KR100954274B1 - Electrokinetic removal system of heavy metal - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 해양 퇴적물의 중금속 제거장치에 관한 것으로, 특히 동전기를 이용하고 음극 순환수를 특정의 전해질 용액으로 사용하여 해양 퇴적물에 저장되어 있는 중금속을 제거하는 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a device for removing heavy metals from marine sediments, and more particularly, to an apparatus for removing heavy metals stored in marine sediments by using a copper electrolytic cell and a cathode circulating water as a specific electrolytic solution.
해양 퇴적물은 바다의 바닥에 쌓인 물질로서, 암석의 풍화와 침식에 의해 물리적으로 분리된 물질이나 생물에서 기원한 물질 또는 이들 물질이 화학적인 반응을 거쳐 형성된 물질들로 이루어진다. 따라서 이와 같이 형성되는 해양 퇴적물은 상기 암석이나 생물로부터 기원한 물질뿐 아니라 하천, 호수, 항만으로 배출된 중금속과 같은 오염물질을 저장 또는 집적하는 저장소의 역할을 하게 된다. 뿐만 아니라 저장된 오염물질은 재용출 또는 재부유할 수 있어 해양 오염의 새로운 오염원이 될 수도 있다. Marine sediments are substances that accumulate on the bottom of the sea, consisting of materials physically separated by weathering and erosion of rocks, or substances derived from organisms or substances formed by chemical reaction of these substances. Thus, the marine sediments formed in this manner serve as a reservoir for storing or accumulating contaminants such as heavy metals discharged from rivers, lakes, and harbors, as well as materials originating from the rocks and organisms. In addition, stored contaminants can be re-leached or resuspended, which can be a new source of pollution.
이와 같은 해양오염은 해양생물에 영향을 미치고 중금속으로 인한 피해는 생물농축으로 인해 상위 먹이사슬로 갈수록 커질 수밖에 없다. 이에 따라, 인간에게 있어서 중요한 식량자원인 해양생물의 오염을 막기 위하여 그 원인인 해양 퇴적물 의 중금속 제거가 중요한 문제로 대두되고 있다. 이를 위해, 중금속으로 오염된 퇴적토를 복원하는 방법으로 해안의 바닥을 파헤쳐 깊게 하는 준설(dredging)을 생각해볼 수 있겠으나 준설 후의 오염된 퇴적물의 처분의 해양투기는 근본적인 해결책이 될 수 없다. 따라서 최근에는 퇴적토를 원위치에서 처리하는 방법이 고려되면서 여러 가지 정화기술의 연구가 진행되고 있다.Such marine pollution affects marine life, and the damage caused by heavy metals is bound to become larger as the food chain becomes higher due to bioconcentration. Accordingly, the removal of heavy metals from marine sediments is an important issue in order to prevent pollution of marine life, which is an important food resource for human beings. For this purpose, it is possible to consider dredging the bottom of the shore by recovering the sediments contaminated with heavy metals, but the dumping of the contaminated sediments after dredging can not be a fundamental solution. In recent years, various purification techniques have been studied in consideration of the method of treating sediments in situ.
그러나 해양 퇴적토는 대부분 실트(silt)질의 토성(土性)을 가지기 때문에 정화기술을 적용하기에 어려움이 있고, 정화기술을 적용하더라도 처리과정 중에 퇴적토에 포함된 유기물질과 중금속이 예기치 않은 반응기작을 일으키거나 작동 중에 저항이 증가하여 전력 사용량이 많은 문제점이 있다. However, most of the marine sediments have silt quality soil, so it is difficult to apply the purification technology. Even if the purification technology is applied, organic substances and heavy metals contained in the sediments during the treatment process may cause unexpected reaction mechanism There is a problem that the resistance is increased during operation or operation and the power consumption is large.
따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 처리되는 해양 퇴적토의 토성에 영향을 적게 받고, 해양 퇴적토에 저장되어 있는 중금속을 효율적으로 제거할 수 있으며, 전력사용량을 줄일 수 있는 전기역학을 이용한 중금속 제거장치를 제공하는 데 있다.Accordingly, a technical problem to be solved by the present invention is to provide a heavy metal removing apparatus using electro dynamics capable of efficiently removing heavy metals stored in a marine sediment, less electric power consumption, .
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 전기역학적 중금속 제거장치는 퇴적토 및 수돗물로 이루어진 양극순환수 및 산성 전해질 용액으로 이루어진 음극순환수를 수용할 수 있는 반응기, 상기 반응기에 상기 양극순환수를 공급하는 양극순환수 공급부, 상기 반응기에 상기 음극순환수를 공급하는 음극순환수 공급부 및 상기 반응기에 전력을 공급하여 상기 퇴적토에 전류를 흐르게 하는 전원 공급부를 포함하여 이루어지고, 상기 반응기는 상기 반응기의 양단에 소정의 간격만큼 이격되어 각각 배치된 양전극 및 음전극, 상기 양극순환수를 수용할 수 있는 공간을 이루도록 상기 양전극으로부터 상기 반응기의 중심방향으로 이격되어 배치되고, 상기 퇴적토는 통과할 수 없으나 상기 양극순환수는 통과할 수 있는 제1 분리대, 상기 음극순환수를 수용할 수 있는 공간을 이루도록 상기 음전극으로부터 상기 반응기의 중심방향으로 이격되어 배치되고, 상기 퇴적토는 통과할 수 없으나 상기 음극순환수는 통과할 수 있는 제2 분리대 및 상기 제1 분리대와 상기 제2 분리대 사이에 형성된 퇴적토 수용부를 포함할 수 있다.According to an aspect of the present invention, there is provided an apparatus for removing heavy metals in an electrophoretic medium, comprising: a reactor capable of receiving a negative electrode circulating water made of a positive electrode circulating water and an acidic electrolyte solution made of sediment and tap water; A cathode circulating water supply unit for supplying the cathode circulating water to the reactor, and a power supply unit for supplying electric power to the reactor to supply current to the deposited soil, wherein the reactor is provided at both ends of the reactor The anode and the cathode being spaced apart from each other by a predetermined distance and spaced apart from the anode in the direction of the center of the reactor so as to form a space capable of accommodating the anode circulating water and the sediment can not pass therethrough, A first separator that can pass through the cathode separator, A second separator arranged to be spaced apart from the negative electrode in the direction of the center of the reactor so as to form a space that can be accommodated, the sediment can not pass through but the negative circulating water can pass therethrough, And a sediment receiving portion formed between the sediment receiving portion.
