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ISSN : 2093-2332(Print)
ISSN : 2287-5638(Online)
Journal of Korea Society of Waste Management Vol.30 No.1 pp.68-77
DOI : https://doi.org/10.9786/kswm.2013.30.1.68

물리화학적 분석을 이용한 폐활성탄의 재활용 품질특성 평가

김정대, 박준석*,†
한림성심대학교 보건환경과, *강원대학교 환경공학과

Evaluation of Recycling Characteristics of Wasted Activated Carbons by Physico-chemical Analysis

Joon-Seok Park*,†, Joung-Dae Kim
*Department of Environmental Engineering, Kangwon National University
Department of Health and Environment, Hallym Polytechnic University
Received 8 January 2013, Accepted 21 January 2013

Abstract

This research was performed to evaluate the recycling characteristics by physico-chemical analysis of wasted and regenerated activated carbons. Three types of waste carbons for gas treatment, drinking water purification, and wastewater treatment were sampled and analyzed. Heavy metals concentrations of As, Zn, Pb and Cd for all regenerated carbons satisfied the standard criteria of the granular activated carbon for drinking water purification. The sieve residues of the regenerated activated carbons for drinking water purification and wastewater treatment were in the range of 85.3 ~ 97.7% and 97.7 ~ 99.7%, respectively. Some samples of the regenerated activated carbons were not able to satisfy the standard criteria for methylene blue adsorption ( 150 mL/g) and iodine adsorption ( 950 mg/g). All activated carbons for gas treatment and drinking water purification satisfied the standard criteria for hardness and bulk density. One of three activated carbon samples for drinking water purification did not satisfied the standard criteria for phenol number and ABS (alkyl benzene sulfonate) number. The observed results concluded that there was no problem of heavy metals accumulation in the regenerated activated carbon, but partially against standard criteria such as sieve residue, moisture content, methylene blue adsorption, and iodine adsorption.

30-1(11).pdf523.0KB

I. 서 론

 흡착(adsorption)이란 경계면에서 어느 물질의 농도가 증가하는 현상으로 경계면 뿐 아니라 물질 속으로 투과 확산되어 농도가 전체적으로 증가하는 흡수(absorption)와는 구별된다. 흡착제란 폐수, 배기가스, 악취 등에서 오염원인물질을 흡착·제거하여 수질 및 대기를 정화하고 탈취하는 환경기능성 소재이다1) . 흡착제는 활성탄과 같은 유기질 흡착제와 실리카겔, 알루미나켈, 합성 제올라이트 등과 같은 불포화 결합형태의 무기질 흡착제가 있으며, 흡착제 시장의 대부분을 활성탄이 차지하고 있다. 활성탄은 견과껍질이나 목재, 코코야자열매 껍질, 토탄(peat), 과일씨, 석탄 등을 공기없이 열처리(탄화)하여 고온에서 증기로 활성화한 것이며, 활성화제로는 염화아연, 염화마그네슘, 염화칼슘, 그리고 인산 등의 약품을 사용하기도 하지만 주로 고온의 증기를 사용한다. 흡착제는 석유화학공장, 식품제조공장, 사료공장, 제지공장, 인쇄공장, 그리고 유기용제 및 악취발생 시설 등에서 사용되고 있으며, 환경규제가 강화됨에 따라 흡착제의 사용량 및 시장규모는 점점 더 커지고 있다. 이에 따라 폐흡착제 발생량 역시 점진적으로 증가하고 있다.

 폐흡착제는 흡착대상인 흡착질과의 결합에 의하여 흡착 유효면적이 감소하면서 흡착기능이 현저히 저하될 때 폐기물로 배출되는 것으로, 고기능성 흡착제의 대부분을 수입에 의존하고 있는 국내 여건에서 폐흡착제 재활용이 절실하다. 폐흡착제를 재활용할 경우 폐기물 처리문제를 해결할 뿐만 아니라 흡착제 가격 인하 등의 부가적 이익도 거둘 수 있기 때문에, 국내 환경산업의 발전에 도움이 된다. 그러나 국내 재활용 업체의 경우 대부분 재활용 기술과 가격 경쟁력이 낮아 수입산 흡착제와의 경쟁력이 부족한 실정이어서 폐흡착제 재활용이 매우 저조하며, 상당량이 매립 처분되고 있는 실정이다. 이렇게 매립된 폐흡착제는 흡착오염물질이 재유출될 경우 토양 및 수질 등 환경오염의 가능성이 있다.

