KR20120037632A - The electrochemical continuous-flow wastewater treatment system by the electron emission of graphene electrode under water, and its apparatus - Google Patents

The electrochemical continuous-flow wastewater treatment system by the electron emission of graphene electrode under water, and its apparatus Download PDF

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Abstract

PURPOSE: An electrochemical continuous flow type wastewater treating method and an apparatus for the same is provided to convert nitrogen oxide contained in wastewater into nitrogen gas based on emitted electrons and to discharge the nitrogen gas. CONSTITUTION: A reacting bath is formed by connecting an acidification reactor(12) and a reduction reactor(13). Wastewater to be denitrificated is introduced into the reacting bath. The cathode of the reduction reactor is coated with graphene. Water is electrolyzed in the acidification reactor and generates oxygen and satisfies biochemical and chemical oxygen demands in the reacting bath. The oxygen is reacted with nitrogen compound contained in the wastewater and generates nitrate ions. High electric potential difference negative current is supplied to the graphene coated cathode of the reduction reactor. Electrons are emitted from the surface of the graphene. The emitted electrodes are reacted with nitrogen positive electric charges, and nitrogen oxide is converted into nitrogen gas.

Description

그래핀 음극의 수중 전자 방출에 의한 전기 화학적 연속 흐름식 폐수 처리 방법 및 그 장치{The electrochemical continuous-flow wastewater treatment system by the electron emission of graphene electrode under water, and its apparatus}The electrochemical continuous-flow wastewater treatment system by the electron emission of graphene electrode under water, and its apparatus}

본 발명은 음극의 그래핀 음극으로 부터 방출된 전자에 의한 직접 환원 공정을 이용한 전기 화학적 폐수 탈질 방법, 및 그 장치를 포함한 연속 흐름식 폐수처리 공정에 관한 것이다.The present invention relates to an electrochemical wastewater denitrification method using a direct reduction process by electrons emitted from a graphene cathode of a cathode, and a continuous flow wastewater treatment process including the apparatus.

폐수의 탈질 반응은 반드시 전자에 의하여만 이루어지는 반응으로서, 종래 기술로는 크게 2가지로 나뉠 수 있다. Denitrification of wastewater is a reaction that is carried out only by the former, and can be classified into two types according to the prior art.

하나는 생물 전기 화학적 반응에 의한 미생물에서 배출되는 전자를 이용한 미생물 공정이며, 다른 하나는 용출형 전극을 사용하여 전해 용출된 금속 이온을 매개체로 하여 전자가 발생하도록 한 간접 전기 화학적 공정이다.One is a microbial process using electrons emitted from a microorganism by a bioelectrochemical reaction, and the other is an indirect electrochemical process in which electrons are generated using an electrolytically eluted metal ion using an eluting electrode.

미생물 공정은 질소의 자연계에서의 순환과정을 적용하여 혐기성 미생물이 먹이 공급원인 탄소를 섭취하고, 미생물 세포질 내에서 짝 이중 결합을 이루는 파이(π) 전자나 펩티드(peptide) 결합에 의해 교차 결합되어 있는 단백질이 전자 터널링을 하는 반도체적 특성을 응용한 공정으로, 대사작용에 의하여 먹이인 탄소를 섭취구에서 섭취하고, 섭취된 탄소의 전자는 세포질의 전자 터널링 작용을 통하여 배설구에서 배출되어 전자 공여체로써 작용하는 미생물의 생물 전기 화학적 에너지 변환 과정을 이용한 공정이다. The microbial process employs a natural cycle of nitrogen, where anaerobic microbes ingest carbon as a food source, and are cross-linked by pi electrons or peptide bonds that form double bonds in the microbial cytoplasm. Protein is the process of applying the semiconductor characteristics of electron tunneling, the carbon fed by metabolism is ingested at the inlet, and the electrons of the carbon are discharged from the excretory through the electron electron tunneling of the cytoplasm to act as an electron donor It is a process using a bioelectrochemical energy conversion process of microorganisms.

그러나, 미생물은 온도가 섭씨 20~35℃에서 적절한 활동을 하기 때문에 온도 관리가 어려우며, 이러한 온도를 유지하기 위하여 항온 탈질 반응조를 설치하는 경우가 있는데 이에는 많은 시설비와 관리에 어려움이 있다. However, microorganisms are difficult to control the temperature because the temperature is appropriate activity at 20 ~ 35 ℃ Celsius, there is a case of installing a constant temperature denitrification tank to maintain this temperature, which is difficult to manage and cost a lot.

그리고 미생물의 활동에 적합한 범위는 pH 6~8에 해당되는데, 이를 조정하기 위하여 약품을 투입하여야 되므로, 운영비의 추가 및 투입 약품으로 인한 물질 수지의 변동이 일어날 수 있는 문제점을 내포하고 있다. And the range suitable for the activity of the microorganism is pH 6 ~ 8, because the drug must be added to adjust this, there is a problem that the addition of operating costs and fluctuations in the material balance due to the input drug may occur.

또한 미생물 공정에서 탄소는 미생물의 에너지 공급원으로, 질소는 단백질 형성 요소로서 중요한 영양소이므로 폐수 중에 함유하는 탄소 대 질소의 비율(C/N 비율)을 맞추어 주어야 하는 제약 사항이 따른다. In addition, in microbial processes, carbon is a source of energy for microorganisms, and nitrogen is an important nutrient as a protein-forming factor, so there is a restriction to adjust the ratio of carbon to nitrogen (C / N ratio) contained in waste water.

그리고 탈질 과정 중 NO3 -는 전자친화력 (electron affinity)을 가지고 있어 전위차를 가진 음극에는 특이 흡착하는 특성을 가지는데, 전기의 옴의 법칙인 V=iR에서 미생물에서는 체내 내부 저항이 없어 전위차가 형성되지 못하기 때문에 전위차에 의하여 일어나는 NO3 - 이온의 특이 흡착 과정이 일어나지 못하므로 미생물과의 접촉 확률을 높이기 위하여 반응조에서 활성 슬러지를 교반하여주는 공정이 필요하다. In the denitrification process, NO 3 has an electron affinity, so it has a specific adsorption characteristic on the negative electrode having a potential difference. Since the specific adsorption process of NO 3 - ions caused by the potential difference does not occur, a process of stirring activated sludge in a reaction tank is necessary to increase the probability of contact with microorganisms.

그러나, 상기 교반 공정을 수행하기 위해서는 거대한 시설 규모가 필요하며, 반응시간이 오래 걸리고, 효율성에서도 한계를 가지게 된다. However, to carry out the agitation process requires a large plant scale, takes a long reaction time, and has limitations in efficiency.

따라서, 이를 보완하기 위한 방안으로 미생물 전기 화학적 공정 (bioelectrochemical process)을 이용한 연구가 진행되어 왔다(대한민국 등록특허공보 제 10-0609087호, 제 10-0332496호 및 제10-0848331호, 미국특허 제 7,572,369호). Therefore, researches using microbial electrochemical processes have been conducted as a way to compensate for this (Korean Patent Publication Nos. 10-0609087, 10-0332496, and 10-0848331, US Pat. No. 7,572,369). number).

그러나, 상기 미생물 전기 화학적 공정은 전극 사이에 절연체인 활성 슬러지를 사용하므로 전류의 효율성이 낮게 나오는 단점이 있으며, 발생된 슬러지에 의한 전극의 오염 문제 및 전극에서 발생되는 외부 전하가 미생물 체내의 전자 전달계를 교란시킬 수 있는 저해 요인이 될 수도 있다는 문제점이 제기되고 있다.
However, the microbial electrochemical process has a drawback of low current efficiency due to the use of activated sludge as an insulator between the electrodes, and the problem of contamination of the electrode by the generated sludge and the external charge generated from the electrode are the electron transfer system in the microorganism. The problem is raised that it may be a deterrent to disturbance.

간접 전기 화학적 공정은 아연, 철, 알루미늄, 구리 등과 같은 용출형 전극을 사용하여 하기 반응식 1과 같이 전해 용출된 금속 이온이 매개체가 되어 물이 전기분해되면서 발생하는 OH- 이온과 반응하여 전자를 발생하는 공정이다. Indirect electrochemical process uses eluted electrodes such as zinc, iron, aluminum, copper, etc. to generate electrons by reacting with OH - ions generated by electrolysis of water by electrolytically eluted metal ions as shown in Scheme 1 below. It is a process to do it.

그러나, 이러한 금속 이온을 매개체로 한 간접 환원공정은 고농도 탈질 과정에는 다량의 금속 이온을 필요로 하기 때문에 전해에 따른 전극의 소모 수명을 예측하기 어렵고, 금속의 용출로 인한 추가적인 2차 오염을 야기할 수 있는 우려가 있다(대한민국 등록특허공보 제 10-0779989호 및 제 10-0891004호).However, since the indirect reduction process using a metal ion as a medium requires a large amount of metal ions in the high concentration denitrification process, it is difficult to predict the consumption life of the electrode due to electrolysis and may cause additional secondary contamination due to elution of the metal. There is a concern that it may be (Korean Patent Nos. 10-0779989 and 10-0891004).

