[논문]화력발전소 바닥재의 수용성 금속이온 용출가능성 조사

서효식; 고동찬; 최한나

doi:10.7857/jsge.2022.27.1.039

화력발전소 바닥재의 수용성 금속이온 용출가능성 조사
Investigation on the Leaching Potential of Water-Soluble Metals from Bottom Ashes in Coal-fired Power Plants 원문보기

지하수토양환경 = Journal of soil and groundwater environment, v.27 no.1, 2022년, pp.39 - 49

서효식 (한국지질자원연구원 기후변화대응본부 지하수환경연구센터) , 고동찬 (한국지질자원연구원 기후변화대응본부 지하수환경연구센터) , 최한나 (한국지질자원연구원 기후변화대응본부 지하수환경연구센터)

Abstract ▼ AI-Helper

Bottom ash generated from thermal power plants is mainly disposed in landfills, from which metals may be leached by infiltrating water. To evaluate the effect of metals in leachate on soil and groundwater, we characterized bottom ash generated from burning cokes, bituminous coal, the mixture of bituminous coal and wood pellets, and charcoal powder. The bottom ash of charcoal powder had a relatively large particle size, and its wood texture was well-preserved from SEM observation. The bottom ash of charcoal powder and wood pellets had relatively high K concentration from total element analysis. The eluates of the bottom ash samples had appreciable concentrations of Ca, Al, Fe, SO4, and NO3, but they were not a significant throughout the batch test. Therefore, it is considered that there is low possibility of soil and groundwater contamination due to leaching of metal ions and anions from these bottom ash in landfills. To estimate the trend of various trace elements, long-term monitoring and additional analysis need to be performed while considering the site conditions, because they readily adsorb on soil and aquifer substances.

주제어

표/그림 (8)

그림 Fig. 1. Powder image of bottom ashes (A), and prepared GE-1, GE-2, and GE-3 samples for dual batch test (B).
표 Table 1. Classification of samples following by German soil systematics
그림 Fig. 2. SEM images of bottom ash from GE-1 (charcoal powder), GE-2 (cokes), and GE-4 (mixed flaming coal and wood pellets).
표 Table 2. Surface chemical composition of GE-1, GE-2, and GE-3 by SEM-EDS(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy) with % unit
표 Table 3. Concentrations of total elemental analysis with mg/L unit
그림 Fig. 3. Effluent concentration of (a) GE-1 (bottom ash of charcoal powder) 1.00 g, (b) GE-2 (bottom ash of cokes) 1.00 g, and (c) GE-3 (bottom ash of mixed flaming coal and wood pellets) 1.00 g.
표 Table 4. Regulations of contaminants and their maximum contaminant levels in water by usage with mg/L unit (Korea)
표 Table 5. Concentration of ionic components during the batch test (GE-1, GE-2, and GE-3) at each sampling point

AI 본문요약
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문제 정의

이 연구는 국내 화력발전소에서 연소물의 종류에 따라 침적된 바닥재를 불포화대에 매립하고 상부에 일부 토양을 복토하는 경우, 강수와 반응한 금속이 용출되어 토양 및 지하수 환경에 미칠 수 있는 영향을 조사하고자 하였으며, 결론은 다음과 같다.
이 연구는 매립지 바닥재의 금속이온 및 음이온 성분의 강우에 대한 용출가능성 평가를 수행하였다. 대조군으로는 강원도 C 숯가마 공장의 바닥재를 사용하여 바닥재와 혼합연소하는 바이오매스의 특성을 이해하고자 하였으며, 종류별 바닥재 표면의 물리화학적 특성 및 총함량을 비교하였다.

