KR20010067710A

KR20010067710A - 광촉매반응을 이용한 고도산화처리시스템

Info

Publication number: KR20010067710A
Application number: KR1020010012400A
Authority: KR
Inventors: 김현용; 양진섭; 민진홍
Original assignee: 김현용; (주)이앤비코리아
Priority date: 2001-03-10
Filing date: 2001-03-10
Publication date: 2001-07-13
Also published as: KR100438668B1

Abstract

본 발명은 수중의 오염물질을 광촉매반응에 의하여 정화하는 고도산화처리장치에 관한 것으로서, 기존의 분말 및 입자상의 광촉매를 이용한 광화학반응 수행시 광촉매 회수의 문제점을 해결하기 위한 방안으로 세라믹, 유리, 실리케이드 구슬 및 허니컴 등의 지지체에 광촉매를 코팅하여 스텐레스 등의 철망 케이스에 고정시키며, 광촉매반응의 효율을 향상시키기 위해 고도산화처리장치의 상하단에 침전지를 설치하여 부유물질을 제거하고, 과산화수소와 산소를 공급할 수 있도록 한 수처리시스템에 관한 것이다.

Description

광촉매반응을 이용한 고도산화처리시스템{Advanced oxidation treatment system using photocatalysis}

현재, 수중의 오염물질을 제거하는 방법으로 널리 사용되고 있는 방법은 활성탄을 이용한 흡착제거, 응집, 펜톤 등의 화학적 산화처리와 미생물을 이용한 처리등이 있다. 그러나 이들의 방법은 각각의 근복적인 문제점을 지니고 있는게 현실이다. 즉 흡착 및 응집의 경우 완전한 오염물질이 분해되지 않으며 흡착 및 응집된 오염물질을 제거하기 위하여 2차 처리과정이 필요로 되며 산화처리의 경우 유기물질이 완전히 이루어지지 않으며 다량의 침전슬러지를 배출함으로 2차 오염을 유발할수 있다. 비교적 안정적인 방법인 생물학적처리 방법은 처리시간이 길고 운전이 까다로운 문제점을 가지고 있기 때문에 기존의 방식을 개선 및 대체할 새로운 수처리 기술이 필요한 실정이다.

이에 새로운 수처리방법으로 광화학반응을 이용한 광촉매장치가 소개되고 있으며 이는 온도, 오염물질 농도 등에 영향을 받지 않으며 수중의 유, 무기계 오염물질을 산화, 환원시킬 뿐만 아니라 살균이 동시에 수반됨으로 그 관심이 크게 부각되고 있다.

광화학반응을 유발하기 위한 광촉매 물질로는 TiO2, ZnO, CdS, ZrO2, V2O3, WO3 등과 페로브스카이트형 복합금속산화물(SrTiO3) 등이 있으며, 자외선과 광촉매를 이용한 광화학반응은 TiO2와 같은 광촉매에 띠간격(band gap)(=3.0∼3.2eV)이상인 400nm이하의 광에너지를 조사시키면 가전자대(valence band)로부터 전도대(conduction band)로 전자가 전이되며, 이에 의해 생성된 전자와 정공(hole)은 광촉매 표면으로 확산, 이동하여 전자는 산소나 금속이온을 환원시키며, 정공은 흡착된 수용물질과 반응하여 OH radical 및 superoxide radical 등을 생성하여 난분해성 유기 오염물질을 분해시키게 된다.

그러나, 기존의 광화학반응은 주로 분말 및 입자상의 광촉매 형태를 이용함으로서 분산상이며, 침전성이 좋지 않은 미세한 광촉매 분말 입자(약 0.2㎛)을 회수하기 위해 정밀여과막이나 한외여과막 등 고가의 여과설비가 수반되어야 하는 문제점으로 제기됨에 따라 광촉매반응의 적용시 경제성이 부족하다는 지적이 계속되었으며, 광촉매반응을 이용한 환경오염물질 정화 제품의 보급이 적절히 이루어지지 않고 있었다.

이러한 문제의 해결방안으로 졸-겔법에 의해 제조된 광촉매 졸(sol)을 이용하여 일정한 지지체에 코팅한 후 사용하는 고정화방법이 광촉매반응을 이용한 환경오염물질 정화에 이용되어왔으나, 이 또한 광촉매 졸을 이용하여 지지체에 코팅되는 광촉매량이 분말을 이용할 경우와 비교해 크게 부족할 뿐만 아니라 지지체와 코팅된 광촉매 졸간의 박리현상에 의해 광촉매가 탈리 됨으로서 그 효율이 현격히 떨어짐과 동시에 장기간 운전시 효율의 보장이 이루어지지 않는 등의 문제점이 지적되고 있다.

