KR19980051085A - 전기투석장치의 효율적인 운전방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 폐수중 유가성분의 회수, 정제 및 각종 수처리에 사용되는 전기투석장치에 관하여 처리성능 증대를 위한 효율적인 운전방법에 관한 것으로, 전기투석장치에 의한 산폐수의 탈염, 농축방법에 있어서, 막오염을 방지하기 위하여 처리원수의 시작농도와 탈염이 완료된 탈염액의 최소농도의 전농도범위 내에서 한계전류를 측정하고, 이러한 한계전류를 넘지 않는 범위내에서 보다 높은 고전류 운전이 이루어지도록 전류를 제어하므로서 최대한의 분리효과를 얻을 수 있는 전기투석공정의 다단계식 전류제어방법을 제공하여서 된 것이다.

Description

전기투석장치의 효율적인 운전방법

본 발명은 폐수중 유가성분의 회수, 정제 및 각종 수처리에 사용되는 전기투석장치에 관하여 처리성능 증대를 위한 효율적인 운전방법에 관한 것으로, 특히 산세공정에서 발생하는 산폐수를 전기투석법으로 처리하여 탈염액을 수세수로 재활용하기 위한 과정에서 전기투석장치에 투입되는 전류량을 적정하게 다단계식으로 제어함으로서 수처리 원가절감 및 분리효율 증대를 도모하기 위한 전기투석장치의 성능을 향상시키는 효율적인 전기투석장치의 운전방법에 관한 것이다.

전기투석법에 의한 기술은 소금제조, 음료수정제, 아미노산정제등 여러 분야에서 이용하고 있고, 대표적 예로서 미국특허공개 4,775,480(1988), 3,936,759(1975), 일본특허 공개 (소) 52-144831, (소)53-85772 등에 게재된 제안등이 있다.

그러나 이 방법들은 모두 특정분야에 전기투석법을 적용하는 기술, 즉, 전기투석공정의 전,후 처리에 대한 요소 기술을 개발하거나, 전,후처리 공정을 포함한 전체시스템을 개발하는 쪽으로 초점을 두고 있다.

그러나 전기투석공정에서 발생될 수 있는 문제점을 해결하고, 소용량 설비로서 최대의 효율을 얻을 수 있는 전기투석공정의 최적화 방법에 대하여는 공개된 기술은 없다.

또한, 전기투석에 의한 수처리 비용이 매우 높은 이유는 전기투석공정에서 일정값 이상으로 높게 전류가 흐를 경우 용액중의 무기이온이 염으로 석출되고, 이것은 막오염을 유발시킨다.

막오염은 분리효율을 감소시키고, 심하면 운전을 중단하고 막세척 혹은 막교환을 하여야만 하고 또한 전기투석에 사용되는 분리막은 매우 고가이므로 이러한 점이 처리비용 상승에 가장 큰 요인으로 지적되고 있다.

따라서, 전기투석장치 운전의 최적화 기술을 개발하여 처리비용을 감소시키는 것은 매우 중요하다.

전기투석법의 원리를 간단히 설명하면 다음과 같다. 양쪽에 양극과 음극을 설치하고, 그 사이에 양이온만이 선택적으로 투과하는 막(이하, 양이온막이라 칭함)과 음이온만이 선택적으로 투과하는 막(음이온막이라 칭함)을 교대로 설치하고, 막사이에는 일정한 두께의 가스킷을 설치하여 막사이로 전해질 수 있게 용액이 흐르게 한 뒤, 적정량의 직류를 걸어주면 용액중의 양이온과 음이온은 전기적 힘에 의해 서로 반대방향으르 이동한다. 이때 선택성 막에 의해 이온의 종류에 따라 이온분리가 일어나며, 이것으로 농축반응과 탈염반응을 유도할 수 있다.

또한, 전기투석에서의 한계전류는 매우 중요한데 이를 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

어떤 농도를 지닌 폐수에 대하여 어떤 전류가 일정하게 흐르고 있을 경우, 그 전류에 해당하는 전자흐름에 걸맞는 이온의 이동이 일어나 줄때에는 자연스럽게 전기투석이 진행되지만, 탈염이 어느 수준이상 일어나서 용액의 전기전도도가 감소하고 외부에서 흘려주는 전류에 상응하는 전자의 흐름이 용액중에서 부족하게 될 경우에는 전기적 저항이 발생하고, 동시에 전압의 상승이 발생한다.

