KR101064929B1 - 탄소나노튜브를 이용한 이온화 수처리기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 관체를 흐르는 물이 전위차에 의하여 이온화되게 하여 물을 활성화시켜 주고, 항균작용이 있으며 중금속 흡착작용이 있는 탄소나노튜브와 접촉할 수 있도록 필터를 구성함으로써, 구조가 간단하면서도 항균과 이온화 성능이 우수할 뿐만 아니라 이물질의 제거로 인하여 관체 내부에 녹발생을 억제할 수 있도록 한 탄소나노튜브를 이용한 이온화 수처리기를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 관체를 흐르는 물이 필터와의 접촉 면적을 최대한 넓혀줄 수 있도록 필터체를 구성함으로써, 물이 필터체를 통과하는 동안 항균과 이물질의 제거효율을 더욱 높일 수 있도록 한 탄소나노튜브를 이용한 이온화 수처리기를 제공하는데 다른 목적이 있다.

Description

탄소나노튜브를 이용한 이온화 수처리기{IONIZATION WATER TREATMENT APPARATUS USING CARBON NANOTUBE}
본 발명은 탄소나노튜브를 이용한 이온화 수처리기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 관체를 흐르는 물의 유속에 의해 발생된 전위차로 물이 이온화되면서 활성화됨으로써 관체 내의 녹과 스케일 및 슬라임의 발생을 억제할 뿐만 아니라 제거하고, 동시에 항균작용과 함께 중금속을 흡착시키는 효과를 동시에 얻을 수 있는 탄소나노튜브를 이용한 이온화 수처리기에 관한 것이다.
일반적으로 상하수관과 보일러나 정수기의 급·배수관과 같이 물을 공급하기 위하여 사용되는 관체는 공급되는 물속에 함유된 활성산소가 관 내부의 금속성분과 반응하여 관 내부를 부식되는 경우가 많았다. 이러한 관체의 부식은 관체의 내주면에 녹을 발생시켜 물의 흐름을 방해하는 요인으로 작용하였다. 또한, 이러한 관체에 흐르는 물에는 인체에 유해한 산화철이나 불순물 그리고 세균과 같은 각종 유해 물질이 포함되어 비위생적이었다.
이러한 문제점을 해결하기 위한 방안으로서 관체 내부를 주기적으로 세척하거나 일정 주기가 지나면 새로운 관체로 교체하여 사용하게 하였다. 하지만, 이는 세척과 교체에 따른 시간과 인력 그리고 비용이 많이 요구되었다.
이에 이러한 문제를 해결하기 위한 방법 중의 하나로서 이온화 수처리기를 개발하여 사용하고 있다. 이온화 수처리기는 한국등록특허 제10-0312152호 및 한국등록특허 제10-0862970호에 개시되어 있다.
한국등록특허 제10-0312152호에 개시된 이온수 처리기는 정전기장을 이용하여 관체를 지나는 물은 이온화시켜 미세하게 분해된 물분자로 활성화되도록 함으로써 물을 정화시킴은 물론 물이 지나는 관체의 내부를 세정할 수 있도록 구성된 것이다. 이러한 이온수 처리기는, 제1파이프의 내부에 탄소봉 구리봉 탄소봉이 소정간격을 두며 순차적으로 배치된 정전기 발생봉과; 제2파이프의 외주연에 탄소관 구리관 탄소관이 소정 간격을 두며 순차적을 배치된 정전기 발생관과; 내외부의 온도전달을 차단하는 단열관과; 상기 정전기 발생관과 단열관 사이로 물이 유입되는 것을 방지하는 마감요소와; 내부에 상기 단열관 및 마감요소가 삽입되며, 중앙부위에 상기 정전기 발생관의 구리관과 접지되는 접지부가 형성된 하우징과 ; 상기 하우징 양측 외주면에 나사 결합된 것으로서 내부에 상기 정전기 발생봉을 지지하는 지지부가 형성된 하우징 연결구가 포함되어 구성된다.
