KR20100046961A - 튜브형 전해처리장치 및 이를 이용한 폐수처리방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 튜브형 전해처리장치 및 이를 이용한 폐수처리방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 폐수 중에 포함되어 있는 난분해성 물질들을 효율적으로 제거하기 위한 튜브형 전해처리장치 및 이를 이용한 폐수처리방법에 관한 것이다. 본 발명은 원통 형상의 외관을 형성하는 하우징(10)과 외부로부터 폐수를 유입하는 유입구(20)와, 전해반응이 완료된 폐수를 배출하는 배출구(30), 상기 하우징(10)을 길이방향으로 관통하는 양극전극(50), 그리고 상기 양극전극(50)을 길이방향으로 둘러싸는 튜브형 음극전극(60)을 포함하여 구성된다. 이와 같은 본 발명에 의하면 튜브형 전해처리장치 내부에서 물질전달율을 높여 오염물질 제거율을 향상시킬 수 있으며, 튜브형 전해처리장치 내부에 양극전극과 튜브형 음극전극을 설치하고, 튜브형 음극전극에 홀을 형성하여 전해 생성물인 강한 산화제가 벌크 영역에서 간접산화효과를 일으키는 체류시간을 확보함으로써 난분해성 오염물질의 산화효과를 높일 수 있는 장점이 있다.

전해처리장치, 폐수, 전해반응, 간접산화

Description

튜브형 전해처리장치 및 이를 이용한 폐수처리방법{Tubular electrolysis apparatus and waste water treatment method using the apparatus}

본 발명은 튜브형 전해처리장치 및 이를 이용한 폐수처리방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 폐수 중에 포함되어 있는 난분해성 물질들을 효율적으로 제거하기 위한 튜브형 전해처리장치 및 이를 이용한 폐수처리방법에 관한 것이다.

난분해성 유기화합물과 질소화합물, 그리고 환경에 독성을 유발하는 유해화학물질을 함유한 폐수는 종래의 생물학적 처리공정에 의하는 경우, 오염물질 제거의 효율이 낮고, 분해속도가 느린 문제점이 있었다. 그리고 미생물의 성장에 영향을 미치는 물질을 함유한 폐수는 종래의 생물학적 처리공정에 의하는 경우, 분해가 불가능한 문제점이 있어 난분해성 물질을 효과적으로 처리할 수 있는 공정에 대한 연구가 요구된다.

최근에는 UV, O₃, UV/O₃, UV/H₂O₂ 그리고 O₃/H₂O₂ 등의 조합기술에 의한 고급산화공정(AOP: Advanced Oxidation Process)과 막분리, 전기화학적 산화와 응집, 펜톤산화, 이온교환, 활성탄 흡착 등의 고도처리기술이 연구되어 난분해성 폐수의 처 리에 적용되고 있다.

특히, 전기화학적 처리공정은 고분자량을 가지는 유기물질을 쉽게 파괴하여 난분해성 유기화합물의 독성을 감소시킬 수 있고, COD와 T-N 및 색도의 제거에 우수하다고 보고되고 있으며, 오염물질의 생분해성과 관계없이 높은 제거율과 처리시간이 짧은 운전특성을 나타내고 있어 난분해성 폐수의 처리에 응용 가능성이 높은 것으로 평가되고 있다.

일반적으로 전기화학적 처리공정에는 직접양극산화공정(Direct anodic oxidation process)과 간접산화공정(Indirect oxidation process)이 있는 것으로 알려져 있다. 상기 직접양극산화공정은 전극의 표면에 흡착된 OH 라디칼과 오염물질 사이의 전자전달반응에 의해 오염물질을 분해하는 공정이다. 반면, 상기 간접산화공정은 전해반응에 의해 생성될 수 있는 차아염소산(Hypochlorous acid), 오존(Ozon), 과산화수소(Hydrogen peroxide) 또는 산화된 금속이온과 같은 강한 산화제에 의해 오염물질을 분해하는 공정이다.

전기화학적 처리장치는 20세기 초에 개발된 이후, 양극과 음극의 형태가 기하학적으로 변화하면서 발전하였다. 일반적으로 가장 널리 사용되는 전극의 형태에는 판형(Plate)과 봉형(Rod)이 있다. 전극의 기하학적 형태는 전해반응기의 모양을 결정하고, 처리하고자 하는 오염물질의 제거 효율과, 운전 및 관리의 편리성과 경제성과 관련이 있으므로 전극의 기하학적 형태 및 전해반응기의 구조적 형태의 결정은 매우 중요하다.

전극재질의 특성은 전기촉매적으로 중요한 역할을 한다. 즉, 폐수의 종류 및 오염물질의 종류에 따라 전기화학적 처리의 특성이 서로 다르므로 오염물질의 제거율과 전극의 내구성에 따른 경제성을 개선하기 위해서는 각 폐수의 특성에 적합한 전극의 재질을 선정하는 것이 중요하다. 일반적으로, 양극전극의 재질로는 Ti/IrO₂, Ti/RuO₂, Ti/SnO₂, Ti/IrO₂-RuO₂, Ti/IrO₂-SnO₂, Ti/PbO₂, Ti/Pt 및 그라파이트 등의 불용성 전극이 사용된다.

