KR20040057008A

KR20040057008A - 전기화학적 폐수처리장치

Info

Publication number: KR20040057008A
Application number: KR1020020083782A
Authority: KR
Inventors: 문상봉
Original assignee: (주)엘켐텍
Priority date: 2002-12-24
Filing date: 2002-12-24
Publication date: 2004-07-01

Abstract

본 발명은 전기분해를 이용한 연속식 폐수처리장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 폐수를 전기화학적인 산화와 환원 반응을 분리시켜 일어나게 하는 전기화학적 폐수처리 장치에 관한 것으로, 전기화학적 폐수처리 장치는 산화 반응이 일어나는 양극실과 환원반응이 일어나는 음극실, 그리고 양극실과 음극실을 분리하는 막을 기본으로 하는 단위 전해셀을 복수개 설치하여, 폐수를 연속적으로 대량으로 처리하는 전기분해 폐수처리장치에 관한 것이다.

Description

전기화학적 폐수처리장치{Electrolytic waste treatment system}

일반적으로 각종 산업폐수의 처리방법으로는 프라즈마, 침전, 여과 등을 이용한 물리적 처리방법, 화학약품을 투입하여 화학반응에 의한 처리 방법 및 임계점 근처의 고온, 고압에서의 폐수를 처리하는 화학적 처리방법, 미생물을 이용하여 유기물을 분해하는 생물학적 처리방법 방법이 있다.

이와 같은 종래의 폐수처리장치는 고농도의 악성 폐수의 경우 처리가 수질 기준을 만족시키지 못하고, 처리가 가능하더라도 설치비용이 고가일 뿐만 아니라,설치규모가 커서 설치면적이 대규모로 필요하고, 운전 시스템이 매우 복잡한 특성을 가지고 있다. 이에 폐수처리 장치를 설치하려고 하는 업체의 경우, 운전 및 설비비용에 대한 부담과 설치한 경우에 복잡한 설치구조 때문에 전문성의 결여에서 오는 운전 미숙으로 인하여 처리장치를 정상적으로 가동할 수 없는 문제점이 있었다.

이러한 점들을 감안하여 전기를 이용한 전기분해방법이 사용 시도되고 있다. 전기분해방법은 음극과 양극의 전극판이 설치된 전해조에서 전극의 산화 환원 반응을 이용하여 폐수를 처리하는 것으로 유분, 무기성오염물질, 유기성오염물질 및 콜로이드성 오염물질 제거에 효과적이며, 장치의 크기에 비하여 고농도의 오염폐수를 처리할 수 있는 장점이 있는 것으로 알려져 왔다. 이 같은 전기화학 관련 기술은 크게 세가지로 구별할 수 있다.

그중 하나는 전해응집을 이용한 방법으로 양극에 전류가 가해지면 전극의 성분이 용출되면서 그 용출물과 폐수중의 성분이 응집이 일어나 폐수를 처리하는 방법이다. 이같은 방법으로는 대한민국 특허 출원번호 2020020017901(미래환경기술(주) 전기응집처리부와 살균수공급유니트를 갖는 폐수처리장치), 1020020009601 ( (주) 일류기술 전해부상방법을 이용한 수처리 장치 및 그 운전방법) , 1020010025398 (권영대 전기부상 반응조 폐수처리장치), 1020000071373 ((주)엔아이워터솔루션 이중구조 전극을 가진 전기화학 응집기 및 이 응집기가구비된 전해처리 시스템), 1020000071371 ((주)엔아이워터솔루션 이중구조 전극을 가진 전기화학 응집기 및 이 응집기가구비된 전해처리 시스템), 1020000064037 (금성이엔씨 (주) .전기응집부상법을 이용한 폐수처리 장치), 1020000057146 (유병로 응집 및 전해원리를 이용한 고도 폐수처리방법), 1020000049758 1020020341818 (포항산업과학연구원 전하응집을 이용한 전도성 용액 내의 폐유분 분리장치), 1019990058754 ((주)지지이앤텍 폐수의 전해응집장치),1019990052468((주)성구환경 전기분해 응집 시스템)등이 있다,

