황산(黃酸)을 중화제(中和劑)로 사용(使用)하는 소각(燒却)비산재의 습식(濕式) 처리(處理) Wet Treatment of Fly Ash From Municipal Waste Incinerator with Sulfuric Acid as a Neutralizing Agent원문보기
본 연구에서는 소각비산재의 습식 처리에 관한 기초 자료를 얻을 목적으로 소각비산재의 물성, 황산에 의한 소각비산재의 중화과정, 황산에 의한 소각비산재의 탈염소 반응, 소각비산재와 황산의 반응에 의하여 생성한 이수석고의 결정성장 및 미립 중금속의 분리 둥에 관하여 조사하였다. 소각비산재와 황산을 반응시켜 염산을 회수하고 그 잔류물의 대부분을 차지하는 석고 성분을 선택적으로 결정성장 시켜 결정성이수석고와 중금속으로 분리하는 일련의 공정에서 100g의 소각비산재위 85g의 진한 황산을 사용하는 경우 35% 염산 52.6g, 순도가 98%이상인 결정질 이수석고 116.9g을 회수할 수 있으며, 이 과정에서 2.65g의 활성탄을 주로하는 조립불순물과 7.85g의 중금속함유 미립자들이 분리되었다.
본 연구에서는 소각비산재의 습식 처리에 관한 기초 자료를 얻을 목적으로 소각비산재의 물성, 황산에 의한 소각비산재의 중화과정, 황산에 의한 소각비산재의 탈염소 반응, 소각비산재와 황산의 반응에 의하여 생성한 이수석고의 결정성장 및 미립 중금속의 분리 둥에 관하여 조사하였다. 소각비산재와 황산을 반응시켜 염산을 회수하고 그 잔류물의 대부분을 차지하는 석고 성분을 선택적으로 결정성장 시켜 결정성이수석고와 중금속으로 분리하는 일련의 공정에서 100g의 소각비산재위 85g의 진한 황산을 사용하는 경우 35% 염산 52.6g, 순도가 98%이상인 결정질 이수석고 116.9g을 회수할 수 있으며, 이 과정에서 2.65g의 활성탄을 주로하는 조립불순물과 7.85g의 중금속함유 미립자들이 분리되었다.
In this study, the neutralization and dechlorination process of MWI(Municipal Waste Incinerator) fly ash with $H_2SO_4$ are investigated to recover HCI, which is delivered from the reaction of chloride in the ash and sulfuric acid. The coarse crystalline gypsum and fine impurity containin...
In this study, the neutralization and dechlorination process of MWI(Municipal Waste Incinerator) fly ash with $H_2SO_4$ are investigated to recover HCI, which is delivered from the reaction of chloride in the ash and sulfuric acid. The coarse crystalline gypsum and fine impurity containing heavy metal are also separated by 500# wet screening followed by recrystallization of the dechlorinated ash mainly made of $CaSO_4$. As a results, Using 100g MWI fly ash and 85g cone. sulfuric acid as raw material, 52.6g hydrochloric acid with 35% assay and 116.9g crystalline gypsum with 98% or more assay are recovered. In this process, 7.85g fine impurity containing heavy metal and 2.65g coarse impurity are also separated.
In this study, the neutralization and dechlorination process of MWI(Municipal Waste Incinerator) fly ash with $H_2SO_4$ are investigated to recover HCI, which is delivered from the reaction of chloride in the ash and sulfuric acid. The coarse crystalline gypsum and fine impurity containing heavy metal are also separated by 500# wet screening followed by recrystallization of the dechlorinated ash mainly made of $CaSO_4$. As a results, Using 100g MWI fly ash and 85g cone. sulfuric acid as raw material, 52.6g hydrochloric acid with 35% assay and 116.9g crystalline gypsum with 98% or more assay are recovered. In this process, 7.85g fine impurity containing heavy metal and 2.65g coarse impurity are also separated.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
따라서 본 연구에서는 상기 공정의 기초 자료를 얻을 목적으로 소각비산재의 물성, 황산에 의한 소각비 산재의 중화 과정, 황산에 의한 소각비산재의 탈염소 반응, 소각비산재와 황산의 반응에 의하여 생성한 이수석고의 결정성장 및 미립 중금속의 분리 등에 관하여 조사하고 검토하였다.
