KR200249122Y1 - 유동화 광촉매 반응기 - Google Patents

Abstract

산업의 발달에 따라 환경오염문제는 갈수록 심각해지고 있다. 따라서, 오염물질에 대한 규제도 더욱 강화되고 있는 실정이며, 이러한 추세에 따라 오염물질을 제거하기 위한 여러 가지 방법들이 강구되어지고 있다. 그러나 수질오염에 있어서는 오염원이 다양해지고 계속적으로 새로운 오염물질이 발생됨으로 인하여 기존의 생물학적 처리방법으로는 한계에 부딪히고 있다. 이에 따라 AOP(Advanced Oxidation Process)라는 여러 종류의 고급 산화법이 개발되고 장치들이 고안되어지고 있다.

본 고안은 근본적으로 문제점을 지니고 있는 타 고급산화법과는 달리 수중속의 오염물질을 직접 분해 처리하여 2차 오염물질인 슬러지를 발생시키지 않는 광촉매 화학반응에 관한 것이다. 특히, 기존의 분말형태의 TiO₂광촉매를 사용하는 산화반응에서 문제시 되었던 고가의 광촉매 분리 및 회수 공정을 해결하기 위하여 밀도가 1.0-2.0 g/㎤ 사이의 담체에 TiO2 광촉매를 무기물 바인더와 함께 코팅 ·고정화시키고 코팅된 담체(6)를 최대한의 반응효율을 얻기 위하여 기포(11)와 액상의 유체역학적인 흐름으로 유동화시키고자 고안된 광화학반응 수처리 장치(1)이다.

본 고안에 의하면, 저렴한 비용과 간단한 설계 ·시공으로 슬러지를 발생시키는 기존 수처리 장치들을 대체할 수 있으며, 광촉매 화학반응에서 문제이었던 광촉매 회수 재생 문제를 극복할 수 있을 뿐만 아니라 날로 규제가 강화되는 수질 조건에 부합되게 하기 위하여 기존의 수처리 장치에 간편하게 부착하여 난분해성 오염물질까지 분해 처리할 수 있는 후단처리와 물부족 현상을 해결할 수 있는 중수도 처리 시스템으로도 이용될 수 있다 하겠다.

Description

유동화 광촉매 반응기{Photo-catalystic Reactor Applied by fluidization}

본 고안은 밀도가 1.0-2.0 g/㎤ 사이의 담체(7)에 TiO₂광촉매를 무기물 바인더와 함께 코팅 ·고정화(8)시키고 코팅된 담체(6)를 최대한의 반응효율을 얻기 위하여 유체역학적으로 유동화시키는 자외선(UV)/이산화티타늄(TiO₂) 광화학반응 수질처리 장치(1,1' )로서 고급산화법(AOP)의 일부이다.

오늘날 산업발달과 더불어 많은 종류의 유기 및 화학물질들이 함유된 폐수의 방류로 수질오염이 심각한 사회문제로 인식되어지고 있다. 현재까지 일반적으로 사용되고 있는 수처리 기술로는 미생물을 이용한 생물학적 처리 기술과 여과, 응집, 침전 또는 흡착 등의 물리 ·화학적 처리기술이 있다. 그러나, 생물학적 처리기술은 건설비가 비싸며 난분해성 오염물질을 제거하기가 어렵다는 단점이 있으며, 물리 ·화학적 처리기술은 공정의 운영비가 고가일 뿐만 아니라, 오염물질의 단순한 분리 처리로 다량의 슬러지와 같은 2차 오염을 유발한다는 문제점이 있다. 그러나, OH 라디칼( ·OH)의 높은 산화력을 이용하는 고급산화법은 수중의 유기오염물질을 CO₂와 H₂O로 분해하기 때문에 2차 오염을 유발하지 않으며 생분해성 및 난분해성 오염물질들을 처리할 수 있다는 장점이 있다. 따라서 기존의 수처리 공정을 대체할 수 있는 기술로써 현재 고급산화법에 대한 많은 연구와 장치들이 고안되어지고 있다.

