폐철도침목 유래 바이오차의 염료 및 중금속 흡착제로서의 잠재력 확인 Potential of biochar-derived from waste preserved railway sleeper as adsorbents for dyes and heavy metals: Evaluation of environmental safety and adsorption capacity원문보기
철도산업에서 사용되는 크레오소트 폐방부침목은 그 유해성으로 인해 대부분 소각처리되고 있다. 하지만, 폐침목은 목재의 특성을 유지하고 있어, 소각과 유산한 열처리 방법인 열분해를 통해 처리할 경우 PAHs 제거와 더불어 합성가스, 바이오 오일, 바이오차와 같은 유용한 부산물을 얻을 수 있다. 폐침목을 열분해할 경우 생성되는 합성가스와 바이오일 그리고 크레오소트 오일은 부가적인 에너지원, ...
철도산업에서 사용되는 크레오소트 폐방부침목은 그 유해성으로 인해 대부분 소각처리되고 있다. 하지만, 폐침목은 목재의 특성을 유지하고 있어, 소각과 유산한 열처리 방법인 열분해를 통해 처리할 경우 PAHs 제거와 더불어 합성가스, 바이오 오일, 바이오차와 같은 유용한 부산물을 얻을 수 있다. 폐침목을 열분해할 경우 생성되는 합성가스와 바이오일 그리고 크레오소트 오일은 부가적인 에너지원, 대체연료, 크레오소트 회수 등의 목적으로 사용될 수 있으나, 이 과정에서 동시에 발생하는 폐침목 바이오차에 대한 활용 연구는 아직 미흡하다. 일반적으로, 바이오 차는 풍부한 탄소를 가지고 있으며, 표면에 형성된 풍부한 작용기, 넓은 표면적, 다량의 미세공극 등의 특성에 의하여 촉매제, 오염물 흡착제, 토양 개량제, 대체 연료, 혼화제, 탄소격리 등으로 활용할 수 있다. 바이오차는 유기 및 무기물질의 흡착 제거에 효과적이다. 따라서, 본 연구에서는 폐침목의 처리 방법으로 열분해를 제시하였으며, 그 과정에서 생성되는 바이오차를 오염물 저감을 위한 흡착제로의 활용가능성을 확인하고자 하였다. 활용 가능성을 평가하기 위하여, 폐침목의 유해성을 고려하여 환경안전성을 평가하였으며, 산업폐수의 대표적인 오염물질인 염료와 중금속을 대상으로 흡착성능을 평가하였다. 환경안전성 평가 결과 열분해 부산물로 생성된 바이오차는 PAHs를 거의 함유하고 있지 않으며, 중금속 함량과 용출 가능성도 낮아 환경안정성을 확보했다고 판단하였다. 또한, 바이오 오일에서 다량의 PAHs 회수가 가능하여, 열분해는 폐침목 처리에 효과적인 것으로 판단된다. 중금속과 염료를 대상으로 진행한 흡착성능평가는 스크리닝테스트, 흡착 동역학실험, 흡착등온실험을 통해 평가되었다. 스크리닝 테스트 후 바이오차의 흡착능을 증가시키기 위해 활성화와 열분해 온도를 증가시켜 보았다. 염료에서는 알칼리 조건에서 스팀 활성화를 한 바이오차와 열분해 온도를 900℃로 증가하여 제조한 바이오차의 흡착능이 증가하였다. 중금속의 경우, 900℃에서 열분해한 바이오차만 흡착능이 증가하였다. 이러한 흡착능 증가는 바이오차의 표면 음전하와 방향족 그룹을 강화하여 염료 및 중금속과의 정전기적 상호작용 증가에 의한 것으로 생각된다. 등온 흡착을 통해 폐침목바이오차의 흡착용량을 확인한 결과, 다른 목질계 바이오차에 비하여 구리와 아연에서 더 우수한 흡착능을 보였다. 환경안전성평가와 흡착성능평가를 통해 폐침목바이오차는 유해하지 않은 목재 폐기물에서 추출한 바이오차과 마찬가지로 흡착제로 사용할 수 있는 것으로 확인되었다. 또한, 흡착제 기준규격 시험을 통해 메틸렌 블루 및 요오드 흡착 능력을 보완한다면 활성탄의 대체 물질로 사용될 가능성이 있는 것으로 기대된다.
