KR101741675B1

KR101741675B1 - 전도성 물질을 이용한 전기화학적 하폐수 처리방법

Info

Publication number: KR101741675B1
Application number: KR1020160093211A
Authority: KR
Inventors: 윤종성
Original assignee: 금강환경(주)
Priority date: 2016-07-22
Filing date: 2016-07-22
Publication date: 2017-05-31

Abstract

본 발명은 하폐수 처리용 전도성 물질 및 이를 이용한 전기화학적 하폐수 처리방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 전기화학적 하폐수처리 공정에 있어서 전기전도도가 부여된 다수의 충전재를 전해 반응조에 투입하여 미세 전극으로 이용함으로써 반응속도를 향상시켜 하폐수 내 오염물질의 처리효율을 증대하도록 하는 하폐수 처리용 전도성 물질 및 이를 이용한 전기화학적 하폐수 처리방법에 관한 것이다.

Description

전도성 물질을 이용한 전기화학적 하폐수 처리방법 {METHOD FOR ELECTROCHEMICAL TREATMENT OF SEWAGE AND WASTEWATER USING CONDUCTIVE MATERIAL}

본 발명은 전도성 물질을 이용한 전기화학적 하폐수 처리방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 전기화학적 하폐수처리 공정에 있어서 전기전도도가 부여된 다수의 충전재를 전해 반응조에 투입하여 미세 전극으로 이용함으로써 하폐수 내 오염물질의 처리효율을 증대하도록 하는 전도성 물질을 이용한 전기화학적 하폐수 처리방법에 관한 것이다.

일반적으로, 하폐수의 처리방법은 물리화학적 처리와 생물학적 처리로 크게 분류되며, 이중에서 물리화학적 처리는 하폐수 내에 화학약품을 투입하여 각종 오염물질을 침전 제거하거나 또는 전기화학적인 조작을 가하여 오염물질을 처리하는 것이다.

상기 전기화학적인 하폐수처리는 하폐수를 함유하는 전해질을 사이에 두고 양극과 음극의 산화환원반응을 이용한 전기화학적 반응에 의해 오염물질을 분해하는 것으로서, 화학약품을 거의 사용하지 않고 고농도의 오염물질을 효과적으로 분해하기 때문에 2차 오염물질의 발생이 적어 후처리가 간단하고 장치 규모에 비하여 효율이 높은 편이어서 최근 들어 전기화학적 하폐수처리에 대한 관심이 고조되고 있는 중이다.

상기 전기화학적 반응에 의한 유기 오염물질의 분해는, 하폐수의 물이 전기분해되면서 생성된 수산화이온이 양극 표면에 흡착 후 양극의 전자 이동 반응에 의해 오염물질이 분해되는 직접산화와, 하폐수 내 염소가 전기분해되면서 생성된 차아염소산과 같은 강력한 산화력을 가진 부산물(중간생성물)에 의해 오염물질이 분해되는 간접산화로 구분된다.

이러한 전기화학적 반응에 의해 하폐수 내 유기 오염물질을 처리하는 과정에 대하여 살펴보면 다음과 같다.

우선, 직접산화 방법에 따르면, 전극 표면(M[])에서 물의 전기분해에 의해 생성되는 수산기가 양극에 흡착되고,

H₂O + M[] → M[OH] + H+ e^-

이어서 하기 반응식에서와 같이 전극 표면에 흡수된 수산기에 의해 유기물질이 산화된다.

R + M[OH] → M[] + RO + H⁺ + e^-

여기에서, RO는 계속적으로 형성되는 수산기에 의해 산화된 유기물질로서 수중에서 양극 방전을 계속한다.

전기분해의 유기물질 제거 메커니즘은 다음과 같다.

MO_x + H₂O → MO_x[OH] + H⁺ + e^-

상기 반응식에서와 같이 산화된 양극(MO_x)에 물의 전기분해에 의해 생성된 수산기가 전극 표면에 흡착되고,

2H₂O → O₂ + 4H⁺ 4e^-

산소와 반응하여 하기 반응식에서와 같이 더 산화된 양극(MO_x+1)을 형성한다.

MO_x[OH^-] → MO_x+1 + H⁺ + e^-

유기물질(R)은 이 산화성 양극에 흡착된 수산화 이온과 반응하여 하기 반응식과 같이 이산화탄소, 물 또는 수소 이온 등으로 분해된다.

R + MO_x[OH^-]_z → CO₂ + zH⁺ + ze^- + MO_x

다음으로, 간접산화 방법에 따르면, 하기 반응식과 같이 전기분해 중 염소의 양극 산화가 동시에 발생하며 차아염소산이 전극 표면에 형성되고,

H₂O + M[] + Cl^- → M[HOCl] + H⁺ + 2e^-

이어서, 하기 반응식에서와 같이 양극에서 생성된 차아염소산에 의해 유기물질이 산화된다.

