KR101977787B1 - 플라즈마 전처리 모듈을 포함하는 해수 담수화 장치 및 이를 사용한 해수 담수화 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 MF(Micro-filtration) 혹은 UF(ultra-filtration) 모듈과 역삼투(Reverse Osmosis) 분리막 모듈을 포함하는 해수 담수화 장치의 도입부에 위치하는 해수 전처리 장치 및 이러한 전처리부를 사용하여 보다 경제적이고 효과적으로 해수 담수화 공정을 수행하는 방법에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는 해수 담수화 장치의 전처리 장치인 부상형 여과장치에 플라즈마 모듈을 부가함으로써, 전처리부에서 화학적 응집제 사용을 최소화하면서도, 해수중에 포함된 유/무기 불순물질을 효과적으로 분해 제거함으로써 담수화 성능이 향상된 해수 담수화 장치 및 여과방법을 제공하기 위한 것이다.

Description

플라즈마 전처리 모듈을 포함하는 해수 담수화 장치 및 이를 사용한 해수 담수화 방법{Filtering Apparatus Containing Floating Media and Filtering Method}

본 발명은 MF(Micro-filtration) 혹은 UF(ultra-filtration) 모듈과 역삼투(Reverse Osmosis) 분리막 모듈을 포함하는 해수 담수화 장치의 도입부에 위치하는 해수 전처리 장치 및 이러한 전처리 장치를 사용하여 보다 경제적이고 효과적으로 해수 담수화 공정을 수행하는 방법에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는 해수 담수화 공정의 해수 전처리 장치인 부상형 여과장치에 플라즈마 모듈을 부가함으로써, 전처리 단계에서 화학 응집제 사용을 최소화하면서도, 해수 중에 포함된 유/무기 불순물을 효과적으로 분해/제거함으로써 담수화 성능과 효율이 향상된 해수 담수화 장치 및 해수 담수화 방법을 제공하기 위한 것이다.

인구의 증가와 생활수준의 향상으로 인한 물 수요 증가, 기상이변 등으로 인한 강우의 지역적인 편중 등으로 인해 물 부족 지역이 확대되고 있으며, 전 세계 인구의 약 40%가 식수난을 겪고 있으며, 우리나라 역시 지표수 및 지하수의 오염 등으로 인하여 식수 부족 현상이 가중될 전망이다.

때문에, 해수를 담수화시키는 다양한 방법이 개발되고 있는데, 열원을 이용하는 증발법, 삼투현상을 이용하는 정삼투 및 역삼투법 등이 있으며, 이외에도 전기투석법, 결정화법, 이온교환막법, 용제추출법, 가압흡착법 등이 있다.

상기 증발법 중에서도 다단증발법(Multi-Stage Flash, MSF)과 다중효용법(Multi-EffectDistillation, MED), 역삼투법(Reverse Osmosis) 등이 해수의 담수화에 대표적으로 적용되고 있으며, 최근에는 해수담수화 플랜트의 효율 향상을 위해 해수 담수화 공정의 전단에 유입되는 해수에 포함된 부유 물질과 같은 불순물을 미리 제거하는 다양한 방법이 시도되고 있다.

부유 물질(Suspended Solids: SS)은 통상적으로 물에 함유된 0.1㎛ 이상의 작은 입자성분을 의미하며, 물속에 다량 함유되어 있을 경우 심한 탁도를 유발하고 BOD, COD의 증가요인이 되기도 한다. 부유 물질이 많이 들어있는 하수는 관로 내에 퇴적하여 물의 흐름을 방해하고 퇴적된 유기물이 부패하여 수질을 악화시킬 수 있으므로 반드시 제거해야 하는 오염물질이다.

한편, 부유 물질은 입자크기로 분류하면 콜로이드 성분보다 조금 큰 상태로 존재하며 용존성 물질과는 반대로 물속에 부유된 상태로 존재한다. 부유 물질 성분은 일정시간이 지나면 어느 정도 침전이 이루어지지만, 입자크기가 작아 침전속도가 매우 늦은 편이며, 따라서 물속에 함유된 부유 물질을 제거하기 위해서 응집제를 사용하여 입자를 크게 뭉치게 하여 플록 형태로 만들어 침전, 또는 부상방식에 의해 제거하거나 여과재를 이용하여 미량의 부유 물질성분을 제거하는 방식인 부상조가 사용될 수 있다.

이러한 부상조에서 피처리수 중에 포함된 부유 물질의 응집을 가속화하기 위해 화학적인 응집제인 NaOCl, 황산 등의 산(acid), 혹은 FeCl3 등을 사용하는 것이 일반적인데, 해수의 담수화 공정의 경우에는 이러한 응집제 성분들을 반드시 제거해주어야 하므로, 공정 비용이 상승하는 문제점이 존재한다.