[반응식 1]Scheme 1

Figure pat00001
Figure pat00001

따라서, 상기 언급한 탈질 반응의 문제점을 개선하고 폐수 중의 고농도 질소 화합물을 적은 에너지로 신속하게 처리할 수 있는 폐수 탈질 방법을 포함하는 연속 흐름식 폐수 처리 방법에 대한 개발의 필요성이 요구되고 있다.Therefore, there is a need for the development of a continuous flow wastewater treatment method including a wastewater denitrification method which can improve the above-mentioned problems of the denitrification reaction and can quickly treat a high concentration of nitrogen compounds in the wastewater with low energy.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 폐수 중에 포함된 생화학적 산소요구량, 화학적 산소요구량, 부유 고형물(SS), 살균 처리 및 인(P)과 질소화합물을 효과적으로 처리하는 그래핀 음극의 수중 전자 방출에 의한 전기 화학적 연속 흐름식 폐수 처리 방법 및 그 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention is to solve the above problems, the biochemical oxygen demand, chemical oxygen demand, suspended solids (SS) contained in the waste water, sterilization treatment and phosphorus (P) and nitrogen in the water of the negative electrode effectively treating the compound An object of the present invention is to provide a method and apparatus for treating electrochemical continuous flow wastewater by electron emission.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 탈질이 요구되는 폐수를 산화 반응조와 환원 반응조가 연결된 반응조에 유입시키되, 상기 환원 반응조는 음극이 그래핀으로 코팅된 특징을 가지는 제1단계와; 상기 산화 반응조에서 물을 전기 분해하여 산소를 발생시켜 반응조내 생화학적 및 화학적 산소요구량을 충족시키면서, 상기 산소가 폐수에 포함된 질소 화합물과 반응하여 NO3 - 이온을 생산시키는 제2단계와; 상기 환원 반응조의 그래핀으로 코팅된 음극에 1~5kV의 전위차를 갖는 전자 방출 디바이스의 고전위차 음전류를 공급하여 부(-)전위 분극된 음극의 그래핀 표면에서 전자가 방출되도록 하는 제3단계와; 상기 방출된 전자는 폐수 내 질소 산화물의 NO3 - 이온의 N+5 양전하와 반응하여 질소 산화물이 질소 가스로 변환되어 방출되는 제4단계로; 이루어지는 것을 특징으로 하는 그래핀 음극의 수중 전자 방출에 의한 전기 화학적 연속 흐름식 폐수 처리 방법을 기술적 요지로 한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a wastewater requiring denitrification into a reaction tank connected to an oxidation reactor and a reduction reactor, wherein the reduction reactor has a first step of having a negative electrode coated with graphene; A second step of producing NO 3 ions by electrolyzing water in the oxidation tank to generate oxygen to meet biochemical and chemical oxygen demand in the reactor, and reacting the oxygen with nitrogen compounds contained in the waste water; A third step of supplying a high potential negative current of an electron emission device having a potential difference of 1 to 5 kV to the graphene-coated cathode of the reduction reactor to emit electrons from the graphene surface of the negatively polarized cathode Wow; The discharged electrons are reacted with the N +5 positive charge of the NO 3 ions of the nitrogen oxides in the wastewater to convert the nitrogen oxides into nitrogen gas and be discharged; An electrochemical continuous flow type wastewater treatment method by discharge of electrons in water of a graphene cathode, which is made, is a technical gist.

여기서 상기 제1단계의 환원 반응조의 그래핀으로 코팅된 음극(이하 '그래핀 음극'이라 함)은 불용성 금속판을 표면 조도가 50 ~ 75㎛ 되도록 블라스팅하는 제1 음극제조 공정; 상기 블라스팅한 불용성 금속판에 피디엠에스((PDMS:polydimethylsiloxane)와 그래핀과의 혼합물을 코팅하는 제2 음극제조공정; 상기 코팅된 도막을 무산소 질소 가스 분위기의 전기로에서 200 ~ 250℃, 6~8시간 동안 열처리하는 제3 음극제조공정; 에 의하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 그래핀 음극의 수중 전자 방출에 의한 전기 화학적 연속 흐름식 폐수 처리 방법으로 되는 것이 바람직하다.Here, the negative electrode coated with the graphene of the reduction reaction tank of the first step (hereinafter referred to as 'graphene negative electrode') is a first negative electrode manufacturing process of blasting the insoluble metal plate to the surface roughness 50 ~ 75㎛; A second cathode manufacturing process of coating a mixture of PDMS (polydimethylsiloxane) and graphene on the blasted insoluble metal plate; the coated film is 200 to 250 ° C. in an oxygen-free nitrogen gas atmosphere for 6 to 8 hours. It is preferable to be a method for treating electrochemical continuous flow type wastewater by release of underwater electrons of the graphene negative electrode, characterized in that the third negative electrode manufacturing step of heat treatment during.

또한, 제3 음극제조공정은 열처리된 음극을 6M 질산 용액으로 웨트 에칭하여 그래핀을 활성화시키는 제4 음극제조공정을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 그래핀 음극의 수중 전자 방출에 의한 전기 화학적 연속 흐름식 폐수 처리 방법으로 되는 것이 바람직하다.In addition, the third negative electrode manufacturing process includes a fourth negative electrode manufacturing step of activating the graphene by wet etching the heat-treated negative electrode with 6M nitric acid solution, electrochemical continuous flow by the electron emission of water in the graphene negative electrode, characterized in that It is preferable to become a food wastewater treatment method.

그리고, 상기 코팅된 도막의 두께는 100~200㎛로서 평균 도막 두께는 약 150㎛인 것을 특징으로 하는 그래핀 음극의 수중 전자 방출에 의한 전기 화학적 연속 흐름식 폐수 처리 방법으로 되는 것이 바람직하다.In addition, the coated coating film has a thickness of 100 to 200 μm and an average coating film thickness of about 150 μm.

또한, 상기 불용성 금속은 티타늄인 것을 특징으로 하는 그래핀 음극의 수중 전자 방출에 의한 전기 화학적 연속 흐름식 폐수 처리 방법으로 되는 것이 바람직하다.
In addition, the insoluble metal is preferably an electrochemical continuous flow wastewater treatment method by the electron emission of the water of the graphene cathode, characterized in that the titanium.

본 발명은 또한 상기의 그래핀 음극의 수중 전자 방출에 의한 전기 화학적 연속 흐름식 폐수 처리 방법이 실시되는 산화 반응조와 환원 반응조가 연결된 반응조에, 3상 교류 전력을 직류로 변환하여 평탄파 전류를 출력하는 직류 정류기와; 상기 평탄파 전류를 펄스 전류로 변환시키는 GTO(Gate turn-off) 싸이리스터와; 상기 GTO 싸이리스터의 캐소드에 연결되어 상기 펄스 전류를 에너지원으로 하여 1~5kV의 전위차를 갖는 고전위차 음전류를 출력시키는 전자 방출 디바이스와; 음극이 상기 전자 방출 디바이스 출력부와 연결되어 부(-)전위 분극된 그래핀 음극에서 전자를 방출시키는 환원 반응조와; 양극이 상기 GTO 싸이리스터의 캐소드에 연결되어 폐수 내 질소 산화물에서 NO3 - 이온을 형성시키는 산화 반응조를; 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 그래핀 음극의 수중 전자 방출에 의한 전기 화학적 연속 흐름식 폐수 처리 장치를 또 다른 기술적 요지로 한다.The present invention also outputs a flat wave current by converting three-phase alternating current into direct current in a reaction tank connected to an oxidation reaction tank and a reduction reaction tank in which the electrochemical continuous flow wastewater treatment method by the electron discharge of the graphene cathode is performed. A DC rectifier; A gate turn-off (GTO) thyristor for converting the flat wave current into a pulse current; An electron emission device connected to the cathode of the GTO thyristor to output a high potential difference current having a potential difference of 1 to 5 kV using the pulse current as an energy source; A reduction reactor connected to the electron emission device output unit to emit an electron from the negative electrode of the negatively polarized graphene; An oxidation tank connected with a cathode of the GTO thyristor to form NO 3 ions in nitrogen oxides in the wastewater; Another technical subject is an electrochemical continuous flow type wastewater treatment apparatus by discharge of underwater electrons of a graphene cathode, which is configured to include.

여기서, 상기 산화 반응조와 환원 반응조에는 양극과 음극 사이에 분리 격막을 설치하는 것을 특징으로 하는 그래핀 음극의 수중 전자 방출에 의한 전기 화학적 연속 흐름식 폐수 처리 장치로 되는 것이 바람직하다.Here, it is preferable that the oxidation reaction vessel and the reduction reaction tank are electrochemical continuous flow type wastewater treatment apparatus by the release of underwater electrons of the graphene cathode, characterized in that a separator is provided between the anode and the cathode.

또한, 상기 산화 반응조의 양극 및 환원 반응조의 음극은 직경 10~15mm의 구멍을 펀칭한 것을 특징으로 하는 그래핀 음극의 수중 전자 방출에 의한 전기 화학적 연속 흐름식 폐수 처리 장치로 되는 것이 바람직하다.In addition, it is preferable that the anode of the oxidation reaction tank and the cathode of the reduction reaction tank are electrochemical continuous flow type wastewater treatment apparatuses by underwater electron emission of the graphene anode characterized in that a hole having a diameter of 10 to 15 mm is punched out.

또한, 상기 산화 반응조의 양극 및 환원 반응조의 음극은 방해판 유로(baffled channel) 구조로 설계된 것을 특징으로 하는 그래핀 음극의 수중 전자 방출에 의한 전기 화학적 연속 흐름식 폐수 처리 장치로 되는 것이 바람직하다.In addition, it is preferable that the anode of the oxidation reactor and the cathode of the reduction reactor are electrochemical continuous flow type wastewater treatment devices by underwater electron emission of the graphene cathode, which is designed to have a baffled channel structure.

상기한 본 발명에 의하여 폐수 중에 포함된 생화학적 산소요구량, 화학적 산소요구량, 부유 고형물, 살균 처리 및 인과 질소화합물을 효과적으로 처리하는 그래핀 음극의 수중 전자 방출에 의한 전기 화학적 연속 흐름식 폐수 처리 방법 및 그 장치가 제공되는 이점이 있다.Electrochemical continuous flow wastewater treatment method by the discharge of electrons in the water of the graphene cathode to effectively treat the biochemical oxygen demand, chemical oxygen demand, suspended solids, sterilization and phosphorus and nitrogen compounds contained in the waste water by the present invention and There is an advantage that the device is provided.

