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문제 정의
- 본 연구에서는 도시폐기물 바닥재 및 비산재를 용융 고화처리하여 얻은 슬래그의 중금속 용출 특성을 알아 보기 위해 수행하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 소각재의 재활용 방법은 용융 고화법, 시멘트고화법, 약제혼련법, 용매용출법 등의 여러가지가 있는데 이 중 비교적 중금속의 용출 우려가 적은 방법으로 용융고화법을 들 수 있다. 본 연구에서는 소각재를 용융고화법을 이용하여 얻은 재활용 골재 에 대한 중금속 용출특성을 다양한 용출실험을 통해 알아보고자 한다.
제안 방법
- 현재 국내에서 사용하고 있는 국내 표준용출시험법(KSLT : Korea Standard Leaching Test) 을 이용하여 용출시험을 실시하였다. KSLT법의 용출조건은 pH 5.8-6.2의 용출액, 1:10의 고액비, 200rpm의 속도로 약 6시간 진탕하고 얻은 여액을 검출용 시액으 로 하였으며, 용출하여 얻은 용출액은 질산 전처리법을 거친 후 ICP (Indue- tively coupled plasma emission spectroscopy : SHIMAZU ICPS 1000-N) 를 이용하여 분석하였다. 분석시료는 용융시키기 전의 바닥재, 비산재 및 두가지를 85 : 15의 비율로 섞 어서 용융시킨 슬래그이다.
- 본 연구에 사용한 슬 래그는 용융 직후 수냉식으로 급속 냉각하였으므로 모 래대용의 잔골재로 재활용할 수 있는 입도분포를 갖는 다. 모르타르 제작시 잔골재의 비율을 표준사 및 슬래 그를 혼합하여 4가지 배합비의 모르타르 공시체를 제 작하였다. 시험에 사용한 모르타르의 배합비 및 시멘트의 특성은 Table 3, 4와 같다.
- 슬래그는 진탕 시키지 않고 용출액에 완전히 잠기게 하여 상온에서 침지시킨채 유지하였다. 분석항목은 Pb, Cd, Cu, Cr 의 4항목이며 ICP를 이용하여 분석하였다.
- 슬래그가 여러가지 pH의 용액에 장기적으로 노출될 때, 중금속의 용출 특성을 알아보기 위하여 pH 1, 3, 5, 7, 9, 11의 다양한 조건의 용출액에 슬래그를 1 : 10의 고액비로 침지시킨 후 약 1개월간의 용출특성을 시간별로 알아보는 실험을 수행하였다. 슬래그는 진탕 시키지 않고 용출액에 완전히 잠기게 하여 상온에서 침지시킨채 유지하였다.
- 용융슬래그가 여러가지 pH의 용액에 장기적으로 노 출되었을때, 화학적인 조성이 어떻게 변하는가를 알아 보기 위해 pH 1에서 pHll 사이의 용액에 슬래그를 1 개월 간 침지시킨 후 화학적 조성 변화를 XRF 분석을 수행하였다. 슬래그의 화학적인 조성은 대략 SiO2 21.
- 용융슬래그가 여러가지 pH의 용액에 장기적으로 노 출되었을때, 화학적인 조성이 어떻게 변하는가를 알아보기 위해 pH 1, pH 3, pH 5, pH 7, pH 9, pH11의 용액에 슬래그를 1 개월 간 침지시킨 후 화학적 조성 변화를 EDXA 분석로써 분석하였다. 용출은 고 액비 1 : 10으로 하였으며, 진탕없이 약 1개월 간 침지 시키고 일정한 시간간격으로 침출액내의 중금속량을 ICP를 이용하여 분석하였다.
- 용융슬래그가 여러가지 pH의 용액에 장기적으로 노 출되었을때, 화학적인 조성이 어떻게 변하는가를 알아보기 위해 pH 1, pH 3, pH 5, pH 7, pH 9, pH11의 용액에 슬래그를 1 개월 간 침지시킨 후 화학적 조성 변화를 EDXA 분석로써 분석하였다. 용출은 고 액비 1 : 10으로 하였으며, 진탕없이 약 1개월 간 침지 시키고 일정한 시간간격으로 침출액내의 중금속량을 ICP를 이용하여 분석하였다.
- 향후 슬래그가 건설토목재료로 이용될 때의 중금속 의 용출량을 알아보기 위하여 모르타르 공시체를 제작 하여 7일, 28일 양생시킨 후 중금속의 용출량을 KSLT를 이용하여 실험하였다. 본 연구에 사용한 슬 래그는 용융 직후 수냉식으로 급속 냉각하였으므로 모 래대용의 잔골재로 재활용할 수 있는 입도분포를 갖는 다.