한편, 난분해성 폐수의 전기화학적 반응에서 중간생성물에 의한 간접산화효과에 대한 연구에 관심이 집중되고 있다. 예컨대, NaCl이 존재하는 폐수 속에서 염소이온의 물질전달율에 따른 Cl₂ 및 HOCl/OCl^-의 생성과 간접산화효과에 대한 연구가 진행 중에 있다. 양극에서 차아염소산이온, 즉 OCl^-의 생성율은 염소이온의 물질전달율에 직접적으로 의존한다. 그리고 전기화학적 반응기 내부의 흐름을 난류(亂流)로 형성하여 물질전달율을 높이고, 간접산화효과를 상승시키는 것은 폐수 중 오염물질의 제거율을 향상시키는데 필수적인 요소이다.

따라서 전기화학적 방법에 의한 난분해성 물질의 처리에 있어서, 전극의 기하학적 형태에 따른 전해반응기의 구조적 형태와, 전극 재질의 선정 및 전해반응기 내부의 난류 형성방법은 매우 중요하다.

종래에는 전기화학적 폐수처리를 위하여 반응조 내부에 판형의 양극과 음극전극을 교대로 배치하는 전해반응조와, 양극전극을 내부에 설치하고 튜브형 음극전극을 외부에 배치하는 봉과 튜브가 조합된 이중구조 형태의 튜브형 전해처리장치가 사용되었다.

도 1은 종래기술에 따른 튜브형 전해처리장치의 개략적인 구성을 설명하기 위한 종단면도이다.

도 1을 참조하면, 튜브형 전해처리장치는 유입구(1), 배출구(2), 양극전극(3), 음극전극(4)으로 구성되며, 전해처리를 위한 폐수는 유입구(1)를 거쳐 양극전극(3)과 음극전극(4) 사이를 흐르게 되고 최종적으로 배출구(2)를 통하여 배출된다.

이때, 상기 양극전극(3)과 음극전극(4) 사이에는 직접양극산화와 간접산화 원리에 의하여 폐수의 전기화학적 분해가 일어난다. 구체적으로 살펴보면, 양극전극(3)과 음극전극(4) 사이 영역인 벌크(Bulk) 영역을 흐르는 폐수로부터 양극전극(3) 표면으로 전극 활성입자의 이동이 일어나고, 상기 전극 활성입자는 양극전극(3)의 표면에 흡착된다. 상기 양극전극(3)과 반응물 사이에는 전자 전달이 일어나게 되는데, 이때, 반응하는 입자는 탈착이 되거나 화학적 반응에 참여하거나 또는 전착이 된다. 상기 과정을 통하여 오염물질이 분해되는 반응의 원리를 '직접양극산화'라고 한다. 1차적으로 직접양극산화가 일어난 후, 다시 전해반응 과정에서 형성된 산화생성물은 양극전극(3)의 표면으로부터 양극전극(3)과 음극전극(4) 사이 영역인 벌크 영역으로 물질이동(Mass transfer)이 일어난다. 이때 생성된 강한 산화제의 분해반응에 의해 오염물질이 제거되며, 상기 과정을 통하여 오염물질이 분해되는 반응의 원리를 '간접산화'라고 한다.

종래기술에 따른 튜브형 전해처리장치는 유지관리와 보수가 용이한 기하학적 형태로 구성되고, 처리대상이 되는 폐수가 전극 사이로 효과적으로 이송됨으로써 효율적인 전기화학적 산화가 가능한 특징이 있다.

그러나 상기한 바와 같은 종래기술에서는 다음과 같은 문제점이 있었다.

즉, 종래기술에 따른 튜브형 전해처리장치에 의하는 경우, 오염물질과 산화제 간의 반응시간을 충분하게 확보하지 못한 상태에서 폐수가 배출되어 벌크 영역에서 간접산화효과에 의한 오염물질의 제거효율이 떨어지는 문제점이 있었다.

그리고 종래기술의 튜브형 전해처리장치에서는 유입구에서 배출구까지의 흐름이 층류 흐름으로 형성되어 벌크 영역에서의 물질전달계수가 낮고, 오염물질과 산화제 사이의 효율적인 물질전달에 방해요인으로 작용하여 폐수의 오염물질 제거효율 저하에 직접적인 원인이 되는 문제점이 있었다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 폐수의 전기화학적 산화처리에 있어서 간접산화효과를 일으킬 수 있는 벌크 영역의 반응공간을 충분히 확보하여 오염물질과 강한 산화제 사이의 반응시간을 늘려서 오염물질의 제거효율을 높일 수 있는 튜브형 전해처리장치 및 이를 이용한 폐수처리방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은, 튜브형 전해처리장치 내부의 폐수 흐름을 난류로 형성시켜 물질전달율을 높이고, 효율적인 간접산화효과를 가능하게 하여 폐수 중 오염물질의 제거율을 향상시킬 수 있는 튜브형 전해처리장치 및 이를 이용한 폐수처리방법을 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은 원통 형상의 외관을 형성하고, 폐수를 전기화학적으로 간접산화시키기 위한 벌크 영역을 구비하며, 외부로부터 폐수를 유입하는 유입구와 전해반응이 완료된 폐수를 배출하는 배출구를 가지는 하우징과, 상기 하우징을 길이방향으로 관통하는 양극전극, 그리고 상기 양극전극을 길이방향으로 둘러싸고, 상기 유입구를 통해 유입되는 폐수를 상기 양극전극과 함께 전기화학적으로 산화시키는 튜브형 음극전극을 포함하여 구성된다.

