KR102021719B1

KR102021719B1 - 폐수 내 중금속을 제거하기 위한 선택적 이온분리시스템, 이의 제어방법, 및 생산관리시스템

Info

Publication number: KR102021719B1
Application number: KR1020190031784A
Authority: KR
Inventors: 민경진; 박기영; 박계성; 배성준; 류준희
Original assignee: 건국대학교 산학협력단
Priority date: 2019-03-20
Filing date: 2019-03-20
Publication date: 2019-09-17

Abstract

본 발명은 폐수 내 중금속을 제거하기 위한 선택적 이온분리시스템, 이의 제어방법, 및 생산관리시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 폐수가 유입되며, 유입된 폐수를 전기투석하여 중금속이 함유된 농축수와 시안화물을 포함한 처리수로 분리하여 배출시키는 전기투석공정부; 상기 농축수가 유입되어, 전해추출을 통해 중금속을 회수하는 전해추출공정부; 상기 전기투석공정부에서 배출된 처리수와, 상기 전해추출공정부에서 배출된 처리수가 유입되어 NF막여과를 통해 중금속을 제거한 처리수와 중금속이 농축된 농축수를 배출시키는 NF 여과공정부; 및 상기 NF 여과공정부의 처리수가 유입되어, 전기산화공정부에서는 NF 여과공정부의 처리수 내 존재하는 시안화합물과 유기물을 산화시켜 제거하는 전기산화공정부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐수 내 중금속을 제거하기 위한 선택적 이온분리시스템에 관한 것이다.

Description

폐수 내 중금속을 제거하기 위한 선택적 이온분리시스템, 이의 제어방법, 및 생산관리시스템{Treatment system and method for wastewater containing heavy metal}

본 발명은 폐수 내 중금속을 제거하기 위한 선택적 이온분리시스템, 이의 제어방법, 및 생산관리시스템에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 중금속, 시안 등을 포함한 폐수의 처리에 관한 것으로서 전기투석 방법을 이용해 중금속을 농축하여 분리한 후 전해추출 공정으로 보내어 중금속을 추출해 공정의 원료로 회수하며, 전기투석 공정의 처리수와 전해 추출 공정의 처리수는 혼합하여 NF 여과공정으로 이송해 미처리된 중금속을 처리한 후 전기산화 공정으로 이송하여 시안과 잔류하는 유기물 및 미량물질들을 처리하여 공업용수를 생산하는 방법, 이를 제어하는 방법과 시스템의 구성에 관한 것이다.

도금 폐수는 전기 도금 및 산-알칼리 세정공정 이외에도 도금 전해조, 금속 표면 처리 전해조와 같은 다양한 공정에서 발생한다. 도금 폐수에는 유기물질, 유기 환원제와 질소 뿐만 아니라, 높고/낮은 pH, 구리, 니켈, 크롬, 아연, 질소, 독성 시안 화물을 함유하고 있다.

따라서 중금속이 고농도로 존재하기 때문에 적절하게 처리하지 않으면 생태계를 심각하게 훼손 할 수 있지만 쉽게 처리하기는 어렵다. 도금폐수는 일반적으로 석회 응고, 화학침전, 알칼리-염소산화, 이온교환 및 용매추출 등의 처리방법을 통해 처리하고 있으나, 별도의 추가 처리가 필요하다. 또한 중금속은 화학적 슬러지로 배출되어 공정의 원료로 재활용 할 수 없다.

막분리에 기반한 폐수 처리 기술은 시설의 통합을 통해 필요한 부지 뿐만 아니라, 원료, 에너지 및 물의 소비를 절감하며, 폐수 및 화학약품, 고형물 폐기물의 최소화, 자동화 운영으로 인해 운영비의 절감이 가능하다. 또한 중금속을 고농도로 농축하는 것이 가능하여 전해추출 기술과 연계하면 중금속을 최소비용으로 회수하여 산업공정의 원료로 재활용 할 수 있다.

전기 투석 시스템은 전기장의 영향으로 이온 교환막을 통해 용액내 이온을 이동시키는 막분리 과정으로 이온이 최대로 농축된 농축수와 이온이 거의 존재하지 않는 처리수를 생산할 수 있다. 일반적으로 전기투석에서의 이온 분리 효율은 유입 특성에 따른 이온의 구성비, 이온교환막 고유의 특성, 전위차로 인한 전기적 특성, 수력학적 특성, 금속 이온의 물리 화학적 성질, 작동조건에 따라 매우 다르다.

기존의 많은 연구자들은 혼합물로부터 막을 통해 동일한 전하를 가지는 특별한 이온을 선택적으로 분리하기 위한 다양한 연구들을 수행 하였다. 그러나, 막을 통한 특정 이온의 투과를 위해서 이온 교환막 및 전기 투석 방법의 수정에 관한 많은 연구가 수행되었음에도 불구하고 아직까지 뚜렷한 성과가 없는 실정이다.

대한민국 등록특허 제1598493호 일본 공개특허 제2016-77954호 대한민국 공개특허 제2002-0041504호 대한민국 등록특허 제311951호

따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 실시예에 따르면, 전기투석과 전기산화, 전해추출, 나노여과 공정의 조합을 이용하여 해결할 수 있고, 기존의 공정은 전기산화공정이후에 나노여과 공정을 설치하였으나, 이 경우에는 전기산화공정에서 중금속이 수산화기와 결합하여 전기산화 공정내에 축적되는 문제와 전기산화공정과 나노여과 공정, 방류수를 위한 pH를 각각 조절하여야 하였으나, 나노여과 공정 이후에 전기산화공정을 운영할 경우, 전기산화공정과 방류수의 pH만 조절하면 되기 때문에 약품비용을 크게 절감할 수 있으며, 특히, 방류수의 pH를 조절하기 위한 약품은 크게 절감할 수 있다.

기존의 운영시스템은 PLC를 이용하여 제어반에 설치된 터치패널이나 컴퓨터에 프로그래밍된 HMI를 이용하여 시스템의 상태를 실시간으로 모니터링하면서 운영자가 사전에 지정한 pH값에 따라 pH를 제어하거나, 수위계를 이용해 유입이나 유출량을 제어하는 수준에 불과하였으나, 본 발명의 실시예에 따른 제어방법에 따르면, 기존의 운영시스템 이외에도 생산관리시스템이 연계되어 운영되는 통합운영시스템으로 운영자가 지정한 제어변수들을 이용한 처리시간과 약품 투입량, 인가 전력 등을 제어하여 처리효율은 향상시키고 처리비용은 절감할 뿐만 아니라, 경제적인 원료의 회수와 물의 재이용을 통해 도금 공정의 생산비용을 절감할 수 있는 목적을 달성할 수 있다.

한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 제1목적은, 폐수 내 중금속을 제거하기 위한 선택적 이온분리시스템에 있어서, 폐수가 유입되며, 유입된 폐수를 전기투석하여 중금속이 함유된 농축수와 시안화물을 포함한 처리수로 분리하여 배출시키는 전기투석공정부; 상기 농축수가 유입되어, 전해추출을 통해 중금속을 회수하는 전해추출공정부; 상기 전기투석공정부에서 배출된 처리수와, 상기 전해추출공정부에서 배출된 처리수가 유입되어 NF막여과를 통해 중금속을 제거한 처리수와 중금속이 농축된 농축수를 배출시키는 NF 여과공정부; 및 상기 NF 여과공정부의 처리수가 유입되어, 전기산화공정부에서는 NF 여과공정부의 처리수 내 존재하는 시안화합물과 유기물을 산화시켜 제거하는 전기산화공정부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐수 내 중금속을 제거하기 위한 선택적 이온분리시스템으로서 달성될 수 있다.

그리고 상기 전기투석공정부의 전단에 구비되어 부유물질을 제거하는 부유물질 제거공정부를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 전기투석공정부는 처리수조, 농축수조, 전극액조를 포함하며, 전기투석공정부에서 사용되는 전극액 내에는 운전시간이 경과됨에 따라 중금속의 농도가 증가하게 되므로 일정시간 경과 후 농축수와 함께 전해추출공정부으로 이송되는 것을 특징으로 할 수 있다.

