2.1.1. 폐아세트산

국내 디스플레이 산업으로 인해 LCD보급후 시장을 형성하여 제품을 생산하고 있다. 이러한 LCD제조공정에서 LCD 식각폐 액으로 배출되는 혼산폐액은 막대한 양이 증가되고 있다. 이 폐 애칭액은 웨이퍼를 구성하는 금속성분과 인산, 질산 및 초산 등 의 무기산의 산도가 높아서 환경적으로 매우 유해한 물질로 적 절한 처리방법 및 재활용기술이 요구된다. 본 연구에서 사용된 폐아세트산은 부산된 혼산 폐액으로부터 진공 증발법을 활용하 여 질산 및 초산을 분리하는 기술을 도입하여 폐초산을 제설제 의 원료로 사용하고자 한다. 폐아세트산의 무기원소 정량분석 결과는 Fig.1에 나타내었다.

Fig. 1.

Result of quantitative analysis of inorganic elements in waste acetic acid

2.1.2. 탈황슬래그

철강슬래그(고로 및 제강슬래그)는 재활용관련 연구가 활발 히 진행되어 재활용에 대한 수요가 증가되고 있지만 아직 제철 공정에서 부산되는 부산물중 탈황슬래그, 괴제슬래그, TCC슬 래그 등이 매립폐기되고 있는 부산물이 상당수 존재한다. 철강 산업부산물 중 재활용되지 못하고 폐기되는 슬래그 중 Ca성분 을 50% 이상 함유하고 있으며 연간 부산량이 10만톤 이상 되는 탈황슬래그의 친환경 제설제로의 활용가능성을 검토하고 실험 재료로 사용하였다. 실험에 사용된 탈황슬래그의 화학적 특성은 Table 1에 나타내었다.

2.1.3. 탄산칼슘 부산물

철강산업부산물 중 재활용되지 못하고 폐기되는 석회석더스 트는 H사 기준으로 연간 8만톤 이상 부산되며 Ca성분을 50% 이 상 함유하고 있으며, 제강공정 중 부산되는 석회석더스에 칼슘이 온 용출첨가제와 비이온성 침강제 등을 투입하여 교반공정, 침강 공정, 탄산화과정을 거치면 탄산칼슘 부산물이 발생되며 칼슘부 산물로 폐유기산과 혼합하여 액상 제설제를 제조하였다. 실험에 사용된 탄산칼슘부산물의 화학적 특성은 Table 2에 제시하였다.

2.1.4. 정유플라이애시

원유 정제 공정중 황분을 제거하는 공정인 탈황공정에서는 탈 황 촉매가 충진 된 고온 고압의 반응기에서 수소를 첨가하여 정 제 제품중의 황분을 제거하는 공정으로서 플라이애시 형태의 부 산물을 발생시키고 있으며, 폐유기산과 혼합하여 실험을 실시하 였다. 정유플라이애시의 화학적 특성은 Table 3과 같다.

2.1.5. 소성슬러지

현재 국내에서는 탈수케이크 상태의 하수슬러지를 건조 혹은 소각한 후 매립하거나 소각재를 건축자재(경량골재, 벽돌 등)로 재활용하는 방법, 그리고 고화제(알칼리계)에 의한 고화처리방 법, 퇴비화 하여 녹농지에 이용하는 방법 등이 제안되고, 이들을 중심으로 많은 연구들이 진행되고 있다. 본 연구에서는 서울 지 역에서 발생된 슬러지를 채취하여 친환경 제설제의 칼슘부산물 로 실험을 실시하였다. 본 연구에 사용된 소성슬러지의 화학적 특성은 Table 4와 같다.

2.1.6. 폐글리세린

글리세린의 용도는 식용, 의료용, 윤활제 등 산업전반에 다양 한 형태로 사용되어지며, 동해방지 및 융빙의 효과가 보고되고 있어 제설제로의 활용도가 높은 것으로 판단된다. 하지만 정제 된 고순도의 글리세린의 경우 제조원가가 높기 때문에 본 연구 에서는 부산물인 폐글리세린의 정제과정을 거치지 않은 80%의 크루드 글리세린을 친환경 제설제의 원료로 혼합하여 실험을 진 행하였다(Table 5).

