KR101815916B1 - 오존, 히드록실 라디칼 및 강알칼리를 이용한 활성탄 재생 방법 - Google Patents

오존, 히드록실 라디칼 및 강알칼리를 이용한 활성탄 재생 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 정수 처리, 생활하수 처리, 산업폐수 처리, 축산폐수 처리, 대기오염물질 제거 등을 위해 오염물질의 흡착제로 사용되는 활성탄을 오존(O3), 히드록실 라디칼(Hydroxyl radical, OH·) 및 강알칼리용액을 이용하여 간단하고 경제적으로 재생하는 기술에 관한 것이다.
본 발명은 「재생 대상 활성탄 및 강알칼리 용액을 수용하도록 구성된 재생반응조; 오존을 발생시켜 상기 재생반응조에 공급하는 오존발생기 및 상기 재생반응조에 공급되는 오존을 분산시키는 산기장치를 포함하여 구성된 통합형 활성탄 재생 시스템」을 제공한다.

Description

오존, 히드록실 라디칼 및 강알칼리를 이용한 활성탄 재생 방법{Activated carbon regeneration method using ozone, hydroxyl radical and strong base}
본 발명은 정수 처리, 생활하수 처리, 산업폐수 처리, 축산폐수 처리, 대기오염물질 제거 등을 위해 오염물질의 흡착제로 사용되는 활성탄을 오존(O3), 히드록실 라디칼(Hydroxyl radical, OH·) 및 강알칼리용액을 이용하여 간단하고 경제적으로 재생하는 기술에 관한 것이다.
깨끗한 수돗물 생산을 위한 고도정수처리, 하·폐수의 재이용을 위한 고도처리, 축산폐수의 고도처리, 대기오염방지 등 다양한 목적으로 활성탄(Activated carbon)이 주로 사용되고 있으며 활성탄 이외에 제올라이트, 이온교환수지, 활성탄소섬유, 인공흡착제 등도 흡착제로서 상기 목적으로 사용된다.
수처리를 위한 활성탄 흡착공정은 활성탄을 채운 흡착지(Adsorber)에 처리 대상 물을 통과시키면서 제거하고자 하는 오염물질 즉 피흡착물질(Adsorbate)이 물질확산을 통해 활성탄 내부 세공으로 이동한 후 세공표면에 흡착되도록 하는 것이다. 제거대상 오염물질 즉, 활성탄의 피흡착물질은 트리할로메탄의 전구물질인 부식질(Humic Substance), 트리할로메탄, 조류(Algae)로부터 기인된 지오스민(Geosmin), 2-MIB 등 냄새물질, 색도, 음이온계면활성제, 페놀류, 트리클로로에틸렌(TCE)과 같은 휘발성 유기화합물질(VOCs), 농약류, 벤조피렌과 같은 다핵방향족탄화수소, 그리고 BOD, COD, TOC를 구성하는 유기물질, 잔류항생제성분 등 매우 다양하고 농도도 극미량부터 높은 농도까지 변화폭이 크다.
오염물질 제거를 위해 활성탄을 이용하는 경우 피흡착물질들이 활성탄 내부세공에 흡착되는데, 상기 피흡착물질이 축적되면서 흡착평형(Adsorption Equilibrium)이 이루어지고, 궁극적으로는 피흡착물질의 포화상태가 되어 활성탄이 흡착기능을 상실하게 되며, 이에 따라 활성탄의 재생이 필요하게 된다.
수처리를 위해 사용된 활성탄의 재생은 통상적으로 활성탄 제조과정과 유사한 고온 처리 과정을 거쳐 이루어진다. 활성탄에 흡착된 피흡착물질은 800℃~1000℃의 고온에서 휘발되거나 산화된다. 그리고, 경우에 따라서는 강알칼리, 강산, 에탄올과 같은 용매 등에 의해 피흡착물질을 추출함으로써 활성탄을 재생하는 방법도 있다.
그러나, 전 세계적으로 주로 사용되고 있는 열재생(Thermal regeneration) 방법(등록특허 10-1706668, 공개특허 10-2014-0118045 등)은 고비용, 고에너지사용, 재생수율 저하, 대기오염물질 다량 배출 등의 문제점이 있다.
또한, 강알칼리만을 사용하는 재생방법(등록특허 10-0201422 등)은 오염물질 탈착 및 흡착 재평형을 위해 강알칼리의 주입 및 배출을 여러 번 반복적으로 해야 하므로, 비용이 증가하고 후속 처리해야할 재생폐액을 다량 배출하는 문제점이 있다.
또한, 비교적 가격이 높은 에탄올과 같은 용매를 사용할 경우에도 최종적으로 용매를 포함하는 재생폐액을 처리해야 하는 문제가 있다.
한편, 오존(O3)은 가스상 물질로서 강력한 산화력을 가지고 있으므로 조류(Algae)로부터 기인한 지오스민(Geosmin), 2-MIB 등의 냄새물질, 색도, 음이온계면활성제, 페놀류, 농약류, 그리고 BOD, COD, TOC를 구성하는 유기물질, 잔류항생제물질 등 상당수의 유기오염물질을 산화 제거할 수 있으며 이들 물질 중 대부분은 활성탄 피흡착물질과 중복된다.
오존가스(O3)가 물에 주입되면 헨리의 법칙에 따라 용해되며 수온에 따라 용해도가 달라진다. 용해된 용존오존은 액상(Liquid phase)으로 간주되며, 용존 오존분자(O3) 상태로 직접 수중의 오염물질과 반응하여 분해시키는 직접반응 경로와 용존 오존분자가 수중의 수산이온(OH-)과 반응하여 생성되는 히드록실 라디칼(OH·)이 오염물질과 반응하여 분해시키는 간접반응경로로 나뉜다.
히드록실 라디칼(Hydroxyl radical, OH·)은 용존 오존분자(O3)보다 훨씬 높은 산화력이 있으며 수중의 존재시간은 매우 짧은 특성이 있다. 히드록실 라디칼 생성을 높이는 방법으로는 용존 오존분자(O3) 존재하에서 pH를 아주 높게, 즉 수산이온(OH-)농도를 높게 하는 방법, 과산화수소(H2O2)를 첨가하는 방법, 자외선(UV)을 조사하는 방법 등이 있다. 이를 고도산화공정(Advanced Oxidation Process, AOP)이라고 한다.
