KR100420702B1 - 중금속 처리를 위한 시멘트 고화체 및 그의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 중금속 처리를 위한 시멘트 고화체 및 그의 제조 방법에 관한 것으로서, 시멘트, 골재, 물, 고화안정화 처리제 및 소각재 중 바닥재(Bottom ash)를 혼합하여 제조되는 고화체 및 ⅰ) 소각재를 건조하는 단계, ⅱ) 건조된 소각재를 입도별로 선별한 바닥재(Bottom ash), 시멘트, 골재를 투입하는 단계, 및 ⅲ) 상기 ⅱ) 단계 이후 물과 고화안정화 처리제를 투입하여 혼합하는 단계를 포함하는 시멘트 고화체 제조 방법을 사용하여, 생활쓰레기 소각재, 화력 발전소 석탄재, 제철소에서 발생되는 각종 소각 잔재물을 시멘트, 물과 혼합하여 고형화 할 때, 소각재, 석탄재, 제강 소각 잔재물에 함유된 금속의 이온 결합을 촉진하고 용존 물질의 중합화를 이뤄 고형물의 강도를 현저히 증가시킬 뿐만 아니라 제강 소각 잔재물 등에 포함된 중금속의 용출을 방지할 수 있는 중금속 처리를 위한 시멘트 고화체 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.

Description

중금속 처리를 위한 시멘트 고화체 및 그의 제조 방법{A cement concrete hardening material to treat heavy metals, and the method thereof}
본 발명은 중금속 처리를 위한 시멘트 고화체 및 그의 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 생활쓰레기 소각재, 화력발전소 석탄재, 제철소에서 발생되는 슬러지를 처리하는 경우 이러한 소각 잔재물을 시멘트, 물 및 고화안정화 처리제와 혼합하여 시멘트로 고형화하여 고화체를 제조하여, 소각재, 석탄재, 제강 슬러지에 함유된 금속의 이온 결합을 강력히 촉진하여 중금속을 처리하며, 동시에 용존 물질의 중합화를 유도함으로써 시멘트 고화체의 강도가 현격히 증가되어 고화체가 물리-화학적으로 안정화되어 건축, 토목 현장 등에서 재활용 제품으로 사용할 수 있는 중금속 처리를 위한 시멘트 고화체 및 그의 제조 방법에 관한 것이다
시멘트는 물과 접촉하면 시멘트 중의 수경성 화합물과 화학반응을 일으킨다. 이 반응을 시멘트의 수화(Hydration) 반응이라 하며, 이때 수화에 의해 수화물(Hydrate)이 생긴다.
수화 현상은 시멘트의 가장 중요한 현상의 하나로 시멘트의 응결 및 경화 전반에 관계하는 것이지만, 수화 반응의 과정 및 수화물이 복잡하여 아직도 그 메카니즘에 관해서는 규명되지 않고 있으나, 중간 과정을 생략하고 최종적인 관계를 요약하면 다음과 같다.
CaSO4ㆍ2H2O →CaSO4ㆍ2H2O →3CaOㆍAl2O3ㆍ3CaSO4ㆍ32H2O↗3CaOㆍAl2O3(펠리트; Felite) →3CaOㆍAl2O3ㆍ6H2O→4CaOㆍAl2O3ㆍ13H2O →3CaOㆍAl2O3ㆍ6H2O↖H2O + 3CaOㆍSiO2(아리트; Alite) →3CaOㆍ2SiO2ㆍ3H2O + Ca(OH)22CaOㆍSiO2(베리트; Belite) ↗4CaOㆍAl2O3ㆍFe2O3(셀리트; Celite) →3CaOㆍAl2O3ㆍ6H2O + 3CaOㆍFe2O3ㆍ6H2O
상기와 같은 최종적인 관계에서 알 수 있는 바와 같이, 물과 포트랜드 시멘트를 혼합하면 포틀랜드 수화물이 얻어진다.
상기 3CaOㆍSiO2(Alite)는 물과 혼합되면 가수분해를 일으켜 3CaOㆍ2SiO2ㆍ3H2O (토베르모라이트; Tobermorite) 겔과 Ca(OH)2가 되고, 토베르모라이트 겔은 클링커 입자의 표면을 엷은 층으로 싸고 있다. Ca(OH)2는 액상으로 녹아 몇 분 사이에 포화 상태가 된다.
