KR100519886B1 - 적니를 이용한 산업폐수 정화제 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

이 발명은 산업폐수 내의 중금속을 제거하고 슬러지를 감소시켜 주는 적니를 이용한 산업폐수 정화제 및 그 제조방법에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 산업폐기물로 지정되어 있는 적니(red mud)를 1차적으로 건조 파쇄가공하여 함수율을 낮추고 활성도를 높인 적니 1차 조성물로 만든 후, 2차적으로 칼슘, 마그네슘, 나트륨 등이 포함된 화합물을 혼합 건조처리하여 생성하는 적니를 이용한 산업폐수 정화제와 그를 제조하는 방법에 관한 것이다.
이와 같은 이 발명에 의하면, 산업폐수 내 산도조절 및 중금속 정화처리에 있어서 기존 처리시스템의 구조나 공정을 변화시키지 않고도 폐수의 산도조절 및 중금속 제거를 효율적으로 할 수 있으며, 이러한 정화과정에서 발생하는 최종 슬러지의 발생량을 현저하게 감소시켜 주는 뛰어난 효과를 가지게 된다.
또한, 폐수를 정화하기 위해 투입되는 정화제의 투입량이 종래의 정화제의 투입량의 1/3 ~ 1/4 정도로 감소되므로 폐수의 정화를 위한 비용을 줄일 수 있으며, 폐수의 정화 시 발생하는 슬러지의 양이 감소되기 때문에 슬러지를 매립하기 위해 필요한 매립부지도 줄일 수 있는 효과가 있다.

Description

적니를 이용한 산업폐수 정화제 및 그 제조방법{purificatory chemicals using red mud and manufacturing method thereof}
이 발명은 산업폐수 내의 중금속을 제거하고 슬러지를 감소시켜 주는 적니를 이용한 산업폐수 정화제 및 그 제조방법에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 산업폐기물로 지정되어 있는 적니(red mud)를 1차적으로 건조 파쇄가공하여 함수율을 낮추고 활성도를 높인 적니 1차 조성물로 만든 후, 2차적으로 칼슘, 마그네슘, 나트륨 등이 포함된 화합물을 혼합 건조처리하여 생성하는 적니를 이용한 산업폐수 정화제와 그를 제조하는 방법에 관한 것이다.
최근 산업이 고도로 발달함에 따라 산업현장과 가정 등에서 발생하는 오폐수로 인해 자연생태계가 점점 파괴되고 있다. 특히 산업현장에서 발생하는 산업폐수에 포함되어 있는 유독성 중금속 및 유기오염물질은 수질오염의 주된 원인이 되고 있다. 이러한 산업폐수들을 정화하기 위하여 침전법, 이온교환법, 제올라이트 또는 활성탄 흡착법 등 다양한 정화방법들이 실용화되고 있으나 그 처리효율이 낮거나 경제적이지 못하여 최근에는 한외여과(ultrafitration)나 역삼투막(reverse osmosis) 등과 같은 막분리에 의한 유독 물질의 분리 정화공정에 관하여 많은 연구가 진행되고 있다. 그러나 이러한 방법은 경제적으로 많은 비용이 드는 관계로 산업현장에서 실용화되기까지는 많은 시간이 필요한 실정이다.
또한, 대부분의 산업현장에서 산업폐수 처리 시 산의 중화 및 중금속을 제거하기 위하여 과도한 석회(lime, 수산화칼슘(Ca(OH)2))와 가성소다(수산화나트륨(NaOH))를 사용하는 데 이로 인해 발생되는 슬러지의 양은 가히 천문학적이다. 이렇게 발생되는 슬러지는 매립되어져 수질 및 토양오염의 원인이 되고 있으며, 지속적으로 발생되는 슬러지를 매립하기 위한 부지가 증대됨에 따라 국토의 효율적 이용과 그 처리비용이 증대되는 등의 심각한 문제점을 야기하고 있다. 따라서 이러한 슬러지를 획기적으로 줄이는 것은 시급한 당면과제이다.
