KR20090025551A - A method for preparing iron oxide particles for improved performance of membrane separation, and advanced water treatment using the iron oxide particles obtained - Google Patents

A method for preparing iron oxide particles for improved performance of membrane separation, and advanced water treatment using the iron oxide particles obtained Download PDF

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Abstract

A method for manufacturing amorphous oxidized steel particle is provided to maximize salt removal efficiency by assembling a physical.chemical preprocessing technology and an electrodialysis membrane separation technique. A method for manufacturing amorphous oxidized steel particle comprises steps of: dissolving FeSO4.7H2O 80g in hyperpure water in which nitrogen is supplied; supplying continuously nitrogen in a glass reaction tub at anoxic condition, monitoring it using a thermometer and controlling reaction temperature to 90°C; dissolving 6.46g KNO3 and 44.9g KOH in the hyperpure water in which no oxygen of 240ml exists if temperature reaches 90°C, confirming reaction for 5 minutes and injecting the solution; heating it for 30-60 minutes if injection of solution is finished, cooling it, washing precipitate and obtaining oxidized steel particle which has magnetism.

Description

분리막의 성능 향상을 위한 산화철 입자 제조방법 및 이로부터 얻어진 산화철 입자를 이용한 고효율 수처리 시스템 {A Method for Preparing Iron Oxide Particles for Improved Performance of Membrane Separation, and Advanced Water Treatment using the Iron Oxide Particles obtained} A method for preparing Iron Oxide Particles for Improved Performance of Membrane Separation, and Advanced Water Treatment using the Iron Oxide Particles obtained}

본 발명은 분리막의 성능 향상을 위한 산화철 입자 제조방법 및 이로부터 얻어진 산화철 입자를 이용한 고효율 수처리 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 분리막의 성능을 향상시키기에 적합한 산화철 입자를 제조해내고, 이를 이용하여 물리ㆍ화학적 전처리 기술과 전기투석 막분리 기술을 조합함으로써 염 제거 효율을 극대화할 뿐 아니라 집적여과 전처리로 전기투석 분리막의 오염을 최소화함으로써 시스템의 경제성을 향상시킬 수 있는 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method for producing iron oxide particles for improving the performance of the separator and a high-efficiency water treatment system using the iron oxide particles obtained therefrom, and more particularly to produce iron oxide particles suitable for improving the performance of the separator, The combination of physical and chemical pretreatment techniques and electrodialysis membrane separation techniques not only maximizes salt removal efficiency but also minimizes the contamination of electrodialysis membranes by integrated filtration pretreatment.

최근 원료에 포함된 목적 물질을 확실하게 분리할 수 있고 자동화가 쉬우며, 공정이 간단한 분리막 공정이 산업전반에 다양하게 적용되고 있다. 여기서 분리막이란 특정 성분을 선택적으로 통과시킴으로써 혼합물을 분리시킬 수 있는 액체 혹은 고체막으로 막의 물리화학적 성질에 의해 물질과 에너지의 교환 속도가 결정된다. Recently, a membrane process which can reliably separate the target material contained in the raw material, is easy to automate, and has a simple process has been applied to various industries. Here, the separator is a liquid or solid membrane which can separate the mixture by selectively passing a specific component, and the exchange rate of materials and energy is determined by the physicochemical properties of the membrane.

현재 개발된 막분리 기술로는 정밀여과(microfiltration), 한외여과(ultrafiltration), 나노여과(nanofiltration), 역삼투여과(reverse osmosis), 기체분리(gas separation) 및 전기투석 등이 있으며, 공경의 크기 및 흡착, 막표면에서의 용해 및 확산 등의 분리 원리를 응용하여 물질을 분리한다. Currently developed membrane separation technologies include microfiltration, ultrafiltration, nanofiltration, reverse osmosis, gas separation and electrodialysis. Separation principles such as adsorption, dissolution and diffusion on the surface of the membrane are applied to separate materials.

이같은 막분리 기술은 기존의 분리 및 농축 공정과 비교하여 여러 가지 특징을 갖고 있다. 분리막은 상변화없이 물질을 선별적으로 분리시킴으로써 공정이 단순하고 다른 분리 공정에 비해 에너지 효율이 우수하다는 점을 들 수 있다. 기존의 방법은 상 변화를 유도하여 높은 온도를 요구하므로 분리하는 물질의 특성이 변화되는 경우가 많다. 그러나 막분리는 기계적인 압력을 가하여 물질의 분리가 일어나기 때문에 특정성분 분리와 정제, 그리고 농축공정에서 새로운 대안으로 많이 응용되고 있으며 활용범위 또한 점차 넓어지고 있다. This membrane separation technology has several characteristics compared to conventional separation and concentration processes. Membrane is characterized by a simple process by separating the material without phase change and superior energy efficiency compared to other separation process. Conventional methods induce phase changes and require high temperatures, so the properties of the separating material often change. However, the membrane separation is applied as a new alternative in the separation, purification and concentration of specific components because of the separation of the material by applying mechanical pressure, and the range of application is gradually increasing.

막의 재질 및 형태, 여과 방식에 따라 부유물질, 콜로이드, 효소, 단백질, 유기 용매, 염 등을 분리할 수 있으며 혼합 기체에서 특정성분을 분리하여 농축할 수도 있어 새로운 공정 개발이 계속 진행중이다. 특히 막분리 공정을 이용하여 폐수를 처리할 경우 처리과정에서 약품사용이 적기 때문에 슬러지 발생량을 최소화시킬 수 있다. 분리막 공정에서 얻어진 처리수는 원수로 사용되거나 수질에 따라 직접 제조 공정에 사용될 수 있다. 또 농축된 폐수의 용량은 전체 발생 폐수량의 10% 미만으로 줄일 수 있어 무방류 폐수처리 시스템 개발에 막분리 공정이 핵심기술로 자리잡고 있다(Dhawan, Filter, Gaeta). Depending on the material, form, and filtration method of the membrane, suspended solids, colloids, enzymes, proteins, organic solvents, salts, etc. can be separated, and specific components can be separated and concentrated in a mixed gas. In particular, when the wastewater is treated using a membrane separation process, the amount of chemicals used during the treatment process can be minimized, thereby minimizing sludge generation. The treated water obtained in the membrane process can be used as raw water or directly in the manufacturing process depending on the water quality. In addition, the capacity of the concentrated wastewater can be reduced to less than 10% of the total generated wastewater, so the membrane separation process is the core technology for the development of a zero discharge wastewater treatment system (Dhawan, Filter, Gaeta).

이같은 분리막은 폐수를 저 에너지로 선별적으로 분리할 수 있지만 막의 성능을 저하시키는 분리막의 오염이 막분리 공정의 보급을 늦추고 있는 실정이다. 분리막 오염 현상은 폐수에 함유된 부유물질이나 분리막 표면에 쉽게 흡착되는 성질을 가진 물질들이 막 표면과 공경에 축적되어 유체의 흐름을 방해하여 투과율을 감소시킨다. Such membranes can selectively separate wastewater with low energy, but contamination of membranes that degrade membrane performance slows the spread of membrane separation processes. Membrane contamination causes the suspended solids in the wastewater or the substances that are easily adsorbed on the surface of the membrane to accumulate on the membrane surface and pore size, impeding the flow of fluid, thereby reducing the permeability.

현재 막의 오염현상에 대한 폭넓은 연구가 진행중이다. 막의 오염과 세척에 관한 문헌은 주로 RO막을 대상으로 한 연구가 대부분이다. 이에 막 오염으로 인한 처리효율의 저하 및 비용 상승을 극복하고 분리막의 경제성을 확보하는 기술이 분리막 기술에서 화두가 되고 있으며, 이러한 사회적 요구에 맞추어 막 분리 공정에서 발생가능한 막 오염을 저감시키는 기술이 요구되고 있는 실정이다. Extensive research is currently underway on membrane fouling. Much of the literature on membrane fouling and cleaning is mainly on RO membranes. Therefore, technology that overcomes the decrease in treatment efficiency and cost increase due to membrane contamination and secures the economic efficiency of membrane has become a hot topic in membrane technology. To meet such social demands, there is a demand for technology that reduces membrane contamination that can occur in membrane separation process. It's happening.

이에 본 발명자는 분리막의 성능을 향상시킬 수 있도록 특정한 방법으로 산화철 입자를 제조해낸 다음 이를 이용하여 산화철 흡착법 및 막 분리법을 결합함으로써 막 오염을 저감시킬 수 있고 나아가 하폐수 처리효율 또한 개선된다는 것을 확인하고 본 발명을 완성하기에 이르렀다. Accordingly, the present inventors confirmed that the iron oxide particles were manufactured by using a specific method to improve the performance of the separator, and then combined with the iron oxide adsorption method and the membrane separation method to reduce membrane contamination and further improve the wastewater treatment efficiency. The invention has been completed.

본 발명의 제1견지에 의하면, According to the first aspect of the present invention,

18 MΩ이상의 초순수에 FeCl3를 중량비 92:100 (철/초순수) 이하로 혼합하여 완전히 녹인 다음 pH를 7로 중화하여 1~100 μm의 범위를 갖는 비결정성의 산화철 입자를 제조하는 방법이 제공된다. Provided is a method for producing amorphous iron oxide particles having a range of 1 to 100 μm by mixing FeCl 3 in an ultrapure water of 18 MΩ or more at a weight ratio of 92: 100 (iron / ultra pure water) or less and completely neutralizing the pH to 7. .

본 발명의 제2 견지에 의하면, According to the second aspect of the present invention,

18 MΩ이상의 초순수에 FeSO4를 중량비 90:100 (철/초순수) 이하로 혼합하여 완전히 녹인 다음 80~95 C 무산소 조건에서 질소를 퍼징하는 가운데 pH를 7로 중화한 후 1~100 μm의 범위를 갖는 비결정성의 산화철 입자를 제조하는 방법이 제공된다. FeSO 4 is mixed in ultrapure water of 18 MΩ or more at a weight ratio of 90: 100 (iron / ultra pure water) and dissolved completely. Neutralize pH to 7 while purging nitrogen at 80 ~ 95 C anoxic condition, and then adjust the range of 1 ~ 100 μm. A method for producing amorphous iron oxide particles having is provided.

본 발명의 제3 견지에 의하면, According to the third aspect of the present invention,

Fe Ⅱ / Fe Ⅲ 의 중량비를 2로 하여 산소가 없는 초순수에 넣어 충분히 녹인 후 질소를 공급하면서 pH를 8로 조절하여 얻어진 1~80 μm 크기의 자성을 띠는 비결정성 산화철 입자를 제조하는 방법이 제공된다. The method of producing amorphous iron oxide particles having magnetic size of 1 to 80 μm obtained by adjusting the pH to 8 while supplying nitrogen and dissolving sufficiently in an ultra pure water without oxygen at a weight ratio of Fe II / Fe III is 2 Is provided.

