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문제 정의
- 따라서 소규모 급수시설에 전기응집 공정을 적용한다면 비교적 수월하게 공정의 자동화를 보장할 수 있으며, 화학약품을 이용한 응집공정과 비교하여 슬러지 발생량이 적은 장점이 있다. (한 등, 2004) 따라서 본 연구에서는 소규모 수도시 설에서 문제시되고 있는 무기이온 중 특히 질산성질소와 불소를 효과적으로 제거할 목적으로 전기응집 공정을 적용 하였고, 전극의 재질, 전극의 개수, 전극 간격 등의 변화에 따른 무기이온의 제거효율과 최적 운전조건을 모색하고자 하였다.
- 5%의 비율로 감소하였다. 또한 반응기에 전극을 고정시킬 때 양쪽 면이 마주보는 전극이 있는가 하 면 양쪽 끝의 전극은 한쪽 면만을 마주보고 있기 때문에 이에 따른 영향을 알아보기 위해 전극의 고정 위치에 따른 질 량변화를 살펴보았다. 양극 1전극과 음극 4전극은 반응조 의 맨 끝에 위치하는 전극으로 실험결과 전극의 고정 위치 와 관계없이 전극의 질량 변화는 비슷한 것으로 나타났다.
- 본 연구에서는 전기응집 공정을 적용하여 소규모 수도시 설에서 문제시되고 있는 오염물질 중 질산성질소와 불소 이 온의 제거 가능성을 평가하였다. 또한 최적의 운전조건을 파악하기 위해 여러 변수를 두어 실험을 수행하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 실험의 반복에 따른 질산성질소와 불소의 농도변화 영향 과 전극의 질량 변화를 관찰함으로써 전극의 재생 가능성 및 경제성을 평가하고자 하였다. 총 4회의 실험을 반복하였 으며 실험조건은 양극 6개 음극 6개의 전극을 사용하였다.
제안 방법
- 전극 재질에 따른 질산성질소와 불소의 농도변화를 알아 보기 위해 전기응집 공정에 많이 사용되고 있는 알루미늄 (Al)과 스테인레스스틸 (SUS304)을 이용하여 이온의 제 거효과를 관찰하였다. (Idil et al., 2008) 실험조건은 양극, 음극 각각 5개를 사용하여 전극간격 0.5cm, 전류밀도 1x10-3A/cm2, 반응시간은 10분이었고, 2분 간격으로 시료를 채취하여 농도를 측정하였다.
- 인가된 전류밀 도는 1 x 10-3A/cm2 ~ 3x10-3A/cm2의 범위에서 변화를 주어 전류밀도에 따른 질산성질소와 불소의 농도변화를 살 펴보았다. 또한 1.5cm, 0.5cm로 전극간격을 변화하여 실험을 진행하였고, 전극개수는 양극 음극 각각 1~6개로 하였다.
- 2의 화살표 방향과 같이 Monopolar는 양극(anode)을 중심으로 양 쪽으로 전류가 흐르는 반면 Bipolar는 한 쪽 방향으로만 전류가 흐른다는 차이가 있다. 본 연구에서는 2~12개의 전극을 Monopolar 형태로 연결하여 전기응집 실험을 수행하였다.
- 실용적은 1.5L이었고 전극을 상부에 고정시키고 전극의 간 격 변화를 용이하게 하기 위하여 반응조 상부에 0.5cm 간 격의 홈을 만들어 전극을 거치할 수 있도록 제작하였다. 사용된 전극 재료는 알루미늄 (Al)과 스테인레스스틸 (SUS304)을 사용하였고 크기는 7.
- 전극의 재생 가능성 및 경제성을 평가하기 위해 실험의 반복횟수에 따른 질산성질소와 불소의 농도변화와 전극의 질량변화를 측정하였다. 실험은 총 4회에 걸쳐 반복 진행하 였고 전극의 질량변화는 전기응집 실험 후 증류수와 스폰지 로 전극을 세척하고 50℃에서 1시간 이상 건조하여 수분을 제거한 후 저울 (Sareorius micro balance, MC210P)을 이용하여 질량을 측정하여 전기응집 전. 후 전극의 질량 변화를 파악하였다.
