Optimization of operating parameters to remove and recover crude oil from contaminated soil using subcritical water extraction process

Golam Taki,Mohammad Nazrul Islam,Seong-Jae Park,Jeong-Hun Park 대한환경공학회 2018 Environmental Engineering Research Vol.23 No.2

Box-Behnken Design (BBD) under response surface methodology (RSM) was implemented to optimization the operating parameters and assess the removal and recovery efficiencies of crude oil from contaminated soil using subcritical water extraction. The effects of temperature, extraction time and water flow rate were explored, and the results indicate that temperature has a great impact on crude oil removal and recovery. The correlation coefficients for oil removal (R<SUP>2</SUP> = 0.74) and recovery (R<SUP>2</SUP> = 0.98) suggest that the proposed quadratic model is useful. When setting the target removal and recovery (>99%), BBD-RSM determined the optimum condition to be a temperature of 250°C, extraction time of 120 min, and water flow rate of 1 mL/min. An experiment was carried out to confirm the results, with removal and recovery efficiencies of 99.69% and 87.33%, respectively. This result indicates that BBD is a suitable method to optimize the process variables for crude oil removal and recovery from contaminated soil.

보크사이트 부산물을 활용한 농경지 산성토양 중화에 관한 연구

김준,조영태,Golam Taki,김용규,박정훈 한국폐기물자원순환학회 2017 한국폐기물자원순환학회 학술대회 Vol.2017 No.05

런던협약에 의해 2015년부터 폐기물 해양투기가 전면 금지됨에 따라 국내 광물자원 관련 산업체에서는 폐기물의 처리 방안 마련이 요구되고 있다. 알루미늄 생산 공정에서 보크사이트 부산물은 연간 27만 톤 가량 발생하고 있으며 대부분 토목공사 성토용 골재로 재활용되고 있으나, 전량 골재로 활용이 어려워 매년 8만 톤 이상적치되고 있는 실정이다. 우리나라 농경지는 하절기 집중호우, 화학비료 다량 사용 등으로 토양의 산성화가 가속화되고 있어 농작물 생육조건에 적합한 pH 유지를 위해 주기적인 토양 개량이 필요하다. 보크사이트 부산물을 활용한 토양개량제가 석회(Ca), 고토(Mg)를 대체하여 산성토양 개량제로 재활용 가능성에 대하여 연구하고자 한다. 보크사이트 부산물을 토양개량제로 활용함으로써 매립 등에 소요되는 처리비용을 절감하고 자원순환 측면에서 폐기물제로화(waste zero)에 크게 기여할 것이다. 보크사이트 부산물의 위해성 여부를 확인하기 위해 「토양환경보전법」 토양오염 우려기준에서 정하고 있는 중금속 8종 물질의 분석 결과 불검출 또는 기준치 이하로 검출됨을 확인하였다. 전남 나주시 금천면 석곡리 일원(임야와 농경지 연접부)에서 pH 4.9 ~ 5.0 범위의 토양을 채취하여 샘플 토양으로 사용하였으며 채취한 샘플산성토양에 보크사이트 부산물 과립 개량제를 1~10%(wt) 범위로 혼입하여 pH 변화를 조사하였다. 이때 농경지에서 경운, 강우에 의한 수화반응 등을 적용하고자 일정 기일간 양생을 거친후 pH를 측정하였다. 증류수(토양의 25%)와 5일간 양생 반응 후 측정한 결과 토양개량제 1%를 혼입한 시료에서는 pH 7.5 ~ 8.0, 10% 혼입시료는 pH 9.0 ~ 9.5 범위로 나타났다. 보크사이트 부산물을 토양개량제로 활용 시 중금속류에 의한 오염은 없을 것으로 사료되며 보크사이트 부산물이 경작 작토부 토양의 1% 이내로 살포할 경우 산성토양 중화에 적합할 것으로 판단된다.

