KR20030012956A - Method for killing of microorganisms in the water by UV-TiO2 photocatalytic reaction and reactor for killing of microorganisms - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 광촉매 반응에 의한 용수 살균 방법 및 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 광촉매 반응기 내부에 광촉매로 코팅된 다공성 담체를 충진시키고 공기를 주입 시킴과 동시에 자외선을 조사시켜, 과산화수소를 첨가한 용수를 주입하여 광촉매 반응에 의해 상기 용수내 함유된 미생물 및 유기물을 살균 또는 분해하는 방법 및 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a method and apparatus for sterilizing water by a photocatalytic reaction, and more particularly, to a porous catalyst coated with a photocatalyst inside a photocatalytic reactor, to inject air, and to irradiate ultraviolet rays to irradiate ultraviolet rays, thereby adding water to hydrogen peroxide. It relates to a method and apparatus for sterilizing or decomposing microorganisms and organic substances contained in the water by injection by photocatalytic reaction.
최근 국내에서 강수량이 감소하고 있어 식수는 물론 농업용수의 부족이 심각한 문제로 부상되고 있다. 대부분의 농부들은 비효율적인 전통적 관개시설을 사용하고 있으며, 현대적인 세류관개의 경우는 효율적이며 정확하게 필요로 하는 곳에 물을 공급하지만, 막대한 자금이 소요되기 때문에 용수 부족은 쉽게 해결되지 못하고 있다. 그러므로 농작물의 재배에 있어서 용수의 부족 현상을 해결하기 위해서는 용수의 재순환이 필연적이며, 또한 대형 수족관 등에 사용되는 바닷물 또는 민물의 지속적인 사용을 위해 용수의 재순환이 필수적이다. 재순환 용수의 이용을위해서는 무엇보다도 순환 용수내에 존재하는 미생물의 살균이 가장 중요하다고 할 수 있다.With the recent decline in rainfall in Korea, the lack of drinking water as well as agricultural water has emerged as a serious problem. Most farmers use traditional, inefficient irrigation systems, and modern trickle irrigation supplies water where it is needed efficiently and efficiently, but water shortages are not easily resolved because of the large amounts of money required. Therefore, in order to solve the shortage of water in the cultivation of crops, it is inevitable to recycle the water, and it is necessary to recycle the water for the continuous use of seawater or fresh water used in large aquariums. For the use of recycled water, the most important thing is the sterilization of microorganisms in the recycled water.
종래 우리나라에서는 세균, 바이러스 및 조류 등의 제어수단으로서, 염소 살균이 주종을 이루었으나, 최근들어 염소 살균에 따른 트리할로메탄(Trihalomethane, THM) 발생 문제와 순수 및 초순수로 사용시 잔류성과 같은 문제가 발생하고 있다. 또한 오존을 이용하는 고도의 정수처리 공정은 시설 투자비와 유지 관리비가 많이 소요되는 문제점이 있으며, 최근에는 저렴한 시설 투자비와 유지 관리가 용이한 방법으로 광촉매인 TiO2을 이용한 살균 방법이 대두되고 있다.In Korea, chlorine sterilization is mainly used as a control means for bacteria, viruses, and algae, but recently, problems such as trihalomethane (THM) generation caused by chlorine sterilization and residualness when used as pure water or ultrapure water It is happening. In addition, the high water purification process using ozone has a problem that requires a lot of facility investment and maintenance costs, and recently, a method of sterilization using TiO 2 as a photocatalyst has emerged as a method for low-cost facility investment and easy maintenance.
상기 TiO2을 이용한 살균 방법은 하기 반응식에 의한 반응 메카니즘에 의해 기초하고 있다.The sterilization method using TiO 2 is based on a reaction mechanism according to the following reaction formula.
상기 반응식 1에 따라 TiO2로부터 자외선에 의한 밴드-갭(band-gap) 에너지 이상의 에너지를 흡수하여 전자(electron) 및 정공(hole)이 발생하며, 상기 발생한 e- CB및 h+ VB은 TiO2표면에서 확산 및 이동하게 된다.According to Scheme 1, electrons and holes are generated by absorbing energy above the band-gap energy due to ultraviolet rays from TiO 2 , and the generated e - CB and h + VB are TiO 2. Diffuse and move on the surface.
확산된 h+ VB은 상기 반응식 2에 따라 물속의 OH-과 반응해서 OH·을 생성하고, 또 물분자와 반응해서 OH·과 H+을 생성시키기도 하며, 직접 유기물과 반응 및 유기물을 산화시키기도 한다.Diffused h + VB is OH in the water according to the reaction schemes 2 - generate OH · reacts with, and by addition reaction with water molecules and sikigido generate OH · and H +, and sikigido directly oxidize the organic material and the reaction and the organic .
또한, e- CB은 상기 반응식 3에 따라 수중 산소와 반응해서 초과산화물 라디칼(superoxide radical, O2 -·)을 만들고, 다시 O2 -·은 물분자와 반응해서 두 개의 OH·과 두 개의 OH-그리고 산소 한 분자를 만드며, 또한 과산화수소가 첨가된 경우 과산화수소는 UV와 반응하여 2OH·이 생성되거나, 과산화수소가 e- CB이나 용존산소와 반응하여 OH·이 생성된다. 따라서 이렇게 생성된 OH·이 유기물 산화에 관계하게 된다.In addition, e - CB is the water react with oxygen to superoxide radicals (superoxide radical, O 2 - · ) according to the scheme 3 is created and, again, O 2 - · has to react with the water molecule with two OH · and two OH In addition, it forms a molecule of oxygen, and when hydrogen peroxide is added, hydrogen peroxide reacts with UV to produce 2OH, or hydrogen peroxide reacts with e - CB or dissolved oxygen to produce OH. Therefore, OH · thus produced is related to the oxidation of organic matter.
상기 반응 메카니즘을 수행하는 TiO2을 이용한 광촉매 살균 방법은 분말 상태의 TiO2을 사용할 경우 오염 물질의 연속적 처리시 수용액 내에 광촉매 입자를 재부상 시키기 위한 에너지가 소요되며, 후속 처리 공정으로 광촉매를 회수해야 하는 문제가 있다. TiO2을 코팅하는데 있어서 자외선 램프에 직접 코팅할 경우, 램프의 수명이 다하면 폐기해야 하는 문제점과 반응기 내벽에 코팅한 것은 반응기가 커질 경우 코팅이 매우 난처하며 일반적으로 코팅 후 500 ℃ 이상 고온에서 열처리 과정을 거치므로 장치의 재질에 있어서 한계성을 나타내는 문제점이 발생하기도 한다. 또한, 일반 구슬에 코팅할 경우 TiO2의 탈착율이 커지는 문제점이 발생한다.Photocatalytic disinfection method using a TiO 2 to carry out the reaction mechanism when using the TiO 2 in powder form takes the energy for injury material the photocatalyst particles in the during continuous processing of the contaminants the aqueous solution, have to recover the photocatalyst in the subsequent processing step There is a problem. When coating TiO 2 directly on UV lamps, the problem of disposal when the lamp reaches the end of life and the coating on the inner wall of the reactor are very difficult to coat when the reactor is large. Because of this, there is a problem that indicates the limit in the material of the device. In addition, there is a problem in that the desorption rate of TiO 2 increases when coated on a normal bead.
이에, 본 발명자들은 상기한 문제점을 해결하고자 광촉매 반응기 내부에 광촉매코팅된 다공성 담체를 충진시키고, 공기를 주입시킴과 동시에 자외선을 조사시켜 과산화수소를 첨가한 용수를 주입하여 광촉매 반응에 의해 상기 용수내 함유된미생물 및 유기물을 살균하는 장치 및 살균 방법을 연구한 결과, 살균 시간을 단축시킬 수 있으며, 살균시 공기 및 과산화수소의 첨가에 따라 살균 효과를 증가시키고, 소형으로 제작이 가능하여 좁은 장소에 설치가 가능하고, 광촉매 반응기의 분리가 가능하여 장치의 세척이 용이한 살균 장치 및 살균 방법을 알아내어 본 발명을 완성하였다.In order to solve the above problems, the present inventors fill a photocatalyst-coated porous carrier inside the photocatalytic reactor, inject air, and irradiate ultraviolet rays to inject water containing hydrogen peroxide to contain the water in the water by the photocatalytic reaction. As a result of researching devices and sterilization methods for sterilizing microorganisms and organic matters, the sterilization time can be shortened, and the sterilization effect can be increased by adding air and hydrogen peroxide during sterilization, and it can be manufactured in a small place. The present invention was completed by finding a sterilization apparatus and a sterilization method capable of separating the photocatalytic reactor and the easy cleaning of the apparatus.