본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 양극순환수 공급부 및 음극순환수 공급부는 각각 상기 양극순환수 및 상기 음극순환수를 주입하거나 배출할 수 있는 순환펌프를 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 음극순환수는 질산(HNO3), EDTA(EthylenDiamineTetraacetic Acid), 시트르산(citric acid) 및 염산(HCl) 중에 선택된 어느 하나를 포함하는 수용액일 수 있고, 특히 상기 음극순환수는 염산(HCl) 수용액 또는 시트르산(citric acid) 수용액으로 하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 염산 수용액 또는 시트르산 수용액의 농도는 0.01M 내지 0.5M로 할 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the anode circulating water supply unit and the cathode water circulating water supply unit may further include a circulation pump capable of injecting or discharging the anode circulation water and the cathode circulation water, respectively. The negative electrode circulating water may be an aqueous solution containing any one selected from the group consisting of nitric acid (HNO 3 ), ethylenediamine tetraacetic acid (EDTA), citric acid and hydrochloric acid (HCl) ) Aqueous solution or citric acid aqueous solution. The concentration of the hydrochloric acid aqueous solution or citric acid aqueous solution may be 0.01 M to 0.5 M.
본 발명에 의한 전기역학적 중금속 제거장치는 음극 순환수를 특정의 산성 전해질 용액으로 함으로써 퇴적물 내에 처리될 수 있는 중금속 이온의 농도를 높이고, 이에 따라 저항을 줄여 전류를 일정하게 유지시켜 전력소비량을 최소화하면서 중금속을 처리할 수 있다. 또한, pH를 조절하여 음극에서 OH-에 의해 발생할 수 있는 침전발생을 저지함으로써 궁극적으로 퇴적물 내의 중금속을 효율적으로 처리할 수 있다.The electrodynamic heavy metal removal apparatus according to the present invention increases the concentration of heavy metal ions that can be treated in the sediment by making the negative electrode circulating water a specific acidic electrolytic solution, thereby reducing the resistance and keeping the current constant to minimize the power consumption Heavy metals can be treated. In addition, by controlling the pH, it is possible to effectively treat the heavy metals in the sediments by preventing the precipitation that may occur by OH - at the cathode.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다음에서 설명되는 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예들은 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The embodiments described below can be modified in various other forms, and the scope of the present invention is not limited to the embodiments described below. The embodiments of the present invention are provided to enable those skilled in the art to more fully understand the present invention.
이하에서는 먼저 본 발명의 실시예에 의한 전기역학적 중금속 제거장치의 구조에 관하여 살펴본 후, 실험예들에 의하여 음극 순환수의 종류 및 처리기간에 따른 중금속의 제거율, 토양에 흐르는 전류의 세기 및 pH의 변화에 대하여 도표와 그래프에 의해 설명하고 이에 따른 바람직한 실시예를 제시할 것이다.Hereinafter, first, the structure of the electrodynamic heavy metal removal apparatus according to the embodiment of the present invention will be described. Then, according to the experimental examples, the removal rate of heavy metal, the intensity of electric current flowing through the soil and the pH The changes will be described by means of tables and graphs, and a preferred embodiment thereof will be presented.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 전기역학적 중금속 제거장치(10)의 구조를 나타낸 개략도이다.1 is a schematic view showing the structure of an electrodynamic heavy
도 1에 의하면, 전기역학적 중금속 제거장치(10)는 반응기(100), 전원 공급부(power supply; 200), 양극순환수 공급부(500), 음극순환수 공급부(510), 제1 순 환로(400), 제2 순환로(410), 제1 순환펌프(300) 및 제2 순환펌프(310)를 포함하여 이루어진다.1, the electrodynamic heavy
