1. 서 론

산업단지 내 섬유산업의 텐터(tenter)공정으로부터 발생하는 백연(흰색 연기)의 대부분이 수증기에 의해 발생한다. 일반 수증기는 습도가 낮아지면 사라지는 반면 염색단지 내에서 발생되는 백연은 사라지지 않 고 지속적으로 유지되고 있어 이것으로 인한 환경개 선 요구와 민원이 야기되고 있다(Yoo and Kim, 2005;Jung et al., 2016). 섬유업체의 염색공정은 전처리, 본 처리 및 후처리 공정으로 나누어져있다. 이중 최종 처 리되는 후처리공정에서 텐터기로 다림질할 때 섬유 유연제, 광택제 등의 오일 성분을 혼합하여 운전하기 때문에 160°C ~180°C 이상의 고온에서는 이들 오일성 분이 기화되어 백연 및 악취가 발생하며 주로 텐터기 에 연결된 방지시설로 배출된다(Park, 2015;GlobeTech Engineering, 2015). 외국의 경우에도 섬유산업에서 대 기오염물질로 배출되는 증기나, 유해물질에 대한 연 구가 꾸준히 진행되어 왔다(EPA, 1995;Smith, 1989;Goodman et al., 1980;Zeller, 1975;Chavan, 2001).

현재 섬유텐터공정의 대기(악취)방지시설은 세정 식 집진시설(이하 ‘세정탑’)이 가장 많이 이용되어지 고 있다. 세정탑은 타 방지시설에 비해 설치 금액이 저렴하고 운영 및 관리가 용이하여 염색업체에서 널 리 사용되고 있다. 2017년 기준으로 조사된 시흥스마 트 허브내 염색단지의 방지시설 종류를 살펴보면 총 25개의 방지시설 중 23개가 세정탑인 것으로 보고되 고 있다(Ryu et al., 2017). 그러나 섬유텐터공정에서 배 출되는 오일미스트 가스는 물에 대해 불용성이기 때 문에 흡수에 의한 방식인 세정탑으로 처리되지 못하 고 세정수 탱크 내부에 오염된 상태로 적치된다. 이 러한 세정수는 비중차 때문에 쉽게 배출되지 않고, 세 정탑 내에 잔존하여 세정탑 내부 벽면을 오염시키고 세정탑 노즐 및 충진물의 수명을 단축시키며 순환배 관 내부의 막힘 현상을 발생시킬 수 있다(Hwang et al., 2011a). 그동안 섬유업체의 기술지원을 통해 발굴한 대기오염관련 문제점으로서 유입가스의 온도가 매우 높고 물에 잘 섞이지 않는 오일성분이기 때문에 흡수 율이 낮다는 것 등이 두드러지게 나타났다. 따라서 최 근에는 기존의 세정방식을 대체하여 복합필터 방식 과 습식전기집진 방식이 지속적으로 검토, 도입되고 있는 상황이다. 다양한 국내외 연구에서도 헤파필터 (hepa filter) 방식(Leith et al., 2003), 복합필터 방식 (Letts et al., 2003;Lee et al., 2021), 싸이클론(cyclone) 방식(Yi et al., 2012) 등에 대해 연구결과를 제시하고 있고 그 중 효율성이 높은 것으로 알려진 전기집진의 경우도 몇몇 보고들(Hwang et al., 2011a;Hwang et al., 2011b;Kim et al., 2012;Song, 2014;Jung et al., 2016) 에서 나타나고 있다.

현재 섬유텐터공정에서 발생하는 백연농도(수증기 포함) 분석의 경우, 대기 중 탄화수소를 n-hexane 흡 수병을 통과시켜 포집된 탄화수소를 측정하는 방법 이 있다(Hwang et al., 2011a). 그러나 헥산 추출법은 그 포집효율이 낮아 측정결과가 낮은 수준으로 나타나 므로 백연과의 연관성을 입증하기 쉽지 않다는 점에 서 정확한 값을 기대하기 어렵다. 다른 방법으로는 디 지털카메라 촬영에 의한 백연 불투명도 평가에 의해 백연 측정이 진행되고 있다. 이 방법도 평가자에 따 라 상당히 주관적일 수 있고 날씨가 흐린 경우나 하 루 또는 연중에도 배경휘도가 변하므로 그 정확성을 담보하기 어렵다는 것이 현재까지 섬유텐터 유래 백 연의 정량적 측정에 있어서의 문제점이라 하겠다.

