KR100387350B1 - 수위 연동형 광화학 반응장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자외선과 광촉매 박막을 활용한 수중의 오염물질을 정화시킬 수 있는 수중 투입형 광화학 반응장치에 관한 것으로써, 기존의 분말 및 입자상 광화학 반응장치로부터 광촉매 분말 회수의 문제점을 해결할 수 있을 뿐만 아니라 설치 및 유지관리가 간편하도록 한 수위 연동형 광화학 반응장치에 관한 것이다.

Description

수위 연동형 광화학 반응장치{Apparatus for purifying water by Photocatalyst art}

본 발명은 수중의 난분해성 환경오염물질을 H₂O와 CO₂로 분해하여 수질을 향상시키는 자외선과 광촉매 박막을 이용한 수중 투입형 광화학 반응장치에 관한 것으로서 기존의 분말 및 입자상을 이용한 광화학 반응장치의 광촉매 분말 회수의 문제점을 해결하고, 광화학 반응장치의 설치 및 유지관리를 간편하도록 한 수위 연동형 광화학 반응장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 수중의 난분해성 환경오염물질을 제거하기 위한 광화학 반응장치에 관한 것으로 더욱 구체적으로는 제조한 광촉매 졸 또는 일반 광촉매 분말을 이용하여 코팅한 광촉매 코팅담체를 고정화 모듈에 설치한 후 자외선 조사장치 외측에 설치하여 수중에 투입하는 수위 연동형 광화학 반응장치에 관한 것이다.

산업의 발달과 과도한 농약의 사용에 따라 하천 및 호수 등의 수질은 기존의 생물학적, 물리, 화학적 수처리 방법에 의해 분해되지 않는 난분해성 오염물질이 점차 증가하고 있으며, 이러한 난분해성 오염물질의 처리방법으로서 고도산화처리기술에 대한 요구가 증대되고 있는 시점에서 단지, 광촉매에 광에너지를 조사하여 20∼25℃정도의 상온에서도 난분해성 오염물질의 분해가 가능한 자외선과 광촉매를 이용한 광화학반응에 대한 관심이 크게 부각되고 있다.

광화학반응에 적용 가능한 광촉매는 종류가 다양하여 TiO₂, ZnO, CdS, ZrO₂, V₂O₃,WO₃등과 페로브스카이트형 복합금속산화물(SrTiO₃) 등이 있으며, 자외선과 광촉매를 이용한 광화학반응은 TiO₂와 같은 광촉매에 띠간격(band gap)(=3.0∼3.2eV)이상인 400nm이하의 광에너지를 조사시키면 가전자대(valence band)로부터 전도대(conduction band)로 전자가 전이되며, 이에 의해 생성된 전자와 정공(hole)은 광촉매 표면으로 확산, 이동하여 전자는 산소나 금속이온을 환원시키며, 정공은 흡착된 수용물질과 반응하여 OH radical 및 superoxide radical 등을 생성하여 난분해성 유기 오염물질을 분해시키게 된다.

그러나, 기존의 광화학반응은 주로 분말형태의 광촉매 입자가 사용되었으나 미세한 광촉매 분말 입자(약 0.2㎛)는 분산상으로 침전성이 좋지 않아 제거 및 회수를 위한 정밀여과막, 한외여과막 등 고가의 여과설비가 수반되어야 하는 문제점이 제기 되어왔으며, 이러한 문제의 해결방안으로 제시되어 왔던 한 방편인 분말 광촉매를 이요한 현탁 코팅을 이용한 담체 고정화 방법이나 졸-겔법에 의한 담체 고정화 방법 또한 별도의 설비를 설치해야할 뿐만 아니라 광촉매가 코팅된 코팅담체 제작의 어려움과 더불어 충분한 광활성을 갖는 광촉매가 코팅된 코팅담체 제조에 많은 문제가 있는 것으로 알려져 있다.

