KR101799871B1

KR101799871B1 - 이온성 액체를 이용한 슬러지 함수율 저감방법

Info

Publication number: KR101799871B1
Application number: KR1020160019553A
Authority: KR
Inventors: 하성호; 조민수; 이혜린
Original assignee: 한남대학교 산학협력단
Priority date: 2016-02-19
Filing date: 2016-02-19
Publication date: 2017-11-22
Also published as: KR20170097896A

Abstract

본 발명은 이온성 액체를 이용한 슬러지 함수율 저감 방법에 관한 것으로, 친수성 이온성 액체를 슬러지에 투입하여 친수성 이온성 액체와 슬러지 혼합물을 준비하는 제1 단계, 친수성 이온성 액체와 슬러지 혼합물을 교반하는 제2 단계, 이온성 액체층과 슬러지층으로 분리하는 제3 단계, 이온성 액체층으로부터 수분을 제거하여 이온성 액체를 회수하는 제4 단계를 포함한다.

Description

이온성 액체를 이용한 슬러지 함수율 저감방법 {Process for Enhancement of Reduction Efficiency in Moisture Content of Sludge by Treatment with Ionic Liquids}

본 발명은 슬러지의 함수율을 저감시키는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 친수성 이온성 액체를 슬러지에 혼합하여 슬러지에 함유된 수분을 제거하는 슬러지 함수율 저감방법에 관한 것이다.

하수슬러지는 하수처리과정에서 필연적으로 발생하는데, 도시화의 진전과 국가적인 수질보전 정책의 적극적인 추진으로 인해 하수처리장의 수와 하수처리량은 매년 급격하게 증가하였다. 이에 따라 자연히 하수슬러지 발생량도 급격한 증가추세에 있는 상황이다.

과거 하수처리량이 소량일 때는 슬러지 발생량도 작아서 대부분 매립장에서 생활쓰레기와 같이 매립 처분하여도 무방하였으나 하수처리량이 많아지면서 매립장에서의 매립작업 곤란, 침출수 발생량 증가 등 다양한 문제가 발생하였다. 특히, 1997년 직매립금지 명문화에 따라 2003년 7월부터 유기성 슬러지의 함수율과 관계없이 육상 직매립이 금지되었다. 그 결과 육상매립에서 해양투기로 전환되었으나 해양오염의 피해, 해양 생태계에 미치는 영향 등의 문제점이 부각되어, 런던협약 '96 의정서가 2006년 3월 발효되어 2011년부터는 하수슬러지의 해양투기가 불가능한 상황이다.

물론 하수슬러지의 경우 아직까지도 매립이 허용되고 있으나, 슬러지로부터 발생하는 침출수에 환경이 오염되지 않도록 슬러지의 함수율을 제한하고 있는 상황이다. 또한 매립지는 한정되어 있는 반면 발생량은 매년 증가하고 있어 하수슬러지 처리비용은 지속적으로 증가할 것으로 예측되므로 이러한 하수슬러지의 함수율을 저감시키기 위한 기술개발이 절실히 필요한 상황이다.

이러한 하수 슬러지의 함수율을 저감시키기 위한 종래기술이 한국공개특허공보 2014-0086570호 및 한국공개특허공보 2015-0007751호에 개시되어 있다.

전술한 한국공개특허공보 2014-0086570호에는 산화칼슘(CaO) 함량이 20%~70%인 제지 슬러지 소각잔재 및 우뭇가사리 추출액과 향초 추출액의 천연성분과 불포화 폴리에스테르 액상수지, 유기과산화물 및 경유를 포함하는 혼화재를 포함하는 것을 특징으로 하는 고함수 슬러지 탈수재를 제조하는 단계; 슬러지 100중량부에 대하여, 상기 탈수재 5~100중량부를 혼합하는 단계; 및 상기 슬러지와 탈수재의 혼합물을 양생하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고함수 슬러지 탈수방법이 개시되어 있다. 이러한 방법에 의하면, 소각잔재에 다량 함유된 CaO를 이용하여 고함수 슬러지의 함수율을 저감시키는 효과가 있고, 또한 CaO의 발열 작용으로 수분이 증발하는 효과도 있다. 그러나 산화칼슘(CaO)이 포함된 제지 슬러지 소각잔재가 포함된 혼화재를 첨가함으로써 슬러지의 함수율은 저감될 수 있으나, 혼화재를 첨가함으로써 슬러지의 부피와 중량이 증가되고 결과적으로는 매립 비용과 관련된 슬러지 처리비용 증가라는 또다른 문제점을 야기시킨다는 문제점이 있다.