염화물을 다량 함유하는 소각비 산재와 황산을 반응 시킬 경우 염화수소 또는 염산의 생성을 예측할 수 있으며 이들을 기화시켜 회수할 수 있다면 소각비산재의 또 다른 재활용 방법이 될 수 도 있을 것이다. 본 연구에서는 건식과 습식으로 소각비 산재와 황산을 반응시키는 경우에 있어서 황산의 첨가량에 따른 소각비산재의 탈염소율을 조사하였다. 실험 결과를 Fig.
중금속을 분리하여야만 할 것이다. 본 연구에서는 이수석고의 결정성장을 용이하게 조절할 수 있다는 점에 착안하여 석고성분 만을 선택적으로 결정성장 시켜 중금속과 분리시키고자 하였다. 먼저 이수석고가 미립 화 되는 조건에서 수화반응시켜 석고 성분만을 미립화하고 사분하여 조립의 불순물을 먼저 제거한 다음 미립석고 슬러리를 결정성장 시키고 사분하여 결정질 이수 석고와 불순물을 분리하고자 하였다.
33%로 비교적 높았다. 사하산물을 여과하는 과정에서 발생하는 여액에는 매 정제 역할을 하는 Na2SO47]- 충분히 용해되어 있으므로 이 여액을 결정성장을 위한 매정액으로 재사용하기 위하여 그 조성을 조사하였다. 상기 사하산물을 여과 세척하는 과정에서 발생한 4/정도의 여액을 증발 건고 시키고 190。<2에서 2시간 건조한 후의 무게는 127.
소각비산재의 습식 처리에 관한 기초 자료를 얻을 목적으로 소각비산재의 물성, 황산에 의한 소각비 산재의 중화 과정, 황산에 의한 소각비산재의 탈염소 반응, 소각비 산재와 황산의 반응에 의하여 생성한 이수 석고의 결정성장 및 미립 중금속의 분리 등에 관하여 조사한 결과는 다음과 같다.
제안 방법
70 ℃ 이하가 되면 이 수석 고의 결정핵이 생성 또는 결정성장이 가능한 과포화 도가 되지만 이수석고의 결정핵 생성을 위한 활성화 에너지가 비교적 크기 때문에 결정핵 생성을 위한 지연시간이 매우 긴 특징을 갖는다. 지연시간을 단축시키기 위해서는 결정핵의 첨가나 온도를 더욱 낮추어 과포화도를 크게 하는 방법을 이용 할 수 있으며, 본 연구에서는 온도를 50。(:까지 낮추는 방법을 이용하였고 강온속도는 2℃/ min으로 하였다(이수석고 결정핵 생성과정). 50%C로 강온 하여 이수석고 결정핵의 생성을 유도하고 이 온도에서 5시간 동안 이수석고의 결정을 성장시켰다(결정성장과정).
지연시간을 단축시키기 위해서는 결정핵의 첨가나 온도를 더욱 낮추어 과포화도를 크게 하는 방법을 이용 할 수 있으며, 본 연구에서는 온도를 50。(:까지 낮추는 방법을 이용하였고 강온속도는 2℃/ min으로 하였다(이수석고 결정핵 생성과정). 50%C로 강온 하여 이수석고 결정핵의 생성을 유도하고 이 온도에서 5시간 동안 이수석고의 결정을 성장시켰다(결정성장과정). 보다 완전한 결정성장을 위하여 20。(2까지 강온 한 다음 3시간 동안 유지시켰다(숙성과정).
84)을 소 정량 씩 滴加하여 반응 시키고 적가 완료 후 20분 경과 시점에서 시료의 무게 변화와 시료내 염소 잔류량을 분석하였다. 습식반응의 경우는 10% 비산재 슬러리 11 에 4N황산 수용액을 50씩 증가시켜 첨가하고 20분 동안 반응시킨 다음 190。。에서 항량이 될 때까지 증발건고하고 그 때의 무게와 시료내 잔류 염소량을 분석하였다.
건식 반응의 경우는 소각비산재 분말 100 g을 반응용기에 넣고 테프론제 임펠러가 달린 교반기로 20rpm 으로 교반하면서 진한 황산(96%이상, 비중 1.84)을 소 정량 씩 滴加하여 반응 시키고 적가 완료 후 20분 경과 시점에서 시료의 무게 변화와 시료내 염소 잔류량을 분석하였다. 습식반응의 경우는 10% 비산재 슬러리 11 에 4N황산 수용액을 50씩 증가시켜 첨가하고 20분 동안 반응시킨 다음 190。。에서 항량이 될 때까지 증발건고하고 그 때의 무게와 시료내 잔류 염소량을 분석하였다.
