KR100439195B1 - 광촉매 반응에 의한 용수 살균 방법 및 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 광촉매 반응에 의한 용수 살균 방법 및 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 광촉매 반응기 내부에 광촉매로 코팅된 다공성 담체를 충진시키고 공기를 주입 시킴과 동시에 자외선을 조사시켜, 과산화수소를 첨가한 용수를 주입하여 광촉매 반응에 의해 상기 용수내 함유된 미생물 및 유기물을 살균 또는 분해하는 방법 및 장치에 관한 것으로, 살균 시간을 단축시킬 수 있으며, 살균시 공기 및 과산화수소의 첨가에 따라 살균 효과를 증가시키고, 소형으로 제작이 가능하여 좁은 장소에 설치가 가능하며, 광촉매 반응기의 분리가 가능하여 장치의 세척이 간편하고 용수의 살균에 매우 효과적으로 이용할 수 있다.
Description
본 발명은 광촉매 반응에 의한 용수 살균 방법 및 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 광촉매 반응기 내부에 광촉매로 코팅된 다공성 담체를 충진시키고 공기를 주입 시킴과 동시에 자외선을 조사시켜, 과산화수소를 첨가한 용수를 주입하여 광촉매 반응에 의해 상기 용수내 함유된 미생물 및 유기물을 살균 또는 분해하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
최근 국내에서 강수량이 감소하고 있어 식수는 물론 농업용수의 부족이 심각한 문제로 부상되고 있다. 대부분의 농부들은 비효율적인 전통적 관개시설을 사용하고 있으며, 현대적인 세류관개의 경우는 효율적이며 정확하게 필요로 하는 곳에 물을 공급하지만, 막대한 자금이 소요되기 때문에 용수 부족은 쉽게 해결되지 못하고 있다. 그러므로 농작물의 재배에 있어서 용수의 부족 현상을 해결하기 위해서는 용수의 재순환이 필연적이며, 또한 대형 수족관 등에 사용되는 바닷물 또는 민물의 지속적인 사용을 위해 용수의 재순환이 필수적이다. 재순환 용수의 이용을위해서는 무엇보다도 순환 용수내에 존재하는 미생물의 살균이 가장 중요하다고 할 수 있다.
종래 우리나라에서는 세균, 바이러스 및 조류 등의 제어수단으로서, 염소 살균이 주종을 이루었으나, 최근들어 염소 살균에 따른 트리할로메탄(Trihalomethane, THM) 발생 문제와 순수 및 초순수로 사용시 잔류성과 같은 문제가 발생하고 있다. 또한 오존을 이용하는 고도의 정수처리 공정은 시설 투자비와 유지 관리비가 많이 소요되는 문제점이 있으며, 최근에는 저렴한 시설 투자비와 유지 관리가 용이한 방법으로 광촉매인 TiO2을 이용한 살균 방법이 대두되고 있다.
상기 TiO2을 이용한 살균 방법은 하기 반응식에 의한 반응 메카니즘에 의해 기초하고 있다.
상기 반응식 1에 따라 TiO2로부터 자외선에 의한 밴드-갭(band-gap) 에너지 이상의 에너지를 흡수하여 전자(electron) 및 정공(hole)이 발생하며, 상기 발생한 e- CB및 h+ VB은 TiO2표면에서 확산 및 이동하게 된다.
확산된 h+ VB은 상기 반응식 2에 따라 물속의 OH-과 반응해서 OH·을 생성하고, 또 물분자와 반응해서 OH·과 H+을 생성시키기도 하며, 직접 유기물과 반응 및 유기물을 산화시키기도 한다.
또한, e- CB은 상기 반응식 3에 따라 수중 산소와 반응해서 초과산화물 라디칼(superoxide radical, O2 -·)을 만들고, 다시 O2 -·은 물분자와 반응해서 두 개의 OH·과 두 개의 OH-그리고 산소 한 분자를 만드며, 또한 과산화수소가 첨가된 경우 과산화수소는 UV와 반응하여 2OH·이 생성되거나, 과산화수소가 e- CB이나 용존산소와 반응하여 OH·이 생성된다. 따라서 이렇게 생성된 OH·이 유기물 산화에 관계하게 된다.
상기 반응 메카니즘을 수행하는 TiO2을 이용한 광촉매 살균 방법은 분말 상태의 TiO2을 사용할 경우 오염 물질의 연속적 처리시 수용액 내에 광촉매 입자를 재부상 시키기 위한 에너지가 소요되며, 후속 처리 공정으로 광촉매를 회수해야 하는 문제가 있다. TiO2을 코팅하는데 있어서 자외선 램프에 직접 코팅할 경우, 램프의 수명이 다하면 폐기해야 하는 문제점과 반응기 내벽에 코팅한 것은 반응기가 커질 경우 코팅이 매우 난처하며 일반적으로 코팅 후 500 ℃ 이상 고온에서 열처리 과정을 거치므로 장치의 재질에 있어서 한계성을 나타내는 문제점이 발생하기도 한다. 또한, 일반 구슬에 코팅할 경우 TiO2의 탈착율이 커지는 문제점이 발생한다.
