KR20080043708A - 상향류식 망간 접촉탑 - Google Patents

Abstract

본 발명은 망간촉매 충전층 전체에 균일하게 원수를 공급할 수 있으며, 망간촉매끼리의 충돌에 의한 마모를 억제함으로써, 장기간에 걸쳐 안정된 처리능력을 발휘할 수 있는 상향류식 망간 접촉탑을 제공한다.

본 발명은 입자 형상의 망간촉매가 충전된 탑본체의 저부에 원수가 유입되는 챔버실(2)을 형성하고, 이 챔버실(2)의 상면에 형성한 다수의 분산노즐(8)로부터 원수를 망간촉매 충전층(3)으로 공급하는 상향류식 망간 접촉탑이다. 각 분산노즐(8)은 수직인 노즐본체(9)의 상방에 우산부(12)를 구비하고, 우산부(12)의 하단을 노즐본체(9)의 상단보다도 하방으로 연장시킨 구조이다. 원수의 균일 공급이 가능하며, 망간촉매의 마모억제가 가능하다.

상향류식 망간 접촉탑, 챔버실, 우산부, 망간촉매 충전층, 분산노즐

Description

상향류식 망간 접촉탑{UPWARD-FLOW MANGANESE CONTACT COLUMN}

본 발명은, 망간 함유수의 처리에 사용되는 상향류식 망간 접촉탑에 관한 것이다.

지하수나 지표수 등을 수원으로 하는 정수 처리 시설에 있어서는, 원수 중에 망간 이온이 함유되어 있는 경우가 있어, 수돗물이 검게 되는 경우가 있다. 이 때문에 종래부터, 망간사를 사용한 망간 제거 처리법이 알려져 있다. 이 방법은, 모래입자의 표면에 이산화망간을 피복한 망간사를 조(槽) 내에 충전하고, 그 하방의 자갈층을 통하여 원수를 상향류 또는 하향류로 통수(通水)함과 아울러 염소를 주입하며, 이산화망간의 촉매작용을 이용해서 원수 중의 망간 이온을 불용성 망간으로서 석출시켜서, 원수 중에서 제거하는 방법이다.

그러나 이 종래법에서는, 비표면적이 2㎡／ｇ정도인 망간사를 사용하고 있었기 때문에, 원수 중으로부터의 망간 제거 효율이 낮다고 하는 문제가 있었다. 또한 이 망간사는 비중이 2.5 이하로 작기 때문에, 상향류에 의한 유실을 막기 위해서 망간사층에 공급하는 원수의 유속을 크게 할 수 없으며, 그 결과로서 처리수량당의 설비용적이 커진다고 하는 문제가 있었다.

그래서 출원인은, 비표면적이 15㎡／ｇ 정도인 β형의 이산화망간으로 이루어진 망간촉매와 세라믹제 분리막을 사용한 망간 제거법을 개발하여, 이미 특허(특허문헌 1, 2 등)를 취득하였다. 이 망간 제거법에서는, 사용하는 망간촉매의 비표면적이 크고, 게다가 그 비중이 3.5 정도로 크기 때문에, 종래보다도 상향 유속을 크게 할 수 있으며, 처리수량당의 설비용적을 작게 할 수 있다.

그러나 망간촉매의 비중이 크기 때문에, 종래와 마찬가지로 자갈층 위에 망간촉매 충전층을 형성하면, 망간촉매가 자갈 사이로 떨어져 버려서, 그 표면에 원수 중의 망간이 부착 성장하여, 비대화해 버리는 경향이 발생한다. 그 결과, 자갈층이 폐색되어 운전을 계속할 수 없게 되는 경우가 있었다. 이 방식(지지 자갈 방식)을 도 7에 나타낸다.

