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종진 노
6 years ago
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1 논문 Original Paper DOI: ISSN (Print): 고농도차아염소산나트륨발생장치의안정적운영에관한연구 조해진 * 나찬욱 * 고성호 ** 1) A Study on the Stable Operation of High Sodium Hypochlorite Generation Haejin Cho *, Chanwook Na *, Sungho Ko ** Key Words : Disinfection Process( 소독공정 ), Drinking Water Treatment( 먹는물처리 ), Electrolytic Cell( 전해조 ), High Sodium Hypochlorite Generation( 고농도차아염소산나트륨발생장치 ) ABSTRACT Sodium hypochlorite, used as water disinfectant, is generated by electrolysis of salt. Compared to chlorine gas disinfection, it is free from high-pressure gas regulation and does not generate toxic gas, so it is increasingly used as a safe disinfectant. Despite these advantages, the concentration of sodium hypochlorite decreases with temperature during long-term storage, and the amount of chlorate increases when a large amount is added, it has mainly been applied to small-scale waterworks. To solve this problem, high sodium hypochlorite generation was developed. In this study, the changes of concentration and chlorate of sodium hypochlorite with time has been studied. As a result of the test, it was found that the usable period of sodium hypochlorite produced at a certain temperature or less was increased from 1.5 days to 13 days. Overall, sodium hypochlorite can be applied even in large-scale waterworks, which makes operation more stable and also reduces the disinfection byproducts, thus it contributed greatly to securing water quality. 1. 서론인류의평균수명증가는의학기술의발전과더불어위생적인상수도의보급이큰기여를하였으며안전하고위생적인상수도보급은염소를활용한소독이결정적인역할을하였다고보고되고있다. 국내정수처리공정에서도소독공정에염소가사용되어지고있으며, 운전비용이저렴하고잔류염소농도관리가용이하여염소가스 (chlorine gas) 를액화시킨액화염소 (liquefied chlorine gas) 를대부분소독공정에서사용하여왔다. 그러나액화염소는독성이강한고압가스형태로제조, 운송및보관하여사용되고있으며소규모의정수장들을통합하여중대규모화시킴으로서경제적이고효율적인시설운영형태로변화하고있다. 이러한대규모정수장은대부분인구밀집지역이나공업단지등수요처에인접하고있으며자연 재해뿐아니라운영관리자의실수나사고로인해심각한피해가발생하고있다. 이러한독성고압가스의위험성을해소하기위해최근액화염소와동일한소독성능을가지고있으면서안전하고안정적인차아염소산나트륨을소독제로선택하는정수장이늘어나고있는추세이다. (1) 대표적인차아염소산나트륨제조는저농도차아염소산나트륨생산설비와고농도차아염소산나트륨생산설비이다. 저농도차아염소산나트륨생산설비는소금물을직접전극반응이이뤄지는전해셀을통과시켜, 최종염소성분이 0.8 % 함유된차아염소산나트륨을생산한다. 저농도차아염소산나트륨은 0.8% 의낮은유효염소농도를가지므로유효염소농도가 100% 인액화염소와동일한염소소독의효과를얻기위해서는약 125배의차아염소산나트륨을투입하여야한다. 예를들어 1000 m 3 의정수에 1 ppm의잔류염소를유지하 * 한국수자원공사 (K-water) ** 충남대학교기계공학부 (School of Mechanical Engineering Chungnam National University) 교신저자, sunghoko@cnu.ac.kr The KSFM Journal of Fluid Machinery: Vol. 20, No. 2, April, 2017, pp.69~74(received 15 Jul. 2016; revised 06 Dec. 2016; accepted for publication 06 Dec. 2016) 한국유체기계학회논문집 : 제 20 권, 제 2 호, pp.69~74, 2017( 논문접수일자 : , 논문수정일자 : , 심사완료일자 : ) 69

조해진 나찬욱 고성호 기위해액화염소는 1 kg을투입하는반면, 저농도차아염소산나트륨은 0.8% 의낮은농도로인하여약 125배인 125 kg 을투입하여야한다. 저농도차아염소산나트륨생산설비는설비의특성상고정된저농도 ( 목표농도 0.8%) 의차아염소산나트륨을생산하며, 생산과동시에소비되는생산, 투입의 2단계프로세스로공정에적용된다.