한편, 한국등록특허 제10-0862970호는 중금속 제거율이 우수한 이온화 수처리기용 탄소전극 및 그 제조방법, 그리고 상기 탄소전극을 포함하는 이온화 수처리기를 제공한다. 이 이온화 수처리기는, 정전기장을 발생시키는 정전기 발생요소; 상기 정전기 발생요소가 삽입되며 내외부의 온도전달을 차단하는 단열관 상기 단열관으로 물이 유입되는 것을 방지하는 마감요소; 상기 단열관과 마감요소가 삽입되는 하우징; 및 일측은 상기 하우징에 결합되고 타측은 관체에 연결되는 하우징 연결구를 포함하되, 상기 정전기 발생요소는 금속전극; 상기 금속전극의 양측에 배치된 2개의 탄소전극; 및 탄소전극과 금속전극이 조립되는 파이프를 포함하여 구성된다.
하지만, 종래의 이온수 처리기 및 이온화 수처리기는 다음과 같은 문제가 있었다.
1) 물을 이온화시켜주기 위해서는 정전기장을 발생시켜주는 구성요소가 필수적으로 있어야 한다. 이는 이온화수처리기의 전체 그 구조를 복잡하게 만드는 요인으로 작용하였다.
2) 정전기장이 세기에 따라 이온화 정도가 달라지기 때문에 정전기장을 형성하기 위해서는 고가의 전극을 이용해야 하기 때문에 제조비용이 늘어날 뿐만 아니라 제조에 있어서도 어려움이 있었다.
3) 이온화 정도를 높이기 위해서는 정전기장의 세기가 커져야 하는데, 동일 크기의 구조에 비하여 이온화 성능이 떨어지는 문제가 발생하였다.
Shankar Ghosh et al, "Carbon Nanotube Flow Sensors", SCIENCE VOL299, FEBRUARY 2003, pp.1042~1044 "탄소나노튜브의 새로운 위험성:콜로이드를 형성하여 중금속을 흡착", 『글로벌 동향브라핑(GTB)』, KISTI, 2009-05-10, (http://www.sciencedaily.com/releases/2009/05/090504121921.htm) "정수장 발생토를 효율적으로 이용한 보수성 에코 쿨링 포장 등", 『글로벌 동향브라핑(GTB)』, KISTI, 2008-05-07, (http://radar.ndsl.kr/tre_View.do?cn=GTB2008050154&ct=TREND&lp=SI)
본 발명은 이러한 점을 감안하여 안출한 것으로, 관체를 흐르는 물이 전위차에 의하여 이온화되게 하여 물을 활성화시켜 주고, 항균작용과 중금속 흡착작용을 하는 탄소나노튜브와 접촉할 수 있도록 필터를 구성함으로써, 구조가 간단하면서도 관체 내의 녹과 스케일 및 슬라임의 발생을 억제할 뿐만 아니라 제거하고, 동시에 항균작용과 함께 중금속을 흡착작용을 할 수 있도록 한 이온화 수처리기를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 관체를 흐르는 물이 필터와의 접촉 면적을 최대한 넓혀줄 수 있도록 필터체를 구성함으로써, 물이 필터체를 통과하는 동안 항균과 이물질의 제거효율을 더욱 높일 수 있도록 한 탄소나노튜브를 이용한 이온화 수처리기를 제공하는데 다른 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제1실시예에 따른 탄소나노튜브를 이용한 이온화 수처리기는, 실린더 형상으로 이루어지고, 양단에 각각 입구부와 출구부가 구비된 덮개가 탈장착하게 설치된 하우징; 및 이 덮개 사이에 설치된 복수의 반응봉;을 포함하고, 각 반응봉의 표면에는 탄소나노튜브 코팅층이 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 제2실시예에 따른 하는 탄소나노튜브를 이용한 이온화 수처리기는, 실린더 형상으로 이루어지고, 양단에 각각 입구부와 출구부가 설치된 덮개가 탈장착하게 구비된 하우징; 및 덮개 사이에는 일정한 간격만큼 이격되도록 하우징 내부에 설치된 필터체;를 포함하고, 필터체에는 일면에 길이방향을 따라서 복수의 유도로가 형성되어 있고, 각 유도로에는 내주면에 각각 탄소나노튜브 코팅층이 형성된 것을 특징으로 한다.
