KR100872353B1 - Functional media for water purification and it's manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 하천 및 호수, 하폐수의 수질정화를 위한 기능성 메디아 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 하천, 호수, 하폐수에 포함되어 있는 오염물질을 산화분해하고, 영양염류(질소, 인)를 흡착 및 응집할 수 있도록 하여 수질정화기능을 극대화시킬 수 있는 수질정화용 기능성 메디아 및 그 제조 방법을 제공하기 위한 것이다. The present invention relates to a functional media for the water purification of rivers, lakes and wastewater, and a method of manufacturing the same. More specifically, the present invention oxidizes and contaminates pollutants contained in rivers, lakes and wastewater, and nutrients (nitrogen, phosphorus). It is to provide a functional media for water purification and its manufacturing method that can maximize the water purification function by allowing the adsorption and aggregation.
공공 수역(하천, 호수, 강, 바다 등)에 유입되는 수질오염물질의 발생원은 크게 점오염원(point pollution source)과 비점오염원(nonpoint pollution source)으로 구분할 수 있다.Sources of water pollutants entering public waters (rivers, lakes, rivers, seas, etc.) can be largely classified into point pollution sources and nonpoint pollution sources.
점 오염원은 주로 가정 하수와 공장폐수로 구성되며, 비교적 일정한 지점에서 일정한 양이 지속적으로 발생되어 강우시나 비강우시 배출량에 큰 변동이 없는 특성을 가진다. The point pollutant is mainly composed of household sewage and factory wastewater, and a certain amount is continuously generated at a relatively constant point, so that there is no big change in discharge during rain or rain.
최근 인구증가, 산업발달, 생활수준의 향상에 따라 생활오수, 산업폐수, 가축폐수를 비롯한 각종 유기성폐수 등의 배출량이 급속히 증가하여 이로 인한 강, 하천, 호수, 바다 등의 수질오염이 심각한 지경에 이르고 있다. 그 중에서도 질소와 인과 같은 영양염류가 자연계의 수중생태계에 과다하게 배출될 경우 부영양화(eutrophication)가 초래되어 조류(algae)의 증식에 의한 수질오염을 가중시킨다. 이러게 오염된 강, 하천, 호수를 상수원으로 사용할 경우 상수의 맛과 냄새를 유발하여 상수원으로 부적합하게 만들뿐 만 아니라 수중의 용존산소가 감소시켜 하천의 자정작용(self-purification)에 악영향을 미치므로 어류와 같은 수중생물의 시식조차도 위태롭게 한다.With the recent increase in population, industrial development, and improvement of living standards, emissions of living wastewater, industrial wastewater, livestock wastewater, and various organic wastewaters have increased rapidly, resulting in severe water pollution of rivers, rivers, lakes, seas, etc. Is coming. Among them, when nutrients such as nitrogen and phosphorus are excessively discharged into the natural aquatic ecosystem, eutrophication is caused, which aggravates water pollution due to the growth of algae. Using such polluted rivers, rivers, and lakes as a source of drinking water not only makes it unsuitable as a source of water by inducing taste and smell, but also reduces the dissolved oxygen in the water, which adversely affects the self-purification of the river. As a result, even tasting of aquatic organisms such as fish is endangered.
따라서, 정부에서는 오수 및 하폐수처리장에서 물리화학적방법 및 생물학적 방법을 동원하여 수처리를 거친 후 청정한 처리수를 방류시키도록 규제하고 있다. 최근에는 각종 하폐수처리에서 녹조 및 적조의 원인물질로 알려진 질소 및 인의 배출기준이 강화되어 더욱 엄격해져 가고 있는 실정이다. Therefore, the government regulates the discharge of clean treated water after physicochemical and biological methods are used in sewage and sewage treatment plants. Recently, the emission standards of nitrogen and phosphorus, which are known as causes of green algae and red tide, have been tightened in various wastewater treatments.
현재 하폐수 고도처리시 많이 이용되는 생물학적 처리공정은 혐기성조와 호기성조를 직렬로 조합함으로써 질소와 인이 동시에 제거될 수 있는 처리공정이 확립되어 있기는 하나, 운전인자의 확립이 어렵고, 질소 및 인 제거 미생물의 생육 조건이 상반되므로 각각에 의해 분리된 반응조 및 반응기작이 필요하게 되어 시설비와 유지비가 많이 든다는 단점을 갖고 있다. 또한 우기시에는 하폐수내의 용존산소가 높아지면 혐기조에서 인 방출이 어려워지고, 유기물에 대응한 반응조 내의 미생물 농도 조정에 대해서도 고도의 기술을 요하고 있어 운전에 어려움을 겪고 있다. Currently, biological treatment processes that are widely used in advanced wastewater treatment have been established in which anaerobic and aerobic tanks can be combined to remove nitrogen and phosphorus simultaneously, but it is difficult to establish operating factors. Since the growth conditions of the microorganisms are contrary, there is a need for a separate reaction tank and a reactor operation, which requires a lot of facility and maintenance costs. In addition, during the rainy season, when the dissolved oxygen in the sewage water becomes high, phosphorus emission from the anaerobic tank becomes difficult, and it is difficult to operate because it requires advanced technology for the adjustment of the concentration of microorganisms in the reaction tank corresponding to organic matter.
