KR20140124695A - 수질 정화용 부유성 비드 및 이것의 제조방법 - Google Patents

수질 정화용 부유성 비드 및 이것의 제조방법 Download PDF

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안창혁
주진철
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오주현
박재로
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한국건설기술연구원
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Abstract

본 발명은 수질 정화용 부유성 비드 및 이것의 제조방법에 대한 것으로, 특히 부유성 지지체, 광촉매, 무기물 흡착 여재 및 가교제를 포함하여 볼(ball) 형태로 이루어지는 것이 특징이고, 기본적으로 상기 부유성 지지체에 의해 오염된 수 표면에 부유함으로써 광촉매의 태양광 흡수율을 높일 수 있을 뿐만 아니라, 상기 광촉매에 의한 유기물 분해와 상기 흡착 여재에 의한 무기물 흡착으로 수질 정화 효과를 극대화할 수 있으며, 상기 가교제에 의한 결합력 강화로 수중에서의 안정성을 더욱 증진시킬 수 있는 것이다.

Description

수질 정화용 부유성 비드 및 이것의 제조방법{Floating bead for water purification and Manufacturing method thereof}
본 발명은 수질 정화용 부유성 비드 및 이것의 제조방법에 대한 것으로, 특히 오염된 수 표면에 부유함으로써 광촉매의 태양광 흡수율을 높일 수 있을 뿐만 아니라, 유기물 분해와 무기물 흡착으로 수질 정화 효과를 극대화할 수 있으며, 수중에서의 안정성이 더욱 증진된 수질 정화용 비드를 제공하는 것이다.
수질오염물질인 페놀이나 톨루엔 등의 유기오염물은 그 배출량에 대한 심각성이 고려되어 선진국들을 중심으로 그 배출원에 대한 규제가 강화되고 있고 실정이다.
그러나, 기존의 수처리 기술은 유해 유기물을 수 ppb수준으로 제거하기 위해 적정 온도 등과 같은 처리조건의 제약이 많으며, 또한 수처리 후 2차 오염물질이 생성되어 후처리 공정이 반드시 요구된다는 문제점이 있었다.
그래서, 1980년대 후반부터 선진국에서는 고도 산화처리 기술의 일종인 광촉매와 산화제를 이용한 산화반응에 관한 연구가 활발하게 진행되어 왔다. 여기서, '고도 산화처리 기술'이라 함은 하이드록시 라디칼(ㆍOH)을 중간물질로 생성하게 하여 오염물인 유기물을 산화 처리하는 보다 진보된 처리기술을 말한다. 이러한 광촉매 산화반응의 주요 장점은 과산화수소 및 오존 등의 산화제를 추가하지 않고 단순히 산소만을 공급하더라도 충분한 유기 오염물 처리효과를 얻을 수 있다는 것이고, 이러한 유기 오염물질 처리효과와 더불어 살균효과를 동시에 얻을 수 있으며, 과산화수소를 투여하는 경우 산화력 및 살균효과는 더욱 증대된다.
'광촉매'란 필요한 파장대의 빛을 흡수하여 화학적 반응이 일어나도록 도와주는 물질을 말하는데, 이러한 광촉매는 광조사 하에서 산소나 물 등을 산화제로 하여 유독성 물질을 이산화탄소와 물로 완벽하게 산화시킨다. 이것은 다른 공정에 비하여 비교적 값싸고, 재생 가능한 에너지원과 화학적으로 유용한 물질을 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 난분해성 유기물의 산화 분해 반응에 응용될 수 있는 새로운 방법으로서 인식되고 있다. 이러한 광촉매 반응 공정은 다양한 무기화합물들을 보다 위험성이 적은 물질들로 바꾸어 처분과 재생이 용이하게 하고, 유독성 유기화합물을 완전히 분해하는데 이용되기도 한다.
