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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 사전 예비실험에 의한 음식물류 폐기물의 탄화물을 이용한 활성화 공정을 통해 요오드흡착성능평가 및 중금속 분석으로 최적 활성화 조건 도출하고 제조된 활성탄을 이용한 중금속(Cu 및 Cr) 흡착특성 평가로 고농도 유기성 폐기물인 음식물류 폐기물의 효과적인 재활용의 기초자료로서 사용하는데 그 목적이 있다.
제안 방법
- 또한, 앞선 실험으로 결정된 최적 pH 및 교반속도 200 rpm을 기준으로 흡착시간을 2, 5, 10, 30, 60 및 90 min 으로 변화시켜 흡착평형에 도달하는 반응시간을 알아보았다.
- 본 연구에서 활성화 공정을 위해 관형태의 고온전기로 장치를 사용하였으며, 장치사진을 Fig. 2에 나타내었다.
- 본 연구에서는 음식물류 폐기물에 대한 사전 예비실험의 탄화물을 이용하여 요오드흡착성능평가를 통한 최적 활성화 조건을 도출한 뒤, 음식물류 폐기물 활성탄을 제조하여 중금속 흡착특성 등을 연구한 결과는 다음과 같다.
- 본 연구에서의 활성화 공정은 사전 예비실험을 통해 제조된 음식물류 폐기물 탄화물(이하 탄화물)을 이용하여 활성화 공정을 진행하였으며, Ju(2014) 및 Lee(2014)의 문헌연구를 통해 결정된 최적탄화조건은 400℃ 90 min이었다. 활성화 공정은 최적탄화조건에 의해 제조된 탄화물을 이용하여 활성화 온도 및 시간변화에 따른 연구를 진행하였다.
- 사전 예비실험에 의해 인공폐수의 pH 7을 기준으로 교반시간을 2, 5, 10, 30, 60 및 90 min으로 변화하여 중금속(Cu 및 Cr) 제거효율을 도출하였다.
- 음식물류 폐기물을 이용한 활성탄 제조 공정에서 최적 활성화 조건을 도출하여 제조한 활성탄으로 중금속 (Cu 및 Cr) 흡착실험을 실시하였다.
- 제조한 각 농도의 인공폐수 100 mL에 음식물류 폐기물 활성탄 1 g을 혼합한 다음 상온에서 교반시간 10 min 및 교반속도 200 rpm을 기준으로 pH 5, 7 및 9로 변화시켜 pH에 따른 중금속 흡착특성을 파악하였으며, 이 때 인공폐수의 pH 조절은 0.1N NaOH와 0.1N HCl을 사용하였다.
- 중금속 표준용액은 순도 98% 이상의 CuSO4·5H2O 및 K2Cr2O7 약품을 이용하여 제조하였으며, 인공폐수의 중금속 농도는 각각 5, 10 및 25 mg/L가 되도록 제조하였다.
- 활성화 반응로는 원형관으로 내경 46 mm, 두께 2 mm 및 길이 1,200 mm인 석영관을 사용하였으며, 반응로 내의 온도는 최대 1,200℃까지 유지가 가능하다. 질소가스가 유입 및 유출되는 반응로 입구와 출구는 내경 50 mm, 두께 15 mm 및 길이 100 mm의 알루미늄 합금 재질의 캡을 부착하여 질소가스의 유입과 발생가스의 배출을 원활하게 하였다.
- 탄화물 시료 10 g을 활성화 공정의 최적 운전조건 결정을 위하여 활성화 시간 60 min을 기준으로 활성화 온도를 400, 500, 600, 700 및 800℃로 변화시킨 후 요오드흡착성능평가를 통하여 최적 활성화 온도를 도출하였다.
- 활성화 공정은 최적운전조건 결정을 위해서 활성화 시간을 30~120 min, 활성화 온도 400~800℃로 변화시킨 뒤 요오드흡착성능평가 및 중금속 분석을 통하여 최적 활성화 조건을 결정하였다. 음식물류 폐기물의 활성화 공정 운전조건을 Table 1에 나타내었다.
