KR20130004115A - 석면 함유 물질의 무해화 및 이산화탄소 고정 방법 - Google Patents

Abstract

석면 함유 물질의 무해화 및 이산화탄소 고정 방법을 제공한다. 석면 함유 물질의 무해화 및 이산화탄소 고정 방법은 석면 함유 물질을 710℃ 내지 840℃의 온도로 열처리하는 단계; 및 상기 열처리된 석면 함유 물질을 매개체 용액에 넣고, 상기 매개체 용액에 이산화탄소를 주입하는 단계를 포함함으로써 석면 함유 물질을 무해화하고, 이산화탄소를 고정화시키는 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 이산화탄소의 고정과 함께 탄산염광물화 작용을 통하여 시멘트의 원료물질을 생성할 수 있다.

Description

석면 함유 물질의 무해화 및 이산화탄소 고정 방법 {Method for the detoxification of asbestos-containing materials and the fixation of carbon dioxde}

본 발명은 석면 함유 물질의 무해화 및 이산화탄소 고정 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열처리와 이산화탄소를 이용하는 석면 함유 물질의 무해화와 탄산염광물의 형성에 따른 이산화탄소 고정 방법에 관한 것이다.

석면(asbestos)은 100만년 전의 화산활동에 의해 발생된 화성암의 일종으로서, 천연의 사문암이나 각섬석으로부터 추출한 직경 0.2㎛ 에서 0.3㎛ 정도의 극세섬유상의 광물이다, 석면은 유연성이 있고, 견사상 광택이 특이한 특성을 가진다.

석면은 사문석 계열과 각섬석 계열의 결정구조로 나눌 수 있다. 사문석 계열은 기본적으로 전하가 중성인 1:1 층(1:1 layer)으로 구성된 결정구조를 가지고, 각섬석 계열은 SiO₄ 사면체들이 결합한 복쇄형(double chain)의 결정구조를 가진다.

석면은 인장력이 강하고 전기를 통하지 않으며, 열과 추위에 잘 견디고, 화학적으로 부식이 강한 특성을 가져, 산업적으로 많이 이용되어 왔다.

그러나, 석면에 노출시 가늘고 긴 섬유상의 광물학적 특성에 의해 석면폐, 폐암 및 악성 종피종 등 각종 폐 관련 질환에 걸릴 위험이 높은 것으로 알려졌다.

한편, 슬레이트는 80% 내지 90%의 시멘트와 10% 내지 20%의 백석면(Chrysotile)으로 구성되어 있다. 농촌 지붕개량 사업으로 사용된 슬레이트의 양은 정확히 파악할 수 없으나, 당시 보도 자료에 의하면 73년부터 76년까지 연간 3,500만매가 판매되었고, 77년 3,200만매, 78년 3,000만매 등으로 서서히 감소하다가 80년대에 1,800만매가 판매되었다고 한다.

현재에도 전국적으로 주택과 공장, 축사 등에 사용되었던 슬레이트가 많이 잔존하며 점차 노후화되어 가고 있다. 슬레이트는 상기에서 언급했던 것과 같이 시멘트와 석면으로 구성되어 있다. 시간이 경과함에 따라 시멘트의 구성성분인 수산화칼슘(Calcium hydroxide)은 물에 녹으며, 석면은 주변 환경으로 방출된다. 따라서, 주변 환경으로 방출되는 석면을 무해화시키는 문제가 큰 사회적 이슈가 되고 있다.

현재 석면 처리는 폴리에틸렌 용기에 밀봉 처리하여 지정 폐기물 매립장에 복토하여 이루어지고 있으며, 폐광산을 이용하여 석면 폐기물을 매립하는 방안도 제안되었다.

또한, 석면의 유해성을 없애기 위한 물리·화학적 연구가 많이 진행되고 있다. 일 예로, 사문석계 석면을 황산으로 화학적 처리하여 마그네슘 해리를 통한 광물탄산화를 유도할 수 있는 반응 기작에 대해 연구되고 있다.

한편, 우리나라의 이산화탄소 증가율은 OECD 국가 중 1위이고, 전 세계 제10위의 이산화탄소 배출 국가로서 2013년부터는 탄소배출 감소 의무국으로 지정되어 강도 높은 감축 요구를 받을 것으로 예상된다. 따라서, 이에 대비한 감축 계획의 수립이 필요한 실정이다. 그 일환으로, CCS(Carbon Capture and Storage)가 연구되고 있다. CCS 기술 중 이산화탄소 심해저장, UGS(Underground Gas Storage), 지하수용해, 지중저장 등의 다양한 물리적 방법들이 검토 및 시도될 예정이다. 그러나, 상기 방법들은 값비싼 이산화탄소 모니터링 시스템을 운용해야 하는 단점이 있다.

