KR20190105827A - Method and system for water treatment using ultrasound effect and photocatalytic reaction - Google Patents

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KR20190105827A
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김학민
소헤일리 나자파바디 파시드
하지라수우리하 메흐란
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김학민
류영근
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Abstract

The present invention relates to a method and system for water treatment using ultrasonic effect and photocatalytic reaction. According to one aspect of the present invention, provided is a system for water treatment using ultrasonic effect and photocatalytic reaction, which comprises: a reaction unit for receiving wastewater containing organic pollutants and air including titanium dioxide nanoparticles or photocatalytic nanocomposites based on titanium dioxide nanoparticles, and emitting light and ultrasonic waves therein; and an air circulation unit configured as a closed loop with the reaction unit and configured to supply air discharged from the reaction unit to pass through at least one photocatalytic filter to be back to the reaction unit.

Description

초음파 작용 및 광촉매 반응을 이용하여 수처리를 하는 방법 및 시스템{METHOD AND SYSTEM FOR WATER TREATMENT USING ULTRASOUND EFFECT AND PHOTOCATALYTIC REACTION}METHOD AND SYSTEM FOR WATER TREATMENT USING ULTRASOUND EFFECT AND PHOTOCATALYTIC REACTION}

본 발명은 초음파 작용 및 광촉매 반응을 이용하여 수처리를 하는 방법 및 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a method and system for water treatment using ultrasonic action and photocatalytic reaction.

각종 산업이 고도로 발전하면서 산업 현장에서 발생되는 폐수에 포함되는 오염 물질 또한 다양화되는 등 환경 오염 문제가 심각해지고 있다. 종래에는 생물학적 처리, 물리적 처리, 화학적 처리 또는 이들 중 둘 이상을 조합하는 처리에 의하여 위와 같은 폐수를 해결하여 왔으나, 난분해성 화합물(non-degradable compounds)이 증가하면서 폐수 처리에 어려움을 겪게 되었다.As various industries are highly developed, environmental pollution problems are getting serious as the pollutants contained in the wastewater generated at industrial sites are also diversified. Conventionally, such wastewater has been solved by biological treatment, physical treatment, chemical treatment, or a combination of two or more thereof, but it has been difficult to treat wastewater due to the increase of non-degradable compounds.

하지만, 나노 입자의 뛰어난 오염 물질 제거 능력은 환경 오염 문제를 해결하는 것에 관하여 큰 가능성을 제시해 주었고, 특히, 이산화티탄(TiO2) 나노 입자는 다른 나노 물질과 비교할 때 더 높은 오염 물질 제거 효율로 인해 많은 연구자들의 주목을 받아왔다.However, the nanoparticle's excellent pollutant removal capability offers great potential for solving environmental pollution problems, especially titanium dioxide (TiO 2 ) nanoparticles due to their higher pollutant removal efficiency compared to other nanomaterials. Many researchers have been attracting attention.

이러한 이산화티탄 나노 입자를 광촉매로서 활용하여 수처리를 할 때에는 고도 산화 공정(AOP; Advanced Oxidation Process) 기술이 기반이 되는데, 여기서 고도 산화 공정이란 보통의 산화 공정에서 사용되는 산화제보다 강력한 산화력을 가지는 하이드록실 라디칼(OH·, hydroxyl radical)을 생성시켜 이 라디칼이 물에 함유되어 있는 유기 화합물을 이산화탄소(CO2), 물(H2O), 염산(HCl) 등의 상대적으로 해가 적은 화합물로 분해시키는 공정을 의미한다.When the titanium dioxide nanoparticles are used as a photocatalyst, water treatment is based on Advanced Oxidation Process (AOP) technology, where the advanced oxidation process is a hydroxyl having stronger oxidizing power than the oxidizing agent used in the normal oxidation process. By generating radicals (OH ·, hydroxyl radicals), these radicals decompose organic compounds contained in water into relatively less harmful compounds such as carbon dioxide (CO 2 ), water (H 2 O), and hydrochloric acid (HCl). Means fair.

한편, 여기서 광촉매(photocatalysis)란 빛 에너지를 받아서 촉매 작용이 일어나게끔 하는 것인데, 그 일례인 이산화티탄은 표면에 밴드 갭 에너지(band gap energy)에 해당되는 빛 에너지를 받게 되면, 가전자대(VB; Valence Band)의 전자가 전도대(CB; Conduction Band)로 여기되면서, 가전자대에는 정공이 전도대에는 여기 전자(excited electron)가 형성된다. 형성된 정공과 전자는 강력한 산화력과 환원력을 바탕으로, 정공은 주위의 물과 반응하여 하이드록실 라디칼을 생성하고, 여기 전자는 흡착되어 있는 산소와 반응하여 과산소 라디칼(O2·)을 생성한 다음 물과 함께 과산화수소를 생성한다. 이렇듯 강한 산화력과 환원력을 가지고 있는 정공과 전자는 광촉매 표면에 반응이 일어날 수 있는 유기물이 없으면 재결합을 하여 본래의 상태로 돌아가게 된다.On the other hand, the photocatalysis (catalysis) is to receive the light energy to cause the catalytic action, the titanium dioxide is an example of receiving a light energy corresponding to the band gap energy (band gap energy) on the surface, the valence band (VB); As electrons in the valence band are excited to the conduction band (CB), holes are formed in the valence band and excited electrons are formed in the conduction band. The holes and electrons formed are based on strong oxidizing and reducing power, and the holes react with the surrounding water to produce hydroxyl radicals, and the electrons react with the adsorbed oxygen to produce peroxygen radicals (O 2 ·) Produces hydrogen peroxide with water. As such, holes and electrons having strong oxidizing and reducing power will recombine and return to their original state if there is no organic substance that can react on the surface of the photocatalyst.

