KR102320529B1 - 중금속 및 난분해성 유기물 제거용으로 흡착 카트리지에 충진할 수 있는 흡착제 제조방법 및 이로부터 제조된 카트리지 타입의 흡착 시스템을 포함하는 폐수 처리 시스템 - Google Patents
중금속 및 난분해성 유기물 제거용으로 흡착 카트리지에 충진할 수 있는 흡착제 제조방법 및 이로부터 제조된 카트리지 타입의 흡착 시스템을 포함하는 폐수 처리 시스템 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명에 의한 흡착 카트리지 타입에 충진할 수 있는 흡착제 제조방법은 미생물 바이오매스와 천연 고분자를 혼합하여 혼합용액을 제조하는 제 1단계; 상기 제 1단계의 혼합용액을 경화제 수용액에 방사하여 섬유상 흡착기재를 제조하는 제 2단계; 상기 흡착기재에 표면개질제를 첨가하는 제 3단계; 및 상기 제 3단계 후 가교제를 추가적으로 첨가하는 제 4단계;를 포함하며, 이러한 단계를 포함함으로써 산업폐수내 생태독성 원인물질을 저감할 수 있는 흡착제를 제조할 수 있는 장점이 있다. 나아가, 천연 고분자를 양이온성 또는 음이온성으로 선택하여 산업폐수내 음이온성 또는 양이온성 오염물질을 더욱 효율적으로 제거할 수 있는 장점이 있다.
Description
본 발명은 중금속 및 난분해성 유기물 등의 오염물질에 대한 처리효율이 우수한 흡착 카트리지 타입에 충진할 수 있는 흡착제 제조방법과 이로부터 제조된 흡착 카트리지 타입의 흡착 시스템에 관한 것이다.
최근 화학공업의 급속한 발달로 인하여 산업폐수가 발생하고 그 양이 점차 증가하고 있다. 특히 산업폐수에는 화학적으로 복잡한 구조의 화합물 사용이 다양해짐에 따라 중금속, 난분해성 유기물, 수처리 약품 등의 농도 또한 계속해서 증가하고 있다. 이러한 산업폐수내 오염 물질은 정화하기 힘들며 처리 효율이 떨어지고 처리비용이 비싸다는 문제점이 있다. 또한 산업폐수 처리수의 생태독성을 배출 허용기준 이하로 처리하기가 매우 어려운 실정이다.
가장 보편화 되어있는 산업폐수 처리 기술은 수처리 약품을 통하여 오염물질을 제거하는 방식인데 이 방식은 생태독성 원인물질을 완벽히 제거할 수 없을 뿐만 아니라 수처리 약품의 과다 사용과 2차 오염 물질이 발생하며 이 오염물질을 재처리하여 처리비용이 상승하는 문제점이 있다. 또한 대부분의 산업폐수 처리 시설은 수처리 장비를 설치하는데 있어 많은 비용과 부지가 소요되며 기존 수처리 설비의 교체나 새로운 시설을 추가하는 것을 꺼려하는 실정이다.
기존 산업폐수 처리 기술 중 중금속, 난분해성 유기물 등을 제거하기 위한 흡착공정에 쓰이는 흡착탑 및 흡착컬럼을 이용한 방식은 제거하고자 하는 오염물질을 활성탄, 이온교환수지 등의 흡착제를 이용하여 흡착 제거하고 있다. 하지만 산업폐수내 제거하고자 하는 오염물질에 대해 이들 흡착제의 흡착 성능이 낮아 처리 효율이 낮을 뿐만 아니라 사용 완료된 흡착제의 교체가 어렵고 흡착성능이 낮아 흡착탑의 규모가 매우 큰 단점이 있다.
