KR101283794B1 - 수처리용 세라믹 구조체, 수처리 장치 및 수처리 방법 - Google Patents
수처리용 세라믹 구조체, 수처리 장치 및 수처리 방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 수처리용 세라믹 구조체, 수처리 장치 및 수처리 방법 에 관한 것이다. 본 발명에서는, 세라믹 섬유로 제조된 세라믹 페이퍼를 포함하는 세라믹 매체를 사용하여, 광촉매의 담지 효율 및 담지된 광촉매의 비표면적을 향상시킬 수 있다. 이에 따라, 본 발명에서는, 자외선 등의 조사에 의한 오염 물질의 분해 효율이 높고, 연속적인 정화 처리가 가능하며, 제조, 관리 및 수처리 비용을 크게 낮출 수 있는 수처리 장치 및 수처리 방법을 제공할 수 있다.
수처리, 세라믹 페이퍼, 세라믹 섬유, 광촉매, 자외선
Description
본 발명은 수처리용 세라믹 구조체, 수처리 장치 및 수처리 방법에 관한 것이다.
종래의 광촉매를 이용한 수처리는, 이산화티탄(TiO2), 삼산화텅스텐(WO3), 산화아연(ZnO), 탄화규소(SiC) 또는 황화카드뮴(CdS) 등의 광촉매를 오염수에 분말상으로 투입하고, 자외선을 조사함으로써, 광촉매에 의해 생성된 라디칼 등을 이용하여 유해한 유기물을 분해하는 방식으로 진행되어 왔다. 또한, 상기 처리 후에, 오염수로부터 광촉매를 분리막 등을 이용하여 회수하고 있다.
상기와 같이 분말상의 광촉매를 사용하면, 소규모에서는 효과적인 수처리가 가능하다. 그러나, 수처리 용량이 대규모가 되면, 처리 장치 내에 분산된 광촉매 분말에 자외선을 흡수시키기 위해, 처리 장치 전체에 균일한 자외선을 조사하는 것 이 매우 어렵고, 광촉매가 광원으로부터 멀어질수록 흡수율이 급격히 감소되어, 균일하고 높은 광촉매 효율을 발현시키는 것이 매우 어렵다. 또한, 상기와 같은 대규모의 수처리 방식에서는, 수처리 후에 광촉매 회수가 거의 불가능하다는 문제점이 있다
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 광촉매를 다양한 매체에 담지시켜 수처리에 이용하는 방법이 알려져 있다.
그러나, 기존의 수처리용으로 사용되는 매체의 경우, 광촉매를 고정화하는 것이 어렵고, 고정화가 되더라도 광촉매의 표면적이 매우 떨어지는 문제점이 있다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 귀금속이나 질소 원자와 같은 불순물을 혼합하는 방법이 알려져 있으나, 상기 과정을 위해서는 과다한 비용과 복잡한 제조 공정이 필요하다는 문제점이 있다.
본 발명은 수처리용 세라믹 구조체, 수처리 장치 및 수처리 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 상기 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 세라믹 판형 페이퍼 및 상기 세라믹 판형 페이퍼에 부착된 세라믹 파형 페이퍼를 가지는 허니컴 구조의 다 공성 세라믹 매체; 및
상기 다공성 세라믹 매체에 담지된 광촉매층을 포함하는 수처리용 세라믹 구조체을 제공한다.
본 발명은 상기 과제를 해결하기 위한 다른 수단으로서, 내부에 오염수를 저장할 수 있는 저장 탱크; 상기 저장 탱크의 내부에 오염수가 저장된 경우, 상기 오염수와 적어도 일부가 접촉할 수 있도록 설치된 본 발명의 세라믹 구조체; 및 상기 수처리용 세라믹 구조체에 포함된 광촉매에 자외선을 조사할 수 있도록 설치된 자외선 조사 장치를 포함하는 수처리 장치를 제공한다.
본 발명은 상기 과제를 해결하기 위한 또 다른 수단으로서, 본 발명에 따른 수처리 장치의 저장 탱크에 오염수를 저장하는 제 1 단계; 및 상기 수처리 장치의 세라믹 매체에 담지된 광촉매에 자외선을 조사하는 제 2 단계를 포함하는 수처리 방법을 제공한다.
본 발명에서는, 세라믹 섬유로 제조된 세라믹 페이퍼를 포함하는 세라믹 매체를 사용하여, 광촉매의 담지 효율 및 담지된 광촉매의 비표면적으로 향상시킬 수 있다. 이에 따라, 본 발명에서는, 자외선 등의 조사에 의한 오염 물질의 분해 효율이 높고, 연속적인 정화 처리가 가능하며, 제조, 관리 및 수처리 비용을 크게 낮출 수 있는 수처리 장치 및 수처리 방법을 제공할 수 있다.
본 발명은 세라믹 판형 페이퍼 및 상기 세라믹 판형 페이퍼에 부착된 세라믹 파형 페이퍼를 가지는 허니컴 구조의 다공성 세라믹 매체; 및
상기 다공성 세라믹 매체에 담지된 광촉매층을 포함하는 수처리용 세라믹 구조체에 관한 것이다.
이하, 본 발명의 세라믹 구조체에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명에서 상기 다공성 세라믹 매체는 세라믹 판형 페이퍼와 상기 세라믹 판형 페이퍼에 부착된 세라믹 파형 페이퍼를 포함하는 허니컴 구조를 가진다.
도 1은 본 발명의 하나의 예시에 따른 다공성 세라믹 매체의 구조를 개략적으로 나타낸 분해 사시도이고, 도 2는 본 발명의 하나의 예시에 따른 다공성 세라믹 매체의 구조를 개략적으로 나타낸 사시도이다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 다공성 세라믹 매체(10)는, 서로 교대로 부착된 하나 이상의 세라믹 판형 페이퍼(11) 및 세라믹 파형 페이퍼(12)를 포함하여, 그 단면이 허니컴 형상으로 형성된다.
상기와 같은 본 발명의 다공성 세라믹 매체는, 도 2에 나타난 바와 같이 직육면체의 형상으로 형성되는 것이 바람직하다. 다공성 세라믹 매체를 도 2와 같이 직육면체의 형상으로 형성함으로써, 오염수의 흡수 속도 및 펌프 작용 속도를 극대화할 수 있고, 광촉매의 담지 및 담지된 광촉매의 표면적으로 최대화할 수 있다.
본 발명의 다공성 세라믹 매체가 직육면체로 형성될 경우, 그 밑면의 세로 길이(L)에 대한 가로 길이(W)의 비율(W/L)은 1 내지 2, 바람직하게는 1 내지 1.5, 보다 바람직하게는 약 1일 수 있다. 또한, 상기 직육면체의 매체에서, 밑면의 가로 길이(W)에 대한 높이(H)의 비율은, 약 2 내지 10, 바람직하게는 2 내지 6, 보다 바람직하게는 약 4일 수 있다. 다공성 세라믹 매체의 길이를 상기와 같이 조절함으로써, 오염수의 흡수 속도, 펌프 작용 속도, 광촉매의 담지 효율 및 담지된 광촉매의 표면적을 극대화할 수 있다. 한편, 본 발명에서 상기 직육면체 형상의 매체의 가로, 세로 및 높이의 절대적인 수치는 특별히 제한되지 않고, 처리하고자 하는 오염수의 양으로 고려하여 적절히 선택할 수 있다.
