국내 폐슬레이트 발생량은 매년 증가 추세로 지정매립장 용량이 한계에 다다르고 있어 슬레이트를 대용량으로 안전하고 저렴하게 처리함과 동시에 재활용할 수 있는 방법이 필요하다. 이에 대한 대안으로 시멘트 소성로를 이용한 폐슬레이트 열처리 방법을 들 수 있다. 이 연구에서는 플라즈마를 이용하여 시멘트 소성로의 고온 환경을 모사할 수 있는 중간 규모(pilot scale)의 장치를 개발하고 이를 이용하여 폐슬레이트 내석면의 비활성화 및 시멘트 원료로의 재활용 가능성을 확인하고자 하였다. 중간규모 실험 장치는 플라즈마토치를 이용하여 실제 소성로와 동일한 조건을 가지도록 1/50로 축소·제작하였다. 실험조건은 시멘트 소성로의 소성 시간과 동일하게 20분간 200-2,000℃까지 100℃ 간격으로 온도를 상승시키며 폐슬레이트의 비활성화 실험을 실시하였다. 플라즈마 고온반응기를 이용하여 열처리한 폐슬레이트의 XRD, PLM, TEM-EDS 분석결과, 1,500℃ 이상의 온도에서 슬레이트 내 백석면이 고토감람석으로 광물 상전이가 일어나 비활성화되고 시멘트 구성 광물인 라나이트(Ca2SiO4)가 형성됨을 확인하였다. 이 연구 결과는 추후 시멘트 소성로를 이용하여 대용량의 슬레이트를 경제적이고 안전하게 처리함과 동시에 시멘트 원료로 재활용할 수 있는 방안에 대한 기초자료로 활용할 수 있을 것으로 사료된다.
국내 폐슬레이트 발생량은 매년 증가 추세로 지정매립장 용량이 한계에 다다르고 있어 슬레이트를 대용량으로 안전하고 저렴하게 처리함과 동시에 재활용할 수 있는 방법이 필요하다. 이에 대한 대안으로 시멘트 소성로를 이용한 폐슬레이트 열처리 방법을 들 수 있다. 이 연구에서는 플라즈마를 이용하여 시멘트 소성로의 고온 환경을 모사할 수 있는 중간 규모(pilot scale)의 장치를 개발하고 이를 이용하여 폐슬레이트 내석면의 비활성화 및 시멘트 원료로의 재활용 가능성을 확인하고자 하였다. 중간규모 실험 장치는 플라즈마 토치를 이용하여 실제 소성로와 동일한 조건을 가지도록 1/50로 축소·제작하였다. 실험조건은 시멘트 소성로의 소성 시간과 동일하게 20분간 200-2,000℃까지 100℃ 간격으로 온도를 상승시키며 폐슬레이트의 비활성화 실험을 실시하였다. 플라즈마 고온반응기를 이용하여 열처리한 폐슬레이트의 XRD, PLM, TEM-EDS 분석결과, 1,500℃ 이상의 온도에서 슬레이트 내 백석면이 고토감람석으로 광물 상전이가 일어나 비활성화되고 시멘트 구성 광물인 라나이트(Ca2SiO4)가 형성됨을 확인하였다. 이 연구 결과는 추후 시멘트 소성로를 이용하여 대용량의 슬레이트를 경제적이고 안전하게 처리함과 동시에 시멘트 원료로 재활용할 수 있는 방안에 대한 기초자료로 활용할 수 있을 것으로 사료된다.
The capacity of the designated landfill site for asbestos-containing waste is approaching its limit because the amount of asbestos-containing slate is increasing every year. There is a need for a method that can safely and inexpensively treat asbestos-containing slate in large capacity and at the sa...
