[국내논문]간이이동법에 의한 폐아스콘 재생시 대기오염물의 배출분석에 대한 실험적 연구 A Pilot Study on Emission Analysis of Air Pollutants Produced from Portable Recycling of Asphalt Concrete원문보기
Currently, portable equipment for recycling of waste asphalt concrete (ASCON) has been used. However, any air pollution control devices are not attached in the simple portable one. Thus, a lot of air pollutants have been produced from recycling processes of waste ASCON which resulted from aging of p...
Currently, portable equipment for recycling of waste asphalt concrete (ASCON) has been used. However, any air pollution control devices are not attached in the simple portable one. Thus, a lot of air pollutants have been produced from recycling processes of waste ASCON which resulted from aging of paved roads or repavement of roads. This study deals with a preliminary result of concentration analysis of air pollutants obtained from a pilot and a real recycling processes of waste ASCON using simple portable recycling equipment. Air pollutants were taken from 4 steps of the pilot recycling process including an initial heating by liquid petroleum gas (LPG), intermediate heating and melting (H&M) process, final H&M process, and pavement processes using recycled ASCON at the recycling site. Also, air pollutants were taken front 4 steps of the real recycling processes including an initial H&M, final H&M and mixing, loading of recycled ASCON to dump trucks, and at the recycling site after leaving the loaded dump trucks for real pavement sites. The air pollutants measured in this study include volatile organic compounds (VOCs), aldehydes, particulate matter (PM: PM1, PM2.5, PM7, PM10, TSP (total suspended particulate)). The identified concentrations of VOCs increased with increasing time or degree for H&M of waste ASCON. In particular, very high concentrations of the VOCs at the status of complete melting, which is exposed to the air, of the waste ASCON just before paving tv the recycled ASCON at the recycling site. Also, considerable amount of VOCs were identified from the recycling equipment after the dump trucks leaded by recycled ASCON leaved the recycling site for the pavement sites. The relative level of formaldehyde exceeded 80% of the aldehydes Identified in the recycling processes. This is because the waste ASCON is exposed to direct flame of LPG during H&M processes. The PM concentrations measured in the winter recycling processes, such as the loading and rotation processes of waste ASCON into/in the recycling equipment for H&M, were much higher than those in the summer ones. In particular, the concentrations of coarse particles such as PM7 and PM10 during the winter recycling were very high as compared those during the summer one.
Currently, portable equipment for recycling of waste asphalt concrete (ASCON) has been used. However, any air pollution control devices are not attached in the simple portable one. Thus, a lot of air pollutants have been produced from recycling processes of waste ASCON which resulted from aging of paved roads or repavement of roads. This study deals with a preliminary result of concentration analysis of air pollutants obtained from a pilot and a real recycling processes of waste ASCON using simple portable recycling equipment. Air pollutants were taken from 4 steps of the pilot recycling process including an initial heating by liquid petroleum gas (LPG), intermediate heating and melting (H&M) process, final H&M process, and pavement processes using recycled ASCON at the recycling site. Also, air pollutants were taken front 4 steps of the real recycling processes including an initial H&M, final H&M and mixing, loading of recycled ASCON to dump trucks, and at the recycling site after leaving the loaded dump trucks for real pavement sites. The air pollutants measured in this study include volatile organic compounds (VOCs), aldehydes, particulate matter (PM: PM1, PM2.5, PM7, PM10, TSP (total suspended particulate)). The identified concentrations of VOCs increased with increasing time or degree for H&M of waste ASCON. In particular, very high concentrations of the VOCs at the status of complete melting, which is exposed to the air, of the waste ASCON just before paving tv the recycled ASCON at the recycling site. Also, considerable amount of VOCs were identified from the recycling equipment after the dump trucks leaded by recycled ASCON leaved the recycling site for the pavement sites. The relative level of formaldehyde exceeded 80% of the aldehydes Identified in the recycling processes. This is because the waste ASCON is exposed to direct flame of LPG during H&M processes. The PM concentrations measured in the winter recycling processes, such as the loading and rotation processes of waste ASCON into/in the recycling equipment for H&M, were much higher than those in the summer ones. In particular, the concentrations of coarse particles such as PM7 and PM10 during the winter recycling were very high as compared those during the summer one.