광촉매 반응의 기원은, 1839년에 Becquerel이 염화은(AgCl) 전극을 전해질 용액에 담근 후 짝전극과 연결했을 때 전압과 전류가 발생하는 현상을 발견한 것으로부터 시작한다. 그러나 1955년에 이르러서야 Brattin과 Garret이 이 현상을 설명하였으며, 그 이후로 산화 아연와 같은 반도체를 광촉매로 이용한 유기물 분해반응 등이 보고되었으나, 획기적인 발전을 가져온 것은, 1972년에 Fujishima와 Honda의 연구결과이었다. 산화ㆍ환원 반응에 사용되는 반도체 물질은 여러 종류가 있지만 실제로 광촉매 반응에 사용할 수 있는 반도체 물질은 극히 소수이고, 또한 다음과 같은 요구 조건을 만족해야 한다: 첫째, 광학적으로 활성이 있으면서 광부식 없이 안정해야 한다. 둘째, 생물학적으로나 화학적으로 비활성이어야 하며, 가시광선이나 자외선 영역의 빛을 이용할 수 있어야 할 뿐만 아니라 경제적인 측면에서도 저렴해야 한다. 일반적인 결과에 의하면, 산화물 반도체의 광촉매 반응에 대한 활성은 산화티탄 ＞ 산화아연 ＞산화지르코늄 ＞ 산화주석 ＞ 산화바나듐의 순으로 알려져 있다.
광촉매 반응에 활성을 나타내는 산화물을 고정화시키는 방법으로는 여러 가지 방법이 제안되어 있다. 대부분의 산화물이 주로 분말 형태로 사용되고 있고, 이들 입자들의 회수 및 입자에 의한 광차단 현상이 문제점으로 지적되고 있는바, 이에 광촉매의 효율을 저하시키지 않고 효과적으로 고정화하는 방법이 필요하다. 산화물 반도체의 고정화 방법으로서 가장 일반적인 방법이 고체 지지체에 코팅하는 방법이다. 유리, 금속, 세라믹스 등의 내열재료에 산화티탄 등을 고정화하는 기술은 오래 전부터 알려져 왔으며, 실제 유리나 타일 등으로 실용화되어 사용되고 있다. 이때, 쓰이는 전구물질로는 티타늄 알콕사이드, 티타늄 킬레이트, 산화티탄, 질산 티타닐, 황산 티타닐, 사염화 티탄 등이 있으며, 주로 사용되는 코팅 방법으로는 침적 코팅, 스크린 인쇄, 스핀 코팅, 분무 코팅 등이 있는데 이들은 각각 사용되는 소재 및 범위에 따라 광촉매 활성에서 커다란 차이가 난다고 알려져 있다.
근래에는, 다양한 광촉매를 활용한 수처리 방법이 제시되고 있으나, 대부분 플랜트 시설에서 적용되며 현장에서 직접 활용되는 경우는 거의 없다. 특히, 플랜트 시설에서의 수처리 공법은 부지 조성에 어려움이 있으며 현장에서 즉각적인 대처 능력이 떨어진다는 단점이 있다.
또한, 최근에는 국내 하천 및 호수의 정체수역에서 영양염이 높고 조류가 대량으로 발생하는 부영양화 현상이 지속적으로 일어나고 있으나, 이를 해결하기 위한 직접적인 수질정화를 위한 공법은 거의 없는 실정이다. 정체수역에서의 부영양화는 Liebig’s law에 의해 인(P)이 제한영양염으로 알려져 있으며, 이를 흡수하여 조류가 성장하게 되기에 이를 중점적으로 제어할 필요성이 있다.
