KR101803904B1 - 마이크로시스틴 및 이취미물질 제거용 활성탄을 이용한 정수처리시스템 - Google Patents
마이크로시스틴 및 이취미물질 제거용 활성탄을 이용한 정수처리시스템 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 수중에 존재하는 다양한 오염물질을 효과적으로 제거할 수 있는 마이크로시스틴 및 이취미물질 제거용 활성탄을 이용한 정수처리시스템에 관한 것으로, 마이크로시스틴 및 이취미물질 제거용 활성탄을 활성탄 저류조에 준비하는 단계, 유입원수의 이취미물질과 마이크로시스틴 농도를 측정하는 단계, 상기 원수를 반응조로 공급하면서, 측정한 마이크로시스틴 농도 및/또는 이취미물질 농도 측정값이 소정범위 이상이면 상기 활성탄을 반응조에 주입하는 단계 및 상기 활성탄이 주입된 혼합물을 소정 강도로 교반하는 단계를 포함하되, 상기 활성탄은 (a) 비표면적이 적어도 800 ㎡/g이상, (b) 기공 직경이 0.4㎚ 내지 30㎚인 이하, (c) 활성탄의 표면 또는 기공 내부의 산성 관능기, 염기성 관능기 또는 양이온 관능기, (d) 기공 용적이 0.8㎤/g이상 및 (e) 총 기공 용적에서 2.0㎚이하의 기공 직경이 차지하는 용적 비율이 20% 내지 80%를 모두 만족하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 수중에 존재하는 다양한 오염물질을 효과적으로 제거할 수 있는 마이크로시스틴 및 이취미물질 제거용 활성탄을 이용한 정수처리시스템에 관한 것으로, 구체적으로는 수중에 포함된 이취미물질과 마이크로시스틴을 동시에 흡착할 수 있는 활성탄을 사용하여, 하나의 흡착공정에서 이취미물질과 마이크로시스틴을 동시에 제거할 수 있는 신규한 활성탄을 이용한 정수처리시스템에 관한 것이다.
기후변화에 따른 하천 및 호소 내에 조류 발생 가능성이 증대함에 따라 2-MIB, 지오스민, 마이크로시스틴 등 조류 부산물의 농도가 급격히 증가하고 있다. 특히 마이크로시스틴은 하천이나 댐의 부영양화로 인하여 급속히 증식하고 있는 마이크로시스티스로부터 분비되는 조류독소로서, 특유의 고약한 곰팡이 냄새를 방출한다. 상기와 같은 독성물질과 냄새 유발 물질 등 각종 오염물질들은 우리 사회의 수돗물 이용에 악영향을 미치고 있어, 기존 수처리 기술에서는 다양한 방법을 이용하여 이러한 문제점을 해결하려고 노력해 왔다.
일례로, 상기 오염물질들을 제거하기 위하여 오존처리법, 고도 산화처리법, 막분리법, 자외선 투과법, 활성탄 처리법 등 다양한 기술들이 적용되어 왔으나, 오존처리법, 고도 산화처리법 및 막분리법은 고가의 설비와 유지비용이 크다는 문제점이 있고, 활성탄 처리법은 세공의 크기가 제한되어 일부 수질오염물질에만 한정적으로 적용되어왔다.
특히, 활성탄의 경우, 단순히 수처리 착수정에 투입되어 교반되는 것에 의해 유기물질들이 제거됨에 따라, 여러 가지 수처리 기술들 중 가장 경제적이고 효율이 높아 널리 이용되어 왔으나, 기공의 크기가 0.4nm 내지 5nm에 집중되어 이 범위를 벗어나는 수질오염물질에 대해서는 큰 효과를 발휘하지 못하는 단점이 지적되어 왔다.
