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오존 살균기
 대명하이테크    | 2005·07·25 15:02 | HIT : 2,057 | VOTE : 304 |



1. 서언



  최근  식품공장.단체급식장.농축수산분야.의료분야 등에서는   외국에서 활용 되고있는 살균기술을

도입하여 적용하고있는데, 그 중에서도 자외선과 오존을 병용한   광산화법은 효과와 비용 면에서 좋

은 반응을 얻고있다.

그러나  자외선과 오존에 대한 국내자료 및 전문지식이 부족하여   충분한 이해없이 사용되고있는 것

이 현실이다.  심지어 오존층파괴,오존주의보등 일상적으로 사용되는   용어로 인하여 오존의 유무해

에 대해 정확히 알고있는 사람조차 없는 실정이다.     자외선과 오존은 분명 두 얼굴(유익.유해)을 가

지고 있는데 결론적으로 말하면 농도의 차이와  활용방법에 따라 유익할 수도있고   암적인 존재가될

수도있는 것이다.  독도 적절히 활용하여야만 약이되듯이,  세균을 죽이고 유해가스를 분해할 정도로

강력한 자외선과 오존을 유익하게 활용하기 위하여는 정확한 이해와 주의가 필요하다.  



2.. 자외선(紫外線.Ultra Violet)



빛은 파장이   짧은 순서에 따라 우주선, 감마선, x-선, 자외선, 가시광선,적외선, 마이크로파,라이오

파로 분류되는데, 이중 100-400nm(1nm=10억분의1m)사이의 파장을 자외선이라고 한다.  

  

국제조명위원회(CIE)와 국제전기표준회의(IEC)가 정한 파장별 명칭은 아래와 같다.

              10nm - 60nm : 밀리칸선(X-선)

              60nm - 100nm : 라이만선(X-선)

             100nm - 200nm : 슈만선(진공자외선)

             200nm - 280nm : C-자외선(의료용)

             280nm - 315nm : B-자외선(의료용)

             315nm - 400nm : A-자외선(Black Light)

  

자외선은 태양광선중에 약 5% 정도 존재하며 여름철에는 지표면까지 도달하는 양이 많아진다. 여름

철 바닷가에서  피부노출을 삼가해야하는 이유는  자외선량이  최고로 많아지기 때문이다. 이중 파장

253.7nm 자외선의  살균력이 매우 강하여 살균선이라고도 불리는데  파장이  상대적으로 긴   UV-A,

UV-B에 비해 약 1,000-10,000배의 살균력이 있어 대장균 및 일반세균의 경우 6-10초이내에  살균된

다. 살균 자외선을 저압수은램프를 이용하여 인공적으로 발생시키는 장치가 자외선 살균기인 것이다.



3. 자외선의 효과와 독성



자외선은 살균을 비롯한 여러 용도에 유익하게 활용되지만 그 위험성도 무시할 수 없을 정도로 크다.

150-200nm 파장의 자외선은 음이온을 생성시켜  진통, 쾌면, 상쾌함, 피로회복 등 인체에 유익한 도

움을 준다.  특히 184.9nm 파장의 자외선은 대기 중에서 오존을 발생시켜 성층권에서의 오존층을 생

성시키거나 인공적으로 오존을 만드는데 이용된다. 또한 253.7nm 파장의 자외선은 미생물의 DNA를

파괴시키므로 살균력이 매우 강한데 100W의 강도를 가진   자외선을 1분간 쬐이면 대장균, 디프테리

아균, 이질균 등은 99%가 사멸한다.  그밖에 자외선의 광화학작용을 이용하여 염산,메칠렌청의 산화,

유화아연의 환원, 형광, 인쇄잉크경화, 시사프린터등에 사용되고 구루병 방지,곰팡이 검출, 광전작용,

보석류감정 등에 다양하게 이용된다.  그러나 UV-C의경우 매우 유해한 자외선으로서 성층권의 오존

층에서 대부분이 흡수되지만 오존층 파괴가 더욱 진행된다면   UV-C가 지표면까지 도달할 것으로 예

측하는 보고도 있다.

UV-B의 경우 오존층 파괴로 인하여 생태계 및 인체에 많은 피해를 주는데 그 영향을 살펴보면,

    

* 조사 수 시간 후,모세혈관이 확장되어 홍반이 생기고 표피세포가 변성된다.

* 피부암, 피부노화와 백내장을 일으킨다.

* 면역체와 비타민D의 합성에 악영향을 주어 인체면역기능이 저하된다.

* 피부종양에 대한 면역성과 저항력을 저하시켜 홍역, 수두, 헤르페스 및 기타 발진을 일으키는   바

   이러스성 질병  즉 말라리아, 라이시마니아  감염증과  같이 피부를 통해 감염되는 기생병 이나 나

   병과  같은 박테리아에 의한 질병,곰팡이에 의한 질병을 일으킨다.

