폐기물 실험방법 (분석편
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Transcript 폐기물 실험방법 (분석편
폐기물 실험방법
- 분석편 •제3장 폐기물의 성분분석
•제4장 폐기물의 발열량 및 원소조성 분석
•제5장 폐기물의 용출시험 및 함유량 시험
폐기물의 성분분석
폐기물 성상분석 절차
시
료
밀도측정
물리적성분
습량무게측정
건 조
수분함량계산
건조무게측정
회 화
불연성 물질
회분/가연분
함량계산
가연성 물질
회분무게측정
전처리
(절단/분쇄)
원소분석
고위발열량측정
O N
S
분
석
편
)
저위발열량측정
입도분석
중금속함유량
용출실험 등
(
CH
발열량 분석
폐
기
물
실
험
방
법
(1) 겉보기 밀도(현장밀도) 측정
의의 : 단위용적당 중량
- 쓰레기처리행정에 있어서 수거 및 운반, 저장(시설)에 중요한 물리적 성질
․수집/운반 : 수거차량 댓수, 압축차량, 적환장
․중간처리 : 소각장 핏트, 소각재 핏트, 선별저류야드, 매립지 등
- 쓰레기의 조성성분, 수분, 각성분의 크기에 따라 다르며
- 또한 발생원과 계절에 따라 크게 변화함.
측정방법 : 일정용기에 폐기물을 넣고 30cm높이에서 3회 낙하 후 감소된 량만큼
시료를 추가(눈금이 감소하기 않을때까지 반복)
겉보기
밀도(kg/m3
또는
ton/m3)
=
시료 중량 (kg 또는 ton)
-------------------용기의 부피(m3)
□문제
(
어떤 외딴섬에 150인이 살고 용적이 1.5㎥인 손수레로 이틀에 한번씩 수거 한다고
한 다. 쓰레기의 밀도가 400kg/㎥이라면 1인 1일 폐기물 발생량은?
폐
기
물
실
험
방
법
)
분
석
편
<표> 도시 쓰레기 성분 및 혼합물의 겉보기 비중
항목
성분
도시 고형폐기물
음식쓰레기
종이
플라스틱
비철금속
철금속
비압축
압축(압축 트럭에서)
매립물(보통 압축된 것)
매립물(잘 압축된 것)
밀도(kg/m3)
범위
대표값
120～480
30～130
30～130
60～240
120～1200
90～180
180～450
350～550
600～750
290
85
65
160
320
130
300
475
600
1) 쓰레기 벙커의 용량
쓰레기 수거계획, 시설의 운전계획, 1일 쓰레기 수거량의 변동율, 쓰레기 비중 등을 고려.
일반적으로 현장에서 긴급점검 및 보수는 1일 정도로 되는 경우가 많고 쓰레기 벙커 용량
만으로 소각시설의 가동율을 흡수하는 것은 비경제적이므로 통상 쓰레기 벙커의 용량은 1
일 쓰레기 평균처리 용량의 3일분 저장용량 이상으로 한다. 쓰레기의 벙커의 용량은
V = (G × d) ÷ r
여기서, V = 쓰레기 벙커의 용량(㎥)
G = 1일 쓰레기 소각량(ton/day)
d = 저장일수(day)
r = 쓰레기 벙커내의 쓰레기 평균비중(ton/㎥)
생 쓰레기 처리 개념
생쓰레기
파쇄작업
선별작업
▶ 가정에서 발생되는 생 쓰레기는 함수량이 높은 음식물과 가연성쓰레기가 완전히 분리수거 되지 않는 문제로 인하
여 소각 시 완전연소를 위해 보조연료 및 버너 등을 가동하여야 하는 문제점을 가지고 있다.
▶ 가연성 쓰레기는 높은 칼로리를 포함하고 있는 훌륭한 에너지 자원이며 쓰레기의 주원료는 수입에 의존하는 현실
실정에 폐기물로 분류되는 가연성 쓰레기를 적극적으로 자원화 하여 활용할 수 있는 공법을 제시한다.
▶ 수거 된 생 쓰레기는 파쇄하여 음식물과 가연성쓰레기로 분리한 후 재활용 가능한 상태로 압축/포장해 두었다가 소
각 시 보조연료로 사용한다. 이런 과정은 매우 위생적이며 효율적으로 쓰레기가 처리되므로 소각량을 줄일 수 있
어 소각장의 관리에 경제적으로도 큰 부가가치를 창출할 수 있고 환경 친화적이며 미래 지향적인 우수한 선진공법
이다.
선별된쓰레기
압축/포장
저장/보관
생 쓰레기 처리 과정 (파쇄-음식물선별-압축-포장-저장-소각)
파쇄후음식물선별작업
압축/포장
저장/소각
파쇄 / 선별 기술
보유기술
◄ 파쇄작업 ►
파쇄기
이 과정은 수거된 생활쓰
1. 구동력을 갖춤
2. 작업가능물질
◦ 생활쓰레기
◦ 매립장쓰레기
◦ 통나무
◦ 칩보드 등
파쇄
기
레기를 파쇄하여 원활하
선별기
1. 구동력을 갖춤
2. 선별량: h/200㎥
게 분리될 수 있게 한다.
◄ 선별작업 ►
3. 선별상태: 0㎜~40㎜
파쇄된 쓰레기를 음식물
4. 선별효율: 95℅이상
과 가연성쓰레기로 완벽
하게 선별하여 준다.
작업광
경
선별
기
압축 / 포장 기술
RPPS : Roll Press Packing System
▶ 가공하지 않은 생활쓰레기는 내부적으로 생물학적 반응이 빠르게 진전되어 주변에 상당한 오염물질을 방출
하기 때문에 단순 적치가 불가능하므로 안정된 저장 관리기술을 필요로 한다.