또 한편, 미국 프린스턴 대학(Princeton university)의 하베이(E. Neton Harvey)와 루미스(Alfred L. Loomis)는 초음파를 이용하여 물 속의 미생물을 제거하는 방법을 소개한 바 있는데(예를 들어, 35℃ 이하의 온도에서 30분, 60분 및 90분 동안 375 kHz의 초음파를 조사함으로써, 물 속의 바실러스(Bacillus fischeri)(또는, 알리비브리오(Aliivibrio fischeri))가 제거될 수 있다.), 최근 이러한 초음파를 수처리에 적용해 보려는 시도가 활발하다.On the other hand, E. Neton Harvey and Alfred L. Loomis of Princeton University, USA, have introduced the use of ultrasound to remove microorganisms in water (eg, 35 ° C). By irradiating 375 kHz ultrasonic waves for 30, 60 and 90 minutes at the following temperatures, Bacillus fischeri (or Aliivibrio fischeri) in water can be removed. Attempts have been made to apply it to water treatment.

이상에서 살펴본 바로부터 착안하여 신규한 발명을 제안할 수 있다. 즉, 이산화티탄이 갖는 높은 산화력에도 불구하고 이산화티탄의 정공-전자의 빠른 재결합 특성 등으로 인해 광촉매 반응의 효율이 다소 낮았기 때문에(예를 들면, 빠른 재결합으로 인해 산화 환원 반응 시간이 짧아졌음), 종래의 수처리 시스템에서 수처리에 소요되는 시간이 길어진 문제점 등을 해결하기 위하여, 본 발명자(들)는, (1) 폐수 속에 하이드록실 라디칼 등의 산화제를 포함하는 공기를 공급하고, (2) 초음파를 적용하여 그 폐수 속의 미생물을 제거하거나 그 폐수 속에서 미세 공기 방울을 발생시키며, (3) 이산화티탄 나노 입자 또는 이산화티탄 나노 입자 기반의 광촉매 나노 복합체(예를 들어, 은(Ag) 나노 입자를 코어로 하고 그 표면에 이산화티탄 나노 입자의 코팅층을 포함하는 코어 쉘 구조의 광촉매 나노 복합체)를 이용함으로써, 기존의 수처리 시스템의 수처리 효율, 수처리 시간 등을 개선할 수 있는 신규한 발명을 여기서 제안하는 바이다.Considering the above, it is possible to propose a novel invention. That is, despite the high oxidation power of titanium dioxide, the photocatalytic reaction efficiency was rather low due to the fast recombination property of the hole-electron of titanium dioxide (for example, the redox reaction time was shortened due to the fast recombination). In order to solve the problem that the time required for the water treatment in the conventional water treatment system is increased, the inventor (s) supply (1) air containing oxidizing agents such as hydroxyl radicals in the waste water, and (2) ultrasonic waves. (3) photocatalytic nanocomposites based on titanium dioxide nanoparticles or titanium dioxide nanoparticles (eg, silver (Ag) nanoparticles) By using a core shell structure photocatalytic nanocomposite comprising a core and a coating layer of titanium dioxide nanoparticles on the surface thereof. I would suggest a novel invention that can improve the efficiency of water treatment, water treatment time and the like of the processing system where.

본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 모두 해결하는 것을 그 목적으로 한다.The present invention aims to solve all of the above-mentioned problems of the prior art.

또한, 본 발명은, 초음파를 이용하여 폐수 속의 미생물을 제거하고 폐수 속에서 미세 공기 방울이 발생되도록(즉, 폐수와 접촉하는 공기 방울의 표면적이 넓어지도록) 함으로써, 수처리 효율을 개선하는 것을 다른 목적으로 한다.The present invention also aims to improve water treatment efficiency by removing microorganisms in wastewater using ultrasonic waves and generating micro air bubbles in the waste water (that is, increasing the surface area of the air bubbles in contact with the waste water). do.

또한, 본 발명은, 이산화티탄 나노 입자 또는 이산화티탄 나노 입자 기반의 광촉매 나노 복합체가 포함되어 있는 공기를 공급함으로써, 폐수 처리 효율을 향상시키고 폐수 처리 시간을 감소시키는 것을 또 다른 목적으로 한다.In addition, another object of the present invention is to improve wastewater treatment efficiency and reduce wastewater treatment time by supplying air containing titanium dioxide nanoparticles or photocatalytic nanocomposites based on titanium dioxide nanoparticles.

또한, 본 발명은 은 나노 입자를 코어로 하고 이산화티탄 나노 입자의 코팅층을 포함하는 코어 쉘 구조의 광촉매 나노 복합체를 이용하여 광원이 없거나 광원이 약한 경우에도 항균성이 극대화되도록 하는 것을 또 다른 목적으로 한다.Another object of the present invention is to maximize antimicrobial activity even when there is no light source or weak light source by using a photoshell nanocomposite having a core shell structure including silver nanoparticles as a core and a coating layer of titanium dioxide nanoparticles. .

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 대표적인 구성은 다음과 같다.Representative configuration of the present invention for achieving the above object is as follows.

