KR101469844B1

KR101469844B1 - 아노다이징 공정의 청정생산 시스템 개발

Info

Publication number: KR101469844B1
Application number: KR20130060835A
Authority: KR
Inventors: 김정호; 조재승
Original assignee: (주)제이스
Priority date: 2013-05-29
Filing date: 2013-05-29
Publication date: 2014-12-08

Abstract

본 발명은 아노다이징 공정의 청정생산 시스템 및 이의 구동방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 양극 산화 공정을 수행하기 위한 제1처리조, 상기 제1처리조에서 배출되는 황산 폐수용액을 황산 수용액으로 정제하기 위한 이온교환 장치, 이때 상기 이온교환 장치를 통해 정제된 황산 수용액은 제1처리조로 유입되도록 이온교환 장치와 제1처리조는 배관 연결되고, 제1 수세 처리 공정을 수행하기 위한 제2처리조, 상기 제2처리조에서 배출되는 폐수세수를 황산 수용액으로 농축하기 위한 전기투석 장치, 이때 상기 전기투석 장치를 통해 농축된 황산 수용액은 제1처리조로 유입되도록 전기투석 장치와 제1처리조는 배관 연결되고, 제2 수세 처리 공정을 수행하기 위한 제3처리조, 상기 제3처리조에서 배출되는 폐수세수를 여과하기 위한 나노필터, 이때 상기 나노필터를 통해 여과된 처리수는 제2처리조 및 제3처리조로 유입되도록 나노필터와 제2처리조 및 제3처리조는 배관 연결된 것을 특징으로 하는 아노다이징 공정의 청정생산 시스템 및 이의 구동방법에 관한 것이다.

Description

아노다이징 공정의 청정생산 시스템 개발{Cleaner Production System in Anodizing and Operating method thereof}

본 발명은 아노다이징 공정에서 발생하는 폐약품 및 폐수세수의 재사용이 가능한 청정 시스템 및 이의 구동 방법에 관한 것이다.

아노다이징은 알루미늄이나 티타늄, 마그네슘과 같이 산소와 반응하는 정도가 큰 금속 표면에 산화작용을 일으켜 균일한 두께의 산화막을 인위적으로 생성시키는 표면 처리 방법 중 하나이다.

상기 아노다이징 표면 처리로 인해 알루미늄 등의 재질로 이루어진 부품 또는 제품 등은 부식매체에 대한 내식성이 향상되고, 오염 방지능이 강화되며 염색 및 착색된 피막의 안정성, 내광(내후)성 등이 향상되는 효과가 있다.

아노다이징 이외에 표면 처리 방법으로 다양한 전기적, 물리적 및 화학적 표면 처리 방법이 있다. 일례로 전기 도금이나 무전해 도금 등이 그 방법들이며, 이들 표면 처리 방법으로 인해 금속의 방청, 외관 미화, 내마모성, 전기절연, 전기 전도성 부여 등의 폭넓은 목적을 달성시킬 수 있다.

아노다이징 표면 처리는 이를 수행하기 전에 재료 표면에 있는 압연류, 이형제, 부유물 등의 이물질이나 산화막을 제거하기 위한 전처리 공정을 수행한다. 이러한 전처리 공정을 수행함으로써 아노다이징을 통한 산화막이 재료 표면에 균일하게 형성된다.

전처리 공정은 크게 기계적 전처리와 화학적 전처리로 나뉜다.

기계적 전처리 과정으로는 프레스, 용접, 기타 가공에 의해 손상된 표면 거침의 평활화, 표면의 광택 다듬질, 샌드블라스트, 배럴 등 표면의 겉모양 붙이기 등이 있다.

화학적 전처리 과정으로는 탈지, 유기 용제 탈지, 알칼리 에칭, 산에칭, 중화, 스머트 제거 처리, 전해 연마, 보호피막 제거 처리 공정이 있으며, 이는 각 재료에 따라 선택하여 공정이 이루어진다.

