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문제 정의
- 본 연구에서는 선저폐수 중에 유화된 상태의 유분이 존재할 경우엔 기존의 유처리 분리장치에 의해 선박의 배출허용기준치를 만족하는데 어려움이 있는 것을 감안하여 기존의 유처리 분리시스템에 전기화학적 처리장치를 추가하는 방안을 검토하고자 한다. 이를 위해 실험실 규모의 전기화학적 처리장치를 설계.
- 유화유의 전기화학적 처리에서 운전조건 중 적 정 체류시간을 확인하기 위하여 체류시간의 변 화에 따른 유분제거 특성을 알아보기 위하여 다 음과 같은 실험을 하였다.
- 인공폐수중의 유화유의 유수분리 또는 유화유의 특성이 공급되는 전류밀도에 따는 특성을 확인하기 위하여 다음과 같은 조건에서 실험을 하였 다.
제안 방법
- 유화된 빌지의 경우 유입농도는. 178mg/L로 나타났으며, 인공폐수는 공급전류에 따른 특성을 파악하기 위한 동일한 인공폐수를 사용하였고 시료수중의 유분농도는 에멀전화된 상태로 약 176mg/L 정도로 인위적인 유분농도를 만들어 실험하였다. 유분농도계는 미국 연안해양경찰 인 USCG(United State Coast Guard) 에서 형식승인한 HF 싸이렌스 유분농도 및 경보장치 (ODM : Oil discharging alarm and monitor)# 사용하 였다.
- 2개의 음극판은 양극을 중심으로 마주보게 설치하고, 전극간격에 따른 전기분해 특성을 조사하기 위해 양극과 음극판의 간격을 5mm, 10mm, 15mm, 20mm와 25mm까지의 간격으로 조절하도록 하였으며 , 5mm 간격으로 변화시킬 수 있도록 반응탱크 측면에 1mm의 홈을 파서 제작하였 다.
- 유분의 계측방법으로 최초 유분농도에서 배출 규정치인 15mg/L 이 하로 떨어지는데 소요되는 시간을 확인한다. 먼저 유입유화유의 농도가 200mg/L에서 100mg/L까지 유분이 제거되는 시간을 측정하고 그 이후 100mg/L에서 50mg/L 이후 15mg/L까지 소요되는 시간을 확인한다.
- 본 실험에서는 유화된 빌지의 유분 농도는 185mg/L 이였으며, 인공 유화유의 유분농도는 176mg/L로 실험하였으며 전극의 간격에 따른 에멀전화된 유수분리 특성을 나타내고 있다. 에멀 전 상태의 유분제거율은 전류밀도와 체류시간 에 따른 영향과 동일한 특성이 나타났으나 전극 간격이 좁을수록 제거효율이 높게 나타났다.
- 선저폐수 중에 유화된 상태의 유분이 존재할 경우 기존의 유처리 분리장치에 의해 선박의 배출 허용기준치를 만족하기 위해서 기존의 유처리 분리시스템에 전기화학적 처리장치를 추가하는 방안을 검W하기 위해 실험실 규모의 전기화학 적 처리 상지를 신게 . 제작하여 각종변수인 수력 학적 체류시간, 신류밀도.
- 체류시간은 5분, 10분, 15분, 20분 및 25분 순으로 증가시키며 실험하였으며 사용한 펌프는 가변회전축 정형펌프를 이용하여 공급유량을 조절하였다. 실험에 영향을 줄 수 있는 외부적인 조건을 확인하기 위하여 최대 측정온도가 i2(rc 인 막대 온 도계를 이용하여 대기온도와 시료수의 온도 및 반응탱크의 온도를 측정하였다.
- 원 폐수의 수력학적 체류시간(HRT)을 확인하기 위하여 2, 000mL되는 플라스틱 용기에 배출수를 계량하여 일정량이 유입 및 유출시 소요되는 시간을 측정한다. 즉 이러한 절차로 유화유가 반응탱크에 머무는 시간이 정해지면 원유화유를 유입시키고 반응탱크로부터 전기화학적 반응에 의해 유분이 제거된 배출수를 유분농도계측장치 를 통과시켜 순간순간의 유분농도를 확인 기록 한다.
