광촉매에 의한 수처리 방법은 수중에서 오염물질을 직접분해 처리하며 난분해성 유기물 또는 무기물의 분해가 용이하다. 특히 2차 오염물질의 생성이 거의 없는 것이 가장 큰 장점이라 할 수 있다. 하지만 광촉매 형태에 따라 여러 문제가 발생한다. 회전 광촉매 형태는 기존의 문제를 최소화시키고 회전원판법을 적용하여 고도산화처리가 가능하다. 회전광촉매 반응기의 적용을 위해서는 여러 가지 설계와 운전인자 및 특성에 대한 고찰이 필요하다. 본 연구에서는 회전 광촉매를 $TiO_2$ 고정화 작업으로 회전원판법에 적합하게 제작하였다. 이를 이용하여 회전 광촉매 반응에 의한 폐수처리를 수행하기 위한 운전인자들을 도출하였다. 회전 광촉매 $TiO_2$ 함량은 최대 70%가 한계로 나타났다. $TiO_2$ 함유량이 증가할수록 처리효율도 지속적으로 증가되고 있다. 적절한 회전 광촉매는 R4로 $TiO_2$ 함유량 36.8% 이다. 자외선 세기가 증가 할수록 TCODcr의 분해효과는 지속적으로 증가 된다. 다만 적절한 광원의 세기는 경제성을 고려해서 판단하여야 한다. 회전 광촉매의 회전속도가 증가할수록 처리효율은 향상된다. UV lamp를 반응조에 침지시키지 않을 때 회전 광촉매 수심변화는 수심이 50%, 30%, 10%, 70%, 100% 순으로 처리효율이 높게 나왔다. 본 실험을 바탕으로 태양광에서도 유기물을 처리할 수 있는 시스템을 개발에 바탕이 될 것이라 판단한다.
광촉매에 의한 수처리 방법은 수중에서 오염물질을 직접분해 처리하며 난분해성 유기물 또는 무기물의 분해가 용이하다. 특히 2차 오염물질의 생성이 거의 없는 것이 가장 큰 장점이라 할 수 있다. 하지만 광촉매 형태에 따라 여러 문제가 발생한다. 회전 광촉매 형태는 기존의 문제를 최소화시키고 회전원판법을 적용하여 고도산화처리가 가능하다. 회전광촉매 반응기의 적용을 위해서는 여러 가지 설계와 운전인자 및 특성에 대한 고찰이 필요하다. 본 연구에서는 회전 광촉매를 $TiO_2$ 고정화 작업으로 회전원판법에 적합하게 제작하였다. 이를 이용하여 회전 광촉매 반응에 의한 폐수처리를 수행하기 위한 운전인자들을 도출하였다. 회전 광촉매 $TiO_2$ 함량은 최대 70%가 한계로 나타났다. $TiO_2$ 함유량이 증가할수록 처리효율도 지속적으로 증가되고 있다. 적절한 회전 광촉매는 R4로 $TiO_2$ 함유량 36.8% 이다. 자외선 세기가 증가 할수록 TCODcr의 분해효과는 지속적으로 증가 된다. 다만 적절한 광원의 세기는 경제성을 고려해서 판단하여야 한다. 회전 광촉매의 회전속도가 증가할수록 처리효율은 향상된다. UV lamp를 반응조에 침지시키지 않을 때 회전 광촉매 수심변화는 수심이 50%, 30%, 10%, 70%, 100% 순으로 처리효율이 높게 나왔다. 본 실험을 바탕으로 태양광에서도 유기물을 처리할 수 있는 시스템을 개발에 바탕이 될 것이라 판단한다.
The wastewater treatment by photocatalyst decomposes pollutants directly in water, and it is easy to decompose indecomposable organics and inorganic. and Especially, it has an advantage that there is no secondary production of pollutants. However, there will be many problems which are generated depe...
The wastewater treatment by photocatalyst decomposes pollutants directly in water, and it is easy to decompose indecomposable organics and inorganic. and Especially, it has an advantage that there is no secondary production of pollutants. However, there will be many problems which are generated depending on the type of photocatalyst. The type of rotating photocatalyst minimizes previous problems, and advanced oxidation processes is possible by the application of rotating disc method. The consideration of the characteristics about various designs and operation factors is needed for the application of rotating photocatalyst system. In this study, rotating photocatalyst was manufactured for rotating disc method by fixing of $TiO_2$. The operation factors were derived for the wastewater treatment by the reaction of rotating photocatalyst. The contained quantity of $TiO_2$ was limited about 70%. The more the contained quantity of $TiO_2$ was increased, the more the treatment rate was continually increased. The optimum rotating photocatalyst was R4, and the contained quantity of $TiO_2$ was 36.8%. The more the exposed amount of UV is increased, the more the decomposition effect of TCODcr was continually increased. However, the adequate strength of light source must be determined by the consideration of economical efficiency. The more the speed of rotating photocatalyst is increased, the more treatment efficiency was increased. When UV lamp was not submerged in reactor, the wastewater treatment was efficient in the order of the depth of water 50%, 30%, 10%, 70%, 100%. This study is a basic research for the development of a system which treats organics in solar light.