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제안 방법
그럼에도 불 구하고 폐아스콘의 재생을 위한 간이이동식 재생장 치에는 대기오염물의 배출을 방지하는 시설이 전혀 없다. 따라서, 간이이동법에 의한 폐아스콘의 재생 과정에서 발생되는 휘발성유기화합물 및 알데하이 드의 성분을 분석하고, 입자상오염물의 입자크기별 배출농도에 대한 기초분석을 수행하였다.
폐아스콘을 벌크상태로 아스텐 쿡 （Asten Cook） 086 간이 재활용시설에서 액화석유가스 （LPG 가스） 불꽃에 직접 접촉시키면서 가열하여 재생 아 스팔트를 생산하는 .실험적 재생과정과 실제적 재생 과정에 발생하는 공기시료를 포집 분석하였다. 우 선, 폐아스콘을 간이로 재생하는 현장에서 실험적으 로 약 1톤 정도의 소규모 폐아스콘을 재생 하여 포 장하는 일련의 단계에서 공기중으로 배줄되는 대기 오염물의 공기 .
두 번째는 약 3톤의 폐아스 콘을 실제적으로 재생하는 4단계로 구분하여 공기 중 시료를 포집하였다. 실제적 재생과정은 1） LPG 불꽃에 의한 초기 가열 및 용융과정, 2） 폐아스콘의 용융 또는 재생 종료과정, 3） 용융된 폐아스콘을 덤 프트럭에 싣는 과정, 4） 재생된 아스콘을 실은 트럭 이 재생현장을 떠나고 재생장치의 불을 끄고 난 뒤 안정화된 상태의 재생현장에서의 시료 포집 등으로 구분하였다.
재생현장에 간이이동식 재생기를 이용하여 폐아스콘을 위에서 언급된 바와 같은 재생과정에서 배출 되는 휘발성 유기화합물 (Volatile Organic Compounds： VOCs)을 포집하였는데, 공기시료는 실험적 안전성 및 편리성을 위하여 재생장치나 재생과정의 80-90cm의 위치에서 포집되었다. 폐아스콘 재생용 과정에서의 공기시료는 개인용 펌프와 공기시료 채 취용 백 (5 E) 을 이용하여 50 ml/min의 유량으로 약 10분간 포집하였다. 포집된 공기시료중의 VOCs 에 대한 성분 및 상대 농도분석은 Cryogenic 농축 기와 가스크로마토그래피 (GC-MSD)를 이용하였 다.
폐아스콘 재생용 과정에서의 공기시료는 개인용 펌프와 공기시료 채 취용 백 (5 E) 을 이용하여 50 ml/min의 유량으로 약 10분간 포집하였다. 포집된 공기시료중의 VOCs 에 대한 성분 및 상대 농도분석은 Cryogenic 농축 기와 가스크로마토그래피 (GC-MSD)를 이용하였 다. 농도분석에 사용된 가스크로마토그래피는 HP GC 5890 series II 이었으며, Column은 HP-PONA (50m x 0.
5mm)를 사용하였다. 운반가스로 써 헬륨 (0.7 ml/min, 1.5 kgf/cn?)을 사용하였고, 저 온 농축된 VOCs를 승온 프로그램 (Temperature Programing)을 이용하여 오븐온도를 승온하면서 탈 착하여 VOCs의 성분을 분석하였다. 즉, 오븐의 온 도는 30°C에서 15분간 유지시킨 후 분당 3°C씩 온도 를 높여 150°C까지 올리고, 그 이후로는 다시 분당 10°C씩 온도를 높여 200°C까지 오르게 한 후 10분간 머무르게 한 후 325°C까지 온도를 올리는 전형적인 승온 프로그램을 이용하였다• 검출기로써는 질량분 석 검 출기 (mass detector-' HP MSD, HP 5971 series)를 사용하였다.
