1.서 론

최근 사회에서는 무엇보다 쾌적한 삶에 대한 욕구가 높은 사람들로 넘쳐난다. 특히, 산업의 발달로 불가피 하게 여러 환경적인 문제가 곳곳에서 발생되고 있으며, 그 중에 악취도 최근 들어 민감하게 다뤄지는 문제라 고 할 수 있다. 악취는 여러 자극적인 성질을 가진 기 체상의 물질로서 사람의 후각을 자극시켜 불쾌감과 혐 오감을 느끼게 하며, 일상적인 생활에 있어 불편함을 제공하는 감각공해이다. 또한 악취는 복합적인 요인으 로 발생되어 특정 요인을 잡아내기가 쉽지 않으며, 또 한 사람마다 느끼는 정도가 다르기 때문에 다루기 쉽 지 않은 부분이 많다.

악취 물질은 주로 흡수, 흡착, 미생물 등의 여러 가 지 방법으로 처리되고 있으나(Yoo et al, 2010; Yoon et al., 2016) 대부분의 악취 유발 시설이 노후화 되거 나 제대로 관리되지 못하고 있는 실정이다. 악취는 업 종에 따라 발생되는 빈도와 성분이 다르기 때문에 한 가지 기술만으로는 배출원에서의 악취는 완벽한 처리 가 어려운 특징을 가지고 있으며, 특히 비규제 시설에 서는 악취 물질 성분에 따른 적합한 처리 기술이 적용 되지 않고 있어 보다 낮은 처리 효율을 보이고 있다.

그러나 흔히 악취 처리에 이용되고 있는 흡착법에서 쓰이는 원료활성탄은 다공성 구조로 비표면적이 넓고 흡착에 유리한 부분이 많으나, 구입단가가 높고 충진량 이 많이 요구되는 시설의 경우 설치 면적이 커지는 등 경제적인 측면에서의 어려운 특징이 있다(Cho et al., 2016). 이에 보다 저렴하고 우수한 성능의 흡착제를 생 산하기 위하여 폐타이어나 패각, 폐목재 등의 폐기물을 재활용하는 여러 방안들이 검토되어 왔다(Hwang et al., 2001; Ahn et al, 2015; Kim et al., 2015).

이에 본 연구에서는 폐기물을 활용한 연구방안의 일 환으로 국내 커피 시장에서 발생되는 커피폐기물을 재 활용하는 방안으로 생활계 악취 제어용 흡착제를 제조 하고자 하였다. 국내 커피 시장은 매년 증가하는 추세 로 ‘커피 공화국’이라는 별명이 붙어질 정도로 커피 시 장이 급속히 성장하고 있다.

그러나 커피를 내릴 때 사용되는 원두 중 0.2%만 만 드는데 사용되며 나머지 99.8%는 쓰레기로 버려지는 데, 한 해 발생하는 커피폐기물은 약 27만 톤으로 이는 자동차(경차 기준) 281,250 대에 해당할 정도이다. 또 한 커피폐기물이 연간 50,490 톤의 CO₂를 발생시켜 온실가스 유발을 비롯하여 이렇게 버려지는 커피폐기 물은 처리 비용과 환경오염 등 다양한 문제를 가지고 있어 해결과제가 시급하다(Ahn et al, 2015; Kim et al., 2015).

커피폐기물은 오래전부터 가치를 인정받고 여러 방 안으로 재활용하기 위한 노력이 계속적으로 이루어져 왔다. 무엇보다 커피폐기물은 고정탄소 함량이 높아 활 성탄과 같은 성능을 가질 수 있을 것으로 판단하여 수 질 중 중금속이나 기타 오염물질을 처리하는 용도로 연구된 사례를 찾아볼 수 있다.

따라서 본 연구는 커피폐기물이 재활용하기에 적합 하다는 점과 흡착제로서의 활용에 대한 연구가 저조한 점을 고려하였으며, 흡착 대상 악취 물질로는 휘발성유 기화합물 중에서 최근 알데히드류의 제어가 문제가 되 고 있는 점을 감안하여 아세트알데히드를 채택하였다 (Song et al., 2008). 특히 아세트알데히드는 생활계 악 취의 주요 발생원인 음식물쓰레기의 처리과정중 발생 되는 주요 악취 성분으로 근원적인 처리가 쉽지 않은 점을 감안하여 선정하였으며, 이 연구를 통하여 새로운 흡착제의 개발 및 폐기물의 재활용으로 인한 자원의 절감 등 경제성의 창출과 관련한 기초 자료로 활용 될 수 있을 것으로 기대된다.

