KR102315114B1 - 수처리용 플라즈마 반응기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수처리용 플라즈마 반응기에 관한 것으로서, 유입구와 유출구가 구비되어 피처리수가 이동할 수 있도록 한 스테인리스 재질의 반응조 내측으로 전극모듈을 설치하여 피처리수 내에 존재하는 유기물을 분해하거나 미생물을 제거하는 것은 물론이고 살균, 탈취, 분해 효과도 기대할 수 있도록 비교적 간단한 구성으로 제공하면서, 반응조 및 전극모듈 표면에 스케일이 발생하는 것을 방지하여 기능성 상실을 예방할 수 있도록 한 것이다.
즉, 본 발명은 하측에 유입구가 상측에 유출구가 구비되어 피처리수가 이동할 할 수 있도록 구성한 스테인리스 구성의 원통형 반응조와; 상기 반응조의 상부에 개구되어 있는 나사공을 통해서 수밀 가능하도록 나사결합되는 마개와; 마개에 결합된 상태로 반응조 내부 중앙에 위치하는 전극모듈과; 상기 반응조와 전극모듈에 전원을 공급하도록 전기적으로 연결된 직류발생기를 포함하도록 구성한 것이다.

Description

수처리용 플라즈마 반응기{Plasma reactor for water treatment}

본 발명은 수처리용 플라즈마 반응기에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 유입구와 유출구가 구비되어 피처리수가 이동할 수 있도록 한 스테인리스 재질의 반응조 내측으로 전극모듈을 설치하여 피처리수 내에 존재하는 유기물을 분해하거나 미생물을 제거하는 것은 물론이고 살균, 탈취, 분해 효과도 기대할 수 있도록 비교적 간단한 구성으로 제공하면서, 반응조 및 전극모듈 표면에 스케일이 발생하는 것을 방지하여 기능성 상실을 예방할 수 있도록 한 수처리용 플라즈마 반응기를 제공코자 하는 것이다.

피처리수 내의 오염물질이나 유해 미생물을 처리하기 위한 기술이 다양하게 제공되고 있으며, 종래에는 화학약품을 이용하는 처리방법이 주로 사용되었으나 근자에는 환경오염 등을 이유로 전극에 고전압 펄스를 가하여 방전시킴으로써 수중에서 활성 라디칼을 발생시켜 피처리수를 처리하는 기술들이 제공되고 있다.

그러나 상기한 방법의 경우 방전을 일으키기 위한 전극이 수중에 잠겨져 있는 상태에 있는 바, 전극에 가해지는 전기가 피처리수를 통해 통전됨으로써 플라즈마 발생이 용이하지 않아 실제 적용에 많은 문제점이 존재하고 있으며, 라디칼, 이온, 오존 등 플라즈마에 의해 생성되는 각종 활성성분들 중 라디칼과 이온은 반응 활성이 매우 높은 장점이 있지만, 수명이 매우 짧으므로 생성되는 즉시 물과 접촉시키지 않으면 곧 활성을 상실하는 문제가 있었다.

이러한 문제점을 해결하기 위한 종래 기술로는 대한민국 등록특허공보(B1)10-1579349호(2015.12.22.)의 플라즈마-멤브레인을 이용한 폐수 처리장치 및 폐수 처리방법이 제공되고 있으며, 그 구성은 폐수가 담겨져 있는 반응조; 상기 반응조에 담겨져 내부에 중공부를 형성하며, 복수개의 기공이 형성된 소수성의 세라믹 멤브레인; 상기 반응조의 일측에 연결설치되며, 상기 중공부와 연통하여 기체가 유입되는 기체 유입구; 및 상기 중공부에 삽입되며 전기방전을 일으켜 유입된 기체를 활성화시키는 플라즈마 방전부; 를 포함하며, 활성화된 기체를 상기 기공을 통하여 폐수내로 공급하도록 한 것으로 활성화된 기체를 세라믹 멤브레인에 형성된 기공을 통해 수중으로 즉시 분산되도록 하여 활성화된 기체의 손실을 최소화시키고, 활성화된 기체와 액체의 접촉면적을 극대화시킴으로써 반응속도가 빨라 수중의 유기 오염물질 및 미생물을 제고할 수 있도록 하고 있다.

