KR101333319B1

KR101333319B1 - 전자기장을 이용한 중금속 제거장치

Info

Publication number: KR101333319B1
Application number: KR1020130031663A
Authority: KR
Inventors: 하상안
Original assignee: 신라대학교 산학협력단
Priority date: 2013-03-25
Filing date: 2013-03-25
Publication date: 2013-11-27

Abstract

본 발명은 전자기장을 이용한 중금속 제거장치에 관한 것으로, 오염수를 여과하는 여과장치(100): 여과장치(100)로부터 오염수를 공급받는 제1탱크(210): 일단이 여과장치(100)에 연결되고 타단이 제1탱크(210)에 연결되어, 여과장치(100)로부터의 오염수가 제1탱크(210)로 이동하는 제1연결라인(L1): 제1탱크(210)로부터 오염수를 공급받는 전기분해장치(220): 일단이 제1탱크(210)에 연결되고 타단이 전기분해장치(220)에 연결되어, 제1탱크(210)로부터의 오염수가 전기분해장치(220)로 이동하는 제2연결라인(L2): 전기분해장치(220)의 하부에 구비되는 제2탱크(230): 일단이 전기분해장치(220)의 상부에 연결되고 타단이 제2탱크(230)의 상부에 연결되어, 전기분해장치(220)의 상부에 위치한 상등수가 제2탱크(230)로 이동하는 제3연결라인(L3): 제3연결라인(L3) 상에 설치되는 제1밸브(V1): 전기분해장치(220)의 하부에 위치하는 제3탱크(240): 일단이 제3탱크(240)의 상부에 연결되고 타단이 전기분해장치(220)의 하부에 연결되어, 전기분해장치(220)의 하부에 위치한 하등수가 제3탱크(240)로 이동하는 제5연결라인(L5): 제5연결라인(L5) 상에 설치되는 제2밸브(V2): 일단이 제3탱크(240)에 연결되고 타단이 제1탱크(210)에 연결되어, 제3탱크(240)의 오염수가 제1탱크(210)로 이동하는 제6연결라인(L6): 일단이 제2탱크(230)에 연결되는 제4연결라인(L4): 제1연결라인(L1) 상에 설치되는 제1자화수기(251a)와, 제2연결라인(L2) 상에 설치되는 제2자화수기(251b)를 구비한 제1자기장장치(251); 제4연결라인(L4) 상에 설치되는 제3 및 제4자화수기(252a,252b)를 구비한 제2자기장장치(252);를 갖춘 자기장장치(250): 제4연결라인(L4) 상에 설치되며, 제3자화수기(252a) 및 제4자화수기(252b) 사이에 배치되는 마이크로필터(MF):제4연결라인(L4)의 타단이 연결되며 제2탱크(230)로부터 오염수가 유입되는 저장탱크(310); 전해액을 수용하는 제1 및 제2전해탱크(321,322); 중금속을 제거하는 전기막기기(330); 저장탱크(310)의 오염수가 전기막기기(330)를 순환하도록 저장탱크(310) 및 전기막기기(330)를 연결하는 저장탱크 순환라인(DC); 제1전해탱크(321)의 전해액이 전기막기기(330)를 순환하도록 제1전해탱크(321) 및 전기막기기(330)를 연결하는 제1전해탱크 순환라인(EC); 제2전해탱크(322)의 전해액이 전기막기기(330)를 순환하도록 제2전해탱크(321) 및 전기막기기(330)를 연결하는 제2전해탱크 순환라인(CC);을 갖춘 전기막장치(300):를 포함하는 것을 특징으로 하여, 중금속을 효율적으로 제거할 수 있는 효과가 있다.

Description

전자기장을 이용한 중금속 제거장치{Heavy Metal Elimination Device for using a electromagnetic field}

본 발명은 중금속 제거장치에 관한 것으로, 지하수 및 광산폐수의 중금속을 제거할 수 있는 전자기장을 이용한 중금속 제거장치에 관한 것이다.

지하수, 광산폐수, 매립장 폐수 등에는 중금속이 포함될 수 있으며, 현재 이러한 중금속을 처리하는 데 있어 많은 어려움이 있다.

상기 오염수(중금속이 포함된 액체)에서 중금속을 제거하는 방법으로는 화학약품, 흡착제 등을 사용한 다양한 방법이 이용되고 있지만, 이러한 방식은 친환경적이지 못하며, 효율적으로 중금속을 제거할 수 없어, 많은 문제점이 노출되고 있는 실정이다.

