KR101026641B1 - 전기분해와 광-펜톤산화공정이 결합된 복합산화공정을이용한 난분해성 폐수 처리장치 및 방법 - Google Patents
전기분해와 광-펜톤산화공정이 결합된 복합산화공정을이용한 난분해성 폐수 처리장치 및 방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 전기분해와 광-펜톤산화공정이 결합된 복합산화공정을 이용한 난분해성 폐수 처리장치 및 제조방법에 관한 것으로 본 발명은 유기물 폐수가 저장되는 폐수저장조(10); 유기물 폐수에 2가철(Fe2+) 및 염화나트륨 전해질을 투입하는 전해질 투입기(20); 전해질이 투입된 유기물 폐수에 산소가 용해되도록 공기를 공급하는 공기공급기(30); 유기물 폐수가 투입되어 전해질로부터 2가철을 산화시키고 유리염소를 발생시키며, 과산화수소가 발생되도록 하여 수산기라디칼을 형성하는 펜톤(Fenton) 산화반응이 이루어지도록 하는 무격막 전해조(40); 상기 전해조(40)에 의해 펜톤 산화반응된 폐수에 UV가 조사되도록 하는 UV 광반응기(50); UV에 의해 광 산화된 처리수가 집수되는 집수조(60); 를 포함하여 이루어진다.
이에 따라 본 발명은 용존산소가 전기분해에 의해 과산화수소를 발생시키므로 별도의 과산화수소(H2O2)의 주입이 필요없어 약품비용을 줄여 경제적인 장점이 있으며, 유리염소에 의해서도 유기물을 분해시키므로 기존의 전기화학적 펜톤 산화공정보다 효과적인 유기물 분해율을 얻을 수 있는 효과가 있다.
전기분해, 광-펜톤산화공정, 펜톤산화공정, UV 광반응기, 난분해성, 폐수, 처리장치, 처리방법, 2가철, 공기공급부, 과산화수소, 유리염소
Description
본 발명은 염소산나트륨(NaClO2)과 염화나트륨(NaCl)을 혼합한 용액을 사용하여 무격막 전해셀으로 전기분해하여 이산화염소를 발생시키는 무격막 전해셀을 이용한 이산화염소 산화수 제조방법에 관한 것이다.
다양한 산업체에서 발생되는 난분해성 산업폐수는 일반적인 생물학적 처리공정에 의해 처리가 어렵고 다량의 미생물 슬러지 발생 및 넓은 시설부지의 필요성으로 인해 주로 화학적 처리공정 또는 고급산화공정에 의해 처리되고 있다. 특히 불소(Fluorine)다음으로 높은 2.08 V의 산화전위(Oxidation Potential)를 갖는 강력한 산화력의 수산화라디칼(Hydroxyl radical, ·OH)을 이용하여 유기물을 CO2와 H2O로 완전 산화 분해시키는 고급산화공정(Advaned oxidation processes, AOPs)은 대표적인 난분해성 산업폐수 처리 기술로 알려져 있다. 이와 같은 고급산화 공정 중 가장 보편적으로 적용되고 있는 펜톤 산화 (Fenton oxidation) 또는 광-펜톤 산화(Photo-fenton oxidation)공정은 [반응식 1]에 보인 바와 같은 수산화라디칼 발생경로를 갖는 펜톤 산화공정에 UV 공정을 결합함으로써 [반응식 2]와 같이 히드록실 라디칼(수산기 라디칼, Hydroxyl radical)의 발생을 효과적으로 증진시키고, 산화제로 사용되는 2가의 철염(Ferrous salts) 및 과산화수소(Hydrogen peroxide, H2O2)의 양을 절감시킬 수 있는 장점이 있다. 그러나 고농도의 유기물 분해를 위해서는 과산화수소와 철염의 지속적 투입으로 인한 과량의 과산화수소 산화제 사용과 사용된 철염으로 인한 슬러지 발생이라는 문제점을 가지고 있다. 이에 최근 펜톤 산화공정과 전극이 내장된 환원조와 반응조를 결합하여 [반응식 3]과 같이 펜톤 산화 공정시 발생되는 3가철(Fe3+)을 2가철(Fe2+)로 전기화학적으로 환원시켜 펜톤 산화공정 효율을 향상시키고, 펜톤 공정에서 사용되는 철염의 투입량 및 이로 인해 발생되는 슬러지의 발생을 저감시키는 전기화학적 펜톤 산화공정 기술이 연구되고 있다.