 재활용 업체로 반입되는 폐흡착제의 종류로는 폐활성탄이 주를 이루고 있으며, 기타로서 폐필터, 폐백토, 폐여과사 등도 일부 차지하고 있다. 따라서 폐흡착제 재활용의 주 목적은 활성탄 재생이며, 다음으로는 활성탄을 시멘트 부원료로 사용하거나 폐필터 등에서 유가금속을 회수하는 것이다. 폐활성탄은 입자크기에 따라 폐입상활성탄과 폐분말활성탄으로 구분되며, 이 중 폐분말활성탄은 재생이 불가능하기 때문에 활성탄으로 재생하는 방법에는 쓰이지 않는다. 따라서 폐입상활성탄만 재생처리 대상이 된다.

 활성탄 재생이란 흡착능력이 파과점에 도달하여 더이상 흡착기능을 하지 못하는 활성탄의 성질을 회복시키는 조작을 의미하며2) , 관련된 용어로 regeneration, reactivation, revivification 등을 사용하고 있다3) . 재생방법은 대상 활성탄이 흡착시에 어떠한 사용법을 쓰고 현재 어떤 물질이 어느 정도 흡착되어 있는가에 따라 크게 달라진다. 재생시 활성탄 본래의 흡착능력을 손상시키지 않기 위해서는 재생 방법, 조건 선정 등에 있어서 활성탄의 성질(원료나 활성화 방법에 기인하는 제성질, 입도 등)도 중요한 인자가 된다2) . 흡착물질 이외에 성질이 다른 물질이 동시에 존재하는 경우에는 반복적 재생사용에 따라 활성탄 중에 잔류축적 될 수 있다. 활성탄 재생방법은 탈착재생, 산화분해재생, 열재생4) , 그리고 미생물재생 등으로 대별할 수 있으며, 탈착재생은 감압재생, 가열재생, 화학재생 등으로 구분할 수 있다2) . 최근에는 초임계유체5) , 마이크로파6-7)  재생방법도 시도되고 있으며, 활성탄 재생방법 중 현장에서는 열재생이 가장 널리 이용되고 있다. 정 등(2005)3) 은 열재생시 재생손실은 약 5% 정도라고 보고하였다. 본 연구에서는 폐흡착제 중 가장 많은 부분을 차지하고 있는 폐활성탄과 이를 재활용한 재생활성탄의 물리화학적 특성을 분석하고 검토한 후 시중에서 유통되고 있는 재생활성탄의 재활용 품질특성을 평가하고자 하였다. 또한, 새로운 활성탄 원료물질로 생산된 신탄과도 비교분석하였다.

II. 재료 및 방법

1. 실험재료

 환경부 자료에 의하면 2008년 현재 폐흡착제 재활용업체는 총 27개소인 것으로 나타났다8) . 그러나 2010년 현장조사에서는 실제 재활용 업체 수가 20개소로 이 중 15개소는 재활용 신고업체였으며, 나머지는 허가업체였다.

 본 연구를 위하여 폐활성탄 재활용업체를 방문하여 시료를 채취하였으며, 시료채취 개수 및 시료명을 Table 1에 나타내었다. 폐활성탄 시료는 용도에 따라 기상용, 정수용 그리고 폐수용으로 구분하여 채취하였다. 폐활성탄의 재생방법은 로타리킬른이나 다단로를 이용한 열재생 방법을 이용하였다. 재생활성탄은 현장조사 시 포장되어 출고된 상품이 아닌 제품 생산 후 야적된 상태의 톤백에서 직접 채취하였으며, 생산일자 등 차이가 있는 것을 골라 3가지 채취하였다. 새로운 활성탄(이하 신탄)을 생산하기 위한 원료는 크게 야자계와 석탄계로 분류되며, 일반적으로 야자계 활성탄 품질이 더 좋은 것으로 알려져 있다. 신탄원료 및 신탄의 특성도 검토하기 위하여 야자계와 석탄계 각각 1개씩의 시료를 채취하였다. 폐활성탄 및 신탄원료에는 시료명에 숫자 0을 부여하였으며, 3가지 재생활성탄에는 숫자 ‘1 ~ 3’을 부여하였고 신탄에는 숫자 1을 부여하였다. 용도 및 원료에 따른 시료명과 번호는 Table 1에서 보는 바와 같다.

