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문제 정의
- 그러나 중금속 용출 위험성이 큰 제강부산물을 기능성 filler로 사용하기 위해서는 고분자와 혼합될 경우의 용출위험성에 대한 연구가 수반되어야 하지만 아직은 연구사례가 없기 때문에 본 연구에서는 폐플라스틱에 EAF dust와 slag를 혼합하여 시편을 가공하고 폐기물공정시험법에 의거한 중금속 용출시험을 수행하여 복합소재의 용출안전성을 평가함으로써 EAF dust와 slag를 전자파 차폐 및 난연 기능성을 갖는 안전소재와 폐기물을 이용한 고강도성형체, 내마모성 성형체의 원료로서 적용하기 위한 가능성을 평가하였다.
- 본 연구에서는 EM dust 및 slag가 함유하고 있는 중금속성분, 산화금속성분, 실리카성분 등이 난연 및 전자파 차폐 특성을 갖는 안전소재의 filler로서 잠재활용가치를 평가하기 위해 원료 물성시험 및 폐플라스틱과의 혼합시험, 가공된 성형체의 중금속 용출시험을 수행하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
- 본 연구에서는 지정폐기물인 EAF dust와 EAF slag가 충진된 폐플라스틱 성형체의 중금속 용출에 따른 안전 보건상 문제, 성형체의 강도 저하문제를 평가하기 위해 복합성형체의 중금속 용출 시험을 수행하였다. 성형체의 제조에 사용되는 EAF dust와 EAF slag는 200mesh 이하 size(<75μm)로 분쇄된 것이 사용되기 때문에 EAF dust 및 slag 자체의 용출시험에서도 폐기물 공정시험법에 의거한 5mm 이하 크기가 아닌 분쇄된 75/zm 이하의 시료를 시험하였다.
제안 방법
- EAF dust 및 slag를 폐플라스틱과 혼합한 복합성형체의 용출특성을 시험에 있어 EAF dust 및 slag의 함량은 40wt(%)로 고정시켜 수행하였다. 이는 EAF dust의 최대충진율이 40wt(%)이고 EAF slag의 경우 최대충진율이 60wt(%)이지만 난연성 및 전자파 차폐특성을 갖는 안전소재로의 적용을 위해서는 기능성 filler의 함량이 20wt(%) 이상 추가로 적용되어야 하기 때문이다.
- EAF dust 및 slag의 폐플라스틱 충진제로서의 적합성을 평가하기 위해 SEM(PSEM-75, RJ Lee Instruments Ltd.)을 이용하여 Morphology 특성을 분석하였으며 비표면적 시험, Porosity 측정, pH시험, 흡유량시험, 밀도 측정 등을 통해 EAF dust 및 slag의 물리적 특성을 평가하였다. EAF dust 및 slag의 화학적 조성이 성형체 가공 후 용출특성에 영향을 미치기 때문에 KS(E 3021)에 의한 화학적 습식 분석법을 이용해 각 시료의 화학성분별 특성을 조사하였다.
- ~HD5로 명명하였다. EAF slag는 3개사 4개 공장에서 수거된 것으로 30Φ이하의 size를 갖는 것을 1차 선별하고 성형체 제조를 위한 충진제로 가공하기 위해 진동볼밀에서 분쇄하여 Sieve shaker를 이용해 200~325 mesh size로 분류하여 사용하였다.
- Pellet상의 폐폴리에틸렌, 폐폴리프로필렌과 200 mesh 이하 size 의 EAF dust 및 slag를 혼합하여 압출 가공하고 가공된 pellet을 열압착 성형하여 성형체의 강도 및 morphology를 관찰함으로써 혼합특성을 평가하였다. 폐폴리에틸렌 및 폐폴리프로필렌에 EAF dust 및 EAF slag를 10wt(%) 씩 증가시켜 혼합하고 최대충진율을 평가한 결과 EAF slag의 경우는 최대충진율이 60wt(%), EAF dust는 40wt(%)를 나타내었다.
