KR20030049396A - 중금속 함유 재 및 분진을 토목건축재료로서 재활용하는방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 중금속이 함유된 재(ash) 및 분진(dust)를 안정화시키면서 연소재 벽돌 및 보도블록 등의 토목건축 재료로서 재활용하는 방법에 관한 것이다. 바닥재 20 ∼60%, 비산재 및 분진 10 ∼ 20%, 모래 10 ∼ 30%, 시멘트 10 ∼ 40%, 그리고 인산기(PO₄ ^3-)가 바닥재 첨가량의 0.5 ∼ 1%, 비산재 및 분진 첨가량의 2 ∼ 7% 이내로 물에 녹아 있는 안정화 용액 10 ∼ 40%의 원료를 100% 중량비로 조절하여 균질로 혼합하고 혼합된 상기 시멘트 몰탈을 벽돌이나 블록 성형틀에 충전하여 벽돌이나 블록을 성형, 경화시켜 토목, 건축자재로서 재활용 한다. 상기 중금속 안정화제의 인산기 보급원으로서는 인산(H₃PO₄), 제 1 인산나트륨(NaH₂PO₄), 제 2 인산나트륨(Na₂HPO₄), 제 3 인산나트륨(Na₃PO₄), 과린산석회, 중과린산석회, 그리고 인산염 슬러지를 무기산 혹은 유기산에 녹인 산성 용액 중에서 선택하여 사용한다. 본 발명은 바닥재, 비산재 및 분진 등의 폐기물 속에 함유된 중금속을 안정화하였을 뿐만 아니라 이들 폐기물을 이용하여 시멘트 성형재를 성형하여 재활용하였으므로 이들 중금속 함유 폐기물로 인하여 발생될 토양오염 및 매립지 확보 문제를 해결하였다.

Description

중금속 함유 재 및 분진을 토목건축재료로서 재활용하는 방법{A method to reuse ash and dust containing heavy metals as materials for civil engineering and construction}

본 발명은 생활폐기물 및 산업폐기물 소각장에서 배출되는 소각재와 공해방지시설로부터 포집된 분진, 전기로분진 등 중금속이 함유되어 있는 재(ash)에 대하여 재 속에 함유되어 있는 중금속을 안정화시키면서 연소재 벽돌 및 보도블록 등의 토목건축 재료로서 재활용하는 방법에 관한 것이다.

중금속 함유 재(ash) 및 분진(dust)으로서는 대표적인 폐기물 소각재를 비롯하여 집진분진, 전기로분진 등을 들 수 있다. 생활폐기물 소각장에서 배출되는 소각재는 배출부위에 따라 소각로 바닥으로 배출되는 바닥재(Bottom ash)와 연소가스 속에 함유된 분진을 포집한 비산재(Fly ash)로 구분된다. 비산재와 분진에는 납, 크롬, 카드뮴, 아연, 구리 등 중금속이 환경규제치보다 대체로 많이 함유되어 있는데 특히 납이 용출문제를 일으키는 주된 중금속으로 보고되어 있다. 바닥재의 경우에는 중금속 농도가 비교적 낮지만, 바닥재 속에 함유되어 있는 중금속 중 납은 간헐적으로 용출규제치인 3 mg/l를 초과하는 경우가 발생된다.

소각 비산재와 분진의 중금속안정화는 폐기물과 시멘트, 석회와 같은 고화제를 혼합하고 물을 첨가하여 혼련한 다음 양생, 고화하여 유해 중금속 이온의 용출을 방지하여 안정화하는 방법이 사용되고 있다. 그러나 단순히 고화제만으로 고화하는 방법으로는 중금속 용출을 완전하게 억제하지 못하는 것으로 알려져 있다. 따라서 킬레이트제와 같은 중금속 안정화제를 첨가하여 안정화 처리를 하지만, 킬레이트제가 고가이므로 처리 비용이 많이 드는 단점이 있다. 킬레이트제를 첨가하여 중금속을 안정화하는 소각장은 2000년에 성서소각장 한곳 뿐이었으며 이외에는 모두 지정폐기물 매립장에 매립하고 있는 실정이다.