공개특허 10-2011-0076240호 등록특허 10-0347254호

상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명은 중금속을 보다 효율적으로 제거할 수 있으며, 전자기장을 이용하여 친환경적으로 중금속을 제거할 수 있는 중금속 제거장치를 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명은, 오염수를 여과하는 여과장치:여과장치로부터 오염수를 공급받는 제1탱크: 일단이 여과장치에 연결되고 타단이 제1탱크에 연결되어, 여과장치로부터의 오염수가 제1탱크로 이동하는 제1연결라인: 제1탱크로부터 오염수를 공급받는 전기분해장치: 일단이 제1탱크에 연결되고 타단이 전기분해장치에 연결되어, 제1탱크로부터의 오염수가 전기분해장치로 이동하는 제2연결라인: 전기분해장치의 하부에 구비되는 제2탱크: 일단이 전기분해장치의 상부에 연결되고 타단이 제2탱크의 상부에 연결되어, 전기분해장치의 상부에 위치한 상등수가 제2탱크로 이동하는 제3연결라인: 제3연결라인 상에 설치되는 제1밸브: 전기분해장치의 하부에 위치하는 제3탱크: 일단이 제3탱크의 상부에 연결되고 타단이 전기분해장치의 하부에 연결되어, 전기분해장치의 하부에 위치한 하등수가 제3탱크로 이동하는 제5연결라인: 제5연결라인 상에 설치되는 제2밸브: 일단이 제3탱크에 연결되고 타단이 제1탱크에 연결되어, 제3탱크의 오염수가 제1탱크로 이동하는 제6연결라인: 일단이 제2탱크에 연결되는 제4연결라인: 제1연결라인 상에 설치되는 제1자화수기와, 제2연결라인 상에 설치되는 제2자화수기를 구비한 제1자기장장치; 제4연결라인 상에 설치되는 제3 및 제4자화수기를 구비한 제2자기장장치;를 갖춘 자기장장치: 제4연결라인 상에 설치되며, 제3자화수기 및 제4자화수기 사이에 배치되는 마이크로필터: 제4연결라인의 타단이 연결되며 제2탱크로부터 오염수가 유입되는 저장탱크; 전해액을 수용하는 제1 및 제2전해탱크; 중금속을 제거하는 전기막기기; 저장탱크의 오염수가 전기막기기를 순환하도록 저장탱크 및 전기막기기를 연결하는 저장탱크 순환라인; 제1전해탱크의 전해액이 전기막기기를 순환하도록 제1전해탱크 및 전기막기기를 연결하는 제1전해탱크 순환라인; 제2전해탱크의 전해액이 전기막기기를 순환하도록 제2전해탱크 및 전기막기기를 연결하는 제2전해탱크 순환라인;을 갖춘 전기막장치:를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 있어서, 상기 전기분해장치는, 상면이 개구되고, 하면이 내부 중심부를 향해 하방으로 경사지게 형성되며, 전기분해가 이루어지는 분해조; 'ㄴ'자 형상을 이루고, 상단이 분해조의 상방으로 돌출되며, 분해조의 내부에 지그재그로 겹치게 배치되는 다수의 전극판; 바 형상을 이루고, 상기 전극판의 상단이 이동가능하게 삽입되며, 상호 대향되는 한 쌍의 극간거리조정기구;를 갖추는 것을 특징으로 한다.

삭제

상기와 같은 본 발명에 따르면, 오염수를 전기분해장치로 유입하기 전에, 오염수에 자기장을 공급함으로써, 오염물질이 미립되게 분열되고, 중금속이 자화되어, 중금속이 보다 효율적으로 제거되며, 특히 자화된 중금속이 전기막장치에서 보다 용이하게 분리됨으로써, 매우 효율적으로 중금속을 제거할 수 있고, 별도의 화학약품을 사용하지 않으므로 매우 친환경적인 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 중금속 제거장치를 나타낸 사시도이고,
도 2는 본 발명에 따른 중금속 제거장치를 나타낸 평면도이고,
도 3은 본 발명에 따른 복합변조장치, 자기장장치, 전기분해장치 간의 전기적 연결관계를 나타낸 구성도이고,
도 4는 본 발명에 따른 중금속 제거장치를 나타낸 우측면도이고,
도 5는 본 발명에 따른 중금속 제거장치를 나타낸 정면도이고,
도 6은 본 발명에 따른 중금속 제거장치를 나타낸 배면도이고,
도 7은 본 발명에 따른 중금속 제거장치의 좌측 외부만 표현된 좌측면도이고,
도 8은 본 발명에 따른 중금속 제거장치의 플로우를 개략적으로 나타낸 도면이고,
도 9는 스테인리스 강 전극판을 이용하여 오염수를 전기분해할 시, 오염수를 단순 전기분해만 수행했을 때와 전기분해 전에 오염수에 자기장을 공급하였을 시의 중금속 제거 효과를 나타낸 그래프이고,
도 10은 알루미늄 전극판을 이용하여 오염수를 전기분해할 시, 오염수를 단순 전기분해만 수행했을 때와 전기분해 전에 오염수에 자기장을 공급하였을 시의 중금속 제거 효과를 나타낸 그래프이고,
도 11은 pH에 따른 최적의 실험조건을 도출하기 위하여 스테인리스 강 전극판과 알루미늄 전극판에서의 pH을 3, 6, 9로 조절하여 각각 중금속 제거율을 분석한 그래프이고,
도 12는 스테인리스 강 전극판을 이용하여 오염수를 전기분해할 시, 오염수를 단순 전기분해만 수행했을 때와 전기분해 전에 오염수에 자기장을 공급하였을 시의 중금속 제거 효과를 나타낸 그래프이고,
도 13은 전기분해가 이루어진 오염수를 전기막에 공급한 적용결과를 나타낸 그래프이다.

이하 첨부도면에 의거하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1 내지 도 8을 참조하여 본 발명의 구조적 특징을 설명한다.

본 발명에 따른 중금속제거장치(200)는 제1탱크(210), 전기분해장치(220), 제2,3탱크(230,240), 자기장장치(250) 및, 전원공급장치(260)를 갖춘다. 한편 본 실시예에서는 상기 구성이 설치되는 제1,2하우징(H1,H2)이 구비된다.

상기 제1탱크(210)는 제1하우징(H1)의 상부에 설치되고, 제1연결라인(L1)을 통해 오염수를 공급받는다. 본 실시예에서 제1연결라인(L1)은 여과장치(100)와 연결되며, 여과장치(100)에서 여과된 오염수가 공급된다.

이때 상기 여과장치(100)는 중금속 오염물질을 효율적으로 분리하기 위해서 지하수나 광산폐수에서 직접 펌핑할 수 있는 시트파일공법에서 사용되는 공중사막 여과원리를 이용한 것으로, 제1하우징(H1)에 이웃되게 설치된다. 여과장치(100)는 일반적으로 사용되는 것으로 이에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다.

상기 전기분해장치(220)는 상면이 개구되며 전기분해가 이루어지는 분해조(221)와, 분해조(221) 내부에 설치되며 상단이 분해조(221)의 상방으로 돌출되는 전극판(222)과, 전극판(222) 간의 거리가 조절가능하도록 하는 극간거리조정기구(223)를 갖추고서, 제1하우징(H1)의 상부에 설치되고 제1탱크(210)의 전방에 위치한다. 여기서 전기분해장치(220)는 제2연결라인(L2)을 통해 제1탱크(210)와 연결되며, 제1탱크(210)에서 오염수가 유입된다. 이때 제2연결라인(L2)은 일단이 제1탱크(210)의 하부에 연결되어 제1하우징(H1)에 수용되며, 타단이 전기분해장치(220)의 분해조(221)의 상단 측면에 연결된다. 한편 제2연결라인(L2) 상에는 제1펌프(P1)가 설치되며, 제1펌프(P1)는 제1탱크(210)의 오염수를 분해조(221)로 펌핑한다.