그리고 전해추출공정부는 중금속의 종류에 따라 직렬로 다단 연결되는 복수로 구성되며, 중금속이 함유된 농축수와 전극액 내에 존재하는 중금속을 회수하기 위해, 회수하고자 하는 중금속의 종류에 따라 pH와 인가 전압의 조정을 통해 중금속을 회수하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, NF 여과공정부는 상기 전기투석공정부의 처리수와 상기 전해추출공정부의 처리수가 유입되어, 양이온인 중금속을 제거한 처리수는 상기 전기산화공정부로 이송되고, 중금속이 농축된 농축수는 전기투석공정부 전단의 유입부의 폐수와 혼합되어 상기 전기투석공정부로 재유입되는 것을 특징으로 할 수 있다.

그리고 전기산화공정부는 상기 NF 여과공정부의 처리수 내 존재하는 시안화합물과 유기물을 산화시켜 제거하며, 상기 전기산화공정부에서 생산되는 차아염소산은 상기 NF 여과공정부의 NF 여과막을 세정하는데 사용되는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 전기투석공정부로 유입되는 폐수의 전기전도도를 측정하는 유입수 전기전도도 측정부와, 상기 폐수의 pH를 측정하는 유입수 pH측정부와, 상기 처리수조 내의 전기전도도를 측정하는 처리수조 전기전도도 측정부와, 상기 농축수조 내의 전기전도도를 측정하는 농축수조 전기전도도 측정부와, 상기 전극액조 내의 전기전도도를 측정하는 전극액조 전기전도도 측정부를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

그리고 유입수 전기전도도 측정부와, 상기 유입수 pH측정부와, 상기 처리수조 전기전도도 측정부와 상기 농축수조 전기전도도 측정부와, 상기 전극액조 전기전도도 측정부에서 측정된 값을 기반으로 전기전도도 변화율을 산출하며, 상기 전기전도도 변화율을 기반으로 상기 전기투석공정부의 운전전압을 조절하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 전해추출공정부의 반응조 내의 pH를 측정하는 전해추출공정부 pH측정부와, 상기 전해추출공정부의 반응조 내의 전기전도도를 측정하는 전해추출공정부 전기전도도 측정부를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

그리고 전해추출공정부 전기전도도 측정부의 측정값을 기반으로 전기전도도 변화율을 산출하며 전기전도도 변화율을 이용하여 반응조내의 운전시간을 결정하며, 농축수가 유입되면 전해추출공정부 pH측정부를 통해 pH를 측정하여 적정 pH 범위로 조정하고 전기를 인가하여 중금속을 회수하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, NF 여과공정부의 반응조 내의 pH를 측정하는 NF 여과공정부 pH측정부와, 상기 NF 여과공정부의 반응조 내의 전기전도도를 측정하는 NF 여과공정부 전기전도도 측정부와, 반응조 내의 압력을 측정하는 압력계를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

그리고 NF 여과공정부 전기전도도 측정부의 측정값을 기반으로 전기전도도 변화율을 산출하며 전기전도도 변화율을 이용하여 반응조 내의 운전시간을 결정하며, NF 여과공정부 pH측정부를 통해 pH를 측정하여 적정 pH 범위로 조정하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 전기산화공정부의 반응조 내의 pH를 측정하는 전기산화공정부 pH측정부와, 상기 전기산화공정부의 반응조 내의 전기전도도를 측정하는 전기산화공정부 전기전도도 측정부를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

그리고 전기산화공정부 전기전도도 측정부의 측정값을 기반으로 전기전도도 변화율을 산출하며, 전기전도도 변화율을 이용하여 반응조 내의 운전시간을 결정하며, 전기산화공정부로 처리수가 유입되면 pH를 측정하여 적정 pH 범위로 조정하고 전기를 인가하여 시안과 유기물질을 제거하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 제2목적은, 앞서 언급한 제 1목적에 따른 폐수 내 중금속을 제거하기 위한 선택적 이온분리시스템의 전기투석공정의 제어방법에 있어서, 유입수 pH측정부를 통해 측정된 폐수의 pH가 설정된 적정범위 내인지를 측정하고, 상기 적정범위 내가 아닌 경우 적정범위가 되도록 pH를 조절하는 단계; 처리수조 내의 전기전도도 변화율이 설정 범위 이내이면 농축수조 내의 전기전도도 변화율이 설정 범위인지 확인하고 범위 이내이면 전극액조 내의 전기전도도 변화율이 설정 범위 이내인지 확인하는 단계; 처리수조, 농축수조, 전극액조의 전극액 전기전도도 변화율이 설정범위 이내이면 인가 전압을 승압하여 운전하는 단계; 및 시간이 경과됨에 따라 전기전도도 변화율이 감소하게 되어 설정 범위 이내로 감소하면 인가 전압을 유지하거나, 감소하여 운전하고, 최종적으로 운전 전압이 최초의 인가 전압에 도달하면 운전을 중지하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐수 내 중금속을 제거하기 위한 선택적 이온분리시스템의 제어방법으로서 달성될 수 있다.

본 발명의 제3목적은 앞서 언급한 제 1목적에 따른 폐수 내 중금속을 제거하기 위한 선택적 이온분리시스템의 전해추출공정의 제어방법에 있어서, 전기전도도의 변화율이 설정범위 이내이면, pH를 확인하는 제1단계; 상기 pH의 값이 적정 범위 이내이면 운전을 지속하고 적정 범위를 초과하는 경우에는 pH를 조정한 후 운전하는 제2단계; pH가 적정 범위 이내이면 운전을 중지하고 후속 전해추출공정으로 처리수를 이동시키는 제3단계; 및 모든 전해추출공정에 대하여 상기 제1 내지 제3단계를 진행하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐수 내 중금속을 제거하기 위한 선택적 이온분리시스템의 제어방법으로서 달성될 수 있다.

본 발명의 제4목적은 앞서 언급한 제 1목적에 따른 폐수 내 중금속을 제거하기 위한 선택적 이온분리시스템의 NF 여과공정의 제어방법에 있어서, 전기전도도의 변화율이 설정범위 이내이면, pH를 확인하는 단계; 상기 pH의 값이 적정 범위 이내이면 운전을 지속하고 범위를 초과하는 경우에는 pH를 조정한 후 운전하는 단계; 및 상기 pH가 적정 범위 이내이면 운전을 중지하고 후속 전기산화공정부로 처리수를 이동시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐수 내 중금속을 제거하기 위한 선택적 이온분리시스템의 제어방법으로서 달성될 수 있다.

본 발명의 제5목적은 앞서 언급한 제 1목적에 따른 폐수 내 중금속을 제거하기 위한 선택적 이온분리시스템의 전기산화공정의 제어방법에 있어서, 전기전도도의 변화율이 설정범위 이내이면, pH를 확인하는 단계; 상기 pH의 값이 적정 범위 이내이면 운전을 지속하고 범위를 초과하는 경우에는 pH를 조정한 후 운전하는 단계; 및 상기 pH가 적정 범위 이내이면 운전을 중지하고 처리수를 처리수조 또는 재이용 공정으로 이동시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐수 내 중금속을 제거하기 위한 선택적 이온분리시스템의 제어방법으로서 달성될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 전기투석과 전기산화, 전해추출, 나노여과 공정의 조합을 이용하여 해결할 수 있고, 기존의 공정은 전기산화공정이후에 나노여과 공정을 설치하였으나, 이 경우에는 전기산화공정에서 중금속이 수산화기와 결합하여 전기산화 공정내에 축적되는 문제와 전기산화공정과 나노여과 공정, 방류수를 위한 pH를 각각 조절하여야 하였으나, 나노여과 공정 이후에 전기산화공정을 운영할 경우, 전기산화공정과 방류수의 pH만 조절하면 되기 때문에 약품비용을 크게 절감할 수 있으며, 특히, 방류수의 pH를 조절하기 위한 약품은 크게 절감할 수 있는 효과를 갖는다.

