KR100221054B1

KR100221054B1 - Pcb 분해용 폴리우레탄 폼의 제조방법

Info

Publication number: KR100221054B1
Application number: KR1019960062860A
Authority: KR
Inventors: 조우현; 최윤소; 이재석; 정선용; 이진숙
Original assignee: 백정호; 주식회사동성화학
Priority date: 1996-12-07
Filing date: 1996-12-07
Publication date: 1999-09-15
Also published as: KR19980044736A

Abstract

본 발명은 PCB 분해용 폴리우레탄 폼의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 폴리우레탄 프레폴리머에 PCB(polychlorinated biphenyl) 분해능이 우수한 미생물 및 실리콘계 계면활성제를 투입하여 발포 및 중합시켜 폴리우레탄 폼 생성과 동시에 폼(foam)내부에 미생물을 고정시키므로써 산소운반이 용이하여 고농도의 PCB 처리가 가능하고 미생물 부착 후 탈리현상이 일어나지 않으며, 대량의 미생물을 짧은 시간에 고정화하는 PCB 분해용 폴리우레탄 폼의 제조방법에 관한 것이다.

Description

PCB 분해용 폴리우레탄 폼의 제조방법

PCB(polychlorinated biphenyl)는 벤젠고리 두개가 결합된 바이페닐(biphenyl)에 염소원자가 110개 치환되어 있는 생체에 유독한 화합물로서, 종래에는 PCB를 열매체, 절연유, 기체유 등에 대량으로 사용하였다. PCB는 사용후 하수처리장에 그대로 유입되어 환경파괴 및 생태계의 변화를 야기시키게 되는데 이러한 PCB를 환경적으로 별다른 대책없이 사용하여 오다가 점차 심각한 오염물질로 밝혀져 일본에서는 1976년부터 전세계적으로 그에 대한 생산과 사용이 중지되었다. 그러나 세계적으로 이미 100만톤의 PCB가 자연계로 방출되었고 폐기처분할 양도 200만톤에 이르고 있으며, 우리나라에도 현재 처리할 PCB가 다량 있는 것으로 알려져 있는 바, 이들의 효율적 분해방법이 절실히 요구되고 있다.

1992년 미국 캘리포니아 대학의 프랑크는 PCB를 효율적으로 분해하는 방법으로서 2차 유독성분을 부생시키는 물리·화학적인 분해방법보다는 미생물에 의한 분해방법이 안전하다는 연구 결과를 보고한 바 있다. 이로써 PCB를 미생물에 의해 효율적으로 분해하는 방법에 대한 연구가 활발히 진행되어 왔다. 그러나, 고농도의 PCB에 견딜 수 있는 우량 미생물의 결핍 그리고 분해효소의 생성능 저하로 인하여 이를 산업적으로 접근하기에는 많은 어려움이 있었다.

1987년 영국 런던 대학의 브룩스와 릴리의 연구보고에 의하면, 미생물을 연속공정의 반응기에 이용하기 위하여 다공질의 담체에 후첨착하는 방법으로 미생물을 현탁시키는 방법을 사용하였으나, 현탁에 의한 미생물 고정방법으로는 담체의 내부에 짧은 시간동안 대량의 미생물을 고정시킬 수 없는 문제가 있다. 그래서 담체 제조와 동시에 미생물을 고정시키는 방법에 의해 담체의 내부에 대량의 미생물을 일시에 고정시키는 연구가 보고된 바도 있으나1992년 포르투갈의 핀헤로와 카니발의 연구 발표 논문, 이는 고농도의 PCB를 효율적으로 분해할 수 있는 미생물의 생성능이 저하되는 문제가 있다. 또한, 고농도의 PCB를 동시에 처리하기 위해서는 담체의 경우 안정성, 재사용을 위한 화학적 불활성, 기계적 안정성 등의 성질이 요구될 뿐만 아니라 산소 운반도 용이하여야만 하는 바, 이러한 요구를 만족시킬 만한 담체로서 다공성의 폴리우레탄 폼이 대두되고 있다. 다공성 폴리우레탄의 경우 화학적기계적으로 안정하고 값이 저렴하여 폐수처리를 위한 담체로서 매우 유용하다.

