KR100726704B1 - 오염화석탄산으로 방부 처리된 목재의 처리 방법 및 장치 - Google Patents
오염화석탄산으로 방부 처리된 목재의 처리 방법 및 장치 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 오염화석탄산 (PCP)으로 방부 및 방충 처리된 목재류의 처리 방법 및 이를 위한 장치에 관한 것이다. 구체적으로는, 본 발명은 폐목재의 PCP의 농도를 인체에 안전한 수준까지 낮추어 처리된 목재를 재활용할 수 있도록 하고, PCP 추출 용액을 증류하여 용매를 회수하고 이를 추출 용매로 재사용하며, 증류 후의 PCP 잔사를 건조 및 재결정하여 회수함으로써, PCP로 처리된 목재 및 PCP를 재활용할 수 있도록 완전하게 처리하는 방법 및 상기 방법을 이용하는 유해성 폐목재 자원의 순환 및 재활용 시스템에 관한 것이다.
오염화석탄산(PCP), 탄약 목상자, 용매 추출, PCP 처리 목재, 재활용
Description
도 1은 오염화석탄산(PCP) 처리된 목재를 본 발명에 따라 처리하는 절차의 개념도이다.
도 2는 도 1의 개념도에 따라 본 발명을 실시하는 데에 사용될 수 있는 자원 순환형 PCP 처리 목재의 처리 시스템의 일례이다.
도 3은 추출 용매의 종류에 따른 추출 효과를 보여주는 것이다.
도 4는 목재와 메탄올의 사용 비율에 따른 추출 효과를 보여주는 것이다.
도 5는 목재의 형태에 따른 추출 효과를 보여주는 것이다.
도 6은 추출 효과에 대한 초음파의 영향을 보여주는 것이다.
도 7은 추출 방법 및 추출 횟수에 따른 목재의 PCP 잔류 농도를 보여준다.
* 도면 부호에 대한 설명
A1: 파쇄 장치 A2: 금속 선별기
A3: 목재 저장조 A4: PCP 추출 장치
A5: 추출 용매 저장조 A6: 추출된 PCP 용액 저장조
A7: 증류 장치
본 발명은 오염화석탄산(pentachlorophenol, 이하 "PCP"라 한다.)으로 방부 처리된 목재를 완전하게 처리하는 방법 및 이를 위한 장치에 관한 것이다.
목재는 현재까지 가장 널리 사용되는 재료 중의 하나이다. 목재는 특성상 부패하기 쉬워서 장기 보존이 어렵다. 부패는 주로 기후의 영향과, 박테리아, 균류(fungi), 해충 등의 생물학적 작용에 기인한다.
목재의 수명을 연장시키고, 장기적으로 사용 및 보존하기 위하여 1930년대부터 PCP를 방부 및 방충제로 사용하여 왔다. PCP는 특히 곰팡이류 처리제로 사용되고 있으며, 화학적으로 매우 안정하다. 그러나 PCP는 발암 물질인 것으로 알려져 있고, 인체와 자연 환경에 매우 유해하다고 알려진 1980년대 말부터 각국에서 생산 및 사용이 금지되고 있으며, PCP로 처리된 목재의 사용 및 폐기 처리 시의 법적 규제 역시 강화되고 있는 추세이다.
특히 PCP로 처리된 목재를 불완전 소각하는 경우에는 다이옥신의 생성 원인이 되며, 유해성이 매우 크기 때문에 거의 모든 국가에서 PCP 처리 목재의 실내 사용을 금지하고 있다. 미국 환경보호청(EPA)의 PCP에 대한 식용수 기준은 1 ppb 이하이며, 작업장 허용 농도는 0.5 mg/m3이고, 우리나라도 동일한 기준을 적용하고 있다. 우리나라에는 PCP로 처리된 폐목재의 재활용 기준이 없으나, 독일을 비롯한 유럽에서는 PCP 농도를 건조 목재 1 kg당 5 mg으로 제한함으로써, PCP에 대한 규제를 강화하고 있다.
미 육군은 과거에 화학 처리된 탄약 목상자를 상당량 사용하였는데, 이 중 약 80%는 PCP로 처리된 것이었다. 일부 군 기지는 연간 2500톤의 PCP 처리 목재를 폐기하고 있으며, 현재 이들 대부분은 매립 또는 발전소에서 소각되고 있다. 그러나 PCP의 발암성이 알려진 이후인 1992년 5월에 EPA는 PCP 용출 기준을 건조 목재 1 kg당 100 mg으로 대폭 강화할 것을 제안하였다. 이와 같은 기준이 받아들여질 경우, PCP 처리된 목재를 도시 폐기물 매립장에서 매립하는 것이 불가능하게 되고, 이에 따라 수송비용이 증가하여 경제성이 나빠질 것이다. 소각하는 경우에도 후처리 장치에 대한 규제의 강화로 인하여 장치 비용 및 소각후 소각재 처리 비용이 증대된다. 미국에서는 목재 소각으로 인하여 연간 약 4억5천만 ft3의 목재가 버려지고 있기 때문에, 최근에는 PCP 처리 목재에 대하여 많은 연구가 진행되고 있다.
