KR100251063B1 - 펄스효과를 이용한 전기투석공정 폐액회수 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유기물 및 경도 등의 오염원을 포함하고 있는 공정 폐액을 전기투석장치를 이용한 공정에 관한 것으로 기존의 전파(Full wave) 정류기를 대체한 펄스 효과를 이용하여 직류 전원을 공급함으로써 막오염 속도를 조절하여 효율적으로 전기투석공정을 수행하기 위한 것이다.

전기투석 공정에서 이온 교환막을 통과하는 이온의 플럭스가 감소하는 막오염 현상의 원인은 이온화된 분자량이 큰 물질을 포함하는 용존 유기물, pH의 변화에 따라 침전할 수 있는 무기 침전물, 그리고, 부유물질 등을 들 수 있다. 이러한 막오염 물질로 인하여 이온 교환막은 쉽게 오염되며 막의 수명도 짧아진다. 이러한 오염원에 의한 막오염 속도를 제어함으로써 기존의 전기투석공정을 개선하여 경제적인 공정을 설계하기 위한 것이다.

본 발명은 펄스효과를 이용하여 직류전원을 공급하는 전기투석장치를 이용한 공정 폐액의 처리 및 회수방법에 있어서, i) 막오염 현상을 유발하는 콜로이드성 유기물 및 경도물질이 포함되어 있는 공정 폐액에 반파 정류기를 이용한 전기투석공정 및; ii) 상기 공정에서 얻어진 여과액을 농축액과 탈염액의 형태로 회수하는 방법을 특징으로 한다.

Description

펄스효과를 이용한 전기투석공정 폐액회수 방법

본 발명은 발효공정에서 발생하는 발효 폐액을 펄스 효과를 이용한 전기투석 공정을 통하여 유용한 폐자원을 재활용하는 회수방법에 관한 것이다. 이는 전원공급방식을 변환하여 막오염 속도를 감소시킴으로써 플럭스 감소로 인한 막오염 속도를 줄여 전기투석의 효율을 증대시키기 위한 것이다.

전기투석의 장점은 비교적 공정이 간단하고, 화학물질의 소모가 없고, 공정에 의한 폐기물을 생성하지 않으며, 많은 경우 폐기물중의 유효성분을 부산물로 전환하는 것 등이다. 과거 전기투석은 과도한 전기에너지의 소모로 화학공정에서의 이용이 기피되어 왔지만, 최근 고효율 막의 개발로 에너지 소모가 줄고, 저오염 무공해 공정의 필요성 증가에 따라 활용범위가 확대되고 있다. 전기투석 공정은 이온성물질을 다루는 화학공업 또는 생물공업에서 화학물질의 추가 없이 가능한 분리조작 또는 반응이라는 점에서 청정기술로서 인정받고 있다.

이러한 전기투석의 이용 가치에도 불구하고 유기물 및 침전이 형성되는 무기이온 물질을 포함하고 있는 공정 폐액에서의 전기투석은 이 들 물질로 인한 막오염현상으로 플럭스가 감소하여 전기투석 공정에 있어서 효율적인 운전 조건을 확립하는 데 장애요인으로 작용하고 있다. 주요 오염원으로는 입경이 큰 부유뮬질, 침전을 일으키는 콜로이드성 물질, 고분자 물질, pH 변화로 인하여 금속산화물 형태로 침전을 일으키는 여러 가지 무기이온 물질 등을 들 수 있다. 이러한 오염원으로 인한 막오염 속도를 감소시키는 방법으로는 i)유입수의 여과, pH 조절, 흡착 등을 이용한 전처리, ii)유속 증가 및 산이나 염기 용액 등의 화학물질을 이용한 막세척 방법. 그리고 iii)표면처리를 이용한 막의 개선 방법들이 있다. 그러나 이러한 오염방지기술은 화학물질을 소모하거나 부수적인 설비를 필요로 하게 된다.

전기투석 장치를 이용하여 탈염을 하는 경우, 앞에서 기술한 바와 같이 여러 가지 방법으로 막오염 현상을 최소화할 수 있는 방법에 대한 연구가 필요하다. 직류 전원을 공급하는 정류기에 펄스효과를 이용하여 전기투석 공정에서 이온 교환막의 표면에서 발생되는 막오염 현상을 줄이는 것은 물론 에너지 측면에 있어서 보다 경제적이고 효율적인 공정을 설계할 수 있다.

따라서, 본 발명은 반파 정류기로 직류전원을 공급하는 전기투석장치를 이용한 공정 폐액의 처리 및 회수방법에 있어서. i) 막오염 현상을 유발하는 콜로이드성 유기물 및 경도물질이 포함되어 있는 공정 폐액의 전기투석 공정 및; ii) 상기 공정에서 얻어진 여과액을 농축액과 탈염액의 형태로 회수하는 방법을 특징으로 한다.