등록특허 제1156125호(2012.06.07 등록)

본 발명에서는 이러한 유기물 등의 부유 물질이 포함된 해수의 담수화 공정에서, 담수를 생산하는 막분리 공정으로 도입되기 전에 전처리 장치로 사용되는 부상형 여과 장치의 부상조에 플라즈마 모듈을 부가함으로써, 화학 응집제를 사용하지 않고도 효율적으로 부유 물질을 제거함으로써, 보다 경제적으로 해수를 담수화할 수 있는 장치와 방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 해수 담수화 장치는, 해수가 도입되는 부상형 여과장치; 및 상기 부상형 여과장치에서 배출되는 처리수를 담수화하는 막분리 장치;를 포함하고, 상기 부상형 여과장치는, 해수 내 이물질을 응집시켜 플록(floc)을 형성 및 성장시키기 위한 혼화응집조(100); 미세기포를 주입하여 상기 혼화응집조를 통과한 처리수에 포함된 플록을 부상 및 제거시키는 부상제거조(300);를 포함하며, 상기 혼화응집조(100)의 하부에는 플라즈마 전극 모듈(50)이 위치하는 것을 특징으로 한다.

상기 혼화응집조(100)에는 해수에 포함된 부유 물질 혹은 유기물질의 농도를 측정하는 측정 유닛(210)이 포함되는 것이 바람직하고, 상기 측정 유닛의 측정 결과에 따라 플라즈마 전극 모듈의 작동을 제어하는 제어부(220)를 추가로 더 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 상기 막분리 모듈은, 정밀여과 혹은 한외여과 막모듈(400)과 역삼투막 모듈(500)이 직렬로 연결되는 것이고, 플라즈마 전극 모듈(50)은, 복수개의 홀이 형성된 텅스텐 기재; 상기 홀을 제외한 텅스텐 기재의 외주부를 둘러싸는 세라믹층; 및 상기 홀 안쪽에 위치하되, 원주 형태를 갖는 접지부(33), 고정부(32) 및 방전부(31)가 차례로 적층된 다단구조를 갖는 플라즈마 전극;을 포함하고, 상기 접지부(33)는 텅스텐 기재와 접촉하고, 상기 방전부(31)에서 플라즈마를 발생시킨다.

상기 접지부(33), 고정부(32) 및 방전부(31)는, 내부식성을 갖는 동일 재질로 이루어진 일체형 구조인 것이 바람직하고, 상기 접지부(33), 고정부(32) 및 방전부(31)의 직경의 비는 7~8:4~6:1이고, 높이의 비는 1~2:1:1인 것이 더욱 바람직하다.

상기 플라즈마 전극의 일체형 구조는, 내부식성을 갖는 SUS 재질인 것이 바람직하고, 텅스텐 기재는 플레이트 혹은 원주 형태로 혼화조 혹은 응집조에 플라즈마 전극 모듈로 적용될 수 있다.

본 발명의 다른 실시 형태로 해수의 담수화 방법을 들 수 있는데, 해수를 부상형 여과장치(200)를 사용하여 전처리하는 단계; 및 상기 부상형 여과장치에서 배출되는 처리수를 막분리 장치를 사용하여 담수화하는 단계;를 포함하고, 상기 전처리하는 단계는, 혼화응집조(100)의 하부에 위치하는 플라즈마 전극 모듈(50)에서 플라즈마를 형성하는 단계; 부상형 여과장치(200)의 혼화응집조(100)에서 해수 내 이물질을 응집시켜 플록(floc)을 형성 및 성장시키는 단계; 및 부상제거조(300)에서 주입되는 미세기포를 통해 상기 혼화응집조(100)를 통과한 처리수에 포함된 플록을 부상 및 제거하는 단계;를 포함한다.

상기 플라즈마 전극 모듈(50)에서 플라즈마를 형성하는 단계는, 혼화응집조(100)에 유입되는 해수에 포함된 부유 물질 혹은 유기물질의 농도를 측정하고, 상기 측정 결과에 따라 플라즈마 전극 모듈의 작동을 제어하는 것이 바람직하고, 상기 막분리 장치를 사용하여 담수화하는 단계는, 정밀여과 혹은 한외여과 막모듈(400)에 의한 수처리 및 역삼투막 모듈(500)에 의한 수처리가 차례로 수행되는 것이 바람직하다.

상기 플라즈마 전극 모듈(50)은, 복수개의 홀이 형성된 텅스텐 기재; 상기 홀을 제외한 텅스텐 기재의 외주부를 둘러싸는 세라믹 층; 및 상기 홀 안쪽에 위치하되, 각각 서로 다른 지름을 갖는 원주 형태인 접지부(33), 고정부(32) 및 방전부(31)가 차례로 적층된 다단구조를 갖는 플라즈마 전극;을 포함한다.

상기 접지부(33)는 텅스텐 기재와 접촉되고, 상기 방전부(31)에서 플라즈마를 발생시키며, 상기 접지부(33), 고정부(32) 및 방전부(31)는 내부식성을 갖는 SUS 재질로 이루어진 일체형 구조인 것이 바람직하다.

상기 접지부(33), 고정부(32) 및 방전부(31)의 직경의 비는 7~8:4~6:1이고, 높이의 비는 1~2:1:1인 것이 더욱 바람직하다.

본 발명에 따르면, 해수의 담수화 과정에서 부상형 여과장치를 통한 전처리 과정에서 플라즈마 수중방전을 이용하여 해수 내에 존재하는 유기물 및 미생물을 효과적으로 분해하거나 제거할 수 있다.

