KR20040018056A

KR20040018056A - 토목건축용 벽돌 및 블록의 원료로 바닥재와 인산폐수를 이용하는 방법

Info

Publication number: KR20040018056A
Application number: KR1020020050353A
Authority: KR
Inventors: 장영옥
Original assignee: 장영옥
Priority date: 2002-08-24
Filing date: 2002-08-24
Publication date: 2004-03-02

Abstract

본 발명은 소각장에서 배출되는 소각재에 관련된 것으로서 특히 소각로 하부로 배출되는 바닥재에 함유된 중금속을 인산폐수를 이용하여 안정화 시켜 벽돌 및 블록 등의 토목건축재료로 재활용하는 방법에 관한 것이다.

바닥재에 함유된 중금속을 안정화시키는 방법은 바닥재를 인산폐수와 접촉시키는 것인데 그 수단으로서는 바닥재를 인산폐수에 침지 시키거나 바닥재에 인산폐수를 스프레이 하는 수단, 혹은 고화수의 일부 혹은 전부를 인산폐수로 대체하는 것이다.

바닥재에 함유된 중금속을 안정화시키므로 중금속 용출의 가능성을 사전에 차단하였으며, 바닥재를 토목건축용 골재로서 재활용하는 것이 가능하다. 중금속 안정화제로서 고비용의 안정화제를 사용하는 것이 아니라 인산폐수를 사용하여 폐수 처리 및 중금속 안정화라는 일석이조의 효과를 얻을 수 있다. 본 발명은 폐기물을 자원화 하였으므로 친환경적일 뿐만 아니라, 가격 경쟁력이 뛰어나 경제적인 측면에서도 매우 효과적이다.

Description

토목건축용 벽돌 및 블록의 원료로 바닥재와 인산폐수를 이용하는 방법{A method using bottom ash and phosphate waste water as raw materials making a brick and a block for civil engineering and construction}

본 발명은 소각장에서 배출되는 소각재에 관련된 것으로서 특히 소각로 하부로 배출되는 바닥재에 함유된 중금속을 인산폐수를 이용하여 안정화 시켜 토목건축용 벽돌 및 블록 등을 만드는 원료로서 재활용하는 방법에 관한 것이다.

생활폐기물 혹은 사업장폐기물 소각장에서 배출되는 소각재는 배출부위에 따라 소각로 하부로 배출되는 바닥재(Bottom ash)와 연소가스 속에 함유된 분진을 포집 제거되는 비산재(Fly ash)로 구분된다. 비산재에는 중금속이 많이 함유되어 있으므로 안정화, 고형화 하거나 지정폐기물 매립장에 매립하고 있다. 바닥재는 비산재의 경우보다 중금속 농도가 비교적 낮아 일반폐기물로서 매립되고 있었으나, 1999년에 국립환경연구원에서 국내 9개 대형 소각시설에서 배출되는 바닥재의 중금속 용출농도를 조사한 결과, 납(Pb) 3.167mg/l, 구리(Cu) 1.800 mg/l, 비소(As) 0.003mg/l, 수은(Hg)0.001mg/l, 카드뮴(Cd) 0.034mg/l, 6가크롬(Cr⁶⁺) 0.090mg/l으로 나타났는데(참고문헌 : 국립환경연구원, 도시쓰레기 소각재 중의 유해물질함량 조사연구, NIER, No. 99-16-555, 1999), 이 중 납이 용출규제치인 3㎎/ℓ를 초과하여 바닥재도 중금속 안정화에 대한 대책이 필요한 것으로 조사되었다.

