계면활성제를 함유한 산성염료폐수의 응집 탈색화에 관한 연구 = (A) Study on the coagulation and decolorization of acid dye wastewater containing surfactants

국문 초록 (Abstract)

섬유산업은 다량의 물과 약품을 필요로 한다. 다량의 약품을 사용하는 공정에는 탈호(desizing), 정련(scouring), 표백(bleaching), 염색(dyeing), 날염(printing)과 후처리(after treatment) 공정이 있다. 염색공장에서 사용하는 화학약품은 화학조성이 무기성분에서 유기 고분자제품까지 매우 다양하게 사용하고 있다. Colour index에는 8,000개 이상의 화학제품이 수록되어 있다. 이런 다양한 염료에 계면활성제, 세정제, 산, 알칼리, 염, 용매 및 보조제와 같은 여러 가지 약품이 동시에 사용된다. 염색가공 폐수에는 산 또는 알칼리, 용해된 고형물질, 독성성분과 색상등 오염물질이 포함되어 있다. 색상은 첫 번째 오염물질로 여겨지며, 방류되기 전에 폐수로부터 제거되어야 한다.
섬유산업에서 사용되는 염료는 합성물질이며, 그들의 많은 부분은 방향족 분자구조의 복합물로 빛, 산화물과 호기성 소화에 안정하기 때문에 일반적인 폐수처리법으로 분해하기 어렵다. 또한 소량의 염료가 물에 잔존하더라도 색상이 진하여 가시적으로 나쁜 인상을 주며, 물의 가치를 떨어뜨린다. 폐수로부터 색상을 제거하는 것은 색상을 띠지 않는 유기물을 제거하는 것보다 더욱 중요하기 때문에 폐수로부터 염료를 제거하는 것은 매우 중요하다.
염색폐수의 탈색법에는 크게 분해법과 제거법으로 나눌 수 있다. 분해법은 탈색효율이 우수하고, 폐수증에 함유된 계면활성제등 첨가물에 대한영향이 적으나, 분해시 독성물질이 발생할 우려가 있으며, 처리비용이 많이 소요되고, 불포화기를 가지고 있지 않은 염료에 대해서는 분해 효율이 저하되는 문제점이 있다. 반면, 제거법은 2차 오염물질인 슬러지 발생량이 많고, 계면활성제등 첨가제에 대한 영향이 크다는 단점이 있으나, 잔존 오염물질이 남지 않고, COD 제거효율이 우수하며, 처리비용이 저렴하다는 장점이 있다. 또한, 염색폐수의 고도처리에는 타 업종과 비교하여 상당히 많은 투자가 필요하지만, 이러한 부담을 견딜 수 있는 중소기업은 현실적으로 많지 않다. 즉, 폐수처리 설비를 설치할 장소가 여의치 않으며, 인력부족이 두드러지고 있기 때문에 유지관리가 간단한 처리시설이 요구되고 있다. 따라서 비교적 시설비가 적게 소요되고 운전이 용이하며 소규모 염색가공업체에서도 저렴하게 처리 가능하고, 처리효율이 우수한 응집탈색법이 가장 적절한 염색폐수 처리법으로 판단된다.
본 연구에서는 염색폐수의 탈색화를 위하여 산성염료의 특성(dischargeability, 용해도, zeta potential, 등전점, 부분전하 및 중성염착율)을 측정하고 응집 및 탈색에 미치는 영향을 조사연구하였다. 특히, 염색가공 공정폐수에 함유된 계면활성제가 응집탈색에 미치는 영향을 조사하기 위하여 nonylphenol계 비이온계면활성제(NP-6, NP-8, NP-10), alkylamine계. 비이온계면활성제(SM-15, SM-30, SM-60) 및 음이온계면활성제(PO, DBS, SLS)를 병용한 경우의 응집탈색에 미치는 영향을 연구하였다. 또한 응집탈색 효율을 증진시키기 위하여 무기응집제인 aluminium sulphate와 dicyandiamide계통의 고분자탈색제의 응집탈색율을 비교분석 하였다.
