KR19980036723A - 광촉매를 이용한 가정용 및 산업용의 정수처리방법 및 정수처리장치 - Google Patents

광촉매를 이용한 가정용 및 산업용의 정수처리방법 및 정수처리장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광촉매(photocatalyst)를 이용한 광화학반응에 의해 물 속에 함유되어 있는 불순물을 효과적으로 제거할 수 있는 가정용 및 산업용의 정수처리방법 및 정수처리장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 정수처리장치는, 그 일단에는 물이 유입되는 입수관(1)이 구비되고, 타단에는 정수처리된 물을 배출하기 위한 배수관(4)이 구비되며, 상기한 입수관(1)으로부터 유입된 물로부터 불순물을 제거하기 위한 공간을 제공하는 반응용기(2)와; 지지체에 광촉매 물질을 코팅하여 형성되고, 상기한 반응용기(2) 내부에 장착되어 광원(5)으로부터 광촉매 활성을 위한 에너지를 공급받아 상기한 반응용기(2) 내부의 물속에 함유된 불순물을 광화학반응에 의해 제거하기 위한 광촉매(3)와; 상기한 반응용기(2)의 외부에 구비되며, 상기한 광촉매(3)의 광촉매 활성을 위한 에너지를 공급하기 위한 광원(5)으로 구성된다. 또한, 본 발명의 정수처리방법은, 상기한 광촉매(3)에, 상기한 광원(5)으로부터 광촉매 활성을 위한 에너지를 공급하여, 광화학반응에 의해 상기한 반응용기(2) 내부의 물 속에 함유된 불순물을 흡착제거 및 산화환원반응에 의해 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따르면, 종래의 방식에 비하여 세척 및 교체의 빈도를 대폭적으로 저감시킬 수 있어 사용이 간편할 뿐 아니라, 정수처리장치의 유지비용을 절감할 수 있으며, 간단한 구성을 지녀 경제적으로 제조가능하여, 가정용 및 산업용의 정수처리장치로서 효과적으로 사용될 수 있다는 것이 확인되었다.

Description

광촉매를 이용한 가정용 및 산업용의 정수처리방법 및 정수처리장치
제 1a도 내지 제 1c도는 본 발명의 광촉매 제조시 광촉매 물질을 담지시키기 위해 사용되는 지지체의 대표적인 예를 나타낸 사시도로서,
제 1a도는 판형 지지체,
제 1b도는 비드형 지지체
제 1c도는 하니컴형 지지체.
제 2a도는 본 발명의 일 실시예에 따른 정수처리장치의 개략적인 전체 구성도,
제 2b도는 제 2a도의 정수처리장치에 사용괸 광촉매의 상세도.
제 3도는 본 발명의 정수처리장치 중 광촉매에 의한 불순물 제거효과를 검증실험하기 위해 사용된 실증실험장치의 개략적 구성도.
제 4도는 본 발명의 일 실시예에 따른 광촉매에 대한 시간경과에 따른 트리할로메탄의 농도변화 결과를 나타낸 그래프
제 5도는 본 발명의 일 실시예에 따른 광촉매에 대한 시간경과에 따른 크롬의 농도변화 결과를 나타낸 그래프.
제 6도는 지지체를 변화시킨 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광촉매에 대한 시간경과에 따른 크롬의 농도변화를 일괄 도시한 그래프.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
1:입수관2:반응용기
3:광촉매4:배수관
5:광원6:샘플링 포트
본 발명은 정수처리방법 및 정수처리장치에 관한 것으로, 특히, 광촉매(photocatalyst)를 이용한 광화학반응에 의해 물 속에 함유되어 있는 불순물을 효과적으로 제거할 수 있는 가정용 및 산업용의 정수처리방법 및 정수처리장치에 관한 것이다.
산업발전에 따라, 대기 및 수질오염과 같은 환경오염이 극도로 심화되고 있는 상황에서, 인류의 생존과 산업활동에 필수적인 음용수 및 공업용 순수 등에 적합한 정화된 물을 제공할 수 있는 정수처리방법 및 정수처리장치에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
물 속에 함유되어 있는 대표적인 불순물, 예를 들어, 중금속, 벤젠, 톨루엔, 트리할로메탄, 페놀 등의 유기물, 냄새, 세균 등을 제거하기 위한, 종래의 대표적인 정수처리방법에서는, 미세한 다수의 구벙이 형성된 여과체를 사용하여 정수처리하고자 하는 물에 물리적인 압력을 가하여 상기한 여과체에 형성된 미세한 구멍을 통과하게 함으로써, 불순물을 여과하는 방법을 채택하고 있다.
