KR101611369B1

KR101611369B1 - 폐자원을 이용한 폐수처리용 응집제 제조방법

Info

Publication number: KR101611369B1
Application number: KR1020150094432A
Authority: KR
Inventors: 조성선; 김기원; 최인철; 채호준
Original assignee: 넥스테크(주); (유)아톤산업
Priority date: 2015-07-02
Filing date: 2015-07-02
Publication date: 2016-04-14

Abstract

본 발명은 폐자원을 이용한 폐수처리용 응집제 제조방법에 관한 것으로서, PAC 저장탱크 내에서 발생되는 침전물과 제강공정에서 발생하는 산화제이철의 폐자원을 이용하여 AFC를 얻고, 이후 중합반응을 통한 응집성능이 우수한 폐수처리용 PAFC 응집제를 제조하기 위한 것이다.
이를 실현하기 위한 본 발명은, 폴리염화알루미늄 저장탱크내에 침전된 비결정질 수산화알루미늄과 제강공정에서 발생하는 산화제이철, 그리고 염산을 혼합기(10)에서 혼합시키는 혼합단계와;(ST 1) 상기 혼합된 혼합물을 반응기(20)에 투입하여 80~110℃ 온도조건에서 1~5시간동안 반응작용이 이루어짐으로 염화알루미늄제이철(AFC)이 형성되도록 하는 반응단계와;(ST 2) 상기 반응단계에서 형성된 AFC를 탄산염 및 과산화수소와 함께 숙성기(30)에 투입하여 저온에서 2~6시간동안 열중합 반응시킴으로서 폴리염화알루미늄제이철(PAFC)이 제조되도록 하는 숙성단계;(ST 3)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

폐자원을 이용한 폐수처리용 응집제 제조방법{COHESIVE AGENTS MANUFACTURE METHOD FOR WASTEWATER TREATMENT}

본 발명은 폐수처리용 응집제 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 버려지는 폐자원을 재활용하여 응집성능이 우수한 폐수처리용 폴리염화알루미늄제이철(PAFC) 응집제를 제조하는 기술에 관한 것이다.

일반적으로 산업폐수를 처리하는데 있어서는 수처리용 응집제가 사용된다.

특히, 제지공업은 다량의 공업용수 사용에 따른 폐수, 종이찌꺼기인 슬러지, 그리고 표백과정 중 배출되는 염소잔류물 등 다양한 오염물질을 발생시킴에 따라 환경오염 방지시설에 대한 연구 및 투자의 비용 부담이 많은 공해유발산업이며, 제지공정에서 발생되는 폐수의 처리방법으로 가장 광범위하게 사용되는 응집 침전법은 수용성 철염 계통의 무기응집제 및/또는 수용성 알루미늄염 계통의 무기응집제를 투입하여 오염 물질을 제거하고 있다.

이러한 산업폐수의 오염 물질 제거를 위해 사용되는 수처리용 응집제로서 종래에는 황산반토(Alum 또는 황산알루미늄라고도 불림), 폴리염화알루미늄(Poly Aluminum Chloride : 이하 PAC라 한다) 등이 사용되고 있으며, 황산반토(Alum)와 같은 알루미늄 단분자 응집제는 응집효과가 낮기 때문에 근래에는 고분자 형태인 폴리염화알루미늄(PAC)이 주로 사용되고 있다.

한편, 특허등록 제1409870호에서는 고염기도의 폴리염화알루미늄 응집제의 제조에 관련된 기술이 제안된 바 있다.

그러나, 상기한 종래 기술에서는 응집제의 제조를 위한 성분으로 수산화알루미늄, 염산, 수산화나트륨, 수산화마그네슘 등의 성분이 투입되어지게 됨으로 폴리염화알루미늄의 제조를 위한 생산비용이 증가되는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기한 종래 기술에서의 문제점을 개선하기 위해 제안된 것으로서, PAC 저장탱크 내에서 발생되는 침전물과 제강공정에서 발생하는 산화제이철을 이용하여 응집성능이 우수한 폴리염화계열의 응집제를 제조함으로서 제품의 생산비용을 절감시킴과 함께 폐수의 응집효율을 극대화하는데 목적이 있다.