이 발명에서 산업폐수 정화제의 주원료로 사용되는 적니(red mud)는 보오크사이트(Bauxite)를 원료로 수산화알루미나를 생산하는 과정에서 발생되는 것으로, 강알카리성과 과다한 수분을 함유하고 있어 산업폐기물로 취급되어 직접 육상에 매립되거나 버려지고 있어 생태계에 심각한 문제를 일으키고 있는 것이다.
이러한 산업폐기물인 적니는 건축자재의 원료로 사용되는 정도로 활용되고 있으나, 적니를 물리화학적으로 변형하여 폐수를 정화하는 정도까지 사용된 예는 아직까지 없는 실정이다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 이 발명의 주된 목적은, 종래의 폐수 정화제보다 훨씬 적은 투입량으로 뛰어난 정화효율을 가지며 슬러지 발생량을 획기적으로 줄일 수 있는 적니를 이용한 산업폐수 정화제 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 수단으로서 이 발명에 따른 적니를 이용한 산업폐수 정화제의 제조방법에 대해 설명하도록 한다.
이 발명에 따른 산업폐수 정화제의 주원료로 사용되는 적니는 보오크사이트(Bauxite)를 이용하여 베이어(Bayer)법에 의하여 수산화알루미나를 생산하는 과정에서 발생되는 부산물인 데, 이 적니에는 강알칼리성을 띠며 과다한 수분을 함유하고 있다.
이러한 적니를 먼저 포함된 수분을 제거하기 위해 건조장치에서 건조시킨 후 분말로 만드는 파쇄가공을 거쳐 1차 조성물로 만든다. 1차 건조 파쇄공정을 거친 적니 1차 조성물은 분말상태로 입자의 직경이 10~50㎛ 정도이며, 비표면적이 증가되어 활성도가 높아지게 된다.
1차 건조 파쇄공정을 거친 적니 1차 조성물의 성분은 Fe2O3(삼산화이철)이 25~45%, Al2O3(산화알루미늄)이 15~25%, SiO2(이산화규소)가 10~20%, TiO 2(산화티탄)이 4~10%로 이루어져 있으며, 그 외에 CaO(산화칼슘), Na2O(산화나트륨) 등이 함유되어 있다.
상기와 같은 적니 1차 조성물에 칼슘(Ca), 마그네슘(Mg), 나트륨(Na) 등이 포함된 이온교환반응이 큰 화합물인 수산화칼슘(Ca(OH)2), 수산화나트륨(NaOH), 수산화마그네슘(Mg(OH)2), 산화마그네슘(MgO)을 하나 이상 첨가하여 혼합 건조처리를 하게 되면 적니와 화합물이 상호 물리화학적 변형을 하여 이 발명에 따른 적니를 이용한 산업폐수 정화제가 완성된다.
완성된 적니 정화제는 첨가되는 화합물의 상태에 따라 분말 또는 겔(gel) 상태를 가지게 된다.
그리고, 상기에서 1차 조성물에 첨가되는 분말 또는 액상의 수산화칼슘(Ca(OH)2), 수산화나트륨(NaOH), 수산화마그네슘(Mg(OH)2), 산화마그네슘(MgO)의 중량비는 투입되는 산업폐수의 산도 및 중금속 함유량에 의해 결정되며, 적니와 적니에 첨가되는 화합물의 최적 혼합비는 1:5 정도이나 1:2 ~ 1:7 의 혼합비를 사용하더라도 정화능력에 큰 차이는 나지 않는다.
특히, 정화대상인 산업폐수의 성분을 정확하게 파악하기 어려울 경우 수산화칼슘(Ca(OH)2), 수산화나트륨(NaOH), 수산화마그네슘(Mg(OH)2), 산화마그네슘(MgO)의 중량비를 최적화하기 어려운 점이 있으나, 최적의 혼합비가 아닌 1:2 ~ 1:7 의 혼합비로 제조된 적니 정화제를 다양한 산업폐수에 적용시켜 본 결과 최적의 혼합비를 가진 적니 정화제의 정화능력과 슬러지 저감능력과 그다지 큰 차이를 보이지 않았다.
그리고, 처리대상이 되는 폐수의 성분에 따라서는 적니 1차 조성물에 수산화칼슘(Ca(OH)2), 수산화나트륨(NaOH), 수산화마그네슘(Mg(OH)2), 산화마그네슘(MgO) 중 어느 하나만을 첨가하거나, 두가지 또는 세가지 및 전부를 첨가하여 적니 정화제를 제조할 수도 있다.
