Некоторое содержание этого приложения в настоящий момент недоступно.
Если эта ситуация сохраняется, свяжитесь с нами по адресуОтзывы и контакты
1. (WO2019045270) SELF-DRIVEN WATER TREATMENT APPARATUS, AND WATER TREATMENT SYSTEM COMPRISING SAME
Document

명세서

발명의 명칭

기술분야

1  

배경기술

2   3   4   5   6  

발명의 상세한 설명

기술적 과제

7  

과제 해결 수단

8   9   10   11   12   13   14   15   16   17   18   19  

발명의 효과

20   21  

도면의 간단한 설명

22   23   24   25   26   27  

발명의 실시를 위한 형태

28   29   30   31   32   33   34   35   36   37   38   39   40   41   42   43   44   45   46   47   48   49   50   51   52   53   54   55   56   57   58   59   60   61   62   63   64   65   66   67   68   69   70   71   72   73   74   75   76   77   78  

청구범위

1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11   12  

도면

1   2   3   4   5   6  

명세서

발명의 명칭 : 자기구동형 수처리장치 및 이를 포함하는 수처리시스템

기술분야

[1]
본 발명은 자기구동형 수처리장치 및 이를 포함하는 수처리시스템에 관한 것이다. 보다 자세하게, 본 발명은 별도의 전기에너지 공급 없이도, 태양광에너지만을 이용하여 수중 오염물질에 대한 수처리와 함께, 수처리시 발생되는 수소를 이용하여 전기에너지를 생산할 수 있는 자기구동형 수처리장치 및 이를 포함하는 수처리시스템에 관한 것이다.

배경기술

[2]
산업의 발달에 따라, 다량의 유기화합물 및 무기화합물이 합성되고 있으며, 그 수요는 나날이 증가추세에 있다.
[3]
이에 오염물질을 분해하거나 정화시키기 위한 장치 및 방법들이 강구되고 있다. 그러나, 오염원의 종류도 다양해지고 새로운 오염물질도 발생됨에 따라, 오염문제를 해결하기 위한 다양한 방안이 제안되고 있다.
[4]
예를 들어, 광촉매반응을 이용한 오염물질 처리기술의 경우, TiO 2와 같은 광촉매에 태양광에너지를 조사시키면 전자가 가전자대(valence band)로부터 전도대(conduction band)로 전이된다. 이때, 전자는 산소나 금속이온을 환원시키며, 정공(hole)은 흡착된 수용물질과 반응하여 수산화 라디칼 및 슈퍼옥사이드 라디칼 등을 생성하여 수중의 오염물질을 분해시킬 수 있다.
[5]
TiO 2를 포함한 대부분의 광촉매 소재는 광원으로 자외선을 이용하는 것이 일반적이다. 하지만, 이는 자외선 조사장치와 전기에너지 공급을 필요로 하는 단점이 있다. 이를 보완하기 위하여 최근에는 가시광에 반응하는 광촉매 소재들을 적용할 수 있는 방안들이 연구되고 있다.
[6]
그런데, 종래 가시광촉매를 이용한 오염물질의 처리기술은, 태양광에너지만을 전원으로 이용해서는 광촉매에 의한 산화환원반응이 매우 느리다. 이에 가시광촉매를 이용하여 오염물질을 분해시키기 위해서, 태양광에너지 이외에 별도의 추가적인 전원 공급이 필요하다.

발명의 상세한 설명

기술적 과제

[7]
본 발명의 실시예들은 태양광에너지만을 이용하여 원수 내 오염물질에 대한 수처리를 진행할 수 있고, 수처리시 발생되는 수소를 이용하여 전기에너지를 생산할 수 있는 자기구동형 수처리장치 및 이를 포함하는 수처리시스템을 제공하고자 한다.

