전기투석에 의한 폐수중의 황산아연의 제거

정태영, 최근호

대전산업대학교 화학공학과

Removal of Zinc Sulfate in Waste Water by Electrodialysis

Tae Young Jeoung, Keun Ho Choi

Department of Chemical Engineering, Teajon National University of Technology

서론

여러 가지의 가치 있는 상용의 금속이 제련소와 제철소 그리고 도금공장과 같은 금속가공업과 사진산업에 적용되는 세척, 세정, 절임 그리고 표면처리 과정을 통하여 물 속으로 들어간다[1,2]. 반도체 산업의 식각공정에서도 중금속을 포함하는 식각폐수가 발생한다. 세척, 세정, 절임 과정에서 발생하는 유출수와 식각폐수에 들어 있는 금속은 원료물질의 중요한 손실을 초래할 뿐만 아니라 중요한 환경오염물이 된다. 특히, 전기도금공장으로부터 적절하게 처리되지 않고 배출되는 폐수는 수질오염의 중요한 오염원이다. 또한 이러한 업체로부터 나오는 금속을 포함한 유출수와 세정액은 도금용액을 위한 원료물질의 추가 공급 비용을 야기시킨다. 따라서 도금업체에서는 유출수와 세정액내에 들어있는 유가 금속을 회수하고 재활용하는 것이 대단히 중요한 기술적이고도 경제적인 문제가 되고 있다[1,2].

전기투석기술은 주로 해수농축에 의한 식염의 제조를 위해 개발되어 지난 40년 동안에 계속해서 전세계적으로 여러 가지 분야에서 산업화되어 왔다. 최근 들어 산업폐수로부터 금속을 회수하기 위하여 전기투석을 활용하는 데에 많은 연구와 관심이 집중되고 있다. 지금까지 문헌조사를 검토해보면 전기투석을 이용하여 도금공정에서 발생하는 중금속을 함유하는 각종 폐수의 처리에 대한 연구가 외국에서는 비교적 활발히 이루어지고 있으나, 국내에서는 아직 미흡한 실정이다. 한편, 전기투석장치 효율에 미치는 영향이 큰 운전조건으로는 농도, 유속, 전압, 전류 등으로 알려져 있다.

따라서, 본 연구에서는 아연도금공정의 세정 폐수를 처리하는데 전기투석을 적용시키는데 필요한 실제적인 실험결과를 얻기 위하여, 아연을 포함하는 모의 폐수를 사용한 전기투석장치에서 농도, 유속, 전압을 변화시켜가면서 실험함으로써 각 조건이 전기투석장치 효율에 미치는 영향을 규명하여 실제 아연도금공정상에서 발생하는 폐수의 처리에 도움을 줄 수 있는 실험결과를 얻었다.

실험

본 연구에서는 실제 아연도금공장에서 발생하는 세정액의 처리를 위한 실험결과를 얻기 위하여, Junsei Chemical사의 특급시약인 7수화물 황산아연(ZnSO4·7H2O)을 탈이온수로 녹여서 모의세정폐수를 제조하여 사용하였다. 전극액으로는 공통음이온이 포함 되어있는 1.5% Na2SO4를 사용하였다.

