[논문]무해화 처리 폐석면의 재활용에 관한 기초연구

김태형; 송태협; 신현규; 장경필

doi:10.14190/jrcr.2020.8.2.161

무해화 처리 폐석면의 재활용에 관한 기초연구
A Study on the Recycling of Detoxified Waste Asbestos 원문보기

Journal of the Korean Recycled Construction Resources Institute = 한국건설순환자원학회 논문집, v.8 no.2, 2020년, pp.161 - 166

김태형 (한국건설기술연구원 국민생활연구본부) , 송태협 (한국건설기술연구원 국민생활연구본부) , 신현규 (한국산업기술시험원 재료기술센터) , 장경필 (한국건설기술연구원 국민생활연구본부)

초록
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현재의 석면의 문제는 사용단계에서의 공기 중 석면의 비산 없이 안정적으로 사용하는 문제, 해체단계에서 석면 비산을 최소화하여 해체하는 문제, 해체된 폐석면 건축자재를 안정적으로 최종 처리 하느냐의 문제이다. 석면 폐기물의 처리는 매립 또는 부분적 응용처리 등과 같이 구분할 수 있다. 석면 건축자재를 무해화 하면, 이를 일반 폐기물로 분류하거나 또는 재활용 가능 폐기물로 분류가 가능할 것이다. 따라서 본 연구는 무해화 처리한 폐석면 분체의 물리, 화학적 특성 분석 이를 활용한 2차 제품 적용성을 평가하였다. 본 연구를 통하여 중 저온 화학적 처리를 통핸 석면 무해화 시 촉매반응을 위한 적정한 온도와 압력을 가하는 것이 가장 중요한 요소인 것으로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

In accordance with the amendment of the Industrial Safety and Health Act of 2007, Korea completely prohibited the import, distribution and manufacture of asbestos like Europe and Japan. Accordingly, the current problem of asbestos is the safe maintenance and disposal of asbestos construction material, the disposal of asbestos, and the final disposal of asbestos building materials. If the asbestos building material is made harmless, it may be classified as general waste or as recyclable waste. Therefore, this study evaluated the physical and chemical characterization of detoxified asbestos powder and the applicability of secondary products. In this study, it was found that applying the appropriate temperature and pressure for catalysis during asbestos desalination through low temperature chemical treatment was the most important factor.

주제어

표/그림 (12)

그림 Fig. 1. Lab.scale simple equipment
그림 Fig. 2. Experimental equipment of detoxification catalysis
그림 Fig. 3. Experimental material of detoxification catalysis
그림 Fig. 4. Before detoxification treatment(magnification ~3.00 kx)
그림 Fig. 5. After detoxification treatment(magnification ~12.4 kx)
그림 Fig. 6. Qualitative analysis of detoxification before and after
그림 Fig. 7. Extrusion test using harmless asbestos
표 Table 1. Mixing design
그림 Fig. 8. Flexural strength test
그림 Fig. 9. Measurement of absorbance
표 Table 2. Flexural strength test results
표 Table 3. Absorption analysis by case

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구는 무해화 처리한 폐석면 분체의 물리, 화학적 특성을 분석하고, 이를 활용한 2차 제품 적용성 검토를 목적으로 한다.
본 연구에서는 무해화 처리한 폐석면 분체의 물리, 화학적 특성을 분석하고, 이를 활용한 2차 제품 적용성에 관한 기초연구 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

