KR20180022331A - 다채널 연속흐름 반응기를 구비한 라디칼지수 측정장치 및 이를 이용한 고도산화공정의 공정제어변수 최적화 방법 - Google Patents
다채널 연속흐름 반응기를 구비한 라디칼지수 측정장치 및 이를 이용한 고도산화공정의 공정제어변수 최적화 방법 Download PDFInfo
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Abstract
고도산화공정(Advanced Oxidation Process; AOP)을 적용하는 수처리 시스템에서 자동화된 순차적 주입분석 기술과 분광광도계가 장착된 광케이블을 사용하여 원수의 수질특성을 대변하는 라디칼지수를 자동으로 측정함으로써 수질 변화에 따른 라디칼지수 측정을 통해 공정 진단과 산화제 약품제어에 이용할 수 있고, 자외선 조사량과 과산화수소 주입량의 최적화 값을 산출할 수 있고, 또한, 다채널 연속흐름 반응기를 구비한 순차적 주입분석의 라디칼지수 측정장치와 공정에너지 최적화 해석모델을 포함한 공정모사 프로그램을 이용함으로써 수중의 유해물질 제거능을 예측하는 공정 진단을 수행할 수 있으며, 또한, 에너지를 최소화시키는 자외선 조사량과 과산화수소 주입량을 산출하여 고도산화공정의 공정제어를 수행함으로써 에너지를 절감하고 운전의 편의성을 제공할 수 있고, 다채널 연속흐름 반응기를 구비한 라디칼지수 측정장치에 의해 실시간 공정진단 및 공정제어가 가능한, 다채널 연속흐름 반응기를 구비한 라디칼지수 측정장치 및 이를 이용한 고도산화공정의 공정제어변수 최적화 방법이 제공된다.
Description
본 발명은 고도산화공정의 라디칼지수 측정장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 고도산화공정(Advanced Oxidation Process; AOP)을 적용하는 수처리 시스템에서 자동화된 순차적 주입분석 기술과 자외선분광광도계가 장착된 광케이블로 원수의 수질특성을 대변하는 라디칼지수를 자동으로 측정하고, 측정된 라디칼지수에 따라 자외선 조사량과 과산화수소 주입량의 최적화 값을 산출할 수 있는, 다채널 연속흐름 반응기를 구비한 라디칼지수 측정장치 및 이를 이용한 고도산화공정의 공정제어변수 최적화 방법에 관한 것이다.
국내의 대부분의 정수장은 하천수를 상수원수로 사용하고 있으며, 최근 다양한 오염물질로 인해 상수원의 오염이 심화되고 있기 때문에 안전한 정수 공급을 위한 수처리 기술이 필요한 실정이다.
기존의 수처리 방법은 응집침전 후 모래여과 및 염소소독 방법을 보편적으로 사용하고 있다. 그러나 종래의 수처리 방법은 신종 의약물질(대표적인 물질: 카바마제핀, 카페인, 이부프로펜) 및 맛냄새 유발물질(대표적인 물질: 지오스민, 2-메틸이소보르네올(2-MIB)) 등의 미량유기물질을 함유한 식수원을 효율적으로 처리하는데 한계성이 있기 때문에 다양한 산화처리 방법이 연구되고 있다.
이러한 산화처리 방법 중에서, 고도산화공정(AOP)은 오존, 자외선, 과산화수소 등을 이용하여 반응 중간생성물인 수산화라디칼(OH)을 극대화시켜 수중의 난분해성 유기물을 제거하는 기술이다. 여기서, OH 라디칼은 산화력이 가장 높기 때문에 화학적 산화처리에 중요한 작용이 기대되는 물질이다. 이러한 OH 라디칼을 이용하여 유해물질을 제거하는 공정들에는 오존을 이용한 오존/High pH, 오존/과산화수소 및 자외선을 이용한 자외선/오존, 자외선/과산화수소 등이 있으며, 이러한 공정을 모두 고도산화공정(AOP)이라 한다.
예를 들면, 오존을 수처리에 응용할 경우, 처리수에 오존 분자와 반응성이 강한 물질이 많이 존재한다면 반응이 직접 경로에 의하여 진행될 수 있도록 산화공정을 제어하고, 또한, 오염물질과 오존의 반응이 상대적으로 느릴 경우에는 간접 경로의 특성을 살려서 OH 라디칼의 생성을 증가시킬 수 있도록 산화공정을 제어하는 것이 효율적이다.
이와 같이 OH 라디칼의 산화력을 이용하여 오존의 단점을 보완하는 방법으로서, 오존에 인위적으로 과산화수소, UV 등을 혼합 사용함으로써 유해물질의 제거속도를 훨씬 향상시킬 수 있다. 또한, 오존만을 사용할 경우에도 pH의 변화에 따라서 OH 라디칼 수율이 달라지므로 오존만으로도 고도산화공정(AOP)의 효과를 볼 수 있다. 이러한 고도산화공정(AOP)의 공통점은 직접 주입한 산화제로부터 처리효과를 기대하기 보다는 중간물질로 생성된 OH 라디칼의 간접 산화에 의존한다는 것이다. 궁극적으로, 이러한 고도산화공정(AOP)은 OH 라디칼의 생성량을 극대화시켜 산화효과를 극대화하는 것이다.
또한, 자외선 기술도 오존 기술과 동일한 원리로 수행되며, 자외선 에너지 자체보다는 과산화수소 등의 산화제와 반응시켜 OH 라디칼을 극대화시킨다. 이론적으로, UV 에너지에 의한 과산화수소의 1몰의 분해로 생성되는 2몰의 OH 라디칼이 발생한다. 이때, 상기 OH 라디칼의 산화력은 강력하지만, 상기 OH 라디칼은 수 밀리초 내지 수 초에서 생성되는 즉시 소멸하는 특징이 있으며, 또한, 배경물질(예를 들면, 자연유기물, 알칼리도)의 영향을 많이 받기 때문에 고도산화 반응에서 생성되는 OH 라디칼의 정량화는 매우 어려운 것으로 알려져 있다.
이러한 고도산화반응의 정량적 해석, 이러한 정량적 해석에 기반한 공정 진단 및 산화제 약품제어를 위해서는 원수의 복잡한 수질특성을 대변하는 라디칼지수 측정이 필수적이다. 특히, 라디칼지수의 경우, 수중의 총유기탄소의 농도, 알칼리도, pH, 색도 등에 영향을 받는다. 오존을 이용한 고도산화공정이나, 자외선을 이용한 고도산화공정에서 수중의 유기물의 제거능을 해석하거나, 또는, 오존, 자외선 조사량, 과산화수소 등의 주입조건으로 결정하기 위해서는 라디칼의 정량적 해석이 반드시 필요하다.
이러한 고도산화공정(AOP)의 제어는 이러한 인자들의 변화에 의해서 파생되는 라디칼지수의 변화를 예측해야만 정확한 공정제어가 가능하며, 이러한 접근을 위해서 다양한 공정모사모델 등을 통한 여러 연구들이 시도되어 왔다.
그러나 이러한 공정모사모델들은 서로 일치하지 않고 각각 다른 양상을 보이며, 또한 정확한 공정모사모델이 완성되었다고 하더라도 정확한 공정제어를 위해서는 pH, 온도, 유기물 농도 등이 항상 측정되어야 하므로, 실제 공정제어 방식의 완성은 상당히 복잡하고 어려워질 수밖에 없다.
또한, 자외선 조사량과 과산화수소 등 산화제 주입량에 비례하여 공정에서 사용되는 에너지는 비례하여 증가하기 때문에 목표 대상물질의 처리수준과 공정에서 사용가능한 에너지 비용을 고려한 운전변수를 최적화하여 조절하여야 한다. 이때, 모델예측제어는 공정의 모델을 이용하여 미래 출력치를 예측하고, 이를 최적화하여 얻어지는 제어입력을 사용하는 제어기법으로서, 유한구간 개루프(Open loop) 최적제어 입력을 폐루프(Closed loop) 제어 형태로 구현하는 기법이다. 이렇게 복잡한 원수 수질특성과 공정모델의 변수 조절에 있어서 실용적인 측면에서 접근하려면, 고도산화공정의 적용을 위한 수중의 라디칼지수를 측정하여 복잡한 원수의 특성을 규명하고, 에너지를 절감하는 최적화된 공정제어를 수행하는 방법이 유용하게 된다.
