KR100872463B1

KR100872463B1 - 반응성 복합투수벽체

Info

Publication number: KR100872463B1
Application number: KR20070103381A
Authority: KR
Inventors: 천병식; 도종남
Original assignee: 한양대학교 산학협력단
Priority date: 2007-10-15
Filing date: 2007-10-15
Publication date: 2008-12-05

Abstract

본 발명은 반응성 복합투수벽체에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 석탄회, 황토 및 벤토나이트를 포함하여 폐자원을 재활용하여 경제적이고 친환경적으로 제작이 가능하며, 우수한 중금속 제거능력을 가짐과 동시에 생물여과막으로 오염수 이동이 가능한 반응성 복합투수벽체에 관한 것이다.

반응성 복합투수벽체, 석탄회, 중금속 제거

Description

반응성 복합투수벽체{REACTIVE COMPOSITE PERMEABLE BARRIER}

본 발명은 반응성 복합투수벽체에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 폐자원을 재활용하여 경제적이고 친환경적으로 제작이 가능하며, 우수한 중금속 제거능력을 가짐과 동시에 생물여과막으로 오염수 이동이 가능한 반응성 복합투수벽체에 관한 것이다.

급격한 산업 발전과 인구의 증가로 인해 각종 자원과 에너지 소비가 증가하고 있으며, 그로 인해 양적, 질적으로 다양한 쓰레기가 발생되고 있다.

매립은 비교적 안전하고 경제적이라는 이점이 있어 우리나라에서는 많은 폐기물을 매립 처리하고 있다. 그러나 주변 지역에서의 악취, 하천 및 지하수 오염 등 실제로 주변 환경에 대한 오염 잠재력이 높은 점을 고려할 때 많은 문제점을 가지고 있다. 이러한 실정을 볼 때, 매립지에서 발생되는 침출수를 처리하는 방법의 개선, 현장에서 처리할 수 있는 기술 개발의 필요성, 그리고 그 중요성은 자명하다.

매립장의 차수 벽체는 침출수를 지반으로 유입되지 않게 하는 차수기능을 담당한다. 그러나 지반에 일정량의 침출수 유입은 계속적으로 이루질 뿐 만 아니라 침출수의 정화는 별도의 정화시설에서 처리되는 실정이다. 이로 인해 침출수 처리를 위해 수백억 원의 건설비용과 시설 관리 비용이 필요하다.

한편 폐기물 등에서 발생하는 침출수에 의해 지하수의 오염이 이루어지고 있다.

지하수 오염의 심각성을 가중시키는 요인 중의 하나는 공장폐수나 폐광 산으로부터의 중금속에 의한 오염이며, 중금속의 독성과 빠른 이동성으로 인해 많은 환경문제를 일으키고 있다. 또한 지하수는 흐르는 속도가 느려서 지하에 머무르는 시간이 길기 때문에, 일단 오염되면 인공적으로 정화시키기 어렵고, 자연정화 되기까지는 긴 시간이 걸린다.

현재 사용되고 있는 침출수 및 지하수의 정화 방법에 대한 수 많은 연구들이 개발 및 실용화되고 있다. 이러한 기술들에는 굴착제거, 표면제어, 차폐, 양수, 진공추출, 고화 및 수압 파쇄 등의 물리적 방법; 산화, 중화, 이온교환, 및 계면활성제 첨가 등의 화학적방법; 플라즈마, 동결, 열분해 및 유리화 등의 열적 방법; 및 영양분 주입 및 미생물 이용 등의 생물학적 방법 등이 있으며, 최근에는 전기삼투 등을 이용한 동전기적 방법도 개발되고 있다.

일예로 대한민국 특허공개 제2001-105915호는 유기물질로 오염된 토양을 정화하기 위해 중금속과 착화합물을 형성하기 용이하고 오염된 토양 내 존재하는 미생물의 활성을 높여 유해 유기물질의 생분해를 유도하는 용출제용 조성물을 제시하고 있다.

그러나 각종 정화 방법들 중에서도 설치 용이성 및 경제성 등을 고려할 때, 현재 국내 실정에서 가장 실용성이 높은 방법은 물리적 방법 중 차폐 방법으로 볼 수 있다.