제안 방법

Fig. 4와 같이 무해화 처리 전 실타래 같은 백석면의 침상형태가 처리 후 Fig. 5의 모습과 같이 화학적 반응을 통해 육각 능면체 형상으로 변형된 걸 확인하였다.
건물 해체 현장으로부터 조달된 폐석면 슬레이트를 분쇄하고, 이를 약산(옥살산, 아세트산 등)과 혼합한 시료를 밀폐하여 촉매 실험 할 수 있다. 간이 설비 외부에는 압력 유지를 위하여 직접 가열을 통하여 온도를 상승시키며 최대 200℃ 정도 까지 온도를 상승시킬 수 있는 것으로 확인되었으며, 압력은 3atm까지 버틸 수 있도록 설계하였다. 압력과 온도를 확인할 수 있도록 압력계와 온도계를 외부 연결하였으며, CO₂ 투입이 가능하도록 하였다.
히팅맨틀(Heating mentle)을 통해 플라스크 내 옥살산수용액과 폐슬레이트 혼합한 시료에 간접가열 및 교반를 통하여 반응을 활성화하였다. 내부온도센서를 통해 옥살산 폐슬레스트 혼합 시료의온도를 확인하였으며, 냉각기를 통해 수분 증발에 의한 옥살산 폐슬레이트 혼합 시료의 농도 변화를 방지하였다. 또한, 각 장치 이음새의 마감을 통해 유출을 방지하였다.
분상의 탈크 및 물유리는 섬유 분쇄 과정에서 사전에 함유시켰다. 따라서 배합3~ 배합6까지의 볏짚의 함유 질량은 0.34kg으로 적용하였고, 증점제인 MC의 사용량은 0.5%를 적용하였다.
또한, Lab-scale 실험을 통해 파분쇄 과정과 산 및 열처리를 거쳐 무해화된 소재를 대상으로 단체규격 KTL L 132에 따라 시험을 진행하였으며, 규격 내 시험 항목은 총 네 가지 항목으로 석면 함유량, 함수율, 입도, 유해물질 용출량에 대한 시험 방법 및 품질기준을 규정하고 있다.
내부온도센서를 통해 옥살산 폐슬레스트 혼합 시료의온도를 확인하였으며, 냉각기를 통해 수분 증발에 의한 옥살산 폐슬레이트 혼합 시료의 농도 변화를 방지하였다. 또한, 각 장치 이음새의 마감을 통해 유출을 방지하였다.
기존 배합에 사용하는 모래는 적용하지 않으며, 폴리프로필렌과 펄프는 기존 배합의 구성에 적용하였다. 또한, 보강섬유로 볏짚 분쇄 섬유를 적용하지만 전체 총 섬유 용적을 고려하여 볏짚 사용량을 조정하였다. 분상의 탈크 및 물유리는 섬유 분쇄 과정에서 사전에 함유시켰다.
이는 침상을 가지는 석면에 비산방지제가 결합되어 침상의 형상을 비대화시켜 비산이 되지 못하도록 하는 원리로 현재 일본 및 국내에서 일부 제품이 생산되고 있다. 본 연구에서는 화학적 처리와 함께 물리적 방법으로 석면을 전처리하고 그 후에 탄산화를 진행시킴으로써 무해화하는 방식으로 진행하였다. 본 연구에서는 무해화 처리 석면의 범위를 밀도범위 1.
석면의 물리적 처리에 의한 무해화 처리를 위하여 백석면에 OPC(Ordinary Portland Cement)를 반응시켜 경화체를 제조한 후비산방지제를 도포하고 그 시료를 이용하여 탄산화를 수행하였다. 비산방지제는 석면을 함유하고 있는 건축자재 등에 도포함으로써 석면의 비산을 억제하여 철거 및 해체 등을 하지 않고도 석면을 간접적으로 무해화시키는 역할을 하는 것으로 알려져 있다.
압출성형 패널의 휨강도 시험은 KS F 2408(콘크리트의 휨 강도시험방법) 으로 콘크리트보에 휨모멘트를 가하여 파괴시켜 인장측에 생기는 휨강도를 측정하였다. 시험방법은 단순보의 3등분점 중앙점 하중장치에 의한 휨강도 시험을 행하는 것이며, 우선적으로 위아래에 지시블록 가압판을 장치하여 옆면을 위아래의 면으로 하여 지지블록들의 중심에 공시체의 중심이 오도록 한다. 이후 하중을 가할 두 지지블록의 3등분점에서 공시체의 상측과 접촉해 파괴하중의 약 50~60%까지 빠른 속도로 하중을 가하며, 최대휨 압축응력의 증가가 매분 10㎏/㎠을 초과하지 않도록 하중을 가한다.
