적니를 이용한 악취제거용 흡착제의 제조

Theories and Applications of Chem. Eng., 2002, Vol. 8, No. 1

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

김동근, 황인국, 배재흠

수원대학교 화학공학과

Preparation of Adsorbents Using Red Mud for Removal of Odor

Dong-Keun Kim, In-Gook Hwang, Jae-Heum Bae

Department of Chemical Engineering, The University of Suwon

서론

최근 대기환경규제가 강화됨에 따라 대기로 배출되는 악취(odor) 및 휘발성 무기, 유기 화합물 (VIC, VOC)의 저감을 위한 기술개발의 필요성이 커지고 있다. 국내 하수, 분뇨 처리장 및 석탄가스화 복합발전에서 배출되는 악취 중에는 황화수소(H2S) 등의 황화합물이 포함되어 있으며, 현재 가동중인 탈취설비는 미흡하거나 운전효과가 그다지 높지 않아 심각한 환경오염 문제로 대두되고 있다.  황화수소는 달걀 썩는 냄새를 내는 무색의 유독가스이며, 공기 중에 황화수소가 0.3 ppm 이상이면 누구든지 이 물질의 냄새를 느낄 수 있고 20 ppm까지는 불쾌감을 느끼지만 장시간 일할 수 있다. 황화수소는 환경기초시설 뿐만 아니라 산업현장 저변에서 발생되는 대표적인 악취물질 중의 하나로 알려져 있으며사람에게 불쾌감을 주지 않을 정도로 일반 대기 중의 농도를 규제하려면 적어도 3∼5 ppm 이하가 되어야 한다[1]. 또한 황화수소는 독성과 부식성이 강하여 장치에 많은 손상을 야기하며 또한 촉매독으로 작용하여 공정의 효율을 저하시키는 것으로 알려져 있다. 현재 금속산화물을 흡착제로 이용하여 황화수소를 제거하는 연구가 진행되어오고 있으며, 특히 산화철(Fe2O3)을 이용한 흡착제가 황화수소 제거능과 재생성능이 매우 우수한 것으로 알려져 있다[2, 3]. 본 연구에서 사용한 적니는 수산화알루미늄/알루미나(Al(OH)3/Al2O3) 제조공정인 Bayer process에서 부산물로 발생되는 산업폐기물이다[4]. 적니의 주성분으로 Fe2O3, Al2O3, SiO2가 다량 함유되어 있으며 그밖에 TiO2, Na2O, CaO 등이 함유되어 있다. 우리 나라에서는 1993년 대불공단에 Al(OH)3/Al2O3 제조공장이 착공된 이후 연간 100,000톤의 적니가 발생되고 있다. 적니는 pH가 높은 알칼리성 무기폐기물로서 매립 처분시 주변생태계에 악영향을 미치는 것으로 알려져 있다. 현재 적니의 재활용 연구로는 촉매로의 활용연구[5]와 적니를 산업폐수처리용 흡착제로 이용하기 위한 연구가 있다[6]. 또한 적니를 황화수소 흡착제로 이용하는 연구도 보고되어 있다[7]. 이에 본 연구에서는 악취로 인한 대기 환경오염 방지를 위하여 산업무기 폐기물로써 산화철을 많이 포함하고 있는 적니를 이용하여 황화수소제거를 위한 흡착제를 개발하고자 한다. 적니에 첨가제로 fly ash를 혼합하여 열처리 온도변화에 따른 흡착제거능을 조사하고, 화학적 처리를 하여황화수소에 대한 제거능이 우수한 흡착제를 제조하고자 한다.

실험

1. 흡착제 제조

본 연구에서는 적니를 주성분으로 하고 첨가제로 fly ash를 사용하여 흡착제를 제조하였다. 분말 상태로 분쇄한 적니 10 g에 첨가제로 fly ash을 각각 2 g과 3 g을 혼합하여 잘 섞은 다음 증류수를 첨가하여 반죽을 한다. 그런 후에 소형 성형기를 이용하여 펠렛화 하고 전기로를 이용하여 600℃와 800℃에서 2시간 동안 열처리를 한다. 이렇게 열처리된  흡착제를 분쇄하고 체를 사용하여 원하는 크기(mesh 10∼20)의 흡착제를 얻는다. Fig. 1에 흡착제 제조 방법에 대해 나타내었다.

다음으로 적니에 화학적 처리를 하여 흡착제를 제조하였다. 적니와 50 wt%의 NaOH 수용액을 1:1의 질량비로 혼합하여 잘 섞은 다음 180℃에서 10시간 동안 건조시킨다. 그런 후에 증류수로 세척을 하고 감압여과기를 이용하여 여과를 시키고 남은 잔여물을 다시 105℃에서 건조시킨다. 건조시킨 흡착제는 일정한 크기(mesh 10∼20)로 분쇄하여 흡착제를 제조하였다.  또한 50 wt%의 Na2CO3 수용액을 적니와 1:1의 질량비로 혼합하여 위와 같은 방법으로 흡착제를 제조하였다.

Fig. 1. Schematic diagram of adsorbents manufacturing.