대표적인 예를 들면, 여과체로서 중공사막(한외여과막:hollow fiber membrane)을 이용하는 방법에는 마이크로필터(microfilter:MF)를 이용하여 물 속에 함유되어 있는 불순물을 여과하는 방법과, 울트라필터(ultrafilter:UF)를 이용하여 불순물을 여과하는 방법 등이 있으며, 여과체로서 역삼투막을 이용하는 방법에는, 역삼투압을 이용하여 불순물을 여과하는 역삼투압(reverse osmosis:R/O) 방식 등이 있다.
그러나, 상기한 종래의 정수처리방법은, 물 속에 함유되어 있는 불순물을 미세한 다수의 구멍이 형성된 필터(filter) 또는 분리막(membrane)을 통하여 강제 가압하여 제거하므로, 필터 또는 분리막에 형성된 다수의 구멍이 불순물에 의해 자주 막히기 때문에, 일정기간이 경과하면 필터 또는 분리막의 유지, 보수를 위하여 불순물 제거기능을 하는 필터 및 분리막을 정수처리장치로부터 분리한 후 세척 또는 교체하여야 하는 부대적인 작업이 빈번하에 요구되어, 일반 소비자들이 관리하기에는 어려움이 있었을 뿐 아니라, 과다한 유지비용이 소요된다는 문제점을 지니고 있었다.
또한, 만일 필터 및 분리막의 세척 및 교체를 적기에 수행하지 않을 때에는, 필터 및 분리막 자체에 각종 미생물 및 세균이 번식하여, 오히려 수질을 더 악화시킬 수 있는 우려가 적지 않다는 문제점이 있었으며, 상기한 종래의 정수처리장치에는 정수처리하고자 하는 물을 여과체의 미세한 구멍을 통과하도록 강제 가압시키기 위한 별도의 가압수단이 요구되어, 장치의 구성이 복잡해짐은 물론, 경제적으로 정수처리장치를 제조할 수 없다는 한계를 지니고 있었다.
결국, 본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 주된 목적은 물 속의 불순물을 효과적으로 제거할 수 있음은 물론, 세척 및 교체의 빈도를 대폭적으로 감소시킬 수 있어 사용이 간편할 뿐 아니라, 유지비용을 절감할 수 있는 정수처리방법을 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 물 속의 불순물을 효과적으로 제거할 수 있고 세척 및 교체의 빈도를 대폭적으로 감소시킬 수 있어 사용이 간편할 뿐 아니라, 유지비용을 절감할 수 있으며, 간단한 구성을 지녀 경제적으로 제조 가능한 정수처리장치를 제공함에 있다.
상기한 목적을 달성하는, 본 발명에 따른 정수처리방법은, 입수관 및 배수관이 구비된 반응용기, 상기한 반응용기 내부의 광촉매와 상기한 반응용기 외부의 광원으로 구성된 정수처리장치를 이용한 정수처리방법에 있어서, 상기한 광촉매에, 상기한 광원으로부터 광촉매 활성을 위한 에너지를 공급하여, 광화학반응에 의해 상기한 방응용기 내부의 물속에 함유된 불순물을 흡착제거 및 산화환원반응에 의해 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 정수처리장치는, 일단에는 물이 유입되는 입수관이 구비되고, 타단에는 정수처리된 물을 배출하기 위한 배수관이 구비되며, 상기한 입수관으로부터 유입된 물로부터 불순물을 제거하기 위한 공간을 제공하는 반응용기와, 지지체에 광촉매 물질을 코팅하여 형성되고, 상기한 반응용기 내부에 장착되어, 광원으로부터 광촉매 활성을 위한 에너지를 공급받아 상기한 반응용기 내부의 물 속에 함유된 불순물을 광화학반응에 의해 제거하기 위한 광촉매와, 상기한 반응용기의 외부에 구비되며, 상기한 광촉매의 광촉매 활성을 위한 에너지를 공급하기 위한 광원을 포함한다.
