KR20110024396A - 다단계의 복합산화공정을 이용한 고농도 ｏｈ라디칼 산화제 제조장치, 제조방법 및 고농도 ｏｈ라디칼 산화제를 이용한 ｏｈ라디칼 수 제조방법 - Google Patents

다단계의 복합산화공정을 이용한 고농도 ｏｈ라디칼 산화제 제조장치, 제조방법 및 고농도 ｏｈ라디칼 산화제를 이용한 ｏｈ라디칼 수 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 다단계의 복합 산화공정을 이용한 고농도 OH라디칼 산화제 제조장치, 제조방법 및 고농도 OH라디칼 산화제를 이용한 OH라디칼 수 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 오존을 생성하여 공급하는 오존공급부와, 오존 공급량에 따라 과산화수소의 주입량을 조절한 후, 고농도로 희석시킨 과산화수소를 공급하는 과산화수소공급부와, 상기 과산화수소공급부로부터 공급되는 희석 과산화수소에 상기 오존공급부로부터 공급되는 오존을 가한 것을 공급받아, UV 램프에서 조사되는 자외선과 광촉매로부터 발생되는 정공의 작용으로 고농도 OH라디칼 산화제를 생성시키는 광촉매조로 이루어지는 고농도 OH라디칼 산화제 제조장치와,
여과수를 이용하여 희석시킨 과산화수소를 금속촉매와 접촉시켜 들뜬상태로 만든 후, 상기 여기 상태의 희석 과산화수소에 오존을 공급하여 UV 자외선과 티타늄디옥사이드 진공증착 표면으로부터 발생한 정공에 의한 고농도 OH라디칼 산화제를 제조하는 방법과,
상기 광촉매조를 거쳐 생성된 고농도 OH라디칼 산화제를 인잭터를 통해 원수와 혼합하여 OH라디칼 수를 제조하는 방법에 관한 것이다.
OH, 라디칼, 오존, 과산화수소, 광촉매, 금속촉매, 인잭터

Description

다단계의 복합산화공정을 이용한 고농도 ＯＨ라디칼 산화제 제조장치, 제조방법 및 고농도 ＯＨ라디칼 산화제를 이용한 ＯＨ라디칼 수 제조방법{MANUFACTURING APPARATUS OF HIGH CONCENTRATED OH-RADICAL OXIDENT USING MULTIFUL MERGED OXIDATION PROCESS, MANUAFCTURING METHOD OF IT AND MANUFACTURING METHOD OF OH-RADICAL WATER USING THE OH-RADICAL OXIDENT}
본 발명은 종래 일반화된 고도산화처리기술(AOP;Advanced Oxidation Process)과는 다른, 상온 1기압에서 과산화수소를 금속촉매와 접촉시켜 활성화시킨 후, 자외선을 조사하는 촉매층에 재접촉시켜 고농도 OH라디칼 산화제를 생성시키는, 다단계의 복합산화공정을 이용한 강력하고 생성효율이 높은 고농도 OH라디칼 산화제 제조장치, 제조방법 및 고농도 OH라디칼 산화제를 이용한 OH라디칼 수 제조방법에 관한 것이다.
종래 수처리기술의 대부분은 미생물에 의한 생물학적 처리기술과, 여과, 응집, 침전 또는 흡착 등의 물리화학적 처리기술에 의한 것이 대부분이었다.
그러나, 이와 같은 종래의 일반적 수처리방법은 슬러지의 발생문제와 설비에 따른 고비용 및 화학약품의 사용 등에 의한 운전비용이 과다하게 소모되는 문제가 있었으며, 상기 생물학적 처리기술의 경우, 난분해성물질의 제거가 원활하게 이루어지지 않는 문제가 있었다.
이와 같은 종래 수처리기술의 문제를 해결하기 위해 개발된 것이 바로 고도산화처리기술이다.
고도산화처리기술(Advanced Oxidation Process:AOP)은 Fentone산화, H2O2산화, UV-자외선에 의한 산화, 촉매 물질에 의한 산화 등 그 종류가 다양하다.
여기에서, 고도산화처리기술이라는 것은 OH라디칼을 생성시켜 물 등에 함유되어 있는 유기화합물을 CO2, H2O 또는 O2 등의 무해한 화합물로 분해시키는 기술로서, 이는 상기 OH라디칼의 강력한 산화력에 의한 것이다. 그리고, 상기 OH라디칼의 생성은 오존이나 과산화수소에 자외선을 조사함으로써 생성된다. 그러나, 이와 같은 종래의 고도산화처리기술에서 또한 문제점이 발생하였으며, 그 문제점들에 대한 내용을 살펴보면 다음과 같다.
오존(O 3 )/UV AOP(Advanced Oxidation Process)
오존(O3)/UV AOP(Advanced Oxidation Process)의 경우, 오존이 물에 용존되는 정도가 미미하기 때문에 용존에 있어 상당한 어려움 있다. 그러나 용존될 처리수의 온도가 낮으면 낮을수록 오존의 용존을 증가시킬 수 있다. 하지만, 이와 같은 경우 효율면 및 경제성 등을 고려할 때 실용성이 없다.
그리고, 오존이 물에 용존된다고 하더라도 미량으로 용존됨에 따라 OH라디칼의 생성 또한 아주 작은 양이 생성된다.(용도에 따른 적합한 OH라디칼이 요구되는 경우에 불가피하게 오존발생장치가 커지게 되고, 오존 발생량이 많아야 함으로 인해 운용비용 등 경제적인 측면에 있어 매우 비효율적이다.) 또한, 물에 용존되지 못한 오존은 환경오염의 원인이 되며 인체에 흡입될 경우에는 치명적일 수 있다.
오존(O 3 )/과산화수소(H 2 O 2 )(Peroxone AOP)
오존은 과산화수소의 수산기화 보다 오존을 분해시키는 속도가 훨씬 빠르기 때문에 오존의 소모가 많고, 과산화수소는 산성으로서, 산성에서는 낮은 산화상태이며 금속이온이 처리수에 존재할 경우 자유 라디칼이 생성되기도 하나, OH라디칼 반응 속도와 지속 시간 등의 조절이 불가능하다.
과산화수소(H 2 O 2 )/UV AOP(Advanced Oxidation Process)
과산화수소/UV 방법은 과산화수소 1몰과 1몰의 포튼에너지(Photon energy)로 1몰의 OH라디칼을 생성하는 방법으로, 이와 같은 방법에 의해서는 과산화수소에 UV 자외선을 조사하는 것만으로 과산화수소를 분해시키는 것에 한계가 있으며, 고농도의 OH라디칼 생성이 어렵다는 문제가 있다.
광촉매를 이용한 AOP(Adavanced Oxidation Process)
광촉매를 이용한 기술은 오존(O3)/과산화수소(H2O2)/UV 등과 OH라디칼 생성시 광촉매의 TiO2을 파우더(분말) 상태로 처리대상의 원수에 현탁시켜 오존(O3)/과산화수소(H2O2)/UV광촉매조에 동시에 통과시켜 광촉매에 의한 OH라디칼을 생성시킨다.
그러나, 이와 같은 방법에 의할 경우, 처리가 끝난 후 처리공정의 끝단에 회수장치를 설치하여 처리수에 현탁된 광촉매인 TiO2를 세라믹필터(Ceramic Filter)와 가압펌프 등을 150Psi(10kg/㎠) 압력과 백 프러싱(Back Flushing) 이용하여 광촉매(TiO2)를 회수하여야 하는 어려움이 있으며, 대용량 처리시 가압펌프를 비롯하여 세라믹필터의 설치로 인하여, 효율적인 면에 더하여 경제성이 떨어져 현실적으로 활용가능성이 매우 떨어지며, 오염도가 높은 처리수는 UV자외선의 조사(투과)가 방해가 되어 처리되지 않으며 OH라디칼을 생성시키기도 어렵다는 문제가 있다.
오존(O 3 )/High PH AOP(Advanced Oxidation Process)
오존의 분해속도는 PH에 의해 크게 영향을 받으며, 이것은 수산기(OH-)에 의해 오존이 스스로 분해할 수 있는 특성을 갖기 때문이다. 오존의 PH만 높인다고 정상상태의 많은 양의 OH라디칼을 생성시킬 수는 없으며, 농도 역시 유지시킬 수 없다. 따라서, 여기에서 사용된 강 알카리(NaOH)를 다시 강산으로 중화시키는 과정에서 산성 물질과 알칼리가 반응하여 제2차 오염을 발생시키는 문제가 발생한다.
