KR20050094375A - 전기응집반응기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기응집반응기에 관한 것으로 양극과 음극의 원통형 전극을 구동모터로 회전시켜 전극 표면에 맞닿아 있는 세척포에 의해 연속적으로 오염물질과 기포 등을 제거할 수 있으며 동시에 주기적으로 반응기 내부를 세정수로 세정하여 전극을 청결하게 유지시켜 전극의 저항 증가를 차단함으로써 전류 효율을 높였으며 양극 금속의 용출 의한 양극 소모에도 간격 유지탭과 전극 축 이동장치에 의해 음극과의 간극을 일정하게 유지시켜줌으로써 장기간 사용하여도 전류 효율을 일정하게 유지시킬 수 있고 또한 원수의 전도도와 전극의 저항값의 변화에 따라 전극에 공급되는 전류량을 연동 제어함으로써 원수의 조건 변화에도 반응의 안정성과 효율을 극대화하였을 뿐만 아니라 전극 사이 격막으로 양극수와 음극수를 적절히 분리 혼합함으로써 처리수의 용도에 따라 pH(수소이온농도) 조절이 가능한 전기응집반응기이다.

Description

전기응집반응기{Electrocoagulation reactor}

기존 전기응집 반응기는 전극에서 발생하는 기포와 원수 또는 반응물질 등의 오염물질들로 인한 전극 표면 오염과 반응이 진행됨에 따라 양극 금속 용출에 의해 양극과 음극 사이 간격이 멀어지면서 필연적으로 일어나는 저항 증가와 같은 반응기 내부의 조건 변화와 그리고 매순간 변화하는 원수의 전기전도도와 같은 처리원수의 조건 변화 등으로 인해 처리효율 변화가 커 반응의 안정성이 매우 낮을 뿐만 아니라 반응이 진행됨에 따라 처리 효율이 급격하게 저하되는 현상을 근본적으로 안고 있기 때문에 전력 낭비가 크고 또한 전극을 자주 교체해야하므로 처리 비용증가, 생산차질은 물론 유지관리가 어려워 실재 현장 적용 성공 사례가 극히 드물고 대규모 수처리 적용도 근본적으로 어려웠다. 전기응집 반응기 내에서는 전기분해가 동시에 일어나기 때문에 원수의 수소이온 농도에 따라 적절하게 처리수의 수소이온농도를 조절해야 할 필요가 있으나 기존의 반응기는 양극수와 음극수가 분리되지 않아 수소이온 농도 조절이 불가능하였다. 따라서 원수 수소이온농도에 따라 적절하게 처리수의 수소이온농도를 조절할 수 있고 전극의 오염을 차단할 수 있으며 전극간격을 일정하게 유지시키는 것은 물론 원수의 전도도에 따라서 전극에 공급되는 전류량을 연동 제거할 수 있는 전류효율이 높고 반응의 안정성이 높은 전기응집반응기 개발이 요구된 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 과제는 전기응집반응기의 본질적인 문제점인 반응기 내부의 오염물질과 발생하는 기포 등에 의한 전극 오염 문제와 양극 금속의 용출에 의해 양극과 음극 사이가 멀어지면서 일어나는 전기 저항 증가 등의 반응기 내부의 효율 저하 요인과 그리고 원수의 전기 전도도 변화에 의한 전극저항 변화 문제 등의 문제점을 해결하여 전류 효율을 극대화할 뿐만 아니라 반응의 안정성을 높여 처리 및 처리 비용을 낮추고 특히 유지관리가 용이하여 장기간 운전이 가능하며 또한 원수의 pH에 따라 처리수의 pH를 적절하게 조절할 수 있는 안정된 전기응집반응기를 제공하는 것이다.

본 발명은 상기 기술적 과제를 이루기 위해 원수가 반응기 하부로 유입되어 반응기 하부에서 수류의 교란이 흡수되어 안정된 흐름이 전극사이를 일정한 관 흐름과 같은 안정된 흐름으로 상향류로 통과하게 된다.

