KR20040099671A

KR20040099671A - 소각재의 안정화 및 고화처리를 위한 고화제 조성물

Info

Publication number: KR20040099671A
Application number: KR1020030031720A
Authority: KR
Inventors: 반봉찬; 박현서
Original assignee: 반봉찬; 대한민국(순천대학교 총장)
Priority date: 2003-05-19
Filing date: 2003-05-19
Publication date: 2004-12-02

Abstract

본 발명은 도시폐기물을 소각 처리후 발생되는 소각재를 쉽게 안정화 및 고형화 시킬 수 있는 소각재(바닥재, 비산재) 처리제 조성물( CaO : 40∼55%, CaSO4 : 7∼10% SiO2 : 18∼27%, CaCl2 : 0.5∼1.0%, Fe2O3 : 2∼5%, Al2O3 : 3∼11%, Na2SiO3 : 1∼3%)을 제공함에 목적이 있고, 또 하나는 시멘트의 수화반응을 촉진하여 중금속 이온 등에 의한 방해 효과를 억제시켜 안정화 고형화된 소각재를 아스팔트 도로포장, 토질개량재, 건축용 벽돌, 기와, 블록 등으로 활용하여 자원화하고 환경오염을 최소화하는데 있다.

Description

소각재의 안정화 및 고화처리를 위한 고화제 조성물{A solidification agent to treat solidification/stabilization of ash}

본 발명은 도시폐기물을 소각 처리후 발생되는 소각재를 쉽게 안정화 및 고형화 시킬 수 있는 소각재(바닥재, 비산재) 처리제 조성물을 제공함에 목적이 있고, 또 하나는 안정화 고형화된 소각재를 아스팔트 도로포장, 토질개량재, 건축용 벽돌, 기와, 블록 등으로 활용하여 자원화하고 환경오염을 최소화하는데 있다.

일반적으로 폐기물 소각로에서 발생되는 소각재는 비산재와 바닥재 두가지 종류가 있는데 이중 대부분(80∼85%)은 바닥재이다. 바닥재는 주로 30∼40%의 산화규소(SiO2)와 12∼17%의 산화칼슘(CaO)과 6∼10%의 산화알루미늄(Al2O3), 1∼5%의 철(Fe)과 3∼7%의 산화나트륨(Na2O)과 2∼3%의 미연소분 등으로 이루어지며, 비산재는 바닥재보다 염기성 성분을 보다 많이 포함한다.

이러한 비산재와 바닥재에는 크롬(Cr), 주석(Sn), 구리(Cu), 납(Pb)등의 중금속이 다량 함유되어 있다. 또한 도시폐기물 소각로 소각재에는 약 10∼20%의 금속 성분이 포함되어 있다. 이러한 소각재는 전량 별다른 후처리 없이 매립되고 있다. 따라서 매립시 분진이 발생되는 문제점과 침출에 의한 중금속이 용해되어 매립장 주변에 2차 환경오염 발생 요인을 증가시킨다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 최근에는 소각재를 Cement 고화처리, 약제처리방식, 용융고화방식, 기타 용매에 의한 안정화 처리 등이 연구되고 있으며, 안정화 고형화된 소각재를 아스팔트 도로포장, 토질개량재, 건축용 벽돌, 기와, 블록 등으로 활용하는 연구가 계속 진행되고 있는 실정이다.

우선 고화처리 방법을 살펴보면 일반적으로 소각재를 화학적으로 안정화하는 방법으로 사용되는 고화제로는 시멘트나 질소 및 유황계의 킬레이트제나 유황을 포함하지 않는 무기계 약제로 대별할 수 있으며, 이와 같은 고화제의 처리목적은 소각재의 안정화 및 고화처리에 목적을 두고있으나, 소각재의 다양한 성상 때문에 고화제 조성물의 다양한 처리기법과 성상이 요구되고 있다.

소각재의 중금속 용출방지 및 비산방지를 목적으로 하는 시멘트 고화 방법은 공정이 매우 단순하여 실온에서 운전할 수 있다는 장점이 있으나, 침출저항성이 현저히 낮고, 고형화함에 따라 부피가 증가하며, 특히 폐기물의 조성이 변할 때 품질관리를 조절하기 어려운 단점이 있다.