이에, 본 발명자들은 상기한 문제점을 해결하고자 광촉매 반응기 내부에 광촉매코팅된 다공성 담체를 충진시키고, 공기를 주입시킴과 동시에 자외선을 조사시켜 과산화수소를 첨가한 용수를 주입하여 광촉매 반응에 의해 상기 용수내 함유된미생물 및 유기물을 살균하는 장치 및 살균 방법을 연구한 결과, 살균 시간을 단축시킬 수 있으며, 살균시 공기 및 과산화수소의 첨가에 따라 살균 효과를 증가시키고, 소형으로 제작이 가능하여 좁은 장소에 설치가 가능하고, 광촉매 반응기의 분리가 가능하여 장치의 세척이 용이한 살균 장치 및 살균 방법을 알아내어 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 목적은 광촉매 반응기 내부가 광촉매 코팅된 다공성 담체로 충진시키고, 자외선 조사를 위한 자외선 램프 및 광촉매 반응기로 공기를 주입하기 위한 공기 유입관이 구비된 용수 살균 장치를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 상기 용수 살균 장치를 이용하여 용수내 미생물을 효과적으로 살균시키는 살균 방법을 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명의 용수 살균 장치의 바람직한 일 예를 나타낸 단면도
도 2는 본 발명의 광촉매 반응기를 나타낸 측면도
도 3은 본 발명의 광촉매 반응기를 병렬로 제작한 용수 살균 장치를 나타낸 도면
도 4는본 발명의 TiO2로 코팅한 다공성 담체의 사진
도 5는 본 발명의 TiO2을 유리 구슬에 코팅한 것과 다공성 담체에 코팅한 것을 비교한 살균 효과(a) 및 살균 효율(b)을 비교한 그래프
도 6은본 발명의 광촉매 반응기의 직경에 따른 각 자외선 램프 한 개당 대장균에 대한 살균 효과(a)와 살균 효율(b)을 나타낸 그래프
도 7은 본 발명의 광촉매 반응기에 공기를 주입했을 경우 대장균에 대한 살균 효과(a)와 살균 효율(b)을 나타낸 그래프
도 8은 본 발명의 광촉매 반응시 과산화수소의 농도에 따른 대장균에 대한살균 효과를 나타낸 그래프
도 9는광촉매 반응을 일으키지 않고 과산화수소만을 첨가했을 경우의 대장균에 대한 살균 효율을 나타낸 그래프
도 10은본 발명의 과산화수소의 농도에 따른 콩나물의 성장에 대한 영향을 나타낸 그래프
도 11은 본 발명의 광촉매 반응시 처리수량을 2 배로 늘인 경우 대장균에 대한 살균 효과(a) 및 살균 효율(b)을 나타낸 그래프
도 12는본 발명의 콩나물 침종수에 존재하는 세균에 대한 살균 효과(a) 및 살균 효율(b)을 나타낸 그래프
도 13은본 발명의 콩나물 침종수에 존재하는 곰팡이에 대한 살균 효과(a) 및 살균 효율(b)을 나타낸 그래프
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
100: 용수 살균 장치 10: 광촉매 반응기
11: 광촉매코팅된 다공성 담체
12: 자외선 램프 13: 유출구
14: 유입구 15: 내측 프래임
16: 외측 프래임 17: 오링
18: 연결부 20: 용수 저장소
21: 용수 이송관 22: 유입 펌프
30: 공기 유입관 31: 공기 펌프
40: 자외선 안정기 41: 전선
50: 광촉매 여과망 51: 살균 처리된 용수 저장소
상기한 목적을 달성하기 위하여,
본 발명은 용수를 광촉매 반응기를 통과시켜 광촉매 반응에 의해 살균하기 위한 장치에 있어서,
용수를 저장하는 용수 저장소,
유입구, 유출구 및 내부에 광촉매로 코팅된 다공성 담체, 자외선 램프 및 공기 유입관을 포함하는 광촉매 반응기,
상기 용수 저장소와 광촉매 반응기 사이에 위치하는 유입 펌프,
상기 공기 유입관으로 공기를 유입시키는 공기 펌프 및
상기 광촉매 반응기를 통과하여 살균 처리된 용수를 저장하는 살균 처리된 용수 저장소로 이루어진 용수 살균 장치에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 상기한 용수 살균 장치를 이용하여 과산화수소가 첨가된 용수를 상기 광촉매 반응기에 주입하여 공기를 주입시킴과 동시에 자외선을 조사함으로써, 용수내 함유된 미생물을 제거하는 살균 방법을 제공한다.
이하 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 용수 살균 장치를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 용수 살균 장치(100)의 바람직한 일 예를 나타낸 단면도이다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 용수 살균 장치(100)는 광촉매 반응에 의한 용수를 살균하기 위하여,
광촉매 반응을 일으키는 광촉매 반응기(10)는 내부에 광촉매 코팅된 다공성 담체(11)로 충진시키고,
자외선 램프(12)가 광촉매 반응기 내부에 수평 방향으로 설치하되 광촉매 반응기(10)의 측면에서 볼 때 십자 형태의 일정 간격으로 광촉매 반응기(10) 내부에 장착되어 있어 상기 자외선 램프(12)에서 조사된 자외선이 광촉매 코팅된 다공성 담체(11)와 반응하여 강력한 산화제인 OH·을 발생시키고,
광촉매 반응기 내부에 공기를 주입하기 위하여 공기 펌프(31)로부터 공기가반응기 내부로 유입되는 공기 유입관(30)이 광촉매 반응기(10) 하단에 수평 방향으로 장착되어 있고,
상기 광촉매 반응기(10)의 상 ·하단에 용수의 유입구(14) 및 유출구(15)를 각각 설치하되, 광촉매 반응기(10) 내부에서의 잔류 시간을 높이기 위하여 대각선 방향으로 장착되어 있고,
상기 광촉매 반응기(10) 내부의 유입구(14)와 유출구(13)에 광촉매 코팅된 다공성 담체(11)가 광촉매 반응기(10) 외부로 유출되는 것을 방지하기 위한 광촉매 여과망(50)이 장착되어 있고,
반응기의 내 ·외측 프래임(15,16) 사이에 고무 재질의 오링(O-ring)(17)을 샌드위치시켜 패킹한 뒤 상기 연결부(18)를 사용하여 밀폐된 구조를 포함한다.
이때 본 발명의 광촉매 반응기(10)의 내 ·외측 프래임(15,16)은 투명 아크릴로 제작하고, 이에 따라 광촉매 반응기(10) 내부를 용이하게 관찰할 수 있으며, 자외선 램프(12)의 이상 유무 및 교체 시기를 육안으로 쉽게 확인할 수 있다.
