초록 ▼

I. 제목
무기물 침전/분리 수자원 활용 공정기술 개발
Ⅱ. 연구개발의 목적 및 필요성
1. 연구의 필요성
물고기 떼죽음, 식수원 등의 수질악화에 대응하는 오염 수자원 정화 기술 개발에 대한 시민적 요구
PPMs 무역 규제 및 ISO 14000 무역 규제에 대응한 오염 수자원 정화 및 활용기술 개발에 대한 시대적 요청
2006년 이후 물 부족국으로의 전락에 대비한 수자원 재활용 기술 개발에 대한 국민적 요망
2. 최종목표
PPMs 규제 및 ISO 14000 규제

I. 제목
무기물 침전/분리 수자원 활용 공정기술 개발
Ⅱ. 연구개발의 목적 및 필요성
1. 연구의 필요성
물고기 떼죽음, 식수원 등의 수질악화에 대응하는 오염 수자원 정화 기술 개발에 대한 시민적 요구
PPMs 무역 규제 및 ISO 14000 무역 규제에 대응한 오염 수자원 정화 및 활용기술 개발에 대한 시대적 요청
2006년 이후 물 부족국으로의 전락에 대비한 수자원 재활용 기술 개발에 대한 국민적 요망
2. 최종목표
PPMs 규제 및 ISO 14000 규제 대응기술 확보를 통한 국가 경쟁력 강화 (수출경쟁력 유지 또는 확대)
무기물 또는 유기물 오염폐수를 청정화 처리하여 폐기 오염물의 50%이상 의 배출을 감소시키고 청정화된 수자원을 재활용(연간 100억원 이상의 청정수자원 확보효과 창출)
폐중금속 및 염을 재활용하여 인하여 수입 원료의 절약 효과 창출
3. 연차별 연구목표 및 연구내용
Ⅲ. 연구개발의 내용 및 범위
1차년도(1단계)
○중금속 불용화 원형기술의 개발
·공침에 의한 독성 중금속의 불용화
○도금 실폐수 처리 공정 개발
·크롬 폐액의 환원 침전화 및 제거
○멜라민 공장 폐수의 처리를 위한 신공정 개발
·멜라민 제조 공정 : 탈기, 응집, 침전/여과 및 슬럿지 탈수 공정을 개발
○ 제지폐수의 미세입자 제거공정 개발
·골판지 제조 공장 폐수의 생물학적 처리 후 잔여 콜로이드의 제거를 위한 응집 및 여과 시스템 개발
○ 반도체 폐수 중의 미세입자 콜로이드의 제거
·콜로이드의 제거 위한 응집 조건 최적화와 여과 시스템 구축
2차년도 (2단계 1차년도)
○CMP 폐수 처리 기술
·응집 조건의 최적화 연구
·응집 시스템의 최적화 연구
·상용화 기초 Pilot 연구
○중금속 폐수 처리 기술
·착염법과 침강법에 의한 다양한 중금속의 처리 조건의 최적화 연구
○ Nitrate 폐수 처리 기술
·전기영동 및 전기분해를 이용한 Nitrate 처리 기술 연구
·환원촉매 사용한 Nitrate 처리 기술 연구
3차년도 (2단계 2차년도)
○CMP 폐수 정화처리 기술
·CMP 폐수 정화처리 기술의 최적화 연구
·Pilot 설치를 통한 반도체 공정 처리 현장화
○중금속 폐수 정화처리 기술
·착염 및 침강 혼합법에 의한 다양한 중금속의 처리 조건의 최적화 연구
·중금속 폐수 처리 현장 적용을 위한 기초 연구
○Nitrate 폐수 정화처리 기술
·착염법과 전기장 처리에 의한 Nitrate 폐수 처리 연구
Ⅳ. 연구개발결과
1차년도(1단계)
○중금속 불용화 원형기술의 개발
·1,000 ppm의 구리를 함유한 인공수 : 공침과 여과를 통해 구리이온의 농도를 0.04 ppm까지 낮춤.
·FeCl3의 투입 조건 최적화 Test .