한편, 선행기술로서, 대한민국 등록특허번호 제10-1169877호에는 "고도산화 수처리 공정의 운전 조건 설정 방법"이라는 명칭의 발명이 개시되어 있다.
종래의 기술에 따른 고도산화 수처리 공정의 운전 조건 설정 방법의 경우, UV/H2O2 고도산화 수처리 공정에서 처리된 처리수에 포함되는 난분해성 유해 오염물질이 극히 미량이어서 정량분석이 어렵거나 불가능한 경우에 목표로 하는 처리농도까지 처리할 수 있는 고도산화 수처리 공정조건을 OH 라디칼과의 반응 결과를 나타내는 지표물질인 파라-클로로벤조산(p-Chlorobenzoic acid: pCBA)의 농도 변화를 측정함으로써, 극히 미량의 난분해성 유해 오염물질의 목표처리농도까지 처리할 수 있다.
그러나 종래의 기술에 따른 고도산화 수처리 공정의 운전 조건 설정 방법의 경우, 원수의 수질특성을 지수화할 수 있는 방법을 pCBA(p-Chlorobenzoic acid)라는 화학물질을 이용하되, 고성능 액체 크로마토그래피(HPLC)를 이용한 수동분석에 의하여 분석하는 방법이지만, 공정제어를 위한 응답시간이 많이 소요된다는 문제점이 있다. 다시 말하면, 종래의 기술에 따른 고도산화 수처리 공정의 운전 조건 설정 방법의 경우, 실시간으로 변화하는 유입수의 OH 라디칼 방해인자의 반응성을 정량화할 수 없으며, 또한, pCBA 물질 자체가 고성능 액체 크로마토그래피(HPLC)를 이용하여 회분식(Batch)으로 분석해야 하기 때문에 공정제어 및 진단인자로 적용하기 어렵고, 또한 실시간 공정 최적화를 위한 실시간 계측도 어렵다는 문제점이 있다.
한편, 전술한 대한민국 등록특허번호 제10-1169877호에 개시된 고도산화 수처리 공정의 운전 조건 설정 방법의 문제점을 해결하기 위한 선행기술로서, 본 발명의 출원인에 의해 출원되어 특허등록된 대한민국 등록특허번호 제10-1306155호에는 "라디칼 방해인자 및 라디칼 반응지수를 이용한 고도산화공정의 자동제어장치 및 방법"이라는 명칭의 발명이 개시되어 있는데, 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한다.
도 1은 종래의 기술에 따른 수산화라디칼 방해인자 및 라디칼 반응지수를 이용한 고도산화공정의 자동제어장치를 나타내는 구성도이고, 도 2는 도 1에 도시된 측정 유닛의 구체적인 구성도이다.
도 1을 참조하면, 종래의 기술에 따른 수산화라디칼 방해인자 및 라디칼 반응지수를 이용한 고도산화공정의 자동제어장치는, 원수에 자외선과 과산화수소를 공급하여 상기 원수를 산화 처리하는 고도산화 수처리 시스템의 고도산화공정을 제어하기 위한 자동제어장치로서, 모니터링 유닛(10), 데이터베이스(20), 측정 유닛(30), 산출 유닛(40) 및 제어 유닛(50)을 포함한다.
모니터링 유닛(10)은 원수 유입부 일측에 설치되어 UV254 흡광도를 포함하는 원수의 수질인자를 측정하여 모니터링한다.
데이터베이스(20)는 제거 대상 오염물질에 대한 화학반응 정보와 지표물질에 대한 화학반응 정보를 포함하는 정보가 저장된다.
측정 유닛(30)은 상기 지표물질로 로다민-B를 이용하여 수산화라디칼(OH) 생성 억제 화학종의 반응성을 고려한 OH 라디칼 생성 억제 반응지수를 측정한다.
구체적으로, 상기 측정 유닛(30)은, 도 2에 도시된 바와 같이, 자외선램프(31), 자외선 광반응기(35), 과산화수소 저장조(36), 시료 저장조(33), 지표물질 저장조(지표물질인 로다민-B를 수용하여 저장), 이들 저장조와 광반응기를 연결하는 밸브가 구비된 배관(34)을 포함한다. 또한, 할로겐 광원소스 공급장치(39)와 이로부터 연결되어 반응조 내부 측면에 프로브 팁이 고정되도록 한 광섬유(41) 및 반응조의 프로브 팁 사이로 흐르는 유체를 통과하고, 팁의 아래에 설치된 반사거울에 의해서 유체를 통해 광섬유(41)로 전송되어 분광광도계(37)로 검출하고, 지표물질인 로다민-B의 투과도 또는 흡광도를 측정함으로써 제거율을 연속적으로 측정한다.
상기 측정 유닛(30)은, 상기 광반응기에 시료를 채우고 일정 농도가 유지되는 로다민-B를 지표물질로 주입하고 과산화수소를 주입하지 않은 상태에서, 자외선램프를 가동시켜 실시간으로 광섬유 형태의 분광광도계(37)를 이용하여 광반응기 내부의 로다민-B의 감소속도, 즉, 직접 광분해속도를 측정하고, 이후, 과산화수소를 투입하여 간접 광분해속도를 측정하는데, 이때, 과산화수소 주입농도를 3단계 이상으로 나누어 간접 광분해속도를 3회 이상 측정한다.
산출 유닛(40)은 상기 원수에 포함된 제거 대상 오염물질에 대한 상기 수처리 시스템의 제거능을 산출하고, 상기 제거 대상 오염물질의 목표제거율에 따른 자외선 조사량 및 과산화수소 주입량을 산출한다.
제어 유닛(50)은 상기 산출 유닛(40)에서 산출된 제거능, 자외선 조사량 및 과산화수소 주입량에 따라 고도산화 접촉설비(60)에서 요구되는 자외선 조사량 및 과산화수소 주입량을 보정 및 제어한다.
대한민국 등록특허번호 제10-1306155호에 개시된 수산화라디칼 방해인자 및 라디칼 반응지수를 이용한 고도산화공정의 자동제어장치에 따르면, 수산화라디칼(OH)의 생성을 억제하는 화학종들의 총 반응성을 고려한 라디칼 반응지수를 제어인자로 산출하여 대상 원수에 존재하는 신종 의약물질 및 맛냄새물질 등의 유기오염물질의 목표제거율에 따른 자외선 조사량, 과산화수소 주입 농도를 자동 제어할 수 있다.
그러나 이러한 OH 라디칼 방해인자 및 라디칼 반응지수를 이용한 고도산화공정의 자동제어장치의 경우, 지표물질로 로다민-B를 이용하여 수산화라디칼 생성을 억제하는 총 화학종들의 반응성을 고려하여 OH 라디칼 생성 방해인자 및 반응지수를 측정하며, 자외선조사 설비의 조사 강도를 자동으로 제어할 수 없다는 문제점이 있고, 이로 인해 유체의 연속흐름 조건에서는 실시간으로 분석이 불가능하고, 이에 따라 회분식으로 직접 측정해야 하는 불편함이 있었다.
한편, 전술한 대한민국 등록특허번호 제10-1306155호에 개시된 고도산화 수처리 공정의 운전 조건 설정 방법의 문제점을 해결하기 위한 선행기술로서, 본 발명의 출원인 및 발명자에 의해 출원되어 특허등록된 대한민국 등록특허번호 제10-1617822호에는 "고도산화공정의 수산화라디칼 소모인자 지수 실시간 측정장치 및 그 방법"이라는 명칭의 발명이 개시되어 있는데, 도 3을 참조하여 설명한다.
도 3은 종래의 기술에 따른 고도산화공정의 수산화라디칼 소모인자 지수 실시간 측정장치의 구성도이다.
