KR100339868B1

KR100339868B1 - 입자전극을 충전한 전극반응기에 의한 폐수의 처리방법 및 그의 장치

Info

Publication number: KR100339868B1
Application number: KR1019990004749A
Authority: KR
Inventors: 김학준
Original assignee: 김용래; 삼광 고하켐 주식회사; 김학준
Priority date: 1999-02-10
Filing date: 1999-02-10
Publication date: 2002-06-07
Also published as: KR20000055882A

Abstract

(목적) 폐수가 생기지 않으며, 반응속도가 빠르며 전력소모가 적은 도금폐수 처리방법 및 장치를 제공함을 목적으로 한다.

(구성) 양극 및 음극으로 되는 주전극간에 삼차원 전극을 충전한 전해조내에 폐수를 도입하고 그 삼차원 전극에 전압을 인가하여 폐수중의 오염물질을 분리함에 있어서, 음극판과 양극판 사이에 플라스틱 망을 복수개 설치하고 납, 티타늄, 티타늄에 백금 도금한 것, PbO₂중에서 택일한 것으로 된 입자전극을 충전한 전극반응기에 의한 폐수의 처리방법이고, 또한 전극반응기내에 음극판(1)과 양극판(2)을 복수개 설치하고, 음극판(1)과 양극판(2)사이에 플라스틱 망(6)을 복수개 설치하고, 플라스틱 망(6)과 양극판(2)사이에 납, 티타늄, 티타늄에 백금 도금한 것, PbO₂중에서 택일한 것으로 된 입자전극(3)을 충전하고, 폐수 입구(4)와 처리수 출구(5)로 구성된 입자전극을 충전한 전극반응기에 의한 폐수의 처리장치임을 특징으로 한다.

Description

입자전극을 충전한 전극반응기에 의한 폐수의 처리방법 및 그의 장치 {A METHOD FOR TREATING WASTE WATER USING ELECTRODE REACTOR CHARGED WITH PARTICLE ELECTRODE AND DEVICE THERE OF}

발명의 배경에는 폐수의 화학적 처리의 단점으로

① 복잡한 다단공정

② 부산물의 복합적 요인

③ 화학반응장치를 설치하는데 큰 부지가 필요하고,

④ 처리기술 및 인식부족으로 인한 과다한 약품을 투여함으로서, 처리코스트의 상승

⑤ 환경오염문제

등이 있어 이를 간단하고 청정공정으로 하기 위하여 전해반응기와 같이 전기에너지를 가하여 전극과 전해액 계면에서 물질변화가 일어나도록 하는 성에너지장치가 개발되어 있다.

전해반응기의 장점으로 화학적 합성 또는 처리에서의 단점은 보완하는 이외에도 산화반응과 환원반응을 동시에 수행, 중금속 이온, 시안화물 이온, 유기물, COD 등을 함유한 폐수의 동시처리와 특히 유기합성에서 선택적으로 반응(화학적으로는 반응이 진행이 안 되는 것이라도)을 진행시키기 때문에 정밀화학에 필요불가분하며 앞으로 전망이 있는 분야이다.

그러나, 전해반응기의 단점은 주로 후처리 과정인 수세에서 발생하는 도금폐수와 유기용매에서 유기전해합성할 때에는 전해질 농도가 저농도로 희박하고 전도도가 낮은 상태이어서, 합성 또는 처리되어야 할 물질의 농도가 낮거나 전도도가 낮으면 전극 면으로의 물질이동이 율속과정이 되어 반응속도가 늦어져 처리속도가 매우 느려지고 액의 저항에 의해 전력소모가 커지게 되는 결점이 있다.

또한 시중에서 일반적으로 통용되거나 시판되는 음극과 양극의 2전극판에 의한 폐수 전극반응기는 폐수의 전해반응기로서의 결점이 더욱 크다.

본 발명품은 특히 도금 폐수처리에 유용하게 활용할 수 있다.

도금 폐수는 주로 화학약품 첨가에 의한 화학적 중화법으로 처리되고 있다.

이런 화학약품을 이용한 폐수처리 방법의 단점은 폐수처리장을 설치하는데 큰 부지매입, 처리기술 및 인식부족으로 인한 과다한 약품투여, 슬러지 발생 등과 같은 2차 환경오염문제 등이 있다.