다공성 폴리우레탄을 담체로 사용하여 폐수처리하는 방법이 몇몇 특허에 개시되어 있는 바, 예컨대 대한민국공개특허 제 95-29296 호에서는 담체의 밀도를 조절하고 담체에 대한 미생물의 부착능을 향상시키기 위하여 폴리우레탄 중합반응시 활성탄과 천연 제올라이트를 첨가하였고, 또한 후첨착 방법에 의해 미생물을 담체에 고정시켰다. 그러나 이 고정방법은 연속공정에서 고정화된 미생물의 안정성에 문제가 있었다.

본 발명에서는 종래의 미생물에 의한 폐수처리방법에 있어서 폴리우레탄 폼을 이용하고 현탁에 의해 고정화된 미생물이 탈리되는 문제점을 해결하기 위하여, 하수처리장으로부터 PCB 분해능력이 우수한 미생물을 광범위하게 분리하여 효소 생성능이 뛰어난 미생물을 선별하고, 폴리우레탄 폼의 생성과 동시에 폼의 내부에 이들 미생물을 고정시키기 위하여 화학반응에 따른 반응온도 조절 및 폼의 동공 크기를 균일하게 조절함으로써 산소 운반능, 화학적 불활성, 기계적 안정성 등이 우수하고 균일한 동공 크기를 갖고 있어 미생물이 안정하게 증식할 수 있는 특성을 가지는 PCB 분해용 폴리우레탄 폼의 제조방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

따라서, 종래에 매트릭스화된 폴리우레탄 폼에 미생물을 부착시켜 제조한 폴리우레탄 폼이 미생물 부착 후 탈리가 부분적으로 일어나는 문제가 있는 반면에, 본 발명에 따른 제조방법에 의해 제조된 PCB분해용 폴리우레탄 폼은 단시간에 다량의 미생물을 고정시킬 수 있고, 이 고정된 미생물이 우수한 PCB 분해활성을 유지하는 특성이 있다.

제1도는 본 발명의 제조방법에 의해 제조된 폴리우레탄 폼의 동공 크기 및 형태를 나타내는 전자현미경 사진이다.

제2도는 본 발명의 제조방법에 의해 폴리우레탄 폼에 고정되어 있는 미생물의 전자현미경 사진이다.

제3도는 본 발명의 제조방법에 의해 알칼리게네스속 균주(Alcaligenes sp. Strain KS3)가 고정화된 폴리우레탄 폼과 종래의 방법에 의해 미생물이 현탁된 폴리우레탄 폼의 PCB 분해 활성을 비교하기 위한 가스크로마토그램으로서,

(a)는 미생물이 접종되지 않은 표준시료의 가스크로마토그램이고,

(b)는 알칼리게네스속 균주(Alcaligenes sp. Strain KS3)가 현탁된 폴리우레탄 폼에 의한 PCB 분해정도를 나타낸 가스크로마토그램이고,

(c)는 알칼리게네스속 균주(Alcaligenes sp. Strain KS3)가 고정화된 폴리우레탄 폼에 의한 PCB 분해정도를 나타낸 가스크로마토그램이다.

제4도는 본 발명의 제조방법에 의해 슈도모나스속 균주(Pseudomonas sp. Strain SY5)가 고정화된 폴리우레탄 폼과 종래의 방법에 의해 미생물이 현탁된 폴리우레탄 폼의 PCB 분해 활성을 비교하기 위한 가스크로마토그램으로서,

(b)는 슈도모나스속 균주(Pseudomonas sp. Strain SY5)가 현탁된 폴리우레탄 폼에 의한 PCB 분해정도를 나타낸 가스크로마토그램이고,

(c)는 슈도모나스속 균주(Pseudomonas sp. Strain SY5)가 고정화된 폴리우레탄 폼에 의한 PCB 분해정도를 나타낸 가스크로마토그램이다.

