전기응집과 전기분해 조합시스템에 의한

폐수내 오염물 제거

정수경, 김용하*, 서근학

부경대학교 화학공학과

yhkim@mail.pknu.ac.kr*

Pollutant Removal from Wastewater

Using a Combined System of Electrocoagulation and Electrolysis

Su-Kyong Jung, Yong-Ha Kim*, and Keun-Hak Suh

Department of Chemical Engineering, Pukyong National University

yhkim@mail.pknu.ac.kr*

서론

현재 우리나라에서 발생하는 하·폐수발생량의 배출원별 비중을 보면 생활하수가 68%, 산업폐수 32%로 생활하수가 차지하는 비중은 크나 산업폐수가 부유 고형물과 탁도 등이 훨씬 높다. 특히 산업폐수 중 17 %를 차지하고 있는 염색폐수는 오염물질의 대부분이 난분해성이며 COD가 높을 뿐 아니라 색을 띠고 있으므로 처리공정이 복잡하고 처리의 어려움이 많은 것으로 알려져 있다[1].

20세기 초에 개발된 이후, 전기화학적 방법은 도시 생활폐수와 다양한 산업폐수에 처리 가능성이 연구되었다. 이 방법은 외부에서 전기에너지를 주어 폐수 중에 함유되어 있는 BOD, COD 성분을 효과적으로 제거하는 것으로, 크게 전기응집(Electrocoagulation)과  전기분해(Electrolysis)로 구분되며, 전극에서 용출된 금속 이온과 오염물이 응집된 플럭들을 용액 윗부분으로 상승시켜 처리하는 전기부상(Electroflotation) 등도 있다. 전기응집은 오염물을 전극에서 용출된 이온과 응집하는 방법으로 양극은 주로 철(Fe)이나 알루미늄(Al)의 가용성 전극을 사용하므로 전극판의 잦은 교체와 슬러지가 발생 등의 문제점이 있다. 전기분해는 전극표면에서 전자의 이용에 의해 오염물질을 파괴시키는 것으로 불용성 전극인 티타늄(Ti), 니켈(Ni), 백금(Pt) 전극을 주로 사용하며, 전극판의 가격이 고가이다.  전기응집과 전기분해는 운전조작이 쉬우며 오염물질의 분해와 각종 중금속 및 색도 제거에 효과적이며, 특히 전기분해는 전극표면에서 전자의 이동에 의해 오염물을 직접 파괴하므로 난분해성 유기물질의 제거시 효과적이다. 본 실험과 같이 전기응집은 철극을, 전기분해는 티타늄을 양극으로 이용한 경우에는 Table. 1과 같은 반응이 일어난다.

Table. 1 전기응집과 전기분해 반응 비교

	전기응집	전기분해
anode	Fe(s) □ Fe2+ + 2e- Fe2+ + 2H2O □ Fe(OH)2 + 2H+ Fe(OH)2 □ Fe(OH)3 OH- □ 2H+ + O2 + 2e-	Ti + 2H2O → TiO2 + 4H+ + 4e TiO2+ + 2OH- → TiO(OH)2 OH- □ 2H+ + O2 + 2e-
cathode	2H2O + 2e- □ H2 + 2OH- 2H+ + 2e- □ H2	2H2O + 2e- □ H2 + 2OH- 2H+ + 2e- □ H2
overall	Fe + 2H2O □ Fe(OH)2 + H2	Ti + 2H2O → TiO(OH)2 + H2

즉, 전기응집과 전기분해시 양극에서 발생한 Fe, Ti 이온은 물의 가수분해에 의해 생성된 OH-와 결합하여 음극에서는 수소 가스가 발생하여 여러 가지 유기물이 환원되어 제거된다. 전기 응집된 플럭의 기존 처리 방법으로는 부상, 침전 등이 있다. 하지만 부상을 통한 플럭의 제거에는 일부 큰 플럭이 가스에 부착되지 못하고 침전되며, 침전을 통한 제거에는 처리시간이 길어지는 단점이 있다. Shin 등[2]은 전기응집된 플럭이 하나의 용액내 분산된 분체로 이들이 자성을 띠어 자석에 당겨진다는 물성을 이용하여, 자성 분리를 적용시켰다. 자성분리는 폐수내 부유 고형물의 제거 방법의 하나로 부유 고형물과 자성 미분체간의 van der Waals 힘에 의해 자성플럭을 형성시키고 이를 자석쪽으로 이동시켜 포집 분리하는 방식으로 폐수내 부유 고형물을 효율적이고 간단하게 제거하는 방식이다.

