KR20210142047A - Ti2O 세라믹 분리막 기반 수처리 방법 및 그 수처리 시스템 - Google Patents
Ti2O 세라믹 분리막 기반 수처리 방법 및 그 수처리 시스템 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 a) 폐수의 유입 전, UV 조사 장치의 전원을 켜서 광촉매 Ti2O로 개질된 세라믹 분리막의 Ti2O와 UV간 광촉매를 통해 하이드록실라디칼(·OH)의 형성을 충분한 시간을 통해서 이루는 단계; b) 그 후, 주입구를 통해 폐수인 원수(raw water)가 유입이 되는 단계; 및 c) 그 후, 상기 형성된 하이드록실라디칼(·OH)을 통해 유입된 폐수에 유기물을 제거하며, ·OH을 통해 악취를 제거하는 반응을 거쳐 처리된 원수가 흡입구에 설치된 펌프를 통해 세라믹 분리막을 통하여 여과된 수질의 흡입이 이루어지는 단계를 포함하는 자기세정이 가능한 광촉매 Ti2O 세라믹 분리막 기반 수처리 방법 및 그 시스템에 관한 것으로, 본 발명의 방법 및 시스템은 기존의 막 오염 처리방식에 들어가는 높은 비용적 문제 및 화학적 세척을 통해 발생되는 2차 오염물질의 취급 및 운전을 해결하며, 추가적으로 기존의 세라믹 분리막을 이용한 공법에 적용이 용이하다.
Description
본 발명은 자기세정이 가능한 광촉매 Ti2O 세라믹 분리막 기반 수처리 방법 및 그 수처리 시스템에 관한 것이다.
오염된 유체와 광반응성 촉매와의 혼합물로부터 슬러리가 생성된다. 슬러리를 충분한 에너지의 광(light)으로 조사하면, 광반응성 촉매의 표면에 전자 및 구멍이 형성된다. 이로인해 오염된 유체를 전기화학적으로 개선시킨다. 이러한 전기화학적 개선을 일반적으로 광촉매적 반응이라고 한다.
광촉매적 반응을 분해, 광합성, 오염물의 산화, 오염물의 환원, 박테리아의 멸균, 금속의 침착 등과 같은 다수의 방법에 사용한다. 예를 들면, 광촉매적 반응을 독성 유기물을 이산화탄소와 물로 산화시키는데 제공할 수 있다.
촉매가 화학 반응을 종결시키는데 필요한 활성화 에너지를 감소시킬 경우 촉매적 작용이 발생한다. 광촉매적 반응의 경우, 활성화 에너지는 입사 밴드 갭 광(incident band-gap light)의 광자 에너지에 의해 제공된다. 입사 밴드 갭 광은 가시광선 및 자외선에 의해 제공된다. 입사 밴드 갭 광이 광반응성 촉매에 의해 흡수되면, 전자 및 구멍 전하 캐리어 쌍이 광촉매적 입자내에서 생성된다. 이후에, 이들 전하 캐리어는 화학적 종(species)과 함께 산화/환원 반응을 수행한다. 이렇게 하여, 아나타제 Ti2O와 같은 광학적으로 여기된 광반응성 촉매는 기타의 경우에 필요한 것 보다 상당히 낮은 온도에서 화학반응을 수행할 수 있다.
선행기술에서는 한번에 다량의 슬러리를 조사한다. 슬러리를 이러한 방법으로 조사하면, 광원에 노출된 광반응성 촉매(입자들이 광원과 매우 근접해진다)만이 조사된다. 결과적으로, 슬러리의 특정 부분만이 한번에 광촉매적 반응될 수 있다.
예를 들면, 쿠퍼(Cooper) 등의 미합중국 특허 제5,174,877호에는 슬러리 전체를 탱크 반응기 속에서 한번에 광촉매적 반응시키는 방법이 기술되어 있다. 탱크 반응기 하부의 슬러리는, 슬러리가 모두 광촉매적 반응될때까지 연속적으로 탱크 반응기의 상부로 이동된다.
더구나, 선행기술은 촉매가 현탁되고 슬러리 전체에 균일하게 분산되도록 슬러리를 연속적으로 혼합하는데 너무 오랜 시간이 걸린다.
예를 들면, 쿠퍼 등의 미합중국 특허 제5,174,877호에서는 다양한 재료 및 기하형태로 구성되고 촉매 입자를 슬러리 속에서 현탁 상태로 유지시키기 위해 반응기 탱크의 하부에 배치되어 있는 교반 임펠러(stirring impeller)를 제공한다. 이는 시간 소모적이고 비효율적인 것으로 판명되었다.
