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황화수소(H2S) 흡착성능 증진을 위한 하수슬러지 기반 흡착제 탄화조건 최적화 연구
A study on the Optimization of Sewage Sludge-based Adsorbent Carbonization Condition for Improving Adsorption Capacity of Hydrogen Sulfide (H2S) 원문보기

공업화학 = Applied chemistry for engineering, v.29 no.6, 2018년, pp.765 - 771  

최성열 (경기대학교 일반대학원 환경에너지공학과) ,  장영희 (경기대학교 일반대학원 환경에너지공학과) ,  김성수 (경기대학교 환경에너지공학과)

초록
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본 연구에서는 각종 환경기초시설에서 발생하는 악취 유발물질 중 $H_2S$를 처리하기 위한 하수슬러지 기반 흡착제의 흡착성능 증진을 위해 제조조건 중 탄화조건 최적화에 대한 연구를 수행하였다. 적용되는 흡착제는 하수처리장에서 발생하는 슬러지를 온도 및 승온속도와 같은 탄화조건을 달리하여 제조하였으며, 흡착제의 물리적 특성과 흡착성능과의 상관관계를 확인하였다. 실험결과 $10^{\circ}C/min$의 승온속도로 $900^{\circ}C$의 온도에서 탄화과정을 거친 슬러지의 흡착성능이 가장 우수하였으며, SEM, BET 분석을 통해 비표면적 및 기공특성(기공크기, 부피)이 흡착성능의 주요 인자임을 확인하였다. 최적 탄화조건 흡착제의 흡착성능을 증진시키기 위해 K 이온을 담지하였으나, 하수슬러지 기반 흡착제의 경우 큰 영향이 없는 것으로 확인하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this study, the optimization of carbonization conditions in manufacturing processes was performed to improve the absorption performance of sewage sludge based sorbent used for treating $H_2S$ out of all odorous substances generated by various environmental facilities. Adsorbents applie...

주제어

표/그림 (17)

AI 본문요약
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문제 정의

  • 상기의 연구결과를 통해 황화수소 흡착활성물질인 KI를 담지 한 경우에는 활성물질의 표면 불균일 분산으로 인해 성능증진을 기대하기 어려웠다. 그러나 활성화 물질이 아닌 K 첨착 및 제거를 통해 추가적인 기공을 형성하는 KOH 활성화를 적용하였을 때 성능증진이 가능한지 확인하고자 하였다. 따라서 상기의 최적 탄화조건 흡착제에 KOH 활성화를 적용한 흡착제를 제조하고 흡착성능을 확인하여 처리 전 흡착제와의 성능을 비교하였다.
  • 따라서 본 연구에서는 슬러지 재활용 흡착제의 흡착성능을 극대화하기 위해 다양한 탄화 온도 및 탄화승온속도와 같은 탄화조건을 달리하여 탄화슬러지흡착제를 제조하였다. 제조된 소재의 물성분석을 통해 H2S 흡착성능과의 상관관계를 고찰하였다.
  • 같은 탄소기반 흡착제인 탄소수지 재활용 흡착제의 경우 승온속도에 대한 탄화실험에서 승온속도는 비표면적 및 세공부피 모두 비례한다고 보고하였으며[16], 다공성 탄소재의 경우 승온온도에 의해 세공의 크기 분포가 변화하며, 특히 빠른 승온속도는 발생된 기공의 합체가 이뤄지지 못해 전반적으로 기공의 크기가 작았고, 느릴수록 기공의 크기가 커져 흡착성능에 영향이 있다고 보고하였다[17]. 따라서 본 연구에서는 슬러지를 이용한 흡착제 제조 시 탄화 승온속도와 구조변화 및 H2S 흡착성능 간의 관계를 확인하고자 하였다. 흡착제는 최적 탄화온도인 900 ℃로 고정하여, 5, 10, 20 ℃/min 승온속도별로 2 h 유지하여 제조하였으며, H2S 흡착성능을 Figure 8에 나타내었다.
  • 제조된 소재의 물성분석을 통해 H2S 흡착성능과의 상관관계를 고찰하였다. 또한 최적 탄화조건 제조 슬러지 기반 흡착제에 H2S 흡착성능 증진 알칼리 금속이온 물질로 잘 알려진 K(칼륨)을 담지하여 흡착성능 증진여부를 확인하고자 하였다.
  • 탄화 목표 온도에서 2 h 유지 후 상온으로 냉각시켰으며, 분쇄 후 40-50 mesh 사이 크기의 흡착제를 sieving 하여 제조하였다. 또한 흡착제의 황화수소 흡착성능 증진 물질로 알려진 알칼리 금속이온(K)이 담지된 흡착제를 제조하여 성능을 극대화하고자 하였다. 활성물질이 담지된 탄화슬러지의 제조방법은 탄화된 슬러지 흡착제를 계산된 농도의 KI, KOH 용액과 교반하고, rotary vacuum evaporator를 이용하여 65 ℃에서 수분을 증발시킨 다음, 질소 분위기 하에관형로에서 400 ℃, 2 h 열처리 하여 최종적으로 흡착제를 얻었다.
  • 본 연구에서는 하수처리장에서 발생한 슬러지를 이용하여 흡착제 제조 시 최대 흡착성능을 나타내는 탄화온도를 확인하기 위하여 550, 700 및 900 ℃의 탄화온도로 제조된 슬러지 흡착제의 흡착성능을 비교하였으며, 결과를 Figure 4에 나타내었다. 비교실험 결과, 탄화온도가 증가함에 따라 슬러지 흡착제의 흡착성능이 증가하였으나, 550, 700 ℃에서 탄화한 슬러지의 흡착성능이 각각 0.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
제올라이트 또는 다양한 산업부산물에 관한 연구는 건식흡착법의 어떤 문제를 해결하기 위함인가? 습식세정법은 악취를 함유한 가스를 액체와 접촉시켜 악취물질을 액상에 흡수시키거나 화학적 반응을 일으켜 제거하는 방법이지만, 2차 오염물(폐수)의 발생이 불가피한 단점이 있다[6]. 따라서 비교적 단순한 처리공정인 건식흡착법을 이용하여 악취물질을 제거하는 것이 보편적이나, 주로 사용되는 흡착제인 활성탄의 수요 급증 및 원자재 부족으로 인한 원가 상승으로 기존 활성탄을 대체 가능한 흡착제의 개발이 요구되는 실정이다[7].
황화수소(H2S)는 무엇인가? 악취는 기본적인 특성상 다양한 물질에 의해서 발생하는 감각공해로써 개인마다 느끼는 정도의 차이가 있는 것이 특징이지만 극미량에서도 악취를 유발하는 특성이 있다. 국가에서 규제하는 22가지의 악취유발물질 중 각종 환경기초시설에서 발생하는 악취물질인 황화수소(H2S)는 계란 썩는 냄새가 나는 무색의 유독한 기체로서 인체의 위장이나 폐에 흡수되어 질식, 폐 질환, 신경중추마비 등을 발생시킬 수 있다[2]. 이러한 H2S 가스는 하⋅폐수처리장, 매립지시설, 폐기물 처리시설과 같은 환경기초시설 등에서 발생하며, 발생원별 H2S의 농도는 다르지만(Table 1) 주변시설의 주요 민원 대상으로 지목되고 있다[3-5].
악취의 특징은 무엇인가? 특히 악취는 환경기초시설과 산업장에서 근무하는 근로자와 인근 주민에게 직접적인 피해를 가하는 원인이 되고 있다[1]. 악취는 기본적인 특성상 다양한 물질에 의해서 발생하는 감각공해로써 개인마다 느끼는 정도의 차이가 있는 것이 특징이지만 극미량에서도 악취를 유발하는 특성이 있다. 국가에서 규제하는 22가지의 악취유발물질 중 각종 환경기초시설에서 발생하는 악취물질인 황화수소(H2S)는 계란 썩는 냄새가 나는 무색의 유독한 기체로서 인체의 위장이나 폐에 흡수되어 질식, 폐 질환, 신경중추마비 등을 발생시킬 수 있다[2].
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참고문헌 (18)

