KR20020041690A

KR20020041690A - 이중구조 전극을 가진 전기화학 응집기 및 이 응집기가구비된 전해처리 시스템

Info

Publication number: KR20020041690A
Application number: KR1020000071371A
Authority: KR
Inventors: 황성길
Original assignee: 홍성욱; (주)엔아이워터솔루션
Priority date: 2000-11-28
Filing date: 2000-11-28
Publication date: 2002-06-03
Also published as: KR100432796B1

Abstract

이중구조의 전극을 이용하여 오폐수 내의 불순물을 효과적으로 응집시키기 위한 전해처리 시스템용 전기화학 응집기는 유입구와 유출구가 형성되어 유체가 지나는 통로를 제공하는 원통형 하우징, 상기 하우징 내에 설치되어 양극전압이 가해지는 양극군, 및 상기 하우징의 내벽에 형성되어 음극전압이 가해지는 음극 극판을 포함하는데, 상기 양극군은 제1 전기분해 작용을 유발하는 다수의 제1 양극과 제2 전기분해작용을 일으키는 다수의 제2 양극으로 이루어지며, 상기 제1 및 제2 양극은 서로 교대로 설치된다.

상기 응집기는 양전극으로 금속전극과 세라믹전극을 동시에 사용하여 서로 다른 전압을 가함으로써 전기분해 효율을 증진시키며 불필요한 금속전극 및 전기에너지의 낭비를 줄일 수 있고, 금속전극과 세라믹전극을 회전시켜 응집기 내의 유체를 기계적으로 혼합시킴으로써 응집기 내의 물질전달을 향상시켜 전기화학반응을 촉진시킨다.

Description

이중구조 전극을 가진 전기화학 응집기 및 이 응집기가 구비된 전해처리 시스템{ELECTROCOAGULATOR WITH DOUBLE-STRUCTURED ELECTRODES AND ELECTROLYTIC TREATMENT SYSTEM HAVING THE SAME}

본 발명은 전해처리 시스템에 관한 것이며, 보다 상세하게는 이중구조의 전극을 이용하여 오폐수 내의 불순물을 효과적으로 응집시키기 위한 전해처리 시스템용 전기화학 응집기에 대한 것이다.

오폐수와 같은 오염된 수용액을 처리하는 방법은 오래 전부터 알려져 왔으며, 많은 장치들이 개발되어 왔다. 최근 들어 처리해야 할 오염수의 양은 점차 증대하고 있으며, 또한 환경관련 기준 및 규제가 강화되면서 보다 효과적인 오폐수 처리에 대한 요구가 높아지고 있다.

정수공정이나 오폐수 처리공정 등과 같은 수처리 공정에서 FeCl₃, Al₂(SO4)₃, 고분자 응집제 등의 응집제를 이용하여 오폐수에 함유된 중금속, 유기 및 무기물 콜로이드, 박테리아, 바이러스, 복합 유기화합물 등을 제거하는 응집 침전공정은 전처리공정으로 널리 사용되고 있다. 이중 응집공정은 오폐수 처리공정에서 가장중요한 공정 중 하나로서, 오폐수에 잔존하는 작은 불순물 입자들을 불안정화 시켜 응결시킴으로써 보다 큰 입자로 만드는 과정이다.

오폐수 내에 잔존하는 중금속 이온과 유기 및 무기물 콜로이드는 동종의 전하로 하전되어 있으며, 이러한 불순물이 함유된 용액에 반대 전하를 갖는 이온을 투입하면 불순물 이온이 불안정화되고, 이렇게 불안정화된 입자들은 서로 응결하여 최종적으로 침전이나 여과 등에 의해 제거될 수 있게 된다.

종래에는 불순물 응집을 위해서 화학적 방법을 많이 사용하였다. 화학적 응집방법은 오폐수 내에 불순물의 불안정화에 필요한 금속염이나 폴리머와 같은 화학약품을 직접 투입하여 불순물의 응집을 유도하는 방법이다. 그러나, 이러한 화학적 응집방법은 약품비용이 증가하고, 과도한 슬러지를 방출하며, 또한 금속수산화물이 특정폐기물로 지정됨에 따라 최근에는 급격한 사양추세에 있는 실정이다.

이에 대한 해결책으로서 최근에는 전기적 응집방법이 많이 사용되고 있다. 전기적 응집방법은 오폐수 내에 전극판을 설치하여, 전기분해를 통해서 불순물을 불안정화 및 응집하는 방법이다. 이러한 전기적 응집방법은 화학적 응집방법과 비슷한 원리를 이용하지만, 전기적 응집방법으로 형성된 플록(Floc)은 화학적 응집방법에 비해 훨씬 적은 부착수(Bound Water)를 내포하고, 전단저항력이 크며, 여과성이 우수한 것으로 밝혀졌다.

이러한 전기적 응집방법을 이용한 종래의 응집기의 한 예가 도 1에 도시되어 있다. 도 1을 참조하면, 종래의 응집기는 하우징(1)과, 하우징(1)의 하단부에 형성되어 처리할 액체를 유입하기 위한 유입구(2)와, 하우징(1)의 상단부에 형성되어처리된 액체를 유출하기 위한 유출구(3)와, 하우징(1) 내에 일정 간격을 두고 교대로 설치되는 다수의 제1 및 제2 극판(4, 5)을 포함하고, 제1 및 제2 극판(4, 5)은 전원공급장치(6)의 양극 및 음극에 각각 연결된다.

