KR20040084025A - Photocatalytic reactor for wastewater treatment - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A reactor for photocatalytic degradation of wastewater is provided in which ultraviolet light sources and photocatalyst-coated tubes are geometrically arranged in shell, and wastewater flows in the shell so that wastewater is photocatalytically degraded on the surface of the photocatalyst-coated tubes by irradiation of the ultraviolet light sources. CONSTITUTION: The reactor comprises a wastewater inflow part; a photocatalyst layer comprising a plural ultraviolet light sources(150) and a plural photocatalyst-coated tubes(140) arranged in such a structure that the photocatalyst-coated tubes surround the respective ultraviolet light sources; a fixing member for fixing the photocatalyst-coated tubes and the ultraviolet light sources to the reactor; and a treated wastewater discharge part, wherein the ultraviolet light sources and the photocatalyst-coated tubes of the photocatalyst layer are positioned in such a way that a longitudinal direction of the ultraviolet light sources and the photocatalyst-coated tubes is perpendicular to a wastewater flow direction, wherein the reactor further comprises a dispersion plate mounted between the wastewater inflow part and the photocatalyst layer, and a prefilter(130) mounted on the front part of the photocatalyst-coated tubes, wherein the photocatalyst-coated tubes are aluminum tubes coated with photocatalyst, wherein the photocatalyst-coated tubes are formed in a simple tube shape, a tube shape on the surface of which pins are formed or a mesh tube shape, wherein the fixing member comprises first perforated mesh and second perforated mesh, wherein the ultraviolet light sources ultraviolet lamps or ozone lamps having central wavelength of 180 to 370 nm, and wherein the photocatalyst-coated tubes are arranged in a distance of 5 to 10 mm.

Description

폐수처리용 광촉매분해 반응기{PHOTOCATALYTIC REACTOR FOR WASTEWATER TREATMENT}Photocatalytic Reactor for Wastewater Treatment {PHOTOCATALYTIC REACTOR FOR WASTEWATER TREATMENT}

본 발명은 폐수처리용 광촉매 분해 반응기에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 자외선 광원 및 광촉매 코팅튜브가 쉘 내부에 기하학적으로 배치되어 있고, 폐수가 쉘 내부에 유동되어 자외선 광원의 조사에 의해 광촉매 코팅튜브 표면상에서 광촉매 분해되는, 폐수처리용 광촉매분해 반응기에 관한 것이다.The present invention relates to a photocatalytic cracking reactor for wastewater treatment, and more specifically, an ultraviolet light source and a photocatalyst coating tube are geometrically arranged inside the shell, and the waste water flows inside the shell to irradiate the ultraviolet light source with the surface of the photocatalyst coating tube. A photocatalytic reactor for wastewater treatment, wherein the photocatalytic decomposition is in a phase.

현재까지 다양한 방법을 이용하여 색도유발물질 및 난분해성 물질을 함유한 폐수를 처리하여 왔다. 화학적 산화처리방법을 고려하여 오존, H2O2, NaOCl 과 같이 강력한 산화제를 이용하여 색도 및 난분해성 물질을 CO2와 물로 완전 산화시키는 것으로 목적으로 하지만, 그 단순한 산화방식으로는 색도 및 난분해성 물질들을 처리하기에는 한계점이 있으며, 경제점이 크다는 문제점이 있다. 이러한 화학적 산화방법 중에서 최근 많이 연구되고 있는 고급산화기술(Advanced Oxidation Process; AOP)이 중간생성물인 수산화(-OH) 라디칼을 생성시켜 수중에 존재하는 유기물질을 분해시키는 진보된 수처리 기술로서 최근 널리 이용되고 있는 오존, 과산화수소,광촉매, 자외선 등을 상호조합하여 산화력을 증대시키는 복합산화방법이다. 이러한 복합산화방법의 공통점은 직접 주입한 산화제로부터 처리효과를 기대하기보다는 중간물질로 생성된 수산화(-OH) 라디칼의 강력한 산화력에 의존하는 방법이며, 기존의 산화제인 염소, 이산화염소, 과망간산칼륨 등 보다 훨씬 강한 산화력을 갖고 있을 뿐만 아니라, 각 산화제를 단독으로 사용하는 경우보다 경제적이고 효율적이라는 장점이 있으며, 이 방법의 기본개념은 수산화(-OH) 라디칼의 생성을 극대화시키는 것이라 할 수 있다.To date, various methods have been used to treat wastewater containing chromatic and hardly degradable substances. By taking into account the chemical oxidation treatment ozone, H 2 O 2, the chroma and the recalcitrant substances using a strong oxidizing agent such as NaOCl purposes shown to complete oxidation of water and CO 2 but the simple oxidation method has color and recalcitrant There is a limitation in processing the materials, there is a problem that the economic point is large. Advanced Oxidation Process (AOP), which has been studied a lot recently among these chemical oxidation methods, is widely used as an advanced water treatment technology that decomposes organic substances in water by generating an intermediate product, hydroxide (-OH) radical. It is a complex oxidation method for increasing the oxidative power by combining each other ozone, hydrogen peroxide, photocatalyst, ultraviolet light and the like. The common feature of these complex oxidation methods is the method of relying on the strong oxidizing power of the hydroxide (-OH) radicals produced as intermediates rather than expecting the treatment effect from the directly injected oxidant, and the existing oxidants such as chlorine, chlorine dioxide, potassium permanganate, etc. In addition to having a much stronger oxidizing power, there is an advantage that it is more economical and efficient than using each oxidant alone, the basic concept of this method is to maximize the production of hydroxyl (-OH) radicals.

이 중 과산화수소와 2가 철이온이 반응하여 발생한 수산화(-OH) 라디칼의 강한 산화력을 이용하여 폐수 내에 존재하는 난분해성 물질을 분해하는 펜톤(Fenton) 산화법은 반응의 촉매로 사용되는 철로 인하여 철 수산화물 형태의 슬러지가 다량 발생하는 문제점이 있다.Among these, the Fenton oxidation method that decomposes hardly decomposable substances in wastewater by using strong oxidizing power of hydroxide (-OH) radicals generated by reaction between hydrogen peroxide and divalent iron ions is caused by iron hydroxide due to iron used as a catalyst of the reaction. There is a problem that a large amount of sludge is generated.