오존(O3)/High PH AOP(Advanced Oxidation Process)의 기술과 용도는 제한적이며, 순수 OH라디칼수만을 제조하기 어렵기 때문에 별도의 처리 방법으로서, 중간 처리방법에 채용하여 사용하는 기술이라 할 수 있다.
과산화수소/철염 AOP(Advanced Oxidation Process)
과산화수소와 황산제1철(FeSO4)과 과산화수소를 1:2(황산제1철) 기준으로 오염된 처리 수에 투입하는 것으로서, 이때 pH는 약산성으로 3 ~ 4일때 과산화수소와 황산제1철은 반응하여 과산화수소가 분해하면서 OH라디칼을 생성하게 된다.
여기에서, pH를 조절하기 위해 강알칼리 및 강산성의 화공약품을 사용하여 조정하게 되며, 처리가 끝난 후 pH조정을 강알칼리성이나 산성으로 중화시킴으로써, 제2차 오염물질을 발생시키는 문제가 있다.
그리고, 과산화수소/철염 AOP(Advanced Oxidation Process)의 처리방법 또한 오존(O3)/High PH AOP(Advanced Oxidation Process)와 동일한 기술로서, 그 용도에 있어 매우 제한적이며, 순수 OH라디칼 수만을 제조하기 어렵기 때문에 별도의 처리 방법으로서, 중간 처리방법에 채용하여 사용하는 기술이라 할 수 있다.
따라서, 이와 같이 설펴본 오존(O3)/UV AOP(Advanced Oxidation Process), 오존(O3)/과산화수소(H2O2)(Peroxone AOP), 과산화수소(H2O2)/UV AOP(Advanced Oxidation Process), 광촉매를 이용한 AOP(Advanced Oxidation Process), 오존(O3)/High PH AOP(Advanced Oxidation Process), 과산화수소/철염 AOP(Advanced Oxidation Process)의 기술들은 그 기술 적용에 있어 한계가 있으며 실질적으로 사용하기에는 그 사용처가 매우 국한적이며, 단독으로 원수 등을 처리하기에는 불안정한 상태의 기술이라 할 수 있다.
그리고, UV를 사용하면서 광촉매로 티타늄디옥사이드(TiO2)를 파우더(분말)형태로 처리수에 현탁(혼합)시켜 사용함으로써, 처리수에 현탁시키기 위한 공정과, 회수에 따른 불필요한 공정과 부가 비용이 더 소요되며, 처리용량에 있어서 소량만을 적용할 수 있고, 대용량의 처리수의 처리함에 있어 한계가 있어 실질적인 산업화가 매우 어렵다는 문제가 있다.
또한, 상기 과산화수소(H2O2)/UV와 과산화수소(H2O2)/오존(O3)을 이용한 OH라디칼 생성기술은 촉매를 전혀 사용하지 않거나, 사용하더라도 티타늄디옥사이드(TiO2)를 파우더 상태로 사용함으로써 발생하는 문제점을 갖고 있다.
특히, 상기 과산화수소(H2O2)와 오존을 이용하여 OH라디칼을 생성시키는 AOP (Advanced Oxidation Process) 기술에서는 제1금속촉매와 제2금속촉매를 채용하지 않았으며 UV자외선과 광촉매를 전혀 사용하지 않음으로써, OH라디칼 생성이 잘 이루어지지 않아 미 반응되어 처리 수에 혼합 또는 오존(O3)으로 소모되는 등의 문제로 인해 양질의 OH라디칼 생성은 물론 고효율을 얻기 어려운 기술이라고 할 수 있다.
이외에도, 종래 AOP(Advanced Oxidation Process) 기술은 처리대상의 수량에 따라 대단히 큰 규모의 장치가 필요로 하기 때문에, 장소 및 공간의 제약을 많이 받으며, 이에 따른 설치비용과 운용비용등이 많이 소요되는 문제가 있었으며,
종래 AOP(Advanced Oxidation Process) 시스템의 경우, 광촉매조와 촉매를 사용한다고 하더라도 오염원과 함께 처리를 하기 때문에, OH라디칼 생성이 어렵거나 또는 OH라디칼 생성 자체가 어렵다는 문제가 있었다.
상기의 문제를 해결하기 위해, 본 발명은 종래 일반화된 AOP시스템의 단점을 보완함으로써 방해 물질이나 처리조건에 크게 방해받지 않고 원활히 고농도의 OH 라디칼 산화제의 생성이 가능하며, 소규모의 장치를 통해서도 대용량의 처리가 가능한 다단계의 복합산화공정을 이용한 고농도 OH라디칼 산화제 제조장치, 제조방법 및 고농도 OH라디칼 산화제를 이용한 OH라디칼 수 제조방법을 제공하는 것을 발명의 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해,
본 발명은 오존(O3)을 공급하는 오존공급부와,
정량펌프에 의해 과산화수소(H2O2)의 주입량을 조절한 후, 고농도 OH라디칼 산화제 제조농도에 맞춰 물로 희석시킨 과산화수소(H2O2)를 공급하는 과산화수소공급부와,
고농도 OH 라디칼 산화제 제조 농도에 맞게 희석시킨 과산화수소(H2O2)에 상기 오존공급부로부터 공급되는 오존(O3)을 혼합시키고, 오존이 혼합된 과산화수소를 공급받아, UV램프에서 조사되는 자외선과 광촉매로부터 발생되는 정공의 작용으로 고농도 OH라디칼 산화제를 생성하는 광촉매조로 구성된 것으로,
상기 오존공급부는 공기 중에 포함되어 있는 먼지 또는 이물질을 차단하는 에어필터와, 상기 에어필터로부터 공급받은 공기로부터 산소를 발생시키는 산소발생기와, 상기 산소발생기로부터 공급받은 산소로부터 오존(O3)을 생성시키는 오존발생기와, 상기 오존발생기로부터 공급받은 오존(O3)의 저장과 동시에 압력의 작용에 의해 외부로 오존(O3)을 공급하는 오존쿠션탱크로 구성되며,
상기 과산화수소공급부는 영구자석과 여과필터를 거친 희석수를 저장하는 희석수저장탱크와, 과산화수소를 저장하는 과산화수소저장탱크와, 상기 희석수저장탱크로부터 정량펌프를 통해 배출되는 희석수와, 상기 과산화수소저장탱크로부터 정량펌프를 통해 배출되는 과산화수소를 혼합하여 희석시킨 과산화수소를 저장하는 과산화수소공급탱크와, 상기 과산화수소공급탱크로부터 과산화수소를 공급받아 촉매반응에 의해 과산화수소를 여기 상태를 만드는 제1금속촉매조 및 제2금속촉매조로 구성된 다단계의 복합산화공정을 이용한 고농도 OH라디칼 산화제 제조장치와,
오존(O3)을 공급하는 오존공급부와,
정량펌프에 의해 과산화수소(H2O2)의 주입량을 조절한 후, 고농도 OH라디칼 산화제 제조농도에 맞춰 물로 희석시킨 과산화수소(H2O2)를 공급하는 과산화수소공급부와,
고농도 OH 라디칼 산화제 제조 농도에 맞게 희석시킨 과산화수소(H2O2)에 상기 오존공급부로부터 공급받아, UV램프에서 조사되는 자외선과 광촉매로부터 발생 되는 정공의 작용으로 고농도 OH라디칼 산화제를 생성하는 광촉매조와,
상기 광촉매조를 통과한 미반응된 과산화수소에 상기 오존공급부로부터 공급되는 오존(O3)을 가하여 고농도 OH라디칼 산화제를 생성하도록 구성된 다단계의 복합산화공정을 이용한 고농도 OH라디칼 산화제 제조장치와,
상기의 고농도 OH라디칼 산화제 제조장치를 이용하여 고농도 OH라디칼을 생성하는 방법으로서,
오존(O3) 1 ~ 10몰에 대하여, 과산화수소(H2O2)를 1 ~ 10몰의 범위 내에서 주입량을 결정한 후, 과산화수소에 여과수를 가하여 농도를 조절하는 단계와,
농도가 조절된 과산화수소를 제1금속촉매조에서 5분 ~ 20분 동안 금속촉매와 접촉시킨 후, 제2금속촉매조에서 5분 ~ 20분 동안 금속촉매와 접촉시켜 여기 상태로 만든 다음, 오존공급부로부터 공급되는 오존을 주입하여, 상기 오존과 여기된 과산화수소와의 반응에 의해 고농도 OH 라디칼 산화제의 일부를 생성하는 단계와,
오존과 혼합된 여기 상태의 과산화수소를 광촉매조에서 1분 ~ 10분 동안, 티타늄디옥사이드 표면으로부터 방출되는 정공과 반응시켜 고농도 OH라디칼 산화제를 생성하는 단계로 이루어지는 고농도 OH라디칼 산화제 제조방법을 주요 기술적 구성으로 한다.
