KR100239241B1

KR100239241B1 - 광촉매를 이용한 탈취방법 및 그 장치

Info

Publication number: KR100239241B1
Application number: KR1019970075847A
Authority: KR
Inventors: 김남수; 전기상; 이호영
Original assignee: 명호근; 쌍용양회공업주식회사
Priority date: 1997-12-29
Filing date: 1997-12-29
Publication date: 2000-03-02
Also published as: KR19990055877A

Abstract

본 발명은 광촉매를 벌집모양의 담체(허니컵)에 코팅하고, 여기에 자외선을 조사하여 수중 및 대기중에서 악취가스를 분해하는 장치 및 이의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 장치는, 악취가스와 광촉매의 반응시간을 증가시키기 위해 악취가스를 수중에서 1차 처리하여 수용성 및 난용성 약취성분의 체류시간을 길게하고, 수중에 용해된 악취성분의 부분압력이 증가하여 대기중으로 재휘발하는 악취가스 및 난용성의 악취성분중 수중에서 처리되지 않고 방출되는 악취를 대기중에서 2차로 처리하는 구조로 이루어진다.

따라서, 본 발명의 장치는 광촉매를 통한 탈취, 살균작용으로 운전비가 저렴하고 소형화가 실현되어 실내외에 설치가능하다.

Description

광촉매를 이용한 탈취방법 및 그 장치

본 발명은 광촉매를 이용한 탈취방법 및 그 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 음식물쓰레기 처리기, 소형 하수처리장, 아파트단지, 병원, 가정 등에서 발생하는 악취가스를 제거하는 데 사용하며, 이미 알려져 있는 산화티타늄(TiO₂), 산화지르코늄(ZrO₂), 산화비소(Sb₂O₄), 산화아연(ZnO), 산화주석(SnO₂), 산화세륨(CeO₂), 산화텅스텐(WO₂), 산화철(FeO₃)과 같은 광촉매(US Patent 5045288)의 표면을 개질하여 촉매표면에 수산화라디칼(·OH)를 증가시키는 방법(특허출원 제 97-45692호)으로 제조된 막을 허니컴 표면에 코팅(Coating)하여 수중 및 대기 중에서 발생하는 악취를 제거하는 방법 및 이를 이용한 장치에 관한 것이다.

광촉매 산화반응이란 띠 간격 에너지(band gap energy) 이상의 빛에너지를 광촉매에 조사하였을 때 전자와 정공이 발생하고, 이들에 의해 생성되는 수산화라디칼(·OH)의 강력한 산화력으로 광촉매 표면에 흡착된 기상 또는 액상의 유기물이 분해되는 반응을 일컫는다.

종래에 주로 사용되는 탈최법이 악취물질의 단순한 상태변화에 의존하는데 반하여 광촉매법은 악취물질의 완전산화를 통한 분해에 기반을 두고 있다.

종래에 악취를 처리하는 방법으로는 마스킹법, 수세법, 약액세정법, 촉매산화법, 생물학적처리법(토양탈취, 탈취탑)등 종류가 다양하며 그 방법들의 특징은 다음과 같다.

마스킹법은 악취 원인물질을 원천적으로 제거하지 못하고, 향기가 있는 다른 물질로 덮는 방법으로 향이 악취와 상승작용을 하여 더욱 역한 냄새를 유발할 수 있다.

수세법은 악취의 대부분이 수용성인 성질을 이용하여 악취를 단순히 물에 용해시키는 방법으로 2차 페수발생에 의한 오염문제와 악취가 재휘발되는 문제가 있다. 이를 보완하기 위한 약액세정법은 악취물질과 화학약품의 중화반응을 통한 화학적인 탈취방법으로 탈취효과가 빨라 실내 및 밀폐된 공간에서는 탈취효율이 좋은 것으로 알려져 있다. 그러나 탈취발생원이 광범위한 지역에서는 탈취약품과 악취물질이 효과적으로 반응하도록 약품을 분사하는 추가장치 등이 필요하고, 고농도 악취를 대량 발생하는 악취발생원에는 악취원인물질과 화학약품이 중화반응을 하기위해서 많은 양의 화학약품을 사용하여야 하므로 경제성이 없다.