본 발명은 전술한 기술적 토대 위에, 강알칼리와 오존가스를 병용하여 활성탄 재생 효율성을 높이는 방안을 연구함으로써 도출된 것이다.
1. 등록특허 10-0201422 "활성탄의 이화학적 재생장치 및 재생방법", 1999.06.15. 등록공고 2. 등록특허 10-1273494 "화학적 점착 및 진공 열처리에 의한 폐활성탄의 재생방법", 2013.06.17. 등록공고 3. 등록특허 10-1410561 "열풍 착탈식 폐활성탄 재생장치", 2014.06.20. 등록공고 4. 등록특허 10-1706668 "활성탄 재생 다단로", 2017.02.16. 등록공고 5. 공개특허 10-2014-0118045 "활성탄 재생장치", 2014.10.08. 출원공개
활성탄 재생방법으로 많이 활용되는 열재생(Thermal regeneration) 방법은 800℃~1000℃의 고열을 사용하므로 신규 활성탄 제조과정과 유사한 열에너지가 필요하고, 다단로 또는 로타리킬른 형태의 재생로 건설비가 매우 높으며, 재생전·후 활성탄 무게 및 부피감량(10%~20%)에 따라 수율이 저하되고 수율저하 보충을 위한 보충활성탄(Make-up Carbon), 즉 신탄구매가 필요함은 물론 대기오염물질을 배출하는 등의 단점이 있다.
단순 강알칼리에 의한 추출, 재생방법은 맨 처음 주입된 강알칼리 재생용액과 탈착된 오염물질이 흡착평형에 도달한 후에는 더 이상의 탈착이 이루어지지 않으므로 재생용액을 배출한 후에 새로운 강알칼리 용액을 다시 주입하고 추출하는 과정을 여러 번 반복해야 하므로 소모되는 강알칼리 용액의 비용이 높고, 무엇보다도 주입 및 배출되는 폐재생용액의 양이 매우 많게 되어 처리비용이 증가한다는 단점이 있다.
에탄올과 같은 용매 등에 의해 피흡착물질을 추출하여 활성탄을 재생하는 방법은 고가의 용매 비용, 재생이 완료된 후에 용매가 함유된 최종 폐액의 처리문제 등이 있다.
본 발명은, 활성탄 재생을 위한 재생시설의 건설비를 절감하고 재생과정에서 에너지 소비를 최소화하며 재생하고자 하는 활성탄의 수율을 100%에 가깝게 유지함으로써 수처리 시설의 활성탄 보충을 위한 신탄구매 필요성을 없애고, 무엇보다도 재생용액 주입을 최소화함으로서 재생용액 비용을 낮게 함과 동시에 재생 후 폐재생용액 처리비용을 절감하므로서 종래 기술의 단점을 해결하는 것을 목적으로 한다.
수산화나트륨(NaOH)이나 수산화칼륨(KOH)과 같은 강알칼리를 이용하여 활성탄 내부세공표면에 흡착된 각종 오염물질 즉 피흡착물질(Adsorbate)을 탈리상태로 변환시키고, 탈리된 피흡착물질을 용존 오존분자(O3)와 더욱 강력한 산화력이 있는 히드록실 라디칼(OH·)로 연속적으로 산화분해시켜 줌으로써 활성탄에 흡착된 오염물질을 대부분 제거하여 활성탄을 재생시킬 수 있다.
본 발명은 위와 같은 기술 사상의 구현을 위해 「재생 대상 활성탄 및 강알칼리 용액을 수용하도록 구성된 재생반응조; 오존을 발생시켜 상기 재생반응조에 공급하는 오존발생기 및 상기 재생반응조에 공급되는 오존을 분산시키는 산기장치를 포함하여 구성된 통합형 활성탄 재생 시스템」을 제공한다.
상기 통합형 활성탄 재생 시스템은 상기 재생반응조의 하부에서 인출되어 상부로 인입되는 용액 순환로 및 상기 용액 순환로에 구비된 순환펌프를 더 포함하여 구성할 수 있다.
또한 본 발명은 「재생 대상 활성탄 및 강알칼리 용액을 수용하도록 구성된 재생반응조; 상기 재생반응조와 하단에서 연통되어 상기 재생반응조에서 배출된 재생용액을 수용하도록 구성되고, 가열장치가 내장된 오존접촉조; 오존을 발생시켜 상기 오존접촉조에 공급하는 오존발생기; 상기 오존접촉조에 공급되는 오존을 분산시키는 산기장치 및 상기 오존접촉조 상부에서 인출되어 상기 재생반응조 상부로 인입되는 순환로를 포함하여 구성된 분리형 활성탄 재생 시스템」을 함께 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 통합형 활성탄 재생 시스템을 이용하는 방법으로서, 「(a) 상기 재생반응조에 재생 대상 활성탄을 채워 넣고, 수산화나트륨(NaOH) 또는 수산화칼륨(KOH)으로 조제된 강알칼리 용액을 유입시킨 후 일정기간 존치시켜 재생 대상 활성탄에 흡착되어 있던 피흡착물질(Adsorbate)을 탈리시키는 단계; (b) 상기 오존발생기 및 산기장치를 구동시켜 상기 재생반응조에 오존가스를 주입함으로써, 상기 강알칼리 용액에 오존가스가 용해되어 생성된 액상의 용존 오존분자(O3) 및 상기 강알칼리 용액 중의 수산이온(OH-)이 상기 용존 오존분자(O3)와 반응하여 생성된 히드록실 라디칼(OH·)이 상기 강알칼리 용액 내의 피흡착물질을 분해시키는 단계 및 (c) 상기 재생반응조에서 상기 피흡착물질의 탈리와 분해를 반복하여 활성탄의 재생을 완료하는 단계를 포함하는 활성탄 재생 방법」을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 분리형 활성탄 재생 시스템을 이용하는 방법으로서, 「(a) 상기 재생반응조에 재생 대상 활성탄을 채워 넣고, 수산화나트륨(NaOH) 또는 수산화칼륨(KOH)으로 조제된 강알칼리 용액을 유입시킨 후 일정기간 존치시켜 재생 대상 활성탄에 흡착되어 있던 피흡착물질(Adsorbate)을 탈리시키는 단계; (b) 상기 피흡착물질을 포함한 강알칼리 용액을 상기 오존접촉조로 배출한 후, 상기 오존발생기 및 산기장치를 구동시켜 상기 오존접촉조에 오존가스를 주입함으로써, 상기 강알칼리 용액에 오존가스가 용해되어 생성된 액상의 용존 오존분자(O3) 및 상기 강알칼리 용액 중의 수산이온(OH-)이 상기 용존 오존분자(O3)와 반응하여 생성된 히드록실 라디칼(OH·)이 상기 강알칼리 용액 내의 피흡착물질을 분해시키는 단계; 및 (c) 상기 순환펌프를 가동시켜, 상기 순환로를 통해 강알칼리 용액을 순환시키면서, 상기 재생반응조에서의 피흡착물질 탈리 및 상기 오존접촉조에서의 피흡착물질 분해를 반복하여 활성탄의 재생을 완료하는 단계를 포함하는 활성탄 재생 방법」을 함께 제공한다.