2 조해진 나찬욱 고성호 기위해액화염소는 1 kg을투입하는반면, 저농도차아염소산나트륨은 0.8% 의낮은농도로인하여약 125배인 125 kg 을투입하여야한다. 저농도차아염소산나트륨생산설비는설비의특성상고정된저농도 ( 목표농도 0.8%) 의차아염소산나트륨을생산하며, 생산과동시에소비되는생산, 투입의 2단계프로세스로공정에적용된다. 또한생산설비의고장에대비하여주사용전해조와예비용전해조로구분하여생산설비의고장에대비하고있다. 저농도차아염소산나트륨은생산단계에서직접전극접촉에의한반응열로인해약 40 이상의온도에서생산된다. 이로인해차아염소산나트륨은온도에따른농도변화와생산된차염용액내의재반응에의해클로레이트성분이증가되는특징이있다. 농도의경우저농도차아염소산나트륨은생산온도인약 40 에서 1.5일이경과하면농도가절반이하로떨어지는특징이있다. 따라서소독제로저농도차아염소산나트륨을사용하는경우는, 현장에서생산하여바로사용하는방식을채택하고있다. 일부시판되는차아염소산나트륨을구매하여소독제로사용하는경우는구매한차아염소산나트륨의농도와클로레이트성분에대해서검토후사용하여야한다. 시판되는차아염소산나트륨은제조일로부터사용일까지상당한기일이소요되므로농도의저하와클로레이트성분의기준초과가예상된다. 고농도차아염소산나트륨생산설비 (High Sodium Hypochlorite Generation) (2) 는저농도차아염소산나트륨방식과다른비접촉식전극반응을이용한다. 양극에서는소금물의전기분해가이뤄져염소가스를생성하고, 음극에서는수산화나트륨을생성하여생성된염소가스와액상의수산화나트륨이기액접촉반응조에서반응하여고농도의차아염소산나트륨을생성한다. 생성된차아염소산나트륨은약 12% 의유효염소농도를가지며액화염소와동일한염소소독의효과를얻기위해서는액화염소대비약 8.3배의차아염소산나트륨을투입하는투입량의정량제어가필요하다. 예를들어 1000 m 3 의정수에 1 ppm의잔류염소를유지하기위해액화염소는 1 kg을투입하는반면, 고농도차아염소산나트륨은 12% 의농도로인해 8.3 kg을투입하여야한다. 저농도차아염소산나트륨은 125 kg을투입하는것과비교하면고농도차아염소산나트륨은투입량을현저히줄일수있으며, 이는대용량의정수처리공정에도액화염소를대체하는차아염소산나트륨공정도입이가능하다는사실을나타낸다. 고농도차아염소산나트륨생산설비는비접촉식전극반응을이용하므로, 전극반응열로인해고온의차아염소산나트륨이생산되는저농도생산설비에비해생산되는차아염소산나트륨의온도가 18 이하로낮은특징이있다. 이는저농도차아염소산나트륨이시간의경과에따라소독부산물이 Fig. 1 Model of anodic and cathodic cell 발생하는 (3) 문제점을해결하는데매우유효하다. 그간의연구는저농도차아염소산나트륨의시간에따른유효염소의변화및소독부산물인클로레이트에대해서연구되어왔으나이는고온으로생성된저농도차아염소산나트륨의특징으로저온으로생산되는고농도차아염소산나트륨의특징으로볼수없다. 일반적으로저농도차아염소산나트륨생산설비는생산된차아염소산나트륨의농도저하, 소독부산물인클로레이트의시간에따른증가 (4) 로인해생산과동시에즉시소모하는단계로공정에적용된다. 본연구에서는고농도차아염소산나트륨생산설비로생산된차아염소산나트륨 (12%) 의시간의경과에따른농도의변화및소독부산물인클로레이트변화특성에대해서연구하였다. 또한연속주입약품의경우 14일분을저장하여사용하여야하는상수도시설기준을만족하기위한고농도차아염소산나트륨의저장방안에대해서최적방안을제시하였으며, 실공정에고농도차아염소산나트륨생산설비를운영하는정수장의소독공정에적용하였다. 2. 테스트방법 2.1 고농도차아염소산나트륨발생이론 Fig. 1과같이고농도차아염소산나트륨생산설비는소금 (NaCl) 내의염소이온 (Cl - ) 이양극반응을통해염소가스 (Cl 2) 로전환된다. 이때양극반응은물 (H 2O) 의전기분해에의한산소 (O2) 발생반응과경쟁반응으로양극전극의특성, 소금물농도및전기분해방식에따라그효율이결정된다고볼수있다. 또한양극반응이일어나는동안음극에서는물 (H 2O) 분해를통해수소가스 (H 2) 와수산화이온 (OH - ) 이생성되고수산화이온 (OH - ) 은나트륨이온 (Na + ) 과반응하여가성소다 (NaOH) 가생성된다. 전극반응으로생성된염소가스 70 한국유체기계학회논문집 : 제 20 권, 제 2 호, 2017