이때, 상기한 지지체로는, 유리판(glass plate); 유리비드(glass bead); 다공성 유리비드(porous glass bead); 섬유망(fiber mesh); 하니컴(honeycomb), 세라믹 타일, 세라믹 기판 등과 같은 세라믹 담체 등의 다양한 지지체가 사용될 수 있다.
또한, 상기한 광원으로는, 자연광, 크세논램프(Xe-lamp)광, 자외선(UV light) 등의 다양한 광원이 사용될 수 있다.
아울러, 상기한 반응용기로는 다양한 형태의 용기가 채용될 수 있지만, 상기한 광원으로부터 공급된 에너지가 통과되어 반응용기 내부로 효과적으로 공급될 수 있는 용기, 예를 들어, 투명한 유리 용기를 사용하는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명의 정수처리방법 및 정수처리장치에 대한 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다.
제 1a도 내지 제 1c도는 본 발명의 광촉매 제조시 광촉매 물질을 담지시키기 위해 사용되는 지지체의 대표적인 예를 나타낸 사시도로서, 제 1a도는 판형(plate type) 지지체, 제 1b도는 비드형(bead type) 지지체, 제 1c도는 하니컴형(honeycomb type) 지지체를 나타낸다. 본 발명에서는, 이 이외에도, 다양한 형태의 지지체, 예를 들면, 다공성 유리비드, 섬유망, 세라믹 타일, 세라믹 기판 등과 같은 지지체가 사용될 수 있다.
제 2a도는 본 발명의 일 실시예에 따른 정수처리장치의 개략적인 전체 구성도이며, 제 2b도는 제 2a도의 정수처리장치에 사용된 하니컴 형태의 광촉매에 대한 상세도이다.
제 2a도에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 정수처리장치는, 그 일단에는 물이 유입되는 입수관(1)이 구비되고, 타단에는 정수처리된 물을 배출하기 위한 배수관(4)이 구비되며, 상기한 입수관(1)으로부터 유입된 물로부터 불순물을 제거하기 위한 공간을 제공하는 반응용기(2)와; 지지체에 광촉매 물질을 코팅하여 형성되고, 상기한 반응용기(2) 내부에 장착되어, 광원(5)으로부터 광촉매 활성을 위한 에너지를 공급받아 상기한 반응용기(2) 내부의 물속에 함유된 불순물을 광화학반응에 의해 제거하기 위한 광촉매(3)와; 상기한 반응용기(2)의 외부에 구비되며, 상기한 광촉매(3)의 광촉매 활성을 위한 에너지를 공급하기 위한 광원(5)으로 구성된다.
이때, 상기한 광원(5)으로는, 자연광, 크세논팸프(Xe-lamp)광, 자외선(UV light) 등의 다양한 광원이 사용될 수 있으며, 상기한 반응용기(2)로는 상기한 광원(5)으로부터 공급되는 에너지가 통과되어 반응용기(2) 내부로 효과적으로 공급될 수 있도록, 투명한 유리 용기를 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 상기한 광촉매(3)는 광촉매 물질을 다양한 지지체에 박막 또는 피막의 형태로 코팅하여 제조된 것으로, 이러한 광촉매 및 광촉매 제조방법에 대하여는, 본 출원과 동일한 발명자에 의해 발명되어 본 출원과 동일한 출원인에 의해 1996년 11월 11일자 특허출원된 대한민국 특허출원 제 96- 호 『광촉매의 제조방법 및 광촉매』에 상세히 개시되어 있다.
이에 따르면, 본 발명의 광촉매는, 티타늄 염화물을 일정한 용매에 용해시켜 광축매원료 졸(sol)을 제조하는 단계와, 상기한 광촉매 원료 졸을 지지체에 박막 또는 피막의 형태로 코팅하는 단계와, 상기 단계에서 얻어진 코팅된 지지체를 대기중에서 일정한 온도에서 소성하여 겔화(gelation)시킴으로써, 아나타제(anatase)형 산화티탄을 수득하는 단계를 통해 제조되며, 이때, 상기한 티나늄 염화물로는, 삼염화티탄(TiCl3) 또는 사염화티탄(TiCl4)이 사용될 수 있고, 상기한 용매로는 물 또는 알콜 등의 다양한 유기용매가 사용될 수 있으며, 상기한 소성온도로는 100~600℃의 온도범위가 바람직하고, 보다 바람직하게는, 350~450℃의 온도범위가 채용될 수 있다.
