[논문]점토와 유리프리트를 혼합한 항만준설토의 건축자재 재활용에 관한 기초연구

임동수; 김경남; 조연배; 박준석

doi:10.12925/jkocs.2013.30.4.575

점토와 유리프리트를 혼합한 항만준설토의 건축자재 재활용에 관한 기초연구
Fundamental Study on Recycling as Construction Material of Dredged Harbor Soil Mixed with Clay and Glass Frit 원문보기

한국유화학회지 = Journal of oil & applied science, v.30 no.4, 2013년, pp.575 - 585

임동수 (해양환경관리공단) , 김경남 (강원대학교 신소재공학과) , 조연배 ((주)대진환경개발) , 박준석 (강원대학교 환경공학과)

초록
AI-Helper

본 연구는 고상폐기물인 준설토와 혼합물질인 점토 및 유리프리트를 이용하여 기능성을 갖는 건축자재용으로의 재활용 가능성을 검토하고자 실시되었다. D항만 준설토의 중금속 함량은 Zn이 526.0~13,150.1 mg/kg의 범위를 나타내는 등 심한 오염상태이었다. 준설토(30P)의 주요 화학조성은 $SiO_2$(48.30 wt%), $Al_2O_3$(16.60 wt%), CaO(10.10 wt%), $Fe_2O_3$(7.75 wt%)이었으며, 점토는 $SiO_2$가 70.82 wt%, $Al_2O_3$ 18.78 wt%, 유리프리트는 $SiO_2$가 71.75 wt%, CaO 13.99 wt%, $Na_2O$ 8.51 wt% 함유되어 있었다. 준설토를 점토에 10~40 wt% 첨가한 후 $1,000^{\circ}C$와 $1,100^{\circ}C$에서 소성한 시편의 압축강도는 각각 $132.6{\sim}178.5kgf/cm^2$와 $581.2{\sim}793.7kgf/cm^2$이었다. 준설토가 40 wt% 첨가된 경우(SC46) $1,100^{\circ}C$에서 소성한 경우가 $793.7kgf/cm^2$로 $1,000^{\circ}C$에서 소성한 경우의 $153.0kgf/cm^2$ 보다 5배 이상 높게 나타나 $1,100^{\circ}C$ 온도가 소성에 더 적합한 것으로 판단되었으며, KS 1종벽돌 기준을 만족시켰다. 또한, 시편의 용출시험 결과 폐기물관리법상 지정폐기물 판정기준치를 크게 하회하는 것으로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

This research was performed to evaluate the recycling feasibility as a construction material of dredged harbor soil mixed with clay and glass frit. Concentration of heavy metals of the dredged soil from D harbor was severly high, showing Zn of 526.0~13,150.1 mg/kg. The dredged soil was maily composed of 48.30 wt% $SiO_2$, 16.60 wt% $Al_2O_3$, 10.10 wt% CaO, 7.75 wt% $Fe_2O_3$. The clay and the glass frit contained 70.82 wt% $SiO_2$ and $Al_2O_3$ 18.78 wt%, and 71.75 wt% $SiO_2$, 13.99 wt% CaO, 8.51 wt% $Na_2O$, respectively. After adding 10~40 wt% to the clay and sintering them at $1,000^{\circ}C$ or $1,100^{\circ}C$, the compressive strength of the sintered specimens showed $132.6{\sim}178.5kgf/cm^2$ or $581.2{\sim}793.7kgf/cm^2$, respectively. In case of SC46 with the addition 40 wt% of the dredged soil to the clay, the compressive strength ($793.7kgf/cm^2$) of specimen sintered at $1,100^{\circ}C$ was over 5 times higher than that at $1,000^{\circ}C$. The specimen mixed with 40 wt% of dredged soil, 60 wt% of clay and 1 wt% of glass frit satisfied the 1st grade standard for clay brick by KS L 4201. The results of all specimens by Korean Standard Leaching Test also satisfied the standard criteria.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구는 고상폐기물인 준설토를 재활용하여 기능성을 갖는 건축자재용으로의 재활용 가능성을 검토하고자 실시되었으며, 혼합물질로 저급점토와 유리폐기물 프리트(frit)를 사용하였다.
본 연구는 고상폐기물인 준설토와 혼합물질인 점토 및 유리프리트를 이용하여 기능성을 갖는 건축자재용으로의 재활용 가능성을 검토하고자 실시되었으며, 얻어진 결론은 다음과 같다.
본 연구에서는 준설토 혼합비 및 소성온도에 따른 영향을 주요 인자로 검토하였다. 시편은 Fig.

