Ru/Ti 와 Pd/Ti 전극의 폐수처리 특성

임지훈, 김우진, 이기용, 이영락, 김상용*, 김창욱**, 이진원

광운대학교 화학공학과,한국생산기술연구원*

대종분말야금주식회사**

CHARACTERISTICS OF WASTEWATER TREATMENT BY USING AND Ru/Ti AND Pd/Ti

Ji-Hun Lim, Woo-Jin Kim, Gi-Yong Lee, Young-Rak Lee, Sang-Yong Kim*,  Chang-WooK Kim**,Jin-Won Lee

Department of Chemical Engineering, Kwangwoon Universty

Korea Institute of Industrial Technology*

Daejong Powder Metallurgy Co., Ltd.**

서론

경제개발과 산업의 발달로 인한 폐수의 증가는 수질오염의 주요한 원인이 되고 있고 국내의 환경과 생태계를 크게 위협하고 있는 실정이다.

생물학적으로 분해하기 어려운 화합물들과 생물체에 독성을 줄 수 있는 화합물들을 포함한 폐수는 일반적인 폐수처리 시설로는 처리하기가 곤란하다. 전기화학적인 산화방법을 이용한 폐수처리공정은 다양한 종류의 폐수를 정화할 수 있고, 처리 공간이 기존의 처리시설보다 매우 작으며, 많은 적용 가능성을 갖고 있다. Naumczyk(1997)등은 직물폐수처리에 전기분해처리공정을 적용하여 COD를 85∼92%정도를 제거하였고, Krasnobodko(1998)는 염색폐수를 처리하는데 이용하여, COD를 85∼92%까지 제거하였으며. Chang과 Wen(1995)은 매립지 침출수를 처리하는데 전기분해 처리공정을 이용하여  92%의 COD 제거율을 보였다. 전기분해의 기본 원리는 전극표면에서 발생하는 라디칼들에 의한 직접산화와 Cl- 이온을 첨가하여 전기분해 함으로써 생성된 강력한 산화제인 HOCl을 이용하여 폐수중의 유기물질을 분해시키는 전기화학적인 간접산화를 들 수 있다. 또한 HOCl은 반응성이 매우 높아서 OCl- 이나 ClO2-로 변하여 존재할 수 있다. 그렇기 때문에 Cl-이 풍부한 폐수를 전기분해 하였을 때는 HOCl,  OCl-, ClO2-, 그리고 Cl2 등이 산화제로 작용한다. 이러한 물질들을 통틀어서 □active chlorine'이라고 부르기도 한다.

본 연구는 국내 기술(대종분말야금사)로 제조된 전극들을 사용하여 여러 변수(전류밀도, 전극간격, Cl- 농도, 유기물 농도)들에 따른 COD(Chemical Oxygen Demand)처리율을 측정하였고, 염료의 색도 제거율과 폐수를 연속처리 하였을때 COD감소율와 TKN감소율을 조사하였다.

방법

전기분해 실험은 회분식으로 진행하였고 제조된 전극들의 성능을 평가하기 위해서 전류밀도, 전극간 거리, Cl-이온 농도를 변화시켜 전압, 온도, 그리고 COD를 측정하였다. 전류밀도는 25 mA/cm2, 50 mA/cm2, 75 mA/cm2로 변화시켜 측정하였고, 전극간 거리는 5 mm, 10 mm, 15 mm로, Cl-이온 농도는 5 g/L와 10 g/L로, 그리고 유기물 농도는 1.5 g/L, 3 g/L, 6 g/L로 하여 실험 하였다. 사용되는 폐수를 일정하게 하기 위하여 glucose로 제조된 합성폐수를 사용하였다. 폐수의 부피는 1 L로 하였고, 전기분해를 하는 동안은 교반을 시켜주었다. 판형인 양극과 음극의 크기는 10×10 cm이며, 음극은 stainless steel을 사용하였고, 두 전극을 평형판 형태의 구조로 설치하여 사용하였다.

염료의 색도 제거실험을 위해서 3원색인 yellow, red, blue인 3가지 분산성 염료를 500 mg/L의 농도로 증류수에 용해시켜 사용하였다. 위 실험 모두 시료부피를 1 L로 하였다.

