KR102415590B1 - 처리수의 자외선 살균장치에 사용되는 방오 코팅제의 제조방법 및 이를 이용한 자외선 살균장치 - Google Patents

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Abstract

수처리 시설의 방류수 및 재이용수 내에 혼재하는 대장균 등을 살균하는 자외선 살균장치를 오염물로부터 보호하여 살균효과를 유지할 수 있도록 하는 오염방지 코팅제 및 이를 이용한 자외선 살균장치가 개시된다. 본 발명의 자외선 살균장치는 관로형 자외선 살균장치 또는 수로형 자외선 살균장치에 모두 적용할 수 있다. 본 발명의 방오 코팅제의 제조방법은 방오 코팅제용 원료인 Acid CS(Acid Colloid Silica), MTMS(Methyl Trimethoxysilane), GPTMS(Glycidyloxypropyl Trimethoxysilane), IPA(isopropyl alchol)를 준비하는 단계; 상기 방오 코팅제용 원료를 혼합 후 10~30분간 교반하여 묽은 액상의 코팅제를 제조하는 단계; 및 상기 제조된 코팅제를 스테인레스 금속 표면에 도포 후 저온 180~250℃에서 열건조하여 실리카 하이브리드 필름이 형성된 금속 표면을 얻는 단계를 포함한다. 본 발명에 따르면, 일반 자외선 살균장치의 스테인레스 구조물에 본 발명의 방오 코팅제를 적용한 경우에는 표면장력이 낮아지며, 이로 인해 스테인레스 구조물의 표면에 부착된 오염물의 제거가 매우 용이하므로 자외선 살균 소독기의 내부 오염을 방지할 수 있다

Description

처리수의 자외선 살균장치에 사용되는 방오 코팅제의 제조방법 및 이를 이용한 자외선 살균장치{Manufacturing method of anti-pollution coating agent used in UV sterilizer for water and UV sterilization device using same}
본 발명은 자외선 살균장치에 사용되는 방오 코팅제 및 이를 이용한 자외선 살균장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 수처리 시설의 방류수 및 재이용수 내에 혼재하는 대장균 등을 살균하는 자외선 살균장치를 오염물로부터 보호하여 살균효과를 유지할 수 있도록 하는 방오 코팅제 및 이를 이용한 자외선 살균장치에 관한 것이다.
우리나라의 하수처리장은 여과공정이 충분하지 못하여, 방류수 내의 오염물질이나 유해세균이 상대적으로 많은 편에 속한다. 2000년 초반까지도 대부분의 상·하수도 시설에서 염소 소독법을 사용하였으나 염소에 의한 발암물질인 THM(Trihalometane)이 생성되고, 하류 상태에 나쁜 영향을 미치는 문제점으로 인해 세계 각국에서는 자외선을 이용하여 살균을 하고 있다.
외국의 경우, 미국의 환경청은 분원성 대장균수가 100ml당 200~400MPN을 지침으로 설정하고 있다. 45개주 중에서 12개주는 조개 등 갑각류가 서식하는 부근에 방류하는 경우 분원성 대장균 14MPN/ml 미만으로 유지하도록 주법으로 정하고 있다. 다른 9개주는 이것보다 더 염격한 소독규정을 준수하도록 처리장을 운영하고 있다.
정부당국에서도 이의 심각성을 인식하여 관련 법규를 제정하였고, 2003년부터 대규모의 예산을 책정하여 하수처리장 시설과 이의 살균처리에 노력하고 있다.
우리나라의 2021년 수질환경 기준은 아래 표와 같다.
Figure 112021115490805-pat00001
상기 표의 방류수 수질기준에 부합하기 위해 적용되는 대장균 살균방법으로는 염소 소독, 자외선 살균소독, 오존 소독 등이 있다. 이 중에서 자외선 살균소독법이 사용되는 자외선 살균장치는 일반적으로 100nm~280nm의 살균 파장 중에 살균력이 가장 우수한 253.7nm 파장의 자외선을 이용하여 박테리아, 바이러스 등과 같은 각종 미생물의 핵산(DNA)를 파괴시켜 미생물을 사멸시키는 방식이다.
이러한 살균방식은 살균 처리 후 인체에 유해한 화학물질이 잔류하지 않게 하고, 짧은 접촉시간으로 우수한 살균효과를 얻을 수 있으며, 설치 면적이 적다는 장점을 가지므로 보급이 증가하고 있다.
하지만, 500m3/일 이하 소규모 하수처리장에서는 빈번하게 부실 관리가 발생하고 있다. 즉, 자외선 살균방식은 최종 방류 직전 단계에서 물속에 함유되어 있는 병원균을 살균하기 위한 최종 공정임에도 불구하고, 자외선 살균장치의 구조물에 걸린 유·무기물질의 양이 매우 많으며, 점검 전까지 이 상태로 하수 처리된 물이 하천으로 방류되고 있다.
도 1은 종래기술에 따른 자외선 살균장치가 활용되는 하수처리 공정을 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 하수 처리시설에서 침전과 미생물에 의한 생물학적 처리(1, 2, 3, 4, 5)를 거친 후 방류되는 물은 최종 공정에서 소독설비(6)를 반드시 거치게 되어 있다.
자외선 살균은 장치가 간단한고, 부산물이 없을 뿐만 아니라, 잔류하지 않아 생태계에 미치는 영향이 전혀 없지만, 자외선은 투과율이 중요한 변수이므로 유입수의 SS(Suspended solids; 수중에 현탁되어 있는 입자상의 고형물질, 부유물질)가 30mg/l 이하가 되도록 여과 등의 장치가 선결되어 자외선 투과율이 60% 이상이 되도록 하고 사각지대가 최소화 되도록 하고 있다.
하지만, 최종 공정 상의 방류수에는 30mg/l 이하의 입자상의 고형물질이 부유하고 있으며, 그 오염물질이 자외선 살균장치의 내부 구조물에 부착되어 오염이 심화되면, 병원균의 살균효과를 구현하지 못하고 오히려 자외선램프의 열에너지가 병원균을 확산시키는 사고를 발생시킬 수 있다.