○도금 실폐수 처리 공정 개발
·원수 중의 크롬의 농도는 1360 ppm
·6가 크롬의 환원과 산화를 통해 0.06 ppm까지 낮출 수 있었음.
·슬럿지 처리 방법 및 재활용 방안모색
○멜라민 공장 폐수의 처리를 위한 신공정 개발
·원수 : 총질소 : 3,100 ppm, SS : 2,000 ppm, 암모니아성 질소 : 350 ppm
·처리수 : 총질소 : 352 ppm (제거율 : 88.6%), SS : not detectable (제거율 : 100%), 암모니아성 질소 : 4 ppm (제거율 : 98.9%)
○제지폐수의 미세입자 제거공정 개발
·폐수 성상 pH : 7.5∼7.6, SS(mg/l):76 ∼151, 탁도(NTU) : 6.5∼12.0
·처리공정 : 응집제 및 응집보조제를 이용한 응집과 필터 여과
·탁도 제거 : 1.5 NTU까지탁도 150∼ 300 NTU, SS : 150∼400 ppm
·처리수의 SS : 5 ppm 수준 유지
·공정 : 응집→완속교반→침전 및 여과
·약품비용 : 기존 유지비의 10% 수준으로 감축
2차년도 (2단계 1차년도)
○CMP 폐수 처리 기술
·응집 조건의 최적화
·Particle size가 0.2um이하에서 1000um정도로 성장함.
·SS(부유물질)의 농도 측정 결과 원수의 SS농도 3000ppm에서 처리 후 10ppm이하로 현저히 감소함.
·연속적으로 Feed가 유입되고, 유입과 동시에 응집물은 침전하여 청정수와 슬러지의 분리가 나타남.
·침전된 슬러지는 floc 의 크기가 약 1∼2mm 정도로 매우 큰 floc이 생성됨.
·역세척에 의해 막의 표면에 쌓이는 슬러지를 효과적으로 제거
○중금속 폐수 처리 기술
·이론식(크롬의 예)
·철화합물과 고분자를 첨가하여 중금속을 응집 처리가능
○Nitrate 폐수 처리 기술
·(+)electrode: 티타늄/(-)electrode: 백금 도금 티타늄 사용시 1000ppm의 Nitrate가 100ppm과 2500ppm으로 희석/농축됨.
·연속 공정으로 하여 Nitrate 희석 후 방출수 가능.
·Pd/Al2O3 + Cu 의 bimetal 촉매를 사용하여 50%의 Nitrate가 분해 제거.
3차년도 (2단계 2차년도)
○CMP 폐수 정화처리 기술
·10% 황산 수용액 0.5 ㎖를 첨가하는 경우 실리카 입자의 입경을 1.7배 증가시켰으며 가장 우수한 응집 효과.
·응집제 투입 순서를 황산, 음이온 고분자 응집제, Ca(OH)2 하는 경우 : 응집체의 크기와 최종 슬러지 부피 가장 우수.
·최적의 응집제 투입량 : 인공 폐수 1ℓ 처리시 10% 황산 수용액 0.5 ㎖,0.1% 음이온 고분자 응집제 수용액 3 ㎖, Ca(OH)2 0.25 g
·응집체의 크기 : 평균 직경 10∼15㎜ ·슬러지 부피 : 150 ㎖ 이내
·처리수의 SS 농도 : 10 ppm 미만
·CMP 폐수 1톤/시간 처리 용량의 Pilot를 제작, 하이닉스 반도체(구:현대전자산업(주)) 청주 공장에 설치하여 Pilot 운전 기술 확립
○중금속 폐수 정화처리 기술
·최적 응집제 철화합물 : FeCl3이 무정형 Fe(OH)3로 됨
·최적의 응집보조제 음이온계 고분자 : SA 407, Polyacrylamide
·착염 및 침강법을 통해 다양한 중금속(Cu, Cd, Pb 등)을 응집 처리가능
○Nitrate 폐수 정화처리 기술
·착염형성 반응시 반응조에 전기장을 걸어주는 경우가 반응속도, 반응율, 착염결정 크기 면에서 모두 우수.
