KR20030024938A - Water traeting apparatus using photo catalysis and method thereby - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 마그네트론을 이용한 자외선 발생장치를 사용하여 광 촉매 수 처리하는 장치 및 그에 의한 수 처리 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus for treating photocatalytic water using an ultraviolet generator using magnetron and a method for treating water by the same.
본 발명인에 의해 선 출원된 2001년 특허 출원 제 53079 호에서는 "마이크로파 플라즈마에 의한 폐수처리 방법 및 그 장치" 에 관한 것이 출원되어 있다. 여기에서는 복수의 마그네트론을 이용하여 폐수처리를 하는 기술이 공개되어 있는바, 본 발명은 여기에서 사용되는 마이크로파 발생 장치를 응용하여, 또 다른 고도산화처리장치를 구성한 것이다.In 2001 Patent Application No. 53079 filed by the present inventors, a patent application relating to "a wastewater treatment method using a microwave plasma and its apparatus" is filed. Here, a technique for treating wastewater using a plurality of magnetrons has been disclosed, and the present invention employs the microwave generating device used herein to constitute another advanced oxidation treatment apparatus.
이하, 본 발명을 설명하기 위한 주변 관련 기술을 먼저 설명하여서, 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, the periphery related technology for explaining the present invention will be described first, and the present invention will be described in detail.
산업의 고도화에 따라 각 산업체로 배출되는 유기독성 화합물과 농약 축산분뇨 등으로 상수원과 하천 근해의 오염은 세계적인 문제로 그 심각성이 커지고 있다. 이러한 수질오염의 광역화, 다양화, 난 분해성화로 기존의 재래식 산화공정은 그 처리의 한계성을 드러내고 있다.With the advancement of the industry, the pollution of water supply and river water is increasing due to organic toxic compounds and pesticide livestock manure released to each industry. Due to the wide area, diversification, and difficult decomposition of water pollution, the conventional oxidation process shows the limitation of the treatment.
산소는 가장 많이 쓰는 저렴한 산화제이나, 상온 상압 하에서는 그 처리속도가 너무 느려 난분해성 유기물의 산화에는 불충분하다. 그리고 고온 고압하에서 반응속도를 증가시키는 습식 산화 방식은 경제성으로 인한 제한이 있다.Oxygen is the most commonly used inexpensive oxidizer, but its processing speed is too slow under normal temperature and pressure, and is insufficient for oxidation of hardly decomposable organic matter. And the wet oxidation method to increase the reaction rate under high temperature and high pressure is limited by the economics.
따라서 효과적인 산화방식이란 상온, 상압 하에서 경제적으로 유해물질을 제거할 수 있어야하며 이러한 연구과정에서 밝혀진 물질이 OH 라디칼이다.Therefore, the effective oxidation method should be able to remove harmful substances economically at room temperature and atmospheric pressure, and the substance identified in this research process is OH radical.
다음의 표는 각종 산화제와 산화력의 비교표이다.The following table is a comparison table of various oxidants and oxidizing power.
OH 라디칼은 산화력이 가장 높아 화학적 산화처리에 중요한 작용이 기대되는 물질이나 반응시간이 극히 짧아 제조, 보관이 불가하며 현장에서 직접 생성하여야 하는 문제가 있다.OH radicals have the highest oxidizing power and are expected to have an important effect on chemical oxidation, but the reaction time is extremely short, making them impossible to manufacture and store.
OH 라디칼의 생성방법에는 여러 가지가 있으나 본 발명에서는 자외선을 이용한 광 산화 방법과 광 촉매 방법에 관한 기술에 관한 것으로 제한한다.There are various methods of generating OH radicals, but the present invention is limited to those related to the photo oxidation method and the photocatalytic method using ultraviolet light.
자외선을 사용하는 수 처리 방법은 다음의 표에서와 같다.The water treatment method using ultraviolet rays is as shown in the following table.
상기 표에서와 같이 자외선은 수 처리에서 매우 효과적으로 쓰이는 요소이다. 자외선은 약 397 - 10nm 에 이르는 파장의 총칭이며 이를 다시 파장별로 UVA, UVB, UVC 로 구분한다.As shown in the table above, UV is a very effective element in water treatment. UV is a generic term for wavelengths ranging from about 397 to 10 nm and is further classified into UVA, UVB, and UVC.
