KR20190116663A - 탈황 및 중금속 용출 억제용 조성물 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 중탄산나트륨 90 내지 96 중량%; 및 중금속 용출 억제제 4 내지 10 중량%;를 포함하고, 상기 중금속 용출 억제제는 돌로마이트 2 내지 5 중량%; 황산철 1 내지 3 중량%; 및 알칼리 첨가제 1 내지 5 중량%로 이루어지는 것을 특징으로 하는 탈황 및 중금속 용출 억제용 조성물을 제공한다. 본 발명에 따른 탈황 및 중금속 용출 억제용 조성물은 소결공정에서 발생되는 산성가스의 제거 및 탈황집진더스트 중의 중금속 용출 억제 기능이 우수하고, 탈황 공정 후 부산되는 폐기물이 환경 기준치에 부합하여 폐기물처리비용을 절감할 수 있고, 폐기물의 재활용시 중금속으로 인한 문제를 해결할 수 있는 효과를 갖는다.

Description

탈황 및 중금속 용출 억제용 조성물{Composition for desulfurizing and stabilizing heavy metals}
본 발명은 탈황 및 중금속 용출 억제용 조성물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 소결공정에서 발생되는 산성가스의 제거 및 탈황집진더스트 중의 중금속 용출 억제 기능이 우수한 탈황 및 중금속 용출 억제용 조성물에 관한 것이다.
소결(Sintering)은 분체를 녹는점 이하 또는 부분적 용융 정도로 가열하여 단단한 결합체로 만드는 것을 의미하는 것으로, 제철소의 소결공정은 분광, 석회석, 분코크스, 반광 및 분탄 등을 포함하는 배합원료를 소결기에서 연소시켜 고로에 장입하기 위한 소결광을 제조하는 공정이다. 제철소의 소결공정에서는 배출가스는 황(S)을 다량 포함하고 있기 때문에 대기오염을 방지하기 위해 탈황설비를 이용하여 배출가스로부터 황을 제거한다. 이 과정에서 황산화물을 처리하고 발생하는 폐기물은 중금속을 포함하고 있기 때문에 매립시 수질 또는 토양으로부터 용출되어 심각한 환경오염을 유발시킨다.
특히, 제철소의 소결공정은 철광석과 여러가지 광물 및 석탄 등의 원료를 사용하기 때문에 연소 과정에서 산성가스와 중금속이 포함된 미세먼지가 다량 발생하고, 상기 미세먼지는 납(Pb) 함유량이 높아 용출시험에서 법적 기준치인 3ppm을 초과함으로써 일반페기물 매립이 불가능하여 특정폐기물로 매립하고 있는 실정이다.
이러한 문제를 해결하기 위해 종래에는 수산화칼슘(Ca(OH)2) 또는 중탄산나트륨(NaHCO3)을 탈황제로 사용하였다. 그러나, 수산화칼슘은 중금속 용출의 문제점이 발생하지 아니하나 낮은 반응성으로 인하여 탈황 효율이 낮다는 문제점이 있었고, 중탄산나트륨은 높은 탈황 효율을 가지는 장점은 있으나 중금속이 용출된다는 문제점이 있었다. 따라서, 최근에는 중금속 용출을 억제할 수 있는 조성물에 대한 연구가 다수 이루어지고 있다.
대한민국 등록특허 제10-1573002호는 "소결 배가스 중의 황산화물 제거용 조성물 및 소결 배가스 중의 황산화물 제거 방법"에 관한 것으로, 탄산수소나트륨 84 내지 95중량%; 중금속 안정제 01 내지 3중량%; 및 중화제 1 내지 5중량%;을 포함하는 조성물이되, 상기 중금속 안정제는 잔데이트(xanthate)계 화합물이고, 상기 조성물은, 전체 구성 성분의 합이 전체 100중량%가 되도록 각 구성 성분의 함량이 선택되는 것인 소결 배가스 중의 황산화물 제거용 조성물을 개시하고 있다. 그러나, 상기 대한민국 등록특허 제10-1573002호에 따른 황산화물 제거용 조성물은 중금속 안정제의 사용량에 비해 중금속 중 납 또는 그 화합물의 제거 효과가 우수하지 못하다는 문제점이 있었다.