* 해양의 먹이사슬을 파괴하고 육상생물의 돌연변이를 일으킨다.

* 농산물의 수확이 감소된다.

  

실제   미국 환경보호청은 성층권 오존이 1% 감소하면 0.3-0.6% 정도  백내장 환자가 증가하고  양성

흑색종이 45만건 이상,  악성흑색종이 1천건 이상 발병한다고 발표한 바 있다.  성층권의 오존은 자외

선과 반응하면서 소멸.생성되는 과정을 반복하면서 일정농도를 유지하며  유해한 자외선을  차단하여

주는데 인간이 인공적으로 만든 물질이 그 균형을 깨는 것이다. 냉장고나   에어컨의 냉매제 및 헤어스

프레이용분무제 등으로 쓰이는 CFC류에 의해 오존층이 파괴되는 것이다. CFC 감축에 대하여 국제적

인   합의가 이루어진 배경이다.

  

자외선은   근거리에서   직사할 경우에 많은 피해를 입으므로 살균 용도로 사용되는   자외선 제품은

사람이나 가축에게 직접 노출되어서는 안된다.    시중에 유통되는 자외선 살균기의 경우   램프를 감

싸거나 불투명한 유리제품으로 되어 직접적인 조사를 피하도록 만들어져 있다.  최근에는 센서를  부

착한 제품이 출시되기도하는데  자외선 살균기 제품을  구매할 경우에는  반드시 안전한 구조로 만들

어진 제품을  선택해야 한다. 또한 자외선은   조사거리20cm정도내에서 살균력이 유지되고 직사하는

부분중  일정거리에서만 살균이 되므로 사용시 유의하여야한다.   그러므로  흔히 사용하는 컵살균기

내의 컵도 바로 세워 놓아야하며 램프에 인접한 컵을 우선으로  사용하고 밑의 컵은 윗층으로 올려놓

아야한다.



  4. 오존(Ozone, O3)



오존은 "오존주의보", "오존층" 등의 용어를 통하여 이제는 낯익은  물질이지만 정확히 이해하고 있는

사람은 매우 드문 실정이다.  오존 (분자량 48, 비점 -112, 비중 1.67)은 산소로부터 생성되는 산소의

불안정한 동소체로서  산소원자 3개로 이루어져 있다.화학적으로 매우 불안정하여 외부의 약한 충격

에도 산소(O2)와 발생기산소(O)로 분리된다. 오존의 살균력은 바로 이  발생기산소의 산화력에 기인

한다. 즉 세사람이 양손을 잡고 원을 형성한 구조에 비유되는데 떨어져나간 발생기산소는 양손을 둘

데가없어 주변의 물질에 달라붙는 것이다.   오존은 오염물질에 의해 만들어지기도하지만  원래 자연

상태에서 생성된다.천둥치는 것과 같은  고전압의 전기가 방전될때,  해변이나 깊은 숲속과같은 조건

에서 식물이 광합성작용을할때 발생한다.    실제 청정지역인 울릉도에서 서울.부산등 대도시보다 오

존농도가 높게 나타난 적이 수차례있었던 이유이다.

  

상온에서는 기체인 물질로서   저농도일때는 무색이나 15%이상의 농도에서는 푸른색을 나타내며,특

유의 냄새를 느낄 수 있다(0.015ppm정도면 느낄 수있슴). 오존은 숲속, 해안, 고산 등의  자연대기 중

에는  약 0.01-0.03ppm 정도로 소량포함되어 있으나 인체의 관능으로는 감지되지 않고, 지구상 오존

의 90%이상은 지상 10-50km사이에 있는 성층권내의  오존층에 밀집해있다. 태양광의 자외선 복사에

의해 공기중의 산소가 오존으로 변환되었다가 환원되는 생성, 소멸과정이 반복된다.  



5. 오존의 효과와 독성



오존의 산화력은 2.07eV로서 불소와 OH-다음으로 강력하여 백금과 금을 제외한 모든 금속과 미생물

및 유기물질을 산화시킬 수 있다. 각종 세균의 세포벽과 원형질을 파괴하므로 염소보다 6-7배 정도의

강한 살균력을 지닌다.  박테리아는 물론 곰팡이.이끼.바이러스까지 10초내에 99.9%이상 죽여버리는

것으로 밝혀졌다.   최근에는 오존을 인위적으로 발생시키고 용해하는 기술이 발달하여   살균은 물론

폐수처리등 여러 분야에 활용되고 있다.  