고급산화법에서 발생되는 OH 라디칼은 유기물과의 반응속도 상수가 10⁹∼10¹⁰M^-1S^-1으로 매우 빠르며 거의 모든 유기물과 골고루 반응하기 때문에 난분해성 유기 오염물질의 산화에서 유용한 결과를 얻을 수 있다. 고급산화법은 OH 라디칼을 생성시키는 방법에 따라 오존(O₃)이나 과산화수소에 자외선을 조사하는 방법, pH를 조절하는 방법 그리고 TiO₂와 같이 광활성이 있는 반도체 금속화합물과 자외선을 이용하는 방법 등으로 나눌 수 있다. 이중에서도 TiO₂와 같은 반도체 금속화합물을 광촉매로 이용한 산화시스템은 표준 활성 슬러지법으로는 처리가 곤란한 폐수를 처리할 수 있기 때문에 수중이나 대기에 함유된 난분해성 유기화합물의 효율적인 제거방법으로 최근 주목받고 있다. 광촉매를 이용한 수처리 방법은 공정의 운전 및 조작이 편리하고, 현재 사용되고 있는 자외선에 의한 수처리 공정에 쉽게 응용할 수 있는 등의 장점을 가지고 있다. 따라서 이러한 장점을 가진 광촉매 공정의 응용 분야는 대단히 광범위하다고 할 수 있다.

수용액상에서 TiO₂와 UV에 의한 광촉매 산화반응 메카니즘에 대해 살펴보면, UV 램프에서 방출된 자외선이 촉매인 TiO₂에 band gap 에너지(=3.2eV) 보다 높은 에너지를 공급하면 전자가 채워져 있던 TiO₂의 valence band에서 전자가 방출되어 conduction band로 이동하게 되며, 동시에 TiO₂의 valence band에는 정공이 생성된다. 여기된 전자는 촉매의 표면에 흡착되어 있는 전자수용체인 산소와 반응하여superoxide radical(O₂ ^-·)을 생성하며 superoxide radical은 물분자와 반응하여 높은 산화력을 가진 hydroxyl radical(OH ·)을 생성한다. 이와 동시에 TiO₂의 표면에서 생성된 정공은 촉매에 흡착되어 있는 물분자나 hydroxyl 이온과 반응하여 hydroxyl radical을 생성하거나 유기화합물과 직접 반응하여 유기화합물을 분해하기도 한다. 광촉매에서 생성된 전자와 정공은 모두 산화 및 환원 반응에 의하여 OH radical을 생성하게 되는데, 이 때 생성된 OH radical이 여러 가지 형태로 수중의 유기물과 반응하여 분해가 진행된다.

위와 같은 과정을 통하여 광촉매에서 생성된 OH 라디칼은 수중의 유기 화합물을 CO₂와 H₂O로 분해하여 제거하게 된다,

하지만, 고가의 TiO₂광촉매를 광촉매 산화반응에 기존의 장치처럼 직접 분말형태로 사용하게 되면, 입도가 수㎛ ∼ 수nm의 TiO₂미세입자들이 졸 상태로 현탁되어 있는 경우이므로 TiO₂를 다시 분리 ·회수하는 공정상에서 문제점이 있다 하겠다. 광촉매를 분말 형태로 직접 사용하는 기존의 장치들을 살펴보면 광촉매 산화반응이 발생하는 주공정보다는 광촉매 입자를 분리하고 회수하는 부대공정이 더 크고 복잡하다는 것을 알 수 있다.

위와 같은 광촉매의 분리 ·회수 공정을 극복하고 광촉매를 분말로 사용하는 반응과 같거나 높은 반응효율을 나타낼 수 있는 광촉매 산화반응 장치의 고안은 현재 긴요하다 하겠다.