이러한 종래의 응집기는 각 극판(4, 5)에 교대로 양극 및 음극 전류를 흐르게 하여, 전원공급장치(6)의 양극에 연결된 극판(4)이 전기분해에 의해 금속이온을 용출시키게 한다. 이와 같이 양극 극판(4)에서 용출된 금속이온은 하우징(1) 내에 있는 오폐수의 불순물과 반응하여 응집물을 형성하게 됨으로써, 전기적 응집공정이 수행된다.

그러나, 이와 같은 종래의 응집기는 양극 극판(4)과 음극 극판(5)이 단일구조로 형성되어 전극 전체의 전위는 균일하지만 반응의 종류와 속도를 부분적으로 통제하는 것은 불가능하다. 다시 말해서, 원하는 반응의 속도를 증가시키기 위해서 전극 전위를 높이면 다른 원하지 않는 반응 속도도 증가하게 되어, 불필요한 에너지와 전극소모를 유발하게 되는 것이다.

예를 들면, Fe(III)를 공급하기 위해 양극 극판(4)으로 철전극을 사용하는 경우, 양극의 전위와 전해질의 pH에 따라 Fe(II), Fe(III), Fe₃O₄, Fe₂O₃등이 산화반응을 거쳐 생성되게 된다.

Fe²⁺+ 2e^--> Fe E = - 0.44 V

Fe³⁺+ 3e^--> Fe E = - 0.04 V

Fe³⁺+ e^--> Fe²⁺E = + 0.77 V

Fe + 4H₂O -> Fe₃O₄+ 8H⁺+ 8e^-

Fe + 3H₂O -> Fe₂O₃+ 6H⁺+ 6e^-

위에서 보여진 것처럼 Fe(II)와 Fe(III)의 생성 사이에는 커다란 전극전위 차이를 보이는데, 이를 통하여 응집제로서 활성이 작은 Fe(II)가 Fe(III)보다 많은 양이 생성됨을 알 수 있다. 그리고 생성된 Fe(II)를 Fe(III)으로 이차산화시키기 위해서는 +0.77 V 이상의 전극전위가 가해져야만 한다.

따라서 오염물질의 응집을 위해 사용되어지는 Fe(III)를 필요량만큼 공급하기 위해서는 충분히 높은 전극전위가 가해져야 하고, 이런 경우 응집제로서 활성이 낮은 Fe(II)가 필요 이상 생성되며, Fe₃O₄, Fe₂O₃등이 형성될 수도 있다. 따라서, 이와 같은 경우 철이온의 낭비로 인해 철전극이 빨리 소모되며, 이는 결국 전기에너지의 낭비로 이어진다.

이와 같이 단일 재질의 전극을 이용하는 경우 전기화학 반응의 부분적인 통제가 어려우며, 불필요한 전극 및 에너지 낭비로 인한 유지비 손실이 불가피했다.

또한, 종래의 응집기에서는 극판(4, 5)이 서로 평행하게 설치되기 때문에, 이와 같이 유속과 유로의 표면 거칠기에만 의존하는 물질전달 경로 하에서는 극판(4, 5) 주위로 지나가는 유체의 유동이 극히 적어 양극에서 생성된 Fe(II)가 Fe(III)로 이차산화하는 것을 보장하기 어렵다. 전기화학 반응은 전극 표면에서일어나기 때문에 Fe(II)가 Fe(III)로 이차산화하기 위해서는 양극 극판(4)에 충분히 높은 양극전위가 가해져야 하고 또한 양극 극판(4) 표면과 접촉할 기회가 많아야 하지만, 종래의 단순구조 하에서는 생성된 Fe(II)가 전기적인 힘과 유체의 유동에 의해 음극 극판으로 이동하여 음극에서 생성된 수산화기와 반응해서 금속수산화물을 만들기 쉽기 때문에 불순물을 응집하려는 본연의 목적을 달성하는 데에도 어려움이 있었다.

또한, 전기화학 응집기의 전체적인 에너지 효율을 고려할 때 전해질에서의 전위감소가 중요한 요소를 차지하게 되는데, 이러한 이유로 종래에는 양극 극판(4)과 음극 극판(5) 사이의 간격을 좁게 하여 전해질에서의 전위감소를 줄이는 구조를 사용하였다. 따라서, 양극 극판(4)과 음극 극판(5) 사이의 간격을 좁게 설치하는 경우, 생성되어진 Fe(II)와 Fe(III)이 불순물들과 반응하기보다는 음극 극판(5)에서 생성된 수산화이온과 반응하여 금속수산화물을 형성하여 침전되거나 음극 극판(5)에서 직접 환원되어질 수도 있으며, 이는 양극 극판(4)의 전기분해 효율을 크게 떨어뜨리는 원인이 되었다.

