전기화학적처리forfuture.com/data/eo_techrpt.pdf · technical report water reuse &...

Technical Report Water Reuse & Environmental Consulting

MEERAE Engineering Co., Ltd.

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전기화학적처리 (Electro-Chemical Treatment)

Technical Report



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1. 전 화학적처리 리

1.1 전 화학 응

전 ㆍ화학적으로 폐수 의 염물을 처리하는 은 전 분해(electrolysis) 전 응

(electro-coagulation) 또는 전 부상(electro-flotation)으로 분하며, [ 림1]과 같이 나타낼

수 있다. 전 응 은 전 판에서 이 이 출되어 폐수 의 염물과 응 ㆍ흡착하여 수소

염소가스에 의해 부상되거나 때로는 침전되어 물과 분리된다. 전 분해는 양 에서 접 염물

을 산화시켜 제거하는 접산화 과 간생물에 의해 염물을 제거하는 간접산화 이 있다.

전 분해에 의한 폐수처리는 장치의 크 에 비해 처리능력이 좋으며 응의 제어가 이한

면, 폐수 의 처리하려는 물 이 농도가 낮을 때에 제거하려는 물 의 응속도가 작아 고

전류효율도 떨어 다.

일 적으로 염물은 접양 산화(Direct anodic oxidation)나 간접산화공정으로 제거된다.

접 양 산화에서 염물은 선 양 판에 근접하고 양성전자 환에 의해 파 된다. 간접산화는

전 분해시 전 ㆍ화학적으로 생성된 하이포아염소산 같은 강한 산화물이 염물을 파 시킨다.

많은 폐수내에 염소는 다량으로 존재한다. 염소의 양 산화는 빠르게 행되 때문에 염소를

함유하고 있는 폐수를 전 분해하면 간접산화효과가 생한다.

전 화학처리에서 염물은 양 접산화 혹은 간접산화공정으로 파 될 수 있다. 소화합물

과 같은 몇몇 염물은 양 의 접산화에 의해 파 되는데 상당한 내성을 가 다. 소화합물

의 파 는 음 에서 소화합물이 아미노 룹으로 환 되고 염소에 의해 쉽게 산화된다.

Flotation Electron Pollutants Mediator Pollutants

Ion Pollutants

Oxidation

Coagulation in the bulk

Destroye

Sedimentation pollutans Oxidant Destroyed

pollutans

Sacrificial anode Anode Electrode

(a) Electro-flotation (b)Direct oxidation (c) Indirect oxidation

[ 림1] The scheme of pollutant removal pathway in electro-chemical oxidation process.



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1.2 전 분해 응

1.2.1 물의 전 분해

물을 전 분해하면 양 과 음 의 응은 다음과 같다.

Anode : H2O + H2O → H3O+ + OH- + e (1)

Cathode : 2H2O + e → OH- + H2O + H+ (2)

Total reactioon : H2O → H+ + OH- (3)

전해액이 산이면 음 에서 생성된 수산화 이 은 곧 로 화될 것이다. (2)식의 H+ OH-는

곧 수소분자 산소분자로 되며 1페러테이(F)에 대하여 1분자의 물이 분해된다. 수 액을

전 분해하여 수소 산소가 생할 때에는 액의 pH에 계없이 물의 분해가 이루어 다.

1.2.2 염소의 전 분해

전 응에서 주 생성물인 염소 하이드록시 이 은 전 사이의 전해액에서 응하여

하이포아염소산 / 하이포아염소산염을 형성하고 이것은 화학적 자동산화(불 화 응)에 의해

염소산염으로 전환된다. 염소의 전 분해 과정은 아래 같다.

Anode : 2Cl- → Cl2 (dissolved) + 2e- (4)

Cathode : 2H2O + 2e- → 2OH- + H2 (5)

Between the electrodes : Cl2 + H2O → HOCl + Cl- + H

+ (6)

HOCl → OCl- + H

+ (7)

양 에서 주 생성물인 (4)식에서 나타난 같이 염소이며 낮은 도에서 전 분해에 의

해 존상태의 염소를 형성하며 이것은 전해액이 알카리성에서도 가능하다. 따라서 양 주

위는 산, 음 주위는 (5)식에 의해 알칼리를 형성하 때문에 (6)식에서 하이포아염소산

(HOCl)은 양 에서, 하이포아염소산염(OCl-)은 음 에서 이루어 다.