특히, 해수의 전처리 장치인 부상형 여과장치를 구성하는 혼화응집조의 하단부에 구비된 3단으로 구성된 일체형 플라즈마 노즐을 포함하는 플라즈마 전처리 모듈이 구비되어 상기 혼화응집조 내에 플라즈마를 안정적으로 발생시킬 수 있어, 화학 응집제를 사용하지 않으면서도 해수 내의 유기물질 등을 효과적으로 제거 분해할 수 있어, 해수 담수화 공정의 전처리 효율을 향상시킬 수 있는 효과를 갖는다.

또한, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 플라즈마 전극 모듈에 포함된 수처리용 플라즈마 전극은, 방전부, 고정부 및 접지부가 일체형으로 제작되어 내구성이 우수하고, 안정적으로 플라즈마를 발생시킬 수 있으며, 복수개의 전극이 구비된 전극 모듈의 형태로 적용되어, 한 개의 전극에 필요 이상의 전력이 인가되어 깨지는 현상이나, 국소 부위 전로 파괴 현상을 방지할 수 있다.

아울러 길이와 지름이 상이한 3단 구성으로 접지 효율 및 방전 효율을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 안정적인 플라즈마 발생으로 많은 양의 OH 라디칼 생성할 수 있어, 해수 내에 포함된 유기 오염물질을 효과적으로 분해시킬 수 있다.

이러한 본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 해수 담수화 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 전극 모듈을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 플라즈마 발생원리 및 효과를 설명하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 노즐을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명에서 상용될 수 있는 플라즈마 전극 모듈의 형태를 예시적으로 나타낸 도면이다.

이하에서는, 본 발명의 실시예와 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위해 예시적으로 제시된 것일 뿐, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가지는 자에 있어서 자명할 것이다.

또한, 달리 정의하지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 모든 기술적 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 기술 분야의 숙련자에 의해 통상적으로 이해되는 바와 동일한 의미를 가지며, 만일 상충되는 경우에는, 정의를 포함하는 본 명세서의 기재가 우선할 것이다.

도면에서는 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다. 그리고, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에서 기술한 "부"란, 특정 기능을 수행하는 하나의 단위 또는 블록을 의미한다.

각 단계들에 있어 식별부호(제1, 제2, 등)는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 실시될 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 실시될 수도 있고 실질적으로 동시에 실시될 수도 있으며 반대의 순서대로 실시될 수도 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 해수 담수화 장치를 개략적으로 나타낸 것이다. 상기 도 1에 제시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 해수 담수화 장치는 해수를 전처리하는 해수 전처리 장치인 부상형 여과장치(200)와 상기 부상형 여과장치(200)에서 전처리되어 배출되는 피처리수를 담수화하는 막분리 장치로 구성될 수 있다.

상기 막분리 장치는 통상적인 해수의 담수화 공정에 사용되는 정밀여과(MF) 혹은 한외여과(UF) 막모듈(400)과 역삼투막 모듈(500)이 직렬로 연결되어, 최종적인 해수의 담수화가 수행될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 부상형 여과장치(200)를 좀 더 상세하게 설명하면, 투입된 해수에 포함된 이물질을 응집시켜 플록(floc)을 형성 및 성장시키기 위한 혼화응집조(100); 미세기포를 주입하여 상기 혼화응집조를 통과한 처리수에 포함된 플록을 부상 및 제거시키는 부상제거조(300);를 포함하고, 상기 부상제거조(300)는, 상기 혼화응집조(100)를 통과한 처리수 내 포함된 플록을 부상시키기 위한 공기주입부(351); 상기 공기주입부를 통해 부상된 플록을 제거하는 제거부(310); 및 상기 부상제거조 하부 영역에 구비되며, 상기 제거부를 통해 부유 물질이 제거된 처리수 내 잔류하는 이물질을 여과시키는 여과부(330);를 포함한다.

상기 혼화응집조(100)와 부상제거조(300)는 격벽을 매개로 하여 서로 구획되어 있고, 상기 격벽의 상부 및/또는 하부를 통해 각각 연통되어 있으며, 이러한 격벽을 따라 원수가 이동하면서 상기 원수 내 포함된 이물질이 제거될 수 있다.

상기 혼화응집조(100)의 하단에는 후술되는 플라즈마 전극 모듈(50)이 위치하고, 필요에 따라 해수가 유입되는 입구(150)에 혼화유도체(151)를 충진시켜 상기 공간을 통과하는 원수의 흐름에 저항을 줌으로써, 충돌과 와류, 난류를 발생시켜 상기 원수의 흐름 궤적의 잦은 변화를 부여하여 별도의 교반 동력 없이 무동력으로 원수에 포함된 미립자들이 난류에 의해 서로 접촉하여 일정 크기로 응집시켜 플럭을 형성시키고, 형성된 플럭이 교반기를 통해 성장될 수 있다.