5 kgf/cn?)을 사용하였고, 저 온 농축된 VOCs를 승온 프로그램 (Temperature Programing)을 이용하여 오븐온도를 승온하면서 탈 착하여 VOCs의 성분을 분석하였다. 즉, 오븐의 온 도는 30°C에서 15분간 유지시킨 후 분당 3°C씩 온도 를 높여 150°C까지 올리고, 그 이후로는 다시 분당 10°C씩 온도를 높여 200°C까지 오르게 한 후 10분간 머무르게 한 후 325°C까지 온도를 올리는 전형적인 승온 프로그램을 이용하였다• 검출기로써는 질량분 석 검 출기 (mass detector-' HP MSD, HP 5971 series)를 사용하였다. 성분의 확인은 HP 599944C MS ChemSystem과 Library search (Wiley 138 K data base, HP 59943B REV.
아스콘 재생기의 건조기 굴뚝에서 배출되는 알데 히드류는 2,4-Dinitrophenyl hydrazine (DNPH) cartridge0!] 알데히드를 흡착시켜 알데히드와 2,4-Dinitrophenyl hydrazone을 만들고 이를 용출하여 알 데히드 농도를 분석하는 방법을 사용하였다. 개인 공기시료 채취펌프를 사용하여 350mg의 DNPHsilica를 충전한 LpDNPH cartridge (supelco)와 오존의 간섭을 제거하기위한 KI 결정을 채운。3 Scrubber cartridge 앞에 장착하여 폐아스콘의 재생 과정 동안의 공기시 료를 포집하였다.
개인 공기시료 채취펌프를 사용하여 350mg의 DNPHsilica를 충전한 LpDNPH cartridge (supelco)와 오존의 간섭을 제거하기위한 KI 결정을 채운。3 Scrubber cartridge 앞에 장착하여 폐아스콘의 재생 과정 동안의 공기시 료를 포집하였다. AldehydeHydrazone 유도체를 dichloromethane으로 용줄하고 0.5um의 필터로 여과한 후 이를 HPLC (Varian Prostar HPLC)로 정량 및 정성분석을 실시하였다•
Table 3에는 벌크상태의 폐아스콘을 간이이동식 아스콘재생기에 집어넣고 LPG 버너로 용융하여 재 생아스콘을 만들 때 배출된 알데히드류의 종류와 그들의 농도를 나타내었다. 알데히드류의 성분분석 은 VOCs의 경우와는 달리 폐아스콘의 초기, 중감 및 최종 용융과정 전체를 하나의 일련의 배출과정 으로 간주하고 포집분석 되었다. 알데히드류의 분석에서 DNPH (2,4-dintrophylhydrazine) 흡착튜브를 사용하였기 때문에 DNPH와 알데히드류의 반응에 필요한 튜브내에서 공기의 일정한 체류시간이 요구 된다.
4. A seasonal comparison of particulate matter obtained from all real recycling steps of waste ASCON for pavement.
중 시료를 포집하였다. 실험적 재생 과정은 1） 초기 가열과정 （열원인 LPG 불꽃만 거의 있는 상태）, 2） 중간가열 및 용융과정 （부분적 벌크 상태 및 용융상태）, 3） 최종가열 및 용융과정 （거의 대부분이「용융상태）, 그리고 4） 용융된 폐아스콘의 포장단계를 포함하였다. 두 번째는 약 3톤의 폐아스 콘을 실제적으로 재생하는 4단계로 구분하여 공기 중 시료를 포집하였다.
실험적 재생 과정은 1） 초기 가열과정 （열원인 LPG 불꽃만 거의 있는 상태）, 2） 중간가열 및 용융과정 （부분적 벌크 상태 및 용융상태）, 3） 최종가열 및 용융과정 （거의 대부분이「용융상태）, 그리고 4） 용융된 폐아스콘의 포장단계를 포함하였다. 두 번째는 약 3톤의 폐아스 콘을 실제적으로 재생하는 4단계로 구분하여 공기 중 시료를 포집하였다. 실제적 재생과정은 1） LPG 불꽃에 의한 초기 가열 및 용융과정, 2） 폐아스콘의 용융 또는 재생 종료과정, 3） 용융된 폐아스콘을 덤 프트럭에 싣는 과정, 4） 재생된 아스콘을 실은 트럭 이 재생현장을 떠나고 재생장치의 불을 끄고 난 뒤 안정화된 상태의 재생현장에서의 시료 포집 등으로 구분하였다.
