KR101882983B1 - 액화탄산가스를 이용한 pH 중화장치 및 중화처리방법 - Google Patents

액화탄산가스를 이용한 pH 중화장치 및 중화처리방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 액화탄산가스를 이용하여 고농도/고알칼리성 폐수를 중화시키기 위한 중화장치 및 중화처리방법에 관한 것으로서,
더욱 상세하게는, 종래 통상적으로 사용되던 황산(H2SO4) 대신 액화탄산가스를 알칼리성 폐수에 주입한 후, 알칼리성 폐수 내에 미세기포를 생성시켜 알칼리성 폐수와 액화탄산가스의 반응 접촉면을 최대한 확장시켜 주고, 또한 와류를 생성시켜 액화탄산가스와 알칼리성 폐수의 반응을 더욱 촉진시켜 줌으로써 알칼리성 폐수 pH의 중화처리가 효과적으로 이루어질 수 있도록 하는 액화탄산가스를 이용한 알칼리성 폐수의 pH 중화장치 및 이를 통한 알칼리성 폐수의 pH 중화처리방법에 관한 것이다.

Description

액화탄산가스를 이용한 pH 중화장치 및 중화처리방법{DS-NHS}
본 발명은 액화탄산가스를 이용하여 고농도/고알칼리성 폐수를 중화시키기 위한 pH 중화장치 및 중화처리방법에 관한 것으로서,
더욱 상세하게는, 종래 통상적으로 사용되던 황산(H2SO4) 대신 액화탄산가스를 기화시켜 알칼리성 폐수에 주입한 후, 알칼리성 폐수 내에 미세기포 생성시켜 알칼리성 폐수와 탄산가스의 반응 접촉면을 최대한 확장시켜 주고, 또한 와류를 생성시켜 탄산가스와 알칼리성 폐수의 반응을 더욱 촉진시켜 줌으로써 알칼리성 폐수 pH의 중화처리가 효과적으로 이루어질 수 있도록 하는 액화탄산가스를 이용한 알칼리성 폐수의 pH 중화장치 및 이를 통한 알칼리성 폐수의 pH 중화처리방법에 관한 것이다.
일반적으로 폐수 처리에 있어 원수가 알칼리성인 경우 중화처리를 하게 되며, 이때 일반적으로 사용하는 것이 황산(H2SO4)이다. 그러나 이와 같은 종래 방식은 강산의 사용으로 인해 설비부식 및 취급상의 위험이 항상 잔재해 있다.
따라서 본 발명에서는 이와 같은 강산을 사용하지 않고, 액화탄산가스를 이용하여 보다 효과적으로 알칼리성 폐수의 중화처리 기술을 제시하고자 한다.
강한 알카리성이 폐수는 불규칙적인 배출과 강알칼리성으로 인하여 일반적인 산업폐수 처리장에 유입하여 산성의 중금속 폐수와 혼합하여 처리시, 반응력이 부족하여 응집제의 투입이 증가하고 반응시간이 많이 필요하게 되며 중화조에서 재반응하여 슬러지(Sludge)를 발생시켜 부상하는 등의 문제점을 야기한다.
대한민국 공개특허 10-1993-0007826(공개일자 1993.05.20) 대한민국 등록특허 10-0473519(등록일자 2005.02.17) 대한민국 등록특허 10-0676065(등록일자 2007.01.23) 대한민국 등록특허 10-0693809(등록일자 2007.03.06)
본 발명은 알칼리성 폐수의 pH를 중화시키기 위하여, 종래 통상적으로 사용되던 황산(H2SO4) 대신 액화탄산가스를 기화시켜 알칼리성 폐수에 주입한 후, 알칼리성 폐수 내에 미세기포를 생성시켜 알칼리성 폐수와 탄산가스의 접촉면을 최대한 확장시켜 주고, 또한 와류를 생성시켜 탄산가스와 알칼리성 폐수의 반응을 더욱 촉진시켜 줌으로써 알칼리성 폐수 pH의 중화처리가 효과적으로 이루어질 수 있도록 하는 액화탄산가스를 이용한 알칼리성 폐수 pH 중화장치 및 이를 통한 알칼리성 폐수의 pH 중화처리방법을 제공하고자 하는 것을 발명의 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여,
본 발명은 알칼리성 폐수를 공급하는 유입수조와,
상기 유입수조로부터 공급되는 알칼리성 폐수와 pH조정조에 액화탄산가스를 주입하되, 후단에 설치되어 있는 기화기 내에서 감압을 통해 액화탄산가스를 기화시킨 후 제1밸브와 제2밸브를 거쳐 상기 알카리성 폐수에 탄산가스를 공급하고, 제3밸브를 거쳐 상기 pH조정조에 탄산가스를 공급하는 액화탄산가스 공급탱크와,
상기 탄산가스와 알칼리성 폐수를 혼합하면서 기포를 분쇄하여 미세기포를 생성하는 라인믹서와,
상기 라인믹서를 거쳐 유입되는 알칼리성 폐수를 탄산가스와 반응시켜 중화처리하는 중화처리조와,
상기 중화처리조에서 중화처리과정을 거친 폐수의 pH를 측정하여 pH 8을 초과하는 경우 상기 액화탄산가스 공급탱크로부터 공급되는 탄산가스를 산기관을 통해 미세기포로 만들어 주입하여 pH 8로 조정하는 pH조정조를 포함하여 이루어지는 액화탄산가스를 이용한 알칼리성 폐수의 pH 중화장치를 제공한다.
