KR101623554B1 - 유무기 하이브리드 나노세공체를 이용한 오폐수 정화 장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 유무기 하이브리드 나노세공체를 이용한 오폐수 정화 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 바이오 칩을 이용하여 1차적으로 정화시킨 후, 유무기 하이브리드 나노세공체를 촉매로 사용하여 광촉매 반응을 일으켜 오폐수를 2차적으로 정화시키며, 유무기 하이브리드 나노세공체 촉매는 재생 가능하여 오폐수의 정화를 촉매 소모의 최소화가 가능한 유무기 하이브리드 나노세공체를 이용한 오폐수 정화 장치 및 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따르면 바이오 칩을 이용하여 1차적으로 오폐수의 정화를 수행한 후, 광촉매 반응을 이용하여 2차적으로 오폐수를 정화하므로, 1차적인 오폐수의 정화 없이 수행될 때에 비해 광촉매 반응을 위한 자외선램프 오염이 진행되는 시간이 연장될 수 있다. 또한 광촉매 반응을 의한 촉매로써, 입자크기가 약 수백 마이크로 미터 크기의 유무기 하이브리드 나노세공체를 이용하되, 오폐수와의 분리 및 회수가 용이하며 간단한 공정으로 촉매의 재생이 가능하여 오폐수의 연속적인 정화가 가능하여 오폐수 정화를 위한 비용을 감소시킬 수 있다.
본 발명에 따르면 바이오 칩을 이용하여 1차적으로 오폐수의 정화를 수행한 후, 광촉매 반응을 이용하여 2차적으로 오폐수를 정화하므로, 1차적인 오폐수의 정화 없이 수행될 때에 비해 광촉매 반응을 위한 자외선램프 오염이 진행되는 시간이 연장될 수 있다. 또한 광촉매 반응을 의한 촉매로써, 입자크기가 약 수백 마이크로 미터 크기의 유무기 하이브리드 나노세공체를 이용하되, 오폐수와의 분리 및 회수가 용이하며 간단한 공정으로 촉매의 재생이 가능하여 오폐수의 연속적인 정화가 가능하여 오폐수 정화를 위한 비용을 감소시킬 수 있다.
Description
본 발명은 유무기 하이브리드 나노세공체를 이용한 오폐수 정화 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 바이오 칩을 이용하여 1차적으로 정화시킨 후, 유무기 하이브리드 나노세공체를 촉매로 사용하여 광촉매 반응을 일으켜 오폐수를 2차적으로 정화시키며, 유무기 하이브리드 나노세공체 촉매는 재생 가능하여 오폐수의 정화를 촉매 소모의 최소화가 가능한 유무기 하이브리드 나노세공체를 이용한 오폐수 정화 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 산업의 발달에 따라 환경오염 문제는 갈수록 심각해지고 있으며, 오염물질에 대한 규제도 더욱 강화되고 있는 실정이다. 이러한 추세에 따라 오염물질을 제거하기 위한 여러 가지 방법들이 강구되고 있다. 그러나 수질오염에 있어서는 오염원이 다양해지고 계속적으로 새로운 오염물질이 발생됨으로 인하여 기존의 생물학적 처리방법으로는 한계에 부딪히고 있다.
이에 따라, AOP(Advanced Oxidation Process)라는 여러 종류의 고급산화법이 개발되고 장치들이 발명되고 있다. OH 라디칼(·OH)의 높은 산화력을 이용하는 고급산화법은 수중의 유기오염 물질을 CO2와 H2O로 분해하기 때문에 2차 오염을 유발하지 않으며 생분해성 및 난분해성 오염물질들을 처리할 수 있다는 장점이 있다.
따라서, 기존의 수처리 공정을 대체할 수 있는 기술로써 현재 고급산화법에 대한 많은 연구와 장치들이 발명되고 있다.
상기 고급산화법에서 발생되는 OH 라디칼은 유기물과 매우 빠르게 거의 모든 유기물과 골고루 반응하기 때문에 난분해성 유기 오염물질의 산화에서 유용한 결과를 얻을 수 있다. 특히, 상기 고급산화법은 OH 라디칼을 생성시키는 방법에 따라 오존(O3)이나 과산화수소에 자외선을 조사하는 방법, pH를 조절하는 방법 그리고 티타늄(TiO2)와 같이 광활성이 있는 반도체 금속화합물과 자외선을 이용하는 방법 등으로 나눌 수 있다.
