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1 Journal of Korea TAPPI Vol. 46. No. 2, 2014, 30-34p ISSN(Print) : Printed in Korea 신문용지및인쇄용지슬러지의무기성분및수용성이온분석 윤수영 김운정 김미선 김문성 1 박종문 신수정 접수일 (2014 년 4 월 8 일 ), 수정일 (2014 년 4 월 21 일 ), 채택일 (2014 년 4 월 23 일 ) The Analysis of Inorganic Compounds and Water Solubles Ions in Paper Mill Sludges from NewsPaper and Printed Paper Su Young Yoon, Un-Jung Kim, Mi-Seon Kim, Mun-Sung Kim 1, Jong-Moon Park and Soo-Jeong Shin Received April 7, 2014; Received in revised form April 21, 2014; Accepted April 23, 2014 ABSTRACT To apply paper mill sludges to soil as fertilizer, paper mill sludges were investigated to predict suitability and maleficence for soil. Newspaper and Printed Paper sludge were analyzed by IC (Ion Chromatography) and ICP-OES (Induced Coupled Plasma Optical Emission Spectrometer). As a results, harmful materials in two types of sludges were below standard by notified Ministy of Environment (ME). Also ionic substances causing the water pollution in sludges were less than the standard value by notified ME. Thus sludges from newspaper and printed paper is presumed that there are no water pollution and soil contamination. Keywords : Paper mill sludge, Utilization, Newspaperand Printed Paper 1. 서론 제지슬러지 (paper mill sludge) 는공정중발생하는유기물과무기물의혼합산업폐기물로써연간약 160 만톤이발생된다. 1) 이로인해제지산업은폐기물발생 량이많은업종으로분류되며처리비용도점차증가하여제지산업에서처리비용에증가의원인이되고있다. 슬러지의화학적조성은공정, 지종및종이의등급, 사용된원질 ( 폐지또는천연펄프 ) 에따라다르기때문에단순히정의하기어렵다. 제지에필요한펄프를생 충북대학교목재종이과학과 (Department of Wood and Paper Science, Chungbuk National University, Chungbuk , Korea) 1 대한제지 ( 주 ) (Daehan paper CO Ssangchong Kanwoe, Chongwon, Chungbuk, , Korea) 교신저자 (corresponding author): ;

2 신문용지및인쇄용지슬러지의무기성분및수용성이온분석 31 산하는공정은크게기계펄프화공정과화학펄프화공 정으로나눌수있으며, 각각의공정에따라서로다른 조성을갖는슬러지가발생된다. 현재국내제지회사 에서는천연펄프보다는폐지를이용해서다양한지종 을생산하고있다. 폐지로사용되는종류에는혼합폐지 ( 인쇄용지, 포장지등 ), 신문지폐지 (Old News Paper, ONP), 골판지폐지 (Old Corrugated Containers, OCC) 등이있으며이러한폐지의종류에따라성상이 다른슬러지가만들어진다. 일반적으로인쇄용지의 경우천연펄프를이용하고신문용지는값싼혼합폐지 를사용한다. 이러한폐지를다시사용하기위해서는 폐지내에있는섬유로부터잉크를분리하고다양한불 순물을제거하는탈묵및정선의공정을거쳐한다. 제지슬러지는소각, 해양투기, 매립등으로처리하 고있으며해양투기에의한처리방법이가장일반적이 다. 1) 하지만 2003 년폐기물관리법시행규칙에의해제 지슬러지의해양투기및매립이축소또는금지되었 으며소각또는재이용에초점을맞추고있다. 1) 하지만 제지슬러지를소각함에있어서높은수분함유량때문 에발열량이낮아서보조연료소비량이과다하게소모 되고있으며해양투기및매립에비해더많은비용이 든다는단점이있다. 2) 현재제지슬러지는다양한재이 용및상품화가이루어지고있다. 