역삼투와 페라이트공정에 의한 도금폐수처리

노 성 희, 나 재 운, 김 선 일*

조선대학교 화학공학과

* 순천대학교 고분자공학과

Plating Wastewater Treatment by Reverse Osmosis and Ferrite Process

Sung-Hee Roh, sun-Il Kim, Jae-Woon Nah*

Dept. of Chem. Eng., Chosun University, Kwangju 501-759, Korea

*Dept. of Ploym. Sci. & Eng., Sunchon Nat'l Univ., Chonnam 540-759, Korea

서 론

산업폐수의 처리에 있어서 많은 어려움을 겪게 되는 분야는 중금속 및 독성물질이 함유된 폐수의 처리문제이며, 이들 중금속이 함유된 폐수는 도금공장의 도금 전해조, 금속표면처리 전해조 및 세정과정 등에서 주로 발생되고 있다. 그러므로 도금공장에서는 도금폐수를 배출하기 전에 원가절감의 목적으로 폐수 중의 중금속을 회수 할 수 있으며, 각종 유해물질을 처리할 수 있는 폐수처리 공정 개발이 시급한 실정이다. 또한 가뭄이나 앞으로 공업용수의 부족사태에 대비하여 새로운 폐수처리 공정을 개발하여 폐수를 용수로 재활용하여야 할 필요가 있다.

현재의 폐수처리 방법으로는 침전응집법[1]이 주로 사용되고 있으나, 완벽한 중금속 처리를 위해서는 많은 양의 화학약품이 필요하며, 최종 생성물인 슬러지는 위탁업자에 의하여 특정 폐기물로 매립되고 있는 실정이다. 이 매립된 슬러지는 중금속이 함유된 침출수를 생성하여 2차 환경오염을 유발시키고 있다.

따라서 본 연구에서는 도금폐수 중 유가금속을 회수하고, 사용한 폐수는 정수 처리하여 도금공정의 세척수 등으로 재순환함으로써 폐수를 전혀 배출하지 않는 무방류 시스템(zero discharge system)을 개발하고자 역삼투(reverse osmosis, RO)[2-3]와 페라이트(ferrite)[4-5]의 혼성공정(hybrid process)에 의한 도금폐수 처리실험을 수행하여 투과수와 농축액의 농도를 조사하였으며, 중금속 이온의 농도가 높은 농축액을 페라이트화하여 생성물의 성분을 분석하였다.

이 론

Ferrite는 Fe(Ⅲ)이온을 함유한 산화물을 의미하며, spinel형, garnet형, magnetoplumbite형 등으로 분리되는[6] 복합적인 자기산화물의 총칭으로 이들 ferrite는 모두 ferri 자성을 갖는 것이 특징이다. 이 자성산화물 중에서 오래 전에 알려진 것은 spinel형 ferrite이고 기본식은 MO·Fe2O3로 표시된다.

Fe(Ⅱ)과 Fe(Ⅲ)이온이 공존하는 수용액에 알카리를 첨가하면 Fe3O4의 magnetite 침전이 생성된다.

[eqn: Fe(Ⅱ)`+`2Fe(Ⅲ)`+`8OH`sup-`=`Fe`sub3`O`sub4`+`4H`sub2`O]              (1)

Fe(Ⅱ)이외의 2가 금속 이온과 Fe(Ⅲ) 이온이 공존하는 수용액에 알카리를 첨가하면 다음 식(2)와 같이 spinel type ferrite가 생성된다.

[eqn: M(Ⅱ)`+`2Fe(Ⅲ)`+`8OH`sup-`=`MOFe`sub2`O`sub3`+`4H`sub2`O]          (2)

Ferrite 반응은 수용액 중에서 Fe(Ⅲ)이온과 철 이외의 M(Ⅱ)이온을 혼합하고, 당량 이상의 알카리를 가하면 먼저 다음과 같은 반응에 의해 혼합수산화물의 침전이 생성된다.

[eqn: xM(Ⅱ)`+`(3-x)Fe(Ⅲ)`+`6OH`sup-`=`M`sub`x`Fe`sub3-x`(OH)sub6`]        (3)

[eqn: (x`=`0.1`-`0.5)]

이 혼합수산화물은 어떤 특정 반응조건하에서 산화시키면 최종적으로  ferrite가 생성된다.

[eqn: M`sub`xFe`sub3-x`(OH)sub6`+` { 1} over {2 }O`sub2`=`M`sub`xFe`sub3-x`O`sub4`+`3H`sub2`O]           (4)

이와 같은 반응을 거쳐 철 이온과 다른 금속 이온은 ferrite 결정으로 침전된다.

실 험

1. 시료 및 시약

본 연구에서는 광주광역시 공단내 N.H공장의 도금처리 공정 후 저류조에 유입된 원수를 취하여 사용하였으며, NaOH와 H2SO4는 동양화학공업(주), Fe2(SO4)3·xH2O는 Junsei Chemical Co., Ltd.의 제품을 시약으로 사용하였다.