실험 특성으로 결합재 중 시멘트 사용량과 바인더(실리카분말) 사용량을 각각 20%, 10% 감소시켰으며, 대체 혼화재료인 플라이 애쉬(FA) 중의 CaO 함량 및 SiO₂ 함량을 고려하여 전체적인 CaO 및 SiO₂ 공급량을 조정하였다. 기존 배합에 사용하는 모래는 적용하지 않으며, 폴리프로필렌과 펄프는 기존 배합의 구성에 적용하였다.
간이 설비 외부에는 압력 유지를 위하여 직접 가열을 통하여 온도를 상승시키며 최대 200℃ 정도 까지 온도를 상승시킬 수 있는 것으로 확인되었으며, 압력은 3atm까지 버틸 수 있도록 설계하였다. 압력과 온도를 확인할 수 있도록 압력계와 온도계를 외부 연결하였으며, CO₂ 투입이 가능하도록 하였다. 위와 같이 온도와 압력을 설계에 반영한 것은 옥살산(C₂H₂O₄ )이 상온에서 고체상태 이며, 흡습성이 있어 옥살산이수화물(C₂H₂O₄·2H₂O)의 형태이다.
압출성형 패널의 물리적 성능평가 항목은 ①휨강도, ②밀도, ③ 흡수율, ④미세구조 분석으로 설정하였다. 아래와 같이 각 항목별 세부적 평가내용에 대하여 분석하였다.
옥살산을 통한 폐슬레이트 내 석면 무해화 실험에 앞서, 150℃온도에서 히팅맨틀을 통한 옥살산 수용액의 활용 가능성을 판단하고자 ①저농도의 1N 옥살산 수용액(약 4.5wt.%)과 ②고농도의 71%옥살산 수용액을 가열했을 경우의 온도변화 및 플라스크 내 압력변화 테스트를 진행하였다.
위의 8개 배합설계를 대상으로 압출성형 패널 실험(각 배합 당 2개)을 진행하였다. 압출실험 단면은 40mm*50mm 4각 제품(중공형 1구 또는 2구)으로 하였으며, 상부 단면계수를 산출하였다.
이후 정성분석 결과를 토대로 석면 종류에 따라 적합한 굴절시약을 선택하여 처리하여 슬라이드 위에 존재하는 모든 석면 물질의 함량을 면적(area)%로 계산하였다.
편광현미경법(PLM)에 의한 석면의 분석과정은 시료의 전처리, 정성분석, 정량분석의 순으로 진행되었다. 전처리 과정에서 섬유 여부를 확인 후 정성분석을 통해 석면물질의 형태, 색깔, 복굴절, 소광특성, 신장률 부호, 분산색 등 섬유나 광물의 광학 특성을 분석하여 석면의 정성분석을 진행하였다.
파괴단면에서의 평균폭과 두께를 1㎜정도까지 측정하였다.
편광현미경법(PLM)에 의한 석면의 분석과정은 시료의 전처리, 정성분석, 정량분석의 순으로 진행되었다. 전처리 과정에서 섬유 여부를 확인 후 정성분석을 통해 석면물질의 형태, 색깔, 복굴절, 소광특성, 신장률 부호, 분산색 등 섬유나 광물의 광학 특성을 분석하여 석면의 정성분석을 진행하였다.
히팅맨틀(Heating mentle)을 통해 플라스크 내 옥살산수용액과 폐슬레이트 혼합한 시료에 간접가열 및 교반를 통하여 반응을 활성화하였다. 내부온도센서를 통해 옥살산 폐슬레스트 혼합 시료의온도를 확인하였으며, 냉각기를 통해 수분 증발에 의한 옥살산 폐슬레이트 혼합 시료의 농도 변화를 방지하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 무해화 처리 석면의 범위를 밀도범위 1.2±0.2g/cm3 을 가지고 있는 건축자재를 대상으로 하고 있다.
위의 8개 배합설계를 대상으로 압출성형 패널 실험(각 배합 당 2개)을 진행하였다. 압출실험 단면은 40mm*50mm 4각 제품(중공형 1구 또는 2구)으로 하였으며, 상부 단면계수를 산출하였다. 단면계수는 보(beam)에 외력이 가해져서 변형이나 변형력이 일어날 경우 이를 계산하는 데 쓰이는 계수를 말하며, 이는 단면의 형태에 의해서 정해지는 상수이다.
처리공정 단계는 석면 건축자재의 파분쇄→촉매제 분산 등의 전처리→무해화 처리→건조화 및 포장 공정으로 구분할 수 있다. 폐석면 무해화 처리를 위한 Lab.scale의 간이 설비를 제작하였다(FIg. 1). 건물 해체 현장으로부터 조달된 폐석면 슬레이트를 분쇄하고, 이를 약산(옥살산, 아세트산 등)과 혼합한 시료를 밀폐하여 촉매 실험 할 수 있다.