인위적인 자외선의 발생은 진공으로 밀봉한 중수소가스 또는 수은증기에 전기적인 방전에 의한 에너지를 공급하여 원자 고유의 스펙트럼선에 의한 발광효과를 활용한다. 기존의 자외선 램프는 수은가스를 밀봉한 유리관내에 텅스텐을 산화물로 코딩한 방전극을 설치하여 양단에 고전압을 인가하여 수은가스를 통하여 방전 전류를 흘려 발광시키는 방법이 주로 이용되어 왔으며 방전전극의 방전 허용전류 문제와 고온 산화로 인한 수명 등의 문제로 높은 출력의 램프를 제작하기가 어려웠다. 그러나 오폐수의 산화처리 능력은 자외선의 강도에 의하여 결정되며 이를 위하여 높은 출력의 자외선 램프가 필요하게 되었다.Artificially generated ultraviolet rays utilize energy emitted by electric discharge to deuterium gas or mercury vapor sealed in a vacuum to utilize the luminescent effect of the atomic spectral lines. Conventional ultraviolet lamps have been used to install a tungsten oxide-coated discharge electrode in a glass tube sealed with mercury gas, and apply a high voltage to both ends to emit light by flowing discharge current through the mercury gas. Problems such as current and lifetime due to high temperature oxidation make it difficult to produce high power lamps. However, the oxidation capacity of waste water is determined by the intensity of ultraviolet rays, and high power ultraviolet lamps are needed for this purpose.
이러한 필요는 고주파를 이용한 무전극식의 자외선 램프를 창출하게 된 것이다.This necessity led to the creation of an electrodeless ultraviolet lamp using high frequency.
종래의 자외선 램프는 원주형으로 발광원을 중심으로 전 방향으로 방사되는 구조였다. 수중에서의 자외선의 감쇠는 250nm 의 경우 20cm에서 50%가 흡수되어 이영향권을 벗어난 거리에서는 처리효율이 떨어질 수 밖에 없었다.Conventional ultraviolet lamps have a columnar shape and radiate in all directions around a light emitting source. UV attenuation in water was absorbed by 50% at 20 cm at 250 nm, resulting in a decrease in treatment efficiency at distances beyond this zone.
본 발명에서는 원통벽면에서 발생한 자외선이 중심을 향하여 전 방향에서 집속되도록 구성하여 광속밀도가 광원에서 떨어진 곳에서 오히려 증가하도록 하여 고른 처리효과가 나타나도록 하였으며 마이크로웨이브에 의한 무전극식 구동으로 출력과 수명의 한계를 초월하도록 한 것이다.In the present invention, the ultraviolet rays generated from the cylindrical wall surface are focused in all directions toward the center so that the light flux density is increased from a distance away from the light source so that the even treatment effect is exhibited. It is to go beyond the limits.
또 이산화티탄 촉매를 마이크로웨이브의 차폐전극으로 겸용 할 수 있게 구성하여 에너지 효율의 증대와 광촉매의 기능을 동시에 수행 할수 있도록 하였다.In addition, the titanium dioxide catalyst can be used as a microwave shielding electrode to increase energy efficiency and to simultaneously perform the function of a photocatalyst.
본 발명에선, 본 출원인에 의하여 선 출원한 내용에 기재되어 있는 복합 마이크로웨이브 장치를 이용하여 지속파 또는 펄스파의 마이크로웨이브 출력으로 램프내의 기체의 분자, 원자 구조를 해리시켜 플라즈마 상태로 만들고 이에서 발생되는 자외선을 이용하여 수처리 하도록 한 것으로 이하, 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.In the present invention, by using the composite microwave device described in the application filed by the applicant of the present invention, by dissociating the molecular and atomic structure of the gas in the lamp into a plasma state by the microwave output of the continuous wave or pulse wave, The present invention will be described in more detail below with the treatment of water using the generated ultraviolet rays.
도 1 은 본 발명에 따른 장치를 설명하기 위한 개략 구성도1 is a schematic structural diagram for explaining an apparatus according to the present invention;
도 2 는 도 1 의 장치의 단면 구성을 보여 주기 위한 도면FIG. 2 shows a cross-sectional configuration of the device of FIG. 1. FIG.
