KR20120074080A

KR20120074080A - 폐수 중의 과불화화합물 제거용 흡착제 및 제거방법

Info

Publication number: KR20120074080A
Application number: KR1020100136034A
Authority: KR
Inventors: 김민균
Original assignee: 재단법인 포항산업과학연구원
Priority date: 2010-12-27
Filing date: 2010-12-27
Publication date: 2012-07-05

Abstract

흡착제가 충진된 필터 내부에 폐수를 통과시켜 과불화화합물을 제거하는 방법이 소개된다. 흡착제로는 제강슬래그 미분말이 사용되며, 필터를 통과하는 폐수는 pH 4.0~6.0, 흐름속도 1.0~2.0 mL/min로 유지되도록 하며, 필터온도는 15~35℃로 유지되도록 한다.

Description

폐수 중의 과불화화합물 제거용 흡착제 및 제거방법{ABSORBENT MATERIALS AND METHOD FOR REMOVING PERCHLORINATED COMPOUNDS IN WASTE WATER}

본 발명은 제철공정에서 부산하는 슬래그를 이용한 폐수 중의 과불화합물(perfluorinated compounds, PFCs) 제거용 흡착제 및 제거방법에 관한 것이다.

최근 분석기술의 발달로 인해 정수처리 분야에서 다양한 신종 오염물질들이 정의되고 이의 처리방안에 대한 연구가 진행되고 있다.

과불화화합물도 이러한 신종 오염물질로 분류되는 것 중 하나로서 반도체 산업을 비롯한 다양한 산업체로부터 수계를 통해 배출되는데, 매우 안정화되며 난분해성이기 때문에 하천, 호수, 퇴적물 등 우리가 생활하는 환경에 널리 잔존하는 것으로 보고되고 있다.

한편, 과불화화합물은 이의 독성으로 인해 태아의 사산, 체중감소 등도 의심되는 물질이다. 특히 이 물질은 친수성과 소수성을 함께 가지고 있으므로 계면활성제로 널리 이용되어 왔으므로 폐수 중에서 과량의 농도로 발견될 수 있다.

이와 같은 폐수 중에 함유된 과불화화합물을 저감하기 위한 종래의 기술은 일반적으로 활성탄이나 이온교환수지 등이 많이 사용되고 있다. 그러나, 활성탄이나 이온교환수지는 고가의 가격으로 경제적인 면에서도 부담이 커지고 있는 실정이다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래기술의 문제점에 대한 인식에 기초하여 제안된 것으로, 폐수에 함유된 과불화화합물의 제거를 위해 고가의 활성탄 대신 저가의 슬래그를 활용하여 운영비를 절감함과 아울러 폐기물로 취급되는 제철부산물을 재활용하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 폐수 중의 과불화화합물 제거방법은, 흡착제가 충진된 필터 내부에 폐수를 통과시켜 과불화화합물을 제거하되, 상기 흡착제로는 제강슬래그 미분말이 사용되며, 상기 필터를 통과하는 폐수는 pH 4.0~6.0, 흐름속도 1.0~2.0 mL/min로 유지되도록 하며, 필터온도는 15~35℃로 유지되도록 한다.

한편, 본 발명에 따른 과불화화합물 제거용 흡착제는, 중량%로, 산화칼슘(CaO) 25~35%, 이산화규소(SiO₂) 38~51%, 산화알루미늄(Al₂O₃) 2~3, 산화마그네슘(MgO) 5~6%, 산화망간(MnO) 2~3%, 전철분(T-Fe) 30~40%, 탄소(C) 0.6~0.8%, 이산화티탄(TiO₂) 1~1.5%, 오산화인(P₂O₅) 1~1.5%을 포함하는 조성을 갖는다.

상기 흡착제는 0.1mm 이하로 분쇄된 미분말의 제강슬래그일 수 있다.

상술한 바와 같은 본 발명에 의하면, 과불화화합물을 제거하기 위해 제철부산물인 제강슬래그를 사용함으로써 제강슬래그를 재활용함과 동시에 고부가가치화함으로써 자원재활용과 수질 개선을 동시에 이룰 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 폐수 중에 포함된 퍼플루오르옥탄술포네이트(perfluorooctane sulfonate, 이하 PFOS)나 퍼플루오르옥탄산(perfluorooctanoic acid, 이하 PFOA)과 같은 과불화화합물을 효과적으로 제거할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 과불화합물 제거 공정의 설명을 위한 개략도이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 폐수 중의 과불화화합물 제거용 흡착제 및 제거방법에 대하여 살펴본다.

