전기응집(electrocogaulation)과 화학적 침전 비교

 

전기응집(electrocogaulation)과 화학적 침전 비교

※Paper 2.

Title: A comparative study of chemical precipitation and electrocoagulation for treatment of coal acid drainage wastewater
Author: M.S.Oncel, A.Muhcu, E.Demirbas, M.Kobya
Journal: Chemical Engineering Journal, 1(4), (2013) 989-995

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2213343713001346?casa_token=3sO4dqAZuKwAAAAA:-IEUy9krxWKpy_W84RdE-kA8l6HUy3UN3lM9zdx0MUwf3skCoh-FqwORVvCVFwTweKvPgDi6wv8

Abstract

이 논문은 탄광배수로(coal mine drainage wastewater, CMDW)의 Fe, Al, Ca, Mg, Mn, Zn, Si, Sr, B, Pb, Cr, As를 제거하기 위한 방법으로 화학적 침전과 전기응집을 정량적으로 비교한 논문이다. NaOH를 이용한 화학적 침전에서의 최적 pH는 8이었고 제거 효율은 28.4~99.96%로 다양했다(Ca, Sr, B 금속은 pH 10 이상). 전기 응집에서는 전류 밀도와 운영 시간에 따른 제거 효율을 비교하였으며 pH 2.5에서 전류 밀도 500 A/m2, 40분 만에 99.9% 이상의 최고 제거 효율을 나타내었다. 운영 비용은 전기 응집이 1.98 €/m3, 화학적 침전이 4.53 €/m3로 계산되어 전기응집의 비용이 더 낮았다.

Keywords

Coal mine drainage wastewater, Chemical precipitation, Electrocoagulation, Iron electrode, Operating cost

Introduction

산성광산배수(Acid mine drainage)는 운영 중이거나 버려진 광산에서 발생되며 지표수나 지하수에 심각한 악영향을 끼칠 수 있다. 산성광산배수는 석탄 채굴 과정에서 주로 발생하며 높은 농도의 FeS2를 함유하고 있다. 석탄광산배수는 pH가 매우 낮기 때문에 높은 농도의 황산 이온과 Fe, Al, Mn, Ca, Zn과 같은 중금속을 포함하고 있다. 이러한 오염수는 지표수나 지하수에 노랗거나 흰 침전물을 발생시킨다. 또한, 산성배수는 황을 포함하는 미네랄과 반응하여 황산을 만들어낸다.

산성광산배수를 처리하는 데는 수동적(passive), 적극적(active) 방법 두 가지가 있다. 수동적 방법에는 석회석(limestone) 사용, 호기성 늪(aerobic wetlands), 퇴비 반응기(compost reactor), 투수반응벽체(permeable reactive barrier), 철-산화 생물반응조(packed bed iron-oxidation bioreactor)가 있다. 생물반응조는 황산이온과 중금속을 제거하는 수동적 방법으로 유기물, 화학물질, 미생물 다양성에 영향을 많이 받는다. 화학물질을 이용한 중화와 수산화물 침전은 대표적인 적극적 정화 방법이다. 적극적 정화 방법은 처리 효율이 높지만 화학물질과 유지 비용때문에 많은 경제적 부담이 있다. 또한, 황산 이온 제거에는 효과가 없고 다량의 슬러지를 처리해야 하는 단점이 있다. 수동적 방법은 적극적 방법보다 비용면에서 효율적이지만 더 넓은 부지와 소요 시간이 소요되어야 한다. 그러므로, 수동적 정화 방법 또한 대용량의 산성광산배수를 정화하기 적절하지 않다.

<전기 응집 원리>

전기응집을 위해서는 철이나 알루미늄 양극(anode)물질을 용출시켜야한다. 음극(cathode) 부분의 물은 초록색이 되고 버블이 발생한다. 초록색이나 노란색의 철 수산화물 침전물이 발생한다.

 

양극에서는 전극에 금속이 환원되어 도핑되거나 수용액에서 철수산화물과 침천된다.

여러 중금속들이 음극에서 환원될 수 있다. 전기화학적 환원 정도는 Sr > Ca > Mg > Al > Mn > Zn > Cr > Fe > Pb로 보고되었다. 음극에서 생성된 수산화 이온은 pH를 증가시키며 금속 이온을 수산화물 형태로 침전시킬 수 있다. M(OH)n(s)은 표면적이 넓어 여러 유기 오염물질이나 콜로이드 물질을 흡착할 수 있다. M(OH)n(s)로 구성된 floc은 추후 침전이나 부유로 쉽게 제거할 수 있다.

전기 응집의 단점은 전극의 부동화(passivation)이다. 철 전극을 사용할 경우 포면에 거칠고 갈색을 띄는 산화막이 생성된다. 이러한 산화막을 제거하기 위해 물리적 세척, 염소 염 주입, 역방향 전류 설정 방법을 사용할 수 있다. 염소 이온은 양극에서 산화되어 Cl2가 되고 ClO-를 생성한다. ClO-는 유기물질을 산화시킬 뿐만 아니라 금속 이온 제거 효율을 향상시킬 수 있다.

 

Materials and Methods

산성광산폐수는 터키에서 샘플링하였고 조성은 다음과 같다. pH가 2.43으로 매우 낮다. 화학적 침전 실험을 위해서는 1 N NaOH를 이용하였고 주입 후에 스터링하였다.

 

 

전기응집 실험은 50 mm x 73 mm x 3 mm 크기의 철 전극을 사용하였다. 1 L 규모의 Plexiglas reactor에서 반응하였으며 2개의 전극은 양극, 2개의 전극은 음극으로 사용하였다(DC power supply (Agilent 6675A; 120 V and 18 A)).

 

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전기 응집 실험 모식도

 

Results and discussion

Solubility product, Ksp에 따라 침전물 형성이 결정된다.

 

금속 수산화물의 pH에 따른 용해도

화학적 침전 실험 결과 최적 pH에서 아래와 같은 제거 효율을 얻을 수 있었다. 대부분의 금속이 pH 8에서 가장 높은 효율로 제거되었다.

 

 

pH에 따른 소모 비용을 아래와 같이 나타내었다.

 

 

전기응집 실험 결과는 아래와 같았다. 전기 응집의 운영 비용은 1.98 €/m3로 화학적 침전보다 낮았다.

 

 

 

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