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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 이온성 물질의 제거를 목적으로 하는 공정에 광범위하게 적용되고 있는 막 여과 공정 중역삼투, 나노여과와 전기화학적 공정 중 전기응집 및 전기흡착 공정을 이용하여 소규모 수도시설에서 문제되고 있는 이온성 물질 중 질산성질소 및 불소의 제거효율을 살펴봄으로써 각 공정의 장단점을 비교 평가해 보는데 그 목적이 있다.
- 본 연구에서는 역삼투(RO), 나노여과(NF)와 전기응집 (EC), 전기흡착(EA) 공정을 이용하여 중 소규모 수도시설에서 특히 문제가 되고 있는 질산성질소와 불소의 제거에 제거율을 살펴봄으로써 각 공정의 장단점을 비교 평가하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 각 항목의 분석방법과 사용된 분석기기는 아래의 Table 3에 정리하였다. 본 연구에서는 질산성질소와 불소의 농도를 분석하여 각 공정에 따른 이온제거 효율을 살펴보았다. 전기전도도는 conductivity meter를 사용하여 측정하였으며 그 외의 분석항목은 standard method[17]에 준하여 분광광도법으로 분석하였다.
- 48mg/L로 유출수 4000ml의 전량 여과 후에 약 74%의 제거효율을 나타내었다. 한편 전기전도도는 수중의 이온성 물질을 알아볼 수 있는 지표로 질산성질소와 불소의 제거효율과 비교하여 평가해 보기 위해 측정하였다. 그 결과 질산성질소와 불소의 농도 변화와 유사한 감소 경향을 보였다.
제안 방법
- 3) 전기흡착은 코팅전극과 소결전극을 이용하여 오염 물질의 제거 가능성을 평가하였다. 코팅전극을 이용한 전기흡착의 경우 반응시간 5분 후 질산성질소는 99.
- 전기흡착중 코팅전극과 전기응집 공정은 양극 음극 각각 5개씩의 전극을 이용하여 실험을 진행하였으며 소견전극을 이용한 전기흡착 공정은 양극 음극 각각 1개씩의 전극을 이용 하여 실험을 진행하였다. 반응시간 간격에 따라 시료를 교반한 후 분취하여 각 시료의 농도 및 전도도를 측정하였다.
- 양극 음극 각각 5개의 알루미늄 (Al)전극을 이용하여 전류밀도 1×10-3 A/cm2 조건하에 실험을 진행하였다. 반응시간은 10분으로 2분마다 시료를 분취하여 각 이온의 농도를 측정하였다. 질산성질소의 경우 반응시간 2분 후 15mg/L의 농도를 나타내었으며 10분 후 9.
- 소결전극을 이용한 전기흡착실험은 양극 음극 각각 1 개, 전류밀도 1×10-2 A/cm2로 하여 실험을 수행하였다.
- 여과 후의 농축수는 다시 유입탱크로 보내 재순환하였다. 여과시간 1분마다 플럭스 (flux)를 측정하였으며 500ml의 간격으로 여과수를 취수하여 질산성질소와 불소의 농도를 측정하였다.
- 역삼투 공정으로 질산성질소 17mg/L, 불소 3mg/L의농도의 시료 4000ml를 조제하여 여과를 수행하였고, 측정된 플럭스를 Fig 3(a)에 나타내었다. 초기 물 플럭스 (initial water flux, Jiw)는 116∼126L/m2·hr의 일정한 값을 나타내었다.
- 유입탱크의 총용량은 5L이며 공정을 운영할 때는 4L의 시료를 사용하였다. 유입유량은 제어반의 인버터를 통해 조절하였으며 막간차압 (Trans Membrane Pressure; TMP)은 압력밸브와 유입펌프 속도를 조절하여 제어하였다. 사용된 NF와 RO 분리막은 각각 Nanomax 50(Millipore, USA)와 Nanomax 95(RO, Millipore, USA) 를 사용하였다.