4CaOㆍAl2O3ㆍFe2O3(Celite)는 3CaOㆍAl2O3ㆍ6H2O가 되며 석고가 없으면 이른바 순결(Flash Setting) 반응을 일으킨다. 그러나, CaSO4ㆍ2H2O가 용액 중에 존재하기 때문에 이것이 3CaOㆍSiO2와 반응하여 불용성의 3CaOㆍAl2O3ㆍ3CaSO4ㆍ32H2O (칼슘 설포알루미네이트; Calcium Sulfoaluminate 또는 에트린 가이트: Ettringite)가 되어 침전하는 등 많은 종류의 수화물이 된다.
상기 시멘트 수화물의 혼합물인 시멘트 풀이 시간이 경과함에 따라 수화에 의하여 유동성과 점성을 상실하고 고화하는 현상을 응결(Setting)이라 하며, 응결이 끝난 시멘트의 고화체는 시간이 경과할수록 겔 생성이 중대하여 시멘트 입자 사이가 치밀하게 채워지면서 경화(Hardening)가 진행된다. 이와 같이, 섬유상, 침상, 박편상의 시멘트 겔의 미세한 결정이 큰 표면 에너지에 의하여 서로 응집, 교착화하여 치밀한 겔의 망상구조를 형성하고 다시 반응의 진행에 따라 서로 결합이 강화되어 강도가 발현된다.
상기의 시멘트 고형화에 대한 종래 기술로는 금속 이온을 흡착하여 처리하는 방법이 있으며, 이러한 방법은 상온에서 처리가 가능하고 처리비가 저렴하다는 장점이 있으나, 유해 폐기물의 성상에 따라 각각에 적합한 고화 조제를 사용하여야 하며, 산성, 알칼리성에서 중금속이 쉽게 용출된다는 문제점이 있다.
또한, 아스팔트를 이용하여 중금속을 고형화하는 방법 및 폐플라스틱을 이용하여 고형화하는 방법 등은 고형체의 내수성, 내약품성 및 내식성 등이 우수하나, 고형체 제조시 가열이 필요하므로 중금속 폐기물의 처리비용이 높다는 단점이 있다.
이 이외에도 소결 고형화법, 용융 고형화법 등이 있으나, 물리적, 화학적 안정성이 우수하고 감용률이 좋다는 장점은 있으나 처리 비용이 높고 저비점 중금속이 휘산된다는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 생활쓰레기 소각재, 화력 발전소 석탄재, 제철소에서 발생되는 각종 슬러지를 처리하기 위하여 상기 소각 잔재물을 시멘트, 물 및 고화안정화 처리제와 혼합하여 고형화하여 시멘트 고화체를 제조하여, 소각재, 석탄재, 제강 슬러지에 함유된 금속의 이온 결합을 촉진하여 중금속을 처리하며, 동시에 용존 물질의 중합화를 유도함으로써 시멘트 고화체의 강도가 현격히 증가되어 고화체가 물리-화학적으로 안정화되어 건축, 토목 현장 등에서 재활용 제품으로 사용할 수 있는 중금속 처리를 위한 시멘트 고화체 및 그의 제조 방법을 제공하기 위함이다.
도 1은 본 발명의 고화체를 제조하는 공정을 나타내는 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 고화체 제조 공정 중 소각재를 건조하는 공정을 도시한 도면이다.
도 3은 골재의 함수 상태를 나타내는 도면으로 a는 유효 흡수량, b는 흡수율, c는 표면 수량, d는 전함수량을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 실시예에 의하여 제조된 고화체(인터로킹블록)의 납과 구리 용출 실험 결과를 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 의하여 제조된 고화체(인터로킹블록)의 6가 크롬 이온의 용출 실험 결과를 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 의하여 제조된 고화체의 휨강도 시험 결과를 나타내는 막대 그래프이다.
본 발명은 상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여,
시멘트, 골재, 물, 고화안정화 처리제 및 소각재 중 바닥재(Bottom ash)를 혼합하여 제조되는 것을 특징으로 하는 중금속 처리를 위한 시멘트 고화체를 제공한다.
상기 고화체는 시멘트 360 내지 420 kg/㎥, 물 105 내지 135 kg/㎥, 소각재 820 내지 1000 kg/㎥ 및 고화안정화 처리제를 시멘트 사용량의 2 내지 6 중량%를 사용하여 제조된다.