직접연소법 및 촉매산화법은 악취를 유발하는 물질을 산화시켜 제거하는 방법으로 탈취효과는 비교적 높으나 다량의 연소배기가스가 발생하여 실내 소형장치로의 사용은 제한을 받는다. 또한 촉매산화법에 주로 사용되는 촉매는 백금계가 많으나 촉매가격이 고가이고 악취의 주성분인 황화물이 산화과정에서 황산화물로 변해 촉매독으로 작용하여 촉매교환주기가 짧아진다.

운전비 및 설치비가 저렴하여 하수처리장과 같은 공공시설에 종래부터 많이 사용되어온 토양탈취법은 2차 오염문제가 없는 안정된 방법이지만, 대면적의 토지가 사용되는 단점이 있다. 이러한 토양탈취법의 문제점을 해결하는 방법으로 미생물을 이용한 생물학적 탈취법이 독일, 일본 등 선진국을 중심으로 활발히 연구되어 실용화 단계에 있다. 이 방법은 탈취에 관여하는 여러 미생물을 메디아(세라믹, 고분자재질)에 고정화하여 탈취처리효율을 높이면서도 장치를 소형화할 수 있는 장점이 있다. 그러나 탈취탑을 이용한 생물학적처리 방법도 근본적으로 미생물을 이용한 탈취방법이므로 탈취탑 내부 미생물의 생육에 필요한 영양분으로 작용하는 악취가 연속적으로 주입되어야 하고, 주기적으로 메디아를 세척해 표면의 산(酸)기를 제거해야 한다. 또한 악취물질이 황화물 등과 같이 성상이 유사할 경우 탈취효과가 우수하나 황화물과 암모니아계, 아민계등이 공존할 때 또는 대상악취가 시간에 따라 변할 경우 이를 제거하는 미생물이 효과적으로 배양되지 않아 탈취효율이 떨어지는 문제가 있다. 따라서 이러한 생물학적 탈취탑은 하수종말처리장, 분뇨처리장과 같이 대량의 악취가 일정하게 배출되는 곳에 효과적이다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 제반문제를 해결하기 위해 안출된 것으로서 그 목적은 표면의 친수성향을 증가시켜 수산화이온과 수분의 함량을 증가시키도록 제조된 광촉매가 코팅된 벌집모양의 담체를 이용하여 악취가스를 분해시키도록 하는 광촉매를 이용한 탈취방법 및 그 장치를 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위해 안출된 본 발명은, 일정량의 물이 저수된 탈취탑의 수면 상부에 설치되고 물입자와 접촉 반응하여 용해시키도록 악취를 분출시키는 다기공성 산기관과, 상기 산기관의 하부에 물속에서의 수용송 악취 및 난용성 악취를 제거하기 위해 광촉매가 코팅된 벌집모양의 담체를 포함하는 제1악취제거부; 상기 제1악취제거부에서 제거되지 않은 악취가 대기중으로 배출되는 과정에서 접촉 통과시키도록 하여 완전히 제거하는 광촉매가 코팅된 벌집모양의 담체가 다단으로 설치된 제2악취제거부로 구성된 특징을 갖는다.

또한, 본 발명은, 산기관을 통해 배출되는 악취가스가 분출되면서 물입자와 접촉 반응하여 용해되는 단계; 용해된 수용성 악취가스 및 난용성 악취가스가 산화작용을 일으키는 자외선햄프와 담체를 거쳐 통과되면서 악취가스가 분해되는 단계; 상기의 단계로부터 완전히 분해되지 못한 악취가스가 대기로 배출되기 전에 탈취탑 상부에 위치된 별도의 담체와 자외선램프로 통과되면서 그 악취가스가 분해되는 한편, 분해된 악취가스 입자의 전자와 정공이 재결합되는 것을 방지하는 단계를 포함하는 특징을 갖는다.

제1도는 본 발명에 따른 광촉매를 이용한 탈취장치를 도시한 개략적인 구성도.

제2도는 제1도에서 제1악취제거부를 요부 도시한 도면으로서, 제2(a)도는 정면구성도, 제2(b)도는 측면 구성도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

A : 제1악취제거부 B : 제2악취제거부

1 : 탈취탑 2 : 과산화수소 공급관

3 : 과산화수소 저장조 4 : 배출관

5 : 스프레이노즐 6, 6′: 자외선램프

7, 7′: 광촉매가 코팅된 담체 8 : 레벨센서

9 : 산기관 10 : 차단막

11 : 수면

이하, 본 발명을 첨부한 도면에 의거하여 보다 상세하게 설명한다.