일 예로, 대한민국 등록특허 제1584131호도 분말활성탄을 이용하여 수중 오염물질을 제거하는 발명에 대한 것이나, 그 대상물이 지오스민과 같은 개별물질로 제한되어 있어, 2-MIB와 마이크로시스틴을 함께 제거하기가 곤란하다는 문제점이 있다.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 이취미물질과 마이크로시스틴을 하나의 흡착공정에서 동시에 제거할 수 있는 운전의 효율성이 우수한 정수처리시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명에서는 이취미물질과 마이크로시스틴을 동시에 효과적으로 흡착 제거할 수 있는 신규한 활성탄을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 마이크로시스틴 및 이취미물질 제거용 활성탄을 이용한 정수처리시스템은, 마이크로시스틴 및 이취미물질 제거용 활성탄을 활성탄 저류조에 준비하는 단계, 유입원수의 이취미물질과 마이크로시스틴 농도를 측정하는 단계, 상기 원수를 반응조로 공급하면서, 측정한 마이크로시스틴 농도 및/또는 이취미물질 농도 측정값이 소정범위 이상이면 상기 활성탄을 반응조에 주입하는 단계 및 상기 활성탄이 주입된 혼합물을 소정 강도로 교반하는 단계를 포함하되, 상기 활성탄은 (a) 비표면적이 적어도 800 ㎡/g이상, (b) 기공 직경이 0.4㎚ 내지 30㎚, (c) 활성탄의 표면 또는 기공 내부의 산성 관능기, 염기성 관능기 또는 양이온 관능기, (d) 기공 용적이 0.8㎤/g 이상 및 (e) 총 기공 용적에서 2.0㎚이하의 기공 직경이 차지하는 용적 비율이 20% 내지 80%를 모두 만족하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 산성 관능기는 카르복실산, 술폰산 및 인산으로부터 선택되는 1종 이상이고, 상기 염기성 관능기는 에테르, 이민, 설파이드 및 설폰으로부터 선택되는 1종 이상이고, 상기 양이온 관능기는 에폭사이드, 이소티오시아네이트, 아실 할로, 할로겐 및 안하이드라이드로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다.
또한, 상기 이취미물질은 2-MIB 및 지오스민일 수 있다.
또한, 본 발명의 마이크로시스틴 및 이취미물질 제거용 활성탄을 이용한 정수처리시스템에서는, 상기 교반단계 이후에 상기 혼합물과 응집제를 혼화응집조로 공급하여 혼화응집시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 마이크로시스틴 및 이취미물질 제거용 활성탄을 이용한 정수처리시스템에서는, 상기 혼화응집된 혼합물을 침전시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 마이크로시스틴 및 이취미물질 제거용 활성탄을 이용한 정수처리시스템에서는, 상기 침전단계 이후에 분리막 여과단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 마이크로시스틴 및 이취미물질 제거용 활성탄을 이용한 정수처리시스템에서는, 상기 분리막은 한외여과 또는 정밀여과이고, 소정 시간 또는 소정 여과수량 간격으로 역세척을 실시할 수 있다.
또한, 본 발명의 마이크로시스틴 및 이취미물질 제거용 활성탄을 이용한 정수처리시스템에서는, 상기 농도 측정단계에서 측정한 이취미물질 농도가 소정범위 이상이고, 측정한 마이크로시스틴 농도가 소정범위 이하인 경우에는 상기 분리막 여과단계에서 발생하는 역세척수를 상기 반응조로 순환시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 정수처리시스템에 따르면, 유입원수에 포함된 이취미물질과 마이크로시스틴을 하나의 흡착공정에서 동시에 제거할 수 있는 활성탄을 주입하기 때문에 정수처리시스템을 효율적으로 운영할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 활성탄에 산성 관능기, 염기성 관능기 또는 양이온 관능기를 부여하기 때문에, 조류 특히 녹조류에 의한 수질오염 대응에 효과적이라는 장점이 있다.
도 1은 본 발명 일 실시예에 따른 마이크로시스틴과 이취미물질 제거용 활성탄을 이용한 정수처리시스템의 구성도이다.
도 2는 마이크로시스틴과 이취미물질 제거용 활성탄을 이용한 정수처리시스템의 흐름도이다.
도 2는 마이크로시스틴과 이취미물질 제거용 활성탄을 이용한 정수처리시스템의 흐름도이다.
본 발명은 상기에 기재된 바와 같이, 활성탄을 이용하여 수중에 존재하는 오염물질을 제거하는 정수처리시스템을 제공하는 것에 목적을 두고 있으며, 활성탄을 이용한 흡착은 오염물질의 제거율은 기공크기 및 비표면적에 큰 영향을 받게 된다.
