KR102052039B1 - Apparatus for purifying water based on electro-peroxone reaction - Google Patents
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Abstract
전기-페록손 반응 기반 수처리 장치가 제공된다. 본 발명의 실시예에 따른 전기-페록손 반응 기반 수처리 장치는 처리수를 전기-페록손 반응하기 위한 반응조; 반응조 내부에 구비된 적어도 한 쌍의 전극 및 전극에 직류 전원을 공급하는 직류 전원공급기를 포함하며, 처리수를 전기분해하여 과산화수소를 생성하는 전기분해부; 오존가스를 발생하는 오존발생기; 및 반응조의 처리수와 발생한 오존가스를 혼합하여 오존가스와 과산화수소를 페록손 반응시키도록 한 쌍의 전극 사이에 공급하는 혼합부;를 포함한다. An electro-peroxone reaction based water treatment apparatus is provided. An electro-peroxone reaction-based water treatment apparatus according to an embodiment of the present invention includes a reactor for electro-peroxone reaction of the treated water; An electrolysis unit including a DC power supply for supplying DC power to at least one pair of electrodes and an electrode provided inside the reactor, and electrolytically treating the treated water to generate hydrogen peroxide; An ozone generator for generating ozone gas; And a mixing unit for mixing the treated water of the reaction tank with the generated ozone gas and supplying the ozone gas and the hydrogen peroxide between the pair of electrodes to allow peroxone reaction.
Description
본 발명은 수중에 존재하는 오염물질을 제거하는 수치리 장치에 관한 것으로, 특히, 과산화수소와 오존가스의 반응에 의하여 OH라디칼을 생성시켜 수중의 오염물질을 제거하는 전기-페록손 반응 기반 수처리 장치에 관한 것이다. The present invention relates to a numerical device for removing contaminants present in water, and more particularly, to an electro-peroxone reaction-based water treatment device for removing contaminants in water by generating OH radicals by reaction between hydrogen peroxide and ozone gas. will be.
수중의 오염물질을 산화시켜 처리하는 산화법은 염소나 오존과 같은 산화력이 높은 물질을 이용하여 처리하는 방법으로 정수 처리공정은 물론 오폐수 처리공정에서 사용되고 있다. Oxidation method of oxidizing contaminants in water is a method of treating using high oxidizing materials such as chlorine and ozone, and is used in water treatment and wastewater treatment.
여기서, 염소 처리법은 주로 정수 처리공정에서 미생물 소독에 이용되고 있다. 염소는 잔류성이 있기 때문에 하수처리시 방류 수역에서의 수서 생물에 대해 피해를 입히기도 한다. Here, the chlorine treatment method is mainly used for microbial disinfection in the water treatment process. Chlorine can also cause damage to aquatic organisms in discharged water during sewage treatment.
오존 처리의 경우, 산화력이 뛰어나 염색폐수의 색도 제거나 정수 처리공정에서 고도처리에 이용된다. 그러나 오존은 산화력이 강하지만 유기물과 선택적으로 반응하기 때문에 일부 난분해성 물질의 경우 물과 이산화탄소로 완전히 광물질화시키지 못하고 알데히드(aldehyde)나 브로메이트(bromate) 등의 반응 부산물을 생성시키기도 한다. 또한 미반응 오존을 처리하기 위한 배오존 처리공정이 필요하다.In the case of ozone treatment, it is excellent in oxidizing power and is used for advanced treatment in dyeing wastewater color removal or water purification treatment process. However, ozone is highly oxidizing but selectively reacts with organics, so some hardly decomposable substances do not completely mineralize with water and carbon dioxide, and produce reaction byproducts such as aldehydes and bromates. There is also a need for an ozone treatment process to treat unreacted ozone.
이와 같은 기존 산화법의 단점을 보완하기 위하여 OH라디칼을 생성하여 수중의 오염물질을 분해하는 고급산화공정(AOPs : Advanced oxidation processes)을 이용한 연구가 진행되고 있다. 여기서, 고급산화공정에서 발생하는 OH라디칼은 염소, 이산화염소보다 훨씬 강한 산화제이며, 물질을 분해할 때 분해대상 물질의 종류와 관계없이 비선택적으로 산화시키기 때문에 오염물질이 분해될 때 생성되는 중간 생성물질도 완전히 분해시킬 수 있어 오존보다 더 효율적으로 수중 생태계의 잠재적인 악영향을 감소시킬 수 있다. In order to make up for the disadvantages of the existing oxidation method, researches using advanced oxidation processes (AOPs) that generate OH radicals to decompose pollutants in water are being conducted. Here, OH radicals generated in the advanced oxidation process are much stronger oxidants than chlorine and chlorine dioxide, and they are intermediately produced when the pollutants are decomposed because they are non-selectively oxidized regardless of the kind of substance to be decomposed. Substances can also be completely decomposed to reduce the potential adverse effects of aquatic ecosystems more efficiently than ozone.
이와 같은 고급산화공정은 OH라디칼을 생성하기 위하여 자외선과 광촉매를 이용하는 UV/TiO2 광촉매 공정, 산화제에 자외선을 조사하는 UV/H2O2, UV/O3 공정 등이 있고, 철 이온을 이용하는 O3/Fe2 +, H2O2/Fe2 + 공정 등이 있으며, 오존과 과산화수소를 반응시키는 페록손(peroxone, O3/H2O2) 공정 등이 있다. 이들 공정은 모두 OH라디칼을 생성시키기 위한 공정으로 약품의 주입량과 자외선 조사량 등에 따라 처리성능과 경제성이 달라지며 각 공정마다 장단점이 있다.Such advanced oxidation processes include UV / TiO 2 photocatalyst process using ultraviolet light and photocatalyst to generate OH radicals, UV / H 2 O 2 , UV / O 3 process irradiating ultraviolet light to oxidant, and using iron ions. O 3 / Fe 2 + , H 2 O 2 / Fe 2 + process, and peroxone (O 3 / H 2 O 2 ) process for reacting ozone and hydrogen peroxide. All of these processes are processes for producing OH radicals, and the treatment performance and economical efficiency vary depending on the amount of chemical injection and the amount of UV irradiation, and each process has advantages and disadvantages.
여기서, 페록손(Peroxone) 공정은 오존과 과산화수소가 반응하여 산화력이 강한 OH라디칼을 생성하여 유기오염물질을 분해시키는 공법으로서, 오존 자체의 반응과 오존과 과산화수소의 반응에 의하여 OH라디칼을 생성하기 때문에 배오존 처리장치를 줄이거나 오존 사용량을 줄일 수 있는 장점이 있다.Here, the peroxone process is a method of decomposing organic pollutants by reacting ozone with hydrogen peroxide to generate OH radicals having strong oxidation power, and thus generating OH radicals by reaction of ozone itself and reaction between ozone and hydrogen peroxide. There is an advantage that can reduce the ozone treatment device or reduce the ozone usage.
한편, 의약물질인 이부프로펜(Ibuprofen) 분해 실험을 통해 기존의 오존 산화와 페록손 산화의 성능을 비교한 보고서에 따르면, 이부프로펜은 오존 산화에 의해 반응시간 동안 40∼77% 분해되었지만 페록손 산화에 의해 78∼90%까지 분해되어 페록손 산화반응이 높은 분해 결과를 나타냈다. 특히, 2차반응속도 상수도 OH·(7.4 × 109 M-1ㆍS- 1)이 오존(9.6 ± 1.0 M-1ㆍS-1)보다 더 빠른 반응 속도 상수를 나타냈다고 보고하였다. 이와 같이 페록손 공정은 기존의 오존 산화 공정보다 오염물질의 분해 효율을 향상시킬 수 있다.Meanwhile, according to a report comparing the performance of ozone oxidation and peroxone oxidation through the ibuprofen decomposition experiment of the pharmaceutical substance, ibuprofen was degraded by 40% to 77% during the reaction time by ozone oxidation, but by peroxone oxidation The decomposition resulted in 78-90% degradation of the peroxone oxidation. In particular, it was reported that the secondary reaction rate constant OH. (7.4 × 10 9 M −1 · S − 1 ) showed a faster reaction rate constant than ozone (9.6 ± 1.0 M −1 · S −1 ). As such, the peroxone process may improve the decomposition efficiency of pollutants than the conventional ozone oxidation process.
