KR100720035B1 - 광촉매를 이용한 수처리 장치 및 그 처리방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광산화 수처리 장치 및 처리방법에 관한 것으로, 폐수 유입관에 의해 외부의 폐수와 광촉매가 유입되며, 광조사램프에 의하여 처리되는 광산화 반응조; 상기 광산화 반응조에서 처리된 처리수를 pH 조절에 의하여 광촉매를 침전시켜 처리수로부터 광촉매를 제거시키는 침전조; 상기 광촉매가 제거된 처리수에 잔존하는 광촉매를 분리하는 진공펌프가 구비된 중공사 분리막 모듈이 설치된 분리막 탱크; 로 구성되는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따른 광산화 수처리 장치는 간단한 pH 조절에 의하여 광촉매를 침전시켜 처리수로부터 광촉매를 제거시키는 방법을 채용함으로서 효율적으로 광촉매를 폐수로부터 분리 및 회수할 수 있는 장점이 있다.

광촉매, 침전, pH, 수처리, 분리막, 중공사막

Description

광촉매를 이용한 수처리 장치 및 그 처리방법{Water treatment apparatus and method using photocatalyst}

도 1은 본 발명에 다른 광산화 수처리 장치의 구성도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 폐수 저장조 2 : 폐수 유입펌프

3 : 오존발생기 4 : 순환펌프

5 : 광산화 반응조 6 : 오존스크러버

7 : 자외선 램프 8 : 침전조

9 : 분리막 탱크 10 : 압력게이지

11 : 진공펌프 12 : 중공사 분리막

본 발명은 광산화 수처리 장치 및 처리방법에 관한 것으로, 상세하게는 유기 물을 함유한 폐액 등 난분해성 오염물질을 처리함에 있어서 광산화 반응에 의하여 오염물질의 분해를 효과적으로 함에 있어서 투입된 광촉매를 간단한 pH 조절에 의하여 침전시킴으로서 효과적으로 분리할 수 있는 광산화 수처리 장치 및 이를 이용한 수처리 방법에 관한 것이다.

TiO₂, WO₃, ZnO, SiC, CdS 등의 광촉매를 처리 대상 폐수에 부유 상으로 투여하고 광산화 반응조 내에 침지된 고압 수은램프와 같은 광원으로 자외선을 대상 원수에 조사시키면 광촉매 활성에 의하여 광화학 반응에 의해 생성된 수산기와 초과산화물이 폐수 중에 함유된 유기물질, 독성물질, 그리고 색도함유 물질을 산화시키는 방법은 한국공개특허공보 1998-50359호 등에 공지되어 있으며, 특히 상기 투입된 광촉매를 회수함에 있어서, 분리막을 사용하는 광촉매-분리막 혼성 수처리 장치들이 한국공개특허공보 2001-26409호와 한국공개특허공보 2004-15928호에 공지되어 있다.

그러나 처리대상 폐액에서의 오염물질 함유량이 높아짐에 따라 투입되는 광촉매의 양이 증가함으로 인해 투입되는 광촉매를 광산화 반응 후 분리막을 통하여 효율적으로 분리할 수 없어서, 고농도의 폐액을 광산화 반응에 의한 처리를 하는데 한계가 있는 상황이며, 또한 처리장치 밖으로 유출되는 광촉매의 손실로 인한 처리비용의 증가로 인한 문제가 대두되고 있다.

본 발명은 상기의 문제점을 극복하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 광촉매의 회수가 용이하여 고농도의 폐액을 처리할 수 있는 광산화 수처리 장치와 수처리 방법을 제공하는 것이며, 본 발명의 또 다른 목적은 광촉매의 회수 효율이 좋은 경제적인 광산화 수처리 장치와 수처리 방법을 제공하는 것이다.

본 발명은 광산화 수처리 장치 및 처리방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 광산화 수처리 장치는 폐수 유입관에 의해 외부의 폐수와 광촉매가 유입되며, 광조사램프에 의하여 처리되는 광산화 반응조; 상기 광산화 반응조에서 처리된 처리수를 pH 조절에 의하여 광촉매를 침전시켜 처리수로부터 광촉매를 제거시키는 침전조; 상기 광촉매가 제거된 처리수에 잔존하는 광촉매를 분리하는 진공펌프가 구비된 중공사 분리막 모듈이 설치된 분리막 탱크; 로 구성되는 것을 특징으로 하며, 또한 본 발명에 따른 광산화 수처리 방법은 외부의 폐수와 광촉매를 광조사램프가 구비된 광산화 반응조에 유입되는 단계; 상기 광산화 반응조에서 광산화 램프에 의하여 폐수를 처리하는 단계; 상기 광산화 반응조에서 처리된 처리수를 침전조에 유입시켜 5.5 내지 6.5 범위의 pH로 조절하여 광촉매를 침전시키는 단계; 상기 침전수의 상등액을 진공펌프가 구비된 중공사 분리막 모듈이 설치된 분리막 탱크에 유입시켜 상기 중공사 분리막에 의하여 잔존 광촉매를 분리하는 단계; 로 구성되는 것을 특징으로 한다.