그러나, 종래의 광촉매를 이용한 수처리 기술은 광촉매가 수표면에 위치하지 않고 수용 속에 부유하고 있어 태양광을 효율적으로 이용할 수 없을 뿐만 아니라, 무기물 등을 흡착하는 능력이 떨어져서 수질 오염제거 효과가 미비하고, 수중에서 쉽게 분해되거나 광촉매 코팅이 떨어져 나가버려 지속적인 수질 정화 효과를 기대하기가 어려운 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 오염된 수 표면에 부유함으로써 광촉매의 태양광 흡수율을 높일 수 있을 뿐만 아니라, 유기물 분해와 무기물 흡착으로 수질 정화 효과를 극대화할 수 있으며, 수중에서의 안정성이 더욱 증진된 수질 정화용 부유성 비드를 제공하는 것이 목적이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 수질 정화용 부유성 비드(bead)는 부유성 지지체, 광촉매, 무기물 흡착 여재 및 가교제를 포함하는 것이 특징이다.
여기서, 상기 지지체에 광촉매, 무기물 흡착 여재 및 가교제가 흡착되어 볼(ball) 형태를 가지는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 지지체는 EPS(Expandable Polystyrene) 및 EPP(Expandable Polypropylene)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함하는 것이 가능하다.
또한, 상기 광촉매는 이산화티타늄-망간(TiO2-Mn)을 포함할 수 있다.
또한, 상기 무기물 흡착 여재는 란타넘 이온(La3 +), 수산화철(Fe2O3) 및 탄산칼슘(CaCO3)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 가교제는 폴리비닐알코올(poly vinyl alcohol : PVA)을 포함하는 것이 가능하다.
또한, 상기 폴리비닐알코올은 1,000∼2,500의 중합도를 가지는 것일 수 있다.
또한, 상기 지지체, 광촉매, 무기물 흡착 여재 및 가교제는 중량비율이 0.5~1.5 : 0.5~1.5 : 0.5~1.5 : 0.5~1.5 범위 내로 포함된 것이 바람직하다.
한편, 본 발명의 다른 실시형태는 부유성 지지체, 광촉매, 무기물 흡착 여재 및 가교제를 혼합하여 원료를 준비하는 단계; 및 상기 준비한 원료를 소성하여 비드로 제조하는 단계;를 포함하는 수질 정화용 부유성 비드의 제조방법이다.
이와 함께, 본 발명의 또 다른 실시형태는 상기한 수질 정화용 부유성 비드를 이용하여 수질 오염물질을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 수질 오염물질의 제거 방법일 수 있다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
이러한 본 발명은 부유성 지지체, 광촉매, 무기물 흡착 여재 및 가교제를 포함하여 볼(ball) 형태로 이루어지는 것이 특징이고, 기본적으로 상기 부유성 지지체에 의해 오염된 수 표면에 부유함으로써 광촉매의 태양광 흡수율을 높일 수 있을 뿐만 아니라, 상기 광촉매에 의한 유기물 분해와 상기 흡착 여재에 의한 무기물 흡착으로 수질 정화 효과를 극대화할 수 있으며, 상기 가교제에 의한 결합력 강화로 수중에서의 안정성을 더욱 증진시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 비드를 이용하면, 정체수역에서 발생하는 부영양화 등에 신속하게 대처할 수 있고, 효율적인 수질정화가 가능하며, 현장에서 직접 적용이 가능하기 때문에 수질사고나 지속적인 자연환경 유지에도 효과적이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 수질 정화용 부유성 비드의 구성을 나타내는 모식도이고,
도 2는 본 발명에 따른 수질 정화용 부유성 비드를 이용하여 수질 오염물질을 제거하는 방법의 일례를 설명하기 위한 모식도이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에서 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 수질 정화용 부유성 비드의 구성을 나타내는 모식도이다.
본 발명은 오염된 수질을 정화하기 위한 것으로서, 오염된 물이라면 특별히 제한되지 않으며, 바람직하게는 바다 또는 하천이나 호수 등과 같이 정체된 수역의 수질을 정화하는데 이용되는 수질 정화재 또는 정화입자일 수 있다.
