KR101655240B1 - 기울어진 전극과 초음파를 이용한 전기화학적 폐수처리 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기울어진 전극과 초음파를 이용한 전기화학적 폐수처리 장치에 관한 것으로, 그 목적은 전기분해를 이용하여 폐수처리 시 협소한 간격을 가지는 전극 간을 통과하는 폐수의 교반효율을 높이기 위해 전극을 일정 각도로 기울여 설치하고 전해반응 시 발생된 전극생성물질과 전극반응 대상물질에 초음파를 인가함으로써 전해 효율을 높이고 전극 표면에서의 스케일 부착을 저감시킬 수 있는 전기화학적 폐수처리 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 구성은 유입된 폐수를 저장한 전기화학 반응조에 설치되어 폐수에 포함된 전극반응대상물질과 전해반응 후 전극표면에서 발생한 기포를 포함하는 전극생성물질 간의 교반 효율을 높이고 스케일 발생을 억제하기 위해 협소한 간극을 가지는 양전극과 음전극이 일정 각도로 기울어져 설치 구성된 전극과; 상기 전극에 전원을 공급하는 전원공급장치와; 전해반응 후 상기 전극에 형성된 기포 및 미세 전극반응대상물질을 가진시켜 교반력을 증진시키도록 전기화학반응조에 설치된 초음파 진동자와; 상기 초음파진동자를 발진시키는 초음파 발진기;를 포함하여 구성된 기울어진 전극과 초음파를 이용한 전기화학적 폐수처리 장치를 발명의 특징으로 한다.

Description

기울어진 전극과 초음파를 이용한 전기화학적 폐수처리 장치{Apparatus for electrochemical treatment of wastewater using inclined electrode and supersonic}

본 발명은 기울어진 전극과 초음파를 이용한 전기화학적 폐수처리 장치에 관한 것으로, 자세하게는 폐수를 전기분해 처리시 전극의 각도와 초음파를 통해 처리대상 폐수의 교반효율을 높임으로써 전기화학 반응의 효율을 높이고 전극에 부착되는 스케일을 억제한 기술에 관한 것이다.

일반적으로 1906년 최초의 특허가 발표(Hydro-Enhancement Inc. 자료, 13702 Forest Roct Drive)된 이래, 전기응집(EC : Electrocoagulation) 및 전기분해 원리 및 공정을 이용한 수처리 장치에 관한 특허가 많이 발표되었고 현재도 많은 특허출원과 연구가 진행되고 있다.

전기응집(EC : Electrocoagulation) 기술은 수소가스제조, 도금공업등의 분야에서 널리 이용되던 전기분해 기술을 수처리 분야에 적용한 기술로 전해조에 장치된 양극에서 용출되는 금속에 의한 금속수산화물을 생성시켜 폐수 중의 콜로이드성(Colloid) 물질과 응집하여 침전시킴으로써 오염물질들을 제거하는 기술이다. 즉, 폐수중에 함유되어있는 대부분의 콜로이드물질은 (-)전하를 띄고 있으며, 유사전하 사이의 반발력의 작용에 의해 부유상태로 존재한다. 콜로이드상태로 존재하는 물질들을 포함한 폐수속의 오염물질은 전기에너지에 의해 극판에서 용출되어진 금속양이온과 전기적으로 중화되어 응집반응이 일어나는 동시에 산화, 환원반응도 일어나 제거토록 하는 기술이다.

기존의 전기화학적 폐수처리 기술 중 용출전극을 이용한 전기응집 기술에서는 전극의 형상, 전해조 내에서의 유체의 흐름, 전극간의 간격, 인가전류의 세기, 전류역전 등의 전류인가 방법, 전극의 재질 변경, 첨가제 투입 등을 통하여 폐수의 처리효율을 높이고자 하였다.

그러나, 전극표면에서의 환원 현상에 의한 철 또는 알루미늄 부동태 형성 및 불활성 콜로이드 물질의 표면 흡착에 의한 전해반응 저해로 인하여 수처리 효율이 저하되는 문제점을 궁극적으로 해결할 수 없었다.

또한 전기산화 또는 전기분해 기술을 이용한 전기화학적 수처리 방법에 있어서는 표면에서의 직접산화 반응 및 라디칼 생성에 의한 간접산화 반응을 촉진시키기 위하여 전극과 물의 접촉기회 증대, 물의 교란에 의한 라디칼 물질과 폐수 내 오염물질의 접촉기회 증대가 필요하나 모터교반기, 기포주입 등 물리적 교반 방법에 전적으로 의존함으로써 효과적인 수처리 방법을 제공하지 못하였다.

한편 상기와 같은 종래 전기응집 또는 전기분해시의 단점을 해소하고자 아래와 같이 전기분해에 초음파를 적용한 다양한 기술들이 개시되어 있다.

