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ISSN : 2288-9167(Print)
ISSN : 2288-923X(Online)
Journal of Odor and Indoor Environment Vol.20 No.2 pp.97-112
DOI : https://doi.org/10.15250/joie.2021.20.2.97

Analysis of research trends regarding adsorbents using waste resources for odor control

Ye Seul Park, Chan Jin Park*
Department of Environmental Engineering, College of Urban Science, Incheon National University
*Corresponding Author: Tel: +82-32-835-8746 E-mail: cjpark@inu.ac.kr
23/06/2021 28/06/2021 28/06/2021

Abstract


The adsorption method that is widely used in the field of odor control generally utilizes activated carbon. However, the development of an economical and efficient adsorbent is required due to the increased use of activated carbon and the high cost of raw materials. Accordingly, the use of waste as a raw material for new adsorbents is attracting attention both in Korea and abroad. In this study, the current status of domestic and overseas waste generation, characteristics of adsorbents, and research trends were investigated, and through this, it was found that a waste-derived adsorbent was an adequate substitute in terms of adsorption capacity and price compared to activated carbon.



악취물질 제어를 위한 폐자원 활용 흡착제의 연구 동향 분석

박예슬, 박찬진*
인천대학교 도시과학대학 환경공학전공

초록


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

    1. 서 론

    산업의 빠른 발전에 따른 경제의 팽창으로 인한 에 너지 소비의 증가는 대기오염물질의 배출을 크게 늘 려 환경적인 문제를 초래하고 있으며, 그중 악취 문 제는 경제성장에 따른 사람들의 쾌적한 삶의 욕구로 인해 2005년 악취방지법 시행 이후에도 이에 대한 민 원이 지속해서 증가하고 있다(Cho et al., 2007;Woo and Park, 2017). 악취는 “황화수소, 메르캅탄류, 아민 류, 그 밖에 자극성이 있는 물질이 사람의 후각을 자 극하여 불쾌감과 혐오감을 주는 냄새”라고 악취방지 법 제2조에 규정되고 있으며, 현재 환경부에서는 총 22가지 악취 물질들을 규제하고 있다. 또한 다양한 종 류의 사업장에서 발생한 여러 악취 물질에 대하여 악 취방지법에서는 12개 시∙도 44개의 지역을 악취관리 지역으로 지정하여 관리하고 있다(Jeon et al., 2010). 악취 물질은 대부분 흡착 또는 흡수시설로 제어되 나, 흡수법보다는 흡착법이 재료의 부식과 부담 없는 동력비를 가지고 있으며, 2차 오염물질이 없다는 점 에서 상용화 공정에 많이 적용된다. 흡착에는 주로 활 성탄이 사용되는데 활성탄은 넓은 표면적과 높은 기 공률을 통해 액상과 기상의 다양한 종류의 오염물질 제거에 효과적인 흡착제이다(Cho et al., 2007;Kam et al., 2018).

    활성탄 시장은 수처리, 제약/의료산업, 자동차, 산 업용 등 적용처의 수요 증가와 함께 유럽, 미국, 중국 과 같은 주요 국가의 공기 및 식수 등 환경에 대한 의 식 상승과 관련 규제 및 법령의 강화로 전 세계적으 로 소비가 꾸준히 증가하고 있다. 활성탄소 시장은 2015 년 기준 47.4억 달러에서 2021년 81.2억 달러에 이를 것으로 전망이 되고 있으며, 국내의 활성탄소 시장 또 한 마찬가지로 2016년 약 2천억 원에서 2021년 약 3,149 억 원에 이를 것으로 예상되면서 그 수요가 증가하고 있음을 알 수 있다(KEIT, 2019). 그러나 흡착공정에 주 로 이용되는 활성탄은 고온 조건의 탄화와 활성화를 거쳐야 하며, 탄소 교체로 인한 비용이 많이 들고, 주 로 원료로 사용되는 석탄, 갈탄, 또는 무연탄과 같은 재료는 가격이 높을 뿐만 아니라 한정적인 자원이다. 따라서 쉽게 구할 수 있고, 경제적이며 효율적인 흡 착제의 개발 필요성이 점점 증가하고 있다(Kam et al., 2018;Santos-Clotas et al., 2019;Yunus et al., 2020).

    급속한 도시화와 인구 증가로 인해 폐기물의 양이 증가하게 되었다. 특히 도시에서 발생하는 도시 고형 폐기물은 도시의 가장 중요한 부산물 중 하나로 주로 산업 및 가정의 다양한 인간 활동으로 생성되며, 이 러한 폐기물은 건강에 해로울 뿐만 아니라 환경에도 부정적인 영향을 미쳐 효과적이고 효율적인 관리 프 로그램을 필요로 한다(Tun and Juchelková, 2018). 이에 대한 처리로 매립, 소각 및 재활용이 있는데 매립은 토지 조달의 어려움과 토양오염과 같은 문제로 인해 비중이 작아지고 있다. 또 다른 처리 방법인 소각은 빠르게 처리가 가능하고 소각 시 발생하는 열을 이용 할 수 있다는 장점이 있으나 다이옥신과 같은 대기오 염물질 발생에 대한 문제로 인해 자연히 재활용 중요 성이 커지고 있다(Seo et al., 2015;Kaza et al., 2018).