기존의 운영시스템은 PLC를 이용하여 제어반에 설치된 터치패널이나 컴퓨터에 프로그래밍된 HMI를 이용하여 시스템의 상태를 실시간으로 모니터링하면서 운영자가 사전에 지정한 pH값에 따라 pH를 제어하거나, 수위계를 이용해 유입이나 유출량을 제어하는 수준에 불과하였으나, 본 발명의 실시예에 따른 제어방법에 따르면, 기존의 운영시스템 이외에도 생산관리시스템이 연계되어 운영되는 통합운영시스템으로 운영자가 지정한 제어변수들을 이용한 처리시간과 약품 투입량, 인가 전력 등을 제어하여 처리효율은 향상시키고 처리비용은 절감할 뿐만 아니라, 경제적인 원료의 회수와 물의 재이용을 통해 도금 공정의 생산비용을 절감할 수 있는 효과를 갖는다.

한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석 되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 선택적 이온분리 시스템의 구성도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 다단 전해추출공정을 나타낸 선택적 이온분리 시스템의 구성도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 선택적 이온분리 시스템의 제어를 위한 SCADA 시스템과 생산관리시스템의 개략도,
도 4a, 도 4b 및 도 4c는 전기투석공정에서의 전기전도도 변화그래프,
도 5a, 도 5b 및 도 5c는 전기투석공정에서의 중금속 농도 변화그래프,
도 6a, 도 6b 및 도 6c는 전기투석공정에서의 pH 변화그래프,
도 7a, 도 7b 및 도 7c는 전기투석공정에서 운전시간에 따른 전기전도도 변화율 그래프,
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 전기투석공정의 제어방법의 흐름도,
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 전해추출공정에서의 중금속 농도변화그래프,
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 전해추출공정의 제어방법의 흐름도,
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 NF 여과공정의 제어방법의 흐름도,
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 전기산화공정의 제어방법의 흐름도,
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 생산관리시스템 프로그램 블록도,
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 데이터 표준화방법의 블록도,
도 15는 본 발명의 실시예에 따른 Watch dog의 블록도를 도시한 것이다.

이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.

본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.

본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서 도면에서 예시된 영역들은 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

아래의 특정 실시예들을 기술하는데 있어서, 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는, 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는데 있어 별 이유 없이 혼돈이 오는 것을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.

<선택적 이온분리시스템>

이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 선택적 이온분리시스템(1)의 구성 및 기능에 대해 설명하도록 한다. 먼저, 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 선택적 이온분리 시스템(1)의 구성도를 도시한 것이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 다단 전해추출공정을 나타낸 선택적 이온분리 시스템(1)의 구성도를 도시한 것이다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 선택적 이온 분리 시스템(1)은 전기투석공정부(10), 전해추출공정부(20), NF 여과공정부(70), 전기산화공정부(80)를 포함하여 구성된다. 중금속이 함유된 폐수는 전기투석공정부(10)로 유입된다. 전기투석공정부(10)의 전단에는 부유물질을 제거하기 위한 막여과 설비와 같은 부유물질 제거공정이 추가로 설치될 수 있다.

전기투석공정부(10)로 유입된 폐수는 시안화물을 포함한 처리수와 중금속이 함유된 농축수로 분리되어, 처리수는 NF 여과공정부(70)로 이송되고 농축수는 전해추출공정부(20)로 이송된다. 이때, 전기투석공정부(10)에서 사용되는 전극액 내에는 운전시간이 경과됨에 따라 중금속의 농도가 증가하게 되므로 일정시간 경과 후 농축수와 함께 전해추출공정부(20)으로 이송한다. 전해추출공정부(20)는 중금속이 함유된 농축수와 전극액 내에 존재하는 중금속을 회수하는 장치로 pH와 인가 전압의 조정을 통해 중금속을 회수하게 되는데, 회수하고자 하는 중금속의 종류에 따라 전해추출공정부(20)를 일련의 공정으로 각각 운영하게 된다.

전해추출공정부(20)의 환원 전극판(cathode) 표면에 부착된 중금속은 일정 시간 간격으로 회수하여 도금 공정의 원료로 사용하거나, 환원 전극판을 전기 도금 공정의 원료로 직접 사용할 수도 있다. 최종 전해추출공정부(20)에서 배출되는 처리수는 NF 여과공정부(70)로 이송된다.

NF 여과공정부(70)에서는 전기투석공정부(10)의 처리수와 전해추출공정부(20)의 처리수를 혼합하여 처리하게 된다. NF 여과공정부(70)에서는 양이온인 중금속을 제거한 처리수와 중금속이 농축된 농축수를 생산하게 된다. NF 여과공정부(70)의 처리수는 전기 산화공정부(80)로 이송되고 농축수는 유입부의 폐수와 혼합되어 전기투석공정부(10)로 재 유입된다.

전기산화공정부(80)에서는 NF 여과공정부(70)의 처리수 내 존재하는 시안화합물과 유기물 등을 산화시켜 제거하게 된다. 이때 전기산화공정부(80)에서 생산되는 차아염소산은 NF 여과막을 세정하는데 사용할 경우, 막의 파울링을 효과적으로 제어할 수 있을 뿐만 아니라, 처리성능의 안정성 향상, 세정주기 증가, 세정비용을 절감할 수 있다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 선택적 이온분리 시스템(1)의 제어를 위한 SCADA 시스템과 생산관리시스템의 개략도를 도시한 것이다. 본 발명의 실시예에 따른 선택적 이온 분리 시스템(1)의 제어는 PLC를 이용한 SCADA 시스템과 운영자가 지정한 제어변수들을 이용하여 자동으로 처리시간과 약품 투입량, 인가 전력 등을 제어하는 생산관리시스템을 이용하여 제어한다.

PLC 기반의 SCADA 시스템은 현재의 제어 set-point에 따른 기기의 작동여부와 현장에 설치된 계측기 값을 실시간으로 제공하며, 생산관리시스템은 계측기 값을 실시간으로 모니터링하고 계측기 값을 분석해 운영자가 설정한 범위에 도달하면 새로운 set-point를 SCADA 시스템에 자동으로 전송하여 새로운 제어 set-point를 통해 전체 공정이 운영될 수 있도록 하는 역할을 수행하는 것으로 운영자의 숙련도에 따른 차이를 최소하고 24시간 무인 운전, 약품비 절감, 반응시간 단축, 중금속의 회수 비용 절감 등을 통해 중금속을 경제적으로 회수하는데 기여하게 된다.

<제어방법>

도 4a, 도 4b 및 도 4c는 전기투석공정에서의 전기전도도 변화그래프를 도시한 것이다. 그리고 도 5a, 도 5b 및 도 5c는 전기투석공정에서의 중금속 농도 변화그래프를 도시한 것이다.

전기투석공정부(10)에서의 전기전도도 변화를 나타낸 도 4를 살펴보면, 희석조(처리수)내의 전기전도도(도 4a)는 운전시간이 경과함에 따라 중금속 이온들이 농축조로 이동되어 전기전도도가 감소하게 되는 반면에 농축조(도 4b)는 희석조 내의 중금속 이온들이 이동함에 따라 전기전도도가 증가하게 된다. 또한 전극액조(도 4c) 내의 전기전도도는 농축조와 희석조 내 중금속 이온들이 농도 확산에 의해 이동하여 증가하게 된다. 이러한 이온의 이동현상은 도 5a, 도 5b, 도 5c를 통해 확인할 수 있다.

도 6a, 도 6b 및 도 6c는 전기투석공정부(10)에서의 pH 변화그래프를 도시한 것이다. 도 6a 내지 도 6c에 도시된 바와 같이, 전기투석공정부(10)에서의 pH 변화를 살펴보면, 희석조(처리수) 내의 pH는 운전시간이 경과함에 따라 증가하게 된다. 이는 이온 교환막 표면에서의 이온들이 모두 이온 교환막 내부로 이동하게 되면 이온 교환막 표면에서의 이온 물질들이 순간적으로 존재하지 않기 때문에 물의 분극현상(polarization)에 발생하기 때문이다.

수소이온(H⁺)은 1가 이온이며, 크기가 작기 때문에 양이온 교환막내로 빠르게 이동된 후 농축조로 이동하게 된다. 이로 인해 농축조의 pH는 감소하고 희석조의 pH는 증가하게 된다. 또한 전극액조의 경우에도 시간이 경과함에 따라 pH의 차이에 의한 확산으로 인해 pH가 감소하게 된다. 일정시간이 경과하게 되면 희석조의 pH는 약간 증가하는 경향을 나타내고 농축조의 pH도 약간 증가하는 경향, 농축조는 약간 감소하는 경향을 나타내게 된다.