The wastewater treatment by photocatalyst decomposes pollutants directly in water, and it is easy to decompose indecomposable organics and inorganic. and Especially, it has an advantage that there is no secondary production of pollutants. However, there will be many problems which are generated depending on the type of photocatalyst. The type of rotating photocatalyst minimizes previous problems, and advanced oxidation processes is possible by the application of rotating disc method. The consideration of the characteristics about various designs and operation factors is needed for the application of rotating photocatalyst system. In this study, rotating photocatalyst was manufactured for rotating disc method by fixing of $TiO_2$. The operation factors were derived for the wastewater treatment by the reaction of rotating photocatalyst. The contained quantity of $TiO_2$ was limited about 70%. The more the contained quantity of $TiO_2$ was increased, the more the treatment rate was continually increased. The optimum rotating photocatalyst was R4, and the contained quantity of $TiO_2$ was 36.8%. The more the exposed amount of UV is increased, the more the decomposition effect of TCODcr was continually increased. However, the adequate strength of light source must be determined by the consideration of economical efficiency. The more the speed of rotating photocatalyst is increased, the more treatment efficiency was increased. When UV lamp was not submerged in reactor, the wastewater treatment was efficient in the order of the depth of water 50%, 30%, 10%, 70%, 100%. This study is a basic research for the development of a system which treats organics in solar light.
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문제 정의
회전광촉매 반응기의 적용을 위해서는 반응속도에 미치는 여러 가지 설계와 운전 인자 및 용액의 성질에 대한 고찰이 필요하다. 따라서 본연구에서는 선행 연구에 나타난 여러 가지 문제점을 해소할 새로운 형태인 반영구적인 촉매를 제작하고, 회전 광촉매 반응의 운전인자에 특성에 관하여 연구하였다. 이는 추후 태양광에서도 유기물을 처리할 수 있는 시스템을 개발하기 위함이다.
본 연구에서는 회전 광촉매에 함유된 TiO2 함유량의 영향을 평가하기 위해 Table 2에 나타낸 것과 같이 R1~R7로 TiO2의 함유량을 변화시켜 생활폐수의 분해효과를 조사하였다.
본 연구는 이전 연구에서 시도하지 않았던 방법인 UV lamp를 처리수에 침지시키지 않고 반응조 상단에 설치하여 회전 광촉매의 침지 변화에 의한 처리효율을 분석하였다. 이는 광원이 물속과 밖에 있을 때의 산화효과를 비교하여 물의 채움을 조사하여 처리량을 판단하기 위해서다. 먼저 광촉매의 회전수를 180 rpm으로 고정하고, 수심은 광촉매 밑면을 기준으로 각각 10, 30, 50, 70, 100%의 5가지로 구분하였다.
제작 중인 광촉매가 급속한 온도저하로 균열되는 일을 방지하기 위하여 가열한 때와는 역순으로 100℃ 내릴 때 3시간씩 총 24시간 동안 상온이 될 수 있도록 하였다. 이를 통해 다른 연구에서 TiO2를 고정시킬 때 발생했던 문제점을 개선하였다. 개발된 회전 광촉매는 내구성이 향상되어 거의 반영구적으로 사용이 가능한 고효율적인 형태의 제품이다.
제안 방법
1. 회전 광촉매 제작은 TiO2 함유량을 10~75%로 세분화하여 R1~R8 형태인 8가지로 만들었다.
또한 1시간 이내의 급격한 반응을 예상하여 최초 30 분 경과한 시료도 측정하였다. Cr법이 Mn법 보다는 폐수에 대한 더 강력한 산화력을 갖기 때문에 TCODcr 값으로 효율을 비교하였다.
7l이다. UV lamp는 반응조 상단에 10개를 설치하여 일정한 8시간의 반응시간(HRT)으로 조사하였다. 이에 대한 결과는 Fig.
