WO2020231192A1 - 수처리 반응기, 및 이를 포함하는 정수 시스템 및 폐수 처리 시스템 - Google Patents

수처리 반응기, 및 이를 포함하는 정수 시스템 및 폐수 처리 시스템 Download PDF

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WO2020231192A1
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water
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water treatment
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이정훈
김상호
이명신
한승윤
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이정훈
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    • C02F1/52—Treatment of water, waste water, or sewage by flocculation or precipitation of suspended impurities

Definitions

  • the present application relates to a water treatment reactor, and a water purification system and a wastewater treatment system including the water treatment reactor.
  • the obtained raw water is purified with clean water by filtering out various foreign substances and impurities through steps such as precipitation, chemicals, and disinfection, and is provided to the home or industry.
  • steps such as precipitation, chemicals, and disinfection
  • a high installation cost and a wide site for coagulation, sedimentation, chemical treatment steps, etc. are required in a water purification plant, and accordingly, the installation cost is limited.
  • the contaminated raw water goes through a water purification plant, and is returned to water that we can drink only through the water from a general household water purifier.
  • Natural water such as lakes, rivers, and rivers is becoming more and more polluted due to industrial waste and domestic wastewater caused by industrial development. As water pollution becomes serious, it is not only impossible to use raw water without water purification, and it is common to purify tap water once more by adding a household water purifier at home to drink.
  • Graphene contains a single layer of carbon atoms, and the conductivity of graphene is very good compared to copper, the electron mobility of graphene is faster than that of silicon, and graphene has a very high strength compared to steel. It is a new material with various advantages. Graphene is applied to various fields such as ultra-high-speed semiconductors, flexible displays using transparent electrodes, parts of computers, and high-efficiency solar cells. In the conventional graphene used in semiconductors, displays, computer parts, solar cells, etc., technology is being developed in the direction of a technology that prevents defects such as through holes from being formed in graphene.
  • Patent Document 1 KR10-2017-0036576 A
  • Patent Document 2 KR10-2011-0118992 A
  • the present application a housing provided with an inlet and an outlet; And a filter module provided in the housing to purify water introduced through the inlet and supply it to the outlet, a water treatment reactor, and a water treatment system and a wastewater treatment system including the water treatment reactor.
  • a first aspect of the present application a housing provided with an inlet and an outlet; And a filter module provided in the filter housing to purify water introduced through the inlet and supply it to the outlet.
  • a second aspect of the present application provides a water purification system comprising the water treatment reactor according to the first aspect of the present application.
  • a third aspect of the present application provides a wastewater treatment system comprising the water treatment reactor according to the first aspect of the present application.
  • the water treatment reactor uses a filter module and a carbon material filled in the water treatment reactor to adsorb and remove fine particles, organic compounds, disinfection by-products, heavy metals, bacteria, etc. contained in water that cannot be consumed as a dual device. It is a new type of water treatment reactor that can purify it with clean drinking water.
  • the water treatment reactor of the present application can apply graphene oxide to a filter module and a carbon material
  • the organic material contained in the introduced water is the edge of graphene due to peroxidation during the production of the graphene oxide.
  • it is adsorbed and removed by an oxygen-containing functional group formed therein, and impurities contained in the introduced water may be removed by being caught between the pinholes formed in the graphene due to peroxidation during the production of the graphene oxide, as well as
  • impurities may be trapped and removed between the graphene sheet and the sheet, and micro- and nano-sized ultrafine impurities may be filtered and removed in the nanopores of the graphene.
  • the raw water introduced from the filter module in the water treatment reactor of the present application passes through the outer membrane layer, the graphene filter layer, and the inner membrane layer in sequence and is filtered three times, thereby effectively removing contaminants in the introduced water. There is an effect that can be eliminated.
  • the water treatment reactor can be easily applied not only to a water purification system but also to a wastewater treatment system, so that a simple water treatment system that can operate efficiently without installing a conventional facility requiring a large site and equipment is provided. There is an advantage that can be installed.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a water treatment reactor according to an embodiment of the present application.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing a form in which two inlets and two outlets are provided on a side surface of a water treatment reactor according to an embodiment of the present application, and a pump is connected to the inlet and the outlet.
  • FIG. 3 is a schematic diagram of a water treatment reactor equipped with a magnetic rotary mixing device according to an embodiment of the present application.
  • FIG. 4 is a schematic diagram of a water treatment reactor equipped with an impeller mixing device in an embodiment of the present application.
  • FIG. 5 is a schematic diagram showing a structure of a filter module according to an embodiment of the present application.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of an outer membrane layer, a graphene filter layer, and an inner membrane layer of a filter module according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 7 is a schematic diagram showing a structure of an A-type filter module according to an embodiment of the present application.
  • FIG. 8 is a schematic diagram showing the structure of a B-type graphene filter module according to an embodiment of the present application.
  • FIG. 9 is a schematic diagram showing a process flow of a water purification system to which a water treatment reactor is applied according to an embodiment of the present application.
  • FIG. 10 is a schematic diagram showing an example of a reverse osmosis (RO) water purifier using a filter module to which graphene oxide is applied in an embodiment of the present application.
  • RO reverse osmosis
  • FIG. 11 is a schematic diagram showing a process flow of a wastewater treatment system to which a water treatment reactor is applied according to an embodiment of the present application.
  • FIG. 12 is a photograph of a laboratory scale experimental apparatus for a wastewater treatment capability test of a water treatment reactor in an embodiment of the present application (a, b, c).
  • FIG. 13 is a graph showing a turbidity result of a wastewater treatment ability test of a water treatment reactor in an embodiment of the present application.
  • FIG. 14 is a graph showing a COD treatment result of a wastewater treatment ability test of a water treatment reactor in an embodiment of the present application.
  • 15 is a graph showing a chromaticity treatment result of a wastewater treatment ability test of a water treatment reactor in an embodiment of the present application.
  • step (to) or “step of” does not mean “step for”.
  • the term “combination(s) thereof” included in the expression of the Makushi format refers to one or more mixtures or combinations selected from the group consisting of components described in the expression of the Makushi format, It means to include at least one selected from the group consisting of the above components.
  • graphene means that a plurality of carbon atoms are covalently linked to each other to form a polycyclic aromatic molecule, and the carbon atoms linked by the covalent bond are basic repeating units. It forms a 6-membered ring, but it is also possible to further include a 5-membered ring and/or a 7-membered ring. Accordingly, the sheet formed by graphene may be viewed as a single layer of carbon atoms covalently bonded to each other, but is not limited thereto.
  • the sheet formed by the graphene may have various structures, and such a structure may vary depending on the content of the 5-membered ring and/or the 7-membered ring that may be included in the graphene.
  • a structure may vary depending on the content of the 5-membered ring and/or the 7-membered ring that may be included in the graphene.
  • the sheet formed by the graphene when they is made of a single layer, they may be stacked on each other to form a plurality of layers, and the side ends of the graphene sheet may be saturated with hydrogen atoms, but the present invention is not limited thereto.
  • graphene oxide is also referred to as graphene oxide, and may be abbreviated as "GO”.
  • oxygen-containing functional groups such as a carboxyl group, a hydroxy group, or an epoxy group
  • reduced graphene oxide or “reduced graphene oxide” refers to graphene oxide in which the oxygen ratio is reduced through a reduction process, and may be abbreviated as “rGO”. However, it is not limited thereto.
  • Graphene Nano Platelet refers to a material having a carbon layer of 10 to 100 layers manufactured by using natural graphite by a physical or chemical method, as "GNP”. It may be abbreviated, but is not limited thereto.
  • a first aspect of the present application a housing provided with an inlet and an outlet; And a filter module provided in the housing to purify water introduced through the inlet and supply it to the outlet.
  • a carbon material disposed in the space between the housing and the filter module may be further included.
  • the carbon material is mixed with the introduced water to remove fine particles, dissolved pollutants and bacteria, etc. contained in the water, and it is important to smoothly mix the carbon material and the introduced water.
  • the carbon material may occupy about 5% to about 80% by volume of the space between the housing and the filter module, but is not limited thereto. Specifically, the carbon material is about 5 vol% to about 80 vol%, about 20 vol% to about 80 vol%, about 30 vol% to about 80 vol%, about 40 vol% of the space between the housing and the filter module To about 80% by volume. More specifically, when the carbon material exceeds 80% by volume, the introduced water and the carbon material may not be smoothly mixed, and when the carbon material is less than 5% by volume, the ability to treat contaminants of the introduced water There is a problem with this falling.
  • the water treatment reactor uses a filter module and a carbon material filled in the water treatment reactor to adsorb and remove fine particles, organic compounds, disinfection by-products, heavy metals, bacteria, etc. contained in water that cannot be consumed as a dual device. It is a new type of water treatment reactor that can purify it with clean drinking water.
  • an inlet is provided at a lower portion and an outlet port is provided at an upper portion, and may include an air outlet portion at the upper portion.
  • a filter module may be provided at the outlet. The water introduced through the inlet is mixed with the carbon material in the space between the filter module and the water treatment reactor, and fine particles contained in the water are first filtered. The filter module prevents the carbon material from exiting the outlet and at the same time secondary filters the water that goes out of the outlet.
  • the positions and directions of the inlet and outlet may be applied from top to bottom and from bottom to top, and may be applied without limitation.
  • the carbon material is one selected from the group consisting of graphene, graphene oxide (GO), reduced graphene oxide (rGO), activated carbon, and combinations thereof.
  • the graphene oxide includes a plurality of graphene oxide sheets
  • the reduced graphene oxide includes a plurality of reduced graphene oxide sheets
  • the plurality of graphene oxide sheets and the plurality of reduced graphene oxide sheets may include oxygen-containing functional groups and/or pinholes.
  • the reduced graphene oxide may be prepared by peroxidation of graphite to obtain graphene oxide, and reducing the obtained graphene oxide to obtain reduced graphene oxide, but is limited thereto.
  • oxygen-containing functional groups are generated at the edges of graphene and inside the graphene, and defects are generated to generate pinholes, so that each of the reduced graphene oxide sheets finally obtained is an oxygen-containing functional group. And/or a pinhole.
  • the oxygen-containing functional group is selected from the group consisting of a hydroxy group, an epoxy group, a carboxyl group, a ketone group, and combinations thereof. It may include, but is not limited thereto.
  • the carbon material may be porous, but is not limited thereto.
  • the size of the pores of the carbon material may be about 1 nm to about 20 nm, but is not limited thereto.
  • the pores of the graphene oxide layer and the reduced graphene oxide layer may include a void and a pinhole between the sheet and the sheet, and the size of the pores is about 1 nm to about 20 nm, about 1 nm to about 15 nm, about 1 nm to about 10 nm, about 1 nm to about 5 nm, about 5 nm to about 20 nm, about 5 nm to about 15 nm, about 5 nm to about 10 nm, It may be about 10 nm to about 20 nm, about 10 nm to about 15 nm, or about 15 nm to about 20 nm, but may not be limited thereto.
  • the gap between the plurality of graphene oxide sheets and the plurality of reduced graphene oxide sheets may be about 1 nm to about 20 nm, but is limited thereto. May not be.
  • impurities may be intercalated in the empty space between the graphene oxide sheet and the reduced graphene oxide sheets to be removed, and the interval may be about 1 nm to about 20 nm, about 1 nm to about 15 nm, about 1 nm to about 10 nm, about 1 nm to about 5 nm, about 5 nm to about 20 nm, about 5 nm to about 15 nm, about 5 nm to about 10 nm, about 10 nm to about 20 nm , About 10 nm to about 15 nm, or about 15 nm to about 20 nm, but may not be limited thereto.
  • the size of the pinholes formed in the graphene oxide sheet and the reduced graphene oxide sheet may be about 0.1 nm to about 10 nm, but may not be limited thereto.
  • impurities may be trapped and removed between the pinholes included in the graphene oxide and the reduced graphene oxide, and the pinhole has a size of about 0.1 nm to about 10 nm, about 0.1 nm to about 5 nm, It may be about 0.1 nm to about 1 nm, about 1 nm to about 10 nm, about 1 nm to about 5 nm, or about 5 nm to about 10 nm, but may not be limited thereto.
  • fine particles having a diameter of about 10 ⁇ m or less contained in water introduced by the carbon material may be removed, but the present invention is not limited thereto.
  • contaminants contained in water may be adsorbed, and oxygen contained in the graphene oxide and the reduced graphene oxide -Organic substances may be adsorbed by the containing functional group, and impurities may be removed by intercalating between pinholes included in the graphene oxide and the reduced graphene oxide, and the graphene oxide and the reduced graphene oxide It may be removed by impurities being inserted between the sheet and the sheet.
  • the water treatment reactor may further include two or more inlets and outlets on the side, but is not limited thereto.
  • the inlet and outlet may be additionally included, and the inlet and outlet may be connected by a pump.
  • Water in the water treatment reactor may be circulated in the reactor through the pump.
  • the number of inlets, outlets and pumps, and positions of inlets and outlets can be applied without limitation.
  • the circulation of water by the pump may include an upper circulation, a lower circulation, and an upper and lower cross circulation, but is not limited thereto.