한편 상기 전극판(222)은 스테인리스 강(stainless steel), 알루미늄(aluminium), 티타늄 합금 강(titanium alloy steel)이 사용된다.

또한 상기 극간거리조정기구(223)은 바 형상을 이루며, 'ㄴ' 자 형상의 다수의 전극판(222)의 상단이 극간거리조정기구(223)에 이동가능하게 삽입된다. 이때 전극판(222)의 극간 거리는 5~20mm 정도로 조정할 수 있도록 하며, 전극판은 0~100V와 0~10A로 직류와 교류를 동시에 변조한 전기를 전원공급장치(200)로부터 공급받는다. 본 실시예에서 극간거리조정기구(223)은 상호 대향되게 한 쌍으로 구비되며, 다수의 전극판(222)이 지그재그로 겹치게 배치되어 모듈화를 이룬다. 한편 분해조(221)의 하면은, 응집 또는 응결에 의해 발생되는 부유물질이 침전되도록 상호 대향되는 두 개의 판이 10도로 경사지게 배치된다. 즉 분해조(221)는 하면이 내부 중심부를 향해 하방으로 경사지게 형성된다.

한편 상기 전기분해장치(220)는 전기분해 원리를 이용하여, 제1탱크(210)로부터 유입된 오염수를 전기분해하며, 전해액으로 수산화나트륨(NaOH)이 투입되며, 수산화나트륨을 통해 오염수의 pH가 6정도 되도록 조절된다. 한편 전기분해 원리는 일반적으로 것으로 이에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다.

상기 제2탱크(230)는 제1하우징(H1)에 수용되며, 전기분해장치(220)의 하부에 구비된다. 여기서 제2탱크(230)는 제3연결라인(L3)을 통해 전기분해장치(220)와 연결되며, 전기분해장치(220)에서 전기분해된 오염수가 유입된다. 제3연결라인(L3)은 일단이 제1하우징(H1)을 통과하여 제2탱크(230)의 상부로 인입되고, 타단이 전기분해장치(220)의 분해조(221)의 상부 측면에 연결된다. 이때 제3연결라인(L3) 상에는 제1밸브(V1)가 설치된다. 본 실시예에서 제1밸브(V1)는 유하밸브인 것이 바람직하다.

또한 상기 제2탱크(230)는 제4연결라인(L4)을 통해 전기막장치(300)와 연결되어, 오염수가 전기막장치(300)로 유입된다. 여기서 제4연결라인(L4)은 일단이 제2탱크(230)의 하부 측면에 연결되고, 타단이 제1하우징(H1)의 상부를 관통하여 전기막장치(500)의 저장탱크(510)에 연결된다. 한편 제4연결라인(L4) 상에는 제2펌프(P2)가 설치되며, 제2펌프(P2)는 제2탱크(230)의 오염수를 전기막장치(300)의 저장탱크(310)으로 펌핑한다.

상기 제3탱크(240)는 제1하우징(H1)에 수용되고, 전기분해장치(220) 보다 하부에 위치하며, 제2탱크(230)의 좌측에 위치한다. 여기서 제3탱크(230)는 제5연결라인(L5)을 통해 전기분해장치(220)의 분해조(221)와 연결되며, 전기분해장치(220)에서 발생된 침전물이 유입된다. 제5연결라인(L5)은 일단이 제3탱크(240)의 상부에 연결되고 타단이 분해조(221)의 하부에 연결된다. 이때 제5연결라인(L5) 상에는 제2밸브(V2)가 구비된다.

또한 상기 제3탱크(240)는 제6연결라인(L6)을 통해 제1탱크(210)와 연결된다. 이때 제6연결라인(L6)은 일단이 제3탱크(240)의 하부 측면에 연결되고 타단이 제1하우징(H1)의 상부를 통과하여 제1탱크(210)의 상부로 인입된다. 한편 제6연결라인(L6) 상에는 제3펌프(P3)가 설치되며, 제3펌프(P3)는 제3탱크(230)의 오염수를 제1탱크(210)로 펌핑한다.

상기 자기장장치(250)는 전기분해장치(220)의 전방에 구비되는 제1자기장장치(251)와, 전기분해장치(220)의 후방에 구비되는 제2자기장장치(252)를 갖춘다.

상기 제1자기장장치(251)는 제1연결라인(L1) 상에 설치되는 제1자화수기(251a)와, 제2연결라인(L2) 상에 설치되는 제2자화수기(251b)를 갖춘다. 또한 제2자기장장치(252)는 제4연결라인(L4) 상에 설치되며 제2펌프(P2)의 후방에 위치하는 제3,4자화수기(252a,252b)를 갖춘다. 이러한 자기장장치(250)는 자기장을 통해 오염수에 포함된 오염물질을 미립화하며, 오염물질 내의 중금속이 강한 자기장을 통과함과 동시에 강한 강자성체의 성질로 바뀌면서 오염수가 전기분해장치(200)로 유입될 시 중금속이 효과적으로 제거된다. 여기서 제1,2자화수기(251b)는 12000 가우스(Gaus) 범위의 자기장을 발생시키며, 제3자화수기(252a)는 8000 가우스(Gaus) 범위의 자기장을 발생시키고, 제4자화수기(252b)는 4000 가우스(Gaus) 범위의 자기장을 발생시키는 것이 바람직하다

상기 전원공급장치(260)는 직류 교류 복합변조장치로서, 전기분해장치(220) 및 자기장장치(250)와 전기적으로 연결되며, 전기분해장치(220)에 전기장을 인가하고, 자기장장치(250)에 자기장을 인가한다. 본 실시예에서 전원공급장치(260)는 전원공급장치(260)인 것이 바람직하며, 제1,2하우징(H1,H2)에 이웃되게 구비되는 것이 바람직하다.

