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Kafe 바로가기주관연구기관 | 테크로스 |
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연구책임자 | 권경안 |
참여연구자 | 박대원 , 이규환 |
보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 | 한국어 |
발행년월 | 2020-11 |
과제시작연도 | 2020 |
주관부처 | 산업통상자원부 Ministry of Trade, Industry and Energy |
과제관리전문기관 | 한국산업기술평가관리원 Korea Evaluation Institute of Industrial Technology |
등록번호 | TRKO202200005646 |
과제고유번호 | 1415169085 |
사업명 | 우수기술연구센터(ATC)(R&D) |
DB 구축일자 | 2022-07-30 |
키워드 | 전기화학.전극.나노구조.귀금속 저감.총 질소.현장형 HOCl 발생장치. |
□ 최종목표
◦ 본 과제의 최종목표는 기존 전기분해 전극의 귀금속 촉매 사용량 저감을 위한 비 귀금속 대체 촉매의 개발, 귀금속 사용 최소화 전극의 개발과 동시에 이를 이용한 HOCl generator와 질소 제거 전기분해시스템을 활용한 고농도 폐수처리 기술개발임.
- 비 귀금속 전기분해용 촉매 개발, 귀금속 저감 전극 개발
- 현장형 HOCl generator 개발
- 암모니아성, 질산성 질소 동시제거 전기분해 시스템 개발
□ 단계목표
◦ 주관기관(테크로스): 고농도 폐수처리용 시스템 제작
□ 최종목표
◦ 본 과제의 최종목표는 기존 전기분해 전극의 귀금속 촉매 사용량 저감을 위한 비 귀금속 대체 촉매의 개발, 귀금속 사용 최소화 전극의 개발과 동시에 이를 이용한 HOCl generator와 질소 제거 전기분해시스템을 활용한 고농도 폐수처리 기술개발임.
- 비 귀금속 전기분해용 촉매 개발, 귀금속 저감 전극 개발
- 현장형 HOCl generator 개발
- 암모니아성, 질산성 질소 동시제거 전기분해 시스템 개발
□ 단계목표
◦ 주관기관(테크로스): 고농도 폐수처리용 시스템 제작 및 성능시험
- 5kg/hr급 HOCl generator 시스템 설계 및 제작, 성능시험
- 10m3/day급 전기분해 시스템 제작 및 성능시험
◦ 참여기관(서울과기대): 폐수처리용 귀금속 저감 양극, 질산성 질소 환원 방해이온 분석 및 효율 유지방안 도출
◦ 참여기관(재료연구소): 귀금속 대체 촉매 개발, anti scale 구조 최적화 개발
- 대체촉매 염소발생 전류효율: 90% 이상
- 대체촉매 내구성: 20,000시간 이상
- 전극면적: 1m2 이상
- 귀금속 사용량: 12%
◦ HOCl generator 개발
- HOCl separator를 이용한 실험인자별 테스트 진행
- 5kg/hr급 HOCl generator 설계 및 제작
- HOCl 생산량 및 효율 테스트 진행, 시간당 5kg의 HOCl 생산
◦ 질산성질소 제거장치 개발
- 10m3/day 급 질산성질소 제거장치 설계, 제작
- 질산성 질소 저감 효율 테스트 진행, 90% 이상 제거효율 확인
□ 개발내용 및 결과
◦ 귀금속 저감 염소발생 전극 개발(RuO2-PdO-TiO2/Ti plate)
- 귀금속 저감 전극 제조 조건 최적화
◦ 고내구성 염소발생전극 개발
- Ti plate 의 표면처리를 통한 고내구성 전극 개발
- 기존 전극 대비 수명 3배 향상
◦ 비귀금속 저감 염소발생전극 개발
- 비귀금속 CuCo2O4 전극 개발
- 비귀금속 blue TiO2 전극 개발
◦ 전극 제작 공정용 장비 및 실험공간 구축
- electrostatic spray 장치, 흄후드, convection oven, furnace 구축
◦ 전극 모재 전처리 제조기술 구축
- physical 및 chemical 방법 조건별 실험을 통한 촉매의 adhesion effect 확인 및 전처리 기술 최적화
- Electrochemical (양극산화) 법을 이용한 질산성질소 환원용 음극 전처리 기술개발
◦ Wet 기반 coating material 합성 및 코팅기술 개발
- Ru, Ir 귀금속에 기타 비귀금속 3종을 1성분, 2성분, 3성분 4성분계 등으로 귀금속 저감 촉매 코팅기술 개발
◦ 귀금속 저감 양극의 전기화학적 특성 및 내구성 분석
- Ru, Ir 귀금속 기반 양극의 전극으로서의 효용성 평가를 통한 귀금속 저감 양극 개발 (임피던스 평가, anodic overpotential 평가)
- Ru, Ir 귀금속 저감 촉매 적용한 양극의 가속조건의 충방전 실험을 통한 내구성 분석
◦ 질산성질소 환원 음극 제조기술 개발
- 양극산화법(anodization)을 이용한 귀금속 “제로” 환원음극 개발
- 기타 금속(6종)의 전극과의 전기화학적 특성 비교 및 분석
(임피던스 평가, anodic overpotential 평가)
◦ 질산성질소 환원 음극 및 귀금속 저감 MMO 양극 적용
질산성질소 제거 전기분해장치 개발
- 질산성질소 환원 음극 적용 후 질산성질소 및 암모니아성질소 제거율 평가
- 질산성 질소 환원 kinetics 연구 및 대면적 전극 제조기술 최적화
- 질산성 질소 환원에 적합한 MMO 양극 개발 필요성 제시
□ 기술개발 배경
산업화에 의한 환경오염은 전 세계적인 문제로 대두되고 있음. 특히 영양염류는 과도한 조류의 발생을 유발하여 정수처리 공정 문제, 맛과 냄새 그리고 독성의 유발, 정수처리 비용의 증가에 따른 경제적 손실,공중보건상 안전하고 깨끗한 수자원 확보의 어려움 등 많은 문제가 있어 질소, 인의 처리에 대하여 꾸준히 강조됐음. 특히 질소의 경우 낮은 농도까지 처리할 수 있는 기술의 확보가 시급한 실정임.