먼저, 한국 등록특허 20-0177618호 "초음파와 고주파 펄스 결합 고밀도 플라즈마 폐수처리장치"에서는 원통 또는 다각형의 외부에 초음파 진동자를 원통형으로 설치한 뒤 고전압 플라즈마 장치를 이용하여 외기를 도입하여 음이온 및 오존을 공급하는 장치를 고안하고 반응조 내부에 극성이 주기적으로 교번되는 전해전극을 부가 설치하는 기술을 제안하였다, 하지만 이 발명은 주된 처리반응을 유도하는 플라즈마 발생장치가 구조가 복잡하고 고압 인가에 따르는 위험성을 내포하고 있으며 위험을 방지하기 위하여 제습장치, 가열장치 등 부대장치가 필수적으로 설치되어야 하는 문제점을 안고 있다. 또한 초음파의 원활한 전달을 위하여 전해조의 외벽을 내식성 및 내화학성의 금속재질로 하였으나 고전압·전류 인가 장치의 특성상 전극간 단락이나 전극-외벽간 단락으로 인한 위험성도 높다는 문제점을 갖고 있다.

또한 한국 등록특허 10-0067973호 '용액으로부터 물질을 제거하기 위한 전해 전지 특허'에서는 용액으로부터 전기 석출 방법에 의하여 분말생성물을 생산하고 음극에 초음파를 인가하여 분말을 전극으로부터 제거하는 방법이 개시되어 있는데, 이 발명은 용도가 전극에 석출된 분말입자를 분리하는 데 국한되어 있다.

또한 한국 등록특허 10-0920789호'초음파에 의해 강화된 전기 도금 장치 및 방법 특허에서는 전기 도금 공정을 강화하기 위하여 초음파 에너지를 이용하며 초음파 진동자를 음극과 양극 사이에 위치시키고 초음파 진동자와 전극을 상대적으로 이동시킴으로써 도금효율을 향상시키는 기술이 개시되어 있다. 그러나 해당 발명은 도금반응 촉진을 위한 장치의 구성으로서 진동자와 전극의 상대적 스위핑 운동이 필수적으로 필요하며 전극과 진동자의 1 : 1 배열이 필요한 것으로 많은 수의 전극이 전해조 내에 교번으로 설치되는 수처리용 전해조에는 적용이 어렵다는 단점을 갖고 있다. 또한 상기와 같은 스위핑 진동자를 설치한다 하더라도 상대적으로 전기전도도가 매우 낮은 물을 대상으로 한 수처리용 전해반응조의 좁은 전극 사이에 설치할 경우 기술적, 비용적 문제 또한 내포하고 있어 효율적인 대안이 되지 못한다.

또한 한국 등록특허 10-0395731호'액체의 전기응집 방법 및 장치'특허에서는 용출성 전극을 사용하는 전기응집 장치 및 방법에 개시되어 있다. 하지만 이 발명은 전극표면에 생성되는 스케일 물질 제거방법이나 반응효율을 효과적으로 향상시키기 위한 방법을 제시하지는 못한 단점이 있다.

또한 한국 등록특허 10-0841664호 '전기화학적 수처리장치 및 수처리방법' 특허에서는 폐수 및 오수에 포함된 암모니아성 질소, 아질산성 질소, 질산성 질소 등의 총질소성분과 BOD, COD 유발성분의 유기물질 및 시안 등을 제거하기 위한 전기화학적 수처리장치와, 폐수성상에 따라 효율적으로 전기분해를 하기 위한 전처리공정 및 후처리공정을 포함하는 전기화학적 수처리방법이 개시되어 있다. 하지만 이 발명은 전기분해용 전극표면에 형성되는 스케일을 방지하고 유지관리를 용이하게 하며 처리효율을 높이기 위한 방법이 제시되지 못한 단점이 있다.

상기에서 살펴본 종래의 전기화학반응 또는 전기화학반응과 초음파를 이용한 폐수처리 기술은 전해 반응시 전극 표면에서 발생하는 수산화라디칼 등의 라디칼 물질, 금속으로부터 용출된 금속이온, 전자 등의 '전극생성물질'이 역시 전극 표면에서 발생하는 수소, 산소 등의 가스에서 기인한 기포의 상승작용으로 전극 사이에 위치한 처리대상 오염물질인 입자성물질, 중금속 성분, COD, BOD, T-N, T-P 등의 유발물질, 난분해성물질, 색도유발 물질 등의 '전극반응물질'과 전극표면에서 과 접촉할 수 있는 기회가 줄어들어 전극 표면에서는 반응이 활발히 일어나지만 전극과 전극 사이의 공간에서는 전극표면에 비해 상대적으로 반응이 늦게 일어나거나 아예 반응이 일어나지 않아 전체적인 반응효율이 떨어진다는 단점이 있다.

또한 특정 폐수의 경우 전극을 자주 갈아줘야 한다는 단점이 있어서 유지간리 비용이 상승한다는 점과, 폐수처리 설비 운전이 중지된다는 문제점이 있다.

