KR100581746B1 - 수처리 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 수처리 장치에 관한 것으로, 원수 제공부; 및 상기 원수 제공부와 결합되고, 오존 및 오존과 페록시라디칼의 반응으로 생성된 수산화라디칼로 원수를 처리하는 산화처리부;를 구비한 수처리 장치를 제공한다. 본 발명은 강력한 산화제인 수산화라디칼의 생성율을 향상시켜 원수의 정화효율을 높이고, 오존 기체의 공급량 및 수처리 장치의 규모를 최소화하거나 불필요하게 되어 과다한 부지면적과 운영비용이 소요되는 문제점을 해결할 수 있다.
수처리, 수산화라디칼
Description
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 수처리 장치의 구성 개략도,
도 2는 본 발명에 따른 수처리 장치의 페록시라디칼 생성부를 도시한 도,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따라 생성되는 이산화타이타늄(TiO2)의 자외선 조사에 의한 생성되는 페록시 라디칼 농도를 나타낸 도,
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 페록시 라디칼에 의한 오존 분해 정도를 나타낸 도,
도 5는 본 발명의 또다른 일실시예에 따른 관형의 수처리 장치의 구성도,
도 6은 본 발명의 또다른 일실시예에 따른 수처리 장치의 여과지층을 도시한 도,
도 7은 본 발명에 일 실시예에 따른 하이드록실 라디칼의 생성 정도를 측정한 도,
도 8은 본 발명에 일 실시예에 따른 오염물 정화 정도를 측정한 도이다.
** 도면의 주요 부호에 대한 설명 **
1: 원수 제공부 2: 페록시라디칼 생성부
3: 산화처리부 4: 오존공급부
5: 오존 제거부 6: 여과지층
7: 과산화수소 주입부
21: 유입구 22: 유출구
23: 코일형 튜브 24: 자외선 램프
25: 냉각팬
본 발명은 수처리 장치에 관한 것으로, 오존과 페록시 라디칼의 신속한 반응에 의해 산화력이 강력한 하이드록실 라디칼(Hydroxyl radical, OH·)의 생성을 극대화하도록 유도함으로써 오염물질과 병원성 미생물을 보다 효과적으로 처리할 수 있는 수처리 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
각종 산업체로부터 배출된 유기독성 화합물, 농약 등으로 인한 상수원 및 하천의 오염은 전세계적으로 커다란 문제점으로 대두되고 있으며, 이에 따라 수처리 장치 및 수처리 방법에 대한 관심이 나날이 증가하고 있는 추세에 있다.
종래의 수처리 장치에서는, 염소소독의 부산물인 트리할로메탄(trihalomethane;THM) 생성억제의 대안으로, 맛, 응집침전 개선효과 및 생물학적 활성도 증대효과 등의 장점을 가지고 있을 뿐만 아니라 강한 산화력을 가지고 있는 오존이 널리 사용되어 왔다. 그러나 실제로 오존은 대다수의 유기물(Geosmin, MlB와 THM과 같은 포화탄화수소, 농약 등)과의 반응이 느리거나 또는 어떤 유기물과는 전혀 반응을 하지 않는 등 유기물과의 반응이 매우 선택적이며, pH, 온도 및 수중 무기염류 등과 같은 처리공정 인자들로 인해 그 산화능력에 큰 영향을 받는 등 큰 결점을 가지고 있는 것으로 알려진 바가 있으며, 이러한 결점을 극복하기 위한 노력의 일환으로서 고도산화공정(Advanced Oxidation Process; AOP)을 이용한 수처리 방법이 개발되었다.
고도산화공정을 이용한 수처리 방법이란, 강력한 살균 및 산화력을 가지는 화학종을 중간생성물질로 생성하여 수중 오염물질인 유기물 및 독성물질을 산화 처리하는 보다 진보된 수처리 기술을 말한다.
