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제 1 절 폐기물의 화학적 처리
폐기물관리법상 유해물질(용출시험대상)에 대한 일반적인 처리기술을
아래 표에 나타내었다.물리화학적 처리에는 크게 전환공정(Conversion process)과 분리공정(Separation process) 두
가지를 고려할 수 있다.
[유해성
물질별 처리 기술]
1. 전환공정
이 방법은 화학제를 투입하여
유해물질을 독성이 없거나 독성이 덜한 상태로 변환시키는 방법으로 중화, 화학적 산화, 화학적 환원, 전기분해 등의 방법을 들 수 있다.
(1) 화학적 산화(Chemical
oxidation)
화학적 산화에 의한 처리방법은 폐수 내에 함유되어 있는 유독물질을 화학제를 투여하여 독성물질들을
산화시킴으로써 독성이 없는 물질로 변환시키거나, 또는 독성이 적은 물질로 변환시킨 후 생분해가 용이하도록 분해시키는
방법이라고 할 수 있다. 이러한 방법의 대표적인 예들로서는 시안을 함유한 폐수의 산화처리 및 기타 유기물질의 산화제에 의한
산화방법을 들 수 있다. 이에 사용되는 산화제로는 오존.염소.과망간산칼륨.과산화수소.이산화염소.차아염소산소다 등이 있다.
① 시안의 처리
도금폐수 중에 대부분 함유되어 있는 시안을 처리하는 대표적인 방법으로는 알칼리성에서 차아염소산이나 염소 등의 산화제를 이용하여 시안을 산화시키는
알칼리 염소처리방법으로서, 산화 후 시안은 독성이 적은 CO2 및 N2 가스로 변환하게 된다.
이 방법의 기본이론은 다음과 같다.
가. 1차 처리
HOCl
+ CN- ↔ CNCl + OH-
CNCl + 2OH- ↔
CNO- + Cl- + H2O
---------------------------------
CN- + HOCl +
OH- ↔ CNO- + Cl- + H2O
나. 2차 처리
2CNO-
+ 3HOCl ↔ N2 + 2CO2 + H2O + HCl + 2Cl-
2CNCl + 3HOCl + H2O ↔ N2
+ 2CO2 + 5HCl
이 방법 외에도 산성 상태에서 시안을 (NH4)2SO4로
변환시키는 방법도 있으나, 이 방법은 1단계에서는 pH가 10인 상태에서 2단계에서는 pH를 2∼3으로 강하시켜야 하므로 이를 위한 화합물
비용상의 문제가 있고, 독성이 강한 CNCl 가스가 발생하는 단점이 있어 보편적으로 사용되는 방법이라 할 수 있다. 시안의 처리에는 오존에
의한 산화 방법도 가능하여 이에 적용되는 기본식은 다음과 같다.
CN-
＋ O3 CO2 ＋ N2
오존처리에 의한 방법은 시안을 완전히 분해시키는지에 대한 의문과, 대규모 시설로 사용하는 데에 제한점이 있으나, 처리과정 중 화합물의 투여가 불필요하다는 장점을 들 수 있다.
(2) 폐놀을 함유한 폐기물의 처리
폐놀을 함유한 폐기물의 처리방법은 폐기물에 함유된 페놀의 농도에 따라 처리 방법이 선택되어진다.
즉, 페놀의 함량이 높은 경우(500mg/L 이상)에는 주로 페놀을 추출에 의하여 회수하여 재사용하거나 활성탄에 의한 흡착 및 소각에
의하여 처리한다. 페놀의 함량이 5-500mg/L인 경우의 처리 방법으로는 생물학적 처리, 화학적 산화법, 활성탄에 의한 흡착법을 들 수 있다.
페놀의 산화시에 사용되는 산화제로서는 과망간산염.염소.2산화염소.오존 및 과산화수소 등을 들 수 있다.
그러나 과망간산염은 산화력이 약하여 125mg/L의 페놀을 함유한 폐수의 경우 62%의 처리 효율을 나타내었으며, 염소는 페놀과 결합하여 심한
냄새와 불쾌한 맛을 띠게 된다. 이는 페놀과 염소가 완전한 반응을 하지 못함에서 비롯된 것이므로, 염소로 페놀을 처리할 경우 상당히 많은 양의
염소를 투여하여야 하며 이를 과다염소처리라 한다. 또한 이 방법의 사용시 pH는 7 이하여야 하며, 그렇지 않을 경우 독성이 강한
염화페놀류가 형성될 수 있다. 오존 및 이산화염소에 의한 산화처리도 실험실에서는 효율적인 것으로 알려지고 있으나 비용상의 문제로 실제처리에는
사용되지는 않고 있다. 페놀은 오존과 반응하여 Catechol과 Orthoquinone 등의 중간생성물을 거쳐 CO2로
변환된다.