도 pH에 따른 HOCl과 OCl- 이 의 분포는 [ 림2]에 나타내었다. pH 7.5일 때 HOCl과

OCl-의 활성은 같고, pH 7.5 이상에서는 HOCl이, pH 7.5 이하에서는 OCl-이 주 화학종임을

알 수 있다.



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음 에서 생한 수산화 이 이 양 으로 이동하고 양 에서 생된 염소가스는 대 으로

출되 전 일부가 음 으로 이동하여 다음과 같이 화학평형을 이룬다.

2OH- +Cl2 → ClO- + H2O + Cl- (8)

100 0

90 10

80 20

70 30

60 40

%HOCl 50 50 %OCl-

40 20°C ---> <-- 0°C 60

30 70

20 80

10 90

0 100

4 5 6 7 8 9 10 11

pH

[ 림2] Distribution of HOCl and OCl- water at indicated pH levels(Baker et al.,1973)

전 분해 과정 에 하이포아염소산/하이포아염소산염의 손실 응이 가하면 공정내의 전

효율은 감소한다. 이런 손실 응은 음 손실 혹은 환 손실과 양 손실 혹은 산화 손실

응으로 분되며, 최대로 얻을 수 있는 hypochlorite는 산화ㆍ환 응에 의한 아래 같

은 손실 응으로 제한된다.

가. 음 손실 응

하이포아염소산과 염소산염의 음 손실은 다음과 같이 음 에서 생한다.

OCl- + H2O + 2e- → Cl- + 2OH- (9)

ClO3 + 3H2O + 6e- → Cl- + 6OH- (10)



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이들 이 의 일 적으로 알려 비율에 따르면 하이포아염소산염은 염소산염 다 쉽게 환

된다. 따라서 음 손실은 음 표면을 향한 하이포아염소산염의 확산에 를 는다. 러

나 한 수로 작 하는 하이포아염소산염의 농도 pH는 조정되 않는다.

나. 양 손실 응

하이포아염소산의 양 손실 응은 다음과 같으며 1.5 몰의 산소가 출되고 염소이 과 염

소산염의 형성을 동 한다. 또한 양 에서 물이 전 분해되어 1몰의 산소를 출한다.

6HOCl + 3H2O → 3/2O2 + 2ClO3- + 4Cl- + 12H+ + 6e- (11)

2H2O → O2 + 4H+ + 4e- (12)

하이포아염소산염의 손실 응을 다음과 같이 표현하 으며 산소 염소이 염소산염의

형성은 동일하다.

6OCl- + 3H2O → 3/2O2 + 2ClO3- + 4Cl- + 6H+ + 6e- (13)

전해액에서 손실 응은 다음과 같이 하이포아염소산과 하이포아염이 응하여 1몰의 염소

산염과 2몰의 염소이 이 생한다.

Solution : 2HOCl + OCl- → ClO3 + 2Cl- + 2H+ (14)

or : HOCl + 2OCl- → ClO3 + 2Cl- + H+ (15)

이 응은 고 에서는 하이포아염소산 다 염소산의 생성이 잘되므로 고 에서는 람 하

않고 40~50°C 의 도에서 응하는 것이 람 한 것으로 평가되고 있다.

1.2.3 유 물 의 전 분해

전해액이 산성인 액의 속이 은 전 분해 과정에서 안정 상태에서 들뜬 상태로 산화되며

간산물인 응체가 생성된다. (24)식은 양 에서 행되며 많은 양의 유 물 이 산화되어

이산화탄소로 액내에 확산된다.

xMN+ → xM(N+1) + xe

- (16)

xM(N+1) + reacting agent → xMN+ + yCO2 (17)



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유 물 의 전 분해는 양 에서 산화되 만 물의 전 분해에 의한 수산화 이 이 전 표면

에 흡착되어 유 물을 산화하는 접산화 염소의 전 분해에 의해 생성된 하이포아염소산

등의 간산물에 의한 간접산화로 분할 수 있다.

