KR102035726B1 - 수처리용 기액접촉장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수처리용 기액접촉장치에 관한 것으로, 몸체 내부를 통과하는 액체가 유체 흐름 유도부재에 의해 몸체 내부에서 고속으로 분사됨에 따라, 몸체 내부에 액체와 기체가 수용되는 공간이 형성되고, 액체와 기체가 수용되는 공간에 플라즈마 방전하는 전극이 설치됨에 따라, 절연파괴를 막아 안정적인 플라즈마 방전 상태를 유지할 수 있는 효과가 있다.

Description

수처리용 기액접촉장치{Gas liquid contact device for water treatment}

본 발명은 수처리용 기액접촉장치에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 저온 플라즈마를 이용하여 배관을 따라 유동하는 오염수를 단시간에 친환경적으로 수처리(정화)할 수 있는 수처리용 기액접촉장치에 관한 것이다.

최근 재래식 산화처리 공정의 한계를 극복하기 위한 방안으로서 고급산화법(AOP:Advanced Oxidation Process)에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다.

고급산화법이란 오존 및 OH 라디칼, 과산화수소, UV 등을 이용하여 수중 오염물질인 유기물을 산화처리하는 진보된 수처리 기술로, 기존의 산화제인 염소, 이산화염소, 과망간산칼륨 보다 훨씬 강한 산화력을 갖고 있어 산업 폐수 뿐만 아니라 상수처리에도 점차 확대 적용되고 있는 추세이다.

수처리에 적용되고 있는 고급산화법은 다양하게 개발되고 있으나, 실제 적용되고 있는 대부분은 오존과 과산화수소, 오존과 UV AOP, 과산화수소와 UV AOP 등으로 병행하여 적용하는 경우이다.

이중에서 오존처리는 오존의 강력한 산화력을 이용하는 것으로서, 살균효과가 우수하여 소량의 접촉에 의해서도 대부분의 세균을 사멸시키는 등 정수처리 공정에 살균제로서 사용되고 있다.

그리고, 원수 중에 있는 미량의 유기물질의 성상을 변화시켜 제거하거나 악취 물질 등의 제거에 효과적이며, 인공합성 유기물 등의 산화처리에 널리 이용되고 있다.

그러나, 오존은 대다수 유기물과의 반응이 느리거나 어떤 유기물과는 전혀 반응을 하지 않는 등 매우 선택적인 반응을 한다는 단점을 가지고 있다.

따라서, 이러한 오존처리의 단점을 극복하기 위해 OH 라디칼의 산화력을 이용하여 오존과 과산화수소, 오존과 UV AOP, 과산화수소와 UV AOP 등으로 병행하여 적용하게 되는데, 오존보다 산화력이 높은 OH 라디칼을 중간생성물로 생성시켜 산화처리에 이용하는 방법이 연구되어 다양한 분야에 적용되고 있다.

이러한 고급산화법의 분야 중 하나로 수중 저온 플라즈마 방전이 연구되고 있는데, 저온 플라즈마를 형성하는 펄스스트리머 방전은 플라즈마에 의해 OH 라디칼을 다량 발생시키며, 수중에서 OH 라디칼의 상호반응에 의해 과산화수소가 생성되어 산화반응을 일으키게 한다.

이러한 플라즈마에 의해 생성된 활성라디칼(OH*, O*, O3)의 산화반응은 유기물 분해 등 수질정화에 폭넓게 응용될 수 있다는 장점을 지니고 있다.

그런데, 수중 방전에 대한 연구는 전극이 물속에 잠겨 있을 경우, 매질 속에 있는 방전극에 전기를 하전 하면 물에 의해 통전이 되어 플라즈마가 생성되지 않는 문제점을 가지고 있다.

따라서, 이러한 문제를 해결할 수 있는 새로운 형태의 수중 플라즈마 방전 방식이 요구되고 있다.