자외선 살균 소독기의 오염으로 인한 병원균의 근본적인 확산 원인은 수중에 유·무기물이 소독기 내부의 부품 표면에 부착되고 고형물 형태를 키우면서 그 내부에 사멸하지 않은 병원균이 서식하기 때문이다.
이와 같은 부착에 의한 오염 사고가 자주 발생하는 이유는 방류대상 유입수의 표면장력은 72(N/m)이고, 스테인레스 재질의 표면장력은 46(N/m)일 때, 유입수가 살균 소독기의 내부를 흐를 때, 자외선 장치를 지지하는 구조물과 부딪치면서 구조물의 뒤편은 상대적으로 유속이 약한 지점이 발생하고 그 지점에서의 표면장력이 유속보다 더 크게 작용하므로 오염물이 부착되는 현상이 발생한다.
오염물이 부착된 부위는 자외선 조사지역의 사각지대이자 유속의 영향을 적게 받으므로 사멸하지 않은 병원균이 서식하게 된다.
관로형 하수처리 시설의 자외선 살균장치의 오염상태를 관찰하면, 자외선램프의 세정장치가 설치되지 않은 자외선 살균장치를 사용하는 중에는 유·무기물의 부착으로 인해 오염사고가 발생한다.
구체적으로, 방류수의 SS(Suspended Solid) 수치가 월평균 10mg/l 이하를 유지하는 방류수에서는 석영관 표면에서는 오염이 발생하지 않았으나 석영관 주변의 스테인레스 표면부는 오염이 된 것이 관찰된다. 방류수의 SS 수치가 월평균 28mg/l 이하를 유지하는 방류수에서는 자외선램프 석영관 및 스테인레스 표면부에 모두 오염이 발생된 것으로 관찰된다.
또 다른 예로서 큰 규모의 수로형 자외선 살균장치의 오염 상태를 관찰하면, 관찰대상 수로형 자외선 살균장치에는 석영관의 오염을 방지하기 위하여 자동 왕복식 링 세척장치가 부착되어 있으며, 석영관 지지대용 스테인레스 부품은 2차 냉간압연 처리된 상태이다.
그런데, 3개월 경과 후 세척 점검을 위해 회수된 자외선 살균장치는 석영관을 제외한 대부분의 스테인레스 지지대 등의 부속품에서 오염이 확산되었음을 확인할 수 있었다. 이는 유입수의 SS(Suspended Solid)가 월평균 30 ± 5ml/l로 유입되고 있는 점 등으로 인해 발생되는 문제이다. 즉, 수중에 혼재하는 각종 유기물, 무기물 등이 물과 함께 이동 중에 구조물에 접촉하여 부착되고 이로 인해 석영관 튜브의 표면과 지지대 등에 부착된다. 석영관 튜브는 자동 왕복식 링 세척장치에 의해 오염물질이 제거되었으나, 그 외의 부분인 스테인레스 지지대 등은 오염물질이 제거되지 못한 상태로 방치되고 있다.
자외선 공정의 오염현상은 미네랄 등의 무기물질, 유기물질, 미생물 등이 자외선램프를 싸고 있는 석영 슬리브(sleeve) 표면에 쌓여서 일어나기도 하지만, 자외선램프를 지지하는 구조물의 사각지대는 유속의 영향을 적게 받으므로 물의 표면장력에 의한 간섭이 더 심해지므로 오염이 1차적으로 발생하고, 이후 다른 부위로 확산된다. 오염의 주요 물질은 칼슘, 마그네슘, 철, 규산, 탄수화물, 지방, 단백질 등이다.
최근 기술은 자외선램프를 보호하는 석영관 표면에 오염 현상이 발생하면 왕복식 세정 장치에 의해 제거되는 기술이 적용되고 있다. 하지만, 자외선램프를 지지하는 지지대 등의 구조물은 별도의 세정장치 부착이 어려운 점으로 인해 시간이 갈수록 오염물질 초기 부착 이후 점차 증식되어 사고 발생 전까지 방치되는 실정이다.
전국적으로 중대규모(500m3/일 이상) 하수처리 시설의 경우, 약 600여 개소가 운영 중이며, 방류수 배출을 차단한 상태에서 6개월에 1회씩 자외선 살균장치 내부 구조물을 해체 후 와이어 브러쉬 등을 이용하여 정기적으로 세척하고 있다. 하지만, 소규모(500m3/일 이하) 하수처리 시설 3,200여 개소 대부분은 인력부족으로 방치되고 있으며, 검사가 소홀한 지역에 설치되는 자외선 살균장치에 사용되는 스테인레스 금속 부속품(석영관을 조립하는 금속 재질의 소켓부위, 자동 왕복식 링 세척장치의 레일 역할을 하는 얇은 봉 등)은 냉간압연 표면처리가 어렵고 수작업을 많이 필요로 하는 이유로 표면 마감이 허술한 상태에서 납품되고 있는 실정이다.
아래의 표1은 자외선 살균장치를 구성하는 각 부품이다. 이 중 수중에서 대상 방류수와 접촉하는 부품은 비고에 표기하였다.