전처리방법 및 측정법에 따른 토양 내 중금속 농도 비교

김준,조영태,Golam Taki,양현,박정훈 한국폐기물자원순환학회 2017 한국폐기물자원순환학회 학술대회 Vol.2017 No.05

국내에서 토양 내 중금속 농도를 정량하기 위하여 다양한 분석장비 및 전처리관련 공정시험법이 존재한다. 대표적으로 환경부 토양환경공정시험법에서는 토양의 전분해(왕수추출)후 AAS 또는 ICP로 분석을 제시하고 있으며, 해양환경공정시험법에서는 퇴적물의 완전분해 후 분석이 제시되어 있다. 또한, 상기 화학적 전처리공정을 거치지 않는 XRD분석이나 입자를 레이저빔으로 승화시켜 측정하는 레이저 유도 붕괴 분광법(LIBS; Laser-Induced Breakdown Spectroscopy)도 상용화 되고 있다. 이러한 각종 전처리 및 분석 방법은 특히 전처리 정도에 따라 동일시료라 하더라도 경우에 따라 측정된 농도 값에 차이가 발생되나, 신기술이나 검증 등에 고려하지 않는 경우가 많기 때문에 혼란이 야기되는 실정이다. 따라서, 토양시료를 대상으로 전처리에 따른 분석결과차이를 증명하고, 이를 상용화 중인 LIBS분석방법과 비교하고자 한다. 중금속 오염토양 10가지를 대상으로 하였으며, 각 토양을 왕수분해(전분해)하고 충분히 반응시키고 원심분리하여 상등액을 분취하여 분석시료로 하였다. 이 왕수추출 후 잔류입자 내 잔류 중금속 농도를 정량하기 위하여 불산 등을 투입(완전분해)하여 잔류입자를 완전히 용해시켜 이를 분석시료로 하였다. 전분해와 완전분해는 각각 토양오염공정시험법과 해양환경공정시험법(-퇴적물)을 바탕으로 실험하였다. 중금속 농도 정량에는 ICP-OES(Perkin Elmer DV2100)을 사용하였으며, 총 5종(납, 아연, 구리, 크롬, 카드뮴)을 분석하였다. 추가로 동일 토양시료를 레이저유도 붕괴 분광법(LIBS)으로도 분석하여 이를 비교해 보았다. 토양시료 10개에서 납, 아연, 구리, 크롬의 분석농도는 완전분해(불산 등)대비 왕수분해(전분해)가 65~100%, 62~94%, 71~91%, 30~52%로 나타났으며, 이때 카드뮴은 검출되지 않았다. 토양 왕수추출 후에도 잔류입자(주로 실리카)에 중금속이 일부 존재하고 있는 것으로 나타났으며, 이는 전처리 후 입자유무에 따라 토양 에서 잔류중금속 농도 분석 값이 다를 수 있음을 나타낸다. 완전분해 시 납, 구리, 크롬, 아연 농도는 LIBS측정치 대비 평균회수율이 각각 87.8, 96.8%, 106.2%, 90.1%로 나타나 상대적으로 LIBS방법과 유사한 측정결과가 나타났다. 이는 완전분해 측정법과 LIBS측정법이 입자까지 모두 용해 또는 승화시켜 측정하는 방법이라는 점에서 유사하기 때문으로 판단된다.

Subcritical water liquefaction of lignin for bio-oil production

Mohammad Nazrul Islam,Golam Taki,Jun Kim,Jeong-Hun Park 한국신재생에너지학회 2017 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2017 No.5

Yield of Phenolic Monomers from Lignin Hydrothermolysis in Subcritical Water System

Islam, Mohammad Nazrul,Taki, Golam,Rana, Masud,Park, Jeong-Hun American Chemical Society 2018 INDUSTRIAL & ENGINEERING CHEMISTRY RESEARCH - Vol.57 No.14

<P>Lignin is the most noncellulosic based abundant natural organic polymer with the highest number of aromatic units. It is mainly extracted from wood in the Kraft pulping process and used as boiler fuel. However, the number of high-value applications of lignin remains small. The aim of this study is to explore the yield of phenolic monomers from lignin hydrothermal conversion in subcritical water. The hydrothermal experiments were carried out at different subcritical conditions to explore the influence of reaction temperature (200-350 °C), time (0-60 min), and lignin to water ratio (1:10-1:80). The results show that the yields of bio-oils (sum of crude-oil and water-soluble organics regarded as light-oil) with a range of 28.9-44.7 wt % (of dry lignin fed) were strongly influenced by these operating parameters. The crude-oil contained a small amount of monomers (0.1-2.8 wt % of lignin), whereas a large amount of monomers was composed in the light-oil (1.2-6.3 wt % of lignin). The most abundant monomers produced from hydrothermal reactions were guaiacol and cate-chol, with the highest yields of 1.18 wt % (11.8 mg/g at 300 °C) and 1.88 wt % (18.8 mg/g at 350 °C), respectively.</P> [FIG OMISSION]</BR>

등유 전처리를 포함한 원유오염토양 아임계수 정화

정연재,김준,조영태,Golam Taki,Mohammad Nazrul Islam,정선국,박정훈 한국폐기물자원순환학회 2017 한국폐기물자원순환학회 학술대회 Vol.2017 No.05