바닥재의 경우에는 지금까지는 주로 매립되고 있었으나 최근에는 재활용 연소재벽돌 등의 제조에도 사용되고 있다(공개번호 특1999-0083777). 그러나 이 방법은 킬레이트제와 같은 중금속 안정화제를 사용하지 않으므로 중금속이 많이 함유되어 있는 소각재 및 분진을 사용할 경우에는 중금속 용출 문제를 완전하게 해결하지 못하여 2차오염 문제를 항상 내포하고 있다. 소각재와 분진의 매립은 매립지 확보의 어려움과 중금속의 재용출, 침출수 처리에 따른 비용증가의 문제점을 가지고 있으며, 중금속 함유 소각재 및 분진에 킬레이트제와 같은 중금속 안정화제를 첨가하는 것은 안정화 처리 관점에서는 유효하지만, 매립지 확보 문제와 골재 성분과 유사한 재의 재이용 관점에서는 바람직하지 않다. 또한 연소재벽돌, 연소재블럭 등 토목, 건축재료로서 재이용하는 방법은 고가인 킬레이트제를 사용하는 데에 따른 경제성 문제와 백화현상, 색도 등의 제품에 대한 품질문제로 인하여 상업적으로 적용하기가 쉽지 않은 문제점이 있다.

본 발명은 이러한 현안 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서 본 발명이 이루고자 하는 기술적과제는 소각재와 분진 속에 함유되어 있는 중금속을 효과적으로 안정화 시키면서도 연소재벽돌, 연소재블록 같은 토목, 건축재료로서 재활용이 가능도록 하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명자는 상기와 같은 목적을 수행하는 수단으로서 소각재와 분진의 중금속 안정화와 재활용 관점에서 중금속 안정화제의 첨가를 다방면으로 검토하였다. 바닥재, 비산재 또는 분진, 시멘트의 배합비와 중금속 안정화제의 종류를 달리하며 고화체를 제작하여 중금속 용출 및 압축강도, 백화현상, 색도 등을 검토하였다. 소각재 및 분진에 함유된 중금속을 원천적으로 안정화하기 위해서는 시멘트만으로는 불충분하며, 중금속 안정화제의 첨가는 필수적이다. 통상 중금속 안정화제로서는 킬레이트제와 인산계 중금속 안정화제가 사용되고 있다. 이들 중금속 안정화제는 중금속과 반응하여 안정된 염을 형성하여 중금속을 무해화 시키게 되는 것이다.

한편 중금속 안정화제로서 킬레이트제를 사용하였을 경우에는 킬레이트제는 고화체의 색상이 불규칙한 문제점이 있었는데, 이는 킬레이트제가 주로 담황색 혹은 담황갈색이라 고화체 내에 고루 퍼지지 못하고 얼룩져 균일한 색상을 나타내지 못하였다. 반면에 인산 및 수용성 인산의 첨가는 중금속 안정화 및 색상의 문제점이 없었다. 하지만 고화체에 비산재 또는 분진이 과다한 비율로 첨가되었을 경우에는 고가인 중금속 안정화제의 첨가량이 많아 비용적인 면에서 불합리하고, 양생과정에서 표면에 하얀 꽃이 피는 백화현상이 발생되는 문제점이 있었다. 따라서 중금속 안정화제 첨가 및 바닥재, 소각재, 시멘트의 배합비가 중요하였는데, 바닥재 20 ∼60 %, 비산재 또는 분진 10 ∼ 20 %, 모래 10 ∼ 30 %, 시멘트 10 ∼ 40 % 그리고 인산기(PO₄ ^3-)가 바닥재 첨가량의 0.5 ∼ 1%, 비산재 및 분진 첨가량의 2 ∼ 7% 이내로 물에 녹아 있는 안정화 용액 10 ∼ 40%의 원료를 100% 중량비로 조절하여 균질로 혼합하고 혼합된 상기의 시멘트 몰탈을 성형, 양생, 고화하면 상기의 목적을 달성할 수 있음을 확인할 수 있었다.