이때, 상기 유입구는 외부로부터 유입된 폐수의 흐름이 선회류가 되도록 상 기 하우징의 외주연에 대하여 접선방향으로 돌출되어 형성될 수 있다.

그리고 상기 튜브형 음극전극은 상기 하우징 내부의 폐수가 상기 튜브형 음극전극의 내측과 외측의 벌크 영역 사이를 이동할 수 있도록 형성된 홀을 구비할 수 있다.

또한, 상기 튜브형 전해처리장치는 상기 벌크 영역에서 폐수의 흐름이 난류(亂流)가 되도록 상기 하우징의 내주연을 따라 돌출된 방해판을 더 포함하여 구성될 수 있다.

이때, 상기 튜브형 전해처리장치는 전해반응 과정에서 발생하는 유해가스를 배출하기 위하여 유해가스 처리시설과 연결되도록 상기 하우징의 상부에 형성되는 가스배출구를 더 포함하여 구성될 수 있다.

그리고 상기 하우징의 내부에서 폐수의 흐름이 상향류가 되도록 상기 유입구는 상기 하우징의 하부에 형성되고, 상기 배출구는 상기 하우징의 상부에 형성될 수 있다.

또한, 상기 양극전극과 튜브형 음극전극은 0.2 내지 1.0cm 간격으로 형성되고, 직류 전류를 1 내지 10A/dm²의 전류밀도 량으로 일정하게 공급받음으로써 전해처리를 수행할 수 있다.

한편, 본 발명은 외부로부터 폐수를 유입하는 단계와, 양극전극과 튜브형 음극전극 사이에서 폐수 중의 전극 활성입자가 상기 양극전극의 표면에 흡착되는 전자전달반응에 의해 오염물질을 직접적으로 분해하는 직접양극산화단계와, 상기 양 극전극과 튜브형 음극전극 사이에서 발생한 전해 산화생성물이 상기 튜브형 음극전극에 형성된 홀을 통하여 외부의 벌크 영역으로 이동하고, 상기 이동된 전해 산화생성물에 의해 오염물질을 간접적으로 분해하는 간접산화단계, 그리고 전해반응이 완료된 폐수를 배출하는 단계를 포함하여 수행된다.

이때, 상기 유입단계는 상기 튜브형 전해처리장치의 외관을 구성하는 하우징의 외주연에 대하여 접선방향으로 돌출되어 형성된 유입구를 통해 폐수를 유입함으로써, 폐수의 흐름이 선회류가 되도록 수행될 수 있다.

그리고 상기 간접산화단계는 폐수 중에 포함된 난분해성 오염물질이 상기 벌크 영역에서 5 내지 120분의 체류시간 동안 전해처리됨으로써 수행될 수 있다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 의한 튜브형 전해처리장치 및 이를 이용한 폐수처리방법에 의하면 다음과 같은 효과를 기대할 수 있다.

즉, 유입구를 튜브형 전해처리장치 외부에 접선방향으로 설치함으로써 유입 폐수의 흐름을 선회류가 되도록 하여 튜브형 전해처리장치 내부에서 물질전달율을 높여 오염물질 제거율을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

그리고 본 발명에 의하면, 튜브형 전해처리장치 내부에 양극전극과 튜브형 음극전극을 설치하고, 튜브형 음극전극 외부의 천공된 부분을 통하여 전해 생성물인 강한 산화제가 벌크 영역에서 간접산화효과를 일으킬 수 있는 체류시간을 가질 수 있도록 함으로써 난분해성 오염물질의 산화효과를 높일 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 튜브형 전해처리장치 내부에 폐수의 흐름을 난류로 만들어 주는 방해판을 설치함으로써, 폐수와 전해 중간 생성물 간의 물질이동에 의해 오염물질의 제거효율을 개선할 수 있는 장점이 있다.

그리고 본 발명에 의하면, 튜브형 전해처리장치 상부에 전해과정에서 생성된 수소, 염소 등의 가스를 배출할 수 있는 가스배출구를 형성함으로써 유해가스의 처리 및 가스처리설비의 부착이 용이한 장점이 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 규격화된 튜브형 전해처리장치를 적용함으로써 전해처리장치의 설계 및 생산이 규격화되고, 사용의 용이성 확보가 가능한 장점이 있다.

이하에서는 상기한 바와 같은 본 발명에 의한 튜브형 전해처리장치 및 이를 이용한 폐수처리방법의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명의 구체적인 실시예를 구성하는 튜브형 전해처리장치를 나타내는 종단면도이다.

