KR20180081927A - 산화아연 및 이산화티탄을 포함하는 폐수의 처리 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 산화아연 및 이산화티탄을 포함하는 폐수의 처리 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 산화아연 응집 반응조; 산화아연 응집 침전조; 이산화티탄 전기 응집조 및 슬러지 배출조의 순으로 포함하여 이루어지고, 상기 산화아연 응집 침전조는 폐수의 흐름 방향이 상하로 이동되도록 2개 이상의 격벽이 설치되고 하부는 침전물을 배출하기 위한 호퍼가 구비되며, 상기 이산화티탄 전기 응집조는 내면에 각각 판형의 전극이 결합되고, 상기 판형의 전극은 소정의 간격을 두고 폐수의 흐름방향으로 서로 지그재그 형태로 엇갈리게 배열됨으로써, 미량의 산화아연 및 이산화티탄을 간편하고 빠를 뿐만 아니라 연속적으로 제거할 수 있는 이점이 있다.

Description

산화아연 및 이산화티탄을 포함하는 폐수의 처리 장치 {APPARATUS FOR PROCESSING WASTE WATER COMPRISING TITANIUM DIOXIDE AND ZINC OXIDE}

본 발명은 폐수, 하수처리시설의 방류수 등에 포함되어 있는 산화아연 및 이산화티탄을 연속적으로 제거하는 일체화된 처리 장치에 관한 것이다.

나노물질은 원료 물질로서 제조 과정에서 작업장 노출이 되거나 나노물질을 함유한 나노소비재를 사용하고 폐기하는 과정에서 비의도적으로 환경에 배출되고 있으며, 이는 의도하지 않은 환경 오염을 일으키는 원인이 되고 있다.

예컨대 이산화티탄(TiO₂) 또는 산화아연(ZnO)과 같은 나노물질의 경우, 이를 포함하는 폐수 또는 폐기물이 하폐수 처리장에서 처리된다 하더라도 현재 하수처리장에는 나노물질을 처리하기 위한 적절한 처리공정이 없기 때문에 나노물질을 제거할 수 있는 효율이 100%에 이르지 못하기 때문에, 여러 가지 경로로 미량의 나노물질이 배출될 수 있다.

산화아연은 액상에서 쉽게 이온화되는 경향이 있기 때문에, 하폐수 처리장의 방류수 등에 미량 포함되어 방출되는 경우 대상 물질을 제거하기가 매우 어렵다는 문제점이 있었다. 이에 따라 수용액 중의 산화아연을 제거하기 위한 응집제 등이 개발되고 있으나, 응집 효과가 미미하거나, 응집 입자가 생물체 내에 축적되어 2차 오염을 발생시킬 수 있다는 문제점이 있어 이를 해결하기 위한 기술이 필요한 실정이다.

또한, 이산화티탄은 하수 및 폐수처리장을 거치더라도 이산화티탄 나노입자를 제거하는 효율은 100%에 이르지는 못하고 있다. 하폐수 처리장에서 이산화티탄 나노입자의 제거 효율은 90 내지 95%로 보고 있기 때문에 처리수와 미처리수(overflow)로 5 내지 10%의 이산화티탄 나노입자가 방류될 수 있으며, 그 방류수는 표층수로 이동하고 일부는 지하수로 침투되거나 침전된다.

그러나, 이산화티탄을 이용한 폐수처리 방법은 대한민국 공개특허 제2000-0067737호 및 대한민국 공개특허 제2000-0059854호에 기재되어 있으나, 이산화티탄 나노 입자를 폐수에서 제거하는 방법에 대한 선행기술문헌은 전무한 상황이다.

