염색 폐수내 오염물 제거에 전기응집과 자성 유체분리의 조합공정 적용

신 수 희, 김 용 하, 서 근 학

부경대학교 화학공학과

Combined Process of Electrocoagulation and Magnetic Fluid Separation

: Application to the Removal of Contaminants from Dye Wastewater

Su-Hee Shin, Yong-Ha Kim and Kuen-Hak Suh

Department of Chemical Engineering, Pukyong National University

서론

현재 산업화와 인구의 증가로 배출되는 하·폐수의 특성이 다양해져서 효율적인 처리에 많은 어려움이 있으며, 미 처리된 오염물질이 여러 수원에 유입됨에 따라 효율적 수질관리에 많은 문제를 일으키고 있다. 일반적으로 폐수 중에는 부유고형물(Suspended Solids)이 수십 ppm에서 수천 ppm까지 포함되어 있다. 축산, 염색, 도금, 제지, 양식업 등의 폐수에 포함된 부유고형물의 제거방법으로는 일반적으로 응집침강, 여과, 부상 그리고 전기응집 등이 이용된다. 보통 밀도가 작거나 입자의 크기가 30 - 50 □ 이하의 경우에는 침전이 잘 일어나지 않기 때문에 Alum, Ferric Chloride 등과 같은 응집제를 투입하여 플럭을 형성시켜 제거하는 응집 침강법이 사용된다. 하지만, 이러한 기존 방식을 이용한 처리수는 점점 엄격해지는 환경 규제치에 못 미치는 실정이다. 뿐만 아니라 응집제의 투입은 또 하나의 오염물질을 배출하기 때문에 본 연구에서는 응집제를 투입하는 것 대신 전기응집을 통해 플럭을 형성시키고자 한다. 전기응집은 용해되는 양극(+)의 전기분해에 의해 금속성 수산화물인 플럭을 형성하는 것을 기본으로 하고 있다[1].  전기응집된 플럭의 기존의 처리 방법으로는 생물학적 처리, 부상, 여과 등이 있지만, 이러한 방법으로 처리를 할 경우 처리시간이 길고 여러 장치의 조합이 요구되므로 비용이 많이 들게 된다. 한편, 폐수내 부유고형물의 제거 방법의 하나로 부유고형물과 자성 미분체간의 van der Waals 힘에 의해 자성플럭을 형성시키고 이를 Fig. 1에서 보는 바와 같이 흐름관의 외벽에 설치한 자석쪽으로 이동시켜 포집 분리하는 방식으로 폐수내 부유고형물을 효율적으로 그리고 간단하게 제거하는 방식의 자성 유체분리법이 본 연구자들에 의해 개발된 바 있다[2].

본 연구에서는 폐수처리의 새로운 방법으로 전기응집과 자성 유체분리법을 조합한 시스템을 제안하고, 염색폐수를 대상으로 본 시스템의 적용 가능성과 플럭의 제거에 대한 조업변수의 영향을 규명하고자 한다.

실험

본 실험에서 사용한 전기응집 장치는 양극(+)판과 음극(-)판 사이를 통과하는 폐수에 직류 전류를 일정하게 흘러주는 구조를 갖는 튜브형으로 전극간의 간격은 6 mm, 반응전극의 길이는 254 mm, 그리고 전극의 재질로는 철을 사용하였다. 자성 유체 분리장치는 유체 분리탑, 폐수와 자성 미분체의 혼합기, 슬러리(폐수+자성미분체) 공급 pump, On/Off식 자석 셋트로 구성되어 있다[2]. 유체 분리탑은 직경 5 cm, 높이 100 cm인 아크릴 관으로 제작하였으며, 자석 셋트는 표면 자력이 1500 Gauss인 전자석으로 유체 분리탑의 외벽 원주에 2단을 설치하였다. 한단의 길이는 15 cm 이며 각 단 사이의 거리는 20.5 cm 이다. 실험방법은 우선, 염색폐수를 전기응집 장치로 흘려보내 전기응집을 시킨다. 이 때 전류는 25 A , 전압은 7.1 V, pH는 11, 그리고 유량은 0.75 □/min로 조절하였다. 전기응집 장치는 두 개의 튜브로 구성되어 있는데 첫 번째 튜브에서 초기 전기응집이 이루어지고, 첫 번째 튜브를 통과하여 나온 폐수는 두 번째 튜브로 다시 들어가서 재 응집이 되어 나오게 된다. 전기응집된 폐수는 그대로 자성 유체분리 탑을 통과시켜 1차 처리를 하게된다. 이 때 전기응집으로 형성된 플럭이 자석에 의해 포집되어 염색 폐수 내 부유고형물의 상당 부분이 제거되는데, 이것은 양극(+)에서 용해된 Fe이온이 폐수중의 오염물질들과 응집하여 플럭을 형성하는 과정에서 철산화물로 바뀌게 되어 자성 유체분리 탑을 통과할 때 자력에 의해 포집 제거되기 때문이다.