전세계적으로제지 슬러지처리에대한방안으로각종건축자재, 3) 퇴비화 4) 증량제 5) 등친환경적인처리에대한연구가진행중 이다. 국내에서도다양하게제지슬러지를활용하고 있다. 제지슬러지를이용하여인공상토및육묘포트 를제조하여식물생육 ( 토마토, 오이 ) 에적합한토양을 만드는데사용하고있다. 6) 또한제지슬러지를몰딩제 품이나건축자재의원료와혼합하여시멘트제품이나 제지슬러지기반의파티클보드를만드는데재활용되 기도한다. 7,8) 제지슬러지에일부포함되어있는탄수 화물을이용하여동시당화발효시켜바이오에탄올을 생산하는데활용되기도하고 9) levulinic acid 등다양한유용물질을만들기도한다. 10) 본연구에서는신문용지와인쇄용지의탈묵후발생 하는슬러지를토양개량제및퇴비로서토양에적용하 였을때의유해성및적합성을파악하고자하였다. 두 종류의슬러지의무기성분분석과수용성이온분석을 통해서슬러지를토양에사용하였을경우토양내중금 속오염이나수질오염가능성을추정하였다. 2. 재료및방법 2.1 공시재료충북청원의 D사에서신문용지나인쇄용지의탈묵후발생하는슬러지를공급받아본실험에사용하였다. 신문용지와인쇄용지의슬러지를각각건조하여전건상태의시료를본실험에사용하였다. 2.2 실험방법 유도결합플라즈마분광광도계 ICP-OES (Induced Coupled Plasma Optical Emission Spectrometer) 분석슬러지내무기성분의함량을측정하기위해서유도결합플라즈마를활용하여분석을실시하였다. 슬러지분말 3.0 g을질산 30.0 ml과과산화수소 2.0 ml 혼합용액에 180, 2시간동안산분해후정량여과지를이용하여여과액을모은후적절히희석하여각각의무기성분을 ICP-OES (OPTIMA 7300DV, Perkin Elmer, USA) 로분석하였다 이온크로마토그래피에의한수용성양이온과음이온의분석슬러지내수용성양이온과음이온을분석하기위해서증류수 100 ml에슬러지분말 10.0 g을넣고 10일동안침지시켜수용성성분을용해시킨후정량여과지를이용해여과하였다. 여과액을따로모아서이온크로마토그래피 (IC, Ion Chromatography) 분석을실시하였다. 분석기기로는 Dinoex ICS 3000(Dionex, USA) 를사용하였으며양이온과음이온을각각분석하였다. 양이온은 Ionpac CS12A (Dionex, USA) 컬럼과 CSRS URTRA (Dionex, USA) 검출기를사용하였으며 20 mm methanesulfonic acid 이동상을흘려 3 0, 15분동안분석하였다. 음이온분석에는 Ionpac AS20 (Dionex, USA) 컬럼과 ASRS URTRA II (Dionex, USA) 검출기를사용하였으며이동상을처음 8분간 14 mm KOH 사용하다가그후 30 mm 농도를사용하여 25분간분석하였다. 3. 결과및고찰

3 32 윤수영 김운정 김미선 김문성 박종문 신수정펄프 종이기술 46(2) 슬러지내무기성분분석천연펄프또는폐지를사용하는가에따라발생하는슬러지의양과부피가상당히차이가나타난다. 국내제지산업에서폐지가펄프에비해상대적으로저렴하기때문에상당량의폐지를외국에서수입하더라도사용하고있는실정이다. 화학펄프화공정에서생겨나는슬러지의양은크라프트펄프와설파이트펄프가각각 58, 102 kg/ton을발생하는반면폐지는탈묵후 234 kg/ton의슬러지를발생시킨다. 11) 이렇듯폐지슬러지가천연펄프슬러지에비해훨씬많이발생된다. 이는신문지, 티슈, 인쇄용지만드는제지공정에서도확인가능하다. 천연펄프슬러지의경우신문용지, 티슈, 인쇄용지가 57, 33, 62 kg/ton 발생하지만폐지슬러지의경우이보다많은 164, 406, 187 kg/ton의슬러지가발 생된다. 11) 펄프슬러지보다폐지슬러지가많이발생하기때문에이를활용하는방안도더욱모색되어야한다. 폐지슬러지의활용에서문제가될수있는것은유해성분의함유여부이다. 따라서본연구에서는신문용지와인쇄용지의탈묵후얻은폐지슬러지의유해성분유무여부를확인하고자 ICP-OES 분석을통해서유해성분이슬러지내존재하는지여부를분석하였다 (Table 1). 부숙토의원료로폐지슬러지를사용할경우환경부유해물질로분류된비소, 카드뮴, 크롬, 납, 수은은검출수준이하였고구리는인쇄용지재활용슬러지에서 48.1 ppm 신문용지슬러지에서 ppm 으로가등급의 500 ppm이나나등급의 750 ppm이하로부숙토의원료기준으로적합한것으로생각된다 (Table 4). 