영가철 복극전기분해조를 이용한 질산성 질소 및 에탄올아민의 전기화학적 처리

Abstract

발생처리 기준이 기존 통합성지표에서 유해물질에 대한 개별지표로 바뀌어 감에 따라 발생원에 보다 근접하고 해당 오염물에 특화된 폐수처리기술의 필요성이 대두되고 있다. 전기화학적 처리는 생물학적 처리에 비하여 설치부지의 소요면적이 적기 때문에 오염물질의 발생원 근접처리가 가능하다. 또한 처리 효율이 일반적으로 우수하며 기존의 물리화학적 처리공정에 비하여 운용이 간편할 뿐 아니라 기존의 막공정 및 흡착공정에서 발생하는 폐색등의 문제에서 상대적으로 자유롭기 때문에 발생원의 근접처리에 더욱 유용하다. 추가적으로 전기분해에 의한 일부 오염물질의 고도처리까지 기대할 수 있다. 본 연구에서는 영가철을 미세복극으로 사용한 복극전기분해조를 이용하여 수중의 오염물질의 전기화학적 산화환원 처리기술을 제시하고 각 운전인자에 대한 동역학적 평가 및 효율성, 경제성, 사업화 가능성 등을 평가하고자하였다. 이를 위해 제거 속도, 전류효율 및 전기분해조의 파과점, 반응 부산물을 분석하였다. 또한 이를 바탕으로 추후 개선이 필요한 사항등을 언급하고자 하였다. 복극전기분해조의 전기화학적 환원처리 특성을 확인하기위하여 대상오염물질로 질산성 질소를 선정하고 다양한 운전 인자들을 변인으로 놓고 실험하였다. 운전 인자의 변화에 대한 결과를 분석하는데 전해질에서의 물질 전달 및 전기화학적 포텐셜을 바탕으로 하였다. 질산성 질소의 환원 처리 시 초기 농도가 높을수록 반응 속도는 빠르지만 bypass전류가 높다는 단점이 있었으며 이 때문에 반응기의 온도가 높게 상승하였으며 이는 초기 농도가 높을수록 전해질 내에서 확산에 따른 물질전달이 빠르기 때문이라 분석하였다. 적용 전압이 높을수록 복극전극에 overpotential이 높기 때문에 반응 속도가 빠르고 처리효율이 높지만 side-reaction 및 bypass전류가 온도를 높이는 원인이 되는 것으로 판단하였으며 유입유량의 변화에 따라 실험한 결과 유입유량이 복극전기분해조 내에서 질산성 질소의 이송속도를 높여 반응 속도 및 처리 효율이 높아지는 경향이 있었지만, 수리학적 체류시간을 줄이기 때문에 적정 유량을 산정해야 한다는 결론을 얻었다. 전극간의 거리는 overpotential과 수리학적 체류시간에 변화를 주었으며 전극간의 거리가 멀어질수록 안정적인 거동은 가능하지만 처리효율이 낮아진다는 단점이 나타났다. 2차 부산물을 분석한 결과 복극전기분해조 내에서는 다양한 산화형태의 산화철이 발견되었으며 특히 green rusts (GRs)와 같은 철 산화물의 생성 가능성이 재기되었다. 이를 바탕으로 복극전극을 사용하여 GRs를 인공적으로 제작하여 복극전기분해조 내에서의 GRs의 생성가능성을 모의적으로 판단해보고자 하였다. 그 결과 실험 과정 중 GRs와 유사한 형태의 산화철이 전극 표면에 형성되는 것을 확인하였으며 XRD 분석 결과 GRs의 산화형태인 magenetite가 발견되어 연구 결과를 뒷받침해주었다. 또한 2차 부산물의 흡착 특성을 분석한 결과 높은 흡착 능력을 보여주어 재사용 가능성을 제시할 수 있게 되었다. 복극전기분해조의 전기화학적 산화처리 특성을 확인하기 위한 대상 오염물질로 원전 폐수에 포함된 에탄올아민(ethanolamine, ETA)을 선택하였다. ETA의 분석 결과 낮은 전압에서 높은 전해질의 ETA 폐수를 실험 시 처리 효율이 낮게 나타났으며 이는 bypass전류에 의한 영향 및 낮은 overpotential에 의한 영향 때문인 것으로 분석하였다. 이를 개선하기 위하여 다중쌍(multi-paired) 복극전기분해조를 고안하여 실험에 적용하였으며 실험 결과 ETA에 의해 유발된 화학적 산소요구량(Chemical Oxygen Demand, COD) 및 총질소(Total Nitrogen, T-N)이 안정적으로 처리되는 것을 확인하였다. 안정적으로 처리된 ETA의 실험 결과를 동역학적으로 분석하였으며 제거 기작 및 전류 효율등을 계산하여 경제성을 평가하였다. 실험 결과 복극전기분해조는 질산성 질소의 환원 및 ETA의 산화에 모두 효과적인 것으로 나타났으며 전류효율을 계산한 결과 단극식 전기분해조에 비하여 높은 전류효율을 얻는 것으로 나타났다. 이러한 실험 결과를 바탕으로 실제 산업폐수 처리를 경제적으로 처리하기 위한 전기화학적 처리 기술을 제시할 수 있었다. 또한 2차 부산물의 흡착 특성을 파악하고 부산물의 재이용 가능성을 제시할 수 있었다.