[반응식 1]
Fe2 + + H2O2 → Fe3 + + OH- + ·OH (1)
Fe3 + + H2O2 → Fe2 + + H+ + ·O2H (2)
[반응식 2]
H2O2 + hv → 2·OH (3)
Fe(OH)2+ → Fe3 + + ·OH (4)
Fe2 ++ H2O2 → Fe3 + + OH- + ·OH (5)
[반응식 3]
Fe3 + + e- → Fe2 +, E0= 0.77V (6)
일반적으로 펜톤 산화 공정은 산화제로 과산화수소(H2O2)와 2가의 철염(FeSO4, FeCl2 etc.)을 촉매로 하여 수산화라디칼(Hydroxyl radical)을 생성시킴으로써 수중에 존재하는 유기화합물을 CO2와 H2O로 완전산화분해시키는 기술이다. 펜톤 산화 공정에서는 [반응식 1]의 식 (1)과 같이 일정비율로 주입된 과산화수소와 2가의 철염이 반응하여 유기물 분해에 필요한 수산화 라디칼을 생성시키고, 2가의 철염은 3가로 산화되고, 3가의 철염은 [반응식 1]의 식 (2)와 같이 과산화수소와 반응하여 2가의 철염으로 환원되어 다시 [반응식 1]의 식 (1)과 같은 연속순환과정에 의해 수산화라디칼을 생성시키게 된다. 따라서 2가철과의 반응에 의해 수산 화 라디칼을 생성시키는데 사용되어야 할 과산화수소가 3가철을 2가철로 환원시키는데도 사용되어 과량의 과산화수소가 사용될 뿐만 아니라, 3가철의 2가철 환원반응도 요원하지 않은 문제점이 있다. 따라서 국내 등록특허 0592942의 "전해환원식 펜톤산화 폐수처리장치", 국내 특허 출원 10-2001-0001766"전기분해를 이용한 폐수 처리 방법"에서 전기분해장치와 펜톤산화 공정을 결합하여 철촉매의 효과적 절감과 유기물 분해효율의 향상을 목적으로 한 장치와 방법에 관한 특허가 기 출원된바 있다. 하지만, 상기 특허들은 과산화수소를 사용한다는 단점이 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 개선하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 무격막 전기분해 반응조와 UV 펜톤 산화공정을 결합하고 펜톤산화 또는 광-펜톤산화 공정에 필요한 2가 철촉매의 사용을 절감할 수 있을 뿐만 아니라 과산화수소의 소비량을 줄일 수 있는 전기분해와 광-펜톤산화공정이 결합된 복합산화공정을 이용한 난분해성 폐수 처리장치 및 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 전기분해 반응에 의해 전해질(NaCl)로부터 생성된 유리염소에 의해서도 유기물을 분해시켜 기존의 전기화학적 펜톤 산화공정보다 효과적인 유기물 분해율을 얻을 수 있는 전기분해와 광-펜톤산화공정이 결합된 복합산화공정을 이용한 난분해성 폐수 처리장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 전기분해와 광-펜톤산화공정이 결합된 복합산화공정을 이용한 난분해성 폐수 처리장치는 유기물 폐수가 저장되는 폐수저장조(10); 상기 폐수저장조(10)로부터 공급되는 유기물 폐수에 2가철(Fe2+) 및 염화나트륨 전해질을 투입하는 전해질 투입기(20); 상기 전해질 투입기(20)에 의해 전해질이 투입된 유기물 폐수에 산소가 용해되도록 공기를 공급하는 공기공급기(30); 복수개의 양전극(41)과 음전극(42)이 교번 적층되며 전해질이 투입되고 산소가 용해된 유기물 폐수가 투입 되어 전기분해에 의해 전해질로부터 2가철을 산화시키고 유리염소를 발생시키며, 용존산소에 의해 과산화수소가 발생되도록 하여 수산기라디칼을 형성하는 펜톤(Fenton) 산화반응이 이루어지도록 하여 수산기 라디칼에 의해 폐수에 함유된 유기물을 분해시키는 무격막 전해조(40); 상기 전해조(40)에 의해 펜톤 산화반응된 폐수가 공급되고 UV가 조사되도록 하여 광 산화되도록 하는 UV 광반응기(50); 상기 UV 광반응기(50)에 의해 광 산화된 처리수가 집수되는 집수조(60); 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 폐수저장조(10)와 상기 전해조(40) 사이에 설치되고 상기 전해질 투입기(20)와 연결되어 상기 전해질 투입기(20)로부터 투입된 전해질과 상기 폐수저장조(10)에서 공급된 유기물 폐수가 혼합되도록 하는 라인믹서(70)가 더 구비된 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 전해조(40) 내부의 전해액을 외부로 배출시키며 상기 라인믹서(70)에 의해 전해질과 혼합된 유기물 폐수와 합류되도록 하여 상기 전해조(40)로 투입되도록 하는 순환펌프(80)가 더 구비되는 것을 특징으로 한다.