물은 22.1 MPa의 압력하에 100℃ - 374℃의 온도범위에서 액체상태로 존재하며, 이를 아임계수라 한다. 아임계수 조건에서 물은 분자간 수소결합이 약해지면서 유전상수, 점성, 표면장력이 감소되어 유기용매와 유사한 특성을 지니게 된다. 원유오염토양은 전남 여수지역 공단 내에 있는 유류로 오염된 토양을 이용하였으며, 오염기간은 약 1년이며 저분자성 휘발유류성분 및 고분자성 유류로 오염되어 있었다. 초기 오염된 TPH농도는 16,895 mg/kg였다. 원유오염토양은 고분자성 물질이 다량 함유되어 있어 기존정화방법으로는 처리하기 어려운 점이 있다. 이를 해결하기 위하여 상기 아임계수 특성을 이용하여 원유로 오염된 토양으로부터 오염물질을 추출하는 연구를 수행하였다. 이와 함께 친유성 용매인 등유를 이용하여 토양으로부터 원유 일부를 탈착(전처리)시킨 후, 아임계수로 토양 내에 잔류되어 있는 유류성분을 제거하는 실험도 수행하였다. 이를 통해 아임계수 추출만을 적용하였을 경우와 등유 전처리가 추가된 경우의 제거율과 정화공정상 효율을 비교하였다. 아임계수 추출 시 275℃에서 2시간 추출을 5회 반복 진행하였을 때, 토양 내의 잔류 유류 농도가 498 mg/kg(제거율 97%)로 나타났다. 등유 전처리(토양 : 등유=1 : 0.5 wt%)후 아임계수 적용시 250℃에서 1시간동안 추출 시, 토양 내 잔류 유류 농도는 223 mg/kg로 나타났다. 적용된 두가지 공정 모두 토양1지역 우려기준(500mg/kg)이하로 정화되었으나, 상대적으로 등유전처리가 포함된 공정이 아임계수 기술만을 적용하여 추출을 진행한 것보다 상대적으로 높은 제거율을 보였다. 또한 등유 전처리가 추가된 아임계 공정이 추출시간, 공정수, 투입에너지(가열)에 있어 경제적으로 판단되며, 따라서 원유 오염토양의 아임계수 정화공정에서는 등유전처리 도입이 효과적인 것으로 판단된다.

전처리방법 및 측정법에 따른 토양 내 중금속 농도 비교

김준 ( Jun Kim ),조영태 ( Young-tae Jo ),( Golam Taki ),양현 ( Hyeon Yang ),박정훈 ( Jeong-hun Park ) 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2017 한국폐기물자원순환학회 춘계학술발표논문집 Vol.2017 No.-

국내에서 토양 내 중금속 농도를 정량하기 위하여 다양한 분석장비 및 전처리관련 공정시험법이 존재한다. 대표적으로 환경부 토양환경공정시험법에서는 토양의 전분해(왕수추출)후 AAS 또는 ICP로 분석을 제시하고 있으며, 해양환경공정시험법에서는 퇴적물의 완전분해 후 분석이 제시되어 있다. 또한, 상기 화학적 전처리공정을 거치지 않는 XRD분석이나 입자를 레이저빔으로 승화시켜 측정하는 레이저 유도 붕괴 분광법(LIBS; Laser- Induced Breakdown Spectroscopy)도 상용화 되고 있다. 이러한 각종 전처리 및 분석 방법은 특히 전처리 정도에 따라 동일시료라 하더라도 경우에 따라 측정된 농도 값에 차이가 발생되나, 신기술이나 검증 등에 고려하지 않는 경우가 많기 때문에 혼란이 야기되는 실정이다. 따라서, 토양시료를 대상으로 전처리에 따른 분석결과 차이를 증명하고, 이를 상용화 중인 LIBS분석방법과 비교하고자 한다. 중금속 오염토양 10가지를 대상으로 하였으며, 각 토양을 왕수분해(전분해)하고 충분히 반응시키고 원심분리 하여 상등액을 분취하여 분석시료로 하였다. 이 왕수추출 후 잔류입자 내 잔류 중금속 농도를 정량하기 위하여 불산 등을 투입(완전분해)하여 잔류입자를 완전히 용해시켜 이를 분석시료로 하였다. 전분해와 완전분해는 각각 토양오염공정시험법과 해양환경공정시험법(-퇴적물)을 바탕으로 실험하였다. 중금속 농도 정량에는 ICP-OES(Perkin Elmer DV2100)을 사용하였으며, 총 5종(납, 아연, 구리, 크롬, 카드뮴)을 분석하였다. 추가로 동일 토양 시료를 레이저유도 붕괴 분광법(LIBS)으로도 분석하여 이를 비교해 보았다. 토양시료 10개에서 납, 아연, 구리, 크롬의 분석농도는 완전분해(불산 등)대비 왕수분해(전분해)가 65~100%, 62~94%, 71~91%, 30~52%로 나타났으며, 이때 카드뮴은 검출되지 않았다. 토양 왕수추출 후에도 잔류입자(주로 실리카)에 중금속이 일부 존재하고 있는 것으로 나타났으며, 이는 전처리 후 입자유무에 따라 토양 에서 잔류중금속 농도 분석 값이 다를 수 있음을 나타낸다. 완전분해 시 납, 구리, 크롬, 아연 농도는 LIBS측정치 대비 평균회수율이 각각 87.8, 96.8%, 106.2%, 90.1%로 나타나 상대적으로 LIBS방법과 유사한 측정결과가 나타났다. 이는 완전분해 측정법과 LIBS측정법이 입자까지 모두 용해 또는 승화시켜 측정하는 방법이라는 점에서 유사하기 때문으로 판단된다.