이로 인하여 저항열이 발생하고, 가수분해(순수의 경우,0.8V에서 발생)가 일어나며 pH의 국부적, 전반적 변화가 일어난다. 또한 이 때문에 염의석출이 발생하여 막을 오염시키며, 막이 오염되면 저항열 및 염석출 발생이 가속되며, 전기투석효율이 급격히 감소하게 된다.

이와 같이 이온의 이동 이외의 반응이 발생되기 시작하는 시점의 전류를 한계전류라고 한다.

따라서 한계전류는 용액의 종류 및 농도에 따라 변화하며, 전기투석에서는 이러한 한계전류를 각 폐수에 대하여 사전에 실험적으로 측정하여 놓고 실제 대용량 처리시에는 이를 초과하지 않는 전류값의 범위내에서 반응을 제어해야만 한다.

이러한 전기투석장치에 대한 종래의 운전방법에는 정전류방식과 정전압방식이 알려져 있다. 정전류방식은 음극과 양극사이에 흐르는 직류를 일정량으로 유지함으로서 전기투석셀 내부의 용액농도 변화에 관계없이 거의 일정량의 이온 이동을 유도함으로서, 전기투석 전반응을 제어함에 있어 매우 용이한 측면도 있지만, 용액의 농도가 감소하여 한계전류를 초과하게 되면 가수분해, 염석출, 막오염 등 불필요한 전기화학적 반응을 일으키게 된다.

또한 이 경우에는 용액의 온도가 상승하여 막의 변형, 전기전도도의 변화 등이 부과적으로 발생하며, pH가 국부적으로 혹은 전체적으로 급격히 변화하여 안정된 전기투석 제어가 불가능해지는 단점을 가지고 있다.

한편, 정전압 방식은 전압을 일정하게 제어해주는 것으로, 전기투석반응이 진행됨에 따라서 용액의 농도가 변화하고, 용액에서의 전기적 저항이 증대하게 되면 흐르는 전류가 자연적으로 감소하여 전기투석반응에 적응하는경향을 보이게 되어 정전류방식에서와 같이 심각한 막손상을 발생하지는 않지만 전류제어가 불가능하기 때문에 전기투석속도를 일정하게 제어할 수 없는 것이 단점이다.

본 발명은 상기와 같은 제반 문제점을 감안하여 이를 해소하고자 발명한 것으로, 전기투석장치에 의한 산폐수의 탈염, 농축방법에 있어서, 막오염을방지하기 위하여 처리원수의 시작농도와 탈염이 완료된 탈염액의 칙소농도의 전농도범위 내에서 한계전류를 측정하고, 이러한 한계전류를 넘지 않는 범위내에서 보다 높은 고전류 운전이 이루어지도록 전류를 제어하므로서 최대한의 분리효과를 얻을 수 있는 전기투석공정의 다단계식 전류제어방법을 제공하고자 하는테 그 목적과 특징이 있다.

도 1은 산폐수 전농도 범위에서의 농도와 전기전도도와의 관계 그래프

도 2는 산폐수의 각 농도에 대한 한계전류값의 측정방법을 나타낸 그래프

도 3은 산폐수의 각 농도에 대한 전기전도도와 한계전류와의 관계 그래프

도 4는 정전류방식에 의한 전기투석의 예를 나타낸 그래프

도 5는 전류제어방법에 의한 전기투석의 예를 나타낸 그래프

본 발명은 전기투석법에 의해 산폐수를 탈염, 농축하는 방법에 있어서, 산폐수의 농도변화에 따른 전기전도도를 측정하고, 두 인자 사이의 상관관계를 검량선으로 나타내는 공정과, 초기농도와 탈염후 최소농도 사이의 전농도범위에서 각 농도에 대한 한계전류를 측정하는 공정과, 측정된 전기전도도와 한계전류와의 상관관계로 나타나는 기울기 약 0.46인 직선을 하나의 검량선으로 나타내는 공정과, 초기 농도인 약 4500ppm에 해당하는 한계전류값, 4.8A의 0.5-1.0배의 영역에 속하는 전류값인 2.4-4.8A로 일정하게 흘려주는 정전류 처리공정, 탈염, 농축반옹이 진행되어 변화된 탈염액의 농도값에 해당하는 한계전류값에 반응전류값이 접근하면, 그때의 한계전류값의 0.5-1.0배의 전류값으로 낮추어 다시 정전류 처리를 하는 공정과, 상기 공정과 동일한 방법으로 전류를 제어하여 목적하는 탈염액의 농도까지 탈염시키기 위하여 반복적으로 전류강하, 정전류 처리를 하는 공정으로 이루어진다.

