KR101510608B1

KR101510608B1 - 액체 처리 방법 및 장치

Info

Publication number: KR101510608B1
Application number: KR20147009438A
Authority: KR
Inventors: 아게 비에른 안데르센
Original assignee: 오션세이버 에이에스.
Priority date: 2006-10-20
Filing date: 2007-10-12
Publication date: 2015-04-08
Anticipated expiration: 2027-10-12
Also published as: US20100326925A1; US20090321260A1; AU2007311685B2; JP2014057960A; CN102992456A; JP5913256B2; US9061925B2; KR20140049097A; EP2089324A2; ATE551299T1; CN101553434B; DK2089324T3; KR101461246B1; AU2007311685A1; JP2010506715A; WO2008047084A2; NO20091928L; EP2112124A3; CN101553434A; PL2089324T3

Abstract

액체 또는 물 처리 장치는 전기 투석 셀과 캐비테이션 유닛 중 하나 또는 둘 모두를 포함한다. 캐비테이션 유닛은 캐비테이션 기포가 형성되는 수축부 내로 유입된 후에 캐비테이션 기포가 파열되는 출구로 액체를 흐르게 함으로써 액체에 캐비테이션을 생성하며, 수축부는 흐름 방향에 대해 직교하는 평면에서 좁고 긴 간격을 두고 배치된 벽들에 의해 형성된 구멍을 포함한다. 전기 투석 셀은, 처리될 물의 양의 단지 일부분만을 전기 투석 셀을 통과하게 안내하기 위한 유입 유로와, 전기 투석 셀의 생성물을 나머지 물로 되돌려 보내기 위한 유출 유로를 갖도록 마련된다.

Description

액체 처리 방법 및 장치{LIQUID TREATMENT METHODS AND APPARATUS}

본 발명은 원하지 않는 물질을 제거하기 위해 물과 같은 액체의 처리에 관한 것이다.

예를 들면, 하수 및 상수의 처리, 바람직하지 않은 장쇄 분자를 파괴하기 위한 탄화수소 액체의 처리 및 프로세싱, 배기 가스 정화 장치로부터의 폐수의 처리와 같이 액체의 처리가 필요한 수많은 상황들이 있다. 또한, 이하에서 설명하는 바와 같은 선박에서의 밸러스트 탱크 물(ballast tank water)의 처리 및 양어장에 이용하는 물의 처리 등의 보다 특정한 물의 처리도 이용되고 있다. 이들 후자의 용례의 경우에 일반적으로 유기물, 미생물 등의 형태의 원하지 않는 물질을 파괴하여 죽이거나 불능 상태로 되게 함으로써 처리된 물이 배출될 환경이나 사용될 환경에서 바람직하지 않은 효과를 갖지 않도록 할 필요가 있다.

밸러스트수(ballast water)는 선박에 의해 밸러스트수 탱크나 때로는 화물창이나 화물 탱크와 같은 기타 적절한 공간 내에서 수송되는 물이다. 이러한 밸러스트수는 물 "제공(donor)" 위치에서 탱크 내로 펌핑되어 화물 및/또는 연료가 하역/소모될 때에 무게 중심점의 변경을 보상하여 안정성을 유지하게 된다. 정확한 밸러스팅은 구조적인 관점에서 필수적이며, 성능상 관점에서는 프로펠러 및 키(rudder)의 적절한 잠김 및 적절한 선교 시야(bridge view)를 보장할 뿐만 아니라, 원하는 선박 이동 및 조종 특성을 유지하기 위해서도 이용되고 있다. 밸러스트수는 물 "수령(recipient)" 위치, 일반적으로는 그 밸러스트수의 수원(水源)의 생물지리구 외부에 위치할 가능성 있는 선박에 화물을 싣는 지점으로 수송된다. 그 후에 화물이 실릴 때에 방출될 수 있다. 밸러스트수는 동물성 플랑크톤, 식물성 플랑크톤, 및 박테리아를 비롯한 다양한 종들의 서식처일 수 있다. 이들 종은 방출 지점에 천적이 없어 그러한 새로운 위치에서 번성 및 재생할 수 있으며, 이로 인해 환경, 산업 및 사람의 건강에 상당한 문제점을 야기할 수 있다.

게다가, 밸러스트수 및 산소와 밸러스트수 탱크를 구성하는 재료의 반응으로 인해 밸러스트수 탱크 내에 부식이 초래된다. 종래에는 부식을 방지하기 위해 고가의 페인트 및 코팅의 도포가 이용되고 있는 데, 이는 선박 산업에서 상당한 유지보수 비용을 초래한다.

초음파 여기에 의해 생성된 캐비테이션(cavitation)을 이용하여 물을 처리하여 정화하는 하는 것이 공지되어 있다. 예를 들면, 미국 특허 제5,137,580호에서는 저주파수 및 고주파수의 초음파를 이용하여 캐비테이션 기포를 형성 및 성장시키는 정화 방법을 개시하고 있다. 이러한 처리법은 고정형 탱크(static tank)에서 수행하는 것으로, 이는 연속적인 처리 프로세스가 불가능하여 처리 사이에 탱크를 비웠다가 다시 채워함을 의미한다. 결과적으로, 그러한 처리 프로세스는 복잡하고 비효율적이다.

고정형 탱크를 사용한다는 단점뿐만 아니라, 초음파 캐비테이션은 다른 캐비테이션 생성 방법, 특히 유체역학적 방법에 비해 효율이 떨어진다는 단점이 있다. 이는 초음파 노출에 의해 생성되는 기포 크기 및 군집 밀도(cloud density)가 유체역학적 캐비테이션의 기포 크기 및 군집 밀도에 비해 크지 않기 때문이다. 따라서, 유체역학적 캐비테이션은 초음파 캐비테이션에 비해 보다 큰 유효 반응 부피를 갖는다.

유체역학적 캐비테이션을 생성하기 위해 벤츄리 형태의 수축부를 이용하는 것이 예를 들면 미국 특허 제6,505,648호로부터 공지되어 있다. 이 특허 문헌에서는 오염성 생물을 파괴하기 위한 캐비테이션을 일으키도록 액체의 흐름을 가속하고 압력을 감소시키는 교축부를 형성하는 직경 감소부가 있는 액체 흐름용 통로를 개시하고 있다. 교반(turbulence)을 촉진시키고 압력을 더 감소시키도록 교축부를 가로지르는 와이어 또는 로드가 이용될 수 있다. 교축부의 하류에는 통로가 갑작스레 넓어져 캐비테이션 기포의 붕괴를 야기한다.

그러나, 이러한 구성은, 액체 내의 모든 생물이 붕괴되는 캐비테이션 기포에 의해 영향을 받진 않고 이에 따라 종래 기술의 물 처리 프로세스에 의해서는 액체의 모든 부분을 처리하진 못한다는 점에서 비효율적인 것으로 드러났다.

제1 양태의 관점에서, 본 발명은, 캐비테이션 기포가 형성되는 수축부 내로 유입된 후에 캐비테이션 기포를 파열시키는 출구로 액체를 흐르게 함으로써, 그 액체에 캐비테이션을 생성하는 캐비테이션 유닛을 포함하며, 수축부는 유동 방향에 대해 직교하는 라인을 따라 좁고 길게 형성된 구멍을 포함하고 있는 것인 액체 처리 장치를 제공한다.

여기서, "좁고 길게 형성된다"라 함은, 구멍이 라인에 대한 가로 방향으로는 좁고 그 라인을 따른 방향으로는 길게 되어 있음을 의미한다. 특히, 가능한 한 긴 구멍이 이용되고 그 폭은 이하에서 설명하는 바와 같이 5㎜ 이하, 보다 바람직하게는 1 내지 2㎜일이다. 라인은 직선이거나 곡선일 수 있다. 바람직한 실시예에서, 구멍은 이하에서 설명하는 바와 같이 긴 슬롯이거나, 좁은 환형부일 수 있다.

이러한 좁고 길게 형성된 수축부를 이용하면, 액체의 유동 단면 전체에 걸쳐 캐비테이션을 발생시킬 수 있다. 이는 캐비테이션이 수축부의 에지 영역에서 개시되는 경향이 있어, 길고 좁게 형성된 구멍의 경우, 에지 영역에서부터 유로 내의 임의의 지점까지의 최대 거리가 작기 때문이다. 본 발명의 구성과 달리, 종래 기술에서와 같은 관형 수축부는 캐비테이션이 관형 유로의 에지 주위에 집중되어 비효율적으로 적용됨으로써 유체 유로 전체에 영향을 미치지 못할 수 있다. 이는 유체 흐름 내의 원치 않는 물질이 관형 유로의 중앙에 집중되어 캐비테이션이 가장 적은 영역에 있기 때문이다. 본 발명에서는 에지 길이 대 흐름 체적의 비가 보다 커짐으로써, 구멍의 단면적에 비해 캐비테이션의 양이 증가하여, 캐비테이션이 적은 영역에서 원치 않는 물질이 흐르는 것에 대한 문제점이 제거된다. 따라서, 대안적으로는 구멍이 에워싸인 면적에 비해 에지 길이가 큰 단면을 갖는 구멍으로 형성될 수도 있다.

이러한 구멍은 직선형 라인을 따라가는 좁고 긴 슬롯일 수 있지만, 지그재그형 라인이나 곡선을 따라가는 좁고 긴 구멍과 같은 임의의 다른 좁고 긴 구멍일 수도 있다. 좁고 긴 구멍은 정사각형, 원형, 타원형 등의 닫힌 형상을 형성하는 라인을 따라갈 수 있다. 바람직하게는 구멍은 좁은 환형부, 즉 원형의 라인을 따라가는 좁고 긴 구멍일 수 있다. 그러한 환형을 원형 단면을 갖는 파이프에서 용이하게 구현할 수 있다는 점에서 환형을 사용하는 것이 바람직하지만, 대안으로서 달걀형 또는 기타 형상의 좁은 슬롯이 이용될 수도 있다. 코너에 대해 액체의 원활한 흐름을 방지하는 것이 유리하다.

구멍은, 5㎜미만의 폭, 바람직하게는 3㎜미만의 폭, 특히 약 1 내지 2㎜의 폭을 가질 수 있다. 이러한 구멍은 흐름 방향에 대해 직교하는 라인을 따라 가능한 길게 이루어지는 것이 바람직하여, 예를 들면 2㎜의 폭이 이용되는 경우 길이가 적어도 300㎜일 수 있다.

구멍이 환형인 경우, 상기한 바와 같은 폭과 50 내지 100㎜의 직경이 이용될 수 있다. 이는 특히 크기가 10 내지 50㎛인 미생물을 파괴하기 위해 물을 처리할 때 그러한 크기의 파이프의 경우 유효한 캐비테이션을 제공하는 것으로 드러났는데, 왜냐하면 1 내지 2㎜의 슬롯은 그러한 크기의 미생물이 전술한 바와 같이 붕괴되는 기포로부터 1개 기포의 반경만큼의 거리 내에 있도록 보장하기 때문이다. 밸러스트수 내의 그러한 크기의 생물의 존재는 법으로 규제되어 있다.

바람직하게는, 캐비테이션 유닛은 캐비테이션을 이용하여 원치 않는 물질을 파괴함으로써 액체를 처리하도록 마련될 수 있다. 캐비테이션 기포의 형성 및 파열은 액체 내의 원치 않는 물질에 영향을 미치는 힘, 온도 변화 및 충격파를 생성한다. 그러한 원치 않는 물질은 예를 들면 식수의 생산 시에 처리될 물이나 폐수 내의 유기질 또는 무기질 폐기물일 수 있다. 원치 않는 무기질 물질은 장쇄 탄화수소 분자일 수 있다. 하나의 바람직한 실시예에서, 장쇄 분자는 선박의 폐수 내에 오일, 슬러지 또는 기타 탄화수소 오염물 형태로 존재한다.

바람직한 실시예에서, 원치 않는 물질은 수생 생물 또는 미생물로 이루어진다. 전술한 바와 같이, 원치 않는 미생물이 선박에 사용되는 밸러스트수 내에 존재하여, 바람직한 실시예에서는 그 밸러스트수를 캐비테이션을 이용하여 처리함으로써 그러한 미생물을 파괴한다.

바람직하게는, 캐비테이션 유닛은 기포의 파열이 시작되는 지점에서, 기포의 에지로부터 원치 않은 물질까지의 최대 거리가 기포의 반경보다 작도록 마련된다. 이는 원치 않는 물질의 크기에 관하여 구멍의 폭을 선택함으로써 달성될 수 있다. 기포의 파열은 매우 근접하여 발생하는 경우에 특히 효과적이며, 기포의 반경보다 작은 거리가 원치 않는 물질, 특히 미생물이 캐비테이션 효과에 의해 파괴되도록 보장하는 데에 효과적인 것으로 드러났다.

환형의 구멍은 파이프 내의 캐비테이션 바디, 특히 파이프 내의 대체로 원통형 장애물에 의해 생성될 수 있다. 따라서, 그러한 환형부는 캐비테이션 바디의 외벽과 파이프의 내벽에 의해 형성된다. 캐비테이션 바디는 수축부에 대한 입구에 라운드진 단부, 예를 들면 구형의 일부분을 구비할 수 있다. 액체를 수축부 내로 안내하는 데에 라운드진 단부를 이용하면, 캐비테이션의 생성에 필요한 압력 감소와 유속 증가를 제공한다는 점에서 효과적이다. 캐비테이션 바디는 그 출구 단부에서는 테이퍼진 프로파일을 가질 수 있다. 이는 캐비테이션 기포의 파열을 촉진시키면서 에너지의 손실을 최소화하도록 압력을 증가시키고 유속을 감소시키는 데에 도움이 된다.