본 고안은 상기와 같은 종래의 문제점을 지니고 있는 생물학적 처리방법 및 타 고급산화법과는 달리 수중속의 오염물질을 직접 분해 처리하여 2차 오염물질인 슬러지를 발생시키지 않는 광촉매 화학반응에 관한 것이다. 특히, 기존의 분말형태의 TiO₂광촉매를 사용하는 산화반응에서 문제시되었던 고가이고 복잡한 광촉매 분리 및 회수 공정을 해결하기 위하여 밀도가 1.0-2.0 g/㎤ 사이의 담체에 TiO₂광촉매를 무기물 바인더와 함께 코팅 ·고정화시키고 코팅된 담체(6)를 최대한의 반응효율을 얻기 위하여 기포(11)와 액상의 유체역학적인 힘으로 유동화시키고자 고안된 광화학반응 장치(1,1' )이다. TiO₂광촉매가 코팅되어지는 담체로는 기포의 유체역학적인 흐름만으로도 용이하게 유동화(fluidization)되어질 수 있는 밀도가 1.0-2.0g/㎤ 사이의 물질(7)이 유력하였으며, 이러한 담체에 졸상태의 광촉매 액상과 무기계 바인더를 적당히 혼합하여 코팅(8)하고 상온에서 건조시킨 후 120℃에서 30분간의 경화로 광촉매 담체(6)를 제조할 수 있었다. 분말형태의 광촉매 산화반응장치와 유사한 반응효율을 얻기 위하여 타 반응기에 비하여 혼합 및 전달현상이 현저히 우수한 유동층 반응기를 응용하고자 하였다. 오폐수 속에서 고정층으로 존재하는 광촉매 담체(6)를 유동화시키고 오폐수의 혼합 및 용존산소의 증가로 인한 광반응의 극대화를 위하여 공기주입장치(9)와 산기장치(10)를 이용하여 오폐수 속에 공기를 산기시켰다. 특정 오폐수의 전체 처리능력에 부합되도록 일정 능력을 지니고있는 단위 반응셀(1)을 다단으로 조합하고자 하며, 반응기에서 오폐수와 광촉매 담체가 최대한 접촉하도록 액상의 흐름을 단위 반응셀 상하 지그재그로 유도하고자 한다.

오폐수의 후단처리 공정 뿐만 아니라 주공정 및 축산폐수 ·침출수와 같은 난분해성 폐수에도 활용하기 위해서는 광촉매 반응의 최적 반응조건을 맞추어 주어야 하는데, 본 고안에서는 이를 위하여 pH를 낮출 수 있는 황산(H₂SO₄) 주입은(16' ,17)와 산화제인 과산화수소(H₂O₂)를 주입할 수 있는 설비(15,16), 그리고 최종적으로 중화조(18)까지 제공하고자 한다.

도 1은 본 고안에 따른 단위 반응셀의 정면도

도 2는 본 고안에 따른 TiO₂유동화 담체의 단면도

도 3은 TiO₂광촉매 화학반응장치의 조립구성도 (정면도)

도 4는 TiO₂광촉매 수처리 장치의 조립구성도 (평면도)

도 5는 본 고안의 색도 제거율 측정 결과

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

1. TiO₂광촉매 단위 반응셀 1'. TiO₂광촉매 수처리 시스템

2. 자외선(UV) 램프 4. 안정기

6. TiO₂유동화 담체 8. TiO₂코팅체

9. 공기공급장치 10. 산기장치

11. 기포 12. 벨브

13. 체(seive) 15. 과산화수소(H₂O₂) 저장조

16. 정랑펌프 17. 황산(H₂SO₄) 용액 저장조

18. 수산화나트륨(NaOH) 용액 저장조

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 고안은 TiO₂광촉매가 표면에 코팅 · 고정화된 광촉매 담체(6)와 광촉매 담체를 반응효율이 좋게 유동화시키고 수중속의 용존산소를 높이기 위한 공기 공급부(9,10)와, TiO₂광촉매를 활성화시키기 위한 자외선 조사장치(3-5) 등으로 구성되는 단위 반응셀(1)들이 특정 오폐수의 전체 처리능력에 부합되도록 최적화 방법에 의해 다단으로 조합되어지는 특징이 있다. 경우에 따라서, 광화학 최적의 반응조건을 맞추기 위하여 pH를 낮출 수 있는 황산(H₂SO₄) 주입부(17)와 산화제인과산화수소(H₂O₂)를 주입할 수 있는 설비(15,16), 그리고 최종적으로 중화조(18)까지 제공되어질 수 있다.