도 3을 참조하면, 종래의 기술에 따른 고도산화공정의 수산화라디칼 소모인자 지수 실시간 측정장치(100)는, 크게, 시료부(110), 시약부(120), 자외선 반응부(130), 지표물질 검출부(140) 및 데이터 분석부(150)를 포함한다.
시료부(110)는 수처리 대상원수를 연속흐름주입 관로(160) 상에 공급한다.
시약부(120)는 지표물질(Indicator)인 로다민-B(Rhodamine-B)(121), 과산화수소(122) 및 증류수(123)로 이루어진 시약을 연속흐름주입 관로(160) 상에 공급한다. 이때, 상기 지표물질(Indicator)로는 로다민-B를 사용하며, 이때, 상기 로다민-B는 염색물질이기 때문에 시료(110)가 이동되는 튜브에 흡착될 수 있다. 따라서 염색이 덜 되고 쉽게 축적되어 튜브에 의한 제거가 적은 재질을 사용하는 것이 바람직하다.
자외선 반응부(130)는 석영셀(131) 및 자외선램프(132)를 포함하며, 상기 시료부(110)와 시약부(120)가 연속흐름주입 방식으로 연결된 연속흐름주입 관로(160) 상에 연결된다.
지표물질 검출부(140)는 분광광도계를 사용하며, 상기 자외선 반응부(130)에서의 반응 이후에 상기 지표물질인 로다민-B의 농도를 측정한다.
데이터 분석부(150)는 데이터 수집 및 신호처리를 위한 수치계산 알고리즘이 내장된다.
대한민국 등록특허번호 제10-1617822호에 개시된 고도산화공정의 수산화라디칼 소모인자 지수 실시간 측정장치의 경우, OH 라디칼을 주요 기작으로 유해물질을 처리하는데 적용되는 자외선/과산화수소 고도산화공정에서 단일 연속흐름주입 관로 상에서 시료의 유속을 변경하고 자외선 강도를 일정하게 유지하는 연속흐름주입 방식을 적용함으로써, 증류수로 희석배율이 조정된 과산화수소의 농도 및 지표물질인 로다민-B를 실시간으로 측정할 수 있다.
또한, 이러한 고도산화공정의 수산화라디칼 소모인자 지수 실시간 측정장치의 경우, 상수 고도처리나 하수방류수에서 미량 유기오염물질을 제거하기 위하여 적용되는 고도산화공정에서 수산화라디칼 소모인자 지수를 실시간 측정함으로써, 자외선/과산화수소 고도산화공정을 통해서 제거되는 유해물질의 정량적 제거능, 자외선 조사량 및 과산화수소 투입량을 정확하게 산출할 수 있다.
또한, 이러한 고도산화공정의 수산화라디칼 소모인자 지수 실시간 측정장치의 경우, 자외선/과산화수소 고도산화공정에 대한 실시간 자가진단 및 공정 최적화가 가능하므로, 수산화라디칼을 극대화시키는 기술로 실용화할 수 있다.
따라서 이러한 고도산화공정의 수산화라디칼 소모인자 지수 실시간 측정장치의 경우, 로다민-B라는 지표물질을 연속흐름주입 방법에 의하여 측정하는 방법과 장치를 개시함으로써, 전술한 종래의 기술에 따른 고도산화 수처리 공정의 운전 조건 설정 방법에서 제시한 pCBA(p-Chlorobenzoic acid)를 사용하는 경우의 문제점을 해소하였다.
그러나 대한민국 등록특허번호 제10-1617822호에 개시된 고도산화공정의 수산화라디칼 소모인자 지수 실시간 측정장치의 경우, 연속흐름 반응기의 형태를 구체적으로 제시하지 않았고, 반응기 구조가 단일 반응기로서, 단계별 유량비율을 각각 다르게 설정해야 하는 문제점이 있다.
한편, 다른 선행기술로서, 본 발명의 출원인 및 발명자에 의해 출원되어 특허등록된 대한민국 등록특허번호 제10-1640416호에는 "조류-기인 유해물질을 제거하기 위한 염소-자외선 복합산화 수처리장치 및 이를 이용한 염소 주입량과 자외선 강도 가변제어 방법"이라는 명칭의 발명이 개시되어 있다.
대한민국 등록특허번호 제10-1640416호에 개시된 염소-자외선 복합산화 수처리장치는, 정수장 유입원수 내의 이취미(맛냄새) 유발물질, 조류 독성물질, 의약물질 등의 유해물질(Noxious Substance)을 제거하기 위하여 과산화수소-자외선(Hydrogen Peroxide-UV) 공정 및 염소-자외선(Chlorine-UV) 공정을 순차적으로 조합한 2단 자외선 산화 공정을 이용하는 복합산화 수처리장치로서, 라디칼지수에 따른 자외선 조사량과 과산화수소 주입량을 산출하는 것을 개시하고 있다.
하지만, 이러한 염소-자외선 복합산화 수처리장치의 경우, 라디칼지수를 가지고 자외선 조사량과 과산화수소주입량을 산출할 때 공정 에너지 함수 모델의 최적해를 구하는 연산모델이 구체화되지 않았다는 문제점이 있다.
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 고도산화공정(Advanced Oxidation Process; AOP)을 적용하는 수처리 시스템에서 자동화된 순차적 주입분석 기술과 분광광도계가 장착된 광케이블을 사용하여 원수의 수질특성을 대변하는 라디칼지수를 자동으로 측정함으로써 수질 변화에 따른 라디칼지수 측정을 통해 공정 진단과 산화제 약품제어에 이용할 수 있고, 자외선 조사량과 과산화수소 주입량의 최적화 값을 산출할 수 있는, 다채널 연속흐름 반응기를 구비한 라디칼지수 측정장치 및 이를 이용한 고도산화공정의 공정제어변수 최적화 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 에너지를 최소화시키는 자외선 조사량과 과산화수소 주입량을 산출하여 고도산화공정의 공정제어를 수행함으로써 에너지를 절감하고 운전의 편의성을 제공할 수 있는, 다채널 연속흐름 반응기를 구비한 라디칼지수 측정장치 및 이를 이용한 고도산화공정의 공정제어변수 최적화 방법을 제공하기 위한 것이다.
전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 수단으로서, 본 발명에 따른 다채널 연속흐름 반응기를 구비한 라디칼지수 측정장치는, 유기오염물질을 제거하기 위하여 적용되는 자외선/과산화수소 고도산화공정의 라디칼지수 측정장치에 있어서, 대상원수인 시료를 연속흐름주입 관로 상에 공급하는 시료 공급부; 지표물질인 로다민-B(Rhodamine-B) 시약 및 과산화수소 시약을 상기 연속흐름주입 관로 상에 공급하는 시약 공급부; 상기 연속흐름주입 관로 상에 연결된 다채널 연속흐름 반응기, 자동분배기, 반응기 셀 및 자외선램프를 포함하며, 상기 다채널 연속흐름 반응기가 상기 자외선램프로부터 조사되는 자외선을 투과하며, 상기 연속흐름주입 관로상에서 상기 시약들과 혼합된 시료가 자외선 광입자와의 물리적 반응에 의해 생성되는 수산화라디칼의 화학적 반응을 발생시키고, 상기 주입된 로다민-B를 자외선과 수산화라디칼에 의해 제거하는 자외선 반응부; 상기 자외선 반응부에서의 반응에 의해 감소된 상기 로다민-B의 농도를 측정하는 지표물질 검출부; 및 상기 지표물질 검출부로부터 데이터를 수집 분석하여 라디칼지수를 측정하고, 상기 측정된 라디칼지수를 기반으로 고도산화공정에서 사용되는 공정에너지를 최소화시키면서 대상 오염물질을 제거하기 위한 제어변수인 자외선 조사량과 과산화수소 주입량의 최적화 값을 산출하는 데이터 분석 및 공정제어부를 포함하여 구성된다.