이와 같이 구성된 본 발명을 실시예를 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

* 실시예 1.

도 1은 하기 표 2에 나타낸 바와 같은 조성을 가진 산폐수에 대하여 농도변화에 따른 전기전도도를 측정하고, 두인자 사이의 관계를 검량선으로 나타낸 것이다.

농도증가에 따라 용액의 전기전도도는 직선적으로 증가하는 경향을 나타내고 있으며, 이것은 전기전도도의 측정값으로 용액의 농도를 정확하게 결정할 수 있음을 보여준다.

* 실시예 2.

도 2는 전이온농도 4500ppm의 산폐수를 전기투석장치에 의해 탈염, 농축할 경우, 탈염액의 농도가 감소함에 따라 변화하는 한계전류값을 측정하는 방법을 나타낸 것이다.

티타늄판에 백금이 도금된 양극과 스테인레스 음극 사이에 유효 막면적이 1.72dm²인 양이온막과 음이온막이 일정두께의 가스킷을 사이에 두고 교대로 10매씩 배열된 전기투석셀에 전류가 흐르게 되면 양이온은 음극쪽으로 음이온온 양극쪽으로 이온의 이동이 일어난다.

이때 양이온은 음이온막에 의해 차단되고, 반대로 음이온은 양이온막에 의해 차단되므로서 농축과 탈염이 동시에 일어나고 반응이 진행됨에 따라 탈염용액의 농도는 낮아지며 용액의 전기전도도도 감소한다.

이러한 탈염, 농축과정에서 어떤 시점에 도달하면 흘려준 전류가 순수하게 이온의 이동에만 소요되지 않고 악영향을 주는 이상현상이 발생하게 된다.

이것은 특정 전류값에 대하여 이온 이동량이 뒤따라 가지 못해 일어나는 현상이며, 저항열 발생, 전압상승, 가수분해 및 막표면에서의 염석출 등에 의한 막오염이 심각하게 발생하게 된다.

이 시점에서의 전류값을 한계전류라고 하며, 한계전류의 측정방법은 특정 농도의 산폐수에 대하여 일정 전류를 공정적으로 흘려주고 각각의 전류값에 안정적으로 대응하는 전압값을 각각 측정한다.

여기에서 전류와 전압과의 관계를 그래프로 나타내고, 초기 직선관계에서 처음으로 벗어나는 지점의 전류값을 그 농도의 한계전류값으로 결정하였다.

도 2에서 나타난 바와같이 이온농도가 560ppm일 경우는 0.6A, 1125ppm일 경우는 1.22A, 2250ppm일 경우는 2.4A가 됨을 알 수 있다.

* 실시예 3.

도 3은 도 2에서 측정한 산폐수의 농도와 한계전류와의 상관관계를 하나의 검량선으로 나타낸 것인데, 두 인자는 직선관계에 있음을 알 수 있다.

즉, 농도가 증가함에 따라 한계전류값은 직선적으로 증가하며, 이것은도 1에서 나타낸 바와 같이 농도증가에 따라 전기전도도가 직선적으로 변화하는 경향과 일치한다.

또한, 이것은 용액의 전기전도도가 높을 수록 안정하게 보다 높은 전류영역에서 전기투석을 행할 수 있음을 나타낸다.

그리고 한계전류값 이상의 영역으로 전류를 상승시킬 수 없고, 한계전류 이하에서 전기특성을 행하지 않으면 안된다. 전기투석 반응이 진행됨에 따라 탈염액의 농도가 계속 감소하기 때문에 한계전류도 반응이 진행함에 따라 함께 감소하기 때문에 정확한 전류제어가 요구된다.

* 실시예 4.

도 4는 전기투석공정에서 일반적으로 채택되고 있는 정전류방식에 의해 4500ppm의 산폐수, 3000cc를 탈염, 농축을 한 경우를 나타낸 것이다. 시험 2는 목적하는 최종 탈염농도(A)를 200ppm(전기전도도로는 2.5mS/cm)으로 두었을 경우를 나타내고 있으며, 그 때의 한계전류값은 0.3A이며, 따라서 전기투석공정에서 투입되는 전류값은 0.3A를 넘어서는 안된다.

만약 0.7A이상의 고전류를 흘려줄 경우, 즉 시험 1에서는 0.7A의 정전류로 처리한 경우이며, 여기에서는 탈염반응이 진행되다가 한계전류값 이상의 영역인 700ppm이하의 저농도 영역(A-B)에서는 상술한 바와 같이 가수분해 및 염석출에 의한 막오염이 일어난다.