가. 접산화

접산화에 의한 유 물 제거는 선, 전 표면(M[ ])에서 물의 전 분해에 의해 생성

되는 수산화 이 이 양 에 흡착된다.

H2O + M[ ] → M[OH-] + H+ + e- (18)

전 표면에 흡수 합된 수산화 이 에 의해 유 물 이 산화되며, 이 응은 (19)식과

같으며 높은 전류 도의 산성 액에서 잘 행되며 다음과 같다.

R + M[OH-] → M[ ] + RO + H+ + e- (19)

여 서 RO는 계속적으로 형성되는 수산화 이 에 의해 산화된 유 물 이며 수 에서

양 전을 계속한다.

전 분해의 유 물 제거 메카니 은 다음과 같다. 선 (20)식에 나타난 같이 산

화된 양 (MOX)에 물의 전 분해에 의해 생성된 수산화 이 의 흡착되고 이미 생된

산소 응하여 더 산화된 양 (MOX+1)을 형성한다.

MOX + H2O → MOX[OH-] + H+ + e- (20)

MOX [OH-] → MOX+1 + H+ + e- (21)

유 물 (R)은 이 산화성 양 에 흡착된 수산화 이 과 응하여 이산화탄소, 물 혹은

수소 이 으로 분해된다.

R + MOX [OH-]z → CO2 + zH

+ + ze- + MOX (22)

나. 간접산화

간접산화로 제거되는 유 물 의 전 화학 응은 전 분해 염소의 양 산화가 동시에

생하며 하이포아염소산이 전 표면에 형성된다.



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H2O + M[ ] + Cl- → M[HOCl] + H+ + 2e- (23)

양 에서 생서된 하이포아염소산에 의해 유 물 이 산화되는 응은 (24)식과 같다.

R + M [HOCl] → M[ ] + RO + H+ + Cl- + 2e- (24)

산소가 생하는 응의 간단계로서 생성되는 생 산소는 강력한 산화력을 니고

있어 폐수 에 함유한 유 물 인 아미노산이나 젠 유도체 등을 (25),(26) 식과 같이

산화ㆍ분해할 수 있다.

NH2CH2COOH + [O] → NH3 + HCHO + CO2 (25)

2[O] 6[O]

C6H6 C6H4(OH)2 → C6H4O2 + 2[H] C4H4O4 + 2CO2 (26)

Aniline 의 전 분해 과정을 아래 같이 나타내었다. Benzoquinone로 산화되었다가 계속

하여 Maleic, 이산화탄소로 산화되는데, 높은 산소과전압에서 산소 생 다 선적으로

응한다.

C6H7N + 2H2O → C6H4O2 + 3H+ + NH4+ + 4e- (27)

C6H4O2 + 6H2O → C4H4O4 + 12H+ + 2CO2 + 12e (28)

C4H4O4 + 4H2O → 12H2O + 4CO2 + 12e (29)

리고 음 에서 생하는 수소에 의하여 수 의 유 물 이 환 되 도 하며 산화형 색소

등은 쉽게 환 되어 무색이 된다.

1.2.4 암모니아의 전 분해

전 분해에 의한 폐수내의 암모니아성 소의 제거는 유 물 산화 유사하게 접적인

양 산화 간접적인 양 산화의 동시 효과로 이루어 다.

가. 접산화

전 분해에 의한 암모니아성 소의 산화는 (30)식과 같다고 제시하 다.

NH3 + 3OH- → 0.5N2 + 3H2O + 3e- (30)

→ →



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, 암모니아의 제거는 양 에서 생하며 페러덱 효율(faradic efficiency) 거의 100%

에서 3가의 전자를 내면서 소가스로 산화한다.

OH- 의 물농도에 따라 다음과 같이 암모니아 산화의 간생성물로 이 산과 산이

생성된다고 고하 다.