본 발명의 목적은 광촉매 반응기 내부가 광촉매 코팅된 다공성 담체로 충진시키고, 자외선 조사를 위한 자외선 램프 및 광촉매 반응기로 공기를 주입하기 위한 공기 유입관이 구비된 용수 살균 장치를 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a water sterilization apparatus having a photocatalyst reactor filled with a photocatalytic coated porous carrier, an ultraviolet lamp for irradiating ultraviolet rays, and an air inlet pipe for injecting air into the photocatalytic reactor.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 상기 용수 살균 장치를 이용하여 용수내 미생물을 효과적으로 살균시키는 살균 방법을 제공하는 것이다.Further, another object of the present invention is to provide a sterilization method for effectively sterilizing microorganisms in water using the water sterilization apparatus.
도 1은 본 발명의 용수 살균 장치의 바람직한 일 예를 나타낸 단면도 1 is a cross-sectional view showing a preferred example of the water sterilization apparatus of the present invention
도 2는 본 발명의 광촉매 반응기를 나타낸 측면도 2 is a side view showing a photocatalytic reactor of the present invention
도 3은 본 발명의 광촉매 반응기를 병렬로 제작한 용수 살균 장치를 나타낸 도면 3 is a view showing a water sterilization apparatus prepared in parallel with the photocatalytic reactor of the present invention
도 4는본 발명의 TiO2로 코팅한 다공성 담체의 사진 Figure 4 is a photograph of the porous carrier coated with TiO 2 of the present invention
도 5는 본 발명의 TiO2을 유리 구슬에 코팅한 것과 다공성 담체에 코팅한 것을 비교한 살균 효과(a) 및 살균 효율(b)을 비교한 그래프 5 is a graph comparing the sterilization effect (a) and the sterilization efficiency (b) comparing the coating of TiO 2 on the glass beads with the coating on the porous carrier of the present invention.
도 6은본 발명의 광촉매 반응기의 직경에 따른 각 자외선 램프 한 개당 대장균에 대한 살균 효과(a)와 살균 효율(b)을 나타낸 그래프 Figure 6 is a graph showing the sterilization effect (a) and sterilization efficiency (b) for E. coli per each ultraviolet lamp according to the diameter of the photocatalytic reactor of the present invention
도 7은 본 발명의 광촉매 반응기에 공기를 주입했을 경우 대장균에 대한 살균 효과(a)와 살균 효율(b)을 나타낸 그래프 Figure 7 is a graph showing the sterilization effect (a) and sterilization efficiency (b) for E. coli when the air is injected into the photocatalytic reactor of the present invention
도 8은 본 발명의 광촉매 반응시 과산화수소의 농도에 따른 대장균에 대한살균 효과를 나타낸 그래프 8 is a graph showing the bactericidal effect on E. coli according to the concentration of hydrogen peroxide during the photocatalytic reaction of the present invention
도 9는광촉매 반응을 일으키지 않고 과산화수소만을 첨가했을 경우의 대장균에 대한 살균 효율을 나타낸 그래프 9 is a graph showing the sterilization efficiency against E. coli when only hydrogen peroxide was added without causing a photocatalytic reaction.
도 10은본 발명의 과산화수소의 농도에 따른 콩나물의 성장에 대한 영향을 나타낸 그래프 10 is a graph showing the effect on the growth of bean sprouts according to the concentration of hydrogen peroxide of the present invention
도 11은 본 발명의 광촉매 반응시 처리수량을 2 배로 늘인 경우 대장균에 대한 살균 효과(a) 및 살균 효율(b)을 나타낸 그래프 11 is a graph showing the sterilization effect (a) and the sterilization efficiency (b) for E. coli when the amount of treated water doubled during the photocatalytic reaction of the present invention.
도 12는본 발명의 콩나물 침종수에 존재하는 세균에 대한 살균 효과(a) 및 살균 효율(b)을 나타낸 그래프 12 is a graph showing the bactericidal effect (a) and sterilization efficiency (b) for the bacteria present in the sprouts of the present invention
도 13은본 발명의 콩나물 침종수에 존재하는 곰팡이에 대한 살균 효과(a) 및 살균 효율(b)을 나타낸 그래프 Figure 13 is a graph showing the bactericidal effect (a) and sterilization efficiency (b) for the fungi present in soybean sprouted water of the present invention
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명** Description of the symbols for the main parts of the drawings *
100: 용수 살균 장치10: 광촉매 반응기100: water sterilization apparatus 10: photocatalytic reactor
11: 광촉매코팅된 다공성 담체11: Photocatalytic Coated Porous Carrier
12: 자외선 램프13: 유출구12: UV lamp 13: outlet
14: 유입구15: 내측 프래임14: inlet port 15: inner frame
16: 외측 프래임17: 오링16: outer frame 17: O-ring
18: 연결부20: 용수 저장소18: connection 20: water reservoir
21: 용수 이송관22: 유입 펌프21: water feed pipe 22: inlet pump
30: 공기 유입관31: 공기 펌프30: air inlet pipe 31: air pump
40: 자외선 안정기41: 전선40: UV stabilizer 41: electric wire
50: 광촉매 여과망51: 살균 처리된 용수 저장소50: photocatalytic filtration network 51: sterile water reservoir
상기한 목적을 달성하기 위하여,In order to achieve the above object,
본 발명은 용수를 광촉매 반응기를 통과시켜 광촉매 반응에 의해 살균하기 위한 장치에 있어서,The present invention provides a device for sterilizing water by a photocatalytic reaction through a photocatalytic reactor,
용수를 저장하는 용수 저장소,A water reservoir for storing water,
유입구, 유출구 및 내부에 광촉매로 코팅된 다공성 담체, 자외선 램프 및 공기 유입관을 포함하는 광촉매 반응기,A photocatalytic reactor comprising an inlet, an outlet, and a porous carrier coated with a photocatalyst therein, an ultraviolet lamp, and an air inlet tube,
상기 용수 저장소와 광촉매 반응기 사이에 위치하는 유입 펌프,An inlet pump located between the water reservoir and the photocatalytic reactor,
상기 공기 유입관으로 공기를 유입시키는 공기 펌프 및An air pump that introduces air into the air inlet pipe and
상기 광촉매 반응기를 통과하여 살균 처리된 용수를 저장하는 살균 처리된 용수 저장소로 이루어진 용수 살균 장치에 관한 것이다.It relates to a water sterilization device consisting of a sterilized water reservoir for storing the sterilized water through the photocatalytic reactor.
또한, 본 발명은 상기한 용수 살균 장치를 이용하여 과산화수소가 첨가된 용수를 상기 광촉매 반응기에 주입하여 공기를 주입시킴과 동시에 자외선을 조사함으로써, 용수내 함유된 미생물을 제거하는 살균 방법을 제공한다.In addition, the present invention provides a sterilization method for removing microorganisms contained in the water by irradiating UV light while injecting air with hydrogen peroxide added to the photocatalytic reactor by using the above water sterilization device.
이하 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 용수 살균 장치를 상세히 설명한다.Hereinafter, a water sterilization apparatus of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 용수 살균 장치(100)의 바람직한 일 예를 나타낸 단면도이다. 1 is a cross-sectional view showing a preferred example of the water sterilization apparatus 100 of the present invention.
도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 용수 살균 장치(100)는 광촉매 반응에 의한 용수를 살균하기 위하여,As shown in Figure 1 , the water sterilization apparatus 100 of the present invention, in order to sterilize the water by the photocatalytic reaction,
광촉매 반응을 일으키는 광촉매 반응기(10)는 내부에 광촉매 코팅된 다공성 담체(11)로 충진시키고,The photocatalytic reactor 10 causing the photocatalytic reaction is filled with a porous carrier 11 coated with a photocatalyst therein,
자외선 램프(12)가 광촉매 반응기 내부에 수평 방향으로 설치하되 광촉매 반응기(10)의 측면에서 볼 때 십자 형태의 일정 간격으로 광촉매 반응기(10) 내부에 장착되어 있어 상기 자외선 램프(12)에서 조사된 자외선이 광촉매 코팅된 다공성 담체(11)와 반응하여 강력한 산화제인 OH·을 발생시키고,The ultraviolet lamp 12 is installed in the horizontal direction inside the photocatalytic reactor, but when viewed from the side of the photocatalytic reactor 10 is mounted inside the photocatalytic reactor 10 at regular intervals in the form of crosses irradiated from the ultraviolet lamp 12 Ultraviolet rays react with the photocatalytic coated porous carrier 11 to generate OH ·, a powerful oxidant,
광촉매 반응기 내부에 공기를 주입하기 위하여 공기 펌프(31)로부터 공기가반응기 내부로 유입되는 공기 유입관(30)이 광촉매 반응기(10) 하단에 수평 방향으로 장착되어 있고,In order to inject air into the photocatalytic reactor, an air inlet pipe 30 through which the air is introduced into the reactor from the air pump 31 is mounted in the horizontal direction at the bottom of the photocatalytic reactor 10,
상기 광촉매 반응기(10)의 상 ·하단에 용수의 유입구(14) 및 유출구(15)를 각각 설치하되, 광촉매 반응기(10) 내부에서의 잔류 시간을 높이기 위하여 대각선 방향으로 장착되어 있고,The inlet 14 and the outlet 15 of the water are respectively installed at the upper and lower ends of the photocatalytic reactor 10, and are installed in a diagonal direction to increase the residence time in the photocatalytic reactor 10,
상기 광촉매 반응기(10) 내부의 유입구(14)와 유출구(13)에 광촉매 코팅된 다공성 담체(11)가 광촉매 반응기(10) 외부로 유출되는 것을 방지하기 위한 광촉매 여과망(50)이 장착되어 있고,The photocatalyst filter network 50 is installed to prevent the photocatalytic coated porous carrier 11 from flowing out of the photocatalytic reactor 10 at the inlet 14 and the outlet 13 of the photocatalytic reactor 10,
반응기의 내 ·외측 프래임(15,16) 사이에 고무 재질의 오링(O-ring)(17)을 샌드위치시켜 패킹한 뒤 상기 연결부(18)를 사용하여 밀폐된 구조를 포함한다.A rubber O-ring 17 is sandwiched and packed between the inner and outer frames 15 and 16 of the reactor, and the sealed portion is sealed using the connection part 18.
