KR200281687Y1 - 라디칼산화수 생성장치 및 이를 이용한 수처리장치 - Google Patents

Abstract

본 고안은 수중에 포함된 유무기성 오염물질을 처리하는 수처리장치에 관한 것으로, 산화촉매를 통해 생성된 라디칼산화수와 수중의 유무기성 오염물질을 정전기장 반응장치 내에서 반응할 수 있도록 하여 처리효과가 월등히 상승되도록 함에 그 목적이 있다. 이를 위해 구성되는 본 고안은 산화제를 물에 100∼3000 ppm의 희석농도로 용해시킨 산화제 희석용액을 저장하는 산화제 저장조; 산화제 저장조로부터 유입된 산화제 희석용액에 포함된 오염물질을 거르는 섬유상활성탄필터가 내부에 설치된 여과조; 여과조로부터 유입된 산화제 희석용액을 통과시키는 과정에서 산화제 희석용액을 산화촉매 반응시켜 라디칼산화수로 생성시키는 담체에 금속이 담지된 촉매가 충진된 산화촉매 반응조; 산화촉매 반응조로부터 생성되어 유입된 라디칼산화수와 유입원수를 정전기장을 통해 물속에 들어 있는 물분자를 포함한 특정 분자들의 물리화학적 특성을 변화시켜 라디칼산화수와 유입원수 중의 유무기성 오염물질을 반응시키는 정전기장 반응장치; 정전기장 반응장치에 의해 처리된 처리수에 응집제를 투입시키는 응집제 투입수단; 및 처리수와 투입된 응집제를 혼화시키는 수단을 포함하여 이루어진다.

Description

라디칼산화수 생성장치 및 이를 이용한 수처리장치{Oxidative radical generator and water treatment apparatus thereof}

본 고안은 수중에 포함된 유무기성 오염물질을 처리하는 수처리장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 산화촉매를 통해 생성된 라디칼산화수(활성산화수)와 원수 중의 유무기성 오염물질을 정전기장 반응장치 내에서 반응을 할 수 있도록 하여 원수의 처리효과를 월등히 상승시킨 라디칼산화수 생성장치 및 이를 이용한 수처리장치에 관한 것이다.

일반적으로 환경문제에 비례하여 수처리기술의 발전이 빠른 속도로 이루어지고 있음은 주지의 사실이다. 현재 응용되는 수처리기술로 생물학적처리공법에 물리적처리공법과 화학적처리공법이 통합적으로 적용되어 운영되는 추세에 있으나 원수 중에 포함된 질소성분은 물리·화학적으로 처리하기가 곤란하다는 문제가 있다.

한편, 최근에는 전기적인 수처리방법도 크게 대두되고 있는데, 이러한 전기적인 처리방법은 상수나 폐수, 하수, 오수에 전해질이나 기타 첨가제를 첨가한 후 반응기에 설치된 양극과 음극에 전기를 가하여 오염물의 전기적 극성에 따라 오염물을 양극 또는 음극에 부착시키거나 오염물과 첨가제를 응집 또는 오염물을 전기적으로 분해시키는 기술을 말하며, 주로 중금속 폐수나 고농도의 염색 폐수처리에 이용되는 기술로 알려져 있다.

또한, 화공분야에서만 적용되던 촉매기술이 최근에는 수처리분야에도 적용되는 사례가 점차적으로 증가하고 있으며, 광촉매를 이용한 수처리공법이 이에 해당한다. 이러한 광촉매는 반응속도를 가속시키는 역할을 하며, 분자상태로 용액 중에 존재하는 균일계 광촉매와 불균일계 광촉매로 분류되어 활발한 연구개발이 추진되고 있다. 이산화티타늄(TiO₂)은 대표적인 광촉매로 수처리분야에 적용되고 있으며, 산화촉매는 금속의 전자가 통과하는 산화물질과의 이동이 일어나 수처리에 적용될 가치가 높다. 그러나, 이러한 촉매기술은 촉매반응의 메카니즘이 복잡하고 원리파악이 쉽지 않다는 문제로 인하여 현재까지 수처리과정에 접목되는 경향이 활발하지는 않다.

그리고, 플라즈마를 이용하는 수처리기술에 있어 플라즈마는 저온 플라즈마로써 질소산화물이나 황산화물의 제거, 배수처리장의 악취제거, 소각로의 다이옥신 처리, 폐수처리 등에 이용되며, 플라즈마를 발생시키는 공법에는 전자빔 플라즈마 공법과 방전공법이 있다. 전자빔 플라즈마 공법은 전자가속기를 사용하여 가스 안에 전자빔을 주입하는 방법으로 수처리에 이용시 전자빔에 의해 이온화되어 발생된 플라즈마를 폐수에 주입하는 방법과 폐수에 전자빔을 직접 조사하는 방법이 있다. 방전공법은 코로나 방전공법이라고도 하며, 전자빔 공법의 단점을 해결하고자 개발된 것으로 질소산화물과 황산화물을 동시에 제거하기 위한 연구수행 중 전자빔없이 코로나 방전만으로도 뛰어난 제거 효과가 있다는 것이 밝혀진 후 코로나 방전에 대한 연구가 많이 이루어지고 있다.

전술한 바와 같은 기술 이외에도 고주파 전극봉을 이용하여 스케일을 제거하는 공법도 국내에서 상업화되어 사용되고 있다. 기존의 공법은 전극봉에서 나오는 에너지만 활용하기 때문에 적용 효과면에 있어서 개선의 여지를 남겨놓고 있다.

또한, 자외선을 이용하는 수처리기술은 상수처리나 정수기의 살균처리에 있어서 단독으로 또는 오존과 함께 이용되며, 폐수처리에 있어서는 오염물을 산화분해시키는 산화제의 보조수단으로 주로 이용되는 기술이다. 대부분의 물은 오염상태를 여하하고 기본적으로 무기성 또는 유기성 입자를 포함하게 된다. 이러한 수처리기술은 결국 수중의 유기성·무기성 입자를 분해, 흡착제거 및 응집침전을 통하여 수중의 오염물질을 제거하는 방법이다.

좀 더 구체적으로 살펴보면, 입자의 제거는 화학적 처리방법 또는 물리적 또는 전기적인 처리로 제거할 수가 있다. 화학적 처리로서는 주로 응집제를 사용하고 있고, 물리적으로는 중간매체를 이용하여 여과를 통해 수처리를 하게 되며, 전기적 처리방법으로는 알루미늄 판 또는 철판을 용해하여 용출된 금속을 이용하여 응집케 하는 것이다.

먼저, 가장 대표적인 방법으로는 화학적 처리방법 중에서 가장 일반적으로 응집제(coagulant)를 사용하는 것이다. 무기응집제 또는 유기응집제를 사용하여 입자의 표면성질을 변화시켜 플럭을 형성케 하여 침전시키는 것이 지금까지 가장 일반적인 방법으로 알려져 있다. 사용하는 응집제로는 알루미늄계 또는 철계통의 응집제를 사용하고 있으며, 유기응집제로는 폴리아크릴아마이드, 폴리대드맥, 폴리아민 등 여러 가지 종류가 사용되고 있다.

그리고, 화학적처리방법으로 부유물질을 제거하는 경우 슬러지의 생성이 불가피하게 대두되는 단점이 있고 약품의 사용으로 처리비용이 상승한다는 단점이 있다. 화학적 처리의 가장 큰 장점은 0.1마이크론 입자크기까지 응집으로 제거할 수있다는 것이다. 따라서, 화학적 응집처리방법은 정수처리시에 필수적으로 사용하고 있다. 통상, 물속에 분산된 입자표면은 일반적으로 -전하를 띄며, 동종 입자끼리는 반발하나 외부로부터 +금속성분이 유입되면 표면이 중성반응이 일어나 입자끼리 서로 당기는 상호인력의 힘이 발생함에 따라 입자의 성장이 유도되어 플럭이 성장한다. 플럭이 성장하면 하부로 침전하게 되어 슬러지로 누적되며, 이 슬러지를 주기적으로 배출한다. 그러나, 이러한 과정을 거쳐 물과 입자를 분리하려면 막대한 처리공간과 처리시간 그리고 처리비용이 상당하다.

또한, 물은 항상 알칼리성분을 포함하고 있으므로 알칼리도가 높으면 관로 내벽에 스케일을 발생시키나 낮으면 관로 내벽에 붙은 알칼리성분이 수중으로 용출되어 나와 관로벽을 부식시킬 수 있다. 관로벽을 부식시킬 수 있는 물을 부식성 물(corrosive water)이라고 칭하는데, 물의 알칼리 조절은 상당히 중요하다. 경도가 높으면 비누가 잘 풀리지 않아 세탁에 상당한 어려움을 주게 된다. 더구나, 동일한 관로에 계속 물이 통과하면 미생물의 발생 등으로 관로의 반경이 감소하여 수압이 증가하는 현상도 나타날 수가 있다. 특히, 냉각수를 사용하는 경우 온도변화가 심하므로 관로의 부식성이 강하게 나타난다.

관로 내벽의 스케일을 방지하기 위한 일반적 방법을 기술하면 다음과 같다. 물의 pH를 증가시키면 CaCO₃또는 Mg(OH)₂가 형성 침전되어 물은 연수화 되며, 가장 범용으로 사용되는 것은 Ca(OH)₂이나 여건에 따라 NaOH를 사용할 수도 있다. 우리 나라의 정수장에서는 대부분 Ca(OH)₂를 사용하고 있고, 일부 정수장에서 NaOH를 사용하기도 한다. 연수화는 물 속의 Ca나 Mg 이온들을 적절한 수준으로 제거하는 것을 말하며, CO₂는 Ca(OH)₂를 만나면 침전한다.

Ca(OH)₂+ CO₂→ CaCO₃(s) + H₂O ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥ (1)

Ca(HCO₃)₂+ CO₂→ 2CaCO₃(s) + 2H₂O ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥ (2)

Mg(OH)₂+ CO₂→ CaCO₃(s) + MgCO₃+ 2H₂O ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥ (3)

MgCO₃+ Ca(OH)₂→ Mg(OH)₂(s) + CaCO₃(s) ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥ (4)

Mg 이온을 제거하기 위하여 필요한 소석회는 이론적으로 다음과 같다.

Mg(HCO₃)₂+ 2Ca(OH)₂→ Mg(OH)₂(s) + 2CaCO₃(s) + 2H₂O ‥‥‥‥‥‥ (5)

MgX + Ca(OH)₂→ Mg(OH)₂(s) + CaX(s) ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥ (6)

CaX + Na₂CO₃→ CaCO₃(s) + Na₂X ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥ (7)

(여기서, X는 할로겐화물로 Cl과 같은 원자가 이에 해당된다.)

MgCO₃는 용해도가 크므로 Mg(OH)₂형태로 변형하여 제거하여야 한다. Mg²⁺를 제거하려면 일차적으로 HCO₃ ^-이온을 CO₃ ^2-이온으로 전환시켜야 한다. 그 다음 단계로 OH^-이온을 첨가하면 Mg²⁺는 불용성인 Mg(OH)₂가 생성되어 침전하게 된다. 이론적으로 CaCO₃는 18 mg/l 이하까지 제거가 가능하나 실제로 제거할 수 있는 최소화농도는 30 mg/l(당량으로 0.6 meq/l)으로 알려져 있다. 실제 현장에서는 주위여건과 체류시간에 따라 평형조건이 달라지게 되므로 실험치와 상당한 차이가 발생하는 것이다. 이론적으로 1 ℃에서 최소경도 농도에 도달하는데 90분이 소요되는 반면, 실온에서는 동일한 농도로 최소화시키는데 10분이면 된다. Mg 이온의 경우 대개 10 mg/l(0.2 meq/l)까지 줄일 수 있다. 이 경우 pH를 증가시키기 위하여 화학적 당량 이상으로 석회석을 첨가하여야 한다. 여분의 알칼리도의 제거는 이산화탄소를 불어넣어 줌으로써 가능하다.