상기에 기술한 여러 가지 문제점으로 인하여 최근에 질소는 생물학적 처리를 하고, 인의 경우에는 흡착제를 사용한 화학적 처리를 하여 각각에 대한 독립된 공정을 결합하는 방법이 상용되고 있다. Recently, due to various problems described above, nitrogen is biologically treated, and in the case of phosphorus, chemical treatment using an adsorbent has been commonly used to combine independent processes for each.
비점오염원은 주로 강우시 지표면 유출수와 함께 유출되거나 직접 수계에 유입되는 오염물질로서 농지에 살포된 비료나 농약, 토양침식물, 축사유출물, 교통오염물질, 도시지역의 먼지와 쓰레기, 자연동·식물의 잔여물, 지표면에 떨어진 대기오염물질 등이 공공수역으로 유입된다. Nonpoint source is mainly pollutant that flows out with the surface runoff during rainfall or directly enters the water, and fertilizers, pesticides, soil erosions, barn spills, traffic pollutants, urban dust and garbage, natural dong · Plant residues and air pollutants that fall to the surface are introduced into public waters.
우리나라 환경관리가 완전하고 오염원에 대하여 철저하게 관리 되고 있다고는 하나 아직도 비점오염원 현황 은 일부에서?환경관리가 미흡한 실정이다. Although Korea's environmental management is complete and the source of pollution is thoroughly managed, the status of non-point source is still inadequate.
또한, 총 배출부하량(BOD기준)으로는 비점오염원이 44.5%에 이르는 것으로 추정되어, 비점오염원이 수질오염에 상당한 영향을 미치는 것으로 나타났는데, 4대 수계에 속하는 금강, 낙동강, 영산강 수계도 이와 비슷한 양상을 보일 것으로 추정된다. 따라서 규제기준이 설정되어 있는 점오염원들에 대한 규제가 계속 강화되고 환경기초시설들이 확충됨에 따라 비점오염원이 수질에 미치는 영향력의 비중이 점차 증가하고 있다.In addition, the total discharge load (based on BOD) is estimated to reach 44.5% of nonpoint sources, indicating that nonpoint sources have a significant effect on water pollution. The watersheds in the four major water systems are similar to the Geum, Nakdong, and Youngsan rivers. It is expected to show a pattern. Therefore, as the regulations on point sources with regulatory standards have been strengthened and environmental foundations are expanded, the influence of nonpoint sources on water quality is gradually increasing.
최근 오염을 줄이기 위한 대책으로 도시지역의 노면배수는 저류조(貯留槽)를 설치하여 초기에 내린 비로 인해 발생한 오염물질을 침전시킨 후 방류하도록 하고, 농경지에서 배출되는 비료·농약성분이 다량 함유된 농업배수는 공공수역(하천, 강, 호수, 바다)으로 직접 유입되지 않도록 저류조, 습지정화시설, 수초대(水草帶) 등을 조성하고 있다. 그러나 상기 조성된 시설에 식재된 수생식물에 의해 오염물질 과 영양염류를 제거하는데는 한계가 있다. As a countermeasure to reduce pollution recently, road drainage in urban areas should be equipped with a storage tank to settle and discharge pollutants caused by the initial rains, and agriculture containing a large amount of fertilizers and pesticides discharged from agricultural land. Drainage is being made to create reservoirs, wetland purification facilities and water plants to prevent direct drainage into public waters (rivers, rivers, lakes, and seas). However, there is a limit in removing contaminants and nutrients by aquatic plants planted in the facility.
본 발명은 이상의 종래 문제점을 해결하고자 하는 것으로, 본 발명은 수질정화용 기능성 메디아(media)라는 여재를 사용하여 그 구조적 장점으로 말미암아 폐색(clogging)의 염려가 없고 기능적 측면에서는 하천수, 호수, 하폐수에 포함된 오염물질 및 영양염류(질소, 인)를 처리할 수 있도록 하여 수질정화기능을 극대화하도록 하는데 있다. 따라서 본 발명은 모재(raw material)에 기능성 소재조성물을 코팅하고 건조한 후 소성가공하여 수질정화용 기능성 메디아의 공극율과 비표면적을 증가시켜 오염물질의 산화분해 및 영양염류(질소, 인)를 제거하는 기능을 가지는 수질정화용 기능성 메디아 및 그 방법을 제공하는 것이다.The present invention is to solve the above conventional problems, the present invention using the functional media for water purification (media), the structural advantages of the clogging (clogging) due to its structural advantages, and in terms of functional inclusion in river water, lakes, sewage water It is to maximize the water purification function by treating the pollutants and nutrients (nitrogen, phosphorus). Therefore, the present invention is to increase the porosity and specific surface area of the functional media for water purification by coating the functional material composition on the raw material (dry material), drying and plastic processing to remove oxidative decomposition and nutrients (nitrogen, phosphorus) of contaminants It is to provide a functional media for water purification and its method.
