KR20060117144A - 광촉매 및 은나노 고정화 금속섬유필터를 이용한 폐수처리장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 폐수처리에 있어서 유기물제거, 색도 및 냄새제거, 살균 등을 효과적으로 수행하기 위해 고안된 광촉매 장치에 관한 것으로 비표면적이 크고 유체흐름에 따른 압력강하가 상대적으로 작은 미세 금속섬유를 담체로 사용하므로써 동일 규모의 타 반응기에 비해 훨씬 많은 양을 처리할 수 있고, 소성을 통한 필터재생이 용이하여 경제적일 뿐만아니라, 은나노를 동시에 코팅하므로써 자외선이 닿지 않는 곳에서도 큰 살균 및 항균효과를 볼 수 있도록 고안된 폐수처리 장치에 관한 것이다.
광촉매, 은나노, 금속섬유, 폐수처리 장치, 광촉매 및 은나노 고정화 금속섬유필터를 이용한 폐수처리 장치
Description
도 1은 본 발명의 광촉매 및 은나노 고정화 금속섬유필터를 이용한 폐수처리 장치.
도 2는 본 발명의 광촉매 및 은나노 고정화 금속섬유필터를 이용한 반응기.
도 3은 본 발명의 효율증대를 위해 전단에 설치하는 부유물 제거용 필터.
도 4는 본 발명의 유량 흐름량에 따른 압력손실 측정값
도 5는 본 발명의 광촉매 및 은나노 고정화 금속섬유필터의 내구성 측정값\
도 6은 본 발명의 유기화합물 처리폐수로 사용된 Orang-G 분자구조식
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1:폐수조 2:펌프 3:3-way 밸브 4:전처리필터 5:공기압축기 6:폐수유입관 7:가스유입관 8:배수관 9:광촉매반응기 10: 처리수조 11:전원연결부 12:상단 램프홀더 13:오링 (O-ring) 14:금속섬유 지지판 15:자외선램프 16:램프보호석영관 17:가스분배판 18:하단램프홀더 21:전단스크린 22:프랜지 23:후단스크린
일반적으로 수중에 존재하는 환경오염 성분은 크게 부유물질과 용존유기물, 용존무기물, 인체에 유해한 각종세균 및 바이러스균 등으로 분류할 수 있다. 이러한 오염물질을 제거하기 위하여 사용되는 기존의 수처리 방법에는 침전법, 흡착법, 물리·화학법, 전기산화법, 생물처리법 등이 있지만, 오염물질의 완전분해가 이루어지지 않아 2차 오염물질을 발생하거나, 화학적 첨가물에 의해 독성물질이 발생하여 환경돌연변이를 야기하거나, 또는 시설비, 운전비의 경제적인 부담이 커지거나, 과도한 부지면적이 필요한 등의 단점을 내포하고 있다. 또한 인체에 유해한 세균 및 바이러스균에 대한 처리방법으로 자외선이나 오존으로 세균을 사멸시키는 자외선법이나 오존법이 활용되고 있으나 자외선법의 경우 자외선 램프만으로는 처리효율이 만족스럽지 못하여 효율증대를 위해서는 다량의 램프를 설치해야 하고 오존법의 경우, 사용되는 오존중의 많은 부분이 용존오존으로 전환되지 못하여, 처리될 수 있는 유기물이 한정되며 잔류오존으로 인한 인체유해성이 논란이 되고 있다.
이러한 단점을 극복하기 위해 자외선이나 오존보다 더 강력한 산화력을 가지는 OH 라디칼을 이용하여 수중 유기물을 이산화탄소와 물 같은 인체에 무해한 화합물로 분해, 전환하는 이산화티타늄 광촉매법이 적용되고 있다.
광촉매의 효율을 높이기 위해 산도를 조정하거나 약품을 첨가하는 경우도 있고, 공정 전·후단에 다른 기술을 접목하기도 하며 광촉매의 유출을 막기 위해 여러 종류의 담체에 고정화하여 사용하는 방법이 적용되기도 하는데 이와 관련한 선행기술은 다음과 같다.