1991년 PCP 처리된 목상자가 유해 폐기물로 지정되면서, 미국에서는 RCRA 규정에 따라 지정 매립이나 허가 시설에서만 소각하여야 한다. 소각 후 잔재물 역시 기준 이하이어야 하며, 건축 폐기물 매립장에서는 매립이 금지된다. 또한, PCP 처리된 목재는 실내 기구나 벽난로용으로는 사용하지 못하며, 주거 지역 내에 저장하거나 음식물 생장용으로 사용하는 것 역시 금지되어 있다.
우리나라에서도 국방 규격을 개정하여 1986년 이후에는 PCP 사용을 금지하고, 보다 안전한 탄약 목상자 보호제를 사용하고 있다. 그러나 과거 저장탄의 포장 목재는 모두 미국 규격에 따라 PCP로 화학 처리되었으므로, 향후 폐탄 및 불용탄의 대량 처리 시에 탄약 목상자는 지속적으로 발생하게 될 것이다. 따라서 PCP 처리된 탄약 목상자의 안전한 처리 및 재활용 방법이 절실하게 요청되고 있다.
PCP로 처리된 목재는 탄약 목상자 뿐만 아니라, 전세계적으로 전선주용 목봉, 철도 침목, 팔레트, 해저목 및 울타리용 목재로서 다양하게 사용되어 왔다. 미국 전역에서 약 1억3천만 개의 전선주가 사용되는데, 그 평균 수명은 20 내지 35년에 이르고, 이 중 약 60%는 PCP로 처리된 것으로서, 연간 약 250만 개가 폐기되고 있다. 침목의 경우에는 연간 약 1500만 개가 교체되고 있다.
PCP는 활성이 없기 때문에 목재 성분과 화학 결합을 하지 않으므로, 목재 구조의 간극 내에 침적된 상태로 발견된다. PCP는 박테리아와 같은 미생물에 흡착되며, 목재의 리그닌이나 세포벽에 흡수된다. PCP의 용해도가 높은 용매는 여러 종류가 있다. 그러나 목재의 매트릭스 내의 간극에 침적된 PCP를 어떻게 효과적으로 제거할 것인가 하는 점이 주요 문제이다.
현재, PCP로 처리된 목재의 안전 폐기 또는 재활용 방법으로는 소각, 매립, 열분해 (미국 특허 제5,378,323호), 화학적 추출 (미국 특허 제5,262,004호), 초임계 CO2 추출 (미국 특허 제5,364,475호), 초임계 CO2 추출후 광분해 (미국 특허 제5,698,829호), 미생물을 이용하는 처리 방법으로서 곰팡이를 이용하는 미생물 처리 (미국 특허 제6,727,087호 및 제6,387,689호) 및 박테리아를 이용하는 PCP 및 할로겐화 페놀의 분해 (미국 특허 제5,512,478호), 목질 분해 미생물인 판막 버섯에 의한 PCP 제거 (대한민국 특허 제10-0282256호) 등이 있고, 백색 부후균에 의한 처리 방법이 연구되고 있다.
한편, PCP로 처리된 목재의 재활용 방법으로는 폐 전선주의 외부를 벗겨 내고, 접착제와 다른 방부 처리 목재를 덧씌우기 하는 방법 (미국 특허 제5,320,152호)이 있으며, 앞에서 언급한 미국 특허 제5,262,004호에서는 목재로부터 방부제와 오일을 회수하기 위하여 목재를 칩(chip)으로 만들고, 알칼리 용액에 침적시켜 연화한 다음, 약 200℃의 수증기로 포화시키고 압축하여 추출한다.
그러나 소각 및 매립은 전술한 바와 같이 발암 물질인 다이옥신을 배출시키고, 처리 비용이 높다. 매립장 역시 제한되어 있고, 폐목재 자원의 재활용과는 근원적으로 차단되어 비경제적이다. 열분해 및 초임계 용매에 의한 추출의 경우 장치가 복잡하고, 에너지 소비형이어서 비경제적이다. 미생물 처리 방법이 유망한 것으로 보이지만, 처리 기간이 길고 (최소 2주), 농도가 높은 경우에는 직접 처리가 곤란하기 때문에 여러 가지 방법으로 사전 처리한 이후에 최종 처리를 하고 있는 실정이다. 농도가 낮은 경우에 미생물 처리는 유효할 수 있으나, 목재 내부에 침적되어 있는 PCP의 처리 문제는 그대로 남는다. 더구나, 호기성 미생물의 경우 산소량이 제한되어 간극에서는 성장하지 못하며, 혐기성 미생물은 목재 내의 PCP를 폐기할 수 있으나, 처리 속도가 극히 낮고, 박테리아에 농축된 PCP 및 활성 슬러지를 다시 처리하여야 한다는 점이 문제이다.