다른 예로는 대한민국 등록특허공보(B1)10-2044024호(2019.11.12.)의 수처리용 플라즈마 전극, 플라즈마 전극 모듈 및 이를 포함하는 수처리 시스템이 제안되고 있으며, 그 구성은 원주 형태를 갖는 접지부, 고정부 및 방전부가 차례로 적층된 다단구조를 갖고, 상기 접지부는 전극과 접촉되고, 상기 방전부에서 플라즈마가 발생되며, 상기 접지부, 고정부 및 방전부는 내부식성을 갖도록 동일한 재질인 SUS로 원기둥의 일체형 구조를 갖되, 상부에 위치하는 방전부의 직경이 가장 짧고, 하부에 위치하는 접지부의 직경이 가장 길며, 상기 방전부의 지름은 1mm를 초과하고, 4mm 미만으로 구성하고 있다. 이는 반응기에 구비된 접지전극과 플라즈마 노즐 사이의 거리를 용이하게 조절할 수 있고, 3단으로 구성된 일체형 플라즈마 노즐을 사용함으로써 플라즈마를 안정적으로 발생시킬 수 있어 피처리수의 처리 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있으나 전극모듈의 구성이 복잡하고, 처리수를 처리하는 과정에서 전지전극 및 전극모듈 표면에 스케일이 발생하여 기능성이 저하되거나, 표면이 마모되는 등의 문제점이 있어 피처리수를 연속적으로 처리하는데 한계가 있었다.

KR 101579349 B1 2015.12.22. KR 102044024 B1 2019.11.12.

이에 본 발명자는 종래 플라즈마 반응기의 복잡한 구성을 개선하고, 아울러 스케일 반생으로 인한 기능성 저하 문제점을 개선코자 본 발명을 연구 개발한 것이다.

즉, 본 발명에서는 유입구와 유출구가 구비되어 피처리수가 이동할 수 있도록 한 스테인리스 구성의 반응조 내부에 전극모듈을 설치하고, 반응조에 (-)전원을 전극모듈에 (+)전원을 제공하여 플라즈마 발생이 이루어질 수 있도록 하되, 전극모듈은 전극봉 외부에 세라믹 또는 유리튜브를 씌우고 그 외부에 코팅층을 형성하는 구성과 더불어 반응조 내측으로 나선형 돌기를 형성하여 반응조 내부에서 이동하는 피처리수가 와류 이동되게 하여 반응조 내면과 전극모듈 표면에 스케일 발생없이 연속적인 플라즈마 반응이 제공되게 하여 피처리수에 존재하는 유기물 및 미생물을 연속적으로 분해하거나 제거할 수 있도록 함에 발명의 기술적 과제를 두고 본 발명을 완성한 것이다.

과제 해결 수단으로 본 발명에서는,

첫째 하측에 유입구가 상측에 유출구가 구비되어 피처리수가 이동할 할 수 있도록 구성한 스테인리스 구성의 원통형 반응조와; 상기 반응조의 상부에 개구되어 있는 나사공을 통해서 수밀 가능하도록 나사결합되는 마개와; 마개에 결합된 상태로 반응조 내부 중앙에 위치하는 전극모듈과; 상기 반응조와 전극모듈에 전원을 공급하도록 전기적으로 연결된 직류발생기를 포함하도록 구성한 것을 특징으로 한다.

둘째 상기 전극모듈은 마개에 수직으로 전극봉을 결합하되; 상기 전극봉은 나사공과 결합되는 쪽의 나사부 하측으로 절연튜브가 씌워지고, 피처리수에 노출되는 절연튜브 하측으로는 세라믹튜브 또는 유리튜브를 씌워 플라즈마 반응이 이루어질 수 있도록 한 것을 특징으로 한다.

셋째 상기 반응조의 내면과 전극봉에 씌워진 세라믹튜브 또는 유리튜브의 표면에는 다이아몬드, 금속, 세라믹 중 어느 하나를 용사코팅한 코팅층을 형성한 것을 특징으로 한다.