본 발명의 목적은 중금속 및 난분해성 유기물 등 오염물질에 흡착 성능이 우수하며, 배출수의 생태독성 저감 효과가 우수한 흡착제 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 흡착제의 교체가 용이하며 산업폐수 처리수의 압력 강하를 최소화할 수 있는 흡착제가 충진된 흡착 카트리지 타입의 흡착 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 산업폐수의 중금속, 난분해성 유기물 또는 수처리약품 등과 같은 생태독성 원인물질을 저감할 수 있는 폐수 처리 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명에 의한 흡착 카트리지에 충진할 수 있는 흡착제 제조방법은 미생물 바이오매스와 천연 고분자를 혼합하여 혼합용액을 제조하는 제 1단계;
상기 제 1단계의 혼합용액을 경화제 수용액에 방사하여 섬유상 흡착기재를 제조하는 제 2단계;
상기 흡착기재에 표면개질제를 첨가하는 제 3단계; 및
상기 제 3단계 후 가교제를 추가적으로 첨가하는 제 4단계;를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 흡착 카트리지에 충진할 수 있는 흡착제 제조방법에서 상기 천연 고분자는 음이온성 천연 고분자이며,
상기 경화제 수용액은 알칼리토금속의 수용성 염을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 흡착 카트리지에 충진할 수 있는 흡착제 제조방법에서 상기 표면개질제는 폴리아크릴산(Polyacrylic acid)을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 흡착 카트리지에 충진할 수 있는 흡착제 제조방법에서 상기 천연 고분자는 양이온성 천연 고분자이며,
상기 경화제 수용액은 염기성인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 흡착 카트리지에 충진할 수 있는 흡착제 제조방법에서 상기 표면개질제는 폴리에틸렌이민(Polyethyleneimine)을 포함할 수 있다.
본 발명은 또한 폐수 처리 시스템을 제공하며, 본 발명에 의한 폐수 처리 시스템은 폐수 처리수가 유입되는 저수조;
본 발명의 일 실시예에 의한 흡착제가 충진된 흡착 카트리지; 및
상기 저수조 및 각 컬럼의 하부에 형성된 마이크로버블 노즐;을 포함한다.
본 발명에 의한 흡착 카트리지 타입에 충진할 수 있는 흡착제 제조방법은 미생물 바이오매스와 천연고분자를 혼합하고, 이를 방사하고 표면개질제 및 가교제를 추가적으로 첨가하여 흡착제를 제조함으로써, 중금속 및 난분해성 유기물에 대해 흡착성능이 우수하며, 이에 따라 배출수의 생태독성 저감 효과가 우수하고, 폐수 처리수의 압력 강하를 최소화하며, 흡착 카트리지를 쉽게 교체할 수 있으며, 폐수 처리 후 배출되는 방류수의 생태독성을 저감할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 흡착제가 충진된 카트리지를 포함하는 폐수 처리 시스템을 대략적으로 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 흡착 카트리지 타입에 충진할 수 있는 흡착제의 제조과정을 대략적으로 도시한 것이다.
도 3 및 4는 본 발명의 표면개질 및 가교 전후 흡착기재를 SEM으로 관찰하고 이를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 의한 표면개질 및 가교 전후 흡착기재를 FT-IR로 관찰하고 그 결과를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 흡착 카트리지 타입에 충진할 수 있는 흡착제의 제조과정을 대략적으로 도시한 것이다.
도 3 및 4는 본 발명의 표면개질 및 가교 전후 흡착기재를 SEM으로 관찰하고 이를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 의한 표면개질 및 가교 전후 흡착기재를 FT-IR로 관찰하고 그 결과를 도시한 것이다.
본 발명의 실시예들에 대한 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 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
본 발명에 의한 흡착 카트리지 타입에 충진할 수 있는 흡착제 제조방법은 미생물 바이오매스와 천연 고분자를 혼합하여 혼합용액을 제조하는 제 1단계;
상기 제 1단계의 혼합용액을 경화제 수용액에 방사하여 섬유상 흡착기재를 제조하는 제 2단계;
상기 흡착기재에 표면개질제를 첨가하는 제 3단계; 및
상기 제 3단계 후 가교제를 추가적으로 첨가하는 제 4단계;를 포함한다.
본 발명에 의한 흡착 카트리지 타입에 충진할 수 있는 흡착제 제조방법은 상술한 제 1단계 내지 제 4단계를 포함함으로써 중금속 및 난분해성 유기물(염료) 흡착성능이 우수한 흡착제를 제조할 수 있는 장점이 있다.