또한 전기분해시 전극에 형성된 스케일을 효율적으로 제거하거나 발생 시점을 늦출 수 있는 방법이 없다는 단점이 있다.

또한 전기응집 같은 수처리 분야에 사용되는 전극 간의 거리가 최대 수밀리미터에서 수센티미터 정도여서 별도의 교반기를 설치하여 교반효율을 높이기 위한 장치를 설치할 공간도 적고 설사 설치된다 하더라도 협소한 전극과 전극 사이의 간격 때문에 교반 효율이 상승되지 않아 전체적인 반응 효율을 높이기 어렵다는 단점이 있다.

이처럼 종래의 기술은 여전히 전기화학 반응과정에서 전극표면에서의 환원 현상에 의한 부동태 형성 및 불활성 콜로이드 물질의 표면 흡착에 의한 스케일 때문에 전해반응이 저하되어 수처리 효율이 저하되는 문제점이 있고, 협소한 간극을 가진 전극 사이 공간을 통과하는 폐수의 미반응 전극반응대상물질을 효율적으로 반응에 활용할 수 있는 교반 기술이 제공되지 않고 있어서 폐수를 고효율로 수처리할 수 있는 기술이 필요한 실정이다.

한국 등록특허공보 등록번호 10-0477203(2005.03.08.) 한국 등록실용신안공보 등록번호 20-0164110(1999. 10. 05.) 한국 등록실용신안공보 등록번호 20-0179939(2000. 02. 14.) 한국 등록실용신안공보 등록번호 20-0177618(2000. 01. 26.)

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 전기분해를 이용하여 폐수처리시 협소한 간격을 가지는 전극 간을 통과하는 폐수의 교반효율을 높이기 위해 전극을 일정 각도로 기울여 설치하고 전해반응시 발생된 기포를 포함하는 전극생성물질과 전극반응물질에 초음파를 인가함으로써 전해 효율을 높이고 전극 표면에서의 스케일 부착을 저감시킬 수 있는 전기화학적 폐수처리 장치를 제공하는 데 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명은 유입된 폐수를 저장한 전기화학 반응조에 설치되어 폐수에 포함된 전극반응대상물질과 전해반응으로 발생된 기포를 포함하는 전극생성물질간의 교반 효율을 높이고 스케일 발생을 억제하기 위해 협소한 간극을 가지는 양전극과 음전극이 일정 각도로 기울어져 설치 구성된 전극과;

상기 전극에 전원을 공급하는 전원공급장치와;

전해반응 후 상기 전극에서 발생한 기포를 포함하는 전극생성물질과 전극반응대상물질을 가진시켜 교반력을 증진시키도록 전기화학반응조에 설치된 초음파 진동자와;

상기 초음파진동자를 발진시키는 초음파 발진기;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 기울어진 전극과 초음파를 이용한 전기화학적 폐수처리 장치를 제공함으로써 달성된다.

바람직한 실시예로, 상기 전극은 각도가 고정된 고정형 또는 각도가 조절되는 가변형으로 설치할 수 있다.

바람직한 실시예로, 상기 전극의 각도는 2 ~ 5°로 기울어지게 설치할 수 있다.

바람직한 실시예로, 상기 가변형으로 설치된 전극은 복수개의 판형 전극이 배열된 전극이 끼워지는 가변 스페이서와; 가변 스페이서 일측단에 삽입되어 축 회전에 의해 가변 스페이서를 이동시키는 각도조절용 구동모터와; 전극의 양측단을 지지하고 하부가 고정핀에 의해 위치가 단속된 가변 벽체에 의해 각도가 조절되도록 구성할 수 있다.

바람직한 실시예로, 상기 초음파 발진기에 의해 초음파 진동자에서 발생되는 초음파의 세기는 25 ~ 70 KHz 주파수 대역, 전해반응조 내 반응부피 당 10~100 W/ℓ의 출력을 인가하도록 구성할 수 있다.

바람직한 실시예로, 상기 전기화학 반응조는 전기응집 또는 전기분해 공정 중 하나 이상을 복합하여 직렬 또는 병렬로 구성할 수 있다.

바람직한 실시예로, 상기 전원공급장치는 전극에 공급되는 전원의 극성을 전환할 수 있도록 구성할 수 있다.

바람직한 실시예로, 상기 전기화학 반응조에 공급되어 배출되는 폐수는 상향류, 하향류, 관로형 중 하나 이상을 단독 또는 복합하여 병렬로 구성하여 흐르도록 구성할 수 있다.

바람직한 실시예로, 상기 전기화학 반응조에 설치되는 초음파 진동자는 바닥면, 측면, 사선방향, 또는 전극에 직·간접적으로 부착하거나 관통하여 설치한 것 중 어느 하나로 구성할 수 있다.