먼저 SEM(JEOL JSM-5410), XRD(Rigaku D/MaxX 2500), Particle Size Analyzer(Cilas 1064), ICP등을 이용하여 소각비 산재의 형상, 광물조성, 입도, 화학조성을 조사하였으며 자동뷰렛을 이용하여 소각비산재 슬러리와 황산의 중화 반응과정을 관찰하였다. 또한 소각비산재와 황산을 반응시키는 경우에 있어서 황산의 첨가량에 따른 소각비 산재의 탈염소율을 건식과 습식 반응에 대하여 조사하였다.
마지막으로 소각비산재와 황산을 반응시켜 염산을 회수하고 그 잔류물의 대부분을 차지하는 석고 성분을 선택적으로 결정성장 시켜 결정성이수석고와 중금속으로 분리하는 일련의 공정에서 각 단계별 공정산물의 중량과 화학조성을 조사하여 물질흐름표를 작성하였다.
탄소 함량분석은 KS D 1780의 방법 중 적외선 흡수법을 사용하였으며, 탄산염 물질에 의한 측정 오차를 줄이기 위하여 시료를 황산과 반응시켜 탄산가스를 제거 하고 건조한 상태에서 측정하였다. 먼저 SEM(JEOL JSM-5410), XRD(Rigaku D/MaxX 2500), Particle Size Analyzer(Cilas 1064), ICP등을 이용하여 소각비 산재의 형상, 광물조성, 입도, 화학조성을 조사하였으며 자동뷰렛을 이용하여 소각비산재 슬러리와 황산의 중화 반응과정을 관찰하였다. 또한 소각비산재와 황산을 반응시키는 경우에 있어서 황산의 첨가량에 따른 소각비 산재의 탈염소율을 건식과 습식 반응에 대하여 조사하였다.
본 연구에서는 이수석고의 결정성장을 용이하게 조절할 수 있다는 점에 착안하여 석고성분 만을 선택적으로 결정성장 시켜 중금속과 분리시키고자 하였다. 먼저 이수석고가 미립 화 되는 조건에서 수화반응시켜 석고 성분만을 미립화하고 사분하여 조립의 불순물을 먼저 제거한 다음 미립석고 슬러리를 결정성장 시키고 사분하여 결정질 이수 석고와 불순물을 분리하고자 하였다. Fig.
대상 데이터
반응장치는 온도 조절이 가능하도록 제작한 파이렉스유리제 용기를 사용하였다.
이론/모형
각종 시료의 성분분석은 주로 XRF(Rigaku D/Max- 2200)와 ICP-AES(Varian Vista pro)를 사용하여 행흐卜 였으며 염소이온의 농도는 이온전극법7)으로 측정하였다. 탄소 함량분석은 KS D 1780의 방법 중 적외선 흡수법을 사용하였으며, 탄산염 물질에 의한 측정 오차를 줄이기 위하여 시료를 황산과 반응시켜 탄산가스를 제거 하고 건조한 상태에서 측정하였다.
측정하였다. 탄소 함량분석은 KS D 1780의 방법 중 적외선 흡수법을 사용하였으며, 탄산염 물질에 의한 측정 오차를 줄이기 위하여 시료를 황산과 반응시켜 탄산가스를 제거 하고 건조한 상태에서 측정하였다. 먼저 SEM(JEOL JSM-5410), XRD(Rigaku D/MaxX 2500), Particle Size Analyzer(Cilas 1064), ICP등을 이용하여 소각비 산재의 형상, 광물조성, 입도, 화학조성을 조사하였으며 자동뷰렛을 이용하여 소각비산재 슬러리와 황산의 중화 반응과정을 관찰하였다.
성능/효과
1. 본 연구에 사용된 소각비산재는 NaCl, KC1, CaCh등의 가용성 염을 44.15% 함유하고 있었고, 수산화칼슘과 탄산칼슘이 주인 난용성염을 55.85% 함유하고 있었고, 중금속의 함량은 Pb 0.77%, Cr 0.02%, Cd 0.04%였다. 또한, 비산재에는 약 40%의 알칼리성 물질과 20%정도의 탄산염 물질 그리고 40%정도의 염화물들이 함유되어 있었으며, 100 g의 비산재를 중화시키기 위해서는 1.