또한 망간촉매의 비중이 크기 때문에, 원수 분출부의 약간의 압력손실의 차이에 의해 분출하기 쉬운 부분과 분출하기 어려운 부분이 발생하여, 편류가 생겨 버리는 경향이 있었다. 게다가 원수 분출부에 있어서의 유속을 높이면 망간촉매가 서로 고속으로 충돌해서 표면이 마모되고, 그 결과, 망간촉매가 감소하여 처리능력이 저하하거나, 배수 중의 망간 농도가 상승해 버린다고 하는 문제도 있었다.

[특허문헌 1] 일본 특허 제3705590호 공보

[특허문헌 2] 일본 특허 제3786885호 공보

본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하여, 망간촉매 충전층 전체에 균일하게 원수를 공급할 수 있으며, 망간촉매 충전층의 폐색이나 편류를 방지할 수 있고, 게다가 망간촉매 입자의 충돌에 의한 마모를 억제함으로써, 장기간에 걸쳐 안정된 처리능력을 발휘할 수 있는 상향류식 망간 접촉탑을 제공하는 것을 목적으로 하는 것이다.

상기의 과제를 해결하기 위해서 이루어진 본 발명은, 입자 형상의 망간촉매가 충전된 망간 촉매 충전층을 가지는 탑본체와, 상기 탑본체의 저부(底部)에 형성되어 원수가 유입되는 챔버실과, 이 챔버실의 상면에 마련되고 원수를 상기 탑본체의 망간촉매 충전층에 공급하는 다수의 분산노즐로 이루어지는 상향류식 망간 접촉탑으로서, 각 분산노즐은 수직인 노즐본체의 상방에 우산부를 구비하고, 우산부의 하단을 노즐본체의 상단보다도 하방으로 연장시킨 구조인 것을 특징으로 하는 것이다.

또한, 각 분산노즐은, 노즐본체의 주위에 사발 형상(mortar shaped)의 오목부를 구비하고, 우산부의 하단과 사발 형상의 오목부와의 간극으로부터 원수를 공급하는 구조인 것이 바람직하며, 각 분산노즐은 전체 둘레 또는 양측에 수직벽 형상의 세퍼레이터를 구비한 것임이 바람직하다. 또한, 세퍼레이터로 둘러싸인 면적에 대하여, 1000m/일 내지 2500m/일의 속도로 원수를 공급한 경우, 우산부의 하단 으로부터의 원수의 유속을, 0.05㎧ 내지 1.5㎧로 조정하는 것이 바람직하며, 노즐본체는 그 하부에 오리피스(orifice)를 구비한 것임이 바람직하다. 상기 입자 형상의 망간 촉매는 β형의 이산화망간인 것이 바람직하다.

본 발명의 상향류식 망간 접촉탑은, 챔버실의 상면에 형성한 다수의 분산노즐로부터 원수를 망간촉매 충전층에 공급하는 구조이므로, 망간촉매 충전층 전체에 균일하게 원수를 공급할 수 있어, 편류를 발생시키지 않는다. 또한 각 분산노즐은, 노즐본체의 상방에 하단이 노즐본체의 상단보다도 하방으로 연장된 우산부를 구비하고, 우산부의 하단으로부터 원수를 분출하는 구조로 되어 있기 때문에, 유동하는 망간촉매가 우산부의 하단보다도 하측으로 들어가는 일이 없으며, 노즐본체를 통하여 챔버실에 낙하할 우려가 없다. 게다가 노즐본체로부터 공급되는 원수는 우산부의 하단 전체 둘레로부터 망간촉매 충전층으로 분출되기 때문에, 우산부의 하단으로부터의 원수의 유속을 1.5㎧ 이하로 할 수 있으며, 망간촉매의 입자가 서로 고속으로 충돌하는 것에 의한 마모를 억제할 수 있다.

이하에 본 발명의 바람직한 실시형태를 나타낸다.