제안 방법

바닥재의 총함량 분석(total elemental analysis) 에서는숯가루의 바닥재(GE-1), 코크스의 바닥재(GE-2), GE -3(유연탄 및 목재펠릿의 혼합연료의 바닥재) 외에도 추가적으로 유연탄의 바닥재(GE-4)를 측정하였다. GE-3에 대조하여, 혼합연료 중 유연탄에서 기원할 수 있는 성분을 확인하고자 GE-4(유연탄 연소 바닥재)에 대하여 총함량 분석을 수행하였다(Table 3).
3으로 조절한 용매(증류수)를 활용하였으며, 1L의 증류수를 유리비커(Pyrex, Borofloat) 에담아 4 종류의 GE시료를 1g씩 각각 혼합하였다. 각 배치는 두 세트(duplicate)씩 준비하여 96 시간동안 반응(시료 채취 간격은 10, 20, 30, 40, 50, 60 분, 1, 1.5, 2, 3, 6, 12, 24, 48, 96 시간)시켰다(Fig. 1(b)).
이 연구는 매립지 바닥재의 금속이온 및 음이온 성분의 강우에 대한 용출가능성 평가를 수행하였다. 대조군으로는 강원도 C 숯가마 공장의 바닥재를 사용하여 바닥재와 혼합연소하는 바이오매스의 특성을 이해하고자 하였으며, 종류별 바닥재 표면의 물리화학적 특성 및 총함량을 비교하였다. 초기 용출성분과 장시간 반응에 따른 미량성분에 대한 정확한 이해가 있다면, 바닥재의 매립 및 재활용 시 토양·지하수 환경에 미칠 수 있는 직접적인 물리·화학적 영향을 최소화 할 수 있을 것이다.
따라서 이들 성분은 바닥재와 마찬가지로 매립지 주변의 토양·지하수 환경에 영향을 미칠 수 있을 것으로 판단하여 자연기원 연소물의 용출 가능성분을 보여주는 대조군으로 활용하였다.
매립된 바닥재로부터 강우사건 시 수용성 금속이 용출될 수 있는지 토양·지하수 오염 가능성을 평가하기 위하여 강수와의 반응을 모사하기 위한 배치테스트를 진행하였다
바닥재의 기본적인 물리화학적 조성을 분석하기 위해 서울대학교 기초과학공동기기원의 주사전자현미경(SEM: JSM-7100F, JEOL Ltd., USA)과 에너지분산형 분광분석 (EDS: Aztec Software, Oxford Instruments, UK) 장비를이용하여 표면을 관찰하였다. 시료의 표면은 백금으로 코팅(Sputter Coater 108 auto, Cressington, UK)하여 전자현미경 분석을 하는 동안 시료가 이온화 되는 것을 억제하고자 전처리하였다.
바닥재의 총함량 분석(total elemental analysis) 에서는숯가루의 바닥재(GE-1), 코크스의 바닥재(GE-2), GE -3(유연탄 및 목재펠릿의 혼합연료의 바닥재) 외에도 추가적으로 유연탄의 바닥재(GE-4)를 측정하였다. GE-3에 대조하여, 혼합연료 중 유연탄에서 기원할 수 있는 성분을 확인하고자 GE-4(유연탄 연소 바닥재)에 대하여 총함량 분석을 수행하였다(Table 3).
대조군으로는 숯공장에서 연소 후 냉각 침전된 숯가루를 사용하였으며, 해당 물질은 자연기원 연소물로서 목재펠릿과 연소특성을 비교할 수 있을 것으로 판단하였다. 연소물의 종류에 따라 바닥재의 투수성과 침출 가능한 수용성 금속성분 및 이온성분을 비교하고자 표면분석, 총함량분석, 용출실험을 수행하였다. 표면분석은 물리 화학적 특성을 확인하고자 입도, SEM, EDS 분석을 수행하였으며, 총함량분석을 통해 화학적 전성분과 수용성 성분의 존재와 함량을 판단하고자 하였다.
연소물의 종류에 따라 바닥재의 투수성과 침출 가능한 수용성 금속성분 및 이온성분을 비교하고자 표면분석, 총함량분석, 용출실험을 수행하였다. 표면분석은 물리 화학적 특성을 확인하고자 입도, SEM, EDS 분석을 수행하였으며, 총함량분석을 통해 화학적 전성분과 수용성 성분의 존재와 함량을 판단하고자 하였다. 용출 성분은 연속 추출실험과 비교하여도 타당한 이론적 연관성이 있는 배치 테스트(John et al.

