KR100542270B1 - 오존과 산화티탄 촉매, 전기분해에 의한 수산화 라디칼 발생기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 오존과 전기분해에 의해 수산화 라디칼을 발생하는 장치에 관한 것으로 좀더 상세히는 오존 발생기에서 발생된 오존과 전기 분해장치와 연결된 반도체 촉매를 이용하여 수산화 라디칼의 생성속도와 생성량을 크게 향상시킨 수산화 라디칼 발생기에 관한 것이다.

오존, 전기분해, 반도체 촉매, 수산화 라디칼 발생기, 고급 산화 공법

Description

오존과 산화티탄 촉매, 전기분해에 의한 수산화 라디칼 발생기{Hydroxyl Radical Generator by Ozone, TiO2 Catalyst and Electrolysis}

도 1은 본 발명의 수산화 라디칼 발생기의 단면도이다.

〈도면의 부호설명〉

(1) 유체 유입구 (7) 오존 유출구

(2) 전극 (8) 절연체

(3) 전선(음극) (9) 전선(양극)

(4) 촉매 (10) 균등조

(5) 가스 확산석 (11) 유체 유출구

(6) 오존 유입구

본 발명은 오존과 전기분해에 의해 수산화 라디칼을 발생하는 장치에 관한 것으로 좀더 상세히는 오존 발생기에서 발생된 오존과 전기 분해 장치와 연결된 산화티탄 반도체 촉매를 이용하여 수산화 라디칼의 생성속도와 생성량을 크게 향상시킨 수산화 라디칼 발생기에 관한 것이다.
고급 산화 공법(Advanced Oxidation Process; AOP)이란 수중에서 수산화 라디칼(OH^-)을 생성하여 유기물질을 산화ㆍ분해하는 것으로 화학적인 수 처리 방법에서는 가장 진보된 기술로서, 펜톤 산화공정과 광촉매 공정(TiO₂/UV), 오존조합공정(O₃/H₂O₂, O₃/UV) 이에 속한다.

펜톤 산화공정은 과산화수소와 2가 철 이온이 반응하여 발생한 수산화 라디칼의 강한 산화력을 이용하여 폐수 내에 존재하는 난분해성 물질을 분해하는데 사용되었으나, 반응의 촉매로 사용되는 철로 인하여 철 수산화물 형태의 슬러지가 다량 발생하고, 과산화수소 등의 약품비가 많이 드는 문제점이 있었다.
이에 슬러지의 발생이 적은 오존을 이용한 고도 산화 공법이 대두되었다. 오존은 수중에서 자가 분해하여 수산화 라디칼을 형성하여 유기물질을 산화시키므로 슬러지 발생이 없고 산화력이 염소보다 훨씬 크나 수중 중탄산 이온(HCO₃ ^-)에 저해를 받으며, 수산화 라디칼 생성시 율속 단계가 있어 오존 조합 공정이 대두되었다. 오존과 과산화수소 조합공정은 펜톤 산화 공정에 비해 슬러지의 발생량이 적으나, 역시 약품비용이 많이 드는 문제가 발생하였다.
오존과 자외선(Ultraviolet 254nm) 조합공정은 오존이 자외선을 흡수하여 광분해되면서 분해 메카니즘을 통해 수산화 라디칼을 생성하므로 슬러지 발생이 적고 약품비가 적으나, 폐수에 적용시 물의 탁도에 따른 자외선 강도의 현저한 감소로 효율이 떨어졌다.

80년대 이후 많은 연구가 이루어진 광촉매 공정(TiO₂/UV)은 광촉매에 자외선을 조사하여 수산화 라디칼을 생성하여 유기물질을 산화 분해하는 것으로 슬러지 발생량이 적고 약품비가 적으나 공정의 반응속도가 느리고, 폐수에 적용시 자외선 강도의 현저한 저하로 효율이 떨어지는 등의 문제점이 발생하였다.
따라서 이러한 문제점을 극복할 수 있는 새로운 수 처리 방법의 개발이 시급한 실정이다.

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상기 문제점을 극복하기 위하여 본 발명은 오존과 반도체 촉매, 그리고 전기분해에 의해 수질의 성상에 관계없이 빠른 속도로 라디칼을 발생하여 처리속도와 비용을 절감하는 수산화 라디칼 발생기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명자는 오존과 반도체 촉매인 산화티탄, 전기분해에 의해 수산화 라디칼을 발생하는 원리를 이용하여, 슬러지 발생량을 줄이고 약품비를 절감하며 자외선 광원의 문제를 해결하여 폐수에도 효율적으로 적용할 수 있는 고도 산화 공법을 이용한 수산화 라디칼 발생기를 개발하였다.
본 발명은 외주면 일측 하부에 설치된 오존 발생기에서 생성된 오존을 공급하는 오존 유입구; 상기 주입된 오존 가스의 확산을 위해 장치된 가스 확산석;
상기 오존 유입구에 대응되는 외주면에 확산석 높이에 설치되어 반응 처리된 유체를 배출하는 유체 유출구; 가스 확산석 상부에 형성되는 균등조; 상기 균등조 상부에 설치되며, 절연체와 전기 발생장치의 전극 사이에 일정 높이로 충진된 반도체 촉매인 산화티탄; 상기 산화티탄이 충진된 상부의 외주면 일측에 설치된 유체 유입구; 상기 유체 유입구에 대응되는 외주면의 상부에 설치되어 반응 후의 오존 가스를 배출하는 오존 유출구;를 포함하여 구성되며, 전기 발생장치가 연결된 반도체 촉매인 산화티탄에 의해, 유입된 오존이 수산화 라디칼로의 전환속도가 빨라지고, 이로써 발생되는 다량의 수산화 라디칼을 이용하여 유입되는 유체를 처리하는 것을 특징으로 하는 오존과 산화티탄 촉매, 전기분해에 의한 수산화 라디칼 발생기에 관한 것이다.
본 발명에서 응용한 오존과 반도체 촉매인 산하티탄 촉매 및 전기분해에 의해 수산화 라디칼 발생원리는 다음과 같다.
오존 발생기에서 생성된 오존은 두 가지로 반응하는데, 수중에서 오존과 유기물이 직접 결합하여 산화 분해하는 직접반응과, 오존이 수중에서 자가 분해되어 수산화 라디칼을 생성하고, 생성된 수산화 라디칼과 유기물이 결합하여 산화 분해하는 간접반응으로 나뉜다. 상기 직접반응은 반응속도는 빠르나 특정 화합물에만 제한되는 단점이 있는 반면, 간접반응은 직접반응에 비해 반응속도는 느리나 대부분의 화합물에 적용할 수 있는 비제한성이 장점이다.
이러한 간접반응을 지배하는 핵심 산물은 수산화 라디칼이다. 하기 반응식 1은 오존의 수중에서의 분해 메카니즘을 나타낸 것이다(Hoigne, Staehelin, and Bader mechanism).