상기 목적을 이루기 위한 본 발명의 제조방법은, 폴리염화알루미늄 저장탱크내 수산화알루미늄 침전물과 제강공정에서 발생하는 산화제이철, 그리고 염산을 혼합기(10)에서 혼합시키는 혼합단계와; 상기 혼합된 혼합물을 반응기(20)에 투입하여 80~110℃ 온도조건에서 1~5시간동안 반응작용이 이루어짐으로 염화알루미늄제이철(AFC)이 형성되도록 하는 반응단계와; 상기 반응단계에서 형성된 AFC를 탄산염 및 과산화수소와 함께 숙성기(30)에 투입하여 저온에서 2~6시간동안 열중합 반응시킴으로서 폴리염화알루미늄제이철(PAFC)이 제조되도록 하는 숙성단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이러한 본 발명은, PAC 저장탱크 내에서 발생되는 침전물과 제강공정에서 발생하는 산화제이철의 폐자원을 이용하여 AFC를 얻고, 이후 중합반응을 통하여 응집성능이 우수한 폐수처리용 PAFC 응집제를 제조할 수 있게 된다.

특히, 고온에서만 반응이 가능한 수산화알루미늄을 대신하여 비결정질의 PAC 침전물을 이용함으로서 반응온도를 낮출 수 있게 됨으로 친환경성 및 경제성을 향상시키는 이점을 나타낸다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 폐수처리용 응집제 제조과정 공정도.
도 2는 본 발명의 사용 원료인 수산화알루미늄의 Gibb's Energy 분포 그래프.
도 3은 본 발명의 PAFC와 AFC의 ferron test 결과 비교 그래프.

이하, 본 발명의 구체적인 실시 예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 살펴보기로 한다.

먼저, 본 발명의 일 실시 예에 따른 폐수처리용 응집제 제조과정을 도 1의 공정도를 통해 살펴보기로 한다.

<원료 혼합단계>(ST 1)

혼합기(10) 내에 수처리 설비의 폴리염화알루미늄(PAC) 저장탱크내에 침전된 비결정질의 수산화알루미늄[Al(OH)₃(amorph)] 침전물과, 제강공정에서 발생하는 산화제이철(Fe₂O₃), 그리고 염산(HCl)을 투입하여 공정수와 함께 고르게 혼합시키게 된다.

즉, 폴리염화알루미늄 저장탱크 내의 PAC침전물은 비결정질의 수산화알루미늄[Al(OH)₃(amorph)]이 대부분인데, 도 2에서 확인되는 바와 같이 Gibb's Energy를 보면 Al(OH)₃의 결정질(gibbsite)에 비해 비결정질(amorph)에 따른 Al(OH)₃(amorph)이 좀더 불안정함이 파악된다.

따라서, 본 발명에서 사용되는 비결정질의 수산화알루미늄이 일반적인 결정질 수산화알루미늄에 비해 보다 온화한 조건에서 반응이 가능하게 되어 반응효율이 뛰어남과 함께 폐기물의 재순환에 따른 에너지 절감 효과를 나타낼 수 있게 됨을 알 수 있다.

한편, 이때 혼합비율은 건조된 수산화알루미늄 침전물 5~10중량%, 산화제이철 1~5중량%, 염산 10~20중량%에 공정수 65~80중량%로 혼합이 이루어짐이 바람직하다.

<반응단계>(ST 2)

이후, 상기에서 혼합된 혼합물을 반응기(20)에 투입하여 80~110℃ 온도조건에서 1~5시간동안 반응작용이 이루어짐으로 염화알루미늄제이철(AFC;Aluminium Ferric Chloride)을 얻게 된다.

