전기화학적 COD 폐수처리

김 학 준 · 이 주 환*

경남대학교 공과대학 화학공학과

Electrochemical Treatment of COD Wastewater

Hark-Joon Kim · Joo-Hwan Lee*

Dept. of Chemical Engineerig, Kyungnam Univ.

1. 서 론

급속한 경제성장과 더불어 유기물 계통의 소비와 그에 따른 폐수가 증가하고 있으나 이에 대응하는 마땅한 폐수처리시설은 이루어지지 않고 있는 실정이다. 폐수의 발생량 증가와 불완전한 처리는 공공수역인 하천, 호수 및 연안해역 등의 수질을 점점 악화시키게 되어 상수원 수질, 자연 생태계 등에까지 악영향을 초래하게 된다.

유기물 폐수처리법은 주로 산화분해시키는 방법들이다. 다른 산화분해로 전기화학적 산화반응을 이용하는 방법이 있으며, 이는 유기물 폐수처리에 전기화학적 방법을 응용할 수 있는 근거가 된다.

전해에 의한 유기물 전해산화 분해는 예전부터 연구되어 왔지만,  최근 COD의 저감화 기술로서 전기화학적 방법이 주목되고 있다. 이는 2차 오염이 없고, 전극반응기에 따라 처리장치의 소형화 및 전원의 단락에 의해 처리의 개시와 정지를 실행할 수 있기 때문에 유지관리가 용이하다는 것 등의 특징에 기인하고 있다.

유기물에 대한 폐수처리공정을 적용할 때에는 시스템내에서 정확한 유기물 등의 거동특성을 정량적인 분석을 통하여 합리적이고 공학적인 시스템의 최적설계조건과 운전조건을 제시하는 것이 연구에 필요한 과제이다. 대상오염물질에 대한 폐수처리시스템에서 정확한 처리기구를 규명파악하지 못한 상태에서 시설을 운전하면 안정된 최적운전이나 안정된 처리수의 수질확보는 상당히 어려우며 앞으로 발생량 증가, 규제강화 등의 상황변화에 따른 대처능력이 없게 된다고 말할 수 있다.

유기물 폐수처리시  효율적이고, 안정된 처리수의 수질을 확보할 수 있는 고도처리시스템의 구축이 필요하며 이를 위한 기초적이며 체계적인 연구가 필요하다.

2. 실험장치 및 방법

2.1. 실험 장치

전해조는 Fig. 1에 나타낸 4각의 아크릴제 회분식 입자 충전층 전극반응기로서 용량은 500□이다. 양극과 음극의 주 전극은 각각 Pb과 graphite plate(4.5×10cm)를 사용했다.  양극과 음극은 음극쪽에서 플라스틱망으로 분리하고 그 사이에 양극용 입자 전극으로 직경 5□인 Pb spheres를 충전하였다.  충전한 Pb spheres의 부피는 150cm3(공극율□Ａ0.43)이었다.

전원공급은 BTI제 IRF-155 전원공급장치를 사용하였으며 전기량은 digital coulometer로 측정하였다.

Fig. . Experimental Apparatue.

2.2. 실험 방법

폐수를 처리하기전 황산 수용액중에서 Pb를 PbO2로 산화시켜 사용하였다.  폐수 시료는 유기물 제조업체로부터 채취한 것으로서 pH가 2.10, 액전도도 11.76mS/□, 용액온도 80oC, COD농도가 약 3000□/□인 미지의 유기물 폐수를 그대로 사용하였다.  전해액의 양은 200□로 하였고, 주로 정전류조건에서 회분식으로 실험하였다.

실험은 여러 전해조건에서 시간에 따른 COD저감효율을 비교하였다. 전해 종료 후는 전극에 부착된 부착물의 처리를 위해 아세톤을 넣어 초음파 세척기(Sonixator)로 유기물을 제거하고, 20% H2SO4수용액에서 세정, 수세하였다.  유기물의 COD분석은 표준 과망간산칼륨법에 따라 분석하였다.

