KR102568830B1 - 고농도 암모니아성 질소를 회수하기 위한 전기화학적 수처리장치 - Google Patents

고농도 암모니아성 질소를 회수하기 위한 전기화학적 수처리장치 Download PDF

Info

Publication number
KR102568830B1
KR102568830B1 KR1020210164337A KR20210164337A KR102568830B1 KR 102568830 B1 KR102568830 B1 KR 102568830B1 KR 1020210164337 A KR1020210164337 A KR 1020210164337A KR 20210164337 A KR20210164337 A KR 20210164337A KR 102568830 B1 KR102568830 B1 KR 102568830B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
reaction tank
ammonia
tank
reduction reaction
equation
Prior art date
Application number
KR1020210164337A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20230077260A (ko
Inventor
송경근
안병민
Original Assignee
한국과학기술연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국과학기술연구원 filed Critical 한국과학기술연구원
Priority to KR1020210164337A priority Critical patent/KR102568830B1/ko
Priority to PCT/KR2022/007154 priority patent/WO2023096042A1/ko
Publication of KR20230077260A publication Critical patent/KR20230077260A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102568830B1 publication Critical patent/KR102568830B1/ko

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/58—Treatment of water, waste water, or sewage by removing specified dissolved compounds
    • C02F1/586—Treatment of water, waste water, or sewage by removing specified dissolved compounds by removing ammoniacal nitrogen
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/22—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by diffusion
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/22—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by diffusion
    • B01D53/228—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by diffusion characterised by specific membranes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/20—Treatment of water, waste water, or sewage by degassing, i.e. liberation of dissolved gases
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/46—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods
    • C02F1/461—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrolysis
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/46—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods
    • C02F1/461—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrolysis
    • C02F1/46104—Devices therefor; Their operating or servicing
    • C02F1/46109—Electrodes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/46—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods
    • C02F1/461—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrolysis
    • C02F1/467—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrolysis by electrochemical disinfection; by electrooxydation or by electroreduction
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/58—Treatment of water, waste water, or sewage by removing specified dissolved compounds
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F2201/00—Apparatus for treatment of water, waste water or sewage
    • C02F2201/46—Apparatus for electrochemical processes
    • C02F2201/461—Electrolysis apparatus
    • C02F2201/46105—Details relating to the electrolytic devices
    • C02F2201/46115—Electrolytic cell with membranes or diaphragms
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F2201/00—Apparatus for treatment of water, waste water or sewage
    • C02F2201/46—Apparatus for electrochemical processes
    • C02F2201/461—Electrolysis apparatus
    • C02F2201/46105—Details relating to the electrolytic devices
    • C02F2201/4616—Power supply
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Water Supply & Treatment (AREA)
  • Hydrology & Water Resources (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • Water Treatment By Electricity Or Magnetism (AREA)
  • Separation Using Semi-Permeable Membranes (AREA)

Abstract

본 발명은 전기화학 반응을 통해 원수에 포함되어 있는 암모늄이온(NH4 +)을 기체 암모니아(NH3)로 변환시키고, 기체 암모니아(NH3)를 원수로부터 탈기시킴으로써 원수의 고농도 암모니아성 질소를 효과적으로 회수할 수 있는 고농도 암모니아성 질소를 회수하기 위한 전기화학적 수처리장치에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 고농도 암모니아성 질소를 회수하기 위한 전기화학적 수처리장치는 이웃하여 순차적으로 배치되는 산화반응조, 환원반응조 및 암모니아 회수조를 포함하여 이루어지며, 상기 산화반응조와 환원반응조 사이에 양이온 교환막이 구비되고, 상기 환원반응조와 암모니아 회수조 사이에 기체투과막이 구비되며, 상기 산화반응조는 산화전극과 전해질 수용액을 수용하고, 전원 인가시 수소이온(H+)을 생성시키며, 상기 환원반응조는 암모니아성 질소가 포함된 원수 및 환원전극을 수용하고, 전원 인가시 수산화이온(OH-)을 생성시킴과 함께 원수의 암모늄이온(NH4 +)을 기체 암모니아(NH3)로 변환시키는 것을 특징으로 한다.