본 발명은 이와 같은 종래기술의 단점 및 한계를 극복하기 위하여 창안된 것으로서, 응집기 내에서 불필요한 전기화학반응을 억제하며 불순물을 보다 효율적으로 응집되게 할 수 있도록 높은 전위와 낮은 전위를 각각 걸어주는 이중구조 전극을 가진 전기화학 응집기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은 상기와 같은 응집기가 설치되어 오폐수를 보다 원활하게 처리할 수 있는 전해처리 시스템을 제공하는 데 있다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.

도 1은 종래기술에 따른 응집기를 정면에서 바라본 단면도.

도 2는 본 발명의 제1 실시에에 따른 이중구조 전극을 가진 전기화학 응집기를 도시하는 도면.

도 3은 도 2의 응집기에서 양전극 및 회전축만을 별도로 도시하는 사시도.

도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 이중구조 전극을 가진 전기화학 응집기를 도시하는 도면.

도 5는 도 4의 응집기에서 양전극, 회전축 및 지지부재만을 별도로 도시하는 사시도.

도 6은 본 발명에 따른 응집기가 모듈 형태로 설치되는 것을 도시하는 개략도.

도 7는 본 발명에 따른 응집기가 설치된 전해처리 시스템을 도시하는 개략도.

<도면의 주요 참조부호에 대한 설명>

10, 20..응집기 11..하우징 12, 22..금속전극

13, 23..세라믹전극 14, 24..회전축 16..음극 극판

30..제1 모듈 32..워터자켓

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 이중구조 전극을 가진 전기화학 응집기는 유입구와 유출구가 형성되어 유체가 지나는 통로를 제공하는 원통형 하우징, 상기 하우징 내에 설치되어 양극전압이 가해지는 양극군, 및 상기 하우징의 내벽에 형성되어 음극전압이 가해지는 음극 극판을 포함하는데, 상기 양극군은 제1 전기분해 작용을 유발하는 다수의 제1 양극과 제2 전기분해작용을 일으키는 다수의 제2 양극으로 이루어지며, 상기 제1 및 제2 양극은 서로 교대로 설치된다.

바람직하게, 상기 제1 양극은 낮은 양극전압이 가해져서 양이온을 발생시키고, 상기 제2 양극은 높은 양극전압이 가해져서 유리산소를 발생시킨다.

더욱 바람직하게, 상기 제1 및 제2 양극은 그물구조로 형성된다.

일 실시예로서, 상기 제1 및 제2 양극은 각각 원통형상으로 이루어지며 동일 회전축에 연결되어 함께 회전하는 것이 바람직하다.

다른 실시예로서, 상기 제1 및 제2 양극은 세로막대 형태로 이루어지며, 상기 다수의 세로막대형 제1 및 제2 양극은 각각 소정 간격을 두고 동심원 상에 교대로 설치되어 함께 회전하는 것 또한 가능하며 바람직하다.

각각의 실시예에서, 상기 제1 전극은 금속전극이고, 상기 제2 전극은 세라믹 전극인 것이 바람직하다.

또한, 상기 세라믹 전극은 백금(Pt), 산화 니켈(NiO) 및 산화지르코늄(ZrO₂) 중 어느 하나에 의해 코팅되어 형성되는 것이 바람직하다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 위에 언급된 이중구조 전극을 가진 응집기를 포함하는 오폐수 처리용 전해처리 시스템을 제공한다.

바람직하게, 상기 전해처리 시스템에는 상기와 같은 응집기 다수개가 병렬로 설치될 수 있다.

보다 바람직하게, 상기 다수의 응집기는 액체를 수용하는 워터자켓 내에 설치되어 상기 워터자켓 내의 액체와 서로 열교환하도록 구성한다.

이하 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 이중구조 전극을 가진 전기화학 응집기의 실시예를 상세하게 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다

전해처리 시스템은 개략적으로 처리 대상이 되는 오폐수를 유입하여 오폐수 내의 불순물을 응집시키는 응집기(10), 응집기(10)에서 불순물이 응집된 오폐수를 교반시키는 혼합기(40) 및 혼합기(40)에서 충분히 교반된 유체를 유입하여 응집된 슬러지를 분리 및 제거하는 슬러지 분리기(60)로 구성되며, 이러한 전해처리 시스템은 도 7에 개략적으로 도시되어 있다.

본 명세서에서는 이중에서 개선된 응집기(10) 및 이러한 개선된 응집기(10)를 사용하는 전해처리 시스템에 대해서 기술하며, 그 외의 혼합기(40)와 슬러지 분리기(60)는 어느 특정한 형태로 한정되지 않는다.

도 2는 본 발명에 따른 이중구조의 전극을 가진 전기화학 응집기에 대한 제1 실시예를 도시한다. 도면을 참조하면, 본 발명에 따른 이중구조 전극을 가진 전기화학 응집기(10)는 대략적으로 응집기의 전체 외형을 구성하는 원통형 하우징(11)을 포함한다. 원통형 하우징(11)에는 유입구(17)와 유출구(18)가 형성되어 유체가 지나가는 통로를 제공하게 된다.

원통형 하우징(11) 내에는 다수의 제1 양극(12) 및 제2 양극(13)으로 구성된 양극군이 설치된다. 제1 및 제2 양극(12, 13)에는 외부로부터 양극전압이 가해지며, 이 양극전압에 의해 각각 전기분해 작용을 유발하게 된다.

