KR20110109416A - 고도산화공정 수처리 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 오존 또는 과산화수소 등의 산화제가 자외선과 반응하여 생성된 OH-라디칼에 의해 오염물질을 분해하는 고도산화공정 수처리 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전 파장 영역의 자외선을 방출하는 제논 또는 크세논 방전램프를 고출력의 펄스 형태로 구동시켜 단파장 자외선에 의한 OH라디칼 생성반응과 수중 투과력은 우수하지만 산화제와 반응할 수 없었던 장파장 자외선이 광촉매에 의해 산화제를 분해 OH라디칼 생성하는 반응을 동시에 진행하도록 함으로써 기존의 고도산화반응에 비해 월등히 산화반응이 진행되는 반응영역을 증대하여 처리효율을 증대할 수 있을 뿐만 아니라 펄스 형태로 자외선을 조사함으로 산화제 및 에너지 낭비를 막고 사용하는 자외선램프의 수명을 연장할 수 있는 고도산화공정 수처리 장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 고도산화공정 수처리 장치는 처리수가 유출입되기 위한 유입구와 유출구가 있는 관 형상의 하우징과, 상기 하우징의 내부에 삽입된 석영관과, 자외선을 방출하도록 상기 석영관의 내부로 삽입된 자외선램프와, 상기 자외선램프를 구동시키는 자외선램프 파워시스템과, 이산화티탄을 주성분으로 하는 광촉매가 표면에 노출되어 상기 석영관과 하우징 사이의 공간에 충전된 광촉매 담체가 포함되어 구성되어 산화제를 이용하여 생성된 OH라디칼에 의해 오염물질을 산화분해시키는 고도산화반응을 이용한 고도산화공정 수처리 장치에 있어서, 상기 자외선램프는 제논램프 또는 크세논가스가 충전되어 전 파장영역의 자외선을 방출하고, 상기 자외선램프 파워시스템은 상기 자외선램프를 펄스 형태로 구동시키며, 상기 석영관은 자외선램프가 직접 처리수에 접촉되어 냉각되도록 석영관의 내외부로 처리수가 유통하기 위한 구멍이 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 고도산화공정 수처리 장치는 처리수가 유출입되기 위한 유입구와 유출구가 있는 관 형상의 하우징과, 상기 하우징의 내부에 삽입된 석영관과, 자외선을 방출하도록 상기 석영관의 내부로 삽입된 자외선램프와, 상기 자외선램프를 구동시키는 자외선램프 파워시스템과, 이산화티탄을 주성분으로 하는 광촉매가 표면에 노출되어 상기 석영관과 하우징 사이의 공간에 충전된 광촉매 담체가 포함되어 구성되어 산화제를 이용하여 생성된 OH라디칼에 의해 오염물질을 산화분해시키는 고도산화반응을 이용한 고도산화공정 수처리 장치에 있어서, 상기 자외선램프는 제논램프 또는 크세논가스가 충전되어 전 파장영역의 자외선을 방출하고, 상기 자외선램프 파워시스템은 상기 자외선램프를 펄스 형태로 구동시키며, 상기 석영관은 자외선램프가 직접 처리수에 접촉되어 냉각되도록 석영관의 내외부로 처리수가 유통하기 위한 구멍이 형성된 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 오존 또는 과산화수소 등의 산화제가 자외선과 반응하여 생성된 OH-라디칼에 의해 오염물질을 분해하는 고도산화공정 수처리 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전 파장 영역의 자외선을 방출하는 제논 또는 크세논 방전램프를 고출력의 펄스 형태로 구동시켜 단파장 자외선에 의한 OH라디칼 생성반응과 수중 투과력은 우수하지만 산화제와 반응할 수 없었던 장파장 자외선이 광촉매에 의해 산화제를 분해 OH라디칼 생성하는 반응을 동시에 진행하도록 함으로써 기존의 고도산화반응에 비해 월등히 산화반응이 진행되는 반응영역을 증대하여 처리효율을 증대할 수 있을 뿐만 아니라 펄스 형태로 자외선을 조사함으로 산화제 및 에너지 낭비를 막고 사용하는 자외선램프의 수명을 연장할 수 있는 고도산화공정 수처리 장치에 관한 것이다.
일반적으로 자외선은 산소와 반응하여 오존을 생성시키기도 하지만 오존을 분해하는 특징이 있으며, 본 발명의 고도산화반응에 사용되는 자외선은 살균작용 및 오존을 분해하는 UV-C(200~280nm)와, 광촉매 반응에 주로 활용되는 UV-A,B(280~400nm)로 구분하는데, 이 중에서 UV-C(200~280nm) 자외선을 용해된 오존에 조사하면 오존이 자외선을 흡수하여 광분해하여 중간생성물로 과산화수소(H2O2)가 생성되고, 과산화수소가 분해하면서 생성된 OH라디칼에 의해 오염물질을 분해하는 반응에 활용하고 있다.
오존 또는 과산화수소와 같은 산화제에 자외선을 조사시켜면 산화력이 강력한 OH라디칼 생성되고, 이 OH라디칼을 이용하여 오염물질을 산화 분해하는 반응을 고도산화반응이라하며 이를 이용한 수처리 방법을 고도산화공정(Advanced Oxidation Process, AOP)이라 하며, 오존+과산화수소(H2O2), 오존+자외선, 오존+광촉매+자외선, 오존+초음파 등의 방법이 알려져 있다.
