KR20010047773A

KR20010047773A - Apparatus for purifying wastewater using plasma

Info

Publication number: KR20010047773A
Application number: KR1019990052143A
Authority: KR
Inventors: 김준호; 박희권
Original assignee: 김준호; 박희권
Priority date: 1999-11-23
Filing date: 1999-11-23
Publication date: 2001-06-15

Abstract

PURPOSE: Provided is a wastewater treatment apparatus using plasma to remove organics and inorganic matters. CONSTITUTION: The apparatus consists of a pipe type dielectric (21) having an inlet (21a) for inhaling outer air and an outlet (21b) for exhausting internal air, an outer electrode (23) plated on the outside of the dielectric (21), an internal electrode (25), a coil spring installed along the dielectric (21) in the longitudinal direction, a power supplying device (30) for applying high-frequency/low voltage power between inner electrode and outer electrode so that plasma is generated at the inside of dielectric (21), a horse for supplying plasma into the wastewater.

Description

Apparatus for purifying wastewater using plasma}

본 발명은 폐수정화장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 플라즈마 발생장치에서 발생된 저온의 플라즈마를 폐수에 공급함으로써 폐수를 정화시키는 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a wastewater purification apparatus, and more particularly, to an apparatus for purifying wastewater by supplying low temperature plasma generated in the plasma generator to the wastewater.

대기 중에는 질소와 산소가 분자의 형태로 존재한다. 이 분자형태의 물질에 전기적 아아크를 가하게 되면 분자들은 각각의 이온상태, 즉 플러스 이온과 마이너스 이온으로 분리되게 된다. 이와 같이 플러스, 마이너스 이온으로 전리된 상태의 물질을 플라즈마(Plasma)라고 부른다.In the atmosphere, nitrogen and oxygen exist in the form of molecules. When electrical arc is applied to this molecular material, the molecules are separated into their respective ionic states, plus and minus ions. The material in the state of being ionized with positive and negative ions as described above is called plasma.

플라즈마는 고온의 플라즈마와 저온의 플라즈마로 구분된다. 고온의 플라즈마는 15,000 내지 20,000K 정도의 고온을 가진다. 이 고온의 플라즈마는 철판을 용융시켜 절단하는 데 사용된다. 통상적으로 동이나 알루미늄은 산화가 되지 않으므로 이와 같이 플라즈마를 이용하여 절단한다. 저온의 플라즈마는 물 속에 존재하는 유기물 혹은 무기물들의 분자고리를 강제로 끊는 강력한 에너지를 가지고 있다. 그런데, 고온의 플라즈마는 상기한 바와 같이 응용되고 있으나, 저온의 플라즈마는 실제로 공업적으로 이용되고 있는 바가 없다.The plasma is divided into a high temperature plasma and a low temperature plasma. The high temperature plasma has a high temperature of about 15,000 to 20,000 K. This high temperature plasma is used to melt and cut the iron plate. Typically copper or aluminum is not oxidized and thus cut using plasma. Low temperature plasma has a strong energy to forcibly break the molecular rings of organic or inorganic substances in water. By the way, although the high temperature plasma is applied as mentioned above, the low temperature plasma is not actually used industrially.

본 발명의 목적은, 상기와 같은 저온의 플라즈마의 성질을 이용하여 폐수를 정화하는 폐수정화장치를 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a wastewater purification apparatus for purifying wastewater using the properties of such low-temperature plasma.

도 1은 본 발명에 따른 폐수정화장치에 사용되는 플라즈마 발생장치의 개략도,1 is a schematic diagram of a plasma generator used in the wastewater purification apparatus according to the present invention,

도 2는 도 1의 전원발생장치의 블록다이어그램,2 is a block diagram of the power generator of FIG.