본 발명의 목적은 펄스효과를 줄 수 있는 전원 공급장치를 사용한 전기투석 공정을 통하여 전기투석 공정의 효율성을 높이는 것이다. 즉 전기투석 공정에서 전원 공급방식을 변환함으로써 보다 효과적이고 경제적으로 막오염을 제어하고 회수 수율을 제고하는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다. 또한 펄스효과를 줄 수 있는 반파정류기와 여과기를 필요로 하는 전류공급장치에 비해 회로가 단순하여 전기투석 설비의 투자비도 감소시킬 수 있다.

도 1 은 정류기를 이용하여 교류전원을 직류전원으로 공급하는 전기투석 공정의 상세도를 나타낸 것이다.

도 2 는 본 발명에 사용된 반파 정류기의 회로도를 나타낸 것이다.

도 3 은 본 발명에 사용된 반파 정류기를 이용하여 얻어지는 파형을 전파 정류기와 비교한 것이다.

도 4 는 본 발명에 사용된 전기투석장치에 대한 상세도를 나타낸 것이다.

도 5 는 정류기의 종류에 따른 막저항의 변화를 나타낸 것이다.

이하, 첨부도면에 의하여 본 발명을 상세히 설명한다.

도 1은 정류기를 이용하여 교류전원을 직류전원으로 공급하는 전기투석 공정의 상세도를 나타낸 것이다. 전기투석장치에 공급되는 직류전원을 공급하는 장치인 정류기(11)는 110 V/60 Hz 혹은 220 V/60 Hz의 교류를 정류하여 양극 및 음극을 통하여 전류를 공급한다.

도 2는 본 발명에 사용된 반파 정류기의 회로에 대한 상세도를 나타낸 것이다. 반파 정류기에서는 220 V/60 Hz의 교류 전원이 공급되면 다이오드를 이용하여 양의 반회로만을 이용한 반파를 발생시켜 전원으로 공급하는 장치이다.

도 3은 전파 교류전원의 정류된 파형과 반파 정류기를 이용한 파형을 나타낸 것이다. 그림에서 (a)는 전파 정류기의 입력전원, (b)는 전파 정류기에서 공급되는 직류전원, (c)는 반파 정류기에서 공급되는 펄스전원을 나타내고 있다.

도 4는 본 발명에 사용된 전기투석 장치에 대한 상세도를 나타낸 것이다. 여과액이 원액으로 탈염부(16)로 공급되어지며, 전기장하에서 탈염부(16)의 양이온은 양이온 교환막(13)을 통하여, 그리고, 탈염부(16)의 음이온은 음이온 교환막(14)을 통하여 이동을 하게 되어 농축부(17)에서 이온이 농축된 농축액(9)과 탈염부(16)에서 이온이 제거된 탈염액(8)을 형성하게 된다.

이하 실시 예를 통하여 본 발명을 좀 더 상세하게 설명한다. 그러나 다음의 실시예에 의하여 본 발명의 기술적 범위가 한정되는 것은 아니다.

실시 예 1.

실시 예 1에서는 유기물과 경도를 나타내는 칼슘과 마그네슘이 포함되어 있는 발효공정 폐액인 고농도 폐액을 원료로 사용했으며, 정밀여과 장치를 이용한 전처리를 통하여 부유물질을 제거하였다. 이와 같이 전처리를 한 고농도 폐액의 물성은 표 1에 나타나 있다.

표 1. 고농도 폐액의 물성

전기투석기는 유효면적 200 cm²의 TS-2-10(Tokuyama Corp., 일본)이 사용되었고, 반파 정류기의 효능을 비교하기 위하여 전파 정류기의 탈염실험과 같은 조건하에서 탈염을 한 후 여러 인자들을 비교하였다. 탈염실험 조건은 5 A의 정전류를 공급하였고, 전극액으로 6 % Na₂SO₄용액 4 L, 농축액으로는 20.7 g의 (NH₄)₂SO₄와 5.7 g의 K₂SO₄를 녹인 3 L의 용액을 사용하였다. Cell 구조는 10 장의 양이온 교환막와 10 장의 음이온 교환막을 이용, 10 Cell pairs를 구성하였다.

전파 정류기를 이용한 탈염실험에서는 정전류 방식에서 정전압 방식으로 전환되는 전환시간(Switching time)은 125분으로, 전체 운전시간 420 분의 30 %에 해당하는 시간이었다. 반파 정류기의 경우, 전체 운전 시간은 전파 정류기의 경우보다 짧은 300분이었고, 105분에서 정전류에서 정전압으로 운전방법이 전환되었다. 탈염액인 고농도 폐액의 전기전도도는 전파 정류기의 경우는 151.9 mS/cm에서 66.5 mS/cm로 감소하였다. 이에 비해, 반파 정류기를 이용한 탈염공정에서는 300분만에 26.4 mS/cm로 감소하였다.

도 5에서는 전파 정류기와 반파 정류기를 이용한 고농도 폐액의 탈염 실험에서의 시간에 따른 Cell의 저항을 보여 주고 있다. 전파 정류기에서는 막오염 현상이 지속되어 Cell의 저항이 계속적으로 증가하는 반면, 반파 정류기의 탈염 공정에서의 저항은 110 분까지 거의 변화가 없다가 갑자기 증가하는 양상을 보여 주고 있어 막의 오염현상이 탈염 공정에 그다지 영향을 미치지 않음을 알 수 있었다.