또한, 우리나라에는 지질구조상 지중저장 장소가 많지 않은 문제점이 있다. 따라서, 광물을 구성하고 있는 알칼리 토금속 성분을 이산화탄소와 반응시켜 열역학적으로 안정된 상태의 탄산염광물로 변화시키는 탄산염광물화 작용에 대한 연구가 활발하다.

따라서, 석면 함유 물질을 무해화하면서 동시에 이산화탄소를 고정시킬 수 있는 기술을 개발할 필요성이 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 열처리 및 이산화탄소를 이용하여 석면 함유 물질을 무해화하고, 이산화탄소를 고정하고, 시멘트의 원료물질인 탄산칼슘을 합성할 수 있는 석면 함유 물질의 무해화 및 이산화탄소 고정 방법을 제공함에 있다.

상기 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명의 일 측면은 석면 함유 물질의 무해화 및 이산화탄소 고정 방법을 제공한다. 상기 방법은 석면 함유 물질을 710℃ 내지 840℃의 온도로 열처리하는 단계 및 상기 열처리된 석면 함유 물질을 매개체 용액에 투입하고, 상기 매개체 용액에 이산화탄소를 주입하는 단계를 포함한다.

상기 이산화탄소를 주입하는 단계 이후에, 상기 석면 함유 물질을 100℃ 내지 150℃의 온도와 0.1㎫ 내지 0.5㎫의 압력으로 압열하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 석면 함유 물질을 열처리하는 단계 이전에, 상기 석면 함유 물질을 분쇄하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 석면 함유 물질을 분쇄하는 단계는 상기 석면 함유 물질을 75㎛ 이하로 분쇄하는 단계일 수 있다.

상기 석면 함유 물질은 슬레이트를 포함할 수 있다.

상기 매개체 용액은 물 또는 염기성 용액일 수 있다. 상기 염기성 용액은 NaCl 및 NaHCO₃를 포함할 수 있다.

본 발명에 따르면, 석면 함유 물질을 710℃ 내지 840℃의 온도로 열처리하여 석면 함유 물질을 무해화하고, 이산화탄소의 고정화 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 이산화탄소의 고정과 함께 탄산염광물화 작용을 통하여 시멘트의 원료물질을 생성할 수 있다. 이 때, 일정 조건의 압열 과정을 통해 탄산염광물화 작용을 가속화시킬 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 석면 함유 슬레이트를 열처리와 이산화탄소 주입을 통해 형성된 입자의 XRD 결과분석 그래프이다.
도 2는 석면 함유 슬레이트의 SEM-EDX 분석결과 이미지 및 그래프이다.
도 3은 석면 함유 슬레이트를 열처리와 이산화탄소 주입을 통해 형성된 입자의 SEM-EDX 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 석면 함유 물질의 무해화 및 이산화탄소 고정 방법에 대하여 설명한다.

먼저, 석면 함유 물질을 준비한다. 일 예로, 상기 석면 함유 물질은 석면이 함유된 슬레이트일 수 있다.

상기 석면 함유 물질을 분쇄할 수 있다. 이는 석면 함유 물질의 표면적을 넓혀 이산화탄소와의 반응을 촉진시키기 위함이다. 이 때, 상기 석면 함유 물질의 길이를 75㎛ 이하로 분쇄(Grinding)함이 바람직하다. 다만, 상기 분쇄 과정은 생략될 수 있다.

상기 분쇄된 석면 함유 물질을 열처리한다. 상기 열처리 과정을 통하여 석면 함유 물질의 상전이 변화가 이루어질 수 있다. 상전이 변화를 통하여 후술할 단계에서 열처리된 석면 함유 물질에 이산화탄소가 쉽게 주입될 수 있다.

슬레이트의 경우, 예를 들어 710℃ 내지 840℃의 온도로 열처리하는 것이 바람직하다. 상기 열처리 온도가 710℃ 미만일 경우, 슬레이트에 포함된 백석면이 고토 감람석(Forsterite)으로 상전이 변화가 일어나지 않을 우려가 있다. 또한, 상기 열처리 온도가 840℃를 상회하는 경우, 슬레이트에 포함된 백석면을 열처리하여 형성된 고토 감람석이 이산화탄소와 중탄산과 반응하여 탄산염광물이 형성될 수 없을 수 있으며, 고온 열처리에 따른 비용이 증가하는 문제가 있다.