여기서, 상기 자외선 반응부는, 상기 시약들과 혼합된 시료가 연속흐름 주입되도록 석영재질의 다채널 구조로 형성되는 다채널 연속흐름 반응기; 상기 다채널 연속흐름 반응기의 일측에 설치되어 상기 시약들과 혼합된 시료의 체류시간별 자동 분취 및 흐름방향을 변환하고, 설정된 시간에 따라 상기 시료를 자동으로 분배하는 자동분배기; 별도의 유량 변동 없이 라디칼지수를 측정할 수 있도록 상기 분배된 시료를 저장하는 일정 용기의 반응기 셀; 및 상기 다채널 연속흐름 반응기에 자외선을 조사하는 자외선램프를 포함할 수 있다.
한편, 전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 다른 수단으로서, 본 발명에 따른 다채널 연속흐름 반응기를 구비한 라디칼지수 측정장치를 이용한 고도산화공정의 공정제어변수 최적화 방법은, 다채널 연속흐름 반응기를 구비한 라디칼지수 측정장치를 이용한 고도산화공정의 공정제어변수 최적화 방법에 있어서, a) 고도산화공정의 공정 에너지 최적화 해석모델에 따라 공정 에너지를 설정하는 단계; b) 청구항 1의 다채널 연속흐름 반응기를 구비한 라디칼지수 측정장치를 이용하여 라디칼지수를 측정하고, 유해물질에 대한 목표제거율을 설정하는 단계; c) 유해물질 제거율에 필요한 자외선 조사량, 과산화수소 주입량 및 총 전력 에너지 소비량을 산출하는 단계; d) 뉴턴 최적화 수치모델에 따라 상기 산출된 자외선 조사량 및 과산화수소 주입량에 대응하는 최적해를 도출하는 단계; e) 상기 설정된 공정 에너지가 상기 산출된 총 전력 에너지 소비량보다 큰지 여부를 확인하는 단계; f) 상기 설정된 공정 에너지가 상기 산출된 총 전력 에너지 소비량보다 크지 않은 경우, 목표제거율을 재조정하는 단계; g) 상기 도출된 최적해가 만족할만한 수준인지 판단하는 단계; 및 h) 상기 도출된 최적해가 만족할만한 수준인 경우, 에너지를 모니터링하고, 상기 최적해에 대응하는 공정을 제어하는 단계를 포함하되, 상기 b) 단계의 다채널 연속흐름 반응기를 구비한 라디칼지수 측정장치에 의해 측정된 라디칼지수를 이용하여 고도산화공정에서 사용되는 에너지를 최소화시키면서 대상 오염물질을 제거하기 위한 제어변수인 자외선 조사량과 과산화수소 주입량의 최적화 값을 산출하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 자외선을 이용한 고도산화공정(AOP)이 적용된 수처리 시스템에 있어서, 다채널 연속흐름 반응기를 구비한 순차적 주입분석의 라디칼지수 측정장치와 공정에너지 최적화 해석모델을 포함한 공정모사 프로그램을 이용함으로써 수중의 유해물질 제거능을 예측하는 공정 진단을 수행할 수 있다.
본 발명에 따르면, 에너지를 최소화시키는 자외선 조사량과 과산화수소 주입량을 산출하여 고도산화공정의 공정제어를 수행함으로써 에너지를 절감하고 운전의 편의성을 제공할 수 있다.
본 발명에 따르면, 유해성 유기오염물질을 제거하도록 수산화라디칼(OH)을 극대화시킴으로써 자외선을 이용한 고도산화공정의 공정에너지를 최소화시키면서 공정 성능을 극대화시킬 수 있다.
본 발명에 따르면, 다채널 연속흐름 반응기를 구비한 라디칼지수 측정장치에 의해 실시간 공정진단 및 공정제어가 가능하다.
도 1은 종래의 기술에 따른 수산화라디칼 방해인자 및 라디칼 반응지수를 이용한 고도산화공정의 자동제어장치를 나타내는 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시된 측정 유닛의 구체적인 구성도이다.
도 3은 종래의 기술에 따른 고도산화공정의 수산화라디칼 소모인자 지수 실시간 측정장치의 구성도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 다채널 연속흐름 반응기를 구비한 라디칼지수 측정장치의 구성도이다.
도 5는 도 4에 도시된 석영재질의 다채널 연속흐름 반응기를 예시하는 도면이다.
도 6은 도 4에 도시된 석영재질의 다채널 연속흐름 반응기를 나타내는 사진이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 다채널 연속흐름 반응기를 구비한 라디칼지수 자동측정장치에 적용되는 뉴턴 최적화 수치모델에 따라 최적화 해를 찾는 것을 예시하는 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 다채널 연속흐름 반응기를 구비한 라디칼지수 측정장치를 이용한 고도산화공정의 공정제어변수 최적화 방법의 동작흐름도이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 고도산화공정의 공정제어변수 최적화 방법에 적용되는 자외선을 이용한 고도산화공정의 공정모사 프로그램을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 고도산화공정의 공정제어변수 최적화 방법에서 뉴턴 최적화 수치모델에 의해 산출된 최적화된 자외선 강도와 과산화수소 주입농도의 계산 범위를 예시하는 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 고도산화공정의 공정제어변수 최적화 방법에서 조류 독성물질인 마이크로시스틴(Microcystin)을 제거수준별 자외선 조사량과 과산화수소 최적 주입량을 예시하는 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 측정 유닛의 구체적인 구성도이다.
도 3은 종래의 기술에 따른 고도산화공정의 수산화라디칼 소모인자 지수 실시간 측정장치의 구성도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 다채널 연속흐름 반응기를 구비한 라디칼지수 측정장치의 구성도이다.
도 5는 도 4에 도시된 석영재질의 다채널 연속흐름 반응기를 예시하는 도면이다.
도 6은 도 4에 도시된 석영재질의 다채널 연속흐름 반응기를 나타내는 사진이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 다채널 연속흐름 반응기를 구비한 라디칼지수 자동측정장치에 적용되는 뉴턴 최적화 수치모델에 따라 최적화 해를 찾는 것을 예시하는 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 다채널 연속흐름 반응기를 구비한 라디칼지수 측정장치를 이용한 고도산화공정의 공정제어변수 최적화 방법의 동작흐름도이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 고도산화공정의 공정제어변수 최적화 방법에 적용되는 자외선을 이용한 고도산화공정의 공정모사 프로그램을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 고도산화공정의 공정제어변수 최적화 방법에서 뉴턴 최적화 수치모델에 의해 산출된 최적화된 자외선 강도와 과산화수소 주입농도의 계산 범위를 예시하는 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 고도산화공정의 공정제어변수 최적화 방법에서 조류 독성물질인 마이크로시스틴(Microcystin)을 제거수준별 자외선 조사량과 과산화수소 최적 주입량을 예시하는 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
먼저, 본 발명의 출원인 및 발명자에 의해 출원되어 특허등록된 대한민국 등록특허번호 제10-1617822호에는 "고도산화공정의 수산화라디칼 소모인자 지수 실시간 측정장치 및 그 방법"이라는 명칭의 발명이 개시되어 있는데, 본 명세서 내에 참조되어 본 발명의 일부를 이룬다.
이하, 도 4 내지 도 6을 참조하여, 발명의 실시예에 따른 다채널 연속흐름 반응기를 구비한 라디칼지수 측정장치를 설명하고, 도 7 내지 도 11을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 다채널 연속흐름 반응기를 구비한 라디칼지수 측정장치를 이용한 고도산화공정의 공정제어변수 최적화 방법에 대해 설명한다.
[다채널 연속흐름 반응기를 구비한 라디칼지수 측정장치(200)]
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 다채널 연속흐름 반응기를 구비한 라디칼지수 측정장치의 구성도이고, 도 5는 도 4에 도시된 석영재질의 다채널 연속흐름 반응기를 예시하는 도면이고, 도 6은 도 4에 도시된 석영재질의 다채널 연속흐름 반응기를 나타내는 사진이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 다채널 연속흐름 반응기를 구비한 라디칼지수 측정장치(200)는, 자외선을 이용한 고도산화공정이 적용된 수처리 기술에서 자동화된 순차적 주입분석 방식의 라디칼지수 측정장치로서, 시료 공급부(210), 시약 공급부(220), 자외선 반응부(230), 지표물질 검출부(240), 및 데이터 분석 및 공정제어부(250)를 포함하고, 상기 자외선 반응부(230)는 다채널 연속흐름 반응기(231), 자동분배기(232), 반응기 셀(233) 및 자외선램프(234)를 포함한다.
