바이오매스로부터 생산한 바이오차에 의한 수질오염물질 흡착

국내농업에서는 해충방제, 잡초제거, 질병 예방을 위해 제초제, 살충제, 살균제 등의 농약을 사용한다. 농약은 목적과 관계없이 사용하거나 과다하게 사용하면 토양이나 작물에 잔류하게 된다. 잔류농약은 후작물에 피해, 생태계 파괴, 토양 황폐화 등을 초래한다[22].

농약으로 인한 문제를 해결하기 위해 PLS(positive list system) 제도가 만들어져 운영되고 있다. PLS 제도란 국내 농약잔류허용기준이 설정된 농약과 그 밖에 농약은 일률기준(0.01 mg/kg 이하)으로 관리하는 제도를 말한다. 과도한 농약사용으로 인한 농약의 잔류는 PLS 기준을 위반하게 되고 국내 농산물 유통에 문제점을 일으킬 수 있다. 기존에는 이러한 잔류농약 제거를 위해 세정제를 이용해 제거하는 토양세척법, 화학적 산화/환원을 이용한 방법, 미생물 분해법, 유기물질을 토양 속에 섞어 분해하는 퇴비화법 등을 사용해 왔다. 위와 같은 방법들은 비용이 많이 들고, 토양의 비옥도를 손실시키고 화학약품 사용으로 2차 환경오염의 위험이 있다. 흡착 소재의 활용으로 기존 농약 제거 기술의 단점을 보완할 수 있다[23].

농업 폐기물(볏짚, 옥수수속대, 왕겨 등)과 임업 부산물(대나무 칩 등)로부터 바이오차를 생산하여 살충제의 흡착 특성 및 탄화물 특성을 분석하였다. 볏짚 바이오차가 살충제 제거에 적합한 소재로 저비용의 농약 흡착제로 사용할 수 있다[10]. 포도 찌꺼기를 이용하여 350℃, 550℃, 750℃로 탄화하여 살균제인 사이목사닐(cymoxanil)의 흡착 특성 및 탄화물 특성을 분석하였다. 350℃에서 탄화한 포도 찌꺼기 바이오차의 경우 가장 높은 흡착률을 나타냈고, 바이오차 비표면적보다 표면의 작용기가 흡착에 영향을 줄 수 있다는 것을 확인하였다[18]. 코코넛 껍질을 이용하여 700℃에서 탄화하고 인산, 수산화나트륨을 이용한 화학적 산화를 통해 바이오차를 생산하여 다이아지논(diazinon) 흡착 특성 및 탄화물 특성 분석을 하였으며, 다이아지논 흡착에 적합한 소재임을 확인하였다[17].

옥수수부산물을 탄화 전에 인산 용액에 침지시켜 활성화한 후 400℃에서 탄화하여 바이오차를 생산하고 아트라진(atrazine) 흡착 특성 및 탄화물 특성을 분석하였고 제작한 바이오차가 아트라진 흡착에 효과적인 것을 확인하였다[24]. 땅콩껍질을 이용하여 300℃, 450℃, 600℃ 온도별 탄화를 하고 염산을 이용해 산 처리하여 바이오차를 생산하였고 아트라진과 니코설푸론(nicosulfuron)에 대한 흡착 특성과 탄화물 특성을 분석하였다. 아트라진과 니코설푸론 모두에 대해 높은 흡착력을 나타냈으며 특히, 아트라진에 대해 높은 흡착력을 보였다[25]. 다양한 바이오매스 유래 바이오 차에 대한 농약 흡착 메커니즘을 Table 2에 나타냈다.

국내 섬유산업의 발전으로 인해 유기염료의 사용이 증가하고 있다. 유기염료는 염색과정에서 5% 정도 사용되고 나머지는 배출된다. 배출되는 염료폐수는 독성을 가지고 있어 수계로 유입되면 사람의 건강에 악영향을 미칠 수 있다[8]. 이를 해결하기 위해서는 염료폐수가 수계로 유입되기 전에 제거해야 한다. 기존 염료폐수 처리 방법으로는 응집처리, 용매추출, 전기화학적 산화, 광촉매 분해, 막 분리 등을 사용했다. 하지만 높은 비용, 불완전한 제거 등 단점이 있어 기존의 방법을 대체할 방법으로 흡착제을 활용한 염료 제거 기술에 관한 관심이 증가하고 있다.

하수 찌꺼기, 유칼립투스, 야자나무껍질을 200℃에서 반탄화하고, 400℃에서 탄화하여 메틸렌블루(methylene blue) 흡착 특성을 분석하였다. 연구 결과 유칼립투스 바이오차가 메틸렌블루 제거에 우수한 소재임을 확인하였다[8]. 스위치그래스를 600℃, 900℃에서 탄화하여 메틸렌블루, 오렌지 G(orange G), 콩고레드(congo red)에 대한 흡착 특성을 연구하였다. 900℃에서 탄화한 스위치그래스가 가장 높은 비표면적을 가지고 있으며, 염료흡착에 있어 우수한 것을 확인하였다[19]. 거대조류를 400℃, 600℃, 800℃에서 탄화하여 콩고레드, 말라카이트 그린(malachite green), 크리스탈 바이올렛(crystal violet) 흡착에 대한 특성을 분석하였다. 800℃에서 탄화된 바이오차가 모든 염료에 대해 높은 흡착 효과를 나타냈다[20].