상기 열처리된 석면 함유 물질을 매개체 용액(Carrier solution)에 투입한다. 상기 매개체 용액은 물, 또는 중탄산(HCO₃ ^-) 이온이 포함된 염기성 용액일 수 있다. 이 경우, 습식 공정을 통해 석면의 비산 등의 문제를 방지할 수 있다.

일 예로, 상기 염기성 용액은 NaCl 및 NaHCO₃을 포함할 수 있다. 다만, 이에 한정되지는 않는다.

상기 열처리된 석면 함유 물질을 매개체 용액에 투입함으로써, 석면 함유 물질을 열처리하여 생성된 고토감람석(forsterite)이 상기 매개체 용액 내에서 이산화탄소와 반응할 수 있다. 이 경우, 탄산염광물의 형성이 촉진되어 이산화탄소가 쉽게 고정될 수 있다.

상기 열처리된 석면 함유 물질이 포함된 매개체 용액에 이산화탄소를 주입하여 이산화탄소를 고정시키고, 탄산염광물화 반응(Mineral carbonation)을 진행시킨다.

탄산염광물화 반응(Mineral carbonation)이란, 자연계의 풍화작용을 모방하여 광물을 구성하고 있는 알칼리 토금속 성분을 이산화탄소와 반응시켜 열역학적으로 안정된 상태의 탄산염광물로 변화시키는 반응이다.

상기 탄산염광물화 반응은 발열반응이며, 탄산염광물화 반응결과의 생성물은 에너지 준위가 60 내지 180 kJ/mol로 이산화탄소보다 낮다. 이러한 에너지 준위로 보았을 때 탄산염광물의 형태로 이산화탄소를 고정시키면, 안정된 에너지 준위의 상태로 장기간 이산화탄소를 고정화시킬 수 있다. 또한, 모니터링 시스템도 필요하지 않는 이점이 있다.

예를 들어, 이산화탄소를 0.2㎫의 압력으로 석면 함유 슬레이트가 포함된 매개체 용액에 주입할 수 있다. 이 경우, 주입된 이산화탄소가 고정되면서 탄산염광물화 작용이 동시에 일어나 탄산칼슘이 생성된다.

상기 이산화탄소를 주입하는 공정 이후에, 상기 석면 함유 물질을 압열하여 탄산염광물화 작용을 가속화시킬 수 있다.

상기 압열 공정은 압열기(Autoclave)를 이용하여 수행할 수 있다.

상기 압열은 100℃ 내지 150℃의 온도 및 0.1㎫ 내지 0.5㎫의 압력에서 수행하는 것이 바람직하다. 상기 온도 및 압력 범위는 미생물을 멸균할 수 있는 온화한(mild) 조건이다.

또한, 상기 압열 공정은 20분 이상 유지하는 것이 바람직하다. 만일, 상기 압열 공정의 유지 시간이 20분 미만인 경우, 탄산염광물화 작용을 가속화시키기에 불충분할 우려가 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

석면 함유 물질로서 석면이 함유된 슬레이트를 준비하였다. 상기 슬레이트의 표면적을 높이기 위해 분쇄기(Pulverizer)를 이용하여 분말로 만든 뒤, 75㎛(200 Mesh) 채에 걸렀다. 이후, 채에 거른 분말을 실험실용 전기로를 이용하여 약 750℃의 조건에서 약 2시간 열처리를 하였다.

상기 열처리된 슬레이트를 염기성 용액에 투입하여 슬러리(Slurry)를 제조하였다. 상기 염기성 용액은 NaCl 및 NaHCO₃을 포함하였다. 상기 슬러리에 이산화탄소(CO₂)를 약 0.2㎫의 압력으로 주입하여 석면을 무해화하고 이산화탄소를 고정하였다. 또한, 이산화탄소 고정화가 진행됨과 동시에 탄산염광물화 작용이 진행되어 탄산칼슘이 합성되었다.

이후, 압열기(Autoclave)를 이용하여 약 120℃의 온도 및 약 0.25㎫의 압력 조건으로 약 20분간 유지하였다. 상기 압열 공정을 통해 탄산염광물화 작용이 가속화되었다.

상기 실험을 통해 합성된 생성물의 주성분은 탄산칼슘이며, 상기 생성물의 지름은 10㎛ 내지 20㎛이고, 상기 생성물은 둥근 형태의 방해석(Calcite)인 시멘트의 원료물질이다.

도 1은 석면 함유 슬레이트를 열처리와 이산화탄소 주입을 통해 형성된 입자의 XRD 결과분석 그래프이다. 분석의 용의성을 위하여 상기 실험을 통해 형성된 입자에서 NaCl을 제거하기 위해 원심분리기(Centrifuge)를 이용하여 3회 반복한 후 자연건조시켰다.