본 발명의 장치는, 일정량의 물이 저수된 탈취탑(1)의 수면(11) 상부에 설치되고 물입자와 접촉 반응하여 용해시키도록 악취를 분출시키는 다기공성 산기관(9)과, 상기 산기관(9)의 하부에 물속에서의 수용송 악취 및 난용성 악취를 제거하기 위해 광촉매가 코팅된 벌집모양의 담체(7)를 포함하는 제1악취제거부(A)와;

상기 제1악취제거부(A)에서 제거되지 않은 악취가스가 대기중으로 배출되는 과정에서 접촉 통과시키도록 하여 완전히 제거하는 광촉매가 코팅된 벌집모양의 담체(7′)가 다단으로 설치된 제2악취제거부(B)로 구성된 것이다.

또한 본 발명의 방법은, 상기관(9)을 통해 배출되는 악취가스가 분출되면서 물입자와 접촉 반응하여 용해되는 단계;

용해된 수용성 악취가스 및 난용성 악취가스가 산화작용을 일으키는 자외선 램프(6)와 광촉매가 코팅된 담체(7)를 거쳐 통과되면서 악취가스가 분해되는 단계;

상기의 단계로부터 완전히 분해되지 못한 악취가스가 대기로 배출되기 전에 탈취탑(1) 상부에 위치된 별도의 담체(7′)와 자외선램프(6′)로 통과되면서 그 악취가스가 분해되는 한편, 분해된 악취가스 입자의 전자와 정공이 재결합되는 것을 방지하는 단계로 구성되는 것이다.

본 고안의 구성과 작용에 대해 보다 상세히 기술한다.

본 출원인이 기출원한 특허(97-45692)에 의해 제조된 광촉매가 코팅된 벌집모양의 담체(7)(7′)와 자외선램프(6)(6′)를 제1악취제거부(A)와 제2악취제거부(B)로 구획된 탈취탑(1)의 수중과 대기중에 각각 배치한다. 이 때 사용된 담체(7)(7′)는 코디어라이트재질로써 50 - 200 CPSI(Cell Per Square Inch)의 것이 적당하다. 50 CPSI 보다 작은 것을 사용하면 촉매가 코팅된 표면적이 너무 작아 효과적으로 악취를 제거할 수 있는 접촉면을 제공하지 못하고, 200 CPSI 보다 큰 것을 사용하면 셀크기가 너무 작아 자외선이 광촉매가 코팅된 표면을 효과적으로 조사하지 못하고 압력손실이 커진다.

본 발명에서는 악취가스를 수중의 제1악취부(A)로 유입시키기 위해 산기관(9)을 설치한다. 상기 산기관(9)을 통해 유입된 악취가스는 40 - 100㎛의 평균 기공을 갖는 산기관(9)을 통해 물속으로 분출될 때 미세한 기포를 형성하게 되고, 미세한 기포는 물입자와의 반응표면적이 넓어 악취내의 수용성 성분이 용이하게 물에 용해되도록 한다. 이 때 용해된 악취성분은 수중의 광촉매를 통해 분해되고 난용성 성분은 미세한 기포로 분출되며 물속에서의 운동경로가 길어져 광촉매 표면과 충돌하여 접촉시간이 길어지게 된다. 수중에서의 광촉매 처리효율은 접촉시간이 길수록, 악취의 용해율이 높을수록 증가한다.

본 발명에서 접촉시간을 증가시키기 위한 또 다른 방법은 산기관(9)의 상부에 차단막(10)을 설치하여 산기관(9)을 통해 분출된 악취가스가 직접 대기중으로 빠져나가지 못하고 산기관(9) 하부에 위치한 광촉매가 코팅된 담체(7)를 토과하도록 하였다. 수중에 용해된 악취입자성분은 광촉매와의 접촉시간이 길어 대부분 분해된다. 그러나 일부 분해되지 않고 악취가스성분의 분압이 높아져 대기중으로 재휘발하는 악취입자와 난용성 악취성분은 제2악취제거부(B)인 대기중에 설치된 광촉매가 코팅된 담체(7′)에 의해 처리된다. 제1악취제거부(A)에는 자외선램프(6)를 중심으로 좌우로 각각 2개씩 전부 4개의 광촉매를 배치하여 수중에서 대부분의 악취가 제거되도록 고안되었다. 자외선램프(6)와 광촉매가 코팅된 담체(7) 사이의 간격은 담체(7)의 종류에 따라 5 - 10cm로 조정하였다. 제2도는 제1도의 A - A선 절단하단부의 상세도로 제2(a)도는 정면도이고, 제2(b)도는 측면도이다. 제2(a)도는 산기관에서 분출된 악취가스가 담체를 통과하는 형상을 간략화 한 것이고, 제2(b)도는 담체가 2개 평행하게 놓여져있고 그 가운데 자외선램프가 위치하는 개념도이다.