·최적의 전극간 전류밀도 0.5mA/cm2
·UAC50과 Ca(OH)2의 최적 투입비율은 2.19 : 1(무게비)
·적정 반응조 체류시간은 75분 내외
Ⅴ. 연구개발결과의 활용계획
○PPMs 무역규제대상 분야 오염산업폐수 배출 전산업분야에 수자원 청정기술 관련 기술의 현장화 및 상업화
청정기술 은행을 통한 국내 관련 산업계에 정보 및 자료 제공
핵심기술 및 시스템화 설계기술, 현장적용 기술의 해외 수출
대 국민 홍보, 국제 환경 연계 무역규제 대응 등에 대한 향후 국가 정책결정 및 연구방향 설정에의 기반 자료 제공
○활용분야
- 피혁폐수의 중금속 재이용 분야
- 비철 및 도금폐수의 자원 재이용 및 용수 재사용
- 전자 및 반도체 폐수의 처리 및 유용 자원 재이용
- 식품 폐수의 염수 분리 및 재이용
- 폐광산 침출수의 처리 및 유용 중금속 재이용
- 지하수 정화 및 공업/농업 용수 이용
- 일반 폐수 및 오폐수의 고도 처리 및 용수 재이용 분야

Abstract ▼

The aim of this research is to develop treatment processes to remove inorganic pollutant in industrial wastewater for the reuse of water and raw materials. In this research several wastewater treatment technologies were developed for wastewater especially contaminated by fine particles, heavy metals

The aim of this research is to develop treatment processes to remove inorganic pollutant in industrial wastewater for the reuse of water and raw materials. In this research several wastewater treatment technologies were developed for wastewater especially contaminated by fine particles, heavy metals and nitrate ions.
The CMP(Chemical Mechanical Polishing) technique is now generally used in semiconductor industry for the purpose of planarizing the surface of the silicon dioxide deposition or the metal deposition on a silicon wafer. The wastewater generated from this CMP process usually contains thousands ppm of well dispersed colloidal amorphous silica particles with the volume average diameter of about 80 nm. Recently as the evenness of the wafer surface becomes more important to make even a higher integrated circuit density on a silicon wafer, the use of the CMP technique is rapidly increasing. As a result it also becomes an important research topic to develop an efficient technique to remove the colloidal silica particles in the CMP wastewater.
In this study the use of silica activators such as sulfuric acid, nitric acid and chloric acid, in addition to the conventional coagulants and flocculants, was found to give much better results in flocculating and sedimenting the colloidal silica particles. Experimental results show that both the diameter of the silica particles and the negative charge build-up on the surface of the silica particles are increased when the silicon activator is added into the colloidal silica solution. It was also found that the final silica floc formed by using a silica activator, an anion polymer flocculant and Ca(OH)2 has a higher density and a larger size than the floc made by using only the polymer flocculant and Ca(OH)2. Among silica activators sulfuric acid was found to yield the best flocculation results from the stand point of the floc size and density. It was even possible to form a dense silica floc having a diameter of 15 mm if proper quantities of a silica activator, an anionic polymer flocculant and Ca(OH)2 are added into the colloidal silica solution.
In the second part of this study the treatment technologies to remove soluble heavy metal ions are considered. Generally soluble heavy metal(Cu, Cr, Cd, Pb. etc.) ions present in wastewater could be deleterious to health, and as a result, their discharge into surface water has been regulated. Many processes for the removal of heavy metals from wastewater have been investigated. Coagulation and precipitation are the processes that have been reported to be the most effective in the removal of heavy metals. In this study, a fundamental process by the co-precipitation and filtration of heavy metals dissolved in wastewater was developed. Cu ions was removed by coagulation with iron. And Cr(Ⅵ) ions in metal plating wastewater was turned into Cr(Ⅲ) by reduction with iron(Ⅱ).
In the third part of this study, nitrate contaminated surface water and ground water were considered. It usually was very difficult to remove nitrate using conventional water treatment technologies such as lime softening and filtration. More sophisticated technologies -- chemical denitrification, ion exchange, reverse osmosis, electrodialysis, catalytic denitrification, and biological denitrification -- should be used to remove nitrates from drinking water. However, it was found that nitrate can form an insoluble complex salt by the reaction with alumina cement and basic reagent in early 1990.