그러나 과산화수소와 오존을 이용하여 OH라디칼을 생성하는 종래 페록손 공정은 과산화수소를 모두 외부에서 공급하는 방식이다. 이때, 현장에서 오존발생기를 통하여 생성되는 오존과는 달리 과산화수소는 별도로 공급된다. 여기서 과산화수소는 다른 물질과의 반응성이 높아 수송과 저장 등의 취급시 위험 요소가 많다. 따라서 과산화수소를 안정적으로 공급하면서 물질의 분해 효율을 향상시키는 방안이 요구되고 있다. However, the conventional peroxone process of generating OH radicals using hydrogen peroxide and ozone is a method of supplying both hydrogen peroxide from the outside. At this time, unlike ozone generated through the ozone generator in the field, hydrogen peroxide is supplied separately. Here, hydrogen peroxide has high reactivity with other substances, and thus has many risk factors in handling such as transportation and storage. Therefore, there is a need for a method of improving the decomposition efficiency of materials while supplying hydrogen peroxide stably.
또한 종래의 페록손 공정은 과산화수소수와 오존을 단순히 혼합하는 공정으로 오존발생기에서 생성된 오존이 가스 형태로 반응기로 유입된다. 이때, 물에 대한 오존의 용존율이 높지 않기 때문에 생성된 오존이 반응에 모두 이용되지 못하여 기상으로 배출된다. 결과적으로 생성되는 OH라디칼의 농도가 낮고, 대기 중으로 오존의 배출을 막기 위해 미반응 오존을 처리하기 위한 배오존 처리장치가 요구된다. In addition, the conventional peroxone process simply mixes hydrogen peroxide and ozone, and ozone generated in the ozone generator is introduced into the reactor in the form of a gas. At this time, since ozone dissolution rate in water is not high, the generated ozone is not used in the reaction and is discharged to the gas phase. There is a need for an ozone treatment apparatus for treating unreacted ozone in order to prevent the release of ozone into the atmosphere due to low concentrations of the resulting OH radicals.
상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명의 일 실시예는 취급에 주의를 요하는 과산화수소를 외부에서 공급하지 않고 처리수를 전기분해하여 발생시켜 수처리를 안정적으로 수행할 수 있는 전기-페록손 반응 기반 수처리 장치를 제공하고자 한다.In order to solve the problems of the prior art as described above, an embodiment of the present invention is an electro-electric generation that can stably perform water treatment by generating electrolyzed treated water without supplying hydrogen peroxide, which requires attention to handling. To provide a peroxone reaction-based water treatment device.
또한 본 발명은 오존발생기에서 생성된 오존가스를 반응조의 처리수와 혼합하고 노즐을 통하여 반응조에 다시 분사하여 오존가스의 용존율을 증가시켜 오염물질의 처리 효율을 향상시킬 수 있는 전기-페록손 반응 기반 수처리 장치를 제공하고자 한다.In addition, the present invention is an electro-peroxone reaction that mixes ozone gas generated in the ozone generator with the treated water of the reaction tank and sprays it back into the reaction tank through a nozzle to increase the dissolved rate of ozone gas to improve the treatment efficiency of pollutants. An object of the present invention is to provide a water treatment system.
또한 본 발명은 처리수의 전기분해시 발생하는 다양한 종류의 산화제를 이용하여 페록손 반응을 촉진시켜 오염물질의 처리 효율을 더욱 향상시킬 수 있는 전기-페록손 반응 기반 수처리 장치를 제공하고자 한다.In another aspect, the present invention is to provide an electro-peroxone reaction-based water treatment device that can further enhance the treatment efficiency of pollutants by promoting the peroxone reaction using a variety of oxidants generated during the electrolysis of the treated water.
위와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 처리수를 전기-페록손 반응하기 위한 반응조; 상기 반응조 내부에 구비된 적어도 한 쌍의 전극 및 상기 전극에 직류 전원을 공급하는 직류 전원공급기를 포함하며, 상기 처리수를 전기분해하여 과산화수소를 생성하는 전기분해부; 오존가스를 발생하는 오존발생기; 및 상기 반응조의 처리수와 상기 발생한 오존가스를 혼합하여 상기 오존가스와 상기 과산화수소를 페록손 반응시키도록 상기 한 쌍의 전극 사이에 공급하는 혼합부;를 포함하는 전기-페록손 반응 기반 수처리 장치가 제공된다.According to an aspect of the present invention for solving the above problems, a reactor for the electro-peroxone reaction of the treated water; An electrolysis unit including at least one pair of electrodes provided in the reactor and a DC power supply for supplying DC power to the electrodes, the electrolysis unit generating hydrogen peroxide by electrolyzing the treated water; An ozone generator for generating ozone gas; And a mixing unit for mixing the treated water of the reactor with the generated ozone gas and supplying the ozone gas and the hydrogen peroxide between the pair of electrodes so as to peroxone the reaction. The electro-peroxone reaction-based water treatment apparatus includes: Is provided.
일 실시예에서, 상기 전극은 일정 간격으로 이격되는 복수의 쌍으로 구비될 수 있다.In one embodiment, the electrodes may be provided in a plurality of pairs spaced apart at regular intervals.
일 실시예에서, 상기 적어도 한 쌍의 전극 중 가장 외곽에 배치되는 전극과 상기 반응조 사이의 간격은 상기 한 쌍의 전극 사이의 간격보다 5~15배 클 수 있다.In one embodiment, the interval between the electrode disposed at the outermost of the at least one pair of electrodes and the reaction tank may be 5 to 15 times larger than the interval between the pair of electrodes.
일 실시예에서, 전기분해를 위한 전해질은 NaCl를 포함하고, 상기 전극은 수퍼옥사이드 라디칼(·O2 -), 하이드로퍼옥시 라디칼(·OOH), 또는 유리 염소(free Cl), ClO2, OCl- 중 어느 하나를 포함하는 염소계 산화제를 생성하여 상기 처리수를 산화시킬 수 있다. In one embodiment, the electrolyte for electrolysis comprises NaCl, and the electrodes are superoxide radical (· O 2 -), hydroperoxides oxy radicals (· OOH), or free chlorine (free Cl), ClO 2, OCl - it can be oxidized to the treatment to generate a chlorine-based oxidizing agent, including any one of the.
일 실시예에서, 상기 전극은 DSA(Dimensionally stable anode), 스테인리스 스틸(Stainless steel), 및 BDD(Boron doped diamond) 전극 중 어느 하나로 이루어진 양극; 및 흑연, 카본 펠트(Carbon felt), ACF(Activated carbon fiber), DSA, 스테인리스 스틸, 및 BDD 전극 중 어느 하나로 이루어진 음극을 포함할 수 있다.In one embodiment, the electrode comprises an anode comprising any one of a dimensionally stable anode (DSA), stainless steel, and a boron doped diamond (BDD) electrode; And a cathode made of any one of graphite, carbon felt, activated carbon fiber (ACF), DSA, stainless steel, and BDD electrodes.
일 실시예에서, 상기 혼합부는 상기 반응조 내의 처리수를 외부로 배출하는 순환펌프; 상기 오존발생기로부터 발생한 오존가스와 상기 배출된 처리수를 혼합하는 혼합기; 및 상기 혼합된 혼합수를 상기 반응조 내의 상기 한 쌍의 전극 사이에 공급하는 혼합수 배출관;을 포함할 수 있다.In one embodiment, the mixing unit circulating pump for discharging the treated water in the reaction tank to the outside; A mixer for mixing the ozone gas generated from the ozone generator and the discharged treated water; And a mixed water discharge pipe for supplying the mixed mixed water between the pair of electrodes in the reaction tank.
일 실시예에서, 상기 반응조는 상기 순환펌프가 연결되는 측에 구비되어 상기 처리수 내의 기포가 상기 순환펌프 측으로 유입되지 않도록 차단하는 격벽을 포함할 수 있다.In one embodiment, the reactor may include a partition wall is provided on the side to which the circulation pump is connected to block bubbles in the treated water from entering the circulation pump side.
일 실시예에서, 상기 혼합부는 상기 혼합수 배출관의 일단에 구비되며 상기 한 쌍의 전극 사이에 배치되는 노즐을 더 포함할 수 있다.In one embodiment, the mixing unit may further include a nozzle provided at one end of the mixed water discharge pipe and disposed between the pair of electrodes.
