[논문]고도산화공정을 이용한 고농도 무전해 니켈도금 폐액 처리방안 연구

서민혜; 조성수; 이수영; 김진호; 강용호; 엄성현

doi:10.14478/ace.2015.1016

고도산화공정을 이용한 고농도 무전해 니켈도금 폐액 처리방안 연구
A Study on the Highly Effective Treatment of Spent Electroless Nickel Plating Solution by an Advanced Oxidation Process 원문보기

공업화학 = Applied chemistry for engineering, v.26 no.3, 2015년, pp.270 - 274

서민혜 (고등기술연구원 신소재공정센터) , 조성수 (고등기술연구원 신소재공정센터) , 이수영 (고등기술연구원 신소재공정센터) , 김진호 (인천화학(주)) , 강용호 (인천화학(주)) , 엄성현 (고등기술연구원 신소재공정센터)

초록
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본 연구에서는 고농도 무전해 니켈도금 폐액을 처리하기 위한 고도산화공정 기술을 개발하였다. 추출, 농축 공정을 이용한 니켈 금속 회수보다는 폐수를 방류수 수준으로 처리할 수 있는 기술 개발을 위하여 차아인산염과 아인산염을 침전이 용이한 인산염으로 효과적으로 전환시킬 수 있는 공정 개발에 초점을 맞추었다. 광화학적 방법인 $UV/H_2O_2$ 방식을 채택하여 COD, $PO_4-P$ 변화 효율 및 과산화수소의 소모량을 분석함으로써 고농도 무전해 니켈도금 폐액의 고도산화처리 특성을 평가하였다. 특히, $UV/H_2O_2/O_3$ 방식으로 오존산화법을 추가함으로써 과산화수소 사용량을 30% 가량 절감하고 처리시간을 약 6 h 단축시킬 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

We develop advanced oxidation processes for the treatment of spent electroless nickel plating solution. Apart form recovering nickel by leaching and enrichment, more emphasis is placed on rendering the waste water recyclable via oxidizing phosphite and hypophosphite into phosphate which can then be precipitated easily. $UV/H_2O_2$ process is employed and the conversion efficiency of COD and $PO_4-P$, and $H_2O_2$ consumption are analyzed. Furthermore, the $UV/H_2O_2/O_3$ process in conjunction with $O_3$ generator enables us to not only save the treatment time by 6 hours but also reduce $H_2O_2$ consumption by 30%.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 고도산화공정 기술을 이용하여 고농도 무전해 니켈 도금 폐액을 대상으로 니켈 금속을 회수하고 폐수를 방류수 수준으로 처리하여 재활용할 수 있는 공정을 개발하고자 하였다. 특히, 광화학적 방법인 UV/H₂O₂ 및 UV/H₂O₂/O₃ 방식을 채택하여 COD 및 PO₄-P 변화 효율 및 과산화수소의 소모량을 평가함으로써 화학약품 사용량과 에너지 소모량을 고려한 환경성 및 경제성을 평가할 수 있는 기초 자료를 도출하였다.
본 연구에서는 무전해 니켈도금 폐액의 효율적 재처리 관점에서, 특히 폐수 발생 억제 측면에서 유기물 분해와 함께 차인산염 및 아인산염을 인산염으로 전환하여 침전·제거가 가능하도록 하여 인 기원 화합물을 처리하고자 하였다.

