KR20150140555A - 레드머드를 이용한 산성폐수 중화용 처리재와 이의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 레드머드를 이용한 산성폐수 중화용 처리재와 이의 제조방법에 관한 것으로서, 보크사이트로부터 알루미나 채취시 발생하는 레드머드에 시멘트와 와목점토를 첨가하여 일정한 모양으로 용이하게 성형이 가능함과 동시에 강도가 양호한 산성폐수 처리에 효과가 우수한 산성폐수 중화용 처리재와 이의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 레드머드를 이용한 산성폐수 중화용 처리재는 레드머드(red mud) 80 내지 90중량%, 시멘트 8 내지 16중량%, 와목점토 2 내지 4중량%의 혼합물을 성형하여 경화시킨다.

Description

레드머드를 이용한 산성폐수 중화용 처리재와 이의 제조방법{tool for treating acidic waste water using red mud and manufacturing method thereof}

본 발명은 레드머드를 이용한 산성폐수 중화용 처리재와 이의 제조방법에 관한 것으로서, 보크사이트로부터 알루미나 채취시 발생하는 레드머드에 시멘트와 와목점토를 첨가하여 일정한 모양으로 용이하게 성형이 가능함과 동시에 강도가 양호한 산성폐수 처리에 효과가 우수한 산성폐수 중화용 처리재와 이의 제조방법에 관한 것이다.

국내에는 900여개의 금속광산, 380여개의 석탄광산 및 1,200여개의 비금속광산을 포함하여 총 2,500개소의 크고 작은 광산들이 있으며, 이들 중에서 약 80%가 휴광 또는 폐광된 광산으로서 적절한 환경복원시설이 설치되지 않아 주변 생태계가 위협받고 있다.

특히 폐금속 광산에서는 과거 채광이나 선광 제련과정 등의 광산활동으로 인하여 배출된 광산폐기물들(폐석, 광미, 광석광물)이 광산주변에 그대로 방치되어있어 집중 강우나 강풍에 의해 하부로 분산되어 광산하부의 농경지와 수계와 환경오염을 계속적으로 일으키고 있다.

현재 폐광에서는 갱외로 유출되는 폐수(광산배수 (AMD: Acid Mine Drainage 또는 ARD: Acid Rock Drainage))를 방지하는 시설을 가동시키지 않거나 또는 방지시설이 미비하기 때문에, 이러한 폐광으로부터 유출되는 광산폐수의 환경오염 문제가 심각하게 대두되고 있다. 폐광뿐만 아니라 현재 가행탄광도 채산성 악화와 석탄의 수요감소 등으로 폐광되고 있는 실정이며, 이들 탄광의 갱내 폐수는 주변의 토양으로 중금속을 용출시키면서 황산염과 같은 유해물질을 하천으로 유출시켜 강바닥에 황갈색의 침전물을 발생시키는 등, 상수도, 지하수, 및 토양을 오염시키는 주범으로 인식되고 있다.

광산폐수는 pH 2~3 정도의 산성으로서 황화광물과 Fe, Cd. Mn, Cu, Pb 등의 중금속을 포함하고 있고, 이러한 중금속은 자연 생태계 파괴뿐만 아니라 인간의 몸속에 축적되어 신경계통 장애, 근육마비, 뼈 관련 질환 등 각종 질병을 야기시킨다.

광산폐수 뿐만 아니라 각종 산업현장에서 발생하는 산성 폐수 역시 환경오염과 생태계 파괴, 각종 질병 야기 등의 문제를 역시 갖는다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 산성폐수를 처리하기 위한 다양한 기술이 개발되고 있다.

대한민국 등록 특허 제 10-1254714호에는 불가사리를 이용한 산성폐수 처리용 다공성 세라믹과 이의 제조방법 그리고 산성폐수 처리장치가 개시되어 있다. 상기 특허는 불가사리 분말 100중량부에 대하여 제올라이트 50 내지 150중량부와, 기공제 10 내지 40중량부를 혼합하여 성형한 후 600 내지 800℃로 소성한 볼 형태의 세라믹을 이용하여 산성폐수를 중화시키고 중금속을 제거한다.

그리고 대한민국 등록특허 제 10-1151772호에는 제강전로 슬래그를 이용한 산성폐수의 중금속 제거제가 개시되어 있다.

상기 특허는 제올라이트와 제강전로 슬래그의 혼합중량비가 1 : 1 내지 3으로 이루어지고, 500℃이상 800℃이하의 온도에서 소성하여 이루어지는 제거제를 이용하여 산성폐수의 중금속을 처리한다.

하지만, 상기 개시된 특허들은 높은 온도에서 소성하여 제조하므로 많은 에너지가 소비되어 경제적이지 못하고, 소성설비를 별도로 갖춰야 하는 문제점이 있다.

한편, 레드머드(red mud)는 보크사이트 원료 광물에서 베이어(Bayer)법(알루미나가 다량존재하는 원료광물에 수산화나트륨를 가하여 수산화알루미늄을 추출하는 방법)에 의해 수산화알루미늄을 추출하고 남은 슬러지를 의미하는 것으로, 5~20㎛의 크기를 가지는 붉은 색의 미분체이며, 약 30%정도의 수분함량을 가진 슬러리 형태(반죽형태)로 발생된다.