넷째 상기 유입구와 유출구는 반응조의 중심에서 벗어난 접선 형태로 형성하고, 반응조의 내면에는 나선형 돌출부를 형성하여 피처리수가 와류 이동되도록 한 것을 특징으로 한다.

다섯째 상기 유입구쪽에는 산소가 공급되는 버블발생기를 더 설치하여 유입구로 공공급되는 피처리수에 산소를 추가 공급할 수 있도록 한 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 제공하는 수처리용 플라즈마 반응기를 사용하는 경우하기와 같은 효과가 있다.

관상으로 이루어진 반응조 내부에 축방향으로 전극봉이 위치한 상태에서 플라즈마 수중반응이 이루어지므로 피처리수 내에 존재하는 유기물 및 미생물을 효과적으로 분해하거나 제거할 수 있는 효과를 제공하게 된다.

또한 본 발명은 반응조의 내면과 전극봉에 씌워진 세라믹튜브 또는 유리튜브의 표면에는 다이아몬드, 금속, 세라믹 중 어느 하나를 용사코팅한 코팅층이 형성된 구성이고, 반응조의 내면에는 나선형 돌출부를 형성하여 피처리수가 와류 이동되는 구성이므로, 피처리수를 플라즈마 처리하는 과정에서 스케일이 발생하는 것을 방지할 수 있고, 안정적인 플라즈마 발생으로 만은 양의 OH라디칼을 생성하여 플라즈마 반응기의 기능성 상실 염려 없이 연속적인 피처리수 처리가 가능하게 되는 것이다.

수처리용으로 사용할 경우 화학약품 없이 수처리가 가능하여 환경오염을 줄일 수 있고, 강력한 살균, 탈취, 분해 효과로 인해 오염수 등을 저비용으로 처리할 수 있는 효과도 기대된다.

도 1은 본 발명에서 제공하는 수처리용 플라즈마 반응기의 바람직한 일 실시례를 보인 사시도
도 2는 본 발명에서 제공하는 수처리용 플라즈마 반응기의 분해 사시도
도 3은 도 1의 단면도
도 4는 본 발명에 반응조의 다른 실시례가 적용된 상태를 보인 단면도
도 5는 도 4의 평단면도
도 6은 본 발명에 적용된 전극모듈의 구성을 보인 확대 단면도

이하 본 발명에서 제공하는 수처리용 플라즈마 반응기의 바람직한 실시례를 첨부 도면에 의거하여 설명한다.

도 1은 본 발명에서 제공하는 수처리용 플라즈마 반응기의 바람직한 일 실시례를 보인 사시도를 도시한 것이고, 도 2는 본 발명에서 제공하는 수처리용 플라즈마 반응기의 분해 사시도, 도 3은 도 1의 단면도를 도시한 것이다.

본 발명에서 제공하는 수처리용 플라즈마 반응기(1)는 도시된 바와 같이 반응조(2)와, 반응조(2)에 결합되는 전극모듈(3)과, 반응조(2)와 전극모듈(3)에 전원을 제공하는 직류발생기(4)로 크게 대분된다.

상기 반응조(2)는 스테인리스 재질로 구성되며, 파이프 형상으로 하부가 밀폐되고 상부가 개방된 형상으로 제공되며, 개방된 쪽에는 나사공(21)을 형성하고 있다.

반응조(2)의 하단에는 피처리수가 유입되는 유입구(22)가 형성되고, 반응조(2)의 상단에는 처리수가 배출되는 유출구(23)가 형성되며, 이들에는 피처리수 또는 처리수를 제어하는 밸브(24)를 설치할 수 있다.

상기 유입구(22)로 공급되는 피처리수에는 산소등의 공기가 일부 녹아 있으나, 필요에 따라 공기를 믹싱하여 용존 산소량을 높일 수 있도록 할 수 있다. 예를 들면 유입구(22) 쪽에 산소가 공급되는 버블발생기(25)를 더 설치하여 유입구(22)로 공급되는 피처리수에 산소를 추가 공급할 수 있다.