번호 부품명 재질 비고
1 입구부 스테인레스(STS-304) 내부 접촉
2 출구부 스테인레스(STS-304) 내부 접촉
3 석영관 고정부 스테인레스(STS-304) 접촉
4 살균부 스테인레스(STS-304) 접촉
5 제어함 외함 스테인레스(STS-304) -
6 지지대 스테인레스(STS-304) 접촉
7 플랜지 스테인레스(STS-304) 접촉
8 볼트 스테인레스(STS-304) 접촉
9 너트 스테인레스(STS-304) 접촉
10 자외선램프 쿼츠(Quartz) -
11 석영관 쿼츠(Quartz) 접촉
12 오링(O-Ring) 실리콘/PTFE 접촉
13 4핀 소켓 - -
14 안정기 - -
15 전선 및 접속공구 - -
16 누전차단기 - -
17 마이크로버블 발생기 스테인레스(STS-304) 접촉
18 오존 발생기 쿼츠 외 -
19 가압 펌프 스테인레스(STS-304)외 -
20 세척모터 스테인레스(STS-304)외 -
21 TM 샤프트 스테인레스(STS-304)외 접촉
22 세척링 EPDM -
상기 표 1에 기재된 관로형 자외선 살균장치의 부품 중 살균 반응조 내부에 설치되는 부품은 모두 물과 접촉한다. 그리고 부품의 형상이 기능에 따라 굴곡을 갖고 있는 경우 평면인 부품에 비해 더 빨리 오염이 시작되며, 자외선이 조사되지 않는 사각지대에서는 대장균을 비롯한 각종 병원균이 서식하게 된다.
자외선 살균장치 내부에서 병원균의 서식은 각종 사회문제를 야기할 수 있다. 작게는 설비의 신뢰성 저하 등이지만 크게는 전염병의 확산으로 인명사고를 유발할 수 있다.
대한민국 등록특허 제1818996호 대한민국 등록특허 제0480347호 대한민국 등록특허 제0984948호
본 발명은 상술한 문제점을 감안하여 안출한 것으로 그 목적은 비 점착성, 높은 윤활성, 내 화학성, 발수성, 절연성이 우수한 자외선 살균장치에 사용되는 방오 코팅제의 제조방법 및 이를 이용한 자외선 살균장치를 제공하는 것이다.
상기 과제해결을 위한 본 발명의 방오 코팅제의 제조방법은 방오 코팅제용 원료인 Acid CS(Acid Colloid Silica; 30wt% SiO2(12nm)), MTMS(Methyl Trimethoxysilane), GPTMS(Glycidyloxypropyl Trimethoxysilane), IPA(isopropyl alchol)를 준비하는 단계; 상기 방오 코팅제용 원료를 혼합 후 10~30분간 교반하여 묽은 액상의 코팅제를 제조하는 단계; 및 상기 제조된 코팅제를 스테인레스 금속 표면에 도포 후 저온 180~250℃에서 열건조하여 실리카 하이브리드 필름이 형성된 금속 표면을 얻는 단계를 포함한다.
본 발명에 있어서, 상기 방오 코팅제의 표면 접촉각은 75° 내지 89°이며, 표면장력은 22 내지 26(N/m)인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 방오 코팅제용 원료의 혼합은, 상기 Acid CS(Acid Colloid Silica), MTMS(Methyl Trimethoxysilane), IPA(isopropyl alchol), GPTMS(Glycidyloxypropyl Trimethoxysilane)를 2:1:2:1의 비율로 혼합할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 Acid CS(Acid Colloid Silica)는 CS(Colloidal Silica)를 pH 4~4.5가 되도록하며, SiO2 + Al2O3를 혼합할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 자외선 살균장치는 관로형 자외선 살균장치 또는 수로형 자외선 살균장치일 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 스테인레스 금속 표면은, 자외선 살균장치의 자외선램프 금속 지지대의 외부측면, 자동왕복식 링 세척장치의 외부측면, 및 저농도 마이크로버블 발생기 중의 적어도 어느 하나로서 상기 방오 코팅제로 코팅 후에 열처리하여 수중에서 유기물과 유기물이 부착되는 것을 방지할 수 있다.
상기 다른 과제해결을 위한 본 발명의 자외선 살균장치는 지지대를 갖는 자외선 살균장치의 모듈몸체, 상기 모듈몸체 내에서 양 측면의 지지대에 배치되는 자외선램프, 상기 자외선램프의 표면을 세척하는 세척장치, 상기 유로의 하부에 설치된 마이크로버블 발생기를 포함하며, 상기 지지대, 세척장치, 마이크로버블 발생기의 스테인레스 금속 표면은 방오 코팅제를 금속에 부착한 후, 상온에서 10~30분 건조, 180~250℃ 정도에서 30분간 이내로 열풍 건조를 진행하여 경화시켜서 방오성 도막을 형성한다.
본 발명에 있어서, 상기 방오 코팅제의 원료는 Acid CS(Acid Colloid Silica), MTMS(Methyl Trimethoxysilane), GPTMS(Glycidyloxypropyl Trimethoxysilane), IPA(isopropyl alchol)인 것을 특징으로 한다. 상기 MTMS는 Acid CS와 가수분해 후 메틸기(CH3, 소수성기)를 가진 단단한 실리카 도막을 형성하는 역할을 하며, GPTMS의 에폭시기는 저온에서 메틸기를 가진 소수성 실리카 도막을 형성하는 역할을 한다.
본 발명에 있어서, 상기 방오 코팅제의 원료가 혼합 완성된 후에 경도를 높이고, 살균 처리 대상수의 유속과 마이크로버블 발생기에 의한 부착 및 파괴에 의한 세척성을 증진하도록 세라믹 분말을 첨가할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 마이크로버블 발생기는 자외선 살균장치의 바닥에 설치될 뿐만 아니라 측벽에도 설치하여, 상기 지지대의 외부측면, 상기 세척장치의 외부측면에도 마이크로버블을 직접 분사할 수 있다.
전술한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따르면, 일반 자외선 살균장치의 스테인레스 구조물에 본 발명의 방오 코팅제를 적용한 경우에는 표면장력이 낮아지며, 이로 인해 스테인레스 구조물의 표면에 부착된 오염물의 제거가 매우 용이하므로 자외선 살균 소독기의 내부 오염을 방지할 수 있다
본 발명의 방오 코팅제는 내산성, 내화학성이 우수하여 수처리에 적용되는 약품으로부터 자외선 살균장치의 스테인레스 수중 구조물의 표면을 보호할 수 있다.