2OH^-+ CO₂→ CO₃ ^2-+ H₂O ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥ (8)

CO₃ ^2-+ H₂O → CO₂+ HCO₃ ^-‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥ (9)

여분의 Ca²⁺를 제거하는 방법의 하나는 Na₂CO₃를 첨가하는 것이다. 석회석과 함께 Na₂CO₃를 첨가하면 CaCO₃와 Mg(OH)₂의 침전을 유도할 수 있기 때문이다. 여분의 OH^-는 산의 첨가로 중화하면 된다.

이외에 상업적으로 최근에 개발된 기술로는 초음파를 이용하여 스케일을 방지하는 것으로, 스케일의 입자표면에너지를 증가시키고 물의 파동원리를 이용하는 것이 있고, 오존의 산화력을 이용하여 스케일을 방지하는 기술도 있다. 또한, 영구자석이나 전자석의 자기장을 이용하여 스케일을 방지하거나 살균을 하는 방법도 개발되어 적용되고 있으며, 최근에는 물에 고에너지를 주입하는 시스템으로 자기수력학 원리를 이용 물분자를 여기시켜 스케일을 방지하는 기술도 개발되어 현장에 적용되고 있다. 이러한 장치는 스케일을 방지할 목적으로 개발된 것이나, 대체적으로 가격이 비싸다는 문제가 있다.

한편, 물속의 부유물질은 여러 가지 방법으로 제거할 수 있다. 이미 기술한 바와 같이 물리적으로는 여과하거나 멤브란을 이용하여 제거하는 방법이 있으나 처리비용의 상승으로 화학적 처리방법을 병행하여 처리하는 경우가 일반적이다. 대개의 경우 화학적방법으로는 응집제를 사용하여 처리하고 있다. 정수, 하수, 오수, 폐수, 하수처리장에서 물속의 유·무기성 물질을 제거하기 위하여 금속성 응집제를 사용하고 있는데, 주로 사용하는 응집제는 폴리염화알루미늄(PAC), 폴리염화규산알루미늄(PACS), 황산반토(Alum), 황산제일철, 황산제이철, 염화제일철, 염화제이철, 유기응집제 등을 사용하고 있다. 이외에도 유기성 응집제로는 폴리아크릴아마이드, 폴리아민, 폴리대드맥 등을 현장에서 사용하고 있다.

전술한 바와 같이 응집제를 사용하여 수처리할 경우 처리 후 슬러지 처리비용이 상승하는 단점이 있다. 즉, Al³⁺금속이온이 Al(OH)₃로 되면서 슬러지 중에 포함됨으로써 슬러지의 증가량이 적게는 10%에서 25%까지 증가하여 처리비용이 상대적으로 상승하게 된다. 2002년부터 슬러지 폐기처분이 안됨에 따라 슬러지를 배출하는 공장은 별도의 처리방법을 강구하여야 하는 시점에 놓이게 되었다.

최근에 개발된 방법으로 전기응집(Al 혹은 Fe 전극을 사용함)을 사용하여 용해되는 Al³⁺이온 또는 Fe³⁺이온을 응집성분으로 사용하는 방법도 개발되어 사용되고있다. 전기응집은 알루미늄극이나 철극을 통해서 용해된 Al 또는 Fe 금속을 응집성 금속으로 사용하는 것이므로 기능적으로는 전기응집은 외부로부터 응집제를 투입하는 것과 동일하다. 이 경우 수소이온 발생(부상), 용해농도의 한계, 극의 오염현상과 같은 단점이 있어 특별한 처리대상을 제외하고는 국내에서 사용을 기피하고 있는 실정이다. 이러한 현상 때문에 상업화에는 한계가 있어 상용화하기에는 많은 장애물이 있는 것으로 알려져 있다.

전기 또는 레이저와 플라즈마를 이용하는 공정도 활발히 전개되고 있다. 종전에는 생물학적처리, 화학적처리가 주종을 이루었으나 최근에 들어와 전자빔 또는 레이저를 이용하여 유기물입자를 분해하는 수처리기술도 개발되어 현장에서 적용되고 있다. 용해성 유기물을 포함하는 곳에 전자빔을 주사하면 에너지를 수용하여 유기물입자가 분해할 수가 있다. 또한 슬러지를 분해할 때 레이저를 이용하는 기술도 개발되고 있다.

전술한 바와 같이 지금까지의 수처리기술은 물리 화학적처리로써 약품투입에 의한 응집·침전처리, 활성탄여과, 산화분해, 오존에 의한 살균 및 미생물을 이용한 생물학적처리 등에 집중되어 왔으나 향후에는 전기화학, 전기자기력, 플라즈마, 자외선, 촉매기술 등의 첨단기술을 이용한 수처리기술이 상용화하는 단계에 있다.

본 고안은 전술한 바와 같이 물리 화학적처리로써 약품투입에 의한 응집·침전처리, 활성탄여과, 산화분해, 오존에 의한 살균 및 미생물을 이용한 생물학적처리 등의 수처리기술들이 갖는 문제점을 해결함은 물론, 향후의 수처리기술에 대처할 수 있는 기술의 개발을 위해 안출된 것으로, 금속이 담지된 촉매를 이용하여 라디칼산화수(활성산화수)를 일차적으로 생산하고, 연속적으로 정전기장 반응장치 내에 진입시켜 원수 속에 들어 있는 물분자를 포함한 특정 분자들의 물리·화학적 특성을 변화시켜 분해기능, 활성화기능, 응집기능을 유발시킴으로써 유기물의 분해반응이 촉진될 수 있도록 하여 원수의 처리효율을 극대화 할 수 있도록 한 라디칼산화수 생성장치 및 이를 이용한 수처리장치를 제공함에 그 목적이 있다.

본 고안의 두 번째 목적은 라디칼산화수의 투입과 정전기장 반응장치를 통해 물의 이온화를 촉진시켜 원수 중에 입자나 유기물을 분해 또는 분리시켜 원수의 처리효율을 극대화 할 수 있도록 함으로써 응집제 투입량을 감소시킬 수 있도록 함은 물론,수처리 후 슬러지의 발생량을 감소시킬 수 있도록 함에 있다.

본 고안의 세 번째 목적은 본 고안에 따른 수처리장치를 경유를 사용하는 보일러 및 자동차에 설치하여 경유를 구성하는 분자의 관능기를 활성화시킴으로써 연료의 효율을 증대시킬 수 있도록 함에 있다.

본 고안의 네 번째 목적은 수영장의 유입수 또는 순환수의 처리공정에 본 고안에 따른 수처리장치를 적용함으로써 물속에 포함된 박테리아를 사멸시킬 수 있도록 함에 있다.

본 고안의 다섯 번째 목적은 공업용수의 온·냉각순환시 본 고안에 따른 수처리장치를 적용하여 온·냉각순환용 유입수를 처리함으로써 관로 내벽에 스케일이 쌓이는 것을 방지할 수 있도록 함은 물론, 관로 내벽에 쌓인 스케일을 제거할 수 있도록 함에 있다.

나아가, 본 고안은 본 고안에 따른 수처리장치를 이용하여 유입수를 처리함으로써 농산물 및 동물의 급수용으로 사용하여 식물 및 동물의 성장속도를 증가시킬 수 있도록 함은 물론, 수확량을 증가시킬 수 있도록 함에 있다.

도 1 은 본 고안에 따른 라디칼산화수를 이용한 수처리장치를 개략적으로 보인 전체 구성도.

도 2 는 본 고안에 따른 라디칼산화수를 이용한 수처리장치의 섬유상활성탄필터를 보인 단면 개략도.

도 3 은 본 고안에 따른 라디칼산화수를 이용한 수처리장치의 산화촉매 반응조를 보인 단면 개략도.

도 4 는 본 고안에 따른 라디칼산화수를 이용한 수처리장치의 전전기장 반응조를 보인 제 2 실시예의 단면 개략도.

도 5 는 본 고안에 따른 라디칼산화수를 이용한 수처리장치의 전전기장 반응조를 보인 제 3 실시예의 단면 개략도.

도 6a 는 본 고안에 따른 라디칼산화수를 이용한 수처리장치의 설치 전 관로 내부에 스케일이 형성된 상태를 보인 그림.

도 6b 는 본 고안에 따른 라디칼산화수를 이용한 수처리장치의 설치 후 관로 내부의 스케일이 제거된 상태를 보인 그림.

*** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ***

100. 수처리장치 110. 라디칼산화수 생성장치

112. 산화제 저장조 114. 여과조

114a. 섬유상활성탄필터 116. 산화촉매 반응조

116a. 촉매 120. 정전기장 반응장치

122. 정전기장 반응조 124, 224. AC/DC 정류기

126, 126a, 226, 226a. 전극봉 132. 응집제 저장조

134. 응집제 투입관 140. 혼화관

150. 진동자 160. 바이패스관

170. 블로어 172. 공기주입관

전술한 목적을 달성하기 위해 구성되는 본 고안은 다음과 같다. 즉, 본 고안에 따른 라디칼산화수 생성장치는 산화제를 물에 100∼3000 ppm의 희석농도로 용해시킨 산화제 희석용액을 저장하는 산화제 저장조; 산화제 저장조로부터 유입된 일정농도의 산화제 희석용액을 통과시켜 이물질을 여과하는 여과조; 여과조의 내부에 설치되어 산화제 저장조로부터 유입된 산화제 희석용액에 포함된 오염물질을 거르는 섬유상활성탄필터; 여과조를 통과하여 유입된 산화제 희석용액을 산화촉매 반응시키는 산화촉매 반응조; 및 산화촉매 반응조의 내부에 보호철망에 의해 충진되어 유입된 산화제 희석용액을 통과시키는 과정에서 라디칼산화수로 생성시키는 담체에 금속이 담지된 촉매를 포함하여 이루어진다.

전술한 구성에서 산화제로는 차아염소산(NaClO), 안정화이산화염소(NaClO₂), 염소산나트륨(NaClO₃), 과산화수소(H₂O₂), 오존(O₃), 이산화염소(ClO₂), 염소(Cl₂)를 단독 또는 둘 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.

전술한 구성에서 섬유상활성탄필터는 은(Ag), 알루미늄(Al), 철(Fe), 구리(Cu) 금속 중 하나 이상에 섬유상활성탄 대비 0.1∼10 중량%의 비율로 담지된 섬유상활성탄시트의 원통형 내주면과 외주면 각각에 보호철망이 구성되어 상기 섬유상활성탄시트의 형을 유지하는 구조로 이루어질 수 있다.

한편, 전술한 촉매를 구성하는 담체로는 실리카-알루미나, 알루미나, 제올라이트, 실리카, 규조토, 셀라이트, 퍼라이트, 세라믹허니컴 중 하나 이상의 담체를 사용하고, 담지금속으로는 크롬, 철, 티탄, 텅스텐, 코발트, 니켈, 구리, 망간, 백금, 지르코늄 중 하나 이상을 담체 대비 0.1∼15 중량% 범위로 담지시킬 수 있다.

전술한 바와 같은 구성에서 산화제 희석용액과 촉매의 접촉속도는 촉매 1g당 10∼1000 ml/hr·g-cat로 하고, 산화제 희석용액를 통과시킬 때의 촉매온도는 50∼150 ℃로 함이 양호하다.

