KR100460096B1 - 폐기물 처리 방법 및 그 폐기물 처리로 획득되는 고형화물질 - Google Patents

Abstract

본 발명은 제강 과정에서 발생하는 폐기물인 제강 슬래그, 제강 더스트 및 소각재(바닥재 및 비산재)를 유황으로 처리하여 여러 가지 다양한 제품으로 재활용할 수 있는 폐기물 처리 방법을 개시한다. 또한, 본 발명은 상기의 폐기물 처리 방법에 의하여 얻는, 여러 가지 형태로 제품화할 수 있는 고형화 물질을 개시한다. 본 발명에 따른 폐기물 처리 방법은 제강 폐기물 및 유황을 용융혼련하는 단계 및 상기 용융 혼합물을 냉각시켜 고형화하는 단계를 포함한다. 이 때, 소각재를 용융혼련단계에서 추가할 수 있다. 본 발명은 유황의 용융특성에 의하여 폐기물을 구조적으로 안정화시키고 괴상화시킴으로써 다양한 제품의 형태로 재활용할 수 있게 하여 폐기물의 재활용도를 향상시키고, 또한, 소각재에 다량 함유되어 있는 중금속을 불용성의 형태로 효과적으로 고정화시킴으로써 환경친화성과 재활용성을 동시에 향상시킨다.

Description

폐기물 처리 방법 및 그 폐기물 처리로 획득되는 고형화 물질 {Waste treatment method and solidified material obtained by the same method}

본 발명은 폐기물 처리 방법 및 그 폐기물 처리로 획득되는 고형화 물질에 관한 것으로서, 상세하게는 제강 폐기물인 제강 슬래그 및 제강 더스트와 생활 및 산업 폐기물을 소각한 후 발생하는 소각재(바닥재 및 집진 더스트)를 유황으로 처리하여 재활용하는 폐기물 처리 방법 및 그 폐기물 처리로 획득되는 재활용이 가능한 고형화 물질에 관한 것이다.

현재 한국에서 발생하는 제강 폐기물은 제강 슬래그와 제강 더스트로 구분된다. 제강 슬래그는 약 614만톤이 제강 과정에서 발생하며, 재활용율은 70% 정도이다. 이러한 제강 슬래그는 토건용 골재로 재활용 되거나 매립되며, 제강 더스트는 시멘트 원료로 재활용되거나 고형화(괴상화) 처리후 매립된다. 따라서, 제강 폐기물은 골재 또는 시멘트 원료로 재활용될 뿐이므로 재활용의 범위가 제한되고 있으며, 많은 양이 매립 처리됨에 따라 처리비용의 문제를 안고 있다.

한편, 생활 폐기물 및 일반 산업 폐기물의 소각에 의하여 발생하는 소각재(바닥재 및 집진 더스트)는 2000년을 기준으로 약 88만톤이 발생되고 있는데, 다량의 유해 중금속을 함유하고 있어 단순 매립을 할 수 없다. 이러한 소각재는 고형화 처리후 매립하거나 직류나 교류 전류를 이용한 고온 용융으로 재활용 가능한 중금속과 슬래그를 분리하여 중금속은 회수하고 슬래그는 건축용 골재, 시멘트 혼합재 등으로 사용하거나 매립하는 것이 보통이다. 그러나, 전자의 경우에는 고형화처리가 되었더라도 매립후에 중금속이 용출되어 토양을 오염시킬 우려가 있다. 또한, 후자의 경우에는 처리공정에서 많은 에너지가 소비된다는 점과 고온처리로 인하여 다량의 이산화탄소가 발생하여 지구 온난화 방지의 흐름에 역행할 뿐만 아니라 중금속이 휘발됨에 따라 중금속을 다량 함유하는 비산재를 발생시킨다는 문제점이 있다. 이렇게 발생한 다량의 중금속 함유 비산재는 고형화처리로 무해화시키기가 더욱 곤란하다.