대상 데이터
대부분 하루 2 - 3톤 정도의 소규모一간이 재활용시설을 이용하 여 폐아스콘을 재생하는 정도로 알려져 있다. 본 연 구에서는 （주）영종산업에서 운영하고 있는 이동식 간이 폐아스콘의 재생시설을 활용하였다. 분쇄나 입 •도의 .
3톤의 . 폐아스콘을 벌크상태로 아스텐 쿡 （Asten Cook） 086 간이 재활용시설에서 액화석유가스 （LPG 가스） 불꽃에 직접 접촉시키면서 가열하여 재생 아 스팔트를 생산하는 .실험적 재생과정과 실제적 재생 과정에 발생하는 공기시료를 포집 분석하였다.
본 연구를 진행한 폐아스콘 재생현장은 울산의 전형적인 시골지역으로 그 현장과 50m의 거리에 교 통량이 매우 적은 2차선 도로가 통과하고 있었다. 재생현장에 간이이동식 재생기를 이용하여 폐아스콘을 위에서 언급된 바와 같은 재생과정에서 배출 되는 휘발성 유기화합물 (Volatile Organic Compounds： VOCs)을 포집하였는데, 공기시료는 실험적 안전성 및 편리성을 위하여 재생장치나 재생과정의 80-90cm의 위치에서 포집되었다.
본 연구를 진행한 폐아스콘 재생현장은 울산의 전형적인 시골지역으로 그 현장과 50m의 거리에 교 통량이 매우 적은 2차선 도로가 통과하고 있었다. 재생현장에 간이이동식 재생기를 이용하여 폐아스콘을 위에서 언급된 바와 같은 재생과정에서 배출 되는 휘발성 유기화합물 (Volatile Organic Compounds： VOCs)을 포집하였는데, 공기시료는 실험적 안전성 및 편리성을 위하여 재생장치나 재생과정의 80-90cm의 위치에서 포집되었다. 폐아스콘 재생용 과정에서의 공기시료는 개인용 펌프와 공기시료 채 취용 백 (5 E) 을 이용하여 50 ml/min의 유량으로 약 10분간 포집하였다.
포집된 공기시료중의 VOCs 에 대한 성분 및 상대 농도분석은 Cryogenic 농축 기와 가스크로마토그래피 (GC-MSD)를 이용하였 다. 농도분석에 사용된 가스크로마토그래피는 HP GC 5890 series II 이었으며, Column은 HP-PONA (50m x 0.2m x 0.5mm)를 사용하였다. 운반가스로 써 헬륨 (0.
즉, 오븐의 온 도는 30°C에서 15분간 유지시킨 후 분당 3°C씩 온도 를 높여 150°C까지 올리고, 그 이후로는 다시 분당 10°C씩 온도를 높여 200°C까지 오르게 한 후 10분간 머무르게 한 후 325°C까지 온도를 올리는 전형적인 승온 프로그램을 이용하였다• 검출기로써는 질량분 석 검 출기 (mass detector-' HP MSD, HP 5971 series)를 사용하였다. 성분의 확인은 HP 599944C MS ChemSystem과 Library search (Wiley 138 K data base, HP 59943B REV. B.00.00)을 사용하였다.
성능/효과
수분이 많거나 온도차가 클 경우에는 GT-331로 측정된 농도는 1차 측정방식 (Gravimetric method)과는 약간의 차이가 날 수 있다. 그러나 본 연구에서 사용된 두 대의 GT-331은 1차 측정방식 으로 교정되었으며, 측정 전에 같은 조건으로 반복 측정분석한 결과 두 대의 GT-331간의 입자상오염 물의 농도는 초기 비교분석 측정시간 (20분 이내)에 는 5%미만이었다. 그리고 비교측정시간이 경과될수 록 측정된 농도 값의 차이는 점점 줄어들어 더욱 안 정한 값을 나타내었다.
그러나 본 연구에서 사용된 두 대의 GT-331은 1차 측정방식 으로 교정되었으며, 측정 전에 같은 조건으로 반복 측정분석한 결과 두 대의 GT-331간의 입자상오염 물의 농도는 초기 비교분석 측정시간 (20분 이내)에 는 5%미만이었다. 그리고 비교측정시간이 경과될수 록 측정된 농도 값의 차이는 점점 줄어들어 더욱 안 정한 값을 나타내었다. 본 연구에서는 측정 전에 GT-331을 30분이상 충분히 Warming Up 하여 사 용하였다.