본 발명에서, 상기 세라믹 판형 및 파형 페이퍼(이하 「세라믹 페이퍼」로 통칭되는 경우가 있다.)는 세라믹 섬유를 포함하는 슬러리를 제지공정에 적용하여 제조된 것일 수 있다.
본 발명에서는, 세라믹 페이퍼의 제조에 사용되는 세라믹 섬유로서, 직경이 약 1 ㎛ 내지 20 ㎛이고, 평균 길이가 0.1 mm 내지 10 mm인 세라믹 섬유를 사용하는 것이 바람직하다. 상기에서 세라믹 섬유의 길이는, 바람직하게는 0.1 mm 내지 5 mm, 보다 바람직하게는 0.1 mm 내지 1 mm일 수 있다. 본 발명에서는, 세라믹 섬유의 길이를 상기 범위로 제어함으로써, 제조된 세라믹 페이퍼가 우수한 강도를 가지게 할 수 있으며, 세라믹 페이퍼의 제조 시에, 제지 공정에 적용되는 슬러리 내에서 섬유가 균일하게 분산되도록 하여, 균일한 기공이 형성된 세라믹 페이퍼를 제조할 수 있다. 또한, 본 발명에서는, 세라믹 섬유의 길이를 상기 범위로 제어하 여, 최종적으로 제조된 세라믹 매체에 포함되는 기공의 크기를 최적화할 수 있다.
본 발명에서 세라믹 섬유는 또한 약 1,200℃ 이상의 고온에서 견딜 수 있는 물질인 것이 바람직하다. 이와 같은 물질의 예로는 알루미늄 및/또는 규소를 포함하는 소재로서, 구체적으로는 실리카, 알루미나, 실리카-알루미나, 알루미노 실리케이트, 알루미노 보로실리케이트 및 뮬라이트로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 들 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명에서 세라믹 페이퍼를 제조하는 제지 공정에 적용되는 슬러리는 상기 세라믹 섬유 100 중량부에 대하여, 5 중량부 내지 30 중량부의 유기 섬유를 추가로 포함할 수 있다. 본 발명에서 사용될 수 있는 유기 섬유의 예로는 침엽수 펄프, 우드 섬유 또는 헴프(hemp) 등의 천연 섬유; 및 나일론, 레이욘, 폴리에스테르, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 아라미드 또는 아크릴 등의 합성 섬유를 들 수 있으며, 상기 중 일종 또는 이종 이상의 혼합을 사용할 수 있다. 상기와 같은 유기 섬유는 세라믹 섬유 100 중량부에 대하여 5 중량부 내지 30 중량부의 양으로 포함되는 것이 바람직하다. 상기 함량이 5 중량부 미만이면, 세라믹 페이퍼의 인장 강도의 유지가 어려워 제조 과정에서 파형화가 곤란해질 우려가 있고, 30 중량부를 초과하면, 세라믹 구조체의 기공률이 과도하게 증가하여 강도가 저하될 우려가 있다.
본 발명의 세라믹 페이퍼의 제조에 사용되는 슬러리는 또한 전술한 세라믹 섬유 100 중량부에 대하여 5 중량부 내지 20 중량부의 바인더를 추가로 포함할 수 있다. 본 발명에서는 유기 바인더를 사용하는 것이 바람직하며, 예를 들면 에폭시계 바인더, 소듐 카복시메틸 셀룰로오스(CMC), 폴리아크릴아미드(PAM), 폴리에틸렌 옥시드(PEO), 메틸 셀룰로오스, 히드록시에틸 셀룰로오스, 정제 녹말, 덱스트린, 폴리비닐알코올, 폴리비닐부티랄, 폴리메틸(메타)아크릴레이트, 폴리에틸렌글리콜, 파라핀, 왁스 에멀션 및 미결정 왁스(microcrystalline wax)의 일종 또는 이종 이상의 혼합을 들 수 있다. 이와 같은 바인더는 세라믹 섬유 100 중량부에 대하여 5 중량부 내지 20 중량부의 양으로 세라믹 페이퍼 내에 포함되는 것이 바람직하다. 상기 함량이 5 중량부 미만이면, 섬유간의 결합력이 저하될 우려가 있고, 20 중량부를 초과하면, 세라믹 페이퍼의 유동성 및 접착성이 증가하여 작업성이 저하될 우려가 있다.
본 발명에서 상기와 같은 성분을 포함하는 세라믹 페이퍼를 사용하여, 세라믹 매체를 제조하는 방법은 특별히 제한되지 않는다. 본 발명에서는, 예를 들면, (i) 상기 각 성분을 포함하는 슬러리를 제지 공정에 적용하여, 세라믹 판형 그린 페이퍼를 제조하는 단계; (ii) 세라믹 판형 그린 페이퍼를 파형화하여 세라믹 파형 그린 페이퍼를 제조하는 단계; (iii) 상기 세라믹 파형 그린 페이퍼 및 세라믹 판형 그린 페이퍼를 부착시키는 단계; 및 (iv) 단계 (iii)에서 제조된 성형체를 소성하는 단계를 통해 제조될 수 있다.
상기에서 사용되는 세라믹 판형 그린 페이퍼는 전술한 세라믹 섬유, 유기 섬유 및 바인더를 포함하는 슬러리를 사용하여 제조될 수 있으며, 이 때 제조 방법은 특별히 한정되지 않고 일반적인 제지 공법을 사용할 수 있다. 상기 슬러리를 구성하는 각 성분의 구체적인 종류 및 함량은 전술한 바와 같다. 상기 슬러리는 전술한 성분을 물과 같은 일반적인 용매에 용해시켜 제조될 수 있으며, 이 때 슬러리 내에 세라믹 섬유의 함량은 고형분 기준으로 50 중량% 내지 80 중량%일 수 있고, 바람직하게는 70 중량% 내지 80 중량%일 수 있다. 그러나, 상기 세라믹 섬유의 함량은 슬러리의 농도가 전체적인 공정이 원활하게 유지될 수 있을 정도로 유지된다면 특별히 한정되는 것은 아니다.
또한, 세라믹 판형 그린 페이퍼를 제조하는 과정에서는 공정 중 물의 원활한 제거를 위해 제지 장치에 진공 펌프를 연결하여, 과량의 물을 제거하고, 압착기 등의 추가적인 수단을 통해 잔존하는 과량의 물을 제거할 수도 있다.