상기와 같은 특징을 갖는 본 발명은 폐수의 전기분해를 위한 전극을 일정 각도로 기울어지게 구성함으로써 전극반응물질과 전극과 전극 사이에 위치하여 상대적으로 전극반응 효율이 떨어지는 전극반응대상물질의 접촉 기회를 높임으로써 전체적인 전극 반응효율을 높였다는 장점과,

또한 본 발명의 전기화학적 처리장치는 전해 반응조 내부에 초음파발생장치를 추가하여 초음파 음압 효과와 캐비테이션(cavitation) 효과를 이용하여 전해반응에 의하여 생성되는 기포 및 미세입자의 진동에 따른 마이크로 애지테이션(Micro agitation)과 기포의 파괴과정에서 발생하는 열과 화학적 작용을 수반토록 하여 전체적인 전기화학반응의 효율을 높이고 전극표면에 형성되는 스케일의 형성을 방지하여 전극의 수명을 연장하고 유지관리를 용이하게 하였다는 장점과,

또한 본 발명에서는 최근 세척장치 등에 널리 사용되는 초음파 발진부와 진동자로 구성된 경제적인 초음파 인가수단을 제공함으로써 고가의 초음파 인가장치 구비시 수반되는 고압의 전압인가에 따른 제반 부대 장치가 필요치 않아 장치 구성이 안전하고 경제적이라는 장점을 가진 유용한 발명으로 산업상 그 이용이 크게 기대되는 발명인 것이다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 기울어진 전극과 초음파 진동자가 포함된 전기화학적 폐수처리 장치도이고,
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 전기화학적 폐수처리 장치에서의 전극생성물질과 전극반응물질 간의 교반을 보인 예시도이고,
도 3은 본 발명과 대비되는 종래 전기화학적 폐수처리 장치에서의 전극생성물질과 전극반응물질 간의 교반을 보인 예시도이고,
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 고정형 전극을 구비한 전기화학적 폐수처리 장치를 보인 예시도이고,
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 가변형 전극을 구비한 전기화학적 폐수처리 장치를 보인 예시도이고,
도 6은 본 발명에 따른 초음파 진동자의 다양한 부착방법을 보인 예시도이고,
도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 전기화학반응조와 종래 전기화학반응조간의 내부 전극 배치 및 유체흐름을 비교한 예시도이다.

이하 본 발명의 실시 예인 구성과 그 작용을 첨부도면에 연계시켜 상세히 설명하면 다음과 같다. 또한 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 기울어진 전극과 초음파 진동자가 포함된 전기화학적 폐수처리 장치도이고, 도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 전기화학적 폐수처리 장치에서의 전극생성물질과 전극반응물질 간의 교반을 보인 예시도이고, 도 3은 본 발명과 대비되는 종래 전기화학적 폐수처리 장치에서의 전극생성물질과 전극반응물질 간의 교반을 보인 예시도이고, 도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 고정형 전극을 구비한 전기화학적 폐수처리 장치를 보인 예시도이고, 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 가변형 전극을 구비한 전기화학적 폐수처리 장치를 보인 예시도이고, 도 6은 본 발명에 따른 초음파 진동자의 다양한 부착방법을 보인 예시도이고, 도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 전기화학반응조와 종래 전기화학반응조간의 내부 전극 배치 및 유체흐름을 비교한 예시도이다.

도시된 바와 같은 본 발명의 전기화학적 폐수처리 장치는 유입된 폐수를 저장하는 전기화학 반응조(1)가 구비된다. 전기화학 반응조는 하나 또는 하나 이상을 처리대상 폐수의 용량에 따라 직렬 또는 병렬로 구성하여 적용할 수 있다. 직렬로 구성시는 보다 정밀한 오염물질 제거가 가능하고 병렬로 구성시는 단시간 내에 많은 오염물질을 제거할 수 있게 된다.

또한 전기화학반응조(또는 전해조)는 바람직하게는 상향류식, 하향류식 또는 관로식을 단독으로 구성하거나 복합하여 병렬로 구성할 수 있다. 물론 본 발명은 이러한 바람직한 실시예 외에도 유체의 흐름과 방향에 국한되지 않는 전기화학 반응이 일어나는 공간을 포함하는 장치로 구성할 수도 있다.

또한 상기 전기화학 반응조에 설치되어 유입된 폐수에 포함된 전극반응대상물질과 전해반응 후 전극(2) 표면에서 발생하는 기포를 포함하는 전극생성물질 간의 교반 효율을 높여 반응 효율을 향상시키기 위해 양전극과 음전극이 일정 각도로 기울어져 설치된 전극(2)이 구비된다.

상기 전극(2)은 적어도 일정한 간극을 두고 마주보게 설치된 한쌍의 양전극과 음전극으로 이루어진 전극(2) 또는 복수개의 양전극과 음전극을 배열하여 전극(2)을 구성할 수 있는데 사용되는 이때 사용되는 전극(2)은 용출성 또는 불용성 전극을 사용한다.