또한 한국공개특허공보 2015-0007751호에는 내부에 슬러지를 수용할 수 있는 공간이 형성되는 바디부, 바디부 내부에 설치되고, 슬러지를 이송하는 슬러지 이송유닛, 슬러지 이송유닛의 하부에 설치되고, 슬러지가 가열될 때 발생하는 기체, 혹은 액체를 포집하는 배출수 배출구로 구성된다. 배출수 배출구는 슬러지를 가열하면서 발생된 액체, 기체를 포집하여 바디부 외부로 배출시켜 슬러지 가열효율을 높일 수 있다는 슬러지 건조장치가 개시되어 있다. 상기 선행문헌에 기재된 가열방법에 의하여 슬러지의 함수율을 감소시킬 수 있다는 효과는 있으나, 하수처리장으로부터 발생되는 대부분의 슬러지는 증식한 미생물로서 가열만으로는 세포 내부의 수분을 효과적으로 제거할 수 없을 뿐만 아니라 가열에 필요한 막대한 운영경비가 필요하다는 문제점이 있다.

한국공개특허공보 2014-0086570호 한국공개특허공보 2015-0007751호

본 발명은 상술한 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 슬러지에 포함된 수분만을 효과적으로 제거함으로써 슬러지의 전체적인 무게와 부피를 줄일 수 있는 효과적인 함수율 저감방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 슬러지 함수율 저감방법에서는 친수성 이온성 액체를 슬러지에 투입하여 친수성 이온성 액체와 슬러지 혼합물을 준비하는 제1 단계 및 상기 친수성 이온성 액체와 슬러지 혼합물을 교반하는 제2 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 친수성 이온성 액체는 1-butyl-3-methylimidazolium methylsulfate ([Bmim][MeSO₄]) 또는 1-butyl-3-methyl-imidazolium trifluoromethanesulfonate ([Bmim][TfO])일 수 있다.

또한 본 발명의 슬러지의 함수율 저감방법에서는, 상기 제2 단계 이후에 이온성 액체층과 슬러지층으로 분리하는 제3 단계 및 상기 제3 단계에서 얻어진 이온성 액체층에 포함된 수분을 제거하여 순수한 이온성 액체를 회수하는 제4 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 슬러지 함수율 저감방법에서는 수분 제거를 위하여 첨가한 이온성 액체를 다시 회수하기 때문에, 슬러지의 무게와 부피를 증가시키지 않고 수분만을 제거할 수 있어 친환경적이라는 장점이 있다.

또한 본 발명의 저감방법에서는 가열에 필요한 에너지를 최소화할 수 있고, 아울러 저감 방법이 간단하여 이를 구현하기 위한 장치를 간소화할 수 있다는 이점이 있다.

도 1은 이온성 액체 종류에 따른 수분 변화율 결과이다.
도 2는 원심분리에 의하여 이온성 액체층, 슬러지층, 수분층으로 분리된 사진이다.

이하, 본 발명에 따른 이온성 액체를 이용한 슬러지 함수율 저감방법에 관하여 구체적으로 설명하기로 한다.

