Ⅰ 서론

산업의 팽창, 인구증가 등 여러 가지 요인으로 인하여 폐기물의 발생량은 급격히 증가하고 있으나 적정 처리 방법이나 매립지는 매우 부족한 실정이다.

특히 산업폐기물의 경우 여러 가지 사회적 문제로 적정처리 방법의 개발이 시급하다.

현행법상 폐기물은 일반 폐기물과 특정 폐기물로 나누어지며 일반폐기물의 경우 처리 및 매립이 용이하지만 특정폐기물의 경우 많은 어려움이 있다.

특정 폐기물중 완전처리가 불가능한 무기물질 중 대부분은 중금속이다. 중금속은 일반적인 방법으로는 분해되지 않으므로 재회수, 사용하거나 매립에 의존하고 있다. 중금속이 함유된 폐기물은 고형화 후 안전매립 해야한다.

여러 가지 고화처리 방법중 시멘트법이 가장 널리 사용되고 잇다. 그러나 이방법은 산성비나 기타 특정환경 조건에서 중금속이 용출될 우려가 있고 중금속 폐기물 중에 오일 또는 아연, 납, 구리등 금속이온이 존재하는 경우 시멘트 수화반응을 지연시켜 고화체가 경화되는 시간이 지연되는 것으로 알려져 있으며 이로 인하여 성형모울드의 해체시간이 지연되고 해체시 모울드의 형상이 파괴되는 결과를 초래 할 수 있다. 또한 고형화된 고화체의 부피가 증가되므로 매립지가 부족한 우리나라의 혈실에는 부적합하다.

이러한 문제를 해결하기 위해 폐기물을 재활용하는 방법을 생각해볼 수 있다. 매립지가 부족한 현 시점에서 매립의 필요성을 배제하여 그 결과 특정 폐기물의 최종처분 비용을 감소시키고 폐기물의 재사용 차원에서 절약효과를 기대할수 있다.

Ⅱ 문헌연구

1. 이론적 고찰

안정화란 폐기물의 물리적특성의 향상이나 변화에 관계없이 오염물질의 용해도나 이동성을 억제시키는 것이며 고형화란 어떤 물질을 첨가하여 유해성분의 이동이나 독성을 최소화 하는 것이다.

유해폐기물 중 독성 유기물질인 경우는 소각 등 여러방법이 존재하고 있지만 독성 무기물질의 경우는 처리방법이 고체상태의 덩어리로 고형화 시키거나 표피를 입혀서 외부와 차단시키는 방법등으로 제한된다. 즉 취급을 용이하게 하고 폐기물의 물리적 성질을 개선시키거나 화학적 변화에 의하여 폐기물의 용해도를 감소시킨다.

고형화, 안정화 기술에는 portland 시멘트와 pozzolan 시멘트를 이용한 시멘트법, bitumen, paraffin, polyethylene등과 혼합한 후 가열하여 고형화 시키는 열가소성 물질 첨가법, polyemer를 이용한 autopolymerzation 과 mononer 첨가법, encapsylation법, 소다, 석회와 혼합한 후 열을 가하여 고형화 시키는 유리질화법 등 크게 7가지 방법이 있다.

소결이라 함은 일반적으로 조합원료르 가압 성형한 분체를 소성가마에 넣고 가열처리하면 grain growth와 같은 과정을 거쳐 자기화 되어 최종적으로 하나의 고체로 변하게 되는 공정을 말한다. 소결에 의한 고화처리는 여러 고체상태의 무기염이 고온에서 반응하여 재결정체를 이루면서 복합고체를 형성하는 것으로 강도와 같은 물리적 특성은 개개의 입자의 크기와 형태, 입자간의 결합특성 그리고 액체상의 분포에 따라 결정된다.

2. 건축자재로서 폐기물 재사용 방법

3. 고화처리 공정

예비처리		원료조합		반 죽		성 형		건 조		소 성

□ 예비처리 공정 : 고화처리시 원료로 사용하는 clay의 성분을 균질화 시키기 위하여 clay를 분말상태로 만들어서 자갈 및 기타 불순물을 선별하고 일정한 크기의 미세한 분말형태로 만드는 것.

