KR20180093857A

KR20180093857A - Ｔｎｔ 또는 방향족 화합물이 포함된 오염수의 처리방법 및 장치

Info

Publication number: KR20180093857A
Application number: KR1020180095050A
Authority: KR
Inventors: 신원모; 박재현; 이재우
Original assignee: 주식회사 풍산
Priority date: 2018-08-14
Filing date: 2018-08-14
Publication date: 2018-08-22

Abstract

본 발명은 TNT를 포함하거나 방향족 화합물이 용해된 폐수를 상온의 조건에서 압력강하를 이용하여 폐수로부터 용매를 분리시키되, 진공을 이용하여 폐수 속의 용매인 물(H₂O)만을 증류 및 액화시켜서 다시 추출해 냄으로써 폐기물의 양과 처리 비용을 줄일 수 있도록 한 TNT 또는 방향족 화합물이 포함된 오염수의 처리 방법 및 장치에 관한 것으로서,
벤조산이나 TNT와 같은 끓는점이 높은 방향족 유기 물질을 오염 물질로 포함하는 폐수를 플래시 증발기와 컨덴서, 그리고 두 개의 분기장치를 구비한 시스템을 이용하여 상온의 조건에서 오염 물질과 용매를 분리한 뒤, 용매만을 따로 추출할 수 있도록 한다.

Description

ＴＮＴ 또는 방향족 화합물이 포함된 오염수의 처리방법 및 장치{Treatment Method and Apparatus of Contaminated Water Containing TNT or Aromatic Compounds}

본 발명은 TNT를 포함하거나 방향족 화합물이 용해된 폐수를 상온의 조건에서 압력강하를 이용하여 폐수로부터 용매를 분리시키는 기술에 관한 것으로서, 특히, 진공을 이용하여 폐수 속의 용매인 물(H₂O)만을 증류 및 액화시켜서 다시 추출해 냄으로써 폐기물의 양과 처리 비용을 줄일 수 있도록 한 TNT 또는 방향족 화합물이 포함된 오염수의 처리 방법 및 장치에 관한 것이다.

산업 혁명 이후 과학과 산업이 발달하면서, 그에 파생되는 폐기물의 양 또한 기하급수적으로 증가하고 있다. 산업 혁명 직후에는 이러한 폐기물의 양이 그렇게까지 많지는 않았기에 그 위험성이 대두하지 않았지만, 현대에 이르러서는 폐기물의 양뿐만 아니라 폐기물의 종류까지도 과거에는 찾아보기 힘든 유해한 물질들 중심으로 배출되고 있는 실정이다.

이러한 폐기물은 사막화나 적조현상, 지구온난화와 같은 환경문제를 야기하고 있으며, 아직도 제대로 된 배출규제나 처리방안이 없다는 점에서 빠른 대책이 필요하다고 할 수 있다. 특히 군수 폐기물의 경우 사용한 무기만 처리되는 것이 아니라 무기에 따라 설정된 보유 연한이 지난 미사용 무기에 대해서도 처리를 해야 하는 상황이라 그 폐기물의 양이 더욱 빠르게 증가하고 있는 상황이다.

여러 가지 무기류 중에서도 특히 2, 4, 6-트리니트로톨루엔 (TNT: 2, 4, 6- trinitrotoluene, 이하 TNT)의 경우에는 폭발의 성질은 가지는 화합물로서, 군수 산업 분야에서 매우 광범위하게 사용되어 왔다. 이러한 TNT는 사용하거나 포탄 처리 이후에 레드 워터(Red Water)라고 하는 수용액의 형태로 배출되고 있다.

하지만, 레드 워터의 경우에는 TNT 자체가 난분해성 물질이다 보니 자연적으로 분해를 기대하기 힘들며, 미국 EPA (Environmental Protection Agency)에서는 그룹 C(Possible Carcinogen) 발암 물질로 분류했을 정도로 인체에 유해한 특성을 구비하고 있어 인공적인 후속 처리가 필요하다. 또한, 수명 주기가 도래한 TNT를 포함하는 탄약류에 대한 시급한 처리가 촉구되는 상황이다.