Description

고농도 암모니아성 질소를 회수하기 위한 전기화학적 수처리장치{Electrochemical water treatment apparatus for collecting high concentration ammonia nitrogen}
본 발명은 고농도 암모니아성 질소를 회수하기 위한 전기화학적 수처리장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전기화학 반응을 통해 원수에 포함되어 있는 암모늄이온(NH4 +)을 기체 암모니아(NH3)로 변환시키고, 기체 암모니아(NH3)를 원수로부터 탈기시킴으로써 원수의 암모니아성 질소를 효과적으로 회수할 수 있는 고농도 암모니아성 질소를 회수하기 위한 전기화학적 수처리장치에 관한 것이다.
수중의 암모니아성 질소를 제거 및 회수하는 방법으로 공기탈기법, 생물학적 고도처리 방법, 흡착, 전기투석(Electrodialysis), 전기산화(Electrochemical Oxidation) 등 다양한 방법이 적용되고 있다. 이 중 가장 널리 이용되는 공기탈기법은 오랜 기간 사용되어온 비교적 잘 확립된 기술이며, 암모니아성 질소의 제거에 효과적이다.
수중에 존재하는 암모니아는 약 pH 9.25에서 암모늄이온(NH4 +)과 기체 암모니아(NH3)가 평형 농도를 이루는데(아래 반응식 1 참조), pH가 약 9.25에서 상승하면 암모늄이온(NH4 +)이 기체 암모니아(NH3)로 변환된다.
(반응식 1) NH4 + + OH- ↔ NH3 + H2O
공기탈기법은 이러한 원리를 이용하는 것으로서, 처리대상수의 pH를 높여 암모늄이온(NH4 +)을 기체 암모니아(NH3)로 변환시키고, 변환된 기체 암모니아(NH3)를 공기를 이용하여 처리대상수로부터 탈기시킴으로써 처리대상수에 포함되어 있는 암모니아성 질소를 제거할 수 있다. 그러나, 공기탈기법은 공정 과정에서 공기를 지속적으로 투입해야 하는 등 많은 에너지가 소요되며, 약 60℃ 이상의 높은 원수 온도로 인해 스팀 사용량이 큰 단점이 있다.
한국등록특허공보 제2044195호(2019. 12. 5. 공고) 한국등록특허공보 제1866425호(2018. 6. 12. 공고)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 전기화학 반응을 통해 원수에 포함되어 있는 암모늄이온(NH4 +)을 기체 암모니아(NH3)로 변환시키고, 기체 암모니아(NH3)를 원수로부터 탈기시킴으로써 원수의 고농도 암모니아성 질소를 효과적으로 제거할 수 있는 암모니아성 질소를 제거 및 회수하기 위한 전기화학적 수처리장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 원수로부터 탈기된 기체 암모니아(NH3)가 인산 용액 등에 용해되도록 유도함으로써 원수에 포함되어 있는 고농도 암모니아성 질소를 제거함과 함께 회수하여 이를 비료 제조에 응용할 수 있는 기술을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 고농도 암모니아성 질소를 제거 및 회수하기 위한 전기화학적 수처리장치는 이웃하여 순차적으로 배치되는 산화반응조, 환원반응조 및 암모니아 회수조를 포함하여 이루어지며, 상기 산화반응조와 환원반응조 사이에 양이온 교환막이 구비되고, 상기 환원반응조와 암모니아 회수조 사이에 기체투과막이 구비되며, 상기 산화반응조는 산화전극과 전해질 수용액을 수용하고, 전원 인가시 수소이온(H+)을 생성시키며, 상기 환원반응조는 암모니아성 질소가 포함된 원수 및 환원전극을 수용하고, 전원 인가시 수산화이온(OH-)을 생성시킴과 함께 원수의 암모늄이온(NH4 +)을 기체 암모니아(NH3)로 변환시키는 것을 특징으로 한다.
상기 환원반응조에서 생성된 기체 암모니아(NH3)는 기체투과막을 통과하여 암모니아 회수조로 이동된다.
상기 암모니아 회수조 내에 회수용액에 수용되며, 기체투과막을 통과한 기체 암모니아(NH3)는 회수용액에 포집된다.
