KR20150063801A - 광촉매를 탑재하는 부유성 담체를 이용한 수처리 장치 - Google Patents

광촉매를 탑재하는 부유성 담체를 이용한 수처리 장치 Download PDF

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KR20150063801A
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Abstract

본 발명은 광촉매를 탑재한 부유성 담체를 이용한 수처리 장치에 관한 것으로서, 수처리 장치 내에 포함되는 담체는 폐유리를 사용하여 발포유리 형태로 제조되며, 담체의 표면은 이산화티탄 졸(sol) 또는 이산화티탄 파우더(powder) 중 어느 하나 이상의 광촉매를 담지함으로서, 광촉매 반응조에서 폐수를 용이하게 처리하기 위한 광촉매를 탑재하는 부유성 담체를 이용한 수처리 장치에 관한 것이다.
본 발명의 광촉매를 탑재한 부유성 담체를 이용한 수처리 장치는 오존용해조로부터 폐수를 유입하며, 내부에 다공성 부재로 형성된 하나 이상의 담체와 상기 담체의 표면에 담지되는 광촉매를 구비하는 광촉매 반응조를 포함하여 이루어지되, 상기 광촉매 반응조는 자외선(UV) 램프 및 오염물질의 전기분해를 위한 전극을 더 포함하는 것에 기술적 의의가 있다.

Description

광촉매를 탑재하는 부유성 담체를 이용한 수처리 장치{A water treatment apparatus using the floating media containing photo catalyst}
본 발명은 광촉매를 탑재한 부유성 담체를 이용한 수처리 장치에 관한 것으로서, 수처리 장치 내에 포함되는 담체는 폐유리를 사용하여 발포유리 형태로 제조되며, 담체의 표면은 이산화티탄 졸(sol) 또는 이산화티탄 파우더(powder) 중 어느 하나 이상의 광촉매를 담지함으로서, 광촉매 반응조에서 폐수를 용이하게 처리하기 위한 광촉매를 탑재하는 부유성 담체를 이용한 수처리 장치에 관한 것이다.
산업 폐수나 가정용 오수 또는 폐수는 수질 오염의 주요 원인이 되고 있으며, 산업 발달에 따른 대기 오염은 자연 환경 및 생태계를 파괴하는 주요 원인으로 되고 있다.
이러한 폐수를 처리하는 방법에는 생물학적 처리 방법과 화학적 처리 방법으로 분류하여 시행되고 있는데, 생물학적 처리 방법에는 활성오니법이 가장 대표적으로 사용되고 있다. 그러나 활성오니법은 유기화합물을 분해시키는데 긴 시간이 필요하고, 처리시설을 갖추기 위해서는 넓은 공간이 필요로 하는 문제점이 있다. 또한, 난분해성 물질인 방향족 유기물이 함유된 폐수의 경우에는 잘 분해 처리되지 않는 문제점도 있다.
화학적 처리 방법에는 철산화법, 펜톤(Fenton) 산화법, 오존 산화법 등이 있으며, 철산화법은 제일철과 제이철을 사용하여 산화와 응집을 이용하는 방법으로 폐수를 처리하는 비용이 저렴하고 처리 방식이 용이한 장점은 있으나, 처리 효율이 나쁘다는 단점이 있다. 또한, 펜톤 산화법은 비교적 처리 효율이 우수한 장점이 있으나 철수산화물 형태의 슬러지가 다량 발생하고 난분해성 유기물을 함유하는 폐수는 거의 처리되지 않는 문제점이 있다. 오존 산화법은 음용수 처리에 널리 사용되고 있으나, 오존 처리 후 발생되는 가스를 활성탄으로 흡착 처리해야하고, 처리비용이 많이 들며 오존에 의한 2차 오염이 우려되고, 여러 가지 유기물질이 함유된 폐수의 처리에는 적합하지 못한 단점이 있다.
한편, 대한민국등록실용신안 제307163호인 "광촉매를 이용한 유동층 수처리장치"에는 육면체 또는 구형의 스펀지나 수세미 등의 다공성 고분자 지지체에 액상 무기계 바인더를 사용하여 광촉매를 담지한 수처리 장치가 개시되어 있다.
도 1은 종래기술에 따른 수처리 장치를 나타내기 위한 구성도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 1 내지 3㎜ 크기로 형성되는 다수의 다공성 고분자 지지체가 수처리 장치 내에서 이동됨에 따라 균일한 분해효과를 기대하기 어려운 문제점이 있다.