또한, 종래에는 용사 코팅, 분체 코팅이나 딥 코팅으로 코팅 후 열처리시 기존의 세라믹 코팅제의 경우에는 후처리 공정인 그라인딩 공정을 사용하여야 하나, 본 발명은 열처리 한번으로 코팅층의 형성이 가능하므로, 그라인딩 공정이 불필요하다.
또한, 자외선 살균장치의 자외선램프 금속 지지대의 외부측면, 자동왕복식 링 세척장치의 외부측면, 및 저농도 마이크로버블 발생기에 직접 용융 융착되므로 구조물의 방수 및 산화방지를 구현할 수 있다.
도 1은 종래기술에 따른 자외선 살균장치가 활용되는 하수처리 공정을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 방오 코팅제의 제조방법을 나타내는 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 연필 경도 측정 실험을 나타내는 사진들이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로버블 발생기의 작용 기작을 나타내는 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 수로형 자외선 살균장치의 정면도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 수로형 자외선 살균장치의 측면도이다.
도 7 내지 도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 스테인레스 시편에 본 발명의 코팅액을 도포 및 열건조 처리 후 수침시킨 상태에서 유기·무기 오염물질의 부착 오염을 시험한 결과를 나타내는 사진들이다.
도 10은 일반 스테인레스 배관과 본 발명의 일실시예 따른 방오 코팅된 스테인레스 배관의 마이크로버블 발생기에 의한 오염물질 제거상태를 나타내는 사진들이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 자외선 살균장치에 사용되는 방오 코팅제 및 이를 이용한 자외선 살균장치의 오염방지방법을 상세히 설명하기로 한다.
본 발명은 자외선 살균장치를 구성하는 내부 구조물에 발생하는 오염 현상을 방지하기 위하여 오염방지 기능성이 우수한 코팅제와 부착 오염물질을 보다 용이하게 제거하도록 하는 마이크로버블 발생기를 함께 적용한다.
코팅제에는 소수성(hydrophobicity)과 친수성(hydrophilicity)으로 분류할 수 있으며, 소수성은 물에 친화력을 가지지 않는 특성을 의미하고, 친수성은 물에 대하여 친화력을 갖는 특성을 의미한다.
일반적으로 고체 표면의 친/소수 특성을 규명하는 방법의 하나로 접촉각 측정을 들 수 있다. 일반적으로 고체 표면 위에 물을 떨어뜨렸을 때, 표면 위에 형성되는 물과 표면의 접촉각이 90°보다 작은 경우에는 친수성 표면, 90°보다 큰 경우에는 소수성 표면이라고 한다.
한편, 스테인레스(stainless)는 부식 및 저항성, 적은 유지비, 낮은 비용 등의 장점을 가지고 있으며, "stain"이란 말은 '얼룩'이란 뜻이고, "less"는 '없는'이라는 뜻이 합쳐져서 얼룩(녹)이 적어나 없다는 뜻이다. 이러한 특성으로 인해 소수성 스테인레스 기재의 필요성을 느끼지 못한 채 사용되어 왔지만, 이러한 특성은 티타늄이 미치지 못한다. 또한, 티타늄조차도 오랜 시간 물 속에서 사용되면, 표면 장력에 의해 수중에 혼재하는 각종 오염물질이 부착되기 마련이다.
본 발명의 자외선 살균장치에 사용되는 스테인레스는 스테인레스의 장점인 부식 저항성을 더 뛰어나게 만들어 줄 수 있고, 제조공정이 간단하여 매우 저렴한 비용으로 제조하여 널리 사용될 수 있다.
현재 소수성 금속 표면을 형성하기 위한 연구가 세계적으로 활발하게 진행되고 있다. 이러한 초소수성 표면을 형성하기 위해서는 표면에 거칠기와 함께 표면에너지 조절이 함께 동반되어야 구현할 수 있다.
일반적으로 물의 표면장력은 71(N/m)이고 스테인레스 재질의 표면장력은 46(N/m)으로 매우 큰 차이가 있지만, 상술한 바와 같이 수중에서 오염물질의 부착에 의한 부식과 병원균 서식이 발생하고 있다.
이를 방지하기 위해서는 본 발명에서는 방오 코팅제를 적용하여 표면장력을 46(N/m)에서 30(N/m) 이하로 낮추며 동시에 부착하기 시작하는 오염물질을 조기에 제거할 수 있도록 하는 별도의 장치인 마이크로버블 발생기를 적용한다.
본 발명은 마이크로버블 발생기에서 공급되는 오존 마이크로버블이 일반적인 스테인레스 표면에서의 부착 오염물질의 제거 효과보다 방오 코팅제가 적용된 스테인레스 표면에서 부착 오염물질의 제거 속도가 더 빠르다는 것을 실험으로 입증하였다.
즉, 스테인레스 배관 구조물의 표면부는 유기물과 무기물에 의해 부착 오염된 상태에서, 저농도 오존 마이크로버블을 가동하였을 때, 방오 코팅제를 적용하지 않은 일반 시편은 오염물질이 20% 정도 제거된 반면, 본 발명의 방오 코팅제를 도포한 스테인레스 배관 구조물은 100% 제거되었다.
표면장력이 46(N/m)인 일반 스테인레스 배관 구조물에 본 발명의 방오 코팅제를 적용한 경우에는 표면장력이 22(N/m)로 낮아지며, 이로 인해 스테인레스 배관 구조물의 표면에 부착된 오염물의 제거가 매우 용이하므로 자외선 살균장치의 내부 오염을 방지할 수 있다.
본 발명에서는 수처리 시설에서 사용되는 스테인레스 재질의 자외선 살균장치 내부 구조물 표면을 소수성 코팅제를 도포하여 수중에 혼재하는 30 ㎕/ℓ의 유기물과 무기물이 부착되는 것을 방지하고, 부착되는 오염물질을 저농도 오존 마이크로버블 발생기에 의해 제거하여 병원균의 서식과 확산을 방지한다.
