KR100769265B1

KR100769265B1 - 평판형 고분자를 이용한 수처리용 전도성 담체 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR100769265B1
Application number: KR1020060022864A
Authority: KR
Inventors: 이재성; 이수원
Original assignee: 한국과학기술연구원
Priority date: 2006-03-10
Filing date: 2006-03-10
Publication date: 2007-10-23
Also published as: KR20070092556A

Abstract

본 발명은 폐수 처리에 사용가능한 전도성 담체 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명에 의한 전도성 담체는 전도성 탄소와 폐자원인 폐각 성분을 활용하여 제작되며, 담체에 미세 전류 에너지를 적용할 경우 칼슘 이온과 인산성 인의 화학적 침전 반응을 촉진하여 높은 인 제거 효율을 얻을 수 있다. 또한, 본 발명에 의한 전도성 담체는 수명이 짧거나 고가의 금속성 전극형 담체의 한계를 극복하여 1 ~ 10년 장기간 사용이 가능하다.

전도성 담체, 평판형 고분자, 폐각 분말, 탄소 분말, 폐수 처리, 생물막법.

Description

평판형 고분자를 이용한 수처리용 전도성 담체 및 그 제조 방법{CONDUCTING MEDIA FOR WATER TREATMENT WITH FLAT TYPE POLYMER AND METHOD　THEREOF}

도 1은 본 발명에 의한 평판형 고분자를 이용한 전도성 담체의 제작 공정도이다.

도 2는 본 발명의 실시예에서 사용된 수처리 반응조의 개략도이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전도성 담체를 사용한 수처리 반응조의 운전 시간에 따른 COD 변화를 기록한 그래프이다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 전도성 담체를 사용한 수처리 반응조의 운전 시간에 따른 인 함량의 변화를 기록한 그래프이다.

본 발명은 수(水) 처리 특히, 폐수 처리에 사용 가능한 전도성 담체에 관한 것이다.

통상적으로 "생물막법"은 여재의 표면에 형성된 생물막과 폐수를 접촉시켜서 폐수 중의 오염 물질을 제거하는 공정에서 사용되는 방법을 의미한다. 하천바닥에 존재하는 자갈, 돌 등의 표면에 원생생물, 조류, 윤충류 등의 미세생물 및 미생물 로 구성되어 있는 생물막 층이 존재하면 하천의 자정 능력이 증가하게 되는데, 이 원리를 응용하여 생물막에 의한 정화능력을 인위적으로 고효율 화한 것이다. 생물막법은 수세기에 걸쳐 수처리에 유용하게 이용되어 왔으나 본격적으로 연구되기 시작한 것은 1980년대 초이며, 이때부터 하수 및 수처리 분야뿐 아니라 생물공학과 관계되는 다른 분야에 적용되기 시작하였다. 생물막은 활발한 대사작용을 통해 수중에 존재하는 유기성 오염물질을 분해하면서 성장을 계속하여 막이 두꺼워지면 산소가 생물막의 심층까지 도달하지 못해 생물막 내에 혐기층이 형성되어 오히려 수처리 효율이 저하된다. 즉, 미생물의 활성도는 생물막 두께에 비례하나 어느 정도의 두께에 도달하면 오히려 효율이 떨어지게 되므로 효율적인 생물막 두께를 유지하는 것이 중요하나 기존에 개발된 담체는 상기의 문제를 해결하지 못한 단점이 있다.

따라서, 본 출원의 발명자들은 전기화학적인 원리를 생물막법에 응용하여 미세전류가 흐르는 담체를 개발하였다. 이러한 전기 화학적 원리를 이용하는 방법은 염색 폐수 처리에 응용한 연구는 있으나 하수의 유기물 처리에 적합하도록 담체의 형태로 개발된 사례는 찾기 어렵다.

본 발명은 전술한 종래의 문제점을 개선하고자 안출된 것으로, 폐자원인 패각을 활용함으로써 흡착 기능이 우수하고, 미세전류를 공급함으로써 미생물 활성화 및 부유물질의 산화 및 분해 효과가 강화된 전도성 담체를 개발하는 것을 목적으로 한다. 또한, 본 발명은 전기 전도성이 높아 저항으로 인한 전기 에너지의 손실을 최소화할 수 있는 전도성 담체를 개발하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 평판형 고분자를 이용한 전도성 담체는 다음과 같은 방법에 의하여 제조된다.