제안 방법

니켈이온의 존재 유무에 따른 처리효율을 분석하고자 이온교환수지를 이용하여 니켈이온을 흡착·제거하였다.
도금 폐액 내 포함되어 있는 니켈염 및 니켈 착화합물의 영향을 평가하기 위하여 니켈 회수를 위한 여과공정 유무에 따른 유/무기물의 처리효율을 측정하였다. Figure 3에서 보는 것처럼 니켈 회수공정을 거치게 되면 COD 및 T-P 처리효율이 증가하게 되는데, 이것은 니켈 착화합물 역시 라디칼 소모에 기여하기 때문이다.
AOP 시스템은 관형 광반응기 2개가 직렬로 구성되어 있으며, 광반응기 내에는 254 nm 파장, 250W 강도의 UV lamp가 설치되어 있다. 반응기 용량은 20 L 폐액을 처리할 수 있도록 설계되었으며, 펌프를 통해 연속 순환시키면서 반응시키며 정해진 일정시간 간격으로 채취한 시료의 COD 및 PO₄-P 농도를 분석하였다.
본 실험에서는 국내 A업체의 도금공정에서 발생한 인(P)과 탄소함량이 고농도인 무전해 니켈도금 폐액을 처리하기 위하여 Figure 1의 AOP 장치를 설계, 제작하였다. AOP 시스템은 관형 광반응기 2개가 직렬로 구성되어 있으며, 광반응기 내에는 254 nm 파장, 250W 강도의 UV lamp가 설치되어 있다.
산화제로써 반응에 주입되는 과산화수소는 1,000 ppm씩의 단위부피로 투입하여 라디칼의 자가 소모분을 보충하고자 하였다. 반응기 내 과산화수소의 잔량이 0.
오존 발생을 위해서 사용된 오존 생성 램프는 185 nm 파장, 15 W 강도로, 반응기 내에 3개를 설치하여 실험하였으며, 오존 램프 적용 유무에 따른 COD 제거 및 PO₄-P 산화효율을 비교하였다.
특히, AOP 기술 중 촉매를 사용하는 Fenton법 기반이 아닌 UV/H2O2 기반의 광화학법을[14-16] 사용하여 고농도, 대용량의 도금 폐액을 처리하고자 공정 최적화를 수행하였으며, 투입되는 H2O2 양을 절감하고자 오존산화법과의 융합을 꾀하였다.
본 연구에서는 고도산화공정 기술을 이용하여 고농도 무전해 니켈 도금 폐액을 대상으로 니켈 금속을 회수하고 폐수를 방류수 수준으로 처리하여 재활용할 수 있는 공정을 개발하고자 하였다. 특히, 광화학적 방법인 UV/H₂O₂ 및 UV/H₂O₂/O₃ 방식을 채택하여 COD 및 PO₄-P 변화 효율 및 과산화수소의 소모량을 평가함으로써 화학약품 사용량과 에너지 소모량을 고려한 환경성 및 경제성을 평가할 수 있는 기초 자료를 도출하였다. Figure 1에 도식화된 것처럼 니켈 금속은 산세, 농축 및 전해채취공정을 거쳐 회수되어, 니켈기반 화학물질을 제조에 효과적으로 사용될 수 있으며, 향후 과산화수소 투입 조건 개선 및 UV/O₃ lamp의 적절한 위치선정 등을 최적화하여 처리효율을 개선하고, 철(Fe)계 침전제의 사용으로 인산염 침전물을 고순도 인산철로 활용할 수 있다면[18] 궁극적으로 도금 폐액을 온전하게 재활용할 수 있는 그린공정을 구현할 수 있을 것으로 사료된다.

이론/모형

0으로 조정하였다. 폐액 및 처리수의 COD는 과망간산칼륨법으로 분석하였으며, 분광광도계(Humas, HS-2300Plus)를 이용하여 정량하였고, PO₄-P의 농도 또한 분광광도계(Merck, NOVA60)로 분석하였다.

성능/효과

더불어 과산화수소 소모량도 현저하게 감소하게 된다. 본 연구에서 적용된 이온교환수지에 의한 니켈 성분의 제거 효율은 98% 이상이었으며, pH 조정에 의해서 효과적으로 불순물을 제거할 수 있었다. 니켈 금속의 회수는 그림에서처럼 폐수처리에 투입되는 화학물질, 즉 과산화수소의 양을 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라 산업적 이용도가 높은 니켈의 재활용 관점에서도 중요한 공정이기 때문에[3] 효과적으로 공정설계를 수행하여 경제성과 효율 측면에서의 최적화가 필요하다.
사업장에서 배출되는 실제 도금 폐액을 대상으로 실험하였기 때문에 초기상태가 일정하지 않으며, COD와 인산염 농도 외의 기타 첨가물의 함량은 본 실험에 직접적인 영향을 미치지 않을 것으로 예상하여 분석값을 별도로 표시하지 않았으나 암모니아성 질소와 미량의 금속 성분이 일부 포함되어 있다고 보고되고 있다[3]. 산화효율은 초기 COD와 관계없이 일정하게 나타났으며, 30 h 전후의 조사 이후에 100 ppm 이하의 COD 수치를 보여주었다. 이에 반해 인산염으로의 산화효율은 초기 T-P(Total Phosphorous) 농도가 유사하더라도 반응속도에 차이가 발생하는 것으로 나타났다.
산화효율은 초기 COD와 관계없이 일정하게 나타났으며, 30 h 전후의 조사 이후에 100 ppm 이하의 COD 수치를 보여주었다. 이에 반해 인산염으로의 산화효율은 초기 T-P(Total Phosphorous) 농도가 유사하더라도 반응속도에 차이가 발생하는 것으로 나타났다. Figure 1에서 볼 수 있듯이 전체공정에서 초기 여과공정과 pH 조정을 통해 초기상태를 일정하게 유지하려고 하였지만, 용액 내 첨가제의 잔류량과 상태를 정확하게 분석할 수 없기 때문에 비선형적인 거동을 보이게 된다.