본 발명에서 사용하는 소수성 코팅제는 실리카계 유기실란 코팅제로서 이를 이용하여 180~250℃ 범위에서 30분간 열건조하는 코팅한다. 이 코팅제는 자외선 살균장치의 구성부품 중 자외선 조사 범위의 사각지대에 위치한 자외선램프 지지 구조대 표면에 적용한다. 살균 대상 물 속에 혼재하는 칼슘, 마그네슘, 탄수화물, 지방질 등의 오염을 유발하는 유기물과 무기물들은 코팅된 스테인레스 표면의 표면장력이 46(N/m)에서 22(N/m)로 낮아지면서 물의 표면장력 71(N/m)에 의한 영향을 최소화 하게 되므로 오염물질의 부착을 방지한다.
본 발명은 코팅제인 실리카 기반의 유리 코팅층을 스테인레스 표면에 형성한다. 실리카는 고내열성, 내구성, 고강도를 가지고 있다. 하지만, 실리카 졸은 주로 물에 분산되어 있고, 상온에서는 겔화가 진행되며, 실리카 졸을 이용하여 코팅할 경우 물에 의한 코팅층의 많은 부분이 체적 수축으로 인한 균열을 막을 수 없으므로 특수한 처리가 필요하다.
따라서 본 발명에서는 유기물과 실리콘이 결합된 유기 실란을 필요로 한다. 일부에서는 유기 바인더를 넣는 방법이 제안되지만, 결국 고온에서 분해시 체적 수축을 가져옴으로써 바람직하지 않다. 본 발명에서는 저온에서 열처리하여 고온 분해에 따른 체적 수축현상을 조기에 방지하고, 수중에서의 용해 방지성과 오염 방지성을 강화한다.
코팅 필름 형성 메카니즘(Formation mechanism for silica hybrid film)에서 유기 실란은 실리카 졸 입자가 녹아있는 물과의 가수분해(hydrolysis)를 통해 유기(OR, 알콕시)기와의 치환으로 Si-O-Si 네트워크를 형성하여 열건조 처리 후 고강도 박막을 형성한다.
이러한 유무기 실리카 용매는 외부에서 불안정함으로 잘 분산되어 있는 용제를 필요로 한다. 이러한 용제는 친수와 소수성질이 같이 섞일 수 있는 IPA(isopropyl alcohol) 등의 용매가 바람직하다.
본 발명에서 표면 처리하고자 하는 기재는 수처리 시설에서 주로 사용되는 자외선 살균장치의 대부분의 구성물 재질인 스테인레스 금속이다.
알콕시 실란들 또는 CS(Colloidal Silica)와 알콕시 실란들은 산성촉매하에서 가수분해 및 축합 반응이 진행되어 연속적인 액상(continous liquid phase)인 졸상을 거쳐 겔상의 고체 재료가 된다. 즉, 물이나 알콜에 안정하게 분산된 나노입자의 CS들은 3 또는 4가의 알콕시 실란들과 졸겔 반응을 거쳐 유리질에 가까운 유무기 복합재료가 되는데, 이와 같은 겔 재료는 500℃까지 안정하고 투명성과 코팅성을 가지고 있어 표면 개질 및 보호용의 코팅제 또는 바인더 소재로 이용되고 있다.
실란들로 구성된 졸들이 겔화되었을 때 쉽게 깨어지는 문제점이 있어 소재적 특성이 우수하여도 응용분야가 상당히 제한적이다. 이것은 축합반응을 통하여 겔화되는 과정에 수분이 탈리되면서 많은 부피축소가 일어나며 생성된 겔 재료가 지나치게 딱딱하여 외부 충격에 대한 흡수능력이 부족하기 때문이다.
CS(Colloidal Silica)와 실란의 반응시 생성된 실란올들이 동종 간의 반응에 비하여 실리카 표면과의 반응이 진행되는 효과에 따라서, 또는 실란들의 종류에 따라서 경화밀도와 재료 특성이 상당히 달라지게 된다.
본 발명에서는 이러한 문제를 해결하기 위하여 CS(Colloidal Silica)를 pH 4~4.5가 되도록 SiO2 + Al2O3를 혼합하여 Acid CS(Acid Colloid Silica)를 조제 후 활용한다. 보다 상세하게는 포름산 또는 아세트산 (99%) 0.1ml, 인산 (85%) 0.4 ml, 질산 (70%) 0.5ml 를 첨가하였으며, 이와 같이 조제된 Acid CS의 BET는 230~250 m2/g이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 방오 코팅제의 제조방법을 나타내는 순서도이다.
도 2를 참조하면, 방오 코팅제용 원료를 준비(S301)한다. 방오 코팅제용 원료 Acid CS(Acid Colloid Silica), MTMS(Methyl Trimethoxysilane), GPTMS(Glycidyloxypropyl Trimethoxysilane), IPA(isopropyl alchol)를 준비한다. 상기 MTMS는 Acid CS와 가수분해 후 메틸기(CH3, 소수성기)를 가진 단단한 실리카 도막을 형성하는 역할을 하며, GPTMS의 에폭시기는 저온에서 메틸기를 가진 소수성 실리카 도막을 형성하는 역할을 한다.
다음으로, 상기 방오 코팅제용 원료를 혼합 후 300rpm, 25℃ 조건에서 10~30분간 교반(S302)하여 묽은 액상의 코팅제를 제조한다.
표 2는 본 발명의 일실시예에 따른 작은 입자 크기의 콜로이드 실리카 졸의 코팅제 제조 실험의 배합설계이다.
실시예 1 실시예2 실시예3 실시예4
Acid CS 2ml 2ml 2ml 2ml
MTMS 1ml 1ml 3ml 4ml
IPA 1ml 2ml 3ml 4ml
GPTMS 0.5ml 1ml 1.5ml 2ml
다음으로, 상기 제조된 코팅제를 스테인레스 금속 표면에 도포 후 저온 180~250℃에서 열건조(S303)하면 실리카 하이브리드 필름이 형성된 금속 표면을 얻을 수 있다.