먼저, 본 발명의 정수처리시스템에 적용하는 활성탄에 관하여 설명하면, 활성탄 흡착을 이용하여 제거하려는 중요한 타겟 대상물인 2-MIB, 지오스민, 마이크로시스틴은 크기가 상이하고 또 하전을 띄고 있어, 단일 특성의 흡착제만으로는 제거가 어렵다. 따라서 본 발명에서는 마이크로시스틴과 같이 분자량이 큰 오염물질과 2-MIB 및 지오스민과 같이 분자량이 작은 오염물질을 동시에 제거할 수 있는 활성탄을 사용하여 새로운 개념의 정수처리시스템을 제공한다.
본 발명의 활성탄은 (a) 비표면적이 적어도 800 ㎡/g 이상, (b) 기공 직경이 0.4㎚ 내지 30㎚인 이하, (c) 활성탄의 표면 또는 기공 내부의 산성 관능기, 염기성 관능기 또는 양이온 관능기, (d) 기공 용적이 0.8㎤/g 이상 및 (e) 총 기공 용적에서 2.0㎚ 이하의 기공 직경이 차지하는 용적 비율이 20% 내지 80%를 갖는다.
기공의 직경이 0.4 nm 미만인 경우에는 마이크로시스틴, 2-MIB 및 지오스민의 흡착율이 저하되고, 반대로 30 nm를 초과하면 마이크로시스틴의 흡착율이 현저하게 저하될 수 있으므로 기공의 직경은 상기 범위인 것이 바람직하다.
상기 활성탄 총 기공 용적에서 2.0㎚ 이하의 기공 직경이 차지하는 용적 비율이 20% 미만인 경우에는 2-MIB나 지오스민이 흡착될 수 있는 공간이 너무 적고, 반대로 80%를 초과하게 되면 마이크로시스틴이 흡착될 수 있는 공간이 너무 적기 때문에 2.0㎚ 이하의 기공 직경 비율은 상기 범위인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에서는 2-MIB, 지오스민, 마이크로시스틴과의 흡착율을 개선하기 위하여, 상기의 기공크기 및 기공분포 등을 특정하는 물리적 특징 외에도 산성, 염기성 또는 양이온을 이용하여 활성탄의 표면을 개질함으로써 상기 3 종류의 오염물질에 대한 선택성을 개선하였다.
2-MIB, 지오스민, 마이크로시스틴의 경우 모두 극성 물질이면서 음이온의 성격을 가지고 있어, 동일한 극성물질과의 결합력이 비극성 물질과 비교하여 상대적으로 우수하면서, 양이온과의 결합력이 음이온 대비 상대적으로 우수한 특징을 가지고 있다. 따라서 본 발명에서는 활성 흡착제에 극성을 부여하기 위하여 산성 또는 염기성 관능기를 결합시켜 활성탄의 표면을 개질하였다.
본 발명에서, 산성 관능기로는 카르복실산, 술폰산, 인산, 모노카르복실산, 옥살산, 타르타르산, 말산, 올레산, p-톨루엔술폰산, 설핀산 등이 적용 될 수 있으며, 특히 카르복실산, 술폰산 및 인산이 유리하다. 또한, 염기성 관능기는 에테르, 이민, 설파이드, 아마이드, 에스터, 설폰아미드, 아미딘, 카바메이트, 아이소우레아 등이 적용될 수 있으며, 특히 에테르, 이민, 설파이드 및 설폰이 유리하다.
또한, 본 발명에서는 2-MIB, 지오스민, 마이크로시스틴이 모두 음이온의 성격을 가지고 있다는 점에 착안하여, 양이온 관능기를 통해 활성탄의 표면을 개질하였다. 본 발명의 양이온 관능기는 에폭사이드, 이소티오시아네이트, 아실 할로, 할로겐 및 안하이드라이드 중에서 선택될 수 있다.
한편, 활성탄 비표면적이란 다공질 탄소의 질소 흡착 등온선을 측정하는 BET법에 의해 구해지는 값이고, 기공 용적은 상대압 P/P0(P:흡착평형에 있는 흡착질의 기체 압력, P0:흡착 온도에 있어서의 흡착질의 포화 증기압)가 0.93까지의 질소 흡착량을 측정하는 BET법에 의해 구해지는 값이다. 이러한 본 발명의 활성탄의 비표면적, 기공 용적 등은 원료에 사용하는 활성탄 원료, 가열 조건 등을 적당하게 선택함으로써 조제할 수 있다.