반응기(100)는 상단이 개방된 가로로 긴 직육면체의 용기로 양단에 양전극(anode; 110)과 음전극(cathode; 112)을 구비한다. 양전극과 음전극은 탄소전극일 수 있으며 경우에 따라 다른 재질을 적용할 수도 있다. 또한, 양전극(110)과 소정의 간격만큼 이격된 위치에 제1 분리대(120)가 배치되고, 마찬가지로 음전극(112)과 소정의 간격만큼 이격된 위치에 제2 분리대(122)가 배치된다. 이에 따라, 반응기(100) 내부는 중앙에 제1 분리대(120)와 제2 분리대(122)를 양단의 경계로 하는 퇴적토 수용부(140), 제1 분리대(120)와 반응기(100)의 일측면을 경계로 하는 양극순환수 수용부(130) 및 제2 분리대(122)와 반응기(100)의 타측면을 경계로 하는 음극순환수 수용부(132)로 나뉘어져 세 개의 공간으로 구획된다. 따라서 양전극(110)은 양극순환수 수용부(130) 안에 배치되고, 마찬가지로 음전극(112)은 음극순환수 수용부(132) 안에 배치된다.The
제1 분리대(120) 및 제2 분리대(122)는 복수개의 작은 홀이 형성된 판으로 도시하지는 않았으나 여과지를 포함하여 이루어질 수 있다. 여과지를 부가하는 이유는 상기 양극순환수 및 음극순환수는 분리대 들(120, 122)을 통과하여 흐를 수 있고, 퇴적토 수용부(140)에 저장된 퇴적토는 통과하지 못하여 양극순환수 수용부(130)나 음극순환수 수용부(132)로 유실되지 않도록 하기 위함이다.The
전원공급부(200)는 반응기(100)에 전력을 공급하는 장치로서, 일정한 전압이 유지되도록 필요한 전력을 공급하며, 양전극(110) 및 음전극(112)에 연결됨으로써 반응기(100) 내에 직류전류를 흐르게 한다. 또한, 양전극(110)과 음전극(112)은 흑연전극으로 할 수 있다. The
반응기(100)의 재질은 그 안에 수용될 오염된 토양이나 각종 전해질 용액에 의해 부식되지 않고, 내구성이 있는 것으로 선택하는 것이 바람직하다. 따라서 내구성이 있는 합성수지나 부식성이 낮은 금속 또는 합금 등을 적용할 수 있다. 또한 반응기(100)의 크기는 처리할 퇴적토의 양이나 사용하는 환경에 따라 달리 제조할 수 있으며, 그 형태는 상기에 제시한 직육면체 외에도 경우에 따라 원통형이나 다각형 등 다양한 형태로 제조할 수 있으며, 상단에는 외부의 물질이 유입되는 것을 차단하거나 사용자의 안전을 위하여 덮개를 부가할 수도 있다.The material of the
양극순환수 공급부(500)는 양극순환수 수용부(130)에 공급할 양극순환수를 공급하는 것으로, 양극순환수로 적용될 수돗물의 저장탱크에 해당한다. 또한, 제1 순환로(400)는 양극순환수 공급부(500)에 저장되어 있는 양극순환수 즉, 수돗물을 양극순환수 수용부(130)로 이동시키거나, 반대로 양극순환수 수용부(130)의 양극순환수를 외부로 배출시킬 수 있는 통로이다. 또한, 제1 순환펌프(300)는 양극순환수 공급부(500)에서 양극순환수 수용부(130)로 이동하는 제1 순환로(400)에 배치되어 수돗물을 끌어들이는 역할을 할 수 있다. 도시하지는 않았으나, 경우에 따라 양극순환수 수용부(130)에서 양극순환수 공급부(500)로 이동하는 제1 순환로(400)에 설치하여 중금속 처리한 후의 수돗물이 배출되기 쉽도록 할 수 있다. The anode circulating
음극순환수 공급부(510)는 음극순환수 수용부(132)에 공급할 음극순환수를 공급하는 것으로, 음극순환수로 적용될 특정의 산성용액의 저장탱크에 해당한다. 상기 특정의 산성용액은 질산(HNO3), EDTA(EthylenDiamineTetraacetic Acid), 시트르산(citric acid) 및 염산(HCl) 중에 선택된 어느 하나일 수 있다. 또한, 여기에 연결되어 있는 제2 순환로(410) 및 제2 순환펌프(310)는 앞에서 설명한 제1 순환로(400) 및 제1 순환펌프(300)와 구조 및 원리가 동일하므로 이에 대한 설명은 생략하기로 한다.The cathode circulation
상기와 같은 구조를 갖는 전기역학적 중금속 제거장치(10)의 작동원리를 살펴보면, 먼저 반응기(100)의 퇴적토 수용부(140)에 중금속으로 오염된 퇴적토를 채운다. 또한, 양극순환수 수용부(130)에는 양극순환수 공급부(500)로부터 양극순환수인 수돗물을 공급받아 채우고, 음극순환수 수용부(132)에는 음극순환수 공급부(510)로부터 음극순환수인 산성용액을 공급받아 채운다. 그 다음 전원 공급부(200)와 양전극(110) 및 음전극(112)을 연결하여 정전압을 걸어 오염된 퇴적토에 직류전류를 흐르게 한다. 여기서, 중금속을 제거하는 원리는 전기삼투(electro-osmosis), 전기이동(electromigration) 및 전기영동(eletrophoresis)에 의한 것이다.The operation principle of the electrodynamic heavy
전기삼투현상이란 토양과 같은 다공성 매질에 전압을 걸면 매질 내의 액체가 특정한 방향으로 이동하는 현상이다. 일반적으로 토양입자는 수분과 접촉하여 음전하를 띠고 토양 입자 사이에는 양전하 밀도가 큰 액체가 모이게 되고, 상기 액체는 전류가 흐를 때 음극방향으로 흐르게 되는 현상이다. 또한, 전기이동은 금속이나 이온들이 반대 전극으로 이동하는 현상이며, 전기영동은 콜로이드나 하전된 입자가 반대 전극으로 이동하는 현상을 뜻한다. 본 발명의 실시예는 상기 현상들을 이용하여 퇴적토에 전해질 용액을 공급하여 전류를 흐르게 함으로써 퇴적토 내에 포함된 중금속을 제거하는 원리를 이용한다.Electro-osmosis is a phenomenon in which a liquid in a medium moves in a specific direction when a voltage is applied to a porous medium such as soil. In general, soil particles come into contact with water to form a negative charge, a liquid having a high positive charge density is collected between the soil particles, and the liquid flows in the direction of the cathode when a current flows. Electrophoresis is a phenomenon in which metals or ions move to the opposite electrode, and electrophoresis means that colloid or charged particles move to the opposite electrode. The embodiment of the present invention uses a principle of removing heavy metals contained in sediments by supplying electrolytic solution to the sediments using the above-mentioned phenomena and flowing electric current.