이때 본 발명의 광촉매 반응기(10)의 내 ·외측 프래임(15,16)은 투명 아크릴로 제작하고, 이에 따라 광촉매 반응기(10) 내부를 용이하게 관찰할 수 있으며, 자외선 램프(12)의 이상 유무 및 교체 시기를 육안으로 쉽게 확인할 수 있다.In this case, the inner and outer frames 15 and 16 of the photocatalytic reactor 10 of the present invention are made of transparent acrylic, and thus the inside of the photocatalytic reactor 10 can be easily observed, and there is an abnormality of the ultraviolet lamp 12. And the replacement time can be easily checked with the naked eye.
구체적으로,도 4에 나타낸 바와 같이 상기 광촉매 코팅된 다공성 담체(11)는 다공도가 매우 높은 백운모를 800 ℃에서 초벌구이한 뒤, 광촉매로 표면을 코팅한 후 1400 ℃에서 다시 열처리 하여 제조한다. 상기 광촉매로는 TiO2를 사용하며, 상기 광촉매 코팅된 다공성 담체(11)는 표면적을 넓힘으로써 용수내 포함된 미생물 및 유기물을 효율적으로 살균 또는 분해시킬 수 있다. 담체의 직경은 6∼10mm가 바람직하며, 담체가 상기 범위 미만일 경우 담체가 너무 밀집되어 용수의 유속에 문제가 있으며, 상기 범위를 초과할 경우 담체 총 표면적이 줄어들게 됨에 따라 살균 효율이 감소하는 경향을 나타낸다.Specifically, as shown in FIG . 4 , the photocatalyst-coated porous carrier 11 is prepared by first baking white mica having a high porosity at 800 ° C., then coating the surface with a photocatalyst and then heat-treating again at 1400 ° C. FIG. TiO 2 is used as the photocatalyst, and the photocatalyst coated porous carrier 11 can effectively sterilize or decompose microorganisms and organic substances contained in water by increasing the surface area. The diameter of the carrier is preferably 6 to 10 mm, and if the carrier is less than the above range, the carrier is too dense and there is a problem in water flow rate. If the carrier exceeds the above range, the sterilization efficiency tends to decrease as the total surface area of the carrier decreases. Indicates.
특히, 상기 다공성 담체는 표면을 광촉매로 코팅하여 자외선을 조사하여 용수 살균 과정에서 촉매 역할을 하게 된다. 상기 광촉매 코팅된 다공성 담체(11)는 여러 번 사용 후 담체의 기공에 부착된 미생물 및 유기물을 간단히 열처리함으로써 재사용이 가능하여 반영구적으로 사용할 수 있다.In particular, the porous carrier is coated with a photocatalyst to irradiate ultraviolet rays to act as a catalyst in the water sterilization process. The photocatalyst coated porous carrier 11 can be used semi-permanently because it can be reused by simply heat treating microorganisms and organic substances attached to the pores of the carrier after several uses.
이러한 본 발명의 광촉매 반응기내 충진되는 광촉매 코팅된 다공성 담체(11)는 종래 광촉매가 코팅된 유리 구슬에 비해 여러 가지 장점이 있다. 다공성으로 미생물 및 유기물의 흡착능이 우수하고, 표면적이 넓어 살균 효율이 증가되며, 광촉매가 코팅된 유리 구슬은 시간이 지남에 따라 상기 광촉매가 쉽게 탈착되어 그 수명이 짧았으나, 본 발명의 다공성 담체는 반영구적이라 할 수 있다. 구체적으로, 본 발명의 살균 장치의 광촉매 반응기 내에 광촉매가 코팅된 유리 구슬 및 다공성 담체를 이용하여 용수의 살균 과정을 수행한 결과,도 5에서 보는 바와 같이 TiO2코팅된 다공성 담체(11)를 이용한 대장균에 대한 살균 효과 및 살균 효율이 더욱 우수함을 알 수 있었다.The photocatalyst coated porous carrier 11 filled in the photocatalytic reactor of the present invention has several advantages over glass beads coated with a conventional photocatalyst. Although the adsorption capacity of microorganisms and organic materials is excellent due to the porosity, the surface area is increased, and the sterilization efficiency is increased, and the photocatalyst coated glass beads have a short lifetime since the photocatalyst is easily desorbed over time. It can be called semi-permanent. Specifically, as a result of sterilizing the water using the photocatalyst coated glass beads and the porous carrier in the photocatalytic reactor of the sterilization apparatus of the present invention, as shown in FIG. 5 , the TiO 2 coated porous carrier 11 was used. The bactericidal effect and sterilization efficiency against E. coli were found to be more excellent.
자외선 조사를 위한 자외선 램프(12)는 광촉매 반응기 내부에 일정 간격을 유지하면서 장착되는데, 상기 자외선 램프(12)간의 거리는 용수의 살균 효과에 영향을 준다. 상기 자외선 램프(12)는 광촉매 코팅된 다공성 담체(11)를 조사하여발생되는 강력한 산화제인 OH·을 형성하도록 유도하기 때문에 충전된 모든 광촉매 코팅된 다공성 담체(11)에 자외선이 조사되도록 설치한다. 자외선 램프(12)간의 거리는 광촉매 반응기(10)의 크기에 따라 조절 및 변형이 가능하다. 본 발명에서 크기가 직경 20cm, 길이 72cm의 원통형인 광촉매 반응기(10)를 이용하여 자외선 램프(12)를 일정 간격으로 배치한 후 자외선을 조사하여 살균 효율을 측정한 결과, 각 램프간의 간격이 55∼80 ㎜ 일 때 바람직한 효과를 나타내었다. 상기한 결과는 일 실시예에 불과하므로 대형 용량의 용수를 처리하고자 하는 경우 광촉매 반응기(10)의 크기가 증가함에 따라 장착되는 자외선 램프(12)의 거리를 조절할 수 있다.The ultraviolet lamp 12 for ultraviolet irradiation is mounted while maintaining a predetermined interval inside the photocatalytic reactor, the distance between the ultraviolet lamps 12 affects the sterilization effect of the water. Since the ultraviolet lamp 12 induces the formation of a strong oxidizing agent OH · generated by irradiating the photocatalyst coated porous carrier 11, the ultraviolet lamp 12 is installed so that ultraviolet light is irradiated on all the filled photocatalyst coated porous carrier 11. The distance between the ultraviolet lamps 12 can be adjusted and modified according to the size of the photocatalytic reactor 10. In the present invention, using a photocatalytic reactor 10 having a diameter of 20 cm and a length of 72 cm, the ultraviolet lamps 12 are arranged at regular intervals and then irradiated with ultraviolet rays to measure sterilization efficiency. When it is -80 mm, the preferable effect was shown. Since the above result is only an example, when the water of a large capacity is to be treated, the distance of the ultraviolet lamp 12 mounted as the size of the photocatalytic reactor 10 is increased may be adjusted.
종래 수중에서 자외선 램프(12)의 전극을 보호하기 위해 자외선 램프(12) 외부에 석영관을 설치한 방법과 비교하면 여러 가지로 효과적이다. 또한, 전극 부위가 광촉매 반응기(10) 외부로 돌출되어 광촉매 반응기(10)를 완전히 밀폐하므로 석영관을 사용하지 않고 자외선 램프(12)를 설치할 수 있으며, 재료비의 절감을 도모할 수 있다. 특히, 내 ·외측 프래임(15,16)을 투명 아크릴을 이용하여 내부가 보이도록 설계하였으므로 자외선 램프(12)의 이상 유무 및 교체 시기를 육안으로 파악할 수 있으며, 내 ·외측 프래임(15,16)의 가장자리에 연결부(18)로 광촉매 반응기(10)의 기밀성을 유지하였으므로 연결부(18)만 해체하면 자외선 램프(12)의 교환도 용이하다. 상기 연결부(18)는 볼트와 너트 또는 통상적으로 분리가 가능한 연결부(18)를 사용할 수 있다.Compared with the conventional method of installing a quartz tube outside the ultraviolet lamp 12 to protect the electrode of the ultraviolet lamp 12 in water, it is effective in various ways. In addition, since the electrode portion protrudes out of the photocatalytic reactor 10 to completely seal the photocatalytic reactor 10, the ultraviolet lamp 12 can be installed without using a quartz tube, and the material cost can be reduced. In particular, since the inner and outer frames 15 and 16 are designed so that the inside can be seen using transparent acrylic, it is possible to visually recognize the abnormality and replacement time of the ultraviolet lamp 12, and the inner and outer frames (15 and 16). Since the airtightness of the photocatalytic reactor 10 was maintained at the edges of the photocatalyst reactor 10, the ultraviolet lamp 12 could be easily replaced by dismantling only the connection 18. The connecting portion 18 may use a bolt and nut or a connecting portion 18 that is typically removable.