다른 하나는 전극이 용출되지 않는 전극 불용성 전극을 사용한 방법으로 불용성 전극의 산화반응을 이용하여 폐수를 처리하는 방법으로는 대한민국 특허 출원번호 020020023947((주) 테크윈 오,폐수의 고도처리 및 살균처리를 위한 카운터 플로우형전기분해/부상 일체형 복합 전기분해 반응조) 2020020015636 (이천열 전기분해를 이용한 오폐수처리장치), 1019940005599(산업자원부기술표준원 전해식 폐수처리 장치 및 방법 ), 1019940004217 (아남환경(주) 난분해성 산업폐수의 전기산화분해방법), 2020020007808(이천열 전기분해를 이용한 오폐수처리장치), 2020010022697(이천열 오폐수 정화용 전기분해장치), 1020010021258 (나가라 쿠니타케 폐수 처리장치), 1020010015490 (조용덕 전기분해법을 이용한 폐수의 처리방법), 2020010007140 ((주) 아이수 전기분해에 의한 오폐수처리설비), 2020010003493(양재춘 폐수처리 시스템), 1020010001766 (금성이엔씨(주)..전기분해를 이용한 폐수 처리 방법)등이 있으며 또다른 방법으로는 전기화학 장치와 다른 산화 장치를 결합시켜 처리하는 방법이 있다. 1020010001743 (박덕영 전기분해 및 생물막을 이용한 난분해성 수처리시스템), 2020010000806 (박덕영 전기분해 및 생물막을 이용한 난분해성 수처리장치), 1020000057146 (유병로 응집 및 전해원리를이용한 고도 폐수처리방법)등이 있다.

그러나, 양극과 음극사이에 격막이 없는 무격막 전기분해방법은 전해조내에서 양극과 음극에서 산화, 환원 반응이 동시에 일어나 폐수가 산화 반응에의해 분해되었더라도 다시 음극에서 환원 반응에의해 폐수가 전 물질로 환원되어 효율이 감소되며, 이에 폐수처리 효율이 낮고, 또한 폐수처리의 시간이 오래 걸리는 문제점이 있다.

따라서, 폭약, 농약, 병원 폐기물등과 같은 악성 고농도 폐기물 및 총질소를 포함한 폐수는 무격막 전기화학적 기존방법을 포함 효율이 낮아 장치가 크고, 구성이 복잡하며, 운전비용 및 설비비용이 고가인 문제점을 가지고 있으며 처리 효율이 높은 시스템의 경우는 장치의 운전조건이 고온, 고압의 까다로운 운전조건으로 인해 설비의 구성재료가 특수하게되어 역시 설비 비용이 매우 비싼 단점이 있다.

이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기위해, 저온 및 상압에서 산화 및 환원반응을 효율적으로 유도하기 위한 전기화학적 반응셀을 안출한 것으로, 저렴한 운전 비용과 설비비용, 그리고 매우 콤팩트한 폐수처리 시스템을 제공하는데 목적이 있다.

제1도 단위 전기화학적 폐수처리 셀

제2도 전기화학적 폐수처리 원리

제3도 양극실의 도면

제4도 대용량의 폐수를 처리하기 위한 전해스택 조립도

제5도 고농도의 악성 유기성 폐수의 처리 방법

제6도 1,000ppm 이상의 고농도의 질산성질소농도 폐수의 처리 방법

제7도 고농도의 질산성질소와 암모니아성 질소 폐수의 처리 방법

본 발명은 전극을 이용하여 폐수를 연속적으로 처리하기 위한 폐수처리장치로서, 본 발명의 전기분해장치는 격막을 사이에 두고 양극반응실과 음극반응실로 구성되는 전기화학적 셀을 기본 단위 공정으로 한다.

이하 첨부된 도면에 의거하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 제1도는 본 고안에 따른 단위 전기화학적 폐수처리 셀를 도시한 사시도이다.

그리고 셀(3)은 도시한 바와 같은 구조를 나타내는 데, 이온교환막(90)을 사이에 양측에 양극실과 음극실로 나누어 지며, 이들 양극실, 음극실, 이온교환막이 단위 전기화학적 폐수 셀의 기본이 된다.