한편 본 실시예에서 상기 전기분해장치(220) 및 자기장장치(250)는 전원공급장치(260)에 의해 전기를 공급받지만, 각각 개별적인 전원공급장치에 의해 전기를 공급받을 수 있으며, 자기장장치(250)의 경우 각각의 자화수기는 영구자석을 이용한 형태일 수도 있다.

또한 본 발명에 따른 전자기분해장치(200)는 전기막장치(300)를 더 포함한다.

상기 전기막장치(300)는 제1하우징(H1)에 이웃되게 배치되는 제2하우징(H2)의 상부에 설치되는 저장탱크(310)와, 저장탱크(310)와 이웃되게 배치되는 전해탱크(320)와, 저장탱크(310) 및 전해탱크(320)와 연결되는 전기막기기(330)을 갖춘다. 이때 전기막장치(300)는 별도로 전기를 공급받거나 전원공급장치(260)에 의해 전기를 공급받을 수 있다.

상기 저장탱크(310)는 제2하우징(H2)의 상부에 설치되며, 제4연결라인(L4)를 통해 제2탱크(230)과 연결되며, 제2탱크(230)에서의 오염수가 유입된다.

또한 상기 저장탱크(310)는 제1,2,3,4라인(DC1,DC2,DC3,DC4)을 갖춘 저장탱크 순환라인(DC) 통해 전기막기기(330)과 연결된다. 이때 제1라인(DC1)은 일단이 저장탱크(310)의 배면 상부에 연결되며 타단이 전기막기기(330)의 좌측면 상부에 연결된다. 그리고 제2라인(DC2)은 저장탱크(310)의 하부에 연결되며, 제3라인(DC3)은 제2라인(C2)에 연결되어, 제2하우징(H2)에 수용된다. 나아가 제4라인(DC4)은 일단이 제3라인(DC3)에 연결되고 타단이 제2하우징(H2)을 통과하여 전기막기기(330)의 우측면 하부에 연결된다.

한편 상기 저장탱크 순환라인(DC)의 제3라인(DC3) 상에는 저장탱크(310)의 오염수가 전기막기기(330)을 순환하도록 하는 오염수 순환펌프(DP)가 설치되며, 오염수 순환펌프(DP)의 전방에는 제3,4밸브(V3,V4)가 설치된다. 이때 제2라인(DC3)은 제3,4밸브(V3,V4) 사이로 제3라인(DC3)에 연결된다. 또한 제4라인(DC3) 상에는 제1유량계(F1)가 설치되며, 제1유량계(F1)는 오염수 순환펌프(DP)의 후방에 위치한다.

상기 전해탱크(320)는 저장탱크(310)에 이웃되게 배치되는 제1전해탱크(321)와, 제1전해탱크(321)에 이웃되게 배치되는 제2전해탱크(322)를 갖춘다.

상기 제1전해탱크(321)는 제2하우징(H2)의 상부에 설치되며, 저장탱크(310)의 좌측에 배치된다. 이때 제1전해탱크(321)에는 전해액으로 황산나트륨(Na2SO4)이 수용된다.

또한 상기 제1전해탱크(321)는 제1,2,3,4,5,6,7라인(EC1,EC2,EC3,EC4,EC5,EC6,EC7)을 갖춘 제1전해탱크 순환라인(EC) 통해 전기막기기(330)과 연결된다. 이때 제1라인(EC1)은 일단이 제1전해탱크(321)의 배면 상부에 연결되며 타단이 전기막기기(330)의 좌측면 상부에 연결되고, 제2라인(EC2)은 제1라인(EC1)으로부터 분기되어 전기막기기(330)의 우측면에 연결되며, 제3라인(EC3)은 제1라인(EC1)으로부터 분기되어 전기막기기(330)의 좌측면에 연결된다. 그리고 제4라인(EC4)은 제1전해탱크(321)의 하부에 연결되며, 제5라인(EC5)은 제4라인(EC4)에 연결되어, 제2하우징(H2)에 수용된다. 나아가 제6라인(EC6)은 제5라인(EC5)에 연결되고, 제7라인(EC7)은 일단이 제6라인(EC6)로부터 분기되며 타단이 제2하우징(H2)를 통과하여 전기막기기(330)의 우측면에 연결되고, 제8연결라인(EC8)은 일단이 제6라인(EC6)로부터 분기되며 타단이 제2하우징(H2)를 통과하여 전기막기기(330)의 좌측면에 연결된다.

한편 상기 제1전해탱크 순환라인(EC)의 제5라인(EC5) 상에는 제1전해탱크(321)의 전해액이 전기막기기(330)을 순환하도록 하는 제1전해액 순환펌프(EP)가 설치되며, 제1전해액 순환펌프(EP)의 전방에는 제5,6밸브(V5,V6)가 설치된다. 이때 제5라인(EC5)은 제5,6밸브(V5,V6) 사이로 제4라인(EC4)에 연결된다. 또한 제6라인(EC6) 상에는 제2유량계(F2)가 설치되며, 제2유량계(F2)는 제1전해액 순환펌프(EP)의 후방에 위치한다.

상기 제2전해탱크(322)는 제2하우징(H2)의 상부에 설치되며, 제1전해탱크(321)의 좌측에 배치된다. 이때 제2전해탱크(322)에는 염화나트륨(NaCl) 용액이 수용된다. 이때 전해액으로는 일반수가 사용될 수도 있다.

또한 상기 제2전해탱크(322)는 제1,2,3,4라인(CC1,CC2,CC3,CC4)을 갖춘 제2전해탱크 순환라인(CC)를 통해 전기막기기(330)과 연결된다. 이때 제1라인(CC1)은 일단이 제2전해탱크(410)의 배면 상부에 연결되며 타단이 전기막기기(330)의 우측면 상부에 연결된다. 그리고 제2라인(CC2)은 제2전해탱크(322)의 하부에 연결되며, 제3라인(CC3)은 제2라인(CC2)에 연결되어, 제2하우징(H2)에 수용된다. 나아가 제4라인(CC4)은 일단이 제3라인(CC3)에 연결되고 타단이 제2하우징(H2)을 통과하여 전기막기기(330)의 좌측면 하부에 연결된다.