통상적인 아노다이징 전처리 공정은 에칭, 중화 및 수세 공정으로 이루어진다. 에칭은 재료 표면 긁힘, 압출 제품의 다이라인, 드로잉 제품의 금형 자국 제거, 또는 표면의 무광택을 목적으로 하는 처리 공정으로, 탈지가 불충분하거나 불안정한 경우 에칭 작업을 통해 완전 탈지되는 효과를 얻는다. 에칭은 약품으로 알칼리 또는 산이 사용될 수 있으며, 약품 종류에 따라 알칼리 에칭, 인산/황산을 이용하는 산 에칭이 있다.

중화는 알칼리 에칭 후 제품 표면에 나타나는 스머트를 제거하고 다음 공정에서 원활하게 하기 위해 수행하는 공정이다. 일례로, 알루미늄 합금의 경우 Si, Mg, Fe, Cu 등의 금속이 알루미늄 상에 침착되어 있기 때문에 스머트가 발생하며, 이는 질산을 이용하여 제거한다. 통상 5∼50%의 질산 수용액을 사용하여 상온에서 수행한다.

수세는 중화가 끝낸 알루미늄 재료의 표면을 증류수 등으로 세척하는 공정으로, 수세 공정이 완료된 후 아노다이징을 수행한다.

이와 같은 아노다이징 처리 공정 상에서 발생되는 폐기물들은 주로 탈지공정, 엣칭공정, 산세공정, 양극 산화 처리공정, 봉공처리 공정 및 각각의 수세 공정 등에서 발생한다.

또한 처리 공정에서 사용되는 약품들의 경우는 알루미늄 소재의 손상을 주지 않는 범위 내에서 적용약품의 농도와 용액성(pH)이 결정되고, 연마의 경우 소재자체가 강하지 못하다 보니 입자가 작은 샌드 블라스트로 처리하며 이때 깨진 입자들에 의한 분진이 발생한다.

특히 양극 산화처리 공정에서는 15~20% 황산의 강산성 용액으로 처리하며, 이때 처리용액인 황산이 방출된다. 따라서 아노다이징 제조 공정상에서는 폐수 및 폐기물 그리고 반응가스 등의 1차 오염원과 제품의 수세를 통한 2차 오염원 등 강산성 및 강알칼리성 폐수와 폐기물이 발생된다. 이러한 폐수의 양과 농도는 폐수처리 비용 및 슬러지 발생량을 좌우하기 때문에 경제적인 처리 시스템 구축이 필요한다.

일본공개특허 제07-189000호는 양극 산화 처리 후 알루미늄(aluminium)재의 세정 배수처리방법에 관한 것으로, 황산을 주성분으로 하는 전기분해액으로 알루미늄 또는 알루미늄합금으로부터 되는 알루미늄 재를 양극 산화 한 후의 알루미늄 재를 세척수로 세정 했을 때에 발생 하는 세정 배수를 처리함에 있어서, 이 세정 배수를 역삼투침투법에 의해 농축 해, 회수 된 침투 액을 세척수로서 순환 사용 함과 동시에, 회수 된 농축 액을 전기분해액의 일부로서 순환 사용하는 방법을 개시하고 있다.

일본공개특허 평07-189000호

이에 본 발명자들은 아노다이징 공정에서 발생하는 황산 폐수용액이나 폐수세수를 재사용하기 위한 방법에 대해 다각적으로 연구를 수행한 결과, 각각의 폐약품을 정제, 분리에 적합한 장치를 연결하고, 이를 통해 황산 폐수용액 및 폐수세수의 재사용이 가능함을 확인하고, 이를 토대로 본 발명을 완성하였다.