도 3은 본 발명에 따른 폐수정화장치의 사용상태를 도시한 도면이다.3 is a view showing a state of use of the waste water purification apparatus according to the present invention.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings

20 : 방전관 21 : 유전체20: discharge tube 21: dielectric

23 : 외부전극 25 : 내부전극23: external electrode 25: internal electrode

30 : 전원공급장치 40 : 호스30: power supply 40: hose

45 : 산기장치 50 : 폐수45: diffuser 50: wastewater

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 폐수정화장치는, 외부의 공기가 유입되는 유입개구 및 그 내부의 공기가 유출되는 유출개구를 갖는 파이프형상의 유전체; 상기 유전체의 외면에 도금되어 있는 외부전극; 상기 유전체 내에 그 길이방향을 따라 배치된 코일스프링 형상의 내부전극; 상기 외부전극과 상기 내부전극간에 고주파저전압 전원을 인가하여 상기 유전체 내에 플라즈마를 발생시키는 전원공급장치; 및 상기 유전체의 유출개구에 결합되어, 상기 유출개구를 통해 유출되는 플라즈마를 폐수 내로 공급하는 호스를 포함한다.Waste water purification apparatus according to the present invention for achieving the above object, the pipe-shaped dielectric having an inlet opening for the outside air flows in and the outlet opening the air inside thereof; An external electrode plated on an outer surface of the dielectric; An internal electrode of a coil spring shape disposed in the dielectric along the longitudinal direction thereof; A power supply device for generating a plasma in the dielectric by applying a high frequency low voltage power source between the external electrode and the internal electrode; And a hose coupled to the outlet opening of the dielectric to supply plasma discharged through the outlet opening into the wastewater.

여기서, 상기 전원공급장치에 의해 발생되는 전압은 그 실효치가 약 3000볼트이고 그 주파수가 20 내지 50kHz인 것이 바람직하다.Here, the voltage generated by the power supply is preferably an effective value of about 3000 volts and a frequency of 20 to 50 kHz.

본 발명에 따르면, 플라즈마를 이용하여 폐수를 정화하므로 매우 간단한 구조의 폐수정화장치가 제공되게 된다.According to the present invention, since the wastewater is purified using plasma, a wastewater purification apparatus having a very simple structure is provided.

바람직하게는, 상기 호스의 단부에는 상기 호스를 통해 폐수 내로 공급되는 플라즈마를 산기(散氣)시키는 산기수단이 설치된다. 이에 의하면, 플라즈마와 접하는 폐수의 양이 많아져 폐수의 정화 효율이 더욱 증가하게 된다.Preferably, an air dispersing means for dissipating the plasma supplied into the wastewater through the hose is provided at the end of the hose. According to this, the amount of wastewater in contact with the plasma is increased, and the purification efficiency of the wastewater is further increased.

이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명에 따른 폐수정화장치는 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생장치 및 플라즈마를 폐수에 공급함으로써 폐수를 정화시키는 플라즈마 공급장치로 구성되어 있다.The wastewater purification apparatus according to the present invention comprises a plasma generator for generating plasma and a plasma supply device for purifying the wastewater by supplying the plasma to the wastewater.

플라즈마 발생장치는, 도 1에 도시된 바와 같이, 방전관(20) 및 전원공급장치(30)로 구성되어 있다. 방전관(20)은 유전체(21), 외부전극(23) 및 내부전극(25)으로 구성되어 있다.As shown in FIG. 1, the plasma generator includes a discharge tube 20 and a power supply device 30. The discharge tube 20 is composed of a dielectric 21, an external electrode 23, and an internal electrode 25.

유전체(21)는 잘 정제되어진 파인세라믹으로 제조되며, 파이프 형상을 가진다. 파인세라믹은 정제된 알루미나를 완전히 탈지하여 반죽하고 섭씨 1500도 이상에서 충분히 소성함으로써 얻어진다. 소성 중 부피가 줄어들게 되므로 이를 감안하여 금형의 크기를 결정하여야 한다. 유전체(21)의 양 단부에는 각각 유입개구(21a) 및 유출개구(21b)가 형성되어 있다. 외부의 공기는 유입개구(21a)를 통해 유전체(21) 내로 유입되고, 유전체(21) 내부의 공기는 유출개구(21b)를 통해 외부로 유출된다.Dielectric 21 is made of fine ceramic finely refined and has a pipe shape. Fine ceramics are obtained by thoroughly degreasing purified alumina and kneading and firing sufficiently at 1500 degrees Celsius or more. Since the volume is reduced during firing, the size of the mold should be determined in consideration of this. Inflow openings 21a and outflow openings 21b are formed at both ends of the dielectric 21, respectively. The outside air flows into the dielectric 21 through the inlet opening 21a, and the air inside the dielectric 21 flows out through the outlet opening 21b.