대상 데이터
- 2로 규정 하고 있는 반면, 본 실험법은 증류수를 용출액으로 사 용하도록 규정하고 있다. 본 실험자는 KSLT는 pH5.9의 용출액으로, 본 3.5절의 시험은 pH 7.5의 용출 액으로 수행하였다. 용출시간은 KSLT에서 6시간, 본 실험에서는 24시간을 정하고 있다.
- 본 연구에서 용융의 원재료로써 사용된 소각재는 경 기도 안양시에 위치한 평촌 쓰레기 소각장의 바닥재 및 비산재이다. 평촌쓰레기 소각장은 총연면적6, 928 m2, 용량 200ton/day의 생활쓰레기 소각장이다.
- 2의 용출액, 1:10의 고액비, 200rpm의 속도로 약 6시간 진탕하고 얻은 여액을 검출용 시액으 로 하였으며, 용출하여 얻은 용출액은 질산 전처리법을 거친 후 ICP (Indue- tively coupled plasma emission spectroscopy : SHIMAZU ICPS 1000-N) 를 이용하여 분석하였다. 분석시료는 용융시키기 전의 바닥재, 비산재 및 두가지를 85 : 15의 비율로 섞 어서 용융시킨 슬래그이다.
이론/모형
- 위와 같은 방법으로 준비한 용융슬래그 시료는 독일 의 용출시험법 (DIN 38 414)방법으로 용출시험을 수행하였다. 용출시험은 시료와 증류수를 10 :1로 하여 24시간 용출하였다.
- 현재 국내에서 사용하고 있는 국내 표준용출시험법(KSLT : Korea Standard Leaching Test) 을 이용하여 용출시험을 실시하였다. KSLT법의 용출조건은 pH 5.
성능/효과
- 1. 국내 표준용출법 (KSLT) 으로 용출실험을 수행한 결과 바닥재는 모든 중금속항목에서 규제치 이내의 농도를 나타냈으나, 비 산재에서는 382.3mg/L의 Pb이 용출되었다. 그러나 두 가지 물질을 바닥재 85%, 비산재 15%로 혼합하여 용융시킨 결과 Pb의 용출농도가 0.
- 2. 여러가지 pH에서 장기적인 중금속 용출시험을 수행한 결과, pH 1에서만 다량의 중금속이 용출 되었고, 다른 pH에서는 약 1개월간의 노출에도 불구하고 규제치 이하의 미량의 중금속만이 용출 된 것으로 나타나 강산성의 극한 조건이외의 자 연조건에서는 슬래그가 중금속 용출면에서 안전 하다고 사료된다.
- 3. 슬래그를 제작한 7일 및 28일 재령 모르타르 공 시체에 대해 용출실험을 실시한 결과, 슬래그를 잔골재로 사용하여 제작한 모르타르의 용출결과가 표준사를 이용한 결과와 큰 차이를 보이지 않 았으며, 모르타르의 양생일수가 늘어남에 따라 중금속의 용출량이 줄어드는 결과를 얻었다.
- 4. 슬래그의 화학적 조성을 분석한 결과 슬래그는 다량의 CaO, SiO2 및 FeQs를 함유하고 있으며, 슬래그가 장기간 화학용액에 노출되면 CaO 의 비율은 감소하고, SiO2, FezQ는 증가하는 것으로 나타났다. 이는 SiO2 및 Fem는 풍화 및 화학적 환경에 대한 변화가 적으며 CaO는 쉽게 용출 .
- 5. 바닥재를 도로 건설용으로 사용하기 위한 독일의 TL HMVA-StB95에서 제시하고 있는 용출시험법에 따라 용출시험을 수행한 결과, 본 슬래그 는 독일의 본 가이드라인을 기준을 모두 만족하는 결과를 나타내 건설재료로 사용하여도 환경적 으로 안전하다고 사료된다.
- 그러나 pH 1을 제외한 다른 pH에서의 용출농 도의 차이는 미미한 것을 알 수 있다. Cde 모든 pH 범위에서 용출량이 미미하게 나타났는데, pH 1에서 1 개월 방치한 결과 Cd이 거의 용출되지 않은 것으로 보 아 본 슬래그에는 Cd의 함유량이 거의 없음을 예측할 수 있다. pH 1을 제외한 pH 3에서 pH 11의 조건에서 각 중금속의 용출농도 범위는 Cr 0-2.
- 56%의 비율로 조성되어 있는데, 약 1개월간의 화학용액과의 접촉결과 Table 6과 같은 비율로 조성이 변화하였다. pH 1에서는 약 SiO2 54.49%, CaO 12.45%, Fe2O3 15.33%의 조성을 가지며, pH가 pH 3, pH 5, pH 7의 약산성 및 중성의범위에서는 SiO2, CaO, Fe2O3 의 세가지 광물질이 각각 약 40%, 25%, 13%의 비슷한 조성비를 나타내었다. 또한 염기성 범위인 pH9 및 pH 11에서는 약산성및 중성용액에서의 결과에 비해 SiQ는 감소하고 CaO, Fe203는 증가하여 세가지 광 물질의 조성비가 약 35%, 28%, 16~17%의 조성을 보였다.