이론/모형

또한, 국내 석면 분석기관 중 X-선 회절분석에 의한 성적서 발급 기관이 없는 상태이기 때문에 폐기물공정시험기준 석면-편광현미경법(ES 063005.1)에 의한 석면 함유량을 분석하였다.
압출성형 패널의 휨강도 시험은 KS F 2408(콘크리트의 휨 강도시험방법) 으로 콘크리트보에 휨모멘트를 가하여 파괴시켜 인장측에 생기는 휨강도를 측정하였다. 시험방법은 단순보의 3등분점 중앙점 하중장치에 의한 휨강도 시험을 행하는 것이며, 우선적으로 위아래에 지시블록 가압판을 장치하여 옆면을 위아래의 면으로 하여 지지블록들의 중심에 공시체의 중심이 오도록 한다.

성능/효과

1) 폐기물공정시험기준 석면-X선 회절기법에 따라 시험을 진행한 결과 무해화 처리 시료의 석면 함유량은 0.083%로 본 연구의 목표인 석면 함유량 0.1% 이하 기준에 만족하였으며, PLM법에 따른 무해화 처리된 시료의 석면 함유량 시험 결과도 석면 불검출로 기준을 만족하였다.
2) 무해화 석면 분체가 혼입된 압출성형 패널의 휨강도 시험결과 KS 기준의 휨강도는 14MPa을 만족하는 배합은 없었으며, 가장 높은 강도를 나타낸 배합 7이 11.69MPa로 KS 기준에 다소 못 미치는 것으로 나타났다. 하지만 모든 배합의 흡수율은 18% 이하로 KS 기준을 만족하는 것으로 나타났다.
단체규격(KTL L 132)에서 석면 함유량 시험은 폐기물공정시험기준 석면-X선 회절기법(ES 06305.2)에 따라 시험을 진행한 결과 무해화 처리 시료의 석면 함유량은 0.083%로 본 연구의 목표인 석면 함유량 0.1% 이하 기준에 만족하였다.
따라서, 옥살산의 분해로 인한 내부 압력을 견딜 수 있으며, 내산성을 가진 재질의 반응기가 필요한 것으로 나타났다. 또한, 350℃ 물의 포화증기압은 약 165 bar인 점과 옥살산의 산성을 고려하여 적정 반응기의 제작이 요구되었다.
전반적으로 흡수율을 조립률이 커질수록 감소하는 것으로 나타났는데, 이는 조립률이 커질수록 양호한 다짐으로 조직의 치밀화 및 물이 접합 수 있는 비표면적이 작아진 것에 기인한 것으로 분석되었다. 또한, 바인더 종류별로 거의 차이가 없는 것으로 나타났으나, FA와 straw, talc 등을 혼입한 경우 re-fiber와 PP를 혼입한 경우보다 흡수율이 크게 나타났다.
모든 배합의 흡수율은 18% 이하로 KS 기준을 만족하는 것으로 나타났다. 전반적으로 흡수율을 조립률이 커질수록 감소하는 것으로 나타났는데, 이는 조립률이 커질수록 양호한 다짐으로 조직의 치밀화 및 물이 접합 수 있는 비표면적이 작아진 것에 기인한 것으로 분석되었다.
전반적으로 흡수율을 조립률이 커질수록 감소하는 것으로 나타났는데, 이는 조립률이 커질수록 양호한 다짐으로 조직의 치밀화 및 물이 접합 수 있는 비표면적이 작아진 것에 기인한 것으로 분석되었다. 또한, 바인더 종류별로 거의 차이가 없는 것으로 나타났으나, FA와 straw, talc 등을 혼입한 경우 re-fiber와 PP를 혼입한 경우보다 흡수율이 크게 나타났다.