이중에서도 이산화티탄늄과 같은 반도체 금속화합물을 광촉매로 이용한 산화시스템은, 표준 활성 슬러지법으로는 처리가 곤란한 폐수를 처리할 수 있기 때문에 수중이나 대기에 함유된 난분해성 유기화합물의 효율적인 제거방법으로 최근 주목받고 있다. 광촉매를 이용한 수처리 방법은, 공정의 운전 및 조작이 편리하고 현재 사용되고 있는 자외선에 의한 수처리 공정에 쉽게 응용할 수 있는 등의 장점을 가지고 있다. 따라서 이러한 장점을 가진 광촉매 공정의 응용 분야는 대단히 광범위하다고 할 수 있다.
특히, 수용액상에서 티타늄과 자외선(UV)에 의한 광촉매 산화반응 메카니즘에 대해 살펴보면, 자외선램프에서 방출된 자외선이 촉매인 티타늄에 띠(band gap) 에너지(=3.2eV) 보다 높은 광에너지(파장＜387.5nm)를 공급하면 전자가 채워져 있던 티타늄의 가전자대(valence band)에서 전자가 방출되어 전도대(conduction band)로 이동하게 되며, 동시에 티타늄의 가전자대에서는 정공(positive hole)이 생성된다.
그리고, 여기된 전자는 촉매의 표면에 흡착되어 있는 전자수용체인 산소와 반응하여 슈퍼옥시드 라디칼(superoxideradical)을 생성하며, 상기 슈퍼옥시드 라디칼은 물분자와 반응하여 높은 산화력을 가진 하이드록실 라디칼(hydroxylradical)을 생성한다. 이와 동시에, 티타늄의 표면에서 생성된 정공은, 촉매에 흡착되어 있는 물분자나 하이드록실 이온과 반응하여 하이드록실 라디칼을 생성하거나 유기화합물과 직접 반응하여 유기화합물을 분해하기도 한다. 또한, 광촉매에서 생성된 전자와 정공은 모두 산화 및 환원 반응에 의하여 OH 라디칼을 생성하게 되는데, 이때, 생성된 OH 라디칼이 여러 가지 형태로 수중의 유기물과 반응하여 분해가 진행된다.
그러나, 티타늄은 태양광 중 4 - 5% 비율을 차지하는 자외선 영역에서 매우 우수한 광촉매 활성을 나타내는 반면, 태양광 중 대부분을 차지하는 가시광선 영역에서는 광촉매 활성을 갖지 못한다는 단점이 있다. 또한 기존의 티타늄은 분말(powder)형으로 오염물질의 분해 반응 후, 분리 및 회수가 어려워 상업적으로 활용하는데 제한이 있었다.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 가시광선과 자외선 영역에서 촉매의 효과가 뛰어나며, 입자크기가 약 수백 마이크로 미터 크기를 나타냄에 따라 사용 후 분리 및 회수가 용이하여 촉매의 분리 후, 재생이 가능한 유무기 하이브리드 나노세공체를 이용한 오폐수 정화 장치 및 방법을 개발하였다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 1차적으로 정화된 오폐수에 광촉매 반응을 발생시켜 2차적으로 정화하며, 이로 인해 빛을 조사하기 위한 자외선 램프의 오염이 진행되는 시간의 증가가 가능한 유무기 하이브리드 나노세공체를 이용한 오폐수 정화 장치 및 방법을 제안하는데 목적이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는 광촉매 반응을 발생시키기 위한 촉매로써 유무기 하이브리드 나노세공체를 이용하여 오폐수와의 분리 및 회수가 용이하며, 촉매의 재생이 가능한 유무기 하이브리드 나노세공체를 이용한 오폐수 정화 장치 및 방법을 제안하는데 목적이 있다.
오폐수가 유입되며, 바이오칩을 이용하여 상기 오폐수를 정화하기 위한 바이오 필터부, 상기 바이오 필터부에서 1차적으로 정화된 오폐수를 2차적으로 정화시키기 위한 장치로, 하나의 하우징 내부에 설치된 적어도 하나 이상의 자외선 램프를 포함하는 광촉매 반응조가 적어도 두 개 이상 구비되며, 상기 적어도 두 개 이상의 광촉매 반응조는 직렬로 연결되어 수두차에 의해 상기 오폐수가 이동하며, 촉매와 상기 자외선 램프에 의해 상기 오폐수의 정화를 수행하는 광촉매 반응부 및 상기 광촉매 반응조의 저부에 각각 설치되어 상기 광촉매 반응조 내부의 오폐수를 촉매와 지속적으로 교반시키기 위한 산기장치를 포함하고, 상기 광촉매 반응조의 내부로는 촉매로써 유무기 하이브리드 나노세공체가 포함되는 것을 특징으로 하는 유무기 하이브리드 나노세공체를 이용한 오폐수 정화장치를 제공한다.