광촉매적 반응이 일어나고 오염물이 오염된 유체로부터 파괴되면, 오염제거된 유출물로부터 광반응성 촉매가 분리된다. 쿠퍼 등의 미합중국 특허 제5,118,422호에 기술된, 폴리프로필렌과 같은 중합체성 물질로 제조된 막을 사용하는 여과기술이다.
오염제거된 유출물로부터 광반응성 촉매를 분리하기 위해 중합체성 막을 사용할 경우 몇가지 심각한 문제에 봉착한다. 중합체성 물질로 제조된 막은 승온 뿐만 아니라 승압에도 견딜 수 없다. 부득이하게, 광반응성 촉매가 막에 모인다. 막에 가해지는 힘을 최소화하기 위해, 역 분출(back flushing)시킴으로써 중합체성 막에서의 광반응성 촉매의 중량을 방지하기 위해 통상적인 방법이 시도되었다. 중합체성 막의 탄성 특성으로 인해, 일부 촉매는 중합체성 막에 매봉되기도 한다.
통상적인 역 분출법에는 중합체중에 수집된 광반응성 촉매를 제거하기 위해, 상당한 시간에 걸쳐, 중합체성 막을 통해 역통과되는 이미 회수된 오염제거된 유출물이 다량으로 필요하다. 역분출을 수행하는데 필요한 시간이 상당히 길어서, 광촉매 반응시킬 수 있는 유체의 정도 및 용적이 상당히 감소된다. 즉, 연속적인 유동 공정을 수행할 수 없다. 또한, 중합체성 막은 탄성중합체의 마모성 및 신장성으로 인해 실패율 이 높다. 또한, 중합체성 막은 각종 유기물에 의해 용해될 수 있고 화학 약품을 사용하지 않고는 멸균시킬 수 없다. 게다가, 중합체성 막은 수년, 종종 수 개월 동안만 정상적으로 사용할 수 있고, 이후 대체시켜야 한다.
더욱 큰 문제점은 이들이 사용되는 시스템에서의 중합체성 막의 효과이다. 통상적인 시스템은 중합체성 막의 역 분출을 허용하기 위해 어큐물레이터 (accumulator), 완충액 탱크 및 원심분리 펌프와 같은 장치를 포함하여야 한다.
혼합장치는 또한 역 분출 작용이 일어나는 경우 침전물로부터 촉매 입자가 정제되는 것을 방지하는 것이 필수적이다.
역분출은 사실상 시간이 많이 걸리기 때문에, 단지 드문 조건에서만 수행된다. 그 결과, 다량의 촉매 입자가 막내에 침전된다. 결국, 오염제거된 유출물로부터 촉매를 분리하는데 필요한 시간이 증가된다.
또한, 슬러리내의 촉매의 농도도 현저하게 변동된다.
요약하면, 통상적인 방법 및 시스템은 유체를 효과적으로 오염 제거시키지 못한다. 오히려, 통상적인 방법 및 시스템은 시간 소모적이며 비효율적이다. 이것은 슬러리중에 분산된 촉매가 유효한 방식으로 조사되도록 하지 못하는 무능력에 기인한다. 더우기, 통상적인 방법 및 시스템은 촉매로부터 오염제거된 유체를 연속적으로 분리시킬 수 없다. 이러한 무능력은 대량 생산적 적용의 경우에서와 같이, 고용량의 슬러리가 분리되는 경우에 증가된다.
또, 한국 특허출원 제1020100021286 (20100310)호는 '폐수복합처리방법'에 관한 것으로, 폐수에 응집약제 및 미세기포를 혼합하여 상기 폐수에 함유된 난분해성 및 유/무기물질의 응집 플록을 조대화하는 단계와, 조대화된 상기응집 플록을 제거한 후, 폐수에 잔존하는 부유물질을 농축하여 액상의 농축슬러지를 생성하는 단계와, 상기 생성된 액상의 농축슬러지를 분리하여 저장조에 저장하고, 상기 농축슬러지에 함유된 수분을 증발시켜 농축하고 이를 건조시키는 단계를 포함한다.
세라믹 분리막(Ceramic membrane)을 이용한 고도처리방식인 막여과 기술은 높은 기계적 강도, 열 저항성, 장기적 내구연한을 할 수 있는 방식이 특징이며, 특히 수처리과정에서 완벽한 고체액체 분리가 가능하다.