레드머드는 전세계적으로 슬러지 상태로 연간 1억 2천 만톤, 건조 분말상태로는 4천 만톤 이상 배출되고 있으며, 그 양은 매년 증가하고 있는 추세이다. 국내에서도 연간 슬러지 상태의 레드머드가 20 만톤씩 배출되고 있으나, 레드머드 자체를 처리할 수 있는 방안이 없어 건축재료 등에 극히 제한적으로만 이용되고 있을 뿐만 아니라, 그 근본적인 처리방안도 없는 상황이다. 특히, 전 세계적으로 레드머드의 적재장소가 마땅치 않으며, 침출수 유출에 의하여 인근 농작물 및 인명에 피해를 주기도 하는 등 많은 환경문제를 야기하고 있다. 따라서 레드머드의 처리가 시급한 상황이다.

1. 대한민국 등록 특허 제 10-1254714호: 불가사리를 이용한 산성폐수 처리용 다공성 세라믹과 이의 제조방법 그리고 산성폐수 처리장치 2. 대한민국 등록특허 제 10-1151772호: 제강전로 슬래그를 이용한 산성폐수의 중금속 제거제

본 발명은 상기의 문제점을 개선하고자 창출된 것으로서, 강염기성의 폐기물인 레드머드를 유용한 자원으로 활용함과 동시에 시멘트와 와목점토를 혼합하여 일정한 모양으로 성형함으로써 소성을 하지 않고도 경화가 가능하여 경제적이면서도 강도가 우수한 산성폐수 중화용 처리재와 이의 제조방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 레드머드를 이용한 산성폐수 중화용 처리재는 레드머드(red mud) 80 내지 90중량%, 시멘트 8 내지 16중량%, 와목점토 2 내지 4중량%의 혼합물을 성형하여 경화시킨다.

상기 혼합물에 감람석 분말 또는 플라이애쉬를 첨가할 수 있다.

상기 처리재는 상기 혼합물로 형성된 구형의 메인볼과, 상기 메인볼보다 작게 구형으로 형성되며 상기 메인볼의 외부 또는 내부에 불규칙적으로 배치되는 서브볼을 포함할 수 있다.

상기 서브볼은 상기 혼합물에 섬유를 더 혼합한 후 성형하여 경화시킨다.

그리고 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 레드머드를 이용한 산성폐수 중화용 처리재의 제조방법은 레드머드(red mud) 80 내지 90중량%, 시멘트 8 내지 16중량%, 와목점토 2 내지 4중량%를 혼합하여 혼합물을 수득하는 혼합단계와; 상기 혼합물에 물을 가한 반죽을 성형하는 성형단계와; 상기 성형단계에서 수득한 성형체를 건조하여 경화시키는 경화단계;를 포함한다.

상기 성형단계는 상기 반죽에 구형으로 형성된 서브볼을 투입하여 성형하며,상기 서브볼은 상기 혼합물에 섬유를 더 혼합한 후 성형하여 경화시킨다.

상술한 바와 같이 본 발명은 산성폐수를 중화시켜 산성폐수를 효과적으로 처리함과 동시에 중금속 제거 효과가 우수하므로 본 발명은 강염기성의 폐기물인 레드머드를 수처리분야에 유용한 자원으로 활용할 수 있다.

또한, 레드머드와 시멘트, 와목점토를 혼합하여 레드머드 자체의 약한 결합력을 보강함으로써 소성을 하지 않고도 충분한 강도를 가지므로 경제적이면서 제조설비를 간소화시킬 수 있다.

도 1은 구형의 처리재를 나타낸 모습이고,
도 2 내지 도 9는 회분식 반응기에서 산성폐수의 수처리 결과를 나타낸 그래프이고,
도 10 내지 도 17은 연속흐름식 반응기에서 산성폐수의 수처리 결과를 나타낸 그래프이고,
도 18은 본 발명의 일 실시 예에 따른 중금속 및 산성폐수 처리장치의 개략적인 구성도이고,
도 19는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 중금속 및 산성폐수 처리장치의 개략적인 구성도이고,
도 20은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 중금속 및 산성폐수 처리장치에 적용된 요부를 발췌한 사시도이고,
도 21은 본 발명의 일 실시 예에 따른 처리재를 나타낸 단면도이고,
도 22는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 처리재를 나타낸 단면도이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 레드머드를 이용한 산성폐수 중화용 처리재와 이의 제조방법에 대하여 구체적으로 설명한다.

본 발명의 산성폐수 중화용 처리재는 레드머드와 시멘트, 와목점토를 재료로 이용한다.

레드머드(red mud)는 보크사이트 원료 광물에서 알루미늄을 추출하고 남은 슬러지를 의미하는 것으로, 약 30% 정도의 수분함량을 가진 슬러리 형태를 이용하거나 건조시켜 분말화된 형태를 이용할 수 있다.

레드머드 자체는 결합력이 매우 약하기 때문에 본 발명은 바인더로서 시멘트를 이용한다.

시멘트는 통상적인 포틀랜드 시멘트를 이용할 수 있다. 시멘트는 소성을 하지 않고도 높은 강도의 처리재를 제조할 수 있도록 한다. 또한, 시멘트 자체는 알칼리성 물질이므로 산성폐수의 중화에 기여하여 산성폐수 내의 중금속 용출을 돕는다.

와목점토는 석영 및 카오리나이트를 주성분으로 하고 그 외에 할로이사이트, 운모 광물, 장석 등을 수반하는 가소성 점토이다. 와목점토는 시멘트의 첨가량을 줄임과 동시에 시멘트 첨가량을 줄임에 따라 발생될 수 있는 처리재의 강도 저하를 막기 위한 기술수단이다. 또한, 와목점토는 가소성이 우수하여 처리재의 성형을 용이하게 한다.

또한, 와목점토는 pH 조건에 따라 처리재의 투수성을 변화시켜 중화된 산성폐수의 pH 변동성을 감소시켜 적절한 중화상태를 유지할 수 있도록 한다. 즉, 와목점토는 pH의 변화에 따라 투수계수가 변하는 특성을 갖는데, 낮은 pH영역에서는 투수계수가 증가하고 높은 pH영역에서는 투수계수가 감소한다. 와목점토의 주요성분 중의 하나인 카오리나이트는 pH변화에 따라 다음과 같은 반응이 일어난다.