따라서, 라디칼산화수는 산화제를 물속에 100∼3000 ppm의 희석농도로 용해시킨 산화제 희석용액을 은(Ag), 알루미늄(Al), 철(Fe), 구리(Cu) 금속 중 하나 이상이 0.1∼10 중량%의 비율로 담지된 섬유상활성탄필터를 통해 오염물질을 여과시킨 후, 실리카-알루미나, 알루미나, 제올라이트, 실리카, 규조토, 셀라이트, 퍼라이트, 세라믹허니컴 중 하나 이상으로 이루어진 담체에 크롬, 철, 티탄, 텅스텐, 코발트, 니켈, 구리, 망간, 백금, 지르코늄 금속 중 하나 이상을 0.1∼15 중량% 범위로 담지시킨 촉매에 통과시킴으로써 생성된 OH라디칼(또는 OH·로 표시), OCl^-, HOCl 같은 산화력이 우수한 중간종들로 구성됨을 알 수 있다.

본 고안의 라디칼산화수를 이용한 수처리장치의 구성을 보면 산화제를 물에 100∼3000 ppm의 희석농도로 용해시킨 산화제 희석용액을 저장하는 산화제 저장조; 산화제 저장조로부터 유입된 산화제 희석용액에 포함된 오염물질을 거르는 섬유상활성탄필터가 내부에 설치된 여과조; 여과조로부터 유입된 산화제 희석용액을 통과시키는 과정에서 산화제 희석용액을 산화촉매 반응시켜 라디칼산화수로 생성시키는 담체에 금속이 담지된 촉매가 충진된 산화촉매 반응조; 산화촉매 반응조로부터 생성되어 유입된 라디칼산화수와 유입원수를 정전기장을 통해 물속에 들어 있는 물분자를 포함한 특정 분자들의 물리화학적 특성을 변화시켜 라디칼산화수와 유입원수 중의 유무기성 오염물질을 반응시키는 정전기장 반응장치; 정전기장 반응장치에 의해 처리된 처리수에 응집제를 투입시키는 응집제 투입수단; 및 처리수와 투입된 응집제를 혼화시키는 수단을 포함하여 이루어진다.

전술한 구성에서 정전기장 반응장치는 일측 하부 적소에 형성되어 유입원수와 라디칼산화수가 유입되는 유입구와 일측 상부 적소에 형성되어 반응후 처리수를 유출시키는 유출구가 구비된 무전도체 재질의 정전기장 반응조; 정전기장 반응조의 적소에 설치되어 교류전압을 직류전압으로 변환시켜 공급하는 AC/DC 정류기; 및 정전기장 반응조 내부에 하나 이상 직립되게 설치되어 공급되는 직류전압을 통해 정전기장을 발생시키는 전극봉으로 이루어질 수 있다.

전술한 정전기장 반응조의 재질은 폴리에틸렌, 폴리프러필렌, 고강도폴리비닐수지, 폴리우레탄, 비전도성 알루미늄합금 중 어느 하나로 제조될 수 있다.

전술한 전극봉은 탄소, 알루미늄, 구리, 티타늄 및 스테인레스 스틸 중 어느 하나의 재질로 이루어질 수 있다. 특히, 본 고안에서는 전극봉으로 스테인레스 스틸을 사용하였다.

전술한 전극봉의 표면에는 폴리프로필렌 또는 폴리에틸렌으로 코팅처리된 코팅층을 더 형성함이 양호하다.

전술한 전극봉은 정전기장 반응조 내측의 상부로부터 하향으로 직립된 일자형의 단일구조로 이루어질 수도 있고, 스크류 형태의 단일구조로 이루어질 수도 있다. 또한, 전극봉은 정전기장 반응조 내측의 하부로부터 상향으로 직립된 형태로 두 개가 설치될 수도 있다. 이때, 두 개의 전극봉 사이에는 정전기장 반응조 내부의 유입원수와 라디칼산화수를 교반시키는 교반기가 더 설치될 수 있다.

전술한 혼화수단은 정전기장 반응조의 유출구를 통해 유출된 1차 처리수를 두 갈래로 분리된 관을 흐르게 하여 유속을 느리게 한 후, 다시 합쳐지는 단일관 구조로 형성하여 외부에너지 없이 1차 처리수와 응집제의 순간혼화를 유도할 수 있도록 구성될 수 있다.

한편, 전술한 정전기장 반응조에는 블로어와 공기주입관으로 이루어져 정전기장 반응조의 내부에 공기를 주입하는 수단이 더 구성될 수 있다.

한편, 정전기장 반응조를 미세하게 진동시켜 내벽에 붙은 입자들을 탈리시키는 진동자가 정전기장 반응조의 하부측에 더 구성될 수 있다.

그리고, 정전기장 반응조의 내부에서 처리되어 유출구를 통해 유출되는 1차 처리수를 정전기장 반응조의 유입구로 바이패스시키는 바이패스관이 더 구성될 수도 있다.

이하에서는 본 고안의 바람직한 실시예에 따른 라디칼산화수 생성장치 및 이를 이용한 수처리장치에 대하여 상세하게 설명하기로 한다.

도 1 은 본 고안에 따른 라디칼산화수를 이용한 수처리장치를 개략적으로 보인 전체 구성도, 도 2 는 본 고안에 따른 라디칼산화수를 이용한 수처리장치의 섬유상활성탄필터를 보인 단면 개략도, 도 3 은 본 고안에 따른 라디칼산화수를 이용한 수처리장치의 산화촉매 반응조를 보인 단면 개략도이다.

도 1 내지 도 3 에 도시된 바와 같이 본 고안에 따른 라디칼산화수 생성장치(110)는 산화제를 물에 일정농도 용해시킨 산화제 희석용액을 저장하는 산화제 저장조(112), 섬유상활성탄필터(114a)를 통해 산화제 저장조(112)로부터 유입된 산화제 희석용액에 포함된 오염물질을 여과하는 여과조(114) 및 담체(116a-1)에 금속(116a-2)이 담지된 촉매(116a)를 통해 여과조(114)로부터 유입된 산화제 희석용액을 산화촉매 반응시켜 OH라디칼(또는 OH·로 표시), OCl^-HOCl 같은 산화력이 우수한 중간종들로 구성되는 라디칼산화수(또는 활성산화수: 산화제가 촉매층을 통과하면서 형성된 같은 중간종을 포함하는 용액을 말한다)를 생성시키는 산화촉매 반응조(116)로 이루어진다.

전술한 바와 같이 구성된 라디칼산화수 생성장치(110)에서 산화제의 사용농도는 희석농도로 100∼3000 ppm이 적당하며, 촉매(116a)의 접촉속도는 10∼1000 ml/hr·g-cat가 적절하다. 즉, 한 시간동안 촉매 1그램당(g-cat로 표시) 통과되는 산화제 희석용액은 10∼1000 ml정도가 가장 효과적인 결과를 나타낸다. 또한, 산화제 희석용액(산화제를 희석한 용액)을 촉매(116a)에 통과시킬 때 촉매온도는 50∼150 ℃로 유지하는 것이 양호하다. 이는 촉매온도를 50∼150 ℃로 유지할 때 라디칼산화수의 생성속도가 증가하기 때문이다.

전술한 바와 같은 조건하에서 산화제 저장조(112)에 저장된 산화제 희석용액을 여과조(114)로 통과시키면 산화제 희석용액에 포함된 오염물질은 금속이 담지된 섬유상활성탄필터(114a)에 의해 걸러지게 된다. 따라서, 금속이 담지된 섬유상활성탄필터(114a)의 역할은 촉매(116a)의 오염을 최소화시키기 위한 구성임을 알 수 있다.

섬유상활성탄필터(114a)는 은(Ag), 알루미늄(Al), 철(Fe), 구리(Cu) 금속 중 하나 이상이 섬유상활성탄 대비 0.1∼10 중량%의 비율로 담지되어 원통형으로 형성된 섬유상활성탄시트(114a-1)의 내주면과 외주면 각각에 보호철망(114a-2)이 구성되어 섬유상활성탄시트(114a-1)의 형을 유지하는 구조로 이루어진다. 산화제 저장조(112)로부터 여과조(114)로 유입되는 산화제 희석용액은 섬유상활성탄필터(114a)의 내주면으로 유입되어 외주면으로 통과하는 과정에서 섬유상활성탄시트(114a-1)에 의해 오염물질이 걸러지게 된다.

전술한 섬유상활성탄필터(114a)를 거쳐 오염물질이 제거된 상태의 산화제 희석용액은 산화촉매 반응조(116)의 내부로 유입되어 충진된 촉매(116a)층을 통과하면서 산화반응에 의해 OH라디칼(또는 OH·로 표시), OCl^-, HOCl 같은 산화력이 우수한 중간종들로 구성되는 라디칼산화수로 생성된다.

한편, 전술한 바와 같은 라디칼산화수 생성장치(110)의 구성을 통해 생성된 라디칼산화수를 이용한 수처리장치(100)의 구성을 살펴보면 다음과 같다. 먼저, 본 고안에 따른 수처리장치(100)는 라디칼산화수를 이용하는 장치이기 때문에 라디칼산화수 생성장치(110)를 기본적으로 구성하게 된다.

따라서, 본 고안에 따른 라디칼산화수를 이용한 수처리장치(100)는 산화제를 물에 100∼3000 ppm의 희석농도로 용해시킨 산화제 희석용액을 저장하는 산화제 저장조(112), 산화제 저장조(112)로부터 유입된 산화제 희석용액에 포함된 오염물질을 거르는 섬유상활성탄필터(114a)가 내부에 설치된 여과조(114), 여과조(114)로부터 유입된 산화제 희석용액을 통과시키는 과정에서 산화제 희석용액을 산화촉매 반응시켜 라디칼산화수로 생성시키는 담체(116a-1)에 금속(116a-2)이 담지된 촉매(116a)가 충진된 산화촉매 반응조(116), 산화촉매 반응조(116)로부터 생성되어 유입된 라디칼산화수와 유입원수를 정전기장을 통해 물속에 들어 있는 물분자를 포함한 특정 분자들의 물리화학적 특성을 변화시켜 라디칼산화수와 유입원수 중의 유무기성 오염물질을 반응시키는 정전기장 반응장치(120), 정전기장 반응장치(120)에 의해 처리된 처리수에 응집제를 투입시키는 응집제 투입수단(130) 및 처리수와 투입된 응집제를 혼화시키는 혼화관(140)을 포함하여 이루어진다.

전술한 구성에서 정전기장 반응장치(120)는 앞서의 설명에서와 같이 유입된 라디칼산화수와 유입원수를 정전기장을 통해 물분자를 포함한 특정 분자들의 물리화학적 특성을 변화시켜 라디칼산화수와 유입원수 중의 유무기성 오염물질을 반응시키는 것으로, 이 정전기장 반응장치(120)는 일측 하부 적소에 형성되어 유입원수와 라디칼산화수가 유입되는 유입구(122a)와 일측 상부 적소에 형성되어 반응후 처리수를 유출시키는 유출구(122b)가 구비된 무전도체 재질의 정전기장 반응조(122), 정전기장 반응조(122)의 적소에 설치되어 교류전압을 직류전압으로 변환시켜 공급하는 AC/DC 정류기(124) 및 정전기장 반응조(122) 내부에 하나 이상 직립되게 설치되어 공급되는 직류전압을 통해 정전기장을 발생시키는 전극봉(126)의 구성으로 이루어진다.

이때, 정전기장 반응조(122)는 무전도체인 폴리에틸렌, 폴리프러필렌, 고강도폴리비닐수지, 폴리우레탄, 알루미늄합금 중 어느 하나로 제조된다. 이는 정전기장 반응조(122)에 높은 전압이 인가되기 때문에 안전성을 고려한 것이다.