- 전극은 알루미늄(Al), 스테인레스스틸 (SUS304) 두 가지 재료를 이용하였으며 양극과 음극재료를 각각 Al(+)/Al(-), Al(+)/SUS(-), SUS(+)/Al(-), SUSl(+)/SUS(-) 총 4가지로 구성하였다. 인가된 전류밀 도는 1 x 10-3A/cm2 ~ 3x10-3A/cm2의 범위에서 변화를 주어 전류밀도에 따른 질산성질소와 불소의 농도변화를 살 펴보았다. 또한 1.
- 전극 재질에 따른 질산성질소와 불소의 농도변화를 알아 보기 위해 전기응집 공정에 많이 사용되고 있는 알루미늄 (Al)과 스테인레스스틸 (SUS304)을 이용하여 이온의 제 거효과를 관찰하였다. (Idil et al.
- 전극개수의 변화에 따른 질산성질소와 불소의 농도변화를 알아보기 위해 양극과 음극을 구분하여 1(+)/1(-), 2(+)/2(-), 3 (+)/3(-), 6(+)/6(-)으로 전극개수를 달 리하여 실험을 수행하였다. 전극의 재질은 Al(+)/Al(-)을 사용하였으며 전극의 간격은 0.
- 전극의 간격 변화에 따른 질산성질소와 불소의 농도변화를 알아보기 위해 1.5cm, 0.5cm의 간격에서 실험을 진행 하였다. 양극과 음극 모두 알루미늄으로 구성된 전극 2개를 이용하여 질산성질소와 불소의 농도변화를 Fig.
- 전극의 재생 가능성 및 경제성을 평가하기 위해 실험의 반복횟수에 따른 질산성질소와 불소의 농도변화와 전극의 질량변화를 측정하였다. 실험은 총 4회에 걸쳐 반복 진행하 였고 전극의 질량변화는 전기응집 실험 후 증류수와 스폰지 로 전극을 세척하고 50℃에서 1시간 이상 건조하여 수분을 제거한 후 저울 (Sareorius micro balance, MC210P)을 이용하여 질량을 측정하여 전기응집 전.
- 전기응집 공정은 Table 1에 제시된 각 운전변수를 변화 시켜가며 반응시간에 따른 질산성질소와 불소의 농도변화를 살펴보았다. 질산성질소와 불소의 분석방법은 Table 2 에 나타내었다.
- 전기응집 공정을 이용하여 질산성질소와 불소의 제거 효 율을 파악하기 위하여 전극종류, 전류밀도, 전극간격, 전류 개수 등에 변화를 주어 실험을 진행하면서 시료를 분취하여 농도를 측정하였다. 전극은 알루미늄(Al), 스테인레스스틸 (SUS304) 두 가지 재료를 이용하였으며 양극과 음극재료를 각각 Al(+)/Al(-), Al(+)/SUS(-), SUS(+)/Al(-), SUSl(+)/SUS(-) 총 4가지로 구성하였다.
- 전류밀도 변화에 따른 질산성질소와 불소의 제거효율을 알아보기 위해 전류밀도를 1X10-3, 2X10-3, 3X10-3 A/cm2로 변화시켜 가며 전기응집 실험을 진행하였다. 양극 5개 음극 5개를 사용하였으며 전극의 종류는 Al(+)/Al(-) 으로 구성하였고 전극의 간격은 0.
- 1 과 같으며 직류 전원 공급장치 (DC power supply, PAP-3030 파워트 론), 응집 반응조와 전극으로 구성되었다. 직류전원 공급 장치는 최대전압 30V, 최대전류 30A까지 조절 가능한 것을 사용하였으며, 응집 반응조는 아크릴을 이용하여 14.5cm(W)x9cm(L)x22cm(H)의 크기로 제작하였다.
- 5mg/L가 되게끔 제조하여 사용하였다. 초기농도는 마을상수도와 소규모 수 도시설의 수질기준 초과 내역을 참고하여 질산성질소와 불 소의 농도를 결정하였다. (환경부, 2008(1): 환경부, 2009)
- 실험은 총 4회에 걸쳐 반복 진행하 였고 전극의 질량변화는 전기응집 실험 후 증류수와 스폰지 로 전극을 세척하고 50℃에서 1시간 이상 건조하여 수분을 제거한 후 저울 (Sareorius micro balance, MC210P)을 이용하여 질량을 측정하여 전기응집 전. 후 전극의 질량 변화를 파악하였다.