외부전극(23)은 유전체(21)의 외면에 금속을 도금함으로써 형성된다. 외부전극(23)은 유전체(21)에 전하를 가하기 위해 사용되는 것이므로 그 재질은 도전체인 것은 모두 가능하나, 바람직하게는, 구리 또는 은으로 제조된다.The external electrode 23 is formed by plating a metal on the outer surface of the dielectric 21. Since the external electrode 23 is used to apply an electric charge to the dielectric 21, the material may be any conductor, but is preferably made of copper or silver.

내부전극(25)은 유전체(21) 내에 그 길이방향을 따라 배치되는 코일스프링의 형상을 갖는다. 내부전극(25)은 지르코늄이나 스테인레스스틸 등과 같은 내산화성 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 후술되는 바와 같이 플라즈마가 유전체(21) 내부를 통과하는 동안 일부의 플라즈마가 오존으로 변하기도 하는데, 이 오존에 의해 내부전극(25)을 산화되어 결국 내부전극(25)이 없어지게 되기 때문이다.The internal electrode 25 has the shape of a coil spring disposed in the dielectric 21 along its longitudinal direction. The internal electrode 25 preferably uses an oxidation resistant material such as zirconium or stainless steel. As will be described later, some of the plasma may be changed to ozone while the plasma passes through the dielectric 21, because the ozone oxidizes the internal electrode 25 and eventually the internal electrode 25 disappears.

전원공급장치(30)는 외부전극(23)과 내부전극(25)간에 고주파수의 저전압 전류를 공급한다. 전원공급장치(30)에 의해 전원이 공급함과 동시에 유입개구(21a)를 통해 유전체(21) 내에 케리어가스인 공기나 산소를 투입하면, 공기나 산소는 유전체(21) 내부를 통과하는 동안 고주파 아아크에 의해 발생되는 코로나의 에너지에 의해 플라즈마로 변한다.The power supply device 30 supplies a high frequency low voltage current between the external electrode 23 and the internal electrode 25. When power is supplied by the power supply device 30 and air or oxygen, which is carrier gas, is introduced into the dielectric body 21 through the inlet opening 21a, air or oxygen passes through the dielectric body 21 while causing high frequency arcing. It turns into plasma by the energy of corona generated by

이를 상세히 설명하면, 외부전극(23)에 플러스(+)전압이 가해지면 유전체(21)의 외표면은 마이너스(-)로 대전되고 유전체(21)의 내표면은 플러스(+)로 대전된다. 이때 내부전극(25)에는 마이너스(-) 전압이 가해지므로 유전체(21)와 내부전극(25) 사이에 강력한 코로나 아아크가 발생하게 된다. 코로나 아아크는 코일스프링 형상의 내부전극(25) 외주면에 골고루 분포되어 있으며, 이 코로나 아아크에 의해 케리어가스가 플라즈마로 변하게 된다. 유전체(21) 내에 케리어가스인 공기나 산소가 공급되면 케리어가스는 내부전극(25)의 원주를 돌면서 회오리 형상으로 변하고, 이에 따라 플라즈마는 유전체(21)의 내벽면을 따라 돌면서 유출개구(21b)를 통해 유전체(21)의 외부로 유출되게 된다.In detail, when the positive voltage is applied to the external electrode 23, the outer surface of the dielectric 21 is negatively charged and the inner surface of the dielectric 21 is positively charged. At this time, since a negative voltage is applied to the internal electrode 25, a strong corona arc is generated between the dielectric 21 and the internal electrode 25. The corona arc is evenly distributed on the outer circumferential surface of the inner coil 25 of the coil spring shape, and the carrier gas is converted into plasma by the corona arc. When air or oxygen, which is carrier gas, is supplied into the dielectric 21, the carrier gas turns into a vortex while rotating around the inner electrode 25, so that the plasma rotates along the inner wall surface of the dielectric 21 to discharge the outlet 21b. Through the outflow to the outside of the dielectric 21.