현재 우리나라의 경우 TNT를 포함한 탄약에 대해서 저장탄약 신뢰성평가(ASRP: Ammunition Stockpiles Reliability Program)를 시행하고 있는데, 이 평가에서 정비 불가 판정을 받은 탄약의 경우에 소각 처리를 하고 있다.

그러나 소각 처리를 할 경우 처리시 미연소 반응물이나 다이옥신, 퓨란 계열의 환경적으로 문제를 일으킬 수 있는 물질이 발생하며, 탄약 내부의 화약을 회수할 수 없다는 점에서 경제성이 떨어진다는 평가를 받고 있다. 더욱이, 현재 보유연한이 지나가는 탄약의 양이 증가하고 있는 추세이므로 앞서 말한 소각처리를 대체할 친환경 기술의 개발이 촉구되고 있다.

이에 따라 소각 처리를 대체할 수 있는 기술이 개발되고 있는데, 이러한 소각 대체 기술은 1990년대 미국에서부터 시작되었다. 당시 미국은 TNT 소각 처리시 미연소 반응물과 다이옥신, 퓨란류가 제거되지 않음을 발견하고 이를 대체하기 위한 기술개발에 착수하였다. 이때 개발된 기술을 통칭하여 소각 대체 기술이라고 하는데, 이러한 방법들의 공통점은 폐수속의 화학물질들을 처리함에 있어 미연소 반응물이나 다이옥신등의 유해물질을 일체 배출하지 않는다는 점이다.

소각 대체 기술은, 화학적으로 산화 혹은 환원시켜 분해하는 방법과, 물리적으로 흡착하여 분해하는 방법, 그리고 식물과 미생물을 이용하여 자연적으로 분해하는 방법으로 구분되고 있다. 여기서, 화학적으로 산화시켜 분해하는 방법의 경우 처리 효율 면에서 인정받아 이후 고도 산화 공정으로 발전 되었다. 고도 산화 공정이란 자연계에 존재하는 가장 강한 산화제 중 하나인 수산화 라디칼을 공정 중에 생성하고 이 수산화 라디칼을 이용하여, 폐수 내의 화학물질을 분해하는 방법에 해당한다.

이러한 고도 산화 공정을 2000년대 이후 초임계 유체 산화법으로 이어지는데, 초임계 유체 산화법은 산화제를 사용함과 더불어 초임계 영역에서 반응을 진행시키는 방법이다. 이러한 초임계 유체 산화법은 5 분내에 99.9% 이상의 화학물질들을 완전히 분해하기 때문에 분해 능력에 있어서는 가장 우수한 처리법으로 평가받지만 초임계 상에서의 극단적인 조건으로 인해 반응기 내부의 부식 등이 심하며 단위 무게당 처리에 소비되는 에너지 양이 너무 높아 이를 대체할 방법이 필요한 상황이다.

이러한 상황에서 대두한 것이 분해 처리법이 아닌 물리적으로 분리하는 기술이다. 과거에는 활성탄과 같은 흡착제의 물리적 성질을 이용하여 분리하고자 하는 방법이 있었으나 이는 화학물질들이 흡착된 활성탄 자체도 독성을 띠게 되며, 타 물질과 달리 활성탄으로부터 열에 의한 분리가 불가능하였기에 다른 분리 방법을 찾게 되었다. 이후 나온 것이 폐수를 구성하는 다양한 물질 각각의 물리적 특징을 이용한 분리 방법이다.