1차 처리수의 탁도를 측정하여 1차 처리수내 잔존하는 부유물의 농도를 예측하고 이를 기준하여 자성 미분체/부유고형물의 질량비가 일정값을 갖도록 자성 미분체를 1차 처리수에 투입한다. 약 5분 정도의 교반으로 자성 플럭을 형성한 후 펌프에 의해 자성 유체분리탑으로 다시 유입시켜 2차 처리를 하게 된다. 본 실험에서 채택한 염색 폐수내의 부유고형물의 농도는 염색공장에서 배출되는 원 폐수를 기준시 부유고형물의 농도는 25 - 55 ppm의 범위이고, 전기응집 후는 1500 - 1700 ppm의 범위이다. 자성 유체분리 탑에서 폐수의 공탑 액체유속은 약 0.94, 1.42, 1.94 cm/s로 이와 같은 유속 조건에서 폐수의 탑내 체류시간은 0.9 - 1.8 분에 해당된다. 자성 미분체로써는 평균입도가 약 2 □인 1급 시약용 四三酸化鐵과 철가공에서 발생되는 분진(G/D & Shot dust) 등을 사용하였고, 부유고형물에 대한 자성 미분체의 질량비 (: magnetic powders/SS)는 0.67 - 2.73의 범위에서 조절하였다. 각 조건에서 시료 채취는 2회로 하였으며 폐수 내 부유고형물의 농도는 Standard Method, 탁도는 HACH 2100N turbidimeter, 입도는 Laser Diffraction Particle Size Analyzer(SHIMADZU SALD-2001), 플럭의 자화력은 Vibrating Sample Magnetometer(VSM)에 의해 분석하였다.

결과 및 고찰

전기응집에서 음극(-)의 주 반응은 수소이온의 수소가스로의 환원 반응이며 (2H+ + 2e → H2), 양극(+)의 주 반응은 금속이온의 방출 반응이다(Fe → Fe2+ + 2e).

전기응집에 의하여 생성된 플럭은 수산화철(Ⅱ)로 인해 연한 초록색을 띄고 있다가 산화되면서 갈색인 수산화철(Ⅲ) 성분으로 변하였는데, 이와 같은 전기응집을 통해 폐수 내 콜로이드 상태의 입자까지 응집되어 플럭 형성이 가능하였다.

음극에서 발행하는 수소가스로 인해 처음에는 플럭이 부유되어 있지만, 시간이 지나면서 플럭에 부착되어 있던 수소 기포가 탈착하여 부상되고 나면 플럭은 침전하기 때문에 플럭의 효율적 제거가 필요하다.