전해조는개별 350 kg/day 의용량이며, 여기서 350 kg은 100% 유효염소농도를의미하며, 12% 고농도차아염소산나트륨을기준으로개별조기준으로 8.3배인 2,915 kg/day (12%) 로생산이가능하다. Fig. 2와같이양극조는소금물이충진되어있으며운전시일정수위이하가되면소금물정제장치에서포화소금물이유입되고전도도가제어범위이하로떨어지면과포화소금물이유입된다.

3 고농도차아염소산나트륨발생장치의안정적운영에관한연구 Fig. 2 Schematic diagram of High Sodium Hypochlorite facilities Fig. 3 Photograph of electrolytic cell in purification plant (Cl 2) 와가성소다 (NaOH) 를기액접촉반응을통해최종차아염소산나트륨 (NaOCl) 이생성하게된다. (5) 2.2 발생장치구성및테스트 Fig. 2는고농도차아염소산나트륨장치개요이며, Fig. 3 은정수장에설치된고농도차아염발생장치의전해조이다. 전해조는개별 350 kg/day 의용량이며, 여기서 350 kg은 100% 유효염소농도를의미하며, 12% 고농도차아염소산나트륨을기준으로개별조기준으로 8.3배인 2,915 kg/day (12%) 로생산이가능하다. Fig. 2와같이양극조는소금물이충진되어있으며운전시일정수위이하가되면소금물정제장치에서포화소금물이유입되고전도도가제어범위이하로떨어지면과포화소금물이유입된다. 전해조에직류전원이인가되면순환펌프에의해소금물이양극실로유입되어염소가스가발생된다. 이때전해조의양이온교환막을통해소금물중 Na이온은음극으로이동한다. 음극조는연수가정수위밸브에의해일정수위로제어되며유입되어전해조에직류전원이인가되면연수가전해조의음극실로유입되어자연대류하며가성소다가생성된다. 이때생성된가성소다는정량펌프에의해기액반응조로이 송되며이송된만큼연수가음극조로유입된다. 유격막전해조는연수및포화소금물을이용하여양극에서는염소가스를음극에서는가성소다를제조하는핵심장치로서, 티타늄판에백금족산화물이코팅되어있는촉매전극 ( 상품명 DSA, CSA) 을양극으로사용하고, 음극은 Ti, STS 및 Ni 합금등이사용된다. 효율적인전극의조건은전극표면의생성물인염소가낮은에너지에서발생되어야하며, 전극수명이길어야한다. (6) 유격막전해조의음극실에서는음극반응을통해생성된수소가스가생성되고음극조상부에설치된블로워를통해유입된외기에의해생성과동시에수소가스농도는 2% 이하범위로희석되어대기로배출된다. 기액반응조는전기분해장치의양극생성물인염소가스를이젝터 ( 기액접촉기 ) 를통하여음압으로흡입하여음극생성물인가성소다와기액접촉반응하여고농도차아염소산나트륨을생성한다. 반응열을제거하기위한열교환기와생성되는차아염소산나트륨에일정량의잔존가성소다를제어하는 ORP 센서가설치된다. 이를통해원하는농도의차아염소산나트륨으로제조되어차아염소산나트륨저장탱크로이송된다. 현재설치된고농도차아염소산나트륨생산설비는생산, 저장, 투입의 3단계프로세스로운영중이며시설용량 258,000 m 3, 유효염소 350 kg/day 생산이가능한고농도차아염소산나트륨생산전해조 3대를운영하고있으며하루평균 100% 유효염소기준 186 kg를생산하고있다. 