대한민국 등록특허 제10-1639337호(2016.07.14. 공고)

이에 본 발명은 전술한 배경에서 안출된 것으로, 몸체 내부를 통과하는 액체가 유체 흐름 유도부재에 의해 몸체 내부에서 고속으로 분사됨에 따라, 몸체 내부에 액체와 기체가 수용되는 공간이 형성되고, 액체와 기체가 수용되는 공간에 플라즈마 방전하는 전극이 설치됨에 따라, 절연파괴를 막아 안정적인 플라즈마 방전 상태를 유지할 수 있는 수처리용 기액접촉장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 액체와 기체가 수용되는 공간에서 플라즈마 방전 상태를 안정적으로 유지할 수 있게 됨에 따라, 다량의 활성 라디칼을 직접 확보 및 활용할 수 있게 되어 정수처리 효율을 높일 수 있는 수처리용 기액접촉장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일실시예는 몸체 내부에 설치되며, 통과하는 액체를 고속으로 분사시켜 액체와 기체가 수용되는 공간을 형성하도록 유체의 흐름을 유도하는 유체 흐름 유도부재; 상기 몸체 내부의 액체와 기체가 수용되는 공간에 설치되는 한 쌍의 전극; 및 상기 한 쌍의 전극에 고전압 펄스나 전원을 인가하는 고전압발생부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수처리용 기액접촉장치를 제공한다.

또한, 본 발명에서 상기 유체 흐름 유도부재는, 액체를 고속도로 분출시키기 위해 액체가 유입되는 일측 보다 액체가 유출되는 타측이 축경되게 형성되는 유체 이동통로; 및 기체가 수용되는 공간을 형성하도록 상기 유체 이동통로를 통과한 액체를 원추상으로 분사시키는 분출구;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에서 상기 한 쌍의 전극은, 상기 몸체 내부의 액체 또는 기체가 수용되는 공간에 하나 이상 설치되어 고전압 펄스나 전원이 인가됨에 따라 방전하는 방전극; 및 상기 방전극에 대응되도록 상기 몸체 내부의 기체 또는 액체가 수용되는 공간에 하나 이상 설치되어 상기 방전극과 대면하는 접지극;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일실시예에 의하면, 몸체 내부를 통과하는 액체가 유체 흐름 유도부재에 의해 몸체 내부에서 고속으로 분사됨에 따라, 몸체 내부에 액체와 기체가 수용되는 공간이 형성되고, 액체와 기체가 수용되는 공간에 플라즈마 방전하는 전극이 설치됨에 따라, 절연파괴를 막아 안정적인 플라즈마 방전 상태를 유지할 수 있는 효과가 있다.

또한, 액체와 기체가 수용되는 공간에서 플라즈마 방전 상태를 안정적으로 유지할 수 있게 됨에 따라, 다량의 활성 라디칼을 직접 확보 및 활용할 수 있게 되어 정수처리 효율을 높일 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 수처리용 기액접촉장치가 수조에 연결된 상태를 나타낸 정단면도,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 수처리용 기액접촉장치를 나타낸 정단면도,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 수처리용 기액접촉장치의 유체 흐름 유도부재를 나타낸 평면도,
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 수처리용 기액접촉장치의 유체 흐름 유도부재를 나타낸 측단면도,
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 수처리용 기액접촉장치의 유체 흐름 유도부재를 나타낸 사시도이다.

이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

또한, 본 발명의 구성요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성요소 사이에 또 다른 구성요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 수처리용 기액접촉장치가 수조에 연결된 상태를 나타낸 정단면도, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 수처리용 기액접촉장치를 나타낸 정단면도, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 수처리용 기액접촉장치의 유체 흐름 유도부재를 나타낸 평면도, 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 수처리용 기액접촉장치의 유체 흐름 유도부재를 나타낸 측단면도, 도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 수처리용 기액접촉장치의 유체 흐름 유도부재를 나타낸 사시도이다.

이들 도면들에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 수처리용 기액접촉장치(10)는, 몸체(310) 내부에 설치되며, 통과하는 액체를 고속으로 분사시켜 액체와 기체가 수용되는 공간을 형성하도록 액체의 흐름을 유도하는 유체 흐름 유도부재(500); 몸체(310) 내부의 액체와 기체가 수용되는 공간에 설치되는 한 쌍의 전극(410); 및 한 쌍의 전극(410)에 고전압 펄스나 전원을 인가하는 고전압발생부(400);를 포함한다.

오염수 처리 시스템은 크게 수조(100)와 수처리용 기액접촉장치(10)를 포함하여 이루어지는데, 여기서 "오염수"라 함은 가정이나 공장, 농축산업 등 각종 산업시설에서 배출되는 오수, 폐수, 하수 등을 포함하는 개념이다.