무엇보다 세라믹 분리막은 안정적인 운전이 가능하다는 점에서 좋은 방식이다. 하지만, 위 기술은 막 오염(Membrane Fouling)현상이 생성되는 단점이 있다. 이 단점은 막 표면에 오염물질이 축적되어 단위 시간당 흡입량이 수송되는 비율(Flux)가 줄어들어 막간 차압이 계속 상승하게 되고 흡인량이 줄어 연속적인 운전이 불가능해지는 점을 가지고 있다.
이 막 오염 현상의 해결 방안으로는 역세척, 화학약품 등을 통한 막 세척 등이 있지만, 역세척은 막 오염은 완벽하게 제거하기 어려우며, 역세척 펌프를 추가해야하는 공정문제가 있으며, 화학적 세척은 이후 발생되는 2차 오염물질에 대한 취급 및 운전이 용이하지 않은 단점을 가지고 있기에 실질적 세척의 어려움이 한계가 있으며, 세척 시 드는 높은 비용적 문제로 인한 공정적 한계를 지니고 있다.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하고, 상기의 필요성에 의하여 안출된 것으로 본 발명의 목적은 기존의 막 오염 처리방식에 들어가는 높은 비용적 문제 및 화학적 세척을 통해 발생되는 2차 오염물질의 취급 및 운전을 해결하는 수처리 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 기존의 막 오염 처리방식에 들어가는 높은 비용적 문제 및 화학적 세척을 통해 발생되는 2차 오염물질의 취급 및 운전을 해결하는 수처리 시스템을 제공하는 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은
a) 폐수의 유입 전, UV 조사 장치의 전원을 켜서 광촉매 Ti2O로 개질된 세라믹 분리막의 Ti2O와 UV간 광촉매를 통해 하이드록실라디칼(·OH)의 형성을 충분한 시간을 통해서 이루는 단계;
b) 그 후, 주입구를 통해 폐수인 원수(raw water)가 유입이 되는 단계; 및
c) 그 후, 상기 형성된 하이드록실라디칼(·OH)을 통해 유입된 폐수의 유기물을 제거하는 반응을 거쳐 처리된 원수가 흡입구에 설치된 펌프를 통해 세라믹 분리막을 통하여 여과된 수질의 흡입이 이루어지는 단계를 포함하는 자기세정이 가능한 광촉매 Ti2O 세라믹 분리막 기반 수처리 방법을 제공한다.
또한 본 발명은
a) 폐수의 유입 전, UV 조사 장치의 전원을 켜서 광촉매 Ti2O로 개질된 세라믹 분리막의 Ti2O와 UV간 광촉매를 통해 하이드록실라디칼(·OH)의 형성을 충분한 시간을 통해서 이루는 단계;
b) 그 후, 주입구를 통해 폐수인 원수(raw water)가 유입이 되는 단계; 및
c) 그 후, 상기 형성된 하이드록실라디칼(·OH)을 통해 유입된 폐수의 악취를 제거하는 반응을 거쳐 처리된 원수가 흡입구에 설치된 펌프를 통해 세라믹 분리막을 통하여 여과된 수질의 흡입이 이루어지는 단계를 포함하는 자기세정이 가능한 광촉매 Ti2O 세라믹 분리막 기반 수처리 방법을 제공한다.
본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 펌프의 속력 조절은 컨트롤러를 통해서 이루어지는 것이 바람직하나 이에 한정되지 아니한다.
또한 이전의 촉매영역의 문제, 후처리의 문제를 해결하기 위해 TiO2 물질을 직접적으로 졸-겔 코팅의 방식으로 많이 사용해 왔지만, 이산화티탄을 이용한 방식의 문제점이 보이는 과정을 줄이기 위한 방식에서 높은 반응성을 지닌 티타늄 이소프로폭사이드(TTIP)를 사용하여 가수분해 반응을 촉진하기 위함과 동시에, Ti-O-Ti 응집 형성을 위한 TTIP를 사용했다.
그러나, TTIP의 사용은 컨트롤할 수 없는 입자 구조의 형성을 이끌어내기 때문에, 이를 극복하기 위한 방안으로 가수분해반응 작용제와 축합중합체인 이온 물질, 유기물질을 첨가하는 방식을 고안했다. 이전 연구에서는 알코올 용매제와 아세트산(AcOH)을 이용하여, 가수분해를 위한 물분자를 고안해 냈으며, 이를 통한 Ti-O-Ti의 무기결합을 컨트롤 해왔다. 앞에서 말한 물분자의 형성은 아세트산과 이소프로필알코올(iPrOH)의 결합을 통한식은 iPrOH + AcOH > iPrOAc + H2O로 나타낼 수 있다. 또한, TTIP(Ti-OiPr)와 아세트산과의 결합을 통한 알콕시그룹과 아세트 그룹간 대체가 가능하다.