시료 공급부(210)는 시료 공급펌프(271)를 통해 수처리 대상원수를 연속흐름주입 관로(260) 상에 공급한다.
시약 공급부(220)는 각각의 시약 공급펌프(272, 273, 274)를 통해 지표물질(Indicator)인 로다민-B(Rhodamine-B)(221), 과산화수소(222) 및 증류수(223)로 이루어진 시약을 연속흐름주입 관로(260) 상에 공급한다. 이때, 상기 지표물질(Indicator)로는 로다민-B를 사용하며, 이때, 상기 로다민-B는 염색물질이기 때문에 시료(210)가 이동되는 튜브에 흡착될 수 있다.
자외선 반응부(230)는 다채널 연속흐름 반응기(231), 자동분배기(232), 반응기 셀(233) 및 자외선램프(234)를 포함하며, 상기 시료 공급부(210)와 시약 공급부(220)가 연속흐름주입 방식으로 연결된 연속흐름주입 관로(260) 상에 연결된다.
지표물질 검출부(240)는 광케이블로 구현되는 분광광도계를 사용하며, 상기 자외선 반응부(230)에서의 반응 이후에 상기 지표물질인 로다민-B(221)의 농도를 측정한다.
데이터 분석 및 공정제어부(250)는, 예를 들면 컴퓨터로 구현될 수 있고, 상기 지표물질 검출부(240)로부터 데이터를 수집하여 분석하고, 측정된 라디칼지수를 이용하여 고도산화공정에서 사용되는 공정에너지를 최소화시키면서 대상 오염물질을 제거하기 위한 제어변수인 자외선 조사량과 과산화수소 주입량의 최적화 값을 산출한다.
구체적으로, 본 발명의 실시예에 따른 다채널 연속흐름 반응기를 구비한 라디칼지수 측정장치(200)는 대상원수인 시료의 라디칼지수를 측정하기 위하여 지표물질인 로다민-B(221)를 일정 농도 주입하고, 자외선 조사강도 및 과산화수소의 농도조건을 수차례에 걸친 단계별 수동분석에 의해 로다민-B(221)의 감소속도를 측정한다.
전술한 대한민국 등록특허번호 제10-1617822호의 경우, 라디칼지수를 측정하기 위해서는 수동방식의 단계별 측정 분석을 수행해야 하고, 특히, 자외선 조사량의 변동을 위해서 시료 주입의 반응비율을 유지하면서 펌프의 유량을 변경함으로써 조절하여야 한다. 이것은 자외선 조사량(mJ/㎠)이 자외선의 강도(㎽/㎠)와 접촉시간(sec)으로부터 계산되는 인자이기 때문이다.
또한, 전술한 대한민국 등록특허번호 제10-1617822호의 경우, 반응기의 형태가 구체화되지 않은 문제점을 해결하기 위해서, 본 발명의 실시예에 따른 다채널 연속흐름 반응기를 구비한 라디칼지수 측정장치(200)의 경우, 우선 반응기 구조는, 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 석영재질의 다채널 연속흐름 반응기(231)로 구성한다. 또한, 상기 다채널 연속흐름 반응기(231)의 일측에 체류시간별 자동 분취 및 흐름방향을 변환하는 자동분배기(232)를 설치함으로써 설정된 시간에 따라 시료를 자동으로 분배하고, 이때, 분배된 시료는 일정 용기의 반응기 셀(233)에 저장함으로써 별도의 유량 변동 없이 라디칼지수를 측정할 수 있는 구조가 된다. 이때, 도 5는 라디칼지수 측정장치(200)에 적용된 다채널 구조의 연속흐름 반응기(231)의 실제 구조를 나타낸다. 또한, 도 4에 도시된 바와 같이, 가시광 영역의 광케이블로 구현되는 지표물질 검출부(240), 예를 들면, 분광광도계에 의해 로다민-B(221)를 연속적으로 측정하고, 측정된 로다민-B(221)의 감소속도를 고려하여 후술하는 수학식 5에 따라 원수 수질특성의 반영하는 라디칼지수를 자동으로 측정한다.
구체적으로, 본 발명의 실시예에 따른 다채널 연속흐름 반응기를 구비한 라디칼지수 측정장치(200)는, 대상원수 시료를 튜브로 구현되는 연속흐름주입 관로(260)에 일정 유속으로 공급하고, 이를 지표물질인 로다민-B(221)와 일차적으로 혼합시켜 일정 유속으로 자외선 반응부(230)로 전달한다. 이후, 상기 대상원수 시료와 혼합된 지표물질의 유속의 변동 없이 자외선 조사량 및 과산화수소 주입량을 최적화시킴으로써 지표물질인 로다민-B(221)의 반응성을 분광광도계인 지표물질 검출기(240)로 검출한다.
연속흐름 관로(260) 상에서 라디칼지수를 구하기 위한 대상원수, 지표물질인 로다민-B(221), 산화제인 과산화수소(222) 및 증류수(223)가 혼합된다. 이때, 대상원수 내에 로다민-B(221)와 과산화수소(222)가 각각 설정된 농도로 주입되어야 하며, 이를 조절하기 위해 시료 공급펌프(271) 및 시약 공급펌프(272, 273, 274)가 마련된다. 이때, 주입되는 대상원수 시료는 혼합되는 다른 시약들(221, 222, 223)에 의한 오차를 최소화하기 위해 전체 유량의 95% 이상이 되도록 설정된다.
또한, 로다민-B(221)는 본 발명의 실시예에 따른 다채널 연속흐름 반응기를 구비한 라디칼지수 측정장치(200)가 운전되는 동안에 초기 농도가 1uM로 일정하게 유지되도록 주입되며, 전체 유량의 약 2.5% 이하가 유입되도록 설정된다.
이때, 과산화수소(222)는 농도조건에 따라 최소 0㎎/L에서 최대 150㎎/L로 농도를 변경할 수 있고, 전체 유량의 약 2.5% 이하가 유입되도록 설정된다. 이와 같이 설정된 전체 유량을 유지하면서 과산화수소 농도(H2O2)를 변경하기 위하여 조건별로 주입되는 과산화수소의 농도를 변경한다. 이때, 주입되는 과산화수소(222)의 농도 변화는 과산화수소 주입 시 고농도의 과산화수소 농축액(222)과 증류수(223)의 주입비율을 조절하여 제어한다.
자외선 반응부(230)는 혼합된 시료가 자외선 광입자와의 물리적 반응에 의해 생성되는 수산화라디칼(OH)의 화학적 반응이 일어나는 구간으로서, 주입된 로다민-B(221)가 자외선과 OH 라디칼에 의해 제거되는 구간이다. 이때, 상기 자외선 반응부(230)의 다채널 연속흐름 반응기(231)는 자외선램프(234)로부터 조사되는 자외선을 투과할 수 있도록 석영재질로 형성되는 것이 바람직하다.
구체적으로, 상기 자외선램프(234)는 상기 다채널 연속흐름 반응기(231) 상부에 고정되어 일정한 거리와 강도로 자외선을 조사한다. 이때, 상기 자외선램프(234)가 일정한 강도의 자외선을 조사하기 위해서는 일정한 시간이 필요하기 때문에, 본 발명의 실시예에 따른 다채널 연속흐름 반응기를 구비한 라디칼지수 측정장치(200)를 운전하기 전에 안정화 시간이 필요하다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 다채널 연속흐름 반응기를 구비한 라디칼지수 측정방법은, 먼저, 자외선램프(234)를 통해 조사되는 자외선 조사량을 설정하고, 시료 공급부(210)에서 공급되는 대상원수 및 시약 공급부(220)에서 공급되는 로다민-B(221) 및 과산화수소(222)가 포함된 전체 유량을 설정한다. 다음으로, 상기 대상원수 및 로다민-B(221)를 연속흐름주입 관로(260) 상에 주입하여 혼합하고, 또한, 과산화수소(222)의 농도를 설정하여 상기 연속흐름주입 관로(260) 상에 주입한다.