인산기의 보급원으로서는 수용성이면서 인산기를 함유하고 있는 인산(H₃PO₄), 제 1 인산나트륨(NaH₂PO₄), 제 2 인산나트륨(Na₂HPO₄), 제 3 인산나트륨(Na₃PO₄) 중 어느 한가지를 사용하여도 좋으며, 본 발명자가 선출원중인(출원번호 10-2001-0074392) 중금속 함유재의 안정화방법에서 중금속 안정화제로 사용한 과린산석회, 중과린산석회와 인산염 슬러지를 무기산 혹은 유기산에 녹여 인산기를 해리시켜 이온화한 중금속 안정화제(출원번호 10-2001-0075763)를 사용하여도 좋다.

상기의 중금속 안정화제를 사용하여 고화체를 제작하여 고화체의 압축강도 및 물성, 그리고 중금속을 안정화 할 수 있는지에 대하여도 실험을 행하였다. 실험 결과 수용성 인산, 과린산석회, 중과린산석회 그리고 인산염 슬러지로부터 재조된 중금속 안정화제를 사용하여도 상기의 목적을 충분이 달성 할 수 있음을 확인하였으며, 따라서 고화체 제작에 필요한 중금속 안정화제의 비용을 절감, 인산염 슬러지의 재활용, 그리고 바닥재, 비산재, 분진의 중금속 용출문제를 모두 해결할 수 있었다. 또한 백화현상 및 색상의 변화가 없도록 하여 연소재벽돌, 연소재블록으로의 재활용이 가능하게 된 것이다. 경제적인 측면에서도 바닥재, 비산재 및 분진의 매립비용보다 훨씬 저렴한 가격으로 재활용이 가능하다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 과제를 수행하는 본 발명에 의한 중금속 함유 소각재 및 분진을 토목건축재료로서 재활용하는 방법은 중량비로

바닥재 20 ∼60%,

비산재 및 분진 10 ∼ 20%,

모래 10 ∼ 30%,

시멘트 10 ∼ 40%,

인산기(PO₄ ^3-)가 바닥재 첨가량의 0.5 ∼ 1%, 비산재 및 분진 첨가량의 2 ∼ 7% 이내로 물에 녹아 있는 안정화 용액 10 ∼ 40%의 원료를 100% 중량비로 조절하여 균질로 혼합하고 혼합된 상기 시멘트 몰탈을 벽돌이나 블록 성형틀에 충전하여 벽돌이나 블록을 성형, 경화시켜 토목, 건축자재로서 재활용 한다. 여기서 상기 중금속 안정화제의 인산기 보급원으로서는 인산(H₃PO₄), 제 1 인산나트륨(NaH₂PO₄), 제 2 인산나트륨(Na₂HPO₄), 제 3 인산나트륨(Na₃PO₄), 과린산석회, 중과린산석회, 그리고 인산염 슬러지를 무기산 혹은 유기산에 녹인 산성 용액 중에서 선택하여 사용한다.

이하 각 구성 성분별로 작용을 설명하겠다.

바닥재의 성분은 Si, Ca, Al이 주성분으로 800℃ 이상의 고온에서 구워진 것이라 화학적으로 안정하여 모래의 대용으로 사용이 가능하다. 바닥재에는 Cd, Hg 등의 저융점 금속이 거의가 가스화되어 배기 가스와 같이 이동되므로 이들 성분이 바닥재에는 거의 없다. 비산재 및 분진 또한 Si, Ca, Al이 주성분으로 비산재 및 분진입자와 시멘트의 수화에 의하여 생성된 Ca(OH)₂가 반응식 1과 반응식 2와 같은 포졸란 반응을 일으킨다.

석회나 포졸란의 반응도와 강도에 이용되는 비율은 석회 : 포조란 비율이 무게비율로 1 : 2 ∼ 1 : 6 정도인데(ASTM C311과 ASTM C593), 비산재 및 분진의 사용은 폐기물을 재활용하여 시멘트를 절약하여 경제적이며, 고화체의 압축강도 개선과 유해물질의 용출량 감소의 이점을 가지고 있다. 하지만 비산재 및 분진의 과다한 첨가는 백화현상을 일으켜 품질저하를 가져오므로, 백화현상 방지를 위하여 10∼20% 내로 하는 것이 바람직하다.

