KR100437095B1 - 광촉매 및 저온 플라즈마를 이용한 폐수 정화 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광촉매를 이용한 공장이나 가정의 배수관에 설치되는 폐수 정화장치에 관한 것으로서,

본 발명의 폐수 정화 장치는 유리 또는 석영 재질의 담체인 다수의 반응관과, 폐수와 접촉하여 유해 성분을 정화하는 반응관 내벽에 코팅되는 광촉매층과, 이 광촉매층을 여기하도록 자기 자신이 발광하는 반응관 외벽에 코팅되는 광촉매층과, 상기 외벽의 광촉매층이 발광할 수 있는 에너지를 공급하는 저온 플라즈마 발생용 전극과, 고전압의 전기를 공급하는 고전압 공급장치와, 고전압 전극을 폐수로부터 분리하여 절연하는 방수판과, 고전압 전극을 폐수관으로부터 분리하여 절연시키며 반응관을 지지하는 절연체와, 반응관 외벽에 코팅된 광촉매층을 재생하기 위해 대기중의 공기를 반응관 외벽으로 공급하는 장치와, 광촉매층 재생을 위해 공급한 공기를 폐수 처리 장치 상류로 유입시키는 공기 흡입관 및 분사관을 설치함을 특징으로 하며,

본 발명의 폐수 정화 장치는 폐수가 반응관 안으로 흐르며 반응관 내벽에 코팅된 광촉매층에 의해 정화가 일어나며, 내벽에 코팅된 광촉매층은 외벽에 코팅된 광촉매층과 반응관 양단에 설치된 고전압 전극에서 발생하는 저온 플라즈마에 의해 발생하는 자외선 광에 의해 여기되어 광반응을 유도하는 것을 특징으로 하며,

본 발명의 폐수 정화 장치는 외벽에 코팅된 광촉매층을 재생하기 위해 폐수 유동과 수직 방향으로 반응관 외벽으로 대기 중의 공기를 흘려주는 것을 특징으로하며,

본 발명은 상기의 반응관 외벽으로 광촉매층의 재생을 위해 공급한 공기가 저온 플라즈마와 반응해서 발생한 오존과 자유반응기를 이용해 폐수 정화 효율을 높이기 위해 광촉매층 재생을 위해 공급한 공기를 대기 중으로 방출하지 않고 폐수 정화 장치 상류의 배수관으로 유입시켜 오존과 자유반응기에 의한 정화 반응을 유도하는 것을 특징으로 하며,

본 발명은 폐수 내에 존재하는 유기용제와 같은 유해 물질을 빠른 시간 내에 경제적으로 정화할 수 있는 뛰어난 효과가 있다.

Description

광촉매 및 저온 플라즈마를 이용한 폐수 정화 장치{A Waste Water Treatment System with Photocatalyst and Non-thermal Plasma}

본 발명은 광촉매를 이용한 공장이나 가정의 배수관에 설치되는 폐수 정화장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 유리 또는 석영 재질의 담체인 다수의 반응관과, 폐수와 접촉하여 유해 성분을 정화하는 반응관 내벽에 코팅되는 광촉매층과, 이 광촉매층을 여기하도록 자기 자신이 발광하는 반응관 외벽에 코팅되는 광촉매층과, 상기 외벽의 광촉매층이 발광할 수 있는 에너지를 공급하는 저온 플라즈마 발생용 전극과, 고전압의 전기를 공급하는 고전압 공급장치와, 고전압 전극을 폐수로부터 분리하여 절연하는 방수판을 설치함을 특징으로 하는 폐수 정화장치에 관한 것이다.