바람직하게는 알루미늄(Al), 철(Fe) 전극 등의 용출성 전극을 사용하거나 이리튬(Ir), 탄탈륨(Ta), 루테늄(Ru), 주석(Sn), 등을 하나 또는 하나 이상 혼합하여 티타늄(Ti), 그라파이트, 세라믹 등의 모재에 코팅한 불용성 전극(DSA)을 포함한다. 또한 이외에도 형태와 소재에 관계없이 전류를 폐수에 인가하기 위한 수단을 포함하여 구성할 수 있다.

또한 상기 양전극과 음전극으로 이루어진 전극(2)에 전원을 공급하는 전원공급장치(3)가 구비된다. 전원공급장치(3)는 상기 전극(2)에 전류를 인가시 교류전원 인가방식 또는 직류전원 인가방식을 사용할 수 있으며, 직류전원 인가 시에는 직류전원 공급용 정류기 등이 포함될 수 있다.

또한 인가되는 전원의 극성을 전환할 수 있도록 구성된다. 이와 같이 구성하면 양전극 또는 음전극에 발생하는 전극 표면 반응을 역전시킴으로써 전극 용출량을 조절하거나 스케일 발생을 억제하여 전극의 내구성을 높일 수 있게 된다.

또한 상기 전극(2)에 전류를 인가하여 전해반응 후 상기 전극(2)의 표면에 형성된 기포 및 미세 전극반응대상물질을 가진시켜 교반력을 증진시키도록 전기화학반응조(1)에 설치된 초음파 진동자(4)와; 상기 초음파진동자를 발진시키는 초음파 발진기(5);가 구비된다.

상기 전기화학 반응조(1)에 설치된 일정각도로 기울어지게 설치한 전극(2)은 임의의 각도로 조절된 고정형 전극으로 구성하거나 각도 조절이 가능한 가변형 전극으로 설치하여 구성할 수 있다.

이와 같이 전극(2)의 설치 각도를 일정 각도로 경사지게 설치하게 되면 종래 수직하게 전극(2)을 설치할 때와 달리 전극반응이 훨씬 더 많이 일어나게 된다.

그 이유는 수직하게 전극(2)을 설치하게 되면 전해반응시 전극(2)의 양쪽 표면에 발생한 기포와 유체의 흐름방향에 따라 상승하거나 하강중인 폐수 중의 전극반응대상물질이 적어도 일면의 전극(2) 표면에서는 보다 많은 접촉 기회를 가지게 되어 교반력이 증대하기 때문이다.

종래처럼 수직하게 전극(2)을 설치시는 전극(2)과 인접한 전극반응대상물질에만 영향을 미치고 전극과 전극 사이에 위치한 전극반응대상물질은 유체의 흐름방향에 따라 임의의 방향으로 이동시 전극(2) 표면에 있는 기포를 포함하는 전극생성물질과 접촉할 기회가 적어서 원활한 전극반응이 일어나지 않아 전체적인 폐수처리 효율이 나빠지는 결과는 나타내기 때문이다.

또한 이와 같이 전극(2)의 기울기를 주어 교반력을 높이고자 하는 이유는 교반을 위해 종래의 일반적인 교반기를 설치할 경우 원활한 교반력 증대가 일어나지 않기 때문이다.

즉, 본 발명과 같은 폐수의 전해처리에 사용되는 전극(2)들은 보통 최대 간극이 2 ~ 3mm 정도의 협소한 간극을 가지게 다수개의 전극(2)이 배열되기 때문에 일반적인 교반기에 의한 유체의 흐름이 전극과 전극 사이의 협소한 공간에 위치하고 있는 폐수 중의 전극반응대상물질이 전극(2)과 접촉할 수 있는 충분한 유체의 요동이 생기지 않아 교반력 증진에 영향을 미치는 영향이 적기 때문이다.

본 발명에 따른 전극(2)의 각도는 2 ~ 5°로 형성하는 것이 바람직하다. 그 이유는 2°보다 작으면 전극(2)에 발생한 기포가 전극과 전극 사이에 있는 전극반응대상물질과의 접촉 기회가 적어 수직으로 형성된 전극(2)과 비교 시 큰 차이가 없고, 5°보다 큰 각도를 가지게 되면 전극(2)의 하부 쪽에 발생된 기포가 전극과 전극 사이를 잘 빠져나가지 못한다는 문제점이 있고, 더욱 더 큰 문제는 전극(2)의 상부쪽에 발생된 스컴 및 하부쪽에 생성되는 스케일이 적층되어 오히려 전극반응을 방해할 수 있기 때문이다.

이를 위해 고정형 전극으로 설치시는 상기 2 ~ 5°의 각도 구간 내의 각도를 만족하도록 고정설치하면 된다.

또한 가변형 전극으로 설치시 유입되는 폐수의 성상에 따라 상기 2 ~ 5°의 각도 구간 내의 각도로 조절하는데 한 실시예에 따른 각도 조절방법은 도 5에 도시된 것처럼 복수개의 판형 전극이 배열된 전극(2)이 끼워지는 가변 스페이서(6)를 수동으로 이동시키거나 가변 스페이서 일측단에 삽입된 각도조절용 구동모터(7)의 축을 회전시켜 가변 스페이서를 이동시킴으로써 전극의 양측단을 지지하는 가변 벽체(8)의 하부가 고정핀(9)에 의해 위치가 단속된 전극(2)의 상부 위치가 필요로 하는 각도 만큼 조절되어 기울어지게 된다.