본 연구에서는 전기응집 및 전기분해와 자성분리의 조합공정을 이용하여 염색, 제지와 같은 산업폐수와 쓰레기 침출수 등을 대상으로 부유물질과 탁도 및 색도, COD 등의 제거성능을 평가하였다.

실험

본 실험에서 사용한 전기응집 장치는 튜브형으로써 양극(+)관과 음극(-)관 사이를 통과하는 폐수에 직류 전류를 일정하게 흘러주는 구조를 갖는다.

내관인 양극의 재질은 용해성인 Fe(iron)이며, 외관인 음극의 재질은 스테인레스 강(stainless steel)이다. 외관의 외경은 2.7 cm, 내경은 2.1 cm이고 내관의 외경은 1.7 cm, 내경은 1.2 cm이며 전극의 간격은 0.4 cm, 반응전극의 길이는 33 cm이다. 전기응집기에 공급되는 전원의 최대 용량은 150 A, 26 V인 정류기를 사용하여 직류전류를 일정하게 흘러 주었으며, 정량 펌프의 최대유량은 0.48L/min 이다. 전기분해 장치는 반응조를 아크릴을 이용하여 높이는 45 cm로 하여 내부면적을 54 cm2(10 cm×5.4 cm)으로 제작하여 전체 용적 3L 중 유효부피를 2.5 L로 하였다. 전원의 최대 용량은 30 A, 30 V의 직류전류를 사용하였다. 양극은 티타늄(Ti)에 이산화티타늄(TiO2)을 전착한 불용성 극판으로 하였으며, 음극판은 스테인리스 스틸판을 사용하였다. 0.1 cm 두께의 양극과 음극판의 면적은 300 cm2(10 cm×30 cm)로 제작하였다. 자성분리장치는 자성분리기, 전기응집수의 혼합기, 슬러리 공급펌프로 구성되어 있다. 자성분리기 내 흐름공간은 직육면체로 단면은 가로 2 cm, 세로 1.5 cm의 직사각형 구조이며 수직 길이는 28 cm이다. 상기 흐름공간에 있어서 표면의 자력은 약 2000 Gauss이며 흐름공간 내 충진된 filter matrix의 재질은 stainless steel의 wool로, 직경은 1 mm이며 충진율은 70 %로 하여 자력과 동시에 필터 여과의 기능을 부여하였다.

본 실험에서는 세탁수와 염색폐수를 사용하였고, 두 개의 전기응집 튜브를 사용하는 Two pass System을 실시하였다. 5 A∼15 A의 전류범위(전류밀도: 142∼426 A/m2)에서 0.43 ∼1.68 cm/s 의 유속으로 전기응집을 시켰고, 자성분리기 내 전기응집수의 공탑 액체유속은 0.95 cm/s로 일정하게 유지시켰다.

각 조건에서 시료 채취는 각 단계에 따라 2 회로 하였다. 폐수와 처리수내 부유고형물의 농도는 ASTM D2540에 의해, 탁도는 HACH 2100N Turbidimeter, 입도는 Laser Diffraction Particle Size Analyzer (SHIMADZU SALD-2001), 색도는 HACH DR/4000U Spectrophotometer, COD 분석은 Cr법을 이용하여 분석하였다.

결과 및 고찰

Fig. 2는 전류의 세기에 따른 COD 제거율 변화를 나타낸 것으로 전류의 세기가 높아짐에 따라 COD의 제거율은 상승하였다. 5 A에서 65 %의 제거율을, 15 A에서 75 % 정도의 제거율을 나타내어, 전류 세기의 증가에 따라 COD 제거율이 대략 10 % 가량 높아짐을 알 수 있었다. 또한 전기응집 장치에 유입되는 선속도가 낮을수록 COD 제거에 효과적이었다. 하지만, 전기응집 장치의 유입 선속도가 증가할수록 10 A 이상에서의 COD 제거율은 약간 높거나 변함 없는 것으로 보아 전기응집 장치의 유입 선속도가 빨라짐에 따라 전류 세기의 영향력은 감소하는 것으로 보인다. 전기응집 장치의 유입 선속도가 1.2 cm/s로 낮은 경우, 5 A에서 70 % 정도의 제거율은 10 A에서 78 %, 15 A에서 83 % 수준까지 높아졌다. 하지만 유입 선속도가 1.75 cm/s일 때는 5A에서 64 %, 10 A일 때 68 %로 소량 상승한 후 15 A일 때도 거의 동일한 제거율을 나타내어 1.75 cm/s 이상의 빠른 속도로 유입될 경우 10 A 이상에서는 COD 제거율이 효과적이지 못하다. 연구 결과 나타난 COD의 최대 제거율은 83 %로 염색폐수 원수의 COD 농도가 608 ppm일 때, 약 100 ppm의 농도로 배출된다고 할 수 있다. 이 농도는 환경부 고시 공단폐수종말 처리장 배출 기준인 40 ppm에 훨씬 못 미치는 수준이다[3]. 부유고형물이나 탁도, 색도 등과 달리 COD 제거율이 90 %에도 못 미치는 낮은 값을 나타내는 이유는 전기응집만으로는 폐수내 COD의 오염원인 환원성 표백제, 세정제, 염료 등 용해성 물질의 제거하기가 어렵기 때문이다.