The capacity of the designated landfill site for asbestos-containing waste is approaching its limit because the amount of asbestos-containing slate is increasing every year. There is a need for a method that can safely and inexpensively treat asbestos-containing slate in large capacity and at the same time recycle it. A cement kiln can be an alternative for heat treatment of asbestos-containing slate. We intend to develop a pilot scale device that can simulate the high temperature environment of a cement kiln using a high temperature plasma reactor in this study. In addition, this reactor can be used to inactivate asbestos in the slate and to synthesize one of the minerals of cement, to confirm the possibility of recycling as a cement raw material. The high-temperature plasma reactor as a pilot scale experimental apparatus was manufactured by downsizing to 1/50 the size of an actual cement kiln. The experimental conditions for the deactivation test of the asbestos-containing slate are the same as the firing time of the cement kiln, increasing the temperature to 200-2,000℃ at 100℃ intervals for 20 minutes. XRD, PLM, and TEM-EDS analyses were used to characterize mineralogical characteristics of the slate before and after treatment. It was confirmed that chrysotile [Mg3Si2O5(OH)4] and calcite (CaCO3) in the slate was transformed into forsterite (Mg2SiO4) and calcium silicate (Ca2SiO4), a cement constituent mineral, at 1,500℃ or higher. Therefore, this study may be suggested the economically and safely inactivating large capacity asbestos-containing slate using a cement kiln and the inactivated slate via heat treatment can be recycled as a cement raw material.
The capacity of the designated landfill site for asbestos-containing waste is approaching its limit because the amount of asbestos-containing slate is increasing every year. There is a need for a method that can safely and inexpensively treat asbestos-containing slate in large capacity and at the same time recycle it. A cement kiln can be an alternative for heat treatment of asbestos-containing slate. We intend to develop a pilot scale device that can simulate the high temperature environment of a cement kiln using a high temperature plasma reactor in this study. In addition, this reactor can be used to inactivate asbestos in the slate and to synthesize one of the minerals of cement, to confirm the possibility of recycling as a cement raw material. The high-temperature plasma reactor as a pilot scale experimental apparatus was manufactured by downsizing to 1/50 the size of an actual cement kiln. The experimental conditions for the deactivation test of the asbestos-containing slate are the same as the firing time of the cement kiln, increasing the temperature to 200-2,000℃ at 100℃ intervals for 20 minutes. XRD, PLM, and TEM-EDS analyses were used to characterize mineralogical characteristics of the slate before and after treatment. It was confirmed that chrysotile [Mg3Si2O5(OH)4] and calcite (CaCO3) in the slate was transformed into forsterite (Mg2SiO4) and calcium silicate (Ca2SiO4), a cement constituent mineral, at 1,500℃ or higher. Therefore, this study may be suggested the economically and safely inactivating large capacity asbestos-containing slate using a cement kiln and the inactivated slate via heat treatment can be recycled as a cement raw material.
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문제 정의
이를 토대로 반응기 내부의 최대 상승온도를 2,000 C로 설정하였으며, 플라즈마토치를 열원으로 사용하여 반응기 내부 온도를 상승시켰다. 고온 반응기의 내부 온도분포를 확인하기 위하여 플라즈마 발생기의 공정조건과 토치에서의 거리에 따른 영향을 평가하였다. 플라즈마 발생기의 공정조건은 플라즈마 파워, 공정가스의 유량으로 두 개의 공정조건의 변화에 따른 온도분포를 평가하였다.
반면, 플라즈마는 1,500 C까지승온 시키는데 10분 정도 소요되며 전류와 공정가스 유량에 따라 2,000 C까지 20분 정도에 도달할 수 있어 시멘트 소성로의 소성시간 및 소성온도 구현이 가능하다. 따라서, 시멘트 소성로의 고온 환경과 소성 시간을 동일하게 구현하기 위해 플라즈마를 이용한 고온 반응기를 개발하였으며, 개발된 플라즈마 고온반응기를 이용하여 폐슬레이트에 함유된 석면의 비활성화 가능성을 확인하고자 한다.