2. 장치 및 실험방법

고정층 흡착 column은 내경 2 cm, 외경 4 cm, 길이 30 cm의 석영관으로 만들어 장치 부식을 막고 내부가 보이도록 하였다. 또한 황화수소에 의한 장치 부식을 막기 위해 장치의 모든 관들도 stainless 재질을 사용하였다. 본 연구에서 황화수소 흡착실험은 실온에서 이루어졌다. Fig. 2에 실험장치에 대한 개략도를 나타내었다. 1000 ppm으로 제조된 황화수소가스를 질소가스와 혼합하여 99 ml/min 유량으로 조절하였고, 주입 농도를 80 ppm으로 하여 고정층 흡착 column 흘려 보냈다. 이때 황화수소와 질소의 유량은 각각 MFC(mass flow controller)로 조절하였으며 mixing chamber에 의해 황화수소가스와 질소가스를 혼합하였다. 주입 농도 80 ppm의 황화수소 가스를 흡착 column 하부에서 상부로 흐르게 하였으며 고정층 흡착 column 안에 유리구슬을 아래 부위에 채우고 그 위에 흡착제 2 g을 충전하여 실험을 수행하였다. 고정층 흡착 column을 빠져 나온 가스는 매시간 마다 가스분석기(켐익코퍼레이션, PCO2 Plus/10)를 통하여 황화수소의 유출 농도를 측정하였다.

Fig. 2. Schematic diagram of experimental apparatus.

결과 및 토론

먼저 흡착제 제조시의 열처리 온도 효과를 알아보았다. Fig. 3에서는 적니 10 g에 첨가제인 fly ash의 함량을 2 g 혼합한 흡착제를 각각 600℃와 800℃에서 2시간 동안 열처리를 하여 제조한 흡착제로 황화수소의 유출 농도를 측정한 결과를 나타낸 것이다. 800℃에서 열처리한 흡착제는 25분만에 파과가 이루어져서 600℃에서 열처리한 흡착제보다 흡착능이 매우 낮은 것으로 나타났다.

위 실험에서 나타난 결과를 가지고 열처리 온도를 600℃로 하여 fly ash의 첨가량에 대한 효과를 알아보았다. fly ash의 함량을 각각 2 g과 3 g씩을 혼합하여 600℃에서 2시간 동안 열처리하여 흡착제를 제조하였다. Fig. 4에서는 fly ash 함량변화에 따른 황화수소 유출농도를 매시간 마다 측정한 결과를 나타낸 것이다. fly ash의 함량이 2 g인 경우 5시간만에 파과가 이루어졌으며 fly ash의 함량이 3 g일 때 9시간만에 파과가 이루어졌다. 따라서 첨가제인 fly ash가 흡착제의 황화수소 흡착능을 높여주는 효과가 있음을 알 수 있었다.

다음으로는 적니에 화학적 처리를 하기위해 50 wt%의 Na2CO3 수용액을 혼합하여 제조한 흡착제와 50 wt%의 NaOH 수용액을 혼합하여 제조한 흡착제에 대한 효과를 알아보았다. Fig. 5에서는 화학적 처리에 따른 황화수소 유출 농도를 측정한 결과를 나타낸 것으로 NaOH 수용액으로 처리한 흡착제는 70분만에 파과가 이루어졌으나 Na2CO3 수용액으로 처리한 흡착제의 경우 2시간이 지나도 유출 농도는 계속 0 ppm으로 유지되었다. 따라서 본 연구에서는 적니에 화학적 처리를 하여 흡착제의 흡착능을 향상시키기 위해서는 Na2CO3 수용액이 더 좋은 것을 알 수 있었다.

이상과 같은 결과를 토대로 최적의 황화수소제거 흡착제를 제조하기 위해 적니에 화학적 처리 및 최적의 열처리와 최적 조건의 첨가제를 배합하여 흡착제를 제조하는 연구를 계속 진행 중에 있다. 또한 실제공정에 적용 가능한 펠렛 형태의 흡착제 개발을 수행하고자 한다.

Fig. 3. Breakthrough curve for removal of        Fig. 4. Breakthrough curve for removal of

H2S by adsorbents (red mud 10 g                H2S by adsorbents heat-treated at

+ fly ash 2 g).                                600℃

FIg. 5. Breakthrough curve for removal of H2S by adsorbents treated

with NaOH or Na2CO3.

감사

본 연구를 지원한 한국과학재단과 (주)한일그린텍에 감사의 뜻을 표합니다.

참고문헌

1. 양성봉, 이성화, 악취의 성분분석, 동화기술 (1997).

2. 오광중, 손병현, 최은화, 이강우, □황화수소 제거를 위한 망간계 탈황제의 물리적 특성     과 황화반응 속도,□ 대한환경공학회지, 22(11), pp. 2067-2076 (2000).

3. 박도현, 이영수, 김희택, 류경옥, □황화수소를 제거한 흡착제의 산화재생반응□ 화학공      학, 30(6), pp. 700-709 (1992).

4. 한국종합화학(주), bulletin (1994).

5. J. Alvarze, R. Rosal, H. Sastre and Fernando V. Diez, "Characterization and                Deactivation Studies of Activated Sulfided Red Mud Used as Hydrogenation Catalyst,"        Applied Catalyst: General, 167, pp. 215-223 (1998).

6. C. Namasivayam and D. J. S. E. Arasi, "Removal of Congo Red Wastewater by Adsorption onto Waste Red Mud," Chemosphere, 34(2), pp. 401-417 (1997).

7. R. S. Thakur and B. R. Sant, "Utilization of Red Mud: PartⅠ-Analysis and Utilization as    Raw Material for Absorbents, Building Materials, Catalysts, Fillers, Paints and Pigments,"    Journal of Scientific and Industrial Research, 42, pp. 87-108 (1983).