- 전기 흡착(소결전극) 공정은 (b)와 같이 200ml의 비커를 이용 하였다. 전극간 연결방법은 각각의 전극에 모두 전위를 인가시켜주며 전극의 양면이 모두 같은 극성을 갖는 monopolar 형태로 하여 실험을 수행하였다[16]
- 전기흡착 공정에 사용되는 전극을 제조하기 위해 MWCNT를 티타늄 기판에 코팅한 전극 (전극 1)과 Cu-MWCNT를 소결한 전극 (전극 2)을 각각 제작한 후이를 이용하여 질산성질소와 불소의 제거효율을 평가하였다. 코팅전극을 이용한 실험의 경우 양극 음극 각각 5 개, 전류밀도 1×10-3 A/cm2로 고정하여 실험을 수행하였으며 실제 소규모 수도시설의 원수를 취수하여 시료로 사용함으로써 실질적인 처리공정으로의 가치를 평가하고자 하였다.
- 전기흡착에 사용된 전극은 다중벽탄소나노튜브 (multi-wall carbon nanotube, 이하 MWCNT)를 이용하여 코팅과 소결 두 가지 방법으로 제작하였다. 코팅전극의 경우 티타늄 기판과 유기바인더를 이용하여 제작하였고 (전극 1), 소결전극의 경우 기판을 따로 사용하지 않아 무르게 소결되는 현상을 방지하기 위해 Cu-MWCNT composite을 사용하여 1000℃에서 소결하여 제작하였다 (전극 2).
- 5∼3mg/L이었다. 전기흡착중 코팅전극과 전기응집 공정은 양극 음극 각각 5개씩의 전극을 이용하여 실험을 진행하였으며 소견전극을 이용한 전기흡착 공정은 양극 음극 각각 1개씩의 전극을 이용 하여 실험을 진행하였다. 반응시간 간격에 따라 시료를 교반한 후 분취하여 각 시료의 농도 및 전도도를 측정하였다.
- 4에 나타내었다. 총 4000ml 시료를 여과하였으며 유출수 500mL 간격으로 시료를 채취하여 농도를 측정하 였다. 질산성질소는 초기농도17mg/L에서 4000ml 여과후 4.
- 코팅전극을 이용한 실험의 경우 양극 음극 각각 5 개, 전류밀도 1×10-3 A/cm2로 고정하여 실험을 수행하였으며 실제 소규모 수도시설의 원수를 취수하여 시료로 사용함으로써 실질적인 처리공정으로의 가치를 평가하고자 하였다.
대상 데이터
- 본 연구에 사용된 RO 및 NF 여과장치 (Prolab bench top system, Millipore, USA)의 공정도를 Fig,1.에 나타내 었다. 유입탱크의 총용량은 5L이며 공정을 운영할 때는 4L의 시료를 사용하였다.
- 본 연구에서는 NaNO3, NaF를 이용하여 초기 질산성 질소의 농도 17mg/L, 불소의 농도 1.5∼3mg/L의 범위로 제조한 인공시료와 A시에 위치한 소규모 수도시설의 실제 원수를 취수하여 시료로 사용하였다.
- 유입유량은 제어반의 인버터를 통해 조절하였으며 막간차압 (Trans Membrane Pressure; TMP)은 압력밸브와 유입펌프 속도를 조절하여 제어하였다. 사용된 NF와 RO 분리막은 각각 Nanomax 50(Millipore, USA)와 Nanomax 95(RO, Millipore, USA) 를 사용하였다. NF를 운영할 경우에 여과 압력은 7bar를, RO를 운영할 경우에는 11bar로 조절하여 사용하였다.
- 로 하여 실험을 수행하였다. 소결전극에 사용된 질산성질소의 농도는 17mg/L, 불소 3mg/L로 제조한 인공시료를 사용하였다. Fig.
- 양극 음극 각각 5개의 알루미늄 (Al)전극을 이용하여 전류밀도 1×10-3 A/cm2 조건하에 실험을 진행하였다.