이를 통해서 Ti-O-Ti의 형태를 만들기에 좋은 조건을 지니고 있기 때문에, 형성 과정을 위해 아래의 식을 도출을 했다.
Ti-OiPr + AcOH => Ti-OAc + iPrOH
이것의 결과를 통해서 Ti-O-Ti의 무기 결합은 가수분해와 응축반응을 통해서 형성할 수 있다.
Ti-OAc + iPrOH > iPrOAc + Ti-OH , Ti-OiPr + Ti-OAC > iPrOAc + Ti-O-Ti 의 결과를 도출했다.
하지만, 대부분의 논문에서 반응 메커니즘만 초점을 두고 진행해온 방식이였다. 그러나 이러한 방식을 통해서 간과한 사실은 다공성의 졸 형태를 띄어야 하는 사실이다.
이를 해결하기 위한 방식으로 본 발명에서는 계면활성제를 사용하여, 다공성의 형태를 만들었다. 계면활성제인 Tween80을 사용하여 광 촉매 반응이 강화되며, 구조적으로 더 나은 졸-겔의 형태를 띠기 때문에 사용했다.
또한 완충용액으로써 역할을 수행하도록 하였다. 이를 통해서 기존의 세라믹 멤브레인에 딥코팅을 통해 UV조사만을 통해서 파울링을 저감할 수 있는 방법을 모색했다.
이에 따라 본 발명의 다른 구현예에 있어서, 상기 광촉매 Ti2O로 개질된 세라믹 분리막은 a)세라믹 분리막을 아세톤으로 세척하여 건조하는 단계;
b) 아세트산, 이소프로필알코올, 트윈80 및 TTIP(titanium isopropoxide) 용액을 혼합하여 교반하는 단계;
c) 상기 교반된 용액을 상기 세라믹 분리막에 코팅하는 단계; 및
d)상기 코팅 단계를 거친 세라믹 분리막을 소결하는 단계를 포함하여 제조되는 것이 바람직하나 이에 한정되지 아니한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 아세트산, 이소프로필알코올, 트윈80 및 TTIP(titanium isopropoxide)의 혼합비는 6:45:1:1인 것이 바람직하나 이에 한정되지 아니한다.
본 발명의 또 다른 구현예에 있어서, 본 발명의 방법은 세라믹 분리막의 막오염 자가세정을 위하여 분리막 표면에 UV를 직접 조사하기 위하여 세라믹 분리막 홀더를 중심으로 근접한 위치에 UV 램프를 설치하여 하이드록실 라디칼을 발생시켜서, 발생된 하이드록실 라디칼은 분리막 표면에 부착된 막오염 발생 물질들을 광화학적으로 분해하여 세라믹 분리막의 막간 차압을 저감하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 수처리 과정은 1시간에서 2시간 범위에서 수행하는 것이 바람직하나 이에 한정되지 아니한다.
또 본 발명은
자기세정이 가능한 광촉매 Ti2O 세라믹 분리막 기반 수처리 시스템에 있어서, 상기 시스템은 반응조를 포함하며,
상기 반응조는
a) 주입장치를 통해 원수(raw water)가 주입되는 주입구;
b) Ti-O-Ti로 개질된 세라믹 분리막;
c) 상기 세라믹 분리막을 중심으로 근접한 위치에서 UV를 제공하는 UV 제공 장치;
d) 상기 Ti-O-Ti로 개질된 세라믹 분리막의 Ti2O에 상기 UV 제공 장치에 의한 UV의 조사를 통한 생성되는 하이드록실 라디칼(·OH)를 이용하여 유기물이 제거된 원수를 상기 세라믹 분리막과 연결되어 막을 통하여 흡입하여 배출하는 흡입구; 및
e) 상기 흡입구의 일 부분에 설치된 펌프;를 포함하는 자기세정이 가능한 광촉매 Ti2O 세라믹 분리막 기반 수처리 시스템을 제공한다.
본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 수처리 시스템은 상기 펌프의 속도를 조절하는 콘트롤러를 더욱 포함하는 것이 바람직하나 이에 한정되지 아니한다.
본 발명의 다른 구현예에 있어서,
상기 광촉매 Ti2O로 개질된 세라믹 분리막은
a)세라믹 분리막을 아세톤으로 세척하여 건조하는 단계;
b) 아세트산, 이소프로필알코올, 트윈80 및 TTIP(titanium isopropoxide) 용액을 혼합하여 교반하는 단계;
c) 상기 교반된 용액을 상기 세라믹 분리막에 코팅하는 단계; 및
d)상기 코팅 단계를 거친 세라믹 분리막을 소결하는 단계를 포함하여 제조되는 것이 바람직하나 이에 한정되지 아니한다.