2. 실험방법

Fig. 1. Schematic diagram of experimental apparatus.

RO막의 오염을 방지하기 위하여 공극 크기 0.45 □의 HA type(Millipore Co.) Micro filter와 나권형 한외여과 막 UF-1812-70((주)새한)을 사용하여 도금폐수를 전처리 한 후 역삼투막에 유입시켰으며, 본 실험에 사용한 나권형 역삼투 막 RE-1812-70((주)새한)은 직경 4.5 □, 길이 29.8 □ 및 유효면적 223 □인 폴리아마이드 복합막이다. 도금폐수의 역삼투 공정에 의한 투과수를 세척수로 재순환시키고, 농축액을 페라이트화 하기 위하여, RO 실험 후 투과수와 농축액으로 분리하여 각각의 중금속이온의 농도를 측정하였다.

농축액의 페라이트 반응은 농축액의 Zn 농도를 측정하여 Zn 당량보다 다소 과량의 Fe2(SO4)3·xH2O를 첨가한 후 80℃에서 NaOH를 가하여 농축액의 pH를 10으로 조절하여 교반하면서 1시간동안 반응시켰으며, 실험장치를 Fig. 1에 나타내었다. 생성된 페라이트는 0.45 □ micro filter로 여과하여 EDAX를 이용하여 성분을 분석하였다.

결과 및 토론

1. 역삼투공정에 의한 처리

RO막의 오염 방지를 위하여 정밀여과를 실시한 결과 폐수 1 L당 0.12 g의 부유물질이 제거되었고, turbidity는 원폐수 422 NTU에서 10.5 NTU로 감소하였으며, 한외여과 후의 turbidity는 1.19 NTU로 감소하여 거의 투명한 액체가 되었다.

정밀여과 후 한외여과를 실시한 투과수를 RO공정에 유입시켰으며, 실험결과를  Table 1에 나타내었다. RO에 의한 투과수의 아연 농도는 0.43 mg/L로 제거율은 99.80%이었으며, 무색을 띄고 있어서 세척수로 재사용이 가능함을 알 수 있었고, 농축액의 아연 농도는 325 mg/L로 농축인자는 1.55이었다.

Table 1. Removal efficiency of reverse osmosis process

Item	Concentration (RO feed)	RO process
		Final concentration	Removal (%)
pH	8.0	7.8	-
COD	127.75 mg/L	24.44 mg/L	80.87
Cr3+	68.00 mg/L	0.20 mg/L	99.71
Cr6+	12.00 mg/L	0.10 mg/L	99.17
CN-	24.00 mg/L	0.60 mg/L	97.50
Zn2+	210.00 mg/L	0.43 mg/L	99.80
Turbidity	1.19 NTU	0.11 NTU	90.76

2. 페라이트공정에 의한 농축액의 처리

RO에 의한 농축액은 페라이트공정에 의하여 2.05 g/L의 분말로 생성되었으며, 이 분말의 EDAX를 통한 원소분석 결과를 Fig. 2에 나타내었다. Fig. 2에 나타난바와 같이 6.4 Kev 및 8.6 Kev에서 각각 철 및 아연이 검출되었으며, 미량의 칼슘, 규소 및 알루미늄 등이 검출된 결과로 보아 농축액에 함유되어 있던 미량의 원소들이 함께 페라이트로 석출되었음을 알 수 있었고, 생성된 페라이트가 자성을 띄고 있음을 자석을 이용하여 확인하였다.

페라이트 공정 후 0.45 □ micro filter로 여과한 여액의 아연 농도가 2.6 mg/L로 감소하였으므로 농축액에 함유되어있던 대부분의 아연이 페라이트로 석출되었음을 알 수 있었다.

Fig. 2. Energy-dispersive spectrometer analysis of the ferrite product from                concentrate.

3. 결 론

역삼투와 페라이트법의 혼성공정에 의해 도금폐수를 처리한 결과 역삼투 공정에서 생산되는 투과수는 세척수로 재순환시키고, 농축액은 페라이트화하여 안정된 화합물로 회수함으로써 도금폐수나 슬러지가 외부로 배출되지 않는 공정인 무방류시스템이 가능함을 알 수 있었다.

참 고 문 헌

1. Cho, K. O., "폐수처리 실무기술"(1989).

2. Satio, M., New materials & New Processes, 2, 160 (1983).

3. Imasu, K., Desalination., 56, 137 (1985).

4. Okuda, T. et al., "Ferrite 製造技術□ 反應□□ 重金屬除去方法", 日本電氣技     報特輯 Serise, 2, 113 (1975).

5. 高田 利夫, "化學敎育", 28, 96 (1980)

6. Smit, J. and Wijn, H.P.J., "Ferrite" Tokyo Electrical Eng. College Press,        Chap. 8(1965).