- 본 연구에서의 활성화 공정은 사전 예비실험을 통해 제조된 음식물류 폐기물 탄화물(이하 탄화물)을 이용하여 활성화 공정을 진행하였으며, Ju(2014) 및 Lee(2014)의 문헌연구를 통해 결정된 최적탄화조건은 400℃ 90 min이었다. 활성화 공정은 최적탄화조건에 의해 제조된 탄화물을 이용하여 활성화 온도 및 시간변화에 따른 연구를 진행하였다.
- 활성화 온도는 Ju(2014) 및 Lee(2014)의 문헌연구를 통한 음식물류 폐기물의 TGA 열중량 분석을 통하여 결정하였으며, 활성화제로는 염화아연(ZnCl2)을 사용하였다.
- 흡착실험이 끝난 인공폐수는 상등액을 분취하여 여과한 뒤 ICP-MS(Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometer)를 이용하여 분석하였다.
대상 데이터
- 음식물류 폐기물은 B시 F사의 음식물류 폐기물 처리시설에서 발생된 부산물을 사용하였으며, 사료화 및 비료화 공정 중 발생된 음폐수를 응집 및 2회의 탈수과정을 거쳐 고액분리를 한다. 그리고 인근 하수처리장과 연계처리하고 있는데, 본 연구에서는 음폐수를 고액분리 하는 과정에서 발생된 부산물을 재료로 사용하였다.
- 본 연구에서는 음식물류 폐기물을 활성탄 제조 공정의 원료로 사용하였다. 음식물류 폐기물은 B시 F사의 음식물류 폐기물 처리시설에서 발생된 부산물을 사용하였으며, 사료화 및 비료화 공정 중 발생된 음폐수를 응집 및 2회의 탈수과정을 거쳐 고액분리를 한다.
- 온도측정 장치는 반응로 중앙에 장착되어 온도를 연속적으로 모니터링 할 수 있도록 하였으며, 질소가스공급 장치는 고압질소 봄베, 압력조절장치 및 유량계로 구성되어 있다.
- 본 연구에서는 음식물류 폐기물을 활성탄 제조 공정의 원료로 사용하였다. 음식물류 폐기물은 B시 F사의 음식물류 폐기물 처리시설에서 발생된 부산물을 사용하였으며, 사료화 및 비료화 공정 중 발생된 음폐수를 응집 및 2회의 탈수과정을 거쳐 고액분리를 한다. 그리고 인근 하수처리장과 연계처리하고 있는데, 본 연구에서는 음폐수를 고액분리 하는 과정에서 발생된 부산물을 재료로 사용하였다.
- 활성탄 제조를 위한 탄화 및 활성화 공정시 음식물류 폐기물에 함유된 다량의 수분은 탄화물의 경도 저하의 원인이 되므로 부산물을 105~110℃ 로 온도유지가 가능한 dry oven을 이용하여 함수율이 10% 이하가 되도록 건조시키고, 건조된 부산물은 미분쇄한 후 KS 표준체를 이용하여 100 mesh 이하로 입도분리 후 실험재료로 사용하였다. 건조 및 분쇄된 음식물류 폐기물과 사전 예비실험에 의해 제조된 탄화물의 사진을 Fig.
- 고온전기로의 구성은 크게 활성화 반응로, 온도측정 장치 및 질소가스공급 장치로 구성되어 있다. 활성화 반응로는 원형관으로 내경 46 mm, 두께 2 mm 및 길이 1,200 mm인 석영관을 사용하였으며, 반응로 내의 온도는 최대 1,200℃까지 유지가 가능하다. 질소가스가 유입 및 유출되는 반응로 입구와 출구는 내경 50 mm, 두께 15 mm 및 길이 100 mm의 알루미늄 합금 재질의 캡을 부착하여 질소가스의 유입과 발생가스의 배출을 원활하게 하였다.
이론/모형
- 본 실험에서는 Freundlich 식을 적용하여 Cu 및 Cr 각각의 Parameter값이 1/n과 k 및 R2을 Table 3에 정리 하여 나타내었다. 실험결과에 Freundlich 등온 흡착식을 적용한 결과, 결정계수 값과 흡착능, 흡착지수가 높게 나타났으며 그 결과를 Fig.
성능/효과
- Table 2는 음식물 탄화물의 활성화 시간 60 min을 기준으로 활성화 온도를 400, 500, 600, 700 및 800℃로 변화시켰을 때의 음식물류 폐기물 활성탄의 중금속 함량 변화를 나타낸 것이다. As, Cd 및 Pb은 검출되지 않았으며, 활성화 온도가 증가할수록 Zn의 함량은 감소하는 경향을 나타내었다. 이는 음식물류 폐기물의 특성상 중금속 함량이 낮고 유기물의 함량이 높기 때문인 것으로 판단된다.