- 각 전극의 세부적인 제작 공정은 [15]에 자세히 기술되었다. 전기응집에 사용된 전극은 질산성질소와 불소의 제거효율이 우수한 알루미늄 기판을 이용하였다[16]. 전기흡착(코팅전극), 전기응집 공정은 Fig.
- 2에 나타내었다. 직류전원 공급장치 (DC power supply, PAP-3030 파워트론, 한국), 반응조, 전극, 교반장치로 구성되었다. 직류전원 공급장치는 최대전압 30V, 최대전류 30A까지 조절 가능한 것을 사용하였다.
- 전기흡착에 사용된 전극은 다중벽탄소나노튜브 (multi-wall carbon nanotube, 이하 MWCNT)를 이용하여 코팅과 소결 두 가지 방법으로 제작하였다. 코팅전극의 경우 티타늄 기판과 유기바인더를 이용하여 제작하였고 (전극 1), 소결전극의 경우 기판을 따로 사용하지 않아 무르게 소결되는 현상을 방지하기 위해 Cu-MWCNT composite을 사용하여 1000℃에서 소결하여 제작하였다 (전극 2). 각 전극의 세부적인 제작 공정은 [15]에 자세히 기술되었다.
이론/모형
- 본 연구에서는 질산성질소와 불소의 농도를 분석하여 각 공정에 따른 이온제거 효율을 살펴보았다. 전기전도도는 conductivity meter를 사용하여 측정하였으며 그 외의 분석항목은 standard method[17]에 준하여 분광광도법으로 분석하였다.
성능/효과
- 1) 분리막을 이용하여 여과실험을 진행한 결과 역삼투 (RO), 나노여과(NF) 모두 플럭스의 변화가 크게 차이를 보이지 않음에 따라 질산성질소와 불소의 농도 범위 내에서는 막오염 현상이 발생되지 않는 것으로 나타났다.
- 2) 역삼투(RO)의 경우 질산성질소 72~92%, 불소 74~85%의 제거율을 나타내었으며, 나노여과(NF)는 질산성질소 5~15%, 불소 최대 1%의 제거율을 나타냄에 따라 역삼투(RO) 공정이 이온성 물질을 제거하는데 보다 효과적인 것을 알 수 있었다.
- 4) 전기응집공정의 경우 질산성질소는 11~46%, 불소는 69~99%의 제거율을 보였으며, 전기흡착과는 반대로 질산성질소보다는 불소가 효과적으로 제거되는 것으로 나타났다.
- 5) RO 공정은 질산성질소와 불소의 비교적 높은 제거 율을 기대할 수 있으나 높은 에너지 비용이 부담되며, 전기응집 공정은 질산성질소와 불소를 효과적 으로 제거가 가능하나 슬러지 발생에 대한 부담이 있다. MWCNT를 활용한 전기흡착은 전극의 제조 방법에 따라 제거율에 큰 차이를 보이며 전극의 지속적인 사용을 위한 안전성이 문제시될 수 있는 것으로 나타났다.
- 6) 결론적으로 각 공정의 운전조건이나 변수들을 고려하지 않고 처리효율에만 기반하여 도출한 이상의 결론에 공학적인 의미를 부여하기에는 부족한 면이 있지만 각 공정의 처리효율 비교를 통하여 소규모 수도시설의 질산성질소와 불소가 어느 정도 제거될수 있는지에 대한 대략적인 정보를 제공하는 자료로 활용하기에 충분하다고 판단된다.
- 향후 슬러지발생을 최소화할 수 있는 전기응집 공정의 최적화가 요망된다. MWCNT 활용 전극을 이용한 전기흡착 공정에서는 질산성질소의 경우와는 반대로 소결 법을 이용한 전극의 사용이 불소의 제거에는 오히려 유리한 것으로 나타났다. 그러나 소결법으로 제조한 전극에 서는 Cu 이온의 용출이 관찰되었기 때문에 이런 단점을 보완하는 기술개발이 뒷받침되어야 수처리 공정으로 적용이 가능하다.
