생활폐기물(生活廢棄物) 소각(燒却) 바닥재의 자력선별(磁力選別)에 따른 크롬과 니켈의 거동(擧動) Effect of magnetic separation in removal of Cr and Ni from municipal solid waste incineration (MSWI) bottom ash원문보기
생활 폐기물은 대부분 유리류와 자기류뿐만 아니라 많은 양의 iron을 함유하고 있으며 약 $3{\sim}11%$에 달한다. 대부분의 iron은 Ni-Fe와 Ni-Cr-Fe 같은 합금으로 존재하거나, 부식방지와 광택을 위해 Ni와 Cr로 도금된 iron으로 존재하고 있기 때문에 소각로에서 소각될 경우 철 재품 표면에 심하게 파손된 $Fe_3O_4$층과 함께 $NiFe_2O_4$와 FeCr_2O_4$을 형성하게 되어 바닥재에 존재하게 되어 중금속산화물 층을 형성시킬 수 있다. iron은 자력이 매우 강해 자력선별에 의해 쉽게 선별되며 이러한 효과로 인해 중금속 산화물의 선별까지 얻을 수 있다. 또한 바닥재는 다양한 Ni와 Cr 산화물들을 함유하고 있으며, Ni와 Cr은 강자성을 띈 물질이기 때문에 자력선별에 의해 큰 영향을 받을 수 있다. 따라서 자력선별에 따른 Ni와 Cr의 거동에 대해 조사하였으며 그 밖의 다른 중금속(Cu, Pb, Cd, As)들의 거동 또한 확인해 보았다. 그 결과 Ni와 Cr은 약 $45{\sim}50%$의 선별율을 보였으며, Cu와 Pb는 $15{\sim}20%$을 나타냈다. 또한 자력선별 전과 후의 바닥재에 대해 Ni와 Cr의 용출량을 확인해본 결과 자력선별 후 바닥재의 용출량이 더 낮음을 확인할 수 있었다.
생활 폐기물은 대부분 유리류와 자기류뿐만 아니라 많은 양의 iron을 함유하고 있으며 약 $3{\sim}11%$에 달한다. 대부분의 iron은 Ni-Fe와 Ni-Cr-Fe 같은 합금으로 존재하거나, 부식방지와 광택을 위해 Ni와 Cr로 도금된 iron으로 존재하고 있기 때문에 소각로에서 소각될 경우 철 재품 표면에 심하게 파손된 $Fe_3O_4$층과 함께 $NiFe_2O_4$와 FeCr_2O_4$을 형성하게 되어 바닥재에 존재하게 되어 중금속산화물 층을 형성시킬 수 있다. iron은 자력이 매우 강해 자력선별에 의해 쉽게 선별되며 이러한 효과로 인해 중금속 산화물의 선별까지 얻을 수 있다. 또한 바닥재는 다양한 Ni와 Cr 산화물들을 함유하고 있으며, Ni와 Cr은 강자성을 띈 물질이기 때문에 자력선별에 의해 큰 영향을 받을 수 있다. 따라서 자력선별에 따른 Ni와 Cr의 거동에 대해 조사하였으며 그 밖의 다른 중금속(Cu, Pb, Cd, As)들의 거동 또한 확인해 보았다. 그 결과 Ni와 Cr은 약 $45{\sim}50%$의 선별율을 보였으며, Cu와 Pb는 $15{\sim}20%$을 나타냈다. 또한 자력선별 전과 후의 바닥재에 대해 Ni와 Cr의 용출량을 확인해본 결과 자력선별 후 바닥재의 용출량이 더 낮음을 확인할 수 있었다.
Although the ferrous material was separated by the magnetic separation before the incineration process, the municipal solid waste incineration bottom ash generated during incinerator in metropolitan area consists of many iron products which account for about $3{\sim}11%$ as well as cerami...
Although the ferrous material was separated by the magnetic separation before the incineration process, the municipal solid waste incineration bottom ash generated during incinerator in metropolitan area consists of many iron products which account for about $3{\sim}11%$ as well as ceramics and glasses. The formation of $NiFe_2O_4$ and $FeCr_2O_4$ with a $Fe_3O_4-Fe_2O_3$ (similar to pure Fe) on the surface of iron product was found during air-annealing in the incinerator at $1000^{\circ}C$, because Ni and Cr has a chemical attraction about iron is using to coat with Ni and Cr metals for poish or to prevent corrosion. Therefore, Fe-Ni Cr oxide can be formed on durface of the iron product and it can be separated from bottom ash through the magnetic separation. So, in this study, the separation ratio of heavy metals as magnetic separation and mineralogical formation of Fe-ion(heavy metal) in ferrous metals corroded were investigated. As the result, the separation ratio of Ni and Cr based on particle sizes accounted for about $45{\sim}50%$, and Cu and Pb accounted for below 20%. Also, the leaching concentration of Ni and Cr in bottom ash separated by magnetic separation was lower than that in fresh bottom ash.