제안 방법

가장 오염농도가 높은 것으로 밝혀진 준설토 30P와 혼합물질인 점토 및 유리프리트의 화학적 조성을 XRF로 분석하였으며, 그 결과를 Table 3에 나타내었다. 준설토(30P)의 화학조성은 SiO₂(48.
준설토-저급점토를 건조질량비로 10 : 90, 20 :80, 30 : 70 및 40 : 60으로 혼합한 후 융제로 유리폐기물 프리트를 모두 1 wt%씩 첨가하였다. 각 시편은 1,273 kg/mm²으로 일축 가압하여 지름 10 mm, 두께 12 mm의 디스크형으로 제조하고 각각 1,000℃와 1,100℃에서 30분 동안 소성하였다.
준설토, 점토, 유리프리트의 화학적 성분은 X-선 형광분석기(XRF; ZSX100e, Rigaku, Japan)를 이용하여 분석하였으며, target은 Rh를 사용하였다. 준설토, 점토, 그리고 시편의 결정상은 X-선 회절분석기(XRD: D/Max-2500V, Rigaku, Japan)를 이용하였다. 이때 분석조건의 target은 CuKα, acceleration voltage 40kV, 150mA, scan speed:4°/min.
준설토의 휘발성 고형물 휘발성 고형물(Volatile Solids, VS)과 총유기탄소(Total Organic Carbon, TOC)는 폐기물공정시험법[15]과 토양 화학분석법[16]에 따라 분석하였다. 준설토, 점토, 유리프리트의 화학적 성분은 X-선 형광분석기(XRF; ZSX100e, Rigaku, Japan)를 이용하여 분석하였으며, target은 Rh를 사용하였다. 준설토, 점토, 그리고 시편의 결정상은 X-선 회절분석기(XRD: D/Max-2500V, Rigaku, Japan)를 이용하였다.
2와 같은 일반적인 세라믹 제조 공정에 따라 제조하였으며, 조성비는 Table 1에 나타내었다. 준설토-저급점토를 건조질량비로 10 : 90, 20 :80, 30 : 70 및 40 : 60으로 혼합한 후 융제로 유리폐기물 프리트를 모두 1 wt%씩 첨가하였다. 각 시편은 1,273 kg/mm²으로 일축 가압하여 지름 10 mm, 두께 12 mm의 디스크형으로 제조하고 각각 1,000℃와 1,100℃에서 30분 동안 소성하였다.
, scan rage: 5°〜80°로 하였으며, monochrometer 사용조건으로 측정하였다. 준설토와 점토의 열적 특성은 시차열분석기(TG-DTA, STA409PCLuxx, NETZSCH, Germany)를 이용하여 10℃/min의 승온속도로 1,200℃까지 air 분위기에서 측정하였다. 소결시편의 치밀화 및 기공형성 여부를 조사하기 위하여 주사전자현미경(SEM, JSH-6300, JEOL, Japan)을 이용하여 미세구조를 관찰하였으며, 겉보기 밀도와 압축강도는 KS L 3305에 따라 만능 시험기(UTM; Fast Track 8801, USA)를 이용하여 측정하였다.

대상 데이터

본 연구를 위하여 준설토, 점토 및 유리프리트를 실험재료로 사용하였다. 준설토는 폐기물 재활용 방안으로 선정하였고 점토는 시편 제조를 위한 주원료로서 시편의 골격유지를 위하여 사용하였다.
본 연구에서는 준설토 혼합비 및 소성온도에 따른 영향을 주요 인자로 검토하였다. 시편은 Fig. 2와 같은 일반적인 세라믹 제조 공정에 따라 제조하였으며, 조성비는 Table 1에 나타내었다. 준설토-저급점토를 건조질량비로 10 : 90, 20 :80, 30 : 70 및 40 : 60으로 혼합한 후 융제로 유리폐기물 프리트를 모두 1 wt%씩 첨가하였다.
또한 유리프리트는 저온 소성을 위한 융제로 사용하기 위하여 선정하였다. 준설토는 중금속 및 오염도가 높은 물질의 선적 및 하역이 이루어져서 오염이 심각할 것으로 예상되는 D항내의 3개 지점에서 grab sampler를 이용하여 채취하였으며, 선박이 접안하는 곳의 번호를 따서 각각 23P, 25P, 30P로 명명하였다(Fig. 1). 준설토는 풍건하여 0.
본 연구를 위하여 준설토, 점토 및 유리프리트를 실험재료로 사용하였다. 준설토는 폐기물 재활용 방안으로 선정하였고 점토는 시편 제조를 위한 주원료로서 시편의 골격유지를 위하여 사용하였다. 또한 유리프리트는 저온 소성을 위한 융제로 사용하기 위하여 선정하였다.
1). 준설토는 풍건하여 0.5 mm 체로 거른 후 통과한 미립자를 사용하였다. 혼합물질로는 강원 S사에서 공급하고 있는 저가의 저급점토(clay)와 소다석회를 파쇄한 유리폐기물 프리트(frit)를 사용하였다.
5 mm 체로 거른 후 통과한 미립자를 사용하였다. 혼합물질로는 강원 S사에서 공급하고 있는 저가의 저급점토(clay)와 소다석회를 파쇄한 유리폐기물 프리트(frit)를 사용하였다. 이전 연구에서 신 등[13]은 저급점토에 저온 액상소결을위해 유리프리트(폐유약)를 사용한 바 있다.