오폐수를 바이오 칩을 이용하여 1차적으로 정화시키는 단계(단계 1), 상기 1차적으로 정화된 오폐수에 자외선을 조사하여 유무기 하이브리드 나노세공체 촉매의 광촉매 반응을 통해 상기 1차적으로 정화된 오폐수를 2차적으로 정화시키는 단계(단계 2), 상기 광촉매 반응이 발생된 촉매를 상기 오폐수와 분리한 후, 이를 가열하여 상기 광촉매 반응이 발생된 촉매를 재생하는 단계(단계 3)를 포함하는 유무기 하이브리드 나노세공체를 이용한 오폐수 정화방법을 제공한다.
오폐수를 바이오 칩을 이용하여 1차적으로 정화시키는 단계(단계 1), 상기 1차적으로 정화된 오폐수에 자외선을 조사하여 유무기 하이브리드 나노세공체 촉매의 광촉매 반응을 통해 상기 1차적으로 정화된 오폐수를 2차적으로 정화시키는 단계(단계 2) 및 상기 광촉매 반응이 발생된 촉매를 상기 오폐수와 분리한 후, 이를 가열하여 상기 광촉매 반응이 발생된 촉매를 재생하는 단계(단계 3);를 포함하되, 상기 오폐수의 화학적산소요구량(COD)이 20ppm 이하로 정화되는 것을 특징으로 하는 오폐수 정화방법을 제안한다.
본 발명에 따르면 바이오 칩을 이용하여 1차적으로 오폐수의 정화를 수행한 후, 광촉매 반응을 이용하여 2차적으로 오폐수를 정화하므로, 1차적인 오폐수의 정화 없이 수행될 때에 비해 광촉매 반응을 위한 자외선램프 오염이 진행되는 시간이 연장될 수 있다. 또한 광촉매 반응을 의한 촉매로써, 입자크기가 약 수백 마이크로 미터 크기의 유무기 하이브리드 나노세공체를 이용하되, 오폐수와의 분리 및 회수가 용이하며 간단한 공정으로 촉매의 재생이 가능하여 오폐수의 연속적인 정화가 가능하여 오폐수 정화를 위한 비용을 감소시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 유무기 하이브리드 나노세공체를 이용한 오폐수 정화 장치를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예 6 및 비교예 3 내지 비교예 5의 방법의 촉매의 시간에 따른 화학적산소요구량(COD)의 제거율을 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명의 실시예 6 및 비교예 3 내지 비교예 5의 방법의 촉매의 시간에 따른 화학적산소요구량(COD)의 제거율을 나타낸 그래프이다.
본 발명의 목적은 1차적으로 정화된 오폐수에 광촉매 반응을 발생시켜 2차적으로 정화하며, 이로 인해 빛을 조사하기 위한 자외선 램프의 오염이 진행되는 시간의 증가가 가능하며, 광촉매 반응을 발생시키기 위한 촉매로써 유무기 하이브리드 나노세공체를 이용하여 오폐수와의 분리 및 회수가 용이하며, 촉매의 재생이 가능한 유무기 하이브리드 나노세공체를 이용한 오폐수 정화 장치 및 방법을 제안하는데 목적이 있다.
이를 위하여 본 발명은, 오폐수가 유입되며, 바이오칩을 이용하여 상기 오폐수를 정화하기 위한 바이오 필터부;
상기 바이오 필터부에서 1차적으로 정화된 오폐수를 2차적으로 정화시키기 위한 장치로, 하나의 하우징 내부에 설치된 적어도 하나 이상의 자외선 램프를 포함하는 광촉매 반응조가 적어도 두 개 이상 구비되며, 상기 적어도 두 개 이상의 광촉매 반응조는 직렬로 연결되어 수두차에 의해 상기 오폐수가 이동하며, 촉매와 상기 자외선 램프에 의해 상기 오폐수의 정화를 수행하는 광촉매 반응부; 및
상기 광촉매 반응조의 저부에 각각 설치되어 상기 광촉매 반응조 내부의 오폐수를 촉매와 지속적으로 교반시키기 위한 산기장치;를 포함하고,
상기 광촉매 반응조의 내부로는 촉매로써 유무기 하이브리드 나노세공체가 포함되는 것을 특징으로 하는 유무기 하이브리드 나노세공체를 이용한 오폐수 정화장치를 제안한다.
이하, 본 발명에 따른 유무기 하이브리드 나노세공체를 이용한 오폐수 정화장치는 도면을 참조하여 더욱 상세히 설명한다.