도 2는 도 1에 도시된 전원공급장치(30)의 상세한 구성이 도시되어 있다. 전원공급장치(30)는 60Hz의 상용교류전원을 직류로 바꾸어주는 정류회로(31), 고주파의 전류를 발생시키는 발진회로(33), 및 발진회로(33)에서 생성된 전류의 전압을 상승시키기 위한 고압트랜스(37)를 포함한다.2 shows a detailed configuration of the power supply device 30 shown in FIG. The power supply device 30 increases the voltage of the current generated by the rectifier circuit 31, the oscillator circuit 33 for generating a high frequency current, and the oscillator circuit 33 for converting a 60 Hz commercial AC power into a direct current. It includes a high pressure transformer 37 for.

정류회로(31)와 발진회로(33) 사이에는 주파수비교회로(32)가 설치되어 있다. 주파수비교회로(32)는 고압트랜스(37)의 일부 전력을 피이드백 받아서 위상변별함으로써 그 전압차로 발진회로(33)의 발진 주파수를 안정화한다. 실제적으로 캐리어가스가 방전관(20)의 내부를 지날 때 발진주파수가 흐트러지기 쉽다. 발진주파수가 변하면, 전체적인 고압의 전류상태가 변하므로 이를 방지하기 위해 피이드백 회로를 채용하였으며, 이 피이드백 회로는 텔레비젼의 AFC(자동 주파수 제어, Automatic Frequency Control)회로를 응용하면 매우 훌륭한 결과를 얻을 수 있다.Between the rectifier circuit 31 and the oscillation circuit 33, a frequency comparison channel 32 is provided. The frequency comparison channel 32 stabilizes the oscillation frequency of the oscillation circuit 33 by the voltage difference by receiving a part of power of the high voltage transformer 37 and phase discriminating. In practice, the oscillation frequency tends to be disturbed when the carrier gas passes inside the discharge tube 20. When the oscillation frequency is changed, the current state of high voltage is changed, so the feedback circuit is adopted to prevent this, and this feedback circuit can get very good results when the television's AFC (Automatic Frequency Control) circuit is applied. Can be.

발진회로(33)에서 발진된 전압은 증폭회로(34)를 지나 결합트랜스(35)에 공급된다. 결합트랜스(35)의 2차코일에 유도된 고주파는 FET소자나 트랜지스터 소자로 구성되는 스위칭회로(36)를 거쳐 고압트랜스(37)에 공급된다. 고압트랜스(37)의 2차코일에서 발생된 전압은 방전관(20)에 공급된다.The voltage oscillated by the oscillation circuit 33 is supplied to the coupling transformer 35 via the amplification circuit 34. The high frequency induced in the secondary coil of the coupling transformer 35 is supplied to the high voltage transformer 37 via a switching circuit 36 composed of a FET device or a transistor device. The voltage generated from the secondary coil of the high voltage transformer 37 is supplied to the discharge tube 20.

전원공급장치(30)에서 발생되는 전압은 그 실효치가 약 3000볼트이고 그 주파수가 20 내지 50kHz인 것이 바람직하다. 이러한 전압 및 주파수에서 플라즈마가 가장 효과적으로 발생된다. 또한, 전압의 파형은 사인파나 구형파 모두 사용할 수 있으나, 구형파를 사용할 경우 플라즈마 생성 효율이 보다 높아지게 된다. 한편, 전원공급장치(30)는 상기와 같은 구성을 가지는 장치 이외에도 고주파를 생성시키는 인버터이면 아무 것이나 플라즈마 발생장치의 가동에 지장이 없다.The voltage generated by the power supply 30 preferably has an effective value of about 3000 volts and a frequency of 20 to 50 kHz. At these voltages and frequencies, plasma is most effectively generated. In addition, although the waveform of the voltage can use both a sine wave and a square wave, the use of the square wave is higher plasma generation efficiency. On the other hand, the power supply device 30 does not interfere with the operation of the plasma generating device as long as it is an inverter that generates a high frequency in addition to the device having the above configuration.