따라서 본 발명의 목적은 황산 폐수용액 및 폐수세수의 재사용이 가능한 아노다이징 공정의 청정 시스템 및 이의 구동방법을 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은

양극 산화 공정을 수행하기 위한 제1처리조,

상기 제1처리조에서 배출되는 황산 폐수용액을 황산 수용액으로 정제하기 위한 이온교환 장치, 이때 상기 이온교환 장치를 통해 정제된 황산 수용액은 제1처리조로 유입되도록 이온교환 장치와 제1처리조는 배관 연결되고,

제1 수세 처리 공정을 수행하기 위한 제2처리조,

상기 제2처리조에서 배출되는 폐수세수를 황산 수용액으로 농축하기 위한 전기투석 장치, 이때 상기 전기투석 장치를 통해 농축된 황산 수용액은 제1처리조로 유입되도록 전기투석 장치와 제1처리조는 배관 연결되고,

제2 수세 처리 공정을 수행하기 위한 제3처리조,

상기 제3처리조에서 배출되는 폐수세수를 여과하기 위한 나노필터, 이때 상기 나노필터를 통해 여과된 처리수는 제2처리조 및 제3처리조로 유입되도록 나노필터와 제2처리조 및 제3처리조는 배관 연결된 것을 특징으로 하는 아노다이징 공정의 청정생산 시스템을 제공한다.

또한, 본 발명은

제1처리조에서 양극 산화 공정 후 발생하는 황산 폐수용액을 이온교환 장치를 통과시켜 황산 수용액으로 정제하고, 이때 정제된 황산 수용액을 상기 제1처리조로 반송하는 단계;

제2처리조에서 제1 수세 처리 공정 후 발생하는 폐수세수를 전기투석 장치를 통과시켜 황산 수용액으로 농축하고, 이때 농축된 황산 수용액을 상기 제1처리조로 반송하는 단계;

제3처리조에서 제2 수세 처리 공정 후 발생하는 폐수세수를 나노필터를 통과시켜 여과하고, 이때 여과된 처리수를 상기 제2처리조 및 제3처리조로 반송하는 단계

를 포함하는 아노다이징 공정의 청정생산 시스템 구동 방법을 제공한다.

본 발명에 따른 청정 생산 시스템은 폐약품 및 폐수세수의 재사용을

가능케 함으로써 작업에 따른 부대비용과 함께 환경 부담을 줄일 수 있는 이점이

있다.

도 1은 본 발명에 따른 아노다이징 처리 공정에서의 청정 생산 시스템을 보여주는 모식도이다.

이하 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 아노다이징 처리 공정에서의 청정 생산 시스템을 보여주는 모식도이다. 이때 각각의 구성에 이 분야에서 공지된 바의 추가 구성의 설계가 가능하다.

도 1을 보면, 아노다이징 처리 공정은 양극 산화 공정, 제1 수세 공정 및 제2수세 공정으로 진행된다. 이때 각각의 공정은 이를 수행하기 위한 각각의 처리조, 즉, 제1처리조(10), 제2처리조(20) 및 제3처리조(30) 내에서 수행한다.

각각의 처리조(10, 20, 30)는 공정 후 발생하는 폐수(폐약품 또는 폐수세수)를 방류하지 않고 본 발명에서 제시하는 재생 처리 장치를 통해 처리 후 재사용할 수 있다.

상기 재생 처리 장치는 처리 공정에 따라 달라진다. 즉, 처리 공정에서 각각의 목적에 맞게 사용된 처리액의 조성에 차이가 있으므로, 이러한 조성의 재생을 효과적으로 진행할 수 있도록 각 처리 공정에 적합한 재생 처리 장치를 도입한다.

양극 산화 공정이 이루어지는 제1처리조(10)는 이온교환 장치(Ion Exchange, 15)와 연결되고, 제1 수세가 이루어지는 제2처리조는 전기투석 장치(ED, electrodialysis, 25)와 연결되며, 제2 수세가 이루어지는 제3처리조(30)는 나노필터(NF, nanofiltration, 35)과 연결된다.

양극 산화 공정은 알루미늄 재질의 금속 모재 표면에 양극 산화 공정을 수행하여 양극 산화 피막을 형성한다. 이를 위해, 알루미늄 재질의 금속 모재를 양극(positive electrode)으로 하고, 이를 전해액 용액에 침지한 후 전압을 인가하여 양극화(Anodization)가 발생하도록 한다. 이때 인가된 전압에 의해 금속 모재가 표면에서부터 전기적으로 산화되어 상기 금속 모재의 표면이 양극 산화 피막인 알루미늄 산화막(Al₂O₃)으로 전환된다. 이러한 양극 산화 공정에 사용되는 전해액은 15∼18 중량%의 황산 수용액을 사용한다.