상기 회수용액은 인산용액이며, 기체투과막을 통과한 기체 암모니아(NH3)는 인산용액 내에서 암모늄이온(NH4 +)으로 변환되며, 상기 회수용액은 암모늄이온(NH4 +)과 인산염(HPO4 -)이 용존된 용액이다.
상기 환원반응조의 일측에 암모니아성 질소가 포함된 원수를 환원반응조에 공급하는 원수공급조가 더 구비된다.
상기 산화반응조에서 생성된 수소이온(H+)은 양이온 교환막을 통해 환원반응조로 이동되며, 상기 환원반응조에서 아래 식 2의 반응에 의해 수산화이온(OH-)이 생성됨과 함께 식 4의 반응에 의해 기체 암모니아(NH3)가 생성된다.
(식 2) O2 + 2H2O + 4e- → 4OH-
(식 4) OH- + NH4 + → NH3 + H2O
본 발명에 따른 고농도 암모니아성 질소를 제거 및 회수하기 위한 전기화학적 수처리장치는 다음과 같은 효과가 있다.
pH에 따른 암모늄이온(NH4 +)과 기체 암모니아(NH3)의 평형 특성을 이용하는 공기탈기법에 전기화학반응을 접목시킴으로써 pH 조절을 위한 별도의 약품 및 대량의 공기 투입 없이 고농도의 암모니아성 질소를 효과적으로 회수할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고농도 암모니아성 질소를 제거 및 회수하기 위한 전기화학적 수처리장치의 구성도.
도 2는 도 1의 각 반응조에서의 반응을 설명하기 위한 모식도.
도 3은 시간 경과에 따른 각 반응조의 전도도 특성을 나타낸 실험결과.
도 4는 시간 경과에 따른 각 반응조의 pH 변화를 나타낸 실험결과.
도 5a는 환원반응조에 수용된 최초 상태의 혐기성소화액의 탈리액을 나타낸 사진이고, 도 5b는 20mA/cm2의 전원을 인가한 후 5시간이 경과된 상태를 나타낸 사진.
본 발명은 공기탈기법의 원리에 전기화학반응을 결합시켜 수중의 고농도 암모니아성 질소를 효과적으로 회수할 수 있는 기술을 제시한다.
앞서 '발명의 배경이 되는 기술'에서 언급한 바와 같이, 수중의 암모니아성 질소를 제거 및 회수하기 위한 대표적인 방법인 공기탈기법은 pH에 따른 암모늄이온(NH4 +)과 기체 암모니아(NH3)의 평형 특성(반응식 1 참조)을 이용하는 것으로서 pH 조절을 통해 수중의 암모늄이온(NH4 +)을 기체 암모니아(NH3)로 효과적으로 변환시킬 수 있으나, 기체 암모니아(NH3)를 탈기하는 과정에서 많은 양의 공기가 소요되고 넓은 장치 면적이 필요하다는 단점이 있다.
본 발명은 전기화학반응을 통해 수산화이온(OH-)을 생성시켜 원수의 pH를 조절함과 함께 암모늄이온(NH4 +)의 기체 암모니아(NH3)로의 변환을 유도하며, 생성된 기체 암모니아(NH3)를 기체투과막을 이용하여 분리시킨다.
전기화학반응에 의해 생성된 수산화이온(OH-)에 의해 원수의 pH가 조절됨에 따라 pH 조절을 위한 석회 등의 약품 투입이 요구되지 않으며, 기체투과막에 의해 기체 암모니아(NH3)가 분리되는 바 공기탈기법에서와 같은 대량의 공기가 요구되지 않는다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 고농도 암모니아성 질소를 회수하기 위한 전기화학적 수처리장치에 대해 상세히 설명하기로 한다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 고농도 암모니아성 질소를 회수하기 위한 전기화학적 수처리장치는 산화반응조(110), 환원반응조(120) 및 암모니아 회수조(130)를 포함하여 이루어진다.
상기 산화반응조(110)에 산화전극인 양극이 배치됨과 함께 전해질 수용액이 채워지고, 상기 환원반응조(120)에 고농도 암모니아성 질소를 포함하는 원수가 공급됨과 함께 환원전극인 음극이 배치된 상태에서, 상기 양극과 음극에 전원이 인가되면 환원반응조(120)에서 수산화이온(OH-)이 생성되며, 수산화이온(OH-)의 생성에 의해 원수의 pH가 상승되어 원수에 포함되어 있는 암모늄이온(NH4 +)은 기체 암모니아(NH3)로 변환된다. 환원반응조(120)에서 생성된 기체 암모니아(NH3)는 상기 암모니아 회수조(130)로 이동된다.