본 발명의 목적은 위와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 상용 또는 간단한 실용 장치를 이용하여, PCP로 방부 및 방충 처리된 목재로부터 PCP를 인체 에 안전한 수준까지 제거하여, 처리된 목재를 재활용할 수 있도록 함과 동시에, PCP 추출 용액으로부터 추출 용매를 회수하여 용매 추출에 재사용할 수 있도록 하고, 목재로부터 추출된 PCP를 재결정 또는 고형화하여 회수함으로써, PCP로 방부 및 방충 처리된 목재를 완전하게 처리하는, PCP 처리 목재의 안전 처리를 위한 자원 순환형 처리 시스템을 구축하는 것이다.
본 발명에 따른 PCP 처리된 목재의 처리 방법은 PCP로 방부 및 방충 처리된 목재를 적당한 유기 용매로 추출하여 인체에 안전한 수준까지 PCP를 제거하여 처리된 목재를 재활용할 수 있도록 하고, PCP 추출 용액을 증류하여 용매를 회수하고 이를 추출 용매로 재사용하며, 증류 후의 PCP 잔사를 결정화 또는 고형화하여 회수함으로써, PCP로 처리된 목재를 완전하게 처리하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서는 상용 또는 간단한 실용 장치를 이용하여 상기 방법에 따라 유해성 폐목재 자원의 순환 및 재활용 시스템을 구축할 수 있으며, 이러한 시스템을 이용하여 PCP로 화학 처리된 목재를 완전하게 처리함으로써, 처리된 목재의 재활용을 꾀할 수 있다. 본 발명에 따른 폐목재 자원의 순환 및 재이용 시스템에서는 간단한 증류 장치를 이용하여 PCP 추출 용액으로부터 용매를 용이하게 회수하여 추출 용매로서 재사용할 수 있다는 점에서 경제성 또한 우수하다.
도 1은 PCP 처리된 목재인 탄약 목상자를 본 발명에 따라 완전하게 처리하기 위한 개념도이다. 도 2는 도 1의 개념도에 따라 본 발명을 실시하는 데에 사용될 수 있는 PCP 처리 목재 화학 처리 장치의 일례를 도시한 것이다.
먼저 PCP 처리된 목재를 일정한 크기로 파쇄하고, 필요에 따라 비목재 부품을 분리한 다음, PCP 농도를 분석한다. 본 발명에서는 PCP 처리된 목재의 PCP 농도가 100 mg/kg 건조 목재를 초과하는 경우에 이를 지정 폐기물로 보아 도 1에 나타낸 절차에 따라 처리한다. 파쇄된 목재는 필요에 따라 더 작은 크기의 칩이나 톱밥으로 만들어 용매 추출하고, PCP 잔류 농도가 목재의 재활용 허용 수준에 도달할 때까지 반복적으로 추출한 다음, PCP 농도가 5 mg/kg 건조 목재 이하에 도달하였을 때 건조하여 재활용한다. 처리된 목재(칩 또는 톱밥)는 정원용으로 사용하거나, 농가에 보급하여 퇴비화하거나 또는 파티클 보드(particle board)용 합판 제작에 사용할 수 있으며, 열분해하여 목질유 또는 목탄을 제조하는 데에 사용할 수도 있다.
PCP의 비등점은 310℃이고, 본 발명에서는 이에 비하여 비등점이 매우 낮은 용매를 추출 용매로서 사용하므로 (예컨대, 메탄올의 경우 65℃), 추출 후에 PCP 추출 용액을 증류하여 용매를 회수하고 이를 추출 용매로 재사용한다.
이하에서는 본 발명에 따라 PCP 처리된 목재를 처리하는 방법을 도 1 및 2를 참조하여 구체적으로 설명한다.
본 발명에 따른 PCP 처리된 목재의 처리 방법은
(1) PCP 처리된 목재를 칩 또는 톱밥 형태로 파쇄하는 공정,
(2) 상기 공정 (1)에서 칩 또는 톱밥 형태로 파쇄한 목재에 추출 용매를 공급하고, 목재 중의 PCP 농도가 목재의 재활용 기준에 도달할 때까지 용매 추출 및 원심 분리를 반복적으로 실시하는 공정 및
(3) 상기 공정 (2)에서 얻어지는 PCP 추출 용액을 증류하여 추출 용매와 PCP 잔사를 분리하여, 분리된 추출 용매를 상기 공정 (2)의 용매 추출에 재사용하고, PCP 잔사를 건조 및 재결정하여 회수하는 공정을 포함한다.
본 발명에 따라 처리할 수 있는 목재는 PCP로 방부 및 방충 처리된 목재, 예컨대, 목 상자, 팔레트, 전선주, 침목 등을 비롯하여 어떤 형태라도 무방하다.