이번테스트는시간이경과함에따라유효염소농도와클로레이트의변화를측정하기위해차염저장탱크의유출측에서시료를채취하였으며일정한온도를유지하면서관찰하였다. 유효염소의농도측정은환경부고시제 호에따른적정법을사용하였으며, 클로레이트 (ClO - 3 ) 의농도측정은 KS I ISO :2008 수질- 이온액체크로마토그래피에의한용존된음이온측정방법에의해측정하였으며국제시험기관인정협력체상호인정협정에서명한한국인정기구 (KOLAS) 로부터인정받은기관에서수행하였다. 3. 테스트결과및고찰 3.1 온도에따른고농도차아염소산나트륨농도변화 Fig. 4는고농도차아염소산나트륨생산설비로생산된액상차아염소산나트륨을일정한온도를유지하며시간의경과에따른차아염소산나트륨의유효염소농도를측정한결과이다. 저농도차아염소산나트륨은생산된차아염소산나트륨이투입되기까지저장탱크에보관할경우일반적으로농도가 한국유체기계학회논문집 : 제 20 권, 제 2 호,

4 조해진 나찬욱 고성호 Table 1 Sodium hypochlorite (NaClO) notification by ministry of environment Fig. 4 Sodium concentration graph according to temperature Item Characteristic First class Standards Second class Lemon yellow transparent liquid Sodium 12 % over 12 % under 12 % over 12 % under Free alkali 2 % over 2 % over 2 % over 2 % over As Pb Cd Cr Hg Bromate Chlorate ,000 mg/kg mg/kg 10,000 mg/kg 이하 온도에따른클로레이트농도변화 Fig. 5 Chlorate concentration graph according to temperature 1.5일이내에반감되는특징 (7) 이있으나, 고농도차아염소산나트륨을 4, 15, 20, 25, 35 의보관조건에서농도를관찰한결과, 초기차아염소산나트륨의생산농도는약 12.4% 로측정되었으며, 25 이하로유지할경우 10일간 12% 범위내에서농도가유지되었으며, 생산목표농도인 12% 의 10% 농도범위인 10.8% 를유지하는조건은최장 27일까지로나타났다. 본실험에서는 UV 조사유무에대해서도추가로실험을실시하였는데, UV 조사유무에따른농도변화는유의미한차이를나타내지않았다. 고농도차아염소산나트륨은초기생산차아염소산나트륨의온도가 18 저온이므로, 생산된온도를유지하거나, 적어도 25 이내로유지하면 12% 농도의편차 10% 이내 (10.8%) 로최장 27일까지농도품질을확보할수있음을알수있다. Fig. 4에서는고농도차아염소산나트륨이온도를증가시켜보관하면농도가시간이지남에따라낮아짐을알수있으나, 저농도차아염소산나트륨이생산된지 1.5일이내에농도가반감하는것과비교하여비교적완만한농도저하경향을보인다. 이는고농도차아염소산나트륨이저온으로생산되는특징으로인한것으로판단된다. Fig. 5는고농도차아염소산나트륨생산설비로생산된액상차아염소산나트륨을일정한온도를유지하며시간의경과에따른차아염소산나트륨의클로레이트농도를측정한결과이다. 생산된차아염소산나트륨은시간이지날수록소독부산물인클로레이트가증가하는특징이있다. 일반적으로알려진저농도차아염소산나트륨은일반적으로생산된지 1.5일이내에클로레이트농도가환경부기준을초과하는특징이다. 이러한특징은고농도차아염소산나트륨에서도동일한특징으로나타나며 35 로유지한고농도차아염소산나트륨의경우, 생산된지 2일이내에환경부기준을초과하였다. 생산된차아염소산나트륨을수처리제로사용하기위해서는환경부수처리제고시의 1종또는 2종수처리제기준을만족하여야하며, 그기준은 Table 1과같다. 