마이크로에멀젼을 이용한 하·폐수 슬러지의 고효율 탈수 기술

이호태, 박상호, 정헌, 박종수, 윤왕래

한국에너지기술연구원, 전환공정연구팀

A Study on the High Effecient Dewatering of Waste and Sewage Sludge by using microemulsion

H. T. Lee, S. H. Park, H. Jung, J. S. Park and W. L. Yoon

Korea Institute of Energy Research

서론

2001년부터 유기성 슬러지의 매립이 금지됨으로 인해 슬러지의 처리는 매우 시급한 문제가 되었다. 슬러지의 발생 량은 1999년 현재 하루 23,000톤 가량으로 매년 10% 이상의 높은 증가율을 보여왔다. 총 23,000톤 가량의 하루 슬러지 발생 량 중에서 유기성 슬러지는 발생 량의 73%인 17,000톤 가량이나 된다1).

슬러지의 매립 의존도는 하수 슬러지가 가장 높아 74% 정도이며, 해양투기도 20%에 달해 하수 슬러지의 95%가 매립이나 해양투기로 처리되고 있다. 폐수처리장이나 정수장에서 발생하는 슬러지도 매립이나 해양투기에 많은 부분을 의존하고 있기 때문에 유기성슬러지의 매립 금지는 대체 처리 방법의 개발을 촉진하는 계기가 되고 있다.

슬러지는 80% 가량의 수분을 함유하고 있기 때문에 저장, 운송 및 처리에 많은 제약이 따르고 있다. 특히 슬러지의 수분은 미세 기공 속에 자리잡고 있거나 약한 결합 또는 미생물 세포 안에 갇혀있는 상태로 존재하기 때문에 기계적인 방법으로 탈수할 수 있는 한계를 70% 정도도 잡고 있다. 슬러지에 열을 가하여 수분을 증발시키는 열에 의한 건조는 물의 증발잠열이 크기 때문에 상대적으로 많은 양의 에너지가 소요된다.

이러한 단점을 극복하고 슬러지에 포함된 수분을 열을 가하지 않고 효과적으로 분리해 내기 위한 기술로서, Emanual이2) Triethylamine(TEA)과 물의 혼합물의 역한계용액(reverse critical solution)성질을 이용하여 수분을 포함한 고형물로부터 수분을 제거하는 방법을 제시한 이후 많은 연구자들3,4)에 의해 다양한 방법이 연구되고 있다. 특히 Murphy5)는 수분을 많이 함유한 갈탄을 저비점 용매를 이용하여 상온에서 수분의 제거하는 기술을 개발하였으며, 이 기술을 Dickey등6)이나, Shuey 등7)은 슬러지를 포함한 고 함수 물질을 건조시키는 기술에 적용하였다. 이상의 방법들은 함수율을 65% 정도까지 낮추는데 그치고 있어, 그다지 큰 효과를 얻지 못하였다.

그러나 마이크로 에멀젼의 낮은 표면장력, 저점도 등의 특성을 슬러지의 탈수에 적용하기 위한 연구를 수행하였으며, 본 기술의 원리는 [그림 1]에 나타낸 바와 같다. 또한 마이크로 에멀젼의 온도 의존성으로 인해 사용한 마이크로에멀젼은 회수 사용이 가능한 장점이 있다.

실험장치 및 방법

마이크로 에멀젼 영역을 규명하기 위하여 100 ml의 시험관과, 시험관을 넣을 수 있도록 제작한 항온조, 항온조 밑에서 시험관 내부를 교반할 수 있도록 마그네틱 교반기, 그리고 항온 수조로 구성된 장치를 사용하였다. 실험방법은 일정 비율의 오일과 계면활성제를 시험관에 넣고 항온조에서 일정온도로 유지시킨 후, 마그네틱 교반기를 작동하여 교반하면서 물을 주사기로 조금씩 넣어 상 변화를

[그림 ] 마이크로 에멀젼을 이용한 탈수의 원리 및 장점

관찰하였으며, 혼탁하게 되는 상태를 마이크로 에멀젼의 경계영역으로 보고 삼성분 그래프에 표시하였다.

