KR100310272B1 - 전기화학적 폐수 처리 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 불용성 산화물 촉매 전극의 전해 산화 반응을 이용한 폐수 내의 유기물, 중금속, 암모니아, 질소 및 폐수의 색도 및 냄새 등을 제거하기 위한 전기화학적 폐수 처리 장치에 관한 것이다.
본 발명의 전기화학적 폐수 처리 장치는 반응의 효율성을 높이기 위해 음극과 양극이 서로 높이를 달리하여 교차 배열되고, 반응기 하부에는 폭기 장치가 설치되며, 전극 사이에는 입상 또는 판상 촉매가 유동되도록 설계되어 있다. 상기 양극은 오염 물질의 산화 효율을 보다 촉진할 수 있도록 이리듐-주석, 루테늄-주석, 루테늄-이리듐-주석 또는 루테늄-이리듐-주석-안티몬 등으로 이루어진 산화물층을 티타늄에 형성시켜 제조한다. 또한, 전해 산화 처리 시간을 단축하고 효율성을 높이기 위해 티타늄 및 탄소에 철산화물층을 형성시킨 입상 또는 판상 촉매를 사용한다.
Description
본 발명은 불용성 산화물 촉매 전극의 전해 산화 반응을 이용한 폐수 내의유기물, 중금속, 암모니아, 질소 및 폐수의 색도 및 냄새 등을 제거하기 위한 전기화학적 폐수 처리 장치에 관한 것이다.
보다 구체적으로, 본 발명은 반응의 효율성을 높이기 위해 음극과 양극이 서로 높이를 달리하여 교차 배열되고, 반응기 하부에는 폭기 장치가 설치되며, 전극 사이에는 입상 또는 판상 촉매가 유동되도록 설계되어 있는 전기화학적 폐수 처리 장치에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 오염 물질의 산화 효율을 보다 촉진할 수 있도록 이리듐-주석, 루테늄-주석, 루테늄-이리듐-주석 또는 루테늄-이리듐-주석-안티몬 등으로 이루어진 산화물층을 티타늄에 형성시켜 제조한 양극을 포함하는 전기화학적 폐수 처리 장치에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 전해 산화 처리 시간을 단축하고 효율성을 높이기 위해 티타늄 및 탄소에 철산화물층을 형성시킨 입상 또는 판상 촉매를 사용한 전기화학적 폐수 처리 장치에 관한 것이다.
전기화학 반응을 이용한 폐수 처리에 대한 기존 기술은 대부분 유기물의 처리에 있어서 직접 산화가 아닌 염소 이온을 이용한 간접 산화 처리이거나, 양극으로서 용해성 재료를 사용하여 전해 처리시 금속 수산화물을 생성, 이에 의한 침전 반응으로 유기물을 제거하는 것이 대부분이었다.
즉, 본원 발명의 전기화학적 폐수 처리 장치의 처리 원리는 다양한 전극들 사이에서 나타나는 순수한 전기화학적 산화환원 반응이지만, 기존 전기화학적 폐수 처리 장치들의 처리 원리는 순수 전기화학적 반응이 아닌 전극 용출에 기인한 응집 반응이라고 할 수 있다.
이러한 종래 기술들은 폐수에 염소 이온을 제공하기 위한 첨가제를 넣거나,침전된 슬러지를 분리하는 공정이 추가되어야 하고, 용해성 양극을 사용함에 따른 계속적인 양극의 교체가 불가피하였다.
예를 들어 종래 장치들 중 한국 특허 공개 제99-168호 [발명의 명칭 : 전기분해를 이용한 폐수 처리 방법 및 폐수 처리 시스템]에 개시된 장치는 비교적 저농도 하수에 대한 응집 처리를 한 장치이고, 또한 고분자 응집제, 활성탄, 제올라이트 등의 첨가제를 이용하는 등 처리 공정이 복잡하게 이루어져 있으며, 침전 슬러지 등 2차 오염물 발생 등의 문제점이 있다.