아울러, 상기한 본 발명의 광촉매 제조방법에 있어서, 광촉매 활성을 더욱 더 증대시키기 위하여, 염화은(AgCl), 염화니켈(NiCl2), 염화철(FeCl3) 등의 천이금속 염화물을 암모니아수(ammonia water) 등의 용매에 용해시켜 상기한 본 발명에 의해 얻어진 산화티탄 광촉매에 도포하고, 대기중에서 100~600℃의 온도범위에서 재소성하거나, 천이금속 염화물을 일정한 용매에 용해시킨 용액을 상기한 본 발명에서 얻어진 광촉매원료 졸에 광촉매원료 졸 기준으로 50vol% 이하 혼합하여, 상기한 과정에 따라 지지체에 코팅후 소성하는 단계가 추가로 포함될 수 있다.
상기한 구성을 지닌 정수처리장치를 이용한 본 발명의 정수처리방법에 따르면, 일단, 입수관(1)을 통해 정수처리하고자 하는 물을 반응용기(2)의 내부로 유입시킨 다음, 상기한 광원(5)으로부터 반응용기(2) 내부에 구비된 광촉매(3)에 광촉매 활성을 위한 에너지를 공급하게 된다.
이에 따라, 상기한 광촉매(3)의 광화학반응에 의해, 물 속에 잔류하는 불순물, 예를 들어, 중금속은 광촉매(3)에 흡착제거되는 한편, 벤젠, 톨루엔, 트리할로메탄, 페놀 등의 유기물, 냄새, 세균 등은 산화환원반응에 의해 제거됨으로써, 정수처리된 물은 상기한 배수관(4)을 통해 외부로 배출된다.
[실시예 1]
광촉매 원료를 제 1a도에 도시된 판형 지지체에 박막의 형태로 도포하고 소성하여 광촉매를 제조하였다. 상기에서 얻어진 광촉매에 의한 불순물 제거효과를 검증실험하기 위하여, 제 3도에 도시된 실증실험장치를 사용하였다. 제 3도의 실증실험장치에 있어서, 도면부호 1은 입수관, 2는 반응용기, 3은 광촉매, 4는 배수관, 5a는 크세논램프 광원에 의해 배출된 크세논램프광, 6은 시료채취를 위한 샘플링 포트(sampling port)를 각각 나타낸다.
상기한 검증실험은, 먼저, 본 실시예에서 제조된 광촉매(3)를 반응용기(2) 내의 물에 담지시키고, 50ppm의 농도가 되도록 유기물로서 트리할로메탄(trihalomethane)을 반응용기(2) 내에 가한 후, 반응용기(2)의 외부에서 크세논램프광(5a)을 조사하면서, 시간경과에 따라 샘플링 포트(6)를 통해 시료를 샘플링한 후, 가스크로마토그래피(gas chromatography:GC)에 의해 그 농도 변화를 측정하였다.
본 실시예에서 제조된 광촉매에 대한 시간경과에 따른 트리할로메탄의 농도변화 결과를 제 4도에 나타내었으며, 제 4도의 그래프로부터, 본 발명에 따른 정수처리장치의 광촉매는 물 속에 함유된 유기물에 대해 탁월한 제거효과를 나타내는 것을 확인할 수 있었다.
[실시예 2]
상기 실시예 1의 실증실험장치에 통하여 본 발명에 따른 정수처리장치의 광촉매에 대한 중금속 제거효과를 알아보기 위하여, 상기 실시예 1에서 제조된 광촉매(3)를 반응용기(2) 내의 물에 담지시키고, 크롬(chrome)의 농도를 1ppm으로 유지한 다음, 반응용기(2)의 외부에서 크세논램프광(5a)을 조사하면서, 시간경과에 따라 샘플링 포트(6)를 통해 시료를 샘플링한 후, 원자 흡광광도법(atomic absorption spectrophotometry : AAS)에 의해 그 농도변화를 측정하였다.
