서로 다른 공극률을 가진 망상형 폴리우레탄 폼이

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

충전된 바이오필터에서 톨루엔 제거

Theories and Applications of Chem. Eng., 2002, Vol. 8. No. 1

명 성 운, 남 윤 수, 이 용 우, 최 호 석

충남대학교 공과대학 화학공학과

Removal of Toluene in Biofilters packed by reticulated

polyurethane foams with different porosities

Sung-Woon Myung, Youn-Su Nam, Yong-U Lee, Ho-Suk Choi

Dept. of Chemical Engineering, Chungnam National University

서론

최근에 biofiltration에 대한 관심이 증대되면서 이 분야는 연구들이 국내에서도 활발히 이루어지고 발표되고 있다. 특히 VOCs를 처리 대상물질로 하고 다양한 담체를 사용하여 biofilter의 성능을 향상시키고자 하였고, VOCs에 대한 규제가 계속 강화되는 추세에서 biofiltration의 우수성이 인정받고 있다. 그러나 반응기 설계기술, 미생물 및 담체 개발, 장기운전 안정성 향상, 효율 향상 등에 대해서는 여전히 많은 연구가 필요한 실정이다[1,2]. 그 중에서 담체들은 VOC들의 흡착제 역할을 하면서 동시에 미생물막이 형성되는 서식처의 역할을 하기 때문에 바이오필터의 장기운전이나 제거 효율에 중요한 역할을 한다. 이외에도 밀도, 기체 투과성 및 압력손실, 유기물 함량, 함수능, 토착 미생물의 양, pH, 가격 등이 고려되어져야 한다[3]. Moe등은 담체의 porosity와 기공 크기, 수두 손실 측면에서 폴리우레탄 폼의 적용성을 조사하였다[4]. 기존의 담체에 비해 알맞는 손실수두  특징을 보였고, 주기적인 영양분 공급과 biomass 제거 전략으로 유입 농도의 99 %를 제거할 수 있었다.  Kim등[5]은 1.5 cm의 정육면체 모양의 발포 폴리머 담체를 충전한 biofilter에서 xylene를 제거하는 데 있어 EBRT 36 s, loading 360 g/m3h1 일 때, maximum elimination capacity가 217 g/m3h1이었다. 이는 낮은 체류시간에서 비교적 높은 제거량을 나타낸 것이다.

본 실험에서는 세 가지 다른 기공 크기의 폴리우레탄 폼을 미생물 담체로 사용하여 기상의 톨루엔을 제거하는데 있어 그 제거 특성을 관찰하고자 한다. porosity은 유체의 흐름특성을 좌우하기 때문에 담체에 고정화된 미생물에 의한 VOCs 분해에도 영향을 미칠 것으로 판단된다. 이를 알아보기 위해 15, 25, 45 ppi(pore per inch)의 porosity를 가진 폴리우레탄 폼을 biofilter 안에 충전하고 일정 농도의 톨루엔을 기상 주입하여 출구로부터 나오는 톨루엔 농도를 측정함으로써 그들간의 제거 차이를 알아보는 것이다. 그리고 농도의 영향과 공기의 유량에 따른 제거 성능을 조사하였다.

이론

물리□화학적 처리 기술에 비해 Biofiltration이 갖는 장점은 농도(0∼6g/□)가 낮고 배출량이 많은 배기가스중의 VOCs 및 악취를 처리하는데 매우 경제적이고 효과적이다[6].  Biofilter는 물질전달 면에서 높은 비표면적을 활용할 수 있기 때문에 방향족 탄화수소 등 불용성 화합물을 처리하는데 있어 bioscrubber 나 biotrickling filter보다 효과적이고 최적의 제거가 가능하다[7].

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바이오필터 성능을 묘사하는데 다음에 정의된 제거율(removal efficiency)을 사용한다. [eqn: R.E = 1- { { C}_{g.out } } over {C}_{gin} }]

한편, 바이오필터 제거량(g/m3hr)은 각 바이오필터에 대해 아래와 같이 정의된다. 바이오필터 단위 담체 무게 당 오염물의 제거 속도를 의미한다.