그리고 상기 제2전해탱크 순환라인(CC)의 제3라인(CC3) 상에는 제2전해탱크(322)의 일반수 또는 염화나트륨이(NaCl)이 전기막기기(330)을 순환하도록 하는 제2전해액 순환펌프(CP)가 설치되며, 제2전해액 순환펌프(CP)의 전방에는 제7,8밸브(V7,V8)가 설치된다. 이때 제2라인(CC3)은 제7,8밸브(V7,V8) 사이로 제3라인(CC3)에 연결된다. 또한 제4라인(CC3) 상에는 제3유량계(F3)가 설치되며, 제3유량계(F3)는 제2전해액 순환펌프(CP)의 후방에 위치한다.

한편 본 실시예에서 전해액으로는 황산나트륨 및 염화나트륨을 동시에 사용하지만, 필요에 따라서는 각각 사용할 수 있으며, 본 실시예에서는 황산나트륨 및 염화나트륨을 동시에 사용할 시 중금속 제거 효과가 더욱 우수해 이를 사용한다. 특히 황산나트륨 하나만 사용할 시는 전해액 내의 황산나트륨의 농도를 0.5~1.5%로 하는 것이 바람직하다.

또한 본 실시예에서는 배수라인(DL)이 구비되며, 배수라인(DL)은 제2하우징(H2)에 수용되어 말단이 외부로 노출되고, 배수라인(DL)의 말단에는 배수를 위한제9밸브(V9)가 구비된다. 이때 배수라인(DL)은 저장탱크 순환라인(DC)의 제3라인(DC3), 제1전해탱크 순환라인(EC)의 제5라인(EC5), 제2전해탱크 순환라인(CC)의 제3라인(CC3)의 전단에 연결된다.

상기 전기막기기(330)은 오염수로부터 유기금속을 분리하는 데 사용되는 통상의 것으로, 구조를 간략히 설명하면 다음과 같다.

상기 전기막기기(330)은 멀티형 격막 구조로 음이온 맴브레인과 양이온 맴브레인 10~20개 정도 셀이 설치되도록 모듈화되어 있다. 이때 전기막기기(330)의 맴브레인의 표면속도는 2~3L/min이 되도록 운전된다. 여기서 전기막기기(330)은 전압을 0~20V로 조절할 수 있으며, 전류는 유입된 용액의 전도도에 따라 변화된다.

또한 상기 전기막기기(330)과 저장탱크(310), 제1전해탱크(321), 제2전해탱크(322) 간의 상호 작용에 따른 유기금속 분리 원리를 간략히 설명하면 다음과 같다.

상기 전기막기기(330)은 두 개의 전극(+,-) 사이에 양이온과 음이온 맴브레인이 교대로 배열되어 구성된다. 상기 맴브레인 모듈이 상기 두 전극에 전기를 가하게 되면, 전기의 전위에 의하여 희석조(410)에 있는 이온들이 막을 통과하여 제2전해탱크(322)로 이동한다.

이때 상기 제1전해탱크(321) 및 제2전해탱크(322)의 전해액은 각각의 이온들이 원활하게 움직일 수 있도록 하는 역할을 하며, 맴브레인 모듈에 가하는 전기에서 발생되는 수소가스의 발생을 저감시키고, 열의 소비를 줄여주며, 원활한 이온들의 이동을 돕는다. 여기서 오염수는 저장탱크(310)를 통해 흐르기 때문에 이온들은 점점 없어지게 되면서 정화된다.

다시 말해, 상기 제1전해탱크(321)에 전해액을 채우고, 전기막기기(330)의 양쪽 쪽 끝 부분에 위치한 전극에 전기를 공급하면, 양이온들은 음극 쪽으로 이동하고 음이온들은 양극 쪽으로 이동한다. 이때 양이온은 양이온 맴브레인을 통과하지만 음이온 맴브레인은 통과하지 못하며, 반대로 음이온은 음이온 맴브레인을 통과하지만 양이온 맴브레인은 통과하지 못한다. 이와 같은 원리로 전해질이 부족한 저장탱크(310)와 전해질이 공급된 제2전해탱크(322)의 두 가지 다른 형태의 조를 통해 오염수 내의 전해질을 분리, 농축하여 처리할 수 있다.

한편 본 실시예에서 각각의 펌프는 마그네틱 펌프이고, 밸브는 다이그램 밸브인 것이 바람직하다. 이때 마그네틱 펌프는 자기장을 공급받은 오염수를 펌핑하면서 오염수가 보다 잘 분해되도록 한다. 또한 본 실시예에서는 용액을 담는 각각의 탱크 또는 조는 별도의 도어를 구비하거나 상방이 개구된 형상을 이룰 수 있다.

또한 본 실시예에서 상기 각각의 펌프, 밸브, 전기분해장치, 자기장장치, 원공급장치, 유량계, 전기막장치는 개별적으로 수동제어되지만, 별도의 제어유닛을 구비하여, 각각의 구성이 제어유닛에 의해 자동제어될 수 있다. 즉 초기 셋팅을 통해 제어유닛이 각각의 구성 요소를 자동제어함으로써, 본 발명의 중금속 제거장치로의 오염수 유입에서부터 배출까지 자동으로 제어될 수도 있다.

이하 본 발명의 작용을 설명하면 다음과 같다.

우선 상기 전기막장치(300)의 제3~9밸브(V3~V9)가 닫힌 상태에서, 오염수를 제1탱크(210)에 채우거나, 여과장치(100)를 통해 한번 여과된 오염수를 제1탱크(210)로 유입한다. 이때 여과장치(100)를 통해 유입된 오염수는 제1자화수기(251)를 통과하면서 제1자화수기(251)로부터 자기장을 공급받는다. 한편 상기 오염수가 공급되면, 제2,4,6밸브(V2,V4,V6)는 연다.

이후 상기 제1펌프(P1)를 구동하고, 제1탱크(210) 내의 오염수는 전기분해장치(220)의 분해조(221)로 이동하여 분해조(221)에 용액이 수용되면, 전기분해를 진행한다. 이때 오염수는 분해조(221)로 유입되기 전에 제2자화수기(252)를 통과하면서 제2자화수기(252)로부터 자기장을 공급받는다.