상기와 같이 산소가 공급되는 버블발생기(25)를 유입구(22)쪽에 설치하는 경우 피처리수가 반응조(2) 내부로 유입될 때 피처리수내에 녹아 있는 산소량이 증가하게 되므로 반응조(2) 내에서 플라즈마 반응이 일어날 때 오존(O3)와 라디칼(OH)가 생성이 보다 용이하게 이루어질 수 있는 것이다.

반응조(2)의 내면에는 피처리수와 면접하게 되는데, 피처리수와 면접촉되는 내면을 코팅처리하여 코팅층(26)을 형성함으로 해서 스케일 발생을 줄일 수 있도록 한다. 이때 코팅층(26)은 다이아몬드, 금속, 세라믹 중 어느 하나를 용사코팅하여 형성한다.

도 4는 본 발명에 반응조의 다른 실시례가 적용된 상태를 보인 단면도, 도 5는 도 4의 평단면도를 각각 도시한 것이다.

상기 반응조(2)는 도 4, 5와 같이 유입구(22)와 유출구(23)를 반응조(2)의 중심에서 벗어난 접선 형태로 형성하고, 반응조(2)의 내면에 나선형 돌출부(27)를 형성하여 유입구(22)로 유입된 피처리수가 유출구(23)로 이동할 때 내부에서 와류 이동될 수 있도록 할 수도 있다.

본 발명에서 제공하는 반응조(2)의 경우 나사공(21)이 형성된 상부 바깥쪽으로 지지링(28)이 마련되어 타 구조물에 쉽게 고정할 수 있도록 하며, 접지단자(29)를 마련하여 직류발생기(4)와 전기적으로 연결되는 (-)단자로 활용할 수 있게 한다.

반응조(2)에 결합되는 전극모듈(3)은 반응조(2)의 나사공(21)에 결합되는 마개(31)의 표면에 나사부(32)를 형성하고 마개(21)의 중심에는 전극봉(33)을 결합한 구성으로 이루어진다.

도 6은 본 발명에 적용된 전극모듈의 구성을 보인 확대 단면도를 각각 도시한 것이다.

상기 전극봉(33)은 반응조(2)의 나사공(21)과 결합되는 마개(31)의 나사부(32) 쪽으로 절연튜브(34)를 씌워 누전의 위험성이 없도록 하고, 피처리수에 노출되는 쪽의 전극봉(33) 외부에는 세라믹튜브 또는 유리튜브(35)를 씌워 플라즈마 반응이 이루어질 수 있도록 구성하며, 마개(31)의 상측으로 노출된 부분에는 접지단자(36)를 마련하여 직류발생기(4)와 전기적으로 연결되는 (+)단자로 활용할 수 있게 한다.

그리고 상기 전극봉(33) 외부에 씌워진 세라믹튜브 또는 유리튜브(35)의 표면에는 다이아몬드, 금속, 세라믹 중 어느 하나를 용사코팅한 코팅층(37)을 형성한다.

반응조(2)와 전극모듈(3)에 전원을 제공하는 직류발생기(4)로는 5~15kv의 고전압을 제공하는 것을 사용한다.

이상과 같이 구성되는 본 발명의 수처리용 플라즈마 반응기(1)를 사용코자 할 시에는 먼저 반은조에 설치되어 있는 유입구(22)와 유출구(23) 쪽에 마련된 밸브(24)를 개방하여 피처리수가 이동되도록 한 상태에서 직류발생기(4)에서 제공되는 5~15kv의 고전압을 반은조와 전극모듈(3)에 제공하면 된다.

상기와 같이 반응조(2)와 전극모듈(3)로 고전압이 제공되면, 반응조(2) 내부를 통과하는 피처리수 내에서 대전이 이루어지게 된다.

피처리수 내에서 대전이 이루어지면 피처리수의 물분자(H2O) 일부가 수소(H)와 산소(O)가 전기분해 되고, 분해된 수소와 산소 및 피처리수로 유입된 공기중의 산소가 상호 결합되면서 오존(O3)와 라디칼(OH)가 생성된다.