- 따라서 경제적인 관점에서만 바라본다면 질산 성질소의 제거를 위해서는 전기흡착 공정을 활용하는 것이 바람직하다고 볼 수 있다. MWCNT를 활용하여 전극을 만드는 두 가지 방법 (코팅과 소결)의 전기흡착 공정의 질산성질소의 제거율을 비교하여 보면 코팅법이 유리한 것으로 나타났다. 그러나 장기적인 사용에 따른 코팅의 안전성 및 제거율에 대한 평가가 향후 진행되어야 한다.
- 결론적으로 RO 공정은 질산성질소와 불소의 비교적 높은 제거율을 기대할 수 있으나 높은 에너지 소비가 부담이 되며, 알루미늄(Al)전극과 같은 가용성 전극을 사용한 전기응집 공정은 질산성질소 46%, 불소 99%로 수중의 이온성 물질을 효과적으로 제거 가능하나 슬러지 발생에 대한 부담이 있다. MWCNT를 활용한 전기흡착은 전극의 제조방법에 따라 제거율에 큰 차이를 보이며 전극의 지속적인 사용을 위한 안전성이 문제시될 수 있는 것으로 나타났다. 따라서 안정적인 전극의 개발에 지속적인 노력을 기울인다면 향후 경쟁력이 있는 공정으로 발전할 수 있을 것으로 판단된다.
- 결론적으로 RO 공정은 질산성질소와 불소의 비교적 높은 제거율을 기대할 수 있으나 높은 에너지 소비가 부담이 되며, 알루미늄(Al)전극과 같은 가용성 전극을 사용한 전기응집 공정은 질산성질소 46%, 불소 99%로 수중의 이온성 물질을 효과적으로 제거 가능하나 슬러지 발생에 대한 부담이 있다. MWCNT를 활용한 전기흡착은 전극의 제조방법에 따라 제거율에 큰 차이를 보이며 전극의 지속적인 사용을 위한 안전성이 문제시될 수 있는 것으로 나타났다. 따라서 안정적인 전극의 개발에 지속적인 노력을 기울인다면 향후 경쟁력이 있는 공정으로 발전할 수 있을 것으로 판단된다.
- 결론적으로 RO 공정은 질산성질소와 불소의 비교적 높은 제거율을 기대할 수 있으나 높은 에너지 소비가 부담이 되며, 알루미늄(Al)전극과 같은 가용성 전극을 사용한 전기응집 공정은 질산성질소 46%, 불소 99%로 수중의 이온성 물질을 효과적으로 제거 가능하나 슬러지 발생에 대한 부담이 있다. MWCNT를 활용한 전기흡착은 전극의 제조방법에 따라 제거율에 큰 차이를 보이며 전극의 지속적인 사용을 위한 안전성이 문제시될 수 있는 것으로 나타났다.
- 코팅전극과 소결전극의 전류밀도와 같은 실험조건과 시료가 상이하게 때문에 직접적인 비교가 불가능하다. 그러나 반응시간 10분 후 질산성질소와 불소의 제거율만을 비교해보면 코팅전극의 경우 질산성질소 99.9%, 불소 45%, 소결전극의 경우 질산성질소 44% 불소 23%의 제거율을 보였다. 따라서 소결전극 보다는 코팅전극을 이용 하여 전기흡착공정을 진행할 경우 이온의 제거율이 더 높은 것으로 나타났다.
- 질산성질소와 비교 시 불소가 더 높은 제거효율을 보였으며 초기 2분 후의 제거효율 폭 또한 불소가 더 큰 것으로 나타났다. 따라서 동일한 조건 하에서 전기응집 공정 적용시 질산성질소 보다는 불소가 효과적으로 제거되는 것을 알 수 있었다. 이는 MWCNT 전극을 이용한 전기흡착 실험과 반대되는 결과를 보이고 있다.