□ 원료조합 공정 :  물을 가하여 반죽하기 전에 고화처리된 시료의 강도를 일정하게 하기 위해 잘 섞어 주는 공정.

□ 성형 공정 : 반죽된 원료를 가압하여 원하는 형상으로 만들면서 혼합된 시료 중의 기공을 감소시키고 입자사이의 접촉면적을 증가시키는 공정.

□ 건조 공정 : 성형이 끝나면 가소성을 없애고 소성에 의한 수축, 균열, 파손을 방지하기 위하여 수분제거를 하는데 이러한 방법.

Ⅲ 실험재료 및 방법

1. 실험재료

실험에 사용된 특정 폐기물로는 아연도금공장에서 발생한 슬러지를 탈수시킨 cake, 제강공장으로부터의 분진폐기물 및 실험실에서 제조된 고농도 중금속 인공슬러지를 사용하였다. 인공슬러지의 제조 목적은 고농도의 혼합 중금속 슬러지를 제조하여 이를 고형화 시킨 후 이들로부터의 중금속 용출량을 조사하고 소성시 감소되는 양을 측정하여 대기로 방출되는 중금속의 양을 측정하기 위함이다.

2. 고화처리 및 실험개요

			clay, waste, sodium sillicate		- waste : 0, 10, 20, 30, 40, 50% - sodium silicate : 0, 2, 5%
			혼 합
			성 형
			100℃, 24hr 건조 10o0℃, 24hr 소성
			압축 강도 실험
			파쇄 (2~4.5mm)
산성비의 영향		- 황산+질산 pH=3				6hr 용출 실험		- 염산 pH=5.8
			A. A. S. 분석		- Fe, Cr, Zn, Cu, Pb, Cd 등 중금속 용출량 측정

3. 중금속 함량분석 및 용출실험

□ 시료의 중금속 함량 분석실험

각 시료의 고형화 전후의 중금속 함량을 측정하기 위한 실험으로 농질산 5□와 증류수를 일정량의 시료와 혼합하여 혼합용액의 전체부피가 50□로 조성시킨 후 이용액의 전체부피가 약 15~20□가 될 때까지 소화시킨다. 1차소화후 계속적으로 농질산을 첨가하여 용액 중의 시료 색이 엷은 색을 띄거나 완전히 용액상태가 될 때까지 소화시켜 시료에 함유된 중금속 함량을 측정하는 방법이다.

□ 시료의 중금속 용출실험

중금속 폐기물을 처리하지 않은 상태에서 매립하였을 경우 유해성 여부와 고형화된 시료의 중금속 용출향을 측정하기 위하여 우리나라 환경오염 공정시험법에 의한 용출실험을 하였다.

환경오염공정시험법의 용출시험과 MEP test 방법을 비교해 보면 pH 용출시간에서 MEP test가 비교적 극한적인 상황이라고 할수있다. 따라서 MEP test에서 용출되는 중금속의 양이 환경기준치를 통과한다면 이는 환경오염공정시험법을 통과하는 것으로 간주할 수

있을 것이다.

	환경오염공정시험방법	MEP test
고/액 비 산 pH 교반시간 교반강도	10 : 1 HCl 5.8~6.3 6hr 200 rpm	20 : 1 H2SO3 / HNO3 = 60 / 40 3.0 ± 0.2 24hr × 5회 200 rpm

4. 물성실험

□ 무게손실과 수분흡수도 측정

□ 무게손실 : 성형을 거친후 100℃에서 24시간 건조시켜 수분을 제거시킨 다음 1000℃에서 24시간 소성시킴으로 인하여 생기는 무게 손실을 %로 나타낸 것.

□ 수분흡수도 : 고형화된 시료를 105~120℃에서 건조시킨 후 건조중량을 측정한다음 끓는 물속에 넣고 3시간 동안 끓인다. 수분이 흡수된 상태에서 상온까지 냉각시켜 습포로 표면의 수분을 제거한 후 중량 측정.