본 발명에 따른 광산화 수처리장치의 주요 구성은, 중앙에 공동(3)이 형성하고 내부엔 자외선 선 스펙트럼을 갖는 기체가 채워진 유리관(1)과, 상기 유리관(1)의 내경으로 설치되며 이산화티타늄을 포함하는 격자망(2)과, 그리고 상기 유리관(1)의 외측으로 설치되어 마이크로파를 가하는 마이크로웨이브장치를 포함하며, 상기한 공동(3)으로는 폐수(8)가 유입 및 유출되게 구성한 것을 특징으로 하며, 상기한 전리가스는 수은 또는 중수소이며, 유리관은 퀄츠의 재질로 이루어 지며, 상기한 유리관(1)의 중앙엔 나선형의 나선체(7)를 설치하고, 이 나선체의 표면엔 이산화티타늄이 형성되게 구성한 것을 특징으로 하며, 그 처리 방법은 중앙에 공동(3)이 형성되고 내부엔 전리가스가 채워진 유리관(1)의 공동(3)으로 처리하고자 하는 폐수 (8)이 흐르도록 구성하고 유리관(1)의 외측으로 설치되어 마이크로파를 가하는 마이크로웨이브장치를 포함하는 장치에서, 마이크로웨이브 장치의 작동에 의하여 마이크로파가 가해지면, 유리관(1) 내부에 구성된 전리가스가 플라즈마화되어 광자를 발생하고, 이 광자는 상기한 격자망에 형성된 이산화티타늄의 금속 표면에 부딪혀 자유전자가 방출되게 하고, 투과된 자외선은 원주의 중심부를 향하여 진행하는 과정에서 UV/오존, UV/ 과산화수소, UV/ 염화철, UV/오존/과산화수소, UV/이산화티탄/과산화수소 등의 여러 가지 수 처리 기능을 수행토록 하며, 또 중심부에 이산화티탄화한 금속의 유체 유도용 나선체를 설치 할때는 UV/ 이산화티탄의 수 처리장치로 작동 할 수 있도록 한 것이다.The main structure of the photo-oxidation water treatment apparatus according to the present invention is a glass tube (1) filled with a gas having an ultraviolet ray spectrum in the center and a cavity (3) formed at the center thereof, and installed with an inner diameter of the glass tube (1). And a microwave apparatus including a lattice network 2 and a microwave apparatus installed outside the glass tube 1 to apply microwaves, wherein the cavity 3 is configured such that wastewater 8 flows in and out. The ionizing gas is mercury or deuterium, and the glass tube is made of a material of quality. A spiral helix 7 is installed in the center of the glass tube 1, and titanium dioxide is formed on the surface of the spiral tube. It is characterized in that it is configured to be formed, the treatment method is configured so that the waste water (8) to be treated into the cavity (3) of the glass tube (1) filled with the ionizing gas inside the cavity (3) is formed in the center. In a device including a microwave device installed outside the glass tube 1 to apply microwaves, when microwaves are applied by the operation of the microwave device, the ionizing gas formed inside the glass tube 1 is converted into plasma to generate photons. This photon hits the metal surface of titanium dioxide formed in the grid, causing free electrons to be emitted, and the transmitted ultraviolet rays are UV / ozone, UV / hydrogen peroxide, UV / iron chloride, UV It performs various water treatment functions such as ozone, hydrogen peroxide, UV / titanium dioxide, and hydrogen peroxide, and it acts as a water treatment device of UV / titanium dioxide when installing a helix for inducing fluid of titanium dioxide metal in the center. It is to be done.
상기한 특징 외의 다른 특징과 구성에 대하여 이하, 더욱 상세히 설명한다.Other features and configurations other than those described above will be described in more detail below.
도 1 은 본 발명에 따른 장치를 개략 도시한 것이다.1 schematically depicts a device according to the invention.
본 발명에 따른 장치는, 원통형의 유리관(1) 내측에 격자망(2)을 설치한다.In the apparatus according to the present invention, the grid 2 is provided inside the cylindrical glass tube 1.
즉, 도 2 의 단면 구성에서 보듯이, 격자망(2)이 유리관(1)의 내경에 있고 그 외주로 유리관(1)이 둘러 쌓인다. 그리고 그 중심은 상하가 뚫린 공동(3)으로 형성된다. 유리관(1)은 내경(5)와 외경(6)으로 이루어져 밀폐되고 그 사이엔 전리가스, 예들들어 수은가스(4) 또는 중수소가 채워진다.That is, as shown in the cross-sectional configuration of FIG. 2, the grid 2 is at the inner diameter of the glass tube 1, and the glass tube 1 is enclosed around its outer circumference. And the center is formed by the cavity 3 which opened up and down. The glass tube 1 is made up of an inner diameter 5 and an outer diameter 6, and is sealed in between, and filled with an ionizing gas, for example, mercury gas 4 or deuterium.