이에 본 발명은 상기한 문제를 해결하기 위하여 연구 노력하였다. 그 결과, 수중에 포함되어 있는 미량의 산화아연 및 이산회타탄 나노물질 효과적으로 제거할 수 있고, 상기 산화아연 및 이산회타탄 나노물질을 연속적으로 제거할 수 있는 일체화된 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명은 산화아연 응집 반응조; 산화아연 응집 침전조; 이산화티탄 전기 응집조 및 슬러지 배출조의 순으로 포함하여 이루어지고, 상기 산화아연 응집 침전조는 폐수의 흐름 방향이 상하로 이동되도록 2개 이상의 격벽이 설치되고 하부는 침전물을 배출하기 위한 호퍼가 구비되며, 상기 이산화티탄 전기 응집조는 내면에 각각 판형의 전극이 결합되고, 상기 판형의 전극은 소정의 간격을 두고 폐수의 흐름방향으로 서로 지그재그 형태로 엇갈리게 배열되는 것을 특징으로 하는 산화아연 및 이산화티탄을 포함하는 폐수의 처리 장치를 제공한다.

상기 폐수 처리 장치는 하부 바닥면을 기준으로, 폐수의 흐름 방향이 산화아연 응집 침전조에서는 상/하 이동이고, 이산화티탄 전기 응집조에서는 좌/우 이동할 수 있다.

상기 이산화티탄 전기 응집조는 산화아연 응집 침전조를 통과한 폐수가 판형의 전극이 결합되지 않는 공간으로 이동하여 지그재그 형태의 흐름 방향을 갖는 것일 수 있다.

상기 판형의 전극은 철 전극 및 알루미늄 전극 중 적어도 1종 이상을 선택하여 음극 또는 양극으로 사용하되 음극과 양극의 간격이 1A의 전류를 인가 시 10 내지 400 mm일 수 있다.

상기 산화아연 응집 침전조를 통과한 폐수는 pH를 8 내지 9 사이로 조절하는 pH 조절부가 추가로 구비될 수 있다.

상기 산화아연 응집 반응조는 황산염 또는 인산염을 포함하는 응집제 주입부가 추가로 구비될 수 있다.

상기 폐수 처리 장치는 그 바닥면이 산화아연 응집 반응조에서 슬러지 배출조로 갈수록 경사도가 낮아지도록 형성될 수 있다.

본 발명에 따른 산화아연 및 이산화티탄을 포함하는 폐수의 처리 장치는 연속적으로 일체화로 구성되어 하폐수 처리장을 거친 방류수 또는 침전물 등에 포함된 미량의 산화아연 및 이산화티탄을 간편하고 빠를 뿐만 아니라 효과적으로 제거할 수 있는 이점이 있다.

또한, 본 발명에 따른 산화아연 및 이산화티탄을 포함하는 폐수의 처리 장치는 바닥면을 기준으로 폐수의 흐름이 상하로 이동되도록 격벽이 설치되어 응집물이 체류시간을 증가시키고 중력에 의한 침전 효율을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

또한, 본 발명에 따른 산화아연 및 이산화티탄을 포함하는 폐수의 처리 장치는 폐수의 흐름방향으로 서로 지그재그 형태로 엇갈리게 배열된 편형의 전극이 배열된 이산화티탄 전기 응집조를 구비하여, 폐수와 전극과의 접촉 면적 및 접촉 시간을 증가시켜 전기 응집 효율을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 폐수처리 장치의 사시도를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 폐수처리 장치의 상면 개략도를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 폐수처리 장치 내의 폐수 흐름 방향을 나타낸 것이다.

본 발명은 폐수, 하수처리시설의 방류수 등에 포함되어 있는 산화아연 및 이산화티탄을 연속적으로 제거하는 일체화된 처리 장치에 관한 것이다.

이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들은 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

본 발명에 따른 산화아연 및 이산화티탄을 포함하는 폐수의 처리 장치를 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 기술되는 실시예에 의하여 그 특징들을 이해할 수 있다.

본 발명에 따른 산화아연 및 이산화티탄을 포함하는 폐수의 처리 장치는 산화아연 응집 반응조(10), 산화아연 응집 침전조(20), 이산화티탄 전기 응집조(30) 및 슬러지 배출조(40)의 순으로 포함하여 이루어진다(도 1 및 도 2 참조).