한편, 바닥재의 구성 성분은 SiO₂, Al₂O₃, CaCO₃등으로 골재 성분과 유사하므로 바닥재 속에 함유된 철제류, 캔 등 비철금속류, 유리, 타일 등을 자력선별, 스크린, 비중선별 등으로 분리한 후 재활용이 가능하지만, 바닥재에는 납, 크롬, 카드뮴, 구리 등의 중금속을 함유되어 있어 재활용에 걸림돌이 되고 있다. 현재, 바닥재의 일부가 연소재 벽돌 제조에 재활용되고 있으나(전진산업, 공개번호 특1999-0083777) 납을 시멘트로 고화하였을 경우 높은 pH영역에서 재용출이 일어나 시멘트 고화만으로는 납을 완전하게 고정시킬 수 없는 것으로 보고되어 있다(참고 문헌 : 김창은, 이승규, 시멘트를 이용한 중금속 이온의 고정화/안정화 기구(Ⅰ), 한국폐기물학회지, 제 9권, 1호, pp. 55-62, 1992). 따라서 바닥재의 재활용을 위해서는 바닥재 속에 함유된 납, 크롬, 카드뮴, 구리 등 중금속(특히 납)에 대한 안정성이 확보되어야만 한다.

바닥재에 함유된 납의 안정화 방법으로는 미국특허 제5,245,114호에 수용성 인산으로 바닥재를 처리하여 안정화시키는 방법이 공시되어 있다. 이는 인산기가 30여가지 이상의 원소와 결합하여 약 300가지의 안정된 화합물을 형성할 수 있음을 이용한 것으로, 미국특허 제5,245,114호에서는 수용성 인산으로는 phosphoric acid, polyphosphoric acid, hypophosphoric acid, metaphosphoric acid, trisodium phosphate, disodium hydrogen phosphate, sodium dihydrogen phosphate, tripotassium phosphate, dipotassium hydrogen phosphate,potassium dihydrogen phosphate, trilithium phosphate, dilithium hydrogen phosphate, lithium dihydrogen phosphate 등을 제시하였다. 하지만 이들을 사용할 경우에 중금속의 안정화에는 효과적이지만, 안정화제로서 고가의 약품비가 소모되므로 경제성 측면에서는 합리적이지 못하다.

한편, 일반적으로 인광석으로부터 인산 및 인산비료 제조공정, 실리콘 웨이퍼의 제조공장 내지 실리콘 웨이퍼 처리공장, 액정표시장치 제조공장, 인산염 화성 피막 도장공장 등에서는 대량의 인산폐수가 발생된다. 인산폐수에는 인산, 불소, 중금속 등이 함유되어 있으므로 이들 인산폐수는 소석회, 알루미늄염, 철염, 유기응집제 등을 첨가하여 인산염으로서 슬러지화 하여 배출시킨다. 따라서 인산폐수를 처리하는데는 약품비, 폐수처리시설 운전비 그리고 슬러지 처리비, 인건비 등의 비용이 소요된다.

본 발명은 바닥재의 안정화 및 재활용을 위한 가장 큰 걸림돌인 바닥재 속에 함유된 납, 크롬, 카드뮴, 구리 등 중금속(특히 납)에 대한 안정성이 확보 및 인산폐수를 효율적으로 처리하는 방법을 제시하는 것을 목적으로 한다.

일반적으로 벽돌 및 블록 등의 토목건축용 자재의 제조시 원료로는 골재와 시멘트, 석회 등의 고화제 그리고 고화수가 사용되는데, 본 발명은 골재 대용으로서 바닥재를 사용하고, 고화수의 일부 혹은 전부를 인산폐수로 대체하여 벽돌 및 블록 등의 토목건축자재를 생산하는 것이다. 다시말하면, 중금속을 함유하고 있는 바닥재와 인산폐수를 토목건축자재의 원료로 사용하는 것이다. 본 발명은 인산폐수 중에 함유된 인산기(PO₄ ^3-)를 바닥재 속에 함유된 중금속의 안정화제로사용하고, 인산폐수 속에 함유된 불소(F^-)이온 및 중금속이온(Ni²⁺, Cr²⁺)은 고화제로서 고정화시키는 것이다. 이렇게 하여 폐기물로서 폐기물을 처리하여 중금속을 안정화시키고, 토목건축용 자재로 재활용함으로서 바닥재 및 인산폐수의 효율적인 처리가 가능하게 되는 것이다.