E.C   = [eqn: { ( { C}_{Gi }- { C}_{Go }) TIMES Q } over { { V}_{f } }]

여기서, CGi, CGO는 입출구 가스 농도이고, Q는 유량 Vf는 반응기 부피이다[6].

실험

톨루엔 분해 균주는 Pseudomonas. putida(KCCM 11348, ATCC 12633)로 4℃ agar plate에서 냉장 보관하였다. 배양액은 증류수 1 □당 다음의 유무기물을 포함한다. ; 1.1 g/l C6H12O6□H2O,  0.1 g/l NH4Cl, 0.05 g/l MgSO4□7H2O, 0.0005 g/l FeSO4□7H2O, 0.005 g/l MnSO4□H2O, 0.00375 g/l CaCl2, 1 g/l Yeast extract, 18 ml 0.1M Phosphate buffer solution. 배양액은 121 ℃에서 15분 동안 고압멸균기로 멸균하였다. 충전 담체는 open-cell 구조로 10×11 cm의 원통형 폴리우레탄 폼(유렉셀 테크놀로지(주))이다. 이것을 각 컬럼에 높이 30 cm, 부피 8.6□로 충전하였다. 담체의 특성을 알아보기 위해 수은 porosimeter(Micromeritics autopore Ⅳ)를 사용하여 공극률을 구하였다. 유속에 따른 압력 강하는 n-pentane을 채운 마노미터로 측정하였다. 가스의 유량은 유량계(Dwyer)로 조절되고 톨루엔 농도는 입출구와 각 단의 측정 밸브로부터 측정하였다. 톨루엔의 농도 측정은 portable Gas-TEC(Flame Ionization Monitor Type 47674. Telegan Gas Monitoring Ltd. West Sussex England) 검출기로 측정하였다.

결과 및 토론

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담체의 특성은 surface area, porosity 등으로 평가된다. Table 1은 담체의 ppi별 porosity를 나타낸다. ppi가 작을수록 기공이 크기 때문에 porositiy가 크다. 본 연구에서는 15, 25, 45 ppi 세 가지 폼을 선정하여 biofilter에 충전한 후 실험에 사용하였다. 폼의 porosity가 너무 크면 미생물이 고정화 할 수 있는 표면적이 적어지고, 너무 작으면 공극을 막기 때문에 채널링이 발생한다. 그러나 적합한 ppi를 선정한다면 폼의 특성상 공극이 균일하고  구조적으로 강인하기 때문에 장기적인 운전에 있어서 compaction으로 인한 압력강하의 문제점은 줄일 수 있을 것으로 사료된다.

Fig. 2는 각 biofilter에서의 유속에 따른 head loss를 나타낸다. porosity이 클수록 head loss가 작고 porosity이 작을수록 유량이 증가되면서 head loss가 컸다. 그러나 출구에서 어느 유량 이 후에서는 head loss가 증가되는데 이는 biofilter의 출구 크기가 작아 충분하게 바이오필터 내부의 공기를 배출시키지 못하기 때문이다. 그러나 45 ppi의 경우 porosity가 작아 입구에서부터 압력이 많이 걸리기 때문에 출구까지 도달하는 공기량이 적어 50 □/min의 높은 유량에서도 15, 25 ppi에서처럼 압력손실이 증가하지 않았다. 15 ppi는 10 □/min에서 25 ppi는 8 □/min에서 압력손실이 출구쪽으로 갈수록 낮아지다가 증가하기 시작하였다. 그러므로 유량이 10 □/min이상이 되면 biofilter에 부하가 많이 걸리기 때문에 그 이하의 유량으로 공기를 주입하거나 출량이 많아지도록 구조를 변경해야 하겠다. 45 ppi일 경우 출구 쪽에 압력이 상승되는 경향을 보이지는 않지만 입구에서 상당히 큰 압력이 걸리기 때문에 좋지 못한 압력손실이 있다. 운전이 진행될수록 biomass 축적으로 인한 압력손실은 역효과를 주기 때문에 제거를 해야한다. 또한 동력 손실과 channeling 등으로 바람직하지 못한 현상을 초래한다[8,9].