  • each inlet and outlet may be connected by a pump, and water in the water treatment reactor may be circulated through the pump. Accordingly, the water may be more smoothly mixed with the carbon material in the water treatment reactor according to the circulation of water, and thus the effect of the primary filtering by the carbon material may be increased.
  • the water treatment reactor may further include a rotary mixing device.
  • the rotary mixing device may be a magnetic mixing device or an impeller-type mixing device, but is not limited thereto.
  • the rotary mixing device may allow the introduced water and the carbon material to be more smoothly mixed.
  • the water treatment reactor may further include a magnetic mixing device.
  • the magnetic mixing device may be provided at the inlet portion, but is not limited thereto.
  • the mixing bar magnet may include a propeller shape or a bar shape, but is not limited thereto.
  • the water treatment reactor may further include an impeller type mixing device.
  • the impeller-type mixing device may be provided at an upper, lower, or intermediate portion regardless of a position in the water treatment reaction.
  • the number of impeller-type mixing devices can be applied without limitation.
  • the impeller type mixing device may include a flat plate type or a propeller type, but is not limited thereto.
  • the filter module includes an outer membrane layer forming an outer surface of the filter module; An inner membrane layer disposed inside the outer membrane layer; And a graphene filter layer disposed between the outer membrane layer and the inner membrane layer.
  • the filter module may include three layers. More specifically, it may be composed of an outer membrane layer forming an outer surface of the filter module, a graphene filter layer including graphene, and an inner membrane layer, wherein the graphene filter layer is the outer membrane layer and the inner membrane layer It may be placed between.
  • the introduced water passes through the three filters, micro- and nano-sized fine particles or ultra-fine particles contained in the introduced water may be filtered and removed, but may not be limited thereto. have.
  • the introduced water is about 10 nm to about 100 nm in which large-particle impurities, medium-sized impurities, and heavy metals and/or bacteria are removed from the outer membrane layer and not removed through the outer membrane layer.
  • the ultrafine particles of the graphene filter layer are removed by oxygen-containing functional groups, pinholes, nano-pores, and the like of the graphene filter layer, and finally impurities that have not been removed while passing through the inner membrane layer may be removed.
  • the filter module is A type of pleated membrane structure;
  • the graphene may be a cylindrical type B including the graphene filter layer filled in a powder form, but is not limited thereto.
  • the filter module of type A is a structure formed in a pleated structure in which the surface area is increased by folding the filter paper like a fan and containing graphene composed of an outer membrane layer, a graphene filter layer, and an inner membrane layer. May be, but may not be limited thereto.
  • the filter module may have a B-type structure in which graphene is filled in a powder form between an outer membrane layer forming an outer surface of the filter module and an inner membrane layer disposed inside the outer membrane layer. , May not be limited thereto.
  • the graphene filter layer when the graphene filter layer is formed in a structure in which graphene is filled in a powder form (type B), a structure formed in a pleated film structure including graphene (type A)
  • the amount of graphene may be larger, but may not be limited thereto.
  • the graphene filter layer may be one selected from the group consisting of graphene, graphene oxide, reduced graphene oxide, graphene nanoplatelets, and combinations thereof. , But is not limited thereto.
  • the graphene filter layer is selected from the group consisting of graphene, graphene oxide, reduced graphene oxide, graphene nanoplatelets, and combinations thereof, compared to the total 100 parts by weight of the graphene filter layer. It may be included in an amount of 0.1 to 100 parts by weight, but is not limited thereto.
  • the graphene filter layer may be porous, but is not limited thereto.
  • the size of the pores of the graphene filter layer may be 1 nm to 20 nm, but is not limited thereto. More specifically, the size of the pores of the graphene filter layer is about 1 nm to about 20 nm, about 1 nm to about 15 nm, about 1 nm to about 10 nm, about 1 nm to about 5 nm, about 5 nm to About 20 nm, about 5 nm to about 15 nm, about 5 nm to about 10 nm, about 10 nm to about 20 nm, about 10 nm to about 15 nm, or about 15 nm to about 20 nm, but limited thereto May not be.
  • the graphene filter layer is activated carbon, carbon black, zeolite, silica, ion exchange resin, alumina, KDF filter (Kinetic Degradation Fluxion filter), ceramic balls, carbon nanotubes, and combinations thereof It may be to further include a material selected from the group consisting of, but is not limited thereto.
  • fine particles having a diameter of 10 ⁇ m or less included in the introduced water may be removed by the graphene filter layer, but the present invention is not limited thereto.
  • the outer membrane layer and the inner membrane layer are each independently a group consisting of cellulose, glass fiber, polyethylene, polypropylene, carbon fiber, activated carbon fiber, polyethylene terephthalate, and combinations thereof It may be selected from, but is not limited thereto.
  • each of the outer membrane layer and the inner membrane layer may be formed of the same or different materials, but may not be limited thereto.
  • the filter module may have different pupil sizes in the inlet direction and the outlet direction, but may not be limited thereto.
  • the size of the pupil of each of the outer membrane layer and the inner membrane layer may be about 0.1 ⁇ m to about 100 ⁇ m, but is not limited thereto.
  • the pupil size in the receiving direction is about 0.1 ⁇ m to about 100 ⁇ m, about 0.1 ⁇ m to about 80 ⁇ m, about 0.1 ⁇ m to about 60 ⁇ m, about 0.1 ⁇ m to About 40 ⁇ m, about 0.1 ⁇ m to about 20 ⁇ m, about 0.1 ⁇ m to about 10 ⁇ m, about 0.1 ⁇ m to about 1 ⁇ m, about 1 ⁇ m to about 100 ⁇ m, about 1 ⁇ m to about 80 ⁇ m, about 1 ⁇ m to about 60 ⁇ m, about 1 ⁇ m to about 40 ⁇ m, about 1 ⁇ m to about 20 ⁇ m, about 1 ⁇ m to about 10 ⁇ m, about 10 ⁇ m to about 100 ⁇ m, about 10 ⁇ m to about 80 ⁇ m, about 10 ⁇ m to about 60 ⁇ m, It may be about 10 ⁇ m to about 40 ⁇ m, about 10 ⁇ m to about 20 ⁇ m, about 20 ⁇ m, about 20 ⁇ m, about 20 ⁇ m, about 20
  • the pupil size in the outlet direction is about 0.1 ⁇ m to about 10 ⁇ m, about 0.1 ⁇ m to about 8 ⁇ m, about 0.1 ⁇ m to about 6 ⁇ m, about 0.1 ⁇ m to About 4 ⁇ m, about 0.1 ⁇ m to about 2 ⁇ m, about 0.1 ⁇ m to about 1 ⁇ m, about 1 ⁇ m to about 10 ⁇ m, about 1 ⁇ m to about 8 ⁇ m, about 1 ⁇ m to about 6 ⁇ m, about 1 ⁇ m to about 4 ⁇ m, about 1 ⁇ m to about 2 ⁇ m, about 2 ⁇ m to about 10 ⁇ m, about 2 ⁇ m to about 8 ⁇ m, about 2 ⁇ m to about 6 ⁇ m, about 2 ⁇ m to about 4 ⁇ m, about 4 ⁇ m to about 10 ⁇ m, About 4 ⁇ m to about 8 ⁇ m, about 4 ⁇ m to about 6 ⁇ m, about 6 ⁇ m to about 6 ⁇ m, about 6 ⁇ m to about 4 ⁇ m,
  • the size of the pore of the outer membrane layer may be about 0.1 ⁇ m to about 100 ⁇ m, but may not be limited thereto.
  • the pore size of the outer membrane layer is about 0.1 ⁇ m to about 100 ⁇ m, about 0.1 ⁇ m to about 80 ⁇ m, about 0.1 ⁇ m to about 60 ⁇ m, about 0.1 ⁇ m to about 40 ⁇ m, about 0.1 ⁇ m to about 20 ⁇ m, about 0.1 ⁇ m to about 10 ⁇ m, about 0.1 ⁇ m to about 1 ⁇ m, about 1 ⁇ m to about 100 ⁇ m, about 1 ⁇ m to about 80 ⁇ m, about 1 ⁇ m to about 60 ⁇ m, about 1 ⁇ m to about 40 ⁇ m, About 1 ⁇ m to about 20 ⁇ m, about 1 ⁇ m to about 10 ⁇ m, about 10 ⁇ m to about 100 ⁇ m, about 10 ⁇ m to about 80 ⁇ m,
  • the size of the pore of the inner membrane layer may be about 0.1 ⁇ m to about 10 ⁇ m, but may not be limited thereto.
  • the pore size of the inner membrane layer is about 0.1 ⁇ m to about 10 ⁇ m, about 0.1 ⁇ m to about 8 ⁇ m, about 0.1 ⁇ m to about 6 ⁇ m, about 0.1 ⁇ m to about 4 ⁇ m, about 0.1 ⁇ m to about 2 ⁇ m, about 0.1 ⁇ m to about 1 ⁇ m, about 1 ⁇ m to about 10 ⁇ m, about 1 ⁇ m to about 8 ⁇ m, about 1 ⁇ m to about 6 ⁇ m, about 1 ⁇ m to about 4 ⁇ m, about 1 ⁇ m to about 2 ⁇ m, About 2 ⁇ m to about 10 ⁇ m, about 2 ⁇ m to about 8 ⁇ m, about 2 ⁇ m to about 6 ⁇ m, about 2 ⁇ m to about 4 ⁇ m, about 1 ⁇ m to about 2 ⁇ m, About 2 ⁇ m to about 10 ⁇
  • fine particles having a diameter of less than about 10 ⁇ m included in the introduced water may be removed by the graphene filter layer, but the present invention may not be limited thereto.
  • contaminants contained in water may be adsorbed, and organic substances may be adsorbed by oxygen-containing functional groups included in the graphene.
  • impurities may be removed by intercalating between pinholes included in graphene, but may not be limited thereto.
  • the oxygen-containing functional group is selected from the group consisting of a hydroxy group, an epoxy group, a carboxyl group, a ketone group, and combinations thereof. It may include, but may not be limited thereto.
  • the graphene filter layer may remove ink or dye that has not been removed from the conventional drinking water filter.
  • the ink or dye contains particles in the range of about 10 nm to about 100 nm, and is included in the ink or dye through an oxygen-containing functional group, pinhole, and nano-sized pupils included in the graphene filter layer.
  • the particles may be adsorbed and removed, but may not be limited thereto.
  • the graphene filter layer of the A-type filter module may include about 0.1 to about 30 parts by weight of graphene relative to the total 100 parts by weight of the graphene filter layer, but may not be limited thereto. have.
  • the graphene is preferably contained in an amount of about 0.1 to 30 parts by weight.
  • the graphene filter layer of the B-type filter module may include about 0.1 to about 100 parts by weight of graphene relative to the total 100 parts by weight of the graphene filter layer, but may not be limited thereto. .
  • the graphene filter layer may further include a material selected from the group consisting of activated carbon, polymer compounds, sand, gravel, charcoal, and combinations thereof, but may not be limited thereto.
  • the thickness thereof including all of the outer membrane layer, the graphene filter layer, and the inner membrane layer may be about 1 to 10 mm, but is not limited thereto. have.
  • the thickness of the graphene filter layer may be about 0.1 to 100 mm, but may not be limited thereto.
  • the thickness of the graphene filter layer is about 0.1 to 100 mm, about 0.1 to 50 mm, about 0.1 to 10 mm, about 0.1 to 1 mm, about 1 to 100 mm, about It may be 1 to 50 mm, about 1 to 10 mm, about 10 to 100 mm, about 10 to 50 mm, or about 50 to 100 mm, but may not be limited thereto.
  • a second aspect of the present application provides a water purification system comprising the water treatment reactor according to the first aspect of the present application.
  • a pretreatment filter connected to the inlet of the water treatment reactor according to the first aspect of the present application; And/or it may be to further include a post-treatment filter connected to the outlet of the water treatment reactor according to the first aspect of the present application.
  • the water supplied to the raw water passes through a pre-treatment filter, it is connected to the water treatment reactor according to the first aspect of the present application, stored in a storage tank, filtered through a post-treatment filter, and supplied to the home.
  • particulate contaminants saturated with water supplied to raw water may be removed through the pretreatment filter, heavy metals and organic compounds are removed from the water treatment reactor, and bacteria may be pretreated.
  • bacteria may be removed from the post-treatment filter. That is, when the bacteria that are first removed in the water treatment reactor regrow in the storage tank, the bacteria may be secondarily removed in the post-treatment filter.
  • the pretreatment filter includes a graphene oxide layer; And a filtration layer, but is not limited thereto.
  • the filtration layer may include one or more selected from the group consisting of sand, gravel, charcoal, activated carbon, ion exchange resin, and combinations thereof, but is not limited thereto.
  • the pretreatment filter includes the graphene oxide layer, and may further include a filtration layer on the graphene oxide layer in order to prevent the graphene oxide from floating in water and increase the life of the filter for efficient use. . More specifically, first, when contaminated water passes through the pretreatment filter, micro- and nano-sized fine particles or ultra-fine particles may be filtered and removed from the nano pores of the graphene oxide layer, but is not limited thereto.