상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 본 발명은 수처리 장치 내에 다공성 발포유리로 성형한 담체를 구비하여 폐수의 정화를 용이하게 하기 위한 목적이 있다.
또한, 본 발명은 다공성 발포유리로 성형된 담체를 표면적을 최대화한 다양한 형태로 형성한 후, 광촉매를 담지함으로써 광촉매 반응조 내에서 자외선에 의한 폐수 정화를 용이하게 하기 위한 다른 목적이 있다.
또한, 본 발명은 발포유리로 성형된 담체에 담지되는 광촉매를 이산화티탄 졸(sol) 또는 이산화티탄 파우더(powder)의 형태로 제조함으로써, 필요에 따라 다양한 담지 조건을 제공하기 위한 또 다른 목적이 있다.
또한, 본 발명은 광촉매를 담체의 표면에 담지하기 위하여 사용되는 바인더를 유기 바인더 또는 무기 바인더를 사용할 수 있도록 함으로써, 이산화티탄으로 이루어진 광촉매의 담지 효율과 내구성을 향상시키기 위한 또 다른 목적이 있다.
또한, 본 발명은 담체를 성형하는 다공성 발포유리를 폐 LCD, 폐 CRT 등의 폐유리를 사용함으로써 폐기물을 재활용하기 위한 또 다른 목적이 있다.
또한, 본 발명은 유리를 원료로 하는 담체를 수처리 장치에 적용함으로써, 폐수의 흡수, 흡습, 통기성을 방지할 수 있어 안정적이며, 이에 따라 담체의 내식성을 제공하기 위한 또 다른 목적이 있다.
본 발명의 상기 목적은 수처리 장치에 있어서, 오존용해조로부터 폐수를 유입하며, 내부에 다공성 부재로 형성된 하나 이상의 담체와 상기 담체의 표면에 담지되는 광촉매를 구비하는 광촉매 반응조를 포함하여 이루어지되, 상기 광촉매 반응조는 자외선(UV) 램프 및 오염물질의 전기분해를 위한 전극을 더 포함하는 광촉매를 탑재하는 부유성 담체를 이용한 수처리 장치에 의해 달성된다.
따라서, 본 발명의 광촉매를 탑재하는 부유성 담체를 이용한 수처리 장치는 수처리 장치 내에 다공성 발포유리로 성형한 담체를 구비하여 폐수의 정화를 용이하게 수행할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 다공성 발포유리로 성형된 담체를 표면적을 최대화한 다양한 형태로 형성한 후, 광촉매를 담지함으로써 광촉매 반응조 내에서 자외선에 의한 폐수 정화를 용이하게 할 수 있는 다른 효과가 있다.
또한, 본 발명은 발포유리로 성형된 담체에 담지되는 광촉매를 이산화티탄 졸(sol) 또는 이산화티탄 파우더(powder)의 형태로 제조함으로써, 필요에 따라 다양한 담지 조건을 제공할 수 있는 또 다른 효과가 있다.
또한, 본 발명은 광촉매를 담체의 표면에 담지하기 위하여 사용되는 바인더를 유기 바인더 또는 무기 바인더를 사용할 수 있도록 함으로써, 이산화티탄으로 이루어진 광촉매의 담지 효율과 내구성을 향상시킬 수 있는 또 다른 효과가 있다.
또한, 본 발명은 담체를 성형하는 다공성 발포유리를 폐 LCD, 폐 CRT 등의 폐유리를 사용함으로써 폐기물을 재활용할 수 있는 또 다른 효과가 있다.
또한, 본 발명은 유리를 원료로 하는 담체를 수처리 장치에 적용함으로써, 폐수의 흡수, 흡습, 통기성을 방지할 수 있어 안정적이며, 이에 따라 내식성이 증가하는 또 다른 효과가 있다.
도 1은 종래기술에 따른 수처리 장치를 나타내기 위한 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 수처리 장치를 나타내기 위한 구성도,
도 3은 본 발명에 따른 발포유리를 나타내기 위한 예시도,
도 4는 본 발명에 따른 담체의 다양한 형태를 나타내기 위한 예시도,
도 5는 본 발명에 따른 광촉매를 담지하는 바인더를 나타내기 위한 예시도,
도 6은 본 발명에 따른 광촉매 표면을 나타내기 위한 예시도,
도 7은 본 발명에 따른 바인더의 종류를 나타내기 위한 예시도이다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하 첨부된 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 수처리 장치를 나타내기 위한 구성도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 수처리 장치는 크게 폐수를 수처리 장치 내에 공급하기 위한 폐수유입 펌프(10), 오염물질을 침전시키기 위한 침전조(100), 오존발생을 통해 폐수의 오염물질을 산화 분해하기 위한 오존용해조(200) 및 광촉매를 이용하여 폐수를 정화하기 위한 광촉매 반응조(300)로 이루어져 있다.