0 mW/cm 2 이다. UV lamp를 반응조에 침지시키지 않고 반응조 상단에 UV lamp를 거치하고 반응조 내에 회전 광촉매의 수심별로 10, 30, 50, 70, 100% 순서로 실험원수를 변화시키면서 분해특성을 파악하였다.
광촉매 반응기의 회전속도 변환에 따른 처리특성을 분석하기 위하여 반응조에서 Pulley를 교환하여 20, 60, 120, 180 rpm으로 회전축의 속도를 조정하면서 분해효율을 조사하였다. 자외선 세기의 변화에 따른 분해특성을 분석하기 위하여 반응조에 UV lamp를 침지시키고 2, 4, 6, 8, 10개로 조정하였다.
교반속도에 따른 분해 특성을 조사한 반응조건은 9개의 회전 광촉매를 축에 연결하고 회전 광촉매 사이에 자외선램프 10개를 고정시키고, 축의 회전수를 20, 60, 120, 180 rpm으로 조정하여 분석하였다. 나머지 반응조건은 원수에 잠긴 RPOD는 오염물질의 확산, 분해 및 촉매표면과의 접촉 기회 증대로 수중의 유기물을 신속히 산화, 분해시킨다.
의 함유량을 변화시켜 생활폐수의 분해효과를 조사하였다. 그리고 물에 잠기는 부분과 공기 중에 노출되는 부분에서 오염물질의 확산ㆍ분해 역할이 다르므로 정상적인 침지상태에서 수행하였다. 회전 광촉매를 최대 9개까지 설치할 수 있으므로 TiO2 함유량은 R1은 82.
산화 반응시간은 최대 8시간인데 채취한 시료는 매 시간마다 수질오염공정 시험법에 의한 TCODcr을 측정하였다. 또한 1시간 이내의 급격한 반응을 예상하여 최초 30 분 경과한 시료도 측정하였다. Cr법이 Mn법 보다는 폐수에 대한 더 강력한 산화력을 갖기 때문에 TCODcr 값으로 효율을 비교하였다.
이는 광원이 물속과 밖에 있을 때의 산화효과를 비교하여 물의 채움을 조사하여 처리량을 판단하기 위해서다. 먼저 광촉매의 회전수를 180 rpm으로 고정하고, 수심은 광촉매 밑면을 기준으로 각각 10, 30, 50, 70, 100%의 5가지로 구분하였다. 이때의 반응조 용량은 각각 41.
)의 길이는 290 mm, 파장은 254 nm, 세기는 16W이다. 반응기 내부와 설치한 회전축은 유기물의 흡착이 없도록 스테인레스 스틸로 제작하였다. 반응기 하부에는 동력 전달장치인 모터와 반응기 중심축간의 연결부분에 2"×"2, 2"×4", 2"×6", 6"×2" 네 종류의 Pulley를 설치하여 회전속도를 20, 60, 120, 180 rpm으로 조절할 수 있도록 하였다.
반응기 상부에는 PP재질로 된 고무 cap을 4×10으로 설치하여 자유로운 위치선택이 가능하도록 만들었다.
반응기 하부에는 동력 전달장치인 모터와 반응기 중심축간의 연결부분에 2"×"2, 2"×4", 2"×6", 6"×2" 네 종류의 Pulley를 설치하여 회전속도를 20, 60, 120, 180 rpm으로 조절할 수 있도록 하였다.
본 연구는 이전 연구에서 시도하지 않았던 방법인 UV lamp를 처리수에 침지시키지 않고 반응조 상단에 설치하여 회전 광촉매의 침지 변화에 의한 처리효율을 분석하였다. 이는 광원이 물속과 밖에 있을 때의 산화효과를 비교하여 물의 채움을 조사하여 처리량을 판단하기 위해서다.
회전 광촉매 반응은 선행연구(조주연, 2007)에서 최대 처리효율로 나타난 자외선 광촉매 반응을 선택하여 실험을 수행하였다. 산화 반응시간은 최대 8시간인데 채취한 시료는 매 시간마다 수질오염공정 시험법에 의한 TCODcr을 측정하였다. 또한 1시간 이내의 급격한 반응을 예상하여 최초 30 분 경과한 시료도 측정하였다.
성형된 제품을 Dry oven에서 100℃로 12시간 이상 건조시킨 후 전기로에서 굽는다. 성형된 제품의 품질을 향상시키기 위해 상온에서 100℃ 상승시키는 시간을 3시간으로 조정하여 750℃까지 올리며 총 24시간을 가열하였다. 제작 중인 광촉매가 급속한 온도저하로 균열되는 일을 방지하기 위하여 가열한 때와는 역순으로 100℃ 내릴 때 3시간씩 총 24시간 동안 상온이 될 수 있도록 하였다.