아래와 같이 실시예들인 배합안별 표면 접촉각을 확인할 수 있었다.
실시예1 실시예2 실시예3 실시예4
접촉각
Figure 112021115490805-pat00002
Figure 112021115490805-pat00003
Figure 112021115490805-pat00004
Figure 112021115490805-pat00005
표면 장력 26 22 24 23
상기 표 3과 같이 표면 접촉각은 75° 내지 89°이며, 표면장력은 22 내지 26(N/m)로서 소수성이 매우 크므로 수중에 존재하는 유기·무기 오염물질의 부착 오염을 방지할 수 있다.
실시예2와 같이 Acid CS(Acid Colloid Silica), MTMS(Methyl Trimethoxysilane), IPA(isopropyl alchol), GPTMS(Glycidyloxypropyl Trimethoxysilane)를 2:1:2:1의 비율로 혼합 후 10~30분간 교반하면 가장 안정적인 코팅제를 제조할 수 있다.
여기에서, 코팅제 원료가 혼합 완성된 후에 경도를 높이고, 살균 처리 대상수의 유속과 마이크로버블 발생기에 의한 부착 및 파괴에 의한 세척성을 증진하도록 세라믹 분말을 첨가할 수 있다.
즉, 콜로이드 알루미나(Colloid alumina, Al2O3, 20~40nm 의 크기, 4wt%)와 Acid CS(Acid Colloid Silica)를 1:10의 비율로 섞는다. 이를 상술한 Acid CS(Acid Colloid Silica), MTMS(Methyl Trimethoxysilane), IPA(isopropyl alchol), GPTMS(Glycidyloxypropyl Trimethoxysilane)를 2:1:2:1의 비율의 Acid CS(Acid Colloid Silica)의 2를 대체하여 사용하면 표면 경도가 증가한다. 강도가 높은 알루미나 입자가 실리카 도막에서 높은 표면 경도를 유지하게 하여 준다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 연필 경도 측정 실험을 나타내는 사진들이다.
도 3을 참조하면, 방오 코팅제만 도포함 경우에 비하여, 알루미나를 산성 실리카(Acid Silica) 용액과 1:10 정도로 섞어서 사용한 경우에 6시간에서 8시간으로 표면 경도가 증가한다. 즉, 경도가 높은 알루미나 입자가 실리카 도막에서 높은 표면 강도를 유지하게 한다.
(본 발명 방오 코팅제의 적용부위 및 마이크로버블 발생기)
본 발명은 이와 같은 특성을 갖는 방오 코팅제를 제조하여 자외선 살균장치의 자외선 조사범위 사각 지대인 ① 자외선램프 금속 지지대의 외부측면, ② 자동왕복식 링 세척장치의 외부측면, ③ 저농도 마이크로버블 발생기 등을 방오 코팅제로 코팅 후에 열처리하여 수중에서 유기물과 유기물이 부착되는 것을 방지하는 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명은 방오 코팅제와 저농도 마이크로버블 발생기를 함께 적용하여 자외선 살균장치에 사용되는 스테인레스의 오염을 방지하는 것이다.
마이크로버블은 초 극미한 거품으로 물과 공기를 격렬하게 회전시키는 과정에서 발생하며, 5㎛(마이크로미터, 혹은 미크론, 1㎛=0.001㎜) 이하의 눈으로 확인할 수 없는 초미세 기포로써, 일반 버블의 1/2,000 크기로 피부의 모공 25㎛ 이하의 미세한 공기 입자이다. 저농도 오존 발생장치로부터 발생된 오존을 이젝터를 이용하여 마이크로버블 발생기에 공급하도록 하여 마이크로버블이 오존을 함유하도록 한 특성을 갖는다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로버블 발생기의 작용 기작을 나타내는 단면도이다.
도 4를 참조하면, 이젝터(171)로 공급되는 유입수는 상기 이젝터(171)의 입구측에서는 단면적이 넓어 유입수의 유속에 변화가 없으며, 이렇게 유입된 유입수가 만곡부(172)를 통과하는 과정에서 단면적이 작아져 빠른 유속을 갖게 된다. 그 과정에서 상기 가스흡입구(173)를 통해 고농도의 오존가스가 공급된다.
유입수가 마이크로버블로 전환되는 과정은 빠른 유속으로 만곡부(172)를 통과하는 유입수에 오존가스를 공급하면서 구현된다.
즉, 산소, 오존 등 기체가 수중에 용해하는 경우 베르누이법칙 PV =P'V'에 따라 압력에 비례하여 기체의 용해량도 증가한다. 이렇게 과잉 용해한 오존가스는 불안정한 상태가 되고, 충분한 압력을 갖게 되어 마이크로버블이 발생하는 것이다. 이렇게 발생한 마이크로버블은 소정각도 기울어진 배출공(175)을 따라 이동하며, 상기 배출공(175)의 기울어진 각도로 인해 배출공(175)을 통과한 마이크로버블은 회전하여 와류가 발생하며, 노즐헤드(177)와 충돌, 분산하여 상기 노즐헤드(177)의 외부로 회전하여 와류가 진행되는 상태로 분출한다.
상기 마이크로버블 발생기(170)는 유입수를 오존 발생기(미도시)에서 발생되는 오존과 마이크로버블을 혼합 후 고속 분사하여 산화효율을 증대시킨다. 나아가, 저농도 마이크로버블이 가압 회전 분사되면서, 유·무기물로 오염된 표면에 접촉하여 유·무기물에 부착 또는 흡착되면서 마이크로버블의 특성인 충격파괴가 발생한다.