상기한 광화학반응을 이용한 난분해성 오염물질의 처리시 문제점을 해소하기 위해 안출된 본 발명은 광화학 반응을 유발하기 위한 별도의 부대시설이 필요 없을 뿐만 아니라 제작, 설치, 유지관리가 편리하며, 코팅된 광촉매의 손상을 방지할 수 있는 수위 연동형 광화학 반응장치를 제공하는 데 목적이 있다.

도1은 본 발명의 제1실시예에 따른 수위 연동형 광화학 반응장치의 입면도

도2는 도1의 단면도

도3은 도1의 평면도

도4는 본 발명의 제2실시예에 따른 수위 연동형 광화학 반응장치의 단면도

도5는 도4의 평면도

※ 도면 주요부분에 대한 부호의 설명

10: 자외선램프 11: 자외선램프의 이산화티타늄 코팅부

20: 코팅담체 31: 원형고정체

32: 담체 인입구 33: 직선형고정체

40: 부유판 50: 전선

60: 고정핀

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 수위 연동형 광화학 반응장치는, 열경화수지 부유판과; 열경화수지 부유판에 상단이 고정된 자외선램프와; 다수의 투수공이 형성된 몸체 내에 상기 투수공보다 사이즈가 큰 다수 개의 이산화티타늄 코팅담체가 내장되어 이루어지며, 자외선램프의 길이방향을 따라 서로 간격을 두고 상하로 설치되는 다수의 원형고정체와; 원형고정체에 일단이 결합되고 자외선램프에 타단이 결합되어 상기 원형고정체와 자외선램프를 한 몸으로 연결하는 다수의 고정핀(60);을 포함해 구성되거나,상기 원형고정체 대신 다수의 직선형고정체(33)가 자외선램프(10)의 방사방향으로 간격을 두고 설치됨으로써 이루어진다.여기서, 본 발명의 주요구성요소 표면에 코팅되는 이산화티타늄(TiO₂) 광촉매 졸(sol)의 제조법을 설명하면 다음과 같다.

일정부피의 용기에 이소프로필알콜((CH₃)₂CHOH) 42.5 중량%, 증류수 0.6 중량%, 아세틸아세톤(C₅H₈O₂) 3.5 중량%, 테트라에틸실리케이트((C₂H₅O)₄Si) 0.9 중량%을 혼합한 후 교반하면서 0.001M의 질산(HNO₃) 용액을 적하시켜 수소이온농도(pH)를 1.5∼3으로 조정한 용액을 제조한 후 상기의 용액을 티타늄이소프로폭사이드(Ti(OCH(CH₃)₂)₄) 10.0 중량%와 이소프로필알콜((CH₃)₂CHOH) 42.5 중량%로 제조한 50rpm이상 서서히 교반중인 용액에 한, 두 방울씩 적하시키면서 완전 혼합한 후 온도 70℃ 이상의 건조기에서 2시간 이상 건조하고 다시 상온에서 2시간 이상 건조하여 이산화티타늄 졸을 제조하였다.

또한 상기와 동일한 제조방법으로 다른 약품의 조성은 동일하게 고정한 상태에서 각각의 용액에 이용된 이소프로필알콜의 양을 각각 32.5 중량%로 줄이고, 티타늄이소프로폭사이드의 양을 30.0 중량%로 증가시킨 고농도의 이산화티타늄 졸과 이소프로필알콜의 양을 각각 46.5 중량%로 늘리고, 티타늄이소프로폭사이드의 양을 2 중량%로 증가시킨 저농도의 이산화티타늄 졸을 제조하였다. 그리고 다른 약품의 조성은 동일하게 고정한 상태에서 테트라에틸실리케이트와 티타늄이소포로폭사이드의 상대비를 0.1∼30%까지 변화시키면서 또 다른 이산화티타늄 졸을 제조하였다.

상기와 같이 다양하게 제조된 이산화티타늄 졸을 가열기에 넣은 후 질소를 주입하면서 온도를 100∼500℃로 1∼3℃/min으로 승온한 후 500℃에서 1∼2시간 방치하고 다시 1∼3℃/min으로 감온한 후 이산화티타늄 분말을 제조하였다.