대상 데이터
- 본 연구에 사용된 시료는 NaNO3, NaF를 이용하여 초기 농도가 질산성질소는 17mg/L, 불소는 1.5mg/L가 되게끔 제조하여 사용하였다. 초기농도는 마을상수도와 소규모 수 도시설의 수질기준 초과 내역을 참고하여 질산성질소와 불 소의 농도를 결정하였다.
- 본 연구에 사용된 전기응집 장치는 Fig.1 과 같으며 직류 전원 공급장치 (DC power supply, PAP-3030 파워트 론), 응집 반응조와 전극으로 구성되었다. 직류전원 공급 장치는 최대전압 30V, 최대전류 30A까지 조절 가능한 것을 사용하였으며, 응집 반응조는 아크릴을 이용하여 14.
- 5cm 간 격의 홈을 만들어 전극을 거치할 수 있도록 제작하였다. 사용된 전극 재료는 알루미늄 (Al)과 스테인레스스틸 (SUS304)을 사용하였고 크기는 7.5cm(W) x 16.5cm(L) x0.1cm(H)로 제작하였다.
- 로 변화시켜 가며 전기응집 실험을 진행하였다. 양극 5개 음극 5개를 사용하였으며 전극의 종류는 Al(+)/Al(-) 으로 구성하였고 전극의 간격은 0.5cm로 고정하였다.
- 전기응집 공정을 이용하여 질산성질소와 불소의 제거 효 율을 파악하기 위하여 전극종류, 전류밀도, 전극간격, 전류 개수 등에 변화를 주어 실험을 진행하면서 시료를 분취하여 농도를 측정하였다. 전극은 알루미늄(Al), 스테인레스스틸 (SUS304) 두 가지 재료를 이용하였으며 양극과 음극재료를 각각 Al(+)/Al(-), Al(+)/SUS(-), SUS(+)/Al(-), SUSl(+)/SUS(-) 총 4가지로 구성하였다. 인가된 전류밀 도는 1 x 10-3A/cm2 ~ 3x10-3A/cm2의 범위에서 변화를 주어 전류밀도에 따른 질산성질소와 불소의 농도변화를 살 펴보았다.
- 총 4회의 실험을 반복하였 으며 실험조건은 양극 6개 음극 6개의 전극을 사용하였다. 전극의 재질은 Al(+)/Al(-)으로 구성하였으며 전극의 간 격은 0.5cm, 전류밀도 1 X10-3 A/cm2로 고정하였다. 실험횟수에 따른 질산성질소와 불소의 농도를 Fig.
- 전극개수의 변화에 따른 질산성질소와 불소의 농도변화를 알아보기 위해 양극과 음극을 구분하여 1(+)/1(-), 2(+)/2(-), 3 (+)/3(-), 6(+)/6(-)으로 전극개수를 달 리하여 실험을 수행하였다. 전극의 재질은 Al(+)/Al(-)을 사용하였으며 전극의 간격은 0.5cm으로 고정하였고 전류 밀도는 동일하게 1x10-3A/cm2로 유지하였다. 질산성질 소와 불소의 농도를 Fig.
- 실험의 반복에 따른 질산성질소와 불소의 농도변화 영향 과 전극의 질량 변화를 관찰함으로써 전극의 재생 가능성 및 경제성을 평가하고자 하였다. 총 4회의 실험을 반복하였 으며 실험조건은 양극 6개 음극 6개의 전극을 사용하였다. 전극의 재질은 Al(+)/Al(-)으로 구성하였으며 전극의 간 격은 0.
이론/모형
- 질산성질소와 불소의 분석방법은 Table 2 에 나타내었다. 질산성질소와 불소의 농도는 Standard method (APHA, 1995)에 준하여 측정하였다.
성능/효과
- Fig. 7(a) 는 질산성질소의 농도변화를 나타낸 것으로 반 응시간 0~20분 후 1~4회 반복실험 시 질산성질소는 88 ~92%로 실험 반복횟수에 따른 제거 효율에는 큰 변화가 없음을 알 수 있었다. Fig.
- Fig. 5(a) 를 살펴보면 전극간격이 1.5cm일 경우 반응시간 20분 후 질산성질소의 제거효율은 45%이며 0.5cm의 경우에는 42%로 나타나 전극간격에 의한 영향은 크지 않은 것으로 나타났다. Fig.
- 1) 전극 재질에 따른 질산성질소와 불소의 제거효율을 살 펴보면 양극의 재질을 알루미늄으로 사용한 경우 질산 성질소 46~50%, 불소 80~99%의 높은 제거효율을 보였다. 이는 전기응집 공정 적용 시 알루미늄과 같이 금속이온으로 산화되기 쉬운 재료의 전극을 이용하는 것이 효과적일 것으로 판단된다.