또한, 한국 특허 공개 제98-25459호 [발명의 명칭 : 전기화학 응집법에 의한 인 및 유기물 제거 장치]에 개시된 장치도 역시 위와 유사한 전기 응집 반응에 의한 처리 장치로, 저농도 하수를 처리 대상으로 하였고, 유기물 부하량이 0.121 kg/day인 처리 조건으로 단지 인만을 제거하기 위한 처리 시스템이다.
본 발명의 목적은 기존의 간접 산화법에 의한 유기물의 산화 분해나 금속 수산화물에 의한 응집·침전 처리에서와 같은 첨가제의 사용이나 부산물의 처리와 같은 추가 공정이 필요하지 않은 전기화학적 폐수 처리 장치를 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 전기화학적 폐수 처리 장치를 보여주는 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 전원 공급 장치
2 : 양극
3 : 입상 또는 판상 촉매
4 : 음극
5 : 저장조
6 : 폭기 장치
7 : 유출구
8 : 유입구
9 : 반응조
10 : 폭기구
상기 본 발명의 목적은 새로운 양극 재료를 개발하여 수질 오염 물질의 산화 효율을 향상시키고, 전극 사이에 전기 전도성을 가진 입상 또는 판상 촉매를 유동시켜 산화 효율을 극대화하여 처리 시간을 대폭 단축시키고, 전극과 반응물의 접촉 면적을 최대화하도록 음극과 양극을 배열함으로써 달성된다.
즉, 본 발명은 음극과 양극이 서로 높이를 달리하여 교차 배열되고, 반응기 하부에는 폭기 장치가 설치되며, 전극 사이에는 입상 또는 판상 촉매가 유동되도록 설계된 것을 특징으로 하는 전기화학적 폐수 처리 장치에 관한 것이다.
본 발명은 또한 이리듐-주석, 루테늄-주석, 루테늄-이리듐-주석 또는 루테늄-이리듐-주석-안티몬 등으로 이루어진 산화물층을 티타늄에 형성시켜 제조한 양극을 포함하는 전기화학적 폐수 처리 장치에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 음극과 양극이 서로 교차 배열된 반응기 하부에 폭기 장치를 설치하여 전극 사이에 티타늄 또는 탄소에 철산화물층을 형성시킨 입상 또는 판상 촉매를 유동시키는 전기화학적 폐수 처리 장치에 관한 것이다.
본 발명에 사용한 전기화학적 폐수 처리 장치는 도 1에 나타낸 것과 같이 반응조 (9), 전원 공급 장치 (1), 폭기 장치 (6) 및 저장조 (5) 등으로 이루어져 있으며, 반응조에는 양극 (2)와 음극 (4)가 각각 높이를 달리하여 폐수 유입 방향에 수직인 방향으로 교대로 배치되어 있다. 또한 반응조 바닥에는 폭기구 (10)이 설치되어 있고, 양 옆으로 폐수의 유입과 유출이 이루어지는 유입구 (8) 및 유출구 (7)이 있다.
유입된 폐수는 수로를 따라 흐르게되어 폐수와 전극과의 접촉 효율이 증가하게 된다. 이 때 반응조 바닥의 폭기구에서 공기를 주입함으로써 유속이 증가하게 되고 따라서 물질 전달 속도가 증가하여 전극에서의 반응 속도를 원활하게 유지시켜 주게된다. 또한, 이와 같은 폭기는 전극 표면에서 발생한 기포(다시말해 음극에서의 수소와 양극에서의 산소)의 전극과의 탈착을 도와주므로, 기포가 전극 표면에서 그대로 존재하게 되어 발생하는, 실제 전극 반응이 일어나는 전극 표면적이 감소하여 전기화학 반응 효율의 감소를 억제하는 효과 또한 지니고 있다.