과제 해결 수단

[8]
본 발명의 일 측면에 따른 자기구동형 수처리장치는, 산화조 및 환원조를 포함하고, 오염물질이 포함된 원수가 공급되어 상기 원수 내 오염물질이 제거되는 수처리조; 상기 산화조 내에 제공되고, 태양광에너지를 공급받아 원수 내 오염물질에 대한 산화반응을 발생시키는 광산화전극; 상기 환원조 내에 제공되고, 상기 광산화전극과 회로를 통해 연결되며, 상기 광산화전극으로부터 상기 회로를 통해 전자를 공급받아 수소를 발생시키는 광환원전극; 및 상기 수처리조 내에 제공되고, 상기 산화조 및 상기 환원조 사이에 배치되는 이온교환막을 포함할 수 있다.
[9]
이때, 상기 광산화전극은, N형 반도체 물질을 포함하고, 상기 광환원전극은, 광 조사시 상기 N형 반도체 물질의 페르미 준위보다 낮은 페르미 준위를 갖는 P형 반도체 물질을 포함할 수 있다.
[10]
또한, 상기 광산화전극과 광환원전극은, 물 분해 에너지보다 큰 에너지 밴드갭을 갖고, 상기 에너지 밴드갭보다 큰 태양광에너지가 가해질 때, 상기 원수 내 오염물질에 대한 산화반응을 발생시킬 수 있다.
[11]
또한, 상기 광산화전극은, WO 3, Fe 2O 3 또는 PbO 2 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
[12]
또한, 상기 광환원전극은, Cu 2O, InP, GaP, Si 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
[13]
또한, 상기 광산화전극은, 가전자대와 전도대 사이에 산화제의 표준환원전위를 포함하고, 상기 광환원전극은, 가전자대와 전도대 사이에 수소의 표준환원전위를 포함할 수 있다.
[14]
일 측면에 따른 자기구동형 수처리장치는, 상기 환원조에서 배출된 처리수를 상기 산화조로 안내하기 위한 피드백라인; 및 상기 피드백라인 상에 제공되고, 상기 환원조의 처리수를 가압하여 상기 피드백라인을 통해 상기 환원조의 처리수를 상기 산화조로 이동시키는 압력펌프를 더 포함할 수 있다.
[15]
이때, 상기 광산화전극 및 상기 광환원전극은 반도체 물질을 적층하여 셀에 적용한 탠덤 셀(Tandem cell) 형태로 제공될 수 있다.
[16]
본 발명의 일 측면에 따른 수처리시스템은, 원수가 저장되는 원수저장조; 상기 원수저장조로부터 상기 원수를 공급받고, 태양광에너지를 이용한 산화환원반응을 통해 상기 원수 내 오염물질을 제거하는 수처리장치; 및 상기 수처리장치에서 배출되는 처리수가 저장되는 처리수저장조를 포함하고, 상기 수처리장치는, 산화조 및 환원조를 포함하는 수처리조; 상기 산화조 내에 제공되고, 태양광에너지를 공급받아 원수 내 오염물질에 대한 산화반응을 발생시키는 광산화전극; 상기 환원조 내에 제공되고, 상기 광산화전극과 회로를 통해 연결되며, 상기 광산화전극으로부터 상기 회로를 통해 전자를 공급받아 수소를 발생시키는 광환원전극; 및 상기 수처리조 내에 제공되고, 상기 산화조 및 상기 환원조 사이에 배치되는 이온교환막을 포함할 수 있다.
[17]
이때, 일 측면에 따른 수처리시스템은, 상기 수처리장치에서 발생된 수소를 회수하여 발전하는 수소연료전지를 더 포함할 수 있다.
[18]
또한, 상기 수소연료전지는, 상기 산화조 또는 외부 공기로부터 산소를 공급받는 공기극; 상기 환원조로부터 수소를 공급받는 연료극; 및 상기 공기극 및 상기 연료극이 전해질을 사이에 두고 배치되고, 상기 수소의 산화반응과 상기 산소의 환원반응을 통해 발전이 이루어지는 전지본체를 포함할 수 있다.
[19]
일 측면에 따른 수처리시스템은, 상기 수소연료전지에 생성된 전기에너지를 저장하기 위한 에너지저장장치를 더 포함할 수 있다.

발명의 효과

[20]
본 발명의 실시예들은 별도의 전원 공급없이 태양광에너지를 이용하여 광산화전극에 의한 산화반응을 통해 원수의 오염물질에 대한 수처리(예를 들어, 수중 유기 오염물 분해, 암모니아성 질소 제거, 색도 제거, 미생물 소독 등)를 진행할 수 있다는 이점이 있다.
[21]
또한, 본 발명의 실시예들은 원수의 오염물질에 대한 수처리시, 광환원전극에서 발생되는 수소를 이용하여 전기에너지를 생산할 수 있고, 생산된 전기에너지를 수처리장치에 사용하여 수처리효율을 높일 수 있다는 이점이 있다.