    가장 대중적인 흡착제인 활성탄은 탄소를 포함하 는 모든 물질이 전구물질이 될 수 있어 쉽고 저렴하 게 구할 수 있는 여러 산업부산물 혹은 농업부산물을 이용하여 흡착제를 제조하는 연구가 많이 이루어지 고 있다(Nowicki et al., 2016).

    현재 폐자원을 활용한 흡착제 제조를 통해 기존의 활성탄을 대체하기 위한 다양한 연구가 시행되고 있 다. 또한 흡착은 악취를 제어하는 데 가장 많이 사용 되는 방법으로서 경제적인 흡착제의 개발은 중요한 연구 중 하나이다. 따라서 본 연구에서는 국내에서 지정된 22종의 악취 물질을 대상으로 수행된 국내외 의 연구를 분석하여 폐자원을 원료로 한 흡착제 연 구 동향을 파악하고, 향후 폐자원의 활용을 통한 경 제적인 흡착제 개발에 대한 기초 자료를 확보하고자 하였다.

    2. 폐기물 발생 현황

    2.1 국내 폐기물 발생 현황

    국내 폐기물(생활계, 배출시설계, 건설, 지정) 발생 량을 Table 1에 정리하여 나타내었다. 2019년 총폐기 물 발생량은 497,238 ton/day로 건설폐기물(44.5%) > 사업장배출시설계(40.7%) > 생활계 폐기물(11.7%) > 지정폐기물(3.1%) 순으로 나타났으며, 전체 총량은 2015 년부터 꾸준히 증가하는 경향을 볼 수 있었다. 전국 적으로 폐기물 발생 현황을 살펴보면 총발생량 중 경 기(19.3%) > 충남(12.1%)> 전남(10.1%)> 서울(9.7%) 순으로 나타났으며 이들 4개의 시∙도가 전체의 51.2% 를 차지하고 있다(ME, 2020). 또한, 환경부의 폐기물 통계에 따르면 소각시설에서 발생하는 소각재의 경 우 2,087,387 ton/yr 발생하며 이 중 80% 이상이 매립 으로 처리되어 다른 폐기물에 비해 재활용되는 비중 이 높지 않다. 현재와 같은 방법으로 소각재를 매립 으로 처리할 시 소각과정에서 제거되지 않은 중금속 이 용출되어 2차 오염으로 이어질 수 있기 때문에 더 욱 소각재의 재활용이 필요할 것으로 판단된다. 특히, 소각재는 넓은 비표면적을 가지고 있어 흡착제의 원 료로써 유용할 것으로 보인다(Ban et al., 2010;ME, 2020). 그 외에도 정수슬러지와 하수슬러지 등을 포 함하는 유∙무기 슬러지의 소각 및 매립처리량은 5,669.7 ton/day로 이를 흡착제를 제조하는 데 활용할 수 있을 것으로 예상된다(ME, 2020).

    2.2 전 세계 폐기물 발생 현황

    Fig. 1은 전 세계 지역별 폐기물 발생량을 나타내는 그림으로, 그림에 따르면 동아시아 및 태평양, 유럽과 중앙아시아 지역의 국가는 규모별 전 세계 폐기물의 43%를 차지하고 중동 및 북아프리카와 사하라 이남 아프리카 지역은 전 세계 폐기물 발생량의 15%를 차 지하며 가장 적은 양의 폐기물을 생산한다(Kaza et al., 2018). 도시에서 발생하는 폐기물은 크게 유기 폐기 물로 간주하는 습식폐기물과 플라스틱, 종이, 유리, 금 속 등이 포함되는 건식폐기물 두 가지 유형으로 구분 할 수 있으며, 이를 포함하는 전 세계 폐기물 구성은 Fig. 2에 나타내었다. Fig. 2를 보면 국제적으로 가장 큰 비율을 차지하고 있는 폐기물은 음식 및 깎아낸 풀, 나뭇가지, 목재, 식물 줄기 등과 같은 그린 폐기물로 전체의 44%를 차지하고 있으며, 다음으로는 플라스 틱, 종이, 판지 금속 및 유리와 같은 건식 재활용품 폐 기물이 38%를 차지한다(Tun and Juchelková, 2018;Kaza et al., 2018).

    또한, Fig. 2에서 나타난 폐기물 구성에는 포함되지 않는 산업폐기물, 농업폐기물, 건설 및 철거 폐기물 등 기타 일반적인 폐기물들도 존재한다. Kaza et al. (2018) 은 산업폐기물과 농업폐기물의 평균 발생량을 각각 12.73 kg/capita/day, 3.35 kg/capita/day이라고 보고하였 으며, 이는 도시에서 발생하는 폐기물에 대하여 각각 18배, 4.5배 많은 배출량이라고 나타났다. 이러한 많 은 양의 산업폐기물과 농업폐기물은 경제성 및 접근 성이 유리하여 흡착제의 원료물질로써 경쟁성이 있 을 것으로 보인다.