상기 산화아연 응집 침전조(20)는 폐수의 흐름 방향이 상하로 이동되도록 2개 이상의 격벽(23)이 설치되고, 하부는 침전물을 배출하기 위한 호퍼(25)가 구비된다.

따라서, 도 3과 같이, 상기 산화아연 응집 반응조(10)를 통과한 폐수는 격벽(23)을 따라 상하로 이동하고 상기 상하 이동 시 응집물은 중력에 의해 침전되어 호퍼(25)로 이동된다.

상기 이산화티탄 전기 응집조(30)는 내면에 각각 판형의 전극(33)이 결합되며, 상기 판형의 전극(33)은 소정의 간격을 두고 폐수의 흐름방향으로 서로 지그재그 형태로 엇갈리게 배열된다.

따라서, 도 2와 같이 상기 산화아연 응집 침전조를 통과한 폐수는 이산화티탄 전기 응집조(30) 내면과 판형의 전극(33)이 결합되지 않는 공간으로 이동하여 지그재그 형태의 흐름 방향을 갖게 된다. 이러한 흐름 방향에 의해 판형의 전극과 산화아연 응집 침전조를 통과한 폐수와의 접촉 면적 및 접촉 시간이 증가되므로 전기 응집 효율을 향상시킬 수 있다.

즉, 도 3과 같이 본 발명에 따른 폐수 처리 장치는 하부 바닥면을 기준으로, 폐수의 흐름 방향이 산화아연 응집 침전조(20)에서는 상/하 이동이고, 이산화티탄 전기 응집조(30)에서는 좌/우 이동한다. 상기 폐수의 흐름을 제어하여, 산화아연 및 이산화티탄의 응집 및 침전 효과를 향상시키게 된다.

이하 본 발명에 따른 산화아연 및 이산화티탄을 포함하는 폐수의 처리 장치의 각 부의 구성을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

산화아연 응집 반응조(10)는 응집제를 첨가한 후, 반응하는 단계가 수행된다. 상기 응집제는 당 분야에서 일반적으로 사용되는 것으로 특별히 한정하지는 않으나, 황산염, 인산염 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다. 바람직하기로, 황산염 응집제는 황산나트륨(Na₂S)이고, 인산염 응집제는 인산수소이나트륨(Na₂HPO₄)인 것이 좋다.

황산염 응집제를 사용하는 경우, 산화아연(ZnO)이 수중에서 이온화되면 대부분 Zn^{2 +} 이온 형태로 존재하지만, 일부 이온은 ZnOH⁺ 또는 Zn(OH)₂로도 존재하게 되며, 이온화된 산화아연은 액상 내에 황(S)이 존재하면 상온에서 즉각적으로 황화아연(ZnS)으로 변형된다. 이렇게 생성된 황화아연은 용해도가 K_sp=10^-24로 극히 낮아서, 수용액 상에서 고체 침전물을 형성하며 아연 이온을 제거시킬 수 있다.

인산염 응집제를 사용하는 경우, 산화아연이 미량 포함된 수용액 상에 인산염을 공급하면 인산아연 반응물 (Zn₃(PO₄)₂)이 생성되는데, 반응 시 pH를 조절함으로써 반응물의 형태를 조절할 수 있다. 반응 시 pH 6인 경우 반응물 입자의 크기를 보다 크게 성장시킬 수 있으며, pH 8인 경우 산화아연의 외부만 인산아연 반응물로 코팅된다.

산화아연 응집 침전조(20)는 상기 황산염, 인산염 또는 이들의 혼합물을 첨가한 후 충분한 시간 동안 반응시킨 후 수용액 상의 이온화되었던 산화아연이 응집물 또는 수화물 형태로 침전시키는 공정을 수행한다. 상기 침전물을 제외한 상층액을 분리함으로써 산화아연을 제거시킬 수 있다.

