PVC 제조 공정에서 발생된 폐수의 수질 개선

전지선*, 조규진, 고중숙*, 문일식

순천대학교 공과대학 화학공학과

*순천대학교 자연과학대학 화학과

Treatment of Wastewater Generated from PVC Manufacturing Process

Jisun Jun*, Gyoujin Cho, Jung-Suk Go, Il-Shik Moon

Department of Chemical Engineering, Sun Chon National University, Sun Chon, Chun Nam 540-742, Korea

*Department of Chemistry, Sun Chon National University, Sun Chon, Chun Nam 540-742, Korea

서론

지구의 환경보존은 우선 물의 오염방지를 통하여 시작되는데 현재의 처리 방법보다는 획기적인 기술개발이 요구되고 있고 이들 방법은 각 단계별로 처해진 위치에서 환경에 충격이 가장 작은 방향으로 자연계나 산업계에 되돌려 놓는 길이 모색되어야 할 것이다. 이러한 시점에서 여천 공단 같은 대규모 공장에서는 공업용수의 부족을 보충하고 수질오염을 감소시키는 일환으로 공업용수를 재활용하는데 관심을 두고있다.

현재 PVC 공장에서 발생되는 폐수를 재활용하기 위해서 재활용 설비를 설치하여 처리시킨 후 소방용수, 냉각탑의 보충수 및 Process용 등으로의 활용을 목적으로 하였으나 처리수의 수질 개선 효과가 미흡하여 장시간 사용할 때 LINE 부식을 일으키고 Process용으로는 제한이 되는 등 문제점이 발생되고 있다.

본 연구에서는 PVC 공장 폐수 중의 중요한 오염원을 규명하여 이를 제거할 수 있는 다양한 방법을 강구하고자 한다. 오염을 일으키는 많은 원료들이 공장에서 사용되고 있는데, 어떤 것이 주요한 오염원일 것인지 정확한 규명이 선행되어야 제거가 가능하고 오염원의 양을 줄여서 수질 오염을 경감할 수 있을 것이다.

본 실험에서는 PVC 공장에서 발생하는 재활용수의 수질을 개선하여 현재 공장에서 가동중인 재활용 설비를 개선·보완하는 방법을 연구코자 하였다. 즉 재활용 설비에 사용중인 고가의 활성탄을 가격이 저렴한 국내산 활성탄으로 대체할 수 있으면서 흡착탑의 수명을 연장할 수 있는 방법에 관한 연구를 하였다. 또한 활성탄 흡착 이외에도 UV 처리공정을 실행하여 폐수를 재활용하고자 하였다.

실험방법

1. 폐수의 오염원 규명

폐수 약 500 mL를 Freeze Drying한 후 고형물을 D2O와 DMSO 용매에 용해시켜 H1-NMR을 측정하였다. 사용한 NMR 기기는 300MHz JEOL 기기이다.

2. 활성탄에 의한 회분식 흡착 처리

각종 활성탄 6∼10g을 250 mL 삼각 플라스크에 넣고 폐수 및 Bisphenol-A 용액 200 mL를 취하여 30℃의 항온조에서 일정시간 동안 진탕시키면서 흡착 처리를 행하였다. 처리 후의 용액은 COD를 측정하여 처리 효과의 지표로 삼았다.

3. 활성탄에 의한 칼럼식 흡착 처리

각종 활성탄을 칼럼에 충진시켜서 폐수를 탑 상부로부터 통과시켜 흡착 처리하였다. 처리 후의 용액은 COD를 측정하여 처리 효과의 지표로 삼았다.

4. UV 반응기에 의한 폐수 처리

석영 반응관 (500 mL) 속에 폐수 180 mL를 넣고 Anatase 분말, Ammonium persulfate, Phosphoric acid, 산소의 양을 조절하면서 UV 반응기 (RPR-2537 lamp) 내에서 일정시간 동안 반응을 시켰다.