본 발명은 기능성 소재조성물을 [표 1]에 제시한 바와 같이 산화칼슘(CaO), 산화제2철(Fe2O3), 알루미나(Al2O3), 지르코늄옥사이드(ZrO2), 활성탄(A.C; Activated Carbon)을 일정비율로 혼합하여 총 중량을 100wt%으로 하고, 상기 기능성 소재조성물과 결합수용액(3wt% PVA)을 1:3 내지 1:5의 중량비로 혼합하여 조제한 기능성 소재조성물혼합액을 모재에 코팅하여 건조시킨 후 700～1,200℃에서 2시간 동안 열처리하여 소성한 다음 상온까지 서냉하여 제조한 수질정화용 기능성 메디아를 제공함으로써 위와 같은 본 발명의 과제를 해결하고자 한다.The present invention is a functional material composition as shown in [Table 1] calcium oxide (CaO), ferric oxide (Fe 2 O 3 ), alumina (Al 2 O 3 ), zirconium oxide (ZrO 2 ), activated carbon (AC ; Activated Carbon) by mixing a certain ratio of the total weight to 100wt%, the functional material composition prepared by mixing the functional material composition and the combined aqueous solution (3wt% PVA) in a weight ratio of 1: 3 to 1: 5 After coating and drying in a heat treatment for 2 hours at 700 ~ 1,200 ℃ calcined to provide a functional media for water purification prepared by slow cooling to room temperature to solve the above problems of the present invention.
[표 1]TABLE 1
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 수질정화용 기능성 메디아는 기능성 소재와 결합수용액을 일정한 비율로 섞은 기능성 소재조성물을 모재 표면에 코팅하여 건조한 후 소성가공하므로써 수절정화용 기능성 메디아의 공극율과 비표면적을 증가시킬 수 있다. 이에 따라 하천수, 호소수 및 하폐수에 포함된 오염물질, 중금속 및 영양염류를 흡착처리하므로 수질을 효과적으로 정화처리할 수 있을 뿐만 아니라 수처리미생물의 부착 공간을 제공하여 유기물질을 산화분해처리하는 미생물에 의한 접촉수질정화효과를 얻을 수 있다. As described above, the functional media for water purification according to the present invention increases the porosity and specific surface area of the functional media for water purification by coating the functional material composition mixed with the functional material and the binding solution in a constant ratio on the surface of the base material and drying the plastic. Can be. Accordingly, by adsorbing contaminants, heavy metals and nutrients contained in river water, lake water and sewage water, the water quality can be effectively purified and contacted by microorganisms which oxidatively decompose organic materials by providing an attachment space for water treatment microorganisms. Water purification effect can be obtained.
또한, 하천과 호수의 호안에 적용할 경우에 수질정화용 기능성 메디아 표면에 부착조류가 형성되어 수서생물들의 먹이원으로 활용되고 먹이피라미드의 하부계층이 풍부해져 어류생태계가 안정화, 다양화될 수 있을 뿐만 아니라 메디아의 밑과 공극에는 하루살이류 등의 초식성 수서곤충이 서식하는 서식처를 제공하고, 하천, 호소 및 습지 호안에 거석쌓기를 함으로써 수심과 유속이 다양하게 되어 생태적수질정화 효과는 물론 생물상이 다양해지는 효과를 갖는다. In addition, when applied to the shores of rivers and lakes, attached algae are formed on the surface of the functional media for water purification, which is used as a food source for aquatic organisms, and the lower layers of the food pyramid are abundant to stabilize and diversify the fish ecosystem. In addition, it provides habitats for herbivorous aquatic insects such as mayopy at the bottom and pores of the media, and by stacking them in rivers, lakes, and wetlands, the depth and flow rate are varied, so that the ecological water purification effect and the biodiversity are diversified. Has an effect.
본 발명에서 수질정화용 기능성 메디아를 활용하여 하천수, 호소수 및 하폐수에 포 함된 오염물질, 중금속 및 영양염류를 효과적으로 처리할 수 있도록 한 수질정화를 위한 기능성 메디아 및 그 제조방법은 다음과 같다. Functional media for water purification and its manufacturing method for effectively treating contaminants, heavy metals and nutrients contained in river water, lake water and wastewater by using the functional media for water purification in the present invention are as follows.
본 발명은 수질정화용 기능성 메디아의 내부 핵(core)을 이루는 모재와; 상기 모재 표면에 미세기공과 비표면적을 증가시키기 위한 기능성 소재조성물과; 상기 기능성 소재조성물과 물을 혼합하여 용해한 기능성 소재조성물수용액과; 상기 모재 표면에 상기 기능성 소재조성물의 부착이 가능하도록 하는 결합제(binder)와 물을 혼합하여 제조한 결합수용액과; 상기 기능성 소재조성물과 상기 결합수용액을 혼합하여 제조한 기능성 소재조성물혼합액;을 구성하는 수질정화용 기능성 메디아에 있어서, 상기 기능성 소재조성물은 산화칼슘(CaO), 산화제2철(Fe2O3), 알루미나(Al2O3), 지르코늄옥사이드(ZrO2), 활성탄(A.C)을 일정비율로 혼합되어 섞인 것을 특징으로 하고, 상기 모재의 표면에 상기 기능성 소재조성물혼합액을 코팅하여 건조시킨 후 열처리하여 소성한 다음 상온까지 서냉하여 제조한 것을 특징으로 한다. The present invention comprises a base material forming an inner core of the functional media for water purification; A functional material composition for increasing micropores and specific surface area on the surface of the base material; A functional material composition aqueous solution obtained by mixing and dissolving the functional material composition and water; A binder aqueous solution prepared by mixing a binder and water to allow the functional material composition to adhere to the surface of the base material; In the functional media for water purification constituting a functional material composition prepared by mixing the functional material composition and the combined aqueous solution, the functional material composition is calcium oxide (CaO), ferric oxide (Fe 2 O 3 ), alumina (Al 2 O 3 ), zirconium oxide (ZrO 2 ), activated carbon (AC) is characterized in that the mixture is mixed and mixed, and the functional material composition mixture is coated on the surface of the base material and dried and then calcined by heat treatment It is characterized by the slow cooling to the next room temperature.
