전기분해 방법에 의한 제선가스 청정설비 순환수처리 방안

정영우, 탁용석, 최태화*

인하대학교 화학공학과

포항제철 선강연구그룹*

Development of electrolytic process for treating circulating water in gas-cleaning facility of iron-making process

Youngwoo Jung, Yongsug Tak, Taehwa Choi*

Department of Chemical Engineering, Inha University

Iron & making research lab, Pohang Iron & Steel Co., LTD*

서론

용광로에서 가스와 함께 배출되는 dust를 scrubber로 세정시킨 후 나오게 되는 순환수에는 염소이온이 상당량 존재하게 되는데 이때 염소이온에 의해 순환수가 통과하는 관에 부식현상이 나타나게 된다. 수용액 내에 포함된 염소이온 제거를 위한 전기 화학적 방법은 바닷물로부터 NaOH를 제조하는 공정에 이용되고 있으며, 염소가스의 형태로 산화시켜 제조하고 있다. NaOH 제조 시 전기 분해조 내의 전극으로는 anode로 DSA전극, cathode로 stainless steel등이 이용되고 있다. 그러나, 순수한 NaCl을 전기 분해하여 제조하는 공정과는 달리 순환수내에는 다양한 양이온, 음이온 등이 포함되어 있어 염소이온 제거 시 여러 가지 문제점이 발생하고 있다.

본 연구에서는 전극에 따른 염소이온의 제거효율, 순환수내의 염소이온이 관에 미치는 부식 특성 및 염소이온의 효율적 제거를 위한 전극개발에 대해 조사하였다.

실험

1. 전극에 따른 염소이온 제거 효율 조사

Working electrode로는 43.5□의 전극 면적을 갖는 Graphite, Ti mesh에 Pt, IrO2를 코팅한 전극, DSA(Dimensionally Stable Anode) 그리고 0.98□의 sol-gel법에 의해 IrO2를 Ti plate에 코팅한 전극을 사용하였다. Counter electrode로는 Graphite, Reference electrode로는 SCE을 사용하였다. 실험방법으로는 Linear Sweep Voltammetry와 Chronoamperometry를 사용하였다.

인가전압과 전류의 변화는 Potentiostat/Galvanostat 273A를 이용하였다.

2. 염소이온의 농도에 따른 부식 특성 조사

1.18□의 한쪽 면이 노출된 Holder에 Mild steel을 끼워 Working electrode로 사용하였으며, Counter electrode로는 Graphite를, Reference electrode로는 SCE을 사용하였다. 전해질은 염소이온의 농도를 다르게 하기 위해 NaCl 용액을 2000, 4000, 6000 PPM의 세가지 용액으로 나누어 사용하였고, 실험방법으로는 Linear Sweep Voltammetry를 사용하였다.

인가전압과 전류의 변화는 Potentiostat/Galvanostat 273A를 이용하였으며, 부식에 의한 표면 분석은 HITACH X-650 scanning electron microscope로 관찰하였다.

결과 및 토론

1. 산화반응에 대한 전극 특성비교

염소이온의 제거에 있어서, anode에서는 염소이온이 염소가스로 산화되는 반응(1) 외에 이와 경쟁적으로 물의 산화반응(2)이 일어날 수 있다.

2Cl- → Cl2 + 2e        1.31V (1)

2H2O → O2 + 4H+ + 4e 0.99V (2)

Fig.1에서 Graphite전극은 염소이온의 제거 효율이 낮게 나타나고 있다. 이는 Graphite전극은 (1)의 산화반응을 일으키기 위해서 높은 과전압을 필요하기 때문에 (2)번과 같은 물의 산화반응이 먼저 일어나기 때문이다. 반면에 DSA와 Titanium에 금속 또는 금속 산화물을 코팅한 전극은 (1)의 산화반응을 일으키기 위해서 낮은 과전압을 필요로 하기 때문에 염소이온의 제거에 있어서 좋은 성능을 보이게 되는 것이다.

2. 전극에 따른 염소이온 제거 효율 조사

Fig.1 은 Working electrode에 따른 염소이온의 제거 효율을 나타낸 그래프이다. 모든 실험을 2V로 1시간동안 정전위 방법으로 실험하였을때, 염소이온의 제거효율은 sol-gel 법에 의해 제조된 IrO2/Ti 전극이 가장 우수한 것으로 나타났다.

3. 염소이온의 농도에 따른 부식 특성 조사

Fig.2 은 2000, 4000, 6000 PPM의 염소이온 농도를 갖는 NaCl용액에서  Mild steel에 대한 Linear Sweep Voltammetry 곡선이다. 염소이온의 농도가 증가할수록 핏팅전위는 cathodic방향으로 이동하며, 일정 전위에서의 전류밀도는 높게 나타나고 있다. 이것은 염소이온의 농도가 증가 할수록 적은 전위로 핏팅이 쉽게 일어나며, 그에 따른 표면적의 증가로 인해 전류밀도가 증가하는 것으로 판단된다.

Fig.3 은 2000, 4000, 6000 PPM의 염소이온 농도를 갖는 NaCl용액에서 Linear Sweep Voltammetry에 의해 얻은 Mild steel의 SEM micrograph이다. 염소이온의 농도가 증가할수록 표면이 거칠어지고 핏팅의 수와 크기가 증가하게 된다.

Fig. 1. Removal efficiency of chloride ion with different electrodes.

Fig. 2. Linear sweep voltammograms for mild steel in different chloride ion concentration.(Scan rate = 20 □/sec)

(a)                      (b)

(c)                      (d)

Fig. 3. SEM micrographs of mild steel in NaCl solution; mild steel (a), at 2000PPM (b), at 4000PPM (c) and at 6000PPM (d).

참고문헌

1.  A.kraft, Stadelmann, M.blaschke, D.kreysig, B.sandt, F.schroder and          J.rennau, J. Appl. Electrochem. 29 (1999) 861-68.

2.   A. de Oliveira-Sousa, M.A.S. da Silva, S.A.S. Machado, L.A. Avaca, P.     de Lima-Neto, Electrochim. Acta. 45 (2000) 4467-73.