또한, 대한민국 등록특허 제10-0935204호는 "중금속 용출 억제 기능의 고화제를 포함하는 고형체 및 그 제조방법"에 관한 것으로, 고화제 10 ~ 17wt%, 중금속이 함유된 지정폐기물 20 ~ 30wt%, 비산재 또는 유연탄재의 고화보조제 4 ~ 8wt%, 광재 또는 폐주물사의 일반폐기물 25 ~ 51wt%, 시멘트 15 ~ 20wt%의 혼합으로 조성된 것에 있어서, 상기 고화제는 구형의 입경(size) 25mm, 밀도(density) 342, 흡수율(Absorption) 05%인 급냉제강슬래그 40~ 615wt%와, 입경 05 ~ 80㎛, 비중 312 ~ 320, 비표면적 2,800㎠/g인 포틀랜드 시멘트 30 ~ 50wt%와, 명반석과 탄산칼슘의 혼합으로 조성된 팽창제 8 ~ 12wt%와, 비중(Specific gravity, 20℃) 1690, 물 불용분(Water insoluble amount) 02%인 물유리 05 ~ 5wt%의 혼합으로 조성된 것임을 특징으로 하는 중금속 용출 억제 기능의 고화제를 포함하는 고형체를 개시하고 있다. 그러나, 상기 대한민국 등록특허 제10-0935204호에 따른 고화제는 탈황 및 중금속 억제 효과를 동시에 가지도록 구성하기 어렵고, 고형체 제조 공정이 까다롭고 비용이 많이 발생한다는 문제점이 있었다.
본 발명의 목적은 소결공정에서 발생되는 산성가스의 제거 및 탈황집진더스트 중의 중금속 용출 억제 기능이 우수한 탈황 및 중금속 용출 억제용 조성물을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 목적은 탈황 공정 후 부산되는 폐기물이 환경 기준치에 부합하여 폐기물처리비용을 절감할 수 있는 탈황 및 중금속 용출 억제용 조성물을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 폐기물의 재활용시 중금속으로 인한 문제를 해결할 수 있는 탈황 및 중금속 용출 억제용 조성물을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 상기 및 기타 목적들은 하기 설명되는 본 발명에 의하여 모두 달성될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 탈황 및 중금속 용출 억제용 조성물은, 중탄산나트륨 90 내지 96 중량%; 및 중금속 용출 억제제 4 내지 10 중량%;를 포함하고, 상기 중금속 용출 억제제는 돌로마이트 2 내지 5 중량%; 황산철 1 내지 3 중량%; 및 알칼리 첨가제 1 내지 5 중량%로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 돌로마이트는 50 내지 100㎛의 입자 직경을 가지는 것을 특징으로 한다.
상기 알칼리 첨가제는 수산화칼슘(Ca(OH)2) 또는 수산화나트륨(NaOH)인 것을 특징으로 한다.
본 발명은 소결공정에서 발생되는 산성가스의 제거 및 탈황집진더스트 중의 중금속 용출 억제 기능이 우수하고, 탈황 공정 후 부산되는 폐기물이 환경 기준치에 부합하여 폐기물처리비용을 절감할 수 있고, 폐기물의 재활용시 중금속으로 인한 문제를 해결할 수 있는 탈황 및 중금속 용출 억제용 조성물을 제공하는 발명의 효과를 가진다.
본 발명의 상술한 목적, 특징 및 장점들은 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 상세히 설명함으로써 더욱 명백해질 것이다. 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로 기술되는 것은 아니고, 본 발명의 범위는 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다.
본 발명에 따른 탈황 및 중금속 용출 억제용 조성물은, 중탄산나트륨 90 내지 96 중량%; 및 중금속 용출 억제제 4 내지 10 중량%;를 포함하고, 상기 중금속 용출 억제제는 돌로마이트 2 내지 5 중량%; 황산철 1 내지 3 중량%; 및 알칼리 첨가제 1 내지 5 중량%로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
중탄산나트륨(NaHCO3)은 탄산나트륨 제조시 중간물질로 생성되는 백색의 단사정계 결정을 가지는 물질로, 가열시 이산화탄소(CO2)와 물(H2O)이 생성되면서 탄산나트륨(Na2CO3)으로 변환되고, 상기 탄산나트륨(Na2CO3)은 배출가스 중의 황산화 가스, 염화가스, 불화가스 등의 환경오염을 유발시키는 물질과 결합하여 우수한 탈황성능을 갖는다. 중탄산나트륨은 본 발명에 따른 탈황 및 중금속 용출 억제용 조성물의 전체 중량에 대하여 90 내지 96 중량%로 구성하는 것이 바람직하다. 만약 90 중량% 미만으로 배합할 경우에는 탈황 성능이 저하되고, 96 중량%를 초과하여 배합할 경우에는 중금속 용출 억제 성능이 저하된다.