이하에서는 본 발명에 따른 수질정화용 기능성 메디아에 대한 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, a preferred embodiment of the functional media for water purification according to the present invention will be described in detail as follows.
도1은 본 발명의 실시 예에 따른 수질정화용 기능성 메디아의 단면도이고, 도2는 본 발명의 실시 예에 따른 수질정화용 기능성 메디아의 소재조성물 코팅 전ㆍ후의 인(P)제거율을 비교하기 위한 그래표이며, 도3은 본 발명의 실시 예에 따른 수질정화용 기능성 메디아의 소재조성물 코팅 전ㆍ후의 오염물질(DOC) 제거율을 비교하기 위하여 도시한 그래표이다.1 is a cross-sectional view of a functional media for water purification according to an embodiment of the present invention, Figure 2 is a graph for comparing the phosphorus (P) removal rate before and after coating the material composition of the functional media for water purification according to an embodiment of the present invention. 3 is a graph showing a comparison of the removal rate of contaminants (DOC) before and after coating the material composition of the functional media for water purification according to an embodiment of the present invention.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 수질정화용 기능성 메디아(1)는 모재(2), 기능성 소재조성물(3), 결합제(4)으로 구성된다.As shown in FIG. 1, the functional media for
상기 모재(2)는 부정형의 현무암, 화강암과 같은 여재로 이루어져 상기 수질정화용 기능성 메디아의 내부 핵(core)을 구성하는 역할을 하게 된다. The base material (2) is composed of media such as basalt and granite of irregular shape to play a role in forming the inner core of the functional media for water purification.
본 발명에 따르면, 상기 모재(2)는 현무암, 화강암의 소재로 구성되어 있으나, 이에 한정하지 않고 모래, 자갈, 호박돌, 잡석, 플라스틱 재질, 흙과 같이 핵(core)을 구성하는 재질을 사용할 수도 있다. According to the present invention, the
상기 기능성 소재조성물(3)은 산화칼슘(CaO), 산화제2철(Fe2O3), 알루미나(Al2O3), 지르코늄옥사이드(ZrO2), 활성탄(A.C)의 기능성소재로 이루어져 상기 모재 표면에 코팅시 공극과 비표면적을 증가시켜 하천수, 호소수 및 하폐수에 포함된 오염물질, 중금속 및 영양염류를 처리하는 역할을 한다.The functional material composition (3) is composed of a functional material of calcium oxide (CaO), ferric oxide (Fe 2 O 3 ), alumina (Al 2 O 3 ), zirconium oxide (ZrO 2 ), activated carbon (AC) When coating on the surface, it increases porosity and specific surface area to treat contaminants, heavy metals and nutrients contained in river water, lake water and waste water.
본 발명에 따르면, 상기 기능성 소재조성물(3)은 산화칼슘(CaO) 60～70wt%, 산화제2철(Fe2O3) 10～20wt%, 알루미나(Al2O3) 10～20wt%, 지르코늄옥사이드(ZrO2) 1～3wt%, 활성탄(A.C; Activated Carbon) 1～3wt%이 일정 비율로 혼합되어 총 중량이 100wt%으로 구성되는 것이 바람직하다.According to the present invention, the
본 발명에 따르면, 상기 소재조성물(3)과 물을 1:2의 중량비로 혼합하고 20 내지 30분 동안 교반하여 슬러리상 소재조성물수용액을 조제하여 사용하는 것이 바람직하며, 그 이상이 되면 용해도는 높으나 농도가 묽으며, 그 이하가 되면 소재조성물 입자가 용해되지 않아 불용성상태로 남아 있을 뿐만 아니라 점도가 높아 취급하기가 불편하다.According to the present invention, the
상기 기능성 소재조성물(3) 중 산화칼슘(CaO), 산화제2철(Fe2O3), 알루미나(Al2O3), 지르코늄옥사이드(ZrO2) 성분들은 원자가 +2가 또는 +3가인 금속성분이 포함된 소재로 수중에서 수화반응하여 금속수산화물인 수산화칼슘[Ca(OH)2], 수산화알루미늄[Al(OH)3], 수산화철[Fe(OH)3]을 생성된다. 상기 금속수산화물은 수중에서 다시 칼슘(Ca), 철(Fe), 알루미늄(Al), 지르코늄(Zr)과 같은 금속이온과 수산화이온(OH-)으로 해리되는 과정을 반복하게 된다. 상기 금속이온은 하천수, 호소수, 하폐수 내의 포함된 인산염(PO4 3-)과 접촉하여 불용성 인산화합물 형태로 처리된다. 상기 금속이온과 수중의 인(P)에 의한 반응식은 하기 식(1) 내지 식(4)와 같다.The calcium oxide (CaO), ferric oxide (Fe 2 O 3 ), alumina (Al 2 O 3 ), zirconium oxide (ZrO 2 ) components of the functional material composition (3) is a metal component having a valence of +2 or +3 The material is hydrated in water to produce calcium hydroxide [Ca (OH) 2 ], aluminum hydroxide [Al (OH) 3 ], and iron hydroxide [Fe (OH) 3 ]. The metal hydroxide is dissociated into metal ions such as calcium (Ca), iron (Fe), aluminum (Al), zirconium (Zr) and hydroxide ions (OH − ). The metal ion is treated in the form of an insoluble phosphate compound by contact with phosphate (PO 4 3- ) contained in river water, lake water, and waste water. Reaction formula by the said metal ion and phosphorus (P) in water is as following formula (1)-formula (4).