수조(100)는 오염수가 선택적으로 유입 및 배출될 수 있도록 오염수 유입구(11) 및 이송관(110)이 구비되는데, 이송관(110)은 본 발명에 따른 수처리용 기액접촉장치(10)의 워터펌프(200) 작동에 의해 수조(100)의 오염수를 워터펌프(200)로 이송시킨다.

이때, 오염수 유입구(11)와 이송관(110)의 위치는 특별히 제한되지 않으나, 원할한 오염수의 이동을 위해 오염수 유입구(11)는 수조(100)의 상부에 구비되고, 이송관(110)은 수조(100)의 하부에 구비된다.

이송된 오염수는 워터펌프(200)에 의해 플라즈마 처리부(300)로 유입되며, 유입된 오염수는 정화되어 외부로 배출된다.

이와 더불어, 수처리용 기액접촉장치(10)는 상수도에 적용되어 살균 처리된 물을 외부로 배출할 수도 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 수처리용 기액접촉장치(10)는 플라즈마 처리부(300), 유입관(320), 유출관(330) 및 워터펌프(200)을 포함한다.

워터펌프(200)는 수조(100)에 저장된 오염수를 이송관(110)을 통해 강제 흡입하고, 강제 흡입된 오염수를 고압으로 가압하여 유입관(320)을 통해 플라즈마 처리부(300)로 강제 투입시킨다.

플라즈마 처리부(300)는 몸체(310), 유체 흐름 유도부재(500), 전극(410) 및 밀폐부재(540)를 포함한다.

몸체(310)는 중공의 파이프 형상으로 하측 단부에 오염된 액체가 유입되는 유입관(320)이 연결되고, 상측 단부에 정화된 액체가 배출되는 유출관(330)이 연결된다.

이때, 본 발명은 몸체(310)와 유입관(320) 사이로 액체가 흘러나가지 않도록 몸체(310)와 유입관(320) 사이에 밀폐부재(540)가 구비될 수도 있다.

또한 본 발명은 몸체(310)와 유출관(330) 사이로 액체가 흘러나가지 않도록 몸체(310)와 유출관(330) 사이에 밀폐부재(540)가 구비될 수도 있다.

이와 같은 몸체(310)는 플라즈마 생성시 전극(410)에 인가되는 고전압 펄스나 전원이 통전되지 않도록 투명한 유리 또는 합성수지 등의 절연체로 이루어진다.

유체 흐름 유도부재(500)는 몸체(310) 내부에 설치되며, 통과하는 액체를 고속으로 분사시켜 액체와 기체가 수용되는 공간을 형성하도록 유체의 흐름을 유도하게 된다.

이와 같은 유체 흐름 유도부재(500)는 액체를 고속도로 분출시키기 위해 액체가 유입되는 일측 보다 액체가 유출되는 타측이 축경되게 형성되는 유체 이동통로(520); 및 기체가 수용되는 공간을 형성하도록 유체 이동통로(520)를 통과한 액체를 원추상으로 분사시키는 분출구(510);를 포함한다.

보다 상세하게 유체 흐름 유도부재(500)는 몸체(310)의 내측면과 대응되는 크기와 형상으로 형성되어 몸체(310) 내부가 하측 공간부와 상측 공간부로 구획되도록 몸체(310)의 내부 중간측에 설치되며, 하측 공간부의 액체를 상측공간부로 분출시키게 된다.

여기서, 몸체(310)는 사각형상 등의 다각기둥 형상으로 형성될 수 있고, 이와 대응되게 유체 흐름 유도부재(500)는 사각형상 등의 다각기둥 형상으로 형성될 수 있다.

이와 같은 유체 흐름 유도부재(500)는 몸체(310)의 내부 중간측에 압입 설치된다.

이때, 유체 흐름 유도부재(500)는 외측면에 일정간격을 두고 이격되게 고정돌기(530)가 돌출 형성되며, 몸체(310)는 내측면에 고정돌기(530)와 대응되도록 일정간격을 두고 이격되게 고정돌기(530)가 끼워지는 고정홈이 형성될 수도 있다.

