KR100954028B1 - Apparatus for treating wastewater using electrochemical reactor with immobilized peroxidase and method thereof - Google Patents
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Abstract
연속공정을 통하여 폐수 중에 포함된 난분해성 방향족 유기 물질을 효과적으로 처리하면서도 운전상의 효율성을 증대시킨 폐수처리 장치 및 방법이 개시되어 있다. 폐수처리 장치는 산화반응을 통해 수소이온을 발생시키기 위한 산화전극, 산화전극에 대향하고 산소 및 산화전극에서 발생된 수소이온을 이용하여 과산화수소를 발생시키기 위한 환원전극, 환원전극에 산소를 공급하기 위한 폭기장치 및 산화전극과 환원전극 사이에 충진되고, 방향족 유기 물질을 분해하는 과산화효소를 고정한 다공성구조체를 갖는다. 따라서, 다공성구조체에 고정된 과산화효소의 분해작용에 의해 방향족 유기 물질을 효과적으로 분해할 수 있다.Disclosed is a wastewater treatment apparatus and method for efficiently treating hardly decomposable aromatic organic substances contained in wastewater through a continuous process while increasing operational efficiency. Wastewater treatment equipment is an anode for generating hydrogen ions through an oxidation reaction, a cathode for generating hydrogen peroxide using hydrogen and ions generated from oxygen and an anode, and a cathode for supplying oxygen to the cathode The aeration device is filled between the anode and the cathode, and has a porous structure fixed with peroxidase to decompose an aromatic organic material. Therefore, it is possible to effectively decompose the aromatic organic material by the decomposition of the peroxidase immobilized on the porous structure.
방향족 유기 물질, 다공성구조체, 과산화효소, 고정 Aromatic organic substance, porous structure, peroxidase, immobilization
Description
본 발명은 과산화효소가 도입된 전기화학 반응기를 이용한 폐수처리 방법 및 그 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 난분해성 방향족 유기 물질을 효과적으로 제거하기 위하여 과산화효소가 도입된 전기화학 반응기를 이용한 폐수처리 방법 및 그 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a wastewater treatment method and apparatus using an electrochemical reactor in which peroxidase is introduced, and more particularly, to a wastewater treatment method using an electrochemical reactor in which peroxidase is introduced to effectively remove hardly decomposable aromatic organic substances. And to the apparatus.
산업 활동의 증가로 인하여 벤젠(benzene), 페놀(phenol), 아닐린(aniline) 등의 방향족 유기 물질이 많은 양 생산되고, 산업공정에서 광범위하게 사용되고 있다. 이로 인해, 최근 방향족 유기 물질에 대한 작업자에 대한 노출뿐만이 아니라 주변 환경으로의 배출로 인한 환경오염도 문제가 되고 있다. 이러한 방향족 유기 물질들이 환경과 인간의 건강에 미치는 악영향과 환경오염에 대한 관심이 증대되면서 방향족 유기 물질을 정화하는 방법이 지속적으로 개발되어 오고 있다. Due to the increase in industrial activity, a large amount of aromatic organic substances such as benzene, phenol, and aniline are produced and widely used in industrial processes. For this reason, not only the exposure of the workers to the aromatic organic materials but also environmental pollution due to the discharge to the surrounding environment has become a problem. As the concern about environmental pollution and the adverse effects of these aromatic organic substances on the environment and human health is increasing, methods for purifying aromatic organic substances have been continuously developed.
그중 물리화학적 처리 방법으로는 펜톤산화, 오존산화(ozonation), UV산화(UV oxidation) 및 광화학적 분해(photolysis) 등이 이용되고 있다. Among them, penton oxidation, ozonation, UV oxidation and photochemical decomposition are used as physicochemical treatment methods.
펜톤산화법은 과산화수소와 2가의 철이온이 반응하여 hydroxy radical(OH·)을 발생시킴으로서 펜톤시약의 강력한 산화력으로 유기물을 분해시키는 것으로 크게 펜톤시약에 의한 산화반응, 중화 및 철염을 제거하기 위한 응집공정 등으로 나눌 수 있다. 하지만, 반응촉매로 사용되는 철에 의해 수산화물 형태의 슬러지가 다량 발생한다는 단점이 있다. Fenton oxidation method is to decompose organic matter by strong oxidizing power of Fenton's reagent by generating hydroxy radical (OH ·) by reacting hydrogen peroxide and divalent iron ion. Can be divided into However, there is a disadvantage in that a large amount of sludge in the form of hydroxide is generated by iron used as a reaction catalyst.
오존산화법은 오존의 강력한 산화력에 의해 산화분해하는 것을 말하는 것으로 수중의 오존이 유기물과 반응할 경우 오존에 의해 직접 산화되는 경우가 있고, 오존 분해과정에서 생성되는 hydroxy radical(OH·)에 의한 산화의 경우가 있다. 특히 hydroxy radical(OH·)은 대부분의 유기물과 고르게 반응하며, 일부 오존과 반응하지 않는 유기물과의 반응속도가 크기 때문에 유기물 산화제거에 큰 효과가 있으며 오존 분해과정은 높은 pH에서 반응이 촉진된다. 하지만 hydroxy radical(OH·)의 생성률이 낮고, 일부 유기물과는 반응이 느리며, 오존발생기가 비교적 고가라는 문제점이 있다.The ozone oxidation method refers to oxidative decomposition by the strong oxidizing power of ozone. When ozone in water reacts with organic matter, it may be directly oxidized by ozone, and the oxidation by hydroxy radical (OH ·) generated during ozone decomposition process. There is a case. In particular, hydroxy radical (OH ·) reacts evenly with most organics, and because of the high reaction rate with organics that do not react with some ozone, it has a great effect on organic oxidation and removal. However, there is a problem that the production rate of hydroxy radical (OH ·) is low, the reaction is slow with some organic matter, and the ozone generator is relatively expensive.