    2.3 국내외 폐기물 관리 현황

    폐기물 관리는 환경에 대한 비용 및 영향, 인간에 대 한 건강을 동시에 고려하면서 저장, 수집, 이동/운송, 재활용, 투기(dumping), 매립을 통해 폐기물을 관리 하는 것으로 설명된다(Kristanto and Koven, 2019). 국 내외 폐기물 처리 방법에 대해서 Fig. 3에 정리하였으 며, 그림을 보면 2019년 기준으로 국내 전체 폐기물 처 리 방법 중 재활용이 86.1%로 가장 높았고, 매립률은 7.8%, 소각은 5.9%의 비율을 차지하였으며, 소각을 통 해 발생하는 잔재물은 80%가 매립을 통해 처리된다. 국내의 경우 80% 이상의 폐기물이 재활용으로 처리가 되지만, 전 세계적인 폐기물 처리 현황을 살펴보면 거 의 40%의 폐기물이 매립지로 처리가 되고, 국내와는 다르게 재활용의 비율은 13.5%로 상대적으로 낮은 수 치를 보인다. 또한, 소각의 경우 11%로 국내보다 높은 비율을 차지한다.

    이러한 차이는 지역에 따라 폐기물 처리의 방법이 크게 달라지기 때문에 나타난다(Kaza et al., 2018;ME, 2020).

    폐기물 처리 유형에 따른 일반적인 비용은 Table 2 에 나타나 있으며, 표에 나타나 있지 않은 혐기성 소 화 및 소각 시스템의 경우 건설 및 초기자본과 운영 비 등으로 저소득 및 중소득 국가에서 폐기물을 처리 하는 데 많이 이용되지 않는 것으로 나타났다.

    거의 모든 폐기물 관리 단계에서 배출되는 온실가 스는 최근 문제가 되는 기후변화의 가장 큰 원인 물 질이다. 특히 매립지는 폐기물 관리를 위한 가장 오 래된 관리 방법이나 개방 투기(Open dumping)와 매 립(landfilling)은 세 번째로 높은 인위적인 메탄 방출 원이기도 하다. 현재 위생매립지에서의 매립가스 회 수는 온실가스 완화 및 재정적인 이점을 얻을 수 있 으나, 매립지는 환경적인 영향 및 기타 영향을 크게 미치는 것으로 알려져 있다. 그 외에 매립을 위한 장 소가 한정적이거나 찾기 어려운 나라들에서는 소각, 열분해를 포함한 열적 처리나 가스화를 대안으로 사 용할 수 있으나, 열적 처리나 가스화의 경우 이에 대 하여 정부의 엄격한 환경 규제를 충족시키기 위한 대 기오염장치의 사용으로 인해 경제적 부담이 발생한 다는 단점을 가지고 있다(Tun and Juchelková, 2018;Kristanto and Koven, 2019).

    특히 폐기물 처리 부분에서 배출되는 온실가스의 대부분은 최종처리부분(Final disposal sites, FDSs)에서 비롯될 수 있다. 폐기물 관리 방법의 하나인 재활용 은 폐기물 부문의 이산화탄소 배출에 영향을 미치는 것으로 확인되었으며, 전체 발생하는 폐기물 중 5% 를 차지하는 재활용 부분에서 재활용 가능한 물질을 통해 연간 총 온실가스 배출량 중 약 15%의 배출 감 소를 나타낼 수 있다. 또한, 재활용을 통해 제품의 가 치를 더 넓은 기간에 걸쳐 유지하여 자원 낭비 및 사 용을 최소화할 수 있다(Lee et al., 2016a;Tun and Juchelková, 2018;Magazzino et al., 2020).

    3. 폐자원 유래 흡착제의 악취제어 연구 현황

    3.1 폐자원 유래 흡착제 제조 및 흡착 특성

    흡착제로 현재 일반활성탄 및 첨착활성탄 등이 개 발되어 사용되고 있다. 그러나 많은 흡착제의 충전량 과 시설비의 투자비가 많이 들고, 또한 앞서 언급했 듯이 기존의 흡착제로 주로 활용되는 활성탄의 원료 가 되는 물질들은 한정적이며, 수입으로 인한 높은 제 조단가로 저비용 흡착제 생산에 대한 필요성이 점점 증가하고 있다(Kwon et al., 2017). 따라서 활성탄, 고 분자 유기 수지, 활성알루미나 등의 기존의 전통적인 흡착제 대신, 다량으로 발생하여 풍부하게 이용할 수 있고, 가격이 저렴한 농업폐기물과 산업폐기물을 활 용한 비전통적인 흡착제 개발에 관한 연구가 다양하 게 진행되고 있다(Yunus et al., 2020;Rudi et al., 2020).

    폐자원을 활용한 연구를 살펴보면 대다수 활성탄 으로 제조하여 사용하는 것을 알 수 있다. 이는 주로 흡착제로 제조되는 폐자원인 농업폐기물과 산업폐기 물 등이 상대적으로 탄소 함량이 높아 활성탄의 전구 물질로써 사용하기 용이하고(Olivares-Marín and Maroto- Valer, 2012), 표면적이 크고 입자 속의 세공이 큰 세공 부터 흡착질의 분자와 비슷한 크기의 작은 세공까지 잘 발달한 다공성의 탄소인 활성탄의 물리적인 구조 로 인해 타 물질을 잘 흡착할 수 있는 물질이기 때문 으로 보인다(Lee, 2010).

    폐자원을 활용하여 활성탄을 제조할 때는 일반적 으로 활성탄 제조 방법과 동일한 방법으로 제조하며, 제조 방법은 Fig. 4에 나타내었다.