양극실은 도1-가를 기준으로 막(90)의 우측에 위치하고, 이 막(90)의 우측으로 티타늄(Ti)으로 된 다수의 전극전도체(122)가 배치되며, 이들 전극전도체(122)의 끝단에는 그물망 형태로 된 양극(20)이 용접된다. 그리고 양극실의 하부에는 양극액 공급관(120)이 연통되고, 상부에는 양극액 및 반응가스가 혼합된 상태로 배출되는 양극액 배출관(128)이 연통된다.

가해준 전기에너지는 양극실 외벽(130)으로부터 전기전도체(122)를 지나 양극(20)으로 공급된다. 전기전도체(122)는 양극실 외벽에 용접된 플레이트로서 플레이트에는 일정크기 원형의 전해질 통로(124)가 있어 전해질의 혼합 기능과 동시에 전류 전도체 역할을 한다.

본 발명의 양극(20)은 상기한 양극실의 반응이 원활히 일어날 수 있도록 이에 적합한 촉매를 사용한다. 양극(20)은 티타늄(Ti) 기재(substrate)위에 백금도금 또는 산소발생 촉매인 이리듐(Ir), 루테늄(Ru) 등의 산화물을 사용한 수치안정성 전극(DSA)을 주로 사용한다.

전기전도체(122) 재질은 티타늄이나 양극(20)과 같이 티타늄(Ti)기재(substrate)위에 백금도금 또는 산소발생 촉매인 이리듐(Ir), 루테늄(Ru) 등의 산화물을 코팅하여 사용한다.

음극실은 도1을 기준으로 막(90)의 좌측에 위치하고, 스틸 또는 니켈로 된 다수의 전극전도체(102)가 설치되며, 그 다수의 전극전도체(102)의 끝단에는 그물망으로 된 음극(10)이 용접된다. 그리고 음극실의 하부에는 음극액 공급관(110)이 연통되고, 음극실의 상부에는 음극액을 배출하기 위한 음극액 배출관(118)이 연통된다.

가한 전기에너지는 양극(10)으로부터, 양이온교환막(90), 음극(10), 전기전도체(102)를 통과하여 음극실 외벽(230)으로 이동한다.

전기전도체(102)는 음극실 외벽에 용접된 플레이트이며, 플레이트에는 일정크기 원형의 전해질 통로(112)가 있어 양극실의 경우와 동일하게 전해질의 혼합 기능을 가지며, 또한 동시에 전류 전도체 역할을 한다.

음극(10)은 스테인레스 스틸, 니켈, 마일드 스틸, 티타늄 기재외에 수소 발생촉매 백금 및 그의 산화물을 주로 사용한다. 전기전도체(102) 재질은 음극의 구성 재료와 동일 한 것이 바람직하다.

본 발명의 단위셀(3)은 제1도-나와 같이 볼트 및 너트(192)를 이용하여 압차 결합된다. 본 발명의 전해셀에서의 폐수처리 원리는 제2도와 같다.

즉, 양극(20)으로 흐르는 전류에 의해 양극실로 공급된 양극액의 이온이 분리되고, 이온은 이온교환막(90)을 통과하여 음극반응실의 내부로 이동한다. 이동된 이온은 음극(10)으로 흐르는 전류에 의해 환원이 된다. 이때 양극실에서는 산화 반응(78)이 일어나고, 반응에의해 발생한 가스는 양극액 배출관(4)을 통해 양극실을 빠져 나가고, 음극실의 환원물과 수소가스는 음극액 배출관(3)을 통해 음극실을 빠져 나간다. 제3도는 양극실의 도면으로서 도면의 기호와 도면1도의 기호는 일치하며 동일한 기능을 갖는다. 양극실의 내부와 양극실의 플랜지면(27)과 이온교환막(90)에 밀착된 양극 가스켓(37)은 양극실을, 음극실의 내부와 음극실의 플랜지면과 이온교환막(90)에 밀착된 음극가스켓(39)은 음극실을 실(seal)하게 된다. 양극가스켓(37) 및 음극가스켓(39) 모두 셀 유닛(3)의 크기와 거의 유사한 정도의 크기로 형성된다.

