KR20190044119A - 전기응고를 위한 장치 및 공정 - Google Patents

Abstract

본 발명은 공정 스트림, 예를 들어, 물, 폐수, 또는 산업 폐기물을 처리하기 위한 전기응고용 장치에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 상기 장치를 이용하여, 공정 스트림, 예를 들어, 물 또는 폐수, 또는 산업 폐기물을 처리하는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 공정 스트림을 처리하도록 구성된 전기응고 장치로서, 캐소드; 다공성이고 투수성이고, 철을 포함하고 11 내지 62 부피%의 다공률을 갖는 압착 분말로 제조된 애노드; 및 애노드를 가로지르는 압력차가 적어도 6.9 kPa(1 psi)이도록, 애노드를 통해 공정 스트림을 흐르게 하도록 구성된 압력 시스템을 포함하는 전기응고 장치에 관한 것이다.

Description

전기응고를 위한 장치 및 공정

본 발명의 구체예는 전기응고(electrocoagulation)를 위한 장치에 관한 것이다. 이러한 장치는 공정 스트림(process stream), 예를 들어, 오염수, 폐수, 및 산업 폐기물을 처리하기 위해 이용될 수 있다. 본 발명의 구체예는 또한, 본 장치를 이용함으로써 공정 스트림으로부터 오염물을 제거하는 전기응고 공정에 관한 것이다.

개요

본 발명의 일 양태는 공정 스트림, 예를 들어, 오염수, 폐수, 및 산업 폐기물을 처리하기 위한 신규한 전기응고를 위한 장치이다. 본 장치는 압축된 시스템(pressurized system), 예를 들어, 압축 배관 시스템에 포함된 다공성 및 투과성 희생 애노드(sacrificial anode)를 포함한다.

애노드는 압착 철 분말(compacted iron powder)을 함유할 수 있다. 일부 구체예에서, 애노드는 압착되고 소결된 철 분말일 수 있으며, 다른 구체예에서, 애노드는 압착되지만 소결되지 않은 것이다. 소결 단계 대신에, 또는 소결 단계 이외에, 애노드는 윤활제를 연소시키기 위해, 예를 들어, 200 내지 400℃의 온도에서 열처리될 수 있다.

본 발명의 다른 양태는 상기 장치를 이용하여 전기응고를 통해, 공정 스트림, 예를 들어, 물, 폐수, 또는 산업 폐기물에서 오염물을 제거하는 공정이다. 통상적인 산업 폐기물은 채광, 직물, 금속 도금, 제혁, 마이크로일렉트로닉스(microelectronics), 펄프 및 페이퍼(pulp & paper) 및 양조장(distillery)을 포함한다. 공정 스트림은 유체 중에서 염소 함유 화합물, 니트레이트, 니트라이트, 중금속, 독성 무기 물질, 독성 유기 화합물, 미생물 및/또는 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 오염물의 함량을 감소시키기 위한, 물 함유 유체, 예를 들어, 지하수, 강물, 산업 폐수, 도시 폐수 및/또는 지표수일 수 있다.

본 발명의 특정 양태 및 구체예는 다수의 오염물의 감소를 가능하게 하기 위해 특히 적합하다. 타겟 오염물은 크롬, 비소, 납, 플루오라이드, 셀레늄, 방사성 핵종, 질소 종, 중금속, 인, 및 유기 화합물로 이루어질 수 있지만, 이로 제한되지 않는다.

본 발명의 특정 양태 및 구체예는 보편적인 시스템보다 낮은 전력을 이용하면서, 오염물의 적어도 동일한 감소를 가능하게 하는데 적합하다. 특히, 본 발명의 특정 양태 및 구체예는 추가적으로, 애노드의 높은 무결성(integrity)을 제공하고, 이에 따라, 개선된 취급 용이성을 제공한다.

배경

전기응고는 철 및 알루미늄과 같은, 금속의 전기-산화에 의해 물/폐수 내에 금속 하이드록사이드 응고제를 발생시키는 간단하고 효과적인 방법이다. 전기응고의 개략적인 및 기본적인 개념은 도 19에 제시되어 있다. 전류가 시스템으로 통과될 때, 금속 이온은 희생 애노드로부터 방출되며, 하이드록사이드 이온 및 수소 가스는 캐소드에서 형성된다. 금속 이온 및 하이드록사이드 이온은 용이하게 결합하여 폴리머 금속 하이드록사이드를 형성하는데, 이는 우수한 응고제이다.

애노드, 캐소드 및 벌크 액체에서 일어나는 반응은 애노드 물질로서 철 및/또는 알루미늄의 경우에 하기와 같이 나타낸다.

애노드에서:

금속의 산화:

물의 산화:

캐소드에서:

수소 가스 및 하이드록사이드 이온의 생성:

벌크 액체에서:

금속 하이드록사이드의 형성:

알루미늄 애노드의 경우에, 금속의 상응하는 산화는 하기와 같을 것이며:

벌크 액체에서 금속 하이드록사이드의 형성은 하기와 같을 것이다:

벌크 액체 pH에 따라, 금속의 모노하이드록사이드 및 폴리하이드록사이드는 하기와 같이 형성될 수 있으며:

Fe(OH)₂ ⁺, Fe(OH)²⁺, Fe(OH)₂, Fe(OH)₃, Fe(OH)₆ ^3-, Fe(OH)₄ ^-,

애노드 물질로서 알루미늄이 사용될 때, 형성된 하이드록사이드의 예는 하기와 같다:

Al(OH)₂ ⁺, Al(OH)₃, Al(OH)₄ ^-, Al₁₃(OH)₃₄ ⁵⁺, Al₁₃(OH)₃₂ ⁷⁺

금속 하이드록사이드는 응집제를 형성하고, 이온 교환, 흡착, 중화 및 스위프-플록(sweep-floc) 작용에 의해 오염물을 제거한다. 금속 양이온은 콜로이드성 입자 및 오염물의 표면 음전하를 중화시킨다. 이후에, 입자들은 더 가깝게 접근하고, 반 데르 발스력의 영향 하에서 응집한다. 다양한 타입의 이온 이외에, 유기 물질은 전기응고에 의해 침강물 플록(sediment flocs) 형태로 효과적으로 제거될 수 있다. 전류 밀도, pH, 전극 타입, 반응 시간, 등과 같은 인자들은 금속 하이드록사이드 형성에서 중요한 역할을 한다. 일반적으로, 더 높은 전류 밀도는 용액에서 더 많은 금속 이온을 형성시킨다. 마찬가지로, 금속 하이드록사이드의 용해도는 용액의 pH에 크게 의존한다. 철 및 알루미늄 하이드록사이드 응집제의 형성을 위한 최적의 pH 범위는 5 내지 8이다. 그러나, 플록은 더 낮은 또는 더 높은 pH 값에서 가용성이 된다. pH는 금속 응집제와 오염물의 상호작용을 위해 동일하게 중요하다. 예를 들어, 알루미늄 하이드록사이드에 의한 플루오라이드의 제거는 이온 교환 공정인 것으로 사료된다. 플루오라이드 이온은 알루미늄 하이드록사이드로부터의 하나의 하이드록사이드 이온을 대체하고, 하기 반응에 따라 착물을 제조한다:

하기 방정식은 본 발명의 공정 및 본 발명의 장치에 적용 가능한 전기응고 공정의 기본적인 특징들 간의 이론적 관계를 제공한다.

이론적 애노드 물질 소비

전기응고 공정에서, 애노드는 희생되고 시간에 따라 질량을 손실시킨다. 애노드 질량의 손실은 전하 로딩(전기 전류) 및 전극 타입의 함수이다. 이론적 질량 손실은 하기 방정식을 이용하여 계산될 수 있다:

상기 식에서, Mm은 분 당 애노드 질량 손실(g*분^-1)이며, I는 전류(A)이며, Mw는 금속의 분자량(g*mol^-1)이며, z는 금속 산화 동안 방출된 전자의 수이며(Fe의 경우 2 또는 3, 및 Al의 경우 3), F는 파라데이 상수(Faraday's constant)(96,486 C*mol^-1)이다. 상기 방정식을 기초로 하여, 1 파라데이의 전하가 회로를 통해 진행될 때마다, 8.99 g의 알루미늄 및 18.6 g의 철이 애노드로부터 용액 내로 용해된다. 애노드 질량의 손실은 오염물 제거에 직접적으로 영향을 미친다.

이론적 에너지 소비, 전도도, 및 감응전류 수율(Faradic Yield)

에너지 소비는 전극에 걸쳐 인가된 전압차, 전류, 및 반응 시간에 따라 달라진다. 다른 한편으로, 반응 시간은 오염물 농도에 따라 달라진다. 오염물 제거 질량 당 에너지 소비는 하기 방정식을 이용하여 계산될 수 있다:

상기 식에서, Ec는 제거된 오염물의 질량 당 전체 에너지 소비(kWh*g^-1)이며, V는 전지 전위(V)이며, I는 전류(A)이며, tr은 반응 시간이며, Cr은 소정 시간(tr)에 제거된 오염물의 질량이다. 일정하게 인가된 전지 전위에서, 회로를 통과하는 전류는 물의 전도도에 따라 달라진다. 대부분의 지하수 및 폐수는 반응을 위해 충분한 전류 흐름을 보장하기에 높은 충분한 전도도를 갖는다. 그러나, 일부 경우에, 2차 전해질의 첨가는 물의 전도도 및 이에 따라 전류의 흐름을 상승시키는 데 도움을 줄 수 있다. 클로라이드 이온이 시간에 따라 애노드 표면을 코팅하는 일부 마스킹 제제(masking agent)를 제거하는 데 도움이 되기 때문에, 클로라이드 이온을 제공하는 2차 전해질이 특히 유용하다. 이러한 마스킹 현상은 시스템 효율을 크게 감소시킬 수 있다. 안티-마스킹 제제로서도 사용되는 2차 전해질의 예에는 포타슘 클로라이드 또는 소듐 클로라이드가 있다. 시스템 효율은 하기 방정식에 따라 계산될 수 있는, 이론값(Mt)에 대한 실제 애노드 소비(Ma)의 비율로서 정의되는, 감응전류 수율 또는 전류 효율(CE)을 계산함으로서 평가될 수 있다:

실제 애노드 손실은 반응 전 및 반응 후 건조 애노드(dry anode)의 중량 분석(gravimetric analysis)에 의해 정량화될 수 있다. 실제로, 감응전류 수율은 수중에서 금속의 자발적 산화로 인하여, 100%보다 더 높을 수 있다.