- 2) 전류밀도에 따른 질산성질소와 불소의 제거효율은 1x10-3~3x10-3 A/cm2의 전류밀도에서 각각 46~ 93%, 96~100%의 제거효율을 보였다. 질산성질소는 전류밀도를 증가시킴에 따라 제거효율이 증가하나, 불 소의 경우에는 인가된 전류밀도 범위 내에서 100% 제 거되었다.
- 3) 전극간격을 1.5와 0.5cm로 변화하여 질산성질소와 불 소의 제거효율을 살펴본 결과 질산성질소는 각각 45, 42% 불소는 각각 87, 90%로 질산성질소와 불소 모두 전극간격에 따른 제거효율의 영향은 크지 않은 것으로 나타났다. 전극간격이 증가할수록 저항이 커짐에 따라 이에 따른 제거효율을 살펴볼 수 있으리라 기대하였으 나 제거효율에 큰 변화가 나타나지 않았다.
- 4) 전극 개수가 증가함에 따라 질산성질소는 제거효율이 증가하였고 불소는 큰 차이가 없는 것으로 나타났다.
- 5) 실험의 반복횟수에 따른 질산성질소와 불소의 제거효율 은 각각 88~92%, 85~100%이고 전극의 질량변화는 0.1~0.4%로 나타났다. 이는 전기응집 반응이 반복적 으로 진행된다.
- 6) 전기응집 공정은 질산성질소와 불소의 제거에 효과적이 었으나 금속 이온이 물속에 용해되어 무기이온들과 응 집되어 발생하는 슬러지를 처리해야만 하는 단점이 있다. 따라서 슬러지 제거를 위한 추가공정에 관한 연구가 필요하다.
- Al(+)/Al(-)의 전극구성에서 반응시간 10분 후 질산성질소의 제거율은 46%이었다. Al(+)/SUS(-), SUS(+)/Al(-), SUS(+)/SUS(-) 의 전극 구성에서는 반응시간 10분 후 질산성질소의 제거율은 각각 50%, 4%, 6%로 나타났다. 양극으로 알루미늄(Al)을 사용한 경우 반응시간 10분 후 약 50%의 제거효율을 나타내었다.
- 2g 으로 크지 않은 것으로 나타났다. 따라서 실험이 반복됨에 따른 질량변화는 크지 않았으며 전극의 경제적 측면을 고려 해 볼 때 제한된 범위 안에서 사용된 전극은 반복 재사용이 가능하다. 물론 전극의 수명 (life time)에 대한 정보를 얻 기 위해서는 장기적인 실험을 통해 규명해야할 것으로 판단된다.
- 질산성질소의 경우 양극과 음극 모두 알루미늄(Al) 을 사용하였을 때와 양극은 알루미늄(Al)을 음극은 스테인 레스스틸을 사용하였을 때 가장 높은 제거효율을 얻었고 두 전극 구성에서 제거효율은 유사하였다. 반면, 불소의 경우에는 양극, 음극 모두 알루미늄 전극을 사용하였을 때 제거 효율이 가장 높은 것으로 나타났다.
- 이는 전극의 질량변화를 비율로 표현한 것으로 양 극 4개, 음극 4개의 결과만을 그래프로 표현하였다. 반응시간이 증가함에 따른 전극의 질량변화를 살펴보면 반응시간 120분 후 0.1~0.5%의 비율로 감소하였다. 또한 반응기에 전극을 고정시킬 때 양쪽 면이 마주보는 전극이 있는가 하 면 양쪽 끝의 전극은 한쪽 면만을 마주보고 있기 때문에 이에 따른 영향을 알아보기 위해 전극의 고정 위치에 따른 질 량변화를 살펴보았다.
- 또한 반응기에 전극을 고정시킬 때 양쪽 면이 마주보는 전극이 있는가 하 면 양쪽 끝의 전극은 한쪽 면만을 마주보고 있기 때문에 이에 따른 영향을 알아보기 위해 전극의 고정 위치에 따른 질 량변화를 살펴보았다. 양극 1전극과 음극 4전극은 반응조 의 맨 끝에 위치하는 전극으로 실험결과 전극의 고정 위치 와 관계없이 전극의 질량 변화는 비슷한 것으로 나타났다. Fig.