대상 데이터

, 2018)을 유연탄과 혼합제작한 연료(flaming coal and wood pellets)를 사용하여 실험하였다. 대조군으로는 숯공장에서 연소 후 냉각 침전된 숯가루를 사용하였으며, 해당 물질은 자연기원 연소물로서 목재펠릿과 연소특성을 비교할 수 있을 것으로 판단하였다. 연소물의 종류에 따라 바닥재의 투수성과 침출 가능한 수용성 금속성분 및 이온성분을 비교하고자 표면분석, 총함량분석, 용출실험을 수행하였다.
연구에서 사용한 바닥재는 유연탄(flaming coal, namely, bituminous coal), 코크스(cokes), 그리고 대체에너지로 주목 받고 있으며 공시재료로 안정성 있는 바이오매스인 목재펠릿(Yang et al., 2018)을 유연탄과 혼합제작한 연료(flaming coal and wood pellets)를 사용하여 실험하였다. 대조군으로는 숯공장에서 연소 후 냉각 침전된 숯가루를 사용하였으며, 해당 물질은 자연기원 연소물로서 목재펠릿과 연소특성을 비교할 수 있을 것으로 판단하였다.
이 연구에서 사용한 숯가루의 바닥재(GE-1)는 강원도 C 숯가마 공장의 분진 포집장치에서 채취하였다. 숯가마공장의 숯가루와 탄화폐기물은 고도처리 후 재활용, 혹은 폐기물 전문업체를 통한 처리가 이뤄지지만, 소형작업장 등에서 발생된 폐기물은 처리 전 매립적치 되는 경우도 존재한다.

데이터처리

바닥재 시료들의 주요이온 및 미량이온 성분들의 함량분석은 한국기초과학지원연구원 오창 본원에 전성분 분석을 의뢰하였다. 전처리를 통해 분리 및 회수된 바닥재의 성분에 대하여는 다검출기 유도결합플라즈마 질량분석기(MC-ICP-MS, AXIOM MC model, Thermo Elemental Ltd)를 활용하여 분석이 이루어졌다.
시료의 입도분포 균질성을 판단하고자 연세대학교의 이과대학 공동기기실 Mastersizer 2000 장비(MS2000, Malvern, software version v5.60)를 사용하여 각 고체 시료의 직경을 측정하였으며 실험은 세 번 수행(triplicate)하여 평균값을 사용하였다. 입도분석은 1L의 증류수에 1g의 분말 시료를 투입한 뒤 물질을 충분히 혼합시켜 습식분산 레이저 회절 방법으로 측정하였다(분산장치: Hydro 2000).

이론/모형

, 1977)이다. 연구에 많이 응용되는 표준용출시험 법은 국내표준용출실험법(Korean Standard Leaching Test, KSLT)와 미국 인공강우 용출실험법(US STCLP) 등이 있다. 이 실험법은 제시된 용출 실험법보다 반응 시간이 길고 용매의 양이 많다는 특징이 있어, 여름철(6~8월) 대부분의 강우가 집중되고 장마가 지속되는 국내의 환경을 더욱 잘 나타낸다고 판단하였다.
표면분석은 물리 화학적 특성을 확인하고자 입도, SEM, EDS 분석을 수행하였으며, 총함량분석을 통해 화학적 전성분과 수용성 성분의 존재와 함량을 판단하고자 하였다. 용출 성분은 연속 추출실험과 비교하여도 타당한 이론적 연관성이 있는 배치 테스트(John et al., 1977)로 진행하였다.
60)를 사용하여 각 고체 시료의 직경을 측정하였으며 실험은 세 번 수행(triplicate)하여 평균값을 사용하였다. 입도분석은 1L의 증류수에 1g의 분말 시료를 투입한 뒤 물질을 충분히 혼합시켜 습식분산 레이저 회절 방법으로 측정하였다(분산장치: Hydro 2000).