Table 1. Sample identification in this study

2. 분석 항목 및 방법

 활성탄 품질규격은 입상활성탄(KSM 1421)과 분말활성탄(KSM 1413)에 대한 KS 규격이 존재하였으나 폐지된 상태이며, 현재는 환경부「먹는물 관리법」규정에 따라「수처리제의 기준과 규격 및 표시기준」고시(환경부 고시 제2009-186호)에서 수처리제 활성탄에 대한 규격을 정하고 있다. 본 연구에서는 공통분석 항목으로 환경부고시에서 규정하고 있는 방법에 따라 중금속(As, Zn, Pb, Cd)과 체잔류물, 건조감량, 메틸렌블루탈색력, 요오드흡착력을 분석하였으며, 추가적으로 Hg, Cr6+ , Cu, Fe, Mn도 분석하였다. 중금속 분석기기로는 Pb, Zn, Cd, Cr6+, Mn, Fe, Cu는 ICP/AES (ULTIMA2 HorobaJobin, Japan), As는 AAS (Avanta, GBC, Australia), 그리고 Hg는 Hg analyzer(Cetec, Germany)를 이용하였다. 중금속은 인체 및 환경 위해성과 관련이 있는 민감한 항목으로 3반복(triplicate) 분석을 실시하였으며, 분석값의 표준편차는 크지 않기 때문에 평균값만을 제시하였다. 폐활성탄 시료는 용도별로 각 1개씩을 채취하였으며, 재생활성탄 시료는 기상용, 정수용, 폐수용에 대하여 각 3개씩 채취하였다.

 현재 활성탄에 대한 기준은 정수용 수처리제 활성탄에만 적용되고 있으며, 기상용과 폐수용으로 사용되는 활성탄에 대한 기준치가 없다. 본 연구에서는 시중에서 사용되고 있는 기상용과 폐수용 재생활성탄의 품질수준 현황을 파악하기 위하여 KSM 1802에 따라 KSM1421 중 일부 항목(1/10벤젠평형흡착력, 경도, 충전밀도)도 분석하였다. 또한, 정수용 재생활성탄과 야자계 및 석탄계 신탄에 대해서는 환경부 고시 제2009-186호에 방법에 따라 염화물, 페놀가, ABS(alkyl benzene sulfonate)를 분석하였다.

III. 결과 및 고찰

1. 위해성 관련 중금속 항목

 활성탄 재생시 열처리를 통한 재활성화 과정에서 유기오염물질은 충분히 제거가 가능하나, 중금속은 사용기간, 재생횟수, 오염물질 농도에 따라 지속적으로 축적될 수 있는 가능성이 있다. 본 연구에서는 위해성 항목으로 환경부 고시 정수용 활성탄 품질기준에 규정되어 있는 중금속 As, Zn, Pb, Cd와 연구자의 판단에 따라 별도로 설정한 Hg, Cr6+ , Cu, Fe, Mn을 선정하였다. Hg, Cr6+ , Cu는 환경부 고시에는 없지만 지정폐기물여부를 판단하기 위한 용출시험에서 주요하게 다루고 있는 항목이다.

 Table 2에는 환경부 고시 중금속 항목(As, Zn, Pb, Cd)을 분석한 결과를 나타내었다. 여기에 제시된 값들은 3반복 분석한 결과의 평균치이다. 먼저, As를 살펴보면 기상용(gas treatment), 정수용(drinking water purification), 폐수용(wastewater treatment) 폐활성탄은 0.06 ~ 0.08 mg/kg의 범위를 나타내었으며, 이들의 재생활성탄은 폐활성탄 보다 다소 높은 0.09 ~ 0.17 mg/kg을 나타내었다(Table 2). 야자계와 석탄계 활성탄 원료의 As는 모두 0.09 mg/kg이었으며, 야자계와 석탄계신탄에서는 각각 0.14 mg/kg과 0.10 mg/kg이었다. 재생활성탄의 As 농도가 폐활성탄 보다 다소 높기는 하였지만 활성탄 원료와 신탄에서도 유사한 농도의 As가 검출된 것을 볼 때 중금속 축적현상은 크지 않은 것으로 판단된다. 재생활성탄 3개 시료의 용도별 평균 As 함유량을 Fig. 1(a)에 나타내었다. 큰 차이는 없었으나 기상용이 0.13 mg/kg으로 가장 높았고, 다음으로는 폐수용(0.11 mg/kg)과 정수용(0.09 mg/kg)의 순이었다. 수처리제(정수용) 활성탄 환경부 고시 As 함유량 기준은 2mg/kg 이하이었으며, 모든 시료가 이 기준치를 크게 하회하였다.