본 발명의 바람직한 제1 실시예에서 제1 실시예에서 제1 및 제2 양극(12, 13)은 각각 동일 회전축을 따라서 교대로 설치된다. 바람직하게는, 제1 및 제2 양극(12, 13)은 각각 원통형상으로 이루어지며, 다수의 원통형 제1 및 제2 양극(12, 13)들은 상하방향으로 서로 교대로 설치되어, 동일한 회전축(14)으로 연결되어 있다. 회전축(14)은 외부 전원에 의해 작동하는 모터(15)에 연결되어 있어, 모터(15)가 작동할 때 상기 제1 및 제2 양극(12, 13)을 회전시키는 역할을 한다.

본 실시예에서는 제1 양극(12)으로 금속전극을 사용하고 제2 양극(13)으로 세라믹전극을 사용하는 것으로 설정하였으며, 이하 설명에서는 제1 및 제2양극(12, 13)은 각각 금속전극 및 세라믹전극으로 명명된다. 그러나, 이는 본 발명의 실시예에만 국한된 것이며, 이외의 다른 변형도 물론 가능하다.

금속전극(12)과 세라믹전극(13)은 그물 또는 망사형태로 구성되는 것이 바람직하다. 금속전극(12)과 세라믹전극(13)을 그물 또는 망사형태로 형성할 경우, 전극 자체가 유체와 접촉하는 부위가 많아지기 때문에, 전기분해가 전극 표면에서만 일어난다는 점을 고려할 때 매우 활발한 전기분해를 유도할 수 있다는 장점이 있다.

보다 바람직하게는, 금속전극(12)과 세라믹전극(13)은 망사 형태의 전극을 회전축(14)에 여러 번 감아서 원통형으로 구성할 수 있으며, 이는 양전극(12, 13)만을 별도로 도시한 도 3에 잘 나타나 있다. 이와 같은 형태는 그물구조로 인해 원통형 금속전극(12) 및 세라믹전극(13)을 통해서 유체가 유동할 수 있는 공간을 확보할 수 있음과 동시에, 전기분해 가능한 전극범위를 크게 확대시킬 수 있어 적은 전력만으로도 매우 큰 전기분해 효과를 얻을 수 있다.

금속전극(12)에 양극전압을 가할 경우, 금속전극(12)은 이 양극전압에 의해 금속이온을 생성한다. 금속전극(12)에서 생성된 금속이온은 하우징(11) 내를 지나는 오폐수와 같은 유체 내에 있는 불순물과 반응하여 응집물을 형성하게 된다.

금속전극(12)의 재료로는 철(Fe)이 가장 바람직하며, 그 외에 철과 전기화학적 성질이 유사한 알루미늄, 니켈 등 다른 금속이나 철합금도 사용 가능하다.

세라믹전극(13)은 또한 백금(Pt), 산화 니켈(NiO), 산화 지르코늄(ZrO₂) 등으로 코팅하여 형성하는 것이 바람직하며, 이와 유사한 전기화학 특성을 가지는 다른 재료로 코팅하는 것 또한 가능하다.

세라믹전극(13)은 금속전극(12)과 마찬가지로 수처리 과정에서 외부로부터 양극전압이 가해져서 금속전극(12)의 전기분해를 촉진시키는 역할을 하며 또한 유체 내에 유리산소를 발생시켜 유체 내의 이물질을 제거하게 된다.

이와 같이 구성된 금속전극(12)과 세라믹전극(13)은 위에 설명한 것처럼 모터(15)에 의해서 회전축(14)을 중심으로 회전하게 되는데, 금속전극(12)과 세라믹전극(13)의 회전은 하우징(11) 내의 유체를 기계적으로 혼합시키는 역할을 하여 응집기 내부에서의 물질전달을 향상시킨다. 따라서, 금속전극(12)과 세라믹전극(13)은 회전하면서 전기화학반응에서 형성된 산소나 수소이온이 오염물질과 접촉하는 것을 촉진시키며, 따라서 응집효율을 증대시키게 된다. 이는 화학적 응집기에서 중요한 인자들 중 하나인 급속교반을 제공하는 것과 유사한 효과를 제공하는 것이다.

도시되지는 않았지만, 모터(15)에는 공지된 기술에 의한 기어 메커니즘이 설치되어 금속전극(12)과 세라믹전극(13)의 회전속도를 조절하도록 구성할 수 있다. 금속전극(12)과 세라믹전극(13)의 회전속도는 빠른 것이 좋으나, 이는 유체의 유동속도 및 체류시간에 영향을 미칠 수 있으므로 폐수의 성상에 맞게 조절하는 것이 바람직하다.

또한, 금속전극(12)과 세라믹전극(13)은 회전축(14)으로부터 분리 가능하게 설치되는 것이 바람직하다. 실제로, 세라믹전극(13)의 경우는 활성이 떨어질 때까지 반영구적으로 사용될 수 있지만 금속전극(12)은 소모형이기 때문에 일정기간 사용한 후 교체되어야 하므로, 금속전극(12)을 탈착식으로 설치하여 교체를 용이하게 하는 것이 경제적으로 유리하다.