또한 본 발명은
a)세라믹 분리막을 아세톤으로 세척하여 건조하는 단계;
b) 아세트산, 이소프로필알코올, 트윈80 및 TTIP(titanium isopropoxide) 용액을 혼합하여 교반하는 단계;
c) 상기 교반된 용액을 상기 세라믹 분리막에 코팅하는 단계; 및
d)상기 코팅 단계를 거친 세라믹 분리막을 소결하는 단계를 포함하여 제조되는 것을 특징으로 하는 광촉매 Ti2O로 개질된 세라믹 분리막의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 아세트산, 이소프로필알코올, 트윈80 및 TTIP(titanium isopropoxide)의 혼합비는 6:45:1:1인 것이 바람직하나 이에 한정되지 아니한다.
또한 본 발명은 a)세라믹 분리막을 아세톤으로 세척하여 건조하는 단계;
b) 아세트산, 이소프로필알코올, 트윈80 및 TTIP(titanium isopropoxide) 용액을 혼합하여 교반하는 단계;
c) 상기 교반된 용액을 상기 세라믹 분리막에 코팅하는 단계; 및
d)상기 코팅 단계를 거친 세라믹 분리막을 소결하는 단계를 포함하여 제조된 Ti2O로 개질된 세라믹 분리막을 제공한다.
본 발명을 통하여 알 수 있는 바와 같이 본 발명은 분리막의 파울링을 사전 제거를 위한 Ti2O와 UV의 조사를 통한 생성되는 하이드록실 라디칼(·OH)를 이용하여 막오염 제거가 이루어지도록 한다. 막 폐쇄를 통해 일어난 발생된 막간 차압 생기는 것을 사전에 방지하며, 단위 시간당 흡입량이 수송되는 비율(Flex)을 일정 수준으로 유지한다. 이로써, 기존의 막 오염 처리방식에 들어가는 높은 비용적 문제 및 화학적 세척을 통해 발생되는 2차 오염물질의 취급 및 운전을 해결하며, 추가적으로 기존의 세라믹 분리막을 이용한 공법에 적용이 용이하다.
본 발명의 방법 및 시스템은 기존의 세라믹 분리막 고도처리공정이 이루어지는 모든 공정을 대체 적용이 가능하다. 이로써, 기존 분리막의 한계점(막 폐쇄로 인한 역세척 비용문제)과 화학적 세척에 의한 사후처리 문제를 해결할 수 있으므로, 이를 통해 분리막의 내구연한의 증대를 가져오는 효과를 기대할 수 있으며,
이 과정 속 사용된 광촉매의 딥 코팅 방식을 다른 분리막 공정에 응용을 통해 다양한 수처리분야에 적용 및 응용분야가 넓다고 판단된다.
도 1은 Ti-O-Ti 표면 개질한 세라믹 멤브레인의 제조과정에 대한 개략도,
도 2 및 3은 각각 자기세정이 가능한 광촉매 Ti2O 세라믹 분리막 기반 수처리 시스템의 주요 부분과 전체 시스템에 대한 그림,
도 4는 광촉매의 하이드록시 래디컬에 의한 시간에 따른 pCBA 제거율을 나타내는 그림, 및
도 5는 도 4의 메카니즘에 대한 설명도.
도 2 및 3은 각각 자기세정이 가능한 광촉매 Ti2O 세라믹 분리막 기반 수처리 시스템의 주요 부분과 전체 시스템에 대한 그림,
도 4는 광촉매의 하이드록시 래디컬에 의한 시간에 따른 pCBA 제거율을 나타내는 그림, 및
도 5는 도 4의 메카니즘에 대한 설명도.
이하 비한정적인 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 단 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 의도로 기재된 것으로 본 발명의 범위는 하기 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되지 아니한다.
제조예:Ti-O-Ti 표면 개질한 세라믹 멤브레인의 제조과정
본 발명에서는 기존의 세라믹 멤브레인(Membranes)의 표면에 이산화티탄(Ti2O)을 변형한 형태인 Ti-O-Ti의 형태를 형성하여, 아세트산(Acetic Acid), 이소프로필알코올(iPrOH), Tween80, 티타늄이소프로폭사이드(Titanium isopropoxide, TTIP)를 6:45:1:1의 비율로, 24시간 교반을 통해서 졸-겔(Sol-gel)의 형태를 형성 후, 딥-코팅(Dip-coating)방식으로 멤브레인 표면에 입혔다.