그리고 상기 알칼리성 폐수의 pH 중화장치를 이용하여 이루어지는 것으로서,
유입수조로부터 공급되는 알칼리성 폐수에, 액화탄산가스 공급탱크로부터 공급되는 액화탄산가스를 기화기 내에서 기화시킨 탄산가스로 주입하는 단계(S10)와,
상기 탄산가스가 주입된 알칼리성 폐수를 라인믹서에서 혼합하고, 혼합과정에서 기포를 잘게 부수어 미세기포(bubble)를 형성하는 단계(S20)와,
미세기포(bubble)를 포함한 알칼리성 폐수를 중화처리조로 공급하는 단계(S30)와,
상기 알칼리성 폐수를 상기 중화처리조의 내측 저부에 설치된 타공판에 형성되어 있는 다수의 홀을 통과시켜 미세기포를 더 작게 분쇄하는 단계(S40)와,
미세기포가 포함된 알칼리성 폐수를 상기 타공판 상부에 형성되어 다단의 적층 구조를 이루고 있는 다수의 제1격벽과 제2격벽 사이를 지그재그로 흐르도록 하여, 이때 발생한 와류와 미세기포에 의해 탄산가스와의 반응을 촉진시켜 중화처리하는 단계(S50)와,
상기 중화처리된 폐수를 pH조정조로 공급하여 pH를 측정하고, 측정한 pH가 8을 초과한 경우에는 액화탄산가스 공급탱크로부터 공급되는 탄산가스를 상기 pH조정조의 저부에 설치되어 있는 산기관을 통해 미세기포로 만들어 주입하여 pH를 재조정하는 단계(S60)와,
상기 pH 재조정 과정을 거친 폐수를 배출하는 단계(S70)를 포함하여 이루어지는 액화탄산가스를 이용한 알칼리성 폐수의 pH 중화처리방법을 제공한다.
본 발명에 따른 액화탄산가스를 이용한 알칼리성 폐수의 pH 중화장치 및 이를 통한 알칼리성 폐수의 pH 중화처리방법은 다음의 효과를 갖는다.
첫째. 고농도/고알칼리성의 폐수에 액화탄산가스를 기화시켜 주입한 후, 혼합 및 반응과정에서 미세기포를 발생시키고, 이를 더 작게 분쇄하여 비표면적을 크게 함으로써 탄산가스와의 반응 촉진이 일어나 소규모 시설을 통해서도 효율적으로 단시간 내에 중화처리가 가능하다.
둘째. 와류를 이용하여 탄산가스와 알칼리성 폐수가 강하게 반응되도록 환경을 조성함으로써 중화처리속도를 가속화할 수 있다.
셋째. 강산인 황산(H2SO4)을 취급하기 위한 복잡한 설비가 필요없고, 액화탄산가스는 자동 제어장치를 통해 쉽게 알칼리성 폐수로 주입할 수 있기 때문에 강산인 황산(H2SO4)을 사용하여 중화처리할 때보다 노동력 및 공정위험성을 현저하게 낮출 수 있다.
넷째. 강산인 황산(H2SO4)을 이용하기 위해서는 유독성 가스 및 화재 등의 위험을 대비하여 안전설비가 필요하고 공정상의 과도한 주의가 필요하나 액화탄산가스를 이용하는 경우에는 이와 같은 위험요소가 없어 공정상의 안정성을 확보할 수 있다.
