크기에는 특별한 제한은 없으며, 유전체관(111)의 내면과 일정 거리 이격되어 방전이 일어날 수 있는 크기를 갖는 환형 플레이트 형태이면 모두 가능하다.
전원공급장치(140)는 제1 전극(120) 및 제2 전극(130)에 전기적으로 연결되어 제1 전극(120) 및 제2 전극(130)에 전압을 인가한다. 전원공급장치(140)가 공급하는 전압은 교류(AC), 직류(DC) 또는 펄스(Pulse) 중 어느 하나일 수 있다.
이하에서는 이러한 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마를 이용한 수처리 장치를 이용하여 피처리수가 플라즈마 처리되는 과정을 설명한다.
피처리수의 플라즈마 처리를 위해, 피처리수 주입관(113)을 통해 피처리수를 원통형 실린더(110)의 내면을 향해 스월로 공급하고, 방전가스 주입관(114)을 통해 원통형 실린더(110)의 내부공간으로 방전가스를 주입하고, 전원공급장치(140)를 통해 제1 전극(120) 및 제2 전극(130)에 전압을 인가한다.
제1 전극(120) 및 제2 전극(130)에 전압이 인가되면 환형 플레이트들(121)의 가장자리로부터 코로나(corona)가 발생되고, 환형 플레이트들(121)과 유전체관(111)의 내면 사이에 존재한 방전가스에 절연파괴가 발생하여 전자를 방출하는 플라즈마 채널이 형성된다. 플라즈마 채널은 스트리머(streamer)이다. 이때, 유전체관(111)은 유전체관(111)의 내부에 형성되는 자기장에 의해 유전체관(111)의 표면에 전하가 유기되는 현상이 일어나며, 스트리머는 유전체관(111)의 표면에 축적된 전하 및 방전가스의 플로우(flow)에 의해 원통형 실린더(110) 내부공간에 고르게 분포하게 된다.
이 과정에서 자외선, 충격파(shock wave), H2O2, O3와 같은 산화제, OH, H, O, O2 -와 라디칼 등 각종 화학적 활성종들이 생성된다. 이러한 화학적 활성종들은 유전체관(111)의 내면으로 공급된 피처리수 내로 용존하여 화학적 반응을 통해 피처리수 내의 유기물 또는 오염물질을 분해할 수 있다. 플라즈마 처리된 피처리수는 원통형 실린더(110)의 하단부에 형성된 피처리수 배출구(115)를 통해 원통형 실린더(110)의 외부로 배출된다.
이러한 본 발명의 제1 실시예에 따른 플라즈마를 이용한 수처리 장치는 다수의 환형 플레이트들(121)을 갖는 제1 전극(120)을 원통형 실린더(110)의 내부에 삽입하고, 제1 전극(120)의 환형 플레이트들(121)의 가장자리와 원통형 실린더(110), 즉 유전체관(110)의 내면 사이에 일정 간격이 형성되도록 배치하여, 원통형 실린더(110)의 내면에는 얇은 층으로 피처리수를 공급하고 환형 플레이트들(121)과 원통형 실린더(110)의 사이에 방전가스를 주입할 수 있는 구조를 가지므로 환형 플레이트들(121)의 주변에 국부적으로 나타날 수 있는 플라즈마 채널이 방전가스의 플로우에 의해 원통형 실린더의 내부공간에 고르게 분포될 수 있고, 또한 피처리수는 원통형 실린더(110)의 내면에 얇은 층으로 공급되므로 원통형 실린더(110)의 축방향을 따라 흐르는 피처리수에 화학적 활성종들이 고르게 용존될 수 있다. 이에 의하면, 피처리수의 유기물 또는 오염물질의 분해효과가 증대될 수 있다.
또한, 환형 플레이트들(121)이 다수 배열된 제1 전극(120)을 원통형 실린더(110)의 내부로 삽입하고 제1 전극(120) 및 제2 전극(130)에 전원공급장치(140)를 연결하는 것만으로 제1 전극(120)과 원통형 실린더(110)의 사이에 플라즈마 채널을 생성할 수 있는 구조를 가지므로 구조가 간단하고, 제작이 용이한 수처리 장치를 제공할 수 있다.
또한, 피처리수가 원통형 실린더(110)의 내면을 따라 흐르도록 피처리수가 주입 및 배출되어 순환하면서 원통형 실린더(110)의 내부공간에서 피처리수의 플라즈마 처리가 이루어지므로 피처리수의 연속적인 처리가 가능하게 된다.