- 가공된 pellet을 50g 정량 후 증류수에 HC1 을 가하여 pH 5.8~6.3으로 한 용매와 1:10(무게:부피)의 비율로 혼합한 후 항온진탕기를 이용하여 4~5cm의 진폭으로 25℃에서 200rpm으로 6시간 동안 연속 진탕 후 용출액을 거름종이(5종 A)로 여과하였으며 이 여과액을 질산을 이용하여 전처리 후 ICP(SPS-7000, SEIKO)를 이용하여 Cu, Pb, Cd, Cr, Hg, As 등의 농도를 측정하였다.
- )과 Ethylene-propylene diene copolymer : EPDMKEP 570P, Exxon Mobil Chemical)을 첨가하였다. 또한 전기로 dust 및 slag가 충진된 난 연성 형체의 제조에는 무기계 난연제로서 Aluminium trihy-droxide(ATH), Mg(OH)2를 20wt(%) 첨가하였다.
- 매트릭스 수지인 폐HDPE와 폐PP pellet, 상용화제로는 EPM, EPEW[을 진공건조기에서 60℃, 12hr 동안 건조하여 90 ℃ 에서 24hr이상 건조된 EAF slag powder, EAF dust, ATH, Mg(OH)2 를 fdrmulation 에 따라 double cone mixer에서 30rpm으로 10분간 혼합한 후 twin screw extrider를 이용해 60rpm으로 압출하여용출시험을 위해 5mm 이하로 pelletizing 하였다.
- 이는 EAF dust의 최대충진율이 40wt(%)이고 EAF slag의 경우 최대충진율이 60wt(%)이지만 난연성 및 전자파 차폐특성을 갖는 안전소재로의 적용을 위해서는 기능성 filler의 함량이 20wt(%) 이상 추가로 적용되어야 하기 때문이다. 본 연구에서는 폐폴리에틸렌과 폐프로필렌에 EAF ddt 및 EAF slag를 40wt(%) 충진한 성형체와 본 연구진을 통해 연구되었던 폐폴리에틸렌/폐폴리프로필렌 블렌드에 상용화제인 EPM, EPDM과 난연기능성 filler인 ATH, Mg(OH)2가 EAF slag와 복합으로 충진된 난연성형체의 중금속 용출특성을 시험하였다. 시험 결과 폐플라스틱과 EAF dust 및 slag를 단독으로 혼합한 성형체의 경우 모든 중금속 성분이 용출기준 규제값 이하로 나타났으며 EAF dust와 EAF slag 모두에서 높은 용출율을 보였던 Cu의 경우 모든 성형체에서 검출되지 않았다.
- 성형체의 제조에 사용되는 EAF dust와 EAF slag는 200mesh 이하 size(<75μm)로 분쇄된 것이 사용되기 때문에 EAF dust 및 slag 자체의 용출시험에서도 폐기물 공정시험법에 의거한 5mm 이하 크기가 아닌 분쇄된 75/zm 이하의 시료를 시험하였다.
- 용출특성 평가를 위한 EAF dust 및 EAM slag 충진성형체 가공을 위해 폐폴리에틸레 폐폴리프로필렌을 매트릭스수지로 사용하였으며 두 가지 수지를 복합으로 사용한 경우 상용화제로 Ethylene - propylene copolymer : EPM(Vistalon 606, Kumho Petrochemical Co. LTD.)과 Ethylene-propylene diene copolymer : EPDMKEP 570P, Exxon Mobil Chemical)을 첨가하였다. 또한 전기로 dust 및 slag가 충진된 난 연성 형체의 제조에는 무기계 난연제로서 Aluminium trihy-droxide(ATH), Mg(OH)2를 20wt(%) 첨가하였다.
- 폐플라스틱에 EAF dust 및 EAF slag를 40~60wt(%) 첨가하여 압출 가공한 5mm size의 pellet을 폐기물 공정 시 험법의 용출시 험방법(KLP, Korean Leching Progedurm)으로 중금속 용출시험을 수행하였다. 가공된 pellet을 50g 정량 후 증류수에 HC1 을 가하여 pH 5.
대상 데이터
- EAF dust 및 EAF slag 자체의 용출특성과 성형체의 중금속 용출 특성을 시험하기 위한 성형체 제조에는 모두 EAF dust는 HD-2, EAF slag는 HD-6이 사용되었다. 폐기물 공정시험법에 의거 EAF dust 및 EAF slag의 중금속 용출특성을 시험한 결과 EEF dust의 경우 Pb, Cd는 Table 3에 나타내었듯이 낮은 용출율을 나타내었으나 Cre 1.