  • I can.
  • large particles of impurities are removed through gravel in the filtration layer of the pretreatment filter, medium-sized impurities, heavy metals and/or bacteria are removed by activated carbon, and small particles are removed through sand.
  • the ultrafine particles of about 10 nm to about 100 nm that are not removed through the filtration layer are oxygen-containing functional groups of the graphene oxide layer, pinholes, nanopores, and voids between the graphene oxide sheets. It may be removed by a void, but may not be limited thereto.
  • the ion exchange resin may use known resins without particular limitation, but may not be limited thereto.
  • the ion exchange resin may include a cation exchange resin or a mixed exchange resin, and the cation exchange resin is a cation contained in an impurity, for example, Ca 2+ , Mg 2+ , Na + , or K + And the like may be removed by being exchanged with H + ions by the cation exchange resin, and impurities may be adsorbed to the resin, but may not be limited thereto.
  • the mixed ion exchange resin for example, with a cation contained in an impurity such as Ca 2+ , Mg 2+ , Na + , or K +, such as SO 4 2- , or Cl 2 Anions may be removed by the mixed ion exchange resin, but may not be limited thereto.
  • an impurity such as Ca 2+ , Mg 2+ , Na + , or K +, such as SO 4 2- , or Cl 2 Anions
  • the graphene oxide layer of the pretreatment filter may be about 0.1 to about 10 parts by weight based on 100 parts by weight of the pretreatment filter, but may not be limited thereto.
  • the graphene oxide layer is about 0.1 to about 10 parts by weight, about 0.1 to about 8 parts by weight, about 0.1 to about 6 parts by weight, about 0.1 to about 4 parts by weight, based on the total weight part of the pretreatment filter, About 0.1 to about 2 parts by weight, about 0.1 to about 1 parts by weight, about 1 to about 10 parts by weight, about 1 to about 8 parts by weight, about 1 to about 6 parts by weight, about 1 to about 4 parts by weight, about 1 To about 2 parts by weight, about 2 to about 10 parts by weight, about 2 to about 8 parts by weight, about 2 to about 6 parts by weight, about 2 to about 4 parts by weight, about 4 to about 10 parts by weight, about 4 to about It may be 8 parts by weight, about 4 to about 6 parts by weight, about 6 to about 10 parts by weight, about 6 to about 10 parts by weight,
  • the pretreatment filter based on the total 100 parts by weight of the pretreatment filter, about 20 to about 30 parts by weight of gravel, about 20 to about 30 parts by weight of activated carbon, about 30 to about 45 parts by weight of sand, And about 1 to about 10 parts by weight of the graphene oxide layer, but may not be limited thereto.
  • the pretreatment filter may include a reverse osmosis filter (RO membrane filter) and a graphene composite filter, and the graphene composite filter includes a graphene oxide layer; And it may be to include a filter layer.
  • RO membrane filter reverse osmosis filter
  • the graphene composite filter includes a graphene oxide layer
  • the graphene composite filter may be installed in front of the reverse osmosis membrane filter, and in this case, fine dust, residual chlorine, and microorganisms that cause contamination and scale generation of the reverse osmosis membrane filter may be removed. It has the advantage of increasing the life of the reverse osmosis membrane filter, improving the recovery rate, or supplying safer washing water from which microorganisms such as bacteria are removed.
  • the graphene composite filter may be installed behind the reverse osmosis membrane filter. In this case, drinking water from which microorganisms such as bacteria have been removed can be supplied.
  • the post-treatment filter includes a post-treatment filter module
  • the post-treatment filter module includes: a post-treatment outer membrane layer forming an outer surface of the post-treatment filter module; A post-treatment inner membrane layer disposed inside the post-treatment outer membrane layer; And a post-treatment graphene filter layer disposed between the post-treatment outer membrane layer and the post-treatment inner membrane layer.
  • micro- and nano-sized fine particles or ultra-fine particles contained in the introduced water may be filtered and removed, but may not be limited thereto. have.
  • the introduced water is about 10 nm that large particle impurities, medium-sized impurities, heavy metals and/or bacteria are removed from the post-treatment outer membrane layer, and cannot be removed through the post-treatment outer membrane layer.
  • Ultrafine particles of about 100 nm to about 100 nm are removed by oxygen-containing functional groups, pinholes, nano-pores, etc. of the post-treatment graphene filter layer, and finally impurities that could not be removed while passing through the post-treatment inner membrane layer are removed. I can.
  • the post-treatment filter module is A type of pleated membrane structure;
  • the graphene may be a cylindrical type B including the graphene filter layer filled in a powder form, but is not limited thereto.
  • the post-processed graphene filter layer when the post-processed graphene filter layer is formed in a structure in which graphene is filled in a powder form (type B), a structure formed in a pleated film structure including graphene (type A ), the amount of graphene may be greater than that of), but may not be limited thereto.
  • the post-treatment graphene filter layer is one selected from the group consisting of graphene, graphene oxide, reduced graphene oxide, graphene nanoplatelets, and combinations thereof. However, it is not limited thereto. Specifically, the post-treatment graphene filter layer is selected from the group consisting of graphene, graphene oxide, reduced graphene oxide, graphene nanoplatelets, and combinations thereof. It may be included in an amount of 0.1 to 100 parts by weight based on 100 parts by weight, but is not limited thereto.
  • the post-processed graphene filter layer may be porous, but is not limited thereto.
  • the pore size of the post-treated graphene filter layer may be 1 nm to 20 nm, but is not limited thereto.
  • the pore size of the post-treated graphene filter layer is about 1 nm to about 20 nm, about 1 nm to about 15 nm, about 1 nm to about 10 nm, about 1 nm to about 5 nm, about 5 nm to about 20 nm, about 5 nm to about 15 nm, about 5 nm to about 10 nm, about 10 nm to about 20 nm, about 10 nm to about 15 nm, or about 15 nm to about 20 nm, This may not be limited.
  • the post-treated graphene filter layer is activated carbon, carbon black, zeolite, silica, ion exchange resin, alumina, KDF filter (Kinetic Degradation Fluxion filter), ceramic balls, carbon nanotubes, and their It may be to further include a material selected from the group consisting of combinations, but is not limited thereto.
  • fine particles having a diameter of 10 ⁇ m or less contained in the introduced water may be removed by the post-treatment graphene filter layer, but the present invention is not limited thereto.
  • the post-treatment outer membrane layer and the post-treatment inner membrane layer are each independently cellulose, glass fiber, polyethylene, polypropylene, carbon fiber, activated carbon fiber, polyethylene terephthalate, and combinations thereof It may be selected from the group consisting of, but is not limited thereto.
  • each of the post-treatment outer membrane layer and the post-treatment inner membrane layer may be formed of the same or different materials, but may not be limited thereto.
  • the post-processing filter module may have different pupil sizes in the inlet direction and the outlet direction, but may not be limited thereto.
  • the pores of each of the post-treatment outer membrane layer and the post-treatment inner membrane layer may range from about 0.1 ⁇ m to about 100 ⁇ m, but are not limited thereto.
  • the pupil size in the receiving direction is about 0.1 ⁇ m to about 100 ⁇ m, about 0.1 ⁇ m to about 80 ⁇ m, about 0.1 ⁇ m to about 60 ⁇ m, about 0.1 ⁇ m to about 40 ⁇ m, about 0.1 ⁇ m to about 20 ⁇ m, about 0.1 ⁇ m to about 10 ⁇ m, about 0.1 ⁇ m to about 1 ⁇ m, about 1 ⁇ m to about 100 ⁇ m, about 1 ⁇ m to about 80 ⁇ m, about 1 ⁇ m to About 60 ⁇ m, about 1 ⁇ m to about 40 ⁇ m, about 1 ⁇ m to about 20 ⁇ m, about 1 ⁇ m to about 10 ⁇ m, about 10 ⁇ m to about 100 ⁇ m, about 10 ⁇ m to about 80 ⁇ m, about 10 ⁇ m to about 60 ⁇ m, about 10 ⁇ m to about 40 ⁇ m, about 10 ⁇ m to about 20 ⁇ m, about 10 ⁇ m to about 60 ⁇ m, about 10 ⁇ m to about 40 ⁇ m
  • the pupil size in the outlet direction is about 0.1 ⁇ m to about 10 ⁇ m, about 0.1 ⁇ m to about 8 ⁇ m, about 0.1 ⁇ m to about 6 ⁇ m, about 0.1 ⁇ m to about 4 ⁇ m, about 0.1 ⁇ m to about 2 ⁇ m, about 0.1 ⁇ m to about 1 ⁇ m, about 1 ⁇ m to about 10 ⁇ m, about 1 ⁇ m to about 8 ⁇ m, about 1 ⁇ m to about 6 ⁇ m, about 1 ⁇ m to About 4 ⁇ m, about 1 ⁇ m to about 2 ⁇ m, about 2 ⁇ m to about 10 ⁇ m, about 2 ⁇ m to about 8 ⁇ m, about 2 ⁇ m to about 6 ⁇ m, about 2 ⁇ m to about 4 ⁇ m, about 4 ⁇ m to about 10 ⁇ m, about 4 ⁇ m to about 8 ⁇ m, about 4 ⁇ m to about 6 ⁇ m, about 6 ⁇ m, about 6 ⁇ m, about 6 ⁇ m, about 6 ⁇ m,
  • the pore size of the post-treatment outer membrane layer may be about 0.1 ⁇ m to about 100 ⁇ m, but may not be limited thereto.
  • the pore size of the post-treated outer membrane layer is about 0.1 ⁇ m to about 100 ⁇ m, about 0.1 ⁇ m to about 80 ⁇ m, about 0.1 ⁇ m to about 60 ⁇ m, about 0.1 ⁇ m to about 40 ⁇ m, about 0.1 ⁇ m to About 20 ⁇ m, about 0.1 ⁇ m to about 10 ⁇ m, about 0.1 ⁇ m to about 1 ⁇ m, about 1 ⁇ m to about 100 ⁇ m, about 1 ⁇ m to about 80 ⁇ m, about 1 ⁇ m to about 60 ⁇ m, about 1 ⁇ m to about 40 ⁇ m, about 1 ⁇ m to about 20 ⁇ m, about 1 ⁇ m to about 10 ⁇ m, about 10 ⁇ m to about 100 ⁇ m, about 10 ⁇ m.
  • the pore size of the post-treatment inner membrane layer may be about 0.1 ⁇ m to about 10 ⁇ m, but may not be limited thereto.
  • the pore size of the post-treated inner membrane layer is about 0.1 ⁇ m to about 10 ⁇ m, about 0.1 ⁇ m to about 8 ⁇ m, about 0.1 ⁇ m to about 6 ⁇ m, about 0.1 ⁇ m to about 4 ⁇ m, about 0.1 ⁇ m to About 2 ⁇ m, about 0.1 ⁇ m to about 1 ⁇ m, about 1 ⁇ m to about 10 ⁇ m, about 1 ⁇ m to about 8 ⁇ m, about 1 ⁇ m to about 6 ⁇ m, about 1 ⁇ m to about 4 ⁇ m, about 1 ⁇ m to about 2 ⁇ m, about 2 ⁇ m to about 10 ⁇ m, about 2 ⁇ m to about 8 ⁇ m, about 2 ⁇ m to about 6 ⁇ m, about 2 ⁇ m to
  • microparticles having a diameter of less than about 10 ⁇ m included in the introduced water may be removed by the post-treated graphene filter layer, but the present invention may not be limited thereto.
  • the present invention may not be limited thereto due to the high specific surface area and porosity of graphene in the post-processed graphene filter layer, contaminants contained in water may be adsorbed, and organic materials may be absorbed by oxygen-containing functional groups included in the graphene.
  • the adsorption or impurities may be removed by intercalating between pinholes included in graphene, but may not be limited thereto.
  • the oxygen-containing functional group is selected from the group consisting of a hydroxy group, an epoxy group, a carboxyl group, a ketone group, and combinations thereof. It may include, but may not be limited thereto.
  • the post-treatment graphene filter layer of the A-type post-treatment filter module may include about 0.1 to 30 parts by weight of graphene relative to the total 100 parts by weight of the post-treatment graphene filter layer, This may not be limited.
  • the amount of graphene in the A-type post-processing filter module exceeds 30% by weight, problems such as a decrease in flow rate may occur, and thus the graphene is preferably contained in an amount of about 0.1 to 30 parts by weight.
  • the post-treatment graphene filter layer of the B-type post-treatment filter module may include about 0.1 to about 100 parts by weight of graphene relative to the total 100 parts by weight of the post-treatment graphene filter layer, This may not be limited.
  • the post-treated graphene filter layer may further include a material selected from the group consisting of activated carbon, polymer compounds, sand, gravel, charcoal, and combinations thereof, but may not be limited thereto. have.
  • the thickness is about 1 to 10 mm including all of the post-treatment outer membrane layer, post-treatment graphene filter layer, and post-treatment inner membrane layer.
  • the thickness may not be limited thereto.
  • the thickness of the post-processed graphene filter layer may be about 0.1 to 100 mm, but may not be limited thereto.
