하수슬러지의 탄화및 활성화에 관한 연구

Abstract

본 연구에서는 광주광역시 하수종말처리장에서 배출되는 탈수된 하수슬러지를 이용하여 입경별, 함수율, 온도변화, 반응시간 변수별 연구를 통하여 최적의 탄화 슬러지를 제조 하였으며, 탄화된 슬러지를 산세척 하여 활성화제를 제조 하였으며,제조된 탄화 슬러지를 물리적 활성화법 및 화학적 활성화법을 통하여 활성탄 제조를 위한 흡착특성과 세공구조, 주사전자현미경 관찰을 통하여 효율적인 활성탄 제조를 위한 연구를 수행 하였다. 활성화에 따른 활성화모사장치는 스테인레스 원형관으로, 길이는 500mm, 내경은 85mm이다. 탄화반응기내 온도 유지는 1000℃까지 온도조절이 가능한 제어장치가 장착된 전기로(CLF-T1320, SERIN, Korea)를 사용하였고, 탄화반응기내 가스 흐름을 고르게 유지하기 위해 분배판을 설치하였으며, 출구와 탄화반응기내 온도측정은 K-type 열전대와 데이타 분석장치(Hydra Data Logger2625A, Fluke, USA)로 구성되어 있다. 내부 불활성 분위기를 조성하기위하여 질소가스(100ml/min)를 지속적으로 주입하면서 승온온도 6.7℃/min으로 예열온도까지 승온 시켰다. 건조된 슬러지를 변수별 연구에서 함수율 10%, 입경변화에서는 0.25～0.5mm,온도변화에서는 600℃,반응시간에서는 60분에서 요오드흡착능값이 149.1㎎/g으로 최대값을 나타 냈으며, 이때의 수율은 30.9%로 나타 났다. 또한 하수 슬러지을 물리적 활성화 방법 중 수증기활성화를 할 경우와 하였을 때 수증기를 30ml/h로 주입하면서 500℃에서 60분 동안 활성화 반응시켜 얻을 수 있었으며, 이 때 요오드 및 메틸렌블루 흡착능은 각각 228.4mg/g과 102.3mg/g 그리고 비표면적은 231.25 m2/g으로 나타났다. 이 값들은 활성화 반응을 하지 않은 탄화물보다 높은 것으로 나타났다. 하수 슬러지을 물리적 활성화 방법 중 이산화탄소활성화를 할 경우와 하였을 때 이산화탄소를 79.86ml/min로 주입하면서 700℃에서 90분 동안 활성화 반응시켜 얻을 수 있었으며, 이 때 요오드 및 메틸렌블루 흡착능은 각각 272.53mg/g과 137.67mg/g 그리고 비표면적은 215.04m2/g으로 나타났다. 이 값은 수증기 활성화와 비교 했을때 요오드 흡착능은 증가 하였지만 비표면적 낮아 수증기 활성화보다 미세공의 발달이 적게 나타난 것으로 보인다. 활성화제로 염화아연(ZnCl2)을 상용할 경우 적정 활성화 조건은 탄화시료 중량에 대하여 ZnCl2/탄화슬러지 혼합비 1.0 : 1.0, 활성화 온도 600℃, 활성화 시간 90분으로, 이 때 활성화물의 요오드 및 메틸렌블루 흡착능과 비표면적은 각각 317.82 mg/g과 136.75 mg/g, 그리고 277.51m2/g으로 나타났다. 염화아연으로 약품 활성화하여 제조한 활성탄의 경우 탄화물과 비교하여 상당한 세공의 발달이 이루어졌음을 보여주며 수율도 60.0%로 매우 높다는 것을 알 수 있었다. 활성화제로 황화칼륨(K2S)을 사용할 경우 적정 활성화 조건은 탄화시료 중량에 대하여 K2S/탄화슬러지 혼합비 1.0 : 1.0, 활성화 온도 700℃, 활성화 시간 90분으로, 이 때 활성화물의 요오드 및 메틸렌블루 흡착능과 비표면적은 각각 299.8mg/g과 139.77mg/g, 그리고 133.07m2/g 으로 나타났다. 하수슬러지를 황화칼륨으로 약품활성화하여 제조한 활성탄은 탄화물과 비교하여 요오드 흡착능은 증가하였으나 비표면적은 감소하였는데, 이것은 활성화 과정에서 미세공이 합체 또는 확장되어 10Å 이상의 세공으로 전환되었음을 의미한다. 그러나 K2S-활성탄의 요오드 및 메틸렌블루 흡착능과 비표면적 값이 전반적으로 낮은 것을 고려해 볼 때, 세공이 발달은 미비하다는 것을 알 수 있었다. 활성화제로 탄산칼륨(K2CO3)을 사용할 경우 적정 활성화 조건은 탄화시료 중량에 대하여 K2CO3/탄화슬러지 혼합비 1.0 : 1.0, 활성화 온도 600℃ 활성화 시간 90분 동안 반응시키는 것으로, 이 때 활성화물의 요오드 및 메틸렌블루 흡착능과 비표면적은 각각 316.93mg/g과 130.76mg/g, 과 381.03 m2/g으로 나타났으며 수율은 46.0% 였다. 특히 하수슬러지을 황화칼륨으로 약품활성화 할 경우 상용 입상활성탄 보다 훨씬 뛰어난 흡착능을 가진 세공이 잘 발달한 활성탄을 제조할 수 있었으며, 수증기와 그리고 이산화탄소로 활성화하여 제조한 활성탄 보다도 훨씬 뛰어난 흡착특성을 가졌다. 활성화제로 수산화칼륨(KOH)을 사용할 경우 적정 활성화 조건은 탄화시료 중량에 대하여 KOH/탄화슬러지 혼합비 1.0 : 1.0, 활성화 온도 600℃에서 활성화 시간 90분 동안 반응시키는 것으로, 이 때 활성화물의 요오드 및 메틸렌블루 흡착능과 비표면적은 각각 412 mg/g과 137.4mg/g, 그리고 363.92m2/g 나타났으며 수율은 43.3%였다. 하수슬러지를 수산화칼륨으로 약품활성화하여 제조한 KOH-활성탄의 흡착특성을 보면, 다른활성화에 비해 높은 흡착능 값을 보여주고 있어 세공이 상당히 발달한 활성탄이 제조되었음을 알 수 있다. 하지만 활성화 반응 후 수율이 매우 낮은 것을 고려해 볼 때, 폐슬러지에 대한 수산화칼륨 활성화는 실효성이 없을 것으로 판단된다. 지금 까지 수행한 모든 실험 결과를 종합해 보면, 유기성 하수슬러지를 재료로 하여 활성탄을 제조할 경우 물리적 활성화법 중 수증기로 활성화 했을때 우수하게 나타났으며, 약품활성화법 에서는 KOH가 가장 우수하고 다음으로 K2CO3이 우수한 것으로 나타났다. 이산화탄소와 황화칼륨은 활성화물에 뚜렷한 세공의 발달을 일으키지 못하였으며, 특히 K2S은 활성화물에 세공의 발달을 축진 하였으나 비표면적 및 경제성을 고려 할때 활성화제로 부적합 하다는 것을 알 수 있었다.