도 1은 상향류식 망간 접촉탑의 전체를 나타내는 단면도이며, 1은 탑본체, 2는 탑본체 저부에 형성되어 원수가 유입되는 챔버실이다. 탑본체(1)의 내부에는 망간촉매 충전층(3)이 형성되어 있고, 비표면적이 15㎡／ｇ 정도, 비중이 3.5 정도인 β형의 이산화망간으로 이루어진 입자 형상의 망간촉매(4)가 충전되어 있다. 그 입 자직경은 유효직경이 0.3㎜ 내지 1.0㎜이다. 5는 탑본체(1)의 상부에 형성된 오버플로우부이며, 망간촉매 충전층(3)을 통과해서 탑본체(1)의 상단으로부터 오버플로우한 처리수를 받아, 유출관(6)으로 배출한다.

챔버실(2)과 망간촉매 충전층(3)을 구획하는 수평판(7)의 상면에는, 다수의 분산노즐(8)이 형성되어 있다. 각 분산노즐(8)은 바둑판의 눈 형상으로 배열해도, 정삼각형을 그리도록 아주 빽빽하게 배열해도 좋다. 1개의 분산노즐(8)의 크기는, 평면에서 봤을 때의 직경이 70㎜ 내지 500㎜로 하는 것이 바람직하다. 망간촉매 충전층(3) 중의 망간촉매(4)는, 분산노즐(8)로부터 분출되는 상향류에 의해 항상 도 2에 나타내는 바와 같이 유동하여, 폐색하는 일이 없다.

이하에 도 3, 도 4를 참조하면서 각 분산노즐(8)의 구조를 설명한다. 또한, 분산노즐(8)을 구성하는 각 부재는 스테인리스 등의 내식성 금속 또는 PP, PE, PVC 등의 수지제로 한다. 각 분산노즐(8)은 그 중심에 원통 형상의 노즐본체(9)를 구비하고 있다. 노즐본체(9)의 구경(口徑; d1)은 원수의 분출유속이 0.2㎧ 내지 3㎧가 되도록 설계하는 것으로 한다. 또한 노즐본체(9)의 하단부에는 오리피스(10)를 형성해 두는 것이 바람직하다. 이 오리피스(10)는 챔버실(2) 내에 공급된 원수를 각 노즐본체(9)에 균등하게 분산시키기 위한 것이며, 50㎜ 내지 2000㎜ 물기둥의 압력손실을 갖게 해 두는 것이 바람직하다.

노즐본체(9)의 외주에는 사발 형상의 오목부(11)가 형성되며, 또한 노즐본체(9)의 상방에는 동심이 되도록 우산부(12)가 형성되어 있다. 도 4에 나타내는 사발 형상 오목부의 내부 각도(θ1)는 15°내지 60°의 범위로 하는 것이 바람직하 다. 사발 형상의 오목부(11)는 원수를 상향으로 가이드하기 위한 부분이다. 또한 사발 형상의 오목부(11)의 외주부에는 인접한 분산노즐(8)과의 사이를 구획하는 수직인 세퍼레이터(13)를 형성해 둔다. 이 세퍼레이터(13)는 원통 형상이지만, 분산노즐(8)을 바둑판의 눈 형상으로 배열하는 경우에는, 분산노즐(8)에 좌우 양측에만 세퍼레이터(13)를 평판 형상으로 하여 배치하는 것도 가능하다. 세퍼레이터(13)의 높이(H)는 50㎜ 내지 300㎜ 정도가 적당하다.

우산부(12)는 거의 원뿔 형상의 것이며, 고정아암과 같은 적당한 고정수단에 의해 노즐본체(9)의 상방에 고정되어 있다. 이 때문에 노즐본체(9)로부터 분출한 원수는 우산부(12)의 이면에 충돌해서 하향으로 방향을 바꾸고, 우산부(12)의 하단과 사발 형상의 오목부(11)와의 간극으로부터 분산해서 유출된다. 이 기능을 달성하기 위해서, 우산부(12)의 하단을 노즐본체(9)의 상단보다도 하방으로 연장시킨 구조로 해 둘 필요가 있다. 또한 우산부(12)는 노즐본체(9)의 상부를 덮어서 망간촉매(4)가 노즐본체(9)의 내부를 통하여 낙하하지 않도록 하는 기능을 갖는 것이며, 우산부(12)의 하단을 노즐본체(9)의 상단보다도 하방으로 연장하는 것은, 이 기능을 달성하기 위해서도 필요하다.