NH3 + 7OH- → NO2- + 5H2O + 6e- (31)

NH3 + 9OH- → NO3- + 6H2O + 8e- (32)

나. 간접산화

간접 응으로 유리된 염소가 암모니아성 소 응하여 최종생산물로 소 가스를 생

한다.

2NH4+ + 3HOCl- → N2 + 3H2O + 5H+ + 3Cl- (33)

(33)식의 응은 염소의 파과점 응과 같은 pH 7.6에서 화학적 평형이 일어나며, 염소

암모니아성 소의 무게비 pH에 향을 으며 pH가 낮은 경 소 이 에도 클

로라민(NH2Cl, NHCl2, NCl3) 이 형성된다.

암모니아성 소가 하이포아염소산과 응하여 제거되는 응을 다음과 같이 표현하 다.

NH4+ + HOCl → NH2Cl + 5H2O + H+ (34)

NH2Cl + HOCl → NHCl2 + H2O (35)

NHCl2 + H2O → NCl3 + H2O (36)

각 응은 염소의 파과점 응과 같은 경향을 이며 pH에 따라 상화 응한다. (35)식

에서 생성된 모노클로라민은 수 에 하이포아염소산이 많이 있을 경 (37)식과 같이 곧

로 소로 산화한다.

2NH2Cl + HOCl → N2↑ + 3HCl + H2O (37)

염소 이 이 풍부한 폐수내의 암모니아성 소의 간접산화에 의한 전 적인 응은 (38)

식과 같다고 하 다.

2NH3 + 6Cl- → N2 + 6HCl + 6e- (38)



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2. 전해부상장치의 처리 리

2.1 작 , 효과

가.응 ㆍ응결

폐수에 응 제를 첨가해서 통전하면 마이너스로 대전되어 서로 하고 분산되어 있었던

탁 물 의 전하가 화되어 서로 흡착하여 응 ㆍ응결된 플록의 성장이 신속하게 이루

어 다.

나.부상분해

폐수를 전해하면 물의 전 분해가 일어나 미세한 포가 생한다. 이 미세한 생가스는

플록에 많이 흡착되 때문에 플록의 부상분해가 촉 된다.

다.산화, 환 작

폐수를 전해하면 전 에서는 접적으로 탁물 을 양 산화 분해, 음 환 분해가 일

어나 폐수의 BOD COD 등의 제거가 가능하다. 또 폐수 색도의 제거도 가능하다.

라.유분 제거

함유(含油) 폐수 에 름 성분이 미세한 유액화(emulsion化) 되어 있으면, 일 적으로 이

폐수처리는 매 어렵다. 이 름의 입자경은 10-7~10-4cm로 마이너스로 대전하고 있다.

이 마이너스 전하가 전해에 의해 화되어 서로 흡착, 성장시켜 름과 물이 분해된다.

마.탈 소

폐수 의 소분의 형태에는 여러 가 가 있 만 일 적인 암모니아성 소에 대해서는

다음과 같은 응 조로 분해된다.

2NH4++2e → N2↑+4H2↑

이론적으로 암모니아 이 18g을 산화 분해하 위해서는 96,500쿨롱(1A-27분) 의 전

량이 필 하다.

.탈인

인산성 인은 응 제로 사 되는 알루미늄이나 철에 의해 인산염으로 부상 분리된다.

Al3+ + PO43- → AlPO4↑

Fe3+ + PO43- → FePO4↑



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2.2 처리대상 항목

SS, BOD, COD, N – 헥산, 총 소, 총인, 탈색, 탈취, 살 .

2.3 처리대상 사업

▶ 인쇄공장, 염색공장, 호텔, 여 , 빌딩 등의 합 페수처리

▶ 레스토랑, 학 식, 주문 도시락업 등의 폐수처리

▶ 식품가공, 수산가공, 유제품가공, 음료수가공 등의 공장 폐수처리

▶ 양식장, 수조, 연못, 살수 수를 위한 수처리

▶ 공업단 의 종말폐수처리, 도축장, 축산 폐수처리

2.4 전 분해수처리가 공헌할 수 있는 분야

▶ 고농도 폐수로 다른 좋은 공 이 없는 경 (고 처리가 될 때)