상기와 같이 피처리수 내에서 생성된 라디칼은 순간적으로 생성 후 다시 분리되어 물분자로 환원되며 오존은 처리수를 따라 유출구(23)를 통해서 외부로 배출된다.

이때 피처리수 내에 존재하는 유기물 및 미생물이 오존 및 라디칼에 의해 분해되거나 제거되는 기능성을 발휘하게 되는 것이다.

상기한 (OH)라디칼(Hydroxyl Radical)은 반응조(2)와 전극모듈(3) 사이에서 대전되는 높고 강력한 에너지에 의한 플라즈마 상태에서 생성되는 간소음이온계 천연물질이며, 지구상에서 가장 강력한 살균력을 제공하는 것으로 유기물 및 미생물과 반응한 후 산소와 물로 환원된다.

따라서 본 발명에서 제공하는 수처리용 플라즈마 발생기를 사용할 경우 화학약품 없이 수처리가 가능하여 환경오염을 줄일 수 있고, 강력한 살균, 탈취, 분해 효과로 인해 오염수 등도 효과적으로 처리할 수 있을 것이라 사료된다.

본 발명에서 제공하는 수처리용 플라즈마 반응기(1)는 하수처리용은 물론이고, 세차용을로 사용할 경우 피처리수에 의해 차량의 표면에 묻어 있는 유분을 포함하는 오염물을 깨끗이 세척할 수 있는 등의 효과를 기대할 수 있다.

본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시례에 관해 설명하고 있으나, 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 보호 범위는 설명된 실시례에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 청구범위 뿐만 아니라 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

1:수처리용 플라즈마 반응기 2:반응조
21:나사공 22:유입구
23:유출구 24:밸브
25:버블발생기 26,37:코팅층
27:나선형 돌출부 28:지지링
29:접지단자 3:전극모듈
31:마개 32:나사부
33:전극봉 34:절연튜브
35:세라믹튜브 또는 유리튜브 36:접지단자
4:직류발생기

Claims (5)

1. 하측에 유입구(22)가 상측에 유출구(23)가 구비되어 피처리수가 이동할 수 있도록 구성한 스테인리스 구성의 원통형 반응조(2)와;
   상기 반응조(2)의 상부에 개구되어 있는 나사공(21)을 통해서 수밀 가능하도록 나사결합되는 마개(31)와;
   마개(31)에 결합된 상태로 반응조(2) 내부 중앙에 위치하는 전극모듈(3)과;
   상기 반응조(2)와 전극모듈(3)에 전원을 공급하도록 전기적으로 연결된 직류발생기(4)를 포함하도록 구성한 것을 특징으로 하며;
   상기 전극모듈(3)은 마개(31)에 수직으로 전극봉(33)을 결합하되;
   상기 전극봉(33)은 나사공(21)과 결합되는 쪽의 나사부(32) 하측으로 절연튜브(34)가 씌워지고, 피처리수에 노출되는 절연튜브(34) 하측으로는 세라믹튜브 또는 유리튜브(35)를 씌워 플라즈마 반응이 이루어질 수 있도록 한 것을 특징으로 하고;
   상기 반응조(2)의 내면과 전극봉(33)에 씌워진 세라믹튜브 또는 유리튜브(35)의 표면에는 다이아몬드, 금속, 세라믹 중 어느 하나를 용사코팅한 코팅층(26)(37)을 형성한 것을 특징으로 하는 수처리용 플라즈마 반응기.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 청구항 1에 있어서;
   상기 유입구(22)와 유출구(23)는 반응조(2)의 중심에서 벗어난 접선 형태로 형성하고, 반응조(2)의 내면에는 나선형 돌출부(27)를 형성하여 피처리수가 와류 이동되도록 한 것을 특징으로 하는 수처리용 플라즈마 반응기.
   
5. 청구항 1에 있어서;
   상기 유입구(22)쪽에는 산소가 공급되는 버블발생기(25)를 더 설치하여 유입구(22)로 공공급되는 피처리수에 산소를 추가 공급할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 수처리용 플라즈마 반응기.

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