Fig. 2. Relation between removal             COD and electrodes

3. 결과 및 고찰

3.1. 전극

산성 폐수의 전극반응은

cathode reaction:

[eqn: 2rmH^+ ／ 2e → rmH_2 ↑ (acid)]

anode reactions:

[eqn: 유기성분 → 산화 생성물 ／ rmCO_2 rm／ itn rme]

[eqn: rmH_2 O ／2e → 1 over 2 O_2 ／2H^- ／2e(acid)]

Fig. 2는 일정한 전해조건에서 active carbon, MnO2, 흑연과 PbO2의 4가지 packing particle에 대해 시간에 따른 COD 변화를 측정한 것이다.  PbO2 전극재료가 가장 좋은 COD제거 효율을 나타냄을 알 수 있었다.

3.2. 정전류 전해와 정전압 전해

Fig. 3은 여러 전압조건에서 충전입자 PbO2 전극으로 1F의 전기량을 흘렸을때의 결과이다.  8V의 전압에서 COD값은 9.9□/□로 가장 감소율이 좋았으며 전후의 전압에서 COD 감소율이 떨어지는 V자형을 나타냈다.

Fig. 4는 여러 정전류에서 정전압전해와 같은 조건에서 실험을 하였을때 결과이다.  1A의 정전류전해에서 COD값은 8.8□/□로서 약 99.7%의 COD 제거 효율을 보였으며 전후의 정전류전해에서는 정전압전해의 결과와 같은 V자형을 나타냈다.

Fig. 3. Relation between removal              COD and cell voltage.

Fig. 4. Relation between removal               COD and current.

Fig. 3와 Fig. 4를 비교했을 때 전압조건보다는 1A의 전류조건에서 조금 나은 COD 저감효과를 나타내는 것을 알 수 있다.

3.3. 온도에 따른 COD제거 효율의 변화

Fig. 6. Change of COD with total               coulombs.

Fig. 5. Relation between removal                   COD and temperatues.

Fig. 5는 일정한 전해조건하에서 여러 전해온도에 따른 미처리된 COD의 농도를 나타낸 것이다.  저온에서는 그다지 큰 변화는 없지만 40℃이상의 높은 온도일수록 COD제거가 향상됨을 보였으며, 산업체의 폐수가 80℃임을 고려하고 전해시 전해액의 저항으로 인한 쥴열을 감안한다면 매우 유리한 조건이 된다.

3.4 최적 전류조건에서 시간에 따른 COD제거 효율

Fig. 6은 앞의 각 실험에서 최적 전해조건에서 시간에 따른 COD감소량을 나타낸 것이다.  반응 개시후 2시간까지 전해에 의한 COD제거는 급속히 진행되며, 3시간 경과 후 약 95%의 제거 효율을 보였다.  그러나 그 이후의 곡선은 완만하게 감소하는데, 이것은 유기물 농도 감소로 인한 전류효율을 감소 시킨 것이다.

한편 실험에서 초기 유기물의 pH와 전도도는 별다른 변화 없이 거의 일정하게 유지되었다.

4. 결 론

입자 PbO2 양극을 충전한 전극반응기로 유기물 폐수를 여러 전해조건하에서 산화분해하여 COD의 감소 상태를 검토하였다.

유기물의 COD제거 효율은 양극충전물로는 PbO2가 가장 좋았고, 최적전류는 1A였으며,  높은 온도일수록 좋은 경향을 나타내었다.

충전물로 PbO2 spheres를 사용하고, 전류는 1A일때 COD제거 효율은 3 시간 후에 95%로 되고 1F의 전기량을 흘렸을때 최대 효율은 99.7 %이었다.

전해에 의한 COD제거는 2차 오염이 없어 청정기술로서 가치가 있을 것으로 생각된다.

5. 참고문헌

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[7] D. W. Kirk and F. R. Foulkes, J. Electrochem. Soc., 131, 760 (1984)