상기의 고도산화공정 수처리 장치는 강력한 산화력을 가지는 OH라디칼(OH°, Hydroxy radical)을 중간생성물질로 생성하여 오염수 중의 유기오염물질을 산화시켜 분해하는 기술로서 일반적인 처리방법에 의해 잘 분해가 되지 않는 합성세제, 농약 등의 난분해성 물질을 분해하거나, 고농도의 오염물질을 단시간에 처리하기 위해 개발된 보다 진보된 수처리 기술을 말하며, 최근 환경오염과 새로운 물질의 으로 기존의 처리방법으로 처리할 수 없는 난분해성 물질이 오염수에 유입되는 양이 증가로 보다 처리효율이 우수하고 증가 되는 오염수를 효과적으로 처리할 수 있는 대용량 고도산화공정 수처리 장치에 대한 수요가 있었다.
저압 수은 램프를 사용하는 기존 고도산화반응의 경우 단파장 자외선을 방출하는 자외선램프를 다수 사용해야 대용량 수처리 장치를 구현할 수 있기 때문에 장치가 복잡해지고, 관리가 어려워 대형 수처리 설비 상용화가 어려웠다.
전파장 영역의 자외선(UV-A, B, C)를 방출하는 자외선램프로 고출력의 중압 자외선램프가 있으나 점등시 램프 표면 온도가 800~1000℃로 고열이 발생하고, 램프의 길이가 짧아 대용량의 관형 반응장치에 활용에 제한이 있으며, 연속적으로 점등해야 함에 따라 램프수명이 2000시간 내외로 자주 램프를 교환해주어야 함에 따른 수처리 장치의 사용중단에 따른 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 점을 인식하여 안출된 것으로 본 발명의 목적은 전 파장 영역의 자외선을 방출하는 제논 또는 크세논 방전램프를 고출력의 펄스 형태로 구동시켜 단파장 자외선에 의한 OH라디칼 생성반응과 수중 투과력은 우수하지만 산화제와 반응할 수 없었던 장파장 자외선이 광촉매에 의해 산화제를 분해 OH라디칼 생성하는 반응을 동시에 진행하도록 함으로써 기존의 고도산화반응에 비해 월등히 산화반응이 진행되는 반응영역을 증대하여 처리효율을 증대할 수 있을 뿐만 아니라 펄스 형태로 자외선을 조사함으로 산화제 및 에너지 낭비를 막고 사용하는 자외선램프의 수명을 연장할 수 있는 고도산화공정 수처리 장치를 제공하기 위한 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 고도산화공정 수처리 장치는, 처리수가 유출입되기 위한 유입구와 유출구가 있는 관 형상의 하우징과, 상기 하우징의 내부에 삽입된 석영관과, 자외선을 방출하도록 상기 석영관의 내부로 삽입된 자외선램프와, 상기 자외선램프를 구동시키는 자외선램프 파워시스템과, 이산화티탄을 주성분으로 하는 광촉매가 표면에 노출되어 상기 석영관과 하우징 사이의 공간에 충전된 광촉매 담체가 포함되어 구성되어 산화제를 이용하여 생성된 OH라디칼에 의해 오염물질을 산화분해시키는 고도산화반응을 이용한 고도산화공정 수처리 장치에 있어서, 상기 자외선램프는 제논램프 또는 크세논가스가 충전되어 전 파장영역의 자외선을 방출하고, 상기 자외선램프 파워시스템은 상기 자외선램프를 펄스 형태로 구동시키며, 상기 석영관은 자외선램프가 직접 처리수에 접촉되어 냉각되도록 석영관의 내외부로 처리수가 유통하기 위한 구멍이 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 고도산화공정 수처리 장치는, 산화제로 오존을 이용하는 경우 오존은 반응 압력을 1~20기압의 압력으로 가압하여 처리수에 대한 오존의 용해량을 증가시켜 반응하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 고도산화공정 수처리 장치는, 상기 광촉매 담체는 티타늄 재질의 와이어를 탄성이 있는 코일스프링 형상으로 가공하여 외표면을 거칠게 처리한 후 를 800℃이하의 온도로 산화시켜 코일스프링의 외표면에 이산화티탄 층을 생성시킨 것을 사용하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 고도산화공정 수처리 장치는, 상기 광촉매 담체는 스텐레스 스틸 재질의 와이어를 탄성이 있는 코일스프링 형상으로 가공하여 외표면을 거칠게 처리한 후 코일스프링 외표면에 티타늄 알콕사이드를 코팅하여 800℃이하의 온도로 열처리하는 공정을 포함하여 제조된 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 구성에 의하여 본 발명에 따른 고도산화공정 수처리 장치는 전 파장 영역의 자외선을 방출하는 제논 또는 크세논 방전램프를 고출력의 펄스 형태로 구동시켜 단파장 자외선에 의한 OH라디칼 생성반응과 수중 투과력은 우수하지만 산화제와 반응할 수 없었던 장파장 자외선이 광촉매에 의해 산화제를 분해 OH라디칼 생성하는 반응을 동시에 진행하도록 함으로써 기존의 고도산화반응에 비해 월등히 산화반응이 진행되는 반응영역을 증대하여 처리효율을 증대할 수 있을 뿐만 아니라 펄스 형태로 자외선을 조사함으로 산화제 및 에너지 낭비를 막고 사용하는 자외선램프의 수명을 연장할 수 있는 장점을 갖는다.