구명의 벽은 불균일 표면 또는 거친 표면을 가질 수 있다. 그러한 벽은 파이프의 벽이거나, 캐비테이션 바디의 벽이거나 이들 둘 모두의 벽일 수 있다. 바람직하게는 캐비테이션 바디가 불균일 또는 거친 표면을 갖는다. 이러한 구성은 제조를 용이하게 하고, 파이프 내면에 대해 어떠한 수정도 가하지 않고 표준 파이프를 이용할 수 있게 한다. 그러한 표면은 널링(knurling) 가공되거나, 함몰부 또는 오목부의 패턴이 이용될 수 있다. 불균일 표면을 이용하면 캐비테이션 효과가 촉진된다.

캐비테이션 유닛은 기포의 형성 및 파열이 반복되도록 복수의 수축부를 포함할 수 있다. 예를 들면, 웨이브형 또는 톱니형 프로파일과 같은 파형 프로파일을 유동 방향을 따라 갖고 있는 환형 구멍이 이용될 수 있다. 이는 표준적인 원통형 파이프 내에 삽입될 수 있는 파형 외면을 갖는 캐비테이션 바디를 이용함으로써 달성할 수 있다.

본 양태의 장치가 밸러스트수를 처리하는 데에 이용되거나, 탱크가 충전 또는 비워지는 임의의 다른 용도에 이용되는 경우, 그 장치에는 탱크에 의해 가변적인 배압이 가해질 수 있다. 캐비테이션 유닛의 효율은, 배압이 최소 수준보다 높게 유지되는 경우에 개선된다. 따라서, 바람직하게는 압력 변경 장치가 캐비테이션 유닛에 대한 압력을 허용 가능한 수준으로 유지하는 데에 이용된다. 예를 들면, 1.5bar 또는 2.5bar의 최소 배압이 유지되거나, 2 내지 2.5bar 범위의 배압이 유지될 수 있다.

처리되는 모든 액체가 캐비테이션의 영향을 받도록 보장하기 위해, 구멍의 벽들 간의 간격은 파괴될 원치 않는 물질의 크기에 의해 제한된다. 구멍이 너무 크게 되면 파열하는 캐비테이션 기포가 원치 않는 물질에 충분히 근접하지 못하기 때문에 효과적이지 못할 것이다. 그 결과, 캐비테이션 유닛의 크기 및 나아가서는 단위 시간당 처리될 수 있는 물의 최대 부피가 제한된다. 따라서, 바람직한 실시예에서 본 양태의 장치는 어레이(array) 형태의 복수의 캐비테이션 유닛을 포함하여, 액체가 복수의 캐비테이션 유닛을 통해 병렬로 흐를 수 있도록 된다. 이들 캐비테이션 유닛은 상이한 크기를 가질 수 있다. 하나의 바람직한 실시예에서, 그러한 어레이는 캐비테이션 유닛들이 이루는 링에 의해 둘러싸인 큰 중앙 지지체를 포함한다. 캐비테이션 유닛은 중앙 지지체보다 작을 수 있다. 큰 중앙 지지체는 캐비테이션 유닛과 동일한 형상을 가질 수 있다. 그러한 큰 중앙 지지체는 추가적인 캐비테이션 유닛으로서 기능을 할 수도 있다. 다른 바람직한 실시예에서, 동심의 링 형태로 배치된 동일한 크기의 많은 수의 캐비테이션 유닛이 이용된다.

이러한 캐비테이션의 유닛의 어레이를 이용하게 되면, 캐비테이션 처리의 효율을 저하시키지 않고 큰 흐름 체적을 처리할 수 있다. 본 양태의 장치는 또한, 액체를 각각의 캐비테이션 유닛에 균일하게 안내하여 각 유닛에서 동일한 유량을 달성하게 하는 매니폴드를 포함할 수 있다.

본 양태의 장치는 캐비테이션을 모니터링하여, 캐비테이션 유닛의 시스템 파라미터를 제어하는 데에 이용되는 캐비테이션 데이터를 입수하도록 수중 청음기(hydrophone)를 포함할 수 있다. 이 수중 청음기는 캐비테이션 유닛의 의해 야기되는 압력 펄스를 검출하고, 그 캐비테이션 데이터를, 유량 및 압력과 같은 파라미터를 제어하여 캐비테이션 유닛의 작동을 최적화하는 데에 이용될 수 있다.

본 양태의 장치는 액체 내의 원치 않는 물질을 약화 또는 손상시키기 위해 액체가 캐비테이션 유닛을 통해 흐르기 전에 또는 그 후에 액체를 처리하는 전기적 처리 유닛을 포함할 수 있다. 이 전기적 처리 유닛은 전기화학적 효과, 이온화, 물리적 효과 또는 이들 3가지의 조합을 가할 수 있다. 그 자체적으로 발명으로 여겨지는 아래에서 설명하는 전기 투석 셀(electrodialysis cell)을 포함하는 물 처리 장치가, 전술한 물 처리 장치와 조합하거나 그 일부로서 이용될 수도 있다.

본 양태의 장치는 가스 주입 유닛을 포함하며, 바람직한 실시예에서 그 가스 주입 유닛은 질소 또는 산소 함유 가스를 물 내에 주입하는 유닛이다. 산소 함유 가스는 공기일 수 있다. 질소의 주입은 물 속의 산소의 양을 감소시켜, 부식을 감소시키는 한편, 산화가 원인인 코팅 및 페인트와 같은 방식 시스템의 풍화(weathering)를 감소시킬 수 있다. 이는 저장되는 물 내의 산소가 부식이나 코팅의 풍화를 야기할 수 있다는 점에서 밸러스트 탱크에 물을 넣는 경우에 유용하다. 예를 들면, 그러한 탱크는 PU 단층 코팅이나 다른 단층 코팅을 구비하지만, 다른 코팅이 이용되는 경우에도 물의 처리는 유익하다.

물이 주변 환경으로 돌려보내지는 경우, 예를 들면 밸러스트 탱크가 비워지는 경우, 예를 들면 공기일 수 있는 산소 함유 가스 혼합물을 이용하여 산소를 물에 돌려줌으로써 임의의 환경적 악영향을 방지할 수 있다. 가스 주입 유닛은 액체 유로 내의 노즐일 수 있고, 이 노즐의 하류측에는 고정형 혼합기가 배치될 수 있다. 대안적으로, 가스 주입 유닛은 그 자체적으로 발명으로 여겨지는 주입 유닛을 포함하는 물 처리 장치와 관련하여 아래에서 설명하는 바와 같이 가스와 증기의 혼합 주입을 채용할 수 있다.

바람직하게는, 물의 메인 흐름으로부터 물 흐름의 일부분을 분리시켜 그 물 내에 질소 가스를 도입하여 물 흐름의 일부분을 과포화시키고, 이러한 과포화된 물은 물의 메인 흐름으로 되돌려 보내진다. 메인 흐름으로부터 분리되는 물의 양은 5 체적% 내지 30체적%, 바람직하게는 15체적% 미만일 수 있다. 소량의 체적 내에 많은 양의 가스를 주입함으로써, 가스 주입 후의 흐름은 2상 흐름으로 볼 수 있다. 물 내에 가스의 혼합을 개선시키기 위해, 고정형 혼합기가 분리된 물 흐름에서 가스 주입 지점 하류측에 이용될 수 있다. 메인 흐름 안으로 다시 주입하는 지점에서, 고정형 혼합기가 메인 흐름 내로의 2상 흐름의 혼합을 촉진시키는 데에 이용될 수 있다.

제2 양태의 관점에서, 본 발명은, 액체를 캐비테이션 유닛을 통과시키는 단계와, 그 액체를 캐비테이션 기포가 형성되는 수축부 내로 유입된 후에 캐비테이션 기포가 파열되는 출구로 흐르게 함으로써 캐비테이션을 생성하는 단계를 포함하며, 상기한 수축부에는 유동 방향에 직교하는 라인을 따라 좁고 길게 형성된 구멍을 마련하는 것인 액체 처리 방법을 제공한다.

바람직한 실시예에서, 본 발명의 제2 양태에 따른 방법은 전술한 바람직한 장치적 특징에 상응하는 방법적 특징을 포함한다.

또한, 전기장을 인가함으로써 물을 처리하는 것이 공지되어 있다. 전기장의 이용은 특정 수준의 물의 전도성에 의존하는 데, 그러한 전도성은 "담수"의 경우에는 불순물에 의해 해수의 경우에는 염에 의해 제공될 수 있다. 전기화학적 처리의 경우, 전류에 노출될 때에 반응하게 될 이온이 물 내에 존재할 필요가 있는 데, 이러한 이온 또한 물 속의 불순물 또는 염에 의해 제공된다. 밸러스트수 처리 분야에서, CN 1736798에서는 전기장의 힘을 이용하여 산화제와 유리 라디칼을 생성하고 생물을 죽이거나 비활성화시키기 위해 전해 처리 탱크를 사용하고 있다. 이 전해 탱크에 의해 전체 밸러스트수가 처리되고 있다.

전기 투석은 다양한 목적으로 물을 처리하는 데에 적용될 수 있는 공지의 유체 처리 프로세스이다. 이 프로세스의 원리는 이온 선택성을 가질 수 있는 맴브레인에 의해 분리되는 2개의 전극 사이에 전기 전위차를 일정하게 또는 펄스 형태로 인가함으로써 이온을 분리하는 프로세스이다. 하나의 전극은 음으로 대전된 이온을 끌어당기는 애노드(양으로 대전)로서 기능을 하는 한편, 다른 전극은 양으로 대전된 이온을 끌어당기는 캐소드(음으로 대전)로서 기능을 할 것이다. 맴브레인과 애노드 사이의 구획 내의 유체는 과잉의 전자를 갖는 음으로 대전된 이온을 특징으로 하는 것으로 농축액이라 칭할 수 있는 반면, 맴브레인과 캐소드 사이의 구획 내의 유체는 전자가 결핍된 양이온이 존재하는 것을 특징으로 하는 것으로, 희석액으로서 칭할 수 있다. 이러한 구성은 전기 투석 셀로서 공지되어 있다.

가장 실용적인 전기 투석 프로세스에서, 다중 전기 투석 셀이 전기 투석 스택으로 불리는 형태로 배치되는 데, 음이온 교환 맴브레인과 양이온 교환 맴브레인이 일반적으로 단일 애노드와 캐소드 사이에 교대로 배치되어 다중 전기 투석 셀을 형성한다. 전기 투석의 주요한 공지된 용도는 대규모의 기수(brackish water)와 해수의 탈염 및 염의 생산과, 소규모 또는 중간 규모의 음용수 생산이다. 이러한 프로세스는 또한 중금속과 같은 특정 오염물을 분리하는 처리 산업에서도 이용되고 있다.

전기 투석 시스템은 연속적 생산 또는 배치(batch)식 생산 프로세스로서 작동될 수 있다. 연속적 프로세스의 경우, 희석액 및/또는 농축액은 원하는 최종 생성물 품질이 얻어지도록 직렬로 배치된 충분한 개수의 스택을 통과한다. 배치식 프로세스의 경우, 희석액 및/또는 농축액 스트림은 최종 생성물 품질 또는 농축액 품질이 얻어질 때까지 전기 투석 시스템을 통해 재순환 및/또는 교차 처리(cross-treatment)될 수 있다. 각각의 경우, 전체 최종 생성물은 전기 투석 셀에서 처리되어 희석액 스트림이나 농축액 스트림으로 된다.

미국 특허 제5,540,819호에서는 병원성 미생물로 오염된 담수로부터 음용수를 제조하는 전기 투석식 셀을 개시하고 있다. 이 셀은 투과성 맴브레인에 의해 애노드와 캐소드를 각각 수용하는 2개의 구획으로 분할된다. 애노드와 캐소드 사이의 물을 통해 직류 전류가 흐르게 하며, 물은 먼저 애노드 구획을 통해 흐른 후 캐소드 구획을 통해 흐르게 된다. 처리되는 물 전부가 순차적으로 애노드를 통과한 후에 캐소드를 통과하게 된다.

제3 양태의 관점에서, 본 발명은, 전기 투석 셀과, 처리될 물의 양의 단지 일부분만을 전기 투석 셀을 통과하게 안내하기 위한 유입 유로와, 전기 투석 셀의 생성물을 나머지 물로 되돌려 보내기 위한 유출 유로를 포함하는 물 처리 장치를 제공한다.

전기 투석 셀에 의해 처리된 물을 물의 메인 흐름으로 되돌려보냄으로써, 전기 투석 셀의 하류 또는 유출 유로 지점의 하류의 물 전체는 전체의 물을 전기적으로 처리하지 않더라도 그 특성에 영향을 받게 될 것이다. 전기 투석 셀의 생성물은 미생물을 비활성화하거나 죽이는 효과를 가지며, 물 내의 유기 화합물을 처리할 때에 유리한 효과를 가질 수도 있다. 본 발명자들은, 물의 단지 일부분만을 전기 투석 처리 셀을 통과하게 하고 전기 투석 셀의 생성물을 물로 되돌려보냄으로써, 전체 물 흐름을 전기 투석 셀에 의해 처리하지 않고도 유효한 물 처리가 달성된다는 점을 확인하였다. 따라서, 본 발명에서는 전술한 바와 같은 종래 기술의 시스템에서 전체 물을 전기 투석 셀로 처리하는 것과는 달리 단지 소량의 물만이 전기 투석 처리를 거치면 된다. 이는 물 처리를 수행하는 데에 필요한 전력량을 감소시킨다. 게다가, 처리 장치는 전기 투석 셀에 의해 비교적 적은 부피의 물을 처리하여 물의 전체 부피에 대해 전체적인 처리 효과를 달성할 수 있기 때문에, 종래 기술의 물 처리 시스템에 비해 작아질 수 있다. 또한, 물의 메인 흐름의 유량에 대한 임의의 영향이 최소로 유지된다.