공기 유입관(30)은 광촉매 반응기(10) 하단에 위치하여 상기 광촉매 반응기(10) 내부로 공기를 주입하기 위하여 장착된다. 상기 공기 유입관(30)은 광촉매 코팅된 다공성 담체(11)에 의해 막히지 않도록 매우 미세하게 일정 간격으로 천공되어 있으며, 이 때 공기 압력을 조절하기 위해 공기 펌프(31) 또는 조절기가 장착된 공기 펌프(31)를 사용한다. 상기 공기 펌프(31)로부터 유입되는 공기는 용수내 용존 산소를 증가시켜 살균 효율을 증가시키며, 다량의 공기 유입은 광촉매 반응기(10)내 용수의 난류를 형성시켜 반응 효율을 높이기 때문에 가능한 한 강력한 공기 펌프(31)를 사용하는 것이 효율적이다.The air inlet pipe 30 is positioned at the bottom of the photocatalytic reactor 10 and mounted to inject air into the photocatalytic reactor 10. The air inlet pipe 30 is perforated at a very fine interval so as not to be blocked by the photocatalytic coated porous carrier 11, and at this time, an air pump equipped with an air pump 31 or a regulator to control air pressure (31) is used. Air flowing from the air pump 31 increases sterilization efficiency by increasing dissolved oxygen in the water, and a large amount of air inflow creates turbulent flow of water in the photocatalytic reactor 10 to increase the reaction efficiency. It is efficient to use the pump 31.
광촉매 여과망(50)은 광촉매 반응기(10) 내 충진되어 있는 광촉매코팅된 다공성 담체(11)가 용수 이송관(21)으로 유입되는 것을 막기 위하여 상기 광촉매 반응기(10)의 유입구(14) 및 유출구(15)에 각각 설치한다. 광촉매 여과망(50)의 크기는 다공성 담체의 크기에 따라 조절되며, 플라스틱 재질로 제작한다.The photocatalytic filter network 50 is configured to prevent the photocatalytic coated porous carrier 11 filled in the photocatalytic reactor 10 from flowing into the water transfer pipe 21. 15) respectively. The size of the photocatalyst filter net 50 is controlled according to the size of the porous carrier, it is made of a plastic material.
추가로, 본 발명의 용수 살균 장치(100)는 용수 저장소(20)내 용수를 광촉매 반응기(10)로 주입하기 위한 용수 이송관(21) 및 자외선 램프(12)의 켜짐과 꺼짐을 조절하기 위한 자외선 안정기(40)를 포함한다.In addition, the water sterilization apparatus 100 of the present invention is for controlling the on and off of the water transfer pipe 21 and the ultraviolet lamp 12 for injecting the water in the water reservoir 20 into the photocatalytic reactor 10. Ultraviolet ballast 40 is included.
상술한 바와 같이, 본 발명의 용수 살균 장치(100)는 광촉매 코팅된 다공성담체(11), 자외선 램프(12) 및 공기 유입관(30) 등을 포함하여 제작된다. 특히 본 발명의 용수 살균 장치(100)는 대용량의 용수를 처리하기 위하여 대형으로 제작하거나,도 3에 나타낸 바와 같이 소형으로 병렬로 제작하여 배치할 수 있으며, 이러한 제작은 이 분야의 통상적인 지식을 가진 자에 의해 변형이 가능하며, 농업용수, 수족관의 바닷물 또는 민물 등 모든 용수의 살균 후 재순환을 위해 사용할 수 있다.As described above, the water sterilization apparatus 100 of the present invention includes a photocatalyst coated porous carrier 11, an ultraviolet lamp 12, and an air inlet tube 30. In particular, the water sterilizing apparatus 100 of the present invention are produced by large, or can be disposed by making in parallel with small as shown in Fig. 3 in order to handle large volumes of water, such production is the conventional knowledge in the art It can be transformed by the person who owns it, and can be used for recycling after sterilization of all water, such as agricultural water, saltwater or fresh water of aquarium.
또한, 본 발명은 상기 용수의 살균 장치(100)를 이용한 살균 방법을 포함한다.In addition, the present invention includes a sterilization method using the sterilization apparatus 100 of the water.
광촉매 반응에 의한 용수 살균 방법에 있어서,In the method of sterilizing water by photocatalytic reaction,
용수에 과산화수소를 첨가하고,Add hydrogen peroxide to the water,
광촉매코팅된 다공성 담체(11)가 충진되어 있는 광촉매 반응기(10)에 주입하며,Injected into the photocatalytic reactor 10 is filled with a photocatalyst coated porous carrier 11,
공기 유입관(30)으로 공기를 주입 시킴과 동시에 자외선을 조사시키고,While injecting air into the air inlet pipe 30 and irradiating ultraviolet rays,
상기 다공성 담체에 코팅된 광촉매와 용수를 광촉매 반응시켜 용수내 미생물을 살균하는 방법이다.It is a method for sterilizing microorganisms in water by photocatalytic reaction of photocatalyst and water coated on the porous carrier.
용수의 흐름은 용수 저장소(20)로부터 유입 펌프(22)를 이용하여 광촉매 반응기(10)의 하단 유입구(14)로부터 상단 유출구(13)로 순환시키며, 광촉매반응기(10)내 용수는 광촉매 코팅된 다공성 담체(11)에 자외선을 조사하여 이때 발생하는 OH·에 의해 살균하며, 살균 후 살균 처리된 용수 저장소(51)에 저장된다.The flow of water circulates from the water reservoir 20 to the top outlet 13 from the bottom inlet 14 of the photocatalytic reactor 10 using the inlet pump 22, wherein the water in the photocatalytic reactor 10 is photocatalyst coated. Ultraviolet rays are irradiated to the porous carrier 11 to be sterilized by OH. Generated at this time, and stored in the sterilized water reservoir 51 after sterilization.
또한, 살균 효과를 보다 높이기 위하여 소량의 과산화수소를 살균 장치가 작동할 때 용수 저장소(20)에 첨가하여 과산화수소가 포함된 용수를 광촉매 반응기(10) 내부에 유입시켜 높은 살균 효과를 얻도록 하였으며, 과산화수소의 양은 용수의 양에 따라 조절할 수 있으며, 바람직한 과산화수소의 농도는 25∼50 mg/L이며, 고농도의 과산화수소를 처리할 경우 경제성과 안정성에 문제가 있을 가능성도 있기 때문에 최소량의 사용이 중요하다.도 8에서 보는 바와 같이 저농도의 과산화수소를 처리할 경우 양이 증가할수록 살균 시간이 짧아지고 살균 효과도 증대됨을 알 수 있다.In addition, in order to increase the sterilization effect, a small amount of hydrogen peroxide was added to the water reservoir 20 when the sterilization device was operated so that water containing hydrogen peroxide was introduced into the photocatalytic reactor 10 to obtain a high sterilization effect. The amount of can be adjusted according to the amount of water, the preferred concentration of hydrogen peroxide is 25 ~ 50 mg / L, the use of a minimum amount is important because there is a possibility of economic and stability problems when treating high concentration of hydrogen peroxide. As shown in Figure 8 it can be seen that the sterilization time is shortened and the sterilization effect is increased as the amount is increased when the low concentration of hydrogen peroxide is treated.
도 9에서 자외선 없이 과산화 수소만에 의한 비교 실험 결과, 세균이 단순히 과산화 수소에 의해 살균되는 것이 아니며 자외선 조사와 함께 과산화수소를 첨가하면 높은 살균 효과를 나타내는 것임을 확인할 수 있다. As a result of comparative experiments using only hydrogen peroxide without ultraviolet rays in FIG. 9 , it can be seen that bacteria are not simply sterilized by hydrogen peroxide, but exhibit high sterilization effect when hydrogen peroxide is added together with ultraviolet irradiation.
공기 펌프(31)로부터 공기 유입관(30)을 통해 용수내의 용존 산소를 증가시켜 보다 높은 살균 효과를 얻게 하였으며, 이는 용수의 난류를 형성하여 용수의 혼합 및 오염 물질과 광촉매에서 발생하는 OH·과의 접촉을 높이는 역할을 한다. 본 발명에서 상기 광촉매 반응기(10)에 주입되는 공기의 양은 30 L/min 이었으며 반응기에 무리가 가지 않은 한도내에서 가능한 한 강력한 공기 펌프를 이용하는 것이 바람직하다.By increasing the dissolved oxygen in the water from the air pump 31 through the air inlet pipe 30 to obtain a higher sterilization effect, which forms turbulence of the water, and the OH · and the water generated from the mixing of the water and pollutants and photocatalysts It serves to increase the contact. In the present invention, the amount of air injected into the photocatalytic reactor 10 was 30 L / min, and it is preferable to use an air pump as powerful as possible without limiting the reactor.
