KR100468326B1 - 난분해성 물질의 분해 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 난분해성 물질의 분해 방법 특히, COD가 높고 인화합물 및 질소화합물의 함량이 높은 고농도 유기 폐수 또는 난분해성 물질 함유 폐수 중에 함유된 유해한 성분을 제거함과 동시에 난분해성 물질을 분해성 물질로 변환시켜 제거하므로서 정화된 처리수를 공급하는 난분해성 물질의 분해 방법에 관한 것으로, 공지의 폐수 처리 방법에 있어서, 이온의 함량이 높은 공기와 요오드를 사용하여 폭기하면서 본 반응 전, 후에 촉매 혼합물이 충진되고 전극이 내삽되어 있으며 초음파 발생기가 설치되고 촉매혼합물 사이에 자외선 램프가 삽설되어 있는 부가 반응조를 통과시키되 경우에 따라서는 아세톤, 과산화수소, 메탄올 중 적어도 1종 이상을 부가적으로 사용하여 폭기하면서 전극에 1.2 ∼ 48V의 직류 전원을 인가하므로서 촉매를 전기매개체로 사용하고 촉매에서의 분해반응을 촉진시켜 각종 유기물을 포함한 유해물질을 제거함과 아울러 염분을 포함한 난분해성 물질을 분해성 물질로 전환시키는 방법을 사용하므로서 고분자 유기물 및 질소화합물과 인화합물 등의 유해 물질은 물론 난분해성 물질을 효과적으로 제거하고, 폐수 처리 장치의 과부하를 방지하여 경제적인 운용이 가능하도록 하며, 촉매반응이 연속적으로 일어나게 되므로 폐수 처리 장치를 장기간 사용할 수 있는 효과를 얻을 수 있었다.
Description
본 발명은 난분해성 물질의 분해 방법 특히, COD가 높고 인화합물 및 질소화합물의 함량이 높은 고농도 유기 폐수 또는 난분해성 물질 함유 폐수 중에 함유된 유해한 성분을 제거함과 동시에 난분해성 물질을 분해성 물질로 변환시켜 제거하므로서 정화된 처리수를 공급하는 난분해성 물질의 분해 방법에 관한 것으로, 공지의 폐수 처리 방법에 있어서, 이온의 함량이 높은 공기와 요오드를 사용하여 폭기하면서 본 반응 전, 후에 촉매 혼합물이 충진되고 전극이 내삽되어 있어 있으며 초음파 발생기가 설치되고 촉매혼합물 사이에 자외선 램프가 삽설되어 있는 부가 반응조를 통과시키되 경우에 따라서는 아세톤, 과산화수소, 메탄올 중 적어도 1종 이상을 부가적으로 사용하여 폭기하면서 전극에 저압(1.2 ∼ 48V)의 직류 전원을 인가하므로서 촉매를 전기매개체로 사용하고 촉매에서의 분해반응을 촉진시켜 각종 유기물을 포함한 유해물질을 제거함과 아울러 염분을 포함한 난분해성 물질을 분해성 물질로 전환시키는 방법을 사용하므로서 고분자 유기물 및 질소화합물과 인화합물 등의 유해 물질은 물론 난분해성 물질을 효과적으로 제거하고, 폐수 처리 장치의 과부하를 방지하여 경제적인 운용이 가능하도록 하며, 촉매반응이 연속적으로 일어나게 되므로 폐수 처리 장치를 장기간 사용할 수 있는 효과를 얻을 수 있는 난분해성 물질의 분해 방법에 관한 것이다.
도시 인구의 급증과 더불어 각종 산업의 급속한 발전으로 생활환경의 오염이나날이 심각하게 되어가고 있고, 더우기 하수나 산업폐수에 의한 공해는 사람의 건강한 생활을 위협하고 자연계의 생물체의 생명까지 위태롭게 하는 가장 긴박한 문제의 하나라고 할 수 있다.
현재 고안되고 있는 폐수의 처리 방법은 크게 나누어 물리적 방법, 화학적 방법 및 생물학적 방법이 있으며, 이 중에서 생물학적 처리 방법은 주로 유기화합물을 많이 함유하는 폐수의 처리에 적합한 방법으로 알려지고 있다.
그러나, COD가 높고, SS가 높으며, 질소화합물 및 인화합물의 함량이 높은 고농도 유기 폐수로는 축산폐수, 쓰레기 매립지 침출수, 각종 화학 제품 제조 공장에서 발생되는 유기 폐수 등 그 종류가 다양할 뿐만 아니라 양도 많아 이들을 그대로 생물학적 처리 방법으로 처리할 경우에는 처리 효율이 저하될 뿐만 아니라 미생물의 생육저해는 물론 사멸 문제까지도 발생하여 장치의 효율성에 문제가 발생하는 등의 문제점이 있다.
예를 들어, 축산 폐수는 고농도의 유기성 폐수로 처리하기 어려운 난분해성 폐수이며, 악취가 심하게 발생하고, 양축 농가가 주로 상수원 보다 상류에 밀집되어 있으므로 지표수(surface water)와 토양은 물론 상수원도 상당히 심각하게 오염시키고있는 실정이다.