수질을 분석하는데 COD와 염료의 색도를 측정하는데, 여기서 COD는 USEPA(united states environment protection agency)에 명시된 reactor digestion method를 이용하여 spectrophotometer (HACH-DR/2010)로 측정하였고, 염료의 색도는 spectrophotometer (CECIL3000s)를 사용하여 측정하였다.

결과 및 토론

전극별 유기물 분해 성능 조사에서는 Ru/Ti와 Pd/Ti전극들의 COD처리율을 보면 두 전극은 거의 차이를 보이지 않는 것으로 나왔다. 전류밀도를 25 mA/cm2에서 50 mA/cm2로 두 배 증가하였을 때 160분 후에는 Ru/Ti일 때는 약 28%에서 65%로 효율이 좋아지고 Pd/Ti일 때는 약 30.8%에서 68%로 처리 효율에서 약간의 상승을 보여주고 있다. 그러나 전류밀도 75 mA/cm2에서는 50 mA/cm2보다 COD를 처리율이 약간 더 증가된 경향을 보였기 때문에 50 mA/cm2에서  COD를 처리하는 것이 최적이라고 사료된다. 전극 간격 5 mm, 10 mm, 15 mm로 각각 실험을 하였을 때 COD처리율에서 다소 차이는 있지만 큰 차이를 가지고 있지는 않다. 그러나 5 mm로 하였을 때는 10 mm의 COD처리율 보다 약간 떨어지는 것을 볼수 있었다. 이는 전력양이 5 mm일 때 10 mm일 때 보다 떨어지기 때문에 □active chlorine'의 만들어 지는 양도 또한 적게 만들어 졌기 때문이라고 사료된다. 또한 chang은 Cl-의 양이 늘어나면 COD처리율이 증가한다고 했으나 본 실험에서는 차이를 보이지 않고 있다. 이것은 Cl-의 농도가 5 g/L에서 충분히 HOCl을 만들어졌기 때문에 이라고 사료된다.

유기물 농도 변화에 대한 COD 처리율에서 1.5 g/L의 COD를 완전히 분해 되는데 약 200분정도의 시간이 소요되었다. 그렇기 때문에 3.0 g/L의 COD는 약 400분, 6.0 g/L의 COD는 800분이 지나야 COD를 완전히 제거될 것으로 보았다. 그러나 실험결과는 3.0 g/L는 320분이 소요되었고, 6.0 g/L는 440분만에 COD를 완전히 제거 하였다. 이는 유기물 부하량이 높아 질수록 COD처리율이 증가함을 보였다.

염료의 색도 제거 실험을 위해서 3원색인 yellow, red, blue인 3가지 분산성 염료를 500 mg/L의 농도로 증류수에 용해시켜 사용하였다. 먼저 색도를 측정하기 위하여 3가지 염료의 최대 흡수파장을 구한결과 yellow 염료는 420 nm였고, red 염료는 540 nm였고, blue 염료는 490 nm였다.  초기 OD값이 8.56인 yellow염료는 50분 뒤에는 0.080으로 떨어졌고, 초기 OD가 12.24인 red염료는 50분 뒤에 OD가 0인 되는 것을 볼수 있었다. 그리고 초기 OD가 7.40인 blue염료는 50분 뒤에는 0.18로 떨어짐을 알수 있었다. 또한, 각각의 염료들이 전기분해에 의하여 단지 발색단의 결합만이 파괴되는 것인지 동시에 COD도 측정해 본 결과 COD의 양도 같이 감소하는 것을 볼 수 있었다. 그러므로 염료를 포함한 폐수를 전기분해 하는 경우에는 단지 색도만을 제거하는 것이 아니라 화합물을 완전 분해하는 것으로 여겨진다.

FIg1. 전기분해 장치

Fig. 2. 전기분해에 의한 전류밀도      Fig. 3. 전기분해에 의한 전극간격

100mA/cm2에서의 COD 감소율            15mm에서의 COD 감소율

Fig. 4. 전기분해에 의한        Fig. 5. 전기분해에 의한 blue, yellow       Glucose 농도에 따른 COD 감소율    그리고 red 염료에서의 색도변화

참고문헌

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

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