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문제 정의
- 시멘트를 사용하지 않은 고화재에 대하여 꾸준한 연구가 계속되어지고 있으나[6-13] 유기물이 많은 토양과는 고화작용이 잘 일어나지 않는 단점이 있었다. 따라서 본 연구는 무기질 재료들을 사용한 고화재와 슬러지를 혼합하여 개량토로 활용할 수 있는 방안을 제시한다.
제안 방법
- 한국화학융합시험연구원에서 무기물 정성정량시험을 실시하였다[14]. X-선 회절분석기(X-ray Diffractormeter,XRD)를 이용하여 구조분석을 실시하고, 파장 분산형 형광X-선분석기(Wavelength Dispersive X-ray Fluorescence,WD-XRF)를 이용하여 무기원소를 정성 분석 후 정성분석에서 검출된 원소들에 대하여 유도결합 플라즈마 분광분석기(Inductively Coupled Plasma Spectrometer, ICP)와 WD-XRF로 정량 분석을 진행하였다. 시료를 건조 후 분쇄하여 XRD용 시료홀더에 삽입 후 기기분석으로 구조를 확인하였다.
- 중금속과 유류 등에 오염된 토양에 아직 확정된 혼합비는 아니지만 고화재를 적용하여 고화처리 후 빗물용출 실험을 실시하였다. 고화처리는 7일간 진행하였고 일부는 발열반응과 악취가 발생하였다. 고화처리 후 빗물용출실험은 침출액 500cc에 50g 건조물을 섞고 침출액 황산 질산을 6:4로 넣고 6시간동안 교반하였다.
- 슬러지 처리용 고화재를 사용하여 하수슬러지와 음식물쓰레기 탈수케이크와의 혼합 고화실험을 실시하였다. 하수슬러지의 경우 슬러지 450g 고화재 150g을 골고루 혼합하여 실온에서 7일간 양생한 후 한국화학융합시험연구원에서 성분검사를 실시하였다[15].
- X-선 회절분석기(X-ray Diffractormeter,XRD)를 이용하여 구조분석을 실시하고, 파장 분산형 형광X-선분석기(Wavelength Dispersive X-ray Fluorescence,WD-XRF)를 이용하여 무기원소를 정성 분석 후 정성분석에서 검출된 원소들에 대하여 유도결합 플라즈마 분광분석기(Inductively Coupled Plasma Spectrometer, ICP)와 WD-XRF로 정량 분석을 진행하였다. 시료를 건조 후 분쇄하여 XRD용 시료홀더에 삽입 후 기기분석으로 구조를 확인하였다. 사용된 시험기기는 X-선 회절 분석기(LabX XRD-6000, Shimadzu, Japan)를 사용하였다.
- 시험적으로 제작된 고화재는 기존의 토양 개량 고화재의 제조원가 및 기능성의 문제점을 보완한 고화재로서 고화재 원료의 거의 전부를 폐기물로부터 재활용하여 고부가가치를 창출함은 물론 고화재로서의 우수한 기능성을 보장하여 많은 양의 고화재를 필요로 하는 대규모의 토양 개량 공사에 적합하도록 하였다.
- 여기에 토양의 종류와 요구되는 물성에 따라 기본 혼합물 80∼95wt%에 유기고분자 응집제 0.1∼1.0wt%를 함유한 프라이애쉬 5∼20wt%를 첨가한다.
- 중금속과 유류 등에 오염된 토양에 아직 확정된 혼합비는 아니지만 고화재를 적용하여 고화처리 후 빗물용출 실험을 실시하였다. 고화처리는 7일간 진행하였고 일부는 발열반응과 악취가 발생하였다.
- 화학조성분석은 시료를 105 ℃에서 건조하여 수분을 제거한 후 WD-XRF와 ICP로 정성 분석한 후 정성분석에서 검출된 원소들에 대하여 ICP와 WD-XRF를 이용하여 정량 분석하였다. 추가로 시료를 전기로(950 ℃) 속에서 항량이 될 때까지 강열한 후 감량을 측정하였다. 사용된 화학분석장비는 파장 분산형 형광 X-선 분석기(S8 Tiger, BRUKER, Germany), 유도결합 플라즈마 분광분석기(iCAP 7400, Thermo elemental, USA)를 사용하였다.
- 화학조성분석은 시료를 105 ℃에서 건조하여 수분을 제거한 후 WD-XRF와 ICP로 정성 분석한 후 정성분석에서 검출된 원소들에 대하여 ICP와 WD-XRF를 이용하여 정량 분석하였다. 추가로 시료를 전기로(950 ℃) 속에서 항량이 될 때까지 강열한 후 감량을 측정하였다.