2.연구 방법

2.1.실험 재료

흡착제는 커피전문점에서 버려지는 커피폐기물을 회 수하여 활성탄을 제조하는 방법에 적용하여 제조하였 다. 먼저, 회수한 커피폐기물(이하 시료)의 수분 함량을 낮추기 위하여 110°C의 건조기에서 2시간 동안 건조하 여 사용하였으며, 건조 된 시료는 로스팅(Roasting), 탄 화(Carbonization), 활성화 및 열분해 단계를 거쳐 입상 의 흡착제를 제조하였다(Roh et al., 2005; Min et al., 2015). 전체 제조 과정 중 로스팅 작업은 Hot Plate를 이용하여 350°C에서 시료를 일정 시간 동안 열을 가해 주면서 시료에 남아있는 불순물이나 휘발성 물질을 제 거해줌으로써, 최종적으로 흡착제의 성능을 더욱 높여 주는 역할을 하는 단계로 알려져 있어(Sung et al., 1999) 중요한 단계로 봄에 따라, 본 실험에서는 Hot plate를 사용하여 시료를 350°C에서 1 시간 동안 열을 가해주어 작업을 수행하였다(Woo, 2017).

2.2.실험 장치

흡착 실험은 다음 Fig. 1과 같은 연속 흡착 장치를 사용하였다. 장치는 크게 악취 가스 제조와 온도제어 및 공급, 고정층흡착장치로 나누었으며, 가스로 발생시 키고자 하는 물질의 용액을 원하는 농도로 제조하여 투명한 샘플병에 200~300 mL 정도 채운 후 공기를 주 입하면 공기가 용액과 섞여 오염된 공기가 발생하게 되며 이 공기의 유량을 조절하여 악취 가스로 사용하 였다.

본 실험에서는 아세트알데히드 가스의 농도를 20 ppm으로 발생시켜 농도가 안정적으로 유지되었을 때 흡착튜브에 통과시켜 흡착 실험을 수행하였다. 악취 가 스 측정은 가스 측정기를 이용하여 측정하였고, 흡착 시 온도는 50°C로 일정하게 유지하였다. 또한 흡착은 모두 동일한 시간 내에서 수행하였으며, 악취 가스의 출구 농도가 유입 농도의 약 10%가 되는 시점을 파과 점으로 그리고 출구 농도와 유입 농도가 거의 비슷한 시점을 흡착 평형 상태로 간주하여 실험을 종료하였다.

한편, 커피폐기물의 기공 발달 여부를 관찰하기 위 하여 주사전자현미경(FE_SEM/EDS, JMS-7800F, JEOL, JAPAN)을 이용하여 최종 제조 된 커피 흡착제의 기공 을 1,000배에서 각각 측정하였으며, 비표면적에 따른 흡착량을 고찰하기 위하여 비표면적 측정기(ASAP 2020, MICROMERITICS, U.S.A)를 사용하여 비표면 적과 기공부피를 측정하였다.

2.3.흡착량 계산

평형 상태의 흡착량을 계산하기 위하여 일정한 농도 의 악취 가스를 흡착튜브에 통과시키면서 유입농도와 출구농도가 같아질 때까지 흡착 실험을 수행하였다. 흡 착량은 포화점에 도달할 때까지 흡착된 피흡착질의 양 으로 정의되며, 구하는 식은 다음의 식 (1)을 사용하였 다(Woo, 2017).

여기서 q는 평형상태에서의 흡착제 단위질량당 흡착량 (mg/g), C_i는 흡착장치 유입구의 피흡착질 농도(ppm), C_o는 흡착층 출구에서의 피흡착질 농도(ppm), W는 흡 착제의 사용량(g), Q는 유입되는 피흡착질 가스의 부 피유속(L/min), t_T는 흡착제가 포화상태에 도달되는 시 간(min)이다.

3.결과 및 고찰

도심지역의 음식물쓰레기 처리시설과 같은 생활계 악취 발생 시설은 대부분 비규제 시설로 법에 의한 규 제나 지도가 어려워 쾌적한 대기환경의 조성에 어려운 문제로 대두되고 있다. 따라서 악취와 VOCs를 생활계 를 중심으로 지속적으로 관리하고 쾌적한 생활환경 조 성을 위하여 보다 효과적인 제어기술의 연구가 지속적 으로 진행되어야 하며 본 연구에서는 폐기물을 활용한 경제적인 흡착제 개발에 대한 기초 자료로 활용하고자 하였다.