KR

10-2005-0002620

A

KR

10-0970425

B1

KR

10-2011-0061327

A

KR

10-2015-0003818

A

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 저압과 중, 저온의 조건을 이용하여 폐수 중의 용매를 증발시킨 후 열교환을 통해 용매를 액화시키고 기액 분리하여 담수를 추출하고, 용매의 증발에 따라 분리된 폐기물을 외부로 배출함으로써 TNT 또는 방향족 화합물이 포함된 오염수의 처리에 필요한 비용과 폐기물의 양을 줄일 수 있도록 한, TNT 또는 방향족 화합물이 포함된 오염수의 처리 방법 및 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 TNT 또는 방향족 화합물이 포함된 오염수의 처리 방법은, TNT 또는 방향족 화합물이 포함된 오염수를 절대압력 0.01~1.0bar의 압력과 0~80℃의 조건에서 진공 증류함으로써 용매를 증발시켜 폐기물과 분리하는 단계와; 용매가 분리된 폐기물은 외부로 배출하고 저온 냉매와 증발된 용매를 열교환시켜 용매를 액화시키는 단계와; 액화된 용매를 기액 분리하여 담수를 추출하고 기체 상태의 냉매는 외부로 배출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명의 TNT 또는 방향족 화합물이 포함된 오염수의 처리 방법에 따르면, 상기 저온 냉매의 온도는 0~10℃인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 TNT 또는 방향족 화합물이 포함된 오염수의 처리 방법에 따르면, 상기 콘덴서의 저온 냉매는 에틸렌 글리콜인 것을 특징으로 한다.

그리고, 본 발명의 TNT 또는 방향족 화합물이 포함된 오염수의 처리 장치는, TNT 또는 방향족 화합물이 포함된 오염수를 저온 저압 조건에서 증류 처리하여 용매를 증발시키는 플래시 증발기와; 증발된 용매와 저온 냉매 사이의 열교환을 통해 용매를 액화시키는 콘덴서와; 증발된 용매와 폐기물을 분리하여 폐기물은 외부로 배출하고 증발된 용매는 상기 콘덴서로 공급하는 1차 분기부와; 상기 콘덴서에 의해 액화된 후 상기 1차 분기부를 거쳐 공급된 용매를 기액 분리하는 2차 분기부와; 시스템 내부가 진공을 유지하도록 하며 상기 2차 분기부에서 분리된 기체 상태의 용매를 외부로 배출시키는 진공 유도부와; 상기 2차 분기부에서 분리된 액체 상태의 용매가 저장되는 용매 용기와; 상기 플래시 증발기에 연결된 폐수관과 상기 1차 분기부에 연결된 폐기물 배출관에 각각 설치되어 시스템 내부의 압력을 조절하는 한 쌍의 압력조절밸브;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명의 TNT 또는 방향족 화합물이 포함된 오염수의 처리 장치에 따르면, 상기 플래시 증발기는 온도 조절을 위한 히팅 부재를 구비하고, 0~80℃의 온도 조건에서 진공 증류가 이루어지도록 하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 TNT 또는 방향족 화합물이 포함된 오염수의 처리 장치에 따르면, 상기 콘덴서는 저온 냉매로서 0~10℃의 에틸렌 글리콜을 사용하는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명의 TNT 또는 방향족 화합물이 포함된 오염수의 처리 장치에 따르면, 상기 진공유도부와 압력조절밸브는 시스템 내부가 절대압력 0.01~1.0bar의 압력조건을 만족하도록 압력을 제어하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 TNT 또는 방향족 화합물이 포함된 오염수의 처리 장치에 따르면, 상기 진공유도부는 유체를 이용한 이젝터 또는 진공펌프인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 TNT 또는 방향족 화합물이 포함된 오염수의 처리 방법 및 장치는 기존의 오염물질을 산화시켜 분해하는 방법과는 달리 담수와 오염물질을 분리함으로써 폐기물의 양을 줄이고 오염수 처리에 필요한 에너지가 감소하며 처리 비용을 대폭 절감할 수 있게 되는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 의한 TNT 또는 방향족 화합물이 포함된 오염수의 처리 방법을 나타낸 순서도.
도 2는 본 발명에 의한 TNT 또는 방향족 화합물이 포함된 오염수의 처리 장치를 개략적으로 나타낸 블록도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 TNT 또는 방향족 화합물이 포함된 오염수의 처리 방법 및 장치에 대하여 설명하면 다음과 같다. 이하에 기재된 내용 중 별도의 정의가 없는 한, 본 명세서에서 사용한 모든 기술적인 요소 및 과학적인 용어들은 해당 기술과 관련된 분야에 종사하는 모든 전문가들에 대해서 일반적으로 통용되는 의미를 가진다.

