전기응집(electrocogaulation)을 이용한 폐수 처리

 

전기응집(electrocogaulation) 리뷰 논문

※Paper 3.
Title: A review on industrial wastewater treatment via electrocoagulation processes
Author: A.Shahedi, A.K.Darban, F.Taghipour, A.Jamshidi-Zanjani

Journal: Current Opinion in Electrochemistry, Volume 22, August 2020, Pages 154-169

본 논문은 폐수 처리 방법들에 대하 간단히 리뷰하고 전기응집 방법과 비교하였다. 그뿐만 아니라, 전기응집에 영향을 미치는 여러 요소(parameter)에 대해 조사하고 다른 정화 방법과 전기응집을 조합하여 처리 효율을 극대화하는 방법 또한 같이 모색하였다.

 

오염물질별 주오염원(출처: A.Shahedi et al., Current Opinion in Electrochemistry, 2020)

오염물질 입자 크기별 제거 방법(출처: A.Shahedi et al., Current Opinion in Electrochemistry, 2020)

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< 다양한 폐수처리 방법 >

1. 침전(Precipitation)
침전은 화학적 침전(Chemical precipitation), 수산화물 침전(Hydroxide precipitation), 황화물 침전(Sulfide precipitation)으로 구분된다. 첨가된 화학물질은 중금속의 용해도를 낮추는 역할을 수행한다. 고체 침전물은 여과나 침전의 방식으로 손쉽게 수용액 상으로부터 분리시킬 수 있다. 이 방법의 장점은 비교적 저렴한 가격, 쉬운 운영방법으로 대부분의 금속을 제거할 수 있다는 것이다. 하지만 어마어마한 양의 슬러지가 발생하고 이를 처리해야 하는 것이 침전 방식의 단점이다.

2. 이온 교환(Ion Exchange)
레진에 이온이 교환되거나 컴플렉스가 형성되는 방식이다. 결과적으로는 수용액 표면 또는 흡착제의 수화가 일어난다. 이 방법의 장점은 수처리제(material)를 재사용할 수 있고 선택적으로 금속 이온을 제거할 수 있다는 것이다. 이 방법의 단점은 금속 이온의 농도가 낮은 폐수 처리에만 사용할 수 있다는 것이다.

3. 흡착(Adsorption)
액체상의 물질이 고체상으로 이동하는 것을 흡착이라고 한다. 흡착은 세 가지 단계를 포함한다: (1) 오염물질의 용액에서 흡착제로의 이동, (2) 오염물질의 흡착, (3) 흡착제 구조 속으로 침투. 흡착제로는 활성탄이 가장 많이 사용되고 있다. 이 방법의 장점은 효율이 놓고 처리 시간이 짧은 것이고 단점은 흡착제의 재사용이 어렵고 비용이 많이 들며 흡착제에 대한 처리 의존도가 높다는 것이다.

4. 막여과(Membrane Filtration Process)
가장 간단한 수처리 방법 중 하나이다. 높은 압력 하에 여러 크기의 물리적 공극(pore)에 용액을 투과시키면 공극으로 오염물질이 걸러지고 나머지 용액이 투과된다. 막여과 방식은 크게 다섯 가지로 분류된다: 역삼투(reverse osmosis), 한외여과(ultrafiltration), 초미세여과(microfiltration), 나노여과(nanofiltration), 전기투석(electro dialysis)이다. 이 방법의 장점은 높은 선택적 분리능, 낮은 압력, 공간 소요가 작고 쉬운 운영방법으로 현장 적용이 용이한 것이다. 단점으로는 운영 비용이 높은 것이다.

4. 광촉매(Photo catalysis Process)
광촉매를 위해서는 주로 무독성의 반도체가 사용된다. 화학물질 대신 특정 파장의 빛에 의해 반응한다. 보통 광촉매 반응은 다섯 가지 단계로 일어난다: (1) 용액에서 촉매 표면으로의 오염물질 이동, (2) 촉매 표면에 흡착, (3) 광촉매 반응, (4) 오염물질 분해, (5) 인터페이스에서 수용액으로 부산물이 이동. 이 방법의 장점은 디자인이 간단하고 비교적 낮은 비용이 소요되고 안정성이 높은 것이다. 단점으로는 제한적인 적용성, 짧은 반응 지속성이다.

5. 전기화학(Electrochemical)
전기화학 처리의 주요 방법은 전기응집, 전기부상(electro flotation), 전해석출(electrodeposition)이다. 중금속은 수용액 상에서 전하를 띄거나 수소 결합을 이루고 있으므로 전류가 흐르면 중금속 이온들을 중성화시키고 응집시킬 수 있다. 중금속 입자들이 작은 자성의 힘으로 뭉처 있는 것을 슬러지나 플록(floc)이라고 한다. 전기응집으로 생성된 플록은 다른 방법으로 생성된 플록보다 수분 함량이 낮고 더 안정적이다. 플록은 낮은 비용으로 폐수로부터 분리될 수 있다. 전기부상은 단순히 오염물질을 용액 표면으로 부상시켜 분리한다.
전해석출은 추가적인 첨가제가 필요없고 슬러지도 발생하지 않는 방법으로 저비용으로 선택적인 오염물질 제거가 가능하다. 전극 표면에서 금속 이온을 고체로 변환시키는데 이 방법의 단점은 전류를 흘려주는 데 있어서 높은 비용이 드는 것이다.

 

전기응집 방법의 이론 및 역사

전기응집은 19세기 미국에서 음용수 처리를 위해 처음 사용되었고 당시에는 비용이 많이 들어 실용적이지 않다는 평가를 받았다. 지난 10년간 전기화학적 수처리 산업은 친환경적이고 최소한의 슬러지 발생, 화학적 첨가제 무사용의 장점으로 크게 성장하였다.
그 중, 전기응집은 낮은 전류를 흘려주어 중금속을 제거하는 방법으로 타닌, 금속 이온, 염료, 부유 고체물질을 제거하는 데 사용될 수 있다. 오염물질의 전하와 반대 전하를 걸어주면 오염물질은 중성화로 불안정하게 되어 침전된다. 전기응집은 철 또는 알루미늄 양극(anode)에 낮은 전류를 흘려주어 이온들을 용출시키는 방식을 사용한다. pH에 따라 철 또는 알루미늄의 이온 농도가 증가하거나 수산화물이 침전된다. 철 또는 알루미늄 이온과 수산화물이 응집제 역할을 수행하는 것이다. 전기응집에서 일어나는 반응들은 다음과 같다.

(1) 양극(anode)에서 철 또는 알루미늄 이온의 용출이 일어나고 음극(cathode)에서 수소 가스가 발생
(2) 부유 입자, 오염물질의 불안정화 및 에멀젼 형태의 붕괴
(3) 플록 형성
(4) 응집으로 오염물질 제거, 수소 가스로 플록 부상
(5) 음극 표면에서 금속 이온 또는 유기 오염물질의 환원

 

전기응집 반응 모식도(출처: A.Shahedi et al., Current Opinion in Electrochemistry, 2020)

 

전기응집 원리 모식도(출처: A.Shahedi et al., Current Opinion in Electrochemistry, 2020)

 

전기응집 적용 가능 폐수(출처: A.Shahedi et al., Current Opinion in Electrochemistry, 2020)

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