- 유화된 폐수 저장탱크로부터 전기화학적 처리 탱크로의 폐수유입은 정량펌프를 사용하여 하향 류(Down flow)가 처리 탱크의 상단에서 유입수를 공급하여 반응탱크의 중앙부에 설치한 양극과 양방향의 음극 사이와 용기의 내부 공간을 저항 없이 통과하도록 하였으며, 유량은 반응시간 별로 조절하였다. 유량조절은 정량펌프의 회전수를 조절하는 방법으로 하였다.
- 사용한 유분농도계는 유입수의 농도 측정 한계가 190mg/L 이하이고, 15mg/L 이하가 될 경우는 정상 운전시는 초록색의 램프 가 발광하나 15mg/L 초과될 경우는 적색의 경 고등(Alarm lamp)이 발광한다. 유분농도계의 오 차를 막기 위하여 실험을 시작하기 전에 증류수 로 반응탱크와 공급펌프 및 연결호스를 모두 세정순환(Flushing) 후 청수를 순환시켜 0점 조정 (Zero adjust)으로 자체수정 (Calibration)한 후 시료수를 통과시켜 현재 시료수 중의 유화된 물 (Emulsified water) 중에 함유된 유분의 농도를 측정하였다.
- 즉 이러한 절차로 유화유가 반응탱크에 머무는 시간이 정해지면 원유화유를 유입시키고 반응탱크로부터 전기화학적 반응에 의해 유분이 제거된 배출수를 유분농도계측장치 를 통과시켜 순간순간의 유분농도를 확인 기록 한다. 유분의 계측방법으로 최초 유분농도에서 배출 규정치인 15mg/L 이 하로 떨어지는데 소요되는 시간을 확인한다. 먼저 유입유화유의 농도가 200mg/L에서 100mg/L까지 유분이 제거되는 시간을 측정하고 그 이후 100mg/L에서 50mg/L 이후 15mg/L까지 소요되는 시간을 확인한다.
- 유화된 폐수 저장탱크로부터 전기화학적 처리 탱크로의 폐수유입은 정량펌프를 사용하여 하향 류(Down flow)가 처리 탱크의 상단에서 유입수를 공급하여 반응탱크의 중앙부에 설치한 양극과 양방향의 음극 사이와 용기의 내부 공간을 저항 없이 통과하도록 하였으며, 유량은 반응시간 별로 조절하였다. 유량조절은 정량펌프의 회전수를 조절하는 방법으로 하였다.
- 본 연구에서는 선저폐수 중에 유화된 상태의 유분이 존재할 경우엔 기존의 유처리 분리장치에 의해 선박의 배출허용기준치를 만족하는데 어려움이 있는 것을 감안하여 기존의 유처리 분리시스템에 전기화학적 처리장치를 추가하는 방안을 검토하고자 한다. 이를 위해 실험실 규모의 전기화학적 처리장치를 설계. 제작하여 각종 변수인 수력학적 체류시간, 전류 밀도, 양극과 음극간의 간격을 변화시키며 유화유 폐수중의 유분제거성능실험을 실시하였으며, 실험으로부터 결과를 향후 실제 선저폐수의 유분제거시스템에 적용하고자 한다.
- 전기화학적 방법에 의한 유화유 처리실험은 운전인자나 운전조건에 따른 처리특성과 각 인자 에 따른 기초실험을 하였다. 본 실험에 사용된 운전인자와 조건은 Table 1과 같다.
- 전기화학적 처리 전후의 인공 유화유의 수질분 석은 전류, 전압, pH, 온도 및 기름 농도를 측정 하였으며 분석방법은 Table 2와 같다.
- 처리 탱크에서 폐수를 원만하게 혼합 하기 위하여 자석교반기를 이용하였다. 전류공급 은 직류전원공급장치(30V, 30A)를 사용하여 인 위적으로 전압을 조절한 후 필요한 전류밀도에 따른 전류를 공급하였다.