이하 본 발명에 따른 수처리 장치와 방법을 도면을 참고로 해서 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 광산화 수처리 장치의 구성도를 도시한 것이다.

폐수 유입관에 의해 외부의 폐수가 유입되어 저장되는 폐수저장조(1)로부터 폐수가 도관을 통하여 광산화 반응기(5)에 유입되도록 도관에 폐수 유입펌프(2)가 구비된다. 이때 부유 상으로 광촉매가 유입되도록 도관의 일부에 광촉매를 투입되도록 하는 장치를 도관에 구비하거나 폐수저장탱크 또는 광산화 반응기에 직접 광촉매를 투입하는 장치를 구비될 수 있다. 광산화 반응조(5)는 자외선이 방사되는 고압수은램프 등으로 예시되는 광조사 램프가 구비되며, 상기 광조사 램프에 의하여 조사되는 자외선의 에너지가 부유 상으로 존재하는 광촉매를 활성화 시켜서 폐수 속에 존재하는 유기물 등의 오염물질을 산화시킨다. 본 발명에서는 광촉매로서 TiO₂을 사용하였으나, 이외에도 산화물 광촉매인 WO₃, ZnO, SiC, CdS 등이 모두 가능하다. 슬러리 상에 분산된 광촉매 입자 집합체(aggregate)의 크기는 이후 채용하는 분리막의 크기보다 커야 하며, 본 발명에서는 평균 입자 크기가 25nm의 것을 사용하였으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 분말형 광촉매을 사용하는 것도 가능하며, 최근 들어 개발되고 있는 가시광 활성 광촉매를 채용할 수 있으며, 이때에는 자외선 램프 이외에 가시광 램프를 사용할 수도 있다.

광산화 반응조에 투입되는 광촉매의 충진 비율은 처리조 폐수의 1000 중량에 대해 1 내지 10 중량%의 비율이 바람직하며, 광촉매의 양이 적으면 광촉매의 효과가 적고, 많으면 폐수중의 광의 투과율이 떨어져 처리효율이 떨어진다.

상기와 같이 광촉매로 충진된 반응조 내에 순환펌프(4)를 작동시켜 반응조내의 폐수를 순환 및 교반시킴으로써 광촉매를 폐수중에 균일하게 분산, 현탁시키는 것이 바람직하다. 광촉매를 활성시키기 위한 광조사 램프는 고압·중압·저압수은등, 블랙램프 등이 사용될 수 있으며, 광조사램프의 외표면과 반응조 내벽과의 거리는 강한 광조사강도를 얻을 수 있는 측면에서 가능한 한 짧은 거리, 즉 5 내지 20㎜의 범위로 유지하는 것이 좋다.

본 발명에서는 광촉매를 활성시키기 위한 광조사 램프로서 파장이 200 내지 400nm의 범위에 속하는 자외선을 조사할 수 있는 UV 램프(7)를 사용하였으며, 폐수의 농도 및 유입량에 따라 광조사 램프의 개별 램프의 전력소비 및 전체 램프의 개수를 조절하였다.

상기의 광산화 반응과 함께 폐액의 처리 효율을 높이기 위하여 광산화 반응조 내에서 원폐수를 폭기하여 산소의 농도를 높여주거나 전처리로서 오존처리, 과산화수소 또는 산소의 주입할 수 있는 장치가 추가로 구비될 수 있으며, 특히 광산화 반응조와 도관으로 연결되는 오존발생장치(3)를 구비하여 오존에 의한 유기폐액의 산화반응을 광산화반응과 결합하여 진행하는 것이 바람직하며, 이때, 광산화 반응기에는 외기로 나가는 오존을 제거하기 위하여 오존스크러버가 구비될 수 있으며, 또한 오존산화 반응의 효율을 높이기 위하여 산화 반응조의 폐액이 오존 발생기와 광산화 반응조를 연결하는 도관을 통하여 순환되도록 하는 순환펌프가 도관에 구비되거나 산기관이 광산화 반응조 내에 구비될 수 있다.

