구리촉매를 이용한 음식폐수처리

박인호, 김성보, 이규완*

한국화학연구소 응용촉매팀

Treatment of wastewater obtained from foodwaste

using Copper catalyst

In-ho Park, Seong-Bo Kim, Kyu-Wan Lee

Applied Cat. Research Team, KRICT,

Taejon, 305-600, Korea

서론

석유화학이나 정밀화학 제품을 생산하는 공장에서 배출되는 오염물질들은  회수하기는 경제적인 잇점이 없으며 큰 환경문제점을 야기시키고 있다. 최근 선진국가에서는 □zero pollutant" 배출의 환경규제를 강하하고 있다. 그러나  기존의 방법으로는 다양한 오염물질들을 효과적으로 처리할 수 있는 방법들이 없는 실정으로 새로운 처리방법이 요구되고 있다. 기존의 생물학적, 화학적 방법들 이외로 새로운방법이 개발되고 있으며 그중 한가지 방법이 습식산화방법이다.

습식산화 처리공정은 1958년 Zimmerman에 의해 처음 개발되었으나 반응조건이 200-300 oC, 70-130 bar로 매우 높으며 부식성이 강한 넓은 범위의 오염 물질의 처리 경우에는 반응 재질 선택에 의해 높은 투자비용이 문제이다. 그러므로 최근에는 촉매를 이용하여 낮은 반응조건에서 처리가 가능한 습식산화법에 관한 연구가 진행되고 있다.

본 연구에서는 구리촉매를 사용하여 음식폐기물의 분해반응으로 부터 얻어진 다양한 유기화합물을 함유하는 폐수를 원료로 사용하여 연구를 수행하였다.

실험

1). 폐수의 분해반응

2L의 고압반응기에 1L의 폐수와 5gr의 촉매를 주입한 후 밀폐시키고 산소를 20-30 atm 주입한 후 일정반응온도까지 상승시킨다. 일정 반응시간에 반응물을 취하여 COD 메터에 의해 분석하였다.

2). Cu/ZnO 촉매의 제조

Cu/ZnO 촉매는 공침법에 의헤 제조되었으며 Cu(NO3)2.3H2O와 Zn(NO3)2.6H2O의 수용액들의 혼합물을 이용하였다. 촉매 제조에 있어서 pH 적정제로 NaHCO3를 사용하여 pH 7.5를 유지하였으며 350 K 등온에서 공침반응을 수행하였다. 생성된 침전물을 여과하였으며 증류수로 세정하였다. 여과된 침점물은 110oC의 반응온도에서 15시간동안 건조한 후 350 oC의 온도에서 소성하였다.

결과 및 토의

1. 리간드의 영향

구리촉매를 이용하여 구리촉매에 함유된 여러종류의 리간드의 영향이 검토되었다. 그 결과 표 1에서 보는 바와 같이 리간드의 종류에 따라서 많은 차이를 보였으며 copper(I) oxide인 경우에 가장 높은 할성을 나타내었다.

Table 1. Effects on catalysts in the degradation of phenol

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Catalyst                   COD(ppm)

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Cupric sulfate                  156

Cupric nitrate                  825

Cupric acetate                  202

Copper(I) oxide                  40

Cupric(II) oxide                  87

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* Reaxtion condition

Rx.Temp: 200 oC, Rx.Time: 2 hr, Phenol: 10,000 ppm

Oxygen pressure: 20 kg, Catalyst: 0.5 wt.%

2. Cu/ZnO 촉매의 반응

앞에서 본 바와 같이 Copper oxide(I)를 촉매로 사용한 경우 우수한 결과를 나타내었다. 또한 CuSO4 등의 균일계반응들은 반응후 분리가 되지않아 제2차 폐수를 야기하므로 구리촉매의 불균일화를 시도하여 Cu/ZnO 촉매를 제조하였다. 제조된 여러종류의 촉매를 사용하여 실험한 결과 표 2에서 보는 바와 같이 Zn 촉매를 첨가한 경우 반응성 크게 향상되었으며 담체의 종류에 따라 많은 영향을 받았다.

표 2. Treatment of wastewater containing phenol for various

heterogenized copper catalyst

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Catalyst                      Phenol(ppm)                         □□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□                     CuSO4                          156

CuO/Al2O3                      850

CuOZnO/Al2O3                   68

CuOZnO/Al2O3 + SiO2           42

CuOZnOK2O/Al2O3             112

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Rx.Temp: 200 oC, Rx.Time: 2hr, Phenol: 10,000 ppm

Oxygen pressure: 20 kg, Catalyst: 0.5 wt.%

3. 반응온도의 영향

앞에서 좋은 결과를 나타낸 CuO/ZnO/Al2O3 촉매를 이용한 열분해반응에서 얻어진 음식폐수의 처리에서 반응온도의 영향이 검토되었으며 그 결과 표 3에서 보는 바와 같이 130 oC 이하의 온도에서는 반응의 전환율이 현저하게 저하되는 경향을 보여주었다.

Table 3. Effect of reaction temperature on degradation of wastewater

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Reaction temperature(oC)              COD(ppm)

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100                             1,400

130                              450

150                              287

170                              203

200                              150

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* Reaxtion condition

Rx.Temp: 200 oC, Rx.Time: 2hr, Waste water: 3,700 ppm

Oxygen pressure: 20 kg, CuO/ZnO/Al2O3: 0.5 wt.%

참고문헌

Pintar, A., Levec, J., J. of catalysis, 135, 345 (1992).

Ohta, H., Goto, S. Teshima, H., Ind. Eng. Chem. Fundam., 19 (2), 180 (1980).

Krajnc, M., Levec, J., Applied Catalysis B: Environmental, 3 L 101 (1994).