일반기술

도시소각재를 활용한 결정화유리 제조방법

국내에서 발생하는 한 소각재중 비산재는 유리화가 용이한 천이산화물들이 내포되어 있으며 첨가제가 없어도 용융후 결정화유리화가 가능하다. 그러나 소각재 중에 염소(Cl)가 다량으로 내포되어 있어, 본원 발명에서는 소각재의 전처리로 수세 방법을 도입하였다. 수세를 거친 소각재는 Al2O3, SiO2 및 CaO 경우, 수세 후에 그 함량이 증가되는 변화를 가져와 CaO-Al2O3-SiO2의 주 삼성분계로 유리화가 용이하였으며 또한 소각재 내에 함유되어 있는 Na와 K는 수세 후에 그 함량이 Cl과 함께 크게 줄었다. 따라서 수세 후에 융점이 크게 감소하였으며, 유리제조시 점성 저하를 가져왔다. 열분석의 결과로 850～950℃에서 유리를 일단계의 열처리할 경우, 균질한 내부결정화를 유도할 수 있었다. 열처리에 따라 결정상의 출현으로 물성측면에서 탄성계수, 경도, 내마모도의 경우는 크게 증가하였다. 본 발명은 폐기물(소각재)을 재활용함으로서, 폐기물의 매립지 해결, 고부가가치의 건축용 자재로 사용할 수 있는 가능성을 보였다.현재까지 알려진 소각재의 처리방법에는 시멘트에 의한 시멘트 고화법, 소성에 의한 용융고화법, 그리고 화학재 투입에 의하여 처리하는 약제처리법, 산 및 기타 용매에 의한 산추출법 등 크게 4 가지가 있다. 이중 용융고화법은 반응로 내로 투입된 소각재를 약 1,400℃정도의 고온에서 열분해 용융되어 조직이 매우 치밀하고 무해한 슬래그(Slag)로 배출되며 이 슬래그는 건축자재 등으로 재활용할 수 있다. 용융고화법은 상기와 같이 고온에서 처리하기 때문에 처리비용 등이 문제시되나, 매립지의 확보가 어려워 철저한 감량이 요구되는 경우와 소각재의 비산 및 중금속의 용출방지 등의 안정화가 필요한 경우에 적용될 수 있는 방법이다. 저융점 금속은 용융시에 가스로 휘발되므로 이에 대한 대책이 필요하고, 처리비용이 고가이어서 재활용이 되어야만 널리 파급될 수 있는 기술이다. 즉, 용융고화법은 연료 또는 전기를 열원으로 사용하여 소각재를 고온에서 가열하여 슬래그로 만들어 안정화시키는 방법으로 소각재의 안정화나 감용화에는 뛰어난 성능을 갖고 있으나, 용융 배기가스를 처리해야 하는 단점과 시설설치비용과 운전비용이 높다는 단점이 있다. Journal of Hazardous Materials B91 (2001) 83-93에 소개된 소각재 처리 방법은 일반적으로 소각재 내에 잔류하는 SiO2의 함량은 소량이어서 그냥 처리할 경우 용융상태 불량으로 되므로 소각재의 유리화를 위해 SiO2와 MgO를 첨가하여 유리를 제조하였으며, 결정화유리 제조시 일단계 핵생성과 이단계 결정성장과정을 거쳐 결정화유리로 제조하였다. 또한, 일본 특개평 8-310834호에서는 SiO2 CaO Al2O3의 조성을 비교적 높은 온도인 1400～1500℃에서 용융하여 900℃에서 2시간동안 일단계 열처리하여 결정화 유리를 제작하였으며, 또한 이 조성에 알카리와 알카리 이외의 융제를 첨가하여 용융온도를 낮추고, 착색의 효과를 얻었다. 그러나, 이렇게 제작된 결정화 유리는 76MPa의 굽힘강도와 5.5GPa의 경도를 갖는 것으로 나타난 결과를 고려한다면, 고온 열처리공정과 재료의 낮은 강도와 경도는 실제 응용성면과 공정에서 많은 문제점을를 갖고 있다.