와틀 나무껍질, 미모사 식물, 커피 껍질 등을 활용하여 500℃에서 탄화하여 메틸오렌지에 대한 흡착 특성을 연구하였다. 모든 바이오차가 메틸오렌지(methyl orange) 제거에 적합한 소재임을 확인하였다[13]. 미역을 이용하여 800℃에서 탄화한 바이오차와 KOH를 이용하여 활성화한 바이오차를 제작하여 메틸렌블루, 로다민 B(rhodamine B), 말카라이트 그린에 대한 흡착 특성 분석하였으며, 모든 염료에 대해 우수한 흡착 능력을 확인하였다[21]. 다양한 바이오매스 유래 바이오차를 통한 염료흡착 메커니즘은 Table 3에 나타냈다.

중금속은 수중 생태계에 유출 시 자연적으로 생분해되는 것이 아니라 지속해서 잔류하거나, 먹이 사슬을 통해 계속 축적되어 어류와 사람에게 해로운 영향을 준다[26]. 중금속은 비중이 4.5 이상인 금속류로서, 대표적으로 카드뮴(Cd), 크롬(Cr), 납(Pd), 구리(Cu), 수은(Hg), 아연(Zn) 등이 있다. 기존의 중금속 제거 기술에는 이온 교환방법, 전기화학적 처리 방법, 용매추출, 증발법 등이 있다. 하지만 이러한 방법은 높은 비용, 조작의 어려움 등의 단점이 있어, 최근에는 중금속을 제거하기 위한 다양한 방법들이 제시되고 있다. 흡착법은 간단하고, 적절한 탈착 공정을 사용하여 재사용할 수 있는 장점이 있어 중금속 제거에 효과적인 방법으로 주목받고 있다. 최근 중금속 흡착제로 다양한 종류의 바이오차에 대한 연구가 진행되고 있다[27]. 유칼립투스를 500℃에서 10℃/min의 속도로 1시간 동안 열분해하여 바이오차를 생산하고 평균 기공크기, 비표면적 등의 특성을 분석하였다. 또한 크롬에 대한 흡착 등온선, 열역학 및 흡착 동역학에 대한 흡착실험으로 흡착 거동 및 메커니즘을 파악하였다. 흡착온도에 따라 크롬에 대한 흡착률이 증가하였으며, 이를 통해 크롬 흡착 시 온도가 중요한 인자임을 확인할 수 있었다[9].

망고스틴 껍질을 400℃에서 2시간 열분해하여 바이오차를 생산하고 크롬에 대한 흡착실험을 진행하여 재사용 평가하였다. 연구 결과, 높은 흡착률을 나타내어 크롬 제거 소재로 적합함을 확인하였다[28]. 땅콩껍질을 이용하여 700℃에서 2시간 동안 열분해하여 바이오차를 생산하고 산화, 알칼리 처리를 한 후 철과 크롬의 제거효율을 비교하였다. 상대적으로 크롬에 대한 제거율이 높게 나타났다[26]. 또한, 옥수수 폐기물을 600℃, 800℃에서 2시간 탄화하여 바이오차를 생산하였으며, 카드뮴에 대한 흡착실험으로 흡착 메커니즘을 분석하였다. 800℃에서 탄화한 바이오차가 상대적으로 높은 흡착률을 나타냈다[15]. 볏짚을 350℃, 550℃에서 2시간 동안 탄화하여 바이오차를 생산하고 납과 아연에 대한 흡착실험을 진행하였다. 550℃에서 탄화한 볏짚 바이오차의 경우, 납에 대한 흡착률이 가장 높게 나타났다[16]. 다양한 바이오매스 유래 바이오차에 대한 중금속 흡착 메커니즘을 Table 4에 나타냈다.

휘발성 유기 화합물은 독성이 강하고 발암성이 있어 신체의 면역력을 저하시키고 내분비계 장애 및 대사 장애를 일으킨다[11]. 또한, 알레르기, 두통, 기침 및 구토와 같은 건강에 심각한 영향을 준다. 최근 몇 년 동안 페인트, 자동차산업, 석유산업 등에서 발생하는 휘발성 유기 화합물의 일부가 수질로 유출되면서 수질오염 문제가 심각해지고 있다[29]. 휘발성 유기 화합물에는 벤젠(benzene), 톨루엔(toluene), 염화메틸(methyl chloride), 자일렌(xylene), 클로로포름(chloroform) 및 사염화탄소(carbon tetrachloride)가 포함된다. 이러한 휘발성 유기 화합물을 제거할 방법에는 흡착, 축열식 촉매 산화(regenerative catalytic oxidation, RCO), 축열식 열 산화(regenerative thermal oxidization, RTO) 등이 있다[11]. 휘발성 유기 화합물 제어 기술 중에서 흡착은 높은 효율성과 재활용 가능성이 있어 광범위하게 사용된다[30].

옥수수대, 왕겨, 소나무 톱밥을 300℃, 500℃, 700℃에서 3시간 동안 열분해하여 원소분석, 비표면적 등을 분석하고 아세톤(acetone)과 톨루엔에 대한 흡착실험으로 흡착 동역학 및 흡착 메커니즘을 분석하였다. 연구 결과, 아세톤에 대한 흡착률이 높게 나타났다[11]. 히코리 나무를 300℃, 450℃, 600℃로 2시간 동안 열분해하여 생산된 바이오차로 아세톤, 에탄올(ethanol), 클로로포름, 사이클로헥세인(cyclohexane), 톨루엔에 대한 흡착 능력을 평가하였다. 바이오차 열분해 온도에 따라 흡착 효과가 다르게 나타났다. 이것은 휘발성 유기화합물 흡착에 바이오차 탄화 온도가 중요한 인자임을 시사한다[12]. 옥수수대를 600℃에서 3시간 열분해하여 바이오차를 생산하고, 휘발성 유기화합물에 대한 흡착 능력을 분석하였다. 연구 결과, 벤젠 흡착 효과가 가장 높게 나타났다[30]. 다양한 바이오매스 유래 바이오차에 대한 휘발성 유기화합물의 흡착 메커니즘을 Table 5에 나타냈다.