종래에는 1차적으로 압축공기를 산소발생기에 공급한 후에 고농도의 오존을 생성시켜 단순히 수중에 공급하는 기술이 있으나, 오존의 용해율을 증대시키는데 한계가 있으며, 이에 따라 난분해성 유기물을 효과적으로 처리할 수 없게 된다.
또한, 오존처리공정과 활성탄 처리공정이 단일 반응조에서 이루어지도록 구 성되어 수처리하는 기술이 있으나, 오존 자체의 매우 낮은 용해율에 기인하여 오존의 주입 초기에 그 용해도가 제한받게 되어 오존의 활용 효율이 낮아지게 될 뿐만 아니라 용존된 오존이 수초 이내에 순간적으로 소모되어 오존의 의한 효율적인 수처리를 기대하기가 어려운 단점이 있다.
또한, 종래의 수처리 기술들은 충분한 오존의 반응성을 확보하기 위해 요구되는 상당한 크기의 반응조가 필요하고 또한 그에 따른 충분한 반응시간의 확보가 요구된다. 따라서, 종래의 오존 및 오존 조합공정에 따른 고도산화공정들은 과다한 부지면적과 운영비용이 소요되는 문제점이 지적되고 있다.
이에 본 발명은 상기의 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명은 오존/페록시 라디칼 고도산화공정을 이용하여 수산화라디칼의 생성율이 극대화되도록 유도하고 그 처리효율이 향상되도록 구조가 개선되어 원수의 정화효율을 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라 주입된 오존이 페록시라디칼에 의해 수초 ~ 수십초 이내로 신속하게 분해하도록 유도할 수 있어 기존의 수처리 장치내 반응조의 규모를 최소화거나 요구되지 않는 수처리 장치 및 수처리 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 원수 제공부; 및 상기 원수 제공부와 결합되고, 오존 및 오존과 페록시라디칼의 반응으로 생성된 수산화라디칼로 원수를 처리하는 산화처리부;를 구비한 수처리 장치를 제공한다.
또한, 자외선 조사하에 이산화타이타늄을 촉매로 하여 산소를 반응시켜 페록시라디칼을 생성하고, 상기 산화처리부로 상기 페록시라디칼을 유출하는 페록시라디칼 생성부를 더 구비한 것을 특징으로 하는 수처리 장치를 제공한다.
또한, 상기 페록시라디칼 생성부는 튜브 형상이며 튜브의 전부 또는 일부가 자외선 조사 방향으로 진행하는 코일 형상인 것을 특징으로 하는 수처리 장치를 제공한다.
또한, 상기 이산화타이타늄은 상기 페록시라디칼 생성부의 내벽에 코팅된 것을 특징으로 하는 수처리 장치를 제공한다.
또한, 상기 페록시라디칼 생성부는 원수 제공부와 연결되어 산소가 용존된 원수의 일부를 공급받는 유입구를 구비한 것을 특징으로 하는 수처리 장치를 제공한다.
또한, 상기 원수 유입부 및 산화처리부 중 하나 이상은 오존을 공급하는 오존 공급부를 구비한 것을 특징으로 하는 수처리 장치를 제공한다.
또한, 상기 원수 유입부 및 산화처리부 중 하나 이상은 내부에 비용해 오존 및 용존오존을 미세기포로 나누는 여과지층을 구비한 것을 특징으로 하는 수처리 장치를 제공한다.
또한, 상기 여과지층은 다공성 활성탄을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 수처리 장치를 제공한다.
또한, 상기 원수 제공부, 페록시라디칼 생성부 및 산화처리부는 관형인 것을 특징으로 하는 수처리 장치를 제공한다.
또한, 상기 관형 페록시라디칼 생성부의 내부직경은 1~10mm인 것을 특징으로 하는 수처리 장치를 제공한다.