중금속 용출 억제제는 탈황제의 주성분인 중탄산나트륨에 첨가되는 물질로, 본 발명에 따른 탈황 및 중금속 용출 억제용 조성물의 전체 중량에 대하여 4 내지 10 중량%로 구성하는 것이 바람직하다. 또한, 중금속 용출 억제제는 돌로마이트 2 내지 5 중량%; 황산철 1.5 내지 3 중량%; 및 알칼리 첨가제 0.5 내지 2 중량%로 구성하는 것이 바람직하다.
돌로마이트(CaMg(CO3)2)는 삼방정계의 광물로 방해석의 돌로마이트화로 형성된다. 또한, 돌로마이트는 50 내지 100㎛의 입자 직경을 가지는 경우 중금속에 대한 흡착 성능이 우수하기 때문에 50 내지 100㎛의 입자 직경을 가지는 돌로마이트를 사용하는 것이 바람직하다. 돌로마이트의 중금속 흡착 메커니즘과 관련하여, 돌로마이트는 소성에 의해 CaMg(CO3)2 →MgO + CaCO3 + CO2 로 나타나는 분해반응을 수행하고, 상기 소성을 통해 세공질의 표면을 가지게 되며, 탈황공정 중 산성가스와 중금속을 흡착한다. 돌로마이트의 소성 과정을 거쳐 생성된 탄산칼슘은 CaCO3 + SO3 → CaSO4 + CO2의 반응식에서 탈황공정을 거치면서 산성가스와 반응하여 석고로 변질되고, 석고는 중금속을 흡착한다. FeSO4H2O + M(OH)2 → Fe(OH)3 + MSO4의 반응식에서 황산제1철은 탈황공정을 거치며 M(알칼리 및 알칼리토금속)의 수산화물과 반응하여 수산화철로 변질되고 수산화철은 중금속을 흡착한다. 여기서, MgO는 탄산칼슘과 황산제1철의 반응을 촉진하는 촉매 역할을 하며, 산성가스와 반응하여 안정적인 황산화물을 형성한다. 중금속은 높은 알칼리도에서 더 높은 흡착과 응집을 보인다. 알칼리도가 낮은 환경에서는 흡착된 중금속이 다시 용출될 수 있다.
알칼리 첨가제는 수산화칼슘(Ca(OH)2) 또는 수산화나트륨(NaOH)을 바람직하게 사용할 수 있다. 알칼리 첨가제는 산성가스와 반응하는 성질이 있지만 그 효율이 낮아서 첨가된 대부분의 양은 탈황집진더스트의 알칼리도를 높이는 역할을 한다. 상기 중금속 용출 억제제는 산성가스 및 중금속을 동시에 흡착하는 반응을 보이기 때문에 중탄산나트륨의 사용량 감소로 인하여 탈황효율이 감소하는 것을 방지할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예 및 비교예를 이용하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 하기 실시예는 본 발명의 바람직한 실시예에 해당하는 것으로 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
1. 실시예
실시예 1
중탄산나트륨 90g, 돌로마이트 5g, 황산제1철 3g 및 수산화칼슘 2g을 무중력혼합기에 투입하여 5분간 믹싱한 후 조성물을 압착하여 탈황 및 중금속 용출 억제용 조성물을 제조하였다.
실시예 2
중탄산나트륨 90g, 돌로마이트 3g, 황산제1철 2g 및 수산화칼슘 5g을 무중력혼합기에 투입한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 수행하였다.
실시예 3
중탄산나트륨 94g, 돌로마이트 3g, 황산제1철 2g 및 수산화칼슘 1g을 무중력혼합기에 투입한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 수행하였다.
실시예 4
중탄산나트륨 94g, 돌로마이트 4g, 황산제1철 1g 및 수산화칼슘 1g을 무중력혼합기에 투입한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 수행하였다.
실시예 5
중탄산나트륨 96g, 돌로마이트 2g, 황산제1철 1.5g 및 수산화칼슘 1.5g을 무중력혼합기에 투입한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 수행하였다.
실시예 6
중탄산나트륨 96g, 돌로마이트 2g, 황산제1철 1g 및 수산화칼슘 1g을 무중력혼합기에 투입한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 수행하였다.