이와 같이 이중구조의 양전극을 사용하는 경우, 금속전극(12)과 세라믹전극(13)에 서로 다른 전압이 가해질 수 있으며, 이에 따라서 원하는 전기화학 반응을 부분적으로 통제하는 것이 가능해진다. 바람직한 예로서, 금속전극(12)에는 금속이온을 생성하는 낮은 전압을 가해주고, 세라믹전극(13)에는 금속이온을 이차산화시키며 산소나 수소이온을 생성할 수 있는 높은 전압을 가해줄 수 있다. 이는 불필요한 전기화학반응을 억제하여 에너지소모를 줄일 수 있으며 원하는 반응을 향상시켜 응집효율을 증대시킬 수 있게 한다. 또한, 높은 전압이 가해지는 세라믹전극(13)은 유리산소를 발생시키는데, 이러한 유리산소는 유체 내의 이물질과 결합하기 때문에 이물질 제거에 유리하다.

특히, 금속전극(12)에 높은 전압을 가할 경우에는 금속전극(12)에서 산소가 발생될 수 있는데, 금속전극(12)에 산소가 발생할 경우 금속전극(12) 표면에 산화물피막을 형성하여 금속전극(12)의 전기분해 효율을 떨어뜨리는 원인이 될 수 있다. 따라서, 금속전극(12) 표면에 산화물피막이 형성되는 것을 방지하기 위해서는 금속전극(12)에 되도록 낮은 전압을 걸어주어 금속전극(12)에서의 산소발생을 줄이는 것이 바람직하다.

전원 공급을 위해서 금속전극(12)과 세라믹전극(13)은 외부와 도선으로 연결된다. 이때, 금속전극(12)과 세라믹전극(13)이 회전축(14)과 함께 회전하기 때문에 회전축(14)을 통해서 각 금속전극(12) 및 세라믹전극(13)으로 도선이 연결될 수있으며, 또한 회전시에도 접점을 유지할 수 있는 브릿지와 같은 공지의 연결수단이 회전축(14)의 소정 위치에 설치될 수 있다.

또한, 금속전극(12)과 세라믹전극(13)에 서로 다른 전압을 제공하기 위해서는 각각 별개의 도선을 사용하는 것이 바람직하며, 금속전극(12)과 세라믹극판(13) 사이에 서로 전류가 통하는 것을 방지하기 위해서 회전축(14)은 전기가 통하지 않는 절연물질로 이루어지는 것이 바람직하다.

원통형 하우징(11)의 내주면에는 음극 극판(16)이 형성되는데, 음극 극판(16)은 외부로부터 가해지는 음극전압에 의해 수산화이온을 생성하게 된다. 또한, 음극 극판(16)은 탄소나 산화메탈 등으로 만들어질 수 있으며, 환원반응이 일어난다. 이때, 음극 극판(16)은 하우징(11)의 안쪽에 전체적으로 형성될 수도 있으며, 서로 다른 전압이 가해지는 두 종류의 음극 극판을 교대로 설치하여 금속전극(12)과 세라믹전극(13)에 각각 대응하도록 구성하는 것도 가능하다. 비록 도시되지는 않았지만, 두 종류의 음극 극판을 설치하는 경우에는 각각의 음극 극판 사이에 절연이 이루어지도록 하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 응집기(10)에서는 양전극(12, 13)과 음극 극판(16) 사이의 간격을 충분히 확보하는 것이 바람직하다. 양전극(12, 13)과 음극 극판 사이의 간격은 폐수의 성상에 따라 다르지만, 바람직하게는 적어도 2mm 이상인 것이 좋으며, 보다 바람직하게는 4mm 이상인 것이 좋다.

원통형 하우징(11)은 수직방향으로 설치되는 것이 바람직하며, 원통형 하우징(11)의 하단에는 유입구(17)가 형성되고, 원통형 하우징(11)의 상단에는유출구(18)가 설치되어 유체를 하우징(11)의 하단에서 상단으로 유동시키는 것이 바람직하며, 이를 위해서 유입구(17)에는 별도의 펌프(미도시)가 설치될 수 있다. 이와 같은 구조에서는 유체가 원통형 하우징(11) 내에서 하단으로부터 상단으로 이동하게 하는데, 전기분해된 폐수에는 가스가 포함될 가능성이 많기 때문에 이러한 직립구조의 하우징(11)은 폐수에 포함된 가스 배출을 용이하게 한다.

이와 같이 구성된 본 발명에 따른 전기화학 응집기의 작동원리를 금속전극(12)의 재료로 철(Fe)을 사용한 경우를 예로 들어 설명하면 다음과 같다.

우선, 오폐수와 같이 처리 대상이 되는 유체가 유입구(17)를 통해 응집기의 원통형 하우징(11)의 하단으로부터 유입된다. 이때, 금속전극(12)과 세라믹전극(13)은 모터(15)에 의해 회전 중이므로 하우징(11)으로 유입된 유체는 금속전극(12)과 세라믹전극(13)의 회전에 의해 서로 혼합되면서 하우징(11)의 상부로 이동된다. 이러한 과정에서 철(Fe)로 이루어진 금속전극(12)에서는 전기분해에 의해 Fe(II)와 Fe(III)가 생성되며, 이중 Fe(II)는 유체의 유동에 따라서 세라믹전극(13)과 접촉하면서 Fe(III)으로 이차산화된다. 따라서, 이와 같은 이중구조 전극에 의해 Fe(III) 생성이 극대화되며 에너지와 금속전극의 불필요한 소모를 줄이게 된다.

