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문제 정의
- 점도와 전기전도도는 유리용탕과 폐기물을 안정적으로 혼합 및 용융을 유지하게 할 뿐만 아니라 고품질의 최종 유리고화체를 만들 수 있는 주요 요인이 된다. 본 연구는 유리섬유 및 알루미늄 금속을 유리화하기 위한 유리를 개발하고, 전기로를 이용한 용융물 특성 및 생성 유리의 특성분석 등을 통해 유리화 타당성을 도출하는데 목적이 있다.
- 침출시험은 고화체의 안정성 및 균일성 등을 측정하기 위한 견고성 시험으로서 유리고화체내 원소들의 침출거동을 기준 (benchmark) 유리와 비교하는데 이용된다. 본 연구에서는 대상폐기물의 유리조성체에 대해 PCT를 수행하였다. PCT를 수행하기 위해 유리고화체를 파쇄한 후 150 ㎛ (100 mesh) 크기의 입도크기 분석용 Seive를 통과시키고 70 ㎛ (200 mesh) 크기의 Seive에서 걸러진 유리 5 g 정도를 취한 다음 스테인레스강 (SUS 304L) 용기에 넣고 유리 무게의 10배에 해당하는 ASTM TypeⅠ (미국표준협회, 원자결합 등에 사용하는 초순수 등급) 탈이온수로 채운 후 밀봉하였다.
가설 설정
- Mixing(B)는 혼합시료중 Al 함유가 Mixing(A)에 비해 10% 적은 경우이며 Mixing(C)는 Al 함유가 10% 많게 혼합된 경우인데, 이것은 필터의 전처리 과정을 통해 유리섬유와 알루미늄이 혼합될 때 알루미늄의 함유량 변동 가능성을 고려한 것이다. 알루미늄 함유량 변동을 보면 Al2O3는 59에서 71 wt%의 분포를 보여주기 때문에 필터를 전처리 할 경우 많은 양의 알루미늄이 혼합될 경우를 가정한 것이다.
- 필터에 대한 유리조성 개발에서는 혼합폐기물의 무기산화물 함량을 고려하였고, 전처리에 따라 알루미늄의 분포함량이 최대 ±10 wt%까지 변한다고 가정하여 함량변화 여유도를 주면서 유리프릿을 개발하였다.
제안 방법
- CCIM을 이용한 1,150℃ 환경에서 고품질의 최종 유리고 화체를 생성할 수 있는지를 평가하기 위해, 필터와 유리프릿 (frit)을 혼합한 후 점토 도가니 (clay crucible)에 옮겨 담아 MoSi2 발열체 전기로를 이용하여 1,150℃에서 1∼2시간 동안 가열한 다음 유리고화체를 제조하였다.
- HVAC 필터에 대해 개발한 유리조성은 알루미늄을 단독으로 용융하는 경우와 필터를 용융하는 경우에 대해 수행하였다. 알루미늄을 단독으로 처리하기 위해 개발된 유리를 알루미늄과 혼합하여 Fig.
- 본 연구에서는 대상폐기물의 유리조성체에 대해 PCT를 수행하였다. PCT를 수행하기 위해 유리고화체를 파쇄한 후 150 ㎛ (100 mesh) 크기의 입도크기 분석용 Seive를 통과시키고 70 ㎛ (200 mesh) 크기의 Seive에서 걸러진 유리 5 g 정도를 취한 다음 스테인레스강 (SUS 304L) 용기에 넣고 유리 무게의 10배에 해당하는 ASTM TypeⅠ (미국표준협회, 원자결합 등에 사용하는 초순수 등급) 탈이온수로 채운 후 밀봉하였다. 이 경우 유리의 표면적과 침출수의 체적비는 2,000 m-1이다.
- 개발된 유리에 대한 점도 분포 최적 영역을 도출하기 위해 먼저 유리조성에 일정비율의 알루미늄 금속을 혼합하여 전기로를 이용하여 용융하였다. Table 2의 혼합 시료로 개발된 유리의 점도 분포를 측정한 결과 Fig.