이러한 차폐 방법에 사용되는 차폐 물질은 크게 불투수벽체 (impermeable barrier) 및 투수벽체 (permeable barrier)로 분류할 수 있으며, 불투수벽체는 주로 오염지역 내에서 발생되는 오염수를 차단하는데 사용되고, 투수벽체는 주로 요염수를 배수 제거하거나 또는 흡착 제거하는데 사용된다. 불투수벽체에는 슬러리 월 (slurry wall), 시이트파일 (sheet pile), 그라우팅 (grouting) 및 기타의 벽체들이 있고, 투수벽체에는 배수벽체 (vertical drain) 및 반응매질을 포함하는 투수성 반응벽체 (permeable reactive barrier) 등이 있다.

투수성 반응벽체는 오염된 지하수의 흐름 경로에 설치되어 지하수의 정화를 도모하며, 투수성 반응벽체에 사용되는 반응 매질에 관한 종래기술에는 철과 황화철을 사용하는 기술이 미국특허 제5,575,927호에 개시되어 있다.

미국특허 제5,543,059호는 철 입자를 크기별로 3영역으로 구분함으로써 층상 구조를 갖게 한 철벽 또는 칼럼을 이용하여 오염된 지하수를 정화하는 기술을 언급하고 있다.

대한민국 특허공개 제2003-53231호는 토탄을 이용하여 반응벽체를 제조하고, 지하수를 상기 반응벽체에 통과시킴으로써 저가의 재료를 이용하여 지하수에 존재하는 유기오염물질과, 유기화합물 및 중금속 등을 동시에 제거할 수 있는 지하수 정화방법을 개시하고 있다.

이러한 반응성 투수벽체는 모래, 자갈로 이루어진 배수벽체와 중금속이나 유 기오염물질을 흡착하는 석회, 활성탄, 제올라이트, 이온교환수지 등을 포함하는 흡착벽체가 적층된 구조를 갖거나, 이들의 혼합하여 하나의 층으로 형성하거나, 여러 가지 목적으로 부가적인 층을 적층한 다층 구조로 제작된다.

상기 구조적인 것 외에, 반응성 투수벽체는 침출수나 지하수에 충분히 통과할 수 있도록 적절한 투수계수를 갖는 것이 중요하고, 침출수 및 지하수에 함유된 유기화합물질이나 중금속을 충분히 흡착할 수 있도록 높은 흡착율을 갖도록 제작되어야 한다.

또한 장기간 동안 사용이 가능하도록 적절한 강도를 가져야 하며, 재질의 수급이 용이하며 가격이 저렴한 것을 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명자는 중금속 흡착율이 우수한 벤토나이트와, 점착력이 우수한 황토 및 투수성이 높은 모래를 사용하여 반응성 투수벽체를 제조한바 있다(대한민국 특허출원 제2005-74036호, 제2006-75979호, 한국지반환경공학회 논문집, 6(4), pp 5-12, 2005).

그러나 모래를 이용한 반응성투수벽체 제작 방법은 모래를 사용하는 데에 다량의 모래가 사용되나 모래채취가 어려워 모래를 수입하는 등의 경제적인 문제점과 모래채취로 인한 자연 훼손의 문제점이 있다.

본 발명의 목적은 폐자원을 재활용하여 경제적이고 친환경적으로 제작이 가능하며, 우수한 중금속 제거능력을 가짐과 동시에 생물여과막으로 오염수 이동이 가능한 반응성 복합투수벽체를 제공하는 것이다.

본 발명은 석탄회, 황토 및 벤토나이트를 포함하는 반응성 복합투수벽체를 제공한다.

본 발명에 따른 반응성 복합투수벽체는 모래 채취 및 수급에 대한 환경적, 경제적 문제를 해소하며, 화력발전소의 폐기물인 석탄회를 재활용하여 경제적이고, 친환경적인 잇점이 있다. 또한 우수한 중금속 제거능력과 동시에 생물여과막으로 오염수 이동이 가능하다.

본 발명에 따른 반응성 복합투수벽체는 석탄회, 황토 및 벤토나이트를 포함한다.