상기 공정 (1)에서는 PCP로 화학 처리된 목재를 파쇄 장치 (A1)를 이용하여 칩 또는 톱밥 형태로 파쇄한다. 파쇄 장치로는 분쇄기(shredder), 그라인더(grinder) 또는 해머밀(hammer mill)을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 목재의 파쇄 형태는 최종적인 용도에 따라 칩, 톱밥 등 어떤 형태이어도 무방하다. 칩 형태로 파쇄하는 경우 그 크기는 가로, 세로 및 높이가 모두 10 mm 이하인 것이 좋다.
PCP 처리된 목재에 못, 경첩 등의 금속이 포함되어 있는 경우에는 목재를, 예컨대, 비철금속 선별기 또는 간단한 마그네틱 드럼형 세퍼레이터 등과 같은 금속 선별기 (A2)를 통과시켜 목재와 비목재로 분류하는 공정을 상기 공정 (1)과 (2) 사이에 추가할 수 있다. 탄약 목상자는 일반적으로 목재, 못, 경첩, 외부 포장 띠 (금속 밴드) 및 손잡이 끈 (섬유)으로 이루어져 있다. 따라서 외부 포장 띠 및 손잡이 끈은 파쇄 전에 분리수거하는 것이 좋다. 상기 공정 (1)에 의하여 파쇄 및 분류된 목재 칩 또는 톱밥은 목재 저장조 (A3)에 저장된다.
공정 (2)에서는 파쇄 및 분류된 목재를 목재 저장조 (A3)로부터 추출 장치 (A4)에 도입하고, 추출 용매 저장조 (A5)로부터 일정량의 추출 용매를 추출 장치에 공급한 다음, 일정 시간 동안 교반하여 목재 중의 PCP를 PCP 농도가 목재의 재활용 기준에 도달할 때까지 반복적으로 추출한다. 교반기 대신 초음파 장치가 부착된 추출장치를 이용하면 추출이 더욱 효과적이다. 우리나라는 PCP 처리된 목재의 재활용 기준이 정해져 있지 않으므로, 본 발명에서는 독일을 포함한 유럽의 재활용 기준인 건조 목재 1 kg당 5 mg의 PCP 농도를 채택하였다. 추출 용매는 목재 중량 1 g에 대하여 10 내지 30 ml를 사용하는 것이 적당하고, 추출 온도는 상온 내지 50℃, 바람직하게는 상온, 추출 시간은 2시간 이상, 바람직하게는 2 내지 4시간인 경우에 추출 효과가 가장 좋다. 왕복 진탕기 등을 이용하여 교반하는 경우에 교반 속도는 150 rpm 이상으로 한다. 추출 용매로는 비등점이 310℃인 PCP와의 비등점 차이가 큰 용매, 예컨대, 메탄올, 에탄올, 아세토니트릴 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다. 메탄올 사용시 최초 1회 추출에 의하여 PCP의 약 95% 이상이 추출된다. 따라서, PCP 목재의 초기 농도가 1000 ppm인 경우, 2회 추출에 의하여 미국, 독일 등의 지정 폐기물 기준 (100 mg/1 kg 건조 목재) 이하로 맞출 수 있다. 그러나 독일을 비롯한 유럽의 목재 재활용 기준인 PCP 농도 5 mg/kg 건조 목재를 만족시키기 위해서는, 추출 후에 추출 시료를 원심 분리하여 목재와 추출 용액을 분리하고, 위 기준을 만족할 때까지, 추출 용매를 앞에서와 동일한 비율로 추출 장치에 공급하고 추출 및 원심 분리를 반복한다. 목재의 재활용 기준이 만족되면 처리된 목재를 자연 건조시킨다. 공정 (2)에서 추출된 PCP 용액은 추출 용액 저장조 (A6)에 일시적으로 저장되었다가 공정 (3)이 수행되는 증류 장치 (A7)로 보내진다.
공정 (3)에서는 증류 장치 (A7)를 이용하여 공정 (2)에서 발생하는 PCP 추출 용액을 증류하여 추출 용매와 PCP 함유 잔사를 분리한다. 본 발명에서는 PCP와의 비등점 차이가 큰 용매를 추출 용매로 사용하므로, 간단한 증류 장치를 이용하여 추출 용매와 PCP 함유 잔사를 용이하게 분리할 수 있다. 증류 장치에서 회수한 추출 용매는 추출 용매 저장조 (A5)로 보내져서 추출 용매로 재사용되며, 증류 장치에 잔류하는 PCP가 함유된 잔사 물질을 상온에서 건조 및 재결정하여 PCP를 회수한다. 회수된 PCP는 필요에 따라 재사용되거나, 고형화 또는 매립 등의 방법으로 최종 처리될 수 있다.
