KR20150142571A - 전기화학적 유기물 처리 장치 - Google Patents

전기화학적 유기물 처리 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 전기화학적 유기물 처리 장치는 유기물과 전극 면이 효과적으로 접촉이 가능하여 물 표면 층의 유기물을 효과적으로 제거할 수 있고, 다양한 크기 및 형태를 가지는 공간에 적용 가능하며, 유기물 분해 및 제거의 공정이 매우 단순하고, 다른 부가적인 처리가 필요하지 않으며, 다양한 크기 및 형태를 가지는 공간에 설치가 매우 간단하다. 따라서 장치 제조비용, 설비비용, 및 가동비용 또한 보다 최소화할 수 있는 효과가 있다.

Description

전기화학적 유기물 처리 장치{Electrochemical Organic material processing device}
본 발명은 수중에 포함된 유지방(oil) 등과 같이 물에 혼합되지 않고 뜨는 유기물을 전기화학적으로 분해하여 수질을 정화하는 장치에 관한 것이다.
수중에 분산되어 있는 지방 등의 유기물은 환경오염의 주범으로 녹조 발생 등 환경에 매우 치명적인 해악을 야기한다. 수중에 유기물이 분산되어 수질이 오염되는 원인으로는 생활 폐수, 학교나 공공기관의 급식 시설로부터 발생되는 폐수, 유기물을 다량 사용하는 산업체의 폐수, 및 선박의 기름 유출 등 매우 다양하다. 또한 수중에 포함된 유기물은 기름 등과 같이 물리화학적 특성은 물론, 배출되는 양에 따라서 제거하는 방법도 다양하다. 보통 한 공간에 모아 처리하는 방법이 주로 이용되고 있으며, 이러한 공간의 크기 및 형태도 매우 다양하다. 따라서 발생 원인의 다양성, 처리하는 공간의 크기 및 형태의 다양성, 또는 발생량의 다양성으로 인하여 이러한 다양한 특성들 모두를 효과적으로 처리하는 방법 또는 장치의 적용은 매우 어려운 것이 현실이다. 지금까지 수중에 분산되어 있는 유기물을 제거하는 방법은 생물학적 방법, 화학물질을 첨가하는 화학적 방법, 및 전기화학적 방법 등이 있다. 생물학적 방법은 처리시간이 오래 걸리고 처리 후 슬러지 등의 미생물을 제거해야 하는 복잡한 후처리 공정으로 인해 시간 및 고비용의 문제가 있다. 화학적 방법은 과산화물, 강염기, 또는 산을 투입함으로써 유기물을 제거할 수 있으나, 정화를 위해 투입된 화학약품에 수질이 오염되는 문제 및 고비용의 문제가 있다.
특히 보고된 전기화학적인 방법은 큰 부피의 전극이 필요하고 전극이 수직으로 평형하게 배열되어 분해효율이 매우 낮은 단점이 있다. 또한 유분 등의 유기물은 대분분 밀도 차이로 인하여 물 표면에 존재하여 분해 장치의 전극 표면에 접촉하기 어려워 정화 효율이 떨어지는 문제가 있다. 이러한 단점을 극복하기 위해 교반기를 이용하여 혼합을 하는 경우도 보고되었는데, 기름 등의 유기물은 물 표면에 뭉쳐 부유하고 있어 효과적으로 분산되지 않아 이 또한 상기와 같은 문제가 발생한다. 이는 양극 및 음극으로 구성된 전기화학적 분해설비가 고정되어 있어 다양한 크기 및 형태를 갖는 공간에 적용하기 어려운 것에서 기인한다.
상기와 같은 단점 및 문제로 인하여 전기화학적 방법을 이용한 단순한 장치는 효과적이지 못하다. 특히 한국공개특허 제10-2012-0065998호(전기화학적 폐수 처리 장치 및 방법)에 공지된 전기화학적 분해방법은 전기응석 장치와 전기부유선광기 등의 별도의 처리공정이 필요하여 고비용이 발생될 뿐 아니라 공정 자체도 매우 복잡하여 다양한 크기 및 형태의 공간 등의 광범위한 처리장치에 적용이 매우 어렵다.