한편 상기 오염수가 제1,2자화수기(251a, 251b)로부터 자기장을 공급받으면, 오염수에 포함된 오염물질이 미립화된다. 이때 분해조(221)로 유입되는 오염수의 유속이 빠를 경우, 자기장 극간의 강도가 높아져 상기 오염물질의 미립화가 보다 잘 이루어진다.

계속해서 상기 전기분해장치(200)의 전극판(222)에 전기가 공급되면, 오염수는 분해조(221) 내에서 전기분해가 이루어진다. 이때 오염수에 포함된 오염물질은 전기장이 보다 잘 스며들며, 이로 인해 전기분해가 빠르게 진행된다. 이를 통해 1차적으로 중금속이 제거된다.

이후 상기 전기분해가 완료되면 분해조(221) 내의 상등수(위에 뜬 물)의 높이를 확인한 후 제1밸브(V1)를 개방하여 상등수를 제2탱크(230)로 이동시키고, 분해조(221)에 가라앉은 나머지 이물질 및 하등수는 제2밸브(V2)를 개방하여 제3탱크(240)로 이동시킨다.

한편 상기 제3탱크(240)로 이동된 오염수 중에 상등수가 발생하면, 제3펌프(P3)를 구동하여 상등수를 제1탱크(210)로 이동시킨다.

또한 상기 제2탱크(230)에 오염수가 수용되면, 제2펌프(P2)를 구동하고, 이를 통해 제2탱크(230) 내의 오염수는 전기막장치(300)의 저장탱크(310)로 공급된다.

이때 상기 오염수는 제3자화수기(252a)을 통과하면서 자기장을 공급받고, 마이크로필터(MF)를 통과하면서 이물질이 걸러지며, 제4자화수기(252b)를 통과하면서 다시 한번 자기장을 공급받아, 오염수에 포함된 오염물질이 전기막장치(300)에서 전기장을 보다 잘 공급받도록 작게 분해된다.

한편 상기 저장탱크(310)에 오염수가 채워지면, 제1전해탱크(321)에 전해액으로 황산나트륨을 담고, 제2전해탱크(322)에는 전해액으로 일반수 또는 염화나트륨 용액을 담는다.

이후 상기 제3,5,7,9밸브(V3,V5,V7,V9)가 잠겨 있는 지를 확인한 후, 제4,6,8밸브(V4,V6,V8)를 열고, 오염수 순환펌프(DP)ㆍ제1전해액 순환펌프(EP)ㆍ제2전해액 순환펌프(CP)를 각각 가동한다. 이때 각각의 펌프를 가동 후에는 20~100L/min 이 되도록 제1~3유량계(F1~F3)를 셋팅하여, 적절하게 유량이 조절된다.

계속해서 상기 전기막기기(330)의 볼테이지 다이얼(Voltage Dial), 암페어 다이얼(Ampere Dial)이 0인지 확인한 후, 정류기(Rectifier)를 가동하여 초기 전압 및 전류를 확인한다. 이때 전기막기기(330)는 20V를 넘지 않는 범위 내에서 운전하고 전류는 용액의 전도도(Conductivity)에 따라 변화된다. 그리고 전기막기기(330)은 정전압 모드(CV Mode)로 운전된다. 이후 상기 전압을 필요에 따라 운전하고자 하는 범위로 조정한다.

한편 상기 전기막장치(300)가 구동되면, 전기막기기(330)으로 유입된 오염수는 전기막기기(330)에 의해 중금속이 분리된다.

이후 상기 운전이 끝나면 정류기를 오프하고, 제3,5,7,9밸브(V3,V5,V7,V9)를 열고, 각각의 탱크 내의 용액을 각각 배출하며, 전기막기기(330)로부터 중금속을 제거한다.

한편 도 9 내지 도 13을 참조하여, 본 발명에 따른 전·자기장을 이용할 시 중금속 제거 효과를 실험 데이터를 통해 설명하면 다음과 같다.

본 실시예에서 사용되는 오염수(중금속 오염 산업폐수)는 비철금속 업체에서 공정과정에서 발생되는 중금속 오염성분인 니켈(Ni), 크롬(Cr)으로 오염된 폐수를 채취하였으며, 고농도의 샘플 채취를 위해 처리 전 산업폐수를 사용하였다.

도 9는 스테인리스 강 전극판을 이용하여 오염수를 전기분해할 시, 오염수를 단순 전기분해만 수행했을 때와 전기분해 전에 오염수에 자기장을 공급하였을 시의 중금속 제거 효과를 나타낸 비교 그래프로서, 도 9를 보다 상세히 설명한다.

상기 스테인리스 강 전극판을 사용하여 전기장을 통해 전기분해만을 수행할 시 니켈 제거율을 보면, 20W일 때 처리시간 260분에 11.9mg/L로 제거되는 것으로 나타났고 67%의 제거율을 보였으며, 전력 70W에서는 처리시간 120분 이후에 가장 높은 제거율이 나타났다. 또한 크롬 제거율을 보면 20W에서의 제거농도는 240분에 47.2mg/L로 나타났으며, 70W전력에서는 200분에 26.8mg/L로 80%의 제거율로 나타났다.

그리고 분해조 내의 pH를 6으로 조절하고, 전기분해 전에 자화수기(자기장장치)를 통과시켜 자기장을 공급할 시 니켈 제거율을 보면, 상기 전기분해만을 수행했을 시보다 전 전력상에서 니켈 또는 크롬의 제거가 빠른 시간에 높은 효율로 이루어지는 것을 알 수 있다.

특히 전력을 20W, 40W, 70W, 80W로 하여 전력별 분석한 니켈의 제거율을 보았을 때 80W전력에서 최종제거농도가 1.8mg/L로 90%의 제거율이 나타났으며, 크롬의 최종 제거농도는 13.2mg/L로 제거율 90%로 높은 제거효율로 나타났다.

