KR20020062502A - 전기부상에 의한 산업폐수에서의 무기입자 제거방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전기부상에 의해 양의 전하를 갖는 미세기포 발생장치를 이용하여 산업폐수에서의 무기입자 제거방법에 관한 것으로서 이때 사용한 미세기포 발생장치는 처리원수인 수용액에 담그어지는 반응조; 상기 반응조내에 설치되고 외부로부터 전압이 인가되는 금속 박판들로서 외부로부터 음극이 인가되어 반응조내의 수용액의 전기부상에 의하여 수소기체를 발생시키는 음극 금속 박판; 및 외부로부터 양극이 인가되어 금속 박판의 양전하가 용출되어 상기한 음극 금속 박판에서 발생한 수소 기체가 양 전하를 띠도록 하는 양극 금속 박판을 포함한 장치이며 본 미세기포 발생장치의 적용은 무기입자가 공업용수와 이온이 포함되지 않는 증류수 및 이온화수로 존재하는 산업폐수를 처리하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의한 전기부상에 의한 양의 전하를 가지는 미세 기포 발생장치는 별도의 공기 주입장치가 없이 처리 수용액을 전기부상하여 발생하는 수소기체가 역시 전기부상에 의하여 용출되는 금속의 양이온에 의하여 양의 전하를 띠게 하므로 별도의 공기주입장치가 필요하지 않다. 뿐만아니라 본 발명에 의한 미세기포 발생장치 및 적용과정에서 탁도 유발물질이 이온이 없는 용매에 존재할 경우에도 발생장치에서 발생되는 양의 전하를 띤 미세기포는 원수 중에 포함된 음의 전하를 띠는 탁도 유발 물질들을 효과적으로 제거할 수 있다.
Description
본 발명은 전기부상에 의해 양의 전하를 갖는 미세기포 발생장치를 이용하여 산업폐수에서 환경오염의 주 원인인 안료로 사용되고 있는 무기입자의 제거방법에 관한 것으로서 특히 탁도 유발물질인 무기입자가 이온이 없는 용매에 존재할 경우에도 전기부상에 의한 양의 전하를 가진 미세 기포 발생 장치를 적용하여 무기입자를 제거하는 방법에 관한 것이다.
종래에는 미세기포를 주입하여 물속의 무기입자를 제거하는 수처리 방법이 알려져 있다. 용존공기부상법(DAF, Dissolved Air Flotation)은 미세기포를 발생시켜 이때 상승하는 미세기포와 부유 또는 침전하는 입자들의 충돌을 유발하여 기포와 무기입자의 집합체를 가볍게 만들어 수면으로 제거하는 방식이다.
물속의 입자들의 충돌이론에 의하면 미세기포를 주입하여 입자를 제거하는데 가장 중요한 인자는 두 인자의 정전기적 특성과 크기이며 그 중에서 정전기적 특성이 가장 중요하다고 알려져 있다. 물속의 입자는 대부분 음으로 하전되어 있는데 종래의 폐수처리 방법에서 주입하는 미세기포 역시 음의 전하를 가지고 있다. 따라서 종래에는 음전하를 띤 입자와 역시 음의 전하를 띤 기포를 충돌시켜야 하였기 때문에 효율이 떨어지거나 전처리를 과다하게 하여야 하는 문제가 있다.
본 발명은 전기부상에 의해 양의 전하를 갖는 미세기포 발생장치를 이용하여 산업폐수에서 환경오염의 주 원인인 안료로 사용되고 있는 무기입자의 제거방법에 관한 것으로서 특히 탁도 유발물질인 무기입자가 이온이 없는 용매에 존재할 경우에도 전기부상에 의한 양의 전하를 가진 미세 기포 발생 장치를 적용하여 무기입자를 제거하는 방법에 관한 것이다.
종래에는 미세기포를 주입하여 물속의 무기입자를 제거하는 수처리 방법이 알려져 있다. 용존공기부상법(DAF, Dissolved Air Flotation)은 미세기포를 발생시켜 이때 상승하는 미세기포와 부유 또는 침전하는 입자들의 충돌을 유발하여 기포와 무기입자의 집합체를 가볍게 만들어 수면으로 제거하는 방식이다.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서 처리수계의 안정성을 해치지 않고 처리비용이 적게 들며, 처리원수가 이온이 포함되지 않는 증류수 및 이온화수임에도 처리가 가능한 것을 특징으로 하는 양의 전하를 가지는 미세기포 발생장치를 적용하여 폐수에서 무기입자를 효과적으로 제거하는 방법을 제공하고자 한다.