이러한 소각재 처리의 문제를 해결하기 위하여 대한민국 특허출원 1999-7012574호(대한민국에 국내단계로서 진입한 PCT 출원으로서, 1999년 1월 14일에 국제공개번호 WO 99/01236로 공개된 것임)에 중금속 함유 폐기물의 처리방법이 개시되어 있다. 이 특허문헌은 중금속 함유 폐기물로서 소각재의 처리에 대해서는 개시하고 있으나 중금속을 환경기준치 이하로 함유하고 있는 제강 슬래그 및 제강 더스트에 대해서는 전혀 언급이 없다.

본 발명의 목적은 제강 과정에서 발생하는 폐기물인 제강 슬래그 및 더스트를 유황으로 처리하여 여러 가지 다양한 제품으로 재활용할 수 있는 폐기물 처리 방법을 제공하는 것이다. 또한, 본 발명의 목적은 상기의 폐기물 처리 방법에 의하여 얻는, 여러 가지 형태로 제품화할 수 있는 고형화 물질을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 목적은 상기의 제강 폐기물과 소각재의 혼합물을 유황으로 처리하여 소각재에 함유된 중금속을 고정시킴과 아울러 상기의 폐기물들을 여러 가지 다양한 제품으로 재활용할 수 있는 폐기물 처리방법을 제공하는 것이다. 또한, 본 발명의 목적은 상기의 제강 폐기물 및 소각재의 혼합 폐기물의 처리로부터 얻는, 여러 가지 형태로 제품화할 수 있는 고형화 물질을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 목적은 소각재에 함유된 중금속을 고정시킬 수 있는 밀봉제를 제공하는 것이다. 이러한 밀봉제는 제강 폐기물을 유황으로 처리하여 얻는 고형화 물질이다.

또한, 본 발명의 다른 목적들 및 이점들은 하기에서 서술하는 본 발명에 대한 상세한 설명에 의하여 분명하게 이해될 것이다.

본 발명은 폐기물 처리 방법을 제공한다. 본 발명에 따른 폐기물 처리 방법은 제강 폐기물 및 유황을 용융혼련하는 단계 및 상기 용융 혼합물을 냉각시켜 고형화하는 단계를 포함한다.

본 발명의 폐기물 처리 방법에 있어서, 상기 용융혼련 단계에서 소각재를 추가할 수 있다. 이 때, 상기 제강 폐기물, 상기 유황 및 상기 소각재의 배합비는 전체 중량을 기준으로 제강 폐기물이 20~60%, 유황이 20~40%, 및 소각재가 10~40%인 것이 바람직하며, 상기 제강 폐기물과 상기 유황의 배합비는 중량을 기준으로 1:0.1~2인 것이 바람직하다. 상기 용융혼련 단계는 120~150℃의 온도 범위에서 수행되는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명은 상기의 방법에 의하여 얻는, 여러 가지 형태로 제품화할 수 있는 고형화 물질을 제공한다. 특히, 제강 폐기물을 유황으로 처리하여 얻는 고형화 물질은 그 자체로 제품화될 수 있을 뿐만 아니라 소각재에 함유된 중금속을 고정화하기 위한 밀봉제로 사용될 수도 있다.

이하에서 본 발명을 상세하게 설명한다.

본 명세서에서 언급하는 폐기물이란 제강 폐기물 및 소각재를 일컫는 것이다. 제강 폐기물이란 제강과정에서 발생하는 폐기물로서, 제강 슬래그 및 제강 더스트를 포함하며, 제철 과정에서 발생하는 폐기물도 포함할 수 있다. 소각재란 생활 폐기물 및 산업 일반 폐기물의 소각에 의하여 발생하는 바닥재 및 집진 더스트를 일컫는 것이다. 소각재는 바닥재로 이해될 수 있으며, 특별한 언급이 없다면 집진 더스트를 포함하는 개념으로 이해될 수 있다.

본 발명은 폐기물 처리 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 폐기물 처리 방법은 제강 폐기물 및 유황을 용융혼련하는 단계 및 이 용융 혼합물을 냉각시켜 고형화하는 단계를 포함한다. 이 때, 용융혼련단계에서 소각재를 추가로 첨가할 수 있다.

