1.1 수처리체제의 녹색화 발전 추세
(2003년 6월 중국환보산업)
 

최근 세계화학 및 화학공업 학과의 발전방향에 획기적인 변화가 일어나고 있으며 4년전부터 제기된 《녹색화학》개념을 그 표지로 들 수 있다. 이 새로운 개념은 자연과학 각 분야 및 국민경제 각 업종의 발전전략에 영향을 미치고 있다.

P.T.Anastas는 녹색화학을 “화학기술 및 방법을 이용하여 인류건강 또는 환경에 유해한 원료, 생성물, 부산물, 용제, 시약 등의 생성과 이용을 감소하거나 근절하는 것”으로 해석하고 있다. 원자경제성개념 차원에서 볼 때, 녹색화학은 원료분자가운데의 매개 원자가 합성과정에서 목표분자와 완전히 결합하여(예를 들면 A+B C 형식의 첨가반응 등) 배출량을 0으로 하는 것이다. 결과적으로 녹색화학은  오염근원을 본질적으로 제거하여 폐기물처리문제 발생을 억제하며 최종 오염 방지 목적에 이르게 하는 화학이다.

 

녹색화학은 화학공업 및 환경프로젝트에 커다란 변화를 가져오고 있으며 21세기 화학 및 화공학과의 중점연구과제로 떠오르고 있다.

 

 

가. 녹색화학 연구 내용
1) 목표분자의 구조 : 녹색화학의 관건은 인류의 건강과 생존환경에 안전한 목표물질을 탐색하는 데 있다. 이러한 목적에 달하기 위해서는 화학적 구조와 분자의 성질을 개변시켜 효능과 독성간의 최적화평형을 이루어야 한다. 따라서 새로운 화합물의 생성을 중시해야 할 뿐만아니라 기존 화공제품에 대한 재평가와 설계도 필요하다. 예를 들면 벤지딘(benzidine)은 이상적인 염색중간체로 사용되어 왔지만 극히 강한 발암성을 지니고 있어 현재 많은 국가에서 사용 금지되고 있다. 사람들은 연구를 거쳐 벤지딘(benzidine)의 화학구조를 디에틸벤지딘(diethyl benzidine)으로 개변시킨 결과 염료의 기능을 보존하고 발암성을 억제했다.

 

2) 원료 및 시약 : 인류와 환경에 무독, 무해한 원료 및 전환반응 시약을 개발, 응용한다.

 

3) 화학반응 방식 : 대부분 전문 화학제품은 여러차례 복잡한 합성과정을 거쳐 만들어진 것으로, 화학합성방식을 개변하는 것이 녹색기술의 중요한 구성부분으로 되고 있다. 최근에 나타난 반응로 다단계반응과 반응로 다중성분반응을 그 예로 들 수 있다.

 

4) 반응조건 : 반응조건을 개변함에 있어서, 용제 및 촉매제의 사용으로부터 착수할 수 있다.

전통 화학품 합성과정에서 사용된 매개질, 분리 및 배합과정에서 사용된 용제는 보통 휘발성 유기용제로 사용과정에서 오존을 형성하거나 수원을 오염시키는 등 생태환경을 파괴하여, 최근에 와서는 사용량을 제한하고 있다. 해결방법에는 무(無)용제반응방식을 이용하거나, 물 또는 SCF를 용제로 사용하는 등이 있다. 무(無)용제반응은 고체상태 또는 액체상태(융해상태 또는 보통상태)에서 진행되며 페기물을 생성하지 않는다. 메틸아크릴산에스테르(methyl acrylic acid ester)의 본체중합 반응이 바로 무(無)용제반응 중 하나이다. 물을 용제로 할 경우, 원료가 풍부하고 독성이 없으며 가격이 저렴하고 사용이 안전하며 환경에 큰 폐해를 주지 않는 반면 대량 오수가 생성할 가능성이 많다. SCF용제 더욱이 SCF 이산화탄소 용제에 대한 연구가 현재 활발히 진행되고 있다. 초임계유체는 초임계온도 및 초임계압력하의 유체로 기체와 액체 2가지 성질을 모두 띠고 있다. 또한 밀도는 액체 밀도와 유사하고, 점도(粘度)는 기체성질과 유사하므로, 액체가 고유한 용해도 및 기체가 고유한 강한 전파속도압축성을 띠고 있다. 유체의 밀도, 용해도, 점도(粘度)는 압력과 온도의 변화로 조절 가능하다. 초임계 이산화탄소유체가 광범위하게 응용되고 있는 이유가 임계압력 및 온도가 적합하고 자원이 풍부하며 가격이 저렴하고 독성이 없는 등 우점을 가지고 있기 때문이다.