따라서, 본 발명에서는 기존의 분말 및 입자상의 광촉매를 이용한 광화학반응 수행시 광촉매 회수의 문제점을 해결하기 위한 방안으로 세라믹, 유리, 실리케이드 구슬, 허니컴(honeycomb) 등의 지지체에 광촉매를 견고하게 코팅하여 스텐레스 등의 철망 케이스에 고정시켜 오염물질 처리과정 중의 광촉매의 손상방지와 박리를 최소화하였으며, 고도산화처리장치의 상하단에 침전지를 설치하여 부유물질에 의한 광촉매반응의 효율저하 및 반응과정에서 발생할 수 있거나 광촉매가 탈리됨으로서 생길 수 있는 부유물질의 외부 유출을 억제하고, 광촉매반응의 효율 향상을 위해 산화보조제로 과산화수소와 산소를 공급함으로서 장기간의 운전효율의 보장이 가능하도록 하였다.

제1도는 본 발명에 따른 광촉매반응을 이용한 고도산화처리시스템의 단면도

제2도는 본 발명에 따른 광촉매반응을 이용한 고도산화처리시스템의 평면도

제3도는 본 발명에 따른 광촉매반응을 이용한 고도산화처리시스템의 자외선램프 입면도

제4도는 본 발명에 따른 광촉매반응을 이용한 고도산화처리시스템의 촉매케이스 입면도

* 도면 주요부분에 대한 부호의 설명

10: 원수펌프 11: 원수저장탱크

12: 처리수출구

18: 자외선램프지지판연결나사 19:자외선램프지지판

20: 자외선램프 21: 석영관

22: 전선 23: 광촉매케이스연결나사

24: 광촉매케이스연결나사 25: 스텐레스철망

26: 광촉매코팅담체 27: 촉매케이스지지판

30: 공기펌프 31: 산기관

40: 과산화수소펌프 41: 과산화수소저장탱크

50: 콘트롤러장치

60: 상부덮게판 61: 상부덮게판나사

70: 배기덕트 71: 배기팬

80: 상단침전물질배출구 81: 상단침전물질배출밸브

82: 상단정류판 83: 후단침전물질배출구

84: 후단침전물질배출밸브 85: 후단정류판

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에서의 광촉매반응을 이용한 고도산화처리시스템을 설명하면 다음과 같다.

처리대상 원수는 원수탱크(11)에서 원수펌프(10)을 통하여 침전지로 유입되며, 침전지에 유입된 유입수는 상단정류판(82)에 의해 중력에 의해 침전 가능한 부유물질이 침전지 하부에 침전되며, 침전지에 침전된 부유물질은 상단침전물질배출구(80)와 상단침전물질배출밸브(81)를 통해 외부로 배출되고, 침전지 상등수는 고도산화처리장치로 유입되어 광촉매반응에 의해 처리된 후 고도산화처리장치의 후단에 별도로 설치된 침전지의 후단정류판(85), 후단침전물질배출구(83), 후단침전물질배출밸브(84)에 의해 반응 중에 발생하거나 광촉매가 탈리됨으로 발생할 수 있는 부유물질이 다시 침전 제거된 후 최종 처리수는 처리수출구(12)를 통해 배출되게 된다.

상기한 상단 침전지와 후단 침전지의 중간에 위치한 고도산화처리장치는 크게 유체흐름과 수직방향으로 설치된 일련의 자외선램프(20)와 광촉매케이스(23) 내부에 고정된 광촉매코팅담체(26) 및 고도산화처리장치 하단에 설치된 산기관(31)으로부터 유입되는 산소와 과산화수소저장탱크(41)로부터 과산화수소펌프(40)에 의해 고도산화처리장치의 상단에 주입되는 과산화수소에 의해 오염물질을 정화할 수 있도록 구성되어 있다.

고도산화처리장치 중 일부인 자외선램프(20)는 석영관(21) 내부에 위치하여 자외선램프와 물과의 접촉이 차단될 수 있도록 하였으며, 자외선램프지지판(19)과 자외선램프지지판연결나사(18)에 의해 고도산화처리장치의 상단에 고정하였다.

또한 고도산화처리장치의 핵심 부분인 광촉매코팅담체(26)는 좌, 우 측면이 스텐레스철망(25)으로 제작된 광촉매케이스(23) 안에 위치하며, 광촉매케이스(23)는 광촉매케이스지지판(27)과 광촉매케이스연결나사(24)에 의해 고도산화처리장치의 상단에 고정하였다.

광촉매반응의 효율을 향상시키기 위해 고도산화처리장치 내부의 용존산소 농도를 증가시키기 위해 공급되는 산소는 공기펌프(30)에 의해 다수의 산기관(31)을 통해 고도산화처리장치의 하단으로 유입시켰으며, 과산화수소는 과산화수소저장탱크(41)로부터 과산화수소펌프(40)를 통해 고도산화처리장치 상단의 상부로 유입될 수 있도록 하였다. 또한 고도산화처리장치에 공급되는 산소와 과산화수소는 콘트롤러장치(50)를 통해 조절 가능하도록 하였다.