구체적으로, 본 발명에 의한 흡착 카트리지 타입에 충진할 수 있는 흡착제 제조방법은 미생물 바이오매스와 천연 고분자를 함께 방사함으로써, 섬유상의 흡착기재를 형성하는 단계를 포함하며, 상술한 방사를 통해 천연 고분자 표면에 바이오매스가 균일하게 분포하는 흡착기재를 제조할 수 있는 장점이 있으며, 상기 바이오매스를 표면개질하고 가교하는 단계를 더 포함함으로써, 천연고분자 상에 균일하게 표면개질제가 분포하는 장점이 있다. 결과적으로 소량의 흡착제로도 우수한 흡착성능을 나타내는 흡착 카트리지 타입에 충진할 수 있으며, 섬유상 기재를 이용함으로써 흡착 시스템에서 교체가 용이하고, 압력강하를 최소화 할 수 있는 흡착제를 제조할 수 있는 장점이 있다.
종래 바이오매스를 표면개질한 흡착제의 경우 바이오매스의 크기가 너무 작아 고액 분리가 어려우며, 흡착 카트리지 및 컬럼 등에 충진이 어려운 문제점이 있다. 그러나, 본 발명에 의한 흡착 카트리지 타입에 충진할 수 있는 흡착제 제조방법은 천연 고분자를 이용함으로서 바이오매스와의 부착력을 현저히 향상시킬 수 있으며, 천연고분자 및 바이오매스를 이용하여 섬유상 흡착기재를 제조함으로써 흡착 카트리지 또는 컬럼 등에 충진되더라도 섬유상으로 입상화된 흡착제가 쉽게 빠져나오지 않으면서도 넓은 비표면적을 확보할 수 있는 장점이 있다.
본 발명에 의한 흡착 카트리지 타입에 충진할 수 있는 흡착제 제조방법은 미생물 바이오매스와 천연 고분자를 혼합하여 혼합용액을 제조하는 제 1단계;를 포함한다. 본 발명에 의한 상기 미생물 바이오매스에서 미생물은 그 종류에 제한되지 않으며, 본 발명의 범위가 미생물의 종류에 의해 한정되지 않는다. 구체적이고 비한정적인 일예로 상기 미생물은 코리네박테리움 암모니아게네스(Corynebacterium ammoniagenes), 코리네 박테리움 글루타미쿰(Corynebacterium glutamicum), 에스케리치아 콜라이(Escherichia coli), 바실러스 메가테리움 (Bacillus megatherium) 및 세라샤 마르세센스(Serratia marcescens) 및 브레비박테리움 암모니아게네스(Brevibacterium ammoniagenes)에서 선택되는 하나 또는 둘 이상일 수 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
구체적으로 상기 미생물 바이오매스는 미생물을 이용하여 아미노산 등의 유효물질을 생산하고 발생한 균체 폐기물 일 수 있으며, 이러한 균체 폐기물을 이용함으로써 흡착제의 생산 단가를 절감할 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 흡착 카트리지 타입에 충진할 수 있는 흡착제 제조방법에서 천연 고분자: 미생물 바이오매스의 중량비는 1:0.5 내지 4일 수 있으며, 바이오매스가 소량 혼합되는 경우 흡착성능 저하가 발생할 수 있으며, 바이오매스가 다량 혼합되는 경우 바이오매스의 응집에 의해 추후 표면개질 효과가 저하되는 문제가 발생할 수 있다.
또한 상기 혼합용액은 천연고분자 100g 대비 2 내지 8L의 물을 포함할 수 있으며, 물이 너무 적은 경우 천연고분자의 농도가 지나치게 높아 방사가 어려운 문제가 발생할 수 있으며, 물이 지나치게 많은 경우 섬유상의 형성이 어려워지는 문제가 있다.