중간단계의 가열 및 용융과정 에서는 LPG의 연소뿐만 아니라 아스팔트 성분자체 가 열과 접촉되거나 열분해에 의한 VOCs가 주로검출되었다. 폐아스콘이 거의 용융될 때의 최종단계 의 가열 및 용융과정에서는 초기 및 중간 단계의 가 열 및 용융상태보다도 더 많은 양의 VOCs가 더 높 은 농도로 검출되었다. 증가된 대기오염물의 배출량 은 연소상태에 의한 영향뿐만 아니라 페아스콘의 용융상태가 높아지고 이들의 불꽃에 의한.
접촉도 더 많이 이루어짐으로써, 고온 용융 상태에서 아스 팔트 및 첨가 성분의 열분해에 주로 기인된다고 판 단된다. 마지막으로, 최종가열 및 용융된 아스팔트 를 도로포장하기 직전 지표면에 부었을 때의 VOCs 의 전체적인 배출농도는 더욱 높았다. 1 - 3 단계과 정의 가열 및 용융상태에서 많이 검출되었던 물질 의 농도는 상대적으로 줄어들었지만, 용융 재생된 아스팔트 및 첨가성분, 그리고 발생된 VOCs가 공기 및 햇빛과의 접촉이 활발해 지면서 1 - 3 단계에서 와는 다른 종류의 VOCs 농도가 높아졌다.
마지막으로, 최종가열 및 용융된 아스팔트 를 도로포장하기 직전 지표면에 부었을 때의 VOCs 의 전체적인 배출농도는 더욱 높았다. 1 - 3 단계과 정의 가열 및 용융상태에서 많이 검출되었던 물질 의 농도는 상대적으로 줄어들었지만, 용융 재생된 아스팔트 및 첨가성분, 그리고 발생된 VOCs가 공기 및 햇빛과의 접촉이 활발해 지면서 1 - 3 단계에서 와는 다른 종류의 VOCs 농도가 높아졌다. 폐아스콘 의 가열 및 용융상태, 재생아스콘의 포장 직전의 상 태에 따른 주요 VOCs 물질의 농도를 요약하면 다 음과 같다.
그러나 포장 직전의 상태에서 벤젠의 농도는 다른 상태에 비하여 매우 낮았다. 대기중에 서 가장 흔한 VOCs 중의 하나인 톨루엔은 LPG만 으로 가열할 시 가장 높은 농도를 나타내었고 대체 로 가열 및 용융상태가 더하여 짐에 다라 상대적인 농도 감소가 있었다. Xylenes이나 Trimethyl benzenes, 그리고 Styrene은 LPG만의 불꽃가열 상태에 서는 아주 낮은 농도로 확인되었지만, 가열 및 용융 정도가 더함에 따라 더 높은 농도를 나타내었다.
대기중에 서 가장 흔한 VOCs 중의 하나인 톨루엔은 LPG만 으로 가열할 시 가장 높은 농도를 나타내었고 대체 로 가열 및 용융상태가 더하여 짐에 다라 상대적인 농도 감소가 있었다. Xylenes이나 Trimethyl benzenes, 그리고 Styrene은 LPG만의 불꽃가열 상태에 서는 아주 낮은 농도로 확인되었지만, 가열 및 용융 정도가 더함에 따라 더 높은 농도를 나타내었다. 특 히, 포장 직전 공기중에 노출된 완전용융 상태에서 는 이들 세 종류의 VOCs의 농도는 다른 가열 및 용융 상태에 비하여 매우 높은 농도를 나타내었다.
Xylenes이나 Trimethyl benzenes, 그리고 Styrene은 LPG만의 불꽃가열 상태에 서는 아주 낮은 농도로 확인되었지만, 가열 및 용융 정도가 더함에 따라 더 높은 농도를 나타내었다. 특 히, 포장 직전 공기중에 노출된 완전용융 상태에서 는 이들 세 종류의 VOCs의 농도는 다른 가열 및 용융 상태에 비하여 매우 높은 농도를 나타내었다.