전술한 본 발명은 다음과 같은 효과가 있다.
1. 종래의 선행기술에서 문제점으로 지적되어 온 활성탄 재생시설의 설치 및 운전·유지관리의 어려움과 고비용, 수율 저하, 고에너지소비, 대기오염문제, 재생폐액의 다량 생성에 따른 처리문제 등을 해소할 수 있다.
2. 본 발명 적용에 따라 실제 정수장, 하·폐수 처리장, 대기오염 방지시설 등에서의 활성탄 이용이 보다 경제적이고 효율적으로 이루어지게 되어 수질 및 대기질 개선을 통한 환경오염방지에 기여하는 효과가 있다.
[도 1a]는 강알칼리 용액에 의한 피흡착물질의 탈리와 용존 오존분자 및 히드록실 라디칼에 의한 탈리된 피흡착물질의 분해가 하나의 반응조에서 이루어지도록 구성된 통합형 활성탄 재생 시스템의 예시도이다.
[도 1b]는 용액 순환로 및 순환펌프가 구비된 통합형 활성탄 재생 시스템의 예시도이다.
[도 2]는 강알칼리 용액에 의한 피흡착물질의 탈리와 용존 오존분자 및 히드록실 라디칼에 의한 탈리된 피흡착물질의 분해가 분리된 반응조에서 이루어지도록 구성된 분리형 활성탄 재생 시스템의 예시도이다.
[도 3]은 활성탄 세공표면에 흡착된 피흡착물질이 탈리, 분해, 재평형이 이루어지는 기작을 나타낸 모식도이다.
[도 4]는 실제 정수장에서 장기간 사용된 활성탄에 대해 본 발명을 적용하여 1차 재생한 후 신 활성탄 대비 흡착능력 회복정도를 확인하기 위한 칼럼테스트 실험결과를 나타낸 파과곡선(Breakthrough curve)이다.
[도 5]는 상기 칼럼테스트를 위해 사용된 활성탄을 2차 (반복)재생한 후 신 활성탄 대비 흡착능력 회복정도를 확인하기 위한 칼럼테스트 실험결과를 나타낸 파과곡선(Breakthrough curve)이다.
본 발명은 오존, 히드록실 라디칼 및 강알칼리를 이용한 활성탄 재생 시스템과 상기 활성탄 재생 시스템을 이용한 활성탄 재생 방법에 관한 것이다.
본 발명이 제공하는 활성탄 재생 시스템은 강알칼리의 작용과 오존 및 히드록실 라디칼의 작용이 같은 조(槽) 내에서 이루어지도록 구성되었는지에 따라 통합형과 분리형으로 구분된다.
또한, 상기 활성탄 재생 시스템이 통합형인지 분리형인지에 따라 구체적인 활성탄 재생 방법에 다소간의 차이가 발생한다.
다만, 본 발명이 제공하는 활성탄 재생 시스템 및 활성탄 재생 방법은 강알칼리 용액으로 활성탄에서 피흡착물질을 제거하는 과정과 오존 및 히드록실 라디칼에 의해 상기 피흡착물질을 분해하는 과정이 유기적으로 연계된 기술 사상을 공유하는 1군(群)의 발명임을 밝혀둔다.
이하에서는 첨부된 도면과 함께 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
Ⅰ. 활성탄 재생 시스템
1. 통합형 시스템
본 발명은 [도 1a]에 도시된 바와 같이 「재생 대상 활성탄 및 강알칼리 용액을 수용하도록 구성된 재생반응조(10); 오존을 발생시켜 상기 재생반응조(10)에 공급하는 오존발생기(20) 및 상기 재생반응조(10)에 공급되는 오존을 분산시키는 산기장치(30)를 포함하여 구성된 통합형 활성탄 재생 시스템(이하, '통합형 시스템'으로 약칭)」을 제공한다.
상기 통합형 시스템은 강알칼리 용액으로 재생 대상 활성탄으로부터 피흡착물질을 탈리시키고, 오존을 공급함으로써 상기 강알칼리 용액 내에 생성되는 액상의 용존 오존분자(O3) 및 히드록실 라디칼(OH·)에 의해 탈리된 피흡착물질을 분해하는 과정을 반복하여 활성탄을 재생하는 작업이 모두 상기 재생반응조(10) 내에서 이루어지도록 구성된 것이다. 상기 재생반응조(10)에는 내부의 온도를 일정하게 유지시키기 위한 가열장치(미도시)가 내장되어 있다.
또한, 상기 재생반응조(10)에는 활성탄을 투입하거나 배출시키는 개구부를 개폐하는 도어(11), 강알칼리 용액을 공급하기 위한 투입관로(12) 등이 부가적으로 구비될 수 있다.
또한, 상기 통합형 시스템은 [도 1b]에 도시된 바와 같이 상기 재생반응조(10)의 하부에서 인출되어 상부로 인입되는 용액 순환로(40) 및 상기 용액 순환로(40)에 구비된 순환펌프(50)를 더 포함하여 구성할 수 있다.