보크사이트 부산물을 활용한 농경지 산성토양 중화에 관한 연구

김준 ( Jun Kim ),조영태 ( Young-tae Jo ),( Golam Taki ),김용규 ( Young-gyu Kim ),박정훈 ( Jeong-hun Park ) 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2017 한국폐기물자원순환학회 춘계학술발표논문집 Vol.2017 No.-

런던협약에 의해 2015년부터 폐기물 해양투기가 전면 금지됨에 따라 국내 광물자원 관련 산업체에서는 폐기물의 처리 방안 마련이 요구되고 있다. 알루미늄 생산 공정에서 보크사이트 부산물은 연간 27만 톤 가량 발생하고 있으며 대부분 토목공사 성토용 골재로 재활용되고 있으나, 전량 골재로 활용이 어려워 매년 8만 톤 이상 적치되고 있는 실정이다. 우리나라 농경지는 하절기 집중호우, 화학비료 다량 사용 등으로 토양의 산성화가 가속화되고 있어 농작물 생육조건에 적합한 pH 유지를 위해 주기적인 토양 개량이 필요하다. 보크사이트 부산물을 활용한 토양개량제가 석회(Ca), 고토(Mg)를 대체하여 산성토양 개량제로 재활용 가능성에 대하여 연구하고자 한다. 보크사이트 부산물을 토양개량제로 활용함으로써 매립 등에 소요되는 처리비용을 절감하고 자원순환 측면에서 폐기물제로화(waste zero)에 크게 기여할 것이다. 보크사이트 부산물의 위해성 여부를 확인하기 위해 「토양환경보전법」 토양오염 우려기준에서 정하고 있는 중금속 8종 물질의 분석 결과 불검출 또는 기준치 이하로 검출됨을 확인하였다. 전남 나주시 금천면 석곡리 일원(임야와 농경지 연접부)에서 pH 4.9 ~ 5.0 범위의 토양을 채취하여 샘플 토양으로 사용하였으며 채취한 샘플산성토양에 보크사이트 부산물 과립 개량제를 1~10%(wt) 범위로 혼입하여 pH 변화를 조사하였다. 이때 농경지에서 경운, 강우에 의한 수화반응 등을 적용하고자 일정 기일간 양생을 거친후 pH를 측정하였다. 증류수(토양의 25%)와 5일간 양생 반응 후 측정한 결과 토양개량제 1%를 혼입한 시료에서는 pH 7.5 ~ 8.0, 10% 혼입시료는 pH 9.0 ~ 9.5 범위로 나타났다. 보크사이트 부산물을 토양개량제로 활용 시 중금속류에 의한 오염은 없을 것으로 사료되며 보크사이트 부산물이 경작 작토부 토양의 1% 이내로 살포할 경우 산성토양 중화에 적합할 것으로 판단된다.