대상 데이터
- 시료를 건조 후 분쇄하여 XRD용 시료홀더에 삽입 후 기기분석으로 구조를 확인하였다. 사용된 시험기기는 X-선 회절 분석기(LabX XRD-6000, Shimadzu, Japan)를 사용하였다. 그림 1은 시험에 사용된 X선 회절분석기를 보여준다.
- 추가로 시료를 전기로(950 ℃) 속에서 항량이 될 때까지 강열한 후 감량을 측정하였다. 사용된 화학분석장비는 파장 분산형 형광 X-선 분석기(S8 Tiger, BRUKER, Germany), 유도결합 플라즈마 분광분석기(iCAP 7400, Thermo elemental, USA)를 사용하였다.
- 주원료는 800∼1000℃에서 소성한 제지슬러지재 에용광로슬래그 미세분말, 생석회, 무수석고 이다.
- 주원료인 제지슬러지 소각재, 용광로 슬래그 미세분말 생석회, 무수석고 및 프라이애쉬 등을 혼합하여 무기계고화재를 제조하였다.
이론/모형
- 시료에 함유된 화학조성은 ‘KS L 3316 : 2014(내화물 제품의 형광 X-선 분석방법)’과 ‘KS L 2101 : 2009(규사 및 규석의 화학 분석 방법)’을 준용하여 분석을 실시하였다.
성능/효과
- ο 정성분석에서 검출된 원소들에 대하여 정량분석을 실시하였고 그 결과 CaO (44.1 %)의 함량이 가장 높았으며, 그 다음으로는 SiO2(30.3 %)로 확인되었다.
- ο WD-XRF와 ICP를 이용하여 정성 분석한 결과 Si,Al, Ti, Fe, Mn, Ca, Mg, Na, K, P, S 등 원소 11원소가 확인되었다.
- 1. 슬러지 처리용으로 개발된 고화재의 주성분은 SiO, Al2O3, TiO2, Fe2O3, Mn2O3, CaO, MgO, Na2O,K2O, P2O, SO3로 확인되었다.
- 2. 시멘트와 달리, 개발된 고화재에는 발암물질로 알려진 Cr6+가 함유되지 않았다.
- 3. 중금속 및 기름 오염토를 고화재와 혼합한 후 7일간 양생하여 빗물용출실험을 시행한 결과 중금속이 환경기준치에 훨씬 못 미치는 것을 확인하였다.
- 4. 수도권 매립지 하수슬러지 케이크와 고화재를 혼합하여 7일 양생 후 토양성분실험을 한 결과 중금속함량이 환경기준치 이하로 나타났다.
- 5. 유기성 슬러지인 음식물쓰레기 고형성분과 고화재및 적운모 분말을 혼합하여 7일 양생 후 토양성분실험을 한 결과 중금속 함량이 환경기준치 이하로 나타났다.
- 6. 슬러지, 고화재 및 첨가제 혼합시료를 비이커에 혼합한 후 암모니아 농도를 측정한 결과 3일 후 0이 되었다.
- 따라서 개발된 고화제는 유기성 또는 무기성 슬러지의 혼합처리에 적합하다고 판단된다. 향 후 섬유질과 진흙이 주성분인 토양의 도로 개설에 관한 연구가 필요하며 슬러지 고화 후 석회질 비료나 녹생토로 활용이 가능하다.
- 슬러지, 고화재 및 첨가제 혼합 시료를 비이커에 혼합한 후 일정기간 경과 후 비이커 상단에 암모니아 측정기(모델명: Lumidor Minimax XP)를 설치하여 농도를 측정한 결과 점차 감소하다가 3일후 완전히 제거되었다. 구성 원료 중 존재하는 무수히 많은 미세구멍의 흡수기능이 발효된 결과이며 암모니아수를 입자내에 빨아드리면포조란반응->에트링가이트 반응에 의해 악취를 가두는 원리이다.
- 음식물쓰레기 및 하수슬러지의 고화재 처리 후 성분 검사를 통하여 환경기준치 이하임을 확인하였다.
- 고화처리 후 빗물용출실험은 침출액 500cc에 50g 건조물을 섞고 침출액 황산 질산을 6:4로 넣고 6시간동안 교반하였다. 폐기물 빗물용출시험법을 적용한 결과 수은, 아연, 비소, 납은 검출되지 않았고 구리 니켈은 원시료에 비해 0.5% 미만 검출되었다. 중금속 용출 방지를 위하여 에트링가이트 반응이 필요하며 결과적으로 침상결정이 만들어져 흙입자 사이를 더욱 강하게 결합시킨 결과이다.
후속연구
- 따라서 개발된 고화제는 유기성 또는 무기성 슬러지의 혼합처리에 적합하다고 판단된다. 향 후 섬유질과 진흙이 주성분인 토양의 도로 개설에 관한 연구가 필요하며 슬러지 고화 후 석회질 비료나 녹생토로 활용이 가능하다.
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