본 발명은 유황의 용융특성을 이용하는 것이다. 본 발명의 방법에서 폐기물의 처리를 위하여 사용하는 유황은 물에 녹지 않고 115~159℃의 온도 범위에서 저점도의 액체상으로 존재하고, 160℃ 이상에서는 고무상으로 존재하며, 110℃ 이하의 온도에서는 고화된다. 또한, 유황은 내산, 내알칼리성이 강하고 열전도성이 낮으며, 단열효과도 우수함은 물론, 고압송전의 애자에 이용될 만큼 전기전도성이 낮은 화학적으로 안정한 물질이다. 본 발명에서 사용될 수 있는 유황으로는 그 형태에 특별한 제한없이, 고체상의 유황을 사용할 수도 있고 원유의 정제과정에서 발생되는 액체 유황(Molten sulfur)를 직접 사용할 수도 있으며, 폴리머상으로 개질된 유황도 사용할 수 있다. 유황의 순도는 특별히 높을 필요는 없다.

폐기물과 유황의 용융혼련은 120~150℃의 온도 범위에서 수행되는 것이 바람직하다. 온도가 너무 낮은 경우에는 유황의 액화가 완전하지 않아 균일한 혼련이 어렵고, 온도가 너무 높은 경우에는 유황의 폴리머화 등의 영향으로 점도가 상승하여 혼련에 필요한 동력이 커지게 된다. 혼련 시간은 사용하는 장치에 따라 차이가 있지만 통상적으로 10~120분 정도면 충분히 혼련된다. 용융혼련에 사용되는 혼련기로는 분말과 액체의 혼합, 혼련에 사용되는 통상적인 것을 사용할 수 있고, 그 예로는 휠(wheel) 형, 블레이드(blade) 형, 롤(roll) 형의 혼련기를 들 수 있다.

용융혼련 후에는 형성된 용융 혼합물을 냉각시킴에 따라 고형화된 물질을 얻을 수 있다. 냉각 단계에서는 용도에 따라 주형(Mould)에 용융 혼합물을 주입한 후 냉각함으로써 원하는 형상의 제품, 예를 들어, 지중 매설관을 곧바로 제조할 수도 있고, 수쇄(고압수에 의한 급속냉각 및 분쇄) 또는 서냉쇄(공기에 의한 냉각 및 분쇄)하여 분말화하거나 펠렛화할 수 있다. 이와 같이 분말화 또는 펠렛화된 고형화물질은 나중에 용융하여 원하는 형상의 제품을 제조하는데 사용할 수 있다.

본 발명에 있어서, 제강 폐기물과 유황의 배합비는 중량을 기준으로 1:0.1~2의 범위인 것이 바람직하다. 용융혼련에 의한 액상의 유황이 고체상의 제강 슬래그 및 제강 더스트의 미세 공극부에 침입하여 치밀하고 안정된 구조를 이루며 또한 제강 슬래그 및 제강 더스트가 유황을 매개로 괴상화된다. 제강 폐기물에 비하여 유황이 너무 적은 경우에는 유황에 의한 제강 폐기물 구조의 안정화 및 괴상화 효과가 떨어지며, 너무 많은 경우에는 추가의 유황에 의하여 얻을 수 있는 추가적 제강 폐기물의 안정화 및 괴상화 효과는 미미하다. 원료의 함수율도 제강 폐기물의 안정화 및 괴상화에 영향을 미치는데, 가능하다면 원료의 함수율을 낮추는 것이 좋다. 또한, 제강 폐기물과 유황이 용융혼련되어 괴상화된 고형화 물질은 상기에서 설명한 바와 같이, 용융된 상태에서 곧바로 주형에 주입하여 여러 가지 형태의 제품을 제조하는데 사용되거나 펠렛화하여 나중에 제품화할 수 있을 뿐만 아니라 소각재에 함유되어 있는 중금속을 고정화시키기 위한 밀봉제로 사용될 수도 있다.