상기 천연 고분자는 바이오매스가 표면에 흡착될 수 있는 천연고분자인 경우 제한없이 이용이 가능하며, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다. 좋게는, 본 발명의 일 실시예에 의한 흡착 카트리지 타입에 충진할 수 있는 흡착제 제조방법에서 상기 천연 고분자는 양이온성 천연고분자 또는 음이온성 천연고분자일 수 있다. 이때 양이온성 천연 고분자는 키토산 및 폴리리신에서 선택되는 하나 또는 둘 이상을 포함할 수 있으며, 음이온성 천연고분자는 알긴산, 카라기난, 셀룰로오스 황산염, 덱스트란 황산염 및 콘드로이틴 황산염에서 선택되는 하나 또는 둘 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 흡착 카트리지 타입에 충진할 수 있는 흡착제 제조방법에서 흡착제는 오염물질의 종류에 따라 양이온성 천연 고분자 또는 음이온성 천연 고분자를 포함할 수 있으며, 구체적으로는 산업폐수내 오염 물질이 양이온인 경우 음이온성 천연 고분자를 포함하는 흡착제를 이용할 수 있고, 오염물질이 음이온인 경우 양이온성 천연고분자를 포함하는 흡착제를 이용할 수 있다. 이러한 천연 고분자의 선택에 따라 산업폐수내 특정 오염물질을 현저히 높은 효율로 제거할 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 흡착 카트리지 타입에 충진할 수 있는 흡착제 제조방법은 상기 천연고분자가 양이온성인 경우와 음이온성인 경우 경화제 및 표면개질제가 달라질 수 있으므로, 양이온성 고분자인 경우와 음이온성 고분자인 경우로 나누어 설명한다.
상기 천연 고분자가 음이온성 천연 고분자인 경우, 상기 경화제 수용액은 알칼리토금속의 수용성 염을 포함할 수 있다. 음이온성 천연 고분자를 포함하는 혼합용액을 알칼리토금속의 수용성 염에 방사 함으로써 상기 경화제 수용액에 상기 혼합용액이 방사됨과 동시에 경화가 진행되어, 섬유 형태의 흡착기재를 제조할 수 있다. 이때 방사는 방사노즐과 같은 통상의 방사수단을 통해 수행될 수 있으며, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
좋게는 상기 알칼리토금속의 수용성 염은 칼슘 또는 마그네슘과 같은 알칼리 토금속의 염화물 또는 브롬화물일 수 있으며, 상기 경화제 수용액은 농도가 0.5 내지 5 중량%, 좋게는 1 내지 5 중량%일 수 있다. 경화제 수용액의 농도가 낮은 경우 방사가 잘 수행되지 않을 수 있으며, 경화제 수용액의 농도가 높은 경우 방사로 섬유상 형성이 어려운 문제가 발생할 수 있다.
본 발명에 의한 흡착 카트리지용 흡착제 제조방법은 상기 제 2단계 후 흡착기재를 분리하여 세척한 후, 흡착기재에 표면개질제를 첨가하는 제 3단계를 더 포함할 수 있다. 상기 천연 고분자가 음이온성 고분자인 경우 상기 표면개질제는 폴리아크릴산(Polyacrylic acid)을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 제 3단계에서 상기 표면개질제 수용액은 농도가 0.1 내지 1 중량%, 좋게는 0.1 내지 0.5 중량%일 수 있다. 상기 표면개질제 수용액에 상기 흡착기재를 첨가하고, 30분 내지 3시간 동안 교반하는 단계를 포함할 수 있으며, 이러한 과정을 통하여 흡착기재를 표면개질할 수 있다.
본 발명에 의한 흡착 카트리지 타입에 충진할 수 있는 흡착제 제조방법은 상기 제 3단계 후 가교제를 추가적으로 첨가하는 제 4단계;를 포함한다. 구체적으로, 상기 제 4단계는 상기 제 3단계를 거친 흡착기재에서 고형분을 분리한 뒤, 분리된 고형분을 가교제 수용액에 함침하는 단계를 포함할 수 있다.
이때 가교제는 통상적인 표면개질제의 가교제인 경우 제한없이 이용이 가능하다. 구체적이고 비한정적인 일예로 상기 가교제는 글루타르알데하이드, 이소시아나이드 유도체, 에피클로로히드린 및 비스디아조벤지딘에서 선택되는 하나 또는 둘 이상일 수 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 가교제 수용액에서 가교제의 농도는 0.1 내지 1.5 중량%, 바람직하게는 0.3 내지 1 중량%일 수 있으며, 가교제의 농도가 낮을 경우 가교가 잘 일어나지 않을 수 있으며, 가교제 농도가 높을 경우 가교 효율 상승은 나타나지 않으면서도, 가교제의 세척이 어려운 문제가 발생할 수 있다.