 Zn 함유량은 폐활성탄이 불검출~ 0.23mg/kg이었으며, 재생활성탄은 불검출~ 0.39 mg/kg의 범위를 보였다(Table 2). 특이할 만한 사항은 기상용 및 정수용과 달리 폐수용은 폐활성탄보다 재생활성탄에서 평균 Zn 함유량이 더 낮게 나타났지만(Fig. 1(a)), 이러한 경향이 다른 중금속 항목에서는 나타나지 않아 정확한 이유를 찾기에는 어려움이 있었다. 야자계 활성탄원료 및 신탄은 Zn이 거의 검출되지 않았으며, 석탄계에 비하여 상대적으로 매우 낮았다. Zn 함유량은 모든 시료에서 0.5 mg/kg 미만을 나타내었는데 환경부 고시 Zn 함유량 기준이 50 mg/kg 이하인 것을 감안한다면 시료간의 농도가 다소 높거나 낮은 것은 큰 의미를 갖지 못하는 것으로 판단된다.

 Pb 함유량은 폐활성탄이 0.02 ~ 0.10 mg/kg, 재생활성탄은 0.03 ~ 0.25 mg/kg의 범위를 보였으며, 전반적인 다른 중금속 항목에서와 같이 재생활성탄에서 더 높게 나타났다(Table 2). 평균 Pb 함유량은 폐수용, 정수용, 기상용에서 각각 0.17 m/kg, 0.12 mg/kg, 그리고 0.05 mg/kg을 나타내었다(Fig. 1(b)). 야자계 및 석탄계신탄원료의 Pb 함유량은 각각 0.12와 0.16 mg/kg이었으며, 신탄에서는 각각 0.08과 0.12 mg/kg을 보였다. 모든 시료의 Pb 함유량도 0.3 mg/kg 미만으로 기준치인 10 mg/kg을 크게 하회하였다. Cd 함유량도 모든 시료에서 0.02 mg/kg 미만을 나타내었으며, 기준치(1mg/kg)를 크게 하회하였다. Cd은 전반적으로 미량으로 검출되어 활성탄 용도 및 신탄 여부에 따른 차이가 거의 없는 것으로 나타났다.

Table 2. As, Zn, Pb, and Cd concentrations of the samples used for this research(Unit : mg/kg)

 Hg은 모든 시료에서 검출되지 않았으며, Cr6+ 은 0.02 ~ 0.06 mg/kg을 보였다(Table 3). Cu는 가스용 재생활성탄(RA-3)과 야자계 원료(FD-0)에서 각각 0.03 mg/kg 과 0.15 mg/kg을 나타내었을 뿐 그 이외의 시료에서는 모두 검출되지 않았다. Hg, Cr6+, Cu는 환경부 고시 품질기준이 없기 때문에 간접 비교하기 위하여 폐기물용 출시험기준을 제시하였다. 예를 들어 Cu의 경우 가장 높은 농도를 나타내었던 0.15 mg/kg에 대하여 가정하여 계산하여 보았다. 폐기물용출시험에서는 시료와 용출용매의 비가 1 : 10이고, 최악의 경우 함유량이 100% 용출된다고 가정하여도 0.15 mg/kg × kg/10 L = 0.015 mg/L의 용출농도로 계산이 된다. 이 결과 값은 Cu 용출시험기준인 3.0 mg/L을 크게 하회하는 수치이다. 이처럼 최악의 경우를 가정하여 계산하여도 Hg, Cr6+, Cu 항목 용출시험기준을 만족시키고 있다. 그러나 용출시험기준은 지정폐기물 여부를 판정하는 것으로써 인체 위해성과는 별개로 평가되어야 한다. 실제로 이처럼 중금속이 모두 용출된다면 정수용 수처리제의 경우 인체 위해성을 유발할 수도 있지만 활성탄의 특성상수환경의 큰 변화가 없는 한 재용출이 일어나지 않으므로 큰 문제가 없을 것으로 판단된다.