본 발명은 폴리우레탄 폼의 제조방법에 있어서, 폴리우레탄 프레폴리머에 PCB 분해 미생물을 투입하고 발포하여 폼(foam)생성과 동시에 미생물을 고정화시키는 PCB 분해용 폴리우레탄 폼의 제조방법을 그 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 제조방법에 의해 제조된 폴리우레탄 폼을 PCB(polychlorinated biphenyl) 분해를 위한 하수종말 처리에 이용하는 방법을 포함한다.

이와같은 본 발명을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에서 사용되는 PCB 분해 미생물은 하수종말처리장에서 분리하여 선별한 활성 슬러지 미생물로서, 예컨대 알칼리게네스속(Alcaligenes sp.) 균주와 슈도모나스속(Pseudomonas sp.) 균주이다.

활성 슬러지중에 포함되어 있는 PCB 분해 미생물의 배양조건을 살펴보면, 하수종말 처리장으로 부터 채취한 시료를 30에서 7일간 배양하며, 이때 탄소원으로는 PCB, 또는 바이페닐과 같이 PCB를 기본 골격으로 하는 PCB유도체를 농도 1로 사용한다. 그리고 배양조건은 동일배지에 들어있는 시험관에 1접종한 후 다시 7일간 배양하고, 이것을 2회 반복한 다음 유기 고체배지에 도말하여 30에서 3일간 정치 배양한다. 그리고, 2,3-디히드록시 바이페닐을 포함하는 아세톤 희석용액을 생성된 콜로니에 분무하여 노란색으로 변하는 콜로니를 PCB분해균으로 간주하는 바, 이는 PCB 분해대사경로에 관여하는 효소인 2,3-디히드록시바이페닐 1,2-디옥시제나제 효소의 작용에 의한 것이다.

상기와 같은 배양조건에 의해 배양되어 선별된 PCB 분해 미생물을 폴리우레탄 폼에 고정시켜 PCB분해를 위한 연속공정에서의 충전물로 사용하는 데, 이때 미생물 담체로 사용되는 폴리우레탄 폼은 어느 정도 동공이 개방되어 있으면서 경질한 물성을 가지는 반경질의 폴리우레탄 폼을 사용함이 바람직하다.

먼저, 폴리우레탄 프레폴리머를 제조하기 위하여 과량의 디이소시아네이트 화합물과 폴리올 화합물을 질소 분위기 하에서 7080온도로 중합하며, 이소시아네이트 함량(NCO)이 510가 되도록 프레폴리머를 제조한다. 만약 제조된 우레탄 프레폴리머의 NCO가 5미만이면 폴리우레탄 폼이 연질하며 장시간의 반응시간이 요구되고, 10를 초과하면 폼 제조시 발열이 심하고 상당히 경질한 문제가 있다. 이때 디이소시아네이트 화합물로는 톨루엔 디이소시아네이트(TDI) 또는 메틸렌 디이소시아네이트(MDI) 등의 방향족 또는 지방족 디이소시아네이트를 사용하며, 폴리올 화합물로는 분자량이 1,0004,000 범위인 폴리프로필렌 글리콜을 사용함이 바람직하다. 또한, 폴리올의 염기도는 대략 7.0 이하를 유지하도록 하는 바, 만약 폴리올의 염기도가 7.0을 초과하면 반응에서 촉매작용을 하여 공정의 조절이 어려운 문제가 있으므로 폴리올의 염기도를 중화하고 저장안정성을 향상시키기 위하여 벤조일 클로라이드를 안정제로서 투입하는 것이 바람직하며, 이는 총반응물 100 중량부에 대하여 0.010.1 중량부를 투입하는 것이 바람직하다.