산성염료에 대한 응집탈색율은 염료의 polyamide섬유에 대한 중성염착율이 증가할수록 탈색율이 향상되었다. 무기응집제 aluminium sulphate는 습윤견뢰형산성염료에 대해서는 양호한 탈색효과를 나타내었으나, 균염형산성염료에 대해서는 탈색율이 불량하였으며, dicyandiamide계통의 고분자탈색제는 양쪽성 균염형산성염료인 C.I. Acid Red 52, Acid Blue 7을 제외한 염료의 탈색율이 97% 이상으로 양호한 결과를 나타내었다.
또한, nonylphenol계 비이온계면활성제와 alkylamine계 비이온계면활성 제 병용시 산성염료의 응집탈색율은 감소하였으며, 비이온계면활성제의 친수성 부분인 ethylene oxide부가 몰수가 감소할수록 응집탈색율은 감소하였다. 음이온계면활성제 병용시 응집탈색율은 감소하지 않았으며, 양쪽성 균염형산성염료에 고분자형 음이온계면활성제 병용시 응집탈색율은 현저 하게 증진되었다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Textile industries consume substantial volumes of water and chemicals. The chemical treatment processes of textiles include desizing, scouring, bleaching, dyeing, printing, and finishing, The chemical reagents used by the dye house are very diverse in chemical composition ranging from inorganic compounds and elements to polymers and organic products. The Colour Index has listed more than 8,000 chemical products. These include several classes of dyes, surfactants, detergents, acids, alkalies, salts, solvents, and other allied auxiliaries. Dye wastewater contribute a number of contaminants, including acids or caustic, dissolved solids, toxic compounds, and colour. Colour is the first contaminant to be recognized and has to be removed from the wastewater before it is discharged.
Dyes used in the textile industry are of synthetic origin, and several of them have very complex aromatic molecular structure which resist degradation by conventional wastewater treatment methods because of their stability to light, oxidizing agents, and aerobic digestion. The presence of even a small fraction of dyes in water is highly visible due to the colour and affects the aesthetic merit of streams and other water resources. Therefore, the removal of dyes from the effluent water has been given a top priority because the removal of colour from the wastewater is considered more important than the removal of colourless organic products.
Decolorization of wastewater discharged from dyeing house is usually carried out by two methods; decomposition method and removal method, Decomposition method is known to have reasonably good efficiency of decolorization and to be rather insensitive to many types of surfactants contained in the wastewater. However, this method may produce some toxic materials during decomposition and require high treatment cost. On the other hand, removal method has some advantages over decolorization method such as excellent COD reduction, no production of toxic materials and low installation and operation cost. Therefore, removal method has been known to be appropriate in small-scale textile industries in spite of the fact that it produces a lot of sludges, which requires additional treatment process.
In order to study decolorization of wastewater discharged from dyeing house, the properties of acid dyes such as dischargeability, solubility, zeta potential, iso-electric point, partial charge, and neutral dyeingability were measured and the effects of those properties on coagulation and decolorization were investigated. Especially, in order to investigate the effects of surfactants on coagulation and decolorization various kinds of surfactants such as poly(oxyethylene) nonylphenyl ether nonionic surfactants(NP-6, NP-8, NP-10), poly(oxyethylene) alkylamine nonionic sufactants(SM-15, SM-30, SM-60), and anionic surfactants(PO, DBS, SLS) were studied. Two type of coagulants such as aluminium sulphate inorganic coagulant and dicyandiamidic polymer coagulant were used to investigate coagulation and decolorization rates of acid dyes in the presence of various kinds of surfactants.
Coagulation and decolorization rates for acid dyes were increased with neutral dyeingability for polyamide. Decolorization effect of the inorganic coagulant for milling-type acid dyes was found to be excellent while the effect for levelling-type acid dyes was poor. The organic coagulant for acid dyes showed an excellent decolorization rate of more than 97% except for amphoteric levelling-type acid dyes such as C.I. Acid Red 52 and Acid Blue 7.
On the other hand, coagulation and decolorization rates of acid dyes were decreased with the addition of poly(oxyethylene) nonylphenyl ether nonionic and poly(oxyethylene) alkylamine nonionic surfactants, and also decreased with decreasing of ethyleneoxide chain length of nonionic surfactants. Coagulation and decolorization rates did not decrease with addition of anionic surfactants, but markedly increased with addition of polymer type anionic surfactants for amphoteric levelling-type acid dyes.