전극을 통과하는 동안 원수는 전기화학적 반응을 거치면서 전극에서 발생하는 기포와 함께 상승하게 되는데 양극과 음극 사이에는 부도체의 얇은 섬유판 모양의 격막이 설치되어 상향류 흐름을 유도하면서 양극수와 음극수가 서로 섞이지 않게 할 뿐만 아니라 전기저항을 최소화하기 위해 격자 형태로 구멍이 나 있어 전류의 흐름을 완활하게 하는 역할을 한다. 전극의 배열은 양극과 음극이 마주보는 형태로 전극이 배치되며 반응기 상부에서는 양극수와 음극수가 원수의 pH에 따라 적절하게 혼합 또는 분리되어 처리수의 pH을 조절하게 된다

전기응집반응은 양극에서 산소가스가 발생되고 음극에서 수소가스가 발생되므로 전극 표면에 기포가 축적되게 되면 전기저항이 증가되어 전력소모가 크게 증가하게 된다. 따라서 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 원통형 전극을 구동모터로 회전시키면서 전극과 접촉되어 있는 세척포에 의해 전극 표면의 기포와 스케일 등 오염물질을 제거하여 전기저항을 최소화하게 된다. 또한 반응기는 응집물과 부상물질로 인해 오염될 소지가 많기 때문에 주기적으로 반응기를 정수로 세정하여 반응기내를 청결하게 유지시키게 된다.

전극의 양극 금속은 용출되기 때문에 양극이 소모되면서 음극과의 간격이 넓어져 전기 저항이 증가되고 전력 소모량도 따라서 증가하기 때문에 전극 간격을 일정하게 유지시켜야만 응집반응을 안정적으로 진행시킬 수 있다. 양극의 소모에도 불구하고 전극 간격을 일정하게 유지시키기 위해서 전극 축 고정부분이 이동할 수 있는 구조로 되어 있고 구동모터 동력을 전달하는 탄력성 벨트가 마주보고 있는 전극을 서로 당겨져 연결되어 있어 양극이 소모되면 벨트에 의해 음극 쪽으로 당겨지며 전극 사이는 간격 유지탭이 설치되어 간격을 일정하게 유지시키게 된다.

전기화학적 반응은 원수의 전도도에 따라 반응기 내 전기 저항이 달라지므로 원수의 전기전도도에 따라 전극에 공급되는 전류량을 연동 제어하여 반응 효율을 일정하게 유지시키고 또한 전극 표면 전류량을 측정하여 전극 오염 정도 및 교체 시기 등 운전 조건을 확인할 수 있는 장치를 갖는 것을 특징으로 하고 있다.

원수가 원수 펌프(P2)에 의해 반응기 내부로 유입되면 탄력성 있는 재질의 수류조정부(3)에 의해 수류 교란과 요동이 흡수되며 전극 사이로 안정된 수류가 상승하도록 유도되며 동시에 전극 사이에 설치되어 있는 전극격막(8)에 의해 수류 흐름이 양극(5)과 음극(10)으로 나뉘어 안정적인 상향류 흐름으로 통과하면서 양극수와 음극수가 서로 섞이지 않게 되며 이렇게 서로 분리된 양극수와 음극수가 전극을 통과한 후 전극 상부(4)에 고이게 되고 음극수는 음극수 pH측정기(M3)에 의해 pH가 측정되고 양극수는 양극수 pH측정기(M4)에 의해 pH가 측정되어 원하는 처리수의 pH에 따라 원수 pH측정기(M2) 값과 연동하여 적절히 음극수 밸브(V3)와 양극수 밸브(v4)을 여닫음으로써 처리수의 pH를 조절할 수 있으며 pH 조절이 필요치 않는 경우는 양극수, 음극수 밸브(V3, V4) 둘 중에 하나만 열어 양극수와 음극수를 혼합하여 배출시키게 된다.

일례로 원수 pH가 8인데 처리수 pH를 7로 조절하고자하는 경우에 양극은 pH가 강하되고 음극은 pH가 상승하게 되는데 이 경우 양극 pH가 8에서 6으로 강하되고 음극 pH가 8에서 10으로 상승했다면 음극의 pH 10인 알칼리수의 반만 양극 pH6인 산성수와 혼합하게 되면 반응수 pH를 7로 조정된다. 이때 전극의 pH측정기(M3, M4)와 유출밸브(V3, v4)가 자동 연동제어되면서 처리수 pH를 조절하게 된다. 우리나라 상수원인 하천과 호수는 심한 부영양화로 인해 연중 조류가 대량으로 번식하고 있으며 이로 인해 pH가 8-9에 이르는 강알칼리성을 띠고 있다. 따라서 이와 같은 강알칼리성의 상수원수를 처리하기 위해서는 상기와 같은 방식으로 pH를 조절해야만 효과적으로 상수원수를 응집처리 할 수 있다.