또한, 제강 폐기물, 유황 및 소각재의 배합비는 전체 중량을 기준으로 제강 폐기물이 20~60%, 유황이 20~40%, 및 소각재가 10~40%인 것이 바람직하다. 상기에서 설명한 바와 같은, 제강 폐기물 및 유황이 용융혼련된 고형화 물질(밀봉제)을 소각재의 고정화를 위하여 사용하는 경우에는 밀봉제 60~90% 및 소각재 10~40%로 하는 것이 바람직하다. 이 때, 액상의 유황은 상기에서 설명한 바와 같이, 고체상의 폐기물의 미세 공극부에 침입하여 보다 치밀하고 안정된 구조를 이루게 할 뿐만 아니라 폐기물이 유황을 매개로 괴상화되게 한다. 또한, 소각재에 다수 함유되어있는 중금속은 유황에 의하여 또는 유황 및 폐기물중의 다른 성분에 의하여 물 또는 통상의 자연환경이 가지는 산도(pH) 범위의 산성 또는 알칼리성 물에 용출되지 않는 안정한 형태로 고정화된다. 따라서, 본 발명에 의하여 종래에는 골재 또는 시멘트 혼합 원료로만 재활용되던 폐기물을 용융가능한 안정한 고형물로 전환하여 다양한 제품으로 재활용함으로써 폐기물의 재활용 한계를 확장시킬 뿐만 아니라 소각재에 다량 함유되어 있는 중금속을 용출되지 않는 안정한 형태로 고정화시킬 수 있다.

한편, 상기에서 언급한 대한민국 특허출원 1999-7012574호는 (A) 중금속 함유 폐기물을 (B) 알칼리 금속 화합물 또는 알칼리 토금속 화합물 및 (C) 황과 비수성 매질의 존재하에서 용융혼련한 후 냉각고형화하는 중금속 함유 폐기물의 처리방법을 개시하고 있다. 이 특허출원은 생활 쓰레기 및 일반 산업폐기물의 소각에 의해 배출되는 소각재 중에 중금속이 다량 함유됨에 따라 환경 대책상 요구되는 소각재의 무해화 처리를 달성하기 위하여 안출된 것이다. 이 특허출원은 중금속 함유 폐기물 자체가 (B) 성분을 다량으로 함유하고 있는 경우에는 새롭게 (B) 성분을 첨가할 필요가 없다고 기술하면서, 예를 들어 석탄회(중금속 함유 폐기물) 중의 (B) 성분의 양은 석탄회와 물의 현탁액을 제조하고 그 현탁액의 pH를 측정함으로써 대략의 수치를 알 수 있고, pH가 10 이상, 바람직하게는 11 이상이면 새롭게 (B) 성분을 첨가할 필요가 없다고 기술하고 있다. 또한, 실시예에서 pH 측정의 기준으로써 중금속 함유 폐기물 시료 10g을 100cc의 이온교환수에 현탁시킨 현탁액의 pH를 간이 pH 미터로 측정하였다고 기술하고 있으며, pH가 5.5인 플라이 애쉬를 (B) 성분의 첨가없이 황으로만 처리한 경우에는 매립 기준을 크게 상회하는 중금속이 용출되었다고 기술하고 있다. 반면에 pH가 11.9인 플라이 애쉬를 (B) 성분의 첨가없이 황으로만 처리한 경우에는 중금속의 용출은 매립 기준 이하였다고 기술하고 있다.

본 발명의 기술적 사상과 상기의 선행 특허출원의 기술적 사상을 비교하면, 먼저, 제강 슬래그에는 통상적으로 철 성분이 다량 함유되어 있을 수는 있으나 중금속은 환경 기준치를 밑도는 소량만이 함유되어 있다. 이것은 제강 슬래그가 상기의 선행 특허출원에서 언급하는 중금속 함유 폐기물에 해당되지 않는다는 것을 의미한다. 실제로 상기 선행 특허출원의 명세서의 어느 부분에서도 제강 슬래그를 언급하고 있지 않다.

다음으로, 상기의 선행 특허출원에서는 중금속 함유 폐기물의 pH가 10이상 바람직하게는 11 이상인 경우에는 상기 (B) 성분을 첨가할 필요가 없다고 기술하고 있다. 이와 관련하여, 본 발명에서 사용하는 소각재는 상기의 특허출원에 기재된 방법과 동일하게 pH를 측정하였을 때 pH는 대략 7.6 정도이고, 제강 폐기물의 pH는 대략 11 정도이다. 소각재와 제강 폐기물의 혼합물의 pH는 대략적으로 8~10 정도의 범위가 된다. 이 pH 범위는 상기의 선행 특허출원에서는 (B) 성분을 첨가하여야 하는 pH 범위인데, 본 발명에서는 유황만으로 처리하여 중금속의 고정화 및 소각재 및 제강 폐기물의 안정화 및 괴상화를 달성하였다.

