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1. 자외선살균의 원리
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(1) 자외선(紫外線.Ultra Violet) : 생략
(2). 자외선의 효과와 독성 가. 광화학적 효과와 독성 자외선은 자체 에너지에 의해 각종 유기물들의 결합고리을 끊어버림으로써 화학반응을 일으킨다. 각각의 유기물이 지닌 분해수율(Quantum Yield)과 흡광계수(Molar Extiction Coefficient)에 따라 차이는 있으나 유기물을 이산화탄소로 분해시키기도 하고 일부는 분해독성이 강한 Phosgen으로 전환시키는 작용을 한다. 자외선의 광화학작용을 이용하여 염산,메칠렌청의 산화, 유화아연의 환원, 형광, 인쇄잉크경화, 시사프린터 등에 사용되고 구루병 방지,곰팡이 검출, 광전작용,보석류감정 등에 다양하게 이용한다. 특히 184.9nm 파장의 자외선은 대기 중에서 NO2와 Olefin계 탄화수소와 광화학적 반응을 일으켜오존을 발생시켜 성층권에서의 오존층을 생성시키거나 인공적으로 오존을 만드는데 이용된다. 나.생물학적 독성 성층권의 오존은 자외선과 반응하면서 소멸.생성되는 과정을 반복하면서 일정농도를 유지하며 유해한 자외선을 차단하여 주는데, 인간이 인공적으로 만든 물질이 그 균형을 깨는 것이다. 자외선이 320∼380nm 파장의 자외선은 상피층(두께 0.05mm), 즉 각화층과 말피기층(Mal-pighian Layer)에서 흡수되고 나머지는 진피층에서 흡수된다. 강한 홍반작용을 나타내는 자외선 파장은 260nm와 290nm이고 320nm 이상의 파장에서는 홍반작용이 거의 없다. 자외선이 흡수되면 2∼5시간 후에 히스타민 호성물질이 유리되어 모세혈관을 확장시킨다. 자외선 조사량이 너무 많을 때에는 모세혈관의 투과성이 증대되고 조직의 부종이 생기며 수포현상과 박피현 상이 생긴다. 그 과정을 간략히 설명하면, 기저세포층에 도달한 자외선에 의하여 말피기층에 있던 색소가 진피층으로 이동하 고 또 한편으로는 색소가 증식한다. 자외선에 의하여 표피와 진피의 두께가 증가하는 일종의 순화현상을 일으키는데 자외선량이 많을수록 현저하다. 280∼320nm 파장의 자외선에 의하여 피부암이 발생하는 수가 있다. 흑인에게는 피부암 발생이 드물다. 또한 옥외작업을 하면서 코울타르유도체, 벤즈피렌(Benzpyrene), 메틸콜라스렌 (Methyl Cholanthrene), 그밖에 안트라센(Anthracene)화합물에 폭로되는 근로자에게 피부암이 많이 발생하는 것으로 보고되어 있는데, 여기에 는 자외선이 크게 작용하는 것으로 생각된다. 240∼310nm 파장의 자외선은 눈의 각막상피에 흡수되며, 수정체 전면에 까지 도달하는 에너지량은 매우 적다. 3.5Ev(3600)의 광전자 에너지는 수정체를 흥분 시키거나 방수(Aqueous Humor) 또는 유리체액(Vitreous Humor) 에 형광을 발하게 하여 시력이 흐려지고 눈의 피로를초래하게 한다. 이와 같은 안구내에서의 형광발생현상은 일시적인 것으로 아무런 장애를 남기는 일 없이 회복한다. 전기용접 작업자와 자외선살균 등의 취급자는 전광성 안염으로 급성각막염(Photokeratitis)이 발생한다. 잠복기는 자외선의 흡수량에 따라 다르지만 보통 30분내지 24시간이다. 눈에 모래가 들어간 것 같은 이물감이 있고 눈이 몹시부시다. 눈의 충혈이 심하고, 눈물이 많이 나며, 안검경련(Blephelospam)을 일으킨다. 이 안검경련은 눈을 감아서 손상된 각막을 보호하기 위한 반사 작용이다. 자외선은 눈의각막, 결막및 수정체(Lenzse)에서 흡수되며, 나이가 많을수록 흡수량이 많아져 백내장을 일으 킨다. 320nm이하 (주로 280)의 파장을 가진 자외선에 의해서 체내 지방의 일종인 7-Dehydro Cholesterol 또는 이와 비 슷한 Steroid 물질이 광화학적 반응을 일으켜 진피층에서 비타민 D를 형성한다. 