본 발명에 의한 TNT 또는 방향족 화합물이 포함된 오염수의 처리 방법은 도 1에 도시된 바와 같이, TNT 또는 방향족 화합물이 포함된 오염수를 절대압력 0.01~ 1.0bar의 압력과 0~80℃의 조건에서 진공 증류함으로써 용매를 증발시켜 폐기물과 분리하는 단계와; 용매가 분리된 폐기물은 외부로 배출하고 저온 냉매와 증발된 용매를 열교환시켜 용매를 액화시키는 단계와; 액화된 용매를 기액 분리하여 담수를 추출하고 기체 상태의 냉매는 외부로 배출하는 단계;를 포함하여 이루어진다.

여기서, 상기 저온 냉매로는 에틸렌 글리콜을 사용할 수 있으며, 저온 냉매의 온도는 0~10℃인 것이 바람직하다.

또, 본 발명에 의한 TNT 또는 방향족 화합물이 포함된 오염수의 처리 장치는 도 2에 도시된 바와 같이, TNT 또는 방향족 화합물이 포함된 오염수를 저온 저압 조건에서 증류 처리하여 용매를 증발시키는 플래시 증발기(112)와; 증발된 용매와 저온 냉매 사이의 열교환을 통해 용매를 액화시키는 콘덴서(115)와; 증발된 용매와 폐기물을 분리하여 폐기물은 외부로 배출하고 증발된 용매는 상기 콘덴서(115)로 공급하는 1차 분기부(114)와; 상기 콘덴서(115)에 의해 액화된 후 상기 1차 분기부(114)를 거쳐 공급된 용매를 기액 분리하는 2차 분기부(116)와; 시스템 내부가 진공을 유지하도록 하며 상기 2차 분기부(116)에서 분리된 기체 상태의 용매를 외부로 배출시키는 진공 유도부(118)와; 상기 2차 분기부(116)에서 분리된 액체 상태의 용매가 저장되는 플라스크 등의 용매 용기(117)와; 상기 플래시 증발기(112)에 연결된 폐수관(2)과 상기 1차 분기부(114)에 연결된 폐기물 배출관(4)에 각각 설치되어 시스템 내부의 압력을 조절하는 한 쌍의 압력조절밸브(111)(113);를 포함하여 이루어진다.

여기서, 상기 플래시 증발기(112)와 1차 분기부(114)는 연결관(3)으로 연결되고, 상기 1차 분기부(114)와 콘덴서(115)는 증발 용매가 유동하는 제1 용매관(6)과 액상 용매가 유동하는 제2 용매관(7)으로 이중 연결된다. 그리고 상기 1차 분기부(114)와 2차 분기부(116)는 제3 용매관(8)으로 연결되며, 상기 2차 분기부(116)와 용매 용기(117)는 제4 용매관으로 연결되고, 상기 2차 분기부(116)와 진공 유도부(118)는 기체관(10)으로 연결된다. 그리고, 상기 콘덴서(115)에는 저온 냉매가 유입되고 배출되는 한 쌍의 냉매관(11)(12)이 설치된다.

그리고 상기 플래시 증발기(112)는 온도 조절을 위한 히팅 부재(도시 생략)를 구비하고, 0~80℃의 온도 조건, 바람직하게는 25~80℃의 온도 조건에서 진공 증류가 이루어지도록 구성된다. 또, 상기 콘덴서(115)는 저온 냉매로서 0~10℃의 에틸렌 글리콜을 사용하는 것이 바람직하며, 외벽을 흐르는 저온 냉매에 의해 내부의 증발 용매가 액화되도록 구성된다.