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이하, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 수처리 장치를 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 수처리 장치 구성도이다. 도시된 바와 같이, 원수 제공부(1), 페록시라디칼 생성부(2), 산화처리부(3), 오존공급부(4), 오존 제거부(5)를 포함하여 이루어져 있다. 상기 구성들은 제한되지 않으나 유기적으로 연결되어 반응용액들이 흘러가는 과정속에서 반응이 진행되도록 구성되는 것이 바람직하다. 즉, 각 구성들이 도시된 바와 같이 유기적으로 연결되어 원수의 유연한 흐름속에서 수처리가 되는 것이 바람직하다.
특히 각 구성들이 관형으로 형성되어 유연한 흐름속에서 신속하게 수처리되는 것이 바람직하다. 본 발명은 산화력이 강력한 수산화라디칼을 이용하여 수처리하고 특히 수산화라디칼의 생성 효율이 향상될 수 있도록 페록시라디칼 생성부 등을 구비하므로 단시간내에 수처리가 가능하다. 따라서, 특별한 반응조 구비 없이 관형으로 생긴 상기 구성들을 통하여 유연한 원수의 흐름속에서 수처리가 가능한 것이다.
상기 원수 제공부(1)는 수처리가 요구되는 원수을 제공하는 역할을 한다. 상기 원수는 제한되지 않으며 정수 및 오폐수 등 제한되지 않는다.
상기 원수 제공부(1)는 산화처리부(3)와 연결된다. 바람직하기로는 원수 제공부는 상기 오존공급부와 상기 페록시라디칼 생성부(2)와도 연결되는 것이 좋다. 원수가 흘러가는 방향에서 볼 때, 원수 제공부에 연결되는 오존공급부의 위치는 원수 제공부와 연결되는 페록시라디칼 생성부의 위치보다 먼저 연결될 수도 있고 후에 연결될 수도 있으며 제한되지 않는다.
다음, 상기 오존공급부(4)는 오존을 공급하는 장치로, 상기 원수 유입부 및 산화처리부 중 하나 이상에 오존 공급부를 장치한다. 오존 공급부는 복수로 구비될 수 있다.
다음, 상기 페록시라디칼 생성부(2)는 자외선 조사하에 이산화타이타늄을 촉매로 하여 산소를 반응시켜 페록시라디칼을 생성하고, 상기 산화처리부로 상기 페록시라디칼을 유출한다. 특정 구성을 갖는 페록시라디칼 생성부에서 별도로 페록시라디칼을 생성시킴으로써 페록시라디칼 생성 효율이 향상된다.
도 2는 본 발명에 따른 수처리 장치의 페록시라디칼 생성부(2)의 일실시예를 도시한 도이다. 도시되어 있는 바와 같이 관형의 튜브 형상이 바람직하며 튜브의 전부 또는 일부가 자외선 조사 방향으로 진행하는 코일형 튜브(23)인 것이 페록시라디칼 생성반응의 효율을 높이기 위해 바람직하다. 즉, 외형상 코일형태를 취하고 있어 자외선램프(24)로부터 조사되는 자외선의 조사면적을 보다 효율적으로 증가시키도록 구성된다. 상기 페록시라디칼 생성부(2)는 원수 제공부와 연결되어 산소가 용존된 원수의 일부를 공급받는 유입구(21)와 화학반응기로 유출하는 유출부(22)가 구비된다. 상기 관형의 튜브는 제한되지 않으나 자외선이 투과될 수 있는 재질이 바람직하며 석영재질이 좋다. 상기 관형의 튜브 내부 직경은 1 ~ 10mm인 것이 좋으며 도 2에 도시된 코일형 튜브의 길이 D는 10~20mm가 바람직하나 이에 제한되는 것은 아니다. 이는 자외선 조사면적이 크도록 코일형을 하고 있기 때문에 튜브 내부 직경이 1 ~ 10 mm로 협소하여도 충분하다. 내부직경이 작으므로 수처리 장치의 크기를 줄일 수 있다.