또, 상기 순환펌프(80)와 연결되며 상기 전해조(40) 내부에서 배출된 전해액과 상기 공기공급기(30)로부터 공급된 공기가 혼합되어 공기 중의 산소가 배출된 전해액에 용해되도록 하는 벤츄리 혼합기(90)가 더 구비된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 전해조(40)의 내부 하단에는 전해질이 투입되고 산소가 용해된 유기물 폐수가 상기 양전극(41)과 음전극(42)으로 산기되어 공급되도록 하는 다공성 산기관(43)이 더 구비된 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 UV 광반응기(50)를 거친 처리수를 상기 라인믹서(70) 후단으로 반송시키는 처리수 반송라인(100)이 더 구비된 것을 특징으로 한다.
또, 상기 집수조(60)에 집수된 처리수에 pH 중화 약품을 투입시키는 pH 중화 약품 투입기(110)가 더 구비된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 집수조(60)에 집수된 처리수를 응집시키며 침전시키는 응집 침전조(120)가 더 구비된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 전기분해와 광-펜톤산화공정이 결합된 복합산화공정을 이용한 난분해성 폐수 처리방법은 유기물 폐수에 2가철(Fe2+) 및 염화나트륨 전해질을 투입시키는 단계; 전해질이 투입된 유기물 폐수에 산소가 용해되도록 공기를 공급하는 단계; 전기분해에 의해 투입된 전해질로부터 2가철을 산화시키고 유리염소를 발생시키며 공급된 공기 중의 산소가 용해된 용존산소에 의해 과산화수소가 발생되도록 하여 폐수에 함유된 유기물을 분해하는 수산기라디칼을 형성시키는 펜톤(Fenton) 산화반응단계; 펜톤 산화반응된 폐수에 UV를 조사하는 광 산화단계; 광 산화된 처리수를 집수시키는 단계; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 펜톤 산화반응된 전해액을 펜톤 산화반응 전의 전해질이 투입된 유기물 폐수에 투입하여 순환시키는 전해액 순환단계; 를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또, 광산화된 처리수를 펜톤 산화반응 전의 전해질이 투입된 유기물 폐수에 투입하여 반송시키는 처리수 반송단계; 를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
아울러, 집수된 처리수에 pH 중화 약품을 투입시키는 단계; 를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 집수된 처리수를 응집시키며 침전시키는 단계; 를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 공기공급기로부터 공급된 공기중의 산소가 용해된 용존산소가 전기분해에 의해 과산화수소를 발생시키므로 별도의 과산화수소(H2O2)의 주입이 필요없어 약품비용을 줄여 경제적인 장점이 있다. 또한, 펜톤 산화 반응과 UV에 의한 광-펜톤 산화 공정에 의해 2가철 촉매의 사용을 줄일 수 있고 수산기 라디칼에 의한 유기물 분해 뿐만 아니라 전기분해 반응에 의해 전해질(NaCl)로부터 생성된 유리염소에 의해서도 유기물을 분해시키므로 기존의 전기화학적 펜톤 산화공정보다 효과적인 유기물 분해율을 얻을 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 무격막 전기분해 반응조와 UV 펜톤 산화공정을 결합하여, 별도의 H2O2 주입 없이 생성된 과산화수소와 펜톤 산화 공정에서 사용된 3가철(Fe3+)을 전기화학적으로 2가철(Fe2+)로 환원시켜 주입된 2가 펜톤 철 촉매의 반응에 의한 펜톤 산화 반응과 UV에 의한 광-펜톤 산화 공정에 의해 유기물 분해율을 향상시키며, 전기분해 반응에 의해 전해질(NaCl)로부터 생성된 유리염소에 의해서도 유기물을 분해시켜 기존의 전기화학적 펜톤 산화공정보다 효과적인 유기물 분해율을 얻을 수 있고 펜톤산화 또는 광-펜톤산화 공정에 필요한 2가 철촉매의 사용을 절감하는 전기분해와 광-펜톤산화공정이 결합된 복합산화공정을 이용한 난분해성 폐수 처리장치 및 방법을 제공한다.
이하, 본 발명에 의한 전기분해와 광-펜톤산화공정이 결합된 복합산화공정을 이용한 난분해성 폐수 처리장치 및 방법을 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.