상세하게는 전처리하고자 하는 해수가 유입되는 공간에 구비되는 혼화유도체(151)가 충진되어, 원수인 해수가 유입되면서 혼화유도체(151)를 통과하여 발생된 와류 또는 난류에 의해 상기 해수에 포함된 이물질이 순환되면서 해수 내에 포함된 미립자 혹은 유기물질이 서로 접촉하면서 플럭(floc)을 형성할 수 있다.

상기 혼화유도체(151)는 메쉬(Mesh)타입의 재료 또는 복수 개의 섬유다발이 충진된 형태로서, 바람직하게는 메쉬(Mesh)타입의 재료가 여러 겹 적층된 형태이거나, 복수 개의 섬유다발이 서로 얽혀 있는 형태일 수 있다.

더욱 바람직하게는 상기 홀이 형성된 메쉬 타입의 재료와 인접한 메쉬 타입의 재료 간에 홀이 수직 방향으로 일치되지 않도록 비대칭으로 적층될 수 있으며, 상기 메쉬 타입의 재료 간의 홀이 수직방향으로 비대칭으로 적층되어 있으므로 중력에 의해 원수가 메쉬 타입의 재료를 통과하면서 와류 및/또는 난류를 발생시킬 수 있으며, 원수와 투입되는 응집제 간의 접촉면적 및 시간이 증가됨에 따라 생성되는 플럭의 양을 증가시켜 후단의 부상제거조(300)에서 상기 플럭을 부상시킴으로써 상기 원수 내 포함되는 이물질의 제거 효율을 현저히 높일 수 있다.

또한, 상기 충진되는 메쉬 홀의 크기에 따라 발생되는 난류 및/또는 와류의 강도를 제어함으로써, 본 발명의 용존 공기 부상형 수처리 장치에 유입되는 원수의 상태에 따라서 바람직한 유속을 적절히 조절할 수 있다. 예를 들어, 원수 내 이물질의 함량이 낮을 경우 상기 메쉬 홀의 크기를 증가시키고 적층되는 메쉬 재료의 개수를 줄임으로써 응집제와 원수 간의 접촉면적 및 시간을 저감시키고, 원수 내 이물질의 함량이 높을 경우 상기와 반대로 응집제와 원수 간의 접촉면적 및 시간을 증가시킴으로써 생성되는 플럭의 양 및 크기를 적절하게 조절할 수 있다.

상기 혼화유도체(151)를 통과하여 발생된 난류 및/또는 와류로 인해 플럭이 형성된 원수는 기계식 혼화장치인 교반기를 통해 형성된 플럭을 성장시킬 수 있다.

상기 혼화응집조(100)를 통과한 처리수 내 포함된 플럭을 제거하기 위하여 미세 기포를 주입함으로써, 상기 플럭을 부상시켜 제거하는 부상제거조(300)는, 상기 혼화응집조(100)를 통과한 처리수 내 포함된 플록을 부상시키기 위한 공기주입부(351), 상기 공기주입부(351)를 통해 부상된 플록을 제거하는 제거부(310) 및 상기 부상제거조 하부 영역에 구비되며, 상기 제거부(310)를 통해 플록이 제거된 처리수 내 잔류하는 이물질을 여과시키는 여과부(330)를 더 포함한다.

좀 더 상세하게는 상기 제거부 전단의 격실에 해당하는 영역에서 상기 혼화응집조(100)를 통해 형성된 플럭을 부상시키기 위한 제1 공기주입부(351)로부터 제공되는 미세 기포들이 상기 플록에 달라붙어 제거부(310) 상부로 부상시키고, 상기 제거부에서 스키머를 통해 부상된 플록을 제거하여 외부로 배출시킬 수 있다.

상기 혼화응집조(100)에서, 플럭의 형성을 좀 더 용이하게 하기 위해 종래에는 화학적 응집제를 사용하였지만, 이러한 화학적 응집제는 후속의 막분리 과정 중에서 반드시 제거되어야 하므로, 불필요한 추가 공정비용의 원인이 된다.

이에 본 발명에서는 혼화응집조(100)에 추가적인 화학응집제를 투입하지 않고, 혼화응집조(100)의 하면에 플라즈마 전극 모듈(50)을 구비하였으며, 상기 플라즈마 전극 모듈(50)에 포함된 플라즈마 전극(30)을 사용하여 플라즈마 수중방전을 통해 피처리수인 해수 내에 존재하는 유기물 및 미생물을 분해하거나 제거하고자 한다. 이렇게 분해 혹은 제거된 유기물 혹은 미생물은 상기 혼화응집조(100)의 내에서 응집핵의 역할을 수행할 수 있어, 추가적인 화학적 응집제를 투여 과정이 생략될 수 있다.

또한, 종래에는 해수 등과 같은 피처리수를 전처리하기 전에 염소를 주입하여 유기물에 의해 형성되는 바이오 파울링(Bio-fouling)을 억제하였으나, 염소의 과량 주입으로 인하여 부식 등의 문제가 발생하지만, 본 발명은 이러한 염소 주입 방식을 플라즈마 방식으로 대체함으로써 유기물 및 미생물을 효과적으로 제거함으로써 바이오-파울링 현상 등을 억제하면서도 부식 문제를 발생하지 않는 장점을 갖는다.