- 본 연구에 사용된 EAF dust는 국내 A사, B사, C사 5개 공장의 제련공정 bag filter에서 포집된 것으로서 3개 공장에서 수거된 것은 초미분상이었으나 2개 공장에서 수거된 것은 유해분진의 비산을 막기 위해 물과 혼합하여 granule상으로 가공 되어 있어 진동볼밀을 이용하여 분쇄가공하여 사용하였으며, HD1~HD5로 명명하였다. EAF slag는 3개사 4개 공장에서 수거된 것으로 30Φ이하의 size를 갖는 것을 1차 선별하고 성형체 제조를 위한 충진제로 가공하기 위해 진동볼밀에서 분쇄하여 Sieve shaker를 이용해 200~325 mesh size로 분류하여 사용하였다.
이론/모형
- )을 이용하여 Morphology 특성을 분석하였으며 비표면적 시험, Porosity 측정, pH시험, 흡유량시험, 밀도 측정 등을 통해 EAF dust 및 slag의 물리적 특성을 평가하였다. EAF dust 및 slag의 화학적 조성이 성형체 가공 후 용출특성에 영향을 미치기 때문에 KS(E 3021)에 의한 화학적 습식 분석법을 이용해 각 시료의 화학성분별 특성을 조사하였다.
성능/효과
- 1) EAF dust 및 slag의 비표면적시험, 흡유량 시험 등 물리적 특성은 난연성 플라스틱 제조시 사용되는 저가 filler인 Talc류와 비슷한 특성을 나타내었으며 화학성분 분석 결과 EAF dust는 Fe2O3와 ZnO가 구성성분의 약 60wt(%) 이상을 차지하고 있었으며 EAF slag의 경우 Fe2O3, SiO2, CaO가 비슷한 함량으로 존재하였으며 이들 세 성분이 전체 조성의 약 60wt(%)를 차지하고 있는 것으로 나타났다. 이러한 고함량의 함철성분은 전자파 차폐용 성형체 제조시 유해전자파의 차폐 성능을 나타낼 수 있다.
- 2) EAF dust 및 slag의 중금속 용출시험 결과 EAF slag의 경우 Hg를 제외하고는 규제치 이하의 결과를 나타내었으나 EAF dust의 경우 대부분의 항목에서 용출기준 규제치를 크게 상회하였다. 그러나 EAF dust 및 slag가 폐플라스틱과 혼합될 경우 모든 중금속 성분이 용출기준 규제치 이하로 검출됨으로써 안전보건 및 환경적인 측면에서의 안전성을 확보할 수 있다.
- 5mg/L에 근사한 값을 나타내었다. Cu, Hg As는 모두 기준치를 상회하였으며 특히 Cu, As의 농도가 높은 것으로 분석되었고 Hg의 경우 기준치의 20배가 넘는 용출특성을 나타내었다. EAF slag의 경우 EAF dust와 달리 대부분의 항목에서 낮은 용출율을 나타내었으나 Hg의 경우는 기준치인 0.
- EAF dust 및 slag의 화학성분 분석 결과 EAF dust(HDl~HD5)는 시료별로 성분의 차이는 있었으나 Table 2.와 같이와 ZnO가 구성성분의 약 60wt(%) 이상을 차지하고 있었으며 이 중 Fe2O3가 36.6~47.08wt(%)로 함량비가 가장 높게 나타났다. 이외에 Al2O3, SiO2, CaO, MgO, C, S 기타 중금속 성분으로 구성되어 있음을 알 수 있었고 EAF dust가 slag에 비해 탄소성분의 함량이 높게 나타났다.
- EAF dust가 발생되는 공정의 특성상 함철성분 함량이 EAF slag에 비해 높았으며 Fig. 2에 나타낸 바와 같이 중금속의 함량이 Cr화합물을 제외하고는 EAF slag에 비해 높게 나타났다.