▶ 공간이 없고 설비 시공에 문제가 있는 경

▶ 존 시설의 처리 으로는 폐수 출 혀 치를 해결하 못하는 경

▶ 폐수를 단시간에 처리하고 싶은 경

▶ 유 가동비 에 문제가 있는 경

▶ 여러 종류의 폐수를 일 처리하고 싶은 경

▶ 폐수 도가 높은 경

▶ 현 설비가 처리능력을 향상시킬 경

▶ 폐수처리를 재활 수로 재이 할 경

2.5 전해부상장치 처리 장치의 시스템

가.막처리의 전처리 장치로서

※ 막처리의 최대 저해 인인 응고의 인되는

SS 유분 제거에 뛰어난 효과를 휘합니다.

나.생물처리의 전처리 장치로서

※ BOD, SS의 제거로 생물처리의 부하를 절감시

키 때문에 생물학적 처리효율을 현저히 향상시

킵니다.

다.가입부상 의 후처리 장치로서

※ 가압부상 으로는 제거할 수 없는 미세한 SS

해성분을 제거할 수 있 때문에 고농도

폐수처리가 가능해 니다.

전해부상장치 막처리

전해부상장치 활성오니법

가압부상법 전해부상장치



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2.6 전 분해에 대해서

물의 전 분해< 른쪽 림> 마찬가 로 전 에서 생

하는 전자가 물분자를 산소 수소로 분해해 콜로이달 에러

라고 불리는 미세한 포를 생시킨다.

잡 수 같이 여러 가 이 계 분자가 해되어 있는 물에

서는 분자화, 이 화 되어 있어 모든 물 이 활성화 상태로

산화, 환 응이 빈 히 있다고 추측된다. 결과적으로 응 ,

결합 등도 촉 시켜 생한 콜로이드 에어를 흡착해 부상시

킨다. 콜로이드 에어를 효과적으로 흡착하는 응 제를 만드는 것이 하다.순수(純水)

같이 해 을 포함하고 있 않은 액체는 전 저항이 크고 전해 가격이 매 비싸 만

일 적으로 출되고 있는 수는 이런 점에서의 문제는 없어 전 분해에 의한 응 분해에는

가장 적합하다고 할 수 있다.

2.7 전해부상 장치의 특

가.강력하고 수한 처리 능력

콜로이드 에어제너레이터 작 에 의한 신속한 SS분해로 BOD, COD, 유분, 총 소, 총인

속이 등 다양한 물 의 처리가 가능합니다.

나.부상한 폐액의 재활

응 하여 부상한 플록은 처리액으로의 재분산이 거의 없어 재활 이 가능합니다.

다.유 가동비 의 절감

저전압으로 전해처리를 하 때문에 유 가동비 은 가압부상장치의 1/2에서 1/3의 가격을

가동할 수 있습니다.

라.설치공간의 절약

고 도로 단시간 처리가 가능하 때문에 작은 공간에 장치를 설치할 수 있습니다.

마.수명이 특수전

불 성의 티탄합 을 사 해 수명이 고 전 의 체가 간편합니다.

. 타 효과

전해작 으로 매 강한 산화, 환 상태가 되 때문에 일 약품(산화제, 환 제) 다

매 뛰어난 화학처리가 가능합니다.

O2 H2

＋－



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2.8 전해부상 전 의 특성

양 을 애노드, 음 을 캐소드라고 하는데 전해장치의 핵심부는 양 의 재 입니다. 이 양

재 입니다. 이 양 의 재 로서는 카 , 휠라이트, 티탄 도 , 티탄 소성 등이 대표적

이 만 이런 재 은 전류 도(DA), 액 (液溫), 등에 따라 내 성이 매 습니다.

폐사가 사 하는 티탄N-950은 미쓰비시전 ㈜ 코 사업장(처리량:180m3/H)에서 사 하

고 있고, 사 간 동안(1990년~1996년)불 성을 유 하 습니다.

2.9 전 분해 부상 장치에 한 Q & A

Q1. 전 분해부상 과 가압부상 은 어떻게 다릅니 ?

A1.

