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천일염 산업 폐간수의 재활용 방안 : 마그네슘 회수와 이산화탄소 포집
우리나라 서해안은 조수간만의 차이가 크고 경사가 완만하면서 일조량이 풍부하여 천일염 산업이 발달되어 있다. 지난해 국내에서는 42만439 톤의 갯벌 천일염이 생산되었으며, 이 중 38만 톤이 전남지역 염전에서 생산되어 전국 생산량의 90.8%를 차지했다. 천일염 생산과정에서 고농도의 무기물을 포함하는 간수가 부산물로 발생한다. 간수는 발생원에 따라 탈수염간수(dehydrated salt bittern), 함수(concentrated sea water), 천일염간수(solar salt bittern) 및 숙성천일염간수(bittern from solar salt during storage)로 분류되지만 그 종류에 관계없이 거의 일정한 화학조성을 가지고 있는 것으로 알려져 있다. 우리나라에서 천일염의 생산, 저장, 가공 중에 발생하는 간수는 매년 10만 톤 이상으로 추정되고 있다. 이처럼 다량으로 발생하는 간수는 식품 가공용 및 폐수 처리용을 제외하고 거의 대부분 폐기되고 있어 이의 처리 비용으로 인한 경제적 손실 또한 크다. 따라서 이를 효율적으로 처리할 수 있는 재활용 방안이 수립되어야 한다. 이를 위해 염전 및 천일염 산업에서 대량의 발생하고 있는 폐간수를 마그네슘 생산을 위한 원료 물질 및 이산화탄소 포집 및 저장을 위한 흡수제로 활용하는 방안을 검토하였다. 본 연구에서는 간수 중의 마그네슘 이온(Mg2+)을 수산화마그네슘(Mg(OH)2)으로 회수하는 침전법과 그 잔류 폐액의 나트륨 이온(Na+)과 CO2를 반응시켜 탄산수소나트륨(NaHCO3)으로 회수하는 암모니아-소다법(솔베이법)을 연속공정으로 적용하고 그 효율성을 평가하였다. 전남지역 B 염전에서 채수한 간수의 주성분 화학조성은 Na+ 55.84±1.50 g/L, Mg2+ 41.77±1.83 g/L, Cl- 125.69±3.06 g/L, SO42- 63.97±0.62 g/L로 해수 평균값에 비해 Na와 Cl은 약 5배, Mg와 SO4는 약 25배 정도 농축된 특성을 보였다. 간수에 1~5 M의 가성소다(NaOH) 용액을 [NaOH]/[Mg] 몰비로 2.5가 되도록 첨가하는 조건에서 Mg의 제거율은 평균 93%였으며, 간수 1 L당 110 g 이상의 침전물을 회수할 수 있었다. Mg의 제거율은 [NaOH]/[Mg]몰비가 증가할수록 즉, pH가 증가할수록 증가하여 몰비 2.8 이상, pH 10 이상에서는 99% 이상으로 증가하였다. 이 과정에서 Na 성분이 NaCl 또는 Na2SO4･10H2O 형태로 14~20% 정도 공침하였으나 침전물의 수세과정에서 대부분이 재용해되어 제거되었다. 침전물의 화학적 조성을 평가한 결과 Mg(OH)2의 순도가 94% 정도였다. 간수에 5 M의 가성소다 용액을 [NaOH]/[Mg] 몰비 2.8이 되도록 첨가하는 조건에서 Mg를 침전시킨 다음 잔류하는 여액을 이용하여 CO2 포집실험을 회분식과 컬럼식으로 수행한 결과, 잔류여액의 CO2 흡수량은 25℃에서 5.4 g/L으로 같은 조건 해수의 CO2 포화흡수량 2.9 g/L에 비해 2배 정도 높았다. 이는 해수에 비해 5배 이상 농축된 간수 중의 Na 성분이 이산화탄소와 반응하여 중탄산나트륨(NaHCO3) 등 탄산광물로 침전되기 때문이다. 한편 반응촉매로 암모니아를 3%, 5% 첨가할 경우 CO2 흡수량은 각각 43.2 g/L, 67.0 g/L, 침전물 회수량은 각각 82.5 g/L, 127.9 g/L로 증가하였다. 암모니아 촉매 5%를 첨가하는 조건에서 처리간수의 Na 농도별 CO2 포집실험을 실시한 결과 Na 농도가 증가할수록 침전물 발생량(CO2 흡수량)이 증가하였으며 침전물(X)과 Na 농도(Y) 사이에는 Y(g/L)=0.284X(g/L)+23.03(r2=0.9995)의 선형적 관계를 보였다. 침전물의 화학적 조성을 평가한 결과 NaHCO3의 순도가 97% 이상으로 탈황제 등으로 활용 가능성이 높았다. 이상의 결과로부터 염전 및 천일염 산업에서 발생하는 폐간수를 해수 Mg 회수 및 CO2 흡수제로 활용할 경우 간수 1 톤당 94% 순도의 수산화마그네슘 120 kg과 97% 순도의 중탄산나트륨(중조) 128 kg을 생산할 수 있으며, 이 과정에서 이산화탄소 67 kg 이상을 포집할 수 있음을 알 수 있었다.