한편, 본 발명은 상기와 같은 전극(2)을 일정각도로 기울어지게 설치하는 것 뿐만 아니라 초음파 진동자(4)와 초음파진동자를 발진시키는 초음파 발진기(5)를 구비하는데 이는 전극(2)에 전류를 인가하여 전해반응시 발생되는 기포를 초음파에 의해 가진시키거나 음압에 의해 기포를 파괴하여 교반력을 증진시키기 위함이다. 초음파의 주파수는 세척용, 혼합용으로 시판되는 진동자의 정격 출력인 25 ~ 70KHz가 적당하며 출력은 전해반응조 내 반응부피 1ℓ당 10~100 W(와트)의 출력이 되도록 하는 것이 바람직하다. 단 출력은 처리하고자 하는 폐수의 오염물질 농도, 점도, 온도 등을 고려하여 정하는 것이 바람직하다.

즉, 본 발명과 같은 폐수의 전해처리에 사용되는 전극(2)들은 보통 2 mm ~ 50 mm 정도의 협소한 폭을 가지고 다수개의 전극(2)이 배열되기 때문에 일반적인 교반기에 의한 유체의 흐름이 전극과 전극 사이의 협소한 공간에 위치하고 있는 폐수 중의 전극반응대상물질이 전극(2)과 접촉할 수 있는 충분한 유체의 요동이 생기질 않아 교반력 증진에 영향을 미치는 영향이 적은데 본 발명처럼 초음파에 의한 기포의 가진이나 파괴가 일어나게 되면 협소한 공간에 위치한 폐수 중의 전극반응대상물질이 전극(2)로부터 발생된 전극생성물질과의 접촉 기회가 높아지기 때문에 전기화학 반응 효율이 높아지게 된다.

이때 초음파 진동자(4)의 설치 위치는 도 6에 도시된 것처럼 필요에 따라 다양한 형태로 설치할 수 있다. 구체적으로 초음파 진동자(4)는 전기화학반응조의 바닥면, 측면, 사선방향, 또는 전극에 직·간접적으로 부착하거나 관통하여 설치하는 방법으로 설치할 수 있다. 이때 사선방향으로 설치시는 전기화학반응조의 하부쪽으로 호퍼형식으로 성형한 것을 사용하면 된다.

상기 초음파 진동자의 가동은 설비 운전 중 또는 정지 시에 수행할 수 있도록 구성한다.

또한 본 발명에 따른 전기화학적 폐수처리 장치는 전기화학 반응조(1)에 원폐수를 유입시키기 위한 수단과 전기화학 반응조(1)에 유입하기 전에 폐수를 전처리하는 수단 및 전해반응 후의 처리수를 처리하는 후처리수단을 포함할 수 있다.

바람직한 원폐수를 전기화학 반응조(1)에 유입시키기 위한 수단은 수중펌프, 원심펌프, 자연유하와 같은 수단을 사용할 수 있다. 하지만 이와 같은 수단만이 본 발명의 원폐수 유입수단을 한정하는 것은 아니고 전기화학 반응조(1)에 처리 대상 유체를 유입시킬 수 있는 수단이라면 어떤 것이라고 상관없다.

또한 전처리 수단으로는 바람직하게는 스크린, 필터 등의 물리적인 수단; 응결제, 응집제, 소포제, 산화제 등 화학약품에 의한 수단; 미생물에 의한 수단 등이 사용될 수 있다. 물론 이와 같은 바람직한 실시예 뿐만 아니라 다양한 전처리 수단이 적용될 수 있다. 이와 같은 전처리 수단에 의하여 원수 중 입자의 제거, 고농도 원수를 전기화학처리에 적합한 농도로의 처리, pH 및 전기전도도 조절, 유량조절 등을 달성하게 되며, 전기화학 반응에 의하여 용출성 전극에 의한 오염물질의 전기화학 처리, 불용성 전극의 표면 및 표면 반응에 의하여 생성된 라디칼 생성물에 의한 직·간접적 산화작용 등에 의한 전기화학처리가 수반되며 이 과정에서, SS, CDO, BOD, T-N, T-P, F, Cu, Zn, 등의 오염물질이 응결, 석출, 분해, 산화, 환원 등의 메커니즘에 의하여 폐수로부터 분리·제거될 수 있도록 하거나 무해화 되게 된다.