성능/효과

GE-2와 3 시료는 점토의 직경으로 분류되는 입자가 더 많이 관찰되며, GE-3에서 점토 직경의 입자들이 더욱 많이 존재하는 것으로 분석되었다. GE-1 시료는 산불과 같이 자연적인 과정에 의해 발생할 수 있는 분진이며, 화력발전소 바닥재와 비교하였을 때 6mm 이내 직경으로 분쇄하여 연소되는 목재펠릿의 연소특성을 보여줄 수 있다. 그에 비해, GE-2와 3 시료는 코크스(cokes)의 바닥재, 유연탄 및 목재펠릿(flaming coal and wood pellet)의 바닥재로, 표면적이 훨씬 넓고 연소효율도 높아 분진의 입도가 상당히 작은 것으로 추정된다.
이와 같은 연구들을 통해, 바닥재에 함유된 물질이 복잡한 물리·화학적 특성을 가지고 있으며, 용출 초기단계와 환원환경에서 수용성 금속 성분의 용출로 기인한 인근 수계 및 생태계에 영향을 미칠 가능성이 존재한다고 판단하였다(전미희와 배성근 2006). 바닥재의 구성 성분은 연료물질의 종류, 연소 방법 등에 따라 크게 나뉘며, 주로 석회(CaO), 철산화물 (Fe₂O₃), 알루미나(Al₂O₃), 실리카(SiO₂)와 미량의 중금속으로 되어있는 것으로 알려져 있다(Eisenberg et al., 1986).
이와 같은 연구들을 통해, 바닥재에 함유된 물질이 복잡한 물리·화학적 특성을 가지고 있으며, 용출 초기단계와 환원환경에서 수용성 금속 성분의 용출로 기인한 인근 수계 및 생태계에 영향을 미칠 가능성이 존재한다고 판단하였다(전미희와 배성근 2006). 바닥재의 구성 성분은 연료물질의 종류, 연소 방법 등에 따라 크게 나뉘며, 주로 석회(CaO), 철산화물 (Fe₂O₃), 알루미나(Al₂O₃), 실리카(SiO₂)와 미량의 중금속으로 되어있는 것으로 알려져 있다(Eisenberg et al., 1986).
바닥재는 비산재에 비해 비교적 굵은 입자 형태가 나타나고 입경은 0.5~10mm 정도로 크기가 다양하며(정장희, 2001), 전체 석탄재 발생량 중 약 30%를 차지하는 것으로 알려져 있다(NIER, 2011). 비산재는 국내에서 콘크리트 혼화재, 시멘트 클링커 제조원료 등 다양한 형태로 재활용이 이루어지고 있는 것에 비해, 바닥재는 대부분 발전소 부지 내 특정 장소에 매립 처분되고 있다(Cheriaf et al.
2. EDS 분석 결과, 숯가루, 코크스, 혼합연료(유연탄 및 목재 펠릿) 바닥재의 표면 화학 성분은 탄소 및 산소가 대부분인 것으로 나타났다. 표면분석과 총함량 분석에서 황 (S)이 상당량 존재하는 것으로 나타났으며 이는 실험용액의 pH를 약 4까지 떨어뜨리는 것을 통해 SOx(산화 황) 일 가능성이 높다고 판단된다.
종합적으로, 석탄 화력발전소에서 배출된 코크스 및 혼합연료(유연탄 및 목재펠릿)의 바닥재를 지표 매립하는 경우, 지하수환경 내에서 금속 및 음이온의 강우에 의한 용출 오염 가능성은 거의 없는 것으로 평가되었다. 이 연구는 다양한 바닥재 종류와 자연부산물을 활용하여 초기 침출 성분과 농도를 파악하고 매립용출성분의 오염 가능성을 평가하였다는 점에 의미가 있다고 판단한다.
1. 입도 및 SEM 분석 결과, 숯가루 바닥재의 대부분 입자들이 모래 및 실트 크기로 측정되었다. 저온에서 형성된 브라운 카본으로 입자 크기가 상대적으로 큰 나무 섬유질 그물 무늬가 잘 관찰되었다.