전기응고 슬러지의 이론적 생성

전기응고 공정은 결국 반응 챔버의 바닥에서 슬러지로서 응집하고 침강하는 플록(floc)을 형성시킨다. Al(OH)₃과 같은 금속 하이드록사이드는 물에 대한 높은 화학적 및 물리적 친화력을 갖는다. 결과적으로, 전기응고 슬러지는 양호한 침강능력(settleability)을 가짐에도 불구하고 높은 수분 함량을 갖는다. 분당 형성된 슬러지의 질량(g*분^-1)은 하기 방정식을 고려하여 계산될 수 있다:

공정 동안 형성된 슬러지의 양은 또한, 본 공정의 마지막에 중량법(gravimetric method)에 의해 정량화될 수 있다.

수소 가스의 이론적 형성

캐소드에서 물의 전기분해는 수소 가스를 형성시킨다. 형성된 수소 가스의 부피는 캐소드에 의해 전달된 전자의 수에 따라 달라진다. 반응 화학양론에 따르면, 1 몰(mole)의 수소 가스의 생성을 위해 2 몰의 전자가 소비된다. tr(초)의 반응 시간 동안 캐소드에 의해 방출된 전자의 몰 수(Me^-)는 하기 방정식을 이용하여 계산될 수 있다:

상기 방정식을 기초로 하여, 온도 T(K) 및 압력 P(atm)에서 tr(초)의 반응 시간 동안 형성된, ml 단위의 수소 가스의 부피(VH₂)는 하기 방정식을 이용하여 계산될 수 있다:

이러한 방정식은 캐소드에서 전자에 대한 경쟁 이온이 존재하지 않을 때, 공정으로부터 형성된 수소 가스의 부피를 계산한다. 경쟁 이온, 예를 들어, 6가 크롬 이온이 존재하는 경우에, 수소 가스 형성은 이론값보다 더 낮을 것이다. 수소 가스는 전기응고 공정의 유용한 부산물이다.

특허 문헌에서, 물 또는 폐수의 정화를 위한 전기응고와 관련된 다수의 공정 및 물질이 개시되어 있다. 하기 공개된 문헌의 예는 본 발명의 구체예와 관련된 분야로서 여겨질 수 있다.

US2012/0055871호는 철 입자, 및 소듐 하이포클로라이트(sodium hypochlorite)를 함유한 수용액을 사용하는 전해 방법에 관한 것이다. 이러한 방법은 직류를 이용하고 애노드로부터의 철 입자 및 수용액의 소듐 하이포클로라이트 농도가 적어도 1 g/L라는 점에서 특징된다. 이러한 문헌은 또한, 음용 가능한 물 또는 소위 테크니컬 워터(technical water)를 형성하기 위해 용이하게 처리될 수 있는 물을 형성시키기 위한 원수(raw water)의 사전처리를 위한 방법 및 플랜트(plant)에 관한 것이다.

US2005/0167285호는 음료수로부터 아르세네이트(arsenate)의 제거를 위한 전기화학적 방법으로서, 아르세네이트가 "인-시튜(in-situ)" 애노드 산화에 의해 형성된, 금속 하이드록사이드에 대한 흡착에 의해 제거되는 전기화학적 방법을 제공한다. 이러한 출원에는 전극간 거리(inter-electrode distance)가 0.5 내지 1.5 cm로 연강(mild steel) 또는 알루미늄 플레이트의 애노드 및 스테인레스강 캐소드가 장착된 전기화학적 전지가 기술되어 있다.

EP0595178A1호에는 폐수의 전해 처리를 위한 장치 및 공정이 기술되어 있다. 정제되고 처리되는 물은 먼저 불용성 애노드를 포함한 적어도 하나의 애노드 챔버를 통해 흐르고, 이후에, 가용성 투과성 애노드를 포함한 다른 애노드 챔버를 통해 흐른다. 코크스 입자는, 물이 갈바니 응고 공정을 개시하기 위해 가용성 애노드 챔버로 진입하기 전에, 첨가된다. 다공성의 희생 애노드는 철설(iron filings)로 제조될 수 있다.

US4,014,766호에는 폐수를 불용성 중심 전극을 포함하는 애노드 및 둘레에 배치되고 이와 전기적으로 접촉하는 미립자 철 조각의 바디(body)를 갖는 전해 전지에서 전기분해시켜, 이에 의해, 폐수 중의 불순물은 철 조각의 전해 용해에 의해 형성된 철 하이드록사이드의 응집제 내에 엄폐되며, 불순물을 함유한 응집제는 산화 처리로 처리되고, 이후에 분리되는, 공정이 개시되어 있다. 자기장은 이에 따라 처리되는 폐수에 인가되어 응집제의 침강을 증진시킬 수 있다. 6가 크롬 이온의 3가 크롬 이온으로의 환원은 철 플레이트가 사용된 경우인 산성 조건을 이용하지 않는 중성 또는 알칼리성 조건에서 효율적으로 수행될 수 있다.

US2006/0000784호에는

(a) 물을 처리하여 적어도 부분적으로 처리된 중간 유출물을 생성하는 단계,

(b) 중간 유출물을 희생 금속으로 처리하고 상기 희생 금속의 이온을 형성시키고, 매우 철저하게 처리된 유출물을 제공하는 단계,

(c) 단계 (b)에서 발생된 희생 금속 이온을 회복시키고, 단계 (a)에서 회복된 이온을 재순환시키는 단계를 포함하는 적어도 2-단계 공정에서 오염물의 제거를 위한 물 또는 폐수 처리 방법으로서, 단계 (c)로부터의 회복되고 재순환된 이온은 추가적으로 회복된 이온을 사용하여 중간 유출물로부터 오염물을 제거함으로써 단계 (a)의 처리 효율을 개선시켜, 더 깨끗한 중간 유출물을 얻으며, 이에 따라, 단계 (b)에서 오염물 로딩은 감소되며, 중간 유출물은 추가로 더욱 철저하게 처리되며, 단계 (b)에서 희생 금속에 대한 요구가 감소되는, 물 또는 폐수 처리 방법이 기술되어 있다. 단계 (a)는 바람직하게, 생물학적, 생물학적-무생물학적, 물리적 화학적 또는 이러한 단계들의 조합일 수 있다.

중금속, 유기 화합물, 용해된 물질, 현탁된 고형물, 고체 입자, 영양소, 암모니아, 니트레이트, 니트라이트 포스페이트, 미생물, 등과 같은 다양한 오염물이 제거될 것으로 예상된다.

WO2013/059964 A1호에는 전극 기판, 자성 전극 입자 및 자기장 소스(magnetic field source)를 포함하는 자가-조립 고표면적 전극이 기술되어 있다. 자기장 소스의 영향 하에서, 자성 입자는 전극 기판의 표면 상에서 조립된다. 전극은 오염된 공급수를 처리하기 위한 전기응고 시스템에서 애노드 및/또는 캐소드로서 이용될 수 있다. 이러한 문헌에는 또한, 자성 전극 입자를 위한 적합한 물질이 철 입자라는 것이 언급되어 있다.

EP0015057A2호에는 전부 소결된 입자로 이루어진 전극보다 더 저렴하고 전부 소결된 물질로 이루어진 전극과 비교하여 가스 방출에서 동일하거나 더 낮은 과전위를 제공하는 물 전해조(water electrolyzer)를 위한 전극을 제공하는 일 구체예가 기술되어 있다. 이러한 문헌에 따른 전극은 불투성이고 전기 전도성인 기판, 및 기판에 결합된, 45 내지 65%의 이론적 밀도까지 소결되는 2 내지 30 ㎛의 직경을 갖는 니켈, 니켈-철 합금, 철 또는 철-탄소 합금 입자로 이루어진 두께가 25 내지 275 ㎛인 다공성의 야금학적으로 결합된 층을 갖는다.

WO2014184106호에는 희생 전극을 포함한 전기응고를 위한 전기화학 전지가 개시되어 있다. 희생 전극은 비-희생 부분 및 철 분말을 함유한 다공성 희생 부분을 포함한다.

SU981241호는 전기응고제(electro-coagulator)에서 하수의 정제에 관한 것이다. 본 발명의 목적은 3가 철 염의 형태로 응고제의 방출을 증가시킴으로써 생산성을 증가시키는 것이다. 불용성 부분 및 철설을 함유한 가용성 부분으로 이루어진 전극이 개시되어 있다.

SU1255580A1호에는 크롬을 함유한 하수의 전기화학적 정제 방법이 기술되어 있다. 이러한 설명은 비에너지 소비의 감소를 가능하게 한다.

전기응고는 수년 동안 이용되어 왔고, 물 및 폐수로부터 다양한 오염물의 제거를 위한 효율적인 방법인 것으로 입증되었다. 그러나, 특히 에너지 효율을 고려하여, 본 공정을 개선시킬 필요가 여전히 존재한다. 본 발명의 구체예는 더 높은 에너지 효율 및 상당히 감소된 수리학적 체류 시간(hydraulic retention time)의 측면에서 전기응고 공정의 개선을 제공하여, 컴팩트하고(compact) 공간 요구량이 적은 공정 장비, 즉, 감소된 풋프린트(footprint)를 가능하게 할 수 있다.