3.1.폐기물을 활용한 고체 흡착제 제조

흡착제로 적용하기 위한 커피폐기물에는 섬유성분 46.6~51%, 단백질 10.2~13.0%, ether 22.5~28.3% 정도가 남아 있게 되는데(You and Kim, 1998) 탄화 과정을 거 치면서 미세기공이 형성되며 활성화 시킬 경우 단위체 적당 표면적이 증가되어 흡착제로써 가치를 갖게된다. 흡착제의 원료가 되는 커피폐기물은 회수하여 자체 함 유되어 있는 수분을 제거하였으며, 건조시켜 사용하였다.

로스팅은 커피폐기물의 수분 또는 휘발성 물질을 제 거하여 원료를 탄화 시키는 단계이다. 본 연구에서는 건조 된 커피 건조물을 Hot plate를 이용하여 350°C에 서 30 분 동안 작업을 수행하였다(Woo, 2017).

탄화는 흡착제의 성능을 향상시키는 중요한 단계이 며 이 단계에서는 유기성 물질을 약 500°C 이상으로 온도를 상승시킬 경우 탈수나 탈산 등의 화학적 변화 가 발생되면서 물, CO, CO₂ 등의 성분이 빠져나가 고 정탄소가 주로 남게 된다(Lee, 2003). 본 실험에서 탄 화는 전기회화로(모델명: CT-MF3T, DongSeo Science Co., Korea)를 사용하여 진행하였다.

활성화 단계는 탄소의 산화 반응으로 탄화물의 비표 면적을 증가시키는 중요한 공정이며 이 단계에서는 활 성화제와 원료의 비율에 따라 흡착제의 활성화 정도가 달라지는 것을 고려하여 약품을 함침 시킨 후에 회화 로를 이용하여 열분해를 실시하였다. 이후 시료를 중화 및 수세시켜주었으며 이렇게 제조된 폐기물흡착제는 완 전히 수분을 제거시킨 다음 일정한 입도로 분리한 후 흡착실험을 진행하였다. 생활폐기물을 이용하여 흡착제 를 제조할 경우 중요한 조건은 활성화제와 사용폐기물 의 비율과 적정 탄화온도의 선정 범위이며 이러한 폐기 물을 활용한 고체흡착제의 제조과정을 수행하기 위한 제반비용과 에너지 사용량의 정도에 따라 일반 활성탄 과의 경제성 측면에서의 비교 평가가 가능할 것으로 생 각된다.

3.2.흡착제의 표면 분석

커피폐기물로 제조한 흡착제의 기공의 형성 여부를 알아보기 위하여 주사전자현미경을 이용하여 기공의 크기를 관찰할 수 있는 배율(× 1,000)에서 분석하였다. (1)~(3)은 본 실험에서 제조 한 커피흡착제인 CGA1, CGA2, CGA3을 활성화 단계에서 활성화제로 쓰인 염 화아연의 함침 비율을 달리하여 SEM 분석한 것으로, 약품과 시료의 비율을 CGA1은 1:1, CGA2는 2:1 그리 고 CGA3은 3:1으로 하였으며 Fig. 2를 통하여 세 개 의 흡착제 모두 표면이 거칠고 흡착제의 특성인 다공 성 구조가 형성되어 있는 것을 확인할 수 있다(Woo, 2017). 이에 커피폐기물이 최종 제조 단계를 거치게 되 면 다공성 구조를 쉽게 형성한다는 측면에서 흡착제로 써 충분한 성질을 가질 수 있다고 판단하였다. 그러나 다공성 구조의 모양을 비교해 보았을 때, 약품의 비율 이 2:1인 CGA2의 구조가 나머지 두 개의 흡착제 보다 더욱 안정적이고 뚜렷한 형태를 하고 있는 것으로 보 아, 활성화 단계에서의 약품 함침 비율이 흡착제의 구 조 형성에 있어 중요한 부분이라 사료된다.