자외선이 부족한 지역에서는 비타민 D 결핍증으로 구루병 환자가 발생한다. 다. 살균효과 UV-C가 살균자외선으로 특징되어지는 것은 세포내에 존재하는 DNA가 UV-C를 잘 흡수하기때문이며, 그 중에 서도 253.7nm(2537)의 파장이 DNA에 가장 잘 흡수되기 때문에 자외선살균램프는 253.7nm의 파장을 가장 효과 적으로 방사할 수 있도록 설계되어 있다. 그러나 바다나산과 같이 공기가 맑은 곳에서는 UV-C 파장을 거의 감지할 수 없는 것은 UV-C파장이 너무 짧아 투과력이약하기 때문이고, 지구 대기권에 존재하는 오존층이 철저하게 이를 막아주기 때문이다. 자외선에의한 살균은 DNA에 대한 광산화 효과이며, 전문적인 용어로서 비활성화(Inactivation)라는 표현을 사용하고 있다. 구체적으로 설명하면 DNA 내부에 있는 효소(Enzyme)가 빛을 받으면 손상된 DNA를 복구하여 미생물이 활성화 되는데 이것을 광 회복효과(Recovery)라 한다. 이러한 이유로 인해 자외선 사용을 꺼리는 사람들이 있는데, 이것은 미생물별 자외선 조사량(광회복효과를 고려한)을 알고 나면 아무런 문제가 되지 않으며 그보다 어떻게 자외선조사량을 항상 동일한 조건으로 유지시킬 수 있는가를 고민하는 것이 더 의미가 있다. 자외선으로 소독을 하던 산화를 시키던 일정한 수준의 에너지가 연속적으로 피조사체에 조사되어야 하는데 이때 결정적으로 조사량에 영향을 주는 것이 있다면 그것은 투과력과 온도이다. 자외선은 파장이 매우 짧기 때문에 투과력에 제한을 받는다. 또한 물질에 따라서는 선택적으로 투과하기 때문에 어떤 재료를 사용하느냐에 따라 성공과 실패를 가늠할 수 있다. 실제로 깨끗한 물보다 공기가 투과력이 낮을 수 있는데 그것은 먼지와 습기에 의한 자외선의 흡수와 산란 때문 이다. 또한 주변온도가 너무 높거나 낮으면 조사량이 떨어 지는데 표준램프를 사용한다면 설계시 꼭 고려 하 여야 할 변수 이다. 제거효율에 따른 각 VIRUS별 자외선 살균선량  미생물별 살균선량(99.99% 불활성화 기준) <사진> 라. 자외선살균의 장점 1) 모든 세균을 살균한다. 2) 미네랄 성분등은 그대로 유지되고 PH변화가 전혀없다. 3) 조사(照射)받은 균에 내성을 주지 않는다. 4) 사용방법이 간단하고 경제적이다.  마. 자외선의 유기물 제거효과 유기물의 광분해 제거속도는 유기물이 UV에너지를 흡수하는 흡수성 및 분해 수율 등이 주 변수로 작용한다. 따라서 UV를 흡수하는 흡수성, 즉 몰흡광계수가 크고 광분해 수율이 클수록 분해가 효과적이다. 유기물별 광분해 속도 상수, 몰흡광계수 및 광분해 수율  각 화합물들의 254nm에서의 몰흡광계수를 보면 PCE가 181 M-1cm-1로 가장 컸으며, 반면TCE는 8M-1cm-1 에 지나지 않아 이 파장의 빛을 잘 흡수하지 않음을 알 수있다. Benzene, Toluene의 경우 몰흡광계수가 상당히 큼에도 불구하고 제거속도는 PCE에 비하여 상당히 느린 것을 알 수 있는데, 그 이유는 몰흡광계수는 크지만 분해수율이 작거나, 혹은 광산화에 의해 생성되는 부산물이 254nm 파장의 빛을 흡수하는 Quantum Shielding작용 때문으로 해석된다. |
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2. UV램프의 종류 및 원리
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자외선램프는 응용범위의 확장과 사 용규모가 증가하면서 고효율과 고출력으로 변화를 시도하고 있으며 또한
램프를 점등시켜주는 안정기 (Ballast)의 발달로 램프의 수명도 증가하고 있다.