- 컴퓨터 코드를 이용한 용융조건 분석결과, 투입되는 알루미늄 폐기물 함량이 많을수록 붕규산 함량이 낮게 분포되어 점도 및 전기전도도가 운전범위를 벗어나는 것으로 나타났다. 따라서 알루미늄 폐기물 함량을 적절하게 유지하면서 용융 운전변수가 최적이 되도록 고려하였다. 알루미늄만 용융할 경우, 알루미늄 투입량은 30 wt% 이하로 유지하여야 하며, 최종 유리고화체의 특성분석 결과 고점도를 보여주고 있으며, 침출률은 일부원소에서 기준값을 상회하는 것으로 나타났다.
- 실제 폐기물을 처리할 경우, 필터 폐기물 투입과 동시에 조성유리가 첨가되기 때문에 이 경우를 고려한 알루미늄 용융 조건을 실험하였다. 따라서 알루미늄의 양에 따른 금속 발생여부를 확인하기 위해 알루미늄에 조성유리의 성분을 첨가한 후 용융실험을 수행하였다. 실제 폐기물 용융에서는 폐기물에 조성유리가 첨가되어 대부분의 폐기물 조성은 산화물 형태로 형성되며 마찬가지로 알루미늄은 Al2O3화 되어 유리성분으로 형성되게 된다.
- 코드분석에서 필터용 유리프릿의 점도는 유리섬유와 혼합되는 알루미늄 함량이 최대 75 wt%에서도 용융 점도 범위 이내로 나타남을 확인하였으나, 실제로 용융물을 흑연 몰드에 부었을 때 배출이 잘 되지 않았다. 또한 유리고화체의 전기전도도 측정을 위해서 알루미나 도가니에 전기전도도를 측정하고자하는 유리를 넣고 측정온도까지 온도를 맞춘 후 15 mm 간격으로 고정된 두개의 백금 (Pt) 전극을 유리용탕 10 mm 깊이까지 삽입하였다. 여기에 주파수 1 kHz로 고정된 LCR meter를 이용하여 용융유리의 저항을 측정하였고 이 값을 전기전도도로 환산하였다.
- 이 경우 유리의 표면적과 침출수의 체적비는 2,000 m-1이다. 미리 90℃로 예열된 오븐에 넣고 7일이 지난 후 꺼내어 침출수 중 1 ㎖를 추출해 1% HNO3 20 ㎖ 용액이 담긴 바이얼에 담아 분석하였다. 유리고화체로부터 침출되어 나온 원소들의 침출율은 기준유리와 비교하였다.
- 사용된 시료는 알루미늄 단독으로 처리할 경우와 유리섬유에 혼합하는 경우를 고려하여 개발하였으며, 점도측정을 위해 독일 HAKKE사의 점도 측정계 (RotoVisco RV2)를 사용하여 950∼1,250℃에서 측정하였다.
- 2는 알루미늄 호일에 대한 용융상태 후를 보여주고 있다. 실제 알루미늄 폐기물이 필터와 함께 파쇄의 전처리 과정을 거친 후 펠렛화 공정을 고려하여, 향후 펠렛에 포함되는 알루미늄의 양에 따른 용융상태를 고려해 보기로 하였다. 먼저 알루미늄 호일을 잘게 잘라서 용융시킨 경우와 덩어리로 뭉쳐진 상태의 용융 결과를 보기위해 그림과 같이 시료를 준비하였다.
- 실제 폐기물을 처리할 경우, 필터 폐기물 투입과 동시에 조성유리가 첨가되기 때문에 이 경우를 고려한 알루미늄 용융 조건을 실험하였다. 따라서 알루미늄의 양에 따른 금속 발생여부를 확인하기 위해 알루미늄에 조성유리의 성분을 첨가한 후 용융실험을 수행하였다.
- 그러나 배출시 용융물의 점도가 급격히 높아져 배출이 잘되지 않는 것으로 나타났다. 알루미늄 단독 용융보다는 유리섬유와 알루미늄 금속이 혼합된 필터 자체를 유리화 하기 위해 필터 투입량 40 wt% 이하에서 유리조성을 개발하였다. 유리섬유와 혼합되는 알루미늄 금속 함량이 70 wt% 이상 차지하는 폐기물의 경우 용융물의 낮은 점도를 위해 유리프릿에 대한 폐기물 투입량을 35 wt% 내외가 되도록 개발하였다.