이에 따라 상기 재생반응조(10)에 투입된 강알칼리 용액이 상부에 재생 대상 활성탄과 만나 피흡착물질을 탈리시키면서 내려갔다가 상기 순환펌프(50)가 구동됨에 따라 상기 용액 순환로(40)를 통해 다시 상기 재생반응조(10)의 상부에 투입되는 순환이 이루어지도록 할 수 있다.
또한, 상기 재생반응조(10)의 하단부에는 스크린망(13)을 수평하게 설치함으로써 상기 스크린망(13)에 의해 재생반응조(10) 내부가 상부공간(14)과 하부공간(15)으로 구획되도록 구성할 수 있다.
이러한 구성에 따라 상기 상부공간(14)에 활성탄을 채워넣고, 상기 스크린망(13)의 체 크기를 활성탄의 직경보다 작게 함으로써 강알칼리 용액만이 상기 스크린망(13)을 통과하여 상기 하부공간(15)으로 유입되도록 할 수 있다. 이 경우 상기 용액 순환로(40)의 하단을 상기 재생반응조(10)의 하부공간(15)과 연통시키고 상단을 상기 재생반응조(10)의 상부에 연통시키는 방식으로 구성할 수 있다.
2. 분리형 시스템
본 발명은 [도 2]에 도시된 바와 같이 「재생 대상 활성탄 및 강알칼리 용액을 수용하도록 구성된 재생반응조(10); 상기 재생반응조(10)의 하단과 연통되어 상기 재생반응조(10)에서 배출된 재생용액을 수용하도록 구성되고, 가열장치가 내장된 오존접촉조(70); 오존을 발생시켜 상기 오존접촉조(70)에 공급하는 오존발생기(20); 상기 오존접촉조(20)에 공급되는 오존을 분산시키는 산기장치(30); 상기 오존접촉조(70) 상부에서 인출되어 상기 재생반응조(10) 상부로 인입되는 순환로(40) 및 상기 순환로(40)에 구비된 순환펌프(50)를 포함하여 구성된 분리형 활성탄 재생 시스템(이하, '분리형 시스템'으로 약칭)」을 제공한다.
상기 분리형 시스템은 강알칼리 용액으로 재생 대상 활성탄으로부터 피흡착물질을 탈리시키는 작업이 이루어지는 재생반응조(10) 및 상기 재생반응조(10)에서 배출되는 강알칼리 용액(탈리된 피흡착물질이 포함된 것)을 수용하여 오존 공급에 의해 강알칼리 용액 내에 생성되는 액상의 용존 오존분자(O3) 및 히드록실 라디칼(OH·)에 의해 탈리된 피흡착물질이 분해되도록 하는 작업이 이루어지는 오존접촉조(70)가 구분된 것이다. 상기 재생반응조(10)와 오존접촉조(70)는 [도 2]에 도시된 바와 같이 이격한 상태에서 연결관로(16)에 의해 연통하도록 구성하거나, 격벽에 의해 각 조를 구획하고, 격벽 하단에 통공(미도시)을 형성시킨 형태로 구성할 수 있다. 상기 연결관로(16) 또는 통공(미도시)에는 개폐수단을 결합시켜 필요에 따라 상기 강알칼리 용액의 배출을 차단시킬 수 있다.
상기 재생반응조(10)에는 활성탄을 투입하거나 배출시키는 개구부를 개폐하는 도어(11), 강알칼리 용액을 공급하기 위한 투입관로(12) 등이 부가적으로 구비될 수 있다. 또한, 상기 통합형 시스템에서와 마찬가지로 스크린망(13)에 의해 상기 재생반응조(10) 내부가 상부공간(14)과 하부공간(15)으로 구획되도록 구성할 수 있다.
또한, 상기 오존접촉조(70)의 하단부에도 스크린망(71)을 수평하게 설치함으로써 상기 스크린망(71)에 의해 오존접촉조(70) 내부가 상부공간(72)과 하부공간(73)으로 구획되도록 구성할 수 있다.
이러한 구성에 따라 상기 재생반응조(10)의 하단에서 유출된 강알칼리 용액이 상기 오존접촉조(70)의 하부공간(73)으로 유입되어 상기 스크린망(71)을 투과하여 상부공간(72)으로 차오르면서 오존을 공급받도록 구성할 수 있다.
상기 재생반응조(10)에 투입된 강알칼리 용액은 상부에 재생 대상 활성탄과 만나 피흡착물질을 탈리시키면서 내려가 하단으로 배출되어 상기 오존접촉조(70)에 유입되고, 상기 오존접촉조(70)에서 용존 오존분자(O3) 및 히드록실 라디칼(OH·)에 의한 피흡착물질 분해 작업을 거친 후 상기 순환펌프(50)가 구동됨에 따라 상기 용액 순환로(40)를 통해 다시 상기 재생반응조(10)의 상부에 투입되는 순환이 이루어지게 된다.
3. 공통사항
상기 재생반응조(10)에는 내부의 활성탄을 교반하는 교반장치(미도시)를 부가함으로써, 주기적으로 또는 간헐적으로 상기 교반장치를 구동시켜 활성탄을 섞어 줌으로써 피흡착물질의 탈리, 분해가 더욱 효율적으로 이루어지도록 할 수 있다.
상기 재생반응조(10)는 수처리를 위한 활성탄흡착지 자체이거나 활성탄흡착지와는 별도로 설치된 것일 수 있다. 다만, 상기 재생반응조(10)와 수처리공정에서의 흡착지(Adsorber)는 구조적으로 유사하므로 흡착지와 재생반응조를 겸하도록 하는 것이 효율적일 수 있다.
상기 오존발생기(20) 및 산기장치(30)의 작용·효과에 대해서는 후술할 "활성탄 재생 방법"과 함께 상세히 설명하기로 한다.
다만, 본 발명에서 이용되고 배출되는 오존가스에 대해서는 [도 1a], [도 1b] 및 [도 2]에 도시된 바와 같은 배오존 처리장치(60)를 통해 분해 후에 배출토록 하는 것이 환경성 면에서 바람직하다.
상기 배오존 처리장치(60)는 통합형 시스템에서는 재생반응조(10)에 결합시키고, 분리형 시스템에서는 오존접촉조(70)에 결합시킬 수 있다.