이와 같이 유체 흐름 유도부재(500)는 외측면에 형성된 고정돌기(530)가 몸체(310)의 내측면에 형성된 고정홈에 끼워짐으로써, 몸체(310)의 중간측에 견고하게 결합할 수 있게 된다.

이와 더불어 본 발명은 몸체(310)와 유체 흐름 유도부재(500) 사이로 액체가 흘러나가지 않도록 몸체(310)와 유체 흐름 유도부재(500) 사이에 밀폐부재(540)가 하나 이상 구비될 수 있다.

밀폐부재(540)는 단면이 원형으로 되어 있는 탄성재질의 고무링으로 압력이 가해지면 변형되어 몸체(310)와 유입관(320) 사이의 간극과, 몸체(310)와 유출관(330) 사이의 간극 및 몸체(310)와 유체 흐름 유도부재(500) 사이의 간극을 막아주게 된다.

여기서, 유체 이동통로(520)는 액체를 고속도로 분출시키기 위해 액체가 유입되는 일측 보다 액체가 유출되는 타측이 축경되게 형성되며, 분출구(510)는 유체 이동통로(520)와 연결되어 기체가 수용되는 공간을 형성하도록 유체 이동통로(520)를 통과한 액체를 원추상으로 분사시키게 된다.

이때, 분출구(510)는 도 4의 (a)에 도시된 바와 같이, 유체 이동통로(520)의 액체가 유출되는 타측과 동일한 직경을 갖도록 상측으로 연장 형성될 수 있고, 도 4의 (b)에 도시된 바와 같이, 연장 형성된 내측면에 요철 또는 스크류 형상으로 돌기가 돌출 형성될 수 있다.

또한, 유체 이동통로(520)와 분출구(510)는 도 5의 (a)에 도시된 바와 같이 이격되게 복수 개가 형성될 수도 있고, 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이 슬릿 형태로 길게 형성될 수도 있다.

이에 따라, 유체 흐름 유도부재(500)는 워터펌프(200)로부터 공급되는 고압의 액체를 고속으로 몸체(310)의 상측공간부로 분출시키게 된다.

이때, 유체 흐름 유도부재(500)는 액체를 원추상으로 분사시켜 상측공간부에 액체와 기체가 수용되는 공간을 각각 형성하게 된다.

즉, 상측공간부는 액체를 원추상으로 분사시키는 유체 흐름 유도부재(500)에 의해 도 2에 도시된 바와 같이 상측에 액체가 수용되는 공간이 형성되고, 하측에 기체가 수용되는 공간이 형성된다.

여기서, 액체가 수용되는 공간과 기체가 수용되는 공간의 경계는 위가 넓고 아래가 좁은 상광하협(上廣下狹)의 형태로 형성된다.

계속해서, 전극(410)은 몸체(310) 내부의 액체와 기체가 수용되는 상측공간부에 설치되는 것으로, 고전압발생부(400)로부터 고전압 펄스나 전원이 인가되는 방전극(410a)과 접지 상태인 접지극(410b)으로 구성된다.

즉, 한 쌍의 전극(410) 중 고전압 펄스나 전원이 인가됨에 따라 방전하는 방전극(410a)은 상측공간부중 기체가 수용되는 공간에 하나 이상 설치되며, 방전극(410a)과 대면하는 접지극(410b)은 상측공간부중 액체가 수용되는 공간에 하나 이상 설치된다.

이와 같이 본 발명은 몸체(310)의 상측공간부 중 기체가 수용되는 공간에 방전극(410a)이 설치되고, 액체가 수용되는 공간에 접지극(410b)이 설치되어 플라즈마를 방전시킴으로써, 안정적인 플라즈마 방전 상태를 유지할 수 있고, 그에 따라 수중에서 다량의 활성 라디칼을 확보할 수 있어 정수처리 효율을 높일 수 있게 된다.

이때, 방전극(410a)은 몸체(310) 내부의 기체가 수용되는 공간에 설치되고, 접지극(410b)은 방전극(410a)에 대응되도록 몸체(310) 내부의 액체가 수용되는 공간에 설치되는 것으로 설명하였으나 이와는 다르게 방전극(410a)은 몸체(310) 내부의 액체가 수용되는 공간에 설치되고, 접지극(410b)은 방전극(410a)에 대응되도록 몸체(310) 내부의 기체가 수용되는 공간에 설치될 수도 있다.

