전기분해를 이용한 고부하 폐수처리

임지훈, 최광근, 이기용, 이영락, 이상훈*, 김상용**, 이진원

광운대학교 화학공학과

Treatment of High Concentration Wastewater by Electrolysis

Ji-Hun Lim, Kwang-Keun Choi, Sang-Hoon Lee, Gi-Yong Lee

Young-Rak Lee, Sang-Yong Kim, Jin-Won Lee

Dept. of Chemical Engineering, KwangWoon Universty

DaeSung SanSo Co., Ltd.*

Korea Institute of Industrial Technology**

서론

금세기에 들어와서 합성된 유기화합물의 수는 50만종이 넘고, 매년 1만종의 새로운 화합물이 추가되어 오염물질이 다양해지고 환경과 생태계를 심하게 위협하고 있는 실정이다.  또한 일부 폐수는 난분해성 화합물이 포함되어 있고 독성도 지니고 있어 일반적인 하수처리시설로는 처리하기가 곤란하고, 주변 환경으로 방출할 때에는 생태계에 미치는 해독이 매우 크며 경제적 손실 또한 막대하다.  산업의 발달로 폐수에서 많이 발견되는 오염물은 지역의 특성에 따라 성분과 조성에 큰 차이가 있으나 VOC(Volatile Organic Compounds), VTOC(Volatile Toxic Organic Compounds), 중금속 등 다양하며 매년 20% 이상씩 증가하고 있다.

특히 악성 폐수(고부하 유기물농도, PCB, 중금속등을 포함하는 폐수)는 생물학적인 처리방법으로는 어려우며[1], 현재는 물리□화학적인 처리방법을 이용하고 있지만 여러 가지 문제를 안고 있다[2,3].

이러한 가운데 공업선진국에서는 전해처리를 이용하여 폐수중의 오염물질을 산화·환원분해, 가스발생등의 복합작용에 의하여 효율적으로 제거되는 전기분해식 폐수처리공법이 개발되어 사용되고 있으며, 생활하수처리[4,5], 무두질 공장으로부터의 폐수[6,7], 금속 도금공장 폐수[8], 염료 관련 공장(염료제조, 제지공업, 직물공업) 폐수[9,14], CN-를함유한 폐수[10], 폐놀이 포함된 폐수[11], EDTA를 함유한 폐수[12], 그리고 매립지 침출수를처리[13]하는데 에도 성공적으로 수행되어졌다.

티타늄 금속표면에 도전성 고분자 화합물을 도포하거나 또는 백금족 원소인 Ru, Pd등으로 표면 활성화시킨 전극을 사용해서 고농도 폐수를 합성하여 전극들의 최적 조건을 구한 후 실제 폐수에 적용하여 처리율을 보았다.

이론

전기분해 mechanism은 복잡하며, 완전히 알려지지 않았다. 기본원리는 폐수에 NaCl을 첨가하여 전기분해 함으로써 생성된 강력한 산화제인 차아염소산을 이용하여 폐수중의 유기물질을 분해시킨다.

Anode와 cathode에서의  mechanism은 표.1[15]에 나타내었다. 산화반응과 평형반응은

표.1 Anode와 cathode에서의 전기화학적인 반응
Anode	Primary Electrochemical reactions H2O + M[] + Cl -> M[ClOH] + H+ + 2e H2O + M[] + Cl -> M[OH-] + H+ + 2e Secondary electrochemical reaction 6OCl + 3H2O - 6e- -> 3/2O2 + 6H+ + 4Cl + 2ClO3
Cathode	Primary electrochemical reactions 2H3O+ + 2e- -> H2 + 2H2O 2H2O + 2e- -> H2 + 2OH- Secondary electrochemical reaction OCl + H2O - 2e- -> Cl- + 2OH-

표.2[15]에 나타내었다.

표.2 Oxidation 반응과 Equilibrium 반응
Oxidation reactions	In a closed anode area R + M[OH-] -> M[] + RO + H+ + e- R + M[ClOH] -> M[] + RO + H+ + Cl- + e- H2O + M[OH-] -> M[] + O2 + 3H+ + 3e- H2O + M[ClOH] + Cl- -> Cl2 + M[] + O2 + 3H+ + 4e- Away from electrodes R + O2 + 2H+ -> RO + H2O -2e- R + Cl2 -> RCl +Cl- -e- R + OH- -> RO + H+ + 2e- RCl + OH- -> RO + Cl- + H+ + e-
Equilibrium reaction	Cl2 + 2OH -> H2O + OCl- + Cl-

여기서 M[]은 전극표면의 active sites 이고, R은 유기물질이다.

실험

각각의 전극에 대한 성능을 평가하기 위해서, 폐수를 합성하여 사용하였다.

