가스채널을 가진 전극을 이용한 수중방전 김예진

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Applied Chemistry,

Vol. 15, No. 2, October 2011, 125-128

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가스채널을 가진 전극을 이용한 수중방전

김예진*ㆍ홍용철*^,†ㆍ이상주*ㆍ이봉주*^,**

*국가핵융합연구소, **한동대학교 첨단그린에너지학과

Generating Underwater Capillary Plasma with Gas Channel

Ye-jin Kim*ㆍYong-Cheol Hong*^,†ㆍSang-ju Lee*ㆍBong-ju Lee*^,**

*Convergence Plasma Research Center, National Fusion Research Institute

**Department of Advanced Green Energy and Environment, Handong Global University

Abstract

Underwater plasma is formed from a tungsten electrode inserted in a narrow dielectric capillary. Plasma is formed by electrical breakdown. It is produced with atomic oxygen, atomic hydrogen, and hydroxyl ion by the dissociation of vapor. It is also formed of chemical agents like chlorine gas, hypochlorousacid, hypochloriteion and free available chlorine, which are useful sterilization substances. The energy yield was decreased by injecting the gas (N2, Ar, and O2) into a electrode. In this context, the plasma is formed from a electrode by approximately 55% energy levels.

1. 서 론

마실 물의 부족에 따라 수질개선을 위한 기술이 주목받고 있다. 이는 선박평형수, 초순수 제조, 해수 담수화 등에 직접적 혹은 간접적으로 사용된다. 현재 물속 세균 및 유기물질을 제거하기 위해 전기분해, UV살균, 플라즈마 방전, 여과 등이 대표적인 방법이다. 전기분해는 적은 에너지와 비교적 짧은 처리 시 간으로 많은 양의 수처리가 가능하다. 그러나 다량의 염소 발생으로 전극 마모, 탱크 내부의 부식, 폭발 의 위험성을 가지고 있다[1,2]. UV를 이용한 수처리는 특정 파장(254nm)에서 대부분의 세균이 사멸 하여 높은 살균력을 보이지만 투과력이 낮아 탁도가 높은 수질이나 대량 처리가 필요한 곳에서는 UV light의 구조에 따라 처리수의 수질이 달라지는 단점이 있다[3]. 막을 이용한 여과를 통한 수처리는 99.9% 이상의 부유물질 및 세균, 이온의 제거가 가능하며, 기능성 막의 개발로 처리 용량이 증가[4]하 였으나 아직은 대량 처리에 있어 이에 비례하는 양의 막이 필요하며, 막힘 현상으로 인한 주기적인 역 세척과 교체가 필요한 단점이 있다[5]. Fig. 1은 이같은 과정을 도식화한 것으로 플라즈마를 이용한 수 중방전은 전극에 인가된 전압에 의해 생성된 미세버블에 의해 플라즈마가 발생된다[6]. 이는 비교적 적 은 규모로 많은 양의 처리가 가능하며, 적은 양의 염소 발생으로도 높은 살균력이 나타난다[7]. 그러나 전기분해에 비해 높은 에너지 사용과 전극의 마모가 생기는 문제점도 가지고 있다. 본 연구에서는 기존 전극의 구조를 변경하여 보다 낮은 에너지의 사용과 전극의 마모가 없는 수중방전의 특성을 검토하고자 한다.

2. 실 험

수중방전에 사용되는 전원은 주파수 60Hz, 0.78μF capacitor, 다이오드, 100Ω의 레지스터로 이루 어졌다. Fig. 2는 실험 장비를 도식화 한 것으로 batch type의 아크릴 수조에 전극이 고정되는 구조이

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다. 텅스텐 전극으로 hole을 만들어 가스 투입이 가능하도록 하였고, 전극 끝단에 pt-wire를 고정이 가 능하도록 설계하였다.

Fig. 1. Selected images elucidating visually the formation of the capillary discharge plasma in water.

전극에 인가되는 전압에 따라 잔류 염소량을 DPD(N,N-diethyl-p-phenylenediamine)법을 이용 한 발색법을 통해 UV로 측정하였다. 이 시약은 시간이 지남에 따라 발색의 정도가 짙어져 잔류 염소의 양을 정확히 측정하기 어려우므로 정해진 시간을 엄수해야 한다.

사용한 세균은 E.coli O157:H7을 사용하였으며 NaCl 35‰의 용액에 10×10⁵CFU(colony-form- ing unit)/ml^-1를 넣어 실험 준비를 하였다. 실험이 끝난 후 petri-film에 접종 시켜 37℃에서 24시간 배양시켜 그 개수로 사멸율을 다음 식으로 계산하였다.