전술한 바와 같이 구성된 본 고안에 따른 라디칼산화수를 이용한 수처리장치(100)는 유입구(122a)를 통해 정전기장 반응조(122)의 내부로 유입된 유입원수와 라디칼산화수에 AC/DC 정류기(124)를 통해 직류전압을 인가하여 전극봉(126) 주위에 정전기장을 발생시킴으로써 물속에 들어 있는 물분자를 포함한 특정 분자들의 물리화학적 특성을 변화시켜 유무기성 물질을 분해 또는 활성화를 통해 수처리효과를 유발시키게 된다.

정전기장 반응장치(120)를 구성하는 전극봉(126)은 탄소, 알루미늄, 구리, 티타늄 및 스테인레스 스틸 중 어느 하나의 재질로 이루어질 수 있으나, 본 고안에서는 전극봉(126)으로 스테인레스 스틸을 이용하였으며, 또한 전극봉(126)의 표면에는 폴리프로필렌 또는 폴리에틸렌으로 코팅처리된 코팅층(126-1)을 더 형성하여 전극봉(126)의 수명을 반영구적으로 사용할 수 있도록 하였다.

전술한 바와 같이 전극봉(126)을 스테인레스 스틸 재질로 형성한 후, 폴리프로필렌 또는 폴리에틸렌 코팅층(126-1)을 형성함으로써 전기력이 월등히 증가될 뿐만 아니라 내구성 역시 월등히 증가된다.

본 고안의 라디칼산화수를 이용한 수처리장치(100)에는 산화촉매 반응조(116)를 통해 생성된 라디칼산화수를 정전기장 반응조(122)의 내부로 투입하기 위한 라디칼산화수 투입관(118)이 산화촉매 반응조(116)의 하부로부터 정전기장 반응조(122)의 유입구(122a) 측에 연결된다.

응집제 투입수단(130)은 정전기장 반응조(122)를 통과한 입자들이 100% 응집제없이 응집반응을 할 수 없으므로 정전기장 반응조(122)를 통과한 1차 처리수에 응집제를 투입하기 위한 것으로, 이 응집제 투입수단(130)은 응집제를 저장하는 저장조(132)와 응집제 저장조(132)에 저장된 응집제를 정전기장 반응조(122)의 유출구(122b) 측에 투입시키는 응집제 투입관(134)으로 이루어진다.

혼화수단으로써의 혼화관(140)은 정전기장 반응조(122)의 유출구(122b)를 통해 유출되는 1차 처리수와 투입된 응집제를 혼화시키는 것으로, 이 혼화관(140)은 정전기장 반응조(122)의 유출구(122b)를 통해 유출된 1차 처리수를 단일관으로부터 두 갈래로 분리된 관을 흐르게 하여 유속을 느리게 한 후, 다시 합쳐지는 단일관 구조로 형성된다. 이처럼 구성된 혼화관(140)은 외부에너지 없이 1차 처리수와 응집제의 순간혼화를 유도하게 된다.

플럭의 성장을 위하여는 입자끼리 충돌이 필수적인데 혼화관(140)은 입자간 충돌효과를 유도하는데 적절한 기능을 발휘한다. 이러한 혼화관(140)은 전기장이 분포된 관내부를 통과한 1차 처리수의 통로를 두 갈래로 나뉘어 유속을 느리게 하고 다시 단일관으로 합쳐지도록 함으로써 응집제를 교반없이 순간적으로 교반시키게 된다.

또한, 본 고안에는 정전기장 반응시 정전기장 반응조(122)의 내벽에 붙은 입자들을 탈리시키는 구성이 더 구비되는데, 정전기장 반응조(122)의 하부에 설치된 진동자(150)의 구성이 바로 그것이다. 이러한 진동자(150)는 정전기장 반응조(122)를 미세하게 진동시킴으로써 내벽에 붙은 입자들을 탈리시키게 된다.

그리고, 본 고안에는 처리효과를 보다 안정적으로 유지하기 위해 정전기장 반응조(122)의 내부에서 정전기장 반응에 의해 처리되어 유출구(122b)를 통해 유출되는 1차 처리수를 바이패스시켜 제고효과를 상승시키는 바이패스관(160)의 구성이 더 구비된다. 이러한 바이패스관(160)은 정전기장 반응조(122)의 유출구(122b)를 통해 유출되는 1차 처리수를 유입원수가 유입되는 유입구(122a)로 바이패스시키게 된다. 이때, 유출구(122b) 측의 바이패스관(160) 일단은 정전기장 반응조(122)와 응집제 투입관(134) 사이의 유출구(122b) 상에 연결된다.

정전기장 반응조(122)의 내부로 공기를 주입하는 수단은 정전기장 반응조(122)의 내부로 공기를 주입하여 유기물의 분해를 촉진시키기 위한 것으로, 이 공기주입수단은 블로어(170)와 공기주입관(172)으로 이루어진다. 이처럼 정전기장 반응조(122)의 내부에 공기를 주입함으로써 공기 중의 산소는 정전기장 반응조(122) 내에서 활성화되고, 이에 따라 정전기장 반응조(122) 내에 용존산소 농도가 증가하는 부수적인 효과도 기대할 수 있다.

폭기조 전처리로써 본 고안에 따른 수처리장치(100)를 사용할 경우 미생물 증식효과를 크게 증가시킬 수 있다. 물분자가 활성화된 산소분자를 사슬처럼 애워싸게 되어 물속에 산소농도가 증가하게 된다.

한편, 본 고안에 따른 정전기장 반응장치의 원리에 대해 살펴보면 다음과 같다. 먼저, 본 고안의 정전기장 반응장치(120)에서 생성되는 전기력(두 전하 사이에 작용하는 힘)의 세기는 수학식 1과 같이 쿨롱의 법칙에 따른다. 즉, 두 전하가 있을 때 다른 종류의 전하는 흡인력이 작용하고, 같은 종류의 전하는 반발력이 작용하며, 두 전하 사이에 작용하는 전기력(F)은 두 전하 Q₁[단위 C: 전하], Q₂[단위 C: 전하]의 곱에 비례하고, 두 전하 사이의 거리 r[단위: m]의 제곱에 반비례한다.

여기서, F : 두 전하 사이에 작용하는 힘(전기력), k : 비례상수(k=1/(4πε), 진공중의 비례상수 =9×10⁹, r : 두 전하 사이의 거리[m], Q₁, Q₂: 전하[C], ε : 유전율[F/m], ε=ε₀·ε_R(ε₀: 진공의 유전율(=8.855×10^-12[F/m]), ε_R: 비유전율), N: 힘의 단위(뉴턴)이다.

본 고안에 따른 정전기장 반응장치(120)로부터 생상되는 전기장은 전기력이 작용하는 공간으로 정의한다. 이 공간은 처리하고자하는 유입원수가 통과하는 공간이며 유입원수가 통과하는 파이프의 직경은 원통형인 경우 전극봉의 표면적 크기에 따라 10∼500 mm 범위로 한다. 따라서, 정전기장 반응장치(120)의 전극봉(126)에서 생성되는 전기력은 전위가 높은 전극봉(126)의 표면에서부터 접지된 상태의전위가 낮은 정전기장 반응조(122)의 벽면으로 향한다. 이 경우 전기력선(전기장의 상태를 나타내는 가상의 선)의 접선방향은 그 접점에서의 전기장의 방향을 가리키게 된다.

한편, 본 고안에 따른 전기장의 세기(E)는 다음의 수학식 2 에서와 같이 정의된다. 즉, 전기장의 세기는 전하량에 비례하고 전하사이의 거리 제곱에 반비례한다(V:전압단위 볼트). 전극표면으로부터 멀어질수록 전기장의 세기는 감소한다.

수학식 2 에서와 같이 정의하면 본 고안에 따른 정전기장 반응장치(120)의 공간에 작용하는 전기력 F=QE(Q: 전하, E: 전기장의 세기)로 정의할 수 있다.

따라서, 정전기장 반응장치(120)에서 전기력을 조절하기 위해서는 교류로부터 전환된 직류전압을 임의로 조절하므로 가능하다. 정전기장 반응장치(120)는 직류로부터 교류전압을 전환하는 장치가 부착되어 있어 임의의 공간에 생성되는 전기력을 조절할 수 있도록 설계된다. 정전기장 반응장치(120)에서 생성되는 전압(V)는 수학식 3 과 같이 정의되는 값이다. 즉, 생성되는 전하량(전극의 표면적에 비례)을 알면 전극표면으로부터 거리 r의 위치에서 전압값을 알 수 있다.

수학식 3 으로부터 유도되는 정전기장 반응장치(120)의 전압은 10∼30 kV 범위까지 생산될 수 있도록 설계된다. 정전기장 반응장치(120)는 전극봉(126)에서 전기력이 발생되는데 극표면에서 공간적으로 멀리 떨어질수록 유입수가 수용하는 에너지가 작게 되므로 전극봉(126)의 형태를 스크류형(도 4 참조)으로 하여 전극표면으로부터 생기는 고에너지를 유입수 전체에 균일하게 분산시키고자 하였다. 유입수가 통과공간에서 와류가 형성되도록 해줌으로 전극표면으로부터 생성되는 고에너지를 유입수에 균등하게 분산시킬 수 있다.

한편, 본 고안에 따른 정전기장 반응장치(120)는 전극표면에서 전하가 발생하므로 물분자의 경우 산소원자의 전자밀도가 더욱 증가하게 되어 쌍극자 효과가 증가하게 된다. 이것은 물분자가 이온화 또는 활성화된다는 것을 의미한다. 산소원자 주위에 전하량이 증가하면 수학식 4 에 따라 쌍극자 모멘트가 증가하게 된다. 쌍극자란 유전체 내에서 크기가 같고 극성이 반대인 +q와 -q의 1쌍의 전하를 가지는 원자를 말하는 것으로, 한 분자 내에서 분극화 현상이 증가하는 것이다. 물분자의 쌍극자 모멘트 M은 수학식 4 와 같이 정의된다.

M=qℓ[C·m]

여기서, M : 쌍극자 모멘트[C·m], q : 전하량[C], ℓ : 거리간격[m] 이다.

한편, 라디칼산화수 생성장치(110)에 의해 생성된 라디칼산화수의 특성을 분석하기 위하여 물의 이온세기(ionic strength)를 전기전도도 값을 통하여 측정하였다. 전기전도도 값은 수중에 존재하는 총이온종의 전하값을 간접적으로 나나낼 수 있는 수치이다. 물분자가 활성화(이온화)되거나 외부로부터 산화제가 주입되면 전기전도도 값이 증가하므로 본 장치의 특성을 분석하는 수단으로 유입수, 라디칼산화수(활성화산화수), 최종유출수의 이온세기를 전기전도도를 통하여 분석하였다.

공정시험방법(38항)에 따라 일정시료를 취하여 각 샘플의 전기전도도를 측정하였으며, 분석장치는 전기전도도 분석장치(모델 CM-40G)를 사용하였다. 오차를 줄이기 위하여 수온은 25 ℃에서의 값으로 환산한 값으로 서로 비교하였다.

시 료	전기전도도	비 고
유입수	2.1 ×103㎲/cm	1. 유입수 성상 pH = 7.8COD = 35mg/l2. 각 시료의 경우 값은 3회평균하여 산출한 것임.
산화용액(NaCl 250 ppm)	2.3 ×104㎲/cm
라디칼산화수(산화촉매층을 통과한 용액)	9.5 ×104㎲/cm
정전기장 반응조를 통과한유출수	5.7 ×105㎲/cm

표 1 에서와 같이 유입수의 전기전도도 값이 2.1 ×10³㎲/cm 나오는 것은 수중에 유기물이 이온상태로 용해되어 있기 때문으로 분석된다. 또한, 산화용액이 산화촉매층(고체상)을 통과했을 때 전기전도도 값이 증가하는 것을 알 수 있는데이것은 산화제로 투입한 NaClO가 분해되면서 OH·(라디칼), O^*(excited), OCl^-, HOCl, Cl^-와 같은 화학중간종이 생성되어 물분자를 포함하여 용액전체가 활성화되었기 때문이다. 산화촉매를 통과한 라디칼산화수(활성산화수)가 정전기장 반응장치(120)를 통과하였을 때 유출수의 전기전도도 값이 월등히 증가함을 알 수 있으며, 이는 물분자와 주입된 라디칼산화수의 화학중간종이 활성화를 가속화시켰기 때문임을 시사한다.