  

오존을 인위적으로 발생시키는 방법으로는 자외선 Lamp방식, 무성방전방식 및 전기분해방식이 있는

데 돈사.주방과 같은 좁은 공간을 저농도로 꾸준히 살균시키기 위해서는 비용이적게 소요되고 구조가

간단한 Lamp방식을 채택한다.   Lamp방식은 발생오존가스 중에 독성이 강한 질소산화물(NOx)을 포

함하지 않을 뿐만 아니라 자외선과의 시너지효과를 기대할 수 있다(광산화법).   이때 Lamp는 살균력

과   에너지가  강한 단파장을  발생해야하므로 용융석영 Glass로 만들어진 저압수은램프를 사용하여

야 하는데 가격이  고가인 것이 단점으로 지적된다.        

  

대류권의 오존농도가 짙어지면 문제가 되는데 오존농도가 짙어지는 것은  자동차 배기가스 및 공장배

출가스등에 함유된 질소산화물.탄화수소류.휘발성 유기화합물(VOC)등이 태양빛과 반응해 만드는 오

존이 늘어난 탓이다.   특히 오존은 지상의 평균풍속이 초당 3.0m미만으로 바람이 약하고 최고기온이

25도이상으로 높으며 일사량이 많은 쾌청한 날씨가 지속될때 발생하기쉽다.  무더운 여름철 오후 2-5

시대에 오존주의보가 자주 발령되는 이유이다.  작년 한해에만 38회의  오존주의보가 발령되었는데 보

통 2시간 가량 지속되는발령시간중에는 노약자나 어린이  심장병환자들의 경우 활동을 피해야한다.정

상인도 과격한 운동은 삼가야할 것이다.

  

                                 ★★★   오존이 인체에 끼치는 영향  ★★★

       농 도 (ppm)
         노 출 시 간
                          영           향

   0.05 - 0.1
     즉    시
    불쾌한 냄새

   0.05 - 0.3
    30분-6시간
    운동신경기능저하.학습능력 감소

   0.08 - 0.4
        3-4시간
    호흡기 감염에 잘    걸림

   0.1  - 0.3
           1시간
    호흡기자극증상증가.호흡기질환악화

   0.1  - 1.0
           1시간
    기도저항증가

   0.1  - 1.0
           2주일
    냄새느끼고 두통.시력장애

   0.25- 0.75
           2시간
    운동등 폐기능 감소

   0.6 -  0.8
           2시간
    흉통.기침.기도자극

   0.94
    1시간30분
    기침.숨참

   0.1 이하

    ILO에서 정한 작업장 기준




오존은 분명 두 얼굴을 가진 물질이다. 살균을 비롯한 여러 용도에 유익하게 활용되고 성층권에서 자

외선을 차단시켜줌으로써 지구를 보호하는 중요한 역할을 하지만, 그 독성이 강하여 적절히 사용하지

않는다면 그 피해가 매우 큰 것으로 보고되고 있다.



오존은  1886년에 오염된 물을 살균하기 위하여 처음 이용된 후로 관련 기술의 진보로 인하여 용.하수

의 살균은물론 폐수의 고도처리에까지 이용되고 있으며 탈취, 탈미,제철, 제망간 및 발암물질인 THM

생성억제, 표면활성화, 산화촉매, 난분해성 유기물질분해, 응집침전의 효율증대,  생물학적 활성도의

증대 등의 다양한 용도로 활용되고 있다.  특히 소독에서 DBP(Disinfection By Products)  제어를 위

한 적용과 생물학적 처리 또는 미생물 성장 잠재력을 최소화하기 위해 많이 적용되고 있다. 또한 염소

보다  6배 이상의 강한 살균력으로  세균의 세포막에 존재하는   효소를  산화시켜 세포막을 파괴하고

DNA를 손상시키며,   중금속, 유해 유기물,잔류농약 등을 분해한다.   염소에 비해 유해한 반응잔류물

(THM)을 남기지 않아 2차 처리가 필요 없는 장점이 있다.



그러나 지표 부근에서는 자동차, 공장, 빌딩 등의 배기가스에 포함된 질소산화물(NOX),황산화물(SOX),

탄화수소(HC), 일산화탄소(CO)등이 태양광선(자외선)과  광화학반응을 일으켜 광화학스모그의 주요

생성물질인 광산화물(Oxidant)의 일종인 오존, 푄(PAN)등을 발생시킨다. 이때 발생된 오존의 농도가

0.12ppm일 때 오존주의보, 0.3ppm일 때 오존경보,  0.5ppm 이상일 때 오존 중대경보가  내려지는데

오존주의보 발령 수준에서 1시간이상 노출되면 호홉기와 눈에 자극을 주고 통증을 느낀다. 실제 오존

주의보가 내려지는 상황이 계속되면    평균사망자수가 7% 증가하고  호흡기질환자의 사망률은 무려

12% 나 높아지는 무서운 환경공해 후유증을 유발한다.   95년 오존경보제가 도입된이래 지금까지 47

일에 93회가 서울을 비롯한 수도권 일대에 내려졌는데 매년 3-4배 정도씩 증가추세에 있다. 국내경기

회복과 중국경제의 활성화가 이어질 경우 증가추세는 가속화될 것이다. 대기 중의 오존 농도가 높다는

것은 광화학스모그와 관계되는 오염물질들(NOx, SOx,CO, HC...)의  오염도가 높다는 것을 의미하며

특히 태양광선이 있는 낮에 대기중의 오존농도가 증가된다.