도 1은 본 발명에 의한 평판형 고분자를 이용한 전도성 담체의 제작 공정을 도시한 것이다. 먼저, 평판형 고분자에 탄소 분말 30 ~ 50 중량%, 폴리우레탄 에멀젼 30 ~ 50 중량%, 폴리아크릴 에멀젼 혹은 에폭시 수지 에멀젼 0 ~ 20 중량%으로 이루어진 혼합액을 0.01 ~ 1 mm 두께로 얇게 1차 코팅한다.

여기서 에멀젼의 고형분은 25~45%로 제한하며, 이는 본 발명에서 0.01 ~ 1 mm 두께의 코팅을 유지하기 위함이다. 코팅의 두께가 1 mm를 초과하는 경우에는 전기 저항성이 커져 전력 손실이 증가하고, 담체가 무거워지는 단점이 있다. 제1차 코팅에서 탄소 분말은 39% 이하에서는 담체의 전도성이 약하며, 50% 이상에서는 코팅의 효과가 약해진다.

상기 평판형 고분자는 면 또는 마 등의 천연섬유, 폴리에스테르계, 폴리아미드계, 폴리아크릴로니트릴계, 폴리우레탄계 등의 합성섬유 또는 상기 천연섬유 및 합성 섬유를 혼합하여 제작한 평판으로서, 두께는 0.1 ~ 5 mm이다.

상기 1차 코팅된 평판형 고분자에 패각 분말 5 ~20 중량%, 탄소 분말 15 ~ 30 중량%, 산화알루미늄, 산화니켈, 산화티타늄 등 금속염으로 이루어진 군 중에서 선택되는 한 가지 이상의 촉매 화합물 0 ~ 1 중량%, 폴리우레탄 코팅 에멀젼 30 ~ 50 중량%, 폴리아크릴 에멀젼 혹은 에폭시 수지 에멀젼 0 ~ 20 중량%로 이루어진 혼합액을 0.01 ~ 1 mm 두께로 2차 코팅한다.

상기 패각 분말은 조개 껍질을 세척한 후 600 ~ 700 ℃에서 0.5 ~ 2시간 가열한 다음 100 ~ 300 mesh 사이의 크기로 체를 친 분말로 이루어진다. 그 밖에 제1차 및 제2차 코팅에서 사용되는 탄소 분말 등의 입도 역시 100 ~ 300 mesh 사이의 크기인 것이 바람직하다. 즉 분말의 입도는 작고 균질할 수록 코팅 효과가 좋으나, 가공에 소요되는 비용과 물성을 유지할 수 있는 적정 입도는 100 ~ 300 mesh가 적정하다. 코팅의 두께가 1 mm를 초과하는 경우에는 전기 저항성이 커져 전력 손실이 증가하고, 담체가 무거워지는 단점이 있다.

제2차 코팅에서 패각 분말이 5% 이하에서는 패각에 의한 미생물 성장 및 인의 침전으로 인한 수처리 효율을 얻기 어려우며, 20% 이상에서는 코팅의 효과가 약해서 물속에서 운전시 코팅 성분이 탈리될 위험이 있다. 제2차 코팅에서 탄소 분말은 15% 이하에서는 담체의 전도성이 약하며, 30% 이상에서는 코팅의 효과가 약해진다. 금속 산화물은 전도성과 담체의 견고성 강화를 위한 촉매제로 사용되는 것이며, 이러한 목적을 위하여는 1% 이하가 적절하다.

다음으로는, 상기 1차 및 2차 코팅된 평판형 고분자에 전선을 연결하여 전도성 담체를 완성하는데, 전선의 연결은 상기 평판형 고분자의 2차 코팅층 위에 니켈, 구리, 티타늄 중 1 가지로 제조된 금속선을 고정하고 그 전선 위에 우레탄 또는 아크릴 코팅제를 0.01 ~ 5 mm 두께로 도포하여 행한다. 이상과 같은 방식으로 본 발명의 전도성 담체의 제작이 가능하다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 구체적으로 설명한다. 다음의 실시예 는 본 발명을 단지 예시하고자 하는 것일 뿐 본 발명의 범위를 제한하고자 하는 것은 아니다.

( 실시예 )

면 100%의 두께 5 mm의 평판형 고분자에 탄소 50 중량% 및 폴리 우레탄 에멀젼 50 중량%로 이루어진 혼합액을 0.5 mm로 2회 1차 코팅한 후 패각 20 중량%, 탄소 29 중량%, 산화금속 1 중량%, 폴리우레탄 에멀젼 50 중량%로 이루어진 혼합액으로 2차 코팅을 수행하였다. 상기 2차 코팅된 평판형 고분자의 좌측, 우측, 상단면에 전선을 설치한 후 폴리우레탄 용액으로 방수 코팅을 하여 전도성 고분자 담체를 제작하였다.