도 1는 본 발명의 일실시예에 따른 유무기 하이브리드 나노세공체를 이용한 오폐수 정화장치를 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 유무기 하이브리드 나노세공체를 이용한 오폐수 정화장치는 바이오 필터부(100), 광촉매 반응부(200) 및 산기장치(300)을 포함할 수 있다.
바이오 필터부(100)는 내부에 바이오 칩이 구비되어 외부에서 오폐수가 유입될 수 있으며, 상기 바이오 필터부(100) 내부의 바이오 칩은 적어도 한가지 이상의 물질로 구성될 수 있다. 상기 바이오 필터부(100)는 상기 유입된 오폐수를 1차적으로 정화하기 위한 장치로 다양한 크기 및 물질로 구성된 바이오칩들에 의해 상기 오폐수 내부에 존재하는 부유물을 제거하는 수단일 수 있다.
광촉매 반응부(200)는 적어도 두개 이상의 광촉매 반응조(210)를 포함할 수 있으며, 상기 광촉매 반응조(210)는 하우징(211), 자외선램프(212), 촉매(213) 및 그물망(214)을 포함할 수 있다. 상기 적어도 두개 이상의 광촉매 반응조(210)는 직렬로 연결될 수 있다. 상기 적어도 두개 이상의 광촉매 반응조(210)가 직렬로 구성될 경우, 오폐수의 유입에 따라 광촉매 반응조(210) 내부에 수두차가 발생되며, 상기 수두차에 의하여 상기 유입된 오폐수가 배출구로 배출되기 위함이다.
하우징(211)은 상하로 형성된 중공형의 구조체로써, 오폐수가 유입될 수 있으며, 상기 유입된 오폐수의 흐름을 유도할 수 있다. 상기 하우징(211)은 오페수가 유입되기 위한 하나의 유입구와 오폐수가 배출되기 위한 하나의 배출구를 가질 수 있다.
자외선램프(212)는 하우징(211)의 내부에 설치되어 하우징(211) 내부에 유입되는 오폐수에 자외선을 조사할 수 있다. 이는 광촉매 반응을 일으키기 위한 수단으로, 촉매(213)와 함께 상기 오페수 내부에 존재하는 유기물과 반응하여 상기 유기물을 분해시킬 수 있다. 상기 광촉매 반응에 사용되는 유무기 하이브리드 나노세공체는 다공성 금속산화물-탄소 복합체는 탄소계 담체에 광활성의 성질을 가지는 금속 중 가격원가가 저렴하여 경제적이고, 화학적 또는 생물학적으로 안정하며, 독성이 없고, 주위에서 쉽게 구할 수 있으며 자외선 영역에서 우수한 광촉매 활성을 나타내는 티타늄이 함침된 것으로써, 우수한 광촉매 활성뿐만 아니라 탄소계 담체를 사용함에 따라 복합체의 형태 유지 및 강도 향상 효과가 있다.
이때, 상기 탄소계 담체로는 카본 블랙, 활성탄, 메조포러스 탄소, 탄소 나노튜브, 탄소 화이버 등을 사용할 수 있으며, 유기물 제거 특성을 나타내는 활성탄을 사용하는 것이 더욱 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 탄소계 담체에 함침되는 티타늄의 함량이 담체에 대하여 1 내지 10 중량%인 것이 바람직하다. 티타늄의 함량이 담체에 대하여 1 중량% 미만인 경우에는 제조된 다공성 금속산화물-탄소 복합체가 우수한 광촉매 활성을 나타낼 수 없는 문제가 있으며, 함침된 티타늄의 함량이 10 중량%를 초과하는 경우에는 과량의 티타늄이 함침되어 경제적 손실이 발생하는 문제가 있다.
촉매(213)는 상기 오폐수에 대하여 10~30g/L의 용량이 투입되는 것이 바람직하다. 상기 촉매(213)가 오폐수에 대하여 10g/L 미만의 용량이 투입될 경우, 상기 촉매(213)의 광촉매 반응이 미미하게 일어나게 되어 효과를 기대할 수 없으며, 상기 촉매(213)가 오폐수에 대하여 30g/L 초과의 용량이 투입될 경우, 촉매(213)의 양이 과다하여 광촉매 반응의 효율이 저하될 수 있다.
상기 광촉매 반응조(210)는 하나의 유입구와 하나의 배출구를 가지며, 상기 유입구와 배출구에 그물망(214)이 설치될 수 있다. 이때, 상기 그물망(214)은 70~90메시(mesh)로 제작되는 것이 바람직하다. 상기 그물망(214)이 70 메시(mesh) 미만일 경우, 상기 촉매(213)가 외부로 배출될 수 있으며, 상기 그물망(214)이 90 메시(mesh)를 초과할 경우, 상기 그물망(214)으로 인해 오폐수의 유동이 활발하지 않을 수 있다.
