서 론

최근 급속한 경제발전과 산업화에 따른 에너지 사용량의 급격한 증가는 에너지 발전설비용량의 증가를 가져 왔으며, 전체 발전설비용량의 40%를 화력발전이 차지하고 있다. 그에 따라 석탄의 연소과정에서 발생하는 석탄회의 양도 매년 증가하는 추세에 있으며, 2011년 기준으로 연간 900만톤 이상 발생되고 있다(Jang et al., 2011; Kepco, 2008). 또한 향후 추가적인 화력발전소 건설을 고려할 때 발생되는 석탄회의 양은 더욱 증가할 것으로 예상된다(Koh et al., 2010; KEPID, 2014). 석탄회는 포집되는 장소에 따라 크게 비산재(fly ash)와 바닥재(bottom ash)로 구분되며, 이중 비산재는 석탄회의 75∼80%정도로서 대부분이 콘크리트 혼화재료 및 시멘트 클링커 제조 원료로 재활용되고 있다(Lee et al., 2001). 그러나 바닥재의 경우 석탄회의 15∼20%를 차지하고 있어, 비산재에 비해 발생량이 적고 물리 화학적 특성이 열등함에 따라 재활용이 어려워 대부분 매립 처분되고 있는 실정이다(Lee et al., 2001; Kim et al., 2009; Lim, 2002; Jung, 2001; Cho, 2008). 석탄회나 바닥재의 폐기는 단순히 매립만으로 생각하기에는 많은 문제점이 발생하고 있다. 매립에 따른 부가적인 고가의 비용 손실 그리고 국내의 토지면적을 생각할 경우 매립지의 확보 또한 어려운 실정이며, 매립지의 토질, 수질 오염과 같은 환경오염이 발생하여 많은 문제를 일으키고 있다(Park et al., 2012). 한편 바닥재는 그 구성성분이 SiO₂와 Al₂O₃가 대부분을 차지하고 있어 시멘트나 토사 등과 혼합하여 건축 재료나 복토재 등으로 충분히 활용할 수 있을 것으로 보이나 바닥재내에는 중금속 및 미연탄소가 함유되어 있다. 중금속의 경우 고화 및 유리화 처리하여 매립하였지만, 토양오염공정시험법이 전 함량 분석법이 채택되어 고형화나 유리화 하여 매립이나 복토재로 사용할 수 없게 되어 처리에 어려움을 겪고 있다. 미연탄소의 경우 석탄 종류에 따라서 6∼15%를 차지하고 있는데(Noo et al., 2001), 건축 재료로 활용 시 콘크리트의 흑화 및 콘크리트에 사용되는 약품에 흡착하여 강도저하 등의 문제를 유발할 수 있어 문제가 되고 있다(Ahn, 2002; Nam et al., 2014; Freeman et al., 1997; Song, 2003; Ha et al., 1999). 따라서 본연구자들은 바닥재의 재활용을 위해 미연탄소 및 중금속을 제거하고 그 활용 가능성을 평가하는 목적으로 먼저 바닥재의 중금속 및 미연탄소 분포 특성을 연구하였다.

실험 재료 및 실험 방법

본 연구는 Fig. 1과 같이 경남 하동군 금성면에 위치한 H 화력발전소 석탄회 매립지에 적치되어 있는 바닥재를 대상 시료로 선정하여 실험을 진행하였다.

시료의 성분조성은 X선 형광분석기(SHIMDZU사 XRF- 1700)를 이용하여 분석하였고, 광물조성 평가를 위해 X선 회절 분석(Panalytical사 X'pert pro)을 실시하였다. 또한 바닥재의 철분 분포 특성을 알아보기 위해 자력선별을 진행하였으며, 화학분석을 토양오염공정시험법으로 AAS분석을 실시하였다. 중액시약인 Tetrabromoethane을 알코올로 희석하여 비중별 미연탄소 분포 특성을 확인 하였으며, 중금속의 형태를 확인하기 위해 중액선별을 실시하였다.