이하에서는 앞서 설명한 전기역학적 중금속 제거장치(10)의 효율적인 적용을 검토하기 위해 음극순환수의 종류, 정전압의 적용기간을 달리하면서 중금속의 제거율, 퇴적토의 전류변화, 퇴적토의 pH변화에 대해 알아보는 실험예들을 제시한다.In order to examine the efficient application of the electrodynamic heavy
먼저 실험에 적용되는 전기역학적 중금속 제거장치(10)는 실험의 편의를 위하여 소정의 크기로 제작하였으며, 반응기(100)는 아크릴을 재질로 하고, 크기는 총길이 30㎝, 폭 4㎝, 높이 4㎝로 하고, 퇴적토 수용부(140)의 길이는 20㎝, 양극순환수 공급부(130)와 음극순환수 공급부(132)의 길이는 각각 5㎝로 하였으며, 개방된 상단은 밀폐가 가능하도록 하였다. 또한 분리대(120, 122)는 전해질 용액과 수돗물의 흐름이 가능하도록 복수 개 홀이 형성된 아크릴판으로 하였고, 여과종이를 부착하여 퇴적토의 유실을 방지하도록 하였다. 또한, 양극순환수 및 음극순환수 공급부(500)는 메스플라스크를 이용하였다.The electrophysiological heavy
실험재료로 쓰인 퇴적토는 부산에 위치하는 항만에서 채취하였으며, 채취한 시료는 협잡물을 제거한 후 별도의 전처리는 하지 않은 상태로 사용하였다. 시료의 초기상태 및 중금속 함량은 아래의 <표 1>에 제시한 바와 같다.Sediments used as experimental materials were collected from harbors located in Pusan. The collected samples were used without any pretreatment after removing the contaminants. The initial state of the sample and the heavy metal content are as shown in <Table 1>.
아래의 실험예에서는 상기의 채취한 퇴적토를 퇴적토 수용부(140)에 주입하고, 양극 전해질 용액으로는 수돗물 1ℓ를 제1 순환펌프(300)로 양극순환수 수용부(130)에 계속적으로 공급하였다. 음극 전해질 용액으로는 0.1M의 EDTA, 시트르산, 질산, 염산을 각각 1ℓ씩 음극순환수 수용부에 순환펌프로 계속적으로 공급하였다. 또한, 상기 음극 전해질 용액인 산성용액의 작용을 알아보기 위하여 비교예로서 증류수(H2O)를 음극순환수로 하여 실험하였다. 반응기(100)가 설치된 장소는 수위 차에 의한 영향을 최소화하기 위하여 수평을 유지하도록 하였다. 각 실험의 조건은 아래의 <표 2>에 나타내었다.In the following Experimental Example, the collected sediments were poured into the sedimented
위와 같은 조건으로 실험을 수행한 후에는 반응기로부터 퇴적토를 분리하여 양극으로부터 음극까지 균일하게 10등분으로 나누어 그 지점의 중금속 농도를 측정함으로써 이온의 이동성을 분석하고 중금속의 제거율을 확인하였다.After conducting the experiment under the above conditions, the sediment was separated from the reactor and divided into 10 equal parts from the anode to the cathode. By measuring the heavy metal concentration at that point, the mobility of ions was analyzed and the removal rate of heavy metals was confirmed.
도 2a 내지 도 2e는 음극순환수로서 질산(HNO3)을 사용한 제1 내지 제3 실험예에서의 각 중금속의 제거율을 나타낸 그래프이다. 여기서, 중금속의 제거율이란 퇴적토에 포함된 각 중금속에서 실험 후의 제거된 중금속의 양을 백분율로 나타낸 값으로, (실험 전 퇴적토에 포함된 각 중금속의 양 - 실험 후 잔류하는 각 중금속의 양)/실험 전 퇴적토에 포함된 각 중금속의 양×100(%))으로 정의한다.2A to 2E are graphs showing removal ratios of heavy metals in the first to third experimental examples using nitric acid (HNO 3 ) as the negative electrode circulating water. Here, the removal rate of heavy metals is the value of the amount of heavy metals removed after the experiment in each heavy metal contained in the sediments (the amount of each heavy metal contained in the sediment before the experiment - the amount of each heavy metal remaining after the experiment) The amount of each heavy metal contained in the former sediment soil × 100 (%)).