반면에 무해화 처리 후 시료의 PLM 사진의 경우 산에 의한 화학적 변형 및 열변성 등으로 인한 백석면 고유의 광학적 특성이 소실된 것을 확인할 수 있었다(Fig. 6(b))
압출성형 패널의 휨강도 시험 결과 KS 기준의 휨강도는 14MPa을 만족하는 배합은 없었으며, 가장 높은 강도를 나타낸 배합 7이 11.69MPa로 KS 기준에 다소 못 미치는 것으로 나타났다. 배합3~ 배합6까지 배합의 조정을 통해 KS 기준을 충족시킬 수 있도록 보완한 후 재실험을 진행 중이다.
6은 무해화 처리 전·후 시료의 편광현미경 분석 결과를 비교한 결과이며, 무해화 처리 전 시료의 석면함유량 6%에서 무해화 처리 후 석면 불검출로 나타났다. 외부기관을 통해 PLM법에 따른 무해화 처리된 시료의 석면 함유량 시험 의뢰 결과를 제시하였으며, 결과는 석면 불검출로 기준을 만족하였다.
옥살산 이수화물 분말 40g을 플라스크에 넣고 교반 및 가열하여 약 105℃ 부근에서 녹기 시작하여 71%(이론농도) 옥살산 수용액을 형성하였다. 이후 옥살산 수용액의 온도가 140~150℃ 사이에서 끓기 시작하여 과량의 증기(일산화탄소, 이산화탄소)가 발생하고, 냉각기 상부에 증기 방출을 막기 위해 장착한 유리마개가 플라스크 내부 압력에 의해 날아가는 현상이 발생하여 안전성을 고려해야 된다고 판단되었다.
모든 배합의 흡수율은 18% 이하로 KS 기준을 만족하는 것으로 나타났다. 전반적으로 흡수율을 조립률이 커질수록 감소하는 것으로 나타났는데, 이는 조립률이 커질수록 양호한 다짐으로 조직의 치밀화 및 물이 접합 수 있는 비표면적이 작아진 것에 기인한 것으로 분석되었다. 또한, 바인더 종류별로 거의 차이가 없는 것으로 나타났으나, FA와 straw, talc 등을 혼입한 경우 re-fiber와 PP를 혼입한 경우보다 흡수율이 크게 나타났다.
69MPa로 KS 기준에 다소 못 미치는 것으로 나타났다. 하지만 모든 배합의 흡수율은 18% 이하로 KS 기준을 만족하는 것으로 나타났다. 바인더 종류별로 거의 차이가 없는 것으로 나타났으나, FA와 straw, talc 등을 혼입한 경우 re-fiber와 PP를 혼입한 경우보다 흡수율이 크게 나타났다.

후속연구

석면 건축자재를 무해화 하면, 이를 일반 폐기물로 분류하거나 또는 재활용 가능 폐기물로 분류가 가능할 것이다.
저농도 옥살산 수용액의 테스트 결과 100℃ 이후 수분 증발에 의한 플라스크 내 압력은 냉각기를 통한 응축에 의해 해소가 가능하였으나, 옥살산 수용액의 온도는 최대 105℃로 향후 목표 온도인 350℃의 도달에 한계가 있었다.

참고문헌 (8)

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상세보기
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저자의 다른 논문 :

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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