Although the ferrous material was separated by the magnetic separation before the incineration process, the municipal solid waste incineration bottom ash generated during incinerator in metropolitan area consists of many iron products which account for about $3{\sim}11%$ as well as ceramics and glasses. The formation of $NiFe_2O_4$ and $FeCr_2O_4$ with a $Fe_3O_4-Fe_2O_3$ (similar to pure Fe) on the surface of iron product was found during air-annealing in the incinerator at $1000^{\circ}C$, because Ni and Cr has a chemical attraction about iron is using to coat with Ni and Cr metals for poish or to prevent corrosion. Therefore, Fe-Ni Cr oxide can be formed on durface of the iron product and it can be separated from bottom ash through the magnetic separation. So, in this study, the separation ratio of heavy metals as magnetic separation and mineralogical formation of Fe-ion(heavy metal) in ferrous metals corroded were investigated. As the result, the separation ratio of Ni and Cr based on particle sizes accounted for about $45{\sim}50%$, and Cu and Pb accounted for below 20%. Also, the leaching concentration of Ni and Cr in bottom ash separated by magnetic separation was lower than that in fresh bottom ash.
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문제 정의
반면 유럽의 경우 대부분의 바닥재를 물리 화학적 처리공정을 통해 바닥재를 안정화 시켰으며, 이러한 바닥재는 보조 기층재, 제방, 충진재, 아스팔트 콘크리트, 콘크리트 블록 등의 다양한 제품들로 재활용 되고 있기2)때문에 바닥재 처리기술에 대한 연구를 활발히 진행 시켜야 하며 이를 위해서는 국내의 바닥재 재활용이라는 인식이 확립되어야 하겠다. 따라서 본 연구에서는 바닥재 처리 기술의 하나인 자력 선별 공정에 대해 연구하였으며, 자력선별을 통한 중금속의 거동에 대해 확인하였다.
제안 방법
15 mm의 입도로 분리하였다. 각 분리된 시료에 대해 자력 선별기를 사용하여 선별하였으며, 자력선별 방법은 3800gauss 자력의 세기로 하여 바닥재에 함유되어 있는 ferrous material을 선별하였으며 이를 ferrous product로 규정하였다. 자력선별 후 ferrous product와 non-magnetic product 대한 중금속의 함유량은 ICP-AES를 통해 측정하였다.
3은 바닥재의 각 입도별 자력선별에 따른 ferrous product의 선별율과 중금속 선별율을 나타낸 것이다. 각 입도에서 중금속의 선별율은 ferrous product의 선별율을 기준으로 하여 판단하였다. 실제로 각 입도별 바닥재에서 중금속의 선별율이 ferrous product 선별율 보다 높을 경우 중금속의 선별율이 자력선별을 통해 양호하게 선별될 수 있다고 판단할 수 있다.
생활폐기물 소각바닥재를 건조기에서 45℃의 온도로 건조(1일)한 후 표준체를 사용하여 4.75 mm, 2.36 mm, 1.18 mm, 0.6 mm, 0.3 mm, 0.15 mm의 입도로 분리하였다. 각 분리된 시료에 대해 자력 선별기를 사용하여 선별하였으며, 자력선별 방법은 3800gauss 자력의 세기로 하여 바닥재에 함유되어 있는 ferrous material을 선별하였으며 이를 ferrous product로 규정하였다.
대상 데이터
본 실험에 사용된 시료는 국내에 위치해 있는 생활폐기물 소각장으로부터 발생되는 소각 바닥재를 사용하였으며 바닥재 적치장에서 채취하였다. Table 1은 채취된 소각 바닥재의 물리적 조성을 나타낸 것이다.
이론/모형
각 분리된 시료에 대해 자력 선별기를 사용하여 선별하였으며, 자력선별 방법은 3800gauss 자력의 세기로 하여 바닥재에 함유되어 있는 ferrous material을 선별하였으며 이를 ferrous product로 규정하였다. 자력선별 후 ferrous product와 non-magnetic product 대한 중금속의 함유량은 ICP-AES를 통해 측정하였다. 또한 ferrous product에 포함되어 있는 iron의 함유량을 즉정하여 나타냈다.
성능/효과
Table 1은 채취된 소각 바닥재의 물리적 조성을 나타낸 것이다. 골재 성분은 87.9%의 함유율로 매우 높게 나타났으며 금속은 4.7%의 함유율을 보였다. 또한 iron과 non-ferrous metal로 나뉘어 각각 3.