- 알루미늄의 용융 특성을 분석하기 위해 100g 의 알루미늄 호일 (foil)을 시료로 준비하였다. 알루미늄에 대한 용융상태를 파악하기 위해, 알루미늄만을 도가니에 준비한 후전기로에서 설정온도까지 상승 시킨 후 1,150℃ 에서 1시간 가량 온도를 지속하였다. Fig.
- 또한 유리고화체의 전기전도도 측정을 위해서 알루미나 도가니에 전기전도도를 측정하고자하는 유리를 넣고 측정온도까지 온도를 맞춘 후 15 mm 간격으로 고정된 두개의 백금 (Pt) 전극을 유리용탕 10 mm 깊이까지 삽입하였다. 여기에 주파수 1 kHz로 고정된 LCR meter를 이용하여 용융유리의 저항을 측정하였고 이 값을 전기전도도로 환산하였다. 온도 915∼1,165℃ 범위에서 측정한 전기전도도 값을 이용하여 1,000∼1,300℃ 범위에서 전기전도도 값으로 계산한 결과, 유리는 측정온도 구간에서 유리의 용융상태의 전기전도도 요구치 (0.
- 용융에 사용된 붕규산 유리프릿 조성은 폐기물내 대부분을 차지하고 있는 알루미늄이 산화물(Al2O3) 형태로 용해되도록 SiO2 +B2O3의 함량이 절반 이상 되도록 하였으며 여기에 Na2O를 추가하여 유리프릿을 개발하였다. 보통 알루미늄 금속에 산소를 퍼징(purging) 해주면 # → Al2O3(glass)와 같은 화학식에 의해 Al 금속이 산화물로 변경되어 유리 matrix로 전환된다.
- 원전에서 발생되는 방사성폐기물 중 유리섬유와 알루미늄이 혼합된 필터를 유리화하기 위한 타당성 연구를 위해 유리조성 개발과 유리고화체 특성 평가를 수행하였다. 알루미늄 금속만 용융할 경우 붕규산 유리성분에서 잘 용융되는 것으로 나타났으나, 로의 운전변수 중 중요한 점도를 맞추기 위해서는 첨가제 (Na2O 등)가 추가로 필요한 것으로 평가되었다.
- 미리 90℃로 예열된 오븐에 넣고 7일이 지난 후 꺼내어 침출수 중 1 ㎖를 추출해 1% HNO3 20 ㎖ 용액이 담긴 바이얼에 담아 분석하였다. 유리고화체로부터 침출되어 나온 원소들의 침출율은 기준유리와 비교하였다. 사용 후 필터에 대한 후보 유리의 침출수 pH는 9.
- 이와 같은 평가를 통해 대상폐기물의 적절한 감용비를 도출함으로써 유리화 시 최적의 폐기물 투입량을 얻게 된다. 유리고화체의 품질 측면에서 화학적 견고성을 확인하기 위해 수행하는 침출시험 (Product Consistency Test, ASTM C1285-02 : PCT)을 통해 기준 원소(B, Na, Li, Si 등) 에 대한 유리고화체의 침출률이 기준유리 (Savannah River Laboratory-Environmental Assessment : SRL-EA)의 침출기준을 만족하는지 확인하게 된다.
- 알루미늄 단독 용융보다는 유리섬유와 알루미늄 금속이 혼합된 필터 자체를 유리화 하기 위해 필터 투입량 40 wt% 이하에서 유리조성을 개발하였다. 유리섬유와 혼합되는 알루미늄 금속 함량이 70 wt% 이상 차지하는 폐기물의 경우 용융물의 낮은 점도를 위해 유리프릿에 대한 폐기물 투입량을 35 wt% 내외가 되도록 개발하였다. 이경우 최적의 용융상태를 유지하는 것으로 나타났으며 최종고화체 또한 품질이 양호한 것으로 확인되었다.
- 사용된 시료는 알루미늄 단독으로 처리할 경우와 유리섬유에 혼합하는 경우를 고려하여 개발하였으며, 점도측정을 위해 독일 HAKKE사의 점도 측정계 (RotoVisco RV2)를 사용하여 950∼1,250℃에서 측정하였다. 직경 23 mm 유리를 Pt-20%/Rh crucible에 넣고 점도를 측정하고자 하는 온도에서 직경 9mm Pt-20%/Rh spindle을 용융유리에 넣고 측정하였다. 점도 보정을 위하여 1,000∼1,450℃ 온도범위에서 표준유리 (German Society of Glass Technology)를 사용하였다.