표 2에서 반파 정류기와 전파 정류기의 효능을 비교하기 위하여 실험 결과를 종합적으로 정리하였다. 암모늄과 황산염의 제거 효율은 반파 정류기를 사용한 탈염 실험의 경우가 높게 나타나는 것을 볼 수가 있다. 막오염원을 일으킬 수 있는 용존 유기물이 다량 포함되어 있고, 칼슘, 마그네슘 등의 경도 물질이 포함되어 있는 고농도 폐액의 전기투석 공정에서 펄스 효과를 줄 수 있는 전원 공급 장치인 반파 정류기가 기존의 전파 정류기에 비해 효율적이며 경제적임을 알 수 있다.

표 2. 고농도 폐액의 탈염에서의 반파 정류기와 전파 정류기의 효능 비교

정 류 기	반파 정류기	전파 정류기
운전시간	300 min	420 min
전환시간	105 min	125 min
정전류	5.0 A
Cell 전압	16.57 V	26.34 V
Cell 저항성	16.57 Ohm	21.95 Ohm
물 이동	1.0 L	0.7 L
전력 소비	58 wh/L waste	124 wh/L waste
암모늄 제거효과 (%)	66.25 %	52.16 %
황산염 제거효과 (%)	85.20 %	65.38 %

실시 예 2.

실시 예 2에서는 NaCl 용액의 탈염공정에서 실시 예 1의 실험과 동일한 조건에서 반파 정류기와 전파 정류기를 이용하여 탈염실험을 하였다. 먼저 각각 1.0 M NaCl 용액을 이용한 탈염실험에서는 반파 정류기와 전파 정류기의 효능을 비교하였다. 전파 정류기의 경우, 전류효율은 97.74 %, 이동한 물의 양은 0.222 L/mol NaCl이었다. 같은 실험 조건에서 반파 정류기는 94.58 %이었고, 이동한 물의 양은 전파정류기의 경우와 일치하였다. 표 3에서 NaCl 용액의 탈염에서의 반파 정류기와 전파 정류기의 효능을 비교하였는데, NaCl 용액에서의 효능은 비슷함을 알 수가 있었다. 이를 통하여 오염원인 용존 유기물 및 pH에 따라 침전이 되는 무기 이온이 포함되어 있지 않은 합성 용액에서의 반파 정류기의 효능은 전파 정류기와 유사함을 알 수 있다.

표 3. NaCl 용액의 탈염에서 반파 정류기와 전파 정류기의 효능 비교

정 류 기	반파 정류기	정현파 정류기
	1.0 M NaCl	2.0 M NaCl	1.0 M NaCl	2.0 M NaCl
이동한 몰수 (M)	3.211	6.359	3.188	6.371
전류 효율 (%)	94.58	96.65	97.74	92.47
이동한 물의 양(L/1 mol NaCl당)	0.222	0.209	0.222	0.217
전력 소모량(wh/탈염액 3 L당)	53	165	55	156

실시 예 3.

실시 예 3은 같은 실험 조건에서 반파 정류기를 이용하여 발효액에 대한 탈염공정의 결과를 전파 정류기를 사용한 실험결과를 비교하였다. 반파 정류기를 이용한 120분 동안의 탈염실험에서는 3 L의 발효액을 처리하는데, 81 wh가 소요되었고, 탈염액의 전기전도도는 32.0 mS/cm에서 18.0 mS/cm로 감소하였다. 전파 정류기의 경우도 반파 정류기를 사용했을 경우와 마찬가지로, 전력 소모량은 84 wh이었고, 희석액의 전기전도도는 32.5 mS/cm에서 17.8 mS/cm로 감소하였다. 실시 예 3에서와 같이 비교적 전기전도도가 낮은 공정액에서도 전파 정류기의 효능과 거의 유사하게 운전할 수 있음을 보여 주고 있다.

본 발명은 전기투석의 탈염공정에 있어서 펄스 효과를 줄 수 있는 반파 정류기를 이용하여 직류전원을 공급하여 막오염 속도를 감소시킴으로써, 유기물 및 경도 물질 등의 막오염원을 포함하고 있는 전기투석 공정에 있어서 효율적으로 탈염공정을 수행하여 경제성을 높일 수 있다. 또한 이 장치는 직류전원과 막을 이용하는 일반적인 전기화학공정에서 막오염 방지기술로 이용될 수 있다.

Claims (2)

1. 발효공정에서 발생하는 발효폐액의 처리 및 회수공정에 있어서, 펄스 효과를 지닌 직류 전원을 공급하는 정류기를 사용함을 특징으로 하는 펄스효과를 이용한 전기투석공정의 폐액회수 방법
2. 제1항에 있어서,

   발효폐액을 전기투석 공정에 투입하여 탈염액과 농축액으로 분리생산하는 것을 특징으로 하는 펄스효과를 이용한 전기투석공정 폐액회수 방법