이러한 비교에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명은 상기의 선행 특허출원의 사상으로부터 배운 바가 없고 본 발명자들의 독자적인 연구개발에 의하여 확보한기술적 사상이다. 본 발명은 유황의 용융특성에 의하여 폐기물의 구조적 안정화 및 재용융가능한 괴상화(고형화)를 달성함으로써 폐기물을 다양한 형태의 제품으로 재활용할 수 있게 하고, 아울러, 유황 및 폐기물의 복합적 작용에 의하여 소각재에 다량 함유되어 있는 중금속을 불용화시켜 고형물 내에 고정시킴으로써 환경친화적인 고형화 물질을 제공하는 것이다. 소각재의 중금속을 고정화시키기 위하여 본 발명에서 사용하는 제강 폐기물은 상기에서 설명한 바와 같이, 상기의 선행 특허출원의 (B) 성분과 동일시할 수 없는 것이며, 본 발명의 발명자들이 독자적인 연구에 의하여 특성을 파악하고 소각재의 중금속 고정을 위한 밀봉제로 찾은 것이다.

이하에서는 본 발명을 실시예를 통하여 구체적으로 예시한다. 그러나, 하기에서 설명하는 실시예는 이해를 돕기 위하여 본 발명의 구체적인 예를 제시하는 것일 뿐이며, 본 발명의 범위를 한정하기 위한 것은 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 하기에서 설명하는 본 발명에 따른 실시예로부터 다양한 변경 및 변형들을 용이하게 도출할 수 있을 것이다. 따라서, 이러한 다양한 변경 및 변형들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 이해되어야 한다.

<실시예 1>

고형화 물질의 제조

제강공정중에서 발생되는 전로슬래그, 래들(Ladle)슬래그, 부원료 더스트(부원료 Bag Filter Dust)를 3:2:5의 중량비로 혼합한 시료 150g, 생활 및 일반사업장폐기물 소각장에서 발생된 소각재, 비산재를 9:1의 중량비로 혼합한 시료 60g 즉, 210g을 도가니(steel cup)1에 넣었다. 또한 분체상으로 구입한 유황 90g도 별도의 도가니(steel cup)2에 넣은 후, 각각의 도가니를 135℃분위기로 조정된 전기가열로(Electric Muffule Furnace) 내에서 20분간 유지시켰다.

전기가열로 내에서 도가니1의 물질을 도가니2에 넣고 10분간 봉(steel)으로 혼련시켰다. 그런 후 용융혼합물을 주형에 넣고 자연냉각시켜 펠렛(pellet)을 제조하였다.

상기에서, 제강 폐기물과 소각재의 혼합물의 pH를 측정한 결과 8.9이었다. pH 측정은 다음과 같이 하였다. 즉, 제강 폐기물과 소각재의 혼합물 시료 10g을 채취하고 여기에 100ml의 물을 가한 후 충분히 교반하였다. 이 현탁액의 pH를 pH 미터로 측정하였다.

중금속 용출 시험

중금속 용출시험방법은 국내표준법을 적용하였다. 자연냉각시켜 제조한 펠렛을 조우크러셔(Jaw Crusher)로 파쇄한후, 스크린(Screen)하여 5mm이하 시료 30g을 취하고, 증류수와 염산을 가하여 pH 5.8∼6.3으로 조정된 용매를 10배(300cc)가한 후, 상온,상압하에서 6시간 진탕(진탕회수 200회/분)을 실시하고 0.45㎛ 필터(Filter)로 여과한 시료를 ICP(Inductively Coupled Plasma)기기로 중금속을 측정하였다.