도 1은 장파장 및 단파장 자외선의 수중 투과력 비교 및 이에 대한 고도산화반응 영역을 설명하는 도면
도 2는 고도산화공정 수처리 장치를 개괄적으로 설명한 도면
도 3은 광촉매가 코팅되는 코일스프링 담체(40)와 와이어 표면(43)에 형성된 광촉매(42)를 설명하는 도면
도 4는 유기화합물질에 대한 오존 및 OH라디칼의 반응속도 비교한 도표
도 2는 고도산화공정 수처리 장치를 개괄적으로 설명한 도면
도 3은 광촉매가 코팅되는 코일스프링 담체(40)와 와이어 표면(43)에 형성된 광촉매(42)를 설명하는 도면
도 4는 유기화합물질에 대한 오존 및 OH라디칼의 반응속도 비교한 도표
이하에서는 도면에 도시된 실시예를 참조하여 본 발명에 따른 고도산화공정 수처리 장치를 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 장파장 및 단파장 자외선의 수중 투과력 비교 및 이에 대한 고도산화반응 영역을 설명하는 도면이고, 도 2는 고도산화공정 수처리 장치를 개괄적으로 설명한 도면이며, 도 3은 광촉매가 코팅되는 코일스프링 담체(40)와 와이어 표면(43)에 형성된 광촉매(42)를 설명하는 도면이고, 도 4는 유기화합물질에 대한 오존 및 OH라디칼의 반응속도 비교한 도표이다.
도면을 참조하면, 본 발명에 따른 고도산화반응 수처리 장치는 처리수가 유출입되기 위한 유입구(52)와 유출구(53)가 있는 관 형상의 하우징(51)과, 상기 하우징(51)의 내부에 삽입된 석영관(54)과, 자외선을 방출하도록 상기 석영관(54)의 내부로 삽입된 자외선램프(55)와, 상기 자외선램프를 구동시키는 자외선램프 파워시스템(100)과, 이산화티탄을 주성분으로 하는 광촉매(42)가 표면에 노출되어 상기 석영관(54)과 하우징(51) 사이의 공간에 충전된 광촉매 담체(40)가 포함되어 구성되어 산화제를 이용하여 생성된 OH라디칼에 의해 오염물질을 산화분해시키는 고도산화반응을 이용하여 처리수를 처리한다.
본 발명의 일실시예에 따른 고도산화반응 수처리 장치는 전 파장영역의 자외선을 방출하는 제논램프 또는 크세논가스가 충전된 자외선램프(40)와, 상기 자외선램프를 펄스 형태로 구동시키는 자외선램프 파워시스템(100)과, 이산화티탄을 주성분으로 하는 광촉매가 표면에 노출된 코일스프링 형상의 광촉매 담체(40)와, 산화제로 오존을 사용하여 생성된 OH라디칼을 이용 오염물질을 산화 분해시키는 고도산화반응을 이용하는 것으로 고도산화반응이 진행되는 고도산화반응장치(50)는 유입구(52)와 유출구(53)가 있는 스텐레스 스틸 또는 티타늄 재질의 단면 형상이 사각 또는 원형인 관 형태의 하우징(51)에 자외선램프(55)를 고정하는 고정부가 구비된다. 상기 자외선램프(55)에는 전력선이 전기를 공급을 위해 외부 파워시스템(100)과 기밀을 유지하며 연결된다. 상기 자외선램프(54) 주위에 충전된 코일스프링 형상의 담체(40)를 비우지 않고 교환할 수 있도록 상기 자외선램프(55)는 석영관(54)의 내부에 삽입되어 수용된다. 상기 석영관(54)에는 자외선램프(55)를 직접 물에 의해 냉각을 위해 측면 부에 물이 자유로이 통과하는 1개 이상의 구멍이 구비된다. 상기 하우징(51)과 석영관(54) 사이의 공간에는 코일스프링 형상의 광촉매 담체(40)가 충전된다.
고도산화반응은 1)오존이 수중으로 용해되는 단계와, 2)오존이 254nm 파장의 빛을 흡수하여 OH라디칼을 생성하여 오염물질과 반응하는 단계와, 3)오존이 자외선과 광촉매 반응에 의해 분해되어 OH라디칼을 생성하여 오염물질과 반응하는 단계와, 4)자외선과 광촉매가 반응하여 물을 분해하여 OH라디칼을 생성하여 오염물질과 반응하는 4단계의 반응으로 구분하여 설명할 수 있다.
상기의 2), 3), 4)단계 반응에 필요한 자외선은 254nm 파장을 선택적으로 방사하는 저압 및 고압 수은 자외선램프의 사용이 가능하지만, 본 발명은 3단계 및 4단계 광촉매반응에 있어서는 고출력의 자외선을 펄스 형태로 방출할 수 있는 제논 또는 크세논 방전램프나 중압 수은램프를 이용한 것을 특징으로 한다. 왜냐하면, 기존의 저압 수은램프는 방사되는 파장이 짧은 254nm 자와선은 수중 침투력이 수 mm에 불과하여 램프 가까운 영역만 반응에 참여할 수 있음으로 투과력을 크게 하기 위해 고출력 램프를 사용해야 하거나, 자외선램프 배치를 촘촘하게 많이 사용해야하는 단점이 있다. 또한, 중압 수은자외선램프는 발열량이 높아 램프 표면온도가 800℃ 이상이고, 램프 수명이 2000시간 정도에 불과하여 자주 교체해야 하는 번거로움이 있다.
전파장 영역의 자외선을 방출하는 제논 또는 크세논 가스가 충전된 방전 램프는 자외선부터 가시광까지 전파장 영역 빛을 방출하는 특징과 방전램프에 인가되는 전압 특성에 따라 방출되는 파장 특성이 달라지는 것으로 알려져 있으며, 본 발명에서는 상기의 방전램프에서 방출되는 200~400nm이 자외선을 고도산화공정 수처리 장치로 사용하고자 하였다.