이산화티타늄 졸을 이용한 코팅담체의 제조는 유리구슬, 다공질 유리구슬, 금속구슬, 다공질 금속구슬, 실리케이트 등에 담금법과 스프레이법 등으로 1차 코팅한 후 가열기에 넣고 질소를 주입하면서 온도를 100∼500℃로 1∼3℃/min으로 승온한 후 500℃에서 1∼2시간 방치하고 다시 1∼3℃/min으로 감온하는 작업을 3∼10회 반복하여 이산화티타늄이 코팅된 코팅담체(20)를 얻었으며,

이산화티타늄 분말을 이용한 코팅담체의 제조는 이산화티타늄 분말과 에틸알콜 또는 메칠알콜을 1∼9:1의 비율로 혼합하여 1시간 이상 교반하여 이산화티타늄 현탁액을 만든 후 유리구슬, 다공질 유리구슬, 플라스틱구슬, 다공질 플라스틱구슬, 금속구슬, 다공질 금속구슬, 실리카 등에 담금법과 스프레이법 등으로 이산화티타늄을 1차 코팅한 후 가열기에 넣고 질소를 주입하면서 온도를 50∼200℃로 1∼3℃/min으로 승온한 후 200℃에서 1∼2시간 방치하고 다시 1∼3℃/min으로 감온한 후 증류수로 세척하는 작업을 3∼10회 반복하여 분말 현탁액법을 이용한 이산화티타늄이 코팅된 코팅담체(20)를 얻었다.

또한 이산화티타늄 분말을 이용한 코팅담체의 제조를 위한 다른 방법으로 이산화티타늄을 1∼10g을 0.1∼10M 수산화나트륨(NaOH) 100∼1000ml 용액에 넣은 후 100∼500rpm에서 교반하면서 80∼150℃로 가열하면서 이산화티타늄을 1차 코팅한 후 가열기에 넣고 질소를 주입하면서 온도를 50∼200℃로 1∼3℃/min으로 승온한 후 200℃에서 1∼2시간 방치하고 다시 1∼3℃/min으로 감온한 후 증류수로 세척하는 작업을 3∼10회 반복하여 분말 에칭법을 이용한 이산화티타늄이 코팅된 코팅담체(20)를 얻었다.

코팅담체의 직경보다 작은 구멍이 뚫려져 있어 코팅담체의 손실을 예방하고 물만 통과할 수 있도록 특수하게 제작된 원형고정체(31) 및 직선형고정체(33)는 유리관, 석영관, 파이렉스관, 스텐레스관 등으로 제작되며 상기에서 제조된 이산화티타늄 졸과 분말 이산화티타늄 현탁액을 담금법을 이용하여 내외면에 1차 코팅한 후 가열기에 넣고 질소를 주입하면서 온도를 50∼200℃로 1∼3℃/min으로 승온한 후 200℃에서 1∼2시간 방치하고 다시 1∼3℃/min으로 감온한 후 증류수로 세척하는 작업을 3∼10회 반복하여 이산화티타늄을 코팅하였다.

또한 자외선램프(10)는 램프의 외측의 일부에 알루미늄 및 철 테이프를 일정한 간격으로 감거나 알루미늄 및 철 테이프를 감지 않은 후 상기에서 제조한 이산화티타늄 졸과 분말 이산화티타늄 현탁액을 이용하여 담금법과 스프레이법 등으로 코팅한 후 질소를 주입하면서 온도를 50∼200℃로 1∼3℃/min으로 승온한 후 200℃에서 1∼2시간 방치하고 다시 1∼3℃/min으로 감온한 후 증류수로 세척하는 작업을 3∼10회 반복하여 자외선램프(10)의 일부 또는 전체에 이산화티타늄이 코팅된 이산화티타늄 코팅 자외선 램프를 제작하였다.