도 3은 플라즈마 발생원리 및 효과를 설명하는 도면으로, 본 발명을 구체적으로 설명하기에 앞서, 도 3을 참조하여 플라즈마 수중방전을 이용한 수처리의 효과에 관하여 설명하고자 한다.

플라즈마 수중방전은, 플라즈마 전극에 인가하는 펄스, 전압 등을 달리하여 코로나 방전과 아크 방전 등을 사용할 수 있다. 플라즈마를 이용한 수처리를 통해 얻을 수 있는 효과는 충격파에 의한 세포 파괴, 초음파에 의한 세포 파괴, 고전압 전기장에 의한 세포 파괴 등을 들 수 있는데, 좀 더 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 충격파에 의한 세포 파괴에서는 급격한 압력의 변동으로 나타나는 충격파로 세포의 파괴를 가져올 수 있다는 것이다. 이때, 세포의 파괴는 세포의 크기 및 세포의 형태, 세포의 두께 등에 의존하며, 충격파 세기에 의존한다.

또한, 초음파에 의한 세포 파괴를 들 수 있는데, 초음파는 액체 속을 통과하면서 캐비테이션(Cavitation) 현상을 일으킬 수 있다. 캐비테이션이란, 초음파 진동자에 의해 액체 매질로 초음파가 통과할 때 진동자에 의해 진동하는 종파를 만들어냄으로써 액체의 밀도가 소한 부분과 밀한 부분을 만들어 내며, 소한 부분이 액체의 증기압보다 낮을 경우에 버블(Bubble)을 만들어 내어 그것이 폭발하는 현상이다. 이 폭발에 의한 충격파를 이용하여 세포를 파괴시키는 것으로서, 소량의 미생물 세포를 파괴시킬 때 사용하는 방법이다.

또한, 고전압 전기장에 의한 세포 파괴는 세포막에 높은 전위차를 유도하여 세포막이라는 절연체를 파괴시키는 것이다. 따라서, 플라즈마 처리에 의해 생성되는 자외선, 활성종, 충격파, 버블 등의 작용에 의해 플랑크톤 및 박테리아의 생존율을 획기적으로 줄일 수 있다.

일 실시예에 있어서, 플라즈마 전극(30)은 텅스텐이나 스테인레스 강(stainless steel)을 이용하여 제조될 수 있고, 전원 공급부(도시하지 않음)와 연결될 수 있다.

전원공급부는 플라즈마 전극(30)에 펄스, 교류 또는 직류 전압을 인가할 수 있다. 플라즈마 전극(30)은 반응기(10)의 일측에 구비될 수 있는데, 개별적으로 형성될 수 있으나, 복수의 플라즈마 전극이 모인 플라즈마 전극 모듈(50) 형태로 혼화응집조(100)의 내부에 위치될 수 있는데, 접지전극(20)과 플라즈마 전극(30)이 대향되도록 설치되는 것이 바람직하다(도 2 참조). 또한, 상기 플라즈마 전극 모듈(50)은 피처리수의 처리량 등에 따라 반응기 내에 복수 개 설치될 수 있으며, 반드시 혼화응집조(100)의 내부 저면 뿐만 아니라 필요에 따라 측면에도 설치될 수 있다.

도 4는 일 예에 따른 플라즈마 전극(30)을 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 4를 참조하여 플라즈마 전극(30)을 구체적으로 설명하면, 플라즈마 전극(30)은 방전부(31), 고정부(32) 및 접지부(33)를 포함하는 일체의 구조로 형성될 수 있다. 일체형으로 제조됨으로써, 1개의 전극단에 필요 이상의 전력이 인가되어 깨지는 현상을 방지할 수 있어 내구성을 향상시킬 수 있고, 추후 플라즈마 전극(30)의 교체가 용이하다는 장점이 있다.

또한, 각 단의 전극은 특별히 제한되는 것은 아니고, 다양한 형상으로 제조될 수 있으나, 안정적으로 플라즈마를 발생시키기 위하여 원기둥 형상인 것이 바람직하고, 상부에 위치하는 방전부(31)의 직경이 가장 짧으며, 하부에 위치하는 접지부(33)의 직경이 가장 긴 것이 바람직하다(도 4 기준). 상부로 갈수록 직경을 감소시킴으로써 플라즈마 전극(30)의 절연 효율 및 방전 효율을 향상시킬 수 있다. 플라즈마 전극(30)의 절연 효율 및 방전 효율을 극대화하기 위하여 방전부(31), 고정부(32) 및 접지부(33)의 직경(d)의 비는 1~2 : 8~10 : 12~16 인 것이 바람직하고, 방전부(31), 고정부(32) 및 접지부(33)의 높이(h)의 비는 1 : 1 : 1~2 인 것이 바람직하다.

이러한 플라즈마 전극은 수처리용 반응기 내에 개별적으로 설치될 수 있으나, 복수개의 전극들이 배치된 전극 모듈 형태로 반응기 내에 설치되는 것도 가능하다.