산기장치(300)는 상기 광촉매 반응부(200)의 저부에 위치할 수 있으며, 상기 산기장치(air diffuser, 300)는 오폐수에 공기를 기포상태로 주입함으로써, 오폐수 내부에 존재하는 촉매가 오폐수에 분산되는 동작을 수행할 수 있다. 이는 촉매와 오폐수의 교반으로 인해, 광촉매 반응을 더욱 효율적으로 수행하기 위한 수단일 수 있다.
또한 본 발명은, 상기 유무기 하이브리드 나노세공체를 이용한 오폐수 정화 장치를 이용하여,
오폐수를 바이오 칩을 이용하여 1차적으로 정화시키는 단계(단계 1);
상기 1차적으로 정화된 오폐수에 자외선을 조사하여 유무기 하이브리드 나노세공체 촉매의 광촉매 반응을 통해 상기 1차적으로 정화된 오폐수를 2차적으로 정화시키는 단계(단계 2);
상기 광촉매 반응이 발생된 촉매를 상기 오폐수와 분리한 후, 이를 가열하여 상기 광촉매 반응이 발생된 촉매를 재생하는 단계(단계 3);를 포함하는 유무기 하이브리드 나노세공체를 이용한 오폐수 정화 방법을 제안한다.
이하, 이하, 본 발명에 따른 유무기 하이브리드 나노세공체를 이용한 오폐수 정화방법을 단계별로 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 유무기 하이브리드 나노세공체를 이용한 오폐수 정화방법에 있어서, 상기 단계 1은 오폐수를 바이오 칩을 이용하여 1차적으로 정화한다.
상기 단계 1의 정화에 이용되는 바이오 칩은 적어도 한 가지 이상 사용될 수 있으며, 다양한 크기 및 다양한 종류의 바이오칩을 사용하여 오폐수 내부에 존재하는 다양한 크기의 부유물을 여과할 수 있다. 상기 단계 1은 유입된 오폐수를 1차적으로 정화시킬 수 있다.
본 발명에 따른 유무기 하이브리드 나노세공체를 이용한 오폐수 정화방법에 있어서, 상기 단계 2는 상기 1차적으로 정화된 오폐수에 자외선을 조사하여 유무기 하이브리드 나노세공체 촉매의 광촉매 반응을 통해 상기 1차적으로 정화된 오폐수를 2차적으로 정화한다.
상기 단계 2의 처리방법은 앞서 언급한 광촉매 반응을 발생시켜 상기 1차적으로 정화된 오폐수 내부에 존재하는 유기물을 분해시킬 수 있다. 이때 사용되는 촉매로 다공성 금속산화물-탄소 복합체는 탄소계 담체에 광활성의 성질을 가지는 금속 중 가격원가가 저렴하여 경제적이고, 화학적 또는 생물학적으로 안정하며, 독성이 없고, 주위에서 쉽게 구할 수 있으며 자외선 영역에서 우수한 광촉매 활성을 나타내는 티타늄이 함침된 유무기 하이브리드 나노세공체를 사용할 수 있다. 또한, 상기 유무기 하이브리드 나노세공체를 촉매를 사용함에 있어서, 자외선뿐만 아니라 가시광선을 조사하여 광촉매 반응을 발생시킬 수 있다. 상기 단계 2의 방법에 의해 정화된 오폐수의 화학적산소요구량(COD)은 20ppm이하일 수 있다. 상기 단계 2의 방법에 있어서, 상기 오폐수에 상기 촉매를 분산시키기 위하여 산기장치를 통해 광촉매 반응조 내부에 공기 기포를 발생시킬 수 있으며, 이때 상기 공기기포는 광촉매 반응조의 용량에 대하여 1 내지 2 배의 용량을 1분당 공급한다. 상기 공기기포가 광촉매 반응조의 용량에 대하여 1배 미만의 용량으로 공급될 경우, 상기 촉매는 상기 오폐수 내부에 잘 분산되지 않아 광촉매 반응이 잘 일어나지 않을 수 있으며, 상기 공기기포가 광촉매 반응조의 용량에 대하여 2 배를 초과하여 공급될 경우, 상기 공기기포의 과다 공급으로 인하여 광산화반응의 효율이 낮아질 수 있다.
본 발명에 따른 유무기 하이브리드 나노세공체를 이용한 오폐수 정화방법에 있어서, 상기 단계 3은 상기 광촉매 반응이 발생된 촉매를 상기 오폐수와 분리한 후, 이를 가열하여 상기 광촉매 반응이 발생된 촉매를 재생한다.