구체적으로, 상기 산화반응조(110)와 환원반응조(120)는 이웃하여 배치되며, 산화반응조(110)와 환원반응조(120) 사이에는 양이온 교환막(140)이 구비된다. 또한, 환원반응조(120)의 일측에는 기체투과막(150)을 사이에 두고 암모니아 회수조(130)가 구비된다. 즉, 산화반응조(110), 환원반응조(120) 및 암모니아 회수조(130)가 이웃하여 순차적으로 배치된 상태에서, 산화반응조(110)와 환원반응조(120) 사이에는 양이온 교환막(140)이 구비되고, 환원반응조(120)와 암모니아 회수조(130) 사이에는 기체투과막(150)이 구비되는 구조를 이룬다. 또한, 상기 환원반응조(120)의 일측에는 환원반응조(120)에 원수를 공급하는 원수공급조(10)가 구비된다.
전술한 바와 같이, 산화반응조(110)에 전해질 수용액이 채워지고, 환원반응조(120)에 고농도 암모니아성 질소가 포함된 원수가 공급된 상태에서 전원이 인가되면 일련의 화학반응을 거쳐 기체 암모니아(NH3)가 생성되는데, 산화반응조(110)와 환원반응조(120) 각각에서의 화학반응 그리고 이온과 기체 암모니아(NH3)의 이동은 다음과 같이 진행된다.
먼저, 산화반응조(110)의 경우, 전해질의 존재 하에 전해질 수용액의 물(H2O) 성분은 아래 식 1과 같은 반응에 의해 수소이온(H+)과 전자(e-) 등으로 분해된다. 산화반응조(110)에서 생성된 수소이온(H+)은 양이온 교환막(140)을 통과하여 환원반응조(120)로 이동된다. 산화반응조(110)에 투입되는 전해질 수용액은 특별히 한정되지 않으나 Na2HPO4 수용액이 이용될 수 있다.
(식 1) 2H2O → O2 + 4H+ + 4e-
환원반응조(120)에서는, 아래 식 2와 같은 반응에 의해 수산화이온(OH-)이 생성됨과 함께 산화반응조(110)에서 이동된 수소이온(H+)은 식 3의 반응에 의해 수소(H2)로 환원된다. 또한, 식 2의 반응에 의해 생성된 수산화이온(OH-)은 원수에 존재하는 암모늄이온(NH4 +)과 반응하여 기체 암모니아(NH3)를 생성시킨다(식 4 참조). '발명의 배경이 되는 기술'에서 언급한 바와 같이 pH 약 9.25에서 암모늄이온(NH4 +)과 기체 암모니아(NH3)는 평형 상태를 이루는데(반응식 1 참조), 식 2의 반응에 의해 수산화이온(OH-)이 지속적으로 생성됨에 따라 암모늄이온(NH4 +)은 기체 암모니아(NH3)로 변환된다.
식 4의 반응에 의해 생성된 기체 암모니아(NH3)는 기체투과막(150)을 통과하여 암모니아 회수조(130)로 이동된다. 상기 기체투과막(150)은 일종의 기액분리막으로서 액체 성분의 투과는 허용되지 않으며 기체 성분은 기체투과막(150)에 형성된 기공을 통해 투과된다.
(식 2) O2 + 2H2O + 4e- → 4OH-
(식 3) 2H+ + 2e- → H2
(식 4) OH- + NH4 + → NH3 + H2O
암모니아 회수조(130)의 경우, 환원반응조(120)에서 생성되어 기체투과막(150)을 통과하여 이동된 기체 암모니아(NH3)를 포집하는데, 기체 암모니아(NH3)의 포집을 위해 암모니아 회수조(130)에는 회수용액이 미리 채워진다. 따라서, 기체투과막(150)을 통과하여 암모니아 회수조(130)로 이동된 기체 암모니아(NH3)는 암모니아 회수조(130)의 회수용액에 용존된 상태로 포집된다.