도 2 에 도시된 바와 같이, 본 발명의 구체적인 실시예에 의한 튜브형 전해처리장치의 외관은 원통 형상의 하우징(10)으로 구성된다. 그리고 상기 하우징(10)의 하부에는 유입구(20)가 형성되고, 상부에는 배출구(30)가 형성된다. 상기 유입구(20)와 배출구(30)가 각각 상기 하우징(10)의 하부 및 상부에 형성되는 것은 처리하고자 하는 폐수의 흐름이 중력 방향에 대하여 상향류가 되도록 하기 위함이다.

상기 하우징(10)의 내측벽에는 적어도 하나 이상의 방해판(40)이 형성된다. 상기 방해판(40)은 상기 하우징(10)의 내주연을 따라 돌출된 링 형상으로 형성되어 폐수의 흐름을 방해한다. 상기 방해판(40)은 상기 튜브형 음극전극(60)과 상기 하우징(10) 사이의 공간인 벌크 영역에서 폐수의 흐름이 난류가 되도록 하여 물질전달율을 향상시킨다. 즉, 상기 방해판(40)은 튜브형 전해처리장치 내부에서 폐수의 흐름을 난류로 만들어 폐수와 전해 중간 생성물 간의 물질이동에 의해 오염물질의 제거효율을 향상시킨다. 여기서, 상기 벌크 영역은 상기 튜브형 음극전극(60)과 상기 하우징(10) 사이의 공간뿐만 아니라, 후술할 양극전극(50)과 상기 튜브형 음극전극(60) 사이의 공간도 포함하는 부분이다. 상기 벌크 영역은 차아염소산, 오존, 과산화수소 또는 산화된 금속이온과 같은 강한 산화제에 의해 오염물질이 분해되는 간접산화공정이 진행되는 공간이다.

본 발명의 구체적인 실시예에 의한 튜브형 전해처리장치에서는 상기 방해판(40)을 링 형상으로 설명하였으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 상기 방해판(40)은 상기 하우징(10)의 내부에서 폐수의 흐름을 방해하여 난류를 형성하기 위한 것이므로 상기 하우징(10)의 내주연을 따라 돌출되어 형성되는 것이면 그 형상에는 관계가 없다.

상기 하우징(10)의 내측 중심부분에는 상기 하우징(10)을 길이방향으로 관통하는 봉형의 양극전극(50)이 형성된다. 그리고 상기 하우징(10)의 내측에는 상기 양극전극(50)을 길이방향으로 둘러싸고, 상기 하우징(10)을 길이방향으로 관통하는 튜브형 음극전극(60)이 형성된다. 즉, 상기 양극전극(50)과 튜브형 음극전극(60)은 상기 유입구(20)를 통해 유입된 폐수를 전기화학적으로 분해하기 위한 전극으로서, 내측에 봉형의 전극과 외측에 튜브형의 전극이 조합된 이중구조의 형태로 구성된다. 상기 양극전극(50)과 튜브형 음극전극(60)에는 전원공급장치(미도시)를 통하여 일정한 전류가 1 내지 10A/dm²의 전류밀도량으로 공급된다. 그리고 상기 양극전극(50)의 재질로는 불용성 전극인 티타늄에 이산화이리듐이 2㎛ 두께로 열분해에 의해 코팅된 Ti/IrO₂ 전극이 사용되고, 상기 튜브형 음극전극(60)의 재질로는 스테인리스 스틸, 하스테로이(Hastelloy), C-276 등이 사용된다.

본 발명의 구체적인 실시예에서는 상기 양극전극(50)의 재질로 불용성 전극인 티타늄에 이산화이리듐이 2㎛ 두께로 열분해에 의해 코팅된 Ti/IrO₂ 전극을 사용하였으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고 전해처리에 사용하는 통상적인 불용성 전극을 모두 사용할 수 있다. 예컨대, 상기 양극전극(50)으로는 티타늄에 이산화이리듐이 2 내지 3㎛ 두께로 열분해에 의해 코팅된 Ti/IrO₂ 전극, 티타늄에 이산화루테늄이 2 내지 3㎛ 두께로 열분해에 의해 코팅된 Ti/RuO₂ 전극, 티타늄에 이산화주석이 2 내지 3㎛ 두께로 열분해에 의해 코팅된 Ti/SnO₂ 전극, 티타늄에 이산화루테늄과 이산화이리듐이 2 내지 3㎛ 두께로 열분해에 의해 코팅된 Ti/RuO₂-IrO₂ 전극, 티타늄에 이산화주석과 이산화이리듐이 2 내지 3㎛ 두께로 열분해에 의해 코팅된 Ti/SnO₂-IrO₂ 전극, 또는 티타늄에 백금이 2 내지 3㎛ 두께로 코팅된 Ti/Pt 전극 등이 사용될 수 있다.

상기 하우징(10)과 튜브형 음극전극(60)은 상기 양극전극(50)을 중심으로 하는 원통의 형상으로 형성되는데, 상기 양극전극(50)과 튜브형 음극전극(60) 사이의 간격은 0.2 내지 1.0cm를 유지한다. 상기 양극전극(50)과 튜브형 음극전극(60) 사이의 간격은 상기 하우징(10)의 내측 상부에 형성되는 극간조절 고정구(70)에 의해 유지된다. 상기 양극전극(50)과 튜브형 음극전극(60)의 사이에 형성되는 상기 극간조절 고정구(70)는 상기 양극전극(50)과 튜브형 음극전극(60) 사이의 간격을 일정하게 유지함으로써 상기 양극전극(50)과 튜브형 음극전극(60)이 접선되는 것을 방지한다.