또한, 보다 높은 전압이 가해지는 세라믹전극(13)에서는 수산화이온의 산화반응이 활발하게 일어나서, 수산화이온의 산화반응 과정에서 생성되는 산소에 의해 아미노산과 벤젠유도체 등의 유기물을 분해시킨다. 이러한 반응은 높은 전위에서 안정된 특성을 갖는 세라믹전극(13)에서 더욱 촉진되어지며, 또한 수산화이온의 산화는 일반적으로 세라믹전극(13)에서 더욱 활발한 경향이 있기 때문에, 산소발생에 의해 유기물 분해를 촉진시키는 것 또한 이중구조 전극의 장점이 된다.

또한, 전기분해 과정에서는 양극에서 산소가 발생할 때 양극표면에 산화물 피막을 형성하여 금속전극(12)의 효율을 떨어뜨리는 경우가 있다. 이를 억제하기 위해서는 금속전극(12)에 되도록 낮은 전압을 가해서 금속전극(12)에서의 산소발생을 줄이는 게 된다.

이러한 전기분해 과정에서, 본 발명에 따른 응집기는 양극과 음극 사이의 간격이 충분히 넓기 때문에 음극 극판에서 형성된 수산화이온이 양극 극판으로 이동하기 쉬운 기존의 단일구조 응집기에 비해 금속산화물막 형성에 따른 금속전극 효율저하를 방지할 수 있게 된다.

이와 같이 생성된 Fe(III)는 공지된 전기분해 과정에 의해서 유체 내의 불순물을 응집시키게 되고, 이와 같이 불순물이 응집된 유체는 하우징(11)의 상단에 형성된 유출구(18)를 통해 외부로 배출됨으로써 응집기(10) 내에서의 응집과정이 끝나게 된다.

도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 이중구조 전극을 가진 응집기(20)를 도시한다. 도 4에 도시된 응집기(20)는 제1 실시예에 따른 응집기(10)와 외형적으로는 매우 유사하고 다만 양극군에 관련한 부분에서만 차이가 있으며, 도 2의 응집기(10)와 동일한 부분에 대해서는 같은 도면번호를 부여하였고, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

제2 실시예에 따른 응집기(20)에 사용되는 양극군은 제1 실시예와 유사하게다수의 제1 양극(22) 및 다수의 제2 양극(23)으로 이루어지지만, 제1 실시예와는 달리 제1 및 제2 양극(22, 23)이 각각 소정 간격을 두고 동심원 상에 원주방향으로 교대로 설치되어 함께 회전한다는 특징이 있다.

또한, 제2 실시예에서도 제1 양극(22)으로 금속전극을 사용하고 제2 양극(23)은 세라믹전극을 사용하는 것으로 설정하였으며, 제1 실시예와 마찬가지로 제1 및 제2 양극(22, 23)은 각각 금속전극 및 세라믹전극으로 명명되지만, 이 역시 본 실시예에만 국한된 것이며, 이외의 다른 변형이 가능함은 물론이다. 또한, 바람직하게는 제2 실시예의 금속전극(22)과 세라믹전극(23) 역시 그물 또는 망사형태로 구성된다.

도 4를 참조하면, 모터(15)에는 회전축(24)이 연결되고, 하우징(11)의 내부 상단 위치에서 지지부재(25)가 회전축(24)에 결합된다. 지지부재(25)는 대략 원판형상으로 형성되며, 하우징(11)의 내주면과 소정 간격을 두고 이격되도록 설치되어 회전축(24)이 회전할 때 함께 회전하게 된다. 지지부재(25)에는 다수의 금속전극(22) 및 세라믹전극(23) 서로 이격되게 부착되며, 금속전극(22) 및 세라믹전극(23)은 세로로 길쭉한 모양을 가진다. 또한, 제1 실시예와 유사하게 금속전극(22)과 세라믹전극(23)은 지지부재(25)에 탈착 가능하게 설치되어 분리 및 교체가 용이하게 구성하는 것이 바람직하다.

또한, 바람직하게, 상기 지지부재(25)는 회전축(24)에 결합되는 중심부와, 테두리 및 상기 중심부와 테두리를 잇는 연결부로 이루어져 하우징(11) 내를 지나는 유체의 흐름을 방해하지 않도록 구성할 수 있으며, 이는 양전극(22, 23)과 지지부재(25)를 상세히 도시한 도 5에 잘 나타나 있다. 이와 같은 구성은 하우징(11) 내를 흐르는 유체가 지지부재(25)에 의해 막히지 않고 자유로이 이동하게 함으로써, 하우징(11) 내를 지나는 유체가 적절한 유동속도를 유지할 수 있게 한다.