상기 회수용액으로 다양한 수용액을 이용할 수 있으며, 일 실시예로 액체비료로의 활용을 고려하여 인산, 황산, 질산 중 적어도 어느 하나 이상이 포함된 용액을 이용할 수 있다. 인산이 포함된 용액을 회수용액으로 사용하는 경우 암모늄이온(NH4 +)과 인산염(HPO4 -)이 용존된 용액을 액체비료로 활용할 수 있으며, 황산이 포함된 용액을 회수용액으로 사용하는 경우 암모늄이온(NH4 +)과 황산염(SO4 2-)이 용존된 용액을 액체비료로 활용할 수 있으며, 질산이 포함된 용액을 회수용액으로 사용하는 경우 암모늄이온(NH4 +)과 질산염(NO3 -)이 용존된 용액을 액체비료로 활용할 수 있다. 회수용액으로 수소가 포함된 용액을 적용하는 경우, 기체투과막(150)을 통과한 기체 암모니아(NH3)는 회수용액의 수소이온(H+)과 반응하여 암모늄이온(NH4 +)으로 변환된다(식 5 참조).
(식 5) NH3 + H+ → NH4 +
이상, 본 발명의 일 실시예에 따른 고농도 암모니아성 질소를 회수하기 위한 전기화학적 수처리장치에 대해 설명하였다. 이하에서는 실험예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
<실험예 : 전도도 특성, pH 특성 및 암모니아성 질소 회수 특성>
산화반응조에 6wt% Na2HPO4 수용액을 전해질 수용액으로 투입하고, 환원반응조에 혐기성소화액의 탈리액을 투입하였다. 산화전극으로 이리듐이 코팅된 티타늄 전극을 이용하였고, 환원전극으로는 티타늄 전극을 이용하였다. 암모니아 회수조의 회수용액으로는 0.2M H3PO4 수용액을 이용하였다.
20mA/cm2와 10mA/cm2 각각의 조건으로 전원을 인가하여 시간에 따른 각 반응조의 전도도 특성 및 암모니아성 질소의 회수 특성을 살펴보았다.
도 3을 참조하면, 20mA/cm2로 전원을 인가한 경우와 10mA/cm2로 전원을 인가한 경우 모두 시간 경과에 따라 환원반응조의 전도도가 상승됨을 확인할 수 있으며, 이와 동시에 산화반응조의 전도도는 떨어짐을 알 수 있다. 이러한 결과를 통해 산화반응조에서 생성된 수소이온(H+)이 환원반응조로 원활히 이동됨을 알 수 있다.
또한, 도 4를 참조하면, 시간 경과에 따라 환원반응조의 pH는 상승하고, 산화반응조의 pH는 감소함을 알 수 있는데, 이는 환원반응조에서 수산화이온(OH-)이 지속적으로 생성되어 pH가 증가함을 반증하는 결과이다.
이와 함께, 시간 경과에 따라 환원반응조 내의 암모니아성 질소 농도 및 암모니아 회수조의 암모니아성 질소 농도를 살펴보면, 아래의 표 1 및 표 2에 나타낸 바와 같이 환원반응조 내의 암모니아성 질소는 99% 이상 제거됨을 확인할 수 있으며, 원수에 포함되어 있는 암모니아성 질소는 암모니아 회수조에 100% (20mA/cm2) 회수됨을 알 수 있다. 아래의 표 1은 20mA/cm2의 전원을 인가한 경우에서의 시간 경과에 따른 각 반응조의 암모니아성 질소의 농도 변화를 나타낸 것이고, 표 2는 20mA/cm2의 전원을 인가한 경우에서의 시간 경과에 따른 각 반응조의 암모니아성 질소의 회수율(매스 변화)을 나타낸 것이다. 참고로, 도 5a는 환원반응조에 수용된 최초 상태의 혐기성소화액의 탈리액을 나타낸 사진이고, 도 5b는 20mA/cm2의 전원을 인가한 후 5시간이 경과된 상태를 나타낸 사진이다.
암모니아성 질소(mg/L) 제거율
(농도, %)
산화반응조 환원반응조 암모니아 회수조
최초 상태 0 1739.60 0 0
1시간 경과 54.45 1020.30 251.00 41.34
2시간 경과 55.30 707.40 523.60 59.33
3시간 경과 39.00 450.25 745.20 74.11
4시간 경과 25.00 269.50 1176.63 84.50
5시간 경과 16.50 9.10 1227.57 99.47
암모니아성 질소(g) 회수율
(무게, %)
산화반응조 환원반응조 암모니아 회수조
최초 상태 0.00 0.57 0.00 0
1시간 경과 0.03 0.34 0.12 20.55
2시간 경과 0.03 0.23 0.25 42.87
3시간 경과 0.02 0.149 0.35 61.01
4시간 경과 0.01 0.089 0.55 96.33
5시간 경과 0.01 0.003 0.58 100.50
10 : 원수공급조 110 : 산화반응조
120 : 환원반응조 130 : 암모니아 회수조
140 : 양이온 교환막 150 : 기체투과막