폐수유입 펌프(10)는 폐수가 저장된 또는 폐수가 유입되는 곳으로부터 수처리 장치까지 폐수를 공급하기 위한 것으로써, 다양한 형태로 구비될 수 있으며, 수처리 장치에서는 1차로 침전조(100)로 폐수를 공급한다.
침전조(100)는 폐수유입 펌프(10)로부터 공급되는 폐수에서 오염물질을 침전시키기 위한 것으로 하나 이상의 침전조 격벽(110)을 구비하며, 침전조(100) 내에서는 침전조 격벽(110)을 따라 이동하는 폐수에 포함된 오염물질이 침전된다.
오존용해조(200)는 침전조(100)에 의해 일부의 오염물질이 제거된 폐수를 유입하며, 오존용해조(200) 역시 하나 이상의 오존용해조 격벽(210)을 구비하고 있다. 한편 오존용해조(200)는 오존을 이용하여 오염물질을 산화 분해하기 위한 것으로써, 오존 제어장치(220)를 구비하고 있으며, 오존 제어장치(22)를 통해 발생한 오존은 오존용해조(200) 내부에서 공급되도록 한다.
또한, 오존 제어장치(220)에서 발생되어 오존용해조(200)에 공급되는 오존은 오존용해조(200)의 내부에서 격벽에 의해 분리된 각각의 공간에서 공급되는 것이 바람직하다.
광촉매 반응조(300)는 하나 이상의 광촉매 반응조 격벽(310)으로 내부 공간이 일부 분리되어 있으며, 전극 제어장치(320), 자외선 제어장치(330)에 의해 광촉매 반응조(300) 내부로 전류를 공급하고, 자외선을 조사할 수 있다.
전극 제어장치(320)는 광촉매 반응조(300)의 외부에 구비되며, 양 전극(321)과 음 전극(322)을 광촉매 반응조(300)의 내부에 위치하도록 한다. 이때, 양 전극(321)과 음 전극(322)는 광촉매 반응조 격벽(310)에 의해 분리된 공간에 각각 구비되는 것이 바람직하다.
자외선 제어장치(330)는 광촉매 반응조(300)의 외부에 구비되며, 광촉매 반응조(300)의 내부에 구비된 자외선 램프(331)를 제어한다. 따라서, 자외선 제어장치(330)의 제어에 의해 자외선 램프(331)는 자외선(UV)을 방출하며, 방출된 자외선은 다공성 부재로 형성된 담체(미도시)에 담지된 광촉매를 반응시켜 폐수를 정화하도록 한다. 또한, 자외선 램프(331) 역시 광촉매 반응조 격벽(310)에 의해 분리된 공간에 각각 구비되는 것이 바람직하다. 이때, 담체를 형성하기 위한 다공성 부재는 발포유리, 제올라이트, 활성탄, 세라믹 또는 모노머수지 등이 있으며, 이외의 다공성 물질인 경우에는 어떠한 것이라도 무방하다.
한편, 도 2에 도시되지 않았으나 광촉매 반응조(300)의 내부에는 하나 이상의 담체가 구비된다. 이때 담체는 광촉매 반응조(300)의 내부에서 가라앉지 않도록 다공성 부재를 이용하여 형성되며, 담체의 형태는 도 4에 도시된 바와 같이 표면적이 극대화될 수 있도록 다양한 형태로 형성될 수 있다.
한편, 다공성 부재는 발포유리, 제올라이트, 활성탄, 세라믹 또는 모노머수지 등으로 이루어질 수 있으며, 본 발명의 실시예는 부유성 발포유리를 이용한다.