Al₂Si₂O₅(OH)₄+6H⁺ → 2Al^{3 +} + 2H₄SiO₄

상기 식에서 알루미늄 이온은 pH변화에 따라 알루미늄 착물을 형성하고 시간에 따라 응축을 하게 된다. 이러한 pH변화에 따른 알루미늄 착물의 변화는 입자의 표면특성을 변화시켜 투수성을 변화시킨다.

본 발명의 일 예로 산성폐수 중화용 처리재는 레드머드와 시멘트, 와목점토의 혼합물을 성형하여 경화시켜 형성된다. 가령, 레드머드 80 내지 90중량%, 시멘트 8 내지 16중량%, 와목점토 2 내지 4중량%의 혼합물을 성형하여 경화시킨다.

레드머드의 함량이 80중량% 미만이면 중금속 및 산성폐수의 처리효과가 낮고, 레드머드의 함량이 90중량%를 초과하면 성형성 및 강도가 낮아져 처리재가 분해될 우려가 있다.

그리고 시멘트의 함량이 8중량% 미만이면 강도가 낮아지고, 시멘트의 함량이 16중량%를 초과하면 중금속 및 산성폐수의 처리효과가 낮아진다. 그리고 와목점토의 함량이 2중량% 미만이면 가소성이 저하되고, 와목점토의 함량이 4중량%를 초과하면 중화 효과가 낮아진다.

레드머드와 시멘트, 와목점토를 일정 비율로 혼합한 후 골고루 섞일 수 있도록 교반시킨다. 이때 물을 적절한 양으로 첨가할 수 있음은 물론이다. 가령, 혼합물 100중량부에 대하여 물 5 내지 30중량부를 첨가할 수 있다.

교반시킨 반죽은 일정한 모양으로 성형한다. 성형체의 형태는 구형, 펠릿, 다각형, 타원형 등 다양한 형태와 크기로 성형할 수 있다. 성형은 틀에 혼합물을 주입하여 성형하거나 성형기계를 이용하여 대량으로 성형이 가능하다.

성형 후 성형체를 경화시킨다. 경화방법으로 자연건조 방법을 이용할 수 있다. 가령, 2 내지 10일 정도 자연건조시켜 경화시킬 수 있다.

본 발명은 산성폐수와 접촉하여 산성폐수 중에 함유된 비소, 카드뮴, 구리, 철, 망간, 납, 아연 등의 각종 중금속을 제거하고, 산성폐수의 수소이온농도(pH)를 높여 산성폐수를 중화시킨다. 여기서 산성폐수는 주로 산성 광산배수나 산성 산업폐수를 의미한다.

산성폐수가 처리재의 알칼리 성분에 의해 pH가 높아짐으로써 산성폐수 내 용해된 중금속이 제거된다. 처리재에 함유된 레드머드는 카드뮴, 납, 아연의 안정화에 효과적이며, 레드머드에 존재하는 Al, Fe 산화물과의 공침 또는 산화물 내부에 존재하는 리간드(ligand)와의 착화합물(specific inner-sphere complex) 형성에 의해 중금속을 제거한다.

한편, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 중금속 및 산성폐수 처리재는 레드머드(red mud), 시멘트, 와목점토, 감람석을 함유한다. 가령, 레드머드와 시멘트, 와목점토를 혼합한 혼합물에 감람석 분말을 첨가한 후 성형한 다음 경화시켜 처리재를 제조한다.

레드머드와 시멘트, 와목점토의 혼합물 100중량부에 대하여 감람석 분말 2 내지 8중량부를 첨가할 수 있다. 감람석은 알칼리성을 부여하며, 수질을 정화하는 기능을 한다.

또한, 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 산성폐수 중화용 처리재는 레드머드, 시멘트, 와목점토, 플라이애쉬를 함유한다. 가령, 레드머드와 시멘트, 와목점토를 혼합한 혼합물에 플라이애쉬를 첨가한 후 성형한 다음 경화시켜 처리재를 제조한다.

레드머드와 시멘트, 와목점토의 혼합물 100중량부에 대하여 플라이애쉬 2 내지 8중량부를 첨가할 수 있다.

플라이애쉬(fly ash)는 유연탄을 사용하는 발전소에서 생성된 미분말의 비산회로서, 알칼리성을 부여하며 처리재의 성형강도를 증진시켜 내구성을 향상시킨다.

또한, 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 산성폐수 중화용 처리재는 레드머드, 시멘트, 와목점토, 섬유를 함유한다. 가령, 레드머드와 시멘트, 와목점토를 혼합한 혼합물 100중량부에 대하여 섬유 2 내지 10중량부를 첨가한 후 성형한 다음 경화시켜 처리재를 제조한다.

혼합물에 첨가되는 섬유는 처리재의 강도를 향상시킨다. 섬유는 폴리프로필렌 또는 폴리에스터 소재를 섬유상으로 만든 것으로서, 길이 0.5 내지 2mm 정도로 짧게 잘라진 단섬유 형태를 이용한다. 또한, 섬유로 통상적인 토목섬유를 잘게 분쇄한 것을 이용할 수 있다.

본 발명의 산성폐수 중화용 처리재는 상술한 바와 같이 구형이나 펠릿 등 다양한 형태로 형성될 수 있다.

또한, 본 발명의 산성폐수 중화용 처리재는 수처리 효과를 높이기 위해 구형의 메인볼과, 메인볼의 외부 또는 내부에 불규칙적으로 배치되는 서브볼의 구조를 가질 수 있다.