상기 양극전극(50)은 상기 튜브형 음극전극(60)의 내측 하부에 형성되는 양극고정구(80)에 의해 움직이지 않도록 고정된다. 상기 양극고정구(80)는 상기 양극전극(50)과 튜브형 음극전극(60) 사이의 간격을 일정하게 유지하고, 접선되는 것을 방지한다. 그리고 상기 하우징(10)의 하단에는 음극지지판(90)이 형성되고, 상기 하우징(10)의 상단에는 양극지지판(100)이 형성되어 상기 튜브형 음극전극(60)과 양극전극(50)을 각각 고정한다. 또한, 상기 튜브형 음극전극(60)을 지지하는 음극지지판(90)의 하측에는 고무 또는 실리콘 등의 재질로 형성되는 실링재(110)가 구비되어 튜브형 전해처리장치의 외부로 폐수가 누출되는 것을 방지한다.

상기 튜브형 음극전극(60)에는 복수 개의 홀(120)이 형성된다. 상기 유입구(20)를 통해 유입된 폐수는 상기 홀(120)을 통하여 상기 튜브형 음극전극(60) 내측의 벌크 영역으로 이동한다. 상기 튜브형 음극전극(60)에 천공된 홀(120)은 상기 하우징(10) 내부의 폐수가 내측과 외측 벌크 영역 사이를 이동할 수 있는 통로 역 할을 한다. 폐수가 상기 홀(120)을 통해 내측과 외측 벌크 영역 사이를 이동하므로 전해 생성물인 강한 산화제가 간접산화효과를 일으킬 수 있는 체류시간을 더욱 확보할 수 있고, 체류시간을 확보함으로써 난분해성 오염물질의 산화효과를 높이는 효과가 있다. 이때, 처리하고자 하는 폐수가 상기 벌크 영역에서 5 내지 120분 동안 체류하도록 유입 유량 또는 벌크 영역의 부피가 조절된다. 그리고 상기 튜브형 음극전극(60)에 천공되는 홀(120)의 개수는 상기 튜브형 음극전극(60)의 크기에 따라 다양하게 결정된다. 따라서 본 발명의 구체적인 실시예에 의한 튜브형 전해처리장치에 따르면, 폐수가 상기 홀(120)을 통해 이동하면서 벌크 영역에서의 체류시간을 확보함으로써 간접산화공정의 효과를 더욱 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

그리고 상기 양극전극(50)과 튜브형 음극전극(60) 사이의 벌크 영역에서는 전기분해 반응이 일어나면서 가스가 발생하는데, 이때 발생한 가스가 폐수 중에 혼합됨으로써 물의 밀도가 낮아진다. 따라서 상대적으로 밀도가 높은 튜브형 음극전극(60) 외부의 폐수는 주변보다 밀도가 낮은 유체가 부상함에 따른 밀도류(密度流, Density current)의 특성에 따라 상기 홀(120)을 통해 상기 튜브형 음극전극(60) 내측의 벌크 영역으로 이동한다. 상기 홀(120)을 통해 상기 튜브형 음극전극(60) 내측의 벌크 영역으로 유입된 폐수는 상기 벌크 영역의 하측으로부터 상측으로 이동하여 상기 튜브형 음극전극(60)의 상측에 형성되는 홀(120)을 통해 외측 벌크 영역으로 이동한다.

상기 하우징(10)의 상단에는 전해반응 과정에서 발생되는 수소, 염소 등의 가스를 효율적으로 배출하기 위한 가스배출구(130)가 형성된다. 상기 가스배출 구(130)는 전해반응 과정에서 발생하는 유해가스를 배출하고, 가스처리시설을 용이하게 부착할 수 있도록 한다. 즉, 튜브형 전해처리장치 상부에 형성된 가스배출구(130)를 통해 수소, 염소 등의 가스를 배출함으로써 유해가스의 처리 및 가스처리설비의 부착이 용이한 장점이 있다.

본 발명의 구체적인 실시예에서는 튜브형 전해처리장치가 하나의 하우징(10)에 의해 구성되는 것으로 설명하였으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고 설계조건에 따라서 둘 이상의 하우징(10)이 직렬 또는 병렬로 연결되어 구성될 수도 있다. 이때, 둘 이상의 하우징(10)이 직렬 또는 병렬로 연결되어 구성되는 경우에도 본 발명의 구체적인 실시예에서 설명한 하나의 하우징(10)으로 구성되는 튜브형 전해처리장치와 동일한 방식으로 전해처리가 수행된다.

도 3은 본 발명의 구체적인 실시예를 구성하는 튜브형 전해처리장치를 도 2의 A-A'선으로 자른 횡단면도이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 구체적인 실시예에 의한 튜브형 전해처리장치를 구성하는 배출구(30)는 원통 형상의 하우징(10)의 측면방향으로 돌출되어 형성된다. 상기 하우징(10)의 하부에 형성되는 유입구(20)를 통해 유입된 폐수는 상향류를 형성하여 상기 하우징(10)의 상부에 형성되는 배출구(30)를 통해 배출된다.