도 1을 참조하면, 열처리를 하지 않고 75㎛ 이하로 분쇄한 석면 함유 슬레이트(원시료)와, 상기 원시료를 열처리하고, 이산화탄소를 주입하여 형성한 석면 함유 슬레이트 입자를 X-선 회절 분석(XRD)으로 비교하였다.

분석 결과에 따르면, 열처리를 하지 않고 75 ㎛ 이하로 분쇄한 슬레이트는 주로 백석면(Chrysotile) 및 수산화칼슘(Calcium hydroxide)으로 구성되어 있었다.

원시료를 열처리하고, 이산화탄소를 주입하여 형성한 석면 함유 슬레이트 입자는 이산화탄소 주입 후 상기에 제시된 온도와 압력으로 압열기(Autoclave)를 사용한 경우와 사용하지 않은 경우로 실험하였다.

그 결과, 압열기 사용과 관계없이 둘 다 시멘트 원료물질인 방해석(Calcite)으로 광물의 상전이가 일어남을 확인할 수 있었다. 다만, 압열기를 사용한 경우 탄산칼슘의 결정도가 높음을 확인할 수 있었다. 이는 더 많은 양의 탄산칼슘이 형성되었음을 의미한다. 따라서, 압열 공정의 추가로 탄산염광물화 반응을 가속화시킬 수 있음을 알 수 있다.

도 2는 석면 함유 슬레이트의 SEM-EDX 분석결과 이미지 및 그래프이다.

도 3은 석면 함유 슬레이트를 열처리와 이산화탄소 주입을 통해 형성된 생성물의 SEM-EDX 분석결과 이미지 및 그래프이다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 광물의 크기와 모양 및 구성성분을 확인하기 위해 주사전자현미경분석(SEM-EDX)을 실시하였다. 열처리를 하지 않고 75㎛ 이하로 분쇄한 슬레이트(원시료)에서는 가늘고 긴 섬유상의 백석면(Chrysotile, Mg₃(OH)₄Si₂O₅)과 지름이 5㎛ 이하의 둥근 형태의 수산화칼슘(Calcium hydroxide, Ca(OH)₂)이 확인되었다. 반면, 열처리와 이산화탄소 주입을 통해 형성한 석면 함유 슬레이트 입자에서는 가늘고 긴 섬유상의 석면은 확인되지 않았고, 지름이 10㎛ 내지 20㎛인 둥근형태의 시멘트의 원료물질인 탄산칼슘(방해석, Calcite)이 확인되었다.

따라서, 열처리와 이산화탄소의 주입을 통하여 섬유상의 석면의 유해성이 제거되고, 이산화탄소가 고정되고, 시멘트의 원료물질인 탄산칼슘(방해석, Calcite)이 합성됨을 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 (7)

1. 석면 함유 물질을 710℃ 내지 840℃의 온도로 열처리하는 단계; 및
   상기 열처리된 석면 함유 물질을 매개체 용액에 투입하고, 상기 매개체 용액에 이산화탄소를 주입하는 단계를 포함하는 석면 함유 물질의 무해화 및 이산화탄소 고정 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 이산화탄소를 주입하는 단계 이후에,
   상기 석면 함유 물질을 100℃ 내지 150℃의 온도와 0.1㎫ 내지 0.5㎫의 압력으로 압열하는 단계를 더 포함하는 석면 함유 물질의 무해화 및 이산화탄소 고정 방법.
3. 제1항에 있어서,
   상기 석면 함유 물질을 열처리하는 단계 이전에,
   상기 석면 함유 물질을 분쇄하는 단계를 더 포함하는 석면 함유 물질의 무해화 및 이산화탄소 고정 방법.
4. 제3항에 있어서,
   상기 석면 함유 물질을 분쇄하는 단계는, 상기 석면 함유 물질을 75㎛ 이하로 분쇄하는 단계인 석면 함유 물질의 무해화 및 이산화탄소 고정 방법.
5. 제1항에 있어서,
   상기 석면 함유 물질은 슬레이트를 포함하는 석면 함유 물질의 무해화 및 이산화탄소 고정 방법.
6. 제1항에 있어서,
   상기 매개체 용액은 물 또는 염기성 용액인 석면 함유 물질의 무해화 및 이산화탄소 고정 방법.
7. 제6항에 있어서,
   상기 염기성 용액은 NaCl 및 NaHCO₃를 포함하는 석면 함유 물질의 무해화 및 이산화탄소 고정 방법.
   

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