그리고, 상기 고농도 OH라디칼 산화제 제조장치의 구성 중,
광촉매조는 원통형의 비철금속파이프 내부 중앙에 자외선 조사를 위한 원통 형의 UV램프가 길이방향으로 설치되고, 상기 비철금속파이프의 내측면에 이산화티타늄(TiO2) 코팅층이 형성되어 구성된 것이며,
상기 제1금속촉매조와 제2금속촉매조는 철(Fe), 크롬(Cr), 구리(Cu), 니켈(Ni), 마그네슘(Mg) 또는 아연(Zn) 중 선택되는 어느 1종 또는 2종 이상의 복합금속을 금속촉매로 사용하는 것으로, 상기 제1금속촉매조의 금속촉매는 길이 5 ~ 50mm, 두께 2 ~ 20mm의 순동 원통형 파이프이며, 상기 제2금속촉매조의 금속촉매는 길이 5 ~ 50mm, 두께 2 ~ 20mm의 니켈 원통형 파이프와, 길이 5 ~ 50mm, 두께 2 ~ 20mm의 크롬 원통형 파이프와, 길이 5 ~ 50mm, 두께 2 ~ 20mm의 철 원통형 파이프를 1:1:1 부피비율로 혼합한 것임을 특징으로 한다.
이하, 상기의 기술 구성에 대해 더욱 상세히 살펴보면 다음과 같다.
본 발명에 따른 AOPT(Advanced Oxdation Process Technology) 기술은 종래 기술들의 단점을 보완하여 개선된 메카니즘(Mechanism)을 중심으로 구성되는 것으로, O3/H2O2/TiO2/UV/금속촉매/PPT/AOPT(Advanced Oxidation Process Technology)에 의한 다단계 복합산화공정의 고농도 OH라디칼 산화제 제조기술이다.
AOPT-OH라디칼은, 앞서 살펴본 종래 AOP 시스템의 단점을 완벽하게 보완하기 위해 고안된 기술로서, 어떤 방해물 또는 어떤 조건하에서도 자유롭게 다단계의 고 농도 OH라디칼 산화제 생성단계를 통해 고농도 OH라디칼 산화제를 생성시키는 퍼옥선 포토리시스 해트로지니어스 시스템(Peroxone, Photolysis Heterogeneous System)으로 H2O2 + 2O3(hv, Cat) ----> 2OH + 3O2 ----> H2O + O2 메카니즘을 중심으로 고농도 OH라디칼 산화제 생성과 효율을 극대화하고, 처리 대상물에서도 반응속도 조절과 지속 시간을 극대화하고 처리 대상물에 대해서도 반응속도 조절과 지속시간을 유지시켜줄 수 있는 잔류 액티브 머트리얼 활성물질(Active Material)이 유지되는 시스템(System)으로 지금까지 알려진 타 AOP System과는 전혀 다른 차별화된 기술이다.
즉, 과산화수소는 HO2 -와 산, 염기 평형관계를 유지하고, HO2 -가 오존 분해 initiator로 작용하여 고농도 OH라디칼 산화제를 생성하며, 참여하지 않은 H2O2도 에너지(energy)와 촉매 작용에 의해 고농도 OH라디칼 산화제 생성에 참여하여, 강력하고 완전한 고농도 OH라디칼 산화제를 생성하는데 더욱 효율적이고 강력한 시스템을 구성한다. 이와 같은 본 발명의 시스템은 종래 방법에 의한 처리기술과는 달리 소규모 장치로도 대규모의 용량처리가 가능한 다단계의 복합산화공정의 고농도 OH라디칼 산화제 제조기술인 AOPT(Advanced Oxidation Process Technology) 기술이다.
이어서, 상기 고농도 OH라디칼 산화제 제조장치를 구성하고 있는 오존공급부와, 과산화수소공급부와, 광촉매조에 대해 살펴보고자 한다.
상기 오존공급부는 상기한 바와 같이, 에어필터와, 산소발생기와, 오존발생기와, 오존쿠션탱크로 구성된다.
오존분자(O3)는 불안정한 기체로서 산소원자를 방출하여 안정한 상태인 산소분자(O2)로 되고자 하는 강한 경향을 지니고 있으며, 이때 활성 산소원자를 방출하므로 강한 산화력을 발휘한다. 즉, 상기 오존은 수중 무기물 및 유기물에 대한 강한 산화력을 갖고 있다.
원료가스가 산소인 경우, 무성방전에 의한 오존의 생성은 다음과 같은 과정을 거쳐 생성된다.
오존의 생성반응은 산소의 자기산화반응으로 알려졌고, 그 반응은 3분자의 산소(O2)에서 2분자의 오존(O3)이 생성하는 반응으로 그 반응과정은 다음과 같다.
O2 + e ---> 2O + e (1-1)
O + O2 + M ----> O3 + M + 34.1Kcal (1-2)
여기에서, e: 전자
M: 산소, 질소, 기벽 등의 제3의 물질
상기 반응식 (1-1)에서와 같이, 산소분자(O2)는 전자(e)와 충돌하여 해리된다.
그리고, 상기 반응식 (1-1)의 과정에서 해리된 제 3의 물질들과 원료가스 중에 포함되어 있는 산소분자의 충돌에 의해 상기 반응식 (1-2)에서처럼 오존(O3)이 생성된다.
상기 에어필터는 미세먼지나 이물질이 유입되는 것을 차단함으로써, 산소발생기와 오존발생기의 고장의 원인을 사전에 차단하여 기기의 수명연장과 기기의 효율성을 높이기 위해 사용한다.
상기 산소발생기는 산소를 원료로 하여 오존의 농도를 높이기 위해 채용하는 구성으로서, 일반 공기를 원료로 하는 방식에 비해 생성되는 오존의 양이 많다.
상기 오존발생기는 무성방전에 의해 오존을 생성하며, 이와 같이 생성된 오존은 OH 라디칼을 생성시키는 원료로 사용된다.
상기 오존쿠션탱크는 오존발생기로부터 생성된 오존을 탱크에 저장하면서 생기는 압력을 이용하여, 일정한 양의 오존량을 공급하게 된다.
다음으로, 과산화수소공급부에 대해 살펴보면, 상기 과산화수소공급부는 상기 오존공급부로부터 공급되는 오존(O3)과 농도가 맞도록 농도를 조절한 과산화수소를 공급하는 곳으로서, 상기한 바와 같이, 영구자석과 여과필터를 거친 순수 희석수와 별도로 공급되는 과산화수소를 혼합하여 과산화수소의 농도를 조절하여 임시보관기능을 갖는 과산화수소공급탱크와, 제1금속촉매조와, 제2금속촉매조로 구성된다.
상기 희석수는 과산화수소를 희석시키기 위해 공급되는 물(H2O)로서, 과산화수소의 희석농도(OH 라디칼 산화제의 농도) 0.01 ~ 35%이다. 상기 희석수는 외부로부터 공급되는 물을 일정한 처리과정을 거친 것을 사용하는 것으로, 영구자석과 여과필터를 거치게 된다.
상기 영구자석은 물에 의해 UV 램프 및 티타늄디옥사이드(TiO2) 표면에 형성될 수 있는 슬라임 또는 스케일 막 생성을 막기 위해 사용되는 것이다.