  • the thickness of the post-treatment graphene filter layer is about 0.1 to 100 mm, about 0.1 to 50 mm, about 0.1 to 10 mm, about 0.1 to 1 mm, about 1 to It may be 100 mm, about 1 to 50 mm, about 1 to 10 mm, about 10 to 100 mm, about 10 to 50 mm, or about 50 to 100 mm, but may not be limited thereto.
  • a third aspect of the present application provides a wastewater treatment system comprising the water treatment reactor according to the first aspect of the present application.
  • the wastewater treatment system includes a water collecting tank in which wastewater is collected; A coagulation reaction tank in which the coagulation reaction of the wastewater discharged from the water collecting tank occurs; A pressurized flotation tank for floating sludge agglomerated in the flocculation reactor; And a circulating water tank for storing the wastewater passed through the pressurized floating tank and then returning the wastewater to the water collecting tank, and the circulating water tank may include a water treatment reactor according to the first aspect of the present application. .
  • a regeneration system is additionally included between the circulation water tank and the water collecting tank, and the regeneration system comprises the carbon material or a component of the graphene filter layer discharged from the water treatment reactor according to the first aspect of the present application. It may be collected and returned to the water treatment reactor according to the first aspect of the present application.
  • the wastewater supplied to the wastewater generator may pass through the pretreatment filter.
  • the wastewater that has passed through the pretreatment filter may be connected to the water treatment reactor according to the first aspect of the present application and refiltered.
  • the conventional wastewater treatment apparatus includes a collection tank in which wastewater is collected; A coagulation reaction tank in which the coagulation reaction of the wastewater discharged from the water collecting tank occurs; A pressurized flotation tank for floating sludge agglomerated in the flocculation reactor; And a circulation water tank configured to store the wastewater passed through the pressurized floating tank and then return the wastewater to the water collecting tank.
  • the water treatment reactor may be installed in the circulation water tank.
  • the wastewater treatment system according to one embodiment of the present application may further include a pretreatment filter connected to the inlet of the water treatment reactor according to the first aspect of the present application.
  • a pretreatment filter connected to the inlet of the water treatment reactor according to the first aspect of the present application.
  • the contents of the pretreatment filter disclosed in the water purification system according to the second aspect of the present application may be equally applied.
  • a water treatment reactor containing a filter module was manufactured.
  • the water treatment reactor can be varied in size from 5 L to 10,000 L without limitation depending on the flow rate of water to be treated and the degree of contamination, and when the degree of contamination is large and the flow rate is large, the size of the water treatment reactor must be increased.
  • 70% by volume of reduced graphene oxide (rGO) powder was filled.
  • the reduced graphene oxide was prepared by peroxidating graphite to obtain graphene oxide (GO), and reducing the obtained graphene oxide to obtain reduced graphene oxide (rGO).
  • the peroxidation of graphite was performed by increasing the reaction time when oxidizing graphite, or by increasing the reaction temperature to increase the reaction time compared to conventional graphene oxide production.
  • Many oxygen-containing functional groups are formed at the edges of the reduced graphene oxide sheets formed by the peroxidation.
  • contaminated water is introduced from the bottom of the reactor, and items (COD, chromaticity, turbidity, etc.) according to the wastewater treatment standard are measured by taking influent and effluent samples to check the performance.
  • items COD, chromaticity, turbidity, etc.
  • the replacement cycle or regeneration cycle of the filter or water purification material is determined.
  • FIG. 12 is a photograph showing a test of the wastewater treatment capacity of the water treatment reactor on a laboratory scale. From the left, it was designed by connecting a water collection tank, a pretreatment filter, and a water treatment reactor in that order. Wastewater in the rightmost picture was supplied at 250 ml per minute.
  • the removal rate is calculated as (inflow water-outflow water)/inflow water * 100, and maintaining 100% of the removal rate is equivalent to 100% removal of pollutants from the outflow water. It was confirmed that approximately 100% of turbidity was maintained, and 100% removal of COD was maintained, and about 100% of the color was also removed, confirming that the dye particles were completely removed. Therefore, through the above experiment, it can be confirmed that the water treatment reactor of the present application has excellent wastewater treatment capability and maintains its capability even for long time wastewater treatment, so it is excellent in durability and suitable for long-term operation.

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Abstract

수처리 반응기, 및 상기 수처리 반응기를 포함하는 정수 시스템 및 폐수 처리 시스템에 관한 것이다.

Description

수처리 반응기, 및 이를 포함하는 정수 시스템 및 폐수 처리 시스템
본원은, 수처리 반응기, 그리고 상기 수처리 반응기를 포함하는 정수 시스템 및 폐수 처리 시스템에 관한 것이다.
현재 사용되고 있는 원수는, 대부분 강 또는 하천으로부터 얻어진다. 얻어진 원수는 침전, 약품, 및 소독 등의 단계를 거쳐서 각종 이물질, 불순물을 걸러내어 깨끗한 물로 정수되어 가정 또는 산업으로 제공된다. 상기 원수의 정수를 위해, 정수장에서는 응집, 침전, 약품 처리 단계 등을 위한 높은 설치 비용과 넓은 부지가 요구되며, 그에 따라 설치비의 제약이 따른다. 오염된 원수는 정수장을 거치며, 추가로 일반 가정용 정수기 물을 거쳐서 비로소 우리가 음용할 수 있는 물로 되돌아온다.
산업의 발달로 인한 산업 폐기물, 생활 오수로 인해 호수, 강, 하천 등의 자연수가 더욱 더 오염되고 있다. 물의 오염이 심각해짐에 따라, 정수 처리 없이는 원수를 사용하지 못할 뿐만 아니라, 가정에서 가정용 정수기를 추가하여 수돗물을 한번 더 정수하여 마시는 것이 일반화되어 있다.
그러나, 깨끗한 물을 마시기 위해 추가로 정수기를 사용함에도 불구하고, 정수가 잘되지 않을 뿐만 아니라 중금속이 검출되는 등 정수기에 대한 신뢰가 낮아지고 있다. 따라서, 초미세입자, 중금속 등을 거를 수 있는, 우수한 여과 능력을 가지며 정수 단계를 줄일 수 있는 새로운 수처리 기기의 개발이 시급하다.
한편, 탄소 단원자층을 포함하는 그래핀(graphene)의 기술 개발은 물론 그래핀을 응용하는 기술 개발 역시 급속히 진행되고 있다.
그래핀은 탄소 원자들이 한층으로 형성된 단원자층을 포함하며, 그래핀의 도전성은 구리에 비하여 매우 우수하고, 그래핀의 전자 이동성은 실리콘(silicon)에 비하여 빠르며, 그래핀은 강철에 비하여 매우 높은 강도를 갖는 다양한 장점들을 갖는 신소재이다. 그래핀은 초고속 반도체, 투명 전극을 활용한 플랙시블 디스플레이, 컴퓨터의 부품, 고효율 태양전지 등 다양한 분야에 적용되고 있다. 종래 반도체, 디스플레이, 컴퓨터 부품 및 태양 전지 등에 사용되는 그래핀은, 그래핀에 홀(through hole) 등과 같은 결함이 형성되지 않도록 하는 기술 방향으로 기술 개발이 진행되고 있다.
[선행기술문헌]
(특허문헌 1) KR10-2017-0036576 A
(특허문헌 2) KR10-2011-0118992 A
본원은, 유입구와 유출구가 구비되는 하우징; 및 상기 하우징 내에 구비되어, 상기 유입구를 통해 유입된 물을 정화하여 상기 유출구로 공급하는 필터 모듈을 포함하는, 수처리 반응기, 그리고 상기 수처리 반응기를 포함하는 정수 시스템 및 폐수 처리 시스템에 관한 것이다.
그러나, 본원이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본원의 제 1 측면은, 유입구와 유출구가 구비되는 하우징; 및 상기 필터 하우징 내에 구비되어, 상기 유입구를 통해 유입된 물을 정화하여 상기 유출구로 공급하는 필터 모듈을 포함하는, 수처리 반응기를 제공한다.
본원의 제 2 측면은, 본원의 제 1 측면에 따른 수처리 반응기를 포함하는, 정수 시스템을 제공한다.
본원의 제 3 측면은, 본원의 제 1 측면에 따른 수처리 반응기를 포함하는, 폐수 처리 시스템을 제공한다.
본원의 구현예들에 따른 수처리 반응기는, 필터 모듈 및 수처리 반응기에 채워진 탄소 소재를 이용하여, 이중 장치로써 음용이 불가능한 물에 포함된 미세입자, 유기화합물, 소독 부산물, 중금속 또는 박테리아 등을 흡착 제거하여 마실 수 있는 깨끗한 물로 정수할 수 있는 신규 형태의 수처리 반응기이다.
본원의 구현예들에 있어서, 본원의 수처리 반응기는 산화 그래핀을 필터 모듈 및 탄소 소재를 적용할 수 있으므로, 유입된 물에 포함된 유기성 물질이 상기 산화 그래핀 제조 시 과산화로 인하여 그래핀의 가장자리 및 내부에 형성된 산소-함유 기능기에 의하여 흡착되어 제거되고, 상기 유입된 물에 포함된 불순물이 상기 산화 그래핀 제조 시 과산화로 인하여 상기 그래핀의 내부에 형성된 핀홀 사이에 끼여 제거될 수 있으며, 뿐만 아니라 그래핀의 시트와 시트 사이에 불순물이 끼여 제거되고, 또한 그래핀의 나노기공에 마이크로 사이즈 및 나노 사이즈의 초미세 불순물이 걸러져 제거될 수 있다.
본원의 구현예들에 따르면, 본원 수처리 반응기 내의 필터 모듈에서 유입된 원수가 외부 멤브레인 층, 그래핀 필터 층, 및 내부 멤브레인 층을 순서대로 통과하며 3 차례 필터링됨으로써, 유입된 물 내의 오염물질을 효과적으로 제거할 수 있는 효과가 있다.
본원에 구현예들에 따르면, 수처리 반응기는 간이하게, 정수 시스템뿐만 아니라 폐수 처리 시스템에도 적용 가능하므로, 큰 부지 및 장비를 요하는 종래의 시설을 설치하지 않고도 효율적으로 작동할 수 있는 간이 수처리 시스템을 설치할 수 있는 이점이 있다.
도 1은, 본원의 일 실시예에 따른 수처리 반응기의 모식도이다.
도 2는, 본원의 일 실시예에 따른 수처리 반응기의 측면에 2개의 유입구, 2개의 유출구를 구비하고, 상기 유입구 및 유출구에 펌프를 연결시킨 형태를 나타내는 모식도이다.
도 3은, 본원의 일 실시예에 있어서, 자석 회전식 혼합 장치를 설치한 수처리 반응기의 모식도이다.
도 4는, 본원의 일 실시예에 있어서, 임펠러 혼합 장치를 설치한 수처리 반응기의 모식도이다.
도 5는, 본원의 일 실시예에 있어서, 필터 모듈의 구조를 나타내는 모식도이다.
도 6은, 본원의 일 실시예에 있어서, 필터 모듈의 외부 멤브레인 층, 그래핀 필터 층, 및 내부 멤브레인 층의 단면도이다.
도 7은, 본원의 일 실시예에 있어서, A형 필터 모듈의 구조를 나타내는 모식도이다.
도 8은, 본원의 일 실시예에 있어서, B형 그래핀 필터 모듈의 구조를 나타내는 모식도이다.
도 9는, 본원의 일 실시예에 있어서, 수처리 반응기를 적용한 정수 시스템의 공정 플로우를 나타내는 개략도이다.
도 10은, 본원의 일 실시예에 있어서, 산화 그래핀을 적용한 필터 모듈을 이용한 역삼투(RO) 정수기의 예시를 나타내는 개략도이다.
도 11은, 본원의 일 실시예에 있어서, 수처리 반응기를 적용한 폐수 처리 시스템의 공정 플로우를 나타내는 개략도이다.
도 12는, 본원의 일 실시예에 있어서, 수처리 반응기의 폐수 처리 능력 시험을 위한 실험실 스케일의 실험장치 사진이다 (a, b ,c).
도 13은, 본원의 일 실시예에 있어서, 수처리 반응기의 폐수 처리 능력 시험의 혼탁도 결과를 나타내는 그래프이다.
도 14는, 본원의 일 실시예에 있어서, 수처리 반응기의 폐수 처리 능력 시험의 COD 처리 결과를 나타내는 그래프이다.
도 15는, 본원의 일 실시예에 있어서, 수처리 반응기의 폐수 처리 능력 시험의 색도 처리 결과를 나타내는 그래프이다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 “연결”되어 있다고 할 때, 이는 “직접적으로 연결”되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 “전기적으로 연결”되어 있는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 “상에” 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 “약”, “실질적으로” 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다.
본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 “~(하는) 단계” 또는 “~의 단계”는 “~ 를 위한 단계”를 의미하지 않는다.
본원 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 “이들의 조합(들)”의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.
본원 명세서 전체에서, “A 및/또는 B”의 기재는 “A 또는 B, 또는 A 및 B”를 의미한다.