다음으로, 지표물질 검출부(240)가 지표물질인 로다민-B(221)의 농도를 측정하고, 이때, 상기 과산화수소(222) 농도조건별로 반복하여 수행한다.
다음으로, 자외선 조사량 조건별로 전술한 과정을 반복하여 수행하고, 상기 지표물질 검출부(240)가 검출된 데이터를 데이터 분석 및 공정제어부(250)로 전송하면, 상기 데이터 분석 및 공정제어부(250)가 수신된 데이터를 분석하여 수산화라디칼 소모인자 지수를 도출하게 된다.
결국, 본 발명의 실시예에 따른 다채널 연속흐름 반응기를 구비한 라디칼지수 측정장치에 따르면, 자외선을 이용한 고도산화공정(AOP)이 적용된 수처리 시스템에 있어서, 다채널 연속흐름 반응기를 구비한 순차적 주입분석의 라디칼지수 측정장치와 공정에너지 최적화 해석모델을 포함한 공정모사 프로그램을 이용함으로써 수중의 유해물질 제거능을 예측하는 공정 진단을 수행할 수 있다. 또한, 다채널 연속흐름 반응기를 구비한 라디칼지수 측정장치에 의해 실시간 공정진단 및 공정제어가 가능하며, 또한, 유해성 유기오염물질을 제거하도록 수산화라디칼(OH)을 극대화시킴으로써 자외선을 이용한 고도산화공정의 공정에너지를 최소화시키면서 공정 성능을 극대화시킬 수 있다.
한편, 전술한 본 발명의 실시예에 따른 다채널 연속흐름 반응기를 구비한 라디칼지수 측정장치(200)에 의해 측정된 라디칼지수를 이용하여 고도산화공정에서 사용되는 공정에너지를 최소화시키면서 대상 오염물질을 제거하기 위한 제어변수인 자외선 조사량과 과산화수소 주입량의 최적화 값을 산출하여야 한다.
[라디칼지수 측정장치를 이용한 고도산화공정의 공정제어변수 최적화 방법]
먼저, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 다채널 연속흐름 반응기를 구비한 라디칼지수 자동측정장치에 적용되는 뉴턴 최적화 수치모델에 따라 최적화 해를 찾는 것을 예시하는 도면이다.
도 7을 참조하면, 뉴턴 최적화 수치모델은 일반적인 함수의 근사 값이나 실제 값을 찾는데 매우 효율적인 방법이다. 이러한 뉴턴 최적화 수치모델을 이용하여 근을 구하는 방법은, 도 7에 도시된 바와 같이, 그래프 
를 그려 그래프 상에 임의의 
값을 지정하고, 이 값을 
라 한다. 다음 단계로서, 
에서 접선을 그린 후, 이러한 접선과 
축이 만나는 점을 
이라고 하며, 이때, 접선에 해당하는 식은 다음의 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
이러한 뉴턴 최적화 수치모델에 대한 일반 모델식은 다음의 수학식 2와 같다.
수학식 3은 반응기에서 수중의 유해물질의 제거율(R%) 제거를 위한 자외선 조사량을 의미하고, 과산화수소 약품량은 수학식 4를 사용한다. 그러나 자외선을 이용하는 고도산화공정(AOP)에 소모되는 에너지는 수학식 5에 도시된 바와 같이 자외선 조사량과 과산화수소 주입량에 비례하게 된다.
구체적으로, 유해물질 제거율(
)에 필요한 자외선(UV) 조사량인 
(단위는 mJ/㎠)는 다음의 수학식 3과 같이 구할 수 있다.
여기서, 
는 자외선 강도(단위는 W/㎠)를 나타내고, 
는 조사 시간(단위는 분(min))을 나타내며, 
는 유해물질 제거율(단위는 %)을 나타내고, 
및 
는 각각 254㎚ 몰흡광계수(단위는 M-1㎝-1)를 나타내며, 
및 
는 각각 양자수득률(단위는 mol/einstein)을 나타내고, 
는 254㎚ 자외선의 흡광도(단위는 ㎝-1)를 나타내며, 
는 분광광도계를 이용하여 254㎚에서 측정한 UV 흡수물질 측정값인 광에너지 단위변환상수(단위는 J/einstein-1)를 나타내고, 
는 과산화수소와 OH 라디칼의 이차반응속도상수(단위는 M-1s-1)를 나타내며, 
는 과산화수소 주입량(단위는 ㎎/L)을 나타낸다.
다음으로, 과산화수소 주입량인 
(단위는 ㎎/L)은 다음의 수학식 4와 같이 구할 수 있다.
여기서, 
는 OH 라디칼지수(단위는 sec-1)를 나타내며, 
는 유해물질 제거율(단위는 %)을 나타내고, 또한, 
는 254㎚ 자외선의 흡광도(단위는 ㎝-1)를 각각 나타낸다.
이때, 상기 OH 라디칼지수(
)는 다음의 수학식 5와 같이 구할 수 있다.
여기서, 
는 OH 라디칼과 과산화수소의 이차반응속도상수를 나타내며, 
은 채널별 측정된 로다민-B 감소속도 함수의 기울기를 나타내고, 
는 채널별로 측정된 로다민-B 함수의 절편을 나타내며, 
는 OH 라디칼과 로다민-B의 이차반응 속도상수를 나타내고, 
는 로다민-B의 초기농도를 나타낸다.
한편, 자외선을 이용한 고도산화기술에서 공정에 사용되는 주요한 에너지는 자외선 조사량과 과산화수소 주입량이다. 따라서 공정상 사용되는 에너지를 최소화시키면서 대상 오염물질을 제거하기 위한 제어변수인 자외선 조사량과 과산화수소 주입량의 최적화 값을 산출하여야 한다. 따라서 공정상 사용되는 에너지는 다음의의 수학식 6과 같이 자외선 조사량과 과산화수소 약품 주입량에 비례하게 된다.
즉, 총 전력에너지 소비량인 
(단위는 ㎾h/㎥)는 다음의 수학식 6과 같이 구할 수 있다.
여기서, 
는 자외선(UV)에 의한 전력 소비량(단위는 ㎾h/㎥)을 나타내고, 
는 과산화수소(
)에 의한 전력 소비량(단위는 ㎾h/㎥)을 나타내며, 
는 대상원수 시료에 적용된 UV 조사량(단위는 J/㎡)을 나타내고, 
는 반응기 광조사 길이(단위는 m)를 나타내며, 
는 자외선램프 효율(단위는 %)을 나타내고, 
는 과산화수소(
) 주입농도(단위는 ㎏/㎥)를 각각 나타낸다.
다시 말하면, 전술한 수학식 3과 수학식 4를 고려한 수학식 6에서 목적함수인 
함수값을 최적화(최소화)시키는 공정제어변수의 조합을 찾아야 한다. 이때, 상기 최적화된 공정제어변수의 조합인 자외선 조사량과 과산화수소 주입량의 조합은 전술한 뉴턴(Newton) 최적화 수치모델이 구현된 공정모사 프로그램으로 최적화된 공정제어변수를 도출할 수 있다.
한편, 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 다채널 연속흐름 반응기를 구비한 라디칼지수 측정장치를 이용한 고도산화공정의 공정제어변수 최적화 방법의 동작흐름도이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 다채널 연속흐름 반응기를 구비한 라디칼지수 측정장치를 이용한 고도산화공정의 공정제어변수 최적화 방법은, 먼저, 고도산화공정의 공정 에너지 최적화 해석모델에 따라 공정 에너지를 설정한다(S201). 여기서, 상기 고도산화공정의 공정 에너지 최적화 해석모델은, 전술한 바와 같이, 데이터 분석 및 공정제어부(250)에 내장된다.