- EAF dust와 slag의 pH값은 8.8~10.4로 알카리 특성을 나타내었으며 bulk density는 EAF dust가 0.6~1.10, EAF slag가 1.81~2.33으로 slag의 비중이 컸으며 국내 Slag의 경우 독일의 제철회사에서 배출되고 있는 EAF slag의 평균 겉보기 비중 3.5g/cm3에 비해서는 낮은 값을 나타내었다.15)
- SEM을 이용하여 EAF dust 및 slag의 morphology 를 분석한 결과 Fig. 1.에 나타낸바와 같이 EAF dust 는 구형으로서 약 0.5μm size를 나타내었으며 EAF slag의 경우 size가 불규칙한 bulk 상태임을 알 수 있었다.
- 결론적으로 EMdst 및 EAF slag는 물리·화학적 특성에서 난연성 및 전자파 차폐 특성을 갖는 안전소재의 기능성 filler로서 가능성을 확인할 수 있었으며 폐플라스틱과의 복합화로 중금속 용출 문제를 해결함으로써 기능성 저가소재 원료로서의 적용가능성을 확인할 수 있다.
- 비표면적 시험 결과 EAF dust의 경우 3~12m3/g, EAF slag의 경우 5~14m3/의 분포로 talc류와 유사한 특성을 나타내었으며 porosity 특성은 시료에 따라 약간의 차이는 있으나 pore volume의 경우 dust와 slag가 비슷한 특성을 나타내었으며 pore diameter의 경우는 slag가 dust에 비해 낮은 수치를 나타내었다. 흡유량시험 결과 EAF dust는 19~24wt(%), EAF slag의 경우 14~16wt(%)로 dust가 높은 수치를 나타내었으며 모두 talc류와 비교해 다소 낮은 특성을 나타내었다.
- 본 연구에서는 폐폴리에틸렌과 폐프로필렌에 EAF ddt 및 EAF slag를 40wt(%) 충진한 성형체와 본 연구진을 통해 연구되었던 폐폴리에틸렌/폐폴리프로필렌 블렌드에 상용화제인 EPM, EPDM과 난연기능성 filler인 ATH, Mg(OH)2가 EAF slag와 복합으로 충진된 난연성형체의 중금속 용출특성을 시험하였다. 시험 결과 폐플라스틱과 EAF dust 및 slag를 단독으로 혼합한 성형체의 경우 모든 중금속 성분이 용출기준 규제값 이하로 나타났으며 EAF dust와 EAF slag 모두에서 높은 용출율을 보였던 Cu의 경우 모든 성형체에서 검출되지 않았다. 특히 EAF dust 및 EAF slag에서 모두 용출 기준치 이상의 용출특성을 나타내었던 Hg의 경우 폐플라스틱과 혼합함으로써 기준치 이하의 특성을 나타내었으며 Pb와 Cr의 경우도 극미량의 용출값을 나타내었다.
- 폐폴리에틸렌 및 폐폴리프로필렌에 EAF dust 및 EAF slag를 10wt(%) 씩 증가시켜 혼합하고 최대충진율을 평가한 결과 EAF slag의 경우는 최대충진율이 60wt(%), EAF dust는 40wt(%)를 나타내었다. 최대 충진율의 차이는 EAF dust의 평균 겉보기비중이 약 0.9이고 EAF slag의 평균 겉보기 비중이 약 2.2 정도로 EAF d&st의 체적충진율이 높기 때문이며 EAF dust의 경우 최대충진율인 40wt(%) 이상의 함량에서는 Fig. 3에서와 같이 과도한 filler 함량으로 이축압출기의 강한 혼련에도 불구하고 Mier인 EAF dust가 matrix 수지에 고르게 분산되지 못하여 압착 성형 후에도 성형체의 기계적 강도가 현저히 감소하는 현상을 나타내었다.
- 폐폴리에틸렌 및 폐폴리프로필렌에 EAF dust 및 EAF slag를 10wt(%) 씩 증가시켜 혼합하고 최대충진율을 평가한 결과 EAF slag의 경우는 최대충진율이 60wt(%), EAF dust는 40wt(%)를 나타내었다. 최대 충진율의 차이는 EAF dust의 평균 겉보기비중이 약 0.
- 나타내었다. 흡유량시험 결과 EAF dust는 19~24wt(%), EAF slag의 경우 14~16wt(%)로 dust가 높은 수치를 나타내었으며 모두 talc류와 비교해 다소 낮은 특성을 나타내었다.
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