Ⅱ. 활성탄 재생 방법
1. 통합형 시스템을 이용하는 경우
본 발명은 상기 통합형 시스템을 이용하는 방법으로서, 「(a) 상기 재생반응조에 재생 대상 활성탄을 채워 넣고, 수산화나트륨(NaOH) 또는 수산화칼륨(KOH)으로 조제된 강알칼리 용액을 유입시킨 후 일정기간 존치시켜 재생 대상 활성탄에 흡착되어 있던 피흡착물질(Adsorbate)을 탈리시키는 단계; (b) 상기 오존발생기 및 산기장치를 구동시켜 상기 재생반응조에 오존가스를 주입함으로써, 상기 강알칼리 용액에 오존가스가 용해되어 생성된 액상의 용존 오존분자(O3) 및 상기 강알칼리 용액 중의 수산이온(OH-)이 상기 용존 오존분자(O3)와 반응하여 생성된 히드록실 라디칼(OH·)이 상기 강알칼리 용액 내의 피흡착물질을 분해시키는 단계 및 (c) 상기 재생반응조에서 상기 피흡착물질의 탈리와 분해를 반복하여 활성탄의 재생을 완료하는 단계를 포함하는 활성탄 재생 방법」을 제공한다.
이하에서는 통합형 시스템을 이용한 활성탄 재생 방법을 각 단계별로 상세히 설명하기로 한다.
(1) (a)단계
본 (a)단계는 상기 재생반응조(10)에 재생 대상 활성탄을 채워 넣고, 수산화나트륨(NaOH) 또는 수산화칼륨(KOH)으로 조제된 강알칼리 용액을 유입시킨 후 일정기간 존치시켜 재생 대상 활성탄에 흡착되어 있던 피흡착물질(Adsorbate)을 탈리시키는 단계이다.
본 (a)단계에서는 강알칼리 용액을 재생 대상 활성탄이 채워져 있는 재생반응조(10)로 유입시켜, 재생 대상 활성탄 상부가 충분히 잠길 정도로 채운다. 상기 강알칼리 용액의 농도는 피흡착물질의 종류, 흡착량 등에 따라 다르게 결정할 수 있으나, 실용적으로는 2~10%가 적당하다.
통상적으로는 강알칼리 용액은 재생 대상 활성탄 부피와 동등한 정도의 양을 1회 투입하는 것으로 충분하나 필요에 따라서는 pH13 이상으로 제조된 수산화나트륨(NaOH) 또는 수산화칼륨(KOH)용액을 추가로 투입할 수 있다.
상기 강알칼리 용액이 상기 재생반응조(10)에 유입되면 재생 대상 활성탄 사이의 공간에 우선 채워지고, 시간이 지남에 따라 활성탄 내부 세공(1-G)으로 재생용액이 확산되어 상기 활성탄 내부 세공(9)도 상기 강칼리 용액으로 모두 채워지게 된다.
활성탄은 60℃~100℃의 고온에서 상온에 비해 오염물질 흡착능력이 현저히 감소하므로 피흡착물질의 탈리가 촉진된다. 따라서 상기 재생반응조(10)에 내장된 가열장치의 구동으로 상기 강알칼리 용액의 온도를 60~100℃로 유지시킬 수 있다.
상기 재생반응조(10) 내부 온도를 100℃ 이상으로 유지하면 피흡착물질 탈리에는 유리하나 상기 재생반응조(10)가 증기압에 견딜 수 있도록 구성되어야 한다.
[도 3]에 나타낸 바와 같이 활성탄의 세공 표면(1-S)에 흡착된 피흡착물질(4a)은 주입된 강알칼리 용액 중의 고농도 수산이온(OH-) 환경 하에서 흡착평형이 재정립되면서 탈리되어 활성탄의 세공(1-G)으로 이동하면서 상기 세공(1-G)의 피흡착물질 농도는 크게 증가하게 되고 물질확산(Mass Transfer)의 법칙(고농도 지점에서 저농도 지점으로 물질이 확산되어 이동하는 원리)에 따라 탈리된 피흡착물질(4b)은 활성탄 사이의 공간으로 이동한다.
위와 같은 피흡착물질의 탈리 및 이동과정은 피흡착물질의 종류에 따라 속도가 크게 상이하므로, 상기 피흡착물질이 활성탄 세공 표면(1-S), 활성탄 세공(1-G), 활성탄 입자 사이 공간의 모든 지점에서 재정립된 흡착평형에 도달하기 위해서는 시간이 필요하다.
(2) (b)단계
본 (b)단계는 상기 오존발생기 및 산기장치를 구동시켜 상기 재생반응조에 오존가스를 주입함으로써, 상기 강알칼리 용액에 오존가스가 용해되어 생성된 액상의 용존 오존분자(O3) 및 상기 강알칼리 용액 중의 수산이온(OH-)이 상기 용존 오존분자(O3)와 반응하여 생성된 히드록실 라디칼(OH·)이 상기 강알칼리 용액 내의 피흡착물질을 분해시키는 단계이다.
전술한 (a)단계 실시에 따라 흡착평형이 재정립된 후에는 피흡착물질이 더 이상 활성탄에서 탈리되거나 추출되지 않으므로, 본 (b)단계를 실행한다. 상기 (a)단계를 "피흡착물질 탈리 단계"라 명명한다면, 본 (b)단계는 "피흡착물질 분해 단계"라 명명할 수 있다.
상기 오존발생기(20)에서 발생된 오존가스는 상기 산기장치(30)를 통해 상기 재생반응조(10) 내에 주입된다. 상기 산기장치(30)는 상기 재생반응조(10)의 하부에 설치하여 상기 오존가스가 아래에서 위를 향하여 주입되도록 구성하는 것이 바람직하다.
상기 재생반응조(10)에 주입된 오존가스는 강알칼리 용액에 용해되어 액상 용존 오존분자(O3)로 전환되고, 용해도는 헨리의 법칙을 따른다. 용존오존분자(O3)는 재생용액중의 고농도의 수산이온(OH-)과 반응하여 히드록실 라디칼(OH·)이 생성된다. 즉 용존 오존분자와 히드록실 라디칼이 공존하는 상태가 되는데, 산화력은 히드록실 라디칼이 용존 오존분자(O3)보다 훨씬 강력하다.