  1. J. S. Park, A study on the development of gas scrubber for removal of odor gas containing hydrogen sulfide and the ammonia, MS Dissertation, Inje University, Gimhae, Korea (2002). 

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  3. H. W. Ryu, K. S. Jo, T. H. Lee, and M. Huh, Management of offensive odors in swine production facilities: I. Domestic status and offensive odors in swine production, J. Korean Soc. Odor Res. Eng., 2(2), 69-77 (2003). 

  4. G. Y. Kim, J. B. Park, C. N. Kim, and K. J. Lee, Field study of emission characteristics of ammonia and hydrogen sulfide by pig building type, J. Korean. Soc. Occup. Environ. Hyg., 16(1), 36-43 (2016). 

  5. B. C. Ko, J. K. Lee, Y. S. Lee, M. G. Lee, and S. K. Kam, A study on odor emission characteristics of domestic sewage treatment facilities using composite odor concentration and hydrogen sulfide concentration, J. Environ. Sci., 21(11), 1379-1388 (2012). 

  6. J. K. Kim, S. S Kim, S. C. Hong, E. D. Lee, and Y. Kang, Decomposition of EtOH and oxidation of H2S by using UV/photocatalysis system, Korean Chem. Eng. Res., 51(3), 297-302 (2013). 

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  8. C. D. Park, J. Y. Youn, and Y. S. Park, Adsorption characteristics of H2S on adsorbent made by sewage sludge in fixed bed adsorption column, Korean Chem. Eng. Res., 50(4), 718-722 (2012). 

  9. D. H. Jung, W. S. Baek, S. H. Kim, and Y. N. Chun, Adsorption characteristics of sewage sludge prepared by physical and chemical activation, J. Adv. Eng. Technol., 1(1), 91-97 (2008). 

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  11. J. H. Bae, N. Y. Park, C. H. Lee, Y. K. Park, and J. K. Jeon, Adsorption performance of basic gas over pellet-type adsorbents prepared from water treatment sludge, Korean Chem. Eng. Res., 51(3), 352-357 (2013). 

  12. D. H. Jung, M. S. Lim, J. S. Song, and Y. N. Chun, Development of a carbonization activator, J. Korean Ind. Eng. Chem., 20(1), 109-115 (2009). 

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  15. G. C. Lee, T. K. Yoon, and Z. H. Shon, Effect of operating parameters on the physical properties of activated carbon manufactured with bead-type polymer resin, Clean Technol., 19(3), 279-286 (2013). 

  16. B. Krystyna, B. Wieslaw, and K. Marek, Carbon adsorbents from waste ion-exchange resin, Carbon, 40(12), 2213-2220 (2002). 

  17. K. Y. Cho, K. J. Kim, and D. H. Riu, Effect of heating rate and pressure on pore growth of porous carbon Materials, Carbon Sci., 7(4), 271-276 (2006). 

  18. S. K. Lee, C. S. Yim, and Y. S. Park, $H_2S$ adsorption characteristics and property analyses of activated carbon adsorbent impregnated with basic solutions, J. Korean Soc. Environ. Eng., 32(11), 1011-1016 (2010). 

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