한국등록특허 제10-1032619호(전기화학 방식을 이용한 색도 함유 폐수의 처리방법)에는 산업공정에서 색도를 포함하여 발생하는 폐수를 입자상 고형물을 제거하는 고형물분리단계와 무기응집제 및 폴리머의 첨가를 통한 응집침전단계와 미생물에 독성을 미치지 않도록 수소이온농도를 조정하는 1차 pH 조정단계와 미생물에 의한 유기물의 분해를 촉진하는 생물학적 처리단계와 알칼리도를 높여 잔존하는 무기물질을 제거하기 위한 2차 pH 조정단계와 전해도를 증가시키기 위한 전해질 첨가단계와 전기화학적 반응에 의한 전기화학적 처리단계로 처리하여 처리수의 색도를 낮출 수 있도록 한 것으로 고비용이 발생될 뿐 아니라 다양한 크기 및 형태의 공간 등의 광범위한 처리장치에 적용이 매우 어렵다.
한국등록특허 제10-0456303호(전기화학적 산화-환원반응에 의한 염색폐수 처리용 반응기 및 이를 이용한 염색폐수처리 방법)에는 전기화학적 산화반응에 의하여 유기물을 제거하는 장치를 제공하고 있지만 전극설비가 복잡하고 고정되어 있어 다양한 크기 및 형태를 갖는 수조에는 적용이 매우 어렵고, 특히 강이나 바다에 적용하는 것은 불가능에 가깝다. 또한 전극 면에 유기물이 효과적으로 접촉하기 어려워 처리시간, 설비, 및 가동 비용 효율이 떨어지는 문제가 있다.
한국공개특허 제10-2012-0065998호 한국등록특허 제10-1032619호 한국등록특허 제10-0456303호
본 발명의 목적은 물 표면 층의 유기물을 효과적으로 제거하기 위한 것으로, 유기물과 전극 면이 효과적으로 접촉이 가능한 전기화학적 유기물 처리 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 유기물이 지속적으로 산화, 분해 또는 제거가 될 수 있는 장기간 가역적인 유기물 분해 효율이 매우 향상된 전기화학적 유기물 처리 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 다양한 크기 및 형태를 가지는 공간에 적용 가능한 전기화학적 유기물 처리 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 유기물 분해 및 제거의 공정이 매우 단순한 유기물 분해제거 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 다른 부가적인 처리가 필요하지 않고, 다양한 크기 및 형태를 가지는 공간에 설치가 매우 간단한 전기화학적 유기물 처리 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 장치 제조 비용, 설비 비용, 및 가동 비용을 최소화 할 수 있는 전기화학적 유기물 처리 장치를 제공하는 것이다.
본 발명은 유분 등의 대부분의 유기물이 밀도 차이로 인하여 물 표면 층에 존재하는 점을 착안하여, 상기 유기물을 효과적으로 분해 및 제거하기 위한 장치에 관한 것이다. 상세하게, 양극 층 및 음극 층 구비하는 유기물 분해 장치; 상기 유기물 분해 장치와 결합된 부유물 구조체; 를 포함하는 전기화학적 유기물 처리 장치에 관한 것이다. 상기의 전기화학적 유기물 처리 장치는 수중의 물과 접촉하면 물과 유기물 분해 장치의 전극 계면에 오일 등의 유기물이 접촉된다. 기름 등의 유기물은 밀도가 낮아 거의 물 표면에 존재하는 특성이 있어 전극에 필연적으로 접촉하게 된다. 따라서 효과적으로 전극과 유기물이 접촉하게 되어 전기화학적으로 산화 및 분해(또는 제거)가 가능하다.