플라즈마 전극 모듈(50)의 일 실시 형태로 도 5(a)의 플레이트 형태와 도 5(b)의 관 형태가 제시되어 있는데, 복수개의 홀(51)이 형성된 전도성 기재(52) 및 상기 홀을 제외한 텅스텐 기재의 외주부를 둘러싸는 세라믹 층(53)으로 구성될 수 있다.

상기 홀 안쪽에는, 앞서 살펴본 플라즈마 전극이 위치하는데, 원주 형태를 갖는 접지부(33), 고정부(32) 및 방전부(31)가 차례로 적층된 다단구조를 갖는 플라즈마 전극;을 포함하고, 상기 접지부(33)는 상기 전도성 기재와 접촉하고, 상기 방전부(31)에서 플라즈마가 발생된다.

전도성 기재의 형태에 따라 플레이트 형태의 플라즈마 전극 모듈과 관 형태의 플라즈마 전극 모듈로 구현될 수 있으며, 수처리 반응기의 형태에 따라 선택적으로 사용될 수 있다.

상기 전도성 기재로는 전기 전도도가 높고 내구성이 우수한 텅스텐 혹은 텅스텐 질화물과 같은 텡스텐 합금 재질이 사용되는 것이 바람직하며, 플라즈마 전극 모듈에 포함되는 플라즈마 전극은, 접지부(33), 고정부(32) 및 방전부(31)는 내부식성을 갖는 동일 재질로 이루어진 일체형 구조인 것이 바람직한데, 상기 일체형 구조를 형성하면서 내부식성을 갖는 재질은 SUS 재질인 것이 더욱 바람직하다.

상기 플라즈마 전극의 접지부(33), 고정부(32) 및 방전부(31)의 직경의 비는 12~16:8~10:1~2인 것이 바람직하고, 접지부(33), 고정부(32) 및 방전부(31)의 높이의 비는 1~2:1:1인 것이 바람직하다.

상기 전도성 기재는 플레이트 형태 혹은 원주 형태일 수 있으며, 텅스텐 재질이 사용되는 것이 바람직하다.

다음으로, 본 발명의 다른 실시 형태인 플라즈마 전처리 과정을 포함하는 해수 담수화 방법에 관하여 살펴보기로 한다.

앞서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 해수 담수화 방법은 해수의 전처리 과정과 막분리 모듈을 사용한 담수화 과정으로 구분될 수 있는데, 좀 더 구체적으로 살펴보면, 해수를 부상형 여과장치(200)를 사용하여 전처리하는 단계; 및 상기 부상형 여과장치(200)에서 배출되는 처리수를 막분리 장치를 사용하여 담수화하는 단계;를 포함한다.

이러한 해수의 전처리하는 단계는, 부상형 여과장치(200)를 구성하는 혼화응집조(100)의 하부에 위치하는 플라즈마 전극 모듈(50)에서 플라즈마를 형성하는 단계; 부상형 여과장치의 혼화응집조(100)에서 해수 내 이물질을 응집시켜 플록(floc)을 형성 및 성장시키는 단계; 및 부상제거조(300)에서 주입되는 미세기포를 통해 상기 혼화응집조(100)를 통과한 처리수에 포함된 플록을 부상 및 제거시키는 단계;를 포함한다.

상기 플라즈마 전극 모듈(50)에서 플라즈마를 형성하는 단계는, 혼화응집조(100)에 유입되는 해수에 포함된 부유 물질 혹은 유기물질의 농도를 측정하고, 상기 측정 결과에 따라 플라즈마 전극 모듈의 작동이 제어되는 것이 바람직한데, 앞서 살펴본 해수 유입부에 형성된 혼화유도체(151)만으로 충분히 응집과 제거가 가능할 정도로 해수 내의 불순물 농도가 낮을 경우에는 상기 플라즈마 전극 모듈을 작동하지 않고, 해수의 수질이 좋지 않아(예를 들어 일정 수준 이상의 BOD, COD 혹은 SS 값이 검출될 경우) 추가적인 응집 및 제거가 필요할 경우에는 제어부를 통해 플라즈마 전극 모듈의 작동 및 플라즈마 세기, 작동 시간 등을 제어할 수 있다.

구체적인 플라즈마 모듈에 관한 설명은, 이미 앞서 언급하였으므로 여기서는 생략하기로 하며, 플라즈마를 형성하는 전극은 해수를 전처리하기 때문에 내부식성을 갖는 SUS 재질로 이루어진 일체형 구조인 것이 바람직함을 밝혀둔다.

[실시예]

일 실시예에 따른 수리처용 플라즈마 전극의 방전부 지름에 따른 방전 특성을 확인하기 위해, 접지부, 고정부 및 방전부가 일체의 원주 형태로 형성된 플라즈마 전극을 사용하여 오존(O3)의 생성 정도를 확인하였다.

접지부와 고정부 및 방전부의 길이를 각각 16mm, 11mm, 11mm로 일정하게 유지한 후, 방전부의 직경을 다양한 범위로 변화시켜 가면서 전류를 가하여 발생되는 오존의 농도를 측정하였다. 전극의 끝부분인 방전부에서 생성되는 플라즈마로 인해 오존이 발생하게 되며, 이러한 오존은 플라즈마 수처리 과정에서 TOC의 감소와 같은 오염물질의 분해에 중요한 영향을 미치게된다.