상기 중합공정에 의해 제조된 폴리우레탄 프레폴리머에 PCB 분해 미생물 배양액을 투입하여 발포시켜 본 발명에 따른 PCB 분해용 폴리우레탄 폼을 제조한다. 이때 사용되는 PCB 분해 미생물 배양액은 유기 배지 시험관에 접종하고, 3037에서 하룻동안 배양시키고 4,000 rpm에서 15분동안 원심분리한 후 pH 7의 인산 완충용액으로 현탁시켜 얻은 것으로서 폴리우레탄 프레폴리머 100 중량부에 대하여 14 중량부, 바람직하기로는 3 중량부를 투입한다. 미생물 배양액의 투입량이 1 중량부 미만이면 배양액의 농도가 낮아 폼(foam)내에서 고른 분산 효율이 떨어지는 문제가 있고, 4 중량부를 초과하면 배양액의 농도가 높아 과다한 투입으로 적절한 분산효과를 기대하기 어렵다.

또한 폴리우레탄 폼에 실리콘계 계면활성제를 투입하여 성분들간의 혼화성을 증가시키고 생성되는 기포들의 유동성을 증가시키며 폴리우레탄 폼의 동공 크기를 조절하여 미생물의 효율성을 증가시킨다. 일반적으로 계면활성제의 양이 증가되면 작고 균일한 동공을 얻을 수 있는데 동공의 크기가 200400인 것이 바람직하다. 본 발명에서는 실리콘계 계면활성제를 총반응물 100 중량부에 대하여 12.5 중량부 투입하는 것이 바람직하다. 또한, 미생물이 담지된 폴리우레탄 폼 발포시 미생물이 생존하기에 적합한 온도 즉, 3037온도범위를 유지하면서 발포하도록 한다.

상기와 같은 제조방법에 의해 제조된 PCB 분해용 폴리우레탄 폼은 미생물의 고정 안정성 및 재사용이 가능하여 담체의 효율성을 증가시키는 잇점이 있다. 또한 이러한 담체에 고정된 미생물은 쉽게 탈리되지 않고 산소운반이 종래의 현탁에 의한 방법과 비교하여 산소운반이 보다 용이하며 우수한 PCB 분해 활성을 보이므로 일반 및 산업 폐수 처리용 환경분야에 매우 유용하다.

이와같은 본 발명을 다음의 실시예에 의거하여 더욱 상세히 설명하겠는 바, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.

실시예 1

PCB 분해 미생물의 분리

하수종말 처리장으로부터 시료를 채취하여 무기배지 10가 들어있는 시험관에 100정도 넣은 후 30에서 1주일 동안 액체상태로 진탕 배양하였다. 이때 탄소원으로는 PCB 또는 바이페닐을 사용하였다. 1주일 후 균이 자란 시험관을 선별해서 동일배지가 들어있는 시험관에 1접종한 후 다시 1주일간 배양하였다. 이것을 두번 반복한 후 유기 고체배지에 도말하여 3037에서 3일간 고체상태로 정치 배양한 다음, 생성된 콜로니 위에 2,3-디히드록시바이페닐(2,3-dihydroxybiphenyl)을 포함하는 아세톤 용액을 분무하여 PCB 분해 미생물을 선정하였다.

실시예 2

알칼리게네스속 균주와 슈도모나스속 균주의 분리

바이페닐(biphenyl)과 PCB를 단일원으로 하여 분리균을 분리 검색한 결과 13종의 분해균이 분리되었다. 이들 균주를 동정(Bergey's Manual of Systematic Bacteriology 9ed.)하여 알칼리게네스속(Alcaligenes sp.)과 슈도모나스속(Pseudomonas sp.) 균주로 구분하였다. 그리고 PCB 이외의 여러 가지 방향족화합물을 탄소원으로 했을 때 그 자화능력에 있어서 차이점을 보였기 때문에, 이 차이점을 기준으로 하여 이들을 다시 알칼리게네스속(Alcaligenes sp.) 균주 6종과 슈도모나스속(Pseudomonas sp.) 균주 7종으로 분류하였다.

이들 분해균들은 각종 기질 0.1의 농도에서 3일동안 배양하여 기질 특이성에 관하여 검토하였다. 다음 표 1은 방향족화합물을 기질(탄소원)로 사용했을 때의 알칼리게네스속(Alcaligenes sp.) 균주와 슈도모나스속(Pseudomonas sp.) 균주의 기질특이성을 나타낸 것이다.