본 발명의 다양한 양태 및 구체예의 개요

본 발명의 구체예는 공정 스트림, 예를 들어, 오염수, 폐수, 또는 산업 폐기물을 처리하도록 구성된 전기응고를 위한 장치를 포함한다. 본 장치는 희생 애노드 및 캐소드를 포함할 수 있다. 본 발명의 구체예는 또한, 공정 스트림, 예를 들어, 오염수, 폐수, 또는 산업 폐기물에서 오염물의 양을 감소시키는 공정을 포함한다.

일 구체예에서, 공정 스트림은 투과성 애노드를 통해 압축되고 가압된다. 일 구체예에서, 인가되는 압력은 애노드의 공극 및 공동의 적어도 95 부피%, 바람직하게, 적어도 99 부피%, 바람직하게, 99.9 부피%, 또는 모두를 충전하고 또한 K_sat 값에 의해 규정된 시스템을 통한 공정 스트림의 충분한 유량을 산출하는 데 충분해야 한다.

본 발명의 양태는 공정 스트림을 처리하도록 구성된 전기응고 장치로서,

- 캐소드;

- 철을 포함하고 11 부피% 내지 62 부피%, 바람직하게, 22 부피% 내지 51 부피%, 더욱 바람직하게, 30 내지 42 부피%의 다공률을 갖는 압착 분말로 이루어진 희생 애노드로서, 다공성이고 투수성인 희생 애노드; 및

- 공정 스트림이 상기 애노드를 통해 흐르게 하도록 구성된 압력 시스템을 포함하며,

상기 애노드는 제1 측면 및 대향하는 제2 측면을 가지며, 공정 스트림은 제1 측면으로부터 상기 애노드를 통해 제2 측면으로 흐르며,

제2 측면 상에서의 공정 스트림의 압력은, 압력차가 적어도 6.9 kPa(1 psi), 바람직하게, 적어도 17.9 kPa(2.6 psi)이도록, 제1 측면 상의 압력보다 낮은, 전기응고 장치에 관한 것이다.

일부 구체예에서, 압력 시스템은 공정 스트림의 적어도 50%, 바람직하게, 80 중량%, 더욱 바람직하게, 95 중량%, 및 가장 바람직하게, 적어도 99.5 중량%가 상기 애노드를 통해 흐르도록 구성된다.

일부 구체예에서, 제1 측면 상에서의 공정 스트림의 압력은 적어도 13.8 kPa(2 psi)이다.

일부 구체예에서, 상기 애노드는 압착되고 소결된 분말로 이루어진다.

일부 구체예에서, 압착 분말은 적어도 90 중량%의 철, 바람직하게, 적어도 95 중량%의 철 및 가장 바람직하게, 적어도 97 중량%의 철을 포함한다.

일부 구체예에서, 압착 분말은, 45 ㎛ 미만의 입자의 양이 최대 10 중량%이고 45 내지 150 ㎛의 입자의 양이 0 내지 20 중량%이고 150 내지 212 ㎛의 입자의 양이 10 내지 50 중량%이고 212 내지 500 ㎛의 입자의 양이 50 내지 90 중량%이고 500 ㎛ 초과의 입자의 양이 0 내지 30 중량%이게 하는 입자 크기 분포를 갖는 철 분말을 포함한다. 일부 구체예에서, 상기 철 분말은 45 ㎛ 미만의 입자의 양이 최대 5 중량%이고 45 내지 150 ㎛의 입자의 양이 0 내지 20 중량%이고 150 내지 212 ㎛의 입자의 양이 10 내지 30 중량%이고 212 내지 500 ㎛의 입자의 양이 60 내지 90 중량%이고 500 ㎛ 초과의 입자의 양이 0 내지 10 중량%이게 하는 입자 크기 분포를 갖는다.

일부 구체예에서, 상기 애노드는 압착 철 분말과 알루미늄 분말의 혼합물을 포함한다. 일부 구체예에서, 철 분말과 알루미늄 분말 간의 중량비는 50:50 내지 98:2, 바람직하게, 60:40 내지 98:2, 및 가장 바람직하게, 70:30 내지 95:5이다.

다른 양태에 따르면, 본원에는 하기 단계를 포함하는 전기응고에 의해 공정 스트림을 처리하는 공정이 개시되어 있다:

- 상기에 개시되고 하기에 개시되는 바와 같은 전기응고 장치를 제공하는 단계,

- 상기 애노드와 상기 캐소드 간에 전위차를 공급하면서, 상기 애노드로 통과하기 전에 공정 스트림을 압축시킴으로써 공정 스트림을 장치로 통과시키는 단계.

일부 구체예에 따르면, 상기 애노드 및 캐소드의 구조가 동일할 때, 본 공정은

- 상기 애노드의 희생 부분이 적어도 일부 소비될 때 극성을 스위칭(switching)하는 단계를 추가로 포함한다.

일부 구체예에 따르면, 공정 스트림은 상기 애노드로 통과하기 전에 대기압 보다 높은 압력으로 압축된다.

일부 구체예에 따르면, 상기 애노드는 0 초과 내지 19 cm/일 이하, 바람직하게, 4 내지 17.5 cm/일, 더욱 바람직하게, 4.3 내지 16.4 cm/일 및 가장 바람직하게, 7.6 내지 13 cm/일의 K_sat 값을 갖는다. K_sat는 포화 수리 전도도를 나타내는 것으로서, 이는 유체가 포화 공극 구조에서 공극을 통해 이동할 수 있는 용이성을 기술한다.

일부 구체예에 따르면, 본 공정은 공정 스트림을 본 장치로 통과시키는 공정 전 및/또는 동안에, pH를, 형성된 하이드록사이드 응집제가 용해되지 않는 값, 바람직하게, 5 내지 8의 값으로 조정하는 것을 추가로 포함한다.

일부 구체예에 따르면, 공정 스트림은 크롬 또는 비소와 같은 중금속을 포함한다.

일부 구체예에 따르면, 공정 스트림은 플루오라이드를 포함한다.

다른 양태에 따르면, 상기 개시고 하기에서 개시되는 바와 같은 전기응고 장치는 오염수 또는 폐수를 처리하도록 구성되며, 여기서, 캐소드 및 애노드는 압축 배관 시스템(pressurized piping system)에 포함되며, 전기응고 장치는

- 전극에 전기를 공급하기 위한 시스템,

- 플록을 취급하기 위한 시스템을 추가로 포함한다.

도 1은 본 발명에 따른 전기응고 공정의 일 구체예를 도시한 것이다. 이러한 구체예에서, 희생 전극 및 캐소드는 동일한 조성을 가지고 동일한 형상을 갖는다.
도 2는 다수의 희생 애노드, 및 희생 애노드와 조성 및 형상에 있어서 상이한 단일 캐소드를 갖는 본 발명의 다른 구체예를 도시한 것이다.
도 3은 희생 애노드 및 캐소드가 90도, 즉, 수직 셋업으로 이동된 것을 제외하고, 도 2에 도시된 구체예와 유사한 본 발명에 따른 다른 구체예를 도시한 것이다.
도 4는 형성된 응집제의 단위 질량 당 제거된 Cr(VI)의 질량을 도시한 다이아그램(diagram)이다. 통상적인 전기응고 공정과 투과성 전극 공정이 비교된다.
도 5는 실시예 2에 따른 본 발명의 일 구체예에 따른 공정에서 투과성 전극에 의해 생성된 응집제의 침강 속도(settling velocity)를 도시한 다이아그램이다.
도 6은 실시예 2에서의 통상적인 공정에서 전극에 의해 생성된 응집제의 침강 속도를 도시한 다이아그램이다.
도 7은 두께가 0.33, 0.41 및 0.50인 상이한 두께에서 동일한 가압력(pressing force)으로 및 동일한 다공률(각각 27.6 MPa(2 TSI) 및 61%)까지 가압된 투과성 애노드에 대한 제거 효율 비교를 도시한 다이아그램이다. 애노드는 본 발명에 따른 전기응고 공정의 일 구체예에서 이용될 수 있다.
도 8은 두께가 0.30, 0.37 및 0.56인 상이한 두께에서 동일한 가압력으로 및 동일한 다공률(각각 41.4 MPa(3 TSI) 및 57%)까지 가압된 투과성 애노드에 대한 제거 효율 비교를 도시한 다이아그램이다. 애노드는 본 발명에 따른 전기응고 공정의 일 구체예에서 이용될 수 있다.
도 9는 두께가 0.27, 0.34 및 0.41인 상이한 두께에서 동일한 가압력으로 및 동일한 다공률(각각 55.2 MPa(4 TSI) 및 53%)까지 가압된 투과성 애노드에 대한 제거 효율 비교를 도시한 다이아그램이다. 애노드는 본 발명에 따른 전기응고 공정의 일 구체예에서 이용될 수 있다.
도 10은 61%, 57% 및 53%의 다양한 다공률을 가지면서 동일한 질량(20 g)을 갖는 투과성 애노드에 대한 제거 효율 비교를 도시한 다이아그램이다. 애노드는 본 발명에 따른 전기응고 공정의 일 구체예에서 이용될 수 있다.
도 11은 61%, 57% 및 53%의 다양한 다공률을 가지면서 동일한 질량(25 g)을 갖는 투과성 애노드에 대한 제거 효율 비교를 도시한 다이아그램이다. 애노드는 본 발명에 따른 전기응고 공정의 일 구체예에서 이용될 수 있다.
도 12는 61%, 57% 및 53%의 다양한 다공률을 가지면서 동일한 질량(30 g)을 갖는 투과성 애노드에 대한 제거 효율 비교를 도시한 다이아그램이다. 애노드는 본 발명에 따른 전기응고 공정의 일 구체예에서 이용될 수 있다.
도 13은 제거 효율과 관련한 K_sat 값을 도시한 다이아그램이다.
도 14는 다양한 유량에 대한 K_sat 값을 도시한 다이아그램이다.
도 15는 다양한 애노드 다공률에 대한 K_sat 값을 도시한 다이아그램이다.
도 16은 다양한 애노드 다공률 및 유량에 대한 K_sat 값을 도시한 다이아그램이다.
도 17은 다양한 다공률에서 투과성 애노드를 통한 플럭스(flux)의 플롯을 도시한 다이아그램이다.
도 18a 및 도 18b는 도 17에 도시된 플럭스 플롯 상에서 전위된 다공률에 대한 K_sat의 선형 관계를 도시한 다이아그램이다. 도 18a에서, 구역 D의 K_sat 값이 나타나 있으며, 도 18b에서, 구역 C 내지 구역 E의 K_sat 값이 나타나 있다.
도 19는 통상적인 전기응고 공정의 주요 도면을 도시한 것이다.
도 20은 다양한 다공률을 갖는 투과성 애노드에 대한 제거율(percent removal)의 플롯을 도시한 것이다.