일 실시예에서, 상기 혼합기는 T자 형태의 피팅(fitting) 또는 흡인기(aspirator)일 수 있다.In one embodiment, the mixer may be a T-shaped fitting or aspirator.
일 실시예에서, 상기 오존가스와 상기 처리수의 혼합비율은 상기 오존가스 유량에 대하여 상기 처리수의 유량이 25~200%일 수 있다.In one embodiment, the mixing ratio of the ozone gas and the treated water may be 25 to 200% of the flow rate of the treated water relative to the ozone gas flow rate.
본 발명의 일 실시예에 따른 전기-페록손 반응 기반 수처리 장치는 페록손 공정의 필수요소 중의 하나인 과산화수소를 전기분해 반응에서 직접 생성시킴으로써 과산화수소의 취급의 위험성을 낮출 수 있으므로, 수처리의 안정성을 보장할 수 있는 동시에 과산화수소를 별도로 이송 및 공급할 필요가 없으므로 수처리 효율을 향상시킬 수 있다. The electro-peroxone reaction-based water treatment device according to an embodiment of the present invention can lower the risk of handling hydrogen peroxide by directly generating hydrogen peroxide, which is one of the essential elements of the peroxone process, in the electrolysis reaction, thereby ensuring the stability of the water treatment. At the same time, there is no need to transport and supply hydrogen peroxide separately, thereby improving water treatment efficiency.
또한 본 발명은 오존발생기에서 발생한 오존가스를 처리수와 혼합하여 오존가스를 1차 용존시킨 후 노즐을 통하여 반응조 내의 수중으로 분사시켜 오존가스의 2차 용존을 유도함으로써, OH라디칼의 생성 농도를 증가시킬 수 있으므로 오염물질의 처리 효율을 향상시킬 수 있는 동시에 배오존 처리의 비용을 경감시킬 수 있다. In addition, the present invention by mixing the ozone gas generated in the ozone generator with the treated water to dissolve the ozone gas first, and then sprayed into the water in the reactor through the nozzle to induce the secondary dissolved ozone gas, thereby increasing the concentration of OH radicals This can improve the treatment efficiency of contaminants and reduce the cost of ozone treatment.
또한 본 발명은 전기분해 반응에서 부수적으로 발생하는 라디칼 및 염소계 산화제를 오염물질 제거 반응에 이용함으로써 오염물질의 처리 효율을 더욱 향상시킬 수 있다. In addition, the present invention can further improve the treatment efficiency of pollutants by using the radical and chlorine-based oxidant generated in the electrolysis reaction in the pollutant removal reaction.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전기-페록손 반응 기반 수처리 장치를 개략적으로 나타내 구성도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전기-페록손 반응 기반 수처리 장치에서 전기-페록손 반응에 따른 OH라디칼이 생성되는 원리를 설명하기 위한 개략도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전기-페록손 반응 기반 수처리 장치에서 오존과 처리수의 혼합수가 노즐에서 분사될 때 OH라디칼을 생성시키는 원리를 설명하기 위한 개략도,
도 4는 전기분해, 오존, 및 전기-페록손 반응에 따른 OH라디칼 노출량을 도시한 그래프,
도 5는 전기분해, 오존, 및 전기-페록손 반응에 따른 아세트아미노펜 농도 변화를 도시한 그래프,
도 6은 전기분해, 오존, 및 전기-페록손 반응에 따른 아세트아미노펜의 최종 분해를 나타내는 TOC 농도 변화를 도시한 그래프, 그리고,
도 7은 산기관으로 오존가스를 투입하는 경우와 처리수 혼합 및 노즐 분사를 통해 오존가스를 투입하는 경우의 OH라디칼 노출량을 도시한 그래프이다. 1 is a schematic view showing an electro-peroxone reaction-based water treatment device according to an embodiment of the present invention,
Figure 2 is a schematic diagram for explaining the principle of generating OH radicals according to the electro- peroxone reaction in the electro- peroxone reaction-based water treatment apparatus according to an embodiment of the present invention,
3 is a schematic view for explaining the principle of generating OH radicals when a mixture of ozone and treated water is injected from the nozzle in the electro-peroxone reaction-based water treatment device according to an embodiment of the present invention,
4 is a graph showing OH radical exposure according to electrolysis, ozone, and electro-peroxone reactions,
5 is a graph showing the change of acetaminophen concentration according to the electrolysis, ozone, and electro-peroxone reaction,
FIG. 6 is a graph depicting changes in TOC concentration showing final decomposition of acetaminophen upon electrolysis, ozone, and electro-peroxone reactions.
FIG. 7 is a graph showing the exposure amount of OH radicals when ozone gas is introduced into the diffuser and when ozone gas is introduced through treatment water mixing and nozzle injection.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the present invention. As those skilled in the art would realize, the described embodiments may be modified in various different ways, all without departing from the spirit or scope of the present invention. In the drawings, parts irrelevant to the description are omitted in order to clearly describe the present invention, and like reference numerals designate like elements throughout the specification.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 전기-페록손 반응 기반 수처리 장치를 보다 상세히 설명하도록 한다. 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전기-페록손 반응 기반 수처리 장치를 개략적으로 나타내 구성도이다.Hereinafter, an electro-peroxone reaction-based water treatment apparatus according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. 1 is a schematic view showing an electro-peroxone reaction-based water treatment device according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기-페록손 반응 기반 수처리 장치(100)는 반응조(110), 전기분해부(121~123), 오존발생기(130), 혼합부(141~145) 및 배오존 혼합수 저장고(150)를 포함한다.Referring to FIG. 1, the electro-peroxone reaction-based
