UV/O3산화법을 이용한 Water Jet Loom 폐수의 용수 재활용 공정개발

임재경, 전재성, 권기식, 이홍승, 한도흥, 이석영*,김형섭*

영남대학교 화학공학및공업화학부

Process development on reuse of water jet loom - waste water using method of UV/O3 oxidation

Jae Kyung Lim, Jae Sung Jeon, Ki Sik Kwon, Hong Seung Lee, Do Heung Han, Suk Young Lee*, Hyung Sup Kim*

School of Chemical engineering & technology Yeungnam University

Korea Textile Development Institute

1. 서론

1.1 연구배경

국내의 산업이 급속도로 발전함에 따라 공업용수 사용량이 날로 증가하고 있는 추세이다. 더욱이 하천수의 오염도가 심각해지고 있으며 갈수기에서는 공업용수의 절대량이 부족한 국내 실정에서, 우선적으로 공업용수의 확보가 시급하다고 본다. 국내의 많은 섬유업체들은 섬유기계 현대화의 일환으로 기존의 직조기를 워트 젯트 직조기(water jet loom)로 대체하여 그 생산성을 향상시켰다. 워트 젯트 직조기는 많은 량의 용수를 사용하고 있어서 여기에 필요한 막대한 용수를 확보하기 위하여 대부분의 업체들은 지하수를 활용하고 있지만, 지하수와 하천수의 고갈, 농업용수의 부족 및 식수의 오염 등 그 부작용은 매우 심각한 실정이다. 지금까지 섬유산업관련 용·폐수처리에 관한 연구는 많이 행하여 졌으나 폐수를 용수로 재활용하는 연구는 그다지 많지 않으며 재활용하는 예도 흔치 않다. 이는 재활용을 위한 처리기술의 부족과 용수사용료에 비해 높은 처리비용이 그 원인으로 본다. 제직업체들은 방출수의 유기화합물과 기타 물질의 농도가 비교적 낮아서 용수로 재활용이 가능함에도 불구하고, 타 폐수와 혼합하여 폐수처리함으로서 막대한 설비투자와 운영비를 낭비하고 있는 실정이다. 이와 같은 방대한 폐수를 재활용할 수 있다면 앞에서 지적한 제반 문제점들을 상당히 해결할 수 있다고 본다.

1.2 연구목적

워터 젯트 재직폐수의 대부분은 합성섬유를 직조하는 과정에서 호재성분이 물과 함께 용해되어서 생성된다. 호재성분에는 고분자 물질을 함유하고 있어서 기존의 처리 공정으로는 고도처리가 곤란하고 또한 재활용기술 개발에 난점이 많다. 특히 생물화학적처리시 이와같은 난분해성물질로 말미암아 그 처리효율이 높지않으며, 활성탄 흡착법으로도 고분자물질의 제거에 어려움이 있다. 본 연구에서는 위터 젯트 제직폐수(Water-Jet Loom wastewater)처리기술 및 공업용수의 재활용 기술개발데대해 응집 및 여과공정, 고급산화법 중의 하나인 오존/UV산화법 및 활성탄 흡착 공정을 이용하여 고도처리기술을 개발함으로써 용수 재활용 공정 및 관련 장치를 개발하고자 한다.

2. 이론

2.1 활성탄의 수처리

활성탄은 수처리시 미량의 유기물의 흡착제거에 우수한 성능을 나타낸다고 알려지고 있다. 그러나 다량의 유기물을 포함하고 있는 폐수처리에는 경제성이 낮다고 밝혀졌다. 그래서 물리화학적 처리, 또는 생물학적 처리 후에 활성탄처리법을 도입하면 폐수의 고도처리가 가능하다고 본다.

수처리에서 활성탄공정의 주된 목적은 다음과 같다.

* 악취 및 맛의 제거                       * 탈취

* 합성세제와 같은 난분해성 물질의 제거    * 농약 등 유기물의 제거

악취 및 맛의 제거에서 활성탄 처리의 성공률은 매우 높다. 현재 일본에서는 여러 정수장에 활성탄처리법이 도입되어 있으며 분말활성탄이 대부분을 차지하고, 분말활성탄은 소규모적으로 이용되고 있다. 또한 페놀류, ABS 등의 제 및 미량유기물제거에 사용되고 있다.