3.3.비표면적 크기에 따른 흡착량 결과

흡착제의 특성을 비교하기 위한 방법 중 하나로 제 조된 흡착제의 비표면적의 크기에 따른 흡착량을 비교 하기 위하여 먼저 BET분석을 통하여 비표면적의 크기 를 측정하였으며, 측정된 비표면적의 크기와 평균 기공 의 크기에 따라 흡착제를 분류하였다. 실험은 비표면적 크기에 따른 아세트알데히드의 흡착성능을 비교하기 위하여 흡착 온도는 50°C, 흡착제의 양은 10 g (흡착관 에 최대로 넣을 수 있는 양), 아세트알데히드 농도 20 ppm, 유입 유량 1 L/min의 조건에서 커피흡착제 (CGA1, CGA2, CGA3)에 연속 흡착시키면서 작업을 수행하였고, 식 (1)을 이용하여 평형 흡착량을 계산하 여 그 결과를 Table 1에 정리하였다(Woo, 2017).

흡착제의 비표면적에 따른 아세트알데히드의 평형 흡착량은, CGA1은 92.6 mg/g, CGA2는 72.8 mg/g, CGA3에서는 89.2 mg/g의 값으로 CGA1에서 최대 흡 착량을 나타내었다. 반면에 CGA3가 비표면적이 가장 작음에도 불구하고 CGA2보다 흡착량이 높게 측정되 었는데, 이러한 현상에 대해서는 흡착제의 기공크기에 따라 단순히 증가하거나 감소하지 않는 현상은 다른 알데히드 성분보다도 아세트알데히드에서 관찰되며 (Pathak et al., 2010) 여러 다른 연구결과에서도 확인할 수 있다(Park et al., 1995). 또한 흡착제의 기공의 크기 와 더불어 흡착제의 구조에 따라 강한 정전기적 효과 가 아세트알데히드의 흡착량에 변화를 유도한 것으로 추정해 볼 수 있거나 아세트알데히드는 반데르발스직 경이 약 3.8 Å이며 알데히드기의 화학적 특성으로 흡 착제의 기공크기와 더불어 흡착제표면의 상태에 따라 다양한 영향을 받는 것으로 생각되므로(Weast, 1981) 향후 보다 다양한 폐기물의 활성화를 통하여 기공 크 기에 대한 아세트알데히드의 흡착성능을 평가하여 최 적 기공크기에 대한 연구를 진행할 예정이다. 또한 다 양한 폐기물을 활용한 흡착제의 구조적 특성에 따른 편류 현상이나 활성화 조건을 검토하여 최적화 조건의 산정이 필요하다고 판단된다.

3.4.흡착제의 양에 따른 아세트알데히드 제거 효과

아세트알데히드를 흡착하는데 있어 흡착제의 양에 따라 흡착성능의 효율 차이가 발생하는 것을 고려하여 같은 시간 동안 흡착제의 양을 다르게 하여 비표면적 이 가장 큰 흡착제 CGA1를 사용하여 흡착 실험을 수 행하였다. 이 때 흡착제의 양은 유입되는 가스의 농도 와 흡착관의 크기를 고려하여 6 g, 7.5 g, 8 g, 10 g으로 흡착제의 양을 맞추어 흡착 온도와 아세트알데히드의 농도 및 유량은 위의 실험과 같은 조건에서 동일하게 진행하였다. 실험 결과는 120분 동안 흡착시킨 후 흡 착제의 양에 따른 파과곡선을 비교하여 보았을 때(Fig. 3), 흡착제의 양이 증가할수록 흡착이 빨리 끝나는 시 점에 도달하는 시간이 흡착제의 양이 6 g에서 70분, 7.5 g에서 110분, 8 g에서 120분 그리고 10 g은 120분 이상으로 흡착제의 양과 흡착시간이 비례되는 것을 확 인할 수 있었다. 이에 흡착 성능을 증가시키는 요인으 로 흡착제의 양이 많을수록 유리할 것으로 여겨지며, 흡착법을 이용하여 흡착할 때에 피흡착질에 따른 특성 과 농도에 따라 적절한 흡착제의 양과 흡착 시간이 고 려되어야 할 것으로 사료된다.

