KR20110137223A - 미세 오존 접촉 장치와 광촉매·전극, 유체 순환 시스템에 의한 고효율 수산화 라디칼 발생기 - Google Patents

미세 오존 접촉 장치와 광촉매·전극, 유체 순환 시스템에 의한 고효율 수산화 라디칼 발생기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 미세 오존 접촉 장치를 가지는 용존 오존 접촉조와 광촉매와 전극으로 구성된 수산화 라디칼 형성조, 유체 순환 시스템으로 구성되어 기체 오존의 용존율을 최대한 높여 수산화라디칼의 생성량을 극대화하여 고농도 및 난분해성 물질을 빠르게 산화·분해하는 고효율 수산화 라디칼 발생기이다. 기존의 오존 용해조는 하나의 반응기에 기체 오존을 주입하여 용해시킴으로 물질전달속도가 낮은 오존은 용존 농도가 매우 낮았다. 본 발명의 용존 오존 접촉조는 확산과 와류, 순환류를 형성하여 오존의 물질전달속도를 높여 오존의 용존율을 증대하였다. 증대된 용존 오존을 후속 공정인 수산화라디칼 형성조로 이송한 후 직류 전원 공급으로 하전된 전극과 반도체 촉매로 용존 오존을 1단계 반응(HO2 생성단계)을 거치치 않고 O3 -(ozonide)로 바로 이온화한다. 이온화된 O3 -와 H+이 반응하여 HO3 라디칼을 생성한 후, HO3 라디칼에서 산소와 수산화 라디칼을 생성한다. 즉 수산화 라디칼 생성의 율속 단계인 HO2 생성단계를 거치지 않고 제 2단계(O3 - 생성단계)로 바로 진행하므로 총괄 반응속도가 매우 빨라져 수산화 라디칼의 생성속도와 생성량을 크게 증대하였다.
용존 오존 접촉조, 수산화 라디칼 형성조, 유체 순환 시스템, 광촉매·전극, 고효율 수산화 라디칼 발생기

Description

미세 오존 접촉 장치와 광촉매·전극, 유체 순환 시스템에 의한 고효율 수산화 라디칼 발생기{High-Performance Hydroxyl Radical Generator Consists of Micro-nano Bubble Ozone Contactor, Photocatalyst·Electrode and Fluid Recycling System}
도면 1은 미세 오존 접촉 장치와 광촉매·전극, 유체 순환 시스템으로 구성된 고효율 수산화 라디칼 발생기의 전체 단면도이다.
도면 2는 미세 오존 접촉 장치를 가진 용존 오존 접촉조의 단면도이다.
도면 3은 광촉매와 전극으로 구성된 수산화라디칼 형성조의 구성도이다.
도면 4는 용존 오존-라디칼, 기체 오존을 재순환하는 순환조의 단면도이다
〈도면의 부호설명〉
1. 모터
2. 오존 접촉조 유체 유입구
3. 임펠러
4. 확산석
5. 오존 접촉조
6. 충돌핀
7. 확산석 지지대
8. 내부 순환구
9. 내부 유출구
10. 오존 접촉조 배기가스 순환 유출구
11. 오존 접촉조 유체 유출구
12. 오존 발생기
13. 공기 건조기
14. 공기 압축기
15. 수산화 라디칼 형성조 배기가스 유출구
16. 수산화 라디칼 형성조 유체 유출구
17. 수산화 라디칼 형성조
18. 양·음 전극
19. 광촉매
20. 직류 전원 공급기
21. 분사구
22. 수산화 라디칼 형성조 유체 유입구
23. 수산화 라디칼 형성조 배기가스 유입구
24. 순환조 원수 유입구
25. 펌프
26. 외부 순환구
27. 순환조
28. 확산석
29. 배기가스 유입구
30. 수산화 라디칼 처리수 유입구
31. 배기가스 최종 유출구
32. 처리수 최종 유출구