이는 이동 시키고자 하는 이온의 농도가 낮아짐에 따라 물의 분극현상이 더 많이 발생하지만 전하균형과 농도차에 의한 확산, 전기삼투로 인한 각 조에서의 수량의 변화에 기인한다. 그러나 이러한 변화는 실험조건에 따라 상이하게 달라질 수 있다.

따라서 전기투석공정부(10)를 안정적으로 운영하기 위해서는 유입수와 처리수, 농축수, 전극액조 내에 중금속을 측정할 수 있는 계측기를 포함한 다양한 수질계측기를 설치하여 운영하여야 하나, 초기투자비와 유지관리비가 많이 소요되는 문제가 있다. 따라서 보다 경제적인 방법으로 운전하기 위해서는 각 반응조내의 전기전도도를 이용하여 제어하는 것이 바람직하다.

일반적인 전기전도도의 제어방법은 전기전도도의 하한을 설정하여 하한값에 도달하면 운전을 중지하는 방법을 적용하지만, 이는 유입수내의 농도에 따라 운전시간에 큰 차이를 나타내게 되며, 운영비용을 증가시키고 전기전도도 계측기의 고장이 발생하는 경우에는 처리성능을 급격히 감소시킬 수 있다. 따라서 이를 해결하기 위한 방법으로는 각 반응조내의 전기전도도를 이용하여 시간에 따른 변화율을 이용하는 것이 타당하다. 아래 수학식 1 에 전기전도도의 변화율을 제시하였다.

[수학식 1]

lnC_t= lnC₀- kt

여기서 k는 1 차 속도 상수이고, C₀ 및 C_t는 실험 초기의 유입수 전기전도도와 시간 t에서의 전기전도도를 나타낸다. 도 7a, 도 7b 및 도 7c는 전기투석공정에서 운전시간에 따른 전기전도도 변화율 그래프를 도시한 것이다.

수학식 1에 따라 도 4a,b,c를 계산하여 도식하면 도 7a, 도 7b, 도7c과 같다. 도 7a, 도 7b, 도 7c를 살펴보면, 처리수조, 농축액조, 전극액조에서의 전기전도도의 변곡점이 발생하는 것을 확인할 수 있다. 특히, 처리수조에서의 전기전도도 변곡점은 중금속의 이동속도가 감소하는 것을 의미하는 것으로 변곡점 이후에도 기존과 동일하게 운전할 경우, 전기효율의 감소로 인해 경제성이 감소하게 된다. 따라서 변곡점 이후로는 경제성을 확보하기 위해서는 운전을 종료하거나, 다음의 전기투석 공정으로 이동시키는 방법, 유속의 증가, 인가 전압의 감소와 같은 다양한 방법을 적용할 필요가 있다.

그러나 운전을 종료하게 되면 농축수내의 농도가 낮아져 후속 전해추출공정부(20)에서의 중금속 회수량이 감소하고 NF 여과공정부(70)에서의 유입 농도는 증가하여 운전시간이 증가해 경제성이 감소하게 된다. 다음의 전기투석공정부(10)로 이동시키는 경우에는 설비가 추가됨에 따라 초기투자비와 유지관리비가 증가하게 되고 유속을 증가시키는 경우에도 펌프의 동력비가 증가하게 된다.

따라서 가장 안정하면서도 효과적인 방법은 운전전압을 낮추는 방법이다. 그러나 운전전압을 무작정 낮추게 되면 운전시간이 증가하게 되므로 적정하게 제어되어야만 한다. 따라서 효과적으로 제어하기 위해서는 아래의 도 8과 같은 제어로직을 이용해야만 한다. 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 전기투석공정의 제어방법의 흐름도를 도시한 것이다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 폐수 내 중금속을 제거하기 위한 선택적 이온분리시스템(1)은, 전기투석공정부(10)로 유입되는 폐수의 전기전도도를 측정하는 유입수 전기전도도 측정부(2)와, 폐수의 pH를 측정하는 유입수 pH측정부(3)와, 처리수조(11) 내의 전기전도도를 측정하는 처리수조 전기전도도 측정부(12)와, 농축수조(13) 내의 전기전도도를 측정하는 농축수조 전기전도도 측정부(14)와, 전극액조(15) 내의 전기전도도를 측정하는 전극액조 전기전도도 측정부(16)를 포함하는 것을 알 수 있다. 그리고 유입수 전기전도도 측정부(2)와, 유입수 pH측정부(3)와, 처리수조 전기전도도 측정부(12)와 농축수조 전기전도도 측정부(14)와, 전극액조 전기전도도 측정부(16)에서 측정된 값을 기반으로 전기전도도 변화율을 산출하며, 전기전도도 변화율을 기반으로 전기투석공정부(10)의 운전전압을 조절한다.

폐수가 유입되면 pH를 측정하여 중금속이 수산화물을 형성하지 않도록 적정 수준으로 낮추거나, 너무 낮은 pH는 이온교환막을 손상시킬 수 있으므로 적정 수준으로 증가시켜야 한다. pH의 적정수준은 제거하고자 하는 중금속과 설치 현장에 따라 달라질 수 있다. 운전자는 운전개시의 적정 전압을 결정해 주면 생산관리시스템에서는 전기전도도를 연속적으로 모니터링 하면서 일정시간 간격으로 변화율을 계산한다.

처리수의 전기전도도 변화율이 설정 범위 이내이면 농축수내의 전기전도도 변화율이 설정 범위인지 확인하고 범위 이내이면 전극액의 변화율이 설정 범위 이내인지 확인한다. 각 반응조의 전극액 변화율이 설정범위 이내이면 인가 전압을 승압하여 운전하는데, 이는 운전자가 결정할 수 있으며, 현장여건에 따라 지정할 수도 있다. 시간이 경과됨에 따라 변화율이 감소하게 되어 설정 범위 이내로 감소하면 인가 전압을 유지하거나, 감소하여 운전하고 최종적으로 운전 전압이 최초의 인가 전압에 도달하면 운전을 중지토록 한다.

이때 운전의 중지는 운전자의 경험과 현장 여건에 따라 다르게 운전될 수 있다. 이후 처리수는 NF 여과공정부(70)로 이송되고 농축액과 전극액은 수위가 목표값에 설정하였거나, 전기전도도가 목표값에 도달하게 되면 전해추출공정부(20)로 이송되게 된다. 이 경우, 각 반응조내의 전기전도도 계측기중 일부에서 고장이 발생하더라도 다른 계측기 값들을 이용하여 제어할 수 있기 때문에 안정적으로 운전 할 수 있다. 만일 전기전도도 계측기가 모두 고장나는 경우에는 지정된 운전시간으로 운영하게 된다. 만일, 유입수의 농도가 매우 낮은 경우에는 전기전도도의 하한값을 이용하여 공정을 운영할 수도 있다.

도 9는 본 발명의 실시예에 따른 전해추출공정에서의 중금속 농도변화그래프를 도시한 것이다. 즉 도 9는 농축수와 전극액이 이동하는 전해추출공정부(20)에서의 중금속 농도변화를 나타낸 것이다. 특히, 구리와 니켈이 함유된 폐수의 경우, 도 9에서 볼 수 있는 바와 같이, pH와 인가전압을 변경시키면 혼합 폐수에서 각각의 중금속을 개별적으로 회수할 수 있다. 그러나 단일 반응조에서 회수할 경우, 환원전극(cathode)을 교체해야 하기 때문에 후속 전해추출공정부(20)로 처리수를 이동시키는 것이 운전의 편의성과 회수량 극대화 시키는데 바람직할 것이다. 후속 전해추출공정부(20)는 회수하고자 하는 중금속의 종류와 동일한 공정수로 운영되는 것이 가장 이상적일 것이다.

전해추출공정부(20)를 안정적으로 운영하기 위해서는 반응조내에 중금속을 측정할 수 있는 계측기를 설치하여 운영하여야 하나, 초기투자비와 유지관리비가 많이 소요되는 문제가 있다.