(3) 화학적 환원(Chemical
reduction)
이 방법은 독성이 강한 6가 크롬을 독성이 약한 3가 크롬으로 환원시키거나 수은이나 납 등의 환원처리 방법으로 사용된다. 이에 사용되는 환원제로는
제1철이온.이산화황.아황산소다.중아황산소다.메타중아황산소다 등이 있다.
① 크롬의 처리
6가 크롬의 일반적인 처리 방법은 이를 3가 크롬으로 환원시킨 후, 화학물질을 투여하여 3가크롬을 불용성 상태로 만들어 용액으로부터 분리해
내는 방법이라 할 수 있으며, 이는 다음 식과 같이 표시할 수 있다.
환원제
OH
Cr+6
------> Cr+3 ---------> Cr(OH)3
6가 크롬의 환원 방법으로는
다음과 같은 방법을 들 수 있다.
가. 이산화황을 사용한 환원
SO2 ＋ H2O ↔ H2SO4
2H2CrO4 ＋ 3H2SO3
↔ Cr(SO4)3 ＋ 5H2O
환원시킨 후 석회를 투여하여 수산화크롬(III)으로 침전시킨다.
Cr2(SO4)3 ＋
3Ca(OH)2 ↔ 2Cr(OH)3 ＋ 3CaSO4
나. 메타중아황산소다에 의한
환원
4H2CrO4＋3Na2S2O5＋3H2O＋6H2SO4
↔ 2Cr2(SO4)3＋6NaHSO4＋10H2O
다. 황산제1철에 의한 환원
2H2CrO4＋6FeSO4＋7H2O＋6H2SO4
↔ Cr2(SO4)3＋3Fe2(SO4)3＋10H2O
황산제1철의 경우는 발생하는 오니의 과다함으로 인하여 대규모의 처리시설에는 사용하지 않는다.
② 수은의 처리
낮은 농도의 수은을 함유한 폐기물에서 수은을 재생하기 위하여 사용하는 방법으로 알칼리 상태의 NaBH(Sodium Borohydrate) 용액에서
수은을 환원시키는 방법으로 그 반응식은 다음과 같다.
4Hg2+
＋ BH4 ＋ 8OH- ↔ 4Hg ＋ B(OH)4 ＋ 4H2O
(4) 전기적 분해
이 방법은 폐수 중의 중금속을 회수하거나 시안의 처리에 대규모로 사용되고 있는 방법으로 점도가 높은 용액에서 유기물의 처리에는 적합하지 않다.
① 장 점
가. 시설과 운영이 간편하다.
나. 처리로 인한 부산물이 발생하지 않는다.
다. 금속의 회수도 가능하다.
② 단 점
가. 반응속도가 느리다.
나. 운영비용이 과다하다.
2. 분리공정(Separation
Process)
이 방법은 용액 중에 존재하는 유해물질을 화학적 또는 물리적인 방법으로 직접 제거하거나 용해
상태로 존재하는 물질에 화학물질을 투여하여 불용성 상태로 변환시킨 후 물리적인 방법으로 침전, 응결침전, 흡착,
이온 교환, 탈기, 거품 분류, 증발시키는 것 등을 들 수 있다.
(1) 침전(precipitation)
침전에 의한 방법은 중금속 처리에 가장 널리 사용되고 있는 처리방법으로, 수산화물.유화물.탄산염 등을 폐수에 주입하여 용해 상태인 금속을 불용성
상태로 변환시킨 후, 응결 및 침전의 과정을 거쳐 용액으로부터 분리하는 방법이다. 지정폐기물 중 카드늄.구리.비소.납 등은 보편적으로 이 방법에
의하여 처리되고 있다. 그러나 이 방법의 효율적인 적용을 위하여서는 금속별 용해도(solubility product) 및 최적 pH의 선정이
요구된다.
(2) 응결 및 침전(flocculation,
sedimentation)
입자가 형성이 된 후에도 형성된 입자가 전하를 띄거나 입자의 크기가 중력에 의한 침강을 하기에는 작은 경우가 있으므로, 응집제(coagulant)를
투여하여 용액을 탈 콜로이드화시키거나 큰 입자를 형성시켜 침강을 용이하게 한다. 이 때 사용되는 응집제로는 다음과 같은 종류를 들
수 있다.
① Aluminum Sulfate : Al2(SO4)2,
14H2O
② Ammonium Aluminum Sulfate : Al2(SO4)2(NH4)2SO4,
24H2O
③ Ferric Chioride : FeCl3
④ Ferric Sulfate : Fe2(SO4)3, 7H2O
⑤ Potassium Aluminum Sulfate : K2SO4Al2(SO4)3,
24H2O
⑥ Sodium Aluminate : Na2O, Al2O3
⑦ Sodium Siliciate : Na2O, SiO2
⑧ Bentonite
응결의 보조제로 사용되는 응집보조제 및
그 사용목적은 다음과 같다.