즉, 본 발명은 폐수 중에 포함된 생화학적 산소요구량, 화학적 산소요구량, 부유 고형물, 살균 처리 및 인과 질소화합물을 효과적으로 처리하기 위하여, 기존의 탈질 반응의 문제점을 개선하고 폐수 중에 함유되어 있는 오염물질을 적은 에너지로 신속하게 처리할 수 있는 방법으로서 펄스 직류 전류를 산화 반응조의 양극에 공급하고, 전자 방출 디바이스의 고전위차 음전류를 그래핀을 사용한 환원 반응조의 음극에 공급하여 가우스 법칙(Gauss's law)에 의하여 그래핀의 구성 탄소원자 반지름인 0.77Å 만큼 계면에서 안쪽에 위치하는 면(이하 '그래핀 표면'이라 함)에서 전자가 방출되도록 하고, 상기 방출된 전자에 의하여 폐수 내 질소 산화물이 질소 가스로 변환되어 방출됨을 확인한 것으로서 그래핀 음극의 수중 전자 방출에 의한 전기 화학적 연속 흐름식 폐수 처리 방법 및 그 장치가 제공되는 이점이 있다.That is, the present invention is to improve the problems of the existing denitrification reaction and to treat the pollutants contained in the wastewater in order to effectively treat the biochemical oxygen demand, chemical oxygen demand, suspended solids, sterilization and phosphorus and nitrogen compounds contained in the wastewater As a method that can be processed quickly with low energy, a pulsed direct current is supplied to the anode of the oxidation reactor, and a high potential difference current of the electron emission device is supplied to the cathode of the reduction reactor using graphene to provide Gauss' law. As a result, electrons are emitted from the inner surface (hereinafter referred to as 'graphene surface') at the interface by 0.77Å, the constituent carbon atom radius of graphene. Electrochemical continuous flow due to the emission of electrons in the water from the graphene cathode There is an advantage that is provided to cool the waste water treatment method and apparatus.

도 1은 탄소 나노 물질인 그래핀을 사용한 음극이 전해액인 폐수와 접촉시 구조를 나타낸 구성도
도 2는 본 발명의 그래핀 음극의 부(-)전위 분극시 에너지 밴드 및 전자 방출에 의한 탈질 메카니즘을 개략적으로 나타낸 개념도( Bockris - Devanathan - Muller 에 의한 전기 이중층 모형에 의함)
도 3은 본 발명의 반응조에 포함된 산화 반응조와 환원 반응조의 연결 구성도
도 4는 본 발명의 장치를 도시한 구성도
도 5는 본 발명의 환원 반응조(탈질 반응조)의 단면 구조도.
(산화 반응조는 상기 환원 반응조에 대해서 양극과 음극이 전환되어 구성된다.)
도 6은 본 발명의 그래핀이 코팅된 음극 표면의 전자 주사 현미경 사진
1 is a block diagram showing a structure when the cathode using carbon nanomaterial graphene is in contact with the wastewater of the electrolyte
2 is a conceptual diagram schematically illustrating a denitrification mechanism by energy band and electron emission during negative potential polarization of the graphene cathode of the present invention ( by the electric double layer model by Bockris - Devanathan - Muller ).
Figure 3 is a connection diagram of the oxidation reaction tank and the reduction reaction tank included in the reaction tank of the present invention
4 is a block diagram showing a device of the present invention;
5 is a cross-sectional structure diagram of a reduction reaction tank (denitration reaction tank) of the present invention.
(The oxidation reactor is configured such that the positive electrode and the negative electrode are switched with respect to the reduction reaction tank.)
6 is an electron scanning micrograph of a graphene-coated cathode surface of the present invention

이하 도면을 참조하여 본 발명에 관하여 살펴보기로 하며, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다. Hereinafter, the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description of the present invention, a detailed description of related arts or configurations will be omitted when it is determined that the gist of the present invention may be unnecessarily obscured will be.

그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본 발명을 설명하는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
It is to be understood that both the foregoing general description and the following detailed description are exemplary and explanatory and are intended to be exemplary, self-explanatory, allowing for equivalent explanations of the present invention.

본 발명은 음극의 그래핀 표면으로 부터 방출된 전자에 의한 직접 환원 공정을 포함한 전기 화학적 연속 흐름식 폐수 처리 방법 및 그 장치를 제공하기 위한 것으로서, 본 발명의 구성은 크게, 산화 반응조(12)와 환원 반응조(13), 직류 정류기(9)와 GTO(Gate turn-off) 싸이리스터(10)와 전자 방출 디바이스(11)를 포함하여 구성된다.
The present invention is to provide an electrochemical continuous flow wastewater treatment method and apparatus including a direct reduction process by electrons emitted from the graphene surface of the cathode, the configuration of the present invention is largely, the oxidation reaction tank 12 and It comprises a reduction reactor 13, a direct current rectifier 9, a gate turn-off (GTO) thyristor 10, and an electron emitting device 11.

본 발명의 상기 반응조는 산화 반응조(12)와 환원 반응조(13)가 연결되어 연속 흐름이 발생되는 전기 화학 반응 반응조로서, 상기 반응조는 탈질이 요구되는 폐수를 수용하며, 상기 환원 반응조(13)는 음극이 그래핀으로 코팅된 특징을 가진다.The reaction tank of the present invention is an electrochemical reaction tank in which a continuous flow is generated by connecting an oxidation reactor 12 and a reduction reactor 13, and the reactor receives wastewater requiring denitrification, and the reduction reactor 13 is The negative electrode has the characteristic of being coated with graphene.

본 발명의 직류 정류기(9)는 3상 교류 전력을 직류로 변환하여 평탄파 전류를 출력시키며, 상기 직류 정류기(9)에 연결된 GTO 싸이리스터(10)에 의하여 상기 평탄파 전류는 펄스 전류로 변환된다.The DC rectifier 9 of the present invention converts three-phase AC power into DC to output a flat wave current, and the flat wave current is converted into a pulse current by a GTO thyristor 10 connected to the DC rectifier 9. do.

상기 GTO 싸이리스터(10)의 캐소드에는 산화 반응조(12)의 양극과 환원 반응조(13)의 음극이 연결되며, 상기 산화 반응조(12)와 환원 반응조(13)는 극성을 달리할 뿐 형태적으로는 동일한 특징을 가진다.The cathode of the oxidation reactor 12 and the cathode of the reduction reactor 13 are connected to the cathode of the GTO thyristor 10, and the oxidation reactor 12 and the reduction reactor 13 form only different polarities. Has the same characteristics.

따라서, 산화 반응조(12)의 양극과 환원 반응조(13)의 음극은 동일한 형태를 가지며, 반응조 내에서 본 발명이 추구하는 연속 흐름식 폐수 처리 장치를 효과적으로 달성하기 위하여 상기 산화 반응조(12)의 양극 및 환원 반응조(13)의 음극은 도 4와 도 5에 도시된 바와 같이 방해판 유로(baffled channel) 구조로 설계되며, 상기 방해판 유로의 대응 전극은 각각 산화 반응조(12)의 음극과 환원 반응조(13)의 양극이 된다.Therefore, the anode of the oxidation reactor 12 and the cathode of the reduction reactor 13 have the same form, and the anode of the oxidation reactor 12 is effectively used to achieve the continuous flow type wastewater treatment apparatus pursued by the present invention in the reactor. And the cathode of the reduction reactor 13 is designed to have a baffled channel structure as shown in FIGS. 4 and 5, and the corresponding electrodes of the barrier plate flow path are respectively the cathode and the reduction reactor of the oxidation reactor 12. It becomes the anode of (13).

상기 산화 반응조(12)의 양극 및 환원 반응조(13)의 음극에는 또한 직경 10~15mm의 구멍을 펀칭하여 반응조 내 유체의 연속적 흐름에 대한 저항과 반응도를 조정시킬 수 있게 한다.
The anode of the oxidation reactor 12 and the cathode of the reduction reactor 13 are also punched out with holes of 10 to 15 mm in diameter to adjust the resistance and reactivity to the continuous flow of fluid in the reactor.

본 발명의 전자 방출 디바이스(11)는 상기 펄스 전류를 에너지원으로 하여 1~5kV의 전위차를 갖는 고전위차 음전류를 출력시키는 장치로서, 도 4와 도 5에 도시된 바와 같이 본 발명의 환원 반응조(13)의 그래핀 음극(15)에 연결된다.The electron emission device 11 of the present invention is a device for outputting a high potential negative current having a potential difference of 1 to 5 kV using the pulse current as an energy source, as shown in FIGS. 4 and 5. It is connected to the graphene cathode 15 of (13).

즉, 상기 환원 반응조(13)는 음극이 상기 전자 방출 디바이스(11)의 출력부와 연결되어 부(-)전위 분극된 그래핀 표면에서 전자를 방출시키게 된다.That is, the reduction reactor 13 has a cathode connected to the output of the electron emitting device 11 to emit electrons from the negative (-) potential polarized graphene surface.

본 발명의 산화 반응조(12)는 양극이 상기 GTO 싸이리스터(10)의 캐소드에 연결되어 폐수 내 질소 산화물에서 NO3 - 이온을 형성시킨다.In the oxidation reactor 12 of the present invention, the anode is connected to the cathode of the GTO thyristor 10 to form NO 3 ions in nitrogen oxide in the wastewater.

이와 같이 구성되는 본 발명에 따라 상기 산화 반응조(12)에는 2~3ms의 주기를 갖는 10~15V의 펄스 직류 전류를 양극에 공급하고, 상기 환원 반응조(13)에는 2~3ms의 주기를 가지고 1~5kV의 전위차를 갖는 전자 방출 디바이스(11)의 고전위차 음전류를 음극에 공급하여 음극의 그래핀 표면에서 전자가 방출되도록 하고, 상기 방출된 전자에 의하여 폐수 내 질소 산화물을 질소 가스로 변환시켜 방출하는 직접 환원 공정이 포함된 전기 화학적 폐수 처리가 실행된다.
According to the present invention configured as described above, the oxidation reactor 12 is supplied with a pulsed DC current of 10 to 15 V having a period of 2 to 3 ms to the anode, and the reduction reactor 13 has a period of 2 to 3 ms. By supplying a high-potential negative current of the electron-emitting device 11 having a potential difference of ˜5 kV to the cathode to emit electrons from the graphene surface of the cathode, the nitrogen oxide in the wastewater is converted into nitrogen gas by the emitted electrons. An electrochemical wastewater treatment is carried out that includes a direct reduction process for releasing.

이하, 상기 장치의 실시에 대하여 본 발명의 그래핀 음극의 수중 전자 방출에 의한 전기 화학적 연속 흐름식 폐수 처리 방법과 함께 설명하기로 한다.Hereinafter, the implementation of the apparatus will be described together with the electrochemical continuous flow type wastewater treatment method by the electron emission of water in the graphene cathode of the present invention.

