전기응집(electrocogaulation)의 기본 원리와 패러데이 효율

 

출처

Electrode passivation, faradaic efficiency, and performance enhancement strategies in electrocoagulation—a review

Water Research, Volume 187, 15 December 2020, 116433

 

<전기 응집 기본 설명>

 

전기 응집 방법을 사용할 경우 기존 화학적 침전 방식에 비해 화학물질의 사용과 발생하는 슬러지의 양을 줄일 수 있다. 전기응집에서는 금속 성분이 서서히 용출되어 소모되는 전극이 사용되며, 용출된 금속 이온은 응집제의 역할을 하며 오염물질과 함께 침전된다. 하지만 전기응집 반응이 오래 지속되면 전극 위에 여러 물질이 침전되어 오염물질 제거 효율이 감소하고 에너지 사용량이 증가할 수 있다. 이러한 전극 부동 태화(passivation) 현상을 해결하는 것이 현재의 가장 시급한 과제이다.

Anode에서 금속이 용출될 때 금속 양이온은 수화되어 산화/수산화물(oxy(hydr)oxides)과 H3O+ 이온(H+)을 형성한다. 이 때 생성된 H+ 때문에 pH가 감소하지만 Cathode에서 생성된 OH-에 의해 H+ 이온은 중성화된다. 금속 산화/수산화물은 양이온의 특성을 가지기 때문에 음전하를 띄는 부유물질과 반응하여 더 큰 응집체를 형성한다. 이렇게 생성된 응집체는 여과, 부유, 침전 방식으로 제거될 수 있다.

 

 

 

<패러데이 효율>

 

전기화학적으로 생성되는 응고제(coagulant)는 패러데이의 법칙(Faraday's Law of Electrolysis)에 의해 예상될 수 있고 셀을 통해 전달되는 전하의 양에 비례한다. 패러데이 효율(faradaic efficiency)은 용출된 금속의 양으로 결정된다. 생성된 플록을 산에 녹혀 ICP-OES같은 기기로 금속 이온의 양을 측정하는 것이다. 패러데이 효율이 100%에 가까울수록 전류를 효율적으로 사용한 이상적인 시스템이다.

 

 

F는 패러데이 상수(96,485 C mol-1), m은 실험적으로 관찰된 무게(g), I는 전류 세기(A), t는 전기분해 시간(s), M은 금속 이온의 몰질량(gmol-1)이다.

 

<화학적 침전 방식과의 비교>

 

전기응집은 화학적 응집 방식과 자주 비교된다. 화학적 응집 방식은 Aluminium sulfate나 Ferric chloride와 같은 염을 주입한다. 하지만 전기 응집 방식이 화학적 침전 방식에 비해 더 비용효율적이라는 것이 많은 논문에서 증명되었다. 전기 응집 방식에서는 전극에서 이온이 직접 용출되기 때문에 슬러지 생성에 기여하는 Counter 이온을 주입할 필요가 없다. 반면, 화학적 침전에서 주입된 Counter 이온은 다른 수처리 공정을 통해 따로 제거되야 한다. 또한, 화학적 침전에서는 금속염의 수화 반응으로 인해 떨어진 pH를 상승시키기 위한 Ca2(OH)2와 같은 pH 중화제를 따로 주입해주어야 하지만 전기 응집에서는 Cathode 반응에서 생성된 H2 가스와 OH- 이온이 pH 중화 역할을 대신할 수 있다. 주로 한 포인트에서 화학물질을 주입하는 화학적 침전과 다르게 전극 전반에서 금속 이온이 용출되는 전기 응집은 교반 강도를 낮출 수 있고 이러한 균등한 금속 이온 용출은 금속 이온 양 대비 오염물질 제거 효율을 향상시키고 슬러지 발생량을 줄일 수 있다. 전기 응집에서는 고정된 철이나 알루미늄 전극을 사용하기 때문에 화학물질을 지속적으로 운반할 필요가 없다.

 

<전기 응집의 단점과 극복 방법>

 

하지만 전기 응집의 단점은 전극 표면 위에 고체 물질이 침전되어 전극의 반응성을 낮추는 부동 태화(passivating effect)가 일어나는 것이다. 이러한 부작용은 운영 비용을 증가시키고 처리 효율을 감소시킨다. 이러한 부작용을 감소시키기 위한 방법으로는 유량을 증가시키거나, 부동 태화를 감소시키는 염을 주입하거나, 물리적인 전극 클리닝, 울트라 소니케이션, 전류파형 변화 등이 있다.