이를 위하여, 본 발명에 따른 수질 정화용 부유성 비드(bead)는 도 1에 나타난 바와 같이, 부유성 지지체(1), 광촉매(2), 무기물 흡착 여재(3) 및 가교제(4)를 포함하여 이루어진다. 즉, 본 발명자들은 자연에너지인 태양광의 가시광선을 최대한 활용하고 이를 극대화하기 위해 부유성 지지체(1)를 이용하였고, 광촉매(2)를 이용하여 수중의 유기물(조류 등)을 산화 또는 분해하도록 하였으며, 원천적인 부영양화 억제를 위해 인(P)과 같은 무기물 등을 흡착하는 흡착여재(3)를 함께 가교제(4)로 결합시킴으로써 결합강도를 높인 현장 맞춤형 수질 정화용 입자를 제공하고자 한다.
상기 부유성 지지체(1)는 본 발명에 따른 수질 정화용 부유성 비드의 기본 베이스(base)가 되는 것으로, 광촉매(2), 무기물 흡착 여재(3) 및 가교제(4)가 지지되도록 하여 비드 형태를 가지게 한다. 특별히, 본 발명에서 상기 부유성 지지체(1)는 수 표면에서 부유하는 것이 바람직하다. 즉, 광촉매(2)가 수 표면에 위치하여 태양광을 최대한 흡수하기 위해서는 비중이 낮은 고분자 입자 비드를 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 광촉매의 광분해 활성은 광촉매의 전체 표면적에 영향을 받으므로, 고효율의 수질오염물 제거를 위해서는 높은 비표면적을 갖는 고분자 입자 비드를 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 고분자 비드 입자로는 폴리프로필렌, 폴리스티렌, 폴리에텔렌 등을 사용할 수 있으며, 균일하고 효율적으로 광촉매 박막을 코팅하기 위해서는 EPS(Expandable Polystyrene) 또는/및 EPP(Expandable Polypropylene)을 사용하는 것이 바람직하다. EPS 또는/및 EPP는 기존 재료에 비하여 깨짐, 완충능력, 유연성, 내약품성 등이 우수하고, 다양한 시중 제품에서 안정성 향상 및 부피 소형화에 기여하였으며, 비중이 낮아 수중에서 장시간 안정적으로 부유하는 특징이 있다. 하천이나 호수의 경우 수 면적이 넓고 차광이 적기 때문에, 본 발명은 태양광이 직접적으로 수면에 영향을 주는 점을 이용한 것이며, 상기한 부유성 지지체(1)를 통하여 현장에서 광촉매 반응을 극대화할 수 있다.
상기 광촉매(2)는 빛을 받아 유기 오염물질을 제거하는 기능을 가지는 것으로, 광에 의하여 분해 활성을 갖는 유기 또는 무기물을 모두 포함하며, 금속 산화물을 이용하면 광활성과 항균 및 살균 활성을 보다 증가시킬 수 있다. 상기 광촉매(2)는 수면 근처에서 가시광선에 의해 반응하여 수중에 포함된 유기물을 제거하는 기능을 가진다. 상기 광촉매(2)를 위한 전구체로는 TTIP(titanium tetra isoproxide), TiCl4 등을 사용할 수 있고, 경제적인 측면을 고려하면 TiCl4 가 바람직하며, 안전적인 측면을 고려하면 TTIP가 더욱 바람직하다. 가장 바람직하게는 상기 광촉매(2)로서 이산화티타늄-망간(TiO2-Mn) 합금을 이용하면 가장 우수한 효과를 얻을 수 있는데, 이는 상기 이산화티타늄-망간 합금이 가시광선에서도 반응할 수 있을 뿐만 아니라, 망간이 이산화티타늄의 광 활성 특징을 더욱 증가시키기 때문인 것으로 보여진다.