- 3mg/L의 Pb이 용출되었다. 그러나 두 가지 물질을 바닥재 85%, 비산재 15%로 혼합하여 용융시킨 결과 Pb의 용출농도가 0.237mg/L로 줄어들어 용융고화법이 중금속의 고정화에 효과가 좋다고 사료된다.
- 33%의 조성을 가지며, pH가 pH 3, pH 5, pH 7의 약산성 및 중성의범위에서는 SiO2, CaO, Fe2O3 의 세가지 광물질이 각각 약 40%, 25%, 13%의 비슷한 조성비를 나타내었다. 또한 염기성 범위인 pH9 및 pH 11에서는 약산성및 중성용액에서의 결과에 비해 SiQ는 감소하고 CaO, Fe203는 증가하여 세가지 광 물질의 조성비가 약 35%, 28%, 16~17%의 조성을 보였다. 이러한 결과는 원재료의 광물조성과 비교하여 볼때 CaO의 비율이 크게 줄어 전체적인 조성비가 변 한 것으로 사료된다.
- 바닥재 및 소각재, 슬래그에 대하여 KSLT법을 이용하여 중금속 용출시험을 수행한 결과를 Table 5에 나타내었다. 바닥재의 경우 모든 중금속 항목에 대하여 폐기물 관리법에서 정하는 규제기준을 만족하여 일 반폐기물로써 분류되었으며, 비산재의 경우에는 Pb의 농도가 382.3mg/L로 측정되어 규제기준인 3mg/L보다 100배이상 높은 값을 나타냈다. 그러나 이들 물질 중 바닥재 85%, 비산재 15%를 혼합하여 용융시킨 결과 슬래그의 용출농도는 Cd을 제외하고는 바닥재, 소 각재의 용출결과보다 낮은 값을 나타내어 용융고화처 리법에 의한 처리가 중금속을 고정화하는 역할을 한다는 이전 연구자들의 보고와 일치되는 결과를 보여주고 있다.
- 95㎎/㎏의 용출농도를 나타내었으며 pH가올라감에 따라 용출농도가 적어지는 경향을 보여서 기존의 연구결과와 일치하는 결과를 얻을 수 있었다. 반면에 Pbe pH 1에서 5.0~ 16.1 l㎎/㎏의 농도를 보 였으며, 그밖의 pH 범위에서는 pH가 3에서 부터 11 로 올라갈수록 그 용출량이 증가하고 있어 Pb이 양쪽 성 원소라는 기존의 연구결과와 일치하는 결과를 나타 냈다. 그러나 pH 1을 제외한 다른 pH에서의 용출농 도의 차이는 미미한 것을 알 수 있다.
- 슬래그의 화학조성을 파악하기 위해 EDXA 분석 (Electron Dispersed X-rayAnalysis) 을 이용하여 분석한 결과를 Table 2에 나타 냈는데, 약 SiO2 35.21%, CaO 27.21%, Fe2O3 22.28%로 나타났다. 투수시험용 시료의 다짐정도 및 함수비를 나타내고 있다.
- 용출시간은 KSLT에서 6시간, 본 실험에서는 24시간을 정하고 있다. 실험결과를 비교해보면 Cr, Cd, Pb에서 KSLT로 시험한 농도가 본 독 일의 실험방법보다 더 높게 나온것으로 미루어 용출의 지배인자는 용출시간보다는 pH임을 알 수 있다. 본 슬래그는 건설용자재로 사용하는데 있어서 환경적인 적합성을 지녔다고 사료된다.
- 중금속의 용출 농도는 슬래그 100%일때의 Pb 용출 농도를 제외하고는 4가지 배합비의 공시체에서 Cu, Cr, Cd, Pb 모두 O.lmg/L이하의 적은 농도로 검출되었다. 또한 대체적으로 낮은 농도이기는 하나 7일 양생의 경우보다 28일 양생의 경우가 중금속 용출농도 가 더 낮아 시간이 경과함에 따라 시멘트가 중금속을 흡착하는 기작이 미세하게나마 작용하고 있다고 판단된다.
- 투수시험용 시료의 다짐정도 및 함수비를 나타내고 있다. 토양이 보유하고있는 교환가능한 양이온의 총량 (CEC : Cation Exchange Capacity) 을 구하기 위해 염화바륨법을 이용하여 CEC를 측정한 결과 슬래그의 CEC는 4.7meq로써 측 정되었다. 슬래그의 투수계수는 총단위중량 7, 는 1.
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