이에 본 발명에서는 일정 기간 사용 후 황산 폐수용액을 이온교환 장치(15)로 처리하여 황산 수용액으로 정제한다. 이때 황산 폐수용액은 이온교환 장치(15) 내 이온교환수지가 충진된 컬럼으로 공급되면서 유리산은 컬럼 내에 흡착되는 반면 금속염은 그대로 통과되어 외부로 배출되며, 이온교환수지에 흡착된 유리산은 컬럼으로 공급되는 물에 용해되어 정제된 황산 수용액으로 얻을 수 있다.

이러한 이온교환 장치(15)는 당 업계에서 널리 알려진 공지 기술로 이루어지므로, 본 명세서에서 그 구성의 더욱 자세한 설명은 생략한다.

상기 이온교환 장치(15)와 제1처리조(10)는 도 1에 도시한 바와 같이 제1 연결 라인(L1) 및 제2 연결 라인(L2)으로 연결된다. 상기 제1 연결 라인(L1)을 통해 이온교환 장치(15)로 유입된 황산 폐수용액은, 정제 과정을 거쳐 황산 수용액으로 생산되고, 생산된 황산 수용액은 제2 연결 라인(L2)을 통해 다시 제1처리조(10)로 반송하여 재사용이 이루어지도록 하며, 금속염은 폐기를 위해 제1 배출라인(51)을 통해 배출한다.

상기 양극 산화 공정 이후 후속의 공정을 위해 제1 수세 처리 공정이 수행된다. 수세 공정은 금속 표면을 증류수 등으로 세척하는 공정으로서 과량의 물이 사용된다. 이때 폐수세수 내에는 이전의 양극 산화 공정에서 사용하는 황산 등의 약품이 잔류하게 된다.

이에 본 발명에서는 일정 기간 사용 후 폐수세수를 전기투석 장치(25)와 연결하여 폐수세수 내 황산을 농축하여 황산 수용액으로 얻는다.

전기투석 장치(25)는 전기장 내에서 양이온교환막과 음이온교환막을 통해 이온을 통과시킴으로써 수용액 중의 전해질의 이온 교환이나 정제, 농축을 하는 공정을 수행할 수 있는 장치로서, 전기투석 장치(25)를 통해 무기 이온 등을 제거하여 폐수세수를 황산 수용액과 희석액으로 분리할 수 있다. 이에 전기투석 장치(25)로는 본 발명에서 특별히 한정하지 않으며, 이 분야에서 공지된 바의 전기투석 장치(25)가 사용될 수 있다.

제2처리조(10)와 전기투석 장치(25)는 제3 연결 라인(L3)를 통해 연결되어, 제2처리조로부터 폐수세수는 제3 연결 라인(L3)를 유동하며 전기투석 장치(25)로 이송된다. 제1처리조(10)와 전기투석 장치(25)는 제4 연결 라인(L4)로 연결되어, 전기투석 장치(25)를 통해 생성된 황산 수용액은 제4 연결 라인(L4)로 반송되어 재사용이 이루어진다. 또한, 전기투석 장치(25)에서 생성된 희석액은 제5 연결 라인(L5)를 통해 제2 처리조로 반송되어 수세수로 재사용된다.

추가로, 상기 수세 공정 이후 실링 공정이 수행될 수 있다. 상기 실링은 알루미늄의 봉공 처리를 위한 작업으로서, 농도 4∼6 g/ℓ, 온도는 85∼90℃의 고온으로 약 30분 동안 고온실링제(제품명 DN1508)에 침적시켜 실링막을 형성한다.

상기 실링 공정 이후 제2 수세 처리 공정이 수행된다. 이때 폐수세수 내에는 알루미늄, 무기 이온 등이 잔류하게 된다.

이에 본 발명에서는 일정 기간 사용 후 폐수세수를 나노필터(35)와 연결하여 폐수세수를 여과 처리하여 처리수와 농축수로 분리한다.