상기 산화아연 응집 침전조(20)를 폐수의 흐름이 장치의 바닥면을 중심으로 상하로 이동할 수 있도록 2개 이상의 격벽(23)을 설치한다. 구체적으로 상기 격벽은 장치의 측면 높이보다 낮은 높이의 격벽으로 하나는 장치 바닥면에 고정되도록 설치하고, 다른 하나는 장치 상부면에 고정되도록 설치하여, 폐수는 바닥면과 격벽 사이 또는 상부면과 격벽 사이의 공간으로 이동하게 된다. 이때, 3개 이상의 격벽을 설치하는 경우에는 반드시 고정되는 면이 장치의 바닥면과 상부면이 번갈아 되도록 한다.

상기와 같이, 격벽(23)을 따라 폐수가 상하 이동하여 응집물은 중력에 의해 침전되고, 침전된 침전물은 호퍼(25)로 이동한다.

이산화티탄 전기 응집조(30)는 상기 산화아연이 제거된 상층액을 유입하여 이산화티탄을 전기 응집하는 공정을 수행한다.

상기 이산화티탄 전기 응집조는 내면에 각각 판형의 전극이 결합되며, 상기 판형의 전극은 소정의 간격을 두고 폐수의 흐름방향으로 서로 지그재그 형태로 엇갈리게 배열된다.

판형의 전극(33)은 철 전극 및 알루미늄 전극 중 적어도 1종 이상을 선택하여 음극 또는 양극으로 사용하되, 음극과 양극의 간격이 1A의 전류를 인가 시 10mm 내지 400mm인 것이 바람직하다. 상기 전류량이 1A 초과인 경우에는 상기 1A에 비해 음극과 양극의 간격을 넓힐 수 있으므로 적절히 조절하여 사용할 수 있다.

상기 알루미늄 전극은 인성과 용접 및 내식성이 우수하고 전기저항이 작은 특징이 있어 전기화학반응에 적합하다고 알려져 있다. 또한 많은 연구자들이 알루미늄을 이용한 전기응집을 연구할 정도로, 전기응집 전극에 적합한 전극이다. 상기 철 전극은 폐수 내의 오염물질과 착물화, 정전기적 인력 및 응집을 유발하여 폐수 내 오염물질을 제거하는데 효과적이다. 또한, 상기 음극 및 상기 양극이 동일한 소재를 포함할 수 있다.

이때, 상기 산화아연 응집 침전조를 통과한 폐수는 pH를 8 내지 9 사이로 조절하는 것이 바람직하다, 이러한 pH조절을 위한 pH 조절부가 추가로 구비되는 것이 좋다.

이산화티탄의 경우 pH 3에서 12로 상승함에 따라 제타전위의 절대값이 상승하게 된다. pH 3 내지 7에서는 이산화티탄의 침전이 이루어졌고, pH가 8 내지 9에서는 이산화티탄의 분산이 잘 분산되어 있었다. 그러나, pH가 9 이상인 경우 이산화티탄의 분산을 잘 이루어지나, 강염기의 성질이 강해져서 추후에 폐수를 처리하는데 문제점이 발생하게 된다.

따라서, pH가 조절된 원수의 pH는 8 내지 9인 것이 가장 바람직하다. 이러한 pH가 조절된 원수를 제조하기 위하여 pH가 9보다 큰 경우 황산을 첨가하거나 또는 pH가 8보다 작은 경우 수산화나트륨을 첨가할 수 있다.

또한, 판형의 전극에 5㎃/㎠이상의 전류를 인가하여 -30㎷ 이상의 표면 전하를 가지도록 대전된 이산화티탄 입자로 제조하고, 상기 대전된 이산화티탄 입자끼리 동종 응집되는 반응 및 폐수내 오염물질이 이산화티탄에 응집되는 이종 응집 반응을 유발하여 침전물을 생성하는 것이 바람직하다.

슬러지 배출조(40)는 상기 이산화티탄 전기 응집조에서 발생된 침전물을 배출하는 과정을 수행한다.

