KR100411815B1 - 전극을 이용한 유·무기물 함유폐수의 전기화학적유·무기물 제거방법 및 그 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유기물 및 무기물을 다량 함유하는 산업폐수중의 유기물과 무기물을 동시에 제거하는 장치와 방법에 관한 것이며,

SUS 전극과 백금전극이 세로로 구성된 유기물제거장치를 이용하여 유기물을 먼저 제거하고 탄소전극과 탄소에어로젤 전극이 가로로 구성된 음이온 제거장치를 이용하여 음이온을 제거한 후 활성탄소섬유 전극이 가로로 구성된 무기물 제거장치를 이용하여 최종 무기물을 제거하여 산업폐수를 정화하는 장치 및 방법을 제공함으로써,

종래의 유기물 및 경도 성분 제거시 다량의 화학약품 투입으로 초래되는 제반 문제점을 해소 및 보완하여 유기물 및 경도성분을 연속적으로 동시에 제거할 수가 있으므로 경제적이며 고도로 환경친화적인 폐수처리를 할 수가 있으며, 폐수를 산업용수로 재활용할 수가 있다.

Description

전극을 이용한 유·무기물 함유폐수의 전기화학적 유·무기물 제거방법 및 그 장치{The Method and Apparatus to Remove Electrochemically Organic and Inorganic Materials in Waste Water Using Electrodes}

본 발명은 전기화학적 방법에 의한 폐수 처리방법 및 그 장치에 관한 것이며, 더욱 상세하게는, 화석연료 연소후 발생되는 황산화물 제거용 탈황장치 등으로부터 배출되는 고농도 폐수를 전극을 이용하여 유기물 및 염성분 등을 제거하여 공업용수로 재활용하기 위한 전기화학적 방법에 의한 폐수 처리방법 및 그 장치에 관한 것이다.

종래, 폐수, 전형적으로는 탈황폐수 중에 다량 함유되어 있는 유기물은 화학약품인 산화제를 투입하여 산화제거시키고 폐수중의 경도 성분도 화학약품을 투입하여 수산화물로 침전시켜 제거하는 방법이 사용되어 오고 있다.

그러나, 상기한 처리 폐수 중에 다량 함유되어 있는 유기물 및 경도 성분들의 제거를 위하여 화학제를 다량 사용하게 되면, 이들 화학제의 재분리 수거 및/또는 이들 화학제와 폐수 중의 제거 대상 성분과의 반응생성물의 제거 조작이 수반되어야 하며, 이들 화학제의 구입 사용으로 인한 운전 코스트의 증가 및, 연속식 공정의 적용이 곤란하게 되는 등의 문제가 있을 뿐만 아니라, 이들 화학제의 생산 및첨가 그 자체가 환경 오염의 원인이 될 수 있는 문제점이 있다.

따라서, 종래, 폐수 중의 유기물 및 경도 성분 등의 처리 공정을 최적화함으로써 상기한 화학제들의 첨가량은 최소화하면서도 처리 효율은 역으로 향상시키기 위한 시도가 있어 왔다.

그러나, 상기한 공정의 최적화가 용이한 문제는 아니며, 화학제의 사용은 불가피한 것이므로 이를 통한 처리 방법에는 일정한 한계가 있을 수 밖에 없는 본질적인 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명의 첫 번째 목적은 발전소, 제철소, 석유화학시설 등과 같은 대규모 설비 또는 중소규모의 소각로 등과 같은 설비의 가동에 수반하여 배출되는 폐수 중의 환경에 유해한 유기물 및 무기물을 산화제, 투석 침전제 등과 같은 화학제를 전혀 사용치 아니하거나 또는 그 사용을 최소화할 수가 있는, 고도로 환경친화적인 탈황폐수 처리 방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 두 번째 목적은 탈황폐수 중의 환경에 유해한 유기물 및 무기물을 연속식으로 처리하기 위한 폐수 처리 방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 세 번째 목적은 탈황폐수를 공업용수로 재활용하여 폐수배출을 최소화하기 위한 폐수 처리 방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 네 번째 목적은 상기한 본 발명의 첫 번째 내지 세 번째 목적을 원활히 수행키 위한 폐수 처리 장치를 제공하기 위한 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 전기화학적 방법에 의한 폐수 처리장치의 개략구성도