□ 비중과 압축강도 측정

□ 비중 : 고화처리된 시료를 상온까지 냉각 시킨 후 온도를 기록하고 빈 접시의 무게를 측정하고 시료의 무게와 시료와 동일한 부피의 물 무게를 측정하여 비중 측정.

□ 압축강도 : 시료의 가압면적을 구하고 매초당 5~10□f/□ 으로 가압하여 시료가 파괴되었을 때의 최대하중을 측정.

Ⅳ 결과 및 고찰

1. 고화처리 전 시료의 중금속 함량 및 용출특성

□ 고형화 전 시료의 중금속 함량 □

( 단 위 : □ / □ )

	Fe	Cr	Pb	Zn	Cu	Cd
cake	660	10,691	1,686	213,707	2,806	-
dust	36,166	820	16,972	373,000	1,989	321
인공슬러지	-	39,130	42,242	2,287	12,974	-

□ 고형화 전 시료의 중금속 용출량 □

( 단 위 : □ / □ )

	Fe	Cr	Pb	Zn	Cu	Cd
cake	24.8	24.5	18.9	753.9	0.64	-
dust	13.3	-	22.8	526.2	1.64	49.28
인공슬러지	-	2.5	104.6	162.2	29.3	-
허용기준치	-	15	30	-	30	3

2. 도금공장의 탈수 cake 첨가시 특성변화

□ cake 첨가시 고형화된 시료의 특성변화

그림 1. weight loss on ignition of bricks made of zinc plating cake

그림 2. specific gravity of bricks made of zinc plating cake

그림 3. water absorption of bricks made of zinc plating cake

위의 결과로 sodium silicate 가 혼합공정에서 공극을 감소시켜 수분흡수를 억제시키는 작용을 하여 용매와 접할 수 있는 면적을 적게함으로 중금속의 유출이 적어질 것임을 에상할 수 있다. 이 공극은 해빙시 완충작용을 함으로써 시료의 내구성을 증가시키며 고형화된 시료를 mortar로 접착시킬 때 표면적을 증가시켜 접착력을 향상시킬 수 있다.

그림 4. compressive strength of bricks made of zinc plating cake

그림 4에서 sodium silicate 가 강도를 증가시키는 작용을 하며 전체적인 강도의 변화는 cake의 함량을 증기시킬수록 감소함을 알 수 있다.

그러나 sodium silicate를 첨가하지 않은 경우에도 cake의 함량을 30%까지 첨가하여도 재사용 가능하였으며 sodium silicate를 첨가 할 경우 cake를 40%까지 첨가하여도 재사용 가능한 것을 알 수 있다. 재사용 여부에 대한 판단기준은 우리나라 1급 점토벽돌의 압축강도 기준 □당 150□이므로 이에 근거한 것이다.

□ cake 첨가시 고형화된 시료의 중금속 용출특성

그림 5. results of leaching test for clay + cake

그림 6. results of leaching test for clay + cake + 2% sodium silicate

그림 7. results of leaching test for clay + cake + 5%sodium silicate

그림 8. zinc estraction from clay + cake + various sodium silicate

위의 결과를 종합해보면 sodium silicate 가 중금속 용출을 억제하는 작용을 한다는 것을 알수 있으며 또한 sodium silicate 는 수분흡수도 및 압축강도와 같은 물리적 성질의 개선에도 많은 기여를 한다. 아울러 2%의 sodium silicate 첨가시 물성 및 중금속 용출 측면에서 현저한 개선을 보이고 있으며 cake 40%까지 증가시킬 수 있으므로 경제적인 면에서도 효율적이라고 할 수 있다. clay와 무게비로 5%의 sodium silicate를 첨가할 경우 중금속 용출 감소 측면에서 유리하지만 물리적인 성질 개선 측면에서는 오히려 저해 작용을 할 뿐만아니라 경제적인 면에서도 실용성이 없다.

