전기응집(electrocogaulation)을 이용한 중금속 정화

 

전기응집(electrocogaulation)을 이용한 중금속 정화

※Paper 1.

Title: Heavy metal ions removal from metal plating wastewater using electrocoagulation: Kinetic study and process performance
Author: Mohammad Al-Shannag, ZakariaAl-Qodah, Khalid Bani-Melhem, Mohammed Rasool Qtaishat, Malek Alkasrawi
Journal: Chemical Engineering Journal, 260 (2015) 749-756

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894714012212?casa_token=2Quy4fxUyQEAAAAA:uisBCERs-GTTBeVigIUwj94rJU8BEkaIyPr1MSTWhGplWISQkUZB3FLTsyoOPVDS8gBDQ7-Jtwo

Abstract

이 논문은 도금(plating) 폐수 속의 구리(Cu2+), 크롬(Cr3+), 니켈(Ni2+), 아연(Zn2+) 이온을 전기 응집 방식을 이용해 제거하였다. 6개의 단극 탄소/강철 전극(monopolar carbon steel electrodes)이 전해조 내부에 설치되었고 3개는 음극(cathode), 3개는 양극(anode)으로 설계되었다. 전기 응고 시간(electrocoagulation (EC) residence)과 전류 밀도(current density)가 증가할수록 중금속 제거 효율이 증가하였다. 97% 이상의 중금속이 4 mA/cm2의 전류 밀도, 9.56의 pH, 반응 시간 45분 후에 6.25 kWh/m3의 에너지를 소모하며 제거되었다.

Introduction

금속 도금 공정에서는 많은 양의 중금속 폐수가 발생한다. 크롬, 니켈, 구리, 아연, 시안화물(cyanide)을 포함한 폐수가 발생되며 이러한 폐수는 물리적, 화학적, 생물학적 방법을 통해 처리될 수 있다. 수산화물(hydroxide) 형태로 폐수 내 중금속을 침전시키는 것은 효율적이고 경제적인 방법이다. 주로 pH를 상승시키고 철과 알루미늄 응집제를 주입해 중금속을 침전시킬 수 있다.

 

화학적 침전 방법은 경제적인 방법이지만 많은 비용이 소요된다. 또한, 화학적 응집제의 추가는 2차 오염물질을 발생시킬 수 있다. 따라서, 전기응집 방법이 산업 폐수 정화의 대안으로 평가받고 있다. 전기응집은 운영 방법이 단순하고 에너지가 적게 소모되며 적은 양의 슬러지와 용존 물질을 생산하면서 높은 효율로 폐수를 정화할 수 있다. 즉, 높은 퀄러티의 배출수(high quality effluent)를 배출할 수 있다.

전기응집 공정에서는 응집제 화학물질이 전혀 주입되지 않는다. 주로 철과 알루미늄의 희생 전극(sacrificial electrodes)을 음극과 양극으로 사용해 직접 전류(direct electrical current)를 흘려주는 방식을 사용한다. 평평한 전극이 주로 사용되지만 최근에는 구멍이 뚫린 원통형의 전극이 전류의 분산을 향상시키기 위해 사용되었다. 전기적 potential의 차이로 물은 산화되어 수소 이온이 되고 산소 가스가 발생하며 금속 산화로 인해 양이온이 발생한다. 궁극적으로 물은 음극에서 환원되어 수산화이온(OH-)과 수소 가스가 발생된다. 철-철 전극(철 양극, 철 음극)을 사용하면, 철 수산화물 두 종류(Fe(OH)2, Fe(OH)3)가 생성된다.

 

 

철 수산화물 floc은 응집제로 작용하며 오염물질과 침전한다. 더 안정적인 Fe(III) 수산화물이 Fe(II) 수산화물보다 더 중금속 제거 효율이 높은 것으로 알려져 있다. 많은 물리화학적 반응들이 전기응집에 포함되어 있다: (1) 양극 산화 및 음극 환원, (2) 응집제의 생성 및 이동, (3) 전해 부상(electrofloatation) 및 침전
이 논문에서는 크롬, 구리, 니켈, 아연 이온을 동시에 제거하였고 제거 기작을 연구하였다.