전기 투석 셀에 의해 처리되는 물의 부분은 바람직하게는 처리 바로 전에 유입되는 물 흐름으로부터 분리되어, 나머지 물이 전기 투석 셀에 의해 처리되지 않고 옆을 지나갈 때에 전기 투석 셀을 통과하게 된다. 따라서, 본 양태의 장치는 메인 유로를 포함할 수 있고, 이 메인 유로로부터 흐름의 일부분을 분리하여 전기 투석 셀을 통과하게 하도록 유입 유로가 배치될 수 있다. 본 양태의 장치는 유출 유로에서 메인 유로에 이르는 연결부를 포함할 수 있으며, 유출 유로가 전기 투석 셀의 생성물을 메인 유로에 도입하게 된다.

전기 투석 셀에 의해 처리되지 않는 물은 전기 투석 처리와 병렬로 이루어질 수 있는 다른 처리, 예를 들면, 캐비테이션 처리나 아래에서 보다 상세하게 설명하는 바와 같은 질소 주입 처리를 받을 수 있다.

바람직하게는 처리 장치 내에 유입된 전체 물 흐름의 5체적% 미만, 보다 바람직하게는 1체적%미만, 훨씬더 바람직하게는 0.5체적%미만이 전기 투석 셀을 통과한다. 약 0.2체적%의 양이 바람지하고, 조건에 따라서는 0.05체적% 또는 0.01체적%만큼 적은 양이 이용될 수 있다. 전기 투석 셀에 이용되는 전류 및 물의 염도를 변경함으로써 필요한 흐름 체적을 조정할 수 있다. 따라서, 그러한 인자 및 처리의 특정 용례에 따라, 이용되는 흐름 체적은 커지거나 작아질 수 있다.

바람직한 실시예에서, 본 발명은 밸러스트수 처리 장치이다. 전술한 바와 같이, 그러한 형태의 물의 처리는 밸러스트수에 대해 특히 바람직하다. 수많은 기존의 물 처리는 짧은 시간 내에 처리되어야 하는 물의 부피가 크기 때문에 밸러스트수의 처리에는 적합하지 않다. 단지 물의 일부분만을 전기 투석 셀을 통과시키면 되고 나머지 물은 전기 투석기 셀을 통과하지 않기 때문에, 전체 물이 직접 전기적 처리를 받아야 하는 대안적인 예보다는 주어진 시간에 훨씬 많은 부피의 물을 처리할 수 있다.

전기 투석 셀은 희석액 스트림 및 농축액 스트림을 생성할 수 있으며, 물로 되돌려 보내지는 전기 투석 셀의 생성물은 그러한 스트림 중 하나 또는 둘 모두의 일부 또는 전부로 이루어진다. 전기 투석 셀의 생성물은 단순히 전기 투석 셀에 의해 생성된 농축액 스트림일 수 있다. 그러나, 바람직하게는 전기 투석 셀의 생성물은 농축액 스트림과 적어도 일부분의 희석액 스트림의 혼합물이다. 농축액 스트림은 다양한 산화제의 함량이 증가되어 있으며, 그 산화제들은 전기 투석 셀의 생성물이 물의 메인 흐름으로 되돌려 보내지는 경우 물 속의 미생물을 죽이거나 비활성화하는 데에 특히 효과적이다.

전기 투석 처리 후에, 농축액은 처리 전의 물보다 pH가 낮을 수 있으며, 희석액은 pH가 높을 수 있다. 따라서, 농축액과 일부 또는 전체 희석액을 혼합함으로써 전기 투석 셀의 생성물의 pH를 조절할 수 있다.

농축액 스트림과 희석액 스트림 중 하나 또는 둘 모두가 교차 처리 또는 재순환에 의해 생성될 수 있다. 교차 처리는 전기 투석 셀 내의 맴브레인 사이의 (하나의 구획 또는 두 구획 모두로부터의) 흐름을 전기 투석 셀의 맴브레인에 의해 분리된 반대측 구획을 통해 재순환시키는 순차적 처리(1회차, 2회차 또는 그 이상)를 의미하는 것으로, 메인 흐름 안으로 다시 주입하기 전에 농축액 및 희석액의 특성을 변경시도록, 희석액의 양을 감소시키도록, 및/또는 두 스트림의 최종 혼합을 단순화시키도록 적용될 수 있다. 마찬가지로, 동일한 구획으로부터 흐름을 재순환시켜, 최종 혼합 및 메인 흐름으로의 재주입 전에 농축액 및 희석액의 특성을 변경시킬 수 있다.

바람직한 실시예에서, 농축액 스트림과 적어도 일부분의 희석액 스트림은 전기 투석 셀을 통과한 직후 혼합된다. 이는 희석액 스트림의 일부분을 제거하고 희석액의 나머지를 농축액 스트림과 혼합함으로써 이루어질 수 있다. 제거되는 희석액의 양은 40체적% 내지 60체적%일 수 있다.

농축액의 pH나 농축액과 희석액의 혼합물의 pH가 원하는 범위로 유지되도록 혼합비를 제어하기 위해, 농축액, 희석액 및/또는 혼합물의 pH가 모니터링된다. pH의 모니터링은 pH 전극에 의해 이루어질 수 있다. 전기 투석 셀의 생성물은 바람직하게는 1 내지 5의 pH, 보다 바람직하게는 약 3의 pH를 갖는다. 그 결과, 전기 투석 셀의 생성물이 추가된 후의 메인 흐름의 pH는 해수의 pH와 유사한 7.0 내지 8.5 범위로 유지된다. 전기 투석 셀의 생성물의 pH는 농축액에 첨가되는 희석액의 양을 변화시킴으로써, 예를 들면 혼합 전에 제거되는 희석액의 양을 변화시킴으로써 제어될 수 있다. 농축액의 pH는 일반적으로 원하는 pH보다 낮아, pH가 높은 얼마간의 희석액과의 혼합을 이용하여 전기 투석 셀의 생성물의 pH를 증가시킬 수 있다. 이러한 pH의 제어는 또한 전기 투석 셀에 공급되는 전류 또는 전압을 제어하여, 초래되는 전기 투석 효과의 세기를 변화시키고 나아가서는 농축액의 산화 세기(oxidative strength)를 변경함으로써 이루어질 수도 있다.

본 양태의 장치는 희석액 스트림의 일부분을 제거하기 위한 희석액 제거 유로를 포함할 수 있다. 제거되지 않은 희석액과 농축액의 혼합을 용이하게 하기 위해, 본 양태의 장치는 출구 유로 전에 혼합 영역을 포함할 수 있다. 하나의 바람직한 실시예에서, 혼합 영역은 버퍼 탱크이다. 대안적으로, 농축액 및 희석액은 이들이 출구 유로를 통해 흐를 때에 혼합될 수 있다. 혼합은 농축액 스트림과 희석액 스트림의 제거되지 않은 부분이 메인 흐름과 혼합됨과 동시에 이루어질 수도 있는 데, 다시 말해 전기 투석 셀의 생성물이 단지 물의 나머지 부분과 혼합될 때에 혼합되는 두 부분으로 이루어질 수 있다. 다른 대안적인 바람직한 실시예에서, 혼합이 예를 들면 고정형 혼합기 또는 기타 혼합 장치에 의해 바이패스 흐름 내에서 수행되고, 이 흐름은 이어서 캐비테이션 유닛에 걸친 압력 강하로 인해 시스템 압력이 낮아지게 되는 캐비테이션 후에 재주입된다. 이러한 구성은 혼합 탱크나 투여 펌프(dosage pump)가 필요 없게 하고, 또한 아래에서 보다 상세하게 설명하는 바와 같이 전기 투석 프로세스로부터 일어나는 임의의 가스 기포를 제어 및 관리할 기회를 제공하게 된다.

혼합은 혼합 영역이나 출구 유로에 있는 고정형 혼합기 또는 교반 유발 수단에 의해 촉진될 수 있다.

제거된 희석액은 전기 투석 셀 전의 상류측의 물에 다시 주입될 수 있다. 아래에서 설명하는 바와 같이 다른 처리 단계가 포함되는 경우, 남은 희석액은 바람직하게는 모든 처리 단계들보다 앞서, 심지어는 여과 전에 및 포함된 경우에 밸러스트 펌프의 흡입측에 다시 주입된다. 이러한 희석액의 재주입은 그 희석액을 처분할 필요가 없게 하며, 그 희석액은 유입되는 미처리 물 내의 불순물, 원치 않는 물질 등과 무해하게 반응할 것이다. 유리하게는 이러한 희석액은, 특히 여과 프로세스를 위하여 여과 전에 주입하거나 저장하였다가 필터를 세정하는 데에 직접 이용하는 경우 세정제로서 이용될 수도 있다.

메인 흐름 내로 재주입되는 농축액과 희석액의 특성 및 양은 산화 환원 전위(Oxygen Reduction Potential : ORP) 및/또는 유리 잔류 염소(Free Available Chlorine : FAC)의 소모를 모니터링함으로써 제어될 수 있다. ORP의 원하는 값의 범위는 250 내지 800㎷, 보다 바람직하게는 300 내지 500㎷일 수 있다. 재주입 직후의 FAC의 초기값은 2 내지 4 ppm이고 1시간 후에는 0.1 내지 0.4 ppm으로 떨어지는 것이 바람직하다. FAC의 소모는 처리되는 물의 특성에 강하게 의존한다. 전기 투석 셀의 성능을 최적화하기 위해, 실제 물의 처리를 시작하기 전에 전류 및 혼합비를 예비 설정할 수 있도록 캘리브레이션 흐름 루프(calibration flow loop)를 마련하는 것이 바람직하다. ORP 및/또는 FAC의 측정값이 원하는 범위를 벗어나는 경우, 그에 대응하게 전기 투석 셀의 작동을 조절한다.

물의 흐름을 안내하기 위해, 본 양태의 장치는, 도관, 파이프, 배플 등을 포함할 수 있다. 전기 투석 셀은 물의 메인 흐름을 위한 유로 내에 포함될 수 있고, 이에 따라, 본 양태의 장치는 메인 흐름을 위한 메인 흐름 파이프 또는 도관과, 메인 흐름의 일부분을 안내하여 전기 투석 셀을 통과하게 하는 소형 파이프 또는 도관 등을 포함할 수 있다. 대안적으로, 전기 투석 셀은 물을 처리하는 기존의 물 도관 내에 연결될 수 있는 독립형 유닛으로서 마련될 수도 있다. 처리 유로는 메인 유로 외부의 도관에 의해 형성될 수 있다. 이는 적절한 입구 및 출구 연결부를 추가에 의해 그러한 처리 장치를 포함하도록 기존의 물 유로를 용이하게 개조할 수 있게 한다. 이 경우, 처리 장치는 독립형 유닛을 기존의 도관에 연결하기 위한 적절한 파이프 또는 도관을, 필요에 따라서는 밸브 및 투여 펌프 등과 함께 포함할 수도 있다.

별도의 염수(brine) 공급원이 전기 투석 셀을 위한 유입 전해액을 증대시키고 염도를 증가시키도록 이용될 수 있다. 이러한 염수는 담수 생산의 부산물로서 생산되거나 역삼투압 설비(reverse osmosis plant)와 같은 염수 전용 생산 설비에서 생산되는 염수일 수 있다. 재순환 역삼투압 설비가 유입 전해액에 대한 첨가제로서 이용하기 위한 포화 염수 용액을 생성하는 데에 이용될 수 있다. 염수 등의 첨가는 담수나 약한 기수 내에는 이온이 부족하여 전기적 처리가 효율적으로 이루어지지 않기 때문에 그러한 담수 또는 약한 기수를 처리하는 데에 시스템을 이용하는 경우에 필요하다. 염수는 또한 염 함량이 낮은 해수에 추가되어 전해액의 염 함량이 보다 바람직한 수준으로 되게 할 수도 있다. 낮은 염 함량에서는 전기 투석 셀에 의해 동일한 처리 효과를 달성하는 데에 보다 많은 전류가 필요하다. 따라서, 염 함량을 증가시킴으로써, 에너지 사용의 감소를 달성할 수 있다. 예를 들면, 북해의 경우 염도는 25‰ 또는 그 이상이 통상적인 반면, 발트해의 경우 표층수는 약 7‰의 훨씬 낮은 염도를 갖는다. 바람직하게는, 염수는 적어도 25‰의 염도를 유지하도록 전기 투석 셀에 대한 유입 전해액에 추가된다.