본 발명의 제4 견지에 의하면, According to the fourth aspect of the present invention,

원수로부터 상기 제1 내지 제3 견지중 어느 한 항의 방법에 의해 얻어진 산화철 입자를 이용하여 유기물을 흡착시키는 전처리 공정과, A pretreatment step of adsorbing organic matter using raw iron oxide particles obtained by the method of any one of the first to third aspects from raw water,

MF, UF, NF, RO 등으로 이루어지는 이온성 물질을 제거하는 전기투석 막분리 공정과, An electrodialysis membrane separation process for removing ionic substances consisting of MF, UF, NF, RO, and the like,

상기 전기투석 막분리 공정에서 발생한 농축폐액의 일부는 재순환시키고, 잔부는 폐기하는 공정과, Recycling a part of the concentrated waste liquid generated in the electrodialysis membrane separation process and discarding the remainder;

상기 전기투석 막분리 공정을 통해 이온성 물질을 제거한 최종 생산수를 저장하는 공정과, 및 Storing the final production water from which the ionic material is removed through the electrodialysis membrane separation process, and

최종 생산수에 소독액을 첨가하여 재이용가능한 최종 원수를 저장하는 공정,을 포함하여 이루어지는 산화철흡착법 및 막분리법을 결합한 고효율 수처리 시스템이 제공된다. Provided is a high-efficiency water treatment system combining iron oxide adsorption and membrane separation, which comprises adding a disinfectant to the final product and storing the final raw water for reuse.

본 발명의 제5 견지에 의하면, According to the fifth aspect of the present invention,

상기 제4 견지에 의한 시스템에 의해 침전법으로 제조된 산화철입자를 이용한 전처리후 90%의 이온을 전기투석을 이용하여 제거하고 얻어진 비가역적 전기저 항의 증분이 양이온교환막에서는 0.030 Ω/cm2 이고, 음이온교환막에서는 0.190 Ω/cm2 인 산화철흡착법 및 막분리법을 결합한 고효율 수처리 시스템이 제공된다. After the pretreatment using the iron oxide particles prepared by the precipitation method by the system according to the fourth aspect, 90% of the ions are removed by electrodialysis, and the increment of the irreversible electric resistance obtained is 0.030 Ω / cm 2 in the cation exchange membrane. The anion exchange membrane is provided with a high efficiency water treatment system combining iron oxide adsorption and membrane separation with 0.190 Ω / cm 2 .

이하, 본 발명에 대하여 상세하게 설명한다. EMBODIMENT OF THE INVENTION Hereinafter, this invention is demonstrated in detail.

우선, 18 MΩ이상의 초순수에 FeCl3를 중량비 92:100 (철/초순수) 이하로 혼합하여 완전히 녹인 다음 pH를 7로 중화하여 1~100 μm의 범위를 갖는 비결정성의 산화철 입자를 제조하는 방법이 제공된다. First, FeCl 3 is mixed in ultrapure water of 18 MΩ or more at a weight ratio of 92: 100 (iron / ultra pure water) or less and completely dissolved, and then neutralized to pH 7 to produce amorphous iron oxide particles having a range of 1 to 100 μm. Is provided.

구체적으로는 상기 FeCl3 55.847 g을 18 MΩ이상의 초순수 20ℓ에 완전히 녹인 다음 5N, 0.1N NaOH를 이용하여 pH를 8로 조정한 다음 산화철을 모두 침전시키고 상등액은 버리는 형태로 계속해서 산화철을 씻어줌으로써 Cl-이온을 제거하고 비결정형 산화철 입자를 얻을 수 있다.Specifically, 55.847 g of FeCl 3 is completely dissolved in 20 l of ultrapure water of 18 MΩ or more, and then the pH is adjusted to 8 using 5N and 0.1N NaOH. Then, all iron oxides are precipitated, and the supernatant is washed away. - it can remove ions and obtain amorphous iron oxide particles.

또한, 18 MΩ이상의 초순수에 FeSO4를 중량비 90:100 (철/초순수) 이하로 혼합하여 완전히 녹인 다음 80~95 C 무산소 조건에서 질소를 퍼징하는 가운데 pH를 7로 중화한 후 1~100 μm의 범위를 갖는 비결정성의 산화철 입자를 제조할 수 있다. 구체적으로는, FeSO4ㆍ7H2O 80 g을 질소가 공급된 초순수에 녹인 다음 외부와의 공기순환이 차단된 유리반응조를 만들어 무산소조건에서 질소를 계속 공급하고 온도계로 모니터링하면서 반응온도를 90℃로 조절하고, 온도가 90℃에 도달하면 240㎖의 산소없는 초순수에 6.46 g KNO3, 44.9 g KOH를 녹여 그 용액을 약 5분간에 걸쳐 반응을 확인하며 주입하며, 용액의 주입이 끝나면 30-60분간 추가로 가열하고 밤새 식힌 다음 침전물을 씻어서 자성을 띤 산화철을 얻을 수 있다. In addition, FeSO 4 is mixed in ultrapure water of 18 MΩ or more at a weight ratio of 90: 100 (iron / ultra pure water) and dissolved completely. After purging nitrogen at 80 ~ 95 C anoxic condition, neutralize the pH to 7 and then 1 ~ 100 μm Amorphous iron oxide particles having a range can be produced. Specifically, 80 g of FeSO 4 · 7H 2 O is dissolved in ultrapure water supplied with nitrogen, and then a glass reaction tank is blocked in which air circulation to the outside is continued. Nitrogen is continuously supplied under anoxic conditions and monitored by a thermometer, and the reaction temperature is 90 ° C. When the temperature reaches 90 ° C, dissolve 6.46 g KNO 3 and 44.9 g KOH in 240 ml of oxygen-free ultrapure water and inject the solution for 5 minutes to check the reaction. An additional 60 minutes of heating, cooling overnight and washing the precipitate can yield magnetic iron oxide.

나아가, Fe Ⅱ / Fe Ⅲ 의 중량비를 2로 하여 산소가 없는 초순수에 넣어 충분히 녹인 후 질소를 공급하면서 pH를 8로 조절하여 얻어진 1~80 μm 크기의 자성을 띠는 비결정성 산화철 입자를 제조하게 된다. 구체적으로는 FeCl3ㆍ6H2O 270.30 g과 FeCl2 198.81 g을 산소가 없는 초순수에 넣어 충분히 녹이고, 이후 질소를 공급하면서 5N, 0.1N NaOH를 이용하여 pH 8로 조절하고, 생성된 산화철 침전물을 수집하고 자성을 띤 산화철을 얻을 수 있다. Furthermore, Fe Ⅱ / Fe Ⅲ by weight ratio of 2 is dissolved in ultra-pure water without oxygen and sufficiently dissolved to prepare a non-crystalline iron oxide particles having a magnetic size of 1 ~ 80 μm obtained by adjusting the pH to 8 while supplying nitrogen. do. Specifically, 270.30 g of FeCl 3 6H 2 O and FeCl 2 198.81 g is dissolved in ultra pure water without oxygen, and then adjusted to pH 8 using 5N and 0.1N NaOH while supplying nitrogen, and the resulting iron oxide precipitates are collected and magnetic iron oxide can be obtained.

이같이 하여 얻어진 산화철 입자를 산화철흡착법 및 막분리법을 결합한 고효율 수처리 시스템에 적용할 수 있다. The iron oxide particles thus obtained can be applied to a high efficiency water treatment system combining iron oxide adsorption and membrane separation.

즉, 상기 시스템은 원수로부터 얻어진 산화철 입자를 이용하여 유기물을 흡착시키는 전처리 공정과, MF, UF, NF, RO 등으로 이루어지는 이온성 물질을 제거하는 전기투석 막분리 공정과, 상기 전기투석 막분리 공정에서 발생한 농축폐액의 일부는 재순환시키고, 잔부는 폐기하는 공정과, 상기 전기투석 막분리 공정을 통해 이온성 물질을 제거한 최종 생산수를 저장하는 공정과, 및 최종 생산수에 소독액을 첨가하여 재이용가능한 최종 원수를 저장하는 공정,을 포함하여 이루어진다. That is, the system includes a pretreatment step of adsorbing organic material using iron oxide particles obtained from raw water, an electrodialysis membrane separation step of removing ionic substances consisting of MF, UF, NF, RO, and the like, and the electrodialysis membrane separation step. Part of the concentrated waste liquor from the wastewater is recycled, the remainder is discarded, the process of storing the final product from which the ionic material has been removed through the electrodialysis membrane separation process, and the addition of a disinfectant solution to the final product can be reused. The process of storing the final raw water, including.

즉, 도 1을 참조하면, 원수탱크는 원수를 저장하는 탱크로서 여기에 산염기 탱크가 부착될 수 있다. 상기 산염기 탱크는 산/염기 용액을 저장하는 탱크로써, 다양한 원수의 성상에 대응하고자 부착된 것으로, 탱크내 산/염기 용액은 후술하는 전기투석 장치에 유입되는 원수의 산/염기를 운전에 적합하게 조절하는 역할을 수행하는 탱크이다. That is, referring to Figure 1, the raw water tank is a tank for storing the raw water may be attached to the acidic acid tank. The acid tank is a tank for storing an acid / base solution, and is attached to correspond to various raw water properties, and the acid / base solution in the tank is suitable for operating an acid / base of raw water introduced into an electrodialysis apparatus described later. It is a tank that serves to regulate.

상기 원수탱크로부터 나온 원수는 산화철 흡착조를 거치게 되는데, 이때 내부 산화철의 흡착 반응을 이용하여 이온교환막 오염 유발물질등을 제거하게 된다. The raw water from the raw water tank is subjected to an iron oxide adsorption tank. At this time, an ion exchange membrane contaminant is removed by using an internal iron oxide adsorption reaction.

사용가능한 산화철로는 비결정형 산화철 입자 혹은 자성을 띤 산화철 입자를 사용할 수 있다. 이들을 제조하는 방법 등은 상술한 바와 같다. As the iron oxide that can be used, amorphous iron oxide particles or magnetic iron oxide particles can be used. The method of manufacturing these is as above-mentioned.

이같이 산화철 흡착조를 거쳐 이온교환막 오염 유발물질 등을 제거한 원수를 전기투석 모듈로써 ED 모듈을 거치게 된다. 상기 ED 모듈은 양이온교환막과 음이온교환막이 교대로 장착되어 있는 전기투석 장치로서, 산화철로 전처리된 원수에 포함되어 있는 이온성 물질을 제거하는 역할을 수행하게 된다. 물론, 상기 전기투석 모듈에는 전력 공급장치가 부착되게 된다. As such, the raw water from which the ion exchange membrane contaminants are removed through the iron oxide adsorption tank is passed through the ED module as an electrodialysis module. The ED module is an electrodialysis apparatus in which cation exchange membranes and anion exchange membranes are alternately mounted, and serves to remove ionic substances contained in raw water pretreated with iron oxide. Of course, a power supply device is attached to the electrodialysis module.

상기 모듈의 형태는 일반적으로 가장 많이 사용되는 plate and frame 타입을 사용할 수 있지만, 이에 한정하는 것은 아니며, spiral module 등도 사용가능하다. The form of the module may generally use a plate and frame type most commonly used, but is not limited thereto. A spiral module may also be used.