나아가 상기 천연고분자가 음이온성 천연고분자인 경우, 상기 가교제 수용액은 산을 더 포함할 수 있다. 상기 천연 고분자가 음이온성 천연 고분자인 경우, 가교제가 산을 더 포함함으로써 가교 효율을 극대화 시킬 수 있다. 이때 산은 염산, 황산 및 질산 등의 무기산을 이용할 수 있으며, 상기 가교제 수용액에서 산의 농도는 0.1 내지 1 중량%일 수 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 천연 고분자가 양이온성 천연 고분자인 경우, 상기 경화제 수용액은 염기성일 수 있으며, 상기 혼합용액은 산성의 수용액일 수 있다. 좋게는, 상기 천연 고분자가 양이온성 천연 고분자인 경우, 상기 혼합용액은 아세트산 등과 같은 유기산 용액에 천연 고분자 및 바이오매스를 분산시킨 것일 수 있다. 이때 유기산의 농도는 0.5 내지 5 중량%, 좋게는 1 내지 3 중량%일 수 있으며, 유기산의 농도가 높을 경우 이후 염기성 경화제 수용액에 의한 경화가 어려운 문제점이 있으며, 유기산 농도가 낮을 경우 양이온성 천연 고분자 상에 바이오매스를 부착시키기 어려운 문제점이 있다.
본 발명에 의한 흡착 카트리지 타입에 충진할 수 있는 흡착제 제조방법에서 상기 천연고분자가 양이온성 천연 고분자를 포함하는 혼합용액을 염기성 경화제 수용액에 방사 함으로써 상기 경화제 수용액에 상기 혼합용액이 방사됨과 동시에 경화가 진행되어, 섬유 형태의 흡착기재를 제조할 수 있다. 이때 방사는 방사노즐과 같은 통상의 방사수단을 통해 수행될 수 있으며, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
좋게는 염기성 수용액은 수산화칼륨, 수산화나트륨, 수산화리튬 및 암모니아에서 선택되는 하나 또는 둘 이상을 포함하는 수용액일 수 있으며, 상기 경화제 수용액은 농도가 0.5 내지 4M, 좋게는 1 내지 3M일 수 있다. 경화제 수용액의 농도가 낮은 경우 방사가 잘 수행되지 않을 수 있으며, 경화제 수용액의 농도가 높은 경우 방사로 섬유상 형성이 어려운 문제가 발생할 수 있다.
본 발명에 의한 흡착 카트리지 타입에 충진할 수 있는 흡착제 제조방법은 상기 제 2단계 후 흡착기재를 분리하여 세척한 후, 흡착기재에 표면개질제를 첨가하는 제 3단계를 더 포함할 수 있다. 상기 천연 고분자가 양이온성 고분자인 경우 상기 표면개질제는 폴리에틸렌이민(Polyethyleneimine)을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 제 3단계는 상기 표면개질제 수용액은 농도가 0.1 내지 1 중량%, 좋게는 0.1 내지 0.5 중량%일 수 있다. 상기 표면개질제 수용액에 상기 흡착기재를 첨가하고, 30분 내지 3시간 동안 교반하는 단계를 포함할 수 있으며, 이러한 과정을 통하여 흡착기재를 표면개질할 수 있다.
본 발명에 의한 흡착 카트리지 타입에 충진할 수 있는 흡착제 제조방법은 상기 제 3단계 후 가교제를 추가적으로 첨가하는 제 4단계;를 포함한다. 구체적으로, 상기 제 4단계는 상기 제 3단계를 거친 흡착기재에서 고형분을 분리한 뒤, 분리된 고형분을 가교제 수용액에 함침하는 단계를 포함할 수 있다.