도 21을 참조하면, 본 발명의 산성폐수 중화용 처리재(200)는 다수의 서브볼(205)이 메인볼(201)의 내부에 불규칙적으로 배치된다. 서브볼(205)은 메인볼(201)보다 직경이 더 작은 구형으로 형성된다. 그리고 도 22는 다수의 서브볼(215)이 메인볼(211)의 외부에 불규칙적으로 배치된 산성폐수 중화용 처리재(210)를 도시하고 있다. 도 22에서 서브볼(215)은 메인볼(211)보다 직경이 더 작은 구형으로 형성되며, 서브볼(215)은 메인볼(211)의 내부로 매설된 상태에서 일부위가 메인볼(211)의 외부로 노출된 구조이다.

도 21 및 도 22에서 메인볼은 레드머드, 시멘트, 와목점토의 혼합물로 형성되고, 서브볼은 레드머드, 시멘트, 와목점토의 혼합물에 섬유를 더 혼합하여 형성될 수 있다. 따라서 메인볼보다 서브볼의 강도가 더 높다.

도 21과 같이 메인볼보다 강도가 더 높은 서브볼을 메인볼의 내부에 배치시킬 수 있어 메인볼의 붕괴시 서브볼들이 산성폐수를 처리하는 역할을 계속적으로 유지시킬 수 있다. 또한, 도 22와 같이 서브볼이 외부로 노출되도록 메인볼에 배치되므로 처리재의 표면적을 증대시켜 산성폐수의 처리효율을 높일 수 있다.

도 21에 도시된 처리재를 제조하기 위해서, 먼저 서브볼을 준비한다. 서브볼은 레드머드와 시멘트, 와목점토의 혼합물에 섬유를 첨가한 후 골고루 섞고, 적절한 양의 물을 첨가하여 반죽한 다음 구형으로 성형한 후 경화시켜 만들 수 있다. 다음으로, 레드머드와 시멘트, 와목점토를 혼합하여 골고루 섞고 적절한 양의 물을 첨가하여 반죽한다. 그리고 미리 준비한 서브볼들을 반죽에 첨가하여 혼합한 다음 반죽을 구형으로 성형한 후 경화시킨다. 이와 같이 경화시켜 제조한 처리재의 내부에는 다수의 서브볼들이 불규칙하게 배치된다.

이하, 도 18을 참조하면서 상술한 레드머드를 이용한 산성폐수 중화용 처리재를 이용한 산성폐수 처리장치에 대하여 설명한다.

본 발명의 산성폐수 처리장치는 일 예로 체류조(10)와, 처리재(30)를 구비한다

유량조정조(5)를 거친 산성폐수가 유입관을 통해 체류조(10)로 유입된다. 유량조정조(5) 내부에 설치된 펌프(7)를 통해 산성폐수는 체류조(10)로 유입된다. 유량조정조(5)에는 산성폐수 발생원으로부터 발생된 산성폐수가 공급된다. 산성폐수는 대략 pH 2~4 정도이고, 비소, 카드뮴, 구리, 철, 망간, 납, 아연 등의 각종 중금속을 포함한다.

체류조(10)는 내부가 비어 있는 통형으로 형성된다. 체류조(10)의 하부에는 원추형의 침전부(50)가 형성된다. 그리고 침전부(50)에는 청소를 위한 드레인관(66)이 설치된다.

체류조(10)는 크게 3개의 영역으로 분할된 구조를 갖는다. 가령, 체류조(10)는 산성폐수가 유입되는 유입부(15)와, 유입부(15)를 통과한 산성폐수가 유입되며 처리재(30)가 수용된 수용부(14)와, 수용부(14)를 통과하여 중금속이 제거되고 산성도가 저감된 처리수가 유입되어 외부로 배출되는 배출부(17)로 구성되며, 유입부 및 수용부, 배출부는 체류조 전단에서부터 순차적으로 형성된다.

유입부(15), 수용부(14), 배출부(17)의 3개의 영역은 제 1 및 제 2다공격벽(20)(25)에 의해 분할되는 구조를 갖는다. 제 1 및 제 2다공격벽(20)(25)은 유체가 통과할 수 있도록 다수의 관통홀(23)(27)들이 각각 형성되어 있다. 각 관통홀의 크기는 처리재(30)의 크기보다 작게 형성된다.

처리재(30)는 제 1 및 제 2다공격벽 사이에 다수가 수용된다. 도시된 예에서 처리재(30)는 볼 형상의 구형으로 형성되어 있다. 처리재들은 지지체(40) 위에 적층된다. 지지체(40)는 일측이 상기 제 1다공격벽(20)에 지지되고 타측이 상기 제 2다공격벽(25)에 결합되어 상부에 적층된 처리재들을 지지한다. 지지체(40)에는 다수의 관통홀(45)이 형성되어 유체는 통과시키지만 처리재(30)의 통과는 저지한다.

유량조정조(5)를 통해 유입된 산성폐수는 체류조(10)의 유입부(15)로 유입된다. 그리고 유입부(15)로 유입된 산성폐수는 제 1다공격벽(20)의 관통홀(23)을 통과하여 수용부(14)로 유입된다. 수용부에 수용된 처리재(30)는 유입된 산성폐수와 접촉하여 산성폐수에 알칼리를 공급하여 산성도를 저감시킴과 동시에 산성폐수 중의 중금속을 제거한다.