UV산화법은 균질 방식과 불균질 방식으로 나뉘는데 균질 방식은 철염을 촉매로 사용하여 hydroxy radical(OH·)의 생성효율을 증대시키는바 철염에 의해 석영관에 파울링이 생기기 때문에 이를 방지하기 위한 와이퍼 시스템이 필요하다. 또한 오염물질의 농도나 탁도가 높은 경우 적용이 힘들고, 특정 pH 범위에서 유독한 부산물이 생성된다는 단점이 있다. UV oxidation method is divided into homogeneous method and heterogeneous method. Homogeneous method increases the production efficiency of hydroxy radical (OH ·) by using iron salt as a catalyst. Wiper system to prevent this because fouling occurs in quartz tube by iron salt. This is necessary. In addition, it is difficult to apply when the concentration of contaminants or turbidity is high, and there are disadvantages in that toxic by-products are generated in a specific pH range.
불균질 방식은 이산화티타늄(TiO2)을 이용하여 hydroxy radical(OH·)을 형 성시키는 것으로 기존의 방법에 비하여 오염물질을 완전히 산화 분해시켜 슬러지가 거의 발생하지 않으며, 세정 과정이나 막의 교체가 필요없고, 에너지소모량도 많지 않다. 하지만 촉매인 이산화티타늄(TiO2)을 회수하여 재사용하기 위한 별도의 장치가 필요하고 폐수성분 중 촉매 표면에 흡착되는 성질의 성분이 있는 경우 효율이 떨어진다. The heterogeneous method forms hydroxy radicals (OH ·) using titanium dioxide (TiO 2 ). Compared to the conventional method, sludge is hardly generated by completely oxidizing contaminants and requires a cleaning process or a membrane replacement. No energy consumption. However, a separate apparatus for recovering and reusing titanium dioxide (TiO 2 ), which is a catalyst, is required, and the efficiency is inferior when there is a component of the nature adsorbed on the surface of the catalyst.
상기의 물리화학적 처리방법은 고효율인데 비해 회분식 운전이나 소규모 운전만이 가능하다는 문제가 있다.The physicochemical treatment method has a high efficiency, but there is a problem that only batch operation or small scale operation is possible.
일반적으로 대규모 폐수처리를 위해서는 생물학적 처리방법이 널리 이용되고 있으며, 이는 폐수 내에 존재하는 유기물질 중에서 생물에 의하여 분해 가능한 유기물질을 미생물을 이용하여 제거시키는 방법이다. 생물학적 처리방법으로는 활성슬러지법, 살수여상법, 회전원판법, 산화지법 등의 호기성 처리방법과 부패조법, 라군법, 저장액비화법 등의 혐기성 처리방법으로 구분할 수 있다. In general, biological treatment is widely used for large-scale wastewater treatment, which is a method of removing organic matter decomposable by living organisms using microorganisms. Biological treatment methods can be classified into aerobic treatment methods such as activated sludge method, water spraying method, rotating disc method, and oxidation paper method, and anaerobic treatment methods such as decay method, lagoon method, and stock solution method.
상기 생물학적 처리방법은 미생물과 관련하여 발생되는 운전 상의 제약과 부지 소요가 크고 처리시간이 긴 단점이 있으며 미생물이 일부 방향족 물질에 대해 효율적이지 못할 뿐 아니라 분해 산물이 슬러지 및 시스템 내부의 잔류 미생물의 활성을 저해하여 전체적인 효율을 저감시키는 단점을 지니고 있다.The biological treatment method has the disadvantages of operating constraints and site requirements and long processing time which are related to microorganisms, and the microorganisms are not efficient for some aromatic substances, and the degradation products are sludge and the activity of residual microorganisms in the system. It has the disadvantage of reducing the overall efficiency by inhibiting.
상술한 문제점을 해결하기 위해, 본 발명의 제1 목적은 연속공정을 통하여 폐수 중에 포함된 방향족 유기 물질을 단시간 내에 효과적으로 처리하면서 운전상의 효율성을 증대시킨 폐수처리 장치를 제공하는데 있다.In order to solve the above problems, it is a first object of the present invention to provide a wastewater treatment apparatus which increases the operational efficiency while effectively treating the aromatic organic material contained in the wastewater through a continuous process in a short time.
또한, 본 발명의 제2 목적은 상기 제1 목적을 달성하기 위한 폐수처리 방법을 제공하는데 있다.In addition, a second object of the present invention is to provide a wastewater treatment method for achieving the first object.
상술한 본 발명의 제1 목적을 달성하기 위한 폐수처리 장치는 산화반응을 통해 수소이온을 발생시키기 위한 산화전극, 상기의 산화전극에 대향하고, 산소 및 상기 산화전극에서 발생된 수소이온을 이용하여 과산화수소를 발생시키기 위한 환원전극, 상기 환원전극에 상기 산소를 공급하기 위한 폭기장치 및 상기 산화전극 및 환원전극 사이에 충진되고, 방향족 유기 물질을 분해하는 과산화효소를 고정한 다공성구조체를 포함한다.The wastewater treatment apparatus for achieving the first object of the present invention described above uses an electrode for generating hydrogen ions through an oxidation reaction, opposing the anode, and using oxygen and hydrogen ions generated from the anode. A reduction electrode for generating hydrogen peroxide, an aeration device for supplying the oxygen to the reduction electrode and a porous structure filled between the anode and the reduction electrode, and fixed to the peroxide enzyme to decompose the aromatic organic material.
또한, 본 발명의 제2 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 다공성구조체에 고정한 과산화효소가 상기 방향족 유기 물질을 분해하는 단계 및 상기 단계를 통하여 활성을 잃은 상기 과산화효소가 환원전극에서 발생하는 과산화수소에 의하여 활성화하는 단계를 포함하여 상기 방향족 유기 물질을 지속적으로 분해하는 것을 특징으로 하는 폐수처리 방법을 제공한다.In addition, in order to achieve the second object of the present invention, the present invention is the hydrogen peroxide generated from the cathode by the peroxidase immobilized on the porous structure decomposes the aromatic organic material and the activity is lost through the step It provides a wastewater treatment method comprising the step of activating by continuously decomposing the aromatic organic material.
