KR101344127B1 - 석면보드의 무해화 및 이산화탄소 고정방법 - Google Patents

석면보드의 무해화 및 이산화탄소 고정방법 Download PDF

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Abstract

석면보드의 무해화 및 이산화탄소 고정방법을 제공한다. 석면보드의 무해화 및 이산화탄소 고정방법은 석면보드를 분쇄하는 단계; 상기 분쇄된 석면보드를 염기성 용액에 넣어 석면보드 용액을 형성하는 단계; 상기 석면보드 용액에 이산화탄소를 주입하여 이산화탄소를 고정시키는 단계; 및 상기 이산화탄소가 고정된 석면보드를 열처리하여 석면을 무해화하는 단계를 포함한다. 따라서, 석면보드와 이산화탄소의 반응을 이용하여 이산화탄소의 고정 및 최종생성물인 탄산칼슘을 합성하고, 동시에 열처리를 통해 석면을 무해화 시킬 수 있다.

Description

석면보드의 무해화 및 이산화탄소 고정방법{Method for Detoxification of Asbestos Board and Fixation of Carbon Dioxide}
본 발명은 석면의 무해화에 관련된 기술로서, 보다 상세하게는 이산화탄소의 주입 및 열처리를 통하여 석면보드를 무해화하는 동시에 이산화탄소를 고정하는 방법에 관한 것이다.
석면(asbestos)이란 아스베스토스돌솜이라고도 하는데, 100만년전 화산활동에 의해 발생한 화성암의 일종으로 사문석(serpentine), 각섬석(amphibole) 등의 광물에서 채취된 섬유모양의 광물성 규산염(mineral silicate)을 일컫는 용어이다.
석면은 사문석 계열과 각섬석 계열로 나눌 수 있다. 사문석 계열의 결정구조는 기본적으로 전하가 중성인 1:1 층(1:1 layer)으로 구성되어 있고, 각섬석 계열은 SiO4사면체들이 결합한 복쇄형(double chain)의 결정구조로 이루어져 있다.
석면은 인장력이 강하고 전기를 통하지 않으며, 열과 추위에 잘 견디고 화학적으로 부식이 강한 특성으로 인해 산업적으로 많이 이용되어 왔다.
석면에 노출시 가늘고 긴 섬유상의 광물학적 특성에 의해 석면폐, 폐암, 및 악성 종피종 등 각종 폐 관련 질환에 치명적인 것으로 알려져 있어, 석면보드 폐기물을 무해화시키는 문제에 대하여 연구가 활발하다.
대한민국 공개특허 제10-2011-0094799호(2011.08.24.)는 고온에서 석면폐기물을 유리와 합성가스(Syngas/CO+H2)로 개질시켜 환경유해물질을 무해화하고 재활용한다.
한편, 우리나라의 이산화탄소 증가율은 OECD 국가 중 1위이고, 전 세계 제10위의 이산화탄소 배출 국가로서 2013년부터는 탄소배출 감소 의무국으로 지정돼 강도 높은 감축 요구를 받을 것으로 예상된다. 따라서, 이에 대비한 감축 계획의 수립이 필요하다. 이러한 점에서 CCS(Carbon Capture and Storage)가 연구되고 있다.
CCS 기술 중 물리적 방법으로는 이산화탄소 심해저장, UGS(Underground Gas Storage), 지하수용해, 지중저장 등의 다양한 방법들이 검토 및 시도 될 예정이다. 그러나, 상기 방법들은 값비싼 이산화탄소 모니터링 시스템을 운용해야 하는 단점이 있다. 또한, 우리나라에는 지질구조상 지중저장 장소가 많지 않은 문제점이 있다.
한편, 석면보드는 석면이 함유된 석고보드로서, 석회석과 석고 및 백석면으로 이루어졌다. 상기 석면보드는 시간이 경과함에 따라 풍화에 의해 백석면이 대기 중에 노출되고 있는 실정이다.
따라서, 석면보드를 무해화하면서 동시에 이산화탄소를 고정시킬 수 있는 기술을 개발할 필요성이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 석면보드를 이용하여 포집된 대기 중 이산화탄소의 반응을 이용하여 시멘트의 원료물질인 탄산칼슘을 제조하는 방법을 제공함에 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는 열을 이용하여 석면보드 내 섬유상의 석면을 무해한 형태로 만드는 기술을 제공함에 있다.
상기 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명의 일 측면은 석면보드를 분쇄하는 단계; 상기 분쇄된 석면보드를 염기성 용액에 넣어 석면보드 용액을 형성하는 단계; 상기 석면보드 용액에 이산화탄소를 주입하여 이산화탄소를 고정시키는 단계; 및 상기 이산화탄소가 고정된 석면보드를 열처리하여 석면을 무해화하는 단계를 포함하는 석면보드의 무해화 및 이산화탄소 고정방법을 제공한다.
상기 이산화탄소를 고정시키는 단계는 상기 석면보드 용액을 100℃ 내지 150℃의 온도 및 0.1 MPa 내지 0.5 MPa의 압력으로 유지하여 이산화탄소 고정을 가속화시키는 과정을 포함할 수 있다.