따라서, 이 연구에서는 플라즈마를 이용하여 시멘트 소성로의 고온 환경을 모사할 수 있는 중간 규모 (pilot scale)의 장치를 개발하고 이를 이용하여 폐슬레이트를 비활성화시키고 규산칼슘을 합성시킴으로써 추후 시멘트 소성로를 이용하여 슬레이트를 경제적으로 처리할 수 있는 방법의 가능성을 제시하고자 한다.
본 연구는 시멘트 소성로를 이용하여 슬레이트를 처리하기 위한 선행연구로써 소성로의 고온 환경을 모사한 플라즈마 고온반응기를 자체 개발하여 슬레이트 내 석면의 비활성화와 최종부산물의 재활용 가능성을 확인하기 위하여 수행되었다. 그 결과 플라즈마고온반응기를 자체 개발하여 시멘트를 생산할 때 소요되는 소성시간인 약 30분 내외의 짧은 시간 조건과 소성로 내 물체 온도 1,500 C, 가스온도 2,000 C 조건과 동일한 고온 환경을 구현하였으며, 20분 동안의 짧은 시간 동안 1,500 C 이상에서 슬레이트 내 백석면이 비활성화되고 시멘트 구성광물인 라나이트 (Ca2SiO4)이 합성된 것을 증명하였다.
제안 방법
또한, 투과전자현미경-에너지 분산 X-선 분광(Transmission Electron Microscope-Energy Dispersive Spectroscopy, TEM-EDS) 분석을 통해 슬레이트 내 석면의 결정구조의 변화와 형태변화를 확인하였다. TEM-EDS 분석은 1mg의 분말 시료를 에탄올 5mL와 혼합하여 분산을 시킨 후 탄소막의 구리격자(Cu grid)에 올려 Multi TEM(Phillips 사제 Tecnai F20)으로 가속전압 200kV 조건에서 관찰하였다.
X-선회절(X-ray diffraction) 분석에 사용된 기기는 X’Pert PRO Multi Purpose X-Ray Diffractometer이고 Cu-K선과 Ni-filter를 이용하였으며, 부정 방위 시료(random oriented mount)로 준비하여 분석하였다. 가속전압은 40kV, 전류는 30mA, 주사속도는 1-2° 2/분, 2=5-90°의 조건에서 실시하였다.
플라즈마 발생기의 공정조건은 플라즈마 파워, 공정가스의 유량으로 두 개의 공정조건의 변화에 따른 온도분포를 평가하였다. 공정조건 중 플라즈마 파워의 전류값은 80-120A, 플라즈마 가스유량은 20-100m /s의 조건에서 슬레이트의 열처리 및 석면의 비활성화 연구를 진행하였다. 플라즈마 발생기와의 거리와 전류 및 공정 가스 유량에 따라 온도가 달라졌다.
1)에 따른 시야평가법에 의한 정량분석 결과 슬레이트 내 백석면이 약 11% 함유된 것으로 확인되었다. 또한, TEM-EDS 분석을 통해 슬레이트 내 빈공관 형태(hollow tube)를 가지고 길이 5µm 이상, 종횡비 3:1 이상의 형태를 가진 규소, 마그네슘, 산소로 이루어진 전형적인 백석면을 확인하였다(Fig. 6). 이는 기존 Yoon et al.
1)에 따라 섬유의 형태(morphology), 굴절률(refractive Index), 다색성(pleochroism), 복굴절 (birefringence), 소광각(extinction angle), 신장 부호 (sign of elongation)와 분산염색(dispersion staining) 의 특징들을 통해 석면의 유무를 확인하였다. 또한, 투과전자현미경-에너지 분산 X-선 분광(Transmission Electron Microscope-Energy Dispersive Spectroscopy, TEM-EDS) 분석을 통해 슬레이트 내 석면의 결정구조의 변화와 형태변화를 확인하였다. TEM-EDS 분석은 1mg의 분말 시료를 에탄올 5mL와 혼합하여 분산을 시킨 후 탄소막의 구리격자(Cu grid)에 올려 Multi TEM(Phillips 사제 Tecnai F20)으로 가속전압 200kV 조건에서 관찰하였다.