염색 특히 섬유텐터공정에서 발생하는 악취물질의 종류는 이를 분석한 연구에서의 결과를 추출해보면 알 수 있는데, 악취배출시설 업종별 관리 매뉴얼(ME, 2009)의 결과에 따르면 주요 악취물질 중에는 이소부 탄올과 톨루엔이 전체 조사대상 텐터공정에서 전반 적으로 높게 나타난 것으로 보고되었다. 한편 이와는 달리, Hwang et al. (2011a)에 의한 연구에 의하면 주로 유연제의 성분은 고형분이 20~30%인 에멀젼(emulsion) 상태이며 탄소수가 16~22개(평균 18개)인 n-alkyl compound 또는 iso-alkyl compound라고 보고되고 있 다. 또한 열에 의해 증발할 때는 일부 변형되어 옥타 날(octanal), 노나날(nonanal) 같은 알데하이드류 및 지 방산(아세테이트)의 악취물질이 발생한다고 보고하 였다(Park et al., 2009). 특히 Seo and Suh (2018)에 의 한 섬유텐터공정에 섬유보존제로 사용되는 가지제 (fatliquoring oil)생산과정에서의 악취분석 연구를 참 고하면 주로 알데하이드류 및 탄화수소류가 수 ppm 수준으로 발생하였다. 악취기여율 기준 순위로는 2- octenal이 가장 높게 나타났으며, 다음으로 n-hexanal, n-valeraldehyde, n-butyraldehyde, heptanal, propionaldehyde, acetaldehyde로 최소감지농도값이 0.001 ppmv ~ 0.00001 ppmv로 비교적 낮은 알데하이드류가 악취발 생에 주요하게 기여하고 있는 것으로 평가되었다. 또 다른 연구에서는 이러한 long chain 알데하이드는 그 친수성기에도 불구하고 물에 대한 용해도가 높지 않 고 증기로 기화/확산되기 보다는 액체상태로 공기 중 으로 분산됨으로써 백연같은 현상도 유발할 수도 있 다고 보고하고 있다(Hwang et al., 2011a;Hwang, 2014).

시흥/안산스마트허브 내 섬유텐터공정으로부터 발 생하는 백연 및 악취 물질 발생이 매우 시급한 지역 환경 현안 과제가 되고 있다. 현재 적정 방지기술의 검토 및 설치에 의해 백연/악취 저감을 위한 노력이 계속되고 있으나 방지시설의 성능 평가에 있어서 가 시적으로 보이는 백연저감효과를 정성적으로 비교하 는 정도로 시행되고 있다는 점에서 향후 지역의 백연 및 악취 저감사업 진행시 정량적 성능지표의 도출이 매우 필요한 실정이다.

광산란법에 의한 대기중 미세먼지의 측정은 이미 폭넓게 사용되고 있다. 많은 미세먼지 측정기가 인증 을 통해 공급되고 이를 이용한 미세먼지 측정 결과가 실시간으로 제공되고 있다. 이러한 광산란 방식은 실 외 대기중의 미세먼지 모니터링 뿐만 아니라 실내 미 세먼지 측정에 의한 실내환경 평가에도 응용되고 있 다(Allene et al., 2003). 또한 최근에는 고기구이 음식 점의 미세먼지 저감에 있어서도 발생하는 연기 또는 오일미스트의 농도 측정에 광산란 방식이 적용된 사 례가 있다(Park et al., 2011).

따라서 본 연구에서는 섬유텐터공정의 대기오염 방 지성능 평가방법의 하나로서 악취분석과 더불어 백 연 측정방법으로 고농도 입자측정이 가능한 광산란 방식의 미세먼지 측정을 이용하여 실제 섬유텐터공 정에 설치된 습식세정탑과 습식전기집진기(wet electostatic fume collector)의 측정결과 비교를 통해 제거 효율 또는 성능 도출이 가능한지를 조사하였다.

2. 연구방법

2.1 악취 측정 항목 및 방법

본 연구에서의 악취발생은 주로 섬유텐터공정 중 증발하는 유연제 성분이 주요 원인이고 황, 질소, 지 방산 계열보다는 VOC 계열이 일반적이므로(Park et al., 2009;Hwang et al., 2011a;Seo and Suh, 2018), 일 반적인 악취방지법상 지정된 개별 악취물질보다는 GC/MS에 의한 정성/정량 동시분석을 통해 좀 더 다 양한 물질의 추적이 필요하다고 판단되어 다음에 한 정하여 분석하였다.

