KR101298675B1 - 광촉매를 이용하는 수처리장치 및 수처리방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 의한 수처리장치는, 정화실을 갖는 처리조, 처리조에 오염수를 공급하기 위해 처리조에 연결되는 오염수 공급관, 정화실로 유입되는 오염수에 자성 물질이 광촉매 물질에 결합된 자성 광촉매 분말을 투입하기 위한 광촉매 투입장치, 정화실에서 자성 광촉매 분말에 의해 정화된 정화수를 배출하기 위해 처리조에 연결되는 정화수 배출관, 정화수 속에 함유된 자성 광촉매 분말이 정화수 배출관을 통해 배출되는 것을 막기 위해 자성 광촉매 분말을 포집할 수 있도록 정화수 배출관에 배치되는 자석을 구비하는 광촉매 포집장치를 포함한다. 본 발명에 의한 수처리장치에 의할 경우 자성 광촉매 분말을 오염수 속에 고르게 분산시킬 수 있어 광촉매의 촉매반응에 의한 오염수 속의 오염물 분해 효율을 높일 수 있고, 정화 처리후 자성 광촉매 분말을 용이하게 회수하여 재사용할 수 있게 된다.

Description

광촉매를 이용하는 수처리장치 및 수처리방법{Apparatus and method for wastewater treatment using photocatalyst}
본 발명은 수처리에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 광촉매의 촉매반응을 이용하여 오염수 속의 오염물을 분해시킴으로써 오염수를 정화하는 광촉매를 이용하는 수처리장치 및 수처리방법에 관한 것이다.
가정, 공장이나 사업소 등에서 배출되는 오염수 중에는 유독물질이나 유해물질이 대량으로 함유되는 경우가 많기 때문에 이것을 그대로 방출하면 심각한 환경오염을 초래하게 된다. 따라서 공공 수역의 수질보전을 위해서 공장이나 사업소 등에서 배출되는 오염수는 환경정책기본법, 수질환경보전법, 오수·분뇨 및 축산오염수의 처리에 관한 법률 등에 규정된 기준에 도달할 때까지 정화된 후 배출되어야 한다. 이를 위해 오염수는 수처리장치를 거치면서 고체·액체분리, 물리화학적 처리, 생물학적 처리 등의 처리 방법으로 정화된 후 외부로 방출된다.
현재, 산업의 발달과 함께 환경오염 문제는 갈수록 심각해지고 있고, 오염물질에 대한 규제도 더욱 강화되고 있는 추세이다. 이러한 추세에 따라 오염물질을 제거하기 위한 새로운 방법들이 개발되고 있고, 그 중에 하나가 고도산화법(Advanced Oxidation Process, AOP)이다.
고도산화법은 보통의 산화공정에서 사용하는 산화제보다 강력한 산화력을 가지는 OH 라디칼을 반응기 중에 생성시켜 이 라디칼이 오염수에 함유되어 있는 유기화합물을 CO2나 H2O 등의 무해한 화합물로 분해시키는 기술이다. 이러한 고도산화법은 오염수에 함유되어 있는 난분해성 화합물을 주 처리 대상으로 하는 보다 진보된 수처리 기술로, 최근 수처리에 널리 이용되고 있는 오존(O3) 처리에 pH를 조절하거나 과산화수소(H2O2), 자외선(UV) 등을 이용한 부가 처리를 더해 산화력을 증대시키는 복합 산화방식을 이용한다. OH 라디칼의 높은 산화력을 이용하는 고도산화법은 수중의 유기오염 물질을 CO2와 H2O로 분해하기 때문에 2차 오염을 유발하지 않으며 생분해성 및 난분해성 오염물질들을 처리할 수 있다는 장점이 있다.
고도산화법은 OH 라디칼을 생성시키는 방법에 따라 오존(O3)이나 과산화수소에 자외선을 조사하는 방법, pH를 조절하는 방법, 반도체 금속화합물을 광촉매(photocatalyst)로 이용하는 방법 등으로 나눌 수 있다. 여기에서, 광촉매란 빛을 받으면 촉매반응을 일으키는 물질로서 빛을 에너지원으로 하여 촉매반응을 촉진시켜 각종 세균 및 오염물질을 분해시키는 반도체 물질이다. 광촉매의 원료로 사용이 가능한 반도체의 성격을 가진 물질로는 이산화티탄(TiO2), 산화주석(SnO2), 산화텅스텐(WO3), 산화아연(ZnO), 황화카드뮴(CdS) 등 여러 가지가 있으며, 이 중에서 이산화티탄(TiO2)이 자원적으로 풍부하고, 광촉매로서의 내구성 및 내마모성이 우수하며, 그 자체로 안전·무독물질로 폐기 시에도 2차 공해에 대한 염려가 없어 가장 많이 사용되고 있다.
이산화티탄과 같은 반도체 금속화합물을 광촉매로 이용하는 수처리장치는 표준 활성 슬러지법으로는 처리하기 어려운 난분해성 유기화합물을 효율적으로 제거할 수 있고, 운전 및 조작이 편리하며, 자외선에 의한 오염수 처리 공정에 쉽게 응용할 수 있는 등의 장점이 있다. 수용액 상에서 이산화티탄과 자외선(UV)에 의한 광촉매 산화반응 메카니즘을 간단하게 살펴보면 다음과 같다.
자외선 램프에서 방출된 자외선이 촉매인 이산화티탄에 밴드 갭(band gap) 에너지(3.2eV)보다 높은 광에너지(파장＜387.5nm)를 공급하면 전자가 채워져 있던 이산화티탄의 가전자대(valence band)에서 전자가 방출되어 전도대(conduction band)로 이동하게 되며, 동시에 이산화티탄의 가전자대에서는 정공(positive hole)이 생성된다. 그리고, 여기된 전자는 촉매의 표면에 흡착되어 있는 전자수용체인 산소와 반응하여 슈퍼옥시드 라디칼(superoxide radical)을 생성하며, 슈퍼옥시드 라디칼은 물분자와 반응하여 높은 산화력을 가진 하이드록실 라디칼(hydroxyl radical)을 생성한다.