나노 필터(12)는 수 내지 수십 nm 정도의 기공크기를 지닌 필터로서, 낮은 수압에서도 사용이 가능하며, 상기 폐수세수 내 용존 알루미늄, 무기 이온 등을 효과적으로 제거할 수 있다. 이에 나노 필터(12)로는 본 발명에서 특별히 한정하지 않으며, 이 분야에서 공지된 바의 나노 필터(12)가 사용될 수 있다.

상기 나노필터(35)는 제7 연결 라인(L7)을 통해 제2 처리조(20)과 연결되고, 제6 연결 라인(L6) 및 제8 연결 라인(L8)을 통해 제3처리조(30)와 연결된다. 이에 따라 제6 연결 라인(L6)를 유동하며 나노필터(35)로 유입된 폐수세액은 나노필터에서 여과 처리되어 처리수와 농축수로 생성된다. 상기 처리수는 수세수로 재사용하기 위해 제7 연결라인(L7) 및 제8 연결라인(L8)을 통해 각각 제2 처리조(20) 및 제3 처리조(30)로 반송되어 유입된다. 농축수는 제2 배출라인(52)을 통해 폐기를 위해 외부로 배출된다.

이와 같이, 본 발명에서 제시하는 청정 생산 시스템은 종래 방류 처리하였던 약품 및 수세수를 다양한 장치를 통해 재사용함에 따라 작업에 따른 부대비용과 함께 환경 부담을 저감할 수 있는 이점이 있다.

이하, 실시예를 통해 본 발명을 상세히 설명하고자 한다. 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 함이며 본 발명의 범위가 이 실시예로 제한되지는 않는다.

실험예 1

양극 산화 공정 후 황산 폐수용액 중의 무기물이온 농도 측정은 ICP-OES 장비를 사용하여 측정하였다. 그 결과는 아래 표 1에 나타내었다.

분석항목 (단위: ppm)	1차	2차	3차	시험방법
Al	10,155	9,793	10,834	EPA 3050B 1996 ICP-OES
Si	6	13	16
Fe	209	217	207
Cu	16	14	11
Mn	13	13	13
Mg	205	200	208
Cr	22	25	24
Ni	13	14	13
Zn	36	38	40
Ti	ND	ND	ND

위 표 1에 나타낸 바와 같이, 무기물 이온들 중에서 대부분의 이온들은 검출 되었으며, 특히 Fe, Mg 등은 높은 수치를 보였고, Ti 등은 검출되지 않았다.

양극 산화 공정 후 발생하는 황산 폐수용액을 본 발명에 따른 이온교환 장치 통과 전후 무기물이온의 농도를 위와 동일한 방법으로 측정하고, 그 결과를 아래 표 2에 나타내었다.

분석항목 (단위: ppm)	이온교환장치 전	이온교환장치 후	전기투석장치 전	전기투석장치 후	나노필터 전	나노필터 후	시험방법
Al	5,696	1,052	3.541	0.013	3.213	1.012	EPA 3050B 1996 ICP-OES
Si	6	ND	4.1	ND	3.98	ND
Fe	130	41	100.42	10.5	105.3	38.52
Cu	62	18	45.3	7.6	49.5	12.32
Mn	10	ND	5.2	ND	5.79	ND
Mg	152	42	101.53	8.1	105.7	12.75
Cr	8	ND	6.5	ND	7.56	ND
Ni	ND	ND	ND	ND	ND	ND
Zn	9	ND	3	ND	2.79	ND
Ti	ND	ND	ND	ND	ND	ND

상기 표 2를 참조하면, 이온교환 장치 통과 전의 경우는 무기물 이온들 중에서 대부분의 이온들은 검출되었으며, 특히 Fe, Mg 등은 높은 수치를 보였으나, 통과 후의 경우는 무기물 이온들 중에서 Fe, Cu, Mg 등은 검출된 반면, Mn, Cr, Ni, Zn, Ti 등은 검출되지 않았다.

또한, 18 중량% 황산 수용액으로 양극 산화 공정을 수행한 후 발생한 황산 폐수용액을 이온교환 장치를 통해 정제하여 얻은 황산 수용액을 보메 비중계로 측정 결과 40 중량% 황산 수용액으로 정제할 수 있음을 확인하였다.