바람직하게는, 물은 처리 후에 일정 기간 동안 저장조나 탱크에 저장된다. 이는 전기 투석 셀의 생성물로부터의 산화제 및 반응성 물질이 물 내의 임의의 미생물 및 기타 원하지 않은 물질에 대해 완전하게 영향을 미칠 수 있게 하는 시간을 제공한다. 특히 바람직한 실시예에서, 본 발명은 선박의 밸러스트수의 처리에 이용되어, 그 물을 밸러스트 탱크 내로 취수할 때에 처리한 후, 방출 전에 밸러스트 탱크 내에 저장하게 된다. 이러한 상황에서, 선박은 항구들 간에 이동하여 화물을 다시 선적하면서 밸러스트수를 방출하기 때문에 일반적으로 이상적인 저장 시간을 갖게 된다. 이러한 시간은 전기 투석 셀의 생성물에 의한 처리의 효과가 나타날 수 있게 한다는 점에서 유용하게 이용될 수 있다.

많은 부피의 물을 처리할 수 있도록 하기 위해, 전기 투석 장치에는 바람직하게는 하나의 대형 셀 대신에 복수의 전기 투석 셀이 병렬로 마련된다. 이는 보다 모듈형 구조로 될 수 있게 하며, 부품들의 복잡도 및 크기를 감소시킴으로써 각 전기 투석 셀의 구조를 단순화시킨다.

이러한 처리는 가스 주입을 포함할 수 있다. 바람직한 실시예에서, 가스 주입 유닛이 물 내에 질소의 주입 및/또는 산소 함유 가스의 주입을 위해 마련된다. 산소 함유 가스는 공기일 수 있다.

산소의 주입은 물이 탱크에서 주변 환경으로 방출되기 전에, 예를 들면 밸러스트 탱크로부터 바다로 방출되기 전에 물 내의 산소 농도를 적절한 수준으로 되돌리는 데에 이용될 수 있다.

바람직하게는, 본 양태의 처리 장치는 질소 가스를 물 내에 주입하는 가스 주입 유닛을 포함한다. 물의 질소 처리(nitrogenation)는 산화 처리를 연장시키는 것으로 여겨지며, 또한 전술한 바와 같은 유리한 부식 감소 효과를 갖는다.

질소는 물 흐름의 전체 또는 일부분의 내로 주입될 수 있다. 질소는 바람직하게는 처리된 물이 질소로 과포화되는 것을 보장하기에 충분한 양이 주입된다. 바람직한 실시예에서, 물 흐름의 일부분을 메인 흐름으로부터 분리하고, 이 일부분의 흐름에 질소를 주입한다. 이러한 일부분의 물의 흐름은 바람직하게는 물 흐름의 전체 부피의 15% 미만이다. 질소 처리된 물의 흐름을 물의 메인 흐름 내에 다시 도입하는 경우, 고정형 혼합기를 이용하여 두 물 흐름의 혼합을 촉진시킬 수 있다.

가스 주입을 통해 초래되는 교반이 메인 흐름과 전기 투석 셀의 생성물의 혼합을 촉진시키는 데에 이용될 수 있다.

가스 주입 유닛은 물의 유로 또는 분리된 물 부분의 유로 내의 노즐일 수 있고, 이 노즐의 하류측에 고정형 혼합기가 배치될 수 있다. 가스와 물의 혼합물을 고정형 혼합기를 통과하게 함으로써 물의 질소 처리가 촉진된다.

대안적으로, 가스 주입 유닛은 아래에서 설명하는 바와 같이 이루어질 수 있다.

바람직한 실시예에서, 본 양태의 장치는 캐비테이션 유닛을 포함한다. 캐비테이션 유닛을 이용하면 물 속의 임의의 미생물 및 기타 생물 또는 무생물에 대한 물리적 효과가 생성되어, 그러한 원치 않는 요소들을 파괴한다. 바람직하게는, 캐비테이션 유닛은 전기 투석 셀의 생성물이 처리 유로로 되돌려 보내지기 전에 물을 처리하도록 배치된다. 따라서, 캐비테이션 처리는 크고 보다 복잡한 생물을 제거할 뿐만 아니라, 기타 원치 않는 물질을 파괴하며 특히 미생물의 군집 또는 덩어리를 파괴하는 데에 이용할 수 있는 데, 그러면 전기 투석 셀의 생성물은 임의의 잔류 생물을 제거하는 최종 수준의 처리를 제공하게 되고, 또한 대형의 생물 또는 생물 군집이 파괴되었다는 점에서 보다 효과적으로 작용할 수 있다. 캐비테이션 처리로부터 초래되는 교반은 전기 투석 셀의 생성물과 메인 흐름의 혼합을 촉진시키는 데에 이용될 수 있다.

전기 투석 셀은 유리하게는 캐비테이션 유닛과 병렬로 배치된다. 이 경우, 소량의 물 흐름이 전기 투석 셀을 통과하며, 대부분의 물은 캐비테이션 유닛을 통과한다. 바람직하게는, 처리 장치 내로 유입된 전체 물 흐름의 5체적%미만이, 보다 바람직하게는 1체적%미만, 훨씬더 바람직하게는 0.5체적%미만이 전기 투석 셀을 통과한다. 약 0.2체적%의 양의 바람직하며, 조건에 따라 0.05체적% 또는 0.01체적% 만큼 적은 양이 이용될 수도 있다. 전기 투석 셀의 생성물은 캐비테이션 유닛 다음에서 메인 흐름 내로 되돌려 보내진다.

이는 적은 비율의 물이 캐비테이션 유닛에 의해 처리되지 않음을 의미하지만 전체 처리 효율이 현저하게 영향을 받진 않으며, 캐비테이션 유닛의 양측에 전기 투석 셀의 입구와 출구를 구비함으로써, 캐비테이션 유닛에 걸친 압력 강하가 흐름이 전기 투석 셀을 통과하게 하는 압력차를 제공하여, 별도의 펌프가 필요하지 않게 되고 시스템이 폐회로 상태에서 자체적으로 동력을 공급하게 된다는 이점이 있다. 이에 따른 가압 전기 투석 셀의 이용 시에는 전기적 처리 중에 가스상 수소의 생성을 최소화 또는 방지한다는 추가적인 이점 또한 있다. 가스상 수소의 생성은 물의 전기 투석 처리에 있어서의 널리 알려진 위험 사항이다. 가압 전기 투석 셀의 경우, 수소가 형성될 수 있지만, 수소는 안전한 용해 상태로 항시 유지된다.

가압 전기 투석 셀의 경우, 그 프로세스가 가압 상태에서 작동할 수 있게 하는 적절한 맴브레인을 선택해야 할 것이다. 바람직하게는, 전기 투석 셀은 세라믹 맴브레인을 이용하여 구성된다. 이러한 맴브레인은 다른 형태의 맴브레인보다 가압 상태에서 더 효율적으로 작동한다.

캐비테이션 유닛은 벤츄리형 캐비테이션 유닛일 수 있다. 바람직한 실시예에서, 캐비테이션 유닛은 전술한 바와 같은 캐비테이션 유닛이다.

제4 양태의 관점에서, 본 발명은, 물의 일부분만을 전기 투석 셀을 통해 흐르게 하는 단계와, 이 전기 투석 셀의 생성물을 나머지 물로 되돌려 보내는 단계를 포함하는 물 처리 방법을 제공한다.

바람직한 실시예에서, 본 발명의 제4 양태의 방법은, 전술한 바와 같은 제3 양태의 바람직한 장치적 특징에 상응하는 방법적 특징을 포함한다.

특히 바람직한 실시예에서, 본 양태의 방법은 밸러스트수를 처리하는 방법으로서, 본 발명의 제4 양태에 따라 밸러스트 탱크를 채우는 데에 이용되는 물을 처리하는 단계와, 그 물 내에 질소를 주입하는 단계와, 처리된 물을 밸러스트 탱크 내에 저장하는 단계와, 그 물을 밸러스트 탱크로부터 방출하여 주변 환경으로 배출하는 단계를 포함한다.

이 방법은 물이 유입될 때 또는 탱크로부터 방출될 때에 물 내에 캐비테이션을 생성하는 단계를 포함할 수 있다. 바람직하게는 캐비테이션은 전기 투석 셀의 생성물을 물로 되돌려 보내기 전에 물을 처리하는 데에 이용된다.

바람직한 실시예에서, 본 양태의 방법은 방출되는 물이 주변 환경으로 배출되기 전에 그 물에 산소 함유 가스를 주입함으로써 처리하는 단계를 포함한다. 산소 함유 가스는 공기일 수 있다.

물이 탱크로 유입되고 탱크로부터 떠날 때에 처리함으로써, 바람직하지 않는 물질, 특히 미생물 및 기타 유기물이 저장 및 배출될 위험성은, 다양한 처리 단계에 의해 그러한 물질이 유해하지 않은 상태로 파괴되기 때문에 현저히 감소된다. 후에 저장될 물 내에 질소를 주입하면, 물 내에 용존 산소의 양을 감소시킴으로써 밸러스트 탱크의 부식을 감소시킨다. 게다가, 이는 코팅 및 페인트와 같은 부식 방지 시스템의 풍화가 산화에 의해 야기된다는 점에서 그러한 풍화를 감소시킨다. 물이 배출될 때에 공기를 주입하면, 배출되는 임의의 잔류 가스의 과포화로 인한 환경적 악영향을 방지하기 충분한 산소가 배출될 물에 존재하도록 보장한다.

제5 양태의 관점에서, 본 발명은, 물 유로 내에 배치된 주입 노즐을 갖는 가스 주입 유닛을 포함하는 물 처리 장치로서, 주입 노즐은 물 유로의 크기에 비해 작으며, 주입 노즐은, 스팀 입구, 가스 입구, 가스와 스팀을 혼합하는 혼합 영역 및 물 유로로의 개구를 포함하는 것인 물 처리 장치를 제공한다.

스팀을 사용함으로써 가스/물의 혼합을 개선시켜, 원하는 효과를 달성하는 데에 필요한 가스의 양을 감소시킬 수 있다. 게다가, 주입되는 스팀은 압력 펄스를 생성하고, 이 압력 펄스는 물 속에 존재하는 생물에 영향을 미쳐 원치 않는 생물을 파괴하는 데에 도움이 된다. 주입 노즐의 크기를 예를 들면 파이프 등일 수 있는 물 유로에 비해 작게 함으로써, 주입 노즐이 물 흐름을 차단하지 않게 된다.

스팀의 주입을 이용하여 주입 지점의 하류에 고속의 제트를 생성할 수 있다. 이는 유체를 가속하고 물 처리 장치 내에 추가적인 펌핑 효과를 생성한다.

바람직하게는, 가스는 제트 형성 방식(jetting regime)으로 물 내로 혼합되며, 이는 바람직한 실시예에서는 150㎏/(㎡s)보다 많은 양의 스팀을 주입함으로써 달성된다.

바람직한 실시예에서, 스팀 입구는 노즐을 포함하고, 가스 입구는 스팀 입구용 노즐 주변의 통로를 포함한다. 이 통로는 외벽이 파이프에 의해 형성되는 환형 통로일 수 있다. 혼합 영역은 스팀 입구용 노즐의 개방단을 지나 연속하는 파이프의 부분에 의해 형성된 챔버일 수 있다.

물 유로로의 개구는 단순히 파이프의 단부에 의해 형성되는 출구 노즐일 수 있지만, 바람직한 실시예에서는 이 출구 노즐은 가스와 스팀의 혼합물이 물 유로로 유입되기 전에 팽창하게 되는 발산 프로파일을 구비한다. 이러한 발산 영역을 이용하면 주입되는 가스와 스팀의 초킹(choking)의 위험이 방지된다.

제6 양태의 관점에서, 본 발명은, 물 유로 내에 배치된 주입 노즐을 이용하여 물 유로 내로 가스를 주입함으로써 물을 처리하는 방법을 제공하는 데, 그 주입 노즐은 물 유로의 크기에 비해 작고, 가스 및 스팀이 스팀 입구와 가스 입구로부터 공급되고 이들 가스와 스팀이 혼합되어 물 유로 내로 주입되는 그러한 물 처리 방법을 제공한다.

제6 양태의 방법의 바람직한 실시예는 전술한 바와 같은 제5 양태의 장치의 바람직한 특징에 상응하는 특징을 포함할 수 있다.

제7 양태의 관점에서, 본 발명은, 물에 전류를 인가하는 전기적 처리 유닛과 캐비테이션 유닛을 포함하고, 물이 전기적 처리 유닛과 캐비테이션 유닛을 병렬로 통과해 흐르는 물 처리 장치를 제공한다.

전기적 처리와 캐비테이션을 조합함으로써, 물 속의 임의의 생물, 특히 미생물뿐만 아니라 기타 형태의 원치 않는 물질을 보다 효율적으로 파괴할 수 있다. 이러한 병렬 흐름은 캐비테이션 유닛에 걸친 압력 강하에 의해 물이 전기적 처리 유닛을 통과하게 할 수 있다.

바람직한 실시예에서, 본 양태의 장치는 밸러스트수 처리용 장치로서, 선박의 밸러스트수 탱크 내외로 이동하는 물을 처리하도록 마련된다.

이러한 장치는 바람직하게는 전기적 처리 및 캐비테이션 처리 후의 물 내로 가스를 주입하는 가스 주입 유닛을 포함한다. 가스 주입 유닛을 이용함으로써, 물을 질소 가스나 공기로 처리하여, 전술한 바와 같이 산소 함량을 감소 또는 증가시키고 가스 과포화 효과에 의해 생물에 손상을 줄 수 있게 된다.

