Incineration has been known as an effective technology for the volume reduction and stabilization of combustible wastes into physically and chemically inert form. Incineration provides a high reduction of mass as well as volume. Consequently, thermal treatment of combustible wastes yields residues (termed 'incineration ash') containing much higher toxicity than the original wastes. Moreover, the incineration ashes are highly dispersive and difficult to handle. It is highly recommended that the incineration ashes should be solidified to a form suitable for handling, transportation, interim storage, or final disposal.
Based on the literature survey on the ash solidification technologies, studies on the solidification of hazardous waste incineration (HWI) ash and simulated radioactive waste incineration (RWI) ash was performed with an addition of three different kinds of binding matrices: hydraulic cement, cement/epoxy composite, or borosilicate base-glass. The physicochemical properties of the final waste forms were thoroughly investigated.
For cement-based waste forms containing HWI ashes, the compressive strength and density ranged from 4~35 MPa and 1.26~1.89 g/㎤, respectively. Cement waste form showed a slightly higher value. The volume reduction factors for both waste forms were less than 1 indicating the increase of the final waste volume to be disposed of. The standard extraction tests showed that the HWI ash and its cement/epoxy waste forms should be categorized as hazardous (specific) waste since concentrations of some heavy metals in the extract exceeded the regulatory criteria, while those tests identified the cement waste form as a non-hazardous waste. Enhancement of the performance of the cement/epoxy waste form, which was expected by adding epoxy resin to the cement paste, could not be achieved.
The glassy waste forms fabricated by melting the mixture of incineration ash and base-glass material at 1,300℃ had a density of over 2.60 g/㎥. Therefore, it was possible to reduce the waste volume down to 1/4 of the initial ash volume. This happened to glassy waste forms whose ash content was more than 25wt%. The formation of an amorphous glassy phase was verified through XRD analysis except for glassy waste forms containing 80wt% of the incineration ash. The compressive strength reached up to 85 MPa. The heavy metal concentrations in the leachate collected from TCLP and KEP extraction tests were far below the regulatory criteria and much lower than those from cement-based waste forms by 1/1000. EPMA analysis on the surface of waste glasses before and after the leaching test revealed that the Ti-rich phase was chemically very durable.
Analysis of the leaching mechanism of chemical species using two different semi-empirical models showed that diffusion was the dominant leaching mechanism for cement-based waste forms while dissolution associated with diffusion controlled the leaching of glassy waste forms. However, dissolution began to dominate the leaching of waste glasses as leaching time elapsed sufficiently. Analysis of leaching behavior with absolute leach rate indicated that the major elements that governed the total amount of glass matrix leached out of waste glass form were silicone and calcium. However, when the absolute leach rate was normalized in order to consider the difference in the mass fraction of each element, the relative chemical durabilities of glass constituents were nearly the same regardless of the type of glass elements. A theory-based prediction model was proposed to predict the long-term leaching behaviors of chemical species. The estimation of two parameters in the model required only a little experimental data from both extreme leaching periods (i.e. diffusion coefficient from initial periods and dissolution rate constant from the final periods of leaching). Estimates for the cumulative fraction leached from the long-term prediction model agreed well with the experimental data with high accuracy (correlation coefficients, $R^2$, greater than 0.94 for HW waste glasses and greater than 0.95 for RW glassy waste forms). Even though the application of best-fit technique with a theoretical leaching equation to the experimental data produced better results than the prediction model could, it needed much data that covered the entire leaching periods in order to get a high degree of correlation. Therefore, the prediction model proposed in this study was effective and advantageous in assessing the long-term leaching behaviors using only a little experimental data from both extreme periods of leaching.
날로 발생량이 증대되고 있는 가연성 독성 폐기물의 부피를 줄이면서 물리화학적으로 보다 안정한 형태로 전환시키기 위해 소각기술을 많이 활용하고 있다. 그러나 방사성 폐기물이나 유해폐기물 소각시에 발생되는 소각재는 분산성이 크고 취급이 불편하며 소각 특유의 고감용 효과로 인해 유해중금속이나 방사성 핵종이 농축되어 있으므로 중간저장이나 최종 처분에 적합하도록 고형화 처리되어야 한다.
