KR100840529B1 - 전기화학적 방법에 의한 난분해성 유기물질 제거장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유기물질 함유 폐수의 전기화학적 산화처리를 위한 전기화학적 방법에 의한 난분해성 유기물질 제거장치에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 전기화학적 방법에 의한 유기폐액 처리 장치는 아래로부터 충진재, 애노드 전극, 충진재, 다공성 분리막, 충진재, 캐소드 전극 및 충진재 순으로 적층되는 단위셀과 상기 단위셀의 하단과 상단에서 단위셀을 지지하는 다공성의 지지체와 고정판으로 이루어지며, 상기 충진재는 탄소섬유, 금속코팅 세라믹볼, 금속볼로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상으로 이루어진 전도성 물질로서 소정의 두께를 가지는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따른 유기폐액 처리장치는 유기폐액의 산화 접촉시간을 길게 함으로서 유기폐액을 효과적으로 분해할 수 있는 장점이 있다.

난분해성 유기물질 제거장치, 전기화학, 전극, 충진재, 세라믹볼, 금속볼, 탄소섬유

Description

전기화학적 방법에 의한 난분해성 유기물질 제거장치{Apparatus to Remove Electrochemically Organic Materials in Waste Water Using Electrodes}

도 1은 본 발명에 따른 난분해성 유기물질 제거장치의 내부구조를 나타낸 부분단면사시도.

도 2는 본 발명에 따른 난분해성 유기물질 제거장치의 구성을 나타낸 단면도.

도 3은 본 발명에 따른 난분해성 유기물질 제거장치의 분해사시도.

도 4는 복수의 단위셀이 구비된 본 발명에 따른 난분해성 유기물질 제거장치의 구성도.

도 5는 초음파 진동자가 구비된 본 발명에 따른 난분해성 유기물질 제거장치의 구성도.

**도면의 주요부분에 대한 부호의 설명**

10,10a,10b: 단위셀 11a,11b,11c,11d: 충진재

12: 애노드 전극 13,17: 다공성 분리막

14: 캐소드 전극 15,16: 전원공급선

21: 지지체 22: 다공성 고정판

23: 폐액 저장조 24: 기액 분리관

25: 기체 배출관 26: 액체 배출관

27: 고정핀 28: 초음파진동자

본 발명은 유기물질 함유 폐수의 전기화학적 산화처리를 위한 전기화학적 방법에 의한 난분해성 유기물질 제거장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 애노드와 캐소드 주위에 전도성 충진층을 구비함으로서 유기폐액의 산화 접촉시간을 길게 함으로서 유기폐액을 효과적으로 분해할 수 있는 난분해성 유기물질 제거장치에 관한 것이다.

최근 들어 다양한 유기화합물을 생산 공정에서 사용하게 됨에 따라 난분해성 유기물질이 함유된 폐액이 다량 발생하고 있으며, 특히 1,4-디옥산, MTBE, 잔류농약성분 등과 같은 난분해성 유기물질은 환경호르몬 등으로 생물 내에 축적되는 등의 우려로 인하여 각 국에서는 점점 더 강력한 규제를 하고 있는 실정이다. 이러한 난분해성 유기물질은 특히 수원지와 같은 경우에는 극미량 포함되어도 심각한 문제를 일으키므로 ppm 단위로 관리해야만 한다.

종래의 폐액 중 난분해성 유기화합물의 처리는 화학약품인 산화제를 투입하 여 산화 처리하여 제거시키고 폐수 중의 경도 성분도 화학약품을 투입하여 수산화물로 침전시켜 제거하는 방법이 사용되어 왔다. 이러한 방법은 극미량의 난분해성 유기물질을 처리할 수 없는 문제점이 있으며, 상기한 처리 폐수 중에 다량 함유되어 있는 유기물 및 경도 성분들의 제거를 위하여 화학제를 다량 사용하게 되면, 이들 화학제의 재분리 수거 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 및 첨가 그 자체가 2차 환경오염의 원인이 될 수 있는 문제점이 있다.

최근 들어 전기화학적인 방법 즉 산소, 오존도는 과산화수소 등을 산화제로 투입하면서 전극과 전극 사이에 전류를 흘려줌으로서 유기화합물을 산화시켜 제거하는 방법이 응용되고 있는 상황이다. 그러나 디옥산(dioxane) 등의 유기용제의 경우 화학적 안정성이 상당히 높아 산화처리 효율이 저하되어 폐수 내에서 일정 수준 이하의 농도로 낮추기가 어려운 문제가 있으며, 이를 위한 대안으로서 다단계의 전해셀을 구비해야 하나 이 경우 설치비용뿐만 아니라 운전상의 비용이 증가하여 경제적이지 못할 뿐 만 아니라 장치의 크기가 커져서 설치공간의 확보가 필수이다.