Fig. 1. Heavy metals concentrations of waste and regenerated activated carbons ((a) As and Zn; (b) Pb and Cd)).

Table 3. Hg, Cr6+, Cu, Fe, and Mn concentrations of the samples used for this research(Unit : mg/kg)

 일본수도협회의 입상활성탄 규격에는 Fe( 0.03 mg/L)와 Mn( 0.005 mg/L)이 규정되어 있어 본 연구에서도 이를 분석하였지만 단위가 달라 직접비교는 어려웠다. 본 연구에서 분석한 재생활성탄의 가스용, 정수용 그리고 폐수용의 Fe 함유량은 대부분 불검출이었으며, 일부 시료에서만 0.06 ~ 0.74 mg/kg의 농도를 나타내었다. Mn 함유량은 가스용이 불검출~ 0.08 mg/kg, 정수용이 0.01 ~ 1.59 mg/kg, 그리고 폐수용이 불검출~0.13 mg/kg을 나타내었다.

 폐활성탄, 재생활성탄, 신탄원료 및 신탄의 중금속을 분석한 결과 전반적으로 환경부 고시 및 지정폐기물용출시험 기준치를 크게 하회하였으며, 폐활성탄 재생에 따른 중금속 농도의 증가가 다소 있지만 의미 있는 차이를 나타내지는 못하였다.

2. 주요 품질관련 항목

 활성탄 품질기준 공통 분석항목으로 체잔류물, 건조감량(수분함량), 메틸렌블루탈색력, 요오드흡착력을 분석하여 Table 4에 나타내었다. 체잔류물은 일정 크기의 체눈금을 가진 체로 체거름을 하였을 때 체에 남아있는 잔재물의 양을 의미하는 것으로 환경부 고시 수처리제(입상활성탄)에는 KS 8호체(2,380 μm)를 통과하고 KS 35호체(500 μm)에 남아있는 양이 95% 이상으로 규정되어 있다. 기상용 폐활성탄과 재생활성탄은 각각 7.1%와 1.9 ~ 11.5%의 체잔류물을 나타내었다. 이는 기상용의 경우 500 μm 보다 작은 입경의 활성탄을 주로 사용하기 때문인 것으로 판단되며, 입경크기의 경우 기상용을 수처리제 기준치와 비교하는 것은 무리가 있다고 생각된다. 이와 반대로 정수용 폐활성탄과 재생활성탄은 각각 95.0%와 85.3 ~ 97.7%이었으며, 폐수용은 각각 93.6%와 97.7 ~ 99.7%를 나타내었다. 정수용 재생활성탄 1개(RB-2)는 수처리제 임상활성탄 기준(95% 이상)에 미치지 못하였으나 그 외의 정수용 및 폐수용 시료는 모두 이 기준치를 만족시켰다. 야자계신탄(ND-1)은 99.9%의 체잔류물을 보이고 있으나 석탄계 신탄(NE-1)은 76.9%로 기준치를 크게 하회하였다.

Table 4. Sieve residue, moisture content, methylene blue adsorption and iodine adsorption of the samples used for this research

 건조감량은 활성탄을 일정 조건하에서 건조시켰을 때 감량된 양, 즉 수분함량을 의미한다. 활성탄 야적이나 사용시 강우나 대기 중의 높은 습도 또는 제거 대상가스 중의 수분에 의하여 건조감량(수분함량)이 증가할 수 있으며, 높은 수분함량은 활성탄의 실중량을 낮추고 흡착을 저해하는 큰 요인으로 알려져 있다. 가스용 폐활성탄의 건조감량은 8.3%로 정수용 및 폐수용 폐활성탄의 22.8%와 33.3%에 비해 상대적으로 낮은 값을 보였다(Table 4). 체잔류물 기준치를 만족시키지 못했던 정수용 재생활성탄(RB-2)은 건조감량 15.8%로 수처리제 활성탄의 건조감량 품질기준(5%이하)을 만족시키지 못하였다. 그 외 모든 재생활성탄 및 신탄은 건조함량 기준치를 만족시키고 있었다.