상기에서 세라믹 판형 그린 페이퍼에 사용되는 슬러리는 또한 바인더 성분 및 섬유 성분의 부착력의 추가적인 개선의 관점에서, pH 조절제를 추가로 포함할 수 있다. 상기 pH 조절제의 구체적인 종류는 특별히 한정되지 않으며, 예를 들면 암모늄 알루미늄 설페이트(알룸)와 같은 범용의 수단을 사용할 수 있다. 상기 pH 조절제의 함량은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면, 슬러리의 pH를 5.5 내지 6.5 사이의 범위로 유지시킬 수 있는 양으로 첨가될 수 있다.
본 발명에서 제조된 세라믹 판형 그린 페이퍼를 사용하여 파형화를 수행하는 방법은 특별히 한정되지 않으며, 예를 들면 범용의 파형화 기기를 사용하여 수행할 수 있다. 본 발명에서 사용되는 파형화 기기는 드럼의 골의 깊이가 약 1.5 mm 내지 3.5 mm이고, 피치(pitch)가 각각 약 1.5 mm 내지 4.5 mm이며, 표면 온도와 페이퍼의 공급 속도가 조절 가능하도록 구성되어 있는 것이 바람직하지만, 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 상기에서 판형 및 파형 페이퍼의 부착은, 예를 들면, 세라믹 파형 페 이퍼의 하부에 세라믹 판형 페이퍼를 위치시키고, 접촉면에 접착제를 도포한 후, 접착시켜 제조할 수 있으며, 이와 같은 과정을 반복하여, 직육면체 형상의 매체를 제조할 수 있다. 이때 접착제는 당업계에서 범용되는 접착제를 사용할 수 있으며, 이는 특별히 제한되지 않는다.
또한, 상기와 같은 과정을 거쳐 제조한 성형체를 소성하는 조건은 특별히 제한되지 않고, 제조된 매체를 고려하여 적절히 선택할 수 있다.
본 발명의 세라믹 매체는 또한, 상기와 같이 제조된 세라믹 판형 페이퍼 및/또는 파형 페이퍼 상에 형성되고, 규소, 알루미늄 및 지르코늄으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함하는 코팅층(이하, 「1차 코팅층」이라 칭하는 경우가 있다)을 추가로 구비할 수 있다.
상기에서 1차 코팅층을 구성하는 소재는 솔겔(sol-gel) 공정 등에 의해 경화되어, 상기 세라믹 페이퍼의 습윤 강도를 강화시킬 수 있는 소재라면, 특별히 제한되지 않는다. 본 발명에서는, 예를 들면, 상기 1차 코팅층을 구성하는 소재로서 규소, 알루미늄 및 지르코늄으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 함유하는 화합물을 사용할 수 있으며, 보다 구체적으로는 실리카, 실란, 실록산, 알루미나, 지르코니아 및 알루미늄 실리케이트로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 사용할 수 있다. 특별히 한정되는 것은 아니지만, 본 발명에서 상기 1차 코팅층 상에 후술하는 2차 코팅층이 형성되는 경우, 코팅층간의 친화력의 관점에서, 상기 1차 코팅층은 알루미늄 실리케이트로 구성할 수 있다.
본 발명에서, 세라믹 페이퍼상에 상기와 같은 1차 코팅층을 형성하는 방법은 특별히 제한되지 않는다. 본 발명에서는, 예를 들면, 상기 (iii) 단계 또는 (iv) 단계 후의 세라믹 그린 성형체(ex. 세라믹 그린 페이퍼의 성형체)에, 규소, 알루미늄 및 지르코늄으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 성분을 함유하는 코팅액(이하, 1차 코팅액이라 칭하는 경우가 있다.)을 도포하고, 이를 소정 온도에서 소성하는 단계를 거쳐, 상기 1차 코팅층을 형성할 수 있다.
이하, 본 발명의 명세서에서 사용하는 용어 코팅액은 무기 바인더 전구체 용액으로서, 『코팅액』 및 『무기 바인더 전구체 용액』은 동일한 의미로 사용될 수 있다.
본 발명에서는 코팅층의 형성 시에 무기 바인더 전구체 용액을 사용함으로 해서, 다공질의 세라믹 성형체(세라믹 그린 페이퍼)의 모세관 효과를 이용한 균일한 코팅이 가능하다. 따라서, 본 발명에서는 코팅층의 불균일 형성으로 인한 기공 제어의 어려움을 해결할 수 있으며, 또한 반응성이 우수한 바인더 전구체가 세라믹 섬유와 화학적으로 결합하여 섬유간의 결합력을 향상시켜, 구조체에 탁월한 기계적 강도를 부여할 수 있다.
즉 본 발명에서, 상기 1차 코팅액은 용액상이기 때문에 세라믹 그린 페이퍼의 모세관 효과를 통해 상기 페이퍼의 표면에 균일하게 도포될 수 있다. 또한 상기 코팅액에 포함되는 무기 바인더 전구체는 높은 반응성을 가지기 때문에 소성 공정을 거치면서 세라믹 섬유간의 결합력을 증진시켜, 구조체 전체의 기계적 강도를 현저히 개선할 수 있게 된다. 또한, 상기 1차 코팅액의 도포는 세라믹 구조체의 제조 시에 습윤 강도의 저하를 방지하여, 그린 섬유 성형체의 구조를 유지시키는 역할을 함께 수행할 수 있다.
상기에서 사용하는 1차 코팅액은 규소, 알루미늄 및 지르코늄의 일종 또는 이종 이상을 포함하고, 세라믹 페이퍼의 습윤 강도를 유지시켜 줄 수 있는 것이라면 특별히 한정되지 않는다. 이와 같은 1차 코팅액의 구체적인 예로는 지르코늄 아세테이트, 지르코니아 졸, 실리카 졸, 알루미나 졸 및 알루미늄 실리케이트 용액 등의 일종 또는 이종 이상의 혼합을 들 수 있다. 특히 상기 알루미늄 실리케이트 용액은 내부에 알루미늄이 이온 형태로 존재하며, 용액이 전체적으로 중성이기 때문에 코팅 공정 시 일반적으로 양전하를 띄는 세라믹 페이퍼 표면과의 부착력이 양호하다는 이점이 있다. 이와 같은 알루미늄 실리케이트 용액은 알코올, 알루미늄 전구체, 테트라알킬 오르토실리케이트 및 산을 포함하는 것이 바람직하다. 이 때 포함되는 산의 농도를 적절히 조절하면, 용액에 포함되는 테트라알킬 오르토실리케이트가 가수 분해된 후, 입자 형성 및 겔화가 이루어지기 전 단계에서 코팅 공정에 적용될 수 있어, 코팅 효율이 증진되는 이점이 있다. 상기에서 알코올의 구체적인 예로는 메탄올 또는 에탄올과 같은 탄소수 1 내지 6의 저급 알코올을 들 수 있고, 알루미늄 전구체의 예로는 질산 알루미늄, 아세트산 알루미늄, 알루미늄의 할로겐화물(ex. aluminum chloride) 또는 수산화 알루미늄(aluminum hydroxide) 등을 들 수 있으며, 이 중 질산 알루미늄이 보다 바람직하고, 테트라알킬 오르토실리케이트의 예로는 테트라에틸 오르토실리케이트 (TEOS) 등을 들 수 있고, 산의 예로는 염산을 들 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 알루미늄 실리케이트 용액의 조성은 특별히 제한되는 것은 아니지만, 테트라알킬 오르토실리케이트 1 몰을 기준으로, 알코올이 0.2 몰 내지 0.5 몰, 알루미늄 전구체가 0.01 몰 내지 0.02 몰 그리고 산(ex,염산)이 0.1 × 10-3 몰 내지 0.2 × 10-3 몰의 양으로 포함되는 것이 바람직하다. 상기 알코올의 양이 0.2 몰 미만이면, 알루미늄 전구체가 충분히 용해되지 않을 우려가 있고, 0.5 몰을 초과하면, 알루미늄 전구체의 농도가 저하되어 적절한 두께의 코팅층의 형성이 어려워질 우려가 있다. 또한 알루미늄 전구체의 함량이 0.01 몰 미만이면, 알루미늄 실리케이트의 형성이 어려워질 우려가 있고, 0.02 몰을 초과하면, 알코올에 대한 용해도가 떨어질 우려가 있다. 또한, 상기 산의 양이 0.1 × 10-3 몰 미만이면, 가수분해 반응이 원활히 이루어지지 않을 우려가 있고, 내지 0.2 × 10-3 몰을 초과하면, 가수분해 속도가 지나치게 증가하여, 입자 형태의 겔 형성이 급속하게 이루어져, 분산도의 저하 및 기공 폐색 현상이 일어날 우려가 있다.