또한 양극 앞에 철산화물이 피복된 티타늄망 촉매를 설치하거나 또는 철산화물을 피복시킨 탄소 입상을 분산시켜 음극에서 발생하는 과산화수소와의 촉매 반응을 통한 유기물의 산화가 이루어지는 부가 반응이 일어나게 된다. 또한 이들 촉매의 경우 전기 분해시 이극(bipolar) 효과로 인한 전극 반응의 증대 및 촉매의 재생 효과를 얻을 수 있다.
이하, 본 발명의 전기화학적 폐수 처리 장치를 보다 상세하게 설명한다.
즉, 본 발명의 전기화학적 폐수 처리 장치에서 음극과 양극은 서로 높이를 달리하여 교차 배열되고, 반응기 하부에는 폭기 장치가 설치되며, 전극 사이에는 입상 또는 판상 촉매가 설치되어 있다.
보다 상세하게, 본 발명의 전기화학적 폐수 처리 장치에서는 음극으로 철, 또는 니켈판을 사용하고, 양극으로는 티타늄 판상에 루테늄(Ru)-이리듐(Ir)-주석 (Sn) 산화물을 피복시킨 DSA(Dimensionally Stable Anode) 전극을 사용한다. 반응기에 폐수를 유입하고 외부에서 전원을 공급하면 양극에서는 산화 반응이 일어나 유기물과 색도가 분해 제거되고, 음극에서는 중금속의 환원 반응이 일어나 음극 판상에 전착하여 중금속이 제거된다.
이 때, 반응기 내에서 판상의 음극과 양극의 높이를 각각 달리하여 유체의 흐름을 상승 및 하강이 반복되도록 하여 폐수 단위 부피당 전극과 접촉하는 면적을 최대한으로 증가시켰다. 또한, 반응기 하부의 폭기 장치에서 공기를 주입하여 반응기 내의 수로를 통한 유체의 흐름을 보다 원활하게 하였고 부가적으로 폐수 내의 용존 산소의 양을 늘림으로써 음극에서의 과산화수소 발생을 증가시켰다. 보다 난분해성 폐수의 처리시에는 철산화물 촉매를 입상 또는 판상 형태로 전극 사이에 설치하여 유기물의 산화 반응을 배가시켰다.
본 발명의 전기화학적 폐수 처리 장치에서 사용되는 양극의 재료는 이리듐-주석, 루테늄-주석, 루테늄-이리듐-주석 및 루테늄-이리듐-주석-안티몬 산화물층으로 이루어진 군으로부터 선택된다.
구체적으로, 본 발명의 전기화학적 폐수 처리 장치에서는 전해 처리시 사용되는 양극 재료의 경우 티타늄 판상에 열분해법으로 일정 농도비의 루테늄-이리듐-주석-안티몬 산화물층을 형성하여 사용함으로써 기존의 촉매 전극보다 내구성이나 반응성을 향상시켰다.
본 발명에 따른 양극 재료는 티타늄 판을 샌드 블라스팅 (sand blasting)하여 연마한 후, 옥살산으로 티타늄판 외부에 형성된 티타늄 산화막층을 제거한 후, 수산화나트륨으로 탈지하고, 염화루테늄, 염화이리듐, 염화주석 및 염화안티몬이 일정 농도비로 용해되어 있는 염산 또는 이소프로필 알콜 용액을 도포하여 열분해 공정을 여러번 반복함으로써 제조하였다. 이렇게 제조된 양극은 유기물 산화 효율면이나 내구성면에서 뛰어난 성능을 보였다.
본 발명은 또한 입상 또는 판상 촉매는 티타늄 및 탄소에 철산화물층을 형성시킨 촉매인 전기화학적 폐수 처리 장치에 관한 것이다.
구체적으로, 본 발명의 전기화학적 폐수 처리 장치에서는 양극 바로 앞에 철산화물층을 형성시킨 촉매를 설치 또는 분산시켜 부가 반응으로써 음극에서 생성되는 과산화수소를 이용, 유기물의 산화를 촉진시켰다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 기재한다. 그러나, 아래에 서술한 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위해 기술한 것으로 본 발명이 이 실시예에 국한되는 것은 아니다.