실험에서 측정한 손실수두는 미생물이 담체 표면에 고정화된 후 성장하여 증가하는 biomass의 량을 알아보기 위함이다. Biomass가 점점 증가함에 따라 압력손실도 증가한다. 이 때 미리 측정한 값들과 나중에 측정한 값들을 비교하여 porosity을 구할 수 있고 biomass의 량도 예측할 수 있다. Fig. 3은 15 ppi가 충전된 biofilter에서 영양분을 첨가해 주었을 때의 제거량을 나타낸 것이고, Fig. 4는 0.6 m3/hr일 때의 바이오필터 performance를 나타낸 것이다. 앞으로 실험은 제거율과 최대 제거량을 알아보기 위하여 기상의 톨루엔 농도(5-800 ppm)와 공기 유량(2-15 □/min)을 변화시켜 가며 미생물에 의해 분해되는 정도를 출구 농도를 측정하고자 한다. 제거 성능 면에서 방향족 화합물의 경우에는 3 분이상의 체류 시간이 요구된다. 체류 시간이 1분으로 감소하면 제거율이 줄어든다[6]. 이와 동시에 유입 농도도 제거율에 영향을 주기 때문에 배출원의 특성을 파악하여 biofilter 부피를 충분히 크게 하고 유량 조절을 통하여 최적의 설계 변수를 결정해야 한다. 본 실험에서의 유량이 2, 4, 6, 8, 10 □/min일 경우 EBRT는 5.7, 2.9, 1.9, 1.5, 1.1 min이 된다. true residence time은 EBRT에 porosity를 곱해주기 때문에 작아진다. 미생물이 적응하기 위한 순치 기간과 정상상태에 이르는 시간이 요구된다. 초기 세 반응기의 다른 porosity에 대한 기상의 톨루엔 제거 특성을 비교□분석하는데 본 실험의 목적이다. 그리고 다른 운전 인자(온도, 생물막 두께, 영양분 첨가)들도 고찰을 통하여 최적 조건을 알아본다.

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화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

Figure . Schematic Diagram of Lab-Scale Biofilter.

Table 1. Porosity of each polyurethane foam.

	15 ppi	25 ppi	45 ppi
porosity (%)	90.1485	61.6349	48.4804
total pore area(m2/g)	132.333	39.882	40.939
average pore diameter(□)	0.2515	0.1010	0.0641
apparent density(□)	1.0996	1.5953	1.4344

참고문헌

1. Park, S. H., Hwang, J. U. and Zhang, S. J.: Korean J. Biotechnol. Bioeng., A101(2001).

2. Ha, T. W. and Choi S. J.: Korean J. of Environ. Sci. 14, 14-23(2000).

3. Lim, H. J., Kim, K. H., Sim, P. G. and Lim, J. J.: Korean Society of Environ. Eng. Presentation of Springa(2001).

4. Moe, W. M. and Irvine, R. L.  : J. of Environ. Eng. september 815-832(2000).

5. Kim, I. D., and Ryu, H. O.: Korean Society of Environ. Eng., Presentation of Spring(2001).

6. Dennis McNevin, John Barford.: Bioche. Eng. J., 5, 231-242(2000).

7. Zilli, M., Palazzi, E., Sene, L., and Converti, A.: Process Biochemistry 37, 423-429(2001).

8. Lars Elsgaard.: Appl. Environ. Microbiol., 64(11), 4168-4173(1998).

9. Alonso, C., Suidan, M. T., Sorial, G, A., Smith, F. L., Biswas, P., Smith, P. J.  and Brenner, R. C. : Biotechnol. Bioeng., 54(6), 583-594(1997).