본 연구에 사용된 전기투석장치는 Tokuyama사의 TS-1-10였다. 전기투석조내의 스텍(stack)의 구성은 Fig. 1과 같고, 양이온 교환막으로는 Tokuyama사의 CMX를, 음이온 교환막으로는 같은 회사의 AMX를 사용하였다. 우선 실험시작전에 전기투석조내에 잔존해 있을 수 있는 아연이온을 제거하기 위하여 15분간 탈이온수로 전기투석조를 세척하였다. 그 다음 실험에 사용할 소량의 황산아연용액으로 전기투석조를 재 세척하였으며(2분 소요), 이때에 스텍으로 순환되는 희석용액과 농축용액의 유속을 원하는 값에 맞추었다. 이어서 세척에 사용된 황산아연용액을 완전히 제거한 후에 실험에 사용할 1□의 황산아연용액을 희석용액탱크(diluted solution tank)에, 희석용액의 초기농도의 1/10에 해당하는 농도를 갖는 황산아연용액 1□를 농축용액탱크(concentrated solution tank)에 그리고 1□의 1.5% Na2SO4용액을 전극세정용액탱크(electrode rinse solution tank)에 각각 넣고 실험을 시작하였다. 전기투석기를 이용한 아연이온의 제거속도에 대한 전해질의 농도와 유속 그리고 전압의 영향을 연구하기 위하여 전해질의 농도(아연의 농도: 300, 600, 1000 mg/□)와 유속(4, 6, 8 cm/s)그리고 전압(7, 10, 13 V)을 각각 변화시키면서 실험하였다. 실험중에 희석액과 농축액 그리고 세정액을 각각 펌프를 사용하여 계속해서 스텍으로 순환시켰다. 전극액의 유속은 최대용량인 3.252 □/min로 조절되었으며, 희석실내에 들어있는 용액의 전도도(conductivity)가 초기값의 1/10로 떨어지면 실험을 종료하였다. 희석펌프와 농축펌프의 유량을 조절하기 위하여 유량계는 사전에 검정하여 사용하였다.

실험초기와 실험종료시에는 희석실과 농축실 모두에서 각각 5 □의 시료를 채취하였으며, 실험시작이후에는 희석실에서 매 5분마다 5 □씩의 시료를 채취하였다. 또한, 매 분마다 희석실내 용액의 전도도를 전기전도도기(TOA Electrics, CM606)로 측정하였으며 장치에 흐르는 전류도 함께 측정하였다. 채취한 시료는 탈이온수로 희석하여 Atomic Absorption Flame Emission Spectrometer(Thermo Jarrel Ash, Smith - Hieftje 4000)로 정량분석하였다.

결과 및 고찰

Fig. 2는 초기 ZnS04 농도가 다를 때에 시간에 따른 희석실내에 들어 있는 아연이온의 농도 변화를 보여주고 있다. 희석실내의 아연이온 농도는 시간이 증가함에 따라 감소하는 경향을 나타내는 데, 이는 시간이 증가함에 따라 이온의 전기투석이 진행되어 희석용액내에 들어 있는 아연이온이 점차 농축실 쪽으로 이동하기 때문이다. 희석실내의 아연이온 농도가 초기에는 급격히 감소하다가 점차 완만히 감소하는 것은 초기에 희석용액과 농축용액의 농도차가 커서 투석속도가 매우 빠르다가 농도차가 감소함에 따라 점차적으로 투석속도가 느려지기 때문이다[3]. 한편 Fig. 2를 살펴보면, 희석용액의 초기농도가 증가함에 따라 특정한 아연이온 제거비에 도달하는 시간은 증가함을 알 수 있다[1].

Fig. 3은 시간에 따른 희석실내에 들어 있는 아연이온의 농도 변화에 대한 전압의 영향을 보여주고 있다. 희석실내의 아연이온의 농도는 전압이 클수록 보다 급격하게 감소하는 경향을 보인다. 이는 전기투석의 구동력인 전압이 증가함에 따라서 이온의 전기투석속도가 빨라지기 때문이다[1, 2].

Fig. 4는 시간에 따른 희석실내에 들어 있는 아연이온의 농도 변화에 대한 유속의 영향을 보여주고 있는데, 유속이 증가할수록 이온의 투석속도가 증가하는 것을 알 수 있다. 이는 유속이 증가함에 따라 이온교확막과 용액의 경계층이 얇아져서 확산속도가 증가하기 때문이다.