또한, 본 발명은 전술한 PCP 처리된 목재의 처리 방법의 실시에 사용되는 자원 순환형 폐목재 처리 장치에 관한 것이다. 도 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 자원 순환형 폐목재 처리 장치는 PCP 처리된 목재를 칩 또는 톱밥 형태로 파쇄하기 위한 파쇄 장치 (A1), PCP 처리된 목재로부터 비목재 성분을 제거하기 위한 금속 선별기 (A2), 파쇄된 목재를 저장하기 위한 목재 저장조 (A3), 목재로부터 PCP를 추출하기 위한 추출 장치 (A4), 추출 용매를 저장하기 위한 용매 저장조 (A5), 추출된 PCP 용액을 저장하기 위한 PCP 용액 저장조 (A6) 및 추출 용액을 증류하기 위한 증류 장치 (A7)를 포함한다.
파쇄 장치 (A2)로는 분쇄기(shredder), 그라인더(grinder) 또는 해머밀(hammer mill)을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 금속 선별기 (A2)로는 비철금속 선별기, 간단한 마그네틱 드럼형 세퍼레이터 등을 사용할 수 있으나, 이와 동일한 목적을 달성할 수 있는 한 어떠한 형태의 선별기라도 무방하다.
본 발명에 따른 자원 순환형 폐목재 처리 장치는 상용 또는 실용화 장치를 용이하게 단위 공정으로 구입 또는 조합하여 시스템화할 수 있으므로, 설치 및 운 영이 매우 간단하고 경제적이다.
실시예
이하에서는 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 그러나, 실시예는 본 발명의 예시에 불과할 뿐, 본 발명의 범위가 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
우리나라의 군(軍)에서 가장 많이 사용하는 81 mm 박격포탄 저장용 목상자 (1971년 4월 미국 제조)를 사용하여, 목재 중의 PCP 잔류 농도를 검사하였다.
공진청 고시 (제92-10호, "오염화석탄산 및 포르말린 함유 품질 검사 기준", 1992년 1월 7일)에 따라 목상자의 판재를 미세한 톱밥으로 만들어 속스레 장치에서 24시간 동안 추출한 결과, 목재의 PCP 잔류 농도는 평균 720 mg/kg 목재이었다. 이는 PCP 처리 목재에 대한 미국 및 독일의 지정 폐기물 기준에 비하여 7배를 초과하는 값이다. 즉 PCP는 목상자 제조 후 30년 이상이 경과하였음에도 불구하고 탄약 저장 과정 중 휘발 또는 소멸하지 않은 상태로 초기 농도 (미 연방 규격: 5 중량% PCP 용액 처리)의 약 1/70까지 잔류한다는 것을 보여준다. 아래의 표 1은 실시예에서 사용된 PCP 처리된 81 mm 박격포탄용 탄약 목상자의 제원이다.
| 구분 | 목상자 시료 1 | 목상자 시료 2 | 기타 |
| 로트 번호 | LS-61-28A | MA-114-6A | 81 mm 박격포탄 포장용 목상자 |
| 상자 총 중량 | 5.88 kg | 7.08 kg | |
| 목재 중량 | 4.32 kg | 5.20 kg | 평균: 4.8 kg |
| 크기 | 가로 658 mm x 세로 348 mm x 높이 150 mm 판재두께: 17.5 mm | 1971년 4월 미국 제조 (약 34년 경과) | |
실시예 2
목재 표면의 위치에 따른 PCP 농도 분포를 비교하기 위하여 두께 17.5 mm의 판재의 내/외부를 자동 대패로 각각 2 mm와 3 mm로 벗겨내고(grinding), 벗겨낸 목재의 PCP 농도를 각각 측정한 결과, 상자 외부의 PCP 농도는 820 ppm (S-1), 내부의 PCP 농도는 1297 ppm (S-2)으로서, 내부의 농도가 외부의 농도에 비하여 약 1.6배 높았다. 판재의 내/외부를 일부 벗겨낸 시료에도 PCP가 규정 농도의 5배 이상 (518 ppm, S-3)의 존재하였는데, 이는 PCP가 목재 내부까지 확산되어 있다는 것을 보여준다.
이에 따라, 이하의 실시예에서는 목상자를 해체하여 금속, 손잡이, 끈 등의 비목재를 분리한 다음, PCP 농도가 가장 높은 목재를 선택하여 칩 (가로 10 mm x 세로 5 mm x 높이 3 mm) 또는 톱밥 (입경 0.5 mm 이하) 형태로 파쇄한 다음, 이를 PCP 추출의 최적 조건을 찾기 위한 실험에 사용하였다. 아래의 표 2는 PCP 처리된 목재 시료 3종의 PCP 농도를 보여준다.
| S-1 | S-2 | S-3 |
| 820 ppm | 1297 ppm | 518 ppm |
실시예 3
용매의 종류에 따른 추출 효과를 비교하기 위하여, 유리 용기에 목재 칩 2±0.05 g을 넣고, 메탄올, 에탄올, 아세토니트릴, NaOH 용액을 각각 100 ml씩 가한 다음, 상온으로 유지하면서 150 rpm으로 좌우 왕복 진탕기로 4시간 이상 추출하였다. 그 결과, 추출 효과는 메탄올 > 에탄올 > 아세토니트릴 순이었다. NaOH 용액은 추출 효과가 좋지 않은 것으로 확인되었다.