한편, 광산화법에 의한 폐수처리 방법은 이산화티탄(TiO2)과 같은 광촉매가 활성을 갖도록 자외선램프를 사용하여 자외선(UV)을 조사하고 과산화수소와 같은 산화제를 사용하는데 반응후 이산화티탄(TiO2)을 제거하고 그 슬러지를 처리해야 하는 것과 같은 문제점이 있다.On the other hand, the wastewater treatment method by the photooxidation method is irradiated with ultraviolet (UV) by using an ultraviolet lamp to activate a photocatalyst such as titanium dioxide (TiO 2 ) and using an oxidizing agent such as hydrogen peroxide, after the reaction titanium dioxide (TiO 2 ) There are the same problems as removing the sludge and treating the sludge.

광촉매 반응 연구에서 널리 쓰였던 슬러리형 반응기는 미세한 촉매입자를 폐수 중에 분산시킴으로써 반응물과 촉매사이의 접촉효율을 극대화 할 수 있었으나(대한민국 특허출원 제96-702419호 참조), 반응물과 촉매입자 자신에 의한 광차단 현상으로 인해 빛에너지를 효율적으로 이용하는데 문제가 있어왔다. 이러한 문제점을 해결하기 위한 방안으로 반응 슬러리를 강력하게 혼합시킴으로써 반응기의 효율을 증가시킬 수 있었으나, 슬러리형 반응기는 기본적으로 미세한 촉매입자의 회수를 위한 여과 공정이 필요하여 연속공정으로 설치하기에 난점이 있다.Slurry reactors widely used in photocatalytic reaction research have been able to maximize the contact efficiency between reactants and catalysts by dispersing fine catalyst particles in wastewater (see Korean Patent Application No. 96-702419). Due to the blocking phenomenon, there has been a problem in using light energy efficiently. In order to solve this problem, the efficiency of the reactor could be increased by strongly mixing the reaction slurry, but the slurry type reactor basically requires a filtration process for recovery of fine catalyst particles, which is difficult to install in a continuous process. have.

상기 광촉매 사용 광산화 방법을 좀 더 효율적으로 처리하기 위해 전기분해와 광촉매를 조합하여 폐수처리를 하는 방법이 한국 특허출원 제97-46135에 개시되어 있다. 이 방법은 물의 전기분해를 통해 얻어지는 수산화이온(OH-)을 이산화티탄(TiO2) 광촉매를 통하여 수산화(-OH) 라디칼로 변환시켜 폐수를 처리하고 폐수 내에 함유되어 있는 중금속 이온성분을 흡착 제거할 수 있도록 하는 방법이며, 수산화(-OH) 라디칼을 발생시키기 위하여 자외선램프를 사용하여 자외선(UV)을 조사한다. 하지만 이 방법 역시 반응후 이산화티탄(TiO2)을 제거하고 그 슬러지를 처리해야 하는 문제점과 전극판 표면의 스케일발생으로 자주 세척을 해야 하는 단점이 있다.Korean Patent Application No. 97-46135 discloses a method of treating wastewater by combining electrolysis and photocatalyst in order to more efficiently process the photocatalyst-using photooxidation method. The method hydroxide ions (OH -) is obtained through the electrolysis of water to the titanium dioxide (TiO 2) removed by the photocatalyst was converted to the hydroxide (-OH) radical treatment of waste water and adsorption of heavy metal ions contained in the waste water In order to generate hydroxyl (-OH) radicals, ultraviolet rays (UV) are irradiated using an ultraviolet lamp. However, this method also has the disadvantage of having to remove titanium dioxide (TiO 2 ) after the reaction and to treat the sludge and to frequently clean the scale due to the scale of the electrode plate.

광촉매 산화반응은 촉매산화공정에 속한다고 볼 수 있으나, 반응에 필요한 활성화 에너지가 열의 형태가 아닌 빛을 통해 공급된다는 점에 차이가 있으며, 오염물질의 농축공정이 아닌 완전 분해가 가능한 공정으로서, 산소가 전자 수용체로 작용하고, OH-와 H2O가 전자 공여체로 작용하여, 강력한 산화력을 지닌 OH 라디칼을 생성시키며, 이들이 처리 대상 유기물질을 산화시켜 CO2, H2O, HCl 등으로 분해시키는 것으로 알려져 있다.Photocatalytic oxidation can be regarded as a catalytic oxidation process, but the difference is that the activation energy required for the reaction is supplied through light, not in the form of heat. Act as electron acceptors, and OH - and H 2 O act as electron donors to produce OH radicals with strong oxidizing power, which oxidize the organic material to be treated and decompose it into CO 2 , H 2 O, HCl, etc. It is known.

이러한 광촉매 산화반응은 유독한 약품 등을 사용하지 않을 뿐만 아니라, 화석 연료도 사용하지 않으면서 불과 수 와트 정도의 자외선 램프만으로 난분해성 화학물질을 경제적으로 분해시킬 수 있다. 또한, 운전 조건이 수월하고, 에너지 소모가 적으며 시스템 구성이 단순화되어 초기 투자비용이 절감되는 이점이 있다.These photocatalytic oxidation reactions do not use toxic chemicals or the like and can economically decompose hardly decomposable chemicals with only a few watts of ultraviolet lamps without using fossil fuels. In addition, the operating conditions are easy, the energy consumption is low, and the system configuration is simplified, there is an advantage that the initial investment costs are reduced.

