KR101437390B1 - 마이크로파 조사로 만든 자성을 띈 활성탄 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 마이크로파 조사로 만든 자성을 띈 활성탄 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 활성탄의 흡착능력과 자성에 의한 분리 능력을 활용하여 오염된 토양 및 수질 정화에 유용하게 활용될 수 있다.

Description

마이크로파 조사로 만든 자성을 띈 활성탄 및 그 제조방법{Magnetized activated carbon by microwave irradiation and the manufacturing method}

본 발명은 마이크로파 조사를 통하여 만든 자성을 띈 활성탄과 그 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 활성탄에 철성분을 추가하고 마이크로파를 짧은 시간동안 조사함으로써 간편하게 자성을 띈 활성탄을 제조하는 방법 및 그 활성탄에 관한 것이다.

유기오염물질로 오염된 토양은 그 오염물질의 종류와 농도에 따라 효과적인 처리방법이 다르다. 고농도의 비휘발성, 준휘발성, 휘발성 유기오염물질로 오염된 토양을 신속하게 복원하기 위해서는 열처리(thermal treatment) 방법이 가장 효과적이며, 저농도의 휘발성 유기오염물질로 오염된 토양을 정화하기 위해서는 토양경작법을 많이 사용한다. 열처리 공법은 오염토양 내의 유기오염물질을 휘발, 탈착, 탄화시키는 공법이고, 토양경작법은 오염토양을 굴착하여 지표면에 깔아놓고 정기적으로 뒤집어 산소를 공급해 줌으로써 호기성 미생물에 의하여 오염물질을 분해하는 공법이다.

열처리 방법의 경우, 신속하고 우수한 처리 효과에 비하여 많은 에너지를 소모하는 단점이 있다. 따라서 열처리 공법의 장점을 살리면서 에너지 효율이 뛰어난 마이크로파를 이용한 오염토양 복원 방법이 주목을 받고 있다. 전통적인 노(furnace)나 로타리 킬른(rotary kiln)을 이용한 정화방법은 대류, 전도, 복사에 의해 반응기 안에 있는 토양을 온도가 높은 반응기가 온도가 낮은 토양을 가열 시키는 방법으로 에너지 효율성이 낮다. 반면에 마이크로파를 이용한 오염토양 가열은 전자기장의 변화에 따라 시료에 포함된 철, 물 등의 극성물질들이 회전하면서 분자간의 마찰에 의해 가열 시키는 방법으로 가정의 주방에서 빠른 시간에 음식을 가열할 때 많이 활용되고 있다.

마이크로파 조사를 이용한 대상물질 가열은 대상물질의 마이크로파와의 반응 특성에 따라 가열 정도가 다르게 나타난다. 마이크로파는 석영, 장석 등과 같은 규산염 광물과는 잘 반응하지 않지만, 탄소, 금속산화물들과는 잘 반응하여 매질을 신속하게 가열한다. 따라서 마이크로파 조사를 이용한 오염토양 정화 시 정화 효율을 향상시키기 위하여 철가루, 활성탄 등과 같은 부가제를 첨가하고 있다.

질소 환경 하에서 마이크로파 조사 시 부가제로 첨가된 활성탄은 마이크로파와 잘 반응하여 열점(hot spot)을 형성하고 활성탄 및 주변 토양의 온도를 향상시켜 토양 속에 포함된 유기오염물질을 탄화시키거나 탈착시킨다. 아울러 활성탄을 첨가하고 마이크로파를 이용한 오염토양 가열 중 형성된 열점에 의해 형성된 복합체(aggregate)는 약한 압력에도 쉽게 부숴지므로, 열점작용으로 단단한 암석의 용융된 형태를 만드는 다른 부가제에 비하여 오염토양 복원에 적합하다. 하지만 활성탄의 입자 크기는 토양 입자와 유사하여 활성탄을 분리시켜 재사용하기 쉽지않다. 따라서 오염토양 정화에 활성탄 비용이 추가되는 단점이 있다. 이를 극복하기 위하여 토양과 크기가 유사한 활성탄을 오염토양 처리 후 분리하고 재사용하기 위하여 활성탄에 자성을 부여할 필요성이 있다.