본 발명의 폐수처리 장치를 사용하면 연속적인 공정을 통하여 방향족 유기 물질을 단시간 내에 효과적으로 처리할 수 있다. 또한 고정된 과산화효소가 오염물질을 산화시키고 자신은 과산화수소에 의해 활성화되어 본래 형태로 환원되기 때문에 2차 오염원을 발생시키지 않으며 ‘환경적으로 건전하고 지속가능한 개발’(ESSD, Environmentally sound and sustainable development)을 추구하는 다양한 분야의 청정기술의 산업화를 위한 기반기술 확립에 기여할 수 있다.By using the wastewater treatment apparatus of the present invention, the aromatic organic material can be effectively treated in a short time through a continuous process. In addition, because fixed peroxidase oxidizes pollutants and is activated by hydrogen peroxide and reduced to its original form, it does not generate secondary pollutants, and is 'environmentally sound and sustainable development' (ESSD). It can contribute to the establishment of base technology for industrialization of clean technology in various fields pursuing
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. As the invention allows for various changes and numerous embodiments, particular embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail in the written description.
이에 앞서, 본 명세서 및 청구 범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면의 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.Prior to this, terms or words used in this specification and claims should not be construed as limiting in their usual or dictionary sense, and the inventors will appropriately define the concept of terms in order to best describe their invention in the best way possible. It should be interpreted as meaning and concept corresponding to the technical idea of the present invention based on the principle that it can. Therefore, the illustrated configuration of the embodiments and drawings described herein are only the most preferred embodiment of the present invention and do not represent all of the technical idea of the present invention, various equivalents that may be substituted for them at the time of the present application It should be understood that there may be water and variations.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, it will be described in detail a preferred embodiment of the present invention.
실시예Example
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 폐수처리 장치의 사시도 및 분해도이다.1A and 1B are a perspective view and an exploded view of a wastewater treatment apparatus according to an embodiment of the present invention.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 본 발명의 폐수처리 장치는 산화전극(110), 환원전극(120), 폭기장치(130) 및 다공성구조체(140)로 구성된다.1A and 1B, the wastewater treatment apparatus of the present invention includes an
상기 산화전극(110)은 폐수처리 장치의 일측면에 배치되고, 물을 산화하여 수소이온(H+)을 발생시킨다.The
상기 환원전극(120)은 산화전극(110)과 서로 대향하는 위치에 배치된다. 또한, 상기 산화전극(110)과 환원전극(120) 사이의 이격공간은 다공성구조체(140)로 충진된다. The
상기 환원전극(120)에서는 폭기장치(130)에서 공급된 산소와 상기의 산화전극에서 발생한 수소이온(H+)의 2-전자 반응을 통하여 과산화수소를 발생시킨다.The
상기 폭기장치(130)는 환원전극(120)에 산소를 공급하기 위해 구비된다. 따라서, 상기 폭기장치(130)가 환원전극(120)에 산소를 공급하는 경우, 그 배치는 상기 도 1a 및 도 1b에 도시된 위치 이외에 다양하게 구비될 수 있음은 당업자에게 자명하다 할 것이다.The
상기 다공성구조체(140)는 산화전극(110) 및 환원전극(120) 사이의 이격공간을 충진한다. 또한, 상기 다공성구조체(140)는 과산화효소가 고정된다. The
상기의 다공성 구조체(140)에 고정된 과산화효소는 유입된 폐수에 포함된 방 향족 유기 물질을 분해시킨다. 또한, 상기 다공성 구조체(140)에 고정된 과산화효소는 환원전극(120)에서 발생된 과산화수소에 의해 활성화된다. 예컨대, 활성 상태의 과산화효소는 유입된 폐수의 방향족 유기 물질을 분해시킨 경우, 활성화 상태를 잃는다. 따라서, 활성을 잃은 과산화효소는 환원전극(120)에서 생성되는 과산화수소에 의해 활성화되고, 지속적인 방향족 유기 물질의 분해가 가능하다. 상기 과산화효소는 방향족 유기 물질에 분해작용을 나타내는 다양한 과산화효소가 사용될 수 있다. The peroxidase immobilized on the
이하, 본 실시예에 따른 폐수처리 장치의 동작을 설명한다.Hereinafter, the operation of the wastewater treatment apparatus according to the present embodiment will be described.
먼저, 유입된 폐수는 산화전극(110)과 환원전극(120)사이의 과산화효소가 고정된 다공성구조체(140)의 충진층을 통과한다. 또한, 폭기장치(130)를 통해 산소가 공급된다. 상기의 산소가 반응하여 환원전극(120)에서는 과산화수소가 다음의 (반응식 1)과 (반응식 2)에 의해 생성된다. 상기의 과산화수소는 폐수처리 장치에서 과산화효소를 활성화하는 역할을 한다. First, the introduced wastewater passes through the packed layer of the
산화전극 : H2O → 2e- + 2H+ + 1/2O2 (반응식 1)Anode: H 2 O → 2e- + 2H + + 1 / 2O 2 (Scheme 1)
환원전극 : O2 + 2H+ + 2e+ → H2O2 (반응식 2)Reduction electrode: O 2 + 2H + + 2e + → H 2 O 2 (Scheme 2)
산화전극(110) 표면에서 물분해(water dissociation)에 의해 수소이온(H+)이 생성되고(반응식 1), 환원전극(120)에서는 폭기장치(130)로부터 공급된 산소와 산화전극(110)에서 이동된 수소이온의 2-전자 반응(2-electron reaction)에 의해 과산화수소가 생성된다(반응식 2). 이때 발생되는 과산화수소는 2가 구리이온과 2,9- dimethyl-1,10-phenanthroline (DMP, Aldrich, US)를 이용하여 발색시킨 후 453 nm에서 흡광도를 측정함으로써 그 농도를 산출할 수 있다.Hydrogen ions (H + ) are generated by water dissociation on the surface of the anode 110 (Scheme 1), and in the
또한, 산화전극(110)과 환원전극(120) 사이에 인가되는 전압이 증가할수록 과산화수소의 발생량은 증가하지만 특정 전압 이상의 조건에서는 오히려 감소하는데 이는 과산화수소 발생을 위한 (반응식 2)보다는 다음의 (반응식 3)에 의해서 4-전자 반응에 의해 물 분자가 재생성 되기 때문이다.In addition, as the voltage applied between the
O2 + 4H+ + 4e+ → 2H2O (반응식 3)O 2 + 4H + + 4e + → 2H 2 O (Scheme 3)
상기 폐수처리 장치의 산화전극(110)과 환원전극(120) 사이에는 과산화효소를 고정한 다공성구조체(140)가 충진된다. 상기 다공성구조체(140)로는 다양한 종류의 불활성 다공성구조체가 바람직하게 사용된다. 일례로 세라이트사 담체(R-646)을 사용할 수 있다. Between the
상기 세라이트 담체는 여과제, 흡착제, 연마제 등 다양한 산업공정에 사용되는 규조토 화합물로 큰 비표면적과 많은 미세기공을 가지고 있으며 화학적 내구성이 뛰어나다. 특히 촉매 고정용으로 생산된 상기 세라이트 담체는 효율적인 효소 고정을 유도하기에 적합한 저가의 실용적 구조체이다. The celite carrier is a diatomaceous earth compound used in various industrial processes such as a filter, an adsorbent, an abrasive, has a large specific surface area and many micropores, and has excellent chemical durability. In particular, the celite carrier produced for catalyst immobilization is a low cost, practical construct suitable for inducing efficient enzyme immobilization.