도 7에 따라 상기 용수 살균 장치(100)를 이용하여 공기를 주입하지 않았을 경우와 비교하면, 공기를 주입하였을 경우 반응 초기에 더 높은 살균 효과를 나타낸다. 하기 실시예에 따르면, 공기를 주입하지 않았을 경우 1 분 동안 90.6 % 살균 효과를 나타내었으며, 공기를 주입하였을 경우 95 %의 살균 효과로 반응 초기에 더 높은 살균 효과를 나타내었다. 이는 광촉매 반응시 주입되는 공기가 반응기 내부에 난류를 일으키며 OH·이 보다 효과적으로 유기물과 반응할 수 있도록 용존 산소를 증가시켜 OH·의 생성을 증가시키는 역할을 하기 때문이다. In comparison with the case where no air is injected using the water sterilization apparatus 100 according to FIG. 7 , when the air is injected, the sterilization effect is higher at the initial stage of the reaction. According to the following examples, when no air was injected, it showed 90.6% sterilization effect for 1 minute, and when air was injected, it showed a higher sterilizing effect at the beginning of the reaction with 95% of sterilization effect. This is because the air injected during the photocatalytic reaction causes turbulence in the reactor and increases the dissolved oxygen so that the OH.
본 발명의 과산화수소의 사용에 따른 안전성 문제는 하기표 1및도 10을통하여 확인할 수 있다. 하기표 1은 콩나물의 발아율에 대한 과산화수소의 농도에 따른 영향을 나타낸 것이다.Safety problems according to the use of the hydrogen peroxide of the present invention can be confirmed through Table 1 and FIG . Table 1 shows the effect of the concentration of hydrogen peroxide on the germination rate of bean sprouts.
상기표 1에 따라, 발아율이 과산화수소의 농도가 50 ㎎/L에서 다소 감소하였으나, 이후 다시 회복되었으며,도 10에 따라 과산화수소의 농도에 따른 콩나물의 전체 길이는 과산화수소에 의하여 증가하는 경향으로 500 ㎎/L에서는 통계적인 (5% 유의수준에서) 차이가 있을 정도로 증가하였고, 배축 길이는 과산화수소를 첨가하지 않은 경우와 100 ㎎/L 간에는 통계적으로 유의성이 있는 차이는 없었으나, 500 ㎎/L 경우 뚜렷이 증가하였다. 콩나물 뿌리 길이의 경우 과산화수소에 의하여 증가하는 경향이 보였으며, 배축 두께는 과산화수소를 처리하지 않은 것과 차이가없었다. 따라서 과산화수소의 사용에 대한 안전성은 문제가 없음을 알 수 있다.According to Table 1 , the germination rate was slightly reduced at the concentration of hydrogen peroxide 50 mg / L, but then recovered again, according to Figure 10 the total length of the bean sprouts according to the concentration of hydrogen peroxide tended to increase by the hydrogen peroxide 500 mg / In L, there was a statistically significant difference (at 5% significance level), and the axial length was not significantly different between 100 mg / L and no hydrogen peroxide, but significantly increased at 500 mg / L. It was. Soybean sprout root length tended to increase by hydrogen peroxide, and the axis thickness was not different from that without treatment with hydrogen peroxide. Therefore, the safety of the use of hydrogen peroxide can be seen that there is no problem.
또한, 본 발명의 광촉매 반응기(10)에 광촉매 코팅된 다공성 담체(11)를 이용하여 처리수량을 2 배로 늘려 살균할 경우,도 11에서 보는 바와 같이 살균이 시작되는 초기의 살균 효과는 조금 떨어지지만, 처리수량이 2 배로 늘어 났음을 감안하면 단 시간 내에 유사한 결과를 나타남을 알 수 있으며, 이로 인해 매우 높은 살균 효과를 보임을 알 수 있다. 그리고, 대용량으로 용수를 살균 처리하고자 할 경우, 여러 개의 광촉매 반응기(10)를 병렬로 제작하여 용수를 처리할 수 있다.In addition, when sterilizing by increasing the amount of water doubled using the photocatalytic reactor 10 of the photocatalytic reactor 10 of the present invention, as shown in FIG. In consideration of the fact that the amount of water treated has doubled, it can be seen that a similar result is obtained within a short time, thereby showing a very high sterilization effect. And, if you want to sterilize the water with a large capacity, several photocatalytic reactors 10 can be produced in parallel to treat the water.
이하 본 발명의 실시예를 다음에 의하여 설명한다.An embodiment of the present invention will be described below.
그러나 본 발명의 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.However, it is not limited by the embodiment of the present invention.
<실시예 1> 광촉매 반응에 의한 용수의 살균 방법Example 1 Sterilization Method of Water by Photocatalytic Reaction
여러 형태의 반응기를 제작하여 살균 최적조건을 확립한 결과 길이 720 mm, 직경 200 mm인 광촉매 반응기(10)를 이용하여, 직경이 8 mm인 TiO2로 코팅된 다공성 담체(11)를 사용하였고, 첨가된 과산화수소의 농도는 0∼75 mg/L로 조절하였으며, 공기 유입관(30)을 통해 주입되는 공기의 양은 30 L/min으로 하였고, 자외선 램프(12)는 254 nm에서 최대 39 W의 방출량을 내는 자외선 램프(12)를 사용하는 조건 하에서 용수를 살균하였다. 본 발명의 모든 실시예에서의 살균 효과 측정은 반응기가 작동할 때 일정 시간별로 분획을 취하여 연속 희석 방법으로 분획을 희석한후 희석수 100 ㎕를 세균 및 곰팡이의 성장고체배지에 도말하여 배양한 후 배양접시에 나타난 집락의 수를 계수하여 확인하였다As a result of manufacturing various types of reactors and establishing optimum conditions for sterilization, a photocatalytic reactor 10 having a length of 720 mm and a diameter of 200 mm was used, and a porous carrier 11 coated with TiO 2 having a diameter of 8 mm was used. The concentration of hydrogen peroxide added was adjusted to 0 to 75 mg / L, the amount of air injected through the air inlet tube 30 was 30 L / min, and the ultraviolet lamp 12 emits up to 39 W at 254 nm. The water was sterilized under conditions using an ultraviolet lamp 12 which emits light. In the embodiment of the present invention, the bactericidal effect was measured by diluting the fraction by a continuous dilution method when the reactor was operated, and then incubating by diluting 100 μl of the dilution water onto the growth solid medium of bacteria and fungi. The number of colonies shown in the culture dish was counted and confirmed.
<실험예 1> 반응기의 직경에 따른 각 자외선 램프 한 개당 대장균에 대한 살균Experimental Example 1 Sterilization of Escherichia Coli for Each UV Lamp According to Reactor Diameter
각 자외선 램프의 한 개당 최적 살균 범위를 알아보기 위해, 자외선 램프(12)가 한 개 설치된 직경이 55, 80 및 110 ㎜ 인 광촉매 반응기(10)의 대장균에 대한 살균 효과를 실험하였다.In order to determine the optimal sterilization range for each UV lamp, the sterilization effect on E. coli of the photocatalytic reactor 10 of 55, 80, and 110 mm in diameter in which one UV lamp 12 was installed was examined.
각각의 광촉매 반응기(10)에 TiO2가 코팅된 담체를 넣고 대장균이 포함된 완충 용액을 광촉매 반응기(10)에 순환시킴과 동시에 자외선을 15분간 조사하여 대장균의 살균 효과를 관찰하였고, 이 때 측정 결과는 하기표 2및도 6과같다.In each photocatalytic reactor 10, a carrier coated with TiO 2 was coated, and a buffer solution containing Escherichia coli was circulated in the photocatalytic reactor 10, and UV light was irradiated for 15 minutes to observe the bactericidal effect of E. coli. The results are shown in Table 2 and FIG. 6 .