이같은 전기투석 모듈내 이온교환막이 오염되어 막 저항이 상승하게 되면 이 온교환막 세척액(예를 들어, NaOH, HCl 등)을 이용하여 막을 세정하게 되는데, 이때 이온교환막 세척액은 막 세정조내에 저장되게 된다. If the ion exchange membrane in the electrodialysis module is contaminated to increase the membrane resistance, the membrane is cleaned using the ion exchange membrane cleaning liquid (eg, NaOH, HCl, etc.), where the ion exchange membrane cleaning liquid is stored in the membrane cleaning tank. .

이같은 전기투석 모듈을 거친 생산수는 최종 생산수 저장조로 보내지게 되며, 소독액 저장탱크 내에서 소독액, 예를 들어 NaOCl를 첨가함으로써 재이용가능한 최종 원수가 되어 배출구를 통해 배출되게 된다.  The product water passed through this electrodialysis module is sent to the final production water reservoir, and in the disinfectant storage tank, the addition of the disinfectant solution, for example, NaOCl, becomes the final raw water for reuse and discharged through the outlet.

한편, 전기투석 모듈에서 나온 농축폐액 중 일부는 재순화로를 거쳐 전기투석 모듈로 다시 입수되게 되며, 농축폐액 잔부는 폐액 운반 유로를 통해 폐기되게 된다. On the other hand, some of the concentrated waste from the electrodialysis module is re-received through the recirculation furnace to the electrodialysis module, the remainder of the concentrated waste liquid is discarded through the waste liquid transport passage.

또한, 전기투석장치의 일례로는 W*H*D=110*190*25 cm, 막 사이즈가 75*150 cm, 유효 막 영역이 61.875 cm2이고 6장의 이온교환막이 장착되며, 스페이서 사이즈가 71*152*1 cm이고, 0-60V. 0-2.2A 범위의 전력이 공급 가능한 전원공급기를 사용하였다. PLC는 20개의 입출력단자를 가지고. 제어속도는 250 ms/Step이며, 펌프는 회전수가 0-600 rpm, 유량은 100-1500 ml/min이고, 압력 게이지는 0-10 kPa 까지 측정가능하며 tubing는 열저항이 탁월하며 저압축성인 것을 사용할 수 있다. In addition, as an example of an electrodialysis apparatus, W * H * D = 110 * 190 * 25 cm, a membrane size of 75 * 150 cm, an effective membrane area of 61.875 cm 2 , six ion exchange membranes, and a spacer size of 71 * 152 * 1 cm, 0-60V. A power supply capable of supplying power in the 0-2.2A range was used. PLC has 20 I / O terminals. The control speed is 250 ms / Step, the pump has 0-600 rpm, the flow rate is 100-1500 ml / min, the pressure gauge can measure up to 0-10 kPa, and the tubing has excellent heat resistance and low compression. Can be used.

이때 상기 전기투석장치에 있어 유효 막영역과 이온교환막의 수는 장치의 목적에 따른 스택의 크기에 좌우되므로 매우 가변적이기에 이에 한정하는 것은 아니 나, 유효 막 영역이 61.875 cm2 이고, 3쌍의 이온교환막이 교대로 장착되는 장치를 사용할 수 있으며, 이때 모듈로는 plate and frame 모듈 또는 spiral module를 사용할 수 있다. In this case, the number of effective membrane regions and ion exchange membranes in the electrodialysis apparatus is highly variable since it depends on the size of the stack according to the purpose of the apparatus, but the effective membrane region is 61.875 cm 2 and three pairs of ions A device in which the exchange membrane is alternately mounted can be used, in which a plate and frame module or a spiral module can be used.

또한 이온교환막으로는 양이온 교환막과 음이온 교환막으로 이루어지는데, 상기 양이온 교환막은 강산성 양이온 침투가능한 타입 Na타입으로써 기계적 강도가 높고 전기저항은 1.8-3.8 Ω/cm2 범위내이고 Burst 강도가 0.40 KPa이상이고, 두께는 0.14-0.20 mm 범위 내인 막을 사용할 수 있고, 상기 음이온 교환막은 강염기성 음이온 침투가능한 Cl 타입으로서 기계적 강도가 높고 전기저항은 2.0-3.5 Ω/cm2 범위내이고 Burst 강도가 0.30 KPa 이상이고, 두께는 0.12-0.18 mm 범위 내인 막을 사용할 수 있다. 또한, 일본의 ‘도쿠야마’사에서 제조한 막과 같이 기 제조된 막을 구입하여 사용할 수도 있다. In addition, the ion exchange membrane is composed of a cation exchange membrane and an anion exchange membrane. The cation exchange membrane is a strongly acidic cation-permeable type Na type, which has high mechanical strength, electrical resistance within the range of 1.8-3.8 Ω / cm 2 , and burst strength of 0.40 KPa or more. It is possible to use a membrane having a thickness in the range of 0.14-0.20 mm, and the anion exchange membrane is a strong basic anion-permeable Cl type, which has high mechanical strength, electrical resistance in the range of 2.0-3.5 Ω / cm2, and burst strength of 0.30 KPa or more. Films with a thickness in the range of 0.12-0.18 mm can be used. In addition, a pre-manufactured membrane can also be purchased and used, such as a membrane manufactured by Tokuyama Corporation of Japan.

이같은 이온교환막 세척시에는 NaOH, KOH 등 pH를 약 7~11정도로 조절하여 제조한 용액을 사용하거나 혹은 HCl 등 pH를 1~7정도로 조절한 용액을 사용할 수 있다. When washing such an ion exchange membrane, a solution prepared by adjusting the pH of NaOH, KOH, etc. to about 7-11 may be used, or a solution having a pH of 1-7, such as HCl, may be used.

또한, 소독시에는 배출수 성상에 따라 잔류염소농도가 0.2 ppm내외를 유지할수 있는 수준으로 NaOCl 등의 염소계 소독약을 주입하거나 오존 혹은 UV를 사용할 수도 있다. In addition, during disinfection, chlorine-based disinfectants such as NaOCl may be injected or ozone or UV may be used to maintain a residual chlorine concentration of about 0.2 ppm depending on the characteristics of the discharged water.

본 발명에 의해 시스템 처리 결과를 하기 실시예를 통해 규명하였다. According to the present invention, the results of the system treatment were identified through the following examples.

참고로, 원수내에 포함된 이온성분을 전처리없이 90%가량 제거할 경우 비가역적 전기저항의 증분이 양이온교환막에서는 0.041 Ω/cm2 이고, 음이온교환막에서는 0.041 Ω/cm2 이었으나, 침전법으로 제조된 산화철입자를 이용한 전처리후 90%의 이온을 전기투석을 이용하여 제거한 결과 비가역적 전기저항의 증분이 양이온교환막에서는 0.030 Ω/cm2 이고, 음이온교환막에서는 0.190 Ω/cm2 으로 막의 비가역적 오염이 크게 개선되었음을 알 수 있었다. For reference, in the ratio increment the cation exchange membrane of regional electrical resistance when to remove about 90% without pretreatment of ion components contained in the raw water, and 0.041 Ω / cm 2, the anion exchange membrane yieoteuna 0.041 Ω / cm 2, produced by the precipitation method, After pretreatment with iron oxide particles, 90% of the ions were removed by electrodialysis, resulting in an irreversible electrical resistance increment of 0.030 Ω / cm 2 for the cation exchange membrane and 0.190 Ω / cm 2 for the anion exchange membrane. It was found that the improvement.

본 발명에 따르면, 수자원의 낭비를 최소화하고 예상되는 용수부족과 건천(dry river) 문제를 해결할 수 있고, 물리ㆍ화학적 전처리 기술과 전기투석 막분리 기술을 조합함으로써 염 제거 효율을 극대화하게 되어 농업용수, 공업용수, 유지용수 등으로 완벽하게 재생이 가능한 처리수를 생산할 수 있고, 집적여과 전처리로 전기토석 분리막의 오염을 최소화함으로써 시스템의 경제성을 혁신적으로 향상시킬 수 있으며, 하폐수의 생물학적 고도처리에서 발행하는 미생물 슬러지 등과 같은 2차 오염물 문제를 최소화할 수 있고, 화학응집, 침전 등과 같은 전처리 대신 재생이 용이한 집적여과 공정을 사용함으로써 화학 슬러지의 발생도 최소화할 수 있으며, 나아가 탈염을 위해 적용되고 있는 고압의 나노/역삼투 막여과 공정에 비 해 에너지 효율성이 높은 기술의 개발 및 활용이 기대된다. According to the present invention, it is possible to minimize the waste of water resources, solve the expected water shortage and dry river problems, and maximize the salt removal efficiency by combining physical and chemical pretreatment technology and electrodialysis membrane separation technology. It is possible to produce treated water that can be completely regenerated with industrial water, industrial water, maintenance water, etc., and it is possible to innovatively improve the economic feasibility of the system by minimizing the contamination of the electric soil separator by integrated filtration pretreatment. Secondary pollutants such as microbial sludge can be minimized, and the generation of chemical sludge can be minimized by using an easy-to-recovery integrated filtration process instead of pretreatment such as chemical flocculation and sedimentation. Energy efficient equipment compared to high pressure nano / reverse osmosis membrane filtration process The development and use of alcohol is expected.

이하, 본 발명을 도면을 참조한 하기 실시예를 통하여 구체적으로 상술한다. 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로 본 발명을 이에 한정하려는 것은 아니다. Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the following examples with reference to the drawings. The following examples are intended to illustrate the invention and are not intended to limit the invention thereto.

<< 실시예Example >>

실험장치Experiment apparatus

우선, 본 발명에서 사용되는 실험장치에 대하여 구체적으로 살펴본다. First, the experimental apparatus used in the present invention will be described in detail.

본 발명에서 사용된 전기투석장치는 일반적으로 전류밀도, 스페이서 구성, 전해액의 종류 및 농도, 유속, 압력 등의 변수에 의해 그 성능이 변화한다. In general, the electrodialysis apparatus used in the present invention varies in performance due to variables such as current density, spacer configuration, type and concentration of electrolyte, flow rate, and pressure.

따라서 본 발명자는 투석효율의 최대화를 꾀하기 위해 기존 연구문헌을 바탕으로 하여 사 영역(dead space)이 최소화되고, 난류형성이 가장 용이한 형태의 스페이서를 설계하여 제작하였으며, 스페이서 간의 누출현상을 방지하는 프레임을 전기투석기 전문 제작업체(Memtech, Korea)에 의뢰하여 제작하였다(도 1 및 2 참조). Therefore, the present inventors designed and manufactured a spacer having a form that minimizes dead space and is most easily turbulent, based on existing research literature in order to maximize dialysis efficiency, and prevents leakage between spacers. The frame was manufactured by commissioning a professional manufacturer of electrodialysis (Memtech, Korea) (see FIGS. 1 and 2).

상기 전기투석장치는 양이온교환막과 음이온교환막을 교대로 배치하여 구성할 수 있도록 제작되었으며, 본 발명자들은 이온교환막 각 3세트를 장착하여 아래 투석실험을 수행하였다. The electrodialysis apparatus was manufactured to be configured by alternately arranging a cation exchange membrane and an anion exchange membrane, and the inventors carried out the following dialysis experiments by mounting each of three sets of ion exchange membranes.