소각재의 안정화 및 고형화를 위해 사용되고 있는 약제로는 질소 및 유황계의 유기계 킬레이트제나 유황을 포함하지 않는 무기계 약제 등이 있으나, 약제가 고가이며가역반응을 기초로한 이온반응에 의한 것이기 때문에 조건에 따라 한번 넣은 중금속을 다시 유리시켜 버리는 단점이 있다.

아스팔트를 이용한 고형화 방법은 시멘트를 이용한 고형화 방법보다 침출 및 침출 저항성이 매우 우수하고 고형화함에 따른 부피증가가 없는 감용효과 등 큰 장점들이 있으나 형태 안정성 및 기계적 강도에 문제가 있기 때문에 처분할 때 별도의 공학적 보장이 필요하다는 단점이 있다.

도시쓰레기 소각재에 포함되어 있는 중금속을 안정화 및 고형화 시킬 수 있는 소각재(바닥재, 비산재) 처리제 조성물을 제공함에 목적이 있고, 또 하나는 안정화 고형화된 소각재를 아스팔트 도로포장, 토질개량재, 건축용 벽돌, 기와, 블록 등으로 활용하여 자원화하고 환경오염을 최소화하는데 있다.

본 발명의 고화제의 성분은 CaO : 40∼55%, CaSO4 : 7∼10% SiO2 : 18∼27%, CaCl2 : 0.5∼1.0%, Fe2O3 : 2∼5%, Al2O3 : 3∼11%, Na2SiO3 : 1∼3%의 조성비로 구성된다.

본 발명의 고형화 방법은 150kg-시멘트/m3-소각재의 비율로 혼합하고 고화안정화 처리제를 시멘트 사용량의 1∼10%를 첨가하여 고형화 한다.

고화제는 고형화시 안정화 및 강도를 증가시키기 위한 목적으로 소각재와 시멘트 혼합물에 시멘트의 1∼10% 첨가되는데 본 발명의 고화제를 소각재와 시멘트 혼합물에 소량 첨가해도 소각재 고화체 제조후 상당한 형태 안정성을 유지하고 중금속 용출이 저감된다.

본 발명의 고화제 조성물의 성분 CaO가 40% 미만일 경우, 수화반응이 적어 경화를 발생하지 못하고 55% 이상일 경우에는 수화반응이 너무 크게 반응하여 경화제의 균열을 초래하므로 조성비는 40∼50%로 한다.

Fe2O3 와 Al2O3의 성분비는 시멘트 이론에 의하여 고정된 비율로 조성되어진 양이다.

CaSO4는 시멘트와 CaO의 수화반응시 발열에 의한 균열을 줄여주고 강도를 증진시켜 주는 효과가 있으므로 CaSO4 7%미만일 경우에는 강도 발현이 적고, 10% 이상일 경우에는 강도가 감소되고 균열이 발생되므로 CaSO4의 조성비는 7∼10%로 한다.

CaCl2는 C3S의 수화반응이 촉진됨에 따라 용액 중의 수산화칼슘의 과포화도가 높아져서 CSH겔 등 수화생성물의 석출이 왕성하게되어 초기강도가 증대하게 하는 역할을 하는 것으로 0.5∼1.0%가 적정하다.

Na2SiO3는 수화반응을 하는 동안 Ash 내에 Ca(OH)2와 반응하여 포졸란 반응을 일으키므로 신속하게 안정된 칼슘 실리카 수화물(CSH)를 생성하게 된다.

이하 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.

포틀랜드 시멘트의 주성분으로는 CaO, SiO2, Al2O3, Fe2O3 성분이 전체 조성의 90% 정도 차지하고 있으며 물과 혼합시 가수분해를 일으켜 수산화 칼슘과 약한 염기성의 규산칼슘수화물(calcium silicate hydrate : CSH)을 생성한다.

이 반응은 고화가 용이하며 입자간을 결합시켜 강성의 골격을 만들고 수화가 진행함에 따라 결정이 성장하여 중금속을 고정하게 되는데 이러한 수화반응은 다음과 같다.