상기표 2및도 6에 따라, 광촉매 반응기(10)의 직경이 55 ㎜의 경우 1 분 동안에 7.1 ×103cell/㎖에서 375 cell/로 95 %의 살균 효과를 보였으며 15 분 후에는 13 cell/㎖의 개체가 남아 99.8 %의 살균 효과를 보였고, 80 ㎜의 경우 7.3 ×103cell/㎖에서 829 cell/㎖로 88.6 %의 살균 효과를 보였으며 15 분 후에는 21 cell/㎖로 99.7 %의 살균 효과를 보여 초기에는 55 ㎜보다 살균 효과가 감소했지만15 분 후에는 거의 유사한 결과가 관찰되었다. 그러나 110 ㎜의 경우 1 분 동안에 7.1 ×103cell/㎖에서 3.1 ×103cell/㎖로 57.5 %의 살균 효과를 보였고 15 분 후에는 201 cell/㎖의 개체가 남아 97.2 %로 55 ㎜ 와 80 ㎜ 반응기에 비해 살균 효과가 떨어진 것을 알 수 있었다. 따라서 55 ㎜ 와 80 ㎜ 반응기의 살균 효과에서 80 ㎜ 반응기가 1 분 동안의 살균 효과는 다소 떨어졌지만 그 후 살균 효과에서는 비슷한 경향을 보였으며 110 ㎜ 반응기의 살균 효과는 앞의 두 반응기에 비해 현저히 떨어지는 살균 효과를 보이므로 각 자외선 램프(12) 한 개당 반응기의 크기는 55∼80 ㎜ 사이가 가장 적절하다.remindTABLE 2And6Depending on the, If the diameter of the photocatalytic reactor 10 is 55 mm, 7.1 × 10 for 1 minute3It showed 95% sterilization effect from cell / ml to 375 cell /. After 15 minutes, 13 cells / ml remained and 99.8% of sterilization, and 7.3 × 10 for 80 mm.3It showed 88.6% sterilization effect from cell / ml to 829 cell / ml, and after 15 minutes, it showed 99.7% sterilization effect at 21 cell / ml. Was observed. But for 110 mm, 7.1 × 10 for 1 minute33.1 × 10 in cell / ml3The cell / ml showed 57.5% sterilization effect, and after 15 minutes, 201 cells / ml remained and 97.2% showed less sterilization effect than 55mm and 80mm reactors. Therefore, in the sterilization effect of the 55 mm and 80 mm reactors, the sterilization effect of the 80 mm reactor was slightly decreased for 1 minute, but afterwards, the sterilization effect was similar. Since the sterilization effect is achieved, the size of the reactor for each ultraviolet lamp 12 is most appropriately between 55 and 80 mm.
<실험예 2> 광촉매 반응기에 공기를 주입하였을 경우 대장균에 대한 살균Experimental Example 2 Sterilization of Escherichia Coli When Air is Injected into the Photocatalytic Reactor
본 발명의 자외선 광촉매 반응기(10)에 30 L/min 공기를 공기 펌프(31)를 이용하여 공기 유입관(30)을 통해 주입하였으며, 15 분 동안 대장균에 대한 살균 효과를 관찰하였다. 공기를 주입하지 않은 경우 대장균에 대한 살균 효과와 비교하였다. 이 때 측정 결과는 하기표 3및도 7과같다.30 L / min air was injected into the ultraviolet photocatalytic reactor 10 of the present invention through the air inlet tube 30 using the air pump 31, and the sterilizing effect on E. coli was observed for 15 minutes. When no air was injected, it was compared with the bactericidal effect on E. coli. In this case, the measurement results are shown in Table 3 and FIG. 7 .
상기표 3및도 7에 따라, 공기를 주입하지 않은 경우 1 분 동안에 7.1 ×103cell/㎖에서 668 cell/㎖로 90.6 %의 살균 효과를 나타냈고, 15 분 후에는 70cell/㎖개의 개체가 생존하였다. 같은 시간동안에 공기를 주입하였을 때의 살균 효과에서는 1 분 후에 7.1 ×103cell/㎖에서 357 cell/㎖로 95 %의 살균 효과를 나타냈고, 15 분 후에는 13 cell/㎖ 의 개체만이 생존하여, 공기를 주입하였을 경우가 그렇지 않은 경우보다 반응 초기에 더 높은 살균 효과를 나타내었다. 이는 광촉매 반응시 주입되는 공기가 광촉매 반응기(10) 내부에 난류를 일으켜 OH·이 보다 효과적으로 유기물과 반응할 수 있도록 해주며 용존산소를 증가시켜 OH·의 생성을 증가시키기 때문이다.According to Table 3 and FIG. 7 , when the air was not injected, the bactericidal effect was 90.6% from 7.1 × 10 3 cells / ml to 668 cells / ml for 1 minute, and after 15 minutes, 70 cells / ml of individuals Survived. The sterilization effect when air was injected for the same time showed 95% sterilization effect from 7.1 × 10 3 cell / ml to 357 cell / ml after 1 minute, and after 15 minutes only 13 cells / ml survived. Thus, when air was injected, it showed a higher sterilizing effect at the beginning of the reaction than otherwise. This is because the air injected during the photocatalytic reaction causes turbulence in the photocatalytic reactor 10 to allow OH.sub.2 to react with organics more effectively and increase the dissolved oxygen to increase the production of OH.
<실험예 3> 광촉매 반응시 과산화수소를 첨가하였을 경우 대장균에 대한 살균Experimental Example 3 Sterilization of Escherichia Coli When Hydrogen Peroxide was Added during Photocatalytic Reaction
본 발명의 광촉매 반응기(10)에 과산화수소 농도를 10, 15, 20 및 25 ㎎/L 로 조절하면서 반응기에 30 L/min의 공기를 공기 펌프(31)를 이용하여 주입하였으며, 15 분 동안 대장균에 대한 살균 효과를 관찰하였다. 이 때 측정 결과는 하기표 4및도 8과 같다.Into the photocatalytic reactor 10 of the present invention, 30 L / min of air was injected into the reactor using an air pump 31 while adjusting the hydrogen peroxide concentration to 10, 15, 20 and 25 mg / L. The bactericidal effect was observed. In this case, the measurement results are shown in Table 4 and FIG. 8 .
상기표 4및도 8에 나타난 바와 같이 과산화수소를 넣지 않았을 경우 7.3×103cell/㎖에서 1 분 후에 267 cell/㎖로 96 %의 살균 효과를 나타냈고, 15 분 후에도 13 cell/㎖ 개체가 생존하여 99.8 %의 살균 효과를 보였다. 10 ㎎/L의 과산화수소를 주입하였을 경우에는 7.5 ×103cell/㎖에서 1 분 후에 242 cell/㎖로 96.7 %의 살균 효과를 보여 첨가하지 않았을 때보다 약간 높은 살균 효과를 보였지만 15 분 후에는 99.8 %의 살균 효과로 유사한 살균 효과를 보였다. 15 ㎎/L에서는 9.2 ×103cell/㎖에서 1 분 후에 203 cell/㎖로 97.8 %의 살균 효과를 보였고 20 ㎎/L를 첨가한 경우에는 8.5 ×103cell/㎖에서 1 분 후에 157 cell/㎖로 98 %의 살균 효과를 보였고 15 분 후에는 완전히 살균되었음을 보여주었다. 과산화수소의 농도를 25 ㎎/L 첨가할 경우에는 8.5 ×103cell/㎖에서 82 cell/㎖로 99 %의 살균 효과를 보였으며 10 분 후에는 완전히 살균되었음을 알 수 있었다. 그러므로 용수에 소량의 과산화수소의 첨가시킨 살균 방법은 살균 효과를 매우 높이는 효과를 얻을 수 있다.As shown in Table 4 and FIG. 8 , when no hydrogen peroxide was added, a sterilizing effect of 96% was obtained at 267 cells / ml after 1 minute at 7.3 × 10 3 cells / ml, and 13 cells / ml survived after 15 minutes. By 99.8% bactericidal effect. When 10 mg / L hydrogen peroxide was injected, it showed a bactericidal effect of 96.7% at 242 cells / ml after 1 minute at 7.5 × 10 3 cells / ml, but slightly higher than that without the addition of 99.8%. A bactericidal effect of% showed a similar bactericidal effect. At 15 mg / L, it showed 97.8% bactericidal effect at 203 cells / ml after 1 min at 9.2 × 10 3 cell / ml, and 157 cells after 1 min at 8.5 × 10 3 cell / ml when 20 mg / L was added. It showed 98% bactericidal effect at / ml and after 15 minutes it was completely sterilized. When 25 mg / L of hydrogen peroxide was added, it showed a 99% sterilization effect from 8.5 × 10 3 cells / ml to 82 cells / ml, and after 10 minutes, it was found to be completely sterilized. Therefore, the sterilization method by adding a small amount of hydrogen peroxide to the water can achieve the effect of greatly increasing the sterilization effect.
<실험예 4> 처리수량의 변화에 대한 살균 효과Experimental Example 4 Sterilization Effect on the Change of Treated Water Quantity
본 발명의 광촉매 반응기(10)에 처리수량을 2 배 증가 시킨 후 과산화수소 농도를 각각 20, 25, 30 및 50 ㎎/L 로 조절하고 광촉매 반응기(10)에 30 L/min의 공기를 공기 펌프(31)를 이용하여 주입하면서 대장균에 대한 살균 효과를 관찰하였다. 이 때 측정 결과는 하기표 5및도 11과같다.After increasing the amount of water treated twice in the photocatalytic reactor 10 of the present invention, the hydrogen peroxide concentration was adjusted to 20, 25, 30 and 50 mg / L, respectively, and 30 L / min of air was pumped into the photocatalytic reactor 10. 31) was observed for the bactericidal effect on E. coli while injecting. In this case, the measurement results are shown in Table 5 and FIG. 11 .