중금속 이온을 함유한 폐수를 기존의 화학약품으로 처리할 경우에는 중금속 이온을 중화 침전시켜 처리하기 때문에 슬러지가 부가적으로 생성되어 이것의 처리를 위한 비용이 부가되고 중금속 이온의 재활용이 불가능하게 된다. 이러한 화학약품 처리방법의 문제점을 개선하기 위해 최근에 새로이 제안된 폐수 처리법을 살펴보면 진공 증발 장치, 선택성 다단 투과막, 오존 발생기 등을 활용하는 방법이 있다. 진공 증발 장치는 폐수를 아주 낮은 압력까지 감압한 후 높은 온도로 끓여 수분을 증발시킴으로써 폐수의 양을 대폭으로 줄여서 처리하는 장치이며, 선택성 다단 투과막법은 이온을 선택적으로 투과하는 분리막을 설치하여 폐수를 처리하는 방법이나, 눈막힘 현상이 빈번하게 일어나 그다지 좋은 효과를 기대하지 못하는 실정이다. 또한, 오존 발생기는 폐수의 산화를 위한 공정에 부분적으로 사용되나 대체로 처리용량이 적고, 고가이므로 설치 및 운영에 어려움이 따른다. 이 외에 폐수처리를 위한 또 다른 장치와 처리방법이 연구 개발되고 있으며, 일부는 부분적으로 사용되기도 하지만 새로운 공정을 설치 및 운영 시에는 많은 시행착오가 우려되므로 신중한 사전검토가 필요하다. 최근에는 이러한 여러 가지 문제를 해결하기 위해 작은 공간에서도 화학약품을 투여하지 않고 부생성물 (슬러지)이 최소화되는 전해 폐수 처리법이 개발되고 있다.

전해 폐수처리는 전기분해 반응의 과정을 이용한 것이다. 전기분해는 전해조에 전기 에너지를 가하여 전극과 전해액 계면에서 물질변화가 일어나도록 하는 전기 화학적인 조작으로서, 이 조작을 통하여 산화반응과 환원반응을 동시에 수행할 수 있다. 이런 장점을 이용하여 폐수를 처리할 경우, 전해 방법은 중금속 이온, 시안화물 이온, 유기물, COD 등을 함유한 폐수의 동시처리에 더욱 유리하게 적용될 수 있다.

중금속 이온 폐수를 전해 처리할 경우에는 음극에서 금속이온을 환원시켜 폐수 중의 중금속을 제거할 수 있다. 그 후 전원을 반대로 걸어 주면 순수 금속으로 회수할 수 있으므로 폐자원의 재활용이 가능해 진다. 이런 전해 방법으로 폐수를 처리할 경우와 기존의 화학 약품으로 처리하는 경우를 경제적인 측면에서 비교하여 발표한 H. J. Kim, J. Korea Ind. & Eng. Chemistry 3,657(1992)에 의하면, 전해 처리시의 경비가 약품 처리 시의 경비보다 저렴한 것으로 밝혀진 바가 있다. 실제로도 폐수 처리장을 운영하다 보면 약품비 및 기타 유지·관리비가 지속적으로 늘어가는 경향을 나타내는데, 경비 절감의 측면에서 폐수의 전해 처리 방법은 화학약품의 대폭적인 절감 및 시설 유지, 관리비의 절감을 기할 수 있어 큰 효과를 기대할 수 있다.

위와 같은 종래의 전해반응기의 문제점을 해결하기 위해서 유효 전극면적이 크고, 반응속도가 빠르고, 물질의 합성, 희박한 전해질의 낮은 전도도 용액에 존재하는 중금속 및 유해 이온을 제거 또는 회수할 수 있고, 반응기를 콤팩트화 할 수 있고, 적은 부지에서도 다량 처리할 수 있고, 공정이 간단하여 적은 인력으로 장치를 운전할 수 있고, 폐수를 처리하기 위해 약품을 첨가하여 화학반응을 일으키지 않고, 겸하여 정밀 화학물을 회수할 수 있는 폐수처리방법 및 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

도1은 본 발명의 폐수처리 입자 충전층 전극반응기의 단면도이다.