도 1은 처리되는 공정 스트림(3)을 도시한 것이다. 공정 스트림(3)은 공정 펌프(4)에 의해 압축되어, 튜브(1)에서 흐른다. 공정 스트림(3)은 애노드 홀더(B)에 의해 고정된 다공성 희생 애노드(A)를 통해 흐른다. 애노드 홀더(B)는 공정 스트림(3) 모두, 또는 본질적으로 모두(예를 들어, 적어도 50%, 바람직하게, 80 중량%, 더욱 바람직하게, 95 중량%, 및 가장 바람직하게, 적어도 99.5 중량%)가 애노드(A)를 통해 흐르도록 튜브(1)를 시일링한다.

"통해 흐른다(flows through)"는 공정 스트림(3)이 애노드(A)의 측면(1)으로부터 애노드(A)의 대향 측면(2)을 통해 흐르는 것을 의미한다. 통해 흐른다(Flow through)는 공정 스트림이 애노드의 표면을 가로질러/이를 따라 흐르는 유로(flow path)와 구별된다.

애노드(A)의 측면(1) 상에서, 공정 스트림(3)은 대기압보다 더 높은 압력(P1)을 가지며, 애노드를 가로지르는 차동 압력(differential pressure)은 바람직하게, 적어도 6.9 kPa(1 psi) 및 더욱 바람직하게, 적어도 17.9 kPa(2.6 psi)이다. 애노드(A)를 통해 측면(2)로 흐른 후에, 공정 스트림(3)은 바람직하게, 대기압보다 더 높은 압력(P2), 바람직하게, 적어도 103 kPa(15 psi) 및 더욱 바람직하게, 138 kPa(20 psi)를 갖는다. 압력(P1)은 압력(P2)보다 더 높다.

애노드(A)는 직류 소스(C)의 양극에 연결된다. 캐소드(D)는 직류 소스(C)의 음극에 연결된다.

일 구체예에서, 전극은 스위칭 가능하며, 여기서, 애노드(A)는 캐소드가 되며, 캐소드(D)는 희생 애노드가 된다. 캐소드(D)는 이러한 구체예에서, 애노드와 동일한 형상 및 조성을 가지며, 이는 적절한 순간에 전극의 효과적인 스위치를 허용한다. 다른 구체예에서, 전극(A) 및 전극(D)는 동일한 조성을 가지고 상이한 구조를 가질 수 있거나; 상이한 조성을 가지고 동일한 구조를 가질 수 있거나; 상이한 조성을 가지고 상이한 구조를 가질 수 있다.

캐소드(D)는 캐소드 홀더(E)에 의해 고정된다. 전극이 스위칭된 후에, 캐소드 홀더(E)는 공정 스트림(3) 모두, 또는 본질적으로 모두(예를 들어, 적어도 50%, 바람직하게, 80 중량%, 더욱 바람직하게, 95 중량%, 및 가장 바람직하게, 적어도 99.5 중량%)가 캐소드(D)(현재 희생 애노드)를 통해 흐르도록 튜브(1)을 시일링한다. 처리되는 공정 스트림(3)은 열린 밸브(F1)를 통해 흐르며, 밸브(F2)는 닫혀진다. 전극이 스위칭될 때, 공정 스트림(3)은 열린 밸브(F2)를 통해 흐르며, 밸브(F1)는 닫혀진다.

희생 애노드를 통과한 후에, 공정 스트림(3)은 밸브(G), 가스 방출 스테이션을 통해, 그리고 추가로 슬러지 처리 유닛(sludge handling unit)(미도시됨)까지 흐르며, 여기서, 슬러지를 함유한 오염물은 깨끗한 물로부터 분리된다.

일 구체예에서, 홀더(B, E)는 임의의 불투수성 물질, 예를 들어, 고무 또는 폴리머로 제조될 수 있다.

일 구체예에서, 전극(A, D)은 튜브(1)에서 또는 튜브(1)의 접합부 표면(abutment surface)에 대해 끼워 맞춰지도록 구성될 수 있다. 이는 튜브(1)를 시일링하기 위해 별도의 홀더가 사용되지 않는 배열을 허용할 수 있다. 전극(A, D)이 시일(seal) 없이 사용되는 경우에, 전극(A, D) 및 튜브(1)의 배열은 공정 압력 하에서, 공정 스트림(3) 모두 또는 본질적으로 모두(예를 들어, 적어도 50%, 바람직하게, 80 중량%, 더욱 바람직하게, 95 중량%, 및 가장 바람직하게, 적어도 99.5 중량%)가 전극(A, D)을 통해 흐르도록 구성되어야 한다.

바람직한 I/Q 수준은 380 A/㎥/hr 미만, 바람직하게, 350 A/㎥/hr 미만, 더욱 바람직하게, 340 A/㎥/hr 미만, 더욱 바람직하게, 330 A/㎥/hr 미만이며, 여기서, I는 인가된 전류이며, Q는 유량이다.

일 구체예에서, 장치는 공정 스트림의 연속 흐름의 전기응고를 허용할 것이다.

도 2는 설비(installation)의 다른 구체예를 도시한 것이다. 이러한 구체예에서, 설비는 복수의 희생 애노드(A), 및 단일 캐소드(D)를 포함한다. 이러한 구체예에서, 캐소드(D)는 애노드(A)와 비교하여 조성 및/또는 형상에 있어서 상이할 수 있다. 공정 스트림(3)은 각 애노드(A)를 통해 흐른다. 각 애노드(A)는 공정 스트림(3) 모두 또는 본질적으로 모두(예를 들어, 적어도 50%, 바람직하게, 80 중량%, 더욱 바람직하게, 95 중량%, 및 가장 바람직하게, 적어도 99.5 중량%)가 애노드(A)를 통해 흐르도록 튜브를 시일링할 수 있는, 애노드 홀더(A)에 의해 고정된다. 바람직하게, 각 애노드(A)는 본질적으로 동일하다. 그러나, 일 구체예에서, 애노드(A)는 상이한 조성 및/또는 형상의 애노드를 포함할 수 있다.

이러한 구체예에서, 전극 및 전류는 역전되도록 구성되지 않는다.

도 2는 또한, 애노드(A)를 통과하는 공정 스트림(3)의 부분이 희생 애노드(A)를 통한 추가 진행을 위해 희생 애노드를 통과하기 위해 재순환되는 재순환 루프(recirculation loop)를 도시한 것이다.

이러한 구체예에서, 단일 애노드(A)가 이용될 수 있다. 오로지 단일 애노드(A)가 이용될 때 재순환 루프를 이용하는 것이 바람직하다.

이러한 구체예에서, 다수의 캐소드(A)가 이용될 수 있다.

도 3은 전극이 90도로 회전된 것, 즉, 수직 설비를 제외하고, 도 2에 도시된 것과 유사한 설비를 도시한 것이다.

구체예에서, 희생 애노드는 전류 소스의 양극에 연결된다. 양이온은 애노드에서 용액으로 방출되고, 네가티브 캐소드로 이동되며, 여기서, 가수분해가 일어나서 하이드록사이드 이온 및 수소 가스를 형성시키며, 전자는 애노드로부터 외부 회로를 통해 캐소드로 이동하여, 물의 전기분해 및 양이온의 환원을 야기시킨다. 금속 이온 오염물의 감소의 일 예는 가수분해와 경쟁하는, Cr⁶⁺ 이온의 Cr³⁺ 이온으로의 환원이다. 마찬가지로, 비소는 As⁵⁺에서 As³⁺로 환원되며, 셀레늄은 Se⁶⁺에서 Se⁴⁺로 환원되며, 우라늄은 U⁶⁺에서 U⁴⁺로 환원된다.

철 분말

희생 애노드에서 사용되는 적합한 철 분말은 원자화된 철 분말(atomized iron powder), 예를 들어, 물 원자화된 철 분말, 및 화학적으로 환원된 철 분말, 예를 들어, CO 환원된 또는 H₂ 환원된 철 분말일 수 있다.

철 분말의 Fe 함량은 바람직하게, 90 중량% 초과일 수 있다. 철 분말의 입자 크기는 바람직하게, 희생 애노드의 다공성 구조가 얻어지도록 선택될 수 있다. 너무 미세한 입자 크기를 갖는 분말은, 이러한 분말이 액체에 대해 덜 투과적인 경향을 갖기 때문에 덜 적합하며, 다른 한편으로, 너무 굵은 입자는 처리되는 물에 포지티브 이온의 방출을 방해하는 낮은 부피에 대한 표면 비율을 갖는다.

더 굵은 철 분말은 또한, 충분한 강도 및 다공률을 갖는 바디로 압착하기 어려울 수 있다. 적합한 분말은 10 ㎛ 내지 1 mm의 입자 크기 분포 및 0.8 내지 3.0 g/㎤의 ISO 3923-1:2008에 따라 측정된 겉보기 밀도를 가질 수 있다. 비표면적은 BET에 따라 측정하여 0.1 내지 0.5 ㎡/g일 수 있다.