- 9%, 불소 45%, 소결전극의 경우 질산성질소 44% 불소 23%의 제거율을 보였다. 따라서 소결전극 보다는 코팅전극을 이용 하여 전기흡착공정을 진행할 경우 이온의 제거율이 더 높은 것으로 나타났다.
- 이를 통해 나노여과 공정만으로는 질산성질소와 불소 이온을 효과적으로 제거하기 어렵다는 것을 알 수 있었다. 물론 나노여과는 2가 이상의 이온 제거에 적합한 여과 공정이기 때문에 역삼투보다 적은 제거율을 보일 것이라고 예측하였지만 불소의 경우 나노여과에 의해 거의 제거되지 않는 것을 실험적으로 확인할 수 있었다. 전기전도도 역시 큰 변화를 나타내진 않았지만 148㎲/㎝에서 131㎲/㎝까지 감소하였다.
- 이는 MWCNT 전극을 이용한 전기흡착 실험과 반대되는 결과를 보이고 있다. 반응시간 10분후 질산성질소와 불소의 제거율 차이를 살펴보면 코팅전극 55%, 소결전극 21%로 질산성질소의 효율이 더 높게 나타났다. 이는 두 공정 모두 전기 화학적 반응을 이용하나 이온을 제거함에 있어 각기 다른 제거 메커니즘이 작동되고 있음을 시사하고 있으며, 이에 대한 추가 연구의 필요성을 제기하고 있다.
- 8(a)는 반응시간에 따른 질산성질소의 농도변화를 나타내었다. 반응시간 5분 후 99.9%의 제거효율을 나타냄으로써 수중의 질산성질소가 효과적으로 제거된 것을 알 수 있었다.
- 반응시간 15분이 지난 후에도 이와 비슷한 수준의 제거율을 나타냄으로써, 불소는 반응시간 초기 5분이후에는 더 이상의 제거가 발생하지 않음을 알 수 있었다. 불소가 질산성질소보다 전기적인 흡착이 덜 발생하는 것으로 나타났다. 전류 인가 시 사용되는 에너지 소비량을 고려할 때 코팅전극을 이용한 전기흡착은 질산성질소와 불소 모두 반응시간 5분 정도가 적합한 것으로 판단된다.
- 9%의 제거효율을 보인 반면, 불소는 44%만이 제거되었다. 소결전극을 사용하여 반응시간 60 분 경과한 후에 질산성질소는 82%의 제거효율을 보였고 불소는 77%의 제거율을 보였으나 전극에서 구리가 용출되어 나오는 문제점이 발견되었다.
- 전기응집의 경우에는 약 50%의 제거율을 나타내었다. 예상대로 나노여과 (NF)는 1가 이온의 제거에 적합하지 못한 것으로 확인되었다. 그러나 RO 공정은 에너지 소모가 높은 단점이 있으며, 전기응집 공정은 알루미늄수화물 (aluminum hydroxide)과 같은 슬러지가 다량 발생하는 단점이 있다.
- 질산성질소의 경우 여과 진행 후 6∼16%의 제거효율을 나타내었으며 불소의 경우에는 최대 1%의 제거효율을 나타내어 거의 제거되지 않는 것으로 나타났다. 이를 통해 나노여과 공정만으로는 질산성질소와 불소 이온을 효과적으로 제거하기 어렵다는 것을 알 수 있었다. 물론 나노여과는 2가 이상의 이온 제거에 적합한 여과 공정이기 때문에 역삼투보다 적은 제거율을 보일 것이라고 예측하였지만 불소의 경우 나노여과에 의해 거의 제거되지 않는 것을 실험적으로 확인할 수 있었다.
- 1mg/L를 보였다. 전기흡착 초기 10분후 약 41%, 40분후 78%의 제거율을 나타내었으며 반응 시간 60분 후에는 82%의 제거효율을 보임으로써 초기에 높은 제거효율을 나타내며 반응시간이 증가할수록 제거 효율 또한 지속적으로 증가함을 알 수 있었다. Fig.