- 전류밀도는 4A/dm2으로 유지시키고 체류시간은 20분으로 고정한 다음 전극간의 간격을 5, 10, 15, 20mm의 범위에서 각 극판의 간격을 5mm 간격으로 변경시켜서 특성을 확인하였다.
- 전류밀도는 직 류전원 공급장치 (D.C power supply)의 전압 및 전류계를 이용하여 직류를 0V에서 30V 사이의 전압을 공급토록 조절하였으며, 전류는 0A에서 28A까지 순차적으로 상승시키면서 조절하였다. 이상과 같이 전압계와 전류계를 이용하여 단위 면적당 전류를 OA/dm?에 서 6*(1詩까지 상승시키며 실험하였다.
- 원 폐수의 수력학적 체류시간(HRT)을 확인하기 위하여 2, 000mL되는 플라스틱 용기에 배출수를 계량하여 일정량이 유입 및 유출시 소요되는 시간을 측정한다. 즉 이러한 절차로 유화유가 반응탱크에 머무는 시간이 정해지면 원유화유를 유입시키고 반응탱크로부터 전기화학적 반응에 의해 유분이 제거된 배출수를 유분농도계측장치 를 통과시켜 순간순간의 유분농도를 확인 기록 한다. 유분의 계측방법으로 최초 유분농도에서 배출 규정치인 15mg/L 이 하로 떨어지는데 소요되는 시간을 확인한다.
- 배출수의 출구는 입구측의 반대방향 하부에 설치하였다. 처리 탱크에서 폐수를 원만하게 혼합 하기 위하여 자석교반기를 이용하였다. 전류공급 은 직류전원공급장치(30V, 30A)를 사용하여 인 위적으로 전압을 조절한 후 필요한 전류밀도에 따른 전류를 공급하였다.
- 체류시간에 따른 유분제거 특성을 조사하기 위하여 전극간격을 15mm로 고정한 상태에서 전류밀도를 4.0A/dm2으로 고정하고 체류시간을 5 분에서 25분까지 5분 단위로 변경시켰다. Fig.
- 이상과 같이 전압계와 전류계를 이용하여 단위 면적당 전류를 OA/dm?에 서 6*(1詩까지 상승시키며 실험하였다. 체류시간은 5분, 10분, 15분, 20분 및 25분 순으로 증가시키며 실험하였으며 사용한 펌프는 가변회전축 정형펌프를 이용하여 공급유량을 조절하였다. 실험에 영향을 줄 수 있는 외부적인 조건을 확인하기 위하여 최대 측정온도가 i2(rc 인 막대 온 도계를 이용하여 대기온도와 시료수의 온도 및 반응탱크의 온도를 측정하였다.
- 체류시간을 30분으로 고정하고 전극간격은 15mm 의 운전조건에서 전류밀도는 0.5~ 12A/dm2의 범위에서 인공 유화유와 유화된 빌지를 전기화학적으로 처리하였다.
- “0”점 조정이 끝나고 나면 인공 유화유의 유입수의 농도를 측정한다. 측정 방법은 원수를 직접 분석기 출구로 유입시 켜 유분농도가 고정 (Set up)되는 시간을 기다려 유분농도를 확인한다. 만약 유분농도가 200mg/L 이상이 되면 유화유를 희석시켜 유분농도계 지 시치 이하인 200mg/L 전후가 되도록 조절한다.
대상 데이터
- 본 시스템은 유화유 폐수 저장탱크, 펌프, 전기화학 처리탱크, 유분농도계 및 전원공급장치 로 구성되어 있다. 유화된 폐수 저장탱크는 50L 용량의 원통형 플라스틱 재질을 사용하였고, 유화된 폐수중의 유분 농도를 균일하게 유지하기 위해 교반기를 사용하여 혼합하였다.
- 2와 같다. 본 실험조건으로 체류시간 20분에서 전극판의 면적은 30x10cm의 전극판을 사용하였으며, 극판 간격은 10mm, 대기온도는 20°C, 실험수의 온도는 17°C로 유지하였다. 전류는 1〜24A로 변화를 주어 그 전류에 따른 전압을 도식화하였다.