차아염소산나트륨은생산된차아염소산나트륨의농도와무관하게생산된이후온도변수에매우민감한것으로판단된다. 고농도차아염소산나트륨은 4 의경우 31일, 일, 20 13일, 25 6일, 35 는 2일을경과하면서환경부수처리제기준을초과하였다. 이는해당온도로유지할경우, 기준치이내에서저장하여사용이가능한약품저장기간이라할수있다. Table 2는생산된차아염소산나트륨의초기클로레이트농도에따른온도별저장기간을실험한결과이다. 생산된차 72 한국유체기계학회논문집 : 제 20 권, 제 2 호, 2017

고농도차아염소산나트륨발생장치의안정적운영에관한연구 Table 2 Available storage time according beginning chlorate C0 (Beginning) concentration t (Available storage time) 4 15 20 25 35 0.0097 (Max.) 100 day 11 day 7 day 3 day 0.

실험결과에따르면 1종차염의환경부조건인 0.0167 (mg/l-clo 3-/mg/L-Cl 2) 이하를기준으로 [ClO 3-/Cl 2] 의초기값이 0.004( 평균값 ) 일때 20 에서 13일이내로저장가능할것으로판단된다. 이는고농도차아염소산나트륨생산설비운영조건에서중요한의미를가진다.

5 고농도차아염소산나트륨발생장치의안정적운영에관한연구 Table 2 Available storage time according beginning chlorate C0 (Beginning) concentration t (Available storage time) (Max.) 100 day 11 day 7 day 3 day 0.8 day (Min.) 224 day 26 day 17 day 7 day 1 day (Aver.) 181 day 21 day 14 day 6 day 1 day 아염소산나트륨의저장가능기간은초기클로레이트농도에따라달라질수있음을알수있으나설비특성상균일한품질의차아염소산나트륨이생산되므로평균값을저장기간으로사용하여도무방할것으로판단된다. 실험결과에따르면 1종차염의환경부조건인 (mg/l-clo 3-/mg/L-Cl 2) 이하를기준으로 [ClO 3-/Cl 2] 의초기값이 0.004( 평균값 ) 일때 20 에서 13일이내로저장가능할것으로판단된다. 이는고농도차아염소산나트륨생산설비운영조건에서중요한의미를가진다. 고농도차아염소산나트륨은 18 로생산되어저장되어지므로저장탱크내에서 20 로유지할경우최장 13일까지차염의품질이확보가가능하다. 이는 K-water 수도수질업무기준정수약품재고관리기준 (10일분 ) 에도적합하며, 단지생산된차아염소산나트륨의온도를유지하기만해도되기때문에설비구현또한유리하다. Fig. 6는측정한차아염소산나트륨저장탱크실의하절기실내온도이다. 앞서기술한바와같이생산된차아염소산나트륨의클로레이트농도는온도와아주밀접하다. 하절기저장탱크실의실내온도는 30 이상으로온도가상승하는것으로나타나며, 저장탱크내차아염소산나트륨의온도가 30 로평형을이룬다고가정하면, 추정컨대 3일이내에클로레이트농도가환경부기준을초과할것으로판단된다. Fig. 7은생산된차아염소산나트륨을저장하는저장탱크에 20 로항온을유지하는냉각라인을설치하여저장탱크내차아염소산나트륨의온도를측정한결과이다. 6/16이후의차아염소산나트륨온도는 20 이하로일정하게유지되고있어실내온도상승으로인한클로레이트농도증가요인을제거하였다. 이와같은저장차아염소산나트륨의저장방안은클로레이트농도를기준치이내에서 10일간저장하여사용함이가능함을의미한다. 고농도차아염소산나트륨생산설비는기액접촉조의온도유지를위한냉각설비를갖추고있어, 냉각설비의배관라인을차아염소산나트륨저장탱크내로순환토록조정하여손쉽게차아염소산나트륨의온도유지를실현하였다. 