상기 벤토나이트와 황토가 수분을 갖게 되면 전자와 분자 성분이 빠르게 변화하여 전하를 생성시켜 강한 인력을 가지게 되며, 상기 강한 인력에 의해 독소, 불순물, 중금속과 다른 내부 오염물을 흡수하게 한다. 이러한 벤토나이트나 황토의 구조는 외부 독소를 끌어당기고 흡수하여, 중심부 내에 오염물질을 저장하는 저 장고 역할을 한다.

이러한 벤토나이트 및 황토는 침출수나 지하수가 통과할 수 없기 때문에, 충분한 투수율을 부여하기 위해 본 발명에서는 종래 모래를 대신하여 발전소에서 발생하는 부산물 중 하나인 석탄회를 사용한다.

석탄회는 석탄화력발전소에서 미분탄(微粉炭)을 연소 후 부산물로 발생되는 회(재)를 말하며, 석탄회의 발생위치에 따라 비회(Fly Ash, 또는 비산재) 및 저회(Bottom Ash, 바닥재)로 구분된다.

상기 비회는 전체 석탄회 발생량 중 약 75∼80% 정도로, 집진기에서 미분말 형태로 포집된다. 이러한 비회는 그 화학적/물리적 특성상 알루미노 실리카 계역의 구형 입자 형태로 포졸란성(Pozzolan)을 지니고 있을 뿐만 아니라 여러 측면에서 시멘트 대체재로 우수한 특성을 지니고 있다.

또한 저회는 전체 석탄회 발생량 중 약 10% 정도로, 석탄이 화력발전소 보일러 내에서 연소될 때 괴상 또는 입지의 입경이 큰 회 성분을 보일러의 하부로 낙하되는 것을 일컫는다.

하기 표 1에 석탄회의 입도분포 및 물리시험 결과를 나타내었다.

구분	Gs	흙의 분류	Atterberg Limit		입도분포
구분	Gs	흙의 분류	W_L(%)	I_P(%)	No.4 통과량 (%)	No. 200 통과량 (%)	Cu	Ce
비회	2.23	SM	N.P	N.P	100.0	41.0	6.1	1.2
저회	2.32	SW	N.P	N.P	99.47	2.96	8.0	2.0

상기 표 1에 따르면, 비회는 통일분류상으로 SM(실트질 모래)으로 나타났고, 저회의 입도는 자갈 내지 대부분이 모래와 유사하였으며 통일분류상으로는 SW(입도 분포가 좋은 모래)로 나타내, 비회 및 저회 모두 모래와 유사한 물성을 가짐을 알 수 있다.

하기 표 2에 삼축압축시험(UU-Test)을 통해 석탄회의 점착력, 내부 마찰각, 탄성계수(E_s) 및 프와송비(γ)를 나타내었다.

구분	점착력(kg/cm²)	내부마찰각(°)	E_s(kg/cm²)	γ
비회	0.03	28	92.61	0.0055
저회	0.00	33	87.45	0.0064

상기 표 2를 참조하면, 삼축압축시험결과 비회와 저회의 점착력은 0, 0.03 kg/cm²으로 거의 비슷하게 나타났으며, 내부마찰각의 경우는 저회가 33°, 비회가 28°로 나타났다. 이러한 결과는 한국철도시설공단(2001)의 흙의 종류별 토질정수 분류를 참고하면 저회(내부마찰각 33°)는 단위중량이 1.6∼1.9 tf/m³이고 내부마찰각 35∼45°인 약간 느슨한 모래와 비슷한 것임을 알 수 있다.

하기 표 3에 석탄회의 다짐시험을 통해 최대건조밀도(γ_dmax) 및 최적함수비(O.M.C)를 나타내었다.

	최대건조밀도(γ_dmax)	최적함수비(O.M.C)
비회	1.32	20.45
저회	1.50	18.95

상기 표 3을 참조하면, 석탄회의 다짐시험결과는 일반 흙에서와 같이 다짐에너지의 증가에 따라 최대건조밀도는 증가하고 최적함수비는 감소하는 경향을 나타내었다.