상기 여과필터를 거친 희석수는 탱크에 보관되어 볼 밸브에 통해 유출되어, 정량펌프를 통해 일정량을 배출하게 된다.
그리고, 상기 희석수와 혼합될 과산화수소(H2O2)는 먼저 유입량이 결정된 상태에서 외부로부터 주입되어 공급된다. 상기 공급된 과산화수소는 탱크에 보관되어 볼 밸브에 의해 유출되어, 정량펌프를 통해 일정량을 배출하게 된다.
상기 희석수와 과산화수소는 동일 관으로 유입되어 혼합되면서 과산화수소공급탱크로 공급된다.
희석수와 혼합되어 농도가 조절된 과산화수소(이하, '희석 과산화수소'라 한다.)는 상기 과산화수소공급탱크에 저장된 상태에서 솔레노이드 밸브를 통해 유출되어, 정량펌프를 이용하여 제1금속촉매조 및 제2금속촉매조로 공급된다.
상기 희석 과산화수소는 농도가 0.01 ~ 35%의 범위 내에서 조절하는 것으로, 이와 같은 농도의 조절은 상기 오존공급부로부터 공급되는 오존의 양과 고농도 OH라디칼 산화제 생산 농도 또는 처리 대상의 오염농도에 따라 결정된다.
상기 제2금속촉매조를 통과한 희석과산화수소는 다시 볼 밸브를 통해 유출되고, 상기 유출된 희석과산화수소는 광촉매조로 유입되기 전에 상기 오존공급부로부터 생성되어 공급되는 오존(O3)이 주입된다. 이와 같이 오존(O3)이 주입된 희석과산화수소는 광촉매조로 유입된다.
다음으로, 광촉매조에 대해 살펴보고자 한다.
먼저 광촉매 반응에 대해 살펴보면, 광촉매 반응은 촉매에 의하여 광화학반응이 가속화되는 일련의 촉매반응을 의미하는 것으로, 광촉매반응에서 반응물은 빛에너지를 흡수하지 않고 광촉매가 빛에너지를 흡수하여 이 에너지를 이용하여 반응을 일으키는 것으로, 일반적인 촉매반응에 비해 광촉매반응에서는 보다 낮은 온도에서도 반응의 진행이 가능하다.
본 발명에 따른 광촉매반응조는 185nm ~ 253.7nm와 250nm ~ 280nm의 UV(자외선)을 조사하는 0.1 ~ 50ℓ와 대용량으로는 50 ~ 1,000ℓ의 비철금속용기로 이루어져 있다.
상기 광촉매조로 유입된 오존(O3)이 주입된 희석 과산화수소의 경우, 제1 및 제2금속촉매조를 통과한 여기(들뜬상태) 상태의 과산화수소는 고농도 OH라디칼 산화제 생성 준비를 마치게 되며, 일부는 제1 및 제2금속촉매조를 통과하는 과정에서 고농도 OH라디칼 산화제가 생성된다. 그리고, 여기된 상태의 희석 과산화수소에 오 존을 주입하면, 오존과 과산화수소가 반응하면서 고농도 OH라디칼 산화제를 생성하게 되고, 이와 같이 고농도 OH라디칼 산화제 생성과정에 있은 오존이 섞인 과산화수소가 광촉매조로 유입되게 되는 것이다.
상기 광촉매조에서는 UV 자외선이 티타늄디옥사이드(TiO2)가 진공 증착코팅된 표면에 조사되면, 티타늄디옥사이드 표면으로부터 정공이 방출되어 여기(들뜬상태) 상태의 과산화수소(H2O2) 및 오존(O3)과 반응하면서 고농도 OH라디칼 산화제가 생성된다. 또한, UV 자외선이 오존에 조사되면서 분해와 반응으로 인해 고농도 OH라디칼 산화제가 생성된다.
광촉매조를 거치면서 미 반응된 과산화수소는 오존과 지속적으로 반응하면서 OH 라디칼을 생성하게 된다.
이와 같은 과정을 거쳐 생성된 고농도의 OH 라디칼 산화제는 인잭터에서 원수와 함께 혼합되며, 이때 원수에 섞여 있는 금속이온, 특히 철분(Fe)이나 기타 금속이온 또한 오존(O3) 및 과산화수소(H2O2)와 반응하여 OH 라디칼을 생성하게 된다.
이와 같은 본 발명의 고농도 OH라디칼 산화제 제조장치 및 제조방법에 관한 기술은 고농도 OH라디칼 산화제 생산 농도 또는 처리대상의 원수에 고농도 OH라디칼 산화제를 농도에 맞게 주입하여 혼합함으로써, OH라디칼 수를 생성하게 되며, 이에 대한 구체적인 적용분야로서, 살균/소독 OH 라디칼 수의 제조; 원예작물의 OH 라디칼 살수 수를 이용한 병해방지와 치료, 성장촉진; 농작물의 OH 라디칼 살수 수를 이용한 병해방지와, 치료, 성장촉진; 하우스 재배, 수경재배에 따른 OH 라디칼 살수 수를 이용한 병해방지와, 치료, 성장촉진; 조경잔디의 OH 라디칼 살수 수를 이용한 병해방지와 치료, 성장촉진, 뿌리썩음 방지와 치료; 식수의 OH 라디칼 수 제조; 야채, 과일의 잔류 농약 제거를 위한 OH 라디칼수 제조; 병원 및 수술장비의 살균, 소독, 세균번식방지를 위한 OH 라디칼 수 제조; 인체유해 병원균, 바이러스 균의 살균을 위한 OH 라디칼 수 제조; 음식물 쓰레기장의 악취제거를 위한 OH 라디칼 수 제조; 사우나 및 수영장 물 살균, 소독, 정화의 OH 라디칼 수 제조; BOD, COD 저감 및 제거의 OH 라디칼 수 제조; 난분해성 폐수처리의 OH 라디칼 수 제조; 도금공장 및 공장폐수처리의 OH 라디칼 수 제조; 정수처리장, 호수, 하천의 정화, 살균, 소독, 부패방지의 OH 라디칼 수 제조; 염소 성분 제거의 OH 라디칼 수 제조; 축산, 오·폐수 처리 및 악취제거의 OH 라디칼 수 제조; 양어장, 양식장의 바이러스 균 제거의 OH 라디칼 수 제조; 음식물 쓰레기장 및 쓰레기 처리장 침출수 처리의 OH 라디칼 수 제조에 사용된다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 다단계의 복합산화공정을 이용한 고농도 OH라디칼 산화제 제조장치, 제조방법 및 고농도 OH라디칼 산화제를 이용한 OH라디칼 수 제조방법은 여러 단계를 거치는 복합적인 산화공정에 의해, 과산화 수소(H2O2)와 오존의 상호 상승작용과 복합적인 산화 방법에 의해 완벽하게 OH 라디칼을 반응 생성시킴으로써, 고농도의 OH라디칼 산화제의 생성이 가능하고, 이와 같은 고농도의 OH 라디칼 산화제의 작용에 의해 오염도 높은 물질과 난분해성의 폐수를 효율적으로 처리할 수 있다는 장점을 갖는다.
또한, 기존의 AOP시스템의 단점을 보완함으로써 방해 물질이나 처리조건에 크게 방해받지 않은 상태에서, 원활하게 고농도 OH라디칼 산화제를 생성할 수 있으며, 소규모의 장치로 대용량의 원수와 고농도의 오염원을 처리할 수 있다는 장점을 갖는다.
그리고 본 발명에 따른 고농도 OH라디칼 산화제 제조장치는 고농도 OH라디칼 산화제가 최종적으로 유출되는 부위에 노즐을 설치함으로써, 고농도 OH라디칼 산화제를 미세한 물방울로 분사시킴으로써, 대기 중의 악취의 제거로 인해 대기 환경개선 효과를 가질 수 있다.
이하, 상기 기술적 구성에 대한 구체적인 내용을 도면과 함께 살펴보고자 한다.
도 1은 본 발명에 따른 고농도 OH라디칼 산화제 제조장치의 제 1실시예 형태를 보인 것으로, 상기 고농도 OH라디칼 산화제 제조장치는 광촉매조(30)의 후단에 OH라디칼 수 제조를 위한 인잭터(40)와 결합되어 있어, 고농도 OH라디칼 산화제의 생성과 동시에 인잭터(벤츄리)를 통한 OH라디칼 수의 제조가 가능한 장치 구성을 보이고 있다.