토양경작법의 경우, 미생물에게 산소를 공급하기 위하여 주기적으로 토양을 뒤집고 미생물 성장에 적합하도록 영양분과 수분을 공급한다. 이때 활성탄을 오염토양과 혼합하여 뒤집어 주면 활성탄의 유기오염물질에 대한 뛰어난 흡착 능력으로 오염물질들을 토양으로부터 탈착시켜 오염토양 정화의 효율을 증진 시킬 수 있다. 하지만 현재까지는 부가제로 첨가된 활성탄을 토양경작 후 분리할 수 있는 적합한 방법이 마련되지 않아 사용할 수 없었다. 이러한 단점을 극복하기 위하여 활성탄을 오염토양으로부터 쉽게 분리할 수 있도록 자성을 갖춘 활성탄 개발이 필요하다.

본 발명의 목적은 마이크로파 조사를 이용한 오염토양 정화 시 에너지 효율을 향상시켜주는 활성탄에 자성을 부여하는 것이다. 이를 통해 기존의 활성탄과 동일한 오염물질 제거 효율을 달성하고, 오염토양 처리 후 활성탄을 자석을 이용하여 쉽게 분리하고 재사용함으로써 경제적인 토양 정화를 할 수 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,

1) 활성탄을 철 용액에 담그어 철을 활성탄에 이식하는 단계;

2) 상기 활성탄을 건조하는 단계; 및

3) 질소 환경 하에서 20WH 내지 40WH로 마이크로파를 조사하여 상기 활성탄에 자성을 부여하는 단계; 를 포함하는 자성을 띈 활성탄 제조 방법.

바람직하게는, 상기 2)단계는 70~90℃의 온도에서 수행하는 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직하게는, 상기 활성탄은 직경이 2mm이상 1cm이하인 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직하게는, 상기 3)단계의 마이크로파 조사 시간은 1분 내지 5분인 것을 특징으로 한다.

한편, 본 발명은 상기 제조방법에 따라 제조된 자성을 띈 활성탄을 포함한다.

기타 실시 예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.

본 발명에 따라 철을 함유한 활성탄에 마이크로파 처리 시 짧은 시간 내에 자성을 부여할 수 있으며 에너지 소모도 적다. 이렇게 제조된 활성탄은 기존의 활성탄과 동일한 효과를 나타내고, 오염토양 처리 후 자성을 띈 활성탄을 자석을 이용하여 쉽게 분리하고 다시 새로운 오염토양 정화에 사용하였을 때 동일한 효과를 나타냄으로써 마이크로파를 이용한 오염토양 정화 시 활성탄 비용을 절약할 수 있게 하였다. 아울러 자성을 띈 활성탄은 토양경작법에 적용할 시 미생물에 의한 오염물질 분해와 더불어 활성탄 흡착을 통해 오염물질을 제거함으로써 정화 효율을 향상시킬 수 있고, 활성탄의 흡착능력과 자성에 의한 분리 능력을 고려할 때 수질 정화에도 유용하게 활용 될 수 있다.

도 1은 활성탄에 자성을 부여하기 위한 장치의 설명도이다.
도 2는 마이크로파 처리 전 철을 함유한 활성탄과 자석을 나타낸 것이다.
도 3는 마이크로파 처리 후 철을 함유한 활성탄과 자석을 나타낸 것이다.
도 4는 마이크로파 처리 전 후의 활성탄과 철을 함유한 활성탄의 자성 크기를 나타낸 것이다.
도 5는 마이크로파 처리 시 토양의 온도 변화를 나타낸 것이다.
도 6은 Hexachlorobenzene으로 오염된 토양에 마이크로파를 조사하였을 때 정화효과를 나타낸 것으로 활성탄을 추가하였을 때와 하지 않았을 때의 효과를 비교한 것이다.
도 7은 Phenanthrene으로 오염된 토양에 마이크로파를 조사하였을 때 정화효과를 나타낸 것으로 활성탄을 추가하였을 때와 하지 않았을 때의 효과를 비교한 것이다.
도 8 Decabromodiphenyl ether로 오염된 토양에 재사용된 활성탄을 추가한 후 마이크로파를 조사하였을 때의 정화효과를 나타낸 것이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 또한 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.