상기 용존 오존분자와 히드록실 라디칼은 강알칼리 용액 중의 피흡착물질(활성탄으로부터 탈리된 것)을 산화, 분해, 제거한다. 히드록실 라디칼은 용존 오존분자가 제거하지 못하는 트리클로로에틸렌 등 난분해성 물질까지 제거하는 것으로 알려져 있다. 본 단계에서도 강알칼리 용액의 온도를 60℃~100℃로 유지시킴으로써 피흡착물질의 산화, 분해 반응속도를 증가시켜 피흡착물질 제거율을 상온에 비해 높일 수 있다.
또한, 본 (b)단계에서는 상기 재생반응조(10) 내에 UV를 제공하거나 과산화수소수(H2O2)를 주입하여, 히드록실 라디칼 생성을 증대시킬 수 있다.
본 (b)단계에서 상기 재생반응조(10)에 주입되는 오존가스의 주입률은 수처리를 위한 기존의 정수장(1~2mg/L 정도)이나 하폐수 처리장 (1~10mg/L 정도)에서의 주입률보다 수십 내지 수백 배 높게 함으로써 활성탄으로부터 탈리된 피흡착물질 제거율을 높일 수 있다.
용존 오존분자와 히드록실 라디칼에 의한 피흡착물질의 산화분해 처리없이 수산화나트륨이나 수산화칼륨만으로 탈리, 재생을 실시할 경우에는 3~5배 이상의 재생용액이 소요되며 재생폐액중의 오염물질 농도도 매우 높고 폐액 부피도 많아져 경제성이 낮다.
이러한 점을 감안하면, 오존가스 주입률을 위와 같이 높이더라도 본 발명의 경제성이 종래 기술에 비해 더욱 우월하게 부각된다.
(3) (c)단계
본 (c)단계는 상기 재생반응조(10)에서 상기 피흡착물질의 탈리와 분해를 반복하여 활성탄의 재생을 완료하는 단계이다.
상기 (b)단계를 통해 강알칼리 용액 내의 피흡착물질이 제거되면서 상기 강알칼리 용액의 재생능력이 회복되고, 이에 따라 흡착평형이 재정립되면서 재생 대상 활성탄의 피흡착물질이 다시 탈리되기 시작한다. 상기 (b)단계에서 발생하는 오존분해부산물(By-product)은 흡착능이 매우 낮으므로 상기 강알칼리 용액의 재생능력에 방해 요소가 되지 않고, 경우에 따라서는 활성탄의 피흡착물질 탈리에 도움을 주기도 한다.
탈리된 피흡착물질은 활성탄의 세공(1-G)으로 이동하면서 상기 세공(1-G)의 피흡착물질 농도가 다시 증가하고 물질확산(Mass Transfer)의 법칙에 따라 탈리된 피흡착물질(4b)은 활성탄 사이의 공간으로 이동한다. 상기 (a)단계의 탈리 과정이 재현되는 것이다.
이후에는 다시 상기 (b)단계를 되풀이함으로써 피흡착물질을 분해시키고, 이러한 피흡착물질의 탈리와 분해가 반복되면서 활성탄이 재생된다.
본 (c)단계에서도 강알칼리 용액의 온도를 60℃~100℃로 유지시킴으로써 피흡착물질의 탈리, 분해 효율을 높일 수 있다.
한편, [도 1b]에 도시된 바와 같이 재생반응조(10)의 하부에서 인출되어 상부로 인입되는 용액 순환로(40) 및 상기 용액 순환로(40)에 구비된 순환펌프(50)를 더 포함하여 구성된 통합형 활성탄 재생 시스템을 이용하는 경우, 상기 순환펌프를 가동시킴으로써 상기 순환로를 통해 상기 강알칼리 용액을 순환시키면서 본 (c)단계를 진행시킬 수 있다. 이에 따라 피흡착물질의 탈리, 분해 효율을 더욱 높일 수 있다.
전체적인 활성탄 재생 소요시간은 피흡착물질의 특성에 따라 다르겠으나 활성탄흡착지 1지 분량(100㎥~500㎥정도)의 활성탄에 대하여 1일~7일 정도면 충분하다. 이는 시간당 재생부피 개념으로 설계, 운영되는 열재생로에 비해 1지분량을 한번에 재생할 수 있는 장점이 있으므로 시설 및 운영비 측면에서 매우 경제적이다.
2. 분리형 시스템을 이용하는 경우
본 발명은 상기 분리형 시스템을 이용하는 방법으로서, 「(a) 상기 재생반응조에 재생 대상 활성탄을 채워 넣고, 수산화나트륨(NaOH) 또는 수산화칼륨(KOH)으로 조제된 강알칼리 용액을 유입시킨 후 일정기간 존치시켜 재생 대상 활성탄에 흡착되어 있던 피흡착물질(Adsorbate)을 탈리시키는 단계; (b) 상기 피흡착물질을 포함한 강알칼리 용액을 상기 오존접촉조로 배출한 후, 상기 오존발생기 및 산기장치를 구동시켜 상기 오존접촉조에 오존가스를 주입함으로써, 상기 강알칼리 용액에 오존가스가 용해되어 생성된 액상의 용존 오존분자(O3) 및 상기 강알칼리 용액 중의 수산이온(OH-)이 상기 용존 오존분자(O3)와 반응하여 생성된 히드록실 라디칼(OH·)이 상기 강알칼리 용액 내의 피흡착물질을 분해시키는 단계 및 (c) 상기 순환펌프를 가동시켜, 상기 순환로를 통해 강알칼리 용액을 순환시키면서, 상기 재생반응조에서의 피흡착물질 탈리 및 상기 오존접촉조에서의 피흡착물질 분해를 반복하여 활성탄의 재생을 완료하는 단계를 포함하는 활성탄 재생 방법」을 제공한다.
이하에서는 분리형 시스템을 이용한 활성탄 재생 방법을 각 단계별로 상세히 설명하기로 한다.
(1) (a)단계
본 (a)단계는 상기 재생반응조(10)에 재생 대상 활성탄을 채워 넣고, 수산화나트륨(NaOH) 또는 수산화칼륨(KOH)으로 조제된 강알칼리 용액을 유입시킨 후 일정기간 존치시켜 재생 대상 활성탄에 흡착되어 있던 피흡착물질(Adsorbate)을 탈리시키는 단계이다.