산기관(9)은 항상 수면(11)아래 위치하여야 하며 이를 달성하기 위하여 수면의 수위를 조절하는 레벨센서(8)를 설치하였다. 제2악취제거부()로 방출된 악취가스는 2단으로 설치된 담체(7′)의 상부에 1개, 가운데 2개, 하부에 1개 설치된 자외선램프(6′)의 광촉매 산화작용에 의해 최종 분해된다.

또한, 띠 에너지 이상의 빛을 광촉매에 조사하면 표면에서 전자와 정공이 형성되고 이들은 수중의 물분자를 수산화기(·OH)로 변환시켜 이들의 강력한 산화작용에 의해 악취분자가 분해된다. 이를 달성하기 위하여 본 발명에서는 365nm의 파장을 갖는 자외선을 사용하였고, 생성된 전자와 정공의 재결합(recombination)을 방지하기 위하여 소량의 과산화수소(H₂O₂)와 물이 혼합된 혼합수 분사장치를 설치하였다. 그 분사장치는 과산화수소(H₂O₂)를 저수하는 과산화수소 저장조(3)와, 도면에서는 도시되지 않았고 저장된 과산화수소를 펌핑시키는 펌핑수단과, 펌핑된 과산화수소의 유로를 형성하는 과산화수소 공급관(2)과, 상기 공급관(2)으로 공급된 과산화수소를 대기중으로 배출되는 악취가스를 분해하기 위해 제2악취제거부(B)로 분사시키는 스프레이노즐(5)로 구성되어 있다. 첨가된 과산화수소는 자외선의 조사에 의해 생성된 전자를 받아들이는 전자수용체(electron acceptor)로 작용한다.

본 발명에서는 전자수용체로 상기한 바와같이 과산화수소, 물 등을 사용하였고 이를 위하여 스프레이노즐(5)을 통하여 정기적으로 과산화수소가 희석된 물을 뿌려주었다. 이는 자외선램프에서 발생하는 열에 의해 건조된 광촉매에 전자수용체를 제공하여 효과적으로 광촉매 반응이 일어나도록 하기 위함이다.

한편, 자외선램프(6′)에 의해 건조되는 광촉매에 전자수용체를 제공하기 위하여 물과 과산화수소의 혼합액농도가 10 - 1000ppm이고, 1분에 50 - 300㎖로 분사되도록 함이 바람직하다.

본 발명에서는 탈취효율을 높이기 위하여 발생되는 악취의 농도 및 유량에 따라 광촉매의 개수, 셀의 크기, 처리온도, 전자수용체의 분사주기, 자외선과 담체 사이의 거리를 통한 조사율 등을 변화시켜야하며 본 발명에서는 이를 한정하지 않는다.

이하 본 발명을 실시예에 의거하여 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

다음의 실시예에서는 광촉매로 산화티탄늄을 일 례로 설명하나 이는 전체 청구범위를 제한하지 않는다.

[실시예]