여타 수처리기술과 조합한 공정특허로는 후단에 분리막을 설치한 공고특허 10-0205443, 전단에 마이크로필터, 후단에 활성탄 흡착조와 한외여과막을 설치한 등록실용신안 20-0229903, 전단에 전처리필터를 설치한 등록실용신안 20-0264111, 전단에 응집조와 침전조를, 후단에 중화조, 촉매회수 및 방류조를 설치한 등록특허 10-0390652, 전단에 스크린, 유수분리, 반응, 폭기, 침전, 소포, 산도조정조를 설치하고 후단에 중화조와 방류조를 설치한 등록특허 10-0392070 등이 있다. 이러한표면에서 반응하는 광촉매의 성능을 저해하는 부유물질을 제거하거나 광촉매 반응의 활성을 높이기 위해 산도조정, 산소와 과산화수소의 투입 및 폭기 등 산소공급, 방류전 미처리 오염물질의 최종처리를 위한 흡착 및 중화, 촉매회수 등의 공정을 광촉매 반응기 전단 혹은 후단에 설치하였지만 정화효율의 상승에도 불구하고 공정이 복잡해지고 초기투자비와 운전비가 상승하며 과도한 설치면적이 요구되는 단점을 갖고 있다.
이에 따라 하나의 반응기내에 여러 개의 장치를 동시에 설치하기도 하는데 단일 반응기내에 전기분해 장치와 광촉매 장치가 공존하는 공고특허 10-0251405, 생물막과 침전조가 광촉매 장치와 공존하는 공개특허 특2002-0092291, 초음파 장치가 광촉매 장치와 공존하는 공개특허 특2003-0087801 등이 고안되었다. 앞의 공정들에 비해 비용, 부지면적 등 유리한 점이 있는 반면 접촉시간이 상대적으로 짧아 정화효율이 떨어지고 압력강하가 심하여 처리량에 한계가 있으며 운전 및 유지·보수가 어렵다는 단점을 갖고 있다.
한편, 상기 공정 혹은 장치들은 분말형, 구슬형(유리, 세라믹, 실리카겔, 맥 반석, 게르마늄, 옥, 제올라이트, 활성탄 등의 재료), 실린더형(유리섬유, 스테인레스 철망 등의 재료), 판형(유리, 금속 등의 재료) 등의 담체에 광촉매를 고정화하여 사용하는데 분말형은 압력강하가 매우 심하고 분리공정이 수반되어야 하며 기타 구슬형, 실린더형, 판형 모두 원하는 정화효율을 얻기 위해서는 심각한 압력강하가 수반되며 이에 따라 처리량이 제한된다는 단점이있다.
또한 자외선과 광촉매에 의한 살균효과는 있으나 이들이 미치지 않는 구역에서는 세균에 의한 오염을 제어할 대책이 없어 정수용으로 사용하기에는 부족할 뿐만아니라 장치가 오히려 세균번식의 오염원이 될 가능성도 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 고안된 본 발명에서는 미세한 크기의 금속섬유 위에 특허 출원번호 2003-42725의 방법으로 광촉매를 고정화하고 나노크기의 은입자를 코팅하여 제조된 필터로 유기화합물의 정화는 물론 살균처리가 가능한 폐수처리 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 유입수의 부유물질(MLSS)을 제거하기 위한 전처리 필터와 광촉매 반응기로 구성되는데 전처리 필터에는 일반 금속섬유가 충진되고 광촉매 반응기는 은나노가 코팅된 내벽안에 자외선램프와 광촉매 및 은나노가 코팅된 지지판과 그 사이에 충진된 광촉매 및 은나노 고정화 금속섬유, 그리고 산소나 공기를 공급해 주는 가스분배관 등이 설치되어 광촉매의 분리회수 없이 정화효율이 높은 광촉매를 이용한 폐수처리 장치를 말한다.
본 발명의 장치에 대해 도면을 참고로 해서 설명한다.
도 1은 광촉매 및 은나노 고정화 금속섬유필터(Metal Fiber Filter)를 이용한 폐수처리 장치의 구성도를 나타낸다. 폐수조(1)에서 펌프(2)와 전처리필터(4)를 거쳐 폐수유입관(6)을 통해 광촉매반응기(9)로 들어간 폐수는 정화된 후 처리수조(10)에 저장되며 이 때 공기압축기(5)에서 발생한 압축공기가 가스유입관을 통해 반응기내로 유입된다. 막힘현상이 나타나는 전처리필터는 빼내어 재생공정에 들어가고 그 동안은 다른 유로의 전처리필터를 사용한다. 운전 시작전이나 정지후 반응기내에 잔존하는 폐수는 배수관(8)을 통해 폐수조로 순환된다.