따라서 보다 경제적인 방법으로 운영하기 위해서는 앞서 제시되었던 수학식 1과 같이 반응조내의 전기전도도 변화율을 이용하여 각 반응조내의 운전시간을 결정하는 것이 가장 이상적일 것이다. 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 전해추출공정의 제어방법의 흐름도를 도시한 것이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 전해추출공정부(20)의 반응조 내의 pH를 측정하는 전해추출공정부 pH측정부(22)와, 전해추출공정부(20)의 반응조 내의 전기전도도를 측정하는 전해추출공정부 전기전도도 측정부(21)를 포함함을 알 수 있다. 그리고 전해추출공정부 전기전도도 측정부(21)의 측정값을 기반으로 전기전도도 변화율을 산출하며 전기전도도 변화율을 이용하여 반응조내의 운전시간을 결정하며, 농축수가 유입되면 전해추출공정부 pH측정부(22)를 통해 pH를 측정하여 적정 pH 범위로 조정하고 전기를 인가하여 중금속을 회수하게 된다.

또한, 도 2에 도시된 바와 같이, 중금속의 종류별 회수를 위해 #1전해추출공정부(30), #2전해추출공정부(40), …, #n전해추출공정부(50)가 직렬로 설치되는 경우, #1전해추출공정부(30)의 반응조 내의 pH를 측정하는 #1전해추출공정부 pH측정부(32)와, #1전해추출공정부(30)의 반응조 내의 전기전도도를 측정하는 #1전해추출공정부 전기전도도 측정부(31)를 포함하며, #2전해추출공정부(40)의 반응조 내의 pH를 측정하는 #2전해추출공정부 pH측정부(42)와, #2전해추출공정부(40)의 반응조 내의 전기전도도를 측정하는 #2전해추출공정부 전기전도도 측정부(41)를 포함하며, #n전해추출공정부(50)의 반응조 내의 pH를 측정하는 #n전해추출공정부 pH측정부(52)와, #n전해추출공정부(50)의 반응조 내의 전기전도도를 측정하는 #n전해추출공정부 전기전도도 측정부(51)를 포함함을 알 수 있다.

도 2의 전해추출공정 #1(30)로 폐수가 유입되면 pH를 측정하여 적정 pH 범위로 조정하고 전기를 인가하여 중금속을 회수하게 된다. 전기전도도는 운전시간이 경과함에 따라 감소하게 되므로 일정시간 간격으로 수학식 1에 따라 변화율을 계산 한다.

전기전도도의 변화율이 설정범위 이내이면, pH를 확인하여 pH의 값이 적정 범위이내이면 운전을 지속하고 범위를 초과하는 경우에는 pH를 조정한 후 운전하나, pH가 적정 범위이내이면 운전을 중지하고 후속 전해추출공정 #2로 처리수를 이동시킨다. 이러한 일련의 공정은 모든 전해추출 공정부에서 동일하게 수행되며, 운영자는 전기전도도와 pH의 범위를 설정할 수 있다.

또한 전기전도도 계측기가 고장나는 경우에는 pH의 변화율로써 제어하게 되고 전기전도도 계측기와 pH계측기가 모두 고장나는 경우에는 지정된 운전시간으로 운영하게 된다. 마지막 전해추출공정 #n의 운전이 종료하면 처리수는 NF 여과공정부(70)로 이동하게 된다. 운영자는 각 전해추출공정부의 환원전극에 부착된 중금속을 회수하거나 환원전극 자체를 중금속의 원료로 사용토록 한다. 만일, 유입수의 농도가 매우 낮은 경우에는 전기전도도의 하한값을 이용하여 공정을 운영할 수도 있다.

NF 여과공정부(70)를 안정적으로 운영하기 위해서는 반응조내에 중금속을 측정할 수 있는 계측기를 설치하여 운영하여야 하나, 초기투자비와 유지관리비가 많이 소요되는 문제가 있다. 따라서 보다 경제적인 방법으로 운영하기 위해서는 앞서 제시되었던 수학식 1과 같이 반응조내의 전기전도도 변화율을 이용하여 각 반응조내의 운전시간을 결정하는 것이 가장 이상적일 것이다. 도 11은 본 발명의 실시예에 따른 NF 여과공정의 제어방법의 흐름도를 도시한 것이다. 그리고 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, NF 여과공정부(70)로 유입되는 처리수의 전기전도도를 측정하는 처리수 전기전도도 측정부(61), pH를 측정하는 처리수 pH 측정부(62)를 포함하며, NF 여과공정부(70)의 반응조 내의 pH를 측정하는 NF 여과공정부 pH측정부(72)와, NF 여과공정부(70)의 반응조 내의 전기전도도를 측정하는 NF 여과공정부 전기전도도 측정부(71)와, 반응조 내의 압력을 측정하는 압력계(73)를 포함하여 구성됨을 알 수 있다. 그리고 NF 여과공정부 전기전도도 측정부(71)의 측정값을 기반으로 전기전도도 변화율을 산출하며 전기전도도 변화율을 이용하여 반응조 내의 운전시간을 결정하며, NF 여과공정부 pH측정부(72)를 통해 pH를 측정하여 적정 pH 범위로 조정하게 된다.

NF 여과공정부(70)로 폐수가 유입되면 pH를 측정하여 적정 pH 범위로 조정하게 된다. 전기전도도는 운전시간이 경과함에 따라 감소하게 되므로 일정시간 간격으로 수학식 1 에 따라 변화율을 계산한다. 전기전도도의 변화율이 설정범위 이내이면, pH를 확인하여 pH의 값이 적정 범위이내이면 운전을 지속하고 범위를 초과하는 경우에는 pH를 조정한 후 운전하나, pH가 적정 범위이내이면 운전을 중지하고 후속 전기산화공정으로 처리수를 이동시킨다.

전기전도도 계측기가 고장나는 경우에는 pH의 변화율로써 제어하게 되고 전기전도도 계측기와 pH계측기가 모두 고장나는 경우에는 지정된 운전시간으로 운영하게 된다. 만일, 유입수의 농도가 매우 낮은 경우에는 전기전도도의 하한값을 이용하여 공정을 운영할 수도 있다.

전기산화공정부(80)를 안정적으로 운영하기 위해서는 반응조내에 시안(CN)과 유기물질 등을 측정할 수 있는 계측기를 설치하여 운영하여야 하나, 초기투자비와 유지관리비가 많이 소요되는 문제가 있다. 따라서 보다 경제적인 방법으로 운영하기 위해서는 앞서 제시되었던 수학식 1 과 같이 반응조내의 전기전도도 변화율을 이용하여 각 반응조내의 운전시간을 결정하는 것이 가장 이상적일 것이다. 도 12는 본 발명의 실시예에 따른 전기산화공정의 제어방법의 흐름도를 도시한 것이다. 또한, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 전기산화공정부(80)의 반응조 내의 pH를 측정하는 전기산화공정부 pH측정부(82)와, 전기산화공정부(80)의 반응조 내의 전기전도도를 측정하는 전기산화공정부 전기전도도 측정부(81)를 포함하여 구성됨을 알 수 있다. 그리고 전기산화공정부 전기전도도 측정부(81)의 측정값을 기반으로 전기전도도 변화율을 산출하며, 전기전도도 변화율을 이용하여 반응조 내의 운전시간을 결정하며, 전기산화공정부(80)로 처리수가 유입되면 pH를 측정하여 적정 pH 범위로 조정하고 전기를 인가하여 시안과 유기물질을 제거하게 된다.

전기산화공정부(80)로 폐수가 유입되면 pH를 측정하여 적정 pH 범위로 조정하고 전기를 인가하여 시안과 유기물질등을 제거하게 된다. 전기전도도는 운전시간이 경과함에 따라 감소하게 되므로 일정시간 간격으로 수학식 1 에 따라 변화율을 계산 한다. 전기전도도의 변화율이 설정범위 이내이면, pH를 확인하여 pH의 값이 적정 범위이내이면 운전을 지속하고 범위를 초과하는 경우에는 pH를 조정한 후 운전하나, pH가 적정 범위이내이면 운전을 중지하고 처리수를 처리수조나 공정으로 이동시킨다. 전기전도도 계측기가 고장나는 경우에는 지정된 운전시간으로 운영하게 된다. 만일, 유입수의 농도가 매우 낮은 경우에는 전기전도도의 하한값을 이용하여 공정을 운영할 수도 있다.