제2 실시예
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 플라즈마를 이용한 수처리 장치의 구성을 나타낸 단면도이고, 도 5는 도 4에 도시된 제1 전극을 나타낸 사시도이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 플라즈마를 이용한 수처리 장치는 원통형 실린더(210), 제1 전극(220), 제2 전극(230) 및 전원공급장치(240)를 포함한다.
원통형 실린더(210), 제2 전극(230) 및 전원공급장치(240)는 도 1을 참조하여 설명한 본 발명의 제1 실시예에 따른 플라즈마를 이용한 수처리 장치의 원통형 실린더(110), 제2 전극(130) 및 전원공급장치(140)와 동일하므로 구체적인 설명은 생략하기로 하고, 이하에서는 제1 전극(220)을 중심으로 설명하기로 한다.
도 2를 참조하면, 제1 전극(220)은 원기둥 형상의 축에 다수의 환형 플레이트(221)가 적층된 형태는 도 1 및 도 3을 참조하여 설명한 본 발명의 제1 실시예에 따른 플라즈마를 이용한 수처리 장치의 제1 전극(120)과 동일하며, 다만 다수의 환형 플레이트(221)의 가장자리에서 환형 플레이트(221)의 원주 방향을 따라 배열된 방전핀들(222)을 더 포함하는 것이 차이점이 있다.
방전핀들(222)은 제1 전극(220)의 원통형 실린더(210) 내로 삽입된 상태에서 유전체관(211)의 내면과 일정 거리 이격될 수 있는 길이를 갖는다.
이러한 본 발명의 제2 실시예에 따른 플라즈마를 이용한 수처리 장치는, 전원공급장치(240)를 통해 제1 전극(220) 및 제2 전극(230)에 전압이 인가되면, 방전핀들(222)의 끝단부로부터 코로나가 발생되고, 원통형 실린더(210) 내부로 공급되어 방전핀들(222)과 유전체관(211)의 내면 사이에 존재하는 방전가스에 절연파괴가 발생하여 전자를 방출하는 플라즈마를 형성하게 된다. 발생된 플라즈마에 의해 원통형 실린더(210)의 내면을 향해 공급된 피처리수가 플라즈마 처리되며, 플라즈마 처리에 의한 작용 및 효과는 본 발명의 제1 실시예에 따른 플라즈마를 이용한 수처리 장치와 동일하다.
이상의 설명에서는 원통형 실린더가 유전체로 이루어진 것으로 설명되었으나, 다른 예로서, 원통형 실린더는 메탈 소재로 이루어질 수도 있다. 이러한 경우, 원통형 실린더가 유전체로 이루어지는 경우보다 낮은 파괴전압(breakdown voltage)을 갖는다. 이는, 쉽게 방전이 개시될 수 있도록 한다.
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 (4)

  1. 유전체로 이루어진 원통형 실린더;
    기둥 형상에 다수의 환형 플레이트가 적층된 전극으로서, 상기 환형 플레이트의 가장자리는 상기 원통형 실린더 내면과 이격되어 있는 제1 전극;
    상기 원통형 실린더의 외면에 위치하는 제2 전극;
    상기 제1 및 제 2 전극에 전압을 인가하는 전원공급장치; 및
    상기 원통형 실린더의 상단부에 위치하여 상기 원통형 실린더의 내면을 향해 피처리수를 공급하는 피처리수 주입관을 포함하고,
    상기 제1 및 제2 전극에 전압이 인가되면 상기 제1 전극으로부터 상기 피처리수로 플라즈마가 발생 하는,
    플라즈마를 이용한 수처리 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 원통형 실린더는,
    상기 원통형 실린더의 하단부에 위치하는 피처리수 배출구를 포함하는,
    플라즈마를 이용한 수처리 장치.
  3. 제4항에 있어서,
    상기 피처리수 주입관은 상기 원통형 실린더의 내면의 접선 방향으로 설치되는,
    플라즈마를 이용한 수처리 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극은 상기 환형 플레이트의 가장자리에서 상기 환형 플레이트의 원주 방향을 따라 배열된 방전핀들을 더 포함하고,
    상기 방전핀들은 상기 원통형 실린더 내면과 일정 거리 이격된,
    플라즈마를 이용한 수처리 장치.
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