탈수 실험장치는 슬러지/오일/계면활성제를 혼합할 수 있는 혼합장치, 슬러지 고형분을 분리하기 위한 가압 여과장치, 그리고 진공 건조기로 구성되어 있다. 혼합장치는 2리터 용량의 용기와, 5,000 rpm 까지 교반이 가능한 교반기, 그리고 온도를 일정하게 유지할 수 있는 밀폐형 자켓으로 구성하였으며, 슬러지/오일 혼합물을 교반 처리한 용기는 쉽게 꺼내어 분석 및 무게 측정이 가능하도록 제작하였다. 고액 분리는 가압 여과 장치(Millipore Hazard Waste Pressure Filter System, 142mm)를 사용하였다.

실험방법은 슬러지, 오일 및 계면활성제를 일정 비율로 정량하여 용기에 넣고, 일정온도로 유지시킨 반응기에 넣어 반응물이 일정 온도에 도달하도록 20분 가량 방치한 뒤에 교반을 시작한다. 교반이 끝나면 용기를 반응기에서 꺼내어 반응물을 가압 여과기에 넣는다. 이때 용기에 남아있는 고형분은 무게를 측정한 오일로 씻어 반응물의 손실을 최소화 하도록 하였으며, 가압여과기에서 고형분과 여과액을 분리하였다. 분리된 여과액과 고형분은 Karl Fisher Titrator(Mettler Toledo DL38)를 사용하여 각각에 포함된 수분을 분석하였다. 또한 고형분은 진공건조기(60℃, 200 mmHg)에서 24시간 건조후 최종 잔류 고형분을 분리하였으며, 고형분중 수분 및 오일 함유량은 액체질소 트랩으로 회수하여 분석하였다.

또한 회분식 실험 결과에 의해 20 kg/hr 용량의 연속식 장치를 설계, 제작하였으며, 연속식 실험도 수행하였다.

실험 결과 및 고찰

물과 오일에 대해 광범위하게 마이크로 에멀젼 영역을 형성하는 계면활성제로 AOT(Aerosol OT, Sodium Dioctyl Sulfosuccinate)로 선정하였으며, AOT를 주성분으로 하여 저렴한 가격으로 시중에 판매되고 있는 계면활성제에 대한 마이크로 에멀젼 영역을 20℃, 30℃, 40℃의 온도에서 측정하였다.

마이크로 에멀젼 영역의 측정은 계면활성제의 양이 많은 부분에서는 액정(Liquid Crystal)이 발생하여 측정에 어려움이 있었지만 실험 영역에서는 측정을 완료하였으며, 온도가 증가하면서 영역은 조금씩 넓어졌으나 계면활성제의 농도가 높은 방향으로 이동하고 있음을 볼 수 있었다. 이와 같이 마이크로 에멀젼은 온도의 변화에 따라 영역이 변하기 때문에 온도에 의한 오일 및 계면활성제의 회수 가능성을 보여주고 있다. 측정한 마이크로에멀젼 영역을 20℃와 30℃에 대해 [그림 2]와 [그림 3]에 나타내었다.

물/오일/계면활성제에 대해 얻은 마이크로 에멀젼 영역을 근거로 하여 탈수 실험의 조건을 정하였으며, 이 조건에 따른 실험을 수행하였다.

[그림 ] 마이크로에멀젼 영역 (물/경유/ EU-DO113, 20℃)

[그림 ] 마이크로에멀젼 영역 (물/경유/ EU-DO113, 30℃)

[그림 2]와 [그림 3]에서 물과 오일의 일정조성이 되는 밑변의 한 점을 선정하고, 이 점에서 삼각형의 꼭지점으로 직선을 그어 마이크로 에멀젼 영역의 외부, 경계 및 내부에 각각 위치한 점을 선정하여 이때의 물/오일/계면활성제의 조성을 계산한 후, 물을 양을 슬러지의 함수율로 환산하여 슬러지/오일/계면활성제의 혼합비를 계산하였다. 계산된 혼합비에 따라 슬러지/오일 및 계면활성제를 정량 하여 반응기에 넣고 온도별 탈수 실험을 수행하였으며, 결과를 [그림 4]에 나타내었다.

[그림 4]에서 보는바와 같이 계면활성제와 오일을 이용할 경우 탈수 효과가 매우 좋은 것을 알 수 있었으며, 특히 마이크로 에멀젼 영역 내부로 갈수록 높아지는 것을 볼 수 있었다. 이 결과는 마이크로 에멀젼의 표면장력이 물의 표면장력보다 훨씬 적기 때문에 미세 기공 속에 포함된 수분을 쉽게 고형분과 분리시키기 때문으로 생각되며, 특히 마이크로에멀젼 영역 외부에서도 탈수효과가 높게 나타나는 것은 혼합 초기에 슬러지의 표면에 있는 수분과 오일 및 계면활성제가 마이크로 에멀젼을 형성하여 슬러지 고형분 내부에 침투하면서 표면장력을 낮추기 때문에 탈수 효과가 높게 나타나는 것으로 판단된다.