도1은 본 발명에 의한 미세기포 발생장치의 일일실시예에 관한 구성도.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 산업폐수에서의 무기입자를 제거하기 위하여 적용한 양의 전하를 가진 미세기포 발생장치는 처리원수인 수용액이 담그어지는 반응조; 상기 반응조내에 설치되고 외부로부터 전압이 인가되는 금속박판 들로서 외부로부터 음극이 인가되어 반응조내의 수용액의 전기부상에 의하여 수소기체를 발생시키는 음극 박판; 및 외부로부터 양극이 인가되어 금속박판의 양전하가 용출되어 상기한 음극 금속 박판에서 발생한 수소기체가 양의 전하를 띠도록 하는 양극금속 박판을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기한 본 발명에 의한 미세기포 발생장치에서, 상기한 금속박판 들은 반응조내에 수직으로 설치하며두 개의 금속박판들 중 하나의 금속박판에 외부전압의 음극이 인가되고 상기한 두 개의 금속박판들 중에 다른 하나인 금속박판에는 외부전압의 양극이 인가되게 한다. 두 개의 금속박판을 반드시 수직으로 하여야 만 하는 것은 아니며 수평으로 하여도 무방하다. 두 개의 금속박판의 수는 제거하고자 하는 탁도 유발물질의 양에 따라서 표면적은 결정된다.
또한 상기한 본 발명에 의한 미세기포 발생장치에서 상기 금속박판들은 알루미늄 박판들로 구현될 수 있으나 철, 구리, 스테인레스 강 등의 금속박판을 사용하여도 무방하다.
또한 상기한 본 발명에 의한 미세기포 발생장치에서 상기 금속박판들에 인가되는 외부전압은 6∼48 V 범위의 전압을 인가하는 것이 좋다.
또한 상기한 본 발명에 의한 미세기포 발생장치에서 처리할 원수는 이산화티탄(TiO2), 탄산칼슘(CaCO3), 실리카(SiO2) 및 탈크(Talc)와 같은 무기입자가 현탁된 원수이며 원수가 공업용수인 경우에는 전해질이 없어도 효과적으로 미세기포의 발생이 가능하여 무기입자의 제거가 가능하며, 원수가 이온이 포함되지 않는 증류수 및 이온화수인 경우에는 염화나트륨(NaCl), 염화암모늄(NH4Cl), 질산나트륨(NaNO3), 염화칼륨(KCl)의 전해질을 폐수량을 기준으로 1∼5,000 ppm의 농도를 사용하면 더욱 효과적으로 미세기포의 발생이 가능하여 산업폐수에서 무기입자의 제거효율을 높이는 것이 가능하다.
또한 상기한 본 발명에서 전해질은 상기한 전해질 이외에도 이온화가 가능한 모든 전해질의 사용도 가능하다.
이하에서 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 의한 미세기포 발생장치의 일실시예를 상세하게 설명한다.
도1은 본 발명에 의한 미세기포 발생장치의 실시예에 관한 구성도이다. 도1에 도시된 바와 같이 본 발명에 의한 미세기포 발생장치는 처리원수인 수용액이 담그어지는 반응조내에 수직으로 설치된 두 장의 알루미늄을 포함한다. 알루미늄 박판들의 간격은 6 ㎜ 정도가 바람직하나 반드시 6 ㎜로 제한을 두는 것은 아니다.
외부로부터 두 장의 알루미늄 박판들에 전압은 6∼48 V의 범위을 인가한다. 하나의 알루미늄 박판에 음극을 인가하고 또 하나의 알루미늄 박판에 양극을 인가하며 전기부상에 의하여 음극 박판에서 수소기체가 발생하고 양극 박판에서는 알루미늄이 용출된다.
음극이 인가된 알루미늄 박판에서 수소기체가 발생하는 반응은 다음의 화학식 1과 같다.
〔화학식 1〕
4H2O + 4e- -> 2H2(g) + 4OH-(aq) E0 = - 0.83 V
양극이 인가된 알루미늄 박판에서 알루미늄이 용출되는 반응은 다음의 화학식 2와 같다.
〔화학식 2〕
Al(s) -> Al3+(aq) + 3e- E0 = + 1.66 V
음극 알루미늄 박판에서 발생한 수소기체로 이루어진 미세기포가 발생하여 상부로 서서히 이동하다가 양극의 극판에서 발생하는 알루미늄 양이온에 의하여 양의 전하를 띠게 된다.