5Ca2+ + 3PO4 3- + OH- → Ca5(PO4)3OH ↓ -------식(1) 5Ca 2+ + 3PO 4 3- + OH - → Ca 5 (PO 4) 3 OH ↓ ------- formula (1)
Al3+ + PO4 3- → AlPO4 ↓ -------식(2)Al 3+ + PO 4 3- → AlPO 4 ↓ ------- Equation (2)
Fe3+ + PO4 3- → FePO4 ↓ -------식(3) Fe 3+ + PO 4 3- → FePO 4 ↓ ------- Equation (3)
Zr3+ + PO4 3- → ZrPO4 ↓ -------식(4) Zr 3+ + PO 4 3- → ZrPO 4 ↓ ------- Equation (4)
상기 식(1) 반응식에서 생성된 수산화아파타이트(Ca5(PO4)3OH)는 단백질계 유기물, 중금속의 흡착능력이 우수하다.Apatite hydroxide (Ca 5 (PO 4 ) 3 OH) produced in the reaction formula (1) is excellent in the adsorption capacity of protein-based organic material, heavy metals.
상기 기능성 소재조성물(3) 중 활성탄(A.C)은 5 내지 150Å 크기의 많은 미세기공이 형성된 단위 질량당 비표면적(500 내지 1,500m2/g)이 큰 입자상의 활성탄으로 하천, 호소 및 하폐수 중에 포함된 오염물질(유기물, 무기물)과 영양염류를 흡착하는 하는 기능과 수처리미생물이 부착할 수 있는 공간을 제공하여 수질을 정화는 기능을 수행한다. Activated carbon (AC) in the functional material composition (3) is a granular activated carbon having a large specific surface area (500 to 1,500 m 2 / g) per unit mass in which many micropores having a size of 5 to 150
상기 결합제(4)는 폴리비닐알콜(PVA; Poly Vinyl Alcohol)의 합성수용성고분자물질로 상기 소재조성물(3)을 상기 모재(2) 표면에 코팅시 부착시키는 역할을 한다. 상기 모재에 코팅되어 부착된 결합제인 폴리비닐알콜은 건조 소성과정을 거치면서 고화 및 융착됨으로써 이산화탄소(CO2)와 수증기(H2O)로 날아간다. 또한, 폴리비닐알콜과 같은 고분자 물질은 그 자체에 다공성 막을 형성할 수 있는 특징을 가지므로 개질제로서의 기능도 동시에 수행한다.The binder 4 is a synthetic water-soluble polymer of polyvinyl alcohol (PVA) and serves to attach the
본 발명에 따르면, 상기 결합제(4)는 물과 혼합하여 2 내지 5wt%농도의 결합수용액을 조제하여 사용하는 것이 바람직하며, 그 이상이 되면 결합수용액의 점도가 높아 취급이 용이하지 못하고, 경제성 측면에서도 비용 상승하므로 바람직하지 못하다.According to the present invention, the binder (4) is preferably mixed with water to prepare a combined aqueous solution of 2 to 5wt% concentration, if more than that the viscosity of the combined aqueous solution is not easy to handle, economical side The cost rises at, so it is not desirable.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 결합제(4)는 폴리비닐알콜(PVA)을 사용하였으나, 이에 한정하지 않고 키토산, 셀롤로오스, 녹말과 같은 천연고분자물질과 폴리에틸렌옥사이드와 같은 합성수용성고분자물질을 사용할 수도 있다. In addition, according to the present invention, the binder (4) used polyvinyl alcohol (PVA), but is not limited to this, natural polymer materials such as chitosan, cellulose, starch and synthetic water-soluble polymer materials such as polyethylene oxide. It may be.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 결합제(4) 코팅 두께는 상기 모재표면에 0.1 내지 2mm두께가 되도록 코팅하는 것이 바람직하다. In addition, according to the present invention, it is preferable to coat the binder 4 so that the thickness of the base material surface is 0.1 to 2 mm.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 결합제는 폴리비닐알콜을 사용하였으나, 이에 한정하지 않고 키토산, 셀롤로오스, 녹말과 같은 천연고분자물질 및 폴리에틸렌옥사이드와 같은 합성고분자물질 등을 사용할 수도 있다. In addition, according to the present invention, the binder is polyvinyl alcohol, but is not limited thereto, and may be a natural polymer such as chitosan, cellulose, starch, or a synthetic polymer such as polyethylene oxide.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 기능성 소재조성물과 상기 결합수용액을 1:3 내지 1:5의 중량비로 혼합하여 제조한 기능성 소재조성물혼합액을 조제하여 상기 모재 표면에 0.1 내지 2mm두께가 되도록 코팅하는 것이 바람직하다.In addition, according to the present invention, to prepare a functional material composition mixture prepared by mixing the functional material composition and the binding aqueous solution in a weight ratio of 1: 3 to 1: 5 to coat the surface of the base material to a thickness of 0.1 to 2mm. desirable.