상기와 같은 1차 코팅액을 코팅하는 방법은 특별히 한정되지 않고, 예를 들면 함침 또는 분사 등의 통상의 방법으로 수행하면 된다.
본 발명에서는 구조체의 기계적 강도 향상의 관점에서, 상기와 같은 1차 코팅액의 도포 및 건조 공정을 수회 반복하여 수행할 수도 있다.
또한, 본 발명에서는, 상기 1차 코팅액의 도포 및 건조 후에 후술하는 지르코니아층을 형성하는 공정을 추가로 수행할 수 있다. 이 때 그 방법은 특별히 한 정되지 않으며, 예를 들면 아세트산 지르코늄 용액 등의 전구체 용액을 도포함으로써, 이어지는 소성 단계에서 지르코니아가 형성되도록 하는 방법을 들 수 있다.
본 발명에서는, 상기와 같은 코팅 처리를 거친 세라믹 그린 페이퍼를 소성하는 공정을 수행할 수 있다. 본 발명에서 이와 같은 소성 공정은, 전술한 (iii) 단계에 이은 (iv) 단계에서 수행될 수도 있고, 상기 1차 코팅액의 도포 공정 후에 수행될 수도 있으며, 필요에 따라서는 후술하는 2차 코팅액의 도포 공정 후에 수행될 수도 있다. 이와 같은 소성 과정에서는, 페이퍼에 균일하게 도포된 무기 바인더 전구체 용액이 섬유간의 강한 결합을 형성시켜, 구조체의 기계적 강도를 향상시킬 수 있다. 이 때 소성 공정의 조건은, 예를 들면 진공, 불활성 가스 또는 공기 중에서 930℃ 이상의 온도 범위에서 수행할 수 있다. 상기 소성 온도가 930℃ 미만이면, 유기 성분의 제거가 불충분해지거나, 또는 수처리 공정 시에 다공질 세라믹 매체로부터 오염성분이 외부의 물로 용출될 우려가 있다. 본 발명에서 상기 소성 온도의 상한은 소성되는 구조체 등에 따라 결정되는 것으로 특별히 한정되지 않으며, 예를 들면, 2,000℃ 이하, 바람직하게는 1,500℃ 이하, 보다 바람직하게는 1,200℃ 이하, 더욱 바람직하게는 1,000℃ 이하에서 수행될 수 있다. 상기 소성 온도가 2,000℃를 초과하면, 코팅층에 포함되는 성분의 변형에 의해 강도가 저하될 우려가 있다.
또한, 본 발명의 제 2 단계의 소성 공정이 수행되는 시간은, 소성 온도에 따라 적절히 선택되는 것으로 특별히 한정되는 것은 아니며, 예를 들면, 약 10분 내지 100분, 약 15분 내지 90분 또는 약 15분 내지 60분 동안 수행될 수 있다.
본 발명에서 상기와 같은 소성 공정은 2회 이상 반복되어 수행될 수도 있고, 경우에 따라서는 전술한 각 코팅, 건조 및 소성 공정이 순차적으로 수회 반복되어 수행할 수도 있다.
본 발명의 세라믹 구조체는 또한, 상기 1차 코팅층상에 추가적으로 형성된 것으로서, 알루미늄 성분 및 인 성분을 함유하는 코팅층(이하 「2차 코팅층」이라 칭하는 경우가 있다.)을 추가로 포함할 수 있다. 즉, 본 발명의 세라믹 구조체는 전술한 1차 코팅층이 형성된 상태에서 제품에 적용될 수 있으나, 상기 1차 코팅층 상에 특정 성분을 함유하는 코팅층을 추가로 형성함으로 해서, 구조체가 가지는 물성을 보다 개선할 수 있다. 상기 2차 코팅층이 추가적으로 형성되었을 경우, 다공성 세라믹 페이퍼 상에 직접 형성된 코팅층(1차 코팅층)은 다공성 세라믹 페이퍼 및 상기 2차 코팅층의 사이에서 버퍼층 또는 프라이머층의 역할을 수행할 수 있으며, 보다 구체적으로는 다공성 세라믹 페이퍼를 보호하는 역할 및 2차 코팅층과의 부착력을 강화하는 역할을 동시에 수행할 수 있다.
상기 2차 코팅층은 알루미늄 성분 및 인 성분을 포함할 수 있는데, 이 때 상기 2차 코팅층에 포함되는 인 및 알루미늄의 원자비(P/Al)는 3 내지 50인 것이 바람직하다. 상기 원자비가 3 미만이면, 코팅층이 원활하게 형성되지 않을 우려가 있고, 50을 초과하면, 섬유 표면이 손상되어 강도가 저하될 우려가 있다. 특별히 한정되는 것은 아니지만, 상기 2차 코팅층은 알루미늄 포스페이트를 포함하는 것이 바람직하고, Al(PO3)3(aluminum metaphosphate) 및 AlPO4(aluminum orthophosphate)의 두 가지 상이 혼재된 상태로 존재하는 것이 보다 바람직하다.