수용부에 체류하면서 처리재에 의해 산성도가 저감되고 중금속이 제거된 처리수는 제 2다공격벽(25)의 관통홀(27)을 통과하여 배출부(17)로 유입된다. 배출부(17)로 유입된 처리수는 처리수방류관(70)을 통해 외부로 배출된다. 처리수방류관에는 관로를 개폐할 수 있는 방류수조절밸브(75)가 설치된다. 배출부(17)로 유입된 처리수의 pH를 측정하기 위해 배출부 내에 pH측정기(90)가 설치되는 것이 바람직하다.

이와 같이 본 발명의 산성폐수 처리장치를 이용하여 산성폐수의 중화와 중금속의 처리가 가능하다.

그리고 본 발명의 다른 실시 예에 따른 산성폐수 처리장치를 도 19에 도시하고 있다.

도 19를 참조하면, 본 발명의 중금속을 함유하는 산성폐수가 체류하는 체류조(100)와, 체류조(100)의 내부에 설치되는 수처리모듈(110)을 구비한다.

도 19에 도시된 산성폐수 처리장치는 처리재(30)의 역세척이 효과적으로 이루어지도록 수처리모듈(110)을 회전시킬 수 있는 구조를 갖는다. 수처리 과정에서 발생되는 침전물과 각종 이물질이 혼합된 슬러지로 인하여 처리재 사이의 공극이 막히거나 처리재의 표면에 피복되어 처리효율을 크게 감소시킬 수 있다. 따라서 수처리 효율이 감소되지 않도록 주기적으로 처리재들의 공극 사이에 낀 슬러지나 표면에 피복된 슬러지를 제거하는 것이 바람직하다.

체류조(100)는 사각의 통형상으로, 하부에 원추형의 침전부(103)가 형성된다. 침전부(103)의 하부에는 드레인관(105)이 설치된다. 유량조정조(5)를 거친 산성폐수가 유입관을 통해 체류조(100)로 유입된다. 도시되지 않았지만 산성폐수가 유입되는 유입관과 처리수가 배출되는 배출관이 체류조에 설치된다.

수처리모듈(110)은 체류조(100)의 내부에 설치된다. 수처리모듈(110)의 내부에는 볼 형상의 처리재(30)가 수용된다.

수처리모듈(110)은 원통형의 케이싱(111)과, 제 1 및 제 2결합패널(120)(125), 제 1 및 제 2회전축(130)(135), 구동부(140), 역세수이송관(150), 역세노즐(160), 역세수공급부(미도시)로 이루어진다.

케이싱(111)은 체류조(100)의 바닥으로부터 상방으로 이격되게 설치된다. 케이싱(111)은 체류조에 체류하는 산성폐수의 수면 보다 더 낮은 위치에 설치되어 산성폐수 중에 잠기도록 설치된다. 케이싱(111)은 산성폐수가 통과할 수 있도록 망 구조로 형성되고 내부에 처리재(30)가 다수 수용된다. 처리재(30)는 케이싱(111) 내부의 공간의 약 60 내지 80%의 체적을 차지할 정도로 케이싱 내부에 수용된다.

케이싱(111)의 좌우 양측면은 개방된 구조의 원통형으로 이루어진다. 케이싱의 개방된 좌우 양측면에는 제 1 및 제 2결합패널(120)(125)이 각각 결합된다.

제 1결합패널(120)은 케이싱(111)의 일측면에 결합되고, 제 2결합패널(125)은 케이싱(111)의 타측면에 결합된다. 제 1 및 제 2결합패널(120)(125)은 원판형으로 이루어진다.

제 1회전축(130)은 체류조(100)의 일측벽을 관통하여 체류조(100)에 회전가능하도록 지지된다. 제 1회전축(130)의 일단은 체류조의 외부로 노출되며, 타단은 체류조 내부로 삽입되어 제 1결합패널(120)에 결합된다.

제 2회전축(135)은 체류조(100)의 타측벽을 관통하여 체류조에 회전가능하도록 지지된다. 제 2회전축(135)의 일단은 체류조의 외부로 노출되며, 타단은 체류조 내부로 삽입되어 제 2결합패널(125)에 결합된다.

구동부(140)는 제 1회전축(130)과 연결되어 역세척시 제 1회전축을 회전시켜 케이싱(111)을 회전시키는 역할을 한다. 구동부는 모터(141)와, 모터(141)의 구동축과 제 1회전축(130)을 연결하는 동력전달수단으로 이루어진다. 동력전달수단의 일 예로 모터의 구동축에 결합된 제 1스프라킷(143)과, 제 1회전축(130)에 결합된 제 2스프라킷(145)과, 제 1스프라킷과 제 2스프라킷을 연결하는 체인(147)으로 이루어진다. 이와 달리 풀리와 벨트 구조로 이루어질 수 있음은 물론이다.

역세수이송관(150)은 제 2회전축(135)의 중심을 관통하여 체류조(100)의 외부에서 케이싱(111) 내부로 수평하게 연장된다. 이를 위해 제 2회전축(135)은 중공구조로 이루어진다. 제 2회전축(135)의 중공에 삽입된 역세수이송관(150)은 제 2회전축(135)과 일체가 되므로 케이싱(111)의 회전시 역세수이송관(150)도 함께 회전한다.

따라서 역세척에 사용할 역세수를 역세수이송관(150)으로 유입시키는 역세수공급관(미도시)은 역세수이송관과 통상적인 로터리조인트에 의해 연결된다. 로터리조인트는 고정설치된 역세수공급관과 회전하는 역세수이송관을 연결하면서 역세수가 역세수공급관에서 역세수이송관으로 이동할 수 있게 하는 구조이다.

도시되지 않았지만, 역세수공급부는 역세수가 저장된 탱크와, 탱크와 역세수이송관을 연결시키는 역세수공급관과, 역세수공급관에 설치되어 역세수를 펌핑하는 펌프로 이루어진다.