▶ 폐기물을 안전하게 관리하는 것은 복잡한 기술과 많은 비용을 필요로 하지만 본 공법은 안정되고 경제적이
며 환경 친화적인 21세기형 선진 폐기물 관리 방법을 제시한다.
▶ RPPS에 의해 압축/포장된 쓰레기는 분쇄, 압축 과정을 거치면서 쓰레기 내부의 공기 및 수분을 제거하
고 압축하므로 침출수 유출이나 가스/악취 등 오염원을 근본적으로 제거할 수 있다.
RPPS는 파쇄/선별/압축/포장 등 모든 과
RPPS는 가공되지 않은 상태의 폐기물부피
RPPS에 의해 포장된 폐기물은 일반차량
정을 단기간 내에 일괄 처리하므로 공사
기간과 그에 따른 비용을 절감할 수 있다.
를 최대 25%까지 축소하므로 저장공간
및 그에 따른 비용을 절감할 수 있다.
으로 이송이 가능하므로 운송비를 크게
줄일 수 있으며 작업효율도 증대된다.
선진 국가들의 폐기물 저장 현장
스웨덴
세계의 선진각국 특히 유럽
스페인
국가들은 폐기물관리에 있어
발생량의 저감 및 재활용 단
계를 넘어서 대체 에너지 원
으로 적극활용하고 있습니다
이 사진에 제시된 바와 같이
압축포장된 폐기물들은 장기
독일
간 보관된 후 소각 시 훌륭
이태리
한 보조연료로 사용되며 여
여름에 발생되는 쓰레기를
모아두었다가 겨울에 소각하
여 열로 자원화하고 있습니다.
그리하여 소각장을 효율적으
로운영하며 이에 소요되는
비용도 대폭 절감하고 있습니다
일본
그러므로 우리나라도 폐기물
관리에 있어 환경보호와 소
중한에너지원으로 대체할 수
있도록 적극적인 추진과 관
리가 필요한 단계에 이르렀습니
다.
스위스
겉보기밀도가 주요 설계인자가 되는 곳
- 저장용기
- 수거차량
- 적환장
- 전처리시설 (파쇄, 압축 등)
- 소각장 (쓰레기핏트, 소각재핏트)
- 퇴비, RDF
- 매립지설계
------- 밀도가 1이 아닌 곳.
(2) 물리적 조성분석
□ 의의
- 폐기물의 물리적 조성은 고형폐기물 관리에서 중요한 요소.
- 가연성과 불연성 물질의 조성상태 확인
- 가연성물질의 종류 및 발열량계산 등의 폐기물 성질을 추정할 수 있는 중요한 자료
- 즉, 폐기물의 자원 및 에너지 회수와 처리계통에 절대적으로 요구되는 자료
□ 문제점 :
고형폐기물의 구성성분은 혼합된 도시쓰레기와 같이 서로 다른 물 질로 구성되어 있으면 그 구성성
분의 파악은 쉽게 이루어지지 않는다. 따라서 시료를 선택할 경우 계절 등을 고려하여야 하고 많은
수의 시료를 분석하는 것이 바람직하다.
□ 분석방법
- 구성성분을 분석하는 방법에는 인부분류와 사진측정기술.
- 인부분류방법 : 축소시료 전량을 비닐막 위에서 다음 10 종류의 조성으로 손으로 선별하고 각 조성별로
무게를 측정하여 습량기준으로 중량비를 구한다.
․가연분-음식물류, 종이류, 비닐/ 플라스틱류, 섬유류, 목초류, 가죽/고무류
․불연성--금속류, 유리/자기류, 기타
- 사진측정법 : 폐기물 대표시료를 사진촬영하여 구성성분을 분석한다. 촬영 후 10×10 블록으로 나뉘어
진 스크린에 투영하고 각 블록의 단면에서 성분을 파악하여 도표화한다. 이러한 사진측정기술은 쓰
레기를 만지거나 냄새를 맡을 필요가 없다는 장점이 있으나 정확도가 다소 떨어지고 긴 분석시간이
요구된다는 단점이 있다.
분석방법 ① 10~20kg의 폐기물시료를 가연성/비가연성으로 구분하여 hand sorting
② 폐기물의 수분이 증발하지 않도록 즉시 성분별 중량을 구함
③ 습량기준의 조정중량비(Pwi)구함
Pwi = 100%
④ 건량기준의 중량비 구함
Pwi ×(100-Wi )
Pdi : 조성 i 의 건조기준 중량비(%)
Pwi :조성 i 의 습윤기준 중량비(%)
Wi :조성 i 의 수분 함량(%)
Pdi = ----------------- × 100
Pwi ×(100-Wi)
<표> 용인시 물리적 조성 예 (습윤중량, %)
겨
울
봄
음식물류
38.1
종 이 류
구 분
가
연
성
여 름
가 을
평 균
49.0
50.1
48.9
46.5
19.0
17.3
24.8
25.6
21.7
플라스틱류
12.3
10.8
16.1
13.8
13.1
섬 유 류
17.1
7.0
1.5
0.7
6.6
고무‧피혁류
3.7
0.9
0.1
0.4
1.3
목 재 류
1.7
0.8
0.6
1.6
1.2
91.9
85.8
93.2
91.0
90.4
초자‧도자기
2.4
5.3
4.3
6.3
4.6
금 속 류
0.6
3.0
2.4
2.6
2.2
소
불
연
성
계
기
타
5.1
5.9
0.1
0.1
2.8
소
계
8.1
14.2
6.8
9.0
9.6
100
100
100
100
100
총
계
(3) 삼성분 분석
□ 수분 함량
- 고형폐기물의 수분 함량은 습윤 또는 건조 폐기물의 단위무게에 대한 수분의 무게로 표현,
- 종류별 성상 분석에 사용한 시료의 무게를 측정한 후 수욕상에서 수분을 거의 증발시키고 건조기
를 이용하여 105±5℃에서 시료의 중량이 일정하게 될 때까지 약 4시간 건조시킨다. 중량이 일정
하게 유지되면 시료의 무게를 측정하며, 각 시료의 수분함량(Wi)은 다음 식에 의하여 산출된다.
