가공 공정에서 발생하는 폐기물 유출원에는 일반적으로 잔여 아크릴산 단량체와, 중합 반응이 중단될 때 형성되는 장쇄 올리고머, 그리고 예기치 않은 부반응으로 생성된 다양한 디아크릴레이트 화합물이 포함된다. 이러한 물질들이 열분해될 때 이산화탄소와 2-에틸헥센-1과 같은 기타 휘발성 유기 화합물이 방출된다. 대부분의 공장에서는 2-에틸헥실 아크릴레이트 1톤을 생산할 때마다 약 180kg에 달하는 이러한 복잡한 잔류물을 처리하게 된다. 반응기 온도를 정확히 조절하는 것은 불순물의 생성을 줄이는 데 매우 중요하며, 동시에 중합 반응의 효율성을 희생하지 않아야 한다. 미세한 온도 변동조차도 최종 제품 품질 및 환경 규제 준수 요건에 상당한 영향을 미칠 수 있다.
기업이 수산화나트륨을 사용해 공정을 중화할 경우, 매 100톤 생산 시 약 1.7톤의 무기 슬러지를 발생시킵니다. 이 잔여 물질은 정확히 무엇으로 구성되어 있을까요? 주로 작동을 마친 기존 촉매에서 유래한 금속 수산화물과, pH 조정 과정에서 제거되는 다양한 염류로 이루어져 있습니다. 이 물질은 대체로 강한 알칼리성을 띠기 때문에 장기간에 걸쳐 설비를 부식시킬 수 있으며, 특히 지하수 공급원으로 유입되어서는 절대 안 됩니다. 업계 전반의 실제 데이터를 살펴보면, 중소규모 생산라인을 운영하는 시설들은 이러한 폐기물 처리만으로도 연간 7만 4천 달러 이상을 지출하고 있습니다. 다행히도 해결의 실마리가 보이고 있습니다. 폐쇄형 세척 시스템을 도입하면 이 문제성 폐기물 흐름을 획기적으로 줄일 수 있지만, 그러한 시스템을 가동하기 위해서는 초기 투자와 철저한 계획 수립이 필요합니다.
정밀하게 제어된 증류 공정을 통해 올리고머가 풍부한 폐기물 흐름으로부터 아직 반응하지 않은 아크릴산을 회수할 수 있습니다. 이 물질은 다른 제품의 원료로서 매우 가치가 높습니다. 온도를 140°C 이하로 유지하면 과도한 열적 분해를 방지할 수 있으며, 이러한 열적 분해는 시간이 지남에 따라 장비 전반에 걸쳐 문제를 일으키는 점착성 잔류물을 생성합니다. 현재 대부분의 시설에서는 고급 분획 증류탑을 도입하여 아크릴산의 90% 이상을 회수하고 있습니다. 이는 과거 방법과 비교할 때 상당히 인상 깊은 성과입니다. 과거 방식에서는 올리고머 분해가 약 25% 정도만 감소했을 뿐이었습니다. 이러한 개선 덕분에 기업들은 원자재 비용을 절감할 수 있을 뿐만 아니라, 정기적인 반응기 세척을 위해 가동 중단을 자주 할 필요가 없어집니다.
반응 후 폐수에는 잔류 아크릴산이 5–15% 함유되어 있어, 이를 대상으로 한 특화된 회수가 필요하다. 검증된 두 가지 접근 방식은 다음과 같다.
두 방법 모두 폐수라는 부담을 재사용 가능한 자원으로 전환함으로써, 연간 원자재 비용을 18–24% 절감한다. 적용 방식은 운영 상황에 따라 결정된다.
| 방법 | 산 농도 범위 | 에너지 소비 | 잔여물 발생량 |
|---|---|---|---|
| 반응성 추출 | >8% | 중간 | 용매 폐기물 발생량 낮음 |
| 이온 교환 | 1–8% | 하강 | 재생 염수 |
전통적인 생물학적 처리 방법은 내성 있는 2-에틸헥실 아크릴레이트 잔여물을 처리할 때 효과가 부족한데, 이 화합물들은 자연적으로 분해되기 어렵기 때문이다. 오존과 과산화수소를 병용하는 방법은 매우 반응성이 뛰어난 하이드록실 라디칼을 생성하여, 이러한 난분해성 유기 물질의 약 86%에서 거의 전부까지 단 몇 분 만에 제거할 수 있다. 이후에는 이 라디칼들이 복잡한 탄소 구조를 박테리아가 분해할 수 있는 작은 조각으로 분해하거나, 완전히 이산화탄소와 물로 전환시킨다. 아크릴산을 함유한 폐수를 처리할 때는 중성에서 약알칼리성 pH 조건에서 적절한 비율로 오존과 과산화수소를 혼합하면 유해 부산물 생성 없이 약 95%의 오염물질을 제거할 수 있다. 실제 현장 시험 결과에 따르면, 이 방식은 열처리 기반 대체 기술에 비해 운영 비용을 약 40~60% 절감할 수 있으며, 후속 처리가 필요한 추가 폐기물도 전혀 발생하지 않는다. 이는 여러 가지 이유에서 타당하다.
이 산화 공정은 엄격한 배출 기준(<0.1 ppm 아크릴산)을 충족하면서도 70–85%의 물 재사용을 가능하게 한다. 자동 과산화물 투입 기능을 갖춘 연속식 반응기 설계는 오존 소비량을 15–30% 감소시켜 에너지 효율을 추가로 향상시킨다.
심층 공용 용매(DES)는 2-에틸헥실 아크릴레이트 에스터 제조 시 전통적으로 사용되는 수산화나트륨(NaOH) 방식에 비해 더욱 친환경적인 대안을 제공한다. DES는 천연 원료로 제조되며 작업자에게도 안전한 용매로, 산성 폐기물의 생성 자체를 사전에 차단한다. 이는 기존 NaOH 처리 방식과 명백히 구분되는 점인데, 후자는 중화 과정에서 위험한 슬러지를 발생시킨다. 실증 테스트 결과, 공장에서는 아크릴레이트의 최종 제품으로의 전환 효율을 희생하지 않으면서 폐기물을 약 40% 감축할 수 있었다. DES가 특히 주목받는 이유는 여러 반응 과정을 거쳐 재사용이 가능하다는 점으로, 이는 전체 생산 과정에서 필요한 자원량을 줄이는 데 기여한다. 대부분의 공정이 폐기물 발생 후 이를 처리하는 방식을 채택하는 데 반해, DES는 폐기물의 발생 자체를 근본적으로 예방한다. 이러한 접근법은 ‘녹색 화학(Green Chemistry)’ 원칙에 부합하며, 기업은 폐기물 처분 비용을 절감함과 동시에 환경 영향을 상당히 줄일 수 있다. DES를 사용하면 전체 에스터화 공정이 훨씬 더 깨끗해지며, 모든 요소가 효율적이고 지속가능하게 연계된 ‘순환형 생산 모델’을 구현할 수 있다.
주요 폐기물 흐름에는 잔류 아크릴산, 올리고머 및 다이아크릴레이트 부산물을 포함하는 반응기 배출수와 알칼리 세척 및 pH 조정 공정에서 발생하는 촉매 중화 잔여물 및 슬러지가 포함된다.
아크릴산은 3차 아민 용매를 이용한 반응성 추출법 또는 기능화된 수지가 적용된 이온 교환법을 통해 회수할 수 있다.
DES는 기존 공정에 비해 친환경적인 대안을 제공하며, 폐기물 발생량을 40% 감소시키고 2-에틸헥실 아크릴레이트 에스터화 과정에서 산성 폐기물의 생성을 방지한다.
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