역세수이송관(150)의 내부에는 역세수가 이송될 수 있도록 내부에 유로가 형성된다. 역세수이송관(150)의 외측면에는 봉 형상의 역세노즐(160)이 다수 설치된다. 역세노즐(160)은 역세수이송관(150)과 교차하는 방향으로 돌출되어 형성된다. 역세노즐(160)의 내부에는 역세수가 이동할 수 있는 유로가 형성된다. 역세노즐(160)에 형성된 유로는 역세수이송관(150)의 내부에 마련된 유로와 연결된다.

역세수이송관(150)과 역세노즐(160)에는 다수의 분출홀(155)(165)이 형성된다. 따라서 역세수이송관(150)으로 공급되는 역세수는 역세수이송관과 역세노즐에 형성된 분출홀을 통해 케이싱(111) 내부로 분출된다. 역세수공급부는 역세수이송관에 역세수를 공급하여 케이싱 내부로 역세수를 분출시켜 처리재(30)를 역세척하는 역할을 한다.

상술한 도 19의 산성폐수 처리장치는 처리재(30)의 역세척이 매우 용이하고 역세척의 효과가 높다. 즉, 역세척이 필요할 경우 체류조 내부의 산성폐수를 배출한 후 구동부(140)를 작동시켜 케이싱(111)을 회전시키면서 역세수공급부의 펌프를 가동시킨다. 펌프에 의해 공급되는 역세수는 역세노즐(160)과 역세수이송관(150)을 통해 케이싱 내부로 강하게 분출된다. 역세척시 케이싱(111)의 회전에 의해 처리재들은 케이싱(111) 내부에서 유동하면서 위치가 계속적으로 변하므로 역세수와 처리재의 접촉효율이 높다. 따라서 처리재들의 공극 사이에 낀 슬러지, 처리재의 표면에 피복된 슬러지가 용이하게 탈리된다. 탈리된 슬러지는 침전부(103)로 침강하고, 드레인관(105)의 밸브를 개방시켜 슬러지를 외부로 배출시킨다.

한편, 처리재의 역세척시 처리재들간의 접촉효과를 높여 슬러지 탈리 효과를 높이기 위해 도 20에 도시된 바와 같이 역세노즐(160)의 외측면에 간섭깃(170)이 돌출되게 형성될 수 있다. 간섭깃(170)은 역세노즐(160)의 외측면에 나선형으로 비틀어지게 형성되어 처리재와 간섭효과를 높인다. 간섭깃은 역세노즐(160)의 좌우측에 한쌍으로 마련된다. 간섭깃(170)의 폭은 상부는 넓고 하부로 진행할수록 점진적으로 좁게 형성된다.

이하, 실험 예를 통하여 본 발명에 대해 설명하고자 한다. 다만, 하기의 실험 예는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위를 하기의 실험 예로 한정하는 것은 아니다.

<수처리 실험>

1. 회분식 반응 실험

분말 형상의 레드머드(KC주식회사, 한국), 포틀랜드 시멘트(동양시멘트, 한국)를 혼합한 혼합물 100중량부에 대하여 물 20중량부를 첨가하여 교반하였다. 교반 후 반죽물을 볼 형상으로 성형한 다음 5일 동안 자연건조시켜 직경 약 1~2cm의 구형 처리재를 제조하였다. 레드머드와 시멘트를 혼합한 혼합물 총 중량에서 레드머드가 차지하는 중량(40중량%, 50중량%, 60중량%, 70중량%, 80중량%, 90중량%)에 따라 총 6종류의 처리재를 제조하였다. 제조된 처리재의 모습을 도 1에 나타내었다.

실험에 사용한 레드머드의 pH는 약 11.5였고, 구성으로 Fe₂O₃ 45.48중량%, SiO₂ 13.27중량%, Al₂O₃ 16.15중량%, TiO₂ 10.46중량%, MnO 0.06중량%, CaO 7.70중량%, MgO 0.34중량%, K₂O 0.27중량%, Na₂O 5.89중량%, P₂O₅ 0.39중량%였다.

처리재를 1L의 회분식(batch) 반응조에 5%의 부피로 충진시킨 다음 중금속이 함유된 산성폐수를 900ml를 주입하고 일정시간(30, 60, 90, 120, 240min)동안 반응시킨 후 산성폐수의 pH와 중금속의 함량을 반응 전의 초기 값과 대비하여 분석하였다. 중금속으로 알루미늄(Al), 비소(As), 카드뮴(Cd), 구리(Cu), 철(Fe), 망간(Mn), 납(Pb), 아연(Zn)을 분석하였다.

처리재의 종류에 따른 산성폐수의 pH 분석결과를 아래의 표 1에 나타내었다.

구분	pH
초기	2.89
R40-240	12.25
R40-120	11.95
R40-90	11.67
R40-60	9.08
R40-30	4.57
R50-240	12.16
R50-120	11.68
R50-90	11.35
R50-60	7.65
R50-30	4.47
R60-240	12.05
R60-120	11.73
R60-90	11.05
R60-60	6.25
R60-30	4.5
R70-240	11.93
R70-120	11.27
R70-90	10.29
R70-60	6.04
R70-30	4.02
R80-240	11.24
R80-120	9.78
R80-90	9.57
R80-60	5.13
R80-30	3.9
R90-240	10.61
R90-120	9.4
R90-90	8.37
R90-60	7.47
R90-30	3.8

상기 표 1의 "R40-240"에서 "R40"은 레드머드가 40중량%로 혼합된 처리재를 의미하고, "240"은 반응시간이 240분임을 의미한다. 따라서 R50, R60, R70, R80, R90은 레드머드가 50중량%, 60중량%, 70중량%, 80중량%, 90중량%로 혼합된 처리재를 각각 의미한다. 그리고 -120, -90, -60, -30은 반응시간이 120분, 90분, 60분, 30분을 각각 의미한다. 이하 동일하다.