 

화학촉매 및 생물촉매를 이용한 방법도 역시 원자경제성 반응을 실현하는 중요한 경로라 할 수 있다. 촉매방법을 이용하면 합성절차를 단축할 수 있다. 그러나 보통 합성과정에서 자주 사용되는 산, 알칼리성 촉매제는 인체 건강 및 사회안전에 해롭고 생성되는 찌꺼기 및 폐액은 환경을 오염시킬 수 있다. (예를 들면, 무수Alcl3촉매제는 1톤의 아실화물질을 생성하는 동시에 3톤의 환경오염물질 즉 산성 알루미늄 폐기물과 증기를 방출한다.) 따라서 녹색촉매제, 환경친화 촉매제를 개발하는 것은 녹색화학분야에서의 중점연구과제이다. 그중 성공한 사례로는 약물합성 중간체 para-chloro-dimethyl benzophenone의 Fourier acylate반응에서 전통적인 촉매제인 Alcl3 대신 E-virocais EPZG를 사용한 것을 들 수 있다. 결과, 촉매제의 사용량은 전통촉매제 사용량의 1/10정도로 폐기물 HCI의 배출량은 3/4 감소, 생산능율은 70%에 달했다.

나. 수처리제의 녹색화
1) 보다 안전한 수처리제를 개발해내야 한다.
녹색화학 개념은 수처리기술과 수처리화학품의 발전방향을 제시해 주고 있다. 생물분해는 물질이 미생물에 의해 분해되는 것을 가리키며 화학물질이 환경에 체류되는 시간을 제한하는 관건적 요소이다. 환경친화적이고 인체 건강에 더욱 유리한 새로운 수처리제를 생산할 경우, 반드시 생물분해성을 고려해야 한다. 이를 실현하려면 전통사고 방식에서 벗어나 새로운 녹색 항슬러지제의 하나인 폴리아스파틱산(poly aspartic acid)이 좋은 예로 되고 있다. 폴리아스파틱산(poly aspartic acid)은 동물의 대사과정에서 계발을 받아 최근 연구개발해낸 고분자제품이다. 지난날 사람들은 당단백을 탄산칼슘핵형성과 결정체 생성의 촉매제로 여겨왔다. A P Wheeler와 CSSikes는 탄산칼슘에 대한 연구과정 중, 굴껍집의 단백질모체에서 얻어낸 당단백이 무기물 침적, 생물탄산칼슘 침적에 대한 억제작용을 발견했다. 합성실험에 대한 한층 더 깊은 연구를 거쳐 과학자들은 폴리아스파틱산(poly aspartic acid)은 아미노산 중합체 중 효과가 가장 뛰어난 항슬러지제이며 양호한 생물호환성(compatibility)과 생물분해성을 지니고 있다는 점을 발견했다. 또한 상대분자질량이 높은 선형 폴리아스파틱산(poly aspartic acid)은 뛰어난 분산, 부식방지, 킬레이트기능을 소유하고 있다는 결론을 얻었다.

 

2) 기존 수처리제에 대한 재평가가 필요하다.
중국은 20세기 70년대초부터 줄곧 수처리기술과 수처리제의 연구에 총력을 기울였으며 기꺼운 성과를 거두었다. 더욱이 ‘제8차 5개년’계획 및 ‘제9차 5개년’계획기간에  수처리제에 대한 연구개발을 지원하는 등 정책적인 지원으로 지적재산권을 소유한 기술과 제품을부단히 개발해냈다. 현재 중국에서 개발해낸 수처리 화학제품에는 부식방지제(corrosion inhibitor), 항슬러지제，살충제, 응집제 등 여러 가지가 있으며 그 중 부식방지제와 항슬러지제 연구개발은 국제선진수준에 이르고 있다. 전국 수처리화학약품의 생산능력은 12만T/a , 생산업체는 100개, 제품종류는 100여종, 실제 생산량은 10만T/a , 연간 제품생산가치는 12억 위안에 달한다. 사용되고 있는 수처리화학제품의 종류로 볼 때, 유기인(phosphorus)부식 방지제,  폴리아크릴산(polyacrylic acid)중합체와 공중합체(copolymer) 항슬러지제 등을 포함한다. 현재, 공업순환용 냉각수의 수질안정제 제품 제조시, 52∼58%의 인 사용을 비롯하여 몰리브덴(molybdenum) 20%, 규소(silicon) 5∼8%, 텅스텐(tungsten) 5%, 기타 물질 5∼10%를 사용하고 있다. 녹색화학은 기존 수처리화학품의 기능과 성능에 대해 재평가를 실시하고 있다. 그중 생물분해성이 가장 중요한 평가지표로 되고 있다. 현재 널리 사용되고 있는 인(phosphorus)계열의 부식방지 항슬러지제, 폴리아크릴산(polyacrylic acid)중합체와 공중합체(copolymer) 항슬러지제는 냉각수처리기술의 발전을 촉진하여 수자원 고갈문제 해결에 커다란 공헌을 했다. 그러나 최근 연구자료에 의하면 이러한 수처리제(劑)도 수질 부영양화를 초래하는 등 환경 오염가능성이 존재한다. 따라서 기타 여러가지 수처리제품에 대한 재평가도 필요하다.

