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문제 정의
- , (1997) 등의 연구가 있다. 본 연구는 석탄회의 금속 재활용을 위한 기반 연구로서 국내 9개 화력발전소에서 발생하는 석탄회의 화학조성, 미세조직, 광물학적 특성을 분석하였다.
제안 방법
- 연마편은 탄소로 코팅한 후, TESCAN VEGA II LMU 주사전자현미경(SEM)으로 20kV의 가속전압에서 후방산란전자상으로 미세조직을 관찰하였다. 관심부위의 정성화학분석은 IXRF 에너지분산 X선분광(EDS)기로 실시하였다. 전반적인 광물조성을 알아보기 위하여 시료를 마노유발에서 분말화한 후, Cu X선관을 장착한 RIGAKU Ultima IV 모델의 X선 회절분석(XRD)기로 40kV/30mA 조건에서 XRD 분석을 실시하였다.
- 국내 석탄회의 희유원소함량을 국외 석탄회의 함량과 비교하였다(Table 4). 신뢰할 만한 비교 분석자료는 주로 미국 화력발전소 석탄회를 중심으로 공개되어 있다.
- 주원소 및 미량원소 화학분석은 캐나다 Activation Laboratories에 의뢰하여 실시하였으며, 유도결합 플라즈마 방출 분광분석, 유도결합플라즈마 질량 분광분석, 중성자활성분석 등의 분석법을 복합적으로 적용하였다. 석탄회 입자의 미세조직을 관찰하기 위하여 건조 원시료를 Struers Epofix 에폭시로 경화처리하고 제작하였다. 연마편은 탄소로 코팅한 후, TESCAN VEGA II LMU 주사전자현미경(SEM)으로 20kV의 가속전압에서 후방산란전자상으로 미세조직을 관찰하였다.
- 석탄회 입자의 미세조직을 관찰하기 위하여 건조 원시료를 Struers Epofix 에폭시로 경화처리하고 제작하였다. 연마편은 탄소로 코팅한 후, TESCAN VEGA II LMU 주사전자현미경(SEM)으로 20kV의 가속전압에서 후방산란전자상으로 미세조직을 관찰하였다. 관심부위의 정성화학분석은 IXRF 에너지분산 X선분광(EDS)기로 실시하였다.
- 주로 금속산화물인 자성시료에는 특정 희유금속들이 농축되어 있으며, 자성을 이용하여 보다 쉽게 회수할 수도 있으므로 원시료 외에 별도로 분리 농축한 자성시료도 분석하였다. 자성시료는 8000 gauss 막대자석으로 막대자석을 톡톡 쳐가면서 수동 분리하였다. 자성시료의 수동 분리는 연구자마다 차이가 있을 수 있으므로, 항상 같은 사람이 같은 조건으로 분리하도록 노력하였다.
- 관심부위의 정성화학분석은 IXRF 에너지분산 X선분광(EDS)기로 실시하였다. 전반적인 광물조성을 알아보기 위하여 시료를 마노유발에서 분말화한 후, Cu X선관을 장착한 RIGAKU Ultima IV 모델의 X선 회절분석(XRD)기로 40kV/30mA 조건에서 XRD 분석을 실시하였다.
- 나머지 다른 화력 발전소들은 수입 유연탄을 주 연료로 사용하고 있다. 주로 금속산화물인 자성시료에는 특정 희유금속들이 농축되어 있으며, 자성을 이용하여 보다 쉽게 회수할 수도 있으므로 원시료 외에 별도로 분리 농축한 자성시료도 분석하였다. 자성시료는 8000 gauss 막대자석으로 막대자석을 톡톡 쳐가면서 수동 분리하였다.
- 주원소 및 미량원소 화학분석은 캐나다 Activation Laboratories에 의뢰하여 실시하였으며, 유도결합 플라즈마 방출 분광분석, 유도결합플라즈마 질량 분광분석, 중성자활성분석 등의 분석법을 복합적으로 적용하였다. 석탄회 입자의 미세조직을 관찰하기 위하여 건조 원시료를 Struers Epofix 에폭시로 경화처리하고 제작하였다.