본원 명세서 전체에서, "그래핀(graphene)"이라는 용어는 복수 개의 탄소 원자들이 서로 공유 결합으로 연결되어 폴리시클릭 방향족 분자를 형성한 것을 의미하는 것으로서, 상기 공유 결합으로 연결된 탄소 원자들은 기본 반복 단위로서 6 원환을 형성하나, 5 원환 및/또는 7 원환을 더 포함하는 것도 가능하다. 따라서, 상기 그래핀이 형성하는 시트는 서로 공유 결합된 탄소 원자들의 단일층으로서 보일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 그래핀이 형성하는 시트는 다양한 구조를 가질 수 있으며, 이와 같은 구조는 그래핀 내에 포함될 수 있는 5 원환 및/또는 7 원환의 함량에 따라 달라질 수 있다. 또한, 상기 그래핀이 형성하는 시트가 단일층으로 이루어진 경우, 이들이 서로 적층되어 복수층을 형성할 수 있으며, 상기 그래핀 시트의 측면 말단부는 수소 원자로 포화될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원 명세서 전체에서, "그래핀 옥사이드(graphene oxide)"이라는 용어는 그래핀 산화물이라고도 불리우고, "GO"로 약칭될 수 있다. 단일층 그래핀 상에 카르복실기, 히드록시기, 또는 에폭시기 등의 산소를 함유하는 작용기가 결합된 구조를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원 명세서 전체에서, "환원된 그래핀 산화물" 또는 "환원 그래핀 옥사이드(reduced graphene oxide)"이라는 용어는 환원 과정을 거쳐 산소 비율이 줄어든 그래핀 산화물을 의미하는 것으로서, "rGO"로 약칭될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원 명세서 전체에서, "그래핀 나노플레이트렛(Graphene Nano Platelet)"이라는 용어는 천연 흑연(Natural Graphite)를 물리적 또는 화학적 방법에 의해 제조된 10~100여층의 탄소층을 갖는 물질로 "GNP"로 약칭될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본원의 구현예 및 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 본원이 이러한 구현예 및 실시예와 도면에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 제 1 측면은, 유입구와 유출구가 구비되는 하우징; 및 상기 하우징 내에 구비되어, 상기 유입구를 통해 유입된 물을 정화하여 상기 유출구로 공급하는 필터 모듈을 포함하는, 수처리 반응기를 제공한다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 하우징과 상기 필터 모듈 사이의 공간에 배치된 탄소 소재를 더 포함하는 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 탄소 소재는 유입된 물과 혼합되어 물 속에 포함된 미세입자, 용존하는 오염물질과 세균 등을 제거하는 것으로, 상기 탄소 소재와 유입된 물이 원활하게 혼합되도록 하는 것이 중요하다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 탄소 소재는 상기 하우징과 상기 필터 모듈 사이 공간의 약 5 부피% 내지 약 80 부피%를 차지하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다. 구체적으로, 상기 탄소 소재는 상기 하우징과 상기 필터 모듈 사이 공간의 약 5 부피% 내지 약 80 부피%, 약 20 부피% 내지 약 80 부피%, 약 30 부피% 내지 약 80 부피%, 약 40 부피% 내지 약 80 부피%를 차지하는 것일 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 탄소 소재가 80 부피%를 초과하면, 상기 유입된 물과 상기 탄소 소재가 원활하게 혼합되지 않을 수 있고, 상기 탄소 소재가 5 부피% 미만이면 유입된 물의 오염 물질을 처리하는 능력이 떨어지는 문제점이 있다.
본원의 일 구현예에 따른 수처리 반응기는, 필터 모듈 및 수처리 반응기에 채워진 탄소 소재를 이용하여, 이중 장치로써 음용이 불가능한 물에 포함된 미세입자, 유기화합물, 소독 부산물, 중금속 또는 박테리아 등을 흡착 제거하여 마실 수 있는 깨끗한 물로 정수할 수 있는 신규 형태의 수처리 반응기이다.
도 1을 참조하면, 본원에 일 구현예에 따른 수처리 반응기는 유입구가 하부에, 유출구는 상부에 구비되는 것이고, 상부에 공기유출부를 포함할 수 있다. 유출구에는 필터 모듈이 구비될 수 있다. 유입구로 유입된 물은 필터 모듈과 수처리 반응기 사이의 공간에서 탄소 소재와 혼합되게 되고, 이 때 물에 포함된 미세입자가 1차 필터링된다. 필터 모듈은 탄소 소재가 유출구로 나가지 않도록 하고, 동시에 유출구로 나가는 물을 2차 필터링한다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 유입구와 유출구의 위치 및 방향은 상부에서 하부로, 하부에서 상부로 적용될 수 있는 것으로서, 제한없이 적용 가능하다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 탄소 소재는 그래핀, 산화 그래핀(graphene oxide; GO), 환원된 산화 그래핀(reduced graphene oxide; rGO), 활성탄 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다. 구체적으로, 상기 산화 그래핀은 복수의 산화 그래핀 시트를 포함하고, 상기 환원된 산화 그래핀은 복수의 환원된 산화 그래핀 시트를 포함하고, 상기 복수의 산화 그래핀 시트 및 상기 복수의 환원된 산화 그래핀 시트 각각은 산소-함유 기능기 및/또는 핀홀을 포함하는 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 환원된 산화 그래핀은 흑연(graphite)을 과산화시켜 산화 그래핀을 수득하고, 상기 수득된 산화 그래핀을 환원시켜 환원된 산화 그래핀을 수득함으로써 제조되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다. 상기 흑연이 과산화되는 과정에서, 그래핀의 가장자리 및 그래핀 내부에 산소-함유 기능기가 생성되고, 결함이 발생하여 핀홀이 생성됨으로써 최종 수득되는 상기 환원된 산화 그래핀 시트 각각이 산소-함유 기능기 및/또는 핀홀을 포함하는 것일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 산소-함유 기능기는 히드록시기(hydroxyl group), 에폭시기(epoxy group), 카르복시기(carboxyl group), 케톤기(ketone group), 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 탄소 소재는 다공성일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다. 구체적으로, 상기 탄소 소재의 동공(pore)의 크기는 약 1 nm 내지 약 20 nm일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다. 예를 들어, 상기 산화 그래핀 층 및 상기 환원된 산화 그래핀 층의 동공은 시트와 시트 사이의 빈 공간(void)과 핀홀을 포함하는 것일 수 있으며, 상기 동공의 크기는 약 1 nm 내지 약 20 nm, 약 1 nm 내지 약 15 nm, 약 1 nm 내지 약 10 nm, 약 1 nm 내지 약 5 nm, 약 5 nm 내지 약 20 nm, 약 5 nm 내지 약 15 nm, 약 5 nm 내지 약 10 nm, 약 10 nm 내지 약 20 nm, 약 10 nm 내지 약 15 nm, 또는 약 15 nm 내지 약 20 nm 일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 복수의 산화 그래핀의 시트 및 상기 복수의 환원된 산화 그래핀의 시트 사이의 빈 공간(void)의 간격은 약 1 nm 내지 약 20 nm일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 산화 그래핀의 시트 및 상기 환원된 산화 그래핀의 시트들 사이의 빈 공간에 불순물이 끼여 제거되는 것일 수 있으며, 그 간격은 약 1 nm 내지 약 20 nm, 약 1 nm 내지 약 15 nm, 약 1 nm 내지 약 10 nm, 약 1 nm 내지 약 5 nm, 약 5 nm 내지 약 20 nm, 약 5 nm 내지 약 15 nm, 약 5 nm 내지 약 10 nm, 약 10 nm 내지 약 20 nm, 약 10 nm 내지 약 15 nm, 또는 약 15 nm 내지 약 20 nm일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 산화 그래핀 시트 및 상기 환원된 산화 그래핀 시트에 형성된 상기 핀홀의 크기는 약 0.1 nm 내지 약 10 nm일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 산화 그래핀 및 상기 환원된 산화 그래핀에 포함된 핀홀 사이로 불순물이 끼여 제거되는 것일 수 있으며, 상기 핀홀의 크기는 약 0.1 nm 내지 약 10 nm, 약 0.1 nm 내지 약 5 nm, 약 0.1 nm 내지 약 1 nm, 약 1 nm 내지 약 10 nm, 약 1 nm 내지 약 5 nm, 또는 약 5 nm 내지 약 10 nm일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 탄소 소재에 의해 유입된 물에 포함된 직경 약 10 μm 이하의 미세입자가 제거되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다. 구체적으로, 상기 산화 그래핀 및 상기 환원된 산화 그래핀의 높은 비표면적 및 다공성으로 인하여, 물에 포함된 오염물질이 흡착될 수 있으며, 상기 산화 그래핀 및 상기 환원된 산화 그래핀에 포함된 산소-함유 기능기에 의하여 유기성 물질이 흡착될 수 있고, 상기 산화 그래핀 및 상기 환원된 산화 그래핀에 포함된 핀홀 사이로 불순물이 끼여들어감으로써 제거될 수 있으며, 상기 산화 그래핀 및 상기 환원된 산화 그래핀의 시트와 시트 사이에 불순물이 끼여들어감으로써 제거되는 것일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 수처리 반응기는 측면부에 2개 이상의 유입구 및 유출구를 추가 포함할 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다. 구체적으로 상기 유입구 및 유출구를 추가로 포함하되, 유입구 및 유출구는 펌프로 연결되는 것일 수 있다. 상기 펌프를 통해 상기 수처리 반응기 내의 물을 반응기 내에서 순환시킬 수 있다. 상기 유입구, 유출구 및 펌프의 개수와 유입구 및 유출구의 위치는 제한없이 적용 가능하다. 또한, 상기 펌프에 의한 물의 순환은 상부 순환, 하부 순환, 상하부 교차 순환을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.
도 2를 참조하면, 본원의 수처리 반응기의 측면에 2개의 유입구 및 2개의 유출구를 구비할 수 있다. 각 유입구 및 유출구는 펌프로 연결될 수 있으며, 펌프를 통해 수처리 반응기 내의 물은 순환될 수 있다. 따라서, 물의 순환에 따라 상기 물은 수처리 반응기 내의 탄소 소재와 보다 원활하게 혼합될 수 있으므로, 상기 탄소 소재에 의한 1차 필터링의 효과가 증대될 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 수처리 반응기는 회전식 혼합 장치를 추가 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 회전식 혼합 장치는 자석식 혼합 장치 또는 임펠러식 혼합 장치일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다. 상기 회전식 혼합 장치는 상기 유입된 물과 상기 탄소 소재를 보다 원활하게 혼합될 수 있도록 할 수 있다.
도 3을 참조하면, 상기 수처리 반응기는 자석식 혼합 장치를 추가 포함할 수 있다. 구체적으로. 상기 자석식 혼합 장치는 유입구 부분에 구비될 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다. 상기 수처리 반응기 하단에 타공판을 놓고, 상기 타공판 위에 혼합용 막대 자석을 위치시킨 뒤, 자석 교반기(magnetic stirrer)를 이용하여 상기 혼합용 막대 자석을 적합한 속도로 회전시킴으로써, 상기 유입된 물과 상기 탄소 소재를 보다 원활하게 혼합될 수 있도록 할 수 있다. 상기 혼합용 막대 자석은 프로펠러 형태 또는 막대기 형태를 포함할 있으나, 이에 제한되지는 않는다.
도 4를 참조하면, 상기 수처리 반응기는 임펠러식 혼합 장치를 추가 포함할 수 있다. 구체적으로. 상기 임펠러식 혼합 장치는 상기 수처리 반응 내에서 위치에 관계없이 상부, 하부, 중간부에 구비될 수 있다. 또한, 상기 임펠러식 혼합 장치의 개수는 제한없이 적용 가능하다. 상기 임펠러식 혼합 장치는 평판형 또는 프로펠러형을 포함할 있으나, 이에 제한되지는 않는다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 필터 모듈은, 상기 필터 모듈의 외면을 형성하는 외부 멤브레인 층; 상기 외부 멤브레인 층의 내부에 배치된 내부 멤브레인 층; 및 상기 외부 멤브레인 층과 상기 내부 멤브레인 층 사이에 배치된 그래핀 필터 층을 포함하는 것일 수 있다.
도 5 및 도 6을 통해, 본원의 일 구현예에 따른 필터 모듈을 설명할 수 있다. 구체적으로, 상기 필터 모듈은 3 개의 층을 포함하는 것일 수 있다. 보다 구체적으로 상기 필터 모듈의 외면을 형성하는 외부 멤브레인 층, 그래핀을 포함하는 그래핀 필터 층, 및 내부 멤브레인 층으로 이루어지는 것일 수 있으며, 상기 그래핀 필터 층은 상기 외부 멤브레인 층과 상기 내부 멤브레인 층 사이에 배치된 것일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 유입된 물이 상기 3 개의 필터를 통과하면서 유입된 물 속에 포함된 마이크로 사이즈 및 나노 사이즈의 미세입자 또는 초미세입자가 여과되어 제거되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 유입된 물은 상기 외부 멤브레인 층에서 큰 입자의 불순물, 중간 사이즈의 불순물과, 중금속 및/또는 박테리아가 제거되고, 상기 외부 멤브레인 층을 통해 제거되지 못한 약 10 nm 내지 약 100 nm의 초미세입자는 상기 그래핀 필터 층의 산소-함유 기능기, 핀홀, 나노동공 등에 의해 제거되며, 마지막으로 내부 멤브레인 층을 통과하면서 미처 제거되지 못했던 불순물들이 제거되는 것일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 필터 모듈은 주름형 막 구조의 A형; 또는 그래핀이 파우더 형태로 충진된 상기 그래핀 필터 층을 포함하는 원통형 구조의 B형인 것일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.