고급 산화 공법(Advanced Oxidation Process-AOP)은 수중에서 수산화 라디칼(OH)을 생성하여 유기물질을 산화·분해하는 것으로 화학적 처리방법에서는 가장 진보된 기술이다. 고급 산화 공법에는 펜톤 산화와 광촉매 공정(TiO2/UV), 오존 조합 공정(O3/H2O2, O3/UV) 등이 있다. 오존과 자외선(ultraviolet 254nm) 조합 공정은 오존이 자외선을 흡수하여 광분해 되면서 분해 메카니즘을 통해 수산화 라디칼을 생성하므로 슬러지 발생과 약품비를 대폭 절감할 수 있으나, 폐수가 고탁도인 경우 자외선 강도의 감소로 처리 효율 저하의 문제가 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명자의 이전발명(특허 10-0542270호)인 오존과 반도체 촉매, 전기분해에 의한 수산화 라디칼 발생기는 수중 오염물질을 산화·분해하여 슬러지 발생량을 줄이고 약품비를 절감하며 자외선 광원의 문제를 해결하여 폐수에도 효율적으로 적용할 수 있도록 하였다. 상기 발명은 오존 발생기에 서 생성된 오존을 절연체와 전기 발생장치의 전극사이에 일정 높이로 충진된 반도체 촉매에 의해 수산화 라디칼로 전환하여 유입되는 유체를 처리하는 것을 특징으로 한다. 상기 발명의 오존 발생기에서 생성된 기체 오존은 오존의 용존을 위한 별도의 접촉조 없이 수산화라디칼 형성조에서 기체 오존을 흡수하고 용존된 오존에서 수산화 라디칼을 생성함으로 용존 오존 생성을 위한 체류시간이 상대적으로 짧아 오존의 용존율이 낮았다. 그러므로 오존의 물질전달율[
Figure 112010502110318-PAT00002
]을 증대시킬 수 있는 접촉 장치의 개발이 필요하였다.
기존의 기체 흡수(용해)장치는 액체와 기체를 가압하여 서로 직교하게 형성된 유입구로 유입시키면 압력(충돌)에 의해 기포가 미세하게 분쇄된다. 미세하게 된 기포는 직경이 작아져 비 경계면적(gas-liquid specific interface area,
Figure 112010502110318-PAT00003
) 이 커진다. 그러나 가압되어 유입된 기체는 압력이 커 수표면으로 빠르게 상승하여 수중에 체류시간(접촉시간)이 짧아져 물질전달속도(
Figure 112010502110318-PAT00004
)가 작아졌다. 미세 기포 발생기 및 이것을 구비한 미세 기포 발생장치(10-2002-7016888)는 유입되는 기체의 기포 압력이 커 기포가 수표면으로 빠르게 상승하여 수중 접촉시간이 짧았다.
본 발명의 고효율 수산화 라디칼 발생기가 이루고자 하는 기술적 과제는 다음과 같다.
첫째, 용존 오존 접촉조와 광촉매와 전극으로 구성된 수산화 라디칼 형성조, 유체 순환시스템으로 구성되어 기체 오존의 용존율을 최대한 높여 수산화라디칼의 생성량을 극대화하여 고농도 및 난분해성 물질을 빠르게 산화·분해하고자 하였다.
둘째, 미세 오존 접촉 장치로 구성되는 용존 오존 접촉조에서 확산과 와류, 순환류를 형성하여 미세 기포의 생성과 미세 기포의 감압을 동시에 이루어 비 경계면적과 수중 접촉시간을 증대하여 총괄 물질전달계수 향상에 따라 오존 용존 율을 크게 증대하고자 하였다.
셋째, 오존의 용존 속도와 유체순환시스템으로 라디칼의 생성속도와 양 증대 및 배기가스와 수중 라디칼 재순환으로 수산화 라디칼 형성조의 광촉매 충진량과 전극 소요 면적을 절감하고자 하였다.
본 발명은 미세 오존 접촉 장치를 가지는 용존 오존 접촉조와 광촉매와 전극으로 구성된 수산화 라디칼 형성조, 유체 순환구를 가진 순환조로 구성되어 기체 오존의 용존율을 최대한 높여 수산화라디칼의 생성량을 극대화하여 고농도 및 난분해성 물질을 빠르게 산화·분해하는 고효율 수산화 라디칼 발생기이다.
본 발명의 공정은 3단계로 구성되며 용존 오존과 수산화 라디칼의 생성 메카니즘으로 설명하면 다음과 같다.