철도산업에서 사용되는 크레오소트 폐방부침목은 그 유해성으로 인해 대부분 소각처리되고 있다. 하지만, 폐침목은 목재의 특성을 유지하고 있어, 소각과 유산한 열처리 방법인 열분해를 통해 처리할 경우 PAHs 제거와 더불어 합성가스, 바이오 오일, 바이오차와 같은 유용한 부산물을 얻을 수 있다. 폐침목을 열분해할 경우 생성되는 합성가스와 바이오일 그리고 크레오소트 오일은 부가적인 에너지원, 대체연료, 크레오소트 회수 등의 목적으로 사용될 수 있으나, 이 과정에서 동시에 발생하는 폐침목 바이오차에 대한 활용 연구는 아직 미흡하다. 일반적으로, 바이오 차는 풍부한 탄소를 가지고 있으며, 표면에 형성된 풍부한 작용기, 넓은 표면적, 다량의 미세공극 등의 특성에 의하여 촉매제, 오염물 흡착제, 토양 개량제, 대체 연료, 혼화제, 탄소격리 등으로 활용할 수 있다. 바이오차는 유기 및 무기물질의 흡착 제거에 효과적이다. 따라서, 본 연구에서는 폐침목의 처리 방법으로 열분해를 제시하였으며, 그 과정에서 생성되는 바이오차를 오염물 저감을 위한 흡착제로의 활용가능성을 확인하고자 하였다. 활용 가능성을 평가하기 위하여, 폐침목의 유해성을 고려하여 환경안전성을 평가하였으며, 산업폐수의 대표적인 오염물질인 염료와 중금속을 대상으로 흡착성능을 평가하였다. 환경안전성 평가 결과 열분해 부산물로 생성된 바이오차는 PAHs를 거의 함유하고 있지 않으며, 중금속 함량과 용출 가능성도 낮아 환경안정성을 확보했다고 판단하였다. 또한, 바이오 오일에서 다량의 PAHs 회수가 가능하여, 열분해는 폐침목 처리에 효과적인 것으로 판단된다. 중금속과 염료를 대상으로 진행한 흡착성능평가는 스크리닝테스트, 흡착 동역학실험, 흡착등온실험을 통해 평가되었다. 스크리닝 테스트 후 바이오차의 흡착능을 증가시키기 위해 활성화와 열분해 온도를 증가시켜 보았다. 염료에서는 알칼리 조건에서 스팀 활성화를 한 바이오차와 열분해 온도를 900℃로 증가하여 제조한 바이오차의 흡착능이 증가하였다. 중금속의 경우, 900℃에서 열분해한 바이오차만 흡착능이 증가하였다. 이러한 흡착능 증가는 바이오차의 표면 음전하와 방향족 그룹을 강화하여 염료 및 중금속과의 정전기적 상호작용 증가에 의한 것으로 생각된다. 등온 흡착을 통해 폐침목바이오차의 흡착용량을 확인한 결과, 다른 목질계 바이오차에 비하여 구리와 아연에서 더 우수한 흡착능을 보였다. 환경안전성평가와 흡착성능평가를 통해 폐침목바이오차는 유해하지 않은 목재 폐기물에서 추출한 바이오차과 마찬가지로 흡착제로 사용할 수 있는 것으로 확인되었다. 또한, 흡착제 기준규격 시험을 통해 메틸렌 블루 및 요오드 흡착 능력을 보완한다면 활성탄의 대체 물질로 사용될 가능성이 있는 것으로 기대된다.
Waste preserved railway sleepers have been incinerated to remove toxic compounds such as creosote and poly-aromatic hydrocarbon(PAH)s. But, the wooden railway sleepers can be recycled as a resource rather than waste. Pyrolysis can treat the waste and transform the waste to energetic materials includ...