질소는 물 흐름의 전체 또는 일부분의 내로 주입된다. 질소는 바람직하게는 처리된 물이 질소로 과포화되도록 보장하기에 충분한 양이 주입된다. 바람직한 실시예에서, 물의 흐름의 일부분이 메인 흐름으로부터 분리되고 이 일부분의 물 흐름 내로 질소가 주입된다. 이러한 일부분의 물 흐름은 바람직하게는 물 흐름의 전체 부피의 15%미만이다. 질소화 처리된 물 흐름이 물의 메인 흐름 내로 다시 도입될 경우, 두 물 흐름의 혼합을 촉진시키도록 고정형 혼합기가 이용될 수 있다.

본 양태의 장치는, 전기적 처리 유닛 전에 물로부터 큰 물체를 제거하도록 제1 필터를 포함할 수 있다. 캐비테이션 처리 후에도 물로부터 작은 물체를 제거하도록, 특히 파괴된 미생물 등을 제거하도록 필터가 마련될 수 있다.

바람직한 실시예에서, 캐비테이션 유닛은 제1 양태에서 설명한 유닛 및 제1 양태의 바람직한 실시예에 따른 유닛이다. 전기적 처리 장치는 바람직하게는 제3 양태 및 그 바람직한 실시예의 장치의 특징들을 포함한다. 또한, 가스 주입 유닛은 제5 양태 및 그 바람직한 특징에 따른 유닛일 수 있다.

제8 양태의 관점에서, 본 발명은 물을 처리하는 방법으로서, 물의 흐름을 2개의 부분으로 분할하는 단계와, 하나의 물 흐름 부분은 전기적 처리 유닛에 의해 처리하고 다른 물 흐름 부분은 캐비테이션 유닛에 의해 병렬로 처리하는 단계와, 이어서 두 물 흐름 부분을 다시 합치는 단계를 포함하는 물 처리 방법을 제공한다.

이러한 방법은 물 내에 가스를 주입하는 것을 포함할 수 있다.

전기적 처리, 캐비테이션의 생성 및 가스의 주입 중 하나 이상은 바람직하게는 본 발명의 제4, 제2 및 제6 양태의 방법에 따르는 것으로서, 전술한 바와 같은 그러한 양태들의 바람직한 특징들을 포함할 수 있다.

따라서, 전기적 처리는, 전기를 이용하여 물에 화학적 반응을 생성하고, 전기적으로 처리된 물이 다른 부분의 물과 다시 합쳐지는 경우에 그 화학적 반응이 다시 합쳐진 물 내에서 추가적인 물 처리 효과를 야기하게 되는, 전기 투석 프로세스와 같은 처리를 포함할 수 있다.

바람직하게는, 본 양태의 방법은 밸러스트수 처리 방법으로서, 전술한 바와 같이 밸러스트 탱크를 채우는 데에 이용되는 물을 질소를 주입하는 가스 주입 유닛에 의해 처리하는 단계와, 처리된 물을 밸러스트 탱크에 저장하는 단계와, 그 물을 탱크로부터 방출하는 단계와, 선택적으로는 방출되는 물을 캐비테이션의 생성 단계 및/또는 공기를 주입하는 공기 주입 유닛에 의한 가스 주입 단계를 반복함으로써 처리하는 단계와, 물을 주변 환경으로 배출하는 단계를 포함한다.

물이 탱크로 유입되고 탱크로부터 떠날 때에 처리함으로써, 바람직하지 않는 물질, 특히 미생물 및 기타 유기물이 저장 및 배출될 위험성은, 다양한 처리 단계에 의해 그러한 물질이 유해하지 않은 상태로 파괴되기 때문에 현저히 감소된다. 이어서 저장될 물 내에 질소를 주입하면, 물 내에 용존 산소의 양을 감소시킴으로써 밸러스트 탱크의 부식을 감소시킨다. 게다가, 이는 코팅 및 페인트와 같은 부식 방지 시스템의 풍화가 산화에 의해 야기된다는 점에서 그러한 풍화를 감소시킨다. 물이 배출될 때에 공기를 주입하면, 배출되는 임의의 잔류 가스의 과포화로 인한 환경적 악영향을 방지하기 충분한 산소가 배출될 물에 존재하도록 보장한다.

전술한 모든 실시예의 장치 및 방법은 기존의 물 처리 장치나, 물 처리 장치를 추가하는 것이 바람직한 시스템을 개장(retrofitting)하기 위한 것일 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 단지 예로서 설명할 것이다.

도 1a는 외장형 전기 투석 셀이 설치된 물 처리 시스템의 개략도이고,
도 1b는 직렬형 전기 투석 셀이 설치된 물 처리 시스템의 개략도이며,
도 1c는 전기 투석 셀이 캐비테이션 유닛과 병렬로 배치된 물 처리 시스템의 개략도이고,
도 2는 캐비테이션 유닛의 실시예를 나타내는 도면이며,
도 3 내지 도 5a는 다양한 캐비테이션 바디와 이들 캐비테이션 바디를 파이프 내에 고정시키는 다양한 고정 수단을 도시하는 도면이고,
도 6 내지 도 9는 각종 대안적인 캐비테이션 바디의 형상을 나타내는 도면이며,
도 10 및 도 11은 도 8에 도시한 형태의 캐비테이션 유닛에 대한 압력 대 캐비테이션 유닛을 따른 거리의 그래프이고,
도 12는 처리될 수 있는 물의 양을 증가시키기 위한 캐비테이션 유닛의 어레이의 두 가지 실시예를 나타내는 도면이며,
도 13은 도 12의 어레이의 단면도이고,
도 14는 파이프 내의 주입기의 구성을 나타내는 도면이며,
도 15는 가스/스팀 주입기의 세부 구조를 나타내는 도면이고,
도 16은 대안적인 주입기 구성을 나타내는 도면이며,
도 17은 파이프 내의 고정형 혼합기의 개략도이고,
도 18은 가능한 고정형 혼합기의 구성을 나타내는 도면이며,
도 19는 전기 투석 셀의 부분 절개도이고,
도 20은 대안적인 전기 투석 셀의 구성의 부분 절개도이다.

도 1a 및 도 1b의 실시예는 밸러스트수 처리 시스템으로서 이용하기 위한 것이고, 이에 따라 그러한 맥락에서 아래에서 설명하지만, 설명하는 시스템을 위한 다른 용례도 존재하며 다른 요건에 적합하도록 시스템을 개조할 수 있음을 이해할 것이다.

도 1a에서는 처리 시스템의 제1 실시예를 도시하고 있다. 물은 여과된 후에, 캐비테이션 유닛(10), 가스 주입 유닛(14) 및 전기 투석 셀(8)에 의해 처리된다. 이러한 처리 조합으로 인해 물 속의 생물은 손상을 입고 죽게 된다. 주입 유닛(14)에서 물에 첨가되는 질소는 물 속의 생물에 대해 영향을 미칠 뿐만 아니라, 물 속의 용존 산소의 수준을 감소시켜, 생물의 재성장 가능성을 감소시키고, 코팅의 풍화와 부식의 속도를 감소시킨다. 또한, 산소의 감소는 전기 투석 셀(8)로부터의 전기 투석 셀 생성물을 통해 물 속에 도입되는 산화제의 효과를 연장시키는 것으로 여겨진다. 밸러스트 탱크를 질소를 이용하여 비우는 경우 제어된 분위기 관리에 의해, 그러한 효과는 더욱 향상된다.

밸러스트 탱크를 채우는 동안, 밸러스트수는 선박의 밸러스트 펌프 시스템(2)을 이용하여 유입 파이프(1)를 통해 바다로부터 펌핑된다. 펌프(2)에 후속하여, 물은 파이프를 통해 흘러, 물로부터 큰 입자를 여과하는 제1 필터(4)를 통해 여과된다. 그러한 입자는 밸러스트 취수 지점에서 방출되는 슬러지를 형성한다.

제1 필터(4)의 하류에는 압력 부스터가 선택적으로 설치될 수 있다. 이 압력 부스터는 보다 하류측의 유닛들에서의 성공적인 처리를 위해 필요한 수압의 수준을 유지하는 데에 이용될 수 있다.

그 후, 물은 계속해서 캐비테이션 유닛(10) 내로 유입된다. 이 캐비테이션 유닛(10)에서는, 유체역학적 캐비테이션이 유체 유속의 급속한 가속에 의해 야기되는 데, 이러한 급속한 가속은 유체의 정압을 유체 증기압까지 급속하게 떨어뜨릴 수 있다. 이는 그 후에 증기 기포의 발생을 초래한다. 기포 성장을 허용하는 제어된 시간의 경과 후에, 급속한 제어된 감속이 이어진다. 이로 인해 유체의 정압이 급격하게 상승되어, 증기 기포가 격렬하게 붕괴 또는 파열되게 함으로써 물 속의 임의의 생물 등을 고강도의 압력 및 온도 펄스에 노출시켜 물 속의 생물을 파괴하게 된다. 캐비테이션 유닛(10)에 대해서는 도 2 내지 도 13과 관련하여 보다 상세하게 설명한다.

캐비테이션 유닛(10)에 후속하여, 물의 일부분은 전기 투석 셀(8)을 통해 흐른다. 나머지 물은 전기 투석 셀(8)에 의해 처리되지 않고, 단지 계속해서 파이프 또는 도관을 따라 후속 처리 단계로 흐를 수 있다. 도 1a의 실시예에서, 전기 투석 셀은 메인 흐름 도관에 대해 외부적으로 설치된 것으로, 기존의 처리 시스템을 개장할 수 있다.

대안적인 실시예에서, 유입되는 밸러스트수를 전기 투석 셀(8)에 의해 처리하는 대신에 또는 그에 추가하여, 다른 소금물, 즉 염수 공급원(24)이 전기 투석 셀(8)을 위한 유입 전해액으로서 이용될 수 있다. 이러한 염수는 예를 들면 담수 생산의 부산물로서 생산되거나 역삼투압 설비(reverse osmosis plant)와 같은 염수 전용 생산 설비에서 생산되는 염수일 수 있다.

소금물, 즉 염수 공급원은 또한 시스템이 담수 또는 약한 기수를 처리하는 데에 이용되는 경우에 물의 염의 함량의 증대 효과를 제공하는 데에도 이용될 수 있다. 전술한 바와 같이, 이는 처리될 수 없었던 물의 전기 투석 처리를 가능하게 하며, 또한 전기 소모를 감소시키는 데에 이용될 수 있다.

도 19와 관련하여 보다 상세하게 설명하는 전기 투석 셀(8)은 희석액 스트림(11)과 농축액 스트림(12)을 생성한다. 이러한 두 스트림은 pH 조정기 또는 혼합 유닛(12)으로 이동하여 전기 투석 셀의 생성물(17)을 생성하고, 이 생성물은 물의 메인 흐름으로 되돌려 보내지며, 생성물(17)의 조성에 따라 혼합 유닛(13)은 나머지 희석액(18)을 나눌 수 있다. 혼합 유닛(13)은 전기 투석 셀의 최적의 생성물(17)을 형성하도록 농축액(12)에 가해지는 희석액(11)의 양을 제어하기 위해 펌프 등을 포함할 수 있다. 대안적인 구성에서, 혼합 유닛은 전술한 바와 같이 병렬로 배치된 캐비테이션 유닛에 걸친 압력 강하게 의해 압력이 제공되는 가압 폐회로 내에 있을 수 있다. 이 경우, 어떠한 펌프도 필요하지 않는다.

전기 투석 셀의 생성물(17)의 주입 지점의 하류에는 ORP 및/또는 FAC를 측정하여 측정된 값을 혼합 유닛(13)에 전송하는 샘플링 및 측정 지점(15)이 있다. 이러한 측정은 물에 대한 전기 투석 셀(8)의 영향을 모니터링하여, 전기 투석 셀의 작동 파라미터 및/또는 적용되는 혼합비를 제어하는 데에 이용한다.

나머지 희석액(18)은 모든 처리 단계보다 앞서 유입되는 물 내로 다시 주입될 수 있고, 바람직하게는 필터 및/또는 밸러스트수 펌프 전에서도 주입될 수 있다. 대안적으로, 유지 탱크(25)나 선박의 빌지수 탱크(bilge water tank)(26) 내에 저장될 수 있다.

도시한 실시예에서, 가스 주입 유닛(14)은 전기 투석 셀의 생성물(17)이 메인 흐름으로 되돌려 보내진 후의 물을 처리한다. 그러나, 대안적인 실시예에서, 생성물(17)은 가스 주입 유닛(14)의 하류측에서 메인 흐름에 되돌려 보내지고, 마찬가지로 가스 주입 유닛(14)의 하류측에서 모니터링 유닛(15)에 의해 생성물(17)이 혼합된 후의 물의 상태를 모니터링한다.

가스 주입 유닛(14)에서, 질소 가스(16)가 증기/질소 주입기 또는 가스/물 혼합기에 의해 유입되는 물 내에 주입되어, 몰 속에서의 원하는 수준의 질소 과포화를 달성하는 데, 이러한 질소 과포화는 산소 수준을 감소시킴으로써 생물을 죽이고 부식을 감소시키게 된다. 이는 또한 물 속의 산화제의 처리 효과를 연장시킨다. 주입 유닛의 실시예들은 도 14 내지 도 18을 참조하여 아래에서 보다 상세하게 설명한다.