본 발명은 제철과정에서 부산하는 슬래그를 폐수 중의 과불화화합물 제거용 흡착제로 활용하기 위한 방안을 연구하던 중, 특히 제강슬래그가 과불화화합물 흡착제용으로 우수한 성능을 가지고 있음을 알게 된 것에 기초한다.

아래의 표 1은 본 발명에서 이용되는 제강슬래그의 화학적 조성을 나타낸 것이다.

성분	CaO	SiO₂	Al₂O₃	MgO	MnO	T-Fe	C	TiO₂	P₂O₅
wt%	25~35	38~51	2~3	5~6	2~3	30~40	0.6~0.8	1~1.5	1~1.5

위의 표 1에서 보는 바와 같이 제강슬래그는 칼슘이나 알루미늄 등 알칼리성 금속이 매우 높게 함유되어 있으므로 과불화화합물과 같이 음이온 형태의 유기화합물에 대한 흡착능이 매우 우수한 것으로 판단된다.

위와 같은 제강슬래그는 과불화화합물의 흡착 성능을 향상시키기 위해 분쇄된다. 실험 결과 제강슬래그를 직경 0.1mm 이하로 분쇄함에 의해 표면적은 17㎡/g로 향상되었다. 이렇게 분쇄된 제강슬래그는 재질이 단단하여 내구성이 커서 충전제의 수명이 반영구적이다.

도 1에는 위와 같은 제강슬래그 미분말의 흡착제를 이용한 과불화화합물 제거 시스템이 도시되어 있다.

도 1에서 보듯이, 시스템은 폐수가 폐수탱크(10)로부터 정량펌프(20)를 거쳐 공급라인(30)을 따라 필터(40)로 공급된 후, 폐수회수탱크(50)로 보내어지도록 구성된다.

상기 정량펌프(20)는 폐수의 주입속도 조절을 위한 것이며, 필터(40)는 본 발명에 따라 제조된 제강 슬래그의 흡착제(41)가 칼럼(42) 내에 충진되고 온도제어장치(43)에 의해 칼럼(42)의 온도가 유지되도록 구성된다.

위와 같은 시스템을 이용한 본 발명에 따른 흡착제의 과불화화합물 흡착 및 저감 성능에 대한 실험 예를 살펴본다. 아래에는 몇 가지의 대표적인 실험 예들만 기재되어 있다는 점에 유의할 필요가 있다.

실시예 1

먼저 흡착능 실험에 이용할 제강슬래그를 볼밀로 파쇄하여 직경 0.1mm 이하의 미분말 형태로 제조한 후, 증류수로 세척 후 표면의 유기물 제거를 위해 600℃에서 12시간 이상 열처리 하였다.

위와 같이 제조된 미분말 형태의 제강슬래그 100g을 충진재로 이용하여 흐름속도 변화에 따른 과불화화합물의 흡착능을 비교, 평가하였다.

실험에 사용한 과불화화합물은 퍼플루오르옥탄산(PFOA)로서, 농도 100㎍/L의 PFOA를 함유하는 폐수를 1분 동안 필터 내부에 주입하였다. 폐수의 주입 흐름속도는 1.0~10.0 mL/min까지 변경하였으며, 칼럼의 온도는 섭씨 25도로 유지하였고, 폐수의 pH는 0.02M NaH₂PO₄를 이용하여 3.0으로 조정하였으며, 그 결과를 표 2에 나타냈다.

흐름속도(mL/min)	배출농도(㎍/L)	제거효율(%)
1.0	44.8	55.2
2.0	48.7	51.3
5.0	67.2	32.8
10.0	91.4	8.6

위의 표 2에서 보듯이, 과불화화합물이 포함되어 있는 폐수를 흐름속도를 변화시키면서 제강슬래그를 통과시킨 결과, 흐름속도 1.0~2.0mL/min의 범위에서 제거효율이 우수하며, 특히 100㎍/L의 PFOA중 55.2%가 흡착, 제거된 1.0mL/min의 흐름속도에서 가장 높은 흡착능을 보였다. 흐름속도 1.0mL/min 미만은 공정효율 측면에서 바람직하지 못한 것으로 판단된다.

실시예 2

위의 실시예 1에서와 동일한 시스템 및 미분말 형태의 제강슬래그 100g이 충진된 필터를 이용하여 칼럼 온도 변화에 따른 제강슬래그의 과불화화합물 흡착능을 비교하였다.

칼럼의 온도를 섭씨 15~25도로 변화시키면서, 농도 100 ㎍/L의 PFOA를 함유하는 폐수를 1분 동안 1.0 mL/min의 흐름속도로 필터에 주입하였다. 폐수의 pH는 0.02M NaH₂PO₄를 이용하여 3.0으로 조정하였으며, 그 결과를 표 3에 나타냈다.