전도성 담체의 효능을 측정하기 위하여 아크릴을 사용하여 장방형의 혐기조, 무산소조 및 호기조를 각각 3L, 3.5L 및 4.8L의 크기로 제작하여 수처리 반응조에 사용하였으며, 다음 표 1의 조건에 따라 수처리 반응조를 운전하였다. 도 2는 본 실시예에서 사용된 수처리 반응조를 개략적으로 도시한 것이다.

[표 1]

수처리 반응조 운전 조건

운전 조건	값(value)
유입량(Flow rate of influent)	16 mL/min
활성화된 슬러지의 반송량 (Flow rate of return activated sludge)	16 mL/min
혼합액의 재순환 유량 (Flow rate of mixed liquor recirculation)	32 mL/min
MLSS	1,800 ~ 2,000 mg/L
HRT (Hydraulic retention time)	12 hr
SRT (Sludge retention time)	10 days
전력 (V)	20 V (3.6 W)

상기 수처리 반응조의 운전 결과를 도 3 및 도 4에 나타내었다.

도 3은 전도성 담체를 사용한 수처리 반응조의 운전 시간에 따른 COD 변화를 측정한 것이다. 운전기간 동안 COD는 165 ~ 320 mg/L로 주입하였고, 대조군으로는 동일한 담체를 이용하나 전류 에너지를 적용하지 않은 수처리 공정을 지칭한다. 실험 결과 대조군과 반응성 담체를 이용한 공정의 유기물 제거 효율은 각각 82.8, 91.2%를 보였다. 일반적인 수처리 공정의 유기물 효율은 대조군과 같이 80% 정도에 지나지 않고, 그 이상으로 효율을 높이는 것은 어려운 것으로 알려져 있다. 따라서 본원 발명이 90% 이상의 유기물 제거율은 현저하게 우수한 효과를 달성한 것이다.

도 4는 전도성 담체를 사용한 수처리 반응조의 수처리 반응조 운전 시간에 따른 인 함량의 변화를 측정한 것이다. 수처리에 있어서 인의 경우 총 인을 기준으로 1.98 ~ 4.80 mg/L로 주입되었으며, 대조군과 반응성 담체를 이용한 공정의 인 제거 효율은 각각 81.1, 97.6 %를 나타냈다. 인 제거 또한 종래 일반적인 수 처리 공정에서는 약 80%의 인 제거 효과만 나타냈으나, 본원 발명의 전도성 담체를 이용한 수처리 공정에서는 약 98%의 인을 제거되어 높은 인 제거 효율을 보이는 것을 확인할 수 있었다.

즉 본 발명의 전도성 담체는 반응조 내 미세전류의 존재로 인하여 미생물의 활동을 촉진할 뿐만 아니라 패각 분말이 인과 반응하여 뛰어난 유기물 및 인 제거 효율을 보이는 것이 본 실시예를 통하여 입증되고 있다.

본 발명에 의한 전도성 담체는 종래기술과는 달리 전도성 탄소와 폐자원인 패각 성분을 활용하여 제작되었으며, 담체에 미세 전류 에너지를 적용할 경우 칼슘 이온과 인산성 인의 화학적 침전 반응을 촉진하여 높은 인 제거 효율을 얻을 수 있다. 또한, 본 발명에 의한 전도성 담체는 미세 전류를 적용할 경우 저항에 의한 에너지 손실을 최소화할 수 있으며, 수명이 짧은 금속성 전극의 한계를 극복하여 1 ~ 10년 장기간 사용이 가능하다. 따라서, 본 발명에 의하면 폐자원을 재활용하여 미생물 수처리 효율을 향상시키고 에너지 절약 효과를 동시에 얻을 수 있다는 장점이 있다.