다섯째. 강산인 황산(H2SO4)을 이용하게 되는 경우에는 설비의 부식 등에 의한 노후화로 인해 유지보수 비용이 지출되나, 액화탄산가스를 사용하게 되는 경우에는 이와 같은 문제가 없으며 또한 중화기능 또한 탁월하여 소요경비의 절감 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명에 따른 액화탄산가스를 이용한 pH 중화장치의 전체 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 pH 중화장치를 구성하는 중화처리조의 구성을 도시한 측단면도.
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 중화처리조를 구성하는 타공판의 정면도.
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 중화처리조를 구성하는 타공판의 정면도.
도 5는 본 발명에 따른 중화처리조를 구성하는 타공판의 다른 예를 도시한 측면도.
도 6은 본 발명의 제1실시예에 따른 중화처리조를 구성하는 제1격벽의 정면도.
도 7은 본 발명의 제2실시예에 따른 중화처리조를 구성하는 제1격벽의 정면도.
도 8은 본 발명의 제1실시예에 따른 중화처리조를 구성하는 제2격벽의 정면도.
도 9는 본 발명의 제2실시예에 따른 중화처리조를 구성하는 제2격벽의 정면도.
도 10은 본 발명에 따른 액화탄산가스를 이용한 알칼리성 폐수의 pH 중화처리과정을 보인 순서도.
도 11은 pH에 따른 총 이산화탄소, 중탄산염 및 탄산염의 분포도.
이하, 본 발명에 따른 액화탄산가스를 이용한 알칼리성 폐수의 pH 중화장치 및 중화처리방법에 대해 도면과 함께 보다 구체적으로 살펴보도록 한다.
도 1에 도시된 바에 따라, 본 발명에 따른 액화탄산가스를 이용한 알칼리성 폐수 pH 중화장치(1)는,
알칼리성 폐수를 공급하는 유입수조(10)와,
상기 유입수조(10)로부터 공급되는 알칼리성 폐수와 pH조정조에 액화탄산가스를 주입하되, 후단에 설치되어 있는 기화기(21) 내에서 감압을 통해 액화탄산가스를 기화시킨 후 제1밸브(20a)와 제2밸브(20b)를 거쳐 상기 알카리성 폐수에 탄산가스를 공급하고, 제3밸브(20c)를 거쳐 상기 pH조정조에 탄산가스를 공급하는 액화탄산가스 공급탱크(20)와,
상기 탄산가스와 알칼리성 폐수를 혼합하면서 기포를 분쇄하여 미세기포를 생성하는 라인믹서(30)와,
상기 라인믹서(30)를 거쳐 유입되는 알칼리성 폐수를 탄산가스와 반응시켜 중화처리하는 중화처리조(40)와,
상기 중화처리조(40)에서 중화처리과정을 거친 폐수의 pH를 측정하여 pH 8을 초과하는 경우 상기 액화탄산가스 공급탱크(20)로부터 공급되는 탄산가스를 산기관(501)을 통해 미세기포로 만들어 주입하여 pH 8로 조정하는 pH조정조(50)를 포함하여 이루어진다.
상기 액화탄산가스는 무색, 무취, 무미의 기체상태인 이산화탄소(Carbon dioxide, CO2) 가스를 압축 냉각시킨 투명한 액체(L-CO2)이다.
본 발명에서는 이와 같은 액화탄산가스를 알칼리성 폐수에 주입한 후, 버블과 와류를 생성하여 액화탄산가스에 의한 알칼리성 폐수의 중화처리를 효과를 극대화시킬 수 있는 기술에 관한 것이다.
액화탄산가스를 NaOH 알칼리 폐수에 주입하면 알칼리 폐수 내의 수산이온(OH-)과 결합하여 중조(NaHCO3)를 생성하면서 폐수는 중화된다.
NaOH 알칼리 폐수와 탄산가스의 중화반응은 다음의 반응식들로 요약할 수 있다.
CO2 + OH- <-------------> HCO3 - (1)
HCO3 - + OH- <-------------> CO3 -2 + H2O (2)
CO2 + H2O <-------------> HCO3 - + H+ (3)
H+ + OH- <-------------> H2O (4)
중화반응에 있어 pH 7 이상의 영역에서는 상기 식(1)과 (2)에 의한 반응이 지배적이며 평형조성은 pH와 밀접한 관련이 있다.
pH>12.5의 높은 pH에서는 흡수된 CO2가 곧바로 CO3 -2까지 반응하고, pH가 9 ~ 12로 낮아지면 HCO3 -가 점점 증가하다가 OH- 이온의 농도가 더 감소하면 흡수된 CO2는 주로 HCO3 -형태로만 존재하게 된다.