또한 상기의 제논 또는 크세논 가스가 충전된 방전램프 구동시키는데 필요한 전원을 공급하는 파워서플라이(Power Supply)에서 방전램프를 구동하는 전원을 순간적으로 점등 및 소등시키는 펄스 형태로 구동할 경우 기존 저압 수은 자외선램프가 수백 와트(Watt)방출하는 것에 비해 자외선램프의 출력을 수백만 와트까지 방출할 수 있으며, 점등하는 간격을 ㎲까지 임의로 조절할 수 있다.
본 발명의 고도산화반응 오염수처리 장치는 주로 관형 고도산화반응장치(50) 내부의 자외선램프(55) 주위를 오염수가 흐르면서 진행되고, 자외선이 조사되는 반응지역을 펄프 형태로 조사된 후 자외선이 조사되는 지역을 오염수가 지나치기 전에 반복적으로 조사되어도 강력한 산화력을 가진 OH라디칼은 도 4에 표시한 것과 같이 산화력이 강하다고 알려진 오존보다도 반응속도가 매우 빠르기 때문에 연속적으로 자외선 조사하지 않더라도 오염물질을 분해할 수 있다. 또한 오히려 연속적인 자외선 조사로 인해 생성된 OH라디칼이 오염물질과 접촉하지 못하고 소멸되어 오존만 소모될 수 있기 때문에 본 발명은 오염물질과 오존이 혼합 또는 전달될 수 있는 시간 동안 조사를 멈추고, 오히려 그 에너지를 강하게 배가시켜 펄스로 자외선을 조사하여 수중 투과력을 향상시켜 고도산화반응 영역 확대한 것을 특징으로 한다.
또한 고도산화반응이 주로 원통형의 관 중앙에 설치된 자외선램프 주위를 산화제와 오염물질이 흘러가면서 진행되는 형태이기 때문에 기존의 고도산화반응과 같이 자외선램프가 연속적으로 점등되는 경우 자외선이 조사되는 지점의 산화제는 OH라디칼로 전환되어 오염물질을 분해하는데 소진되고, 새로운 산화제와 오염물질이 공급되어 대체되기 전까지 자외선이 조사되어도 OH라디칼 생성을 할 수 없게 된다.
또한 새로운 오염물질이나 산화제가 자외선이 조사된 지점에 없는 경우 OH라디칼이 생성되지 않으며, 오염물질은 자외선에 의해 분해되지 않기 때문에 결국 산화제는 사용되지 못하고 버려지기 때문에 산화제와 에너지 소모를 증가시킬 수 있다.
제논램프 또는 중압 수은 램프와 같이 전파장 자외선을 고출력으로 방출하는 자외선램프와 오존 또는 과산화수소를 이용하여 고도산화반응을 수행할지라도 오염물질이 포함된 수중으로 조사된 전파장 영역의 자외선(UV-A, B, C) 중 단파장 자외선(UV-C)이 도달하는 지역, 즉 자외선램프에서 가까운 지역의 오존 또는 과산화수소와 반응하여 OH라디칼을 생성하여 오염물질을 분해하고, 장파장 자외선(UV-A,B)은 상대적으로 수중 투과력이 우수하여 램프에서 먼 거리까지 도달할 수 있지만 산화제와 반응하여 OH라디칼을 생성할 없어 활용할 수 없었기 때문에 고도산화반응의 효율을 행상시키는 데는 한계가 있다. 따라서, 본 발명은 제논램프 또는 중압 수은 램프와 같이 전파장 자외선을 고출력으로 방출하는 자외선램프와 함께 광촉매를 이용한 고도산화반응 오염수 처리 방법을 채택함으로써 오염물질이 포함된 처리수 수중으로 조사된 전파장 영역의 자외선(UV-A, B, C) 중 단파장 자외선(UV-C)은 자외선램프에서 가까운 지역의 오존 또는 과산화수소를 분해하여 OH라디칼을 생성하여 오염물질을 분해에 관여하고, 장파장 자외선(UV-A,B)은 상대적으로 수중 투과도가 우수하여 비교적 램프에서 원거리까지 도달할 수 있어도 기존 고도산화반응에서는 OH라디칼을 생성할 수 없었지만, 광촉매에 조사되어 광촉매 표면에서 발생된 전공(electron hole)에 의해 OH라디칼이 생성되어 오염물질을 분해할 수 있게 되어 고도산화반응영역을 기존의 고도산화반응 보다 획기적으로 증대할 수 있다.(도 2 참조)
또한 제논 또는 크세논 방전램프를 펄스 형태로 구동시킴으로 자외선 순간 출력을 수만 배까지 증대하여 조사할 수 있어 자외선 출력 증대에 따른 수중 투과력 증대로 기존 고도산화반응장치 직경 보다 월등히 크게 할 수 있게 되어 대용량의 고도산화반응장치를 적은 수의 자외선램프를 사용하여 구성할 수 있게 되어 램프 수가 많아 복잡하고 관리가 어려운 문제점을 해소할 수 있게 되었다.
그러나 중압 수은램프를 사용하는 경우 램프 표면온도가 매우 높고, 수명이 짧고, 연속적으로 조사되는 특성상 출력을 수십KW 밖에 낼 수 없는 단점이 있어 상용화에 문제점이 있으나, 본 발명은 처리수가 램프의 표면에 접촉되어 램프를 냉각시키도록 구성된 것을 특징으로 한다. 이를 위하여 램프를 둘러싸는 석영관에 처리수가 유통할 수 있는 유통홀이 형성된 것을 특징으로 한다.
하천수와 같은 지표수를 정화하여 상수도를 만드는 정수장의 경우 대부분 1,000~2,500mm의 관으로 공급되는 대용량의 시설로서 기존의 고도산화반응 기술로서는 적용이 어려웠으나, 본 발명의 제논 또는 크세논 방전램프를 펄스로 구동시키는 시스템과 광촉매를 활용한 고도산화반응장치는 대용량의 수처리 장치에 활용이 가능하다.