도 1은 본 발명에 의한 바닥재의 중금속을 안정화하여 벽돌 및 블록 등의 토목건축자재 생산하는 흐름도

도 2는 스토카 소각로에서 바닥재의 중금속을 안정화하는 방법의 일 예를 나타낸 개략도

*도면의 주요부분에 대한 부호설명*

1. 스토카 소각로

2. Quenching Chamber

3. 바닥재 배출장치,

4, 4' 인산폐수 공급라인

5. 바닥재,

6 바닥재 배출기

일반적으로 벽돌 및 블록 등의 토목건축용 자재의 제조시 원료로는 골재와 고화제 그리고 고화수가 사용된다.

본 발명은 골재 대용으로서 바닥재를 사용하고 바닥재에 함유되어 있는 중금속은 인산폐수를 바닥재에 가하여 중금속을 안정화시키는 것인데, 인산폐수는 고화수의 대용으로 사용하는 것도 가능하다. 본 발명에 의한 바닥재의 중금속을 안정화하여 벽돌 및 블록 등의 토목건축자재 생산하는 흐름도가 도 1 에 나타나 있다.

도 1을 참조하여 본 발명에 의한 벽돌 및 블록 등의 토목건축용 자재를 만드는 방법을 설명하면;

먼저, 소각로의 바닥으로 배출되는 바닥재에 함유된 중금속을 안정화 시켜는데, 안정화시키는 방법은 바닥재에 인산폐수를 접촉시키는 것이다. 바닥재와 인산폐수의 접촉시키는 수단은 바닥재를 인산폐수에 침지하는 방법, 바닥재에 인산폐수를 스프레이 하는 방법 혹은 고화수의 일부 혹은 전부를 인산폐수로 대체하는 방법이 있는데, 이중에서 어느 방법을 사용하여도 좋다. 여기서 인산폐수는 인산 및인산비료 제조공정, 실리콘 웨이퍼 제조 공장 내지 실리콘 웨이퍼 처리 공장, 액정 표시 장치 제조 공장 혹은 인산염 화성 피막 도장 공장에서 발생되는 인산폐수를 사용한다.

다음으로 바닥재를 인산폐수에 침지하는 방법, 바닥재에 인산폐수를 스프레이 하는 방법에 의해 인산폐수와 접촉된 바닥재를 믹서에 넣고 고화제, 고화수와 함께 혼합, 교반한 다음 몰탈을 벽돌이나 블록 성형 틀에 충전하여 벽돌이나 블록을 성형, 경화시켜 토목건축용 자재를 만들면 되는 것이다.

고화수의 일부 혹은 전부를 인산폐수로 대체하는 수단의 경우에는 도 1의 1'와 같이 고화수의 일부 혹은 전부를 인산폐수로 대체하여 바닥재, 고화제와 함께 혼합, 교반한 몰탈을 벽돌이나 블록 성형 틀에 충전하여 벽돌이나 블록을 성형, 경화시켜 토목건축용 자재를 만든다. 도 1에 나타낸 바와 같이 고화체 제작방벙에 따라(상온 고화시) 압축강도 발현을 위하여 모래 등을 사용하여도 무방하다.

한편, 바닥재와 인산폐수의 접촉시키는데 있어서, 소각장에서 배출된 바닥재를 별도의 이송수단을 써서 인산폐수가 체워져 있는 혼합 탱크에 침지 시키커나 스프레이 수단을 구비하여 안정화 시킬 수도 있지만, 스토카 소각로와 같이 Quenching Chamber가 있는 경우에는 이를 이용하여 소각로에서 직접 바닥재를 안정화시킬 수 도 있다. 도 2는 이러한 스토카 소각로(1)에서 직접 바닥재를 안정화하는 방법의 일 예를 나타낸다. 스토카 소각로(1)의 Quenching Chamber(2)에는 물이 채워져 있는데 여기에 물 대신에 인산폐수를 사용한다. 여기서 미 설명 기호인 (3)은 바닥재 배출장치, (4), (4')는 인산폐수 공급라인, (5)는 바닥재, (6) 바닥재 배출기를 각각 나타낸다. 본 발명은 중금속이 함유된 바닥재가 인산폐수에 적셔지도록 하는 것이므로, 적시는 수단으로서는 상기 설명한 바와 같이 인산폐수에 바닥재를 침지시키는 것 외에도 (4')와 같이 바닥재에 인산폐수를 스프레이 하는 방법도 가능하다.