처리 유닛의 하류측에서, 처리된 물이 선박의 밸러스트수 배관 시스템(23)에 의해 각각의 밸러스트수 탱크로 분배된다. 여기서, 과잉의 가스는 안정 상태에 도달할 때까지 배기된다. 이는 탱크 환기 시스템에 통합된 밸브에 의해 조절된다. 이러한 밸브는 밸러스트수가 탱크 내에 유지되는 기간 동안 탱크 내에서의 안정한 상태를 보장하는 데, 구체적으로 물 내에서의 높은 수준의 질소 과포화의 낮은 수준의 용존 산소를 보장한다. 그러한 과포화 수준을 유지함으로써, 과포화 자체에 의해서는 물론 전기 투석 셀(8)에 의해 도입되는 산화제에 의해 물의 처리가 진행되게 한다. 따라서, 이러한 처리는 물이 밸러스트 탱크 내에 저장되어 있는 동안에 임의의 생존한 생물을 계속해서 죽이거나 비활성화시키도록 물을 처리하여, 재성장에 대한 방지 수단으로서 기능을 한다.

이어서, 물은 밸러스트수 탱크 내에 유지된 채로 두게 되다. 밸러스트수가 방출되는 경우, 물은 방출을 위해 환경적으로 허용할 수 있는 수준으로 산소 함량을 되돌리는 방출 처리 프로세스를 통해 흐른다. 물은 밸러스트 탱크로부터 펌핑되어 가스 주입 유닛(14)을 통과한다. 이는 주입 가스로서 질소 대신에 공기가 사용되기 때문에 물에 산소를 되돌리는 데에 이용된다. 선택적으로, 물은 방출될 때에 캐비테이션 유닛(10)에 의해 다시 처리될 수도 있다.

도 1b에는 처리 시스템의 제2 실시예가 도시되어 있다. 이 실시예는 도 1a의 실시예와 대체로 동일하지만, 전기 투석 셀(8)이 외부에 배치되기보다는 메인 흐름과 직렬로 배치된다. 물은 도 20을 참조하여 보다 상세하게 설명하는 바와 같은 전기 투석 셀(8)을 통해 흐른다. 본 실시예에서, 혼합 유닛(12)은 직렬형 셀의 일부분으로서 설치된다. 도 1a의 실시예에서와 마찬가지로, 전기 투석 셀(8)은 물의 일부분을 처리함으로써 희석액 스트림(11)과 농축액 스트림(12)을 생성한다. 나머지 물은 직렬형 전기 투석 셀(8)을 미처리 상태로 지나, 전술한 바와 같은 전기 투석 셀의 생성물(17)과 혼합된다. 선택적으로는 소금물, 즉 염수의 외부적 공급원(24)도 역시 이용될 수 있다.

도 1b의 실시예에 대한 대안에서는 도 1a와 관련하여 전술한 바와 같이 가스 주입 유닛(14)이 생성물(17)이 물의 메인 흐름과 혼합되는 지점의 상류에서 가스를 주입할 수 있다. 이는 전기 투석 처리에 대해 입구의 상류측에서 가스를 주입하는 것에 의해 이루어지거나, 가스 주입 유닛(14)이 전기 투석 셀(8)에 의해 처리되지 않는 물의 흐름에 가스를 주입하여 일부분의 물의 전기 투석 처리와 나머지 물의 질소 처리가 병렬로 이루어질 수 있다.

도 1c에서는 물 처리 시스템의 구성 요소들의 다른 배치 상태를 도시하고 있다. 이 시스템에서, 물은 밸러스트 펌프(2)에 의해 입구(1)를 통해 펌핑된 후, 전술한 바와 같은 제1 필터(4)에 의해 여과된다. 물의 흐름은 이어서 분할되어, 약 0.2체적%의 작은 비율이 전기 투석 셀(8)을 통해 안내되고 나머지 물은 캐비테이션 유닛(10)을 통과한다. 전기 투석 셀은 도 1a 및 도 1b와 관련하여 설명한 바와 같이 작동하며, 도 1a 및 도 1b에 도시한 바와 같은 전기 투석 셀(8)과 관련한 유지 탱크(25) 또는 선박의 빌지수 탱크(26) 등의 다른 구성 요소가 존재할 수 있음을 유념해야 할 것이다.

전기 투석 셀(8) 및 캐비테이션 유닛(10) 후에 전기 투석 셀(8)의 생성물(17)이 캐비테이션 유닛에 의해 처리된 물과 혼합되고, 이 물은 이어서 가스 주입 유닛(14)으로 흐른다. 본 실시예에서, 가스 주입기는 도 1a 및 도 1b에서와 같이 물의 흐름과 완전히 직렬로 배치되는 대신에 물의 흐름의 일부분에만 작용하는 것으로 도시되어 있다. 가스 주입기(14)의 배치 상태는 도 1a, 도 1b 및 도 1c의 실시예들 간에 서로 바뀔 수 있다는 점을 유념해야 할 것이다. 도 1c에 도시한 배치 상태의 경우, 전체의 15체적%미만, 어쩌면 10체적%인 일부분의 물 흐름에 질소가 주입된다. 질소는 물이 질소로 과포화되도록 보장하기에 충분한 양이 주입된다. 질소 처리된 물 흐름이 물의 메인 흐름에 다시 도입되는 경우, 합쳐지는 물 흐름으로 인한 교반 또는 대안적으로는 고정형 혼합기가 두 물 흐름의 혼합을 촉진하여, 전체 물 흐름이 원하는 물 처리 효과를 갖기에 충분한 수준으로 질소 처리되도록 보장하는 데에 이용된다.

질소의 도입 후에, 처리된 물은 파이프(23)를 통해 밸러스트 탱크로 보내지고, 이 밸러스트 탱크에서 저장된다. 전술한 실시예에서와 마찬가지로, 밸러스트 탱크로부터 물을 방출할 필요가 있는 경우, 시스템은, 물을 다시 산소 처리하기 위해 산소를 도입하고 선택적으로는 캐비테이션 처리를 다시 수행하는 것을 포함한 처리 프로세스를 통해 유출되는 물을 안내하도록 마련된다.

도 2 내지 도 13에서는 캐비테이션 유닛(10)의 실시예들을 도시하고 있다. 캐비테이션은 국부적 정압을 일정 온도에서의 국부적 증기압 아래로 떨어뜨림으로써 야기되는 액체 내에서의 핵생성(nucleation) 프로세스이다. 국부적 정압의 강하는 액체의 비등을 야기하고 이러한 비등은 작은 증기 기포의 발달을 초래한다. 정압의 상승은 그러한 기포를 붕괴시킨다.

기포 붕괴의 마지막 단계에서 고압이 생성되어, 연구에 따르면 충격파 방출을 초래하는 것으로 여겨진다. 이러한 충격파는 거의 4000m/s의 충격 속도와, 1/r보다 빠른 충격 진폭 감쇄로 발사될 수 있다. 기포 부근에서의 압력 펄스는 몇몇 경우에 1㎬에 이르는 것으로 보고되었다. 또한, 연구에 따르면 7800K에 이르는 온도를 갖는 국부적 고온점이 캐비테이션 기포 붕괴의 결과로 보고되었다. 캐비테이션이 강성 표면 근방에서 발생하는 경우, 기포는 비대칭적으로 붕괴하여, 흔히 고속으로 이동하는 워터 제트를 형성한다. 이러한 제트는 생물 등이 붕괴되는 캐비테이션 기포의 부근에 있는 경우에 표면 손상을 초래할 수 있고, 어쩌면 제트로 인한 조직 손상을 야기할 수 있다. 캐비테이션 기포가 붕괴함으로써 생성되는 제트와 고압 및 고온은 물 속의 미생물의 조직에 손상을 야기함으로써 그 미생물을 파괴하는 효과를 가지며, 결국에는 미생물을 죽이게 된다.

그러나, 고속으로 이동하는 제트와 고압 및 고온점은 붕괴되는 기포에 매우 근접하여 발생하여, 붕괴 시에 기포에 충분히 근접한 생물만이 영향을 받는다. 기포의 파열시에 배출되는 그러한 에너지를 보다 효율적으로 이용하기 위해서는 생물의 노출을 목표로 하여야 할 것이다. 일반적으로는 물 처리 용례, 특히 밸러스트수 처리 용례의 경우에, 그러한 점은 처리되는 물이 통과해 흐르는 작은 간극 내에서 또는 그 근방에서 캐비테이션을 야기함으로써 달성할 수 있다.

바람직한 캐비테이션 유닛(10)에서, 유체의 정압을 유체 증기압까지 급속하게 떨어뜨려 증기 기포의 발달을 초래할 수 있는 유체의 급속한 제어된 가속에 의해 유체역학적 캐비테이션이 야기된다. 기포 성장을 허용하는 제어된 시간의 경과 후에, 급속한 제어된 감속이 이어진다. 이로 인해 유체의 정압이 급격하게 상승하여, 증기 기포가 격렬하게 붕괴 또는 파열되게 함으로써 생물들이 고강도의 압력 및 온도 펄스에 노출되게 한다.

캐비테이션 유닛(10)의 기하학적 형상은 기포 발생과 관련한 표면의 존재에 대한 관찰된 상승 효과와 목표 대상에 대한 파열하는 기포의 근접도의 중요성을 이용하여 설계되었다. 반복적 캐비테이션을 비롯한 다양한 특성을 갖는 다양한 구조의 형상이 개발되었으며, 이들 모두는 동일한 바람직한 기하학적 형상에 기초한다.

캐비테이션 유닛(10)은 도 2에 도시한 바와 같이 어뢰형 유닛(30) 형태의 캐비테이션 바디의 둘레에서 둘레 방향으로 캐비테이션을 생성한다. 이러한 어뢰형 유닛(30)은 대체로 원통형을 하고 밸러스트수 파이프나 임의의 송수 파이프와 같은 파이프(31) 내에 용이하게 끼워질 수 있다는 점에서 유리하다. 이러한 어뢰형 유닛(30)의 특별한 형상은 적절한 압력 강하를 제공하여 주어진 임의의 특정 상황에서 최대 캐비테이션을 야기하도록 구성될 수 있다. 바람직한 형상은 특히 미생물이 캐비테이션 기포의 붕괴 영역에 근접하게 하여 캐비테이션 유닛(10)에 의한 최대 파괴 효과를 달성하도록 기포의 성장 및 크기 분포를 최적화한다.

도 2의 어뢰형 유닛(30)에 관한 기본적인 조작 파라미터는 길이(A), 반경(B), 간극 폭(C), 각도(D), 어뢰형 유닛의 노즈(E)의 반경, 어뢰형 유닛의 중간 섹션의 길이(F)이다. 이들 파라미터는 특정 캐비테이션 특성을 달성하도록 변경될 수 있다. 일반적으로, 캐비테이션 유닛(10)은 유로의 수축으로 인해 캐비테이션이 유발되는 좁고 길게 형성된 영역을 제공하도록 마련되며, 본 실시예의 경우 그러한 영역은 좁은 환형 통로로 이루어진다. 도 2에서 고려할 때에 액체는 좌측에서 우측으로 흐른다. 어뢰형 유닛의 노즈(E)에서 물의 속도는 증가하고 압력은 감소하여, 캐비테이션 기포의 성장이 시작된다. 이러한 기포는 어뢰형 유닛의 중간 섹션을 따라 가면서 성장하고, 이어서 압력이 다시 성장할 때에 파열된다.

도 3 내지 도 5a에서는 밸러스트수 또는 폐수 파이프(31) 내에의 어뢰형 유닛의 조립이 어떠한 식으로 이루어질 수 있는 지를 보여주는 캐비테이션 바디(30)의 4가지 상이한 형태를 도시하고 있다.

도 3은 어뢰형 유닛(30)이 파이프(31) 내에 맞춰지도록 휜(fin)(32)이 적용된 것을 도시하고 있다. 휜(32)의 길이, 각도, 높이, 깊이 및 개수는 변경할 수 있다.

도 4는 어뢰형 유닛이 파이프 내에 맞춰지도록 핀(pin)(33)이 적용된 것을 도시하고 있다. 핀(33)은 어뢰형 유닛(30)의 전방 및 후방에서 그 유닛에 부착되어 있다. 핀(33)의 길이, 직경, 위치, 및 개수는 변경할 수 있다.

휜(32)과 핀(33)은 물 파이프(31) 내에 어뢰형 유닛(30)의 확고한 끼워맞춤(secure fit)을 제공하도록 구성된다. 게다가, 그 구조는 어뢰형 유닛(30)이 가능한 최대 캐비테이션을 제공하도록 휜 및 핀이 발달되는 캐비테이션 면적에 가능한 적게 영향을 미치도록 이루어진다.

도 5는 파이프(31) 내에 어뢰형 유닛(30)이 맞춰지도록 핀(33) 및 휜(32) 모두가 적용된 것을 도시하고 있다. 4개의 핀(33)이 어뢰형 유닛의 전방에서 그 유닛에 부착되고, 4개의 휜(32)이 어뢰형 유닛의 후방에서 그 유닛에 부착되어 있다.

도 5a는 대안적인 구조의 어뢰형 유닛(30)을 나타내는 것으로, 이 어뢰형 유닛(30)은 지지체 내에 끼워지는 러그(lug)(52)에 의해 제위치에 유지된다. 이들 러그(52)는 핀 또는 휜이 필요 없게 하여, 어뢰형 유닛 자신 이외의 유체 흐름에 대한 어떠한 장애물도 방지하여 보다 균일한 유체 흐름을 촉진한다.