상기 고농도 OH라디칼 산화제 제조장치는 주입되는 오존의 농도에 맞춰 과산화수소의 농도를 조절하고, 이와 같이 농도가 조절된 과산화수소를 제1 및 제2금속촉매조(206, 207)와 접촉시킴으로써, 여기(들뜬상태) 상태의 과산화수소에 오존을 주입한 후, 광촉매조(30) 내의 UV램프에서 조사되는 자외선과, 광촉매로부터 발생되는 정공의 작용으로 고농도 OH라디칼 산화제를 생성하는 것으로, 그 구체적인 내용을 살펴보면 다음과 같다.
도 1에 도시된 바와 같이, 상기 고농도 OH라디칼 산화제 제조장치는 오존(O3)을 공급하는 오존공급부(10)와, 오존(O3)의 농도에 맞춰 농도가 조절된 과산화수소를 공급하는 과산화수소공급부(20)와, 상기 과산화수소공급부(20)로부터 공급되는 과산화수소에 오존(O3)이 주입되고, 여기에 UV를 조사하는 광촉매조(30)로 구성된다.
그리고, 이와 같은 고농도 OH라디칼 산화제 제조장치를 통해 OH라디칼 수를 제조하기 위한 구성으로서, 상기 광촉매조(30)의 후단에 연결되어 설치되는 인잭터(40)가 구성된다.
상기 오존공급부(10)는 공기에 포함되어 있는 먼지 또는 이물질을 차단하는 에어필터(101)와, 상기 에어필터를 거친 공기의 오존 농도를 높이고, 질소산화물 발생을 방지하는 기능의 산소발생기(102)와, 상기 산소발생기를 거친 공기로부터 오존(O3)을 발생시키는 오존발생기(103)와, 상기 오존발생기(103)로부터 발생한 오존(O3)의 압력을 조절하는 오존쿠션탱크(104)를 거쳐 오존(O3)을 공급하도록 구성된 것으로, 상기 오존쿠션탱크(104)를 거친 오존(O3)은 과산화수소공급부(20)를 통해 오존(O3)과 농도를 맞춰 조절된 과산화수소(H2O2)에 가해진다.
상기 에어필터(101)는 산소발생기(102)에 미세먼지나 이물질이 유입되는 것을 막음으로써, 산소발생기(102)와 오존발생기(103)의 고장의 원인을 사전에 차단하여 수명연장과 기기의 효율성을 높이기 위해 사용하는 것으로, 취급 및 교환이 용이, 재질 선정이 자유롭고 고효율 저압, 긴 수명, 공기흐름방향으로 진행될 수 있도록 밀도가 조밀하고 효율이 우수한 것을 선별하여 사용한다.
구체적인 예로는 집진입경에 따른 미진용 필터로서, Cell type의 구조이며 고성능 여재를 사용하는 HEPA Filter 또는 ULPA Filter를 사용하며, 상기 필터들에 의한 제거효율은 0.12 ~ 0.17㎛ 입자가 99.9995% 제거된다.
상기 산소발생기(102)는 산소를 원료로 하여 오존의 농도를 높이기 위해 채용하는 구성으로서, 일반 공기를 원료로 하는 방식에 비해 생성되는 오존의 양이 많다. 상기 산소발생기(102)의 노점온도는 -70℃ 이상이기 때문에 양질의 오존(O3)생성이 가능하며, 오존발생기(103)의 수명을 연장시킬 수 있다는 장점을 갖는다.
또한, 산소발생기(102)를 이용함으로써, 산소발생기를 사용하지 않는 경우와 비교하여 보았을 때 2배 가량의 오존 생성량의 증가가 있으며, 이는 오존을 2배 이상으로 생성하는 오존발생기(103)를 단독으로 사용하는 경우보다 그 비용면에서 매우 경제적이다.
그리고 산소발생기(102)의 사용으로 인해, 질소제거에 따른 오존발생기(103) 또는 OH 라디칼 생성과정에서 생성될 수 있는 질소산화물 및 화합물을 사전에 제거함으로써 질소산화물로부터 노출될 수 있는 위험요소를 사전에 차단할 수 있다.
본 발명에서 사용하는 산소발생기(102)의 산소발생량은 용도에 따라, 소용량으로 Flow 10scf/hr ~ 15scf/hr부터 1,000 scf/hr ~ 1400scf/hr와 Pressure 1 ~ 65psig, 순도(Purity) 93%인 것과, 대용량으로 Flow 최대 3,000psig의 사용이 가능하며 순도는 용도에 따라 70 ~ 95%인 산소발생기를 사용한다.
상기 오존발생기(103)에 대해 살펴보면, 오존은 산소원자 3개로 이루어진 강력한 산화력을 가진 기체로 살균 속도와 살균력이 뛰어난 기체이다. 그리고 오존은 기체 상태에서 산소로 환원됨으로 잔류로 인한 걱정은 없게 된다.
이러한 오존은 절연체에 고전압을 이용, 무성방전에 의한 방법으로 생성시켜 여러 분야에 널리 사용되며 본 발명에서는 OH 라디칼의 생성원료로 사용한다. 상기 오존발생기(103)는 소용량으로는 오존발생량 500mg/hr ~ 1,000mg/hr, 1g/hr ~ 100g/hr, 중형으로는 100g/hr ~ 1㎏/hr, 대용량으로는 1㎏/hr ~ 100㎏/hr 이상인 것을 사용한다. 용도에 따라 사용량을 결정하여 채용함으로써 다양한 선택 사용이 가능하다.
상기 오존쿠션탱크(104)는 오존발생기(103)로부터 생성된 오존을 탱크에 저장하면서 생기는 압력을 이용하여 외부로 일정량씩 오존을 공급하게 된다.
상기 오존쿠션탱크(104)의 재질은 비철금속으로서, 오존에 의한 부식이나 반응이 없고 변질되지 않는 알루미늄, 스텐레스, 폴리에칠렌 또는 테프론관 중에서 선택되는 어느 1종을 사용한다. 그리고, 용량은 0.01 ~ 20ℓ로서, 소용량에서부터 대용량까지 선택적으로 사용이 가능하다.
또한, 기기점검 등이 필요한 경우에는 볼밸브수동 잠금장치와 솔레노이드밸브를 사용함으로써, 기기가 작동하다가 멈추더라도 오존이 누출되지 않도록 밸브가 잠김으로써 오존이 보존된다. 그리고, 수압에 의해 오존발생기나 산소발생기로 고농도 OH라디칼 산화제 및 OH라디칼수를 비롯하여 처리수가 역류되면 고장의 원인이 되므로 체크밸브를 채용하여 역류되는 것을 방지한다.
상기 과산화수소공급부(20)는 영구자석(201)과 여과필터(202)를 거친 희석수와 별도로 공급되는 과산화수소를 혼합하여 과산화수소의 농도를 조절하여 임시보관기능을 갖는 과산화수소공급탱크(205)와, 제1금속촉매조(206)와, 제2금속촉매 조(207)를 거쳐 농도가 조절된 과산화수소가 상기 광촉매조(30)로 공급되도록 구성된다.
즉, 상기 과산화수소공급부(20)에서 공급받을 오존(O3)과 농도를 맞춰 그 농도를 조절한 후, 이와 같이 농도가 조절된 과산화수소(H2O2)에 상기 오존공급부(10)에서 공급되는 오존(O3)을 가하고, 이와 같이 오존(O3)을 가한 과산화수소(H2O2)를 상기 광촉매조(30)로 공급한다.
상기 영구자석(201)은 과산화수소 희석용으로 유입되는 유입수가 통과하는 유입라인의 관의 중앙에 5000 가우스 이상의 자력을 갖는 영구자석을 설치함으로서, 상기 과산화수소공급탱크(205), 제1금속촉매조(206) 및 제2금속촉매조(207)의 작동이 멈췄을 때, UV램프의 석영관 표면과 진공증착코팅 되어있는 티타늄디옥사이드(TiO2) 표면에 슬라임과 스케일 막이 형성되는 것을 예방하는 기능을 갖는다.