세퍼레이터로 둘러싸인 면적에 대하여, 1000m/일∼2500m/일로 원수를 공급한 경우, 우산부의 하단으로부터의 원수의 유속은 1.5㎧ 이하로 하는 것이 바람직하다. 이 유속을 넘으면 망간촉매(4)가 서로 고속으로 충돌하는 것에 기인하여 마모가 현저해지기 때문이다. 또한 망간촉매(4)를 유동시키기 위해서는 적어도 0.05㎧의 유속을 확보할 필요가 있다. 따라서 이와 같은 유속이 얻어지도록 우산부(12)의 하단과 사발 형상의 오목부(11)와의 간극 거리(L1) 및 우산부(12)의 사이즈가 결정되게 되지만, 일반적으로는 우산부(12)의 직경(d2)은 50㎜∼300㎜로 하는 것이 바람직하다.

이 외에, 도 4에 나타내는 우산부(12)의 하단 각도(θ2)는 15°∼60°로 하는 것이 바람직하며, 우산부(12)의 하단과 사발 형상의 오목부(11)가 이루는 각도(θ3)는 30°∼120°로 하는 것이 바람직하다. 이 실시형태에서는 우산부(12)는 하단부가 보다 큰 각도로 넓어진 2단 원뿔 형상을 하고 있으나, 단순한 원뿔 형상으로 해도 지장은 없다.

본 발명의 상향류식 망간 접촉탑은 상기한 구조의 다수의 분산노즐(8)을 구비한 것이고, 망간 및 탁질(濁質)(SS)을 포함한 원수는 챔버실(2) 내에 공급되며, 각 분산노즐(8)에 균등하게 분산되어 노즐본체(9)로부터 분출된다. 원수는 우산부(12)의 하단과 사발 형상의 오목부(11)와의 간극으로부터 분출해서 사발 형상의 오목부(11)의 내면을 따라 상승하고, 상향류로서 망간촉매 충전층(3)을 통과한다. 이 동안에 원수 중의 망간 이온은 망간촉매(4)의 촉매작용에 의해 불용성 망간이 되어, 일부는 망간촉매(4)의 표면에 부착되고, 나머지는 SS와 함께 망간촉매 충전층(3)을 통과해서 오버플로우부(5)에 들어가, 유출관(6)으로부터 배출된다. 이들은 후단에 설치된 세라믹 여과막(14)에 의해 분리 회수된다. 이렇게 해서 원수 중의 망간 및 SS를 제거할 수 있다.

상기한 바와 같이, 본 발명의 상향류식 망간 접촉탑에서는 원수를 각 분산노즐(8)로부터 균등하게 분출시킬 수 있으므로, 망간촉매 충전층(3) 내의 망간촉 매(4)의 전체를 균등하게 유동시킬 수 있다. 이 때문에 종래와 같이 유동하지 않는 망간촉매가 비대해서 폐색을 발생시키는 일도 없다. 또한, 망간촉매 충전층(3)의 폐색성은, 망간촉매 충전층의 팽창률(유동상태에 있어서의 높이/비유동상태에 있어서의 높이)에 의해 평가할 수 있다.