상기 피흡착물질의 탈리에 관한 상세한 내용은 "통합형 시스템을 이용하는 경우"의 (a)단계 설명에 기재된 바와 같다.
(2) (b)단계
본 (b)단계는 상기 피흡착물질을 포함한 강알칼리 용액을 상기 오존접촉조(70)로 배출한 후, 상기 오존발생기(20) 및 산기장치(30)를 구동시켜 상기 오존접촉조(70)에 오존가스를 주입함으로써, 상기 강알칼리 용액에 오존가스가 용해되어 생성된 액상의 용존 오존분자(O3) 및 상기 강알칼리 용액 중의 수산이온(OH-)이 상기 용존 오존분자(O3)와 반응하여 생성된 히드록실 라디칼(OH·)이 상기 강알칼리 용액 내의 피흡착물질을 분해시키는 단계이다.
상기 피흡착물질의 분해에 관한 상세한 내용은 "통합형 시스템을 이용하는 경우"의 (b)단계 설명에 기재된 바와 같다.
다만, 본 (b)단계에서는 피흡착물질을 함유한 상태로 상기 재생반응조(10)에서 배출되는 강알칼리 용액을 오존접촉조(70)에서 수용한 상태에서 오존가스 주입에 따른 용존 오존분자 및 히드록실 라디칼의 생성과, 이들로 인한 피흡착물질 분해 작업을 집중적으로 실시할 수 있다. 즉, 상기 재생반응조(10)에서 재생능력을 상실한 채 배출된 강알칼리 용액을 상기 오존접촉조(70)에서의 집중 처리를 통해 재생능력을 회복시키는 것이다.
이와 같은 (b)단계는 상기 (a)단계와 연속적으로 실시할 수도 있고 간헐적으로 실시할 수도 있다. 즉, 상기 재생반응조(10)의 강알칼리 용액을 일정기간 순환없이 체류시켜 피흡착물질의 탈리가 충분히 이루어지도록 한 다음, 상기 강알칼리 용액을 일정 기간 동안 순환시키면서 오존접촉조(70)를 거치도록 하는 간헐적 순환방법과 순환 유량을 적게하여 연속적으로 오존접촉조(10)를 거치도록 하는 연속 순환방법을 선택적으로 적용할 수 있다.
(3) (c)단계
상기 (c)단계는 상기 순환펌프(50)를 가동시켜, 상기 순환로(40)를 통해 강알칼리 용액을 순환시키면서, 상기 재생반응조(10)에서의 피흡착물질 탈리 및 상기 오존접촉조(70)에서의 피흡착물질 분해를 반복하여 활성탄의 재생을 완료하는 단계이다.
피흡착물질의 탈리 및 분해 작업이 반복되는 것에 관해서는 "통합형 시스템을 이용하는 경우"의 (c)단계 설명에 기재된 바와 같다.
3. 공통사항
통합형 시스템을 이용하는 경우와 분리형 시스템을 이용하는 경우 모두 전술한 (c)단계 실시 후에는 상기 재생반응조에서 강알칼리 용액을 배출시키고, 상기 재생반응조 내에 산(Acid)을 주입하여 활성탄 세공 내에 잔류하는 강알칼리 용액을 중화시킨 후 물세척하는 (d)단계를 추가로 실시할 수 있다.
상기 산(Acid)으로는 염산(HCl) 또는 황산(H2SO4)을 적용할 수 있다. 산의 농도는 초기에 제조된 강알칼리용액의 농도(2%~10%정도)보다 약간 낮은 정도면 된다.
위와 같은 활성탄 재생 및 잔류 강알칼리 용액 중화 작업이 완료된 후에는 물로 활성탄을 세척함으로써 모든 작업을 종료할 수 있다.
또한, 피흡착물질의 종류에 따라서는 위와 같은 활성탄 재생 과정이 완료된 후에도 고농도의 염산(HCl)이나 황산(H2SO4)을 유입, 체류시켜 산에 의한 오염물질 추출 작업을 추가로 실시할 수 있다.
한편, 상기 (d)단계에서 배출되는 강알칼리 용액(폐액)은 종래 기술 적용 후에 배출되는 폐액에 비해 오염물질 농도가 매우 낮을 뿐 아니라, 존재하는 오염물질도 생분해가 용이한 물질로 변환되어 있으므로 생물학적 분해처리, 역삼투막(RO)처리, 증발처리 등과 같은 방법으로 용이하게 처리할 수 있다.
오염물질 흡착제로는 활성탄 이외에도 제올라이트, 이온교환수지, 활성탄소섬유, 인공흡착제 등이 사용된다. 이들 흡착제의 피흡착물질이 용존 오존분자와 히드록실 라디칼에 의해 분해가 가능하다면 이러한 흡착제도 본 발명을 적용하여 재생할 수 있다.
Ⅲ. 실 시 예
[도 4]는 A정수장에서 다년간 사용한 활성탄에 대해 본 발명을 적용하여 1차 재생한 후, 상수원수 유기물의 대부분을 차지하고 있는 부식질(Humic Substance)을 3mg/L 농도로 유입시킴으로써 재생 활성탄의 흡착능력 회복정도를 확인하기 위한 칼럼테스트(Column Test) 실험결과를 나타낸 파과곡선이다.
실험은 충남대학교 환경공학과 상수도실험실에서 수행되었으며 실험조건은 활성탄 층고 19cm, 처리유량 33 Bed Volume/hr로 하였다. [도 4]의 파과곡선에서 나타낸 바와 같이 재생 활성탄의 부식질 제거성능이 신 활성탄을 상회하는 것으로 나타나 완전한 재생이 이루어졌음이 입증되었다.
[도 5]는 상기 칼럼테스트를 종료한 후의 사용 활성탄에 대해 본 발명을 적용하여 2차(반복) 재생하여 신 활성탄과 부식질 제거성능을 비교한 파과곡선이다.
[도 5]의 파과곡선에 나타난 바와 같이 반복 재생시에도 재생 활성탄의 성능이 신 활성탄과 유사하게 유지되고 있어 완전한 재생이 이루어졌음을 확인하였다.