<생산관리시스템>

기존의 시설들은 통합된 운영주체 없이 운영자의 경험에 의존하여 제각기 상이한 조건에서 운영되고 있어, 처리비용이 지속적으로 증가하고 있는 문제가 있다. 이러한 문제를 극복하고 시설물의 설치 및 운영 관리에 있어 효율성을 개선하며, 비용절감 효과를 거두기 위한 방안으로 생산관리시스템을 도입할 필요가 있다. 생산관리시스템이 도입되면 사용자들은 언제, 어디서나 설비의 공정을 감시하거나 제어가 가능하며, 여러 현장들을 통합하여 관리할 수 있을 뿐만 아니라, 설비이력관리와 그룹웨어 구현을 통해 업무의 효율성이 증대되고 지역적, 시간적인 한계를 극복하여 신속한 업무처리와 생산성을 높일 수 있다. 생산관리시스템을 도입함으로써 다음과 같은 효과를 기대할 수 있다.

- 통합센터에서의 단위 처리장 통합 감시제어가능

- 전체 처리장 무인화 또는 야간 무인화 등 합리적인 인력 운용이 가능

- 관리체계의 일원화 및 전문화로 안정적인 처리성능 확보

- 운영자들 간의 협업 및 정보 공유로 업무 효율성 및 생산성 향상

- 유지보수 및 설비관리의 효율화로 유지보수 비용 절감 및 설비 수명 연장

- 시간, 공간의 제약을 극복한 편리한 작업 운영

본 발명의 실시예에 따른 생산관리시스템은 크게 온라인 측정부와 모니터링부, 제어부로 구분할 수 있다. 온라인 측정부는 각 반응조내 상태를 실시간으로 측정하는 부분으로 각종 유량계와 온도, pH, 전기전도도압력, 수위계 등으로 구성된다. 온라인 수질계측기에서 측정된 Data는 실시간으로 모니터링부로 전송되어 운영자에게 반응조의 상태정보를 제공하게 된다. 운영자는 실시간으로 제공되는 상태정보와 과거정보를 이용하여 제어부를 통해 운영인자 값을 설정하여 반응조를 제어하게 된다. 이러한 생산관리시스템이 도입됨에 따라 운영시설은 자동으로 운영되면서도, 처리효율은 향상시키고 유지관리비용은 절감하며, 비료의 생산성은 증가시키게 될 것으로 기대된다.

생산관리시스템은 대상시설에 대한 감시, 제어 및 계측 신호의 데이터 전송체계를 수립하고 생산관리 기능을 가진 시스템으로 대상설비에 대하여 Real Time Monitoring & Control, 점검, 조정 등의 역할을 수행한다. 본발명의 실시예에 따른 생산관리시스템은 크게 CS, DBS, OS, 시설물 관리 서버로 구성된다. CS(Communication Server)는 생산관리시스템 내 통신 및 네트워크 관리의 중심으로서 전체 대상 시설의 운전 및 운영에 따른 관련 정보를 실시간으로 송수신하며, 통신 상태를 관리한다.

DBS는 생산관리시스템내 데이터 관리의 중심으로서 대상시설에서 발생된 모든 운전 및 운영관련 정보를 실시간으로 수집하여 저장 관리하며, 저장된 정보를 각종 분석에 활용되는 기초정보와 함께 실시간 또는 운영자 요청에 따라 제공하는 역할을 수행한다.

OS는 생산관리시스템내 Human Machine Interface의 중심으로서 모든 대상 시설의 운전 상태를 실시간으로 감시하며, 저장된 Real Time Data와 Historical Data를 통해 운영 상태를 분석한다.

시설물 관리 서버는 CS 및 DBS와 연계하여 시설물관리 및 운영정보관리에 필요한 각종 데이터를 획득하여 실시간 또는 운영자 요청에 따라 분석하고 분석한 결과를 OS를 통해 제공한다.

(가) Control station

생산관리시스템에서는 다양한 형태의 현장에 적용할 수 있는 유연한 시스템으로 이중화 구성은 물론 다양한 통신기능을 구비하여 증설 및 확장이 용이하고 기능보강, 이기종과의 통신, 유지보수를 위하여 표준화된 프로토콜이 적용된다. 또한 각종 계측기, UPS, 디지털 배전반과의 통신을 위한 직렬통신의 Interface Module을 구비한다.

(나) HMI 솔루션

생산관리시스템에 적용되는 HMI 솔루션은 광범위한 지역의 대상설비에 대하여 Real Time Monitoring & Control, 점검, 조정 등의 조작이 가능하고 다양한 설비와의 유연한 통합을 위해 국제 표준규격에 의하여 제작된 개방형 시스템(Open Architecture)으로써 새로운 H/W, S/W 출시에도 모델변경 없이 수용될 수 있는 구조이다. 또한 HMI는 통합 감시제어 및 원활한 운영을 위하여 운영실 이외의 곳에서도 대상 시설의 모든 Tag point를 감시하고 제어할 수 있는 기능이 구비되고 설정된 범위내에서 대상 시설의 운영관련 정보를 실시간 또는 사용자 요청에 따라 제공할 수 있다.

(다) Communication Server용 통신 솔루션

Communication Server는 생산관리시스템의 통신 및 네트워크 관리의 중심으로서 대상 시설의 운전 및 운영에 따른 관련 정보를 실시간으로 송수신하며, 통신 상태를 관리하는 역할을 수행하는 설비로서 그 중요도가 매우 크기 때문에 어떠한 장애 상황에서도 데이터가 소실되는 경우가 없어야만 한다. 이를 위해 각 시스템간의 원활한 네트워크 통신에 필요한 제반 프로그램이 필요하며, 이 통신 관리 솔루션에는 다양한 기종의 통합을 위한 통신 인터페이스 기능, 감시 제어 시스템간의 데이터 동기화 기능, 유연한 확장성, 통신 단절시에도 데이터 소실이 없도록 하는 Data Logger 기능, 데이터 백업 및 복구 기능 등을 구비하고 있다.

(라) 시설물 관리 솔루션

광범위한 지역에 분산 설치된 다양한 대상 설비들을 효율적으로 관리하기 위한 솔루션이다. 시설물 관리 솔루션은 각 처리시설의 시설관리 및 진단을 통하여 설비의 노후화 및 장애로 인한 피해를 최소화하기 위한 기능이 요구된다. 시설물관리 솔루션은 시설별 설치 관련 자료, 유지보수 및 경보이력, 주요구성자재, 소모품, 예비품등의 관리시스템이 시설물 관리시스템의 주요 요소가 되며, 이들에 대한 각 정보를 데이터베이스화하고 HMI로부터 가동시간 및 고장시간 등의 실시간 정보를 수집하여 수집된 정보를 바탕으로 각 설비별 상태진단을 시행함으로써, 노후화로 인하여 발생할 수 있는 문제를 사전에 예방하는 기능을 수행해야 한다. 또한 시설물 관리 솔루션은 소모품 및 예비품에 대한 관리를 포함하여 원격지에서 사전에 등록되어 있는 운영자에 한하여 시스템의 사용이 가능하도록 해야 한다.

(마) 자동운전을 위한 주요설비

본 발명의 실시예는 앞서 언급한 바와 같이, 크게 전기투석공정부(10)와, 전해추출공정부(20), NF 여과공정부(70), 전기산화공정부(80)로 구성된다. 핵심공정인 전기투석공정부(10)의 전단에서는 유입수의 전기전도도와 pH를 측정하고 처리수와 농축수, 전극액의 전기전도도를 실시간으로 측정하여 운전전압과 운전시간을 결정하는데 활용한다. 전해추출공정부(20)와, NF 여과공정부(70)와, 전기산화공정부(80)에서는 반응조내 전기전도도와 pH를 측정하여 반응조내의 운전시간을 결정하는데 활용한다. 특히 NF 여과공정부(70)에는 압력계(73)가 설치되어 있어 막 오염을 판단해 막의 세정시기를 자동으로 결정할 수 있다. 이외에도 시설물관리를 위하여 중금속 회수 및 재고관리, 예산 관리, 이상발생시 통보 기능 등을 제공한다.