광촉매는 반도체 물질이 가지는 전자 이탈 및 정공 발생에 의해 산화와 환원 반응이 동시에 발생 가능한 재료로서 여기 조건으로 자외선 영역의 파장이 존재하면 광반응을 유도한다. 이러한 광반응은 자기 정화, 청정 작용, 살균 작용, 산화 작용, 환원 작용 등을 유도하여 대기 오염 및 수질 오염에 대한 대응책으로 널리 사용되고 있다. 광촉매의 활성원으로 자외선 영역의 빛을 내는 태양광이 있으나 이는 빛 강도가 너무 약해 반응 시간이 길어 고 유량의 정화에 불리하다. 자연광을 대체하기 위해 자외선 전구를 이용하는 방법은 빛 강도는 어느정도 보장하나 수명이 짧고 소모되는 에너지의 75% 이상이 열 에너지로 소비되는 단점이 있다.

광촉매를 이용한 종래 기술에는 광촉매층이 코팅된 상자나 판을 저수조 안에 설치하고 폐수를 이 저주소 안에 흘려 보내며 상단이나 측면에서 광반응을 유도하도록 자외선 전구를 이용하여 광촉매 광원을 제공하는 기술이 발표되었다.(참조 도1, 일본 공개번호 11290840) 그러나 이 방법은 평판 위에 광촉매를 코팅하므로 광촉매와 폐수가 접촉할 면적이 다른 방법에 비해 적어 정화 효율이 저하되며, 광촉매의 광원으로 자외선 전구를 이용하여 이를 유지 보수하기 위한 비용이 많이 든다. 즉 자외선 전구의 가격이 고가이며 수명이 짧아 유지비용이 많이 들며, 그 특성상 전기 에너지가 빛 에너지로 전화되는 효율보다 열 에너지로 변환되어 손실되는 양이 더 많아 비 효율적이다. 여기에 자외선 전구와 광촉매층 사이의 거리가 멀어 거리 반비례 법칙에 의해 광자 수율이 급격히 떨어져 충분한 반응을 유도하기 위해 소모 전력이 높은 단점이 있다. 이러한 단점을 극복하기 위해 초음파 장치를 저수조 안에 위치시켜 초음파가 가지는 에너지를 이용하는 방법(일본 공개번호 09192637)이 고안되어졌으나 광원으로 자연광인 햇빛을 사용하거나 자외선 전구를 사용하여 광원에 대한 문제점은 여전히 해결하지 못했다. 이와 더불어 광촉매 효과에 생물학적 분해 기법을 도입한 발명(일본 공개 60269)이 있었으며 이는 광촉매 반응에서 생성되는 부분 산화체를 생물학적 산화 기법을 이용하였다.(참조 도 2) 광촉매가 코팅되는 담체의 표면적이 작은 문제를 해결하기 위하여 직조물을 이용하는 방법(일본 공개 08323346)이 소개되어졌으나 이 또한 담체의 표면적을 늘려 폐수와 광촉매가 접촉할 수 있는 면적은 증대하였으나 광원 문제는 해결하지 못하였다.

종전 기술의 다른 예로 광촉매 재료를 평판이나 관에 코팅하지 않고 졸 또는 매우 적은 입자 상태로 만들어 폐수 용액에 첨가하고 여기에 자외선 전구를 이용하여 광자를 공급하여 정화 반응을 유도한 후 정화된 물에서 광촉매 재료를 수거하는 방법이 소개되었다.(참조 일본 공개 06328068) 그러나 이 방법은 전 기술에서 설명한 자외선 전구가 가지는 단점을 극복하지 못하였을 뿐만 아니라 광촉매를 입자 상태로 폐수 속에 넣으므로 이를 수거하기 위한 장치가 별도로 필요하여 구조가 복잡하고 초기 설치비가 높은 단점이 있다.

본 발명의 목적은 유리 또는 석영 재질의 담체인 다수의 반응관과, 폐수와 접촉하여 유해 성분을 정화하는 반응관 내벽에 코팅되는 광촉매층과, 이 광촉매층을 여기하도록 자기 자신이 발광하는 반응관 외벽에 코팅되는 광촉매층과, 상기 외벽의 광촉매층이 발광할 수 있는 에너지를 공급하는 저온 플라즈마 발생용 전극과, 고전압의 전기를 공급하는 고전압 공급장치와, 고전압 전극을 폐수로부터 분리하여 절연하는 방수판을 설치함으로서 고 농도, 고 유량의 폐수를 적은 에너지 소모로 높은 정화율을 달성하고자 함이다.