상기와 같은 공정을 거쳐 완성된 이 발명에 따른 적니를 이용한 산업폐수 정화제를 폐수에 투입하게 되면, 적니의 주 구성광물인 Fe2O3(삼산화이철)과 Al2 O3(산화알루미늄)의 Fe-Al 수산화물로의 침전 및 흡착반응과 적니에 첨가되는 화합물의 이온교환반응에 의해 폐수의 중금속 성분이 효율적으로 정화되는 동시에 폐수의 산도조절이 이루어지게 된다.
폐수에 투입하는 적니를 이용한 산업폐수 정화제의 양은 폐수의 성분에 따라 조금씩 상이하지만 종래 정화약품으로 사용되던 소석회(Ca(OH)2)나 가성소다(NaOH)의 투입량의 25~30%에 불과하므로 슬러지의 발생량도 그만큼 줄어들게 되는 것이다.
다음은 이 발명에 따른 적니를 이용한 산업폐수 정화제를 다양한 산업폐수에 투입하여 정화능력과 슬러지 발생량을 측정한 실시예에 대해 설명하기로 한다.
(실시예 1)
실험대상 폐수로 스틸와이어(steel wire) 생산공정에서 발생하는 도금폐수의 산도, 중금속 및 인의 함유량을 측정한 후, 처리대상 폐수 1L에 이 발명에 따른 적니를 이용한 산업폐수 정화제 3.0g을 투여하여 60분 간 교반기에서 교반한 후 응집제를 투여하여 슬러지를 분리하고 여액을 채취하여 각각의 산도, 중금속 이온농도 및 인의 농도를 분석하여 다음과 같은 결과를 얻었다.
pH Cu Fe Ni Zn Mn Pb Cd Cr(total) P
처리대상폐수의농도(ppm) 1.5 1.96 446 0.433 55.5 7.27 11.8 0.105 0.421 32.9
처리 후 여액의농도(ppm) 7.5 0.063 N.D N.D N.D N.D N.D N.D N.D N.D
제거율(%) 중성 100 100 100 100 100 100 100 100 100
이와 같은 실시예 1의 실험결과에 의하면, 이 발명에 따른 적니를 이용한 산업폐수 정화제를 투입하고 난 후의 여액은 pH가 높아져 중성으로 정화되었으며, 처리 전 폐수에 함유되어 있던 유독 중금속들이 100% 제거된 것을 알 수 있다.
(실시예 2)
실험대상 폐수로 도금조합 내의 도금폐수의 산도, 중금속 및 인의 함유량을 측정한 후, 처리대상 폐수 1L에 이 발명에 따른 적니를 이용한 산업폐수 정화제 2.5g을 투여하여 60분 간 교반기에서 교반한 후 응집제를 투여하여 슬러지를 분리하고 여액을 채취하여 각각의 산도, 중금속 이온농도 및 인의 농도를 분석하여 다음과 같은 결과를 얻었다.
pH Cu Fe Ni Zn Mn Pb Cd Cr(total) Al As
처리대상폐수의농도(ppm) 1.91 607.7 28.31 178.1 292.4 3.882 0.494 0.036 226.1 46.73 0.024
처리 후 여액의농도(ppm) 7.53 0.059 0.001 1.620 0.052 0.036 0.001 0.001 0.878 0.001 0.001
제거율(%) 중성 99.99 100 99.09 99.98 99.70 99.80 97.22 99.61 100 95.83
이와 같은 실시예 2의 실험결과에 의하면, 이 발명에 따른 적니를 이용한 산업폐수 정화제를 투입하고 난 후의 여액은 pH가 높아져 중성으로 정화되었으며, 처리 전 폐수에 함유되어 있던 유독 중금속들이 거의 대부분 제거된 것을 알 수 있다.
(실시예 3)
처리대상 폐수의 산도 및 중금속 함유량에 따른 이 발명에 따른 적니를 이용한 산업폐수 정화제의 투입량을 알아보기 위해 (실시예 1)과 (실시예 2)의 실험대상 폐수에 종래 정화약품인 석회(Lime) 및 가성소다의 투입량과 비교하였다.