상기 석면보드를 분쇄하는 단계는 상기 석면보드를 75㎛ 이하로 분쇄하는 것을 특징으로 한다.
상기 염기성 용액은 증류수, NaCl 및 NaHCO3를 포함할 수 있다.
상기 열처리 온도는 700℃ 내지 800℃일 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 석면보드와 이산화탄소의 반응을 이용하여 이산화탄소의 고정뿐 아니라 이에 따라 합성한 최종생성물인 탄산칼슘을 시멘트의 원료물질로 사용할 수 있다. 또한, 열처리를 통한 광물의 상전이를 통해 석면을 무해화 시킬 수 있다.
다만, 본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 석면보드 원시료와 이산화탄소 주입 후 압열 멸균기를 사용하여 형성된 생성물의 XRD 결과분석 그래프이다.
도 2는 석면보드 원시료와 열처리를 통해 형성된 생성물의 XRD 결과분석 그래프이다.
도 3은 석면보드 원시료의 SEM-EDS 분석결과 이미지 및 그래프이다.
도 4는 이산화탄소 주입 후 압열 멸균기를 사용하여 형성된 생성물의 SEM-EDS 분석결과 이미지 및 그래프이다.
도 5는 열처리를 통해 형성된 생성물의 SEM-EDS 분석결과 이미지 및 그래프이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장된 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
실시예
본 발명의 일 실시예에 따른 석면보드의 무해화 및 이산화탄소 고정방법에 대하여 설명한다.
먼저, 석면보드를 분쇄한다. 상기 석면보드를 75㎛ 이하로 분쇄하는 것이 바람직하다. 이는 석면보드의 표면적을 넓혀 이산화탄소와의 반응을 촉진시키기 위함이다.
상기 분쇄된 석면보드를 염기성 용액에 넣어 석면보드 용액을 형성한다. 석면보드 용액은 슬러리(Slurry) 형태일 수 있다.
석면보드에 이산화탄소를 고정시킬 때, 매개체 용액(Carrier solution)으로 염기성 용액을 사용하여 석면보드 용액의 pH를 7 이상으로 조절함으로써, 이산화탄소의 고정 반응을 증가시킬 수 있다.
상기 염기성 용액은 증류수, NaCl 및 NaHCO3를 포함할 수 있다.
상기 석면보드 용액에 이산화탄소를 주입하여 이산화탄소를 고정시킨다. 이산화탄소가 고정되면서 탄산염광물화 반응(Mineral carbonation)이 진행된다.
따라서, 석면보드의 석고(CaSO4)가 탄산염광물화 반응을 진행하여 CaCO3가 된다.
탄산염광물화 반응(Mineral carbonation)이란 자연계의 풍화작용을 모방하여 광물을 구성하고 있는 알칼리 토금속 성분을 이산화탄소와 반응시켜 열역학적으로 안정된 상태의 탄산염광물로 변화시키는 반응이다.
탄산염광물화 반응은 발열반응이며, 탄산염광물화 반응결과의 생성물은 에너지 준위가 60 내지 180 kJ/mol로 이산화탄소보다 낮다.
따라서, 상기 에너지 준위로 보았을 때 탄산염광물의 형태로 이산화탄소를 고정시키는 것이 안정된 에너지 준위의 상태인 바, 장기간 이산화탄소를 고정화시킬 수 있게 된다.
상기 이산화탄소를 주입 후, 일정한 온도 및 압력을 유지하여 탄산염광물화 작용을 가속화시킬 수 있다.
예컨대, 압열 멸균기(Autoclave)를 이용하여 일정 온도 및 압력 조건으로 유지할 수 있다.
바람직하게, 상기 석면보드 용액을 100℃ 내지 150℃의 온도 및 0.1 MPa 내지 0.5 MPa의 압력으로 유지하여 이산화탄소 고정을 가속화시킬 수 있다.
만일, 상기 가속화 공정의 온도가 100℃ 미만인 경우, 이산화탄소를 고정시키는 시간이 길어지고, 상기 가속화 공정의 온도가 150℃를 상회하는 경우, 고온 열처리에 따른 비용이 증가하는 문제가 있다.
또한, 상기 온도 및 압력을 20분 이상 유지하는 것이 바람직하다. 만일, 상기 유지 시간이 20분 미만인 경우, 탄산염광물화 작용을 가속화시키기에 불충분할 수 있다.
상기 이산화탄소가 고정된 석면보드를 열처리하여 석면을 무해화한다.
만일, 석면보드에 이산화탄소를 고정시키지 않고, 열처리할 경우, 석면보드의 석고(CaSO4)로부터 SO2가 생성될 수 있어 원하지 않는 생성물이 형성될 수 있다.
상기 열처리 과정을 통하여 석면보드에 함유된 백석면의 상전이 변화가 이루어진다.
상기 열처리 온도는 700℃ 내지 800℃일 수 있다. 만일, 상기 열처리 온도가 700℃ 미만일 경우, 석면보드에 포함된 백석면이 고토 감람석(Forsterite)으로 상전이 변화가 일어나지 않을 우려가 있다. 또한, 상기 열처리 온도가 800℃를 상회하는 경우, 고온 열처리에 따른 비용이 증가하는 문제가 있다.