이하 본 발명의 활성탄 제조방법에 관하여 설명하지만, 하기 제조 방법에 한정되지 않고 적당하게 변경하는 것도 가능하다.
(탄화 처리 공정)
본 공정에서 사용하는 탄소질물질로서는 활성탄원료로서 공지의 탄소질물질이면 특별히 한정되지 않는다. 예를 들면, 목재, 톱밥, 목탄, 야자찌꺼기, 셀룰로오스계 섬유, 석유 코크스, 석탄 코크스, 니들 코크스 및 이들의 혼합물 등을 단독 또는 2종 이상 조합하여 사용할 수 있고, 또한 유기, 무기 바인더를 혼합하여 사용할 수 있다. 상기와 같은 탄소질물질을 불활성 가스 중에서 400℃∼1000℃, 1∼3시간 열처리하여 탄화물을 수득할 수 있다.
(활성화 처리 공정)
활성화 처리 공정은 탄소질물질의 표면에 세공을 형성하여 비표면적과 기공용적을 크게 하는 공정이다.
본 공정에서 사용하는 탄소질물질의 탄화물은 활성화하는 방법으로서는 가스 활성화법과 화학적 활성화법을 들 수 있다. 가스 활성화법이란 탄화물을 소정의 온도까지 가열한 후, 활성화 가스를 공급함으로써 활성화 처리를 행하는 방법이다. 주된 활성화 가스로는 수증기, 이산화탄소, 산소 및 이들의 혼합 가스를 사용할 수 있다.
이러한 탄화물의 가스 활성화 과정은 2단계로 진행되는 것으로 알려져 있으며, 제1단계 가열 과정에서는 탄화물의 미조직화 부분이 선택적으로 분해 소비되고, 탄소 구조내(탄소결정체간)에 닫혀 있는 미세한 공극이 개방되어 내부 표면적이 급속히 증가한다. 제2단계의 가스화 반응 과정에서는 탄화물을 구성하는 탄소 결정체 또는 미세한 공극부분을 구성하는 탄소가 반응 소모되어 탄소구조에 따라 큰 공극이 복잡하게 조직적으로 형성된다. 이 공극의 형성과정은 가스화 반응의 탄소소모와 밀접한 관계가 있고 반응소모율이 50% 이하인 경우 미세기공이 주체인 활성탄이 얻어지고 반응 소모율이 75%를 넘으면 마크로 기공이 증가한다. 그 중간의 반응의 반응 소모율에서는 마이크로 기공, 메조 기공 및 마크로 기공이 분포된 공극을 얻을 수 있으므로, 이러한 제2단계에서의 시간과 온도 등 반응조건을 조절함으로써 원하는 기공 크기와 분포를 갖는 활성탄을 제조하는 것이 가능하다.
즉, 본 발명에서는 마이크로 기공(2nm 미만)에서부터 메조 기공(2nm 내지 30 nm)까지 기공의 크기 분포가 넓은 활성탄을 제조하기 위하여, 먼저 소정의 온도로 가열한 후 수증기를 활성화 물질로 사용하여 800℃ 내지 1000℃에서 5 내지 10시간 동안 활성화 단계를 실시하여 마이크로 기공을 주로 형성시킨다.
다음으로, CO2 가스 또는 CO2와 불활성 가스의 혼합물을 활성화 물질로 사용하여, 800℃ 내지 1000℃에서 5 내지 10시간 동안 활성화 단계를 실시하여 메조기공을 형성시킨다. 여기서, 활성탄에 형성된 마이크로 기공과 메조 기공의 형성 비율은 상기 활성화 단계의 조건들을 변화시킴으로써 조절할 수 있음은 자명하다.
한편, 화학적 활성화법이란 탄소질물질과 수산화칼륨, 탄산나트륨, 수산화나트륨 등과 같은 활성화제를 혼합한 후, 가스 활성화법 보다는 낮은 온도로 가열함으로써 활성화 처리를 수행하는 방법이다. 본 발명에서 활성화 방법은 특별히 한정하지 않지만 가스 활성화법을 이용하는 경우로 한정하여 이후 단계를 설명하기로 한다.