A new process using above discovery has been developed for the removal of nitrate and other negative ions from polluted water. The commercial Alumina cement and calcium hydroxide are used to form insoluble calcium-nitro- aluminate precipitates with rapid stirring. However a major drawbacks of using this method is that excessive quantities of alumina cement and calcium hydroxide were used. Thus in order to reduce the amount of alumina cement and calcium hydroxide an electric field was introduced. Experimental results was found to be very effective in the reductions of alumina cement and calcium hydroxide required.
In this study to remove nitrate ion by forming insoluble complex salt, the reaction among alumina cement, calcium hydroxide and nitrate ion was tested under an electrical field. The form of calcium-nitro-aluminate complex salt obtained under an electrical field was found to be identical to that obtained without an electric field. And the size of the complex salt crystal obtained under an electric field was found to be bigger than the size of that obtained without an electric field. In case of removing the nitrate ion from the aqueous solution having nitrate ion concentration of 1000ppm, the maximum removal rate by the complex salt formation was found to be about 85% despite of an electrical field. It was also observed that the quantities of alumina cement and calcium hydroxide required to remove 85% of nitrate ion under an electric field was approximately a half of those required to remove the same amount of nitrate ion without an electric field. Thus for the method of removing nitrate ion by the complex salt formation it is expected to drastically improve the economics of the process by providing an electric field in the complex salt forming reactor.
<Precipitation and Filtration of Inorganics for Water Resource Conser- vation and Utilization>
In order to reuse wastewater treated with the precipitation method for process water, a basic experiment with the commercial RO membrane was performed and the design data of wastewater recycling process using RO process were presented here. As heavy metal ion adsorbents, chemically active mesoporous silicas and bi-functional mesoporous adsorbents were synthesized using HMS and SBA types of mesoporous silicas. Synthesized adsorbents had a high loading capacity and a high selectivity for mercury ions among other metal ions in aqueous solution. The adsorbents can be used for selective removal of metal ions.
<The Development of Photocatalytic and Plasma Reaction System for the Wastewater Treatment>
(1) Preparation of TiO2 powder catalysts using sol-gel method
- Sol-gel methods combined with freeze drying or stearic acid addition techniques to get TiO2 particles with high degree of anatase crystal growth and specific area, both of which are attributed to the photocatalytic activity.
- Higher degree of anatase crystal growth was achieved by using freeze drying technique as a drying procedure of sol-gel method than conventional oven drying method.
- The addition of stearic acid to the reactants resulted in the increase of specific area of TiO2 but no significant effect on the anatase growth.
- The increase of pH of sol up to 6.9 resulted in the increase of pore volume of catalyst.
(2) Preparation of film-type TiO2 catalyst using RF plasma deposition method
- PECVD method was adopted to deposit film-type TiO2 catalyst for its suitability to produce large-area films.
- There were enhancements in the degree of homogeneity in the film thickness, controllability of crystalline structure and deposition rate by using RF plasma enhanced chemical vapor deposition.
- Different background gases in deposition chamber brought the differences in the deposition rate and crystalline structure of films.

목차 Contents

• 제1장 서론
  제 2 장 국내외 기술개발 현황
  1 절 CMP 폐수 정화 처리 기술
  1. 국내외 연구 개발 현황
  2. 수행연구
  2 절 중금속 폐수 정화 처리 기술
  1. 국내외 연구 개발 현황
  2. 수행 연구
  3 절 Nitrate 폐수 정화 처리 기술
  1. 국내외 연구 개발 현황
  2. 수행 연구
  4 절 고도 분리막 기술의 수처리 응용
  1. 국내외 연구 개발 현황
  2. 수행 연구
  제 3 장 연구개발수행 내용 및 결과
  1 절 CMP 폐수의 정화 처리
  1. 응집에 의한 CMP 폐수의 정화 처리 기술
  가. 서론
  나. 실리카 콜로이드 수용액의 특성
  (1) 입자의 potential과 pH의 관계
  (2) 전기적인 이중 층 구조 이론 (Double layer Theory)
  (3) 실리카의 활성화
  (4) 반대 전하 이온의 효과
  다. 실험 방법
  (1) 실리카의 활성화.