상기 영구자석(201)이 없는 경우에는 슬라임이나 스케일이 광촉매조(30)의 내부에 설치되어 있는 UV램프의 석영관 표면과, 티타늄디옥사이드(TiO2) 표면에 부착됨으로써, UV 램프의 기능이 상실되거나 또는 약해지기 때문에, 주기적으로 UV 램프와 진공증착코팅된 티타늄디옥사이드(TiO2) 표면을 닦아줘야 하는 문제가 발생하여 그 사용에 있어 매우 불편하다. 또한 상기 영구자석(201)은 과산화수소(H2O2) 의 희석수에 함유되어 있는 금속이온물질 등을 사전에 제거하게 된다.
상기 영구자석(201)의 특성은 마그네틱 자장 대에 물을 통과시킴으로써 유체 속에 함유되어 있는 반자성체인 스케일 물질들이 순간적으로 물 분자구조를 변화시켜 물 운동에너지를 전기에너지로 바꾸어 전자를 반사시켜 유도극성을 갖게 되고, 상호반발현상이 계속적으로 유발됨으로 스케일 생성을 방지하고 기존에 스케일도 서서히 연질화시켜 미세한 입자로 제거되며 이러한 자장 대를 벗어나도 일정한 시간까지는 그 성질이 유지되도록 한다.
상기 영구자석의 구체적인 예는 연결부 후렌지 타입형 또는 나사식과 휘팅(PTFE Fittings) 15A에서부터 200A 길이 150mm에서부터 최대 1000mm이며, 폭은 55mm에서부터 750mm의 파이프에 연결하여 사용할 수 있는 타입의 영구자석을 사용한다.
상기 여과필터(202)는 과산화수소(H2O2)의 희석수를 비롯하여 밸브와 정량펌프가 이물질에 의하여 결함이 발생되지 않도록 미연에 방지하고, 이송되는 관내부의 흐름을 원활하게 하기 위한 장치이다.
상기 여과필터(202)를 거친 희석수는 희석수저장탱크(203)에 보관되어 볼 밸브에 의해 유출되어, 정량펌프를 통해 일정량씩 배출된다.
그리고, 과산화수소 또한, 과산화수소저장탱크(204)에 보관되어 볼 밸브에 의해 유출되어, 정량펌프를 통해 일정량씩 배출된다.
상기 희석수와 과산화수소는 동일 관으로 유입되어 혼합되면서 과산화수소공급탱크(205)로 공급된다.
상기 과산화수소공급탱크(205)에는 희석수와 혼합되어 농도가 조절된 희석 과산화수소가 저장된 상태에서 솔레노이드 밸브를 통해 유출되어, 정량펌프를 이용하여 제1금속촉매조(206) 및 제2금속촉매조(207)로 정량으로 공급된다.
그리고, 희석과산화수소는 상기 제1금속촉매조(206) 및 제2금속촉매조(207)를 거치면서 여기상태로 되고, 여기 상태에서 오존(O3)이 주입되어 광촉매조(30)로 유입된다.
상기 광촉매조(30)에서는 하기의 반응식(1)의 과정을 통해 고농도 OH라디칼 산화제를 생성하게 된다.
H2O2 + 2O3 ----------> 2OH + 3O2 + H2O + O2 (1)
이와 같은 반응과정을 통해 광촉매조(30)에서 생성된 고농도의 OH 라디칼 산화제는 다시 인잭터(40)로 공급되며, 이때 인잭터(40)로 유입되는 원수와 섞임 과 정을 통해 OH 라디칼수를 제조하게 된다.
상기 인잭터(40)는 고효율 인잭터(Injector)로서, 압력 차이가 있는 인잭터(Injector)이다. 입구와 출구의 압력차로 인해 인잭터(40) 내부에 진공을 형성하고, 이로 인해 고농도의 OH 라디칼 산화제를 흡인이 시작된다.
다른 주입방식과 달리 인잭터 타입은 비용 절감효과를 얻을 수 있으며, 하나의 단일 구성으로 되어 있어 작동 시 결함의 문제가 발생하지 않고, 별도의 전원이 필요 없다는 장점을 갖는다. 본 발명의 인잭터(40)는 PVDF와 스텐레스 스틸(Stainless Steel) 재질로 구성되며, 처리유량은 0.02 ~ 1ton/hr, 1 ~ 3ton/hr, 5 ~ 10ton/hr, 30 ~ 50ton/hr 또는 50 ~ 100ton/hr의 용량에 맞게 선택하여 사용한다.
상기 인잭터(40)를 통해 OH 라디칼 수에 혼입된 고농도 OH 라디칼 산화제의 입자는 미세하게 됨으로써, 처리 수에 포함되어 있는 무수히 많은 유기물과 오염물질의 분해와 제거가 가능하도록 섞어주게 된다. 또한, 처리수의 원수는 고농도의 OH 라디칼 산화제와 혼합되어 관을 타고 이송되면서 OH 라디칼 수는 유기물질과 오염원이 짝을 이루기도 하고 분해시키는 과정이 반복적으로 일어나면서 일정한 시간이 경과하게 되면 고농도의 OH 라디칼 산화제는 오염원에 의해 소모되며 이와 같은 반응은 오염원과 반응 후 진행은 거의 중지된 상태로 처리수의 오염원과 OH 라디칼 산화제는 남아 있지 않게 되고 산소가 풍부한 처리수가 된다.
상기 과산화수소의 농도에 대한 구체적인 내용을 예로 들어 설명하면, 과산화수소 농도를 3mg/L ~ 3,000mg/L로 유지시켜 OH 라디칼 산화제를 3mg/L ~ 3,000mg/L로 배출, 투입할 경우, 0.1% ~ 35%의 농도로 희석시킨 과산화수소를 사용한다. 즉 고농도 OH라디칼 산화제의 요구 농도에 따라 H2O2의 농도를 조절하여 투입한다.
도 2는 본 발명에 따른 고농도 OH라디칼 산화제 제조장치의 제2실시예 형태를 보인 도면으로서, 상기 제 1실시예에서 보인 고농도 OH라디칼 산화제 제조장치와 기본 구성의 차이는 없으나, 차이점은 상기 오존공급부(10)를 통해 생성된 오존(O3)을 과산화수소에 주입하는 시점에 차이가 있다.
상기 오존은 광촉매조(30)를 통과시키지 않고, 광촉매조(30)를 통과하면서 생성된 OH 라디칼 산화제에 오존을 다시 한 번 반응시켜 고농도 OH 라디칼 산화제를 생성하게 된다.
즉, 상기 제 1실시예에서는 과산화수소공급부(20)를 통해 공급되는 농도가 조절된 과산화수소(H2O2)에 오존을 주입하여 광촉매조(30)로 오존이 혼합된 과산화수소를 공급하나, 상기 제 2실시예에서는 상기 광촉매조(30)를 통과하면서 생성된 OH 라디칼 산화제에 오존을 다시 한 번 반응시켜 고농도 OH 라디칼 산화제를 생성하는 것에 있어 차이가 있다.
도 3은 본 발명에 따른 OH 라디칼 제조장치의 광촉매조(30)의 내부구조를 보인 단면도이다.
상기 광촉매조(30)는 원통형의 비철금속파이프(301) 내부 중앙에 자외선 조사를 위한 원통형의 UV램프(302)가 길이방향으로 설치되고, 상기 비철금속파이프(301)의 내측면에 이산화티타늄(TiO2) 코팅층(302)이 형성되어 구성된다.
상기 광촉매조(30)는 티타늄디옥사이드(TiO2)과 UV 자외선 램프의 조사에너지와 접촉시간 등을 고려하여 용량에 맞게 제작되며, 부식과 변질이 없고 반응이 없는 소재를 사용한다.
상기 UV램프(302)는 살균자외선 253.7nm와 오존 생성작용을 동시에 가진 185nm의 자외선을 투과하는 석영유리관을 이용한 오존램프(단파장 살균램프)를 채용하거나, 또는 253.7nm ~ 280nm UV자외선 램프를 채용하여 여기(들뜬상태)되어 있는 과산화수소와 오존(O3)에 자외선을 조사하여 고농도 OH 라디칼산화제를 완벽하게 생성시킨다.