플라즈마 발생기는 원뿔 형태의 음극 텅스텐 막대와 노즐 형태의 양극 사이에 일어나는 아크방전에 의하여 주입된 방전가스가 가열되어 고온 고속의 플라즈마 제트 형태로 분출되어 고온의 열을 발생시킨다. 반응기 끝단에 플라즈마 발생기 3기가 설치되어 있으며, 3개의 토치는 각각 50°의 각도를 이루고 있어 열원을 모아 줄 수 있도록 제작하였다. 반응기의 크기는 1, 600mm×100mm로 실제 시멘트 소성로 크기의 1/ 50로 축소하여 설계·제작하였으며, 반응기 내 온도 측정을 위해 8개의 온도센서(thermocouple, T.
반응기 끝단에 플라즈마 발생기 3기가 설치되어 있으며, 3개의 토치는 각각 50°의 각도를 이루고 있어 열원을 모아 줄 수 있도록 제작하였다. 반응기의 크기는 1, 600mm×100mm로 실제 시멘트 소성로 크기의 1/ 50로 축소하여 설계·제작하였으며, 반응기 내 온도 측정을 위해 8개의 온도센서(thermocouple, T.C)를 장착하여 반응기 내부 온도변화를 파악할 수 있도록 하였다. 플라즈마 발생기에서 가장 가까운 T.
분석은 슬레이트 조각의 온도에 따른 구성 광물 변화를 확인하기 위하여 X-선 회절(XRD) 분석을 실시하였다. X-선회절(X-ray diffraction) 분석에 사용된 기기는 X’Pert PRO Multi Purpose X-Ray Diffractometer이고 Cu-K선과 Ni-filter를 이용하였으며, 부정 방위 시료(random oriented mount)로 준비하여 분석하였다.
석면함유 슬레이트의 온도변화에 따른 상태변화를 관찰하기 위하여 플라즈마 고온반응기를 이용하여 200-2, 000 C까지 100 C 간격으로 온도를 급상승시켜 20분간의 짧은 열처리를 실시하여 슬레이트 내 광물 변화를 확인하였다. 열처리 실험시료의 XRD 분석 결과, 폐슬레이트 내 광물 조성 변화는 1,000 C 온도에서 슬레이트 주 구성광물 이었던 사문석, 방해석과 함께 사문석 중 일부가 상전이된 것으로 사료되는 JCPD card No.
가속전압은 40kV, 전류는 30mA, 주사속도는 1-2° 2/분, 2=5-90°의 조건에서 실시하였다. 슬레이트 내 석면의 존재 여부 및 석면광물의 종류를 확인하기 위하여 편광현미경(PLM) 분석을 통해 광학적 특성을 확인하였다. 편광현미경(Polarized Light Microscope, PLM) 분석에 사용된 기기는 Leica DM750P 이고 폐기물공정시험기준의 석면-편광현미경법(ES 06305.
슬레이트의 구성광물과 플라즈마를 이용한 열처리에 따른 광물의 종류 및 상변화를 알아보기 위한 분석을 위해 실험 전/후 사용된 모든 슬레이트 시료는 막 자와 막자사발을 이용하여 분쇄하였다. 전체 시료 중 75µm 체 위에 남아 있는 체 잔류물이 10% 이하가 될 때까지 막자사발과 막자를 이용하여 분쇄한 후 체를 통과한 시료를 분석하였다.
시멘트 소성로의 고온 환경을 모사하기 위해 실제 가동 중인 소성로 내부에 장착된 온도계(IS 210. IGA 210)를 이용하여 플라즈마 내 온도를 측정하였다. 소성로 내 측정한 온도 분포에 의하면 소성로 내부 물질 표면 온도(material-suface-top)는 약 1,500 C, 가스(gas) 온도는 약 2,000 C까지 상승하는 것을 확인할 수 있었다(Fig.