이하, 첨부 도면에 의거하여 본 고안의 구성 및 작용효과를 설명하면 다음과같다.

도 1은 본 고안에 따른 단위 반응셀(1)의 정면도인데, TiO₂광촉매가 표면에 코팅된 광촉매 담체(6)와 광촉매 담체를 유체역학적으로 유동화시키기 위한 공기 공급부(9,10)와, 그리고 TiO₂광촉매에 band gap 에너지(3.2eV) 보다 높은 에너지를 공급하기 위한 자외선 조사장치(3-5) 등으로 구성되어진다. 유동화 광촉매 담체(6)는 도 2에서 보는 바와 같이, 기포(11)의 유체역학적인 흐름만으로도 용이하게 유동화(fluidization) 되어질 수 있는 ABS, 폴리카보네이트, 아세탈 수지 등, 즉 밀도가 1.0-2.0 g/㎤ 이고 크기가 1.0-4.0 mm의 열가소성 고분자 물질(7)에 졸상태의 광촉매 액상과 액상무기계 바인더를 적당히 혼합하여 코팅(8)하고 상온에서 건조시킨 후 120℃에서 약 30분간의 경화로 광촉매 담체(6)를 제조할 수 있었다. 분말형태의 광촉매 산화반응장치와 유사한 반응효율을 얻기 위하여 타 반응기에 비하여 혼합 및 전달현상이 현저히 우수한 유동층 반응기를 응용하고자 하였다. 오폐수 속에서 고정층으로 존재하는 광촉매 담체(6)를 유동화시키고 오폐수의 혼합 및 용존산소의 증가로 인한 광반응의 극대화를 위하여 공기주입장치(9)와 산기장치(10)를 이용하여 오폐수 속에 공기를 산기시켰다. 단위 반응셀(1)에서의 자외선 조사장치는 전원공급부(5), 전자식 안정기(4), 연결콕(3), 그리고 UV 램프(2)로 구성되어지며, 반응셀 내에 자외선의 강도가 균일하게 하고 광촉매 담체의 유동화 현상에 방해가 되지 않도록 수직방향으로 설치하였다. 장시간 오폐수 속에 UV 램프(2)가 담치되면 UV 램프에 스케일이 증착하여 방출 자외선의 세기를 감소시킬 수 있는데,본 고안에 따르면 기포 흐름 및 유동화 되어지는 담체(6)와 램프 표면과의 접촉에 의하여 UV 램프의 스케일 현상을 방지할 수 있다. 오폐수의 유입량과 체류량을 제어하기 위하여 단위 셀 유입부에 벨브(12)가 제공되며, 단위 반응셀(1)에서 유동화 되어지는 담체가 외부로 유출되지 않도록 유출부에 체(seive, 13)가 제공되어진다.