상기 무기물 흡착 여재(3)는 수중에 포함된 무기물(예를 들어, PO4 -3 등)을 흡착해서 제거하기 위한 것을 모두 포함한다. 상기한 바와 같이, 부영양화 현상은 Liebig’s law에 의해 인(P)이 제한 영양염으로 작용하는 경우가 많은데, 본 발명은 광촉매를 가지는 부유성 비드에 무기물 흡착 여재(3)를 더 포함시킴으로서, 유기물 뿐만 아니라 부영영화의 큰 원인이 되는 무기물을 함께 제거할 수 있는 효과를 가진다. 상기 무기물 흡착 여재(3)는 란타넘 이온(La3 +), 수산화철(Fe2O3) 및 탄산칼슘(CaCO3)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함하여 이루어지는 것일 수 있고, 이러한 무기물 흡착 여재(3)는 기본적으로 자체적인 무기물 흡착 제거 효과를 가질 뿐만 아니라 산화이온에 의해 상기 광촉매(2)의 광활성 특징을 더욱 증가시킬 수 있어서 바람직하다.
상기 가교제(4)는 상기 부유성 지지체(1), 광촉매(2) 및 무기물 흡착 여재(3)와의 교차결합(crosslinking) 반응을 통해, 본 발명에 따른 비드의 수중 안정성을 높이는 동시에, 상기 부유성 지지체(1), 광촉매(2) 및 무기물 흡착 여재(3)들 간의 결합력을 강화시켜서, 장기간 수중 안정성을 높일 수 있고 지속적인 수질정화가 가능하도록 한 것이다. 상기 가교제(4)로는 이 기술분야에 알려진 다양한 형태의 가교성 화합물을 포함한다. 그 중에서도 환경 친화적 결합재의 대표적인 재료로서 우수한 기계적, 화학적 성질을 갖는 친수성 고분자인 폴리비닐알코올(poly vinyl alcohol : PVA)은 필름, 코팅제, 표면 처리제 등 다양한 분야에서 이용되고 있고, 생분해가 가능하며, 뛰어난 산소 투과 억제 기능을 가져서 고기능성 산업용 재료, 고성능 및 편광 필름 등의 광학용 필름과 분리막에도 사용되고 있다. 뿐만 아니라, 폴리비닐알코올은 물을 용매로 이용하고 무독성이기 때문에 환경 친화적이며, 수용성 섬유 등에 이용할 수 있어서 청정 소재로의 응용이 가능한 재료이다. 상기 폴리비닐알코올은 1,000∼2,500 범위 내의 중합도를 가지는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 1,400∼1,800mm 범위 내의 중합도를 가지는 것이 적합한데, 중합도가 1,000 미만이면 코팅에 의한 필름 형성이 잘 이루어지지 않고, 중합도가 2,500 초과이면 필름의 생성이 둔화 되는 단점이 있다.
이러한 본 발명은 부유성 지지체, 광촉매, 무기물 흡착 여재 및 가교제를 포함하여 볼(ball) 형태로 이루어지는 것이 특징이고, 기본적으로 상기 부유성 지지체에 의해 오염된 수 표면에 부유함으로써 광촉매의 태양광 흡수율을 높일 수 있을 뿐만 아니라, 상기 광촉매에 의한 유기물 분해와 상기 흡착 여재에 의한 무기물 흡착으로 수질 정화 효과를 극대화할 수 있으며, 상기 가교제에 의한 결합력 강화로 수중에서의 안정성을 더욱 증진시킬 수 있는 효과가 있다.
상기한 본 발명에 따른 수질 정화용 부유성 비드의 형상은 특별히 제한되지 않고, 원형이나 구 형상 또는 다각형(사각, 타원, 앵글 등) 형태를 가질 수 있다. 그 중에서도 본 발명에 따른 수질 정화용 부유성 비드는 상기 부유성 지지체(1)에 광촉매(2), 무기물 흡착 여재(3) 및 가교제(4)가 흡착되어 볼(ball) 형태를 가지는 것이 바람직한데, 이는 안정된 구 형상을 가지는 것이 수중에서의 안정성을 더욱 높일 수 있기 때문이다.