상기 단계3의 가열은 질소분위기의 반응공간에서, 600~700°C의 온도로 50분~70분 동안 가열하는 것이 바람직하다. 상기 반응공간이 질소분위기가 아닐 경우, 촉매 재생의 효율이 저하되며, 상기 온도가 600°C 미만의 온도일 경우, 촉매의 재생이 잘 일어나지 않을 수 있으며, 상기 온도가 700°C를 초과할 경우, 촉매의 파손이 발생될 수 있다. 또한, 상기 가열시간이 50분 미만일 경우, 촉매의 재생이 잘 일어나지 않을 수 있으며, 상기 가열시간이 70분을 초과할 경우, 촉매의 파손이 발생될 수 있다.
이하, 본 발명을 구체적인 실시예 및 실험예를 통해 더욱 상세히 설명한다. 하기 실시예 및 실험예들은 본 발명을 예시하기 위하여 제시되는 것일 뿐, 본 발명이 하기 실시예 및 실험예들에 의하여 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1>
2L의 용량을 가지는 하우징 내부에 하나의 자외선 램프(16W, 254nm)를 설치하여 광산화 반응조를 구성하였다. 이때, 상기 광산화 반응조는 4개를 직렬로 연결하여 수두차에 의해 오폐수의 유동이 발생하도록 광산화 반응부를 구성하였으며, 상기 광산화 반응부에 유입되는 오폐수의 유량은 100mL/min으로 공급하였다. 상기 오폐수의 화학적산소요구량(COD)은 33.06ppm 이였다. 상기 광산화 반응부에 투입되는 촉매는 상기 오폐수에 대해 10g/L의 용량으로 투입하였다. 상기 촉매는 탄소계 담체로는 카본 블랙에 티타늄이 담지된 다공성 금속산화물-탄소 복합체인 유무기 하이브리드 나노세공체 촉매를 사용하였다. 상기 촉매를 회수하기 위해 각각의 광산화 반응조의 유입구 및 배출구에 80메시(mesh)의 그물망을 설치하였다. 산기장치를 통해 광산화 반응조에 유입되는 공기 기포의 양은 3L/min의 양으로 유입되어 상기 오폐수에 촉매를 교반시킨다.
<실시예 2>
상기 산기장치를 통해 광산화 반응조에 유입되는 공기 기포의 양은 2L/min의 양으로 유입되는 것을 제외하고 실시예 1과 동일하게 구성하였다.
<실시예 3>
상기 산기장치를 통해 광산화 반응조에 유입되는 공기 기포의 양은 4L/min의 양으로 유입되는 것을 제외하고 실시예 1과 동일하게 구성하였다.
<비교예 1>
상기 산기장치를 통해 광산화 반응조에 유입되는 공기 기포의 양은 1L/min의 양으로 유입되는 것을 제외하고 실시예 1과 동일하게 구성하였다.
<비교예 2>
상기 산기장치를 통해 광산화 반응조에 유입되는 공기 기포의 양은 6L/min의 양으로 유입되는 것을 제외하고 실시예 1과 동일하게 구성하였다.
<실험예 1> 공기유량에 따른 오폐수의 정화도 평가
표 1은 본 발명의 실시예 1~3 및 비교예 1~2의 광산화 반응조에 유입되는 공기 기포의 양에 따른 오폐수의 정화도를 분석하고자 정화되지 않은 오폐수의 화학적산소요구량(COD) 및 정화된 후 오폐수의 화학적산소요구량(COD)을 측정하였으며, 이때, 상기 분석결과는 하기 표 1에 나타낸다.
| 정화되지 않은 오폐수의 화학적산소요구량(COD) | 정화된 후 오폐수의 화학적산소요구량(COD) | |
| 실시예 1 | 33.06ppm | 13.45 ppm |
| 실시예 2 | 33.06ppm | 14.23 ppm |
| 실시예 3 | 33.06ppm | 11.04 ppm |
| 비교예 1 | 33.06ppm | 25.09 ppm |
| 비교예 2 | 33.06ppm | 23.09 ppm |
상기 표 1에 개시된 분석결과에 따르면, 실시예 1 내지 실시예 3의 경우, 정화을 수행하기 전 33.06ppm이나, 정화 후 20 ppm 이하의 화학적산소요구량(COD)으로 측정되었으며, 약 50% 이상의 화학적산소요구량(COD)의 제거효과를 보여 오폐수 정화의 효과가 뛰어남을 알 수 있었다.
반면에, 비교예 1의 경우, 정화후 오폐수의 화학적산소요구량(COD)은 27.09 ppm으로 측정되어 약 25%의 화학적산소요구량(COD)의 제거효과를 보여 제거효과가 다소 낮음을 알 수 있으며, 비교예 2의 경우, 촉매가 많아짐에 따라 촉매에 의해 오폐수의 유동을 방해함으로 인해 적절하지 않음을 알 수 있었다.