축산 폐수를 처리하기 위한 종래의 방법은 몇몇가지의 화학적 처리방법으로 처리한 후, 이를 생물학적 처리 방법으로 처리하는 방법을 사용하는 데, 여기서 배출되는 고체와 액체를 각각 고체비료와 액체비료로 퇴비화하여 농토에 환원하는 방식으로 방법들이 실시하고 있다.
그러나, 상기의 방법들은 효율이 떨어짐은 물론 폐수 처리 장치의 설치부지 면적을 많이 확보하여야 하는 문제점이 있을 뿐만 아니라 관리인이 있어야 관리가 원활하게 진행되고 장치가 복잡하며 규모가 커서 실제적으로 적용하기에는 부적합한 문제점이 있다.
한편, 활성슬러지공정의 일종인 SBR(Sequential Batch Reactor)공법, 혐기-호기공정으로는 AO(혐기 호기성 활성슬러지법), A2O공법, 간헐 포기 활성슬러지법 등 여러 가지 공법이 폐수 처리를 위하여 개발되고 있다. 그러나, 이들 공법은 폭기조와 혐기조 및 무산소조 등 여러 단계를 거치거나 슬러지의 반송과 내부 반송에 의해 처리하는 방법으로서, 대부분 오염물질 농도가 낮은 일반적인 오수에 적용할 수 있는 공법이다. 또한, 부하량의 제한성 및 활성 미생물의 확보, 경제성 등의 문제점이 있어서 고농도 유기 폐수 처리에는 효율적으로 적용되지 못하고 있는 실정이다.
이에, 최근에는 고정화 담체를 이용한 생물막공정(biological film process)에 대한 연구와 관심이 집중되고 있다. 현재 생물막법은 중소규모의 오수처리에 많이 이용되고 있는데, 활성슬러지법과 비교하여 유지관리가 용이하며 유입 부하변동에 강하고 슬러지 팽화 현상이 일어나지 않는 장점을 가지고 있으나, 부착성 미생물에 의한 생물막을 이용하는 공정으로 고농도의 유기성 폐수를 처리하면 미생물의 과다 증식으로 인한 생물막의 탈리와 여재의 종류에 따른 공극의 막힘 등의 문제점으로 인하여 안정적인 수질확보에 어려움이 있다.
뿐만 아니라, 대부분의 폐수 처리 방법은 난분해성 물질의 처리 효율이 극히저조하여 처리수들의 COD 함량이 실제적으로는 높은 편이며, 난분해성 물질들이 분해되어 제거되지 않으므로서 실제적으로는 처리 효율이 저하될 뿐만 아니라 난분해성 물질로 인한 환경 오염 문제가 심각한 정도이다.
따라서, 본 발명의 목적은 난분해성 물질을 분해성 물질로 분해하여 제거하므로서 페수 처리 효율을 향상시킬 수 있는 난분해성 물질의 분해 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 상기 목적의 방법을 이용하여 고농도 유기 폐수 특히, COD가 높고, SS 함량, 질소화합물 및 인화합물의 함량이 높은 폐수 또는 난분해성 물질 함유 폐수 중에서 유해한 성분 및 난분해성 물질을 제거하여 정화시키는 폐수 처리 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 폐수 또는 공기의 처리 효율은 우수하면서도 촉매반응이 연속적으로 일어나게 되므로 폐수 처리 장치를 장기간 사용할 수 있는 효과를 얻을 수 있는 폐수 처리 방법을 제공하는 데 있다.
상술한 목적 뿐만 아니라 용이하게 표출될 수 있는 다른 목적들을 달성하기 위하여 본 발명에서는 공지의 폐수 처리 방법에 있어서, 이온의 함량이 높은 공기와 요오드를 사용하여 폭기하면서 본 반응 전, 후에 촉매 혼합물이 충진되고 전극이 내삽되어 있으며 초음파 발생기가 설치되고 촉매혼합물 사이에 자외선 램프가 삽설되어 있는 부가 반응조를 통과시키되 경우에 따라서는 아세톤, 과산화수소, 메탄올 중 적어도 1종 이상을 부가적으로 사용하여 폭기하면서 전극에 1.2 ∼ 48V의직류 전원을 인가하므로서 촉매를 전기매개체로 사용하고 촉매에서의 분해반응을 촉진시켜 각종 유기물을 포함한 유해물질을 제거함과 아울러 염분을 포함한 난분해성 물질을 분해성 물질로 전환시키는 방법을 사용하므로서 고분자 유기물 및 질소화합물과 인화합물 등의 유해 물질은 물론 난분해성 물질을 효과적으로 제거하고, 폐수 처리 장치의 과부하를 방지하여 경제적인 운용이 가능하도록 하며, 촉매반응이 연속적으로 일어나게 되므로 폐수 처리 장치를 장기간 사용할 수 있는 효과를 얻을 수 있었다.