또, 상기 진공유도부(118)와 압력조절밸브(111)(113)는 시스템 내부가 절대압력 0.01~1.0 bar의 압력을 유지하도록 하며, 바람직하게는 0.05~0.5 bar을 유지하도록 제어한다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 TNT 또는 방향족 화합물이 포함된 오염수의 처리 방법 및 장치는 플래시 증발기(Flash Vaporizer)의 운전 조건을 저압으로 하여 실제 끓는 점보다 낮은 온도에서 증발을 진행시키며, 이후 저온의 에틸렌 글리콜을 콘덴서에 냉매로 사용하여 기체상태의 용매를 응축시키는 원리를 이용하여 폐수로부터 담수를 추출하게 된다.

TNT 또는 방향족 화합물이 포함된 오염수로 이루어진 폐수(1)는 폐수관(2)을 통해 플래시 증발기(112)로 공급되고, 상기 플래시 증발기(112)는 가열과 감압을 통해 폐수를 증류하여 용매에 해당하는 물을 증발시킴으로써 폐수(1)를 증발 용매와 폐기물(5)로 분리한다. 분리된 증발 용매와 폐기물(5)은 1차 분기부(114)에서 완전히 분리되며, 증발 용매는 제1 용매관(6)을 통해 콘덴서(115)로 유입되고 폐기물(5)은 폐기물 배출관(4)을 통해 외부로 배출된다.

상기 콘덴서(115)로 유입된 증발 용매는 콘덴서(115)의 외벽을 흐르는 저온 냉매와의 열교환을 통해 액화되고, 액화된 용매는 제2 용매관(7)을 통해 상기 1차 분기부(114)로 되돌아오게 된다. 이어, 상기 1차 분기부(114)의 액화 용매가 제3 용매관(8)을 통해 2차 분기부(116)로 이동하고, 상기 2차 분기부(116)는 액화 용매를 기액 분리하여 기체 성분은 기체관(10)을 통해 진공 유도부(118)로 공급하여 외부로 배출될 수 있도록 하고, 액체 성분은 제4 용매관(9)을 통해 용매 용기(117)에 모일 수 있도록 함으로써 정수가 완료된 담수를 추출할 수 있게 된다.

다시 말해서, 가열 및 감압을 통해 폐수를 증류시켜 용매를 증발시키고 이를 액화시켜 담수를 생성하는 정수 사이클을 구성하고, 용매가 분리된 폐기물(5)은 외부로 배출하는 것이다.

이상에서 설명한 정수 사이클은 플래시 증발기(112)의 가열과 감압을 통해 내부 폐수에 대한 증발 조건을 형성하고, 증발된 용매를 저온 냉매와 열교환시켜 액화한 후, 액화한 용매를 모아 담수를 추출하게 된다. 이때, 중요한 운전 조건은 상기 플래시 증발기(112)의 운전 온도와 압력, 그리고 상기 콘덴서(115)의 온도이며 추출된 담수의 유기물 농도이다.

<실험 예>

상기한 본 발명의 효과를 검증하기 위하여 폐수관(2)에 벤조산 수용액과 TNT 수용액을 투입하여 담수 추출 시험을 수행하였다. 이때, 상기 플래시 증발기(112)의 온도를 30, 40, 50, 60℃ 조건으로, 절대압력을 0.05~0.1 bar 조건으로 바꾸어가며 담수를 추출하였으며, 상기 콘덴서(115)의 저온 냉매는 온도를 0℃로 고정한 뒤 시험을 진행하였다. 그리고 추출된 담수의 경우에는 총 유기탄소 수질분석기(Total Organic Carbon Analyzer)를 이용하여 내부 오염 물질의 농도를 측정하였으며, 그 결과를 다음의 표 1과 표 2에 나타내었다.

참고로 표 1은 벤조산 수용액에 대한 시험 결과이고, 표 2은 TNT 수용액에 대한 시험 결과를 나타낸다.

상기한 표 1과 표 2를 참조하면, 실제 실험의 결과 추출된 담수는 ppb 및 ppm단위의 유기물만을 함유하였으며, 특히 저온에서 추출된 담수의 농도가 고온에서 추출된 담수에 비해 낮은 농도를 나타냄을 알 수 있다. 특히, 벤조산의 경우 최소 21 ppb의 농도를 가지는 거의 순수한 물에 가까운 담수가 추출되었으며, TNT의 경우에도 수백 ppb 정도의 농도로 벤조산에 비해서는 높은 농도를 가졌지만 상당히 정수된 것을 확인할 수 있었다.