또한, 상기 고화안정화 처리제는 NaCl, Na2CO3, NaAlO2, FeCl3, CaCl2및 NaNO3를 포함하며, 물 10 ℓ에 대하여 NaCl 100 내지 120 g, Na2CO3550 내지 700 g, NaAlO2150 내지 180 g, FeCl320 내지 50 g, CaCl250 내지 100 g 및 NaNO3280 내지 320 g을 용해하여 제조된다.
또한, 본 발명은 중금속을 처리하기 위한 시멘트 고화체를 제조하는 방법에 있어서,
ⅰ) 소각재를 건조하는 단계;
ⅱ) 건조된 소각재를 입도별로 선별한 바닥재(Bottom ash), 시멘트, 골재를 투입하는 단계; 및
ⅲ) 상기 ⅱ) 단계 이후 물과 고화안정화 처리제를 투입하여 혼합하는 단계
를 포함하는 시멘트 고화체 제조 방법을 제공한다.
상기 고화안정화 처리제는 NaCl, Na2CO3, NaAlO2, FeCl3, CaCl2및 NaNO3를 포함하며, 물 10 ℓ에 대하여 NaCl 100 내지 120 g, Na2CO3550 내지 700 g, NaAlO2150 내지 180 g, FeCl320 내지 50 g, CaCl250 내지 100 g 및 NaNO3280 내지 320 g을 용해하여 제조된다.
또한, 상기 제조 방법은 시멘트가 360 내지 420 kg/㎥, 물 105 내지 135 kg/㎥, 소각재 820 내지 1000 kg/㎥, 골재 810 내지 990 kg/㎥ 및 고화안정화 처리제를 시멘트 사용량의 2 내지 6 중량%를 사용한다.
이하, 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
포틀랜드 시멘트에는 규산삼석회(C3S, 아리트)와 규산이석회(β-C2S, 베리트)가 약 75 내지 78 % 함유되어 있으며, 이들 사이의 에트린 가이트(Etyringite) 결합이 시멘트 본래의 강도 발현의 주력이 된다.
일반적으로 물을 혼합하는 경우, 작용 주체는 아리트(Alite; C3S) 및 펠리트(Felite; C3A)로 시멘트 수화물의 형성에는 이들의 수화가 주된 것이며, 수중의 아리트 및 펠리트의 입자 표면으로부터 Ca 이온이 방출되어 시멘트 혼합물을 급속히 pH 10 이상의 고알칼리성으로 변화시킨다.
이 반응은 물을 주입한 후 2 내지 3분내에 종료되지만, 시멘트 입자는 그 직후부터 응집되어 플록(flock)을 생성하는 작용이 일어난다.
이것을 방지하기 위해서 시멘트 입자 표면에 흡착하여 입자를 균일하게 일정 간격으로 분산시켜 플록을 방지하고 어느 정도 유동성을 가진 시멘트 페이스트를얻기 위해서는 분산 효과가 있는 첨가제가 매우 유효하다.
시멘트 고화체를 제조하는 공정은 도 1에 도시된 바와 같이, 먼저 생활쓰레기 소각재, 화력 발전소 석탄재, 제철소에서 발생하는 슬러지 등 각종 소각 잔재물들을 건조하여 전처리한다(10, 20).
소각재를 건조하는 이유는 소각재 중에 포함된 수분을 공기중에 증발시켜 소각재의 수분 함유량을 감소시킴으로써 골재 대체제로 사용이 가능하도록 하기 위한 것이다.
젖은 골재를 사용하면 콘크리트 속의 물량은 골재의 표면 수량 만큼 늘고, 마른 골재를 사용하면 유효 흡수량만큼 시멘트 페이스트 속의 물이 골재에 흡수되므로 함수율이 큰 골재는 안정성을 저하시켜 콘크리트의 내구성과 강도에 나쁜 영향을 미치기 때문이다.
골재의 흡수율(b)은 도 2에 나타낸 바와 같이 절대 건조 상태(○)에서 표면 건조 포화 상태(●)에 이르기까지의 물을 흡수한 전함수량으로 표현되며, 표면 건조 포화상태에서 습윤 상태가 될 때까지의 함수량을 표면 수량(c)이라 한다. a는 유효흡수량, d를 전함수량이라 한다.