도 1은 본 발명의 방법의 적용된 폐수 처리 장치의 개략적인 개념도이고,
도 2는 본 발명의 다른 실시예를 나타내는 개략도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
1 : 부가반응조 2 : 이온화 공기 발생조
3 : 요오드 저장조 4 : 아세톤 저장조
5 : 과산화수소 저장조 6 : 메탄올 저장조
7 : 전원부 8a ∼ 8g : 조절밸브
9a ∼ 9e : 폭기펌프 11 : 촉매혼합물
12a, 12b : 전극 13 : 폭기관
14 : 폐수유입구 15 : 처리수 배출관
16 : 초음파 발생기 17 : 자외선 램프
21 : 공기유입구 22 : 공기배출구
23 : 몸체 24 : 양극
25 : 음극 26 : 촉매혼합물 성형체
27 : 결합부재
본 발명을 첨부 도면에 의거하여 좀 더 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 방법이 적용된 폐수 처리 장치의 개략적인 개념도이다.
본 발명에 따른 난분해성 물질의 분해 방법은 공지의 폐수 처리 방법에 있어서, 이온의 함량이 높은 공기와 요오드를 사용하여 폭기하면서 본반응 전, 후에 촉매 혼합물(11)이 충진되고 전극(12a, 12b)이 내삽되어 있으며 초음파 발생기(16)가 설치되고 촉매혼합물(11) 사이에 자외선 램프(17a, 17b)가 삽설되어 있는 부가 반응조(1)를 통과시키되 경우에 따라서는 아세톤, 과산화수소, 메탄올 중 적어도 1종 이상을 부가적으로 사용하여 폭기하면서 전극(12a, 12b)에 1.2 ∼ 48V의 직류 전원을 인가하므로서 촉매혼합물(11)을 전기매개체로 사용하고 촉매혼합물(11)에서의 분해반응을 촉진시켜 각종 유기물을 포함한 유해물질을 제거함과 아울러 염분을 포함한 난분해성 물질을 분해성 물질로 전환 제거하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 방법이 적용된 폐수 처리 장치는 개략적으로 부가반응조(1), 이온화 공기 발생조(2), 요오드 저장조(3), 아세톤 저장조(4), 과산화수소 저장조(5) , 메탄올 저장조(6) 및 전원부(7)로 구성되어 있으며, 부가반응조(1)에는 필요에 따라 수위조절기(18)가 구비될 수 있고, 부가반응조(1)에 과량의 폐수가 유입될 경우 폐수를 회송시키기 위한 유량조절관(19)이 설치되고, 폐수 유입구(14) 전단에 유량조절밸브(10)가 설치될 수도 있다.
수위조절기(18)는 통상의 검지 수단이 내장되어 있어 수위의 변화를 감지하고 유량조절밸브(10)를 작동시켜 항상 거의 일정한 수위가 되도록 한다.
부가반응조(1)에는 상기에서 언급된 것 이외에도 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상적으로 사용되는 전처리 수단이 모두 사용될 수 있다.
부가반응조(1)는 폐수 유입구(14) 및 처리수 배출관(15)이 형성되어 있으며, 촉매 혼합물(11)이 충진되고 전극(12a, 12b)이 내삽되어 있으며 초음파 발생기(16)가 설치되고 촉매혼합물(11) 사이에 자외선 램프(17a, 17b)가 삽설되어 있으며, 하부에 폭기를 위하여 폭기관(13)을 설치하고, 이를 통하여 이온화 공기 발생조(2)로 부터 발생된 공기, 요오드 저장조(3)로 부터 요오드가 반드시 폭기되도록 하고, 경우에 따라서 아세톤 저장조(4)로 부터 아세톤, 과산화수소 저장조(5)로 부터 과산화수소, 메탄올 저장조(6)로 부터 메탄올 중 적어도 1종 이상이 폭기 가능하도록 한다.
폭기관(13)의 중간에는 조절밸브(8a, 8a', 8b, 8b', 8c, 8d, 8e, 8f, 8g)및 펌프(9a, 9b, 9c, 9d, 9e)가 설치되어 있어 이온화 공기 발생조(2)로 부터 발생된 공기, 요오드 저장조(3)로 부터의 요오드의 양을 조절하며, 필요에 따라 아세톤 저장조(4)로 부터의 아세톤, 과산화수소 저장조(5)로 부터의 과산화수소, 메탄올 저장조(6)로 부터의 메탄올 중 적어도 1종 이상의 혼합물의 양을 조절할 수 있다.
전극(12a, 12b)은 통상적인 판형태의 전극 또는 봉상의 전극을 사용할 수 있으며, 처리조의 형태에 따라 다양하게 제조될 수 있다.
초음파 발생기(16)는 초음파가 발생되는 면이 촉매 혼합물(11)이 충진된 쪽으로 향하도록 설치되며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상적으로 사용되는 초음파 발생기가 모두 사용될 수 있다.
자외선 램프(17)는 적어도 2개 이상을 설치하되, 부가 반응조(1) 내부의 격벽으로 구분되는 공간에 적어도 각각 1개의 램프가 설치되도록 하며, 100 ∼ 400nm의 파장을 갖는 것이라면 어떠한 것이라도 사용이 가능하다.
부가반응조(1)는 적어도 1개 이상으로 설치할 수 있으며, 폐수의 성상, 처리수의 양, 처리 장소 등에 따라서 다단으로도 형성할 수 있다.