먼저, 전기분해와 광-펜톤산화공정이 결합된 복합산화공정을 이용한 난분해성 폐수 처리장치를 설명한다.
도 1은 본 발명에 의한 전기분해와 광-펜톤산화공정이 결합된 복합산화공정을 이용한 난분해성 폐수 처리장치를 나타낸 도면이다.
도시된 바와 같이 본 발명에 의한 전기분해와 광-펜톤산화공정이 결합된 복합산화공정을 이용한 난분해성 폐수 처리장치는, 유기물 폐수가 저장되는 폐수저장조(10); 유기물 폐수에 2가철(Fe2+) 및 염화나트륨 전해질을 투입하는 전해질 투입기(20); 전해질이 투입된 유기물 폐수에 산소가 용해되도록 공기를 공급하는 공기공급기(30); 유기물 폐수가 투입되어 전해질로부터 2가철을 산화시키고 유리염소를 발생시키며, 과산화수소가 발생되도록 하여 수산기라디칼을 형성하는 펜톤(Fenton) 산화반응이 이루어지도록 하는 무격막 전해조(40); 상기 전해조(40)에 의해 펜톤 산화반응된 폐수에 UV가 조사되도록 하는 UV 광반응기(50); UV에 의해 광 산화된 처리수가 집수되는 집수조(60); 를 포함하여 이루어진다.
상기 폐수저장조(10)는 유기물 폐수가 저장되며, 상기 폐수저장조(10)에는 산성 전해액이 산성 전해액 투입기(11)로부터 투입된다.
상기 전해질 투입기(20)는 상기 폐수저장조(10)로부터 공급되는 유기물 폐수에 2가철(Fe2+) 및 염화나트륨(NaCl) 전해질을 투입하는 역할을 한다. 투입된 2가철(Fe2+)은 과산화수소와 반응하여 3가철(Fe3+)로 산화되고 수산기 라디칼(Hydroxyl Radical)을 생성시키는 일반적인 펜톤 산화반응을 하게 된다([반응식 2] 참조).
상기 수산기 라디칼은 거의 모든 오염물질의 살균, 소독에 관여하며 화학적으로 분해하고 제거할 수 있는 가장 강력한 효과를 발휘하면서 인체에는 무해한 천연물질이다. 또한, 상기 수산기 라디칼은 현존하는 물질 중에서 산화력(살균, 소독, 분해하는 능력)이 불소(F)다음으로 강력하고, 오존(O3)과 염소(Cl2)보다 강력하지만 불소, 염소, 오존처럼 인체에 독성이 있거나 유해한 물질이 아니다. 최근 미국에서 실험한 연구결과에 의하면 수산기 라디칼은 오존보다 2000배, 태양의 자외선보다 180배나 빠른 산화 속도를 가지고 있다고 발표한바 있으며, 대기정화와 폐수 처리 등의 분해 및 제거에 이용되고 있다.
상기 공기공급기(30)는 상기 전해질 투입기(20)로부터 전해질이 투입된 유기물 폐수에 산소가 용해되도록 공기를 공급하는 역할을 한다. 폐수에 용해된 용존산소는 상기 전해조(40)에서 낮은 pH(산성) 조건에서의 음전극(42)에서는 [반응식 3] 에서와 같이 수소이온과 결합하여 산소의 환원에 의해 과산화수소가 발생되고 이 과산화수소는 투입된 전해질 중 2가철(Fe2+)과 반응하여 3가철(Fe3+)로 산화되며 수산기 라디칼을 형성하는 펜톤 산화 공정을 유도하게 된다.
[반응식 3]
O2(g) +2H+ + 2e- → H2O2 (7)
과산화수소와 반응 후 산화된 3가철(Fe3+)은 [반응식 3]에 의해 다시 2가철(Fe2+)로 환원되어 연속적인 펜톤 산화 반응을 유도하게 된다.
상기 전해조(40)는 복수개의 양전극(41)과 음전극(42)이 교번 적층되며 전기분해에 의해 전해질이 투입되고 산소가 용해된 유기물 폐수가 투입되어 전기분해에 의해 전해질로부터 2가철을 산화시키고 유리염소를 발생시키며, 용존산소에 의해 과산화수소가 발생되도록 하여 수산기라디칼을 형성하는 펜톤(Fenton) 산화반응이 이루어지도록 하여 수산기 라디칼에 의해 폐수에 함유된 유기물을 분해시키는 역할을 하며 무격막으로 된다.