2.2. 고급산화법을 이용한 수처리 기술

각종 산업체로 부터 배출되는 폐수에는 날로 유독성 물질이 증가되고 있는 추세이다. 이와같은 유독성 및 난분해성물질의 제거는 재래식 산화처리법으로는 처리기술의 한계가 있음을 밝혀 졌다. 화학적 산화처리기술 중 하나인 오존산화법은 상수의 살균, 탈취, 탈색, 독성물질 및 각종 난해성 물질의 제거 등에 이용되고 있다. 특히 염소소독의 문제점(유기화합물의 클르로화로부터 발암성물질의 생성)을 보완할 수 있어서 그 효용성이 확인 되었다. 최근에 반도체 및 신소재산업이 발전함에 따라 염소계 유기화합물의 배출이 날로 증가되고 그 독성으로 말미암아 생물처리기술의 적용을 더욱 어렵게 되었다. 그래서 오존을 이용한 산화처리기술에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그러나 오존산화법이 현재까지는 고 처리 비용, 오존의 선택적 산화성 등으로 실제 산업폐수처리에 그 적용 예가 미미한 실정이다. 오존의 산화성의 한계점을 극복하기 위하여 오존과 자외선(O3/UV), 과산화수소와 자외선(H2O2/UV)을 이용한 고급산화법이 개발되었다. 이 처리법은 산화성이 매우 높고 비 선택성을 가진 하이드록실 라디칼(OH·)의 생성을 증대시키는 데 있다. 표 3.2에서 보듯이 하이드록실 라디칼은 오존 보다 강한 산화·환원 단위를 나타낸다.(1) 오존은 주로 불포화 탄화수소에 대해 높은 산화력을 갖지만, 포화 탄화수소에는 약한 산화력을 나타내는 선택성 산화제인 반면에, 하이드록실 라디칼은 분자구조에 비교적 관계없이 산화성을 띄는 비 선택성 산화제로 알려 졌다.

3. 실험

3.1 흡착 장치 및 방법

본 연구에서는 흡착실험장치로 동적흡착장치(dynamic adsorption apparatus)를 이용하여 가능한 실제 흡착공정에 접근된 상태에서 실험을 행하였다. U자형 흡착장치의 재질은 파이렉스이며 마이크로펌프, 니들벨브와 로타미타를 이용하여 흡착물의 유속을 정확히 조절하였다. 흡착제는 국산 입상활성탄(granular active carbon, 평균 입도 : 1∼3 mm)을 사용하였으며, 흡착실험 전에 항상 초순수로 여러 번 세척하여 세척수의 pH가 7.8 - 7.9범위에 있도록 하였다.

3.2 반응 장치 및 방법

산소는 순도가 최소 85.5%인 상업용을 사용하였으며 1 kg/cm2 (gauge pressure)의 유출압력으로 오존발생기에 들어간다. 오존 발생기(Fisher, 180 watt)는 고 전압 방전관을 이용하여 99.9% 순도의 산소하에서 최대 30mg/l농도의 오존을 발생시킬 수 있는 실험용 장치이다. 기체의 유량은 로타미타와 습식 기체유량기(wet gas meter, Sinagawa)에 의해서 조절된다.

반응기는 두 종류를 사용했는데, 반응물 용적이 0.3□인 소형반응기와 반응물 용적이 15□인 대형 반응기에서 반응을 행하였다. 소형반응기는 직경이 6cm 높이가 31.5cm인  원통형 관을 pyrex제질로 제작하였으며, 입력이 18watt인 U자형 저압 자외선 램프를 반응기속에 삽입하였다. 용액 속으로 기체(산소와 오존의 혼합물)를 균일하게 분산시키기 위하여 알루미늄 분말을 소결시켜서 만든 분산 봉((10), 직경 : 1 cm, 높이 : 2 cm)을 사용하여 미세한 기체 방울이 생성되도록 하였다. 기체의 유량은 용액을 적절히 혼합하기에 충분하여서 Water jet loom 폐수에 자외선이 균일하게 조사되도록 하였다. 소형반응기에서 산소의 유입량은 1.94 □/min. 이고 발생된 오존의 농도는 4.4 □/□이다.