본 발명의 방법은 탈질이 요구되는 폐수를 산화 반응조(12)와 환원 반응조(13)가 연결된 반응조에 유입시키되, 상기 환원 반응조(13)는 음극이 그래핀으로 코팅된 특징을 가지는 제1단계와; 상기 산화 반응조(12)에서 물을 전기 분해하여 산소를 발생시켜 반응조내 생화학적 및 화학적 산소요구량을 충족시키면서, 상기 산소가 폐수에 포함된 질소 화합물과 반응하여 NO3 - 이온을 생산시키는 제2단계와; 상기 환원 반응조(13)의 그래핀으로 코팅된 음극에 1~5kV의 전위차를 갖는 전자 방출 디바이스(11)의 고전위차 음전류를 공급하여 부(-)전위 분극된 음극의 그래핀 표면에서 전자가 방출되도록 하는 제3단계와; 상기 방출된 전자는 폐수 내 질소 산화물의 NO3 - 이온의 N+5 양전하와 반응하여 질소 산화물이 질소 가스로 변환되어 방출되는 제4단계로; 이루어진다.
In the method of the present invention, the wastewater requiring denitrification is introduced into a reaction tank in which an oxidation reaction tank 12 and a reduction reaction tank 13 are connected, and the reduction reaction tank 13 has a first step in which a cathode is coated with graphene. ; A second step of generating NO 3 ions by electrolyzing water in the oxidation reactor 12 to generate oxygen to meet biochemical and chemical oxygen demand in the reactor, and reacting the nitrogen with nitrogen compounds contained in the waste water Wow; By supplying a high potential difference negative current of the electron-emitting device 11 having a potential difference of 1 to 5 kV to the graphene-coated cathode of the reduction reactor 13, electrons are formed on the graphene surface of the negative-polarized cathode A third step of discharging; The discharged electrons are reacted with the N +5 positive charge of the NO 3 ions of the nitrogen oxides in the wastewater to convert the nitrogen oxides into nitrogen gas and be discharged; Is done.

본 발명의 제1단계는 탈질이 요구되는 폐수를 산화 반응조(12)와 환원 반응조(13)가 연결된 반응조에 유입시키는 단계로서, 실시의 준비 단계에 해당된다.
The first step of the present invention is a step of introducing wastewater requiring denitrification into a reaction tank in which an oxidation reactor 12 and a reduction reactor 13 are connected, which corresponds to a preparation step for implementation.

본 발명의 제2단계는 상기 산화 반응조(12)에서 물을 전기 분해하여 산소를 발생시켜 반응조내 생화학적 및 화학적 산소요구량을 충족시키면서, 상기 산소가 폐수에 포함된 질소 화합물과 반응하여 NO3 - 이온을 생산시키는 단계이다.In the second step of the present invention, the oxygen is electrolyzed in the oxidation reactor 12 to generate oxygen to meet the biochemical and chemical oxygen demand in the reactor, and the oxygen reacts with the nitrogen compound contained in the waste water to reduce NO 3 −. It is a step of producing ions.

상기한 바와 같이 본 발명의 전기 화학 반응 반응조는 도 3에 도시된 바와 같이 산화 반응조(12)와 환원 반응조(13)로 나뉘어지는데, 산화 반응조(12)에서의 반응은 다음과 같이 이루어진다.As described above, the electrochemical reaction tank of the present invention is divided into an oxidation reaction vessel 12 and a reduction reaction vessel 13 as shown in FIG. 3, and the reaction in the oxidation reaction vessel 12 is performed as follows.

산화 반응조(12)에서는 물이 전기분해되면서 반응식 2와 같이 산소가 발생되며,In the oxidation reaction tank 12, oxygen is generated as shown in Scheme 2 as water is electrolyzed.

[반응식 2]Scheme 2

Figure pat00002
Figure pat00002

이때 발생하는 산소에 의하여 생화학적 및 화학적 산소요구량을 충족시키며,Oxygen generated at this time meets the biochemical and chemical oxygen demand,

화학적 산소요구량은 반응식 3과 같이 처리되며, The chemical oxygen demand is treated as in Scheme 3.

[반응식 3]Scheme 3

Figure pat00003
Figure pat00003

암모니아성 질소의 질산화 반응은 반응식 4와 같이 이루어 지며,Nitrification of ammonia nitrogen is carried out as in Scheme 4.

[반응식 4]Scheme 4

Figure pat00004
Figure pat00004

시안 이온의 질산화 반응은 반응식 5, 6, 7을 거쳐서 이루어 진다.The nitrification of cyan ions is carried out via Schemes 5, 6 and 7.

[반응식 5]Scheme 5

Figure pat00005
Figure pat00005

[반응식 6]Scheme 6

Figure pat00006
Figure pat00006

[반응식 7]Scheme 7

Figure pat00007
Figure pat00007

부유 고형물은 산화 반응조에서 발생되는 산소의 기포에 의하여 부유, 응집과정을 거쳐서 여과조에서 여과 처리하며, 산화 반응조(12)에서 발생된 인화합물은 여과조에서 산화 철/탄소 나노 튜브/알미늄/산화 칼슘(Fe3O4/CNT/Al/CaOx)으로 구성된 복합 촉매로 여과 흡착하여 처리한다.
The suspended solids are filtered in a filtration tank through the flotation and flocculation process by oxygen bubbles generated in the oxidation reaction tank, and the phosphorus compounds generated in the oxidation reaction tank 12 are iron oxide / carbon nanotubes / aluminum / calcium oxide ( It is treated by filtration adsorption with a composite catalyst composed of Fe 3 O 4 / CNT / Al / CaOx).

본 발명의 제3단계는 상기 환원 반응조(13)의 그래핀으로 코팅된 음극에 1~5kV의 전위차를 갖는 전자 방출 디바이스(11)의 고전위차 음전류를 공급하여 부(-)전위 분극된 음극의 그래핀 표면에서 전자가 방출되도록 하는 단계이다.The third step of the present invention is to supply a high-potential difference negative current of the electron-emitting device 11 having a potential difference of 1 ~ 5kV to the graphene-coated cathode of the reduction reactor 13 to negative (-) potential polarized The electron is emitted from the graphene surface of the step.

본 발명에 있어서 상기 환원 반응조(13)의 음극은 상기한 바와 같이 그래핀을 불용성 금속 판에 코팅하여 제작된다. In the present invention, the cathode of the reduction reactor 13 is prepared by coating graphene on an insoluble metal plate as described above.

상기 환원 반응조(13)의 그래핀 음극은 불용성 금속판을 표면 조도가 50 ~ 75㎛ 되도록 블라스팅하는 제1 음극제조 공정, 상기 블라스팅한 불용성 금속판에 피디엠에스와 그래핀과의 혼합물을 코팅하는 제2 음극제조공정, 상기 코팅된 도막을 무산소 질소 가스 분위기의 전기로에서 200 ~ 250℃, 6~8시간 동안 열처리하는 제3 음극제조공정에 의하여 이루어지는데, 구체적으로는, 불용성 금속 판을 표면 조도가 50~75㎛ 되도록 블라스팅한 후, 상기 블라스팅한 불용성 금속 판에 [-Si-O-Si-]n 기본 구조를 갖는 피디엠에스와 그래핀을 혼합하여 분사기로 코팅한다. The graphene anode of the reduction reactor 13 is a first cathode manufacturing process of blasting the insoluble metal plate to the surface roughness 50 ~ 75㎛, the second negative electrode to coat the mixture of PDMS and graphene on the blasted insoluble metal plate In the manufacturing process, the coating film is subjected to a third negative electrode manufacturing process of heat-treating the coating film in an electric furnace in an oxygen-free nitrogen gas atmosphere for 6 ~ 8 hours at 200 ~ 250 ℃, specifically, insoluble metal plate surface roughness 50 ~ After blasting to 75㎛, the blasted insoluble metal plate is mixed with PDMS having a [-Si-O-Si-] n basic structure and graphene and coated with an injector.

이때, 도막 두께가 100~200㎛ 되도록 하여 평균 도막 두께가 약150㎛ 되도록 조절한다. At this time, the coating film thickness is adjusted to 100 ~ 200㎛ to adjust the average coating film thickness to about 150㎛.

그 다음, 코팅된 도막을 무산소 질소 가스 분위기의 전기로에서 200~250℃, 6~8시간 동안 열처리하여 음극을 제작하고, 이를 6M 질산 용액으로 웨트 에칭(wet etching) 처리하여 그래핀에 친수성을 부여하고, 전자 방출 기능을 향상시킨다. Next, the coated coating film is heat-treated in an electric furnace in an oxygen-free nitrogen gas atmosphere for 200 to 250 ° C. for 6 to 8 hours to fabricate a cathode, which is wet etched with 6M nitric acid solution to impart hydrophilicity to graphene. And improve the electron emission function.

상기 불용성 금속은 티타늄이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다.The insoluble metal is preferably titanium, but is not limited thereto.

상기 그래핀은 sp2혼성 구조를 이룬 파이 전자 전도체이며, 3~30nm의 두께로서 전류밀도는 구리보다 100배이상 큰 약108A/㎠를 가지며, 이의 전자 이동도는 15,000㎠?V-1?s-1을 나타내며, 전기 저항은 10-6Ω?cm이고, 에너지 밴드갭은 약 0.25eV로서 매우 우수한 전기적 특성을 나타낸다. The graphene is a pi electron conductor having a sp 2 hybrid structure, and has a thickness of 3 to 30 nm and a current density of about 10 8 A / cm 2, which is more than 100 times greater than copper, and its electron mobility is 15,000 cm 2? V -1. ? s −1 , the electrical resistance is 10 −6 Ω · cm, and the energy bandgap is about 0.25 eV, indicating very good electrical properties.

본 발명은 상기의 특성을 가진 그래핀을 사용함으로써 우수한 전기적 특성과 0.25eV라는 낮은 에너지 밴드갭을 나타내어 적은 전기적 에너지에 의하여 전자 방출이 매우 용이하게 발생되는 특징을 가진다.
The present invention exhibits excellent electrical properties and a low energy bandgap of 0.25 eV by using graphene having the above characteristics, so that the electron emission is very easily generated by less electrical energy.

환원 반응조(13)의 음극에 사용된 그래핀은 탄소 나노 물질로서, 전해액인 폐수와 접촉하면 도 1과 같은 구조를 갖는다. Graphene used in the cathode of the reduction reactor 13 is a carbon nanomaterial, and has a structure as shown in FIG. 1 when contacted with wastewater, which is an electrolyte.