이때, 표면을 딥-코팅하는 방식의 횟수를 달리하여, 진행토록 하였다.(딥코팅의 횟수는 1~10회를 시도하였다.) 3℃/min로 승온하는 오븐에서 500℃에서 15분간 소결을 통해서 멤브레인의 표면 개질을 이루고, 이후, UV(256nm)의 조사를 통한 광촉매 반응 후, 생성되는 하이드록실라디칼(·OH)을 통해 기존의 멤브레인의 문제점인 막 표면에 생기는 파울링을 저감하는 효과와 유입된 폐수에 유기물을 제거하며, ·OH을 통해 악취를 제거할 수 있다.
자세한 Ti-O-Ti 표면 개질한 세라믹 멤브레인의 제조과정에 대한 설명은 도 1에 도시하였다.
본 발명을 통하여 4-클로로벤조산(4-Chlorobenzoic acid, pCBA) 제거효율을 통해서 ·OH이 생성되는 것을 확인할 수 있다. 이 점을 통해서 파울링이 제거될 것으로 사료된다.
본 발명의 자기세정이 가능한 광촉매 Ti2O 세라믹 분리막 기반 수처리 공정은 도 2와 3을 참고하여 설명한다.
먼저, 폐수의 유입 전, UV형광등의 전원을 켜서 Ti2O와 UV간 광촉매를 통해 ·OH의 형성을 충분한 시간을 통해서 이룬다. 이후, 주입구를 통해 오염수 유입이 되고, 그 후, 반응을 거쳐 흡입구에 설치된 펌프를 통해 막을 통하여 여과된 수질의 흡입이 이루어지도록 한다. 이때 펌프의 속력을 조절은 컨트롤러를 통해서 이뤄진다.
자기세정이 가능한 광촉매 Ti2O 세라믹 분리막 기반 수처리 시스템의 주요 구성요소 및 그 기능은 하기에 설명한다.
a) 통기관(반응조)- 유입폐수의 부피를 고려한 크기이며, 물때가 발생하지 않을 스테인리스 재질로 구성되어 있다.
b) UV 형광등 - UV를 제공한다.
c) Ti-O-Ti 세라믹 분리막 - 여과를 위한 필터의 역할을 수행한다.
d) 흡입구 - 막을 통해서 여과된 수질을 흡인한다.
e) 주입구- 원수가 주입되는 통로
f)펌프- 펌프 - 막을 통해 여과에 필요한 압력을 흡인한다.
g) 컨트롤러 - 펌프의 압과 시간을 조절한다.
본 발명의 수처리 공정 및 장치를 통하여 광촉매의 하이드록시 래디컬에 의한 시간에 따른 pCBA 제거율을 나타낸 결과를 도 4에 도시하였다.
4-클로로벤조산(4-Chlorobenzoic acid, pCBA)는 일반적으로 제초제 혹은 살충제 속 들어 있으며,Ti2O의 광촉매반응을 통해서 생성되는 ·OH을 통해 pCBA가 제거되는 것을 통해 하이드록실 라디칼의 존재 여부 및 유기물의 제거의 척도를 알 수 있다.
본 발명의 도 4에 대하여 진행한 실험 과정을 간단하게 요악하면, 하기와 같다.
(1)pCBA농도를 2μM/12L로 조절 방법
pCBA 0.031314g을 메탄올 50ml에 용해시킨 이후, 100ml 부피 플라스크를 통해 증류수를 넣어서 부피를 맞춰 주었다.
이후 용액을 12ml를 분취하여, 12L의 증류수에 넣어 pCBA의 농도를 맞춰ㅅJ 실험용액을 생성하였다.
(2) pCBA의 제거효율 측정방법
1)초기 용액의 pCBA의 농도 측정을 위해 먼저, 초기 값을 Ti2O로 표면 개질한 멤브레인을 통해 흡인 여과를 시켜 주었다. 이때, 코니칼 튜브(conical tube)를 통해서 샘플링을 하였고,
UV를 사용시 광 촉매반응의 산물인 OH-의 발생을 통해서 제대로 된 측정이 이뤄지지 않기 때문에 UV(254)를 사용하지 않았다.
2)초기 용액의 pCBA의 농도의 산정이 이루어졌으면, 이후 시간을 10분, 1시간 2시간 으로 산정하고 UV(254nm)램프 4개를 컨트롤러를 통해 작동시킨다. 이후 1)의 방법과 동일한 방식으로 정한 시간을 토대로 정시에 흡인 여과를 실시하였다.