본 발명은 상기 마이크로버블 발생기(170)의 위치를 자외선램프의 석영관 방향뿐만 아니라 자외선 살균장치의 자외선 조사범위 사각지대인 자외선램프 금속 지지대의 외부측면으로도 향하도록 한다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 수로형 자외선 살균장치의 정면도이며, 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 수로형 자외선 살균장치의 측면도이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 수로형 자외선 살균장치(200)는 지지대(211)를 갖는 모듈몸체(210), 상기 모듈몸체(210) 내에서 양 측면의 지지대(210)에 배치되는 다수의 자외선램프(220), 상기 자외선램프(220)의 표면을 세척하는 세척장치(230), 수로의 하부 및 측벽에 설치된 마이크로버블 발생기(170)를 포함하여, 수로(100)를 통과하는 방류수를 살균소독한다.
상기 모듈몸체(210)는 자외선램프(220)가 결합되는 지지대(211)와 그 상부의 손잡이를 갖는 덮개(212)를 포함한다.
상기 자외선램프(220)는 처리수에 함유된 각종 바이러스를 살균처리하기 위한 역할을 수행한다. 상기 자외선램프(220)의 한쪽 끝은 자외선램프용 소켓(221)이 결합되어 있는 지지대(211)에 결합되며, 다른 쪽은 일반 지지대(211)에 결합된다. 상기 자외선램프용 소켓(221)에는 전원을 공급하기 위한 전선(미도시)이 설치되어 있다.
상기 세척장치(230)는 다양한 방식으로 자외선램프(220)의 외주면을 세척할 수 있다.
상기 저농도 마이크로버블 발생기(170)는 저농도 마이크로버블이 가압 회전 분사되면서, 유·무기물로 오염된 표면에 접촉하여 유·무기물에 부착 또는 흡착되면서 마이크로버블의 특성이 충격파괴가 1차적으로 발생하고, 버블에 혼입된 오존 기체가 산화작용을 일으킨다.
본 발명의 마이크로버블 발생기(170)는 자외선살균장치의 바닥(101)에 설치될 뿐만 아니라 측벽(102)에도 설치하여, 지지대(211)의 외부측면, 자동왕복식 링 세척장치(230)의 외부측면, 및 저농도 마이크로버블 발생기(170)의 표면에도 마이크로버블을 직접 분사할 수 있다. 이는 스테인레스 금속 표면에 부착될 수 있는 유·무기물질을 가압 회전하여 제거할 수 있다.
한편, 오존발생유닛(미도시)은 수로형 자외선 살균장치에 인접한 위치에 설치되며 상기 마이크로버블 발생기(170)에 저농도 오존가스를 공급하기 위한 역할을 수행한다.
본 발명에서 제조된 방오 코팅제를 자외선램프 지지대(211)의 외부측면, 세척장치(230)의 외부측면, 및 저농도 마이크로버블 발생기(170) 등의 스테인레스 기재에 코팅하고자 할 경우에는 표면의 오염물을 제거한 후 딥 코팅, 스핀 코팅, 바 코팅, 롤 코팅, 스프레이 코팅과 같은 방법 등으로 방오 코팅제를 기재에 부착한 후, 상온에서 10~30분 건조, 180~250℃ 정도에서 30분간 이내로 열풍 건조를 진행하면 경화시키면 방오성 도막을 얻을 수 있다. 열처리 후에는 상온으로 냉각시킨다.
상술한 방오코팅제가 적용되는 자외선 살균장치는 수로형 자외선 살균장치를 예시하지만, 관로형 자외선 살균장치에 사용되는 스테인레스 기재에 본원발명의 방오코팅제가 사용될 수 있음은 자명한다.
(실험예)
도 7 내지 도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 스테인레스 시편에 본 발명의 코팅액을 도포 및 열건조 처리 후 수침시킨 상태에서 유기·무기 오염물질의 부착 오염을 시험한 결과를 나타내는 사진들이다.
스테인레스 시편을 3가지 조건별로 하수처리 방류수를 적용하여 수침 관찰하였다. 하수처리 방류수에는 SS(Suspended solids) 30mg/l의 부유물질이 포함되어 있다.
우측 시편은 일반적인 스테인레스 시편이다.
중간 시편은 내수성을 갖는 냉간압연 처리된 스테인레스 시편이다.
좌측 시편은 냉간 압연 처리된 시편에 본 발명의 방오 코팅제를 적용한 스테인레스 시편이다.
도 7을 참조하면, 상술한 세 가지 시편의 수침 직후 사진으로서 표면이 깨끗한 상태이다.
도 8을 참조하면, 상술한 세 가지 시편의 수침 후 폭기 장치 가동에 의해 혼탁한 상태이다. 하수 처리장과 동일 조건 적용을 위해 폭기 장치를 적용한다. 유수 흐름에 의해 오염물질의 접촉 빈도 증가 후에 표면 상태가 오염이 된다.
도 9를 참조하면, 상술한 세 가지 시편의 수침 3개월 경과 후로서 오염 상태 확인을 위해 폭기 장치 정지 및 부유 물질을 임시 제거한 후에 살펴본 결과이다. 방오 코팅제가 적용된 스테인레스 시편의 상태는 양호하다. 무처리 스테인레스 시편의 오염 발생 및 확산 정도가 가장 심각하다. 냉간 압연 스테인레스 시편의 표면에서는 결의 방향대로 오염이 시작된다.
도 7 내지 도 9에 도시된 바와 같이, 일반 스테인레스 시편의 표면장력은 46(N/m)로서 유·무기물의 부착이 시간이 경과할수록 심화되고 있으며, 유기실란 실리카 방오 코팅제가 적용된 스테인레스 시편은 시간의 경과와 상관없이 깨끗한 표면을 유지하고 있다.
이와 같이, 방오 코팅제가 적용된 자외선 살균장치의 스테인레스 금속의 표면은 조류, 유기물, 무기물의 오염물질이 부착되기 어려우며, 부착이 되더라도 석영관의 오염을 방지하기 위해 설치된 저농도 오존 마이크로버블 발생기에 의해 용이하게 제거된다. 이로 인해 부착 오염이 스테인레스 기재에 고정 후 확산되는 현상이 발생하지 않는다.
이를 증명하기 위한 실험 결과는 아래와 같다.