특히, 탄소나노튜브 코팅층은 단일벽 탄소나노튜브로 코팅된 것을 특징으로 한다. 그리고, 이때의 탄소나노튜브 코팅층은 저온분사코팅법, 용사코팅법, 또는 바인더 이용부착법으로 코팅되는 것을 특징으로 한다.
또한, 하우징은 구리 또는 스테인레스로 제작된 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명의 제3실시예에 따른 탄소나노튜브를 이용한 이온화 수처리기는, 실린더 형상으로 이루어지고, 양단에 각각 입구부와 출구부가 설치된 덮개가 탈장착하게 구비된 하우징; 및 덮개 사이에는 일정한 간격만큼 이격되도록 하우징 내부에 설치된 필터체;를 포함하고, 필터체는 기재의 표면에 일면에 증착법으로 탄소나노튜브를 증착하여 형성된 것을 특징으로 한다.
그리고, 이러한 증착법으로는 열분해법·레이저증발법·플라즈마 화학기상법·열화학증착법·화학기상증착법 및 촉매화학증착법을 이용할 수 있다.
본 발명의 탄소나노튜브를 이용한 이온화 수처리기에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.
1) 탄소나노튜브에 의해 관체를 통과하는 물이 유속에 의하여 전위차를 발생시키게 되고, 이 전위차에 의하여 물이 이온화됨에 따라 관체 내의 녹과 스케일 및 슬라임의 발생을 억제함과 동시에 제거하는 효과가 있다.
2) 항균 효과와 중금속 흡착 그리고 물을 활성화시켜 주는 것으로 알려진 탄소나노튜브를 이용하여 필터를 형성함으로써, 탄소나노튜브를 이용한 이온화 수처리기의 전체 구조가 간단해질 뿐만 아니라 성능이 우수하다.
3) 필터 또는 필터체의 형상에 상관없이 탄소나노튜브를 성장(화학기상증착법)시키거나 코팅할 수 있기 때문에 탄소나노튜브를 이용한 이온화 수처리기의 크기에 상관없이 필터의 용량에 맞게 제작하는 것이 가능하다.
도 1a는 본 발명의 제1실시예에 따른 탄소나노튜브를 이용한 이온화 수처리기의 전체 구성을 보여주기 위한 분해사시도.
도 1b는 본 발명의 제1실시예에 따른 탄소나노튜브를 이용한 이온화 수처리기의 결합상태를 보여주기 위한 단면도.
도 2a는 본 발명의 제2실시예에 따른 탄소나노튜브를 이용한 이온화 수처리기의 전체 구성을 보여주기 위한 분해사시도.
도 2b는 본 발명의 제2실시예에 따른 탄소나노튜브를 이용한 이온화 수처리기의 결합상태를 보여주기 위한 단면도.
도 3a는 본 발명의 제3실시예에 따른 탄소나노튜브를 이용한 이온화 수처리기의 전체 구성을 보여주기 위한 분해사시도.
도 3b는 본 발명의 제3실시예에 따른 탄소나노튜브를 이용한 이온화 수처리기의 결합상태를 보여주기 위한 단면도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
( 제1실시예 )
도 1a는 본 발명의 제1실시예에 따른 탄소나노튜브를 이용한 이온화 수처리기의 전체 구성을 보여주기 위한 분해사시도이고, 도 1b는 본 발명의 제1실시예에 따른 탄소나노튜브를 이용한 이온화 수처리기의 결합상태를 보여주기 위한 단면도이다.
본 발명의 제1실시예에 따른 탄소나노튜브를 이용한 이온화 수처리기(1000)는, 물의 흐름이 가능하도록 밀폐가능하게 구성된 하우징(100)과, 이 하우징(100) 내부에 설치되는 반응봉(200)을 포함하여 구성된다. 특히, 반응봉(200)에는 탄소나노튜브 코팅층(NTC)이 형성되어 있어서 물 속의 항균과 중금속 흡착 그리고 물을 활성화시켜 주게 된다.
이하, 이들 구성요소들에 대하여 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
하우징(100)은 소정의 두께를 갖는 실린더 형상으로 이루어지고 양단에는 각각 덮개(110,120)가 구비된다. 그리고, 각 덮개(110,120)에는 물이 유출입이 가능하도록 각각 입구부(111)와 출구부(121)가 형성된다.