2. 100 g의 소각비산재와 85 g의 진한 황산을 사용하는 경우 35% 염산 52.6 g, 순도가 98% 이상인 결정질 이수 석고 116.9g을 회수할 수 있으며, 이 과정에서 2.65 g의 활성탄을 주로하는 조립불순물과 7.85 g의 중금속함유 미립자들이 분리 배출됨을 알 수 있었다.
따라서 이수석고내의 Pb 함량을 줄이기 위해서는 결정핵 생성단계에서 이수석고 결정핵을 첨가하는 등 PbSQ가 결정핵으로 작용하지 못하도록 하는 수단이 강구되어야 할 것이다. 결정질 이수 석고와 분리된 500#이하의 사하산물 중량은 7.85 g이었으며, Fig. 8(D)와 같이 단경이 5~20呻1이고 장경이 20~50 nm인 석고 결정을 많이 포함하지만 Pb, Si, Al 의 함량도 각각 5.46%, 7.51%, 2.33%로 비교적 높았다. 사하산물을 여과하는 과정에서 발생하는 여액에는 매 정제 역할을 하는 Na2SO47]- 충분히 용해되어 있으므로 이 여액을 결정성장을 위한 매정액으로 재사용하기 위하여 그 조성을 조사하였다.
그림의 결과에서 알 수 있는 바와 같이 건식 반응의 경우는 황산의 첨가와 동시에 탈염소 반응이 개시되었으며 황산의 첨가량이 증가할수록 탈염소율이 급격히 증가하여 황산 첨가량이 110% 일 때 90%의 탈염소율을 나타내었다. 그리고 황산첨가량이 90% 이상이 되었을 때부터 잔류황산의 점결작용에 의해 분체들의 응집이 일어나기 시작하여 110%에서는 전체가 한 덩어리가 되어 교반이 불가능하였다.
2) 그 구성광물은 Ca(OH)2와 CaCO) 임을 알 수 있었다. 따라서 본 연구에 사용된 소각비산재는 44.15%의 가용성 염화물과 55.85%의 불용물(주로 수산화칼슘과 탄산칼슘)으로 구성되어 있음을 알 수 있다. 또한 소각비산재에는 Pb, Cu, Cr, Cd 등이 함유되어있으며 그 중에서도 Pb는 매우 높은 수준인 0.
그림의 결과에서 A구간은 Ca(OH)2를 주로 하는 강알칼리성 물질과 황산과의 중화 반응이 일어나는 단계이고 B구간은 CaCC>3와 같은 탄산염 물질과 황산과의 중화반응 단계이며, C 구간은 염화물 또는 금속산화물과 황산과의 반응 단계인 것으로 판단된다. 따라서 비산재에는 약 40%의 알칼리성 물질과 20%정도의 탄산염 물질 그리고 40%정도의 염화물들이 함유되어 있으며, 100 g의 비산재를 중화시키기 위해서는 1.2당량의 황산이 필요함을 알 수 있다.
표의 결과에서 소각비산재에 함유되어 있는 가용성물질은 주로 Ca, Na, K와 Cl로 구성되는 염화물들임을 알 수 있다. 또한 불용성 물질을 건조하여 칭 량한 결과 중량은 55.85 g 이었으며 XRD 분석 결과(Fig. 2) 그 구성광물은 Ca(OH)2와 CaCO) 임을 알 수 있었다. 따라서 본 연구에 사용된 소각비산재는 44.
2당량의 황산이 필요하였다. 또한, 100 g의 소각비 산재에 80~110g의 황산을 첨가하면 염소 함량의 80~90%를 염산으로 회수할 수 있음을 알 수 있었다.
그리고 황산첨가량이 90% 이상이 되었을 때부터 잔류황산의 점결작용에 의해 분체들의 응집이 일어나기 시작하여 110%에서는 전체가 한 덩어리가 되어 교반이 불가능하였다. 습식반응의 경우는 50% 이하의 황산 첨가량에서 매우 제한적인 탈염소율을 나타내었으며 60%이상에서는 첨가량의 증가와 함께 탈염소율이 급격히 증가하여 110%의 첨가량에서 99% 정도의 탈염소율을 나타내었다. 이와 같은 현상이 나타난 이유는 다음과 같다.
8(C)와 같이 단경이 50~100 凹1이고 장경이 300~1000 인 육각주상이었다. 이 결정질 이 수석 고의 화학조성을 조사한 결과 순도는 98%이상이지만 Pb함량이 220 ppm으로 높음을 알 수 있었다. 沁+이온의 반경 이 0.