상기 광산화 반응조에서 처리된 처리수는 광촉매를 제거시키는 침전조(8)로 유입된다. 상기 침전조에서는 간단한 pH 조절에 의하여 광촉매를 응집시켜 침전시키게 되며, 이때 광촉매의 응집과 침전에 적절한 pH 범위는 5.5 내지 6.5 범위이며, 광산화 처리된 폐액의 pH는 수산화나트륨 등의 알칼리와 염산 등의 무기산을 이용하여 pH를 조절하게 된다. 상기의 pH 범위를 벗어나는 경우 광촉매의 적절한 응집 및 침전이 이루어지지 않는다.

또한, pH 조절공정에 의해 TiO₂가 침전 제거된 처리수를 분리막 공정에 도입시 소량의 응집제를 사용하여 침전 제거되는 TiO₂의 양을 향상 시키고, 최종 처리의 수질을 향상시키기 위해, 분리막 공정에 도입되는 처리수의 잔류 TiO₂를 응집제로서 FeCl₃ 등을 0.01 내지 0.2 g/L을 첨가하여 재응집시킴으로서 분리막 공정의 처리수질을 보다 향상시킬 수 있다. 상기 응집단계는 침전조에서 pH 조절에 의한 침전 후 진행되거나, 침전조의 상등액이 유입되는 별도의 응집조에서 수행될 수 있으며, 또한 다량의 광촉매가 침전된 침전조의 처리수를 분리막 탱크로 이송시킨 후 상기 응집제를 투여한 후 분리막에 의한 분리공정을 수행하는 것도 가능하나, 침전조에서 침전되는 광촉매를 효율적으로 재활용하기 위해서는 분리막 내에서 응집처리하는 것이 바람직하며, 이때 적절한 pH 범위는 6.5 내지 7.0 이며, 본 발명에서는 pH를 6.8로 조정하여 수행하였다.

상기의 침전조에서 pH의 조절 만으로 산화처리된 폐액 내에 부유 중인 광촉매의 90% 이상이 침전되게 되며, 광촉매의 대부분이 제거된 산화처리된 유기폐액의 상등액은 진공펌프가 구비되고 중공사 분리막 모듈이 설치된 분리막 탱크(9)로 유입되어 상기 광촉매가 제거된 처리수에 잔존하는 광촉매를 분리하게 된다.

본 발명에 있어 분리막 모듈은 사용되는 광촉매의 입자크기보다 작은 사이즈를 선정함이 원칙이나 크기가 클 경우 처리되지 않은 폐수가 유출되어 처리효율이 낮아지고, 분리막이 너무 작을 때에는 막의 흐름이 가로막힐 우려가 있으므로 적절한 크기의 분리막을 선정하는 것이 바람직하다. 상기 중공사 분리막 모듈은 침지형 분리막으로 광촉매의 입자 크기와 폐액의 상태 등을 고려하여 적절한 세공크기의 것을 선택하며, 상기의 선택은 당업자에게는 용이한 것이다.

상기 침지형 분리막의 형태는 중공사 막 이외에 관형, 평판형, 회전원통형 중 어느 하나를 적용하거나 혼합하여 적용할 수 있다. 앞서 언급한 바와 같이 침전조에서 광촉매의 90% 이상을 분리하였기 때문에 분리막 모듈에서의 광촉매 분리량은 많지 않으며, 따라서 분리막에서의 부하가 적게 되므로 분리막 모듈의 크기가 종래의 광촉매 회수용 분리막에 비하여 그 크기가 감소할 수 있다.

본 발명에 다른 광촉매 수처리 장치는 유입펌프, 광조사램프, pH 조절, 분리막 모듈 등의 운전조건을 프로그램된 논리 제어기(미도시)에 의하여 자동적으로 제어될 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명의 기술적 특징은 후술되는 실시예로부터 보다 명백하게 될 것이나, 하기 실시예는 본 발명을 한정하는 것은 아니다.

〈실시예 1〉

폐수 저장조에 저장된 비스페놀-A(BPA) 함유 농도 10ppm로 150L를 폐수유입펌프를 이용하여 광산화 반응조에 유입시켰으며, 이때 첨가되는 광촉매인 TiO₂의 양은 1g/L이었다. 사용된 TiO₂는 독일의 Degussa 사에서 공급된 P25제품으로서 BET 50m²/g, 공극 부피 0.19cm³/g이고, 평균 공극 크기는 69 Å이며, 평균 입자 크기는 21nm인 것을 사용하였다. 광산화 반응조에서 사용된 자외선램프는 Southern New England Ultra Violet Co, Ltd. PPR 200 제품(파장 2537Å, 35W, intensity 1.65x1016 sec/cm³)의 것을 6개 사용하였다. 폐수처리의 광조사시간은 30 내지 60 분으로 하였다. 광산화반응의 촉진을 위하여 반응기에 순환펌프를 장착하여 처리 폐수를 순환시켰다.