반면에, Fig. 4는 흡착 장치 내에 유입되는 악취 가 스(본 실험에서는 아세트알데히드)의 유량에 따른 흡 착량을 나타낸 것으로, 아세트알데히드를 같은 시간 동 안 유입되는 유량을 1~3 L/min 로 변화시켜주어 앞선 실험과 같은 조건으로 비표면적이 가장 큰 CGA1으로 흡착 실험을 수행하였다. 본 실험 결과에서 유입되는 유량에 따른 평형 흡착량은 각 82.1 mg/g, 96.4 mg/g, 111.8 mg/g으로 유량이 커질수록 흡착량 또한 증가하 는 것으로 나타났다(Woo, 2017). 이에 유량을 크게 하 면 같은 시간 동안 유입되는 악취 가스의 양이 더욱 많 아지게 되므로 단시간 내에 많은 양의 악취 가스를 흡 착할 수 있다는 장점이 있으나, 파과점에 빨리 도달하 게 되어 흡착제의 교체 주기가 짧아지는 단점을 수반 한다는 점을 감안하여 처리하고자 하는 악취 물질에 따라 적절한 유량과 흡착제 양이 고려되어야 할 것으 로 판단된다.

3.5.기대 성과 및 향후 방향

현재 많은 악취 발생 시설에서 악취를 저감하기 위 하여 보다 효과적인 제어기술이 연구되고 있으며(Yun et al., 2017), 다양한 하이브리드 기술의 발달로 악취방 지기술이 기존보다 높은 수준을 나타내고 있으나 아직 도 악취성분 처리에 적합하지 않은 방법으로 인하여 악취 민원 유발 등 다양한 문제가 빈번하게 발생되고 있다. 따라서 경제성과 효율이 우수한 폐기물을 재활용 한 흡착제를 개발하면 악취의 효율적 관리와 더불어 보다 효과적인 관리가 가능할 것으로 판단되었다.

그러나 아세트알데히드는 최소감지농도가 낮아 미량 으로도 많은 피해를 주어 저농도의 아세트알데히드를 제어할 필요가 있음에도 불구하고 처리가 쉽지 않은 물질로 알려져 있다. 아세트알데히드를 단독으로 처리 하는 연구가 많이 진행되지 않았으나, 몇몇 선행 연구 에서는 아세트알데히드가 고농도에서는 흡수와 흡착이 잘 되는 것으로 보고되어 있다. 이에 아세트알데히드가 커피 폐기물흡착제에서는 흡착이 되는 것을 확인하였 고, 다른 흡착제에서의 아세트알데히드의 흡착성능에 대한 비교와 다른 악취 물질에 대한 효율이 검토된다 면, 커피폐기물을 활용한 경제성 높은 활성탄 개발의 기대를 높일 수 있을 것으로 생각된다. 향후 폐기물 재 활용의 측면에서 보다 다양한 생활폐기물을 활용하여 악취를 효과적으로 제어하기 위한 흡착제를 개발하기 위한 연구를 지속적으로 진행하고자 한다.

4.결 론

본 연구에서는 폐기물 자원화 연구의 일환으로 한국 내에서 발생되는 폐기물 중 적지 않은 비율을 점유하 고 있는 커피폐기물을 재활용하여 최근 인천지역 생활 계 악취의 주요 민원에 대한 원인물질로 여겨지는 아 세트알데히드를 대상으로 악취 제어용 흡착제 제조 및 성능에 대한 고찰을 진행 하였다. 본 실험에서 쓰인 재 료는 실제 인천지역에서 운영되고 있는 커피판매점의 커피 폐기물을 회수하여 흡착제로 제조하여 흡착 실험 을 수행하였는데 일반적으로 흡착제의 성능을 평가할 수 있는 방법으로 비표면적의 크기와 기공부피를 분석 하였다. 커피 흡착제의 비표면적의 크기는 보통 활성탄 의 크기보다 작은 비표면적을 보였으나 이는 활성화 등의 제조 조건에 따라 비표면적의 크기를 증가 시킬 수 있는 부분으로 생각되었다.

흡착 성능을 평가하기 위하여 커피폐기물 흡착제에 대한 아세트알데히드의 흡착량을 비표면적의 크기, 흡 착제의 양 그리고 유량에 따라 비교하였을 때, 비표면 적이 크면 클수록 흡착제의 양은 많을수록 흡착되는 양 이 늘어나는 것으로 나타났고, 유량은 클수록 많은 양 이 흡착되나 파과점에 빨리 도달하여 흡착 시간이 단축 되는 현상을 알 수 있었다. 이에 데이터들을 종합하여 보았을 때, 커피폐기물은 흡착제로써 가치를 지니고 있 으며, 이를 활용하여 국내의 폐기물 처리 문제 해결과 온실가스저감에 도움이 될 수 있을 것으로 사료된다.