(염기성 관능기 부여 공정)
활성화 처리 공정을 통하여 탄소질물질의 표면과 내부에 무수한 세공이 형성된 활성탄에 염기성 관능기를 부여하는 공정은, 활성탄과 염기성 물질을 접촉시켜서 염기성 관능기를 부여하는 공정이며, 본 공정에 의해 활성탄의 염기성 관능기량을 증대시킬 수 있다.
본 공정에서의 염기성 관능기의 구체적인 예로서는, 에테르, 이민, 설파이드, 아마이드, 에스터, 설폰아미드, 아미딘, 카바메이트, 아이소우레아 등이고, 특히 에테르, 이민, 설파이드 및 설폰이 바람직하고, 상기와 같은 관능기를 부여할 수 있는 염기성 물질이라면 특별히 제한하지 않는다. 또한 담지나 스프레이 방식 등 공지된 방법을 사용하여 염기성 관능기를 부여할 수 있으므로 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
(산성 관능기 부여 공정)
활성화 처리 공정을 통하여 탄소질물질의 표면과 내부에 무수한 세공이 형성된 활성탄에 산성 관능기를 부여하는 공정은, 활성탄과 산성 물질을 접촉시켜서 산성 관능기를 부여하는 공정이며, 본 공정에 의해 활성탄의 산성 관능기량을 증대시킬 수 있다.
본 공정에서의 산성 관능기의 구체적인 예로서는, 카르복실산, 술폰산, 인산, 모노카르복실산, 옥살산, 타르타르산, 말산, 올레산, p-톨루엔술폰산, 설핀산 등이고, 특히 카르복실산, 술폰산 및 인산이 바람직하고, 상기와 같은 관능기를 부여할 수 있는 산성 물질이라면 특별히 제한하지 않는다.
또한 담지나 스프레이 방식 등 공지된 방법을 사용하여 산성 관능기를 부여할 수 있으므로 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
(양이온 관능기 부여 공정)
활성화 처리 공정을 통하여 탄소질물질의 표면과 내부에 무수한 세공이 형성된 활성탄에 염기성 관능기를 부여하는 공정은, 활성탄과 양이온 물질을 접촉시켜서 양이온 관능기를 부여하는 공정이며, 본 공정에 의해 활성탄의 양이온 관능기량을 증대시킬 수 있다.
본 공정에서의 양이온 관능기의 구체적인 예로서는, 에폭사이드, 이소티오시아네이트, 아실 할로, 할로겐 및 안하이드라이드이 바람직하고, 상기와 같은 관능기를 부여할 수 있는 양이온 물질이라면 특별히 제한하지 않는다.
또한 담지나 스프레이 방식 등 공지된 방법을 사용하여 양이온 관능기를 부여할 수 있으므로 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
(물세정 공정)
상기 염기성 관능기 부여공정, 산성 관능기 부여공정 또는 양이온 관능기 부여공정 후, 얻어진 활성탄에 잔류하는 염기성 물질, 산성 물질 또는 양이온 물질을 물로 세정하는 공정을 더 포함해도 좋다.
본 공정에서 사용하는 물의 온도는 특별히 한정되지 않지만, 증발에 의한 물의 손실을 고려하여 30℃ 이상 95℃이하인 것이 바람직하다.
(분쇄 공정)
분쇄 공정에서는 활성탄을 소망의 크기(예를 들면, 평균 입자지름 1㎛∼20㎛ 정도)로 조제하는 공정이다. 분쇄 공정은 후술할 가열 처리 공정 후에 실시하여도 무방하고, 분쇄 방법은 특별히 한정되는 것은 아니다. 일 예로서, 볼밀, 디스크밀, 비즈밀, 제트밀 등을 이용하여 수행할 수 있고, 비교적 사용이 편리한 볼밀이 바람직하다. 또한 필요에 따라 스테인레스 메쉬나 사이클론형 분급 장치 등을 사용하여 분급을 수행할 수도 있다.
다음으로는 첨부된 도 1 및 2를 참조하면서, 상기와 같은 활성탄을 사용하여 마이크로시스틴과 이취미물질인 2-MIB, 지오스민을 제거하는 정수처리시스템에 관하여 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로시스틴 및 이취미물질 제거용 활성탄을 이용한 정수처리시스템의 구성도이고, 도 2는 흐름도이다.