다음으로, 전술한 본 발명의 실시예에 따른 다채널 연속흐름 반응기를 구비한 라디칼지수 측정장치를 이용하여 라디칼지수를 측정하고, 유해물질에 대한 목표제거율을 설정한다(S202).
다음으로, 전술한 수학식 3에 의해 자외선 조사량을 산출하고, 수학식 4에 의해 과산화수소 주입량을 산출하며, 수학식 6에 의해 총 전력 에너지 소비량을 산출한다(S203).
다음으로, 전술한 수학식 1 및 2에 따른 뉴턴 최적화 수치모델에 따라 자외선 조사량 및 과산화수소 주입량에 대응하는 최적해를 도출한다(S204).
다음으로, 상기 설정된 공정 에너지가 상기 산출된 총 전력 에너지 소비량보다 큰지 여부를 확인한다(S205).
다음으로, 상기 설정된 공정 에너지가 상기 산출된 총 전력 에너지 소비량보다 크지 않은 경우, 목표제거율을 재조정한다(S206). 이때, 상기 설정된 공정 에너지가 상기 산출된 총 전력 에너지 소비량보다 큰 경우, 상기 도출된 최적해에 대응하는 공정을 제어한다.
다음으로, 상기 도출된 최적해가 만족할만한 수준인지 판단한다(S207). 이때, 상기 도출된 최적해가 만족할만한 수준이 아닌 경우, 상기 도출된 최적해가 만족할만한 수준이 될 때까지 상기 목표제거율을 재조정한다.
다음으로, 상기 도출된 최적해가 만족할만한 수준인 경우, 에너지를 모니터링하고(S208), 최적해에 대응하는 공정을 제어한다(S209).
따라서 본 발명의 실시예에 따른 다채널 연속흐름 반응기를 구비한 라디칼지수 측정장치를 이용한 고도산화공정의 공정제어변수 최적화 방법에 따르면, 자외선을 이용한 고도산화기술이 적용된 수처리 기술에서, 라디칼지수를 측정하고, 이를 라디칼 공정에너지를 최소화시키는 자외선 조사량과 과산화수소 주입량의 조합이 계산될 수 있다.
한편, 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 고도산화공정의 공정제어변수 최적화 방법에 적용되는 자외선을 이용한 고도산화공정의 공정모사 프로그램을 설명하기 위한 도면이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 고도산화공정의 공정제어변수 최적화 방법에 적용되는 자외선을 이용한 고도산화공정의 공정모사 프로그램은 최적화 모델인 뉴턴 최적화 수치모델이 내재되어 최적화 함수를 결정하는 공정모사 프로그램으로서, 자외선 조사량 및 과산화수소 주입량에 대응하는 최적해를 도출할 수 있다.
한편, 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 고도산화공정의 공정제어변수 최적화 방법에서 뉴턴 최적화 수치모델에 의해 산출된 최적화된 자외선 강도와 과산화수소 주입농도의 계산 범위를 예시하는 도면이다.
도 10에 도시된 바와 같이, 제거 대상 오염물질을 대상으로 뉴턴 최적화 수치모델에 의해 산출된 최적화된 자외선 강도와 과산화수소 주입농도의 계산된 범위에 따라 최적 운전조건을 점선으로 나타내었다.
한편, 도 11은 본 발명의 실시예에 따른 고도산화공정의 공정제어변수 최적화 방법에서 조류 독성물질인 마이크로시스틴(Microcystin)을 제거수준별 자외선 조사량과 과산화수소 최적 주입량을 예시하는 도면이다.
도 11에 도시된 바와 같이, 수중의 마이크로시스틴의 농도가 100㎍/L로 유입하는 경우, 99%의 마이크로시스틴을 제거하기 위해 처리수 농도 4㎍/L로 최적화된 자외선 조사량은 885mJ/㎠이고, 과산화수소 주입량은 약 2㎎/L로 산출되었고, 90%의 마이크로시스틴을 제거하기 위한 처리수 농도 40㎍/L로 최적화된 자외선 조사량은 575 mJ/㎠이고, 과산화수소 주입량은 약 1㎎/L로 산출된다.
결국, 본 발명의 실시예에 따른 다채널 연속흐름 반응기를 구비한 라디칼지수 측정장치를 이용한 고도산화공정의 공정제어변수 최적화 방법에 따르면, 에너지를 최소화시키는 자외선 조사량과 과산화수소 주입량을 산출하여 고도산화공정의 공정제어를 수행함으로써 에너지를 절감하고 운전의 편의성을 제공할 수 있고, 또한, 유해성 유기오염물질을 제거하도록 수산화라디칼(OH)을 극대화시킴으로써 자외선을 이용한 고도산화공정의 공정에너지를 최소화시키면서 공정 성능을 극대화시킬 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
200: 라디칼지수 측정장치
210: 시료 공급부
220: 시약 공급부
230: 자외선 반응부
240: 지표물질 검출부
250: 데이터 분석 및 공정제어부
260: 연속흐름주입 관로
221: 로다민-B
222: 과산화수소
223: 증류수
231: 다채널 연속흐름 반응기
232: 자동분배기
233: 반응기 셀
234: 자외선램프
271: 시료 공급펌프
272, 273, 274: 시약 공급펌프
210: 시료 공급부
220: 시약 공급부
230: 자외선 반응부
240: 지표물질 검출부
250: 데이터 분석 및 공정제어부
260: 연속흐름주입 관로
221: 로다민-B
222: 과산화수소
223: 증류수
231: 다채널 연속흐름 반응기
232: 자동분배기
233: 반응기 셀
234: 자외선램프
271: 시료 공급펌프
272, 273, 274: 시약 공급펌프
Claims (13)
- 유기오염물질을 제거하기 위하여 적용되는 자외선/과산화수소 고도산화공정(AOP)의 라디칼지수 측정장치에 있어서,
대상원수인 시료를 연속흐름주입 관로(260) 상에 공급하는 시료 공급부(210);
지표물질(Indicator)인 로다민-B(Rhodamine-B: 221) 시약 및 과산화수소 시약을 상기 연속흐름주입 관로(260) 상에 공급하는 시약 공급부(220);
상기 연속흐름주입 관로(260) 상에 연결된 다채널 연속흐름 반응기(231), 자동분배기(232), 반응기 셀(233) 및 자외선램프(234)를 포함하며, 상기 다채널 연속흐름 반응기(231)가 상기 자외선램프(234)로부터 조사되는 자외선을 투과하며, 상기 연속흐름주입 관로(260) 상에서 상기 시약들과 혼합된 시료가 자외선 광입자와의 물리적 반응에 의해 생성되는 수산화라디칼(OH)의 화학적 반응을 발생시키고, 상기 주입된 로다민-B(221)를 자외선과 수산화라디칼(OH)에 의해 제거하는 자외선 반응부(230);
상기 자외선 반응부(130)에서의 반응에 의해 감소된 상기 로다민-B(221)의 농도를 측정하는 지표물질 검출부(240); 및
상기 지표물질 검출부(240)로부터 데이터를 수집 분석하여 라디칼지수를 측정하고, 상기 측정된 라디칼지수를 기반으로 고도산화공정에서 사용되는 공정에너지를 최소화시키면서 대상 오염물질을 제거하기 위한 제어변수인 자외선 조사량과 과산화수소 주입량의 최적화 값을 산출하는 데이터 분석 및 공정제어부(250)
를 포함하는 다채널 연속흐름 반응기를 구비한 라디칼지수 측정장치. - 제1항에 있어서, 상기 자외선 반응부(230)는,
상기 시약들과 혼합된 시료가 연속흐름 주입되도록 석영재질의 다채널 구조로 형성되는 다채널 연속흐름 반응기(231);
상기 다채널 연속흐름 반응기(231)의 일측에 설치되어 상기 시약들과 혼합된 시료의 체류시간별 자동 분취 및 흐름방향을 변환하고, 설정된 시간에 따라 상기 시료를 자동으로 분배하는 자동분배기(232);
별도의 유량 변동 없이 라디칼지수를 측정할 수 있도록 상기 분배된 시료를 저장하는 일정 용기의 반응기 셀(233); 및
상기 다채널 연속흐름 반응기(231)에 자외선을 조사하는 자외선램프(234)
를 포함하는 다채널 연속흐름 반응기를 구비한 라디칼지수 측정장치. - 제1항에 있어서,
상기 지표물질 검출부(240)는 가시광 영역의 광케이블로 구현되는 분광광도계에 의해 지표물질인 로다민-B(221)를 연속적으로 측정하고, 측정된 로다민-B(221)의 감소속도를 고려하여 원수 수질특성의 반영하는 라디칼지수를 자동으로 측정하는 것을 특징으로 하는 다채널 연속흐름 반응기를 구비한 라디칼지수 측정장치. - 제1항에 있어서,
상기 데이터 분석 및 공정제어부(250)에서 측정되는 라디칼지수()는,
로 주어지고, 여기서,
는 OH 라디칼과 과산화수소의 이차반응속도상수를 나타내며,
은 채널별 측정된 로다민-B 감소속도 함수의 기울기를 나타내고,
는 채널별로 측정된 로다민-B 함수의 절편을 나타내며,
는 OH 라디칼과 로다민-B의 이차반응 속도상수를 나타내고,
는 로다민-B의 초기농도를 나타내는 것을 특징으로 하는 다채널 연속흐름 반응기를 구비한 라디칼지수 측정장치.