건조 공정은 도 3에 도시된 바와 같이, 소각 잔재물들을 슬러지 저장조(21)에서 컨베이어와 같은 이송 장치(22)에 의해 건조로(23)로 이송한 후, 스크린(24)을 통하여 재를 방출하고, 이러한 재들을 저장조(25)에 저장한다.
상기 저장조(25)에 저장되어 있는 전처리된 생활쓰레기 소각재(이하, 소각 잔재물이라 함)들을 파쇄 및 선별(30)한 후 다시 입도별로 선별한다(40).
상기 선별 방법은 소각 잔재물들을 자력 선별한 후 1차 파쇄하고, 다시 자력 선별하여 금속류를 제거한다. 그리고나서, 체가름 선별을 한다. 체가름 선별은 0 - 0.3 mm. 0.6 - 2.5 mm 및 5 - 13 mm의 입도 분포별대로 선별한다.
이와 같이, 입도별로 선별하는 이유는 KSF 2526 및 KSF 2558 등의 성형 기계의 규격에 규정한 입도에 적당하면 소요의 워커빌리티(workability)의 콘크리트를 얻기 위한 단위 수량을 적게 할 수 있으며 재료 분리 현상을 감소시키고 골재의 단위 용적 중량이 크며, 시멘트 풀이 절약되며 콘크리트의 건조 수축이 적어져 내구성이 증대되는 등과 같은 바람직한 효과가 나타나기 때문이다.
한편, 골재의 입도가 상기 규정에 적당하지 않으면 재료 분리 현상이 쉽게 일어나고 공극이 많고 곰보등이 생길 위험이 크므로 바람직하지 않다.
이렇게 선별된 소각 잔재물과 함께 시멘트(51), 골재(52)를 투입(50), 혼합하여(60) 건비빔 모르터를 제조한다. 이렇게 제조된 건비빔 모르터에 모래를 더욱 첨가한다.
본 발명에서 제조된 시멘트 고화체를 건축, 토목 현장 등에서 재활용하기 위해서는 휨강도가 50 kg/㎥ 이상이 되어야 하므로, 이러한 강도를 얻기 위해서는 시멘트는 360 내지 420 kg/㎥을 투입하는 것이 바람직하며, 골재는 810 내지 990 kg/㎥을 투입하는 것이 바람직하다. 이때, 소각 잔재물의 투입량은 골재 투입량의 50 중량% 이상으로 투입하며, 물과 시멘트의 비율은 물/시멘트가 30 중량% 이하가 되도록 하는 것이 바람직하다.
상기 소각 잔재물, 물 및 시멘트를 혼합하면서 고화안정화 처리제를 투입하여 혼합한다(60, 61). 상기 고화안정화 처리제는 시멘트 량의 2 내지 6 중량%로 투입한다. 상기 고화안정화 처리제를 2 중량% 이내로 투입하는 경우에는 본 발명의 고화안정화 처리제의 효과가 나타나지 않으며, 6 중량% 이상 투입하는 경우에는 더 이상 향상된 효과가 나타나지 아니하므로 경제적으로 불이익하여 바람직하지 않다.
고화안정화 처리제를 투입한 후 콘크리트 성형기계를 이용하여 압축, 진동시켜 성형하고(70), 상기 성형물을 양생(80)한 후 고화체(90)를 제조한다. 상기 성형은 다짐을 위한 진동과 부차적인 다짐과 치수 조절을 위한 압축을 겸한 방법으로 한다. 최적의 진폭은 2 내지 3 mm라고는 일반적인 기계 사양서에 의하여야 할 것이며, 진동 압축 관리의 기준 시간은 5 내지 7초 정도이고, 진동수(RPM)은 진동기가 좌우 진동식일 경우 4000 내지 5000 RPM이며, 상하부 진동식일 경우 2800 내지 3000 RPM 정도이나 기계 사양서에 의한다.
본 발명에 첨가되는 시멘트 경화용 고화안정화 처리제로는 고른 분산을 통한 수화 촉진 효과와 다중 이온 결합의 형성에 의한 초기 강도 발현 증가 효과, 이 두 가지 작용에 의해서 중금속 용출 억제 효과를 나타내게 되는 고화안정화 처리제를 사용한다.