12) 제지 Table 1. The analysis of inorganic compounds in paper mill sludges from newspaper and printed paper (Unit: mg/kg) Fe Ni Cu Zn Cd Pb Mg Ca K PP n.d. n.d NP n.d. n.d Table 2. The analysis of cation in paper mill sludge effluent from newspaper and printed paper (Unit: ppm) Na + NH 4 + K + Mg 2+ Ca 2+ PP NP n.d Table 3. The analysis of anion in paper mill sludge effluent from newspaper and printed paper (Unit: ppm) Cl - NO3 2- SO4 2- PP NP Table 4. Criteria of compost as raw material 12) Basis on raw materials Classification Harmful material content (Unit: mg/kg) Grade 1st Grade 2st Grade Arsenic(As) below 50 below 50 Cadmium(Cd) below 5 below 8 Chromium(Cr) below 300 below 370 Copper(Cu) below 500 below 750 Lead(Pb) below 150 below 225 Mercury(Hg) below 2 below 3

4 신문용지및인쇄용지슬러지의무기성분및수용성이온분석 33 Table 5. Environmental standard for water quality 13) Common pollutant (5 types) Classification living agricultural use (Unit: mg/l) industrial use Hydrogen ion concentration(ph) 5.8 ~ ~ ~ 9.0 Chemical oxygen demand (COD) Below 6 Below 8 Below 10 Number of Escherichia coli Below 5, Nitrate nitrogen Below 20 Below 20 Below 40 Chlorine ion Below 250 Below 250 Below 500 슬러지내에존재하는무기성분은주로칼슘, 철, 마그네슘등으로나타났다. 철의경우응집제로사용한제이염화철 (FeCl 2) 에의한것이라고생각되며칼슘과마그네슘은충전제및회분내존재하는무기성분으로추정된다. 이러한주무기성분 ( 칼슘, 철, 마그네슘 ) 은환경부에서의거한유해물질로나머지검출된무기성분의경우잉크에서기인한것으로추정된다. 3.2 슬러지용출액내양이온및음이온분석슬러지를활용함에있어서슬러지가수용액내에서어떠한유해성분을내보내는지그여부또한중요하다. 슬러지를수용액에충분히침지시킨후여과액을이온크로마토그래프기기를통해서유해한이온성분을분석하였다. 그결과수용액내몇몇양이온과음이온이검출되었다. 양이온의경우나트륨양이온, 암모늄양이온, 칼륨양이온, 마그네슘양이온및칼슘양이온이검출되었으며음이온의경우염소음이온, 질산음이온및황산음이온이검출되었다. 국토교통부에서정한수질환경기준에의거하여지하수의경우일반오염물질 5개와특정유해물질 10개를기준으로두고있다. 13) 일반오염물질중슬러지용출액내에서발견된유해물질로는염소음이온과질산음이온이있다. 질산음이온과염소음이온각각생활용수기준으로 20, 250 ppm 이하를규제하고있었다 (Table 5). Table 3에서신문용지슬러지용출액내에서는질산음이온과염소음이온이각각 4.1, ppm 이었으며인쇄용지의경우 3.4, ppm으로기준치보다낮았다. 또한특정유해물질의경우수용액내에는발견된물질이없었기에지하수수질환경기준에만족하는수준으로판단된다. Table 3에서보면용출액내 Na + 이온은해리공정에서추가된알칼리약품에의한것으로추정되며신문용지 폐지에서더많은 Na + 이온이검출되었다. 이러한결과 는인쇄용지폐지에서는알칼리해리가용이하지만신 문용지폐지에서는혼합폐지의다량사용사용으로인 해더많은양의알칼리약품을사용하였기때문으로 사료된다. Table 3 에서나온 Cl - 이온에경우슬러지탈 수에사용한응집제인 PAC (Polyalumium chloride) 에 서기인한것으로추정된다. 4. 결론 펄프제지산업에서발생하는산업폐기물인제지슬 러지를다양한분야에서재활용하기위해슬러지내에 존재하는유해성분을분석할필요가있다. 따라서본 연구에서는이러한제지슬러지및슬러지용출액내 유해성분을분석하였다. 그결과무기유해성분구리, 카드뮴, 납등은환경부부숙토기준에따른양보다낮 았으며, 또한용출액내양이온및음이온물질도국토 교통부가고시한기준보다낮았다. 따라서제지슬러 지를토양에적용하였을때토양의중금속오염및유 해성에영향이없을것으로추정되며수질오염가능성 지표에도직접적으로영향하지않을것으로판단된다. Literature Cited 1. Kim, G.Y., Kim, C.-H., Sin, T.-G., Jung, H.-G., Lee, Y.-M., Song, D.-B and Huh, M.-R., Utilization of paper sludges for developing bed soils and seeding pots, Journal of Korea TAPPI 39: (2007). 2. Lee, G.W., Lee, S.J., Lee, S.-W., Hwang, J.H. and Jurng J.S., Co-incineration of paper sludge with high-calorific industrial wastes in the nozzle-grate in-