제4도는 대용량의 폐수를 처리하기 위해서 단위 전기화학적 셀(제1도의 나)을 복수개로 설치한 전기분해 스택(100)의 한 예로서 대량의 폐수처리를 위해 단위셀(3)이 밀착해서 배치되며, 다수의 셀(3)의 양끝에는 다수의 셀을 밀착시키기 위한 플레이트(5)가 배치되는 구조이다. 여기서 플레이트(5)는 가이드 로드 또는 압착 스프링(97)등에 의해 지지된다.

양극액 공급관(21)과 음극액 공급관(33)을 통해 각각의 단위셀 양극실과 음극실의 내부로 공급한다. 공급된 폐수는 양극실과 음극실 사이에 배치된 이온교환막을 사이에 두고 양극실에서는 산화반응이 음극실에서는 환원반응의 전기분해반응이 일어나 폐수를 처리하며 처리된 폐수와 양극실과 음극실에서 발생한 산소와 수소는 양극액통로(500)와 음극액통로(400)으로 모아 다음공정으로 이송된다.

제5도는 고농도의 악성 유기성 폐수의 처리 방법에 관한 것이다. 여기서 처리가능한 폐수로는 일반 산업폐수, 농약, 의약품, 핵발전소 폐기물, 군사목적의 폐수, 폭약, 엔진오일등을 칭한다.

외부에서 일정하게 공급된 악성 유기성 폐수(1)는 폐수 저장조(400)에 모아두었다가 일정량으로 펌프(600)를 거쳐 전해스택의 양극실로 공급한다. 폐수종류에따라 촉매(5)를 이용하여 전기화학적 반응을 촉진할 수도 있다. 주로 사용하는 촉매는 은이온등이 바람직하다.

이때 양극실에 직류전원장치(900)에서 전류를 인가하면 전기화학적 산화반응에의해 폐수가 완전 산화되며 이산화탄소(2)로 전환되며 전해스택 외부의 계외로 배출된다. 미반응된 전해질은 상분리기(200)에서 분리하여 일부는 폐수저장조(400)으로 순환시키며, 일부는 방류(7)를 한다. 예를들어 고농도의 벤젠(중량 10%)이 함유된 폐수를 양극실로 공급하면 양극실에서는 다음식1과같이 완전히 분해된다.

C6H6 + 12H2O6CO2 + 3OH- +3Oe 식 1

이때, 양극실의 양극으로는 백금이 코팅된 티타늄 전극이 바람직하다.

음극실에는 전도도가 우수한 전해질(산 또는 알카리)를 공급하여 전해스택의 전압을 조절하며, 음극에서 환원 반응에의해 생긴 수소(4)등을 상분리기(300)에서 제거한후 공정외부로 배출하며 전해질은 다시 전해질 탱크(500)으로 순환 시킨다.

이때, 적합한 음극실의 음극으로는 티타늄 전극이 바람직하다.

양극실과 음극실의 분리막으로는 미국의 듀폰사 나피온 324등이 사용될 수 있다.

전해스택의 전류밀도 운전조건은 0.5A/cm2이 압력은 상압, 온도는 40C이상이 바람직하다.

제6도는 1,000ppm 이상의 고농도의 질산성질소농도 폐수의 처리 방법에 관한 것이다. 외부에서 일정하게 공급된 질산성 질소를 포함하고 잇는 폐수(15)는 폐수 저장조(500)에 모아두었다가 일정량으로 펌프(700)를 거쳐 전해스택의 음극실로 공급한다. 이때 음극실에 직류전원장치(900)에서 전류를 인가하면 전기화학적 환원반응에의해 질산성 질소가 완전 환원되며 질소(14)로 전환되며 전해스택(100) 외부의 계외로 배출된다. 미반응된 전해질은 상분리기(300)에서 분리하여 일부는 폐수저장조(500)으로 순환시키며, 방류조건을 만족하는 일부는 방류(13)를 한다. 음극실에서 질산성 질소는 다음 식2와 식3과 같이 완전히 분해된다.