<실시예>
본 발명에 따른 전기화학적 폐수 처리 장치를 이용하여 처리하고자 하는 염색폐수, 침출수, 화학폐수, 식품폐수, 농약폐수 등의 폐수에 대해 전해 산화 처리 실험을 실시하였다.
본 실시예에 사용된 폐수 중 염색폐수는 중앙 염색 공장으로부터 이용하였고, 농약폐수는 비료생산 업체인 동부한농과 LG로부터의 폐수를 채취하여 이용하였고, 화학폐수는 동진화성의 폐수를 이용하였다.
본 실시예의 폐수 처리 장치에 있어서 전류는 파우어 서플라이(Power Supply, HUNG CHANG, HC1330A)를 이용하여 공급하고, 폐수는 펌프를 이용하여 일정 속도로 공급하였으며, 이 때 폐수의 반응기 내의 온도는 50-60 ℃를 유지하였다.
실험은 하기 표 1에 기재된 바와 같이 전전압(applied potential) 및 촉매량을 변화시켜 가며 행하였으며, 반응 중 일정 시간마다 시료를 채취하여 폐수 내의 유기물 산화량과 중금속 처리량, 색도 및 암모니아성 질소의 처리량을 조사하였다.
| 변수 | 실험 범위 |
| 전전압 | 2-14 V |
| 물 체류 시간 | 1.4 분 |
| 양극과 음극간의 거리 | 2.0 ㎝ |
| 촉매 | 0-50 g |
유기물의 농도 분석은 총 유기 탄소 분석기(Total Organic Carbon Analyzer, TOC-5000A, SHIMADUZ)를 이용하여 TOC (총 유기 탄소)값을 측정하였다. 색도는 UV-분광기 (UV-1601, SHIMADUZ)를 이용하여 분석하고, 질소의 농도는 TKN 장치를 이용하여 분석하였다.
전해 산화 처리 시간에 따른 폐수 내의 TOC, 암모니아성 질소 및 색도 변화를 하기 표 2, 3 및 4에 나타내었다.
| 전해 산화 처리 시간에 따른 각종 폐수의 TOC 변화 | ||
| 시간(분) | TOC(ppm) | |
| 화학폐수 | 침출수 | |
| 0 | 10085 | 411 |
| 60 | 4897 | 145 |
| 120 | 3631 | 96 |
| 180 | 2613 | 47 |
| 240 | 1570 | 36 |
| 300 | 961 | 30 |
| 360 | 619 | 25 |
| 전해 산화 처리 시간에 따른 각종 폐수의 NH3-N 변화 | ||
| 시간(분) | NH3-N(ppm) | |
| 침출수 | 식품폐수 | |
| 0 | 1267.7 | 87.3 |
| 60 | 659.6 | 59.6 |
| 120 | 168.6 | 40.2 |
| 180 | 24.9 | 24.3 |
| 240 | 3.8 | 15.1 |
| 300 | 2.4 | 9.8 |
| 360 | 2.1 | 8.4 |
| 전해 산화 처리 시간에 따른 각종 폐수의 색도 변화 | ||
| 시간(분) | 색도(colorimetry unit) | |
| 염색폐수 | 침출수 | |
| 0 | 998 | 1120 |
| 60 | 584 | 445 |
| 120 | 349 | 194 |
| 180 | 173 | 87 |
| 240 | 88 | 54 |
| 300 | 74 | 45 |
| 360 | 56 | 38 |
상기 표 2 내지 4로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 전기화학적 폐수 처리 장치를 이용하여 처리한 화학 폐수와 침출수의 TOC는 각각 360분내에 93.9 % 정도 감소되었고, 침출수와 식품폐수의 암모니아성 질소는 각각 360분내에 99.8 % 및 90.4 % 정도 제거되었고, 염색폐수와 침출수의 색도는 각각 360분내에 94.4 % 및 96.6 % 정도 감소되었다.