상기 제조된 수질정화용 기능성 메디아를 하천과 호수의 호안에 적용할 경우에 메디아 표면에 부착조류가 형성되어 수서생물들의 먹이원를 제공하는 매개체로 활용되고, 먹이피라미드의 하부계층이 풍부해져 어류생태계가 안정화, 다양화될 수 있을 뿐만 아니라 메디아의 밑과 공극에는 하루살이류 등의 초식성 수서곤충이 서식하는 서식처를 제공한다. 또한, 하천, 호소 및 습지 호안에 거석쌓기를 함으로써 수심과 유속이 다양하게 되어 생태적수질정화 효과는 물론 생물상이 다양해지는 효과를 갖는다. When the above-mentioned functional media for water purification is applied to lakes and lakes, adherent algae are formed on the surface of the media to serve as a source of aquatic organisms, and the lower layers of the food pyramid are enriched to stabilize the fish ecosystem. In addition, it provides a habitat for herbivorous aquatic insects, such as mayops, at the base and voids of the media. In addition, by stacking megalithic lakes, lakes and wetland lakes, the water depth and flow rate are varied, and the water quality and the biodiversity are varied.
또한, 수질정화용 기능성 메디아를 배석형으로 할 경우에는 자연형하천의 경관를 창출하고, 수변경과를 개선하며, 유로에 의한 호안침식을 방지하고, 유속을 완화하여 호안안정성을 개선시킬 수 있다. In addition, when the functional media for water purification as a stone type, it is possible to create landscapes of natural streams, to improve water change, to prevent erosion by the flow path, and to reduce flow velocity to improve lake stability.
본 발명의 수질정화용 기능성 메디아 제조 방법은, 상기 기능성 소재조성물과 결합수용액의 1:3 내지 1:5의 중량비로 혼합하여 제조한 기능성 소재조성물혼합액을 상 기 모재 표면에 코팅하여 대기상에서 건조한다. 상기 건조된 모재를 로(furnace)에 투입하여 약 700 내지 1,200℃로 1 내지 3시간 동안 소성가공시켜 제조한다. In the method for producing functional media for water purification of the present invention, the functional material composition mixture prepared by mixing the functional material composition and the combined aqueous solution in a weight ratio of 1: 3 to 1: 5 is coated on the surface of the base material and dried in the air. The dried base material is put into a furnace and manufactured by plastic working at about 700 to 1,200 ° C. for 1 to 3 hours.
본 발명의 수질정화를 위한 기능성 메디아의 세부 제조방법은 다음과 같다.Detailed manufacturing method of the functional media for water purification of the present invention is as follows.
수질정화용 기능성 메디아의 내부 핵(Core)을 이루는 모재를 선정하는 단계; Selecting a base material constituting an inner core of the functional media for water purification;
상기 기능성 소재조성물인 산화칼슘(CaO), 산화제2철(Fe2O3), 알루미나(Al2O3), 지르코늄옥사이드(ZrO2), 활성탄(A.C; Activated Carbon)을 일정량을 취하여 총 중량이 100wt%가 되도록 하는 단계;The total weight of the functional material composition is calcium oxide (CaO), ferric oxide (Fe 2 O 3 ), alumina (Al 2 O 3 ), zirconium oxide (ZrO 2 ), activated carbon (AC; Activated Carbon) 100 wt%;
상기 기능성 소재조성물과 물을 1:2의 중량비로 혼합하고 20 내지 30분 동안 교반하여 슬러리상 소재조성물수용액을 얻는 단계; Mixing the functional material composition with water in a weight ratio of 1: 2 and stirring for 20 to 30 minutes to obtain an aqueous slurry material composition solution;
결합제인 폴리비닐알콜(PVA)와 물을 일정비율로 혼합하여 2 내지 5wt%농도가 되도록 용해하는 결합수용액의 제조단계;Preparing a combined aqueous solution of polyvinyl alcohol (PVA), which is a binder, and water at a predetermined ratio to dissolve to a concentration of 2 to 5 wt%;
상기 기능성 소재조성물수용액과 상기 결합수용액을 1:3 내지 1:5의 중량비로 혼합하여 용해하는 기능성 소재조성물혼합액의 제조단계;Preparing a functional material composition mixture solution in which the functional material composition aqueous solution and the combined aqueous solution are dissolved in a weight ratio of 1: 3 to 1: 5;
상기 기능성 소재조성물수용액을 상기 모재표면에 코팅하여 대기상에서 1일동안 건조하는 건조단계;A drying step of coating the functional material composition aqueous solution on the surface of the base material and drying it for one day in an air phase;
상기 코팅하여 건조된 모재를 노(furnace; 화로, 전기로)에 투입하여 700 내지 1,200℃에서 2시간 동안 열처리하여 소성가공하는 가공단계;A processing step of subjecting the coated and dried base material to a furnace (furnace; electric furnace) and heat-processing at 700 to 1,200 ° C. for 2 hours for plastic processing;
상기 소성가공 후 서서히 서냉하는 단계;를 포함하는 수질정화용 기능성 메디아의 제조방법을 제공한다. It provides a method for producing a functional media for water purification, including; slowly cooling slowly after the plastic working.
