활성탄에 의한 환경호르몬물질 흡착특성

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

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

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

정재현, 류병순*, 송승구

부산대학교 화학공학과, 부산광역시상수도사업본부*

Adsorption Characteristics of Endocrine Disruptors on Activated Carbon

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

Jeong Jae-Hyun, Ryu Byung-Soon*, Song Seung-Koo

Department of Chemical Engineering Pusan National Univ,

Water Works H.Q. Busan Metropolitan City*

서론

최근 산업의 발달, 인구의 증가, 생활수준의 향상 등으로 각종 용수의 수요량이 계속 증가하고 있는 반면, 상수원으로 이용되고 있는 하천수, 호소수등은 도시하수, 각종 산업폐수, 농·축산폐수등에 의하여 오염되어 가고 있다. 이에 따라 상수원의 수질이 농·공업용수로도 사용하기 어려울 정도에 이르러 상수처리 비용이 증가되며, 또한 시민의 건강을 위협하고 있는 실정이다.

인공적으로 합성된 산업용 화학물질이나 농약들이 인간과 야생계 동물의 내분비계 작용기전에 비정상적인 영향을 미치고 있다는 과학적인 연구결과가 발표되고 있고, 이와 같은 내분비 교란작용에 의하여 발생, 형태, 생식기능에 문제점이 사람과 동물에 생길 수 있다는 우려가 높아지고 있다. 이런 종류의 화학물질을 '내분비계 장애물질(endo-crine disruptors, EDs)'이라 부르며, 통상적인 용어인 □환경호르몬□으로 더 잘 알려져 있다.

우리나라에서 최근 환경호르몬물질의 관심도가 높아지고 있으며, 낙동강원수내에 유입되는 환경호르몬물질 때문에 수돗물에 대한 불신 또한 높아져가고 있다.

이 상수원을 이용하여 양질의 수돗물을 확보하기 위해서는 고도정수 처리가 필요하며 현재 일부 정수장에서는 고도 정수 처리 방법의 하나로 활성탄 처리공법을 사용하고 있다. 활성탄은 목재, 아탄, 갈탄, 역청탄, 무연탄등 석탄계 및 야자각 등을 원료로 하여 제조된 무정형 탄소가 주이며 활성화 과정에서 분자크기 정도의 세공이 형성되어 큰 내부 표면적을 갖는다. 이러한 활성탄은 뛰어난 흡착성능으로 인해 상수처리과정에서 유기물질제거에 사용되고 있다. 현재 도입된 활성탄 공정은 BAC(Biological Activated Carbon)공정이나, BAC공정에 대한 연구자료가 부족하다. 이에 BAC공정에 대한 기본자료로서 B시 상수도사업소의 상수처리공정에서 사용되는 활성탄으로 환경호르몬물질로 분류되는 페놀류 물질(Phenol, Bisphenol-A, 2.4-Dichlorophenol)에 대한 흡착특성을 고찰하였다.

실험

본 실험은 250□의 삼각플라스크에 5ppm, 25ppm, 50ppm, 75ppm, 100ppm으로  희석된 Phenol, Bisphenol-A, 2.4-Dichlorophenol을 각 200□와 석탄계활성탄(Calgon, F-400)과 야자계재생탄(삼천리-95.09생산, 99.06재생)을 각 0.5g씩 넣고 24시간동안 교반하여 첨가물질의 잔류농도를 측정한 것이다.

본 시료들은 GF/C(Whatman, 47mm □ Circles)를 이용하여 감압여과하여 활성탄을 제거한후 여과액 100□를 취하여 페놀실험법중 습식방법에 의해 UV흡광도기(Verian Cary-100)를 이용하여 측정하였다.

시간에 따른 흡착후 잔류농도 측정을 위해 Bisphenol-A, 2.4-Dichlorophenol, Phenol은 각 100ppm 의 농도로 제조하여 활성탄 0.5g을 투입하여 각 시간에 따라 시료를 채취하여 페놀실험법중 습식방법에 의해 UV흡광도기(Verian Cary-100)를 이용하여 측정하였다.

결과 및 토론

실험에 사용된 활성탄에 대한 요오드가 실험을 한 결과를 Table. 1에 나타내었다.

Table 1. Iodine Number of the Activated Carbons Used for This Experiments.

탄종	Calgon F-400	삼천리야자계(95.09생산, 99.06 재생)
요오드가	960	600

페놀류 환경호르몬 물질인 Phenol, Bisphenol-A, 2.4-Dichlorophenol을 B시의 상수도사업소에서 사용되는 활성탄을 이용하여 흡착실험을 행하였으며 석탄계 활성탄을 이용한 흡착에 대한 특성을 Fig. 1에 나타내었다.

Fig. 1. Adsorption Characteristcs of Phenol, Bisphenol-A, 2.4-Dichlorophenol on	Calgon F-400 Activated Carbon for 24hrs.

(C0 ; Initial Conc., CR ; residual Conc.)

야자계재생탄을 이용한 흡착에 대한 특성을 Fig. 2에 나타내었다.