즉, 불용성 금속(1)과 그래핀(2)은 쇼트키 접합(Schottky contact)을 이루며, 금속 전극에 주입된 전원 장치의 전자는 공간 전하층인 쇼트키 장벽(barrier)을 양자역학적 터널링 효과(tunneling effect)에 의해 통과하여 그래핀으로 주입되고, 그래핀의 전도대 전자는 그래핀 표면으로 이동하여 표면에서 전자 과잉 상태로 된다.That is, the insoluble metal 1 and the graphene 2 form a Schottky contact, and the electrons of the power supply injected into the metal electrode have a quantum mechanical tunneling effect through the Schottky barrier, which is a space charge layer. tunneling effect) is injected into the graphene, and the conduction band electrons of the graphene move to the graphene surface and become electron-excess at the surface.

이하, 본 발명의 음극의 부(-)전위 분극시 에너지 밴드갭 및 전자 방출에 의한 탈질 메카니즘에 관하여 도 2를 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, the denitration mechanism by the energy band gap and the electron emission during the negative potential polarization of the negative electrode of the present invention will be described in detail with reference to FIG. 2.

그래핀은 6개의 전자를 가진 탄소로 구성된 탄소 나노 물질로서, 부(-)전위 분극을 하게 되면 전도대 전자가 파이 전자 전달 구조에 의하여 그래핀 표면으로 이동하여 표면에서 전자 과잉 상태가 되고, 전해액 폐수와의 계면에서는 전해액 폐수(3) 측에 그래핀 표면과 대칭이 되는 헬름홀츠층(Helmholtz plane)이라고 불리우는 전기 이중층이 형성된다.Graphene is a carbon nanomaterial consisting of carbon with six electrons. When negative polarization is performed, conduction band electrons move to the graphene surface by the pie electron transfer structure, resulting in excess electrons on the surface. At the interface with, an electric double layer called a Helmholtz plane is formed on the electrolyte wastewater 3 side, which is symmetric to the graphene surface.

불용성 금속(예를 들어, 티타늄)과 그래핀을 접합할 시 전기 이중층으로서의 공간전하 영역의 일함수(work function)는 약4.58eV [티타늄 일함수(4.33eV) + 그래핀의 에너지 밴드갭(약0.25eV)]로서, 약 7.34-19joule의 전기적 에너지 이상이면 전원장치의 전자는 에너지 장벽을 양자역학적으로 터널을 통과한다. When joining an insoluble metal (eg titanium) and graphene, the work function of the space charge region as an electrical double layer is about 4.58 eV [titanium work function (4.33 eV) + graphene's energy bandgap (about 0.25 eV)], above about 7.34 -19 joules of electrical energy, the electrons of the power supply quantum mechanically tunnel through the energy barrier.

이때 공간 전하층의 폭은 가우스 폐곡면(Gaussian surface)으로서 각각의 원자 반경의 합인 1.45Å [티타늄 원자반경(0.68Å) + 그래핀의 원자반경(0.77Å)]이 된다. At this time, the width of the space charge layer is a Gaussian surface, which is 1.45 kV (titanium atomic radius (0.68 kPa) + graphene atomic radius (0.77 kPa), which is the sum of the respective atomic radii.

이를 가하여진 전계에 의한 전류밀도를 나타내면 하기 수학식 1과 같으며, Fowler-Nordheim 식(이하 'F-N 식'이라 함)에 해당한다[Niels de Jonge, Jean-Mark Bonard, "Carbon nanotube electron sources and application", Phil. Trans. Soc. Lond. A,2004, 2239-2266; Jean-Mark bonard et al., "Field emission from single-wall carbon nanotube films", Applied Physics Letters, 1998, vol.73, No.7, 918-920].The current density by the applied electric field is shown in Equation 1 below, and corresponds to Fowler-Nordheim equation (hereinafter referred to as 'FN equation') [Niels de Jonge, Jean-Mark Bonard, "Carbon nanotube electron sources and application ", Phil. Trans. Soc. Lond. A, 2004, 2239-2266; Jean-Mark bonard et al., "Field emission from single-wall carbon nanotube films", Applied Physics Letters, 1998, vol. 73, No. 7, 918-920].

[수학식 1][Equation 1]

Figure pat00008
Figure pat00008

J : 전류밀도, E : 전계, Φ/e : 공간전하층의 일함수J: current density, E : electric field, Φ / e: work function of space charge layer

이와 같이 공간 전하층인 쇼트키 장벽을 터널링 효과에 의하여 통과한 전원 장치의 전자는 파이 전자 전도체인 그래핀의 전도대 전자를 표면으로 이동시켜 표면을 전자 과잉 상태로 만들어, 이때 부(-)전위 분극한 그래핀의 에너지 밴드갭은 전해액 계면으로 굽은 상태로 나타낼 수 있다. 즉, 페르미 준위(5)를 기준으로 하여 그래핀의 전도대(4) 전자는 전원 장치에서 공급된 전자의 전위 포텐셜에 의하여 그래핀 표면으로 이동하여 전자 과잉 상태로 된다.The electrons of the power supply device passing through the Schottky barrier, which is a space charge layer, by the tunneling effect, move the conduction band electrons of graphene, which are pie electron conductors, to the surface, causing the surface to be in an excess state of electrons. The energy bandgap of one graphene may be represented as bent toward the electrolyte interface. That is, on the basis of the Fermi level 5, the electrons of the conduction band 4 of graphene move to the graphene surface by the potential potential of the electrons supplied from the power supply device, and the electrons become excessive.

한편, 상기 그래핀 음극(15)에는 도 4와 도 5에 도시된 바와 같이 전자 방출 디바이스(11)의 출력부가 연결되는데, 상기 전자 방출 디바이스(11)는 1~10kΩ의 저항치를 가진 고 저항으로 제작되어, 이에서 출력되는 전압은 전위차가 약 1~5kV에 이르므로 그래핀의 평균 도막 두께가 약150㎛이면 부(-)전위 고전계가 형성되어, 상기 그래핀 음극의 표면에 축적된 과잉 전자는 폐수로 방출된다. Meanwhile, as illustrated in FIGS. 4 and 5, an output of the electron emission device 11 is connected to the graphene cathode 15, and the electron emission device 11 has a high resistance having a resistance of 1 to 10 kΩ. Since the potential difference reaches about 1 to 5 kV, a negative potential high field is formed when the average film thickness of graphene is about 150 μm, and the excess electrons accumulated on the surface of the graphene cathode are formed. Is discharged into the waste water.

전위가 -1kV일 때 그래핀내에서 전도대 전자를 이동시키는 구동력인 전계(E)는 하기 수학식 2로 계산된다. The electric field E, which is a driving force for moving the conduction band electrons in graphene when the potential is −1 kV, is calculated by the following equation.

[수학식 2][Equation 2]

Figure pat00009
Figure pat00009

Figure pat00010
Figure pat00010

≒ -6.7 × 104 V ㎝-1 6.7 -6.7 × 10 4 V cm -1

V : 전위, d : 그래핀의 도막 두께.  V: dislocation, d: film thickness of graphene.

탄소 나노 물질인 그래핀을 사용한 전극의 전위는 금속 전극과 그래핀 표면과의 내부에 걸쳐서 평형을 이루고 있는 전위로서, 계면에 어떠한 것이 접촉되더라도 관계가 없고, 다만 그래핀 표면의 전위 장벽의 높이, 즉 그래핀의 에너지 밴드갭만이 관계가 있다. The potential of the electrode using graphene, a carbon nanomaterial, is equilibrated across the inside of the metal electrode and the graphene surface, regardless of what is contacted at the interface, but the height of the potential barrier on the graphene surface, That is, only the energy band gap of graphene is related.

따라서, 2~3ms 주기를 갖는 펄스 전기적 에너지가 순간적으로 가하여 지면 약0.25eV의 낮은 에너지 밴드갭을 가진 그래핀에 상기 수학식 2와 같은 전계(E)가 형성되어 그래핀의 전도대 전자가 표면으로 이동하고, 표면의 전자는 0.4x10-19joule 이상의 전기적 에너지에 의하여 전해액 폐수로 방출된다. Therefore, when pulsed electrical energy having a period of 2 to 3ms is instantaneously applied, an electric field E as shown in Equation 2 is formed on the graphene having a low energy bandgap of about 0.25 eV so that the conduction band electrons of the graphene are brought to the surface. The electrons on the surface are released to the electrolyte wastewater by the electrical energy of 0.4x10 -19 joule or more.

이때의 최대 전류밀도는 수학식 1에 의하여 약2.76x104A/㎠가 된다. 여기에서 그래핀의 전류밀도는 수학식 1에 의한 상기 최대 전류밀도를 충분히 수용 가능한 전기적 특성을 가지고 있으므로 그래핀은 전자 방출 디바이스의 대전류를 수용 가능하여 고농도 폐수 처리에 효율적이다. The maximum current density at this time is about 2.76x10 4 A / cm 2 by Equation 1. Since the graphene has an electrical property that can sufficiently accommodate the maximum current density according to Equation 1, graphene can accommodate a large current of the electron emitting device and is effective for high concentration wastewater treatment.

구체적으로는, 부(-)전위 분극된 음극의 그래핀이 전해액인 폐수와 접촉하게 되면 계면에서는 NO3 - 이온의 특이흡착이 일어나고, NO3 - 이온의 N+5 양전하는 표면에서 방출된 전자와 전자 교환이 일어난다 [N.V.Korovin et al., "Adatoms influence on overvoltage of Hydrogen", J.Res.Inst.Catalysis,Hokkaido Univ.,1981,Vol.29,No.1, 17-24; G.Rikken et al., "Schottky effect at a metal-polymer interface", Appl. Phys. Lett. 1994, Vol.65.2, 219-221].
Specifically, portion (-) electric potential when the graphene of the polarized cathode in contact with the electrolyte in the interface between waste NO 3 - occurs specific adsorption of ions, NO 3 - N +5 positive charge of the ions, the electrons emitted from the surface And electron exchange occurs [NV Korovin et al., "Adatoms influence on overvoltage of Hydrogen", J. Res. Inst. Catalysis, Hokkaido Univ., 1981, Vol. 29, No. 1, 17-24; G. Rikken et al., “Schottky effect at a metal-polymer interface”, Appl. Phys. Lett. 1994, Vol. 65.2, 219-221.