이온화 공기 발생조(2)는 부가반응조(1)로 공기를 공급하되 수 KV 이상의 고압 전극을 통과시켜 이온의 함량이 높은 공기를 공급하므로서 폐수의 처리 효율을 극대화시키기 위한 것으로, 절연재(28)와 몸체(23)에 의하여 격실이 형성되고, 공기유입구(21)와 공기배출구(22)가 형성되어 있으며, 촉매혼합물 성형체(26)를 결합부재(27)를 사용하여 양극(24)과 음극(25)에 고정시키되, 양극(24)과 음극(25)에 형성된 기공(29, 29')의 위치가 일치하도록 되어 있다.
요오드 저장조(3), 아세톤 저장조(4), 과산화수소 저장조(5) 및 메탄올 저장조(6)는 고체 상태의 요오드와 가스 상태의 아세톤, 과산화수소와 메탄올를 저장하고 있으며, 가스상의 요오드, 아세톤, 과산화수소 또는 메탄올을 폐수 10ℓ에 대하여 약 2밀리몰 정도의 양으로 공급되도록 한다.
전원부(7)는 부가반응조(1)의 전극(12a, 12b) 및 이온화 공기 발생조(2)의 양극(24)과 음극(25)에 전원을 공급하되 폐수의 종류와 성상에 따라 공급하기 위한 것으로, 부가반응조(1)의 전극(12a, 12b)에는 폐수의 성상에 따라 1.2 ∼ 48V의 직류 전원, 바람직하게는 9~24V 정도의 전원을, 벤젠의 경우에는 36V 정도의 전원을, 이온화 공기 발생조(2)의 양극(24)과 음극(25)에는 수 KV 이상의 고압 직류 전원을 인가한다.
이온화 공기 발생조(2), 요오드 저장조(3), 아세톤 저장조(4), 과산화수소 저장조(5), 메탄올 저장조(6)와 펌프(9) 사이에는 조절밸브(8c, 8d, 8e, 8f, 8g)가 설치되어지되, 이온화 공기 발생조(2)로부터 발생된 공기, 요오드 저장조(3)로부터의 요오드는 반드시 공급되도록 하고, 필요에 따라 아세톤 저장조(4)로부터 아세톤, 과산화수소 저장조(5)로부터 과산화수소, 메탄올 저장조(6)로부터 메탄올 중 적어도 1종 이상의 양을 조절하여 가장 이상적인 혼합물이 되도록 조절한다.
한편, 도 2에 도시된 바와 같이 대용량의 경우에는 부가 반응조(1)의 구조를 세로형으로 배치하여 다량의 폐수를 처리함과 동시에 폐수 처리 시설에 필요한 공간을 최소화할 수도 있다.
상기와 같이 구성되는 부가 반응조(1)는 공지의 폐수 처리 장치 중 본반응조의 전, 후에 설치되며, 이를 통하여 폐수를 처리하는 과정을 살펴보면, 공지의 폐수 처리 장치 중에서 본반응조 전에 또는 후에 폐수 유입구(14)와 처리수배출관(15)을 이용하여 부가반응조(1)를 연결 설치한다.
이 때, 본반응조 전에 설치될 경우에는 본반응의 전처리용으로 사용되는 것이며, 본반응조 후에 설치될 경우에는 후처리용으로 사용되는 것이다.
먼저, 폐수 유입구(14)를 통하여 폐수가 부가반응조(1)로 유입되면 전극(12a, 12b)에 직류 전원이 인가되고, 전극(12a, 12b)에 인가된 저압의 직류 전원에 의하여 촉매 혼합물(11)이 전기 분해되면서 유기물을 분해하여 제거함과 동시에 폐수중의 많은 오염물질을 제거하고 난분해성 물질을 분해성 물질로 분해시키게 된다.
이 때, 유입되는 폐수의 종류와 성상에 따라 전극의 직류 전압을 조절하되 분해가 쉬운 물질이 함유된 폐수일 경우에는 1.2 ∼ 12V 정도, 보통의 경우에는 12 ~ 24V 정도, 분해가 어려운 물질이 함유된 폐수의 경우에는 24 ~ 36V 정도의 전압을 인가하며, 경우에 따라서는 48V 정도의 전압을 인가할 필요가 있고, 수위조절기(18)에 의하여 부가반응조(1)의 폐수량이 검지되면서, 검지 결과에 따라 유량 조절 밸브(10)가 자동으로 개폐되어 유량을 조절한다.
또한, 요오드 저장조(3), 아세톤 저장조(4), 과산화수소 저장조(5)와 메탄올 저장조(6)로부터 미세한 양의 요오드, 아세톤, 과산화수소와 메탄올이 유입되면서 유기물의 산화반응을 촉진시키게 되어 고농도의 유기 폐수에 함유된 다양한 오염물질의 분해는 물론 유해한 오염물질이 유해하지 않은 물질로 전환되도록 한다.
뿐만 아니라, 이온화 공기 발생조(2)로부터 전기분해를 촉진하는 이온들이 다량 함유된 공기가 유입되어 폭기를 시키므로서 오염물질 처리 효율을 극대화시키게 된다.