 활성탄에 메틸렌블루 용액을 가하여 흡착시킨 후 거르고, 거른액의 흡광도를 측정하여 잔류농도에서 메틸렌블루 흡착량을 구하여 흡착등온선을 작성하고 메틸렌블루 잔류농도 0.24 mg/L일 때의 흡착량을 메틸렌블루탈색력이라고 한다. 입상활성탄 수처리제에 대한 메틸렌블루탈색력 기준치는 150 mL/g 이상으로 규정되어 있다. 폐활성탄의 경우 메틸렌블루탈색력이 80 ~ 100 mL/g이었고 활성탄 재생 후 대체적으로 증가하는 경향을 나타내었으나 RA-1(기상용)은 오히려 폐활성탄 보다 낮은 수치를 나타내었다(Table 4). 평균치와 표준편차를 고려하면 기상용 재생활성탄은 105.0 ± 49.5 mL/g으로 가장 낮았고, 수처리용이 170.0 ± 40.0 mL/g으로 정수용의 156.7 ± 41.6 mL/g보다 높았다. 신탄은 야자계가 220 mL/g으로 석탄계(150 mL/g)보다 높은 수치를 나타내었다. RA-3과 신탄원료(FD-0, FE-0)는 바탕시험에 소비되는 메틸렌블루값과 차이가 없어 시험이 불가한 경우이다. 메틸렌블루탈색력이 210mL/g이었던 신탄을 하수처리에 사용 후 다단로 열재생하자 100 mL/g 미만이었던 탈색력이 190 mL/g까지 회복되었다3) .

 요오드흡착력은 활성탄에 요오드 용액을 가한 후 흡착성능을 측정한 것으로 요오드흡착력이 높을수록 피흡착물질을 흡착할 수 있는 능력이 크다. 가스용, 정수용, 폐수용 폐활성탄의 요오드흡착력은 603 ~ 735 mg/g으로 저하되어 있었으나 재생 후 증가하는 경향을 보이고 있다(Table 4). 가스용 재생활성탄은 494 ~ 1,033mg/g(평균 785.7 mg/g)의 범위를 나타내었으며, 정수용과 폐수용은 각각 779 ~ 1,044 mg/g(평균 945.3 mg/g)과 920 ~ 1,091 mg/g(평균 1,012.0 mg/g)을 보였다. 재생활성탄 수처리제(정수용, 폐수용)의 평균 메틸렌블루탈색력과 요오드흡착력은 기준치인 150 mL/g 이상과 950 mg/g 이상을 만족시키고 있으나, 개별 시료 중에는 이를 만족시키지 못하는 것(RB-2, RC-3)이 있어 재생활성탄 품질 향상을 위한 업계의 노력이 더욱 절실하다고 판단된다. 기상용은 정수용 및 폐수용 활성탄에 비하여 탈색력과 흡착력이 상대적으로 많이 부족하였는데 기상용 활성탄을 사용하는 업체에서는 오염물질을 제거하기 위하여 활성탄 이외에 기타 시설을 병용하고 있으며, 최종배출구에서 대기배출허용기준의 규제를 받고 있으므로 이에 대해 크게 신경 쓰지 않고 있다. 일반적으로 수중의 유기물에 대한 활성탄 흡착력은 유기물의 종류 및 농도 외에 온도, pH, 공존물질, 그 외의 조건에 따라 크게 변화한다9) . Calgon사의 F400(요오드가 1,090 mg/g)을 하수 3차 처리에 사용한 뒤 그대로 재생한 경우와 중량당 0.076 kg/kg(활성탄)의 비율로 묽은 염산을 이용하여 세정 후 재생한 경우 요오드가는 각각 1,040 mg/g과 940 mg/g을 나타내었다9) . 또한, 하수처리에 사용된 폐입상활성탄의 다단로 열재생에서는 요오드흡착력이 720 mg/g에서 990 mg/g으로 증가하였다3) . 유동층로를 이용한 열재생에서는 427mg/g에서 727mg/g으로 증가하였다3). 미국 씬시내티 정수장의 신탄과 재생탄의 요오드흡착력은 각각 1,080mg/g과 883 mg/g이었으며, 국내 H 정수장은 각각 1,200 mg/g과 1,010 mg/g을 나타내었다10) . Hong and Choi(2007)10) 는 요오드흡착력이 1,000 mg/g인 신탄을 1회 재생하였을 때 900 mg/g, 2회 재생하였을 때 810mg/g으로 재생횟수가 증감함에 따라 흡착력이 감소함을 확인하였다.