2.1.1 악취물질 측정 및 분석방법

복합악취, 개별 악취물질 측정 및 분석방법은 원칙 적으로 환경부의 악취공정시험방법을 따랐다(NIER, 2020a). 다만, 배출원에 대한 시료 채취 시 적용할 수 없을 때에는 대기오염공정시험법을 준용하였다. 배 출시설별 조사 횟수는 현장 여건상 다수 시료의 채취 가 어려운 제한적 상황이었기 때문에 각각 2회 시료 채취를 실시하였다.

2.1.2 휘발성유기화합물(VOCs) 측정 및 분석방법

시료는 채취지점에서 등속흡인펌프(Gilian Pump) 를 이용하여 테들러백에 채취하였다. VOCs는 표준물 질로서 미국 Supelco사의 TO-14 (1 ppm)를 사용하여 분석하였다. 분석 기기 및 분석 조건은 다음 Table 1과 같다. 표준물질에 나오지 않는 물질이 많아서 정량분 석보다는 각 물질의 크로마토그램 피크의 면적 차이 를 비교하는 정성분석으로 결과를 도출하였다.

2.2 백연의 측정

백연의 농도는 1) 대기오염공정시험법에 따른 중 량측정법과 2) 미세먼지측정기(DustTraK(II), TSI Co. Ltd., USA)를 이용한 광산란법에 의해 PM₁₀을 측정하 는 값으로 표시하였다. DustTraK(II)는 펌프에 의해 포 집된 샘플 기체가 들어오면 기체 흐름과 분리된 light trap을 설치함으로써 오염을 방지하여 섬유 텐터공정 의 배출가스처럼 고농도 입자를 측정하기 적합한 방 식이다. 이 장치의 포집 유량은 3.0 L/min이며 측정범 위는 다음과 같다.

2.3 현장 및 효율 조사방법

위에서 선정된 DustTrak 기기를 가지고 S사 텐터공 정의 백연저감장치에 대한 분석을 수행하였다. 성능 평가 대상 방지시설로서 시흥의 S사에 설치된 습식 전기집진장치(EFC) 1기와 일반 세정탑 1기에 대한 비 교 연구가 수행되었다. 이 방지시설에 대해서는 이전 타 연구(Hwang et al., 2011a)에서 full scale 장치로서 배출가스 정화장치 및 오일회수에 대해 결과를 보고 한 바 있다. 그러나 그 연구 결과에서는 주로 악취 물 질 중 복합악취, 옥타날/노나날, 오일회수율 등의 항 목위주로 평가되었으며 정작 백연저감의 지표인 시 각공해적 측면은 고려하지 않았다.

본 연구에서의 분석항목은 다음 Table 2와 같다. 배 출가스에 대해서는 백연 저감효과를 알아보기 위해 흡입중량측정법(NIER, 2020b)과 광산란법에 의한 미 세먼지 농도를 알아보았으며 악취분석을 위해 공기 희석관능법 및 GC/MS에 의한 물질 정성분석을 수행 하였다. 그밖에 온도, 습도, 미세먼지, 풍량이 분석되 었으며, 수조 순환수의 시료채취 및 분석을 통해 온 도, pH, SS, COD 등을 알아보았다.

다음으로 각 장치별 시료채취에 대한 설명이다. EFC 의 경우 유입되는 유입구A/B가 있었으며 수분을 공 급하는 전단S/C, 그리고 본체인 EFC를 포함하여 4군 데에서 광산란에 의한 미세먼지농도를 측정하였다. 이를 Fig. 1에 사진과 함께 표기하였다. 비교 대상인 일 반 세정탑의 경우에는 Fig. 2와 같이 입출구에서 광산 란 측정과 시료를 채취하여 분석하였다.

3. 결과 및 고찰

3.1 광산란 측정에 의한 백연 저감효과 분석

먼저 EFC에 대한 광산란 측정결과(PM₁₀기준)를 Fig. 3에 나타내었다. 또한 각 측정구에서의 광산란 PM₁₀ 기준 평균, 최소, 최대치를 Table 3에 요약하였다. 섬 유텐터공정에서 발생한 백연의 농도는 공정에 따라 농도가 다르게 측정되었다(Fig. 3(a), (b)). 유입구 (a) 의 경우 수증기 양이 많아서 거의 기기 최고 상한치 인 400 mg/m³으로 측정되었고, 유입구 (b)의 경우 약 간의 변동은 있었지만 평균 129 mg/m³으로 측정되었 다. 결국 2개의 텐터기로부터의 유입구가 합쳐진 EFC inlet에서는 기기 최고 상한치인 400 mg/m³으로 측정 되었다(Fig. 3(c)). 방지시설인 EFC를 거친 배출구에서 의 광산란 PM₁₀ 농도는 약간의 변동은 있지만 최대 58.4, 최소 30.6, 평균 33.7 mg/m³으로 측정되었다(Fig. 3(d)).