도 2a는 니켈, 도 2b는 구리, 도 2c는 아연, 도 2d는 카드뮴, 도 2e는 납의 제거율을 각각 보여주고 있다. 이때, 세로축은 각 중금속의 농도(mg/kg)를 나타낸 것이고, 가로축은 상기 균일하게 10등분한 구간의 위치를 나타낸 것으로서 양극으로부터의 거리로 표시하였다. 이때, 점선으로 표시한 그래프는 중금속 제거장치를 가동하기 전의 구간별 중금속의 농도를 나타낸 것이다. 여기서, ●는 제1 실험예, ○는 제2 실험예, ▽는 제3 실험예에서의 각 중금속의 농도를 보여주는 것이다. 따라서 실험 전의 각 중금속 농도와 실험 후의 각 중금속 농도를 비교함으로써 구간별 중금속 제거율을 알 수 있고, 나아가 평균 제거율을 확인할 수 있다.FIG. 2A shows nickel, FIG. 2B shows copper, FIG. 2C shows zinc, FIG. 2D shows cadmium, and FIG. In this case, the vertical axis represents the concentration (mg / kg) of each heavy metal, and the horizontal axis represents the position of the uniformly divided section, expressed as the distance from the anode. At this time, the dotted line represents the concentration of the heavy metal in each section before the heavy metal removal apparatus is operated. Here, .smallcircle. Is the first experimental example, .largecircle. Is the second experimental example, and? Is the concentration of each heavy metal in the third experimental example. Therefore, by comparing the concentration of each heavy metal before the experiment with the concentration of each heavy metal after the experiment, it is possible to know the removal rate of the heavy metal by the section, and furthermore, the average removal rate can be confirmed.
도 3a 내지 도 3e는 제4 내지 제6 실험예에서의 각 중금속의 제거율을 보여주는 그래프이다. 도 3a는 니켈, 도 3b는 구리, 도 3c는 아연, 도 3d는 카드뮴, 도 3e는 납의 제거율을 각각 나타내었다. 그래프의 해석은 상기 도 2a 내지 도 2e에서와 동일하고, ●는 제4 실험예, ○는 제5 실험예, ▽는 제6 실험예에서의 각 중금속의 농도를 표시한 것이다. Figs. 3A to 3E are graphs showing the removal ratios of heavy metals in the fourth to sixth experimental examples. Fig. FIG. 3A shows nickel, FIG. 3B shows copper, FIG. 3C shows zinc, FIG. 3D shows cadmium, and FIG. The graphs were analyzed in the same manner as in FIGS. 2A to 2E, wherein .largecircle. Is the fourth experimental example, .largecircle. Is the fifth experimental example, and V: is the concentration of each heavy metal in the sixth experimental example.
도 4a 내지 도 4e는 제7, 제8 실험예 및 비교예에서의 각 중금속의 제거율을 보여주는 그래프이다. 도 4a는 니켈, 도 4b는 구리, 도 4c는 아연, 도 4d는 카드뮴, 도 4e는 납의 제거율을 각각 나타내었다. 여기서, ●는 제7 실험예, ○는 제8 실험예, ▽는 비교예에서의 각 중금속의 농도를 표시한 것이다.4A to 4E are graphs showing removal rates of heavy metals in the seventh and eighth experimental examples and comparative examples. FIG. 4A shows nickel, FIG. 4B shows copper, FIG. 4C shows zinc, FIG. 4D shows cadmium, and FIG. Here, .smallcircle. Represents the seventh experimental example, .largecircle. Represents the eighth experimental example, and? Represents the concentration of each heavy metal in the comparative example.
한편, 퇴적토의 중금속 농도를 분석하는 방법은 토양오염공정시험방법에 따라 실험 종료 후 실험을 거친 각각의 퇴적토를 105℃에서 4시간 동안 건조한 후, 눈금간격이 0.15mm인 표준체(100메쉬)로 체걸음 하여 시료로 이용하였다. 이 시료 1g에 염산 7㎖와 질산 2.3㎖의 혼합으로 이루어진 왕수를 가하여 75℃에서 1시간 동안 정치한 후 5B 여과지로 여과하고, 그 여과액으로 중금속 농도를 측정하였다. 농도 측정기는 ICP-MASS 7500CX(Agilent,USA)를 이용하였다.As a method of analyzing the concentration of heavy metals in sediments, each sediments after the end of the experiment were dried at 105 ° C for 4 hours according to the soil pollution process test method. Then, the sediment was sieved with a standard (100 mesh) And then used as a sample. To 1 g of this sample, a mixture of 7 ml of hydrochloric acid and 2.3 ml of nitric acid was added, and the mixture was allowed to stand at 75 ° C for 1 hour. Then, the mixture was filtered through 5B filter paper, and the heavy metal concentration was measured with the filtrate. ICP-MASS 7500CX (Agilent, USA) was used for the concentration measurement.
상기 측정치를 토대로 계산한 제1 내지 제8 실험예 및 비교예에서의 평균 중금속 제거율은 아래의 <표 3>에서 제시하는 바와 같았다. 제거율이 -값을 갖는 것은 분석을 위한 전처리 방법으로 인해 발생한다. 퇴적토에서 중금속을 분석하기 위해서는 추출단계를 거치게 되는데 대부분의 분석방법은 중금속의 100%를 추출할 수 없다. 본 발명에서 사용한 추출방법은 왕수추출법으로 전체 중금속 함량의 50-80%를 추출하는 것으로 알려져 있다. 따라서 - 제거율은 처리 전에는 왕수 추출에 의해 추출되지 않던 중금속이 처리 후에는 왕수 추출에 의해 추출되었음을 의미한다.The average heavy metal removal ratios in the first to eighth experimental examples and the comparative examples, which were calculated based on the above measured values, were as shown in Table 3 below. The removal rate of - has a value due to the pretreatment method for the analysis. In order to analyze the heavy metals in sediments, it is subjected to an extraction step. Most of the analytical methods can not extract 100% of the heavy metals. It is known that the extraction method used in the present invention extracts 50-80% of the total heavy metal content by aqua regia extraction method. Thus - the removal rate means that the heavy metals which were not extracted by the water extraction before the treatment were extracted by the water extraction after the treatment.