이러한 하우징(100)은 구리 또는 스테인레스관을 이용함으로써, 하우징(100)의 표면에도 탄소나노튜브를 이용하여 쉽게 코팅층을 형성할 수 있게 하는 것이 바람직하다.
반응봉(200)은 상기 한쌍의 덮개(110,120) 사이에 장착된다. 이때, 각 반응봉(200)은 어느 하나의 덮개(120)에 서로 나란하게 고정되게 설치되고, 이들 덮개(110,120)를 하우징(100)에 장착함에 따라 각 반응봉(200)의 단부가 다른 덮개(110)게 끼워져서 고정될 수 있게 구성한다.
특히, 상기 각 반응봉(200)에는 항균작용과 중금속의 흡착능이 뛰어나며 물을 활성화시켜 이온화시켜 주는 것으로 알려진 탄소나노튜브를 이용하여 코팅층을 형성한다. 이때, 탄소나노튜브 코팅층(NTC)에 사용되는 탄소나노튜브는 단일벽 탄소나노튜브(SWNT)를 이용함으로써, 항균효과를 더욱 향상시킬 수 있게 하는 것이 바람직하다. 또한, 이러한 탄소나노튜브 코팅층(NTC)은 통상의 기술로 많이 알려진 저온분사코팅법, 용사코팅법, 또는 바인더 이용부착법을 이용할 수 있다.
이와 같이 코팅된 탄소나노튜브는 관체를 통과하는 물의 유속에 의하여 전위차를 발생시키게 되고(비특허문헌 1 참조), 이 전위차로 인하여 물이 양이온(H+)과 음이온(OH-)으로 활성화되게 된다. 이러한 이온화에 따른 물의 활성화는 관체 내부에서 녹이라든가 스케일 및 슬라임의 발생을 억제할 뿐만 아니라 제거해 주는 효과가 있다. 그리고, 탄소나노튜브는 물 속에서 표면구조가 변형되어 콜로이드용액을 형성하여 중금속과의 흡착력을 증가시키는 효과가 있다(비특허문헌 2참조). 마지막으로, 탄소나노튜브는 특히 SWNT인 경우 높은 바이러스 제거율(99.999%)을 보이며, 그 형태가 완전하게 유지되면서도 박테리아를 비활성시키는 효과가 있다(비문헌특허 3 참조).
따라서, 본 발명에 따른 탄소나노튜브를 이용한 이온화 수처리기(1000)는 유속에 의한 전위차를 통하여 물을 활성화시킬 뿐만 아니라 항균작용과 함께 중금속을 흡착시키는 효과를 동시에 얻을 수 있게 되는 것이다.
( 제2실시예 )
도 2a는 본 발명의 제2실시예에 따른 탄소나노튜브를 이용한 이온화 수처리기의 전체 구성을 보여주기 위한 분해사시도이고, 도 2b는 본 발명의 제2실시예에 따른 탄소나노튜브를 이용한 이온화 수처리기의 결합상태를 보여주기 위한 단면도이다. 여기서는 제1실시예와 비교하여 그 차이에 대해서만 설명하기로 한다.
본 발명의 제2실시예에 따른 탄소나노튜브를 이용한 이온화 수처리기(1000a)는, 제1실시예와 비교해 볼 때 필터링수단에 있어서 차이가 있다. 즉, 제1실시예에서는 탄소나노튜브 코팅층(NTC)이 구비된 반응봉(200)을 이용하나, 제2실시예에서는 필터체(200a)를 사용한다. 이 외의 하우징(100)의 구성은 동일하다.
필터체(200a)는 하우징(100)의 내부에 끼워질 수 있도록 원기둥 형상으로 제작된다. 이때, 필터체(200a)는 하우징(100)의 길이보다 짧게 형성하는데, 이는 하우징(100) 내부로 유입된 물이 필터체(200a)에 막히지 않고 입출입할 수 있게 하기 위함이다.
특히, 필터체(200a)에는 일면에 복수의 유도로(210)가 전체 길이에 걸쳐 관통 형성된다. 그리고, 각 유도로(210)의 내주면에는 탄소나노튜브 코팅층(NTC)이 형성된다. 이러한 탄소나노튜브 코팅층(NTC)의 형성은 제1실시예에서와 같이 이루어지기 때문에 여기서는 그 상세한 설명을 생략한다.