1 --- 음극 2 --- 양극 3 --- 입자전극

4 --- 폐수입구 5 --- 처리수 출구 6 --- 망

양극 및 음극으로 되는 주전극간에 삼차원 전극을 충전한 전해조내에 폐수를 전극반응기의 하단에 도입하고 그 삼차원 전극에 전압을 인가하여 폐수중의 오염물질을 분리함에 있어서, 음극판과 양극판 사이에 플라스틱 망을 복수개 설치하고 납, 티타늄, 티타늄에 백금 도금한 것, PbO₂중에서 택일한 것으로 된 입자전극을 충전한 전극반응기에 의한 폐수의 처리방법이고, 또한 전극반응기내에 음극판(1)과 양극판(2)을 복수개 설치하고, 음극판(1)과 양극판(2)사이에 플라스틱 망(6)을 복수개 설치하고, 플라스틱 망(6)과 양극판(2)사이에 납, 티타늄, 티타늄에 백금 도금한 것, PbO₂중에서 택일한 것으로 된 입자전극(3)을 충전하고, 폐수 입구(4)와 처리수 출구(5)로 구성된 입자전극을 충전한 전극반응기에 의한 폐수의 처리장치임을 특징으로 한다.

그리고, 입자전극은 주형 또는 펠레트형 또는 무정형으로서 그의 크기에는 한정이 없으나, 1mm 이상의 것을 쓰는 것이 좋다.＜ 발명의 실시태양 ＞

이하 더 상세히 설명하면 다음과 같다.

입자전극들을 충전한 전해반응기를 사용하면 충전된 상하의 입자전극과 입자전극 사이가 가까워지고 입자 하나 하나가 미소 단위전극이 되어 반응이 일어날 수 있는 유효 전극 면적이 대단히 커지게 되므로 물질이동이 용이하게 되어 반응속도가 대단히 빨라지고 전극반응이 일어나는 비표면적이 확대되어 합성 또는 폐수처리량이 매우 증대되어 희박한 전해질의 낮은 전도도 용액 중에 존재하는 중금속 및 각종 유해 이온을 동시 제거 및 회수할 수 있다.

3차원 입자 전극반응기 원리를 설명하면 다음과 같다.

전도성을 가진 입자를 여러 개의 층으로 분리하여 충전한 고정상 충전층 흑연 전극반응기는 도1과 같은 전위구배가 형성되어 충전된 입자 하나 하나가 미소단위전극이 되므로 반응이 일어날 수 있는 유효 전극면적이 대단히 커지게 된다. 판형 전극의 경우에는 반응이 일어날 수 있는 유효 면적이 극판 뿐이지만, 입자가 여러 개의 층으로 분리되어 충전된 전극반응기의 경우에는 극판에서 뿐만 아니라 충전된 각각의 입자에서 반응이 활발하게 진행된다. 그러므로, 판형 전극 반응기에 비해 충전층 전극반응기는 저전류 영역에서 단시간 동안의 전해가 가능해 진다.

전해질의 전도도를 낮게 하면 할수록 복극성이 더욱 두드러지게 되어 전해시 저전류-고전압이 된다. 각각의 입자가 도1과 같이 복극성을 띄게 되면 양극(+)영역에서는 산화반응, 음극(-)영역에서는 환원반응이 일어나기 때문에 양이온과 음이온이 혼합된 물질을 동시에 처리할 수 있게 된다.

특히, 전도도가 낮은 전해액에서는 각각의 입자가 전위 구배가 생겨 복극성을 띄게 되어 양극(anode)영역에서는 산화 반응(oxidation reaction), 음극(cathode)영역에서는 환원반응(reduction reaction)이 동시에 일어나기 때문에 양이온(cation)과 음이온(anion)이 혼합된 물질을 동시에 처리할 수 있게 되는 것을 이용하여 전도도가 낮은 전해액인 정밀화학, 폐수처리 등에 응용할 수 있는 복극성(bipolar) 입자 충전층 3차원 전극반응기 장치와 그 방법이다.

본 발명의 복극성 입자 충전층 3차원 전극반응기 장치 및 그 방법은 반응기 부피당 전극반응면적이 커서 반응기를 최소-간단화(compact)시킬 수 있고, 전도도가 낮은 전해액의 물질이동속도를 크게 하며, 적은 부지에서 다량 처리할 수 있는 기능과 연속적인 제어 기능을 갖고 있으며, 공정이 간단하여 적은 인력으로도 장치운전을 할 수 있다. 또한 전기에너지를 이용하기 때문에 화학반응을 위한 첨가물과 부생성물에 인한 주 생성물과의 분리가 필요 없으므로 간단하고 청정공정(clean process)으로 정밀화합물의 회수와 폐수처리를 겸해 할 수 있다.

본 발명품은 특히 도금 폐수처리에 유용하게도 활용할 수 있다.