2(3CaO·SiO2) + 6H2O → 3CaO·2SiO2·3H2O + 3Ca(OH)2

2(2CaO·SiO2) + 4H2O → 3CaO·2SiO2·3H2O + Ca(OH)2

3CaO·Al2O3 + 6H2O → 3CaO·Al2O3·6H2O

4CaO·Al2O3·Fe2O3 + 2Ca(OH)2 + 10H2O → 3CaO·Al2O3·6H2O + 3CaO·Fe2O3·6H2O

이와 같은 상기한 수화반응은 CaO, SiO2, Al2O3, Fe2O3 성분을 주성분으로 하는 시멘트의 양이 증가하면 수화반응에 의해 생성되는 Ca(OH)2 양이 증가하게 되는데 이때 SiO2 흄의 미세한 입결은 높은 포졸란 반응성을 갖고 있어 CaCO3와 Ca(OH)2 의 형성을 감소시켜 칼슘-실리카 수화물의 생성을 크게 한다.

이하 표를 참조하면서 본 발명에 따른 고화제를 소각재와 시멘트에 혼합하여 안정화 고형화하는 방법의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

소각재의 침출특성을 평가하기 위하여 환경오염공정시험법인 TCLP법에 따라 침출특성을 분석해 보았다.

시료를 혼합한후 용출액과 1:20으로 혼합하고, 22±3℃, 진폭 4∼5cm로 분당 30±2회, 18±2시간 진탕기에서 진탕하여 여과한 후 항목별로 분석하여 표 1과 같은 침출특성을 얻었다.

표 1에 나타난 바와 같이, 소각재 원시료의 침출농도보다 소각재에 시멘트와 고화제를 혼합하였을 경우에 침출농도가 낮으며, 유기계 킬레이트제를 혼합한 경우 보다 고화제를 혼합하였을 경우에 침출농도가 낮았다.

표.1 용출시험결과 (ppm)

	기준치(한국)	소각재	소각재+시멘트+고화제	소각재+시멘트
Cu	3	2	0.15	1.9
Cr	1.5	1.3	불검출	0.1
Pb	3	4	0.015	0.6
Hg	0.005	0.007	불검출	불검출
As	1.5	0.4	불검출	불검출
Cd	0.3	0.4	불검출	불검출

소각재의 재활용 가능성을 알아보기 위하여 고화체의 성형은 한국공업규격 KS L5105에 규정된 "수경 시멘트 모르타르의 압축강도 시험방법"에 따라 시행하였다.

대상시료와 물량의 비는 모르타르 흐름시험에 의해 Flow값 150정도에서 물량을 결정하고 동일한 값을 가지고 시행하였다.

표 2에 나타난 바와 같이 본 발명의 고화제를 사용하여 소각재와 시멘트에 혼합하였을 경우에 고화체에서 중금속 용출이 거의 없거나, 아주 미미하였다.

일반적으로 국내에서의 시멘트 블록의 강도기준치는 80kg/cm2이므로 소각재를 함유한 고화제의 경우 압축강도면에서 충분히 만족시키고 있다.

표.2 소각재를 이용한 블록의 압축강도 변화 (kg/cm2)

	소각재	소각재+시멘트+고화제	소각재+시멘트
7일	61	86	74
14일	82	115	98
28일	102	184	106

도시쓰레기 소각재에 포함되어 있는 중금속을 안정화 및 고형화 시킬 수 있는 소각재(바닥재, 비산재) 고화제 조성물을 제공하고, 또 하나는 안정화 고형화된 소각재를 아스팔트 도로포장, 토질개량재, 건축용 벽돌, 기와, 블록 등으로 활용하여 자원화하고 환경오염을 최소화한다.

Claims

소각재를 안정화 및 고형화함에 있어서 CaO : 40∼55%, CaSO4 : 7∼10% SiO2 : 18∼27%, CaCl2 : 0.5∼1.0%, Fe2O3 : 2∼5%, Al2O3 : 3∼11%, Na2SiO3 : 1∼3%의 조성비로 구성된 고화제