의 표면특성을 변형하면 강도가 크게 변할 수 있다(Najat and Samir, 2011). 비산재 는 주로 alumina와 silica로 이루어져 복합적 물성을 향상시킬 것으로 예상된다. 또 한 비산재는 특정 범위의 hollow spherical particles(cenospheres라고도 함)로 구성되 어 복합재의 밀도를 낮추는데 도움을 주며 중량과 관련된 응용프로세스에 영향을 주게 된다(Pedlow, 1978; Rothon, 1997). 따라서 비산재를 저장하거나 사용하는 것이 비용적으로 효과적이며 환경적으로 안전하다(Fuhrmann et al., 2002; Randall and Chattopadhyay, 2004). Thiomer를 첨가하면 대부분의 금속 황화물이 다른 금속 화합 물보다 용해도가 낮아지기 때문에 금속 황화물로 전환되면 중금속의 침출가능성을 감소시킬 수 있다. 이를 위해 Thiomer로 고형화 된 ASR/ISW 시편의 내구성은 매질 과 시간의 함수로 수분 흡수능과 산/ 염분 침투 저항성 및 침출성 측면에서 평가하 였다.
Al2O3 CaO Fe2O3 K2O MgO SiO2 SO3 Cl ASR
fly ash 0.55 40.34 3.07 1.05 0.39 2.65 2.65 30.1
ASR bottom
ash
1.88 32.19 19.54 0.52 0.89 9.16 3.65 4.2
ISW bottom
ash
1.01 30.2 15.43 0.48 0.81 10.1 2.9 6.2
Sand 0.47 16.35 0.68 0.13 1.16 74.43 - -
Table 3.1 Main inorganic chemical composition of ASR materials (wt%) used
ASR/ISW 소각 잔재물의 총 중금속 농도는 소각재 시료를 HF–HNO3–HClO4–H2SO4
과 혼합하여화학적으로 산화하는 전처리 공정을 포함한 Baker and Amacher 방법 (Baker and Amacher, 1982; Najat and Samir, 2011)을 사용하여 측정하였다. 소각재 약 1g을 250mL Teflon 비커에 넣고 40% HF 4mL, 30% HClO4 2mL, 60% HNO3 5mL 와 60% H2SO4 5mL를 넣어준다. 혼합물을 교반하고 각각의 시약을 첨가 한 후 연속 적으로 가열하였다. 혼합물은 0.1M HCl 500mL 에 용해시켜 용액을 얻었다. 혼합용 액의 총 중금속 함량은 inductively coupled plasma optical emission spectrometry (ICP-OES, Agilent 720)을 이용하여 측정하였다. 모든 실험은 3번 진행하였고 그 평 균값을 나타내었다.
3.2.2 Thiomer의 제조
Thiomer는 유황폴리머바인더의 상표명이다. Thiomer 공정은 95 wt%의 황과 5 wt%의 유기 개질제를 함유하는 열가소성 재료이며 filler로 비산재를 포함한다(Nomi and Hayashi, 1975; Oh et al., 1999). 유황(순도 99.9%)은 SK정유 공장에서 공급받 았다. Oil Bath에서 95wt%의 유황과 4wt%의 유기개질제(유화제) dicyclopentadiene(DCPD) 및 cyclopentadiene(CPD)의 oligomers와 약 1 wt%의 fly ash filler를 약 140℃에서 혼합교반하였다. 온도는 약 135-140℃로 유지하고 45-60
합물의 균질성 정도를 모니터링 하였다. 혼합물의 반응은 점성과 동질성의 변화에 서 비롯되었다. 제조된 혼합물을 분당 8-10℃의 속도로 냉각시켰다. 최종 생산물은 유황폴리머바인더(Thiomer)이고, 냉각시 유리와 같은 성질을 갖는다. Fly ash는 물리 적, 기계적 특성을 향상시킨다. 최종 생산물은 추가적인 처리와 고형화 실험에 사용 되었다. 합성된 Thiomer의 미세구조는 field emission - scanning electron microscopy/energy dispersive scanning electron microscopy (FE-SEM/EDS)로 관찰하 였고, 표면의 원소 스펙트럼은 Supplementary Data (Fig. S3.1)에 나타내었다.
Thiomer의 S, C, H의 원소 조성은 각각 약 95, 4.5, 0.5 wt%이다.