도 2는 다공성구조체로 상기 세라이트 담체를 사용하여 표면을 개질시킨 후 과산화효소를 화학적으로 고정시키는 일련의 과정을 나타낸 것이다.Figure 2 shows a series of processes for chemically fixing the peroxidase after modifying the surface using the celite carrier as a porous structure.
도 2를 참조하면, 다공성구조체인 세라이트 담체에 과산화효소를 고정시키는 과정은 크게 3개의 과정으로 구성된다. 즉, 상기 3개의 과정은 실란화 과정, 가교 반응 및 고정 과정으로 구성되며, 각각의 과정들 사이에는 과산화효소의 고정을 효과적으로 수행하기 위한 별도의 과정이 추가될 수 있다.Referring to FIG. 2, the process of immobilizing peroxidase on the celite carrier, which is a porous structure, consists of three processes. That is, the three processes are composed of a silanization process, a crosslinking reaction, and a fixing process, and a separate process for effectively fixing the peroxidase may be added between the respective processes.
먼저, 실란화 과정은 다공성구조체인 세라이트 담체의 표면을 개질시켜 아민기를 도입하는 과정이다. 예컨대, 증류수로 세척한 세라이트 담체를 pH 4로 조정된 10 % 3-아미노프로필트리에톡시실란(3-APTES) 용액에 침전시켜 3시간 동안 70 ℃에서 가열한 뒤 여액을 버리고 110 ℃에서 세척 없이 하루 동안 건조한다. 이렇게 생산된 실란화된 세라이트 담체를 증류수로 세척한 후 다시 80 ℃에서 하루 정도 건조한다.First, the silanization process is a process of introducing an amine group by modifying the surface of the celite carrier which is a porous structure. For example, the celite carrier washed with distilled water was precipitated in a 10% 3-aminopropyltriethoxysilane (3-APTES) solution adjusted to
이어서 실란화된 세라이트 담체 표면에 카르보닐기를 도입하는 가교 반응이 수행된다. 상기의 건조된 실란화된 세라이트 담체를 글루타르알데하이드(Glutaraldehyde) 용액에 침전시켜 상온에서 2 시간 동안 일정하게 교반한 뒤 세라이트 담체와 반응하지 않고 표면에 남아있는 글루타르알데하이드(Glutaraldehyde)를 제거하기 위해 증류수를 이용하여 수차례 세척한다. Subsequently, a crosslinking reaction is performed in which a carbonyl group is introduced onto the silanized celite carrier surface. The dried silanized celite carrier was precipitated in a glutaraldehyde solution and stirred for 2 hours at room temperature to remove glutaraldehyde remaining on the surface without reacting with the celite carrier. To be washed several times with distilled water.
마지막으로 과산화효소의 고정 과정이 수행된다. 즉, 가교반응 된 세라이트 담체를 과산화효소 용액에 침전시켜 상온에서 5 시간, 4 ℃에서 19 시간동안 반응시킨 뒤 증류수로 세척하여 냉장 보관한다.Finally, the fixation of peroxidase is performed. That is, the crosslinked celite carrier is precipitated in a peroxidase solution, reacted at room temperature for 5 hours, and reacted at 4 ° C. for 19 hours, and then washed with distilled water and stored in a refrigerator.
도 3은 다공성구조체인 세라이트 담체에 과산화효소를 고정시키는 과정 중, 각각의 과정에서 유도되는 기능기 (functional group)들을 확인하기 위한 개질 전의 세라이트 담체와 실란화된 세라이트 담체 그리고 가교반응된 세라이트 담체의 FT-IR 스펙트럼을 나타낸 것이다. 도 3의 (a)를 통해서 세척 후 얻어지는 담 체(Carrier)에서는 산소-수소 결합(O-H bond)이 3450 cm-1에서 확인되었으며, 도 3의 (b)를 통해서 3-아미노프로필트리에톡시실란(3-APTES)의 아민기에서 유도된 질소-수소 결합(N-H bond)은 1480 ~1440 cm-1에서 확인되었다. 한편 과산화효소의 암모늄기와 펩타이드 결합을 위한 카르보닐기가 글루타르알데하이드(Glutaraldehyde) 결합에 의해 생성되었는데 이는 도 3의 (c)를 나타나는 바와 같이 1560 cm-1에서 탄소-산소 이중결합(C=O bond)에 의해 확인되었다. 이를 통해 과산화효소 고정에 필요한 카르보닐기가 실란화 과정 및 글루타르알데하이드(Glutaraldehyde) 가교과정을 통해 잘 생성되었음을 알 수 있다.3 is a cross-linked celite carrier, silanized celite carrier and crosslinking reaction prior to modification to identify functional groups induced in each process during the process of immobilizing peroxide enzymes on the celite carrier which is a porous structure. The FT-IR spectrum of the celite carrier is shown. Oxygen-hydrogen bond (OH bond) was confirmed at 3450 cm −1 in the carrier obtained after washing through (a) of FIG. 3, and 3-aminopropyltriethoxysilane through (b) of FIG. 3. Nitrogen-hydrogen bonds (NH bonds) derived from the amine group of (3-APTES) were observed at 1480∼1440 cm −1 . Meanwhile, the ammonium group of the peroxidase and the carbonyl group for the peptide bond were generated by the glutaraldehyde bond, which is a carbon-oxygen double bond (C = O bond) at 1560 cm −1 as shown in (c) of FIG. 3. Was confirmed by. It can be seen that the carbonyl group necessary for peroxidase fixation was well formed through the silanization process and the glutaraldehyde crosslinking process.