실험 결과 및 고찰

시료 분석

바닥재의 화학조성을 분석한 결과 Table 1과 같이 Si, Al, Ca계 화합물이 약 74%, Fe계 화합물이 약 15%가 존재하고 있었고 Cl계 화합물이 0.8% 존재하고 있었다. Cl의 경우 H 화력발전소에서 냉각수로 바닷물을 사용하였기 때문에 Cl이 존재하고 있는 것으로 사료되어진다.

또한 광물조성을 알아보기 위해 XRD분석을 실시한 결과, Fig. 2와 같이 석영, 자철석, 방해석이 주요 구성광물로 나타났다.

바닥재내 중금속 함량을 알아보기 위해 토양오염공정시험법으로 분석한 결과, Table 2와 같이 As, Cd, Cu, Pb, Zn은 1지역 우려기준치 이하로 존재하였다. Cr의 경우 시료 마다 약간의 차이가 있었지만 5.26 mg/kg으로 1지역 우려기준을 초과하고 있었다. H 화력발전소의 경우 석탄 수입국이 호주, 베트남, 인도네시아 등으로 다양함에 따라 시료의 특성과 중금속 함량이 조금씩 차이가 날 것으로 사료되어진다.

자력 분리에 따른 시료특성

선행 연구팀인 Choi 등의 연구보고에 의하면 H화력발전소 바닥재의 경우 Fig. 3과 같이 1,500 Gauss의 세기에서 자석에 붙는 입자의 약 93%가 회수 되었고, 4,000 Gauss정도의 세기에서 자석에 붙는 모든 입자가 회수되는 것을 확인하였다(Choi et al., 2013).

따라서 시료의 화학조성을 알아보기 위해 4,000 gauss의 세기로 자석에 붙은 시료와 자석에 붙지 않은 시료로 분리한 후 XRF분석을 실시하였다. 그 결과 Table 3과 같이 자성을 띄는 시료의 경우 Fe₂O₃의 함량이 27.23%로 원광에 비해 약 10%이상 높아지는 것을 확인하였고, 비자성 시료의 경우 Fe₂O₃의 함량이 9.49%로 나타났다.

또한, Table 4와 같이 열량분석기를 이용하여 자력 분리에 따른 바닥재의 미연탄소 함량을 분석한 결과, 자성을 띄는 시료에서는 미연탄소의 양이 3%이하로 적게 나타남에 따라 발열량이 측정이 되지 않았으며, 비자성 시료의 경우 발열량이 2,236 cal/g, 미연탄소 함량은 32.6%로 나타났다. 이에 따라 비자성 시료에 미연탄소가 농축되는 것을 확인할 수 있었다.

다음으로 자성을 띄는 시료와 자성을 띄지 않는 시료를 대상으로 XRD 분석을 실시한 결과, Fig. 4과 같이 자석에 붙은 시료에는 석영과 자철석이 주로 존재하고 있었으며, 자석에 붙지 않은 시료에는 석영과 방해석, 적철석이 존재하는 것을 확인 할 수 있었다.

비중 분리에 따른 시료특성

바닥재내에 미연탄소의 분포 특성을 알아보기 위해 비중을 조절하여 비중에 따른 비연탄소 함량을 알아보았다. 먼저 석탄의 비중을 감안하여 비중 2.1에서 부상물과 침강물을 분리하였다. 발열량을 측정한 결과 Table 5와 같이 비중 2.1 침강물에서는 미연탄소가 존재하지 않았으며, 비중 2.1 부상물에서 발열량이 1,927 cal/g, 미연탄소는 약 30%가 존재하는 것을 알 수 있었다.

다음으로 비중 2.1이하의 시료를 세분화하여 실험을 진행하였다. 그 결과 비중 1 부상물에서 발열량이 3672 cal/g로 나타났으며, 비중이 낮아짐에 따라 맥석 광물들의 함량이 적어져 미연탄소의 함량이 증가 하는 것을 알 수 있었다.