여기서, 전기-페록손 반응 기반 수처리 장치(100)는 상수 원수, 하/폐수 등에 존재하는 수중의 오염물질을 효과적으로 제거할 수 있는 고급산화공정(AOP)을 이용한 수처리 장치로서, 오존(O3)과 과산화수소(H2O2)의 반응을 이용하여 OH라디칼(OH·)을 형성시키는 페록손 공정에서 과산화수소를 전기분해에 의해 생성함으로써 수처리의 안정성을 보장할 수 있다. Here, the electro-peroxone reaction-based
또한 전기-페록손 반응 기반 수처리 장치(100)는 오존가스를 반응조(110) 내부로부터 배출된 처리수와 혼합시켜 1차 용존시킨 후 다시 반응조(110) 내로 분사하여 2차 용존을 유도함으로써 오존가스의 용존율을 높여 오존과 과산화수소의 반응을 촉진할 수 있다. 이에 의해, OH라디칼의 생산량을 증가시키므로 수중에 존재하는 유기 오염물질은 물론 악취, 휘발성 유기화합물 및 미생물 등 다양한 오염물질의 제거 효율을 향상시킬 수 있다. In addition, the electro-peroxone reaction-based
또한, 전기-페록손 반응 기반 수처리 장치(100)는 전기분해시 부수적으로 생성되는 라디칼 또는 염소계 산화제를 오염물질 제거 반응에 이용함으로써 오염물질의 처리 효율을 더욱 향상시킬 수 있다. In addition, the electro-peroxone reaction-based
반응조(110)는 오염물질을 제거하고자 하는 대상 처리수를 전기-페록손 반응하기 위한 것으로, 하측의 유입구(112)로 처리수가 유입되고 상측의 처리수 유출구(151)를 통하여 처리수가 유출될 수 있다.The
이러한 반응조(110)는 후술하는 바와 같은 순환펌프(141)가 연결되는 배관 측에 격벽(111)이 구비될 수 있다. 여기서, 반응조(110)는 처리수가 상하로 순환하는데 이와 함께 처리수 내에 포함된 산소나 오존 등의 기포도 같이 순환한다. 이때, 격벽(111)은 처리수에 포함된 기포가 순환펌프(141) 측으로 유입되지 않도록 차단할 수 있다.The
이러한 격벽(111)은 반응조(110) 상측에서 순환펌프(141)가 연결되는 부분으로부터 반응조(110) 하측에서 혼합수 배출관(144)이 설치되는 부분까지 연장형성될 수 있다. The
전기분해부(121~123)는 반응조(110) 내의 처리수를 전기분해하여 과산화수소를 생성하기 위한 것으로, 적어도 한 쌍의 전극(121,122) 및 직류 전원공급기(123)를 포함할 수 있다.The
전극(121,122)은 반응조(110) 내에 구비되며, 양극(121) 및 음극(122)이 쌍을 이루어 일정 간격을 두고 대향 배치될 수 있다. 여기서, 양극(121)은 DSA(Dimensionally stable anode), 스테인리스 스틸(Stainless steel), 및 BDD(Boron doped diamond) 전극 중 어느 하나로 이루질 수 있다. 음극(122)은 흑연, 카본 펠트, ACF 등의 탄소유래 전극과, DSA, 스테인리스 스틸, 및 BDD 전극 중 어느 하나로 이루어질 수 있다. The
또한, 전극(121,122)은 처리수의 양에 따라 일정 간격으로 이격되는 복수의 쌍으로 구비되어 순차적인 다단 배열로 구성될 수 있다. 이때, 반응조(110) 내에서 처리수의 흐름이 원활하게 되도록 전극(121,122)과 반응조(110) 사이의 간격은 전극(121,122) 사이의 간격보다 크게 구비될 수 있다. 바람직하게는 전극(121,122) 중 가장 외곽에 배치되는 전극과 반응조(110) 사이의 간격은 한 쌍의 전극(121,122) 사이의 간격보다 5~15배 클 수 있다. In addition, the
일례로, 한 쌍의 전극(121,122) 사이의 간격은 1㎝ 내지 3㎝일 수 있다. 또한 반응조(110) 내에서 가장 좌측에 배치되는 음극(122)과 반응조(110) 사이의 간격 및 반응조(110) 내에서 가장 우측에 배치되는 양극(121)과 반응조(110) 사이의 간격은 5㎝ 내지 15 ㎝일 수 있다. For example, the distance between the pair of
직류 전원공급기(123)는 반응조(110)의 외부에 구비되며 전원선을 통하여 전극(121,122)에 직류 전원을 공급할 수 있다.The
오존발생기(130)는 외부로부터 산소(O2)를 공급받아 오존가스(O3)를 발생할 수 있다. 여기서, 오존발생기(130)는 오존가스 배출관(131)을 통하여 혼합기(143)에 연결될 수 있다.The
혼합부(141~145)는 반응조(110) 내의 처리수와 오존발생기(130)로부터 발생한 오존가스와 혼합하여 한 쌍의 전극(121,122) 사이에 공급할 수 있다. 여기서, 혼합부(141~145)에 의해 공급되는 오존가스는 한 쌍의 전극(121,122) 사이에서 전기분해에 의해 발생하는 과산화수소와 페록손 반응할 수 있다.The mixing
혼합부(141~145)는 순환펌프(141), 순환수 유입관(142), 혼합기(143), 혼합수 배출관(144), 및 노즐(145)을 포함할 수 있다.The
순환펌프(141)는 배관을 통하여 반응조(110)로부터 처리수를 배출할 수 있다. 이때, 순환펌프(141)는 반응조(110)의 상부 측에 연결될 수 있다. 여기서, 반응조 내의 처리수는 순환펌프(141)에 의해 순환되므로 이하 설명에서 순환수는 반응조(110) 내의 처리수와 동일한 것으로 이해될 수 있다.The
순환수 유입관(142)은 순환펌프(141)와 혼합기(143) 사이에 배치될 수 있다. 이 순환수 유입관(142)은 순환펌프(141)에 의해 반응조(110)로부터 배출된 순환수를 혼합기(143)로 공급할 수 있다.The circulation
혼합기(143)는 순환펌프(141)로부터 순환수가 유입되고 오존발생기(130)로부터 오존가스가 유입되어 이들을 혼합할 수 있다. 여기서, 혼합기(143)는 양측면에 순환수 및 오존가스가 유입되는 유입구 및 다른 측면에 순환수와 오존가스를 혼합하여 배출하는 배출구를 포함할 수 있다. 일례로, 혼합기(143)는 T자 형태의 피팅 또는 흡인기일 수 있다.In the
또한 혼합기(143)는 오존가스와 순환수의 혼합비율을 일정하게 조정할 수 있다. 일례로, 오존가스와 순환수의 혼합비율은 오존가스 유량에 대하여 순환수의 유량이 25~200%일 수 있다.In addition, the
혼합수 배출관(144)은 혼합기(143)로부터 반응조(110) 내의 전극(121,122)까지 연장될 수 있다. 즉, 혼합수 배출관(144)은 일측이 혼합기(143)에 연결되고, 타측은 반응조(110) 내에서 가정 멀리 배치된 한 쌍의 전극(121,122) 사이에 배치될 수 있다. The mixed
노즐(145)은 혼합수 배출관(144)의 일단에 구비될 수 있다. 여기서, 노즐(145)은 한 쌍의 전극(121,122) 사이에 배치될 수 있다. 이에 의해, 노즐(145)은 혼합수 배출관(144)으로부터 공급되는 오존가스와 순환수가 혼합된 혼합수를 반응조(110) 내의 한 쌍의 전극(121,122) 사이에 공급할 수 있다. 이러한 노즐(145)은 물 분사용 노즐일 수 있다. The
배오존 혼합수 저장고(150)는 반응조(110)의 일측에 구비되며 반응조(110)와 연통될 수 있다. 이러한 배오존 혼합수 저장고(150)는 반응조(110) 내에서 과산화수소와 반응하고 남은 미반응 오존가스, 오존발생기(130)에서 유입되어 오존가스 생성 후 남은 산소 및 반응조(110)로 유입된 후 처리된 처리수가 혼합된 배오존 혼합수를 저장할 수 있다. 여기서, 배오존 혼합수 저장고(150)는 처리수 유출구(151)를 통하여 오염제거된 처리수를 배출할 수 있다.The ozone mixed
또한 배오존 혼합수 저장고(150)는 일측에 배오존 제거장치(152)가 구비될 수 있다. 이러한 배오존 제거장치(152)는 배오존 혼합수에 포함된 배오존 가스와 산소를 제거하여 배오존 제거가스 유출구(153)를 통하여 외부로 배출할 수 있다.In addition, the ozone mixed
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전기-페록손 반응 기반 수처리 장치에서 전기-페록손 반응에 따른 OH라디칼이 생성되는 원리를 설명하기 위한 개략도이다. Figure 2 is a schematic diagram for explaining the principle of generating OH radicals according to the electro- peroxone reaction in the electro- peroxone reaction-based water treatment apparatus according to an embodiment of the present invention.
반응조(110) 내에서 처리수를 전기분해하면, 양극(121)에서 수학식 1과 같이 산소, 수소이온, 전자가 발생하고, 음극(122)에서 수학식 2와 같이 산소, 수소이온, 전자가 환원과정을 통해 과산화수소가 생성된다. When the treated water is electrolyzed in the
이때, 오존발생기(130)에 의해 생성된 오존가스와 오존발생기(130)에 공급되어 미반응한 산소가 산기관(132) 등의 가스 배출장치를 통하여 반응조(110) 내로 배출된다. At this time, the ozone gas generated by the
상기와 같은 전기분해 반응에서 생성된 과산화수소는 처리수로 배출된 오존가스와 수학식 3과 같이 페록손 반응을 통해 OH라디칼을 생성하다. Hydrogen peroxide generated in the electrolysis reaction as described above generates OH radicals through ozone gas discharged into the treated water and a peroxone reaction as in Equation 3.
이와 같이 페록손 반응에 의해 생성된 OH라디칼은 처리수 내의 유기오염물질과 반응하여 이를 산화시킨다.As such, the OH radicals generated by the peroxone reaction react with and oxidize organic pollutants in the treated water.