도면의 간단한 설명

[22]
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 자기구동형 수처리장치를 도시한 구성도이다.
[23]
도 2는 제 1 실시예의 변형예에 따른 자기구동형 수처리장치를 도시한 구성도이다.
[24]
도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 수처리시스템을 도시한 구성도이다.
[25]
도 4는 제 1 실시예의 변형예에 따른 수처리시스템을 도시한 구성도이다.
[26]
도 5는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 수처리시스템을 도시한 구성도이다.
[27]
도 6은 제 2 실시예의 변형예에 따른 수처리시스템을 도시한 구성도이다.

발명의 실시를 위한 형태

[28]
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 구성 및 작용에 대해 상세하게 설명한다. 이하의 설명은 특허 청구 가능한 본 발명의 여러 측면(aspects) 중 하나이며, 하기의 설명은 본 발명에 대한 상세한 기술의 일부를 이룰 수 있다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어 공지된 구성 또는 기능에 관한 구체적인 설명은 본 발명을 명료하게 하기 위해 생략할 수 있다.
[29]
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예들을 포함할 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
[30]
그리고 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 해당 구성요소들은 이와 같은 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 이 용어들은 하나의 구성요소들을 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결되어' 있다거나 '접속되어' 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
[31]
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 자기구동형 수처리장치를 도시한 구성도이다.
[32]
도 1 내지 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 자기구동형 수처리장치(100)는, 수처리조(110), 광산화전극(120), 광환원전극(130) 및 이온교환막(140)을 포함할 수 있다.
[33]
구체적으로, 수처리조(110)는 원수의 오염물질에 대한 수처리가 이루어지는 반응조일 수 있다. 이러한 수처리조(110)는 광산화전극(120)이 구비된 산화조(111)와, 광환원전극(130)이 구비된 환원조(112)를 포함할 수 있다.
[34]
이들 산화조(111) 및 환원조(112)는 이온교환막(140)에 의해 구획될 수 있다. 이때, 이온교환막(140)은 산화조(111)와 환원조(112)를 분리하므로, 산소(g)와 수소(g)가 서로 섞이는 것을 방지할 수 있다. 다만, 이온교환막(140)을 통해 산화조(111)와 환원조(112) 간 이온의 이동이 가능하다. 따라서, 이온 간 이동을 통해, 산화조(111)에서는 산화제가 발생될 수 있고, 환원조(112)에서는 수소 발생 반응이 진행될 수 있다.
[35]
산화조(111)에서는 태양광에너지에 의해 광산화전극(120)에서 산화반응이 발생될 수 있다. 예를 들어, 광산화전극(120)의 에너지 밴드갭보다 큰 태양광에너지가 광산화전극(120)에 공급되면, 광산화전극(120)의 가전자대(Valence Band)와 전도대(Conduction Band)에서 각각 정공과 전자가 생성될 수 있다.
[36]
이때, 생성된 가전자대의 정공은 광산화전극(120)의 표면으로 이동하여 물분자와 반응하여 수산화 라디칼을 생성할 수 있다. 수산화 라디칼은 산화력을 통해 광산화전극(120)의 주변의 오염물질을 산화시켜 분해시킬 수 있다. 또한, 수산화 라디칼 간의 결합을 통해 오존(O 3) 및 과산화수소(H 2O 2)와 같은 산화제들이 부산물로 생성되어, 수중 오염물질을 추가적으로 분해시킬 수 있다.