본 발명의 일 태양에 따르면, 초음파 작용 및 광촉매 반응을 이용하여 수처리를 하는 시스템으로서, 유기 오염 물질을 포함하는 폐수와 이산화티탄 나노 입자 또는 이산화티탄 나노 입자 기반의 광촉매 나노 복합체를 포함하는 공기가 공급되고, 내부에 빛과 초음파를 조사하는 반응부, 및 상기 반응부와 폐루프로 구성되고, 상기 반응부로부터 배출되는 공기를 적어도 하나의 광촉매 필터를 통과시켜 상기 반응부로 다시 공급하는 공기 순환부를 포함하는 시스템이 제공된다.According to an aspect of the present invention, there is provided a system for water treatment using ultrasonic action and photocatalytic reaction, wherein wastewater containing organic pollutants and air containing titanium dioxide nanoparticles or titanium dioxide nanoparticle-based photocatalytic nanocomposites are supplied. And a reaction part configured to irradiate light and ultrasonic waves therein, and an air circulation part configured to include the reaction part and the closed loop, and to supply air discharged from the reaction part to at least one photocatalyst filter and supply the air back to the reaction part. A system is provided.

본 발명의 다른 태양에 따르면, 반응부 및 공기 순환부를 포함하는 수처리 시스템에서 초음파 작용 및 광촉매 반응을 이용하여 수처리를 하는 방법으로서, 상기 반응부에서, 유기 오염 물질을 포함하는 폐수와 이산화티탄 나노 입자 또는 이산화티탄 나노 입자 기반의 광촉매 나노 복합체를 포함하는 공기를 공급하고, 이에 대하여 빛과 초음파를 조사하는 단계, 및 상기 반응부와 폐루프로 구성되는 공기 순환부에서, 상기 반응부로부터 배출되는 공기를 적어도 하나의 광촉매 필터를 통과시켜 상기 반응부로 다시 공급하는 단계를 포함하는 방법이 제공된다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method for water treatment using an ultrasonic action and a photocatalytic reaction in a water treatment system including a reaction unit and an air circulation unit, wherein the reaction unit includes wastewater and titanium dioxide nanoparticles containing organic pollutants. Or supplying air including a titanium dioxide nanoparticle-based photocatalytic nanocomposite, irradiating light and ultrasonic waves thereto, and an air discharged from the reaction part in an air circulation part composed of the reaction part and a closed loop. It is provided through the at least one photocatalyst filter and fed back to the reaction unit.

본 발명에 의하면, 초음파를 이용하여 폐수 속의 미생물을 제거하고 폐수 속에서 미세 공기 방울이 발생되도록 함으로써, 수처리 효율을 개선할 수 있게 된다.According to the present invention, by removing the microorganisms in the waste water by using ultrasonic waves and by generating fine air bubbles in the waste water, it is possible to improve the water treatment efficiency.

본 발명에 의하면, 이산화티탄 나노 입자 또는 이산화티탄 나노 입자 기반의 광촉매 나노 복합체가 포함되어 있는 공기를 공급함으로써, 폐수 처리 효율을 향상시키고 폐수 처리 시간을 감소시킬 수 있다.According to the present invention, by supplying air containing titanium dioxide nanoparticles or photocatalytic nanocomposites based on titanium dioxide nanoparticles, it is possible to improve wastewater treatment efficiency and reduce wastewater treatment time.

또한, 본 발명에 의하면, 은 나노 입자를 코어로 하고 이산화티탄 나노 입자의 코팅층을 포함하는 코어 쉘 구조의 광촉매 나노 복합체를 이용하여 광원이 없거나 광원이 약한 경우에도 항균성이 극대화되도록 할 수 있다.In addition, according to the present invention, antimicrobial activity can be maximized even when there is no light source or weak light source by using the photocatalytic nanocomposite having a core shell structure including silver nanoparticles as a core and including a coating layer of titanium dioxide nanoparticles.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광촉매 나노 복합체의 구조를 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 2 내지 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 광촉매 나노 복합체의 TEM 이미지를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 광촉매 나노 복합체의 제조 공정을 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 및 광촉매 나노 복합체를 적용한 수처리 시스템을 예시적으로 나타낸 도면이다.1 is a diagram showing the structure of a photocatalytic nanocomposite according to an embodiment of the present invention.
2 to 4 is a view showing a TEM image of the photocatalytic nanocomposite according to an embodiment of the present invention.
5 is a view exemplarily illustrating a manufacturing process of a photocatalytic nanocomposite according to an embodiment of the present invention.
6 is a view exemplarily illustrating a water treatment system to which an ultrasonic wave and a photocatalytic nanocomposite are applied according to an embodiment of the present invention.

후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이러한 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 본 명세서에 기재되어 있는 특정 형상, 구조, 성분 및 특성은 본 발명의 정신과 범위를 벗어나지 않으면서 일 실시예로부터 다른 실시예로 변경되어 구현될 수 있다. 또한, 각각의 실시예 내의 개별 구성요소의 위치나 배치, 또는 개별 구성요소 간의 혼합, 반응 등에 관한 환경이나 순서도 본 발명의 정신과 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 행하여지는 것이 아니며, 본 발명의 범위는 특허청구범위의 청구항들이 청구하는 범위 및 그와 균등한 모든 범위를 포괄하는 것으로 받아들여져야 한다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 구성요소를 나타낸다.DETAILED DESCRIPTION The following detailed description of the invention refers to the accompanying drawings that show, by way of illustration, specific embodiments in which the invention may be practiced. These embodiments are described in sufficient detail to enable those skilled in the art to practice the invention. It should be understood that the various embodiments of the present invention are different but need not be mutually exclusive. For example, certain shapes, structures, components, and characteristics described herein may be embodied by changing from one embodiment to another without departing from the spirit and scope of the invention. In addition, it is to be understood that the environment or order in which each component is positioned or disposed in each embodiment, or a mixture, reaction, or the like between the individual components may be changed without departing from the spirit and scope of the present invention. Accordingly, the following detailed description is not to be taken in a limiting sense, and the scope of the present invention should be taken as encompassing the scope of the claims of the claims and all equivalents thereto. Like reference numerals in the drawings indicate the same or similar elements throughout the several aspects.