따라서 램프와 안정기는 상호 보완관계에 있으며 최근에는 적당한 범위내에서 출력을 조정할 수 있는 가변출 력이 가능한 형태로도 개발되어 어떤 경우라도 자외선의 조사량을 일정한 수준으로 유지할 수 있게 한다. 이러한 자외선의 살균효과는 자외선 파장대중에서도 주로 200nm에서 280nm 사이의 UVC 영역에 의해 발생한다. 가장 높은 살균효과를 나타내는 파장은 265nm이다. 저압 또는 고출력 저압 아말감 램프가 방출하는 254nm의 파장 또한 매우 높은 자외선 살균효과를 가지나 이는 램프의 특성 상 254nm의 파장만을 방출하기 때문에 그 파장이 가장 높은 효과를 가지는 것으로 알려져 있을 뿐 실제로는 265nm가 가장 높은 효율을 갖는다. (1) 자외선램프의 종류 가. 저압/저출력 램프(Low Pressure/Low Intensity) 일반적으로 형광등 규격과 같은 형식을 가진 자외선램프는 산업용으로 응용하기에 너무 효율이 낮고 부피가 크기 때문에 가정용이나 개인용 또는 실험용으로 사용하고 있으며, 저압/저출력 램프와는 다르다. 저압/저출력 램프는 그동안 산업에 가장 보편적으로 써왔던 램프로서(흔히 표준램프라고도 부른다), 형광등보 다는 지름이 적고 효율은 높으며, 연결선도 양쪽에 1선씩 있는(형광등은 양쪽 2선식) 램프이다 (램프의 점등 방법 에따라 선의 수가 다르다). 이 램프의 규격은 표준이기 때문에 세계 유명 메이커들이 대부분 생산하고 있으며, 우리나라에서 사용되는 램프는 Sankyo Denki,Philps, Light Sources, Atlantic,Voltarc, GE, 등이있고, 그 이외에 도 다수의 업체가 이 램프를 생산하고 있다. 가끔 자외선살균기 제조업체에서 이 램프의 모델번호를 자회사의 고유번호로 지정해놓고 호환성이 없는 것처 럼 이야기하는데 램프의 사양을 비교해보면 금방 알 수 있고, 저압/저출력램프의 가장 큰 특징은 표준화된 보편 성에 있기 때문에 흔히 표준램프라고도 부른다(예 : G36T6L-39W, G64T5L-65W). 나. 저압/고출력 램프(Low Pressure/High Intensity) 저압/저출력 램프보다 효율이 좋고 단위 cm당 자외선 밀도가 4∼5배 높아 대용량의 처리가 가능하다. 따라서 대용량( 약 100ton/hr 이상)으로 처리하여야 할 System에서는 저압/저출력 램프를 사용한 장치보다 초기투자비나 유지비에서 유리하다. 하.폐수 방류수처리에 주로 사용된다. 살균에 영향을 미치는 자외선의 범위와 저압램프의 조사범위 <사진> 다. 중압/고출력램프(Medium Pressure/High Intensity) 이 램프는 다파장(Multiwave)라는 특수성이 있으며, 185nm에서 약 600nm까지의 다파장을 갖는 램프이다. 또한 자외선 밀도가 저압램프에 비해 수십배 크기 때문에 반응시간이 짧고 아주 협소한 곳에 적당한 램프이 며 집중된 에너지 때문에 램프의 표면 온도가 600∼800℃에 이른다. 그러나 램프의 수명이 짧고 에너지 손실이 크기 때문에 특수한 목적이 아니면 경쟁력이 없다. 하지만 향후 램프 제조기술의 발달에 의해 효과적으로 이용될 수 있을 것으로 기대된다. 재래식 자외선 램프와 아말감 램프비교표  (2) 자외선램프의 성능에 대한 변수 본체와 자외선램프에서 방출되는 자외선에너지가 피조사물에 도착하기까지에는 여러 가지 변수가 있는데 보 통은 이러한 조건을 감안해 설계하며 사용자들도 이를 알아두면 같은 설비라도 효과적으로 사용할 수 있다. 가. 점등회수 자외선 램프의 점등회수는 램프의 수명과 반비례한다. 따라서 Maker에서 추천하는 점등회수를 지키는 것이 램프의 수명을 보장한다. 그러므로 램프를 자동펌프나 기타 장치(On/Off가 잦은)와 연결하는 것은 금기이다. 나. 투과력(UV Transmission) UV-C는 파장이 매우 짧기 때문에 투명체라 할 지라도 불순물이 많거나 조직의 구성이 다르면 투과력이 떨어 져 자외선 조사량에 큰 영향을 준다. 