사용되는 바람직한 철 분말은 적어도 90 중량%, 바람직하게, 적어도 95 중량%, 가장 바람직하게, 적어도 97 중량%의 Fe 함량을 가질 수 있다. 철 분말에서 나머지 원소는 최대 3 중량%, 바람직하게, 2.5 중량% 함량의 산소 및 다른 필연적인 불순물이다.

산소 및 다른 필연적인 불순물의 양은 철 분말의 생산을 위해 사용되는 원료 물질 및 생산 방법에 따라 다르다. 산소 이외의 필연적인 불순물의 예에는 2 중량% 미만, 바람직하게, 1 중량% 미만, 및 가장 바람직하게, 0.5 중량% 미만의 총 함량의 C, S, P, Si, Mn, Cr, Cu, Mo, Ni, Al이다.

바람직한 구체예에서, 45 ㎛ 미만의 입자의 양은 최대 10 중량%이다. 45 내지 150 ㎛의 입자의 양은 0 내지 20 중량%이다. 150 내지 212 ㎛의 입자의 양은 10 내지 50 중량%이다. 212 내지 500 ㎛의 입자의 양은 50 내지 90 중량%이다. 500 ㎛ 초과의 입자의 양은 0 내지 30 중량%이다.

다른 바람직한 구체예에서, 45 ㎛ 미만의 입자의 양은 최대 5 중량%이다. 45 내지 150 ㎛의 입자의 양은 0 내지 20 중량%이다. 150 내지 212 ㎛의 입자의 양은 10 내지 30 중량%이다. 212 내지 500 ㎛의 입자의 양은 60 내지 90 중량%이다. 500 ㎛ 초과의 입자의 양은 0 내지 10 중량%이다.

바람직한 구체예에서, 철 분말은 H₂ 환원된 철 분말이다.

겉보기 밀도는 0.8 내지 3.0 g/㎤, 바람직하게, 0.8 내지 2.5 g/㎤, 가장 바람직하게, 1.2 내지 1.8 g/㎤일 수 있다. 비표면적은 BET에 따라 측정하여, 0.1 내지 0.5 ㎡/g일 수 있다.

알루미늄 분말

Al 분말이 전극의 희생 부분에 함유된 구체예에서, Al 분말 중 Al의 함량은 바람직하게, 90 내지 99 중량%일 수 있으며, 입자 크기 분포는 4.5 내지 875 ㎛일 수 있다.

철 분말과 알루미늄 분말의 혼합물

희생 애노드에서 철과 알루미늄의 조합이 효과적인 플루오라이드 제거 및 형성된 응고제의 충분한 침강 속도의 조합된 효과를 산출하는 것으로 나타났다.

두 분말 모두를 함유한 구체예에서 철 분말 대 알루미늄 분말의 중량비는 처리수(processed water) 중 알루미늄 이온의 허용되지 않는 높은 잔부 및 지연된 침강을 야기시키지 않기 위하여, 최소 50:50, 바람직하게, 최소 60:40, 가장 바람직하게, 최소 70:30일 수 있다. 다른 한편으로, 두 분말 모두를 함유한 구체예에서 철 분말 대 알루미늄 분말의 최대 중량비는 충분한 플루오라이드 제거 용량을 달성하기 위하여 98:2, 바람직하게, 95:5일 수 있다. 이에 따라, 철 분말 대 알루미늄 분말의 중량비는 50:50 내지 98:2, 바람직하게, 60:40 내지 98:2, 및 가장 바람직하게, 70:30 내지 95:5일 수 있다. 이는 또한, 전극의 희생 부분에서 알루미늄 분말의 함량이 2 내지 50 중량%, 바람직하게, 2 내지 40 중량%, 가장 바람직하게, 5 내지 30 중량%일 수 있는 것으로서 표현될 수 있다. 또한, 예를 들어, 10 내지 30 중량% 또는 15 내지 25 중량%의 알루미늄 분말.

투과성 및 다공성 애노드의 제조

철 분말, 또는 철 분말과 알루미늄 분말의 혼합물은 압착 다이(compaction die)로 옮겨지고 압착된다. 바람직하게, 애노드는 적어도 10 MPa, 바람직하게, 적어도 20 MPa, 더욱 바람직하게, 적어도 25 MPa의 힘으로 압축된다. 일부 구체예에서, 철 분말, 또는 철 분말과 알루미늄 분말의 혼합물은 충분한 다공률 및 무결성 및 강도를 얻기 위해 27.6 MPa(2 TSI) 내지 986 MPa(71.5 TSI)의 압력으로 압착된다. 이는, 투과성(액체 및 가스) 애노드가 11 내지 62%, 바람직하게, 22 내지 51%, 및 가장 바람직하게, 30 내지 42%의 다공률을 가져야 한다는 것을 시사한다.

통상적인 윤활제는 압착 및 압착된 애노드의 사출을 용이하게 하기 위해 압착 전에 첨가될 수 있다. 애노드(A)의 무결성 및 강도를 추가로 향상시키기 위해, 소결 단계가 수행될 수 있다. 그러나, 더 고려될 수 있는 것은 윤활제를 연소시키기(burn away) 위해 200 내지 400℃의 온도에서 애노드를 열처리하는 것이다.

압착되거나 임의적으로 소결된 애노드의 형상은 배관 시스템, 및 존재하는 경우에, 비-전도성 불투과성 시일에 끼워맞춰지도록 선택된다. 이러한 비-전도성 불투과성 시일은 통상적인 비-전도성 개스킷일 수 있다.

전기응고 공정

본 발명의 구체예에 따른 전기응고 공정은 기술된 장치를 이용한다. 세정되는 공정 스트림은 투과성 및 다공성 희생 애노드를 통해 흐르게 된다. 일반적으로, DC가 인가된다. 그러나, 특히, 애노드 및 캐소드가 구조에 있어서 실질적으로 동일할 때, AC가 사용될 수 있다. AC의 사용은 오염(fouling) 문제를 줄이고, 전기 장비를 단순화할 수 있다.

인가된 압력은 애노드의 공극 및 공동의 적어도 95%, 바람직하게, 99%, 바람직하게, 99.9%, 바람직하게 모두를 채우고 시스템을 통해 충분한 유량을 제공하기에 충분할 수 있다.

수리학적 체류 시간의 실질적인 감소는 동일한 제거 효율을 위해, 공지된 전기응고 공정과 비교하여 본 발명의 일 구체예에 따른 공정에 대해 얻어질 수 있다.

수리학적 체류 시간은 본원에서, 시스템에서 유량에 의해 나누어진 투과성 및 다공성 희생 애노드의 부피로서 규정된다:

HRT = 애노드의 부피[㎥] / 유량[㎥/시간]

본 발명의 구체예에 대한 통상적인 HRT가 6초 내지 2분의 범위이지만, 본 발명의 구체예에 따른 전기응고 공정에서, 오염물의 제거 효율이 포화 수리전도도(K_sat)와 매우 관련이 있다는 것이 나타났다. K_sat 값은 유체가 포화된 공극 구조에서 공극을 통해 이동할 수 있게 하는 용이성을 기술한다.

이에 따라, 본 발명의 일 구체예에 따른 공정은, K_sat에 대한 바람직한 간격이 4 내지 17.5 cm/일, 바람직하게, 4.3 내지 16.4 cm/일, 가장 바람직하게, 7.6 내지 13 cm/일이게 하는 조건 하에서 수행될 수 있다.

형성된 하이드록사이드 플록의 용해를 방지하기 위하여, 정제되는 공정 스트림의 pH는 공정이 개시하기 전에 및/또는 공정 동안에, 바람직하게, 5 내지 8의 값까지 조절될 수 있다. 우라늄이 공정 스트림으로부터 제거되는 일 구체예에서, pH는 적어도 10의 값까지 조정될 수 있다. pH는 특정 오염물의 제거를 촉진하기 위해 조정될 수 있다.

공정 전 및/또는 동안에, 전해질은 처리되는 물의 전도도를 증가시키기 위해 첨가될 수 있다.

실시예

하기 실시예는 본 발명의 구체예를 예시하기 위해 의도된 것이지만, 본 발명의 범위를 제한하고자 하는 것은 아니다.

특정 성질을 결정하기 위해 사용되는 절차

하기 실시예에서 수집된 데이터는 전류(I), 전압(V), 크롬(Cr)의 농도, 압력(P), 그린 강도(green strength; GS), 및 그린 밀도(green density; GD)로 이루어진다. 각 데이터 세트에 대한 값은 하기 절차에 따라 얻어졌다.

5A/30V DC 전원 장치의 디스플레이 스크린으로부터 전류 및 전압을 얻었다. 전원 장치를 전압이 애노드와 캐소드 간의 저항을 기초로 하여 달라질 수 있는 요망되는 시험 실행(test run)을 위해 일정 전류를 유지시키도록 설정하였다.

유입물 샘플을 수집하고, 분석 전에 0.45 마이크론 시린지 필터를 통해 여과하였다. 유출물 샘플을 수집하고, 플록을 침강하도록 별도로 두었다. 이후에, 상청액을 0.45 마이크론 시린지 필터를 통해 여과하였다. 여과된 유입물 및 유출물 샘플을 Hach DR5000 분광광도계(방법 8023)을 이용하여 크롬(VI) 농도에 대해 분석하였다. 분광광도계의 방법 검출 한계(Method Detection Limit; MDL)는 6가 크롬[Cr(VI)]의 경우에 0.01 mg/L이다. 실시예에서, MDL 미만의 Cr(VI) 농도는 최대 오염물 제거에 도달하는 것으로 여겨지고, 비-검출인 것으로 규정된다.