반면 일반 세정탑의 유입/배출구에서의 광산란 PM₁₀ 농도는 각각 182, 151 mg/m³으로 측정되었다(Table 4). 이 결과로부터 EFC와 일반세정탑의 광산란 기준 백 연저감 효율을 계산하면 일반 세정탑의 경우 17.0%의 효율을 나타내었고 EFC의 효율은 이보다 크게 높은 91.7%로 계산되었다. 여기서 EFC의 경우 입구가 400 mg/m³으로 최대치라서 그 이상의 농도가 유입될 수 도 있음을 감안하면 효율은 그 이상으로 추정할 수 있 으나 여기서는 단순히 최대치 대비로 계산하였다.

광산란법은 단지 오일 미스트뿐만 아니라 수증기 역시 감지되므로 정확한 오일미스트의 농도를 추정 하는 것에는 어려움이 있으나 실제적인 백연의 시각 적 정도를 반영하는 것에는 오히려 더 적절하다고 사 료된다. 상기의 결과로부터 광산란법에 의한 섬유 텐 터 백연 측정은 충분히 타당성이 있는 것으로 사료되 는 바 추후 정밀한 검증을 거쳐 시화/반월 지역을 포 함한 염색단지 백연 측정방법의 하나로 가능성을 확 인할 수 있었다.

상기 광산란에 의한 백연측정을 보완하고자 기존 의 미세먼지 관련 공정시험방법인 흡입중량측정법에 의해 EFC와 일반 세정탑의 유입 배출구를 분석하였 다. 그 결과 EFC에서는 입구에서 21.6 mg/m³, 출구에 서는 13.5 mg/m³로 나타났다(data not shown). 일반 세 정탑의 경우, 입구에서는 측정구 미비로 측정이 어려 웠고 배출구에서는 17.3 mg/m³의 미세먼지가 검출되 었다. 이 방법의 문제점은 중량분석시 가열과정에서 수증기는 물론 오일미스트도 손실될 여지가 있어서 정확한 측정은 어렵다는 것이며 이로 인해 광산란 측 정값에 비하면 낮은 측정값을 보였다. 또한 효율 역 시 광산란 측정결과로부터의 계산값과는 다른 결과 를 보여주었다.

3.2 복합악취 분석결과

복합악취의 경우(Table 5), EFC 유입 A와 유입B에 서 각각 300배와 208배로 측정되었으며 EFC배출구에 서는 144배로 측정되어 약 50% 저감 효과가 있었다. 일반 세정탑의 경우에는 유입은 EFC 유입과 유사한 300배이었으나 배출구에서는 오히려 증가한 1000배 로 분석되어 효율에 문제가 있음을 알 수 있었다.

3.3 GC/MS 분석

일단 정성적으로 어떤 물질이 텐터공정에서 주로 발생하는지와 방지시설을 거치면 그 분포가 어떻게 변하는지를 알아보기 위해 GC/MS 분석이 수행되었 다. 각 물질의 개별 표준검량선이 없으므로 일단 피 크의 면적이 큰 것을 주요 물질로 판단하였다.

3.3.1 EFC 유입

유입구 2곳(시료채취구 1, 2)의 시료들의 GC/MS 분 석결과를 Fig. 4에 나타내었다. 약간의 농도차이는 있 지만 유사한 물질들이 분석됨을 알 수 있다. 주요 악 취물질로 분석된 것은 toluene, Benzothiazole, 1,1'- [oxybis(methylene)]bis-Benzene이며 그래프에 화살표 로 표시하였다. 그밖에도 2-butoxy ethanol, Beden- zaldehyde 그리고 그밖에 hexadecane, heptadecane, nonadecane, octadecane등의 hydrocarbon류 피크가 많 이 검출되었다.

3.3.2 EFC 입출구

다음으로 EFC에서의 입출구결과를 Fig. 5에서 보면, 유입에 비해 EFC에서 Toluene 및 1,1'-[oxybis(methylene)] bis-Benzene, Benzothiazole이 크게 감소했음을 알 수 있다. 다만 유입에 없던 5-Chloro-3-(p-ethylphernyl)- 2- nitrothiophene이나 octamethyl- Cyclotetrasiloxane 이 배출구에서 소량 나타났는데 원인은 알 수 없었으 며 실제로는 유효한 악취물질로는 판단하지 않았다.