R + M[HOCl] → RO + H⁺ + Cl^- + 2e^-

그리고 음극에서 발생하는 수소에 의하여 수중 유기물질이 환원되기도 하며 산화형 색소 등은 쉽게 환원되어 무색이 되는 것이다.

그런데, 종래의 전기분해장치를 이용한 전기화학적 하폐수처리 공정은 양극과 음극 사이에서의 전극반응에 의해서만 오염물질이 제거되는데다가 판상 전극을 이용한 전해이므로 전극판의 소모 및 관리에 어려움이 있고, 오염물질의 처리효율이 떨어지며, 특히 하폐수 중에 존재하는 처리대상 물질의 농도가 낮을 경우에는 반응속도가 작아지고 전류 효율이 감소한다는 단점이 있었다.

한국 특허등록 제299508호의 "전기화학적 폐수처리방법 및 장치" (2001.06.09) 한국 특허공개 제2012-65998호의 "전기 화학적 폐수 처리 장치 및 방법" (2012.06.21) 한국 특허등록 제1533649호의 "미세전해 반응을 이용한 폐수처리방법 및 그 미세전해물질" (2015.06.29) 한국 특허공개 제2016-49147호의 "기울어진 전극과 초음파를 이용한 전기화학적 폐수처리 장치" (2016.05.09)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 전기화학적 하폐수처리 공정에 있어서 전기전도도가 부여된 충전재를 적용하여 전극반응속도를 향상함으로써 하폐수 내 오염물질을 처리하는 주 처리공정에 이용하도록 함과 아울러 부수적으로 발생되는 수소가스를 에너지로 이용할 수 있도록 하는 전도성 물질을 이용한 전기화학적 하폐수 처리방법을 제공함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 전도성 물질을 이용한 전기화학적 하폐수 처리방법은, ⒜ 분말활성탄 88~95중량%와, 기공 형성제 0.5~3.5중량%, 전도성 고분자 3.5~8.5중량%를 포함하는 전도성 충전재를 제조하는 단계; ⒝ 다수의 원통형 양극 전극과 음극 전극으로 구성된 전해 반응조의 내부에 상기 전도성 충전재를 충전하되, 양극 전극과 음극 전극 사이에 다수 충전하는 단계; 및 ⒞ 상기 전해 반응조에 전원을 공급하여 양극 전극과 음극 전극을 통해 전극반응을 일으키되, 상기 전도성 충전재를 미세 전극으로 이용하여 전극반응을 활성화하고 미세 전극반응을 통해 차아염소산을 생성하여 하폐수 내 오염물질과 응집, 산화 및 소독반응을 일으키는 단계;를 포함하는 것이다.

여기에서, 상기 ⒜ 단계에서 기공 형성제는 수산화칼륨, 탄산나트륨, 수산화나트륨, 염화아연, 염화마그네슘, 인산수소 등의 산성 또는 염기성 물질 그룹으로부터 적어도 하나 이상 선택하여 사용되며, 또한 전도성 고분자는 폴리아세틸렌, 폴리피롤, 폴리아센, 폴리사이오펜, 폴리아닐린, 폴리파라페닐린, 폴리이소티오나프틴으로 이루어진 그룹으로부터 적어도 하나 이상 선택하여 사용되는 것이다.

또한, 상기 ⒞ 단계에서 전류밀도 0.5~1.3A/dm², 전압 3.5~7.3V로 조절하여 전원을 공급하는 것이다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 따르면, 전기전도도가 부여된 충전재를 전기화학적 하폐수처리 공정에 충전하여 이를 미세 단위의 입자상 전극으로 작용되도록 함으로써 오염물질의 처리효율을 극대화하고 미세 전극반응을 통해 철 이온과 차아염소산이 동시에 생성되어 하폐수 중에 함유된 오염물질과의 응집반응, 산화반응과 소독반응 등 3가지 이상의 반응을 발생시켜 하폐수처리 효율을 향상할 수 있음과 아울러 여기에서 부산되는 수소가스를 에너지로 활용할 수 있다는 장점을 가진 것이다.

또한, 상기 하폐수처리에 의해 슬러지 발생을 90% 이상 감소시켜 폐기물 처리 문제를 획기적으로 해결할 수 있으며, 강화된 수질기준에 부응하여 경제적이고도 효율적인 하폐수처리가 가능하게 된다.

도 1은 본 발명에 따른 반응조를 개략적으로 도시한 도면

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 다만, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되는 것은 아니다.

본 발명에 따른 전도성 물질을 이용한 전기화학적 하폐수 처리방법에 대하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

[1] 전도성 충전재 제조

우선, 본 발명에 따른 전기화학적 하폐수 처리공정에 투입 충전되어 하폐수처리에 이용되는 전도성 충전재를 제조한다.