3.2.3 중금속 고형화/안정화 과정
Thiomer, 바닥재/비산재 및 잔골재(모래)를 가열된 혼합용기에 넣은 후 132-141℃
로 조절된 Oil bath에 넣었다. Table. 3.2와 3.3에 ASR/ISW 소각재를 포함한 mortar 조성성분이정리되어 있다. 가열된 조성물을 균질하게 혼합하여 샘플을 제작하였다.
ASR 비산재 샘플은 50×100mm 크기의 원형으로 된 강철 몰드를 사용하였다. 반면 에, ASR/ISW 바닥재 샘플의 경우, 크기가 60×55mm인 알루미늄 컵 몰드가 사용되었 다. 몰드는 샘플을 만들기 전에 약 140℃로 예열하고, Thiomer 혼합재료를 몰드에 첨가하고 가열된 막대로 탬핑하며 10초 동안 진동을 주었다. 각각의 시편 표면을 가 공하고 2℃/min의 속도로 서서히 냉각시킨다. 시편은 몰드에 넣은 후 24시간이 지난 후에 해체하였다. 고형화 된 Thiomer 시편을 Fig. 3.1에 나타내었다. 그 후 Thiomer 의 비율에 따른 혼합물의 최적화를 모색하였는데,Thiomer의 양을 적절하게 혼합하 면 콘크리트의 점성이 좋고 작업성이 용이해진다. Thiomer는 약 119℃에서 녹기 때 문에 온도 조절이 매우 중요하며, 149℃를 초과하면 점도가 급격히 증가하여 작업을 지속적으로 할 수 없게 된다. 또한 황의 함유량은 Thiomer의 작업성 및 기계적 강도 에도 중요하다.
Run no. Thiomer ASR ash Fine aggregate (Sand)
0 0 100a 0
1 20 50 30
2 40 30 30
3 30 50 20
4 30 40 30
5 30 30 40
aonly ASR ash (without solidification)
Table 3.2 Thiomer mortar sample preparation at different ASR ash compositions (wt%)
Run no. Thiomer ASR ash Fine aggregate
(Sand)
0 0 100a 0
1 20 50 30
2 40 30 30
3 30 50 20
4 30 40 30
5 30 30 40
aonly ISW ash (without solidification)
Table 3.3 Thiomer mortar sample preparation at different ISW ash compositions (wt%)
Fig. 3.1 Solidified Thiomer specimen under different conditions (a) with ASR fly ash, (b) ASR bottom ash and (c) ISW bottom ash
3.2.4 중금속 용출 평가
앞서 진행된 응고처리로 만들어진 고형화 시편의 중금속 고정효율성을 평가하기 위하여, 고형화 처리된 샘플(Run 1-5)과 처리되지 않은 샘플(Run 0)를 국내의 폐기 물공정시험방법을 사용하여 용출/침출 테스트를 진행하였고(Osada et al., 2008), 고 형화된 고화체로부터 잠재적 침출 가능성을 평가하였다. 샘플에서 균일한 입자크기 (5mm 이하)의 시료를 약 50g을 취하였다. 묽은 염산(0.1M)으로 pH 6.0-6.5의 용매로 혼합한 후, 시료를 10:1의 액체-고체 비로 혼합하고, 6시간동안 실온에서 4-5cm의 진폭, 약 200rpm으로 흔들어 용출시켰다. 용출 후 액체를 3,000rpm에서 20분 동안 원심분리하고, 0.45μm membrane 필터를 통해 여과하였다. 이 용액을 “용출액”
으로 간주하였다. 내산성 평가를 위해 고형화 된 ASR/ISW 샘플 시료를 HCl을 사용 하여 초기 pH를 3으로 조정하였다. 용출액의 중금속 농도는 ICP-OES를 사용하여 측정하였다.
3.2.5 중금속 고형화 매커니즘 분석
중금속 고형화 메커니즘을 규명하고 Thiomer 고형화 반응시 바닥재와 비산재의 변화의 유무를 확인하기 위해 미세구조의 특성화, 원소 mapping의 분석을 위해 FE-SEM/EDS (JEOL, JSM-6500A)를 사용하였다. X-ray diffraction (XRD, D/Max-B, RIGAKU)로 Thiomer 고형화 처리 전후의 변화된 미네랄 조성, 결정질 상 및 성분을 분석하였다. XRD 데이터는 10°에서 80°에서 얻어졌으며 화학반응으로 인해 생성 된 미네랄은 표준패턴과 측정패턴을 비교하여 결정되었다.