칼럼온도(℃)	배출농도(㎍/L)	제거효율(%)
15	51.5	48.9
25	44.8	55.2
35	53.4	46.6
50	68.7	31.3

위의 표 3에서 보듯이, 과불화화합물이 포함되어 있는 폐수를 제강슬래그가 포함된 칼럼의 온도를 변화시키면서 제강슬래그를 통과시킨 결과, 칼럼온도 15~35℃에서, 보다 바람직하게는 20~30℃에서 과불화화합물 제거효율이 우수하며, 100 ㎍/L의 PFOA중 55.2%가 흡착, 제거된 25 ℃의 칼럼 온도에서 가장 높은 흡착능을 나타냈다.

실시예 3

위의 실시예 1에서와 동일한 시스템 및 미분말 형태의 제강슬래그 100g이 충진된 필터를 이용하여 폐수의 pH 변화에 따른 제강슬래그의 과불화화합물 흡착능을 비교하였다.

폐수의 pH를 2.0~12.0으로 변화시키면서, 농도 100 ㎍/L의 PFOA를 1분 동안 1.0 mL/min의 흐름속도로 필터에 주입하였으며 칼럼의 온도는 섭씨 25도로 유지 하였다. 폐수의 pH를 조절하기 위해 각 pH에 적당한 완충용액을 조제하여 사용하였다. 실험 결과는 아래 표 4에 나타내었다.

폐수의 pH	배출농도(㎍/L)	제거효율(%)
2.0	48.3	51.7
3.0	44.8	55.2
4.0	46.9	53.1
5.0	38.2	61.8
6.0	43.9	56.1
7.0	51.4	48.6
8.0	58.7	41.3
9.0	78.1	21.9
10.0	81.4	18.6
11.0	83.5	16.5
12.0	89.6	10.4

위 표 4에서 보듯이, 과불화화합물이 포함되어 있는 폐수의 pH를 변화시키면서 제강슬래그를 통과시킨 결과, 폐수의 산도가 pH 3~6인 범위에서 대체로 우수한 흡착능을 보였고, pH 5에서 61.8%의 가장 높은 흡착능을 나타냈다. 과불화화합물의 흡착을 위해 산성화시킨 폐수를 다시 중성화할 필요가 있기에 폐수의 산도는 pH 5를 타겟으로 하여, pH 4~6 정도로 조절되는 것이 바람직한 것으로 판단된다.

이상 본 발명의 특정 실시예에 관하여 도시하고 설명하였지만, 하기의 특허청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명은 다양하게 수정 및 변경될 수 있고 또 이것이 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다는 것이 이해될 필요가 있다.

10: 폐수탱크 20: 정량펌프
30: 폐수 공급관 40: 필터
41: 흡착제 42: 칼럼
43: 온도제어장치 50: 폐수회수탱크

Claims

흡착제가 충진된 필터 내부에 폐수를 통과시켜 과불화화합물을 제거하되,
상기 흡착제로는 제강슬래그 미분말이 사용되며,
상기 필터를 통과하는 폐수는 pH 4.0~6.0, 흐름속도 1.0~2.0 mL/min로 유지되도록 하며, 필터온도는 15~35℃로 유지되도록 함을 특징으로 하는 폐수 중의 과불화화합물 제거방법.
청구항 1에 있어서, 상기 제강슬래그는,
중량%로, 산화칼슘(CaO) 25~35%, 이산화규소(SiO₂) 38~51%, 산화알루미늄(Al₂O₃) 2~3, 산화마그네슘(MgO) 5~6%, 산화망간(MnO) 2~3%, 전철분(T-Fe) 30~40%, 탄소(C) 0.6~0.8%, 이산화티탄(TiO₂) 1~1.5%, 오산화인(P₂O₅) 1~1.5%을 포함하는 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 폐수 중의 과불화화합물 제거방법.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 제강슬래그는 0.1mm 이하로 분쇄된 미분말임을 특징으로 하는 폐수 중의 과불화화합물 제거방법.
중량%로, 산화칼슘(CaO) 25~35%, 이산화규소(SiO₂) 38~51%, 산화알루미늄(Al₂O₃) 2~3, 산화마그네슘(MgO) 5~6%, 산화망간(MnO) 2~3%, 전철분(T-Fe) 30~40%, 탄소(C) 0.6~0.8%, 이산화티탄(TiO₂) 1~1.5%, 오산화인(P₂O₅) 1~1.5%을 포함하는 조성을 가지며, 0.1mm 이하로 분쇄된 미분말의 제강슬래그임을 특징으로 하는 폐수 중의 과불화화합물 제거용 흡착제.