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제 1단계는 오존발생기에서 생성된 오존과 수중의 OH^-이 반응하여 HO₂와 수퍼옥사이드(superoxide; O₂ ^-)를 생성한다. 여기서 HO₂는 H⁺와 O₂ ^-로 해리된다(1-2단계). 제 2단계는 O₂ ^-와 오존이 반응하여 O₂와 O₃ ^-(ozonide)를 생성한다. 제 3단계는 O₃ ^-와 수중의 H⁺이 반응하여 HO₃라디칼을 생성한다. 제 4단계에서는 HO₃가 O₂와 강력한 산화력을 가진 OH 라디칼로 해리된다.

이하, 도면을 이용하여 본 발명의 구성을 상세히 설명한다.

도 1에서 (1)은 유체 유입구, (11)은 유체 유출구로 처리를 위한 유체는 하향류 방식으로 공급된다. (2)는 전극이며, (3)은 전선(-), (9)는 전선(+), (8)은 절연체이고, (4)는 반도체 촉매이다. (5)는 유입되는 오존 가스의 확산석이며, (6)은 오존 유입구, (7)은 오존 유출구이다. 오존은 상향류 방식으로 유입되어 하향류 방식으로 공급되는 유체와의 접촉을 용이하도록 하였다. (10)은 균등조로서 오존이 골고루 균일하게 유입되도록 하는 역할을 한다.
즉, 본 발명은 오존 발생기에서 생성된 오존을 오존 유입구(6)로 공급하고, 전기 공급 장치에 연결되고 절연체(8)로 구획된 내부 공간에 일정 높이로 충진된 반도체 촉매(4)에 의해 O₃ ^-(ozonide)로 바로 이온화하며, 이온화된 O₃ ^-와 H⁺이 반응하여 HO₃ 라디칼을 생성한 후, HO₃ 라디칼에서 산소와 OH 라디칼을 발생하는 것이다.
따라서, 반응식 1에 있어서 율속 단계인 제 1단계(HO₂ 생성단계)를 거치지 않고 제 2단계(O₃ ^- 생성단계)를 진행하므로 총괄 반응속도가 빨라져 수산화 라디칼의 생성속도와 생성량을 크게 증대시킬 수 있다. 이러한 원리를 이용하여 본 발명의 수산화 라디칼 발생기는 하향류로 유입된 유체를 발생된 수산화 라디칼과 반응하여 처리하고 유출구(11)를 통해 배출되도록 구성하였다.

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본 발명은 오존과 전기분해를 이용한 반도체 촉매 공정으로 율속 단계 제어를 통한 반응 속도 증가로 수산화 라디칼 생성량을 증대하여 하루 수백 만톤의 정수를 생산하는 정수장에 적용시 빠른 수산화 라디칼 생성에 의해 시설 규모 및 유지비를 절감할 수 있다.
따라서, 아파트의 중앙 정수 처리, 농어촌 지역의 간이 상수도 처리, 중수도 처리, 하수의 고도처리 및 석유화학 폐수처리, 난분해성 유기 폐수처리, 염소계 유기폐수, 합성세제 처리, 살균과 침출수의 다이옥신 등의 독성 유기물질의 분해에도 적용할 수 있는 수 처리 장치를 제공할 수 있다.

Claims (2)

1. 삭제
2. 외주면 일측 하부에 설치된 오존 발생기에서 생성된 오존을 공급하는 오존 유입구;

   상기 주입된 오존 가스의 확산을 위해 장치된 가스 확산석;

   상기 오존 유입구에 대응되는 외주면에 확산석 높이에 설치되어 반응 처리된 유체를 배출하는 유체 유출구;

   가스 확산석 상부에 형성되는 균등조;

   상기 균등조 상부에 설치되며, 절연체와 전기 발생장치의 전극사이에 일정 높이로 충진된 산화티탄 촉매;

   상기 산화티탄 촉매가 충진된 상부의 외주면 일측에 설치된 유체 유입구;

   상기 유체 유입구에 대응되는 외주면의 상부에 설치되어 반응 후의 오존 가스를 배출하는 오존 유출구; 를 포함하여 구성되며,

   전기 발생장치가 연결된 산화티탄 촉매에 의해 수중에서 오존이 수산화 라디칼로 전환되는 속도가 빨라지고, 이로서 발생되는 다량의 수산화 라디칼을 이용하여 유입되는 유체를 처리하는 것을 특징으로 하는 오존과 산화티탄 촉매, 전기분해에 의한 수산화 라디칼 발생기.

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