[37]
이러한 광산화전극(120)은 N형 반도체 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 광산화전극(120)은 삼산화텅스텐(WO 3), 삼산화이철(Fe 2O 3) 또는 과산화납(PbO 2) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 물론, 광산화전극(120)은 이에 한정되지 아니하며, 광산화전극(120)은 태양광에너지를 이용하여 산화반응이 가능한 N형 반도체 물질을 모두 포함할 수 있다.
[38]
환원조(112)의 광환원전극(130)에서는 환원반응이 진행될 수 있다. 이를 위해, 광환원전극(130)은 전자 이동이 가능하도록 광산화전극(120)과 회로(150)를 통해 전기적으로 연결될 수 있다. 태양광에너지에 의해 광산화전극(120)에서 전자(e -)가 생성되면, 광산화전극(120)에서 생성된 전자는 회로(150)를 통해 광산화전극(120)에서 광환원전극(130)으로 이동될 수 있다. 회로(150)를 통해 이동된 전자에 의해, 광환원전극(130)에서는 물을 분해하는 환원반응이 진행될 수 있다. 환원조(112)에서는 수소 및 과산화수소 등이 발생될 수 있다.
[39]
이러한 광환원전극(130)은 광조사 시 N형 반도체 물질의 페르미 준위보다 낮은 페르미 준위를 갖는 P형 반도체 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 광환원전극(130)은 산화구리(Cu 2O), 인화인듐 (InP), 인화갈륨 (GaP), 실리콘 (Si)을 포함할 수 있다. 물론, 광환원전극(130)은 이에 한정되지 아니하며, 광환원전극(130)은 광산화전극(120)으로부터 전자를 제공받아 환원반응이 가능한 P형 반도체 물질을 모두 포함할 수 있다.
[40]
이와 같은 광조사 시, 광산화전극(120)의 페르미 준위가 광환원전극(130)의 페르미 준위보다 높게 구성되므로, 광 조사에 의해 태양광에너지가 광환원전극(130)에 가해지면 광산화전극(120)의 전도대(CB)에 생성된 전자가 회로(150)를 통해 광환원전극(130)으로 이동될 수 있다.
[41]
또한, 광산화전극(120) 및 광환원전극(130) 간 산화환원반응이 별도의 전원 공급 없이, 다시 말해, 태양으로부터 제공되는 태양광에너지만을 이용하여 반응이 진행되기 위해서는 광산화전극(120) 및 광환원전극(130) 간 에너지 밴드갭 범위가 특정요건을 만족해야 한다.
[42]
예컨대, 물 분해를 통한 산화제 및 수소의 발생을 위해서, 광산화전극(120)과 광환원전극(130)은 물분해 에너지(1.23 ev) 이상의 에너지 밴드갭을 충족해야 한다. 그 이유는, 광전기화학반응을 통해 생성되는 산화제 및 수소가 물의 분해과정에서 생성되기 때문이다.
[43]
또한, 산화조(111) 내 수처리를 위한 산화제를 발생시키기 위해서는, 광산화전극(120)에서 발생시키고자 하는 산화제의 표준환원전위가 밴드갭의 가전자대(VB)와 전도대(CB) 사이에 위치해야 한다. 오염물질에 대한 분해에 이용 가능한 산화제로는 대표적으로 수산화 라디칼, 오존(O 3), 과산화수소(H 2O 2)와 염소(Cl 2)가 있다. 이들 산화제의 표준환원전위는 수산화 라디칼 E 0=2.8 V vs. NHE, 오존 E O=2.07 V vs. NHE, 과산화수소 E O=1.78 V vs. NHE, 염소 E O=1.35 V vs. NHE에 위치한다. 광산화전극(120)과 마찬가지로, 광환원전극(130)도 수소의 표준환원전위가 밴드갭의 가전자대(VB)와 전도대(CB) 사이에 포함되어야 수소 발생이 가능하다. 수소의 표준환원전위는 E 0=0.0 V vs. NHE에 위치한다,
[44]
이와 같이, 전기에너지의 공급 없이 태양광에너지만으로 전기화학셀이 구동되기 위해서는, 광조사 시 광산화전극(120)의 페르미 준위가 광환원전극(130)의 페르미 준위보다 높게 구성되어야 한다. 산화조(111) 내 수처리를 위한 산화제를 발생시키기 위해서는, 광산화전극(120)에서 발생시키고자 하는 산화제의 표준환원전위가 밴드갭의 가전자대(VB)와 전도대(CB) 사이에 위치해야 한다. 물 분해를 통한 산화제 및 수소 발생을 위해서는, 광산화전극(120)과 광환원전극(130)은 물분해 에너지(1.23 ev) 이상의 에너지 밴드갭을 충족해야 한다.