- 폐기물 유리조성 개발을 위해 원전에 사용중인 필터의 조성(산화물 분포)을 분석하였다. 일반적으로 HVAC에 사용되는 필터는 HEPA와 medium 두 종류이며, medium 필터의 경우 유리섬유와 알루미늄의 무게는 평균 1.
- 보통 알루미늄 금속에 산소를 퍼징(purging) 해주면 # → Al2O3(glass)와 같은 화학식에 의해 Al 금속이 산화물로 변경되어 유리 matrix로 전환된다. 필터에 대한 유리조성 개발에서는 알루미늄을 CCIM으로 용융할 경우와, 유리섬유 및 알루미늄이 혼합된 채 용융할 경우를 고려하여 개발하였다. 먼저 알루미늄을 단독으로 용융하기 위해 컴퓨터프로그램을 이용하여 분석한 결과 일정량의 첨가제가 필요한 것으로 나타났다.
대상 데이터
- 본 연구에 사용된 대상폐기물은 원전 HVAC 발생 필터를 기준으로 유리섬유와 알루미늄이 평균 중량비 1대 1.2로 구성되어 있으며, 산화물 분포로는 대부분 Al2O3가 65 wt% 이상, SiO2가 20 wt% 내외, 기타 B2O3 및 Na2O가 수 wt% 정도 함유되어 있다. Table 2는 유리섬유와 알루미늄 함량을 고려한 폐필터의 산화물 분포를 보여주고 있다.
- 알루미늄의 용융 특성을 분석하기 위해 100g 의 알루미늄 호일 (foil)을 시료로 준비하였다. 알루미늄에 대한 용융상태를 파악하기 위해, 알루미늄만을 도가니에 준비한 후전기로에서 설정온도까지 상승 시킨 후 1,150℃ 에서 1시간 가량 온도를 지속하였다.
이론/모형
- 점도 보정을 위하여 1,000∼1,450℃ 온도범위에서 표준유리 (German Society of Glass Technology)를 사용하였다.
성능/효과
- 설정 온도에서 일정시간 용융시킨 후 각 시료 하단 세 번째 그림과 같이 실제 배출 정도를 확인한 결과 두 경우 모두 저점도 상태임을 확인하였으며, 수월하게 따를 수 있는 것으로 확인하였다. 각 시료의 마지막 네번째는 최종 생성된 유리고화체로서, 고품질의 유리가 생성됨을 확인하였으며, 알루미늄 성분에 의한 금속은 형성되지 않음을 확인하였다.
- 이들 시료는 1,100℃ 이상에서 점도의 상한치인 100 poise 이하를 만족 하는 것으로 분석되었다. 각각의 유리조성 모두 CCIM 운전온도인 1,150℃에서 측정치와 계산치 점도가 잘 일치 하는 것으로 평가되었다.
- 개발된 유리조성을 이용하여 용융시험을 한 결과, 필터 투입중량 35 wt%에서 용융 점도는 47 poise 이하 전기전도도는 0.45 S/cm, PCT (Product Consistency Test)는 기준유리의 기준값 1/2 이하로 나타났다. 이것은 컴퓨터코드 (GlassForm)로 계산된 값에 비해 전반적으로 높게 나타났다.
- 알루미늄 금속만 용융할 경우 붕규산 유리성분에서 잘 용융되는 것으로 나타났으나, 로의 운전변수 중 중요한 점도를 맞추기 위해서는 첨가제 (Na2O 등)가 추가로 필요한 것으로 평가되었다. 개발된 유리조성의 산화물 분포는 B2O3의 경우 20 wt% 내외, Na2O의 경우 15 wt% 내외, 그리고 SiO2의경우 45 wt% 내외가 적절한 것으로 나타났다. 이 경우 알루미늄 금속은 1,150℃ 유리용탕 환경에서 산화물 형태로 되어 금속으로 침전되지 않고 유리구조속에 균질하게 분포 하는 것으로 나타났다.