특히 상기 양극 층에 도전성 활성탄소 등의 탄소 물질을 코팅하거나 상기 탄소 물질이 코팅된 양극 층에 금속 촉매를 담지하여 사용하면 유기물이 상기 양극 층에 흡착되어 지속적으로 산화, 분해 또는 제거가 될 수 있다. 또한 산화, 분해 또는 제거되어 생성된 부생성물들은 자연적으로 떨어져 나감으로써, 지속적이고 가역적인 유기물 분해 효율이 매우 향상될 수 있는 매우 효과적인 특징이 있다.
전극에서 유기물이 산화 및 분해되는 물리화학적 메커니즘은 다음과 같다. 1) 유기물이 전극에 흡착되어 전기화학적으로 산화되어 최종적으로 이산화탄소로 분해된다. 2) 양극 층 및 음극 층을 포함하는 전극표면에서 물이 분해되면서 생성된 수산화 레디칼 등의 과산화물에 의해서 기름 등의 유기물이 이산화탄소로 산화 및 분해된다.
상기와 같은 간단한 구조 및 메커니즘에 기인하여 장시간 사용하여도 초기의 특성이 그대로 유지되는 가역적인 수명의 효과를 가진다.
이하, 본 발명에 대해 상세히 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 양극 층 및 음극 층 구비하는 유기물 분해 장치; 상기 유기물 분해 장치와 결합된 부유물 구조체; 를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 부유물 구조체 하부에 양극 층이 고정되고, 상기 양극 층 하부와 음극 층이 대항하여 이격될 수 있다. 상기 양극 층 및 음극 층이 형성된 전극, 상기 전극이 형성된 유기물 분해 장치는 부유물 구조체 하부에 형성되며, 전기화학적으로 물에 부유한 기름 등의 유기물을 제거하는 역할을 하여 효과적으로 기름 등의 유기물을 제거할 수 있다. 상세하게, 상기 양극 층을 포함하는 전극에 기름 등의 유기물이 접촉되어 산화, 분해 또는 제거될 수 있다. 물 표면 층에 설치할 경우의 기하학적 일 예로서, 상기 부유물 구조체 하부 및 양극 층을 포함한 전극은 물 층을 포함한 지면을 바라보는 방향으로 위치할 수 있다. 이러한 구조를 유지하는 것이 유기물 산화, 분해 또는 제거 효율에 있어서 바람직하다. 일반적으로 상기 양극 층 하부와 음극 층 사이의 거리는 전극이 단락이 되지 않을 정도 이상의 거리라면 크게 제한되지 않는다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 양극 층 하부와 음극 층은 지지대에 의해 이격될 수 있다. 서로 이격된 양극 층 하부 및 음극 층에 의해 유기물이 접촉되어 산화 또는 분해되어 제거되는 것으로서, 이러한 구조를 형성할 수 있는 것이라면 제한되지 않는다. 예컨대 상기 양극 층 하부를 포함하는 각 모서리에 4 개의 지지대가 수직으로 형성되어 상기 음극 층을 이격시켜 형성된 구조를 예시할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 양극 층 및 음극 층은 독립적으로 백금, 금, 구리, 니켈, 철, 코발트, 알루미늄, 티타늄, 주석, 텅스텐, 아연, 망간, 크롬, 루테늄, 로듐, 파라듐, 오스뮴, 이리듐, 은, 납, 몰리브덴, 규소, 스테인레스(STS, SUS 또는 STS 포함), 탄소, 흑연, 그래핀, 이들의 합금, 이들의 산화물 및 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 전극의 형태로는 판 형태 또는 섬유 형태가 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 양극 층은 탄소 층을 포함할 수 있다. 예컨대 상기 양극 층에 활성탄소, 도전성 탄소, 에폭시 바인더를 8:1:1의 중량비로 혼합한 후, N-메틸피롤리돈(N-Methylpyrrolidone; NMP) 용매에 분산시켜 상기 양극 층 상에 0.01 내지 100 μm로 코팅될 수 있다. 상기 활성탄소는 0.1 내지 100 μm 입자크기의 활성탄소를 예시할 수 있으며, 상기 활성탄은 1 내지 2000 m2/g의 비표면적을 가지는 활성탄을 예시할 수 있다. 도전성 탄소로는 높은 전기전도도를 갖는 아세틸렌 블랙(Acetylene black)을 예시할 수 있다. 이러한 방법으로 코팅된 양극 층은 유기물과의 접촉 표면적 및 접촉 확률을 증가시키기 때문에 유기물의 산화, 분해 또는 제거의 효율이 더욱 향상될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 양극 층은 금속 촉매를 더 포함할 수 있다. 상기 금속 촉매를 양극 층 또는 음극 층을 포함하는 전극에 담지하는 과정을 거침으로써, 유기물의 산화, 분해 또는 제거의 효율이 더욱 향상될 수 있다.