    활성탄을 제조하는데 중요한 과정은 탄화와 활성 화이다. 탄화는 기본적인 구조를 형성하는 단계로 원 료를 400°C~600°C에서 탄화시키게 되면 탈수, 탄산 등 의 분해가 일어나고 이로 인해 산소결합이 끊어지게 된다. 이때 끊어진 산소는 물, 일산화탄소, 이산화탄 소의 형태로 방출되고, 휘발분은 거의 제거되어 고정 탄소 성분만이 남게 된다. 여기서 탄소원은 기공 형 성에 있어서 중요하게 작용하므로 고정탄소가 많다 는 것은 활성탄의 흡착력 증가를 의미한다(Lee et al., 2008;Kim and Park, 2018;Yunus et al., 2020).

    활성화는 활성탄 제조에 있어서 가장 핵심적인 단 계로, 물리적 활성화와 화학적 활성화 두 가지로 분 류할 수 있다. 물리적 활성화는 불활성 대기하에서 CO2, Steam, O2 등의 활성화 가스를 이용하여 600°C~1,100°C 에서 활성화하는 방법이며, 화학적 활성화는 NaOH, KOH, ZNCl2, H3PO4, Na2CO3와 같은 산성 혹은 염기 성의 활성화제에 함침 시켜 활성화하는 방법이다(Lee, 2010;Kim and Park, 2018;Yunus et al., 2020).

    함침은 전구물질이 상대적으로 낮은 온도에서 탄 화되도록 해준다. 따라서 물리적 활성화보다 상대적 으로 낮은 온도인 400°C~600°C에서 활성화되며, 또한 활성화 시간도 물리적 활성화와 비교해 상대적으로 짧고, 더 높은 수율과 표면적을 가지므로 물리적 활 성화보다 더 선호되는 방법이다(Santos-Clotas et al., 2019;Yunus et al., 2020).

    흡착은 기체상 혹은 액체상의 오염물질을 다공성 을 가진 흡착제의 미세공 표면에 부착되어 분리되는 현상을 의미한다. 이러한 흡착은 물리적 흡착과 화학 적 흡착으로 구분할 수 있다(Guo, 2017).

    물리적 흡착은 상대적으로 약한 인력인 반 데르 발 스 힘에 의해 활성탄의 큰 비표면적과 미세공극을 이 용하는 것으로 일반적으로 물리적 흡착이 일어나는 흡착제의 경우 비표면적이 넓을수록 흡착 능력도 올 라가게 된다. 화학적 흡착은 흡착제의 표면에서 이온 결합 혹은 공유결합과 같은 강한 화학적 결합을 통해 흡착이 일어나는 현상이다. 물리적 흡착의 경우 오염 물질의 흡착이 미세공 내부에서 일어나기 때문에 상 대적으로 시간이 오래 걸리나 화학적 흡착의 경우 금 속산화물, 화학물질 등으로 표면 특성이 개선된 흡착 제의 표면에서부터 반응이 일어날 수 있기 때문에 더 빠르게 제거가 일어나게 된다(Guo, 2017).

    흡착제를 이용하는 경우 흡착제의 기공 구조, 기공 모양 및 기공 크기 분포와 같은 물성과 피흡착질의 특 성 및 농도, 온도, 가스의 유량 등에 의해서 흡착능은 달라진다. 물리 흡착에 대해서 온도는 높아질수록 흡 착 능력은 감소하나, 온도가 상승하면 피흡착질의 확 산 속도가 빨라지게 되어 흡착 속도는 증가하게 된다. 또한 피흡착질의 농도도 마찬가지로 농도가 증가할 수록 흡착제의 세공 속으로의 확산 속도가 빨라져 흡 착량이 증가하게 된다. 마지막으로 가스 유량은 증가 할수록 가스막에서의 물질전달이 활발해지므로 이로 인해 흡착평형이 빠르게 이루어진다(Han et al., 2008).

    3.2 선행연구 분석

    폐기물을 활용한 흡착제는 다양한 원료를 통해 만 들어졌다. 하수슬러지, 폐오일 슬러지, 적니나 돼지 분 뇨 등과 같은 다양한 산업슬러지와 폐감귤박, 왕겨, 옥 수수 짚, 감자껍질 등과 같은 농업 부산물 등이 흡착 제를 제조하는 원료로 사용되었다.

    일반적으로 가장 많이 사용되는 형태는 물리적 혹 은 화학적 활성화를 거친 활성탄 형태의 흡착제가 주 로 제조되었다. 그 외에 Sahu et al. (2011)은 수산화알 루미늄/알루미나(Al(OH)3/Al2O3) 제조공정에서 부산 물로 발생하는 적니를 현탁액으로 만들어 그를 건조 후 흡착제로 사용하였고, Kim et al. (2014), Bae et al. (2013), Park et al. (2013), Lee et al. (2016b), Chang et al. (2017)은 정수 처리장에서 발생하는 슬러지를 이 용하여 열처리 및 활성화 과정 없이 흡착제를 제조하 였다. 또한 Bandosz et al. (2013)은 연소공정에서 에너 지원으로 사용되고 발생한 부산물인 쌀겨 회분을 이 용하여 적절한 처리를 거친 후 건조하여 흡착제를 제 조하였으며, Gasquet et al. (2020)은 열처리 부산물을 이용하여 흡착제를 제조하였다. 그 외에도, 일반적인 제조 방법과는 다른 방식으로 제조한 연구자들도 있 었는데 Aslam et al. (2015)은 오일 비산재를 원료로 하 여 물리적 활성화와 화학적 활성화 2가지의 활성화 방법을 모두 사용하여 흡착제를 제조하였으며, Sun et al. (2017)은 감자껍질을 원료로 하여 유동층 반응 기를 이용하여 5분 안에 탄화가 이루어지게 하여 흡 착제를 제조하여 사용하였다. 또한 한가지 원료만을 사용하여 흡착제를 제조하지 않고, 커피 슬러지+하 수슬러지, 광산폐기물+톱밥, 광산폐기물+하수슬러지 등 여러 산업부산물 혹은 농업부산물들의 폐자원을 적절히 혼합하여 흡착제를 제조하는 연구 또한 이루 어지고 있다(Bandosz and Block, 2006a;Bandosz and Block, 2006b;Kante and Bandosz, 2008;Lee et al., 2008;Kim et al., 2008;Wallace et al., 2014;Zeng et al., 2018;Yang et al., 2018).

    악취 물질별 폐자원 유래 흡착제의 선행연구를 살 펴보면 Gasquet et al. (2020)Surra et al. (2019)는 실제 바이오가스를 적용하여 각각 열처리 부산물과 옥수수 폐기물로 제조된 흡착제에 대한 흡착 성능을 평가하였으며, Seredych and Bandosz (2007a, 2007b) 는 촉매 금속이 존재하는 산업 슬러지 및 산업 폐기 물을 이용하여 황화수소를 흡착할 수 있는 흡착제를 제조하였다. Mohamed et al. (2016)은 소똥, 볏짚, 연꽃 을 이용하여 흡착제를 제조하여 암모니아에 대한 흡 착 성능을 평가하였고, Lee et al. (2016b)도 정수 슬러 지로 흡착제를 제조하여 암모니아에 대하여 흡착성 능을 평가하였다. Chen et al. (2020c)은 폐 대나무 타 르로 제조한 활성탄을 이용하여 메틸에틸케톤, 톨루 엔에 대하여 흡착을 진행하였다. 또한, Han et al. (2008) 은 하수슬러지 탄화물 흡착제를 이용하여 황화수소 와 메틸머캡탄을 동시에 제거하였다. 현재까지 메틸 에틸케톤, 메틸머캡탄, 톨루엔, 벤젠, 암모니아 등 다 양한 악취 물질을 대상으로 하여 폐자원을 이용한 흡 착제의 연구가 진행되고 있으나, 그중 가장 많이 선 택되고 있는 악취 물질은 황화수소이다. 황화수소는 천연가스 바이오가스, 원유와 같은 다양한 탄화수소 공급원에서 발생하는 무색의 독성이 높은 악취 물질 로 코크스로, 하수처리장, 식품 가공산업, 석탄 혹은 천연가스 제조, 정유, 매립 및 바이오가스 처리, 석탄 가스화, 폐수처리작업과 같은 여러 산업공정에서 발 생하며 배관 및 설비에 대한 부식, 공정에서 사용되 는 촉매에 대하여 촉매독으로서 작용하기 때문에 현 재 산업에서 주요한 문제로 다루어지기 때문으로 사 료된다(Khabazipour and Anbia, 2019;Georgiadis et al., 2020).

    선행연구의 재료로 주로 사용되는 폐자원은 농업 부산물과 산업부산물이 대표적이다. 농업 부산물은 고분자 유기화합물을 함유하고 있으며, 이들의 존재 는 알코올, 케톤, 알데하이드, 페놀, 카복실산 및 에테 르 기가 개발되는 탄소 함량이 높다는 의미가 되고 이 러한 작용기의 발달을 통해 특정 화합물에 대한 좋은 흡착 능력을 기대할 수 있으며, 산업부산물도 마찬가 지로 조선소 또는 중금속 산업과 같이 촉매 전이 금 속이 풍부한 경우 특정한 물질에 대하여 좋은 흡착 능 력을 확보할 수 있기 때문으로 보인다(Seredych and Bandosz, 2007a, 2007b;Yunus et al., 2020). 또한, 산업 부산물 혹은 농업 부산물이 연소를 통해 처리되는 경 우, 연소하지 않고, 흡착제의 원료로 사용하게 된다면 대기로의 이산화탄소 배출량을 줄일 수 있으며 연소 로 처리되더라도 처리 후 발생한 소각재를 매립으로 처리하지 않고 활용하게 된다면 매립으로 발생하는 오염 문제를 개선할 수 있는 좋은 방안이 될 것이다 (Nowicki et al., 2016;Yunus et al., 2020;ME, 2020).

    3.3 폐자원 유래 흡착제의 특성

    악취 분야에서 연구된 폐자원 유래 흡착제에 대한 특성을 Table 3에 정리하였다.

    활성탄을 흡착제로써 활용할 때 이에 대한 기체상 악취의 흡착과정은 기체 흐름이 흡착제 표면과 접촉 하여 그 표면에 악취분자가 부착되는 일반적인 기체 흡착 공정을 따른다. 이때 기체상 흡착의 메커니즘은 물리적 흡착이 지배적인 경향을 보인다(Le-Minh et al., 2018).

    악취 물질 흡착에 대하여 그 능력에 영향을 미치는 인자는 다공성, 표면화학, 함침 화학물질, 입자크기 등 다양하다. 그중 물리적 흡착에 대하여 표면적은 흡착 능력과 직접적인 관련이 있으며, 표면적이 클수록 더 큰 흡착 능력을 가질 수 있다. 이는 표면적의 증가로 더 많은 흡착 부위가 확보되기 때문이다(Le-Minh et al., 2018). 일반적으로 상업용 등급 탄소의 표면적은 500~1,500 m2/g이며, 높게는 3,000 m2/g까지 다양한 범 위를 가지고 있다(Saleem et al., 2019).

    이에 따라 Table 3에 나와 있는 폐기물 유래 흡착제 의 비표면적과 비교하여 확인하였을 때, 폐감귤박(1,527 m2/g), 왕겨(1,034 m2/g), 커피슬러지(1,024 m2/g), 리그 노셀룰로스 폐기물(1,025~1,668 m2/g), 버개스 재(601 m2/g), 옥수수 속대 폐기물(820~1,213 m2/g), 하수슬러 지+옥수수 짚(690 m2/g), 대나무타르 폐기물(684~1,364 m2/g), 담배폐기물(1,201 m2/g), 버찌씨(1,181 m2/g), 볏 짚(900 m2/g), 소 분(700 m2/g), pine wood chip (2,044 m2/g), Sisal fiber waste (674~1,297 m2/g), 열처리 부산 물(919 m2/g), 폴리우레탄 폐기물(1,110~1,444 m2/g)을 통해 만들어진 흡착제가 상업용 활성탄 수준의 비표 면적을 보임을 알 수 있다.

    흡착 능력에 영향을 주는 또 다른 중요한 인자는 흡 착제의 다공성으로 고체 흡착제의 기공 크기는 기공 반경에 따라 macropore (50 nm 이상), mesopore (2~50 nm), micropore (2 nm 이하) 총 3가지 유형으로 분류 한다. macropore는 흡착제 총면적에서 매우 적은 비 율을 차지하고 있으나, 흡착지역의 입구로써 확산속 도에 영향을 끼치며, 피흡착질의 통로 역할을 하는 mesopore를 지나 최종적으로 micropore에 도달하게 된다. 이때 micropore는 기체 오염물질을 흡착하는 데 가장 중요한 기공으로써 micropore의 부피에 따라 흡 착 용량에 영향을 받게 된다(Le-Minh et al., 2018;Choi et al., 2018). 실제 Table 3에서 사용된 여러 원료는 다 량의 유기물은 포함하고 있는 경우가 많아 다공성 구 조 발달에 유리한 경우가 많은 것으로 나타났으며, 유 기물 함량이 낮은 경우에는 농업 부산물, 톱밥 등 탄 소 함량이 높은 보조재료를 첨가하여 다공성 구조의 형성을 유도하여 흡착제를 제조하기도 하였다(Seredych and Bandosz, 2007a;Wallace et al., 2014;Nowicki et al., 2016;Wallace et al., 2017;Zeng et al., 2018;Yunus et al., 2020). 그러나 micropore의 부피가 크다고 해도 흡착 용량이 커지는 것은 아니다. Zeng et al. (2018)에 따르면 적절한 양의 mesopore가 더 많은 악취 물질을 수용할 수 있게 해주어 파과시간과 포화시간을 연장 할 수 있다고 언급하였으며, 기공의 크기가 너무 작 으면 기공이 막혀 흡착능력이 급격히 떨어진다고 하 였다. 또한, Yang et al. (2018)도 마찬가지로 macromeso- micropores의 계층적 구조를 가진 흡착물질이 우 수한 흡착특성을 가진다고 보고하였다. 특히, 이러한 구조는 물리적 흡착에 영향을 미칠 것으로 판단된다. Bajwa et al. (2016)은 톨루엔의 흡착이 물리적 흡착에 의해 좌우된다고 보고하였으며, 논문에서 제조되었 던 여러 활성탄 샘플들 중 중간 정도의 표면적을 가 진 활성탄이 낮은 흡착 능력을 보였는데 이에 대하여 높은 micropore로 인한 낮은 mesopore 부피를 원인 중 하나로 추측하였다. 따라서 뛰어난 흡착 용량을 위해 서는 각 흡착물에 따른 적절한 공극의 크기를 찾는 것 이 중요한 것으로 판단된다.

    또한, 물리적 흡착은 micropore의 확보뿐만 아니라 전체 공극률 또한 높아야 흡착 용량이 높아질 수 있 다(Dizbay-Onat et al., 2018).

    그 외에 폐타이어를 활용하여 제조한 흡착제의 경 우 표면적은 낮지만 준수한 흡착 능력을 보이는데 이 러한 흡착제는 물리적 흡착보다는 화학적 흡착이 작 용한 것으로 판단된다. 화학적 흡착은 물리적 흡착과 는 다르게 온도의 증가에 따라 흡착 능력이 증가하며, Wang et al. (2013), Seo et al. (2015)은 폐타이어로 제 조한 흡착제의 흡착 용량이 온도의 상승에 따라 증가 함을 보고하였다.

    또한, Nowicki et al. (2016), Sun et al. (2017), Bandosz et al. (2013), Seredych and bandosz (2007a), Seredych and bandosz (2007b)은 흡착층을 증기로 적 셔 황화수소 흡착 실험을 수행하였으며 건조 조건과 비교해 흡착용량이 크게 향상됨을 보고하였다. 이는 흡착제 표면에 황화수소 결합에 도움이 되는 수막이 생성되어 제거에 영향을 미친 것으로 판단되며, 이 또 한 물리적 흡착보다는 화학적 흡착이 우세하여 나타 난 결과로 보인다(Nowicki et al., 2016).

    여러 흡착제의 비용을 Table 4에 나타내었다. 특히 폐기물로 볼 수 있는 Bagasse fly ash, 적니, 고로슬래그 등의 재료를 이용하는 흡착제의 가격의 경우 상업용 활성탄과 비교하였을 때 가격면에서 훨씬 경제적인 것으로 나타났다.

    이러한 특성을 보았을 때 흡착제의 원료로써 유기 물이 풍부한 폐자원을 활용하는 것은 다공성 확보를 통한 넓은 표면적을 얻을 수 있으며, 이를 통해 물리 적 흡착에 대하여 유리한 흡착제를 얻을 수 있을 뿐 만 아니라 표면에서 촉매 작용을 할 수 있는 금속 등 을 포함하는 산업슬러지와 같은 재료의 경우 특정 악 취 물질에 대해 흡착이 유리한 흡착제를 얻을 수 있 다는 장점을 가지고 있다. 또한, 연소 혹은 매립을 통 해 처리해야 하는 폐자원을 재활용함으로써 이로 인 한 온실가스를 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 흡착제의 원료로 쓰이는 폐자원의 저렴한 가격으로 인하여 기 존의 흡착제와 비교했을 때 경제적인 흡착제 개발에 대해 확실히 도움이 될 것으로 판단된다.

    4. 폐자원 유래 흡착제의 실용화 가능성

    현재까지 폐자원을 이용하여 효과적이고 경제적인 흡착제를 개발하는데 많은 연구가 진행되고 있다. Yeo et al. (2018)은 재활용 건축 폐기물을 이용하여 만든 흡착제를 통해 축산폐수처리의 혐기성 소화조에서 발생하는 황화수소를 저감하는 실험을 하였으며 실 제 75일간 현장에 적용한 결과 평균 99% 이상의 제거 효율이 나타났다고 하였으며, Gasquet et al. (2020)은 총 4가지 열처리 부산물을 흡착제로 이용하여 황화 수소를 대상으로 실제 매립지에서 발생하는 Biogas를 처리하였다. 또한, Mohamed et al. (2016)은 부레옥잠 으로 제조한 활성탄으로 제작된 공기청정기를 3 m × 4 m 크기에 젖소 8마리가 들어가 있는 작은 헛간에서 7일 동안 암모니아 가스를 대상으로 성능평가를 진 행한 결과 첫날 70% 이상의 제거효율을 보였으며 이 후 마지막 적용일 까지 40%의 효율을 유지하였다고 보고하였다. 그 외에도 Surra et al. (2019)은 biogas의 황 화수소에 대한 옥수수 폐기물로 제조한 흡착제의 성 능을 평가하기 위하여 실험실 규모의 생물반응기에 서 biogas를 발생 시켜 실험을 진행하였고, Han et al. (2008)은 하수슬러지 탄화물을 이용하여 황화수소와 메틸머캡탄의 복합악취를 제거하였다.

    흡착공정의 경제적 타당성은 두 가지 요인에 따라 달라진다. 하나는 흡착제의 흡착 용량이고, 두 번째는 흡착제 비용이다. 일반적으로 흡착용량 같은 경우에 는 상용활성탄과 그 용량을 비교해 볼 수 있으나, 흡 착제의 비용은 원료의 비용 및 가용성, 필요한 처리 방법과 활성화 조건, 재생 비용, 흡착제 수명, 공정의 요구 사항 등 다양한 요인에 의해 달라진다(Devi and Saroha, 2017;Rudi et al., 2020). Devi and Saroha (2016) 에 따르면 상용 활성탄 80% 정도 효율의 슬러지 기반 흡착제를 사용한다고 하였을 때 원료 비용은 무료로 가정하고 건조 비용, 열분해 및 연간 증기 활성화 비 용, 운송, 화학, 전기 에너지와 같은 기타 모든 비용을 고려하였을 때 총 US$100-200 /ton이었고, 상업용 활 성탄 비용은 US$959.75 /ton이라고 보고하였다. 이처 럼 흡착제의 비용 산정은 원자재, 보조재료 비용, 임 금, 제품 배송 비용, 운영 테스트 비용 등의 초기 운전 자본과 장비 및 설비를 확보하거나 건설하는데 드는 고정자본을 합산하여 추정을 할 수 있다. 이러한 자 본들은 개별적인 비용 분석이 필요하나, 현재 많은 연 구들은 실제 운영 비용을 추정하기 어려운 실험실 규 모의 실험 위주이기 때문에 상용화를 위해서는 파일 럿 규모의 실험이 추가로 수행될 필요가 있다(Rudi et al., 2020).

    현재까지 선행연구를 살펴보면 폐타이어, 폐감귤 박, 알럼슬러지, 적니, 커피 슬러지, 왕겨, 하수슬러지, 연소부산물 등 다양한 폐자원을 이용하여 흡착제를 제조하는 연구가 많이 진행되고 있다. 그러나 이러한 연구 중 실제 배출되는 악취 가스는커녕 두 개 이상 의 악취 가스를 대상으로 흡착제의 성능을 평가한 연 구조차 아직은 부족한 상황이다. 현재 대다수의 연구 는 하나의 물질을 대상으로 흡착 평가가 수행되고 있 으며, 특히 악취 물질 중에선 연구 대상이 황화수소 로 치우쳐진 경향이 있어 그 외의 악취 가스에 대하 여 흡착 메커니즘, 악취 물질별 흡착을 위한 적절한 공극의 크기, 대상 물질에 대한 효과적인 흡착제의 제 조 조건 등의 자료가 조금 더 확보되어야 할 필요가 있다.

    또한 앞서 나열한 것처럼 여러 폐자원 유래의 흡착 제가 연구되고 있으나 이들은 대부분 실험실 규모에 서 연구가 진행되었으며, 현장에서 실험이 진행되더 라도 온도를 제어하고, 제어 대상 물질을 건조하는 등 제한적인 조건으로 진행된 경우도 있어 실제 현장에 적용하여 운영한 사례는 아직 자료가 부족한 상황이 다. 따라서 이에 관하여 추가적인 연구를 통해 충분 한 자료를 얻는 것이 폐자원 유래 흡착제의 실용화를 위해서 아주 중요한 과제가 될 것으로 예상된다. 앞 서 언급한 대로 악취 물질을 대상으로 한 폐자원 흡 착제의 자료만 충분히 확보된다면 폐자원 유래 흡착 제는 충분히 현재의 흡착제들을 대체할 수 있을 것으 로 판단된다.

    5. 결 론

    본 논문에서는 현대사회에서 발생하는 각종 폐기 물의 발생 현황 및 처리현황에 대하여 조사한 후, 이 폐기물을 이용하여 제조한 흡착제에 대한 연구 현황 을 분석하였다. 산업이 발전하고 경제가 성장하면서 인구 증가 및 밀집으로 인해 폐기물 발생량은 국내에 서만 하루 497,238 ton이고, 전 세계적으로 4억6천6백 만 ton으로 발생한다. 현재 이런 폐기물의 양은 점점 늘어나는 추세이다. 국내의 경우 매립, 소각보다 재활 용되는 폐기물의 비율이 압도적으로 높지만, 국외는 지역적 특성의 차이로 인해 재활용보다는 매립으로 인한 처리가 더 많은 비율을 차지하고 있다. 또한, 악 취 분야에서 가장 널리 사용되는 처리공정인 흡착에 가장 일반적으로 사용되는 활성탄은 그 재료의 가격 이 높고 한정적이 자원이므로 이에 대한 대체할 수 있 는 경제적이고 효과적인 흡착제의 필요성이 증가하 고 있다.

    이러한 문제점에 따라 국내외에서 점점 증가하는 폐자원을 이용하여 유용한 흡착제의 개발이 시도되 고 있다. 현재 한국에서는 22종의 지정 악취물질이 있 으며, 이 22종의 악취 물질을 대상으로 한 국내외의 연 구현황을 조사하였다. 22종의 악취 물질 중 제거 대상 으로 가장 많이 선택된 것은 황화수소였으며, 그 외 의 지정 악취물질을 대상으로 한 폐자원 유래의 흡착 제 연구는 황화수소와 비교해 아직 미흡하여 조금 더 연구가 진행될 필요가 있다고 판단된다. 각 제조된 흡 착제의 비표면적을 비교한 결과 폐자원을 이용하여 활성탄 수준의 경제적인 흡착제의 제조 가능성을 확 인할 수 있었으며, 그 제조 가격도 상업용 활성탄과 비교하였을 때 훨씬 경제적 이점을 가지고 있음을 알 수 있었다. 이에 따라 황화수소 외의 악취 물질을 대 상으로 조금 더 연구가 진행될 필요가 있을 것으로 사 료된다. 현재까지 악취 물질뿐만 아니라 다양한 오염 물질을 제거하기 위하여 다양한 폐기물을 이용하여 경제적이고 효과적인 흡착제를 제조하기 위한 연구 가 활발히 이루어지고 있으며, 이러한 흡착제는 충분 한 성능평가가 이루어진다면 충분히 상업용 흡착제 와의 경쟁력을 확보할 수 있는 기술이라고 판단된다. 산업이 발달하는 이상 계속해서 폐기물은 발생할 것 이며, 악취 문제 또한 완전히 없앨 수 없는 문제이므 로, 현시점에서 정리된 연구자료들은 향후 악취제어 기술에 대한 기초자료로 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

    감사의 글

    이 논문은 인천대학교 2020년도 자체연구비 지원 에 의하여 연구되었음

    Figure

    JOIE-20-2-97_F1.gif

    Waste generation by region (Kaza et al., 2018).

    JOIE-20-2-97_F2.gif

    Global waste composition (Kaza et al., 2018).

    JOIE-20-2-97_F3.gif

    Waste treatment and disposal in (a) worldwide (b) Korea.

    JOIE-20-2-97_F4.gif

    Method of activated carbon production. Source: adapted from Yunus et al. (2020).

    Table

    Amounts of waste in Korea (Unit: ton/day)

    Typical waste management costs by disposal type (Kaza et al., 2018) (US$/tonne)

    Characteristics of waste derived adsorbent from previous study

    Cost of adsorbents (Bello et al., 2015;Chen et al., 2020a)

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