도 7을 참고하면, 상기 A 형의 필터 모듈은, 외부 멤브레인 층, 그래핀 필터 층, 및 내부 멤브레인 층으로 구성된 그래핀 함유-필터 페이퍼가 부채처럼 접혀서 표면적을 늘린 상태의 주름형 구조로 형성된 구조일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
도 8을 참고하면, 상기 필터 모듈은 필터 모듈의 외면을 형성하는 외부 멤브레인 층, 상기 외부 멤브레인 층 내부에 배치된 내부 멤브레인 층 사이에, 그래핀이 파우더 형태로 충진되어 있는 B형 구조일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 그래핀 필터 층이 그래핀이 파우더 형태로 충진되어 있는 구조(B형)로 형성된 것일 경우, 그래핀이 포함된 주름형 막 구조로 형성된 구조(A형)보다 그래핀의 양이 더 많은 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 그래핀 필터 층은 그래핀, 산화 그래핀, 환원된 산화 그래핀, 그래핀 나노플레이트렛, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다. 구체적으로, 상기 그래핀 필터 층은 그래핀, 산화 그래핀, 환원된 산화 그래핀, 그래핀 나노플레이트렛, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 상기 그래핀 필터 층 전체 100 중량부 대비 0.1 내지 100 중량부로 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 그래핀 필터 층은 다공성인 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 구체적으로, 상기 그래핀 필터 층의 동공의 크기는 1 nm 내지 20 nm일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다. 보다 구체적으로, 상기 그래핀 필터 층의 동공의 크기는 약 1 nm 내지 약 20 nm, 약 1 nm 내지 약 15 nm, 약 1 nm 내지 약 10 nm, 약 1 nm 내지 약 5 nm, 약 5 nm 내지 약 20 nm, 약 5 nm 내지 약 15 nm, 약 5 nm 내지 약 10 nm, 약 10 nm 내지 약 20 nm, 약 10 nm 내지 약 15 nm, 또는 약 15 nm 내지 약 20 nm 일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 그래핀 필터 층은 활성탄, 카본블랙, 제올라이트, 실리카, 이온교환수지, 알루미나, KDF 필터(Kinetic Degradation Fluxion filter), 세라믹 볼, 카본나노튜브, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택된 물질을 추가 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 유입된 물에 포함된 직경 10 μm 이하의 미세입자가 상기 그래핀 필터 층에 의해 제거되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 외부 멤브레인 층 및 상기 내부 멤브레인 층은 각각 독립적으로 셀룰로오스, 글래스 파이버, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 탄소섬유, 활성탄소섬유, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 외부 멤브레인 층 및 상기 내부 멤브레인 층 각각은 동일하거나 서로 상이한 물질로 형성된 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 필터 모듈은 입수 방향과 출수 방향의 동공 크기가 서로 상이할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 외부 멤브레인 층 및 상기 내부 멤브레인 층 각각의 동공의 크기는 약 0.1 μm 내지 약 100 μm인 것일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 A 형 필터 모듈의 경우, 입수 방향의 동공 크기는 약 0.1 μm 내지 약 100 μm, 약 0.1 μm 내지 약 80 μm, 약 0.1 μm 내지 약 60 μm, 약 0.1 μm 내지 약 40 μm, 약 0.1 μm 내지 약 20 μm, 약 0.1 μm 내지 약 10 μm, 약 0.1 μm 내지 약 1 μm, 약 1 μm 내지 약 100 μm, 약 1 μm 내지 약 80 μm, 약 1 μm 내지 약 60 μm, 약 1 μm 내지 약 40 μm, 약 1 μm 내지 약 20 μm, 약 1 μm 내지 약 10 μm, 약 10 μm 내지 약 100 μm, 약 10 μm 내지 약 80 μm, 약 10 μm 내지 약 60 μm, 약 10 μm 내지 약 40 μm, 약 10 μm 내지 약 20 μm, 약 20 μm 내지 약 100 μm, 약 20 μm 내지 약 50 μm, 또는 약 50 μm 내지 약 100 μm일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 A 형 필터 모듈의 경우, 출수 방향의 동공 크기는 약 0.1 μm 내지 약 10 μm, 약 0.1 μm 내지 약 8 μm, 약 0.1 μm 내지 약 6 μm, 약 0.1 μm 내지 약 4 μm, 약 0.1 μm 내지 약 2 μm, 약 0.1 μm 내지 약 1 μm, 약 1 μm 내지 약 10 μm, 약 1 μm 내지 약 8 μm, 약 1 μm 내지 약 6 μm, 약 1 μm 내지 약 4 μm, 약 1 μm 내지 약 2 μm, 약 2 μm 내지 약 10 μm, 약 2 μm 내지 약 8 μm, 약 2 μm 내지 약 6 μm, 약 2 μm 내지 약 4 μm, 약 4 μm 내지 약 10 μm, 약 4 μm 내지 약 8 μm, 약 4 μm 내지 약 6 μm, 약 6 μm 내지 약 10 μm, 약 6 μm 내지 약 8 μm, 또는 약 8 μm 내지 약 10 μm일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 B 형 필터 모듈의 경우, 상기 외부 멤브레인 층의 동공(pore)의 크기는 약 0.1 μm 내지 약 100 μm일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 외부 멤브레인 층의 동공 크기는 약 0.1 μm 내지 약 100 μm, 약 0.1 μm 내지 약 80 μm, 약 0.1 μm 내지 약 60 μm, 약 0.1 μm 내지 약 40 μm, 약 0.1 μm 내지 약 20 μm, 약 0.1 μm 내지 약 10 μm, 약 0.1 μm 내지 약 1 μm, 약 1 μm 내지 약 100 μm, 약 1 μm 내지 약 80 μm, 약 1 μm 내지 약 60 μm, 약 1 μm 내지 약 40 μm, 약 1 μm 내지 약 20 μm, 약 1 μm 내지 약 10 μm, 약 10 μm 내지 약 100 μm, 약 10 μm 내지 약 80 μm, 약 10 μm 내지 약 60 μm, 약 10 μm 내지 약 40 μm, 약 10 μm 내지 약 20 μm, 약 20 μm 내지 약 100 μm, 약 20 μm 내지 약 50 μm, 또는 약 50 μm 내지 약 100 μm일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 B 형 그래핀 필터 모듈의 경우, 상기 내부 멤브레인 층의 동공(pore)의 크기는 약 0.1 μm 내지 약 10 μm일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 내부 멤브레인 층의 동공 크기는 약 0.1 μm 내지 약 10 μm, 약 0.1 μm 내지 약 8 μm, 약 0.1 μm 내지 약 6 μm, 약 0.1 μm 내지 약 4 μm, 약 0.1 μm 내지 약 2 μm, 약 0.1 μm 내지 약 1 μm, 약 1 μm 내지 약 10 μm, 약 1 μm 내지 약 8 μm, 약 1 μm 내지 약 6 μm, 약 1 μm 내지 약 4 μm, 약 1 μm 내지 약 2 μm, 약 2 μm 내지 약 10 μm, 약 2 μm 내지 약 8 μm, 약 2 μm 내지 약 6 μm, 약 2 μm 내지 약 4 μm, 약 4 μm 내지 약 10 μm, 약 4 μm 내지 약 8 μm, 약 4 μm 내지 약 6 μm, 약 6 μm 내지 약 10 μm, 약 6 μm 내지 약 8 μm, 또는 약 8 μm 내지 약 10 μm일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 유입된 물에 포함된 직경 약 10 μm 미만의 미세입자가 상기 그래핀 필터 층에 의해 제거되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 그래핀 필터 층의 그래핀이 갖는 높은 비표면적 및 다공성으로 인하여, 물에 포함된 오염물질이 흡착될 수 있으며, 상기 그래핀에 포함된 산소-함유 기능기에 의하여 유기성 물질이 흡착되거나 그래핀에 포함된 핀홀 사이로 불순물이 끼여들어감으로써 제거될 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 산소-함유 기능기는 히드록시기(hydroxyl group), 에폭시기(epoxy group), 카르복시기(carboxyl group), 케톤기(ketone group), 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 그래핀 필터 층에 의하여 종래 음수용 정수 필터에서 제거하지 못한 잉크 또는 염료 등을 제거할 수 있다. 상기 잉크 또는 염료는 약 10 nm 내지 약 100 nm 범위의 입자를 포함하는 것으로, 상기 그래핀 필터 층에 포함된 산소-함유 기능기, 핀홀, 및 나노 사이즈의 동공을 통해 상기 잉크 또는 염료에 포함된 입자가 흡착되어 제거되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 A 형 필터 모듈의 그래핀 필터 층은 상기 그래핀 필터 층 전체 100 중량부 대비 약 0.1 내지 약 30 중량부의 그래핀을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 A 형 필터 모듈의 그래핀이 30중량%를 초과할 경우, 유량 감소 등의 문제점이 발생될 수 있으므로, 상기 그래핀은 약 0.1 내지 30 중량부로 포함되는 것이 바람직하다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 B 형 필터 모듈의 그래핀 필터 층은 상기 그래핀 필터 층 전체 100 중량부 대비 약 0.1 내지 약 100 중량부의 그래핀을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 그래핀 필터 층은 활성탄, 고분자 화합물, 모래, 자갈, 숯, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택된 물질을 추가 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 A 형 필터 모듈의 경우, 외부 멤브레인 층, 그래핀 필터 층, 및 내부 멤브레인 층을 모두 포함하여 그 두께가 약 1 내지 10 mm 일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 B 형 필터 모듈의 경우, 상기 그래핀 필터 층의 두께는 약 0.1 내지 100 mm일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 B 형 필터 모듈의 경우 상기 그래핀 필터 층의 두께는 약 0.1 내지 100 mm, 약 0.1 내지 50 mm, 약 0.1 내지 10 mm, 약 0.1 내지 1 mm, 약 1 내지 100 mm, 약 1 내지 50 mm, 약 1 내지 10 mm, 약 10 내지 100 mm, 약 10 내지 50 mm, 또는 약 50 내지 100 mm일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 제 2 측면은, 본원의 제 1 측면에 따른 수처리 반응기를 포함하는, 정수 시스템을 제공한다. 구체적으로, 본원의 제 1 측면에 따른 수처리 반응기의 유입구에 연결된 전처리 필터; 및/또는 본원의 제 1 측면에 따른 수처리 반응기의 유출구에 연결된 후처리 필터를 추가 포함하는 것일 수 있다.
본원의 제 1 측면 및 본원의 제 2 측면에 있어서, 서로 공통될 수 있는 내용은 그 기재가 생략되었더라도 모두 적용될 수 있다.
