[논문]전기분해를 이용한 불소제거

강광남; 김인환; 윤용수

문제 정의

이러한 문제점을 해소하고, 보다 효과적인 불소 제거를 위하여 본 연구에서는 전기분해공정을 이용, 처리 효율이 높고 약품 소비량을 줄일 수 있으며, 또한 슬러지 발생량을 감소시킴으로 처리 비용을 대폭 절감할 수 있는 방법을 제공하기 위하여 전압, pH, 전극 종류 등이 불소제거에 미치는 영향에 대해 살펴보았다.
전극 종류를 달리 함으로써 불소 제거율 변화를 조사하고자 하였다. 본 실험에서는 음극 전극으로는 스테인레스 전극으로 고정하였으며, 양극 전극으로써 철, 스테인레스, 백금, 그리고 탄소전극을 이용하여 이들 전극들을 비교 실험하였으며, 그 결과로서 Fig.
처리하기는 곤란하다. 이에 본 실험에서는 폐수에 Ca(OH)2를 투입하여 pH를 10T2가 되도록 함으로써 Zn, Pb, As, Hg 등의 중금속을 수산화물 혹은 불용성 물질 형태로 제거하고자, 전처리 공정으로써 Ca(OH)2의 첨가량을 변화시켜 그 처리효율을 살펴보았다. Ca(OH)2를 0.

제안 방법

과 같다. 반응기의 부피는 1000㎖ 인 아크릴 재질의 사각형 전극 반응기를 제작, 사용하였으며, 전원 공급은 자체 제작한 DC power supply 를 사용하여 일정한 전류를 유지시켰다. 또한 음극 전극은 스테인레스 전극을 사용하였으며, 양극 전극으로는 철전극, 알루미늄 전극, 백금전극, 스테인레스 전극, 그리고 탄소 전극 등을 사용하였으며, 반응 동안의 pH를 측정하기 위하여 반응기 내에 pH meter를 설치하였다.
반응기의 부피는 1000㎖ 인 아크릴 재질의 사각형 전극 반응기를 제작, 사용하였으며, 전원 공급은 자체 제작한 DC power supply 를 사용하여 일정한 전류를 유지시켰다. 또한 음극 전극은 스테인레스 전극을 사용하였으며, 양극 전극으로는 철전극, 알루미늄 전극, 백금전극, 스테인레스 전극, 그리고 탄소 전극 등을 사용하였으며, 반응 동안의 pH를 측정하기 위하여 반응기 내에 pH meter를 설치하였다.
폐수의 초기 pH가 불소 제거 효율에 미치는 영향을 알아보기 위해 초기 pH를 2.7, 7.5으로 조정하여, 전해 시간에 따른 처리 효율을 살펴보았다. 또한 소석회(Ca(OH)2)의 전처리가 전해 효율에 미치는 영향을 알아보고자, 0.
5으로 조정하여, 전해 시간에 따른 처리 효율을 살펴보았다. 또한 소석회(Ca(OH)2)의 전처리가 전해 효율에 미치는 영향을 알아보고자, 0.05, 0.1, 그리고 0.2%의 소석회 첨가에 따른 처리 효율과 전기분해에 따른 처리효율을 살펴보았다.
전류 변화량에 따른 제거 효율의 변화를 알아보고자 전류의 변화를 0.5, 1A로 조정하여 실험하였으며, 철전극, 알루미늄 전극, 백금전극, 스테인레스전극, 그리고 탄소전극을 사용하여 전기분해를 수행함으로써 전극 종류에 따른 처리 효율을 살펴보았다.
처리수 중의 불소이온의 농도는 HACH 사의 portable datalogging spectrophotometer (DR/2010)를 이용하여 측정하였으며, 전기전도도와 TDS는 HACH사의 conductivity/TDS meter에 의해 분석하였다. 또한 pH는 유리전극의 HANNA 사의 pH meter를 사용하여 측정하였다.
처리수 중의 불소이온의 농도는 HACH 사의 portable datalogging spectrophotometer (DR/2010)를 이용하여 측정하였으며, 전기전도도와 TDS는 HACH사의 conductivity/TDS meter에 의해 분석하였다. 또한 pH는 유리전극의 HANNA 사의 pH meter를 사용하여 측정하였다.
하였다. 본 실험에서는 음극 전극으로는 스테인레스 전극으로 고정하였으며, 양극 전극으로써 철, 스테인레스, 백금, 그리고 탄소전극을 이용하여 이들 전극들을 비교 실험하였으며, 그 결과로서 Fig. 3.을 얻을 수 있었다.
전류의 변화가 불소 처리 효율에 미치는 영향을 알아보고자 양극으로 탄소전극을 사용하여 전류를 0.5A, 1A로 조정하여 반응시간 60분간 처리효율을 살펴 본 결과 Fig. 11과 같이 나타났다. 사용된 폐수는 Ca(OH)2로서 응집, 침전 처리를 하지 않았다.
전기분해공정에 있어서 그 처리 효율을 높이기 위하여 전해 공정단계를 1, 2단계로 구분하여 실험하였다. 1차 전해 공정을 탄소전극, 스테인레스전극, 그리고 백금전극을 양극으로 하여 60분 동안 수행한 다음, 2차 전해로서 양극으로 알루미늄 전극 사용하여 30분 동안 전해 반응시켜 Fig.