분석
<가열 조건에 따른 촉매의 재생정도 평가>
본 발명의 촉매의 가열조건에 따른 촉매의 재생 정도를 분석하고자 하기 표 2의 조건으로 처리된 촉매를 사용하여 분석하였다. 촉매의 요오드가(Iodine Valus) 및 비표면적(BET)을 측정하였으며, 이때, 상기 분석결과는 하기 표 2, 도 2 에 나타낸다.
| 재생조건 | 요오드가(Iodine Valus, m2/s) | 비표면적(BET, m2/s) | |
| 조건 1 | -(활성탄) | 987 | 1137.1 |
| 조건 2 | -(사용되지 않은 촉매) | 908 | 995.3 |
| 조건 3 | 600°C, 50min | 811 | 933.5 |
| 조건 4 | 700°C, 60min | 822 | 923.1 |
| 조건 5 | 650°C, 60min | 828 | 943.8 |
| 조건 6 | 25°C, 24h | 486 | 662.8 |
| 조건 7 | 120°C, 24h | 486 | 804.8 |
| 조건 8 | 300°C, 2h | 642 | 780.3 |
| 조건 9 | 800°C, 60min | - | - |
상기 표 2 및 도 2에 개시된 분석결과에 따르면, 조건 3으로 촉매를 가열하였을 경우, 요오드가의 수치가 811 m2/s이며, 비표면적의 수치가 933.5m2/s으로 활성탄 보다 크게 낮으나, 재생되지 않은 촉매에 비해서는 다소 수치가 낮음을 알 수 있으며, 그 수치의 차이가 크지 않아 재생이 가능함을 알 수 있다. 조건 4로 촉매를 가열하였을 경우, 요오드가의 수치가 822 m2/s이며, 비표면적의 수치가 923.1m2/s으로 활성탄 보다 크게 낮으나, 재생되지 않은 촉매에 비해서는 다소 수치가 낮음을 알 수 있으며, 그 수치의 차이가 크지 않아 재생이 가능함을 알 수 있다. 조건 5로 촉매를 가열하였을 경우, 요오드가의 수치가 828 m2/s이며, 비표면적의 수치가 943.8m2/s으로 활성탄 보다 크게 낮으나, 재생되지 않은 촉매에 비해서는 다소 수치가 낮음을 알 수 있으며, 그 수치의 차이가 크지 않아 재생이 가능함을 알 수 있다.
반대로, 조건 6 및 조건 7로 촉매를 가열하였을 경우, 재생되지 않은 촉매에 비하여 요오드가(Iodine Valus) 및 비표면적(BET)의 수치가 크게 낮으며, 재생이 불가능한 것을 알 수 있으며, 조건 8로 촉매를 가열하였을 경우, 고온의 온도에서 가열을 하여 촉매가 파손되어 측정이 불가능하였다.
도 2를 참조하면, 재생되지 않은 촉매와 실시예 6의 촉매는 약 12시간 동안 약 80%의 화학적산소요구량(COD)의 감소를 나타내며, 20시간 이후에 급격히 떨어져 약 60시간 이상에서 30%의 화학적산소요구량(COD)의 감소를 보이는 것을 알 수 있었다. 비교예 3 및 비교예 4의 경우, 25%의 화학적산소요구량(COD)의 감소를 보이는 것을 알 수 있었다. 비교예 5의 경우, 약 20시간 동안 약 40%의 화학적산소요구량(COD)의 감소를 보이는 것을 알 수 있었으며, 약 20시간 이후에 화학적산소요구량(COD)의 감소가 급격히 낮아지는 것을 알 수 있었다.