상기 표 1의 결과를 살펴보면, 반응 전의 원수의 초기 pH는 2.89였다. 반응시간 60~120분에서 적절한 pH값이 갖는 것으로 나타나 반응시간은 레드머드의 함량에 따라 60 내지 120분 정도 반응시키는 것이 적절할 것으로 판단되었다.

그리고 동일시간 반응시 레드머드의 함량이 증가할 때 일부는 pH가 높아지는 반면에 일부는 낮아지는 것으로 확인되었다. 이는 시멘트의 pH는 12.5로서 레드머드의 pH 11.5보다는 높은 편이므로, 레드머드의 함량이 높아질수록 시멘트의 함량이 낮아지게 되어, 레드머드와 시멘트의 혼합비에 따라 pH가 변화된 것으로 추정된다.

6종의 처리재에 따른 각 중금속의 농도(ppm)와 중금속의 제거효율(%)을 도 2 내지 도 9에 각각 나타내었다. 중금속의 제거효율은 {(초기농도-반응 후 농도)/초기농도}×100으로 계산하였다.

그리고 반응 전 각 중금속의 초기농도(ppm) 및 반응 후 최대 농도(ppm)와 최소 농도(ppm), 그리고 반응 후 중금속의 최대 제거효율(%)과 최소 제거효율(%)을 하기 표 2에 다시 정리하였다.

항목	초기농도	최대농도	최대제거효율	최소농도	최소제거효율
Al	45.75	42.56	99.69	0.14	6.97
As	6.12	0.36	100.00	0.00	94.12
Cd	2.93	2.67	100.00	0.00	8.87
Cu	8.36	6.55	100.00	0.00	21.65
Fe	90.59	2.94	99.99	0.01	96.75
Mn	8.02	7.04	100.00	0.00	12.22
Pb	6.63	1.28	100.00	0.00	80.69
Zn	8.6	7.32	100.00	0.00	14.88

도 2 내지 도 9 및 표 2의 결과를 참조하면, 중금속의 종류에 따라 제거 특성에서 다소 차이는 있었으나 전체적으로 레드머드의 함량이 높을수록 중금속의 제거효율이 더 높게 나타났다. 중금속의 종류와 상관없이 처리재에 의한 중금속의 최대 제거효율이 99~100%임으로 확인되었다. 특히, 비소, 철, 납의 제거효율이 매우 우수한 것으로 나타났다.

회분식 반응 실험을 통해 레드머드의 혼합비율이 80~90중량%일 경우 산성폐수 처리에 가장 적절한 것으로 나타났다.

2. 연속흐름식 반응 실험

연속흐름식 반응기에 레드머드가 80중량% 혼합된 처리재를 충진하고 연속반응 실험을 실시하였다. 산성폐수를 분당 1ml의 유량으로 반응기 내로 순환시키면서 29일 동안 산성폐수를 처리하였다.

실험조건을 하기 표 3에 정리하였다.

구분	rd80-120-50	rd80-120-75
처리재 충진 부피(%)	50	75
처리재 충진무게(g)	180	270
산성폐수유입량(ml/min)	1	1

레드머드가 80중량% 혼합된 처리재의 실험결과를 반응기의 충진부피에 따라 2종류로 나누어 나타내었다. 처리재의 충진부피 50%와 75%일 때의 반응시 각 중금속의 농도(ppm)와 중금속의 제거효율(%)을 도 10 내지 도 17에 각각 나타내었다. 중금속의 제거효율은 {(초기농도-반응 후 농도)/초기농도}×100으로 계산하였다.

도 10을 참조하면, 처리재의 충진부피 75%인 경우(rd80-120-75, 이하 동일) 알루미늄의 평균 농도는 4.21ppm이었고, 평균 제거효율은 90.80%로 나타났다. 그리고 처리재의 충진부피가 50%인 경우(rd80-120-50, 이하 동일) 알루미늄의 평균 농도는 6.27ppm이었고, 평균 제거효율은 86.30%로 나타났다.

도 11을 참조하면, rd80-120-75의 경우 비소의 평균 농도는 0.51ppm이었고, 평균 제거효율은 91.73%로 나타났다. 그리고 rd80-120-50의 경우 비소의 평균 농도는 0.82ppm이었고, 평균 제거효율은 86.57%로 나타났다.

도 12를 참조하면, rd80-120-75의 경우 카드뮴의 평균 농도는 0.18ppm이었고, 평균 제거효율은 93.72%로 나타났다. 그리고 rd80-120-50의 경우 카드뮴의 평균 농도는 0.402ppm이었고, 평균 제거효율은 86.42%로 나타났다.

도 13을 참조하면, rd80-120-75의 경우 구리의 평균 농도는 1.03ppm이었고, 평균 제거효율은 87.66%로 나타났다. 그리고 rd80-120-50의 경우 구리의 평균 농도는 1.33ppm이었고, 평균 제거효율은 84.14%로 나타났다.

도 14를 참조하면, rd80-120-75의 경우 철의 평균 농도는 4.31ppm이었고, 평균 제거효율은 95.24%로 나타났다. 그리고 rd80-120-50의 경우 철의 평균 농도는 7.66ppm이었고, 평균 제거효율은 91.55%로 나타났다.