입도 및 SEM 분석 결과, 숯가루 바닥재의 대부분 입자들이 모래 및 실트 크기로 측정되었다. 저온에서 형성된 브라운 카본으로 입자 크기가 상대적으로 큰 나무 섬유질 그물 무늬가 잘 관찰되었다. 코크스와 혼합연료(유연탄 및 목재펠릿) 바닥재의 대부분 입자들은 실트 및 점토 크기였으며 표면적이 넓고 입도가 상당히 작아 고온의 연소과정에서 형성된 블랙카본 형태가 관찰되었다.
5. 종합적으로, 석탄 화력발전소에서 배출된 코크스 및 혼합연료(유연탄 및 목재펠릿)의 바닥재를 지표 매립하는 경우, 지하수환경 내에서 금속 및 음이온의 강우에 의한 용출 오염 가능성은 거의 없는 것으로 평가되었다. 이 연구는 다양한 바닥재 종류와 자연부산물을 활용하여 초기 침출 성분과 농도를 파악하고 매립용출성분의 오염 가능성을 평가하였다는 점에 의미가 있다고 판단한다.
3. 총함량 분석 결과, 바닥재의 주요 성분은 Ca, Al, Fe, S, K 등으로 나타났고, 목재펠릿이 포함된 혼합연료의 바닥재는 K가 상대적으로 높게 측정되었다. Sr과 As 과 같은 미량금속성분은 일부 시료에서 기준치보다 낮게 측정되었으나, 이들은 일반적으로 토양과 대수층 물질에 흡착이 잘되기 때문에 토양 내 잔류 가능성에 대한 추가적인 연구가 필요하다고 여겨진다.
저온에서 형성된 브라운 카본으로 입자 크기가 상대적으로 큰 나무 섬유질 그물 무늬가 잘 관찰되었다. 코크스와 혼합연료(유연탄 및 목재펠릿) 바닥재의 대부분 입자들은 실트 및 점토 크기였으며 표면적이 넓고 입도가 상당히 작아 고온의 연소과정에서 형성된 블랙카본 형태가 관찰되었다.
EDS 분석 결과, 숯가루, 코크스, 혼합연료(유연탄 및 목재 펠릿) 바닥재의 표면 화학 성분은 탄소 및 산소가 대부분인 것으로 나타났다. 표면분석과 총함량 분석에서 황 (S)이 상당량 존재하는 것으로 나타났으며 이는 실험용액의 pH를 약 4까지 떨어뜨리는 것을 통해 SOx(산화 황) 일 가능성이 높다고 판단된다.

후속연구

총함량 분석 결과, 바닥재의 주요 성분은 Ca, Al, Fe, S, K 등으로 나타났고, 목재펠릿이 포함된 혼합연료의 바닥재는 K가 상대적으로 높게 측정되었다. Sr과 As 과 같은 미량금속성분은 일부 시료에서 기준치보다 낮게 측정되었으나, 이들은 일반적으로 토양과 대수층 물질에 흡착이 잘되기 때문에 토양 내 잔류 가능성에 대한 추가적인 연구가 필요하다고 여겨진다.
9mg/L)과도 비슷한 수치를 보이는 것으로 나타난다. Zn는 수용액에서 이동성이 높은 원소이므로, 매립 시 토양 복토에 대한 주의가 필요하며, 바닥재의 적재 시 매립량과 기간에 따라 정기적인 지하수 모니터링이 필요할 것으로 여겨진다.
따라서 대용량의 바닥재 폐기물 관리를 위해 이들 원소를 직접적으로 평가할 때는 산화·환원환경, 고·액비, 용출상태 등 폐기물 용출시험규정에 따라 추가적인 연구를 해야 할 필요성이 있다고 판단한다.

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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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