도 2a 내지 도 4e와 <표 3>에 따르면, 음극순환수로 염산을 적용한 제7 실험예에서 중금속의 제거율이 가장 높은 것으로 나타났다. 그러나 질산을 이용한 제1 내지 제3 실험예에는 강산의 전해질 용액을 적용했음에도 불구하고 중금속의 제거율이 현저히 떨어졌다. 그 이유는 염산의 염화이온(Cl-)은 금속과 결합하여 이온형태로 존재할 수 있지만, 질산이온(NO3 -)은 금속과 결합할 수 있는 반응 기작이 없으며 리간드 결합 자체가 일어나지 않기 때문으로 해석된다.According to FIGS. 2A to 4E and 3, the removal rate of heavy metals was the highest in the seventh experiment using hydrochloric acid as the cathode circulating water. However, in the first to third experimental examples using nitric acid, the removal rate of heavy metals was remarkably decreased despite application of a strong acid electrolyte solution. The reason for this is that the chloride ion (Cl - ) of hydrochloric acid can exist in the form of an ion in association with metal, but the nitrate ion (NO 3 - ) has no reaction mechanism capable of binding to the metal and the ligand bond itself does not occur do.
다음으로, 각 실험예에서의 퇴적토에 흐르는 전류의 변화를 시간의 흐름에 따라 측정하였다.Next, the change of the current flowing in the sedimentation soil in each experimental example was measured with the passage of time.
도 5a는 질산을 음극순환수로 적용한 제1 내지 제3 실험예에서의 시간의 경과에 따른 전류의 세기 변화를 보여주는 그래프이다. 이때, 가로축은 시간의 경과로 단위는 시(hour)로 하였고, 세로축은 퇴적토에 흐르는 전류의 세기로 단위는 ㎃로 하였다. 또한, ●는 제1 실험예, ○는 제2 실험예, ▽는 제3 실험예에 대한 결과를 표현하는 그래프이다.FIG. 5A is a graph showing the change in the intensity of the current over time in the first to third experimental examples in which nitric acid is applied as the negative electrode circulating water. FIG. In this case, the abscissa represents the elapsed time and the unit represents hour, and the ordinate represents the intensity of the current flowing in the sedimentation soil, and the unit is mA. The symbol &thetas; represents the first experimental example, the symbol O represents the second experimental example, and the symbol V represents the results for the third experimental example.
도 5b는 EDTA를 음극순환수로 적용한 제4 내지 제6 실험예에서의 시간의 경과에 따른 전류의 세기의 변화를 보여주는 그래프이다. 이때, 가로축과 세로축은 도 5a에서와 동일하고, ●는 제4 실험예, ○는 제5 실험예, ▽는 제6 실험예를 표시한 것이다.FIG. 5B is a graph showing changes in the intensity of the current over time in the fourth to sixth experimental examples in which EDTA is applied as the negative electrode circulating water. FIG. In this case, the horizontal axis and the vertical axis are the same as those in FIG. 5A,? Represents the fourth example,? Represents the fifth example, and? Represents the sixth example.
도 5c는 제7, 제8 실험예 및 비교예에서의 시간의 경과에 따른 전류의 세기의 변화를 나타낸 그래프이다. ●는 제7 실험예, ○는 제8 실험예, ▽는 증류수를 적용한 비교예에 대해 표시한 것이다.FIG. 5C is a graph showing changes in intensity of electric current with passage of time in the seventh and eighth experimental examples and the comparative example. The symbol represents the seventh example, the symbol represents the eighth example, and the symbol represents the comparative example to which distilled water is applied.
도 5a 내지 도 5c에 따르면, 제7 및 제8 실험예는 실험기간 동안 순환수를 교체하더라도 전류의 세기가 일정하거나 전체적으로 증가하는 것으로 나타났다. 여기서, 전류가 증가하는 것은 퇴적물 내에 존재하는 제거될 수 있는 중금속 이온이 많다는 것을 의미한다. 따라서 염산이나 시트르산을 음극순환수로 적용한 경우 이온으로 존재하는 중금속이 많다는 것이며, 중금속의 제거가 효율적으로 이루어 졌다는 것을 의미한다.According to Figs. 5A to 5C, the seventh and eighth experimental examples show that the current intensity is constant or increases even if the circulating water is changed during the experiment period. Here, the increase in electric current means that there are many heavy metal ions that can be removed from the sediments. Therefore, when hydrochloric acid or citric acid is used as a negative electrode circulating water, it means that many heavy metals are present as ions, which means that the removal of heavy metals is efficient.
하지만, 염산이나 시트르산이 아닌 다른 전해질 용액을 이용한 경우에는 전체적인 전류의 세기가 감소하는 것으로 나타나고, 저항이 증가하면서 제거될 수 있는 중금속 이온이 용출되기는 했으나, 이온의 이동은 일어나지 않았다. 이때, 용출된 중금속 이온은 음극 주변이나 양극 주변에 축적되어 전류의 흐름을 방해함으로써 중금속의 제거율이 현저히 떨어졌다. 따라서 염산이나 시트르산을 사용하여 약 15일 정도 중금속 제거장치를 가동하는 것이 효율적인 것을 알 수 있었다.However, in the case of using an electrolyte solution other than hydrochloric acid or citric acid, the intensity of the total current is decreased, and the heavy metal ions which can be removed by increasing the resistance have eluted but the ion migration has not occurred. At this time, the eluted heavy metal ions accumulated in the vicinity of the cathode and the vicinity of the anode, impeding the flow of the electric current, and the removal rate of the heavy metal was remarkably decreased. Therefore, it was found that it is effective to operate the heavy metal removal apparatus for about 15 days by using hydrochloric acid or citric acid.