이때, 반응기(20)에 혼합물을 투입하는 과정에서는 회전수 500rpm의 고속균질기(15)를 이용하여 투입을 실시함으로서 혼합물의 미립자화를 증진시킬 수 있게되고, 이에 따른 중합 가속도를 높일 수 있게 된다.

이와 같이 제조된 AFC는 Al과 Fe을 동시에 합성함으로써 폴리염화알루미늄이 갖지 못한 침강성, 넓은 PH range 적용 등의 장점이 추가되어 난분해성 물질이 많은 제지 폐수의 처리에 적합하게 적용가능하고, 우수한 침강성으로 탈수 효율이 증대된다.

<숙성단계>(ST 3)

상기 반응단계에서 형성된 AFC를 탄산염 및 과산화수소(H₂O₂)와 함께 숙성기(30)에 투입하여 약 10~40℃의 저온에서 2~6시간동안 120rpm의 교반속도로 열중합 반응시킴으로서 폴리염화알루미늄제이철(PAFC:Poly Aluminium Feric Chloride)이 제조되어지게 된다.

즉, 본 단계에서는 AFC의 중합도를 높고 응집성능을 향상시키기 위한 과정으로, 탄산염은 중합도 및 염기도를 향상시키는 기능을 수행하며, 과산화수소는 중합속도 및 안정성 향상에 도움을 주는 기능을 수행하게 된다.

또한, pH 강하도 작아 더욱 넓은 범위의 PH 폐수에 적용이 가능하게 된다.

이때, 탄산염은 Na₂CO₃ 또는 CaC0₃가 선택적으로 사용되며, 투입 비율은 AFC 80~93중량%와 탄산염 3~10중량%, 과산화수소 2~10중량%를 이루도록 함이 바람직하다.

이와 같은 과정을 통해 제조된 본 발명의 PAFC 응집제는 하기의 [표 1] 내지 [표 3]에서 확인되는 바와 같이 종래 폐수처리용 응집제로 사용되던 황산반토(Alum) 및 PAC에 비하여 폐수(1차처리수, 오니, 농축조) 처리효율이 우수하게 나타남을 확인할 수 있다.

1차처리수-무기응집제(500ppm)-고분자응집제-JARTEST교반-응집상태관찰
무기응집제	탁도	응집상태	침전속도	슬러지부피	평가
무기응집제	단위(NTU)	상대비교
Alum(종래)	107.0	1.1	1.2	1.1
PAC(종래)	101.2	1.3	1.1	1.1
PAFC(본발명)	98.6	1.3	1.3	1.2	우수

<고분자응집제 투입량: 200ppm>

오니-무기응집제(100ppm)-고분자응집제-JARTEST교반-응집상태관찰
무기응집제	응집상태	침전속도	슬러지부피	재응집	평가
무기응집제	상대비교
Alum(종래)	1.1	1.0	1.0	1.0
PAC(종래)	1.2	1.0	1.1	1.1
PAFC(본발명)	1.3	1.3	1.3	1.2	우수

<고분자응집제 투입량: 1000ppm>

농축조-무기응집제(500ppm)-고분자응집제-JARTEST교반-응집상태관찰
무기응집제	탁도	응집상태	침전속도	슬러지부피	평가
무기응집제	단위(NTU)	상대비교
Alum(종래)	810	1.1	1.0	1.0
PAC(종래)	802	1.1	1.1	1.1
PAFC(본발명)	794	1.3	1.3	1.3	우수

<고분자응집제 투입량: 3000ppm>

한편, 도 3은 본 발명의 방법에 의해 제조된 PAFC의 중합도 상승 검증을 위한 ferron test 결과 그래프이다.

즉, 알루미늄 가수분해종을 분석하는 방법으로는 착화합제와 반응률에 기초한 방법으로 8-quinolinol 추출방법, 페론(ferron; 8-hydroxy-7-iodoquinoline-5-sulfonic acid)방법, aluminon 방법 등이 있으며, 기기분석방법으로는 Al NMR과 FT-IR 분석방ㅂ버 등이 있다. 이 중에서 ferron test가 가장 간단하고 정확하여 많은 연구자들에 의해 사용되고 있으며, Al NMR과 FT-IR 분석에 의해 재검증되어 신뢰성이 입증된 바 있다.