도 6 내지 도 9는 어뢰형 유닛(30)의 각종 대안적인 구조를 도시하고 있다. 도 6 및 도 7에는 어뢰형 유닛(30)의 상이한 두 가지의 평이한 형태가 도시되어 있는 데, 이들은 물 파이프 내의 캐비테이션 유닛의 두 가지의 상이한 조립 가능성을 제공한다. 특히, 도 7은 어뢰형 유닛(30)의 후미 단부를 파이프(31)에 용이하게 장착하도록 이용될 수 있는 뭉툭한 후미 에지(34)를 갖는 어뢰형 유닛(30)을 도시하고 있다. 평이한 형태의 어뢰형 유닛(30)은 캐비테이션 유닛에 걸쳐 1회의 급속한 압력 강하와 상승을 야기하여 어뢰형 유닛(30)의 중간 섹션의 단부에 하나의 캐비테이션 붕괴 구역을 생성함으로써 캐비테이션을 야기한다.

이러한 평이한 형태 외에도, 도 8 및 도 9에 도시한 바와 같은 두 가지 이상의 형태가 더 있을 수 있다. 이러한 두 형태는 도 6에 도시하거나 도 7에 도시한 바와 같이 구성된 캐비테이션 유닛의 후방부를 가질 수 있다.

도 8은 복수 회의 압력 강하 및 상승에 의해 복수의 캐비테이션 구역을 생성하는 물결형 프로파일(35)을 갖는 어뢰형 유닛을 도시하고 있다. 도 8의 어뢰형 유닛(30)의 경우, 캐비테이션 붕괴 구역은 캐비테이션 유닛의 각각의 파형 섹션 뒤에 형성된다. 이는 캐비테이션의 파괴 효과가 각 섹션에서 반복된다는 점에서 유익하다.

도 9는 불규칙한 표면(36) 섹션을 갖는 어뢰형 유닛(30)을 도시하고 있다. 그 표면은 예를 들면 널링 가공 표면이거나, 잔물결형 표면(dimpled surface)일 수 있다. 이러한 불규칙한 표면(36)을 이용하면, 어뢰형 유닛(30)의 표면 상의 캐비티로 인해 기포의 생성이 향상된다.

도 10 및 도 11은 도 8에 도시한 물결형 표면 형태의 어뢰형 유닛(30)의 두 가지 상이한 구조에 대한 증기압 프로파일을 도시하고 있다. 이들 그래프에서 수직 축선은 압력을 수평 축선을 캐비테이션 유닛을 따른 거리를 나타낸다. 저압 지점은 대기압(P)보다 낮다. 도 10의 그래프는 파형부가 2개, 즉 도 8에 도시한 어뢰형 유닛에 비해 파형부가 1개 적은 어뢰형 유닛(30)에 대한 압력 프로파일을 도시하고 있다. 도 11의 그래프는 도 8의 어뢰형 유닛(30)과 같이 파형부가 3개인 어뢰형 유닛(30)에 대한 압력 프로파일을 도시하고 있다.

어뢰형 유닛의 중간 섹션에서의 파형부의 개수, 중간 섹션에서의 파형부의 위치, 및 파형부의 최대 및 최소 직경은 원하는 캐비테이션 효과를 달성하도록 변경될 수 있다. 이러한 파라미터는 캐비테이션 구역의 최대 개수와 캐비테이션의 최대 면적/부피를 달성하도록 선택된다.

도 6 내지 도 9의 특징은 도 3 내지 도 5a 중 임의에 도시한 것과 동일한 전체적 형상을 갖는 어뢰형 유닛(30)에 적용할 수 있을 뿐만 아니라 기타 형상의 캐비테이션 바디에도 적용될 수 있음을 이해할 것이다.

도 12에서는 복수의 캐비테이션 유닛(10)의 어레이(37)의 두 가지 상이한 예를 도시하고 있다. 이는 다양한 범위의 유량 용량을 제공하도록 표준형 캐비테이션 유닛(10)을 복수의 유닛에 의해 어떠한 식으로 확장시킬 수 있는 가를 예시하고 있다. 도시한 예의 경우, 캐비테이션 효과를 최대화하기 위해 좁은 환형부를 유지할 필요성으로 인해 제약이 있었던 단일 어뢰형 유닛의 예보다 제어 및 유연성을 더욱 향상시킬 수 있다. 복수의 캐비테이션 유닛(10)을 구비함으로써, 캐비테이션 효과의 효율은 큰 유량의 사용을 제한하지 않고도 유지할 수 있다.

하나의 예에서, 대형의 어뢰형 유닛(10')이 물 파이프(31)의 중간에 배치되고, 이러한 대형의 어뢰형 유닛 둘레에 소형의 어뢰형 유닛(10")들이 배치된다. 소형의 어뢰형 유닛(10")은 전술한 바와 같이 캐비테이션을 생성한다. 대형의 어뢰형 유닛(10')은 단지 소형의 어뢰형 유닛(10')을 지지하기 위한 것일 수 있고, 이 경우 어떠한 캐비테이션 기능도 갖진 않을 것이지만, 대형의 어뢰형 유닛의 전방 및 후방 단부는 소형의 어뢰형 유닛(10")으로 물 흐름을 안내하는 프로파일을 갖는다. 대안적으로, 대형의 어뢰형 유닛(10')이 소형의 어뢰형 유닛(10") 및 전술한 바와 같은 어뢰형 유닛(10)과 동일한 방식으로 작동하여 물의 처리를 위한 캐비테이션을 생성할 수 있다. 이러한 새로운 유닛의 직경(X)은 물 파이프의 직경(Y)과 동일하거나, 보다 작거나 클 수 있다. X/Y의 비는 원하는 물의 유량 및 다중 유닛 형태에 이용되는 어뢰형 유닛의 개수에 좌우된다.

대안적인 예에서, 다수의 소형의 어뢰형 유닛(10")이 대형 유닛(10')을 사용하지 않고 물 파이프(31) 내에 조립된다. 도시한 실시예에서, 소형의 어뢰형 유닛(10")은 중앙의 소형 어뢰형 유닛(10")을 중심으로 한 2개의 동심형 링을 형성한다.

도 13은 소형 캐비테이션 유닛(10')의 개수를 많게 또는 적게 한 상태의 도 12의 어레이의 단면도를 나타내고 있다. 다양한 개수의 소형 어뢰형 유닛(10")이 유량 요건에 따라 하나의 단위체로 배치될 수 있다.

도 14는 파이프(31) 내에 배치된 주입 노즐(43)을 포함하는 가스 주입기 유닛(14)을 도시하고 있다. 질소(16) 또는 공기(29)가 물 유로 내로 주입된다. 스팀(38) 또한 아래에서 설명하는 바와 같이 물 내로 가스(16, 29)의 혼합을 향상시키기 위해 주입될 수 있다. 가스는 도 15에 도시한 바와 같이 가스/스팀 주입기 노즐(43)을 이용하여 물 내에 주입되거나, 도 16에 도시한 바와 같이 파이프(31)에서의 수축 노즐부로 주입되거나, 도 17 및 도 18에 도시한 바와 같이 고정형 가스/물 혼합기(44) 내로 주입될 수 있다. 도 16 내지 도 18의 구성은 본 발명의 물 처리 장치에 이용될 수 있는 공지의 가스 혼합 시스템이다. 본 발명의 물 처리 프로세스에서, 질소(16)는 처리 프로세스 중 충전 단계 동안에 주입기 유닛(14)을 통해 주입되고 공기(29)는 처리 프로세스 중 방출 단계 동안에 주입된다.

전술한 바와 같이, 가스의 주입, 특히 질소의 주입은 전체 물 흐름에 가스를 주입하는 것이 아니라 단지 일부분의 물 흐름에만 수행될 수 있다. 본 명세서에서 설명하는 가스 주입기 유닛은 물론 도 1a 및 도 1b에서와 같이 메인 유로에 배치되거나, 도 1c에서와 같이 단지 일부분의 물이 메인 흐름으로 되돌려 보내지기 전에 따라 흐르게 되는 별도의 유로에 배치될 수도 있다.

바람직한 실시예에서, 스팀(38)이 도 14에서와 같이 가스(16, 29)와 동시에 주입된다. 스팀(38)을 이용하게 되면, 물 속으로의 가스(16, 29)의 혼합에 도움을 주고 필요한 가스(16, 29)의 양을 감소시킨다. 게다가, 스팀 주입으로 펌핑 효과가 생성된다. 이는 스팀 주입으로 인해 주입 지점 다음에 고속의 제트가 생성되어 유체를 가속함으로써, 그 시스템에서는 추가적인 펌핑 효과로서 여기지는 추가적인 흡입 효과를 생성하기 때문이다. 또한, 주입된 스팀은, 물의 용존 가스 함량에 대한 가스/스팀 주입의 효과 외에도, 물 속의 임의의 원치 않는 물질에 영향을 미침으로써 물리적 물 처리 효과를 제공하는 압력 펄스를 생성한다.

스팀 및 가스 주입의 최선의 효과를 달성하기 위해서는 주입기 설계에 대한 몇가지 조건을 따라야 한다. 이들 조건에는 스팀 응축의 적절한 방식, 고속 2상 제트의 생성, 및 적절한 가스 기포 크기뿐만 아니라, 주입기의 초킹의 방지를 수반한다.

스팀은 주입된 스팀의 양, 스팀과 물 간의 온도차, 스팀 주입기의 직경, 및 스팀 내의 불순물/가스의 양에 따라 다양한 방식으로 물 속에서 응축된다. 물 속에서의 스팀 응축은 3가지의 주요한 방식이 있다. 이러한 방식은 처깅(chugging), 버블링(bubbling) 및 제트 형성이다. 이들 다양한 방식은 물 내로의 가스 혼합에 상이하게 영향을 미친다. 혼합을 위해 가장 바람직한 방식은 제트 형성 방식이다. 일반적으로, 제트 형성 방식은 주입되는 증기의 양이 150㎏/(㎡s)보다 높을 때에 효과적으로 달성된다.

2상 제트의 경우, 물 내에 주입되는 스팀은 주입 지점의 하류에 제트를 형성한다. 이러한 제트는 물 속으로 가스의 혼합을 향상시키고 추가적인 펌핑 효과를 제공한다.

주입기의 출구 직경이 너무 작은 경우, 스팀은 주입기에서 초킹되기 시작한다. 스팀의 초킹은 혼합 프로세스를 저하시켜 방지되어야 한다.

가스는 주입 전에 스팀과 혼합될 수 있다. 스팀 내의 가스는 다량의 가스가 응축되는 스팀의 표면에 근접하게 되어 그 스팀이 가스 층을 통해 응축되어야 하기 때문에 응축 속도를 저하시킨다. 그러나, 가스의 양이 너무 많다면, 스팀은 주입기의 혼합 챔버 내부에서 응축하여 혼합 효과를 저하시킨다.

가스 기포 크기의 범위도 혼합 성능에 영향을 미친다. 기포 크기의 범위는 주입되는 스팀의 양, 주입되는 가스의 양, 물과 가스의 온도, 압력 및 응축 방식 등에 좌우된다.

도 15는 스팀/가스 주입기 노즐(43)의 바람직한 구조를 도시하고 있다. 그 부분들이 확대도로 도시되어 있다. 도 15의 노즐 구조(43)는 파이프(31)의 크기에 비해 작아, 도 14에 도시한 바와 같이 파이프(31)의 중앙에 배치될 것이다.

주입기 노즐(43)은 3개의 주요 부분으로 이루어진다. 유입 영역(40)에서, 스팀(38) 및 가스(29, 16)가 주입기 노즐(37) 내로 공급된다. 주입기 노즐(43)은 큰 파이프(46) 내의 작은 파이프(45)로 형성된다. 스팀(38)은 주입기 노즐(43)의 중앙의 작은 파이프(45)를 통해 공급되고, 가스(29, 16)는 큰 파이프(46)와 작은 파이프(45) 사이에 스팀 파이프 둘레에 형성된 영역에서 공급된다. 물은 큰 파이프(46)의 외측에서 흐른다.

유입 영역 후에는, 스팀(38)과 가스(29, 16)가 혼합되는 혼합 영역(41)이 이어진다. 도 15에서, 혼합 영역은 작은 파이프(45)는 종결시키고 큰 파이프(46)는 계속 연장시킴으로써 형성된다. 이러한 가스/스팀의 혼합물이 주입기 노즐(43)의 발산 영역(42)을 통해 물 흐름 내로 주입된다. 주입기의 전체 길이, 이 주입기의 다양한 영역들의 길이, 발산 각도, 메인 파이프(46)의 반경, 주입기의 출구 반경, 스팀 파이프(45)의 반경은 원하는 혼합 효과를 달성하도록 변경될 수 있다.

스팀 및 가스의 공급 전에 주입기 노즐(43) 내에 물이 존재한다. 또한, 스팀과 가스는 물 내에 주입되기 전에 혼합 챔버에서 완전히 혼합되진 않는다. 완전한 혼합을 달성하기 위해, 발산 영역(42) 대신에 수렴 영역을 갖는 상이한 주입기 구조가 이용될 수 있다. 그러나, 본 실시예의 구조는 주입기 노즐에(43)에서 초킹이 전혀 발생하지 않거나 약간만 발생하는 것을 보장하여 혼합 성능을 증가시킨다.

도 16은 대안적인 가스 주입기 유닛(14)을 도시하고 있다. 이러한 구성에서, 가스(29, 16)는 파이프(31)에서의 수축부 내로 주입된다.