이온화 공기 발생조(2)는 수 KV 이상의 고전압에 의하여 발생된 오존에 의하여 오존산화처리되며, 산화반응을 증가시키고 이온의 함량이 높은 공기를 발생시키는 곳으로, 촉매혼합물(11)을 공지의 성형결합제로 상호 결합시켜서 성형시킨 촉매혼합물 성형체(26)가 결합부재(27)에 의하여 양극(24)과 음극(25)에 결합되고 전원부(6)에서 고전압이 인가되면서 촉매혼합물 성형체(26)와 공기가 접촉하여 공기중의 성분들이 이온화가 된다.
1차 처리 후에 배출수의 성상을 검토하여 폐수의 처리 효율이 만족스럽지 못할 경우에는 부가반응조(1)를 다단으로 설치하여 처리효율을 향상시킬 수 있다.
촉매 혼합물(11)은 탄소 80 ∼ 90중량%, 산화철(Fe2O3) 5 ∼ 10중량%, 마그네슘 5 ∼ 10중량%로 구성된 것이 바람직하고, 상기 촉매 혼합물에 직류 전기를 인가하면 촉매반응이 일어난다.
촉매 혼합물에서 탄소로는 활성탄이 사용되고 있으며, 탄소가 90중량%를 초과하여 사용되면 전류가 너무 많이 흐르게 되어 성능은 좋아지나 전원 장치에 과부하가 걸리는 문제점이 있으며, 산화철이 10중량%를 초과하여 사용되면 산화환원 반응이 효과적으로 진행되는 장점은 있으나 철이온이 많이 발생하여 2차적인 오염의 문제가 있고, 마그네슘이 10중량%를 초과하여 사용되면 비용이 많이 들게 되어 경제적이지 못한 단점이 있으며, 상기 세가지 촉매 성분들이 각각 상기한 비율 미만으로 사용될 경우에는 폐수 처리 효율이 저하되는 문제점이 있다.
상기와 같이 이루어지는 본 발명의 방법에 있어서 각 단계별로 일어나는 작용을 살펴보면 다음과 같다.
어떠한 용매 등 액체 성분이 함유되지 않고 탄소 80 ∼ 90중량%, 산화철(Fe2O3) 5 ∼ 10중량%, 마그네슘 5 ∼ 10중량%로 구성되는 촉매 혼합물(11)에 전기를 인가하면 촉매 반응이 연속적으로 일어나게 되므로 폐수 중의 오염물질을 용이하게 산화, 분해시켜 제거할 수 있으며, 오염물질의 산화와 환원의 반복적인 작용에 의하여 장기간 사용할 수 있을 뿐만 아니라, 촉매 효율이 높게 유지될 수 있게 되는 것이다.
탄소, 산화철과 마그네슘이 혼합된 촉매 혼합물(11)이 들어 있는 부가반응조(1) 의 전극(12a, 12b)에 전기를 인가할 때의 반응은 매개산화공정(MEO : Mediated Electrochemical Oxidation)과 반도체 이론으로 설명될 수 있는 것으로서, 전해용액 대신에 상기한 고체촉매인 활성탄(탄소) 또는 마그네슘과 직류 전기를 인가한 변형된 MEO공정법으로 볼 수 있다.
활성탄과 활성탄에 점착된 산화철을 촉매로 하여 양극과 음극에 각각의 촉매 입자가 분포되어진다.
양극에서 생성된 산화제가 다공성인 활성탄 자체에 있는 수많은 미세구멍에 흡착되어 있는 유기물과 반응하여 유기물을 산화분해시킴과 동시에 자신은 다시 환원되고, 또 다시 양극에서 산화됨으로써 연속적으로 유기물을 산화시키는 원리를 이용하는 수용성 공정으로서, 이를 통하여 유기물은 거의 완전히 파괴되고, 유기물중의 탄소와 수소가 이산화탄소와 물로 전환되어 거의 대부분 무기물화된다. 또한, 이 공정은 화학적으로 유해하면서 방사성 물질을 포함하고 있는 혼성 폐기물 내의 방사성 물질을 용해시키는 능력도 있다.
한편, 물이 생성되는 반응에서 물을 제거하면 반응이 촉진되어 전극(12a, 12b) 부근에 있는 수분이 쉽게 제거되므로 공기를 유입시켜 주므로서 산소가 부족한 금속인 마그네슘에 의해서 반응이 촉진된다.
Mgx-1+ H2O →MgxO + H2
따라서, 마그네슘에 의한 전극(12a, 12b) 주위의 수분의 제거로 반응속도가 빨라지는 증진제의 효과가 나타나게 된다.
마그네슘의 표면에 존재하는 산소는 양성자를 끌어당길 수 있으므로 산소는 염기적으로 작용할 수 있고, 양이온으로부터의 전자 제거가 중성원자의 이온화 보다 더 어렵기 때문에 제이 이온화 포텐셜은 그의 제일 이온화 포텐셜 보다 크다.
Mg+(g) → Mg2++ e-
그래서, 고분자 유기물들과 오존을 제거하기 위하여 마그네슘과 같은 금속산화물 촉매가 사용되며, 마그네슘으로 반드시 한정되는 것은 아니고 상기와 같은 작용을 하는 금속산화물은 모두 사용이 가능하지만 마그네슘이 특히 바람직하였다.