1단계인 순환조는 원수가 유입되고 유출되며 액상 및 기상 오존, 잔류 라디칼을 단계적으로 재이용하여 공정 효율 증대 및 유해가스와 잔류산화제의 배출 제어를 이루었다. 이 단계에서는 유입 유체와 수산화 라디칼 처리수중의 미처리된 물질들이 제거된다.
2단계인 용존 오존 접촉조는 확산과 와류, 순환류가 형성되어 기체 오존과 폐수를 효과적으로 혼합하며 물질전달율을 높여 용존 오존 양을 향상하도록 구성되었다. 2단계에서는 산화되거나 분해되기 쉬운 성분이 일부 분해된다. 증가된 용존 오존은 후속 공정인 수산화라디칼 형성조로 이송된다.
3단계인 수산화 라디칼 형성조에서는 직류 전원 공급으로 하전된 전극과 반도체 촉매로 용존 오존을 1단계 반응을 거치치 않고 O3 -(ozonide)로 바로 이온화하고 O3 -와 H+이 반응하여 HO3 라디칼을 생성한 후, HO3 라디칼에서 산소와 수산화 라디칼을 생성한다. 즉 수산화 라디칼 생성의 율속 단계인 1단계 HO2 생성단계를 거치지 않고 제 2단계(O3 - 생성단계)로 바로 진행하므로 총괄 반응속도가 빨라져 수산화 라디칼의 생성량을 원활히 증대하였다. 이 단계에서는 유체중의 난분해성 물질, 고색도 화합물 등 대부분의 유기물질이 산화·분해되어 제거된다. 용존 오존 농도와 수산화 라디칼의 생성량 증대는 오존 발생기 유효 용량 및 충진되는 반도체 촉매와 전극량을 절감할 수 있어 시설비와 전력비를 크게 절감하였다.
본 발명의 고효율 수산화 라디칼 발생기의 구성과 작용을 도면부호와 함께 상세히 설명하면 다음과 같다.
오존 접촉조(5)의 상단 중앙에 위치하며 임펠러의 동력원인 모터(1)와;
상기 모터의 하부에 위치하며 순환조에서 이송된 폐수 유입구인 오존 접촉조 유입구(2)와;
상기 오존 접촉조의 상단 중앙에 모터와 연결되어 위치하며 기포와 폐수를 혼합하는 임펠러 (3)와;
상기 임펠러의 하부에 위치하며 오존 발생기에서 유입된 기체 오존을 분산시키는 확산석(4)과;
상기 확산석과 임펠러, 모터, 내부 순환구로 구성되어 용존 오존 농도를 높이도록 삼중 구조로 형성된 오존 접촉조(5)와;
상기 오존 접촉조의 삼중 구조 내각 중앙에 위치하며 확산석을 지지하는 확산석 지지대(7)와;
상기 확산석 지지대의 외주면에 위치하며 혼합된 기포와 폐수가 와류를 형성하며 하향할 때 미세 기포와 충돌하여 초미세화하는 충돌핀(6)과;
상기 충돌핀의 하부 외주면에 위치하며 기포와 폐수의 와류 흐름이 하부에서 상부로 재순환하도록 형성된 내부 순환구(8)와;
상기 내부 순환구의 외주면에 위치하며 농축된 용존 오존을 체류시간을 유지하며 유출하도록 삼중구조 중앙벽 내부 하단에 위치한 내부 유출구(9)와;
상기 오존 접촉조의 상단에 위치하며 연속적으로 유입되는 기체 오존을 흡수 후 후속공정으로 순환하는 출구인 배기가스(off-gas) 순환 유출구(10)와;
상기 배기가스 순환 유출구의 하단에 위치하며 용존 오존을 포함한 유체가 유출되는 오존 접촉조 유체 유출구(11)와;
상기 오존 접촉조의 외부에 위치하며 기체 오존을 발생시켜 오존 접촉조에 공급하는 오존 발생기(12)와;
상기 오존 발생기의 외부 일측에 위치하며 오존 발생기로 공기를 건조하여 이송하는 공기 건조기(13)와;
상기 공기 건조기의 외부 일측에 위치하며 공기 건조기로 공기를 압축하여 이송하는 공기 압축기(14);로 구성되어 확산과 와류, 순환류를 형성하여 기체 오존과 폐수를 효과적으로 혼합하여 물질 전달속도를 높여 용존오존 양을 향상하는 용존 오존 접촉조와;