상기 투석장치에 사용된 전원공급기는 프로그램 전원공급기(E3645A, Agilent, USA)를 사용하였고, 맥동전류 공급에는 PLC를 이용하였다(Master K120S, LS산전, Korea). 또한, 용액의 이송은 화학반응에 안전한 튜브(백금코팅실리콘튜브, MasterFlex, USA)를 사용하였으며, 정량펌프(가변정량펌프, MasterFlex, USA)와 유량계(아크릴유량계, Cole-parmer, USA), 압력계(ZSE40F, SMC, Japan)를 통해 유속의 신뢰성을 확보하였다. The power supply used in the dialysis apparatus was a program power supply (E3645A, Agilent, USA) and a PLC was used to supply pulsating current (Master K120S, LSIS, Korea). In addition, the transfer of the solution used a chemical reaction-safe tube (platinum coated silicon tube, MasterFlex, USA), metering pump (variable metering pump, MasterFlex, USA) and flow meter (acrylic flow meter, Cole-parmer, USA), pressure gauge (ZSE40F, SMC, Japan) secured the reliability of the flow rate.

세부적인 전기투석기의 사양은 하기 표 1과 같다. Details of the electrodialysis machine are shown in Table 1 below.

타입type 명세details 프레임 사이즈Frame size 110*190*25 (W*H*D) Conc. 배수 및 재생110 * 190 * 25 (W * H * D) Conc. Drainage and regeneration 막 사이즈Membrane size 75*15075 * 150 유효 막 영역Effective membrane area 61.875cm2 61.875 cm 2 스페이서Spacer 77 스페이서 사이즈Spacer size 71*152*171 * 152 * 1 전원 공급기Power supply E3645A 0-60V, 0-2.2AE3645A 0-60V, 0-2.2A PLCPLC K120S 20 I/O, 0.1㎲/StepK120S 20 I / O, 0.1㎲ / Step 펌프Pump 0-600rpm0-600 rpm 유량계Flow meter 100-1500 ml/min100-1500 ml / min 압력 게이지Pressure gauge 0-10 KPa0-10 KPa TubingTubing 탁월한 열저항, 낮은 컴프레션Excellent heat resistance, low compression

이때 상기 이온교환막으로는 이에 한정하는 것은 아니나, 실험도중 일본 도쿠야마사 제품을 사용하였으며, 다양한 종류의 이온교환막이 존재하나 본 연구에서는 연구의 우선 목적인 상용화에 맞추어 물성이 강한 이온교환막(AMX, CMX)를 사용하였다. In this case, the ion exchange membrane is not limited thereto, but Tokuyama Co., Ltd. was used during the experiment, and there are various types of ion exchange membranes, but in this study, ion exchange membranes having strong physical properties (AMX, CMX) in accordance with commercialization, which is the priority of the research, were used. ) Was used.

본 발명에서 사용된 이온교환막의 특성은 하기표 2와 같다.The characteristics of the ion exchange membrane used in the present invention are shown in Table 2 below.

목록List 양이온 교환막Cation exchange membrane 음이온 교환막Anion exchange membrane 타입type 강산성 양이온 침투가능Strongly acidic cation can penetrate 강염기성 음이온 침투가능Strong basic anion can penetrate 특징Characteristic 기계적 강도 높음(Na-형상)High mechanical strength (Na-shape) 기계적 강도 높음(Cl-형상)High mechanical strength (Cl-shaped) 전기저항Electrical resistance 1.8-3.81.8-3.8 2.0-3.52.0-3.5 Burst 강도Burst strength ≥0.40≥0.40 ≥0.30≥0.30 두께thickness 0.14-0.200.14-0.20 0.12-0.180.12-0.18 적용 apply 유장의 탈미네랄화 유기물의 정제 무기물의 농축 수크로오스의 탈미네랄화 연마수의 탈염화Purification of demineralized organics of whey Demineralization of concentrated sucrose of minerals Demineralization of abrasive water 유장의 탈미네랄화 유기물의 정제 무기물의 농축 Concentration of Purified Minerals of Demineralized Organics in Whey

실험재료Experimental material

나아가, 본 발명에서 사용되는 실험재료에 대하여 살펴본다. Furthermore, look at the experimental material used in the present invention.

원수로는 하폐수면 모두 사용가능하지만, 하수처리장 2차 침전조 유출수를 직접 샘플링하여 원수로 사용하였다. 이는 생물반응 잔류 유기물(ROM)이 포함되어 있어 유기물의 전처리라는 연구목적에 부합하기 때문이며, 최종 방류수의 경우 염소소독 또는 기타 소독처리 공정 후단에서 유입되는 염소나 기타 산화제가 이온교환막의 성능을 크게 저하시킬 가능성이 상존하므로 사용한 것이다. Raw water can be used for both sewage and sewage, but the sewage treatment plant secondary sedimentation effluent was directly sampled and used as raw water. This is because it contains bio-residual organic matter (ROM), which satisfies the research purpose of pretreatment of organic matter. In the case of final effluent, chlorine or other oxidants introduced at the end of chlorine disinfection or other disinfection treatment process greatly degrade the performance of the ion exchange membrane. There is a possibility that it will be used.

산화철 제조Iron oxide manufacturing

본 발명에서 유기물의 흡착제로는 산화철을 사용하였으며, 그 종류로는 비결정성 산화철입자, 자성을 띤 산화철 입자 2종을 선정하였다. In the present invention, iron oxide was used as an adsorbent for the organic material, and amorphous iron oxide particles and magnetic iron oxide particles were selected as the kinds thereof.

우선, 본 발명에서 분리막의 성능을 향상시키기 위한 비결정성 산화철입자의 제조방법은 다음과 같다. 즉, FeCl3 (특급시약, 동양화학, 한국) 55.847 g을 18 MΩ이상의 초순수 20 L에 완전히 녹인 다음 5N, 0.1N NaOH를 이용하여 pH를 8로 조정한다. pH를 8로 조절한 후 산화철을 모두 침전시키고 상등액은 버리는 형태로 계속해서 산화철을 씻어줌으로써 Cl-이온을 제거하였다. 본 실험에서는 최소 20회 이상 세척하여 실험을 수행하였다. First, the method for producing amorphous iron oxide particles for improving the performance of the separator in the present invention is as follows. That is, 55.847 g of FeCl 3 (Express reagent, Dongyang Chemical, Korea) are completely dissolved in 20 L of ultrapure water of 18 MΩ or more, and then the pH is adjusted to 8 using 5N and 0.1N NaOH. After adjusting the pH to 8, all iron oxides were precipitated and the supernatant was discarded to remove the Cl ions by continuously washing the iron oxides. In this experiment, the experiment was performed by washing at least 20 times.

또한, 자성을 띤 산화철 입자는 비결정성 산화철입자의 용수와 흡착제간의 분리능 개선의 가능성을 평가하고자 적용한 것으로 본 발명에서 분리막의 성능을 향상시키기 위한 제조방법은 다음과 같은 2가지로 나눌 수 있다. In addition, the magnetic iron oxide particles are applied to evaluate the possibility of improving the separation ability between the water and the adsorbent of the amorphous iron oxide particles in the present invention can be divided into the following two methods for improving the performance of the membrane.

첫 번째는 90℃의 물 속에 지속적으로 질소를 공급하여 무산소 조건에서 제조하는 방법, 두 번째는 산소를 제거한 물에 지속적으로 질소를 공급하는 무산소 조건에서 2가철과 3가철을 1:2 비율로 넣어 침전시켜 제조하는 방법이다.The first method is to prepare nitrogen in anoxic conditions by continuously supplying nitrogen in water at 90 ° C. The second is to add 1: 2 ratio of ferric iron and trivalent iron in anoxic conditions that continuously supply nitrogen to oxygen-free water. It is a method of preparing by precipitation.

이중 첫번째 방법인 가열침전법은 입자의 크기가 크므로 침전이 용이하다는 장점이 있는 반면 흡착면적이 좁은 단점이 있고, 두번째 실온침전법의 경우 입자의 크기가 작아 침전이 용이하지 않은 단점이 있으나, 흡착면적이 가열법으로 제조된 산화철에 비해 넓으므로 유기물 제거능이 뛰어나다는 장점이 있다. The first method of the heat precipitation method has the advantage of easy sedimentation because the particle size is large, but has a disadvantage of narrow adsorption area, and the second room temperature sedimentation method has the disadvantage that precipitation is not easy due to the small particle size. Since the adsorption area is wider than iron oxide produced by the heating method, there is an advantage that the organic matter removal ability is excellent.

다음에 2종류의 자성을 띤 산화철 입자 제조법을 구체적으로 정리하였다.Next, a method of producing two kinds of magnetic iron oxide particles was described in detail.

<열처리법><Heat treatment method>

1) 80 g의 FeSO4ㆍ7H2O를 질소가 공급된 초순수에 녹인다. 1) Dissolve 80 g of FeSO 4 · 7H 2 O in ultrapure water supplied with nitrogen.

2) 외부와의 공기순환이 차단된 유리반응조를 만들어 무산소조건에서 질소를 계속 공급하고 온도계로 모니터링하면서 반응온도를 90℃로 조절한다. 2) Create a glass reaction tank that is blocked from air circulation to the outside and supply nitrogen under anoxic conditions and monitor the temperature with a thermometer to adjust the reaction temperature to 90 ℃.

3) 온도가 90℃에 도달하면 240 ml의 산소없는 초순수에 6.46 g KNO3, 44.9 g KOH를 녹여 그 용액을 약 5분간에 걸쳐 반응을 확인하며 주입한다. 3) When the temperature reaches 90 ℃, dissolve 6.46 g KNO 3 and 44.9 g KOH in 240 ml of oxygen-free ultrapure water and inject the solution over 5 minutes to confirm the reaction.

4) 용액의 주입이 끝나면 약30-60분간 추가로 가열하고 밤새 식힌 다음 침전물을 씻어준다. 반응이 종료된 후에는 공기와의 차단이 필요없다. 4) After injecting the solution, heat it further for about 30-60 minutes, cool it overnight, and wash the precipitate. After the reaction is complete, no blocking with air is necessary.

<침전법><Precipitation Method>

1)FeCl3ㆍ6H2O 270.30 g과 FeCl2 198.81 g을 산소가 없는 초순수에 넣어 충분히 녹인다. 이후 질소를 공급하면서 5N, 0.1N NaOH를 이용하여 pH를 8로 맞춘 다음 생성된 산화철 침전물을 이용하였다. 1) Add 270.30 g of FeCl 3 · 6H2O and 198.81 g of FeCl 2 to the oxygen-free ultrapure water and dissolve it sufficiently. After adjusting the pH to 8 using 5N, 0.1N NaOH while supplying nitrogen, the resulting iron oxide precipitate was used.

실험절차Experimental procedure

구체적인 본 발명의 실험절차는 다음과 같다. Specific experimental procedures of the present invention are as follows.

먼저 하수처리장 유출수의 성상을 분석한 다음 전기투석을 실시하여 염제거효율과 막오염유발 물질을 예측 평가한다. First, the characteristics of the effluent from the sewage treatment plant are analyzed, and then electrodialysis is performed to predict and evaluate the salt removal efficiency and the membrane pollutant.