이와 같은 석탄회는 기존에 반응성 복합투수벽체에 사용하는 모래와 비교하여 가볍고, 소성이 용이한 잇점이 있다. 특히 석탄회 중 비회는 다양한 분야에 재활용되고 있으나, 저회의 경우 재활용 보다는 전량 매립 처리하고 있으며, 상기 표 1 내지 3의 결과를 보면 비회 보다는 저회를 사용하는 것이 바람직함을 알 수 있다.

본 발명에 따른 반응성 복합투수벽체는 전체 조성에 대해 석탄회를 67.3∼90 중량%, 바람직하기로 75∼85 중량%로 사용한다. 만약 그 함량이 상기 범위 미만이면 반응성 복합투수벽체의 투수성이 낮아지고, 이와 반대로 상기 범위를 초과하면 반응성 복합투수벽체의 강도가 낮아지는 발생하므로, 상기 범위 내에서 적절히 사용한다.

이때 상기 석탄회는 투수성을 높이고 혼합을 용이하게 하기 위해 입경이 0.1∼3 mm, 바람직하기로 0.14∼2 mm 인 것을 사용한다. 상기 입경은 투수벽체의 벽체로서의 효과에 관련된 것으로, 만약 그 입경이 상기 범위 미만이면 투수벽체로서의 적절한 나타내지 못하고, 이와 반대로 상기 범위를 초과하면 강도가 저하되는 문제가 발생하므로, 상기 범위 내에서 적절히 사용한다.

상기 석탄회와 더불어 본 발명에 따른 반응성 복합투수벽체는 황토를 포함한다.

황토의 주 구성광물은 점토광물(캐올리나이트,할로이사이트,일라이트,질석,녹니석)과 산화철 및 석영, 장석 등으로 구성된다. 상기 점토광물에는 여러 가지 종류가 있어서 그 성질이 다소 다르지만 일반적으로 이온교환 성질이 있다. 즉, 양이온 성분이 녹아 있는 용액에 점토광물, 즉 황토를 넣으면 점토광물의 결정구조 내에 존재하던 양이온과 물에 녹아 있는 양이온간에 치환이 일어난다.

본 발명에서는 반응성 복합투수벽체에 황토를 사용하여 침출수 또는 지하수 내 녹아있는 중금속이나 방사성 물질을 흡착하는 효과를 얻는다.

본 발명에 따른 반응성 복합투수벽체는 전체 조성에 대해 황토를 7∼30 중량%, 바람직하기로 10∼20 중량%로 사용한다. 만약 그 함량이 상기 범위 미만이면 중금속과 같은 유해 물질의 흡착도가 낮아지고, 벽체 제조가 어려우며, 이와 반대로 상기 범위를 초과하면 반응성 복합투수벽체의 투수성이 낮아지는 문제가 발생하므로, 상기 범위 내에서 적절히 사용한다.

전술한 바의 석탄화 및 황토에 더하여 본 발명의 반응성 복합투수벽체는 벤토나이트를 포함한다.

벤토나이트는 몬모릴로나이트를 주 구성광물로 하는 점토광물의 일정으로, Si 사면체층과 Al 팔면체층이 2:1 형태의 결정구조를 갖는 미세한 집합체이다. 상기 벤토나이트는 독특한 입자 형상과 높은 비표면적, 우수한 양이온 교환기능으로 흡착에 효과적이고 경제성을 갖추어 있다. 또한 반응성 복합투수벽체의 강도(일축압축강도)를 높인다.

본 발명에 따른 반응성 복합투수벽체는 전체 조성에 대해 벤토나이트를 0.1∼5 중량%, 바람직하기로 0.5∼2 중량%로 사용한다. 만약 그 함량이 상기 범위 미만이면 중금속이나 유기유해물질의 흡착 효과가 충분치 못하고, 이와 반대로 상기 범위를 초과하면 반응성 복합투수벽체의 투수성을 저하시키는 문제가 발생하므로, 상기 범위 내에서 적절히 사용한다.

이와 같은 석탄회, 황토 및 벤토나이트를 포함하는 반응성 복합투수벽체는 공지된 방법에 의해 투수 벽체의 제조가 가능하며, 본 발명에서 특별히 한정하지는 않는다.