  

오존은 산화력이 강한 기체로 눈을 자극하고 시각 장애와 폐기능을 저하시켜 폐수종과 폐충혈, 폐섬유

화증을 발생시킬 수 있으며 만성 중독 시에는 체내 효소계를 교란시켜 DNA, RNA에 작용하여 유전 인

자에 변화를 주기도 한다. 장기적으로 조기노화현상과 폐암을 유발한다는 보고도 있다.미국 버클리 대

학의 분자 및 세포물리학과의 젠스티엘 교수팀이  미국 태양차단학회에 보고한 바에 따르면 오존 농도

가 높아지면 표피의 비타민E 함량이 줄어들어 가려움증, 염증등 각종 피부병과 함계 피부노화가 촉진

되고 고농도 오존에 2시간 이상 노출될 경우 표피의 비타민E농도는 25% 감소하고 6일 후에는 75%나

손실된다고 한다.이보다 낮은 농도라도 장기간 노출되면 항산화기능을 가진 비타민E가 고갈될 수있으

며 이 경우 지방세포가 파괴되거나 산화되어 피부병과 피부노화가 유발된다고 한다. 이처럼 독성이 강

한   오존을 살균, 악취제거 등의 유익한 용도로 활용하기 위해서는 오존에 대한 정확한 이해와 조치가

필요하다.



일부  판매업체와 소비자는 오존의 농도가 높을수록 무조건 좋은 효과를 얻을 것이

라고 생각하는 경우가 있다.    최대한 안전한 상태에서 최상의 효과를 얻기 위해서

는 사람이 없는 시간에 집중적으로 살균하는 것이 필수적이다.



6. 광산화법(자외선+오존)의 원리와 살균효과



오존은 THM 생성억제, 맛, 응집침전 개선효과 및 생물학적 활성도 증대효과 등의 잇점과 강한 산화력

을 갖고 있으나,   실제 오존은 대다수 유기물과의 반응이 느리거나(맛,냄새,유발물질인 geosmin, MIB

와   THM과 같은 포화탄화수소,농약등) 어떤 유기물과는 전혀 반응을 하지 않는 등 유기물과의 반응이

매우  선택적인 것이 결점으로 지적되면서 새로운 공정을 개발하게 되었는데, 이것이 바로 고급산화법

즉 AOP(Advanced Oxidation process)이다.



AOP란 인위적으로 오존의 분해를 유발시키거나 광분해 등과 같은 방법으로 반응성이 높은 중간 생성

물인 OH라디칼을 생성시켜 유기물질을 산화분해시키는 보다 진보된 기술을 말한다. 그 종류로는 크게

High pH/O3, H2O2/O3, UV/O3, H2O2/UV의  4가지로 분류되며 이들 AOP공정의 공통점은 직접 주입

한 산화제로부터 처리 효과를 기대하기 보다는 중간 물질로 생성된 OH라디칼에 의존한 방법이며, 최종

목표는 OH라디칼의 생성농도를 극대화하는 것이다.     AOP공정은 기존의 산화제인 염소, 이산화염소,

과망간산칼륨  보다 훨씬 강한산화력을 가지고 있을 뿐만 아니라 오존만 단독으로 사용했을 경우 보다

경제적, 효율적으로 효과가 배가되는 장점을 가지고 있다.



자외선과 오존을 병행하여 이용한 고급산화법(UV/O3 AOP)을 광산화법이라고 하는데,  이 광산화법은

오존이 자외선 에너지에 의해 광분해되는 초기반응 단계에서 과산화수소가 중간 물질로 생성되고 여러

경로를 거쳐 OH radical 생성하게 된다. 이 OH radical이 자외선과 오존의 살균력을 100배이상 증대시

키는 것이다.   이렇게 광산화법은 오존의 광분해로 과산화수소를 직접 생산하며 오존 외에 자외선에 의

해서도 유기물질을 직접 제거할 수 있다.  즉, 광산화법에 의한 유기물질의 제거반응은 오존과 직접적으

로 반응하여 제거되는 경로, OH라디칼에 의해 제거되는 경로,자외선에 의해 광분해되는 경로로 구분되

어 오존을 단독으로 사용했을 경우보다  월등한(10-104배 이상)  상승작용효과(synergy effect)를 얻을

수 있다.   특히 광산화과정에서 생성되는 OH라디칼은 불소(F) 다음으로 높은 산화환원전위를 가지고있

어 높은 산화력을 갖고 있으므로  자외선과 오존에 의한  광산화법은 높은 살균효과는 물론 각종 유기물,

유해물질의 분해, 악취제거 및 각종 수처리공정 등에도 매우 효과적으로 적용될 수 있는 공정이다.