건조전 i시료의 중량(kg) - 건조후 i시료의 중량(kg)
Wi (%) = -------------------------------------------- × 100
건조전 i시료의 중량(kg)
□ 회분 함량
- 폐기물의 무기물 성분을 나타내는 회분(재)의 함량을 측정하기 위한 분석절차
① 건조된 시료를 2mm 이하로 잘게 부순다.
② 일부분을 취하여 105±5℃에서 2시간 건조시킨 후 무게를 단다 (m1).
③ 다시 일부분을 취하여 800～900℃의 전기로 내에서 20분간 태운다.
④ 태운 시료를 식힌 다음 105±5℃에서 2시간 건조시키고 데시케터 내에서 약 30분간 식힌 후 무게
를 측정한다(m2).
각 구성성분 i의 회분함량(Ai)은 다음 식으로 산출한다.
태운 후의 시료의 무게
m2
Ai(무게 %) = -------------------- × 100 = ---- × 100
태우기 전의 시료의 무게
m1
건조 폐기물 중의 총회분함량(Ad)은 다음 식으로 산출한다.
전 회분의 무게
Ad(무게 %) = ---------------- × 100
총 건조시료의 무게
습윤페기물 중 총회분함량(Aw)은 다음 식으로 산출한다.
Aw(무게 %) = Ad × (1 - Xw/100) × 100
위의 식에서 Xw는 생쓰레기 중의 수분함량(무게 %)을 뜻한다.
□ 가연분 함량
폐기물중 가연분은 전체 습윤폐기물 중에서 회분과 수분을 제외한 성분을 말한다.
가연분(무게 %) = 100 - (Xw ＋ A)
□ 4성분 분석(proximate analysis)
▢ 수분 : 105 ℃ 에서 1시간 가열한 후 수분손실량
▢ 휘발성 가연분 : 뚜껑을 덮은 도가니에서 550 ℃ 로 강열 후 추가적인 무게감소량
생물학적 분해성을 나타내는데 VS를 직접 사용하는 것은 주의
▢ 고정탄소 : 휘발성분이 제거된 후 남아있는 가연성 잔재물 중량
▢ 회분 : 열린 도가니에서 연소 후 잔재물 중량
◀ 익힘문제 ▶
1. 폐기물의 성분 분석 결과 가연성 물질이 무게비로 25%이었다. 쓰레기 6m3 중에서 가
연성 물질의 양은 얼마인가? 단, 쓰레기의 밀도는 600 kg/m3이다.
2. 함수율이 25%인 쓰레기를 건조시켜 함수율이 10%인 쓰레기를 만들려면 쓰레기
1 톤당 얼마의 수분을 증발시켜야 하는가 ?
3. 어느 도시 쓰레기를 분류하여 함수량을 측정한 결과가 다음과 같다. 이 쓰레기의 총 함수량(%)
은 얼마인가?
성분
구성비(중량 %)
함수량(%)
음식물
종 이
금 속
25
65
10
70
6
3
(4) 발열량 분석
▢ 이론적 배경
-발열량 : 상온상압에서 시료와 동일한 온도의 공기로 완전연소하여 그때 생성되는 연소생성물이 초
기의 온도까지 냉각되면서 외부로 방출되는 열량(물질의 발열량 개념도아래)
물
질
이
연소반응
보
유
하
는
물질의
발열량
화
학
에
너
지
연소생성물의
온도(Tg)
방출열
(열교환에 의해
제거되는 열)
초기 연소전의 물질 및
공기의 온도(To)
▢ 발열량의 종류
- 단위질량당 열량(kcal /kg, kJ/kg, Btu/lb, kcal/g mol) or 단위부피당 열량(kcal/m3, kJ/m3, Btu/ft3)
- 고위발열량(higher heating value) : 폐기물을 완전 연소시켜 발생된 열은 단열열량계로 측정하여
수분의 잠열(heat of latent)까지 포함된 전체 열량
열적처리시설(소각장등)의 설계인자
분
석
편
)
- 물질의 건조 or 습윤상태를 반드시 표기할것.