그린 강도는 소결되지 않은 압착 애노드가 견딜 수 있는 힘의 양이다. 애노드의 그린 강도는 ISO 스탠다드(standard) 3995에 따라 시험되었다. 그린 밀도는 소결되지 않은 압착된 애노드의 밀도이고, 하기 식을 이용하여 계산되었다:

상기 식에서, Mm은 애노드의 질량이며, V는 실린더 방정식(V=π*r²*h)의 부피를 이용하여 계산된 부피이다.

실시예 1 - 처리되는 단위 부피 당 인가된 전류

본 실시예를 도 1에 예시된 장비를 이용하여 수행하였다. 약 97%의 철 함량, 1.39 g/㎤의 겉보기 밀도, 및 0.22 ㎡/g의 비표면적을 갖는 철 분말로부터 희생 애노드를 제조하였다. 철 분말의 입자 크기 분포는 45 ㎛ 미만의 입자가 1 중량%임을 포함하였다. 45 내지 150 ㎛의 입자의 양은 10 중량%이었다. 150 내지 250 ㎛의 입자의 양은 12 중량%이었다. 250 내지 850 ㎛의 입자의 양은 75.6 중량%이었다. 850 내지 1000 ㎛의 입자의 양은 1.4 중량%이었다. 각 투과성 애노드는 25 g의 중량을 가지며, 62% 다공률을 달성하기 위하여 27.6 MPa(2 TSI - (제곱 인치 당 톤(ton per square inch))의 힘으로 가압되었다. 바람직하게, 애노드는 적어도 10 MPa, 바람직하게, 적어도 20 MPa, 더욱 바람직하게, 적어도 25 MPa의 힘으로 압축된다.

포타슘 디크로메이트(K₂Cr₂O₇), 염산(HCl) 및 소듐 클로라이드(NaCl)를 탈이온수에 첨가하였다. 초기 수질은 Cr(VI)의 농도 100 mg/L, 7.0의 pH, 및 2300 μS/cm의 전도도로 이루어졌다. 압력 하에서 폐수를 반응기로 그리고 연속 흐름 공정으로 애노드를 통해 전달하기 위해 연동 펌프를 이용하였다. 시험을 다양한 인가된 전류에서 실행하였으며, 0.01 mg/L 미만의 유출물 Cr(VI) 농도를 달성하기 위해 유량을 조정하였다. 표 1은 처리되는 폐수의 단위 부피 당 요구되는 전류의 양 뿐만 아니라 이러한 폐수에 대한 최대 오염물 제거를 달성하기 위해 전류 및 유량 설정-포인트를 도시한 것이다.

표 1

표 1에서의 결과는 투과성 전극이 증가된 유량에서 더욱 효율적으로 기능함을 나타내고 비교적 높은 수준의 오염물을 갖는 고 유량 적용을 위해 가장 적합할 것이다.

이러한 실시예에서 제2 시험을 동일한 스타일의 전극을 이용하지만, 통상적인 전기응고 공정에서 수행하였다. 전극을 버스 바 어셈블리(buss bar assembly)로부터 반응 용기 내로 매달았다. 공정을 배치 환경(batch situation)에서 수행하였다. 통상적인 전기응고 공정의 결과는 표 2에서 투과성 애노드 공정의 결과와 비교된다.

비교예로서, 처리되는 물이 투과성 애노드를 통해 가압되지 않은 통상적인 공정에서 수행되는 것을 제외하고 본 발명의 일 구체예에 따른 공정에서 이전 실험에서 사용되는 것과 동일한 물의 전기응고. 통상적인 전기응고 공정을 위한 장비는 1,200 ml 유리 비이커, 자석 교반기, 전극 어셈블리 홀더 및 전원 장치를 포함하였다. 분말 금속 전극을 본 발명의 일 구체예에 따른 공정에서 이용되는 투과성 전극과 동일한 질량 및 다공률을 달성하는 방식으로 제조하였다.

표 2

투과성 반응기는 46 ml/분의 유량에서 0.9 A의 인가 전류에서 100 mg/L 크롬의 최대 오염물 제거를 달성할 수 있었다. 동일한 표면적, 동일한 인가 전류 및 동일한 초기 오염물 농도를 갖는 전극을 갖는 통상적인 반응기는 단지 37 ml/분의 유량으로 처리할 수 있었다.

제거 효율 증가 이외에, 투과성 반응기는 동일한 부피를 처리하기 위해 더 낮은 전력 소비를 필요로 하였다. 통상적인 반응기로 동일한 부피(46 ml/분)의 폐수를 처리하기 위하여, 1.1 A의 인가 전류가 요구될 것이다. 투과성 반응기 및 통상적인 반응기는 각각 2.80 및 3.24 kW/㎥/hr의 전력 소비를 필요로 하였다.

처리되는 물의 단위 부피 당 kWhr의 전력 소비는 하기 방정식으로서 표현된다:

P = (I * V) / (1000 * Q)

상기 식에서, Q는 m³/hr의 유량이며, I는 A의 전류이며, V는 전압이다.

실시예 2 - 생성된 응집제의 단위 질량 당 제거된 오염물의 양

이러한 실험을 위해 2개의 별도의 시험 장비를 이용하였다. 투과성 전기응고 공정을 위한 장비를 도 1에 예시된 장비를 이용하여 수행하였다. 희생 애노드를 실시예 1에서 규정된 것과 동일한 사양에 따라 제조하였다. 통상적인 분말 금속 전기응고 공정을 위한 장비는 1,200 ml 유리 비이커, 자석 교반기, 전극 어셈블리 홀더 및 전원 장치를 포함하였다. 분말 금속 전극을 본 발명의 일 구체예에 따른 전극과 동일한 질량 및 다공률을 달성하는 방식으로 제조하였다.

포타슘 디크로메이트(K₂Cr₂O₇), 염산(HCl) 및 소듐 클로라이드(NaCl)를 탈이온수에 첨가하였다. 초기 수질은 100 mg/l의 Cr(VI)의 농도, 7.0의 pH, 및 2300 μS/cm의 전도도로 이루어졌다. 각 시험을 제조된 동일한 부피의 폐수로 수행하였다. 동일한 시간의 양에 동일한 부피의 폐수를 효과적으로 처리하기 위하여 각 시험에 대해 인가 전류를 선택하였다. 표 3은 작동 조건, 및 생성된 응집제의 단위 질량 당 제거된 오염물의 질량과 관련된 결과를 나타낸 것이다. 각 시험을 3회 수행하였다. 표 3에 보고된 결과는 3회 시험의 평균치이다.

표 3

도 4는 2개의 공정에 대해 제조된 건조된 응집제에서 제거된 Cr의 농도를 도시한 것이다. 본 발명의 일 구체예에 따라 제조된 플록에서 제거된 Cr의 농도는 통상적인 공정에 따라 제조된 플록에서 Cr의 농도와 비교하여 더 높다.

동일한 시간의 양에 동일한 부피의 물로부터 동일한 양의 오염물 제거를 달성하기 위하여, 통상적인 공정은 본 발명의 구체예에 따른 공정(0.9 A)과 비교하여 더 높은 인가 전류(1.0 A)를 필요로 하였다. 본 발명의 일 구체예에 따른 공정에서 요구되는 더 낮은 요구되는 전류로 인하여, 6가 크롬의 최대 제거를 위해 더 적은 응집제가 생성되었다. 결과적으로, 본 발명의 구체예에 따른 투과성 전기응고 공정은 통상적인 전기응고 공정의 응집제(79.4 mg Cr(VI)/g 응집제)보다 9.7% 더 많은, 응집제의 단위 질량 당 오염물의 양을 제거하였다(87.1 mg Cr(VI)/g 응집제).

실온에서 단계적 침강 컬럼(graduated settling column)에서 시간에 따라 압축된 부피(compressed volume)를 분석함으로써 투과성 전극 및 통상적인 전극으로부터의 플록의 침강 속도를 평가하였다. 특정 시간에 침강된 플록의 높이의 판독값을, 즉 플록 및 물의 경계면에서 얻었다.

타입 III 방해된 구역 침강 속도 플롯을 이용하여 계산하는 경우에, 각각 본 발명의 일 구체예에 따른 공정은 0.917 m/h의 침강 속도를 야기시키며, 통상적인 공정은 0.385 m/h의 침강 속도를 야기시킨다. 본 발명의 일 구체예에 따른 공정에 의해 제조된 플록은 통상적으로 제조된 플록보다 2.4배 더 빨리 침강한다.

실시예 3 - K _sat 값의 함수로서의 오염물 제거율

본 실시예를 도 1에 예시된 장비를 이용하여 수행하였다. 희생 애노드를 실시예 1에서 규정된 철 분말과 동일한 성질을 갖는 철 분말로부터 제조하였다. 표 4는 이러한 실시예를 위해 제조된 애노드의 특징을 나타낸 것이다.

표 4

공정 설명: 포타슘 디크로메이트(K₂Cr₂O₇), 염산(HCl) 및 소듐 클로라이드(NaCl)를 탈이온수에 첨가하였다. 초기 수질은 100 mg/L의 Cr(VI) 농도, 7.0의 pH, 및 2300 μS/cm의 전도도로 이루어졌다. 모든 시험을 0.2 A의 인가된 전류(applied current)와 함께 수행하였다. 투과성 애노드를 통해 4.5, 9, 23.5, 46 및 92 ml/분의 유량을 적용하였다. 유출물을 수집하여 적용된 흐름 조건에서 6가 크롬의 제거율(%)을 측정하였다. 도 7 내지 도 9에서의 제거 효율 곡선은 동일한 가압력으로 가압된 투과성 애노드에 대한 크롬의 제거 및 전극 두께의 비교를 나타낸 것이다. 도 7은 27.6 MPa(2 TSI)(61% 다공성)에서, 도 8은 41.4 MPa(3 TSI)(57% 다공성)에서, 도 9는 55.2 MPa(4 TSI)(53% 다공성)에서 가압된 애노드에 대해 수집된 데이터를 나타낸 것이다.