따라서, 상기 첨가되는 고화안정화 처리제는 시멘트 입자를 고르게 분산시켜 고화안정화 처리제에 미량 포함된 Na2CO3가 수화생성물인 Ca(OH)2와 반응함에 따라서 시멘트 중의 아리트, 베리트에 작용하여 수화작용을 촉진시키는 물질이며, 이 반응과정에서 시멘트 입자가 균일하게 분산되어 수화촉진 작용이 일어난다.
에트린 가이트(Ettringite: 3CaOㆍAl2O3ㆍ3CaSO4ㆍ32H2O)의 기본 구조는 이 화학식에 따라 한 분자 중에 32 분자의 물을 함유하고 있으며, 에트린 가이트의 약 46 중량%는 물로 되어 있기 때문에 시멘트 경화는 수중에 뜬 시멘트 입자 또는 골재 사이를 에트린 가이트가 시멘트 수화물 연결 고리 역할을 하여 유동성을 감소시킨다.
더욱이 자유수로 채워져 있는 공간을 수화물로서 충진하여 경화시켜 가는 것으로 되어 있기 때문에 시멘트의 수화 반응은 약간의 체적 감소를 동반하면서, 자유수를 고정화시켜 공간을 줄이는 반응이다.
C3S(아리트) 1 ㎖는 0.75 ㎖의 물을 고정화시키나, C3A(펠리트), 3CSH2(규산칼슘 수화물) 1 ㎖는 에트린 가이트를 만드는 것에 의해서 1.44 ㎖의 물을 고정화시키는 것이 가능하고 아주 유리하다.
이것은 초기강도가 중요한 조강 시멘트, 다량의 물을 함유한 하상 오니, 및 유해 물질의 용출 방지에 유효하다.
한편, 본 발명의 고화안정화 처리제의 조성 중 FeCl3는 셀리트 수화 생성물인 3CaOㆍAl2O3ㆍ6H2O와 3CaOㆍFe2O3ㆍ6H2O의 조성에 기여하며, CaCl2는 수화 중간 생성물인 3CaOㆍAl2O3ㆍ6H2O에 CaSO4와 함께 작용해 플래쉬 셋팅(Flashing Setting)을 방지하며, 겔의 생성을 증대시켜 시멘트 입자를 치밀하게 채우며 경화에 관여한다.
또한, NaAlO2는 시멘트 조성 중 CaSO4ㆍ2H2O와 반응해 생성되는 에트린 가이트의 분산을 도움으로써 플래쉬 셋팅을 방지하며 겔의 생성을 증대시킨다.
상기와 같은 본 발명의 고화안정화 처리제의 조성들이 시멘트의 수화 반응에 관여하여 플래쉬 셋팅을 방지하며 시간이 경과할수록 겔의 생성이 증대하여 시멘트 입자 사이가 치밀하게 채워지면서 경화가 진행되고 시멘트 수화물의 다중 이온 결합에 의하여 수화 생성물이 두껍게 쌓여지게 됨으로써, 중금속의 용출이 억제되는 효과가 더욱 향상되고 콘크리트 고화체의 강도도 더욱 증가하게 된다.
이 단계에서부터 서서히 물과 이온의 이동이 적어지고 반응 속도에 제동이 걸려 이 때부터 고화체 강도의 발현이 시작된다.
따라서, 상기 Na2CO3와 Ca(OH)2의 반응에 따라 생성되는 NaOH는 아리트와 베리트의 수화 초기에 생성되는 저분자의 규산칼슘수화물(C-S-H)을 용해시켜 어느 정도의 시간이 경과되면 중합이 진전되어 고분자가 결정화되기 시작한다.
상기 고화안정화 처리제는 물 10 ℓ에 대하여 CaCl250 내지 100 g을 사용하는 것이 바람직하며, 과부족(±10 %)인 경우에는 원소 기능의 밸런스가 무너져 응결이 빨리되지만 강도는 상승하지 않으며, 또한 Na2CO3550 내지 700 g을 사용하는 것이 바람직하며, 과부족인 경우에는 상기와 같은 현상을 보이므로 바람직하지 않다.
또, NaAlO2150 내지 180 g을 사용하면 Na2CO3보다 그 급결성 작용이 크므로NaAlO2와 Na2CO3는 동시 배합하여 사용하고, 이러한 경우 NaAlO2가 수중에서 가수분해되어 NaOH와 Al(OH)3로 되어 양자의 상승 작용에 의하여 경화 촉진 효과를 증가시킨다.