방전부의 지름을 1 내지 4mm의 범위로 변화시켰으며, 접지부(33), 고정부(32) 및 방전부(31)의 직경의 비는 7.5:5:1로 일정하게 유지하였으며, 동일한 전압을 가하여 생성되는 오존의 농도를 측정한 결과는 아래의 표와 같다.

방전부의 지름[mm]	1	2	3	4
생성된 O3 농도[ppm]	-	0.06	0.07	0.0001

상기 표 1의 결과에서 확인되듯이, 방전부의 지름이 너무 낮을 경우에는 플라즈마가 적절하게 형성되지 못하여 오존의 발생이 미미하였음을 알 수 있고, 직경이 너무 커질 경우에는, 방전부 표면에서 균일하게 플라즈마가 발생하지 못하여 전체적으로 발생되는 오존의 양이 감소하는 것을 확인할 수 있었다.

본 명세서에서는 본 발명자들이 수행한 다양한 실시예 가운데 몇 개의 예만을 들어 설명하는 것이나 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고, 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.

20 : 접지전극 30 : 플라즈마 전극
31 : 방전부 32 : 고정부
33 : 접지부 50 : 플라즈마 전극 모듈
100 : 혼화응집조 151 : 혼화유도체
200 : 부상형 여과장치 210 : 측정유닛
220 : 제어부 300 : 부상제거조
310 : 제거부 330 : 여과부
331 : 여과재 351 : 공기주입부
400 : 정밀여과 혹은 한외여과 막모듈
500 : 역삼투 막모듈

Claims (23)

