폐기물은 재활용과 자원순환 측면에서 폐자원으로 확대하기 위한 정책이 마련되었으며, 폐기물 저감을 위한 재활용뿐만 아니라 고부가가치 물질을 생산하여 경제에 환류하는 자원순환경제 체제가 요구되고 있다. 폐자원 바이오매스인 폐목재는 발생량이 최근 5년 동안 증가할 뿐만 아니라 사각지대 미신고 배출과 노천 소각에 따른 유해대기오염물질 배출이 우려되고 있다. 이러한 폐목재는 폐자원 바이오매스 원료로 활용가치가 있고, 환경적 및 사회적 문제가 야기될 수 있으므로 고부가가치 재활용 확대를 위한 방안으로 활성탄과 같은 흡착성능을 가진 흡착제로 제조하는 연구가 필요할 것으로 판단하였다.
본 연구에서는 폐목재를 이용하여 흡착제를 제조하기 위하여 저에너지 HTC 공법을 이용하여 바이오차를 생성하였으며, 생성된 바이오차는 목재 원료시 이용되는 화학적 활성화법으로 세공을 확대시켜 흡착성능을 높인 활성 바이오차를 제조하였다. 제조된 활성 바이오차는 톨루엔 흡착성능을 평가함으로써 대기오염물질인 관리를 위한 흡착제 적용 가능성을 확인하고자 하였다. 이를 위하여 폐목재 및 바이오차 특성분석, 바이오차 및 활성 바이오차 생성, 톨루엔 흡착실험을 실시하였으며. 다음과 같이 결론을 얻을 수 있 있었다.
첫번째는 원재료인 폐목재 특성분석을 위한 중금속 용출시험과 기본성상을 확인하기 위한 공업분석와 원소분석을 실시하였다. 폐목재는 KLT 및 TCLP 시험법에 따른 중금속 용출시험으로 유해성 여부를 확인하였다. 폐목재 중금속 용출시험 결과를 보면, 납, 구리, 비소, 6가 크롬, 카드뮴 5개 항목 모두 폐기물관리법 유해물질 함유 기준 이내로 분석되어 폐기물 처리 및 재활용으로 안정적 사용이 가능한 것으로 판단되었다. 공업분석과 원소분석은 탄화 및 활성화 정도를 확인하기 위한 탄소 함량을 분석하기 위하여 실시하였다. 폐목재 탄소 함량은 36.6 wt.%로 나타났으며, 활성탄으로 상업화되는 식물계 및 목질계 원료의 탄소 함량인 35~45 wt.%와 비슷한 탄소 함량을 나타냈다.
두 번째는 폐목재를 HTC 공법으로 탄화하여 바이오차를 생성하고자, HTC 반응온도 200 ℃, 250 ℃, 300 ℃에서 각 반응시간 2 hr, 4 hr, 6 hr, 8 hr으로 반응조건을 다르게 설정하였다. 생성된 바이오차는 수율, 공업분석 및 원소분석을 실시하였으며, 반응온도가 높고 반응시간이 길수록 수분과 휘발분이 감소하여 수율이 감소하였고, 고정탄소 함량과 회분 함량이 증가하였다. 또한 반응온도가 높고 반응시간이 길수록 탄소 함량이 증가하였으며, 75.1 wt%로 분석되었다. 이는 폐목재 원재료 탄소 함량인 36.6 wt.%의 최대 2배 이상 증가한 것으로 HTC 공법으로 탄소 집적화가 이루어져 활성화가 가능한 것으로 판단되었다. 이와 같이 HTC 공법으로 탄소화가 이루어진 바이오차 중 활성화를 위한 바이오차를 선정하였다. 선정조건은 활성탄 주요 성분인 탄소 함량이 많고 활성화를 방해하는 물질인 회분 함량이 적은 조건인 300 ℃, 4 hr에서 생성된 바이오차를 선정하였다.