Claims

탄소 분말 30 ~ 50 중량%, 폴리우레탄 에멀젼 30 ~ 50 중량%, 폴리아크릴 에멀젼 혹은 에폭시 수지 에멀젼 0 ~ 20 중량%으로 이루어진 혼합액을 평판형 고분자에 1차로 0.01 ~ 1 mm 두께로 코팅하는 공정과,

상기 1차 코팅된 평판형 고분자에 패각 분말 5 ~20 중량%, 탄소 분말 15 ~ 30 중량%, 산화알루미늄, 산화니켈 및 산화티타늄으로 이루어진 군 중에서 선택되는 1종 이상의 촉매 화합물 0 ~ 1 중량%, 폴리우레탄 에멀젼 30 ~ 50 중량%, 폴리아크릴 에멀젼 혹은 에폭시 수지 에멀젼 0 ~ 20 중량%로 이루어진 혼합액을 0.01 ~ 1 mm 두께로 2차로 코팅하는 공정과,

상기 2차 코팅된 평판형 고분자에 전선을 연결하는 공정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전도성 담체의 제조 방법.
제1항에 있어서, 상기 전선 연결 공정은 평판형 고분자의 2차 코팅층 위에 니켈, 구리 및 티타늄으로 이루어진 군 중에서 선택되는 금속으로 제조된 금속선을 고정하고 그 전선 위에 우레탄 또는 아크릴 코팅제를 0.01 ~ 5 mm 두께로 도포하여 행하는 것을 특징으로 하는 전도성 담체의 제조 방법.
삭제
제1항에 있어서, 상기 평판형 고분자는 면 또는 마의 천연섬유, 폴리에스테르계, 폴리아미드계, 폴리아크릴로니트릴계 및 폴리우레탄계 합성섬유로 이루어진 군 중에서 선택되는 합성섬유 또는 상기 천연섬유 및 합성 섬유의 혼합 섬유로부터 제조되는 것을 특징으로 하는 전도성 담체의 제조 방법.
제1항, 제2항 및 제4항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 패각 분말은 조개 껍질을 세척한 후 600 ~ 700 ℃에서 0.5 ~ 2시간 가열한 다음 100 ~ 300 mesh 크기로 체를 쳐 제조한 분말인 것을 특징으로 하는 전도성 담체의 제조 방법.
제1항에 있어서, 상기 탄소 분말은 100 ~ 300 mesh 사이의 크기를 갖는 분말인 것을 특징으로 하는 전도성 담체의 제조 방법.
평판형 고분자층과,

상기 평판형 고분자 상에 탄소 분말 30 ~ 50 중량%, 폴리우레탄 에멀젼 30 ~ 50 중량%, 폴리아크릴 에멀젼 혹은 에폭시 수지 에멀젼 0 ~ 20 중량%으로 이루어진 혼합액을 코팅함으로써 형성되는 제1차 코팅층과,

상기 제1차 코팅층 상에 패각 분말 5 ~20 중량%, 탄소 분말 15 ~ 30 중량%, 산화알루미늄, 산화니켈 및 산화티타늄으로 이루어진 군 중에서 선택되는 1종 이상의 촉매 화합물 0 ~ 1 중량%, 폴리우레탄 에멀젼 30 ~ 50 중량%, 폴리아크릴 에멀젼 혹은 에폭시 수지 에멀젼 0 ~ 20 중량%로 이루어진 혼합액을 코팅함으로써 형성되는 제2차 코팅층과,

상기 제2차 코팅층 상에 니켈, 구리, 티타늄 중 한 가지로 제조된 금속선을 고정하고 그 전선 위에 우레탄 또는 아크릴 코팅제를 도포하여 형성된 전선 코팅층으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전도성 담체.
제7항에 있어서, 상기 제1차 코팅층 및 제2차 코팅층의 두께는 0.01 ~ 1 mm인 것을 특징으로 하는 전도성 담체.
제7항에 있어서, 상기 평판형 고분자는 면 또는 마의 천연섬유, 폴리에스테르계, 폴리아미드계, 폴리아크릴로니트릴계 및 폴리우레탄계 합성섬유로 이루어진 군 중에서 선택되는 합성섬유 또는 상기 천연섬유 및 합성 섬유의 혼합 섬유로부터 제조되는 것을 특징으로 하는 전도성 담체.
제9항에 있어서, 상기 평판형 고분자는 두께가 0.1 ~ 5 mm인 것을 특징으로 하는 전도성 담체.
제7항 내지 제10항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 패각 분말은 조개 껍질을 세척한 후 600 ~ 700℃에서 0.5 ~ 2시간 가열한 다음 100 ~ 300 mesh 크기로 체를 쳐 제조한 분말인 것을 특징으로 하는 전도성 담체.
제7항에 있어서, 상기 탄소 분말은 100 ~ 300 mesh 사이의 크기를 갖는 분말인 것을 특징으로 하는 전도성 담체.