Fig.1.Experimental apparatus for electrolysis

전기분해 실험장치는 Fig.1에 나타내었다. 유기물처리를 보기 위해서 glucose를 탄소원으로 이용하였다. 실험은 회분식으로 하였고, 폐수 부피는 100mL, 전극은 anode가 백금족으로 도포된 Ti를 사용하였으며, cathode는 stainless를 이용하였다. 전기분해를 하는 동안 교반을 해주었고, 전극판의 크기는 40×50mm 이며, Powersupply는 max. 30V-10A를 사용하였다. 그리고 여러조작 변수들(전류밀도, 전극간격, Cl-농도)을 다르게 하여 최적조건을 구한 후, 실제 폐수에 적용하였다. 분석방법으로 CODCr과 TKN은 DR2000(HaCH, USA)과 Digesdahl Digestion Apparatus(HaCH, USA)를 이용하였다.

결과 및 토론

1.전극별 최적조건

□ 전극간격: COD 3000mg/L, 전류밀도 100mA/cm2, Cl- 5000mg/L 조건에서, 전극간격을 10, 15, 20mm로 달리하여 COD 제거율을 보았다(Fig.2). 전극간격이 20mm일 때 COD 처리율이 가장 좋았고, 그 이상 간격을 넓이면 전압이 높아져, 전극의 부식을 가속화하였다.

□ 전류밀도: COD 3000mg/L, 전극간격 10mm, Cl- 5000mg/L, TKN(NH4NO3) 778mg/L 조건에서, 전류밀도를 50, 100, 150, 200mA/cm2로 달리하였다(Fig.3). 200mA/cm2일 때 COD 제거율이 가장 좋았지만, 이때는 전극에 부식이 일어나 전기분해와 전기 응집이 동시에 일어났기 때문이다. 또한 50mA/cm2과 100mA/cm2에서 COD가 3000mg/L이상이 나왔는데, 이것은 질소원의 NH4NO3가 전기분해를 하는동안 분해가되서, COD 측정을 방해 했기 때문이다.

□ Cl-농도: COD 3000mg/L, 전류밀도 100mA/cm2,전극간격 10mm 조건에서, Cl-농도를 5000, 10000mg/L로 해주었을 때의 COD 제거율은 Fig.4에 나와있다.

원래는 Cl-농도가 높을수록 처리효율이 높아지는데[13], Fig.4에서는 그 반대의 결과가 나왔다. 이는 cathode에 Na+이 달라붙어서, OH-의 생성과 수소기체의 원활한 제거를 방해했기 때문이다.

□ 최적조건: Optimal1은 전류밀도 150mA/cm2, Cl- 10000mg/L, 전극간격 15mm일때이고, Optimal2는 전류밀도 150mA/cm2, Cl- 10000mg/L, 전극간격 20mm인데, Fig.5에서 보면 Optimal2의 처리율이 더 좋게나왔다. Cl-의 농도를 10000mg/L(11.8V의 낮은 전압)로 한 이유는 5000mg/L로 하면 전기분해를 하는 동안 전압이 너무 높아서 전극이 부식된다(Optimal2의 경우 21.8V).

끝으로 전기분해를 이용한 폐수처리는 수많은 장점을 가지고 있지만, 전극의 가격이 매우 고가이므로 현재 생물학적으로 처리가 불가능한 악성폐수를 대상으로 처리한다면, 운영비 면에서 물리□화학적인 처리방법보다 더욱더 저렴할 것이다.

참고문헌

1. M□ndez R., Lema J. M., Bl□zquez R., Pan M. and Forjan C.: Wat. Sci.         Technol., 21, 145(1989).

2. Bjorkman V. B. and Mavinic D. S.: Proc. 32nd Industrial Waste               Conference, 189(1977).

3. Keenan J. D., Steiner R. L. and Fungaroli A. A.: J. Environ. Engng, 109,       1371(1983).

4. Poon C. P. C. and Brueckner T. C.: J. Wat. Pollut. Control Fed., 47,           66(1975).

5. Della Monica M., Agostinzo A. and Ceglie A.: J. Appl. Electrochem., 10,       527(1980).

6. Szpyrkowicz L., Naumczyk J. and Zilio-Grandi F.: Toxicol. Environ.           Chem., 44, 183(1994)

7. Szpyrkowicz L., Naumczyk J. and Zilio-Grandi F.: Wat. Research, 29,          517(1995).

8. Kaczmare K. J. and Dylewski R.: Chemik, 1, 3(1975)

9. Krasnoborodko Z. G.: “Destruktivnaja oczistka stocznych vod ot krasiz□□      j”, Chimija, 8 Leningrad(1988).

10. Wen T. C.: Plaz. Surf. Fin., 77, 54(1990).

11. Sharifian H. H. and Kirk D.: J. Electrochem. Soc., 15, 921(1985).

12. Kusakabe K., Nishida H., Marooka S. and Kato Y.: J. appl. Electrochem.,      16, 121(1986).

13. Chang L. C. and Wen T. C.: Wat. Research, 29, 671(1995).

14. Lin S. H. and Peng C. F.: Wat. Research, 28, 277(1994).

15. Israilides C. J., Vlyssides A. G., Mourafeti V. N. and Karvouni G.:            Bioresource Technol., 61, 163(1997).