상기 액화탄산가스는 액화탄산가스 공급탱크(20)를 통해 알칼리성 폐수로 주입되되, 상기 액화탄산가스 공급탱크(20)의 후단에 설치되어 있는 기화기(21) 내에서 감압에 의해 상기 액화탄산가스를 기화시킨 후, 라인믹서(30)로 공급되는 알칼리성 폐수에 주입한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 상기 유입수조(10)는 내측 하부에 제1유입펌프(101)와 제2유입펌프(102)가 설치된다.
상기 라인믹서(30)로 공급되는 알카리성 폐수로 공급되는 탄산가스의 주입량은 상기 제1유입펌프(101)와 제2유입펌프(102)의 구동 개수에 따라 제1밸브(20a)와 제2밸브(20b)를 통해 제어한다.
상기 제1유입펌프(101) 또는 제2유입펌프(102) 중 한 개의 펌프만을 가동하는 경우에는 상기 제1밸브(20a) 또는 제2밸브(20b) 중 한 개의 밸브만을 개방하여 탄산가스를 주입하도록 하고,
상기 제1유입펌프(101) 및 제2유입펌프(102) 모두를 가동하는 경우에는 상기 제1밸브(20a) 및 제2밸브(20b) 모두를 개방하여 탄산가스를 알카리성 폐수로 주입하도록 구성된다.
또한 상기 제1밸브(20a) 내지 제3밸브(20c)는 유입수조(10)의 pH가 8 미만인 경우 모두 닫혀 탄산가스가 알칼리성 폐수 및 pH조정조(50)로 공급되지 않도록 한다. 이때 유입수조(10)와 pH조정조(50)에는 pH 측정기인 pH미터가 각각 설치되어 있다.
상기 제1밸브(20a) 내지 제3밸브(20c)는 공압식 또는 모터식 전동밸브를 사용할 수 있다. 도 1에서는 상기 제1밸브(20a) 내지 제3밸브(20c)가 전동밸브로서 콤프레셔와 연결되어 개폐 구동됨을 예시적으로 도시하고 있다.
상기 라인믹서(30)는 관로 내의 고정된 혼합 엘리먼트(mixing element)로 구성되어 있어, 혼합될 이유체(two phase flow)가 관로를 통과할 때 연속적 유동분할, 방향전환, 재결합의 과정이 반복되어 혼합을 이루는 장치이다.
이때 기체와 액체가 강력하게 믹싱되는 과정에서 분쇄되어 폐수에 포함되어 있는 불순물이 핵이 되어 용존가스가 버블화되면서 기포를 생성하게 된다. 또한 기소 생성과 동시에 기포의 분쇄에 의한 미세기포를 생성하게 된다.
수중에서의 미세 기포는 여러 가지의 특성을 가지고 있는데, 그 중에서 가장 큰 특징은 수중에서 작은 부력에 의해 상승속도가 낮다는 것이다. 미세기포 중에서 나노버블은 직경이 1 ㎛ 이하의 매우 미세한 기포이며 마이크로버블은 직경이 50 ㎛ 이하의 미세기포를 말한다.
상기 라인믹서(30)에서 액화탄산가스와 혼합된 알칼리성 폐수는 중화처리조(40)로 공급된다. 이때 상기 중화처리조(40)는 실질적으로 탄산가스와 알칼리성 폐수의 반응에 의해 중화처리가 이루어지는 곳이다.