이하, 본 발명의 구체적인 구성 및 작용을 첨부 도면을 참조하여 실시예에 따라 상세히 설명하지만 본 발명의 실시예는 그 기본적인 예시에 불과하며 이를 변경한 어떠한 형상과 구조로 된 것이라 하더라도 본 발명의 권리범위를 제한하는 것은 아니다.

도 1은 종전의 기술을 설명하는 개략도

도 2는 종전의 기술을 설명하는 개략도

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 광반응기 개략도

도 4는 본 발명의 일 실시예인 광반응기 내부에 위치하는 방수판을 나타낸 설명도

도 5는 본 발명의 일 실시예인 광반응기 내부에 위치하는 전극판을 나타낸 설명도

도 6은 본 발명의 일 실시예인 광반응기 내부에 위치하는 광반응관을 나타낸 설명도

도 7은 본 발명의 또 다른 실시예인 실시예의 반응기가 직렬로 다수 개 설치된 예를 나타내는 설명도

도 8은 본 발명의 또 다른 실시예인 실시예의 반응기에서 방출되는 공기를 폐수 처리 장치 상류에 유입시키는 장치를 설명하는 설명도.

이하, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 더욱 상세히 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 광반응기 개략도이다. 이 폐수 처리 장치(10)는 공장 및 가정, 대형 음식점 등의 배수관에 반응기(10)를 설치하고 반응기(10)로 진입하는 폐수를 광촉매층(52, 53)이 코팅된 유리 또는 석영으로 제작한 반응관(51)의 내면으로 흐르게 하며 이때 반응관(51)의 외벽에 코팅된 광촉매(52)의 도움을 받아 반응관(51) 전역에 플라즈마를 발생시키고자 고전압 전극(40)을 반응관(51)의 양단에 설치하고, 폐수가 고전압 전극(40)에 직접 닿지 못하도록 절연 및 방수가 되는 방수판(30)을 고전압 전극(40) 상, 하단에 설치함으로 구성된다.

본 발명의 폐수 정화 장치(10)에서 폐수 흐름 방향과 수직되는 방향으로 공기가 흐르도록 공기 유도관(11)이 설치되어 반응관(51)의 외벽에 코팅된 광촉매(52)가 지속적으로 재생되어 자외선 광을 유지하도록 한다.

반응관(51)은 유리 또는 석영관으로 제작하고 광촉매층(52, 53)을 반응관 외벽과 내벽에 코팅하여 외벽에서 발생한 자외선 광이 반투명한 광촉매층(52)과 유리 또는 석영 반응관을 투과하여 내벽에 코팅된 광촉매층(53)을 여기시켜 내벽에 코팅된 광촉매층(53)과 폐수가 접촉하여 폐수 내에 존재하는 유해성분이 정화되도록 한다. 광촉매층(52, 53)의 투명성(빛 투과성)을 증대하기 위해 광촉매는 졸-겔 법으로 코팅되어 외벽에서 발생한 플라즈마 광이 반응관(51) 내부로 쉽게 쪼여지게한다. 광촉매층(52, 53)이 반응관에 코팅할 때 외벽의 광촉매층(52)은 고전압전극(40)이 위치하는 상, 하단의 높이만큼만 코팅하여 방수판(30) 방향으로 고전압이 흐르지 않도록 하나 내벽의 광촉매층(53)은 반응관(51) 전 길이에 걸쳐 코팅하여 확산되는 플라즈마 광을 최대한 이용하도록 한다.