그리고, 상기 볼 형태의 수질 정화용 부유성 비드는 약 2 mm~200 mm 범위 내의 직경을 가지는 경우, 오염물질 내부에 침투할 수 있거나 상기 오염물질과의 반응 면적이 넓어서 정화 효율을 극대화시킬 수 있다.
이러한 본 발명에 따른 수질 정화용 부유성 비드를 이용하면, 정체수역에서 발생하는 부영양화 등에 신속하게 대처할 수 있고, 효율적인 수질정화가 가능하며, 기존 광촉매를 이용한 수처리의 단점인 플랜트 시설조성에서 탈피하여 현장에 직접 적용이 가능하기 때문에 수질사고나 지속적인 자연환경 유지에도 효과적이다. 이러한 본 발명은 광촉매 반응을 자연 상태에서 활용토록 한 현장 적용용 기술이며, 가시광을 최대한 활용하기 위해 부유성 지지체로 수면 위 공간을 활용하였고, 가교 물질로 결합강도를 유지하게 하여 오염물질의 산화 및 분해를 안정적으로 장시간 지속시킬 수 있다. 이에 따라, 본 발명을 자연 하천이나 호수의 정체수역에 적용하는 경우, 가시광 활용, 유기물 분해, 무기물 분해의 연쇄 작용을 가지기 때문에, 효율적인 in - site 공법으로 활용 가능하다.
한편, 본 발명의 다른 실시형태는 부유성 지지체(1), 광촉매(2), 무기물 흡착 여재(3) 및 가교제(4)를 혼합하여 원료를 준비하는 단계(S10); 및 상기 준비한 원료를 소성하여 비드로 제조하는 단계(S20);를 포함하는 수질 정화용 부유성 비드의 제조방법이다.
상기 원료를 준비하는 단계(S10)는 부유성 지지체(1), 광촉매(2), 무기물 흡착 여재(3) 및 가교제(4)의 고형 분말 또는 액상을 혼합하여 혼합 조성물을 준비하는 것이다. 고형 분말인 경우 상기 분말은 100~500메쉬의 크기인 것이 바람직한데, 100메쉬 미만이면 볼 형태로 제조하는데 용이하지 않고, 500메쉬를 초과하는 경우에는 소성이 고르지 못한 단점이 있다.
상기 고형 분말 또는 액상의 혼합 비율은 지지체(1), 광촉매(2), 무기물 흡착 여재(3) 및 가교제(4)의 종류 및 사용목적에 따른 현장상황에 따라 다르게 할 수 있으며, 바람직하게는 상기 지지체(1), 광촉매(2), 무기물 흡착 여재(3) 및 가교제(4)가 중량비율로 0.5~1.5 : 0.5~1.5 : 0.5~1.5 : 0.5~1.5 범위 내로 포함된 것이 적합하며, 더욱 바람직하게는 중량비율로 약 1:1:1:1로 혼합될 수 있다. 상기 광촉매(2)와 무기물 흡착 여재(3)의 양이 상기 범위보다 작으면 정화효과가 미흡하고, 상기 범위보다 많으면 상대적으로 지지체(1)와 가교제(4)의 양이 적어져서 비드 입자 또는 볼 형태의 비드를 제조하기가 어렵거나 안정성이 떨어진다.
이어서, 상기 준비한 원료를 소성하여 비드로 제조하는 단계(S20);를 거친다. 즉, 상기 혼합 조성물을 물로 반죽하여 반경이 3~10mm인 볼을 제조할 수 있다. 이때 수질 정화용 비드 또는 볼의 제조는 이 기술분야에 알려진 어떠한 방법을 이용하여 제조할 수 있고, 예를 들어 원하는 성형틀을 이용하여 볼을 제조할 수도 있다. 그런 다음에는, 상기 제조된 볼을 600~800℃에서 1차 소성한 다음, 2차로 1000~1150℃에서 소성한 후, 상온에서 냉각시켜 본 발명에 따른 수질 정화용 부유성 볼을 제조할 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 수질 정화용 부유성 비드를 이용하여 수질 오염물질을 제거하는 방법의 일례를 설명하기 위한 모식도이다.