본 발명의 광촉매에 대한 시간경과에 따른 크롬의 농도변화 결과를 제 5도에 나타내었으며, 제 5도의 그래프로부터, 본 발명에 따른 정수처리장치의 광촉매는 물 속에 함유된 중금속에 대해서도 뛰어난 제거효과를 나타내는 것을 확인할 수 있었다.
[실시예 3]
광촉매 원료를 제 1b도 및 제 1c도에 도시된 비드형 지지체 및 하니컴형 지지체에 박막의 형태로 도포한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일하게 실시하여, 광촉매를 제조하였다. 상기에서 얻어진 광촉매에 의한 중금속 제거효과를 검증하기 위하여, 상기 실시예 2와 동일한 방법을 사용하여 크롬의 농도변화를 측정하였으며, 그 결과를 제 6도에 나타내었다.
제 6도는 지지체를 변화시킨 본 발명의 광촉매에 대한 시간경과에 따른 크롬의 농도변화를 일괄 도시한 그래프로서, 제 6도의 그래프로부터 지지체로서 비드형 지지체를 사용한 광촉매(-◆-)와 하니컴형 지지체를 사용한 광촉매(-●-)는 판형 지지체를 사용한 광촉매(-■-)의 경우에 비하여, 월등한 중금속 제거효과를 나타내어, 광촉매에 대한 불순물 제거는 그 표면적이 큰 지지체일수록 불순물 제거효과가 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
이상에서 상세히 설명하고 입증하였듯이, 본 발명의 정수처리방법 및 정수처리장치에 따르면, 종래 기술과는 달리, 물속에 잔류하는 불순물을 흡착제거 또는 산화환원반응에 의해 제거하므로, 종래의 방식에 비하여 세척 및 교체의 빈도를 대폭적으로 저감시킬 수 있어 사용이 간편할 뿐 아니라, 정수처리장치의 유지비용을 절감할 수 있으며, 간단한 구성을 지녀 경제적으로 제조가능하여, 가정용 및 산업용의 정수처리장치로서 효과적으로 사용될 수 있다는 것이 확인되었다.

Claims (7)

  1. 입수관 및 배수관이 구비된 반응용기, 상기한 반응용기 내부의 광촉매와 상기한 반응용기 외부의 광원으로 구성된 정수처리장치를 이용한 정수처리방법에 있어서,
    상기한 광촉매에, 상기한 광원으로부터 광촉매 활성을 위한 에너지를 공급하여, 광화학반응에 의해 상기한 방응용기 내부의 물속에 함유된 불순물을 흡착제거 및 산화환원반응에 의해 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    정수처리방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기한 광원으로는, 자연광, 크세논램프광 및 자외선으로 구성되는 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 광원을 사용하는 것을 특징으로 하는,
    정수처리방법.
  3. 일단에는 물이 유입되는 입수관이 구비되고, 타단에는 정수처리된 물을 배출하기 위한 배수관이 구비되며, 상기한 입수관으로부터 유입된 물로부터 불순물을 제거하기 위한 공간을 제공하는 반응용기와,
    지지체에 광촉매 물질을 코팅하여 형성되고, 상기한 반응용기 내부에 장착되어, 광원으로부터 광촉매 활성을 위한 에너지를 공급받아 상기한 반응용기 내부의 물 속에 함유된 불순물을 광화학반응에 의해 제거하기 위한 광촉매와,
    상기한 반응용기의 외부에 구비되며, 상기한 광촉매의 광촉매 활성을 위한 에너지를 공급하기 위한 광원을 포함하는,
    정수처리장치.
  4. 제3항에 있어서는,
    상기한 지지체로는, 유리판, 유리비드, 다공성 유리비드, 섬유망 또는 세라믹 담체를 사용하는 것을 특징으로 하는,
    정수처리장치.
  5. 제3항 또는 제 4항에 있어서,
    상기한 지지체로는, 세라믹 하니컴을 사용하는 것을 특징으로 하는,
    정수처리장치.
  6. 제3항에 있어서,
    상기한 광원으로는, 자연광, 크세논램프광, 자외선으로 구성된 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 광원을 사용하는 것을 특징으로 하는,
    정수처리장치.
  7. 제3항에 있어서,
    상기한 반응용기로는, 투명한 유리 용기를 사용하는 것을 특징으로 하는,
    정수처리장치.
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