그리고, 상기 티타늄디옥사이드(TiO2)를 1 ~ 10㎛ 두께로 진공증착코팅하여 UV자외선을 조사시킴으로써, TiO2의 표면에서 정공이 발생하게 하여 여기(들뜬상태)된 과산화수소(H2O2)와 오존(O3)과 접촉함으로써 반응에 의한 고농도 OH 라디칼 산화제를 생성시킨다.
상기 진공증착코팅은 대 전류의 냉, 음극 아크 방전을 Taget 티타늄(Ti) 표면에 발생시켜 Taget 티타늄(Ti)을 증발시킴과 동시에 반응가스인 산소(O2)와 반응시키고 진공증착코팅하게 될 소재인 스텐레스, 알루미늄, 세라믹 또는 유리에 진공증착코팅을 하는 것이다.
그리고, 상기 석영유리관은 최고순도 99.99%의 재질로 무수규산 SiO2로 되어 있고, 1,638℃의 고온에서도 사용이 가능하며 열팽창계수가 적기 때문에 급냉, 급열에 대해서도 잘 견디며, 빛과 투과성에 있어서 뛰어나다. 그리고 전기 절연성이 높고 내산성이 매우 높은 성질을 갖는다.
다음으로, 본 발명의 공정의 단계별 복합산화공정과 작용의 메카니즘(Mechanism)에 대해 살펴보고자 한다.
오존(O3)과 과산화수소(H2O2)의 농도비율은 몰 비로 계산하여 오존(O3) 1몰 ~ 10몰에 대해 과산화수소(H2O2)도 1몰 ~ 10몰비로 투입시킨다. 물론 그 이상도 조정하여 투입은 가능하다.
농도 조절 후 희석된 과산화수소(H2O2)는 제1금속촉매조(206)를 거치게 된다. 상기 제1금속촉매조(206)는 도 4에 도시된 바와 같이, 길이 5 ~ 50mm, 두께 2 ~ 20mm로 절단된 순동 원통형 파이프(206a)를 상기 제1금속촉매조(206)에 50 ~ 90vol%로 충진하여, 과산화수소(H2O2)의 접촉에 따른 여기(들뜬상태) 상태를 유지하여 제2금속촉매조(207)로 이송된다.
상기 제1금속촉매조(206)에서 여기(들뜬상태)되지 않은 과산화수소를 완벽하게 여기(들뜬상태) 시키기 위해, 제2금속촉매조(207)의 금속촉매관에 니켈(Ni), 크롬(Cr) 및 철(Fe)의 혼합 금속촉매를 50 ~ 90vol%로 충진하여 과산화수소(H2O2)의 접촉시간을 충분히 늘려 과산화수소의 완벽한 여기(들뜬상태) 상태를 유도한다.
상기 금속촉매를 50vol% 미만으로 충진하는 경우에는 접촉시간이 너무 짧아 반응이 일어나지 않을 수가 있으며, 90vol%를 초과하게 되는 경우에는 접촉시간이 너무 많아 너무 빨리 H2O2가 분해되는 현상이 일어날 수 있으므로, 상기 금속촉매는 제1금속촉매조(206)의 전체부피에 대해 50 ~ 90vol%로 충진하는 것이 바람직하다.
즉, 금속촉매의 충진량에 따라 접촉시간이 결정되기 때문에 이런 점을 고려하여 적정량을 투입하게 된다.
상기 금속촉매는 도 5에 제시된 바와 같이, 길이 5 ~ 50mm, 두께 2 ~ 20mm의 니켈 원통형 파이프(207a)와, 길이 5 ~ 50mm, 두께 2 ~ 20mm의 크롬 원통형 파이프(207b)와, 길이 5 ~ 50mm, 두께 2 ~ 20mm의 철 원통형 파이프(207c)를 1:1:1 부피비율로 혼합한 것을 사용한다.
상기 니켈 또는 크롬의 원통형 파이프의 길이가 5mm 미만인 경우에는 빈 공간이 너무 없고, 반대로 50mm를 초과하게 되는 경우에는 빈 공간이 많이 생기게 되 어 접촉시간이 달라질 수 있으므로, 상기 니켈 또는 크롬의 원통형 파이프의 길이는 5 ~ 50mm를 유지하는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 니켈 또는 크롬의 원통형 파이프의 두께가 2mm 미만인 경우에는 파이프 자체가 함몰될 수 있고, 20mm를 초과하게 되는 경우에는 접촉면적에 변화가 생김으로써 접촉시간에 변하게 됨으로, 상기 니켈 또는 크롬의 원통형 파이프의 두께는 2 ~ 20mm를 유지하는 것이 바람직하다.
상기 광촉매조(30)에 유입되는 과산화수소에는 이미 오존이 사전에 주입되어 혼합된 상태로서, 상기 과산화수소의 일부는 오존이 주입되기 이전에 제1금속촉매조(206)와 제2금속촉매조(207)를 통과하는 과정에서 금속촉매와의 반응에 의해 고농도 OH라디칼 산화제가 생성된다. 또한 여기 상태의 과산화수소에 오존을 주입함으로써 오존과 과산화수소의 반응에 의해 고농도 OH라디칼 산화제가 생성된다.
결국, 광촉매조(30)로 유입되는 과산화수소에는 제1금속촉매조(206)와 제2금속촉매조(207)를 거치는 과정과, 오존 주입에 따른 오존과의 반응에 의해 일부 고농도 OH라디칼 산화제가 생성된 상태에 있는 것이다.
상기 광촉매조(30)에서는 UV 자외선이 티타늄디옥사이드(TiO2)가 진공 증착코팅된 표면에 조사되고, 이와 같은 자외선의 조사됨에 따라 상기 티타늄디옥사이드 표면으로부터 정공이 방출되어 여기(들뜬상태)상태의 과산화수소(H2O2) 및 오존(O3)과 반응하면서 고농도 OH라디칼 산화제가 생성된다. 또한, UV 자외선이 직접 오존에 조사되면서 분해와 반응으로 인해 고농도 OH라디칼 산화제가 생성되기도 한다. 또한, 광촉매조(30)를 거치는 과정에서 미반응된 과산화수소는 오존과 지속적으로 반응하면서 OH 라디칼을 생성하게 된다. 따라서, 이와 같은 과정을 통해 고농도의 OH 라디칼 산화제가 생성되게 된다.
이와 같은 공정을 거쳐 제조된 고농도 OH라디칼 산화제는 처리대상의 원수와 함께 인잭터에서 혼합됨으로써 OH라디칼 수를 제조하게 된다.
상기 인잭터에서의 혼합은 연속적으로 처리대상 원수와 고농도 OH라디칼 산화제가 혼합되어 이루어지고, 상온에서 2㎏/㎠의 압력에서 이루어진다.
이때 원수에 섞여 있는 금속이온, 특히 철분(Fe)이나 기타 금속이온 또한 오존(O3) 및 과산화수소(H2O2)와 반응하여 OH 라디칼을 생성하기도 한다.
도 1은 본 발명에 따른 고농도 OH라디칼 산화제 제조장치의 제1실시예 형태를 보인 도면.
도 2는 본 발명에 따른 고농도 OH라디칼 산화제 제조장치의 제2실시예 형태를 보인 도면.
도 3은 본 발명에 따른 고농도 OH라디칼 산화제 제조장치의 광촉매조(30)의 내부구조를 보인 단면도.
도 4는 본 발명에 따른 고농도 OH라디칼 산화제 제조장치의 제1금속촉매조(206)의 내부구조를 보인 단면도.