도 2는 도 1에서의 유기물 제거장치(10)의 사시도

도 3은 도 1에서의 무기물중 음이온 제거장치(14)의 사시도

도 4는 도 1 에서의 무기물 제거장치(16)의 사시도

도 5는 도 2의 유기물 제거장치(10)의 평면도

도 6은 도 3의 무기물중 음이온 제거장치(14)의 평면도

도 7은 도 4의 무기물 제거장치(16)의 평면도

도 8은 도 1 및 도 2의 유기물 제거장치(10)의 단위 전극셀

도 9는 도 1 및 도 3의 무기물중 음이온 제거장치(14)의 단위 전극셀

도 10은 도 1 및 도 4의 무기물 제거장치(16)의 단위 전극셀

- 도면중 주요부분에 대한 부호의 설명 -

1 : 본 발명에 따른 전기화학적 유·무기물 제거장치

10 : 유기물제거장치 12 : 가스제거탱크

14 : 음이온 제거장치 16 : 무기물(이온)제거장치

18 : 전원공급장치 20 : 로직 컨터롤러

40 : SUS 전극 42 : 백금 전극

44 : 탄소 전극 46 : 탄소에어로젤 전극

52, 54 : 탄소섬유 전극

상기한 본 발명의 첫 번째 내지 세 번째 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 일 양태(樣態)에 따르면, (A) 음전극으로서의 SUS 전극과 양전극으로서의 로듐전극에 전원을 인가하여 폐수 중의 유기물을 분해시킴과 동시에, 수산화물 형태의 양이온을 제거하는 유기물 분해 및 양이온 제거 단계, (B) 음전극으로서의 탄소전극과 양전극으로서의 탄소에어로젤 전극에 전원을 인가하여 음이온을 흡착 제거하는 음이온 제거 단계, (C) 음전극과 양전극으로서의 활성탄소섬유 전극에 전원을 인가하여 무기물을 양이온 및 음이온의 형태로 흡착 제거하는 무기물 제거 단계로 구성되는 전극을 이용한 유·무기물 함유폐수의 전기화학적 유·무기물 제거 방법이 제공된다.

상기한 본 발명의 네 번째 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 일 양태에 따르면, 음전극으로서의 SUS 전극과 양전극으로서의 로듐전극이 교호적으로 평행하게 배열되는 유기물제거장치와, 음전극으로서의 탄소전극과 양전극으로서의 탄소에어로젤 전극이 교호적으로 평행하게 배열되는 음이온 제거장치와, 음전극과 양전극으로서의 활성탄소섬유 전극이 평행하게 배열되는 무기물 제거장치(16)가 순차적으로 연결되는 적어도 하나의 유니트가 직렬 또는 병렬로 배열, 구성되는 전극을 이용한 유·무기물 함유폐수의 전기화학적 유·무기물 제거 장치가 제공된다.