일정한 간격을 두고 세로방향으로 길게 설치되는 다수의 금속전극(22)과 다수의 세라믹전극(23)은 지지부재(25)의 테두리 부분에 서로 이격되도록 교대로 설치되는 것이 바람직하며, 전체적으로 대략적인 원통형상을 갖게 된다. 또한, 금속전극(22)과 세라믹전극(23)은 모터(15)가 구동될 때 하우징(11) 내에서 지지부재(25)와 함께 회전축(24)을 중심으로 회전운동을 하면서 하우징(11) 내의 유체를 유동시키게 된다.

또한, 금속전극(22)과 세라믹전극(23)의 하단은 별도의 지지부재(26)에 결합되며, 하단부의 지지부재(26)는 상단부의 지지부재(25)와 동일한 형상으로 이루어지며, 하우징(11)의 바닥 근처에 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 하부 지지부재(26)의 중심부에는 회전축이 연결되며 상기 회전축의 하단부는 하우징(11)의 바닥 중심부에 회전 가능하게 연결되는 것이 바람직하다.

이때, 회전축(24)은 모터(15)로부터 하우징(11)의 바닥까지 완전히 이어지도록 구성할 수 있으며, 다른 경우 모터(15)에서 상부 지지부재(25)까지 또한 하부 지지부재(26)에서 하우징(11)의 바닥까지만 회전축(24)을 설치하고 지지부재(25, 26) 사이에는 설치하지 않는 방법도 가능하다.

이와 같이 구성된 본 발명의 제2 실시예에 따른 이중구조 전극을 갖는 전기화학 응집기(20)는 금속전극(22)과 세라믹전극(23)이 그물구조로 되어 있어 전기분해 효율이 높고 또한 금속전극(22)과 세라믹전극(23)이 회전축을 중심으로 회전하면서 하우징(11) 내를 지나는 유체를 교란시키면서 유체와의 접촉기회가 많아진다는 점에서 제1 실시예와 유사한 기능을 발휘하며, 이러한 기능에 대해서는 제1 실시예의 설명을 참고하고 여기서 재차 설명하지는 않는다.

위에 설명된 본 발명에 따른 응집기(10, 20)는 일반적인 수처리용 전해처리 시스템에 적용될 수 있으며, 이러한 응집기(10, 20)가 설치된 전해처리 시스템 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 수 있다. 특히, 하수도용 전해처리 시스템과 같이 대용량의 수처리를 요구하는 곳에서는 다수의 응집기를 함께 설치하는 것도 가능하다. 또한, 본 발명에 따른 응집기를 소형으로 제작하고 다수의 소형 응집기를 하나의 모듈 단위로 설치하여 각 모듈별로 독립적으로 제어하는 것도 가능하며, 이런 경우 금속전극과 같은 소모성 부품 교체시 전체 공정을 정지하지 않고, 각 단위 모듈을 순차적으로 교체 및 정비하는 것이 가능하여 연속공정이 이루어질 수 있다. 이러한 모듈 단위 시스템은 도 6에 개략적으로 도시되어 있다.

도 6을 참조하면, 수처리용 전해처리 시스템은 다수의 모듈로 구성되어 있으며, 그중 제1 모듈(30)만을 상세하게 설명한다. 다른 모듈은 제1 모듈(30)과 동일하며, 서로 배관으로 연결되어 있다고 가정한다.

도면에 도시된 바와 같이, 제1 모듈(30)은 워터자켓(32) 내에 다수의 응집기(10, 20)를 수용하고 있으며, 워터자켓(32)의 내부는 물과 같은 액체를 수용하고 있다. 제1 모듈(30) 내에 설치된 다수의 응집기는 벨트(34) 또는 공지된 기어 메커니즘에 의해 하나의 모터에 의해 동시에 동작하도록 구성될 수 있으며, 필요에 따라서 별도의 모터를 구비하여 개별적으로 동작하도록 구성하는 것 또한 가능하다. 이와 같이 제1 모듈(30)의 워터자켓(32) 내에 설치된 응집기들은 워터자켓(32) 내의 액체와 열교환할 수 있으며, 따라서 오폐수의 온도가 급감할 때 워터자켓 내의 물과 응집기 내의 오폐수와의 열교환에 의해 온도변화에 따른 환경변화를 줄일 수 있게 된다.

또한, 각 모듈의 유입구 및 유출구는 배관에 의해 서로 연결되도록 구성되는데, 각각의 모듈로 이동하는 유체의 흐름을 차단하기 위한 모듈 밸브(36)가 각 모듈의 유입측 배관에 설치될 수 있으며, 또한 각 단위 모듈 내에서도 다수의 응집기에 유입되는 유체의 흐름을 개별적으로 차단하도록 각각의 응집기로 연결되는 배관에 각각 서브밸브(36a, 36b)를 설치할 수 있다.

이와 같은 모듈 구성은 폐수처리 공정에서 계절적 요인에 따른 성능변화를 예방할 수 있으며, 또한 모듈별 및 응집기별로 개별적인 제어가 가능하기 때문에 불필요한 전력낭비 및 금속전극 낭비를 막을 수 있게 된다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

본 발명에 따른 이중구조를 가진 전기화학 응집기는 양전극으로 금속전극과 세라믹전극을 동시에 사용하여 서로 다른 전압을 가함으로써 전기분해 효율을 증진시키며 불필요한 금속전극 및 전기에너지의 낭비를 줄일 수 있다는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따른 전기화학 응집기는 금속전극과 세라믹전극을 회전시켜 응집기 내의 유체를 기계적으로 혼합시킴으로써 응집기 내의 물질전달을 향상시켜 전기화학반응을 촉진시킬 수 있다.