추출 효과가 가장 좋은 것으로 나타난 메탄올의 경우 1시간 추출 시에 초기 농도의 96%, 2시간 이내에 99%, 3시간 이후에는 100% 가까이 추출되었으나, 에탄올과 아세토니트릴을 사용한 경우 3시간 이후에 각각 74%와 40%가 추출되었다. 이에 따라, 메탄올이 가장 좋은 추출 용매인 것으로 결정되었다.
실시예 4
실시예 3에서 추출 효과가 가장 좋은 것으로 확인된 메탄올을 사용하여, 메탄올의 최적 사용량을 결정하기 위한 실험을 실시하였다.
100 ml 유리 용기에 2±0.05 g의 목재 시료를 넣고, 메탄올을 각각 10, 20, 40, 60 ml씩 가한 다음, 상온으로 유지하면서 진탕기로 교반하여 2시간 동안 추출하였다. 추출 용액의 PCP 농도를 측정한 결과를 도 4에 나타내었다. 도 4에서 볼 수 있는 바와 같이, 시료 1 g당 10 ml의 메탄올을 사용한 경우에 추출 용액의 PCP 농도가 가장 높았다. 용매를 시료 1 g당 10 ml 이상으로 사용하더라도 실험실 오차 범위 내에서 추출 효과가 동일한 것으로 확인되었다. 따라서 대규모 추출 시의 혼합 및 유동 효과를 고려하여, 추출 시 시료 1 g당 메탄올을 10~20 ml로 하는 것이 바람직하다.
실시예 5
파쇄된 목재 입자의 크기 및 초음파 사용에 따른 PCP 추출 효과를 알아보기 위하여 칩과 톱밥 시료를 사용하여 추출 실험을 실시하였다.
동일한 칩을 미세 톱밥 제조기에 입경 0.5 mm의 체(sieve)를 부착하여 톱밥을 제조하였다. 도 5는 추출 효과에 대한 입자 크기의 영향을 보여준다. 도 5에 의하면, 추출 효과는 톱밥의 경우에 칩에 비하여 1시간까지는 약 10% 이내에서 증가하였으나, 2시간이 경과하면 평형에 도달하여 5% 범위 내에서 높았다. 따라서 칩이나 톱밥 중에서 제조 용이성 및 재활용 대상에 따라 어떤 시료를 사용하여도 무방하다.
500W 초음파 발생기를 사용하여 추출 효과에 대한 초음파의 영향을 검사하였다. 2±0.05 g의 목재 칩을 두개의 동일한 유리 용기에 넣고, 메탄올 100 ml를 가한 다음, 하나의 용기는 초음파 발생기에 넣고, 다른 하나의 용기는 진탕기를 이용하여 추출하면서, 추출 용액의 농도를 분석하였다. 실험 시작 직후 1시간 이내의 시료 농도 분석 빈도를 높여 초기 단계에서의 추출 효과를 관찰하였다. 도 6은 추출 효과에 대한 초음파 처리의 영향을 보여준다. 목재를 초음파 처리하는 경우에, 목재 간극 내에 용매가 잘 침투하여 혼합을 증가시키고, 질량 전달 속도가 증가되어 추출 효과가 향상될 것으로 기대되었으나, 실제로는 저전력 초음파 장치를 사용하고 메탄올/시료의 비율을 50(부피/중량)으로 증가시켰기 때문에 추출 효과에 대한 초음파의 영향은 미미하였다. 이것은 초음파 처리의 영향에 의한 효과보다 용매의 과다 사용의 영향이 더 크게 나타났기 때문인 것으로 보인다. 그러나 고전력 초음파 발생기를 사용하는 경우에는 추출 효과의 향상을 기대할 수 있을 것이므로, 필요에 따라 초음파 처리를 하는 것이 바람직할 것이다.
실시예 6
추출 효과에 대한 추출 온도의 영향을 조사하기 위하여 상온보다 높은 온도(50℃)에서 추출 실험을 실시하였다. 이를 위하여, 재킷(jacket)이 부착된 250 ml 둥근 바닥 플라스크에 메탄올 100 ml를 넣고, 냉각 장치를 설치하였다. 온도를 50 ℃로 유지하면서 정확하게 평량한 목재 칩 2±0.05 g을 플라스크에 넣고, 1시간 동안 추출하였다. 냉각 장치는 비등점이 상대적으로 낮은 메탄올이 증발되는 것을 방지하기 위한 것이다. 50℃에서 1시간 동안 추출하였을 때 추출 효과는 상온 추출에 비하여 1% 이내에서 증가하였고, 이는 고온 추출의 추출 효과 향상 정도가 크지 않다는 것을 보여주는 것이다. 기체 크로마토그래피-질량 분석기(GC-MS)로 분석한 결과 다양한 물질 (목재 성분, 타르 유사 성분 등)이 추출된 것으로 확인되었다. 따라서 고온 추출은 오히려 바람직하지 않다고 볼 수 있다.