이러한 배출조는 그 하부 중심에 배출구가 형성되며, 배출구로 슬러지의 이동을 유도하기 위하여 중심으로 갈수록 경사도가 높아지도록 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 따른 폐수의 처리 장치는 그 바닥면이 산화아연 응집 반응조에서 슬러지 배출조로 갈수록 경사도가 낮아지도록 형성되고, 상기 산화아연 응집 반응조, 산화아연 응집 침전조, 이산화티탄 전기 응집조 및 슬러지 배출조는 각각 바닥면으로부터 소정의 영역이 개방되어 연결된 구조이므로 별다른 물리적 동력을 가하지 않더라도 자연스럽게 반응공정 중에 발생된 침전물들이 슬러지 배출조로 이동되도록 유도된다.

슬러지 배출조의 상부는 상기 장치를 이용하여 처리된 처리수가 배출되는 처리수 배출구가 형성될 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형 가능한 것으로, 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

10: 산화아연 응집 반응조
20: 산화아연 응집 침전조
23: 격벽
25: 호퍼
30: 이산화티탄 전기 응집조
33: 전극
40: 슬러지 배출조

Claims (7)

1. 산화아연 응집 반응조; 산화아연 응집 침전조; 이산화티탄 전기 응집조 및 슬러지 배출조의 순으로 포함하여 이루어지고,
   상기 산화아연 응집 침전조는 폐수의 흐름 방향이 상하로 이동되도록 2개 이상의 격벽이 설치되고 하부는 침전물을 배출하기 위한 호퍼가 구비되며,
   상기 이산화티탄 전기 응집조는 내면에 각각 판형의 전극이 결합되고,
   상기 판형의 전극은 소정의 간격을 두고 폐수의 흐름방향으로 서로 지그재그 형태로 엇갈리게 배열되는 것을 특징으로 하는 산화아연 및 이산화티탄을 포함하는 폐수의 처리 장치.
   
2. 청구항 1에 있어서, 상기 폐수 처리 장치는 하부 바닥면을 기준으로,
   폐수의 흐름 방향이 산화아연 응집 침전조에서는 상/하 이동이고, 이산화티탄 전기 응집조에서는 좌/우 이동하는 것을 특징으로 하는 산화아연 및 이산화티탄을 포함하는 폐수의 처리 장치.
   
3. 청구항 1에 있어서, 상기 이산화티탄 전기 응집조는 산화아연 응집 침전조를 통과한 폐수가 판형의 전극이 결합되지 않는 공간으로 이동하여 지그재그 형태의 흐름 방향을 갖는 것을 특징으로 하는 산화아연 및 이산화티탄을 포함하는 폐수의 처리 장치.
   
4. 청구항 1에 있어서, 상기 판형의 전극은 철 전극 및 알루미늄 전극 중 적어도 1종 이상을 선택하여 음극 또는 양극으로 사용하되 음극과 양극의 간격이 1A의 전류를 인가 시 10mm 내지 400mm인 것을 특징으로 하는 산화아연 및 이산화티탄을 포함하는 폐수의 처리 장치.
   
5. 청구항 1에 있어서, 상기 산화아연 응집 침전조를 통과한 폐수는 pH를 8 내지 9 사이로 조절하는 pH 조절부가 추가로 구비된 것을 특징으로 하는 산화아연 및 이산화티탄을 포함하는 폐수의 처리 장치.
   
6. 청구항 1에 있어서, 상기 산화아연 응집 반응조는 황산염 또는 인산염을 포함하는 응집제 주입부가 추가로 구비된 것을 특징으로 하는 폐수의 처리 장치.
   
7. 청구항 1에 있어서, 상기 폐수 처리 장치는 그 바닥면이 산화아연 응집 반응조에서 슬러지 배출조로 갈수록 경사도가 낮아지도록 형성된 것을 특징으로 하는 산화아연 및 이산화티탄을 포함하는 폐수의 처리 장치.
   

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