본 발명에 따르면, 소성가공은 승온속도를 1분에 5℃씩 오를 수 있도록 조절하면서 1,050℃까지 가열한 다음 1,050±50℃ 범위내에서 2시간 동안 열처리를 시행한 후 상온까지 감온속도를 1분에 3℃씩 하여 서냉하는 것이 바람직하다. 상기 기능성 소재조성물인 산화칼슘은 상기 소성온도 및 소성시간 조건에서 백색의 다공성을 형태를 띤다. 하지만 1,100℃를 초과하여 장시간 가열하게 되면 산화칼슘의 용융이 일어나게 되어 다공성 물질에서 딱딱한 백색의 결정성 물질이 되므로 오히려 비표면적이 감소하고 비중이 크게 상승하게 되어 흡착제로서의 기능이 떨어진다. According to the present invention, the plastic working is heated to 1,050 ℃ while adjusting the temperature increase rate by 5 ℃ per minute and then subjected to heat treatment for 2 hours in the range of 1,050 ± 50
<실시 예 1><Example 1>
본 발명에서는 기능성 소재조성물을 [표 1]에 제시한 바와 같이 산화칼슘(CaO), 산화제2철(Fe2O3), 알루미나(Al2O3), 지르코늄옥사이드(ZrO2), 활성탄(A.C; Activated Carbon)을 일정비율로 혼합하여 총 중량을 100wt%으로 하고, 상기 기능성 소재조성물과 결합수용액(3wt% PVA)을 1:5의 중량비로 혼합한 기능성조제조성물혼합액을 모재에 코팅하여 건조시킨 후 1,050℃에서 2시간 동안 열처리하여 소성한 다음 상온까지 서냉하여 수질정화용 기능성 메디아를 제조하였다. In the present invention, the functional material composition, as shown in Table 1, calcium oxide (CaO), ferric oxide (Fe 2 O 3 ), alumina (Al 2 O 3 ), zirconium oxide (ZrO 2 ), activated carbon (AC ; Activated Carbon) by mixing a certain ratio to a total weight of 100wt%, and the functional material composition mixture of the functional material composition and the combined aqueous solution (3wt% PVA) in a weight ratio of 1: 5 coated on the base material and dried After calcining by heat treatment at 1,050 ℃ for 2 hours and then cooled to room temperature to prepare a functional media for water purification.
[표 1] TABLE 1
표2는 모재에 코팅된 소재조성물 혼합비에 따른 수질변화를 나타내었다. 실시예 1～4에서 제조된 수질정화용 기능성 메디아의 성능을 비교하기 위해 기능성 메디아 50 g를 각각 1 L의 용액(하천수)에 투입한 후 1시간 동안 흡착시킨 다음 용액(하천수)을 채수하여 수질을 분석하였으며, 그 결과를 다음에 제시하였다. Table 2 shows the water quality change according to the mixing ratio of the material composition coated on the base material. In order to compare the performance of the functional media for water purification prepared in Examples 1 to 4, 50 g of functional media were added to 1 L of solution (river water), and then adsorbed for 1 hour, followed by collecting the solution (river water). The analysis was performed and the results are presented below.
[표 2]TABLE 2
표 1에 제시된 바와 같이, 상기 실시예 1 내지 4로 제조된 수질정화용 기능성 메디아의 기능성 소재조성물 중 산화칼슘(CaO) 함량이 증가함에 따라 수질인자(pH, 전기전도도, 칼슘경도, 알칼리도)가 점차 증가함을 알 수 있다. As shown in Table 1, the water quality factors (pH, electrical conductivity, calcium hardness, alkalinity) gradually increase as the content of calcium oxide (CaO) increases in the functional material composition of the functional media for water purification prepared in Examples 1 to 4. It can be seen that the increase.
표 3은 소성온도에 따라 제조된 수질정화용 기능성 메디아의 물성(공극율, 비표면)을 평가한 것으로, [표 1]에 제시한 바와 같이 실시예 3의 조성으로 제조된 수질정화용 기능성 메디아와 상기 기능성 소재조성물이 코팅되지 않은 모재와 비교하기 위해서 공극율 및 비표면적을 측정하여 그 결과를 제시한 것이다. Table 3 evaluates the physical properties (porosity, specific surface) of the water purification media prepared according to the firing temperature, and as shown in Table 1, the water purification media and the functional media prepared in the composition of Example 3 The porosity and specific surface area were measured and compared with the base material without coating material composition, and the results are presented.
[표 3] TABLE 3
표 3에 제시된 바와 같이, 공극율과 비표면적은 소성온도가 700℃에서 1,000℃로 높아짐에 따라 증가하였고, 1,100℃이상이 되면 오히려 감소함을 알 수 있었다.As shown in Table 3, the porosity and specific surface area increased as the firing temperature was increased from 700 ° C to 1,000 ° C, and it was found to decrease rather than 1,100 ° C.
표 4는 소성온도(700 내지 1,200℃)에 따른 수질정화용 기능성 메디아의 표면에 융착된 기능성 소재조성물의 융착강도를 나타낸 것으로, 융착강도는 기능성 메디아를 유체가 포함된 반응기에 일정량 투입한 후 교반기를 활용하여 교반강도를 주어 융착된 기능성 소재조성물을 탈착시켜 실험전ㆍ후 기능성 메디아의 무게를 측정하였다. 실험방법은 실험전(a)에 50g(건조 중량)의 수질정화용 기능성 메디아를 비이커에 넣어 물을 주입하여 전량을 1L로 조정한 후 교반기를 활용하여 150RPM의 교반강도로 10분간 교반하였다. 상기 기능성 메디아를 채취하여 건조기(dry oven)에서 건조한 다음 무게를 측정(b)하여 실험전(a)과 기능성 메디아의 무게변화(a-b)를 측정하여 비교하였다. Table 4 shows the fusion strength of the functional material composition fused to the surface of the water purification media according to the firing temperature (700 ~ 1,200 ℃), the fusion strength is a stirrer after putting a certain amount of the functional media into the reactor containing the fluid The weight of the functional media was measured before and after the experiment by desorption of the fused functional material composition by giving the stirring strength. In the experimental method, 50 g (dry weight) of functional media for water purification were put in a beaker before the experiment (a) and water was adjusted to 1 L, followed by stirring for 10 minutes with a stirring strength of 150 RPM using a stirrer. The functional media were taken and dried in a dry oven, and then weighed (b) to compare the weight change (a-b) of the functional media before the experiment (a).