본 발명은 과산화수소를 외부에서 공급하는 종래의 페록손 공정과는 달리 전기분해 반응에 의하여 반응조(110) 내에서 과산화수소를 직접 생성할 수 있다. 이때, 전극(121,122) 표면에서 OH라디칼, 수퍼옥사이드 라디칼(·O2 -), 하이드로퍼옥시 라디칼(·OOH) 등의 라디칼이 소량 발생하고, 처리수의 직접 전기분해에 의해 오존가스도 발생한다. The present invention, unlike the conventional peroxone process of supplying hydrogen peroxide externally, can directly generate hydrogen peroxide in the
또한 NaCl과 같은 전해질을 사용할 경우, 유리 염소(free Cl), ClO2, OCl- 등의 염소계 산화제를 발생할 수 있다. 이와 같이 부가적으로 발생한 산화제를 오염물질 처리에 이용할 수 있기 때문에, 본 발명은 과산화수소만 이용하는 경우보다는 오염물질의 제거 효율을 향상시킬 수 있다. In addition, when an electrolyte such as NaCl is used, chlorine-based oxidants such as free chlorine (free Cl), ClO 2 , and OCl − may be generated. Since the additionally generated oxidant can be used for the pollutant treatment, the present invention can improve the removal efficiency of the pollutant rather than using only hydrogen peroxide.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전기-페록손 반응 기반 수처리 장치에서 오존과 처리수의 혼합수가 노즐에서 분사될 때 OH라디칼을 생성시키는 원리를 설명하기 위한 개략도이다. 3 is a schematic diagram for explaining a principle of generating OH radicals when a mixture of ozone and treated water is injected from a nozzle in an electro-peroxone reaction-based water treatment device according to an embodiment of the present invention.
수온이 20℃인 물에서 오존의 헨리상수는 4.6 × 103이므로 비극성 유기용매의 10% 정도밖에 용해되지 않는다. 수학식 4로 표시되는 분배계수로 오존의 용해도를 나타내면 25℃의 물에서 오존의 분배계수 D는 0.2로 보고되고 있다. Since the Henry's constant is 4.6 × 10 3 in water with a water temperature of 20 ° C, only about 10% of the nonpolar organic solvent is dissolved. When the solubility of ozone is represented by the distribution coefficient represented by Equation 4, the distribution coefficient D of ozone in water at 25 ° C. is reported as 0.2.
이로부터 알 수 있는 바와 같이, OH라디칼의 생성농도를 증가시키기 위해서는 오존발생기(130)에서 처리수로 배출되는 오존의 용존율을 증가시켜야 한다. As can be seen from this, in order to increase the production concentration of OH radicals, the dissolved rate of ozone discharged from the
이를 위해, 본 발명은 오존발생기(130)에서 발생한 오존가스를 반응조(110)로 직접 공급하는 대신, 순환펌프(141)를 이용하여 반응조(110) 내의 처리수를 오존발생기(130)에서 발생하는 오존가스와 혼합하여 반응조(110)로 분사할 수 있다.To this end, the present invention instead of directly supplying the ozone gas generated in the
보다 구체적으로, 혼합기(143)는 처리수와 오존가스를 혼합하여 기-액 혼합수(G1)를 생성할 수 있다. 여기서, 순환수와 오존가스는 1차 용존될 수 있다. 이때, 기-액 혼합수(G1)는 좁은 유로에서 혼합되기 때문엔 오존가스의 용존율을 증가시킬 수 있다.More specifically, the
다음으로, 기-액 혼합수(G1)가 노즐(145)을 통하여 수중에 분사되면서 미처 용존되지 않은 오존가스는 2차 용해될 수 있다. 이와 같이 2차 용해된 오존가스는 전기분해에서 발생한 과산화수소와 반응하여 OH라디칼을 생성할 수 있다. 이에 의해, 오존가스를 처리수에 직접 배출하는 경우에 비하여, OH라디칼의 생성농도를 향상시킬 수 있다. Next, as the gas-liquid mixed water G1 is sprayed into the water through the
여기서, 수중에 분사되는 오존가스의 경우 순환펌프(141)에 의한 압력과 오존발생기(130)의 오존가스 배출압력에 의해 혼합되고, 직경이 작은 노즐(145)을 통해 수중으로 배출되므로 도 2와 같은 페록손 공정에서 산기관(132)에서 배출되는 오존가스보다 가스의 크기가 작아서 오존가스의 용존율이 높아진다.Here, the ozone gas injected into the water is mixed by the pressure by the
결과적으로, 본 발명은 과산화수소와 오존을 개별 공급하여 OH라디칼을 생성시키는 종래의 페록손 반응 대신 과산화수소를 전기분해 반응에서 생성시키고 오존가스와 반응시키는 전기-페록손 반응을 이용하여 OH라디칼을 생성시키는 동시에 종래 약품 첨가형 페록손 반응에서는 생성되지 않는 수퍼옥사이드 라디칼(·O2 -), 하이드로퍼옥시 라디칼(·OOH) 등의 라디칼 및 유리 염소(free Cl), ClO2, OCl- 등의 염소계 산화제도 생성시켜 산화반응에 이용할 수 있다.As a result, the present invention produces OH radicals by using an electro-peroxone reaction which generates hydrogen peroxide in an electrolysis reaction and reacts with ozone gas instead of the conventional peroxone reaction in which hydrogen peroxide and ozone are separately supplied to generate OH radicals. At the same time, radicals such as superoxide radicals (· O 2 − ), hydroperoxy radicals (· OOH), and chlorine-based oxidizing agents such as free chlorine (free Cl), ClO 2 , and OCl − that are not produced in conventional drug-added peroxone reactions. It can produce and use for oxidation reaction.
더욱이, 본 발명은 용존율이 낮은 오존가스를 반응조(110) 내로 바로 배출시키지 않고 반응조(110)의 처리수와 미리 혼합시켜 1차 용존시킨 후 순환펌프와 오존발생기의 압력을 이용하여 노즐을 통해 반응조로 분사시켜 2차 용존시킴으로써, 2차 용존된 오존가스를 전기분해에서 발생한 과산화수소와 반응하여 OH라디칼 생성량을 증가시켜 산화력을 향상시키고, 따라서 오염물질의 제거 효율을 향상시킬 수 있다. In addition, the present invention does not directly discharge the ozone gas having a low dissolution rate into the
다시 도 1을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 전기-페록손 반응 기반 수처리 장치(100)의 동작을 설명한다. Referring back to Figure 1 will be described the operation of the electro- peroxone reaction-based
먼저, 오염물질이 함유된 처리수를 반응조(110)의 유입구(112)로 유입시킨다. 유입된 처리수는 위로 이동하면서 양극(121)과 음극(122) 사이에 있는 노즐(145)에서 분사된 오존가스와 처리수의 혼합물인 기-액 혼합수(G1)와 만나서 오존이 재용존될 수 있다.First, the treated water containing the contaminant is introduced into the
이때, 양극(121)과 음극(122)의 전기분해 반응에 의해 생성되는 과산화수소가 생성될 수 있다. 여기서, 용존된 오존은 생성된 과산화수소와 페록손 반응하여 OH라디칼을 생성할 수 있다. At this time, hydrogen peroxide generated by the electrolysis of the
생성된 OH라디칼은 처리수 내에 함유된 유기 오염물질을 CO2와 H2O로 광물질화시킨다. 이때, 노즐(145)에 의해 분사된 기-액 혼합수(G1)는 위로 분출되면서 반응하고, 반응조(110) 상부에서 반응조(110)의 좌측과 우측에서 하향 액체 흐름(S1)을 생성하면서 반응조(110)의 아래로 흐르게 된다. The resulting OH radicals mineralize the organic pollutants contained in the treated water with CO 2 and H 2 O. At this time, the gas-liquid mixed water G1 injected by the
아래로 이동한 처리수는 유입구(112)에 의한 상향 액체 흐름(S2)과 노즐(145)에서의 기-액 혼합수(G1)의 분출 흐름에 의해 상향 흐름을 형성하고, 반응조(110) 상부로 올라간 처리수는 다시 하향 액체 흐름(S1)을 형성하고 아래로 흐르게 된다.The treated water moved downward forms an upward flow by the upward flow of the liquid S2 by the
이때, 순환펌프(141)는 반응조(110) 내의 처리수를 순환수로 사용하여 T자 형태의 혼합기(143)로 보내고, 오존발생기(130)는 발생한 오존가스를 오존가스 배출관(131)을 통해 혼합기(143)로 보내면, 오존가스가 순환수와 혼합된다. 혼합수를 반응조(110) 내의 양극(121)과 음극(122) 사이에 배치된 노즐(145)을 통해 분사시키면, 전극(121,122)에서 생성되는 과산화수소와 반응한다. At this time, the
이와 같이, 과산화수소와 오존의 반응에 의해 발생하는 OH라디칼 이외에도 전기분해에 의해 발생하는 각종 산화제를 이용하여 처리수에 함유된 유기 오염물질이 산화된 후 처리수는 배오존 혼합수 저장조(150)를 거쳐 처리수 유출구(151)를 통하여 배출되고, 미반응 오존가스와 산소는 배오존 제거장치(152)를 거쳐 배오존 제거 가스유출구(153)로 배출된다. As described above, after the organic pollutants contained in the treated water are oxidized by using various oxidants generated by electrolysis in addition to the OH radicals generated by the reaction between hydrogen peroxide and ozone, the treated water is subjected to the ozone mixed
이하, 도 4 내지 도 7을 참조하여 전기-페록손 반응 기반 수처리 장치(100)를 이용한 OH라디칼 생성, 분해대상 물질로 난분해성 의약물질인 아세트아미노펜의 제거, 및 OH라디칼 생성에 미치는 오존가스의 혼합에 의한 용존율 향상에 대한 실험 결과를 설명한다. Hereinafter, with reference to FIGS. 4 to 7, OH radicals are generated using the electro-peroxone reaction-based
도 4는 전기분해, 오존, 및 전기-페록손 반응에 따른 OH라디칼 노출량을 도시한 그래프이다. 4 is a graph showing the OH radical exposure according to the electrolysis, ozone, and electro-peroxone reaction.