도 4는 본 실시예의 폐수처리 장치의 다른 변형예를 도시한 사시도이다.4 is a perspective view showing another modified example of the wastewater treatment apparatus of this embodiment.
상기 폐수처리 장치에서는 산화전극(110)으로는 백금이 도금된 티타늄 판과 환원전극(120)으로는 스테인리스 판이 사용될 수 있다. 각각 교차되게 배열하여 다수개의 전해조로 구성되어 질 수도 있다. In the wastewater treatment apparatus, a platinum plated titanium plate and a
상기의 경우 유입 폐수의 반응 효율을 최대로 하기 위하여 다양한 유로 형성이 가능하다.In this case, various flow paths may be formed to maximize the reaction efficiency of the influent wastewater.
일례로 산화전극(110)의 일면 끝부분에 다수개의 구멍(160)을 뚫어 유로를 형성하고 그에 대응하는 환원전극(120)에는 페수의 접촉면적 및 분해효율을 극대화할 수 있는 위치에 다수개의 구멍(170)을 뚫어 폐수와 과산화효소와의 접촉율을 높일 수 있는 유로를 형성할 수 있다. 또한, 산화전극(110)의 구멍(160) 및 환원전극(120)의 구멍(170)의 크기는 다공성구조체(140)를 구성하는 각각의 구조체의 크 기보다 작게 설정하여 각각의 구조체가 전극들에 형성된 구멍을 관통하는 문제를 방지함이 바람직하다. For example, a plurality of
또한, 전극들에 형성된 구멍을 통한 상기 다공성구조체(140)의 유출을 막기 위하여 메쉬, 캡 등을 설치하는 경우 혹은 다공성구조체(140)의 유출에 대한 별도의 대비가 되어 있는 경우에는 구멍 혹은 절단면 등 유로의 위치, 크기 및 형태의 선택은 보다 자유로울 수 있다. In addition, in the case of installing a mesh, a cap, or the like to prevent the outflow of the
또한, 상기의 과산화효소를 활성화시키기 위하여 과산화수소의 공급이 필요하며, 상기의 과산화수소를 발생시키기 위하여 산소 공급을 위한 폭기장치(140)가 설치되어 진다.In addition, supply of hydrogen peroxide is required to activate the peroxide enzyme, and an
상기 폐수처리 장치에 폐수처리의 효율을 높이기 위하여 상기의 폐수처리 장치 후단에 차염소산염에 의해 산화반응을 일으키는 전기화학 반응기(200)를 연결하여 설치할 수 있다. 상기의 전기화학 반응기(200)는 차염소산염을 생성하기 위한 산화전극(210), 환원전극(220) 및 염화나트륨 용액 주입구(230)로 구성된다. 상기의 염화나트륨 용액 주입구를 통하여 공급된 염화나트륨 용액은 전극 반응을 통하여 차염소산염을 생성한다. 상기의 차염소산염은 (반응식 4), (반응식 5) 및 (반응식 6)에 의해 생성된다.In order to increase the efficiency of wastewater treatment in the wastewater treatment apparatus, an
산화전극 : 2Cl- → Cl2 + 2e- (반응식 4)Anode: 2Cl- → Cl 2 + 2e- (Scheme 4)
환원전극 : H2O + 2e- → H2 + 2OH- (반응식 5)Reduction electrode: H 2 O + 2e - → H 2 + 2OH - ( Reaction Scheme 5)
전체반응 : Cl2 + 2NaOH → NaOCl + H2O (반응식 6)Total reaction: Cl 2 + 2NaOH → NaOCl + H 2 O (Scheme 6)
이를 통해 전단의 과산화효소에 의한 전기효소 분해와 후단의 차염소산염에 의한 전기화학적 분해가 연계된 시스템이 방향족 유기성 오염물질을 다량 포함하는 석유화학 배출 폐수의 처리에 적합하다고 예상되어 진다.Through this, it is expected that the system which combines the electroenzyme decomposition by the front end peroxidase and the electrochemical decomposition by the secondary chloride is suitable for the treatment of petrochemical wastewater containing a large amount of aromatic organic pollutants.
도 5은 실제로 제작된 파일럿 스케일의 폐수처리 장치를 보여준다. 5 shows a pilot scale wastewater treatment apparatus actually manufactured.