이러한 전도성 충전재는 분말활성탄 88~95중량%를 주원료로 하고, 부원료로는 기공 형성제 0.5~3.5중량%, 전도성 고분자 3.5~8.5중량%가 포함된다.

상기 분말활성탄은 하폐수 내에 존재하는 유기물질을 흡착 제거하기 위한 것이다.

이때, 분말활성탄은 전극반응속도가 떨어지므로 이를 위하여 기공 형성제와 전도성 고분자를 첨가하여 전기화학 하폐수처리 공정을 위한 충전재를 얻도록 한다.

기공 형성제는 매크로 기공(macro pore)과 같은 기공을 활성화 및 확장하기 위한 것으로서, 이러한 기공 형성제(공극 형성 물질)는 주로 화학적 기공 형성 물질이며, 본 발명에 따른 전도성 충전재 제조 시 반응조에서 온도 850℃에서 충분한 매크로 기공이 형성되도록 한다.

상기 기공 형성제는 수산화칼륨(KOH), 탄산나트륨(Na₂CO₃), 수산화나트륨(NaOH), 염화아연(ZnCl₂), 염화마그네슘(MgCl₂), 인산수소(H₃PO₄) 등의 산성 또는 염기성 물질그룹으로부터 적어도 하나 이상 선택하여 사용됨이 바람직하나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

이때, 상기 기공 형성제는 너무 적게 사용하게 될 경우에는 기공 활성화 및 확장 효과가 미미한 반면, 과다하게 사용할 경우에는 후공정에서 제조된 충전재의 연화가 발생하여 강도가 약해질 우려가 있으므로 0.5~3.5중량% 사용됨이 바람직하다.

전도성 고분자는 전기전도도를 증가시키기 위한 것으로서, 본 발명에 따른 충전재 표면에서 전하를 생성하여 전기전도도를 증가시켜 전극반응속도를 증가시킴과 아울러 매크로 기공의 면적을 증가시켜 전도성 충전재 입자 사이에서의 반응 증가로 처리 효율을 향상시킬 수 있도록 한다.

즉, 이러한 전도성 고분자는 기공 표면에 전하를 형성하여 전극반응속도를 높임으로써 처리효율을 향상시키는 역할을 한다.

상기 전도성 고분자는 폴리아세틸렌, 폴리피롤, 폴리아센, 폴리사이오펜, 폴리아닐린, 폴리파라페닐린, 폴리이소티오나프틴 등으로 이루어진 전도성 물질 그룹으로부터 적어도 하나 이상 선택하여 사용할 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

이때, 상기 전도성 고분자는 너무 적게 사용할 경우에는 전기전도도 증가가 현저히 낮아져 전극반응속도와 처리효율, 전류효율이 떨어지는 반면, 과다하게 사용할 경우에는 압출과정에서 생산성이 감소될 가능성이 있으므로 3.5~8.5중량% 사용함이 바람직하다.

이와 같이 분말활성탄에 기공 형성제 및 전도성 고분자를 첨가하여 온도 850℃의 조건 하에서 압출 성형함으로써 전도성 충전재를 제조하며, 이러한 전도성 충전재는 전기전도도가 증가됨과 아울러 매크로 기공과 같은 기공의 활성화 및 확장에 의해 복극 면적이 증가하게 되며, 이러한 충전재를 후술하는 하폐수처리 공정에 이용함으로써 전기전도도 향상에 의한 전극반응을 극대화하여 반응시간을 단축함으로써 처리 반응조의 용량을 감소시켜 하폐수처리 공정에 필요한 부지 및 비용을 감소시키는 경제적 효과를 얻도록 하는 것이다.

[2] 반응조 충전

하폐수 처리 반응조로는 충전 복극 전해조가 사용되는데, 도1에 도시된 바와 같이 소정 크기의 원통형 반응조(1) 내부에 3개의 원통형 양극 전극과 2개의 원통형 음극 전극을 배치하되, 양극과 음극의 전극 간격은 15㎜로 조절하고, 이들 전극 사이에는 상기 [1] 단계에서 얻어진 다수의 전도성 충전재(2)를 충전한다.

이때, 상기 원통형 양극 및 음극 전극에는 일정 간격마다 직경 3㎜의 관통공을 형성하여 하폐수의 흐름을 유도함으로써 반응조 내의 하폐수가 전극과 충전재와 접촉하여 전극반응이 이루어지도록 한다.

또한 상기 반응조(1)에는 직류 전원을 공급하기 위하여 전원공급장치(3)가 설치되고, 상기 반응조에서의 전기분해과정에서 생성된 전기량을 측정하기 위하여 구리 전량계(4)가 구비된다.

