6.1.3 슬래그 • 용광로에서 철광석을 이용하여 철을 만드는 과정 중 철광석에 포함되어 있는 규소, 알루미늄, 칼슘 등이 환원되지 않고 산화물 형태로 용융된 산화물 - 금속 및 비철금속의 정련 시에도 발생 - 도시 쓰레기 및 하수 슬러지 소각할 때 발생하는 소각재가 고온에서 용융, 냉 각하여 고화한 것 • 철강슬래그 - 철광석, 석탄, 석회석 등 천연자원으로부터 철강제품을 제조하고 남은 부산물 - 불순물이 혼입되지 않고 일반 골재와 유사한 성분(Ca, Si, Al 등)을 가지며, 고 온에서 생성되기 때문에 유기물, 환경호르몬, 다이옥신 등 유해물질을 포함하 지 않음 - 고로 슬래그와 제강 슬래그로 구분 - 고로슬래그 : 제철시 고로(용광로)에서 철광석으로 부터 선철을 만들 때 부산 물로 발생하는 광재, 시멘트(고로 시멘트), 특수 비료 등 용도로 사용 - 제강슬래그 : 선철을 전로에서 정련해서 강을 만들 때 부산물로 발생, 거의 전 량이 성토용 또는 도로용 골재 등 단순 매립재로 사용 • 2009년 포항제철소, 광양제철소 발생부산물의 총량인 1,861만 톤 중 76%가 슬래그 - 고로슬래그 : 발생량의 2/3가 시멘트용, 1/5이 도로용, 파쇄골재용, 비료용 등 - 제강슬래그 : 도로 및 토목용으로 약 73%, 제철원료로 약 25%, 비료용 약 1%

가. 슬래그 시멘트 • 포틀랜드 시멘트의 반제품인 클링커와 고로슬래그 및 석고를 조합, 분쇄 하여 일정비율로 혼합한 것 - KS L 5210 : 고로슬래그 혼합량을 중량기준 24~65%로 규정 • 슬래그 시멘트 등급은 압축강도를 기준으로 특급과 1급으로 구분 • 장점 - 보통 포틀랜드 시멘트에 비해 초기강도는 낮으나 고로 슬래그의 잠재 수 경성에 기인하여 장기강도가 높음 - 불용성의 안정한 수화물로 우수한 화학저항성, 분말도가 높아 콘크리트 의 공극을 치밀하게 충진하는 미립효과로 방수성능 우수 -염해에 대해서도 우수한 저항성 나. 도로공사에서 슬래그 활용 • 전로슬래그는 전형적인 도로건축자재에 비해 높은 견고성, 풍화에 높은 저항을 가지므로 도로공사, 아스팔트 성분으로서 활용가능

표 6.2 제강(전로)슬래그의 기술적 속성

특징

골재형태

제강(전로)슬래그 현무암 화강암

겉보기밀도(g/cm3) 3.1~3.7 2.8~3.1 2.6~2.8

충격에 대한 저항(wt. %) 10~26 9~20 12~27

풍화에 대한 저항(wt. %) 0.2~1.0 < 0.5 0.3~1.2

5mm 보다 작은 입자의 동결/해동에 대한 저항(wt. %)

< 1.0 < 1.0 0.8~2.0

압축강도(N/mm2) > 100 > 250 > 120

그림 6.12 고속도로 건설에서 슬래그 활용의 전체공정

다. 비료에서 슬래그 사용 • 인을 함유하고 있는 선철로 강철을 만들 때 발생되는 슬래그를 이용하 여 비료의 보충제로서 사용 • 염기성 슬래그 : 2~4% 망간, 25~80ppm 아연, 13~60ppm 구리, 2~5ppm 코발트 등 야채성장에 유익한 금속성분 포함 • 슬래그 함유 황성분 : 비료에 필요한 영양소로 보리 곡물 등에 단백질 함 유량 증가 • 슬래그 함유 실리콘 성분 : 식물의 성장과 건강에 영향을 미침 6.1.4 비산재 • 소각비율의 상승으로 소각잔재물의 발생량 또한 증가하며, 그 중 비산재 의 양은 전체 폐기물 부피의 10% 정도임 • 비산재 중 카드뮴, 크롬, 구리, 니켈, 납 등 중금속이 고농도로 함유되어 있어 2차 오염의 문제점 발생