100: 바이오 필터부
200: 광촉매 반응부
300: 산기장치
210: 광촉매 반응조
211: 하우징
212: 자외선램프
213: 촉매
214: 그물망
200: 광촉매 반응부
300: 산기장치
210: 광촉매 반응조
211: 하우징
212: 자외선램프
213: 촉매
214: 그물망
Claims (10)
- 오폐수가 유입되며, 바이오칩을 이용하여 상기 오폐수를 정화하기 위한 바이오 필터부;
상기 바이오 필터부에서 1차적으로 정화된 오폐수를 2차적으로 정화시키기 위한 장치로, 하나의 하우징 내부에 설치된 적어도 하나 이상의 자외선 램프를 포함하는 광촉매 반응조가 적어도 두 개 이상 구비되며, 상기 적어도 두 개 이상의 광촉매 반응조는 직렬로 연결되어 수두차에 의해 상기 오폐수가 하나의 반응조 내에서 상부에서 하부로 또는 하부에서 상부로 이동하여, 촉매가 오폐수에 분산되도록 하고, 촉매와 상기 자외선 램프에 의해 상기 오폐수의 정화를 수행하는 광촉매 반응부; 및
상기 광촉매 반응조의 저부에 각각 설치되어 상기 광촉매 반응조 내부의 오폐수를 촉매와 지속적으로 교반시키기 위한 산기장치;를 포함하고,
상기 광촉매 반응조의 내부로는 촉매로써 탄소계 담체에 티타늄이 함침된 다공성 금속산화물-탄소 복합체인 유무기 하이브리드 나노세공체가 포함되고,
상기 산기장치는 공기 기포를 2 내지 4 L/min의 양으로 유입시키는 것을 특징으로 하는 유무기 하이브리드 나노세공체를 이용한 오폐수 정화장치.
- 삭제
- 제 1항에 있어서,
상기 유무기 하이브리드 나노세공체는,
상기 탄소계 담체는 카본 블랙, 활성탄, 메조포러스 탄소, 탄소 나노튜브 및 탄소 화이버로 이루어지는 군으로부터 선택되는 탄소계 물질인 것을 특징으로 하는 유무기 하이브리드 나노세공체를 이용한 오폐수 정화장치.
- 제 1항에 있어서,
상기 유무기 하이브리드 나노세공체는,
티타늄의 함량은 상기 탄소계 담체에 대하여 1 내지 10 중량%인 것을 특징으로 하는 유무기 하이브리드 나노세공체를 이용한 오폐수 정화장치.
- 제 1항에 있어서,
상기 유무기 하이브리드 나노세공체는,
상기 오폐수에 대하여 10 ~ 30g/L의 용량이 투입되는 것을 특징으로 하는 유무기 하이브리드 나노세공체를 이용한 오폐수 정화장치.
- 오폐수를 바이오 칩을 이용하여 1차적으로 정화시키는 단계(단계 1);
상기 1차적으로 정화된 오폐수에 자외선을 조사하여 유무기 하이브리드 나노세공체 촉매의 광촉매 반응을 통해 상기 1차적으로 정화된 오폐수를 2차적으로 정화시키는 단계(단계 2); 및
상기 광촉매 반응이 발생된 촉매를 상기 오폐수와 분리한 후, 이를 가열하여 상기 광촉매 반응이 발생된 촉매를 재생하는 단계(단계 3);를 포함하는 제 1항의 유무기 하이브리드 나노세공체를 이용한 오폐수 정화장치를 이용한 오폐수 정화방법.
- 제 6항에 있어서,
상기 단계 1은,
상기 오폐수 내부에 잔류하는 부유물(슬러지)를 추출하는 것을 특징으로 하는 제 1항의 유무기 하이브리드 나노세공체를 이용한 오폐수 정화장치를 이용한 오폐수 정화방법.
- 제 6항에 있어서,
상기 단계 2는,
상기 1차적으로 정화된 오폐수 내부에 존재하는 유기물에 자외선을 조사하여 상기 촉매에 상기 유기물이 분해되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 제 1항의 유무기 하이브리드 나노세공체를 이용한 오폐수 정화장치를 이용한 오폐수 정화방법.
- 제 6항에 있어서,
상기 단계 3의 가열은,
질소분위기의 반응공간에서, 600 ~ 700°C의 온도로 50분 ~ 70분 동안 가열하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 제 1항의 유무기 하이브리드 나노세공체를 이용한 오폐수 정화장치를 이용한 오폐수 정화방법.
- 오폐수를 바이오 칩을 이용하여 1차적으로 정화시키는 단계(단계 1);
상기 1차적으로 정화된 오폐수에 자외선을 조사하여 유무기 하이브리드 나노세공체 촉매의 광촉매 반응을 통해 상기 1차적으로 정화된 오폐수를 2차적으로 정화시키는 단계(단계 2); 및
상기 광촉매 반응이 발생된 촉매를 상기 오폐수와 분리한 후, 이를 가열하여 상기 광촉매 반응이 발생된 촉매를 재생하는 단계(단계 3);를 포함하되,
상기 오폐수의 화학적산소요구량(COD)이 20ppm 이하로 정화되는 것을 특징으로 하는 제1항의 유무기 하이브리드 나노세공체를 이용한 오폐수 정화장치를 이용한 오폐수 정화방법.
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| CN110002532B (zh) * | 2019-03-18 | 2020-08-21 | 中国科学院化学研究所 | 一种利用黑碳光降解水体中有机污染物的方法 |
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2014
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