상기 용존 오존 접촉조의 후속공정인 수산화 라디칼 형성조의 상단에 위치하며 배기가스(off-gas)가 유출되는 배기가스 유출구(15)와;
상기 수산화 라디칼 형성조의 상부 외주면 일측에 위치하며 수산화 라디칼에 의해 산화·분해된 처리수가 유출되는 처리수 유출구(16)와;
상기 수산화 라디칼 형성조의 광촉매 충진층 사이에 일정한 간격을 두어 형성되어 직류전원공급기에 의해 하전되어 광촉매에 전하를 전달하는 양·음 전극(18)과;
상기 전극 사이에 위치하며 양·음전극에 의해 하전되어 수산화 라디칼의 형성을 촉진하는 반도체 광촉매(19)와;
상기 수산화 라디칼 형성조의 외부에 위치하며 전극과 반도체 촉매에 전하를 공급하는 직류 전원 공급기(20)와;
상기 반도체 광촉매의 하부에 위치하며 전(前)단계에서 유입된 기체 오존을 분산시키는 분산석(21)과;
상기 분산석의 일측 외주면에 위치하며 용존 오존수가 유입되는 수산화 라디 칼 형성조 유체 유입구(22)와;
상기 유체 유입구의 하부에 위치하며 오존 접촉조의 배기가스를 재활용 하기위해 배기가스 유입구(23)가 형성되어 직류 전원 공급으로 하전된 전극과 반도체 촉매로 용존 오존을 O3 -(ozonide)로 바로 이온화하고 이온화된 O3 -와 H+이 반응하여 HO3 라디칼을 생성한 후, HO3 라디칼에서 산소와 수산화 라디칼을 빠르게 생성하는 수산화 라디칼 형성조와;
상기 수산화 라디칼 형성조의 외부에 후속 공정으로 위치하며 순환조의 상부에 유체가 최초로 유입되는 순환조 원수 유입구(24)와;
상기 순환조의 외부에 위치하며 원수를 양수(揚水)하여 오존 접촉조로 이송하는 펌프(25)와;
상기 순환조의 상단 외주면 일측에 위치하며 유체를 오존 접촉조로 이송하는 출구인 외부 순환구(26)와;
상기 외부 순환구와 원수 유입구, 확산석를 포함하며 유체가 유입 및 순환, 용존, 유출되는 순환조(27)와;
상기 순환조의 하부에 위치하며 전(前)공정에서 유입된 배기가스를 분산시켜 미세 기포 형성을 돕는 확산석(28)과;
상기 확산석의 하부에 위치하며 전(前)공정의 배기가스가 유입되는 배기가스 유입구(29)와;
상기 순환조의 하단에 위치하며 전(前)공정(수산화라디칼 형성조)의 유출수 가 유입되는 순환조의 수산화 라디칼 유출수 재유입구(30)와 ;
상기 순환조의 상단에 위치하며 오존 발생기에서 유입된 기체가 순환된 후 배기가스로 최종 유출되는 배기가스 최종 유출구(31)와;
상기 순환조의 하단에 위치하며 원수가 최종 처리되어 유출되는 처리수 최종 유출구(32);로 구성되어 배기가스로 방출되던 기체 오존과 용존 오존 및 라디칼을 재이용하는 유체 순환 시스템으로 구성되어 기체 오존의 용존율을 최대한 높여 수산화라디칼의 생성량을 극대화하여 고농도 및 난분해성 물질을 빠르게 산화·분해하는 고효율 수산화 라디칼 발생기이다.
고급 산화 공법의 핵심은 모든 유기물질을 비선택적으로 산화·분해할 수 있으며 강력한 산화력과 빠른 반응속도를 가진 수산화 라디칼을 최대로 생성하는 것이다. 본 고효율 수산화 라디칼 발생기의 발명 효과는 다음과 같다.
첫째, 오존 접촉조에서 기체 오존의 총괄물질 전달속도를 높여 용존율을 최대로 하여 후속공정인 수산화 라디칼 형성조에서 광촉매와 전극의 작용으로 수산화라디칼의 생성량을 극대화하였다.