본 발명에서 사용한 활성탄은 가야활성 탄소에서 구입하여 사용하였으며, FeCl₃·6H₂O은 삼전순약에서 구입한 제품을 사용하였다. 철을 함유한 활성탄에 자성을 부여하기 위해서 개조한 가정용 마이크로파 오븐(동양매직 MWO-20MS, 800W, 2.4 GHz)을 사용하였다.

상기 1)단계는 활성탄을 철 용액에 담그어 철을 활성탄에 이식하는 단계이다.

활성탄은 체(mesh 10)를 이용하여 크기가 2mm이상 1cm이하인 것을 분리하여 사용하였다. 철이 포함된 용액은 40g의 FeCl₃·6H₂O를 60ml의 증류수에 용해시켜 만든 용액을 사용하였다. 활성탄을 용액에 3시간 이상 담가두어 철이 활성탄 속으로 스며들게 하였다. 활성탄과 용액이 철에 대해 평형이 이루었다고 판단되었을 때, 6.25M NaOH 용액을 추가하여 용액이 끈적끈적하게 침전이 생길 때 까지 pH를 상승시켰다. 활성탄은 철 침전용액 속에서 평형을 이루도록 밤새 두었다.

상기 2)단계는 상기 활성탄을 건조하는 단계이다.

활성탄과 철 침전용액을 체(mesh 10) 위에 부어 활성탄을 철 침전용액으로부터 분리하였다. 체 위에 분리된 활성탄을 증류수로 가볍게 씻은 후 오븐에 넣고 80℃에서 밤새 건조시켰다. 건조된 활성탄은 일부만이 자석에 반응하였고, 대부분 자석에 반응하지 않았다.

상기 3)단계는 마이크로파를 조사하여 상기 활성탄에 자성을 부여하는 단계이다.

철이 포함된 활성탄을 도1의 장치를 활용하여 자성의 띄게 하였다. 도1의 장치는 가정용 마이크로파 상부에 구멍(지름: 10 cm)을 만들고, 유리로 된 반응기를 사용하여 마이크로파가 철을 함유한 활성탄과 반응하도록 하였으며, 질소가스를 공급하여 활성탄이 연소되지 않고 탄화되도록 하였고 가스를 배출할 수 있도록 출구를 만들었다. 먼저 마이크로파 내부 반응기 안에 약 10g의 철이 함유된 활성탄을 넣고 질소 가스를 흘려서 반응기 내부의 산소를 제거하였다. 질소가스로 반응기 내부가 충진된 후 질소가스의 공급을 중단하고 마이크로파 장치를 약 파워로 약 2분 동안 가열하였으며, 이때 소모된 에너지는 20WH였다. 마이크로파 처리 후 30분 동안 후드 안에서 냉각시켰으며, 냉각되는 동안에 다시 질소 가스를 흘려서 활성탄이 고온에서 산소와 반응하지 않도록 하였다. 상기 3)단계를 통하여 약 95% 이상의 활성탄이 자성을 띄게 되었다.

이하, 실험예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하지만 본 발명이 이들 예로만 한정되는 것은 아니다.