Claims (6)

  1. 이웃하여 순차적으로 배치되는 산화반응조, 환원반응조 및 암모니아 회수조를 포함하여 이루어지며,
    상기 산화반응조와 환원반응조 사이에 양이온 교환막이 구비되고,
    상기 환원반응조와 암모니아 회수조 사이에 기체투과막이 구비되며,
    상기 산화반응조는 산화전극과 전해질 수용액을 수용하고, 전원 인가시 수소이온(H+)을 생성시키며,
    상기 환원반응조는 암모니아성 질소가 포함된 원수 및 환원전극을 수용하고, 전원 인가시 수산화이온(OH-)을 생성시킴과 함께 원수의 암모늄이온(NH4 +)을 기체 암모니아(NH3)로 변환시키며,
    상기 환원반응조에서 생성된 기체 암모니아(NH3)는 기체투과막을 통과하여 암모니아 회수조로 이동되며,
    상기 암모니아 회수조 내에 회수용액이 수용되며, 기체투과막을 통과한 기체 암모니아(NH3)는 회수용액에 포집되며,
    상기 회수용액은 인산, 황산, 질산 중 적어도 어느 하나 이상이 포함된 용액이며, 기체투과막을 통과한 기체 암모니아(NH3)는 회수용액 내에서 암모늄이온(NH4 +)으로 변환되며,
    상기 환원반응조의 일측에 암모니아성 질소가 포함된 원수를 환원반응조에 공급하는 원수공급조가 더 구비되며,
    상기 산화반응조에서 아래의 식 1의 반응에 의해 수소이온(H+)이 생성되고 생성된 수소이온(H+)은 양이온 교환막을 통해 환원반응조로 이동되며, 상기 환원반응조에서 아래 식 2의 반응에 의해 수산화이온(OH-)이 생성됨과 함께 식 4의 반응에 의해 기체 암모니아(NH3)가 생성되며, 산화반응조에서 이동된 수소이온(H+)은 아래의 식 3의 반응에 의해 수소(H2)로 환원되는 것을 특징으로 하는 고농도 암모니아성 질소를 회수하기 위한 전기화학적 수처리장치.
    (식 1) 2H2O → O2 + 4H+ + 4e-
    (식 2) O2 + 2H2O + 4e- → 4OH-
    (식 3) 2H+ + 2e- → H2
    (식 4) OH- + NH4 + → NH3 + H2O
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
KR1020210164337A 2021-11-25 2021-11-25 고농도 암모니아성 질소를 회수하기 위한 전기화학적 수처리장치 KR102568830B1 (ko)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210164337A KR102568830B1 (ko) 2021-11-25 2021-11-25 고농도 암모니아성 질소를 회수하기 위한 전기화학적 수처리장치
PCT/KR2022/007154 WO2023096042A1 (ko) 2021-11-25 2022-05-19 고농도 암모니아성 질소를 회수하기 위한 전기화학적 수처리장치

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210164337A KR102568830B1 (ko) 2021-11-25 2021-11-25 고농도 암모니아성 질소를 회수하기 위한 전기화학적 수처리장치

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20230077260A KR20230077260A (ko) 2023-06-01
KR102568830B1 true KR102568830B1 (ko) 2023-08-22

Family

ID=86539889

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020210164337A KR102568830B1 (ko) 2021-11-25 2021-11-25 고농도 암모니아성 질소를 회수하기 위한 전기화학적 수처리장치

Country Status (2)

Country Link
KR (1) KR102568830B1 (ko)
WO (1) WO2023096042A1 (ko)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN118529899A (zh) * 2024-07-25 2024-08-23 广州大学 一种渗透蒸馏与唐南透析并联耦合的反应器