일반 대기 중에 건조된 슬레이트 조각(5cm×5cm)에 자체 설계 및 개발한 플라즈마 고온반응기의 전류와 공정가스 유량 조절을 통해 내부온도를 200-2,000 C까지 100 C 간격으로 다르게 하여 20분간 방전하였다. 실험 후 형성된 최종 부산물에 대하여 석면의 비활성화 및 광물학적 변화와 규산칼슘 형성 확인을 위해 분석을 실시하였다.
2). 이를 토대로 반응기 내부의 최대 상승온도를 2,000 C로 설정하였으며, 플라즈마토치를 열원으로 사용하여 반응기 내부 온도를 상승시켰다. 고온 반응기의 내부 온도분포를 확인하기 위하여 플라즈마 발생기의 공정조건과 토치에서의 거리에 따른 영향을 평가하였다.
발생한 폐슬레이트를 사용하였다. 일반 대기 중에 건조된 슬레이트 조각(5cm×5cm)에 자체 설계 및 개발한 플라즈마 고온반응기의 전류와 공정가스 유량 조절을 통해 내부온도를 200-2,000 C까지 100 C 간격으로 다르게 하여 20분간 방전하였다. 실험 후 형성된 최종 부산물에 대하여 석면의 비활성화 및 광물학적 변화와 규산칼슘 형성 확인을 위해 분석을 실시하였다.
막자사발을 이용하여 분쇄하였다. 전체 시료 중 75µm 체 위에 남아 있는 체 잔류물이 10% 이하가 될 때까지 막자사발과 막자를 이용하여 분쇄한 후 체를 통과한 시료를 분석하였다.
C를 시작으로 1-8번의 번호를 부여하였다. 플라즈마 발생기에서 T.C-1의 거리는 80mm, T.C-2에서 T.C-8까지 사이의 각각의 간격은 각각 175 mm이며, 고온에서의 온도를 측정하기 위하여 T.C의 종류를 T.C-1부터 T.C-4까지는 B type(100-1, 850 C)을 설치하였고, T.C-5부터 T.C-8까지는 R type(0-1, 650 C)을 설치하였다 (Fig. 1).
고온 반응기의 내부 온도분포를 확인하기 위하여 플라즈마 발생기의 공정조건과 토치에서의 거리에 따른 영향을 평가하였다. 플라즈마 발생기의 공정조건은 플라즈마 파워, 공정가스의 유량으로 두 개의 공정조건의 변화에 따른 온도분포를 평가하였다. 공정조건 중 플라즈마 파워의 전류값은 80-120A, 플라즈마 가스유량은 20-100m /s의 조건에서 슬레이트의 열처리 및 석면의 비활성화 연구를 진행하였다.
대상 데이터
, 2016)와는 다른 광물합성이 이루어진 것으로 사료된다. 본 실험 결과 합성된 라나이트(Ca2SiO4)는 시멘트 구성 성분인 벨라이트(Ca2SiO4)의 광물명이다. 이러한 결과는 슬레이트를 이용하여 1,500 C 이상에서 20 분 동안의 열처리 시 백석면의 비활성화와 동시에 시멘트 재료로 재활용이 가능하다는 점을 시사한다.
본 연구에 사용된 슬레이트는 석면 해체·제거 사업장에서 발생한 폐슬레이트를 사용하였다. 일반 대기 중에 건조된 슬레이트 조각(5cm×5cm)에 자체 설계 및 개발한 플라즈마 고온반응기의 전류와 공정가스 유량 조절을 통해 내부온도를 200-2,000 C까지 100 C 간격으로 다르게 하여 20분간 방전하였다.
이론/모형
이 연구에서는 플라즈마 고온반응기는 고온의 열을 발생시키는데 사용되는 비이송식 플라즈마 발생기 방식을 사용하였다. 고온플라즈마는 발생된 고온의 열손실을 최소화하여 폐슬레이트 내 석면의 비활성화 및 규산칼슘을 합성할 수 있는 반응기, 가스를 정량공급해주는 가스공급장치(mass flow controller), 전력을 공급하는 전원 공급기, 플라즈마 발생기와 반응기 외곽 냉각을 위한 냉각수 공급기로 구성된다.