2.2.1. 제조방법

친환경 제설제 배합도출을 위해 다음과 같은 과정으로 제조하 였다. 먼저, 일정 조성의 탄산칼슘을 적당량의 증류수로 혼합하 여 혼합물에 조성량의 약100~300% 정도의 유기산(아세트산 등)을 혼합하여 반응시키고, 마그네틱바를 이용하여 일정시간 동안 혼합한 뒤 거름종이를 통해 미반응물을 거름종이로 걸러내 고 걸러진 혼합물에 대한 특성 평가를 실시하였다.

2.2.2. 배합설계

아세트산:탄산칼슘 1:1, 2:1 배합에서는 반응물질에 대해서 혼합이 이루어지지 않아 배합조건에서 제외하였다. 또한 염화나 트륨과 비교하기 위해서는 고형분 10%, 20%를 맞추어 물과 함 께 혼합하여 실험을 진행하였다. 배합조건별 배합표는 Table 6 에 나타내었다.

2.2.3. 빙점 측정

각 제설제의 어는점(빙점) 측정은 그림 빙점측정기를 사용하 여 ASTM D1493을 준용하여 측정하였다(Fig. 2). 측정 과정은 시료 용액을 넣은 튜브에 교반기를 부착 하고, 드라이아이스로 채워진 냉각조에 튜브를 담근 후 지속적으로 교반 시킨 후 시료 용액의 온도 강하를 지속적으로 측정하였다. 빙점에 이른 용액 이 응축열을 발산한 직후의 True soildification point(Tc)를 측정 하여 응고점으로 하였으며, 배합조건에 따라 반복 실험하여 빙 점강하 효과를 측정하였다.

Fig. 2.

Photograph of freezing point measurement

2.2.4. 얼음용융시험

실내에서 수행된 시험으로 융설재가 도로 표면의 눈이나 얼음 을 녹일 수 있는 능력을 평가하기 위해 얼음에 일정량의 융설재 를 살포한 뒤 얼음을 녹이는 융빙량을 측정한 실험으로서, 눈 또 는 얼음을 녹일 수 있는 능력을 비교․ 분석하기 위하여 얼음용융 시험을 실시하였고, 시험장치는 Fig. 3과 같다.

Fig. 3.

Photograph of melting test

시험에 사용할 제설제 용액 3.8±0.01 g을 정량하여 시료병에 넣은 후 시험 온도와 평형이 되도록 시험 1~2시간 전에 항온실에 보관한 다음 실시하였다. 일정 시간이 경과할 때마다 얼음이 녹 은 양을 측정한 후 용융액을 다시 얼음 표면에 부어 시간 경과에 따른 배합조건별 제설제의 용융량을 측정한다. 시험에 사용한 시간 간격은 10, 20, 30, 45, 60분 이며, 시험 온도는 –7°C에서 수 행하였다(^{Nixon and Williams 2001}).

2.2.5. 부식성능평가

부식성능평가 실험은 EL610의 인증 시험 규격 중 EM502-1 의 ^｢제설제의 성능 평가 –강재 부식 영향 시험 방법_｣에 따라 실시 하였다. 시험편은 도금이나 도징처리가 되지 않은 강재로 두께 1 mm × 폭 70 mm × 길이 150 mm로 제작하여, 부식은 10분 동안 완전히 담그고 50분 동안 시험 용액 밖으로 꺼내는 동작을 반복 하고 3주에 걸쳐 각 주차별로 식에 따라 철 시편의 질량감량을 측정하였다.(1)

여기서,

2.2.6. 동결융해 시험

제조된 용액을 가지고 EL 610의 인증 시험 규격 중 EM502-2 의 ^｢제설제의 성능 평가 - 콘크리트 동결 융해 시험 방법_｣에 따라 동결 융해 실험을 실시하였다. 시험편은 가로 50 mm×50 mm ×50 mm의 정육면체 콘크리트로 제작하고 콘크리트의 제작방 법은 KS F 2403을 따르되, 다짐이 끝난 후 온도(23±2°C), 상대 습도는 50±5%의 조건에서 20~24시간 양생한 후 동일온도의 상 대습도 100%의 조건에서 13일간 양생시킨 후 온도(23±2°C), 상 대습도는 50±5%의 조건에서 11일간 다시 양생시켰다. 이후 시 험편의 무게를 측정한 후 탈이온수에 충분히 잠기도록 하여 24 시간동안 양생하고 시험용 용기를 온도 (-18±2)°C의 항온챔버 에서 17시간 유지한 후 온도 (23±2)°C에서 시험실에서 7시간 유 지한다(Fig. 4). 이를 동결융해 1사이클로 하여 총 10사이클을 반복하였다. 배합은 Table 7의 설계 배합표를 이용하였다.