① 알칼리 및 산 : 응집의 최적조건을 위한 pH 조절
② 활성실리카 : 전하를 띤 입자들의 결합 및 침강성 강화
③ 고분자 전해질류 : 입자의 응집성 강화
④ 점토 : 입자의 침강성 강화
(3) 흡착(absorption)
독성유기물질의 흡착방법 이용시 고려할 사항은 다음과 같다.
① 흡착제 성질 : 비표면적, 기공구조와 크기 분포, 입도, 표면극성
② 흡착질 성질 : 용해도, 분자크기, 화합물 이온화 경향, 화합물 극성
③ 계(system)의 특성 : 온도, pH, 경쟁용질, 용존 고형분
(4) 이온교환
이온교환 방법은 원하는 물질을 선택적으로 제거할 수 있어 자원재생이용의 효과를 기할 수 있다. 이 방법에 의하여 처리할 수 있는 유해물질은
다음과 같다.
① 무기물류(용해 상태로 존재하는 금속 양이온 및 음이온)
할로겐화물.황산염.질산염.시안화물등
② 유기물류 : Carboxylic Acid, Sulfonic Acid, Phenol, Amines, Alkyl
Sulfates
이온교환에 의한 중금속 폐수의 처리는 저농도인 경우 효과적인 것으로 알려져 있으며, 이온교환시설의
설치비용은 이온교환수지의 부피에 따라 좌우되고, 다른 처리 방법과 비교할 경우 처리되는 금속의 회수 및 재사용이 병행되지 않는다면 이온교환수지에
의한 중금속 폐수의 처리는 경제적이라 할 수 없다.
제 2 절 유해물질의 화학처리기술
PCB류나 PCDD류의 처리에 기술이 응용되고 있다. 어떤
경우에 이들 기술은 효율적인 분해를 위하여 독성물질을 농축시키는 전처리적 성격을 띠고 있다.
1. 용매추출(Solvent extraction)
PCB류나 PCDD류의 전처리에 널리 응용되는 용매추출은 이들이
파괴하거나 반응을 하는데 방해받지 않는 용매에 화합물을 농축시키는 것이다.
2. 자외선 복사(ultraviolet
irradiation)
PCDD류의 광분해에는 3가지의 요구 조건이 있다.
(1) 광전달 막에서의 분해 (2) 유리수소 공여체(donor)의
존재 (3) 자외선 광
3. 오존화(ozonolysis)
(1) 최근 PCB류나 PCDD류의 처리의 응용
(2) 자외선 복사와 함께 오존처리는 PCB류와 살충제의 분해에 효과적임
(3) 토양 및 오니 속의 PCB류의 파괴에 적합
(4) PCB류.PCDD류의 처리 후 무해한 부산물을 생성
4. 고분자화(poiymerization)
나트륨이나 칼슘을 포함한 시약과 PCB로 오염된 매개체를 혼합하여
이를 고온반응시킨 것으로, 그 결과로 생성된 혼합물에는 무독성염과 고분자화된 biphenyl 분자를 포함하고 있다.
5. 탈염소(dechlorination)
화학적 탈염소화공정은 화학약품을 사용하여 염화유기물로부터 염소를 제거하거나 분자구조를 변화시켜 무독화시킨다.
〈탈염소화의 공정〉
① 금속나트륨에 의한 염화나트륨으로 탈염소화
② 에틸렌글리콜을 촉매로 하여 탈염소화
탈염소는 몇몇 살충제의 처리에 사용되어 왔다. 니켈보론수화물과 같은 촉매 존재하에서 반응이 이루어지며, PCDD류에의 주된 응용은 4개 이상의
염소화 이성체를 포 함한 폐기물의 소각에 앞서 전처리로 약간의 염소를 제거하는 것이다. 이는 불완전연소 제품의 TCDD를 최소화하는
데 목적이 있다. 탈염소화는 이 공정이 염소를 제거 시키는데, 완전하지 않기 때문에 실제 유용하지 못하다.
6. 습식산화공정
고온고압의 상태에서 공기 또는 산소를 주입하여 염화유기물을 산화시키는 공정으로서 그 조건은
다음과 같다.
온도 : 175∼320℃
압력 : 20∼200 kg/cm2
특히 수분함량이 높아 소각하기 힘든 액상폐기물의 처리에 적합하다.
7. 초임계유체에 의한 산화공정
초임계유체는 응축이 일어나는 가장 낮은 온도 부근에 존재하는 유체이다. 임계온도 이상에 있는 어떤 유체는 용매 특성을 향상시키는 역할을 한다. 초임계유체의 주요한 장점은 Char가 생성되지
않고 반응속도가 빠르다. 최근에는 활성탄의 재생과 석탄으로부터 탄화수소의 추출에 사용된다.
반응조건
고온 온도 : 350℃ 압력 : 200
kg/cm2
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