본 연구에서 주로 사용한 대형반응기는 내경이 18 cm, 높이가 90cm인 아크릴관을 사용하였으며, 저압용 자외선램프는 입력이 39 watt, 램프 길이가 84.24 cm이며 직경이 2.45 cm인 석영관 속에 삽입되어 있다. 분산판은 직경이 15 cm, 두께가 1 cm인 원판형으로 알루미늄 분말을 소결하여 제작되었다. 대형반응기에서 산소 유량은 9.70□/min.이다. 오존농도는 대형반응기에서는 1.47□/□이다. Water jet loom폐수에는 모노마와 같은 휘발성물질을 함유하고 있으므로 배기되는 기체에 의한 'stripping'현상을 최소화하기 위하여 반응기 출구부분에 냉각기)를 장착하여서 휘발성물질을 응축시킨 후 반응기로 재 순환되게 하였다. 미 반응 오존은 KI 용액이 담겨있는 용기에서 완전히 흡수되도록 하였다. 반응물은 일정한 시간 간격으로 샘플기를 이용하여 시료를 채취하여 분석하였다.

4.결과 및 토론

4.1 결과

4.2 토론

· Water jet loom 실폐수의 응집공정은 무기응집제 Al2(SO4)3와 고분자 보조 응집제 PN171에 의해서 효과적으로 수행되었다. 특히 음이온계  고분자 응집제 보다는 비음이온계 응집제로 처리된 폐수가 반응공정에서 제거율이 높았다.

· 응집공정을 거친 처리수에 존재하는 미세한 부유고형물을 모래여과공 정으로부터 제거하는 것이 반응공정의 효율증대에 중요한 역할을 한다고 사료된다.

· 반응공정은 자외선 램프와 오존을 이용한 AOP법으로 행하였다. 응집 공정을 거치지 않으면 반응공정에서의 산화분해반응속도는 매우 낮았다.  반응물 단위 부피당 자외선의 흡수에너지와 오존의 농도가 낮을수록, 반응 전에 실폐수 중에 포함된 난분해성 성분 특히 고분자량의 물질을 가능하면 많이 제거하는 것이 중요하다.

·반응공정에서 자외선의 파장은 254nm보다 185nm에서 반응효율이 높 았다. 반응물의 pH는 알칼리성 영역 보다는 중성영역에서 더 높은 제거율을 보였다. 반응초기에는 산화분해반응 속도가 매우 느리게 진행되지만 10분 이상에서는 급격한 분해반응이 일어나기 때문에 초기 반응속도를 증가시키는 방법이 매우 중요하다.   · 반응공정을 거친 처리수는 활성탄 흡착에 의해서 매우 효율적으로 고도 정수처리가 가능하였다. 즉, 응집 및 모래여과공정을 거친 후 15분 동안 반응기에서 처리한 폐수는 활성탄 흡착공정에서 5ppm미만의 CODMN값을 유지할 수 있었다.

· Water Jet Loom 폐수를 200 □/day 처리할 경우에 반응기의 총부피는 2.7□이며 두 개의 반응기(각반응기 부피: 1.4□)를 연속으로 연결하는 것이 유리하다고 보며, 39 Watt 저압수은 등을 기준으로 계산한 자외선 램프의 총 소요동력은  4.2 kWatt이다.

5. 참고문헌

1) A. Schulte, A. Bayer, F. Kuhn, Th. Luy, and M. Volkmer, Ozone Sci.

and Eng., vol. 17, 119-134 (1995)

2) J. Staehelin, J. Hoigne, Environ. Sci. and Techn., vol. 19, 1206-1213 (1985)

3) W.H. Glaze, Environ. Sci. and Techn., vol. 21, 214-230 (1987)

4) G.R. Peyton, Environ. Sci. and Techn., vol. 22, 761-767 (1988)

5) W.H. Glaze, J.W. Kang, Ind. Eng. Chem. Res., vol. 28, 1573-1580 (1989)