본 발명의 마이크로시스틴 및 이취미물질 제거용 활성탄을 이용한 정수처리시스템은 상기 활성탄을 저류조에 준비하는 단계, 유입원수의 이취미물질과 마이크로시스틴 농도를 측정하는 단계, 측정값에 따라 활성탄을 반응조에 주입하는 단계, 활성탄이 주입된 혼합물을 교반하는 단계, 혼합물과 응집제를 혼화응집시키는 단계, 혼화응집된 혼합물을 침전시키는 단계, 분리막으로 여과하면서 소정간격으로 역세척을 실시하는 단계, 필요에 따라 분리막 역세척수를 순환시키는 단계를 포함하여 이루어진다.
먼저 활성탄을 활성탄 저류조에 준비하는 단계이다. 전술한 바와 같이, 활성탄은 (a) 비표면적이 적어도 800 ㎡/g이상, (b) 기공 직경이 0.4㎚ 내지 30㎚인 이하, (c) 활성탄의 표면 또는 기공 내부의 산성 관능기, 염기성 관능기 또는 양이온 관능기, (d) 기공 용적이 0.8㎤/g이상 및 (e) 총 기공 용적에서 2.0㎚이하의 기공 직경이 차지하는 용적 비율이 20% 내지 80%를 모주 만족하는 활성탄으로, 마이크로시스틴과 이취미물질을 동시에 흡착할 수 있는 특성을 가지고 있는 활성탄이다.
상기 활성탄을 보관하는 저류조는 특별히 제한하지 않으나, 공기 중의 오염물질을 흡착하지 않도록 덮개 등을 구비한 밀폐 용기인 것이 바람직하다.
상기 활성탄 저류단계와는 별도로 또는 동시에 정화 대상 원수에 포함된 이취미물질과 마이크로시스틴 농도를 측정한다.
상기 이취미물질과 마이크로시스틴 농도 측정방법은 특별히 제한하지 않으며 공지된 기술을 사용할 수 있다.
측정한 마이크로시스틴 농도 및/또는 이취미물질 농도 측정값이 소정범위 이상에 해당되면, 상기 물질들을 흡착 제거할 수 있도록 활성탄을 반응조에 주입한다.
상기와 같이 원수에 포함된 이취미물질과 마이크로시스틴 농도에 근거하여, 상기 물질들을 동시에 흡착할 수 있는 활성탄의 주입여부와 주입율을 결정함으로써 활성탄의 활용가치를 극대화시킬 수 있다는 장점이 있다. 또한 각 활성탄의 주입농도는 마이크로시스틴과 이취미물질의 유입 농도에 따라 달리 설정할 수 있음은 자명하다.
상기와 같이 반응조에 활성탄을 주입하여 얻어진 혼합물은, 마이크로시스틴 및 이취미물질이 활성탄의 미세기공들과 표면에 흡착될 수 있도록 소정의 강도로 교반시킨다.
한편, 활성탄의 흡착효과에 의하여 마이크로시스틴 및 이취미물질이 소정 농도 이하로 감소된 상태이나, 활성탄 표면이나 기공에는 마이크로시스틴 및 이취미물질이 흡착되어 있어 이들 활성탄을 외부로 신속하게 배출할 필요가 있다. 그러나 활성탄은 비중이 가벼워 잘 가라않지 않으며, 따라서 혼합물로부터 이들 활성탄을 분리하기 위하여 응집제를 주입하여 혼화응집시키는 단계를 더 실시하는 것이 바람직하다.
응집제를 주입하여 혼화응집시키면 대부분의 활성탄은 응집제와 함께 큰 플럭을 형성하여 침전하고, 침전된 활성탄과 응집제 플럭은 일정 간격으로 외부로 배출시킨다.
여기서, 응집제는 동 기술분야에서 사용되는 응집제라면 특별히 제한하지 않으며, 또한 응집 및 침전 기술은 공지의 기술에 해당되므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.
한편, 분리막 공정은 뛰어난 고액분리능력과 운전이 간편하여 수처리분야에 도입이 크게 증가하고 있는 상황이다. 본 발명에서는 활성탄 흡착, 응집 및 침전단계에서 제거되지 않은 소량의 마이크로시스틴이나, 마이크로시스틴 및/또는 이취미물질이 흡착된 활성탄을 제거하기 위하여 분리막 여과단계를 더 포함할 수 있다.
여기서, 분리막은 수 나노미터에서 수 마이크로미터의 기공크기를 갖는 정밀여과막 또는 한외여과막을 사용하는 것이 바람직하다.