특히 상기 양극 층에 도전성 활성탄소 등의 탄소 물질을 코팅하거나 상기 탄소 물질이 코팅된 양극 층에 금속 촉매를 담지하여 사용하면 유기물이 상기 양극 층에 흡착되어 지속적으로 산화, 분해 또는 제거가 될 수 있다. 또한 산화, 분해 또는 제거되어 생성된 부생성물들은 자연적으로 떨어져 나감으로써, 지속적이고 가역적인 유기물 분해 효율이 매우 향상될 수 있는 매우 효과적인 특징이 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 금속 촉매는 구리, 니켈, 코발트, 철, 백금, 금, 은, 알루미늄, 루데늄, 크롬, 마그네슘, 망간, 몰리브덴, 로듐, 탄탈륨, 티타늄, 텅스텐, 우라늄, 바나듐, 팔라듐, 이트리움, 지르코늄, 게르마늄, 이리듐, 로듐, 및 이들의 합금 중에서 선택된 하나 또는 둘 이상의 물질을 포함할 수 있다. 특히 탄소 층을 포함하는 탄소계 전극에 사용되는 경우 탄소 표면에 백금, 팔라듐, 니켈, 코발트, 및 루테늄 등의 금속 촉매을 담지하여 사용하는 것이 더욱 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 양극 층 및 음극 층은 전원 공급 장치에 각각 전선이 연결될 수 있다. 일반적으로 상기 전선은 양극 층을 포함한 전극 또는 음극을 층을 포함하는 전극에 각각 연결되어 형성될 수 있고, 이는 전원 공급 장치(Power supply)에 연결되어 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 전선은 부유물 구조체 내부 또는 외부에 형성될 수 있다. 구체적으로 부유물 구조체 내부를 관통하여 형성될 수 있으며, 외부에 형성될 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 전극에 전류가 인가될 때의 전류밀도는 0.1 μm/cm2 이상일 수 있다. 전극 사이에 인가되는 전류의 범위는 제한되지 않으나, 0.1 μm/cm2 미만에서는 분해효율이 낮고 시간이 많이 소요되므로 바람직하지 않다. 또한 전류밀도의 상한범위는 현실적으로 크게 제한이 없다.
본 발명의 일 실시예 또는 일 예에 있어서, 전류 공급은 일반적으로 전류 공급이 가능한 곳의 전원 공급장치로부터 전선을 끌어와 사용될 수 있지만, 배터리 또는 태양전지 등에 의해서도 사용될 수 있다. 외부로부터 전류 공급을 받는 형태가 아닌 배터리 또는 태양전지 등에 의한 경우 이들을 포함하는 전원 공급장치는 본 발명의 전기화학적 유기물 처리 장치에 더 포함될 수 있다. 예컨대 부유물 구조체 상부에 상기 전원 공급장치가 형성되는 것이 바람직하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 전원 공급장치는 이 외에 부유물 구조체 내부, 부유물 구조체와 양극 층을 포함하는 전극 사이 또는 음극 층을 포함한 전극 하부 등 자유롭게 위치시킬 수 있다. 따라서 용도, 특성 또는 환경에 따라 적절히 응용 또는 적용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 부유물 구조체는 비중이 1 미만일 수 있다. 상기 비중은 표준물질로서 4℃의 물(밀도 0.999973 g/cm3)을 의미한다. 물에 혼합된 성분에 따라 물의 밀도는 미세한 변화가 있을 수 있으나, 통상적으로 물 표면에 부유할 수 있는 비중 1 미만의 부유물 구조체를 말하며, 비중이 1 미만의 것은 무엇이나 가능하다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 부유물 구조체는 판형의 다면체일 수 있다. 상기 부유물 구조체의 상부 면 또는 하부 면의 방향이 변화될 경우 양극 층을 포함한 전극에 기름 등의 유기물의 접촉 효율이 떨어질 수 있다. 따라서 부유물 구조체 상부 면 또는 하부 면의 방향이 물의 움직임에 의하여 변화되지 않는 것이라면 이의 형태는 딱히 제한되지 않으나, 통상적으로 판형의 사각면체를 예시할 수 있다.