 

3) 기존 수처리제에 대한 재설계가 필요하다.
현재 인류는 성능이 뛰여나고 녹색화학의 요구에 부합되는 수처리제를 개발해야 한다. 기존의 수처리제에 대한 재설계도 선택가능한 방안이라 할 수 있다. 예를 들면 폴리아크릴산(polyacrylic acid) 항슬러지제는 뛰여난 오물 제거기능을 가지고 있는 반면에 자연분해되지 않는 단점도 존재한다. 만일 분자고리 중에, 산소원자(o)를 삽입할수 있다면 오물 제거, 분해 등 성능을 모두 소유한 일석이조의 제품을 얻을 수 있다. 새로 개발된 수처리제품인 polyepoxyamber acid(PESA)에 대해, 발명가의 의도를 정확히 알 수 없지만 설계시, 산소원자(o)를 삽입한 것만은 사실이다. 일정한 시간을 거쳐 무(無)인(phosphorus), 무(舞)질소구조의 polyepoxyamber acid(PESA)은 녹색 수처리제로 수용성이 높고 칼슘，마그네슘，철 등 이온에 대한 강한 화합력을 인정받았으며 보일러수처리, 냉각수처리, 오수처리, 바다물의 담수화 처리，막(膜) 분리 등에 널리 사용되고 있다.

 

4) 원자의 경제성반응에 관한 연구가 필요하다.
원자경제성반응이란 원료가운데 존재하는 원자가 목표분자와 최대한결합하여 기타 물질이나 폐기물을 생성, 배출하지 않는 것을 가리킨다. 선형 폴리아스파틱산(poly aspartic acid)합성을 예로 들면 합성과정에서 인산을 촉매제로 사용했을 경우, 상대분자량이 높은 선형 폴리아스파틱산 (poly aspartic acid)을 얻을 수 있는 반면에 기타 물질의 분리, 생성 및 배출을 초래한다. 인산촉매제를 사용하지 않고 반응조건을 개변했을 경우 같은 분자량의 폴리아스파틱산(poly aspartic acid)을 얻을 수 있었으며 기타 물질도 생성되지 않아 원자의 경제성합성이 이루어졌다고 볼 수 있다.
간혹 수처리합성 과정에서 기타 물질이 생성되지만 분리처리가 되지 않을 때도 있는 데, 이를 원자의 경제성합성으로 보아서는 안 된다. 그 것은 원료분자 중 원자가 충분한 합성을 이루지 못해 물질이 제때에 분리되지 않았지만 점차 배출되는 경우가 있기 때문이다.

 

5) 안정적인 촉매제를 사용하여 합성과정을 단축시켜야 한다.
항슬러지제는 보통 금속이온과의 강한 화합력을 가지고 있어 합성과정에서 금속촉매제와 반응을 일으켜 화합물을 생성할 수 있다. 이는 분리과정을 지연시킬 뿐만 아니라 폐기물 대량 배출도 초래한다. 만일 항슬러지제와 반응을 일으키지 않는 안정적인 촉매제를 사용한다면 결정생산(潔淨生産)의 목적을 달성할 수 있게 된다. polyepoxyamber acid(PESA)의 합성과정을 예로 들면 polyepoxy amber acid(PESA)는 합성과정에서 금속촉매제와 반응하여 안정적인 화합물을 생성한다. polyepoxyamber acid(PESA)를 정화분리 하려면 PH치를 조절하고 압력을 감소시켜야만 증류폐액을 배출할 수 있다. 안정적인 고체 촉매제를 사용한다면 polyepoxyamber acid (PESA)의 분리과정을 단축시킬뿐만 아니라 환경에 대한 오염도 감소할 수 있다.

 

6) 무독 용제를 사용한다.
두 가지 화학성질을 갖고 있는 폴리아크릴아마이드(polyacry lamide)는 효과가 뛰여난 응집제 및 오수탈수제로, 작업난도가 큰 오수처리에 뛰어난 성능을 보여주고 있다. 예를 들면 부유물질의 응집정제침전속도를 제고하고 면상물(棉狀物)의 크기와 경도(硬度)를 증가하며 고체침전물의 여과속도를 강화하고  필터케이크(filter cake)의 수분함량을 감소시키며 필터케이크(filter cake)의 층간 박리성을 개선하는 등이다. 동일 분자량의 제품 제조 차원에서 볼 경우, oppositiondb유액중합방법이 비교적 적합하나 유기용제의 오염문제를 초래할 수 있다. 물을 용제로 삼아, 용액중합법을 사용하면 반응조건 개선에 다소 어려움이 따르나 폐액 배출을 피면할 수 있기에 현재 기술면에서 후자에 치우치는 상황이다.