도 17은 고정형 혼합기(44)의 사용을 도시하고 있다. 고정형 혼합기(44)는 물 흐름의 중앙에 고정된다. 가스(29, 16)는 혼합기의 상류측의 물 흐름 내에 공급되어, 혼합기(44)를 통해 흐르는 동안에 교반에 의해 물과 혼합된다. 가스는 전술한 바와 같은 노즐 장치나 대안적인 종래의 시스템에 의해 공급될 수도 있다.

고정형 혼합기(44)의 일례가 도 18에 도시되어 있다. 도시한 바와 같이 별개의 플레이트를 함께 연결함으로써 고정형 혼합기(44)를 통해 강력하게 교반되고 고도로 혼합된 다상 유체 흐름이 얻어진다. 고정형 혼합기의 외주는 그 유닛을 파이프(31) 내에 장착할 수 있도록 원형으로 되어 있다.

이하, 전기 투석 셀(8)의 작동에 대해 설명할 것이다. 전기 투석 셀(8)의 구조적 구성의 실시예에 대해 도 19 및 도 20을 참조하여 아래에서 설명한다. 각각의 실시예의 경우, 화학적 프로세스는 기본적으로 동일하다. 전술한 바와 같이, 전기 투석은 이온이 유체 시스템 내의 이온 투과성 또는 이온 선택성 맴브레인을 통과해 수송되는 전기-맴브레인 프로세스이다. 전기 투석 셀의 가장 간단 실시예에서, 단일 맴브레인 또는 맴브레인 쌍이 2개의 전극 사이에 배치된다. 두 전극 사이에 전압을 가함으로써 형성되는 전기적 대전은 유체가 전도성을 갖는 경우에 이온이 맴브레인을 통과하게 한다. 전압은 도면에 도시 생략한 통상적인 형태의 전력 연결 지점에 의해 인가된다. 2개의 전극은 각각 애노드와 캐소드를 의미한다. 전기적 대전은 상이한 전극에서 상이한 반응을 생성한다. 애노드에서는 전해액이 산성을 띄는 반면, 캐소드에서는 전해액이 알칼리로 되려고 하는 특성이 있다. 전기 투석에 이용되는 맴브레인은 선택적 투과를 생성하는 능력으로 선택된다. 따라서, 이는 알칼리 용액이 산성 용액과 분리된 채로 유지되게 한다.

아래의 표 1에는 유입되는 전해액이 밸러스트수 배관으로부터 얻어진 밸러스트수(즉, 해수)인 전기 투석 셀에서 발생하는 각종 반응이 제시되어 있다. 따라서, 그러한 원료 전해액은 전기 투석 프로세스의 효과를 변경시키는 전도성과 같은 특징을 가질 수 있다.

이하의 표 2는 애노드에서 생성되는 산성 용액과 캐소드에서 생성되는 알칼리 용액에 대한 통상적인 특성을 나타낸다. 산성 용액은 농축액 스트림을 형성하고 알칼리 용액은 희석액 스트림을 생성한다.

	pH	PAC(ppm)	ORP(㎷)
산성 용액(애노드측)	2 - 3.5	400 - 800	1100 - 1200
알칼리성 용액(캐소드측)	11 - 12.5	---	800 - 900

2개의 분리된 스트림은 표 3에 나타낸 통상적인 특성을 갖는 전기 투석 셀의 생성물과 선택적으로는 나머지를 제공하는 비로 혼합된다.

	pH	PAC(ppm)	ORP(㎷)
농축액	7.5 - 8.5	500 - 800	750 - 800
나머지	11 - 12.5	---	800 - 900

두 스트림의 화학적 특성을 용도에 맞게 맞추기 위해, 교차 처리가 적용될 수 있다. 이는 하나 또는 두 스트림 모두의 전부 또는 일부분이 각 스트림이 나온 구획과는 반대되는 구획으로 입구에서 다시 주입될 수 있게 하는 구성으로 이루어질 수 있다. 따라서, 애노드에 의해 생성된 농축액 스트림은 전기 투석 셀의 캐소드측으로 다시 주입됨으로써 교차 처리된다. 이러한 방법에 의해 pH, ORP, 및 FAC로 나타내어지는 스트림의 특성들이 더욱 용도에 맞게 맞춰질 수 있어, 혼합이 추가로 적용되는 경우에 혼합 후에 나머지 희석액의 양을 감소시킬 수 있다.

각각의 구획으로부터의 각 흐름의 재순환은 혼합 후의 최종 생성물의 원하는 특성을 향상시키며 또한 나머지 희석액의 양을 감소시키도록 두 스트림의 특성을 조정하는 데에 적용될 수도 있다.

혼합비는 또한 원료 전해액의 "품질", 전극의 크기 및 인가 전력에 좌우될 것이다.

전기 투석 셀(8)의 생성물(17)은 캐비테이션 처리 후의 매인 흐름 내로 도입된다. 질소 주입은 생성물(17)을 추가하기 전에 또는 그 후에 이루어질 수 있다. 농축액/나머지와 배관을 통해 흐르는 밸러스트수 간의 비는 모니터링 스테이션(15)에서 그 상류측에서의 ORP 및 FAC를 모니터링함으로써 제어된다. 메인 흐름 내로 다시 주입되는 농축액과 희석액의 특성 및 양은 산화 환원 전위(ORP) 및/또는 유리 잔류 염소(FAC)의 소모를 모니터링함으로써 제어된다. ORP의 원하는 값의 범위는 300 내지 500㎷이다. 재주입 직후의 FAC의 초기값은 2 내지 4 ppm이고 1시간 후에는 0.1 내지 0.4 ppm으로 떨어지는 것이 바람직하다.

도 19에서는 도 1a의 시스템에서 물을 처리하는 데에 이용될 수 있는 전기 투석 셀(8)의 실시예를 도시하고 있다. 물은 중실 원통형 애노드(47)와 중공 원통형 캐소드(48) 사이에 형성된 환형 통로를 통과한다. 전기 투석 셀(8)을 형성하기 위해, 이온 교환성 또는 이온 선택성 맴브레인(49)이 애노드(47)와 캐소드(48) 사이에 배치된다. 캐소드(48) 및 맴브레인(49)은 절개한 상태로 도시하고 있다. 유입 전해액을 형성하는 물이 환형 통로를 통과할 때에, 맴브레인(49)의 애노드측에서 산성 농축액(12)이 형성되고, 맴브레인(49)의 캐소드측에서 알칼리성 희석액(11)이 형성된다. 희석액 스트림(11)의 일부분이 분리될 수 있으며, 희석액 스트림(11)의 전부 또는 나머지 부분이 전술한 바와 같이 농축액 스트림(12)과 혼합되어 전기 투석 셀의 생성물(17)을 형성한다.

도 20에서는 직렬형으로 사용되는 전기 투석 셀(8)의 대안적인 실시예를 도시하고 있다. 전기 투석 셀(8)은 플레이트형 애노드(47) 및 캐소드(48)를 포함하며, 이들 사이에 맴브레인(49)이 배치되어 있다. 전기 투석 셀(8)은 부분 절개하여 도시한 파이프(50) 내에 수용되는 데, 그 파이프(50)는 전체 물 흐름을 화살표로 나타낸 방향으로 수송한다. 물의 대부분은 전기 투석 셀(8)의 옆을 지나가고 단지 일부분의 물만이 전기 투석 셀(8) 내로 유입도어 애노드(47)와 맴브레인(49) 사이 또는 캐소드(48)와 맴브레인(49) 사이를 따라 흐른다. 애노드와 캐소드측에서는 이들 전극을 통해 전류가 흐를 때에 반응이 발생하여 전술한 바와 같이 희석액 스트림(11)과 농축액 스트림(12)이 캐소드와 애노드에서 각각 생성된다.

물의 메인 흐름으로 되돌려 보내지는 전기 투석 셀의 생성물(17)의 조성을 제어하기 위해, 희석액 제거 유로(51)가 마련된다. 전기 투석 셀(8)로부터 제거되는 희석액의 양은 전기 투석 셀(8)의 하류측에서 측정되는 ORP 및/또는 FAC의 수준에 기초하여 제어된다. 전술한 바와 같이, 몇몇 경우에는 모든 희석액이 농축액 스트림(12)과 혼합되어 희석액이 전혀 제거되지 않을 것이다. 이어서, 농축액 스트림(12)과 나머지 또는 전체 희석액 스트림(11)은 전기 투석 셀(8)의 단부에서 물의 메인 흐름 내로 다시 도입된다. 그러한 두 부분이 함께 전기 투석 셀의 생성물(17)을 형성하지만, 전기 투석 셀(8)의 주위를 지나가는 물의 메인 흐름이 전기 투석 셀(8)의 단부를 지나 진행함에 따라 물의 메인 흐름과 혼합될 때까지는 그들 부분이 혼합되진 않는다.

전기 투석 장비에 보다 많은 유량의 효율적 처리를 가능하도록 하기 위해, 다수의 전기 투석 셀(8)이 병렬로 물을 처리하도록 어레이로 배치될 수 있다. 동일한 효과를 달성하기 위해 전기 투석 셀(8)의 크기를 크게 할 순 있지만, 대형 전기 투석 셀의 제조는 더 복잡하기 때문에 복수의 소형 셀이 바람직하다. 게다가, 소형 셀의 사용은 보다 모듈형으로 제조할 수 있게 하여, 동일한 부품을 대량으로 생산하여 함께 결합함으로써, 밸러스트수나 기타 처리될 물의 각종 상이한 유량을 위한 시스템의 제조를 가능하게 한다.

Claims

밸러스트수 처리 장치로서,
캐비테이션 기포가 형성되는 수축부 내로 유입된 후에 캐비테이션 기포가 파열되는 출구로 물을 흐르게 하는 것을 이용하여, 물에 캐비테이션을 생성하도록 마련되는 캐비테이션 유닛(10)
을 포함하며, 상기 수축부는 흐름 방향에 대해 직교하는 라인을 따라 좁고 길게 형성된 구멍을 포함하고,
상기 구멍은 5 mm 이하의 폭을 갖고, 환형부를 획정하는 원형벽에 의해 형성되는 것인 밸러스트수 처리 장치.
제1항에 있어서, 상기 캐비테이션 유닛(1)은, 생물, 미생물, 유기질 폐기물, 무기질 폐기물 또는 장쇄 탄화수소 분자를 포함하는 원치 않는 물질을 파괴하기 위해 캐비테이션을 이용하여 물을 처리하도록 마련되는 것인 밸러스트수 처리 장치.
제2항에 있어서, 상기 원치 않는 물질은 수생 생물(water-borne organisms) 또는 미생물인 것인 밸러스트수 처리 장치.
제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 캐비테이션 유닛(10)은, 기포의 파열이 시작되는 지점에서, 기포의 에지로부터 원치 않는 물질까지의 최대 거리가 기포의 반경보다 작도록 배치되는 것인 밸러스트수 처리 장치.
제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 환형부는 1 내지 2 ㎜의 폭과, 50 내지 100㎜의 직경을 갖는 것인 밸러스트수 처리 장치.
제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 구멍은 파이프(31) 내의 캐비테이션 바디(30)에 의해 형성되는 것인 밸러스트수 처리 장치.
제6항에 있어서, 상기 환형부는 캐비테이션 바디(30)의 외벽과 파이프(31)의 내벽에 의해 형성되고, 상기 캐비테이션 바디는 출구 단부에서 테이퍼진 프로파일을 갖는 것인 밸러스트수 처리 장치.
제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 구멍의 벽은 불균일 표면(36) 또는 거친 표면을 갖는 것인 밸러스트수 처리 장치.
제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 캐비테이션 유닛(10)은 기포의 형성 및 파열이 반복되도록 복수의 수축부를 포함하는 것인 밸러스트수 처리 장치.
제1항 또는 제3항에 있어서, 액체가 다수의 캐비테이션 유닛(10)을 통해 병렬로 흐를 수 있도록 어레이(array) 형태의 복수의 캐비테이션 유닛(10)을 포함하는 것인 밸러스트수 처리 장치.
밸러스트수 처리 방법으로서,
물을 캐비테이션 유닛(10)을 통해 통과시키는 단계와,
캐비테이션 기포가 형성되는 수축부 내로 유입된 후에 캐비테이션 기포가 파열되는 출구로 상기 물을 흐르게 함으로써 캐비테이션을 생성하는 단계
를 포함하며, 상기 수축부에는 흐름 방향에 직교하는 라인을 따라 좁고 길게 형성된 구멍을 마련하고,
상기 구멍은 5 mm 이하의 폭을 가지며 환형부를 획정하는 원형벽에 의해 형성되는 것인 밸러스트수 처리 방법.
제11항에 있어서, 상기 캐비테이션 유닛은, 생물, 미생물, 유기질 폐기물, 무기질 폐기물 또는 장쇄 탄화수소 분자를 포함하는 원치 않는 물질을 파괴하기 위해 캐비테이션을 이용하여 물을 처리하는 것인 밸러스트수 처리 방법.
제12항에 있어서, 상기 원치 않는 물질은 수생 생물 또는 미생물인 것인 밸러스트수 처리 방법.
제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 기포의 파열이 시작되는 지점에서, 기포의 에지로부터 원치 않는 물질까지의 최대 거리가 기포의 반경보다 작도록 캐비테이션을 생성하는 것을 포함하는 것인 밸러스트수 처리 방법.
제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 구멍은 1 내지 2 ㎜의 폭과, 50 내지 100㎜의 직경을 갖는 환형부로서 형성되는 것인 밸러스트수 처리 방법.