이후 원수투석결과를 바탕으로 얻게된 이온교환막 오염 유발물질의 기여도를 평가하기 위한 실험을 위해 유-무기 오염원중 오염 기여도가 큰 물질을 파악하여 적정 전처리 법을 도출한다. 그 결과 적정 전처리 법으로는 산화철을 이용한 오염유발물질의 흡착이 고려되었으며, 다양한 산화철의 종류에 따른 효율을 비교함으로써 본 연구의 목적에 부합하는 산화철종을 선정하였다. Subsequently, to evaluate the contribution of pollutants to the ion exchange membrane obtained based on the raw water dialysis results, an appropriate pretreatment method is derived by identifying the substances with high contribution from the organic-inorganic pollutants. As a result, adsorption of pollutants using iron oxide was considered as a proper pretreatment method, and iron oxide species suitable for the purpose of this study were selected by comparing the efficiency of various iron oxide types.

사용되는 산화철의 종류는 비결정성 산화철입자, 자성을 띤 산화철 입자 2종등 도합 3종이었으며, 이온교환막의 비가역적인 주요 오염원이 유기물(단백질)로 평가되었으므로 유기물 제거능 (TOC 제거능)을 기초로 하여 적정 산화철 종류를 선택하였다. The iron oxides used were three kinds, i.e., amorphous iron oxide particles and two magnetic iron oxide particles.The irreversible main source of ion exchange membrane was evaluated as organic matter (protein). Kind was selected.

상기 이온교환막은 그 양이온 교환막으로는 강산성 양이온 침투가능한 타입으로서 기계적 강도가 높은 Na 형상이고 전기저항은 1.8-3.8 범위내이고 Burst 강도가 0.40이상이고, 두께는 0.14-0.20 mm 범위내인 막을, 그리고 그 음이온 교환막으로는 강염기성 음이온 침투가능한 타입으로서 기계적 강도가 높은 Cl 형상이고 전기저항은 2.0-3.5 범위내이고 Burst 강도가 0.30이상이고, 두께는 0.12-0.18 mm 범위내인 막을 각각 사용함으로써 막의 오염은 저감하면서 하폐수는 효율적으로 처리할 수 있는 것이다. The ion exchange membrane is a cation exchange membrane strongly acidic cation-permeable type, having a high mechanical strength Na shape, an electrical resistance in the range of 1.8-3.8, a burst strength of at least 0.40, and a thickness in the range of 0.14-0.20 mm; and As the anion exchange membrane, a strong basic anion permeable type, which has a Cl-type with high mechanical strength, an electric resistance in the range of 2.0-3.5, a burst strength of 0.30 or more, and a thickness in the range of 0.12-0.18 mm, is used to contaminate the membrane. Wastewater can be treated efficiently while reducing

이상과 같이, 하폐수를 물리ㆍ화학적 전처리와 이온교환막을 이용한 전기투석법으로 처리하며, 이때 상기 물리ㆍ화학적 전처리는 산화철을 사용하여 처리하였다. As described above, the wastewater was treated by physical and chemical pretreatment and electrodialysis using an ion exchange membrane, wherein the physical and chemical pretreatment was treated using iron oxide.

분석방법Analysis method

분석방법을 정리하면 다음과 같다. The analysis method is as follows.

1) 전기적 특성분석1) Electrical Characteristic Analysis

전기적 특성분석은 크게 전압과, 전류측정으로 대변되며, 각 파라미터의 측정은 디지털 멀티미터(M3850D, Metex, Korea)를 사용하여 측정되었다. 또한 한계전류밀도의 측정은 프로그램 전원공급기(E3645A, Agilent, USA)를 이용하여 10초당 0.01V씩 전압을 증가시키도록 프로그래밍하여 엑셀의 동적데이터 교환 시스템을 이용하여 플로팅한 결과를 통해 산정하였다. Electrical characterization is largely represented by voltage and current measurements, and the measurement of each parameter was measured using a digital multimeter (M3850D, Metex, Korea). In addition, the measurement of the limit current density was calculated by the result of plotting using Excel's dynamic data exchange system by programming to increase the voltage by 0.01V per 10 seconds using a program power supply (E3645A, Agilent, USA).

2) 이온교환막 특성분석2) Ion Exchange Membrane Characterization

이온교환막의 특성 분석으로는 전기적 저항이 측정되었다. 전기적 저항의 측정은 깨끗한 이온교환막을 0.1 N NaCl 용액에 6시간이상 담근 후 0.1 N NaCl 용액으로 차있는 전기투석 모듈의 전해질 저항(Rs)을 측정하고 전처리한 이온교환막을 투석모듈에 장착한 후 디지털 멀티미터를 이용하여 저항을 측정(Rt)하였다. 순수학 이온교환막의 저항은 이온교환막 장착 후 총저항에서 전해질 저항의 차가 된다. 이온교환막의 순수 전기적 저항을 구하는 공식은 다음과 같다. In the characterization of the ion exchange membrane, the electrical resistance was measured. The electrical resistance was measured by immersing the clean ion exchange membrane in 0.1 N NaCl solution for 6 hours or more, measuring the electrolyte resistance (Rs) of the electrodialysis module filled with 0.1 N NaCl solution, and installing the pre-treated ion exchange membrane on the dialysis module. The resistance was measured (Rt) using a multimeter. Purity The resistance of the ion exchange membrane is the difference in electrolyte resistance in the total resistance after mounting the ion exchange membrane. The formula for the pure electrical resistance of the ion exchange membrane is as follows.

이온교환막 저항 계산식: Rm = Rt - Rs Ion exchange membrane resistance formula: Rm = Rt - Rs

3) 원수의 물리화학적 특성분석3) Physical and chemical characterization of raw water

원수의 물리화학적 특성분석을 다양한 형태로 진행하였다. Physical and chemical characterization of raw water was carried out in various forms.

먼저 수소이온농도는 pH 측정기(pH340i, WIW, Germany)를 이용하여 측정하였으며, 모든 데이터는 25℃로 보정하였고, 표기값의 소숫점 둘째자리가 10초 이상 정치되어 안정화 되었을 때 측정하였다. First, the hydrogen ion concentration was measured using a pH meter (pH340i, WIW, Germany), and all data were calibrated at 25 ° C. When the second decimal point of the indicated value was stabilized for more than 10 seconds.

전기전도도는 전도도계(Cond340i, WTW, Germany)를 이용하여 측정하였으며, UV254는 분광광도계 (DR-4000, Hach, USA)를이용하여 석영 셀에 254nm 파장으로 측정하였다. Electrical conductivity was measured using a conductivity meter (Cond340i, WTW, Germany), and UV 254 was measured at 254 nm wavelength in a quartz cell using a spectrophotometer (DR-4000, Hach, USA).

총 유기탄소 분석은 총 유기탄소 분석기(Sievers 820, GE, USA)를 이용하여 분석하였으며, 탁도는 탁도계(2100P, Hach, USA)를 이용하여 측정하였다. 알칼리도는 적정법을 통해 측정하였고, Standard Method에 준하여 수동 적정을 통해 분석한 후 CaCO3 형태로 단위를 변환하였다. Total organic carbon analysis was analyzed using a total organic carbon analyzer (Sievers 820, GE, USA), and turbidity was measured using a turbidimeter (2100P, Hach, USA). The alkalinity was measured by titration method, and the unit was converted to CaCO 3 form after analysis by manual titration according to the Standard Method.

4) 산화철 입도분석4) Iron oxide particle size analysis

제조된 산화철의 특성 분석을 위해 입도 분석을 수행하였으며, 입도 분석은 레이저 입도분석기 (LS 13320, Beckman Coulter, USA)를 사용하였다. 분석조건은 이동상으로 초 순수를 사용하였으며 분석모듈은 ULM(Universal Liquid Module)를 사용하여 3회 분석하여 통계 처리하였다. Particle size analysis was performed to characterize the prepared iron oxide, and a particle size analysis was performed using a laser particle size analyzer (LS 13320, Beckman Coulter, USA). Ultra pure water was used as the mobile phase, and the analysis module was statistically analyzed three times using a ULM (Universal Liquid Module).

5) 무기물 분석 5) mineral analysis

무기물의 분석은 양이온의 경우 유도결합 플라즈마 발광광도법을 이용하여 분석하였으며 모든 시료는 Standard Method 의 ICP 전처리법에 준하여 시료를 준비한 후 Miramist Nebulizer, RF coil 1300W 상태에서 유도결합 플라즈마 발광광도계 (DV2100, PerkinElmer, USA)를 통해 분석하였다. 음이온은 이온크로마토그래피법으로 분석하였으며, 탄산염 버퍼를 이동상으로 하여 분당 1.2ml의 속도로 이온크로마토그래피(DX 5000,Dionex, USA)를 이용하여 분석하였다.In the case of cations, inductively coupled plasma luminescence spectroscopy was conducted. All samples were prepared according to standard method ICP pretreatment method. USA). Anions were analyzed by ion chromatography, and ion chromatography (DX 5000, Dionex, USA) was analyzed at a rate of 1.2 ml / min using carbonate buffer as a mobile phase.

6) 유기물 분석6) Organic matter analysis

유기물의 분석은 복합 다당류와 단백질을 분석하였으며, 각 분석법은 단백질의 경우 Frolund, 1996에 창안한 Folin-Ciocalteau's phenol reagent법을 이용하였다. 프로시저는 다음과 같으며, Lowery Regent Solution (sigma, USA) 0.5 ml를 Folin-Ciocalteau's phenol reagent (Sigma, USA) 0.1 ml를 넣은 다음 실온에서 45분간 반응시키고 750 nm에서 분광광도계를 이용하여 흡광도를 측정하였다. 복합 다당류의 경우 Debois, 1956에 창안한 Phenol법으로 측정하였으며, 프로시저는 다음과 같다. 먼저 샘플 2 ml를 튜브에 넣고 80 wt% phenol을 0.05 ml를 넣는다. 그리고 재빨리 농황산(특급, 동양화학, 한국) 5 ml를 주입하여 10분간 상온에서 반응시키고 25-30 C의 항온수조에 추가로 반응시킨 후 분광광도계를 이용하여 490 nm 파장에서 흡광도를 측정한다. For the analysis of organics, complex polysaccharides and proteins were analyzed. For each protein, Folin-Ciocalteau's phenol reagent was developed by Frolund, 1996. The procedure is as follows.Add 0.5 ml of Lowery Regent Solution (sigma, USA) to 0.1 ml of Folin-Ciocalteau's phenol reagent (Sigma, USA), react for 45 minutes at room temperature, and absorbance at 750 nm using a spectrophotometer. Measured. The complex polysaccharide was measured by the Phenol method invented in Debois, 1956. The procedure is as follows. First, 2 ml of sample is added to the tube and 0.05 ml of 80 wt% phenol is added. Then, 5 ml of concentrated sulfuric acid (Express, Dongyang Chemical, Korea) is quickly injected, reacted at room temperature for 10 minutes, and further reacted in a constant temperature bath at 25-30 C, and then absorbance is measured at 490 nm using a spectrophotometer.