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101896482B1 (ko) * 2017-05-16 2018-09-10 한국과학기술연구원 막증류 처리수의 암모니아 제거장치
KR102044195B1 (ko) * 2018-10-11 2019-12-05 한국과학기술연구원 암모니아성 질소 및 암모니아성 질소의 산화부산물을 제거할 수 있는 전기화학적 수처리장치

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101063828B1 (ko) * 2009-02-06 2011-09-14 한국원자력연구원 양이온교환막으로 연결된 질산화조를 구비하는 혐기조 및 이를 이용한 폐수처리 방법
KR101325209B1 (ko) * 2011-12-09 2013-11-04 한국원자력연구원 생물전기화학적 방법을 이용하여 하폐수의 유기물 및 질소를 동시에 제거하는 폐수처리 방법
KR20140103693A (ko) * 2013-02-19 2014-08-27 코웨이 주식회사 질소와 인 회수가 가능한 하·폐수 처리장치 및 이를 이용한 하·폐수 처리방법
KR101695622B1 (ko) * 2015-11-10 2017-01-13 한국에너지기술연구원 알코올 기반의 전해질을 이용한 전기화학적 암모니아 합성방법
KR101866425B1 (ko) 2017-02-06 2018-06-12 한국과학기술연구원 고농도 유기성폐수의 전처리장치

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101896482B1 (ko) * 2017-05-16 2018-09-10 한국과학기술연구원 막증류 처리수의 암모니아 제거장치
KR102044195B1 (ko) * 2018-10-11 2019-12-05 한국과학기술연구원 암모니아성 질소 및 암모니아성 질소의 산화부산물을 제거할 수 있는 전기화학적 수처리장치

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Amanda K. Luther 외 3인. ‘Electrochemically driven extraction and recovery of ammonia from human urine’, Water Research. 2015. Vol.87, pp.367~377. (2015.11.30.)*

Also Published As

Publication number Publication date
WO2023096042A1 (ko) 2023-06-01
KR20230077260A (ko) 2023-06-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5938916A (en) Electrolytic treatment of aqueous salt solutions
CN105555715A (zh) 具有去除多价离子的功能的生物电化学系统
JP2015038231A (ja) 空気電池式反応装置及び反応方法
KR102568830B1 (ko) 고농도 암모니아성 질소를 회수하기 위한 전기화학적 수처리장치
CN110902895A (zh) 一种垃圾渗滤液中氨氮去除与回收的电化学膜分离方法
US4214957A (en) System for electrolysis of sodium chloride by ion-exchange membrane process
CN113979520B (zh) 一种电化学耦合功能膜回收废水中氨氮的装置及方法
CA1195650A (en) Electrolyte and method for electrolytic production of alkaline peroxide solutions
EP0134118A3 (en) A membrane process for converting sodium sulfate into sulfuric acid and sodium carbonate
CN113184952A (zh) 一种废水中氮磷同步回收装置及其回收方法与应用
JPH09271781A (ja) 廃水からの窒素分除去方法
CN102872690B (zh) 一种电动力迁移回收氰/氧化回收nh3的装置及其方法
CN112320818A (zh) 一种烟气脱硫浆液中亚硫酸盐的氧化的方法
JP4936454B2 (ja) 水素製造装置および水素製造方法
JPH0978276A (ja) アルカリ溶液の精製方法
JP3091389B2 (ja) 電気分解装置の溶存水素除去方法及びそのための溶存水素除去装置
CN113816542B (zh) 回收低浓度稀土废水中氨氮和稀土离子的电化学系统及方法
US6436275B1 (en) Electrochemical reduction of nitrate in the presence of an amide
CN111996541B (zh) 提高氢气产率的间接硫化氢电解方法和装置
CA2235961C (en) Co-generation of ammonium persulfate and hydrogen peroxide
JPS5838207B2 (ja) デユ−テリウムおよびトリチウムを含む混合物からヘリウム等の不純物を除去する方法
EP0696228B1 (en) A method for converting ammonia in a gas stream to nitrogen
CN115715915B (zh) 一种无膜成对电解选择性转化一氧化氮为硝酸铵的脱硝方法
JPS5834080A (ja) 酸消化廃液の処理方法
CN111378984A (zh) 一种电解氯化铵废水制氯气及次氯酸钠的装置及方法

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant