Journal Search Engine
Search Advanced Search Adode Reader(link)
Download PDF Export Citaion korean bibliography PMC previewer
ISSN : 2288-9167(Print)
ISSN : 2288-923X(Online)
Journal of Odor and Indoor Environment Vol.17 No.1 pp.27-36
DOI : https://doi.org/10.15250/joie.2018.17.1.27

A study on the evaluation of odor adsorption capacity of biomass by-product using odor sensor

Han-Soo Kim2, Su-Ryun Ahn1, Eun-Ryeong Jung1, Yeong-Seong Park1*
1Department of Environmental Engineering, Daejeon University
2AIRWORKS Inc.
Corresponding author : +82-42-280-2536yspark@dju.kr
02/01/2018 19/02/2018 20/02/2018

Abstract


The purpose of this study is to produce an adsorbent material with biomass by-product that are readily visible in daily life. The biomass by-product used in the study are coffee grounds, oak leaves and chestnut peels. These biomass by-products were produced with dry, carbonization and activation treatments. The equipment for the evaluation of adsorption capacity was the batch type system to measure the concentration of test gases with the odor sensor device. Biomass by-products have been shown to improve the absorption characteristics of adsorbent through carbonization and activation. The adsorbent made with coffee grounds and chestnut peels had superior adsorption capacity to hydrogen sulfide (H2S) and complex odor (H2S & NH3) in a comparison with regular activated carbon. The odor sensor device could be used to evaluate the device of adsorption capacity of the adsorbent.



복합악취센서를 이용한 바이오매스 부산물의 악취흡착성능 평가에 관한 연구

김 한수2, 안 수련1, 정 은령1, 박 영성1*
1대전대학교 환경공학과
2(주)에어웍스

초록


    © Korean Society of Odor Research and Engineering & Korean Society for Indoor Environment. All rights reserved.

    1. 서 론

    바이오매스(Biomass)는 화학적 에너지로 사용 가능 한 식물, 동물, 미생물 등의 생물체로부터 얻을 수 있 는 에너지원을 의미한다. 바이오매스의 종류로는 곡물 과 식물, 폐목재, 식물 줄기와 같은 목질계, 해조류, 동 물의 분뇨나 음식물쓰레기, 유기성 폐수 등이 있으며, 이를 열분해 또는 발효과정을 거쳐 바이오에너지로 채 취하거나 퇴비 및 사료, 각종 플라스틱과 대체 제품으 로 전환하여 사용되고 있다. 바이오매스로부터 얻어지 는 에너지는 그 용도나 형태에 따라 바이오 가스, 바이 오 에탄올, 바이오 디젤, 메탄올, 수소 등이 있으며 화 석연료의 고갈과 원자력의 낮은 안정성 및 높은 비용 등의 문제를 해결할 수 있는 대체 에너지 중의 하나로 평가받고 있다.

    그러나 Kim (2011)의 연구 자료에서도 바이오매스 를 에너지원으로 활용한 이후에는 연소 잔존물인 숯 (char)과 에너지로 활용될 가치가 낮은 부산물이 생성 되고 있어 잔존 부산물의 활용을 위한 다양한 아이디 어의 개발이 요구됨을 확인할 수 있다.

    이에 Kwon et al. (2017)은 도시 폐기물로 방치되는 참나무 낙엽을 활용하여 흡착제를 제조하고 대표적 악 취물질은 황화수소 제거를 위한 연구를 진행하였고, Lee et al. (2016a)과 Shih et al. (2015) 등은 굴 패각을 흡착제로 활용하여 벽돌, 화산암 및 제올라이트 등 보 다 중금속 및 유기물 흡착이 탁월한 연구결과를 보여 주고 있다. 또한 Lee et al. (2016b) 및 Cho et al. (2009)도 정수슬러지를 원료로 사용하여 펠렛형 흡착 제 및 첨착활성탄을 제조하여 기체상의 황화수소, 암모 니아 및 포름알데히드 성분의 흡착에 탁월한 흡착제를 개발하였고, Lee et al. (2016c)은 일반 활성탄과 대두 줄기와 쌀겨의 바이오매스 부산물을 활용하여 제조된 흡착제의 성능을 메틸렌블루 제거 시험으로 비교하는 연구를 진행하였다. 이처럼 Cheung et al. (2000)이 제 안한 산업폐기물을 활용한 흡착제의 개발이라는 연구 와 더불어 최근에는 열분해/연소 이후에 에너지원으로 써의 가치가 낮은 바이오매스 부산물을 활용한 다양한 흡착제 개발에 관한 연구를 통한 바이오매스 잔존 부 산물에 대한 재활용 방법들이 다양하게 제안되고 있다.

    따라서 본 연구에서도 우리 일상생활에서 쉽게 얻을 수 있는 바이오매스 부산물 중에서 낙엽(참나무), 커피 찌꺼기, 밤껍질 등을 활용하여 악취성분을 제거할 수 있는 흡착제로써의 활용가능성을 일반 활성탄과 비교 연구하였고, 제조 단계별 흡착제의 흡착성능을 복합악 취센서로 평가하여 기존 흡착제 물성분석방법인 SEM, BET 등의 분석결과와의 상관성을 비교하였다.

    2. 연구방법

    2.1. 바이오매스 부산물을 활용한 흡착제 제조

    본 연구에서 사용할 활성탄의 제조는 바이오매스 부 산물(낙엽, 커피찌꺼기, 밤껍질) 원료에서 건조과정, 탄 화, 활성화, 수세건조 과정을 거치게 된다. 건조과정은 바이오매스 부산물의 섬유구조 내부 및 표면에 존재하 는 수분 및 휘발성 물질을 제거하여 원료의 탄화시 섬 유구조의 열분해가 잘 이루어지도록 하는 전처리 과정 으로 약 100°C 내외의 온도조건에서 1시간 동안 진행 하였다. 탄화는 활성탄의 기본구조를 이루는 열분해 단 계이며, 약 550°C 온도 조건의 전기로에서 약 2시간 동안 탄화시켰다.

    Yang et al. (2016) 등의 연구에서처럼 바이오매스 부산물에 포함된 수분을 제거하기 위해 100°C 조건에 서 1시간 동안 건조를 진행하고 이후 건조된 부산물을 탄화(소성) 과정과 활성화 과정을 거쳐 최종적으로 흡 착제를 제조하였다. 커피 폐기물 및 왕겨 등을 활용한 Kim et al. (2004) 등의 연구에서는 바이오매스에 포함 되어 있는 수분과 휘발분의 제거를 위한 건조공정을 탄화과정 전에 반드시 거쳐야하는 중요한 과정으로 설 명하고 있다.

    Fig. 1은 본 연구의 바이오매스 부산물을 활용하여 흡착제를 제조하기 위한 과정을 설명한 자료이며, 탄화 과정은 550°C의 온도조건에서 2시간 동안 불활성가스 인 N2 가스를 흘려주는 방법으로 진행하였다. 또한 탄 화물의 흡착성능을 개선하기 위해 추가적인 스팀 활성 화 과정을 진행하였으며, 스팀 활성화를 위해 탄화로의 온도를 약 700°C까지 승온(10°C/min)시키고 이와 동시 에 1시간 동안 수증기를 투입하여 탄화된 부산물의 활 성화를 극대화하였다.

    일반적인 스팀 활성화의 원리는 탄화물에 스팀에 적 용되면 C + H2O→ CO + H2와 같은 반응이 일어나 탄 화물 내부의 고체상태의 탄소가 기체상태의 일산화탄 소로 배출되면서 부산물 표면에 미세한 공극이 형성되 고 이러한 공극의 증가로 탄화된 부산물 표면의 비표 면적인 증가하여 흡착제의 악취제거성능이 개선되는 과정이라 할 수 있었다.

    2.2. 흡착성능평가 장치

    바이오메스 부산물로부터 제조된 활성탄의 악취가스 의 흡착특성을 확인하기 위해 Fig. 2와 같은 lab.-scale 의 흡착성능평가 장치를 구축하였다. 흡착성능평가 장 치는 20 L 용량의 폴리카보네이트 재질의 정육면체를 갖는 챔버로 구성되며, 챔버 내부에 일정량의 활성탄 시편을 놓을 수 있도록 매쉬망으로 구성된 3단 트레이 를 제작하였다. 또한 챔버 내부의 악취성분의 농도가 일정하게 유지될 수 있도록 내부 순환팬(DC 9V)을 별 도로 작동시킬 수 있도록 구성하였고, 활성탄이 놓여 있는 트레이 방향으로 악취가스가 잘 유입될 수 있도 록 작은 용량의 순환팬(DC 3.7V)을 트레이 상단에 설 치하였다.

    바이오메스로 제조된 활성탄 시료를 챔버 내부의 트 레이에 준비한 이후에 악취표준가스를 주입하여 활성 탄 흡착성능시험을 시작하며, 흡착 과정 중의 악취표준 가스의 농도는 복합악취센서(BL-002, AIRWORKS Inc., Korea)로 실시간 모니터링하여 흡착제의 성능평 가를 진행할 수 있도록 하였다.

    흡착성능평가는 20°C 내외의 실온조건에서 낙엽, 커 피찌꺼기 및 밤껍질로 제조한 활성탄에 단일성분의 황 화수소 표준가스, 황화수소와 암모니아 표준가스가 혼 합된 복합악취에 대한 평가를 진행하였고, 각각의 악취 가스는 챔버 내부에서 황화수소 농도가 약 6 ppm, 복 합악취농도(OU, odor unit)가 약 600 OU가 되도록 고 농도의 표준가스를 주사기로 주입할 수 있도록 구성하 였다.

    2.3. 활성탄의 물리적 특성분석

    바이오매스 부산물로 제조한 활성탄의 물리적인 특 성을 분석하기 위해 Lim et al. (2012)의 연구에서처럼 비표면적 측정기(Gemini V, Micrometrics Co., USA) 를 활용하여 77 K에서 질소 흡착실험에 의하여 BET 비표면적(BET specific area)를 측정하였다. 또한 활성 탄 표면의 세공형상을 주사전자 현미경(Hitachi S- 4800, Hitachi Co., Japan)을 이용하여 분석하였다.

    그리고 탄화 및 활성화 과정에서의 휘발성분 및 탄 소성분의 변화 특성을 열중량분석기(TGA-701, LECO Co., USA)로 분석하여 수분, 휘발분, 회분 및 고정탄소 등의 구성비를 고찰하였고, 원소분석기(CHN-2000, LECO Co., USA)를 통해 각 바이오매스 부산물을 구 성하고 있는 탄소(C), 수소(H), 산소(O), 질소(N) 및 황 (S) 등의 원소조성을 분석하였다.

    3. 결과 및 고찰

    3.1. 흡착제의 물리적 특성 분석

    바이오매스 부산물을 활용한 흡착제 제조과정 중 바 이오매스 부산물의 물리적인 특성변화를 고찰하기 위 해 바이오매스 부산물에 포함된 휘발성분과 탄소성분 의 함량변화를 분석하였다. Table 1은 커피찌꺼기를 활 용하여 흡착제를 제조하는 과정에서의 커피찌꺼기 내 에 포함된 수분, 휘발성분 및 탄소성분의 변화를 분석 한 결과와 원소분석기를 통한 각 흡착제 제조 단계별 구성성분의 조성변화 결과이다.

    Table 1의 결과에서 초기 커피찌꺼기는 약 75%의 휘발성분과 약 18%의 고정탄소성분으로 이루어져 있 었으나, 탄화(Carbonization) 과정에서 많은 양의 휘발 성분이 제거되며 활성화(Activation) 과정을 거치면 휘 발성분은 약 7% 수준까지 감소하고, 커피찌꺼기로 제 조한 흡착제는 탄소성분이 약 80%로 구성되어 있음을 확인할 수 있었다. 또한 탄화 및 활성화 과정을 거치면 서 회분(ash) 성분의 비율이 상대적으로 증가하고 있어, 향후 흡착제로 활용할 경우에는 이러한 회분과 같은 불순물을 최소화한다면 흡착제의 흡착성능을 개선할 수 있을 것으로 기대된다. 또한 Kim et al. (2004) 등의 연구에서도 초기 커피찌꺼기에 포함된 고정탄소 함량 이 약 7~18% 수준으로 비교적 낮은 연구결과를 보여 주고 있다.

    참나무 낙엽의 탄화 및 활성화 과정에서의 물리적인 특성을 분석한 Table 2의 결과에서도 탄화 및 활성화 과정을 거치면서 많은 양의 휘발성분이 제거되며 완전 히 활성화된 이후에는 고정탄소성분이 약 73%, 휘발 성분이 약 13%인 흡착제가 제조된 것으로 확인할 수 있다. 상대적으로 커피찌꺼기로 제조한 흡착제와 비교 하면 물리적인 조성은 거의 유사하나, 휘발성분의 비율 이 약 2배 높은 것으로 확인되었다.

    또한 밤껍질의 탄화 및 활성화 과정에서도 아무런 처리를 하지 않은 원료상태 밤껍질에는 약 70%의 휘 발성분으로 구성되어 있다가 탄화과정에서는 휘발성분 이 약 14% 그리고 활성화 이후에는 약 10%까지 감소 하였으며, 이와 반대로 고정탄소성분은 약 23%에서 74%까지 증가하여 최종 탄소성분이 약 82%로 구성된 흡착제로 제조된 것을 확인하였다.

    이와 같이 바이오매스 부산물을 활용하여 흡착제를 제조하는 과정에서 원료에 함유되어 있는 휘발성분이 대부분을 차지하고 있어 탄화 및 활성화 과정을 통해 원료에 함유된 휘발성분을 효과적으로 제거할 수 있는 공정의 적용이 중요한 과정이며, 특히 휘발성분을 제거 할 수 있는 탄화과정이 매우 중요한 과정으로 알려져 있다.

    바이오매스 부산물로 제조한 흡착제의 표면구조와 내부공극의 변화를 파악하기 위하여 탄화 및 활성화 과정의 시료를 SEM (scanning electron microscope)을 사용하여 관찰하였고, Fig. 3은 커피찌꺼기의 탄화 및 활성화 단계별 시료에 대한 SEM 분석(×10,000)결과이 며, Fig. 4와 Fig. 5는 각각 참나무 낙엽과 밤껍질의 탄 화 및 활성화 단계별 SEM 분석(×5,000)결과를 보여주 고 있다.

    탄화 및 활성화 처리를 하지 않은 바이오매스 부산 물의 원료에서는 넓은 섬유상을 형성하고 있는 것을 볼 수 있으나, 탄화 및 활성화 과정을 거치면서 섬유구 조가 상당히 파괴되고, 표면구조 및 세공이 형성되고 있음을 확인할 수 있었으며, Lee et al. (2014) 등의 연 구에서처럼 커피찌꺼기가 탄화 및 활성화 과정을 거치 면서 비표면적이 증가하는 표면구조와 넓은 세공용적 을 갖게 됨을 보여주고 있다. 특히 화학적 활성화 과정 의 적용에 따라 좀 더 미세한 세공구조를 발달시킬 수 있음을 알 수 있었다.

    그리고 Fig. 5의 밤껍질의 탄화 및 활성화 과정에 대 한 SEM 관찰사진에서는 활성화 과정을 거치지 않은 탄화 과정만으로도 넓은 표면구조와 미세한 세공구조 를 갖는 것을 확인할 수 있었으며, 이러한 결과는 Table 3의 밤껍질에 대한 물성분석 결과에서도 탄화 및 활성화 과정의 시료에 물성 분석결과가 거의 유사함을 확인할 수 있었다.

    바이오매스 부산물의 탄화 및 활성화 과정에 따른 BET 비표면적을 분석한 Table 4의 결과에서도 활성화 과정 거친 이후에 비표면적이 5 m2/g에서 500 m2/g 내 외로 약 200배 이상 증가하는 것을 확인할 수 있었고, 상대적으로 참나무 낙엽의 경우에는 탄화 과정만으로 도 약 200 m2/g의 비표면적을 갖는 탄화물을 얻을 수 있었다. 그러나 커피찌꺼기와 밤껍질의 경우에는 탄화 과정에서 많은 양의 휘발성분이 제거되지만 상대적으 로 비표면적이 작은 것으로 확인되어 이는 바이오매스 부산물이 갖는 특성으로 물리적인 미세기공의 발달은 크지 않았다. 이처럼 바이오매스 부산물의 종류에 따른 탄화 과정에서의 표면구조 형성의 차이가 나타나는 원 인은 추후 연구가 필요한 것으로 사료된다.

    왕겨 및 대나무 등의 바이오매스 부산물을 활용하여 흡착제를 제조한 Ko et al. (1993) 등의 연구결과에서 도 약 500 m2/g 내외의 비표면적을 갖는 흡착제를 제 조한 것을 확인할 수 있었으며, Yoon et al. (2004) 등 은 수박씨를 활성화하는 과정에 KOH 등의 화학적 활 성화 과정을 거쳐 최대 978 m2/g의 비표면적을 갖는 흡착제를 제조하였던 사례도 있어 바이오매스 부산물 을 활용하여 넓은 표면구조를 갖는 흡착제를 제조할 수 있을 것으로 기대된다. 또한 Bak et al. (2014) 등은 대나무를 활용하여 제조한 흡착제가 약 700 m2/g의 비 표면적을 갖도록 제조한 연구사례도 있어 다양한 바이 오매스 부산물을 활용하여 오염물질의 정화에 활용 가 능한 흡착제를 제조할 수 있을 것으로 확인되었다.

    본 연구에서는 스팀 활성화 과정을 진행하였지만, Lee et al. (2014), Yoon et al. (2004), Kim et al. (2004), Ko et al. (1993) 및 Hwang et al. (2015)등의 연구에서 는 바이오매스 부산물을 활용한 흡착제 제조과정에 흡 착성능 개선을 위한 목적으로 KOH, NaOH, ZnCl2, H2PO4 등을 사용하여 화학적 활성화 과정을 적용한 연 구사례도 있다.

    3.2. 복합악취센서를 활용한 흡착제 흡착성능평가

    바이오매스 부산물(커피찌꺼기, 참나무 낙엽, 밤껍질) 로 제조된 흡착제의 악취제거성능을 확인하고자 Fig. 2 의 lab.-scale 장치를 활용하였다. 제조된 흡착제에 의 해 제거되는 악취성분의 농도는 실시간 농도 측정이 가능한 복합악취센서를 활용하였고, 복합악취센서로 흡입된 시료공기는 다시 시험용 챔버로 반송될 수 있 는 회분식(batch-type) 반응기로 평가를 진행하였다.

    Fig. 6에서 Fig. 8은 각 바이오매스 부산물의 탄화 및 활성화에 따른 황화수소(H2S) 흡착성능의 차이를 복합 악취센서로 모니터링한 결과이며, 시험 챔버의 초기 황 화수소 농도(Co)를 6 ppm으로 설정하고 시간에 따른 황화수소 농도(Ci)를 측정하여 흡착특성곡선을 산출하 였다.

    Fig. 6은 커피찌꺼기에 대한 황화수소 흡착특성을 복 합악취센서로 모니터링한 결과를 보여주고 있으며, 탄 화 및 활성화 과정을 거치지 않은 원료(Raw sample)에 대한 황화수소 흡착특성과 탄화(Carbonization sample) 및 활성화(Activation sample) 과정을 거친 흡착제에 대한 황화수소 흡착특성을 비교하였다. 결과에서 기본 적으로 커피찌꺼기 원료 자체만으로도 황화수소 가스 에 대한 흡착성능을 확인할 수 있었으며, 탄화 및 활성 화를 통한 성능개선을 통하여 황화수소 가스에 대한 흡착성능이 월등히 개선되는 특성을 확인하였다. 특히 포화흡착능을 비교하면 커피찌꺼기 원료만으로는 약 88%의 제거성능을 보이지만, 탄화 및 활성화를 거치게 되면 약 98% 수준까지 황화수소 제거성능이 개선됨을 확인할 수 있었다.

    또한 초기 황화수소 농도 대비 40%의 제거성능을 보이는 시간이 31.9분, 5.6분 및 4.4분으로 탄화 및 활 성화를 통해 약 8~9배 빠른 흡착속도를 확보할 수 있 는 것을 Table 5의 결과로 확인할 수 있었다. 그러나 커피찌꺼기의 탄화된 흡착제와 활성화 과정을 거친 흡 착제는 황화수소 흡착성능특성에서 큰 차이가 없는 것 으로 나타났으며, Table 4의 BET 비표면적 분석결과와 는 차이가 있었다. 일반적으로 흡착제 흡착제의 BET 비표면적 차이에 따라 흡착성능의 차이가 발생하는 것 으로 예상되지만, 본 연구에서 사용한 커피찌꺼기를 원 료로 한 흡착제에서는 상대적으로 BET 비표면적이 흡 착성능에 미치는 영향이 크지 않은 것으로 보였다. 이 는 Kwon et al. (2017) 의 연구에서처럼 바이오매스를 원료로 제조된 흡착제의 경우에는 활성화 조건에 따라 BET 비표면적은 증가하나 상대적으로 흡착성능이 떨 어지는 등의 관계를 보여주고 있어, 향후 이에 대한 표 면화학반응 등의 연구를 통한 원인 규명이 필요할 것 으로 사료된다.

    참나무 낙엽을 원료로 제조된 흡착제의 황화수소 흡 착특성을 모니터링 한 결과를 Fig. 7에 나타내었다. 커 피찌꺼기로 제조한 흡착제의 황화수소 흡착특성 결과 처럼 원료로부터 탄화 및 활성화 과정을 거치면서 황 화수소 가스에 대한 흡착성능이 증가하는 것을 확인하 였다. 참나무 낙엽의 원료에 대한 황화수소 가스의 포 화흡착능은 초기 농도 대비 약 80% 수준이며, 탄화를 거친 흡착제는 약 90% 그리고 활성화까지 거친 흡착 제는 약 95% 수준까지 도달하는 것으로 확인하였다. 또한 Table 5의 60%의 황화수소 흡착제거성능을 보이 는 시간이 원료는 105.4분, 탄화 흡착제는 63.4분 그리 고 활성화된 흡착제는 18.0분으로 활성화에 따라 흡착 속도가 빨라지는 특성을 확인하였다.

    또한 밤껍질을 원료로 제조한 흡착제의 흡착특성 모 니터링 결과에서도 원료보다 탄화 및 활성화 과정을 거치면서 황화수소에 대한 흡착특성이 월등히 개선되 는 효과를 확인할 수 있었다. Fig. 8의 흡착특성곡선으 로도 밤껍질 원료 자체만으로도 악취성분의 제거가 탁 월한 흡착제로 활용될 수 있지만, 탄화 및 활성화를 통 해 더욱 우수한 흡착제를 제조할 수 있는 것을 확인하 였다. 특히 황화수소 초기 농도 대비 80% 이상의 제거 성능을 보이는 시간이 원료의 경우에는 87.9분, 탄화 흡착제의 경우에는 37.1분 그리고 활성화된 흡착제는 5.7분으로 원료 대비 10배 이상의 빠른 흡착특성을 보 여주고 있다.

    이처럼 실시간 악취성분의 농도 모니터링이 가능한 복합악취센서를 활용하여 다양하게 제조된 흡착제의 악취제거성능을 간단히 모니터링하여 각 흡착제의 흡 착특성을 비교할 수 있어서 향후 다양한 활용이 기대 되었다.

    Fig. 9는 활성화 과정을 거치 바이오매스로 제조된 흡착제와 일반 활성탄과의 흡착성능을 비교하기 위해 황화수소에 대한 흡착특성을 고찰한 결과이고, 황화수 소 가스에 대한 바이오매스 흡착제의 성능은 밤껍질을 원료로 제조된 흡착제가 가장 우수한 흡착성능을 보이 는 것으로 보이며, 특히 기존 활성탄보다도 황화수소 제거성능이 우수하였다. 또한 커피찌꺼기로 제조된 흡 착제도 활성탄과 비슷한 황화수소 제거성능을 보여주 고 있어 바이오매스 부산물로 제조된 흡착제가 오염가 스제거를 위한 흡착제로 충분한 성능을 발휘하고 있음 을 확인하였다.

    그러나 상대적으로 참나무 낙엽으로 제조된 흡착제 가 가장 낮은 흡착성능을 보이는 것으로 확인되었으나, 활성화된 흡착제의 BET 비표면적 결과에서는 밤껍질 로 제조된 흡착제와 큰 차이가 없는 것을 보여주고 있 었다. 이와 같은 결과는 물리적으로 잘 형성된 미세기 공뿐만 아니라 흡착제 표면에 형성된 관능기 등의 화 학적인 특성도 흡착제의 흡착특성을 좌우할 수 있는 중요한 인자임을 유추할 수 있었다.

    Table 5의 황화수소 제거효율별 각 흡착제의 시간을 정리한 결과에서도 밤껍질로 제조된 흡착제가 초기 황 화수소 농도 대비 80%의 제거효율을 보이는 시간이 상대적으로 빠름을 확인하였고, 커피찌꺼기 흡착제보 다는 약 3배, 참나무 낙엽 흡착제보다는 약 7배 정도 우수하였다. 특히 황화수소 농도 측정을 위해 황화수소 전용 측정기를 활용하지 않고 복합악취센서만으로도 흡착제의 상대적인 흡착특성 평가를 진행할 수 있었다.

    또한 활성화 과정을 거친 바이오매스 부산물 흡착제 를 활용하여 황화수소와 암모니아가 각각 6 ppm씩 혼 합된 복합악취에 대한 흡착성능을 추가로 평가하였다. 흡착제에 의한 복합악취의 농도 측정은 복합악취센서 로 진행하였으며, 복합악취센서를 통하여 측정된 복합 악취는 복합악취농도(OU, Odor Unit-희석배수)로 측정 될 수 있도록 Fig. 10처럼 복합악취에 대한 복합악취센 서의 상관성을 고찰하여 센서에서 출력되는 무차원의 시그널로부터 최종 복합악취농도(OU)를 산출할 수 있 도록 하였다.

    황화수소와 암모니아 가스가 혼합된 복합악취 표준 시료를 준비하고 농도별 표준시료를 각각 공기희석관 능법을 시행하여 각 표준시료에 대한 복합악취농도 (OU)를 산출하고, 또한 동일한 표준시료를 복합악취센 서로 측정하여 Fig. 10과 같은 관계식을 얻었다. x는 실시간으로 측정된 복합악취 센서값이며, y는 복합악 취농도 산출 관계식으로부터 산출된 복합악취농도 (OU)로 표현할 수 있다. 황화수소와 암모니아 가스가 혼합된 복합악취에 대한 복합악취센서의 상관성(R)이 0.99 이상으로 매우 높게 산출되어 복합악취센서에 의 한 복합악취농도 측정에 큰 어려움이 없었다.

    이렇게 복합악취에 대한 교정을 완료한 복합악취센 서를 활용하여 황화수소와 암모니아 가스가 혼합된 복 합악취에 대한 바이오매스 부산물 흡착제의 흡착특성 평가를 진행하여 결과를 Fig. 11에 나타내었다. 대표적 인 산성 및 알칼리성 가스인 황화수소와 암모니아에 대한 바이오매스 부산물 흡착제의 흡착특성은 커피찌 꺼기로 제조한 흡착제가 기존 활성탄보다 우수한 흡착 특성을 보이는 것으로 나타났으며, 황화수소에 대한 탁 월한 흡착성능을 보였던 밤껍질 흡착제도 활성탄과 비 슷한 복합악취제거성능을 보였다.

    시험 챔버의 복합악취농도는 약 600 OU 수준으로 충분한 노출시간을 유지할 경우에는 참나무 낙엽 흡착 제를 제외한 나머지 흡착제는 약 95% 내외의 포화흡 착율을 보였으며, 흡착이 완료된 이후에 시험 챔버에 남아 있는 복합악취농도는 약 30 OU 수준으로 높은 흡착특성을 보여주고 있어, 바이오매스 부산물로 제조 된 흡착제가 단일성분의 악취뿐만 아니라 두 종류 이 상이 혼합된 악취성분에 대해서도 충분한 흡착성능을 발휘하는 것을 확인하였다.

    또한 두 종류 이상이 혼합된 현장 복합악취의 농도 를 측정하기 위해서는 공기희석관능법을 활용하는 오 프라인 방식만이 적용 가능하였지만, 본 연구에서 활용 한 복합악취센서를 활용한다면 실시간 복합악취농도 (OU)도 측정이 가능하여 다양한 흡착제의 성능평가에 활용이 가능할 것으로 판단되며, 향후 악취배출시설 배 출구에서의 실시간 악취모니터링을 통한 악취방지시설 의 성능평가 등의 기술로 활용이 가능할 것으로 사료 된다.

    4. 결 론

    바이오매스 부산물로 제조된 흡착제의 흡착특성평가 를 위해 lab.-scale의 흡착성능평가 시스템을 구축하였 고, 대표적 악취물질인 단일성분의 황화수소 가스와 황 화수소와 암모니아가 혼합된 복합악취 가스에 대한 흡 착특성을 고찰하였다. 바이오매스 부산물로는 커피찌 꺼기, 참나무 낙엽 그리고 밤껍질을 원료로 탄화 및 활 성화 처리하여 미세기공을 갖는 흡착제를 제조하였다. 그리고 제조된 흡착제와 악취성분의 흡착특성을 복합 악취센서로 실시간 모니터링하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

    • 1) 커피찌꺼기, 참나무 낙엽 그리고 밤껍질을 원료로 제조된 흡착제는 탄화 및 활성화 과정을 거치면서 원 료에 포함된 다량의 휘발성분이 제거되고 고정탄소의 비율이 약 75~80%까지 증가하였고, SEM 및 BET 비 표면적 분석을 통해 미세기공이 발달된 흡착제로 제조 가 가능함을 확인하였다.

    • 2) 바이오매스 부산물로 제조된 흡착제는 원료 자체 만으로도 황화수소 단일성분 및 황화수소-암모니아 복 합성분 등의 악취성분의 제거가 가능함을 복합악취센 서를 활용한 흡착특성평가 결과로 확인하였고, 특히 탄 화 및 활성화 처리를 통해 흡착제의 흡착특성이 월등 히 개선됨을 확인할 수 있었다.

    • 3) 특히 커피찌꺼기 및 밤껍질을 원료로 제조된 흡착 제는 일반 활성탄과의 비교평가에서 황화수소 및 복합 악취 제거성능이 월등히 우수하였으며, 산성 및 알카리 성 악취성분이 혼합된 복합악취에 대해서는 커피찌꺼 기로 제조된 흡착제가 활성탄보다 더 성능이 우수하여 흡착제로써의 현장 활용이 충분히 가능할 것으로 판단 하였다.

    • 4) 흡착제 등의 악취제거성능을 측정/모니터링하기 위한 도구로 복합악취센서를 활용하였고, lab.-scale 성 능평가 장치와 회분식으로 구축할 경우에는 실시간 모 니터링이 가능하여 쉽게 흡착제의 흡착특성을 평가할 수 있었으며, 복합악취센서를 별도로 교정하지 않더라 도 초기 시험가스에 대한 센서값과 실시간 측정된 센 서값의 비율로 흡착특성곡선을 파악할 수 있었으며, 복 합악취에 대한 별도 교정을 진행하면 공기희석관능법 을 시행하지 않더라도 복합악취센서로 복합악취농도 (OU)를 산출할 수 있는 장점이 있었다.

    감사의 글

    이 논문은 2015학년도 대전대학교 교내학술연구비 지원에 의해 연구되었음.

    Figure

    JOIE-17-27_F1.gif

    Manufacturing process of biomass by-product adsorbent.

    JOIE-17-27_F2.gif

    Lab.-scale equipment for adsorption capacity evaluation of adsorbents.

    JOIE-17-27_F3.gif

    Results of SEM analysis of coffee grounds adsorbent.

    JOIE-17-27_F4.gif

    Results of SEM analysis of oak leaves adsorbent.

    JOIE-17-27_F5.gif

    Results of SEM analysis of chestnut peels adsorbent.

    JOIE-17-27_F6.gif

    The characteristics of H2S adsorption curves for biomass adsorbent : coffee grounds.

    JOIE-17-27_F7.gif

    The characteristics of H2S adsorption curves for biomass adsorbent : oak leaves.

    JOIE-17-27_F8.gif

    The characteristics of H2S adsorption curves for biomass adsorbent : chestnut peels.

    JOIE-17-27_F9.gif

    Comparison of H2S absorption characteristics of biomass adsorbents and activated carbon.

    JOIE-17-27_F10.gif

    Correlation between the concentration of mixture odors and odor sensor device.

    JOIE-17-27_F11.gif

    Comparison of odor absorption characteristics of biomass adsorbents and activated carbon.

    Table

    Results of physical properties of coffee grounds adsorbent

    Results of physical properties of oak leaves adsorbent

    Results of physical properties of chestnut peels adsorbent

    Comparison table of BET surface area for biomass adsorbent

    Comparison table of adsorption characteristics by H2S removal efficiency

    Reference

    1. Y.C. Bak , J.H. Choi , G.L. Lee (2014) Production of silver impregnated bamboo activated carbon and reactivity with NO gases., Korean Chemical Engineering Research, Vol.52 (6) ; pp.807-813[in Korean with English abstract].
    2. K.C. Cheung , T.H. Venkitachalam (2000) Improving phosphate removal of sand infiltration system using alkaline fly ash., Chemosphere, Vol.41 (1) ; pp.243-249
    3. E.S. Cho , Y.S. Park (2009) Adsorption characteristics of H2S on adsorbent made by sewage sludge. Korean Fig. 11. Comparison of odor absorption characteristics of biomass adsorbents and activated carbon., Journal of Odor Research and Engineering, Vol.8 (2) ; pp.78-84[in Korean with English abstract].
    4. S.H. Hwang , S.I. Choi , H.W. Park , Y.M. Jo (2015) Alkali activation of activated carbon fiber for CO2 adsorption., Journal Odor Indoor Environment, Vol.14 (1) ; pp.41-49[in Korean with English abstract].
    5. Y.S. Kim (2011) A research trend on utilization of the byproducts(Lignin) from bioethanol product process with Lignocellulosic biomass : A literature review., J. For. Sci., Vol.27 (3) ; pp.184-194[in Korean with English abstract].
    6. H.H. Kim , R.H. Park , Y.J. Kim (2004) Preparation of activated carbons using biomass., Journal of the Korean Industrial and Engineering Chemistry, Vol.15 (8) ; pp.870-874[in Korean with English abstract].
    7. Y.S. Ko , W.S. Ahn (1993) Preparation and adsorption characteristics of activated carbon form Korean rice hull., Korean J. Chem. Eng., Vol.31 (6) ; pp.707-714[in Korean with English abstract].
    8. E.J. Kwon , T.H. Kil , J.M. Woo , Y.K. Yu , Y.S. Park (2017) A study on the preparation of biomass adsorbent from oak fallen leaves., Journal of Korea Society of Waste Management, Vol.34 (4) ; pp.395-401[in Korean with English abstract].
    9. J.H. Lee , J.H. Jung (2016) Manufacture of adsorbent with oyster shell waste and adsorption characteristics of mine wastewater., Journal of Korean Society of Environmental Technology, Vol.17 (2) ; pp.114-122a[in Korean with English abstract].
    10. C.H. Lee , N.Y. Park , G.U. Kim , J.K. Jeon (2016) Comparison of adsorption performance of ammonia and formaldehyde gas using adsorbents prepared from watertreatment sludge and impregnated activated carbon., Journal of the Korean Industrial and Engineering Chemistry, Vol.27 (1) ; pp.62-67b[in Korean with English abstract].
    11. G.B. Lee , H.J. Kim , S.J. Park , Y.S. Ok , J.H. Ahn (2016) Adsorption of methylene blue by soybean stover and rice hull derived biochars campared to that by activated carbon., Journal of Korean Society on Water Environment, Vol.32 (3) ; pp.291-296c[in Korean with English abstract].
    12. B.H. Lee , D.I. Lim , D.G. Ra (2014) Removal capacity of nitrate by activated carbon from exhausted coffee., Journal of Korean Society of Environmental Technology, Vol.15 (1) ; pp.19-24[in Korean with English abstract].
    13. H.H. Lim , Y.H. Lim , Y.M. Jo (2012) Characterization of AC-based adsorbents for CO2 capture., Journal of Korean Society for Indoor Environment, Vol.9 (1) ; pp.9-18[in Korean with English abstract].
    14. P.K. Shih , W.L. Chang (2015) The effect of water purification by oyster shell contact bed., Ecol. Eng., Vol.77 ; pp.382-390
    15. S.M. Yang , H.J. Lee , C. Choi , H.J. Kim , W.J. Lee , S.J. Kang (2016) Study on adsorption performance of surface modified torrefied wood fluor using cationic PAM., Jounal of Korea TAPPI, Vol.48 (6) ; pp.271-276[in Korean with English abstract].
    16. K.S. Yoon , M.N. Kim , H.H. Kim (2004) Adsorption characteristics of activated carbon prepared from agricultural wastes., Applied Chemistry, Vol.8 (1) ; pp.299-302[in Korean with English abstract].