이때 가교제는 통상적인 표면개질제의 가교제인 경우 제한없이 이용이 가능하다. 구체적이고 비한정적인 일예로 상기 가교제는 글루타르알데하이드, 이소시아나이드 유도체, 에피클로로히드린 및 비스디아조벤지딘에서 선택되는 하나 또는 둘 이상일 수 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 가교제 수용액에서 가교제의 농도는 0.1 내지 1.5 중량%, 바람직하게는 0.3 내지 1 중량%일 수 있으며, 가교제의 농도가 낮을 경우 가교가 잘 일어나지 않을 수 있으며, 가교제 농도가 높을 경우 가교 효율 상승은 나타나지 않으면서도, 가교제의 세척이 어려운 문제가 발생할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 흡착 카트리지 타입에 충진할 수 있는 흡착제 제조방법에서 상기 제 4단계를 거쳐 제조되는 섬유상 흡착제의 단면 직경은 약 50 내지 200 ㎛, 구체적으로는 80 내지 150 ㎛일 수 있다. 섬유상 흡착제의 단면 직경이 작은 경우 카트리지에서 쉽게 빠져나올 수 있고, 처리수의 흐름이 원활하지 않은 문제가 있으며, 상기 섬유상 흡착제의 단면 직경이 큰 경우 낮은 표면적으로 흡착효율의 저하가 발생할 수 있다.
본 발명은 또한 흡착제가 충진된 흡착 카트리지 타입의 흡착 시스템을 제공하며, 본 발명에 의한 흡착 시스템은 산업폐수 처리수가 유입되는 저수조;
본 발명의 일 실시예에 의한 흡착 카트리지 타입에 충진할 수 있는 흡착제 제조방법으로 제조된 흡착제가 충진된 흡착 카트리지; 및
상기 저수조의 하부 및 각 컬럼 하부에 각각 형성된 마이크로버블 노즐;을 포함한다.
상술한 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 의한 흡착 카트리지 타입에 충진할 수 있는 흡착제 제조방법은 바이오매스를 포함하는 섬유상의 흡착기재 상에 표면개질제 및 가교제를 포함함으로써 중금속, 수처리 약품 등과 같은 오염물질을 종래의 활성탄 등을 이용하는 경우 대비 높은 효율로 흡착 할 수 있는 장점이 있으며, 이에 따라 활성탄 등의 통상의 흡착제를 이용하는 경우 대비 현저히 높은 효율로 중금속 및 난분해성 유기물 등과 같은 생태독성 원인물질을 저감하여 배출이 가능하다. 또한, 높은 효율을 통하여 카트리지의 소형화, 나아가 폐수 처리 시스템 전체의 소형화가 가능한 장점이 있다.
상기 흡착 시스템은 정화하고자 하는 폐수의 종류, 농도 등에 따라 복수개의 흡착 카트리지를 포함할 수 있으며, 나아가 상기 흡착 카트리지는 다단을 형성될 수 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
또한 본 발명의 일 실시예에 의한 흡착 시스템은 처리하고자 하는 산업폐수의 처리수가 함유하고 있는 오염물질의 종류에 따라 흡착 카트리지에 충진되는 흡착제를 달리 설계할 수 있다. 구체적으로, 처리수가 양이온성 오염물질을 다량 함유하는 경우 음이온성 천연고분자 및 바이오매스를 흡착기재로 포함하는 흡착제를 이용할 수 있으며, 처리수가 음이온성 오염물질을 다량 함유하는 경우 양이온성 천연고분자 및 바이오매스를 흡착기재로 포함하는 흡착제를 이용할 수 있다.
또한 본 발명에 의한 흡착 시스템은 상기 저수조의 하부 및 각 컬럼 하부에 위치하는 마이크로버블 노즐을 포함할 수 있으며, 마이크로버블 노즐에 의하여 폐수처리가 진행되는 동안 버블이 부상하여 오염물질의 응집을 촉진할 수 있으며, 이에 따라 흡착 효율 향상효과를 도모할 수 있는 장점이 있다.