이러한 슬러리형 반응기의 문제점을 극복하기 위해 적절한 고체 지지체에 산화티탄과 같은 광촉매를 코팅함으로써 촉매를 고정화시킨 촉매 고정식 반응기가 제안되었다. 이러한 촉매 고정식 반응기는 연속공정이 용이하다는 장점은 있으나, 슬러리형 반응기와 비교할 때 폐수와 촉매의 계면 면적이 매우 작아 이에 따른 반응의 효율도 감소된다. 그러나, 이러한 코팅 형태로 고정화된 촉매를 도입함으로써 입자상 촉매가 본질적으로 내포하고 있는 광 반응기 설계 및 운전상의 한계를 극복할 수 있기 때문에 상기와 같은 표면적과 체적상의 손실을 감안하더라도 실제 촉매반응기 운전상의 이점이 매우 크다. 단, 고정화 반응기의 광 효율을 증가시키기 위해서는 자외선 광원과 촉매 표면간의 상호 배치 관계뿐 아니라 자외선 광원을 효율적으로 촉매 표면에 유도하는 방법들이 필수적이며, 처리하고자 하는 폐수가 촉매와 실제로 접촉하는 면적을 극대화하고, 두 상간의 물질전달을 용이하게 해야 하는 것이 중요한 해결 과제로 대두되었다.In order to overcome the problems of this slurry reactor, a catalyst fixed reactor has been proposed in which a catalyst is immobilized by coating a photocatalyst such as titanium oxide on a suitable solid support. Such a catalyst-fixed reactor has the advantage that the continuous process is easy, but compared with the slurry reactor, the interface area between the wastewater and the catalyst is very small, thereby reducing the efficiency of the reaction. However, the introduction of a catalyst immobilized in such a coating form overcomes the photoreactor design and operational limitations inherent in particulate catalysts. This is very big. However, in order to increase the light efficiency of the immobilization reactor, not only the mutual arrangement relationship between the ultraviolet light source and the catalyst surface, but also methods of efficiently inducing the ultraviolet light source to the catalyst surface are essential, and maximize the area where the waste water to be treated actually contacts the catalyst. In order to facilitate the material transfer between the two phases, an important challenge has emerged.

이러한 문제점을 해결하기 위해, 촉매는 반응기 벽면에 코팅시키고 두 동심원 사이로 반응 유체를 유동시키는 애눌러형 구조의 반응기가 개시되었다(대한민국 특허출원공개 특2000-0017686호 참조). 이러한 애눌러형 반응기를 사용하는 이유는 자외선이 투과할 수 있는 재질을 사용하더라도 산화티탄이 코팅되어 있는 경우는 자외선의 대부분이 흡수되어 버리기 때문이다. 최근에 보고되고 있는 상용화 반응기도 이러한 애눌러형 반응기에서 크게 벗어나지 못하고 있는 상태이다. 이런 애눌러형 구조의 가장 큰 단점은 대형화가 어렵고 반응 유체들을 적절히 혼합할 수 있는 수단이 마땅치 않다는 점인데, 이러한 문제를 해결하기 위해 애눌러 공간 내에서 반응물을 나선형으로 회전시켜 준다거나(미국 특허 제5,069,885호), 공간 내에 산화티탄이 코팅된 비드를 충진하여 촉매층의 역할과 유체의 혼합을 동시에 이루려는 시도가 보고되고 있지만(Sematech Technology Transfer 96023084A-ENG), 기본적으로는 애눌러형 반응기와 큰 차이가 있는 구조는 아니었다.In order to solve this problem, a reactor of an annular structure in which a catalyst is coated on a reactor wall and a reaction fluid flows between two concentric circles has been disclosed (see Korean Patent Application Laid-Open No. 2000-0017686). The reason why the reactor is used is that most of the ultraviolet rays are absorbed when the titanium oxide is coated, even though the material can transmit ultraviolet rays. Commercially available reactors, which have recently been reported, are also in a state that does not deviate significantly from these reactor type reactors. The major drawback of such an annular structure is that it is difficult to scale up and there is no suitable means to properly mix the reaction fluids.In order to solve this problem, it is possible to annularly rotate the reactants in the space (US patent). No. 5,069,885), attempts have been made to simultaneously fill the space with titanium oxide-coated beads to serve as a catalyst layer and to mix fluids (Sematech Technology Transfer 96023084A-ENG), but basically the reactor and large It was not a difference structure.

도 1은 애눌러형 반응기 및 그의 문제점을 나타낸 것이다. 도 1에서와 같이, 반응기 내벽에 촉매를 코팅할 경우에는 자외선 광원과 평행한 방향으로 반응 유체가 유동하게 되므로 반응물을 적절히 혼합하는데 어려움이 따르고, 촉매층에 근접한 부분의 반응 유체만이 분해되게 된다. 또한, 빛의 조사량을 극대화하기 위해 가능한 한 촉매층과 자외선 광원이 인접하도록 설계하게 되는데, 이로 인해 조사면적이 줄어들게 되고 처리량에 한계가 발생한다. 반응유체를 적절히 혼합하고 난류형태의 흐름을 부여하기 위해 반응기 외벽에 촉매를 코팅하고 램프에 수직한 방향으로 반응 유체가 접촉하는 변형된 애눌러형 반응기도 생각해 볼 수 있으나, 이 경우는 촉매 지지체를 자외선이 투과 가능한 파이렉스(Pyrex)나 석영으로 제작해야 하는데, 이는 내충격성이 취약하므로 대용량의 반응장치에 사용하기에는 불가능하다. 최근에는 애눌러형이 아닌 새로운 형태의 반응기도 보고되고 있으나, 이들은 대부분 새로운 형태의 램프나 새로운 촉매재료, 또는 새로운 형태의 코팅기술을 필요로 하고 있다.1 shows an annular reactor and its problems. As shown in FIG. 1, when the catalyst is coated on the inner wall of the reactor, the reaction fluid flows in a direction parallel to the ultraviolet light source, so that it is difficult to properly mix the reactants, and only the reaction fluid in the vicinity of the catalyst layer is decomposed. In addition, in order to maximize the amount of light irradiation, the catalyst layer and the ultraviolet light source are designed to be as close as possible, which reduces the irradiation area and causes a limit in throughput. One can also think of a modified annular reactor in which the catalyst is coated on the outer wall of the reactor and the reaction fluid contacts in a direction perpendicular to the lamp to properly mix the reaction fluid and impart a turbulent flow. It must be made of Pyrex or quartz, which can transmit UV light, which is not suitable for use in large-capacity reactors due to its low impact resistance. Recently, new types of reactors have been reported that are not pressed, but most of them require new types of lamps, new catalyst materials, or new types of coating technology.

광촉매에 의한 유기 화학물질의 분해 효율을 높이기 위해서는 자외선 광원과 광촉매간의 기하학적으로 최적화된 상호 배치 관계 및 자외선 광원을 효율적으로 조사할 수 있는 방법들이 필수적이며, 또한 광촉매 구조체 표면이 유체와 실제로 접촉하는 면적을 극대화하고 물질 전달을 용이하게 하는 것도 매우 중요하다.In order to improve the decomposition efficiency of organic chemicals by photocatalysts, geometrically optimized mutual placement relationship between UV light source and photocatalyst and methods for efficiently irradiating UV light source are essential, and the area where the surface of photocatalyst structure is actually in contact with fluid Maximization and facilitating mass transfer are also very important.