NaCl은 100 내지 120 g을 사용하는 것이 바람직하며 NaCl은 SiO2및 CaO와 반응하여 비결정질의 C-S-H를 급속히 생성하여 응결 작용을 증진시킨다. 이 경우 물 10 ℓ에 대하여 120 g 이상을 사용하면 이상 응결 현상이 일어나므로 바람직하지 않으며, 100 g 이하를 사용하면 응결 작용 효과가 미약하여 바람직하지 않다.
한편, FeCl3는 20 내지 50 g, 및 NaNO3280 내지 320 g을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 범위 이상이면, 고화체 내에 염이 다량 함유되어 고화체 강도가 저하되므로 바람직하지 않고, 상기 범위 이상이면 고화체의 중금속 용출량이 증가하고 강도에서 저하 효과를 나타내므로 바람직하지 않다.
한편, 본 발명에 의한 고화안정화 처리제는 다량의 에트린 가이트의 생성을 위해 결합수로 물을 넣은 결과 함수비가 저하하는 동시에 입자의 이동을 구속할 수 있으며, 수산화칼슘, 규산칼슘에서 용출된 칼슘이온은 입자를 응집시킴으로써 입자가 응집, 단립화된다. 또한, 수산화칼슘 수화물의 생성을 촉진시키기 위해 강도의 상승 또는 경화를 촉진할 수 있고, 장기 재령(양생 시간)에서는 SiO2, Al2O3등의 성분이 Ca(OH)2와 포졸란 반응을 일으켜 불용성 물질을 생성하므로 경화를 촉진시킨다.
상기와 같이 제조된 시멘트 고화체는 생활쓰레기 소각장에서 발생하는 바닥재(Bottom ash)는 그 발생량이 비산재(Fly ash)에 비해 대량(95 %)인 것을 감안할 때, 수요가 가장 큰 건설 분야에 콘크리트 2차 제품(인터로킹 블록, 경계블록 등)으로 재활용할 수 있고, 시멘트 소각재, 골재, 물, 고화안정화 처리제의 배합비에 따라 수화반응이 강력히 촉진되므로 콘크리트 2차 제품의 성형이 가능하다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 다만, 하기하는 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위하여 제시되는 것일 뿐 본 발명이 하기하는 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1 내지 12 및 비교예 1 내지 4
생활 쓰레기 소각재를 건조하여 전처리하고 파쇄 및 선별하였다. 이렇게 선별된 소각재와 시멘트를 표 1에 나타낸 바와 같은 조성으로 골재와 함께 투입하였다. 여기에 물/시멘트 비가 약 20 %가 되도록 물을 투입하면서 하기의 표 2에 나타낸 바와 같은 조성의 고화안정화 처리제를 하기의 표 1에 나타낸 바와 같이 시멘트 량에 대하여 2 내지 6 중량%가 되도록 투입하면서 혼합하였다. 이렇게 혼합된 시멘트 혼합물을 모델명이 KVM-1400-800인 압축, 성형 기계(덴마크 KVM사 제품)를 사용하여 성형한 후 양생하여 고화체를 제조하였다.
표 1
시멘트량(kg/㎥) 소각재량(kg/㎥) 소각재/골재량(중량%) 시멘트 투입량에 대한 고화안정화 처리제의 양(중량%)
실시예1의 고화체 360 990 50 2
실시예 2 360 990 60 2
실시예 3 360 970 55 4
실시예 4 360 1000 60 4
실시예 5 380 950 55 2
실시예 6 380 990 60 2
실시예 7 380 950 65 2
실시예 8 380 950 50 4
실시예 9 380 900 55 6
실시예 10 380 920 60 6
실시예 11 380 920 65 4
실시예 12 420 990 50 2
비교예 1 320 1238 65 2
비교예 2 320 1044 60 2
비교예 3 340 1000 50 2
비교예 4 340 960 65 2
표 2
(단위 : g/물 10 ℓ)
NaCl Na2CO3 NaAlO2 FeCl3 CaCl2 NaNO3
실시예 1 100 550 150 30 75 280
실시예 2 100 600 150 30 75 290
실시예 3 110 550 150 50 80 310
실시예 4 110 550 150 50 80 310
실시예 5 110 600 150 40 90 290
실시예 6 110 600 160 40 90 290
실시예 7 100 700 160 40 70 280
실시예 8 100 700 170 30 70 280
실시예 9 120 700 170 30 70 320
실시예 10 120 650 180 30 60 320
실시예 11 120 650 180 30 70 310
실시예 12 110 600 170 40 60 310
비교예 1 100 600 170 50 90 285
비교예 2 110 650 150 30 65 280
비교예 3 110 550 150 40 75 290
비교예 4 120 700 180 40 80 320
상기와 같이 제조된 고화체를 한국 건자재 시험 연구원에서 환경부 고시 제91-97호-'91의 검사 방법에 따라 중금속 용출실험을 하여 그 결과를 하기의 표 4에 나타내었다. 하기의 표 3은 폐기물 관리법에 의한 폐기물 관리 기준에 근거한 폐기물 고화체의 중금속 용출 기준을 나타낸다.