흥미롭게도, 3개의 도면 모두에서 보고된 결과는, 일정한 가압력에서, 일정한 다공률을 유지하는 경우에, 더 얇은 투과성 애노드를 통해 제거 효율이 더 커짐을 나타낸다.

실시예에서 제거 효율은 시간에 따른 제거율(%)로서 규정된다:

제거 효율 = (C₀ - C_F) / C₀ * 100 / T

상기 식에서, C₀는 초기 농도이며, C_F는 최종 농도이며, T는 시간이다.

도 10 내지 도 12는 동일한 질량을 갖지만 각 전극에 상이한 다공률을 제공하는 다양한 가압력으로 가압된 투과성 애노드에 대한 크롬의 제거를 도시한 것이다. 도 10은 20 g의 질량을 갖는, 도 11은 25 g의 질량을 갖는, 도 12는 30 g의 질량을 갖는 가압된 애노드에 대해 수집된 데이터를 나타낸다.

놀랍게도, 3개의 도면(도 10 내지 도 12) 모두에서 보고된 결과는, 일정한 애노드 질량에서 제거 효율이 다공률에 대해 반비례함을 나타낸다. 실험을 수행하기 전에, 더 높은 다공성 애노드가 더 높은 내부 표면적으로 인해 더 양호하게 수행할 것이라는 가설이 세워졌다.

더 얇은 투과성 애노드 및 더 낮은 다공성의 투과성 애노드 둘 모두와의 오염물 제거 증가와 관련한 놀라운 결과를 고려하여, 그 이유를 조사하기 위해 더 큰 주위를 기울였다. 플럭스가 일정한 인가 전류에서 제거 효율에 대한 직접적인 영향을 미칠 수 있다는 하나의 이론이 제기될 수 있다. 본 실시예에서, 플럭스는 투과성 전극의 포화 수리 전도도(Ksat)를 이용하여 규정되었다.

K_sat 값은 다르시 법칙(Darcy's Law)에서 비례 인자(proportionality factor)로서 표현된다.

Q = K*A*(ΔH/ΔL)

상기 식에서, Q는 유량이며, A는 애노드의 단면적이며, ΔH는 수두(hydraulic head)이며, ΔL은 애노드의 두께이다.

도 13은 투과성 애노드의 K_sat 값과 관련한 바와 같은 Cr(VI) 제거를 도시한 것이다. 여기에 나타낸 데이터는 표 4에서 규정된 바와 같은 완전한 데이터 세트 매트릭스 및 공정 설명이다.

도 13에 나타낸 결과는 K_sat 값이 투과성 전극의 제거 효율에 영향을 미치는 직접적인 상관관계를 확인한다. K_sat 값이 애노드에 인가된 일정 전류에 대해 증가하기 때문에, 제거 효율은 감소한다. 유량이 K_sat에 큰 영향을 미치기 때문에, 도 13은 일정한 유량 경향으로 분해되고, 도 14에 나타낸다.

도 14는 제거 효율이 심지어 일정한 유량에서도 K_sat에 대해 반비례한다는 것을 확인한다.

도 15는 K_sat 값이 상이한 애노드 다공률에서 제거 효율에 미치는 경향을 도시한 것이다. 예상되는 바와 같이, 더 다공성 애노드는 제공된 K_sat 값에서 더 높은 제거 효율을 달성한다. 이는 도 16에서 추가로 설명되는데, 여기서, K_sat에 대한 유량이 도 15와 동일한 데이터로 바꿔져 있다.

K = (Q/A)*(ΔL/ΔH)의 다르시 법칙을 고려하여, 일정한 K_sat 값에서 동일한 단면적을 갖는 2개의 애노드(애노드 1 및 애노드 2)의 비교는 하기 방정식을 야기시킨다:

Q1 × ΔL1/ ΔH1 = Q2 × ΔL2/ ΔH2

애노드 1이 애노드 2보다 더 낮은 다공률을 갖는 경우에, ΔL1 < ΔL2 및 ΔH1 > ΔH2. 이에 따라, 애노드 1은 동일한 K_sat 값을 유지하기 위해 더 높은 유량을 필요로 한다. 이에 따라, 반응기를 통한 접촉 시간 감소(즉, 수리학적 체류 시간 감소)로 인해 이의 제거 효율은 감소한다.

이러한 실시예를 확장하여, 희생 애노드를 실시예 3의 초기 부분에서 사용된 철 분말과 동일한 성질을 갖는 철 분말로부터 제조하였다. 애노드는 약간 상이한 두께를 제외하고 동일한 질량 및 표면적으로 이루어졌다. 12.6% 내지 62.1% 범위의 상이한 다공률의 애노드를 제조하기 위해, 표 5에서 확인될 수 있는 다양한 가압력을 이용하였다.

본 실시예는 모든 애노드 시험을 위해 일정한 공정 파라미터를 유지하였다. 상세하게, 유량은 46 ml/분로 설정되었으며, 인가 전류는 0.2 A이었다. 결과는 도 20에 보고되어 있다. 비교를 위하여, 도 20에서 피팅된 추세선은 도 11에서 보고된 결과로부터 계산된 3개의 데이터 포인트를 포함한다. 도 11에서의 실험 데이터를 여기에서 사용된 동일한 질량의 애노드를 이용하여 생성할 뿐만 아니라 0.2 A의 인가 전류를 이용하여 시험하였다. 유량의 차이를 보정하기 위하여 계산을 수행하였다. 46 ml/분의 유량을 이용하여 추가적인 3개의 데이터 포인트를 생성시켰다. 표 7에서 제거 효율과 관련된 구역을 규정하기 위해 도 20을 이용하였다.

실시예 4 - 그린 강도 대 다공률

본 실시예를 도 1에 예시된 장비를 이용하여 수행하였다. 애노드를 약 97%의 철 함량을 갖는 철 분말로부터 제조하였다. 애노드를 다양한 다공률에서 제조하였고, 이의 투과성에 대해 시험하였다. 표 5는 각 애노드의 특징 및 34.5 kPa(5 psi)의 인가된 시스템 압력에서의 투과성(ml/분의 유량)을 나타낸다.

표 5

표 5에서 보고된 데이터로부터, 10% 이하의 다공률을 갖는 애노드는 이러한 물질을 통한 물의 흐름을 허용하지 않고 비-투과성인 것으로 여겨진다. 다공률이 증가함에 따라 애노드의 그린 강도는 감소한다. 1.72 MPa(250 psi) 미만의 그린 강도에서, 애노드의 무결성은 이송 및 취급, 설치, 유지보수 또는 적용된 시스템 공정 조건을 견디지 못할 수 있을 것이다. 이에 따라, 투과성 애노드는 11% 이상 및 62% 이하의 다공률을 가져야 한다.

실시예 5 - 상이한 물질로부터 제조된 애노드

별도의 실시예에서, 동일한 가압력에서 그린 강도를 비교하기 위하여 상이한 철 물질의 애노드를 제조하였다. 투과성 애노드를 제조하기 위해 사용되는 바람직한 철 복합물을 다른 철 분말(덜 바람직한 철 분말 "철 A" 내지 "철 D")로부터 제조된 애노드와 비교하였다. 모든 물질을 689 MPa(50 TSI)의 가압력으로 가압하였으며, 결과는 표 6에 나타내었다.

표 6

본 발명의 바람직한 구체예에서 사용되는 투과성 애노드를 제조하기 위해 사용되는 철 입자는 약간 더 높은 다공률을 야기시킬 뿐만 아니라 다른 철 분말로부터 제조된 애노드보다 상당히 더 높은 그린 밀도를 갖는 애노드를 생산한다.

투과성 애노드에 대한 최적의 다공률 범위는 도 17을 이용하여 결정된다. 이러한 도면에서, 플럭스 곡선은 표 5로부터의 상이한 다공률을 지니는 애노드에 대해 플롯팅된다. 플럭스는 애노드의 단면적 당 유량의 양이다. 모든 플럭스 값을 애노드를 통해 34.5 kPa(5 psi)의 인가된 압력에서 수집하였다. 최적의 작동 성능을 제공하는 애노드의 다공률을 결정하기 위하여, 첫번째 직선은 플럭스 곡선의 가장 가파른(최대 펌프 효율) 및 가장 평평한(최소 펌프 효율) 부분 둘 모두로부터 연장된다. 이러한 2개의 선이 교차하는 경우에, 다른 선(접선에 대해 수직)은 플럭스 곡선에 접하는 선(최적의 접선)에 대해 수직인 기울기로 그려진다. 이러한 플롯(도 17)을 이용하여, 구역 A 내지 구역 G는 표 7에 요약되고 규정된다.

표 7: 효과적인 제거, 플럭스 및 무결성과 관련한 애노드 성능을 기초로 한 최적의 %다공률 범위

표 7 및 도 17에서의 바람직한 구역 및 최적의 구역을 제거 효율, 플럭스 및 애노드 무결성의 조합을 기초로 하여 결정하였다.

일정한 공정 파라미터에서 작동할 뿐만 아니라 동일한 질량 및 면적을 갖는 것을 제외하고 상이한 다공률의 애노드의 제거 효율 비교는 도 20에서 확인될 수 있다. 본 실시예에서 제거 효율에 대한 최적의 다공률 범위는 22% 내지 42%이다. 모든 다른 작동 파라미터를 일정하게 유지하면서, 상이한 유량에서 본 실시예를 수행하는 경우에, 플롯의 수직 이동이 야기될 것이다. 그러나, 최적의 제거 효율 범위는 실시예 3에서 보고된 발견과 일관성을 유지한다.