한편, 탈착 반응은 유기물의 분해시 발생되는 산성 가스중의 산소가 활성탄의 탄소와 결합하여 산화반응을 일으키고 활성탄의 모세관내에서 탈착반응이 진행되는 데, 이 반응은 활성탄의 탄소성분의 손실을 가져오면 모세관의 비표면적을 증가시켜 흡착과 탈착을 반복하면서 그 흡착성능이 향상된다. 흡착된 산성가스 중의 산소와 활성탄의 탄소가 반응하여 이산화탄소(CO2)를 생성함으로써 생기는 흡착제의 손실이 보충된다.
활성탄이란 대부분 흡착성이 강한 탄소질의 숯이며, 또한 흡착이란 계면현상의 일종으로 활성탄이라든지 실리카겔(silica gel) 등과 같은 분말성 물질이 오염물질을 그 표면으로 흡수하는 것으로, 표면에서 이러한 현상이 일어나기 위해서는 분말성 물질의 표면적이 크지 않으면 안된다. 활성탄에는 대단히 많은 구멍이 있고, 그 가는 구멍벽의 총면적 즉, 표면적은 1g당 보통 500 ∼ 150m2에 달하며, 활성탄이 냉장고의 탈취제로 사용될 만큼 수많은 화학물질을 흡착한다. 그 흡착성분은 단지 미세한 구멍의 구조 뿐만 아니라 , 활성탄 표면의 화학성질에도 크게 영향을 받으며, 폐수에 활성탄을 가하여 교반시키면 수질중의 유기물 농도는 현저히 감소하게 되고, 이러한 현상은 활성탄이 이들을 흡착하였기 때문이며, 활성탄은 목재라든지 석탄 등을 원료로 하여 만들어지고 있기 때문에 그 본래의 주성분은 유기질이다.
부가반응조(1)에서의 전기분해를 설명하면, 양극 표면에서 생성된 산화제가 유기물과 반응하여 유기물을 산화분해시킴과 동시에 자신은 다시 환원되고, 또 다시 전극 표면에서 산화됨으로써 재생되어 연속적으로 유기물을 산화시키는 원리를 이용하는 공정으로서, 이를 통해 유기물은 완전히 파괴되고 궁극적으로는 유기물 중의 탄소와 수소가 이산화탄소와 물로 전환되어 거의 대부분 무기물화된다.
양극의 반응에서는 H2O → H++ OH-의 반응식에서 OH-이온의 감소와 H+이온의 증가로 pH가 저하되며, 전자(Electron : e-)를 잃어버려서 산화력이 증가된다. 또한, 전기 분해 반응에 의하여 양극에서 Cl2(염소가스)가 기체가 되어 대기중으로 방출되며, 치아염소산(HOCl)이 발생된다.
H2O → H++ OH-
NaCl → Na++ Cl-
4OH-→ 2H2O + O2+ 4e-
2Cl-→ Cl2+ 2e-
Cl2+ H2O → HOCl + H++ Cl-
음극의 반응에서는 H2O → H++ OH-의 반응식에서 OH-이온의 증가와 H+이온의 감소로 pH가 상승되며, 전자(Electron : e-)의 증가로 환원력이 증가되고, 수소 가스가 발생된다.
H2O → H++ OH-
NaCl → Na++ Cl-
2H2O + O2+ 4e-→ 4OH-
Na++ e-→ Na
Na + OH → NaOH
뿐만 아니라, 양극에서 생성되는 산성산화수에 의하여 염기성 물질과 중성 물질의 산화반응과 중화반응이 이루어진다.
* 염기성 물질
2NH3+ 3HOCl → N2+ 3HCl + 3H2O
NH3+ HCl → NH4Cl
(CH3)3N + HOCl → (CH3)3NO + HCl
* 중성 물질
(CH3)2S + 3HOCl → (CH3)2SO3+ 3HCl
CH3CHO + HOCl → CH3COOH + HCl
C6H5CHCH2+ HOCl → C6H5CHOHCH2Cl
또한, 음극에서는 생성되는 알카리성 환원수에 의하여 다음과 같은 반응들이 일어난다.
H2S + NaOH → N2S + H2O
Na2S + H2S → 2NaSH
CH3SH + NaOH → CH3SNa + H2O
CH3COOH + NaOH → CH3COONa + H2O
그리고, 유기인 화합물들은 가수(전기)분해에 의하여 처리된다.
즉, 제3급 에스테르는 가수분해에 의하여 인과 알콜로 방출되는데, 염기촉매반응은 〔OH-〕및 에스테르 농도의 양쪽 반응에 의하여 1차적으로 인-산소 결합이 분해되며, 이 반응은 탄소산과 에스테르가 염기 촉매에 의하여 가수 분해를 받고, 전기음성도가 높은 산소와의 상호 작용에 의하여 인에 양전하가 제공되어 인의 친전자성을 증가시키는 치환기가 있으면 가수분해속도를 증가시키며, 유기인산염의 분해생성물은 인과 알콜이 된다.
부가반응조(1)에서의 전기화학분해반응에 의하여 전극표면에 발생되는 기포는 전류의 이동을 방해해 전기화학반응속도를 느리게 하는 요인이 되기 때문에 기포를 제거하기 위하여 초음파 발생기(16)를 설치한다.