도 9를 참조하면, 원수에 공급된 물이 전처리 필터를 거친 후, 본원의 제 1 측면에 따른 수처리 반응기로 연결되고, 이를 저장탱크에서 저장된 후, 후처리 필터를 통해 필터되어 가정에 공급되는 것일 수 있다. 구체적으로, 원수에 공급된 물에 포화된 입자상 오염물질은 상기 전처리 필터를 통해 제거될 수 있으며, 상기 수처리 반응기에서 중금속 및 유기화합물이 제거되고, 세균이 전처리될 수 있다. 또한, 상기 후처리 필터에서 세균이 제거되는 것일 수 있다. 즉, 상기 수처리 반응기에서 1차 제거된 세균이 저장탱크에서 재증식하는 경우, 후처리 필터에서 세균이 2차 제거될 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 전처리 필터는 산화 그래핀 층; 및 여과층을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다. 구체적으로, 상기 여과층은 모래, 자갈, 숯, 활성탄, 이온 교환 수지, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다. 상기 전처리 필터는 상기 산화 그래핀 층을 포함하는 것으로, 상기 산화 그래핀이 물에 뜨는 것을 방지하고, 필터의 수명을 늘려 효율적으로 사용하기 위해 상기 산화 그래핀 층 위에 여과층을 추가 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 먼저, 오염된 물이 상기 전처리 필터를 통하게 되면, 상기 산화 그래핀 층의 나노기공에서 마이크로 사이즈 및 나노 사이즈의 미세입자 또는 초미세입자가 여과되어 제거되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 오염된 물은 상기 전처리 필터의 여과층에서 자갈을 통해 큰 입자의 불순물이 제거되고, 활성탄에 의해 중간 사이즈의 불순물과, 중금속 및/또는 박테리아가 제거되고, 모래를 통해 작은 입자가 제거되며, 상기 여과층을 통해 제거되지 못한 약 10 nm 내지 약 100 nm의 초미세입자는 상기 산화 그래핀 층의 산소-함유 기능기, 핀홀, 나노기공, 및 상기 산화 그래핀 시트들 사이의 빈 공간(void)에 의해 제거되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 이온 교환 수지는 공지된 수지들을 특별한 제한 없이 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 이온 교환 수지는 양이온 교환 수지 또는 혼합 교환 수지를 포함할 수 있으며, 상기 양이온 교환 수지는, 불순물에 포함된 양이온, 예를 들어, Ca2+, Mg2+, Na+, 또는 K+ 등이 상기 양이온 교환 수지에 의해 H+ 이온과 교환되어 제거되고, 불순물이 수지에 흡착되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 혼합 이온 교환 수지는, 예를 들어, Ca2+, Mg2+, Na+, 또는 K+ 등과 같은 불순물에 포함된 양이온과 함께, SO4 2-, 또는 Cl2- 등의 음이온이 상기 혼합 이온 교환 수지에 의해 제거되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 전처리 필터의 상기 산화 그래핀 층은 상기 전처리 필터 전체 100 중량부에 대하여 약 0.1 내지 약 10 중량부일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 산화 그래핀 층은 상기 전처리 필터 전체 중량부에 대하여 약 0.1 내지 약 10 중량부, 약 0.1 내지 약 8 중량부, 약 0.1 내지 약 6 중량부, 약 0.1 내지 약 4 중량부, 약 0.1 내지 약 2 중량부, 약 0.1 내지 약 1 중량부, 약 1 내지 약 10 중량부, 약 1 내지 약 8 중량부, 약 1 내지 약 6 중량부, 약 1 내지 약 4 중량부, 약 1 내지 약 2 중량부, 약 2 내지 약 10 중량부, 약 2 내지 약 8 중량부, 약 2 내지 약 6 중량부, 약 2 내지 약 4 중량부, 약 4 내지 약 10 중량부, 약 4 내지 약 8 중량부, 약 4 내지 약 6 중량부, 약 6 내지 약 10 중량부, 약 6 내지 약 8 중량부, 또는 약 8 내지 약 10 중량부일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 전처리 필터는, 상기 전처리 필터 전체 100 중량부에 대해, 자갈 약 20 내지 약 30 중량부, 활성탄 약 20 내지 약 30 중량부, 모래 약 30 내지 약 45 중량부, 및 산화 그래핀 층 약 1 내지 약 10 중량부를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 전처리 필터는, 역삼투압 필터(RO membrane filter) 및 그래핀 복합체 필터를 포함할 수 있으며, 상기 그래핀 복합체 필터는 산화 그래핀 층; 및 여과층을 포함하는 것일 수 있다.
도 10을 참조하면, 상기 전처리 필터를 이용한 역삼투(reverse osmosis, RO) 필터에 적용한 예시를 나타낸다. 구체적으로 역삼투막 필터의 앞쪽에 상기 그래핀 복합체 필터(SG composite filter)을 설치할 수 있으며, 이 경우 역삼투막 필터의 오염과 스케일 발생을 유발하는 미세먼지, 잔류 염소, 미생물 등을 제거할 수 있으며, 이에 따라 역삼투막 필터의 수명을 증가시키거나, 정수비율(recovery)를 개선할 수 있으며, 또는 박테리아 등의 미생물이 제거된 보다 안전한 세척수(washing water)를 공급할 수 있는 장점을 갖는다. 또한, 상기 그래핀 복합체 필터는 역삼투막 필터의 뒤쪽에 설치될 수도 있다. 이 경우 박테리아 등의 미생물이 제거된 음용 가능한 물을 공급할 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 후처리 필터는 후처리 필터 모듈을 포함하고, 상기 후처리 필터 모듈은, 상기 후처리 필터 모듈의 외면을 형성하는 후처리 외부 멤브레인 층; 상기 후처리 외부 멤브레인 층 내부에 배치된 후처리 내부 멤브레인 층; 및 상기 후처리 외부 멤브레인 층과 상기 후처리 내부 멤브레인 층 사이에 배치된 후처리 그래핀 필터 층을 포함하는 것일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 유입된 물이 상기 3 개의 필터를 통과하면서 유입된 물 속에 포함된 마이크로 사이즈 및 나노 사이즈의 미세입자 또는 초미세입자가 여과되어 제거되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 유입된 물은 상기 후처리 외부 멤브레인 층에서 큰 입자의 불순물, 중간 사이즈의 불순물과, 중금속 및/또는 박테리아가 제거되고, 상기 후처리 외부 멤브레인 층을 통해 제거되지 못한 약 10 nm 내지 약 100 nm의 초미세입자는 상기 후처리 그래핀 필터 층의 산소-함유 기능기, 핀홀, 나노동공 등에 의해 제거되며, 마지막으로 후처리 내부 멤브레인 층을 통과하면서 미처 제거되지 못했던 불순물들이 제거되는 것일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 후처리 필터 모듈은 주름형 막 구조의 A형; 또는 그래핀이 파우더 형태로 충진된 상기 그래핀 필터 층을 포함하는 원통형 구조의 B형인 것일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 후처리 그래핀 필터 층이 그래핀이 파우더 형태로 충진되어 있는 구조(B형)로 형성된 것일 경우, 그래핀이 포함된 주름형 막 구조로 형성된 구조(A형)보다 그래핀의 양이 더 많은 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 후처리 그래핀 필터 층은 그래핀, 산화 그래핀, 환원된 산화 그래핀, 그래핀 나노플레이트렛, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다. 구체적으로, 상기 후처리 그래핀 필터 층은 그래핀, 산화 그래핀, 환원된 산화 그래핀, 그래핀 나노플레이트렛, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 상기 후처리 그래핀 필터 층 전체 100 중량부 대비 0.1 내지 100 중량부로 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 후처리 그래핀 필터 층은 다공성인 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 구체적으로, 상기 후처리 그래핀 필터 층의 동공의 크기는 1 nm 내지 20 nm일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다. 보다 구체적으로, 상기 후처리 그래핀 필터 층의 동공의 크기는 약 1 nm 내지 약 20 nm, 약 1 nm 내지 약 15 nm, 약 1 nm 내지 약 10 nm, 약 1 nm 내지 약 5 nm, 약 5 nm 내지 약 20 nm, 약 5 nm 내지 약 15 nm, 약 5 nm 내지 약 10 nm, 약 10 nm 내지 약 20 nm, 약 10 nm 내지 약 15 nm, 또는 약 15 nm 내지 약 20 nm 일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 후처리 그래핀 필터 층은 활성탄, 카본블랙, 제올라이트, 실리카, 이온교환수지, 알루미나, KDF 필터(Kinetic Degradation Fluxion filter), 세라믹 볼, 카본나노튜브, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택된 물질을 추가 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 유입된 물에 포함된 직경 10 μm 이하의 미세입자가 상기 후처리 그래핀 필터 층에 의해 제거되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 후처리 외부 멤브레인 층 및 상기 후처리 내부 멤브레인 층은 각각 독립적으로 셀룰로오스, 글래스 파이버, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 탄소섬유, 활성탄소섬유, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 후처리 외부 멤브레인 층 및 상기 후처리 내부 멤브레인 층 각각은 동일하거나 서로 상이한 물질로 형성된 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 후처리 필터 모듈은 입수 방향과 출수 방향의 동공 크기가 서로 상이할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 후처리 외부 멤브레인 층 및 상기 후처리 내부 멤브레인 층 각각의 동공의 크기는 약 0.1 μm 내지 약 100 μm인 것일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 A 형 후처리 필터 모듈의 경우, 입수 방향의 동공 크기는 약 0.1 μm 내지 약 100 μm, 약 0.1 μm 내지 약 80 μm, 약 0.1 μm 내지 약 60 μm, 약 0.1 μm 내지 약 40 μm, 약 0.1 μm 내지 약 20 μm, 약 0.1 μm 내지 약 10 μm, 약 0.1 μm 내지 약 1 μm, 약 1 μm 내지 약 100 μm, 약 1 μm 내지 약 80 μm, 약 1 μm 내지 약 60 μm, 약 1 μm 내지 약 40 μm, 약 1 μm 내지 약 20 μm, 약 1 μm 내지 약 10 μm, 약 10 μm 내지 약 100 μm, 약 10 μm 내지 약 80 μm, 약 10 μm 내지 약 60 μm, 약 10 μm 내지 약 40 μm, 약 10 μm 내지 약 20 μm, 약 20 μm 내지 약 100 μm, 약 20 μm 내지 약 50 μm, 또는 약 50 μm 내지 약 100 μm일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 A 형 후처리 필터 모듈의 경우, 출수 방향의 동공 크기는 약 0.1 μm 내지 약 10 μm, 약 0.1 μm 내지 약 8 μm, 약 0.1 μm 내지 약 6 μm, 약 0.1 μm 내지 약 4 μm, 약 0.1 μm 내지 약 2 μm, 약 0.1 μm 내지 약 1 μm, 약 1 μm 내지 약 10 μm, 약 1 μm 내지 약 8 μm, 약 1 μm 내지 약 6 μm, 약 1 μm 내지 약 4 μm, 약 1 μm 내지 약 2 μm, 약 2 μm 내지 약 10 μm, 약 2 μm 내지 약 8 μm, 약 2 μm 내지 약 6 μm, 약 2 μm 내지 약 4 μm, 약 4 μm 내지 약 10 μm, 약 4 μm 내지 약 8 μm, 약 4 μm 내지 약 6 μm, 약 6 μm 내지 약 10 μm, 약 6 μm 내지 약 8 μm, 또는 약 8 μm 내지 약 10 μm일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 B 형 후처리 필터 모듈의 경우, 상기 후처리 외부 멤브레인 층의 동공(pore)의 크기는 약 0.1 μm 내지 약 100 μm일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 후처리 외부 멤브레인 층의 동공 크기는 약 0.1 μm 내지 약 100 μm, 약 0.1 μm 내지 약 80 μm, 약 0.1 μm 내지 약 60 μm, 약 0.1 μm 내지 약 40 μm, 약 0.1 μm 내지 약 20 μm, 약 0.1 μm 내지 약 10 μm, 약 0.1 μm 내지 약 1 μm, 약 1 μm 내지 약 100 μm, 약 1 μm 내지 약 80 μm, 약 1 μm 내지 약 60 μm, 약 1 μm 내지 약 40 μm, 약 1 μm 내지 약 20 μm, 약 1 μm 내지 약 10 μm, 약 10 μm 내지 약 100 μm, 약 10 μm 내지 약 80 μm, 약 10 μm 내지 약 60 μm, 약 10 μm 내지 약 40 μm, 약 10 μm 내지 약 20 μm, 약 20 μm 내지 약 100 μm, 약 20 μm 내지 약 50 μm, 또는 약 50 μm 내지 약 100 μm일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 B 형 후처리 필터 모듈의 경우, 상기 후처리 내부 멤브레인 층의 동공(pore)의 크기는 약 0.1 μm 내지 약 10 μm일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 후처리 내부 멤브레인 층의 동공 크기는 약 0.1 μm 내지 약 10 μm, 약 0.1 μm 내지 약 8 μm, 약 0.1 μm 내지 약 6 μm, 약 0.1 μm 내지 약 4 μm, 약 0.1 μm 내지 약 2 μm, 약 0.1 μm 내지 약 1 μm, 약 1 μm 내지 약 10 μm, 약 1 μm 내지 약 8 μm, 약 1 μm 내지 약 6 μm, 약 1 μm 내지 약 4 μm, 약 1 μm 내지 약 2 μm, 약 2 μm 내지 약 10 μm, 약 2 μm 내지 약 8 μm, 약 2 μm 내지 약 6 μm, 약 2 μm 내지 약 4 μm, 약 4 μm 내지 약 10 μm, 약 4 μm 내지 약 8 μm, 약 4 μm 내지 약 6 μm, 약 6 μm 내지 약 10 μm, 약 6 μm 내지 약 8 μm, 또는 약 8 μm 내지 약 10 μm일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 유입된 물에 포함된 직경 약 10 μm 미만의 미세입자가 상기 후처리 그래핀 필터 층에 의해 제거되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 후처리 그래핀 필터 층의 그래핀이 갖는 높은 비표면적 및 다공성으로 인하여, 물에 포함된 오염물질이 흡착될 수 있으며, 상기 그래핀에 포함된 산소-함유 기능기에 의하여 유기성 물질이 흡착되거나 그래핀에 포함된 핀홀 사이로 불순물이 끼여들어감으로써 제거될 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 산소-함유 기능기는 히드록시기(hydroxyl group), 에폭시기(epoxy group), 카르복시기(carboxyl group), 케톤기(ketone group), 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 A 형 후처리 필터 모듈의 후처리 그래핀 필터 층은 상기 후처리 그래핀 필터 층 전체 100 중량부 대비 약 0.1 내지 30 중량부의 그래핀을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 A 형 후처리 필터 모듈의 그래핀이 30중량%를 초과할 경우, 유량 감소 등의 문제점이 발생될 수 있으므로, 상기 그래핀은 약 0.1 내지 30 중량부로 포함되는 것이 바람직하다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 B 형 후처리 필터 모듈의 후처리 그래핀 필터 층은 상기 후처리 그래핀 필터 층 전체 100 중량부 대비 약 0.1 내지 약 100 중량부의 그래핀을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 후처리 그래핀 필터 층은 활성탄, 고분자 화합물, 모래, 자갈, 숯, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택된 물질을 추가 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 A 형 후처리 필터 모듈의 경우, 후처리 외부 멤브레인 층, 후처리 그래핀 필터 층, 및 후처리 내부 멤브레인 층을 모두 포함하여 그 두께가 약 1 내지 10 mm 일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 B 형 후처리 필터 모듈의 경우, 상기 후처리 그래핀 필터 층의 두께는 약 0.1 내지 100 mm일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 B 형 후처리 필터 모듈의 경우 상기 후처리 그래핀 필터 층의 두께는 약 0.1 내지 100 mm, 약 0.1 내지 50 mm, 약 0.1 내지 10 mm, 약 0.1 내지 1 mm, 약 1 내지 100 mm, 약 1 내지 50 mm, 약 1 내지 10 mm, 약 10 내지 100 mm, 약 10 내지 50 mm, 또는 약 50 내지 100 mm일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 제 3 측면은, 본원의 제 1 측면에 따른 수처리 반응기를 포함하는, 폐수 처리 시스템을 제공한다. 구체적으로, 상기 폐수 처리 시스템은, 폐수가 집수되는 집수조; 상기 집수조로부터 유출된 상기 폐수의 응집반응이 일어나는 응집 반응조; 상기 응집 반응조에서 응집된 슬러지를 부상시키는 가압 부상조; 및 상기 가압 부상조를 거친 상기 폐수를 저장한 후, 상기 폐수를 다시 상기 집수조로 반송되도록 하는 순환수조를 포함하는 것이고, 상기 순환수조는 본원의 제 1 측면에 따른 수처리 반응기를 포함하는 것일 수 있다.