[45]
이에 따라, 원수 내 포함된 오염물질(예를 들면, 유기성 오염물질, 박테리아, 암모니아성 질소 등)은, 광전기화학적 반응에 의해 생성된 산화제 종들에 의해, 산화 과정을 거치면서 제거될 수 있다. 특히, 오염물질은 전기화학적으로 발생된 산화제들의 산화작용에 의해 제거되거나(간접산화반응), 전극 표면을 매개로 직접으로 산화되어 제거될 수 있다(직접산화반응). 본 실시예에 따르면, 이와 같은 오염물질의 산화분해반응 효과에 의해, 하페수의 유기성 오염물질 및 암모니아성 질소 처리공정과 정수 및 담수화 소독공정에도 활용될 수 있다.
[46]
이들 광산화전극(120) 및 광환원전극(130)은 서로 다른 범위의 에너지 밴드갭을 갖는 반도체 물질을 적층하여 셀에 적용한 탠덤 셀(Tandem cell) 형태로 제공될 수 있다.
[47]
탠덤 셀(Tandem cell) 형태의 광산화전극(120) 및 광환원전극(130)은, 에너지가 큰 태양광에너지를 흡수하도록 맨 아래 부분에 에너지 밴드갭이 큰 물질을 위치시키고, 윗 부분에 맨 아래 부분보다 에너지 밴드갭이 작은 물질을 위치시킬 수 있다. 이때, 적층시키는 물질의 종류는 두 가지 이상이 될 수 있다. 이로써, 탠덤 셀(Tandem cell) 형태의 광산화전극(120) 및 광환원전극(130)은, 에너지가 큰 태양광에너지부터 작은 태양광에너지까지 이용 가능하며, 전자와 정공이 효율적으로 분리되어 산화제 및 수소 발생 효율을 향상시킬 수 있다.
[48]
한편, 상술한 제 1 실시예에 따른 수처리장치(100)는 이하에서 설명되는 바와 같이 변형 실시가 가능하다. 이하, 도 2를 참조하여 제 1 실시예에 따른 수처리장치(100)의 변형예에 대하여 설명한다.
[49]
도 2는 제 1 실시예의 변형예에 따른 자기구동형 수처리장치를 도시한 구성도이다.
[50]
도 2에 도시된 바와 같이, 제 1 실시예에 변형예에 따른 자기구동형 수처리장치(100')는, 수처리조(110), 광산화전극(120), 광환원전극(130), 이온교환막(140), 피드백라인(160) 및 압력펌프(170)를 포함할 수 있다. 여기서, 피드백라인(160) 및 압력펌프(170)를 제외한 나머지 구성들은, 상술한 구성들과 대응되므로, 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.
[51]
피드백라인(160)은 산화조(111)와 환원조(112) 사이를 연결하는 배관으로, 환원조(112)에서 배출된 처리수를 산화조(111)로 안내할 수 있다.
[52]
압력펌프(170)는 피드백라인(160)에 설치될 수 있다. 압력펌프(170)는 피드백라인(160)을 이동하는 처리수, 보다 자세하게, 환원조(112)에서 배출된 처리수에 이동압력을 제공함으로써, 환원조(112)의 처리수를 산화조(111)로 이동시킬 수 있다.
[53]
환원조(112)에서도 오염물질 처리 효과가 있지만, 산화조(111)에서 발생되는 산화제에 의한 오염물질 처리 효과가 월등히 뛰어나다. 따라서, 환원조(112)에서 1차적으로 처리된 처리수가 피드백라인(160) 및 압력펌프(170)를 통해 산화조(111)로 공급되면, 환원조(112)에서 미처 처리되지 아니한 오염물질이 산화조(111)에서 처리될 수 있다. 결국, 수처리조(110)의 수처리 효과가 상술한 제 1 실시예보다 더 뛰어나다는 효과가 달성될 수 있다.
[54]
도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 수처리시스템을 도시한 구성도이다.
[55]
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 수처리시스템(10)은, 원수가 저장되는 원수저장조(200)와, 원수 내 오염물질에 대한 수처리가 이루어지는 수처리장치(100)와, 수처리장치(100)에서 공급받은 처리수가 저장되는 처리수저장조(300)를 포함할 수 있다.
[56]
구체적으로, 원수저장조(200)는 원수의 저장이 이루어지는 수용공간을 갖는 저장탱크로, 수용공간 내 저장된 원수를 수처리장치(100)의 산화조(111) 및 환원조(112)에 분리하여 공급할 수 있다. 여기서, 원수에는 여러 종류의 오염물질이 포함될 수 있다. 원수에 포함된 오염물질은, 유기 오염물, 암모니아성 질소, 각종 미생물/박테리아 등과 같은 여러 종류일 수 있다.