실시예 7
목재의 재활용 가능성을 검토하기 위하여 목재 시료 칩을 정확하게 평량하고, 여기에 메탄올을 주입한 다음, 상온에서 아래와 같은 방법으로 추출 실험을 실시하였다. 시료에서 추출되는 PCP 농도가 독일을 비롯한 유럽 재활용 기준을 만족할 때까지 추출을 반복하였다.
방법 1: 1.0±0.05 g의 목재 칩에 메탄올 20 ml를 넣고, 진탕기에서 2시간 동안 추출한 다음, 상등액의 농도를 측정하였다. 그 다음, 상등액을 제거하고, 동일한 시료에 메탄올 20 ml를 다시 주입하고 2시간 동안 추출하였다. 이 과정을 4회 반복하였으나, 처리된 목재 칩은 PCP 농도 5 mg/kg 건조 목재의 재활용 기준을 만족하지 못하였다.
방법 2: 1.0±0.05 g의 목재 칩에 메탄올 20 ml를 넣고, 진탕기에서 2시간 동안 추출한 다음, 상등액의 농도를 측정하였다. 상등액을 제거하고, 시료를 3500 rpm에서 5분 동안 원심 분리하여 시료의 간극 내에 남아 있는 포화 용액을 완전히 제거하였다. 이 시료에 다시 메탄올 20 ml를 가하고, 동일한 방법으로 추출한 다음 원심 분리하였다. 이 과정을 4회 반복하였다. 표 3 및 도 7에서 볼 수 있는 바와 같이, 추출 및 원심 분리 과정을 3회 실시하였을 때 PCP 처리 목재의 재활용 기준이 달성되었다.
| 추출 횟수 | PCP 농도 (mg/kg 목재) | |
| 방법 1 | 방법 2 | |
| 1 | 1,297 | 1,297 |
| 2 | 397 | 40 |
| 3 | 225 | 6 |
| 4 | 57 | 3 |
| 5 | 20 | 2 |
| 6 | 13 | 0 |
추출 후에 상등액을 제거하고 다시 목재 시료에 메탄올을 주입하는 단순 추출 방법에 의해서는 6회 추출 후에도 PCP 잔류 농도가 13 mg/kg 목재 이상으로서, 재활용 기준에 도달하지 못하였다. 이는 PCP를 완전히 제거하기 위해서는 메탄올에 용해된 상태로 목재의 간극 내에 침지되어 있는 혼합 용액을 완전히 제거하는 것이 필요하다는 것을 의미한다.
실시예 8
추출 용매로 사용된 메탄올을 PCP 추출 용액으로부터 분리하고, 이를 추출 용매로 재사용하기 위하여 증류 장치를 이용하여 추출된 PCP 용액을 증류하였다. 특히 메탄올의 경우 비등점이 낮아서 PCP와의 비등점 차이가 크므로, 일반 증류 장치, 예컨대, 벤치 탑(bench-top) 증류 장치에 의하여 거의 완전하게(90% 이상) 회수되었다.
본 발명에 따라 PCP로 처리된 폐목재를 안전하게 처리하는 방법 및 상기 방법을 실현하기 위한 장치가 제공되었다.
본 발명에 따른 PCP 처리 폐목재 처리 방법은 기존의 소각 및 매립의 경우에 발생하는 다이옥신, 염소 가스 등의 유해 물질 발생을 근원적으로 차단하므로, 인체 및 자연에 대한 유해 물질을 전혀 발생시키지 않는다. 또한, 용매 추출 후에 발생하는 폐 용액을 일반 증류 장치를 이용하여 증류하여 추출 용매를 분리하고 이를 재사용할 수 있다. 재활용 수준까지 PCP 농도를 낮춘 칩 또는 톱밥은 퇴비화, 합판 제조, 열분해를 이용한 목탄액 제조 등에 이용하는 방법으로 재활용할 수 있으므로, 본 발명은 폐목재를 안전하게 처리하여 재활용할 수 있도록 한다.
본 발명에 따른 PCP 처리된 목재의 처리 방법은 PCB나 다이옥신, 폐 농약 등 각종 난분해성 물질의 폐기 시에 사용되는 각종 처리 기술 (예컨대, 플라즈마, 광산화, 용융 염산화, 초임계 수산화, 미생물 처리 등)과 비교하여, 처리 물량에 관계없이, 상용 장치를 이용하여 상온 및 상압에서 소규모 장치에서부터 대형 장치에 이르기까지 널리 응용될 수 있다.