(
- 저위발열량(lower heating value) : 고위발열량-수분잠열(폐기물내 수분잠열+연소시발생 수분잠열)
폐
기
물
실
험
방
법
발열량의 측정방법
▢ 단열열량계(Bomb Calorimeter)
-기본원리
폐기물의 완전연소과정에서 발생된 열에너지를 직접 측정하는 방법
>30~40기압의 충분한 산소가 공급되는 연소분위기
에서 일정량(1~2g)의 폐기물을 연소반응기에서 완전
점화장치
연소시켜 발생된 열을 주위의 냉각수로 전달시켜
온도계
순산소
폐기물
(시료)
연소반응기
(bomb vessel)
시료받침대
냉각수
냉각수 온도변화 측정 후 열량으로 환산
Q = Cp (Ww + Wa) x
Tw
Q : 폐기물 시료의 총 연소열(cal)
Cp : 물의 정압비열 (cal/g.℃)
Ww : 냉각수의 질량(g)
Wa : 냉각수에 잠겨있는 장치의 질량이 물
에 대응되는 질량(g)
Tw : 초기온도에서의 온도차(℃)
-열량 계산
100
600(9H +W)
Hl = Hh – ------------- (kcal/kg)
100
분
석
편
)
Hh: 습량기중의 고위발열량(kcal/kg), Hd : 단열열량계로 측정한 건조쓰레기 고위발열량 (kcal/kg)
Hl : 습량기준의 저위발열량 (kcal/kg), H : 원소분석에 의한 수소의 함량(%), W : 수분함량(%)
(
(100-W)
Hh = Hd x ----------- (kcal/kg)
폐
기
물
실
험
방
법
발열량의 측정방법
▢ 단열열량계(Bomb Calorimeter)
- 분석시 주의 사항
① 시료량(1~2g)은 g단위로 소수점 이하 4자리 까지 표시
② 가능한 건조시료 사용(습윤상태에서는 점화문제등이 생길 수 있음)
③ 연소반응기에 이물질이 붙지 않도록 청결 유지
④ 냉각수의 오염 여부를 판단하여 반드시 증류수 사용
⑤ 연소반응기에 고압의 순산소를 채운 후 산소의 누출이 없도록 함
(산소누출시 실험과정에서 냉각수가 유출되어 냉각수량의 변화로 오차발생)
⑥ 폐기물의 발열량이 낮아 점화가 잘 일어나지 않는 경우 일정량의 표준시료와 혼합하여 사용가능
⑧ 기타 발열량 직접측정에 관련된 절차와 과정은 JIS M 8814와 ASTM D407-44, ASTM D2015-
분
석
편
66, ASTM D240-64를 활용
)
⑦ Wire 형태의 점화선을 사용하는 점화장치에서는 점화선과 시료가 항상 접지되도록 설치할것
(
폐
기
물
실
험
방
법
발열량의 측정방법
▢ 대용량의 발열량계
- 소량의 단열발열량계의 경우 시료의 량이 1g정도로 소량으로 여러 혼합물질의 발열량 측정에 대표
성이 떨어지며,
- 실제 연소공정이나 소각로에서는 완전연소가 이뤄지기 힘들므로 단열발열량계 측정만으로는 한계
- 대형 발열량계 : 수kg의 시료를 연소시킬 수 있는 냉각장치가 부착된 소각로를 만들어 발열량 측정
점화장치
(전기코일 등)
배가스
(온도, 유량, 분진,
각종 배기성분측정)
대형수조
폐
기
물
실
험
방
법
연료용 산소공급
(
냉각수 온도
(유입및 유출)
냉각기
연소장치
)
분
석
편
발열량의 측정방법
▢ 대용량의 발열량계
-유입열 = 페기물의 열량 + 산소(or 공기)의 열량
= Qwaste + QO2
Qwaste = M waste × Hh
QO2= MO2 × CpO2 × [TO2 – Tref]
- 유출열 = 냉각수의 열량 + 배가스의 열량 +열손실
(벽을 통한 손실+ 미연탄소의 손실 + 불완전연소물질의 손실)
= Qwaste + Qgas + Qwall + Qubc + QCO
Qwaste = Mwater × Cpwater × [Twater – Twateroutput]
Qj : j 성분의 열량(kcal)
Mk : k 성분의 질량(kg)
Cpn : n 성분의 비열(kcal/kg)
Tm : m 성분의 온도(℃)
Qwall = θ × M waste × Hh
Tref : 기준온도
Qubc = M ubc × 7,828(1kg의 C 의 열량)
Ngas i : 배가스중 i 성분(N2, O2, CO2,
H2O)의 분율
분
석
편
)
QCO = MCO × 2,411 (1kg의 CO 의 열량)
Θ : 벽면을 통한 열손실율(0.15~0.25)
(
Qgas = Mgas × ∑ {Ngas i × Cpgas i × [Tgas – Tref]}
폐
기
물
실
험
방
법
발열량의 추정방법
▢ 삼성분 조성에 의한 방법
V
W
Hl (kcal/kg) = 4,500 × ---- - 600 × ---100
V : 폐기물중 가연성분의 함량(%)
W : 폐기물중 수분의 함량(%)
100
- 폐기물 수분함량 50% 이상 이거나 비균일성 물질일 경우 오차가 크게 발생함
- 가연성분의 발열량을 4,500 kcal/kg으로 가정한 것으로 플라스틱과 같은 가연성분중 열량이 많은
물질이 있는 경우 오차발생
▢ 물리적 조성에 의한 방법
V1
V2
W
Hl (kcal/kg) = 4,500 ---- + 8,000 ---- - 600 ---100
100
R
(G+P)
100
W
Hl (kcal/kg) = 8,820 ---- + 4,500 ----- - 600 ---100
100
100
V1 : 플라스틱 이외 가연분함량(%)
V2 : 플라스틱의 함량(%)
W : 폐기물중 수분의 함량(%)
R : 플라스틱의 함량(%)
P : 종이 함량(%)
G : 플라스틱과 종이를 제외한 쓰레기 함량(%)
(
- 도시 폐기물중 플라스틱과 종이의 함량이 증가하는 추세이므로 삼성분에 의한 발열량 계산식을 보정
폐
기
물
실
험
방
법
)
분
석
편
발열량의 추정방법
▢ 원소조성에 의한 방법
탄 소 : C + O2 = CO2 + 8,100 (kcal/kg)
수 소 : H2 + ½ O2 = H2O(liquid) + 43,250 (kcal/kg)
H2 + ½ O2 = H2O(gas) + 28,800 (kcal/kg)
황
: S + O2 = SO2 + 2,500 (kcal/kg)
명
칭
Dulong식
ScheurerKestner식