본 발명의 실시예에 따른 생산관리시스템은 반응조에서 원격으로 취득한 데이터 또는 사용자가 입력한 데이터를 DB에 저장하고 이 데이터를 기반으로 Data 표시 기능을 이용하여 데이터를 표준화 하였다.

도 13은 본 발명의 실시예에 따른 생산관리시스템 프로그램 블록도를 도시한 것이다. 도 13 ①의 구조와 같이 데이터를 구조화하여 사용자가 선택한 DB 필드들을 취합한 후 필드들간의 연산식(Formula)을 구성한다. Data 표시 기능을 사용하여 사용자는 새로운 형태의 Variable(DB필드)을 생성할 수 있고 이는 Variable Factory(②)에서 생성되게 되며, 생성된 Variable(DB필드)은 HMI Designer(Dashboard Designer, ③)를 통하여 사용자가 직접 화면을 디자인할 수 있게 되어 사용자가 HMI Designer(Dashboard Designer)를 통하여 생성한 화면은 ④를 통하여 최종 표현되었다. 생산관리시스템은 크게 아래와 같은 기능을 구비하고 있다.

(1) Data Standardization & Variable Expression : 이기종(heterogeneous)의 데이터를 생성하고 표현하는 기능

(2) Dashboard Designer : 데이터를 사용자가 제공된 도구를 이용해서 화면상에 표현하는 기능

(3) Report Designer : 사용자가 원하는 형태의 Report를 제공한 도구를 이용하여 문서를 작성하고 출력하는 기능

1) Data Standardization & Variable Expression

본 발명의 실시예에 따른 생산관리시스템은 여러 형태의 이기종(heterogeneous) 데이터들을 취합하고 이를 변환하여 표현한다. 생산관리시스템의 특성상 서로 다른 성격의 이기종(heterogeneous) 데이터가 많은 관계로, 취득한 데이터를 사용자가 직접 다른 형태로 변환 하여 표현 할 수 있도록 하는 데이터 표준화(Data Standardization) 기술이 적용된다. 데이터 표준화(Data Standardization)는 Database(이하 DB라 칭함)에 미리 정의된 필드형(Field Type)을 기준으로 별도의 연산(Calculation) 과정을 거친 후 새로운 의미의 데이터로 표현되는데, 이는 변수표현(Variable Expression) 기술로 사용자가 여러 필드들을 조합하여 미리 정의 된 연산 규칙을 입력함으로써 가능하도록 프로그래밍 된다. 도 14는 본 발명의 실시예에 따른 데이터 표준화방법의 블록도를 도시한 것이다.

도 14에 도시된 바와 같이, 기 취득한 데이터를 DB에 저장하고, 저장되어 있는 DB의 필드들을 Variable Expression Editor를 이용하여 수식을 입력하면 새로운 형태의 필드를 생성 할 수 있어 사용자는 새로운 형태의 데이터 필드를 생성하여 데이터를 분석하고 관리 할 수 있고, 또한 새로 생성된 형태의 데이터 필드의 수식 데이터는 별도로 저장 관리 할 수 있기 때문에 사용자가 원하는 시점에 적용이 가능하다.

2) Dashboard Designer

본 발명의 실시예에 따른 생산관리시스템은 개발 단계에서 앞서 언급한 Data Standardization 기술과 더불어 사용자가 원하는 형태의 데이터를 표현 하도록 Dashboard Designer 기술이 적용된다. Dashboard Designer는 수치화된 데이터를 사용자가 직접 화면(Screen Page)상에 쉽게 표현할 수 있도록 하는 기술로 여러 형태의 이기종(heterogeneous) 데이터를 효율적으로 표현할 수 있다. 또한 별도의 필터링(Filter, Master DB, Data Merge등) 기능을 설정할 수 있어 데이터 표현을 유연하게 할 수 있다.

3) Report Designer

Report Designer는 보완된 생산관리시스템의 데이터 Report 기능으로 사용자가 원하는 형태로 데이터를 Reporting 및 Printing 할 수 있다. Report 기능은 Report Designer에서 제공하는 도구들을 사용하여 간단히 문서가 완성되며 이를 바로 Printing할 수 있도록 구축된다.

4) Watch dog

기존 Communication의 경우, PLC측에서 통신 이상이 감지되어 비정상일 경우, PLC의 일방적 단절은 생산관리시스템에서의 제어혼란을 발생시킬 수 있어 시스템의 안정성을 저하시킬 수 있었다. 이에 따라 상호간의 통신이상을 각각 감지하여 시스템의 안정성을 향상시킬 수 있도록 방식을 적용하였다. 도 15는 본 발명의 실시예에 따른 Watch dog의 블록도를 도시한 것이다.

생산관리시스템에서 1 의 숫자를 PLC에 보면 PLC에서는 +1을 더한 후 2를 만들어 생산관리시스템으로 되돌려 주는 방식을 적용한다. 이로 인하여 각각의 시스템은 상호간의 통신상태와 이상상태를 파악할 수 있어 운영자의 편의성이 크게 향상되게 된다. 또한 각 Control Loop 별로 Watchdog 기능이 삽입되어 있어 각 Control Loop별 개별 자동운전이 가능하게 함으로서 문제점이 발생되는 Loop만 조치가 완료되기까지 PLC에서 의한 자동운전으로 전환되도록 시스이 개발되어 시스템 중단을 최소화할 수 있도록 구성된다

또한, 상기와 같이 설명된 장치 및 방법은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

1:폐수 내 중금속을 제거하기 위한 선택적 이온분리시스템
2:유입수 전기전도도 측정부
3:유입수 pH측정부
10:전기투석공정부
11:처리수조
12:처리수조 전기전도도 측정부
13:농축수조
14:농축수조 전기전도도 측정부
15:전극액조
16:전극액조 전기전도도 측정부
20:전해추출공정부
21:전해추출공정부 전기전도도 측정부
22:전해추출공정부 pH측정부
30:#1 전해추출공정부
31:#1전해추출공정부 전기전도도 측정부
32:#1전해추출공정부 pH측정부
40:#2전해추출공정부
41:#2전해추출공정부 전기전도도 측정부
42:#2전해추출공정부 pH측정부
50:#n전해추출공정부
51:#n전해추출공정부 전기전도도 측정부
52:#n전해추출공정부 pH측정부
61:처리수 전기전도도 측정부
62:처리수 pH측정부
70:NF 여과공정부
71:여과공정부 전기전도도 측정부
72:여과공정부 pH측정부
73:압력계
80:전기산화공정부
81:전기산화공정부 전기전도도 측정부
82:전기산화공정부 pH측정부