이하에서는, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 여러 바람직한 실시예에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, various preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily implement the present invention.

1. 광촉매 나노 복합체1. Photocatalytic Nanocomposites

먼저, 본 발명의 일 실시예에 따른 광촉매 나노 복합체에 관하여 아래에서 살펴보기로 한다.First, a photocatalytic nanocomposite according to an embodiment of the present invention will be described below.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광촉매 나노 복합체의 구조를 예시적으로 나타낸 도면이다.1 is a diagram showing the structure of a photocatalytic nanocomposite according to an embodiment of the present invention.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 광촉매 나노 복합체의 구조는, 은 나노 입자를 코어로 하고, 그 은 나노 입자의 표면에 복수의 이산화티탄 나노 입자를 포함하는 구조일 수 있다.As shown in FIG. 1, the structure of the photocatalytic nanocomposite according to an embodiment of the present invention may be a structure including silver nanoparticles as a core and a plurality of titanium dioxide nanoparticles on the surface of the silver nanoparticles. have.

구체적으로, 은 나노 입자의 크기는 1 내지 30 nm(보다 구체적으로는, 10 내지 20 nm)일 수 있고, 이산화티탄 나노 입자의 크기는 20 내지 60 nm(보다 구체적으로는, 30 내지 50 nm)일 수 있다. 한편, 이러한 광촉매 나노 복합체는 코어 쉘 구조일 수 있다.Specifically, the size of the silver nanoparticles may be 1 to 30 nm (more specifically, 10 to 20 nm), and the size of the titanium dioxide nanoparticles may be 20 to 60 nm (more specifically, 30 to 50 nm). Can be. Meanwhile, the photocatalytic nanocomposite may have a core shell structure.

도 2 내지 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 광촉매 나노 복합체의 TEM(Transmission Electron Microscope) 이미지를 나타낸 도면이다.2 to 4 is a view showing a Transmission Electron Microscope (TEM) image of the photocatalytic nanocomposite according to an embodiment of the present invention.

도 2 내지 도 4의 TEM 이미지를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 광촉매 나노 복합체가 은 나노 입자를 중심으로 하고 그 주변에 복수의 이산화티탄 나노 입자가 형성되어 있는 형태인 것을 확인할 수 있다.Referring to the TEM image of FIGS. 2 to 4, it can be seen that the photocatalytic nanocomposite according to an embodiment of the present invention has a shape in which a plurality of titanium dioxide nanoparticles are formed around the silver nanoparticles. .

전술한 바와 같이, 이산화티탄은 광촉매 반응이 일어난 후에 추가적인 반응이 일어나게끔 할 수 있는 물질이 주위에 없으면 정공과 전자의 쌍이 빠르게 재결합하게 되므로, 이러한 정공-전자 쌍의 분리 시간을 늘릴 수 있다면(즉, 산화 환원 반응 시간이 길어질 수 있다면), 광촉매의 효율을 향상시킬 수 있게 된다. 따라서, 일 실시예에 따른 광촉매 나노 복합체는, 이산화티탄보다 높은 전도대를 갖고 있는 전이 금속(transition metal)인 은을 이산화티탄으로 코팅하거나 도핑함으로써, 이산화티탄의 정공-전자 쌍의 재결합을 늦출 수 있게 되고 그 광촉매 효율이 종래의 이산화티탄 나노 입자의 광촉매 효율보다 향상될 수 있게 된다. 즉, 일 실시예에 따른 광촉매 나노 복합체는 종래의 이산화티탄 나노 입자에 의하여 발생되는 하이드록실 라디칼에 비해 더 많은 양의 하이드록실 라디칼을 생성할 수 있게 된다.As mentioned above, titanium dioxide can recombine the hole-electron pair quickly if there is no material around it that can cause further reactions after the photocatalytic reaction, thus increasing the separation time of this hole-electron pair (i.e. If the redox reaction time can be long), the efficiency of the photocatalyst can be improved. Accordingly, the photocatalytic nanocomposite according to an embodiment may delay or recombine the hole-electron pair of titanium dioxide by coating or doping with a titanium dioxide, which is a transition metal having a higher conduction band than titanium dioxide. And the photocatalytic efficiency can be improved than the photocatalytic efficiency of the conventional titanium dioxide nanoparticles. That is, the photocatalytic nanocomposite according to one embodiment may generate a greater amount of hydroxyl radicals than the hydroxyl radicals generated by conventional titanium dioxide nanoparticles.

또한, 광촉매 나노 복합체는 항균성 금속 원소인 은의 나노 입자를 포함함으로써 광원이 없거나 약한 경우에도 광촉매 나노 복합체의 항균성이 극대화되게끔 할 수 있다.In addition, the photocatalytic nanocomposite may include nanoparticles of silver, which is an antimicrobial metal element, to maximize the antimicrobial activity of the photocatalytic nanocomposite even when there is no light source or weak.