제논 또는 크세논 가스가 충전된 방전램프를 본 발명의 펄스 자외선램프(55)로 고도산화반응장치(50)에 이용하는 경우 오염물질이 고도산화응장치(50)를 통과하는 동안 고출력의 자외선을 원하는 빈도만큼 조사할 수 있고, 장파장 자외선을 활용할 수 있는 광촉매를 도입하여 고도산화반응 영역을 획기적으로 증대하여 고도산화반응 효율을 극대화가 가능하고, 펄스 자외선램프 점등하는 간격을 ㎲까지 임의로 조절할 수 있어 필요한 만큼 조사시킬 수 있기 때문에 불필요한 자외선 조사를 방지하여 에너지 절감과 오존 또는 과산화수소 등의 산화제 투입량을 절감하는 효과로 고도산화반응 수처리 장치 규모와 설치비 및 운전비용을 획기적으로 줄일 수 있는 고도산화공정 수처리 시스템을 제공한다.
기존 고도산화반응을 이용한 오염수 처리시스템의 경우에는 산화물을 분해하여 OH라디칼 생성에 관여하는 단파장 자외선(UV-C)의 수중 투과력이 낮아 반응 영역 제한으로 다수개의 자외선램프를 사용해야 하므로 고도산화반응장치(50)의 크기가 커지는 문제점과, 수중 투과력을 증대시키기 위해 고출력 자외선램프를 사용하는 경우에는 고열 발생과 에너지 소모 증대로 인한 운전 및 관리상 어려움이 있고, 단파장 자외선이 미치지 못하는 지역의 산화제는 미반응 상태로 고도산화반응장치를 빠져나가게 되어 산화제의 사용 효율이 떨어지고, 고도산화반응장치에서 필요 이상으로 연속적으로 자외선을 조사함으로서 산화제인 오존이나, 과산화수소가 생성한 OH라디칼이 오염물질과 산화반응에 사용되지 못하고 폐기되거나, 지속적인 자외선을 조사는 관계로 에너지 소모가 크고 램프의 수명이 짧다는 문제점이 있다.
본 발명은 펄스 자외선램프를 이용한 고도산화반응에 있어서는 전파장 영역의 자외선램프와 광촉매를 사용하여 단파장 자외선(UV-C)과 산화제에 의한 OH라디칼 생성 반응과 산화제 + 장파장 자외선(UV-A,B)+ 광촉매에 의한 OH라디칼 생성반응을 진행함과 연속 조사방식 주로 수은 가스가 충전된 자외선램프 대신에 제논 또는 크세논 가스가 충전된 방전램프를 펄프 형태로 조사하여 순간 출력을 기존 연속형 자외선램프 출력에 비해 수백만 배까지 낼 수 있기 때문에 자외선의 수중 투과력의 증대는 물론 기존에 사용되지 못하고 버려졌던 장파장 자외선을 활용함으로 고도산화반응 영역의 비약적인 증대가 가능하여 관경 2,000mm가 되는 상수도 정수장에서도 적용이 가능할 정도로 처리량 및 증대가 가능하다.
또한 고출력 자외선의 점등 및 소등되는 주기를 ㎲~s 까지 조절이 가능하여 관형 반응기의 내부에 설치된 자외선램프를 오염수 통과하는 동안 몇 회 자외선을 조사할 것인가에 대한 주기 및 자외선 강도를 조절 가능함으로 자외선 및 산화제의 사용효율을 증대로 OH라디칼 생성량을 극대화할 수 있어 대용량의 수처리를 가능하게 할 수 있으며, 펄스 자외선램프의 수명은 점등시간에 반비례하기 때문에 점등 주기 및 시간을 조절할 수 있기 때문에 수명을 연장할 수 있다.
본 발명에서는 자외선이 조사되는 지역 내에서 산화제가 OH라디칼을 생성하여 오염물질과 반응을 하면 새로운 산화제와 오염물질 이동하여 자외선이 조사지역에서 반응을 할 수 있기 때문에 자외선의 조사 주기는 자외선 조사지역 내를 오염수가 통과되는 시간 동안 몇 회 조사할 것인가를 결정하여 분해반응을 진행해도 문제가 없고 오히려 자외선램프의 수명과 소모전력을 감소할 수 있다는 장점과 자외선램프의 출력을 순간적으로 높게 조사할 수 있어 수중 투과력 증가로 반응지역을 확대할 수 있는 장점이 있다.
예를 들어 관 형태의 고도산화반응장치의 경우 오염수가 펄스 자외선램프에서 조사되는 영역을 흘러가는 동안 자외선램프가 초당 5회 점등된다면 관형 반응장치 내부에서는 초당 5회의 OH라디칼 생성반응을 하여 오염물질을 분해할 수 있다.
본 발명에서는 전파장 영역의 자외선 파장를 방출하면서 자외선 방출 시간을 임으로 조절 가능하고, 자외선 파장 특성이 비슷한 중압 수은램프에 비해 발열량이 적으면서 순간적으로 고출력의 자외선을 조사할 수 있는 펄스 자외선램프를 사용하여 수중 투과력이 약한 단파장 자외선(UV-C) + 오존 + 광촉매에 의한 고도산화반응과 장파장 자외선(UV-A, B) + 오존 + 광촉매에 의한 고도산화반응을 동시에 진행하여 고도산화반응영역을 획기적으로 증대할 수 있으며, 자외선램프의 점등 시간을 연속적이 아닌 점등 소등을 주기적으로 반복하는 펄스 형태로 인가하여 소모전력을 절감시킬 수 있으며, 기존 고도산화반응장치 보다 적은 수의 자외선램프로 제작이 가능하여 고도산화공정 수처리 장치 규모를 축소할 수 있으며, 유지관리가 쉽고 설치비용 및 운전비용을 절감할 수 있는 특징이 있다.