공동(3)의 중심에 나선체(7)가 설치될 수도 있으며 이 공동(3)엔 폐수(8)가 상부에서 아래로 흐른다. 이 폐수는 나선체(7)가 형성된 경우에는 구성에 의하여유체이동시 벽면을 따라 회전하며 이송된다. 나선체(7)의 나선형 날개들 표면은 TiO2로 표면 처리된다.A spiral body 7 may also be installed in the center of the cavity 3 in which the waste water 8 flows from the top down. This waste water is transported while rotating along the wall during fluid movement, when the spiral body 7 is formed. The surface of the spiral wings of the helix 7 is surface treated with TiO 2 .
상기한 격자망(2)은 교체 가능하도록 구성하는것이 바람직하다. 그리고 이것은 그 내부에 채워지는 폐수(8)와 항상 접촉하고 있는 상태로 특히 물에 노출된 상태로 설치된다. 격자망(2)은 예를 들어, 타공망 또는 매쉬망으로 이루어지고 그 격자망의 표면은 이산화티타늄(TiO2)으로 코팅된다. 공동(3)의 내부에 설치되는 나선체(7) 역시 양극산화방식으로 티타늄 처리한 이산화티타늄을 이용하여 나선체(7)의 표면에 형성시키거나 이산화티탄 분말이나 젤타입의 이산화티타늄을 코팅 처리한다. 이것은 이후에 설명하는 바와 같이, 마이크로웨이브파를 차단 반사하기 위한 역할을 한다.The grid 2 is preferably configured to be replaceable. And it is always installed in contact with the wastewater 8 filled therein, in particular exposed to water. The grid 2 is made of, for example, perforated or mesh and the surface of the grid is coated with titanium dioxide (TiO 2 ). The spiral body 7 installed inside the cavity 3 is also formed on the surface of the spiral body 7 using titanium dioxide treated with anodizing titanium or coated with titanium dioxide powder or gel type titanium dioxide. do. This serves to block and reflect the microwave wave, as described later.
유리는 자외선 투과에 유리한 단결정유리 즉, 크리스탈이나 퀄츠를 사용한다. 이들 재질로 한정하는 이유는 일반 유리는 자외선이 잘 투과되지 못하고 자외선이 손실 또는 흡수되기 때문이다.Glass uses single crystal glass, ie, crystal or quartz, which is advantageous for UV transmission. The reason for limiting to these materials is that general glass does not transmit ultraviolet rays well and the ultraviolet rays are lost or absorbed.
상기한 유리관(1)에 가해지는 마이크로 웨이브는 여러 개의 마이크로웨이브마그네트론을 배열 설치되는 것을 사용하는 것이 비용면에서 바람직하고, 본 출원인에 의하여 선 출원된 2001년 특허 출원 제 53079 호에 기재된 발명의 구성을 일부 이용하는 것이다. 즉, 여러 대의 마그네트론(13), 도파관(12), 튜너(11) 및 서큘레이터(10)의 구성에 의하여 마이크로웨이브가 유리관(1)의 상측으로 가해지고, 유리관(1)의 하측에는 웨이브가이드(14)설치되어 상측에서 가해진 마이크로웨이브의 반사파가 서큘레이터(10)를 거쳐 다시 아래쪽에서 가해지는 구성이다As for the microwaves applied to the glass tube 1, it is preferable to use the arrangement of several microwave magnetrons in terms of cost, and the configuration of the invention described in 2001 Patent Application No. 53079 filed previously by the present applicant. Is to use some. That is, microwaves are applied to the upper side of the glass tube 1 by the configuration of several magnetrons 13, waveguides 12, tuners 11, and circulators 10, and waveguides are provided below the glass tube 1 (14) A configuration in which the reflected wave of the microwave applied from the upper side is applied from the lower side through the circulator 10 again.
상기 구성에 의한 동작을 설명한다The operation by the above configuration will be described.