본 발명자들은 이와 같은 종래의 광촉매분해 반응기들의 문제점을 해결하고자 예의 연구를 거듭한 결과 본 발명에서는 자외선 광원과 그 주위에 광촉매 코팅튜브들을 기하학적으로 배열하고 자외선 광원에 수직한 방향으로 반응 유체를 유동시키는 새로운 폐수처리용 광촉매분해 반응기를 발명하기에 이르렀다.The present inventors have intensively researched to solve the problems of the conventional photocatalytic decomposition reactors. As a result, the present invention geometrically arranges the ultraviolet light source and the photocatalyst coating tubes and flows the reaction fluid in a direction perpendicular to the ultraviolet light source. A new photocatalytic reactor for wastewater treatment has been invented.

본 발명의 목적은 광촉매 구조체 표면이 유체와 접촉하는 면적을 극대화하여 물질전달이 용이한 광촉매 분해 반응기 시스템을 제공하여 종래의 광촉매분해 반응기들이 갖는 상기의 한계점을 극복하기 위한 것이다.An object of the present invention is to overcome the above limitations of conventional photocatalytic cracking reactors by providing a photocatalytic cracking reactor system that facilitates mass transfer by maximizing the area where the surface of the photocatalyst structure is in contact with the fluid.

도 1은 애눌러형(annular) 반응기를 나타낸 도이고;1 shows an annular reactor;

도 2a는 본 발명에 따른 광촉매분해 반응기의 사시도이며;2A is a perspective view of a photocatalytic reactor according to the present invention;

도 2b는 상기 도 2a의 광촉매분해 반응기 유입구의 상세도이고;FIG. 2B is a detailed view of the photocatalytic reactor inlet of FIG. 2A; FIG.

도 3은 광촉매 코팅튜브용 금속 지지체의 형태를 나타낸 도이며;3 is a view showing the form of a metal support for a photocatalyst coated tube;

도 4a은 본 발명에 따른 광촉매분해 반응기의 측단면도이고;4A is a side cross-sectional view of a photocatalytic reactor according to the present invention;

도 4b는 광촉매 코팅튜브를 지지하는 제1 타공망을 나타낸 도이며;4B is a view showing a first perforated network for supporting a photocatalyst coated tube;

도 4c는 자외선 광원을 지지하는 제2 타공망을 나타낸 도이고;4C is a diagram showing a second perforated network supporting an ultraviolet light source;

도 4d는 상기 도 4a의 A 부분에 대한 확대도이며;4D is an enlarged view of portion A of FIG. 4A;

도 5a는 본 발명에 따른 광촉매분해 반응기의 평면 투시도이고;5A is a top perspective view of a photocatalytic reactor according to the present invention;

도 5b는 자외선 광원 차폐고정용 플랜지의 상세구조도이며;5B is a detailed structural diagram of an ultraviolet light source shielding fixing flange;

<도면의 부호에 대한 간략한 설명><Brief description of the symbols in the drawings>

100 쉘 110 유입구100 shell 110 inlet

120 분산판 130 프리필터120 Dispersion 130 Prefilter

140 광촉매 코팅튜브 141 제1 타공망140 Photocatalyst coated tube 141 First perforated network

150 자외선 광원 151 제2 타공망150 Ultraviolet Light Source 151 Second Perforation Network

152 플랜지 153 O-링152 Flange 153 O-ring

160 배출구160 outlet

본 발명은 폐수 유입부; 복수개의 자외선 광원 및 각각의 자외선 광원을 둘러싸는 구조로 배치된 복수개의 광촉매 코팅튜브로 이루어진 광촉매층; 상기 광촉매 코팅튜브 및 자외선 광원을 반응기에 고정시키기 위한 고정부재; 및 처리 폐수 배출부로 구성되어 있고, 상기 광촉매층의 자외선 광원 및 광촉매 코팅튜브가 그의길이 방향이 유체 흐름 방향과 수직이 되도록 위치된 것을 특징으로 하는, 폐수처리용 광촉매분해 반응기에 관한 것이다.The present invention wastewater inlet; A photocatalyst layer comprising a plurality of ultraviolet light sources and a plurality of photocatalyst coating tubes arranged in a structure surrounding each of the ultraviolet light sources; A fixing member for fixing the photocatalyst coating tube and the ultraviolet light source to the reactor; And a treatment wastewater discharge portion, wherein the ultraviolet light source and the photocatalyst coating tube of the photocatalyst layer are positioned so that their length direction is perpendicular to the direction of the fluid flow.

본 발명에 따른 폐수처리용 광촉매 분해 반응기에서는 폐수를 광촉매 코팅튜브 및 자외선 광원에 수직한 방향으로 유동시킴으로써 혼합효과를 증대시키고 난류가 형성되도록 유도한다.In the photocatalytic decomposition reactor for wastewater treatment according to the present invention, the wastewater flows in a direction perpendicular to the photocatalyst coating tube and the ultraviolet light source, thereby increasing the mixing effect and inducing turbulence to be formed.

본 발명의 바람직한 실시양태에 있어서, 복수개의 광촉매 코팅튜브를 각각의 자외선 광원 주위에 허니콤(honeycomb) 형태와 같이 기하학적으로 배치하여 자외선 광원에 의한 자외선 조사를 통해 광촉매 코팅튜브의 모든 부분에서 광촉매 산화반응이 일어날 수 있도록 한다.In a preferred embodiment of the present invention, a plurality of photocatalyst coating tubes are geometrically arranged around each ultraviolet light source, such as honeycomb, to oxidize the photocatalyst in all parts of the photocatalyst coating tube through ultraviolet irradiation with the ultraviolet light source. Allow the reaction to occur.