폐아스콘의 실제 재 생과정에서 LPG를 이용한 초기용융단계에서 벤젠 과 같은 유해성 화합물질의 농도가 높게 검출되었 다. 또한 용융과정이 더 진행될수록 초기용융 과정 에서 보다도 방향족 VOCs의 농도가 점점 더 높아지는 경향이 나타났다. 재생된 아스콘을 생산 직후 트럭에 Loading하여 트럭이 재생현장을 떠나 포설 현장을 향한 후 재생장치의 불을 끄고 난 뒤 재생현장에서 높은 상대적으로 VOCs의 농도가 검출되었 다.
이동식 간이 폐아스콘 재생장치를 이용한 실험적 아스팔트의 용융 및 가열상태가 더해질수록 휘발성 유기화합물의 배출이 늘어났으며, 유해성 물질인 벤 젠 등도 재활용과정에서 검출되었다. 간이 재활용 과정의 종료 후 재생 아스콘을 트럭에 Loading 후 재생 현장에서도 상당한 양의 방향족 VOCs가 검출 되고 있다.
후속연구
평가 에서 Bl (Probably carcinogenic to humans)로써 분류된 아세트알데히드가 약 9% 정도로 검출되었 다. 따라서, 발암가능성이 높은 알데히드류가 상당 히 검출되므로, 재생과정에서 Stack이나 배출구 근 처에서의 인체 노출을 최소화하여야 할 것으로 판 단된다.
위에서 설명한 것처럼 폐아스콘 투입과정과 초 기용융시의 회전과정을 제외하면, 입자상 오염물의 농도는 그렇게 높지 않았다. 또한, 실제의 폐아스콘재생과정은 간이이동식 아스콘 재생기와는 전혀 다 른 방식으로 진행되고, 폐아스콘이 용융불꽃에 노출 되는 과정이 없는 Drum 방식을 채택하게 되면 폐 아스콘 재생과정에서 작업자의 입자상오염물에 대 한 노출정도는 매우 미약할 것으로 추정된다.
또한 간이재생과정에서 폐아스콘을 재생 기로 집어넣는 과정과 초기용융 직전에 폐아스콘에 골고루 열을 공급하기 위하여 폐아스콘을 재생기내 에서 회전하는 가운데 발생되었다. 현재로서는 폐아 스콘 재생과정 전반에 대한 Simulation 연구가 현실 적으로 어려움이 있으므로, 실험실적 규모 또는 Pilot 규모의 재생과정 및 열적특성 변화에 대기오 염 배출정보에 대한 정밀연구가 필요하다. 추후 폐 아스콘 재생시설의 가동시에는 이들에 대한 정확한 배출농도 및 배출량 정보의 구축이 필요하다.
현재로서는 폐아 스콘 재생과정 전반에 대한 Simulation 연구가 현실 적으로 어려움이 있으므로, 실험실적 규모 또는 Pilot 규모의 재생과정 및 열적특성 변화에 대기오 염 배출정보에 대한 정밀연구가 필요하다. 추후 폐 아스콘 재생시설의 가동시에는 이들에 대한 정확한 배출농도 및 배출량 정보의 구축이 필요하다.
환경부 자원순환국, 2006, 건설폐기물재활용 촉진 관련규정 및 민원사례집, 1-293, http://search.？me.go.kr/search/7search_search.jsp
환경부, 2007, 2004, 전국폐기물 발생 및 처리 현황, 환경부홈페이지, 환경통계자료, http://library.me.go.kr/DLiWeb20/components/searchir/result.aspx?m_var447&srv_id32&st_fC_ID&st_odesc&qy_idxOBRC&qy_kwd01&qy_optAND&qy_idxPCRC&qy_kwdJ6&qy_optAND&tgidl
환경정책평가연구원, 2004. 건설폐기물 분리배출 및 발생단위 산정등에 관한 연구. http://www.kei.re.kr /04_pu bl/pdf/report/%5B03_ CR30% 5D%EA%Bl%B4%EC%84%A4%ED%8F%90%E A%B8%BO%EB%AC%BC%EB%B6%84%EB% A6%AC%EB%BO%BO%EC%B6%9C(%EC%9D %B4%ED%9D%AC%EC%84%AO).pdf
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