유리관(1)의 외부에서 TM01 모드로 마이크로웨이브가 여기된다. 여기서 사용되는 마그네트론은 출력이 높은 마그네트론이나 또는 여러대의 마그네트론의 조합으로 높은 출력을 내는 복합마그네트론을 사용하며, 마그네트론의 파 특성은 마이크로웨이브가 지속적으로 출력되는 CW 형 또는 ON/OFF 의 듀티비를 제어한 펄스형 마그네트론을 사용하여 순간출력을 높인 형태의 것을 사용할 수도 있다Microwaves are excited in TM01 mode outside the glass tube 1. The magnetron used here uses a high-power magnetron or a combination of multiple magnetrons that produces high power.The magnetron's wave characteristics control the duty ratio of CW type or ON / OFF where microwave is continuously output. One pulse type magnetron can be used to increase the instantaneous output.
피처리수가 고분자 유기물질을 다량 포함하고 있을 때 결합고리를 끊기 위하여는 펄스 모드가 더 효과적이다.The pulse mode is more effective to break the bond when the treated water contains a large amount of organic polymer.
상기한 마그네트론의 구동에 의하여 마이크로웨이브를 조사하여 램프를 구동하면 높은 출력이 발생 가능하다. 즉 조사된 마이크로웨이브는 유리관(1) 내의 수은 가스(4)를 해리시켜 플라즈마로 만들며 격자망(2)에서 반사되어 마이크로웨이브의 영향권은 중공형의 실린더 형태로 불필요한 에너지의 손실을 줄인다. 여기된 수은가스는 고유의 스펙트럼대의 자외선을 방출하여 일부는 이산화티타늄 격자망(2)에 부딪혀 자유전자와 치환된다. 발생된 자유전자는 수중의 산소와 반응하여, 수퍼옥사이드라디칼을 형성하고, 이는 다시 물분자와 작용하여 OH 라디칼을 만들어 폐수와 작용하여 수처리 한다.When the lamp is driven by irradiating microwaves by driving the magnetron, a high output can be generated. That is, the irradiated microwave is dissociated mercury gas (4) in the glass tube (1) into a plasma and reflected from the grid (2) so that the influence zone of the microwave in the form of a hollow cylinder to reduce the loss of unnecessary energy. The excited mercury gas emits ultraviolet rays of its own spectral band, and some of them hit the titanium dioxide grid 2 and are replaced with free electrons. The generated free electrons react with oxygen in water to form superoxide radicals, which in turn act as water molecules to form OH radicals, which then react with wastewater to treat water.
또한 격자 틈으로 통과된 자외선(UV)은 램프의 중심부를 향하여 조사되며 수중의 과산화수소, 오존, 철염 등과 반응하여 OH 라디칼을 생성, 오염성분을 산화시키거나 또는 폐수(8)를 관통하여 이산화티타늄을 입힌 나선체(7)에도 작용하여OH 라디칼을 만들어 공동(3) 내를 흐르는 폐수(8)에 가해져서 폐수 처리하게 된다.In addition, ultraviolet rays (UV) passed through the gaps of the lattice are irradiated toward the center of the lamp and react with hydrogen peroxide, ozone and iron salts in the water to generate OH radicals, oxidize pollutants, or penetrate the waste water (8). It also acts on the coated helix 7 to form OH radicals, which are added to the wastewater 8 flowing through the cavity 3 to treat the wastewater.
이상과 같은 본 발명에 의하면, 다양한 방법의 자외선을 이용한 폐수처리에 적용이 가능하며 마그네트론의 출력과 사용갯수에 따라 수 KW에서 수100KW 까지의 자외선 램프의 제작이 용이하며 난분해성 폐수에대한 연속적인 처리가 저렴한 비용으로 고도산화처리 가능한 효과가 있다.According to the present invention as described above, it can be applied to the wastewater treatment using a variety of ultraviolet rays, it is easy to manufacture a UV lamp from several KW to several hundred KW depending on the output and the number of magnetrons and continuous for hardly degradable wastewater The treatment can be highly oxidized at low cost.
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Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2005097213A1 (en) * | 2004-04-08 | 2005-10-20 | Kist-Europe Forschungsgesellschaft Mbh | Device and method for the purification of liquids |
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| CN108585107A (en) * | 2018-07-12 | 2018-09-28 | 武汉怡清环保工程有限责任公司 | A kind of light wave water process catalytic reactor |
-
2001
- 2001-09-19 KR KR1020010057802A patent/KR20030024938A/en active IP Right Grant
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