또한, 상기 열처리 공정은 700℃ 내지 800℃의 온도에서 1시간 내지 3시간 열처리하는 것이 바람직하다.
따라서, 상기 열처리 공정을 통하여 지름이 약 20㎛이고 둥근 형태인 방해석(Calcite)을 얻을 수 있고, 석면을 무해화 시킬 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실험예(example)를 제시한다. 다만, 하기의 실험예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 하기의 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다.
실험예
석면보드의 표면적을 높이기 위해 분쇄기(Pulverizer)를 이용하여 가루로 만든 뒤 75㎛ (200 Mesh) 채에 걸렀다.
탄산염 광물화를 위하여 상기 분쇄된 석면보드에 염기성 용액에 넣어 석면보드 용액을 제조하였다. 상기 석면보드 용액은 60㎖ 3차 증류수, 9g 분쇄된 75㎛ 이하의 석면보드(석면보드 용액은 15%의 고체), 1.7535g NaCl(1M) 및 1.6129g NaHCO3(0.64M)로 구성된다.
상기 석면보드 용액에 이산화탄소(99.999%) 가스를 0.2MPa 압력으로 주입하여 이산화탄소를 고정시켰다. 그 다음에, 압열 멸균기를 이용하여 120℃의 온도 및 0.25 MPa 압력 조건으로 20분간 유지하여 이산화탄소 고정을 촉진시켰다.
상기 이산화탄소가 고정된 석면보드를 실험실용 전기로를 이용하여 약 700℃에서 2시간 열처리하여 석면을 무해화하였다.
분석의 용의성을 위해 NaCl을 제거하기 위해 증류수 10㎖를 넣고 원심분리기(Centrifuge)를 이용하여 3회 반복한 후 자연건조시켰다.
75㎛ 이하로 분쇄한 석면보드 원시료, 이산화탄소 주입 후 형성된 생성물 및 열처리를 통한 생성물을 X-선 회절 분석(XRD)으로 비교하였다.
도 1은 석면보드 원시료와 이산화탄소 주입 후 압열 멸균기를 사용하여 형성된 생성물의 XRD 결과분석 그래프이다.
도 1을 참조하면, 75㎛ 이하로 분쇄한 석면보드(원시료)는 주로 백석면(Chrysotile)과 석회석(Calcite) 및 석고(Gypsum)로 구성되어 있다.
또한, 이산화탄소 주입 후 압열 멸균기를 사용하여 상술한 온도 및 압력을 유지하여 형성된 입자는 석회석(Calcite)과 백석면(Chrysotile)으로 구성되었음을 확인할 수 있었다. 즉, 석고에 이산화탄소가 고정되어 탄산염광물화반응이 일어났음을 알 수 있다.
도 2는 석면보드 원시료와 열처리를 통해 형성된 생성물의 XRD 결과분석 그래프이다.
도 2를 참조하면, 상기 이산화탄소 주입 후, 다시 열처리하여 형성된 입자는 시멘트 원료물질인 방해석(Calcite), 산화칼슘(Calcium Oxide) 및 석영(Quartz)으로 나타났다. 즉, 광물의 상전이가 일어남을 확인할 수 있었다.
도 3은 석면보드 원시료 SEM-EDS 분석결과 이미지 및 그래프이다.
도 3을 참조하면, 광물의 크기와 모양 및 구성성분을 확인하기 위해 주사전자현미경분석(SEM-EDS)을 실시한 결과 75㎛ 이하로 분쇄한 석면보드 원시료는 지름이 3㎛ 이하의 둥근 형태의 석고(Gypsum)(도 3(b) 및 3(c))와 가늘고 긴 섬유상의 석면(Chrysotile)(도 3(d) 및 3(e))이 확인되었다.
도 4는 이산화탄소 주입 후 압열 멸균기를 사용하여 형성된 생성물의 SEM-EDS 분석결과 이미지 및 그래프이다.
도 4를 참조하면, 이산화탄소 주입 후 형성된 입자는 가늘고 긴 섬유상의 석면에 둥근 모양의 방해석이 붙어 있는 것을 확인할 수 있었다(도 4(a) 및 4(b)). 또한, 둥근 모양의 방해석(Calcite)의 집합체가 존재하기도 하였다(도 4(c) 및 4(d)).
즉, 석고에 이산화탄소가 고정되어 탄산칼슘(CaCO3)이 형성되었음을 알 수 있다.
도 5는 열처리를 통해 형성된 생성물의 SEM-EDS 분석결과 이미지 및 그래프이다.
도 5를 참조하면, 열처리 한 후 형성된 입자에서는 섬유상의 석면이 관찰되지 않았으며, 지름이 10㎛ 내지 20㎛인 둥근형태의 시멘트의 원료물질인 방해석(Calcite)의 집합체가 확인되었다(도 5(a) 내지 5(d)).
따라서, 상기 결과를 통하여 석면의 유해성 제거, 이산화탄소의 고정 및 형성된 생성물인 탄산칼슘을 이용한 시멘트 원료물질의 합성 가능성을 확인하였다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 및 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형 및 변경이 가능하다.