본 논문에서는 유해 산업폐기물 및 중저준위 방사성 폐기물의 소각 처리 시에 발생되는 소각재의 처분 안전성을 높이기 위한 소각재 안정화 기술의 현황을 살펴 보고 이를 바탕으로 페인트 공장에서 발생되는 유해 폐기물 소각재와 방사성 폐기물 모의 소각재를 대상으로 수경성 시멘트, 시멘트/에폭시 복합 매질 또는 유리 매질을 이용하여 소각재와의 혼합비를 변화시키면서 고형화 시킨 후에 고화체가 갖는 각종 물성과 화학적 내구성을 고찰하였다.
유해폐기물 소각재를 대상으로 한 시멘트 고화체 및 시멘트/에폭시 복합고화체 (이하 '복합 고화체'로 칭함)의 압축강도는 4~35 MPa, 밀도는 1.26~1.89 g/㎥ 범위에 존재하였는데 시멘트 고화체의 경우가 보다 높은 값을 보였다. 두 고화체 모두 본 실험의 혼합 범위 내에서는 감용비가 1 보다 적어서 고형화 전에 비해 처분하여야 할 부피가 증가하였다. 유해폐기물 소각재는 용출시험 결과 Cr이 기준 농도를 초과하여 유해(지정) 폐기물로 분류되었다. 제조한 고화체를 대상으로 KEP (한국, 공해 공정시험법) 및 TCLP (미국, EPA)방법에 따른 용출시험을 실시한 결과 시멘트 고화체는 용출된 중금속의 농도가 낮아서 일반 폐기물로서 분류 가능하였으나, 복합 고화체는 Cr과 Cu의 용출농도가 기준치를 초과하여서 고형화 처리를 하였음에도 불구하고 유해폐기물로 분류되었다. 유해폐기물 소각재 또는 방사성 폐기물 모의 소각재를 붕규산 유리 매질과 혼합한 후 섭씨 1,300℃의 고온에서 용융시켜서 제조한 고화체의 밀도는 2.60 g/㎤ 이상의 값을 나타내어서 고온처리에 의해 소각재의 부피를 최대 약 1/4로도 줄일 수 있었는데 이러한 추가 감용 효과는 소각재 함량이 약 25wt% 이상 함유된 경우에 얻을 수 있었다. 고온용융 고화체의 XRD 분석결과 소각재를 80wt% 함유한 고화체 (rutile 또는 Perovskite 결정상을 일부 형성)를 제외하고는 모두 무정질의 유리구조체가 형성되었음을 알 수 있었다. 이들 유리 고화체는 구조가 치밀하고 기공이 거의 존재하지 않아 압축강도가 최고 85 MPa 정도로서 기계적 물성도 우수하였다. KEP 및 TCLP방법에 따른 용출시험 결과, 모든 중금속의 용출농도가 기준치보다 상당히 낮았으며, 저온에서 제조한 시멘트 고화체에 비해 약 1/1000 정도 적게 용출되어서 화학적 내구성도 우수하였다. 또한 Soxhlet 침출 시편을 대상으로 EPMA (표면구조 및 조성) 분석을 실시한 결과 Ti 성분이 많은 곳은 화학적으로 내구성이 높음을 알 수 있었다.
두 가지의 반경험적 침출기전 모델식을 사용하여 각 고화체로부터 유해물질의 침출 기전을 살펴 본 결과, 시멘트 및 복합고화체의 경우는 확산이, 유리 고화체의 경우는 확산이 동반된 용해가 주요 침출 기전이었다. 유리 고화체로부터 유해물질의 침출은 시간이 지남에 따라 용해에 의한 침출이 많아졌다. 유리 매질 구성성분의 원소별 침출 속도를 살펴본 결과 절대적인 침출량은 Si와 Ca 성분이 가장 많았으나, 유리 고화체 내에 포함된 각 성분의 질량 분율을 고려할 경우에는 유리매질 구성 성분간에는 큰 화학적 내구성의 차이가 없었다. 또한 장기 침출 거동을 예측할 수 있는 모델식을 세워서 초기의 침출 자료로부터 확산계수를 구하고, 말기의 침출 자료로부터 용해속도 상수를 구하여 산출한 침출모델 값을 유해 및 방사성 폐기물 소각재 유리 고화체의 침출 실험자료와 비교한 결과 대부분의 성분들에 대해 상관계수 0.94 이상을 나타내어 침출거동 예측모델은 극히 적은 수의 실험자료만을 이용하고서도 고화체의 장기 침출 거동을 상당히 잘 모사할 수 있음을 알 수 있었다.