그 원리는 ferron과 알루미늄 가수분해종과의 상호반응 속도에 의해 무기응집제 내의 Al종의 중합정도를 구분할 수 있는 것이다. 즉, 모노머성 알루미늄 가수분해종은 ferron과 빠르게 반응하여 흡광도가 증시 일정하게 되며, 폴리머성 알루미늄은 ferron과 일정속도로 반응하여 평형에 이르면 흡광도가 일정하게 되고, 침전물 형태의 알루미늄 가수분해종은 ferron과 반응하지 않는다는 사실을 기초로 하였다.

실제 실험결과, AFC에 비해 PAFC의 모노머성 알루미늄 가수분해종의 흡광도가 0.140에서 0.070으로 1/2 감소한데 반해, 폴리머성 알루미늄 가수분해종의 흡광도는 0.023에서 0.093으로 약4배 증가한 것을 확인하였다.

따라서, PAFC의 중합도가 상대적으로 높게 상승된 것을 확인할 수 있었다.

한편, 본 발명의 응용된 다른 실시 예로서 숙성단계(ST 3)에서는 AFC, 탄산염, 과산화수소의 투입과정에서 벤조일퍼옥사이드 1~5중량% 및 테르펜액 1~3중량%가 추가로 첨가됨과 함께 숙성시간을 단축시킬 수 있도록 숙성기(30) 내에 원적외선 램프를 설치하여 탄산염의 열중합 반응의 활성화를 위한 원적외선 방사가 이루어지도록 하게 된다.

이와 같은 방법을 실시하게 되면, 벤조일퍼옥사이드에 의해 처리수 부영향화의 영향물질인 인의 농도 증가가 억제되어질 수 있게 되며, 이와 함께 테르펜액이 원적외선 작용으로 인해 활성화 되어지면서 Na₂CO₃ 또는 CaC0₃와 결합력이 증대되어 탄산염의 열중합 반응 속도를 극대화할 수 있게 된다.

10 : 혼합기 15 : 고속균질기
20 : 반응기 30 : 숙성기

Claims

폴리염화알루미늄 저장탱크내에 침전된 비결정질 수산화알루미늄과 제강공정에서 발생하는 산화제이철, 그리고 염산을 혼합기(10)에서 혼합시키는 혼합단계와;(ST 1)
상기 혼합된 혼합물의 미립자화를 위해 고속균질기(15)를 이용하여 반응기(20)에 투입하여 80~110℃ 온도조건에서 1~5시간동안 반응작용이 이루어짐으로 염화알루미늄제이철(AFC)이 형성되도록 하는 반응단계와;(ST 2)
상기 반응단계에서 형성된 AFC를 탄산염 및 과산화수소(H₂O₂)와 함께 숙성기(30)에 투입하여 저온에서 2~6시간동안 열중합 반응시킴으로서 폴리염화알루미늄제이철(PAFC)이 제조되도록 하되, 투입되는 탄산염은 CaC0₃가 사용되며, 투입 비율은 AFC 80~93중량%와 탄산염 3~10중량%, 과산화수소 2~10중량%으로 이루어지는 숙성단계;(ST 3)
를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐자원을 이용한 폐수처리용 응집제 제조방법.
삭제
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 숙성단계(ST 3)에서는 벤조일퍼옥사이드 1~5중량% 및 테르펜액 1~3중량%가 추가로 첨가되며,
상기 숙성단계(ST 3)에서는 숙성시간을 절감시킬 수 있도록 숙성기(30) 내에 원적외선 램프를 설치하여 탄산염의 열중합 반응 활성화를 위한 원적외선 방사가 이루어지는것을 특징으로 하는 폐자원을 이용한 폐수처리용 응집제 제조방법.
삭제