자외선을 이용한 광산화법은 살균 분야에 가장 먼저 응용되었는데 1940년대 미국의 GE사에서 실용장치

를 개발하였으나 실용화되지는 못하였고 1970년대에 들어서야 일본의 "도레이"사가 이의 실용화에 성공

한 것으로 알려져있다. 이후 일본의 교토대학, 미쓰비시 전기, 공업시험장, 미국의 환경보전국, 켈리포니

아 수도국 등에서 광산화법을 응용하였고 1986년 암스테르담회의, 1989년 베를린회의를 거쳐 AOP방식

을 국제적으로 인정하기에 이르렀다. 최근에는 일본의 SEN LIGHT사가 공기 중 살균장치인 "UV바이오클

린"을 개발하여 AOP방식의 대중화를 이루었는데 실제 오존의 특성상 공기중 효과가 매우 뛰어나 다용도

로 널리 활용되고 있다.   국내에도 일부 제품이 수입된 적이 있으나 가격이 고가여서 대중화되지 못하였

고 최근에는 PURIZONE이 이를 국산화하여 저가로 공급하고 있다.



7. 이롭게 쓰는 지혜



이상과 같이 자외선과 오존은 분명 두가지 얼굴을 하고있기때문에 적절히 활용할 수만 있다면 보다 효과

적이고 경제적인 방법인 것이다.  강한 자외선에 직접 노출되지않고 한정된 용도로만 활용한다면 크게 도

움이 될 것이며  특히 오존은 공기중에 퍼지면서 세제곱에 반비례하여 농도가 낮아진다. 고농도로 신체에

접촉할 때 즉 오존발생장치 앞에 코를 대거나 환기가 잘 안되는 곳에 장시간 오존발생장치를 작동하는 것

등만 주의하면 문제가 없을것이다.  또한 신체에 접촉하는 오존의 농도를 줄이는 길은 일상생활속에서 찾

을 수있다.   자가용운행자제.공회전최소화.에어컨사용줄이기.타이어의 적정공기압유지.아침저녁에 기름

넣기 등이 필요하다 낮시간에 헤어스프레이를 사용하거나 유성페인트칠을하는 것도 자제해야할 것이다.

성층권의  오존농도를 감소시키지 않으려면 프레온가스 대체물질 사용을 권장하여야한다. 오존이 인류에

게 어떤 존재가 될지는 전적으로 인류의 손에 달려있다.


자외선과 광촉매의 응용 (요약)


*. 작성자 : 퓨리존 대표이사 주재순                

*. 기술적인 know-how에 관한 사항은 **로 표시한 점 양해 바랍니다.



1. 개 요



각종 생산현장에서 발생하는 VOC를 가장 경제적이고 효과적인으로 방법으로 제거하기 위하여  첨단나

노소재인 산화티타늄과 강력한 자외선을 응용하여야하는데 응용방법을 도외시한채 실험실효과 만으로

적용하는 사례가 많다.  분명 광촉매 소재는 효과가 뛰어난  첨단소재이나 이를 현실에 적용하기 위하여

는 정확한 응용방법을 알아야한다.



2. 제품적용을 위한 기본조건



    (1)  광촉매로서 이산화티타늄 사용

      (2)  오존이 발생하지 않는 범위에서의 가장 강력한 자외선파장

      (3)  이산화티타늄의 최대함량. 적정입자크기.분체량.소성온도 등 고려

      (4)  효율적인 UV LAMP배열 5. 풍량에 따른 접촉자외선량 설치



3. 응용원리



      (1) 광촉매(Photocatalyst)



             가. 광촉매란 간단히 설명하면 광반응을 가속시키는 촉매로 사용되는 세라믹물질을 말함.

             나. 광촉매의 분류

                       *.균일계광촉매 :분자상태로 용액중에 존재함

                       * 불균일계광촉매 : 반도체 물질로서 매질에 입자상 으로 존재함

             다. 광촉매 물질 : TiO₂, ZnO, CdS 등

             라. 광촉매의 조건

                *.   반응에 직접 참여하여 소모되지 않아야하고,   기존의 반응과정에  다른 메카니즘 경로를

                      제공하여   반응속도를 가속시키는 역할만하여야한다.    또한 계면 전자전이의 열역학적

                      가능성이 있어 한 다.  