Steuer식
일본화학공학편람
계산방법
Hh = 81C ＋ 342.5(H - O/8) ＋ 22.5S (kcal/kg)
O - 6(9H ＋ W)
Hl = 81C ＋ 342.5(H - O/8) ＋ 22.5S
8
= Hh - 6(9H ＋ W) (kcal/kg)
Hh = 8,100(C - 34 (O)) + 34,250(H) + 2,250(S) + 5,700 x 34 (O)
Hh = 8,100(C -
3
8
O
(O)) + 34,250(H -16
Hh = 8,130(C) + 34,200(H - O
2
) + 2,250(S) + 5,700 x 38 (O)
) + 2,220(S)
C, H, O, S, W : 탄소, 수소, 산소, 황, 수분의 중량비
분
석
편
)
- 범용적으로 사용하는 식은 Dulong 식이며, Steuer 식은 수분함량이 큰 슬러지에 적합한 식
(
Hl = Hh - 600(9H + W)
폐
기
물
실
험
방
법
(5) 원소조성
▢ 이론적 배경
- 폐기물 주요구성요소 : 탄소, 수소, 질소, 황, 산소, 염소등을 산화,분해 및 환원반응을 사용하여 정량
- 폐기물내에 화학적결합을 측정가능한 원소단위로 분리하여 생성된물질(기체상)을 습식또는 건식으
로 포집하여 적정법or 중량변화 측정방법등으로 정량,분석하는 기기(비분산적외선 검출기) 이용
각종 흡수 및
흡착장치
시 료
습식
분석
반응or
이송가스
반응로
(연소, 분해or 환원)
기기
분석
각종검출기
- 페기물의 자원화 및 처리기술의 선정, 설계 및 운전에 활용
(소각로의 크기, 연소공기량, 배가스량, 오염물질 배출량, 대기오염방지시설의 종류 및 규모등)
폐
기
물
실
험
방
법
(
- 퇴비화의 경우 C/N비 조절 및 설계에 활용
- 매립지의 경우 LFG의 발생량등 파악에 활용
)
분
석
편
▢ 기기분석방법
- 원소분석장치(elementary analyzer)로 분석가능한 성분은 C, H, O, N, S 이며 Cl, F등은 습식분석
- 기본적인 분석법
① 시료 1mg을 캡슐에 담고 순산소 분위기에서 완전 연소시킨 후 발생되는 가스성분의 농도를 측정
함으로써 시료내 함유된 원소의 함량을 측정
② 아직까지 국내 공정시험법에는 없으며, ASTM Section 14와 JIS M 8813을 참고
- 기기분석시 주의사항
① 가연성분의 원소를 보다 정확하게 분석하기 위해 건조된 시료사용
② 복합물질로 되어 있는 물질은 시료로 사용되는 양이(1mg) 적으므로 완전 미분쇄한 후 잘 혼합하
여 사용할것
③ 혼합폐기물의 경우 물리적 특성에 따라 분리한 후 동일한 물질별로 원소분석을 실시한 후 물리적
④ 검출기의 오작동이나 오염되는 현상을 최대한 억제하여 사용하고, 불순물을 제거하는 장치가 존
분
석
편
)
재하는 경우 기능을 항상 점검하면서 사용할것
(
조성에 따른 함량비를 고려하여 혼합폐기물의 원소조성을 결정할 수 있음
폐
기
물
실
험
방
법
▢ 습식분석방법
- 탄소와 수소의 분석(JIS M 8813, ASTM, British standard)
0.2~0.5g 의 시료를 건조된 순산소로 연소CO2, H2O를 가열된 산화동(Ⅱ)층 통과 가열된 크롬
산납 (Ⅱ)과 은망사 위를 통과 (황 및 염소화합물제거)-> 흡수층을 통과시켜 흡수물질의 무게정량
- 질소 분석
① 킬달법(kjeldal method)
1g 시료를 30ml의 황산과 8~10ml의 황산칼륨혼합물에 촉매로 수은or수은염, 코발트산
orperchloric acid 를 넣고 완전히 소화 냉각된 용액을 알카리성화 하여 생성된 NH3 를 붕산or 황
산용액에 증류시켜 질소함량 역적정
② 미량변환 분석법
0.1g의 시료를 3ml의 황산과 K2SO4:HgSO4:Se 촉매를 32:5:1의 혼합물에 30분간 소화
hydrogen sulfide/sodium sulfide 수용액을 가하여 NH3 를 발생붕산속에서 증기로 증류시켜 결정
- 황(유기 및 무기질) 분석
① Eschka법 (ASTM D 3177)
시료와 Eschka 혼합물(1:1=탄산나트륨:탄산마그테슘)을 1:2 혼합하여 연소(800±20 ℃ ) 배출
가스중 황산이온을 산이나 알카리용액으로 추출 황산바륨으로 침전시켜 결정
② Bomb 연소방법(ASTM D 3177)
시료를 이산화나트륨과 같이 환원or 산소분위기에서 2~3MPa 압력으로 연소시켜 측정
폐
기
물
실
험
방
법
(
③ 고온연소방법
)
시료를 산화알루미륨, 인산철염, 고령토와 혼합하여 산소분위기에서 1,250~1,350℃ 로 가열 유
황산화물을 표준과산화용액에 흡수 0.05N 나트륨 붕산용액으로 적정하여 결정
분
석
편
- 염소 분석(EPA SW-840(Method 5050), ASTM9D 2361, D 4661-93, JIS M8133)
① 건조시료 0.25g(0.0001g까지 측정)을 2.7g의 수산화칼슘와 혼합하여 도가니에 넣음
② 1.3g의 수산화칼슘으로 도가니에 넣은 혼합시료를 도포
③ 전기로에서 650 ℃로 30분간 가열
④ 방냉 후 500ml 비이커에 넣고, 물 200ml로 도가니등에 묻은 시료를 세정하여 비이커에 혼합
⑤ Phenolphthalein 지시약 한방울 가하고 100ml 까지 가열 농축
⑥ 여과지(5A)로 여과하여 200ml 용량 플라스크에 받음
⑦ 여과액으로 적당량을 50ml 용량플라스크에 넣고 황산(1+1),한방울을 가함(무색)
⑧ 8ml의 황산철(Ⅲ)암모늄용액을 가하고 8ml의 싸이오시안산 제 2수은액을 가함
⑨ 증류수를 가해 50ml로 만들고 15분간 냉각
⑩ Spectrophotometer 의 450nm파장에서 흡광도를 측정하여 정량
- 산소 분석
① 다른원소의 함량차에 의한 결정 : 시료내 다른 원소들의 함량으로 부터 산소함량을 구함
② 직접측정방법 : 시료를 질소분위기에서 1,100 ℃ 열분해 시킨 후 휘발성분을 1,100~1,200 ℃에서
(
%산소 = 가연분-(%C + %H + %N + %S + %Cl +…….)