일예로 석탄회와 황토를 혼합한 후, 벤토나이트를 추가로 첨가하여 균일하게 혼합한다.

다음으로, 상기 얻어진 혼합물에 압력을 가해 성형체를 제조한다.

이러한 성형체는 적용하고자 하는 분야에 적합하도록 다양한 형태로 제조가 가능하며, 일예로 벽 형태로 제작한다.

투수 벽체로서 사용하기 위한 투수 계수는 1.0×10^-3∼1.0×10^-4 cm/sec이며, 일축압축강도 (매립지 시공에 관한 품질관리 관련법에 의거)는 490 kPa 이상이다.

본 발명의 바람직한 실시예를 통해 실험한 결과 투수 계수가 10^-3∼10^-5cm/s로 상기 기준을 만족함을 확인하였다. 또한 본 발명의 다른 바람직한 실시예를 통해 일축압축강도를 실험한 결과, 일축압축강도가 490 kPa 이상인 900 kPa 이상의 수준, 450∼1000 kPa을 나타냄을 확인하였다.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 실시예에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.

실시예 1∼3

혼합기에 석탄회(저회)와 황토를 8:2의 중량비로 혼합한 다음, 벤토나이트를 전체 중량에 대해 4%로 첨가하여 균일하게 혼합하였다. 이어 압력을 가해 성형한 후 28일 동안 자연 건조하여 반응성 복합투수벽체용 공시체를 제작하였다. 상기 공시체 내 함유된 석탄회, 황토, 및 벤토나이트는 각각 77.0 중량%, 18.2 중량%, 및 3.8 중량%이다.

이때 상기 공시체는 다짐도를 100%(실시예 1), 95%(실시예 2), 및 90%(실시예 3)로 각각 변화시켜가며 제작하였다.

실시예 3∼6

혼합기에 석탄회(저회)와 황토를 7:3의 중량비로 혼합한 다음, 벤토나이트를 전체 중량에 대해 4%로 첨가하여 균일하게 혼합하였다. 이어 압력을 가해 성형한 후 28일동안 자연 건조하여 반응성 복합투수벽체용 공시체를 제작하였다. 상기 공시체 내 함유된 석탄회, 황토, 및 벤토나이트는 각각 67.3 중량%, 28.9 중량%, 및 3.8 중량%이다.

이때 상기 공시체는 다짐도를 100%(실시예 4), 95%(실시예 5), 및 90%(실시예 6)로 각각 변화시켜가며 제작하였다.

비교예 1∼3

석탄회 대신 모래를 사용한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 반응성 복합투수벽체용 공시체를 제작하였다.

이때 상기 공시체는 다짐도를 100%(비교예 1), 95%(비교예 2), 및 90%(비교 예 3)로 각각 변화시켜가며 제작하였다.

비교예 3∼6

석탄회 대신 모래를 사용한 것을 제외하고는, 상기 실시예 2와 동일하게 수행하여 반응성 복합투수벽체용 공시체를 제작하였다.

이때 상기 공시체는 다짐도를 100%(비교예 4), 95%(비교예 5), 및 90%(비교예 6)로 각각 변화시켜가며 제작하였다.

실험예 1: 일축압축강도 시험

상기 실시예 및 비교예에서 제작된 공시체의 양생기간을 1일, 3일, 7일, 14일 및 28일에 따른 일축압축강도를 KS F 2314-97의 방법에 의거하여 측정하였다. 이때 결과는 다짐도를 90∼100%로 변화시켜가며 공시체를 제작하여 측정하였다.