Fig. 3은 전류에 따른 색도 제거율을 나타낸 것으로 전류의 세기가 강해질수록 색도 제거율은 약간 상승 또는 거의 일정하게 유지하는 경향을 보였다. 전기응집 장치에 유입되는 선속도에 의한 영향은 유입 선속도가 1.20 cm/s로 낮을 때 색도 제거율이 약 96 %로 가장 높게 나타났으며 속도가 빨라짐에 따라 약 92 ∼ 93 % 정도까지 떨어졌다. 즉, 유입 선속도가 빨라질수록 전류 세기에 따른 제거율의 차이가 나타났으며, 유입 선속도가 낮을 때는 전류 세기와 상관없이 거의 일정한 색도 제거율을 유지하였다. 유입 선속도가 낮을수록 전류 세기의 영향을 덜 받는 이유는 반응기 내 체류시간이 길어져 폐수에 포함된 염료가 음극에서 작은 유기물로 환원되고 Fe(OH)3에 흡착·제거되는데 걸리는 시간이 충분하기 때문에, 전류의 세기가 낮아도 높을 때와 비슷한 제거율이 나타나는 것이다. 반면, 유입 선속도가 빨라지게 되면 그만큼 체류시간이 짧게 되어 염색분자는 단시간 내에 환원반응을 일으켜 작은 유기물로 환원된 후 Fe(OH)3에 흡착되어야 한다. 이때 전류가 충분히 공급된다면 전해 반응이 활발하게 일어나게 되고, 그에 따라 음극에서 염색분자는 빠른 반응속도로 환원되고, 양극에서는 Fe 이온의 용출량이 증가하여 Fe(OH)3의 생성량이 증가하여 단시간에 염료 성분들이 제거되는 것이다.

Fig. 4는 COD 제거율의 데이터를 수집하여 정리한 것으로 전기응집/전기부상과 전기분해/전기산화를 비교한 것이다. 전기응집/전기부상은 COD 제거율이 약 25∼90 %로 폐수의 종류 및 pH, 전도도 등에 따라 차이가 크나, 전기분해/전기산화는 COD 제거율이 약 60∼97 % 정도로 전기응집/전기부상에 비해 제거율이 상대적으로 높았다. 이는 전기응집이 전극에서 이온이 용출되어 폐수내 오염물이 응집되어 처리되는데 비해, 전기분해는 간접산화 뿐만 아니라 오염물을 직접 파괴함으로써 미세한 부유물질 및 COD 원인물질까지 제거하기 때문이다.

폐수내 오염물을 처리하기 위해 오존, 광촉매 산화, nanomembrane, nanofiltration 등의  여러 방법이 연구되어지고 있으나, 위의 방법들은 인체에 끼치는 유해성, 사용후 회수의 문제점, 세척 및 조작의 어려움, 처리용량에 있어서 한계 등으로 인해 실제 적용시 문제점이 많은 것으로 알려져 있다.

본 연구에서는 새롭게 시도되고 있는 폐수처리법으로써 전기분해법을 전기응집과 자성분리 공정과 조합하여 오염물질의 제거율을 높이고자 하였다. 위의 전기응집과 전기분해의 조합공정은 비 환경 친화적이며 비효율적인 기존의 문제점을 극복할 수 있는 친환경적이며 경제적인 방법으로 폐수처리 시스템에 적합한 공정으로 발전될 것으로 기대되어진다.

참고문헌

[1] 전범용, 김종찬, 김세진, 윤용수, 정일현, 화학공학의 이론과 응용, (1997)

[2] S. H. Shin, Y. H. Kim, K. H. Suh and H. G. Kim, Proceeding in the 8th Asian Conference on Fluidized-Bed and Three-Phase Reactors, 353-359 (2002, Tailand)

[3] 신수희, 김용하, 서근학, 정종식, 화학공학의 이론과 응용, 7(2), 4315-4318, (2001)