자외선 램프 및 반응시 발생하는 온도를 감소시키기 위한 냉각팬(25)을 더 구비할 수 있다. 필요에 따라, 상기 페록시라디칼 생성부를 별도로 구비되지 않고 상기 원수 유입부 또는 산화처리부에서 페록시라디칼 생성 반응을 수행할 수도 있다.
또한, 상기 페록시라디칼 생성부(2)의 내벽, 즉, 상기 코일형 튜브의 내벽에는 이산화타이타늄이 코팅되는 것이 바람직하다. 일부에만 코팅될 수도 있다. 상기 이산화타이타늄은 나노크기의 입자로 코팅하는 것이 바람직하다. 이산화타이타늄은 매우 견고하게 부착되어 있어 수용액상에서도 상당 기간 재사용이 가능하다. 유입구를 통해 유입되는 용존 산소분자를 함유하고 있는 원수를 이산화타이타늄에 의해 광화학적인 반응을 통해 페록시라디칼이 생성되게 된다.
상기 페록시라디칼 생성부(2)에서 페록시 라디칼을 생성하는 반응은 다음과 같다. 하기의 식 1과 같이 코일 반응기(11)에 도핑되어 있는 이산화타이타늄과 자외선이 반응하여 양이온의 홀(h+)과 음이온의 전자(e-)를 형성하고, 이 음이온의 전자는 하기의 식 2와 같이 외부에서 유입되는 원수에 포함되어 있는 산소와 결합하여 페록시라디칼을 생성한다. 그리고 생성된 페록시라디칼은 하기의 식 3과 같이 수용액상에서 산-염기 평형(KHO2 = 4.88)을 이루게 된다.
[식 1] TiO2 + 자외선 → h+ + e-
[식 2] e- + O2 → O2 -·
[식 3] O2 -· + H+ ↔ HO2·
도 3은 상기 페록시라디칼 생성부(2)에서 생성되는 페록시라디칼의 농도를 측정한 그래프이다.
상기 페록시라디칼 생성부에 의해 생성되는 페록시라디칼의 농도를 측정함에 있어서는, 상기 페록시라디칼과 반응성이 높은 MCLA(2-methyl-6-(p-methoxyphenyl)-3, 7-dihydroimidazo-[1,2-alpyrazin-3-one)을 이용한 화학적 발광 검출 연속 주입 분석시스템(Flow injection analysis with chemiluminescence detection)이 사용되었는데, 이때 사용된 방법은 2003년에 젱 등이 학회지(Anal. Chem, 2003, 75, pp, 4969~4700)에 보고한 바에 따라 측정되었고, 페록시 라디칼의 검량화 방법은 2004년에 권 등이 학회지(Anal. Chem, 2004, 76, pp, 6359~6364)에 보고한 원리에 따라 수행되었다. 그 결과, 생성된 페록시라디칼의 농도는 도 3과 같은 결과를 얻을 수 있게 된다. 이때 사용된 실험 조건은 pH는 5.80, 조사되는 자외선 파장범위는 200㎚ 내지 400㎚, MCLA 농도는 10μM이었다.
도 3을 참조하면, 이산화티타늄이 코팅되어 자외선 조사시 수중에 산소농도가 증가함에 따라 생성되는 페록시라디칼의 농도가 급격하게 증가하는 반면에, 산소가 거의 없도록 질소가스의 폭기시 생성되는 페록시라디칼의 농도는 급격하게 감소함을 보여주고 있다. 따라서, 이산화티타늄의 자외선 조사하에서 충분한 용존 산소 농도를 확보하는 것이 바람직하다.