본 출원에서 "포함한다", "가지다" 또는 "구비하다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

또한, 다르게 정의되지 않는 한 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

본 발명은 친수성 이온성 액체를 이용하여 하수처리과정에서 발생하는 슬러지에 포함된 수분을 저감시키는 방법에 관한 것으로, 친수성 이온성 액체를 슬러지에 투입하여 친수성 이온성 액체와 슬러지 혼합물을 준비하는 제1 단계, 상기 친수성 이온성 액체와 슬러지 혼합물을 교반하는 제2 단계, 상기 제2 단계 이후에 이온성 액체층과 슬러지층으로 분리하는 제3 단계 및 상기 제3 단계에서 얻어진 이온성 액체층으로부터 수분을 제거하여 이온성 액체층을 회수하는 제4 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

이온성액체는 비휘발성, 무독성, 비가연성이며 우수한 열적 안정성, 이온전도도를 지니고 있을 뿐 아니라 극성이 커서 무기 및 유기금속 화합물을 잘 용해시키며 넓은 온도범위에서 액체로 존재하는 독특한 특성을 갖고 있어서 잠재성 있는 청정 용매(green solvents)로서의 가치가 높은 것으로 알려져 있다. 또한, 녹는점, 점도, 밀도, 소수성도, 극성도 등과 같은 이온성액체의 화학적, 물리적 성질은 이온성액체를 구성하는 양이온과 음이온의 구조를 변화시킴으로써 조절이 가능하기 때문에 사용 목적에 부합하는 이온성액체를 용이하게 합성할 수 있어 이온성 액체를 흔히 디자이너 용매(designer solvent)라고 한다.

이온성 액체는 현재까지 이용되고 있는 유기용매가 지니지 못한 다양한 성질을 나타냄으로써 화학반응을 위한 차세대 반응 매질 및 추출 용매로 각광을 받고 있는데, 최근 들어 이온성 액체가 바이오매스의 주요성분들인 셀룰로오스를 비롯한 헤미셀룰로오스, 리그닌, 키틴 등을 포함한 다양한 다당류들을 용해시킬 수 있다는 것이 보고되어 있다.

< 실험예 >

경기도 탄천 인근의 A 하수처리장으로부터 수거한 슬러지(함수율 78%)를 사용하였으며, 시료의 변질을 방지하기 위하여 4℃에서 보관하였다. 슬러지의 함수율을 저감시킬 목적으로 친수성 이온성 액체 2종류와 소수성 이온성 액체 2종류를 사용하였다. 구체적으로 친수성 이온성 액체는 1-butyl-3- methylimidazolium methylsulfate(이하 [Bmim][MeSO₄]라 함)와 1-butyl-3-methyl- imidazolium trifluoromethanesulfonate(이하 [Bmim][TfO]라 함)를 사용하였고, 소수성 이온성액체로는 1-butyl-3-methylimidazolium hexafluorophosphate(이하 [Bmim][PF₆]라 함), 1-butyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide(이하 [Bmim][Tf₂N]라 함)를 사용하였다.

슬러지와 이온성액체를 유리 바이알(vial)에 소정량 넣은 후, 열공급 및 교반이 가능한 반응기에서 60℃에서 소정시간 동안 500 rpm의 속도로 교반을 실시하였다.

교반이 완료된 후, 12,000 rpm에서 10분 동안 원심분리하여 수분층, 슬러지층, 이온성 액체층으로 분리하였고, 아래와 같은 계산방법으로 수분 증발율, 수분 추출율, 이온성 액체 잔류수분율 및 슬러지 함수율을 계산하였다.

수분 증발율 ( wt% )

슬러지와 이온성 액체가 들어있는 바이알 전체의 질량을 반응 전과 반응 후에 측정하였고, 그 차이를 실험에 사용한 슬러지의 수분총량으로 나누어 산출하였다.

수분 추출율 ( wt% )

원심분리하여 분리된 수분층의 양을 실험에 사용한 슬러지의 수분총량으로 나누어 산출하였다.