2. 광촉매 나노 복합체의 제조 공정2. Manufacturing Process of Photocatalytic Nanocomposite

이하에서는, 본 발명의 일 실시예에 따른 광촉매 나노 복합체의 제조 공정을 살펴보기로 한다.Hereinafter, a manufacturing process of the photocatalytic nanocomposite according to an embodiment of the present invention will be described.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 광촉매 나노 복합체의 제조 공정을 예시적으로 나타낸 도면이다.5 is a view exemplarily illustrating a manufacturing process of a photocatalytic nanocomposite according to an embodiment of the present invention.

도 5에 도시된 광촉매 나노 복합체의 예시적인 제조 공정은 다음과 같다.An exemplary manufacturing process of the photocatalytic nanocomposite shown in FIG. 5 is as follows.

(i) 은 나노 분말 1 gr(약 64.8 mg)과 35%의 질산(HNO3) 1 mL를 혼합한 제1 혼합 용액을 준비한다. 이러한 제1 혼합 용액은 질산은 수용액(AgNO3)을 적정량만큼 포함할 수 있다.(i) A first mixed solution of 1 gr of silver nanopowder (about 64.8 mg) and 1 mL of 35% nitric acid (HNO 3 ) was prepared. The first mixed solution may include an appropriate amount of silver nitrate aqueous solution (AgNO 3 ).

(ii) 위의 제1 혼합 용액과 증류수 45 mL 및 사염화티탄(TiCl4) 4 mL을 혼합하고, -5 내지 5℃(보다 구체적으로는, 0℃)의 온도에서 20 내지 30시간(보다 구체적으로는, 24시간) 동안 교반하여 제2 혼합 용액을 제조한다.(ii) the above first mixed solution and 45 mL of distilled water and 4 mL of titanium tetrachloride (TiCl 4 ) are mixed and 20 to 30 hours (more specifically, at a temperature of −5 to 5 ° C. (more specifically, 0 ° C.)). For 24 hours) to prepare a second mixed solution.

(iii) 증류수 91.15 L와 모노에틸렌글리콜(MEG; Mono Ethylene Glycol) 8.8 L를 20 내지 30℃(보다 구체적으로는, 25℃)의 온도에서 0.5 내지 2시간(보다 구체적으로는, 1시간) 동안 교반하여 제3 혼합 용액을 준비한다.(iii) 91.15 L of distilled water and 8.8 L of Mono Ethylene Glycol (MEG) at a temperature of 20 to 30 ° C. (more specifically, 25 ° C.) for 0.5 to 2 hours (more specifically, 1 hour) By stirring, a third mixed solution is prepared.

(iv) 위의 제2 혼합 용약과 제3 혼합 용약을 혼합하여 3 내지 5시간(보다 구체적으로는, 4시간) 동안 광 환원(photo reduction) 또는 초음파 환원(sonic reduction)의 처리를 함으로써, 광촉매 나노 복합체를 포함하는 100 L의 용액을 제조할 수 있다.(iv) a photocatalyst by mixing the second mixed solution and the third mixed solution with a photo reduction or sonic reduction for 3 to 5 hours (more specifically, 4 hours). 100 L of a solution containing the nanocomposite can be prepared.

3. 수처리 시스템3. Water treatment system

이하에서는, 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 및 광촉매 나노 복합체를 적용한 수처리 시스템에 관하여 살펴보기로 한다.Hereinafter, a water treatment system using the ultrasonic and photocatalytic nanocomposites according to an embodiment of the present invention will be described.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 및 광촉매 나노 복합체를 적용한 수처리 시스템을 예시적으로 나타낸 도면이다.6 is a view exemplarily illustrating a water treatment system to which an ultrasonic wave and a photocatalytic nanocomposite are applied according to an embodiment of the present invention.

도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 및 광촉매 나노 복합체를 이용한 수처리 시스템은 반응부(100)와 공기 순환부(200)를 포함하여 구성될 수 있다.As shown in FIG. 6, the water treatment system using the ultrasonic and photocatalytic nanocomposites according to the exemplary embodiment of the present invention may include a reaction part 100 and an air circulation part 200.

먼저, 본 발명의 일 실시예에 따른 반응부(100)는 유기 오염 물질을 포함하는 폐수와 이산화티탄 나노 입자 또는 이산화티탄 나노 입자 기반의 광촉매 나노 복합체를 포함하는 공기가 그 내부로 공급될 수 있고, 그 내부에 광원(미도시됨)과 초음파 발생기(미도시됨)로부터의 빛(예를 들면, 자외선)과 초음파가 각각 조사되도록 할 수 있다. 한편, 전술한 광원은 태양일 수도 있지만 반응부(100)에 포함되는 램프(구체적으로는, 자외선 램프)일 수 있다. 또 한편, 전술한 초음파 발생기는 반응부(100) 내부에 배치되어 10 내지 100 kHz(구체적으로는, 20 kHz)의 주파수 및 10 내지 2500W의 출력의 초음파가 조사되도록 할 수 있다.First, the reaction part 100 according to an embodiment of the present invention may be supplied with wastewater containing organic pollutants and air containing titanium dioxide nanoparticles or photocatalytic nanocomposites based on titanium dioxide nanoparticles. In addition, light (for example, ultraviolet rays) and ultrasonic waves from a light source (not shown) and an ultrasonic generator (not shown) may be irradiated therein. Meanwhile, the light source described above may be the sun, but may be a lamp (specifically, an ultraviolet lamp) included in the reaction unit 100. In addition, the ultrasonic generator described above may be disposed inside the reaction unit 100 to irradiate ultrasonic waves having a frequency of 10 to 100 kHz (specifically, 20 kHz) and an output of 10 to 2500W.