상기 표 1의 결과에 의하면 분리되어진 미생물들은 각종 기질특이성이 서로 상이하였다. 이것은 토양 및 수생 미생물이 혼합되어 있는 하수처리장의 미생물 생태계의 측면에서 고찰하여 보면, 천연 및 인공 유래의 난분해성 유해물질이 고농도화 되어 있는 곳이 하수처리장이고, 이들 난분해성 물질의 분해에 관여하는 미생물들도 일반 수중과 토양의 미생물에 비교하여 볼 때, 각 기질에 대한 특이성이 다양하고, 또한 하수처리장에서는 우점종으로 나타나고 있다는 사실을 알 수 있다.

실시예 3

폴리우레탄 프레폴리머 제조

다음 표 3에 의해 액상의 메틸렌 디이소시아네이트(L-MDI)를 50에서 30분간 가열한 후, 폴리프로필렌 글리콜(polypropylene glycol)을 소량씩 첨가하면서 질소분위기하에서 7080온도로 4시간 동안 중합반응시켰다. 반응중간에 시료를 채취하여 NCO(w/w)를 측정하고, 프레폴리머 제조에 적합한지에 대하여 실험적으로 조사하였으며, 안정제로서 벤조일 클로라이드(benzoyl chloride)를 50 ppm 첨가하였다.

이론적으로 NCO을 고정하고 폴리우레탄 프레폴리머를 합성한 경우 분자량이 클수록 경질한 물성을 나타내며, 또한 NCO가 증가할수록 우레탄 결합이 많아져 경질한 물성을 보인다. 이소시아네이트 함유율(NCO)이 10인 폴리우레탄 프레폴리머(폴리에테르 폴리올 3000)를 이용하여 폴리우레탄 폼을 제조할 경우, 반응온도는 3439범위내에서 반응물의 조성에 따라 변화하였다. 이때 반응온도는 첨가되는 안정제의 투입량과는 별차이 없으나, 첨가되는 발포제인 물의 양이 많아지면 증가하였다. 첨부한 제1도는 본 발명의 제조방법에 의해 제조된 폴리우레탄 폼의 동공 크기 및 형태를 나타낸 것으로서, 폴리우레탄 폼의 동공 크기는 200400정도였다.

실시예 4

미생물 고정화

유기배지 10가 들어있는 시험관에 PCB 분해 미생물을 접종하고, 37에서 하루동안 배양한 다음, 4000 rpm에서 15분간 원심분리시킨 후 pH 7의 인산 완충용액을 넣고 현탁시켰다. PCB 분해 미생물 배양액의 농도는 UV/VIS 분광계를 이용하여 600에서 측정하였다. 상기 실시예 2에서 제조한 10NCO-프레폴리머에 pH 7의 인산완충용액으로 현탁시킨 배양액(OD3.75)을 3(w/w) 정도 넣고, 실리콘계 계면활성제(L-5305, Union Carbide사 제품)를 1(w/w)를 투여하였다. 혼합액을 2000 rpm에서 1분간 교반시킨 후 1시간정도 방치하면 발포되어 폴리우레탄 폼이 생성되었다.

제조된 폴리우레탄 폼을 510의 크기로 잘라 10유기배지에 넣어 3037에서 24시간 동안 진탕 배양하였다. 배양 후 20mM 2,3-디하이드록시바이페닐을 포함하는 아세톤용액을 10 ㎕를 넣어 노란색을 띠는지 확인하였다.

또한, 미생물이 폴리우레탄 폼에 고정되어 있는지를 전자현미경을 이용해 관찰하였으며, 이는 첨부한 제2도에 나타내었다. 미생물이 고정된 폴리우레탄 폼을 pH 7.0의 인산완충용액으로 표면을 씻어내었다. 3.7파라포름알데히드 수용액에 1N 수산화나트륨 5를 넣고 60정도까지 가열하여 완전히 녹인 다음, 이 용액에 상기에서 세척한 미생물이 고정된 폴리우레탄 폼을 4에서 12시간 정도 담가두었다. 그리고, 에탄올의 농도를 높여가면서 4에서 폴리우레탄 폼에 고정된 미생물을 점차로 탈수시켰다. 시료는 대기상태에서 충분히 건조한 후 골드코팅하여 전자현미경으로 관찰하였다. 제2도에 의하면, 종래의 부착에 의한 방법에 비교하여 짧은 시간에 보다 많은 미생물의 증식이 진행됨을 알 수 있다.