전술한 바와 같은 수처리과정에서 라디칼의 생성원리는 펜톤산화법에서 주로 이용되고 있다. 이 원리는 침출수를 처리하는 과정에서 고농도의 유기물을 제거하기 위하여 펜톤산화법(액상반응)을 이용하는데, 황산과 철이온(Fe²⁺) 존재하에서 과산화수소를 주입하면 OH·(라디칼)이 생성된다. 이때, 생성된 라디칼은 유기물 분해에 유효하게 사용된다.

일반적으로 라디칼 생성반응은 용액상태에서 UV나 철촉매 존재하에서 H₂O₂일정량 주입하여 OH 라디칼(Radical)을 생성시킨다. 용액상태에서 반응하게 되므로 처리 후에는 철촉매가 소비되어 버리는 단점이 있고 pH를 3∼4범위에 맞추어야 하므로 비경제적이라 할 수 있다. 라디칼은 난분해성 유기화합물을 빠른 속도로 산화시켜 난분해성 유기물질을 쉽게 제거할 수 있다. 과산화수소(H₂O₂)와 UV를 이용한 유기물분해는 OH 라디칼의 생성속도가 너무 느리고 접촉반응도 처리효율이 낮은 것이 단점으로 지적된다.

OH생성을 유도하기 위하여 여러가지 산화방법이 있는데, UV/오존, UV/과산화수소, UV/과산화수소·오존 방식이 그 한 예다. 일반적으로 촉매를 사용하지 않으면 생성되는 OH 라디칼의 생성이 느리며 OH의 발생량이 적다. 본 고안에 따른 수처리장치(100)에서는 여러 가지 금속을 담체에 담지시켜 산화촉매층에서 1단계 라디칼의 생성이 일어나고, 강력한 전기장내에서 라디칼의 생성이 더욱 촉진됨에 따라 유기물의 분해반응 또는 여기상태(exciting)를 용이하게 유도할 수 있도록 설계하였다.

수산화(OH) 라디칼은 유기오염물질의 C-H 결합을 분해할 수 있으며, 산화제를 과산화수소를 사용할 경우 OH 라디칼의 생성메커니즘은 예는 다음과 같다. 여기서 S는 담체를 의미한다. 담체에 담지된 금속 철, 크롬, 망간 등은 촉매작용을 하게 되는데, 철금속 위에서 반응은 다음과 같이 진행된다.

S-Fe^2＋＋ H₂O₂= S-Fe^3＋＋ OH· ＋ OH^-

라디칼은 한 번 형성되면 분자 중에는 전자의 이동을 유도한다. 여기된 분자나 라디칼은 자기자신 혹은 다른 분자 등과 반응하여 각종 생성물을 생성하는 특징을 가지고 있다. 반응 중에 생성된 라디칼산화수는 반응성이 아주 우수하여 유기물을 분해시킨다. 예를들면, 유입수 중에 메탄올 분자가 포함되어 있을 경우 OH 라디칼과의 반응은 다음과 같이 진행될 수 있다. 즉, 메탄올 분자가 OH 라디칼과 반응하여 분해현상이 일어난다.

CH₃OH(Methanol 분자) + OH· → CO₂↑(대기중으로 확산) + OH^-

구체적으로 유기물과 OH라디칼의 분해메커니즘을 상세히 설명하면 다음과 같다. 즉, -유기물 분자가 OH 라디칼의 에너지를 흡수하면 유기물이 1차적으로 여기상태가 되고, -에너지를 받은 메탄올 분자 중의 탄소-수소간의 결합이 끊어진다(분자끼리 전자이동이 일어난다). -메탄올은 분해되어 이산화탄소를 생성하므로 분해된다(OH 라디칼은 전자에너지를 유기물에 전이하여 결국 이산화탄소를 생성하게 한다). 여하의 다른 유기물도 이와 비슷한 원리로 유기물의 분해반응을 유도한다. 특히, 라디칼 생성반응은 난분해성 유기물의 분해반응이나 미생물 등을 사멸하는데 우수한 성능을 발휘한다.

한편, 정전기장 내에서 유기물은 여기상태가 되는데 정전기 에너지를 수용하여 유기물의 C-H결합이 쉽게 끊어질 수 있도록 유도한다. 정전기장으로 유입된 OH 라디칼은 더욱 활성화되어 유기물과의 반응이 빠르게 작용하여 분해반응이 촉진된다. 정전기장 내에서 유기물의 분해과정은 다음과 같다.

O + EF → [O^*] + OH·→ 유기물분해 촉진

여기서, O는 유기물(Organics)을 나타내고, EF는 정전기 에너지(Electrostatic Force)를 의미한다. [O^*]는 유기물분자가 활성화되어 C-H의 결합이 용이하게 파괴될 수 있는 기회를 제공하게 된다. 즉, 정전기장 내에 주입된 유기물이 깨어지기 쉬운 형태인 활성화상태[O^*]로 전환되어 유기물의 분해가 촉진될 수 있다.

한편, 앞서의 설명에서와 같이 본 고안에 따른 수처리장치(100)는 라디칼산화수(활성산화수)를 생성하여 유무기성 오염물질을 수처리과정에서 제거하는 것으로, 라디칼 산화반응을 촉진시키기 위해 정전기장 내에서 반응이 일어나도록 수단을 구성하였다. 본 고안에서 라디칼산화수는 OH라디칼(또는 OH·로 표시), OCl^-, HOCl 같은 산화력이 우수한 중간종들로 구성되는 용액을 말하며, 정전기장 반응장치에서 산화력이 우수한 중간종의 농도를 더욱 생성케 하여 유기물 또는 무기물들의 분해 또는 활성화시키는 역할을 하게 함으로써 수처리시 COD(화학적 산소요구량)를 감소시키는 기능을 발휘할 수 있도록 한 것이다. 무기물의 경우 입자표면은 정전기장(electrostatic force)에 놓이게 되면 표면적 성질이 변화된다.

또한, 본 고안에 따른 수처리장치(100)는 라디칼산화수를 정전기장 내에 주입시켜 유무기성 오염물질의 처리효과를 극대화시키는 기술이다. 라디칼산화수의 주입하에서 정전기장 반응장치를 통해 활성화시키면 유기물 뿐만 아니라 물분자의 활성화로 인하여 스케일의 형성을 방지할 수가 있다. 좀 더 구체적으로 설명하면 원수가 강력한 자장 속에 놓이게 되면 물분자 또는 물 속에 포함되어 있는 유무기성 분자들이 활성화된다. 이론적으로 보면 물분자는 원래 수소결합을 하고 있어 여러 개의 물분자가 사슬 형태로 엉긴 상태로 존재하나 강력한 에너지를 외부로부터 받으면 물분자가 여기(exciting)되어 스케일 성분을 관로 벽으로부터 침삭시키거나 수중에 포함된 탄산칼슘의 용해도를 감소시켜 관로 벽면에 침착이 억제되도록유도한다. 즉, 수중에 포함된 탄산칼슘은 라디칼 산화수와 정전기적 에너지의 영향을 받아 용해도가 감소, 침착이 억제되는 현상이 나타나고, 벽에 침착된 스케일은 여기된 물분자의 쌍극자 효과로 인하여 탄산칼슘이 침삭되어 수중으로 탈리된다.

한편, 강물 중에 조류가 출현하면 대개 염소를 사용하거나 황산동을 사용하게 되는데 이들의 사용은 부작용을 유발할 뿐 만 아니라 사용상 한계가 있기 때문에 비효율적인 방법이다. 특히, 조류가 출현하면 응집에 막대한 영향을 주게 되므로 오늘날 정수처리장에서 가장 큰 난점은 조류문제의 해결이다. 본 고안에 따른 수처리장치(100)는 이러한 문제를 해결해 줄 수가 있다. 라디칼산화수는 정전기장 반응장치 내에서 고에너지를 가진 중간화학종을 연쇄적으로 생성하는 기능을 가지게 되므로 유기물, 이를테면 COD 유발물질, 박테리아, 조류성 물질 등을 사멸시키거나 부분적으로 분해시킬 수가 있어 정수처리나 수영장에도 본 고안에 따른 수처리장치(100)를 효율적으로 적용할 수가 있다.

본 고안에 따른 수처리장치(100)는 앞서 설명한 바와 같이 금속이 담지된 촉매(116a)를 이용하여 라디칼산화수를 일차적으로 생산하고, 연속적으로 정전기장 반응장치(120) 내에 진입시켜 물속에 들어 있는 물분자를 포함하여 특정 분자들의 물리화학적 특성을 변화시켜 분해기능, 활성화기능, 응집기능을 유발시키게 된다.

라디칼산화수를 정전기장 반응장치(120)의 내부로 통과시키는 가운데 유기물을 포함하는 원수를 유입시키면 시너지 효과가 형성되어 유기물의 분해반응을 촉진 또는 유기물을 물과 분리시키기 때문에 응집제 투입량이 감소된다. 또한, 관로 내벽의 스케일을 방지함은 물론, 관로 벽면에 형성된 스케일을 제거하는 기능도 있다. 스테인레스 스틸 전극봉(126)으로부터 유도되는 전기장은 물의 이온화를 촉진시켜 원수 중에 입자나 유기물 등을 분리시킬 수 있다.

정전기장과 라디칼산화수에 의한 스케일 방지에 대한 이론적인 설명을 하면 다음과 같다. 정전기장과 라디칼산화수로부터 전자에너지를 제공받아 물분자의 열운동, 즉 활성화된다. Ca²⁺이온과 CO₃ ^2-이온주위를 감싸고 있던 물분자들이 여기상태(excited state)가 되어 칼슘이온 주위로부터 해리하게 되어 결국은 탄산칼슘의 용해도를 감소시키는 원인을 제공한다. 다시 말하면, 칼슘이온 농도가 물분자의 활성화로 인하여 감소하게 된다. 칼슘이온의 농도가 감소된다는 것은 스케일 형성을 주도하는 칼슘이온의 농도가 감소된다는 것을 의미하므로 결과적으로 정전기장과 라디칼산화수의 영향으로 스케일 형성이 억제된다. 그리고, 기존의 스케일은 액중의 평형상태를 유지하기 위하여 용출되어 나오며 여기된 물분자의 영향을 받아 결정화 된다. 이론적 현상을 도시하면 아래의 그림과 같다.

더구나, 본 고안에 따른 수처리장치(100)를 적용하면 이미 관로 내벽에 형성되어 있는 스케일도 여기물분자(excited water, H₂O^*로 표시)의 쌍극자 현상으로 인하여 스케일을 형성하는 입자들이 침삭되어 스케일이 점차적으로 감소될 수 있다.

