Hydrothermal Carbonization(HTC)를 이용한 오염준설토의 중금속 안정화 연구

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 높은 수분함량과, 오염물질로 인해 처리에 어려움을 겪고 있는 오염준설토를 열수가압탄화반응(Hydrothermal Carbonization, HTC) 을 적용하여 중금속을 안정화하는데 주 목적을 두었다. 이를 위해 오염준설토를 탄화시켜 탄화물을 생성하였고, 생성된 탄화물의 물리·화학적 분석 및 중금속 거동 분석을 통해 오염준설토 내 중금속 안정화 여부를 확인하고자 하였다. 또한 오염준설토의 열수가압탄화 시 반응 온도와 반응 시간을 다르게 하여 공정 시 중금속 안정화를 위한 최적 조건을 도출하고자 하였다.
오염준설토와 생성된 탄화물의 물리·화학적 분석결과, 원 시료와 열수가압탄화 시 생성된 탄화물 간의 변화는 없는 것으로 확인되었다. XRD분석결과 원 시료와 탄화물 모두 SiO2 피크만이 검출되어, 광물학적 구조 변화가 이루어지 않음이 확인되었다. 특히 XRF 분석결과 원소의 함량 및 구성의 변화가 이루어지 않았으며 이를 통해 오염준설토 내 열수가압탄화 시 공정에 의한 유해성이 발생되지 않음이 시사되었다.
오염준설토의 탄화에 따른 중금속 거동을 확인 한 결과, 카드뮴(Cd), 구리(Cu), 아연(Zn) 원소의 중금속 Fraction 변화가 240 ℃ ~ 300 ℃에서 생성된 탄화물에서 효율적으로 이루어진 것을 확인하였다. 특히 중금속 용출 특성을 확인하기 위해 TCLP(toxicity characteristic leaching procedure) 분석을 진행한 결과, 납(Pb) 원소는 반응 온도별 용출 저감 효율이 비슷한 경향을 보였으나, 카드뮴(Cd), 구리(Cu), 아연(Zn) 원소는 240 ℃에서 생성된 탄화물에서 반응 온도 대비 용출 저감 효율이 최고를 이루었다. 또한 SPLP(synthetic precipitation leaching procedure) 분석결과 아연(Zn) 원소만이 원 시료에서 검출되었는데, 240 ℃에서 생성된 탄화물부터 기준치 이하로 용출이 이루어짐을 확인하였다.
이를 통해 본 연구에서는 오염준설토의 열수가압탄화 시 생성된 탄화물에서 중금속의 안정화가 이루어짐을 확인하였다. 특히 본 실험에서는 240 ℃, 1 시간에서 생성된 탄화물이 반응 시간, 반응 온도 대비 최고의 효율이 나타나 오염준설토의 열수가압탄화 시 중금속 안정화를 위한 최적 조건임을 확인하였다. 또한 열수가압탄화 시 반응 시간에서의 효율 차이는 미미한 경향이 나타났고, 반응 온도가 중금속을 안정화하는데 중요한 인자임을 확인할 수 있었다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The main purpose of this study was to stabilize by applying HTC(Hydrothermal Carbonization) reaction to the sediment in which there have been many difficulties in being handled due to high moisture content and pollutants. To do this, carbide was created by carbonizing the sediment, and it was intended to determine whether the stabilization of heavy metals in the sediment was possible through physical and chemical analysis of the carbide created and the analysis of heavy metal behaviors. In addition, it tried to derive the optimal conditions for the process by differentiating the reaction temperature and time when conducting the HTC of the sediment.
As a result of performing the physical and chemical analysis of the sediment and the carbide created, it has been confirmed that there is no change between the original specimen and the carbide created at the time of the HTC. As a result of XRD analysis in particular, it has been confirmed that the mineralogical structure is not changed, based on the fact that only the SiO2 peak was detected in both the original specimen and the carbide. XRF analysis results have showed that no changes were made to the content and composition of the elements, suggesting that the harmfulness does not occur due to the processes of the HTC in sediment.