본 발명에 따른 폐수 처리 방법 및 이를 실현키 위한 장치에 따르면, 폐수, 예컨대 탈황폐수 중에 함유되어 있는 환경에 유해한 유기물 및 무기물을 화학제 투입 없이, 또는 그 사용을 최소화하면서, 전기분해원리를 이용하여 분해용 전극 및 탈염용 전극을 특성에 맞게 부가하는 것에 의하여, 유ㆍ무기물 함유 폐수를 연속적으로 효율적으로 처리하여 처리수를 공업용수로 재활용하여 폐수배출을 최소화할 수가 있다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 전기화학적 방법에 의한 폐수 처리장치(1)의 전체적인 개략구성도로서 기본 유니트를 나타내고 있다. 이러한 기본 유니트는 유기물 분해 및 수산화물 형태의 양이온 제거를 위한 전기분해장치로서의 유기물 분해장치(10), 선택적 구성 요소로서 전기분해시 발생되는 수소 및 염소가스 제거탱크(12), 탄소에어로젤 전극방식의 음이온 제거장치(14), 활성탄소섬유 전극방식의 무기물(무기이온)제거장치(16), 전극 전원공급용 전원공급장치 (18), 전체적인 수처리 공정과 전극재생 단계를 제어하기 위한 로직 컨터롤러(20), 그리고 각 장치를 연결하는 파이프라인(도면부호 미부여)에 설치되는 밸브(22,24,26,28,30,32, 34) 등으로 구성되어 있다.

이러한 폐수 처리 기본 유니트는 적어도 1개 이상이 직렬 또는 병렬로 배열될 수 있으며 이 또한 본 발명의 영역 내이다.

도 2는 도 1에서의 유기물 제거장치(10)의 사시도로서, 유기물 분해 및 수산화물 형태의 양이온 제거를 위한 전기분해장치이며 음전극(40)과 양전극(42)이 교호적으로 일정한 간격을 두고서 상호 평행하게 배열된다. 도시된 예에서는, 음전극(40)과 양전극(42)이 각각 2개 및 3개가 세로 형태로 세워져 있으며, 음전극(40)과 양전극(42) 사이의 간격은 약 1~5mm의 간격, 바람직하게는 약 2~4mm, 더욱 바람직하게는 약 3mm이다. 폐수(예컨대, 탈황처리된 폐수)는 유입구(38)를 통하여 유기물제거장치(10)의 하방에서 유입된 다음, 상방의 유출구(36)를 통하여 유출된다.

상기한 음전극(40)과 양전극(42)은, 각각 SUS전극 및 로듐 또는 백금 전극으로 구성되는 것이 바람직하나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며 당업자에 자명한 임의의 다른 전극을 사용하더라도 무방함은 물론이다.

음전극(40)인 SUS전극에서는 수소가스가 발생되며, 양전극(42)인 로듐전극에서는 염소가스가 발생되고, 처리 유속은 약 0.1m/s∼3.0m/s의 범위, 바람직하게는 약 0.2m/s∼1.0m/s의 범위이며, 처리수질에 따라 적절히 조절될 수 있다. 공급전류는 전극에 급격한 스케일 형성을 예방할 수 있도록 전극전압이 0.5~15V, 바람직하게는 2∼7V가 되도록 유지한다. 폐수중에 존재하는 유기물은 전극사이에 형성되는 HOCl에 의해 분해제거되며, 무기물중 칼슘, 마그네슘, 망간 등의 양이온은 음극에서 초기 형성된 수산화이온과 결합하여 수산화물 형태의 고체로 석출된다. 이 때, 처리수의 pH는 약 1∼3이 된다. 석출된 각 이온의 수산화물은 탱크의 밑부분을 통하여 제거된다.

상기한 유출구(36)를 통하여 유출되는 유기물이 분해되고 수산화물 형태의 양이온이 제거된 폐수는, 도 1에서의 수소 및 염소가스 제거탱크(12)로 들어가게 되어, 전기 분해 과정 중에 생성되는 수소 및 염소 가스가 제거될 수 있으나, 이는 본 발명에 있어서 선택적인 구성이다. 수소 및 염소 가스가 제거된 폐수는 도 1에서의 탄소에어로젤 전극방식의 음이온 제거장치(14)로 유입된다. 여기서, 상기한 수소 및 염소가스 제거탱크(12)는 탄소에어로젤 전극방식의 음이온 제거 탱크(14)와 활성탄소섬유 전극방식의 이온제거탱크(16)의 헤드차를 유지하기 위하여 상기한 유기물 분해장치(10) 및 음이온 제거장치(14)의 상단 상방에 위치되는 것이, 제한적인 것은 아니나, 보다 바람직하며, 상기한 수소 및 염소가스 제거탱크(12)의 상단은 전기분해시 발생된 가스를 제거하기 위하여 대기중에 개방될 수 있다.