Quenching Chamber에서 바닥재는 인산기가 0.1 ∼ 1%정도 함유된 인산폐수에 의해 적셔지게 된다. 바닥재가 인산폐수로 충분히 적셔지면 바닥재는 바닥재 배출장치에 의해 배출되게 되고, 배출된 바닥재는 벽돌 재조용 재생골재로서 사용한다. 인산폐수는 바닥재에 적셔져서 배출되는 양만큼 재 보충해 준다. Quenching Chamber를 통과하여 배출되는 바닥재의 수분함유량은 15 ∼ 30%이며 Quenching되면서 증발되는 량을 고려하면, 바닥재 배출양의 약 40% 이상의 인산폐수 처리 효과가 부가적으로 발생한다. 이렇게 중금속 안정화 공정을 거친 바닥재는 철제류, 캔 등 비철금속류, 유리, 타일 등을 자력선별, 스크린, 비중선별 등으로 분리한 후 벽돌 및 블록 등의 토목건축용 자재의 원료로 이용하면 되는 것이다.

본 발명에 의한 고정화 메카니즘에 대하여 설명하겠다. 바닥재 속에 함유된 Pb, Cd, Cr 등의 중금속은 인산기(PO₄ ^3-)에 의하여 불용성 인산염(Pb₃(PO₄)₂, Ni₃(PO₄)₂, Cd₃(PO₄)₂, Cr₃(PO₄)₂등)이 형성되거나, 시멘트 등의 고화제와 혼합되어 토목건축용 자재를 만들시에 수화반응, 포졸란 반응 등에 의하여 고화체 내에 물리, 화학적인 방법에 의하여 안정화된다. 또한 인산폐수 속에 함유되어 있는 불소(F^-)이온 및 중금속이온(Ni²⁺, Cr²⁺)은 각각 불화칼슘(CaF₂) 및 수화물로서 시멘트 고화체 내에 고정된다. 따라서 폐기물로서 폐기물을 처리하는 일석이조의 효과를 거둘 수 있게 되는 것이다.

실시예 1)

골재로서 바닥재를 4.25mm이하 체로 쳐서 불순물을 제거한 한 다음 인산염 화성 피막 폐수에 침지시켜 건조한 재생골재인 바닥재 250g과 모래 50g, 고화제로서 시멘트 200g을 섞어 균일하게 혼합한 후, 물 150g을 첨가하여 혼합하고 이렇게 만들어진 시멘트 몰탈을 성형하여 고화체를 제작하였다.

표 1은 바닥재의 성분분석결과이며, 표2는 인산염 화성 피막 폐수의 성분분석결과이다.

시료	pH	S(mg/kg)	Cl(mg/kg)	Cd(mg/kg)	Cr(mg/kg)	Cu(mg/kg)	Hg(mg/kg)	Pb(mg/kg)
바닥재	9.7	6700	2000	55	27	80	0.2	1250

(단위 : ppm)

시료

pH

Zn

Ni

Cr

Cd

Pb

Cu

Mg

Fe

Ca

Al

P

인산염화성피막 폐수

3.5

29.5

23.9

0.66

trace

0.28

0.14

0.15

0.75

7246

제작된 고화체에 대하여 압축강도, 흡수율, 폐기물 공정시험방법에 의한 중금속 용출시험 결과를 (표 3)에 나타내었다.

고화체 28일 압축강도는 110 kg_f/cm²을 보여 연소재벽돌기준 82 kg_f/cm²을 초과하였다. 흡수율은 11.5%로 연소재 벽돌 기준을 만족하였으며 중금속 용출 또한 없었음을 확인 할 수 있었다. 용출시험기준에 포함되지는 않으므로 본 실시 예에서는 나타내지 않았지만, 인산폐수에 함유된 불소이온과 Ni이온, Cr이온도 각각 CaF₂와 중금속 수화물로서 안정화되어 무해화 된다.