- 혼합 필터 폐기물 투입량을 45 wt%, 40 wt% 및 35 wt%와 같이 달리하여 투입량에 대한 유리고화체의 점도, 전기전도도, 밀도 등의 특성을 분석한 결과, 폐기물 투입량을 45 wt% 이상일 경우 점도와 전기전도도는 기준치 이상으로 나타났고 PCT 침출률 값도 높게 나타났다. 따라서 낮은 점도와 적절한 전기전도도를 유지하기 위해서는 폐기물 투입량이 40 wt% 이내가 적절한 것으로 나타났다. 이 경우 점도는 알루미늄 혼합이 평균 (Mixing A)보다 많이 함유된 필터 C에서 높게 나타났으며 Mixing(B)는 낮게 분포함을 확인 하였다.
- 침출용액을 ICP-AES로 분석 한 후 침출률 (Leach Rate)을 계산한 결과 각 원소에 대한 침출률은 기준유리에 비해 현저히 낮은 것으로 분석되었다. 따라서 본 연구로부터 개발된 유리조성을 이용하여 유리화 할 경우 고 품질의 유리고화체가 생성됨을 확인하였다.
- 하지만, 알루미늄 금속 함량을 50 wt% 이상으로 하여 용융한 결과 최종 고화체에 소량의 금속이 발생 하였다. 따라서 알루미늄 금속 폐기물을 단독으로 유리화하기 위해서는 적절한 함량의 폐기물을 혼합하여 처리할 필요가 있음을 확인하였다.
- 다른 많은 재료 가운데서도 유리가 방사성 폐기물의 처리 매질로 선정된 가장 큰 이유는 방사성 물질을 환경에 누출시키지 않고 장기간 보존하는 화학적 견고성이 뛰어나기 때문이다. 따라서 알루미늄 금속이 함유된 필터에 대한 유리조성을 국제적으로 인증된 침출시험법을 이용한 시험 결과, 유리고화체의 침출성은 기준유리(SRL-EA) 보다 우수한 것으로 나타났다.
- 알루미늄만 용융할 경우, 알루미늄 투입량은 30 wt% 이하로 유지하여야 하며, 최종 유리고화체의 특성분석 결과 고점도를 보여주고 있으며, 침출률은 일부원소에서 기준값을 상회하는 것으로 나타났다. 따라서 조성유리에 혼합되는 알루미늄 폐기물 투입률을 낮게 유지한다고 하더라도 용융물의 점도와 전기전도도가 높기 때문에 알루미늄 단독 유리화는 양호하지 않음을 확인하였다.
- 사용 후 필터에 대한 유리고화체를 주사현미경 (SEM, JSM-5600)을 이용하여 분석한 결과, 이차상이 없는 균질한 상태로 나타났다. 사용 후 필터에 대한 에너지분산형분광기 (EDS) 성분 분석결과 SiO2+Al2O3+Na2O가 95 wt% 이상 분포하였다. 필터에서 생성된 유리는 산화물 함량에 따라 녹청색이나 회색을 띄었으며 알루미늄이 결정형태로 침전됨이 없이 완전 산화되어 유리구조속으로 모두 용해되어 들어간 것으로 확인되었다.
- 사용 후 필터에 대한 유리고화체를 주사현미경 (SEM, JSM-5600)을 이용하여 분석한 결과, 이차상이 없는 균질한 상태로 나타났다. 사용 후 필터에 대한 에너지분산형분광기 (EDS) 성분 분석결과 SiO2+Al2O3+Na2O가 95 wt% 이상 분포하였다.
- 4와 같이 유리 조성과 혼합된 필터에 대한 용융의 경우, 그림에서 첫 번째는 필터폐기물에 유리조성 투입량을 달리하여 혼합한 경우이며, 각 시료 하단방향으로 두 번째는 도가니에서 용융상태를 보여주고 있다. 설정 온도에서 일정시간 용융시킨 후 각 시료 하단 세 번째 그림과 같이 실제 배출 정도를 확인한 결과 두 경우 모두 저점도 상태임을 확인하였으며, 수월하게 따를 수 있는 것으로 확인하였다. 각 시료의 마지막 네번째는 최종 생성된 유리고화체로서, 고품질의 유리가 생성됨을 확인하였으며, 알루미늄 성분에 의한 금속은 형성되지 않음을 확인하였다.