), 덱스트린(Dextrin)이 사용된다. 이들의 배합양은 실내 시험에서 적절히 혼합하여 성형이 되는지 시행착오법에 의해 결정하고 수처리에 이용될 강도가 나오는지 종합적으로 평가하여 결정한다. TiO2자체는 다른 물질과의 결합력을 약화시키는 성질이 있어 Al2O3, SiO2, 양의 변화를 줘야 한다.
고정화 작업으로 회전원판법에 적합하게 제작하였다. 이를 이용하여 회전 광촉매 반응에 의한 폐수처리를 수행하기 위한 운전인자들을 도출하였다. 이에 대한 연구 결과는 다음과 같고 향후 연구결과를 현장에 적용해도 좋은 처리효과를 기대할 수 있으리라 판단된다.
광촉매 반응기의 회전속도 변환에 따른 처리특성을 분석하기 위하여 반응조에서 Pulley를 교환하여 20, 60, 120, 180 rpm으로 회전축의 속도를 조정하면서 분해효율을 조사하였다. 자외선 세기의 변화에 따른 분해특성을 분석하기 위하여 반응조에 UV lamp를 침지시키고 2, 4, 6, 8, 10개로 조정하였다. UV lamp 1개에 광촉매 반응기 박막에 도달하는 빛의 세기는 6.
자외선 세기의 영향을 평가하기 위하여 UV lamp를 2, 4, 6, 8, 10개로 나누어 설치하고, 광촉매의 회전속도를 180 rpm으로 고정하여 반응시켜 분석하였다. 자외선램프 1개에서 회전광촉매 반응기 박막에 도달하는 세기는 6.
성형된 제품의 품질을 향상시키기 위해 상온에서 100℃ 상승시키는 시간을 3시간으로 조정하여 750℃까지 올리며 총 24시간을 가열하였다. 제작 중인 광촉매가 급속한 온도저하로 균열되는 일을 방지하기 위하여 가열한 때와는 역순으로 100℃ 내릴 때 3시간씩 총 24시간 동안 상온이 될 수 있도록 하였다. 이를 통해 다른 연구에서 TiO2를 고정시킬 때 발생했던 문제점을 개선하였다.
회전 광촉매를 TiO2 고정화 작업으로 회전원판법에 적합하게 제작하였다.
대상 데이터
RPOD 1개를 만드는데 필요한 재료는 물(H2O), 산화알루미늄(Al2O3), 이산화규소(SiO2), 이산화티타늄(TiO2), 덱스트린(Dextrin)이 사용된다. 이들의 배합양은 실내 시험에서 적절히 혼합하여 성형이 되는지 시행착오법에 의해 결정하고 수처리에 이용될 강도가 나오는지 종합적으로 평가하여 결정한다.
본 실험에서는 D시 S하수처리시설의 유입수를 전처리 없이 원수로 사용하였다. 원수의 성상은 다음 Table 1과 같다.
이를 4시간 이상 혼합하고 유압프레스기로 10 kg/cm2힘으로 압축 성형하였다. 성형된 회전 광촉매를 내경 25 mm, 외경 200mm, 두께 15 mm의 크기로 제작하였다. 성형된 제품을 Dry oven에서 100℃로 12시간 이상 건조시킨 후 전기로에서 굽는다.
실험에 사용한 회전 광촉매의 종류와 배합비는 Table 2에 나타냈다. 성형된 제품은 콘크리트 압축시험강도 실험방법에 준하여 실시하여 내구성을 평가하였다(한국공업표준협회, 2005). 그 결과는 Table 3에 나타냈다.
기타 시약은 특급으로 정제 없이 사용하였다. 수질분석은 수질 공정시험법과 Standard Method를 기준으로 실시하였다.
회전 광촉매 반응은 선행연구(조주연, 2007)에서 최대 처리효율로 나타난 자외선 광촉매 반응을 선택하여 실험을 수행하였다. 산화 반응시간은 최대 8시간인데 채취한 시료는 매 시간마다 수질오염공정 시험법에 의한 TCODcr을 측정하였다.
성능/효과
2. TiO2 함유량 변화에 따른 분해특성은 TiO2 함유량이 증가할수록 처리효율도 지속적으로 증가되고 있다.
3. 자외선 세기의 변화에 따른 특성은 자외선 세기가 증가할수록 TCODcr의 분해효과는 지속적으로 증가된다. 다만 적절한 광원의 세기는 경제성을 고려해서 판단하여야 한다.