Claims (5)

  1. 석회석, 석고 및 백석면을 포함하는 석면보드를 분쇄하는 단계;
    상기 분쇄된 석면보드를 염기성 용액에 넣어 석면보드 용액을 형성하는 단계;
    상기 석면보드 용액에 이산화탄소를 주입하여 상기 석면보드의 석고에 이산화탄소를 고정시키는 단계; 및
    상기 이산화탄소가 고정된 석면보드를 열처리하여 상기 백석면을 무해화하는 단계를 포함하고,
    상기 염기성 용액은 NaCl 및 NaHCO3를 포함하는 석면보드의 무해화 및 이산화탄소 고정방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 이산화탄소를 고정시키는 단계는,
    상기 석면보드 용액을 100℃ 내지 150℃의 온도 및 0.1 MPa 내지 0.5 MPa의 압력으로 유지하여 이산화탄소 고정을 가속화시키는 과정을 포함하는 석면보드의 무해화 및 이산화탄소 고정방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 석면보드를 분쇄하는 단계는 상기 석면보드를 75㎛ 이하로 분쇄하는 것을 특징으로 하는 석면보드의 무해화 및 이산화탄소 고정방법.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 열처리 온도는 700℃ 내지 800℃인 석면보드의 무해화 및 이산화탄소 고정방법.
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