전기응집으로 생긴 플럭 제거에 자성 유체분리의 적용 시 플럭과 자성 미분체는 상호간에 작용하는 van der Waals force, electrostatic force, hydrodynamic force, magnetic dipole attraction force 등에 의해 플럭 표면에 다수의 자성 미분체가 부착하게 된다. 이때 자성 미분체의 투입량이 많을수록 부유고형물과 자성 미분체 사이의 거리가 감소되면서 van der Waals 힘이 강해지게 되고, 생성되는 자성플럭의 자화력이 좋아져 부유고형물의 제거가 용이하게 된다. 그러나 자성 미분체의 투입량의 증가는 자성 미분체의 투입 비용과 자성 플럭 슬러지의 발생을 증가시키는 문제를 일으킨다. 이러한 관점에서 염색 폐수의 전기응집에 의해 형성된 Fe(OH)2 형태의 플럭이 산화되어 Fe3O4 와 같은 자화성을 지닌 물질로 변하는 것은 자성 미분체 투입없이 1차 자성 유체분리를 통해 상당 부분의 부유고형물을 미리 제거할 수 있다는 점에서 중요한 의미를 지닌다. 이는 제철폐수의 처리 시 적용했던 자성 유체분리 기술의 운전 mode와 유사하다[3].

Figs. 2와 3은 각각 공탑 액체유속에 따른 부유고형물(SS)의 농도와 탁도(Turbidity)의 변화를 나타낸 것이다. 전기응집 전 원수의 SS는 25 - 55 ppm, pH는 12.45 , 탁도는 14.0 NTU 였다. 2차 처리시 자성미분체/부유고형물의 질량비는 0.67 - 2.73, 그리고 자성 미분체로는 Shot 분진을 사용하였다. Fig. 2에서 보는 바와 같이 전기 응집수의 SS의 농도가 약 1600 ppm 정도에서 1차 처리 후에는 약 20 - 40 ppm으로, 2차 처리 후에는 약 0 - 20 ppm 정도로 감소하였다. 1차 처리 후와 2차 처리 후 모두 공탑 속도가 0.93 cm/s 인 경우가 가장 제거율이 좋고, 1.42 cm/s 와 1.94 cm/s 인 경우에는 비슷한 결과가 나왔다. 전기 응집수의 탁도 또한 Fig. 3에서 보는 바와 같이 약 1200 NTU에서 1차 처리 후에는 약 30 - 40 NTU,  2차 처리 후에는 10 NTU 이하로 급격히 감소하였다. 1차 처리 후의 결과를 비교하면 공탑 속도가 0.93 cm/s로 낮을 때 탁도가 가장 낮고 유속이 빨라질수록 탁도가 높아짐을 알 수 있다. 하지만, 자성미분체를 투입하여 처리한 2차 처리에서는 공탑 액체 유속에 상관없이 높은 탁도 제거율을 나타내었다. 전기응집된 플럭의 제거에서는 1차 처리 시에 SS와 탁도 모두 96 %이상의 높은 제거율을 나타냈고, 자성 미분체를 투입하여 처리한 2차 처리 시에는 거의 99 %에 가까운 제거율을 나타내었다.

전기응집과 자성 유체분리법의 조합은 Fe 극을 사용하여 전기응집 하였을 때 형성된 플럭이 산화하여 자화성을 지닌 물질로 변함으로써 자성 유체분리법에서 반드시 필요한 자성미분체의 투입없이 처리하는 1차 처리시의 효율이 높을 뿐 아니라 2차 처리시의 자성미분체의 투입을 수 % 내로 감소시키는 synergistic 효과를 얻을 수 있는 것으로 생각된다.

참고문헌

1. M.-F. Pouet, F. Persin and M. Rumeau, Water Science Technology,           25, 247-253 (1992)

2. 여평모, 김용하, 서근학, 서인국, □자성 유체분리에 의한 폐수내 부유고형물의     제거□, 화학공학의 이론과 응용, 3, 2933-2936 (1997)

3. 김용하, 서근학, 여평모, 남우석, 김두호, □제철 폐수내 부유 고형물의 자성 유     체 분리□, 화학공학의 이론과 응용, 5, 3069-3072 (1999)

Fig. 1  Conceptual illustration of SS removal by a magnetic fluid separation

Fig. 2 Effect of superfical liquid velocity on the change in the concentration              of SS with respect to applied method

Fig. 3  Effect of superficial liquid velocity on the change in turbidity with

respect to applied method