상기한 실시예 1 에서 모래와 시멘트의 첨가 비율은 고화체의 강도를 나타내기 위한 것으로서 고화체의 제작방법에 따라서 첨가비율은 달라질 수 있다. 모래를 첨가하지 않고 바닥재만을 사용하여도 좋다. 성형기계를 이용하여 고압으로 압축 성형하였을 경우에 시멘트의 첨가비율은 10%정도가 사용된다.

실시예 2)

골재로서 바닥재를 4.25mm이하 체로 쳐서 불순물을 제거한 한 다음 바닥재 250g과 모래 50g, 고화제로서 시멘트 200g을 섞어 균일하게 혼합한 후, 고화수로서 인산폐수 150g을 첨가하여 혼합하고 이렇게 만들어진 시멘트 몰탈을 성형하여 고화체를 제작하였다.

제작된 고화체에 대하여 압축강도, 흡수율, 폐기물 공정시험방법에 의한 중금속 용출시험 결과는 표3에 나타나 있다.

고화체 28일 압축강도는 108 kg_f/cm²을 보여 연소재벽돌기준 82 kg_f/cm²을 초과하였다. 흡수율은 11.3%로 연소재 벽돌 기준을 만족하였으며 중금속 용출 또한 없었음을 확인 할 수 있었다.

항목	법적기준	실시예 1	실시예 2
압축강도	82(kg_f/cm²)	110(kg_f/cm²)	108(kg_f/cm²)
흡수율	15%이하	11.5%	11.3%
pH	-	12.5	12.2
중금속	Pb	3(mg/l)	trace	trace
	Cu	3(mg/l)	trace	trace
	Cd	0.3(mg/l)	trace	trace
	Cr⁶⁺	1.5(mg/l)	trace	trace

바닥재에 함유된 중금속을 안정화시키므로 중금속 용출의 가능성을 사전에 차단하였으며 바닥재를 벽돌 및 블록 등 토목건축용 자재의 원료로 재활용하는 것이 가능하다. 중금속 안정화제로서 고비용의 안정화제를 사용하는 것이 아니라 인산폐수를 사용하여 폐수 처리 및 중금속 안정화라는 일석이조의 효과를 얻을 수 있다. 바닥재와 인산폐수를 사용하여 만든 벽돌, 블록 등의 토목건축자재는 환경적인 측면에서 뿐만 아니라 가격 경쟁력이 뛰어나 경제적인 측면에서도 매우 효과적이다.

Claims

골재로서 소각로 하부로 배출되는 바닥재와 시멘트, 석회 등의 고화제 그리고 고화수를 믹서에 넣고 혼합, 교반한 다음, 몰탈을 성형틀에 넣고 성형하고, 양생하여 벽돌 및 블록 등의 토목건축용 자재를 제조하는 데 있어서; 바닥재에 함유된 중금속을 인산폐수와 접촉하는 수단으로서 안정화시키고, 이렇게 안정화된 바닥재를 토목건축용 블록 및 벽돌의 원료로 이용하는 방법.
청구항 1의 바닥재에 함유된 중금속을 인산폐수와 접촉시키는 수단이 소각로의 하부로 배출되는 바닥재를 인산폐수에 침지 시키거나 바닥재에 인산폐수를 스프레이 하는 수단, 혹은 고화수의 일부 혹은 전부를 인산폐수로 대체한 것을 특징으로 하는 바닥재에 함유된 중금속을 인산폐수와 접촉하는 수단.
청구항 1의 인산폐수가 인산 및 인산비료 제조공정, 실리콘 웨이퍼 제조 공장 내지 실리콘 웨이퍼 처리 공장, 액정 표시 장치 제조 공장 혹은 인산염 화성 피막 도장 공장에서 발생된 것을 특징으로 하는 인산폐수