상기의 장치는 고정된 과산화효소가 충진되어 전기효소적 분해가 일어나는 전단부(300)와 차염소산염에 의한 산화반응이 일어나는 후단부(400)로 구성되어 진다. 전단부(300)는 5쌍의 산화전극(310)과 환원전극(320)을 가지고, 후단부(400)는 5쌍의 산화전극(410)과 환원전극(420)을 가지도록 구성된다. The apparatus is composed of a
상기의 장치에서 산화전극(310, 410)으로는 백금이 0.3 μm 두께로 도금된 티타늄 판을 사용하고, 환원전극(320, 420)으로는 스테인리스 판을 사용한다. In the above apparatus, titanium plates plated with a thickness of 0.3 μm are used as the
상기의 산화전극(310, 410)과 환원전극(320, 420)은 한 개당 800 cm2 (가로 20 cm, 세로 40 cm)의 유효면적을 지닌다. 또한, 각 전극의 간격은 2cm로 고정한다. The
상기의 산화전극(310, 410)의 좌측면에 2 mm 직경의 192개의 원형 구멍(360, 460)을 뚫고, 상기의 환원전극(320, 420)의 우측면에 2 mm 직경의 192개의 원형 구멍(370, 470)을 뚫어 지그재그 형태의 유로를 형성한다. 192
전단부(300)에 과산화수소 발생에 필요한 산소를 공급하기 위해 전극 사이에 폭기장치(330)를 설치하여 50 ml/min의 공기가 주입되도록 한다.In order to supply oxygen necessary for generating hydrogen peroxide to the
후단부(400)에는 염화나트륨 용액 주입구(430)를 통하여 1M 염화나트륨 용액 을 0 ~ 12 ml/min의 속도로 주입되도록 한다. The
과산화효소가 고정된 세라이트 담체(340)를 전단부(300)의 전극 사이에 충진한다. 상기의 세라이트 담체(340)에 고정된 과산화효소는 방향족 유기 물질의 분해가 일어나게 한다. The
유입유로(미도시)에 연동펌프(미도시)를 설치하여 1L/min의 속도로 폐수를 유입시키고, 반응이 완료된 폐수 역시 배출유로(미도시)에 연동펌프(미도시)를 설치하여 1L/min의 속도로 유출시킨다.A peristaltic pump (not shown) is installed in the inflow passage (not shown) to introduce wastewater at a rate of 1 L / min, and the wastewater after the reaction is completed is also installed with a peristaltic pump (not shown) in the discharge passage (not shown). Outflow at min speed.
도 6은 상기의 폐수처리 장치에서 과산화효소를 고정한 세라이트 담체(340)가 충진되었을 때, 인가 전압에 따른 초기 활성에 대한 상대적 활성도 및 단백질 함유량의 변화를 나타낸 것이다. Figure 6 shows the change in the relative activity and protein content for the initial activity according to the applied voltage when the citrate carrier fixed with the peroxidase fixed 340 in the wastewater treatment apparatus.
과산화효소의 활성은 오염물질의 분해 효율에 직접적인 영향을 미치므로 과산화효소의 활성이 유지되는 전압 조건을 결정하고 운전하는 것이 시스템 전체의 효율 및 장기 안정성 유지를 위해 필수적이다.Since the activity of peroxidase directly affects the degradation efficiency of pollutants, it is essential to determine and operate the voltage conditions under which peroxidase activity is maintained to maintain the efficiency and long-term stability of the entire system.
과산화효소의 활성은 ABTS(2,2’-Azino-bis(3-ethylbenzthiazoline- 6-sulfonic acid) 혼합용액 (5 % ABTS 0.32 ml + 0.5 wt % H2O2 0.16 ml + 0.05 M 아세테이트 완충용액(pH 5.0) 2.42 ml + HRP 샘플 0.1 ml)의 흡광도를 흡광도-시간 모드로 측정하여 그래프의 초기 기울기 값을 통해 계산하며 단백질 함유량은 BCA(Bicinchoninic aicd)방법을 이용하여 계산한다.Peroxidase activity was measured by ABTS (2,2'-Azino-bis (3-ethylbenzthiazoline-6-sulfonic acid) mixed solution (5% ABTS 0.32 ml + 0.5 wt% H 2 O 2 0.16 ml + 0.05 M acetate buffer solution) pH 5.0) 2.42 ml + HRP sample 0.1 ml) was measured in the absorbance-time mode and calculated through the initial slope value of the graph, the protein content is calculated using the BCA (Bicinchoninic aicd) method.
도 7은 파일럿 스케일 전기화학 반응기 내부에서 인가되는 전압에 따른 과산 화수소의 발생량을 나타낸 것이다. Figure 7 shows the amount of hydrogen peroxide generated according to the voltage applied in the pilot scale electrochemical reactor.
도 6과 도 7을 참조하면, 3.0 V 이하의 공급 전압 조건에서는 초기 활성에 대해 상대적 활성이 0.85 이상, 과산화효소를 고정한 세라이트 담체 단위 그램당 3.6 mg 이상의 단백질을 함유하고 있는 반면, 3.5 V 이상에서는 상대적 활성 및 단백질 함유량이 급격히 감소함을 확인할 수 있다. 이는 전극반응에 의해 3.5 V 이상의 전압 조건 하에서는 활성에 필요한 과산화수소 외에 오존(Ozone, O3), 하이드록실 라디칼(Hydroxyl radical, OH*)과 같은 강력한 산화제가 생성되어 과산화효소와 다공성구조체인 세라이트 담체 사이의 공유결합을 깨뜨리기 때문에 상대적 활성 및 단백질 함유량이 감소한다고 판단되어 진다.6 and 7, at a supply voltage condition of 3.0 V or less, the relative activity of the initial activity was 0.85 or more and 3.6 mg or more of protein per gram of the celite-fixed cation-fixed carrier. In the relative activity and protein content can be seen that the sharp decrease. In addition to hydrogen peroxide needed for activation under voltage conditions of 3.5 V or more, the electrode reaction produces powerful oxidants such as ozone (Ozone, O 3 ) and hydroxyl radicals (OH *), which are peroxide enzymes and porous structures. It is believed that the relative activity and protein content decrease because they break the covalent bonds between them.
도 5의 장치에서, 전단부(300)와 후단부(400)를 2대의 Power supply(미도시)로 각각 별도로 연결한다. 전단부(300)에는 과산화수소 생산에 적합한 2.8 V의 전압을 인가하고, 후단부(400)에는 차염소산염 발생을 위한 8 V의 전압을 인가하고 모니터를 통해 나오는 전류 값을 기록하여 전력소모량을 계산한다. In the apparatus of FIG. 5, the
상기의 장치를 이용하여 실제 폐수를 처리하기 위해 페놀, 비스페놀-A, 알파메틸스타이렌을 주요 생산품으로 하는 석유화학 공단에서 배출되는 폐수를 채취하였으며 그 성상은 표 1과 같다.The wastewater discharged from the petrochemical complex whose main products are phenol, bisphenol-A, and alphamethylstyrene was used to treat the actual wastewater using the above apparatus. The properties are shown in Table 1.