7) 이온교환막 전처리 7) Ion exchange membrane pretreatment

이온교환막의 오염물질 탈착은 다음과 같은 방법으로 이루어졌다. 투석이 끝난 이온 교환막을 각각 0.1 N NaOH 용액에 담그어 1시간동안 강하게 초음파 세척하여 유기물을 탈착하고, 수산화 나트륨 용액에서 탈착한 이온교환막을 다시 0.1 N HCl에 담그어 1시간동안 강하게 초음파 세척함으로써 무기물을 탈착하였다. 그리고 얻어진 시료를 메스플라스크에 담아 100 ml로 맞추고 분석하였다. Contaminant desorption of the ion exchange membrane was carried out in the following manner. Each dialysis ion exchange membrane was soaked in 0.1 N NaOH solution and strongly ultrasonically cleaned for 1 hour to desorb organic matter, and the ion exchange membrane desorbed from sodium hydroxide solution was again soaked in 0.1 N HCl for 1 hour strongly ultrasonic cleaning to desorb inorganic matter. It was. The sample thus obtained was placed in a volumetric flask, adjusted to 100 ml, and analyzed.

참고) 데이터 QC/QA 방안Reference) Data QC / QA Scheme

데이터의 QC/QA를 위해 모든 실험은 Standard Method에 준하여 실시되었으며, 기기분석의 경우 분석전에 표준용액을 측정 또는 보정함으로써 데이터의 신뢰성을 확보하였다. 또한 모든 분석은 오차를 줄이기 위해 최소 3회 이상 분석하여 평균한 데이터를 사용하였다. For the QC / QA of the data, all experiments were conducted according to the Standard Method. In the case of instrument analysis, the reliability of the data was secured by measuring or calibrating the standard solution before analysis. In addition, all the analyzes used data averaged three times or more to reduce the error.

<실험예>Experimental Example

가. 산화철 입자흡착 전처리에 의한 end. By iron oxide particle adsorption pretreatment 막오염Membrane fouling 저감Reduction

막오염 원인물질 분석, 물질별 오염기여도 평가, 전기적 저항변화 실험등을 통해 전처리 대상 물질을 선정하였고 그 목적에 맞는 전처리법으로 산화철을 이용한 집적여과 가능한 평가를 수행하였다. 산화철은 총 3종이 평가되었으며, 비결정성 산화철입자와 자성을 띤 산화철 입자 2종이 실험에 사용되었으며 유기물의 제거 효율 평가가 가장 중요한 이슈이므로 TOC 제거능 평가가 가장 우선적으로 고려되었고, 입도분석을 통한 산화철 입자의 특성 역시 평가되었다. 그 결과를 하기표 3에 정리하였다. Materials to be treated by pretreatment were analyzed through analysis of the cause of membrane fouling, evaluation of pollution contribution by materials, and electrical resistance change experiments. A total of three types of iron oxides were evaluated. Two types of amorphous iron oxide particles and magnetic iron oxide particles were used in the experiment, and evaluation of removal efficiency of organic matters was the most important issue. Therefore, TOC removal performance was considered first, and iron oxide particles through particle size analysis Was also evaluated. The results are summarized in Table 3 below.

시간에 따른 산화철 종별 TOC 제거량(단위 mg/L)Iron oxide type TOC removal by time (unit mg / L) 타입type 시간(분)Minutes Difference(mg/L)Difference (mg / L) 효율(%) efficiency(%) 00 1010 3030 6060 120120 비결정성 산화철입자Amorphous iron oxide particles 3.073.07 1.581.58 1.481.48 1.431.43 1.381.38 1.691.69 55.0555.05 자성을 띤 산화철 입자(침전물)Magnetic Iron Oxide Particles (Sediments) 3.073.07 1.151.15 1.31.3 1.081.08 1.031.03 2.042.04 66.4566.45 자성을 띤 산화철 입자(가열)Magnetic Iron Oxide Particles (Heating) 3.073.07 2.982.98 2.632.63 2.522.52 1.551.55 1.521.52 49.5149.51

상기표에서 보듯이, 유기물 제거능은 자성을 띤 산화철 입자(침전법)> 비결정성 산화철입자> 자성을 띤 산화철 입자(열처리법) 순으로 나타났으며 자성을 띤 산화철 입자 열처리법의 경우 타 산화철과 다른 오염물 제거 경향을 나타내었다. As shown in the above table, the organic matter removal ability was shown in the order of magnetic iron oxide particles (precipitation method)> amorphous iron oxide particles> magnetic iron oxide particles (heat treatment method), and in the case of magnetic iron oxide particle heat treatment method, Other contaminant removal trends were shown.

타 산화철의 경우 초기 흡착속도가 매우 빨라 20분 이내 대부분의 흡착반응이 완료되는 것으로 파악되는 반면 열처리법으로 제조된 자성을 띤 산화철 입자의 경우 지속적인 흡착을 통해 유기물의 농도가 감소함을 확인할 수 있었다(도 3 참조). In the case of other iron oxides, the initial adsorption rate was so fast that most of the adsorption reactions were found to be completed within 20 minutes, while in the case of magnetic iron oxide particles prepared by heat treatment, the concentration of organic matter was decreased through continuous adsorption. (See Figure 3).

또한, 본 실험결과 침전법으로 제조된 자성을 띤 산화철 입자의 TOC 제거율이 가장 높은 것으로 평가되었기에 산화철을 이용한 집적여과에서 적정 산화철 종은 침전제법으로 만들어진 자성을 띤 산화철 입자 종으로 결정하였다. In addition, the TOC removal rate of the magnetic iron oxide particles produced by the precipitation method was evaluated to be the highest. Therefore, the optimal iron oxide species in the integrated filtration using iron oxide was determined as the magnetic iron oxide particle species produced by the precipitation method.

한편, 비결정성 산화철입자를 이용한 유기물 제거능을 평가한 결과 TOC 기준 제거량은 120분을 기준으로 0.845 mg 으로 파악할 수 있었다. 이는 3종의 산화철 중 두번째로 높은 TOC 제거율이다. On the other hand, as a result of evaluating the ability to remove organic matter using amorphous iron oxide particles, the TOC reference removal amount was found to be 0.845 mg based on 120 minutes. This is the second highest TOC removal rate among the three iron oxides.

본 연구에서는 흡착제로서 자성을 띤 산화철 입자 2종을 선택하였다. 자성을 띤 산화철 입자를 흡착제로 선택한 이유는 비결정성 산화철입자의 경우 유기물 흡착능은 좋으나 분리에 어려움이 있기 때문이다. 따라서 자기력을 이용하여 분리의 가능성을 모색할 수 있는 자성을 띤 산화철 입자를 흡착제로 적용함으로써 다양한 산화철의 분리막 적용가능성을 평가하였다. 모든 자성을 띤 산화철 입자는 극성을 띠고 있어 자기력으로 분리가 가능하나, 그 제법에 따라 흡착제의 특징이 달라지므로 2가지 제법을 모두 이용하여 실험을 수행하였다. In this study, two magnetic iron oxide particles were selected as adsorbents. The reason why magnetic iron oxide particles are selected as an adsorbent is that amorphous iron oxide particles have good organic material adsorption capacity but are difficult to separate. Therefore, the applicability of various iron oxide membranes was evaluated by applying magnetic iron oxide particles, which can be used for magnetic separation, as an adsorbent. All magnetic iron oxide particles have polarity and can be separated by magnetic force. However, since the characteristics of the adsorbent vary depending on the preparation method, experiments were performed using both methods.

열처리법을 통해 제조된 자성을 띤 산화철 입자의 성능평가 결과는 다음과 같다. TOC 제거율은 120분 기준으로 0.76 mg 으로써 제조된 산화철 중 가장 낮은 흡착율을 보여주었다. 또한 입도 분석결과 평균 입경이 19.53 μm 중앙입경이 6.808 μm으로 측정되었다. 이는 평균값/중앙값 비(입도분포율)가 2.869로 균일한 사이즈의 제조가 이루어지지 않았음을 확인할 수 있었다(도 4 참조). Performance evaluation results of the magnetic iron oxide particles produced by the heat treatment method are as follows. The TOC removal rate was 0.76 mg based on 120 minutes, showing the lowest adsorption rate among the prepared iron oxides. As a result of particle size analysis, the average particle size was 19.53 μm and the median particle size was 6.808 μm. This confirmed that the average size / median ratio (particle size distribution ratio) of 2.869 was not produced in a uniform size (see Fig. 4).

침전법을 통해 제조된 magetite의 성능 평가 결과 3종의 산화철 중 가장 높은 TOC 제거율을 보여주었으며 120분동안 약1.02 mg의 TOC를 제거하였다. 입도분석결과 평균값은 14.29㎛, 중앙값은 12.31 μm로 측정되었다. 이는 분포율이 1.161로써 상당히 균일한 형태의 입자가 제조되었음을 확인할 수 있었다. The performance evaluation of the magetite prepared by the precipitation method showed the highest TOC removal rate among the three iron oxides, and about 1.02 mg of TOC was removed for 120 minutes. As a result of particle size analysis, the average value was 14.29㎛ and the median value was 12.31μm. This was confirmed that the distribution ratio of 1.161 to prepare a fairly uniform particle shape.

나. 전기투석 공정의 최적화 I. Optimization of the electrodialysis process

지금까지의 연구를 바탕으로 하여 정밀여과/집적여과/전기투석이 혼재된 형태의 최적 공정으로 설계한 실험실 규모의 전기투석장치(상술한 장치)로 투석실험을 실시하였다. Based on the previous studies, dialysis experiments were carried out with a laboratory-scale electrodialysis apparatus (described above) designed as an optimal process in the form of a mixture of microfiltration, integrated filtration, and electrodialysis.

콜로이드 물질을 제거하기 위해 정밀여과막으로 전처리한 원수를 침전 제법으로 만든 자성을 띤 산화철 입자 산화철에 2차 처리를 수행하였다. 이후 적정전류밀도에서 투석하여 다음과 같은 결과를 얻었다. In order to remove the colloidal material, the raw water pretreated with the microfiltration membrane was subjected to secondary treatment on the magnetic iron oxide particles iron oxide produced by the precipitation method. After dialysis at the proper current density to obtain the following results.

혼성전기투석공정을 기존 투석 공정과 비교하였을 때 염의 총괄 제거속도의 경우 기존 공정은

Figure 112007064863200-PAT00001
였으나, 혼성공정은
Figure 112007064863200-PAT00002
으로써 약20%의 염제거 속도향상을 이루었다(도 5). 초기 120분간의 염 제거 속도는 기존 공정과 혼성 공정 모두
Figure 112007064863200-PAT00003
으로 큰 차이가 없었으나, 추가로 기존 공정의 경우 막오염의 증가에 기인한 전류밀도 감소로 인해 염 제거 속도가 감소한 것으로 판단된다. When comparing the hybrid electrodialysis process with the existing dialysis process, the overall process of salt removal is
Figure 112007064863200-PAT00001
The hybrid process
Figure 112007064863200-PAT00002
As a result, about 20% of the salt removal rate was improved (FIG. 5). Salt removal rate of the initial 120 minutes is better for both conventional and hybrid processes
Figure 112007064863200-PAT00003
However, there was no significant difference, but in the case of the existing process, the salt removal rate was reduced due to the decrease in current density due to the increase of membrane contamination.

pH, 총 용존고형물량, 총 유기탄소량, UV254, 탁도의 제거능을 비교한 결과는 표 4에 정리하였다. Table 4 shows the results of comparing pH, total dissolved solids content, total organic carbon content, UV 254 and turbidity.