상기 1차 및/또는 2차 코팅층은 또한, 섬유간 결합력의 추가적인 개선의 관점에서, 마그네슘, 칼슘 및 붕소 함유 화합물의 일종 또는 이종 이상을 추가로 포함할 수 있다. 상기 성분은 코팅층에 포함되어 있는 알루미늄 이온 등을 부분적으로 치환시켜, 무기 바인더의 결합력을 증가시키고, 고온에서의 열적 안정성을 개선하는 역할을 한다. 본 발명에서 사용될 수 있는 상기 화합물의 구체적인 종류는 특별히 한정되지 않으며, 예를 들면 붕산, 마그네슘 옥사이드 및 칼슘 클로라이드 등의 일종 또는 이종 이상을 들 수 있다. 상기와 같은 성분들은 1차 또는 2차 코팅층을 구성하는 성분 100 중량부에 대하여 0.1 중량부 내지 10 중량부의 양으로 포함되는 것이 바람직하지만, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 코팅층은 또한 세라믹 구조체의 기계적 강도의 추가적인 개선의 관점에서 실리카, 지르코니아 및/또는 티타니아와 같은 추가적인 산화물 세라믹을 적정량으로 포함할 수 있다.
본 발명에서, 상기와 같은 2차 코팅층을 형성하는 방법은 특별히 제한되지 않는다. 본 발명에서는, 예를 들면, 상기 1차 코팅액의 도포 공정에 이어서, 세라믹 그린 성형체를 알루미늄 및 인을 포함하는 2차 코팅액으로 코팅하고, 상기한 소성을 수행함으로써, 2차 코팅층을 형성할 수 있따.
이와 같이, 추가적인 2차 코팅 공정은 상기 1차 코팅 공정 후에 세라믹 그린 페이퍼를 적절한 조건에서 건조한 후 수행할 수 있다. 이 때 건조 온도는 상온 내지 200℃의 범위일 수 있으나, 충분한 건조가 이루어질 수 있도록 제어된다면 특별히 한정되지 않는다.
상기 2차 코팅액은 알루미늄 성분을 포함하는 용액 및 인 성분을 포함하는 용액을 혼합하여 제조하거나, 또는 적정 용매 내에 알루미늄 성분 또는 인 성분을 동시에 또는 순차로 용해시켜 제조할 수 있다. 이 때 사용될 수 있는 용매의 예로는 물, 산성 용액 또는 알코올 등의 유기 용매 등을 들 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기에서 알루미늄 성분의 예로는 질산 알루미늄, 아세트산 알루미늄, 알루미늄의 할로겐화물(ex. aluminum chloride) 또는 수산화 알루미늄의 일종 또는 이종 이상을 들 수 있고, 이 중 질산 알루미늄이 보다 바람직하며, 인 성분의 예로는 인산계 화합물 또는 인산염 등을 들 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
이 때 상기 2차 코팅액 내에 포함되는 인 및 알루미늄의 원자비(P/Al)은 3 내지 50인 것이 바람직하다. 상기 원자비가 3 미만이면, 무기 바인더(ex. 알루미늄 포스페이트)의 형성이 원활하지 않을 우려가 있고, 50을 초과하면, 과량의 인 성분으로 인해 코팅성이 떨어지거나, 파이퍼 표면의 손상이 발생하여 구조체의 강도가 저하될 우려가 있다.
또한, 상기 용액 내의 무기 바인더(ex. 알루미늄 포스페이트) 전구체 물질의 농도는 고형분 기준으로 1 중량% 내지 80 중량%인 것이 바람직하다. 상기 농도가 1 중량% 미만이면, 적절한 양의 코팅층의 형성을 위해 코팅 공정을 수회 반복해야 하여 공정 효율성이 저하될 우려가 있고, 80 중량%를 초과하면, 구조체의 기공 폐색이 발생할 우려가 있다.
상기 2차 코팅액은 또한 물 및 침투 용매의 혼합 용매를 추가로 포함할 수 있다. 이때 침투 용매의 예로는 에탄올 및/또는 이소프로필 알코올 등을 들 수 있다. 또한 상기 침투 용매의 함량은 물 100 중량부에 대하여, 1 중량부 내지 30 중량부가 바람직하다. 상기 함량이 1 중량부 미만이면, 공정 효율이 저하될 우려가 있고, 30 중량부를 초과하면, 무기 바인더가 소성 전에 석출될 우려가 있다. 또한, 상기와 같은 혼합 용매는 2차 코팅액 100 중량부에 대하여 5 내지 15 중량부의 양으로 포함되는 것이 바람직하지만, 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 상기 2차 코팅액은 구조체의 기계적 강도의 추가적인 개선의 관점에서, 알루미나, 실리카, 지르코니아 및 티타니아 등의 성분의 일종 또는 이종 이상의 혼합을 적절히 포함할 수도 있다.
상기 2차 코팅액의 코팅 방법은 전술한 1차 코팅액의 도포와 동일하게 수행할 수 있다. 또한, 2차 코팅액 도포 후의 건조 단계 역시, 전술한 경우와 동일하게 도포된 코팅액이 충분히 건조될 수 있도록 수행된다면 특별히 제한되는 것은 아니다.
상기 본 발명에서 사용되는 코팅액은 무기 바인더의 결합성 및 구조체의 열적 안정성 개선의 관점에서, 마그네슘 이온, 칼슘 이온 및 붕소 함유 화합물의 일종 또는 이종 이상의 혼합을 적절히 포함할 수도 있다.
이상과 같은 각 코팅 단계는 한번만 수행될 수도 있고, 구조체의 기계적 강도 개선의 관점에서 각각의 코팅 단계는 2회 이상 반복되어 수행될 수도 있다.
