중금속 폐수의 전기화학적 처리 및 중금속 회수 방안에 관한 연구

Abstract

현재 국내에서는 산업폐수 발생량이 일일 수백만톤 정도에 이르고 있으며 중금속 함유 폐수처리 문제는 광업, 화학제품 제조, 금속 강판제조업 및 제련공업과 같은 많은 산업계의 환경 문제를 일으키고 있다. 일반적으로 중금속계의 폐수처리는 알칼리 용액 중에서 수산화물의 침전을 형성하는 반응을 이용해서 중금속의 분리를 행하고 있으며 생성된 수산화물을 슬러지가 되어 이를 매립처분하고 있는 실정이다. 이와 같은 기존처리법의 단점을 보완한 것으로 전기화학적 환원 반응을 이용하는 전기분해에 의한 방법이 있으며, 이는 화학적 처리법과는 달리 거의 화학약품을 사용하지 않기 때문에 후처리가 매우 간단하고 처리 장치의 크기에 비해 처리효율이 높으며 반응의 제어가 용이한 장점이 있다. 본 연구에서는 cyclic voltammetry를 적용하여 아연전극과 탄소전극의 전기화학적 반응 특성을 살펴보았으며, 전기화학적 처리법으로는 회분식 공정과 회분순환식 공정을 적용하여 폐수 내 아연의 효율적인 제거 및 전극에 환원 석출된 금속 회수에 대한 연구를 수행하였다. 실험 결과, 아연용액에서의 아연전극과 탄소전극에 대한 전기적 반응 특성은 voltammogram으로 확인할 수 있었으며 수중 아연이온 환원은 전위가 -0.76V 이하에서 반응이 일어나는 것을 알 수 있었다. 회분식 공정을 통한 아연폐수의 처리에서 있어 적용한 전압 및 시간이 증가함에 따라 전해효율이 증가하였다. 전해 반응의 평형은 전해시간이 60분 정도에서 이루어지며 평형에 도달하는 시간은 전압에 크게 영향을 받지 않는 것으로 관찰되었다. 동일 전압조건에서 초기 아연폐수의 농도가 증가함에 따른 제거 효율의 관찰 시 농도가 증가함에 따라 제거효율이 감소하였다. 아연폐수의 초기농도에 따른 전해 제거 결과를 이용하여 전해 현상을 속도론적으로 해석한 결과, 전해 시간의 구간에 따라 각각 1차, 1.5차, 그리고 2차 속도식을 따르는 것으로 파악되었다. 온도변화에 따른 전해에서는 온도 증가에 따른 아연이온 제거효율이 감소하여 발열반응인 것으로 나타났으며, 이의 결과를 바탕으로 열역학적 데이터를 도출하였다. 전해질 첨가에 따른 아연이온의 제거효율은 증가하였다. 회분순환식 공정에 의한 아연폐수 처리에 있어 적용한 전압이 증가함에 따라 제거효율이 점차 증가하였으며 초기농도가 증가함에 따라 제거율은 감소하는 것으로 관찰되었다. 유속에 따른 제거효율은 동일한 전압일 때 유속이 증가함에 따라 증가하는 것을 볼 수 있었으며 이는 물질 전달에 영향을 받는 것을 의미한다. 음극에 환원 석출된 물질은 X 선 회절 분석을 통해 순수 아연금속으로 입증되었으며, 이는 시간이 경과함에 따라 산화가 진행되어 산화아연으로 전환됨으로서 아연 및 산화아연 분말을 동시에 얻을 수 있었다. 따라서 본 연구에서 적용한 전기화학적 환원에 의한 중금속 폐수 처리법은 대상 중금속만을 효과적으로 제거할 수 있다는 점과, 처리 공정 구성의 간단함과 별도의 약품사용이 없다는 점으로 인해 배출수의 2차 오염의 위험을 상당히 감소시키는 이점 및 회수된 금속의 재사용이라는 측면을 고려해 볼 때 경제적 가치와 효용성이 우수한 것으로 판단된다.;Several hundred million tons of industrial wastewater is produced every day in the domestic at the present time. The treatment of metal containing wastewater has raised many problems in environment of industry circles such as mineral industry, chemical agent manufacturing, metal plating, metal refining, and so forth. Generally, the treatment of metal bearing wastewater has been carried out by sludge precipitation in alkaline solution and formed sludge has been disposed of by landfill methods. The method of electrolysis using electrochemical reduction reaction is made up for defects of the existing treatment. It has several advantages such as simplicity of post-treatment on account of not using chemical agent, removal efficiency highly compared with the size of treat equipment, and regulating of the reaction easily. The electrochemical reaction characteristics of zinc and carbon paste electrodes have been studied by using cyclic voltammetry. Removal of zinc ion and recovery of zinc metal extracted from electrode has been conducted in batch and batch cycle process as the electrochemical method respectively. As a result, the characteristics of electrical reaction have been shown by voltammogram of zinc and carbon paste electrodes in zinc nitrate solution. The reduction reaction of zinc ion occurred below -0.76 voltage. In batch process, removal efficiency of zinc ion increased as the applied potential was raised in the experimental conditions. The electrolysis reaction was equilibrated in 60 minutes and the equilibrium time was not affected by applied potential. Removal efficiency of zinc ion decreased as the initial zinc wastewater concentrations was raised in the same potential condition. Kinetic study showed that the electrolysis followed 1st, 1.5th, and 2nd-order rate equations in the sequence as the electrolysis was conducted by time in condition of initial zinc wastewater concentrations. Since the electrolysis amount of zinc ion was decreased as the reaction temperature was raised, the electrolysis reaction was thought to be exothermic, and several thermodynamic parameters have been calculated based upon e xperimental data. Removal efficiency of zinc ion increased according to add electrolyte. In batch cycle process, removal efficiency of zinc ion increased as the applied potential was raised in the experimental conditions. But removal efficiency of zinc ion decreased as the initial zinc wastewater concentrations was raised. Removal efficiency of zinc ion increased as the flow rate increased in the same potential. Therefore the electrolysis reaction was controlled by mass transport. XRD analysis was conducted to investigate the morphological change of material extracted from electrode and it was proved to be zinc metal. As time went by, zinc metal powder was oxidized and become to be zinc oxide powder. So zinc metal powder and zinc oxide powder could be obtained in experiment simultaneously. Thus the treatment of metal bearing wastewater using electrochemical reduction has been considered to have economic value and high versatility in the treatment effectively, simplicity of process composition, reducing hazard of contaminated effluent secondly, and recycling of recovered metal.