상기와 같이 다양한 방법으로 제조된 코팅담체(20)는 원형고정체(31) 또는 직선형고정체(33)의 인입구(32)를 통하여 내부에 투입된 후 알루미늄과 철 테이프로 인입구를 폐쇄하여 코팅담체가 손실되거나 서로 충돌하여 손상되지 않도록 한 후 이산화티타늄이 일부 또는 전체에 코팅되거나 전혀 코팅되지 않은 자외선램프(10)의 외측에 스테인레스 고정핀(60)을 이용하여 고정하였으며, 자외선램프의 상단은 수중에 광화학장치를 부유시켰을 때 부상할 수 있도록 열경화수지 부유판(40)을 설치하였다.

특히, 원형고정체(31)는 수중에서 물과 환경오염물질의 비중 차이에 의해 상부 또는 하부층에 밀집된 환경오염물질에 대응하기 위한 것으로, 유류 또는 물의 비중인 1보다 적은 부유물질(Suspended solids)과 같이 수표면에 부근에 부상하는 오염물질에 대해서는 원형고정체(31)를 자외선램프(10)의 상부에 집중적으로 설치하여 환경오염물질의 분해가 가능하며, 물보다 비중이 큰 슬러리(slurry) 형태의 오염물질에 대해서는 자외선램프(10)의 하부에 집중적으로 설치하여 환경오염물질의 분해가 가능하도록 손쉽게 이동이 가능한 특성을 가지고 있다.

기존의 분말 및 입자상을 이용한 광화학 반응장치의 광촉매 분말 회수의 문제점를 해결함에 따라 시설 설치 및 유지관리 비용의 절감 등의 장점과 광화학 반응장치 설치를 위한 별도의 시설이 필요치 않는 등의 장점이 있는 본 발명은 수중의 난분해성 환경오염물질을 H₂O와 CO₂로 완전 분해하여 수질을 향상시키기 위한 자외선과 광촉매 박막을 이용한 수위 연동형 및 수중 투입형 광화학 반응장치에 관한 것으로서 이산화티타늄 졸(sol)과 분말의 새로운 제조법과 제조된 이산화티타늄 졸과 분말을 이용한 다양한 코팅담체, 코팅담체의 고정체 및 자외선램프에 대한 새로운 코팅법을 제시하였으며, 오염물질의 부하변동에 따라 수표면에서 부상할 수 있는 광화학 반응장치 등을 제시하였다. 특히, 본 발명에 의한 수위 연동형 광화학 반응장치는 고정체의 높낮이를 손쉽게 조절 가능하도록 하여 오염물질의 비중에 따라 상·하로 이동시켜 오염물질 분해에 효과적으로 대응토록 하였다.

Claims (15)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 열경화수지 부유판(40)과;

   상기 열경화수지 부유판(40)에 상단이 고정된 자외선램프(10)와;

   다수의 투수공이 형성된 몸체 내에 상기 투수공보다 사이즈가 큰 다수 개의 이산화티타늄 코팅담체(20)가 내장되어 이루어지며, 상기 자외선램프의 길이방향을 따라 서로 간격을 두고 상하로 설치되는 다수의 원형고정체(31)와;

   상기 원형고정체(31)에 일단이 결합되고 상기 자외선램프(10)에 타단이 결합되어 상기 원형고정체(31)와 상기 자외선램프(10)를 한 몸으로 연결하는 다수의 고정핀(60);을 포함해 구성된 수위 연동형 광화학 반응장치.
9. 열경화수지 부유판(40)과;

   상기 열경화수지 부유판(40)에 상단이 고정된 자외선램프(10)와;

   다수의 투수공이 형성된 몸체 내에 상기 투수공보다 사이즈가 큰 다수 개의 이산화티타늄 코팅담체(20)가 내장되어 이루어지며, 상기 자외선램프(10)의 방사방향으로 서로 간격을 두고 설치되는 다수의 직선형고정체(33)와;

   상기 직선형고정체(31)에 일단이 결합되고 상기 자외선램프(10)에 타단이 결합되어 상기 직선형고정체(33)와 상기 자외선램프(10)를 한 몸으로 연결하는 다수의 고정핀(60);을 포함해 구성된 수위 연동형 광화학 반응장치.
10. 삭제
11. 삭제
12. 삭제
13. 삭제
14. 삭제
15. 삭제