도 3은 탄소에어로젤 전극방식의 음이온 제거 장치(14)로서 음전극(44)과 양전극(46)이 상호 평행하게 교호적으로 배열되어 있으며, 도시된 예에서는 각각 2개및 3개가 가로 형태로 세워져 있으며, 음전극(44)과 양전극(46) 사이의 간격은 약 1~5mm의 간격, 바람직하게는 약 2~4mm, 더욱 바람직하게는 약 3mm이다. 유기물 분해 및 양이온이 제거된 폐수는 유입구(50)를 통하여 음이온 제거장치(14)의 하방에서 유입된 다음, 상방의 유출구(48)을 통하여 유출된다. 상기한 유출구(48)을 통해 나간 음이온이 제거된 폐수는 후술하는 도 4의 입구관(58)을 통하여 활성탄소섬유 전극방식의 무기이온제거장치(16)로 들어가게 된다.

도 3의 탄소에어로젤 전극방식의 음이온 제거 장치(14)에 있어서의 음전극 (44)은, 예컨대, SUS전극, 양전극(42)은, 예컨대, 티타늄 금속판에 탄소에어로젤을 접합한 전극을 사용할 있으나, 이 또한 본 발명에 있어서 제한적인 것은 아니다. 상기한 탄소에어로젤 전극방식의 음이온 제거 장치(14)는 물의 전기분해 기능과 수중의 음이온을 흡착제거하는 기능을 아울러 수행하게 된다. 폐수의 처리 유속은 약 0.1m/s∼3.0m/s범위, 바람직하게는 0.2m/s∼1.0m/s범위이며, 처리수질에 따라 적절히 조절될 수 있다. 공급전류는 전기분해와 흡착이 동시에 원활하게 수행될 수 있도록 처리 수질에 따라 전극전압이 약 0.5~10V, 바람직하게는 1∼3V가 되도록 유지한다. 이 때, 유입구의 1∼3의 pH를 갖는 강산성의 유입수의 pH는 유출구(56)의 유출수에서는 pH가 중성 내지 약 알칼리성인 7∼9로 변하게 된다.

전극에 흡착된 음이온을 탈착, 제거하기 위하여, 운전시간 0.5~2시간 마다, 통상적으로는 대략 1시간마다 2∼3분간 양극과 음극의 극성을 서로 바꾸어 주는 전극 재생을 수행한다. 이 때, 유출구(48)의 밸브(미도시)는 닫히고 음이온 제거 장치(14)에 연결된 드레인라인의 드레인 밸브(32)(도 1 참조)는 열리게 된다.

도 4는 도 1에서의 무기물 제거장치(16)의 사시도로서, 활성탄소섬유 전극방식의 이온제거장치이며, 음전극(52)과 양전극(54)이 상호 평행하게 교호적으로 배열되어 있으며, 도시된 예에서는 각각 2개 및 3개가 가로 형태로 세워져 있으며, 음전극(44)과 양전극(46) 사이의 간격은 약 1~5mm의 간격, 바람직하게는 약 2~4mm, 더욱 바람직하게는 약 3mm이다. 음이온이 제거된 폐수는 유입구(58)를 통하여 무기물 제거장치(16)의 하방에서 유입된 다음, 상방의 유출구(56)을 통하여 최종적으로 정화수로 유출된다. 상기한 정화수의 수질은 전도도로 100∼200μs/cm를 유지하게 된다.