한편, 저온의 플라즈마 발생장치를 제작하는데 있어서 무엇보다 중요한 것은 유전체(21)의 길이가 짧아야 한다는 것이다. 유전체(21)의 길이가 길면 플라즈마 형태로 변화된 산소의 이온들이 긴 유전체(21)를 통과하는 동안 오존으로 변하는 경향이 있으므로, 되도록 오존으로 변하지 않는 유전체(21)의 길이 선택이 필수적이다. 이러한 적절한 유전체(21)의 길이는 실험적으로 정해지며, 전원발생장치(30)에 의해 발생되는 전원의 주파수 및 유전체(21)를 구성하는 세라믹의 유전율 등에 의해 크게 좌우되게 된다. 한편, 플라즈마 이외에 발생되는 오존은 강력한 산화성의 기체이므로 폐수를 정화하는 기능을 수행할 수 있다. 그러나 오존보다는 플라즈마가 폐수를 정화하는 데에 훨씬 더 효율적이므로 상기한 바와 같이 오존보다는 플라즈마를 많이 생성시키는 것이 바람직하다.On the other hand, the most important thing in manufacturing a low temperature plasma generator is that the length of the dielectric 21 should be short. If the length of the dielectric 21 is long, ions of oxygen changed into plasma form tend to turn into ozone while passing through the long dielectric 21, so it is essential to select the length of the dielectric 21 that does not turn into ozone. The appropriate length of the dielectric 21 is determined experimentally, and greatly depends on the frequency of the power generated by the power generator 30 and the dielectric constant of the ceramic constituting the dielectric 21. On the other hand, since ozone generated in addition to the plasma is a strong oxidizing gas, it can perform a function of purifying waste water. However, since plasma is much more efficient at purifying wastewater than ozone, it is desirable to generate more plasma than ozone as described above.

또한, 필요이상의 높은 전압을 이용하여 강력한 코로나를 발생해서는 안된다. 왜냐하면, 외부전극(23)을 냉각시키기 위해서 대개 알루미늄 등으로 구성된 방열판(도시되지 않음)을 사용하여 공랭시키므로, 높은 전압을 걸 경우 방열시켜야 하는 부하가 증가되기 때문이다. 바람직하게는 플라즈마 발생장치 가동시 유전체(21)의 온도가 섭씨 50도 내지 60도를 넘지 않도록 고주파 전원의 에너지를 정한다.Also, do not use a higher voltage than necessary to generate strong corona. This is because a heat sink (not shown) made of aluminum or the like is usually used to cool the external electrodes 23, so that a load required to radiate heat is increased when a high voltage is applied. Preferably, the energy of the high frequency power source is determined so that the temperature of the dielectric 21 does not exceed 50 degrees to 60 degrees Celsius when the plasma generator is operated.

플라즈마 공급장치는 호스(40)와 산기장치(45)로 구성된다. 호스(40)는 도 3에 도시된 바와 같이 유전체(21)의 유출개구(21b)에 결합되어 있다. 호스(40)는 폐수(50) 속에 담그어져 있으며, 이에 따라 유출개구(21b)를 통해 유출되는 플라즈마는 폐수(50) 내로 공급된다. 폐수(50)에 공급되는 플라즈마는 전술한 바와 같이 폐수(50) 내의 유기물과 무기물을 분해하며, 이에 따라 폐수(50)가 정화되게 된다.The plasma supply device is composed of a hose 40 and an air diffuser 45. The hose 40 is coupled to the outlet opening 21b of the dielectric 21 as shown in FIG. The hose 40 is immersed in the wastewater 50, and thus the plasma flowing out through the outlet opening 21b is supplied into the wastewater 50. The plasma supplied to the wastewater 50 decomposes organic and inorganic substances in the wastewater 50 as described above, and thus the wastewater 50 is purified.