이때, 상기 폐수저장조(10)와 상기 전해조(40) 사이에 설치되고 상기 전해질 투입기(20)와 연결되어 상기 전해질 투입기(20)로부터 투입된 전해질과 상기 폐수저장조(10)에서 공급된 유기물 폐수가 혼합되도록 하는 라인믹서(70)가 더 구비되 는 것이 바람직하다. 상기 라인믹서(70)를 구비함으로써 유기물 폐수에 투입된 전해질의 혼합이 용이하게 된다.
상기 전해조(40) 내에서 염화나트륨 전해질 중 염소는 [반응식 3]과 같이 염소(Cl2), 하이포아염소산(HOCl) 및 하이포아염소이온(OCl-)인 유리염소로 되며, 이 유리염소 또한, 유기물을 분해시키게 된다.
[반응식 3]
2Cl- → Cl2 + 2e- (8)
Cl2 + H2O → HOCl + Cl- + H+ (9)
HOCl → H+ + OCl- (10)
6OCl- + 3H2O → 2ClO3 - + 4Cl- + 6H+ + 3/2 O2 + 6e- (11)
2ClO3 - + 2H2O → 2ClO4 - + 4H+ + 2e- (12)
OCl- +２HOCl → ClO3 - + 2Cl- + 2H+ (13)
상기 전해조(40) 내부 전해액을 외부로 배출시키며 상기 라인믹서(70)에 의 해 전해질과 혼합된 유기물 폐수와 합류되도록 하여 상기 전해조(40)로 투입되도록 하는 순환펌프(80)가 더 구비되도록 하여 유기물 폐수의 유기물 제거효율을 높이는 것이 바람직하다.
이때, 공기 중의 산소가 전해액에 용해되기 용이하도록 상기 순환펌프(80)와 연결되며 상기 전해조(40) 내부에서 배출된 전해액과 상기 공기공급기(30)로부터 공급된 공기가 혼합되어 공기 중의 산소가 배출된 전해액에 용해되도록 하는 벤츄리 혼합기(90)가 더 구비된 것이 바람직하다.
아울러, 상기 전해조(40)의 내부 하단에는 전해질이 투입되고 산소가 용해된 유기물 폐수가 상기 양전극(41)과 음전극(42)으로 산기되어 공급되도록 하는 다공성 산기관(43)이 더 구비된 것이 바람직하다. 상기 다공성 산기관(43)에 의해 유기물 폐수가 전극판으로 산기되도록 하면 반응을 보다 효과적으로 유도할 수 있게 되어 유기물 제거효율을 높일 수 있게 된다.
전기분해에 필요한 전기는 전원공급부(Power supply)(44)로부터 공급되며 양전극(41)과 음전극(42)에 일정량의 전압과 전류를 정전압 방식(Galvano static)으로 공급되게 된다.
전기분해 반응에 사용되는 전극의 재질은 다양한 전극을 사용할 수 있으나, 보다 높은 효율과 경제성을 위해서는 양전극(41)으로 DSA(Ti에 IrO2 또는 RuO2가 코팅된 전극)전극을 사용하고, 음전극(42)으로는 저렴한 스테인레스 스틸(Stainless Steel) 또는 철(Iron), 흑연(Graphite), 탄소(Carbon) 전극 등을 사용할 수 있다.
상기 UV 광반응기(50)는 상기 전해조(40)에 의해 펜톤 산화반응된 폐수가 공급되고 UV가 조사되도록 하여 [반응식 2]의 (3)의 추가적인 광 산화가 되도록 한다.
이와 같은 펜톤 산화공정과 광 산화공정의 연속적 공정에 의해 유기물은 CO2와 H2O로 완전 산화되게 된다.
유기물 분해율 및 필요에 따라 상기 UV 광반응기(50)를 거친 처리수를 상기 라인믹서(70) 후단으로 반송시키는 처리수 반송라인(100)이 더 구비되도록 하여 집수조(60)로 배출되는 유기물 분해율이 낮을 경우 전해조(40)로 재투입되도록 하여 분해되지 않은 유기물을 분해할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
상기 집수조(60)는 상기 UV 광반응기(50)에 의해 광 산화된 처리수가 집수되도록 한다.
상기 집수조(60)에 집수된 처리수는 산성을 띠므로 NaOH와 같이 염기성을 띠는 pH 중화 약품을 투입시키도록 하는 pH 중화 약품 투입기(110)가 더 구비된 것이 바람직하다.
또한, 상기 집수조(60)에 집수된 처리수를 응집시키며 침전시키는 응집 침전조(120)가 더 구비된 것이 바람직하다.