온도별 탈수 효과를 살펴보면 30℃에서 탈수 효과가 가장 높음을 볼 수 있었다. 그러나 이 결과는 온도에 의한 영향보다는 계면활성제의 농도에 의한 효과가 더 큰 것으로 판단된다. 특히 20℃에서는 여과시간이 길게 나타남을 볼 수 있었는데 계면활성제의 첨가량이 많아 혼합물의 점도가 높기 때문에 다른 온도보다 탈수 효과가 낮은 것으로 판단된다.

[그림 10] 마이크로 에멀젼 영역에 대한 탈수 효과

연속공정 실험

설치한 연속공정을 이용하여 실험을 수행하였다. 연속공정의 가동 조건은 다음의 표와 같다.

- 슬러지/오일 혼합비 1/9

- 계면활성제의 첨가량 13%

- 혼합 온도 30 ℃, 혼합시간 20분

- 공급 속도 20 kg/hr

- 탈수 속도 및 시간 1,000 rpm, 15분

- 오일/계면활성제 회수 온도 10 ℃

연속장치의 실험은 슬러지 및 오일의 공급의 원활성, 여과 장치의 연속 사용 가능성, 여과액의 분리 및 회수 등을 고려하여 가동하였다. 가동은 총 3회 하였으며, 가동 결과 가동의 안정성 및 탈수 효과가 매우 우수한 것을 확인할 수 있었다.

3차례의 가동 결과 슬러지의 함수율은 74.3%에서 27.3%, 21.8%, 22.7%로 매우 높은 탈수 효과를 보이고 있음을 알 수 있었다. 그러나 오일 및 계면활성제의 회수율은 90% 미만으로 회분식의 회수 결과보다 미흡하였으며, 회수 분리에 대한 연구가 정밀하게 시행되어야 할 필요가 있다. 또한 탈수 케익에 오일 및 계면활성제의 잔류량은 1% 미만으로 탈수 효율에 비례하여 매우 좋은 결과를 얻을 수 있었다. 특히 탈수효율이 높고 탈수 케익에 잔류하는 오일 및 계면활성제의 양이 적은 이유는 탈수 시스템의 성능에 의존하는 것으로 판단된다.

결론

마이크로 에멀젼을 이용한 슬러지의 고효율 탈수 실험의 결과를 요약하면 다음과 같다.

1. AOT 계열의 계면활성제에 대한 마이크로 에멀젼 영역에서 슬러지의 수분 제거 효율이 70% 가량으로 매우 높게 나타남을 알 수 있었다. 이 결과는 마이크로 에멀젼의 표면장력이 물의 표면장력보다 훨씬 적기 때문에 미세 기공 속에 포함된 수분을 쉽게 고형분과 분리시킬 수 있음을 보여주고 있다.

2. 온도별 탈수 효과는 30℃에서 가장 높음을 볼 수 있었다. 그러나 이 결과는 온도에 의한 영향보다는 계면활성제의 농도에 의한 영향으로 판단된다.

3. 회분식 실험을 기초로 하여 20 kg/hr 용량의 연속장치를 설계하고 설치하였으며, 슬러지 및 오일의 공급의 원활성, 여과 장치의 연속 사용 가능성, 여과액의 분리 및 회수 등을 고려하여 가동하였다. 가동 결과 슬러지의 함수율은  27.3%, 21.8%, 22.7%로 낮아져 탈수 효율이 매우 높게 나타남을 알 수 있었다.

참 고 문 헌

1. □99 전국 폐기물 발생 및 처리현황, 환경부 (2000)

2. Emanuel, C. F., US Patent 3,899,419 (1975)

3. Ames, R. K., US Patent 3,925,201 (1975)3662

4. Peters, H. H., US Patent 4,056,466 (1977)

5. Murphy, C. L., US Patent 4,014,104 (1977)

6. Dickey, L.C., "US Patent 4,339,882 (1982)

7. Shuey, S.A., Tolley, W.K., and Rice, D.A., "Steel plant sludge dewatering." Proceedings of the 19 International mineral processing congress: Physical and Chemical Processing Volume 2, 113-116, 22-27 Oct 1995, San Francisco, CA, Soc. for Mining, Metallurgy and Exploration, Inc.