이상으로 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위한 몇 가지 실시 예들과 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 이와 같이 설명된 그대로의 구성 및 작용에만 국한되는 것이 아니며, 명세서에 기재된 기술적 사상의 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대해 다수의 변경 및 수정이 가능함을 통상의 기술자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.

1...폐수
2...폐수관
3...연결관
4....폐기물관
5...폐기물
6, 7, 8, 9...용매관
10...기체관
11, 12...냉매관
111...압력조절밸브
112...플래시 증발기
113...압력조절밸브
114...1차 분기부
115...콘덴서
116...2차 분기부
117...용매 용기
118...진공펌프

Claims

TNT가 포함된 오염수를 절대압력 0.01~1.0bar의 압력과 0~80℃의 조건에서 진공 증류함으로써 폐수 속의 용매인 물(H₂O)만을 증발시켜 폐기물과 분리하는 단계와;
용매(물)가 분리된 폐기물은 외부로 배출하고 0~10℃의 저온 냉매와 증발된 용매(물)를 열교환시켜 용매(물)를 액화시키는 단계와;
액화된 용매(물)를 기액 분리하여 담수를 추출하고 기체 상태의 용매(물)는 외부로 배출하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 TNT가 포함된 오염수의 처리 방법.
제1항에 있어서,
상기 저온 냉매는 에틸렌 글리콜인 것을 특징으로 하는 TNT가 포함된 오염수의 처리 방법.
TNT가 포함된 오염수를 절대압력 0.01~1.0bar의 압력과 0~80℃의 저온 저압 조건에서 증류 처리하여 용매(물)를 증발시키는 플래시 증발기(112)와;
증발된 용매(물)와 0~10℃의 저온 냉매 사이의 열교환을 통해 용매(물)를 액화시키는 콘덴서(115)와;
증발된 용매(물)와 폐기물을 분리하여 폐기물은 외부로 배출하고 증발된 용매(물)는 상기 콘덴서(115)로 공급하는 1차 분기부(114)와;
상기 콘덴서(115)에 의해 액화된 후 상기 1차 분기부(114)를 거쳐 공급된 용매(물)를 기액 분리하는 2차 분기부(116)와;
시스템 내부가 진공을 유지하도록 하며 상기 2차 분기부(116)에서 분리된 기체 상태의 용매(물)를 외부로 배출시키는 진공 유도부(118)와;
상기 2차 분기부(116)에서 분리된 액체 상태의 용매(물)가 저장되는 용매(물) 용기(117)와;
상기 플래시 증발기(112)에 연결된 폐수관(2)과 상기 1차 분기부(114)에 연결된 폐기물 배출관(4)에 각각 설치되어 시스템 내부의 압력을 조절하는 한 쌍의 압력조절밸브(111)(113);를 포함하는 것을 특징으로 하는 TNT가 포함된 오염수의 처리장치.
제3항에 있어서,
상기 플래시 증발기(112)는 온도 조절을 위한 히팅 부재를 구비하고,
0~80℃의 온도 조건에서 진공 증류가 이루어지도록 하는 것을 특징으로 하는 TNT가 포함된 오염수의 처리장치.
제3항에 있어서,
상기 콘덴서(115)는 저온 냉매로서 0~10℃의 에틸렌 글리콜을 사용하는 것을 특징으로 하는 TNT가 포함된 오염수의 처리장치.
제3항에 있어서,
상기 진공유도부(118)와 압력조절밸브(111)(113)는 시스템 내부가 절대압력 0.01~1.0bar의 압력조건을 만족하도록 압력을 제어하는 것을 특징으로 하는 TNT가 포함된 오염수의 처리장치.
제3항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 진공유도부(118)는 유체를 이용한 이젝터 또는 진공펌프인 것을 특징으로 하는 TNT가 포함된 오염수의 처리장치.