세 번째는 HTC 공법으로 생성된 바이오차는 미세공을 발달시켜 흡착성능을 높이기 위하여 화학적 활성화를 진행하였다. 활성화제는 KOH, NaOH, ZnCl₂을 사용하였고, 각 활성화제 투입비율은 0.5, 1.0, 1.5로 하였으며, 각 투입비율에서 활성화 온도 700 ℃, 750 ℃, 800 ℃, 850 ℃, 활성화 시간 30 min, 60 min, 90 min으로 조건을 다르게 활성화하여 활성 바이오차를 생성하였다. KOH, NaOH, ZnCl₂에 의한 활성 바이오차 중 요오드흡착능이 활성 바이오차는 비표면적, 세공크기, 세공분포, SEM 표면 관찰 및 XPS 표면 분석 결과를 비교 분석하여 흡착성능을 확인하였다. KOH, NaOH, ZnCl₂에 의한 활성 바이오차의 비표면적은 774~1,387 m²/g으로 나타났으며, 활성탄 비표면적인 600~1,000 m²/g 보다 큰 비표면적으로 흡착제로 사용 가능성을 확인할 수 있었다. 세공크기는 KOH, NaOH, ZnCl₂에 의한 활성 바이오차 모두 20 Å 범위의 미세공이 세공이 형성되었고 SEM을 통해 형성된 미세공을 관찰할 수 있었다. 세공분포는 KOH, NaOH, ZnCl₂ 활성화제에 따라 다르게 나타났다. NaOH 및 ZnCl₂에 의한 활성 바이오차는 주로 20 Å 범위 미세공이 분포하였고, KOH에 의한 활성 바이오차는 20 Å 범위의 미세공과 20~500 Å 중간세공이 분포하였다. 흡착성능에 영향을 미치는 원소 조성과 작용기 형성을 파악하기 위하여 XPS 표면 분석을 실시하였다. KOH, NaOH, ZnCl₂에 의한 활성 바이오차 표면은 O, C, N 피크를 나타내었으며, C-C 구조의 Graphitic 및 -COOH 구조의 Carboxyl 작용기가 형성된 것을 확인할 수 있었다. 원소 조성은 C가 대부분인 83.24~89.71 %로 나타났고, -COOH 구조의 Carboxyl 작용기가 형성되었다. Carboxyl 작용기는 KOH에 의한 활성 바이오차의 경우 7.24 %로 가장 많이 형성되었고, NaOH 및 ZnCl₂에 의한 활성 바이오차의 경우 각 0.41 %, 0.22 %로 미량 형성되었다.
네 번째는 KOH, NaOH, ZnCl₂에 의한 활성 바이오차 중 흡착성능을 나타내는 인자인 비표면적이 크고 SEM 표면 관찰로 세공 형성이 가장 발달한 활성 바이오차를 활성화제별 각 1개씩 선정하여 톨루엔에 대한 흡착실험을 실시하였다. 회분흡착실험, 평형흡착실험 및 연속흡착실험을 통해 흡착속도식, 흡착등온식 및 파과시간을 도출함으로서 흡착성능을 평가하였다. 유사 1차 흡착속도 r²는 0.7787~0.9932, 유사 2차 흡착속도 r²는 0.8972~0.9983로 나타났으며, r²이 모두 1이 가까워 두 흡착속도식에 부합하는 결과를 나타냈다. Langmuir 및 Freundlich 흡착등온식의 r²는 각 0.9023~0.9752, 0.9017~0.9767로 1에 가까워, 두 모델식에 상관성이 높은 것을 알 수 있었으며, 1/n이 0.4090~0.5988로 효율적인 흡착공정이 이루어지는 것을 확인하였다. 또한 파과곡선을 통해 흡착제의 교체주기를 산출하는 파과시간을 도출한 결과는 톨루엔 농도 및 유량이 증가할수록 파과곡선 경사도가 커지면서 짧아졌고, 활성 바이오차 충진량이 많을수록 경사도가 낮아지면서 길어졌다.
이와 같이 본 연구결과를 통하여 폐목재는 HTC 공법으로 탄소 집적화된 바이오차를 생성하였으며, KOH, NaOH, ZnCl₂ 활성화로 바이오차 표면의 미세공이 발달하여 비표면적이 확대되었고 흡착에 영향을 미치는 Carboxyl 작용기가 형성되어 흡착제로 사용 가능성을 확인하였다. 또한 톨루엔 흡착 실험을 실시하여 도출된 흡착인자를 통하여 효율적인 흡착공정이 이루어졌음을 규명하였다. 이에 KOH, NaOH, ZnCl₂에 의한 활성 바이오차는 흡착제로 적용 가능한 것으로 판단되었으며, KOH에 의한 활성 바이오차가 높은 흡착성능을 나타내어 우수한 흡착제인 결과를 얻을 수 있었다. 따라서 폐목재는 폐자원 바이오매스로 활용 가치를 높여 흡착제로 재활용 물질 사용 확대와 산업계 유기용매물질에 대한 흡착을 통하여 폐기물의 자원순환경제를 이룰 수 있을 것으로 본다.