플럭스는 플럭스 곡선으로서 도 17에 나타낸 펌프 효율 및 표 7에서 규정된 최적의 범위와 상관 관계가 있다. 펌프 효율은 펌프를 구동시키기 위해 공급된 전력과 관련하여 펌프에 의해 유체에 부여된 전력의 비율이다. 효율은 배출(discharge) 및 이에 따라, 또한, 작동 헤드(operating head)의 함수이다. 실시예 3의 제1 부분에서, 다양한 다공률의 애노드를 일정한 압력을 유지하면서 상이한 유량으로 처리하였다. 일정한 압력을 유지할 때, 애노드 다공률 및 유량은 직접적으로 비례한다. 상세하게, 더 높은 다공률의 애노드는 일정한 압력에서 더 높은 배출을 야기시키며, 이에 따라, 펌프로부터 동일한 양의 마력(horsepower)을 필요로 한다. 이에 따라, 더 높은 다공률의 애노드는 공정 펌프의 더 높은 효율을 야기시킨다.

다양한 실시예에서 사용되는 애노드는 소결되지 않았다. 이에 따라, 애노드의 무결성은 여기에서 이의 그린 강도에 의해 나타낸다. 다양한 다공률에서의 애노드의 그린 강도는 표 5에서 확인될 수 있으며, 최적의 범위는 표 7에서 규정되어 있다. 애노드의 다공률은 그린 강도에 반비례한다. 이에 따라, 애노드의 무결성은 다공률이 증가함에 따라 약해진다.

10% 이하의 다공률을 갖는 애노드는 34.5 kPa(5 psi)의 수압이 적용될 때 흐름을 허용하지 않는다. 이는 비-투과성 구역(구역 A)으로서 규정된다.

구역 B는 높은 요구되는 펌프 출력으로 인해 감소된 전체 시스템 효율을 갖지만 매우 높은 그린 강도를 갖는 애노드를 포함한다. 이러한 구역은 투과성 문턱값(10% 다공률)에 의해 규정되며, 여기서, 최적의 접선은 최소 펌프 효율 라인(21% 다공률)과 교차한다. 이러한 구역에서 감소된 상호연결 다공률로 인하여, 전극을 통한 채널화된 흐름이 존재한다.

구역 C(플러그 흐름 구역)에서의 다공률은 상호연결 다공률이 애노드를 통해 플러그 흐름을 증진하기 시작하는 곳이다. 이러한 구역에 대한 범위는 구역 B의 상한 범위 및 접선이 플럭스 곡선과 만나는 % 다공률 값에 의해 결정된다. 이러한 포인트는 또한, 최적 성능 구역(구역 D)에 대한 하한치이다. 최적 성능 구역에 대한 상한치는 최적 접선 및 최대 펌프 효율 라인의 교차 포인트에 의해 결정된다. 이러한 구역은 효과적인 제거, 플럭스 및 애노드 무결성의 조합이 최대치이고 30% 내지 42% 다공률의 범위인 곳이다.

구역 E는 43% 내지 51%의 범위를 갖는다. 이러한 구역의 상한치는 애노드를 통한 저항이 더 다공성의 애노드와 비교하여 상당히 감소된 포인트이고, 최대 펌프 효율 라인이 플럭스 곡선을 벗어나는 포인트에 의해 결정된다.

투과성 애노드에 대한 다공률의 최종 규정 범위는 52% 내지 62% 범위이다(구역 F). 이러한 구역에서, 펌프 성능은 가장 유리하다. 그러나, 무결성과 마찬가지로, 애노드의 반응성 성능은 감소된다. 애노드가 높은 펌프 효율 구역에서 더 빠르게 분해할 가능성이 존재한다. 다공률이 62%를 초과하는 경우에, 애노드 그린 강도는 이송, 취급, 및 적용된 시스템 공정으로 처리하기에 너무 낮다.

투과성 애노드는 11 내지 62%, 바람직하게, 22 내지 51%, 및 가장 바람직하게, 30 내지 42%의 다공률을 가져야 한다. 22 내지 51%의 범위에서, 양호 내지 우수한 제거 효율은 적어도 적당한 펌프 효율 및 적어도 적당한 그린 강도와 함께 얻어진다. 30 내지 42%의 범위에서, 우수한 제거 효율은 양호한 펌프 효율 및 양호한 그린 강도와 함께 얻어진다. 이러한 상응하는 다공률 범위에 대한 최적의 K_sat 값은 도 18a 및 도 18b에서 확인될 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 일 구체예에 따른 공정은, K_sat에 대한 바람직한 간격이 4.3 내지 16.4 cm/일, 가장 바람직하게, 7.6 내지 13 cm/일이게 하는 조건 하에서 수행될 수 있다.

K_sat 값 라인이 다양한 다공률에서 플럭스 곡선 상에서 전위되는 경우에, 바람직한 K_sat 범위는 도 18a에 도시된 바와 같이 규정될 수 있으며, 최적의 K_sat 범위는 도 18b에 도시된 바와 같이 규정될 수 있다. 표 7에서 구역 D(최적 성능 구역)로부터 30 내지 42%의 다공률 범위를 이용하여, 이러한 다공률 범위를 갖는 애노드에 대한 K_sat 값은 7.6 내지 13 cm/일이다.

Claims (17)

1. 공정 스트림(process stream)을 처리하도록 구성된 전기응고 장치(electrocoagulation device)로서, 상기 장치는
   - 캐소드(cathode);
   - 철을 포함하고 11 내지 62 부피%의 다공률을 갖는 압착 분말(compacted powder)로 이루어진 희생 애노드로서, 상기 애노드가 다공성이고 투수성인 희생 애노드(sacrificial anode);
   - 상기 공정 스트림이 상기 애노드를 통해 흐르도록 구성된 압력 시스템(pressure system)을 포함하며,
   상기 애노드는 제1 측면 및 대향하는 제2 측면을 가지며, 상기 공정 스트림은 상기 제1 측면으로부터 상기 애노드를 통해 상기 제2 측면으로 흐르며,
   상기 제2 측면 상에서의 상기 공정 스트림의 압력은, 압력차가 적어도 6.9 kPa(1 psi), 바람직하게, 적어도 17.9 kPa(2.6 psi)이도록, 상기 제1 측면 상에서의 상기 압력보다 낮은, 전기응고 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 압력 시스템이, 상기 공정 스트림의 적어도 50 중량%, 바람직하게, 80 중량%, 더욱 바람직하게, 95 중량%, 및 가장 바람직하게, 적어도 99.5 중량%가 상기 애노드를 통해 흐르도록 구성된 장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 측면 상에서의 상기 공정 스트림의 상기 압력이 적어도 13.8 kPa(2 psi)인 장치.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 애노드가 22 내지 51 부피%, 바람직하게, 30 내지 42 부피%의 다공률을 갖는 장치.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 애노드가 압착되고 소결된 분말로 이루어진 장치.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 압착 분말이 적어도 90 중량%의 철, 바람직하게, 적어도 95 중량%의 철 및 가장 바람직하게, 적어도 97 중량%의 철을 포함하는 장치.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 압착 분말이, 45 ㎛ 미만의 입자의 양이 최대 10 중량%이고 45 내지 150 ㎛의 입자의 양이 0 내지 20 중량%이고 150 내지 212 ㎛의 입자의 양이 10 내지 50 중량%이고 212 내지 500 ㎛의 입자의 양이 50 내지 90 중량%이고 500 ㎛ 초과의 입자의 양이 0 내지 30 중량%이게 하는 입자 크기 분포를 갖는 철 분말을 포함하는 장치.
8. 제7항에 있어서, 상기 철 분말이, 45 ㎛ 미만의 입자의 양이 최대 5 중량%이고 45 내지 150 ㎛의 입자의 양이 0 내지 20 중량%이고 150 내지 212 ㎛의 입자의 양이 10 내지 30 중량%이고 212 내지 500 ㎛의 입자의 양이 60 내지 90 중량%이고 500 ㎛ 초과의 입자의 양이 0 내지 10 중량%이게 하는 입자 크기 분포를 갖는 장치.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 압착 분말이 압착 철 분말과 알루미늄 분말의 혼합물을 포함하는 장치.
10. 제9항에 있어서, 철 분말과 알루미늄 분말 간의 중량비가 50:50 내지 98:2, 바람직하게, 60:40 내지 98:2, 및 가장 바람직하게, 70:30 내지 95:5인 장치.
11. - 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 장치를 제공하는 단계,
    - 상기 애노드와 상기 캐소드 사이에 전위차를 공급하는 동안, 상기 애노드로 통과하기 전에 상기 공정 스트림을 압축시킴으로써 상기 공정 스트림을 상기 장치로 통과시키는 단계를 포함하는 전기응고에 의해 공정 스트림을 처리하는 방법.
12. 제11항에 있어서, 상기 애노드 및 캐소드의 구조가 동일하며, 상기 방법은 상기 애노드의 희생 부분이 적어도 일부 소비될 때 극성을 스위칭(switching)하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
13. 제11항 또는 제12항에 있어서, 상기 공정 스트림이 상기 애노드로 통과하기 전에 대기압보다 높은 압력으로 압축되는 방법.
14. 제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 애노드가 0 초과 내지 19 cm/일 이하, 바람직하게, 4 내지 17.5 cm/일, 더욱 바람직하게, 4.3 내지 16.4 cm/일 및 가장 바람직하게, 7.6 내지 13 cm/일의 포화 수리 전도도(saturated hydraulic conductivity)(K_sat) 값을 갖는 방법.
15. 제11항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방법이 상기 공정 스트림을 상기 장치로 통과시키는 공정 이전, 및/또는 동안에, pH를, 형성된 하이드록사이드 응집제(hydroxide flocculant)가 용해되지 않는 값까지, 바람직하게, 5 내지 8의 값까지 조정하는 것을 추가로 포함하는 방법.
16. 제11항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공정 스트림이 중금속, 예를 들어, 크롬 또는 비소를 포함하는 방법.
17. 제11항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공정 스트림이 플루오라이드를 포함하는 방법.

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