미연탄소의 형태를 자세히 알아보기 위해 비중 1-1.6과 1-1.8 사이의 시료를 대상으로 Fig. 5와 같이 SEM/EDS분석을 실시한 결과, 비중 1-1.6시료에서 C성분이 80%에 가까운 입자를 관측 할 수 있었으며, 비중 1-1.8시료에서 C 57%, Si가 14%인 입자를 관측 할 수 있었다.

중액 분리에 따른 중금속 분포 특성

바닥재내의 중금속 형태를 알아보기 위해 비중 2.97의 Tetrabromoethane을 이용하여 시료를 부상물, 침강물을 구분하였으며, 미세한 입자의 경우 현탁 상태를 이루어 분리가 이루어지지 않아 원시료, 4 × 8 mesh, 16 × 20 mesh의 입도로 실험을 진행하였다. 그 결과, Table 6과 같이 침강물의 양이 원시료의 경우 4.48%, 4 × 8 mesh의 경우 12.13%, 16 × 20 mesh는 7.18%로 나타났다.

중액분리에 따른 중금속의 함량을 알아보기 위해 AAS분석을 실시한 결과, Table 7과 같이 부상물의 경우 모든 구간에서 1지역 우려기준치 이하로 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 또한 침강물의 경우 Cr이 모든 구간에서 1지역 우려기준치를 초과한 약 6 mg/kg으로 농축이 되었고, As는 1지역 대책기준을 초과한 약 80～120 mg/kg으로 농축 되는 것을 확인 할 수 있었다.

원시료의 침강물을 대상으로 SEM/EDS분석결과 Fig. 6와 같이 Fe가 73%인 입자를 관측을 할 수 있었으며, Fig. 7과 같이 Fe 43%, S 33%인 황철석을 관측 할 수 있었다(Lee et al., 2013). Fig. 7의 황철석 분석결과를 살펴보면 Fe 43%, S 33%, Cr 12%로 Cr이 황철석에 고용되어 있는 것을 확인 할 수 있었다.

분리 된 원시료를 대상으로 XRD분석 결과, Fig. 8과 같이 부상물에서 석영, 적철석, 방해석, 가노필라이트, 조장석이 존재하고 있었으며, 침강물의 경우 티탄철석, 적철석, 자철석, 황화니켈, 황철석 등이 존재하는 것을 알 수 있었다.

결 론

H 화력발전소 바닥재의 중금속 및 미연탄소 분포 특성을 연구한 결과를 요약하면 다음과 같다.

1.하동 석탄 화력발전소 Bottom ash의 경우, Si-, Al-, Fe-계의 산화물이 80%로 주를 이루고 있었으며, AAS분석결과 Cr의 경우 5.26 mg/kg으로 1지역 우려기준치를 초과하고 있었다.

2.자력분리에 따른 Bottom ash시료 특성을 알아본 결과, 철분은 주로 적철석과 자철석의 형태로 존재하고 있었으며, 자석에 붙지 않은 시료의 경우 미연탄소의 함량이 32.6%로 원광에 비해 높아지는 것을 확인 할 수 있었다.

3.비중에 따라 Bottom ash내에 미연탄소를 분석한 결과, 비중 2.1 이상에서는 미연탄소가 나타나지 않았으며, 비중이 낮아질수록 미연탄소 함량이 많아지는 것을 알 수 있었으며 비중 1 부상물에서 3,672 cal/g의 발열량이 나타났다.

4.Bottom ash내에 중금속 형태를 알아보기 위해 중액선별을 실시한 결과, 침강물에서 티탄철석, 적철석, 자철석, 황화니켈, 황철석 등이 존재하는 것을 확인하였고, SEM/EDS결과, Cr이 황철석에 고용되어 있는 것을 알 수 있었다.