도 4는 과산화수소 농도에 따른 페록시라디칼의 농도를 나타낸다. 페록시라디칼의 생성을 극대화하기 위해 이산화티타늄이 도핑된 반응조에 과산화수소를 주입하여 자외선을 조사하였는데, 도 4에서 나타낸 바와 같이 약 과산화수소 농도가 10mM까지 페록시라디칼의 농도를 급격하게 증가하다가 그 이후로 완만하게 페록시라디칼의 농도가 증가함을 보여주고 있다. 따라서, 과산화수소의 농도를 증가시키는 것이 페록시라디칼의 농도 증가에 바람직하고 증가된 페록시라디칼은 유입되는 오존과 급격하게 반응하게 된다. 이에 따라 도 1에 도시된 바와 같이 페록시라디칼 생성부의 유입구에 과산화수소를 주입할 수 있는 과산화수소 주입부(7)를 더 구 비하는 것이 바람직하다.
다음, 상기 산화처리부(3)에서는 상기 원수 제공부와 결합되어 원수 및 오존(오존은 산화처리부에 별도로 오존 공급부를 구비하여 제공받을 수도 있다)을 원수 제공부로부터 공급받고, 상기 페록시라디칼 생성부로부터 페록시라디칼을 공급받아 이들의 반응으로 생성된 수산화라디칼로 원수를 처리하는 장치이다. 산화처리부(3)는 도 5에 도시된 바와 같이 관형의 튜브형상인 것이 바람직하며, 특별히 다른 구성과 나누어지는 것이 아니라 연속된 관으로 형성되는 것이 좋다.
수산화라디칼 생성 반응은 하기의 식 4 내지 식 6과 같으며, 페록시라디칼은 오존과 매우 신속하게 반응하여 수산화라디칼을 생성하게 된다.
[식 4] O3 + O2 -· → O3 -· + O2
[식 5] O3 -· → O-· + O2
[식 6] O-· + H+ ↔ ·OH
오존이 페록시라디칼과 반응한다면 상기의 식 4로부터 하기의 식 7과 같은 수학식이 도출된다.
[식 9] 
이때 오존과 페록시라디칼 간의 속도상수값(kO3,O2-)은 1.52 × 109 M-1s-1로 알려져 있고, 만약 초기 주입된 오존의 95%가 분해되고 페록시라디칼의 농도가 0.1 ~ 10 nM이라고 가정한다면 오존이 분해되는데 걸리는 반응시간은 0.15초 ~ 10여초 정도가 될 정도로 매우 빠른 반응을 보여주며 이 반응을 통해 반응성 강한 수산화라디칼을 생성하게 된다. 또한 페록시라디칼과 오존 간의 신속한 반응으로 인해 불필요한 순간적인 오존 소모를 방지할 수 있으며 부가적으로 강력한 수산화라디칼을 이용하여 수중에 용존 유기물을 산화반응에 의해 분해할 수 있다. 상기와 같은 과정을 거치게 됨으로써 종전 오존 이용효율 60%보다 약 20~30%가 더 향상될 수 있다.
도 5는 본 발명의 또다른 일실시예에 따른 수처리 장치의 평면 개략도로서, 도시된 바와 같이 산화처리부(3)는 관형의 튜브형상인 것이 바람직하며, 특별히 다른 구성과 나누어지는 것이 아니라 연속된 관으로 형성되는 것이 좋다. 또한, 원수 제공부(1), 페록시라디칼 생성부(2) 및 산화처리부(3)는 관형인 것이 좋으며 원수가 유연하게 흘러갈 수 있도록 하는 것이 좋다.
다음, 상기 산화처리부(3)는 산화 처리된 원수가 배출되는 유출구를 구비하고, 상기 유출구에 도 1에 도시된 바와 같이 오존 제거부가 구비되는 것이 바람직하다. 상기 오존제거부(5)는 배출될 원수내에 잔존하는 오존을 제거하기 위한 것으로, 잔류 오존을 흡착하여 파괴하기 위해 활성탄으로 이루어지는 것이 좋다.
도 6은 본 발명의 또 다른 일실시예를 도시한 도로서, 상기 원수 유입부 및 산화처리부 중 하나 이상은 내부에 비용해 오존 및 용존오존을 미세기포로 나누어 수산화라디칼을 보다 효율적으로 생성시키기 위한 여과지층(6)을 구비하는 것이 좋다.