[57]
수처리장치(100)는 원수저장조(200)로부터 원수를 공급받아, 원수 내 포함된 오염물질에 대한 수처리를 진행할 수 있다. 이때, 수처리장치(100)는 별도의 전원 공급 없이, 태양광에너지만을 이용하여 산화환원반응을 구현할 수 있다. 이를 위해, 수처리장치(100)는 수처리조(110), 광산화전극(120), 광환원전극(130) 및 이온교환막(140)을 포함할 수 있다.
[58]
이들 수처리조(110), 광산화전극(120), 광환원전극(130) 및 이온교환막(140) 구성은, 상술한 수처리장치(100)의 수처리조(110), 광산화전극(120), 광환원전극(130) 및 이온교환막(140) 구성과 동일하므로, 이에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다.
[59]
처리수저장조(300)는 수처리장치(100)로부터 처리수를 공급받을 수 있다. 처리수저장조(300)는 공급받은 처리수를 임시 저장 가능한 저장탱크일 수 있다. 처리수저장조(300)에는 수처리장치(100)의 산화조(111) 및 환원조(112)로부터 처리수를 각각 공급받기 위한 배관이 연결될 수 있다.
[60]
본 실시예에서, 처리수저장조(300)에는 수처리장치(100)의 산화조(111) 및 환원조(112)로부터 처리수가 각각 공급되어 저장될 수 있다. 물론, 산화조(111)에서 배출되는 처리수만이 처리수저장조(300)에 선택적으로 공급되어 저장되는 것도 가능하다. 이때, 환원조(112)에는 앞서 설명한 피드백라인(160) 및 압력펌프(170)의 구성이 동일하게 설치될 수 있다.
[61]
한편, 상술한 제 1 실시예에 따른 수처리시스템(10)은 이하에서 설명되는 바와 같은 변형 실시가 가능하다. 이하, 도 4를 참조하여 제 1 실시예에 따른 수처리시스템의 변형예에 대하여 설명한다.
[62]
도 4는 제 1 실시예의 변형예에 따른 수처리시스템을 도시한 구성도이다.
[63]
도 4에 도시된 바와 같이, 제 1 실시예의 변형예에 따른 수처리시스템(10')은, 원수가 저장되는 원수저장조(200)와, 원수 내 오염물질에 대한 1차 수처리가 이루어지는 수처리장치(100)와, 수처리장치(100)에서 1차 수처리된 원수에 대해서 2차 수처리가 이루어지는 재 수처리장치(100a)와, 재 수처리장치(100)에서 배출된 처리수가 저장되는 처리수저장조(300)를 포함할 수 있다. 여기서, 재 수처리장치(100a)를 제외한 나머지 구성들은, 상술한 구성들과 대응되므로, 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.
[64]
재 수처리장치(100a)는 수처리장치(100)의 처리수를 공급받아, 처리수에 대한 수처리를 다시 진행할 수 있다. 이 재 수처리장치(100a)는 수처리장치(100)와 동일한 구성 및 방식으로 처리수에 대한 재 수처리를 진행할 수 있다.
[65]
다만, 재 수처리장치(100a)의 산화조(111a)에는 수처리장치(100)의 환원조(112)에서 배출된 처리수가 공급될 수 있고, 재 수처리장치(100a)의 환원조(112a)에는 수처리장치(100)의 산화조(111)에서 배출된 처리수가 공급되어 수처리될 수 있다. 다시 말해서, 수처리장치(100)의 산화조(111) 및 환원조(112)에서 배출되는 처리수는 재 수처리장치(100a)의 환원조(112a) 및 산화조(111a)에 교차되어 공급될 수 있다. 이에 따라, 수처리장치(100)의 환원조(112)의 오염물질 분해 성능이 산화조(111)보다는 떨어지는 문제가 해결될 수 있다.
[66]
이하에서는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 수처리시스템에 대하여 도 5를 참조하여 설명한다.
[67]
도 5는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 수처리시스템을 도시한 구성도이다.
[68]