도 10은 일반 스테인레스 배관과 본 발명의 일실시예 따른 방오 코팅된 스테인레스 배관의 마이크로 버블 발생기에 의한 오염물질 제거상태를 나타내는 사진들이다. 좌측이 일반 스테인레스 배관이며, 우측이 본 발명의 방오 코팅제가 처리된 스테인레스 배관이다.
좌상단 사진은 처음 수조에서 3개월 이상 오염시킨 상태로서, 우측의 방오 코팅제가 처리된 스테인레스 배관이 좌측의 일반 스테인레스 배관보다 오염이 적은 것을 확인할 수 있다.
우상단 사진은 수조에서 저농도 마이크로버블 발생기의 가동이 시작된 상태이다.
좌하단 사진은 수조에서 저농도 마이크로버블 발생기의 가동이 5분 경과한 상태이다. 우측의 방오 코팅제가 처리된 스테인레스 배관은 오염이 제거된 반면에, 좌측의 일반 스테인레스 배관은 오염이 제거되지 않는다.
우하단 사진은 수조에서 저농도 마이크로버블 발생기의 가동이 10분 경과한 상태이다. 우측의 방오 코팅제가 처리된 스테인레스 배관은 이미 오염이 제거된 반면에, 좌측의 일반 스테인레스 배관은 여전히 오염이 제거되지 않는다.
정리하면, 좌측의 방오 코팅제가 적용된 스테인레스 부품의 표면은 수초 이내에 오염물질이 제거된다. 하지만 우측의 방오 코팅제가 적용되지 않은 스테인레스 부품의 표면은 수시간이 경과하여야만 오염물질이 제거된다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 도면 및 상세한 설명에 의하여 한정되는 것은 아니고, 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 해당 기술분야의 당업자가 다양하게 수정 및 변경시킨 것 또한 본 발명의 범위 내에 포함됨은 물론이다.
100: 수로 101: 바닥
102: 측벽 170: 마이크로버블 발생기
171: 이젝터 172: 만곡부
173: 가스흡입구 175: 배출공
177: 노즐헤드 200: 수로형 자외선 살균장치
211: 지지대 212: 덮개
220: 자외선램프 221: 소켓
230: 세척장치

Claims (9)

  1. 방오 코팅제용 원료인 Acid CS(Acid Colloid Silica), MTMS(Methyl Trimethoxysilane), GPTMS(Glycidyloxypropyl Trimethoxysilane), IPA(isopropyl alchol)를 준비하는 단계;
    상기 방오 코팅제용 원료를 혼합 후 10~30분간 교반하여 묽은 액상의 코팅제를 제조하는 단계; 및
    상기 제조된 코팅제를 스테인레스 금속 표면에 도포 후 저온 180~250℃에서 열건조하여 실리카 하이브리드 필름이 형성된 금속 표면을 얻는 단계를 포함하되,
    상기 방오 코팅제용 원료의 혼합은,
    상기 Acid CS(Acid Colloid Silica), MTMS(Methyl Trimethoxysilane), IPA(isopropyl alchol), GPTMS(Glycidyloxypropyl Trimethoxysilane)를 2:1:2:1의 부피 비율로 혼합하는 것을 특징으로 하는 자외선 살균장치에 사용되는 방오 코팅제의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 방오 코팅제의 표면 접촉각은 75° 내지 89°이며, 표면장력은 22 내지 26(N/m)인 것을 특징으로 하는 방오 코팅제의 제조방법.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 Acid CS(Acid Colloid Silica)는 CS(Colloidal Silica)를 pH 4~4.5가 되도록 하며, SiO2 + Al2O3를 혼합하는 것을 특징으로 하는 자외선 살균장치에 사용되는 방오 코팅제의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 자외선 살균장치는 관로형 자외선 살균장치 또는 수로형 자외선 살균장치인 것을 특징으로 하는 자외선 살균장치에 사용되는 방오 코팅제의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 스테인레스 금속 표면은,
    자외선 살균장치의 자외선램프 금속 지지대의 외부측면, 자동왕복식 링 세척장치의 외부측면, 및 저농도 마이크로버블 발생기 중의 적어도 어느 하나로서 상기 방오 코팅제로 코팅 후에 열처리하여 수중에서 유기물이 부착되는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는 자외선 살균장치에 사용되는 방오 코팅제의 제조방법.
  7. 수로를 통과하는 방류수의 자외선 살균장치로서,
    지지대를 갖는 자외선 살균장치의 모듈몸체,
    상기 모듈몸체 내에서 양 측면의 지지대에 배치되는 자외선램프,
    상기 자외선램프의 표면을 세척하는 세척장치,
    상기 수로의 하부에 설치된 마이크로버블 발생기를 포함하며,
    상기 지지대, 세척장치, 마이크로버블 발생기의 스테인레스 금속 표면은 방오 코팅제를 금속에 부착한 후, 상온에서 10~30분 건조, 180~250℃ 정도에서 30분간 이내로 열풍 건조를 진행하여 경화시켜서 방오성 도막을 형성하며,
    상기 방오 코팅제의 원료는 Acid CS(Acid Colloid Silica), MTMS(Methyl Trimethoxysilane), IPA(isopropyl alchol), GPTMS(Glycidyloxypropyl Trimethoxysilane)를 2:1:2:1의 부피 비율로 혼합하는 것을 특징으로 하는 자외선 살균장치.
  8. 삭제
  9. 제7항에 있어서,
    상기 마이크로버블 발생기는 자외선 살균장치의 바닥에 설치될 뿐만 아니라 측벽에도 설치하여, 상기 지지대의 외부측면, 상기 세척장치의 외부측면에도 마이크로버블을 직접 분사할 수 있는 것을 특징으로 하는 하는 자외선 살균장치.
KR1020210133648A 2021-10-08 2021-10-08 처리수의 자외선 살균장치에 사용되는 방오 코팅제의 제조방법 및 이를 이용한 자외선 살균장치 KR102415590B1 (ko)

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