산화티타늄 졸은 물을 용매로 상용하는 졸로서 이미 문헌상에 발표된 방법 [Q.Xu, Physical-Chemical Factors Affecting the Synthesis and Charateristics of Trantion Metal Oxide Membranea, Ph. D. Thesis, University of Wisconsin-Medison, USA(1991)]에 의거하여 제조하였다. 여기에 본 출원인의 기출원방법인 표면개질제를 첨가하여 광촉매 졸을 제조하였다. 이렇게 제조된 코팅을 100 CPSI (150*150mm 50T) 벌집형상의 지지체에 2분간 담지하여 8시간 건조한 후 400℃에서 6시간 동안 열처리하였다. 제조된 담체를 제1도 및 제2도와 같이 배치한 후 장치를 제조하였다. 이 때 사용된 자외선램프는 수중 및 대기중에서 사용할 수 있도록 이중의 석영유리관으로 소비전력 10W의 것을 6개 사용하였으며 각각의 크기는 30, 40cm이었다. 과산화수소가 200ppm첨가된 희석액을 스프레이노즐(5)을 통하여 10분에 1회씩 100㎖씩 분사하였다. 암모니아가스와 황화수소가스로 제조된 인공합성가스를 분단 3m³/min의 비율로 흘리며, 탈취된 후의 배출가스내의 악취농도와 수중의 생물학적 산소요구량(BOD)을 측정하였다. 배출 후에 배출되는 암모니아와 황화수소는 가스크로마토그래프로 측정, 분석되었고 수중의 BOD₅를 측정하였다. 그 결과는 표 1과 같다.

[표 1]

본 발명의 방법에 따라 제조된 장치는 악취물질중 수용성 성분을 물에 용해시킨 후 분해시켜 대기중 또는 수중의 오염물질을 저감시키며, 난용성물질의 경우에서도 수중 및 대기중에서 효과적으로 분해할 수 있게 된다.

Claims

일정량의 물이 저수된 탈취탑의 수면 상부에 설치되고 물입자와 접촉 반응하여 용해시키도록 악취를 분출시키는 다기공성 산기관과, 상기 산기관의 하부에 물속에서의 수용송 악취 및 난용성 악취를 제거하기 위해 광촉매가 코팅된 벌집모양의 담체를 포함하는 제1악취제거부; 상기 제1악취제거부에서 제거되지 않은 악취가 대기중으로 배출되는 과정에서 접촉 통과시키도록 하여 완전히 제거하는 광촉매가 코팅된 벌집닙모양의 담체가 다단으로 설치된 제2악취제거부로 구성된 것을 특징으로 하는 광촉매를 이용한 탈취장치.
제1항에 있어서, 악취가스의 용해율이 상승되도록 물과의 접촉시간을 늘리기 위해 상기 산기관을 길게 형성하도록 함을 특징으로 하는 광촉매를 이용한 탈취장치.
제1항에 있어서, 상기 제1악취제거부 및 제2악취제거부는 각 담체에 근접하는 위치에 물분자를 수산화기(·OH)로 변화시키고, 강력한 산화작용을 발생시키면서 악취가 분해되게 자외선램프를 더 구비함을 특징으로 하는 광촉매를 이용한 탈취장치.
제1항에 있어서, 상기 산기관을 통해 악취가스가 직접 대기중으로 빠져나가지 못하도록 배출범위를 구속하는 차단막을 더 구비함을 특징으로 하는 광촉매를 이용한 탈취장치.
제2항에 있어서, 분해된 악취입자의 전자와 정공이 재결합되는 것을 방지하기 위해 물과 과산화수소를 혼합하여 제2악취제거부로 분사하는 혼합수 분사장치를 더 구비함을 특징으로 하는 광촉매를 이용한 탈취장치.
제5항에 있어서, 물과 과산화수소의 혼합농도가 10 - 1000ppm이고, 1분에 50 - 300㎖로 분사되는 것을 특징으로 하는 광촉매를 이용한 탈취장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 적용되는 벌집모양 담체의 셀크기는 50 - 200CPSI(Cell Per Square Inch)이며, 자외선이 효과적으로 광촉매 표면에 조사되고 대기중에서 압력손실을 줄이기 위해 담체와 자외선 램프와의 간격을 5 - 10cm로 구성함을 특징으로 하는 광촉매를 이용한 탈취장치.
산기관을 통해 배출되는 악취가스가 분출되면서 물입자와 접촉 반응하여 용해되는 단계; 용해된 수용성 악취가스 및 난용성 악취가스가 산화작용을 일으키는 자외선 햄프와 담체를 거쳐 통과되면서 악취가스가 분해되는 단계; 상기의 단계로부터 완전히 분해되지 못한 악취가스가 대기로 배출되기 전에 탈취탑 상부에 위치된 별도의 담체와 자외선램프로 통과되면서 그 악취가스가 분해되는 한편, 분해된 악취가스 입자의 전자와 정공이 재결합되는 것을 방지하는 단계를 포함하는 광촉매를 이용한 탈취방법.