- 알루미늄 금속을 적절하게 용융하기 위해 필요한 산화물 분포는 알루미늄 투입량에 따라 달라지며, 알루미늄 투입량을 총 산화물의 20∼35 wt% 고려할 경우 필요한 유리프릿의 함량은 SiO2가 37∼43%, Na2O이 21∼26%, B2O3이 27∼30% 일 때 용융 최적 조건인 점도 100 poise 이하 및전기전도도 0.5 S/m 이하로 나타났다.
- 따라서 알루미늄 폐기물 함량을 적절하게 유지하면서 용융 운전변수가 최적이 되도록 고려하였다. 알루미늄만 용융할 경우, 알루미늄 투입량은 30 wt% 이하로 유지하여야 하며, 최종 유리고화체의 특성분석 결과 고점도를 보여주고 있으며, 침출률은 일부원소에서 기준값을 상회하는 것으로 나타났다. 따라서 조성유리에 혼합되는 알루미늄 폐기물 투입률을 낮게 유지한다고 하더라도 용융물의 점도와 전기전도도가 높기 때문에 알루미늄 단독 유리화는 양호하지 않음을 확인하였다.
- 온도 915∼1,165℃ 범위에서 측정한 전기전도도 값을 이용하여 1,000∼1,300℃ 범위에서 전기전도도 값으로 계산한 결과, 유리는 측정온도 구간에서 유리의 용융상태의 전기전도도 요구치 (0.1∼1.0 S/cm)를 만족하였다.
- 3과 같이 시료를 준비한 후 전기로에서 용융하였다. 유리 프릿에 알루미늄 혼합률은 20 wt% 내외에서 중량비를 달리하여 혼합한 후 실험한 결과 최대 30 wt%에서도 잘 부어짐을 확인할 수 있었다. 하지만, 알루미늄 금속 함량을 50 wt% 이상으로 하여 용융한 결과 최종 고화체에 소량의 금속이 발생 하였다.
- 유리섬유와 혼합되는 알루미늄 금속 함량이 70 wt% 이상 차지하는 폐기물의 경우 용융물의 낮은 점도를 위해 유리프릿에 대한 폐기물 투입량을 35 wt% 내외가 되도록 개발하였다. 이경우 최적의 용융상태를 유지하는 것으로 나타났으며 최종고화체 또한 품질이 양호한 것으로 확인되었다.
- 먼저 알루미늄 호일을 잘게 잘라서 용융시킨 경우와 덩어리로 뭉쳐진 상태의 용융 결과를 보기위해 그림과 같이 시료를 준비하였다. 전기로에서 용융시킨 결과 잘게 자른 알루미늄 시료의 경우 재만 발생되었으나, 덩어리 상태로 투입한 경우에는 덩어리 크기에 관계없이 금속이 생성되는 것을 확인하였다.
- 그림에서 좌측의 도가니 용융 형상은 알루미늄 금속의 혼합율별 점도의 실제 따름 (pouring) 현상을 확인한 것이다. 점도에 대한 이론 및 실험값과 마찬가지로 실제 액체 유동 상태에서도 알루미늄 혼합이 많을수록 점도가 높아짐을 확인할 수 있었다.
- 유리고화체에 대한 침출시험 결과는 Table 5와 같다. 침출용액을 ICP-AES로 분석 한 후 침출률 (Leach Rate)을 계산한 결과 각 원소에 대한 침출률은 기준유리에 비해 현저히 낮은 것으로 분석되었다. 따라서 본 연구로부터 개발된 유리조성을 이용하여 유리화 할 경우 고 품질의 유리고화체가 생성됨을 확인하였다.
- 5 S/m 이하로 나타났다. 컴퓨터 코드를 이용한 용융조건 분석결과, 투입되는 알루미늄 폐기물 함량이 많을수록 붕규산 함량이 낮게 분포되어 점도 및 전기전도도가 운전범위를 벗어나는 것으로 나타났다. 따라서 알루미늄 폐기물 함량을 적절하게 유지하면서 용융 운전변수가 최적이 되도록 고려하였다.