또한, 수영장이나 정수처리된 물을 연속적으로 본 고안의 수처리장치(100)를 통과시키면 라디칼산화수와 정전기 에너지의 시너지 효과로 수중에 포함된 박테리아가 사멸하게 된다. 특히, 여름철에 조류가 유입할 시 전처리단계로 본 고안에 따른 수처리장치(100)를 사용하면 조류를 사멸시킬 수 있다. 기존의 경우 강물을 취수하여 정수처리를 하는 경우 조류가 발생하면 전처리단계로 염소를 투입한 후 응집처리를 하게 되는데, 염소를 다량 투입하게 되면 부작용으로 수중에 포함된 유기물과 염소가 반응하여 발암물질인 THM(trihalo methane) 등을 유발할 수 있어 유해할 뿐만 아니라, pH가 증가하므로 응집효과가 크게 저하한다. 본 고안에 따른 수처리장치(100)는 언급한 문제를 상당히 해결할 수 있다.

본 고안에 따른 수처리장치(100)는 원수에 포함된 유기물은 분해될 뿐만 아니라 수처리시 사용하는 응집제의 투입량을 50∼90% 정도로 현저히 감소시키고, 수처리 후 생성되는 슬러지의 양도 대폭 감소시킬 수 있다.

더구나, 본 고안에 따른 수처리장치(100)는 유기물과 탁질(입자성 물질)을 포함하는 원수를 처리하는데 효과적으로 사용할 수 있다. 대개 입자성물질이 유입되면 응집제를 사용하게 되는데 유기물은 응집에 공간적 방해(steric hinderance)를 하게 된다. 즉, 입자간 인력의 힘을 축소시켜 유기물은 응집에 방해역활을 한다. 본 고안에 따른 수처리장치(100)를 사용하면 응집의 방해물질인 유기물을 라디칼산화수가 정전기장 반응장치(120) 내에서 연쇄반응을 통하여 분해시키기 때문에 입자성물질은 정전기장의 영향을 충분히 받아 응집효과가 최대로 발휘되고, 이에 따라 플럭형성 효과가 탁월하게 증가된다.

응집의 원리는 부유물질 표면의 음의 값을 갖는 제타퍼텐셜(zeta potential, 단위 mV)을 영근방으로 낮추어 표면간의 인력(attractive)을 유도해 주는 것이다. -전하를 띄는 물질끼리는 서로 반발하므로 입자의 괴합(agglomerization) 또는 응집(coagulation) 현상이 나타나지 않는다. 그러나, 외부로부터 +금속을 넣어주면 입자표면의 중화현상(neutralization)이 일어나 제타퍼텐셜이 감소하게 된다. 이것이 응집의 원리인데 우리 나라에서 가장 일반적으로 사용되고 있는 금속응집제는 알루미늄염과 철염을 사용하고 있다.

전기응집의 경우 극의 오염화현상 및 금속용출농도의 한계가 있고, Al전극을 사용할 경우 Fe보다 빨리 용해하는 단점이 있으며, 또한 -극에서 수소가 발생하여 플럭들이 부상하는 단점이 있다. +극으로부터 Al³⁺혹은 Fe³⁺이온이 용해되는 경우에는 적절한 교반이 필요하다. 전기산화방법을 사용할 경우에는 반응속도가 느리고, 장치가 복잡하여 경제성이 결여되는 단점이 있다. 이런 이유로 전기산화방법은 국내에서 상용화단계에 있지 않다.

이러한 기술적인 문제점을 고려하여 본 고안에서는 산화제를 물에 일정농도로 용해시키고, 용해된 산화제를 금속이 담지된 산화촉매(116a)층을 통해 라디칼산화수를 생성시킨 후, 정전기장 반응장치(120) 내부로 투입시켜 이미 정전기장 반응조(122) 내에서 활성화된 유기물을 효과적으로 분해시키게 한다. 강한 정전기장 반응장치(120) 내에서 유기물은 활성화되어 라디칼산화수와의 반응으로 쉽게 분해될 수가 있다.

스테인레스 스틸 전극봉(126)에 유도되는 전압을 5000∼100,000V 범위에서 정전기장(electrostatic force)을 발생시키면 물속의 무기성 입자들은 강력한 정전기적 에너지를 사용할 수 있어 입자의 표면적성질이 물리적으로 변화되어 플럭을 형성하게 된다. 원래 응집제의 역할은 Al³⁺이온이나 Fe³⁺이온이 유입원수에 들어가면 -전하를 띄고 있는 부유입자의 표면성질을 중성화(neutralization)시키는 기능을 가지고 있다. 예를 들면, 황산반토의 응집성분인 Al³⁺이온의 수중 응집메커니즘은 다음과 같다.

- Al³⁺+ Organics(유기성물질) →Al-organics(착화합물 형성으로 침전)

- Al³⁺+ Particles(부유물질) →Al-particles(침전)

- Al³⁺+ 3H₂O →Al(OH)₃+Particles or Organics →Al(OH)₃-particles-organics

따라서, 수처리 후 슬러지의 발생은 필수적이다. 본 고안에 따른 기술의 효과 중의 하나로는 이러한 슬러지 발생을 감소시키는 것이다. 응집제의 사용량을 최소화하기 위해서는 입자표면의 성질을 변화시켜야 하며, 더 상세하게는 입자의 제타퍼텐셜을 감소시켜 입자의 전기이중층(double layer thickness)을 감소시켜야 한다. 전기이중층이란 표면입자의 전기적으로 영향을 미치는 영역으로, 입자의 제타퍼텐셜을 감소시키는 기존의 방법은 +전하를 띈 금속을 첨가하고 있으나, 이는 슬러지 발생을 전제로 하는 것이어서 경제적인 부담이 크다. 2002년부터는 슬러지의 매립이 허용되지 않기 때문에 슬러지를 감소시키는 처리방법이 강구되고 있는 실정이다.

본 고안에 따른 수처리장치(100)의 기능을 요약하면 라디칼산화수의 정전기장 반응장치(120)에서 유기물의 분해기능, 물과 유기물의 분리기능, 부수효과로 수중의 알카리성분을 결정화(crystalligation)시켜 관료 내벽의 스케일 형성을 억제하는 기능, 물속의 부유입자 표면을 전기적으로 변화시켜 응집제 투입없이도 응집효과를 유발시키는 기능, 수중에 포함된 조류나 박테리아를 사멸시킬 수 있는 기능을 발휘할 수 있다.

또한, 식물 또는 동물이 본 고안에 따른 수처리장치(100)를 통과한 활성화된 물을 사용할 때 성장기능을 월등히 증가시키는 효과가 있다. 즉, 본 고안에 따른 수처리장치(100)를 사용하면 동물이나 식물이 흡수하기에 좋게 알칼리성분을 잘게 부수어 준다.

한편, 본 고안에 따른 수처리장치(100)는 유기물질과 부유물질(무기질)을 포함하는 폐수에 적용될 수가 있다. 예를 들면, 도료성분, 고체성분, 솔벤트(solvent) 그리고 물을 포함하는 폐수의 경우 정전기장 반응장치(120) 내에 라디칼산화수를 유입한 가운데 관내부를 통과하게 되면 도료성분과 고체성분 솔벤트가 상호분리가 일어나는 현상이 나타나게 되는데, 이것은 물분자가 이온화현상이 강력하게 유발되었기 때문이다. 즉, 이종(異種)보다 동종(同種)의 분자끼리 상호친화력이 유발하기 때문에 분리가 일어나는 것이다.

통상적으로, 물세정 페인트부스에서 유출되는 폐수를 처리하기 위해서는 무기응집제와 유기응집제를 병행하여 사용하게 된다. 그러나, 본 고안의 수처리장치(100)를 사용할 경우 수처리제의 사용없이도 응집현상을 유발시켜 입자 상호간 친화력이 발생하여 응집, 플럭이 생성될 수 있다. 약품비가 절감될 뿐만 아니라 슬러지 처리비용도 크게 감소된다.

본 고안에 따른 수처리장치(100)는 라디칼산화수가 유기물을 강력하게 사멸하는 기능을 발휘할 수 있으므로 스케일 방지하는데 효과적으로 사용될 수가 있다. 스케일의 형성과 함께 대개 유기성물질인 미생물의 번식이 이루어지는데, 전기장만으로는 그러한 미생물을 완전히 사멸시킬 수 없으므로 라디칼산화수는 그러한 미생물을 사멸시키는데 큰 효과를 발휘한다.

스케일을 형성케 하는 입자는 대개 마그네슘 또는 칼슘성분이며 물속의 이들의 존재는 중요하다. 물속의 알칼리농도 (단위는 mg/l로 표시함)가 증가하면 관속을 통과하면서 벽면에 스케일을 유발할 수가 있다. 역으로 알칼리도가 낮은 물(보통 부식성 물이라고 부른다)이 관내부를 통과하게 되면 내부벽에 형성되어 있던 스케일 성분이 관속으로 탈리 또는 용해되어 나올 수가 있다. 그런 이유로 사용하고자 하는 물을 관내부를 통과시킬 때 수중에 포함된 알칼리성분의 농도를 중요한 지표로 다루고 있다. 본 고안에 따른 수처리장치(100)를 스케일 방지용으로 사용한다고 가정할 때, 생성될 수 있는 스케일을 사전에 방지하며, 이미 관로 내벽에 형성된 스케일 성분을 침삭시켜 탈리하도록 유도할 수 있다.

본 고안에 따른 장치는 수중에 포함된 박테리아나 조류를 사멸시킬 수가 있다. 수 영장이나 간이정수장 처리용도로 본 고안의 장치가 사용될 수가 있다. 조류를 염소로 사멸(killing)시킬 경우 분해하는 과정에서 유해물질이 유발할 수 있으나, 본 고안에 따른 수처리장치(100)를 사용할 경우 그러한 문제를 극복할 수 있다.

또한, 본 고안에 따른 수처리장치(100)는 기본적으로 전기장이 형성된 관내부를 통과할 때 수중에 존재하는 물질의 활성화하는 것 외에 기름연료의 효율을 증가시키는데 사용할 수 있다. 즉, 경유를 이용하는 자동차나 기름보일러의 경우에 수처리장치(100)와 크기나 모양을 달리하여 사용할 수가 있다.

경유를 사용하는 장치에 본 고안에 따른 수처리장치(100)를 전처리시스템으로 부착시켜 사용한다고 가정할 때, 경유를 구성하는 유기성분자들이 활성화되어 공기중 산소와의 반응성이 증가하여 완전연소를 유도하게 하는 것이다. 즉, 경유를 구성하는 분자들의 수소원자를 여기상태(exciting state)로 만들어 공기중의 산소와의 반응효율을 증가시켜 일산화탄소의 방출량을 감소시키는 효과를 유발한다. 환경문제를 해결할 뿐만 아니라 에너지를 절감할 수 있는 장점이 있다.

라디칼산화수는 산화촉매 생성장치(110)에서 형성되며 정전기장 반응장치(120)로 원수유입과 함께 주입되게 한다. 처리할 원수와 라디칼산화수는 스테인레스 스틸 전극봉(126)과 정전기장 반응조(122) 측면 공간에 형성된 정전기장 사이로 통과하면서 반응이 일어난다.

라디칼산화수를 생성하는 라디칼산화수 생성장치(110)에서 사용하는 산화제로는 차아염소산(NaClO), 안정화이산화염소(NaClO₂), 염소산나트륨(NaClO₃), 과산화수소(H₂O₂), 오존(O₃), 이산화염소(ClO₂) 중에서 하나 또는 두 개 이상의 혼합하여 사용할 수 있다. 유입수대비 라디칼산화수의 주입농도는 수중에 포함된 유기물의 종류 및 농도에 따라 다르며 0.01∼30 부피%가 적절하다.

라디칼산화수와 정전기장 반응장치(120)에서 반응체류시간은 유입원수 중의 유기물의 농도, 종류, 처리목표수질에 따라 유동적이며, COD 기준 500∼1000 mg/l의 농도에서는 반응체류시간이 수시간 정도면 충분하다. 그러나, 스케일 방지나 응집만을 목적으로 본 수처리장치(100)를 사용할 경우 원수의 정전기장 반응조(122) 체류시간이 수초 이내로 충분하다.