도 5의 그래프는 운전 계속에 따른 팽창률의 변화를 나타내는 것으로, 단순히 망간촉매 충전층의 하부에 분산관을 배치한 분산관 방식에서는, 팽창률은 124% 정도이다. 이에 비해서 망간촉매 충전층의 하부에 자갈층을 형성하고, 그 내부에 분산관을 배치한 지지 자갈 방식(도 7) 및 본 발명 방식에서는, 팽창률은 150%를 넘어 폐색성이 저하한 것을 알 수 있다. 그러나 지지 자갈 방식에서는 자갈층의 내부에 떨어진 망간촉매가 비대화해서 폐색을 초래하므로, 운전 개시 후 1년을 경과하면 팽창률이 점차로 저하해 간다. 또한 이와 함께 망간촉매 충전층의 통과압력손실도 상승하여, 당초는 25 ㎪였으나 1년 후에는 40 ㎪로까지 상승하였다. 이에 비해서 본 발명 방식에서는, 팽창률, 통과압력손실 모두 변화가 없다.

또한 본 발명의 상향류식 망간 접촉탑에서는 망간촉매의 손모(損耗)가 적기 때문에, 처리수의 탁도가 저하한다. 도 6은 LV=2000m에서 운전 개시 직후의 처리수 탁도의 변화를 나타내는 그래프이며, 망간촉매 충전층의 하부에 분산관을 배치한 분산관 방식에서는, 망간촉매끼리가 충돌해서 미립자가 물속에 현탁하기 때문에, 처리수의 탁도가 좀처럼 저하하지 않는다. 이에 비해서 지지 자갈 방식 및 본 발명 방식에서는 망간촉매의 손모가 적기 때문에, 처리수 탁도는 급속하게 저하하는 것을 알 수 있다.

도 1은 상향류식 망간 접촉탑의 전체 구성을 나타내는 단면도.

도 2는 요부의 확대 단면도.

도 3은 단일 분산노즐의 단면도.

도 4는 단일 분산노즐의 치수 설명도.

도 5는 운전 계속에 따른 팽창률의 변화를 나타내는 그래프.

도 6은 운전 개시 직후의 처리수 탁도의 변화를 나타내는 그래프.

도 7은 종래의 지지 자갈 방식의 설명도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1: 탑본체 2: 챔버실

3: 망간촉매 충전층 4: 망간촉매

5: 오버플로우부 6: 유출관

7: 수평판 8: 분산노즐

9: 노즐본체 10: 오리피스

11: 사발 형상의 오목부 12: 우산부

13: 세퍼레이터 14: 세라믹 여과막

Claims (6)

1. 상향류식 망간 접촉탑으로서,

   입자 형상의 망간촉매가 충전된 망간 촉매 충전층을 가지는 탑본체와,

   상기 탑본체의 저부에 형성되어 원수(原水)가 유입되는 챔버실과,

   이 챔버실의 상면에 마련되고, 원수를 상기 망간촉매 충전층에 공급하는 다수의 분산노즐을 포함하고,

   각 분산노즐은 수직인 노즐본체의 상방에 우산부를 구비하고, 상기 우산부의 하단을 상기 노즐본체의 상단보다도 하방으로 연장시킨 구조인 것인 상향류식 망간 접촉탑.
2. 제1항에 있어서, 각 분산노즐은, 상기 노즐본체의 주위에 사발 형상(mortar-shaped)의 오목부를 구비하고, 상기 우산부의 하단과 사발 형상의 오목부와의 간극으로부터 원수를 공급하는 구조인 것인 상향류식 망간 접촉탑.
3. 제1항에 있어서, 각 분산노즐은, 전체 둘레 또는 양측에 수직벽 형상의 세퍼레이터를 구비한 것인 상향류식 망간 접촉탑.
4. 제3항에 있어서, 상기 세퍼레이터로 둘러싸인 면적에 대하여, 1000m/일(day) 내지 2500m/일(day)의 속도로 원수를 공급한 경우의, 상기 우산부의 하단으로부터 의 원수의 유속을 0.05㎧ 내지 1.5㎧로 조정한 것인 상향류식 망간 접촉탑.
5. 제1항에 있어서, 상기 노즐본체는 그 하부에 오리피스(orifice)를 구비한 것인 상향류식 망간 접촉탑.
6. 제1항에 있어서, 상기 입자 형상의 망간 촉매는 β형의 이산화망간인 것인 상향류식 망간 접촉탑.

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