 탈색력과 흡착력은 비표면적에 따라 좌우되므로 서로의 항목이 비례적으로 증가하거나 감소한다. Table 4에 나타낸 결과를 바탕으로 메틸렌블루탈색력과 요오드흡착력과의 상관관계를 Fig. 2에 나타내었다. 메틸렌블루탈색력과 요오드흡착력과의 관계는 요오드흡착력(mg/g) = 3.12 ×메틸렌블루탈색력(mL/g) + 473.96으로 표현가능하였으며, 비교적 높은 상관도(r2 = 0.78)를 나타내었다(Fig. 2(a)). 메틸렌블루탈색력이 낮을수록 데이터가 분산되어 나타나므로 150 mL/g을 기준으로 2단계로 나누어 상관도를 구하여 보았다(Fig. 2(b)). 메틸렌블루탈색력이 140 mL/g까지는 낮은 상관도(r2 = 0.45)를 보인 반면 150 mL/g 이상에서는 상대적으로 높은 상관도(r2= 0.81)를 나타내고 있다. 이러한 현상은 메틸렌블루탈색력 환경부 고시 기준인 150 mL/g의 기준설정과도 밀접한 관계가 있을 것으로 추정된다.

Fig. 2. Relationship between methylene blue adsorption and iodine adsorption.

3. 기타 품질관련 항목

 가스용과 폐수용 폐활성탄 및 재생활성탄에 대한 벤젠평형흡착력, 경도 그리고 충전밀도를 분석하여 Table 5에 나타내었다. 벤젠평형흡착력은 기상용 폐활성탄이 20.7%이었으며, 재생활성탄은 7.5 ~ 27.2%의 범위를 보여 KS규격 기준인 32% 이상(기상용에만 적용)에는 미치지 못하였다. 정수용 폐활성탄 및 재생활성탄은 18.2%와 26.6 ~ 33.6%를 나타내었다. 경도는 활성탄의 물리적 강도를 나타내는 수치로써 경도가 높을수록 시료의 이동 또는 유동에 의해 서로 충돌함으로써 마모되어 분으로 되는 것을 최소화하고 사용 후 재생시 활성탄 손실방지에 유리하다. 폐활성탄의 경도는 기상용(97.6%)이 폐수용(76.5%)보다 높았으며, 재생활성탄의 경도는 가스용이 평균 97.1 ± 0.2%이었고 폐수용이 93.7 ± 1.1%로 나타나 KS규격 기준인 90% 이상을 모두 만족시켰다. 충전밀도는 가스용과 폐수용폐활성탄이 0.49 g/mL와 0.42 g/mL이었고, 재생활성탄은 가스용이 평균 0.50 ± 0.02 g/mL로 폐수용의 0.43 ±0.02 g/mL 보다 높았다. 충전밀도 KS규격은 0.56 g/mL이하이다.

Table 5. Benzene equilibrium adsorption, hardness, and bulk density of the samples used for this research

 정수용 폐활성탄 및 재생활성탄과 활성탄 원료 및 신탄에 대해서는 염화물, 페놀價, 그리고 ABS(alkyl benzene sulfonate)價를 분석하였다(Table 6). 염화물의 환경부 고시 기준은 0.5% 이하로 되어 있다. 폐활성탄을 포함한 모든 시료에서 염화물의 결과는 0.014 ~ 0.156%로 환경부 고시 기준을 만족시켰다. 페놀가와 ABS가는 수중에 페놀 및 ABS 성분이 존재할 때 제거할 수 있는 활성탄의 능력을 나타내는 것으로 수치가 낮을수록 우수함을 나타낸다. 환경부 고시에 의한 수 처리제 활성탄 기준은 각각 25 이하와 50 이하이다. 정수용 폐활성탄(WB-0)의 페놀가와 ABS가는 84와 115이었다. 정수용 재생활성탄은 페놀가와 ABS가가 각각 16 ~ 61(평균 31.3, 표준편차 25.7)과 28 ~ 62(평균 44.7, 표준편차 17.0)를 나타내었다. 3개의 정수용 재생활성탄 시료 중 1개는 페놀가와 ABS가가 각각 61과 62로 환경부 고시 기준치인 25 이하(페놀가)와 50 이하(ABS)를 크게 초과하였다. 정 등(2005)3) 은 페놀가가 31인 신탄을 하수처리에 사용하였을 때 600 이상이 되었고 다단로 열재생 후 25로 회복된 것을 확인하였다. 또한, 재생전의 ABS는 800이상에서 재생 후 30으로 감소하였다.