또한, 담체의 표면에는 광촉매가 바인더에 의해 담지되어 있으며, 담체의 표면에 담지된 광촉매는 자외선 램프(331)에서 방출되는 자외선과 반응하여 폐수를 정화할 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 발포유리를 나타내기 위한 예시도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 발포유리는 폐 LCD, 폐 CRT 등의 폐유리를 이용하여 제조되며, 폐유리를 분쇄하여 분말상태로 제조한 후, 발포제를 혼합하여 도 4에 도시된 담체의 형태로 성형한다. 이때 다공성 발포유리는 기공의 크기가 메조-마이크로 크기로써, 기공율은 0.3 내지 0.9% 이며, 열적/화학적 안전성을 제공한다.
이때, 폐유리 분말에 포함되는 발포제는 카본(carbone) 또는 카보네이트(carbonate) 중 어느 하나 이상이며, 담체를 성형하기 위한 성형온도는 약 500 내지 900℃ 인 것이 바람직하다.
또한, 발포유리 담체의 겉보기 비중은 약 0.2 내지 1.0 g/㎤이며, 원형, 원기둥, 튜브, 기어 등의 다양한 형태로 제작될 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 담체의 다양한 형태를 나타내기 위한 예시도이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 다공성 부재인 발포유리, 제올라이트, 활성탄, 세라믹 또는 모노머수지 등의 성형을 통해 제조된 담체는 다양한 형태로 제작될 수 있으며, 도 4에 도시되지 않았으나, 원기둥, 튜브, 기어 등의 다른 형태로 제작될 수도 있다. 한편, 다양한 형태의 담체는 표면적이 넓게 형성되기 위해 내부를 다양한 구조물 형태로 형성하는 것이 바람직하며, 이러한 담체의 내외부 표면에는 광촉매가 바인더에 의해 담지된다.
도 5는 본 발명에 따른 광촉매를 담지하는 바인더를 나타내기 위한 예시도이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 광촉매는 바인더에 의해 각각 결합되며, 바인더는 발포유리 담체에 담지될 수 있도록 광촉매와 발포유리 담체의 표면을 결합하도록 한다.
이때, 광촉매는 티타늄 알콕사이드(Ti Alkoxide)를 출발 물질로 하여 이산화티탄(TiO2) 졸(Sol) 및 파우더(Powder)로 제작된다. 즉, 이산화티탄 졸(Sol)은 타타늄 알콕사이드에 순수를 첨가하여 약 30분간 교반하고 필터링 한 후, 순수와 질산을 첨가하여 믹스한 후, 약 24시간 동안 약 50℃의 온도 환경에 노출되도록 하여 제조한다.
또한, 이산화티탄 파우더(Powder)는 티타늄 알콕사이드에 아세톤(acetone)을 첨가하여 약 30분간 교반하고 용매열 처리(solvothermal treatment)를 수행한 후, 생성된 파우더를 필터링하여 제조한다.
따라서, 산 촉매를 첨가하여 제조하였기 때문에 침전생성 및 액상 분리를 방지할 수 있으며, 짧은 시간에 이산화티탄(TiO2) 담지체를 제작할 수 있다.
이러한 제조방법을 통해 제조된 이산화티탄 졸(Sol) 담지체를 코팅하는 경우, 도 6에서 보이는 바와 같은 표면을 형성할 수 있다.
또한, 담지체인 광촉매와 광촉매를 결합하거나 상호 결합된 광촉매와 담체를 결합하기 위한 바인더는 도 7에 도시된 바와 같이, 유기 바인더 및 유기 바인더로 구분할 수 있으며, 유기 바인더인 경우에는 폴리비닐리덴디플루오리드(PVDF, poly vinilidene difluoride), 폴리 비닐 부티랄(PVB, poly vinyl bytyral) 등을 포함할 수 있으며, 유기 바인더인 경우에는 테트라에틸 오쏘실리케이트(TEOS, tetraethyl orthosilicate), 규산칼륨(potassium silicate) 등을 포함할 수 있다.
한편, 광촉매 담지체인 이산화티탄 졸(Sol) 또는 이산화티탄 파우더(Powder)의 담지량의 조절은 이산화티탄 졸(Sol) 또는 이산화티탄 파우더(Powder)의 첨가량을 조절하거나, 광촉매를 담지하기 위한 바인더의 양을 조절하여 수행할 수 있다.
본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.