3)샘플링을 통해서 얻은 샘플을 자외선 분광기(SHIMADZU UV-1280)를 통해 240nm의 파장에서 조사를 통해 흡광도를 측정하였다.
0 시간(원수), 0.17시간 (10 분), 1시간, 및 2시간 간격으로 본 발명의 막 여과된 물을 뽑아서 상기 반응을 수행하여 240nm에서 흡광도를 측정하여 결과를 하기 표 1과 도 4에 나타내었다.
| 0 hrs | 0.17 hrs | 1 hrs | 2 hrs |
| Raw M 0.164 | 0.133 | 0.072 | 0.055 |
| Raw M 0.286 | 0.193 | 0.057 | 0.048 |
| Raw M 0.177 | 0.168 | 0.065 | 0.053 |
도 4의 데이터는 1-2시간 정도로 기재가 되어 있지만, 코팅막에서의 부분에서 UV의 조사가 이뤄지면, 조사 시간인 30분 이상부터는 원할한 OH-의 양을 통해 이룬다는 점을 알게 되었고, 이후 시간은 지속적으로 조사가 된다면, 영향을 크게 받지 않는 상황이 된다.
자세하게 말하자면, 도 5에서 나타낸 것과 같이 산화-환원반응을 통해 산소와 물이 반응하여, -전기를 가진 전자(e-)와 +전기를 가진 정공(h+)이 형성된다. 이를 통해서 정공은 강력한 산화작용을 하는 OH radical을 형성한다. 또한 강력한 산화력을 갖게 된다. 이를 통해서 반영구적인 효과지속, 산화력은 살균력과 염소나 치아염소산, 오존보다는 강력한 산화력을 갖는다.
Claims (12)
- a) 폐수의 유입 전, UV 조사 장치의 전원을 켜서 광촉매 Ti2O로 개질된 세라믹 분리막의 Ti2O와 UV간 광촉매를 통해 하이드록실라디칼(·OH)의 형성을 충분한 시간을 통해서 이루는 단계;
b) 그 후, 주입구를 통해 폐수인 원수(raw water)가 유입이 되는 단계; 및
c) 그 후, 상기 형성된 하이드록실라디칼(·OH)을 통해 유입된 폐수의 유기물을 제거하는 반응을 거쳐 처리된 원수가 흡입구에 설치된 펌프를 통해 세라믹 분리막을 통하여 여과된 수질의 흡입이 이루어지는 단계를 포함하는 자기세정이 가능한 광촉매 Ti2O 세라믹 분리막 기반 수처리 방법. - a) 폐수의 유입 전, UV 조사 장치의 전원을 켜서 광촉매 Ti2O로 개질된 세라믹 분리막의 Ti2O와 UV간 광촉매를 통해 하이드록실라디칼(·OH)의 형성을 충분한 시간을 통해서 이루는 단계;
b) 그 후, 주입구를 통해 폐수인 원수(raw water)가 유입이 되는 단계; 및
c) 그 후, 상기 형성된 하이드록실라디칼(·OH)을 통해 유입된 폐수의 악취를 제거하는 반응을 거쳐 처리된 원수가 흡입구에 설치된 펌프를 통해 세라믹 분리막을 통하여 여과된 수질의 흡입이 이루어지는 단계를 포함하는 자기세정이 가능한 광촉매 Ti2O 세라믹 분리막 기반 수처리 방법. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 광촉매 Ti2O로 개질된 세라믹 분리막은
a)세라믹 분리막을 아세톤으로 세척하여 건조하는 단계;
b) 아세트산, 이소프로필알코올, 트윈80 및 TTIP(titanium isopropoxide) 용액을 혼합하여 교반하는 단계;
c) 상기 교반된 용액을 상기 세라믹 분리막에 코팅하는 단계; 및
d)상기 코팅 단계를 거친 세라믹 분리막을 소결하는 단계를 포함하여 제조되는 것을 특징으로 하는 광촉매 Ti2O 세라믹 분리막 기반 수처리 방법. - 제3항에 있어서,
상기 아세트산, 이소프로필알코올, 트윈80 및 TTIP(titanium isopropoxide)의 혼합비는 6:45:1:1인 것을 특징으로 하는 광촉매 Ti2O 세라믹 분리막 기반 수처리 방법. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
세라믹 분리막의 막오염 자가세정을 위하여 분리막 표면에 UV를 직접 조사하기 위하여 세라믹 분리막 홀더를 중심으로 근접한 위치에 UV 램프를 설치하여 하이드록실 라디칼을 발생시켜서, 발생된 하이드록실 라디칼은 분리막 표면에 부착된 막오염 발생 물질들을 광화학적으로 분해하여 세라믹 분리막의 막간 차압을 저감하는 것을 특징으로 하는 광촉매 Ti2O 세라믹 분리막 기반 수처리 방법. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 수처리 과정은 1시간에서 2시간 범위에서 수행하는 것을 특징으로 하는 광촉매 Ti2O 세라믹 분리막 기반 수처리 방법. - 자기세정이 가능한 광촉매 Ti2O 세라믹 분리막 기반 수처리 시스템에 있어서, 상기 시스템은 반응조를 포함하며,