한편, 희석용액의 전도도는 희석 용액내에 들어 있는 Zn2+ 이온 과 SO42-이온의 양에 비례한다. 따라서, 각 실험변수에 대한 희석용액의 전도도의 변화는 희석실내의 아연이온의 농도 변화와 유사하였다. 전기투석기에 흐르는 전류는 시간이 증가함에 따라 증가하였다가 최대값을 보여준 이후에 감소하는 경향을 보였으며, 전류값의 극대값이 나타나는 시간은 대략 희석실내에 들어 있는 ZnS04 용액의 농도가 초기농도값의 반일 때였다. 전해질의 농도가 감소하면 스텍의 저항은 증가한다. 따라서, 초기농도가 보다 높을수록 더 높은 전류의 최대값이 얻어졌다. 초기농도가 높을수록 전류의 최대값이 나타나는데 걸리는 시간이 증가하는 반면에 전압과 유속이 클수록 전기투석속도가 빠르기 때문에 전류의 최대값이 나타나는데 걸리는 시간이 감소하였다.

Table 1에 25분일 때의 제거비 값을 전압, 유속, 초기농도별로 나타내었다. 전압이 13 V이고, 초기농도가 300 mg/□이며, 유속이 8 cm/s 일 때 최고의 제거비(99.35%)를 얻을 수 있었다. 따라서 25분에서의 각 실험변수별 제거비를 비교하였다. 전압과 유속이 증가할수록 제거비는 증가하였고, 희석용액의 초기농도가 감소할수록 제거비는 증가하였다. 그러나 최저의 제거비가 나타난 조건(전압= 7 V, 희석용액의 초기농도= 1000 mg/□, 유속= 4 cm/s)에서도 60분 경과후에는 96.95%의 제거비를 얻을 수 있었다.

각 실험에 대한 에너지 소비량은 (1)식과 같이 계산하였다.

[eqn: W = V~INT _{t_1}^{t_2 } i~ dt~ = ~VI ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~(1)]

여기서, [eqn: W~]는 에너지 소비량(kWh), [eqn: V~]는 기전력(V), [eqn: i~]는 전류(A)이다. Table 2에 제거비 90%일 때까지의 에너지 소비량을 전압, 유속, 초기농도별로 나타내었다. 전압과 초기농도가 증가할수록 에너지 소비량은 증가하였으나, 유속에 대하여는 거의 일정한 경향을 나타내었다. Fig. 4와 같이 유속이 증가할수록 투석속도는 증가하므로, 전압과 초기농도가 동일할 때에는 유속을 크게 하여 운전하는 것이 효율적임을 알 수 있다.

참고문헌

1. Oguveren, U.B., Koparal, S. and Ozel, E., J. Environ. Sci. Health,        A32(3), 749 (1997).

2. Ramachandraiah, G., Thampy, S.K., Narayanan, P.K., Chauhan, D.K.,     Nageswararao, N. and Indusekhar, V.K., Saperation Science and         Technology, 31, 523 (1996).

3. 최윤, □전기투석법에서의 구리 및 황산의 이동에 관한 연구□, 연세대학     교, 서울 (1987).

Table 2. Energy consumption. Unit: W
Vol- tage (V)	Flow rate (cm/s)	Initial dilute concentration (mg/□)
		300	600	1000
7	4	68.11	134.77	190.47
	6	68.01	136.89	193.41
	8	68.42	138.22	194.43
10	4	99.32	170.45	284.82
	6	100.39	169.22	293.07
	8	99.41	157.77	289.88
13	4	138.00	258.56	435.78
	6	134.53	248.88	442.24
	8	136.66	250.51	415.91

Table 1. Removal ratio for t = 25 min. Unit: %
Vol- tage (V)	Flow rate (cm/s)	Initial dilute concentration (mg/□)
		300	600	1000
7	4	69.67	64.97	62.24
	6	72.8	70.67	66.26
	8	75.85	74.73	66.46
10	4	93.17	91.53	84.39
	6	95.17	93.6	87.51
	8	98.29	97.48	89.44
13	4	95.04	93.03	84.56
	6	98.14	97.58	89.99
	8	99.35	97.92	94.5