도 2는 광촉매 및 은나노 고정화 금속섬유필터를 이용한 반응기로 내부에 설치되어 전원(11)에 의해 자외선을 조사시키는 자외선램프(15)와; 자외선을 차단하지 않으면서 램프(15)를 보호하기 위해 설치한 석영관(16)과; 석영관의 흔들림을 방지하기 위한 상·하단 램프홀더(12, 18)과; 폐수 및 가스의 흐름에 따른 금속섬유의 상향이동을 방지해주는 지지판(14)과; 금속섬유 지지판(14)의 고정을 위한 오링 (O-ring)(13)과; 가스를 반응기내로 균일하게 공급하기 위해 설치한 가스분배판(17)과; 운전 시작전과 정지후 내부에 잔존하는 폐수를 폐수조로 순환시키는 배수관(12)을 각각 연결하여 설치된다.
도 3은 본 발명의 효율증대를 위해 광촉매 반응기 전단에 설치하는 부유물 제거용 필터로 광촉매나 은나노를 담지하지 않은 일반 금속섬유와 금속섬유가 배출되지 않게 지지하고 폐수의 흐름을 균일하게 분산시켜 주기위해 섬유층 앞, 뒤에 설치하는 스크린으로 구성된다.
이와 같이 구성되는 본 발명에 있어 금속섬유와 지지판은 광촉매와 은나노 모두를, 반응기 내벽에는 은나노를 코팅하는 것이 바람직하다. 자외선이 닿는 곳에서는 광촉매의 활성에 따라 오염정화와 항균 작용이 일어나며 그렇지 못한 곳에서는 은나노의 항균효과가 나타나므로 특히 음용수의 정화공정에서는 큰 효과를 볼 수 있다.
광촉매 및 은나노 고정화 금속섬유를 충진하고 반응기내에 폐수를 유입시키는 동시에 자외선 램프 (UV-C Lamp)에서 발생하는 254nm 파장의 자외선을 조사하고 반응기 하부를 통해 가스를 공급한다.
광촉매는 분해활성이 높고 독성 및 코스트 면에서 유리한 50nm 이하의 아나타제형 티타늄의 사용이 바람직하다. 반응기에 충진되는 광촉매 및 은나노 고정화 금속섬유의 양은 폐수의 흐름에 따라 나타나는 압력강하의 정도로 결정한다. 금속섬유에 담지하는 광촉매의 양은 금속섬유 1g당 광촉매 함량 0.1 ∼ 25 mg 고정화된 것이 바람직하다.
은나노는 광촉매의 표면반응에 저해작용을 하지 않으면서 코팅작업이 용이한 50nm 이하의 수용액 졸이 바람직하다. 금속섬유에 담지하는 은나노의 양은 금속섬유 1g당 은나노 함량 0.001 ∼ 1.0 mg 고정화된 것이 바람직하다.
고정화된 광촉매와 은나노가 폐수의 흐름에 씻겨 나가는 것을 방지하기 위해 코팅후 400℃ 이상에서 4 시간이상 소성하는 것이 바람직하다. 이처럼 금속섬유와 광촉매, 은나노 모두 열에 잘 견디기 때문에 유기성 부유물질에 의해 섬유가 오염되었을 경우 탈착하여 고온에서 태워주면 재사반응기내 금속섬유의 청소 혹은 교환 주기를 연장시켜 손쉽게 연속운전을 할 수 있다.용이 가능하다는 장점이 있다. 특히 준비된 두개의 전처리 필터를 유로를 변경하면서 사용함으로써,
금속섬유의 충진량이 적으면 효과가 떨어지고, 많으면 압력강하가 증가하는 것은 물론 폐수중의 광투과량이 떨어져 처리효율이 감소되므로 단수나 충진밀도를 조정하여 적정한 양의 금속섬유를 충진한다.
광촉매의 처리효율을 높이고 섬유내부에 부유물이 정체하는 것을 막기 위해가스유입관(7)과 분배판(17)을 통해 산소나 공기를 균일하게 공급한다.