실시예 5

분해 활성율 측정

본 발명의 미생물이 고정화된 폴리우레탄 폼과 종래의 방법에 의해 미생물이 현탁된 폴리우레탄 폼에 의한 PCB 분해 활성을 비교 측정하기 위하여 동일한 조건에서 PCB 분해 미생물 배양액(OD=3.75)을 3(w/w) 농도로 제조 및 현탁된 101010크기의 폴리우레탄 폼을 무기배지(50)내에 넣고, PCB 시료(Aroclor 1242)를 10 ppm씩 각각 주입하여 2일 동안 배양한 후에 PCB 분해 활성을 측정하였다.

PCB(Aroclor 1242)에 대한 PCB 분해 미생물중 알칼리게네스속 균주 KS3(Alcaligenes sp. strain KS3)와 슈도모나스속 균주 SY5(Pseudomonas sp. strain SY5)의 분해 활성율을 기체크로마토(GC/ECD)로 분석한 결과는 첨부한 제3도과 제4도에 나타내었다. PCB(Aroclor 1242) 10 ppm을 주사하였을 때(a)와 폴리우레탄 폼에 고정된 미생물(c)은 현탁상태의 미생물(b)에 비교해보면 미생물 배양효과를 증대시키고 결과적으로 산소운반이 더욱 용이하여 종래의 방법보다 우수한 PCB 분해활성을 나타내는 것으로 확인되었다.

PCB(Aroclor 1242)에 함유되어 있는 여러가지 화합물에 대한 정량분석 결과는 다음 표 4, 4a 및 4b에 나타내었다.

본 발명의 제조방법에 의해 제조된 PCB 분해용 폴리우레탄 폼은 담체로 사용된 폴리우레탄이 종래의 제조방법에 비교하여 보다 산소운반이 용이하여 PCB 분해 활성이 우수하고, 미생물의 고정 안정성 및 재사용이 가능하여 담체의 효율성을 증가시키는 장점이 있으며, 또한 이러한 담체에 고정된 미생물은 쉽게 탈리되지 않는 특성을 가지고 있어 일반 및 산업폐수처리용 환경분야에 매우 유용하다.

Claims

폴리우레탄 폼의 제조방법에 있어서, 폴리우레탄 프레폴리머 100 중량부에 알칼리게네스속(Alcaligenes sp.) 및 슈도모나스속(Pseudomonas sp.) 균주 중에서 선택된 PCB(polychlorinated biphenyl) 분해능을 가지는 미생물 배양액 14 중량부와 실리콘계 계면활성제 12.5 중량부를 투입하고 3037온도범위에서 교반하여 발포시키는 것을 특징으로 하는 PCB 분해용 폴리우레탄 폼의 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 미생물이 알칼리게네스속 균주 KS3(Alcaligenes sp. strain KS3), 슈도모나스속 균주 SY5(Pseudomonas sp. strain SY5) 또는 이들의 혼합균주인 것을 특징으로 하는 PCB 분해용 폴리우레탄 폼의 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 폴리우레탄 프레폴리머는 이소시아네이트 함량(NCO)이 510인 것을 특징으로 하는 PCB 분해용 폴리우레탄 폼의 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 발포시 폴리우레탄 폼의 동공 크기가 200400범위를 갖도록 시행하는 것을 특징으로 하는 PCB 분해용 폴리우레탄 폼의 제조방법.
알칼리게네스속(Alcaligenes sp.) 및 슈도모나스속(Pseudomonas sp.) 균주 중에서 선택된 PCB 분해능을 가지는 균주가 고정화되어 있는 것임을 특징으로 하는 폴리우레탄 폼.
제5항의 폴리우레탄 폼을 사용하여 하수종말 처리하는 방법.