전 분해부상 가압부상

부상조 크 최적최소 적으로 가능 전 부상처리에 비해 30%~50%

큰 부상조가 필

소 닥 면적 최소한으로 가능

가압펌프, 컴프레셔, 탱크

에 따른 선, 또 부상조

의 대형화로 20%~30%커

부상가스

생 식과 제어

미세한 전해가스를 수 의 탁

정도에 따라 생시켜 얻을 수

있 때문에 제거가 이함.

코로이달 에어 크 는 10㎛

가압펌프 콤프레셔에 의해 존

공 를 얻 때문에 수 의 탁량

에 적합한 제어는 곤란함.

가동 개시에 시간을 필 로 한다.

콜로이달 에어의 크 는 100㎛

유 가동비 저전압

가압부상의 1/2~1/3

유 비 이 고가이며, 40℃이상이

되면 일 적으로처리불가능함

Scum의 함수율 96%~94% 98%~97%

수 점검 가동부분이 스컴제거 콘 이어뿐

이어서 부수/점검 이

가동부분이 많아 시간을 필 로

함

부가적 효과 탈색, BOD/COD 제거, 살 거의 대할 수 없다.

Q2. 어떤 물(폐수 타) 이나 전 분해가 가능합니 ?

A2. 전해 (이 화합물, 를 들면 가성소다(NaOH), 염화나트륨(NaCl), 염화수소(HCl)등)이 포함

되어 있는 페수는 전 (AxV)이 저렴해 니다.

전해 이 적은 폐수는 V(전압) 가 많이 필 하 때문에 (AxV=W)가 커저 전 이 비싸

니다. (A:전류, V:전압, W:전력)



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Q3. 전 분해 부상장치에서의 처리대상항목(SS, BOD, COD, 다이 신 등)은 어떤 조로 얻어

것입니 ?

A3.

SS 제거 전처리 공정에서 폴리염화알루미늄(PAC) 등의 응 제를 투입

하면 불 해성 SS는 98%정도 제거할 수 있습니다.

BOD – COD 제거

불 해서 BOD는 제거된 SS에 포함되어 제거됩니다.

일부 BOD는 전 분해로 산화(물 에서 전자가 떨어 다.)되어

BOD 제거로 이어 니다.

다이 신

분자 조 에서 젠(C6H6)이 분해되어 카 산(COOH) 등 여러

종류의 화학물 이 생성되어 다이 신의 특 인 엄소는 염소이

이 되어 애노드(양 )에 접촉분해되어 (Cl-→Cl2+e) 염소가스가 됩

니다.

Q4. 탈인, 탈 소는 어떤 조로 이루어 니 ?

A4. 탈인 : 인산성 인은 응 제로 사 되는 알루미늄이나 철에 따라 인산염으로 부상 분리

됩니다.

▶ 응 제 폴리염화알루미늄(Al2O3)에서

Al+3 + PO4-3 → Al2PO4↓ (인산알루미늄)을 석출합니다.

▶ 응 제 수산화칼슘(Ca(OH)2)에서

Ca+2 + PO4-2 → Ca2PO4↓ (인산칼슘)을 석출합니다.

▶ 응 제를 사 하 않은 경 , 전 에서

Fe+3 + PO4-3 → Fe2PO4 ↓ (인산철)을 석출합니다.

탈 소 : 폐수 의 소분의 형성에는 여러 가 가 있 만 일 적으로 암모니아성

소에 대해서는 다음과 같은 응 조로 분해됩니다.

2NH4 + 2e → N2↑ + 4H2↑

이론적으로 암모니아이 18g을 산화분해하 위해서는 96500쿠 롱

(1A – 27분)의 전 량이 필 합니다.

Q5. 전 판에 속이 은 부착되는 것입니 ? 또 부착된 경 는 어떻게 유 , 부수하면 좋

습니 ?

A5. 폐수 상태에 따라 폐수 의 칼슘(Ca), 마 네슘(Mg)이 많은 것은 음 면에 부착됩니다. 부

착물은 약 10%의 희산소(希酸素)로 5분 정도 씻으면 간단히 뗄 수 있습니다.

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