슬레이트 내 석면의 존재 여부 및 석면광물의 종류를 확인하기 위하여 편광현미경(PLM) 분석을 통해 광학적 특성을 확인하였다. 편광현미경(Polarized Light Microscope, PLM) 분석에 사용된 기기는 Leica DM750P 이고 폐기물공정시험기준의 석면-편광현미경법(ES 06305.1)에 따라 섬유의 형태(morphology), 굴절률(refractive Index), 다색성(pleochroism), 복굴절 (birefringence), 소광각(extinction angle), 신장 부호 (sign of elongation)와 분산염색(dispersion staining) 의 특징들을 통해 석면의 유무를 확인하였다. 또한, 투과전자현미경-에너지 분산 X-선 분광(Transmission Electron Microscope-Energy Dispersive Spectroscopy, TEM-EDS) 분석을 통해 슬레이트 내 석면의 결정구조의 변화와 형태변화를 확인하였다.
성능/효과
9c). 1,500 C 열처리 시료에서 관찰한 주상의 광물에서는 백석면이 가지고 있는 빈공관 구조가 관찰되지 않으며(Fig. 9d, e), 광물의 끝은 뭉툭해졌고 표면에 동그란 입자가 붙어 있는 형상을 보였다. 화학조성은 Mg, Si, O로 구성되어 있었으며, 시멘트 성분인 Ca가 상대적으로 증가함을 보였다(Fig.
PLM 분석 결과, 신장축이 북동-남서 방향으로 놓였을 때 파란색, 북서-남동 방향으로 놓였을 때 노란색인 양(+)의 신장부호를 보이고(Fig. 5a, b), 1.550HD 굴절시약으로 전 처리한 시료에서 수평방향(∥)에서자홍색(magenta), 수직방향(⊥)에서 파란색(blue)의 분산염색 색상이 관찰됨으로써 사문석군의 백석면이 확인되었으며(Fig. 5c, d), 폐기물공정시험기준의 석면-편광현미경법(ES 06305.1)에 따른 시야평가법에 의한 정량분석 결과 슬레이트 내 백석면이 약 11% 함유된 것으로 확인되었다. 또한, TEM-EDS 분석을 통해 슬레이트 내 빈공관 형태(hollow tube)를 가지고 길이 5µm 이상, 종횡비 3:1 이상의 형태를 가진 규소, 마그네슘, 산소로 이루어진 전형적인 백석면을 확인하였다(Fig.
PLM 분석결과, 플라즈마 고온반응기를 이용한 열처리에 따라 슬레이트 내 백석면은 800 C 이상으로 온도가 증가할수록 광물 고유의 광학적 특성이 변질되는 경향을 보였으며, 변질된 백석면은 (+)의 신장부호가 ()-(+)의 범위의 신장부호를 보이기도 하며, 백석면의 분산염색 색상이 바뀌는 것으로 확인되었다.
3). 고온 반응기 성능평가를 통해 플라즈마 파워가 높아지고 가스 유량이 높아질수록 고온 반응기 내 온도가 상승하는 경향을 관찰할 수 있었으며, 전류 값보다 공정 가스 유량이 반응기 내 온도상승에 더 기여하는 것을 확인하였다. 이를 통해 플라즈마 고온반응기가 시멘트 소성로의 내부 환경과 유사한 고온환경을 구현하였음을 확인하였다.
확인하기 위하여 수행되었다. 그 결과 플라즈마고온반응기를 자체 개발하여 시멘트를 생산할 때 소요되는 소성시간인 약 30분 내외의 짧은 시간 조건과 소성로 내 물체 온도 1,500 C, 가스온도 2,000 C 조건과 동일한 고온 환경을 구현하였으며, 20분 동안의 짧은 시간 동안 1,500 C 이상에서 슬레이트 내 백석면이 비활성화되고 시멘트 구성광물인 라나이트 (Ca2SiO4)이 합성된 것을 증명하였다. 이러한 연구 결과는 추후 시멘트 소성로를 이용하여 대용량의 슬레이트를 경제적이고 안전하게 처리하고 최후부산물은 시멘트 원료로 재활용할 수 있는 가능성을 확인시켜준다.