Production of Phenol-Rich Monomers from Kraft Lignin Hydrothermolysates in Basic-Subcritical Water over MoO₃/SBA-15 Catalyst

Rana, Masud,Islam, Mohammad Nazrul,Agarwal, Ashutosh,Taki, Golam,Park, Seong-Jae,Dong, Shin,Jo, Young-Tae,Park, Jeong-Hun American Chemical Society 2018 Energy & fuels Vol.32 No.11

<P>MoO<SUB>3</SUB> catalyst supported on synthesized mesoporous SBA-15 matrix was employed in the hydrothermolysis of Kraft lignin in a basic-subcritical water system. Experiments were carried out in a batch reactor at 350 °C for 1 h under N<SUB>2</SUB> atmosphere using two different solvent systems of sub-H<SUB>2</SUB>O and 0.5% NaOH. At 10% (w/w) of synthesized MoO<SUB>3</SUB>/SBA-15 catalyst with lignin, the highest total crude bio-oil yield (∼56.40 wt %) and lowest char formation (∼8.60 wt %) were observed in basic medium, in comparison to the subcritical water system. The GC-MS analysis of the produced bio-oil indicated that the major products in the crude bio-oil were phenol-rich monomers such as guaiacols (19.50%), alkyl-guaiacols (24.83%), catechol (26.76%), and alkyl-catechols (17.82%) under subcritical water condition. Alternatively, catechols (42.07%) and alkyl-catechols (34.59%) were the primary products in the basic solvent system with the presence of MoO<SUB>3</SUB>/SBA-15 catalyst. Additionally, monophenols (5.0%) were also produced as a result of the demethoxylation of guaiacol or hydrodeoxygenation of catechol. MoO<SUB>3</SUB>/SBA-15 catalyst significantly reduced the oxygen-carbon ratio (O/C) from 0.72 (in original Kraft lignin) to 0.29 (in basic-subcritical water system). Decreased oxygen and increased carbon and hydrogen contents enhanced the calorific value of the produced bio-oil, whereby a higher heating value (HHV) of 32.00 MJ/kg was achieved. The synthesized catalysts were characterized through BET, XPS, ICP-OES, and HR-TEM analyses.</P> [FIG OMISSION]</BR>

등유 전처리를 포함한 원유오염토양 아임계수 정화

정연재 ( Yeon-jae Jeong ),김준 ( Jun Kim ),조영태 ( Young-tae Jo ),( Golam Taki ),정선국 ( Mohammad Nazrul Islam ),박정훈 ( Sun-kook Jung ),( Jeong-hun Park ) 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2017 한국폐기물자원순환학회 춘계학술발표논문집 Vol.2017 No.-

물은 22.1 MPa의 압력하에 100℃ - 374℃의 온도범위에서 액체상태로 존재하며, 이를 아임계수라 한다. 아임계수 조건에서 물은 분자간 수소결합이 약해지면서 유전상수, 점성, 표면장력이 감소되어 유기용매와 유사한 특성을 지니게 된다. 원유오염토양은 전남 여수지역 공단 내에 있는 유류로 오염된 토양을 이용하였으며, 오염기간은 약 1년이며 저분자성 휘발유류성분 및 고분자성 유류로 오염되어 있었다. 초기 오염된 TPH농도는 16,895 mg/kg였다. 원유오염토양은 고분자성 물질이 다량 함유되어 있어 기존정화방법으로는 처리하기 어려운 점이 있다. 이를 해결하기 위하여 상기 아임계수 특성을 이용하여 원유로 오염된 토양으로부터 오염물질을 추출하는 연구를 수행하였다. 이와 함께 친유성 용매인 등유를 이용하여 토양으로부터 원유 일부를 탈착(전처리)시킨 후, 아임계수로 토양 내에 잔류되어 있는 유류성분을 제거하는 실험도 수행하였다. 이를 통해 아임계수 추출만을 적용하였을 경우와 등유 전처리가 추가된 경우의 제거율과 정화공정상 효율을 비교하였다. 아임계수 추출 시 275℃에서 2시간 추출을 5회 반복 진행하였을 때, 토양 내의 잔류 유류 농도가 498mg/kg(제거율 97%)로 나타났다. 등유 전처리(토양 : 등유=1 : 0.5 wt%)후 아임계수 적용시 250℃에서 1시간동안 추출 시, 토양 내 잔류 유류 농도는 223 mg/kg로 나타났다. 적용된 두가지 공정 모두 토양1지역 우려기준(500mg/kg)이하로 정화되었으나, 상대적으로 등유전처리가 포함된 공정이 아임계수 기술만을 적용하여 추출을 진행한 것보다 상대적으로 높은 제거율을 보였다. 또한 등유 전처리가 추가된 아임계 공정이 추출시간, 공정수, 투입에너지(가열)에 있어 경제적으로 판단되며, 따라서 원유 오염토양의 아임계수 정화공정에서는 등유전처리 도입이 효과적인 것으로 판단된다.