본 발명에서는 오존발생장치에서 발생시킨 오존을 오염수와 함께 용해시켜 고도산화반응장치(50)에 투입되면, 충분한 량의 자외선에 의한 OH라디칼 생성반응과 광촉매 반응에 의한 OH라디칼 생성반응이 동시에 진행되어 오염물질 분해속도가 빨라지고, 또한 고도산화반응장치(50)의 압력을 높게 하면 수중으로 용해되는 오존량을 획기적으로 증대됨과 동시에 자외선의 조사량 또한 증대로 생성되는 OH라디칼의 생성량 도한 증대할 수 있기 때문에 많은 량의 오염물질도 처리할 수 있으며, 상기의 고도산화반응장치(50)를 병렬 또는 직렬로 연결하여 사용이 가능하여 대용량의 고도산화공정 수처리 시스템의 제작이 가능하다.
본 발명은 고도산화반응장치(50)의 OH라디칼 생성량 증대로 인한 오염물질 처리속도가 증가는 고가의 오존발생장치 용량을 줄이고, 오염수 처리 장치의 설치비용 및 운전비용이 절감되고, 오염수 처리장치를 콤팩트하게 할 수 있어, 도심 건축물, 공장, 아파트, 공공시설 등 오염수처리시설 확장에 필요한 장소 확보가 어려운 지역이나, 냄새 및 미관 문제로 기존의 생물학적 처리방법을 사용할 수 없는 장소의 중수도처리 시스템과, 환경오염과 생활수준 향상으로 세제, 농약, 독성물질 등의 난분해성 물질 유입량이 증가하는 정수장, 골프장, 매립지 침출수 등의 오염수를 효과적으로 처리할 수 있게 된다.
본 발명에서 고도산화반응장치(50)에 충전되는 광촉매가 코팅되는 코일스프링 형상의 광촉매 담체(40)는 와이어(51)의 지름은 0.1 ~ 5mm 이고, 재질은 스테인리스스틸, 티타늄, 알루미늄 등의 금속소재이고, 코일스프링 담체(40) 지름은 5~70mm 으로 하고, 코일스프링 모양을 장구형으로 하고, 상기 코일스프링의 피치가 와이어(41)의 지름보다 작게 하고, 스프링의 시작 지점 및 끝 부분의 피치가 인접하는 피치에 근접하게 가공함으로써, 코일스프링 담체(40)가 고압 고도산화반응장치(50)에 충전시 서로 겹치지 않도록 하여 충전밀도를 높힐 수 있는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 광촉매 담체는 와이어 표면(43)을 금강사 등으로 샌딩처리 하거나, 산 등의 약품에 의해 부식시켜 와이어 표면(43)을 거칠게 처리하여 티타늄 알콕사이드를 용매에 희석하여 코팅하여 800℃ 이하의 온도로 열처리하여 광촉매(42)를 와이어표면(43)에 견고히 부착시켜 광촉매(42)의 부착력을 향상시키고, 코팅된 광촉매의 표면적을 크게 할 수 있다.
상기의 광촉매가 표면에 형성된 코일스프링 형상의 광촉매 담체(40)는 코일스프링의 와이어(41)와 와이어(41) 사이 공간, 즉, 피치 사이의 공간과 코일스프링 담체(40) 간의 사이의 공간으로 자외선 조사가 원활하게 되어, 오염수가 쉽게 통과할 수 있어 압력손실을 줄일 수 있고, 다공판에 광촉매를 코팅하여 사용하는 경우보다 월등히 넓은 표면적과 압력손실이 현저하게 작아 오염수를 처리함에 있어서 분해반응 효율이 높고, 처리용량을 크게 할 수 있는 장점이 있다.
또한 상기의 코일스프링 형상의 광촉매 담체(40)를 고도산화반응장치(50)에 충전시에, 상기의 광촉매 담체(40)의 탄성을 이용하여 압축하여 충전함으로써, 코일스프링의 장력에 의해 코일스프링 광촉매 담체(40) 상호간에 견고히 고정함으로 물의 흐름에도 움직이지 않도록 고정되어 석영관(54) 파손 문제를 해결할 수 있다.
이러한 관점에서, 고도산화반응장치(50)에 사용되는 자외선램프(55)가 자외선부터 가시광선 영역까지 다양한 파장대의 빛을 발산하는 펄스 자외선램프(55)를 사용하게 되면, 석영관(54) 가까운 곳에서는 UV-C(254nm) 파장대 자외선에 의한 광산화분해반응에 의한 OH라디칼을 생성시키는 반응과, 석영관(54)에 비교적 먼 거리에 위치한 코일스프링 담체(40)는 UV-C 보다 장파장으로 수중 침투력이 상대적으로 우수하여 비교적 멀리 도달할 수 있는 UV-A와 B(280~400nm) 파장대 자외선에 의한 고도산화반응으로 오존을 분해하여 OH라디칼을 생성시켜 오염물질을 분해하는데 활용할 수 있다.
본 발명은 산화제로서 오존 또는 과산화수소를 사용하고, 제논 또는 크세논 방전램프를 고출력의 펄스 형태로 조사하는 자외선램프(40)와 광촉매를 적용한 고도산화반응 기술을 이용한 수처리 장치이다. 처리수(오염수)를 저장하는 처리수 저장조(10)에 연결된 처리수 공급관을 통하여 가압펌프(20)에 의해 고도산화반응장치로 원하는 압력으로 공급하고, 상기 가압펌프(20)의 전단 또는 후단으로 오존공급라인을 통하여 오존발생장치에서 생산된 오존이 공급되어 오염수에 오존이 용해된 반응물을 고도산화반응장치(50)로 공급되고, 과산화수소수를 산화제로 투입하는 경우에는 가압펌프(20) 전단부로 정량펌프에 의해 투입이 가능하다.