아래의 <표 4>는 각 실험예에서의 전력소비량을 나타내었다.Table 4 below shows the power consumption in each experimental example.
<표 4>에 따르면, 제8 실험예에서 가장 전력소비량이 적은 것으로 나타났다. 따라서 전력소비량까지 고려하였을 때 시트르산을 음극순환수로 사용하는 것이 경제적인 측면에서 더욱 효율적이라는 것을 알 수 있다.According to Table 4, the power consumption is the lowest in the eighth experimental example. Therefore, it can be seen that it is economically more effective to use citric acid as the cathode circulating water when considering the power consumption.
도 6a 내지 도 6c는 각각 제1 내지 제8 실험예 및 비교예에서의 실험기간에 따른 퇴적토의 pH변화를 나타낸 그래프이다. 6A to 6C are graphs showing changes in the pH of sediments according to the experimental period in the first to eighth experimental examples and the comparative examples, respectively.
도 6a에서 ●는 제1 실험예, ○는 제2 실험예, ▽는 제3 실험예에서의 pH값을 보여준다. 또한, 도 6b에서 ●는 제4 실험예, ○는 제5 실험예, ▽는 제6 실험예에서의 pH값을 나타내었다. 나아가, 도 6c에서 ●는 제7 실험예, ○는 제8 실험예, ▽는 비교예에서의 pH값을 표시하였다.6A shows the pH values in the first experimental example, O in the second experimental example, and V in the third experimental example. In Fig. 6B,? Represents the fourth experimental example,? Represents the fifth experimental example, and? Represents the pH value in the sixth experimental example. Further, in Fig. 6C,? Represents the seventh experimental example,? Represents the eighth experimental example, and? Represents the pH value in the comparative example.
도 6a 내지 6c에 의하면, 퇴적토에 전류가 흐름으로써 전극에서의 반응으로 양전극에서는 H+이온의 농도가 높아져 산성을 띠고, 음전극에서는 OH-이온의 농도가 높아져 염기성을 띠게 된다. 이때, 음극 주변에서 OH-이온에 의한 침전을 방지하기 위하여 산성용액을 순환수로 하여 pH를 조절할 수 있다. 한편, 중금속 제거 처리가 진행됨에 따라 H+이온의 속도가 빨라 전체적으로 산성화되는 것을 볼 수 있다. 질산을 음극순환수로 이용한 경우에는 시간의 경과에 따라 양극이 산성을 강하게 나타냈으나 EDTA를 이용한 것은 증류수를 이용한 통제실험과 비교하여 볼 때 퇴적토 자체의 완충능력이 커서 pH조절의 의미가 없는 것으로 나타났다. 또한, 시트르산이나 염산을 이용한 경우에는 양극주변에서 산성을 띠었으며, 특히 염산을 이용한 경우에는 강한 산성을 나타내었다.6A to 6C, a current flows in the sediments, and as a result of the reaction at the electrode, the concentration of H + ions becomes high in the positive electrode and becomes acidic, and the concentration of OH - ions in the negative electrode becomes basic. At this time, the pH can be adjusted by using an acidic solution as a circulating water in order to prevent precipitation by OH - ion around the cathode. On the other hand, as the heavy metal removal treatment progresses, the rate of H + ions is fast, and the whole is acidified. When nitric acid was used as the cathode circulating water, the anode showed strong acidity with time, but EDTA showed no significant effect on the pH control due to the buffering capacity of the sediments in comparison with the control experiment using distilled water appear. In addition, when citric acid or hydrochloric acid was used, it was acidic around the anode, and especially when hydrochloric acid was used, it showed strong acidity.
상기와 같은 결과를 살펴볼 때, 본 발명의 실시예에 의한 전기역학적 중금속 제거장치는 음극순환수로 여러 가지 산성용액을 적용할 수 있다. 구체적으로, 본 발명이 제시하는 산성용액으로 15일의 실험기간을 거친 경우의 실험결과 및 그 중 EDTA를 음극순환수로 사용하여 10일의 실험기간을 거친 실험결과를 보면, 음극순환수로서 본 발명에서 제시한 범위를 벗어나는 증류수를 사용하는 경우보다 본 발명의 중금속 제거장치에 의해 중금속 제거율이 전반적으로 높아진 것을 확인할 수 있었다. In view of the above results, the electrodynamic heavy metal removal apparatus according to the embodiment of the present invention can apply various acid solutions as negative electrode circulating water. Specifically, the experimental results obtained after 15 days of experiment with the acid solution proposed by the present invention, and the results of the experiment conducted for 10 days using EDTA as the cathode circulating water, It can be confirmed that the heavy metal removal rate of the present invention is higher than that of the distilled water which is out of the scope of the invention.