특히 부유물 구조체는 높낮이가 자동적으로 폐유의 수면과 일치함으로 전극과 유기물이 효과적으로 접촉하게 되어 분해효율이 매우 높고, 별도의 고정설비장치가 불필요하여 매우 경제적인 장점이 있다. 또한 상기 부유물 구조체는 공간적인 제한을 거의 받지 않기 때문에 예컨대 중고등학교 급식시설에서 발생되는 오염물질을 처리하기 위한 수조, 산업폐유의 수조, 강, 또는 바다에서도 효율적으로 설치하여 효과적인 유기물 처리가 가능하다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 부유물 구조체는 발포 구조체를 포함할 수 있다. 통상적으로 물 표면에 부유할 수 있는 것이라면 사용 가능하나, 상기 발포 구조체를 사용하는 것이 바람직하다. 상기 발포 구조체는 비중이 매우 낮아 상대적으로 밀도가 높은 금속을 포함하는 유기물 분해 장치가 설치되어도 문제없이 물 표면에 부유할 수 있으며, 대량생산, 제조 공정에서의 구조적 성형의 편리성, 및 중량이 상대적으로 매우 작기 때문에 적은 비용으로도 최대의 효과를 낼 수 있는 부유물 구조체이다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 발포 구조체는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리비닐렌, 폴리비닐클로라이드 및 폴리스티렌, 폴리올레핀, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리에테르, 폴리에스테르, 폴리우레탄, 폴리페놀, 폴리우레아, 폴리아크릴, 폴리이미드, 및 이들의 유도체로부터 하나 또는 둘 이상 선택된 중합체, 이들의 공중합체 및 이들의 블랜드; 목재; 실리콘, 및 고무; 를 포함할 수 있다. 예컨대 폴리에틸렌 발포 고분자 구조체를 판상으로 제조한 후, 물과 접촉하는 밑면에 금속전극을 부착시켜 일체가 되게 하여 사용할 수 있다. 특히 폴리올레핀, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스티렌, 폴리비닐클로라이드 등의 범용수지 또는 발포 고무계도 좋다. 이들은 모두 발포된 상태에서는 비중이 매우 낮아 표면에 금속전극을 부착하여도 물에 부유되어 부상되는 장점이 있고, 물이나 유기물에 접촉하여도 산화, 형태의 변형 또는 부식되지 않는 장점이 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 양극 층 하부와 음극 층이 이격되어 형성된 구조가 둘 이상 반복 적층되어 형성될 수 있다. 일반적으로 상기 구조 하나가 형성된 전기화학적 유기물 처리 장치가 바람직하나, 상기 구조가 둘 이상 반복 적층되어 형성될 수도 있다. 이는 유기물과의 접촉 확률을 보다 향상시킬 수 있으며, 특성 또는 용도에 따라서 적절히 응용할 수 있는 사항이다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 분해 또는 제거되는 유기물은 물 표면 층에 부유하는 유기물일 수 있다. 일반적으로 본 발명의 유기물 분해 장치의 전극에 접촉된 유기물은 산화, 분해 또는 제거가 가능하나, 오염된 물을 포함하는 공간은 오염원인 유기물이 물 표면 층에 거의 부유하고 있기 때문에 효과적인 유기물 처리가 가능하다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 분해 또는 제거되는 유기물은 지방족화합물 또는 방향족 화합물을 포함할 수 있다. 상기 지방족 화합물은 할로겐 치환 화합물, 알코올, 에테르, 아민, 나이트릴, 황 화합물, 티올, 알데하이드, 케톤, 카르복실산, 에스터, 아마이드, 이들의 유도체 및 이들의 화합물 등을 예시할 수 있다. 상기 방향족 화합물은 벤젠 고리를 하나 이상 함유한 화합물 및 이들의 유도체를 의미할 수 있다. 이러한 화합물은 통상적으로 오염된 여러 가지 성분들을 포함한 것일 수 있다. 하지만 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명에서의 유기물 분해 장치를 통하여 산화, 분해 또는 제거가 필요한 것이라면 제한되지 않고 적용이 가능하다.