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 수처리시스템(20)은, 원수가 저장되는 원수저장조(200)와, 원수 내 오염물질에 대한 수처리가 이루어지는 수처리장치(100)와, 수처리장치(100)에서 발생된 수소 및 산소를 회수하여 발전하는 수소연료전지(400)와, 수처리장치(100)에서 배출된 처리수가 저장되는 처리수저장조(300)를 포함할 수 있다. 여기서, 수소연료전지(400)를 제외한 나머지 구성들은, 상술한 제 1 실시예와 동일하므로 이를 원용한다.
[69]
수소연료전지(400)는 수처리장치(100)에서 발생된 수소 및 산소를 수처리장치(100)로부터 공급받을 수 있다. 수처리장치(100)의 광산화전극(120)에서는 산화제 발생반응과 함께 물의 산화반응을 통해 산소 발생 반응이 주요하게 일어나고, 수처리장치(100)의 광환원전극(130)에서는 물의 환원반응을 통해 수소 발생 반응이 주요하게 일어나므로, 이렇게 발생된 산소 및 수소는 각각 수소연료전지(400)로 공급될 수 있다.
[70]
수소연료전지(400)는 수처리장치(100)로부터 공급받은 수소와 외부 공기 또는 수처리장치(100)로부터 공급받은 산소를 이용하여 전기에너지를 생산할 수 있다. 이를 위해, 수소연료전지(400)는 산화조(111) 또는 외부 공기로부터 산소를 공급받는 공기극(410: 양극)과, 환원조(112)로부터 수소를 공급받는 연료극(420: 음극)과, 공기극(410) 및 연료극(420)이 전해질을 사이에 두고 배치되는 전지본체(430)를 포함할 수 있다.
[71]
예를 들어, 수처리장치(100)의 수소가 수소연료전지(400)의 연료극(420)에 공급되고, 외부 공기 중의 산소 또는 수처리장치(100)의 산소가 수소연료전지(400)의 공기극(410)에 공급되면, 연료극(420)의 수소는 전자를 내놓고 전지본체(430)의 전해질을 통해 공기극(410)으로 이동될 수 있다. 이때, 수소는 산소 분자와 만나 물과 열을 생성할 수 있고, 수소가 내놓은 전자는 회로(미도시)를 따라 공기극(410)으로 이동하면서, 전지본체(430)에는 전기에너지가 생산될 수 있다.
[72]
이렇게 생산된 전기에너지는 수처리장치(100)에 공급될 수 있다. 수소연료전지(400)의 전기에너지가 수처리장치(100)에 공급되면, 수처리장치(100)는 태양광에너지와 함께 전기에너지를 이용하여 원수 내 오염물질에 대한 수처리 효율을 향상시킬 수 있다.
[73]
한편, 상술한 제 2 실시예에 따른 수처리시스템(20)은 이하에서 설명되는 바와 같이 변형 실시가 가능하다. 이하, 도 6을 참조하여 제 2 실시예에 따른 수처리시스템(20)의 변형예에 대하여 설명한다.
[74]
도 6은 제 2 실시예의 변형예에 따른 수처리시스템을 도시한 구성도이다.
[75]
도 6에 도시된 바와 같이, 제 2 실시예의 변형예로서, 수처리시스템(20')에는, 수소연료전지(400)에 생성된 전기에너지를 저장하기 위한 에너지저장장치(500)가 추가로 마련될 수 있다. 에너지저장장치(500)는 전기에너지를 저장하는 통상의 배터리장치를 포함할 수 있다.
[76]
에너지저장장치(500)는 수소연료전지(400)에서 생산된 전기에너지를 저장할 수 있다. 에너지저장장치(500)에 저장된 전기에너지는 필요에 따라 수처리장치(100)에 선택적으로 공급될 수 있다. 수처리장치(100)에 에너지저장장치(500)의 전기에너지가 공급되면, 수처리장치(100)는 태양광에너지와 함께 전기에너지를 이용하여 원수 내 오염물질에 대한 수처리효율을 향상시킬 수 있다.
[77]
상술한 바와 같이, 본 실시예는 별도의 전원 공급없이 태양광에너지를 이용하여 광산화전극에 의한 산화반응을 통해 원수의 오염물질에 대한 수처리를 진행할 수 있고, 원수의 오염물질에 대한 수처리시, 광환원전극에서 발생되는 수소를 이용하여 전기에너지를 생산할 수 있고, 생산된 전기에너지를 수처리장치에 공급하여 수처리효율을 향상시킬 수 있다는 등의 우수한 장점을 갖는다.
[78]
이상에서 설명된 실시예는 본 기술 사상의 일부 예를 설명한 것에 불과하고, 본 기술 사상의 범위는 설명된 실시예에 한정되는 것은 아니며, 이 분야의 통상의 기술자에 의하여 본 기술 사상의 범위 내에서의 다양한 변경, 변형 또는 치환이 가능할 것이고, 그와 같은 실시는 모두 본 기술 사상의 범위에 속하는 것으로 보아야 한다.