중금속 용출실험 결과

분석항목	원소명	단위	규제농도	측정결과
납	Pb	mg/ℓ	3이하	검출안됨
카드늄	Cd	mg/ℓ	0.3이하	검출안됨
구리	Cu	mg/ℓ	3이하	검출안됨
비소	As	mg/ℓ	1.5이하	검출안됨
수은	Hg	mg/ℓ	0.005이하	검출안됨
시안	CN	mg/ℓ	1이하	검출안됨
유기인	mg/ℓ	1이하	검출안됨
6가 크롬	Cr(+6)	mg/ℓ	1.5이하	검출안됨

상기 표 1에서 보는 바와 같이, 시험한 모든 중금속의 용출이 검출되지 않았다. 이것은 본 발명에 의하여 얻어진 고형화 물질이 중금속을 매우 안정되게 고정화시키고 있음을 알 수 있다.

강도 시험

고형화 물질 또는 제품의 제조에서와 같이 용융된 물질을 5×5×5㎝주형에 붓고 자연냉각시켜 5∼10일 지난후 압축강도 측정을 실시하였다.

사용된 기기는 유압프레스를 이용한 압축강도측정기(DYD-CO)로서 정육면체의 상기시료를 가압시키고 크랙(Crack)이 발생됨과 동시에 그 강도를 측정하였다. 그 결과는 다음과 같다.

강도 측정 결과 (단위 : kg/㎠)

구 분	레미콘	흄 관	PHC(고강도)파일
콘크리트 강도	350 이상	450 이상	800 이상
본 발명의 제품	630∼810

상기 표 2에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따라 얻은 고형화 물질은 통상적으로 사용되는 콘크리트의 강도 만큼의 또는 그 이상의 강도를 가지고 있음을 알 수 있으며, 이것은 본 발명의 고형화 물질이 여러 가지 다양한 형태의 제품에 실질적으로 사용될 수 있음을 의미한다.

본 발명은 제강 과정에서 발생하는 폐기물인 제강 폐기물 및 소각재를 유황으로 처리하여 여러 가지 다양한 제품으로 재활용할 수 있는 폐기물 처리 방법을 제공하는 것이다. 또한, 본 발명은 상기의 폐기물 처리 방법에 의하여 얻는, 여러 가지 형태로 제품화할 수 있는 고형화 물질을 제공하는 것이다. 본 발명은 유황의 용융특성에 의하여 폐기물을 구조적으로 안정화시키고 괴상화시킴으로써 다양한 제품의 형태로 재활용할 수 있게 하여 폐기물의 재활용도를 향상시키고, 또한, 소각재에 다량 함유되어 있는 중금속을 불용성의 형태로 효과적으로 고정화시킴으로써 환경친화성과 재활용성을 동시에 향상시킨다.

Claims (11)

1. 제강 폐기물, 유황 및 소각재를 전체 중량을 기준으로 제강 폐기물 20~60%, 유황 20~40% 및 소각재가 10~40%의 배합비로 혼합하여 용융혼련하는 단계 및 상기 용융혼합물을 냉각시켜 고형화하는 단계를 포함하는 소각재의 중금속을 밀봉하는 방법.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 제강 폐기물, 상기 유황 및 상기 소각재의 배합비는 전체 중량을 기준으로 제강 폐기물 50%, 유황 30% 및 소각재가 20%인 것을 특징으로 하는 소각재의 중금속을 밀봉하는 방법.
3. 삭제
4. 삭제
5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 용융혼련 단계는 120~150℃의 온도 범위에서 수행되는 것을 특징으로 하는 소각재의 중금속을 밀봉하는 방법.
6. 삭제
7. 제강 폐기물, 유황 및 소각재를 전체 중량을 기준으로 제강 폐기물 20~60%, 유황 20~40% 및 소각재가 10~40%의 배합비로 혼합하여 용융혼련한 후 냉각고형화하여 얻는 고형화 물질.
8. 제 7항에 있어서,

   상기 제강 폐기물, 상기 유황 및 상기 소각재의 배합비는 전체 중량을 기준으로 제강 폐기물 50%, 유황 30% 및 소각재가 20%인 것을 특징으로 하는 고형화 물질.
9. 삭제
10. 삭제
11. 삭제