상기표 5및도 11에 따라 과산화수소를 첨가하지 않았을 경우에는 1 분 동안에 3.2 ×104cell/㎖에서 1.5 ×104cell/㎖로 51 %의 살균 효과를 나타냈고 2 분 후에는 1.2 ×104cell/㎖로 62.3 %의 살균 효과를 나타냈으며 5 분 후에는 1.8 ×103cell/㎖로 94.3 %의 살균 효과가 관찰되었고 15 분 후에는 37 cell/㎖로 99.8 %의 살균 효과를 나타내었다. 20 ㎎/L의 과산화수소를 첨가했을 경우에는 1 분 동안에 3.8 ×104cell/㎖에서 1.1 ×104cell/㎖로 69.3 %의 살균 효과를 보였고 2 분 후에는 7.0 ×103cell/㎖로 81.8 %의 살균 효과를 나타냈고 5 분 후에는 1.8 ×103cell/㎖로 95.3 %의 살균 효과를 보였으며 15 분 후에는 15 cell/㎖로 99.9 %의 살균 효과가 관찰되었다. 과산화수소를 25 ㎎/L 처리하였을 경우 1 분 동안에 3.1 ×104cell/㎖에서 2.2 ×103cell/㎖로 92.8 %의 살균 효과를 보였고 2 분 동안에 1.5 ×103cell/㎖로 95.2 %의 살균 효과를 나타냈으며 15 분 후에는 4 cell/㎖로 99.98 %의 살균 효과가 관찰되었다. 30 ㎎/L의 과산화수소를 첨가했을 경우에는 1 분 동안에 3.5 ×104cell/㎖에서 1.9 ×103cell/㎖로 94.4 %의 살균 효과를 보였으며 5 분 후에는 82 cell/㎖로 99.7 %의 살균 효과를 나타냈고 15 분 후에는 2 cell/㎖로 99.99 %의 살균 효과를 보였다. 또한 50 ㎎/L의 과산화수소가 처리되었을 경우에는 1 분 동안에 3.4 ×104cell/㎖에서 1.1 ×103cell/㎖로 96.6 %의 살균 효과를 보였으며 5 분 후에는 13 cell/㎖로 99.96 %의 살균 효과를 나타냈고 15 분 후에는 단지 1 cell/㎖의 개체만 관찰되어 99.99 %의 살균 효과를 보였다.When hydrogen peroxide was not added according to Table 5 and FIG. 11 , 51% of the bactericidal effect was exhibited from 3.2 × 10 4 cell / ml to 1.5 × 10 4 cell / ml for 1 minute, and 1.2 × 10 4 after 2 minutes. The cell / ml showed 62.3% bactericidal effect. After 5 minutes, 94.3% bactericidal effect was observed at 1.8 × 10 3 cell / ml, and after 15 minutes, it was 99.8% bactericidal effect at 37 cell / ml. When 20 mg / L of hydrogen peroxide was added, it showed a 69.3% bactericidal effect from 3.8 × 10 4 cell / ml to 1.1 × 10 4 cell / ml for 1 minute, and 81.8 at 7.0 × 10 3 cell / ml after 2 minutes. After 5 minutes, it showed 95.3% bactericidal effect at 1.8 × 10 3 cell / ml, and after 15 minutes, 99.9% bactericidal effect was observed. When 25 mg / L of hydrogen peroxide was treated, it showed a 92.8% sterilization effect from 3.1 × 10 4 cell / ml to 2.2 × 10 3 cell / ml in 1 minute, and 95.2% sterilization at 1.5 × 10 3 cell / ml in 2 minutes. After 15 minutes, a bactericidal effect of 99.98% was observed at 4 cells / ml. When 30 mg / L of hydrogen peroxide was added, it showed a 94.4% bactericidal effect from 3.5 × 10 4 cell / ml to 1.9 × 10 3 cell / ml for 1 minute, and after 9 minutes, 99.7% The bactericidal effect was shown and after 15 minutes, it showed 99.99% bactericidal effect at 2 cell / ml. In addition, when 50 mg / L of hydrogen peroxide was treated, it showed a 96.6% bactericidal effect from 3.4 × 10 4 cell / ml to 1.1 × 10 3 cell / ml for 1 minute, and 99.96% at 13 cell / ml after 5 minutes. After 15 minutes, only 1 cell / ml was observed, resulting in 99.99% bactericidal effect.
<실험예 5> 콩나물 침종수에 존재하는 세균에 대한 살균 효과Experimental Example 5 Bactericidal Effect on Bacteria in Soybean Sprouts
완충액내의 대장균이 아닌 실제 용수에 대한 살균 실험으로 콩나물 콩을 침종시킨 침종수를 용수로 사용하였다. 광촉매 반응기(10)에 30 L/min의 공기를 주입하였으며, 과산화수소의 농도를 0, 25, 50 및 75 mg/L으로 각각 조절하면서 90 분 동안 콩나물 침종수내에 존재하는 세균에 대한 살균 효과를 관찰하였다. 이 때 측정 결과는 하기표 6과도 12와 같다.In the sterilization experiment for the actual water, not E. coli in the buffer solution, the immersion water in which the bean sprouts were soaked was used as the water. 30 L / min air was injected into the photocatalytic reactor 10, and the sterilizing effect on the bacteria present in the soybean sprout immersion water was observed for 90 minutes while adjusting the concentrations of hydrogen peroxide to 0, 25, 50 and 75 mg / L, respectively. It was. In this case, the measurement results are shown in Table 6 and FIG. 12 .
상기표 6및도 12에 따라 4 시간 침종한 침종수 내 세균의 초기 개체수는4.0 ×104cell/㎖로 1 분 동안에 6.8 ×103cell/㎖로 82.9 %의 살균 효과를 보였다. 15 분 후에는 123 cell/㎖로 99.7 %의 살균 효과를 나타냈지만, 30분 후에는 343 cell/㎖로 살균 효과가 약간 감소하다가 다시 살균 효과가 증가하는 것을 보여 90분 후에는 220 cell/㎖로 99.5 %의 살균 효과를 나타내었다. 과산화수소를 25 ㎎/L 첨가시에는 1 분 동안에 82.6 %의 살균 효과를 보였으며, 15 분 후에는 99.4 %, 30분 후에는 99.5 %, 90 분 후에는 99.9%의 살균 효과를 나타내어 초기에는 과산화수소를 첨가하지 않았을 때와 비슷한 결과를 보였지만, 살균이 끝날 때인 90 분 후에는 더 높은 살균 효과를 나타내었고, 과산화수소가 첨가되지 않았을 때와 같이 살균 효과가 중간에 떨어지는 것은 관찰되지 않았다.According to Table 6 and FIG. 12 , the initial population of bacteria in the immersed water for 4 hours was 4.0 × 10 4 cell / ml and showed a bactericidal effect of 82.9% at 6.8 × 10 3 cell / ml for 1 minute. After 15 minutes, the sterilization effect was 99.7% at 123 cells / ml, but after 30 minutes, the sterilization effect was slightly decreased to 343 cells / ml, and then the sterilization effect was increased. It showed a bactericidal effect of 99.5%. When 25 mg / L of hydrogen peroxide was added, it showed 82.6% sterilization effect for 1 minute, 99.4% after 15 minutes, 99.5% after 30 minutes, and 99.9% after 90 minutes. The results were similar to those without addition, but after 90 minutes, at the end of sterilization, they showed a higher sterilization effect, and no intermediate sterilization effect was observed, such as when hydrogen peroxide was not added.
과산화수소가 50㎎/L 첨가시 1 분 후에 88.2 %, 15 분 후에 99.8 %, 90 분 후에는 99.99 %의 살균 효과를 보였으며 75 ㎎/L 주입시 1 분 후 91.2 %, 15 분 후 99.8 %, 30 분 후에는 99.99 % 그리고 90 분 후에는 완전히 살균 되었음이 관찰되었다. 이와 같이 콩에 대한 살균 실험에서는 대장균을 이용한 실험에서 보다 효과가 조금 떨어졌으며 살균 후반부에 약간의 균체량이 증가했음을 관찰할 수 있었다. 그러나 대장균을 이용한 실험에서는 영양분이 없는 완충액에 일정 양의 균을 주입하여 살균 실험을 했기 때문에 균의 성장이 더 이상 일어나지 않았지만, 콩에 대한 실험에서는 침종시 콩으로부터 유기산이 용출되고 이는 콩에 부착되어 사는 세균의 영양분 역할을 하기 때문에 세균이 계속 성장하게 되어 수가 증가하였기 때문이다. 그리고 과산화수소를 첨가할 때에는 50 ㎎/L 이상 첨가할 경우 보다 더욱 우수한살균 효과를 나타낸다.Hydrogen peroxide showed a bactericidal effect of 88.2% after 1 min with 50mg / L addition, 99.8% after 15min, 99.99% after 90min, 91.2% after 1min with 75mg / L injection, 99.8% after 15min, After 30 minutes it was observed that 99.99% and after 90 minutes they were completely sterilized. As described above, the sterilization test for soybean was slightly less effective than the test using Escherichia coli, and a slight increase in cell mass was observed at the end of the sterilization. However, in the experiment using E. coli, sterilization experiment was performed by injecting a certain amount of bacteria into the nutrient-free buffer, but the growth of the bacteria did not occur anymore. Because live nutrients act as bacteria because bacteria continue to grow and the number has increased. In addition, the addition of hydrogen peroxide shows more excellent disinfection effect than the addition of 50 mg / L.