4. 침지식 회전 광촉매의 처리효율은 회전속도가 증가할수록 증가하였다.
5. UV lamp를 반응조에 침지시키지 않고 회전광촉매 반응기의 수심변화에 따른 결과는 수심이 50%, 30%, 10%, 70%, 100% 순으로 처리효율이 높게 나왔다. 회전속도는 영향이 미미하고 수심의 영향이 보다 중요하다.
자외선을 조사할수록 자외선으로부터 광 에너지를 적절히 흡수하면서 광촉매 반응시 OH 및 Superoxide radical의 생성이 효과적이다. 결과에 나타나 있듯이 자외선의 조사량이 증가할수록 TCODcr 의 분해효과는 일정 비율로 지속적으로 증가된다. 그러다가 6시간 이후에는 미세하게 증가한다.
반응시간 변화에 따른 처리효율에 큰 차이를 보이고 있다. 결과에 의하면 rpm이 20, 60, 120, 180으로 증가할 때 8시간 반응시킨 후 제거효율은 88.8, 90.6, 92.4, 95.3%로 증가하였다. 즉 회전 속도가 180 rpm일 때가 제거효율이 가장 우수한 것으로 나타났다.
에너지의 양이 증가하면 훨씬 많은 양이 발생된다고(김종규, 2004)한다. 따라서 RPOD에 의한 광분해 반응 시 느린 회전속도보다는 빠른 회전속도인 180 rpm 이상을 유지하는 것이 효율적이라고 판단된다.
3%로 증가하였다. 즉 회전 속도가 180 rpm일 때가 제거효율이 가장 우수한 것으로 나타났다. 이는 회전속도를 증가시켜 용액의 계면이 효과적으로 깨어져 RPOD와 접촉 시 저항이 감소하기 때문에 확산과 광반응이 용이하게 일어나고 또한 접촉횟수도 증가했기 때문으로 판단된다.
회전속도가 180 rpm인 경우에는 처리효율은 수심이 50, 30, 10, 70, 100% 순으로 작게 나타났으며 처리 효율은 74, 68, 57, 45, 36% 이었다. 추후 태양광의 자외선을 이용하기 위해서는 회전 광촉매에 반응기는 회전속도 보다는 수심이 큰 영향이 있다는 것을 알 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
AOP 기술의 핵심은 무엇인가?
AOP 기술의 핵심은 효과적인 촉매물질의 제조 및 적용방법에 있다. 광촉매 제조에 대한 연구는 분말을 그대로 사용 하는 방법(최희주 등, 2002), Sol-Gel법에 의한 방법(김상철 등, 2004; 임희섭 등, 2005), 화학적 방법을 이용한 박막 제조법(정광덕 등, 2006), Bead형태로 코팅하는 방법(김창균등, 2006), 이산화티타늄을 Al2SO4 , SiO2 와 혼합하여 고정 하는 방법(김정배, 2006) 등 여러 가지 방법이 있다.
고도산화처리기술에는 어떤 종류가 있는가?
고도산화처리기술(AOP: Advanced Oxidation Processes) 에는 Fenton산화, H2O2산화, UV-자외선에 의한 산화, 촉매 물질에 의한 산화 등 다양한 종류가 있다. 광촉매에 의한 수처리 방법은 수중에서 오염물질을 직접 분해하여 처리하며 처리조건도 기존의 수처리 방법처럼 복잡하지 않다.
광촉매에 의한 수처리 방법의 가장 큰 장점은?
광촉매에 의한 수처리 방법은 수중에서 오염물질을 직접분해 처리하며 난분해성 유기물 또는 무기물의 분해가 용이하다. 특히 2차 오염물질의 생성이 거의 없는 것이 가장 큰 장점이라 할 수 있다. 하지만 광촉매 형태에 따라 여러 문제가 발생한다.
참고문헌 (13)
김상철, 허민찬, 한성홍, 김의정, 이충우, 주종현(2005) Sol-Gel법에 의한 TiO2 박막의 제작 및 특성, 한국물리학회논문집, 한국물리학회, 제50권, 제2호, pp. 109-115.
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조주연, 정호진(2007) 회전광촉매 반응기를 이용한 폐수처리 특성에 관한 연구, 계명대학교 산업기술연구소 논문보고서, 계명대학교 산업기술연구소, 제30권, 제1호. 137-145.
최희주, 강희석, 이한수(2002) 루타일 및 아나타제 상 이산화티타늄 은 이온 광환원 및 흡착특성비교. 대한환경공학회논문집, 대한환경공학회, 제24권, 제6호, pp. 1043-1049.
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