NO3- + H2O + 2eNO2- + 3OH- 식 2

NO2- + 2H2O + 3e1/2N2 + 4OH- 식 3

이때, 음극실의 음극으로는 백금이 코팅된 티타늄 전극이 바람직하다.

양극실에는 전도도가 우수한 전해질(산 또는 알카리)를 공급하여 전해스택의 전압을 조절하며, 양극에서 산화 반응에의해 생긴 산소(12)등을 상분리기(200)에서 제거한후 공정외부로 배출하며 전해질은 다시 전해질 탱크(400)으로 순환 시킨다. 이때, 전해질의 농도가 떨어지면, 외부에서 전해질(11)을 공급한다. 이때, 양극실의 음극으로는 백금-이리듐이 코팅된 티타늄 전극이 바람직하다.

전해스택의 전류밀도 운전조건은 0.4A/cm2이 압력은 상압, 온도는 40C이상이 바람직하다.

제7도는 고농도의 질산성질소와 암모니아성 질소 폐수의 처리 방법에 관한 것이다.

외부에서 일정하게 공급된 질산성 질소와 암모니아성 질소를 포함하고 있는 폐수(21)를 폐수 저장조(500)에 모아두었다가 일정량으로 펌프(700)를 거쳐 전해스택의 음극 실로 공급한다. 이때 음극실에 직류전원장치(900)에서 전류를 인가하면 전기화학적 환원반응에의해 질산성 질소가 완전 환원되며 질소(14)로 전환되며 전해스택(100) 외부의 계외로 배출된다. 미반응된 전해질은 상분리기(300)에서 분리하여 일부는 폐수저장조(500)와 양극액 저장조(400)로 순환시킨다. 음극실에서 질산성 질소는 다음 식4와 같이 완전히 분해된다.

NO3- + 2H2O +5e1/2N2 + 7OH- 식 4

일부 질산성 질소는 다음식5와 같이 암모니아성 질소로 전환된다.

NO3^-+6H₂O+8e^-→NH₃+9OH^-식 5

양극실에는 암모니아의 산화를 촉진시키기위한 소금(22)을 양극액탱크의 소금농도가 0.1wt% 유지되도록 소금을 첨가하여 양극액 펌프(600)으로 전해스택의 양극으로 공급한다. 양극실의 양극에서 식6, 식7과 같이 염소이온의 산화 반응과 물에 용해반응에의해 염소산이온이 생성되며 반응식8과 같이 염소산이온과 암모니아이온의 반응에의해 암모니아가 제거 된다.

2Cl^-→Cl₂+2e^-식 6

Cl₂+H₂O →HClO+HCl 식 7

2NH₃+3HClO →N₂↑+3HCl+3H₂O 식 8

이때 생긴 질소(23)등을 상분리기(200)에서 제거한후 공정외부로 배출하며 양극액은 다시 전해질 탱크(400)으로 순환 시킨다. 이때, 양극 및 음극으로는 백금-이리듐이 코팅된 티타늄 전극이 바람직하다. 양극실과 음극실의 분리막으로는 미국의 듀폰사나피온 324등이 사용될 수 있다. 전해스택의 전륜밀도 운전조건은 0.1A/cm2이 압력은 상압, 온도는 40C이상이 바람직하다.

종래의 기술로 처리가 원할하지 못했던 고농도 유기폐수, 질소함유 폐수를 효과적으로 처리가 가능하여, 저비용의 설비비 및 운전비용으로 인해 환경산업에 기여.

Claims

양극을 포함하는 양극실과 음극을 포함하는 음극실, 이들을 분리하는 양이온교환막으로 구성되는 전기화학적 단위셀을 연속 설치하여 대량의 폐수를 처리하며, 양극실에서는 고농도 유기화합물의 산화반응을 유도하여 완전 분해하며, 음극실에서는 환원이 필요한 폐수를 환원하여 무해한 가스로 전환하는 전기화학 시스템