가. 비산재로부터 금속회수 • 비산재를 실리카와 알루미늄, 철, 칼슘으로 구성되는 슬래그로 변환시키 거나 소각로에서 고온으로 용해 • 용융공정에서 대부분 중금속은 휘발성 금속 염화물로 기화되고 소각로로 부터 재 형성 • 이렇게 형성된 재를 2차 비산재라 부르며, 아연과 납 함량이 높아 제련소 공급 소재로 이용가능 (1) 바나듐과 니켈 • 중유 사용 전력산업에서 생성된 비산재 : 약 3% 오산화바나듐(V2O5), 1% 산화니켈(NiO) 포함 - 바나듐, 니켈 회수 • 금속산화물 환원을 위해 비산재를 800℃에서 3분 동안 가열 후, 2000℃ 초과하는 플라즈마 생성하는 아크 플래시 반응조 통과 (2) 2차 비산재로부터 금속 회수 • 수산화나트륨을 이용하여 2차 비산재로부터 금속 회수 - 10% 염산에 의해 94% 아연, 77% 납 회수 - 20% 아세트산에 의해 97% 아연, 98% 납 회수 - 3N 수산화나트륨에 의한 알칼리 추출공정에서 69.6% 아연, 98% 납 회수 • 산추출공정 : 알칼리 추출에 비해 효과적이지만 Mg, Al, Fe 등 불순물 함 께 용해하는 단점이 있음 • 알칼리추출공정 : 납과 아연 만을 용해

(3) 유사(oil sands) 비산재로부터 금속 회수 • 유사(oil sands)에 10% 이상 함유되어 있는 역청(bitumen)을 분리․정제 하는 과정에서 발생된 비산재 : 지르코늄, 바나듐, 몰리브덴 등 금속 포함 • Holloway, Etsell(2004) - 탈탄(decarbonation), 탈규산(desilication)단계를 거쳐 바나듐을 NH4VO3 형태로 침전 시키고, 이를 하소하여 재생함 - 30~40% 바나듐 추출가능, 황화암모늄을 추가하여 몰리브덴을 황화물로 침 전시켜 몰리브덴 회수 가능 (4) 도시고형폐기물에서 발생한 비산재로부터 금속 회수 • 비산재에 납, 카드뮴 등 중금속과 다이옥신계 화합물(PCDDs) 제거 필요 • 일본 산업에 의해 개발된 비산재 재생공정 - 중금속은 휘발, PCDDs는 고온에서 태워서 분해 - 재는 무해한 펠렛 형태로 만들어지고 중금속류는 제련소로 재순환

그림 6.16 비산재 처리공정의 흐름

나. 비산재 재활용 기술 (1) 콘크리트 생산 • 석탄 연소로에서 배출되는 입자가 작은 비산재는 시멘트에 혼합하고, 입 자가 큰 것은 조골재로 이용하여 시멘트의 40%, 조골재의 10%를 석탄 재로 치환 가능 • 고로슬래그 45%, 비산재 1%를 보통 포틀랜드 시멘트에 혼합하여 제조 한 비산재 시멘트는 보통 포틀랜드 시멘트보다 CO2 배출량이 적어 재활 용시멘트로 친환경적이며, 포틀랜드 시멘트보다 물 요구량이 적어 동절 기 시공 시 유리 (2) 제올라이트 생산 • 제올라이트 : 실리콘과 알루미늄으로 이루어진 다공성 결정으로 알칼리 및 알칼리토금속의 규산알루미늄 수화물 총칭 - 촉매, 액체와 가스 흡착, 이온교환 등의 기능이 있어 폐수처리, 방사성 폐기물 관리, 원유 가공, 가스 정제 등에 많이 사용 - 천연제올라이트는 공업용으로 적합하지 않아 합성 제올라이트 사용 - 비산재의 주성분은 제올라이트 제조의 주원료와 흡사하므로 제올라이트 합성에 사용 - 비산재 이용 제올라이트 합성 : 융합법․ 수열법

6.1.5 폐전자스크랩 가. 전자스크랩 구성성분 • 귀금속 Au, Ag, Pd, Rh을 비롯한 백금족 금속 -Au 회수 : 고가이며 많이 사용되었으므로 주목 받음

• Cu, Al, Ni, Fe 등 일반금속도 다량사용되므로 유가금속 회수 대상이 됨 • 일반적 전자스크랩(PCB 스크랩) - 다양한 금속과 합금, 무기물, 유기물의 복합적 성분 - 약 49% 유리, 세라믹, 산화물, 19% 플라스틱 물질, 4% 브롬, 28% 금속 등 으로 구성

나. 폐전자스크랩으로부터 유가금속회수 • 전처리기술, 건식제련기술, 습식제련기술 • 폐전자스크랩 재활용공정 - 스크랩의 전처리공정, 농축공정, 정련공정으로 구분 - 전처리공정 : 폐전자스크랩은 해체, 절단, 분쇄공정을 거쳐 분류 - 농축공정 : 분류된 폐전자스크랩 분쇄물의 선별, 농축 -정련공정 : 금속농축물 정제, 회수됨