파일럿 스케일의 폐수처리 장치를 이용하여 상기 특성을 지닌 석유화학 공단에서 배출되는 폐수의 COD를 제거하고자 하였으며, 조건에 따른 COD 제거율과 전력 소모량을 비교하여 최적 조건을 결정하였다.The pilot scale wastewater treatment device was used to remove COD of wastewater discharged from the petrochemical complex having the above characteristics, and the optimum condition was determined by comparing the COD removal rate and power consumption according to the conditions.
도 8은 일례로 과산화효소가 고정된 세라이트 담체를 충진한 상기 시스템을 이용하여 석유화학 단지에서 배출되는 폐수의 COD 제거율 및 이때 소모되는 전력을 나타낸 것이다. 전단부(300)에 과산화효소가 고정된 세라이트 담체를 충진하지 않고, 후단부(400)의 차염소산염에 의한 전기화학적 분해 만으로 처리된 폐수의 COD 제거율은 40 % 이하이다. 이에 반해, 전단부(300)에 세라이트 담체(340)가 충진되어 전기효소적 분해가 일어나고 후단부(400)에 차염소산염에 의해 전기화학적 분해가 연계된 시스템을 이용하여 처리된 폐수의 COD 제거율은 일정하게 90 %를 유지한다. Figure 8 shows the COD removal rate of the wastewater discharged from the petrochemical complex and the power consumed at this time by using the system filled with a celite fixed to the peroxide enzyme as an example. The COD removal rate of the wastewater treated only by electrochemical decomposition by the hypochlorite of the
또한, 소모된 전력도 전기효소 분해와 전기화학적 분해가 연계된 시스템이 전기화학적 분해 만의 시스템에 비해 10 와트 가량 낮은 전력 소모를 보인다.In addition, the power consumed is about 10 watts lower than that of the electrochemical digestion system in which the electroenzyme and electrochemical digestion systems are linked.
한편, 전단부(300)의 분해 조건을 동일하게 하고 후단부(400)의 1M의 염화나트륨 용액 주입 속도에 따른 석유화학 배출 폐수의 COD 제거율을 표 2와 같다.On the other hand, the decomposition conditions of the
일반적으로 과산화효소는 염소 이온에 의해 활성도가 저해되어 시스템의 효율을 감소시킨다. 따라서, 과산화효소가 고정된 세라이트 담체(340)가 충진되어 있는 전단부(300)에는 염화나트륨 용액이 주입되지 않게 주의하며 후단부(400)에만 염화나트륨 용액이 주입되도록 한다. 후단부(400)에 대한 인가전압을 8 V로 할 때, 염화나트륨 용액이 주입되지 않는 경우 47.1 %의 COD 제거율을 보이지만, 염화나트륨 용액이 주입되는 경우 전극 반응에 의해 강력한 산화력을 지닌 차염소산염이 생성되어 COD 제거에 효율적으로 작용하고 있음을 확인 할 수 있다. 상기 표 2의 결과에 따라, 파일럿 스케일의 폐수처리 장치에서의 염화나트륨 용액의 주입량은 주입량이 가장 적은 3 mL/min을 최적 조건으로 한다.In general, peroxidase is inhibited by chlorine ions, reducing the efficiency of the system. Therefore, the sodium chloride solution is careful not to be injected into the
도 9는 상기 파일럿 스케일의 폐수처리 장치를 이용하여 분해 전후의 석유화학 공단에서 배출된 폐수의 고성능 액체 크로마토 그래피 (high performance liquid chramatography, HPLC)와 FT-IR의 ATR 모드 스펙트럼을 측정하여 부산물을 비교하였으며 분해 경로를 제시한다. 9 is a high-performance liquid chromatography (HPLC) of the wastewater discharged from the petrochemical complex before and after decomposition using the pilot scale wastewater treatment apparatus and by measuring the ATR mode spectrum of the FT-IR to compare the by-products And the decomposition route is presented.
도 9(a)와 도 9(b)에서 보는 바와 같이 과산화효소에 의한 전기효소 분해와 차염소산염에 의한 전기화학적 분해가 연계된 상기 파일럿 스케일의 폐수처리 장치에 의해 처리된 폐수는 시간이 지날수록 복잡한 형태의 방향족 유기성 화합물이 줄어들고 페놀과 벤젠산(benzoic acid, C7H6O2)만 남게 된다. 반응이 더욱 진행되면 페놀과 벤젠산마저 사라지게 된다. 이를 통해 도 9(c)에 보인 바와 같이 다양한 형태의 방향족 유기성 물질을 포함하고 있던 석유화학 배출 폐수는 효과적으로 분해된다.As shown in FIGS. 9 (a) and 9 (b), the wastewater treated by the pilot scale wastewater treatment apparatus in which electroenzyme digestion by peroxidase and electrochemical decomposition by hypochlorite are associated with time. Complex aromatic organic compounds are reduced and only phenol and benzoic acid (C 7 H 6 O 2 ) remain. As the reaction proceeds further, even the phenol and benzene acids disappear. As a result, as shown in FIG. 9 (c), petrochemical wastewater containing various types of aromatic organic substances is effectively decomposed.
도 10은 초기 석유화학 배출 폐수와 반응 후 유출되는 석유화학 배출 폐수의 GC-MS 다이어그램을 통하여 생성되는 부산물을 확인한다. 표 3은 파일럿 스케일이 폐수처리 장치에 유입된 폐수와 과산화효소에 의한 전기효소 분해과 전기화학적 반응이 완료된 폐수의 GC-MS 결과를 보여준다. 상기 파일럿 스케일의 폐수처리 장치를 통해 다양한 형태의 방향족 유기성 물질이 효과적으로 분해된다. Figure 10 confirms the by-products generated through the GC-MS diagram of the petrochemical wastewater discharged after the reaction with the initial petrochemical wastewater. Table 3 shows the GC-MS results of the wastewater in which the pilot scale was introduced into the wastewater treatment system, and the wastewater from which the electroenzymatic degradation by peroxidase and the electrochemical reaction were completed. Various types of aromatic organic substances are effectively decomposed through the pilot scale wastewater treatment apparatus.
도 11은 상기 반응기를 이용하여 석유화학 단지에서 배출되는 폐수의 18일 동안 장기 운전을 실시한 결과를 COD 제거율과 전력소모로 나타낸 것이다. 운전 동안 석유화학 단지에서 배출되는 폐수의 COD 제거율이 85 %에서 95 %로 유지되고 있으며, 이때 75 와트 정도의 전력이 소모됨을 나타낸다.11 shows the results of long-term operation of the wastewater discharged from the petrochemical complex using the reactor for 18 days as COD removal rate and power consumption. The COD removal rate of the wastewater discharged from the petrochemical complex during operation is maintained at 85% to 95%, indicating that about 75 watts of power are consumed.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 폐수처리 장치의 사시도이다.1A is a perspective view of a wastewater treatment apparatus according to an embodiment of the present invention.
도 1b는 도 1a에 도시된 폐수처리 장치를 구체적으로 설명하기 위한 분해도이다.FIG. 1B is an exploded view for explaining in detail the wastewater treatment apparatus shown in FIG. 1A.
도 2는 다공성구조체인 세라이트 담체에 과산화효소가 고정 되는 메커니즘을 나타낸 것이다.Figure 2 shows the mechanism by which the peroxidase is fixed to the celite support which is a porous structure.
도 3은 실란화 과정, 가교반응, 고정 과정에 의해 과산화효소가 고정된 다공정구조체인 세라이트 담체의 FT-IR 스펙트럼을 나타낸 것이다.Figure 3 shows the FT-IR spectrum of the celite carrier, a multi-step structure in which peroxidase is immobilized by silanization, crosslinking, and immobilization.
도 4는 도 1a에 도시된 폐수처리 장치의 다른 변형예를 나타낸 도면이다.4 is a view showing another modified example of the wastewater treatment apparatus shown in FIG.
도 5는 파일럿 스케일의 폐수처리 장치를 나타낸 것이다.5 shows a wastewater treatment apparatus of pilot scale.
도 6은 세라이트 담체에 고정된 과산화효소의 인가전압에 따른 초기 활성에 대한 상대적 활성도 및 단백질 함유량의 변화를 나타낸 것이다.Figure 6 shows the change in relative activity and protein content for the initial activity according to the applied voltage of the peroxide enzyme immobilized on the celite carrier.
도 7은 인가전압에 따른 파일럿 스케일의 폐수처리 장치 내부에서 발생되는 과산화수소의 양을 나타낸 것이다.7 shows the amount of hydrogen peroxide generated in the pilot scale wastewater treatment system according to the applied voltage.
도 8은 파일럿 스케일의 폐수처리 장치를 이용하여 석유화학 단지에서 배출된 실제 폐수의 COD 제거율과 전력소모량을 나타낸 것이다.8 shows the COD removal rate and power consumption of the actual wastewater discharged from the petrochemical complex using the pilot scale wastewater treatment apparatus.
도 9(a)는 파일럿 스케일의 폐수처리 장치를 이용하여 반응 전과 후의 석유화학 배출 폐수의 고성능 액체 크로마토 그래피 (high performance liquid chromatography, HPLC)이고, (b)는 FT-IR의 ATR (attenuated transition reflection) 모드를 이용한 스펙트럼을 나타내며, (c)는 이를 통한 분해경로를 제 시한 것이다.Figure 9 (a) is a high performance liquid chromatography (HPLC) of petrochemical discharge wastewater before and after the reaction using a pilot scale wastewater treatment apparatus, (b) is attenuated transition reflection of FT-IR ) Spectrum, and (c) shows the decomposition path through it.
도 10은 폐수처리 장치를 이용하여 분해 전과 후의 석유화학 배출 폐수의 GC-MS 다이어그램을 나타낸 것이다.10 shows a GC-MS diagram of petrochemical discharge wastewater before and after decomposition using a wastewater treatment apparatus.
도 11은 도 5에서 제시한 장치를 이용하여 석유화학 단지에서 배출되는 폐수의 18일 동안 장기 운전을 실시한 결과를 COD 제거율로 나타낸 것이다.FIG. 11 shows the results of long-term operation of the wastewater discharged from the petrochemical complex using the apparatus shown in FIG. 5 as a COD removal rate.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
100 : 전기효소적 분해가 일어나는 전기화학 반응기100: electrochemical reactor with electroenzymatic decomposition
110, 210, 310, 410 : 산화전극 120, 220, 320, 420 : 환원전극110, 210, 310, 410:
130 : 폭기장치 130: aeration device
140 : 과산화효소가 고정된 다공성구조체140: porous structure fixed with peroxidase
160, 170, 260, 270, 360, 370, 460, 470 : 구멍160, 170, 260, 270, 360, 370, 460, 470: hole
200 : 차염소산염에 의한 산화반응을 일으키는 전기화학 반응기200: electrochemical reactor causing oxidation by hypochlorite
230 : 염화나트륨 용액 주입구230: sodium chloride solution inlet
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KR970007314B1 (en) * | 1994-03-04 | 1997-05-07 | 아남환경산업 주식회사 | Electrolysis method for waste water |
JP2001300560A (en) | 2000-04-19 | 2001-10-30 | ▲張▼ ▲書▼廷 | Method for treating waste water, device for treating waste water and catalyst for treating waste water |
KR200305722Y1 (en) | 2002-11-29 | 2003-03-03 | 주식회사 동양과학 | Electrolytic bath for producing sterilizing water |
KR100664749B1 (en) | 2005-06-24 | 2007-01-03 | 광주과학기술원 | Electrochemical reactor immobilized enzyme for advanced oxidation water treatment process and the preparation method thereof |
-
2007
- 2007-09-20 KR KR20070095587A patent/KR100954028B1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
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Publication number | Publication date |
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