- 이를 통해 스테인레스스틸 보다 용해성이 좋은 알루미늄 전극을 사용하는 것이 무기이온 제거에 긍정적임을 알 수 있었고, 동일한 조건에서는 질산성질소보다는 불소의 제거 효율이 우수함을 알 수 있었다.
- 모두 동일한 전류밀도가 인가되었기 때문에 전극의 개수에 상관없이동일한 제거율을 보여야 타당하나 전극의 개수가 증가할수록 제거효율이 증가하는 것은 반응조의 부피당 전극면적이 증 가하기 때문에 용액 내 존재하는 이온과 전극 간 반응이 발생하는 실질 면적이 증가하여 제거율이 증가하는 것으로 판단된다. 즉, 반응조를 설계할 때 전류밀도가 중요한 인자이 기는 하지만 가급적이면 반응조의 구석구석에 전극이 존재 할 수 있는 구조 (configuration)로 반응조를 설계하여야 한다는 결론을 얻을 수 있다. 따라서 전극의 총면적 (A)을 반응조의 부피 (V)로 나눈 A/V값이 중요한 설계인자로 사 용되어야 한다고 제안할 수 있다.
- 의 전류밀도에서 각각 46~ 93%, 96~100%의 제거효율을 보였다. 질산성질소는 전류밀도를 증가시킴에 따라 제거효율이 증가하나, 불 소의 경우에는 인가된 전류밀도 범위 내에서 100% 제 거되었다. 불소의 경우 초기농도가 질산성질소 보다 낮 아 이와 같은 결과가 나온 것으로 판단되며 추후 초기농도가 동일한 조건하에 질산성질소와 불소의 제거효율 평가가 요구된다.
- 5cm의 경우에는 90%로 나타나 불소 역시 전극간격 변화에 의한 영향이 크지 않음을 알 수 있었다. 질산성질소와 불소 모두 0.5~1.5cm 전극간 격 범위에서는 제거효율에 큰 차이를 보이지 않는 것으로 나타났다. 이후 전극간격을 1.
- 반면 Al(+)/Al(-), Al(+)/SUS(-) 전극구성 의 경우 10분 후 불소의 제거효율은 각각 99%, 80%로 나타났다. 질산성질소의 경우 양극과 음극 모두 알루미늄(Al) 을 사용하였을 때와 양극은 알루미늄(Al)을 음극은 스테인 레스스틸을 사용하였을 때 가장 높은 제거효율을 얻었고 두 전극 구성에서 제거효율은 유사하였다. 반면, 불소의 경우에는 양극, 음극 모두 알루미늄 전극을 사용하였을 때 제거 효율이 가장 높은 것으로 나타났다.
- 4(a) 의 전류밀도에 따른 질산성질소의 제거효율을 살펴보면 반응시간 10분 후 1X10-3, 2X10-3, 3X10-3 A/cm2일 때 각각 46, 89, 93%를 나타내었다. 질산성질소의 농도는 반응시간과 전류 밀도가 증가함에 따라 감소하는 경향을 나타내었다.
- 현재 질산성질소와 불소의 수질기준은 각각 10과 1.5mg/L로 본 연구에서 인가된 전류밀도 1x10-3~ 3X10-3 A/cm2의 범위에서 반응시간 10분 후 질산성질소 9.20~1.20mg/L, 불소 0.02~0.01mg/L의 농도를 나타냄 으로써 법적 수질 기준을 만족하는 수치를 나타내고 있다. 전류밀도는 오염물질의 제거효율을 결정하는 중요한 인자 중 하나이며 전류밀도가 증가할수록 제거효율 또한 증가하는 경향이 있다.
후속연구
- 질산성질소는 전류밀도를 증가시킴에 따라 제거효율이 증가하나, 불 소의 경우에는 인가된 전류밀도 범위 내에서 100% 제 거되었다. 불소의 경우 초기농도가 질산성질소 보다 낮 아 이와 같은 결과가 나온 것으로 판단되며 추후 초기농도가 동일한 조건하에 질산성질소와 불소의 제거효율 평가가 요구된다.
- 따라서 슬러지 제거를 위한 추가공정에 관한 연구가 필요하다. 이러한 단점을 보완할 수 있는 공정으로 완성 이 된다면 소규모 수도시설에 적합한 정수처리 공정으 로 평가받을 수 있을 것으로 판단된다.
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