상기와 같은 구성으로 된 전기분해와 광-펜톤산화공정이 결합된 복합산화공정을 이용한 난분해성 폐수 처리장치를 이용하여 다름과 같은 방법으로 폐수를 처 리하게 된다.
산성전해액을 투입한 유기물 폐수에 2가철(Fe2+) 및 염화나트륨 전해질을 투입시키고, 전해질이 투입된 유기물 폐수에 산소가 용해되도록 공기를 공급한다.
이어서, 전해질이 투입되고 공기가 공급되어 산소가 용해된 유기물 폐수를 전기분해한다. 이때의 전해반응은 투입된 전해질로부터 2가철을 산화시키고 유리염소를 발생시키며 공급된 공기 중의 산소가 용해된 용존산소에 의해 과산화수소가 발생되도록 하여 폐수에 함유된 유기물을 분해하는 수산기라디칼을 형성시키는 펜톤(Fenton) 산화반응이다.
이때, 펜톤 산화반응 효율을 높이기 위해 펜톤 산화반응된 전해액을 펜톤 산화반응 전의 전해질이 투입된 유기물 폐수에 투입하여 순환시키는 것이 바람직하다.
이어서, 펜톤 산화반응된 폐수에 UV를 조사하는 광 산화시키고, 광 산화된 처리수를 집수시키게 된다. 이때, 유기물 분해가 낮은 경우에는 광산화된 처리수를 펜톤 산화반응 전의 전해질이 투입된 유기물 폐수에 투입하여 반송시키는 것이 바람직하다. 또한, 집수된 처리수에 pH 중화 약품을 투입시키는 것이 바람직하다.
집수된 처리수는 응집시키며 침전시키는 것이 바람직하다.
[실시예]
전기화학적 펜톤 산화공정에 UV 광반응공정을 결합한 복합산화 공정에서의 유기물 분해효과 향상을 확인하기 위해 페놀 100 ppm (CODcr 기준 약 250 ppm)으로 제조된 합성폐수 및 동일한 전기분해 조건하에서 페놀 폐수의 무격막 전기분해, Electro Fenton, Electro Photo-fenton공정에서의 유기물(Phenol) 분해결과를 비교하였다.
1. 실험조건
1) Electro Photo-fenton공정 실험조건
- CODcr : 250 ppm
- Phenol conc. : 100 ppm
- Initial pH : 3
- Volume : 500 ml
- NaCl conc. : 0.3 %
- UV : 254nm, 저압 수은램프 3 개(35 W, 1.65× 1016 sec/cm3)
- FeSO4·7H2O conc. : 0.25 g/L
- Air blowing : 50 ml/min
- Current : 3 A
- Electrode size : 5 × 6 cm
- Anode : IrO2/Ti Mesh 전극 4개
- Cathode : Stainless still Plate 전극 5개
2) Electro Fenton공정 실험조건
- CODcr : 250 ppm
- Phenol conc. : 100 ppm
- Initial pH : 3
- Volume : 500 ml
- NaCl conc. : 0.3 %
- FeSO4·7H2O conc. : 0.25 g/L
- Air blowing : 50 ml/min
- Current : 3 A
- Electrode size : 5 × 6 cm
- Anode : IrO2/Ti Mesh 전극 4개
- Cathode : Stainless still Plate 전극 5개
3) Electrolysis공정 실험조건
- CODcr : 250 ppm
- Phenol conc. : 100 ppm
- Initial pH : 3
- Volume : 500 ml
- NaCl conc. : 0.3 %
- Current : 3 A
- Electrode size : 5 × 6 cm
- Anode : IrO2/Ti Mesh 전극 4개
- Cathode : Stainless still Plate 전극 5개
2. 실험결과
도 2는 실험에 사용된 무격막 전해셀과 광 반응기가 결합된 복합 산화공정 실험 장치를 나타낸 도면으로 전해조(40)와 UV 광반응기(50)를 연속적으로 배치하고 공기공급기(30)로 공기를 전해조 내부 하단에 설치된 다공성 산기관(43)으로 공급하도록 하였다.
도 3은 본 발명에 의한 광-펜톤산화공정(Electro Photo-fenton Process)과, 일반적인 펜톤산화공정(Electro Fenton Process) 및 일반적인 무격막 전해셀 전기분해공정(Electrolysis)에서의 반응시간에 따른 페놀(Phenol) 용액의 COD 제거율을 비교한 것이다. 각 공정의 실험조건은 앞서 설명한 바와 같다. 동일한 전기분해 조건에서 60 분 동안 광-펜톤산화공정(Electro Photo-fenton Process)에서의 COD 제거율이 약 66 %에 도달한 반면, 펜톤산화공정(Electro Fenton Process)과 무격막 전해셀 전기분해공정(Electrolysis)에서의 COD 제거율은 각각 50 %와 34 %로 나타남을 알 수 있다.