본 발명의 전기화학적 유기물 처리 장치는 유기물과 전극 면이 효과적으로 접촉이 가능하여 물 표면 층의 유기물을 효과적으로 제거할 수 있는 장점이 있다.
특히 양극 층에 흡착, 분해 및 탈착 과정을 거쳐, 지속적이고 가역적인 유기물 분해 효율이 매우 향상된 효과를 갖는 특징이 있다.
또한 본 발명의 전기화학적 유기물 처리 장치는 다양한 크기 및 형태를 가지는 공간에 적용 가능한 장점이 있다.
또한 본 발명의 전기화학적 유기물 처리 장치는 유기물 분해 및 제거의 공정이 매우 단순한 장점이 있다.
본 발명의 전기화학적 유기물 처리 장치는 다른 부가적인 처리가 필요하지 않고, 다양한 크기 및 형태를 가지는 공간에 설치가 매우 간단한 장점이 있다.
본 발명의 전기화학적 유기물 처리 장치는 장치 제조 비용, 설비 비용, 및 가동 비용을 보다 최소화할 수 있다.
도 1은 실시예 1 및 실시예 2에 따라 양극 층 및 음극 층을 포함한 전극, 상기 전극을 구비한 유기물 분해 장치 및 상기 유기물 분해 장치를 구비한 부유물 구조체를 포함하는 전기화학적 유기물 처리 장치의 도면이다.
도 2는 실시예 1, 실시예 2, 및 비교예 1에 따라 시간의 함수로 분해율을 측정하여 그 결과 값을 도시한 그래프이다.
이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 전기화학적 유기물 처리 장치를 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있으며, 이하 제시되는 도면들은 본 발명의 사상을 명확히 하기 위해 과장되어 도시될 수 있다. 이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
또한 본 발명에서 언급하는 양극 층 및 음극 층은 이를 포함하는 전극의 의미로도 해석될 수 있다.
(실시예 1)
겉보기 비중이 0.2 이하인 발포 폴리에틸렌 판(두께 : 1 cm, 길이 : 30 cm, 넓이 : 30 cm)에 스테인레스(SUS 규격) 판(두께 : 5 μm, 길이 : 30 cm, 넓이: 30 cm)을 고정하여 양극 층으로 사용하고, 망상의 스테인레스(SUS 규격) 판(두께 : 20 μm, 길이 : 30cm, 넓이 : 30 cm)를 음극 층으로 사용하여 전기화학적 유기물 처리 장치를 제조하였다. 양극 층과 음극 층을 부유물에 5 cm 간격으로 유지하여 이격시켜 고정한 후 전선을 연결하여 도 1과 같이 전기화학적 유기물 처리장치를 제조하였다.
수돗물 25 ℓ에 올리브오일 3 ℓ를 혼합한 시료에 상기 전기화학적 유기물 처리 장치를 띄워 실험하였다.