본 발명의 제4단계는 상기 방출된 전자는 폐수 내 질소 산화물의 NO3 - 이온의 N+5 양전하와 반응하여 질소 산화물이 질소 가스로 변환되어 방출되는 단계이다.In the fourth step of the present invention, the emitted electrons are reacted with the N +5 positive charge of the NO 3 ions of the nitrogen oxides in the wastewater, whereby the nitrogen oxides are converted into nitrogen gas and released.

NO3 - 이온의 전자친화력은 3.0eV로서 매우 높은 이온에 해당하며, NO3 - 이온의 양전하를 띄는 N+5는 내부 헬름홀츠면(6)(이하 'I.H.P'라 함: Inner Helmholtz Plane)에 위치하여 표면에서 방출된 전자를 수용하여 계가 평형에 달할 때 까지 2NO3 -+4e- ---> 2NO2 -+2e- ---> 2NO+2e- ---> N2O+2e- ---> N2로 진행한다. 즉, 그래핀은 전자 공여체로, NO3 -이온은 전자 수용체로 작용한다.NO 3 - electron affinity of the ion corresponds to a very high ion as 3.0eV, NO 3 - N +5 striking a positive charge of the ions inside the Helmholtz plane (6) located on (hereinafter referred to as 'IHP' also Inner Helmholtz Plane) time to reach equilibrium boundaries by receiving electrons emitted from the surface up to 2NO 3 - + 4e - ---> 2NO 2 - + 2e - ---> 2NO + 2e - ---> N 2 O + 2e - - -> Proceed to N 2 . That is, graphene acts as an electron donor and NO 3 ions act as an electron acceptor.

이를 화학 반응식으로 나타내면 하기 반응식 8와 같이 된다.If this is represented by chemical reaction formula, it becomes like Reaction Scheme 8 below.

[반응식 8]Scheme 8

Figure pat00011

Figure pat00011

이때, 음극의 계면에 특이 흡착한 이온반경 2.6Å인 NO3 -의 중심은 계면으로부터 약 3Å 떨어져 있는 전기 2중층의 I.H.P 위에 위치하며, 하이드로늄(Hydronium) 이온으로써 수화된 H+ 이온의 중심은 외부 헬름홀츠면(7)(이하 'O.H.P'라 함: Outer Helmholtz Plane)에 위치한다.At this time, the center of NO 3 , which has an ion radius of 2.6 특이 adsorbed specifically at the interface of the cathode, is located on the IHP of the electric double layer, which is about 3 으로부터 away from the interface, and the center of the H + ions hydrated by hydronium ions is It is located on the outer Helmholtz plane 7 (hereafter referred to as 'OHP': Outer Helmholtz Plane).

상기한 바와 같이, 부(-)전위 분극한 그래핀 표면의 전자는 상대적으로 에너지 레벨이 높은 양극의 상대적인 정(+)전위에 의한 전기적 인력에 의하여 양자역학적으로 전자가 전계 방출되는데, 이러한 전자 방출을 고전계에 의한 쇼트키 효과 전자 전계 방출 (electron field emission)이라고 한다[Xiomara Calderon-Colon et al., "A Carbon nanotube field emission cathode with high current density and long-term stability", 2009 Nanotechnology 20.325707 (PP5), Zhanling Lu et al., "The field Emission Properties of Graphene Aggregates Films Deposited on Fe-Cr-Ni alloy Substrates", Journal of Nanomaterials, doi:10.1155/2010/148596, Jianhui Dong et al., "Field Emission from Few-Layer Graphene Nanosheets Produced by Liquid Phase Exfoliation of Graphite", Journal of Nanoscience and Nanotechnology, Vol.10, 5051-5055, 2010].As described above, electrons on the negatively polarized graphene surface are quantum-mechanically electron-emitted by the electrical attraction due to the relative positive potential of the anode with a relatively high energy level. Is called Schottky effect electron field emission by high electric field [Xiomara Calderon-Colon et al., "A Carbon nanotube field emission cathode with high current density and long-term stability", 2009 Nanotechnology 20.325707 (PP5 ), Zhanling Lu et al., "The field Emission Properties of Graphene Aggregates Films Deposited on Fe-Cr-Ni alloy Substrates", Journal of Nanomaterials, doi: 10.1155 / 2010/148596, Jianhui Dong et al., "Field Emission from Few-Layer Graphene Nanosheets Produced by Liquid Phase Exfoliation of Graphite ", Journal of Nanoscience and Nanotechnology, Vol. 10, 5051-5055, 2010].

계면과 I.H.P 사이의 물의 쌍극자 단분자층을 제1수층이라고 하며, 이의 유전상수는 6으로서 표면으로부터 방출된 전자는 거의 방해를 받지 않으면서 전자의 평균자유행정 3Å으로 호핑(hopping)전도(8)를 하여 계면으로부터 약 3Å 떨어져 있는 전기 2중층의 I.H.P상에 위치하며 특이 흡착된 NO3 - 이온과 전자 교환 반응을 일으킨다. The dipole monolayer of water between the interface and the IHP is called the first aqueous layer, and its dielectric constant is 6, and the electrons emitted from the surface are hopped at an average free stroke of 3 electrons with little interference. It is located on the IHP of the electric double layer about 3 Å away from the interface and causes electron exchange reaction with specifically adsorbed NO 3 - ions.

이를 전자친화력과 전해액에서 이루어지는 이온 전도성의 관점에서 살펴보면, 전기 2중층의 O.H.P상에 위치한 H+ 이온의 전자친화력은 0.76eV로서 NO3 -(3.0eV)보다 적기 때문에 전자와의 반응은 NO3 -에서 먼저 전자 교환이 일어나며, H+는 양전하 운반체로 그래핀과는 콘덴서로 기능하여 변위전류(displacement current)를 형성하므로 전하이동반응에 의하여 H+는 양전하를 그래핀에 주어 전하를 상실하고 자신은 H2로 방출된다. Looking at this from the viewpoint of ion conductivity takes place in electron affinity with an electrolyte, an electron affinity of H + ions in the electric double layer of the OHP is a 0.76eV NO 3 - the reaction of the former and because less than (3.0eV) is NO 3 - At first, electron exchange occurs, and H + acts as a positive charge carrier and graphene acts as a condenser to form a displacement current. Therefore, H + gives a positive charge to graphene and loses its charge. Is released as H 2 .

이는 전해질 내에서 양전하에서 음전하로 이동하는 전하의 이동만 있기 때문에 평탄파를 가진 직류 정류기로써는 전자 방출에 의한 폐수의 직접 탈질 환원 반응에는 사용할 수 없다는 결론이 얻어진다.
It is concluded that this is not used for direct denitrification of wastewater by electron emission as a rectifier with a flat wave because it only transfers charges moving from positive to negative in the electrolyte.

이상 본 발명을 요약하면 산화 반응조(12)에서의 암모니아성 질소 및 시안 이온은 질산화 처리되어 환원 반응조(13)로 유입되며, 부(-)전위로 분극한 음극의 그래핀 표면에서 방출되는 전자에 의하여 상기 반응식 8과 같이 직접 탈질 반응이 이루어 지게 된다.Summarizing the present invention, ammonia nitrogen and cyan ions in the oxidation reaction tank 12 are nitrified and introduced into the reduction reaction tank 13, and the electrons emitted from the graphene surface of the negative electrode polarized with negative (-) potential As a result, direct denitrification is carried out as in Scheme 8.

한편, 음극의 그래핀 표면에서 방출된 전자는 수중에 존재하는 세균의 포자막을 통과하여 세포 원형질에 침투하여 들어가서 세균의 대사작용을 교란함으로써 수중의 병원성 미생물을 살균시킨다.
On the other hand, electrons emitted from the surface of the graphene of the cathode penetrate the cell protoplasts through the spore membrane of bacteria present in the water and disrupt the metabolism of bacteria to sterilize pathogenic microorganisms in the water.

상기한 본 발명의 전기화학적 처리 방법에는 반드시 에너지가 있어야 하며, 에너지원으로는 전기를 사용한다. 본 발명의 장치를 도 4 내지 도 5를 참조하여 다시 상세히 설명하기로 한다.
The electrochemical treatment method of the present invention described above must have energy, and electricity is used as the energy source. The apparatus of the present invention will be described in detail again with reference to FIGS. 4 to 5.

본 발명은 상기한 바와 같이 3상 교류 전력을 직류로 변환하여 평탄파 전류를 출력하는 직류 정류기(9), 상기 평탄파 전류를 펄스 전류로 변환시키는 GTO(Gate turn-off) 싸이리스터(10), 상기 GTO 싸이리스터(10)의 펄스 전류를 에너지원으로 하는 전자 방출 디바이스(11)로 에너지 공급원을 구성하여, 상기 산화 반응조(12)의 양극 및 환원 반응조(13)의 음극이 연결된다.As described above, the DC rectifier 9 converts three-phase AC power into DC to output a flat wave current, and the GTO (Gate turn-off) thyristor 10 converts the flat wave current into a pulse current. The energy supply source is constituted by an electron emission device 11 using the pulse current of the GTO thyristor 10 as an energy source, and the anode of the oxidation reactor 12 and the cathode of the reduction reactor 13 are connected.

상기 에너지 공급원은 기본 에너지원으로 3상 교류 전력(380V또는 220V)을 사용하여 직류 정류기(9)를 통해 직류로 변환시켜 10~15V의 평탄파 전류를 출력한다. The energy source uses a three-phase AC power (380V or 220V) as a basic energy source to convert to DC through the DC rectifier 9 to output a flat wave current of 10 ~ 15V.

그러나, 상기 평탄파 전류는 전자 방출에 기여할 수 없으므로 평탄파 전류를 GTO (Gate turn-off) 싸이리스터(10)에 2~3ms의 주기를 갖는, 바람직하게는 2.5ms 주기를 갖는 신호입력을 가하여 펄스 전류로 변환시켜 산화 반응조의 양극에 공급한다. However, since the flat wave current cannot contribute to electron emission, the flat wave current is applied to the gate turn-off (GTO) thyristor 10 by applying a signal input having a period of 2 to 3 ms, preferably having a 2.5 ms period. It is converted into a pulse current and supplied to the anode of the oxidation reactor.