- 실험에 사용한 유화유는 부산 광안리 남천동 해변의 해수와 선박에서 사용하고 있는 주기관의 내부유와 국가에서 형식 승인한 유화제를 사용하여 유화된 폐수를 조제한 후 체류시간, 전극 간격, 전류밀도 등의 운전조건에 따라 실험하였 다.
- 178mg/L로 나타났으며, 인공폐수는 공급전류에 따른 특성을 파악하기 위한 동일한 인공폐수를 사용하였고 시료수중의 유분농도는 에멀전화된 상태로 약 176mg/L 정도로 인위적인 유분농도를 만들어 실험하였다. 유분농도계는 미국 연안해양경찰 인 USCG(United State Coast Guard) 에서 형식승인한 HF 싸이렌스 유분농도 및 경보장치 (ODM : Oil discharging alarm and monitor)# 사용하 였다.
- 본 시스템은 유화유 폐수 저장탱크, 펌프, 전기화학 처리탱크, 유분농도계 및 전원공급장치 로 구성되어 있다. 유화된 폐수 저장탱크는 50L 용량의 원통형 플라스틱 재질을 사용하였고, 유화된 폐수중의 유분 농도를 균일하게 유지하기 위해 교반기를 사용하여 혼합하였다. 전기화학적 처리탱크는 아크릴을 이용하여 전체용적 3.
- 전기화학적 처리에 사용된 각 극판의 규격은 음극은 스테인리스 스틸판(30cm H X 10cm W) 을 사용하였으며, 양극은 염소가스 발생으로 유발되는 극판부식을 방지하기 위해 티타늄(Ti) 망에 이산화이리듐 (IrO2)을 전착한 불용성 극판 (Dimensionally Stable Anode, DSA) 으로 하였 다.
이론/모형
- 유분의 농도를 측정하는 방법으로는 미국정부 의 형식승인(United State Coast Guard approved) 된 유분농도계를 작동하여 배출수 중의 유분농 도를 측정하였다. 배출수중의 유분농도를 확인하기 위하여 순간 유출유 중의 유분농도는 적외 선광도법에 의한 적외선의 굴절로 조사된 적외 선 반사각의 변환에 의한 값을 연산하여 유분의 농도를 연속적으로 측정하는 원리의 유분농도계 를 사용하였다. 사용한 유분농도계는 유입수의 농도 측정 한계가 190mg/L 이하이고, 15mg/L 이하가 될 경우는 정상 운전시는 초록색의 램프 가 발광하나 15mg/L 초과될 경우는 적색의 경 고등(Alarm lamp)이 발광한다.
- 유분의 농도를 측정하는 방법으로는 미국정부 의 형식승인(United State Coast Guard approved) 된 유분농도계를 작동하여 배출수 중의 유분농 도를 측정하였다. 배출수중의 유분농도를 확인하기 위하여 순간 유출유 중의 유분농도는 적외 선광도법에 의한 적외선의 굴절로 조사된 적외 선 반사각의 변환에 의한 값을 연산하여 유분의 농도를 연속적으로 측정하는 원리의 유분농도계 를 사용하였다.
성능/효과
- 유수분리 제 거 의 특성 으로 20mm 극판 간격일 경우 배줄수중의 유분농도는 20mg/L 정도를 나 타내고 있으며 유분농도의 제거효율은 90% 정 도를 나타내고 있다. 간극판 간의 간격을 15mm 로 좁힌 결과 배출수중의 유분농도가 18mg/L 정도로 약간 낮은 상태를 나타내고 있으며 유분 제거 효율은 92% 정도를 유지하였다.
- 둘째로 유화된 유분폐수를 전기화학적 방법에 의해 해양오염방지법에서 규정한 배출허용기준 치를 만족하기 위해서는 본 실험조건에서 수력 학적 체류시간 20분, 전류밀도 4A/dm2에서 가능 하였다. 그러나 전해반응장치의 구조가 변하게 되면 조업조건에 따른 제거특성이 달라질 수 있 음을 감안하여 적용할 필요가 있다.