청구범위

[청구항 1]
산화조 및 환원조를 포함하고, 오염물질이 포함된 원수가 공급되어 상기 원수 내 오염물질이 제거되는 수처리조; 상기 산화조 내에 제공되고, 태양광에너지를 공급받아 원수 내 오염물질에 대한 산화반응을 발생시키는 광산화전극; 상기 환원조 내에 제공되고, 상기 광산화전극과 회로를 통해 연결되며, 상기 광산화전극으로부터 상기 회로를 통해 전자를 공급받아 수소를 발생시키는 광환원전극; 및 상기 수처리조 내에 제공되고, 상기 산화조 및 상기 환원조 사이에 배치되는 이온교환막을 포함하는 자기구동형 수처리장치.
[청구항 2]
제 1 항에 있어서, 상기 광산화전극은, N형 반도체 물질을 포함하고, 상기 광환원전극은, 광조사 시 상기 N형 반도체 물질의 페르미 준위보다 낮은 페르미 준위를 갖는 P형 반도체 물질을 포함하는 자기구동형 수처리장치.
[청구항 3]
제 1 항에 있어서, 상기 광산화전극은, 물 분해 에너지보다 큰 에너지 밴드갭을 갖고, 상기 에너지 밴드갭보다 큰 태양광에너지가 가해질 때, 상기 원수 내 오염물질에 대한 산화반응을 발생시키는 자기구동형 수처리장치.
[청구항 4]
제 1 항에 있어서, 상기 광산화전극은, WO 3, Fe 2O 3 또는 PbO 2 중 적어도 어느 하나를 포함하는 자기구동형 수처리장치.
[청구항 5]
제 1 항에 있어서, 상기 광환원전극은, Cu 2O, InP, GaP 또는 Si 중 적어도 어느 하나를 포함하는 자기구동형 수처리장치.
[청구항 6]
제 1 항에 있어서, 상기 광산화전극은, 가전자대와 전도대 사이에 산화제의 표준환원전위를 포함하고, 상기 광환원전극은, 가전자대와 전도대 사이에 수소의 표준환원전위를 포함하는 수처리장치.
[청구항 7]
제 1 항에 있어서, 상기 환원조에서 배출된 처리수를 상기 산화조로 안내하기 위한 피드백라인; 및 상기 피드백라인 상에 제공되고, 상기 환원조의 처리수를 가압하여 상기 피드백라인을 통해 상기 환원조의 처리수를 상기 산화조로 이동시키는 압력펌프를 더 포함하는 자기구동형 수처리장치.
[청구항 8]
제 1 항에 있어서, 상기 광산화전극 및 상기 광환원전극은 반도체 물질을 적층하여 셀에 적용한 탠덤 셀(Tandem cell) 형태로 제공되는 자기구동형 수처리장치.
[청구항 9]
원수가 저장되는 원수저장조; 상기 원수저장조로부터 상기 원수를 공급받고, 태양광에너지를 이용한 산화환원반응을 통해 상기 원수 내 오염물질을 제거하는 수처리장치; 및 상기 수처리장치에서 배출되는 처리수가 저장되는 처리수저장조를 포함하고, 상기 수처리장치는, 산화조 및 환원조를 포함하는 수처리조; 상기 산화조 내에 제공되고, 태양광에너지를 공급받아 원수 내 오염물질에 대한 산화반응을 발생시키는 광산화전극; 상기 환원조 내에 제공되고, 상기 광산화전극과 회로를 통해 연결되며, 상기 광산화전극으로부터 상기 회로를 통해 전자를 공급받아 수소를 발생시키는 광환원전극; 및 상기 수처리조 내에 제공되고, 상기 산화조 및 상기 환원조 사이에 배치되는 이온교환막을 포함하는 수처리시스템.
[청구항 10]
제 9 항에 있어서, 상기 수처리장치에서 발생된 수소를 회수하여 발전하는 수소연료전지를 더 포함하는 수처리시스템.
[청구항 11]
제 10 항에 있어서, 상기 수소연료전지는, 상기 산화조로부터 산소를 공급받는 공기극; 상기 환원조로부터 수소를 공급받는 연료극; 및 상기 공기극 및 상기 연료극이 전해질을 사이에 두고 배치되고, 상기 수소의 산화반응과 상기 산소의 환원반응을 통해 발전이 이루어지는 전지본체를 포함하는 수처리시스템.
[청구항 12]
제 10 항에 있어서, 상기 수소연료전지에 생성된 전기에너지를 저장하기 위한 에너지저장장치를 더 포함하는 수처리시스템.

도면

[도1]

[도2]

[도3]

[도4]

[도5]

[도6]