도 3과 도 4는 특정 오폐수의 전체 처리능력에 부합되도록 일정능력을 지니고 있는 단위 반응셀(1)을 다단으로 조합한 구성도(1' )이다. 도 3과 도 4에서 볼 수 있듯이, 일정 처리 능력을 갖추고 있는 단위 반응셀들은 요구되어지는 전체 오폐수의 처리능력에 맞게 최적화 방법에 의해 구성되어 지는데, 전체 반응조에서의 오폐수 유입량과 체류시간을 제어하기 위하여 유입부와 유출부에 각각 벨브(12)가 제공되어지며, 각각의 단위 반응셀에는 유동화 담체(6)가 다른 단위셀과 외부로 유출되지 않도록 체(13)가 상하 교대로 제공된다. 오폐수의 오염물질과 유동화 담체(6)와의 반응 장소(site)를 최대화 하기 위하여 오폐수의 흐름이 단위 반응셀의 상하 지그재그로 체(13)를 통하여 흐르도록 유도하고자 하였다. 또한, 도 4에서 볼 수 있듯이, 오폐수의 오염물질이 전체 반응조 하나에서 처리되는 것 보다 더 좋게 하기 위하여 전체 반응조를 각각의 단위 반응셀로 섹션별(14)로 구획화 하고자 하며, 단위 반응셀 각각에서의 오폐수 흐름은 광촉매 담체(6)와 오폐수의 최대 접촉면적을 위하여 1-1, 1-2, 1-3, …,1-20 과 같이 직렬 방식으로 흐르도록 고안하였다. 경우에 따라서 어느 특정 오폐수, 특히 생분해성 오염물질 보다 난분해성 오염원이 많은 침출수 및 축산폐수와 같은 오폐수를 짧은 시간내에 광화학 반응으로 처리하기 위해서는 광촉매 최적 반응조건을 맞추어야 할 경우가 있는데, 이런 경우에 산화제로서 과산화수소(H₂O₂)를 과산화수소 탱크(15)로부터 정량펌프(16)를 통하여 첫 번째 반응셀(1-1)에 주입함으로써 광화학 반응을 촉진시킬 수 있다. 그리고, TiO₂광촉매 담체를 양전하로 띄게 하여 음전하의 오염원을 쉽게 흡착할 수 있도록 황산(H₂SO₄)과 같은 산성 화학물질을 주입시킬 수 있다. 본 고안에서는 산성도를 높이기 위하여 첫번째 반응셀(1-1)에 황산 용액 저장조(17)로부터 정량펌프(16' )를 통하여 일정 황산용액을 주입할 수 있도록 하였다 또한, 산성의 오폐수를 중성화 하기 위하여 수산화나트륨(NaOH) 용액의 주입부(18)를 반응조 말단(1-20)에 제공하였다.

과산화수소(H₂O₂)와 황산(H₂SO₄) 용액을 오폐수에 주입함으로써 제거하기 어려운 색도까지 쉽게 제거할 수 있는데, 도 5는 하나의 단위 반응셀(1)에서 축산폐수를 적정량의 과산화수소와 황산을 주입하여 색도를 제거한 실험 결과치이다.

상기와 같은 본 고안에 따르면, TiO₂광촉매 분말의 회수 및 재생문제를 해결하고 TiO₂광촉매를 분말로 사용하는 반응공정과 유사한 반응효율을 나타낼 수 있는 광산화 반응 수처리 시스템(1, 1' )을 제공할 수 있다.

이상에서와 같이 본 고안에 의하면, 저렴한 비용과 간단한 설계 ·시공으로 2차 오염원인 슬러지를 발생시키는 기존 수처리 장치들을 대체할 수 있으며, 광촉매 화학반응에서 문제시 되었던 광촉매 분리 ·회수 재생 문제를 극복할 수 있을뿐만 아니라 빠른 반응시간으로 체류시간을 단축할 수 있기에 넓은 부지가 필요하였던 종래의 수처리 장치를 본 고안으로 대체한다면 부지 축소의 효과도 가져 올 수 있다. 또한, 날로 규제가 강화되는 수질 조건에 부합되게 하기 위하여 기존의 수처리 장치에 간편하게 부착하여 난분해성 오염물질까지 분해 처리할 수 있는 후단처리 장치와 물부족 현상을 극복할 수 있는 중수도 처리장치로도 제공될 수 있다 하겠다.

Claims (3)

1. TiO₂광촉매가 코팅되어진 밀도 1.0-2.0 g/㎤ 사이의 유동화 담체(6)가 기포(11)와 액상의 유체역학적인 힘으로 유동화(fluidization) 되면서 자외선을 조사받아 광화학적인 반응으로 수질오염물질을 분해 ·처리하는 것을 특징으로 하는 수처리 시스템(1).
2. 특정 오폐수의 전체 처리능력에 부합되도록, 일정 능력을 지니고 있는 단위 광반응셀(1)들이 다단으로 조합 ·구성되고, 광산화 반응기에서 오폐수와 광촉매 담체(6)가 최대한 반응하도록 액상의 흐름이 단위 반응셀 상하 지그재그 직렬방식으로 유도되어지는 것을 특징으로 하는 수처리 시스템(1' ).
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 특정 오폐수의 TiO₂광화학 반응조건을 맞추기 위하여 pH 조절장치(17,18)와 과산화수소(H₂O₂) 주입부(15,16)가 제공되는 수처리 시스템.