따라서, 위의 공기를 통해 폐수 속에 유입된 이산화티탄 나노 입자 또는 이산화티탄 나노 입자 기반의 광촉매 나노 복합체에 의하여 광촉매 반응이 일어나도록 할 수 있고, 이를 통해 하이드록실 라디칼 등의 강력한 산화제가 생성될 수 있으며, 해당 산화제에 의해 폐수 속 오염 물질(예를 들면, 유기 물질)이 분해될 수 있게 된다.Therefore, the photocatalytic reaction may be caused by the titanium dioxide nanoparticles or the titanium dioxide nanoparticle-based photocatalytic nanocomposites introduced into the wastewater through the above air, thereby generating a powerful oxidizing agent such as hydroxyl radicals. The pollutant (eg, organic matter) in the wastewater can be decomposed by the oxidant.

또한, 초음파의 작용에 의하여, 반응부(100)의 내부에서 캐비에이션 효과(caviation effect)에 의해 공기 방울이 생성되거나, 공기 방울(예를 들어, 위의 캐비에이션 효과에 의해서 생성된 공기 방울 또는 위의 공급되는 공기에 의해서 생성된 공기 방울)이 미세 공기 방울로 분산될 수 있게 된다(이를 통해, 폐수와 공기 방울 사이의 접촉 면적이 극대화될 수 있다.). 또한, 이러한 캐비에이션 효과에 의해 수많은 공기 방울들이 팽창 및 붕괴를 반복하게 되면서 강력한 유체역학적 전단력(hydromechanical shear force)이 발생될 수 있어서, 이에 의해 인접한 박테리아 세포 등을 파괴하여 제거할 수 있다. 또한, 공기 방울들의 팽창 및 붕괴로 인해 반응부(100)의 내부에 국지적인 고온(예를 들어, 5000K의 온도) 또는 고압(예를 들어, 200~1000 atm)이 발생될 수 있어서, 이를 통해 폐수 속의 세균, 슬러지 등이 분해되도록 할 수도 있다. 또한, 반응부(100) 내부에 조사되는 초음파의 음향 유동(acoustic flow)에 의해 슬러지, 부유물 등이 파쇄되도록 할 수도 있다.In addition, by the action of the ultrasonic wave, the air bubbles are generated by the cavitation effect (cavitation effect) inside the reaction unit 100, or the air bubbles (for example, air bubbles generated by the above cavitation effect or stomach Air bubbles generated by the supplied air of s) can be dispersed into fine air bubbles (this can maximize the contact area between the waste water and the air bubbles). In addition, as the cavitation effect causes numerous air bubbles to expand and collapse repeatedly, a strong hydromechanical shear force can be generated, thereby destroying and removing adjacent bacterial cells. In addition, due to expansion and collapse of air bubbles, a localized high temperature (for example, a temperature of 5000 K) or a high pressure (for example, 200 to 1000 atm) may be generated within the reaction part 100. It can also cause bacteria, sludge, etc. in the waste water to be decomposed. In addition, sludge, suspended solids, etc. may be crushed by the acoustic flow of ultrasonic waves irradiated inside the reaction part 100.

또한, 반응부(100)는 폐수가 이동될 수 있는 유동 경로(예를 들면, 이러한 경로는 지그재그 형태, ㄱ자 형태, ㄷ자 형태 등의 파이프일 수 있음)를 포함할 수 있고, 그 유동 경로 중 적어도 일부의 경로에 위의 광원으로부터의 빛이 조사되도록 할 수 있다. 즉, 반응부(100)는 위의 유동 경로에 빛이 조사되도록 함으로써, 위의 공기를 통해 폐수 속에 유입된 이산화티탄 나노 입자 또는 이산화티탄 나노 입자 기반의 광촉매 나노 복합체에 의하여 광촉매 반응이 일어나도록 할 수 있고, 이를 통해 하이드록실 라디칼 등의 강력한 산화제가 생성될 수 있으며, 해당 산화제에 의해 폐수 속 오염 물질(예를 들면, 유기 물질)이 분해될 수 있게 된다.In addition, the reaction unit 100 may include a flow path (for example, the path may be a zigzag, a-shaped, c-shaped, etc.) pipe through which the waste water may be moved, and at least one of the flow paths. Some paths can cause light from the above light source to be irradiated. That is, the reaction unit 100 is to be irradiated with light in the above flow path, so that the photocatalytic reaction occurs by the photocatalytic nanocomposite based on titanium dioxide nanoparticles or titanium dioxide nanoparticles introduced into the wastewater through the air above. In this way, a powerful oxidant such as hydroxyl radicals can be produced, and the oxidant can decompose contaminants (eg, organic substances) in the wastewater.