이와 같이, 본 발명에 따른 전기화학적 폐수 처리 장치를 이용한 전해 산화 처리에 의해 각종 폐수 내의 유기물, 질소 등의 오염 물질 및 폐수 색도를 짧은 시간내에 90 % 이상 제거하는 것이 가능하였다.
<비교예>
한국 특허 공개 제99-168호에 기재된 종래 폐수 처리 시스템과 본 발명의 폐수 처리 장치를 사용한 하수 처리의 평균 결과를 하기 표 5에 나타내었다.
| 한국 특허 공개 제99-168호의 폐수 처리 시스템 | 본 발명의 폐수 처리 장치 | |
| 유입수 COD | 120 ppm | 23000 ppm |
| 처리수 COD | 35 ppm | 6000 ppm |
| 제거율 | 70.8 % | 74.0 % |
본 발명의 폐수 처리 장치는 한국 특허 공개 제99-168호에 기재된 종래 폐수처리 장치에 비해 저농도 하수 뿐만 아니라 고농도 난분해성 폐수까지도 처리할 수 있으며, 이 때에 어떠한 첨가제나 추가 공정없이 단지 전극에 의한 산화환원 반응만으로 효과적으로 처리할 수 있기 때문에 설비면이나 처리 비용면에서 상당한 잇점이 있다.
또한, 한국 특허 공개 제98-25459호에 개시된 종래 장치도 역시 저농도 하수를 처리 대상으로 하였고, 유기물 부하량이 0.121 kg/day인 처리 조건으로 단지 인만을 제거하기 위한 처리 시스템이지만, 이에 비해 본 발명의 장치는 유기물 부하량이 0.265 kg/day인 처리 조건으로 상기 종래 장치보다 2배 이상 높으면서도 인 뿐만 아니라 유기물, 질소, 색도 등을 효과적으로 처리할 수 있다
본 발명에 따른 전기화학적 폐수 처리 장치는 한 개의 반응기 내에 여러 단계의 전해 처리를 행하는 효과를 지니고 있고, 또한 폐수와 전극의 접촉의 극대화를 통해 폐수 처리에 있어서 유기물의 산화 반응의 효율을 증대시킨다. 그리고, 전체 장치가 콤팩트 (compact)하고 소형이기 때문에 폐수 처리 장치의 설치 면적이 기존의 처리법에 비하여 작아, 설치 부지의 확보 문제점을 해결할 수 있으며 경제적이고 유지 관리가 용이한 중소규모 폐수 처리 장치로 활용될 수 있다는데 그 특징이 있다.
또한, 본 발명에서의 전극 재료는 기타 촉매 전극에 비해 그 효율성이나 내구성에 있어서 뛰어나므로 한번 장착시 반영구적으로 사용할 수 있어 경제성면에서도 우수하다는 장점을 가지고 있다.
그리고 본 발명의 또 하나의 효과는 철산화물 촉매의 부가 사용으로 인한 처리 시간의 단축이다. 상기 기술에서 언급한 것과 같이 기존 처리 시간보다 50 % 이상의 시간을 단축함으로써 경제성을 향상시킬 수 있다.
Claims (3)
- 전기화학적 폐수 처리 장치에 있어서, 음극과 양극은 서로 높이를 달리하여 교차 배열되고, 반응기 하부에는 폭기 장치가 설치되며, 전극 사이에는 입상 또는 판상 촉매가 유동되도록 설계된 것을 특징으로 하는 전기화학적 폐수 처리 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 양극은 이리듐-주석, 루테늄-주석, 루테늄-이리듐-주석 또는 루테늄-이리듐-주석-안티몬 등으로 이루어진 산화물층을 티타늄에 형성시켜 제조하는 것인 장치.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 입상 또는 판상 촉매가 티타늄 및 탄소에 철산화물층을 형성시킨 촉매인 장치.
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