폐
기
물
실
험
방
법
)
분
석
편
탄소층을 통과시켜서 나오는 CO를 측정
(6) 용출시험
▢ 시험의 목적
- 폐기물의 용출시험(용출시험기준)
① 고상or 반고상 폐기물의 지정폐기물의 판정, 중간처리 및 매립방법 등을 결정하기 위한 시험
② 폐기물의 위해성을 사전에 판단하여 보다 안전하고 적절한 방법으로 폐기물을 처리하기위해 수행
되는 사전평가방법
- 폐기물의 함유량 시험
① 고형물함량이 5%이하인 액상폐기물의 지정폐기물 판정과 정제유의 품질을 검사하기 위한 시험으
로만 적용
② 용출시험의 해석, 폐기물의 적정관리, 특정성분의 회수 및 물질수지 해석등에 활용
▢ 용어의 정의
- 용출(leaching) : 강우, 지하수등과 같은 액체가 폐기물층을 통과하면서 용존성물질이 용해되거나
미세한 입자상물질이 탈리되는 작용
② 용출능(leachability) : 특정 조건 하에서 특정물질이 녹아 나올 수 있는 능력(용해도)
총 함유량이라고도 하며, 폐기물에 특정성분 특히 유해물질의 총 함유정도를 나타내는 지표
분
석
편
)
- 함유량(total content)
(
① 침출수(leachate) : 오염물질들이 함유되어 매립층 밖으로 빠져나온 물
폐
기
물
실
험
방
법
이론적 배경
- 회분식 실험(batch test) : 매립장 칭출수 수질 예즉 및 모델화를 위한 방법 (유해성 판정 및 물질이
동 예측 평가)
- 연속 회분식실험(sequential batch test), 연속류 컬럼실험(continuous flow column test) 등을 통하
여 보다 정확하고 다양한 정보 수집
▢ 용출 이론
- 용출 발생특징
① 폐기물과 용출매체 의 화학적 조성에 따라 오염물질을 고정상->유동상으로 변화시키는 용매와 폐
기물 사이에 물리화학적 반응과 동력학 작용
② 폐기물과 주변 물질의 물리적성질(입자크기, 공극율, 투수성등)에 영향을 받음
③ 폐기물을 통과하는 수리학적 구배에 의해서도 유체와 오염물의 이동현상(transport phenomena)
▢ 용출의 물리,화학적 반응
분
석
편
)
- 입자와 간극수 사이의 화학적 잠재력은 오염물질의 확산제어 및 전달의 추진력이며, 일반적으로 고
화폐기물경우 화학적으로 안정하고 투수성이 낮아 이류나 분산보다는 분자확산에 의해 제어됨
(
- 유효 공극율, 투수성에의한 용출액 및 속도에 지배
- 해리 및 흡착은 폐기물내 흡착과 침전등 으로 오염물질이 용매에 의해 활발히 반응함
- 분자확산(molecular diffusion)은 매립된 폐기물 내의 오염물질 이동에 적용
간극수(pore solution)의 오염물질이 입자 표면 축적, 폐기물 또는 용출액 내의 오염물질과 반응성 물
질의 화학적 확산, 용출액과 오염물질의 극성, 산화환원 조건 및 반응동력학 등
- 용출속도는 수리학적 구배에 따른 용해성 오염물질의 전달과 수리학적 흐름인 이류(advction)와 기계
혼합에 의한 오염물질 이동 과 분자확산인 분산(dispersion)이 적용
폐
기
물
실
험
방
법
이론적 배경
▢ 중금속의 용출 메커니즘
- 금속(n가) 산화물 및 수산화물은 다음과 같은 반응에 의해 이온상태로 용해됨
MO + H2O = Mn+ + nOH M(OH)n(s) = Mn+ +nOH - 단일 금속류가 순수물에 용해될때 그 용해도는 열역학적 힘(thermodynamic force)에 의해 결정되며
다음과 같은 용해도적(solubility product : Ksp)을 나타냄
Ksp = [M n+][OH] n
- 수중에서 금속이온의 용해도적은 다음과 같음
Mn+ + nH2O ↔ M(OH)n + nH+
Ksp
n
n+
n
[M
][H
2O]
=
[H+ ]n
n+
[M ]=
Kspㆍ[H+ ]
n
Kw
- 그러므로 금속의 용해도는 다음의 pH 함수로 표시할 수 있음
log[M n+] = logKsp - npH - nlogKw
(M : Metal ion, Kw : [H ][OH ] = 1×10 )
- 금속의 용해도는 pH 저하에 따라 지수함수적인 증가(자연상태에서는 복잡한 반응을 동반)
- 자연계 복잡한 반응
-
-2
-2
-3
등의 음이온이 많이 존재하면 침전이 감소하여 금속
분
석
편
)
② 용해도를 감소시키는 경우 : S , CO3 , PO4
의 용해도를 감소시킴
(
-
① 용해도를 증가시키는 경우(착염; complex salt) : 중금속등이 OH , Cl , 유기산들과 결합하여 이온
상태의 용존화합물을 형성하여 용해도를 증가
폐
기
물
실
험
방
법
이론적 배경
▢ 페기물의 용출특성에 대한 영향인자