                     :띠간격이 크면  정공과 전자의 산화환원반응에 대한 구동력이 커지나 높은에너지의 광자

                      가 요구되므로  태양광을 효율적으로 이용할 수없고, 띠간격이 작으면  태양광을 많이 흡

                      수할 수있으나 산화환원반응에 대한 구동력이 떨어짐

                *.   화학적.광화학적 안정성이 있어야한다 :  산.염기에 대한 화학적 안정성은 물론이고 광화

                      학적으로  부식되지 않아야한다. (반도체 격자내에 생성된  정공과 전자가 격자를 이루는

                      양 이온이나 음이온과 결합하여 반도체를 광화학적으로 부식시킴)



       (2)  광촉매의 원리



               가. 개요 : 촉매에   빛을 조사하면 촉매가 빛에너지를 받아 촉매내부에서 전자들의 이동이 일

                    어나고 이동된 전자들이 강력한   화학작용(산화.환원)을 일으킨다. 이때 전자들의 강력한

                    화학작용은 오염된 물질을 산화시켜 무해한 물질로 변화를 주는 과정

          

               나. 반응과정

                 *. 분자궤도이론 (molecular orbital theory)에 의하면     분자궤도는    원자궤도(atomic

                     orbitals)들의 선형결합에 의해 표현될수있으며 구성원자의 수가 증가할수록 분자궤도간

                     의 에너지 차이가 줄어든다

                *. 고체의 경우   구성원자수가 무수히 많으므로 분자궤도간의 에너지차이는 무시할 만큼 작

                     아져서 결국  연속적인 에너지 띠(band)를 형성한다. 이렇게 형성된 띠와 띠 사이에는 전

                     자가 점유할 수 없는 금지된 에너지 띠간격(band gap,Eg)이 존재한다.

                 *. 반도체에 빛이 조사될 경우 그 반도체의 띠간격 이상의 에너지를 갖는 광자(hv≥Eg)가 흡

                     수되어  공유띠에서 전자띠로  전자여기(electron excitation)를    일으키고 이때 공유띠

                     에는 정공(hole)이  전도띠에는 전자가 생성되는데 이를 전자-정공쌍 생성(electron hole

                     pair  generation)이라고 한다.  이렇게 생성된 전자-정공쌍이 전류의 생산이나 광화학반

                     응을 유도한다.

                      (참고)

                             *.전도띠(conduction band,CB) :전자에 의해 점유되지 않은 가장 낮은 에너지의 띠

                             *.공유띠(valence band,VB) : 전자에 의해 점유된 가장 높은 에너지의 띠

                             *.띠간격에너지 : 공유띠 가장자리와 전도띠 가장자리간의 차이



   (3) 광촉매의 응용

          

         대기정화 ( 자동차배기가스.VOC)/ 가전기기 (공기청정기.에어콘)/도로설비( 터널조명기구.도로

        표지판.방음벽.가드레일.반사경) /주택설비 ( 주방욕실자재.타일.항균벽지.바닥 재.유리) /소비재

         ( 위생도기.조리기구.의료기구)/폐수처리 (하수.지하수.염료페수.침출수) /해양오염방지. 음용수

        정화



4. 이산화티타늄(TiO₂)과 UV의 응용



      (1) 광촉매로서의 TiO₂선택



             가.  이산화티타늄의 장점 : 화학적,광학적으로 안정 / 인체무해/ 광활성우수/ 가격저렴

             나.  반응원리

                       *. 산화티타늄은   n형 반도체로서 자외선을 조사하여 주면 전자.정공대가 형성되어 강

                           한 산화력을  가진   하이드록시 래디칼(OH)과  O₂-를 생성한다.     이 산화력이 유

                           기물을 CO₂와 H₂O로 분 해시켜 수중이나 공기중의 오염물질을 제거.살균.부패방

                           지.탈취등의 용도로 사용된다.( 공기 청정기.에어컨.주방기기.폐수처리등)

                       *. 산화티타늄은  표면이     옥소콤파운드 (Oxo Compound)에서 빛을  받으면 하이드

                           록 시기로 변환되어 친수성이 되는데   이 원리를 이용한 것이 차량밀러의 김서림방지

                          .욕실거울.건물내외벽.교통 표지판등이다.



      2. VOC제거를 위한 UV와 TiO₂의 응용



             가. 띠간격에너지(3.0-3.2eV)가 비교적 크기 때문에 가시광선을 흡수하지 못하므로 짧은 파

                   장의 자외선(400nm이하)을 필요로한다.

             나. 강력한 UV와  TiO를  합성하면 엄청난  산화력을 지니게 되는데,    벤젠.톨루엔.크실렌등

                    VOC와 다이옥신,NOx,SOx등을 제거할 수있다.

              다. 자외선의 조건/ 자외선파장과 산화티타늄을 포함한 산화물계 반도체는대체로 띠간격이

                    넓어 짧은 파장의 자외선을 필요로하는데   98%이상의  고순도의 산화티타늄이라할지라

                    도  최대한 짧은 파장의  자외선(고에너지)를 필요로한다.

                                                   : ***nm의 파장이 70% 이상

                                                   현장여건상 오존이 발생하지않는 파장이어야한다.***nm이상

                                                   자외선량은 *****㎼/sec이상이어야한다.