일반적으로 OH라디칼은 반감기가 매우 짧아 직접 측정하는 것은 어렵기 때문에, p-CBA(para-chloro benzoic acid)와 같이 분해가 잘 안 되는 모델(model) 물질을 사용하여 분해 농도를 측정하였다. 이때, p-CBA가 OH라디칼에 의해서 분해된다고 가정한다면 p-CBA의 분해속도 상수를 이용하여 OH라디칼 농도를 계산할 수 있다.In general, since OH radicals have very short half-lives and are difficult to measure directly, degradation concentrations were measured using a poorly degradable model material such as p-CBA (para-chloro benzoic acid). In this case, assuming that p-CBA is decomposed by OH radicals, the OH radical concentration may be calculated using the decomposition rate constant of p-CBA.
여기서, p-CBA의 분해속도 상수는 수학식 5와 같이 표현되며, OH·발생량 ()은 수학식 5를 재배열한 수학식 6으로 계산하여 측정하였다.Here, the decomposition rate constant of p-CBA is expressed as in
여기서, p-CBA 분해속도가 크면 OH라디칼 발생량이 크다고 볼 수 있다. Here, when the decomposition rate of p-CBA is large, it can be seen that the amount of OH radicals is large.
OH라디칼의 생성 확인용 모델(model) 물질인 p-CBA를 사용하여 전기분해 단독, 오존 단독, 전기-페록손 공정에서 p-CBA 분해 실험을 실시하였다. 이때, 양극(121)은 DSA, 음극은 카본 펠트를 사용했으며, 전극의 크기는 25㎠(5㎝ × 5㎝), 전극 간 간격은 5㎜, 전해질은 0.05M Na2SO4를 사용하였으며, 전극에 600㎃의 전류를 인가하였다. 오존발생기(130)에 산소(O2, > 90%)를 공급하여 오존을 발생시켰고, 산기관(132)을 사용하여 오존을 공급하여 반응조(110)로 유입되는 오존가스 유량은 0.25 L/min로 조절하였다. 여기서, 오존발생기(130)의 전력은 140 W이고, 발생하는 오존의 농도는 48.4㎎/L이었다. 실험에 사용한 p-CBA 농도는 10㎎/L이었다.P-CBA decomposition experiments were performed in electrolysis alone, ozone alone, and electro-peroxone processes using p-CBA, a model material for confirming the generation of OH radicals. At this time, the
이와 같은 조건에서, 오존을 투입하지 않은 전기분해 단독공정, 오존만 유입시키고 전기분해를 실시하지 않은 오존 단독공정 및 전기-페록손 공정에서 p-CBA를 분해하는 동안 발생한 OH라디칼 노출량(exposure)을 측정하였다. Under these conditions, the exposure of OH radicals generated during the decomposition of p-CBA in the electrolysis alone process without ozone, the ozone alone process without the ozone, and without electrolysis, and the electro-peroxone process is determined. Measured.
도 4에 도시된 바와 같이, 전기-페록손 공정의 노출량은 0.626 × 10-9 MㆍS로서 전기분해 단독공정에 의한 노출량인 0.155 × 10-9 MㆍS, 오존 단독공정에 의한 노출량인 0.031 × 10-9 MㆍS보다 더 높은 값을 나타내었다. 그리고 각 공정마다 OH라디칼 발생량은 반응시간에 따라서 선형적으로 증가하고 있는데(R2 = 0.994∼0.999), 이는 OH라디칼의 의사-정상상태(pseudo-steady) 농도가 공정의 반응시간 동안 지속된다는 것을 나타낸다. As shown in FIG. 4, the exposure of the electro-peroxone process is 0.626 × 10 −9 M · S, which is 0.155 × 10 −9 M · S, which is the exposure by the electrolysis alone process, and 0.031, which is the exposure by the ozone alone process. Values higher than × 10 −9 M · S. In each process, the amount of OH radicals increased linearly with the reaction time (R 2 = 0.994 to 0.999), indicating that the pseudo-steady concentration of OH radicals persisted during the reaction time of the process. Indicates.
수학식 6을 이용하여 OH라디칼의 의사-정상상태 농도를 계산한 결과, 전기-페록손 공정은 0.417 × 10-9 mM, 전기분해는 0.086 × 10-9 mM, 오존은 0.017 × 10-9 mM로 나타났다. 이는 전기-페록손 공정이 다른 단일 산화 공정보다 상당히 높은 OH라디칼 농도가 생성된다는 것을 의미하며, 단일 공정의 산술적인 합보다 발생하는 OH라디칼 농도가 높은 시너지 효과가 발생하는 것으로 나타났다.As a result of calculating the pseudo-steady-state concentration of OH radicals using Equation 6, the electro-peroxone process was 0.417 × 10 -9 mM, the electrolysis was 0.086 × 10 -9 mM, and the ozone was 0.017 × 10 -9 mM. Appeared. This means that the electro-peroxone process produces significantly higher OH radical concentrations than other single oxidation processes, resulting in a synergistic effect with higher OH radical concentrations occurring than the arithmetic sum of a single process.
도 5는 전기분해, 오존, 및 전기-페록손 반응에 따른 아세트아미노펜 농도 변화를 도시한 그래프이다. 5 is a graph showing the change of acetaminophen concentration according to the electrolysis, ozone, and electro-peroxone reaction.
위와 같은 전기분해 단독, 오존 단독, 전기-페록손 공정에서, 난분해성 의약품인 아세트아미노펜 분해에 대한 초기농도(C0)와 반응 후 농도(C)의 비(C/C0)를 측정하였다. 여기서, 실험시작시 C/C0는 1이고, 아세트아미노펜이 100% 분해되면 C/C0는 0이다.In the above electrolysis alone, ozone alone, electro-peroxone process, the ratio (C / C 0 ) of the initial concentration (C 0 ) and the concentration (C) after the reaction for the decomposition of acetaminophen, a hardly decomposable drug was measured. Here, C / C 0 is 1 at the start of the experiment and C / C 0 is 0 when acetaminophen is 100% decomposed.
이때, 아세트아미노펜의 농도를 10㎎/L로 고정하고, 전기분해, 오존 및 전기-페록손 반응을 위한 실험은 상술한 p-CBA 분해실험과 동일한 조건으로 실시하였다. At this time, the concentration of acetaminophen was fixed at 10 mg / L, and experiments for the electrolysis, ozone, and electro-peroxone reaction were performed under the same conditions as the above-described p-CBA decomposition test.
도 5로부터 알 수 있는 바와 같이, 10분의 반응시간 동안 전기분해, 오존 단독공정의 아세트아미노펜 초기 농도에 대한 반응시간 동안의 비율은 각각 0.663, 0.147로 나타났다. 반면, 전기-페록손 공정은 6분의 반응시간 동안 완전히 분해되어 0으로 나타났다.As can be seen from Figure 5, the ratio of the reaction time to the initial concentration of acetaminophen in the electrolysis, ozone alone process during the reaction time of 10 minutes was 0.663, 0.147 respectively. In contrast, the electro-peroxone process was completely decomposed to zero for a reaction time of 6 minutes.