상기 중화처리조(40)는 도 2 내지 도 9에 도시된 바와 같이
중공의 케이싱(41);
상기 케이싱(41)의 내측 저부 전면을 완전히 밀폐하는 닫힘구조의 판(421)과, 상기 판(421)의 전면에 다수로 형성되는 홀(Holes)(422)을 포함하여 이루어져, 미세기포가 상기 홀(Holes)(422)을 통과하는 과정에서 더 작게 분쇄되어 기포의 비표면적을 크게 하고 수중 체류시간을 길게 만들어주는 타공판(42);
상기 타공판(42)으로부터 상부로 이격되어 전면을 완전히 밀폐하는 닫힘구조의 판(431)과, 상기 판(431)의 일측 중앙에 형성되는 하나의 홀(Hole)(432)을 포함하여 이루어지는 제1격벽(43);
상기 제1격벽(43)으로부터 상부로 이격되어 전면을 완전히 밀폐하는 닫힘구조의 판(441)과, 상기 판(441)의 타측 중앙에 하나의 홀(Hole)(442)을 형성하는 제2격벽(44);
상기 제2격벽(44)의 상부방향으로 상기 제1격벽(43)과 제2격벽(44)이 번갈아가며 동일 방식으로 다수 설치되어, 상기 타공판(42)을 통과한 알칼리성 폐수가 상기 제1격벽(43)과 제2격벽(44)에 설치되어 있는 홀(Hole)(432, 442)을 통과하기 위해 지그재그 방향으로 흐르는 과정에서 와류를 형성하여, 탄산가스와의 반응을 통한 알칼리성 폐수의 중화처리가 미세기포와 와류에 의해 촉진되고, 이와 같은 반응을 통해 중화처리된 폐수가 출수되는 출수관(45);을 포함하여 이루어진다.
이때 상기 중화처리조(40)의 외형을 이루는 중공의 케이싱(41)은 육면체형, 원통형 등 다양한 형태로 제작이 가능하다.
상기 라인믹서(30)에서 탄산가스와 혼합된 알칼리성 폐수는 상기 중화처리조(40)로 유입되어 맨 처음 타공판(42)을 통과하게 된다.
상기 타공판(42)은 도 2 및 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 케이싱(41)의 내측 저부 저면을 전체적으로 막아 닫힌구조를 이루는 것으로서, 상기 케이싱(41)의 바닥면으로부터 수평을 이루도록 소정 간격으로 이격되어 설치되는 판(421)과, 상기 판(421)의 전면에 다수 형성되는 홀(Holes)(422)을 포함하여 이루어진다.
따라서 알칼리성 폐수는 상기 홀(Holes)(422)을 통과하여 위쪽 방향으로 흐르도록 설계되어 있다.
도 3 및 도 4에는 형태에 따른 타공판(42)의 정면도를 도시하고 있는 것으로서, 도 3의 타공판(42)은 사각판형상을 이루고, 도 4의 타공판(42)은 원판형상을 이루고 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 상기 타공판(42)의 판(421)에 형성된 다수의 홀(Holes)(422)의 구조는 다양한 형태로 제시될 수 있다.
첫번째는 단순하게 다수의 홀(Holes)(422)이 설치되어 있는 형태로서, 알칼리성 폐수에 포함되어 있는 미세기포는 상기 다수의 홀(422)을 통과하는 과정에서 작게 분쇄된다.(도 5의 (a))
두번째는 상기 다수의 홀(Holes)(422)의 세로측 단면을 기준으로 볼 때 측단면이 오리피스 구조(422a)를 이룸으로써, 미세기포는 상기 다수의 홀(422)의 오리프스 관을 통과하는 과정에서 더 작게 분쇄된다.(도 5의 (b))
세번째는 상기 첫번째 또는 두번째 구조에 부가적으로 적용되는 것으로서, 다수의 홀(Holes)의 출구 방향으로 소정 간격으로 이격된 지점에 충돌판(422b)을 형성하여 홀(422)을 통과하는 과정에서 작게 분쇄된 기포가 더욱 작게 분쇄되도록 구성된다.(도 5의 (c) 및 (d))
상기 첫번째 형태의 타공판(42)은 미세기포 다수의 홀(Holes)(422)을 통과하는 과정에서 판과의 충돌 및 상기 홀(Holes)(422) 내부와 외부의 압력차에 의해 부수어져 작게 분쇄된 미세기포를 형성하게 된다.(도 5의 (a))
상기 두번째 또한 상기 첫번째와 유사한 과정을 거쳐 작게 분쇄된 미세기포를 생성하나, 다만 그 기포의 크기를 더 작게 만들 수 있다.(도 5의 (b))
상기 세번째의 경우에는 다수의 홀(Holes)(422)을 빠져나온 기포들이 충돌판에 강하게 다시 충돌하면서 보다 세밀하게 부수어져 상기 첫번째 및 두번째의 경우보다 작은 미세기포를 생성하게 된다.(도 5의 (c) 및 (d))
이와 같은 과정을 거쳐 생성된 미세기포들은 그 크기가 작아짐에 따라 비표면적이 점점 증가하게 되어 탄산가스에 의한 알칼리성 폐수와의 반응은 더욱 촉진되어 중화처리의 촉진으로 이어진다.