고농도 질소를 포함한 배연탈황폐수, 반도체 및 금속 표면처리 폐수는 Breakthrough chlorination, R/O membrane, 생물학적 탈질 등을 이용하여 처리하고 있지만, 과다 사용되고 있는 약품에 대한 비용, 안전성 측면에서 시급한 개선이 필요하고 기타 처리기술은 제거효율 측면에서 비효율적임. 반면, 전기화학적 산화, 환원반응을 이용한 고농도 질소처리는 기존부터 가능성을 인정받아 왔으며, 기술의 최적화와 가격경쟁력이 확보된다면 혁신적인 BAT(Best Available Technology)가 될것으로 판단하였음.
배연탈황폐수의 경우 탈질과정에서 배출되는 미반응 NH3와 배기가스 중 NO2와 SO2의 반응 부산물로 N-S COD가 배출됨. 기존의 N-S COD 처리방법은 산성조건에서 NaOCl을 첨가하여 분해하며, 질소의 경우에는 생물학적 질산화, 탈질을 이용하여 처리하고 있음. 하지만 많은 화학약품이 소모되기도 할 뿐 아니라 생물학적처리에 있어 비효율적인 측면이 문제시되고 있음.
따라서 현장형 HOCl 발생장치와 질소제거에 특화된 전극을 개발 전기분해형 질소제거 장치를 개발하여 이러한 문제점들을 해결할 수 있도록 하였으며, 이 개발품에는 모두 대체 촉매가 적용된 고활성, 가격 경쟁력이 우수한 전극을 적용할 계획임.
□ 핵심개발 기술의 의의
기존 수처리 전극의 경우 백금족의 귀금속 전극이 일정 수준 이상 포함된 촉매 물질로의 코팅이 필수이나, 귀금속 물질을 대체할 수 있는 비귀금속 계열의 전극 및 귀금속 함량이 대폭 저감된 전극의 개발로, 수처리 전극의 가격 경쟁력이 대폭 향상될 수 있을 것으로 예상함.
배연탈황폐수 등의 처리에 사용되고 있는 공정 중 기존의 약품처리공정에 현장형 HOCl 발생장치가 적용되고 있는 사례는 알려지지 않았음. 현장형 HOCl 발생장치의 개발 후 실제 공정에 적용될 경우, 악품 비용 및 관리의 안정성 측면에서 다양한 장점이 존재하기 때문에, 기존의 전통적인 공정을 대체하여 표준 공정으로 자리매김할 수 있을 것으로 판단함.
배연탈황폐수의 처리 중 질산성 질소의 경우, 기존에는 생물학적 처리에만 의존하고 있음. 폐수의 특성상 낮은 처리효율이 문제되고 있어 질산성질소의 효과적인 대체 처리기술이 매우 시급하지만, 현재까지 마땅한 대안이 없는 실정임. 본 연구에서 개발하고 있는 질산성 질소처리장치는 질산성 질소를 효과적으로 처리할 수 있는 음극 개발을 포함하고 있으며, 이 기술은 전기분해를 이용해 간단히 처리할 수 있어 효율 뿐 아니라, 운용적인 측면에서도 용이, 기존 기술대비 혁신적인 처리기술이라 할 수 있음. 질산성 질소는 현재 대부분 생물학적으로만 처리되고 있어 개발이 완료될 경우, 전통적인 처리공정에 많은 파급효과가 있을 것으로 사료됨.
□ 적용 분야
배연탈황폐수 중 N-S COD에서 약품 투입공정 및 질산성 질소 처리공정에 효과적으로 적용할 수 있음. 더 나아가 강력한 살균력을 이용한 살균분야 응용뿐만 아니라 고농도의 질소를 포함한 반도체 식각폐수, 표면처리 폐수 등 다양한 산업폐수 처리 분야에 적용이 가능할 것으로 판단됨.
(출처 : 초록 - 3. 개발결과 요약 6p)
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