Table 6. Chloride content, and phenol and ABS (alkyl benzene sulfonate) numbers of the samples used for this research

4. 재생활성탄의 재활용 품질특성

 폐활성탄을 재활용한 재생활성탄의 품질특성을 평가하기 위하여 앞 절에서 논의된 자료들을 총합적으로 정리하여 Table 7에 나타내었다. 분석자료들은 주로 환경부 고시 수처리제 기준치와 비교하여 품질특성에 대하여 논하였다. 중금속 As, Zn, Pb, Cd는 기상용, 정수용, 폐수용 재생활성탄에서 모두 기준치를 크게 하회하고 있어 위해성이 없는 것으로 나타났다. 체잔류물은 정수용 및 폐수용의 일부 시료가 기준치를 만족시키지못하였다. 건조감량은 정수용에서 1개 시료가 기준치를 초과하였고, 가장 중요한 메틸렌블루탈색력과 요오드흡착력에서도 일부 시료가 기준치를 만족시키지 못하여 재생활성탄 품질 향상을 위한 재활용 업체의 노력이 더욱 필요한 것으로 판단되었다. 기상용과 폐수용 재생활성탄은 모든 시료가 경도와 충전밀도 기준치를 만족시켰다. 정수용 재생활성탄은 3개 시료 모두 염화물 기준치를 만족시켰으나, 3개의 시료 중 1개는 페놀가와 ABS가를 만족시키지 못하였다.

Table 7. Summary of physico-chemical analysis of regenerated activated carbon

IV. 결 론

 본 연구는 폐활성탄과 이를 재활용한 재생활성탄의 물리화학적 특성을 분석하고 검토한 후 시중에서 유통되고 있는 재생활성탄의 재활용 품질특성을 평가하고자 하였으며, 얻어진 결론은 다음과 같다.

 1. 기상용, 정수용 그리고 폐수용 폐활성탄 및 재생활성탄의 As, Zn, Pb, Cd 함유량은 환경부 고시수처리제 입상활성탄 품질기준을 크게 하회하여 모두 만족시켰다. 최악의 조건(100% 용출)을 가정하여 계산한 결과에서도 기상용, 정수용 그리고 폐수용 폐활성탄 및 재생활성탄의 Hg, Cr6+ , Cu농도는 지정폐기물 기준치를 크게 하회하였다.

 2. 정수용과 폐수용 재생활성탄의 체잔류물은 각각 85.3 ~ 97.7%와 97.7 ~ 99.7%의 범위였으며, 일부시료는 환경부 고시 품질기준(95% 이상)을 만족시키지 못하였다.

 3. 건조감량은 1개의 정수용 재생활성탄을 제외하고 그 외 모든 재생활성탄이 환경부 고시 품질기준(5% 이하)을 만족시켰다.

 4. 재생활성탄 중 일부 시료들은 메틸렌블루탈색력(기준치 150 mL/g 이상)과 요오드흡착력(기준치 950 mg/g 이상) 기준치를 만족시키지 못하였다.

 5. 기상용과 폐수용 재생활성탄은 모든 시료가 경도와 충전밀도 기준치를 만족시켰다. 정수용 재생활성탄은 모든 시료가 염화물 기준치를 만족시켰으나, 3개의 시료 중 1개는 페놀가와 ABS가를 만족시키지 못하였다.

 6. 기상용, 정수용, 폐수용 재생활성탄의 품질특성을 분석한 결과 중금속 축적은 전혀 문제가 없었으나 체잔류물, 건조함량, 메틸렌블루탈색력, 요오드흡착력 등에서 일부 시료가 품질기준치를 만족시키지 못하고 있어 품질 향상을 위한 재활용 업체의 노력이 더욱 필요한 것으로 판단되었다.

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