원통 형상의 하우징(10) 내부 중심부분에는 양극전극(50)과 튜브형 음극전극(60)이 설치되어 전극반응을 일으킨다. 그리고 상기 튜브형 음극전극(60)에는 다수 개의 홀(120)이 형성된다. 상기 튜브형 음극전극(60)의 하측에 형성되는 홀(120)을 통해 내측 벌크 영역으로 이동된 폐수는 상기 튜브형 음극전극(60)의 상특에 형성되는 홀(120)을 통해 외측 벌크 영역으로 이동한다. 이때, 상기 튜브형 음극전극(60)에 형성되는 홀(120)은 폐수를 상기 벌크 영역에 체류하도록 함으로써 간접산화를 위한 체류시간을 확보하는 기능을 한다.

그리고 상기 하우징(10)의 내측벽에는 방해판(40)이 부착되어 벌크 영역에서 폐수의 흐름이 난류가 되도록 함으로써 오염물질의 제거효율을 상승시킨다. 상기 방해판(40)은 상기 하우징(10)의 내주연을 따라 돌출된 링 형상으로 상기 하우징(10)의 내측벽에 하나 이상 구비된다. 여기서, 상기 방해판(40)을 형성함으로써 벌크 영역에서 폐수의 흐름을 난류로 형성하는 것은 물질전달율을 향상시키기 위함이다.

도 4는 본 발명의 구체적인 실시예를 구성하는 튜브형 전해처리장치를 도 2의 B-B'선으로 자른 횡단면도이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 구체적인 실시예를 구성하는 튜브형 전해처리장치를 구성하는 유입구(20)는 원통 형상의 하우징(10)에 대하여 일측으로 치우친 위치에 접선방향으로 돌출되도록 형성된다. 상기 유입구(20)는 유입폐수가 벌크 영역에서 선회류(旋回流, Swirl flow)의 흐름을 갖도록 한다. 즉, 상기 유입구(20)는 상기 하우징(10)에 대하여 일측방향으로 치우쳐 형성되므로 상기 벌크 영역 내에서 폐수의 흐름은 상기 하우징(10)의 내측 벽면을 따라 소용돌이 형상의 선회류가 된다.

그리고 상기 양극전극(50)과 튜브형 음극전극(60) 사이의 벌크 영역에서는 전기분해 반응이 일어나면서 가스가 발생하는데, 이때 발생한 가스가 폐수 중에 혼합됨으로써 물의 밀도가 낮아진다. 따라서 상대적으로 밀도가 높은 튜브형 음극전극(60) 외부의 폐수는 밀도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르는 밀도류의 특성에 따라 상기 홀(120)을 통해 상기 튜브형 음극전극(60) 내부의 벌크 영역으로 이동한다.

이하에서는 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명 실시예의 작용을 상세하게 설명한다.

도 2를 참고하여, 본 발명의 구체적인 실시예에 의한 튜브형 전해처리장치에서 유입되는 폐수의 오염물질 제거과정을 설명하기로 한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 튜브형 전해처리장치의 외관을 구성하는 하우징(10)의 하부에 형성되는 유입구(20)를 통해 폐수가 유입된다. 상기 튜브형 전해처리장치의 내부로 유입된 폐수는 상향류 흐름에 의하여 벌크 영역을 통과하면서 전해처리가 된다. 그리고 상기 튜브형 음극전극(60)에 천공된 홀(120)을 통해 이동된 폐수의 흐름은 상기 하우징(10)의 내측벽에 형성된 방해판(40)에 의해 상향류에서 난류로 변한다.

전해처리과정을 구체적으로 살펴보면, 상기 양극전극(50)과 상기 튜브형 음극전극(60)에 직류 전류를 1 내지 10A/dm²의 전류밀도 량으로 일정하게 공급함으로써 전극반응이 일어나며, 상기 양극전극(50)에서 산소의 방출이 일어난다. 이때 상기 양극전극(50)의 표면에 OH 라디칼이 흡착되고, 흡착된 OH 라디칼은 폐수 중에 포함되어 있는 유기물질과 전자전달반응을 통하여 오염물질을 분해한다.

상기 유입구(20)를 통해 유입된 폐수는 상기 튜브형 음극전극(60)에 천공된 홀(120)을 통하여 내측 벌크 영역과 외측 벌크 영역 사이를 이동한다. 이때, 처리하고자 하는 폐수가 상기 벌크 영역에서 5 내지 120분 동안 체류하도록 유입 유량 또는 벌크 영역의 부피가 조절된다.