본 발명에 따른 폐수처리용 광촉매 분해 반응기에서는 금속튜브를 광촉매 코팅용 지지체로 사용함으로써 유지관리가 편리하며, 복잡한 형태로 성형이 가능하기 때문에 자외선 조사면적을 종래의 애눌러형 반응기에 비해 상당하게 증대시킬 수 있다.In the photocatalytic decomposition reactor for wastewater treatment according to the present invention, the metal tube is used as the support for the photocatalyst coating, which is convenient for maintenance and can be molded into a complicated shape, thereby increasing the ultraviolet irradiation area considerably compared with the conventional reactor type reactor. You can.

광촉매 물질로는 티타늄산화물(TiO2)이 환경분야에 가장 많이 쓰이고 있으며, 이는 크게 루틸형(rutile)과 아나타제형(anatase) 결정 구조를 갖는데, 본 발명에서는 아나타제형 티타늄산화물이 사용하였다.Titanium oxide (TiO 2 ) is most commonly used in the environmental field as a photocatalyst material, which has a rutile and anatase crystal structure. In the present invention, anatase titanium oxide is used.

반응기에 유입되는 폐수를 반응기내에 고르게 분포시키기 위하여 폐수의 유입구를 복수개로 설치할 수 있으며, 유입구 뒤쪽에 분산판을 설치하는 것이 바람직하다.In order to distribute the wastewater flowing into the reactor evenly in the reactor, a plurality of inlets of the wastewater may be installed, and it is preferable to install a distribution plate behind the inlet.

또한, 폐수 중에 고체 불순물이 유입되어 자외선 광원이 파손되는 것을 방지하기 위하여 광촉매 코팅튜브 전단에 프리필터를 설치하는 것이 바람직하다.In addition, it is preferable to install a pre-filter in front of the photocatalyst coating tube in order to prevent solid impurities from entering the waste water and damaging the ultraviolet light source.

자외선 조사를 위한 자외선 광원으로는 통상 파장 254 nm의 살균 램프을 사용할 수 있으며, 파장 365nm의 UV-A 램프를 사용할 수도 있다. 바람직하게는, 오존 램프를 사용함으로써 발생되는 오존이 광촉매 표면에서 일어나는 산화반응을 보조하는 역할을 하게 할 수도 있다.As an ultraviolet light source for ultraviolet irradiation, the germicidal lamp of wavelength 254 nm can be used normally, and the UV-A lamp of wavelength 365 nm can also be used. Preferably, ozone generated by using an ozone lamp may serve to assist the oxidation reaction occurring at the photocatalyst surface.

특히, 통상의 자외선 광원을 사용하면 반응개시 후 일정 시간 후에 광촉매가 비활성화되는 현상이 발생하게 되는데, 이러한 광촉매의 비활성화를 방지하기 위하여 자외선 광원으로 오존 램프를 사용할 수 있다.In particular, when using a conventional ultraviolet light source is a phenomenon that the photocatalyst is deactivated after a certain time after the start of the reaction occurs, in order to prevent the deactivation of the photocatalyst, an ozone lamp can be used as the ultraviolet light source.

광촉매 코팅튜브 및 자외선 광원을 반응기에 고정시키기 위한 고정부재는, 반응기 내측에 위치되어 광촉매 코팅튜브를 고정시키고 지외선 광원은 통과시키는 제1 타공망과, 상기 제1 타공망을 관통한 자외선 광원을 반응기 외측에 고정시키는 동시에 외부 공기로부터 밀폐시키는 제2 타공망으로 구성된다.The fixing member for fixing the photocatalyst coating tube and the ultraviolet light source to the reactor includes a first perforated network positioned inside the reactor to fix the photocatalyst coated tube and allowing the external light source to pass therethrough, and an ultraviolet light source penetrating the first perforated network outside the reactor. It is composed of a second perforated network which is fixed at the same time and sealed from the outside air.

이하, 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the drawings.

도 2a는 본 발명에 따른 광촉매분해 반응기의 사시도이다. 도 2a에 도시된 본 발명의 광촉매 분해용 반응기는 쉘 (100); 폐수를 상기 쉘 (100) 내부로 유동시키는 복수개의 유입구 (110); 유입된 폐수를 고르게 분포시키기 위한 분산판 (120)(도 2b에 도시함); 고체 불순물이 유입되어 램프를 파손시키는 것을 방지하기 위해 광촉매 코팅튜브 전단에 설치된 스텐레스 메쉬를 접합한 프리필터 (130); 자외선 조사용 광원 (150) 및 그 주위에 배치된 광촉매 코팅튜브 (140); 및 반응이완료되어 생성된 유체가 배출되는 복수개의 배출구 (160)로 구성되어 있다.2A is a perspective view of a photocatalytic reactor according to the present invention. Reactor for photocatalyst decomposition of the present invention shown in Figure 2a comprises a shell (100); A plurality of inlets 110 for flowing wastewater into the shell 100; A dispersion plate 120 (shown in FIG. 2B) to evenly distribute the incoming wastewater; Pre-filter 130 is bonded to the stainless mesh installed in front of the photocatalyst coating tube in order to prevent the solid impurities flow into the lamp; An ultraviolet light source 150 and a photocatalyst coating tube 140 disposed around the light source 150; And a plurality of outlets 160 through which the reaction is completed and the generated fluid is discharged.

도 2b는 본 발명에 따른 광촉매분해 반응기의 유입부를 상세히 도시한 것으로서, 반응기 쉘 (100)의 유입부에는 폐수가 고르게 분포되도록 유동시키기 위해 복수개의 유입구를 설치할 수 있으나, 본 발명에서는 예시를 위한 목적으로 두 개의 유입구 (110)만을 도시하였다. 유입구 (110)를 통해 반응기에 유입된 폐수를 보다 고르게 분포시키기 위해 유입구 뒤쪽에 일정한 크기 및 형태의 구멍이 있는 분산판 (120)이 설치되었으며, 유입된 폐수 중에 고체 불순물이 함께 혼합되어 유입됨으로써 자외선 광원이 파손되는 것을 방지하기 위하여 스텐레스 메쉬를 접합한 프리필터 (130)가 촉매층 전단에 설치되었다.Figure 2b shows the inlet of the photocatalytic reactor according to the invention in detail, the inlet of the reactor shell 100 may be provided with a plurality of inlets to flow so that the waste water is distributed evenly, in the present invention for the purpose of illustration Only two inlets 110 are shown. In order to more evenly distribute the wastewater introduced into the reactor through the inlet 110, a dispersion plate 120 having a hole of a certain size and shape was installed at the rear of the inlet, and solid impurities were mixed together and introduced into the wastewater. In order to prevent the light source from being damaged, a prefilter 130 having a stainless mesh bonded thereto was installed in front of the catalyst layer.