- 따라서 본 연구의 전류밀도에 따른 유화유의 전기화학적 처리 결과 유화유의 방류수 기준을 만족하기 위한 적정 전류밀도는 약 4A/dm2 이상이 필요한 것으로 확인되었다.
- 계속 전류밀도를 SOA/dn?로 고정하여 약 20분간 유입수를 통과시킨 결과 유출수 중의 유분 농도는 30mg/L정도가 유지되었으며, 유분의 제 거효율은 83% 정도를 나타내고 있었다. 다시 전류밀도를 4.
- 동일한 조건에서 전류밀도를 l.OA/dm?로 고정하여 약 20분간 유입수를 통과시킨 결과 유출수 중의 유분농도는 70mg/L 정도가 유지되었다. 이때 유분의 제거효율은 약 60%정도로 확인되었다.
- 본 실험에서 나타난 해수와 인공 유화유의 경우 거의 동일한 전류-전압곡선 분포를 보였으나, 실제 유화유의 경우 동일전류에서 높은 전압을 보여 해수보다 전기저항이 높게 나타났다. 이는 실제 선박의 유화유의 경우 냉각수로 해수를 주로 사용하지만 청수 냉각수 등으로 인해 해수에 함유된 전해질이 희석된 것으로 판단된다.
- 실험한 결과 해수에서의 유분제거 특성이 청수의 유분제거 특성보다 월등히 좋은 것으로 보고한 바, 본 연구와 동일한 결과를 얻었다. 본 실험에서는 실제 선박에서 사용하고 있는 유수분리장치나 육상용 유수분리장치의 경우 체류시간이 20분인 점을 고려한다면 Fig. 3에서 나 타난 것과 같이 유화유의 국제협약 방류수 기준 15mg/L를 만족하는 체류시간은 20분 이상으로 나타나 유화유를 처리하기 위한 전류밀도 4A/d m'에서 적정 체류시간은 20분 이상 유지하는 것이 적정한 것으로 판단된다.
- 0A/dm2로 고정하여 약 20분간 유입수를 통과시킨 결과 유출수 중의 유분농도는 20mg/L까지 하강하여 유분제거효율은 90%까지 제거되었다. 본 실험장치에서 할 수 있는 최대의 전류밀도인 4.7A/dm2로 고정하여 약 20분간 유 입수를 통과시킨 결과 유출수증의 유분농도는 15mg/L까지 하강하였고, 유분 제거효율은 높아 제거효율은 93% 정도를 유지할 수 있었다.
- 본 연구에서 실험한 5〜20mm의 전극간격에서 나타난 유화유의 처리수 농도를 보면 10mm 이 하의 전극간격에서 방류수 기준을 만족하였다. 5mm 와 10mm 의 전극간격에서 유분의 제거율 차이는 5% 차이 정도밖에 나지 않았다.
- 셋째로 유화유 폐수를 전기화학적 방법에 의 해 처리할 때 유분의 제거는 해수의 전해반응에 서 생성된 기포(양극에서 생성된 염소와 산소기 포, 그리고 음극에서 생성된 수소기포)에 유화된 기름성분이 부착된 후 부상분리(bubble flotation) 에 의해 대부분 제거됨을 확인하였다.
- 6에 나타내었다. 실험초기에는 전류밀도를 0.5A/dm2S 고정하여 약 20분간 유입수를 통과시킨 결과 유출수중 의 유분농도는 120mg/L이 나타났다.
- 본 실험에서는 유화된 빌지의 유분 농도는 185mg/L 이였으며, 인공 유화유의 유분농도는 176mg/L로 실험하였으며 전극의 간격에 따른 에멀전화된 유수분리 특성을 나타내고 있다. 에멀 전 상태의 유분제거율은 전류밀도와 체류시간 에 따른 영향과 동일한 특성이 나타났으나 전극 간격이 좁을수록 제거효율이 높게 나타났다.