표 3
(단위 : mg/L)
항 목 용출 기준
Cd 또는 그 화합물 0.3
Pd 또는 그 화합물 3
Cu 또는 그 화합물 3
As 또는 그 화합물 1.5
Hg 또는 그 화합물 0.005
알킬 Hg 또는 그 화합물 -
Cr6+또는 그 화합물 1.5
CN 화합물 1
유기인 화합물 1
PCB(Polychlorinated Biphenyl) 화합물 0.003
트리클로로에틸렌 0.3
테트라클로로에틸렌 0.1
표 4
(단위 : mg/L)
항 목 pH Pb Cu Cr6+ CN Hg Cd
용출 기준 - 3 3 1.5 1 0.005 0.3
사용소각재의 중금속 용출량 12.1 8.53 3.334 0.044 N.D N.D N.D
실시예 1실시예 2실시예 3실시예 4 12.312.212.412.3 0.29N.D0.700.12 0.1950.8580.2430.256 0.0630.034N.D0.024 N.DN.DN.DN.D N.DN.DN.DN.D N.DN.DN.DN.D
사용소각재의 중금속용출량 12.1 8.53 3.334 0.044 N.D N.D N.D
실시예 5실시예 6실시예 7실시예 8실시예 9실시예 10실시예 11 12.312.212.212.112.112.112.1 0.570.280.0240.460.390.220.18 0.570.280.0240.460.390.220.18 0.7120.7780.7270.5840.7080.6490.954 N.DN.D0.0210.0180.0540.0100.013 N.DN.DN.DN.DN.DN.DN.D N.DN.DN.DN.DN.DN.DN.D
사용소각재의 중금속용출량 12.3 8.53 3.334 0.044 N.D N.D N.D
실시예 12 12.1 0.96 0.164 0.021 N.D N.D N.D
비교예 1 12.3 0.29 0.195 0.063 N.D N.D N.D
비교예 2 12.3 0.12 0.256 0.024 N.D N.D N.D
비교예 3 12.3 1.38 0.618 0.019 N.D N.D N.D
비교예 4 12.2 0.024 0.727 0.021 N.D N.D N.D
(환경 관리 공단 수도권 매립지 분석실 '99.7 ∼ '99.11)
N.D : 검출되지 않음
비교예 3의 경우, Cl의 용출량이 362.3 mg/L이고, 비교예 4의 경우, Cl의 용출량이 424.2 mg/L이다.
표 4에 나타난 바와 같이, 본 발명의 실시예 1 내지 12에 의해 제조된 고화체는 중금속 용출량이 폐기물 관리 기준에 근거한 중금속 용출 기준에 대하여 훨씬 낮은 값을 나타내고 있으며, 사용 소각재를 고화체로 처리하지 않은 경우의 중금속 용출량과 비교하여 보아도 중금속 용출량이 훨씬 작음을 알 수 있었다.
도 4는 본 발명의 실시예 1 내지 12에 의해 제조된 고화체의 납 및 구리의 용출량을 나타내는 그래프로서, 폐기물 관리법에 근거한 폐기물 관리 기준인 3 mg/L(납과 구리)보다는 훨씬 낮은 용출량(납은 0.96 mg/L 내지 검출되지 않음, 구리는 0.858 내지 0.164 mg/L)을 나타내고 있다.