이하, 본 발명을 실시예 및 비교예에 의해 구체적으로 설명한다. 아래 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐이며, 본 발명의 범위가 아래 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
[제조예 1]
아미노산 생산 후 부산물로 발생하는 Corynebacterium glutamicum을 바이오매스(Biomass)로 이용하였다. 알긴산 600g을 증류수 50L에 녹인 후 바이오매스(Biomass) 2kg을 넣어 1시간 동안 교반하고, 바이오매스와 알긴산이 용해된 혼합용액을 방사노즐을 통해 2% CaCl2 용액에 방사하여 섬유형태로 경화하여 흡착기재를 제조하였다.
2% CaCl2 용액에서 경화된 흡착제를 분리하여 세척 후 0.3% 폴리아크릴산(PAA) 수용액에 혼합하여 1시간 동안 교반하고 고형분을 분리한 뒤, 0.5% HCl 및 0.6% glutaraldehyde(가교제)를 혼합하여 촉매반응과 가교반응을 수행하고, 가교반응 후 표면개질된 흡착제의 표면에 묻은 잔유 개질제와 가교제를 세척 하고 동결건조하여 최종적으로 흡착제를 제조하였다.
[제조예 2]
제조예 1과 같은 바이오매스를 이용하였으며, 키토산 2kg을 2% Acetic acid 용액(50L)에 녹인 후 바이오매스(Biomass) 2kg을 넣어 1시간 동안 교반하고, 바이오매스와 키토산이 용해된 혼합용액을 방사노즐을 통해 2M NaOH 용액에 방사하여 섬유형태로 경화를 하여 흡착기재를 제조하였다.
경화된 흡착제를 분리하여 세척 후 0.3% 폴리에틸렌이민(PEI) 수용액에 혼합하여 1시간 동안 교반하고 고형분을 분리한 뒤, 흡착제를 PEI 용액에서 표면개질 후 0.6% glutaraldehyde(가교제)를 혼합하여 가교반응을 수행하고 가교반응 후 표면개질된 흡착제의 표면에 묻은 잔유 개질제와 가교제를 세척하고 동결건조하여 흡착제를 제조하였다.
표면개질 전후의 바이오매스 관찰
제조예 1에서 제조된 흡착기재 및 폴리아크릴산으로 표면개질 및 가교를 거친 흡착제를 각각 SEM으로 관찰하고 도 3 및 도 4로 나타내었으며, 표면개질 및 가교 전후의 흡착제를 각각 FT-IR로 관찰하고 그 결과를 도 5로 나타내었다.
도 3은 흡착기재이며, 도 4는 표면개질 및 가교 후 바이오매스가 조금 더 조밀하게 응집되며, 연결선들이 나타나 가교되었음을 확인할 수 있다.
도 5를 참고하면, 카르복실 그룹의 -OH 때문에 형성되는 3800~2500cm-1의 넓고 강한 band와 carboxylate anion의 대칭이 강한 peak가 1394cm-1에서 확인할 수 있지만 폴리아크릴산으로 개질된 바이오매스는 raw 바이오매스의 3297cm-1 peak가 3289cm-1로 shift 되었고, 폴리아크릴산 코팅 작용으로 인해 C=O 결합이 vibration 되면서 1394cm-1 peak가 1384cm-1 부근으로 이동한 것을 확인 할 수 있어 폴리아크릴산으로 인한 개질이 성공적으로 되었음을 확인할 수 있다.
흡착성능 확인 - 양이온
염색폐수 중 양이온으로 존재하는 메틸렌블루를 이용하여 흡착성능을 확인하였다.
염료 농도를 500ppm으로 설정하고, 제조된 염료 30 mL에 제조예 1에서 제조된 흡착제를 0.03g, 0.15g, 0.3g, 0.6g, 0.9g, 1.2g, 1.5g 넣고 24시간 동안 Shaking Incubator에서 교반하였으며, 교반 후 상등액의 흡광도를 분석하여 잔존하는 메틸렌블루의 농도를 계산하였으며, 이를 토대로 흡착제의 최대 흡착량을 계산하였다.