Waste preserved railway sleepers have been incinerated to remove toxic compounds such as creosote and poly-aromatic hydrocarbon(PAH)s. But, the wooden railway sleepers can be recycled as a resource rather than waste. Pyrolysis can treat the waste and transform the waste to energetic materials including syngas, bio-oil, and biochar. Additionally, the creosote and PAHs can be recovered. Syngas and bio-oil can be used as energetic materials directly and/or indirectly, but biochar derived from the railway sleepers has not been studied intensively. Therefore, in this study, the pyrolysis process was applied to treat and recycle the waste preserved railway sleepers, and its derived biochar was evaluated as adsorbents for dyes and heavy metals in terms of environmental safety and adsorption capacity. Biochar derived from waste preserved railway sleeper (WRSB) did not contain residual PAHs. In other words, PAHs were recovered as bio-oil. Biochar contains few amounts of heavy metals but the leachability of metals was negligible. Thus, biochar does not have any significant environmental safety issues even though it is derived from waste materials. Also, the pyrolysis process was considered as a suitable treatment of waste preserved railway sleepers because it can remove and recover the PAHs from sleepers. The adsorption capacities of WRSB for dye and heavy metals were investigated to evaluate the potential of biochar. However, the adsorption capacity was not high enough, and activation and pyrolysis at higher temperature (900℃) were tried to improve the adsorption capacity. The steam activation with KOH and higher pyrolysis temperature increased the adsorption of WRSB for methylene blue to 3 and 4 times, respectively. The activation formed negatively charged functional groups, which enhanced the electrostatic interaction, and the higher pyrolysis temperature increased aromatic functional groups, which contribute to pi-pi interaction with methylene blue. The maximum adsorption capacities of WRSB and WRSB_KOH@Steam were 3.68 mg g-1 and 8.69 mg g-1 for methylene blue, 5.46 mg g-1 and 1.98 mg g-1 for congo red, respectively. The activation did not increase the adsorption of heavy metals, but a higher pyrolysis temperature increased 5, 2, 3, and 2 times for Cd, Cu, Pb, and Zn, respectively. The adsorption of heavy metals is highly dependent on cation exchange capacity and aromatic structure of biochar. Comparing to the capacities of other wooden biochars, WRSB showed greater adsorption capacity for Cu and Zn. These results indicate that WRSB can be used as an adsorbent likewise biochar derived from non-hazardous wood waste considering environmental safety and effectiveness in the adsorption of Cu and Zn. But, WRSB should be improved in terms of methylene blue and iodine adsorption capacities to be used as water treatment adsorbent instead of activated carbon.
Waste preserved railway sleepers have been incinerated to remove toxic compounds such as creosote and poly-aromatic hydrocarbon(PAH)s. But, the wooden railway sleepers can be recycled as a resource rather than waste. Pyrolysis can treat the waste and transform the waste to energetic materials including syngas, bio-oil, and biochar. Additionally, the creosote and PAHs can be recovered. Syngas and bio-oil can be used as energetic materials directly and/or indirectly, but biochar derived from the railway sleepers has not been studied intensively. Therefore, in this study, the pyrolysis process was applied to treat and recycle the waste preserved railway sleepers, and its derived biochar was evaluated as adsorbents for dyes and heavy metals in terms of environmental safety and adsorption capacity. Biochar derived from waste preserved railway sleeper (WRSB) did not contain residual PAHs. In other words, PAHs were recovered as bio-oil. Biochar contains few amounts of heavy metals but the leachability of metals was negligible. Thus, biochar does not have any significant environmental safety issues even though it is derived from waste materials. Also, the pyrolysis process was considered as a suitable treatment of waste preserved railway sleepers because it can remove and recover the PAHs from sleepers. The adsorption capacities of WRSB for dye and heavy metals were investigated to evaluate the potential of biochar. However, the adsorption capacity was not high enough, and activation and pyrolysis at higher temperature (900℃) were tried to improve the adsorption capacity. The steam activation with KOH and higher pyrolysis temperature increased the adsorption of WRSB for methylene blue to 3 and 4 times, respectively. The activation formed negatively charged functional groups, which enhanced the electrostatic interaction, and the higher pyrolysis temperature increased aromatic functional groups, which contribute to pi-pi interaction with methylene blue. The maximum adsorption capacities of WRSB and WRSB_KOH@Steam were 3.68 mg g-1 and 8.69 mg g-1 for methylene blue, 5.46 mg g-1 and 1.98 mg g-1 for congo red, respectively. The activation did not increase the adsorption of heavy metals, but a higher pyrolysis temperature increased 5, 2, 3, and 2 times for Cd, Cu, Pb, and Zn, respectively. The adsorption of heavy metals is highly dependent on cation exchange capacity and aromatic structure of biochar. Comparing to the capacities of other wooden biochars, WRSB showed greater adsorption capacity for Cu and Zn. These results indicate that WRSB can be used as an adsorbent likewise biochar derived from non-hazardous wood waste considering environmental safety and effectiveness in the adsorption of Cu and Zn. But, WRSB should be improved in terms of methylene blue and iodine adsorption capacities to be used as water treatment adsorbent instead of activated carbon.
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