기존 전기투석공정과 혼성공정의 처리수 수질 비교Comparison of Treated Water Quality in Conventional Electrodialysis and Hybrid Processes 타입type 원수enemy ED 단독ED sole ED+1OPED + 1OP pHpH 7.557.55 7.067.06 7.287.28 TDS(㎲/cm2)TDS (㎲ / cm 2 ) 789789 197.5197.5 102.4102.4 TOC(mg/L)TOC (mg / L) 3.653.65 3.373.37 1.011.01 UV254UV254 0.0760.076 0.0680.068 0.0560.056 Turbidity (NTU)Turbidity (NTU) 1.181.18 0.1860.186 0.1620.162

그 결과. 총 유기탄소량의 경우 기존 전기투석공정 대비 약 842%의 제거능 향상이 있었으며, UV254의 경우 138%의 괄목할 만한 성능 향상을 이루었다. As a result. In the case of total organic carbon, the removal performance was improved by about 842% compared to the existing electrodialysis process, and in the case of UV254, the performance was remarkably improved by 138%.

한편, 이온교환막의 가역적 전기저항 변화추이는 표 5에 정리하였다. On the other hand, the reversible change in the electrical resistance of the ion exchange membrane is summarized in Table 5.

기존 전기투석 공정과의 혼성공정의 가역적 전기저항 변화 및 효율 비교 Comparison of Reversible Electrical Resistance and Efficiency of Hybrid Process with Existing Dialysis Process 저항(Ω/cm2)Resistance (Ω / cm 2 ) ED 단독ED sole IOP+EDIOP + ED 효율(%) efficiency(%) VirginVirgin FouledFouled VirginVirgin FouledFouled CXM CXM 2.72.7 3.13.1 2.912.91 3.383.38 -17.5 -17.5 0.40.4 0.470.47 AXM AXM 4.74.7 5.35.3 3.713.71 4.024.02 51.7 51.7 0.60.6 0.310.31

상기표에서 보듯이, 양이온교환막의 경우 기존공정에 비해 집적공정이 약0.07Ω/cm2 17.5%의 저항 증가가 있었지만, 음이온교환막의 오염 경향을 살펴보면 집적공정 도입에 따른 막저항이 0.29Ω/cm2 가량 감소한 것으로 기존 공정 대비 약48.3% 개선된 것으로 나타났다. 이는 막저항을 유발하는 주요 원인물질을 집적 여과를 통해 제거하였기 때문인 것으로 해석할 수 있다. As shown in the table above, in the case of cation exchange membranes, the integration process showed a resistance increase of about 0.07Ω / cm 2 17.5% compared to the existing process, but when looking at the contamination tendency of the anion exchange membrane, the membrane resistance was 0.29Ω / cm The decrease by 2 was about 48.3% improvement compared to the existing process. This may be interpreted as the main cause of membrane resistance was removed through integrated filtration.

나아가 이온교환막의 비가역적 전기저항 변화추이는 표 6에 정리하였다. Furthermore, the change of the irreversible electrical resistance of the ion exchange membrane is summarized in Table 6.

기존 전기투석공정과의 혼성공정의 비가역적 전기저항 변화 및 효율 비교Comparison of Irreversible Electrical Resistance and Efficiency of Hybrid Process with Existing Dialysis Process 저항(Ω/cm2)Resistance (Ω / cm 2 ) ED 단독ED sole IOP+EDIOP + ED 효율(%) efficiency(%) VirginVirgin FouledFouled VirginVirgin FouledFouled CXM CXM 2.72.7 2.742.74 2.912.91 2.942.94 25 25 0.040.04 0.030.03 AXM AXM 4.74.7 5.155.15 3.713.71 3.903.90 57.8 57.8 0.450.45 0.190.19

얻어진 결과를 살펴보면, 양이온교환막의 경우 기존 공정 대비 약 0.01 Ω/cm2 25%의 저항이 감소한 것으로 나타났으며, 음이온 교환막의 경우 약 0.26 Ω/cm2 42.2%의 저항이 감소한 것으로 나타났다. As a result, the cation exchange membrane showed a decrease in resistance of about 0.01 Ω / cm 2 25% compared to the conventional process, and the anion exchange membrane showed a decrease in resistance of about 0.26 Ω / cm 2 42.2%.

이는 비가역적 오염은 막의 영구적 손상을 의미하여 화학적 세정이 불가능하고, 막을 새것으로 교체해야 하는 경제적 부담이 매우 크게 작용하므로 음이온 교환막의 비각역적 전기저항 감소는 매우 괄목할만한 연구 성과라 할 수 있다. This implies that irreversible contamination means permanent damage to the membrane, so that chemical cleaning is impossible, and the economic burden of replacing the membrane with a new one is very large, and thus the reduction of the non-reciprocal electrical resistance of the anion exchange membrane is a remarkable research achievement.

본 발명에 따르면, 기술적 측면에 있어 1) 수자원의 낭비를 최소화하고 예상되는 용수부족과 건천(dry river) 문제를 해결할 수 있고, 수질 생태계의 오염부하량을 줄이고 댐 건설 등에 의한 생태계 파괴 및 예산낭비를 최소화할 수 있는 하폐수의 고도처리, 재생 및 재이용을 위한 기반기술로 활용할 수 있고, 2) 특히, 산업과 관련하여 염색공단의 산업폐수 재이용 등에 전기투석 기술을 적용할 경우 처리수의 고도화 및 안정적 수질확보에 핵심적인 역할을 할 것이며, 3) 물리ㆍ화학적 전처리 기술과 전기투석 막분리 기술을 조합함으로써 염 제거 효율을 극대화하게 되어 농업용수, 공업용수, 유지용수 등으로 완벽하게 재생이 가능한 처리수를 생산할 수 있고, 집적여과 전처리로 전기토석 분리막의 오염을 최소화함으로써 시스템의 경제성을 혁신적으로 향상시킬 수 있으며, 4) 하폐수의 생물학적 고도처리에서 발행하는 미생물 슬러지 등과 같은 2차 오염물 문제를 최소화할 수 있고, 화학응집, 침전 등과 같은 전처리 대신 재생이 용이한 집적여과 공정을 사용함으로써 화학 슬러지의 발생도 최소화할 수 있고, 5) 탈염을 위해 적용되고 있는 고압의 나노/역삼투 막여과 공정에 비해 에너지 효율성이 높은 기술의 개발 및 활용이 기대된다. According to the present invention, the technical aspects 1) minimize the waste of water resources, solve the expected water shortage and dry river problems, reduce the pollution load of the water quality ecosystem, ecological destruction and budget waste due to dam construction, etc. It can be used as a base technology for advanced treatment, regeneration and reuse of wastewater, which can be minimized.2) In particular, when electrodialysis is applied to industrial wastewater reuse of dyeing complexes, the water quality and stable water quality 3) The combination of physical and chemical pretreatment technology and electrodialysis membrane separation technology will maximize salt removal efficiency, making it possible to completely recycle the treated water into agricultural water, industrial water, and maintenance water. Innovative system economics by minimizing the contamination of electrocivil membranes with integrated filtration pretreatment 4) It is possible to minimize secondary pollutant problems such as microbial sludge which is issued in advanced biological treatment of sewage water, and it is possible to minimize the problem of chemical sludge by using an easy regeneration integrated filtration process instead of pretreatment such as chemical flocculation and sedimentation. 5) It is expected to develop and utilize technology that is more energy efficient than high pressure nano / reverse osmosis membrane filtration process applied for desalination.

또한, 경제ㆍ산업적 측면을 보면, 1) 전체 물 이용의 약 1/4를 차지하는 가정용수의 사용후 발생하는 하폐수의 고도처리 및 재이용 기술 개발은 수자원 재이 용 환경산업의 성장뿐만 아니라 관련 산업 분야인 건설, 각 산업체의 환경설비 분야의 시장 창출에 기여할 수 있고, 2) 현재, 유기물 및 영양염류 제거를 위한 하폐수의 고도처리 기술외에 탈염 기술의 재이용의 핵심기술로써 수처리 산업의 선진화와 관련하여 향후 5년 내에 가장 큰 수요가 예상되며, 본 연구에서 개발된 기술이 이 분야에서 경쟁력있는 기술로 일조할 수 있을 것으로 예상되며, 3) 환경친화적 산업구조로의 개편을 촉진시킴으로써 지자체, 기업 등의 이미지 개선 및 국제적 경쟁력 구축하고 하폐수의 재생 및 재이용과 관련된 각종 신기술 개발 및 산업설비의 첨단화에 기여할 수 있으며, 4) 전기투석막의 개발 촉진, 효율적인 전처리 시스템의 개발 등으로 관련 분야의 국내 기술과 산업을 활성화시킴으로써 핵심 기술의 국산화를 유도하여 수입대체 및 수출촉진을 기대할 수 있고, 5)개발될 전기투석 막분리 신공정의 에너지 효율성 확보로 인해 고압 역삼투 공정에 비해 1/5이하로의 운전비용 절감을 기대할 수 있다. In addition, in terms of economic and industrial aspects, 1) the development of advanced treatment and recycling technologies for wastewater generated after the use of domestic water, which accounts for about one quarter of the total water use, is not only related to the growth of water recycling environment industry, but also related industries. It can contribute to the construction and market creation of environmental facilities of each industry.2) At present, as a key technology for reuse of desalination technology as well as advanced treatment technology of sewage water for organic and nutrient removal, The greatest demand is expected within the year, and the technology developed in this study is expected to be a competitive technology in this field, and 3) the improvement of the image of local governments and companies by promoting the reorganization into an environment-friendly industrial structure. And develop international competitiveness, and contribute to the development of new technologies and advanced industrial facilities related to the recycling and reuse of sewage water. 4) By promoting the development of electrodialysis membranes and the development of efficient pretreatment systems, domestic technologies and industries in related fields can be activated to induce the localization of key technologies, and import substitution and export promotion can be expected. Due to the energy efficiency of the new membrane separation process, the operating cost can be expected to be less than 1/5 of the high pressure reverse osmosis process.

도 1은 본 발명의 일 실시예로서 사용된 실험실 규모의 전기투석 장치의 개요도, 1 is a schematic diagram of a laboratory scale electrodialysis apparatus used as an embodiment of the present invention;

도 2는 도 1에 도시한 전기투석장치의 설치한 상태를 도시한 도면, 2 is a view showing a state in which the electrodialysis apparatus shown in FIG.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 시간에 따른 TOC 변화율을 도시한 그래프, 3 is a graph showing the rate of change of the TOC over time according to an embodiment of the present invention,

도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 산화철 입자의 입도분석 결과를 도시한 그래프, Figure 4 is a graph showing the particle size analysis results of the iron oxide particles according to an embodiment of the present invention,

도 5는 본 발명에 의한 혼성 전기투석공정과 기존의 전기투석 공정 단독 수행시 염의 총괄 제거속도를 대비한 그래프, 그리고 도 6은 본 발명에 따른 수처리 공정의 개략도. 5 is a graph comparing the total removal rate of salts when performing the hybrid electrodialysis process and the conventional electrodialysis process according to the present invention, and FIG. 6 is a schematic view of a water treatment process according to the present invention.