34-0189의 고토감람석(Mg2SiO4, , )이 확인되었다. 또한 2=12.1°에서 7.32Å의 사문석 피크는 1, 400 C까지는 남아있었으나, 1,500 C 부터는사문석이 사라지고(Fig. 7b) 고토감람석(Mg2SiO4), 라나 이 트(Ca2SiO4, JCPDS card No. 00-024-0037), 고토 황장석(Ca2MgSiO2O7, JCPDS card No. 01-079-2425) 및 페리클레이스(MgO, JCPDS card No. 71-1176)로 광물이 상전이 됨을 확인하였다. 또한, 1, 800-2,000 C 온도에서는 고토감람석(Mg2SiO4), 라나 이 트(Ca2SiO4), 고토황장석(Ca2MgSi2O7)과 페리클레이스(MgO) 및 메르위나이트[Ca3Mg(SiO4)2, JCPDS card No.
본 연구결과는 열원을 전기로가 아닌 플라즈마 고온반응기로 사용한 결과로 열처리시 백석면이 탈 수화반응을 일으켜 고토감람석으로 상전이 되는 것은 기존 연구결과와 동일하나, 백석면이 무해화가 된 기준온도 및 열처리 시간과 최종 생성광물의 종류에 차이점이 있다. 전기로를 이용한 경우 백석면의 비활성화는 750-800 C 온도범위에서 최소 2시간 동안 열처리를 유지한 경우 가능하였지만, 플라즈마 고온반응기에서는 1,500 C에서 20분 동안 열처리를 유지한 경우 백석면의 완전한 비활성화가 이루어진다.
IGA 210)를 이용하여 플라즈마 내 온도를 측정하였다. 소성로 내 측정한 온도 분포에 의하면 소성로 내부 물질 표면 온도(material-suface-top)는 약 1,500 C, 가스(gas) 온도는 약 2,000 C까지 상승하는 것을 확인할 수 있었다(Fig. 2). 이를 토대로 반응기 내부의 최대 상승온도를 2,000 C로 설정하였으며, 플라즈마토치를 열원으로 사용하여 반응기 내부 온도를 상승시켰다.
8d). 슬레이트 내 석면이 확인된 1, 400 C 시료와 주상의 광물이 존재하나 백석면이 검출되지 않은 1,500 C 시료에 대하여 석면 유무를 재확인하기 위해 TEM-EDS 분석한 결과, 1, 400 C 시료에서 섬유 내부가 비어있는 빈공관(hollow tube) 구조의 백석면 형태의 광물을 확인할 수 있었으며(Fig. 9a, b), EDS 분석을 통한 화학조성 분석 결과, Mg, Si, O의 성분을 가진 백석면으로 확인되었고 검출된 Ca 성분은 입자 표면에 부착된 슬레이트의 시멘트 성분으로 판단된다(Fig. 9c). 1,500 C 열처리 시료에서 관찰한 주상의 광물에서는 백석면이 가지고 있는 빈공관 구조가 관찰되지 않으며(Fig.
실험에 사용된 폐슬레이트 원시료의 XRD 분석 결과, 폐슬레이트는 2=12.1°와 24.5°에서 각각 7.32, 3.64Å 저면간격(d-spacing)의 사문석(JCPDS card No. 00-027-1276)과 2=29.4°와 48.5° 및 47.5°에서 각각 3.03, 1.88, 1, 91Å 저면간격의 방해석(JCPDS card No. 01-081-2027)으로 구성되어 있는 것으로 확인되었다(Fig. 4).