여기에 나타난 바와 같이, 본 발명의 또 다른 실시형태는 상기한 수질 정화용 부유성 비드를 이용하여 수질 오염물질을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 수질 오염물질의 제거 방법일 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 수질 정화용 부유성 비드를 오염된 수원과 접촉하게 하거나 반응시킴으로써, 오염된 수원을 정화시킬 수 있다. 바람직하게는, 본 발명에 따른 수질 정화용 부유성 비드를 오염된 수중에 살포하면, 상기 부유성 비드는 수 표면 상을 부유하면서 오염된 수원을 정화시킨다.
본 발명에 따른 수질 정화용 부유성 비드를 다량으로 대량 적용한다면, 유수의 흐름이나 침강에 의해 교란되지 않도록 거치대를 활용할 수도 있다. 즉, 본 발명은 현장에 직접 또는 플랜트 시설 등 다양한 조건에서 적용 가능하고, 현장조건이나 사용처에 따라 그 형태적 변형이 가능하다.
또한, 본 발명에 따른 수질 정화용 부유성 비드를 기존의 시설물에 박막형으로 코팅시켜서 활용할 수도 있다.
본 발명은 하기의 실시예에 의하여 보다 더 잘 이해 될 수 있으며, 하기의 실시예는 본 발명의 예시 목적을 위한 것이며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 한정되는 보호범위를 제한하고자 하는 것은 아니다.
실시예 1: 수질 정화용 부유성 비드의 제조
부유성 지지체로서 EPS(Expandable Polystyrene), 광촉매로서 TiO2-Mn, 무기물 흡착 여재로서 Fe2O3 및 가교제로서 약 2,000의 중합도를 가지는 PVA(poly vinyl alcohol)을 준비하고, 이것들을 약 1:1:1:1의 중량비율로 혼합하여 원료를 준비하였다. 그런 다음, 상기 준비한 원료에 물을 넣어 반죽하고, 반경이 약 20mm 인 볼이 되도록 성형하였으며, 성형한 볼을 600℃의 온도에서 약 1시간 동안 소성한 다음, 800℃에서 약 1시간 동안 소성처리 하였다. 이와 같이 소성된 볼을 상온에서 냉각시킴으로써 무게가 약 25g 인 볼을 얻었다.
비교예 1 : 가교제 없는 비드의 제조
상기 실시예 1에서 가교제로서 PVA를 사용하지 않은 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 같은 방법으로 볼을 제조하였다.
실험예 1: 물리적 특성 실험
상기 실시예 1 및 비교예 1에 따른 볼의 물리적 특성은 하기 표 1에 나타내었다.
비표면적 측정에 사용된 기기는 Micromeritics ASAP2420이고, 기공율 시험은 Micromeritic사 AUTOPORE IV9500(V1.06)로 수은입압법에 의한 기기분석 결과이다.
항목 실시예1 비교예1 실험방법
수분(wt%) 0.97 1.24 무게분석
비표면적(㎡/ g) 1.04 1.31 기기분석
부피비중 1.24 1.06
KRL3114:2005
겉보기 비중 2.15 1.87
흡수율(%) 36.1 42.5
기공율(%) 38.2 51.3 기기분석
상기 표 1에 나타난 바와 같이, 본 실시예 1은 비교예 1보다 비표면적이 작고, 흡수율과 기공율이 낮은 것으로 나타났는데, 이는 본 실시예 1의 경우 가교제에 의해 볼의 결합력이 높기 때문인 것으로 분석된다.