1. 해수 담수화 장치에 있어서,
   해수가 도입되는 부상형 여과장치; 및
   상기 부상형 여과장치에서 배출되는 처리수를 담수화하는 막분리 장치;를 포함하고,
   상기 부상형 여과장치는, 해수 내 이물질을 응집시켜 플록(floc)을 형성 및 성장시키기 위한 혼화응집조(100); 미세기포를 주입하여 상기 혼화응집조를 통과한 처리수에 포함된 플록을 부상 및 제거시키는 부상제거조(300);를 포함하며,
   상기 혼화응집조(100)의 하부에는 플라즈마 전극 모듈이 위치하되,
   상기 플라즈마 전극 모듈은, 복수개의 홀이 형성된 텅스텐 기재; 상기 홀을 제외한 텅스텐 기재의 외주부를 둘러싸는 세라믹 층; 및 상기 홀 안쪽에 위치하되, 원주 형태를 갖는 접지부(33), 고정부(32) 및 방전부(31)가 차례로 적층된 다단구조를 갖는 플라즈마 전극;을 포함하고,
   상기 접지부(33)는 텅스텐 기재와 접촉하고, 상기 방전부(31)에서 플라즈마가 발생되는 것을 특징으로 하는, 플라즈마 전처리 모듈을 포함하는 해수 담수화 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 혼화응집조(100)에는 해수에 포함된 부유 물질 혹은 유기물질의 농도를 측정하는 측정 유닛이 포함되는, 플라즈마 전처리 모듈을 포함하는 해수 담수화 장치.
3. 제2항에 있어서,
   상기 측정 유닛의 측정 결과에 따라 플라즈마 전극 모듈의 작동을 제어하는 제어부를 추가로 더 포함하는, 플라즈마 전처리 모듈을 포함하는 해수 담수화 장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 막분리 장치는,
   정밀여과 혹은 한외여과 막모듈과 역삼투막 모듈이 직렬로 연결되어 있는, 플라즈마 전처리 모듈을 포함하는 해수 담수화 장치.
5. 삭제
6. 제1항에 있어서,
   상기 접지부(33), 고정부(32) 및 방전부(31)는, 내부식성을 갖는 동일 재질로 이루어진 일체형 구조인, 플라즈마 전처리 모듈을 포함하는 해수 담수화 장치.
7. 제1항에 있어서,
   상기 접지부(33), 고정부(32) 및 방전부(31)의 직경의 비는 12~16:8~10:1~2인, 플라즈마 전처리 모듈을 포함하는 해수 담수화 장치.
8. 제1항에 있어서,
   상기 접지부(33), 고정부(32) 및 방전부(31)의 높이의 비는 1~2:1:1인, 플라즈마 전처리 모듈을 포함하는 해수 담수화 장치.
9. 제6항에 있어서,
   상기 일체형 구조는, 내부식성을 갖는 SUS 재질인 것을 특징으로 하는, 플라즈마 전처리 모듈을 포함하는 해수 담수화 장치.
10. 제1항에 있어서,
    상기 텅스텐 기재는, 플레이트 형태 혹은 원주 형태인 것을 특징으로 하는,플라즈마 전처리 모듈을 포함하는 해수 담수화 장치.
11. 제1항에 있어서,
    상기 해수가 도입되는 부상형 여과장치의 입구(150)에 혼화유도체(151)가 충진되어, 해수의 흐름에 저항을 줌으로써, 충돌과 와류 혹은 난류를 발생시키는 것을 특징으로 하는, 플라즈마 전처리 모듈을 포함하는 해수 담수화 장치.
12. 제11항에 있어서,
    상기 혼화유도체(151)는 메쉬(Mesh)타입의 재료 또는 복수 개의 섬유다발이 충진된 형태인 것을 특징으로 하는, 플라즈마 전처리 모듈을 포함하는 해수 담수화 장치.
13. 제1항에 있어서,
    상기 부상제거조(300)는, 상기 혼화응집조(100)를 통과한 처리수 내 포함된 플록을 부상시키기 위한 공기주입부(351), 상기 공기주입부(351)를 통해 부상된 플록을 제거하는 제거부(310) 및 상기 부상제거조 하부 영역에 구비되며, 상기 제거부(310)를 통해 플록이 제거된 처리수 내 잔류하는 이물질을 여과시키는 여과부(330)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 플라즈마 전처리 모듈을 포함하는 해수 담수화 장치.
14. 해수 담수화 방법에 있어서,
    해수를 부상형 여과장치에 도입하여 전처리하는 단계; 및
    상기 부상형 여과장치에서 배출되는 처리수를 막분리 장치를 사용하여 담수화하는 단계;를 포함하고,
    상기 부상형 여과장치는 혼화응집조(100)와 부상제거조(300)를 포함하며,
    상기 전처리하는 단계는, 상기 혼화응집조(100)의 하부에 위치하는 플라즈마 전극 모듈에서 플라즈마를 형성하는 단계; 상기 혼화응집조(100)에서 해수 내 이물질을 응집시켜 플록(floc)을 형성 및 성장시키는 단계; 및 부상제거조(300)에서 주입되는 미세기포를 통해 상기 혼화응집조(100)를 통과한 처리수에 포함된 플록을 부상 및 제거시키는 단계;를 포함하고,
    상기 플라즈마 전극 모듈은, 복수개의 홀이 형성된 텅스텐 기재; 상기 홀을 제외한 텅스텐 기재의 외주부를 둘러싸는 세라믹 층; 및 상기 홀 안쪽에 위치하되, 원주 형태를 갖는 접지부(33), 고정부(32) 및 방전부(31)가 차례로 적층된 다단구조를 갖는 플라즈마 전극;을 포함하는 것을 특징으로 하는, 플라즈마 전처리 과정을 포함하는 해수 담수화 방법.
15. 제14항에 있어서,
    상기 플라즈마 전극 모듈에서 플라즈마를 형성하는 단계는, 혼화응집조(100)에 유입되는 해수에 포함된 부유 물질 혹은 유기물질의 농도를 측정하고, 상기 측정 결과에 따라 플라즈마 전극 모듈의 작동을 제어하는 것을 특징으로 하는, 플라즈마 전처리 과정을 포함하는 해수 담수화 방법.
16. 제14항에 있어서,
    상기 담수화하는 단계는, 정밀여과(MF) 혹은 한외여과(UF) 막모듈에 의한 수처리와 역삼투막 모듈에 의한 수처리가 차례로 수행되는 것을 특징으로 하는, 플라즈마 전처리 과정을 포함하는 해수 담수화 방법.
17. 삭제
18. 제14항에 있어서,
    상기 접지부(33)는 텅스텐 기재와 접촉하고, 상기 방전부(31)에서 플라즈마가 발생되는 것을 특징으로 하는, 플라즈마 전처리 과정을 포함하는 해수 담수화 방법.
19. 제14항에 있어서,
    상기 접지부(33), 고정부(32) 및 방전부(31)는, 내부식성을 갖는 SUS 재질로 이루어진 일체형 구조인 것을 특징으로 하는, 플라즈마 전처리 과정을 포함하는 해수 담수화 방법.
20. 제14항에 있어서,
    상기 접지부(33), 고정부(32) 및 방전부(31)의 직경의 비는 7~8:4~6:1이고, 높이의 비는 1~2:1:1인, 플라즈마 전처리 과정을 포함하는 해수 담수화 방법.
21. 제14항에 있어서,
    상기 해수가 도입되는 부상형 여과장치의 입구(150)에 혼화유도체(151)가 충진되어, 해수의 흐름에 저항을 줌으로써, 충돌과 와류 혹은 난류를 발생시키는 것을 특징으로 하는, 플라즈마 전처리 과정을 포함하는 해수 담수화 방법.
22. 제21항에 있어서,
    상기 혼화유도체(151)는 메쉬(Mesh)타입의 재료 또는 복수 개의 섬유다발이 충진된 형태인 것을 특징으로 하는, 플라즈마 전처리 과정을 포함하는 해수 담수화 방법.
23. 제14항에 있어서,
    상기 부상제거조(300)는, 상기 혼화응집조(100)를 통과한 처리수 내 포함된 플록을 부상시키기 위한 공기주입부(351), 상기 공기주입부(351)를 통해 부상된 플록을 제거하는 제거부(310) 및 상기 부상제거조 하부 영역에 구비되며, 상기 제거부(310)를 통해 플록이 제거된 처리수 내 잔류하는 이물질을 여과시키는 여과부(330)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 플라즈마 전처리 과정을 포함하는 해수 담수화 방법.
    

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