양극 알루미늄 박판에서 알루미늄이 용출되는 속도를 측정하기 위하여 6, 12, 24, 36, 48 V의 전압이 인가된 상태에서 시간의 경과함에 따라서 물 속에서의 알루미늄의 농도를 각각 측정하여 그 결과를 표1에 나타내었다. 구체적으로는 반응조의 바닥으로부터 35 ㎜ 높이의 포트에서 시료를 채취하여 서울대학교 공과대학 기기분석실의 ICP를 이용하여 측정하였다. 표1에서 보이는 바와 같이 전압이 인가된 상태에서 알루미늄 양이온이 용출되면 전압에 따라서 Al3+의 용출속도와 용출량이 달라지는 것을 알 수 있다. 또한 용출속도가 시간이 지남에 따라서 떨어지는 것을 알 수 있다.
이와 같은 알루미늄 양이온은 양극 알루미늄 박판으로부터 발생하는 수소기체가 양이온을 띠게 하고 양이온을 띤 수소기체는 양전하를 띤 미세기포로서 포함되는 입자가 대부분 음전하인 수처리 공정에서 유용하게 사용될 수 있다.
즉 본 발명에 의한 미세기포 발생장치에서는 외부로부터 기포가 주입되는 것이 아니라 수용액의 전기부상을 이용하여 자체적으로 미세기포를 발생시킬 뿐만 아니라 발생된 미세기포가 양전하를 띠게 한다.
표2는 본 발명에 의한 이산화티탄이 함유된 폐수를 처리함에 있어서 전기부상에 의하여 발생하는 미세기포를 이용하는 처리 방법과 공기주입에 의한 처리 방법에서의 탁도제거 효율을 비교한 실험결과를 나타낸 것이다. 구체적으로는 아무런 처리를 하지 않은 자연침강인 경우, 공기만 주입한 용존공기 부상법을 적용한 경우, 전기부상을 진행시킨 경우, 전기부상과 용존공기 부상법을 동시해 진행시킨 경우로서 반응시간을 30 분으로 진행시켜 초기탁도와 최종탁도를 나타낸 것이다. 표2에서 알 수 있듯이 전기부상을 적용한 경우가 전기부상을 하지 않는 경우에 비하여 탁도 제거 효과가 월등하게 우수하며 전기부상을 하게 되면 공기주입여부와 무관하게 탁도원인 물질인 이산화티탄이 잘 제거되는 것을 알 수 있다.
표3은 본 발명에 의한 이산화티탄이 함유된 폐수를 미세기포 발생장치로서 처리함에 있어서 전압의 변경에 따른 무기입자의 제거효과를 나타낸 결과로서 구체적으로는 6, 12, 24, 36, 48 V의 경우로 전압의 변경에 따른 제거효과를 비교한 것이다. 표3과 같이 전압차가 8 배 이상 남에도 불구하고 탁도 제거율은 크게 차이가 나지 않음을 알 수 있다. 이로부터 수소기체가 알루미늄 양이온에 대하여 양이온을 가지기 위하여 많은 양의 알루미늄 양이온을 필요로 하는 것은 아님을 알 수 있다. 단지 인가되는 전압이 약한 경우에 수소기체 자체의 발생이 감소하여 제거율에 영향을 미칠 수 있으나 수소기체의 전위변화에는 큰 영향을 미치지 않는 것을 알 수있다.
표4, 5, 6, 7은 본 발명에 의한 미세기포 발생장치에 의하여 발생된 양의 전하를 가지는 미세기포를 이용하여 무기입함되어 있는 산업폐수에서 무기입자를 제거하기 위하여 여러 가지 상태의 원수인 공업용수, 증류수, 증류수와 염화나트륨 농도별 또는 이온화수와 염화나트륨 농도별, 증류수와 염화암모늄 농도별, 증류수와 질산나트륨 농도별, 증류수와 염화칼륨 농도별로 적용할 수 있는지의 여부를 알아보기 위하여 탁도제거율을 측정한 결과를 나타낸 것이다. 구체적으로는 원수 탁도를 700 NTU내외로 하여 각 원수별로 실험한 결과는 표4, 5, 6, 7에서 보이는 바와 같이 산업폐수에 존재하는 무기입자가 이산화티탄, 탄산칼슘, 실리카, 탈크인 경우에 폐수가 증류수인 경우 제거율이 10 % 미만으로 거의 제거되지 않았으나 폐수가 공업용수인 경우에는 89 % 이상의 제거효율을 나타내었으며 폐수가 증류수인 경우에는 염화나트륨, 염화암모늄, 질산나트륨, 염화칼륨의 전해질을 첨가한 경우 5000 ppm 이하에서는 88 % 이상의 양호한 제거율을 나타내었다. 한편 전해질 농도별로 제거율은 다소 차이가 있으나 7000 ppm 이상에서는 발생기포가 과다하여 제거율이 급속히 저하되므로 바람직하지 않다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의한 전기부상에 의한 양의 전하를 가지는 미세기포 발생장치를 적용하여 이산화티탄, 탄산칼슘, 실리카 및 탈크와 같은 무기입자가 현탁된 산업폐수에서 무기입자를 효과적으로 제거하기 위해서는 원수가 공업용수인 경우와는 달리 이온이 포함되지 않는 증류수 및 이온화수인 경우에는염화나트륨, 염화암모늄, 질산나트륨, 염화칼륨의 전해질을 1∼5,000 ppm의 농도를 사용하면 음의 전하를 띠는 탁도 유발 물질들인 무기입자를 효과적으로 제거할 수 있다.