도 4 는 본 고안에 따른 라디칼산화수를 이용한 수처리장치의 전전기장 반응조를 보인 제 2 실시예의 단면 개략도, 도 5 는 본 고안에 따른 라디칼산화수를 이용한 수처리장치의 전전기장 반응조를 보인 제 3 실시예의 단면 개략도이다.

도 1 및 도 4 는 원수의 체류시간이 수초 이내인 전형적인 장치로 탁질제거, 스케일 방지, 저농도의 미생물 또는 박테리아를 사멸시키는 용도로 주로 사용되는 정전기장 반응장치(120)이다. 스테인레스 스틸 전극봉(126, 126a)으로는 도 1 의 표준형과 도 4 의 스크루형을 사용할 수 있다. 물론, 도 4 의 스테인레스 스틸 전극봉(126a) 역시 그 표면에는 폴리프로필렌 또는 폴리에틸렌으로 코팅처리된 코팅층(126a-1)이 형성된다.

그러나, 고농도 유기물이 수중에 다량 포함된 경우 본 고안의수처리장치(100)로 유기물을 분해시키고자 할 경우 체류시간을 적어도 5분 이상 유지할 수 있도록 하여야 한다. 이에 적합한 장치는 도 5 에 도시된 바와 같이 정전기장 반응조(222)의 바닥에 스테인레스 스틸 전극봉(226, 226a)을 한 개 이상 설치하고, 상부측에는 교반기(228)를 부착하여 오염물질이 정전기장 반응장치(220) 내에서 체류시간이 적어도 1시간 이상 유지할 수 있도록 설계한다. 이와 같은 구조의 정전기장 반응장치(220)는 난분해성 유기물을 다량 포함하는 폐수처리에 적당하다. 물론, 도 5 의 스테인레스 스틸 전극봉(226, 226a) 역시 그 표면에는 폴리프로필렌 또는 폴리에틸렌으로 코팅처리된 코팅층(226-1, 226a-1)이 형성된다.

정전기장 반응장치(120)에 라디칼산화수가 유입되면 강한 에너지를 받아 수중에 포함된 유기물과 라디칼산화수와의 반응속도를 촉진시키는 역할을 하게 한다. 유기물이 많은 유입수의 경우 유기물의 분해속도가 월등히 증가될 수 있다. 유기물의 분해속도를 증가시키기 위해 본 고안의 수처리장치(100)에서는 외부로부터 일정량의 공기를 주입시킨다.

본 고안에서 사용되는 촉매(116a)는 산화물촉매로써 담체상에 담지한 것이다. 담체로는 실리카-알루미나, 알루미나, 실리카, 제올라이트, 클레이(Clay), 셀라이트(celite), 세라믹 하니컴, 퍼라이트(perlite) 같은 것을 사용하며, 담체의 형태는 원형, 무정형 입자형(granule), 원통형 등 여러 가지로 사용할 수 있으며, 촉매층으로 인한 압력이 최소화되어야 한다. 담지금속으로는 크롬, 철, 망간, 코발트, 티탄, 텅스텐, 백금, 구리 중 하나 이상 일정농도로 담지하여 촉매로 사용한다.

금속담지방법은 먼저, 일정 수용액에 담지하고자 하는 금속화합물을 용해시킨 상태에서 담체를 넣고 30∼40분 정도 교반시켜 담지시킨 다음, 90∼100 ℃에서 3시간 건조시킨 후, 다시 공기를 40ml/min속도로 유입하면서 450 ℃에서 3시간 정도 소성시킨다. 그 다음 상온으로 냉각시켜 촉매(116a)로 사용한다. 한편, 촉매(116a)의 오염현상을 최소화하기 위하여 산화촉매 반응조(116) 전반부에 금속담지활성탄을 필터(114a)로 사용하여 촉매(116a)의 활성시간을 장기간 유지하도록 하였다.

유입원수가 직경 60∼100 mm 관을 통해서 0.5∼10m/s의 범위 속도로 유입되면 라디칼산화수와 함께 수중의 부유입자 또는 유기물들은 강력한 전기장에 형성된 정전기장 반응조(122) 내부의 하부에서 측면을 따라 지나가게 되고, 유기성 물질들은 분해반응 또는 활성화가 일어나며, -전하를 띈 부유입자들은 전기장을 통과하면서 -전하를 잃고 유기물들은 분해반응이 일어날 수가 있다. 입자들의 경우 입자표면의 -전하가 +극으로 이동하면 -전하를 소실하면서 입자표면의 제타퍼텐셜이 감소하여 입자간의 인력이 작용하여 플럭을 형성하게 된다. 박테리아나 조류를 포함한 원수가 강력한 전기장과 라디칼산화수의 영향으로 박테리아나 조류가 사멸할 수 있어 수영장에 사용할 수도 있다.

입자제거현상에 대해 좀 더 상세하게 설명하면 다음과 같다. 입자표면이 -전하를 잃거나 중화되면 일반적으로 응집현상이 나타나는데, 이는 입자표면의 제타퍼텐셜이 감소되었기 때문이며 입자간의 반발력이 감소되어 상호인력이 작용, 입자끼리 엉겨붙는 현상이 나타나게 된다. 이 효과는 일반적으로 수처리시 응집제를투입하는 경우와 동일한 결과로써 물리적으로 표면구조가 변하게 되는 것이다. 초기에 입자가 전기장에 놓이게 되면 -이온과 전자의 영향으로 입자표면이 -로 강하게 대전된다. -전자로 대전된 이온끼리는 서로 반발력이 생성되나 서로 엉기는 효과가 없어 플럭이 형성될 수가 없다. 이렇게 유도된 -전하성 입자들은 +극인 폴리프로필렌 쪼는 폴리에틸렌 재질로 구성된 정전기장 반응조(122) 측면으로 아주 빠른속도로 이동하다가 벽면에서 -전하를 잃으면서 입자표면이 중성화(neutralization)되면서 입자간 인력의 힘이 유도되는데, 이 힘이 플럭 형성의 원인이 된다. 입자표면의 -전하가 잃고 중성화되면 입자끼리 반데르발스 힘이 작용하게 되어 입자끼리 인력의 힘이 작용하게 된다.

한편, 입자들이 정전기장 반응장치(120)를 통과할 때 정전기장 반응조(122) 벽면에서 입자를 잃으면서 벽에 붙을 수가 있는데, 본 고안에서는 진동자(150)를 부착하여 입자들이 유출수를 따라 쉽게 나갈 수 있도록 설계하였다.

[사례 1]

다음은 본 고안에 따른 수처리장치(100)를 설치한 경우와 설치 안한 경우를 상호 비교한 것이다. 표 2 에서 보인 바와 같이 응집제의 사용량이 현격히 감소하는 것을 알 수 있으며, 생성하는 슬러지의 생성량이 30% 감소되는 것을 알 수 있다. 슬러지의 생성량은 임호프콘(Imhoff Cone)을 이용하여 측정한다. 기존 처리방법의 경우 Al(OH)₃혹은 Fe(OH)₃의 생성으로 인하여 슬러지 발생이 응집제 투입으로부터 발생하는 슬러지로 인하여 더 많은 슬러지가 배출된다. 산화제는 NaClO를사용하였으며, 희석농도는 100ppm, 촉매접촉속도는 70 ml/hr·g-cat로 하였으며, 담체는 셀라이트, 담지금속은 백금, 철, 코발트, 크롬을 담채 대비 각각 0.2 중량%, 티탄을 담체대비 각각 0.5 중량% 담지시켰다. 유입원수의 정전기장 반응장치(120)에서의 반응접촉시간은 3∼5초 범위로 유지하였다.

구 분	투입응집제량	처리후 수질 및 슬러지※
		탁도(NTU)	알칼리도(㎎/ℓ)	생성슬러지(㎖/ℓ)
미설치(응집처리만 함)	75 ppm	5	33	17.5
본 고안에 따른 장치(산화용액 주입농도=원수대비 1부피%)	5 ppm	2	38	11.1

* 원수조건: 탁도 150 NTU(NTU: 탁도단위), pH = 8.5, 알칼리도 40㎎/ℓ

* 사용 응집제 폴리염화알루미늄(PAC:Poly Aluminium Chloride, Al₂O₃10%)

* 표 2 의 결과는 3회 평균 실험치임

[사례 2]

표 3 에서는 유기물이 다량 포함된 폐수처리 경우 결과치다. 표 3 에서 보인 바와 같이 더 낮은 응집제의 투입량에도 불구하고 본 고안에 따른 수처리장치(100)를 이용했을 때, 탁도제거량이 수치상으로 볼 때 우수한 것을 알 수 있다. COD(화학적 산소요구량)의 제거효과를 보면 산화제의 농도가 높은 경우가 처리효과가 우수하다. 또한, 슬러지의 감소효과도 산화제농도가 3%일 때가 1%일 때보다 더 우수하게 나타났다. 산화용액 주입농도를 3 부피%로 하고 산화촉매층을 통과한 것과 안한 것을 기준하여 COD 제거효과를 보면 표 3 에서 큰 차이가 나는 것을 알 수 있다. 이 사실로부터 라디칼산화수가 유기물제거에 큰 영향을 준다는 것을 간접적으로 알 수 있다. 응집 후 슬러지의 측정은 임호프콘(Imhoff Cone)을 통하여 분석하였다. 산화제는 NaClO와 NaClO₂를 50:50으로 사용하였으며, 희석농도(산화제 희석용액)는 250 ppm, 촉매접촉속도는 150 ml/hr·g-cat로 하였으며, 담체는 실리카-알루미나, 담지금속은 백금, 철, 코발트, 망간, 크롬을 담채 대비 각각 0.2 중량%, 티탄, 텅스텐을 담체대비 각각 0.5 중량% 담지시켰다. 정전기장 반응장치(120)에서의 유입원수의 반응접촉시간은 15분으로 하였으며, 응집제의 투입시기는 정전기장 반응장치(120)를 통과한 처리수에 응집제를 투입하여 비교하였다.

구 분	투입응집제	처리후※
		탁도(NTU)	알칼리도(mg/ℓ)	COD(mg/ℓ)	생성슬러지(mg/ℓ)
미설치(단순응집처리)	65ppm	18	35	75	35
본 고안에 따른 시스템※(산화용액 주입농도=원수대비 3부피%)	18ppm	2	39	15	11
본 고안에 따른 장치※※(산화용액 주입농도= 원수대비 3부피%)	18ppm	6	39	29	13
본 고안에 따른 장치※(산화용액 주입농도=원수대비 1부피%)	25ppm	7	40	23	15

* 원수조건 : 탁도=155 NTU, COD= 185 mg/l 알칼리도=45 mg/l

* 사용응집제: PAC(염화폴리알루미늄, Al₂O₃농도: 10%)

* ※ : 산화촉매층을 통과시켜 생성된 라디칼산화수를 주입한 경우

* ※※: 산화촉매층을 통과시키지 않고 단순히 산화용액을 주입한 경우

* 표 3 의 결과는 3회 평균치임

[사례 3]

표 4 는 수영장에 사용하는 물을 본 고안에 따른 수처리장치(100)를 이용하여 미생물의 사멸정도를 본 것이다. 표 4 에서 보는 것처럼 효과가 탁월하다. 산화제는 NaClO₂를 사용하였으며, 희석농도(산화용액)는 200ppm, 촉매접촉속도는 120 ml/hr·g-cat로 하였으며, 담체는 퍼라이트, 담지금속은 백금, 철, 코발트, 크롬을 담채 대비 각각 0.2 무게%, 티탄, 텅스텐을 담체대비 각각 0.5 무게% 담지시켰다. 정전기장 반응장치(120)에서의 유입원수의 반응접촉시간은 3∼4초로 유지하였다.