이론/모형

준설토와 점토의 열적 특성은 시차열분석기(TG-DTA, STA409PCLuxx, NETZSCH, Germany)를 이용하여 10℃/min의 승온속도로 1,200℃까지 air 분위기에서 측정하였다. 소결시편의 치밀화 및 기공형성 여부를 조사하기 위하여 주사전자현미경(SEM, JSH-6300, JEOL, Japan)을 이용하여 미세구조를 관찰하였으며, 겉보기 밀도와 압축강도는 KS L 3305에 따라 만능 시험기(UTM; Fast Track 8801, USA)를 이용하여 측정하였다. 준설토 및 소결시편의 중금속 용출특성은 폐기물공정시험법의 용출시험방법(KSLT, Korean Standard Leaching Test)[15]에 따라 전처리하고 유도결합플라즈마 원자방출분광기(ICP-AES; Vista-PRO, Varian, Australia)를 이용하여 분석하였다.
소결시편의 치밀화 및 기공형성 여부를 조사하기 위하여 주사전자현미경(SEM, JSH-6300, JEOL, Japan)을 이용하여 미세구조를 관찰하였으며, 겉보기 밀도와 압축강도는 KS L 3305에 따라 만능 시험기(UTM; Fast Track 8801, USA)를 이용하여 측정하였다. 준설토 및 소결시편의 중금속 용출특성은 폐기물공정시험법의 용출시험방법(KSLT, Korean Standard Leaching Test)[15]에 따라 전처리하고 유도결합플라즈마 원자방출분광기(ICP-AES; Vista-PRO, Varian, Australia)를 이용하여 분석하였다.
준설토의 pH와 중금속 함량은 토양오염공정시험법[14]에 따라 전처리한 후 pH는 pH 210(HANNA instruments, US), 중금속은 유도결합 플라즈마 원자방출분광기(ICP-AES; Vista-PRO, Varian, Australia)를 이용하여 분석하였다. 준설토의 휘발성 고형물 휘발성 고형물(Volatile Solids, VS)과 총유기탄소(Total Organic Carbon, TOC)는 폐기물공정시험법[15]과 토양 화학분석법[16]에 따라 분석하였다.
준설토의 pH와 중금속 함량은 토양오염공정시험법[14]에 따라 전처리한 후 pH는 pH 210(HANNA instruments, US), 중금속은 유도결합 플라즈마 원자방출분광기(ICP-AES; Vista-PRO, Varian, Australia)를 이용하여 분석하였다. 준설토의 휘발성 고형물 휘발성 고형물(Volatile Solids, VS)과 총유기탄소(Total Organic Carbon, TOC)는 폐기물공정시험법[15]과 토양 화학분석법[16]에 따라 분석하였다. 준설토, 점토, 유리프리트의 화학적 성분은 X-선 형광분석기(XRF; ZSX100e, Rigaku, Japan)를 이용하여 분석하였으며, target은 Rh를 사용하였다.