또한 광촉매반응시 발생되는 이산화탄소(CO2)가 고도산화처리장치의 내부에서 빨리 배출될 수 있도록 함으로서 이산화탄소가 수중에 다시 용해되어 pH를 증가시키고, 이산화탄소의 생성을 억제하는 등의 처리효율 향상에 미칠수 있는 영향을 배제하기 위하여 고도산화처리장치의 상부에 배기덕트(70)와 배기팬(71)을 설치하여 이산화탄소가 고도산화처리장치의 외부로 빨리 배출될 수 있도록 하였다.

광촉매코팅담체(26)는 본 출원인에 의해 대한민국 특허청에 2001년 3월 8일 기출원된 출원번호10-2001-0012085에서와 동일한 방법으로 일정부피의 용기에 물(H2O)60g과 옥살릭엑시드(Oxalic Acid, C2H2O4) 16g을 정량하여 혼합한 후 열을 가하면서 교반하여 완전 용해하고 티타늄알콕사이드(Titanium alkoxide, Ti(OCnH2n+1)4) 18g을 넣고 이산화티타늄(TiO2) 졸(sol)을 만든후 여기에 이산화티타늄 분말 20g을 혼합하여 볼 밀(Ball Mill)로 5분 이상 분쇄한 후 이 용액을 세라믹, 유리, 실리카겔, 허니컴(honeycomb) 등에 담금법과 스프레이법으로 코팅하여 상온에서 1일 건조한 후 5∼10℃/min으로 승온한 후 500℃에서 5시간 이상 방치하고 5∼10℃/min으로 감온하는 작업을 3회 반복하여 제작하였다.

본 발명은 수중의 오염물질을 광촉매반응에 의하여 정화하는 고도산화처리에 관한 것으로서, 기존의 분말 및 입자상의 광촉매를 이용한 광화학반응 수행시 광촉매 회수의 문제점을 해결하기 위한 방안으로 세라믹, 유리, 실리케이드 구슬, 허니컴 등의 지지체에 광촉매를 견고하게 코팅하여 스텐레스 등의 철망 케이스 내부에 위치시켜 오염물질 처리과정 중의 광촉매의 손상방지와 박리를 최소화하였으며, 고도산화처리장치의 상하단에 침전지를 설치하여 부유물질에 의한 광촉매반응의 효율저하 및 반응과정에서 발생하거나 담체로부터 탈리되는 광촉매 등의 부유물질의 외부 유출을 억제하고, 광촉매반응의 효율 향상을 위해 산화보조제로 과산화수소와 산소를 공급함으로서 광촉매반응을 이용한 고효율의 수중 오염물질을 제거할 수 있도록 하였다.

Claims

반응조 일면에 처리수입구와 처리수출구가 구비되고 처리대상 원수의 유체흐름 방향과 수직된 방향으로 자외선램프와 스텐레스 철망으로 제작된 광촉매케이스 내부에 위치시킨 광촉매코팅담체를 고도산화처리장치에 일렬로 설치하며, 고도산화처리장치 상단에 상단침전지를 설치하여 고도산화처리장치 내부로 부유물질이 유입됨으로 발생하는 수질오염물질 정화효율의 저하를 예방하고, 고도산화처리장치 하단에 하단침전지를 설치하여 광촉매반응 과정에서 발생하거나 담체로부터 탈리되는 광촉매 등의 부유물질이 외부로 유출되는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는 수처리장치
상기 1항에서, 고도산화처리장치의 하부에 산기관을 일렬로 다수개 설치하여 산소를 공급함으로서 광촉매반응을 이용한 수질오염물질 정화효율을 향상시키는 방법
상기 1항에서, 고도산화처리장치의 상단에 과산화수소를 주입하여 광촉매반응을 이용한 수질오염물질 정화효율을 향상시키는 방법
상기 1항에서, 고도산화처리장치 상부에 배기덕트와 배기팬을 설치하여 광촉매반응시 발생되는 이산화탄소가 수중에 다시 용해되어 수질오염물질 정화효율 향상에 미치는 영향을 배제하는 방법
물 : 옥살릭엑시드: 티타늄알콕사이드의 비를 2∼5 : 1 : 1∼3의 중량비로 혼합하여 교반한 후 여기에 이산화티타늄 분말을 물과의 중량비가 1∼3이 되도록 혼합한 후 볼밀(ball mill)로 5분 이상 분쇄한 후 이를 허니컴(honeycomb)에 코팅하여 광촉매인 이산화티타늄이 코팅된 담체를 제조하는 방법