보다 상세하게는, 상기 타공판(42)은 판(421) 두께 4.0 ~ 5.0 mm 이고, 홀(442) 직경 30 ~ 50 mm인 것으로서, 더욱 구체적으로는 판(421) 두께 4.5 mm, 홀(442) 직경 40 mm이다. 그리고 상기 홀(442)의 개수는 특별히 한정을 두지 않는다.
상기 타공판(42)을 통과한 알칼리성 폐수는 격벽이 설치되어 있는 구간을 지그재그로 흐르는 과정에서 중화처리되게 된다. 이때 격벽 사이를 지그재그로 흐르는 과정에서 와류를 생성하게 되며, 이와 같이 생성된 와류와 알카리성 폐수에 포함되어 있는 미세기포의 작용으로 인해 중화작용으로 촉진된다.
따라서 탄산가스에 의한 알카리성 폐수의 중화처리가 매우 효과적으로 단시간 내에 이루어질 수 있다.
상기 타공판(42) 상부에는 다수의 격벽이 소정의 간격을 두어 다단으로 층 구조를 이루면서 설치된다.
즉, 상기 타공판(42) 바로 위쪽에는 제1격벽(43)이 설치되고, 그 위로 이격되어 제2격벽(44)이 설치되며, 다시 그 위로 이격되어 제1격벽(43)이 설치되는 구조가 반복되면서 격벽(43, 44)이 설치된다.
상기 제1격벽(43)은 케이싱(41)의 전면을 닫힌구조로 막는 판(431)과,
상기 판(431)의 일측 중앙에 형성되는 하나의 홀(Hole)(432)을 포함하여 이루어진다.
상기 제2격벽(44)은 케이싱(41)의 전면을 닫힌구조로 막는 판(441)과,
상기 판(441)의 타측 중앙에 형성되는 하나의 홀(Hole)(442)을 포함하여 이루어진다.
상기 제1격벽(43)과 제2격벽(44)은 판(431, 441) 두께 4.0 ~ 5.0 mm 이고, 홀(432, 442) 직경 250 ~ 350 mm 이다.
상기 제1격벽(43)과 제2격벽(44)은 동일한 구조를 이루고 있으나, 홀(Hole)(432, 442)을 형성하는 위치가 상이하도록 제1격벽(43)과 제2격벽(44)의 홀(Hole)(432, 442)은 중심축을 기준으로 서로 반대의 면에 형성된다.
즉 제1격벽(43)은 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 도면의 오른쪽에 홀(432)을 형성하고 있으나, 제2격벽(44)은 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 도면의 왼쪽에 홀(442)을 형성하고 있다.
또한 상기 제1격벽(43) 및 제2격벽(44)은 도 6 및 도 7; 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 사각판형 또는 원판형으로 이루어질 수 있다.
이와 같이 제1격벽(43)과 제2격벽(44)의 홀(432, 442)의 위치를 서로 반대방향에 위치하게 한 이유는 상기 홀(432, 442)을 통해 흐르는 탄산가스와 혼합되어 있는 알칼리성 폐수가 지극재그 방향으로 흐르면서, 이때 생성되는 와류와 이미 포함되어 있는 미세기포에 의한 반응촉진과, 정해진 반응공간내에서 반응시간을 최대로 늘려줄 수 있는 구조를 이루기 위함이다.
따라서 이와 같은 구조에 의해 소규모 반응장치를 통해 효과적으로 단시간 내에 알칼리성 폐수를 중화시킬 수 있는 장점을 갖게 된다.
상기 제1격벽(43)과 제2격벽(44)의 설치개수는 별도 한정을 두지 않는다. 이는 알칼리성 폐수의 pH와 탄산가스의 주입량, 미세기포의 생성정도, 반응장치의 규모 등을 고려하여 필요에 따라 적정 개수로 설치하면 된다.
이상의 액화탄산가스를 이용한 알칼리성 폐수의 pH 중화장치를 통한 중화처리과정을 정리하여 보면 다음과 같다.