저온 플라즈마를 발생하도록 고안된 고전압 전극(40)은 고전압과 저온 플라즈마의 장시간 사용에도 견딜 수 있도록 내구성이 우수한 재질의 금속을 사용하여 상기 반응관(51)이 상, 하 양 전극 사이에 수직으로 위치할 수 있도록 반응관(51)의 외곽 지름에 맞도록 다수의 구멍(42)을 낸다. 폐수 정화 장치(10)와의 절연성을 위해 고전압 전극(40)의 테두리에 절연 내력이 강한 재료를 이용하여 절연부(41)을 설치한다. 절연부 한 테두리 부에 폐수 정화 장치(10) 외부로 금속 막대기(20)를 설치하여 외부 전원과의 전극 역할을 수행하도록 한다. 이 막대기(20)와 폐수 정화 장치(10)의 외곽부와의 절연성 확보는 고전압 전극(40)의 절연부(41)와 동일한 재료로 제작된 막대기용 절연체(21)를 사용한다.

고전압 전극(40)으로 인가된 고전압 전기가 도전성이 높은 폐수와 직접적인 접촉이 일어나지 않도록 절연성이 우수한 방수판(30)을 설치하는데, 이 방수판(30)에는 반응관(51)이 설치될 수 있도록 다수의 구멍(31)이 있으며, 이 구멍(31)에 반응관(51)이 설치되어 상류로부터 흘러오는 폐수가 반응관(51)을 통해 정화되며 흘러갈 수 있도록 하는 안내판 역할을 한다.

상기 폐수 처리 장치(10)는 유량 및 유해 성분 농도에 따라 1단이 아닌 도 7과 같이 다단으로 설치가 가능하여 폐수가 효율적으로 정화될 수 있도록 한다.

상기 폐수 처리 장치(10)에서 폐수 방향과 수직 방향으로 공기 유도관(11)을통해 반응관(51)의 외벽에 코팅된 광촉매(52)의 재생을 위해 공기가 유입되는데, 양 단 전극에서 발생하는 플라즈마에 의해 오존이 생성되고 공기 중에 포함된 수분에 의해 자유반응기(free radical)가 생성된다. 오존은 이 세상에 존재하는 물질 중에 두 번째로 산화력이 강한 물질로서 이미 수처리 분야에서, 특히 음용 수질 분야에서 널리 사용되고 있다. 또한 자유반응기는 원자가 상태에 따라 산화와 환원력이 결정되며 반응성이 매우 높아 대기 중의 유해물질 정화에 널리 사용된다. 따라서 저온 플라즈마 생성시 유입되는 공기에서 발생하는 다량의 오존과 자유반응기를 폐수 처리에 이용하기 위해 도 8과 같이 공기 유도관(11)을 통해 유입되어 양 단 전극에서 발생한 저온 플라즈마에 의해 발생된 오존과 자유 반응기를 본 발명의 폐수 처리 장치(10)에 넣어 주기 위해 공기 흡입관(12)를 설치하고 배수관(13)에 공기 분사관(14)을 설치하여 광촉매의 효율을 보강한다. 선행 연구에 의하면 광촉매 정화 장치에 자유반응기와 오존을 인위적으로 공급하는 경우, 광촉매의 광반응과 오존 및 자유반응기의 정화 반응, 두 반응의 상승효과로 인해 정화율이 크게 향상된다고 한다.(Applied Catalysis B: Environmental 27(2000), pp 169-177, Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry 108 (1997) pp 65-71)

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 폐수 정화 장치는 공장이나 가정, 대형 음식점 등에서 발생한 폐수를 광촉매가 코팅된 반응관과 저온 플라즈마를 이용해 반응관 외벽에 코팅된 광촉매를 발광시키고 여기서 발생한 자외선 광을 이용하여반응관 내벽에 코팅된 광촉매층을 여기시켜 광반응을 유도하여 유해 성분을 저감한다. 또한 광반응과 함께, 외벽에 코팅된 광촉매층을 재생하기 위해 공급하는 대기 중의 공기와 저온 플라즈마와 반응하여 발생하는 오존 및 자유 반응기를 이용하기 위해 배출되는 공기를 폐수 처리 장치 상류로 유입시켜 공급함으로 광촉매와 오존 및 자유 반응기의 상승 효과를 이루어 효과적인 정화반응을 유도한다.

본 발명에 의하면 기존의 광촉매를 이용한 폐수 처리 장치에 비해, 광촉매 광원으로 저온 플라즈마를 사용함으로 자외선 전구를 사용하는 기존 기술에 비해 설치비가 저렴하고 유지비가 적게 들며 반응관마다 고른 자외선 강을 최단 거리에서 공급함으로 광촉매에 의한 광반응을 최대한 강하게 유도하여 정화효율을 증대시키고 이에 따라 고 유량, 고 농도의 폐수를 정화할 수 있다. 또한 저온 플라즈마와 공기가 반응하여 생성된 오존과 자유 반응기를 이용할 수 있도록 하여 광반응과 오존 및 자유 반응기에 의한 상승 효과를 가져와 정화 효율을 극대화하였다.

Claims (4)

1. 공장이나 가정, 대형 음식점에서 발생하는 폐수관(13)에 설치되는 광반응기(10)에 있어서,

   상기 광반응기(10) 내부에 유리 또는 석영 재질의 담체인 다수의 반응관(51)과;

   폐수와 접촉하여 유해 성분을 정화하는 반응관(51) 내벽에 코팅되는 광 투과성의 광촉매층(53)과;

   이 광촉매층(53)을 여기하도록 저온 플라즈마 발생 조건에서 플라즈마와 반응하여 자외선 광을 강화하도록 반응관 외벽에 코팅되는 광 투과성의 광촉매층(52)과;

   상기 반응관(51) 상부 및 하부에 서로 대응되게 설치되며 상기 외벽의 광촉매층(52)이 발광할 수 있는 에너지를 공급하는 저온 플라즈마 발생용 전극(40)과;

   고전압의 전기를 공급하는 고전압 공급장치(60)와;

   고전압 전극(40)을 폐수로부터 분리하여 절연하는 방수판(30)과;

   고전압 전극(40)을 폐수관으로부터 분리하여 절연시키며 반응관(51)을 지지하는 절연체(30)와;

   반응관(51) 외벽에 코팅된 광촉매층(52)을 재생하기 위해 대기중의 공기를 반응관(51) 외벽으로 공급하는 장치(11)와;

   광촉매층(52) 재생을 위해 공급한 공기를 폐수 처리 장치 상류로 유입시키는 공기 흡입관(12) 및 분사관(14);

   을 포함하는 것을 특징으로 하는 폐수 정화 장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 폐수 정화 장치(10)는 폐수가 반응관(51) 안으로 흐르며 반응관(51) 내벽에 코팅된 광촉매층(53)에 의해 정화가 일어나며, 내벽에 코팅된 광촉매층(53)은 외벽에 코팅된 광촉매층(52)과 반응관(51) 양단에 설치된 고전압 전극(40)에서 발생하는 저온 플라즈마에 의해 발생하는 자외선 광에 의해 여기되어 광반응을 유도하는 것을 특징으로 하는 폐수 처리 장치.
3. 제 1 항에 있어서, 외벽에 코팅된 광촉매층(52)을 재생하기 위해 폐수 유동과 수직 방향으로 반응관(51) 외벽으로 대기 중의 공기를 흘려주는 것을 특징으로 하는 폐수 정화 장치.
4. 제 3항에 있어서, 상기의 반응관(51) 외벽으로 광촉매층(52)의 재생을 위해 공급한 공기가 저온 플라즈마와 반응해서 발생한 오존과 자유 반응기를 이용해 폐수 정화 효율을 높이기 위해 광촉매층(52) 재생을 위해 공급한 공기를 대기 중으로 방출하지 않고 폐수 정화 장치 상류의 배수관(13)으로 유입시켜 오존과 자유 반응기에 의한 정화 반응을 유도하는 것을 특징으로 하는 폐수 정화 장치.