동시에 음극의 그래핀 표면에서의 전자 방출이 용이하도록 하기 위해 1~5kV의 전위차를 갖는 전자 방출 디바이스(11)로 음전류를 환원 반응조의 음극에 공급하여 준다.At the same time, in order to facilitate electron emission on the graphene surface of the cathode, a negative current is supplied to the cathode of the reduction reactor with an electron emission device 11 having a potential difference of 1 to 5 kV.

본 발명의 반응조에서 전해액 폐수를 전기 분해하면 양극에서는 산소가 발생하고, 음극에서는 수소가 발생하게 되는데, 발생된 산소와 수소의 재결합을 최대한 억제하기 위하여 양극과 음극 사이에 분리 격막(16)을 설치한다. In the reaction tank of the present invention, when electrolytic electrolyte wastewater is electrolyzed, oxygen is generated at the anode and hydrogen is generated at the cathode. A separation diaphragm 16 is installed between the anode and the cathode to suppress the recombination of the generated oxygen and hydrogen. do.

상기 반응조에서 주반응이 일어나는 산화 반응조의 양극 및 환원 반응조의 음극은 직경 10~15mm의 구멍을 펀칭하고 방해판 유로(baffled channel) 구조로 설계된다.
The anode of the oxidation reactor and the cathode of the reduction reactor, in which the main reaction occurs in the reactor, are punched out of holes having a diameter of 10 to 15 mm and designed in a baffled channel structure.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 실시예에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in order to facilitate understanding of the present invention. However, the following examples are provided only for the purpose of easier understanding of the present invention, and the present invention is not limited by the examples.

실시예Example : 본 발명의  Of the present invention 그래핀Graphene 음극을 사용한 전기화학적 연속  Electrochemical Continuation with Cathode 흐름식Flow 폐수 처리 방법 Wastewater Treatment Method

1. One. 그래핀을Graphene 사용한 음극의 제작 Fabrication of Used Cathodes

그래핀을 불용성 티타늄 판에 코팅하여 음극을 제작하였다. 구체적으로는, 티타늄 판을 표면 조도가 50~75㎛ 되도록 블라스팅한 후, 상기 블라스팅한 티타늄 판에 피디엠에스와 그래핀을 혼합하여 분사기로 코팅하였다. 이때, 도막 두께가 100~200㎛ 로써 평균 도막 두께가 약150㎛되도록 조절한다. 그 다음, 코팅된 도막을 무산소 질소가스 분위기의 전기로에서 200~250℃, 6~8시간 동안 열처리한 후, 6M 질산 용액으로 표면을 웨트 에칭하고 청수로 세척하여 활성화된 그래핀 도막으로 제작하였다. Graphene was coated on an insoluble titanium plate to prepare a negative electrode. Specifically, after blasting the titanium plate so that the surface roughness 50 ~ 75㎛, PDMS and graphene was mixed with the blasted titanium plate and coated with an injector. At this time, the coating film thickness is adjusted to 100 ~ 200㎛ so that the average coating film thickness is about 150㎛. Then, the coated coating film was heat-treated at 200-250 ° C. for 6-8 hours in an oxygen-free nitrogen gas electric furnace, and wet etched the surface with 6M nitric acid solution and washed with fresh water to prepare an activated graphene coating film.

2. 양극의 제작2. Fabrication of Anode

양극은 티타늄 판을 산소 산화분위기의 전기로에서 450℃, 6시간 열처리하여 표면을 TiO2로 개질하여 제작하였다.The anode was fabricated by heat treating a titanium plate at 450 ° C. for 6 hours in an electric furnace in an oxygen oxidation atmosphere to modify the surface with TiO 2 .

3. 폐수 처리의 결과치3. Result of wastewater treatment

산화 반응조(질산화 반응조)에 폐수 20Lt를 넣고, 정량 펌프에 의하여 분당 1Lt의 폐수의 흐름으로 조절하여 공급 전력[전류: 12V/30A, 전류 밀도: 22mA/, 2.5ms 펄스파]을 양극에 가하고, 음극은 접지를 하여 산화 반응을 수행하였다. 산화 반응 후 , 이를 환원 반응조로 이송하여 양극은 접지를 하고, 전자 방출 디바이스에 의한 공급 전력[전류 : -1kV/-30A, 전류밀도: 22mA/, 2.5ms 펄스파]을 음극에 가하여 환원 반응을 수행하였다. 폐수 내 총 질소(T-N)의 농도는 자외선 흡광 광도법으로 측정하였다. 자외선 흡광 광도법은 시료 중의 질소 화합물을 알카리성 과황산칼륨의 존재 하에 120℃에서 질산성 질소로 산화시킨 후 자외선 220nm로 질산성 질소를 측정하여 총 질소를 정량하는 방법이다.20 Lt of waste water is put into an oxidation tank (nitrification tank), and the supply power [current: 12 V / 30 A, current density: 22 mA /, 2.5 ms pulse wave] is adjusted to the anode by adjusting the flow of waste water at 1 Lt per minute by a metering pump. The cathode was grounded to perform an oxidation reaction. After the oxidation reaction, it is transferred to a reduction reactor, and the anode is grounded, and a reduction reaction is performed by applying supply power [current: -1 kV / -30 A, current density: 22 mA /, 2.5 ms pulse wave] by the electron emission device to the cathode. Was performed. The concentration of total nitrogen (T-N) in the wastewater was measured by ultraviolet absorbance photometry. Ultraviolet absorption spectroscopy is a method of quantifying total nitrogen by oxidizing nitrogen compounds in a sample with nitrogen nitrate at 120 ° C. in the presence of alkaline potassium persulfate and measuring nitrate nitrogen with ultraviolet light at 220 nm.

결과는 표 1에 나타내었다.The results are shown in Table 1.

항목Item 폐수 초기 농도Wastewater Initial Concentration 최종 농도Final concentration 제거 농도Removal concentration CODCOD 4921.8ppm4921.8 ppm 2232.5ppm2232.5 ppm 2689.3ppm2689.3ppm T-NT-N 2274.21ppm2274.21ppm 1671.14ppm1671.14ppm 603.07ppm603.07ppm

표 1에 나타난 바와 같이, 초기 COD 및 T-N 농도가 각각 4921.8ppm 및 2274.21ppm인 폐수를 상기와 같은 조건과 방법에 의하여 처리한 결과 각각 2689.3ppm 및 603.07ppm이 처리된 결과를 얻었다. 전기 화학적 처리 효율은 투입된 전하량(전류x시간)에 비례하므로 전류를 많게 하면 더욱 높은 효율로 고농도 오염물질을 처리할 수 있음이 확인되었다.
As shown in Table 1, wastewater having initial COD and TN concentrations of 4921.8 ppm and 2274.21 ppm, respectively, was treated according to the conditions and methods described above, and 2689.3 ppm and 603.07 ppm, respectively, were obtained. Since the electrochemical treatment efficiency is proportional to the amount of charged charge (current x time), it was confirmed that the higher the current, the higher concentration of the pollutant can be treated.

이상, 본 발명에 따른 음극의 그래핀 표면으로 부터의 전자 방출에 의한 직접 환원 공정을 이용한 전기 화학적 연속 흐름식 폐수 처리 방법은, 에너지원으로 전기를 사용하므로 폐수 처리의 균일성과 안정성을 이룰 수 있으며, 온도 및 pH에 영향을 받지 않고, 슬러지 발생량을 최소화할 수 있으며, 환원 공정에 의하여 폐수 중의 고농도 질소 화합물을 적은 에너지로 신속하게 처리할 수 있을 뿐 아니라, 산화 공정에 의하여서 생화학적 산소요구량, 화학적 산소요구량을 충족시킬 수 있으며, 부유 고형물 및 인 화합물은 물리적 여과 과정을 통하여 동시에 처리 가능하여 고농도의 폐수처리에 적합하다.The electrochemical continuous flow wastewater treatment method using a direct reduction process by electron emission from the graphene surface of the cathode according to the present invention can achieve uniformity and stability of wastewater treatment because it uses electricity as an energy source. It is possible to minimize sludge generation without being affected by temperature, pH and pH, and it is possible to rapidly process high concentration nitrogen compounds in wastewater with low energy by the reduction process, and biochemical oxygen demand, Chemical oxygen demand can be met, and suspended solids and phosphorus compounds can be treated simultaneously through physical filtration process, which is suitable for high concentration wastewater treatment.

이상과 같은 전자 방출에 의한 고도 폐수 처리에 의하여 음극 계면에서의 특이 흡착을 하며, 전자 친화력이 3.79eV인 염소 원자를 가진 클로로포름(Chloroform:CHCl3) 및 전자 친화력이 3.56eV인 브롬 원자를 가진 브로모포름(Bromoform:CHBr3)의 분해 처리가 가능하며, 벤젠(Benzene) 및 OH기가 있는 페놀(Phenol:C6H5OH) 분해 처리도 가능하다.Bromine with bromine atoms with chloroform (CHCl 3 ) with a chlorine atom with an electron affinity of 3.79 eV and bromine atoms with an electron affinity of 3.56 eV with specific adsorption at the cathode interface by the advanced wastewater treatment by electron emission as described above. Decomposition of bromoform (CHBr 3 ) is possible, and phenol (Phenol: C 6 H 5 OH) with benzene can be decomposed.

또한 그래핀 표면에서 방출된 전자는 세균성 미생물의 포자막을 투과하여 세포 원형질내로 들어가 미생물의 전자 전달계를 저해시킴과 동시에 세포막을 손상시켜 세균성 미생물의 전기적 살균(electrical sterilization) 작용도 수반한다.In addition, electrons emitted from the surface of graphene penetrate the spore membrane of bacterial microorganisms and enter the cell protoplasts to inhibit the electron transport system of the microorganisms, and damage the cell membranes, which also involves the electrical sterilization of bacterial microorganisms.