전원 공급 장치(Power supply)를 이용하여 전류밀도 15 mA/cm2로 가하여 시간의 함수로 수중에 포함된 기름의 분해율을 측정하였다. 분해된 유기물의 양은 UV 흡광도를 이용하여 측정하였다.
(실시예 2)
양극 층으로 사용된 스테인레스(SUS 규격) 판 대신 하기의 탄소 코팅 및 금속 촉매가 담지된 양극 층을 사용한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 제조 및 실험하였다. 상세하게, 양극 층으로 사용된 스테인레스(SUS 규격) 판에 활성탄소 : 도전성 탄소 : 에폭시 바인더를 8:1:1의 중량비로 혼합한 후, N-메틸피롤리돈(N-Methylpyrrolidone; NMP) 용매에 분산시켜 상기 판에 약 10 μm로 코팅한 후, 100℃의 온도에서 건조하여 롤 프레스(Roll press)를 이용하여 약 10%로 압착하였다. 이때 약 12 μm 입자크기의 활성탄소 및 약 500 m2/g의 비표면적의 활성탄을 사용하였고, 도전성 탄소로는 높은 전기전도도를 갖는 아세틸렌 블랙(Acetyleneblack)을 사용하였다. 그리고 180℃로 열처리하여 에폭시를 경화시켜 탄소가 코팅된 스테인레스(SUS 규격) 전극을 제조하였다. 상기 전극에 무전해도금 법을 이용하여 전기화학적 촉매로서 Pt, Ni, 및 Pd를 담지하였다.
(비교예 1)
전극의 배열상태를 실시예 1 및 실시예 2의 부유전극을 사용하지 않는 대신, 종래의 일반적인 방법인 수직으로 세운 방법으로 실험을 수행한 것을 제외하고 실시예 1과 동일하게 실험하였다. 이의 유기물 분해율을 시간의 함수로 측정하였다.
도 1은 실시예 1 및 실시예 2에 따른 전기화학적 유기물 처리 장치의 도면으로, 부유물 구조체 하부에 양극 층을 포함한 전극이 형성되고, 상기 전극 하부에 4 개의 지지대에 의해 5 cm 정도 이격되어 음극 층을 포함한 전극이 형성된 구조를 가진다. 상기 전기화학적 유기물 처리 장치가 물에 부유함으로서, 양극 층을 포함한 전극에 유기물이 접촉되어 산화, 분해 또는 제거시키는 시스템이다. 양극 층 및 음극 층을 포함한 전극에 각각 연결된 전선은 부유물 구조체 내부를 관통하여 형성되었다. 또한 외부의 전원 공급장치로부터 전류를 공급받는 구조의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 2는 실시예 1, 실시예 2, 및 비교예 1에 따라 시간의 함수로 분해율을 측정하여 그 결과 값을 도시한 그래프이다. 실시예 1의 경우 24 시간 동안 약 80 %의 유기물이 분해되는 것을 확인할 수 있었고, 실시예 2의 경우 100 %에 가까운 우수한 분해효율을 나타내었다.
반면 비교예 1의 경우 분해효율이 크게 저하 되는 현상을 관찰하였다. 이는 대부분의 기름 등을 포함한 유기물은 물 표면에 존재함으로 전극과의 접촉이 상대적으로 어려운 것에 기인한 것으로 판단할 수 있다.
본 발명은 부유물 구조체를 이용한 전기화학적인 산화반응에 의하여 물 표면 층에 부유하는 기름 등을 포함하는 유기물을 산화, 분해 또는 제거하기 위한 장치로 다음과 같은 이유에서 매우 경제적이고 효과적인 장점이 있다. 1) 양극 및 음극을 포함하는 유기물 분해 장치 및 상기 유기물 분해 장치를 구비한 부유물 구조체로 구성되어 있어, 장치의 구성이 매우 단순하기 때문에 어떠한 공간의 형태에도 쉽게 적용할 수 있다. 예를 들면 강이나 바다에도 부표처럼 띠워 놓으면 설치가 완료된다.