상기의 고도산화반응장치(50)는 단면이 원형 또는 사각형인 관형 하우징(51)에 유입구(52)와 유출구(53)가 있고, 상기의 고도산화반응장치(50) 내부 공간에는 자외선램프(55)를 중심으로 코일스프링 담체(40)가 충전되나, 자외선램프(55)의 원활한 교체를 위해 자외선램프(55)를 석영관 내부에 삽입하여 사용하는 것이 바람직하다.
상기 고도산화반응장치(50)에 자외선램프(55)가 삽입되는 석영관(54)을 사용하는 경우 고출력 자외선램프(55)가 사용도중 수중에서 원활하게 냉각될 수 있도록 석영관(54) 측면에 한개 이상의 구멍을 뚫어 물이 자유로이 유출입하여 자외선램프(55)가 물로 직접 냉각할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
상기 자외선램프(55)에 공급되는 전력선은 절연성이 우수한 수지로 피복되어 있어 고도산화반응장치(50)에 측면 또는 상 하부에 자외선의 조사에 노화되지 않는 불소수지 계통의 오링을 사용하여 기밀을 유지할 수 있도록 하여 외부 펄스 제네레타로 연결된다.
상기 자외선램프(55)가 고도산화반응장치(50) 내부에 한개 이상 설치되는 경우는 고도산화반응장치(50) 내부에 자외선램프(55)가 최대한 균등한 간격을 유지할 수 있도록 배치하여 자외선이 조사량이 균등하도록 하는 것이 바람직하다.
상기 고도산화반응장치(50) 내부 공간에 충전된 코일스프링 형상의 광촉매 담체(40)는 코일스프링 형태로 피치 사이의 공간으로 자외선의 조사와 오염물질이 함유된 물이 쉽게 통과할 수 있어 압력손실이 적고, 또한, 코일스프링 담체(40)를 고도산화반응장치(50)에 충전시 상기의 코일스프링 담체(40)를 압축하여 충전하면, 충전된 코일스프링 담체(40)의 스프링 장력에 의해 견고히 고정되는 효과가 있어 물의 흐름 저항에 의해 충전된 코일스프링 담체(40)의 유동에 의해 석영관(54)을 파손시키는 위험성을 방지할 수 있는 탄성이 있는 금속재질의 코일형 스프링 형태로 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 코일스프링 형상의 광촉매 담체(40)는 와이어(41) 직경이1 ~ 10mm 이고, 코일스프링 지름은 10~70mm 이고, 피치는 가공에 사용된 와이어(41) 지름보다 작아 코일스프링을 고도산화반응장치(50)에 충전시 코일스프링이 서로 끼워져 충진율을 떨어트리지 않도록 하고, 스프링의 크기와 탄성력에 따라 와이어의 직경을 조절하여 코일스프링이 서로 끼워지는 문제점을 방지할 수 있게 된다.
상기 고도산화반응장치(50) 내부에 자외선램프(54)를 내장하는 석영관(54)과 고도산화반응장치 하우징(51) 사이 공간에 충전되는 광촉매 담체(40)는 내부가 비어 있고 스프링 피치 사이 공간으로 자외선의 조사와 반응물이 압력손실 없이 유동할 수 있는 계란형의 코일스프링 형상이고, 고도산화반응장치(50) 내부에 충전시 코일스프링 장력을 이용하여 압축하여 충전하면 코일스프링 담체(40)가 유체의 흐림에 흔들리지 않고 고정되어 코일스프링 담체(40)간에 충돌에 의한 석영관(54)의 파손을 막을 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 코일스프링 형상의 광촉매 담체(40)는 고도산화반응장치(50) 내부에 입체적으로 고르게 충전할 수 있어, 압력손실은 적으면서 충전밀도를 높혀 많은 코일스프링 담체(40)를 충전함에 따른 표면적 증가와, 상기 코일스프링표면을 샌딩처리 또는 산 등의 약품에 의해 거칠게 처리된 외표면(43)에 광촉매 전구물질인 티타늄 알콕사이드류를 코팅 후 열처리하여 광촉매를 와이어 외표면(43)에 부착시 외표면(43)과 광촉매(42)간의 부착력 향상과, 거칠은 외표면(43)에 의한 표면적 증대효과로 용해된 오존과 오염수 중의 오염물질과 산화반응 빈도를 증대시켜 반응에 참여할 수 있는 기회를 제공함으로서 산화분해반응 효율을 증대시켜 오염수 분해반응 효율을 증가시킬 수 있게 된다.
상기 코일스프링 형상의 광촉매 담체(40)에 이산화티탄을 주성분으로 하는 광촉매를 코팅하여 사용하기도 하지만 염분 등 기타 부식성이 있는 유체가 함유된 경우 코일스프링 담체(40)가 쉽게 부식될 수 있음으로 광촉매를 상기 코일스프링 담체(40) 표면에 코팅하여 사용하는 방법 대신에 티타늄 재질의 와이어(41)를 코일스프링 담체(40)로 가공하여 샌딩 및 산처리에 의해 표면을 거칠게 하여 800℃이하의 온도로 산화시켜 코일스프링 담체(40) 외표면(43)에 이산화티탄 광촉매(42)를 생성시켜 사용할 수 있다.