	최대 일축압축강도		최대 일축압축강도
실시예 1	970 kPa (9.9 kgf/㎠)	비교예 1	941 kPa (9.6 kgf/㎠)
실시예 2	710 kPa (7.2 kgf/㎠)	비교예 2	637 kPa (6.5 kgf/㎠)
실시예 3	560 kPa (5.7 kgf/㎠)	비교예 3	519 kPa (5.3 kgf/㎠)
실시예 4	920 kPa (9.4 kgf/㎠)	비교예 4	921 kPa (9.4 kgf/㎠)
실시예 5	740 kPa (7.5 kgf/㎠)	비교예 5	706 kPa (7.2 kgf/㎠)
실시예 6	450 kPa (4.6 kgf/㎠)	비교예 6	411 kPa (4.2 kgf/㎠)

상기 표 5를 참조하면, 본 발명에 따라 저회를 사용하여 제작된 공시체의 경우 동일 함량의 모래를 사용한 공시체와 비교하여 최대 일축압축강도가 훨씬 높음을 알 수 있다. 이러한 일축압축강도는 저회:황토의 배합비가 8:2인 것이 7:3인 것보다 높은 수치를 나타낸다.

상기 결과는 종래 그 처리가 곤란하던 폐자원인 저회를 사용함으로써 고가의 모래를 대체할 수 있고, 모래 보다 우수한 물성을 가지는 반응성 투수 벽체의 제조가 가능함을 의미한다.

실험예 2: 일축압축강도 시험

벤토나이트의 함량을 0, 1 중량부, 2 중량부, 3 중량부 및 4 중량부 (저회+황토=8:2를 100 중량부로 한 경우)로 각각 변화시켜 공시체를 제작한 다음, 벤토나이트의 함량에 따른 일축압축강도를 측정하였다.

도 1은 벤토나이트 함량에 따른 반응성 투수 벽체의 일축압축강도 변화를 보여주는 그래프이다.

상기 도 1을 참조하면, 100%의 다짐도로 제작된 공시체의 경우 벤토나이트가 1 중량부로만 사용하여도 500 kPa 이상의 일축압축강도수치를 나타내었으며, 4 중량부로 사용한 경우 800 kPa 이상의 수치를 나타내었다.

이러한 결과는 최대건조단위중량이 증가할수록 일축압축강도가 증가하고, 벤토나이트의 함량이 증가할수록 투수 벽체의 강도 발현이 증가하고 강도 또한 향상됨을 알 수 있다.

실험예 3: 삼축 투수 시험

벤토나이트의 함량을 0, 1%, 2%, 3% 및 4% (이때 상기 '%'는 중량부를 의미하며, 이는 저회+황토=8:2를 100 중량부로 한 경우의 수치임)로 각각 변화시켜 공시체를 제작한 다음, 벤토나이트의 함량에 따른 투수계수를 측정하였다(ASTM-D5084, 김상규 2004).

이때 공시체의 투수는 벤토나이트의 팽윤성과 최대단위중량에 따른 입자사이의 간극에 큰 영향을 받을 것이라 판단하고 28일 동안 자연 건조된 공시체의 벤토나이트 함량별, 최대단위중량별 투수계수를 산정하였다.

도 2는 저회를 사용한 벤토나이트 함량에 따른 반응성 투수 벽체의 일축압축강도 변화를 보여주는 그래프이다.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따라 제조된 저회를 포함하는 반응성투수벽체 투수계수인 10^-3∼10^-4cm/s을 만족하는 벤토나이트의 함량은 2%이하에서였다. 최대단위중량의 90%에서도 벤토나이트 함량이 3%이상이 되면 투수계수가 10^-5cm/s 이하로 나타났다.

본 발명에 따른 반응성 복합투수벽체는 침출수 또는 오염수의 정화에 적용한다.

Claims

석탄회, 황토 및 벤토나이트를 포함하는 반응성 복합투수벽체.
제1항에 있어서,

상기 반응성 복합투수벽체는 석탄회 67.3∼90 중량%, 황토 7∼30 중량%, 및 벤토나이트 0.1∼5 중량%를 포함하는 것인 반응성 복합투수벽체.
제1항에 있어서,

상기 석탄회는 비회, 저회 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 1종인 것인 반응성 복합투수벽체.
제1항에 있어서,

상기 석탄회는 입자 크기가 0.1∼3 mm 인 것인 반응성 복합투수벽체.
제1항에 있어서,

상기 반응성 복합투수벽체는 투수계수가 10^-3∼10^-5cm/s이고, 일축압축강도가 450∼1000 kPa인 것인 반응성 복합투수벽체.