3.3.3 일반 세정탑 입출구

일반 세정탑의 입출구 분석결과 주요물질 구성은 비슷하나 output peak가 더 크다는 것을 알 수 있다. 복 합악취 역시 배출구가 높은 것으로 나타나 이러한 분 석 결과를 뒷받침해준다. 이 결과들로부터 일반 세정 탑은 세정효과가 거의 없음을 알 수 있었다. 이러한 낮은 저감 효율의 원인으로는 세정수의 교환이 제대 로 이루어지지 않는 경우, 세정수 중에 축정된 악취 물질이 세정/살수시 배기되는 배출가스중으로 높은 농도로 비산되어 출구 농도가 더 높아지는 문제점을 들 수 있다. 이 결과들을 종합하면 전반적으로 광산 란 및 복합악취, GC/MS 분석결과를 볼 때 EFC가 일 반 세정탑에 비해 백연 및 악취 제거효율이 우수함을 알 수 있었다.

3.3.4 세정수 수질 분석

세정수의 수질을 분석한 결과를 다음 표에 나타내 었다. 분석결과 COD는 EFC와 세정탑에서 각각 795.9, 612.2mg/L로 유사한 결과를 보였는데 부유물(suspended soild, SS)의 경우에는 EFC쪽이 훨씬 높은 230 mg/L의 결과를 나타내었다. EFC가 오일미스트를 많이 제거 하므로 수조내 OD와 SS의 농도가 높아지는 것으로 사 료된다. 다만, EFC의 수조 수질이 더 좋지 않음에도 불구하고 유입 및 배출 악취가 낮게 나타난 것은 순 환수 수질보다는 배출가스내의 오일미스트가 악취기 여에 더 큰 영향을 미치기 때문으로 판단된다.

3.3.5 온도 및 습도

섬유텐터공정은 고온의 다림질과정에서 수증기가 매우 많은 발생하므로 배기의 온도 및 습도가 매우 높 다. 본 연구에서도 일반 스크러버와 EFC의 경우 모두 입구에서는 물방울 형태의 수분이 다량 관찰되어 습 도측정이 불가능하였다. 출구에서는 두 방지시설 모 두 상대습도 100%로 나타나 배기가스는 증기의 제거 여부와 관계없이 거의 포화상태로 배출되고 있음을 알 수 있었다. 본 연구에서 대상으로 한 섬유텐터공 정은 비교적 온도가 높은 공정인 직접가열방식이었 다. 온도의 경우 두 경우의 입구(1, 2, 5)에서는 70°C ~ 80°C범위에서 지속적으로 변동되는 수준으로 측정되 었다. 각 스크러버의 배출구(3, 6)에서는 약 50°C ~ 60°C 정도로 측정되었고 EFC의 출구에서는 40°C ~ 50°C로 배출되었다. 각 방지시설 단계를 거치면서 소폭 냉각 되어 배출됨을 알 수 있었다.

4. 결 론

본 연구에서는 섬유텐터공정의 백연 측정방법으로 고농도 입자측정이 가능한 광산란 방식의 미세먼지 측정을 이용하였다. 실제 섬유텐터공정에 설치된 습 식 세정탑과 습식 전기집진기의 제거효율 또는 성능 을 도출하였고 동시에 악취저감 효율 역시 분석하였 다. 습식전기집진(EFC)의 백연 제거효율은 92%로서 일반 세정탑의 제거효율 17%보다 월등히 우수한 결 과를 나타내었다. 또한 습식전기집진 방지시설이 섬 유텐더공정으로부터의 주요 발생 물질인 Toluene 및 1,1'-[oxybis(methylene)]bis-Benzene, Benzothiazole 등 의 제거에도 효과적이었다.

이러한 과정을 통해 광산란법은 측정의 시급성과 명확성 측면에서 방지시설의 성능을 현장에서 평가 할 수 있는 유용한 도구중 하나라는 것을 알 수 있었 다. 이러한 접근은 실제로 느끼는 시각공해 측면의 백 연 제거성능 도출에 있어서 중량측정법보다 더 직관 적으로 실시간 정량화가 가능하다는 점에서 의미를 가진다고 볼 수 있다. 다만, 섬유텐더공정의 배출가스 중 수분 함유량이 높아 오류 발생 가능성이 있으므로 중량측정법과의 상관성에 대한 규명 및 보완 연구가 더 필요하다고 사료된다.