본 발명에서는 또한, 상기 1차 또는 2차 코팅액의 도포 후에 후술하는 점토 성분 함유 외벽을 형성하는 공정을 추가로 수행할 수 있다. 이 때 상기 외벽을 형성하는 방법은 특별히 한정되지 않으며, 예를 들면 전술한 바와 같은 세라믹 페이퍼를 점토 섬유 함유 슬러리로 처리(ex. 함침 또는 도포)한 후, 상기를 세라믹 페이퍼에 부착함으로써 형성될 수 있다. 이 때 사용되는 점토 성분 함유 슬러리의 종류는 특별히 제한되지 않는다. 예를 들면, 상기 슬러리는 벤토나이트, 실리카졸 및 고형분(ex. 세라믹 파우더) 등을 포함할 수 있다. 이 때 각 성분의 함량은 슬러리 전체 100 중량부에 대하여 벤토나이트 1 중량부 내지 10 중량부, 실리카졸 1 중량부 내지 10 중량부 및 고형분 5 내지 30 중량부인 것이 바람직하지만, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 다른 태양에 따르면, 상기 점토 성분 함유 슬러리는 점토 및 세라믹 섬유가 분산된 물(ex. 증류수)일 수 있다. 상기에서 사용되는 점토 및 섬유의 구체적인 종류는 전술한 바와 같으며, 그 함량은 물 100 중량부에 대하여, 점토가 12 중량부 내지 25 중량부이고, 세라믹 섬유가 0.5 중량부 내지 2 중량부, 보다 바람직하게는 0.5 중량부 내지 1.5 중량부일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 세라믹 구조체는 전술한 바와 같이, 다공성 세라믹 페이퍼와 일체적으로 형성된 점토 성분 함유 외벽을 추가로 포함할 수 있다. 이와 같은 외벽을 형성함으로 해서, 점토 성분으로 인한 단열 효과 및 구조체 기계적 강도의 추가적 향상 등의 효과를 얻을 수 있다. 상기 외벽에 포함될 수 있는 점토 성분의 구체적인 예로는 벤토나이트, 카올린, 납석 및 활석의 일종 또는 이종 이상의 혼합을 들 수 있으며, 이 중 벤토나이트가 보다 바람직하다. 벤토나이트는 몬모릴로나이트를 주성분으로 하는 광물로서, 그 종류로는 크게 Ca계 벤토나이트 및 Na계 벤토나이트로 구분된다. 이 중 Na계 벤토나이트가 입자가 미세하고, 팽윤성이 높으며, 물 흡수 시에 겔 형성능이 탁월하다. 본 발명에서는 특히 몬몰리로나이트의 함량이 높고, Na계인 벤토나이트를 사용하는 것이 보다 바람직하고, 구체적으로는 Ca의 함량이 1% 미만이고, Na의 함량이 1% 이상인 벤토나이트를 사용하는 것이 바람직하다. 상기와 같은 점토 성분 함유 외벽은 다공성 세라믹 페이퍼를 점토 성분 함유 슬러리에 함침 처리한 후, 이를 세라믹 구조체에 부착하거나, 또는 상기 슬러리를 구조체에 도포 처리함으로써 형성할 수 있다. 또한, 상기 점토 성분 함유 외벽은 건조 과정에서의 균열 방지 및 분리 현상 방지의 관점에서 적정량의 세라믹 섬유, 산화물 입자 및 세라믹 파우더 등의 일종 또는 이종 이상을 추가로 포함할 수 있다. 상기에서 세라믹 섬유의 구체적인 종류는 전술한 바와 같으나, 외벽 형성 시에는 상기 섬유의 평균 길이가 0.1 mm 내지 0.5 mm인 것이 바람직하다. 또한, 상기 산화물 입자의 예로는 실리카 등을 들 수 있고, 세라믹 파우더의 예로는 실리콘 카바이드(silicone carbide) 등을 들 수 있다. 상기 세라믹 섬유 등의 성분의 외벽 내에서의 함량은 0.5 중량부 내지 2 중량부, 보다 바람직하게는 0.5 중량부 내지 1.5 중량부이다. 상기 함량이 0.5 중량부 미만이면, 외벽에 균열이 발생할 우려가 있 고, 2 중량부를 초과하면, 점토 외벽과 구조체의 분리 현상이 발생할 우려가 있다.
본 발명의 세라믹 구조체는 또한 전술한 바와 같이, 상기 1차 코팅층 및 2차 코팅층 사이에 형성된 지르코니아층을 추가로 포함할 수 있으며, 이와 같은 추가의 층으로 인해 구조체의 강도를 보다 향상시킬 수 있다. 이와 같은 지르코니아층은 구조체 제조 과정에서 지르코늄 아세테이트 등과 같은 전구체를 1차 코팅액 도포 후에 추가로 도포하는 방법 등에 의해 형성할 수 있다.
본 발명의 수처리용 세라믹 구조체는, 상기와 같이 형성된 다공성 세라믹 매체에 담지된 광촉매층을 포함한다.
상기에서 광촉매층에 포함되는 광촉매의 종류는 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면, SrTiO3, CdSe, KNbO3, WO3, ZnO, SiC, CdS 또는 TiO2 등의 일종 또는 이종 이상을 사용할 수 있다. 본 발명에서는, 특히 상기 광촉매층에 포함되는 광촉매로서, TiO2를 사용하는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는, 아나타제(anatase)형 TiO2 및 루틸(rutile)형 TiO2를 혼합하여 사용하는 것이 바람직하다. 상기에서 아나타제형 및 루틸형을 혼합할 경우, 그 중량 비율(아나타제형:루틸형)은 5 내지 8 : 2 내지 5일 수 있고, 바람직하게는 약 7:3일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명에서 상기와 같은 광촉매층을 매체에 형성하는 방법은 특별히 제한되지 않는다. 본 발명에서는 예를 들면, 적절한 용매(ex. 증류수, 알코올 등)에 광 촉매 및 무기 바인더(ex. 알루미나 또는 실리카 등)를 용해시켜 슬러리를 제조한 후, 이를 매체에 코팅하고, 건조 및/또는 열처리함으로써, 광촉매층을 형성할 수 있다. 상기에서, 사용되는 슬러리의 조성은, 목적에 따라 결정되는 것으로 특별히 제한되지 않으나, 예를 들면, 광촉매 3 중량부 내지 12 중량부, 무기바인더 5 중량부 내지 12 중량부 및 용매 92 중량부 내지 98 중량부를 포함할 수 있다.
본 발명은 또한, 내부에 오염수를 저장할 수 있는 저장 탱크; 상기 저장 탱크의 내부에 오염수가 저장된 경우, 상기 오염수와 적어도 일부가 접촉할 수 있도록 설치된, 본 발명에 따른 수처리용 세라믹 구조체; 및
상기 수처리용 세라믹 구조체에 포함된 광촉매에 자외선을 조사할 수 있는 자외선 조사 장치를 포함하는 수처리 장치에 관한 것이다.
첨부된 도 3은 본 발명의 일 태양에 따른 수처리 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
본 발명의 수처리 장치는, 도 3에 나타난 바와 같이, 오염수가 저장될 수 있는 저장 탱크(20); 및 상기 저장 탱크(20)에 설치된 다공성 세라믹 매체(10)를 포함하고, 또한, 상기 다공성 세라믹 매체(10)의 광촉매에 자외선을 조사할 수 있는 자외선 조사 장치(30)를 포함한다.
상기에서, 다공성 세라믹 매체(10)는, 저장 탱크에 오염수가 저장되었을 경우, 상기 오염수의 수면에 대하여, 상기 구조체(10)에 포함된 세라믹 판형 페이 퍼(11)가 수직 방향으로 형성되도록 설치되는 것이 바람직하다. 이와 같이 매체를 형성함으로써, 오염수의 흡수 속도 및 펌프 작용 속도를 극대화할 수 있다.
또한, 상기 구조체(10)는, 상기 저장 탱크(20)에 오염수가 포함된 경우, 적어도 일부가 상기 오염수와 접촉하도록 설치되는 것이 바람직하다. 구체적으로, 오염수가 유입되었을 경우, 상기 세라믹 매체(10)의 전체 높이를 H라고 하였을 때, 0.25H 내지 0.5H에 해당하는 부분(P)이 상기 오염수에 침지되어 있는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명의 수처리 장치에 포함되는 저장 탱크(20) 및 자외선 조사 장치(30)의 구체적인 종류는 특별히 제한되지 않고, 이 분야의 일반적인 기기 내지는 장치를 사용할 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 수처리 장치의 저장 탱크에 오염수를 저장하는 제 1 단계; 및 상기 수처리 장치의 세라믹 매체에 담지된 광촉매에 자외선을 조사하는 제 2 단계를 포함하는 수처리 방법에 관한 것이다.