• 건식제련법에 의한 폐전자스크랩의 처리 - 폐전자스크랩을 적절한 용재, 포집금속과 함께 용융한 후 유가금속이 함유 된 합금상 또는 매트상과 슬래그상으로 분리한 후 분리된 합금상 또는 2차 분리정제공정을 거쳐 유가금속을 얻음 • 습식제련 - 전처리공정을 거쳐 선발된 유가금속 성분들을 산이나 알칼리로 침출하고 이어 용매추출, 화학침전, 이온교환법, 여과 및 증류 등 기술을 이용하여 목적 금속을 분리, 농축 - Cu 용광로와 습식 공정 연계시 귀금속 회수율 높음

6.1.6 디스플레이 전자제품 가. LCD 재활용 처리현황 • 생산공정 중 LCD 불량품 : 유리 기판을 약품세정하여 유리로 재활용 • 폐LCD 유리 등의 유리질 계통의 폐기물은 높은 재활용 가능성을 지니고 있지 만, 유리의 원료물질 자체가 싸서 부가가치가 낮고 재활용을 위한 전처리 비용 이 높아 효과적인 재활용이 이루어지지 않고 있음 ○ 국내 LCD 제품 : 수작업에 의한 재활용 - 플라스틱, 금속류, PCBs, LCD 등 각 부품별 분해 - 플라스틱, 금속류 등 재활용 가능 부품 재활용 - LCD, 기타 폐기물은 위탁처리

그림 6.17 LCD 제품의 재활용 처리 현황

• LCD 재활용의 기술적 난제 - LCD 모니터의 제작사, 모델별 구성 부품의 재질과 성분이 상이 - 물리적 해체시 많은 수작업 공정 필요 - 액정부분의 기계적 분리 어려움 • LCD 패널, 백라이트 유닛 등 소각 처리 - 전략적 희소금속과 희토류 원소 소실 - 향후 LCD 함유 희소금속의 회수가 가능한 선택적 분리 최적기술 개발 필요

○ 일본 LCD 재활용 - 액정 유리 분쇄후 물리적, 화학적 과정을 거쳐 파쇄유리 형태의 일반유리로 재생 - LCD 폐기물을 타일 또는 건축자재 대체품으로 재활용 • ㈜ Sharp - 2001년 플라스틱 케이스는 펠릿으로 재활용, PCB 고가금속 회수, 유리섬유 는 시멘트 재료로 활용(LCD 무게의 80% 재활용) - 2005년 액정패널에 형성되어 있는 투명전극인 ITO(Indium Tin Oxide)에서 인듐 재활용(액정 패널을 분쇄한 후 산에 용해해서 인듐 분리) • LCD 및 PDP 제품의 희소금속 전체 회수 시스템은 완전히 개발되지 않음

○ 유럽 - 전자재료 매립이 법적으로 금지되어 재활용 연구 활발 • 독일 - LCD 유리를 용융 주물사 대체품으로 사용 - 액정 추출 후 소각, 유리는 재활용 • 영국 - 액정 혼합물 회수하여 다른 액정디스플레이에 재활용하거나 혼합물을 분리 하는 기술 개발

나. LCD 유리 회수 • 국내 LCD 유리 재활용 기초연구가 간헐적으로 진행 • LCD 패널 구조상(그림 6.18) 전극물질, 유리 등 유효자원을 효율적으로 회수 하기 위해서는 전처리 공정 필수 • 전처리 공정 : 수작업으로 LCD 패널 분리, 해체, 일차 편광판 분리, 패널 컬릿 화 • 전처리 후 합착된 유리기판 사이에 존재하는 전극물질에 대해 산침출을 통 한 분리,회수

그림 6.18 LCD 패널의 구조

다. 형광체 및 플라스틱 회수 • LCD제품의 형광체에 이트륨, 유로퓸, 테르븀 등 희소금속 다량 함유 • 국내의 경우 기술부재 및 경제성 부족으로 인해 현재 전량 소각처리 • 형광체 재활용시에도 형광체 회수효율 및 제품 품질 저하로 제한적

구분 처리 결과

가연성 폐기물 (종이, 비닐, 플라스틱, 폐목재 등)

파쇄, 분리, 건조, 성형 등

고형연료(RDF) 생산

유기성 폐기물 (음식물 쓰레기, 하수슬러지, 가축분뇨 등)

사료화, 퇴비화, 해양투기, 미생물 처리 등

바이오가스, 고형연료 생산

소각여열 일부 회수 열, 전기 생산

매립가스 소각처리 정제 열, 전기 생산, 자동차연료

산업폐가스 일부 회수 열, 전기 생산

표 6.4 폐기물 에너지화 종류