- 유입수의 유분농도의 각 농도에서 전류밀도가 높을수록 제거효율이 높게 나타났다. 이상의 결 과에서 HRT를 20분, 극판간격을 20mm로 고정한 상태에서 전류를 증가시킬 경우 2A/dm2까지 증가시킬 경우는 처리수의 유분농도는 급격히 제거되었으며, 4.
- 유화된 빌지의 경우 2A/dm2 이상에서 12A/dm2 까지 전류밀도를 변화시켜 유화유를 처리하여 4A/dm2 이상의 전류밀도에서 유분의 방류수 기준보다 낮은 농도로 나타났으며, 제거 효율은 94〜97%의 범위로 큰 증가를 보이지 않아 6A/dm2 이상의 높은 전류밀도는 전력비의 상승을 초래하여 경제적으로 바람직하지 않은 것으로 판단된다.
- 첫째로 전기화학적 처리장치에 의해 유화유 폐수를 효과적으况 처리할 수 있는 가능성을 확 인할 수 있었으며. 유화유 폐수중의 유분제거 효 율은 수력학적 체류시간 (HRT) 및 전류밀도 (current density)가 증가함에 따라 증가하였고, 양극과 음극과의 전극간격이 작아질수록 액간접 촉전위(liquid junction potential)가 낮아져 유분 제거효율이 증가하는 경향을 보였다.
- 유입수의 유분농도의 각 농도에서 전류밀도가 높을수록 제거효율이 높게 나타났다. 이상의 결 과에서 HRT를 20분, 극판간격을 20mm로 고정한 상태에서 전류를 증가시킬 경우 2A/dm2까지 증가시킬 경우는 처리수의 유분농도는 급격히 제거되었으며, 4.7A/dm2의 전류밀도에서 유분의 제거효율은 93% 정도로 나타났다.
- 이때 유분의 제거효율은 약 60%정도로 확인되었다. 전류밀도를 2.0A/dm2로 상승 고정하여 약 20분간 유입수를 통과시킨 결과 유출수 중의 유 분농도는 35ppm 정도가 유지되었으며, 유분의 제거 효율은 81% 정도를 나타내고 있었다.
- 첫째로 전기화학적 처리장치에 의해 유화유 폐수를 효과적으况 처리할 수 있는 가능성을 확 인할 수 있었으며. 유화유 폐수중의 유분제거 효 율은 수력학적 체류시간 (HRT) 및 전류밀도 (current density)가 증가함에 따라 증가하였고, 양극과 음극과의 전극간격이 작아질수록 액간접 촉전위(liquid junction potential)가 낮아져 유분 제거효율이 증가하는 경향을 보였다.
- 특히 체류시간이 5분에서 10분 으로 체류시간 증가시는 유분농도의 감소와 효 율증가가 현저한 상태를 나타내고 있으나 10분 이후의 감소율은 적게 되어 완만한 곡선을 나타 내고 있다. 체류시간 5분에서 70% 이상 제거되 어 체류시간의 증가에 따라 점진적인 증가를 보 였으며, 체류시간 20분에서 인공 유화유의 경우 95% 유화된 빌지의 경우 92%의 제거효율을 얻 었다. 방류수의 유분 기준 15mg/L 이하를 유지 하기 위한 체류시간은 약 20분 정도가 소요되었다.
- 체류시간을 계속적으로 5분, 10분, 15분, 20분 과 25분으로 계속 증가시킴에 따라 유분농도도 점진적으로 감소되었으며 유분 제거 효율도 완 만히 증가되었다. 특히 체류시간이 5분에서 10분 으로 체류시간 증가시는 유분농도의 감소와 효 율증가가 현저한 상태를 나타내고 있으나 10분 이후의 감소율은 적게 되어 완만한 곡선을 나타 내고 있다.
후속연구
- 이를 위해 실험실 규모의 전기화학적 처리장치를 설계. 제작하여 각종 변수인 수력학적 체류시간, 전류 밀도, 양극과 음극간의 간격을 변화시키며 유화유 폐수중의 유분제거성능실험을 실시하였으며, 실험으로부터 결과를 향후 실제 선저폐수의 유분제거시스템에 적용하고자 한다.
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