Claims (18)
- (1) PCP 처리된 목재를 칩 또는 톱밥 형태로 파쇄하는 공정,(2) 상기 공정 (1)에서 칩 또는 톱밥 형태로 파쇄한 목재에 추출 용매를 공급하고, 목재 중의 PCP 농도가 목재의 재활용 기준에 도달할 때까지 용매 추출 및 원심 분리를 반복적으로 실시하는 공정 및(3) 상기 공정 (2)에서 얻어지는 PCP 추출 용액을 증류하여 용매와 PCP 잔사를 분리하여, 분리된 추출 용매를 상기 공정 (2)의 용매 추출에 재사용하고, PCP 잔사를 건조 및 재결정하여 회수하는 공정을 포함하는,PCP 처리된 목재의 처리 방법.
- 제1항에 있어서, 금속 선별기를 이용하여 PCP 처리된 목재로부터 비목재를 제거하는 공정을 상기 공정 (1)과 (2) 사이에 추가로 포함하는 것인, PCP 처리된 목재의 처리 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 공정 (1)에서 얻어지는 목재 칩은 가로, 세로 및 높이가 모두 10 mm 이하의 크기를 갖는 것인, PCP 처리된 목재의 처리 방법.
- 제1항에 있어서, 공정 (1)에서 칩 또는 톱밥 형태로 파쇄한 목재를 목재 저장조에 저장하였다가 추출 장치에 도입하고, 여기에 용매 저장조로부터 추출 용매 를 공급하여 공정 (2)를 수행하는 것인, PCP 처리된 목재의 처리 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 공정 (2)의 용매 추출은 교반 또는 초음파 처리에 의하여 수행되는 것인, PCP 처리된 목재의 처리 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 공정 (2)는 매회의 용매 추출에 이어 원심 분리를 실시하여 목재와 PCP 추출 용액을 분리하는 것인, PCP 처리된 목재의 처리 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 공정 (2)의 매회의 용매 추출 시간은 2시간 이상인, PCP 처리된 목재의 처리 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 공정 (2)의 추출 용매는 목재 중량 1 g에 대하여 10~30 ml의 양으로 사용되는 것인, PCP 처리된 목재의 처리 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 공정 (2)의 용매 추출은 상온 내지 50℃의 온도 범위에서 수행되는 것인, PCP 처리된 목재의 처리 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 공정 (2)의 추출 용매는 메탄올, 에탄올, 아세토니트릴 및 이들의 혼합물로 구성되는 군에서 선택되는 것인, PCP 처리된 목재의 처리 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 목재의 재활용 기준은 PCP 농도가 5 mg/kg 건조 목재인, PCP 처리된 목재의 처리 방법.
- 제1항에 있어서, 공정 (2)의 용매 추출로 얻어지는 PCP 추출 용액을 추출 용액 저장조에 저장하였다가 추출 용액 증류 장치로 이동시켜 공정 (3)을 수행하는 것인, PCP 처리된 목재의 처리 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 공정 (3)에서 회수한 용매를 추출 용매 저장조로 이동시켜 공정 (2)의 추출 용매로 재사용하는 것인, PCP 처리된 목재의 처리 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 공정 (3)에서 증류 장치에 잔류하는 PCP 함유 잔사를 상온에서 건조 및 재결정하여 회수하는 것인, PCP 처리된 목재의 처리 방법.
- PCP 처리된 목재를 파쇄하여 칩 또는 톱밥 형태로 제조하기 위한 파쇄 장치,파쇄된 목재를 저장하기 위한 목재 저장조,PCP 추출 장치,추출 용매를 저장하기 위한 용매 저장조,추출된 PCP 용액 저장조 및추출 용액의 증류를 위한 증류 장치를 포함하며,제1항에 따른 방법의 실시에 사용되는 것인, PCP 처리된 목재의 자원 순환형 처리 장치.
- 제15항에 있어서, 상기 파쇄 장치는 분쇄기, 그라인더 또는 해머밀인 것인, PCP 처리된 목재의 자원 순환형 처리 장치.
- 제15항에 있어서, PCP 처리된 목재로부터 비목재 성분을 제거하기 위한 금속 선별기를 추가로 포함하는 것인, PCP 처리된 목재의 자원 순환형 처리 장치.
- 제17항에 있어서, 상기 금속 선별기는 비철금속 선별기 또는 마그네틱 드럼형 세퍼레이터인, PCP 처리된 목재의 자원 순환형 처리 장치.
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|---|---|---|---|---|
| KR100873653B1 (ko) * | 2007-07-13 | 2008-12-12 | 국방과학연구소 | 오염화석탄산 처리된 목재의 처리 방법 |
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2006
- 2006-01-27 KR KR1020060009134A patent/KR100726704B1/ko not_active IP Right Cessation
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|---|---|---|---|---|
| KR20000000841A (ko) * | 1998-06-03 | 2000-01-15 | 박호군 | 신규한 클레브시엘라속 세균과 이를 이용한 폐목재의 처리방법 |
Non-Patent Citations (1)
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|---|
| 논문 |
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