도 15를 참조하면, rd80-120-75의 경우 망간의 평균 농도는 0.63ppm이었고, 평균 제거효율은 92.14%로 나타났다. 그리고 rd80-120-50의 경우 망간의 평균 농도는 1.12ppm이었고, 평균 제거효율은 85.99%로 나타났다.

도 16을 참조하면, rd80-120-75의 경우 납의 평균 농도는 0.65ppm이었고, 평균 제거효율은 90.20%로 나타났다. 그리고 rd80-120-50의 경우 납의 평균 농도는 0.90ppm이었고, 평균 제거효율은 86.40%로 나타났다.

도 17을 참조하면, rd80-120-75의 경우 아연의 평균 농도는 0.73ppm이었고, 평균 제거효율은 91.47%로 나타났다. 그리고 rd80-120-50의 경우 아연의 평균 농도는 1.15ppm이었고, 평균 제거효율은 86.67%로 나타났다.

도 11 내지 도 17의 결과를 종합하면, rd80-120-75의 제거효율이 rd80-120-50보다 약 5% 정도 더 높게 나타났다. 그리고 1일 정도 처리시간만으로도 충분히 각종 중금속을 제거할 수 있음을 확인하였다.

3. 와목점토 첨가실험

와목점토를 첨가한 처리재와 첨가하지 않은 처리재에 대한 산성폐수의 처리효과를 살펴보기 위해 와목점토를 첨가한 처리재를 이용하여 회분식 실험을 진행하였다.

상술한 회분식 및 연속흐름식 반응 실험을 통해 레드머드의 혼합비율이 80~90중량%일 경우 산성폐수 처리에 가장 적절한 것으로 나타나 이하의 실험에서는 레드머드의 함량이 80중량%인 처리재와 90중량%인 처리재 2종류를 이용하여 실험을 하였다.

레드머드 80중량%, 포틀랜드 시멘트 16중량%, 와목점토 4중량%를 혼합한 혼합물을 이용하여 한 종류의 처리재를 제조하였다. 그리고 레드머드 90중량%, 포틀랜드 시멘트 8중량%, 와목점토 2중량%를 혼합한 혼합물을 이용하여 다른 종류의 처리재를 제조하였다.

처리재의 구체적 제조방법 및 실험 방법은 상술한 회분식 반응실험과 동일하다.

처리재의 종류에 따른 산성폐수의 pH 분석결과를 아래의 표 4에 나타내었다.

구분	pH
초기	2.89
R80-240	8.51
R80-120	7.28
R80-90	7.05
R80-60	6.4
R80-30	3.43
R90-240	9.6
R90-120	8.49
R90-90	7.83
R90-60	6.72
R90-30	3.5

상기 표 4의 결과를 살펴보면, 와목점토가 첨가되지 않은 표 1의 R80과 R90의 실험결과와 비교할 때 와목점토가 첨가된 경우 반응시간이 증대되어도 중화영역에서부터는 pH상승이 현저하게 둔화되는 것으로 나타났다. 즉, 와목점토의 함량이 4중량%인 R80과 와목 점토의 함량이 2중량%인 R90에서 반응시간 60분 이후 pH6~8의 범위에서 크게 증가되지 않았다. 이러한 결과는 pH 8 내지 9 이상의 높은 pH영역에서 와목점토가 처리재의 투수계수를 감소시켜 알칼리 성분의 용출을 방해하기 때문인 것으로 추정된다.

상술한 실험결과들을 통해 본 발명은 레드머드와 시멘트, 와목점토를 이용하여 충분한 반응시간을 확보하면서도 산성폐수를 효과적으로 중화시킬 수 있는 것으로 나타났다.

이상, 본 발명은 도면에 도시된 일 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

5: 유량조정조 10: 체류조
14: 수용부 15: 유입부
17: 배출부 30: 처리재
50: 침전부 110: 수처리모듈
111: 케이싱 140: 구동부

Claims (6)

1. 레드머드(red mud) 80 내지 90중량%, 시멘트 8 내지 16중량%, 와목점토 2 내지 4중량%의 혼합물을 성형하여 경화시킨 것을 특징으로 하는 레드머드를 이용한 산성폐수 중화용 처리재.
2. 제 1항에 있어서, 상기 혼합물에 감람석 분말 또는 플라이애쉬를 첨가하는 것을 특징으로 하는 레드머드를 이용한 산성폐수 중화용 처리재.
3. 제 1항에 있어서, 상기 처리재는 상기 혼합물로 형성된 구형의 메인볼과, 상기 메인볼보다 작게 구형으로 형성되며 상기 메인볼의 외부 또는 내부에 불규칙적으로 배치되는 서브볼을 포함하는 것을 특징으로 하는 레드머드를 이용한 산성폐수 중화용 처리재.
4. 제 3항에 있어서, 상기 서브볼은 상기 혼합물에 섬유를 더 혼합한 후 성형하여 경화시킨 것을 특징으로 하는 레드머드를 이용한 산성폐수 중화용 처리재.
5. 레드머드(red mud) 80 내지 90중량%, 시멘트 8 내지 16중량%, 와목점토 2 내지 4중량%를 혼합하여 혼합물을 수득하는 혼합단계와;
   상기 혼합물에 물을 가한 반죽을 성형하는 성형단계와;
   상기 성형단계에서 수득한 성형체를 건조하여 경화시키는 경화단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 레드머드를 이용한 산성폐수 중화용 처리재의 제조방법.
6. 제 5항에 있어서, 상기 성형단계는 상기 반죽에 구형으로 형성된 서브볼을 투입하여 성형하며,
   상기 서브볼은 상기 혼합물에 섬유를 더 혼합한 후 성형하여 경화시킨 것을 특징으로 하는 레드머드를 이용한 산성폐수 중화용 처리재의 제조방법.

Images