도 10에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 알칼리성 폐수의 pH 중화처리과정은,
유입수조(10)로부터 공급되는 알칼리성 폐수에, 액화탄산가스 공급탱크(20)로부터 공급되는 액화탄산가스를 기화기(21) 내에서 기화시킨 탄산가스로 주입하는 단계(S10)와,
상기 탄산가스가 주입된 알칼리성 폐수를 라인믹서(30)에서 혼합하고, 혼합과정에서 기포를 잘게 부수어 미세기포(bubble)를 형성하는 단계(S20)와,
미세기포(bubble)를 포함한 알칼리성 폐수를 중화처리조(40)로 공급하는 단계(S30)와,
상기 알칼리성 폐수를 상기 중화처리조(40)의 내측 저부에 설치된 타공판(42)에 형성되어 있는 다수의 홀을 통과시켜 미세기포를 더 작게 분쇄하는 단계(S40)와,
미세기포가 포함된 알칼리성 폐수를 상기 타공판(42) 상부에 형성되어 다단의 적층 구조를 이루고 있는 다수의 제1격벽(43)과 제2격벽(44) 사이를 지그재그로 흐르도록 하여, 이때 발생한 와류와 미세기포에 의해 탄산가스와의 반응을 촉진시켜 중화처리하는 단계(S50)와,
상기 중화처리된 폐수를 pH조정조(50)로 공급하여 pH를 측정하고, 측정한 pH가 8을 초과한 경우에는 액화탄산가스 공급탱크(20)로부터 공급되는 탄산가스를 상기 pH조정조(50)의 저부에 설치되어 있는 산기관(501)을 통해 미세기포로 만들어 주입하여 pH를 재조정하는 단계(S60)와,
상기 pH 재조정 과정을 거친 폐수를 배출하는 단계(S70)를 거쳐 액화탄산가스를 이용한 알칼리성 폐수의 pH 중화처리가 완료된다.
이때, 액화탄산가스 주입은 액화탄산가스 공급탱크(20)의 후단에 설치되어 있는 기화기(21) 내에서 액화탄산가스를 기화시킨 후 제1밸브(20a), 제2밸브(20b) 및 제3밸브(20c)를 통해 제어하는 것으로서,
유입수조(10) 내에 설치되어 있는 제1유입펌프(101)와 제2유입펌프(102) 중 어느 1개의 펌프만 가동되어 라인믹서(30)로 알카리성 폐수를 공급하는 경우, 상기 제1밸브(20a) 또는 제2밸브(20b) 중 어느 1개의 밸브만을 개방하여 탄산가스를 상기 알카리성 폐수에 주입하고,
상기 제1유입펌프(101)와 제2유입펌프(102) 모두 가동되는 경우, 상기 상기 제1밸브(20a)와 제2밸브(20b) 모두 개방하여 탄산가스를 상기 알카리성 폐수에 주입하도록 하며,
상기 유입수조(10) 내의 알칼리성 폐수의 pH가 8 미만인 경우에는 상기 제1밸브(20a)와 제2밸브(20b) 모두 닫아 탄산가스가 상기 알카리성 폐수로 주입되는 것을 차단하고,
pH조정조(50) 내 폐수의 pH를 측정하여 8을 초과하는 경우에는 상기 제3밸브(20c)를 개방하고, 8 미만인 경우에는 상기 제3밸브(20c)를 개방를 닫아 상기 pH조정조(50)로 탄산가스의 주입유무를 제어하는 과정을 포함하여 이루어진다.
본 발명의 약화탄산가스에 의한 알칼리성 폐수의 중화처리와 관련하여,
상기 탄산가스의 주입량은 폐수의 pH, 성상에 따라 달라지는데, 도 11을 참고하여 알칼리성 폐수의 처리를 위한 탄산가스와 황산의 주입량에 대해 살펴보고자 한다.
먼저 황산(H2SO4)의 주입량을 살펴보고자 한다.
H2SO4 분자량은 98.079 g/mol이다.
H2SO4 → 2H+ + SO4 2-
H+ 1 mol을 만들기 위한 H2SO4의 소요량은 49.04 g이다.
다음으로 탄산가스의 주입량을 살펴보고자 한다.
CO2 분자량은 44.01 g/mol이다.
원수 pH가 11 이상일 때,
CO2 + H2O → 2H+ + CO3 2-
H+ 1 mol을 만들기 위한 CO2의 소요량은 22.01 g이다.
원수 pH가 7 ~ 11 일 때,
CO2 + H2O → H+ + HCO3 -
H+ 1 mol을 만들기 위한 CO2의 소요량은 44.01 g이다.
따라서, 황산보다 적은 주입량으로 동일한 pH 중화효과를 볼 수 있음을 알 수 있다.