대상 데이터

본 실험에 이용된 폐수는 안산시의 전자 부품 제조 회사의 세척수로 써 폐수의 성상은 다음 과 같다. 즉, 산폐수로써 pH는 2.
일반적으로 수중의 불소이온의 농도가 약 3 mg/2를 초과 할 경우에는 어류 등이 해를 입으며, 이러한 어류를 다량 섭취하였을 경우에는 소화계, 순환계 및 신경계 이상 증상이 나타나 각종 질병을 유발하는 원인이 됨을 생각할 때 매우 높은 불소 농도가 방류되고 있음을 알 수 있다. 실험대상의 폐수 채취는 폐수가 유입되고 있는 유량 조정 조 공정에서 행해졌다.
전기분해공정을 통해 얻어진 처리수를 대상으로 측정하였다. 처리수 중의 불소이온의 농도는 HACH 사의 portable datalogging spectrophotometer (DR/2010)를 이용하여 측정하였으며, 전기전도도와 TDS는 HACH사의 conductivity/TDS meter에 의해 분석하였다.

성능/효과

Fig. 3.에서 알 수 있듯이, 전극 종류에 따른 불소 제거는 탄소 전극, 철전극, 백금전극, 그리고스테인레스 전극순으로 나타났으며, 제거효율은 각각 46.7, 42.05, 36.17, 그리고 21.34%이었다.
이에 본 실험에서는 폐수에 Ca(OH)2를 투입하여 pH를 10T2가 되도록 함으로써 Zn, Pb, As, Hg 등의 중금속을 수산화물 혹은 불용성 물질 형태로 제거하고자, 전처리 공정으로써 Ca(OH)2의 첨가량을 변화시켜 그 처리효율을 살펴보았다. Ca(OH)2를 0.05%, 0.1%, 0.2%으로 첨가한 결과, 각각 50, 79.4, 84.7%의 제거효율을 얻을 수 있었다 (Fig. 4. 참조).
주지한 바와 같이, 첨가되는 Ca(0H)2의 양이 증가할수록 침전물 또한 증가하였으며, TDS도 급속히 증가하였다.
그림에 나타난 바와 같이 Ca(OH)2를 첨가한 경우에는 전처리를 하지 않을 때보다 처리효율이 42%에서 82%로 크게 향상됨을 확인할 수 있었다. 이는 전기분해시 불소이온제거에 있어 방해인자로 작용하던 다량이 중금속이 온들이 Ca(OH)2를첨가함으로서 pH 10T2 범위에서 안정한 수산화물을 형성 제거됨과 동시에 일부의 불소가 불용성물 질(CaFz)로 침전하여 제거되기 때문이다 *
과 같이 나타났다. 즉 전처리를 하지 않을 경우의 전압은 전해 반응시간이 진행될수록 13..4V에서 꾸준히 증가하여 60분 후에는 달하였다. 이는 수온의 상승 뿐만 아니라 과다한 전극 표면의 부식을 유도하였으며, 전력 소비가 높아 비경제적 요인으로 사료되었다©
Fig. 8.에 나타난 바와 같이, Ca(0H)2를 첨가에 따른 전처리로 전해 효율이 크게 상승됨을 확인할 수 있었으며, 탄소 전극, 스테인레스 전극, 백금 전극, 그리고 알루미늄 전극 순으로 처리 효율이 좋았으며 제거율은 각각 82.1, 67.3, 65.8, 그리고 65.3 %이었다. 용출성 전극이라 할 수 있는 알루미늄 전극의 경우는 앞서 수행한 철전극에서와 같이 금속이온의 과용출로 인해 슬러지양이 증가하였지만, 그 외 전극에서는 슬러지 증가를 확인할 수 없었다.
7에서 pH 11 이상으로 크게 상승하였으며, 전기 분해 반응 시간 60분 이후에는 각각 다른 경향을 나타내었다. 즉, 철전극, 알루미늄 전극 및 백금전극을 사용하였을 때 pH는 거의 변화가 없었으나, 스테인레스 전극을 사용한 경우에는 pH 10.75로 약간 저하하였고, 탄소 전극의 경우는 pH 5.76으로 크게 저하하였다. 이와 같은 pH 저하 현상은 높은 전위차일 때, 알카리용액 내에서는 산소의 반응에 의한 것으로 사료된다
7%로 증가하였다. 이로서 전류가불소 처리 효율에 미치는 중요 인자로 적용됨을 알 수 있었다.
Fig. 12에 나타난 바와 같이, 1차 전해시에는 탄소전극, 스테인레스 전극 및 백금전극은 제거효율이 각각 20.2, 21.34, 및 36.1 %이었지만, 알루미늄 전극을 양극으로 한 2차 전해에서는 각각 28.6, 30.1, 및 30 %으로 제거 효율이 상승하였다. 이와 같은 경향은 TDS 변화량에서도 관찰되었는데, 이는 2 차 전해시 알루미늄 전극에서 용출된 알루미늄 이온들이 1차 전해 때에 산화된 금속이 온들과 반응하여알루미 늄수산화물을 형성, 침전되었기 때문이다.
5.슬러지 발생량을 크게 줄일 수 있었다.

후속연구

이상의 결과로부터 불소를 함유하는 폐수는 전기분해를 이용하여 효율적으로 처리할 수 있을 것으로 기대된다.

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