한편, 시험 1과 2의 처리시간은 하기 표 1에 나타난 바와 같이 60분 및 115분으로 처리시간이 길다.

따라서 일반적으로 정전류방식을 채택하는 경우, 전기투석장치의 원활한 운전 및 수명연장을 위하여 저전류 운전을 하고 있다. 그러나 저전류 운전으로 인해 탈염, 농축의 반응시간이 길어져 처리효율이 저하하고, 그 만큼 처리용량이 감소하는 단점이 있다.

* 실시예 5.

도 5는 실시예 4에 나타낸 정전류 방식의 단점을 보완하기 위하여 즉, 전처리농도 영역하에서 가능한 고전류 운전을 행함으로써, 처리시간을 단축시켜 단위시간당 처리용량을 증대하고자 하는 목적으로 실시한 다단계식 전류제어방법에 의한 산폐수의 농축, 탈염반응의 결과를 나타낸 것이다.

이 시험에서는 최초 투입전류를 4500ppm의 산폐수 한계전류인 4.8A보다 낮은 2.5A로 시작하고, 탈염반응이 진행되면서 탈염액의 이온농도가 감소하게 되고, 그에 상당하는 한계전류도 감소하게 된다.

그로 인하여 투입전류인 2.5A에 해당되는 한계농도 약 2350ppm(전기전도도로는 17mS/cm)에 도달하게 된다. 따라서 한계농도에 도달하기 직전에 전류를 0.7A 정도 감소시킨 1.8A로 하고, 다시 정전류방식으로 1.8A에 해당하는 한계농도에 다다르기 직전까지 탈염, 농축반응을 진행시킨다. 이러한 수순으로 목적하는 탈염농도까지 반복하여 반응을 실시한다.

이러한 시험에서는 전기투석설비의 용량 및 성능에 따라 초기 투입전류값과 전류강하량은 적정수준으로 조절할 수 있다. 이러한 전기투석의 다단계식 전류제어방법은 전처리농도 범위에 걸쳐 보다 높은 전류로 운전할 수있기 때문에 하기 표 1에서 보는 바와 같이 처리시간이 35분으로 시험 2에 비해 약 3배이상 단축되고, 또한 한계전류를 넘지 않고 운전할 수 있어 막오염에 의한 손실을 방지하는 효과를 얻을 수 있다. 폐수 1리터를 처리하는데 사용된 총 전력 역시 시험 3이 시험 2에 비해 15%정도 절감할 수 있음을 알 수 있다.

표1.

표2.

이상과 같은 본발명의 전기투석 다단계식 전류제어방법은 기존방법(시험2) 보다 처리시간이 약 3배 이상 빠르기 때문에 처리용량을 3배 이상 증대시키는 효과를 얻을 수 있는 매우 효율적 방법이며, 한계전류와 농도와의 직선관졔를 전류제어에 적용함으로서 막오염에 의한 전기투석장치의 분리효율 및 가동율의 감소를 방지할 수 있는 효과가 있는 것이다.

Claims (1)

1. 전기투석법에 의한 산폐수를 탈염, 농축하는 방법에 있어서,산폐수의 농도변화에 따른 전기전도도를 측정하고, 두 인자 사이의 상관관계를 검량선으로 나타내는 공정과, 초기 농도와 탈염후 최소농도 사이의 전농도범위에서 각 농도에 대한 한계전류를 측정하는 공정과, 측정된 탈염농도와 한계전류와의 상관관계로 나타나는 기울기 약 0.46인 직선을 하나의 검량선으로 나타내는 공정과, 초기 농도인 약 4500ppm에 해당하는 한졔전류값,4.8A의 0.5-1.0배의 영역에 속하는 전류값인 2.4-4.8A로 일정하게 흘려주는 정전류 처리공정과, 탈염, 농축반응이 진행되어 변화된 탈염액의 농도값에 해당하는 한계전류값에 반응전류값이 접근하면, 그때의 한계전류값의 0.5-1.0배의 전류값으로낮추어 다시 정전류 처리를 하는 공정과, 상기 공정과, 동일한 방법으로 전류를 제어하여 목적하는 탈염액의 농도까지 탈염시키기 위하여 반복적으로 전류강하, 정전류 처리를 하는 공정을포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 전기투석장치의 효율적인 운전방법.