이와 동시에, 이산화티탄의 표면에서 생성된 정공은 촉매에 흡착되어 있는 물분자나 하이드록실 이온과 반응하여 하이드록실 라디칼을 생성하거나 유기화합물과 직접 반응하여 유기화합물을 분해하기도 한다. 또한, 광촉매에서 생성된 전자와 정공은 모두 산화 및 환원 반응에 의하여 OH 라디칼을 생성하게 되는데, 이때, 생성된 OH 라디칼이 여러 가지 형태로 수중의 유기물과 반응하여 분해가 진행된다.
이산화티탄을 종래의 광촉매 산화장치처럼 직접 분말형태로 사용하게 되면, 입도가 수㎛ ∼ 수㎚인 이산화티탄의 미세입자들이 졸 상태로 현탁되어 있게 되어 이산화티탄을 다시 정화수로부터 분리 및 회수하는데 어려움이 있다. 이러한 이유로 종래에는 광촉매인 이산화티탄을 분말 형태로 사용하기보다는 스프레이 코팅, 스핀 코팅, 딥 코팅 등의 코팅 방식으로 알루미늄판이나 유리 등에 코팅하여 사용하는 것이 일반적이었다.
그런데 광촉매가 코팅된 광촉매판을 다수 적층하고 오염수를 광촉매판으로 통과시켜 정화하는 종래의 수처리장치는 광촉매판 설치로 인해 부피가 커지고, 오염수 처리 효율이 떨어지는 문제가 있다.
최근에는 부피를 줄이고 오염수 처리 효율을 높이기 위한 나선형 구조의 수처리장치가 소개된 바 있다. 나선형 구조의 수처리장치는 오염수를 광촉매판에 의해 형성된 나선형의 통로를 따라 유동시켜 오염수가 광촉매판과 접촉하는 시간을 증가시킨다.
그런데 이러한 종래 수처리장치 역시 광촉매와 오염수 속의 오염물 간의 접촉이 원활하지 않아 오염물의 분해 효율이 떨어지고, 하나의 자외선 램프를 사용하는 구조를 가져 정화 능력이 미미하다. 그리고 자외선 램프에서 조사되는 빛의 파장에 따라 살균력, 휘발성유기화합물(VOC)의 제거 효율, 탈취력 등에 차이가 있다. 또한 종래 나선형 구조의 수처리장치는 나선형으로 감긴 광촉매판의 내측 단부가 직접 자외선 램프와 접촉하도록 되어 있어, 광촉매판의 날카로운 단부가 조립이나 해체시 자외선 램프를 손상시키는 문제점이 있다.
본 발명은 이러한 점을 감안하여 안출된 것으로서, 본 발명은 광촉매 분말을 이용하여 오염수의 정화 효율을 높이면서도 오염수를 정화한 정화수 속에 함유된 광촉매 분말을 간단하게 회수하여 재사용이 가능하도록 한 수처리장치 및 수처리방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 수처리장치는, 정화실을 갖는 처리조, 상기 처리조에 오염수를 공급하기 위해 상기 처리조에 연결되는 오염수 공급관, 상기 정화실로 유입되는 오염수에 자성 물질이 광촉매 물질에 결합된 자성 광촉매 분말을 투입하기 위한 광촉매 투입장치, 상기 정화실에서 상기 자성 광촉매 분말에 의해 정화된 정화수를 배출하기 위해 상기 처리조에 연결되는 정화수 배출관, 정화수 속에 함유된 상기 자성 광촉매 분말이 상기 정화수 배출관을 통해 배출되는 것을 막기 위해 상기 자성 광촉매 분말을 포집할 수 있도록 상기 정화수 배출관에 배치되는 자석을 구비하는 광촉매 포집장치를 포함한다.
본 발명에 의한 수처리장치는 상기 자석에 의해 포집된 상기 자성 광촉매 분말을 포집 해제하기 위한 포집 해제장치 및 상기 자석으로부터 포집 해제된 상기 자성 광촉매 분말을 회수하기 위해 상기 정화수 배출관에 연결되는 광촉매 회수탱크를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 의한 수처리장치는 상기 자석으로부터 포집 해제된 상기 자성 광촉매 분말을 상기 광촉매 회수탱크 쪽으로 운반하기 위한 운반유체를 상기 정화수 배출관의 내부로 공급하기 위해 상기 정화수 배출관에 연결되는 운반유체 공급장치를 더 포함할 수 있다.
상기 자석은 상기 자성 광촉매 분말이 상기 정화수 배출관의 내면에 부착될 수 있도록 상기 정화수 배출관의 외면에 배치되고, 상기 포집 해제장치는 상기 자석을 상기 정화수 배출관으로부터 이격시키기 위해 상기 자석을 이동시키는 자석 이동장치를 포함할 수 있다.
상기 자석은 전류를 공급받아 작동하는 전자석이고, 상기 포집 해제장치는 상기 자석에 공급되는 전류를 조절하는 전류 조절장치를 포함할 수 있다.
본 발명에 의한 수처리장치는 정화수와 함께 상기 정화수 배출관을 따라 유동하는 상기 자성 광촉매 분말 중에서 상기 광촉매 포집장치를 통과한 자성 광촉매 분말을 걸러내기 위해 상기 정화수 배출관의 상기 광촉매 포집장치보다 하류에 설치되는 거름부재를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 의한 수처리장치는 상기 광촉매 회수탱크로 회수된 상기 자성 광촉매 분말을 상기 광촉매 투입장치로 운반하기 위해 상기 광촉매 투입장치와 상기 광촉매 회수탱크를 연결하는 광촉매 공급관을 더 포함할 수 있다.
본 발명에 의한 수처리장치는 상기 정화실로 투입된 오염수와 상기 자성 광촉매 분말을 교반하기 위해 상기 처리조 내부에 설치되는 교반기를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 의한 수처리장치는 상기 처리조로 유입되는 오염수에 함유된 오염물의 농도를 측정하기 위한 오염수 농도센서 및 상기 오염수 농도센서로부터 상기 처리조로 유입되는 오염수에 함유된 오염물의 농도에 대한 정보를 제공받아 상기 처리조로 유입되는 오염수에 적절량의 상기 자성 광촉매 분말이 투입될 수 있도록 상기 광촉매 투입장치를 제어하는 제어장치를 더 포함할 수 있다.
상기 자성 광촉매 분말을 구성하는 상기 자성 물질은 철(Fe), 코발트(Co), 크롬(Cr), 니켈(Ni) 중에서 적어도 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 자성 광촉매 분말을 구성하는 상기 광촉매 물질은 이산화티탄인 것이 바람직하다.
상기 자성 광촉매 분말을 구성하는 상기 광촉매 물질은 이산화티탄에 질소나 탄소가 도핑되어 가시광 영역에서도 광분해능을 발휘할 수 있는 이산화티탄일 수 있다.
한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 수처리방법은, (a) 처리조의 내부에 오염수와 자성 물질이 광촉매 물질에 결합된 자성 광촉매 분말을 투입하는 단계, (b) 상기 처리조에 투입된 오염수와 상기 자성 광촉매 분말에 빛을 조사하여 상기 자성 광촉매 분말을 활성화시킴으로써 오염수 속의 오염물을 분해시키는 단계, (c) 상기 처리조에 연결된 정화수 배출관의 유로를 개방하여 상기 처리조에서 정화된 정화수를 배출하는 단계, (d) 상기 정화수 배출관에 배치된 자석의 자력을 이용하여 상기 정화수 배출관을 통해 배출되는 정화수 속에 포함된 상기 자성 광촉매 분말을 포집하는 단계, (e) 상기 자석에 의해 포집된 상기 자성 광촉매 분말을 회수하는 단계를 포함한다.
상기 (e) 단계는, (e-1) 상기 자석에 의해 포집된 상기 자성 광촉매 분말을 포집 해제하는 단계 및 (e-2) 상기 자석으로부터 포집 해제된 상기 자성 광촉매 분말을 상기 정화수 배출관에 연결된 광촉매 회수탱크에 수거하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 (e) 단계는, 상기 (e-1) 단계 이후, 상기 정화수 배출관의 내부로 운반유체를 공급하여 상기 자석으로부터 포집 해제된 상기 자성 광촉매 분말을 상기 광촉매 회수탱크 쪽으로 운반하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 의한 수처리방법은, 상기 (d) 단계 이후, 정화수와 함께 상기 정화수 배출관을 따라 유동하는 상기 자성 광촉매 분말 중에서 상기 광촉매 포집장치를 통과한 자성 광촉매 분말을 오염수로부터 걸러내는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 의한 수처리방법은, 상기 (e) 단계 이후, 회수된 상기 자성 광촉매 분말을 상기 광촉매 투입장치로 운반하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 (b) 단계는 상기 처리조로 투입된 오염수와 상기 자성 광촉매 분말을 교반하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 의한 수처리장치 및 수처리방법은 자성 광촉매 분말을 오염수 속에 고르게 분산시킬 수 있어 광촉매의 촉매반응에 의한 오염수 속의 오염물 분해 효율을 높일 수 있다.
또한 본 발명에 의한 수처리장치 및 수처리방법은 자성을 띄는 자성 광촉매 분말을 정화수의 배출 과정 중에 광촉매 포집용 자석을 이용하여 포집함으로써, 자성 광촉매 분말의 회수 및 재사용이 가능하여 운전 비용을 줄이고, 자원의 낭비를 막을 수 있다.
또한 본 발명에 의한 수처리장치 및 수처리방법은 자외선뿐만 아니라 가시광에서도 반응하는 자성 광촉매 분말을 이용함으로써, 광촉매반응이 원활하게 이루어질 수 있고, 고가의 자외선 발생장치를 배제하고 태양광이나 저가의 램프를 사용할 수 있어 경제적이다.
또한 본 발명에 의한 수처리장치 및 수처리방법은 가정, 공장이나 사업소 등에서 배출되는 오염수의 처리뿐 아니라, 정수기 등과 같은 다양한 수질 정화장치에 폭 넓게 이용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 광촉매를 이용하는 수처리장치의 구성을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 광촉매를 이용하는 수처리장치의 일부 구성을 나타낸 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 광촉매를 이용하는 수처리장치의 정화수 배출 및 자성 광촉매 분말 포집 과정을 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 의한 광촉매를 이용하는 수처리장치의 자성 광촉매 분말 회수 과정을 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 의한 광촉매를 이용하는 수처리장치의 회수된 자성 광촉매 분말을 재공급하는 과정을 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 의한 광촉매를 이용하는 수처리장치의 구성을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 의한 광촉매를 이용하는 수처리장치의 일부 구성을 나타낸 블록도이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 의한 광촉매를 이용한 수처리장치 및 수처리방법에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명을 설명함에 있어서, 도면에 도시된 구성요소의 크기나 형상 등은 설명의 명료성과 편의를 위해 과장되거나 단순화되어 나타날 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 광촉매를 이용하는 수처리장치의 구성을 개략적으로 나타낸 것이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 광촉매를 이용하는 수처리장치의 일부 구성을 나타낸 블록도이다.
도 1 및 도 2에 도시된 것과 같이, 본 발명의 일실시예에 의한 수처리장치(100)는 광촉매에 의한 오염수의 정화가 이루어지는 처리조(110), 처리조(110)에 공급되는 오염수에 자성 광촉매 분말(C;도 3참조)을 공급하기 위한 광촉매 투입장치(118), 처리조(110) 내부로 빛을 조사하기 위한 램프(124), 처리조(110) 내로 공급된 오염수와 자성 광촉매 분말(C)을 고르게 혼합하기 위한 교반기(126), 처리조(110)에서 배출되는 정화수 중에 포함된 자성 광촉매 분말(C)을 포집하기 위한 광촉매 포집장치(140), 광촉매 포집장치(140)에 의해 포집된 자성 광촉매 분말(C)을 회수하기 위한 광촉매 회수탱크(144), 수처리장치(100)의 전반적인 동작을 제어하기 위한 제어장치(150)를 포함한다.
여기에서, 자성 광촉매 분말(C)은 광촉매 물질에 자성 물질이 결합된 구조로 이루어져 자성을 띄며, 자석에 부착될 수 있다. 즉, 자성 광촉매 분말(C)은 종래 알려진 광촉매로 사용되는 물질에 자성 물질이 결합된 것이 이용될 수 있다. 상기 자성 물질로는 철(Fe), 코발트(Co), 크롬(Cr), 니켈(Ni) 등이 이용될 수 있다.
상기 광촉매 물질은 광촉매로 사용가능한 어느 것을 사용하여도 무방하며, 일례로 이산화티탄(TiO2), 산화주석(SnO2), 산화텅스텐(WO3), 산화아연(ZnO), 황화카드뮴(CdS) 등이 사용될 수 있다.
특히 이산화티탄은 그 자체 또는 이산화티탄에 Ag, V, Pt 등의 금속을 도핑하거나, 이산화티탄에 C, N 등의 비금속 원소를 도핑하여 가시광 영역에서도 광분해능을 발휘하도록 한 것이 사용될 수 있다.
상기 광촉매 물질(특히 이산화티탄)에 상기 자성 물질을 결합하는 것은, (1) 자성 물질의 전구체를 용매에 용해 또는 분산시켜 자성 물질의 전구체 용액을 제조하는 단계; (2) 상기 '제(1)단계'의 과정을 통하여 제조된 용액에 광촉매 물질을 혼합하고 반응시키는 단계; 및 (3) 상기 '제(2)단계'의 과정을 통하여 상기 '제(1)단계'에서 제조된 용액과 반응이 완료된 광촉매 물질에 열처리를 하는 단계를 통하여 이루어질 수 있으며, 이외에도 다양한 방법에 의하여 이루어질 수 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 처리조(110)의 내부에는 오염수와 광촉매 분말(C)이 수용되는 정화실(111)이 마련된다. 처리조(110)는 외부에 배치되는 램프(124)에서 발생하는 빛이 처리조(110) 내부로 투과될 수 있도록 투명 또는 반투명 소재로 이루어진다. 처리조(110)의 일측에는 오염수 공급관(113)이 연결되며, 오염수 공급관(113)을 통해 오염수가 처리조(110)의 내부로 유입된다. 도면에 도시되지는 않았으나, 처리조(110)에는 오염수 속의 오염물 농도를 측정하기 위한 농도센서가 설치될 수 있다. 농도센서로 처리조(110)에 유입된 오염수 속의 오염물 농도를 측정하면, 오염수 처리 상태를 확인할 수 있다.
오염수 공급관(113)에는 오염수의 유입을 단속하기 위한 오염수 공급 조절밸브(114), 오염수 공급관(113)을 통해 처리조(110)로 유동하는 오염수의 유량을 측정하기 위한 오염수 유량계(115), 오염수 공급관(113)을 따라 유동하는 오염수 속의 오염물 농도를 측정하기 위한 오염수 농도센서(116)가 설치된다. 오염수 유량계(115)와 오염수 농도센서(116)의 측정 신호는 제어장치(150)에 제공된다. 제어장치(150)는 이들 측정 신호로부터 처리조(110)로 유입된 오염수를 효율적으로 정화시킬 수 있는 자성 광촉매 분말(C)의 투입량을 산출하고, 광촉매 투입장치(118)를 제어하여 자성 광촉매 분말(C)이 산출량만큼 처리조(110)에 투입되도록 한다.
광촉매 투입장치(118)는 오염수 공급관(113)에 연결되는 광촉매 투입관(119), 광촉매 분말(C)을 저장하는 광촉매 저장탱크(120), 광촉매 분말(C)의 투입량을 조절하기 위해 광촉매 투입관(119)에 설치되는 광촉매 투입 조절밸브(121)를 포함한다. 광촉매 저장탱크(120)에는 광촉매 저장탱크(120)에 저장된 광촉매 분말(C)의 농도를 측정하기 위한 광촉매 농도센서(122)가 마련된다.
광촉매 저장탱크(120)에는 광촉매 회수탱크(144)로 회수된 자성 광촉매 분말(C)과 함께 세척수가 함께 유입될 수 있으므로, 광촉매 저장탱크(120) 내의 자성 광촉매 분말(C)의 농도는 수시로 변할 수 있다. 광촉매 농도센서(122)는 광촉매 저장탱크(120) 내의 자성 광촉매 분말(C)의 농도를 실시간으로 측정하고 그 측정 신호를 제어장치(150)에 제공한다. 제어장치(150)는 자성 광촉매 분말(C)의 농도에 따라 광촉매 투입 조절밸브(121)의 개도량이나 개방시간을 조절하여 적절량의 자성 광촉매 분말(C)이 처리조(110)에 투입될 수 있도록 한다.
램프(124)는 처리조(110)의 외부에 배치되어 처리조(110) 내부로 빛을 조사한다. 램프(124)로는 자외선 램프가 이용될 수 있으며, 자성 광촉매 분말(C)을 구성하는 광촉매 물질이 가시광 응답형인 경우에는 가시광선을 조사할 수 있는 다양한 발광장치가 이용될 수 있다. 램프(124)는 처리조(110) 내부에 배치될 수도 있으며, 처리조(110)가 투명하고, 광촉매 물질이 가시광 응답형인 경우에는 설치되지 않거나, 보조 광원으로 이용될 수도 있다.
교반기(126)는 처리조(110)의 내부에 배치되어 오염수와 자성 광촉매 분말(C)을 고르게 교반하고, 자성 광촉매 분말(C)에 의한 오염물의 분해를 촉진시킨다. 교반기(126)는 정화실(111)에 배치되는 복수의 교반 날개(127), 교반 날개(127)가 결합된 회전축(128) 및 회전축(128)을 회전시키기 위한 모터(129)를 포함한다.
처리조(110)에서 광촉매 분말(C)과 반응하여 정화된 정화수는 처리조(110)에 연결된 정화수 배출관(131)을 통해 외부로 배출된다. 정화수 배출관(131)에는 정화수 배출관(131)을 통한 유체의 유동을 단속하기 위한 제 1 배수 조절밸브(132) 및 제 2 배수 조절밸브(133), 정화수 속에 함유된 광촉매 분말(C)을 걸러내기 위한 거름부재(134)가 배치된다. 거름부재(134)는 정화수 배출관(131)의 광촉매 회수탱크(144)보다 하류에 배치되며, 정화수와 함께 정화수 배출관(131)을 따라 유동하는 자성 광촉매 분말(C) 중에서 광촉매 포집장치(140)에 포집되지 않은 자성 광촉매 분말(C)이나 광촉매 회수탱크(144)에 회수되지 못한 자성 광촉매 분말(C)을 포집한다.
제 1 배수 조절밸브(132)와 제 2 배수 조절밸브(133)는 제어장치(150)에 의해 제어되어 정화수 배출관(131)의 유로를 선택적으로 개폐한다. 제 1 배수 조절밸브(132)는 정화수 배출관(131)의 광촉매 포집장치(140)보다 상류에 배치되고, 제 2 배수 조절밸브(133)는 정화수 배출관(131)의 광촉매 회수탱크(144)와 거름부재(134) 사이에 배치된다.
정화수 배출관(131)의 제 1 배수 조절밸브(132)와 광촉매 포집장치(140)의 사이에는 세척수 공급관(136)이 연결된다. 세척수 공급관(136)은 세척수 공급장치(137)에서 공급되는 세척수를 정화수 배출관(131)으로 안내한다. 세척수 공급관(136)에는 세척수 공급관(136)의 유로를 개폐하기 위한 세척수 공급관 개폐밸브(138)가 설치된다. 세척수 공급장치(137)는 정화수 배출관(131)에 세척수를 공급하여 광촉매 포집장치(140)에 의해 포집되었다가 포집 해제되는 자성 광촉매 분말(C)을 광촉매 회수탱크(144) 쪽으로 운반한다.
광촉매 포집장치(140)에 의해 포집되었다가 포집 해제되는 자성 광촉매 분말(C)은 자연히 정화수 배출관(131) 하류의 광촉매 회수탱크(144) 쪽으로 이동하기 어렵다. 따라서 세척수와 같은 운반유체를 정화수 배출관(131)으로 공급해주면 자성 광촉매 분말(C)이 운반유체에 휩쓸려 광촉매 회수탱크(144) 쪽으로 쉽게 이동할 수 있다. 자성 광촉매 분말(C)을 운반하기 위한 운반유체를 제공하기 위한 운반유체 공급장치로는 상술한 것과 같은 세척수 공급장치(137) 이외에 각종 액체를 공급할 수 있는 다른 액체 공급장치, 또는 공기나 가스를 분사하여 자성 광촉매 분말(C)을 광촉매 회수탱크(144) 쪽으로 이동시킬 수 있는 각종 기체 분사장치가 이용될 수 있다.
도 1을 참조하면, 광촉매 포집장치(140)는 정화수 배출관(131)을 통해 배출되는 정화수 중에 함유된 광촉매 분말(C)을 부착하기 위한 광촉매 포집용 자석(141) 및 광촉매 포집용 자석(141)을 이동시키기 위한 자석 이동장치(142)를 포함한다. 광촉매 포집용 자석(141)은 정화수 배출관(131)의 외부에 배치되며, 자석 이동장치(142)에 의해 진퇴하여 정화수 배출관(131)의 외면에 근접하거나 정화수 배출관(131)으로부터 멀어진다. 광촉매 포집용 자석(141)은 막대형, 판상형, 곡면형 등 다양한 형태로 마련될 수 있는데, 정화수 배출관(131)의 외주면에 대응하는 원호형으로 할 경우 자성 광촉매 분말(C) 부착 면적을 더욱 넓게 할 수 있다. 광촉매 포집용 자석(141)이 정화수 배출관(131)의 외면에 접하거나 근접하면 정화수 배출관(131)을 따라 유동하는 정화수 속에 포함된 자성 광촉매 분말(C)이 광촉매 포집용 자석(141)의 자력에 의해 정화수 배출관(131)의 내면에 부착된다.
자석 이동장치(142)는 광촉매 포집용 자석(141)을 정화수 배출관(131)에 근접하거나 정화수 배출관(131)으로부터 멀어지도록 이동시키며, 광촉매 포집용 자석(141)에 의해 포집된 자성 광촉매 분말(C)을 포집 해제시키기 위한 포집 해제장치로 작용한다. 즉, 자석 이동장치(142)가 광촉매 포집용 자석(141)을 정화수 배출관(131)에서 멀어지도록 이동시키면 광촉매 포집용 자석(141)이 정화수 배출관(131)의 내면에 미치는 자력이 제거되어 정화수 배출관(131)의 내면에 포집되었던 자성 광촉매 분말(C)이 포집 해제된다. 이때, 정화수 배출관(131) 내부로 세척수가 유입되면 포집 해제된 자성 광촉매 분말(C)은 쉽게 세척수에 휩쓸려 이동할 수 있다. 자석 이동장치(142)로는 광촉매 포집용 자석(141)에 이동력을 제공할 수 있는 다양한 장치가 이용될 수 있다.
도면에는 광촉매 포집용 자석(141)과 자석 이동장치(142)가 두 개가 배치된 것으로 나타냈으나, 광촉매 포집용 자석(141) 및 자석 이동장치(142)의 설치 개수는 다양하게 변경될 수 있다.
광촉매 회수탱크(144)는 광촉매 포집장치(140)와 제 2 배수 조절밸브(133) 사이의 정화수 배출관(131)에 연결되는 광촉매 회수관(143)을 통해 정화수 배출관(131)에 연결된다. 광촉매 회수관(143)에는 광촉매 회수관(143) 내부의 유로를 개폐하기 위한 광촉매 회수관 개폐밸브(145)가 설치된다. 광촉매 회수관 개폐밸브(145)는 제어장치(150)에 의해 자동으로 제어되며, 정화수 배출 및 자성 광촉매 분말(C)의 포집 시에는 폐쇄되고, 자성 광촉매 분말(C)의 포집 해제 및 세척수 투입 시에는 개방되어 자성 광촉매 분말(C)이 광촉매 회수탱크(144)로 유입되도록 한다.
광촉매 회수탱크(144)로 회수된 자성 광촉매 분말(C)은 광촉매 공급관(147)을 통해 광촉매 저장탱크(120)로 공급된다. 광촉매 공급관(147)에는 광촉매 공급펌프(148)가 설치되어 광촉매 회수탱크(144)의 자성 광촉매 분말(C)을 광촉매 저장탱크(120)로 이송시킨다.
본 실시예에서는 광촉매 회수탱크(144)에는 자성 광촉매 분말(C) 뿐만 아니라 세척수도 함께 수용되므로, 광촉매 공급펌프(148)를 이용하여 세척수와 함께 자성 광촉매 분말(C)을 광촉매 저장탱크(120)로 이송시킬 수 있다. 그러나 광촉매 회수탱크(144)에 자성 광촉매 분말(C)만 회수되는 경우 광촉매 공급관(147)에는 스크류 컨베이어 등 분말을 이송하는데 이용될 수 있는 다른 장치가 설치될 수 있다.
이하, 본 발명의 일실시예에 의한 수처리장치(100)의 오염수 처리 과정에 대하여 설명한다.
먼저, 도 1에 도시된 것과 같이, 오염수 처리 과정이 시작되면 제어장치(150)는 오염수 공급 조절밸브(114)를 개방하여 오염수 공급관(113)을 통해 오염수가 처리조(110) 내부로 유입되도록 한다. 이때, 오염수 유량계(115)와 오염수 농도센서(116)는 처리조(110)로 투입되는 오염수의 유량 및 오염수 속에 함유된 오염물의 농도를 측정하여 제어장치(150)에 제공한다. 제어장치(150)는 오염수 유량계(115)와 오염수 농도센서(116)로부터 제공받은 오염수의 유량과 오염물의 농도에 대한 정보와 광촉매 농도센서(122)로부터 제공받은 광촉매 저장탱크(120)의 자성 광촉매 분말(C)의 농도로부터 자성 광촉매 분말(C)의 투입량을 산출한다. 그리고 광촉매 투입 조절밸브(121)를 제어하여 적절량의 자성 광촉매 분말(C)이 오염수 속에 투입되도록 한다.
처리조(110)의 내부로 일정량의 오염수와 자성 광촉매 분말(C)이 투입되면, 제어장치(150)는 오염수 공급 조절밸브(114)를 차단하고, 교반기(126) 및 램프(124)를 작동시킨다. 이때 오염수 속에 분산된 자성 광촉매 분말(C)이 램프(124)의 빛을 받아 활성화되어 오염수 속의 오염물을 분해한다.
처리조(110) 내에서 자성 광촉매 분말(C)에 의한 정화 과정이 끝나면, 제어장치(150)는 도 3에 도시된 것과 같이, 제 1 배수 조절밸브(132) 및 제 2 배수 조절밸브(133)를 개방하여 처리조(110) 내의 정화수를 정화수 배출관(131)을 통해 배출시킨다. 치리수가 정화수 배출관(131)을 따라 하류 쪽으로 유동할 때 정화수 속의 자성 광촉매 분말(C)은 광촉매 포집용 자석(141)의 자력에 의해 정화수 배출관(131)의 내면에 부착된다. 그리고 광촉매 포집용 자석(141)에 의해 포집되지 못한 자성 광촉매 분말(C)은 정화수 배출관(131) 하류의 거름부재(134)에 포집된다.
정화수의 배출이 완료되면, 제어장치(150)는 도 4에 도시된 것과 같이, 제 1 배수 조절밸브(132) 및 제 2 배수 조절밸브(133)를 닫고, 자석 이동장치(142)를 작동시켜 광촉매 포집용 자석(141)을 정화수 배출관(131)으로부터 이격시킨다. 그리고 광촉매 회수관 개폐밸브(145) 및 세척수 공급관 개폐밸브(138)를 개방하고 세척수 공급장치(137)를 작동시켜 정화수 배출관(131)에 세척수를 유입시킨다. 이때 광촉매 포집용 자석(141)에 의해 포집되었던 자성 광촉매 분말(C)은 정화수 배출관(131)으로 유입되는 세척수에 휩쓸려 광촉매 회수관(143)을 통해 광촉매 회수탱크(144)로 회수된다.
자성 광촉매 분말(C) 회수 과정이 끝나면, 제어장치(150)는 도 5에 도시된 것과 같이, 광촉매 공급펌프(148)를 작동시켜 광촉매 회수탱크(144)로 회수된 자성 광촉매 분말(C)을 광촉매 공급관(147)을 통해 광촉매 저장탱크(120)로 이송시킨다. 이러한 자성 광촉매 분말(C)의 이송 과정은 도 4에 도시된 것과 같은 자성 광촉매 분말(C)의 회수 과정과 동시에 진행될 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 의한 수처리장치(100)는 자성 광촉매 분말(C)을 오염수 속에 분산시킴으로써 광촉매의 촉매반응에 의한 오염물 분해 효율을 높일 수 있다. 또한 자성을 띄는 자성 광촉매 분말(C)을 정화수 배출 과정 중에 광촉매 포집용 자석(141)을 이용하여 포집함으로써, 자성 광촉매 분말(C)의 회수 및 재사용이 가능하여 운전 비용을 줄이고, 자원의 낭비를 막을 수 있다.
한편, 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 의한 광촉매를 이용하는 수처리장치의 구성을 개략적으로 나타낸 것이고, 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 의한 광촉매를 이용하는 수처리장치의 일부 구성을 나타낸 블록도이다.
도 6 및 도 7에 도시된 수처리장치(200)는 광촉매 포집장치(210)를 제외한 나머지 구성이 상술한 본 발명의 일실시예에 의한 수처리장치(100)와 같다. 이하에서는 상술한 수처리장치(100)와 같은 구성에 대해서는 동일한 참조부호를 부여하고 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 의한 수처리장치(200)는 처리조(110), 광촉매 투입장치(118), 램프(124), 교반기(126), 광촉매 포집장치(140), 광촉매 회수탱크(144), 세척수 공급장치(137), 광촉매 공급펌프(148) 및 제어장치(150)를 포함한다. 자성 광촉매 분말(C)은 상술한 것과 같이 광촉매 물질에 자성 물질이 결합된 구조로 이루어져 자성을 띄는 것이다.
광촉매 포집장치(210)는 정화수 배출관(131)을 통해 배출되는 정화수 중에 함유된 광촉매 분말(C)을 부착하기 위한 광촉매 포집용 자석(211) 및 광촉매 포집용 자석(211)에 전류를 공급하기 위한 전류 조절장치(212)를 포함한다. 광촉매 포집용 자석(211)은 정화수 배출관(131)의 외부에 배치되며, 전류를 공급받아 작동하는 전자석으로 이루어진다.
전류 조절장치(212)가 광촉매 포집용 자석(211)에 전류를 공급하면 광촉매 포집용 자석(211)에 자력이 발생하여 정화수가 정화수 배출관(131)을 따라 배출될 때 정화수 속의 자성 광촉매 분말(C)이 정화수 배출관(131)의 내면에 포집된다. 반면, 전류 조절장치(212)가 광촉매 포집용 자석(211)에 공급되는 전류를 차단하면 광촉매 포집용 자석(211)의 자력이 제거되어 정화수 배출관(131)의 내면에 포집되었던 자성 광촉매 분말(C)이 포집 해제된다.
이러한 본 발명의 다른 실시예에 의한 수처리장치(200)의 작용은 상술한 수처리장치(100)와 대부분 같고, 다만 광촉매 포집용 자석(211)이 전류를 받아 작동한다는 점과 전류 조절장치(212)의 전류 차단에 의해 자성 광촉매 분말(C)의 포집 해제가 이루어지는 점만 차이가 있다.
앞에서 설명되고 도면에 도시된 본 발명의 실시예는, 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 되며, 본 발명의 보호범위는 특허청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한된다. 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량하거나 변경하는 것이 가능하며, 이러한 개량 및 변경은 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.
100, 200 : 수처리장치 110 : 처리조
113 : 오염수 공급관 114 : 오염수 공급 조절밸브
118 : 광촉매 투입장치 120 : 광촉매 저장탱크
121 : 광촉매 투입 조절밸브 124 : 램프
126 : 교반기 131 : 정화수 배출관
132, 133 : 제 1, 2 배수 조절밸브 134 : 거름부재
137 : 세척수 공급장치 138 : 세척수 공급관 개폐밸브
140, 210 : 광촉매 포집장치 141, 211 : 광촉매 포집용 자석
142 : 자석 이동장치 144 : 광촉매 회수탱크
145 : 광촉매 회수관 개폐밸브 148 : 광촉매 공급펌프
150 : 제어장치 212 : 전류 조절장치

Claims (21)

  1. 정화실을 갖는 처리조;
    상기 처리조에 오염수를 공급하기 위해 상기 처리조에 연결되는 오염수 공급관;
    상기 정화실로 유입되는 오염수에 자성 물질이 광촉매 물질에 결합된 자성 광촉매 분말을 투입하기 위한 광촉매 투입장치;
    상기 정화실에서 상기 자성 광촉매 분말에 의해 정화된 정화수를 배출하기 위해 상기 처리조에 연결되는 정화수 배출관;
    정화수 속에 함유된 상기 자성 광촉매 분말이 상기 정화수 배출관을 통해 배출되는 것을 막기 위해 상기 자성 광촉매 분말을 포집할 수 있도록 상기 정화수 배출관에 배치되는 자석을 구비하는 광촉매 포집장치;
    상기 자석에 의해 포집된 상기 자성 광촉매 분말을 포집 해제하기 위한 포집 해제장치; 및
    상기 자석으로부터 포집 해제된 상기 자성 광촉매 분말을 회수하기 위해 상기 정화수 배출관에 연결되는 광촉매 회수탱크;를 포함하고,
    상기 자석은 상기 자성 광촉매 분말이 상기 정화수 배출관의 내면에 부착될 수 있도록 상기 정화수 배출관의 외면에 배치되고,
    상기 포집 해제장치는 상기 자석을 상기 정화수 배출관으로부터 이격시키기 위해 상기 자석을 이동시키는 자석 이동장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 수처리장치.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 자석으로부터 포집 해제된 상기 자성 광촉매 분말을 상기 광촉매 회수탱크 쪽으로 운반하기 위한 운반유체를 상기 정화수 배출관의 내부로 공급하기 위해 상기 정화수 배출관에 연결되는 운반유체 공급장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수처리장치.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 자석은 전류를 공급받아 작동하는 전자석이고,
    상기 포집 해제장치는 상기 자석에 공급되는 전류를 조절하는 전류 조절장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수처리장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    정화수와 함께 상기 정화수 배출관을 따라 유동하는 상기 자성 광촉매 분말 중에서 상기 광촉매 포집장치를 통과한 자성 광촉매 분말을 걸러내기 위해 상기 광촉매 포집장치보다 상기 정화수 배출관의 하류에 설치되는 거름부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수처리장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 광촉매 회수탱크로 회수된 상기 자성 광촉매 분말을 상기 광촉매 투입장치로 운반하기 위해 상기 광촉매 투입장치와 상기 광촉매 회수탱크를 연결하는 광촉매 공급관을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수처리장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 정화실로 투입된 오염수와 상기 자성 광촉매 분말을 교반하기 위해 상기 처리조 내부에 설치되는 교반기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수처리장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 처리조로 유입되는 오염수에 함유된 오염물의 농도를 측정하기 위한 오염수 농도센서; 및
    상기 오염수 농도센서로부터 상기 처리조로 유입되는 오염수에 함유된 오염물의 농도에 대한 정보를 제공받아 상기 처리조로 유입되는 오염수에 적절량의 상기 자성 광촉매 분말이 투입될 수 있도록 상기 광촉매 투입장치를 제어하는 제어장치;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수처리장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 자성 광촉매 분말을 구성하는 상기 자성 물질은 철(Fe), 코발트(Co), 크롬(Cr), 니켈(Ni) 중에서 적어도 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 수처리장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 자성 광촉매 분말을 구성하는 상기 광촉매 물질은 이산화티탄인 것을 특징으로 하는 수처리장치.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 자성 광촉매 분말을 구성하는 상기 광촉매 물질은 이산화티탄에 질소나 탄소가 도핑되어 가시광 영역에서도 광분해능을 발휘할 수 있는 가시광 응답형 이산화티탄인 것을 특징으로 하는 수처리장치.
  13. (a) 처리조의 내부에 오염수와 자성 물질이 광촉매 물질에 결합된 자성 광촉매 분말을 투입하는 단계;
    (b) 상기 처리조에 투입된 오염수와 상기 자성 광촉매 분말에 빛을 조사하여 상기 자성 광촉매 분말을 활성화시킴으로써 오염수 속의 오염물을 분해시키는 단계;
    (c) 상기 처리조에 연결된 정화수 배출관의 유로를 개방하여 상기 처리조에서 정화된 정화수를 배출하는 단계;
    (d) 상기 정화수 배출관의 외면에 배치된 자석의 자력을 이용하여 상기 정화수 배출관을 통해 배출되는 정화수 속에 포함된 상기 자성 광촉매 분말을 상기 정화수 배출관의 내면에 부착시켜 포집하는 단계; 및
    (e) 상기 자석에 의해 포집된 상기 자성 광촉매 분말을 회수하는 단계;를 포함하고,
    상기 (e) 단계는,
    (e-1) 상기 자석을 상기 정화수 배출관으로부터 이격시켜 상기 자석의 자력에 의해 상기 정화수 배출관의 내면에 부착된 상기 자성 광촉매 분말을 상기 정화수 배출관의 내면으로부터 포집 해제시키는 단계, 및
    (e-2) 상기 자석으로부터 포집 해제된 상기 자성 광촉매 분말을 상기 정화수 배출관에 연결된 광촉매 회수탱크에 수거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 수처리방법.
  14. 삭제
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 (e) 단계는,
    상기 (e-1) 단계 이후, 상기 정화수 배출관의 내부로 운반유체를 공급하여 상기 자석으로부터 포집 해제된 상기 자성 광촉매 분말을 상기 광촉매 회수탱크 쪽으로 운반하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수처리방법.
  16. 제 13 항에 있어서,
    상기 (d) 단계 이후,
    정화수와 함께 상기 정화수 배출관을 따라 유동하는 상기 자성 광촉매 분말 중에서 상기 광촉매 포집장치를 통과한 자성 광촉매 분말을 오염수로부터 걸러내는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수처리방법.
  17. 제 13 항에 있어서,
    상기 (e) 단계 이후,
    회수된 상기 자성 광촉매 분말을 상기 광촉매 투입장치로 운반하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수처리방법.
  18. 제 13 항에 있어서,
    상기 (b) 단계는 상기 처리조로 투입된 오염수와 상기 자성 광촉매 분말을 교반하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 수처리방법.
  19. 제 13 항에 있어서,
    상기 자성 광촉매 분말을 구성하는 상기 자성 물질은 철(Fe), 코발트(Co), 크롬(Cr), 니켈(Ni) 중에서 적어도 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 수처리방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 자성 광촉매 분말을 구성하는 상기 광촉매 물질은 이산화티탄인 것을 특징으로 하는 수처리방법.
  21. 제 19 항에 있어서,
    상기 자성 광촉매 분말을 구성하는 상기 광촉매 물질은 이산화티탄에 질소나 탄소가 도핑되어 가시광 영역에서도 광분해능을 발휘할 수 있는 가시광 응답형 이산화티탄인 것을 특징으로 하는 수처리방법.
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