분리막은 상기와 같은 뛰어난 장점들을 가지고 있으나, 여과시간 또는 여과수량이 증가함에 따라 막의 투과성능이 저하되는, 소위 파울링(Fouling)이 발생한다는 것은 가장 큰 단점으로 지적되고 있다. 이러한 파울링을 억제하기 위하여 여과시간이나 여과수량을 고려하여, 물리적 세척방법인 역세척을 소정 간격으로 실시하여 막의 투과성능을 회복시키고 있으며, 역세척수에는 분리막의 표면이나 세공이 부착되어 있던 물질들이 포함되어 있다. 본 발명에서는 응집 침전단계에서 분리되지 못한 활성탄이 포함된 역세척수를 반응조로 순환시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기의 순환단계에 관하여 좀 더 구체적으로 설명하면, 유입원수에 포함되어 있는 이취미물질은 소정 농도 이상이나 마이크로시스틴은 소정 농도 이하에 해당되는 경우, 역세척수를 반응조로 순환시켜 활성탄을 재이용할 수 있다.
소정 강도로 교반함으로써 이취미물질이 활성탄에 흡착되지만, 활성탄의 일부 세공이나 표면은 여전히 흡착능을 가질 수 있고, 또 역세척수는 농축 등의 과정을 통하여 별도로 처분하여야 하는 번거로움이 있다. 따라서 본 발명에서는 사용한 활성탄의 흡착능력을 최대한 활용하고, 후속단계인 응집혼화 및 침전단계에서 역세척수를 함께 분리하여 역세척수의 처분 단계가 간소해지도록 역세척수를 순환시킬 수 있다.
여기서, 마이크로시스틴이 소정 농도 범위 이상으로 포함된 경우에는 역세척수의 순환을 자제하여야 한다. 역세척수의 순환과정에서 마이크로시스틴 세포가 파괴되거나 시간이 경과함에 따라 오히려 이취미물질을 배출할 가능성이 있기 때문이다.
분리막 여과단계 이후에는 정수처리공정의 일반적인 살균단계를 거쳐 소비자에게 공급할 수 있고, 오존산화와 같은 고도산화공정을 더 실시할 수 도 있다.
2-MIB, 지오스민, 마이크로시스틴에 대한 활성탄의 흡착능력 결과는 아래와 같다.
(실시예 1)
탄소질물질로서 목재를 사용하여 질소 분위기 중에서 500℃에서 2시간 열처리하여 탄화 공정을 수행하였다. 활성화 단계에서는 활성화 가스로 수증기를 사용하여 900℃에서 2시간 열처리한 후, 다시 이산화탄소와 질소가스 혼합물을 활성화 가스로 사용하여 900℃에서 2시간 열처리하여 활성탄을 제조하였다.
이때 얻어진 활성탄은 기공의 직경이 0.45~29 nm, 기공용적 1.35 ㎤/g, 비표면적(BET법) 1205㎡/g 그리고 2.0㎚이하의 기공 직경이 차지하는 용적 비율이 46%였다.
또한 표준 물질을 사용하여 마이크로시스틴 50ppb, 2-MIB 및 지오스민 100ppt가 포함되도록 시료를 준비한 후에 얻어진 활성탄을 주입하였다.
이 때, 활성탄의 주입율은 0.1g/L, 교반강도 30rpm으로 10분간 교반하였다.
(실시예 2)
얻어진 활성탄에 카르복실산 관능기를 부가한 것 외에는 실시예 1과 동일한 조건에서 실험하였다.
(실시예 3)
얻어진 활성탄에 에테르 관능기를 부가한 것 외에는 실시예 1과 동일한 조건에서 실험하였다.
(실시예 4)
얻어진 활성탄에 에폭사이드 관능기를 부가한 것 외에는 실시예 1과 동일한 조건에서 실험하였다.
(비교예 1)
활성탄을 기공 크기 0.2㎚ 내지 11.8㎚, 기공용적이 1.55㎤/g, 비표면적이 1380㎡/g, 2.0㎚이하의 기공 직경이 차지하는 용적 비율이 86%로 제조한 것 외에는 실시예 1과 동일한 조건에서 실험하였다.