산기(散氣)장치(45)는 호스(40)의 단부에 설치되어 있다. 산기장치(45)는 호스(40)를 통해 폐수 내로 공급되는 플라즈마를 산기(散氣)시켜 버블(B)을 발생시킨다. 이에 따라 플라즈마가 더욱 많은 양의 폐수(50)와 접하게 되고, 폐수(50)의 정화 효율이 더욱 높아지게 된다. 산기장치(45)로는 일반적인 어항 등에서 사용되는 산기관을 사용할 수 있으며, 폭기돌 혹은 인젝터 등이 사용될 수 있다.An air diffuser 45 is provided at the end of the hose 40. The air diffuser 45 diffuses the plasma supplied into the wastewater through the hose 40 to generate bubbles B. As a result, the plasma comes into contact with a larger amount of wastewater 50, and the purification efficiency of the wastewater 50 is further increased. As the diffuser device 45, an diffuser used in a general fish tank or the like may be used, and an aerator stone or an injector may be used.

한편, 방전관(20) 내에 이물질의 침입을 막기 위해서, 플라즈마를 이동시키고 또 발생시키는 캐리어 가스는 매우 청결하여야 한다. 따라서 다단계 공기 필터를 사용하여 미리 정화되어야 하며, 이때 사용되는 필터의 규격은 0.01미크론 이하여야 한다. 또한, 방전관(20) 내에 수분의 침투를 방지하기 위해서, 캐리어가스는 냉각장치에 의하여 제습되어야 한다.On the other hand, in order to prevent foreign matter from entering the discharge tube 20, the carrier gas which moves and generates plasma should be very clean. Therefore, it must be pre-purified using a multistage air filter, and the specification of the filter used should be 0.01 micron or less. In addition, in order to prevent the penetration of moisture into the discharge tube 20, the carrier gas must be dehumidified by a cooling device.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 저온의 플라즈마가 폐수(50) 내에 공급됨에 따라 폐수(50) 내의 유기물과 무기물이 분해되어 폐수(50)가 정화되게 된다. 따라서, 간단한 구조의 플라즈마 발생기를 이용하여 폐수(50)를 용이하게 정화할 수 있는 폐수정화장치가 제공된다.As described above, according to the present invention, as the low-temperature plasma is supplied into the wastewater 50, the organic and inorganic substances in the wastewater 50 are decomposed to purify the wastewater 50. Accordingly, a wastewater purification apparatus capable of easily purifying wastewater 50 using a plasma generator having a simple structure is provided.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위내에 있게 된다.Although the preferred embodiments of the present invention have been illustrated and described above, the present invention is not limited to the specific preferred embodiments described above, and the present invention is not limited to the specific scope of the present invention as claimed in the claims. Anyone of ordinary skill in the art can make various modifications, as well as such modifications are within the scope of the claims.

Claims

In the wastewater purification device,

A pipe-shaped dielectric having an inlet opening through which outside air flows in and an outlet opening through which air inside thereof flows out;

An external electrode plated on an outer surface of the dielectric;

An internal electrode of a coil spring shape disposed in the dielectric along the longitudinal direction thereof;

A power supply device for generating a plasma in the dielectric by applying a high frequency low voltage power source between the external electrode and the internal electrode; And

And a hose coupled to the outlet opening of the dielectric and supplying plasma discharged through the outlet opening into the wastewater.

The method of claim 1,

The voltage generated by the power supply is wastewater purification apparatus, characterized in that the effective value is about 3000 volts and the frequency is 20 to 50kHz.

The method of claim 1,

And an air dispersing means installed at an end of the hose to diffuse the plasma supplied into the waste water through the hose.