Fig. 2. Adsorption Characteristcs of Phenol, Bisphenol-A, 2.4-Dichlorophenol on	Reactivated Coconut Shell Activated Carbon for 24hrs.

석탄계활성탄에 의한 흡착은 분자량이 큰 2.4-Dichlorophenol와 Bisphenol-A에 대해 초기에 100ppm을 투입하여도 잔류농도가 0.2ppm이하로 나타나 거의 100% 제거율을 나타내었고, Phenol은 초기투입농도가 높을때에는 0.5ppm 이상이 잔류되었으나 25ppm을 투입하였을때부터는 거의 100% 제거되었음을 Fig. 1에서 알수 있었다. 그러므로 1ppb이하의 극미량의 환경호르몬물질이 원수에 유입된다고 하더라도 석탄계활성탄의 순수흡착능력만으로 100% 제거가 가능한 것으로 사료된다.

야자계재생탄은 Phenol, 2.4-Dichlorophenol 및 Bisphenol-A가 100ppm, 75ppm, 50ppm으로 투입되는 경우에는 평균적으로 65%~99%정도의 제거율을 보여주었다. 즉 야자계재생탄의 경우에는 분자량이 228.29g/mol로 가장 큰 Bisphenol-A의 경우 약 65%정도의 가장 낮은 흡착제거율을 보였으며 분자량이 94.118g/mol로 가장 낮은 Phenol의 경우 85~95%정도의 흡착효율을 보였다. 하지만 분자량이 163.003g/mol로 실험물질중에 중간정도 분자량인 2.4-Dichlorophenol은 99%정도의 흡착효율로 Phenol보다 오히려 높은 흡착효율을 나타내었다. 이것으로 야자계재생탄은 흡착되는 물질의 분자량 혹은 분자의 크기에 따라 흡착의 성능이 좌우됨을 예측할 수 있었다. 그러나 20ppm이하의 페놀계 물질이 투입될 경우에는 Phenol, Bisphenol-A, 2.4-Dichlorophenol에서 모두 100% 제거될 수 있음을 보여주었다.

석탄계활성탄과 야자계재생탄으로 Phenol, Bisphenol-A, 2.4-Dichlorophenol을 10분에서 24시간동안의 시간대별 흡착결과를 Fig. 3과 Fig. 4에 나타내었다.

Fig. 3. The Variation of Adsorbed Amount of Phenol, Bisphenol-A and

2.4-Dichlorophenol on Calgon F-400 Activated Carbon with Time.

석탄계활성탄은 흡착시작후 30분내에서 빠른 흡착이 일어나고 3시간내에 흡착이 대부분 끝이나는 것을 볼수 있었으며 야자계재생탄의 경우와는 다르게 분자량에 대한 영향이 거의 나타나지 않고 모두 잘 흡착됨을 알수 있었다. 이것은 24시간동안 흡착한 Fig. 1의 내용과 같은 성향으로 나타나며 15~20분정도의 체류시간을 가지는 상수처리과정중 활성탄공정에 사용될 경우 100ppm의 고농도에서 50~70%정도의 제거효율을 나타내는 실험결과로 미루어 1ppb이하의 미량으로 환경호르몬이 유입될 경우에는 거의 다 제거 될 것으로 예측할 수 있었다.

Fig. 4. The Variation of Adsorbed Amount of 2.4-Dichlorophenol, Bisphenol-A and	Phenol on Reactivated Coconut Shell Activated Carbon with Time.

Fig. 4에 나타난 것을 보면, 야자계재생탄의 흡착은 24시간동안 일정한 비율로 일어나고 있음을 알수 있었다. 또한 Bisphenol-A의 경우 완만한 곡선의 제거율을 보였으며 석탄계활성탄에 비해 매우 느린 제거성향을 나타내었다. 이는 상수처리공정중에 활성탄공정의 체류시간이 15~20분임을 감안할 때, Fig. 4의 초기 30분내의 잔류농도가 80~100%정도이므로 공정중 순수한 흡착성능만으로는 환경호르몬 물질이 고농도로 유입될 경우에 제거능력이 부족할 수 있음을 예측할 수 있었다.

석탄계활성탄의 경우에서는 분자량에 의한 영향이 적으나 야자계재생탄은 분자량 혹은 분자의 크기에 영향을 받으며 이것은 활성탄의 세공구조에 기인된다고 사료되었다.

참고문헌

1. 송승구, 이송우, 권태훈, 박영태, 입상활성탄 국산화 타당성조사, 부산광역시 용역보고서(III) (2001)

2. 이송우, 나영수, 김도한, 최동훈, 류동춘, 송승구, 수증기 활성화법으로 제조된 활성탄의 탄화온도에 따른 세공구조 고찰, 한국환경과학회지, 9, 345(2000)

3. 환경부, 내분비계장애물질(환경호르몬)조사□연구결과□, (2000)

4. 이상봉, 생물 활성탄공정(BAC)을 이용한 낙동강 상수 원수의 고도처리, 박사학위논문, 부산대학교(1995)