둘째, 오존 발생기 유효 용량 및 충진되는 반도체 촉매와 전극량을 절감할 수 있어 시설비와 운전비, 전력비를 크게 절감하였다. 오존 접촉조에서 오존의 용존속도와 양의 증대로 오존 발생기 용량을 감소할 수 있으며, 충분한 용존 오존 유입으로 라디칼이 빠르게 다량 발생하므로 반도체 촉매와의 접촉시간이 적게 소요되어 광촉매 충진량과 전극면적을 절감하여 운전비와 교체비용을 저감하였다.
셋째, 유체 순환 시스템으로 구성되어 액상 및 기상 오존, 잔류 라디칼을 단계적으로 재이용하여 공정 효율 증대 및 유해가스와 잔류 산화제의 배출 제어를 이루었다.

Claims (2)

  1. 오존 발생기(12)에서 생성된 기체 오존을 모터(1)와 임펠러(3), 확산석(4), 충돌핀(6) 및 내부 순환구(8)를 두어 확산과 와류, 순환류를 형성하여 기체 오존과 폐수를 효과적으로 혼합하여 물질 전달속도를 높여 용존 오존 양을 향상하는 용존 오존 접촉조(5)와; 직류 전원(20) 공급으로 하전된 전극(18)과 반도체 촉매(19)로 용존 오존을 O3 -(ozonide)로 바로 이온화하고 이온화된 O3 -와 H+이 반응하여 HO3 라디칼을 생성한 후, HO3 라디칼에서 산소와 수산화 라디칼을 빠르게 생성하는 수산화 라디칼 형성조(17)와; 원수 유입구(24)와 처리수 최종 유출구(32) 및 확산석(28)이 형성되어 원수가 유입되고 유출되며 잔류 라디칼, 기-액상 오존을 재이용하여 공정 효율 증대 및 유해 가스와 잔류 산화제의 배출을 제어하는 유체 순환조(27);로 구성되어 수산화 라디칼의생성속도와 양을 안정적으로 생산하는 고효율 수산화 라디칼 발생기
  2. 오존 접촉조(5)의 상단 중앙에 위치하며 임펠러의 동력원인 모터(1)와; 모터의 하부에 위치하며 순환조에서 이송된 폐수가 유입되는 오존 접촉조 유입구(2)와; 모터와 연결되어 위치하며 기포와 폐수를 혼합하는 임펠러(3)와; 임펠러의 하부에 위치하며 오존 발생기에서 유입된 기체 오존을 분산시켜 미세화하여 기포의 비경계면적과 확산계수를 증대하는 확산석(4)과; 내부 순환류가 형성되어 유체와 기포의 접촉시간을 증가시키는 삼중 구조로 형성된 오존 접촉조(5)와; 오존 접촉조의 삼중 구조 내벽 중앙에 위치하며 확산석을 지지하는 확산석 지지대(7)와; 확산석 지지대의 외주면에 위치하며 혼합된 기포와 폐수가 와류를 형성하며 하향할 때 미세 기포와 충돌하여 초미세기포로 형성하는 충돌핀(6)과; 오존 접촉조의 삼중 구조 내벽 하단에 위치하며 내부 상하 순환류를 형성하는 내부 순환구(8)와; 내부 순환구의 외주면에 위치하며 오존 접촉시간을 유지하도록 삼중구조 중앙벽 내부 하단에 위치한 내부 유출구(9)와; 오존 접촉조의 상단에 위치하며 유입된 기체 오존 흡수 후 후속공정으로 배출되는 배기가스(off-gas) 순환 유출구(10)와; 배기가스 순환 유출구의 하단에 위치하며 유체가 유출되는 오존 접촉조 유체 유출구(11)와; 오존 접촉조의 외부에 위치하며 기체 오존을 발생시켜 오존 접촉조에 공급하는 오존 발생기(12)와; 오존 발생기의 외부 일측에 위치하며 오존 발생기로 공기를 건조하여 이송하는 공기 건조기(13)와; 공기 건조기의 외부 일측에 위치하며 공기를 압축하여 이송하는 공기 압축기(14);로 구성되어 용존 오존 양을 극대화한 용존 오존 접촉조
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