Fig. 4.

Photograph of freeze-thaw test

3.2.1. 빙점 측정

각 배합조건에 따른 어는점(빙점) 측정결과는 Fig. 5와 같다. 염화나트륨의의 어는점은 고형분10%, 20% 기준으로 각각 – 7.6°C, -19.8°C에서 나타났으며, 시약급으로 제시된 배합조건에 서 아세트산과 탄산칼슘 3:1로 혼합한 배합조건에서 가장 낮은 -22°C의 빙점을 나타내었다.

Fig. 5.

Effect of the de-icing agent on freezing point

아세트산을 산업부산물로 대체하였을 경우, 빙점은 약 5°C~ 7°C정도 높아지는 경향을 나타내었고, 칼슘 부산물역시 대체 하였을 경우에는 -7°C~-14°C정도의 빙점을 나타내어 성능개 선을 통해 충분히 친환경 제설제로의 제조가 가능할 것으로 판 단된다.

3.2.2. 얼음용융시험

산업부산물을 사용하여 친환경 제설제를 제조한 뒤 얼음용융 (융빙)시험은 Fig. 6에 나타내었다. 시험은 –7°C에서 실시하였 으며, 시간의 경과에 따른 누적 얼음 용융량을 측정한 것이다.

Fig. 6.

Result of ice thaw melting experiment at –7°C

시험결과, NaCl 20% 수용액의 융빙성능이 월등히 우수하였 고, 유기산 혼합물 조건인 아세트산-탄산칼슘 배합조건인 I-2번 시료가 우수한 융빙량을 나타내었고, II-6번(폐아세트산:탄산칼 슘, 3:1+폐글리세린10%) 배합에서는 20분 이후부터 급격하게 융빙량 증가하면서 두 번째로 우수한 성능을 보였다. 산업부산 물을 이용한 II-1번(폐아세트산:탄산칼슘=1:1) 배합은 다소 융 빙성능이 떨어지는 것을 확인할 수 있었다.

산업부산물을 사용한 경우에서는 융빙량이 낮은 특성을 나타 내어 향후 산업부산물 활용시 융빙성능 향상을 위한 성능개선 연구가 추가로 필요할 것으로 판단된다.

3.2.3. 부식성능시험결과

Table 9는 빙점과 용융량에서 우수한 제설용액으로 강재에 대한 부식성능을 질량감량 실험결과를 나타낸 것이며 Fig. 7은 각 성분계열에 따른 질량감량을 그래프로 나타낸 것이다. 염화 물계인 염화나트륨에서 부분적 흑청과 부분적 적청이 발생하여 전체적으로 부식이 일어난 것을 확인할 수 있었으며, 유기산 혼 합물과 폐글리세린 혼합에서도 부분적 적청이 발생하였다. 산업 부산물로 대체한 유기산 혼합물과 글리세린을 첨가한 배합에서 는 부식성능의 개선이 유효한 것으로 나타났다.

Table 9

Result of corrosion performance test

	7days	14days	21days
NaCl
I-2
II-8
III-10

Fig. 7.

Rate of mass reduction by corrosion depending on the mixing conditions

3.2.4. 동결융해 시험결과

콘크리트 시편을 제조된 제설제에 따라 동결융해 실험을 한 결과는 Fig. 8에 나타내었다. 산업부산물을 활용한 제설제의 질 량 손실은 NaCl보다 적은 것으로 나타났으며 글리세린과 혼합 한 수용액에서는 중량손실량이 가장 낮은 것으로 나타났다. 기 존 염화물계 NaCl의 경우 친환경 제설제보다 중량손실이 1.5~2 배정도의 손실량을 보였고 결과적으로 구조물의 내구성을 저하 시킬 수 있으므로 겨울철 제설제 살포시 적당량을 사용해야 하 며 특히 도로 배수시설이 용이하지 않은 지역에서는 심각한 피 해가 우려된다.

Fig. 8.

Result of freeze-thaw performance test