또한 도 10은 알루미늄 전극판을 이용하여 오염수를 전기분해할 시, 오염수를 단순 전기분해만 수행했을 때와 전기분해 전에 오염수에 자기장을 공급하였을 시의 중금속 제거 효과를 나타낸 비교 그래프로서, 도 10을 보다 상세히 설명한다.

상기 니켈 제거율은 20W의 전력일 때 240분에 19.2mg/L로 50%의 제거율을 나타냈고, 70W에서는 200분에 5mg/L로 85%의 제거율이 나타났고, 크롬 제거율은 20W에서 가장 낮은 제거율을 보였고, 농도는 54mg/L이다. 또한 70W의 제거농도는 180분에 28.6mg/L로 80%제거율로 나타났다.

그리고 분해조(221) 내의 pH를 6으로 조절하고, 전기분해 전에 자화수기(자기장장치)를 통과시켜 자기장을 공급할 시 니켈 제거효율을 보면, 상기 전기분해만을 수행했을 시보다 전 전력상에서 니켈 또는 크롬의 제거가 빠른 시간에 높은 효율로 이루어지는 것을 알 수 있다.

특히 전력을 20W, 40W, 70W, 80W로 하여 전력별 분석한 니켈의 제거율을 보았을 때 전력이 가장 높은 80W에서 260분에 2mg/L로 94%의 제거율을 나타내었고, 크롬 제거농도는 220분에 11mg/L로 80%의 제거율을 나타낸다.

한편 상기 본 실험에서 pH를 6으로 한 것은 분해조(221) 내의 pH가 6일 경우에 가장 전기분해가 잘 이루어졌기 때문이다. 이에 대해 도 11을 참조하여 설명한다.

상기 전기분해에서 pH는 아주 중요한 인자로 작용하며, 전류효율에도 영향을 미친다.

상기 pH에 따른 최적의 실험조건을 도출하기 위하여 스테인리스 강 전극판과 알루미늄 전극판에서의 pH을 3, 6, 9로 조절하여 각각 제거율을 분석하였다. 도 11의 (a)는 pH 3일 때 제거효율을 나타냈으며 가장 제거율이 좋은 스테인리스 강 전극판에서 크롬 제거율은 59%로 분석되었으며 니켈의 제거율이 80%로 나타났다. 또한 도 11의 (b)에서 pH 6의 제거율을 살펴보았을 때 니켈과 크롬의 제거율이 80∼90%의 제거율로 높은 제거율로 나타났다. 그리고 도 11의 (c)에 나타난 pH 9의 제거율은 스테인리스 강 전극판에서 크롬의 제거율을 보면 70%로 나타났으며, 니켈의 제거율은 86%로 나타났다. pH 6의 제거율 보단 낮은 제거율을 보이지만 크게 차이는 없는 것으로 나타났다. 이때 강산성 영역으로 제거할 경우 방류 부분에서 pH를 다시 높여야 하기 때문에 경제성이 떨어지므로 pH 6인 중산성과 약알칼리영역에서 반응하는 것이 가장 최적의 조건으로 나타났다.

또한 도 12는 스테인리스 강 전극판을 이용하여 오염수를 전기분해할 시, 오염수를 단순 전기분해만 수행했을 때와 전기분해 전에 오염수에 자기장을 공급하였을 시의 중금속 제거 효과를 나타낸 또 다른 비교 그래프로서, 도 12를 보다 상세히 설명한다.

최적의 전압을 도출하기 위하여 전기장만 적용하였을 때 크롬의 경우 15 V, 20V의 전압으로 실험하였으며 크롬은 15V에서 65% 제거되었고 20V에서 68% 제거되었다. 전·자기장을 복합적으로 가하였을 때 크롬의 경우 15V에서 80%의 제거효율을, 20V일 때는 85%의 제거효율로 나타났다. 또한 불순물이 많을수록 자기장의 효과는 크게 나타나며, 따라서 5∼10min사이에 제거효율이 가장 높은 효과를 보이는 것으로 나타났다.

또한 니켈의 경우 전기장만 적용하였을 때의 니켈의 농도 변화는 10V에서 82% 제거되었고 15V에서 88% 제거되었다. 전기장에 자기장을 복합적으로 적용한 전·자기장에서 니켈의 경우는 10V, 15V의 전압을 이용하여 실험하였으며 10V와 15V일 때 각각 94%, 97%의 높은 제거효율을 보였다.

한편 상기 크롬의 경우 전기분해를 하기 전 자화수기(자기장 장치)를 통과시키면 일정 부분 제거 효율이 발생하나, 기준치에 충족할 만큼 제거효율을 보이지는 않았다. 많은 시간을 주어 전·자기장을 가한다 하여도 30∼40min 이후부터 제거효율은 일정한 분포선을 나타내었으며, 추가적인 제거공법이 필요한 것으로 나타났다. 따라서 본 실시예에서는 전·자기장의 처리 이후 연속적으로 전기막을 통과시키며 전해액의 농도를 다르게 하여 최적의 처리조건을 도출하였다.

여기서 도 13은 전기분해가 이루어진 오염수를 전기막에 공급한 적용결과를 나타낸 그래프이다. 크롬의 초기투입농도는 99mg/L이며 40min간 15V의 전·자기장을 가하여 처리하였을 때 최종농도는 20mg/L로 나타났고, 20V일 때는 15mg/L로 나타났다. 전기막 처리를 적용하면 중금속을 함유한 물분자 성분들이 수소 이온과 산소 이온으로 분리되어 가스가 발생하기 때문에 맴브레인을 통과하는 전해탱크(320)에 각각의 다른 농도의 전극액(Na₂SO₄)을 조절하여 제거효율을 분석하였다.

도 13(a)는 전해액(Na₂SO₄)을 가하지 않았을 때 크롬의 제거농도를 나타낸 것으로, 크롬의 제거효율을 살펴보면 15V의 경우 20min이 지났을 때 70%가 제거되어지는 것으로 나타나며, 20V의 경우 20min이 지났을 때 80%가 제거되었다.