첨부된 도 4는 본 발명의 하나의 예시에 따른 수처리 방법이 진행되는 과정을 나타내는 모식도이다.
즉, 상기 수처리 장치에 오염수를 공급하면, 모세관 현상 및 삼투압 작용 등에 의하여, 공급된 오염수는, 다공질의 세라믹 매체를 포함하는 세라믹 구조체에 흡수된다. 그 후, 상기 구조체에 포함된 광촉매를 활성화하기 위하여, 상기 광촉매에 자외선을 조사하면, 광촉매의 촉매 반응을 통하여, 오염 물질, 예를 들면, 유 기 오염 물질, 색소 등이 제거될 수 있다.
즉, 도 4에 나타난 바와 같이, 공급된 오염수는 세라믹 구조체에 의해 빨아 올려져서, 광촉매의 촉매 작용에 의해 정화되어 깨끗한 물로 전환되고, 상기 정화된 물은 삼투압 작용에 의해 다시 오염수쪽으로 이동할 수 있다. 또한, 본 발명의 세라믹 구조체에서, 상기 판형 및 파형 페이퍼에 존재하는 기공 사이즈는, 오염수 내에 존재하는 사이즈가 큰 오염 물질이 통과할 수 있도록 충분히 크기 때문에, 대기압에 의해 오염수는 다시 일정 높이까지 올라가 정화될 수 있어서, 연속적인 수처리가 가능하다.
본 발명의 제 2 단계에서 광촉매에 조사되는 자외선의 종류는, 사용된 광촉매의 종류에 따라서 결정되는 것은 특별히 제한되지 않는다. 본 발명에서는 예를 들면, 자외선, 구체적으로는 C 영역의 자외선(UV C), 파장이 약 100 nm 내지 420 nm인 자외선 또는 파장이 약 400 nm 이하인 자외선을 상기 광촉매에 조사할 수 있으며, 바람직하게는 파장이 200 내지 280nm 또는 약 260nm 이하, 보다 구체적으로는 파장이 약 254nm인 자외선을 광촉매에 조사할 수 있다.
이하, 본 발명에 따르는 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하나, 본 발명의 범위가 하기 제시된 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.
제조예
1.
(1)
파형화된
세라믹 그린 페이퍼의 제조
물 2000 ml에 평균 길이 300 ㎛인 알루미나-실리카 섬유 3 g을 넣은 후, 강하게 교반하여 상기 섬유를 분산시켰다. 이어서, 상기에 유기 섬유로서 침엽수 펄프를 상기 세라믹 섬유 함량을 기준으로 25 중량%로 투입하고, 아크릴계 바인더를 상기 섬유를 기준으로 10 중량%의 양으로 첨가하였다. 그 후, pH 3의 1% 암모늄 알루미늄 설페이트 수용액 1 ml를 넣어 전체 슬러리 용액의 pH를 약 5.5로 조절하였다. 그 후, 상기 슬러리 내의 고형분들이 고루 섞이도록 계속적으로 약하게 교반하고, 제지 장치를 이용하여 두께 800 ㎛의 세라믹 그린 페이퍼를 제조하였다. 그 후, 상기에서 제조된 세라믹 그린 페이퍼를 상온에서 30분 동안 자연 건조한 뒤, 100℃의 건조 오븐에서 잔존하는 수분을 건조시켰다. 제조된 그린 페이퍼를 파형화 기기 (모델명: KIER, 골: 2 mm, 피치: 3 mm, 화성기기(제))를 사용하여 표면온도 150℃ 하 2-10 m/분의 공급 속도로 파형화하여, 세라믹 파형 페이퍼를 제조하였다.
(2) 세라믹 판형 페이퍼의 제조
파형화 공정을 수행하지 않은 것을 제외하고는 상기 (1)과 동일한 방법으로 세라믹 그린 페이퍼를 제조하고, 이를 세라믹 판형 페이퍼로 사용하였다.
[
실시예
1]
세라믹 구조체의 제조
제조예 1에서 제조된 세라믹 판형 페이퍼 및 파형 페이퍼를 반복 부착하여 직육면체 형상의 세라믹 그린 성형체를 제조하였다. 이어서 제조된 그린 성형체를 실리카졸(고형분 농도: 20%)에 담지한 후, 꺼내어 120℃의 오븐에서 건조시켰다. 상기 건조공정 후, 850℃의 온도에서 60분간 소성하고, 로(furnace) 내에서 냉각시켰다. 한편, 물 100 g에 아세트산 알루미늄(aluminium acetate) 32 g을 첨가하고, 교반하면서 인산 230 g을 서서히 첨가하여 무기 바인더의 전구체인 2차 코팅액을 제조하였다. 상기 건조된 원통형 그린 성형체를 제조된 2차 코팅액에 함침한 후, 꺼내어 골 사이에 남은 용액을 제거하였다. 그 후, 170℃ 오븐에서 1시간 동안 건조한 후, 950℃의 온도에서 60분 동안 소성하고, 로(furnace) 내에서 냉각시켜, 세라믹 구조체를 제조하였다. 제조된 세라믹 구조체의 가로(W), 세로(L) 및 높이(H)의 비율(W:L:H)은 1:1:4였다.
광촉매층의
형성
증류수 및 에탄올을 10:1의 중량비(증류수:에탄올)로 혼합한 용매에 아나타제형 및 루틸형을 7:3의 중량비(아나타제:루틸)가 되도록 혼합한 TiO2을 7 중량%의 농도가 되도록 투입하면서, 40분간 교반한 후, 알루미나졸을 총 슬러리의 무게 대비 10 중량%의 양으로 투입하고, 30분간 추가로 교반하여 슬러리를 제조하였다. 이어서, 제조된 슬러리를 상기에서 제조된 직육면체 형상의 다공성 세라믹 구조체에 딥 코팅하고, 60℃의 건조 오븐(dry oven)에서 적절히 건조한 후, 약 500℃의 온도로 열처리하여 세라믹 구조체를 제조하였다.
[
시험예
1]
실시예에서 제조된 세라믹 구조체를 사용하여, 도 3에 나타난 바와 같은 수처리 장치를 제조하고, 이를 사용하여, 수처리 효율을 평가하였다. 도 3에 나타난 장치에서, 오염수의 깊이(D), 세라믹 매체의 높이(H) 및 수처리 장치의 높이(H1)의 비율(D:H:H1)은 약 3.25:8:12.5였고, 오염수의 하부 면적(A1) 대 세라믹 매체의 하부 면적(A2)의 비율(A1:A2)은 약 12.56:1이었다.