2. 비교예
비교예 1
중탄산나트륨 94g, 돌로마이트 4.2g, 황산제1철 0g 및 수산화칼슘 1.8g을 무중력혼합기에 투입하여 5분간 믹싱한 후 조성물을 압착하여 탈황 및 중금속 용출 억제용 조성물을 제조하였다.
비교예 2
중탄산나트륨 94g 및 돌로마이트 6g을 무중력혼합기에 투입한 것을 제외하고는 비교예 1과 동일하게 수행하였다.
비교예 3
중탄산나트륨 94g, 돌로마이트 1g, 황산제1철 4g 및 수산화칼슘 1g을 무중력혼합기에 투입한 것을 제외하고는 비교예 1과 동일하게 수행하였다.
3. 중금속 용출테스트
상기 실시예 1~6과 비교예 1~3의 조성물을 이용하여 소결공정에서 발생된 탈황집진더스트의 각각의 시료 200g과 정제수에 염산을 넣어 pH 6.0으로 한 용매를 시료:용매(1:10(W:V)의 비율로 2,000ml 삼각 플라스크에 넣어 혼합하여 시료액을 조제하고, 상기 조제된 시료액을 상온, 상압에서 진탕회수가 매 분당 200회, 진폭이 5cm의 진탕기를 사용하여 6시간 연속 진탕한 다음 1.0㎛의 유리섬유 여지로 여과하고 여과액을 적당량 취하여 용출시험용 검액으로 하였다. 그 후 용출액를 이용하여 크롬(Cr), 구리(Cu), 카드뮴(Cd) 및 납(Pb)의 중금속 용출량을 폐기물공정시험법에 따라 측정하였다.
실시예 및 비교예의 성분비와 중금속 용출테스트를 다음과 같이 표로 정리하였다.
표 1
Figure pat00001
표 2
Figure pat00002
소결공정에서 발생된 탈황집진더스트에 탈황 및 중금속 용출 억제용 조성물을 탈황 설비에 사용하지 아니한 경우 측정된 중금속 함유량은 크롬(Cr) 0.47㎎/ℓ; 구리(Cu) 12.72㎎/ℓ; 카드뮴(Cd) 0.58㎎/ℓ; 및 납(Pb) 27.03㎎/ℓ 이었다. 이에 대하여 본 발명의 바람직한 실시범위에 해당하지 아니하는 비교예 1 내지 3에서는 크롬(Cr), 카드뮴(Cd), 구리(Cu) 및 납(Pb)의 제거 효과가 어느 정도 인정되었으나 허용기준을 충족하지 아니하거나 허용기준을 충족하여도 환경오염을 유발할 수 있는 범위의 중금속이 용출되었다.
그러나, 표 1 및 2에서 확인할 수 있는 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시범위에 따른 실시예 1 내지 6의 조성물을 사용한 경우 크롬(Cr) 및 카드뮴(Cd)은 검출되지 아니하였고, 구리(Cu)는 검출되지 아니하거나 극미량으로 검출되었으며, 납(Pb)은 미량으로 검출되어 중금속 용출 억제 효과가 매우 우수한 것을 확인할 수 있었다.
따라서, 본 발명의 바람직한 실시범위에 따른 탈황 및 중금속 용출 억제용 조성물은 탈황 기능이 우수할 뿐만 아니라 각종 중금속 용출 억제 기능이 매우 우수하기 때문에 소결공정에서 발생되는 산성가스의 제거 및 탈황집진더스트 중의 중금속 용출 억제용 조성물로 산업적 이용이 가능하다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정 실시예에 한정되지 아니한다. 즉, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 첨부된 특허청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능하며, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정은 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.

Claims (3)

  1. 중탄산나트륨 90 내지 96 중량%; 및
    중금속 용출 억제제 4 내지 10 중량%;를 포함하고,
    상기 중금속 용출 억제제는 돌로마이트 2 내지 5 중량%; 황산철 1 내지 3 중량%; 및 알칼리 첨가제 1 내지 5 중량%로 이루어지는 것을 특징으로 하는 탈황 및 중금속 용출 억제용 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 돌로마이트는 50 내지 100㎛의 입자 직경을 가지는 것을 특징으로 하는 탈황 및 중금속 용출 억제용 조성물.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 알칼리 첨가제는 수산화칼슘(Ca(OH)2) 또는 수산화나트륨(NaOH)인 것을 특징으로 하는 탈황 및 중금속 용출 억제용 조성물.
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