또한 도 13(b)는 전해액(Na₂SO₄)의 농도가 0.5%일 때 크롬의 제거농도를 나타낸 것으로, 15V의 경우 최종농도는 2.6mg/L로 87%의 제거효율을 보이며 20V의 경우 최종농도는 1.8 mg/L로 91%의 제거효율을 나타내었다.

그리고 도 13(c)는 전해액(Na₂SO₄)의 농도가 1%일 때 크롬의 제거농도 및 효율을 나타낸 것으로, 15V와 20V 모두 최종농도는 1mg/L 이하로 나타났으며 98.9%이상의 높은 제거효율을 얻을 수 있었다.

또한 도 13(d)는 전해액(Na₂SO₄)의 농도가 1.5%일 때 크롬의 제거농도 및 효율을 나타낸 것으로, 전해액의 농도가 1% 일 때와 비슷한 경향을 보이는 것으로 나타났다. 즉 15V, 20V의 경우 20min이 지났을 때 오염수 99mg/L에서 최종농도는 0.891mg/L로 나타났으며 99.1%의 크롬이 제거되었다.

상기에서와 같이 전해액(Na₂SO₄)의 농도가 1%이상인 조건에서의 농도가 적정 농도로 나타났으며, 전해액(Na₂SO₄)의 농도가 1%이상일 때의 제거효율의 차이가 크게 나지 않은 것으로 나타났다. 이는 황산나트륨(Na₂SO₄)과 같은 전해액을 첨가하여 이온교환막을 통과한 결과 전극에서 발생되는 가스가 줄어들어 열이 적게 발생해 제거효율이 높아지기 때문이다.

한편 상기 도 13에서 MI-100, MI-200은 사용된 양이온 맴브레인 및 음이온 맴브레인을 말한다.

상술한 바와 같이 본 발명은 오염수를 전기분해장치(220)로 유입하기 전에, 오염수에 자기장을 공급함으로써, 오염수에 포함된 오염물질을 작게 분해하고, 상기 오염물질에 포함된 중금속을 자화시킴으로써, 전기분해장치(220)로 유입된 오염수의 전기분해가 보다 효율적으로 이루어지도록 한다.

특히 본 발명은 오염수에 자기장을 공급함으로써, 산업단지 및 광산폐수 또는 지하수에 오염된 유해중금속이나 유기화합물질을 제거하는 데 탁월한 효과가 있으며, 산화가 어려운 중금속, 유기금속화합물, 휘발성유기화합물질 및 염소계나 황산화물이 결합된 유기금속을 제거할 수 있는 효과가 있다.

또한 본 발명은 전기막장치(300)로 유입되는 오염수에 자기장을 공급해 전기막장치(300)에서 2차로 중금속을 제거할 시 보다 효율적을 제거할 수 있는 효과가 있다.

100; 여과장치 200; 중금속제거장치
210; 제1탱크 220; 전기분해장치
230; 제2탱크 240; 제3탱크
250; 자기장장치 260; 전원공급장치
300; 전기막장치 310; 저장탱크
320; 전해탱크 330; 전기막기기

Claims

오염수를 여과하는 여과장치:
여과장치로부터 오염수를 공급받는 제1탱크:
일단이 여과장치에 연결되고 타단이 제1탱크에 연결되어, 여과장치로부터의 오염수가 제1탱크로 이동하는 제1연결라인:
제1탱크로부터 오염수를 공급받는 전기분해장치:
일단이 제1탱크에 연결되고 타단이 전기분해장치에 연결되어, 제1탱크로부터의 오염수가 전기분해장치로 이동하는 제2연결라인:
전기분해장치의 하부에 구비되는 제2탱크:
일단이 전기분해장치의 상부에 연결되고 타단이 제2탱크의 상부에 연결되어, 전기분해장치의 상부에 위치한 상등수가 제2탱크로 이동하는 제3연결라인:
제3연결라인 상에 설치되는 제1밸브:
전기분해장치의 하부에 위치하는 제3탱크:
일단이 제3탱크의 상부에 연결되고 타단이 전기분해장치의 하부에 연결되어, 전기분해장치의 하부에 위치한 하등수가 제3탱크로 이동하는 제5연결라인:
제5연결라인 상에 설치되는 제2밸브:
일단이 제3탱크에 연결되고 타단이 제1탱크에 연결되어, 제3탱크의 오염수가 제1탱크로 이동하는 제6연결라인:
일단이 제2탱크에 연결되는 제4연결라인:
제1연결라인 상에 설치되는 제1자화수기와, 제2연결라인 상에 설치되는 제2자화수기를 구비한 제1자기장장치; 제4연결라인 상에 설치되는 제3 및 제4자화수기를 구비한 제2자기장장치;를 갖춘 자기장장치:
제4연결라인 상에 설치되며, 제3자화수기 및 제4자화수기 사이에 배치되는 마이크로필터:
제4연결라인의 타단이 연결되며 제2탱크로부터 오염수가 유입되는 저장탱크; 전해액을 수용하는 제1 및 제2전해탱크; 중금속을 제거하는 전기막기기; 저장탱크의 오염수가 전기막기기를 순환하도록 저장탱크 및 전기막기기를 연결하는 저장탱크 순환라인; 제1전해탱크의 전해액이 전기막기기를 순환하도록 제1전해탱크 및 전기막기기를 연결하는 제1전해탱크 순환라인; 제2전해탱크의 전해액이 전기막기기를 순환하도록 제2전해탱크 및 전기막기기를 연결하는 제2전해탱크 순환라인;을 갖춘 전기막장치:
를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기장을 이용한 중금속 제거장치.
제1항에 있어서,
상기 전기분해장치는,
상면이 개구되고, 하면이 내부 중심부를 향해 하방으로 경사지게 형성되며, 전기분해가 이루어지는 분해조; 'ㄴ'자 형상을 이루고, 상단이 분해조의 상방으로 돌출되며, 분해조의 내부에 지그재그로 겹치게 배치되는 다수의 전극판; 바 형상을 이루고, 상기 전극판의 상단이 이동가능하게 삽입되며, 상호 대향되는 한 쌍의 극간거리조정기구;를 갖추는 것을 특징으로 하는 전자기장을 이용한 중금속 제거장치.
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