2) 전류만 인가하면 됨으로 유기물 산화, 분해 또는 제거 메커니즘이 매우 단순하다. 때문에 고장이 날 확률이 낮고, 설치효율 또는 공정효율이 매우 높다.
3) 본 발명의 전기화학적 유기물 처리 장치는 높낮이가 자동적으로 오염수의 수면과 일치함으로, 전극과 유기물이 효과적으로 접촉할 수 있어 분해효율이 매우 높고, 장시간 사용하여도 초기의 특성이 그대로 유지되는 가역적인 수명을 가진다.
101 : 양극 층
102 : 음극 층
103 : 탄소 코팅 층
104 : 전선
105 : 부유물 구조체

Claims (14)

  1. 양극 층 및 음극 층을 구비한 유기물 분해 장치; 상기 유기물 분해 장치와 결합된 부유물 구조체; 를 포함하는 전기화학적 유기물 처리 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 부유물 구조체 하부에 양극 층이 고정되고, 상기 양극 층 하부와 음극 층이 대항하여 이격된 것인 전기화학적 유기물 처리 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 양극 층 하부와 음극 층은 지지대에 의해 이격된 것인 전기화학적 유기물 처리 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 양극 층 및 음극 층은 독립적으로 백금, 금, 구리, 니켈, 철, 코발트, 알루미늄, 티타늄, 주석, 텅스텐, 아연, 망간, 크롬, 루테늄, 로듐, 파라듐, 오스뮴, 이리듐, 은, 납, 몰리브덴, 규소, 스테인레스, 탄소, 흑연, 그래핀, 이들의 합금, 이들의 산화물, 및 이들의 혼합물을 포함하는 것인 전기화학적 유기물 처리 장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 양극 층은 탄소 층을 포함하는 것인 전기화학적 유기물 처리 장치.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 양극 층은 금속 촉매를 더 포함하는 것인 전기화학적 유기물 처리 장치.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 금속 촉매는 구리, 니켈, 코발트, 철, 백금, 금, 은, 알루미늄, 루데늄, 크롬, 마그네슘, 망간, 몰리브덴, 로듐, 탄탈륨, 티타늄, 텅스텐, 우라늄, 바나듐, 팔라듐, 이트리움, 지르코늄, 게르마늄, 이리듐, 로듐, 및 이들의 합금 중에서 선택된 하나 또는 둘 이상의 물질을 포함하는 것인 전기화학적 유기물 처리 장치.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 양극 층 및 음극 층은 전원 공급 장치에 각각 전선이 연결된 것인 전기화학적 유기물 처리 장치.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 전기화학적 유기물 처리 장치는 상기 양극 층 및 상기 음극 층에 전류가 인가될 때의 전류밀도가 0.1 μm/cm2 이상인 것인 전기화학적 유기물 처리 장치.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 부유물 구조체는 발포 구조체를 포함하는 것인 전기화학적 유기물 처리 장치.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 발포 구조체는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리비닐렌, 폴리비닐클로라이드 및 폴리스티렌, 폴리올레핀, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리에테르, 폴리에스테르, 폴리우레탄, 폴리페놀, 폴리우레아, 폴리아크릴, 폴리이미드, 및 이들의 유도체로부터 하나 또는 둘 이상 선택된 중합체, 이들의 공중합체 및 이들의 블랜드; 목재; 실리콘, 및 고무; 를 포함하는 것인 전기화학적 유기물 처리 장치.
  12. 제 1 항에 있어서,
    분해 또는 제거되는 유기물은 물 표면 층에 부유하는 유기물인 것인 전기화학적 유기물 처리 장치.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 분해 또는 제거되는 유기물은 지방족 화합물 또는 방향족 화합물을 포함하는 것인 전기화학적 유기물 처리 장치.
  14. 제 1항 내지 13항 중에서 선택된 어느 한 항에 따른 전기화학적 유기물 처리 장치를 이용하여 전기화학적으로 유기물을 처리하는 방법.
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