이온성액체(IL)층 잔류수분율 ( wt% )

원심분리하여 분리된 이온성 액체층을 80℃의 드라이오븐(dry oven)에서 12시간 동안 건조시킨 후 무게를 측정하여, 건조 전 이온성 액체층과의 무게 차이로부터 이온성 액체층에 잔류하는 수분량을 계산하였다. 또한 이 잔류하는 수분량을 실험에 사용한 슬러지의 수분총량으로 나누어 이온성 액체증에 잔류하는 수분율로 정의하였다.

슬러지 함수율( wt% )

슬러지층을 80℃의 드라이오븐(dry oven)에서 12시간 건조시킨 후 무게를 측정하여, 건조 전 슬러지층과의 무게 차이로부터 슬러지층에 포함된 수분량을 계산하였다. 또한 이들 수분량 및 슬러지 고형물의 무게로부터 반응전 또는 반응 후의 슬러지 함수율을 계산하였다.

< 실시예 >

이온성 액체의 수분 제거효과를 알아보기 위하여, 함수율 78%인 3g의 슬러지에 친수성 이온성 액체를 3mL주입하여 반응시킨 후 수분 증발율, 수분 추출율, 이온성 액체 잔류수분율 및 슬러지 함수율을 조사하였다. 이때의 반응조건은 온도 60℃, 교반 속도 500rpm 및 교반 시간 24시간으로 진행하였고, 이들 결과를 도 1 및 도 2에 나타내었다.

도 1의 결과로부터 알 수 있듯이, 이온성 액체를 주입하여 교반시킴으로써 반응전 78%였던 슬러지의 함수율을 49%~67%로 저감시킬 수 있다는 것이 확인되었다.

각 이온성 액체에 의한 슬러지 함수율 결과를 구체적으로 살펴보면, 친수성 액체인 [Bmim][TfO]를 사용한 경우가 49%로 슬러지 함수율 저감효과가 가장 크고, 특히 도 2에서 알 수 있듯이 슬러지층과 이온층이 명확히 구분된다는 점에서 이온층의 회수도 용이한 것을 알 수 있다. 친수성 액체인 [MeSO₄]도 수분함수율을 52.1%로 낮출 수 있었으나, 소수성 이온성 액체인 [Bmim][PF₆]와 [Tf₂N]은 각각 67.6%와 67.2%로 친수성 이온성 액체에 비해서는 슬러지의 함수율이 15%~18% 높은 것으로 조사되었다.

이러한 결과들로부터 이온성 액체를 사용함으로써 슬러지의 함수율을 저감시키는 것이 가능한 것을 알 수 있고, 특히 친수성 이온성 액체인 [Bmim][TfO]를 사용하는 것이 가장 유리한 것을 알 수 있다.

한편, 수분이 포함된 이온성 액체는 초음파를 조사하여 이온성 액체에 포함된 물을 미립화시켜 제거하는 단계를 통하여 이온성 액체를 회수하여 재사용할 수 있다. 이러한 초음파 조사를 통한 이온성 액체의 회수방법은 KR 10-1061875호에 구체적으로 기재되어 있으므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것은 아니며, 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연하다.

Claims

슬러지의 함수율을 저감하는 방법에 있어서,
친수성 이온성 액체를 슬러지에 투입하여 친수성 이온성 액체와 슬러지 혼합물을 준비하는 제1 단계; 및
상기 친수성 이온성 액체와 슬러지 혼합물을 교반하는 제2 단계를 포함하되,
상기 친수성 이온성 액체는 1-butyl-3-methylimidazolium methylsulfate ([Bmim][MeSO₄]) 또는 1-butyl-3-methyl-imidazolium trifluoromethanesulfonate ([Bmim][TfO])인 것을 특징으로 하는 이온성 액체를 이용한 슬러지의 함수율 저감방법.
삭제
삭제
제1항에 있어서,
상기 제2 단계 이후에 이온성 액체층, 수분층 및 슬러지층으로 분리하는 제3 단계; 및
상기 제3 단계에서 얻어진 이온성 액체층에 포함된 수분을 제거하여 순수한 이온성 액체를 회수하는 제4 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이온성 액체를 이용한 슬러지의 함수율 저감방법.