또한냉각기는항온조절이가능하여필요한경우더낮은온도로저장온도를설정하여손쉽게저장기간을늘릴수있는특징이있다. Fig. 6 Temperature of high sodium hypochlorite storage room Fig. 7 Temperature of high sodium hypochlorite in storage Tank 4. 결론본연구는최근들어정수처리공정의소독제로사용되고있는고농도차아염소산나트륨의대표적품질인자인시간경과에따른유효염소농도및클로레이트농도변화에대한연구를최초로수행하였다. 일반적으로차아염소산나트륨은저장기간 1.5일이내에유효염소농도는반감하며소독부산물인클로레이트농도는기준치를초과하는것으로알려져있어, 생산즉시사용하는 2단계프로세스로수처리공정에적용되어있다. 하지만이는직접전극반응을이용하여차아염소산나트륨을생산하는저농도차아염소산나트륨생산설비의특징으로비접촉식전극반응을이용하여차아염소산나트륨을생산하는고농도차아염소산나트륨의특성까지대표하지는못한다. 고농도차아염소산나트륨은생산단계에서저온인 18 로생산되어저장탱크의온도를 20 로이내로유지할경우차아염소산나트륨의유효염소농도및클로레이트농도는품질기준치이내에서 13일까지저장이가능하다. 이는기존의생산즉시사용하는 2단계프로세스공정을생산 저장 (10일) 사용의 3단계프로세스로공정을운영할수있어설비사고에대한대처시간확보등실공정에서의운영안정성을크게향상시켰다. 고농도차아염소산나트륨생산설비를운영함에있어, 본연구결과를토대로저장탱크의온도를 20 이하로운영중에있으며, 생산된차아염소산나트륨을 10일간저장하여사용토록탱크용량을증설하여운영하고있다. 한국유체기계학회논문집 : 제 20 권, 제 2 호,

6 조해진 나찬욱 고성호 후기이연구는 K-water, ( 주 ) 테크윈과충남대학교학술연구비의지원으로수행된결과입니다. References (1) 환경부제정상수도시설기준, 2004, pp (2) 김정식, 신현수, 이은경, 정붕익, 2013, 고농도차아염소산나트륨발생장치국산화개발, 대한기계학회춘계학술강연회, pp (3) 윤경애, 2012, 액화염소와소금물전기분해를이용한소독부산물생성특성, 강원대학교환경공학과박사학위논문 (4) von Gunten, U. 2003a, "Ozonation of Drinking Water :Part Ⅰ. Oxidation kinetics and product formation", Water Research Vol. 37, (5) European Commission, 2014, Best Available Techniques (BAT) Reference Document for the Production of Chlor-Alkali, JRC Science and Policy Reports. (6) 이경, 유정호, 심성현, 김정식, 2010, 현장발생형차아염소산나트륨발생장치소개및최적전극의선택, 대한전기학회하계학술대회논문집, pp (7) Stanford, Benjamin D, Pisarenko, Aleksey N, Snyder, Shane A, Gordon, Gilbert. 2011, Perchlorate, Bromate, and Chlorate in Hypochlorite Solutions: Guidelines for Utilities, American Water Works Association. Journal, Vol. 103 No 한국유체기계학회논문집 : 제 20 권, 제 2 호, 2017

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