- pH가 낮은 용출액에서 중금속 용출율이 높고 , 용매부피가 증가할 수록 용출농도는 감소
- 폐기물의 성질
- 용출시험 중 영향인자
① 폐기물의 종류
① 용출시험의 종류(진탕, stirrer 교반, 정치, 컬럼등)
② 폐기물의 pH
② 용출용매의 종류(순수, 해수, 침출수 등)
③ 샘플링 위치 및 방법(대표적, 특수적)
③ 용출용매와 폐기물의 고액비(S / L)
④ 주성분 원소의 종류
④ 용출시료 중의 산화환원 상태 등
⑤ 주성분 원소의 양과 화학적 형태
⑤ 용출용매의 접촉시간
⑥ 측정대상 원소의 양과 화학적 형태
⑥ 용출용매의 pH
⑦ 폐기물의 불균질성
⑦ 용출액의 총 이온 농도
⑧ 폐기물의 입도분포
⑧ 시험에 사용된 폐기물의 양(불균일의 원인)
⑨ 폐기물의 표면적
⑨ 용출액 중의 고형물량 또는 현탁물 양
- 폐기물 특성 파악 시 다양한 용출방법 적용
분
석
편
)
- 폐기물에 따라 결과가 달라지므로 국가별 다양한 용출방법 선택
(
▢ 국가별 용출 시험방법
폐
기
물
실
험
방
법
이론적 배경
▢ 국가별 용출 시험방법
미국
스위스
독일
프랑스
TVA
DIN38414
S4
AF
NOR
X31210
네덜란드
일본
環境廳
告示
13
環境廳
告示
46
실험
방법
EP
TOX
입자
크기
< 9.5mm
< 9.5mm
-
<10mm
<4mm
<5mm
<2mm
용매
탈이온수
+아세테
이트
아세테이
트 또는
아세테이
트 완충액
이산화탄
소
포화용액
탈이온수
탈이온수
증류수
+ 염산
증류수
+ 염산
pH≤5
pH2.88
/4.93
pH5.6
pH
5.8~6.3
pH
TCLP
Column
<3mm
Serial
Batch
<3mm
증류수
증류수
pH
5.8~6.3
pH4
pH4
Availa
-bility
<125㎛
<40mm
증류수
+ 질산
증류수
pH4와
pH7
시료량
(g)
100
100
100
~200
100
150
>50
>50
500
~800
40
16
액고비
(L/S)
20
20
10
10
10
10
10
0.1~10
20
100
상온
실온
실온
온도
(℃)
20~40
용출
용기
폴리
에틸렌병
폴리
에틸렌병
병
2L
플라스크
1.5L
플라스크
용출
방법
연속진탕
수직회전
30±2rpm
CO 2
100mL/
min
수직회전
진탕
수직회전
60rpm
평형진탕
용출
시간
(hr)
24
18
24
24
16
용출
횟수
1
1
1~2
1~2
분리
방법
0.45멤브
레인필터
여과
0.6~0.8
GFF
0.45멤브
레인필터
0.45멤브
레인필터
22
Tank
Leachil
pH4
>100
5
1L
폴리
에틸렌병
비이커
폴리
에틸렌병
평행진탕
상향류
진탕
교반자
진탕
직립
6
6
240
24×5
3×2
1536
1~3
1
1
연속성
1~5
1~2
1~7
0.45멤브
레인필터
또는
원심분리
>2000
1GFF
원심분리
3000rpm
20분 +
0.45멤브
레인필터
0.45멤브
레인필터
0.45멤브
레인필터
0.45멤브
레인필터
(
폴리
에틸렌
칼럼
폐
기
물
실
험
방
법
0.45멤브
레인필터
)
분
석
편
실험장치 및 시약
▢ 실험장치
-
시료(용출시험 : 100g, 함유량 시험 : 5g)
진탕기(horizontal shaker, 진폭 4~5cm)
비이커(100ml)
삼각 플라스크(2000ml)
마그네틱바(교반기0
가열판(hot plate)
pH미터
중금속 분석기(분광광도계, 원자흡광광도계, 유도결합플라즈마 발광광도계)
▢시약
- 증류수
- 질산
- 염산
실험절차 및 계산
분
석
편
)
- 고형물함량 5%이하(수분 함량 95%이상)인 경우 용출시험 대상에서 제외 함유량 시험방법적용
- 입경 5mm이상인 경우 파쇄기로 분쇄 후 입경 0.5~5mm크기로 시료 조제
- 함수율 보정 : 15/(100-D)
D:시료의 수분함량(%)
(
▢ 시료의 전처리
폐
기
물
실
험
방
법
실험절차 및 계산
▢ 용출시험
① 전처리 후 소각재 100g을 2,000ml 삼각플라스크에 넣음
② pH 5.8~6.3으로 조절된 증류수 1,000ml을 삼각플라스크에 넣고 마개를 막음
③ 진탕기로 6시간 진탕(200회/분당, 진폭 4~5cm)
④ 진탕 후 1㎛ 유리섬유여지 또는 원심분리기를 이요하여 고액 분리 후 여액을 검액으로 함
⑤ 여액을 중금속 분석을 위한 시료의 전처리실시(일반적으로 질산에의한 유기물분해법 사용)
⑥ 전처리 후 중금속 분석기(분광광도계, 원자흡광광도계 및 유도결합 플라즈마발과 광도계) 사용 Pb
과 Cu 분석
용출조건
속도 : 200rpm
폐
기
물
실
험
방
법
용출시간
6시간
(
고액비(S/L)