전극 격막(8)은 도 5 상세도처럼 유연한 섬유 재질로 격자식으로 개방부와 폐쇄부가 나누어져 있어 전극 간의 전기저항을 최소화할 수 있는 구조로 되어 있으며 전극 사이에 설치되어 양극수와 음극수를 분리하는 역할하게 된다.

반응이 진행되면 양극에서는 산소 가스가 음극에서는 수소 가스가 발생하여 발생된 기포가 전극 표면에 부착하게 되고 또한 수중의 오염물질과 반응물에 의해 전극표면은 반응이 진행될수록 크게 오염되게 된다. 이와 같은 전극의 오염은 전극의 전기 저항을 증가시켜 전류효율 저하의 원인이 되므로 이와 같은 전극 오염을 차단하기 위해 원통형 전극(5,10)에 세척포(6)가 도 3에서와 같이 전극 표면에 밀착 설치되어 전극이 구동모터(13)에 의해 회전되면서 그 회전력에 의해 연속적으로 전극표면의 오염물질을 제거하여 전극을 항상 청결하게 유지하게 된다. 세척포(6)는 도 4에서와 같이 전극표면과 접하는 부분(R)은 거칠 섬유와 금속 재질을 사용하며 세척포의 안쪽(S)은 탄력성있는 재질을 사용하여 전극 표면에 강하게 밀착되도록 하는 동시에 전극 표면이 잘 세척되도록 하는 이중 구조를 갖추고 있다.

반응기는 전기응집물질과 부상물질 등에 의해 지속적으로 오염되기 때문에 전극 표면 전기저항 변화를 전류계(11)로 연속 측정하여 저항이 증가한 경우 반응기를 세정하게 되는데 세정 순서는 먼저 원수 펌프(P2)가 정지되고 유입밸브(V1)와 유출밸브(V3, V4), 가스 배출밸브(V6)가 닫히고 세정수배출밸브(V5)와 세정밸브(V2)가 열리면서 세정펌프(P1)이 작동되면서 반응기를 정수로 세정하게 된다. 이와 같이 전극을 세척포에 의해 세척하고 또한 주기적으로 반응기 내 오염물질을 세정수로 세정함으로써 반응기 내 오염물질의 축적을 차단하여 반응기 내 전류 효율을 극대화할 수 있게 된다.

전극의 양극 금속은 반응이 진행되면서 수중으로 용출되기 때문에 양극은 시간이 지날수록 원통의 직경이 감소되게 된다. 원통의 직경이 감소되게 되면 음극과의 간격이 넓어져 전기저항이 커지면서 전력소모량이 증가함으로 전극의 간격을 일정하게 유지시켜야 하는데 이를 위해 음극과 양극 축이 서로 상대 축 쪽으로 이동될 수 있는 구조를 갖는 전극이동장치(1, 도2)가 그 역할을 수행하게 된다. 도 2의 전극축이동부 상세도에서와 같이 전극축(14)은 베어링박스(A)에 고정되어 있고 이 베어링박스(A)가 동력 연결 벨트(7)에 의해 당겨져 빈공간(AA)쪽인 B방향으로 이동하게 된다. 또한 동시에 90도 다른 방향은 베어링박스(A)와 빈공간(AA) 전체가 동력연결벨트(77)에 의해 당겨져 빈공간(CC)쪽인 C방향으로 이동할 수 있는 구조를 갖고 있다. 또한 벨트(7, 77)가 당겨질 때 양극과 음극이 서로 부착되지 않고 일정한 간격을 유지시키기 위해서 전극간격유지탭(9)이 도 3과 같이 전극 사이에 설치되어 일정한 간격이 유지되도록 하게 된다.

전극 사이 저항은 원수의 전도도에 따라 변하기 때문에 원수의 전도도에 따라 전극에 공급되는 전류량을 연동 제어해야 한다. 이를 위해 원수의 전도도측정기(M1)이 원수의 전도도를 측정하여 변화되는 량에 따라 전력기(12)에 의해 자동으로 연동 제어되어 전극에 전력을 공급하게 된다.