The results of confirming the heavy metal behaviors according to the carbonization of the sediment have showed that changes in the heavy metal fraction of Cadmium(Cd), Copper(Cu) and Zinc(Zn) elements were made efficiently in carbide created from 240 ℃ to 300℃. In particular, the results of TCLP(toxicity characteristic leaching procedure) analysis to confirm heavy metal leaching characteristics have showed that Lead(Pb) element was similar in efficiency of leaching reduction by reaction temperature, but Cadmium(Cd), Copper(Cu) and Zinc(Zn) elements had the highest leaching reduction efficiency in the carbide created at 240 ℃, when compared with the reaction temperature. As a SPLP(synthetic precipitation leaching procedure) analysis result, only Zinc(Zn) element was detected in the original specimen, confirming that the leaching was made below the reference value from the carbide produced at 240℃.
The above results have confirmed that the stabilization of heavy metals in the carbide created at the time of the HTC in sediment. Particularly, in this experiment, it has confirmed that the carbide created at 240℃ for one hour has the best efficiency compared with reaction time and temperature, meaning that it is the optimum condition for the HTC in sediment. Also, it has confirmed that the difference in efficiency according to the reaction time in the HTC is insignificant, in other words, the reaction temperature is an important factor in stabilizing heavy metals.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서론 1
• 제1절 연구배경 및 목적 1
• 제2절 연구의 동향 4
• 제2장 이론적 배경 6
• 제1절 오염준설토 6
• 1. 오염준설토의 정의 및 특성 6
• 2. 오염준설토의 발생 및 처리 현황 7
• 제2절 Hydrothermal Carbonization(HTC) 9
• 제3절 안정화(Stabilization) 10
• 1. 연속추출 10
• 2. TCLP(toxicity characteristic leaching procedure) 12
• 3. SPLP(toxicity characteristic leaching procedure) 12
• 제3장 연구재료 및 방법 13
• 제1절 연구재료 13
• 1. 오염준설토 13
• 제2절 연구내용 및 방법 15
• 1. 연구내용 15
• 2. HTC 실험장치 및 방법 17
• 1) 실험 장치 17
• 2) 탄화물 생성을 위한 온도 및 시간 설계 18
• 3. 분석방법 19
• 1) 물리적 특성 분석 19
• (1) 입도분석 19
• (2) 수분함량 19
• 2) 화학적 특성 분석 20
• (1) pH 20
• (2) 중금속 분석 20
• (3) XRF 분석(X-ray fluorescence analysis) 21
• 3) 광물학적 특성 분석 22
• (1) XRD 분석(X-ray diffraction) 22
• 4) 중금속 거동 및 용출 특성 분석 23
• (1) 연속추출 23
• (2) TCLP(toxicity characteristic leaching procedure) 25
• (3) SPLP(synthetic precipitation leaching procedure) 25
• 제4장 연구결과 및 고찰 26
• 제1절 연구재료의 기본 분석 26
• 1. 오염준설토의 물리·화학적 분석 26
• 2. 오염준설토의 XRD 분석 29
• 3. 오염준설토의 중금속 거동 및 용출 특성 분석 30
• 제2절 오염준설토의 탄화에 따른 특성 변화 33
• 1. 원 시료와 생성된 탄화물의 물리·화학적 특성 변화 33
• 1) 육안 35
• 2) 입도분석 35
• 3) 수분함량 36
• 4) pH 37
• 5) 중금속 분석 38
• 6) XRF 40
• 2. 원 시료와 생성된 탄화물의 XRD 분석 42
• 3. Tessier의 연속추출에 의한 원 시료 및 탄화물의 중금속 존재 형태 43
• 1) 카드뮴(Cd)의 존재 형태 43
• 2) 납(Pb)의 존재 형태 45
• 3) 구리(Cu)의 존재 형태 47
• 4) 아연(Zn)의 존재 형태 49
• 4. TCLP 및 SPLP를 이용한 원 시료와 탄화물의 용출 특성 평가 51
• 1) TCLP(toxicity characteristic leaching procedure) 51
• (1) 카드뮴(Cd) 51
• (2) 납(Pb) 52
• (3) 구리(Cu) 53
• (4) 아연(Zn) 54
• 2) SPLP(synthetic precipitation leaching procedure) 55
• 제3절 HTC 공정에 따른 오염준설토의 최적 조건 57
• 제5장 결 론 58
• 참고문헌 62
• Abstract 69
• 감사의 글 72