[실험 예 1] 마이크로파 조사 전 후의 철을 함유한 활성탄의 자성

마이크로파 처리 전, 후의 철을 함유한 활성탄의 자성은 자기특성측정시스템(Magnetic Property Measurement System)을 이용하여 상온에서 측정하였다. 도4와 같이 철을 함유하지 않은 활성탄은 20,000 Oe에서 0.17 emu/g의 자성을 나타내었다. 철을 함유한 활성탄 중 자성을 띄지 않는 활성탄은 동일한 조건에서 0.12 emu/g, 자성을 띄는 활성탄은 0.86 emu/g을 나타내었다. 하지만 철을 함유한 활성탄을 마이크로파로 20WH의 에너지를 사용하여 2분 동안 조사하였을 때 철을 함유한 활성탄은 2.17 emu/g 의 자성을 나타내었다. 철을 함유한 활성탄에 짧은 시간의 마이크로파 처리를 통하여 2.5~18배의 자성을 증가시킬 수 있었다.

[실험 예 2] 마이크로파 조사에 의한 오염토양 처리 시 활성탄 추가에 의한 온도 상승효과

도5는 파주에서 채취한 loamy sand(PS)와 sandy loam(PL) 10g을 3분간 30WH로 마이크로파 조사 시 토양의 온도 변화를 나타낸 것이다. 활성탄 0.5g의 부가제 첨가 시 토양의 온도(305~347℃)가 활성탄을 첨가하지 않았을 때 온도(178~207℃)와 비교하여 약 98~169℃ 높았다.

[실험 예 3] 마이크로파 조사에 의한 오염토양(10g) 처리 시 활성탄(0.5g) 추가에 따른 오염물질 제거효과

HCB(hexachlorobenzene)에 오염된 토양 10g을 3분간 30WH로 마이크로파를 조사하였다. 도6와 같이 0.5g의 활성탄을 부가제로 첨가하지 않았을 때 약 20-40%의 오염물질이 제거되었으나, 동일한 에너지를 사용하여 0.5g의 활성탄을 부가제를 첨가하였을 때 90% 이상의 HCB가 제거되어, 첨가된 부가제가 오염물질 제거 효율을 향상시켰다.

phenanthrene에 오염된 토양 10g을 3분간 30WH로 마이크로파를 조사하였다. 도7과 같이 0.5g의 활성탄을 부가제로 첨가하지 않았을 때 약 0-30%의 오염물질이 제거되었으나, 동일한 에너지를 사용하여 0.5g의 활성탄을 부가제를 첨가하였을 때 90% 이상의 phenanthrene가 제거되어, 첨가된 부가제가 오염물질 제거 효율을 향상시켰다.

[실험 예 4] 자성에 의해 분리된 자성을 띈 활성탄의 재사용 효과

마이크로파 조사를 이용하여 비휘발성 오염물질인 DBDE(Decabromodiphenyl ether)로 오염된 토양 10g에 대한 정화 시 자성을 띈 활성탄 4g을 부가제로 첨가하고 약 3분간 30WH로 처리하였다. 도8과 같이 85% 이상의 DBDE 제거 효과를 달성하였다. 자석을 활용하여 처리된 토양으로부터 분리된 활성탄을 재사용하였으며, 재사용된 활성탄의 효과는 처음 사용한 자성을 띈 활성탄과 비교하여 유사하였다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예 및 응용 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예 및 응용 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 될 것이다.

1: 질소가스 주입부
2: 가정용 마이크로웨이브 발생 장치
3: 마이크로파 반응조 연결부
4: 질소 및 가스 배출부
5: 내부 반응조
6: 철을 함유한 활성탄
7: 외부 반응조
8: 자석
9: 마이크로파 처리 전 철을 함유한 활성탄
10: 마이크로파 처리 후 철을 함유한 활성탄

Claims (5)

1) 활성탄을 FeCl₃ 용액에 담그어 철을 활성탄에 이식하는 단계;
2) 상기 활성탄을 70~90℃의 온도에서 건조하는 단계; 및
3) 질소 환경 하에서 20WH 내지 40WH로 1분 내지 5분간 마이크로파를 조사하여 상기 활성탄에 자성을 부여하는 단계; 를 포함하며 상기 활성탄은 직경이 2mm이상 1cm이하인 것을 특징으로 하는 자성을 띈 활성탄 제조 방법.

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