구체적으로,도 4에 나타낸 바와 같이 상기 광촉매 코팅된 다공성 담체(11)는 다공도가 매우 높은 백운모를 800 ℃에서 초벌구이한 뒤, 광촉매로 표면을 코팅한 후 1400 ℃에서 다시 열처리 하여 제조한다. 상기 광촉매로는 TiO2를 사용하며, 상기 광촉매 코팅된 다공성 담체(11)는 표면적을 넓힘으로써 용수내 포함된 미생물 및 유기물을 효율적으로 살균 또는 분해시킬 수 있다. 담체의 직경은 6∼10mm가 바람직하며, 담체가 상기 범위 미만일 경우 담체가 너무 밀집되어 용수의 유속에 문제가 있으며, 상기 범위를 초과할 경우 담체 총 표면적이 줄어들게 됨에 따라 살균 효율이 감소하는 경향을 나타낸다.
특히, 상기 다공성 담체는 표면을 광촉매로 코팅하여 자외선을 조사하여 용수 살균 과정에서 촉매 역할을 하게 된다. 상기 광촉매 코팅된 다공성 담체(11)는 여러 번 사용 후 담체의 기공에 부착된 미생물 및 유기물을 간단히 열처리함으로써 재사용이 가능하여 반영구적으로 사용할 수 있다.
이러한 본 발명의 광촉매 반응기내 충진되는 광촉매 코팅된 다공성 담체(11)는 종래 광촉매가 코팅된 유리 구슬에 비해 여러 가지 장점이 있다. 다공성으로 미생물 및 유기물의 흡착능이 우수하고, 표면적이 넓어 살균 효율이 증가되며, 광촉매가 코팅된 유리 구슬은 시간이 지남에 따라 상기 광촉매가 쉽게 탈착되어 그 수명이 짧았으나, 본 발명의 다공성 담체는 반영구적이라 할 수 있다. 구체적으로, 본 발명의 살균 장치의 광촉매 반응기 내에 광촉매가 코팅된 유리 구슬 및 다공성 담체를 이용하여 용수의 살균 과정을 수행한 결과,도 5에서 보는 바와 같이 TiO2코팅된 다공성 담체(11)를 이용한 대장균에 대한 살균 효과 및 살균 효율이 더욱 우수함을 알 수 있었다.
자외선 조사를 위한 자외선 램프(12)는 광촉매 반응기 내부에 일정 간격을 유지하면서 장착되는데, 상기 자외선 램프(12)간의 거리는 용수의 살균 효과에 영향을 준다. 상기 자외선 램프(12)는 광촉매 코팅된 다공성 담체(11)를 조사하여발생되는 강력한 산화제인 OH·을 형성하도록 유도하기 때문에 충전된 모든 광촉매 코팅된 다공성 담체(11)에 자외선이 조사되도록 설치한다. 자외선 램프(12)간의 거리는 광촉매 반응기(10)의 크기에 따라 조절 및 변형이 가능하다. 본 발명에서 크기가 직경 20cm, 길이 72cm의 원통형인 광촉매 반응기(10)를 이용하여 자외선 램프(12)를 일정 간격으로 배치한 후 자외선을 조사하여 살균 효율을 측정한 결과, 각 램프간의 간격이 55∼80 ㎜ 일 때 바람직한 효과를 나타내었다. 상기한 결과는 일 실시예에 불과하므로 대형 용량의 용수를 처리하고자 하는 경우 광촉매 반응기(10)의 크기가 증가함에 따라 장착되는 자외선 램프(12)의 거리를 조절할 수 있다.
종래 수중에서 자외선 램프(12)의 전극을 보호하기 위해 자외선 램프(12) 외부에 석영관을 설치한 방법과 비교하면 여러 가지로 효과적이다. 또한, 전극 부위가 광촉매 반응기(10) 외부로 돌출되어 광촉매 반응기(10)를 완전히 밀폐하므로 석영관을 사용하지 않고 자외선 램프(12)를 설치할 수 있으며, 재료비의 절감을 도모할 수 있다. 특히, 내 ·외측 프래임(15,16)을 투명 아크릴을 이용하여 내부가 보이도록 설계하였으므로 자외선 램프(12)의 이상 유무 및 교체 시기를 육안으로 파악할 수 있으며, 내 ·외측 프래임(15,16)의 가장자리에 연결부(18)로 광촉매 반응기(10)의 기밀성을 유지하였으므로 연결부(18)만 해체하면 자외선 램프(12)의 교환도 용이하다. 상기 연결부(18)는 볼트와 너트 또는 통상적으로 분리가 가능한 연결부(18)를 사용할 수 있다.
공기 유입관(30)은 광촉매 반응기(10) 하단에 위치하여 상기 광촉매 반응기(10) 내부로 공기를 주입하기 위하여 장착된다. 상기 공기 유입관(30)은 광촉매 코팅된 다공성 담체(11)에 의해 막히지 않도록 매우 미세하게 일정 간격으로 천공되어 있으며, 이 때 공기 압력을 조절하기 위해 공기 펌프(31) 또는 조절기가 장착된 공기 펌프(31)를 사용한다. 상기 공기 펌프(31)로부터 유입되는 공기는 용수내 용존 산소를 증가시켜 살균 효율을 증가시키며, 다량의 공기 유입은 광촉매 반응기(10)내 용수의 난류를 형성시켜 반응 효율을 높이기 때문에 가능한 한 강력한 공기 펌프(31)를 사용하는 것이 효율적이다.
광촉매 여과망(50)은 광촉매 반응기(10) 내 충진되어 있는 광촉매코팅된 다공성 담체(11)가 용수 이송관(21)으로 유입되는 것을 막기 위하여 상기 광촉매 반응기(10)의 유입구(14) 및 유출구(15)에 각각 설치한다. 광촉매 여과망(50)의 크기는 다공성 담체의 크기에 따라 조절되며, 플라스틱 재질로 제작한다.