                                                   자외선과 광촉매와의 이격거리가 가장 중요함 :**cm이내

                                                   자외선파장별.광촉매별 교차실험 필요

               라. 광촉매조건

                                    TiO₂함량 : ** % 이상                                              1차입자크기 : **-**nm

                                    2차입자크기 : ***-***nm                                            결정성 : anatase

                                    비표면적 :   **-**



5. 제작기준    



        (1)   **w이상의 고효율 UV  LAMP 사용

      (2)   **M/sec 풍량기준.  *초이상 반응장치와 접촉하도록 설계 (직열순환

           구조)    

      (3)   **형으로 광촉매 배열    

      (4)  quartz sleeve 비적용

     (5)  특수전자식안정기사용

     (6)  STS 304 사용(광촉매plate는 별도재질)

     (7)  야간용 저용량 오존램프 겸용 검토(0.01ppm이하)

     (8)  고압방전방식 겸용검토





            

      

OZONE & UV  AOP를 응용한 고도정수



          *. 본 내용은  모 업체에 제출한 폐수처리공사 관련내용중 일부임





1. AOP 산화법





        (1) 개  요

    

AOP 산화법(Advanced Oxidation Process)이란 OH Radical을 중간생성물질로 생성하여 수중오염

물질인 유기물을   산화처리하는 보다 진보된 수처리기술을 말하며,최근 수처리에 널리 사용되고 있는

오존에 PH를 조절하거나 과산화수소,UV에너지 등을 첨가하여 산화력을 증대시키는 방법을 말한다.

AOP의 장점은 기존의  산화제인 염소,이산화염소,과망간산칼륨 등 보다 훨씬 강한 산화력을 갖고 있을

뿐 아니라 오존만 사용하였을 경우보다 경제적,효율적으로 수처리에 응용할 수 있는 장점이 많다.



     (2) AOP의 개발 동기

      

AOP산화법에 관한 연구가 처음으로 시작된 것은 미국과 일본에서 산업폐수처리에 적용하기 시작된 것

으로 비롯된다. 최근에는 폐수뿐 아니라 상수처리에 AOP산화법의 응용이 점차 확대되어 지하수의 TCE

와 PCE 같은 미량 유기물제거와  맛.냄새 유발물질인 Geosmin,MIB 제거와 산화부산물 생성억제 방안

으로 응용이 검토되고 있다. AOP 산화법에 관한 연구가 박차를 가하기 시작한 것은 오존의 단점과 한계

를 느끼기 시작한 것으로부터 기인한다. 오존은 THM 생성억제,맛.응집침전 개선효과 및 생물학적 활성

도 증대효과등 잇점과 강한  산화력 (전위차: 2.07V)을 갖고 있으나 실제로 오존은 대다수의 유기물과의

반응이 느리거나 어떤 유기물과는 반응이 매우 선택적(Selective)인 것이 결점으로 지적되고 있다. 또한

용해도가 매우 낮아(1%미만) 경제적인 면에서도 단점이 많다. 즉 오존의 분해과정에서 중간물질로 생성

된 OH Radical이 수처리에서 매우 중요한 역할을하는 것을 알게되었고 오존과 함께 과산화수소.UV등을

혼합 사용함으로써 오존만 사용하였을 경우보다 기대 이상의 효과를 얻게 되었다.



수처리에 적용될 수있는 AOP 산화법으로는

    

        Photolysis of Ozone : OZONE + UV AOP

        Ozone + High pH  AOP

        Ozone + Hydrogen perozide : PEROXONE  AOP

        Photolysis of Hydrogen perozide : PEROXIDE + UV AOP 가 있다.





2.  OZONE & UV  AOP



     (1)  오존의 분해 메카니즘과 유기물제거경로

      

오존은 공기중 산소 또는 순산소를 이용하여 가스상태로 발생시키는데 오존을 수처리에 응용할 경우

액상에 용해시켜 사용한다. 액체상태에서 잔류오존은 매우 불안정하여 비교적 단시간에 분해되어(반

감기: 20-30분,온도20℃)산소와 물로된다. 오존의 분해속도는 pH에 크게 영향을 받는데 이것은 수산

화기(OH-)에 의하여 오존이 스스로 분해될 수 있는 특성(self-decomposition)을 가지기 때문이다.

즉 오존은 산성에서는 비교적 안정적이나 알칼리성으로 갈수록 분해속도가 빨라진다.      

오존은  오염물질이 없는   수용액상태에서도 수산화기에 의해 분해가 되기 시작하여 중간생성물질로

Hydroperoxy 라디칼(HO₂-)과 Superoxide라디칼(O₂-)을 형성하며 이들은 다시 오존분자와 반응

하여 Ozonide 라디칼(O₃-)중간경로를 거쳐 OH Radical을 생성하게된다. 이 중간물질로 생성된 라

디칼 중   OH 라디칼은 오존 그 자체보다 높은 전위차를 가지며(3.08V),거의 모든 유기물과 매우 빠른

속도로 골고루 반응하는 특징이 있다.   반면에 오존은 대다수의 유기물과의 반응이 느리거나 또는 어

떤 유기물과는 전혀 반응을 하지 않는 경우가 많다.