한편, 중금속의 제거의 효율성을 고려할 때 여러 산성용액 중 염산 또는 시트르산을 적용하는 것이 바람직할 것이다. 특히, 중금속 제거의 효율성과 더불어 경제적인 측면인 전력소비량을 고려한다면 시트르산을 적용하는 것이 더욱 바람직하다. 또한, 상기 염산 또는 시트르산의 농도는 0.1M 전후로 0.01M 내지 0.5M(의 범위로 하는 것이 바람직하다. 산성용액의 농도가 0.01M보다 작으면, pH에 대한 완충능력이 큰 퇴적토의 pH 조절이 사실상 어려우며, 농도가 0.5M보다 크면, 퇴적토의 pH 조절은 가능하나, 비교적 고가인 시트르산의 사용으로 인하여 가격 경쟁력이 저하되고, 시트르산과 중금속이 결합하여 처리 후 폐수처리에 어려움이 있다.On the other hand, it is desirable to apply hydrochloric acid or citric acid in various acidic solutions in consideration of the efficiency of removing heavy metals. Particularly, it is more preferable to apply citric acid in consideration of the efficiency of heavy metal removal and the power consumption as an economic aspect. The concentration of hydrochloric acid or citric acid is preferably in the range of about 0.01 M to 0.5 M (about 0.1 M). If the concentration of the acidic solution is less than 0.01 M, the pH adjustment of the sediments having a large buffering ability against pH If the concentration is greater than 0.5M, the pH of sediments can be controlled, but the price competitiveness is lowered due to the use of citric acid, which is relatively expensive, and it is difficult to treat wastewater after treatment due to the combination of citric acid and heavy metals.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다. 예를 들면, 반응기의 크기, 형태 또는 재질 등은 경우에 따라 달리 정할 수 있으며, 순환수의 공급하는 장치도 본 발명의 범주 내에서 변형할 수 있다. 또한 공급하는 전력이나 산성용액의 농도도 필요에 따라 달리 정할 수 있다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but variations and modifications may be made without departing from the scope of the present invention. It is possible. For example, the size, shape or material of the reactor may be varied depending on the case, and the apparatus for supplying the circulating water may be modified within the scope of the present invention. The power supplied and the concentration of the acid solution can also be set as needed.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 전기역학적 중금속 제거장치의 개략도이다.1 is a schematic diagram of an electro-mechanical heavy metal removal apparatus according to an embodiment of the present invention.
도 2a 내지 도 2e는 각각 본 발명의 제1 내지 제3 실험예에 의한 니켈의 제거율, 구리의 제거율, 아연의 제거율, 카드뮴의 제거율 및 납의 제거율을 나타낸 그래프이다.FIGS. 2A to 2E are graphs showing nickel removal rate, copper removal rate, zinc removal rate, cadmium removal rate, and lead removal rate according to the first through third experimental examples of the present invention, respectively.
도 3a 내지 3e는 각각 본 발명의 제4 내지 제6 실험예에 의한 니켈의 제거율, 구리의 제거율, 아연의 제거율, 카드뮴의 제거율 및 납의 제거율을 나타낸 그래프이다.3A to 3E are graphs showing nickel removal rate, copper removal rate, zinc removal rate, cadmium removal rate, and lead removal rate according to the fourth through sixth experimental examples of the present invention, respectively.
도 4a 내지 4e는 각각 본 발명의 제7, 제8 실험예 및 비교예에 의한 니켈의 제거율, 구리의 제거율, 아연의 제거율, 카드뮴의 제거율 및 납의 제거율을 나타낸 그래프이다.4A to 4E are graphs showing nickel removal rate, copper removal rate, zinc removal rate, cadmium removal rate, and lead removal rate according to the seventh and eighth experimental examples and comparative examples of the present invention, respectively.
도 5a는 각각 본 발명의 제1 내지 제3 실험예에 의한 시간경과에 따른 전류의 세기 변화를 나타낸 그래프이다.FIG. 5A is a graph showing changes in current intensity with time according to the first through third experimental examples of the present invention, respectively.
도 5b는 본 발명의 제4 내지 제6 실험예에 의한 시간경과에 따른 전류의 세기 변화를 나타낸 그래프이다.FIG. 5B is a graph showing changes in current intensity with time according to the fourth to sixth experimental examples of the present invention. FIG.
도 5c는 본 발명의 제7, 제8 및 비교예에 의한 시간경과에 따른 전류의 세기 변화를 나타낸 그래프이다.FIG. 5C is a graph showing changes in current intensity with time according to the seventh, eighth and comparative examples of the present invention. FIG.
도 6a는 본 발명의 제1 내지 제3 실험예에 의한 pH값을 나타낸 그래프이다.6A is a graph showing pH values according to the first to third experimental examples of the present invention.
도 6b는 본 발명의 제2 내지 제6 실험예에 의한 pH값을 나타낸 그래프이다.6B is a graph showing pH values according to the second through sixth experimental examples of the present invention.
도 6c는 본 발명의 제7, 제8 실험예 및 비교예에 의한 pH값을 나타낸 그래프 이다.6C is a graph showing pH values according to the seventh and eighth experimental examples and comparative examples of the present invention.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*Description of the Related Art [0002]
10: 전기역학적 중금속 제거장치10: Electrodynamic heavy metal removal device
100: 반응기 110: 양전극100: Reactor 110: Positive electrode
112: 음전극 120: 제1 분리대112: negative electrode 120: first separator
122: 제2 분리대 130: 양극순환수 수용부122: second separator 130: anode circulating water receiving portion
132: 음극순환수 수용부 140: 퇴적토 수용부132: cathode circulating water receiving portion 140: deposited deposit receiving portion
200: 전원 공급부 300: 제1 순환펌프200: power supply unit 300: first circulation pump
310: 제2 순환펌프 400: 제1 순환로310: second circulation pump 400: first circulation path
410: 제2 순환로 500: 양극순환수 공급부410: second circulation path 500: anode circulation water supply part
510: 음극순환수 공급부510: cathode circulation water supply part
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