성능/효과

5에 나타내었다. 1,000℃에서 소성한 경우 준설토 혼합비에 따라 겉보기 밀도가 다소 증감하며 5.90~5.97 g/cm³을 나타내었고, 1,100℃에서 소성한 경우 준설토 혼합량이 10~40 wt%까지 증가함에 따라 5.47 g/cm³에서 5.40 g/cm³까지 감소하는 경향을 보였다. 1,100℃의 경우 준설토 혼합량이 증가함에 따라 겉보기 밀도가 감소하였는데 준설토에 함유되어 있는 CaCO₃의 탈탄산 반응에 의한 것으로 생각된다.
1. D항만 준설토의 pH는 8.32~8.65, 휘발성 고형물 함량은 3.21~9.14 wt%, TOC는 1.35~1.68 wt%이었다. 중금속 함량은 total Cr이 27.
2. 중금속 오염도가 가장 높았던 준설토(30P)의 주요 화학조성은 SiO₂(48.30 wt%), Al₂O₃(16.60 wt%), CaO(10.10 wt%), Fe₂O₃(7.75 wt%)이었으며, 점토는 SiO₂가 70.82 wt%, Al₂O₃ 18.78 wt%, 유리프리트는 SiO₂가 71.75 wt%, CaO 13.99 wt%, Na₂O 8.51 wt% 함유되어 있었다.
준설토의 물리화학적 특성과 중금속 함량을 3회 반복 분석한 후 평균치를 Table 2에 나타내었다. 23P, 25P 그리고 30P의 pH는 8.32~8.65로 약알칼리성이었으며, 휘발성 고형물(Volatile Solids, VS) 함량은 각각 9.14 wt%, 3.21 wt%, 8.12 wt%를 나타내었다. 또한 총유기탄소(Total Organic Carbon, TOC)은 각각 1.
3. 준설토의 결정상에서 Quartz(SiO₂), Moscovite ((K,Na)(Al,Mg,Fe)₂(Si_3.1Al_0.9)O₁₀ (OH)₂), Sodalite(Na₈(Al₆Si₆O₂₄)Cl₂), Calcite(Ca(CO₃)) 등이 관찰되었으며, 점토는 주결정상이 Quartz 와 Moscovite으로 나타났다.
4. 준설토를 점토에 10 ~40 wt% 첨가한 후 1,000℃와 1,100℃에서 소성한 시편의 압축강도는 각각 132.6~178.5 kgf/cm²와 581.2~793.7 kgf/cm²이었다. 준설토가 40 wt% 첨가된 경우(SC46) 1,100℃에서 소성한경우가 793.
5. 중금속 함량이 매우 높았던 준설토를 점토 및 유리프리트와 혼합하여 소성하여 용출특성을 분석한 결과 모두 폐기물관리법상 지정폐기물 판정기준치를 크게 하회하는 것으로 나타났다.
1 mg/L 미만의 농도를 나타내었다. 결론적으로 초기에 모든 중금속 함량이 매우 높았던 준설토를 점토 및 유리프리트와 혼합하여 소성한 결과 중금속 용출특성이 크게 개선될 수 있었다. 박 등[23]은 부산 신항만 공사에서 발생된 준설토를 분석한 결과 Cu가 0.
관련 연구로는 해양준설토를 이용한 인공염습지 조성재[8] 또는 식재지반 용토[9]로서 활용 방안, 해안연안 준설점토를 이용한 매립지 차수재 활용방안[10], 항만준설토를 이용한 경량골재 활용방안[11] 등이 있다. 또한 하상준설토의 경우 그 동안 매립 및 복토용으로만 사용하던 것을 건설소재용 모르타르로 재활용 가능성이 있음을 확인하였으며, 적정 혼합량은 40~50 wt%이었다[12].
8에 나타내었다. 모든 시편에서 기공이 관찰되었으며, 준설토 양이 증가함에 따라 기공의 크기가 감소되고 있어 알칼리 성분이 소성 시 융제 역할을 하여 액상 소결이 진행되어 조직이 치밀화 되었음을 알 수 있었다. 또한 첨가된 유리프리트도 액상 소결제로 작용한 것으로 판단된다[9].
1 mg/kg으로 기준치 2,000 mg/kg을 크게 초과하였다. 미국 환경보호청(EPA)과 캐나다 온타리오 환경부 퇴적물 환경기준과 비교할 때에도 D항만 준설토의 오염도는 매우 높은 것으로 나타났다. Song 등[18]은 항만 준설토 재활용을 위한 위해성 평가를 위해 우리나라 주요 항만의 준설현황을 조사하였다.
78 N/mm² (110 kgf/cm²)이상, 흡수율 15% 이하이다[21]. 본 연구에서 흡수율은 측정하지 못하였으나 압축강도만으로 볼 때는 준설토 혼합량을 10~40 wt%까지 변화시킨 경우 모두 1종 벽돌기준을 크게 상회하고 있었다. 무기계 바인더에 하상준설토를 10~90 wt%첨가하여 60℃에서 8시간 양생하여 제조한 시편의 7일 압축강도는 10~40 wt% 첨가에서 488.