Claims (13)

18 MΩ이상의 초순수에 FeCl3를 중량비 92:100 (철/초순수) 이하로 혼합하여 완전히 녹인 다음 pH를 7로 중화하여 1~100 μm의 범위를 갖는 비결정성의 산화철 입자를 제조하는 방법FeCl 3 is mixed in ultrapure water of 18 MΩ or more in a weight ratio of 92: 100 (iron / ultra pure water) or less to completely dissolve, and then neutralizes the pH to 7 to produce amorphous iron oxide particles having a range of 1 to 100 μm. FeCl3 55.847 g을 18 MΩ이상의 초순수 20ℓ에 완전히 녹인 다음 5N, 0.1N NaOH를 이용하여 pH를 8로 조정하는 단계; 및 Completely dissolving 55.847 g of FeCl 3 in 20 L of ultrapure water of 18 MΩ or more, and then adjusting the pH to 8 using 5N and 0.1N NaOH; And 산화철을 모두 침전시키고 상등액은 버리는 형태로 계속해서 산화철을 씻어줌으로써 Cl-이온을 제거하고 비결정성 산화철입자를 얻는 단계; 를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 비결정성의 산화철 입자를 제조하는 방법Continuously washing the iron oxide in the form of precipitating all of the iron oxide and discarding the supernatant, thereby removing Cl ions and obtaining amorphous iron oxide particles; Method for producing amorphous iron oxide particles, characterized in that consisting of 18 MΩ이상의 초순수에 FeSO4를 중량비 90:100 (철/초순수) 이하로 혼합하여 완전히 녹인 다음 pH를 7로 중화하여 1~100 μm의 범위를 갖는 자성을 띠는 비결정성의 산화철 입자를 제조하는 방법.FeSO 4 is mixed in ultrapure water of 18 MΩ or more in a weight ratio of 90: 100 (iron / ultra pure water) or less to completely dissolve and neutralizes the pH to 7 to produce magnetic iron oxide particles having magnetic range having a range of 1 to 100 μm. Way. FeSO4ㆍ7H2O 80 g을 질소가 공급된 초순수에 녹이는 단계; Dissolving 80 g of FeSO 4 7H 2 O in ultrapure water supplied with nitrogen; 외부와의 공기순환이 차단된 유리반응조를 만들어 무산소조건에서 질소를 계속 공급하고 온도계로 모니터링하면서 반응온도를 90℃로 조절하는 단계; Making a glass reaction tank in which air circulation to the outside is blocked, and continuously supplying nitrogen under anoxic conditions and adjusting the reaction temperature to 90 ° C. while monitoring with a thermometer; 온도가 90℃에 도달하면 240㎖의 산소없는 초순수에 6.46 g KNO3, 44.9 g KOH를 녹여 그 용액을 약 5분간에 걸쳐 반응을 확인하며 주입하는 단계; 및 Dissolving 6.46 g KNO 3 , 44.9 g KOH in 240 ml of oxygen free ultra pure water when the temperature reached 90 ° C. and injecting the solution while checking the reaction for about 5 minutes; And 용액의 주입이 끝나면 30-60 분간 추가로 가열하고 밤새 식힌 다음 침전물을 씻어서 자성을 띤 산화철 입자를 얻는 단계; 를 포함하여 이루어진 비결정성의 산화철 입자를 제조하는 방법At the end of injection of the solution, further heated for 30-60 minutes, cooled overnight, and washing the precipitate to obtain magnetic iron oxide particles; Method for producing amorphous iron oxide particles comprising a Fe Ⅱ / Fe Ⅲ 의 중량비를 2로 하여 산소가 없는 초순수에 넣어 충분히 녹인 후 질소를 공급하면서 pH를 8로 조절하여 얻어진 1~80 μm 크기의 자성을 띠는 비결정성 산화철 입자를 제조하는 방법. A method for producing amorphous iron oxide particles having magnetic size of 1 ~ 80 μm obtained by adjusting the pH to 8 while supplying nitrogen and dissolved in ultra pure water without oxygen at a weight ratio of Fe II / Fe III to 2. Fe Ⅱ 와 Fe Ⅲ로서 FeCl3ㆍ6H2O 270.30 g과 FeCl2 198.81 g을 산소가 없는 초순수에 넣어 충분히 녹이는 단계; 270.30 g of FeCl 3 ㆍ 6H 2 O and FeCl 2 as Fe II and Fe III Dissolving 198.81 g in oxygen free ultrapure water to sufficiently dissolve; 이후 질소를 공급하면서 5 N, 0.1 N NaOH를 이용하여 pH 8로 조절하는 단계, 및 Then adjusting to pH 8 using 5 N, 0.1 N NaOH while supplying nitrogen, and 생성된 산화철 침전물을 수집하고 자성을 띤 산화철 입자를 얻는 단계; 를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 비결정성의 산화철 입자를 제조하는 방법Collecting the resulting iron oxide precipitates to obtain magnetic iron oxide particles; Method for producing amorphous iron oxide particles, characterized in that consisting of 원수로부터 상기 제1항 내지 제6항중 어느 한 항의 방법에 의해 얻어진 산화철 입자를 이용하여 유기물을 흡착시키는 전처리 공정과, A pretreatment step of adsorbing organic matter from raw water using iron oxide particles obtained by the method of any one of claims 1 to 6, MF, UF, NF, RO 등으로 이루어지는 이온성 물질을 제거하는 전기투석 막분리 공정과, An electrodialysis membrane separation process for removing ionic substances consisting of MF, UF, NF, RO, and the like, 상기 전기투석 막분리 공정에서 발생한 농축폐액의 일부는 재순환시키고, 잔부는 폐기하는 공정과, Recycling a part of the concentrated waste liquid generated in the electrodialysis membrane separation process and discarding the remainder; 상기 전기투석 막분리 공정을 통해 이온성 물질을 제거한 최종 생산수를 저장하는 공정과, 및 Storing the final production water from which the ionic material is removed through the electrodialysis membrane separation process, and 최종 생산수에 소독액을 첨가하여 재이용가능한 최종 원수를 저장하는 공정,을 포함하여 이루어지는 산화철흡착법 및 막분리법을 결합한 고효율 수처리 시스템.A high-efficiency water treatment system combining iron oxide adsorption and membrane separation comprising the step of adding a disinfectant to the final product and storing the final raw water for reuse. 제7항에 있어서, 상기 전기투석장치는 유효 막 영역이 61.875 cm2 이고, 3쌍의 이온교환막이 교대로 장착되는 산화철흡착법 및 막분리법을 결합한 고효율 수처 리 시스템.8. The high efficiency water treatment system according to claim 7, wherein the electrodialysis apparatus has an effective membrane area of 61.875 cm 2 and combines iron oxide adsorption and membrane separation in which three pairs of ion exchange membranes are alternately mounted. 제7항에 있어서, 상기 전기투석장치는 plate and frame 모듈 또는 spiral module를 사용하는 것을 특징으로 하는 산화철흡착법 및 막분리법을 결합한 고효율 수처리 시스템. 8. The high efficiency water treatment system as claimed in claim 7, wherein the electrodialysis apparatus uses a plate and frame module or a spiral module. 제7항에 있어서, 상기 이온교환막으로는 양이온 교환막과 음이온 교환막으로 이루어지며, 상기 양이온 교환막은 강산성 양이온 침투가능한 타입 Na타입으로써 기계적 강도가 높고 전기저항은 1.8-3.8 Ω/cm2 범위내이고 Burst 강도가 0.40 KPa이상이고, 두께는 0.14-0.20 mm범위내인 막을 사용하며, 상기 음이온 교환막은 강염기성 음이온 침투가능한 Cl 타입으로서 기계적 강도가 높고 전기저항은 2.0-3.5 Ω/cm2 범위내이고 Burst 강도가 0.30 KPa 이상이고, 두께는 0.12-0.18 mm 범위 내인 막을 각각 사용하는 것을 특징으로 하는 산화철흡착법 및 막분리법을 결합한 고효율 수처리 시스템. The ion exchange membrane of claim 7, wherein the ion exchange membrane comprises a cation exchange membrane and an anion exchange membrane. The cation exchange membrane is a strongly acidic cation-permeable type Na, which has high mechanical strength and electric resistance within a range of 1.8-3.8 Ω / cm 2 and a burst strength. Is 0.40 KPa or more and the thickness is within the range of 0.14-0.20 mm, and the anion exchange membrane is a strong basic anion-infiltrating Cl type with high mechanical strength and electrical resistance within the range of 2.0-3.5 Ω / cm2 and burst strength. A high-efficiency water treatment system combining iron oxide adsorption and membrane separation, characterized in that each membrane is 0.30 KPa or more and uses a thickness in the range of 0.12-0.18 mm. 제7항에 있어서, 상기 이온교환막 세척시에는 NaOH, KOH 등 pH를 약 7~11정도로 조절하여 제조한 용액을 사용하거나 혹은 HCl 등 pH를 1~7정도로 조절한 용액 을 사용하는 것을 특징으로 하는 산화철흡착법 및 막분리법을 결합한 고효율 수처리 시스템. The method according to claim 7, wherein the ion exchange membrane is washed with a solution prepared by adjusting the pH of NaOH, KOH, etc. to about 7-11, or using a solution of adjusting the pH of 1-7, such as HCl. High efficiency water treatment system combining iron oxide adsorption and membrane separation. 제7항에 있어서, 상기 소독시에는 배출수 성상에 따라 잔류염소농도가 0.2 ppm내외를 유지할수 있는 수준으로 NaOCl 등의 소독약을 주입하는 것을 특징으로 하는 산화철흡착법 및 막분리법을 결합한 고효율 수처리 시스템. The method of claim 7, wherein the disinfectant is infused with iron oxide adsorption and membrane separation, in which disinfectants such as NaOCl are injected at a level capable of maintaining a residual chlorine concentration of about 0.2 ppm according to the discharge water properties. 제7항 내지 제12항중 어느 한 항에 의한 시스템에 의해 침전법으로 제조된 산화철입자를 이용한 전처리후 90%의 이온을 전기투석을 이용하여 제거하고 얻어진 비가역적 전기저항의 증분이 양이온교환막에서는 0.030 Ω/cm2 이고, 음이온교환막에서는 0.190 Ω/cm2 인 산화철흡착법 및 막분리법을 결합한 고효율 수처리 시스템.After the pretreatment using iron oxide particles prepared by the precipitation method by the system according to any one of claims 7 to 12, 90% of the ions are removed by electrodialysis and the increment of irreversible electrical resistance obtained is 0.030 in the cation exchange membrane. High efficiency water treatment system combining iron oxide adsorption method and membrane separation method which is Ω / cm 2 and 0.190 Ω / cm 2 in anion exchange membrane.
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