시멘트는 CaO가 주성분으로 반응식 3, 4, 5, 6과 같은 수화반응을 일으킨다.

Tricalciumsilicate(3CaO.SiO₂)와 dicalciumsilicate(2CaO.SiO₂)는 시멘트의 75%이상을 차지하며, 이들이 수화반응 할 때 시멘트의 강도를 나타낸다. 반응 생성물로 Ca(OH)₂가 발생하면 pH가 12-13까지 높아진다. Ettringite 크리스탈이 생기면 체적이 늘어나게 되는데 아직 경화되지 않은 풀인 경우는 ettringite가 차지할 수 있는 공간을 만들 수 있지만 이미 경화된 경우에는 ettringite에 의한 크리스탈 팽창압이 생겨서 주위에 시멘트 고화제에 팽창력이 가하게 됨으로서 균열을일으키게 된다.

고화체의 압축강도는 배합비의 조절로 가능하며 같은 배합비라도 가압등의 제조방법에 따라서도 압축강도의 차이가 난다. 따라서 가압하여 성형할 경우에 시멘트의 첨가량을 줄일 수 있다. 하지만 시멘트의 배합비는 10% 이하로 하는 것은 바람직하지 않다. 시멘트가 10%이하로 배합되면 압축강도의 저하가 우려되며 또한 시멘트는 중금속의 완전한 안정화는 꾀할 수 없지만, 수화과정에서 중금속을 고용체같은 화학적 고정이나 물리적 봉합에 의하여 고정시키기 때문이다.

중금속 안정화제로서 인산기(PO₄ ^3-)는 30여가지 이상의 원소와 결합하여 약 300가지의 안정된 화합물을 형성할 수 있다. 따라서 Ni, Cu, Cd, Cr, Pb 등의 중금속과 반응하여 안정된 인산염을 형성한다. 특히 납에 대한 중금속고정효과가 우수하여 납이 많이 함유된 비산재나 분진의 중금속안정화에 효과적이다. 인산기의 보급원으로 인산(H₃PO₄), 제 1 인산나트륨(NaH₂PO₄), 제 2 인산나트륨(Na₂HPO₄), 제 3 인산나트륨(Na₃PO₄)의 사용이 가능하며, 또한 본 발명자가 선출원중인 과린산석회, 중과린산석회를 중금속 안정화제로 사용하는 방법(출원번호 10-2001-0074392)과 인산염 슬러지를 산에 녹여 인산기를 이온상태로 해리시킨 중금속 안정화제(출원번호 10-2001-0075763)를 사용하여도 좋다.

이와 같이 본 발명은 바닥재와 비산재나 분진같이 800℃ 이상에서 구워진 폐기물을 이용하여 벽돌 등을 성형하였기 때문에 재질적으로는 안전성이 높고, 강도는 상기의 배합비 내에서 용도에 따라 조절하여 성형제조하면 된다. 무엇보다 인산기를 함유한 중금속 안정화제를 첨가하여 바닥재와 비산재, 분진같은 폐기물 내에 함유된 중금속을 안정화하였다. 또한 비산재나 분진의 과다 함유에 따른 첨가 안정화제의 첨가량 증가에 따른 비용증가와 백화현상 및 색도에 대한 문제점을 해결하기 위하여 비산재와 분진의 함유비를 10 ∼ 20%내로 한정하여 상품성을 확보였다. 따라서 본 발명은 중금속이 함유된 바닥재와 비산재 및 분진을 매립하지 않고 재활용하는 것이므로 매립부지의 감소 및 중금속 용출에 따른 침출수 처리비의 저감 및 토양오염의 우려를 불식시킬 수 있다.

이하 본 발명에 의한 실시예를 통하여 더욱 구체적으로 설명하지만, 하기 실시예는 본 발명을 제한하거나 한정하는 것은 아니다.