각 실험대상 폐수 1L에 소석회(Lime) 및 가성소다의 투입량은 pH 10까지의 투입량을 측정하였으며, 이 발명에 따른 적니를 이용한 산업폐수 정화제는 pH 7.5까지의 투입량을 측정하였다. 그리고 실험결과 산업폐수의 중금속 배출허용기준을 만족하는지 분석하였다.
실시예 1. 폐수(pH 1.5) 실시예 2. 폐수(pH 1.91)
소석회/가성소다 적니 정화제 소석회/가성소다 적니 정화제
투입량(g/L) 12.0 3.0 8 2.5
투입 후 pH 10.0 7.5 10.0 7.53
배출허용기준 만족 만족 만족 만족
이와 같은 실시예 3의 실험결과에 의하면, 폐수의 정화를 위하여 투입된 이 발명에 따른 적니를 이용한 산업폐수 정화제의 투입량은 종래의 정화제인 소석회나 가성소다의 투입량의 약 25~30% 정도에 불과한 것을 알 수 있으며, 소량으로도 뛰어난 산도조절능력과 중금속 정화능력을 나타내는 것을 알 수 있다.
참고로, 여기에서 개시되는 실시예는 여러 가지 실시 가능한 예 중에서 당업자의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 선정하여 제시한 것일 뿐, 이 발명의 기술적 사상이 반드시 본 실시예에만 의해서 한정되거나 제한되는 것은 아니고, 이 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화와 부가 및 변경이 가능함은 물론, 균등한 타의 실시예가 가능함을 밝혀둔다.
이상에서 살펴 본 바와 같이 이 발명은, 산업폐수 내 산도조절 및 중금속 정화처리에 있어서 기존 처리시스템의 구조나 공정을 변화시키지 않고도 폐수의 산도조절 및 중금속 제거를 효율적으로 할 수 있으며, 이러한 정화과정에서 발생하는 최종 슬러지의 발생량을 현저하게 감소시켜 주는 뛰어난 효과를 가진다.
또한, 폐수를 정화하기 위해 투입되는 정화제의 투입량이 종래의 정화제의 투입량의 1/3 ~ 1/4 정도로 감소되므로 폐수의 정화를 위한 비용을 줄일 수 있으며, 폐수의 정화 시 발생하는 슬러지의 양도 1/3 ~ 1/4 정도로 감소되기 때문에 슬러지를 매립하기 위해 필요한 매립부지도 줄일 수 있는 효과가 있다.
부가적으로, 산업폐기물로 분류되어 매립되거나 폐기처분되던 적니를 오히려 산업폐수를 정화하는 정화제의 원료로 재활용할 수 있게 하는 정부의 재활용 정책에 부합하는 효과도 발생하게 된다.

Claims (4)

  1. (삭제)
  2. (정정)
    적니를 건조장치에서 건조시키는 단계와;
    건조된 적니 덩어리를 입자 직경이 10~50㎛ 정도인 분말로 만드는 파쇄단계와;
    상기 건조 및 파쇄단계를 거친 적니 분말에 수산화칼슘(Ca(OH)2), 수산화나트륨(NaOH), 수산화마그네슘(Mg(OH)2), 산화마그네슘(MgO) 중 어느 하나 이상의 화합물을 첨가하되, 적니 분말과 첨가 화합물의 중량비가 1:5인 것을 특징으로 하는 적니를 이용한 산업폐수 정화제 제조방법.
  3. (삭제)
  4. (정정)
    Fe2O3(삼산화이철)이 25~45%, Al2O3(산화알루미늄)이 15~25%, SiO2(이산화규소)가 10~20%, TiO2(산화티탄)이 4~10%, 그 외에 CaO(산화칼슘), Na2O(산화나트륨) 등이 함유된 적니 분말에 수산화칼슘(Ca(OH)2), 수산화나트륨(NaOH), 산화마그네슘(Mg(OH)2) 중 어느 하나 이상의 화합물을 첨가하되, 적니 분말과 상기 첨가 화합물의 중량비가 1:5로 제조된 것을 특징으로 하는 적니를 이용한 산업폐수 정화제.
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