- 원시료와 자성 시료의 희유금속원소 조성을 Table 3에 비교하였다. 희유금속 함량이 자연 암석내 평균 함량과 어느 정도 차이가 있는지 알아보기 위하여, 분석값을 셰일의 평균 금속 함유량과 비교하였다(Fig. 1). 일반 금속의 평균 함유량은 Krauskopf and Bird (1995)에 정리된 자료를 이용하였다.
대상 데이터
- 석탄 비산재는 SEM-BSE 상에서 밝게 보이는 산화철, 마치 화산재처럼 다공성인 규산염 유리, 미연 탄소, 생석회, 잔류광물인 석영과 백운모 입자로 구성되어 있다(Fig. 3). 산화철 입자는 대체로 구형인 반면에(Figs.
- 석탄회는 비산재(fly ash)와 바닥재(bottom ash)로 구분되는데, 비산재는 석탄 연소로 배기구에 설치된 집진기로 수거된 미립의 비산 석탄회 입자들이며 바닥재는 연소로 벽면이나 바닥에 들러붙은 석탄회 덩어리들이다. 이 연구에 사용한 석탄회는 보령, 태안, 서천, 영흥, 동해, 삼천포, 당진, 영동, 여수 화력발전소의 비산재와 태안화력발전소의 바닥재이다. 동해화력발전소는 국산 무연탄을 연료로 사용하고 있고, 영동, 서천 화력발전소는 국산 무연탄을 주된 연료로 사용하여 왔으나, 최근에는 수입 유연탄을 혼합하여 사용하기도 한다.
데이터처리
- 희토류 원소(REE, rare earth element)는 원시료에서 총햠량이 440~197 ppm 범위이며, 자성시료에서는 313~196 ppm 범위로 약간 감소한다(Table 5). 각 발전소 석탄회의 희토류원소는 NASC (North America shale composite)의 자료(Condie, 1993)와 비교하였다. 각 석탄회 및 NASC의 농도를 콘드라이트 값(Anders and Grevesse, 1989)으로 표준화한 희토류의 상대적 함량분포는 전시료가 유사하였으며, NASC의 분포패턴과도 매우 잘 일치하였다(Fig.
이론/모형
- 1). 일반 금속의 평균 함유량은 Krauskopf and Bird (1995)에 정리된 자료를 이용하였다. Fig.
성능/효과
- 각 석탄회 및 NASC의 농도를 콘드라이트 값(Anders and Grevesse, 1989)으로 표준화한 희토류의 상대적 함량분포는 전시료가 유사하였으며, NASC의 분포패턴과도 매우 잘 일치하였다(Fig. 2).
- 원시료와 자성시료를 비교한 결과, Ni, Co, Cr이 원시료에 비하여 일관되게 부화되는 경향이 있으나, 다른 원소들은 전체적으로 감소하거나 별다른 차이를 보이지 않았다.
- 원시료의 XRD 패턴에서 20-30° (2θ) 사이에 넓은 회절대를 보이는 유리와 함께, 멀라이트, 자철석, 적철석, 석영, 생석회, 경석고, 사장석, 일라이트(백운모), 방해석 등이 확인되었다(Fig. 6).
- 국산 무연탄과 수입 유연탄 석탄회는 희유금속 조성에서 큰 차이를 보이지 않지만, 특징적으로 B와 Sr 함량이 무연탄보다 유연탄 석탄회에서 수배 정도 높다. 태안 비산재 및 바닥재의 비교분석결과, 바닥재에 특히 Cu, Zn, Ga, Ge, Se, Cd, Sb, Au, Pb, B 등의 친황원소(chalcophile element)들의 함량이 비산재에 비하여 감소하였음을 알 수 있다. 이와 함께 황의 함량도 바닥재에서 감소하였다(Table 2).
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