- 따라서 알루미늄 금속이 함유된 폐기물의 유리조성 개발에는 실험값과의 편차 발생 원인을 추가로 분석할 필요가 있다. 폐기물 투입률 (Waste Loading)을 높이기 위해 필터 투입비를 45 wt%로 하고, 유리프릿에 Na2O를 추가하여 용융물 상태를 분석한 결과 코드 계산과는 달리 용융물 점도는 높았으며 배출 또한 원활하지 못하였다. 그러나 B2O3 +Na2O를 적절한 비율로 혼합하여 추가한 경우 용융물이 배출 가능한 유동상태를 보여주었다.
- 5와 같이 나타났다. 폐기물에 혼합되는 알루미늄 중량비가 높을수록 점도가 높아짐을 확인할 수 있었으며, 실험에서 얻은 값들은 알루미늄 금속 혼합량이 적을수록 낮은 점도 분포를 보이는 것으로 나타났다. 따라서 용융물이 로에서 원활하게 배출되기 위해서는 유리섬유에 혼합되는 알루미늄량이 적을수록 낮은 점도를 유지할 수 있으나 이 경우 폐기물 감량 효과가 적을 수 있다.
- 사용 후 필터에 대한 에너지분산형분광기 (EDS) 성분 분석결과 SiO2+Al2O3+Na2O가 95 wt% 이상 분포하였다. 필터에서 생성된 유리는 산화물 함량에 따라 녹청색이나 회색을 띄었으며 알루미늄이 결정형태로 침전됨이 없이 완전 산화되어 유리구조속으로 모두 용해되어 들어간 것으로 확인되었다.
- Table 3은 Table 2의 유리섬유와 알루미늄이 혼합된 폐기물로부터 개발된 유리고화체의 물성 특성을 분석한 것이다. 혼합 필터 폐기물 투입량을 45 wt%, 40 wt% 및 35 wt%와 같이 달리하여 투입량에 대한 유리고화체의 점도, 전기전도도, 밀도 등의 특성을 분석한 결과, 폐기물 투입량을 45 wt% 이상일 경우 점도와 전기전도도는 기준치 이상으로 나타났고 PCT 침출률 값도 높게 나타났다. 따라서 낮은 점도와 적절한 전기전도도를 유지하기 위해서는 폐기물 투입량이 40 wt% 이내가 적절한 것으로 나타났다.
후속연구
- 이것은 컴퓨터코드 (GlassForm)로 계산된 값에 비해 전반적으로 높게 나타났다. 따라서 알루미늄 금속이 함유된 폐기물의 유리조성 개발에는 실험값과의 편차 발생 원인을 추가로 분석할 필요가 있다. 폐기물 투입률 (Waste Loading)을 높이기 위해 필터 투입비를 45 wt%로 하고, 유리프릿에 Na2O를 추가하여 용융물 상태를 분석한 결과 코드 계산과는 달리 용융물 점도는 높았으며 배출 또한 원활하지 못하였다.
- 따라서 필터 유리화에서 개발된 유리조성과 용융시험 분석자료는 향후 국내·외 관련 폐기물 유리화를 위한 중요한 기초자료로 활용될 예정이다.
- 필터에 대한 유리조성 개발에서는 알루미늄을 CCIM으로 용융할 경우와, 유리섬유 및 알루미늄이 혼합된 채 용융할 경우를 고려하여 개발하였다. 먼저 알루미늄을 단독으로 용융하기 위해 컴퓨터프로그램을 이용하여 분석한 결과 일정량의 첨가제가 필요한 것으로 나타났다. 알루미늄 금속을 적절하게 용융하기 위해 필요한 산화물 분포는 알루미늄 투입량에 따라 달라지며, 알루미늄 투입량을 총 산화물의 20∼35 wt% 고려할 경우 필요한 유리프릿의 함량은 SiO2가 37∼43%, Na2O이 21∼26%, B2O3이 27∼30% 일 때 용융 최적 조건인 점도 100 poise 이하 및전기전도도 0.
- 따라서 필터 유리화에서 개발된 유리조성과 용융시험 분석자료는 향후 국내·외 관련 폐기물 유리화를 위한 중요한 기초자료로 활용될 예정이다. 특히 알루미늄 금속에 대한 처리해법을 마련할 뿐만 아니라 장기적으로 안정적인 처분문제도 해결할 것으로 기대한다.
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