예컨대 폐수 중에 염화나트륨(NaCl)이 존재하는 경우, 전기화학적 반응에 의하여 상기 양극전극(50)에서는 염소가스(Cl₂)가 발생하고, 상기 튜브형 음극전극(60)에서는 수소가스(H₂)가 발생한다. 상기 튜브형 음극전극(60)에 형성된 홀(120)을 통하여 상기 벌크 영역으로 이동된 폐수로부터 차아염소산(HOCl)이 생성되고, 상기 생성된 차아염소산은 온도와 pH의 변화에 따라 차아염소산이온(OCl^-)으로 변하는데, pH가 7.5일 때는 HOCl과 OCl^-의 분포가 같고, pH가 7.5 이하에서는 HOCl이 증가하며, 그리고 pH가 7.5 이상에서는 OCl^-가 증가한다. 전해처리를 위한 체류시간이 증가할수록 염소가 포함된 폐수의 전해처리에서 HOCl/OCl^-은 보다 더 강력한 산화제로 알려져 있는 아염소산이온(Chlorite, ClO₂ ^-)으로 변하면서 상기 벌크 영역에서 유기물질과 반응하여 오염물질을 분해한다.

상기 전해처리과정은 전극 반응의 주체에 따라 전하이동과정과 물질이동과정으로 구분된다. 상기 전하이동과정은 용액과 전극상의 계면에서 진행되고, 상기 물 질이동과정은 전극과 용액의 계면 사이에서 진행된다. 그리고 상기 물질이동과정에는 전해질 용액의 벌크 운동과 관련이 있는 난류형성에 의한 대류(Convection)운동이 중요한 요소로 작용한다. 상기 벌크 영역에서 상기 방해판(40)에 의해 폐수의 흐름이 난류로 형성되는 것은 Cl^- 이온에 의한 물질전달계수(Mass transfer coefficient, k _L )를 높임으로써 폐수 중에 포함되어 있는 오염물질의 제거효율을 높일 수 있다.

본 발명의 구체적인 실시에에 의한 튜브형 전해처리장치를 거치면서 처리된 폐수는 배출구(30)를 통해 배출되고, 이때, 생성된 수소와 염소 등의 가스는 가스배출구(130)를 통해 배출됨으로써 가스 발생에 의한 저항을 최소화할 수 있다.

이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예에 의한 튜브형 전해처리장치를 이용하여 폐수의 전해처리 효과를 실험한 실험예를 표 1을 참고로 하여 설명한다.

실험대상 시료는 착색제 제조시설로부터 발생하는 산업폐수를 물리·화학적 처리 및 생물학적 처리를 거친 후 배출되는 최종방류수이다. 상기 산업폐수의 최종방류수는 생물학적 처리를 거친 후에도 유기물질, 즉 COD_Cr가 352.4mg/L, 색도가 582ADMI(American Dye Manufacturers Institute)정도의 높은 농도로 남아있는 난분해성 폐수이다.

본 실험에서 사용한 양극전극(50)의 재질은 불용성 전극으로 티타늄에 이산화이리듐이 2㎛의 두께로 열분해에 의해 코팅된 Ti/IrO₂이다. 그리고 튜브형 음극전극(60)의 재질은 스테인리스 스틸이다. 상기 양극전극(50)과 튜브형 음극전극(60) 사이의 극간은 1cm이고, 직류 전원공급장치로부터 상기 양극전극(50) 및 튜브형 음극전극(60)에 공급되는 전류밀도는 6.7A/dm²이다. 이때, 상기 양극전극(50)과 튜브형 음극전극(60)의 사이에서 전극반응을 위해 폐수가 머무르는 전극간 체적에 대한 체류시간은 각각 1분, 3분, 5분, 10분이고, 벌크 영역에서 폐수가 머무르는 시간으로 계산하면 각각 8분, 25분, 40분, 80분이다.

한편, 본 발명의 구체적인 실시예에 의한 튜브형 전해처리장치의 전해처리 효과를 종래기술에 따른 튜브형 전해처리장치의 전해처리 효과와 비교하기 위해 착색제 제조시설에서 발생한 산업폐수의 최종방류수에 대하여 종래기술에 따라 전해처리를 실시한 비교예를 제시하였다. 이때, 양극전극 및 음극전극의 재질, 전극 사이의 극간, 공급하는 전류밀도, 전극간 체적에 대한 체류시간 등의 조건은 본 발명의 구체적인 실시예에 의한 경우와 종래기술에 의한 경우에 동일하게 유지하였다.

구분		본 발명의 방법에 의한 처리					종래기술의 방법에 의한 처리
전극간 체적에 대한 체류시간(분)		0	1	3	5	10	0	1	3	5	10
CODCr	농도(mg/L)	352.4	302.3	300.4	191.3	106.3	352.4	315.6	306.0	258.1	223.4
	제거율(%)	-	14.3	14.8	45.7	69.8	-	10.4	13.2	26.8	36.6
색도	농도(ADMI)	582	318	259	44	10	582	384	261	213	15
	제거율(%)	-	45.4	55.5	92.4	98.3	-	34.0	55.2	63.4	97.4

표 1에 나타난 바와 같이, 본 발명의 구체적인 실시예에 따른 튜브형 전해처리장치 및 이를 이용한 폐수처리방법으로 처리한 산업폐수의 처리수는 전극간 체적에 대한 체류시간이 5분과 10분인 경우에서 COD_Cr 농도가 각각 191.3mg/L와 106.3mg/L, 색도가 각각 44ADMI와 10ADMI로 각각 측정되었다. 반면에, 종래기술의 방법에 의한 처리수는 COD_Cr 농도가 각각 258.1mg/L와 223.4mg/L, 색도가 213ADMI와 15ADMI로 각각 측정되었다. 즉, 본 발명의 구체적인 실시예에 의한 튜브형 전해처리장치 및 이를 이용한 폐수처리방법에 따르는 경우, 종래기술에 의한 튜브형 전해처리장치에 의한 경우보다 난분해성 유기물질 및 색도의 제거 효과가 우수한 것으로 분석되었다.