(비교예 2)
활성탄을 기공크기 0.9㎚ 내지 38㎚, 기공용적 1.12㎤/g, 비표면적1020㎡/g, 2.0㎚이하의 기공 직경이 차지하는 용적 비율이 13%로 제조한 것 외에는 실시예 1과 동일한 조건에서 실험하였다.
하기 표 1에 나타낸 바와 같이, 실시예 1의 경우 마이크로시스틴, 2-MIB 및 지오스민은 86.5% 내지 87.9% 제거되었다. 또한 산성 관능기, 염기성 관능기 또는 양이온 관능기를 부여한 실시예 2 내지 4에서는 3 종류의 대상물질 모두 90.6%에서 93.2%로 활성탄에 관능기를 부여함으로써 이들 물질의 제거율이 상승하는 것으로 조사되었다.
반면, 2.0㎚이하의 기공 직경의 용적비율이 높은 비교예 1에서는 2-MIB와 지오스민은 87.1%~88.3%로 비교적 높은 제거율이 얻어진 반면, 마이크로시스틴은 36.6%에 불과하였고, 2.㎚이하의 기공 직경의 용적비율이 낮은 비교예 2에서는 마이크로시스틴은 88.9%로 제거율이 높은 반면 2-MIB와 지오스민은 제거율이 낮은 것을 알 수 있다.
| 마이크로시스틴 | 2-MIB | 지오스민 | |
| 실시예 1 | 87.6% | 86.5% | 87.9% |
| 실시예 2 | 92.5% | 93.2% | 92.8% |
| 실시예 3 | 91.2% | 92.2% | 90.6% |
| 실시예 4 | 92.1% | 91.6% | 92.8% |
| 비교예 1 | 36.6% | 87.1% | 88.3% |
| 비교예 2 | 88.9% | 31.3% | 28.7% |
이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것은 아니며, 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연하다.
Claims (10)
- 마이크로시스틴 및 이취미물질 제거용 활성탄을 활성탄 저류조에 준비하는 단계;
유입원수의 이취미물질과 마이크로시스틴 농도를 측정하는 단계;
상기 유입원수를 반응조로 공급하면서, 측정한 마이크로시스틴 농도 및 이취미물질 농도 측정값이 소정범위 이상이면 상기 활성탄을 반응조에 주입하는 단계;
상기 활성탄이 주입된 혼합물을 소정 강도로 교반하는 단계;
혼합물과 응집제를 혼화응집조로 공급하여 혼화응집시키는 단계;
혼화응집된 혼합물을 침전시키는 단계; 및
침전단계 이후에 소정 시간 또는 소정 여과수량 간격으로 역세척을 실시하면서 분리막으로 여과하는 단계를 포함하되,
상기 농도 측정단계에서 측정한 이취미물질 농도가 소정범위 이상이고, 측정한 마이크로시스틴 농도가 소정범위 이하인 경우에는, 상기 분리막 여과단계에서 발생하는 역세척수를 상기 반응조로 순환시키는 단계를 더 포함하고,
상기 활성탄은 (a) 비표면적이 적어도 800 ㎡/g이상, (b) 기공 직경이 0.4㎚ 내지 30㎚, (c) 활성탄의 표면 또는 기공 내부의 카르복실산, 술폰산 및 인산으로부터 선택되는 1종 이상인 산성 관능기, 이민으로 이루어진 염기성 관능기, 또는 에폭사이드, 이소티오시아네이트, 아실 할로 및 할로겐으로부터 선택되는 1종 이상인 양이온 관능기, (d) 기공 용적이 1.2㎤/g 내지 1.4㎤/g 및 (e) 총 기공 용적에서 2.0㎚이하의 기공 직경이 차지하는 용적 비율이 40% 내지 60%를 모두 만족하는 것을 특징으로 하는 마이크로시스틴 및 이취미물질 제거용 활성탄을 이용한 정수처리시스템.
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- 삭제
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- 제1항에 있어서,
상기 분리막은 한외여과막 또는 정밀여과막인 것을 특징으로 하는 마이크로시스틴 및 이취미물질 제거용 활성탄을 이용한 정수처리시스템.
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- 제1항 또는 제5항에 있어서,
상기 이취미물질은 2-MIB 및 지오스민인 것을 특징으로 하는 마이크로시스틴 및 이취미물질 제거용 활성탄을 이용한 정수처리시스템.
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