- 따라서, 음식물 탄화물의 요오드흡착성능 평가를 통한 최적 활성화 조건은 700℃ 90 min으로 나타났다.
- 또한, 앞선 실험을 통해 결정된 최적 활성화 온도 700℃를 기준으로 활성화 시간을 30, 60, 90, 및 120 min 으로 변화시킨 후 요오드흡착성능은 각각 936.00 mg/g, 975.10 mg/g, 1,099.80 mg/g 및 1,045.66 mg/g으로 90 min일 때 가장 높게 나타났다.
- 요오드흡착성능평가를 통해서 최적의 활성화 운전조건을 도출하여 제조한 음식물류 폐기물 활성탄으로 중금속(Cu 및 Cr) 흡착 실험결과 초기시간부터 10 min 까지는 제거효율이 급격하게 증가하였으나 10 min 이후부터 평형흡착을 이루었다. 또한 Cr 보다는 Cu제거 효율이 더 높게 나타났다
- 음식물류 폐기물 활성탄 중금속분석의 경우 As, Cd, Pb 및 Zn의 항목을 평가하였으며, 분석 항목 중 As, Cd 및 Pb는 원 시료인 음식물류 폐기물 및 활성탄 모두에서 불검출 되었으며, Zn의 경우 활성화 온도가 증가할수록 중금속 함량이 감소하는 경향으로 나타났다. 이는 음식물류 폐기물의 자체적인 중금속 함량이 낮기 때문에 중금속 함량이 불검출 되거나 낮게 나타난 것으로 판단된다.
- 6%로 나타났다. 음식물류 폐기물 활성탄의 교반시간 변화에 따른 중금속(Cu 및 Cr)의 제거효율은 초기시간부터 10 min까지 급격하게 감소하였으나 10분 부터 평형흡착을 이루었으며, Cr보다는 Cu제거에 효과가 좋은 것으로 나타났다. 교반시간 변화에 따른 인공폐수의 중금속(Cu 및 Cr) 제거효율은 Fig.
- 인공폐수 농도 5 ppm의 중금속(Cu 및 Cr) 용액에 제조한 음식물류 폐기물 활성탄을 각각 1 g/L씩 투입하여 200 rpm으로 교반한 후 Cu 제거효율은 42.6, 57.1, 82.0, 82.3, 82.3 및 82.3%, Cr 제거효율은 44.3, 62.8, 76.1, 76.2, 77.5 및 77.8%로 나타났고, 10 ppm 중금속 (Cu 및 Cr)용액의 Cu 제거효율은 62.3, 73.1, 82.7, 82.7, 82.7 및 82.7%, Cr 제거효율은 61.2, 70.8, 76.2, 75.8, 76.3 및 76.7%로 나타났으며, 25 ppm 중금속(Cu 및 Cr)용액의 Cu 제거효율은 78.8, 82.9, 82.9, 82.9, 82.9 및 82.9%, Cr 제거효율은 71.2, 75.0, 75.8, 76.6, 77.5 및 76.6%로 나타났다. 음식물류 폐기물 활성탄의 교반시간 변화에 따른 중금속(Cu 및 Cr)의 제거효율은 초기시간부터 10 min까지 급격하게 감소하였으나 10분 부터 평형흡착을 이루었으며, Cr보다는 Cu제거에 효과가 좋은 것으로 나타났다.
- 활성화 온도 400, 500, 600, 700 및 800℃로 60 min 의 활성화 시간으로 활성화한 음식물류 폐기물 활성탄의 요오드흡착성능은 각각 808.72 mg/g, 823.84 mg/g, 893.28 mg/g, 975.10 mg/g 및 887.60 mg/g으로 최적 활성화 온도는 700℃로 나타났다.
후속연구
- 음식물류 폐기물 활성탄 제조는 고농도 유기성 폐기물인 음식물류 폐기물을 재이용할 가능성과 기존 활성탄 제조 원료를 대신할 수 있는 연구의 기초자료로서 활용 가능할 것으로 판단된다.
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