도 4는 본 발명에 의한 광-펜톤산화공정(Electro Photo-fenton Process)과, 일반적인 펜톤산화공정(Electro Fenton Process) 및 일반적인 무격막 전해셀 전기분해공정(Electrolysis)에서의 전기분해 반응 중 전해셀에 걸리는 전압의 변화를 나타낸 그래프이다. 도시된 바와 같이 3가지 공정 모두 초기 약 5.8 V에서 반응시간에 따라 약 4.8 - 5 V 정도로 거의 일정하게 유지됨을 알 수 있다.
도 5는 본 발명에 의한 광-펜톤산화공정(Electro Photo-fenton Process)과, 일반적인 펜톤산화공정(Electro Fenton Process) 및 일반적인 무격막 전해셀 전기분해공정(Electrolysis)에서의 용액 pH 변화를 나타낸 그래프이다.
도시된 바와 같이, 3가지 공정 모두 초기 pH 3에서 약 3.57로 일정하게 나타남을 알 수 있다.
종합하여 보면 본 발명에 의한 광-펜톤산화공정은 전압변화가 일정하고, 별도의 pH 조절이 없이도 pH가 일정하게 나타나며, 일반적인 펜톤산화공정과 일반적인 무격막 전해셀 전기분해공정보다 페놀의 제거율이 높게 나타나므로 다른 공정에 비해 유리하다는 것을 알 수 있다.
도 1은 본 발명에 의한 전기분해와 광-펜톤산화공정이 결합된 복합산화공정을 이용한 난분해성 폐수 처리장치를 나타낸 도면.
도 2는 실험에 사용된 무격막 전해셀과 광 반응기가 결합된 복합 산화공정 실험 장치를 나타낸 도면.
도 3은 본 발명에 의한 광-펜톤산화공정(Electro Photo-fenton Process)과, 일반적인 펜톤산화공정(Electro Fenton Process) 및 일반적인 무격막 전해셀 전기분해공정(Electrolysis)에서의 반응시간에 따른 페놀(Phenol) 용액의 COD 제거율을 나타낸 그래프.
도 4는 본 발명에 의한 광-펜톤산화공정(Electro Photo-fenton Process)과, 일반적인 펜톤산화공정(Electro Fenton Process) 및 일반적인 무격막 전해셀 전기분해공정(Electrolysis)에서의 전기분해 반응 중 전해셀에 걸리는 전압의 변화를 나타낸 그래프.
도 5는 본 발명에 의한 광-펜톤산화공정(Electro Photo-fenton Process)과, 일반적인 펜톤산화공정(Electro Fenton Process) 및 일반적인 무격막 전해셀 전기분해공정(Electrolysis)에서의 용액 pH 변화를 나타낸 그래프.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
10: 폐수저장조 20: 전해질 투입기
30: 공기공급기 40: 전해조
41: 양전극 42: 음전극
43: 다공성 산기관 44: 전원공급부
50: UV 광반응기 60: 집수조
70: 라인믹서 80: 순환펌프
90: 벤츄리 혼합기 100: 처리수 반송라인
110: pH 중화 약품 투입기 120: 응집 침전조
Claims (13)
- 삭제
- 유기물 폐수가 저장되는 폐수저장조(10);상기 폐수저장조(10)로부터 공급되는 유기물 폐수에 2가철(Fe2+) 및 염화나트륨 전해질을 투입하는 전해질 투입기(20);상기 전해질 투입기(20)에 의해 전해질이 투입된 유기물 폐수에 산소가 용해되도록 공기를 공급하는 공기공급기(30);복수개의 양전극(41)과 음전극(42)이 교번 적층되며 전해질이 투입되고 산소가 용해된 유기물 폐수가 투입되어 전기분해에 의해 전해질로부터 2가철을 산화시키고 유리염소를 발생시키며, 용존산소에 의해 과산화수소가 발생되도록 하여 수산기라디칼을 형성하는 펜톤(Fenton) 산화반응이 이루어지도록 하여 수산기 라디칼에 의해 폐수에 함유된 유기물을 분해시키는 무격막 전해조(40);상기 전해조(40)에 의해 펜톤 산화반응된 폐수가 공급되고 UV가 조사되도록 하여 광 산화되도록 하는 UV 광반응기(50);상기 UV 광반응기(50)에 의해 광 산화된 처리수가 집수되는 집수조(60);상기 폐수저장조(10)와 상기 전해조(40) 사이에 설치되고 상기 전해질 투입기(20)와 연결되어 상기 전해질 투입기(20)로부터 투입된 전해질과 상기 폐수저장조(10)에서 공급된 유기물 폐수가 혼합되도록 하는 라인믹서(70); 및상기 UV 광반응기(50)를 거친 처리수를 상기 라인믹서(70) 후단으로 반송시키는 처리수 반송라인(100);을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기분해와 광-펜톤산화공정이 결합된 복합산화공정을 이용한 난분해성 폐수 처리장치.