상기 자외선램프(55)는 전기를 공급하는 파워서플라이(100)와 전기적으로 연결되고, 상기 자외선램프(55)의 작동상태를 외부에서 확인 가능한 수단을 구비하고, 오염수 처리유량에 따라 가변적으로 자외선램프의 점등시간을 1회/㎲ ~1회/s까지 펄스 형태로 운전가능하고, 자외선 출력을 W ~ MW까지 조절할 수 있는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 산화제로 오존를 사용하는 경우 오염수가 가압펌프에 의해 고도산화반응장치(50)가 1 내지 20기압으로 가압된 상태로 진행시키면 가스 상태의 오존이 다량 용존 되어 오염수 중에 용존 오존량이 증가 되고, 전파장 영역의 자외선이 고출력으로 고도산화반응에 필요한 충분한 자외선을 효과적으로 고도산화반응장치(50) 내부에 조사하여 단파장 자외선의 직접반응에 의한 OH라디칼 생성반응과, 기존에 버려졌던 수중 투과력이 우수한 장파장 자외선과 광촉매에 의한 OH라디칼 생성반응을 동시에 진행됨과, 더블어 펄스 형태의 자외선을 기존 수은 자외선램프의 출력보다 수만 배까지 증대하여 조사되어 수중 투과도 및 조사량 증대로 고도산화반응이 진행되는 반응영역을 획기적으로 증대됨에 따라 대용량 수처리 장치는 물론 고농도의 오염수도 처리할 수 있는 고도산화공정 수처리 장치를 제공할 수 있는 것을 특징으로 한다.
또한 자외선램프의 점등 간격을 ㎲ 단위까지 임의로 조절할 수 있어 점등시간을 최소화함으로 소모전력을 낮추고, 점등시간에 반비례하는 자외선램프의 수명 특성상 점등 시간을 최소화시킴으로 자외선램프의 수명을 연장하는 효과가 있으며, 수중 투과도가 작은 단파장 자외선을 사용하는 기존 고도산화반응장치에서 고도산화반응영역이 작아 반응에 미처 참여하지 못하고 미반응 상태로 배출되는 오존 및 과산화수소 등의 산화제를 최소화함으로 사용하는 에너지 및 산화제의 사용 효율을 증가함으로 고도산화공정 오염수 처리장치 규모와 설치비 및 운전비용을 획기적으로 줄일 수 있는 고도산화공정 수처리 장치를 제공한다.
10: 오염수 저장조
20: 가압펌프
30: 오존 가압펌프
40: 코일스프링 담체(40)
41 : 스탠레스스틸 또는 티타늄 와이어
42 : 광촉매
43 : 코일스프링 담체(40) 표면
50: 고도산화반응장치
70: 처리수 저장조
100: 자외선램프 펄스 제네레타
20: 가압펌프
30: 오존 가압펌프
40: 코일스프링 담체(40)
41 : 스탠레스스틸 또는 티타늄 와이어
42 : 광촉매
43 : 코일스프링 담체(40) 표면
50: 고도산화반응장치
70: 처리수 저장조
100: 자외선램프 펄스 제네레타
Claims (4)
- 처리수가 유출입되기 위한 유입구와 유출구가 있는 관 형상의 하우징과, 상기 하우징의 내부에 삽입된 석영관과, 자외선을 방출하도록 상기 석영관의 내부로 삽입된 자외선램프와, 상기 자외선램프를 구동시키는 자외선램프 파워시스템과, 이산화티탄을 주성분으로 하는 광촉매가 표면에 노출되어 상기 석영관과 하우징 사이의 공간에 충전된 광촉매 담체가 포함되어 구성되어 산화제를 이용하여 생성된 OH라디칼에 의해 오염물질을 산화분해시키는 고도산화반응을 이용한 고도산화공정 수처리 장치에 있어서,
상기 자외선램프는 제논램프 또는 크세논가스가 충전되어 전 파장영역의 자외선을 방출하고,
상기 자외선램프 파워시스템은 상기 자외선램프를 펄스 형태로 구동시키며,
상기 석영관은 자외선램프가 직접 처리수에 접촉되어 냉각되도록 석영관의 내외부로 처리수가 유통하기 위한 구멍이 형성된 것을 특징으로 하는 고도산화공정 수처리 장치. - 제 1항에 있어서,
산화제로 오존을 이용하는 경우 오존은 반응 압력을 1~20기압의 압력으로 가압하여 처리수에 대한 오존의 용해량을 증가시켜 반응하는 것을 특징으로 하는 고도산화공정 수처리 장치. - 제1항에 있어서,
상기 광촉매 담체는 티타늄 재질의 와이어를 탄성이 있는 코일스프링 형상으로 가공하여 외표면을 거칠게 처리한 후 를 800℃이하의 온도로 산화시켜 코일스프링의 외표면에 이산화티탄 층을 생성시킨 것을 사용하는 것을 특징으로 하는 고도산화공정 수처리 장치. - 제1항에 있어서,
상기 광촉매 담체는 스텐레스 스틸 재질의 와이어를 탄성이 있는 코일스프링 형상으로 가공하여 외표면을 거칠게 처리한 후 코일스프링 외표면에 티타늄 알콕사이드를 코팅하여 800℃이하의 온도로 열처리하는 공정을 포함하여 제조된 것을 특징으로 하는 고도산화공정 수처리 장치.
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| KR1020100029140A KR101152961B1 (ko) | 2010-03-31 | 2010-03-31 | 고도산화공정 수처리 장치 |
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|---|---|---|---|---|
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| KR102424693B1 (ko) * | 2021-02-04 | 2022-07-27 | 윤태열 | 나노버블을 이용하는 세정액 재생장치 및 이를 이용하는 기판 처리 장치 |
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