[ 실시예1 ]

본 반응기를 사용하여 methanol용제와 NaBF₄의 미량첨가하에서 p-tert-buthyl toluene를 0.8A로 메톡실화(전해산화)하여 정밀화학제품의 원료가 되는 p-tert-buthyl benzyl aldehyde dimethyl acetal를 수율 68wt%이고, 전류효율 330%이었다.

[ 실시예2 ]

입자 충전에 의한 3차원 입자전극의 성능과 3차원 전극 반응기를 단순 비교해 보기 위해 350㎖ 비이커에서 활성탄 입자의 충전 효과를 알아보기 위해서 CN-1000mg/ℓ전해액을 주입한 후 흑연판으로만 전해 한 경우를 전해하여 이 두 경우에 대한 전해처리 결과를 표1에 나타냈다. 탄소입자의 충전은 CN-전해반응시에 분해효율을 60.2% 증가시키는 효과를 나타내었다.

표1. 2차원 전극반응기와 3차원 전극반응기의 전해결과전해조건 : 초기농도 : CN- 1000mg / ℓ전해전류 : 0.60 A전해온도 : 18℃ ± 1℃전해시간 : 30 minCN- 분해효율 [%] =C_O: 초기 CN- 농도 [mg / ℓ]C_t: t시간 전해후 CN-농도 [mg / ℓ]

[ 실시예3 ]

CN- 1000 ∼ 500 ppm 의 폐수처리에 응용하여 10 ∼ 20 ppm으로 낮춘다.

[ 실시예4 ]

COD 7000 ∼ 7500 ppm의 폐수처리에 응용하여 10 ∼ 20 ppm으로 낮춘다.

[ 실시예5 ]

Cr(6가) 500 ∼ 1000 ppm의 폐수처리에 응용하여 1 ∼ 2 ppm으로 낮춘다.

[ 실시예6 ]

입자전극들을 충전한 전해반응기를 사용하면 충전된 상하의 입자전극과 입자전극 사이가 가까워지고 입자 하나 하나가 미소 단위전극이 되어 반응이 일어날 수 있는 유효 전극 면적이 대단히 커지게 되므로 물질이동이 용이하게 되어 반응속도가 대단히 빨라지고 전극반응이 일어나는 비표면적이 확대되어 합성 또는 폐수처리량이 매우 증대되어 희박한 전해질의 낮은 전도도 용액 중에 존재하는 중금속 및 각종 유해 이온을 동시 제거 및 회수할 수 있고, 반응기 부피당 전극반응면적이 커서 반응기를 최소-간단화(compact)시킬 수 있고, 전도도가 낮은 전해액의 물질이 동속도를 크게 하며, 적은 부지에서도 다량 처리할 수 있는 기능과 연속적인 제어기능을 갖고 있으며, 공정이 간단하여 적은 인력으로도 장치운전을 할 수 있고, 또한 전기에너지를 이용하기 때문에 화학반응을 위한 첨가물과 부생성물에 인한 주생성물과의 분리가 필요 없으므로 간단하고 청정공정(clean process)으로 정밀화합물의 회수와 폐수처리를 겸해 할 수 있는 우수한 효과가 있다.

Claims

양극 및 음극으로 되는 주전극간에 삼차원 전극을 충전한 전해조내에 폐수를 도입하고 그 삼차원 전극에 전압을 인가하여 폐수중의 오염물질을 분리함에 있어서,

음극판(1)과 양극판(2) 사이에 플라스틱 망(6)을 복수개 설치하고 납, 티타늄, 티타늄에 백금 도금한 것, PbO₂중에서 택일한 것으로 된 입자전극(3)을 충전하고 폐수 입구(4)에 폐수를 도입하고 처리수 출구(5)에서 처리수를 배출하여서 된 입자전극을 충전한 전극반응기에 의한 폐수의 처리방법.
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전극반응기내에 음극판(1)과 양극판(2)을 복수개 설치하고, 음극판(1)과 양극판(2)사이에 플라스틱 망(6)을 복수개 설치하고, 플라스틱 망(6)과 양극판(2)사이에 납, 티타늄, 티타늄에 백금 도금한 것, PbO₂중에서 택일한 것으로 된 입자전극(3)을 충전하고, 폐수 입구(4)와 처리수 출구(5)로 구성된 입자전극을 충전한 전극반응기에 의한 폐수의 처리장치.
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