Claims

폐수 내 중금속을 제거하기 위한 선택적 이온분리시스템에 있어서,
폐수가 유입되며, 유입된 폐수를 전기투석하여 중금속이 함유된 농축수와 시안화물을 포함한 처리수로 분리하여 배출시키는 전기투석공정부;
상기 농축수가 유입되어, 전해추출을 통해 중금속을 회수하는 전해추출공정부;
상기 전기투석공정부에서 배출된 처리수와, 상기 전해추출공정부에서 배출된 처리수가 유입되어 NF막여과를 통해 중금속을 제거한 처리수와 중금속이 농축된 농축수를 배출시키는 NF 여과공정부; 및
상기 NF 여과공정부의 처리수가 유입되어, 전기산화공정부에서는 NF 여과공정부의 처리수 내 존재하는 시안화합물과 유기물을 산화시켜 제거하는 전기산화공정부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐수 내 중금속을 제거하기 위한 선택적 이온분리시스템.
제 1항에 있어서,
상기 전기투석공정부의 전단에 구비되어 부유물질을 제거하는 부유물질 제거공정부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 폐수 내 중금속을 제거하기 위한 선택적 이온분리시스템.
제 2항에 있어서,
상기 전기투석공정부는 처리수조, 농축수조, 전극액조를 포함하며, 전기투석공정부에서 사용되는 전극액 내에는 운전시간이 경과됨에 따라 중금속의 농도가 증가하게 되므로 일정시간 경과 후 농축수와 함께 전해추출공정부으로 이송되는 것을 특징으로 하는 폐수 내 중금속을 제거하기 위한 선택적 이온분리시스템.
제 3항에 있어서,
상기 전해추출공정부는 중금속의 종류에 따라 직렬로 다단 연결되는 복수로 구성되며, 중금속이 함유된 농축수와 전극액 내에 존재하는 중금속을 회수하기 위해, 회수하고자 하는 중금속의 종류에 따라 pH와 인가 전압의 조정을 통해 중금속을 회수하는 것을 특징으로 하는 폐수 내 중금속을 제거하기 위한 선택적 이온분리시스템.
제 4항에 있어서,
상기 NF 여과공정부는 상기 전기투석공정부의 처리수와 상기 전해추출공정부의 처리수가 유입되어, 양이온인 중금속을 제거한 처리수는 상기 전기산화공정부로 이송되고, 중금속이 농축된 농축수는 전기투석공정부 전단의 유입부의 폐수와 혼합되어 상기 전기투석공정부로 재유입되는 것을 특징으로 하는 폐수 내 중금속을 제거하기 위한 선택적 이온분리시스템.
제 5항에 있어서,
상기 전기산화공정부는 상기 NF 여과공정부의 처리수 내 존재하는 시안화합물과 유기물을 산화시켜 제거하며, 상기 전기산화공정부에서 생산되는 차아염소산은 상기 NF 여과공정부의 NF 여과막을 세정하는데 사용되는 것을 특징으로 하는 폐수 내 중금속을 제거하기 위한 선택적 이온분리시스템.
제 5항에 있어서,
상기 전기투석공정부로 유입되는 폐수의 전기전도도를 측정하는 유입수 전기전도도 측정부와, 상기 폐수의 pH를 측정하는 유입수 pH측정부와, 상기 처리수조 내의 전기전도도를 측정하는 처리수조 전기전도도 측정부와, 상기 농축수조 내의 전기전도도를 측정하는 농축수조 전기전도도 측정부와, 상기 전극액조 내의 전기전도도를 측정하는 전극액조 전기전도도 측정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐수 내 중금속을 제거하기 위한 선택적 이온분리시스템.
제 7항에 있어서,
상기 유입수 전기전도도 측정부와, 상기 유입수 pH측정부와, 상기 처리수조 전기전도도 측정부와 상기 농축수조 전기전도도 측정부와, 상기 전극액조 전기전도도 측정부에서 측정된 값을 기반으로 전기전도도 변화율을 산출하며, 상기 전기전도도 변화율을 기반으로 상기 전기투석공정부의 운전전압을 조절하는 것을 특징으로 하는 폐수 내 중금속을 제거하기 위한 선택적 이온분리시스템.
제 8항에 있어서,
상기 전해추출공정부의 반응조 내의 pH를 측정하는 전해추출공정부 pH측정부와, 상기 전해추출공정부의 반응조 내의 전기전도도를 측정하는 전해추출공정부 전기전도도 측정부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 폐수 내 중금속을 제거하기 위한 선택적 이온분리시스템.
제 9항에 있어서,
상기 전해추출공정부 전기전도도 측정부의 측정값을 기반으로 전기전도도 변화율을 산출하며 전기전도도 변화율을 이용하여 반응조내의 운전시간을 결정하며, 농축수가 유입되면 전해추출공정부 pH측정부를 통해 pH를 측정하여 적정 pH 범위로 조정하고 전기를 인가하여 중금속을 회수하는 것을 특징으로 하는 폐수 내 중금속을 제거하기 위한 선택적 이온분리시스템.
제 10항에 있어서,
상기 NF 여과공정부의 반응조 내의 pH를 측정하는 NF 여과공정부 pH측정부와, 상기 NF 여과공정부의 반응조 내의 전기전도도를 측정하는 NF 여과공정부 전기전도도 측정부와, 반응조 내의 압력을 측정하는 압력계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 폐수 내 중금속을 제거하기 위한 선택적 이온분리시스템.
제 11항에 있어서,
상기 NF 여과공정부 전기전도도 측정부의 측정값을 기반으로 전기전도도 변화율을 산출하며 전기전도도 변화율을 이용하여 반응조 내의 운전시간을 결정하며, NF 여과공정부 pH측정부를 통해 pH를 측정하여 적정 pH 범위로 조정하는 것을 특징으로 하는 폐수 내 중금속을 제거하기 위한 선택적 이온분리시스템.
제 12항에 있어서,
상기 전기산화공정부의 반응조 내의 pH를 측정하는 전기산화공정부 pH측정부와, 상기 전기산화공정부의 반응조 내의 전기전도도를 측정하는 전기산화공정부 전기전도도 측정부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 폐수 내 중금속을 제거하기 위한 선택적 이온분리시스템.
제 13항에 있어서,
상기 전기산화공정부 전기전도도 측정부의 측정값을 기반으로 전기전도도 변화율을 산출하며, 전기전도도 변화율을 이용하여 반응조 내의 운전시간을 결정하며, 전기산화공정부로 처리수가 유입되면 pH를 측정하여 적정 pH 범위로 조정하고 전기를 인가하여 시안과 유기물질을 제거하는 것을 특징으로 하는 폐수 내 중금속을 제거하기 위한 선택적 이온분리시스템.
제 8항에 따른 폐수 내 중금속을 제거하기 위한 선택적 이온분리시스템의 전기투석공정의 제어방법에 있어서,
상기 유입수 pH측정부를 통해 측정된 폐수의 pH가 설정된 적정범위 내인지를 측정하고, 상기 적정범위 내가 아닌 경우 적정범위가 되도록 pH를 조절하는 단계;
처리수조 내의 전기전도도 변화율이 설정 범위 이내이면 농축수조 내의 전기전도도 변화율이 설정 범위인지 확인하고 범위 이내이면 전극액조 내의 전기전도도 변화율이 설정 범위 이내인지 확인하는 단계;
처리수조, 농축수조, 전극액조의 전극액 전기전도도 변화율이 설정범위 이내이면 인가 전압을 승압하여 운전하는 단계; 및
시간이 경과됨에 따라 전기전도도 변화율이 감소하게 되어 설정 범위 이내로 감소하면 인가 전압을 유지하거나, 감소하여 운전하고, 최종적으로 운전 전압이 최초의 인가 전압에 도달하면 운전을 중지하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐수 내 중금속을 제거하기 위한 선택적 이온분리시스템의 제어방법.
제 10항에 따른 폐수 내 중금속을 제거하기 위한 선택적 이온분리시스템의 전해추출공정의 제어방법에 있어서,
전기전도도의 변화율이 설정범위 이내이면, pH를 확인하는 제1단계;
상기 pH의 값이 적정 범위 이내이면 운전을 지속하고 적정 범위를 초과하는 경우에는 pH를 조정한 후 운전하는 제2단계;
pH가 적정 범위 이내이면 운전을 중지하고 후속 전해추출공정으로 처리수를 이동시키는 제3단계; 및
모든 전해추출공정에 대하여 상기 제1 내지 제3단계를 진행하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐수 내 중금속을 제거하기 위한 선택적 이온분리시스템의 제어방법.
제 12항에 따른 폐수 내 중금속을 제거하기 위한 선택적 이온분리시스템의 NF 여과공정의 제어방법에 있어서,
전기전도도의 변화율이 설정범위 이내이면, pH를 확인하는 단계;
상기 pH의 값이 적정 범위 이내이면 운전을 지속하고 범위를 초과하는 경우에는 pH를 조정한 후 운전하는 단계; 및
상기 pH가 적정 범위 이내이면 운전을 중지하고 후속 전기산화공정부로 처리수를 이동시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐수 내 중금속을 제거하기 위한 선택적 이온분리시스템의 제어방법.
제 14항에 따른 폐수 내 중금속을 제거하기 위한 선택적 이온분리시스템의 전기산화공정의 제어방법에 있어서,
전기전도도의 변화율이 설정범위 이내이면, pH를 확인하는 단계;
상기 pH의 값이 적정 범위 이내이면 운전을 지속하고 범위를 초과하는 경우에는 pH를 조정한 후 운전하는 단계; 및
상기 pH가 적정 범위 이내이면 운전을 중지하고 처리수를 처리수조 또는 재이용 공정으로 이동시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐수 내 중금속을 제거하기 위한 선택적 이온분리시스템의 제어방법.