1에 각각 나타내었다. 이들 결과로부터 비산재는 주로 Ca, Na, K와 Cl로 구성되어 있으며 이들은 CaCO3, CaCl2, Ca(OH)2 등의 Ca염들과 KC1, NaCl 등의 염화물로 존재함을 확인할 수 있다. 또한, 소각비 산재에 함유되어 있는 가용성 물질의 종류와 그 량을확인하기 위하여, 소각비산재 100 g을 1/의 증류수에 풀어 가용성 성분을 용해시키고 여과하여 불용성 물질과 분리한 다음 각각의 화학조성을 분석호}여 Table 1에 함께 나타내었다.
이상의 결과에서 소각비산재와 황산을 반응시켜 염산을 회수하고 그 잔류물의 대부분을 차지하는 석고 성분을 선택적으로 결정성장 시켜 결정성이수석고와 중금속으로 분리하는 일련의 공정에서 염산과 고순도의 결정질 이수석고를 회수함으로써 소각비산재를 10% 정도로 감용 시킬수 있음을 알 수 있었다. 차후 회수되는 결정성 이수석고 내의 Pb함량을 낮추는 문제와 여액내의 칼륨의 농축으로 인한 재사용의 어려움 등은 보다 심도깊은 연구를 통하여 해결하여야 할 것이다.
이상의 실험 결과로부터 소각비산재와 황산을 반응 시켜 염산을 회수하는 공정에 있어서 황산의 첨가량을 80~110%로 조정하여 소각비산재와 건식 반응시킴으로써 소각비산재에 함유되어 있는 염소 함량의 80-90% 를 염산으로 회수할 수 있음을 알 수 있다. 한편, 회수되는 염산의 농도와 순도의 조절, 습식공정에 있어서의 연료비 절감 방안 등은 앞으로 보다 깊은 연구가 필요하다.
또한, 소각비 산재에 함유되어 있는 가용성 물질의 종류와 그 량을확인하기 위하여, 소각비산재 100 g을 1/의 증류수에 풀어 가용성 성분을 용해시키고 여과하여 불용성 물질과 분리한 다음 각각의 화학조성을 분석호}여 Table 1에 함께 나타내었다. 표의 결과에서 소각비산재에 함유되어 있는 가용성물질은 주로 Ca, Na, K와 Cl로 구성되는 염화물들임을 알 수 있다. 또한 불용성 물질을 건조하여 칭 량한 결과 중량은 55.
후속연구
성질을 갖는다分. 염화물을 다량 함유하는 소각비 산재와 황산을 반응 시킬 경우 염화수소 또는 염산의 생성을 예측할 수 있으며 이들을 기화시켜 회수할 수 있다면 소각비산재의 또 다른 재활용 방법이 될 수 도 있을 것이다. 본 연구에서는 건식과 습식으로 소각비 산재와 황산을 반응시키는 경우에 있어서 황산의 첨가량에 따른 소각비산재의 탈염소율을 조사하였다.
시킬수 있음을 알 수 있었다. 차후 회수되는 결정성 이수석고 내의 Pb함량을 낮추는 문제와 여액내의 칼륨의 농축으로 인한 재사용의 어려움 등은 보다 심도깊은 연구를 통하여 해결하여야 할 것이다.
염산으로 회수할 수 있음을 알 수 있다. 한편, 회수되는 염산의 농도와 순도의 조절, 습식공정에 있어서의 연료비 절감 방안 등은 앞으로 보다 깊은 연구가 필요하다.
참고문헌 (11)
전국생활폐기물 소각시설 운영 협의회, 2006: '05년도 생활폐기물 소각시설 운영 현황', 환경부, pp. 154-159
김범석, 2004: '생활 폐기물 소각 비산재의 용융 결정화 연구', 인하대학교 석사논문
최용균, 2005: '소각재 용융슬래그 활용기술의 경제성 분석', 인하대학교 석사논문
엄남일, 2005: '황산반응에 의한 소각비산재의 처리', 인하대학교 석사논문
조해창, 2006: '소각비산재의 합금철 제조용 원료화 연구', 삼척대학교 석사논문
石川 楨昭, 2001: '最先端のごみ處理熔融技術', 日報出版, 東京, 日本
Andrew D. Eaton et al., 1995: 'Standard methods for the examination of water and wastewater', APHA: AWWA: WEF, 19th edition, pp. 4-51, America
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.