도 4의 활성탄소섬유 전극 방식의 무기물 제거장치(16)에 있어서의 음전극 (52) 및 양전극(54)은, 예컨대, 티타늄 금속판 등에, 예컨대, 1~5mm 두께, 바람직하게는 대략 2mm 정도 두께의 활성탄소섬유를 접착한 것으로서, 폐수 중의 무기 양이온과 무기 음이온을 흡착 제거하는 기능을 수행하게 된다. 폐수의 처리 유속은 약 0.1m/s∼3.0m/s범위, 바람직하게는 0.2m/s∼1.0m/s범위이며, 처리수질에 따라 적절히 조절될 수 있다. 공급전류는 전기분해와 흡착이 동시에 원활하게 수행될 수있도록 처리 수질에 따라 전극전압이 약 0.5~5V, 바람직하게는 1∼2V가 되도록 유지한다. 이 때, 유출구(56)의 유출수의 pH는 7∼9를 유지하게 된다.

또한, 흡착된 양이온과 음이온을 탈착, 제거하기 위하여 운전시간 0.5~2시간 마다, 통상적으로는 대략 1시간마다 2∼3분간 양극과 음극의 극성을 서로 바꾸어 주는 전극 재생을 수행한다. 이 때, 유출구(56)의 밸브(미도시)는 닫히고 무기물 제거 장치(16)에 연결된 드레인라인의 드레인 밸브(34)(도 2 참조)는 열리게 된다. 도 5, 도 6 및 도 7은, 각각, 도 2, 도 3 및 도 4의 평면도를 도시한 것이며, 도 6 및 도 7과 비교하여 도 5는 유기물 제거 장치(탱크)(10) 내의 전극배치를 세로로 하여 음극(40)에서 형성되는 수산화물의 탈착을 용이하게 할 수 있으며, 제거 장치(탱크)(10) 내의 전극배치를 가로로 한 도 6 및 도 7에서는 가스제거 탱크(12)로부터 별도의 동력 없이 헤드차에 의해서만 폐수가 유입되도록 하는 것이 바람직할 수 있다.

도 8A 및 8B는 각각 유기물 제거장치(10)의 단위 전극셀을 도시한 사시도 및 정면도로서, 로듐(또는 백금)전극(36)의 양쪽면을 양극으로 이용하고 SUS전극(34)을 로듐전극의 양쪽에 설치하여 음극으로 사용하는 하나의 이온화 셀(60)을 이룬다.

도 9A 및 도 9B는 각각 음이온 제거장치(14)의 단위 전극셀(64)을 도시하는 사시도 및 정면도로서, 티타늄 금속판(46)의 양면에 카본에어로젤(62)을 접착한 카본에어로젤 전극(62)의 양쪽면을 양극으로 이용하고 탄소전극(44)을 카본에어로젤 전극의 양쪽에 설치하여 음극으로 사용하는 하나의 이온화 셀(64)을 이룬다.

도 10A 및 도 10B는 각각 무기물 제거장치(16)의 단위 전극셀(66)을 도시하는 사시도 및 정면도로서, 티타늄 금속판에 활성탄소섬유(68)를 접착한 탄소섬유 전극(54)을 양극으로 이용하고, 양극과 똑같이 티타늄 금속판에 활성탄소섬유(68)를 접착한 탄소섬유 전극(52)을 음극으로 사용하는 하나의 이온화 셀(66)을 이룬다.

유·무기물을 함유하는 폐수, 특히 탈황처리 폐수를 전극을 이용하여 유ㆍ무기물 제거시 별도의 화학제를 전혀 투입하지 않거나 또는 최소화함으로써 폐수처리시 2차 오염물질이 전혀 또는 거의 없게 할수가 있으므로 고도로 환경친화적일 뿐만 아니라, 화학약품비 및 인건비의 절감효과를 거둘수 있으며, 유기물 제거공정에서 경도성분을 동시에 제거할 수가 있다.

산성화되어 pH가 낮아진 폐수의 처리시 전극을 이용하여 전기분해와 흡착을 동시에 이용하여 전기화학적으로 수중 음이온을 탈착제거시킨 다음, 마지막 단계에서 수중 무기물을 전극을 이용하여 탈착제거함으로서 전도도 200μs/cm이하의 공업용수 수준으로 수질을 정화하여 공업용수로 재활용할 수가 있다.