광산화 반응산계에서 광촉매 산화반응의 효율을 향상시키기 위해 광산화반응기에 오존 발생기를 결합시켜 0.2 wt% 의 오존을 광산화반응기에 3.8 ml/s로 공급하여 오존을 광촉매 산화반응 동한 병행하여 사용하였다.

광산화 처리된 폐수는 침전조에 이송되어 소량의 NaOH 수용액을 이용하여 pH를 6.5로 조정하여 90% 이상의 TiO₂를 응집하여 침전시켰다. TiO₂를 침전시킨 후 상등액을 분리막 모듈이 장착된 분리막 탱크에 이송시켜 응집제로서 FeCl₃를 0.15g/L의 양으로 분리막 탱크에 투입하고, pH를 6.8로 조정함으로서 잔류 TiO₂를 응집하여 침전시켰으며, 침지형 중공사 분리막을 이용하여 잔류 TiO₂를 최종 분리 제거하였다. 이때의 최종처리 수질은 0.5NTU 이었다.

사용된 분리막은 PVDF 소재의 흡입여과식 중공사 분리막으로서 기공 크기가 0.4 ㎛, 표면적이 0.02 m², 내경이 1.8 mm, 외경이 2.0 mm인 침지된 중공사 MF 막을 사용하였고, 진공펌프를 사용하였으며, 진공펌프의 작동 압력이 20 cmHg 조건에서 흡입여과 방식으로 수행하였다.

상기의 광산화 처리 과정에서의 처리수의 탁도와 용액속에 잔류하는 TiO₂의 입자크기 분석 결과를 표 1에 나타내었다.

[표1]

상기 표 1에서 알 수 있는 바와 같이 pH 조절 및 응집 처리에 의한 TiO₂ 제거 후 탁도가 98% 이상 감소하였음을 알 수 있고, 이는 분리막에서 제거될 TiO₂의 양이 매우 적음을 의미하는 것이고, 이는 pH 조절 및 응집 처리에 의하여 TiO₂ 제거하는 본 발명에 따른 광산화 폐수처리 방법이 TiO₂ 혼탁액을 직접 분리막에서 제거하는 경우 보다 분리막의 오염도가 감소하고, 장기간 분리막을 유지할 수 있음을 의미한다고 할 수 있다.

본 발명에 따른 광산화 수처리 장치는 간단한 pH 조절에 의하여 광촉매를 침전시켜 처리수로부터 광촉매를 제거시키는 방법을 채용함으로서 효율적으로 광촉매를 폐수로부터 분리 및 회수할 수 있는 장점이 있고, 또한 TiO₂ 혼탁액을 직접 분리막에서 제거하는 경우 보다 분리막의 오염도가 감소하고, 장기간 분리막을 유지할 수 있는 장점이 있다.

Claims (4)

1. 폐수 유입관에 의해 외부의 폐수와 광촉매가 유입되며, 광조사램프에 의하여 처리되는 광산화 반응조;

   상기 광산화 반응조에서 처리된 처리수를 pH 조절에 의하여 광촉매를 침전시켜 처리수로부터 광촉매를 제거시키는 침전조;

   상기 광촉매가 제거된 처리수에 잔존하는 광촉매를 분리하는 진공펌프가 구비된 분리막 모듈이 설치된 분리막 탱크;

   로 구성되는 것을 특징으로 하는 광산화 수처리 장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 침전조에서 침전되지 않은 잔존 광촉매를 상기 분리막 탱크에서 처리수를 pH 6.5 내지 7.0의 범위로 조절하여 응집제로서 0.01 내지 0.2 g/L의 FeCl₃를 추가하는 것을 특징으로 하는 광산화 수처리 장치.
3. 외부의 폐수와 광촉매를 광조사램프가 구비된 광산화 반응조에 유입되는 단계;

   상기 광산화 반응조에서 광산화 램프에 의하여 폐수를 처리하는 단계;

   상기 광산화 반응조에서 처리된 처리수를 침전조에 유입시켜 5.5 내지 6.5 범위의 pH로 조절하여 광촉매를 침전시키는 단계;

   상기 침전수의 상등액을 진공펌프가 구비된 침지형 분리막 모듈이 설치된 분리막 탱크에 유입시켜 상기 분리막에 의하여 잔존 광촉매를 분리하는 단계;

   로 구성되는 것을 특징으로 하는 폐수의 광산화 수처리 방법.
4. 제3항에 있어서,

   상기 분리막 탱크에서 처리수를 pH 6.5 내지 7.0의 범위로 조절하여 응집제로서 0.01 내지 0.2 g/L의 FeCl3 를 첨가하는 것을 특징으로 하는 광산화 수처리 방법.

Images