<실험예 6> 콩나물 침종수에 존재하는 곰팡이에 대한 살균 효과Experimental Example 6 A bactericidal effect on fungi present in soybean sprout immersion water
상기 실험예 5와 동일한 방법으로 콩나물 침종수내에 존재하는 곰팡이에 대한 살균 효과를 관찰하였다. 이 때 측정결과는 하기표 7및도 13과 같다.In the same manner as in Experimental Example 5, the bactericidal effect on the fungi present in the soybean sprouted waters was observed. In this case, the measurement results are shown in Table 7 and FIG. 13 .
상기표 7및도 13에 따라 4 시간 침종수내의 곰팡이의 초기 개체수는 1.0 ×104cell/㎖ 이었으며 1 분 동안의 살균 효과는 69.3 %이었고, 15 분 후에는 99.6 %, 90 분 후 99.7 %의 살균 효과를 나타내었다. 과산화수소를 25 ㎎/L 첨가할 경우에는 1 분 후에 71.1 %의 살균 효과를 보였고, 15 분 후 99.5 %, 90 분 후 99.88 %의 살균 효과를 보였다. 50 ㎎/L의 경우 1 분 후 90 %, 10 분 후 99.8 %, 15 분 후에는 완전히 살균되었다. 75 ㎎/L을 주입했을 경우 1 분 후에 93.7 %의 살균 효과를 나타냈고 4 분 후에는 완전히 살균되어 곰팡이가 관찰되지 않았다. 곰팡이의 살균에서는 세균에 비해 초기에 살균 효과가 훨씬 떨어졌음을 알 수 있었으며, 이것은 곰팡이가 세균보다는 더 강한 세포벽으로 구성되어 있기 때문이다. 그리고 과산화수소를 첨가하여 살균할 경우 본 실험에서 세균의 경우보다 적은 양의 과산화수소를 첨가했어도 살균효과가 더 높게 나타난 것은 침종수내의 초기 개체수의차이이기 때문이다.According to Table 7 and FIG. 13 , the initial population of the fungus in the 4 hour immersion water was 1.0 × 10 4 cell / ml and the bactericidal effect during 1 minute was 69.3%, after 15 minutes 99.6%, after 90 minutes 99.7% Bactericidal effect. When 25 mg / L of hydrogen peroxide was added, it showed a 71.1% bactericidal effect after 1 minute, 99.5% after 15 minutes, and 99.88% after 90 minutes. In the case of 50 mg / L, 90% after 1 minute, 99.8% after 10 minutes, and sterilization after 15 minutes were completed. When 75 mg / L was injected, it showed a 93.7% bactericidal effect after 1 minute and was completely sterilized after 4 minutes, and no mold was observed. In sterilization of the fungi, it was found that the bactericidal effect was much lower in the early stages than the bacteria, since the fungus is composed of stronger cell walls than the bacteria. In case of sterilization by adding hydrogen peroxide, the sterilization effect was higher even though the amount of hydrogen peroxide was added in this experiment than that of bacteria because of the difference of initial population in immersion water.
<비교예 1> 충진물에 따른 살균 효과<Comparative Example 1> Sterilization effect according to the filling
광촉매로 사용되는 TiO2로 코팅된 다공성 담체와 유리구슬의 살균 효과를 비교하기 위해 광촉매 반응기(10)에 TiO2로 코팅된 각각의 담체를 충진시키고, 30 L/min의 공기를 주입하면서 15 분간 자외선을 조사하여 대장균에 대한 살균 효과를 관찰하였다. 이 때 측정 결과는 하기표 8및도 5와 같다.To compare the sterilization effect of TiO 2 -coated porous carrier and glass beads used as a photocatalyst, each carrier coated with TiO 2 was filled in the photocatalytic reactor 10 and 15 minutes while injecting 30 L / min of air. Ultraviolet rays were irradiated to observe the bactericidal effect on E. coli. In this case, the measurement results are shown in Table 8 and FIG. 5 .
상기표 8및도 5는 TiO2코팅된 다공성이 매우 큰 백운모 분말을 이용한 담체와 유리 구슬의 대장균에 대한 살균 효과를 비교한 것으로, TiO2코팅된 유리 구슬의 경우 1 분 동안에 7.1 ×103cell/㎖에서 357 cell/㎖로 95 %의 살균 효과를 나타내었고, 15 분 후에는 13 개의 개체가 남아 99.8 %의 살균 효과를 나타내었다. Table 8 and Figure 5 is 7.1 × 10 3 cell during that compares the bactericidal effect on E. coli in the carrier and the glass beads the TiO 2 coating porosity using a very large muscovite powder, 1 min For the glass beads TiO 2 coating The germicidal effect was 95% from / ml to 357 cell / ml, and after 15 minutes, 13 individuals remained and showed 99.8% bactericidal effect.
TiO2코팅된 다공성 담체의 경우 1 분 동안의 살균 효과가 7.2 ×103cell/㎖에서 370 cell/㎖로 95 %의 살균 효과를 보여 TiO2코팅된 유리구슬과 거의 유사한 살균 효과를 보였다. 그러나 15 분 후에는 1 cell/㎖의 개체만 남아 99.9 %의 살균 효과로 유리 구슬보다 약간 우수하였다.In the case of the TiO 2 coated porous carrier, the sterilization effect for 1 minute was 95% sterilization effect from 7.2 × 10 3 cell / ml to 370 cell / ml, showing a sterilization effect similar to that of TiO 2 coated glass beads. After 15 minutes, however, only 1 cell / ml remained, which was slightly better than glass beads with 99.9% bactericidal effect.
또한, 유리 구슬에 TiO2을 코팅한 것은 시간이 지남에 따라 탈착되기 때문에 일정 시간이 지나면 유리구슬을 새로 코팅하여야 하는 어려움이 있었다. 그러나 다공성이 높은 백운모를 이용해 제조한 담체의 경우 다공질 내부에 TiO2용액이 유리 구슬 보다 쉽게 스며들 수 있으며, 고온으로 처리하였기 때문에 탈착되는 것이 관찰되지 않았다.In addition, the coating of TiO 2 on the glass beads has a difficulty in newly coating the glass beads after a certain time because the desorption over time. However, in the case of a carrier prepared using a high porosity, TiO 2 solution was more easily penetrated into the porous interior than glass beads, and desorption was not observed due to the high temperature treatment.
<비교예 2> 자외선 조사없이 과산화수소에 의한 살균 효과Comparative Example 2 Sterilization Effect by Hydrogen Peroxide Without UV Irradiation
자외선 조사없이 과산화수소에 의한 살균 효과를 비교 실험 하기 위해 자외선 조사 없이 과산화 수소를 25 ㎎/L 첨가 후 대장균의 살균 효과를 관찰하였다. 이때 측정 결과는도 9와같다.In order to compare the sterilization effect by hydrogen peroxide without UV irradiation, the sterilization effect of E. coli was observed after adding 25 mg / L of hydrogen peroxide without UV irradiation. In this case, the measurement result is shown in FIG. 9 .
도 9에 따르면, 5분 후에 완전히 살균되어 균이 검출되지 않았던 25 mg/L의 과산화수소의 농도에서 과산화수소만의 살균효과는 15분 후에도 단지 51%의 살균 효과만을 보여 주었다. 따라서 세균이 단순히 과산화수소에 의해 살균되는 것이 아니며 자외선 조사와 함께 과산화수소를 첨가하면 높은 살균 효과를 나타내는 것을 알 수 있었다.According to FIG. 9 , the sterilization effect of hydrogen peroxide alone was only 51% after 15 minutes at a concentration of 25 mg / L hydrogen peroxide, which was completely sterilized after 5 minutes and no bacteria were detected. Therefore, the bacterium was not simply sterilized by hydrogen peroxide, and it was found that addition of hydrogen peroxide with ultraviolet irradiation showed high sterilization effect.
상술한 바와 같이, 본 발명의 광촉매 반응에 의한 용수 살균 방법 및 장치는 용수의 살균 시간을 단축할 수 있으며, 살균시 공기 및 과산화수소의 첨가에 따라 살균 효과를 증가시키고, 소형으로 제작이 가능하여 좁은 장소에 설치가 가능하고, 광촉매 반응기의 분리가 가능하여 장치의 세척이 간편하여 용수의 살균에 매우 효과적으로 이용할 수 있다.As described above, the method and apparatus for sterilizing water by the photocatalytic reaction of the present invention can shorten the sterilization time of the water, increase the sterilization effect according to the addition of air and hydrogen peroxide during sterilization, and can be made small in size. It can be installed at the place, and the photocatalytic reactor can be separated, so that the device can be easily washed and used for the sterilization of water very effectively.
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