- 제 2 항에 있어서,상기 전해조(40) 내부의 전해액을 외부로 배출시키며 상기 라인믹서(70)에 의해 전해질과 혼합된 유기물 폐수와 합류되도록 하여 상기 전해조(40)로 투입되도록 하는 순환펌프(80)가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 전기분해와 광-펜톤산화공정이 결합된 복합산화공정을 이용한 난분해성 폐수 처리장치.
- 제 3 항에 있어서,상기 순환펌프(80)와 연결되며 상기 전해조(40) 내부에서 배출된 전해액과 상기 공기공급기(30)로부터 공급된 공기가 혼합되어 공기 중의 산소가 배출된 전해액에 용해되도록 하는 벤츄리 혼합기(90)가 더 구비된 것을 특징으로 하는 전기분해와 광-펜톤산화공정이 결합된 복합산화공정을 이용한 난분해성 폐수 처리장치.
- 제 2 항에 있어서,상기 전해조(40)의 내부 하단에는 전해질이 투입되고 산소가 용해된 유기물 폐수가 상기 양전극(41)과 음전극(42)으로 산기되어 공급되도록 하는 다공성 산기관(43)이 더 구비된 것을 특징으로 하는 전기분해와 광-펜톤산화공정이 결합된 복합산화공정을 이용한 난분해성 폐수 처리장치.
- 삭제
- 제 2 항 내지 제 5 항에서 선택되는 어느 한 항에 있어서,상기 집수조(60)에 집수된 처리수에 pH 중화 약품을 투입시키는 pH 중화 약품 투입기(110)가 더 구비된 것을 특징으로 하는 전기분해와 광-펜톤산화공정이 결합된 복합산화공정을 이용한 난분해성 폐수 처리장치.
- 제 2 항 내지 제 5 항에서 선택되는 어느 한 항에 있어서,상기 집수조(60)에 집수된 처리수를 응집시키며 침전시키는 응집 침전조(120)가 더 구비된 것을 특징으로 하는 전기분해와 광-펜톤산화공정이 결합된 복합산화공정을 이용한 난분해성 폐수 처리장치.
- 유기물 폐수에 2가철(Fe2+) 및 염화나트륨 전해질을 투입시키는 단계;전해질이 투입된 유기물 폐수에 산소가 용해되도록 공기를 공급하는 단계;전기분해에 의해 투입된 전해질로부터 2가철을 산화시키고 유리염소를 발생시키며 공급된 공기 중의 산소가 용해된 용존산소에 의해 과산화수소가 발생되도록 하여 폐수에 함유된 유기물을 분해하는 수산기라디칼을 형성시키는 펜톤(Fenton) 산화반응단계;펜톤 산화반응된 폐수에 UV를 조사하는 광 산화단계;광 산화된 처리수를 집수시키는 단계;광산화된 처리수를 펜톤 산화반응 전의 전해질이 투입된 유기물 폐수에 투입하여 반송시키는 처리수 반송단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기분해와 광-펜톤산화공정이 결합된 복합산화공정을 이용한 난분해성 폐수 처리방법.
- 제 9 항에 있어서,펜톤 산화반응된 전해액을 펜톤 산화반응 전의 전해질이 투입된 유기물 폐수에 투입하여 순환시키는 전해액 순환단계; 를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기분해와 광-펜톤산화공정이 결합된 복합산화공정을 이용한 난분해성 폐수 처리방법.
- 삭제
- 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,집수된 처리수에 pH 중화 약품을 투입시키는 단계; 를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기분해와 광-펜톤산화공정이 결합된 복합산화공정을 이용한 난분해성 폐수 처리방법.
- 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,집수된 처리수를 응집시키며 침전시키는 단계; 를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기분해와 광-펜톤산화공정이 결합된 복합산화공정을 이용한 난분해성 폐수 처리방법.
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