본 발명의 섬유상 담체는 유연성을 갖고 있어 고정형의 담체가 갖고 있는 폐수흐름의 문제점인 채널링(channeling) 현상을 극복할 수 있다.
본 발명의 장치는 상기에서 서술한 바와 같이 간단한 조작으로 광촉매의 손실없이 효과적인 처리가 가능하여 처리비용이 적다는 장점이 있으므로 각종 폐수 및 상하수도 등의 정화에 적용할 수 있다.
본 발명의 특징 및 장점은 후술되는 실시예를 통해 보다 명백해지지만, 실시예가 본 발명을 한정하는 것은 아니다.
<실시예 1> 도 2에 나타낸 반응기에 직경 10 ㎜와 5 ㎜의 구형 알루미나와 본 발명의 직경 60 ㎛의 금속섬유를 같은 표면적을 기준으로 각각 충진하고 순수의 흐름량을 0∼ 24 lpm(liter/min)으로 변경하여 흘렸다. 이 때 발생하는 각각의 압력손실은 표 1과 같이 정리해 보았으며, 도 4와 같이 나타내었으며, 필터가 장착되지 않은 경우의 흐름량에 따른 압력손실과 금속섬유(Metal Fiber)장착후 흐름량에 따른 압력손실과는 유사한 결과를 나타내었으나, 10 mm 와 5 mm 사이즈의 알루미나 비드의 경우는 압력손실이 높게 나타내었다.
| 흐름량 (LPM) | Pump (cm H2O) | NO Filter (cm H2O) | Metal Fiber (cm H2O) | 10 mm Bead (cm H2O) | 5 mm Bead (cm H2O) |
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 4 | 4 | 20 | 20 | 21 | 85 |
| 8 | 8 | 26 | 30 | 70 | 168 |
| 12 | 12 | 38 | 46 | 144 | 295 |
| 16 | 35 | 58 | 68 | 278 | 450 |
| 20 | 56 | 68 | 100 | 500 이상 | 500 이상 |
| 24 | 83 | 122 | 134 |
<실시예 2> 도 2에 나타낸 반응기에 광촉매와 은나노를 고정한 직경 60 ㎛의 금속섬유와 광촉매만 고정한 금속섬유와 고정화 하지않은 금속섬유 각각 50 g을 충진하고, 오렌지-지(도 6 Orange-G 분자구조식 ; 알드리치사 미국) 용액 20 ㎎/L, 일반세균 3 * 10^4 CFU/ml (CFU : colony forming unit)를 포함한 폐수 20 lpm를 흘려보내며, 광조사는 자외선램프(UV-C 39W : 필립스사)를 사용하여 처리를 하였다. 이렇게 하여 얻어진 처리수의 오렌지-지와 일반세균의 처리율은 표 2와 같다. 즉, 광촉매와 은나노가 고정된 금속섬유와 광촉매 금속섬유는 오렌지-지 분해속도 상수 k 값이 0.04를 유지하였으며(분해속도 상수 k 값은 1차 반응 속도식(pseudo-first order kinetics)에 따라 해석하였다), 고정화하지 않은 금속섬유는 분해속도 상수 k 값의 변화율이 없었다. 또한 광촉매와 은나노가 고정된 금속섬유와 광촉매 금속섬유는 일반세균 살균효율이 99.9%를 유지하였으며, 고정화 하지않은 금속섬유는 90%를 나타내었다. 고정화 하지않은 금속섬유의 살균능력은 자외선 램프에 의한 살균능력으로 해석할 수 있다.
| 고정화 하지않은 금속섬유 | 광촉매 은나노 금속섬유 | 광촉매 금속섬유 | |
| 분해속도상수 k 값 | - | 0.04 | 0.04 |
| 살균율 % | 90 | 99.9 | 99.9 |
<비교예 1> 도 2에 나타낸 반응기에 광촉매와 은나노를 고정한 직경 60 ㎛의 금속섬유와 광촉매만 고정한 금속섬유와 고정화 하지않은 금속섬유 각각 50 g을 충진하고, 일반세균 3 * 10^4 CFU/ml (CFU : colony forming unit)를 포함한 폐수 20 lpm를 흘려보내며, 광조사를 하지않고 처리를 하였다. 이렇게 하여 얻어진 처리수의 일반세균의 처리율은 표 3과 같다. 즉, 광촉매와 은나노가 고정된 금속섬유는 99.9%를 유지하였으며, 광촉매 금속섬유와 고정화 하지않은 금속섬유는 살균효율이 없었다.이는 자외선이 없는 반응에서는 은나노의 살균능력이 발휘됨을 나타내었다.