초음파 발생기(16)로부터 발생된 초음파는 전극표면에 생성된 기포를 신속히 제거하게 되므로 전류의 이동속도를 빠르게 해 전기화학분해반응속도를 촉진시킬 뿐만 아니라 전극 표면으로의 이온 전달 속도를 빠르게 해 반응속도를 증가시킬 수 있으며, 이로 인하여 전극 표면에 생성되어 부착되는 생성물과 부생성물을 효과적으로 제거할 수도 있게 된다.
한편, 물질이 빛을 흡수했을 때에는 그 빛의 에너지에 의해 화학반응이 일어나는데, 양자이론에 따르면 광자 E의 에너지는 그것의 진동수(V)와 관련이 되며,E= hV가 되고, h는 플랑크 상수(6.6239 ×10-27erg)이다.
또한, 진동수(v)는 파장(i)과 i = c/v의 관계가 있으며, 이때 C는 빛의 속도로 2.279 ×1010cm/sec이다.
100 ∼ 400mm 파장을 갖는 자외선(UV선)의 E는 상기식에서 쉽게 계산된다.
자외선 램프(17)로 부터 발생된 자외선은 오존과 반응해 산화력이 매우 강한 하이드록시 라디칼을 생성하고, 주로 이 라디칼이 C=C의 이중결합을 절단한다.
포름알데히드는 광화학반응에 의해 다음과 같은 반응으로 발생한다.
HCOH + hv →H2+ CO → H + HCO
HCOH + OH →HCO + H2O
HCO + O2→HO2+ CO
CH3COOH + hv →CH3O + OH
CH4+ OH →CH3+ H2O
자외선은 상기 화학작용 이외에도 살균작용이 있으며, 살균력을 가지고 있어서 1cm2당 100㎼의 강도를 가진 자외선을 1분간 쪼이면 대장균, 디프테리아균, 이질균 등은 99%가 죽게 된다.
단백질을 요오드와 반응시키면 요오드와 공기중에 함유된 수분에 의해서 단백질이 분해된다.
최근 분해될 위치에 알릴글리신(allyglycine)을 억제 t-RNA를 이용하여 특정위치에 도입시키고, 이를 요오드를 이용하여 단백질을 분해한 연구 결과가 보고된 바 있다.(J. Am. Chem. Soc. 2000, 122, 7402)
즉, 먼저 특정 위치에 알릴글리신을 도입시키고, 이를 요오드와 반응시키면 요오드에 의한 고리중간체가 형성되고, 이는 물과 반응하여 락톤과 아민을 갖는 두개의 펩타이드로 나누어진다.
이 분해반응은 도입되는 알릴글리신의 위치에 따라 크게 달라지는데, 이는 공기중의 수분이 얼마나 잘 접근할 수 있는 지에 의해 효율성이 결정된다.
이 반응에 의하여 선구 단백질인 트립시노젠이 활성단백질인 트립신으로 바꾸어지게 된다.
아세톤과 과산화수소에 의한 복합적인 작용은 다음과 같다.
H2O2↔ H++ HO2
CH3COCH2+ H++ HㆍHO2 -
CH3COCH2+ H++ H2O2
CH3COCH3+ H2O2 -
아세톤을 단독으로 사용하였을 경우에는 CH3원자단에서 하나의 수소원자가 산소원자로 이동한다.
CH3-CO-CH3↔ CH3-COH-CH2
CH3COCH2+ H+→ CH3-COH-CH2→ CH3COCH3
CH3-CO-CH3↔ CH3-COH-CH2
→ CH3COCH3
생성된 OH라디칼은 중간 생성물질로 하이드로퍼옥시라디칼(Hydroperoxy radical : HO2 -)과 슈퍼옥사이드 라디칼(Superoxide radical : O2 -)을 생성하여 수중 오염물질 중 많은 유기물을 빠르게 분해하며, 유기화합물의 생분해성을 높이고, 슬러지의 생성을 억제한다.
HO2→ H++ O2 -
과산화수소를 단독으로 사용하였을 경우에는 다음과 같은 작용을 한다.
OH + H2O2→ HO2+ H2O
OH + HO2 -→ OH-+HO2
CO3 -+ H2O2→ HO2+ HCO3
뿐만 아니라, 산화철은 이미 알려진 바와 같이 강력한 산화, 환원 작용에 의하여 폐수 중의 유기 화합물을 분해시키게 되며, 전극에 의하여 자동적으로 산화와환원 반응을 반복하게 되어 장기간 사용할 수 있게 된다.
또한, 메탄올을 물에 가하면 수소의 발생이 증가하게 되는 데, 그 이유는 하기와 같이 전기분해로 인하여 물로부터 발생되는 OH나 O2가 메탄올의 산화에 작용하기 때문이다.
CH3OH + H2O →CO2+ 2H2+ H2O
따라서, 탈질에 필요한 수소 공여체가 절대로 부족한 경우에 외부로부터 메탄올을 주입할 필요가 있으며, 이때의 반응의 일예는 하기와 같다.