[3] 전기분해 반응

상기 반응조(1) 내부에 하폐수를 주입하고, 전류밀도 0.5~1.5A/dm², 전압 3.5 ~ 7.3V로 운전조건을 조절하여 전원공급장치(3)에 의해 전원을 공급하여 양극 전극과 음극 전극을 통해 전극반응을 일으키되 양극 및 음극의 두 전극 사이에 인가되는 높은 전압에 의해 반응조(1) 내부에 충전된 전도성 충전재(2)가 복극성 미세 전극이 되면서 충전재의 한쪽 끝에서는 양극 반응이 발생함과 아울러 다른 쪽 끝에서는 음극 반응이 발생하면서 전극반응을 활성화하고, 이에 따라 오염물질의 처리효율이 극대화된다.

즉, 종래의 직접산화 반응에 의해 전극 표면에서 하폐수의 물이 전기분해되면서 수산기가 생성되어 양극에 흡착되고, 전극 표면에 흡착된 수산기에 의해 유기물질이 산화되고(R + M[OH] → M[] + RO + H⁺ + e^-), 산화된 유기물질 RO는 수중에서 방전을 계속하게 된다.

또한, 유기물질 분해 반응(MO_x + H₂O → MO_x[OH] + H⁺ + e^-)에서 산화된 양극(MO_x)에 물의 전기분해에 의해 생성된 수산기가 흡착되고 산소와 반응하여 더 산화된 양극을 형성하며, 이러한 산화성 양극에 흡착된 수산기와 유기물질이 반응하면서 이산화탄소, 물 또는 수소 이온 등으로 분해가 완료된다.

또한, 이러한 미세 전극반응을 통해 차아염소산이 생성되어 유기물을 제거하게 되며, 음극에서는 수소가스가 생성되어 에너지로 이용 가능하게 된다.

즉, 하폐수의 물이 전기분해되면서 염소의 양극 산화가 동시에 발생하며 양극 전극 표면에 차아염소산이 형성되고, 이러한 차아염소산에 의해 유기물질이 산화되면서 동시에 소독이 이루어진다.

상기와 같이 본 발명에서 하폐수 중에 함유된 오염물질과 응집반응과 산화반응, 소독반응의 3가지 이상의 반응이 발생한다.

또한, 반응조(1) 내에서 미세 단위의 전해조 역할을 하는 전도성 충전재(2)가 반응조 내부의 전극 사이에 다수 충전 배치됨에 따라 유효 전극의 표면적이 대폭 증가하고 전극 사이의 거리가 짧아지면서 8하폐수 중 처리대상 물질의 이동거리가 짧아짐에 따라 반응속도가 향상되어 안정적인 하폐수처리가 가능하게 된다.

1 : 반응조 2 : 전도성 충전재
3 : 전원공급장치 4 : 구리 전량계

Claims

⒜ 분말활성탄 88~95중량%에 기공 형성제 0.5~3.5중량% 및 전도성 고분자 3.5~8.5중량%를 첨가하고 온도 850℃에서 압출 성형하여 전도성 충전재를 제조하는 단계;
⒝ 다수의 원통형 양극 전극과 음극 전극으로 구성된 전해 반응조의 내부에 상기 전도성 충전재를 충전하되, 양극 전극과 음극 전극 사이에 다수 충전하는 단계; 및
⒞ 상기 전해 반응조에 전류밀도 0.5~1.5A/dm², 전압 3.5~7.3V로 조절하여 전원을 공급하여 양극 전극과 음극 전극을 통해 전극반응을 일으키되, 상기 전도성 충전재를 미세 전극으로 이용하여 전극반응을 활성화하고 미세 전극반응을 통해 차아염소산을 생성하여 하폐수 내 오염물질과 응집, 산화 및 소독반응을 일으키는 단계;를 포함함을 특징으로 하는 전도성 물질을 이용한 전기화학적 하폐수 처리방법.
제1항에 있어서,
상기 ⒜ 단계에서 상기 기공 형성제는 수산화칼륨, 탄산나트륨, 수산화나트륨, 염화아연, 염화마그네슘, 인산수소로 된 산성 또는 염기성 물질 그룹으로부터 적어도 하나 이상 선택하여 사용되는 것을 특징으로 하는 전도성 물질을 이용한 전기화학적 하폐수 처리방법.
제1항에 있어서,
상기 ⒜ 단계에서 상기 전도성 고분자는 폴리아세틸렌, 폴리피롤, 폴리아센, 폴리사이오펜, 폴리아닐린, 폴리파라페닐린, 폴리이소티오나프틴으로 이루어진 군으로부터 적어도 하나 이상 선택하여 사용되는 것을 특징으로 하는 전도성 물질을 이용한 전기화학적 하폐수 처리방법.
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