5는 각 입도별 바닥재와 non-magnetic product의 Ni, Cr의 용출량을 나타낸 것이다. 두 용출곡선을 비교해 본 결과, 자력선별 하기 전의 바닥재의 용출량에 비해 자력선별 후의 non-magnetic product의 용출량이 낮아짐을 확인할 수 있었다. 앞에서 언급한 것과 같이 자력선별을 통해 Cr과 Ni의 함유량 감소에 따라 Cr과 Ni의 용출량에 영향을 줄 수 있음을 알 수 있었다.
초기에는 이러한 문제점을 해결하기 위해 매립을 통해 생활폐기물을 처리하였지만 국민의 쾌적한 생활 환경조성을 방해할 뿐만 아니라 국토의 효율적인 이용과 폐기물의 재자원화를 위해 매립에 대한 의존성을 낮추어왔다. 따라서 이러한 해결을 위해 생활폐기물을 소각 처리하기 시작했으며 2004년을 기준으로 전체 처리율의 약 14.5%가 소각율로 나타났다, 이러한 추세로 봤을 때 앞으로 소각율은 계속 증가할 것으로 전망된다. 소각장으로 운반된 생활 폐기물은 소각로에서 약 1000℃의 온도를 통하여 소각되며 소각 후 소각재로 남게 된다.
1%의 함유율을 나타냈으며 입도가 작을 수 록 함유량은 낮아졌다. 또한 바닥재의 중금속 함유율은 Cu가 가장 높았으며 Ni, Cr 그리고 Pb 또한 높은 함유량을 보였다. 자력선별을 이용하여 ferrous product와 iron을 선별하였을 경우 선별율은 각각 전체바닥재의 약 18.
것이다. 바닥재의 입도분포를 확인한 결과 4.75 mm 이상의 입도에서 전체 바닥재의 약 47.1% 분포하였으며 4.75- 0.6 mm에서는 약 47.2%의 분포율과 0.6 mm이하의 fine한 입도에서는 약 5.7%의 낮은 분포율을 보였다. 자력선별된 ferrous product와 iron의 선별율은 각각 전체 바닥재의 약 18.
두 용출곡선을 비교해 본 결과, 자력선별 하기 전의 바닥재의 용출량에 비해 자력선별 후의 non-magnetic product의 용출량이 낮아짐을 확인할 수 있었다. 앞에서 언급한 것과 같이 자력선별을 통해 Cr과 Ni의 함유량 감소에 따라 Cr과 Ni의 용출량에 영향을 줄 수 있음을 알 수 있었다.
8%로 나타났다. 입도별로 살펴봤을 때 4.75 mm이상의 입도에서 각각 11.1%와 3.5%를 보여 가장 높게 나타났으며 양쪽 모두 그 밖의 입도에서는 입도가 작을 수 록 선별율이 낮게 나타났다.
또한 Ni와 Cre 강자성을 띈 물질이기 때문에 자력선별에 쉽게 영향을 받을 수 있다. 자력선별 후 바닥재 (non-magnetic product)의 Ni와 Cr의 용출량이 자력선별 전의 바닥재의 용출량 보다 더 낮아졌으며, 자력선별을 통해 Cr과 Ni의 용출량을 제어할 수 있음을 확인하였다.
7%의 낮은 분포율을 보였다. 자력선별된 ferrous product와 iron의 선별율은 각각 전체 바닥재의 약 18.7%와 3.8%로 나타났다. 입도별로 살펴봤을 때 4.
양쪽 모두 그 밖의 입도에서는 입도가 작을수록 작은 선별율을 나타냈다. 자력선별을 통한 중금속의 선별율의 경우 Ni와 Cre 약 45~50%의 높은 선별율을 보였으며 Cu와 Pb는 ferrous product와 비슷한 약 15~20%의 선별율을 나타냈다.
반면 Ni와 Cr의 경우 대부분의 입도에서 가장 높은 선별율을 나타냈다. 전체 바닥재로 보았을 경우 Ni와 Cr은 약 45-50%의 높은 선별율을 보였으며 Cu, Pb와 Cd는 ferrous product와 비슷한 약 15~20%의 선별율을 보였다.
참고문헌 (6)
Ministry of Environment in Korea, 2005 : The national waste generation and the present state of treatment 2004, Korea
Kist Europe, 2002 : State of the art of ash and construction waste recycling in Europe and plan for cooperation, Europe
Aurora, L.D. et al., 2003 : Quality of ferrous scrap from MSW incinerators: a case study of Spain, Resources, Conservation and Recycling, 40, pp.39-41
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