동일한 방법으로, 시판 양이온교환 수지인 Amberlite IRC-108H의 최대 흡착량 및 활성탄의 최대 흡착량 또한 계산하였으며, 활성탄의 경우 메틸렌블루에 대해 흡착이 일어나지 않았으며, 제조예 1의 흡착제 및 시판 양이온교환수지이 최대흡착량은 표 1로 나타내었다.
| 제조예 1 | Amberlite IRC-108H | |
| 최대흡착량(mg/g) | 125.5 | 55.4 |
표 1을 참고하면, 양이온성 오염물질인 메틸렌블루에 대하여 제조예 1의 흡착제가 2.2배 이상의 최대 흡착량을 나타냄을 확인할 수 있다.
흡착성능 확인 - 음이온
염색폐수 중 음이온으로 존재하는 reactive orange16을 이용하여 흡착성능을 확인하였다.
염료 농도를 500ppm으로 설정하고, 제조된 염료 30 mL에 제조예 2에서 제조된 흡착제를 0.03g, 0.15g, 0.3g, 0.6g, 0.9g, 1.2g, 1.5g 넣고 24시간 동안 Shaking Incubator에서 교반 하였으며, 교반 후 상등액의 흡광도를 분석하여 잔존하는 reactive orange16의 농도를 계산하였으며, 이를 토대로 흡착제의 최대 흡착량을 계산하였다.
동일한 방법으로, 시판 음이온교환 수지인 Amberlite Monoplus M500의 최대 흡착량 및 활성탄의 최대흡착량 또한 계산하였으며, 활성탄의 경우 메틸렌블루에 대해 흡착이 일어나지 않았으며, 제조예 1의 흡착제 및 시판 음이온 교환수지의 최대흡착량은 표 2로 나타내었다.
| 제조예 1 | Amberlite IRC-108H | |
| 최대흡착량(mg/g) | 314.6 | 30.8 |
표 2을 참고하면, 음이온성 오염물질인 reactive orange16에 대하여 제조예 2의 흡착제가 10배 이상의 최대 흡착량을 나타냄을 확인할 수 있다.
100 저수조
200 흡착 카트리지
300 마이크로버블 노즐
200 흡착 카트리지
300 마이크로버블 노즐
Claims (6)
- 미생물 바이오매스와 음이온성 천연 고분자를 혼합하여 혼합용액을 제조하는 제 1단계;
상기 제 1단계의 혼합용액을 알칼리토금속의 수용성 염을 포함하는 경화제 수용액에 방사하여 섬유상 흡착기재를 제조하는 제 2단계;
상기 흡착기재에 표면개질제를 첨가하는 제 3단계; 및
상기 제 3단계 후 가교제를 추가적으로 첨가하는 제 4단계;를 포함하는 흡착 카트리지 타입에 충진할 수 있는 흡착제 제조방법. - 삭제
- 제 1항에 있어서,
상기 표면개질제는 폴리아크릴산(Polyacrylic acid)을 포함하는 흡착 카트리지 타입에 충진할 수 있는 흡착제 제조방법. - 삭제
- 삭제
- 폐수가 유입되는 저수조;
제 1항 및 제 3항에서 선택되는 어느 한 항의 흡착 카트리지 타입에 충진할 수 있는 흡착제가 충진된 흡착 카트리지; 및
상기 저수조의 하부 및 각 컬럼 하부에 각각 형성된 마이크로버블 노즐;을 포함하는 폐수 처리 시스템.
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|---|---|---|---|
| KR1020190156650 | 2019-11-29 | ||
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20230091398A (ko) | 2021-12-16 | 2023-06-23 | 금오공과대학교 산학협력단 | 폐액 내 방사성오염물질과 유기물 동시제거가 가능한 흡착제 및 이의 제조방법 |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3171546B2 (ja) * | 1995-08-09 | 2001-05-28 | 日本碍子株式会社 | 吸着装置 |
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| KR20120003708A (ko) * | 2010-07-05 | 2012-01-11 | 전북대학교산학협력단 | 키토산-바이오매스 복합체 및 이의 제조방법 |
| KR102213071B1 (ko) | 2017-07-19 | 2021-02-05 | 최순범 | 미세섬유에 바이오매스를 담지한 수처리 필터 |
-
2019
- 2019-12-30 KR KR1020190178543A patent/KR102320529B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (1)
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|---|---|
| KR20210068288A (ko) | 2021-06-09 |
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