도 3에 나타난 바와 같은 장치를 구성한 후, 중합도가 500이고, 중량평균분자량(Mw)이 약 22,000인 폴리비닐알코올(PVA)이 약 10 ppm의 농도로 존재하는 오염수; 또는 메틸렌블루, 아세트알데히드, 또는 비스페놀 A를 포함하는 오염수를 투입하고, 상기 다공성 세라믹 매체(10)에 UV C 영역의 자외선을 조사하면서, 시간에 따른 오염 물질의 분해 효율을 관찰하고, 그 결과를 도 5 내지 8에 나타내었다.
도 5 내지 8은, 흡광도 분석기(UV-Vis photospectroscopy, N&K Technology사)를 사용하여, PVA에 해당하는 주피크의 시간에 따른 변화를 조사하고, 그 결과를 도시한 것이다.
도 5 내지 8에 나타난 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 오염물질의 특성을 나타내는 주피크(main peak)는 시간의 경과에 따라 확연히 감소하였으며, PVA의 경우, 약 12.5일이 경과한 시점에서, 오염수서 완전히 제거되었음을 확인할 수 있다.
이와 같은 결과로부터, 세라믹 구조체가 세로로 설치, 즉 직육면체 형상의 세라믹 구조체에 포함된 판형 페이퍼가 오염수 수면과 수직 방향으로 설치되면서, 구조체 자체가 받는 압력의 증가에 따라 보다 큰 모세관력(capillary force)이 발생하여, 매우 단시간에 오염 물질이 효과적으로 제거될 수 있음을 확인할 수 있었다.
또한, 관찰 결과, 세라믹 구조체의 표면에 존재하는 유기물에 대하여만 광촉매 효과가 나타나서, 유기물을 분해됨으로써, 세라믹 구조체가 오염되지 않고, 장기간 안정적인 운전이 가능하였고, 오염수 자체를 세라믹 구조체로 빨아올리는 것이어서, 물뿐만 아니라, 오염 물질(PVA)까지 빨아올려지므로, 유기물은 광촉매 작용에 의해 완전히 분해되어, CO2 및 H2O로 날라가고, 세라믹 구조체가 지속적으로 오염수를 끌어올려 지속적인 분해가 가능함으로 확인할 수 있었다.
.
도 1은 본 발명의 하나의 예시에 따른 다공성 세라믹 매체의 구조를 개략적으로 나타낸 분해 사시도이다.
도 2는 본 발명의 하나의 예시에 따른 다공성 세라믹 매체의 구조를 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 태양에 따른 수처리 장치를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 4는 본 발명의 하나의 예시에 따른 수처리 방법이 진행되는 과정을 나타내는 모식도이다.
도 5는 흡광도 분석기를 사용하여, PVA에 해당하는 주피크의 시간에 따른 변화를 나타탠 그래프.
도면 부호의 설명
H: 세라믹 매체의 높이 H1: 자성반응물질
W: 세라믹 매체의 가로길이 L: 세라믹 매체의 세로길이
P: 오염수에 침지된 세라믹 매체의 높이 D: 오염수의 깊이
10: 다공성 세라믹 매체 11: 세라믹 판형 페이퍼
12: 세라믹 파형 페이퍼 20: 저장 탱크
30: 자외선 조사 장치
Claims (15)
- 세라믹 판형 페이퍼 및 상기 세라믹 판형 페이퍼에 부착된 세라믹 파형 페이퍼를 포함하는 허니컴 구조의 다공성 세라믹 매체; 및상기 다공성 세라믹 매체에 코팅된 광촉매를 포함하고, 상기 세라믹 매체는 상기 세라믹 판형 페이퍼 및 상기 세라믹 파형 페이퍼상에 형성되고 실리카, 실란, 실록산, 알루미나, 지르코니아 및 알루미늄 실리케이트로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함하는 1차 코팅층 및 상기 1차 코팅층상에 형성되고, 알루미늄 포스페이트를 포함하는 2차 코팅층을 추가로 가지는 수처리용 세라믹 구조체.
- 제 1 항에 있어서, 세라믹 매체는 직육면체 형상을 가지는 수처리용 세라믹 구조체.
- 제 2 항에 있어서, 직육면체 형상의 세라믹 매체는 밑면의 가로와 세로의 비율(가로/세로)이 1 내지 1.5인 수처리용 세라믹 구조체.
- 제 2 항에 있어서, 직육면체 형상의 세라믹 매체는, 밑면의 가로와 높이의 비율(높이/가로)이 2 내지 6인 수처리용 세라믹 구조체.
- 제 1 항에 있어서, 세라믹 판형 페이퍼 및 세라믹 파형 페이퍼는, 세라믹 섬유를 포함하는 슬러리를 제지 공정에 적용하여 제조한 것인 수처리용 세라믹 구조체.
- 제 5 항에 있어서, 세라믹 섬유는, 직경이 1 ㎛ 내지 20 ㎛이고, 평균 길이가 0.1 mm 내지 10 mm인 수처리용 세라믹 구조체.
- 삭제
- 삭제
- 제 1 항에 있어서, 광촉매층은, SrTiO3, CdSe, KNbO3 또는 TiO2를 포함하는 수처리용 세라믹 구조체.
- 제 1 항에 있어서, 광촉매층은, 아나타제형 TiO2 및 루틸형 TiO2를 포함하는 수처리용 세라믹 구조체.
- 제 10 항에 있어서, 아나타제형 TiO2 및 루틸형 TiO2의 중량비율(아나타제형:루틸형)이 5 내지 8 : 2 내지 5인 수처리용 세라믹 구조체.
- 내부에 오염수를 저장할 수 있는 저장 탱크; 상기 저장 탱크의 내부에 오염수가 저장된 경우, 상기 오염수와 적어도 일부가 접촉할 수 있도록 설치된 수처리용 세라믹 구조체; 및상기 수처리용 세라믹 구조체에 포함된 광촉매에 자외선을 조사할 수 있도록 설치된 자외선 조사 장치를 포함하고,상기 수처리용 세라믹 구조체는 세라믹 판형 페이퍼 및 상기 세라믹 판형 페이퍼에 부착된 세라믹 파형 페이퍼를 포함하는 허니컴 구조의 다공성 세라믹 매체; 및 상기 다공성 세라믹 매체에 코팅된 광촉매를 포함하는 수처리 장치.
- 제 12 항에 있어서,수처리용 세라믹 구조체는, 세라믹 판형 페이퍼가 저장 탱크에 오염수가 저장되었을 때, 상기 오염수의 수면 방향에 수직한 방향으로 존재하도록 설치되어 있는 수처리 장치.
- 제 12 항에 따른 수처리 장치의 저장 탱크에 오염수를 저장하는 제 1 단계; 및 상기 수처리 장치의 세라믹 매체에 담지된 광촉매에 자외선을 조사하는 제 2 단계를 포함하는 수처리 방법.
- 제 14 항에 있어서, 광촉매에 파장이 400 nm 이하인 자외선을 조사하는 수처리 방법.
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