따라서 어떤 물체에 자외선을 적용하고자 한다면 투과력에 대한 Data를 사전에 알아서 설계변수에 반영시켜야 한다. 다. 안정기(Ballast) 램프의 수명과 효과는 안정기의 능력과 비례한다. 과거에는 기계식(Core Type)을 주로 사용했으나 최근에 와서는 전자식(Electronic Type)을 주로 사용하고 있다. 기계식은 자체에서 소모하는 에너지가 커서 전력소모율 이 많고 부피가 크고 무게가 많이 나가는 반면에 수명이 길다. 전자식은 전력소모율이 적고 작고 가볍기 때문에 Control Panel에 Load를 덜어준다. 안정기의 성능은 램프의 수명과 효율을 결정하는 중요한 부품이기 때문에 신뢰할 만한 Maker를 선택하여야 하며, Maker에서 안정기를 제작할 때에 이미 안정기와 램프간의 거리를 정해놓고 있기 때문에 Maker에서 정하는 거리를 맞추어 사용하는 것이 바람직하다. 세계적인 자외선살균기 회사들은 대부분 자외선램프와 안 정기간의 거리를 5m로 정해놓고 있고 이 거리를 넘게 되면 별도의 전기장치를 사용할 것을 권하고 있다. 라. 주변온도(Embient Temperature) 자외선램프의 표면온도(발열)가 낮으면 주변온도에 따라 램프의 표면온도가 변하여 램프의 자외선 방사능력을 저하시킨다. 특히 표준램프(저압/저출력)는 램프의 표면온도가 40℃이기 때문에 물의 온도가 18∼20℃에서 가장 효율이 좋 고 그밖의 온도에서는 처리용량의 변화가 심하다. 따라서 실외 조건일 때에는 반드시 설계조건에 온도변수를 고려 하여야 한다. 저압/출력램프나 중압/고출력램프는 램프표면 온도가 높기 때문에 주변온도에 큰 영향을 받지 않는다. 온도에 따른 램프의 출력변화 (사진) (3) 자외선 조사량 측정방법 자외선을 어떤 경우에 적용시킬 때 가장 먼저 계산되어야 할 것이 있다면 그것은 자외선 총조사량이다. 이 의미는 단위면적당 조사되는 자외선에너지와 시간을 곱한 것으로 ㎼ sec/㎠ (J/㎡,mJ/㎠)라는 단위로 나타 낸다. 자외선에 의한 어떤 반응(살균,산화)들은 자외선에너지가 일정한 수준에 도달해야 됨을 의미하며 이러 한 수준은 실험적인 결과에 의해서만 얻을 수 있다. 따라서 조사량을 결정하는 것은 광원의 출력과 광원으로부터 피조사체 간의 거리인데, 광원이 점이 아니고 선 의 개념을 갖는 램프이기 때문에 일반적으로 광도나 광량은 거리제곱에 반비례하기 때문이다. 수처리에 UV를 이용할경우 물에 흡수된 UV 강도(Intensity)는 실제 공정 설계인자에 중요한 영향을 미친다. 특히 탁도나 색도 등이 높은 하·폐수에 적용시 투과도에 영향을 받아 실제 물 속에 조사되는 양은 상당히 줄어 들게 된다. 또한 반응기의 구조에 따라 물에 실제 흡수되는 UV 강도가 변하게 된다. UV 강도를 측정하는 방법은 3가지 방법이 있는데 먼저 기계적 센서에 의해 측정하는 방법이 있다. 이는 물 속에 UV 강도를 측정할 수 있는 센서를 부착하여 강도를 측정하는 방법으로 간단하면서 연속적인 모 니터링이 가능하며 온도에 큰 영향을 받지 않는 장점이 있으며 실제 면적당 유효조사량을 알 수 있다. 반면 장시간 측정시 센서에 이물질이 부착하여 측정기능을 저하시키므로 이에 대한 유지보수가 필요하다. 따라서 실제 공정에서는 센서를 이용하여 강도를 모니터링하고 UV램프의 교체시기를 판단할 수 있다. 또한 UV Intensity는 과산화수소가 UV에 의해 분해되는 분해수율과 분해속도를 실험적으로 측정함으로써 산출 할 수 있는데, 과산화수소Actinometry법에 의하여 산출된 UV Intensity는 실제 반응기내에 흡수된 UV에너지의 양이다. |
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3. 자외선공정의
적용사례 |
자외선에 살균이 각광을 받기 시작한 것은 여러 가지 이유가 있겠지만, 그중 가장 큰 이유는 부산물(By-Product)
생성이 없기 때문일 것이다.