자외선 광원으로는 파장 254 nm의 살균 램프(일본 산쿄전기사 제품)이 사용되었다.As an ultraviolet light source, a germicidal lamp having a wavelength of 254 nm (manufactured by Sankyo Electric Co., Ltd.) was used.

도면에 도시한 바와 같이 자외선 광원 (150)과 광촉매 코팅튜브 (140)는, 자외선 광원 (150) 하나를 광촉매 코팅튜브 (140) 여섯 개가 둘러싼 허니콤(honeycomb) 형태로 구성되어 종래의 애눌러형 반응기에서 보다 단위 자외선 광원 당 조사면적이 더 넓어지도록 설계하였다.As shown in the drawing, the ultraviolet light source 150 and the photocatalyst coating tube 140 are formed in a honeycomb form in which one ultraviolet light source 150 is surrounded by six photocatalytic coating tubes 140. It is designed to have a larger irradiation area per unit ultraviolet light source than in the reactor.

도 3은 광촉매 코팅튜브 (140)에서 광촉매를 코팅하기 위한 지지체로서 역할을 하는 금속튜브의 형태를 나타낸 도이다. 기존의 애눌러형 반응기에서는 산화티탄 광촉매를 코팅하기 위한 지지체로서 파이렉스 유리를 사용하는 것이 일반적이었으나, 본 발명에서는 유리재질 대신 금속(바람직하게는 알루미늄)을 사용함으로써 반응기 구조의 안정성을 높이고 유지관리가 편리하도록 하였다. 금속 지지체를 사용함으로써 얻을 수 있는 또 하나의 장점은 목적하는 형태로 사출성형이 가능하다는 점이다. 이러한 점을 이용하여 촉매의 도포가능 표면적을 넓히고, 유체에 와류를 부여할 수 있도록 일반적인 원형튜브에 핀을 추가하는 것이 가능하다. 이때, 자외선 조사면적을 이상적으로 넓히기 위해서 자외선 광원에 수직한 방향으로 핀을 추가하는 경우 사출성형의 특성상 사용가능한 형태는 램프와 길이 방향으로 평행하게 핀을 부착하고, 그 표면에 광촉매를 코팅하는 것이 바람직하다. 이렇게 함으로써 일부 자외선이 도달하지 않는 튜브를 제외하더라도 기존의 애눌러형 반응기에 비해 조사면적을 50% 이상 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라, 코팅튜브의 최종 표면적을 2 배 이상 증가시킬 수 있다.3 is a view showing the form of a metal tube serving as a support for coating the photocatalyst in the photocatalyst coating tube 140. In the conventional reactor type reactor, it was common to use Pyrex glass as a support for coating a titanium oxide photocatalyst, but in the present invention, metal (preferably aluminum) is used instead of glass material to increase the stability of the reactor structure and to maintain it. It was convenient. Another advantage of using a metal support is that injection molding is possible in the desired form. Using this, it is possible to add fins to a general round tube to increase the applicable surface area of the catalyst and to impart vortices to the fluid. In this case, in the case of adding the fin in the direction perpendicular to the ultraviolet light source in order to ideally widen the ultraviolet irradiation area, the usable form of injection molding is to attach the fin in parallel with the lamp in the longitudinal direction and to coat the photocatalyst on the surface thereof. desirable. By doing so, even if the tube does not reach some ultraviolet rays, the irradiation area can be increased by 50% or more compared with the conventional reactor type reactor, and the final surface area of the coated tube can be increased by 2 times or more.

또한, 광촉매 코팅튜브 (140)로서, 단순 튜브 형태 대신에 메쉬를 여러번 두루말이 형태로 말아서 제작한 메쉬 튜브에 광촉매를 코팅한 것을 사용할 수도 있으며, 이 경우 촉매 구조물의 외부뿐만 아니라 내부에도 반응유체가 통과하게 되므로 반응면적과 체류시간을 더욱 증대시킬 수 있다.In addition, as the photocatalyst coating tube 140, instead of a simple tube form, it is also possible to use a coating of a photocatalyst on a mesh tube made by rolling a mesh several times in the form of a roll, in which case the reaction fluid passes not only inside the catalyst structure but also inside. As a result, the reaction area and residence time can be further increased.

도 1에 도시한 바와 같은 종래의 애눌러형 반응기와 도 2에 따른 본 발명의 폐수처리용 반응기의 표면적, 즉 자외선 조사면적의 차이를 하기 표 1에 나타내었다.The difference between the surface area, that is, the ultraviolet irradiation area, of the conventional reactor type reactor as shown in FIG. 1 and the wastewater treatment reactor of the present invention according to FIG. 2 is shown in Table 1 below.

반응기Reactor 관 지름(cm)Pipe diameter (cm) 관 둘레(cm)Tube circumference (cm) 관 길이(cm)Tube length (cm) 관 개수Tube number 표면적(m2)Surface area (m 2 ) 애눌러형 반응기Annular reactor 100100 314314 1,1301,130 5050 17.717.7 본 발명의 반응기Reactor of the present invention 4545 226226 1,1301,130 160160 40.640.6