Claims (10)

1. 음전극으로서의 SUS 전극과 양전극으로서의 로듐전극이 교호적으로 평행하게 배열되는 유기물제거장치와;

   음전극으로서의 탄소전극과 양전극으로서의 탄소에어로젤 전극이 교호적으로 평행하게 배열되는 음이온 제거장치와;

   음전극과 양전극으로서의 활성탄소섬유 전극이 평행하게 배열되는 무기물 제거장치가

   순차적으로 연결되는 적어도 하나의 유니트가 직렬 또는 병렬로 배열, 구성되는 전극을 이용한 유·무기물 함유 폐수의 전기화학적 유·무기물 제거 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기한 음전극과 양전극 사이의 간격이 1~5mm인 유·무기물 함유 폐수의 전기화학적 유·무기물 제거 장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기한 유기물제거장치의 상단 상방에 수소 및 염소 가스 제거탱크가 또한 설치되어 있는 유·무기물 함유 폐수의 전기화학적 유·무기물 제거 장치.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기한 탄소에어로젤 전극과 상기한 활성탄소섬유 전극이 티타늄 금속판에 탄소에어로졸 및 활성탄소섬유가 부착 형성된 유·무기물 함유 폐수의 전기화학적 유·무기물 제거 장치.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 폐수처리 공정 및 전극 재생 공정을 제어하기 위한 로직 컨트롤러를 또한 포함하는 유·무기물 함유 폐수의 전기화학적 유·무기물 제거 장치.
6. 하기의 단계로 구성되는 전극을 이용한 유·무기물 함유 폐수의 전기화학적 유·무기물 제거 방법:

   (A) 음전극으로서의 SUS 전극과 양전극으로서의 로듐전극에 전원을 인가하여 폐수 중의 유기물을 분해시킴과 동시에, 수산화물 형태의 양이온을 제거하는 유기물 분해 및 양이온 제거 단계;

   (B) 음전극으로서의 탄소전극과 양전극으로서의 탄소에어로젤 전극에 전원을 인가하여 음이온을 흡착 제거하는 음이온 제거 단계;

   (C) 음전극과 양전극으로서의 활성탄소섬유 전극에 전원을 인가하여 무기물을 양이온 및 음이온의 형태로 흡착 제거하는 무기물 제거 단계.
7. 제6항에 있어서, 상기한 단계(A)의 유기물 분해 및 양이온 제거 단계에 후속하여, 전기 분해로 인한 염소 및 수소 가스 제거 단계(D)가 또한 수행되는 유·무기물 함유 폐수의 전기화학적 유·무기물 제거 방법.
8. 제6항 또는 제7항에 있어서, 상기한 유·무기물 함유폐수의 처리 유속이 0.2m/s∼1.0m/s의 범위이고, 상기한 각 단계가 적어도 1회 반복 조환되는 유·무기물 함유 폐수의 전기화학적 유·무기물 제거 방법.
9. 제8항에 있어서, 단계(A)의 유기물 분해 및 양이온 제거 단계에서의 인가 전압이 0.5~15V이고 처리수의 pH가 1~3이며, 단계(B)의 음이온 제거 단계에서의 인가 전압이 0.5~10V이고 pH가 7~9이며, 단계(C)의 무기물 제거 단계에서의 인가전압이 0.5~5V이고 pH가 7~9이며, 단계(C)를 경유한 최종 정화수의 수질이 전도도로 100∼200μs/cm인 유·무기물 함유 폐수의 전기화학적 유·무기물 제거 방법.
10. 제9항에 있어서, 단계(B)의 음이온 제거 단계 및 단계(C)의 무기물 제거 단계에서 운전시간 0.5∼2시간 마다, 양극과 음극의 극성을 서로 바꾸는 (E) 전극 재생 단계를 수행하는 유·무기물 함유 폐수의 전기화학적 유·무기물 제거 방법.