산성비에 의한 중금속 용출량의 조사를 위하여 MEP test에 의한 중금속의 용출량을 조사하였다 그결과 화학적 고형제를 첨가하지 않은 상태에서 Pb, Cr, Cu의 용출량은 극히 미량이거나 전혀 용출되지 않았으며, Zn의 경우는 미국 EPA 의 EP Toxicity test 기준에 비하면 극히 미량이 검출됨을 알 수 있다. 이 결과 실제 자연상태에서 강우량과 강에 유입되었을 때 희석비율을 감안한다면 고화처리된 시료는 산성비에 의한 영향이 미미하다고 할 수 있다.

3. 제강공장의 분진 폐기물 첨가시 특성변화

□ 분진 폐기물 첨가시 물성변화

그림 9. weight loss on ignition of bricks made of steel-making dust

그림 10. specific gravity of bricks made of steel-making dust

그림 11. water absorption of bricks made of steel-making dust

그림 12. compressive of bricks made of steel-making dust

조성별 압축강도 변화를 살펴보면 제강분진 폐기물의 함량이 증가할수록 sodium silicate 조성에 관계없이 압축강도는 증가함을 보이고 있으며 오히려 화학적 고형제를 첨가함으로서 강도가 저하되는 현상을 나타내었다. 이는 제강공장 분진폐기물의 경오는 폐기물의 특성상 광물질이 많아 고온에서 소결이 더욱 잘 일어남으로써 강도를 증가시키는 것으로 생각할 수 있다.

그림 13. results of leaching test for clay + dust

그림 14. results of leaching test for clay + dust + 2% sodium silicate

그림 15. results of leaching test for clay + dust + 5% sodium silicate

위의 결과로 제강분지 폐기물의 경우 대부분의 중금속을 완전하게 고형화시킬 수 있으며 압축강도나 기타 물성실험에서 증명되었듯이 화학적 고형제의 첨가없이 50%까지 첨가하여도 건축자재로써 충분히 사용이 가능함을 알 수 있었다.

또한 MEP test 에 읳나 중금속의 용출량을 조사한 결과 산성비에 의한 중금속의 용출량을 조사하기 위한 실험으로 화학적 고형제를 첨가하지 않은상태에서 Cr은 전혀 용출되지 않았으며, Cu, Pb, Zn 의 경우는 우라나라의 하,폐수방류 기준치보다 현저히 낮은 값을 보여주고있어 실제 자연상태에서 강우량과 하천에 유입되었을 때 희석비율을 감안한다면 산성비에 안전하다고 생각할 수 있다.

4. 인공슬러지 첨가시 대기로 방출되는 중금속량

□ 인공슬러지 첨가시 벽돌의 용출특성 □

( 단 위 : □ / □ )

	clay + 인공슬러지
	0%	10%	20%	30%	40%	50%
Cu	0	0.17	3.68	14.03	5.43	0.70
Zn	0.8	1.08	2.24	6.26	5.40	2.21
Pb	0	0	0	3.53	6.19	0.80
Cr	0	0	0	0	0	0

□ 2% sodium silicate 첨가시 벽돌의 용출특성 □

( 단 위 : □ / □ )

	clay + 인공슬러지
	0%	10%	20%	30%	40%	50%
Cu	0	0.52	5.08	46.98	23.09	13.68
Zn	0.85	1.53	3.02	10.47	12.45	14.04
Pb	0	0	0	3.53	9.73	7.96
Cr	0	0	0	0	0	0

Ⅴ 결론

clay만을 이용하여 중금속 함유폐기물을 고형화 시킬 경우 중금속의 종류에 따라 차이가 있으나 대개의 경우 92% 이상의 효율을 보였으며, sodium silicate  첨가시 모든 중금속의 고형효율이 98%이상으로 향상되었다.

아연도금공장의 탈수 cake 의 경우 실험조건에서 탈수 cake 의 함량을 30%까지, sodium silicate를 2% 첨가하였을 경우에는 40%까지, 제강공장의 분진폐기물의 경우는 50%까지 실용화가 가능하였다.

고형화시켜 소성시킨 고형물의 산성비에 대한 중금속 용출량은 하,폐수 방류기준치 이하로 조사되어 산도가 높은 산성비에도 안전하다는 것을 알 수 있었다.

위의 결과들로 고화처리후 고형화된 시료는 건축자재로서 사용이 가능하다는 것을 알수있었다

룡