상기 반응조는
a) 주입장치를 통해 원수(raw water)가 주입되는 주입구;
b) Ti-O-Ti로 개질된 세라믹 분리막;
c) 상기 세라믹 분리막을 중심으로 근접한 위치에서 UV를 제공하는 UV 제공 장치;
d) 상기 Ti-O-Ti로 개질된 세라믹 분리막의 Ti2O에 상기 UV 제공 장치에 의한 UV의 조사를 통한 생성되는 하이드록실 라디칼(·OH)를 이용하여 유기물이 제거된 원수를 상기 세라믹 분리막과 연결되어 막을 통하여 흡입하여 배출하는 흡입구; 및
e) 상기 흡입구의 일 부분에 설치된 펌프;를 포함하는 자기세정이 가능한 광촉매 Ti2O 세라믹 분리막 기반 수처리 시스템. - 제7항에 있어서,
상기 수처리 시스템은 상기 펌프의 속도를 조절하는 콘트롤러를 더욱 포함하는 상기 수처리 시스템. - 제7항에 있어서,
상기 광촉매 Ti2O로 개질된 세라믹 분리막은 a)세라믹 분리막을 아세톤으로 세척하여 건조하는 단계; b) 아세트산, 이소프로필알코올, 트윈80 및 TTIP(titanium isopropoxide) 용액을 혼합하여 교반하는 단계; c) 상기 교반된 용액을 상기 세라믹 분리막에 코팅하는 단계; 및 d)상기 코팅 단계를 거친 세라믹 분리막을 소결하는 단계를 포함하여 제조되는 것을 특징으로 하는 자기세정이 가능한 광촉매 Ti2O 세라믹 분리막 기반 수처리 시스템. - a)세라믹 분리막을 아세톤으로 세척하여 건조하는 단계;
b) 아세트산, 이소프로필알코올, 트윈80 및 TTIP(titanium isopropoxide) 용액을 혼합하여 교반하는 단계;
c) 상기 교반된 용액을 상기 세라믹 분리막에 코팅하는 단계; 및
d)상기 코팅 단계를 거친 세라믹 분리막을 소결하는 단계를 포함하여 제조되는 것을 특징으로 하는 광촉매 Ti2O로 개질된 세라믹 분리막의 제조방법. - 제10항에 있어서,
상기 아세트산, 이소프로필알코올, 트윈80 및 TTIP(titanium isopropoxide)의 혼합비는 6:45:1:1인 것을 특징으로 하는 광촉매 Ti2O로 개질된 세라믹 분리막의 제조방법. - a)세라믹 분리막을 아세톤으로 세척하여 건조하는 단계;
b) 아세트산, 이소프로필알코올, 트윈80 및 TTIP(titanium isopropoxide) 용액을 혼합하여 교반하는 단계;
c) 상기 교반된 용액을 상기 세라믹 분리막에 코팅하는 단계; 및
d)상기 코팅 단계를 거친 세라믹 분리막을 소결하는 단계를 포함하여 제조된 Ti2O로 개질된 세라믹 분리막.
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| KR20210142047A true KR20210142047A (ko) | 2021-11-24 |
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| KR (1) | KR20210142047A (ko) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115140800A (zh) * | 2022-06-24 | 2022-10-04 | 吉林大学 | 一种污水处理反应装置 |
| KR20240079750A (ko) | 2022-11-29 | 2024-06-05 | 한국재료연구원 | 관형 세라믹 분리막 내외부 코팅장치 및 코팅방법 |
-
2020
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|---|---|---|---|---|
| CN115140800A (zh) * | 2022-06-24 | 2022-10-04 | 吉林大学 | 一种污水处理反应装置 |
| CN115140800B (zh) * | 2022-06-24 | 2024-04-26 | 吉林大学 | 一种污水处理反应装置 |
| KR20240079750A (ko) | 2022-11-29 | 2024-06-05 | 한국재료연구원 | 관형 세라믹 분리막 내외부 코팅장치 및 코팅방법 |
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