3NO3+ 14CH3OH → 3N2+ 7H2O + 6OH
한편, 이온화 공기 발생조(2)로부터 발생된 공기는 이온화된 산소 및 수소원자를 다량 함유하고 있고, 이는 폐수를 폭기시키는 데 사용되어 유기물의 분해는 물론 각종 유기 물질 및 유해 물질의 산화를 촉진시키게 되어 폐수 처리의 효율을 향상시키게 된다.
이온화 공기 발생조(2)의 공기 유입구(21)로 공기가 유입되어 공기 배출구(22)로 이동되어지되 양극(24)과 음극(25)에 결합부재(27)에 의하여 결합되어 있는 촉매혼합물 성형체(26)에 고압의 직류 전기가 인가되면 촉매 작용에 의하여 공기의 불순물 및 유기물 등과 같은 오염물질이 분해되어 제거되고 이온화된 산소와 수소의 함량이 높은 공기가 부가반응조(1)로 유입되도록 한다.
상기와 같은 작용에 의하여 고농도 유기 폐수를 다단계로 연결된 부가 반응조(1)로 처리하였을 경우에 질소화합물이 평균적으로 80%이상 제거되었으며, 인화합물은 90%이상이 제거되었고, 고도처리 실험에서 응축수의 COD제거율은 평균 80% 이상이었다.
상술한 바와 같이 본 발명에서는 공지의 폐수 처리 방법에 있어서, 이온의 함량이 높은 공기와 요오드를 사용하여 폭기하면서 본 반응 전, 후에 촉매 혼합물이 충진되고 전극이 내삽되어 있으며 초음파 발생기가 설치되고 촉매혼합물 사이에 자외선 램프가 삽설되어 있는 부가 반응조를 통과시키되 경우에 따라서는 아세톤, 과산화수소, 메탄올 중 적어도 1종 이상을 부가적으로 사용하여 폭기하면서 전극에 1.2 ∼ 48V의 직류 전원을 인가하므로서 촉매를 전기매개체로 사용하고 촉매에서의 분해반응을 촉진시켜 각종 유기물을 포함한 유해물질을 제거함과 아울러 염분을 포함한 난분해성 물질을 분해성 물질로 전환시키는 방법을 사용하므로서 고분자 유기물 및 질소화합물과 인화합물 등의 유해 물질은 물론 난분해성 물질을 효과적으로 제거하고, 폐수 처리 장치의 과부하를 방지하여 경제적인 운용이 가능하도록 하며, 촉매반응이 연속적으로 일어나게 되므로 폐수 처리 장치를 장기간 사용할 수 있는 효과를 얻을 수 있었다.
Claims (7)
- 공지의 폐수 처리 방법에 있어서, 본반응 전, 후에 촉매 혼합물(11)이 충진되고 전극(12a, 12b)이 내삽되어 있으며 초음파 발생기(16)가 설치되고 촉매혼합물(11) 사이에 자외선 램프(17a, 17b)가 삽설되어 있는 부가 반응조(1)를 통과시키되 전극(12a, 12b)에 직류 전원을 인가하므로서 촉매혼합물(11)을 전기매개체로 사용하고 촉매혼합물(11)에서의 분해반응을 촉진시켜 각종 유기물을 포함한 유해물질을 제거함과 아울러 염분을 포함한 난분해성 물질을 분해성 물질로 전환 제거하는 것을 특징으로 하는 난분해성 물질의 분해 방법.
- 제 1 항에 있어서, 폐수 처리의 본 반응 전에 전처리 단계로 사용함을 특징으로 하는 난분해성 물질의 분해 방법.
- 제 1 항에 있어서, 폐수 처리의 본 반응 후에 후처리 단계로 사용함을 특징으로 하는 난분해성 물질의 분해 방법.
- 제 1 항에 있어서, 이온화 공기 발생조(2)로부터의 이온의 함량이 높은 공기, 요오드 저장조(3)로부터의 요오드, 아세톤 저장조(4)로부터의 아세톤, 과산화수소 저장조(5)로부터의 과산화수소, 메탄올 저장조(6)로부터의 메탄올 중 적어도 1종 이상을 사용하여 폭기하면서 반응시키는 것을 특징으로 하는 난분해성 물질의분해 방법.
- 제 1 항에 있어서, 이온화 공기 발생조(2)로부터의 이온의 함량이 높은 공기, 요오드 저장조(3)로부터의 요오드는 필수적으로 사용하고, 아세톤 저장조(4)로부터의 아세톤, 과산화수소 저장조(5)로부터의 과산화수소, 메탄올 저장조(6)로부터의 메탄올 중 적어도 1종 이상을 사용하여 폭기하면서 반응시키는 것을 특징으로 하는 난분해성 물질의 분해 방법.
- 제 1 항에 있어서, 전극(12a, 12b)에는 1.2 ∼ 48V의 직류 전원이 인가되도록 하는 것을 특징으로 하는 난분해성 물질의 분해 방법.
- 제 1 항에 있어서, 촉매혼합물은 탄소 80 ∼ 90중량%, 산화철 5 ∼ 10중량%, 마그네슘 5 ∼ 10중량%로 구성된 것임을 특징으로 하는 난분해성 물질의 분해 방법.
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