상기 여과지층(6)은 도시된 바와 같이, 다공성으로 이루어지는 것이 좋으며 다수가 존재하는 것이 좋다. 오존기체를 미세기포로 나누기 때문에 오존의 반응 표면적이 증가하게 되어 수산화라디칼이 보다 효율적으로 생성될 수 있다. 또한 여과지층을 활성탄으로 구성할 경우 오존이 활성탄에 흡착되어 산화처리부에 잔존하는 시간이 증가되고 이에 따라 수산화라디칼 생성 효율이 증가하게 된다. 또한, 오존에 의해서도 활성탄에 흡착된 오염물이 처리될 수 있어 바람직하다.
상기 활성탄은 입자상의 활성탄으로 이루어지며, 상기 여과지층은 상기 관형의 산화처리부 또는 원수 유입부 내부에 10㎝ 내지 20㎝의 두께로 층을 형성하는 것이 좋으며, 이때 오존의 분해시 활성탄은 촉매로 작용하여 수산화라디칼을 효과적으로 형성시키게 된다.
도 7 및 도 8은 본 발명에 따른 수처리 장치의 페록시라디칼과 오존의 반응으로 생성되는 수산화라디칼에 의해 분해되는 정도를 측정한 그래프이다. 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 수처리 장치는 오존 단독 공정에 비해 수처리 효율이 높은 것을 알 수 있다.
삭제
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시 예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
본 발명에 따르는 수처리 장치는, 강력한 산화제인 수산화라디칼의 생성율을 향상시킬 수 있으며, 이에 따라 원수의 정화효율을 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라 오존 기체의 공급량 및 수처리 장치의 규모를 최소화하거나 불필요하게 되어 고도산화공정설치에 따른 과다한 부지면적과 운영비용이 소요되는 문제점을 해결할 수 있다.
Claims (13)
- 원수 제공부; 및상기 원수 제공부와 결합되고, 오존 및 오존과 페록시라디칼의 반응으로 생성된 수산화라디칼로 원수를 처리하는 산화처리부;를 구비한 수처리 장치이고,자외선 조사하에 이산화타이타늄을 촉매로 하여 산소를 반응시켜 페록시라디칼을 생성하고, 상기 산화처리부로 상기 페록시라디칼을 유출하는 페록시라디칼 생성부를 더 구비한 것을 특징으로 하는 수처리 장치.
- 삭제
- 제1항에 있어서, 상기 페록시라디칼 생성부는 튜브 형상이며 튜브의 전부 또는 일부가 자외선 조사 방향으로 진행하는 코일 형상인 것을 특징으로 하는 수처리 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 이산화타이타늄은 상기 페록시라디칼 생성부의 내벽에 코팅된 것을 특징으로 하는 수처리 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 페록시라디칼 생성부는 원수 제공부와 연결되어 산소가 용존된 원수의 일부를 공급받는 유입구를 구비한 것을 특징으로 하는 수처리 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 원수 유입부 및 산화처리부 중 하나 이상은 오존을 공급하는 오존 공급부를 구비한 것을 특징으로 하는 수처리 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 원수 유입부 및 산화처리부 중 하나 이상은 내부에 비용해 오존 및 용존오존을 미세기포로 나누는 여과지층을 구비한 것을 특징으로 하는 수처리 장치.
- 제7항에 있어서, 상기 여과지층은 다공성 활성탄을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 수처리 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 페록시라디칼 생성부의 유입구에 과산화수소 주입부가 연결된 것을 특징으로 하는 수처리 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 원수 제공부, 페록시라디칼 생성부 및 산화처리부는 관형인 것을 특징으로 하는 수처리 장치.
- 제10항에 있어서, 상기 관형 페록시라디칼 생성부의 내부직경은 1~10mm인 것을 특징으로 하는 수처리 장치.
- 삭제
- 삭제
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