후속연구

특히, 광화학적 방법인 UV/H₂O₂ 및 UV/H₂O₂/O₃ 방식을 채택하여 COD 및 PO₄-P 변화 효율 및 과산화수소의 소모량을 평가함으로써 화학약품 사용량과 에너지 소모량을 고려한 환경성 및 경제성을 평가할 수 있는 기초 자료를 도출하였다. Figure 1에 도식화된 것처럼 니켈 금속은 산세, 농축 및 전해채취공정을 거쳐 회수되어, 니켈기반 화학물질을 제조에 효과적으로 사용될 수 있으며, 향후 과산화수소 투입 조건 개선 및 UV/O₃ lamp의 적절한 위치선정 등을 최적화하여 처리효율을 개선하고, 철(Fe)계 침전제의 사용으로 인산염 침전물을 고순도 인산철로 활용할 수 있다면[18] 궁극적으로 도금 폐액을 온전하게 재활용할 수 있는 그린공정을 구현할 수 있을 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	무전해 니켈도금은 어떤 용도로 활용되고 있는가?	무전해 니켈도금은 니켈염 수용액에 환원제를 사용하여 금속니켈을 석출 시키는 자기 촉매 니켈도금이 상업적으로 활용되고 있으며, 환원제로는 차아인산나트륨(NaH2PO2 · H2O)이 주로 사용되고 있다. 차아인산염 무전해 니켈도금은 균일도금성 및 내식성이 우수하며, 도금피막의 물성을 제어할 수 있다는 장점이 있는 반면, 액수명이 짧아 상대적으로 고가이며 도금액 상태의 유지가 어렵고, 위에서 언급한 환원제 외에도 착화제, 촉진제, 안정제 등의 고농도 유기화합물이 함유되어 있기 때문에 니켈 회수 및 폐수처리에 상당한 저해요인으로 작용하고 있다[1-3].
	무전해 니켈도금을 취급하는 사업장에서 폐액 위탁 처리비용은 얼마인가?	무전해 니켈도금을 취급하는 사업장에서는 통상 10만원/톤 내외의 가격으로 폐액을 위탁처리하고 있으나, 폐액의 효율적 재처리는 환경 부하 경감차원에서뿐만 아니라 5000 ppm 내외로 잔류하고 있는 니켈 금속 회수 및 폐수의 재이용을 통한 경제성 제고 측면에서도 적극적인 연구개발이 이루어져야 한다. 더욱이 인(P) 기원 화합물들은 환경적으로 부영양화의 원인이 될 뿐만 아니라 독소를 발생시키는 일종의 오염물질이 되기도 하기 때문에 화학적 처리에 의해 침전시킴으로써 인산염 형태로 고형화시켜 처리하고자 하고 있지만 얻어진 슬러지 중의 불순물, 수분함량, 유기물질 등으로 인해 재이용하기에는 부적합한 경우가 많아 대부분 매립하고 있는 실정이다.
	본 연구에서 니켈 금속을 회수하고 폐수를 방류수 수준으로 처리하여 재활용하기 위해 어떤 방안을 채택하였는가?	본 연구에서는 고도산화공정 기술을 이용하여 고농도 무전해 니켈 도금 폐액을 대상으로 니켈 금속을 회수하고 폐수를 방류수 수준으로 처리하여 재활용할 수 있는 공정을 개발하고자 하였다. 특히, 광화학적 방법인 UV/H2O2 및 UV/H2O2/O3 방식을 채택하여 COD 및 PO4-P 변화 효율 및 과산화수소의 소모량을 평가함으로써 화학약품 사용량과 에너지 소모량을 고려한 환경성 및 경제성을 평가할 수 있는 기초 자료를 도출하였다. Figure 1에 도식화된 것처럼 니켈 금속은 산세, 농축 및 전해채취공정을 거쳐 회수되어, 니켈기반 화학물질을 제조에 효과적으로 사용될 수 있으며, 향후 과산화수소 투입 조건 개선 및 UV/O3 lamp의 적절한 위치선정 등을 최적화하여 처리효율을 개선하고, 철(Fe)계 침전제의 사용으로 인산염 침전물을 고순도 인산철로 활용할 수 있다면[18] 궁극적으로 도금 폐액을 온전하게 재활용할 수 있는 그린공정을 구현할 수 있을 것으로 사료된다.

참고문헌 (18)

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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