본 발명에 따른 액화탄산가스에 의한 알칼리성 폐수의 pH 중화장치는 일반적으로 알칼리성 폐수의 중화에 사용되는 중화제인 황산(H2SO4)을 사용하지 않음으로써, 유독물질 사용에 따른 많은 제도적 제약과 사용상의 위험문제를 해소함으로써 보다 효과적으로 알칼리성 폐수를 중화시킬 수 있다는 장점을 갖음으로서 산업상 이용가능성이 크다.
1 : 알칼리성 폐수 pH 중화장치 10: 유입수조
20: 액화탄산가스 공급탱크 21: 기화기
20a: 제1밸브 20b: 제2밸브
20c: 제3밸브 30: 라인믹서
40: 중화처리조 40: 중화처리조
41: 케이싱 42: 타공판
43: 제1격벽 44: 제2격벽
45: 출수관 421, 431, 441: 판
422, 432, 442: 홀 50: pH조정조
501: 산기관

Claims (11)

  1. 알칼리성 폐수를 공급하는 유입수조(10)와,
    상기 유입수조(10)로부터 공급되는 알칼리성 폐수와 pH조정조에 액화탄산가스를 주입하되, 후단에 설치되어 있는 기화기(21) 내에서 감압을 통해 액화탄산가스를 기화시킨 후 제1밸브(20a)와 제2밸브(20b)를 거쳐 상기 알칼리성 폐수에 탄산가스를 공급하고, 제3밸브(20c)를 거쳐 상기 pH조정조에 탄산가스를 공급하는 액화탄산가스 공급탱크(20)와,
    상기 탄산가스와 알칼리성 폐수를 혼합하면서 기포를 분쇄하여 미세기포를 생성하는 라인믹서(30)와,
    상기 라인믹서(30)를 거쳐 유입되는 알칼리성 폐수를 탄산가스와 반응시켜 중화처리하되, 알칼리성 폐수의 중화처리 공간을 제공하는 중공의 케이싱(41); 상기 케이싱(41)의 내측 저부 전면에 설치되는 타공판(42); 상기 타공판(42)으로부터 상부로 이격되어 전면을 완전히 밀폐하는 닫힘구조의 판(431)과, 상기 판(431)의 일측 중앙에 형성되는 하나의 홀(Hole)(432)을 포함하여 이루어지는 제1격벽(43); 상기 제1격벽(43)으로부터 상부로 이격되어 전면을 완전히 밀폐하는 닫힘구조의 판(441)과, 상기 판(441)의 타측 중앙에 하나의 홀(Hole)(442)을 형성하는 제2격벽(44); 상기 제2격벽(44)의 상부방향으로 상기 제1격벽(43)과 제2격벽(44)이 번갈아가며 동일 방식으로 다수 설치되어, 상기 타공판(42)을 통과한 알칼리성 폐수가 상기 제1격벽(43)과 제2격벽(44)에 설치되어 있는 홀(Hole)(432, 442)을 통과하기 위해 지그재그 방향으로 흐르는 과정에서 와류를 형성하여, 액화탄산가스와의 반응을 통한 알칼리성 폐수의 중화처리가 미세기포와 와류에 의해 촉진되고, 이와 같은 반응을 통해 중화처리된 폐수가 출수되는 출수관(45);을 포함하여 이루어지는 중화처리조(40)와,
    상기 중화처리조(40)에서 중화처리과정을 거친 폐수의 pH를 측정하여 pH 8을 초과하는 경우 상기 액화탄산가스 공급탱크(20)로부터 공급되는 탄산가스를 산기관(501)을 통해 미세기포로 만들어 주입하여 pH 8로 조정하는 pH조정조(50)를 포함하여 이루어지는 것에 있어서,

    상기 타공판(42)은 케이싱(41)의 내측 저부 전면을 완전히 밀폐하는 닫힘구조의 두께 4.0 ~ 5.0 mm인 판(421)과, 상기 판(421)의 전면에 다수로 형성되되, 측단면이 오리피스 구조(422a)를 이루어 미세기포를 더 작게 분쇄하도록 구성된 직경 30 ~ 50 mm인 홀(Holes)(422)을 포함하여 이루어져, 미세기포가 상기 홀(Holes)(422)을 통과하는 과정에서 더 작게 분쇄되어 기포의 비표면적을 크게 하고 수중 체류시간을 길게 만들어주는 것임을 특징으로 하는 액화탄산가스를 이용한 알칼리성 폐수의 pH 중화장치.



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