(제3실시예)
도 3a는 본 발명의 제3실시예에 따른 탄소나노튜브를 이용한 이온화 수처리기의 전체 구성을 보여주기 위한 분해사시도이고, 도 3b는 본 발명의 제3실시예에 따른 탄소나노튜브를 이용한 이온화 수처리기의 결합상태를 보여주기 위한 단면도.기 위한 단면도이다.
본 발명의 제3실시예에 따른 탄소나노튜브를 이용한 이온화 수처리기(1000b)는, 하우징(100)과 이 하우징(100) 내부에 설치되는 필터체(200b)를 포함하여 구성된다. 이때,하우징(100)은 상술한 제2실시예와 동일한 구조로 이루어지기 때문에 여기서는 그 상세한 설명을 생략한다.
필터체(200b)는 증착법을 이용하여 제작한다. 이때 사용될 수 있는 탄노나노튜브의 증착법으로는 열분해법·레이저증발법· 플라즈마 화학기상법·열화학증착법·화학기상증착법 그리고 촉매화학증착법을 들 수 있다.
이 중에서 가장 바람직하게는 화학기상증착법을 이용하여 탄소나노튜브의 성장과 증착이 안정적으로 이루어질 수 있게 하는 것이 바람직하다.
이를 위하여 탄소나노튜브가 증착될 수 있도록 기재(220)를 준비하고, 이 기재(220)를 중심으로 증착시킨다. 그리고, 이 기재(220) 표면에 대하여 화학기상증착법으로 탄소나노튜브의 성장 길이라든가 성장 정도를 쉽게 조절해 가면서 증착시키게 된다. 따라서, 필터체(200b)의 크기가 상기 하우징(100) 내부에 끼워질 수 있는 크기만큼 증착시켜 형성한다.
이상에서와 같이 본 발명은 항균 작용과 중금속 흡착 그리고 물의 활성화로 녹제거능이 우수한 탄소나노튜브를 이용하여 탄소나노튜브를 이용한 이온화 수처리기를 제조함으로써, 구성이 간단할 뿐만 아니라 원하는 형상대로 쉽게 다양한 형태로 제작이 가능하게 된다.
100 : 하우징 110, 120 : 덮개
111 : 입구부 121 : 출구부
200 : 반응봉 200a, 200b : 필터체
210 : 유도로 220 : 기재

Claims (7)

  1. 삭제
  2. 실린더 형상으로 이루어지고, 양단에 각각 입구부(111)와 출구부(121)가 설치된 덮개(110,120)가 탈장착하게 구비된 하우징(100); 및
    상기 덮개(110,120) 사이에는 일정한 간격만큼 이격되도록 상기 하우징(100) 내부에 설치된 필터체(200a);를 포함하고,
    상기 필터체(200a)에는 일면에 길이방향을 따라서 복수의 유도로(210)가 형성되어 있고,
    상기 각 유도로(210)에는 내주면에 각각 탄소나노튜브 코팅층(NTC)이 형성된 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 이온화 수처리기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브 코팅층(NTC)은 단일벽 탄소나노튜브(SWNT)로 코팅된 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 이온화 수처리기.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브 코팅층(NTC)은 저온분사코팅법, 용사코팅법, 또는 바인더 이용부착법으로 코팅되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 이온화 수처리기.
  5. 삭제
  6. 실린더 형상으로 이루어지고, 양단에 각각 입구부(111)와 출구부(121)가 설치된 덮개(110,120)가 탈장착하게 구비된 하우징(100); 및
    상기 덮개(110,120) 사이에는 일정한 간격만큼 이격되도록 상기 하우징(100) 내부에 설치된 필터체(200b);를 포함하고,
    상기 필터체(200b)는 기재(220)의 표면에 일면에 증착법으로 탄소나노튜브를 증착하여 형성된 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 이온화 수처리기.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 증착법은 열분해법·레이저증발법·플라즈마 화학기상법·열화학증착법·화학기상증착법 또는 촉매화학증착법에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 이온화 수처리기.
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