또한, 반응부(100)는 그 내부에 존재하는 폐수에 산소를 포함하는 공기가 공급되도록 함으로써, 호기성 미생물(예를 들면, 박테리아) 등에 의한 생물학적 수처리의 효율(예를 들면, 호기성 미생물의 분해 능력)이 향상되도록 할 수 있다.In addition, the reaction unit 100 is to supply air containing oxygen to the waste water existing therein, the efficiency of biological water treatment (for example, the ability to decompose aerobic microorganisms) by aerobic microorganisms (for example bacteria), etc. ) Can be improved.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 반응부(100)는 광촉매 멤브레인(110)을 더 포함하여 구성될 수도 있다. 이러한 광촉매 멤브레인(110)은 이산화티탄 기반의 멤브레인(예를 들면, TiO2 나노 섬유, TiO2 나노 튜브, TiO2 나노 와이어 등)일 수 있고, 이러한 광촉매 멤브레인(110)은 고분자(예를 들면, 폴리아미드, 폴리비닐리덴플로라이드(PVDF), 폴리에테르술폰(PES), 폴리비닐리덴플로라이드/술포네이트 폴리에테르술폰(PVDF/SPES), 폴리우레탄(PU), 폴리아크릴로니트릴(PAN), 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE) 등) 또는 세라믹(Al2O3 등)을 지지체로 하고 그 지지체에 이산화티탄이 고정되는 멤브레인 등일 수 있다. 또한, 광촉매 멤브레인(110)에는 본 발명의 일 실시예에 따른 광촉매 나노 복합체가 고정되어 있을 수도 있다.On the other hand, the reaction unit 100 according to an embodiment of the present invention may further comprise a photocatalyst membrane (110). The photocatalyst membrane 110 may be a titanium dioxide based membrane (eg, TiO 2 nanofibers, TiO 2 nanotubes, TiO 2 nanowires, etc.), and the photocatalytic membrane 110 may be a polymer (eg, Polyamide, polyvinylidene fluoride (PVDF), polyether sulfone (PES), polyvinylidene fluoride / sulfonate polyether sulfone (PVDF / SPES), polyurethane (PU), polyacrylonitrile (PAN), Polytetrafluoroethylene (PTFE) or the like) or ceramic (Al 2 O 3 or the like) as a support, and a membrane on which titanium dioxide is fixed to the support. In addition, the photocatalytic nanocomposite according to an embodiment of the present invention may be fixed to the photocatalyst membrane 110.

예를 들면, 반응부(100)는 폐수로부터 슬러지(sluge)를 분리시키고, 그 분리된 용액이 광촉매 멤브레인(110)을 통과하도록 할 수 있으며, 그 광촉매 멤브레인(110)에 빛(예를 들어, 자외선)이 조사되도록 함으로써 광촉매 멤브레인(110)에 포함되는 이산화티탄 등에 의해 광촉매 반응이 일어나도록 할 수 있다.For example, the reaction unit 100 may separate sludge from the wastewater and allow the separated solution to pass through the photocatalytic membrane 110, and light (eg, to the photocatalyst membrane 110). Ultraviolet ray) can be irradiated to cause a photocatalytic reaction by titanium dioxide or the like included in the photocatalytic membrane 110.

다음으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 공기 순환부(200)는 반응부(100)에서 배출되는 공기가 적어도 하나의 광촉매 필터를 통과하도록 한 후에 이것을 반응부(100)로 다시 공급할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 이러한 광촉매 필터에는, 이산화티탄 나노 입자 또는 이산화티탄 나노 입자 기반의 광촉매 나노 복합체 등이 고정되어 있을 수 있다. 한편, 공기 순환부(200)는 위의 광촉매 필터에서 광촉매 반응이 일어날 수 있도록 광원(예를 들면, 태양광, 자외선 램프 등)으로부터 빛이 조사되도록 할 수 있으며, 해당 광원을 위한 집광기 등을 포함할 수 있다.Next, the air circulation unit 200 according to an embodiment of the present invention may allow the air discharged from the reaction unit 100 to pass through at least one photocatalyst filter and then supply it to the reaction unit 100 again. According to an embodiment of the present invention, such a photocatalyst filter may be fixed with titanium dioxide nanoparticles or titanium dioxide nanoparticle-based photocatalytic nanocomposites. On the other hand, the air circulation unit 200 may be irradiated with light from a light source (for example, sunlight, ultraviolet lamps, etc.) so that the photocatalytic reaction may occur in the photocatalyst filter, and includes a light collector for the light source. can do.

한편, 반응부(100)로부터 배출되는 공기에는, 생물학적이거나 화학학적인 분해로 인해 가스(예를 들어, 메탄(CH4), 황화수소(H2S). 암모니아(NH3) 등), 미생물(microorganisms) 등이 포함되어 있을 수 있는데, 공기 순환부(200)는 반응부(100)로부터 배출되는 공기가 적어도 하나의 광촉매 필터를 통과하도록 함으로써 그 공기에 포함된 세균, 미생물 등이 제거되도록 할 수 있고, 그 공기에 이산화티탄 나노 입자, 이산화티탄 나노 입자 기반의 광촉매 나노 복합체 또는 광촉매 반응을 통해 생성된 하이드록실 라디칼이 포함되도록 한 채로 공기를 반응부(100)로 공급할 수 있다. 한편, 이 경우에, 공기 순환부(200)는 반응부(100)로부터 배출되는 공기가 외부로 유출되지 않고, 적어도 하나의 광촉매 필터를 거쳐 반응부(100)로 다시 공급되도록 함으로써, 공기 순환(즉, 수처리 시스템의 공기 순환)이 폐루프 방식으로 이루어도록 할 수 있다. 즉, 수처리 시스템 내부의 공기 순환이 폐루프 방식으로 수행되도록 함으로써, 해당 수처리 시스템의 내부에서 발생되는 가스와 악취로 인해 추가적인 환경 오염이 야기되는 것을 차단할 수 있게 된다.On the other hand, the air discharged from the reaction unit 100, due to biological or chemical decomposition gas (for example, methane (CH 4 ), hydrogen sulfide (H 2 S), ammonia (NH 3 ), etc.), microorganisms ( microorganisms) and the like, and the air circulation unit 200 may allow the air discharged from the reaction unit 100 to pass through at least one photocatalyst filter to remove bacteria, microorganisms, and the like contained in the air. The air may be supplied to the reaction unit 100 while the air contains titanium dioxide nanoparticles, photocatalytic nanocomposites based on titanium dioxide nanoparticles, or hydroxyl radicals generated through a photocatalytic reaction. On the other hand, in this case, the air circulating unit 200 allows the air discharged from the reaction unit 100 to be supplied back to the reaction unit 100 through at least one photocatalyst filter without being leaked to the outside. That is, the air circulation of the water treatment system) can be made in a closed loop manner. That is, by allowing the air circulation inside the water treatment system to be performed in a closed loop manner, it is possible to block the occurrence of additional environmental pollution due to the gas and odor generated inside the water treatment system.