- 제4항에 있어서,
상기 데이터 분석 및 공정제어부(250)는 상기 측정된 라디칼지수를 기반으로 총 전력에너지 소비량에 대한 함수값을 최소화시키는 자외선 조사량과 과산화수소 주입량의 조합을 산출하도록 뉴턴 최적화 수치모델이 구현된 공정모사 프로그램이 내장된 것을 특징으로 하는 다채널 연속흐름 반응기를 구비한 라디칼지수 측정장치. - 다채널 연속흐름 반응기를 구비한 라디칼지수 측정장치를 이용한 고도산화공정의 공정제어변수 최적화 방법에 있어서,
a) 고도산화공정의 공정 에너지 최적화 해석모델에 따라 공정 에너지를 설정하는 단계;
b) 청구항 1의 다채널 연속흐름 반응기를 구비한 라디칼지수 측정장치(200)를 이용하여 라디칼지수를 측정하고, 유해물질에 대한 목표제거율을 설정하는 단계;
c) 유해물질 제거율()에 필요한 자외선 조사량, 과산화수소 주입량 및 총 전력 에너지 소비량을 산출하는 단계;
d) 뉴턴 최적화 수치모델에 따라 상기 산출된 자외선 조사량 및 과산화수소 주입량에 대응하는 최적해를 도출하는 단계;
e) 상기 설정된 공정 에너지가 상기 산출된 총 전력 에너지 소비량보다 큰지 여부를 확인하는 단계;
f) 상기 설정된 공정 에너지가 상기 산출된 총 전력 에너지 소비량보다 크지 않은 경우, 목표제거율을 재조정하는 단계;
g) 상기 도출된 최적해가 만족할만한 수준인지 판단하는 단계; 및
h) 상기 도출된 최적해가 만족할만한 수준인 경우, 에너지를 모니터링하고, 상기 최적해에 대응하는 공정을 제어하는 단계
를 포함하되,
상기 b) 단계의 다채널 연속흐름 반응기를 구비한 라디칼지수 측정장치(200)에 의해 측정된 라디칼지수를 이용하여 고도산화공정에서 사용되는 에너지를 최소화시키면서 대상 오염물질을 제거하기 위한 제어변수인 자외선 조사량과 과산화수소 주입량의 최적화 값을 산출하는 것을 특징으로 하는 다채널 연속흐름 반응기를 구비한 라디칼지수 측정장치를 이용한 고도산화공정의 공정제어변수 최적화 방법. - 제6항에 있어서,
상기 b) 단계에서 상기 다채널 연속흐름 반응기를 구비한 라디칼지수 측정장치(200)에 의해 측정되는 라디칼지수()는,
로 주어지고, 여기서,
는 OH 라디칼과 과산화수소의 이차반응속도상수를 나타내며,
은 채널별 측정된 로다민-B 감소속도 함수의 기울기를 나타내고,
는 채널별로 측정된 로다민-B 함수의 절편을 나타내며,
는 OH 라디칼과 로다민-B의 이차반응 속도상수를 나타내고,
는 로다민-B의 초기농도를 나타내는 것을 특징으로 하는 다채널 연속흐름 반응기를 구비한 라디칼지수 측정장치를 이용한 고도산화공정의 공정제어변수 최적화 방법.
- 제6항에 있어서,
상기 c) 단계에서 유해물질을 원하는 목표제거율 수준으로 제거하기 위하여 에너지를 최소화시키도록, 총 전력에너지 소비량()을 목적함수로 하여,
함수값을 최소화시키는 자외선 조사량과 과산화수소 주입량의 조합을 산출하며, 뉴턴 최적화 수치모델이 구현된 공정모사 프로그램으로 유해물질의 제거율을 예측하여 공정 진단을 수행하는 것을 특징으로 하는 다채널 연속흐름 반응기를 구비한 라디칼지수 측정장치를 이용한 고도산화공정의 공정제어변수 최적화 방법.
- 제6항에 있어서,
상기 c) 단계에서 유해물질 제거율()에 필요한 자외선 조사량(
)은,
로 주어지고, 여기서,
는 자외선 강도를 나타내고,
는 조사 시간을 나타내며,
는 유해물질 제거율을 나타내고,
및
는 각각 254㎚ 몰흡광계수를 나타내며,
및
는 각각 양자수득률을 나타내고,
는 254㎚ 자외선의 흡광도를 나타내며,
는 분광광도계를 이용하여 254㎚에서 측정한 UV 흡수물질 측정값인 광에너지 단위변환상수를 나타내고,
는 과산화수소와 OH 라디칼의 이차반응속도상수를 나타내며,
는 과산화수소 주입량을 나타내는 것을 특징으로 하는 다채널 연속흐름 반응기를 구비한 라디칼지수 측정장치를 이용한 고도산화공정의 공정제어변수 최적화 방법.
- 제9항에 있어서,
상기 c) 단계의 과산화수소 주입량()은,
로 주어지고, 여기서,
는 OH 라디칼지수를 나타내며,
는 유해물질 제거율을 나타내고, 또한,
는 254㎚ 자외선의 흡광도를 각각 나타내는 것을 특징으로 하는 다채널 연속흐름 반응기를 구비한 라디칼지수 측정장치를 이용한 고도산화공정의 공정제어변수 최적화 방법.
- 제6항에 있어서,
상기 c) 단계의 총 전력에너지 소비량()는,
로 주어지고, 여기서,
는 자외선(UV)에 의한 전력 소비량을 나타내고,
는 과산화수소에 의한 전력 소비량을 나타내며,
는 대상원수 시료에 적용된 UV 조사량을 나타내고,
는 반응기 광조사 길이를 나타내며,
는 자외선램프 효율을 나타내고,
는 과산화수소 주입농도를 각각 나타내는 것을 특징으로 하는 다채널 연속흐름 반응기를 구비한 라디칼지수 측정장치를 이용한 고도산화공정의 공정제어변수 최적화 방법.
- 제6항에 있어서,
상기 f) 단계에서 상기 설정된 공정 에너지가 상기 산출된 총 전력 에너지 소비량보다 큰 경우, 상기 도출된 최적해에 대응하는 공정을 제어하는 것을 특징으로 하는 다채널 연속흐름 반응기를 구비한 라디칼지수 측정장치를 이용한 고도산화공정의 공정제어변수 최적화 방법. - 제6항에 있어서,
상기 g) 단계에서, 상기 도출된 최적해가 만족할만한 수준이 아닌 경우, 상기 도출된 최적해가 만족할만한 수준이 될 때까지 상기 목표제거율을 재조정하는 것을 특징으로 하는 다채널 연속흐름 반응기를 구비한 라디칼지수 측정장치를 이용한 고도산화공정의 공정제어변수 최적화 방법.
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