여기서, 전기분해 공정은 전극 표면의 직접 산화 효과와 전기화학 반응으로 생성되는 산화제가 물질을 분해시키는 공정인데, 가장 낮은 아세트아미노펜 분해를 나타내는 C/C0비는 높게 나타났다. 이는 전극 표면에서의 직접 산화와 발생하는 산화제가 아세트아미노펜을 효율적으로 분해하지 못하였음을 의미한다. 아울러, OH라디칼 발생량이 적기 때문에 분해 효율이 낮은 것으로 판단된다. Here, the electrolysis process is a process in which the oxidant generated by the direct oxidation effect of the electrode surface and the electrochemical reaction decomposes the material, and the C / C 0 ratio indicating the lowest acetaminophen decomposition was high. This means that direct oxidation at the electrode surface and the resulting oxidant did not efficiently decompose acetaminophen. In addition, since the amount of generated OH radicals is small, the decomposition efficiency is judged to be low.
오존 공정의 경우, 10 min 동안 아세트아미노펜의 C/C0비가 0.147로서, 약 85%가 분해된 것으로 나타났다. 전기분해 공정과 오존 공정을 결합한 전기-페록손 공정의 경우 6분 만에 100% 제거되어 단독공정보다 빠르게 아세트아미노펜을 제거하며, 단독공정과 비교해 보면 분해 효율이 향상되었다. 이는 공정 간의 결합으로 인한 상승효과에 의해서 물질 분해 효율이 증가했기 때문이다. For the ozone process, the C / C 0 ratio of acetaminophen for 0.1 min was found to be 0.147, with about 85% being degraded. The electro-peroxone process, which combines the electrolysis and ozone processes, removes 100% in 6 minutes and removes acetaminophen more quickly than in the single process. This is because the material decomposition efficiency is increased by synergistic effects due to the coupling between processes.
이러한 전기-페록손 복합 공정의 상승효과를 정량적으로 평가하기 위해서 의사 1차 반응속도상수를 구한 뒤 수학식 7에 따라서 향상계수(Enhancement)를 계산하였다.In order to quantitatively evaluate the synergistic effect of the electro-peroxone complex process, the pseudo first order rate constant was obtained and the enhancement coefficient was calculated according to Equation 7.
여기서, , ,는 전기분해, 오존, 전기-페록손 공정 각각에 대한 의사 1차 반응속도상수를 나타낸다. here, , , Represents the pseudo-first-order rate constants for each of the electrolysis, ozone, and electro-peroxone processes.
전기분해, 오존, 전기-페록손 공정에서 아세트아미노펜 분해에 대한 의사-1차 반응속도상수와 전기-페록손 공정의 향상계수를 표 1에 나타내었다. Table 1 shows the pseudo-first order rate constants for the acetaminophen degradation in the electrolysis, ozone and electro-peroxone processes and the improvement coefficients of the electro-peroxone process.
표 1에서 도시된 바와 같이, 전기-페록손 공정이 다른 두 공정보다 1.84배가 향상되는 결과를 나타냈다. As shown in Table 1, the electro-peroxone process showed 1.84 times improvement over the other two processes.
상기와 같이 전기-페록손 공정이 다른 단독 산화 공정보다 더 빠른 분해 효율을 나타내는 이유는 더 많은 OH라디칼을 발생시키기 때문에 분해 효율이 증가한 것으로 판단되며, 이 결과는 도 4의 OH라디칼 노출량 그래프로도 확인할 수 있다.As described above, the reason why the electro-peroxone process shows faster decomposition efficiency than other single oxidation processes is that the decomposition efficiency is increased because it generates more OH radicals. You can check it.
도 6은 전기분해, 오존, 및 전기-페록손 반응에 따른 아세트아미노펜의 최종 분해를 나타내는 TOC 농도 변화를 도시한 그래프이다. FIG. 6 is a graph depicting changes in TOC concentration showing final degradation of acetaminophen upon electrolysis, ozone, and electro-peroxone reactions.
위와 같은 전기분해 단독, 오존 단독, 전기-페록손 공정에서, 아세트아미노펜의 무기화를 나타내는 총유기탄소(TOC, Total organic carbon) 분해에 대한 초기농도(C0)와 반응 후 농도(C)의 비(C/C0)를 측정하였다. 여기서, 실험시작시 C/C0는 1이고, 아세트아미노펜의 TOC가 100% 제거되어 완전 무기화가 이루어지면 C/C0는 0이다.In the above electrolysis alone, ozone alone, and electro-peroxone processes, the ratio of initial concentration (C 0 ) and concentration after reaction (C) to total organic carbon (TOC) decomposition indicating inorganicization of acetaminophen (C / C 0 ) was measured. Here, C / C 0 is 1 at the start of the experiment, and C / C 0 is 0 when complete mineralization is achieved by removing 100% of the TOC of acetaminophen.
이때, 아세트아미노펜의 농도를 10㎎/L로 고정하고, 전기분해, 오존 및 전기-페록손 반응을 위한 실험은 상술한 p-CBA 분해실험과 동일한 조건으로 실시하여 TOC를 측정하였다. At this time, the concentration of acetaminophen was fixed at 10 mg / L, and the experiments for the electrolysis, ozone, and electro-peroxone reaction were carried out under the same conditions as the p-CBA decomposition test described above, and TOC was measured.
도 6으로부터 알 수 있는 바와 같이, 전기분해와 오존은 180분의 반응시간 동안 각각 41.2%, 42.2%가 분해되었다. 반면, 전기-페록손 반응은 40분에 81.9% 분해되었고, 60분에는 100% 분해된 것으로 나타났다. 전기-페록손 공정은 다른 산화 공정보다 더 많은 OH라디칼을 발생시키며 OH라디칼은 비 선택적 산화 반응을 통해서 아세트아미노펜 및 중간 생성물을 빠르게 CO2와 H2O로 분해시키는 것으로 나타났다. As can be seen from FIG. 6, electrolysis and ozone decomposed 41.2% and 42.2%, respectively, during the reaction time of 180 minutes. On the other hand, the electro-peroxone reaction showed 81.9% degradation at 40 minutes and 100% degradation at 60 minutes. The electro-peroxone process generates more OH radicals than other oxidation processes, and OH radicals have been shown to rapidly decompose acetaminophen and intermediates into CO 2 and H 2 O through non-selective oxidation reactions.
오존의 경우, 아세트아미노펜 분해는 전기분해보다 높은 것으로 나타났으나 TOC 제거율이 전기분해와 비슷한 것으로 나타나 단독 처리만으로는 무기화까지 걸리는 시간이 많이 소요될 것으로 판단되었다.In the case of ozone, acetaminophen decomposition was higher than that of electrolysis, but the TOC removal rate was similar to that of electrolysis.
도 7은 산기관으로 오존가스를 투입하는 경우와 처리수 혼합 및 노즐 분사를 통해 오존가스를 투입하는 경우의 OH라디칼 노출량을 도시한 그래프이다. FIG. 7 is a graph showing the exposure amount of OH radicals when ozone gas is introduced into the diffuser and when ozone gas is introduced through treatment water mixing and nozzle injection.
도 2와 같은 산기관(132)으로 오존가스를 반응조(110)로 투입하는 조건과, 도 1과 같은 혼합기(143)에서 1차 혼합하고, 노즐(145)에서 분사하여 2차 혼합되는 조건에서 OH라디칼의 노출량을 비교실험하였다. 여기서, p-CBA를 분해하는 동안 발생한 OH라디칼 노출량을 비교하였다. Under conditions that the ozone gas is introduced into the
산기관(132)을 이용한 전기-페록손 반응은 오존발생기(130)에서 발생한 오존가스를 0.25 L/min의 속도로 반응기에 유입시켰다. 혼합기(143) 및 노즐(145)을 이용한 전기-페록손 반응은 오존가스를 0.25 L/min의 속도로 혼합기(143)로 유입시키고, 반응조(110) 내의 처리수를 순환수로 이용하여 순환펌프(141)를 통하여 0.13 L/min의 유량으로 혼합기(143)로 유입시켜 1차 혼합시킨 후 노즐(145)을 이용하여 반응조(110) 내에서 분사시켰다. 오존가스의 배출 및 분사 외의 다른 조건은 상술한 p-CBA 분해실험과 동일한 조건으로 하였다. The electro-peroxone reaction using the
도 7로부터 알 수 있는 바와 같이, 산기관(132)을 이용하는 전기-페록손 공정의 OH라디칼 노출량은 0.626 × 10-9 MㆍS이며, 오존과 순환수를 혼합기(143)에서 1차 혼합하고 노즐(145)로 2차 분사시키는 전기-페록손 공정의 OH라디칼 노출량은 0.866 × 10-9 MㆍS이다. 즉, 혼합기(143) 및 노즐(145)에 의한 OH라디칼 노출량은 산기관(132)에 의한 OH라디칼 노출량보다 38.3% 높게 나타나므로, 오존가스의 혼합과 분사에 따른 OH라디칼의 생성 효율이 향상되는 것으로 나타났다. As can be seen from FIG. 7, the OH radical exposure of the electro-peroxone process using the
이상에서 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.Although one embodiment of the present invention has been described above, the spirit of the present invention is not limited to the embodiments set forth herein, and those skilled in the art who understand the spirit of the present invention may add components within the same scope. Other embodiments may be easily proposed by changing, deleting, adding, etc., but this will also fall within the spirit of the present invention.