도 4a은 본 발명에 따른 광촉매분해 반응기의 측단면도이다. 자외선 광원 (150)과 광촉매 코팅튜브 (140)을 배열하여 쉘 내부에 지지시키는 방법에는 여러 가지가 있을 수 있으나, 자외선에 의한 경화 또는 부식의 문제를 발생시키지 않는 스텐레스 재질의 평판에, 도 4b에서와 같이 목적하는 배열 형태로 당해 광촉매 코팅튜브와 자외선 광원의 직경에 상응하는 구멍을 천공한 타공망을 이용하는 것이 가장 저렴하면서 정확한 기하학적 배열을 지지할 수 있는 방법이다. 본 발명에 따른 광촉매분해 반응기에서, 도 4b에 도시한 타공망은 제1 타공망으로 칭하며, 여기서 나타낸 바와 같이 점선 원으로 나타낸 부분이 광촉매 코팅튜브 (140)이 지지되는 부분이고, 검정색으로 채워진 원으로 나타낸 부분이 자외선 광원 (150)이 그를 통해 외부로 연장되는 부분이다. 이러한 도 4b의 제1 타공망 (141)은 쉘 (100) 내부 측면 가장자리쪽에 장착되어 광촉매 코팅튜브와 자외선 광원을 지지한다. 반응물의 혼합효과를 높이는 동시에 압력강하를 최소화하기 위해 광촉매 코팅튜브 사이의 간격은 5 내지 10 mm가 바람직하다.4A is a side cross-sectional view of a photocatalytic reactor according to the present invention. There may be a number of methods for arranging the ultraviolet light source 150 and the photocatalyst coating tube 140 to support the inside of the shell, but on a stainless steel flat plate which does not cause hardening or corrosion by ultraviolet rays, As described above, the use of a perforated network in which a hole corresponding to the diameter of the photocatalyst coating tube and the ultraviolet light source is bored in a desired arrangement form is the cheapest and can support a precise geometrical arrangement. In the photocatalytic cracking reactor according to the present invention, the perforated network shown in FIG. 4B is referred to as a first perforated network, and as shown here, a portion indicated by a dotted circle is a portion where the photocatalyst coating tube 140 is supported, and is indicated by a black filled circle. The portion is the portion through which the ultraviolet light source 150 extends through it. The first perforated network 141 of FIG. 4B is mounted to the inner side edge of the shell 100 to support the photocatalyst coating tube and the ultraviolet light source. In order to increase the mixing effect of the reactants and minimize the pressure drop, the distance between the photocatalyst coating tubes is preferably 5 to 10 mm.

도 4c는 상기 도 4b의 쉘 (100) 내부의 제1 타공망 (141)을 지나 쉘의 밖으로 연장된 자외선 광원 (150)을 반응기 외부에 고정시키는 제2 타공망 (151)을 나타낸 것이다. 제2 타공망 (151)은 자외선 광원 (150)을 반응기 외부에 고정시키는 동시에 자외선 광원 (150)과 반응기의 연결 부분을 밀폐시키는 역할을 한다. 반응기 외부로 연장되어 외부로 노출되는 자외선 광원 (150) 부분을 외부로부터 차단시키면서 반응기에 고정시키기 위하여 플랜지 (152)를 설치하여 자외선 광원 (150)이 차폐고정되도록 하였다.FIG. 4C shows a second perforated network 151 for fixing the ultraviolet light source 150 extending out of the shell past the first perforated network 141 inside the shell 100 of FIG. 4B to the outside of the reactor. The second perforated network 151 fixes the ultraviolet light source 150 to the outside of the reactor and at the same time seals the connection portion between the ultraviolet light source 150 and the reactor. The flange 152 was installed to fix the portion of the ultraviolet light source 150 extending outside the reactor and exposed to the outside while being fixed to the reactor so that the ultraviolet light source 150 was shielded and fixed.

도 4d는 상기 도 4a의 A 부분에 대한 확대도이다. 도 4d를 참조하면, 유입구 (110)를 통해 유동되어 프리필터를 통과한 폐수는 자외선 광원 (150) 및 광촉매 코팅튜브 (140)과 그의 길이 방향에 대해 수직한 방향으로 접촉하게 되고, 자외선 광원 (150)의 조사에 의해 광촉매 코팅튜브 (140) 표면에서 반응한다.FIG. 4D is an enlarged view of portion A of FIG. 4A. Referring to FIG. 4D, the wastewater flowing through the inlet 110 and passing through the prefilter comes into contact with the ultraviolet light source 150 and the photocatalyst coating tube 140 in a direction perpendicular to the longitudinal direction thereof. Reaction on the surface of the photocatalyst coated tube 140 by irradiation of 150).

본 발명의 광촉매분해 반응기의 광촉매층은 적절한 배열, 바람직하게는 두 개 열의 자외선 광원 (150)과 이들을 중심으로 배열된 세 개 열의 광촉매 코팅튜브 (140)가 하나의 단위로 구성되어 설치 및 유지보수가 간편하도록 할 수 있다.The photocatalytic layer of the photocatalytic cracking reactor of the present invention is installed and maintained in an appropriate arrangement, preferably two rows of ultraviolet light sources 150 and three rows of photocatalytic coating tubes 140 arranged around them. Can make it simpler.

도 5a는 본 발명에 따른 광촉매분해 반응기의 평면 투시도이며, 도 5b는 반응기 외부로 연장된 자외선 광원 (150)과 제2 타공망과의 연결 지점에서 자외선 광원 (150)을 반응기에 고정시키면서, 외부에 노출되는 것을 방지하기 위한 장치인 플랜지 (152)의 상세구조를 도시한 것이다. 플랜지 (152)의 나사를 회전시킴에 따라 자외선 광원 (150)과 플랜지 (152)사이에 삽입된 O-링 (153)이 조여들어 자외선 광원 (150)을 반응기에 고정시키면서 외부 공기와 차단시키는 작용을 하게된다. 광촉매 코팅튜브 (140)은 반응기 내부의 벽면에 장착된 제1 타공망 (141)에 의해 고정되므로 별도의 봉합이 필요하지 않다. 본 발명의 폐수처리용 광촉매 분해 반응기는 자외선 광원 (150)을 플랜지 (152)로 직접 차폐시킴으로써 자외선의 손실을 최소화 할 수 있으며 오존 램프의 사용할 경우 램프에서 발생한 오존을 직접 산화 보조제로 사용할 수 있다는 장점이 있다.FIG. 5A is a plan perspective view of a photocatalytic reactor according to the present invention, and FIG. 5B is a perspective view of the photocatalytic reactor in which the ultraviolet light source 150 is fixed to the reactor at a connection point between the ultraviolet light source 150 extending outside the reactor and the second perforated network. The detailed structure of the flange 152 is shown to prevent exposure. As the screw of the flange 152 is rotated, the O-ring 153 inserted between the ultraviolet light source 150 and the flange 152 tightens to block the ultraviolet light source 150 from the outside air while fixing the reactor to the reactor. Will be Since the photocatalyst coating tube 140 is fixed by the first perforation network 141 mounted on the wall inside the reactor, no separate sealing is necessary. The photocatalytic decomposition reactor for wastewater treatment of the present invention can minimize the loss of ultraviolet rays by directly shielding the ultraviolet light source 150 with the flange 152, and when ozone lamp is used, ozone generated from the lamp can be used as a direct oxidation aid. There is this.