구 분	미생물종류	처리전 미생물(250 ml중)	처리후 미생물(250 ml중)
본 고안에 따른 장치(산화용액 주입농도= 2.5부피%)	대장균군	검출
			불검출
	분원성연쇄상군	검출	불검출
	녹농균	검출	불검출

[사례 4]

보일러용수관에 본 고안에 따른 장치의 설치전과 설치 후의 관내부벽의 스케일 현상을 촬영한 사진을 도 6a 및 도 6b 에 나타내었다. 도 6a 의 경우는 본 고안에 따른 라디칼산화수를 이용한 수처리장치(100)의 설치전 상태로 관로 내벽에 스케일이 형성되어 있음을 알 수 있다. 반면, 도 6b 는 본 고안에 따른 라디칼산화수를 이용한 수처리장치(100)의 설치 3개월 후의 그림이다. 이 사실로부터 본 고안에 따른 라디칼산화수를 이용한 수처리장치(100)를 설치한 후에는 관로 내벽의 스케일이 억제될 뿐 아니라 기존의 스케일도 점차적으로 침삭되어 감소한다는 것을 알 수 있다.

본 고안은 전술한 실시 예에 국한되지 않고 본 고안의 기술사상이 허용하는 범위 내에서 다양하게 변형하여 실시할 수가 있다.

이상에서와 같이 본 고안에 따르면 일정농도의 산화제 용액을 산화촉매층을 통과시켜 라디칼산화수의 생성을 유도, 수중에 포함된 유무기성 물질의 분해효과와 특정분자를 활성화시키는데 탁월한 성능을 발휘하는 효과가 있다.

라디칼산화수 생성장치를 통해 생성된 라디칼산화수를 정전기장 반응조에서 반응시키면 유기물 분해효과가 탁월하게 증가할 뿐만아니라, 입자들의 표면물성이 변화되어 응집현상이 유발되어 응집제 첨가량을 대폭 감소시키는 효과가 발휘된다. 라디칼산화수는 강력한 정전기장 반응조의 공간에서 활성화된 유기물를 쉽게 분해할 수 있다.

본 고안의 다른 효과로는 고농도의 입자를 포함하는 폐수의 경우 표면성질의 개질로 인하여 자체 물리적 응집반응이 일어나 응집제투입량이 50∼90% 대폭 감소하는 기능이 발휘된다. 물분자의 활성화로 유기물분자와 입자의 분리효과가 유발되어 유기물 분해기능과 응집기능이 상호 증가된다.

본 고안의 또 다른 효과로는 정수된 물이 관로를 지나면 점차적으로 스케일이 형성되는데 본 고안의 수처리장치를 통과시키면 라디칼산화수와 정전기장의 시너지 효과로 물분자의 이온화경향이 증가하여 스케일을 형성케하는 알칼리성분인 탄산칼슘의 관로벽면 침착을 억제하는 효과가 발휘된다.

또한, 본 고안에 따르면 수영장이나 정수처리된 물을 강한 전전기장 반응장치를 통과시키면 라디칼산화수와 정전기적 에너지의 영향으로 수중에 포함된 박테리아가 사멸된다. 특히, 여름철에 조류가 유입시 전처리단계로 본 고안에 따른 수처리장치를 전처리시스템으로 사용하면 조류가 사멸되어 정수처리를 효과적으로 수행할 수 있다.

더구나, 식물 또는 동물에 본 고안에 따른 수처리장치를 통과한 활성화된 물을 사용할 때 물의 흡수율이 증가하여 성장기능을 월등히 증가시키는 효과가 있게 된다. 즉, 본 고안에 따른 수처리장치를 사용하면 동물이나 식물이 흡수하기에 좋게 알칼리성분을 잘게 부수어 주는 기능을 가지고 있다. 이외에도 라디칼산화수를 10 ppm 이하로 유지하면서 경유성분을 본 고안의 수처리장치를 통과시키면 경유성분이 활성화되어 연소율이 20%이상 증가하는 효과를 보여준다.

전술한 바와 같이 본 고안에 따른 기술은 수중에 포함된 유기물을 분해 또는활성화시키는 기능, 물속의 부유입자 표면을 전기적으로 변화시켜 응집제 투입없이도 응집효과를 유발하는 기능, 수중에 포함된 조류나 박테리아를 사멸시킬 수 있는 기능을 발휘할 수 있으며, 부가적으로 활성화된 물분자의 쌍극자효과를 통하여 알카리성분이 결정화되어 스케일 형성을 억제하는 기능이 발휘된다.

Claims (18)

1. 산화제를 물에 100∼3000 ppm의 희석농도로 용해시킨 산화제 희석용액을 저장하는 산화제 저장조;

   상기 산화제 저장조로부터 유입된 일정농도의 산화제 희석용액을 통과시켜 이물질을 여과하는 여과조;

   상기 여과조의 내부에 설치되어 상기 산화제 저장조로부터 유입된 산화제 희석용액에 포함된 오염물질을 거르는 섬유상활성탄필터;

   상기 여과조를 통과하여 유입된 산화제 희석용액을 산화촉매 반응시키는 산화촉매 반응조; 및

   상기 산화촉매 반응조의 내부에 보호철망에 의해 충진되어 유입된 산화제 희석용액을 통과시키는 과정에서 라디칼산화수로 생성시키는 담체에 금속이 담지된 촉매를 포함하여 이루어진 라디칼산화수 생성장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 산화제로는 차아염소산(NaClO), 안정화이산화염소(NaClO₂), 염소산나트륨(NaClO₃), 과산화수소(H₂O₂), 오존(O₃), 이산화염소(ClO₂), 염소(Cl₂)를 단독 또는 둘 이상을 혼합하여 사용하는 것을 특징으로 하는 라디칼산화수 생성장치.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 섬유상활성탄필터는 은(Ag), 알루미늄(Al), 철(Fe), 구리(Cu) 금속 중 하나 이상에 섬유상활성탄 대비 0.1∼10 중량%의 비율로 담지된 섬유상활성탄시트의 원통형 내주면과 외주면 각각에 보호철망이 구성되어 상기 섬유상활성탄시트의 형을 유지하는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 라디칼산화수 생성장치.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 촉매를 구성하는 담체로는 실리카-알루미나, 알루미나, 제올라이트, 실리카, 규조토, 셀라이트, 퍼라이트, 세라믹허니컴 중 하나 이상의 담체를 사용하고, 담지금속으로는 크롬, 철, 티탄, 텅스텐, 코발트, 니켈, 구리, 망간, 백금, 지르코늄 중 하나 이상을 상기 담체 대비 0.1∼15 중량% 범위로 담지시킨 것을 특징으로 하는 라디칼산화수 생성장치.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 산화제 희석용액과 상기 촉매의 접촉속도는 상기 촉매 1g당 10∼1000 ml/hr·g-cat로 하고, 상기 산화제 희석용액를 통과시킬 때의 촉매온도는 50∼150 ℃로 한 것을 특징으로 하는 라디칼산화수 생성장치.
6. 산화제를 물에 100∼3000 ppm의 희석농도로 용해시킨 산화제 희석용액을 저장하는 산화제 저장조;

   상기 산화제 저장조로부터 유입된 산화제 희석용액에 포함된 오염물질을 거르는 섬유상활성탄필터가 내부에 설치된 여과조;

   상기 여과조로부터 유입된 산화제 희석용액을 통과시키는 과정에서 상기 산화제 희석용액을 산화촉매 반응시켜 라디칼산화수로 생성시키는 담체에 금속이 담지된 촉매가 충진된 산화촉매 반응조;

   상기 산화촉매 반응조로부터 생성되어 유입된 라디칼산화수와 유입원수를 정전기장을 통해 물속에 들어 있는 물분자를 포함한 특정 분자들의 물리화학적 특성을 변화시켜 상기 라디칼산화수와 유입원수 중의 유무기성 오염물질을 반응시키는 정전기장 반응장치;

   상기 정전기장 반응장치에 의해 처리된 처리수에 응집제를 투입시키는 응집제 투입수단; 및

   상기 처리수와 투입된 응집제를 혼화시키는 수단을 포함하여 이루어진 라디칼산화수를 이용한 수처리장치.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 정전기장 반응장치는 일측 하부 적소에 형성되어 유입원수와 상기 라디칼산화수가 유입되는 유입구와 일측 상부 적소에 형성되어 반응후 처리수를 유출시키는 유출구가 구비된 무전도체 재질의 정전기장 반응조;

   상기 정전기장 반응조의 적소에 설치되어 교류전압을 직류전압으로 변환시켜 공급하는 AC/DC 정류기; 및

   상기 정전기장 반응조 내부에 하나 이상 직립되게 설치되어 공급되는 직류전압을 통해 정전기장을 발생시키는 전극봉으로 이루어진 것을 특징으로 하는 라디칼산화수를 이용한 수처리장치.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 정전기장 반응조의 재질은 폴리에틸렌, 폴리프러필렌, 고강도폴리비닐수지, 폴리우레탄, 알루미늄합금 중 어느 하나로 제조된 것을 특징으로 하는 라디칼산화수를 이용한 수처리장치.
9. 제 7 항에 있어서, 상기 전극봉은 탄소, 알루미늄, 구리, 티타늄 및 스테인레스 스틸 중 어느 하나의 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 라디칼산화수를 이용한 수처리장치.
10. 제 9 항에 있어서, 상기 전극봉의 표면에는 폴리프로필렌 또는 폴리에틸렌으로 코팅처리된 코팅층이 더 형성된 것을 라디칼산화수를 이용한 수처리장치.
11. 제 10 항에 있어서, 상기 전극봉은 정전기장 반응조 내측의 상부로부터 하향으로 직립된 일자형의 단일구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 라디칼산화수를 이용한 수처리장치.
12. 제 10 항에 있어서, 상기 전극봉은 정전기장 반응조 내측의 상부로부터 하향으로 직립된 스크류 형태의 단일구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 라디칼산화수를 이용한 수처리장치.
13. 제 10 항에 있어서, 상기 전극봉은 정전기장 반응조 내측의 하부로부터 상향으로 직립된 형태로 두 개가 설치된 것을 특징으로 하는 라디칼산화수를 이용한 수처리장치.
14. 제 13 항에 있어서, 상기 두 개의 전극봉 사이에는 상기 정전기장 반응조 내부의 유입원수와 라디칼산화수를 교반시키는 교반기가 더 설치된 것을 특징으로 하는 라디칼산화수를 이용한 수처리장치.
15. 제 6 항에 있어서, 상기 혼화수단은 상기 정전기장 반응장치를 거쳐 유출된 1차 처리수를 두 갈래로 분리된 관을 흐르게 하여 유속을 느리게 한 후, 다시 합쳐지는 단일관 구조로 형성하여 외부에너지 없이 상기 1차 처리수와 응집제의 순간혼화를 유도할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 라디칼산화수를 이용한 수처리장치.
16. 제 6 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 정전기장 반응조에 공기를 주입하는 수단이 더 구성된 것을 특징으로 하는 라디칼산화수를 이용한 수처리장치.
17. 제 16 항에 있어서, 상기 정전기장 반응조를 미세하게 진동시켜 내벽에 붙은 입자들을 탈리시키는 진동자가 더 구성된 것을 특징으로 하는 라디칼산화수를 이용한 수처리장치.
18. 제 17 항에 있어서, 상기 정전기장 반응조의 내부에서 처리되어 유출구를 통해 유출되는 1차 처리수를 상기 정전기장 반응조의 유입구로 바이패스시키는 바이패스관이 더 구성된 것을 특징으로 하는 라디칼산화수를 이용한 수처리장치.