5 34 윤수영 김운정 김미선 김문성 박종문 신수정펄프 종이기술 46(2) 2014 cinerator, Journal of Korea Society of Waste Management 19(7): (2002). 3. Geng, X., Zhang, S.Y. and Deng J., Characteristics of paper mill sludge and its utilization for the manufacture of medium density fiberboard. Wood and Fiber Science 39(2): (2007). 4. Aitken, M.N., Evans, B. and Lewis, J.G., Effect of applying paper mill sludge to arable land on soil fertility and crop yiedls, Soil Use and Management 14: (1998). 5. Ahmadi, B. and Al-Khaja, W., Utilization of paper waste sludge in the building construction industry, Resources, Conservation and Recycling 32: (2001). 6. Jeong, S-W., Cha, S.-W., Song, D.-B and Huh, M.-R., Growth response of tomato and cucumber plug-seedings grown for the paper-sludge substrates, Journal of Agriculture & Life Science 44(6): 9-14 (2010). 7. Seo, Y.-B. Environmentally friendly use of paper mill sludge, Journal of Korea TAPPI 29(2): (1997). 8. Lee, B.G., The manufacturing of composition board using waste sludge discharged from paper manufacturing factory, Wood Science and Technology 15(2): (1987). 9. Zhang, J and Lynd, L.R., Ethanol production form paper sludge by simultaneous saccharification and co-fermentation using recombinant xylose-fermenting microorganisms, Biotechnology and Bioengineering 107(2): (2010). 10. Galletti, A.M.R., Antonetti, C., Luise, V.D., Licursi, D. and Nasso, N.N.O., Levulinic acid production from waste biomass. Bioresources 7(2): (2012). 11. Scott, G.M. and Smith, A., Sludge characteristics and disposall alternatives for the pulp and paper industry, International Environmental Conference Proceedings (1994). 12. Lee, J.C., Sim, H.H., Oh, C.Y. and Koo, B.Y., The development of environmental cleanup species for vegetation restoration in contaminated area Korea Forest Research Institute(KFRI). pp 55 table 15 (2005). 13. Ministry of Land, Infrastructure, and Transport, Enforcement ordinance article 2 of article 10 in basic environment law, Environmental standard for water quality, 2012 (Available at wke/wke_wqbase_lst.aspx).

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