결과 및 고찰

PVC 제조 공정에서 발생한 폐수의 오염원 규명을 위해서 앞서 기술한 실험 방법에 따라 폐수를 처리하여 Fig. 1의 H1-NMR 결과를 얻었다. 이 결과를 분석해 보면; 이 오염원은 상대적으로 한 화학물질이 주를 이루고 있으며, 6.9와 6.6ppm에 있는 peaks로 보아 방향족 group을 포함하고 있는 화학물질로 추정되어, 실제 공장의 PVC 공정에 사용한 모든 화학물질들을 조사한 결과 Bisphenol-A (Bis-A), Hydroquinone과 2,6-Di-t-butyl

-p-cresol을 각각 중합금지제, 중합억제제, 산화방지제로 사용하는 aromatic group을 포함한                화합물들임을 알았다. 이들 화학물질 중 Bis-A의 H1-NMR spectrum이 Fig. 1과 일치하는 것으로 보아 폐수의 주 오염원이 Bis-A임을 알았다.1

Fig. 1  폐수의 NMR 스펙트럼

또한 COD 측정의 번거로움을 피하기 위해 폐수 중의 주 오염원인 Bis-A의 UV 흡광도와 COD와의 상관관계를 조사해 보았다. 실험시 ABS와 COD 측정을 병행하여 Fig. 2를 얻을 수 있었다. 이를 이용하면 흡광도만으로도 폐수의 COD를 쉽게 추정할 수 있어서 폐수의 COD Monitoring이 가능해질 것으로 기대된다.

Fig. 2 COD와 Bis-A의

UV 흡광도와의 관계

흡착제의 Bis-A에 대한 흡착능력을 조사하기 위하여, 각각 준비된 0.1g의 현재 process에서 사용중인 고가의 활성탄 (N활성탄)과 저가의 여러 가지 활성탄에 Bis-A 0.5mM 용액을 사용하여 Bis-A에 대한 흡착 효율을 조사하였다. (Fig. 3)  그 결과 저가의 S활성탄이 Bis-A에 대해선 N활성탄보다 더욱 효과적인 것으로 나타났으며, 그 이유로는 Bis-A의 방향족 group과 OH기가 S활성탄과 C=O group에 물리적 상호작용과 수소결합으로 인해 효과적으로 흡착되어진 것으로 추정된다.2

Fig. 3 각종  활성탄에 의한 Bis-A의 흡착

위 기초 연구를 통하여 Bis-A가 주 오염원인 실제 PVC 폐수 처리의 연구에 있어서, Bis-A 흡착에 우수한 S활성탄을 사용하여 회분 흡착으로 PVC 폐수 처리를 연구하였다. 회분 흡착 방법을 선택한 이유는 기존의 PVC 폐수 처리 공정 장치를 그대로 유지하면서, 이의 사용기간을 연장시킬 수 있도록 전처리 공정으로서의 사용 가능성을 조사하기 위한 것이다. 이를 위해 흡착 시간을 2시간 또는 1시간으로 하여 S활성탄으로 실험을 실시하였다. 그 결과 200 mL/6g활성탄 비율로서 1시간 전처리에서도 COD가 지속적으로 처리되며 재사용 횟수가 증가함에 따라 양과 시간에 무관하게 폐수처리가 가능함을 알 수 있었다. (Fig. 4)

Fig. 4 시간 및 재사용횟수에 따른 COD 변화

그 다음으로 Bis-A 흡착에 회분 흡착 대신 칼럼 흡착을 도입하였다. PVC 폐수를 100 mL씩 통과시켰을 경우 COD가 113회 처리시까지 10ppm이하로 유지되는 것을 볼 수 있다. 칼럼 흡착 도입시 주 흡착탑의 수명을 크게 연장할 수 있을 뿐아니라 처리효과가 극대화 될 것이다. (Fig. 5)

Fig. 5 칼럼흡착시 재사용횟수에 따른 COD 변화

이러한 흡착 처리를 거친 폐수의 COD가 20ppm 이하로 떨어지기 힘든 경우, UV처리공정 방법을 이용하였다. 반응 조건은 석영 Cell에 폐수를 넣고, Anatase 분말을 membrane tube에 넣어 Cell에 넣은 다음 Ammonium persulfate, Phosphoric acid, 산소의 양을 조절하면서 UV 반응기 내에서 일정시간 동안 반응을 시켰다. 그 결과 활성탄 처리 후의 폐수를 UV 처리 할 경우 3시간 내에 10ppm 이하로 COD 값이 개선되었다.

감사

연구비를 지원해 주신 LG 화학 여천공장에 감사를 드립니다.

참고문헌

1. Aldrich Handbook

2. IR 상에서 S활성탄이 N활성탄보다 1700cm-1에 강한 peak를 보여준다.