오존산화시 유기물이 제거될 수 있는 경로는   아래 그림과 같이 오존분자에 의하여 직접적으로 제거될

수 있는 직접경로(Direct Reaction Pathway)와 OH 라디칼에 의하여 분해되는 간접경로(Indirect Rea

-ction Pathway)로 구분된다.                                        

                            

            O₃--------- M ------------------→ Moxid(Direc Reaction)

          OH-       |                      

          UV         |←---------------------------R

          H₂O₂   |                        

                       |

                    OH-  ----------+ M -----→Moxid(Indirect Reaction)

                                      Si--------→Radical Scavening

                                    

     (2) OZONE & UV  AOP            

                                  

용존된 오존이 자외선에너지에 의하여 광분해되는 초기반응의 결과로 과산화수소가 중간물질로 생성

된다.                        

                                                  O₃+ hv + H₂O → H₂O₂

오존은 자외선영역인 254nm에서 흡수성이 강하며, 1mol의 오존과 1mol의 Photon이 반응하여 1mol

의 과산화수소를 생성한다.   OZONE & UV AOP에서 기대할 수 있는 또 하나의 처리 잇점은 유기물이

UV 에 의해서도 직접적으로 제거될 수 있는  광분해 반응  (Photolysis of substrate)이 유기물제거에

도움이 될 수 있다.

                                                       M + hv  →    M    →    Products

즉 유기물의 자외선 에너지에 대한 흡수성이 높고 분해수율(Quantum yield)이 높다면  OZONE & UV

AOP는 매우 효과적인 유기물처리공정으로 사용될 수있다.

                         Ozone Transfer    ------- Photolysis of Ozone      

                                                        |  O₃ + hv + H₂O → H₂O₂ + O₂

                                                        |  H₂O₂ → H- + HO₂-

                                                        |  O₃ + HO₂-  →  O₃-  + HO₂

                                                        |   HO₂→ H- + O₂-

                                                        |   O₂- +  O₃ →  O₂ +  O₃-

                                                        |  O₃- + H-  →HO₃

                                                        |   HO₃ → OH +  O₂

                        Photon Transfer  --------- Photolysis of Substrate  

                                                      hv

                        M + hv  →  M  →  Products

                        Net  Eguiation : 3O₃+H₂O → 2OH + 4O₂



    (3)   OZONE & UV의 수처리 응용

      

OZONE & UV AOP에 의한 유기물의 제거반응은 오존과 직접적으로 반응하여 제거되는 경로,OH라디

칼에 의해 제거되는 경로, 그리고 UV Photon에 의하여 광분해되는 경로로 구분된다. OZONE & UV에

의한 유기물의 상승효과를 보면  물질의 종류마다 다른데 페놀의 경우 오존만으로 유기물을 제거하는

경우보다 UV를 겸용하여 사용하였을 겨우 제거속도를  1.5배이상 증가시키고 PCE, TCE의 경우는 13

배 이상 증가한다.  유기염소계 화합물이 많은 지하수는 물론이고 산업폐수처리에서도 뛰어난 효과가

입증되었다.(미국 ULTROX 사에서 상업화)



     (4)   OZONE & UV의 설치시 장단점

      

        (장점)

             *. AOP원리에 따라 오존만을 사용하였을 경우보다 10-100배 정도의 제거효과가 있다.

             *. 자외선파장에 의하여 수중산소를 분해하여 오존을 발생하므로  오존용해도가 주입식에 비

                 하여  5배이상 높다.

             *. 고장율이 적고 소모전력이 낮다.

             *. 일부 고장 발생시에도 전체 line에는 지장이 없다.

             *. 처리용량이 부족할 경우에 보완이 용이하다.

             *. 설치비가 적다.

         (단점)

             *. 용수의 투과율이 50% 이하일 경우에는 효율이 감소한다.

             *. 주기적으로 UV LAMP를 닦아 주어야 한다.



3.  장치의 제작기준

               KNOW-HOW 내용이므로  상세히 게재할 수없습니다.



    (1)  적정용량 산출

          

             *.  1일폐수발생량.처리량.배출기준.오염물질종류 등에 따라   처리용량 계산

             *.   탁도.수온.사용감소율 등에 따른 적정규격 산출

    

    (2) 제작기준



           *. 비용.관리편리성.내구성등을 고려한 적정재질 사용

     
  활성탄여과장치  대명하이테크 06·01·06 1743
  소형 RO시스템  대명하이테크 05·06·03 1547
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