- 10은 소결전극을 이용한 전기흡착 공정 시 시간에 따른 전도도 변화를 나타내었다. 질산성질소와 불소의 농도가 감소한 것을 고려할 때 수중의 이온물질이 제거 되어 전도도가 감소할 것으로 예상하였으나 오히려 증가 하는 경향을 나타내었다. 이는 실험이 진행됨에 따라 소결된 Cu-MWCNT의 구리가 용액으로 용출되어 전기전도 도가 증가되는 것으로 판단된다.
- 반응시간 10분 후에는 99%의 제거효율을 보였다. 질산성질소와 비교 시 불소가 더 높은 제거효율을 보였으며 초기 2분 후의 제거효율 폭 또한 불소가 더 큰 것으로 나타났다. 따라서 동일한 조건 하에서 전기응집 공정 적용시 질산성질소 보다는 불소가 효과적으로 제거되는 것을 알 수 있었다.
- 질산성질소의 경우 여과 진행 후 6∼16%의 제거효율을 나타내었으며 불소의 경우에는 최대 1%의 제거효율을 나타내어 거의 제거되지 않는 것으로 나타났다.
- 특이한 점은 질산성질소와 불소, 전기전도도 모두 여과 초기에는 농도가 크게 감소하였다가 차츰 여과가 진행되면서 유출수의 농도가 완만하게 증가하는 것을 볼 수 있다. 이는 전량여과 (dead end filtration) 방식을 채택한 여과가 진행됨에 따라 모액 (feed solution)이 농축되어 용질의 농도가 차츰 증가하기 때문인 것으로 판단된다.
- 2010년의 민관합동 수질 검사 결과는 이러한 소규모 수도시설의 수질이 기준을 초과하는 경우가 많은 것으로 확인되었다. 특히 수질기준 초과 항목 중에서 질산성질소 (NO3-N)가 총 위반건수 중 41.7%로 가장 높은 것으로 나타났다. 2008년의 수질검사 결과에서도 질산성질소와 불소 (F-)의 수질기준 초과가 심각한 것[5,6]을 상기하여 볼 때 여전히 소규모 수도시설에서 이온성 물질, 특히 질산성질소와 불소이온에 대한 오염이 심각한 것을 알 수 있다.
후속연구
- MWCNT를 활용한 전기흡착은 전극의 제조방법에 따라 제거율에 큰 차이를 보이며 전극의 지속적인 사용을 위한 안전성이 문제시될 수 있는 것으로 나타났다. 따라서 안정적인 전극의 개발에 지속적인 노력을 기울인다면 향후 경쟁력이 있는 공정으로 발전할 수 있을 것으로 판단된다.
- 용액의 색이 푸른색으로 관찰되었으며 이는 구리를 혼합하여 소결한 전극 (Cu-MWCNT)의 구리 이온이 용액으로 용출한 것으로 보인다. 이는 MWCNT가 전극 표면에 단단하게 고착하지 못함을 시사하는 것으로 향후 MWCNT의 견고한 전극 고착이 향후 중요한 연구 과제의 하나임을 시사한다.
- 반응시간 10분후 질산성질소와 불소의 제거율 차이를 살펴보면 코팅전극 55%, 소결전극 21%로 질산성질소의 효율이 더 높게 나타났다. 이는 두 공정 모두 전기 화학적 반응을 이용하나 이온을 제거함에 있어 각기 다른 제거 메커니즘이 작동되고 있음을 시사하고 있으며, 이에 대한 추가 연구의 필요성을 제기하고 있다.
- 알루미늄(Al)전극을 이용한 전기응집 공정은 슬러지가 다량 발생하는 단점을 감안하더라도 불소의 제거에 긍정적인 공정으로 평가된다. 향후 슬러지발생을 최소화할 수 있는 전기응집 공정의 최적화가 요망된다. MWCNT 활용 전극을 이용한 전기흡착 공정에서는 질산성질소의 경우와는 반대로 소결 법을 이용한 전극의 사용이 불소의 제거에는 오히려 유리한 것으로 나타났다.
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