10...제1처리조 20...제2처리조
30...제3처리조 15...이온교환 장치
25...전기투석 장치 35...전기투석장치
L1, L2, L3, L4, L5, L6, L7, L8...연결라인

Claims

양극 산화 공정을 수행하기 위한 제1처리조,
상기 제1처리조에서 배출되는 황산 폐수용액을 황산 수용액으로 정제하기 위한 이온교환 장치, 이때 상기 이온교환 장치를 통해 정제된 황산 수용액은 제1처리조로 유입되도록 이온교환 장치와 제1처리조는 배관 연결되고,
제1 수세 처리 공정을 수행하기 위한 제2처리조,
상기 제2처리조에서 배출되는 폐수세수를 황산 수용액으로 농축하기 위한 전기투석 장치, 이때 상기 전기투석 장치를 통해 농축된 황산 수용액은 제1처리조로 유입되도록 전기투석 장치와 제1처리조는 배관 연결되고,
제2 수세 처리 공정을 수행하기 위한 제3처리조,
상기 제3처리조에서 배출되는 폐수세수를 여과하기 위한 나노필터, 이때 상기 나노필터를 통해 여과된 처리수는 제2처리조 및 제3처리조로 유입되도록 나노필터와 제2처리조 및 제3처리조는 배관 연결된 것을 특징으로 하는 아노다이징 공정의 청정생산 시스템.
제1항에 있어서, 상기 제1처리조와 이온교환 장치는 제1 연결 라인 및 제2 연결 라인을 통해 연결되어, 황산 폐수용액은 제1 연결 라인을 통해 이온교환 장치로 유입되고, 정제된 황산 수용액은 제2 연결 라인을 통해 제1처리조로 반송되는 것을 특징으로 하는 청정생산 시스템.
제1항에 있어서, 상기 제2처리조와 전기투석 장치는 제3 연결 라인 및 제5 연결 라인을 통해 연결되어, 폐수세수는 제3 연결 라인을 통해 전기투석 장치로 유입되고, 전기투석 장치를 통해 발생하는 희석액은 제5 연결 라인을 통해 제2처리조로 반송되는 것을 특징으로 하는 청정생산 시스템.
제1항에 있어서, 상기 제1처리조와 전기투석 장치는 제4 연결 라인을 통해 연결되어, 농축된 황산 수용액은 제4 연결 라인을 통해 제1처리조로 유입되는 것을 특징으로 하는 청정생산 시스템.
제1항에 있어서, 상기 제3처리조와 나노필터는 제6 연결 라인 및 제8 연결 라인을 통해 연결되어, 폐수세수는 제6 연결 라인을 통해 나노필터로 유입되고, 처리수는 제8 연결 라인을 통해 제3처리조로 반송되는 것을 특징으로 하는 청정생산 시스템.
제1항에 있어서, 상기 제2처리조와 나노필터는 제7 연결 라인을 통해 연결되어, 처리수는 제7 연결 라인을 통해 제2처리조로 유입되는 것을 특징으로 하는 청정생산 시스템.
제1처리조에서 양극 산화 공정 후 발생하는 황산 폐수용액을 이온교환 장치를 통과시켜 황산 수용액으로 정제하고, 이때 정제된 황산 수용액을 상기 제1처리조로 반송하는 단계;
제2처리조에서 제1 수세 처리 공정 후 발생하는 폐수세수를 전기투석 장치를 통과시켜 황산 수용액으로 농축하고, 이때 농축된 황산 수용액을 상기 제1처리조로 반송하는 단계;
제3처리조에서 제2 수세 처리 공정 후 발생하는 폐수세수를 나노필터를 통과시켜 여과하고, 이때 여과된 처리수를 상기 제2처리조 및 제3처리조로 반송하는 단계
를 포함하는 아노다이징 공정의 청정생산 시스템 구동 방법.
제7항에 있어서, 상기 전기투석 장치를 통해 발생하는 희석액을 제2처리조로 반송하는 것을 특징으로 하는 구동 방법.