목차 (Table of Contents)

• 국문요약 = i
• 목차 = ⅳ
• 1. 서론 = 1
• 1-1. 염색가공 공정과 폐수 = 1
• 1-2. 계면활성제와 염료 = 5
• 1-3. 염색폐수 처리현황 = 6
• 1-4. 연구목적 = 11
• 2. 이론적 배경 = 13
• 2-1. 수용액 상태에서의 산성염료의 거동 = 13
• 2-2. 수용액 상태에서의 계면활성제의 거동 = 13
• 2-3. 계면활성제와 염료의 결합 = 14
• 2-3-1. 상호작용계의 평형정수와 열역학 변수 = 15
• 2-3-2. 계면활성제의 결합형태 = 19
• 2-4. 산성염료-계면활성제 회합과 응집탈색 = 28
• 2-4-1. 비이온계면활성제 = 28
• 2-4-2. Alkylamine계 비이온계면활성제 = 29
• 2-4-3. 음이온계면활성제 = 30
• 2-4-4. 양이온계면활성제 = 30
• 3. 재료 및 실험방법 = 31
• 3-1. 재료 = 31
• 3-1-1. 산성염료 = 31
• 3-1-2. 계면활성제 = 31
• 3-1-3. 응집제 및 기타 시료 = 33
• 3-2. 산성염료 물성 실험방법 = 33
• 3-2-1. Dischargeability측정 = 35
• 3-2-2. Zeta potential 측정 = 35
• 3-2-3. 염료별 용해도 측정 = 36
• 3-2-4. 부분전하의 계산 = 37
• 3-3. 염착율 및 응집탈색 실험방법 = 39
• 3-3-1. Polyamide섬유에 대한 증성염착율 실험 = 39
• 3-3-2. 응집탈색 실험 = 42
• 4. 결과 및 고찰 = 45
• 4-1. 산성염료의 물리화학적 특성 분석 = 45
• 4-1-1. Dischargeability = 45
• 4-1-2. 염료의 용해도 = 45
• 4-1-3. Zeta potential 및 등전점 = 51
• 4-1-4. 부분전하값 = 55
• 4-1-5. 산성염료의 polyamide섬유에 대한 중성염착율 = 57
• 4-2. 산성염료의 응집탈색율 분석 = 62
• 4-2-1. 검량선 분석 = 62
• 4-2-2. 무가응집제 aluminium sulphate의 응집탈색 효과 = 67
• 4-2-3. 고분자탈색제와 무기응집제 병용효과 = 70
• 4-3. 계면활성제의 물리화학적 특성 = 79
• 4-3-1. 부분전하값 및 zeta potential = 79
• 4-3-2. 계면활성제 병용시 potyamide섬유에 대한 중성염착성 = 82
• 4-4. 계면활성제가 산성염료의 응집탈색에 미치는 영향 = 105
• 4-4-1. 비이온계면활성제가 산성염료의 응집탈색에 미치는 영향 = 105
• 4-4-2. AmEO 비이온계면활성제가 산성염료의 응집탈색에 미치는 영향 = 114
• 4-4-3. 음이온계면활성제가 산성염료의 응집탈색에 미치는 영향 = 132
• 4-5. 응집탈색 실험 결과 요약 = 139
• 4-5-1. 무기응집제의 응집탈색 효율 = 139
• 4-5-2. 고분자탈색제와 무기응집제 병용시 응집탈색 효율 = 141
• 4-5-3. 계면활성제가 산성염료의 응집탈색에 미치는 영향 = 143
• 5. 종합적 고찰 = 158
• 5-1. 산성염료의 중성염착율과 응집탈색율 = 158
• 5-2. 계면활성제가 응집탈색에 미치는 영향 = 160
• 5-3. 고분자탈색제 병용효과 = 165
• 6. 결론 = 167
• 참고문헌 = 168
• ABSTRACT = 175
• 약어설명 = 178
• 부록목차 = 179