또한 바람직한 후처리하는 수단으로는 스크린, 필터 등의 물리적인 수단; 응결제, 응집제, 소포제, 산화제 등 화학약품에 의한 수단; 미생물에 의한 수단 등 방법에 국한되지 않는 후처리 수단을 포함할 수 있다. 이와 같이 후처리 수단을 거친 후 방류 또는 재이용할 수 있게 되며, 후처리 수단은 전기화학 반응의 처리수를 응결, 응집, 침전 등의 수단을 통하여 오염물질을 분리하거나, 미처리 오염물질을 추가 처리하거나, pH 등의 조절 수단을 통하여 방류수 수질기준에 적합한 상태로 조절하는 기능을 갖는다.

또한 도면에서는 미도시되었지만 상기 전기화학 반응조(1), 전극(2), 전원공급장치(3), 초음파 진동자(4) 및 초음파 발진기(5)를 제어하기 위한 제어장치가 포함됨은 물론이다.

상기와 같이 전기화학반응조의 내부에 초음파 진동을 부가하고, 부가된 초음파 음압 효과와 기포(cavitation)효과는 전해반응에 의하여 생성되는 기포 및 미세입자의 진동에 따른 마이크로 교반(Micro agitation)과 기포의 파괴과정에서 발생하는 열과 화학적 작용을 통하여 전해반응을 향상시키고 전극표면의 오염을 저감하게 된다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예이다.

하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기의 실시예에 의해 제한 되는 것은 아니다. 또한 하기 실시예는 초음파 진동 수단에 의한 폐수처리 및 에너지 절감 효율을 관찰하기 위한 극히 제한된 방법 및 재료를 사용하였으므로 실시예에 의하여 방법 및 구성이 국한되지 않는다. 또한 본 실시예에서는 실험에 적합한 폐수를 적절한 농도로 조제하여 사용하였으므로 원폐수 중 오염물질의 종류 및 농도 또한 본 실시예에 의하여 국한되지 않는다.

(실시예 1)

첨부된 도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 전기화학 폐수처리 장치의 유형 중 대표적인 것이다. 상기 전기화학 폐수처리 장치는 도시되지 않은 파이프라인 등의 폐수 공급 수단을 통하여 전기화학 반응조(1)에 물을 공급하고 배출할 수 있는 수단이 포함되어 있으며 폐수는 펌프 등의 수단을 통하여 공급될 수 있다. 본 실시예에서는 정량 투입을 위하여 미량호스펌프(바람직하게는 Peristaltic pump)를 사용하였다.

전기화학 반응조(1)는 반응현상을 관찰하기 위하여 아크릴 재질로 만들었으며 아크릴 반응조에는 전극(2)을 삽입할 수 있도록 일정간격으로 홈을 가공하였다. 전극(2)은 용출성 전극과 불용성 전극을 준비하였으며 바람직하게 용출성전극으로는 Al 전극, 불용성 전극으로는 Ir과 Ru이 Ti 모재 위에 코팅된 불용성 전극을 사용하였다.

후처리 수단은 Al 계열, Fe 계열 등의 응결제 투입, pH 조정, 고분자 응집제 투입에 의한 고액분리 방법이 통상 상용되며, 본 실시예에서는 11% PAC 및 황산(H₂SO₄) 또는 수산화나트륨(NaOH) 용액에 의한 pH 조절, 아크릴아마이드(Acryl amide) 계열 고분자 응집제를 사용하였다.

또한 실시예 1은 불소(F), 구리(Cu), 아연(Zn), T-P, COD, BOD 유발 오염원, 입자성 오염물질(SS)이 포함된 조제 폐수에 대하여 용출성 전극(바람직하게 Al)을 사용하고 초음파 발진기(5)와 연결된 초음파 진동자(4)가 반응조 하부에 부착된 전기화학 반응조(1)를 이용하여 실험하였다.

전원공급장치(3)에 의해 전극(2)에 인가되는 전원은 교류전원을 정류기를 통하여 변환한 직류전원을 사용하였으며 동일한 조건에서 변화 정도를 관찰하기 위하여 동일한 전류량을 전극(2)에 인가하였다. 전기화학처리 후 처리 정도를 정확하게 관찰하기 위하여 처리수는 0.45㎛ 필터를 통하여 여과한 후 분석하였다.

그 결과, 표 1에서와 같이 전 오염물질 항목에 대하여 처리효율이 증가하는 경향이 확인되었다.

표 1. 종래의 기술과 발명기술의 폐수처리 효율 비교

실시예 1의 표 1, 순번 9와 같이 처리 전후의 전극의 중량을 측정한 결과 전기화학적 원리에 의하여 동일한 전류 인가에 의하여 용출된 금속이온이 동일하므로 본 발명의 기술을 적용한 전극의 무게가 적게 나타난 것으로 보아 칼슘 이온 등에 의한 스케일의 전극 부착이 확연히 감소한 것을 확인할 수 있었다.

(실시예 2)

COD, T-N, 색도 오염물질이 포함된 조제 폐수에 대하여 불용성 전극(바람직하게 Ir, Ru, Ta, Sn를 한 종류이상 혼합하여 모재(Ti)표면에 코팅한)이 사용된 전해조를 이용하여 실험하였다.