10 : 폐수유입 펌프 100 : 침전조
110 : 침전조 격벽 200 : 오존용해조
210 : 오존용해조 격벽 220 : 오존 제어장치
300 : 광촉매 반응조 310 : 광촉매 반응조 격벽
320 : 전극 제어장치 321 : 양 전극
322 : 음 전극 330 : 자외선 제어장치
331 : 자외선 램프

Claims (14)

  1. 수처리 장치에 있어서,
    오존용해조로부터 폐수를 유입하며, 내부에 다공성 부재로 형성된 하나 이상의 담체와 상기 담체의 표면에 담지되는 광촉매를 구비하는 광촉매 반응조
    를 포함하여 이루어지되, 상기 광촉매 반응조는 자외선(UV) 램프 및 오염물질의 전기분해를 위한 전극을 더 포함하는 광촉매를 탑재하는 부유성 담체를 이용한 수처리 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    외부의 폐수를 공급하기 위한 폐수유입 펌프;
    상기 광촉매 반응조 전단에 위치하여 상기 폐수유입 펌프를 통해 유입되는 상기 폐수 내의 상기 오염물질을 침전시키기 위한 침전조; 및
    상기 침전조에서 유입되는 상기 폐수의 상기 오염물질을 산화 분해하기 위한 오존용해조
    를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 광촉매를 탑재하는 부유성 담체를 이용한 수처리 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 다공성 부재는 발포유리, 제올라이트, 활성탄, 세라믹 또는 모노머수지 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 광촉매를 탑재하는 부유성 담체를 이용한 수처리 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 다공성 부재가 상기 발포유리인 경우, 상기 담체는
    폐(廢)유리를 분말상태로 분쇄하는 제1 단계;
    분말상태의 폐유리에 발포제를 혼합하여 혼합물질을 생성하는 제2 단계;
    상기 혼합물질을 700 내지 900℃의 온도에서 상기 담체의 형태로 성형하는 제3 단계; 및
    성형된 상기 담체를 냉각하는 제4 단계에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 광촉매를 탑재하는 부유성 담체를 이용한 수처리 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 발포제는 카본(carbon) 또는 카보네이트(carbonate) 중 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 광촉매를 탑재하는 부유성 담체를 이용한 수처리 장치.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 담체의 겉보기 비중은 1 g/㎤ 이하인 것을 특징으로 하는 광촉매를 탑재하는 부유성 담체를 이용한 수처리 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 광촉매는 이산화티탄 졸(Sol) 또는 이산화티탄 파우더(Powder)인 것을 특징으로 하는 광촉매를 탑재하는 부유성 담체를 이용한 수처리 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 이산화티탄 졸(Sol)은
    티타늄 알콕사이드(Ti Alkoxide)에 순수(H2O)을 첨가 및 교반하여 합성물을 생성하는 제1 단계; 및
    상기 합성물을 필터링 한 후, 필터링 된 상기 제1 합성물에 순수(H2O) 및 질산(HNO3)을 첨가 및 교반하여 이산화티탄 졸(Sol)을 생성하는 제2 단계에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 광촉매를 탑재하는 부유성 담체를 이용한 수처리 장치.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 이산화티탄 파우더(Powder)는
    티타늄 알콕사이드(Ti Alkoxide)에 아세톤(acetone)을 첨가 및 교반하여 합성물을 생성하는 제1 단계; 및
    상기 합성물을 용매열 처리 및 필터링 하여 이산화티탄 파우더(Powder)를 생성하는 제2 단계에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 광촉매를 탑재하는 부유성 담체를 이용한 수처리 장치.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 이산화티탄 졸(Sol) 또는 이산화티탄 파우더(Powder)는 바인더에 의해 상기 담체에 담지되는 것을 특징으로 하는 광촉매를 탑재하는 부유성 담체를 이용한 수처리 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 바인더는 유기 바인더 또는 무기 바인더 중 어느 하나 이상을 사용하는 것을 특징으로 하는 광촉매를 탑재하는 부유성 담체를 이용한 수처리 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 바인더의 함유량에 의해 상기 이산화티탄 졸(Sol) 또는 이산화티탄 파우더(Powder) 중 어느 하나 이상의 상기 광촉매의 담지 비율이 변경되는 것을 특징으로 하는 광촉매를 탑재하는 부유성 담체를 이용한 수처리 장치.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 자외선 램프는 외부에 구비된 자외선 제어장치를 통해 동작되며, 상기 전극은 외부에 구비된 전극 제어장치를 통해 동작되는 것을 특징으로 하는 광촉매를 탑재하는 부유성 담체를 이용한 수처리 장치.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 전극은 상기 광촉매 반응조 내부에 구비되며, 양 전극 및 음 전극으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광촉매를 탑재하는 부유성 담체를 이용한 수처리 장치.
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