이상과 같이 고농도 폐수를 효율적으로 처리 가능하므로 화학 공업, 정유 공업, 피혁 공업, 식품 공업, 펄프 제지 공업, 철강 공업, 염색 공업, 전자 공업 등에서 배출되는 각종 산업 폐수, 축산 폐수 및 하수 종말 처리장 폐수 등에 적용가능하다.
As it is possible to efficiently treat high concentration wastewater as described above, various industrial wastewater, livestock wastewater and sewage treatment plant wastewater discharged from chemical industry, oil refining industry, leather industry, food industry, pulp and paper industry, steel industry, dyeing industry, electronic industry, etc. Applicable.

이상 본 발명의 설명을 위하여 도시된 도면은 본 발명이 구체화되는 하나의 실시예로서 도면에 도시된 바와 같이 본 발명의 요지가 실현되기 위하여 다양한 형태의 조합이 가능함을 알 수 있다.It will be apparent to those skilled in the art that the present invention may be embodied in many other specific forms without departing from the spirit or essential characteristics thereof.

따라서 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다. Therefore, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various changes can be made by any person having ordinary skill in the art without departing from the gist of the present invention as claimed in the following claims. It will be said that the technical spirit of this invention is to the extent possible.

1. 불용성 금속 2. 그래핀
3. 전해액 폐수 4. 전도대
5. 페르미 준위 6. 내부 헬름홀츠 층
7. 외부 헬름홀츠 층 8. 호핑 전도
9. 직류 정류기 10. GTO 싸이리스터
11. 전자 방출 디바이스 12. 산화 반응조(질산화 반응조)
13. 환원 반응조(탈질 반응조) 14. 환원 반응조의 양극
15. 환원 반응조의 음극 또는 그래핀 음극
16. 분리 격막
1. insoluble metal 2. graphene
3. Electrolyte Wastewater 4. Conduction Band
5. Fermi level 6. Inside Helmholtz floor
7. Outer Helmholtz layer 8. Hopping conduction
9. DC rectifier 10. GTO thyristor
11. Electron Emission Device 12. Oxidation Reactor (Nitrification Reactor)
13. Reduction reaction tank (denitrification reaction tank) 14. Anode of reduction reaction tank
15. Cathode or graphene cathode of reduction reactor
16. Separation Diaphragm

Claims (9)

탈질이 요구되는 폐수를 산화 반응조와 환원 반응조가 연결된 반응조에 유입시키되, 상기 환원 반응조는 음극이 그래핀으로 코팅된(이하 '그래핀 음극'이라 함) 특징을 가지는 제1단계와;
상기 산화 반응조에서 물을 전기 분해하여 산소를 발생시켜 반응조내 생화학적 및 화학적 산소요구량을 충족시키면서, 상기 산소가 폐수에 포함된 질소 화합물과 반응하여 NO3 - 이온을 생산시키는 제2단계와;
상기 환원 반응조의 그래핀 음극에 1~5kV의 전위차를 갖는 전자 방출 디바이스의 고전위차 음전류를 공급하여 부(-)전위 분극된 음극의 그래핀 표면에서 전자가 방출되도록 하는 제3단계와;
상기 방출된 전자는 폐수 내 질소 산화물의 NO3 - 이온의 N+5 양전하와 반응하여 질소 산화물이 질소 가스로 변환되어 방출되는 제4단계로;
이루어지는 것을 특징으로 하는 그래핀 음극의 수중 전자 방출에 의한 전기 화학적 연속 흐름식 폐수 처리 방법.
A first step of introducing wastewater requiring denitrification into a reaction tank to which an oxidation reaction tank and a reduction reaction tank are connected, the reduction reaction tank having a negative electrode coated with graphene (hereinafter referred to as a 'graphene negative electrode');
A second step of producing NO 3 ions by electrolyzing water in the oxidation tank to generate oxygen to meet biochemical and chemical oxygen demand in the reactor, and reacting the oxygen with nitrogen compounds contained in the waste water;
Supplying a high potential negative current of an electron emission device having a potential difference of 1 to 5 kV to the graphene cathode of the reduction reactor so that electrons are emitted from the graphene surface of the negatively polarized cathode;
The discharged electrons are reacted with the N +5 positive charge of the NO 3 ions of the nitrogen oxides in the wastewater to convert the nitrogen oxides into nitrogen gas and be discharged;
Electrochemical continuous flow type wastewater treatment method by underwater electron emission of the graphene cathode, characterized in that made.
제1항에 있어서 상기 제1단계의 환원 반응조의 그래핀 음극은
불용성 금속판을 표면 조도가 50 ~ 75㎛ 되도록 블라스팅하는 제1 음극제조 공정;
상기 블라스팅한 불용성 금속판에 피디엠에스와 그래핀과의 혼합물을 코팅하는 제2 음극제조공정;
상기 코팅된 도막을 무산소 질소 가스 분위기의 전기로에서 200 ~ 250℃, 6~8시간 동안 열처리하는 제3 음극제조공정;
에 의하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 그래핀 음극의 수중 전자 방출에 의한 전기 화학적 연속 흐름식 폐수 처리 방법.
According to claim 1, wherein the graphene cathode of the reduction reaction tank of the first step
A first cathode manufacturing step of blasting the insoluble metal plate to have a surface roughness of 50 to 75 μm;
A second cathode manufacturing process of coating a mixture of PDMS and graphene on the blasted insoluble metal plate;
A third cathode manufacturing process of heat-treating the coated coating film in an electric furnace in an oxygen-free nitrogen gas atmosphere for 200 to 250 ° C. for 6 to 8 hours;
Electrochemical continuous flow type wastewater treatment method by the release of underwater electrons of the graphene cathode, characterized in that made by.
제2항에 있어서 상기 제3 음극제조공정은
열처리된 음극을 6M 질산 용액으로 웨트 에칭하여 그래핀을 활성화시키는 제4 음극제조공정을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 그래핀 음극의 수중 전자 방출에 의한 전기 화학적 연속 흐름식 폐수 처리 방법.
The method of claim 2, wherein the third cathode manufacturing process
And a fourth cathode manufacturing step of wet etching the heat-treated cathode with a 6M nitric acid solution to activate graphene.
제2항에 있어서, 상기 코팅된 도막의 두께는 100~200㎛로서 평균 도막 두께는 약 150㎛인 것을 특징으로 하는 그래핀 음극의 수중 전자 방출에 의한 전기 화학적 연속 흐름식 폐수 처리 방법.3. The method of claim 2, wherein the coated coating film has a thickness of about 100 μm to about 200 μm and an average thickness of about 150 μm. 제2항에 있어서, 상기 불용성 금속은 티타늄인 것을 특징으로 하는 그래핀 음극의 수중 전자 방출에 의한 전기 화학적 연속 흐름식 폐수 처리 방법.3. The method of claim 2, wherein the insoluble metal is titanium. 6. 상기 제1항의 그래핀 음극의 수중 전자 방출에 의한 전기 화학적 연속 흐름식 폐수 처리 방법이 실시되는 산화 반응조와 환원 반응조가 연결된 반응조에,
3상 교류 전력을 직류로 변환하여 평탄파 전류를 출력하는 직류 정류기와;
상기 평탄파 전류를 펄스 전류로 변환시키는 GTO(Gate turn-off) 싸이리스터와;
상기 GTO 싸이리스터의 캐소드에 연결되어 상기 펄스 전류를 에너지원으로 하여 1~5kV의 전위차를 갖는 고전위차 음전류를 출력시키는 전자 방출 디바이스와;
음극이 상기 전자 방출 디바이스 출력부와 연결되어 부(-)전위 분극된 그래핀 표면에서 전자를 방출시키는 환원 반응조와;
양극이 상기 GTO 싸이리스터의 캐소드에 연결되어 폐수 내 질소 산화물에서 NO3 - 이온을 형성시키는 산화 반응조를;
포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 그래핀 음극의 수중 전자 방출에 의한 전기 화학적 연속 흐름식 폐수 처리 장치.
To the reaction tank is connected to the oxidation reaction tank and the reduction reaction tank is subjected to the electrochemical continuous flow wastewater treatment method by the electron electron emission of the graphene cathode of claim 1,
A DC rectifier for converting three-phase AC power into direct current and outputting a flat wave current;
A gate turn-off (GTO) thyristor for converting the flat wave current into a pulse current;
An electron emission device connected to the cathode of the GTO thyristor to output a high potential difference current having a potential difference of 1 to 5 kV using the pulse current as an energy source;
A reduction reactor connected to the electron-emitting device output at a cathode to emit electrons at the negative potential polarized graphene surface;
An oxidation tank connected with a cathode of the GTO thyristor to form NO 3 ions in nitrogen oxides in the wastewater;
Electrochemical continuous flow type wastewater treatment apparatus by the electron electron emission of the graphene cathode, characterized in that comprising a.
제6항에 있어서, 상기 산화 반응조와 환원 반응조에는
양극과 음극 사이에 분리 격막을 설치하는 것을 특징으로 하는 그래핀 음극의 수중 전자 방출에 의한 전기 화학적 연속 흐름식 폐수 처리 장치.
The method of claim 6, wherein the oxidation tank and the reduction tank
An electrochemical continuous flow type wastewater treatment device for discharging underwater electrons of a graphene cathode, characterized by providing a separation membrane between the anode and the cathode.
제7항에 있어서, 상기 산화 반응조의 양극 및 환원 반응조의 음극은
직경 10~15mm의 구멍을 펀칭한 것을 특징으로 하는 그래핀 음극의 수중 전자 방출에 의한 전기 화학적 연속 흐름식 폐수 처리 장치.
The method of claim 7, wherein the anode of the oxidation reaction tank and the cathode of the reduction reaction tank
An electrochemical continuous flow type wastewater treatment apparatus by emitting electrons in water of a graphene cathode characterized in that a hole having a diameter of 10 to 15 mm is punched out.
제8항에 있어서, 상기 산화 반응조의 양극 및 환원 반응조의 음극은 방해판 유로(baffled channel) 구조로 설계된 것을 특징으로 하는 그래핀 음극의 수중 전자 방출에 의한 전기 화학적 연속 흐름식 폐수 처리 장치.The electrochemical continuous flow wastewater treatment apparatus of claim 8, wherein the anode of the oxidation reactor and the cathode of the reduction reactor are designed in a baffled channel structure.
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