가장 보편적인 살균방법인 화학적 살균 (주로 염소)은 부산물이 형성되어 인체나 생태계에 치명적인 해악을 주는 것은 주지의 사실이다. 자외선살균은 멸균과는 개념 차이가 있다. 따라서 몇 %의 효과가 있는가로 나타내는데 보통은 99.99%의 살균을 목표로 하며 이때 광회복효과를 고려하여 자외선 조사량을 40,000㎼ s/㎠으로 한다. 물론 이수치는 나라마다 차이가 있을수 있으나 기준치가 높을수록 더욱더 안전하다는 것을 알 수 있다. (1) 음용수살균 과거에는 생수공장을 중심으로 자외선살균기가 사용되어 왔으나 최근들어 소비수준의 향상과더불어 집단주 거시설(아파트, 단위소재지) 및 집단급수시설(식당, 휴양시설, 교육시설 등)에 설치되고 있다. 또한 가정용 정수기가 많이 보급되면서 소형 자외선살균기가 부착되고 있는데 소비자들이 보다 안전한 물을 찾기 때문이다. (2) 공정수 배합수나 세착수가 이 범주에 들어가며 제품의 품질과 보존기간의 연장을 위해서 사용된다. (3) 하폐수 최종 방류되는 하·폐수는 미생물처리를 하여 방류 하도록 규정되어 있다. 과거에는 화학적인 방법(주로 염소처리)을 하여 왔으나 생태계를 교란시킨기 때문에 자외선이나 다른 방법에 의한 살균을 하도록 권장하고 있다. 자외선이 산화작용을 한다는 것을 인식한 것은 최근의 일이다. 자외선은 물질에 따라 선택적인 반응을 일으키는데 클로라민이나 사염화탄소 같은 것이 대표적인 예이다. (4) 수영장 수영장의 수처리는 여러 가지 시도를 해 오면서 오늘에 이르렀는데 아마도 오존을 도입하면서 획기적인 전기 를 맞았다고 볼 수 있을 것이다. 그러나 오존 System에 대한 전문지식을 가진 운영자를 찾기 어렵고 System의 가격이 고가이기 때문에 초기투자 비와 운영유지보수가 항상 문제로 대두되었다. 수영장은 폐쇄된 회로 안에서 한정된 물을 사용하기 때문에(물론 보충수가 새로 공급됨) 사용되는 염소가 결합 염소로서 수중에 누적되어 자유염소의 살균력을 떨어뜨리고 악순환이 되어 결국은 새로운 물로 바꾸어야하는 결과로 가고 만다. 문제는 결합염소를 효과적으로 제거하는 방법인데 이때 자외선살균기를 사용하면 결합염소(클로라민)가 제거 되고 투입되는 염소의 절대량이 감소되어 최소한의 염소를 투입하고도 최상의 수질을 유지할 수 있게 해 준다. 현재 유럽에서는 자외선과 염소를 이용한 수영장 System이 급속히 늘고 있으며 어린이들이 사용하는 교육용 수영장에 우선적으로 설치되고 있다. 이는 자외선이 효과적으로 클로라민을 제거 할 수 있는것은 광산화 효과 때문이며 또한 자외선살균기는 운영유지 보수가 쉽고 초기투자비가 적어 소비자와 공급자에게 이점을 제공하기 때문이라 생각된다. (5) Cooling Tower 건물이나 공장에서 사용되는 Cooling Tower는 몇 가지 문제점을 갖고 있는데, 첫째는 레지오넬라라는 미생물 이고, 둘째는 배관부식이다. 레지오넬라가 인체에 치명적인 해를 준다는 것은 주지의 사실이기 때문에 반드시 살균을 하여야 하고 오래된 배관은 Scale을 형성하여 열전도를 저하시키고 누수나 균열을 일으키기 때문에 반드시 처리되어야 한다. Scale의 형성은 미생물이 배관 내부에 부착되어 만드는 Bioflim 때문인데 이것은 스텐레스나 동배관 모두 공통 된 현상이다. 따라서 자외선과 염소를 사용하면 효과적인 운영이 가능하다. (6) 초순수 공정 자외선 중에서 단파장은 TOC(Total Organic Carbon:유기물)를 제거하는데 아주 효과적인 것으로 알려져 있다. 물론 대용량의 유기물을 처리하는데에는 적당치 않지만 아주 적은 양의 유기물을 제거하여 순수를 만드는데 에는 가장 이상적인 방법으로 반도체 산업에서 주로 이용하고 있다. 이때 사용되는 램프는 오존램프라고 부르며 185nm의 파장을 방출하는 램프이다. |
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