% reduction = [initial count (CFU ml^-1) - final count (CFU ml^-1)]/initial count (CFU ml^-1) × 100

Fig. 2. Schematic diagram of the experimental setup using a capillary discharge in water.

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가스채널을 가진 전극을 이용한 수중방전

3. 결과 및 토론

DPD법을 이용한 잔류 염소 농도 측정 결과 인가된 전압에 따라 다른 양상이 나타났다.

Table 1. Disinfection of residual chlorine(ppm) concentration

Non-gas N2 50 sccm

Negative discharge 0.76 1.13

Positive discharge 3.44 0.29

Fig. 3(a)는 기존 텅스텐 전극과 (b)가스 채널이 구비된 전극의 살균 실험 결과이다. 기존 전극으로 90%의 사멸률을 가지려면 약 10,000J/L의 에너지가 필요하고, 가스 채널을 구비한 전극으로는 약 1,000~1,200J/L의 에너지가 필요한 것을 알 수 있다.

0 3000 6000 9000 12000

-1.5 -1.0 -0.5 0.0

Log disinfection of E.coli (N/N0)

Enery yield (J/L)

300 600 900 1200 1500

-6 -4 -2 0

Log disinfection of E.coli (N/N0)

Energy yield (J/L)

Non-gas N₂ 50 sccm

Fig. 3. (a) Disinfection of E. coli concentration by tungsten electrode and (b) pt electrode with gas channel.

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4. 결 론

본 연구에서는 가스 채널을 구비한 전극을 이용한 수중방전의 특성에 관해 고찰하였다.

기존 전극에 비해 방전과 함께 질소 가스를 주입하자 55%의 에너지만으로도 유사한 플라즈마 형상 을 관찰할 수 있었다. 또한 pt를 이용한 전극을 사용하게 되면 전극의 마모가 전혀 일어나지 않았다.

총 염소 발생량은 동일 에너지에서 인가전압에 따라 다른 양상이 나타났다. Negative 방전에서 질소 가 스 주입을 한 경우 약 0.67배로 크게 차이가 나지 않았지만, positive 방전에서 질소 가스 주입을 한 경 우 약 11.86배로 큰 차이가 나타났다.

E. coli 균의 살균 실험에서는 총 염소량에 비해 사멸률의 차이는 크지 않았다. 90% 이상 사멸하는 시간은 용액 1L기준, 플라즈마 발생 후 1-2초 이내이다.

참고문헌

1. Milko A. Jorquera, Gustavo Valencia, Mitsure Eguchi, Masahiko Katayose, Carlos Riquelme,

“Disinfection of seawater for hatchery aquaculture systems using electrolytic water treatment", Aquaculture, vol. 207, pp.213-224 (2002).

2. N. Nakajima, T. Nakano, F. Harda, H. Taniguchi, I.Yokoyama, J. Hirose, E. Daikoku, and K. Sano,

“Evalution of disinfective porential of reactived free chlorine in pooled tap water by electrolysis", J.

of Microbiologic Methods, vol. 57, pp.163-173 (2004).

3. Hentry Bergmann, Tatiana Iourtchouk, Kristin Schöps, Karel Bouzek, “New UV irradation and direct electrolysis-promising methods for water disinfection", Chemical Engineering J., vol. 85, pp.111-117 (2002).

4. Xiao-Lin Li, Li-Ping Zhu, You-Yi Xu, Zhuan Yi, Bao-Ku Zhu, “A novel positively charged nano- filtration membrane prepared from N,N-dimethylaminoethyl methacrylate by quaternization cross-linking", J. of Membrane Sci., vol. 374, pp.33-42 (2011).

5. Zhijian Tang, Michael A. Butkus, Yuefeng F. Xie, “Enhanced performance of crumb rubber filtration for ballst water treatment", Chemosphere, vol. 74, pp.1396-1399 (2009).

6. Yong C. Hong, Hyeong W. Jeon, Bong J. Lee, Han S. Uhm, “Generation of plasma using capillary discharge in water", IEEE Trans. Plasma Sci., vol. 38(12), pp. 3464-3466 (2010).

7. Yong Cheol Hong, Hyun Jae Park, Bong Ju Lee, Won Seok Kang, Han Sup Uhm, “Plasma formation using a capillary discharge in water and its application to the sterilization of E. coli.", Physics of Plasma, vol. 17, pp.053502(1-4).