전극(2)에 인가되는 전원은 교류전원을 정류기를 통하여 변환한 직류전원을 사용하였으며 동일한 조건에서 변화 정도를 관찰하기 위하여 동일한 전류량을 전극(2)에 인가하였다. 전기화학처리 후 처리 정도를 정확하게 관찰하기 위하여 처리수는 0.45㎛ 필터를 통하여 여과한 후 분석하였다.

그 결과, 표 2에서와 같이 전 오염물질 항목에 대하여 처리효율이 증가하는 경향이 확인되었다.

표 2. 종래의 기술과 발명기술의 폐수처리 효율 비교

주 1) MPD(m-Phenylenediamine): 메타-페닐렌디아민

2) ETA(Ethanolamine): 에탄올아민

실시예 2의 표 2, 순번 7와 같이 처리 전후의 전극 중량을 측정한 결과 본 발명의 기술을 적용한 전극(2)의 무게 증가가 거의 없는 것으로 나타난 것으로 보아 스케일 성분 등의 전극 부착이 확연히 감소한 것을 확인할 수 있었다.

상기 실시예 1 및 2는 전기화학적 폐수처리 방법 중 Al 전극(2)을 이용한 전기응집 기술 및 불용성 전극을 이용한 전기산화 기술의 일 단면을 제시한 것으로서 본 발명의 전극 소재 및 전류인가 방법, 원폐수 인가방법, 유체 흐름 등이 이러한 실시예 어느 하나도 이에 국한되지 않는다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

(1) : 전기화학 반응조 (2) : 전극
(3) : 전원공급장치 (4) : 초음파 진동자
(5) : 초음파 발진기 (6) : 가변 스페이서
(7) : 각도조절용 구동모터 (8) : 가변 벽체
(9) : 고정핀

Claims (9)

1. 유입된 폐수를 저장한 전기화학 반응조에 설치되어 폐수에 포함된 전극반응대상물질과 전해반응으로 발생된 기포를 포함하는 전극생성물질 간의 교반 효율을 높이고 스케일 발생을 억제하기 위해 협소한 간극을 가지는 양전극과 음전극이 일정 각도로 기울어져 설치 구성된 전극과;
   상기 전극에 전원을 공급하는 전원공급장치와;
   전해반응 후 상기 전극에서 발생한 기포를 포함하는 전극생성물질과 전극반응대상물질을 가진시켜 교반력을 증진시키도록 전기화학반응조에 설치된 초음파 진동자와;
   상기 초음파진동자를 발진시키는 초음파 발진기;를 포함하여 구성되되,
   
   상기 전극은 복수개의 판형 전극이 배열된 전극이 끼워지는 가변 스페이서와; 가변 스페이서 일측단에 삽입되어 축 회전에 의해 가변 스페이서를 이동시키는 각도조절용 구동모터와; 전극의 양측단을 지지하고 하부가 고정핀에 의해 위치가 단속된 가변 벽체에 의해 각도가 조절되도록 가변형으로 설치되어 구성된 것을 특징으로 하는 기울어진 전극과 초음파를 이용한 전기화학적 폐수처리 장치.
   
2. 삭제
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 전극의 각도는 2 ~ 5°로 기울어지게 설치된 것을 특징으로 하는 기울어진 전극과 초음파를 이용한 전기화학적 폐수처리 장치.
   
4. 삭제
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 초음파 발진기에 의해 초음파 진동자에 인가되는 초음파의 세기는 주파수 대역 25~70KHz, 전해반응조 내 반응부피 1ℓ당 10~100 W(와트)의 출력이 되도록 구성한 것을 특징으로 하는 기울어진 전극과 초음파를 이용한 전기화학적 폐수처리 장치.
   
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 전기화학 반응조는 전기응집 또는 전기분해 공정 중 하나 이상을 복합하여 직렬 또는 병렬로 구성한 것을 특징으로 하는 기울어진 전극과 초음파를 이용한 전기화학적 폐수처리 장치.
   
7. 청구항 1에 있어서,
   상기 전원공급장치는 전극에 공급되는 전원의 극성을 전환할 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 기울어진 전극과 초음파를 이용한 전기화학적 폐수처리 장치.
   
8. 청구항 1에 있어서,
   상기 전기화학 반응조에 공급되어 배출되는 폐수는 상향류, 하향류, 관로형 중 하나 이상을 단독 또는 복합하여 병렬로 구성하여 흐르도록 구성한 것을 특징으로 하는 기울어진 전극과 초음파를 이용한 전기화학적 폐수처리 장치.
   
9. 청구항 1에 있어서,
   상기 전기화학 반응조에 설치되는 초음파 진동자는 바닥면, 측면, 사선방향, 또는 전극에 직·간접적으로 부착하거나 관통하여 설치한 것 중 어느 하나로 구성한 것을 특징으로 하는 기울어진 전극과 초음파를 이용한 전기화학적 폐수처리 장치.
   

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