이와 더불어, 기체가 수용되는 공간에는 살균능력이 있는 자외선 램프(미도시)가 설치되어 살균능력을 향상시킬 수도 있다.

고전압발생부(400)는 한 쌍의 전극(410)에 고전압 펄스나 전원을 인가하는 것으로, 전극(410)에 높은 전압의 직류전원을 공급하여 플라즈마가 용이하게 발생하도록 한다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 수처리용 기액접촉장치(10)는 몸체(310) 내부를 통과하는 액체가 유체 흐름 유도부재(500)에 의해 몸체(310) 내부에서 고속으로 분사됨에 따라, 몸체(310) 내부에 액체와 기체가 수용되는 공간이 형성되고, 액체와 기체가 수용되는 공간에 플라즈마 방전하는 전극(410)이 설치됨에 따라, 절연파괴를 막아 안정적인 플라즈마 방전 상태를 유지할 수 있게 된다.

또한, 액체와 기체가 수용되는 공간에서 플라즈마 방전 상태를 안정적으로 유지할 수 있게 됨에 따라, 다량의 활성 라디칼을 직접 확보 및 활용할 수 있게 되어 정수처리 효율을 높일 수 있게 된다.

즉, 플라즈마 방전 상태가 유지되면, 수중에서는 지속적으로 다량의 OH 라디칼이 발생하게 되며, 이들 일부가 과산화수소를 생성하기도 하면서 물속에 함유된 유기물과 산화반응을 일으키게 된다.

즉, 종래처럼 수면에서만 활성 라디칼이 작용하는 것이 아니라, 수중에서 다량의 활성 OH 라디칼이 생성되면서 곧바로 내부의 유기물을 산화처리하여 분해시키기 때문에, 정화효율이 상당히 증가하게 된다.

그리고, 이러한 산화반응은 플라즈마가 안정적으로 유지되는 한 지속적으로 이루어지기 때문에, 정화처리속도도 상당히 빨라지게 된다.

이상에서, 본 발명의 실시예를 구성하는 모든 구성요소들이 하나로 결합되거나 결합되어 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다.

또한, 이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성요소가 내재될 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥 상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

10 : 수처리용 기액접촉장치
11 : 오염수 유입구
100 : 수조
110 : 이송관
200 : 워터펌프
300 : 플라즈마 처리부
310 : 몸체
320 : 유입관
330 : 유출관
400 : 고전압발생부
410 : 전극
500 : 유체 흐름 유도부재
510 : 분출구
520 : 유체 이동통로
530 : 고정돌기
540 : 밀폐부재

Claims (3)

1. 몸체 내부의 중간측에 설치되어 상기 몸체를 하측 공간부와 상측 공간부로 구획하고,
   상기 하측 공간부의 액체를 상기 상측 공간부로 고속으로 분사시켜,
   상기 상측 공간부의 상측에는 액체가 수용되는 공간을 형성하고,
   상기 상측 공간부의 하측에는 기체가 수용되는 공간을 형성하도록 유체의 흐름을 유도하는 유체 흐름 유도부재;
   상기 상측 공간부에 설치되는 한 쌍의 전극; 및
   상기 한 쌍의 전극에 고전압 펄스나 전원을 인가하는 고전압발생부;
   를 포함하되,
   상기 한 쌍의 전극은,
   상기 기체가 수용되는 공간에 하나 이상 설치되어 고전압 펄스나 전원이 인가됨에 따라 방전하는 방전극; 및
   상기 방전극에 대응되도록 상기 액체가 수용되는 공간에 하나 이상 설치되어 상기 방전극과 대면하는 접지극;
   을 포함하는 것을 특징으로 하는 수처리용 기액접촉장치.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 유체 흐름 유도부재는,
   액체를 고속도로 분출시키기 위해 액체가 유입되는 일측 보다 액체가 유출되는 타측이 축경되게 형성되는 유체 이동통로; 및
   기체가 수용되는 공간을 형성하도록 상기 유체 이동통로를 통과한 액체를 원추상으로 분사시키는 분출구;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 수처리용 기액접촉장치.
   
3. 삭제

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