이상에서 본 발명이 구체적인 구성요소 등과 같은 특정 사항과 한정된 실시예 및 도면에 의하여 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위하여 제공된 것일 뿐, 본 발명이 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정과 변경을 꾀할 수 있다.Although the present invention has been described by specific matters such as specific components and limited embodiments and drawings, it is provided only to help a more general understanding of the present invention, and the present invention is not limited to the above embodiments. Those skilled in the art may make various modifications and changes from this description.

따라서, 본 발명의 사상은 상기 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 또는 이로부터 등가적으로 변경된 모든 범위는 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.Therefore, the spirit of the present invention should not be limited to the above-described embodiments, and the scope of the spirit of the present invention is defined not only in the claims below, but also in the ranges equivalent to or equivalent to the claims. Will belong to.

100: 반응부
110: 광촉매 멤브레인
200: 공기 순환부100: reaction part
110: photocatalyst membrane
200: air circulation

Claims (6)

초음파 작용 및 광촉매 반응을 이용하여 수처리를 하는 시스템으로서,
유기 오염 물질을 포함하는 폐수와 이산화티탄 나노 입자 또는 이산화티탄 나노 입자 기반의 광촉매 나노 복합체를 포함하는 공기가 공급되고, 내부에 빛과 초음파를 조사하는 반응부, 및
상기 반응부와 폐루프로 구성되고, 상기 반응부로부터 배출되는 공기를 적어도 하나의 광촉매 필터를 통과시켜 상기 반응부로 다시 공급하는 공기 순환부
를 포함하는 시스템.A water treatment system using ultrasonic action and photocatalytic reaction,
Wastewater containing organic pollutants and air containing titanium dioxide nanoparticles or photocatalytic nanocomposites based on titanium dioxide nanoparticles are supplied, and a reaction unit for irradiating light and ultrasonic waves therein; and
An air circulating part configured of the reaction part and a closed loop, and supplying air discharged from the reaction part to at least one photocatalyst filter and supplying it back to the reaction part
System comprising. 제1항에 있어서,
상기 광촉매 나노 복합체는 은 나노 입자를 코어로 하고 상기 은 나노 입자의 표면에 이산화티탄 나노 입자의 코팅층을 포함하는 코어 쉘 구조인
시스템.The method of claim 1,
The photocatalytic nanocomposite is a core shell structure including silver nanoparticles as a core and a coating layer of titanium dioxide nanoparticles on the surface of the silver nanoparticles.
system. 제1항에 있어서,
상기 반응부는 광촉매 멤브레인을 더 포함하는
시스템.The method of claim 1,
The reaction unit further includes a photocatalyst membrane
system. 제3항에 있어서,
상기 광촉매 멤브레인에는 광촉매 나노 복합체가 고정되는
시스템.The method of claim 3,
The photocatalytic nanocomposite is fixed to the photocatalyst membrane
system. 제1항에 있어서,
상기 공기 순환부는 하이드록실 라디칼이 포함되는 공기를 상기 반응부로 공급하는
시스템.The method of claim 1,
The air circulation unit for supplying air containing hydroxyl radicals to the reaction unit
system. 반응부 및 공기 순환부를 포함하는 수처리 시스템에서 초음파 작용 및 광촉매 반응을 이용하여 수처리를 하는 방법으로서,
상기 반응부에서, 유기 오염 물질을 포함하는 폐수와 이산화티탄 나노 입자 또는 이산화티탄 나노 입자 기반의 광촉매 나노 복합체를 포함하는 공기를 공급하고, 이에 대하여 빛과 초음파를 조사하는 단계, 및
상기 반응부와 폐루프로 구성되는 공기 순환부에서, 상기 반응부로부터 배출되는 공기를 적어도 하나의 광촉매 필터를 통과시켜 상기 반응부로 다시 공급하는 단계를 포함하는
방법.In a water treatment system including a reaction unit and an air circulation unit, a method of water treatment using ultrasonic action and photocatalytic reaction,
In the reaction unit, supplying wastewater containing organic pollutants and air containing titanium dioxide nanoparticles or photocatalytic nanocomposites based on titanium dioxide nanoparticles, and irradiating light and ultrasonic waves thereto; and
In the air circulation unit consisting of the reaction unit and the closed loop, passing the air discharged from the reaction unit through at least one photocatalyst filter and supplying it back to the reaction unit
Way.
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