반응기의 성능을 높이기 위해서는 유체와 촉매관 사이의 접촉을 극대화 하여야 하며, 이를 위해서는 촉매관과 자외선램프를 차단판으로 삼아 유체의 경로에 변화를 부여하는 것이 바람직하다.In order to increase the performance of the reactor, the contact between the fluid and the catalyst tube should be maximized. For this purpose, it is preferable to use the catalyst tube and the ultraviolet lamp as a blocking plate to change the path of the fluid.

본 발명에 따른 폐수처리용 광촉매 분해 반응기는 촉매 지지체로 알루미늄 등의 금속을 사용하여 사용 및 유지가 편리하고, 자외선 광원의 수를 증가시킴에 따라 자외선 조사면적을 증가시킬 수 있으므로 폐수의 처리용량을 대형화시킬 수 있으며, 금속튜브에 광촉매 물질을 코팅함으로써 원형 외에도 복잡한 형태의 튜브를 제작 사용할 수 있어 자외선 조사면적을 극대화 할 수 있다. 또한, 폐수가 광촉매 코팅튜브와 자외선 광원에 수직한 방향으로 유동하므로 광촉매 코팅튜브 자체가 장애물로 작용하여 유체의 접촉효과를 극대화할 수 있다.The photocatalytic decomposition reactor for wastewater treatment according to the present invention is convenient to use and maintain using a metal such as aluminum as a catalyst support, and can increase the irradiation area of the wastewater by increasing the number of ultraviolet light sources. It can be enlarged, and by coating a photocatalytic material on a metal tube, it is possible to manufacture and use a complex tube in addition to a circular shape to maximize the UV irradiation area. In addition, since the waste water flows in a direction perpendicular to the photocatalyst coating tube and the ultraviolet light source, the photocatalyst coating tube itself acts as an obstacle to maximize the contact effect of the fluid.

Claims (9)

폐수 유입부; 복수개의 자외선 광원 및 각각의 자외선 광원을 둘러싸는 구조로 배치된 복수개의 광촉매 코팅튜브로 이루어진 광촉매층; 상기 광촉매 코팅튜브 및 자외선 광원을 반응기에 고정시키기 위한 고정부재; 및 처리 폐수 배출부를 포함하고 있고, 상기 광촉매층의 자외선 광원 및 광촉매 코팅튜브가 그의 길이 방향이 폐수의 흐름 방향과 수직이 되도록 위치된 것을 특징으로 하는, 폐수처리용 광촉매분해 반응기.Wastewater inlet; A photocatalyst layer comprising a plurality of ultraviolet light sources and a plurality of photocatalyst coating tubes arranged in a structure surrounding each of the ultraviolet light sources; A fixing member for fixing the photocatalyst coating tube and the ultraviolet light source to the reactor; And a treatment wastewater discharge portion, wherein the ultraviolet light source and the photocatalyst coating tube of the photocatalyst layer are positioned such that their longitudinal direction is perpendicular to the flow direction of the wastewater. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 폐수 유입부와 광촉매 층사이에 분산판이 추가로 장착된 것을 특징으로 하는, 폐수처리용 광촉매분해 반응기.Dispersion plate is further provided between the wastewater inlet and the photocatalyst layer, wastewater treatment photocatalytic reactor. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 광촉매 코팅튜브 전단에 프리필터가 추가로 장착된 것을 특징으로 하는, 폐수처리용 광촉매분해 반응기.The precatalyst is further equipped with a front end of the photocatalyst coating tube, wastewater treatment photocatalytic reactor for treatment. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 광촉매 코팅튜브가 알루미늄 튜브에 광촉매가 코팅된 것임을 특징으로 하는, 폐수처리용 광촉매분해 반응기.The photocatalytic coating tube is characterized in that the photocatalyst is coated on the aluminum tube, wastewater treatment photocatalytic reactor. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 광촉매 코팅튜브가 단순 튜브 형태, 표면에 핀을 가진 튜브 형태 또는 메쉬 튜브 형태인 것을 특징으로 하는, 폐수처리용 광촉매분해 반응기.The photocatalyst coating tube is characterized in that the simple tube form, the tube form having a pin on the surface or a mesh tube form, wastewater treatment photocatalytic reactor. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 고정부재가 반응기 내측에 위치되어 광촉매 코팅튜브를 고정시키고 자외선 광원은 통과시키는 제1 타공망과, 상기 제1 타공망을 관통한 자외선 광원을 반응기 외측에 고정시키는 동시에 외부 공기로부터 밀폐시키는 제2 타공망으로 구성된 것을 특징으로 하는, 폐수처리용 광촉매분해 반응기.The fixing member is located inside the reactor to fix the photocatalyst coated tube and pass through the ultraviolet light source, and the second perforated network to fix the ultraviolet light source penetrating the first perforated network to the outside of the reactor and to seal it from the outside air. Characterized in that the photocatalytic reactor for wastewater treatment. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 자외선 광원이 중심 파장 180 내지 370 nm인 자외선 램프 또는 오존 램프인 것을 특징으로 하는, 폐수처리용 광촉매분해 반응기.The ultraviolet light source is an ultraviolet lamp or ozone lamp having a central wavelength of 180 to 370 nm, wastewater treatment photocatalytic reactor. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 광촉매 코팅튜브들이 5 내지 10 mm의 간격으로 배치된 것을 특징으로 하는, 폐수처리용 광촉매분해 반응기.The photocatalytic coating tube is characterized in that disposed at intervals of 5 to 10 mm, wastewater treatment photocatalytic reactor. 제 6 항에 있어서,The method of claim 6, 상기 제2 타공망으로부터 외부로 연장되어 나온 자외선 광원 부분을 차폐시키기 위해 O-링이 장착된 플랜지가 사용되는 것을 특징으로 하는, 폐수처리용 광촉매분해 반응기.A photocatalytic reactor for wastewater treatment, characterized in that a flange equipped with an O-ring is used to shield the portion of the ultraviolet light source extending outward from the second perforated network.
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