확인하였다. 열처리 실험시료의 XRD 분석 결과, 폐슬레이트 내 광물 조성 변화는 1,000 C 온도에서 슬레이트 주 구성광물 이었던 사문석, 방해석과 함께 사문석 중 일부가 상전이된 것으로 사료되는 JCPD card No. 34-0189의 고토감람석(Mg2SiO4, , )이 확인되었다. 또한 2=12.
본 실험 결과 합성된 라나이트(Ca2SiO4)는 시멘트 구성 성분인 벨라이트(Ca2SiO4)의 광물명이다. 이러한 결과는 슬레이트를 이용하여 1,500 C 이상에서 20 분 동안의 열처리 시 백석면의 비활성화와 동시에 시멘트 재료로 재활용이 가능하다는 점을 시사한다. 시멘트 소성로의 열처리 조건 및 환경과 유사하게 제작한 장치인 플라즈마 고온반응기를 이용한 슬레이트의 열처리 실험에서 도출한 광물학적 연구결과는 추후 시멘트 소성로를 이용하여 슬레이트의 비활성화 및 재활용 가능성을 보여준다.
이러한 분석결과를 통해 플라즈마를 이용하여 슬레이트를 20분간 열처리한 경우 약 1,500 C에서 백석면이 비활성화되어 관찰되지 않고, 슬레이트의 열처리 산물은 백석면이 상전이 된 고토감람석과 함께 시멘트의 구성광물인 라나이트(Ca2SiO4)가 형성됨을 확인할 수 있었다.
고온 반응기 성능평가를 통해 플라즈마 파워가 높아지고 가스 유량이 높아질수록 고온 반응기 내 온도가 상승하는 경향을 관찰할 수 있었으며, 전류 값보다 공정 가스 유량이 반응기 내 온도상승에 더 기여하는 것을 확인하였다. 이를 통해 플라즈마 고온반응기가 시멘트 소성로의 내부 환경과 유사한 고온환경을 구현하였음을 확인하였다.
플라즈마 발생기와의 거리와 전류 및 공정 가스 유량에 따라 온도가 달라졌다. 플라즈마 발생기와 가까운 T.C-1이 가장 높은 온도를 나타냈으며, 플라즈마 발생기에서 거리가 멀어질수록 온도는 1692 C-61 C의 완만한 곡선의 온도변화를 나타내며 하강하였다. 다만, T.
플라즈마 열처리한 시료에서 백석면은 1, 300-1, 400 C까지 잔존 하였으며(Fig. 8a, b), 1,500 C에 이르러서야 백석면이 관찰되지 않았고 백석면의 광학적 성질이 변질된 광물이 주상으로 일부 남아 있음을 확인하였다(Fig. 8c). 1, 600 C에서는 주상의 광물도 확인되지 않았다(Fig.
후속연구
이러한 결과는 슬레이트를 이용하여 1,500 C 이상에서 20 분 동안의 열처리 시 백석면의 비활성화와 동시에 시멘트 재료로 재활용이 가능하다는 점을 시사한다. 시멘트 소성로의 열처리 조건 및 환경과 유사하게 제작한 장치인 플라즈마 고온반응기를 이용한 슬레이트의 열처리 실험에서 도출한 광물학적 연구결과는 추후 시멘트 소성로를 이용하여 슬레이트의 비활성화 및 재활용 가능성을 보여준다.
그 결과 플라즈마고온반응기를 자체 개발하여 시멘트를 생산할 때 소요되는 소성시간인 약 30분 내외의 짧은 시간 조건과 소성로 내 물체 온도 1,500 C, 가스온도 2,000 C 조건과 동일한 고온 환경을 구현하였으며, 20분 동안의 짧은 시간 동안 1,500 C 이상에서 슬레이트 내 백석면이 비활성화되고 시멘트 구성광물인 라나이트 (Ca2SiO4)이 합성된 것을 증명하였다. 이러한 연구 결과는 추후 시멘트 소성로를 이용하여 대용량의 슬레이트를 경제적이고 안전하게 처리하고 최후부산물은 시멘트 원료로 재활용할 수 있는 가능성을 확인시켜준다.
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