| 고정화 하지않은 금속섬유 | 광촉매 은나노 금속섬유 | 광촉매 금속섬유 | |
| 살균율% | 0 | 99.9 | 0 |
<실시예 3> 도 2에 나타낸 반응기에 광촉매 은나노를 고정한 직경 60 ㎛의 금속섬유를 충진하고 오렌지-지(도 6 Orange-G 분자구조식) 용액 20 ㎎/L, 일반세균 3 * 10^4 CFU/ml (CFU : colony forming unit)를 포함한 폐수 20 lpm를 흘려보내며, 광조사는 자외선램프(UV-C 39W : 필립스사)를 사용하여 처리하면서, 장기간 운전하고, 광촉매 은나노를 고정한 금속섬유는 고온에서 수차례 소성을 반복하여 정화효율의 지속성과 내구성을 고찰하였으며, 그 결과는 도면 5와 같다.
본 발명은 광촉매를 이용한 폐수처리시 광촉매 및 은나노를 고정화한 금속섬 유필터를 사용함으로써 표면적 증가에 따른 정화효율 제고와 함께 압력강하를 줄이는 것은 물론 소성을 통한 필터의 재생이 가능하며 동시에 광이 도달하지 않는 곳에 은나노를 코팅함으로써 살균효과를 부여할 수 있어 궁극적으로는 수질의 향상과 함께 설치비와 운영비의 절감을 기대할 수 있다.
Claims (6)
- 폐수의 부유물질을 제거하기 위해 반응기 전단에 설치하는 전처리필터와; 전처리필터를 빠져나온 폐수가 원수유입관(6)을 통하여 유입되는 광촉매반응기(9)와; 상기 반응기(9) 내부에 설치되어 자외선을 조사시키는 자외선램프(15)와; 자외선을 차단하지 않으면서 램프(15)를 보호하기 위해 설치한 석영관(16)과; 석영관의 흔들림을 방지하기 위한 상·하단 램프홀더(12, 18)과; 폐수 및 가스의 흐름에 따른 직경 1㎛ ∼ 1,000㎛ 금속섬유의 상향이동을 방지해주는 지지판(14)과; 금속섬유 지지판(14)의 고정을 위한 오링(O-ring)(13)과; 가스유입관(7)을 통해 들어온 가스를 반응기내로 균일하게 공급하기 위해 설치한 가스분배판(17)을 각각 연결하여 구성되는 광촉매 은나노를 이용한 폐수처리 장치.
- 제 1 항에 있어서, 광촉매 및 은나노 고정화 금속섬유필터를 다단형 혹은 일체형으로 설치 및 분리가 가능한 구조의 광촉매 반응기.
- 제 1 항에 있어서, 광촉매 및 은나노 고정화 금속섬유 필터의 내부중앙에 자외선 램프가 수직으로 장착되어질 수 있으며, 처리대상 물질성상에 따라 광촉매 및 은나노 고정화 금속섬유필터의 충진량을 조절할 수 있는 광촉매 반응기.
- 제 1 항에 있어서, 광촉매 및 은나노 고정화 금속섬유필터의 보호와 효율유지를 위해 광촉매나 은나노를 담지하지 않은 일반 금속섬유를 충진하여 반응기 전단에 설치하는 전처리 필터 장치.
- 제 2 항에 있어서, 유체흐름에 따른 광촉매 및 은나노 고정화 금속섬유필터의 상향이동을 방지해 주는 지지판을 내장하며, 다단장착의 경우 지지판을 반응기 내부에 고정할 수 있는 광촉매 반응기.
- 제 2 항에 있어서, 반응기 내부벽에 은나노를 코팅하여 자외선이 도달하지 않아 발생할 수 있는 세균증식에 대해 강력한 살균 및 항균작용을 도모하는 광촉매 반응기.
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- 2005-05-13 KR KR1020050039948A patent/KR20060117144A/ko not_active Application Discontinuation
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