실험예 2: 하수 정화 실험
상기 실시예 1 및 비교예 1에 따른 볼을 오염된 하수 1L 당 20g 첨가한 다음, 수질 오염을 판단하는 주요 성분의 농도를 시간 경과에 따라 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
성분
(mg/L)		 실시예1 비교예1
초기 1시간 24시간 초기 1시간 24시간
납 0.11 0.07 0.01 0.11 0.06 0.06
불소 2.1 1.8 1.0 2.1 1.7 1.5
수은 0.008 0.005 0.0002 0.008 0.003 0.002
암모니아성 질소 0.92 0.64 0.37 0.92 0.52 0.51
카드뮴 0.019 0.011 0.004 0.019 0.009 0.008
벤젠 0.011 0.009 0.005 0.011 0.007 0.007
염소이온 345 332 298 345 326 316
철 0.27 0.18 0.17 0.27 0.19 0.21
망간 0.24 0.15 0.11 0.24 0.15 0.15
상기 표 2에 나타난 바와 같이, 1시간 이후에는 그 효과가 비슷하였으나, 24시간 후에는 본 실시예 1이 비교예 1보다 유해 성분 감소에 효과적임을 알 수 있다.
실험예 3: 육안 관찰
상기 실시예 1 및 비교예 1에 따른 볼을 어류 양식장에서 채취한 물에 동일한 양을 첨가하고, 24시간 후에, 각각의 수질 정화 효과를 육안으로 관찰하였다. 그 결과, 실시예 1에 따른 볼을 사용하는 경우 녹조 개선 효과가 관찰되었으나, 비교예 1에 따른 볼을 사용하는 경우 녹조 개선 효과가 거의 없었다.
한편, 상기에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 마련되는 본 발명의 기술적 특징이나 분야를 이탈하지 않는 한도 내에서 본 발명이 다양하게 개조 및 변화될 수 있다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백한 것이다.
1 : 부유성 지지체
2 : 광촉매
3 : 흡착 여재
4 : 가교제

Claims (10)

  1. 부유성 지지체, 광촉매, 무기물 흡착 여재 및 가교제를 포함하는 수질 정화용 부유성 비드(bead).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 지지체에 광촉매, 무기물 흡착 여재 및 가교제가 흡착되어 볼(ball) 형태를 가지는 것을 특징으로 하는 수질 정화용 부유성 비드.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 지지체는 EPS(Expandable Polystyrene) 및 EPP(Expandable Polypropylene)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 수질 정화용 부유성 비드.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 광촉매는 이산화티타늄-망간(TiO2-Mn)을 포함하는 것을 특징으로 하는 수질 정화용 부유성 비드.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 무기물 흡착 여재는 란타넘 이온(La3 +), 수산화철(Fe2O3) 및 탄산칼슘(CaCO3)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 수질 정화용 부유성 비드.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 가교제는 폴리비닐알코올(poly vinyl alcohol : PVA)을 포함하는 것을 특징으로 하는 수질 정화용 부유성 비드.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 폴리비닐알코올은 1,000∼2,500의 중합도를 가지는 것을 특징으로 하는 수질 정화용 부유성 비드.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 지지체, 광촉매, 무기물 흡착 여재 및 가교제는 중량비율이 0.5~1.5 : 0.5~1.5 : 0.5~1.5 : 0.5~1.5 범위 내로 포함된 것을 특징으로 하는 수질 정화용 부유성 비드.
  9. 부유성 지지체, 광촉매, 무기물 흡착 여재 및 가교제를 혼합하여 원료를 준비하는 단계; 및
    상기 준비한 원료를 소성하여 비드로 제조하는 단계;를 포함하는 수질 정화용 부유성 비드의 제조방법.
  10. 제8항에 따른 수질 정화용 부유성 비드를 이용하여 수질 오염물질을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 수질 오염물질의 제거 방법.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20170006928A (ko) * 2015-07-10 2017-01-18 이병진 수질정화용 수면 부유형 투명 필름
KR20200017872A (ko) 2018-08-09 2020-02-19 최동주 수질정화용 광촉매 제품
CN112608130A (zh) * 2020-12-18 2021-04-06 天津大学 一种新型轻质高孔隙率陶瓷滤料及其制备方法

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