본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.

도 1은 종래기술에 따른 튜브형 전해처리장치의 개략적인 구성을 설명하기 위한 종단면도.

도 2는 본 발명의 구체적인 실시예를 구성하는 튜브형 전해처리장치를 나타내는 종단면도.

도 3은 본 발명의 구체적인 실시예를 구성하는 튜브형 전해처리장치를 도 2의 A-A'선으로 자른 횡단면도.

도 4는 본 발명의 구체적인 실시예를 구성하는 튜브형 전해처리장치를 도 2의 B-B'선으로 자른 횡단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

10: 하우징 20: 유입구

30: 배출구 40: 방해판

50: 양극전극 60: 튜브형 음극전극

70: 극간조절 고정구 80: 양극고정구

90: 음극지지판 100: 양극지지판

110: 실링재 120: 홀

130: 가스배출구

Claims (10)

1. 원통 형상의 외관을 형성하고, 폐수를 전기화학적으로 간접산화시키기 위한 벌크 영역을 구비하며, 외부로부터 폐수를 유입하는 유입구와 전해반응이 완료된 폐수를 배출하는 배출구를 가지는 하우징과;

   상기 하우징을 길이방향으로 관통하는 양극전극; 그리고

   상기 양극전극을 길이방향으로 둘러싸고, 상기 유입구를 통해 유입되는 폐수를 상기 양극전극과 함께 전기화학적으로 산화시키는 튜브형 음극전극을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 튜브형 전해처리장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 유입구는,

   외부로부터 유입된 폐수의 흐름이 선회류가 되도록 상기 하우징의 외주연에 대하여 접선방향으로 돌출되어 형성되는 것을 특징으로 하는 튜브형 전해처리장치.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 튜브형 음극전극은,

   상기 하우징 내부의 폐수가 상기 튜브형 음극전극의 내측과 외측의 벌크 영역 사이를 이동할 수 있도록 형성된 홀을 구비하는 것을 특징으로 하는 튜브형 전해처리장치.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 튜브형 전해처리장치는,

   상기 벌크 영역에서 폐수의 흐름이 난류(亂流)가 되도록 상기 하우징의 내주연을 따라 돌출된 방해판을 더 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 튜브형 전해처리장치.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 튜브형 전해처리장치는,

   전해반응 과정에서 발생하는 유해가스를 배출하기 위하여 유해가스 처리시설과 연결되도록 상기 하우징의 상부에 형성되는 가스배출구를 더 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 튜브형 전해처리장치.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 하우징의 내부에서 폐수의 흐름이 상향류가 되도록 상기 유입구는 상기 하우징의 하부에 형성되고, 상기 배출구는 상기 하우징의 상부에 형성되는 것을 특징으로 하는 튜브형 전해처리장치.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 양극전극과 튜브형 음극전극은,

   0.2 내지 1.0cm 간격으로 형성되고, 직류 전류를 1 내지 10A/dm²의 전류밀도 량으로 일정하게 공급받음으로써 전해처리를 수행하는 것을 특징으로 하는 튜브형 전해처리장치.
8. 외부로부터 폐수를 유입하는 단계와;

   양극전극과 튜브형 음극전극 사이에서 폐수 중의 전극 활성입자가 상기 양극전극의 표면에 흡착되는 전자전달반응에 의해 오염물질을 직접적으로 분해하는 직접양극산화단계와;

   상기 양극전극과 튜브형 음극전극 사이에서 발생한 전해 산화생성물이 상기 튜브형 음극전극에 형성된 홀을 통하여 외부의 벌크 영역으로 이동하고, 상기 이동된 전해 산화생성물에 의해 오염물질을 간접적으로 분해하는 간접산화단계; 그리고

   전해반응이 완료된 폐수를 배출하는 단계를 포함하여 수행되는 것을 특징으로 하는 튜브형 전해처리장치를 이용한 폐수처리방법.
9. 제 8 항에 있어서,

   상기 유입단계는,

   상기 튜브형 전해처리장치의 외관을 구성하는 하우징의 외주연에 대하여 접선방향으로 돌출되어 형성된 유입구를 통해 폐수를 유입함으로써, 폐수의 흐름이 선회류가 되도록 수행되는 것을 특징으로 하는 튜브형 전해처리장치를 이용한 폐수 처리방법.
10. 제 8 항에 있어서,

    상기 간접산화단계는,

    폐수 중에 포함된 난분해성 오염물질이 상기 벌크 영역에서 5 내지 120분의 체류시간 동안 전해처리됨으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 튜브형 전해처리장치를 이용한 폐수처리방법.

Images