한국공개특허공보 제2003-32747호에는 전극을 함유한 유무기물 함유 폐수의 전기화학적 유무기물 제거방법이 공지되어 있으나, 앞서 언급한 바와 같이 화학적으로 안정한 유기용제를 제거하는 데는 효율적이지 못하다. 일본공개특허공보 제2004-237207호에는 유기화합물 함유 폐수의 처리장치가 공지되어 있으나, 상기 처 리장치는 분해효율과 전류 효율을 높이기 위하여 전극을 도전성 다이아몬드를 이용하는 것을 특징으로 하고 있으나, 장치의 설치비용의 증가와 함께 실질적으로 유기용제의 분해율이 일정 수준 이상 올라가지 않는다.

한편 일본공개특허공보 제2002-531704호에서는 분해효율을 높이기 위하여 모노폴라(monopola) 구성에 연결되는 복수의 다공성 전극스택을 가지는 개방형 전기화학셀이 공지되어 있으나, 가격이 비싼 다수의 전극을 구비하고 있기 때문에 설치비용은 물론 일정 기간이 지나면 전극을 교체해야 하기 때문에 유지비용이 과다하여 실용적이지 못한 문제가 있다. 또한, 이러한 장치는 전극과의 접촉효율이 높지 않아 극미량을 함유하는 저농도의 난분해성 유기물질을 제거하지 못하고 고농도의 난분해성 유기물질만을 처리할 수 밖에 없는 문제점이 있었다.

따라서 본 발명의 목적은 상기한 문제점을 극복하기위하여 안출된 것으로서 화학적으로 안정한 디옥산 등의 유기용제를 전기화학적 방법으로 효율적으로 분해하기 위한 전기화학적 방법에 의한 난분해성 유기물질 제거장치를 제공하는 것이며, 또 다른 목적은 설치비용과 유지비용이 저렴하고 장치의 크기가 컴팩트한 전기화학적 방법에 의한 난분해성 유기물질 제거장치를 제공하는 것이며, 또한 극미량의 난분해성 유기물질을 제거할 수 있으며, 유기 폐액 내의 유기물의 농도에 따라 분해효율을 적절히 조절할 수 있도록 운전 유연성을 가진 전기화학적 방법에 의한 난분해성 유기물질 제거장치를 제공하는 것이다.

본 발명은 유기물질 함유 폐수의 전기화학적 산화처리를 위한 전기화학적 방법에 의한 난분해성 유기물질 제거장치에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 전기화학적 방법에 의한 유기폐액 처리 장치는 아래로부터 충진재, 애노드 전극, 충진재, 다공성 분리막, 충진재, 캐소드 전극 및 충진재 순으로 적층되는 단위셀과 상기 단위셀의 하단과 상단에서 단위셀을 지지하는 다공성의 지지체와 고정판으로 이루어지며, 상기 충진재는 탄소섬유, 금속코팅 세라믹볼, 금속볼로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상으로 이루어진 전도성 물질로서 소정의 두께를 가지는 것을 특징으로 한다.

상기한 구성을 갖는 본 발명에 따른 전기화학적 방법에 의한 난분해성 유기물질 제거장치는 화학적으로 안정한 디옥산 등의 유기용제를 전기화학적 방법으로 효율적으로 분해하여 극미량의 난분해성 유기물질을 제거할 수 있으며, 또한 설치비용과 유지비용이 저렴하고 장치의 크기가 컴팩트한 장점이 있고, 유기폐액 내의 유기물의 농도에 따라 분해효율을 적절히 조절할 수 있도록 운전 유연성을 가진 특징이 있다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 난분해성 유기물질 제거장치의 내부구조를 나타낸 부분단면사시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 난분해성 유기물질 제거장치의 구성을 나타낸 단면도이며, 도 3은 본 발명에 따른 난분해성 유기물질 제거장치의 분해사 시도이다.