〔표1〕
* 단위 ppm
〔표2〕
* 무기입자; 이산화티탄
* 용매; 증류수, 전압; 36 V, 염화나트륨 투입량; 300 ppm, 반응시간; 30 분
* 전기부상 + 용존공기부상법(30분) ; 30 분간 동시처리
〔표3〕
* 무기입자; 이산화티탄
* 용매; 증류수, 염화나트륨 투입량; 300 ppm, 반응시간; 30 분
〔표4〕
* 무기입자; 이산화티탄
* 용매; 증류수, 전압; 36 V, 전해질 투입량 단위; ppm, 반응시간; 30 분
* ◎ ; 우수(제거율; 90 % 초과), ○ ; 양호(제거율; 81 ∼ 90 %),
△ ; 보통(제거율; 41 ∼ 80 %), × ; 불량(제거율; 40 % 미만)
〔표5〕
* 무기입자; 탄산칼슘
* 용매; 증류수, 전압; 36 V, 전해질 투입량 단위; ppm, 반응시간; 30 분
* ◎ ; 우수(제거율; 90 % 초과), ○ ; 양호(제거율; 81 ∼ 90 %),
△ ; 보통(제거율; 41 ∼ 80 %), × ; 불량(제거율; 40 % 미만)
〔표6〕
* 무기입자; 실리카
* 용매; 증류수, 전압; 36 V, 전해질 투입량 단위; ppm, 반응시간; 30 분
* ◎ ; 우수(제거율; 90 % 초과), ○ ; 양호(제거율; 81 ∼ 90 %),
△ ; 보통(제거율; 41 ∼ 80 %), × ; 불량(제거율; 40 % 미만)
〔표7〕
* 무기입자; 탈크
* 용매; 증류수, 전압; 36 V, 전해질 투입량 단위; ppm, 반응시간; 30 분
* ◎ ; 우수(제거율; 90 % 초과), ○ ; 양호(제거율; 81 ∼ 90 %),
△ ; 보통(제거율; 41 ∼ 80 %), × ; 불량(제거율; 40 % 미만
Claims (3)
- 산업폐수에서 무기입자를 제거하기 위해 사용하는 양의 전하를 가진 미세기포 발생장치는 처리원수인 수용액이 담그어지는 반응조; 상기 반응조내에 설치되고 외부로부터 직류전압이 인가되는 금속박판 들로서 외부로부터 음극이 인가되어 반응조내의 수용액의 전기부상에 의하여 수소기체를 발생시키는 음극 박판; 및 외부로부터 양극이 인가되어 금속박판의 양전하가 용출되어 상기한 음극 금속 박판에서 발생한 수소기체가 양의 전하를 띠도록 하는 양극금속 박판을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기부상 장치를 사용하여 이산화티탄, 탄산칼슘, 실리카 및 탈크와 같은 무기입자가 공업용수 및 이온이 포함되지 않는 증류수와 이온화수에 존재하는 경우에도 제거하는 것을 특징으로 하는 처리방법.
- 제1항에 있어서,상기한 미세기포 발생장치에서의 금속박판들은 알무미늄이며 반응조내에 수직으로 설치되어 있으며 금속박판중에서 하나의 금속박판에 외부전압의 음극이 인가되고 또 하나의 금속박판에는 외부전압의 양극이 인가되는 것임을 특징으로 하는 전기부상장치를 사용하여 무기입자를 제거하는 방법.
- 제1항에 있어서,상기한 기포 발생장치에서 처리원수에 이온이 포함되지 않는 증류수 및 이온화수로 존재하는 원수일 경우에는 용매에 용해되는 염화나트륨, 염화암모늄, 질산나트륨, 염화칼륨의 전해질을 사용량으로는 1∼5000 ppm을 사용하는 것을 특징으로 하는 전기부상장치를 사용하여 무기입자를 제거하는 방법.
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