8 mg/kg을 나타내었다. 세 지점 중 30P의 경우 토양환경보전법 3지역 우려기준과 비교할 때에도 대부분의 항목이 기준치에 육박하는 것으로 나타났으며, 특히 Zn은 13,150.1 mg/kg으로 기준치 2,000 mg/kg을 크게 초과하였다. 미국 환경보호청(EPA)과 캐나다 온타리오 환경부 퇴적물 환경기준과 비교할 때에도 D항만 준설토의 오염도는 매우 높은 것으로 나타났다.
세 지점에서 채취한 준설토(23P, 25P, 30P)의 중금속 함량을 분석한 결과 total Cr은 27.1~46.6 mg/kg, As 13.5~20.2 mg/kg, Pb 35.1~538.7 mg/kg, Cd 1.9~55.1 mg/kg, Cu 31.6~149.3 mg/kg, Zn 526.0~13,150.1 mg/kg, Hg 0.000~0.065 mg/kg, 그리고 Ni은 11.2~15.8 mg/kg을 나타내었다. 세 지점 중 30P의 경우 토양환경보전법 3지역 우려기준과 비교할 때에도 대부분의 항목이 기준치에 육박하는 것으로 나타났으며, 특히 Zn은 13,150.
7에 나타내었다. 시편의 주결정상으로 Quartz(SiO₂), Anorthite(Ca(Al₂Si₂O₈)), Anorthoclase ((Na_0.667K_0.333) (AlSi₃O₈)) 상이 관찰되었으며, 준설토 혼합량이 증가함에 따라 Quartz상의 피크 intensity가 감소하고, Anorthite 의 intensitysms는 증가하였다. 이는 준설토(30P) 성분 중 10.
Song 등[18]은 항만 준설토 재활용을 위한 위해성 평가를 위해 우리나라 주요 항만의 준설현황을 조사하였다. 조사된 준설토에서 Fe과 Mg 함량이 각각 9,200~37,000 mg/kg과 7,900~12,200 mg/kg으로 높게 나타났다. K, J, 그리고 G항의 경우 Cd은 2.
7 kgf/cm²이었다. 준설토가 40 wt% 첨가된 경우(SC46) 1,100℃에서 소성한경우가 793.7 kgf/cm²로 1,000℃에서 소성한 경우의 153.0 kgf/cm² 보다 5배 이상 높게 나타나 1,100℃ 온도가 소성에 더 적합한 것으로 판단되었으며, KS 1종벽돌 기준을 만족시켰다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	준설이란 무엇인가?	준설이란 하천이나 해안의 바닥에 쌓인 흙이나 암석을 파헤쳐 바닥을 깊게 하는 일을 말하는 것으로 항만을 포함한 연안역 개발, 항로, 정박지 조성 및 개량, 매립공사를 위한 토사 채취, 해저의 퇴적된 오염물질 제거에 의한 환경 유지 및 개선, 하천 개수 및 수로 조성 등의 목적으로 행해진다[1]. 국내에서는 1998년 마산만을 시작으로 그 동안 전국 7개 해역에서 해양환경개선사업의 일환으로 오염퇴적물에 대한 정화사업이 실시되어 왔다.
	해양환경개선사업의 일환으로 오염퇴적물에 대한 정화사업이 실시되어 왔는데 그 방법으로는 무엇이 사용되었는가?	국내에서는 1998년 마산만을 시작으로 그 동안 전국 7개 해역에서 해양환경개선사업의 일환으로 오염퇴적물에 대한 정화사업이 실시되어 왔다. 정화 방법으로는 모두 오염퇴적물을 준설에 의하여 제거하는 방법이 사용되었고 이과정에서 발생된 오염준설 물질들은 마산만(연안 매립)을 제외하고는 전량 외해투기로 최종처리되었다[2]. 항로유지 및 오염해역 준설사업으로 발생하는 준설토는 1976년 조사 이후 매년 발생량이 꾸준히 증가하고 있는 상황이다[3].
	D항만 준설토의 중금속 함량은 어땟는가?	본 연구는 고상폐기물인 준설토와 혼합물질인 점토 및 유리프리트를 이용하여 기능성을 갖는 건축자재용으로의 재활용 가능성을 검토하고자 실시되었다. D항만 준설토의 중금속 함량은 Zn이 526.0~13,150.1 mg/kg의 범위를 나타내는 등 심한 오염상태이었다. 준설토(30P)의 주요 화학조성은 $SiO_2$(48.

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상세보기
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원문보기 상세보기
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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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