도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 난분해성 유기물질 제거장치는 유기폐액이 장치의 아래로 투입되어 상방으로 흐르면서 전기분해되는 수직형 단위셀(10)이 구비되는 형태로서 단위셀(10)은 아래로부터 충진재(11a)/애노드 전극(12)/충진재(11b)/다공성 분리막(13)/충진재(11c)/캐소드 전극(14)/충진재(11d) 순으로 적층되고 상기 단위셀(10)의 하단과 상단에서 단위셀(10)을 지지하는 매쉬형태의 지지체(21)와 다공성 고정판(22)으로 이루어진다.

상기 지지체(21)의 하단에는 산소, 오존 또는 과산화수소로부터 선택되는 산화제와 난분해성 유기물질이 함유된 유기 폐액을 혼합시키는 혼합기를 통과한 혼합 유기 폐액 저장조(23)가 구비되며, 상기 고정판(22)의 상단에 이격되어 기체와 액체를 분리하는 기액 분리관(24)이 구비되고, 기액 분리관(24)에는 기체와 액체를 각각 배출하는 배출관(25,26)이 구비된다. 상기 혼합기는 특별히 한정되는 것은 아니며 라인믹서 등 통상적인 것을 사용하거나 유기폐액 투입라인 또는 저장조 내에 산기관 형태의 기체 투입기를 채용할 수도 있다.

상기 단위셀(10)에 구비되는 충진재(11a,11b,11c,11d)는 탄소섬유, 금속코팅된 세라믹볼, 금속볼로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상으로 구비된다. 상기 도전성 충진재(11a,11b,11c,11d)는 앞서 언급한 바와 같이 애노드전극(12)과 캐소드전극(14) 주위에 적층되며, 소정의 두께를 갖는 충진재(11a,11b,11c,11d)는 서로 맞닿아 전극(12,14)으로부터 흐르는 전류가 서로 통전이 되도록 하여, 상기 통전된 충진재(11a,11b,11c,11d) 사이의 일정 공간을 갖는 공극을 유기폐액이 흐르면서 유 기화합물이 전기분해되는 충분한 접촉시간을 갖도록 하여 분해효율을 높이는 작용을 한다. 이에 따라 극미량의 난분해성 유기물질을 제거할 수 있게 된다.

충진재(11a,11b,11c,11d)의 두께가 지나치게 크면 분해효율은 증가되나 전류효율이 저하되는 문제가 있으며, 일정 두께 이하이면 전류효율은 증가하지만 분해효율이 저하되며, 본 발명에 따른 장치에서 충진재(11a,11b,11c,11d)의 두께는 하기 수식 1을 만족하는 것이 바람직하다.

a = b/(0.6±0.2)

[상기 수학식 1에서 a는 충진재의 두께이고 b는 전극의 넓이이다.]

한편 단위셀(10)의 상기 고정판(22)으로부터 단위셀(10)과 지지체(21)를 관통하여 고정핀(27)을 구비하여 단위셀(10)을 고정함과 동시에 상기 고정핀(27)의 길이의 조절에 의하여 상기 충진재(11a,11b,11c,11d)의 두께와 밀도를 조절함으로서 충진재(11a,11b,11c,11d) 공극을 흐르는 유기폐액의 충진재(11a,11b,11c,11d)와의 접촉시간을 조절하고 그에 따라 폐액 중의 유기화합물의 분해효율을 유입되는 유기폐액의 농도에 따라 적절히 조절할 수 있도록 한다. 상기 고정핀(27)은 통전되지 않는 플라그틱, 플라스틱이 코팅재, 세라믹, 또는 세라믹 코팅재를 채용하는 것이 바람직하며, 고정핀(27)의 길이 조절은 전기적 장치에 의하거나 수동식으로 조절하는 것 모두 가능하다.

본 발명에 따른 단위셀(10)이 채용되는 애노드 전극(12)과 캐소드 전극(14) 은 종래의 전기화학적 장치에서 채용될 수 있는 전극이면 어느 것이나 가능하며, 상기 전극(12,14)이 본 발명에 따른 특징적 구성이 아니므로 이에 대하여 구체적으로 한정하는 것은 아니며, 당업자라면 적절히 선택하여 적용할 수 있다.

애노드전극(12)과 캐소드전극(14)의 전원 공급선(15,16)은 단위셀(10)의 측면을 통하여 인입하는 것도 가능하지만 이 경우 난분해성 유기물질 제거장치의 측면 인입부분의 유기폐액 유출 위험이 있으므로 장치의 상단으로부터 전극(12,14)으로 인입되데 도 3에 도시된 바와 같이 애노드와 캐소드 전원 공급선(15,16)이 서로 통전되지 않도록 측면 모서리로 대향되게 구비하거나 서로 엇갈리게 구비하는 것이 바람직하다.