100 : 전기-페록손 반응 기반 수처리 장치
110 : 반응조 111 : 격벽
112 : 유입구 121 : 양극
122 : 음극 123 : 직류 전원공급기
130 : 오존발생기 131 : 오존가스 배출관
132 : 산기관 141 : 순환펌프
142 : 순환수 유입관 143 : 혼합기
144 : 혼합수 배출관 145 : 노즐
150 : 배오존 혼합수 저장고 151 : 처리수 유출구
152 : 배오존 제거장치 153 : 배오존 제거가스 유출구
G1 : 혼합수 G2 : 혼합 기체
S1 : 하향 액체 흐름 S2 : 상향 액체 흐름100: electro-peroxone reaction based water treatment device
110: reactor 111: partition wall
112
122: negative electrode 123: DC power supply
130: ozone generator 131: ozone gas discharge pipe
132: diffuser 141: circulation pump
142: circulating water inlet pipe 143: mixer
144: mixed water discharge pipe 145: nozzle
150: ozone mixed water reservoir 151: treated water outlet
152: ozone removal unit 153: ozone removal gas outlet
G1: Mixed Water G2: Mixed Gas
S1: downward liquid flow S2: upward liquid flow
Claims (10)
상기 반응조 내부에 구비된 적어도 한 쌍의 전극 및 상기 전극에 직류 전원을 공급하는 직류 전원공급기를 포함하며, 상기 처리수를 전기분해하여 과산화수소를 생성하는 전기분해부;
오존가스를 발생하는 오존발생기; 및
상기 반응조의 처리수와 상기 발생하는 오존가스를 혼합하여 상기 오존가스와 상기 과산화수소를 페록손 반응시키도록 상기 한 쌍의 전극 사이에 공급하는 혼합부;
를 포함하고,
상기 전극은 양극 및 전극이 쌍을 이루어 일정 간격을 두고 대향 배치되며 복수의 쌍이 다단 배열로 구성되고,
상기 혼합부는,
상기 반응조의 상부 측에 연결되어 상기 반응조 내의 처리수를 순환수로서 외부로 배출하는 순환펌프;
상기 오존발생기로부터 발생한 오존가스와 상기 순환펌프로부터 상기 순환수가 유입되어 상기 유입된 오존가스와 순환수를 혼합하여 기-액 혼합수를 생성하는 혼합기;
상기 혼합기로부터 상기 반응조 내의 상기 전극까지 연장되며, 상기 기-액 혼합수를 상기 반응조 내의 상기 한 쌍의 전극 사이에 공급하는 혼합수 배출관; 및
상기 혼합수 배출관의 일단에 구비되며 상기 한 쌍의 전극 사이에 배치되고, 상기 기-액 혼합수를 상기 반응조로 분사시키는 물 분사용 노즐;을 포함하며,
상기 반응조는 상기 순환펌프가 연결되는 상측으로부터 하측까지 연장 형성되며, 상기 처리수 내의 기포가 상기 순환펌프 측으로 유입되지 않도록 차단하는 격벽을 포함하는 전기-페록손 반응 기반 수처리 장치.A reactor for electro-peroxone reaction of the treated water;
An electrolysis unit including at least one pair of electrodes provided in the reactor and a DC power supply for supplying DC power to the electrodes, the electrolysis unit generating hydrogen peroxide by electrolyzing the treated water;
An ozone generator for generating ozone gas; And
A mixing unit for mixing the treated water of the reactor with the generated ozone gas and supplying the ozone gas and the hydrogen peroxide between the pair of electrodes to peroxone the reaction;
Including,
The electrode is a pair of the anode and the electrode are arranged facing each other at a predetermined interval and a plurality of pairs are configured in a multi-stage array,
The mixing unit,
A circulation pump connected to the upper side of the reaction tank to discharge the treated water in the reaction tank to the outside as circulating water;
A mixer for generating a gas-liquid mixed water by mixing the introduced ozone gas with the circulating water by introducing the circulating water from the ozone gas generated from the ozone generator and the circulating pump;
A mixed water discharge pipe extending from the mixer to the electrode in the reaction tank and supplying the gas-liquid mixed water between the pair of electrodes in the reaction tank; And
And a water spray nozzle disposed at one end of the mixed water discharge pipe and disposed between the pair of electrodes and spraying the gas-liquid mixed water to the reactor.
The reactor is formed extending from the upper side to the lower side to which the circulation pump is connected, the electro-peroxone reaction-based water treatment device comprising a partition wall to block the bubbles in the treated water from entering the circulation pump side.
상기 적어도 한 쌍의 전극 중 가장 외곽에 배치되는 전극과 상기 반응조 사이의 간격은 상기 한 쌍의 전극 사이의 간격보다 5~15배 큰 전기-페록손 반응 기반 수처리 장치.The method of claim 1,
An electro-peroxone reaction-based water treatment apparatus, wherein a distance between the electrode disposed at the outermost of the at least one pair of electrodes and the reactor is 5 to 15 times larger than a distance between the pair of electrodes.
전기분해를 위한 전해질은 NaCl를 포함하고,
상기 전극은 수퍼옥사이드 라디칼(·O2 -), 하이드로퍼옥시 라디칼(·OOH), 또는 유리 염소(free Cl), ClO2, 및 OCl- 중 어느 하나를 포함하는 염소계 산화제를 생성하여 상기 처리수를 산화시키는 전기-페록손 반응 기반 수처리 장치.The method of claim 1,
The electrolyte for electrolysis comprises NaCl,
The electrode superoxide radical (· O 2 -), hydroperoxides oxy radicals (· OOH), or free chlorine (free Cl), ClO 2, and OCl - of the number of the processing to generate a chlorine-based oxidizing agent containing any An electro-peroxone reaction based water treatment apparatus which oxidizes.
상기 전극은,
DSA(Dimensionally stable anode), 스테인리스 스틸(Stainless steel), 및 BDD(Boron doped diamond) 전극 중 어느 하나로 이루어진 양극; 및
흑연, 카본 펠트(Carbon felt), ACF(Activated carbon fiber), DSA, 스테인리스 스틸, 및 BDD 전극 중 어느 하나로 이루어진 음극을 포함하는 전기-페록손 반응 기반 수처리 장치.The method of claim 1,
The electrode,
An anode made of any one of a dimensionally stable anode (DSA), stainless steel, and a boron doped diamond (BDD) electrode; And
An electro-peroxone reaction based water treatment device comprising a cathode made of graphite, carbon felt, activated carbon fiber (ACF), DSA, stainless steel, and BDD electrode.
상기 혼합기는 T자 형태의 피팅(fitting) 또는 흡인기(aspirator)인 전기-페록손 반응 기반 수처리 장치.The method of claim 1,
And the mixer is a T-shaped fitting or aspirator.
상기 오존가스와 상기 순환수의 혼합비율은 상기 오존가스 유량에 대하여 상기 순환수의 유량이 25~200%인 전기-페록손 반응 기반 수처리 장치.The method of claim 1,
The mixing ratio of the ozone gas and the circulating water is an electro-peroxone reaction-based water treatment device, the flow rate of the circulating water is 25 ~ 200% with respect to the ozone gas flow rate.
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