도 5는 본 발명에 따른 고농도 OH라디칼 산화제 제조장치의 제2금속촉매조(207)의 내부구조를 보인 단면도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
10 : 오존공급부 20 : 과산화수소공급부
30 : 광촉매조 40 : 인잭터
101: 에어필터 102: 산소발생기
103: 오존발생기 104: 오존쿠션탱크
201: 영구자석 202: 여과필터
203: 희석수저장탱크 204: 과산화수소저장탱크
205: 과산화수소공급탱크 206: 제1금속촉매조
207: 제2금속촉매조

Claims (10)

  1. 오존(O3)을 공급하는 오존공급부(10)와,
    정량펌프에 의해 과산화수소(H2O2)의 주입량을 조절한 후, 고농도 OH라디칼 산화제 제조농도에 맞춰 물로 희석시킨 과산화수소(H2O2)를 공급하는 과산화수소공급부(20)와,
    고농도 OH 라디칼 산화제 제조 농도에 맞게 희석시킨 과산화수소(H2O2)에 상기 오존공급부(10)로부터 공급되는 오존(O3)을 혼합시키고, 오존이 혼합된 과산화수소를 공급받아, UV램프에서 조사되는 자외선과 광촉매로부터 발생되는 정공의 작용으로 고농도 OH라디칼 산화제를 생성하는 광촉매조(30)로 구성된 것으로,
    상기 오존공급부(10)는 공기 중에 포함되어 있는 먼지 또는 이물질을 차단하는 에어필터(101)와, 상기 에어필터(101)로부터 공급받은 공기로부터 산소를 발생시키는 산소발생기(102)와, 상기 산소발생기(102)로부터 공급받은 산소로부터 오존(O3)을 생성시키는 오존발생기(103)와, 상기 오존발생기(103)로부터 공급받은 오존(O3)의 저장과 동시에 압력의 작용에 의해 외부로 오존(O3)을 공급하는 오존쿠션탱크(104)로 구성되며,
    상기 과산화수소공급부(20)는 영구자석(201)과 여과필터(202)를 거친 희석수를 저장하는 희석수저장탱크(203)와, 과산화수소를 저장하는 과산화수소저장탱 크(204)와, 상기 희석수저장탱크(203)로부터 정량펌프를 통해 배출되는 희석수와, 상기 과산화수소저장탱크(204)로부터 정량펌프를 통해 배출되는 과산화수소를 혼합하여 희석시킨 과산화수소를 저장하는 과산화수소공급탱크(205)와, 상기 과산화수소공급탱크(205)로부터 과산화수소를 공급받아 촉매반응에 의해 과산화수소를 여기 상태를 만드는 제1금속촉매조(206) 및 제2금속촉매조(207)로 구성된 것임을 특징으로 하는 다단계의 복합산화공정을 이용한 고농도 OH라디칼 산화제 제조장치.
  2. 오존(O3)을 공급하는 오존공급부(10)와,
    정량펌프에 의해 과산화수소(H2O2)의 주입량을 조절한 후, 고농도 OH라디칼 산화제 제조농도에 맞춰 물로 희석시킨 과산화수소(H2O2)를 공급하는 과산화수소공급부(20)와,
    고농도 OH라디칼 산화제 제조 농도에 맞게 희석시킨 과산화수소(H2O2)에 상기 오존공급부(10)로부터 공급받아 UV램프에서 조사되는 자외선과, 광촉매로부터 발생되는 정공의 작용에 의해 고농도 OH라디칼 산화제를 생성하는 광촉매조(30)와,
    상기 광촉매조(30)를 통과한 미반응된 과산화수소에 상기 오존공급부(10)로부터 공급되는 오존(O3)을 가하여 고농도 OH라디칼 산화제를 생성하도록 구성된 것으로,
    상기 오존공급부(10)는 공기 중에 포함되어 있는 먼지 또는 이물질을 차단하는 에어필터(101)와, 상기 에어필터(101)로부터 공급받은 공기로부터 산소를 발생시키는 산소발생기(102)와, 상기 산소발생기(102)로부터 공급받은 산소로부터 오존(O3)을 생성시키는 오존발생기(103)와, 상기 오존발생기(103)로부터 공급받은 오존(O3)의 저장과 동시에 압력의 작용에 의해 외부로 오존(O3)을 공급하는 오존쿠션탱크(104)로 구성되며,
    상기 과산화수소공급부(20)는 영구자석(201)과 여과필터(202)를 거친 희석수를 저장하는 희석수저장탱크(203)와, 과산화수소를 저장하는 과산화수소저장탱크(204)와, 상기 희석수저장탱크(203)로부터 정량펌프를 통해 배출되는 희석수와, 상기 과산화수소저장탱크(204)로부터 정량펌프를 통해 배출되는 과산화수소를 혼합하여 희석시킨 과산화수소를 저장하는 과산화수소공급탱크(205)와, 상기 과산화수소공급탱크(205)로부터 과산화수소를 공급받아 촉매반응에 의해 과산화수소를 여기 상태를 만드는 제1금속촉매조(206) 및 제2금속촉매조(207)로 구성된 것임을 특징으로 하는 다단계의 복합산화공정을 이용한 고농도 OH라디칼 산화제 제조장치.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    광촉매조(30)는 원통형의 비철금속파이프(301) 내부 중앙에 자외선 조사를 위한 원통형의 UV램프(303)가 길이방향으로 설치되고, 상기 비철금속파이프(301)의 내측면에 이산화티타늄(TiO2) 코팅층(302)이 형성되어 구성된 것임을 특징으로 하는 다단계의 복합산화공정을 이용한 고농도 OH라디칼 산화제 제조장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    제1금속촉매조(206)와 제2금속촉매조(207)는 철(Fe), 크롬(Cr), 구리(Cu), 니켈(Ni), 마그네슘(Mg) 또는 아연(Zn) 중 선택되는 어느 1종 또는 2종 이상의 복합금속을 금속촉매로 사용하는 것임을 특징으로 하는 다단계의 복합산화공정을 이용한 고농도 OH라디칼 산화제 제조장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    제1금속촉매조(206)의 금속촉매는 길이 5 ~ 50mm, 두께 2 ~ 20mm의 순동 원통형 파이프인 것임을 특징으로 하는 다단계의 복합산화공정을 이용한 고농도 OH라디칼 산화제 제조장치.
  6. 청구항 1 또는 청구항 4에 있어서,
    제2금속촉매조(207)의 금속촉매는 길이 5 ~ 50mm, 두께 2 ~ 20mm의 니켈 원통형 파이프와, 길이 5 ~ 50mm, 두께 2 ~ 20mm의 크롬 원통형 파이프와, 길이 5 ~ 50mm, 두께 2 ~ 20mm의 철 원통형 파이프를 1:1:1 부피비율로 혼합된 것임을 특징으로 하는 다단계의 복합산화공정을 이용한 고농도 OH라디칼 산화제 제조장치.
  7. 오존(O3) 1 ~ 10몰에 대하여, 과산화수소(H2O2)를 1 ~ 10몰의 범위 내에서 주입량을 결정한 후, 과산화수소에 여과수를 가하여 농도를 조절하는 단계와,
    농도가 조절된 과산화수소를 제1금속촉매조에서 5분 ~ 20분 동안 금속촉매와 접촉시킨 후, 제2금속촉매조에서 5분 ~ 20분 동안 금속촉매와 접촉시켜 여기 상태로 만든 다음, 오존공급부로부터 공급되는 오존을 주입하여, 상기 오존과 여기된 과산화수소와의 반응에 의해 고농도 OH 라디칼 산화제의 일부를 생성하는 단계와,
    오존과 혼합된 여기 상태의 과산화수소를 광촉매조에서 1분 ~ 10분 동안, 티타늄디옥사이드 표면으로부터 방출되는 정공과 반응시켜 고농도 OH라디칼 산화제를 생성하는 단계로 이루어지는 것임을 특징으로 하는 고농도 OH라디칼 산화제 제조방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    과산화수소는 0.01 ~ 35%의 농도로 조절되는 것임을 특징으로 하는 고농도 OH라디칼 산화제 제조방법.
  9. 청구항 7의 제조방법에 의해 제조된 고농도 OH라디칼 산화제를 처리대상의 원수와 인잭터에서 혼합하여 제조되는 것임을 특징으로 하는 고농도 OH라디칼 산화제를 이용한 OH라디칼 수 제조방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    처리대상 원수는 살균/소독용수, 원예작물용수, 농작물용수, 하우스 재배 및 수경재배 농작물용수, 조경잔디용수, 병원 및 수술장비 살균용수, 야채 및 과일 세척용수, 악취제거용수, 사우나 및 수영장의 살균 및 소독용수, BOD/COD 저감목적용수, 식수, 난분해성 폐수, 염소성분 제거목적용수, 축산 오·폐수, 양식장용수, 음식물 쓰레기장 및 쓰레기 처리장 침출수, 공장폐수 중 선택되는 어느 1종 이상인 것임을 특징으로 하는 고농도 OH라디칼 산화제를 이용한 OH라디칼 수 제조방법.
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