본원의 제 1 측면 내지 본원의 제 3 측면에 있어서, 서로 공통될 수 있는 내용은 그 기재가 생략되었더라도 모두 적용될 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 순환수조와 집수조 사이에 재생 시스템을 추가 포함하고, 상기 재생 시스템은 본원의 제 1 측면에 따른 수처리 반응기로부터 유출된 상기 탄소소재 또는 상기 그래핀 필터 층의 성분을 수집하여 본원의 제 1 측면에 따른 수처리 반응기로 반송되도록 하는 것일 수 있다.
도 11을 참조하면, 폐수 발생원에 공급된 폐수가 종래의 폐수 처리 장치를 거친 이후, 상기 전처리 필터를 거칠 수 있다. 상기 전처리 필터를 거친 폐수는 본원의 제 1 측면에 따른 수처리 반응기로 연결되어 재필터되는 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 종래의 폐수 처리 장치는 폐수가 집수되는 집수조; 상기 집수조로부터 유출된 상기 폐수의 응집반응이 일어나는 응집 반응조; 상기 응집 반응조에서 응집된 슬러지를 부상시키는 가압 부상조; 및 상기 가압 부상조를 거친 상기 폐수를 저장한 후 상기 폐수를 다시 상기 집수조로 반송되도록 하는 순환수조를 포함할 수 있다. 상기 수처리 반응기는 상기 순환수조에 설치되는 것일 수 있다.
본원의 일 구현예에 따른 폐수 처리 시스템은, 본원의 제 1 측면에 따른 수처리 반응기의 유입구에 연결된 전처리 필터를 추가 포함할 수 있다. 본원의 제 3 측면의 폐수 처리 시스템에서의 전처리 필터에 관한 내용은, 본원의 제 2 측면에 따른 정수 시스템에 개시된 전처리 필터에 관한 내용을 동일하게 적용할 수 있다.
이하, 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 본원이 이에 제한되지 않을 수 있다.
[실시예]
<수처리 반응기의 폐수 처리 능력 시험>
본원의 수처리 반응기를 폐수 처리 능력을 시험하기 위해, 필터 모듈을 함유하는 수처리 반응기를 제작하였다. 상기 수처리 반응기는 처리하고자 하는 물의 유량 및 오염 정도에 따라서 5 L 부터 10,000 L까지 사이즈를 제한없이 다양하게 할 수 있으며, 오염된 정도가 크고 유량이 큰 경우에는 수처리 반응기의 사이즈를 크게 하여야 한다. 상기 필터 모듈과 수처리 반응기 사이의 공간에는 환원된 산화 그래핀(rGO) 파우더를 70 부피%를 채웠다. 구체적으로 상기 환원된 산화 그래핀은, 흑연을 과산화하여 산화 그래핀(GO)을 수득하고, 수득된 산화 그래핀을 환원시켜 환원된 산화 그래핀(rGO)을 수득하여 제조하였다. 상기 흑연의 과산화는, 흑연을 산화할 때 종래 산화 그래핀 제조 시보다 반응 시간을 길게 하거나, 또는 반응 온도를 높여 산화를 많이 시킴으로써 수행되었다. 상기 과산화에 의하여 형성된 환원된 산화 그래핀 시트들의 가장자리에 산소-함유 기능기들이 많이 형성되게 된다.
본원의 수처리 반응기의 성능을 시험하기 위해, 오염수를 반응기 하부에서 유입시키며, 폐수처리 기준에 따른 항목(COD, 색도, 탁도 등)을 유입수와 유출수 샘플을 취하여 측정하여 그 성능을 확인하되, 유입되는 폐수의 양에 따른 제거 성능을 파악하여 필터 또는 정수 소재의 교체 주기 또는 재생 주기를 결정한다.
도 12는 실험실 스케일로 수처리 반응기의 폐수 처리 능력을 시험한 사진을 나타내는 것이다. 왼쪽부터 집수조, 전처리 필터, 수처리 반응기 순으로 연결하여 설계하였다. 가장 오른쪽 사진의 폐수를 분당 250 ml씩 공급하였다.
구체적으로 이를 수치로 확인하면, 도 13 내지 도 15와 같다. 제거율(Removal rate)는 (유입수-유출수)/유입수 * 100으로 계산하며, 제거율이 100%를 유지하는 것은 유출수에 오염 물질이 100% 제거된 것과 같다. 탁도(Turbidity)가 대략 100%가 유지되는 것을 확인할 수 있으며, COD 역시 100% 제거가 유지가 되었으며, 색도 역시 100% 가량 제거가 유지가 됨을 확인하여 염료 입자가 완전히 제거됨을 확인할 수 있었다. 따라서, 상기 실험을 통해, 본원 수처리 반응기는 폐수 처리 능력이 우수하고, 오랜 시간 폐수 처리에도 그 능력을 유지하므로 내구성이 우수하고 장기간 운행하기에 적합함을 확인할 수 있다.
전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 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.
본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
[부호의 설명]
100: 수처리 반응기
110: 필터 모듈
120: 탄소 소재
130: 유입구
131: 수처리 반응기 측면부의 유입구
132: 수처리 반응기 측면부의 유입구
140: 유출구
141: 수처리 반응기 측면부의 유출구
142: 수처리 반응기 측면부의 유출구
150: 공기유출부
160: 펌프
171: 혼합용 막대 자석
172: 자석 교반기
180: 임펠러식 혼합 장치
200: 필터 모듈
210: 외부 멤브레인 층
220: 그래핀 필터 층
230: 내부 멤브레인 층

Claims (24)

  1. 유입구와 유출구가 구비되는 하우징; 및
    상기 하우징 내에 구비되어, 상기 유입구를 통해 유입된 물을 정화하여 상기 유출구로 공급하는 필터 모듈
    을 포함하는, 수처리 반응기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 하우징과 상기 필터 모듈 사이의 공간에 배치된 탄소 소재를 더 포함하는, 수처리 반응기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 탄소 소재는 상기 하우징과 상기 필터 모듈 사이 공간의 5 부피% 내지 80 부피%를 차지하는 것인, 수처리 반응기.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 탄소 소재는 그래핀, 산화 그래핀(graphene oxide; GO), 환원된 산화 그래핀(reduced graphene oxide; rGO), 활성탄 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것인, 수처리 반응기.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 산화 그래핀은 복수의 산화 그래핀 시트를 포함하고,
    상기 환원된 산화 그래핀은 복수의 환원된 산화 그래핀 시트를 포함하고,
    상기 복수의 산화 그래핀 시트 및 상기 복수의 환원된 산화 그래핀 시트 각각은 산소-함유 기능기 및/또는 핀홀을 포함하는 것인, 수처리 반응기.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 탄소 소재는 다공성인 것인, 수처리 반응기.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 탄소 소재에 의해 유입된 물에 포함된 직경 10 μm 이하의 미세입자가 제거되는 것인, 수처리 반응기.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 필터 모듈은,
    상기 필터 모듈의 외면을 형성하는 외부 멤브레인 층;
    상기 외부 멤브레인 층의 내부에 배치된 내부 멤브레인 층; 및
    상기 외부 멤브레인 층과 상기 내부 멤브레인 층 사이에 배치된 그래핀 필터 층을 포함하는 것인, 수처리 반응기.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 필터 모듈은 주름형 막 구조; 또는 그래핀이 파우더 형태로 충진된 상기 그래핀 필터 층을 포함하는 원통형 구조인 것인, 수처리 반응기.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 그래핀 필터 층은 그래핀, 산화 그래핀, 환원된 산화 그래핀, 그래핀 나노플레이트렛, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것인, 수처리 반응기.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 그래핀 필터 층은 그래핀, 산화 그래핀, 환원된 산화 그래핀, 그래핀 나노플레이트렛, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 상기 그래핀 필터 층 전체 100 중량부 대비 0.1 내지 100 중량부로 포함하는 것인, 수처리 반응기.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 그래핀 필터 층은 다공성인 것인, 수처리 반응기.
  13. 제 8 항에 있어서,
    상기 그래핀 필터 층은 활성탄, 카본블랙, 제올라이트, 실리카, 이온교환수지, 알루미나, KDF 필터(Kinetic Degradation Fluxion filter), 세라믹 볼, 카본나노튜브, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택된 물질을 추가 포함하는 것인, 수처리 반응기.
  14. 제 8 항에 있어서,
    상기 유입된 물에 포함된 직경 10 μm 이하의 미세입자가 상기 그래핀 필터 층에 의해 제거되는 것인, 수처리 반응기.
  15. 제 8 항에 있어서,
    상기 외부 멤브레인 층 및 상기 내부 멤브레인 층은 각각 독립적으로 셀룰로오스, 글래스 파이버, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 탄소섬유, 활성탄소섬유, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인, 수처리 반응기.
  16. 제 8 항에 있어서,
    상기 외부 멤브레인 층 및 상기 내부 멤브레인 층 각각의 동공의 크기는 0.1 μm 내지 100 μm인 것인, 수처리 반응기.
  17. 제 1 항에 따른 수처리 반응기를 포함하는, 정수 시스템.
  18. 제 17 항에 있어서,
    제 1 항에 따른 수처리 반응기의 유입구에 연결된 전처리 필터; 및/또는
    제 1 항에 따른 수처리 반응기의 유출구에 연결된 후처리 필터를 추가 포함하는, 정수 시스템.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 전처리 필터는 환원된 산화 그래핀 층; 및 여과층을 포함하는 것인, 정수 시스템.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 여과층은 모래, 자갈, 숯, 활성탄, 이온 교환 수지, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함하는 것인, 정수 시스템.
  21. 제 18 항에 있어서,
    상기 후처리 필터는 후처리 필터 모듈을 포함하고,
    상기 후처리 필터 모듈은,
    상기 후처리 필터 모듈의 외면을 형성하는 후처리 외부 멤브레인 층;
    상기 후처리 외부 멤브레인 층 내부에 배치된 후처리 내부 멤브레인 층; 및
    상기 후처리 외부 멤브레인 층과 상기 후처리 내부 멤브레인 층 사이에 배치된 후처리 그래핀 필터 층을 포함하는 것인, 정수 시스템.
  22. 제 1 항에 따른 수처리 반응기를 포함하는, 폐수 처리 시스템.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 폐수 처리 시스템은,
    폐수가 집수되는 집수조;
    상기 집수조로부터 유출된 상기 폐수의 응집반응이 일어나는 응집 반응조;
    상기 응집 반응조에서 응집된 슬러지를 부상시키는 가압 부상조; 및
    상기 가압 부상조를 거친 상기 폐수를 저장한 후, 상기 폐수를 다시 상기 집수조로 반송되도록 하는 순환수조를 포함하는 것이고,
    상기 순환수조는 제 1 항에 따른 수처리 반응기를 포함하는 것인, 폐수 처리 시스템.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 순환수조와 집수조 사이에 재생 시스템을 추가 포함하고,
    상기 재생 시스템은 제 1 항에 따른 수처리 반응기로부터 유출된 상기 탄소소재 또는 상기 그래핀 필터 층의 성분을 수집하여 제 1 항에 따른 수처리 반응기로 반송되도록 하는 것인, 폐수 처리 시스템.
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