애노드 쪽 충진재(11b)와 캐소드 쪽 충진재(11c) 사이에 구비되는 다공성 분리막(13)은 캐소드 쪽 충진재(11c)와 애노드 쪽 충진재(11b)가 맞닿아 통전되지 않도록 하는 것이며, 이 또한 통상의 다공성 분리막이면 어느 것이건 채용 가능하다.

한편 유기폐액의 농도에 따라 일정 수준 이하의 유기화합물을 처리수 내에 함유하도록 하기 위하여 도 4에 도시된 바와 같이 복수의 단위셀(10a,10b)을 수직으로 연속적으로 적층할 수 있다. 이때, 단위셀(10a,10b) 사이에는 다공성 분리막(17)을 더 추가하여 적층하게 된다.

또한, 이 경우에 적층되는 복수의 단위셀은 공급되는 유기폐액의 흐름 저항 압력 등을 고려하여 3개까지 정도가 바람직하다.

한편 도 5에 도시된 바와 같이 초음파 진동자(28)를 구비하여 일정 시간 동안 펄스 형태의 전원을 초음파 진동자에 가함으로서 충진재(11a,11b,11c,11d) 등 단위셀(10) 내에 유기폐액 내에 존재하는 부유물 등이 침적되는 것을 방지되도록 하는 것과 산소 이외에 오존 등의 활성산소 산화제를 사용할 경우 상기 활성산소 산화제의 이용 효율을 높이기 위하여 단위셀(10)의 상단에 구비되는 기액 분리관(24)의 기체 배출관(25)을 다시 전기화학적 방법에 의한 난분해성 유기물질 제거장치의 하단의 기액 혼합기로 순환되도록 하는 것은 모두 본 발명의 범위 내이다.

본 발명에 따른 전기화학적 방법에 의한 난분해성 유기물질 제거장치는 화학적으로 안정한 디옥산 등의 유기용제를 전기화학적 방법으로 효율적으로 분해하여 극미량의 난분해성 유기물질을 제거할 수 있으며, 또한 설치 비용과 유지 비용이 저렴하고 장치의 크기가 컴팩트한 장점이 있고, 유기폐액 내의 유기물의 농도에 따라 분해효율을 적절히 조절할 수 있도록 운전 유연성을 가진 장점이 있다.

Claims (6)

1. 아래로부터 충진재, 애노드 전극, 충진재, 다공성 분리막, 충진재, 캐소드 전극 및 충진재 순으로 적층되는 단위셀과 상기 단위셀의 하단과 상단에서 단위셀을 지지하는 다공성의 지지체와 고정판으로 이루어지며, 상기 충진재는 탄소섬유, 금속코팅 세라믹볼, 금속볼로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상으로 이루어진 전도성 물질로서 소정의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 전기화학적 방법에 의한 난분해성 유기물질 제거장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 지지체의 하단에는 산소, 오존 또는 과산화수소로부터 선택되는 산화제와 난분해성 유기물질이 함유된 유기 폐액을 혼합시키는 혼합기를 통과한 혼합 유기 폐액 저장조가 구비되며, 상기 고정판의 상단에 이격되어 기체와 액체 분리관이 구비되는 것을 특징으로 하는 전기화학적 방법에 의한 난분해성 유기물질 제거장치.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 충진재의 두께는 하기 수식을 만족하는 것을 특징으로 하는 전기화학 적 방법에 의한 난분해성 유기물질 제거장치.

   a = b/(0.6±0.2)

   [상기 수식에서 a는 충진재의 두께이고 b는 전극의 넓이이다.]
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 고정판으로부터 단위셀과 지지체를 관통하여 고정핀이 구비되어 상기 고정핀의 길이 조절에 의하여 상기 충진층의 두께와 밀도를 조절하는 것을 특징으로 하는 전기화학적 방법에 의한 난분해성 유기물질 제거장치.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 지지체와 고정판 사이에 단위셀이 2개 이상 적층되어 구비되는 것을 특징으로 하는 전기화학적 방법에 의한 난분해성 유기물질 제거장치.
6. 제 1 항 내지 제 5 항의 어느 한 항에 있어서,

   상기 단위셀 내에 초음파 진동장치가 추가로 구비되는 것을 특징으로 하는 전기화학적 방법에 의한 난분해성 유기물질 제거장치.

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