  (2) 전통적 방법에 의한 콜로이드 실리카 응집의 최적화.
  (3) 실리카 활성화제를 추가한 새로운 응집 방법
  (4) 황산이 실리카 활성화제로 이용되는 응집 공정의 최적화
  라. 연구 결과
  (1) 실리카의 활성화
  (2) 전통적 응집 방법에서의 응집제 투입 순서의 최적화.
  (3) 실리카 활성화제를 추가한 새로운 응집 방법
  (4) 황산이 추가 투입되는 응집 공정의 최적화
  마. 결론
  2. CMP 폐수 정화 처리의 상용화 연구
  가. Pilot plant 운전
  (1) 설계 및 제작
  (2) 운전
  (3) 결과 고찰
  나. 보충 실험
  (1) 상등수의 용존 물질
  (2) CMP 폐수의 농도에 따른 최적 약품 투입량
  (3) 동시 투입의 효과
  (4) 재활용수를 위한 기초 실험
  (가) 이온 교환수지를 이용
  ① 이온교환수지 column 제조
  ② 상등수 제조
  ③ 상등수 통액
  (나) sand filter 효과
  ① Sand filter column 제조
  ② 상등수 제조
  ③ 상등수 통액
  (다) 전기장의 효과
  (라) Zeolite의 사용
  ① 처리예 1
  ② 처리예 2
  2 절 중금속 폐수의 정화 처리
  1. 산화철을 이용한 응집/침전에 의한 구리 이온 제거
  가. 서 론
  나. 실험 방법
  (1) 회분식 실험
  (2) 연속 공정 실험
  다. 분석 방법
  라. 결과 및 토론
  (1) 회분식 실험
  (가) 폐수에 투입되는 응집제의 양과 pH에 따른 구리 이온 제거 효과
  (2) 연속 공정 실험
  (가) 연속 공정 운전 시간에 따른 pH와 처리수의 농도 변화
  (나) 교반 시간에 대한 구리 이온 제거 효과
  (다) Stainless steel membrane pore size 변화에 따른 처리수의 농도 변화
  2. 도금 폐액에서 2가 철의 산화에 의한 6가 크롬의 환원 및 제거
  가. 서 론
  나. 실험 방법
  다. 분석 방법
  라. 결과 및 토론
  (1) pH 변화에 따른 Cr 과 Fe의 제거 효과
  (2) 침강 시간에 따른 크롬과 철분의 슬럿지 부피 변화
  3 절 Nitrate 폐수의 정화 처리
  1. 연구 배경
  2. 실험 방법
  3. 실험방법 및 내용
  가. 회분식 실험
  나. 단일 연속 반응조 실험
  다. 분석방법
  4. 결과 및 고찰
  가. 착염형성 반응물의 적정 투입량
  나. 전기장이 질산이온제거에 미치는 영향
  다. 침전형태의 분석
  라. 전류밀도 및 전극간 거리의 변화에 따른 질산이온 제거효율
  마. 전기장 반응에서의 적정 반응물 투입량
  바. 연속반응 공정 실험
  (1) 적정 반응물 투입량
  (2) 적정체류시간
  5. 결론
  4 절 다양한 공정 폐수의 정화 처리
  1. 멜라민 제조 공정 폐수의 처리
  가. 서론
  나. 실험재료 및 방법
  (1) 시료
  (2) 실험장치
  (3) 실험방법
  다. 결과 및 고찰
  (1) CaO 첨가량에 따른 암모니아성 질소의 제거
  (2) 최적 응집조건
  (3) 막여과 모듈의 효과
  2. 골판지 제조 공정 폐수의 처리
  가. 서론
  나. 실험재료 및 방법
  다. 결과 및 고찰
  (1) Membrane 여과
  (2) Al2(SO4)3에 의한 응집
  (3) 고분자에 의한 응집
  5 절 무기물 침전 고도막 수자원 활용 공정기술