이와 같이 전극의 전류효율에 영향을 미치는 원수의 전기전도도 변화, 양극과 음극의 간격, 전극표면의 오염차단 등 세 가지 변수를 해결하여 반응기의 전류 효율을 극대화하며 또한 반응의 안정성을 높일 수 있게 된다.

본 발명은 세척포가 밀착된 원통형 전극을 회전시킴으로써 전극 표면의 오염물질과 기포 제거를 자동으로 수행할 수 있으며 동시에 반응기 내 오염물질을 주기적으로 세정하여 오염물질을 배출하고 또한 양극의 금속 용출에 의한 음극과의 간격 변화에도 항상 일정하게 전극 간격을 유지시킬 수 있는 구조와 원수 전기전도도 변화에 따라 전극에 공급되는 전류량을 자동으로 연동제어함으로써 전기응집반응기의 전류 효율에 영향을 미치는 3대 과제인 전극오염문제, 전극간격변화, 전기전도도 문제를 해결하여 전류 효율을 극대화하였으며 동시에 반응기의 안정성을 크게 향상시켜 처리비용 절감은 물론 유지관리를 용이하게 하고 또한 전극의 음극수와 양극수를 전극 격막을 통해 적절히 분리 또는 혼합함으로써 필요에 따라 처리수의 수소이온농도를 조절할 수 있어 하폐수는 물론 상수처리에도 적용이 가능하다.

수류조정부(3), 전극축(14), 벨트연결풀리(2), 가스배출밸브(V6), 원수펌프(P2), 원수전도도측정기(M1), 원수pH측정기(M2), 전류계(11), 전력계(12)

Claims (4)

1. 전기응집반응기에 있어서

   처리원수가 상향류로 유입되어 반응기 하부에서 수류의 흐름이 조정되어 안정된 수류가 반응기 중간부분인 전극을 통과하면서 전극의 중간에 격자형 또는 유연 섬유 격막에 의해 전기저항을 최소화하는 동시에 양극수와 음극수가 서로 섞이지 않는 구조을 갖고 있고 반응기 상부에서 음극수와 양극수가 원수의 수소이온농도에 따라 분리 혼합될 수 있는 구조와 장치를 통해 반응수의 수소이온농도를 조정할 수 있으며 반응기 상부에서 발생가스를 배출시킬 수 있고 원통형 전극이 모터에 의해 회전하면서 세척포가 지속적으로 전극을 세척하여 전극 전기저항을 최소화하며 또한 반응기는 응집물과 부상물에 의해 지속적인 오염에 노출되어 있기 때문에 주기적으로 세정펌프에 의해 반응기를 세정해 주며 양극 금속이 소모되면 양극 직경이 감소되는 양만큼 양극 축이 음극 쪽으로 전극 축이 이동하는 구조를 갖고 있어 양극과 음극의 간격을 일정하게 유지시킬 수 있을 뿐만 아니라 반응기 내의 전류량을 측정하여 전기화학적 변화를 파악하고 원수 전기전도도 변화에 따라 전류량을 연동제어하여 반응의 안정성을 높이는 동시에 전극 교체시기 등을 자동으로 판단할 수 있는 것을 특징으로 하는 전기응집반응기
2. 제1항에 있어서 양극과 음극 사이에 설치되는 전극 격막(8, 도 5)은 전극 간의 저항을 최소화하기 위해 격자형 구멍이 있는 유연한 섬유재질 등의 부도체 재질로 양극수와 음극수를 분리하여 처리수의 pH를 조절하는 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 전기응집반응기
3. 제1항에서 원통형 양극의 소모에 따라 직경이 감소되면 양극축과 음극축의 도 2와 같이 축 이동장치가 전극 축에 연결되어 있는 동력 전달 벨트의 탄력에 의해 도 3과 같이 전극 서로 당겨져 이동하게 되며 양극과 음극의 간격은 도 3의 간격유지탭에 의해 간격이 유지되는 것을 특징으로 하는 전기응집반응기
4. 제1항에서 원통형 전극을 세척하는 세척포(6)는 도4와 같이 전극표면과 밀착되는 부분은 세척이 잘 되도록 거칠고 강한 섬유와 금속 재질로 되어 있고 안쪽은 거친 세척부분이 전극표면에 강하게 밀착되도록 탄력성이 높은 재질로 되어 있는 이중 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 전기응집반응기