[표 4]TABLE 4
표 4에 제시된 바와 같이, 소성온도에 따라 수질정화용 기능성 메디아의 융착강도를 측정한 결과, 소성온도가 높아짐에 따라 융착강도가 강함을 확인할 수 있었다. 융착강도는 수질정화용 기능성 메디아의 표면에 융착된 기능성 소재조성물의 부착정도를 나타낸다. As shown in Table 4, as a result of measuring the fusion strength of the functional media for water purification according to the firing temperature, it was confirmed that the fusion strength is stronger as the firing temperature is increased. The weld strength indicates the adhesion degree of the functional material composition fused to the surface of the functional media for water purification.
한편, 상기와 같은 효과를 정량적으로 확인하기 위해서 다음과 같이 실험을 하였다.On the other hand, in order to quantitatively confirm the effect as described above was performed as follows.
도 2와 도 3에 도시된 바와 같이, 동일 조건하에서 기능성 소재조성물을 모재표면에 코팅한 후 열처리하여 소성한 수질정화용 기능성 메디아(①)와, 그렇지 않은 메디아(②)의 각각을 유체(물)의 흐름이 있는 반응장치에 투입하여 수질정화정도를 측정하였고, 그 실험 결과는 도 2와 도 3에 도시되어 있다. 도 2와 도3에서는 유입수의 수질정화처리 전ㆍ후 인(phosphate)과 용존유기물(DOC; Dissolved Organic Carbon)의 비율과 접촉시간과의 상관관계를 나타내었다. 먼저, 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따라 제조된 수질정화용 기능성 메디아(①)의 인(P)제거효율이 그렇지 않은 메디아(②)에 비해 우수하다는 것을 알 수 있다. 도3에서는 유입수의 수질정화처리 전ㆍ후 용존유기물(DOC; Dissolved Organic Carbon)의 비율과 접촉시간과의 상관관계를 나타내었다. 도3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따라 제조된 수질정화용 기능성 메디아(①)의 용존유기물질(DOC)제거효율이 그렇지 않은 메디아(②)에 비해 우수하다는 것을 알 수 있다. 따라서, 본 발명에 따라 제조된 수질정 화용 기능성 메디아에 있어서는, 기능성 소재조성물을 모재표면에 코팅시킴으로써 그렇지 않은 경우에 비해 공극율과 비표면적을 증가시켜 단시간에 오염물질과 영양염류의 처리효율을 향상시킬 수 있다는 사실을 확인할 수 있다.As shown in Figures 2 and 3, under the same conditions, the functional material composition coated on the surface of the base material and then heat-treated and fired, each of the functional media for water purification (①) and media (②) not otherwise fluid (water). Into the reactor with the flow of water was measured the degree of water purification, the experimental results are shown in Figures 2 and 3. 2 and 3 show the correlation between the contact time and the ratio of phosphate and dissolved organic carbon (DOC) before and after the water purification treatment of influent. First, as shown in Figure 2, it can be seen that the phosphorus (P) removal efficiency of the functional media for water purification (1) prepared according to the present invention is superior to the media (2) that is not. Figure 3 shows the correlation between the contact time and the ratio of dissolved organic carbon (DOC) before and after the water purification treatment of influent. As shown in Figure 3, it can be seen that the dissolved organic matter (DOC) removal efficiency of the functional media (1) for water purification according to the present invention is superior to the media (2) that is not. Therefore, in the functional media for water purification prepared in accordance with the present invention, by coating the functional material composition on the base material surface to increase the porosity and specific surface area compared with the other case to improve the treatment efficiency of contaminants and nutrients in a short time You can see that.
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시 예들에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 많은 변형이 가능함은 명백하다. In the above, the present invention has been described in detail with reference to preferred embodiments, but the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications may be made by those skilled in the art within the technical idea of the present invention. Is obvious.
도1은 본 발명의 실시 예에 따른 수질정화용 기능성 메디아의 단면도1 is a cross-sectional view of the functional media for water purification according to an embodiment of the present invention.
도2는 본 발명의 실시 예에 따른 수질정화용 기능성 메디아의 조성물 코팅 전ㆍ후의 인(P)제거율을 비교하기 위한 그래표2 is a graph for comparing the phosphorus (P) removal rate before and after coating the composition of the functional media for water purification according to an embodiment of the present invention.
도3은 본 발명의 실시 예에 따른 수질정화용 기능성 메디아의 조성물 코팅 전ㆍ후의 오염물질(DOC) 제거율을 비교하기 위한 그래표Figure 3 is a graph for comparing the removal rate of contaminants (DOC) before and after coating the composition of the functional media for water purification according to an embodiment of the present invention
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
1. 수질정화용 기능성 메디아(media)1. Functional media for water purification
2. 모재(raw material)2. Raw material
3. 기능성 소재조성물3. Functional material composition
4. 결합제(binder)4. Binder
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