(실시예)

4.25mm이하 체로 쳐서 불순물을 제거한 한 바닥재 200g과 비산재 50g 모래 50g, 시멘트 200g을 섞어 균일하게 혼합한 후, 중금속 안정화제로서 인산 3g을 물 150g에 녹인 안정화 용액을 상기 재료와 혼합하고 이렇게 만들어진 시멘트 몰탈을 성형하여 고화체 A를 제작하였다. 또한 중금속 안정화제로서 인산염슬러지 200g을 황산 2N 용액 500g에 녹여 해리시킨 안정화 용액 200g을 상기 혼합재료(바닥재 200g, 비산재 50g, 모래 50g, 시멘트 200g을 섞어 균일하게 혼합한 재료)에 혼합하여 성형, 고화체 B를 제작하였다. 인산염 슬러지로부터 제조된 안정화 용액에는 인산기가 5.5%함유되어 있으며 비중은 1.19 g/cm³이었다. 이렇게 인산기의 원천이다른 중금속 안정화제를 사용하여 제작된 고화체 각각에 대하여 압축강도, 흡수율, 폐기물 공정시험방법에 의한 중금속 용출시험 결과를 (표 1)에 나타내었다.

고화체 28일 압축강도는 110 kg_f/cm²을 보여 연소재벽돌기준 82 kg_f/cm²을 초과하였다. 흡수율은 고화체 A : 11%, 고화체 B : 11.5%로 연소재 벽돌 기준을 만족하였으며 중금속 용출 또한 미미하여 안정화됨을 확인 할 수 있었다.

(표 1) 본 발명에 의한 고화체의 압축강도 및 중금속 용출

항목	법적기준	비산재	실시예
			고화체 A	고화체 B
압축강도	82(kgf/cm2)	-	108	110
흡수율	15%	-	11	11.5
pH	-	11.8	12.5	11.9
중금속	납	3(mg/l)	32.6	0.04	불검출
	구리	3(mg/l)	0.01	불검출	0.12
	카드뮴	0.3(mg/l)	0.002	불검출	불검출
	6가크롬	1.5(mg/l)	0.02	불검출	불검출

본 발명은 바닥재, 비산재 및 분진 등의 폐기물 속에 함유된 중금속을 안정화하였을 뿐만 아니라 이들 폐기물을 이용하여 시멘트 성형재를 성형하여 재활용하였으므로 이들 중금속 함유 폐기물로 인하여 발생될 토양오염 및 매립지 확보 문제를 해결하였다. 특히 인산염 슬러지로부터 재생된 중금속 안정화제는 인산염 슬러지의 처리 및 이를 이용하여 고화체를 제작시에는 중금속 용출을 방지할 수 있을뿐만아니라 고화체 제조원가를 낮출 수 있어 폐기물의 처리 및 재활용이란 일석이조의 효과를 얻을 수 있다.

Claims (2)

1. 바닥재 20 ∼60 %, 비산재 또는 분진 10 ∼ 20 %, 모래 10 ∼ 30 %, 시멘트 10 ∼ 40 %, 인산기(PO₄ ^3-)가 바닥재 첨가량의 0.5 ∼ 1%, 비산재 및 분진 첨가량의 2 ∼ 7% 이내로 물에 녹아 있는 안정화 용액 10 ∼ 40%의 원료를 100% 중량비로 조절하여 균질로 혼합하고 혼합된 상기의 시멘트 몰탈을 벽돌이나 블록 성형틀에 충전하여 벽돌이나 블록을 성형, 경화시켜 토목, 건축자재로서 재활용 한 것을 특징으로 하는 중금속 함유 소각재 및 분진을 토목건축재료로서 재활용하는 방법.
2. 청구항 1에서 중금속 안정화제의 인산기 보급원으로서는 인산(H₃PO₄), 제 1 인산나트륨(NaH₂PO₄), 제 2 인산나트륨(Na₂HPO₄), 제 3 인산나트륨(Na₃PO₄), 과린산석회, 중과린산석회, 그리고 인산염 슬러지를 무기산 혹은 유기산에 녹인 산성 용액 중 1가지인 방법.