Materials and Methods

 

논문에서 사용한 전기응집 시스템

철 (탄소강철) 전극이 희생 전극으로 사용되었다. 전해조는 Pyex glass 재질로 제작되었다. 전극 간의 간격은 15 mm였으며 3개의 전극은 음극, 3개의 전극은 양극으로 연결하였다. 전극의 크기는 45 mm x 53 mm x 3 mm였고 전체 반응에 참여하는 표면적은 247.5 cm2이었다. 전압의 범위는 0-30 V, 전류의 범위는 0-6 A가 사용되었다. 전기응집 반응 동안 믹서로 1000 rpm의 속도로 혼합시켜주었다. 전해조에는 600 mL 폐수를 주입하여 실험하였다.

폐수는 Abu-Alanda, 요르단에 위치한 Union Locks Company/Sayegh Group에서 수집하였다. 폐수의 성분은 아래 표로 나타내었다.

 

 

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Results and discussion

<pH의 영향>

지난 연구들에서는 폐수의 pH에 따라 중금속 제거 효율이 변하였다. 폐수의 pH는 9.56이었고 pH 6.56, 7.89, 10.68에서의 제거 효율을 평가하였다. 중금속 제거 효율은 pH가 너무 낮거나 높은 경우 감소하였다. 알칼리 조건에서는 양극에서 수산화이온이 산화되고 Fe(OH)4−, Fe(OH)63− 이온이 생성되어 효율이 감소한다. 산성 조건에서는 음극에서 proton이 수소 가스로 환원되어 수산화이온이 생성되지 않는다. 이 외에도 용액의 pH는 금속 수산화물의 용해도, 전기전도도, 콜로이드 입자의 크기 등에 영향을 줄 수 있다.

(a) 전기 응집 없는 조건, (b) 전기 응집(4 mA/cm2)

 

<전류의 영향>

전류의 세기를 1, 2, 3, 4 mA/cm2으로 증가시킬 때마다 중금속 제거 효율이 증가하는 것을 확인하였다. 전류 세기가 증가할수록 철 이온이 용출되는 정도가 증가하여 중금속 제거 효율이 증가하였다.

 

전류 세기에 따른 중금속 제거 효율

 

더 나아가, 다양한 폐수처리 방법에서 샘플링한 폐수에 대한 중금속 제거 효율을 아래 표에 나타내었다. 대부분의 처리 방법에서 샘플링 폐수 내에서 높은 효율을 유지하였다.

 

 

전기응집 공정에서는 슬러지가 발생한다. 슬러지에는 다양한 물질이 포함되어 있어 주의 깊게 처리되어야 한다. 본 논문에서는 일반적인 슬러지 처리 방법으로 매립(landfill)을 언급하였다. 하지만 지난 몇 년간 슬러지를 재사용하기 위한 여러 방법이 모색되고 있어 슬러지 내 금속 수산화물을 재사용하는 효율적인 방법들이 언젠가 개발될 것으로 전망된다.


전기응집을 이용한 중금속 제거에 대한 일반적인 논문이었다.
내 실험에서는 산성 중금속 폐수의 pH를 중성으로만 올렸을 때도 많은 중금속들이 제거되었었는데 이 논문은 pH가 원래 알칼리였어서 pH에 따라 중금속 농도 변화가 거의 없었다. 이렇게 논문만 봤을 때는 화학적 응집 방법과 큰 차이를 모르겠다. 화학적 응집제를 주입했을 때보다 더 적은 양의 슬러지와 비용이 발생하는 것을 보여주어야 전기응집의 장점을 더 어필할 수 있을 것 같다.

 

2021.08.16 - [전기화학] - 전기응집(electrocogaulation)과 화학적 침전 비교

전기응집(electrocogaulation) 리뷰 논문

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