더구나, 본 발명의 전기화학 응집기에서는 양극극판과 음극극판이 서로 충분한 간격을 두고 설치되기 때문에 전기분해시 금속산화물 생성을 억제할 수 있다는 장점이 있다.

Claims

오폐수 내의 불순물을 응집하기 위한 전기화학 응집기에 있어서,

유입구와 유출구가 형성되어 유체가 지나는 통로를 제공하는 원통형 하우징, 상기 하우징 내에 설치되어 양극전압이 가해지는 양극군, 및 상기 하우징의 내벽에 형성되어 음극전압이 가해지는 음극 극판을 포함하고,

상기 양극군은 제1 전기분해 작용을 유발하는 다수의 제1 양극과 제2 전기분해작용을 일으키는 다수의 제2 양극으로 이루어지며, 상기 제1 및 제2 양극은 서로 교대로 설치되는 것을 특징으로 하는 전기화학 응집기.
제 1항에 있어서,

상기 제1 양극은 낮은 양극전압이 가해져서 양이온을 발생시키고, 상기 제2 양극은 높은 양극전압이 가해져서 유리산소를 발생시키는 것을 특징으로 하는 전기화학 응집기.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,

상기 제1 및 제2 양극은 그물구조로 형성되는 것을 특징으로 하는 전기화학 응집기.
제 3항에 있어서,

상기 제1 및 제2 양극은 각각 동일 회전축을 따라서 교대로 설치되어 함께 회전하는 것을 특징으로 하는 전기화학 응집기.
제 3항에 있어서,

상기 제1 및 제2 양극은 각각 소정 간격을 두고 동심원 상에 원주방향으로 교대로 설치되어 함께 회전하는 것을 특징으로 하는 전기화학 응집기.
제 4항 또는 제 5항에 있어서,

상기 제1 전극은 금속전극이고, 상기 제2 전극은 세라믹 전극인 것을 특징으로 하는 전기화학 응집기.
제 6항에 있어서,

상기 세라믹 전극은 백금(Pt), 산화 니켈(NiO) 및 산화 지르코늄(ZrO₂) 중 어느 하나에 의해 코팅되어 형성되는 것을 특징으로 하는 전기화학 응집기.
오폐수 내의 불순물을 응집하기 위한 전기화학 응집기와, 불순물이 응집된 유체를 교반시키는 혼합기 및 혼합된 유체에서 응집된 불순물을 제거하기 위한 슬러지 분리기를 포함하는 오폐수 처리용 전해처리 시스템에 있어서,

상기 전기화학 응집기는,

유입구와 유출구가 형성되어 유체가 지나는 통로를 제공하는 원통형 하우징,상기 하우징 내에 설치되어 양극전압이 가해지는 양극군, 및 상기 하우징의 내벽에 형성되어 음극전압이 가해지는 음극 극판을 포함하는데,

상기 양극군은 제1 전기분해 작용을 유발하는 다수의 제1 양극과 제2 전기분해작용을 일으키는 다수의 제2 양극으로 이루어지며, 상기 제1 및 제2 양극은 서로 교대로 설치되는 것을 특징으로 하는 전해처리 시스템.
제 8항에 있어서,

상기 제1 양극은 낮은 양극전압이 가해져서 양이온을 발생시키고, 상기 제2 양극은 높은 양극전압이 가해져서 유리산소를 발생시키는 것을 특징으로 하는 전해처리 시스템.
제 8항 또는 제 9항에 있어서,

상기 제1 및 제2 양극은 그물구조로 형성되는 것을 특징으로 하는 전해처리 시스템.
제 10항에 있어서,

상기 제1 및 제2 양극은 각각 동일 회전축을 따라서 교대로 설치되어 함께 회전하는 것을 특징으로 하는 전기화학 응집기.
제 11항에 있어서,

상기 제1 및 제2 양극은 각각 소정 간격을 두고 동심원 상에 원주방향으로 교대로 설치되어 함께 회전하는 것을 특징으로 하는 전기화학 응집기.
제 11항 또는 제 12항에 있어서,

상기 제1 전극은 금속전극이고, 상기 제2 전극은 세라믹 전극인 것을 특징으로 하는 전해처리 시스템.
제 13항에 있어서,

상기 세라믹 전극은 백금(Pt), 산화 니켈(NiO) 및 산화 지르코늄(ZrO₂) 중 어느 하나에 의해 코팅되어 형성되는 것을 특징으로 하는 전해처리 시스템.
제 8, 9, 11, 12 및 14항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 응집기는 다수개가 병렬로 설치되는 것을 특징으로 하는 전해처리 시스템.
제 15항에 있어서,

상기 다수의 응집기는 액체를 수용하는 워터자켓 내에 설치되어 상기 워터자켓 내의 액체와 서로 열교환하는 것을 특징으로 하는 전해처리 시스템.