추가로, 본 발명의 용수 살균 장치(100)는 용수 저장소(20)내 용수를 광촉매 반응기(10)로 주입하기 위한 용수 이송관(21) 및 자외선 램프(12)의 켜짐과 꺼짐을 조절하기 위한 자외선 안정기(40)를 포함한다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 용수 살균 장치(100)는 광촉매 코팅된 다공성담체(11), 자외선 램프(12) 및 공기 유입관(30) 등을 포함하여 제작된다. 특히 본 발명의 용수 살균 장치(100)는 대용량의 용수를 처리하기 위하여 대형으로 제작하거나,도 3에 나타낸 바와 같이 소형으로 병렬로 제작하여 배치할 수 있으며, 이러한 제작은 이 분야의 통상적인 지식을 가진 자에 의해 변형이 가능하며, 농업용수, 수족관의 바닷물 또는 민물 등 모든 용수의 살균 후 재순환을 위해 사용할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 용수의 살균 장치(100)를 이용한 살균 방법을 포함한다.
광촉매 반응에 의한 용수 살균 방법에 있어서,
용수에 과산화수소를 첨가하고,
광촉매코팅된 다공성 담체(11)가 충진되어 있는 광촉매 반응기(10)에 주입하며,
공기 유입관(30)으로 공기를 주입 시킴과 동시에 자외선을 조사시키고,
상기 다공성 담체에 코팅된 광촉매와 용수를 광촉매 반응시켜 용수내 미생물을 살균하는 방법이다.
용수의 흐름은 용수 저장소(20)로부터 유입 펌프(22)를 이용하여 광촉매 반응기(10)의 하단 유입구(14)로부터 상단 유출구(13)로 순환시키며, 광촉매반응기(10)내 용수는 광촉매 코팅된 다공성 담체(11)에 자외선을 조사하여 이때 발생하는 OH·에 의해 살균하며, 살균 후 살균 처리된 용수 저장소(51)에 저장된다.
또한, 살균 효과를 보다 높이기 위하여 소량의 과산화수소를 살균 장치가 작동할 때 용수 저장소(20)에 첨가하여 과산화수소가 포함된 용수를 광촉매 반응기(10) 내부에 유입시켜 높은 살균 효과를 얻도록 하였으며, 과산화수소의 양은 용수의 양에 따라 조절할 수 있으며, 바람직한 과산화수소의 농도는 25∼50 mg/L이며, 고농도의 과산화수소를 처리할 경우 경제성과 안정성에 문제가 있을 가능성도 있기 때문에 최소량의 사용이 중요하다.도 8에서 보는 바와 같이 저농도의 과산화수소를 처리할 경우 양이 증가할수록 살균 시간이 짧아지고 살균 효과도 증대됨을 알 수 있다.
도 9에서 자외선 없이 과산화 수소만에 의한 비교 실험 결과, 세균이 단순히 과산화 수소에 의해 살균되는 것이 아니며 자외선 조사와 함께 과산화수소를 첨가하면 높은 살균 효과를 나타내는 것임을 확인할 수 있다.
공기 펌프(31)로부터 공기 유입관(30)을 통해 용수내의 용존 산소를 증가시켜 보다 높은 살균 효과를 얻게 하였으며, 이는 용수의 난류를 형성하여 용수의 혼합 및 오염 물질과 광촉매에서 발생하는 OH·과의 접촉을 높이는 역할을 한다. 본 발명에서 상기 광촉매 반응기(10)에 주입되는 공기의 양은 30 L/min 이었으며 반응기에 무리가 가지 않은 한도내에서 가능한 한 강력한 공기 펌프를 이용하는 것이 바람직하다.
도 7에 따라 상기 용수 살균 장치(100)를 이용하여 공기를 주입하지 않았을 경우와 비교하면, 공기를 주입하였을 경우 반응 초기에 더 높은 살균 효과를 나타낸다. 하기 실시예에 따르면, 공기를 주입하지 않았을 경우 1 분 동안 90.6 % 살균 효과를 나타내었으며, 공기를 주입하였을 경우 95 %의 살균 효과로 반응 초기에 더 높은 살균 효과를 나타내었다. 이는 광촉매 반응시 주입되는 공기가 반응기 내부에 난류를 일으키며 OH·이 보다 효과적으로 유기물과 반응할 수 있도록 용존 산소를 증가시켜 OH·의 생성을 증가시키는 역할을 하기 때문이다.
본 발명의 과산화수소의 사용에 따른 안전성 문제는 하기표 1및도 10을통하여 확인할 수 있다. 하기표 1은 콩나물의 발아율에 대한 과산화수소의 농도에 따른 영향을 나타낸 것이다.
| 단위(%) | H2O2농도(mg/L) | |||||
| 날(day) | 0 | 10 | 50 | 100 | 500 | 1000 |
| 1 | 71.67 | 20.00 | 53.33 | 60.00 | 78.33 | 50.00 |
| 2 | 90.00 | 86.67 | 76.67 | 86.67 | 93.33 | 95.00 |
| 3 | 91.67 | 88.33 | 80.00 | 88.33 | 93.33 | 95.00 |
상기표 1에 따라, 발아율이 과산화수소의 농도가 50 ㎎/L에서 다소 감소하였으나, 이후 다시 회복되었으며,도 10에 따라 과산화수소의 농도에 따른 콩나물의 전체 길이는 과산화수소에 의하여 증가하는 경향으로 500 ㎎/L에서는 통계적인 (5% 유의수준에서) 차이가 있을 정도로 증가하였고, 배축 길이는 과산화수소를 첨가하지 않은 경우와 100 ㎎/L 간에는 통계적으로 유의성이 있는 차이는 없었으나, 500 ㎎/L 경우 뚜렷이 증가하였다. 콩나물 뿌리 길이의 경우 과산화수소에 의하여 증가하는 경향이 보였으며, 배축 두께는 과산화수소를 처리하지 않은 것과 차이가없었다. 따라서 과산화수소의 사용에 대한 안전성은 문제가 없음을 알 수 있다.
또한, 본 발명의 광촉매 반응기(10)에 광촉매 코팅된 다공성 담체(11)를 이용하여 처리수량을 2 배로 늘려 살균할 경우,도 11에서 보는 바와 같이 살균이 시작되는 초기의 살균 효과는 조금 떨어지지만, 처리수량이 2 배로 늘어 났음을 감안하면 단 시간 내에 유사한 결과를 나타남을 알 수 있으며, 이로 인해 매우 높은 살균 효과를 보임을 알 수 있다. 그리고, 대용량으로 용수를 살균 처리하고자 할 경우, 여러 개의 광촉매 반응기(10)를 병렬로 제작하여 용수를 처리할 수 있다.
이하 본 발명의 실시예를 다음에 의하여 설명한다.
그러나 본 발명의 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1> 광촉매 반응에 의한 용수의 살균 방법
여러 형태의 반응기를 제작하여 살균 최적조건을 확립한 결과 길이 720 mm, 직경 200 mm인 광촉매 반응기(10)를 이용하여, 직경이 8 mm인 TiO2로 코팅된 다공성 담체(11)를 사용하였고, 첨가된 과산화수소의 농도는 0∼75 mg/L로 조절하였으며, 공기 유입관(30)을 통해 주입되는 공기의 양은 30 L/min으로 하였고, 자외선 램프(12)는 254 nm에서 최대 39 W의 방출량을 내는 자외선 램프(12)를 사용하는 조건 하에서 용수를 살균하였다. 본 발명의 모든 실시예에서의 살균 효과 측정은 반응기가 작동할 때 일정 시간별로 분획을 취하여 연속 희석 방법으로 분획을 희석한후 희석수 100 ㎕를 세균 및 곰팡이의 성장고체배지에 도말하여 배양한 후 배양접시에 나타난 집락의 수를 계수하여 확인하였다
<실험예 1> 반응기의 직경에 따른 각 자외선 램프 한 개당 대장균에 대한 살균
각 자외선 램프의 한 개당 최적 살균 범위를 알아보기 위해, 자외선 램프(12)가 한 개 설치된 직경이 55, 80 및 110 ㎜ 인 광촉매 반응기(10)의 대장균에 대한 살균 효과를 실험하였다.
각각의 광촉매 반응기(10)에 TiO2가 코팅된 담체를 넣고 대장균이 포함된 완충 용액을 광촉매 반응기(10)에 순환시킴과 동시에 자외선을 15분간 조사하여 대장균의 살균 효과를 관찰하였고, 이 때 측정 결과는 하기표 2및도 6과같다.
| 살균효과(cell/㎖) | 0 분 | 1 분 | 15 분 |
| 55 ㎜ | 7.1 ×103 | 375 | 13 |
| 80 ㎜ | 7.3 ×103 | 823 | 21 |
| 110 ㎜ | 7.1 ×103 | 3.1 ×103 | 201 |
상기표 2및도 6에 따라, 광촉매 반응기(10)의 직경이 55 ㎜의 경우 1 분 동안에 7.1 ×103cell/㎖에서 375 cell/로 95 %의 살균 효과를 보였으며 15 분 후에는 13 cell/㎖의 개체가 남아 99.8 %의 살균 효과를 보였고, 80 ㎜의 경우 7.3 ×103cell/㎖에서 829 cell/㎖로 88.6 %의 살균 효과를 보였으며 15 분 후에는 21 cell/㎖로 99.7 %의 살균 효과를 보여 초기에는 55 ㎜보다 살균 효과가 감소했지만15 분 후에는 거의 유사한 결과가 관찰되었다. 그러나 110 ㎜의 경우 1 분 동안에 7.1 ×103cell/㎖에서 3.1 ×103cell/㎖로 57.5 %의 살균 효과를 보였고 15 분 후에는 201 cell/㎖의 개체가 남아 97.2 %로 55 ㎜ 와 80 ㎜ 반응기에 비해 살균 효과가 떨어진 것을 알 수 있었다. 따라서 55 ㎜ 와 80 ㎜ 반응기의 살균 효과에서 80 ㎜ 반응기가 1 분 동안의 살균 효과는 다소 떨어졌지만 그 후 살균 효과에서는 비슷한 경향을 보였으며 110 ㎜ 반응기의 살균 효과는 앞의 두 반응기에 비해 현저히 떨어지는 살균 효과를 보이므로 각 자외선 램프(12) 한 개당 반응기의 크기는 55∼80 ㎜ 사이가 가장 적절하다.
<실험예 2> 광촉매 반응기에 공기를 주입하였을 경우 대장균에 대한 살균
본 발명의 자외선 광촉매 반응기(10)에 30 L/min 공기를 공기 펌프(31)를 이용하여 공기 유입관(30)을 통해 주입하였으며, 15 분 동안 대장균에 대한 살균 효과를 관찰하였다. 공기를 주입하지 않은 경우 대장균에 대한 살균 효과와 비교하였다. 이 때 측정 결과는 하기표 3및도 7과같다.
| 살균효과(cell/㎖) | 0 분 | 1 분 | 15 분 |
| 공기를 주입하지 않은 경우 | 7.1 ×103 | 668 | 70 |
| 공기를 주입한 경우 | 7.1 ×103 | 357 | 13 |
상기표 3및도 7에 따라, 공기를 주입하지 않은 경우 1 분 동안에 7.1 ×103cell/㎖에서 668 cell/㎖로 90.6 %의 살균 효과를 나타냈고, 15 분 후에는 70cell/㎖개의 개체가 생존하였다. 같은 시간동안에 공기를 주입하였을 때의 살균 효과에서는 1 분 후에 7.1 ×103cell/㎖에서 357 cell/㎖로 95 %의 살균 효과를 나타냈고, 15 분 후에는 13 cell/㎖ 의 개체만이 생존하여, 공기를 주입하였을 경우가 그렇지 않은 경우보다 반응 초기에 더 높은 살균 효과를 나타내었다. 이는 광촉매 반응시 주입되는 공기가 광촉매 반응기(10) 내부에 난류를 일으켜 OH·이 보다 효과적으로 유기물과 반응할 수 있도록 해주며 용존산소를 증가시켜 OH·의 생성을 증가시키기 때문이다.
<실험예 3> 광촉매 반응시 과산화수소를 첨가하였을 경우 대장균에 대한 살균
본 발명의 광촉매 반응기(10)에 과산화수소 농도를 10, 15, 20 및 25 ㎎/L 로 조절하면서 반응기에 30 L/min의 공기를 공기 펌프(31)를 이용하여 주입하였으며, 15 분 동안 대장균에 대한 살균 효과를 관찰하였다. 이 때 측정 결과는 하기표 4및도 8과 같다.
| 살균 효과(cell/㎖) | 0 분 | 1 분 | 15 분 |
| 0 ㎎/L | 7.3 ×103 | 267 | 13 |
| 10 ㎎/L | 7.5 ×103 | 242 | 14 |
| 15 ㎎/L | 9.2 ×103 | 203 | 5 |
| 20 ㎎/L | 8.5 ×103 | 157 | 완전 살균 |
| 25 ㎎/L | 8.5 ×103 | 82 | 10분 후 완전 살균 |
상기표 4및도 8에 나타난 바와 같이 과산화수소를 넣지 않았을 경우 7.3×103cell/㎖에서 1 분 후에 267 cell/㎖로 96 %의 살균 효과를 나타냈고, 15 분 후에도 13 cell/㎖ 개체가 생존하여 99.8 %의 살균 효과를 보였다. 10 ㎎/L의 과산화수소를 주입하였을 경우에는 7.5 ×103cell/㎖에서 1 분 후에 242 cell/㎖로 96.7 %의 살균 효과를 보여 첨가하지 않았을 때보다 약간 높은 살균 효과를 보였지만 15 분 후에는 99.8 %의 살균 효과로 유사한 살균 효과를 보였다. 15 ㎎/L에서는 9.2 ×103cell/㎖에서 1 분 후에 203 cell/㎖로 97.8 %의 살균 효과를 보였고 20 ㎎/L를 첨가한 경우에는 8.5 ×103cell/㎖에서 1 분 후에 157 cell/㎖로 98 %의 살균 효과를 보였고 15 분 후에는 완전히 살균되었음을 보여주었다. 과산화수소의 농도를 25 ㎎/L 첨가할 경우에는 8.5 ×103cell/㎖에서 82 cell/㎖로 99 %의 살균 효과를 보였으며 10 분 후에는 완전히 살균되었음을 알 수 있었다. 그러므로 용수에 소량의 과산화수소의 첨가시킨 살균 방법은 살균 효과를 매우 높이는 효과를 얻을 수 있다.
<실험예 4> 처리수량의 변화에 대한 살균 효과
본 발명의 광촉매 반응기(10)에 처리수량을 2 배 증가 시킨 후 과산화수소 농도를 각각 20, 25, 30 및 50 ㎎/L 로 조절하고 광촉매 반응기(10)에 30 L/min의 공기를 공기 펌프(31)를 이용하여 주입하면서 대장균에 대한 살균 효과를 관찰하였다. 이 때 측정 결과는 하기표 5및도 11과같다.
| 살균 효과(cell/㎖) | 0 분 | 1 분 | 2 분 | 5 분 | 15 분 |
| 0 ㎎/L | 3.2 ×104 | 1.5 ×104 | 1.2 ×104 | 1.8 ×103 | 37 |
| 20 ㎎/L | 3.8 ×104 | 1.1 ×104 | 7.0 ×103 | 1.8 ×103 | 15 |
| 25 ㎎/L | 3.1 ×104 | 2.2 ×104 | 1.5 ×103 | 2 ×102 | 4 |
| 30 ㎎/L | 3.5 ×104 | 1.9 ×104 | 1.0 ×103 | 82 | 2 |
| 50 ㎎/L | 3.4 ×104 | 1.1 ×104 | 8.5 ×102 | 13 | 1 |
상기표 5및도 11에 따라 과산화수소를 첨가하지 않았을 경우에는 1 분 동안에 3.2 ×104cell/㎖에서 1.5 ×104cell/㎖로 51 %의 살균 효과를 나타냈고 2 분 후에는 1.2 ×104cell/㎖로 62.3 %의 살균 효과를 나타냈으며 5 분 후에는 1.8 ×103cell/㎖로 94.3 %의 살균 효과가 관찰되었고 15 분 후에는 37 cell/㎖로 99.8 %의 살균 효과를 나타내었다. 20 ㎎/L의 과산화수소를 첨가했을 경우에는 1 분 동안에 3.8 ×104cell/㎖에서 1.1 ×104cell/㎖로 69.3 %의 살균 효과를 보였고 2 분 후에는 7.0 ×103cell/㎖로 81.8 %의 살균 효과를 나타냈고 5 분 후에는 1.8 ×103cell/㎖로 95.3 %의 살균 효과를 보였으며 15 분 후에는 15 cell/㎖로 99.9 %의 살균 효과가 관찰되었다. 과산화수소를 25 ㎎/L 처리하였을 경우 1 분 동안에 3.1 ×104cell/㎖에서 2.2 ×103cell/㎖로 92.8 %의 살균 효과를 보였고 2 분 동안에 1.5 ×103cell/㎖로 95.2 %의 살균 효과를 나타냈으며 15 분 후에는 4 cell/㎖로 99.98 %의 살균 효과가 관찰되었다. 30 ㎎/L의 과산화수소를 첨가했을 경우에는 1 분 동안에 3.5 ×104cell/㎖에서 1.9 ×103cell/㎖로 94.4 %의 살균 효과를 보였으며 5 분 후에는 82 cell/㎖로 99.7 %의 살균 효과를 나타냈고 15 분 후에는 2 cell/㎖로 99.99 %의 살균 효과를 보였다. 또한 50 ㎎/L의 과산화수소가 처리되었을 경우에는 1 분 동안에 3.4 ×104cell/㎖에서 1.1 ×103cell/㎖로 96.6 %의 살균 효과를 보였으며 5 분 후에는 13 cell/㎖로 99.96 %의 살균 효과를 나타냈고 15 분 후에는 단지 1 cell/㎖의 개체만 관찰되어 99.99 %의 살균 효과를 보였다.
<실험예 5> 콩나물 침종수에 존재하는 세균에 대한 살균 효과
완충액내의 대장균이 아닌 실제 용수에 대한 살균 실험으로 콩나물 콩을 침종시킨 침종수를 용수로 사용하였다. 광촉매 반응기(10)에 30 L/min의 공기를 주입하였으며, 과산화수소의 농도를 0, 25, 50 및 75 mg/L으로 각각 조절하면서 90 분 동안 콩나물 침종수내에 존재하는 세균에 대한 살균 효과를 관찰하였다. 이 때 측정 결과는 하기표 6과도 12와 같다.
| 과산화수소의 농도 | 1 분 | 15 분 | 30 분 | 90 분 |
| 0 ㎎/L | 82.9 % | 99.7 % | 99.1 % | 99.5 % |
| 25 ㎎/L | 82.6 % | 99.4 % | 99.5 % | 99.9 % |
| 50 ㎎/L | 88.2 % | 99.8 % | 99.9 % | 99.99 % |
| 75 ㎎/L | 91.2 % | 99.8 % | 99.99 % | 완전 살균 |
상기표 6및도 12에 따라 4 시간 침종한 침종수 내 세균의 초기 개체수는4.0 ×104cell/㎖로 1 분 동안에 6.8 ×103cell/㎖로 82.9 %의 살균 효과를 보였다. 15 분 후에는 123 cell/㎖로 99.7 %의 살균 효과를 나타냈지만, 30분 후에는 343 cell/㎖로 살균 효과가 약간 감소하다가 다시 살균 효과가 증가하는 것을 보여 90분 후에는 220 cell/㎖로 99.5 %의 살균 효과를 나타내었다. 과산화수소를 25 ㎎/L 첨가시에는 1 분 동안에 82.6 %의 살균 효과를 보였으며, 15 분 후에는 99.4 %, 30분 후에는 99.5 %, 90 분 후에는 99.9%의 살균 효과를 나타내어 초기에는 과산화수소를 첨가하지 않았을 때와 비슷한 결과를 보였지만, 살균이 끝날 때인 90 분 후에는 더 높은 살균 효과를 나타내었고, 과산화수소가 첨가되지 않았을 때와 같이 살균 효과가 중간에 떨어지는 것은 관찰되지 않았다.
과산화수소가 50㎎/L 첨가시 1 분 후에 88.2 %, 15 분 후에 99.8 %, 90 분 후에는 99.99 %의 살균 효과를 보였으며 75 ㎎/L 주입시 1 분 후 91.2 %, 15 분 후 99.8 %, 30 분 후에는 99.99 % 그리고 90 분 후에는 완전히 살균 되었음이 관찰되었다. 이와 같이 콩에 대한 살균 실험에서는 대장균을 이용한 실험에서 보다 효과가 조금 떨어졌으며 살균 후반부에 약간의 균체량이 증가했음을 관찰할 수 있었다. 그러나 대장균을 이용한 실험에서는 영양분이 없는 완충액에 일정 양의 균을 주입하여 살균 실험을 했기 때문에 균의 성장이 더 이상 일어나지 않았지만, 콩에 대한 실험에서는 침종시 콩으로부터 유기산이 용출되고 이는 콩에 부착되어 사는 세균의 영양분 역할을 하기 때문에 세균이 계속 성장하게 되어 수가 증가하였기 때문이다. 그리고 과산화수소를 첨가할 때에는 50 ㎎/L 이상 첨가할 경우 보다 더욱 우수한살균 효과를 나타낸다.
<실험예 6> 콩나물 침종수에 존재하는 곰팡이에 대한 살균 효과
상기 실험예 5와 동일한 방법으로 콩나물 침종수내에 존재하는 곰팡이에 대한 살균 효과를 관찰하였다. 이 때 측정결과는 하기표 7및도 13과 같다.
| 과산화수소의 농도 | 1 분 | 15 분 | 90 분 |
| 0 ㎎/L | 69.3 % | 99.6 % | 99.7 % |
| 25 ㎎/L | 71.1 % | 99.5 % | 99.88 % |
| 50 ㎎/L | 90 % | 완전 살균 | - |
| 75 ㎎/L | 93.7 % | 4 분 후 완전 살균 |
상기표 7및도 13에 따라 4 시간 침종수내의 곰팡이의 초기 개체수는 1.0 ×104cell/㎖ 이었으며 1 분 동안의 살균 효과는 69.3 %이었고, 15 분 후에는 99.6 %, 90 분 후 99.7 %의 살균 효과를 나타내었다. 과산화수소를 25 ㎎/L 첨가할 경우에는 1 분 후에 71.1 %의 살균 효과를 보였고, 15 분 후 99.5 %, 90 분 후 99.88 %의 살균 효과를 보였다. 50 ㎎/L의 경우 1 분 후 90 %, 10 분 후 99.8 %, 15 분 후에는 완전히 살균되었다. 75 ㎎/L을 주입했을 경우 1 분 후에 93.7 %의 살균 효과를 나타냈고 4 분 후에는 완전히 살균되어 곰팡이가 관찰되지 않았다. 곰팡이의 살균에서는 세균에 비해 초기에 살균 효과가 훨씬 떨어졌음을 알 수 있었으며, 이것은 곰팡이가 세균보다는 더 강한 세포벽으로 구성되어 있기 때문이다. 그리고 과산화수소를 첨가하여 살균할 경우 본 실험에서 세균의 경우보다 적은 양의 과산화수소를 첨가했어도 살균효과가 더 높게 나타난 것은 침종수내의 초기 개체수의차이이기 때문이다.
<비교예 1> 충진물에 따른 살균 효과
광촉매로 사용되는 TiO2로 코팅된 다공성 담체와 유리구슬의 살균 효과를 비교하기 위해 광촉매 반응기(10)에 TiO2로 코팅된 각각의 담체를 충진시키고, 30 L/min의 공기를 주입하면서 15 분간 자외선을 조사하여 대장균에 대한 살균 효과를 관찰하였다. 이 때 측정 결과는 하기표 8및도 5와 같다.
| 살균 효과(cell/㎖) | 0 분 | 1 분 | 15 분 |
| 다공성 담체 | 7.2 ×103 | 370 | 1 |
| 유리 구슬 | 7.1 ×103 | 357 | 13 |
상기표 8및도 5는 TiO2코팅된 다공성이 매우 큰 백운모 분말을 이용한 담체와 유리 구슬의 대장균에 대한 살균 효과를 비교한 것으로, TiO2코팅된 유리 구슬의 경우 1 분 동안에 7.1 ×103cell/㎖에서 357 cell/㎖로 95 %의 살균 효과를 나타내었고, 15 분 후에는 13 개의 개체가 남아 99.8 %의 살균 효과를 나타내었다.
TiO2코팅된 다공성 담체의 경우 1 분 동안의 살균 효과가 7.2 ×103cell/㎖에서 370 cell/㎖로 95 %의 살균 효과를 보여 TiO2코팅된 유리구슬과 거의 유사한 살균 효과를 보였다. 그러나 15 분 후에는 1 cell/㎖의 개체만 남아 99.9 %의 살균 효과로 유리 구슬보다 약간 우수하였다.
또한, 유리 구슬에 TiO2을 코팅한 것은 시간이 지남에 따라 탈착되기 때문에 일정 시간이 지나면 유리구슬을 새로 코팅하여야 하는 어려움이 있었다. 그러나 다공성이 높은 백운모를 이용해 제조한 담체의 경우 다공질 내부에 TiO2용액이 유리 구슬 보다 쉽게 스며들 수 있으며, 고온으로 처리하였기 때문에 탈착되는 것이 관찰되지 않았다.
<비교예 2> 자외선 조사없이 과산화수소에 의한 살균 효과
자외선 조사없이 과산화수소에 의한 살균 효과를 비교 실험 하기 위해 자외선 조사 없이 과산화 수소를 25 ㎎/L 첨가 후 대장균의 살균 효과를 관찰하였다. 이때 측정 결과는도 9와같다.
도 9에 따르면, 5분 후에 완전히 살균되어 균이 검출되지 않았던 25 mg/L의 과산화수소의 농도에서 과산화수소만의 살균효과는 15분 후에도 단지 51%의 살균 효과만을 보여 주었다. 따라서 세균이 단순히 과산화수소에 의해 살균되는 것이 아니며 자외선 조사와 함께 과산화수소를 첨가하면 높은 살균 효과를 나타내는 것을 알 수 있었다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 광촉매 반응에 의한 용수 살균 방법 및 장치는 용수의 살균 시간을 단축할 수 있으며, 살균시 공기 및 과산화수소의 첨가에 따라 살균 효과를 증가시키고, 소형으로 제작이 가능하여 좁은 장소에 설치가 가능하고, 광촉매 반응기의 분리가 가능하여 장치의 세척이 간편하여 용수의 살균에 매우 효과적으로 이용할 수 있다.
Claims (13)
- 용수를 광촉매 반응기를 통과시켜 광촉매 반응에 의해 살균하기 위한 장치에 있어서,용수를 저장하는 용수 저장소,유입구, 유출구 및 광촉매로 코팅된 다공성 담체, 전극부위가 광촉매 반응기의 외부로 돌출되어 설치되는 자외선 램프, 및 공기 유입관을 포함하는 광촉매 반응기,상기 용수 저장소와 광촉매 반응기 사이에 위치하는 유입 펌프,상기 공기 유입관으로 공기를 유입시키는 공기 펌프, 및상기 광촉매 반응기를 통과하여 살균 처리된 용수를 저장하는 살균처리된 용수 저장소로 이루어지며,이때, 상기 광촉매로 코팅된 다공성 담체는 백운모를 초벌구이한 뒤 그 표면을 광촉매로 코팅한 후 다시 열처리하여 제조된 것이며, 제조된 광촉매 코팅된 다공성 담체는 그 직경이 6 ~ 10 mm인 것을 특징으로 하는 용수 살균 장치.
- 제 1항에 있어서, 상기 유입구 및 유출구가 광촉매 코팅된 다공성 담체의 광촉매 반응기 외부로 유출되는 것을 방지하기 위한 광촉매 여과망을 포함하는 것을 특징으로 하는 살균 장치.
- 제 1항에 있어서, 상기 유입구 및 유출구가 광촉매 반응기 내부에서의 잔류 시간을 높이기 위하여 광촉매 반응기의 상 ·하단에 대각선 방향으로 구성된 것을특징으로 하는 살균 장치.
- 제 1항에 있어서, 상기 광촉매가 TiO2인 것을 특징으로 하는 살균 장치.
- 삭제
- 제 1항에 있어서, 상기 자외선 램프가 광촉매 반응기 내부에 수평 방향으로 구성하되 각 램프가 일정 간격을 유지하도록 구성하는 것을 특징으로 하는 살균 장치.
- 삭제
- 제 1항에 있어서, 상기 공기 유입관은 광촉매 반응기 하단에 일정 간격으로 천공되어 구성되는 것을 특징으로 하는 살균 장치.
- 제 1항에 있어서, 상기 광촉매 반응기가 밀폐를 위하여 내 ·외측 프래임 사이에 오링(O-ring)을 샌드위치시켜 제작되는 것을 특징으로 하는 살균 장치.
- 제 1항에 있어서, 상기 광촉매 반응기가 내부의 관찰이 가능하도록 투명 아크릴로 밀폐 제작되는 것을 특징으로 하는 살균 장치.
- 제 1항에 있어서, 상기 광촉매 반응기가 병렬로 배치가 가능한 것을 특징으로 하는 살균 장치.
- 광촉매 반응에 의한 용수 살균 방법에 있어서 청구항 1항의 살균 장치를 이용하여,과산화수소가 첨가된 용수를 광촉매가 코팅된 다공성 담체가 충진되어 있는 광촉매 반응기에 주입하고,공기 유입관으로 공기를 주입시킴과 동시에 자외선을 조사시키는 단계를 포함하는 광촉매 반응에 의한 용수의 살균 방법.
- 제 12항에 있어서, 상기 과산화수소가 25∼50 ㎎/L 첨가되는 것을 특징으로 하는 살균 방법.
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