또한, 도 5는 본 발명의 실시예 1 내지 12에 의해 제조된 고화체의 6가 크롬(Cr6+) 이온의 용출량을 도시한 그래프로서, 본 발명에 의해 제조된 고화체는 Cr6+가 0.063 mg/L 내지 검출되지 않음(N.D)으로 나타나 폐기물 관리 기준인 1.5 mg/L 보다는 훨씬 낮은 수치를 나타내고 있음을 알 수 있다.
도 6은 시멘트 400 kg/㎥, 본 발명의 고화안정화 처리제를 2 중량% 사용하여 제조된 본 발명의 실시예 2(▨), 6(▤) 및 12(▩)에서 고화체의 휨 강도를 한국 건자재 시험 연구원에서 시험한 결과를 나타내는 막대 그래프로서, 제조한 후 7일, 14일, 28일 경과시 측정한 고화체의 휨강도를 나타내며, 본 발명의 고화안정화 처리제를 사용한 고화체의 휨강도는 기준인 50 kg/㎥보다도 7일째의 강도가 117 %, 14일째 강도가 122 % 및 28일째 강도가 138 %로 나타남에 따라 휨강도 역시 우수함을 알 수 있다.
본 발명에 의해 제조되는 중금속 이온 처리를 위한 시멘트 고화체는 폐기물 내의 금속 이온간의 결합이 강력히 촉진되어 중금속 물질의 중합과 고형물의 강도가 현저히 증가하고, 동시에 용존 물질의 중합화를 유도함으로써 시멘트 고화체의 강도가 현격히 증가되어 고화체가 물리-화학적으로 안정화되어 건축, 토목 현장 등에서 재활용 제품으로 사용할 수 있다. 또한, 작업성 및 비용면에서 상온에서 폐기물 중의 중금속을 처리할 수 있으므로 처리비가 저렴하다.

Claims (6)

  1. 시멘트 360 내지 440 kg/㎥, 골재 810 내지 990 kg/㎥, 물 105 내지 135 kg/㎥, 소각재 중 바닥재(Bottom ash) 820 내지 1000 kg/㎥, 및 시멘트 사용량의 2 내지 6 중량%의 고화안정화 처리제를 포함하며,
    상기 고화안정화 처리제는 물 10 ℓ에 대하여 NaCl 100 내지 120 g, Na2CO3550 내지 700 g, NaAlO2150 내지 180 g, FeCl320 내지 50 g, CaCl250 내지 100 g 및 NaNO3280 내지 320 g을 포함하는 것을 특징으로 하는 중금속 처리를 위한 시멘트 고화체.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 시멘트 고화체가 인터로킹 블록 또는 경계블록으로 사용되는 것인 시멘트 고화체.
  3. 중금속을 처리하기 위한 시멘트 고화체를 제조하는 방법에 있어서,
    ⅰ) 소각재를 건조하는 단계;
    ⅱ) 건조된 소각재를 입도별로 선별한 바닥재(Bottom ash), 시멘트, 골재를 투입하는 단계; 및
    ⅲ) 상기 ⅱ) 단계 이후 물과 고화안정화 처리제를 투입하여 혼합하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 시멘트 고화체 제조 방법.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 고화안정화 처리제가 NaCl, Na2CO3, NaAlO2, FeCl3, CaCl2및 NaNO3를 포함하는 것이며, 물 10 ℓ에 대하여 NaCl 100 내지 120 g, Na2CO3550 내지 700 g,NaAlO2150 내지 180 g, FeCl320 내지 50 g, CaCl250 내지 100 g 및 NaNO3280 내지 320 g을 사용하는 시멘트 고화체 제조 방법.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 시멘트가 360 내지 440 kg/㎥, 물 105 내지 135 kg/㎥, 소각재 820 내지 1000 kg/㎥, 골재 810 내지 990 kg/㎥ 및 고화안정화 처리제를 시멘트 사용량의 2 내지 6 중량%를 사용하는 고화체 제조 방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 고화안정화 처리제가 물 10 ℓ에 대하여 NaCl 100 내지 120 g, Na2CO3550 내지 700 g, NaAlO2150 내지 180 g, FeCl320 내지 50 g, CaCl250 내지 100 g 및 NaNO3280 내지 320 g을 포함하는 시멘트 고화체.
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