본 발명은 위에서 언급한 바와 같이 실시예 및 시험예들과 관련하여 설명되었으나, 본 발명의 요지를 벗어남이 없는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하며, 다양한 분야에서 사용 가능하다. 따라서 본 발명의 청구범위는 이건 발명의 진정한 범위 내에 속하는 수정 및 변형을 포함한다.
10 : 재생반응조(가열장치내장) 20 : 오존발생기
30 : 산기장치 40 : 용액 순환로
50 : 순환펌프 60 : 배오존 처리장치
70 : 오존접촉조
1 : 활성탄 1-S : 활성탄 세공 표면
1-G : 활성탄 세공
2 : 강알칼리 용액 3 : 오존기포
4a : 활성탄 세공 표면에 흡착된 피흡착물질
4b : 활성탄에서 탈리되어 활성탄 세공에 존재하는 피흡착물질
4c : 활성탄 사이 공간으로 이동한 피흡착물질

Claims (11)

  1. 재생 대상 활성탄 및 강알칼리 용액을 수용하도록 구성된 재생반응조; 오존을 발생시켜 상기 재생반응조에 공급하는 오존발생기; 및 상기 재생반응조에 공급되는 오존을 분산시키는 산기장치를 포함하여 구성된 통합형 활성탄 재생 시스템을 이용하는 방법으로서,
    (a) 상기 재생반응조에 재생 대상 활성탄을 채워 넣고, 수산화나트륨(NaOH) 또는 수산화칼륨(KOH)으로 조제된 강알칼리 용액을 유입시킨 후 일정기간 존치시켜 재생 대상 활성탄에 흡착되어 있던 피흡착물질(Adsorbate)을 탈리시키는 단계;
    (b) 상기 오존발생기 및 산기장치를 구동시켜 상기 재생반응조에 오존가스를 주입함으로써, 상기 강알칼리 용액에 오존가스가 용해되어 생성된 액상의 용존 오존분자(O3) 및 상기 강알칼리 용액 중의 수산이온(OH-)이 상기 용존 오존분자(O3)와 반응하여 생성된 히드록실 라디칼(OH·)이 상기 강알칼리 용액 내의 피흡착물질을 분해시키는 단계 및
    (c) 상기 재생반응조에서 상기 피흡착물질의 탈리와 분해를 반복하여 활성탄의 재생을 완료하는 단계를 포함하는 활성탄 재생 방법.
  2. 제1항에서,
    상기 (a)단계 내지 (c)단계는 상기 재생반응조에 내장된 가열장치의 구동으로 상기 강알칼리 용액의 온도를 60~100℃로 유지시키는 것을 특징으로 하는 활성탄 재생 방법.
  3. 제1항에서,
    상기 (b)단계는 상기 재생반응조 내에 UV를 제공하거나 과산화수소수(H2O2)를 주입하여, 히드록실 라디칼 생성을 증대시키는 것을 특징으로 하는 활성탄 재생 방법.
  4. 제1항에서,
    상기 통합형 활성탄 재생 시스템은 재생반응조의 하부에서 인출되어 상부로 인입되는 용액 순환로 및 상기 용액 순환로에 구비된 순환펌프를 더 포함하여 구성된 것이고,
    상기 (c)단계는 상기 순환펌프를 가동시켜, 상기 순환로를 통해 상기 강알칼리 용액을 순환시키면서 진행하는 것을 특징으로 하는 활성탄 재생 방법.
  5. 재생 대상 활성탄 및 강알칼리 용액을 수용하도록 구성된 재생반응조; 상기 재생반응조와 하단에서 연통되어 상기 재생반응조에서 배출된 재생용액을 수용하도록 구성되고, 가열장치가 내장된 오존접촉조; 오존을 발생시켜 상기 오존접촉조에 공급하는 오존발생기; 상기 오존접촉조에 공급되는 오존을 분산시키는 산기장치; 상기 오존접촉조 상부에서 인출되어 상기 재생반응조 상부로 인입되는 순환로 및 상기 순환로에 구비된 순환펌프를 포함하여 구성된 분리형 활성탄 재생 시스템을 이용하는 방법으로서,
    (a) 상기 재생반응조에 재생 대상 활성탄을 채워 넣고, 수산화나트륨(NaOH) 또는 수산화칼륨(KOH)으로 조제된 강알칼리 용액을 유입시킨 후 일정기간 존치시켜 재생 대상 활성탄에 흡착되어 있던 피흡착물질(Adsorbate)을 탈리시키는 단계;
    (b) 상기 피흡착물질을 포함한 강알칼리 용액을 상기 오존접촉조로 배출한 후, 상기 오존발생기 및 산기장치를 구동시켜 상기 오존접촉조에 오존가스를 주입함으로써, 상기 강알칼리 용액에 오존가스가 용해되어 생성된 액상의 용존 오존분자(O3) 및 상기 강알칼리 용액 중의 수산이온(OH-)이 상기 용존 오존분자(O3)와 반응하여 생성된 히드록실 라디칼(OH·)이 상기 강알칼리 용액 내의 피흡착물질을 분해시키는 단계 및
    (c) 상기 순환펌프를 가동시켜, 상기 순환로를 통해 강알칼리 용액을 순환시키면서, 상기 재생반응조에서의 피흡착물질 탈리 및 상기 오존접촉조에서의 피흡착물질 분해를 반복하여 활성탄의 재생을 완료하는 단계를 포함하는 활성탄 재생 방법.
  6. 제5항에서,
    상기 (a)단계 내지 (c)단계는 상기 재생반응조 및 오존접촉조에 내장된 가열장치의 구동으로 상기 강알칼리 용액의 온도를 60~100℃로 유지시키는 것을 특징으로 하는 활성탄 재생 방법.
  7. 제5항에서,
    상기 (b)단계는 상기 오존접촉조 내에 UV를 제공하거나 과산화수소수(H2O2)를 주입하여, 히드록실 라디칼 생성을 증대시키는 것을 특징으로 하는 활성탄 재생 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에서,
    (d) 상기 재생반응조에서 강알칼리 용액을 배출시키고, 상기 재생반응조 내에 산(Acid)을 주입하여 활성탄 세공 내에 잔류하는 강알칼리 용액을 중화시킨 후 물세척하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 활성탄 재생 방법.
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