1 : 10(W/V)
여과지 공극
1.0㎛ 유리섬유여지
여과방법
원심분리 또는 진공여과
항
pH
목
조
건
5.8 ~ 6.3
용출용매
염산 + 증류수(탈이온수)
진탕조건
수평반복진탕
진폭 : 4~5cm
)
분
석
편
우리나라의 용출시험 판정기준
(단위 : mg/ℓ)
납 또는 그 화합물
3
구리 또는 그 화합물
3
비소 또는 그 화합물
1.5
수은 또는 그 화합물
0.005
카드뮴 또는 그 화합물
0.3
6가크롬 또는 그 화합물
1.5
시안 화합물
1
유기인 화합물
1
Trichloroethylene(TCE)
0.3
Tetrachloroethylene(PCE)
0.1
폐
기
물
실
험
방
법
(
기름성분(%)
5%
)
분
석
편
지정 폐기물의 분류 및 확인체계
분류기준
특정시설
부식성
폐기물의 종류
- 폐합성 고분자 화합물
제조공정에서 발생되는것
- 폐산
- pH 2.0 이하
- 폐알칼리
- pH 12.5 이상
- 폐페인트 및 페락카
- 제조업, 도장시설, 폐기
물 재활용시설 등에서
발생되는 것
- 폐유
- PCB 함유폐기물
- 기름성분 5% 이상
인화성
반응성
- 광재, 분진, 폐주물사, 폐내화물, - 용출시험 10가지 항목에
소각재, 안정화 또는 고형화 처리 대한 용출농도 기준 이상인
물, 폐촉매, 폐흡착제, 오니류
것
- 폐농약
폐
기
물
실
험
방
법
- 액체 상태의 PCB
(
용출성
- 폐유기용제
- 폐석면
유해성
기타
판정기준
- 기타 환경부장관이 정하는것
)
분
석
편
(7) 중금속함유량 측정
▢ 중금속 함유량 시험
- 단위 : mg/kg
- 전처리 방법
① Cu, Zn, Cd, Mn, Ca, Mg, Ni : 질산/과염소산법, 질산/염산 분해법, 질산/염산 끓임법
② Cr, Fe : 질산/염산 분해법, 질산/염산 끓임법
③ Pb, Al : 질산/염산 끓임법
- 일반적으로 질산/염산 끓임법 을 가장 많이 사용함
- 질산/과염소산법
① 시료 2~5g을 비이커에 넣어 질산 30ml을 넣고 시계접시를 덮음
② 열판에서 서서히 가열(거품이 격렬하게 발생할 경우 시간이 길어질 수 있음)
③ 결렬한 반이 끝나면, 시계접시를 옆으로 하고 건고되기 전까지 분해를 계속함
④ 시계접시의 밑면과 비이커 내부를 소량의 물로 씻음
⑤ 질산 5ml, 과염소산 10ml을 넣고 가열하여 백연이 발생할 때 시계접시를 덮음(10분간 더 가열 후
방냉)
⑥ 미분해 유기물이 있는 경우 실온으로 방냉 후 질산을 가하여 가열, 분해를 반복
⑧ 용량 플라스크에 부은 후 100ml로 조정
분
석
편
)
⑨ 곧 바로 1.0 ㎛ 유리섬유여지로 여과하여 그 여액을 시료로 사용
(
⑦ 염산(1+5) 25ml를 더 가하여 수분간 더 가열한 후 방냉
폐
기
물
실
험
방
법
실험절차 및 계산
▢ 중금속 함유량 시험
- 질산/염산 분해법
① 시료 2~5g을 비이커에 넣어 질산 5ml 과 염산 15ml을 가하고 시계접시를 덮음
② 열판에서 서서히 가열
③ 결렬한 반이 끝나면, 시계접시를 옆으로 하고 건고되기 전까지 분해를 계속함
④ 질산 5ml, 염산 15ml 로 내벽을 씻어 내린 후 가열 분해(3~5회 반복)
⑤ 방낸 후 염산(1+5) 25ml를 더 가하여 수분간 더 가열한 후 방냉
⑥ 용량 플라스크에 부은 후 100ml로 조정
⑦ 1.0 ㎛ 유리섬유여지로 여과하여 그 여액을 시료로 사용
- 질산/염산(왕수) 분해법
① 시료 2~5g을 테프론 비이커에 넣어 질산 15ml 과 염산 45ml을 가하고 시계접시를 덮음
② 열판에서 서서히 가열 (5~10ml될때까지)후 방냉
③ 용량 플라스크에 부은 후 100ml로 조정
④ 1.0 ㎛ 유리섬유여지로 여과하여 그 여액을 시료로 사용
폐
기
물
실
험
방
법
(
▢ 실험 시 주의 사항
)
- 부식성이 강한 산화제이고 강열로 열처리하기 때문에 환기시설(후드및 덕트)이 잘되는 곳에서 실시
분
석
편
용출시험과 중금속 함유량 계산방법
- 용출실험
① 전처리된 시료는 분관광도계, 원자흡광광도계, 유도결합플라즈마 발광광도계등을 이용하여 중금속
농도를 측정함(mg/l)
② 수분함량 보정 : 함수율 85%이상인 시료는 측정값에 15/(1- D)를 곱함(D:시료의 함수율%)
- 함유량 실험
① 전처리된 시료는 분관광도계, 원자흡광광도계, 유도결합플라즈마 발광광도계등을 이용하여 Pb, Cu
의 함유량을 측정함
② 계산 (mg/ml -> mg/kg)
> Pb 분석결과 20 mg/ml일 경우
3
Pb 의 경우
20mg
100ml
l
10 g
------ × ----- × -----× ----- = 400 mg/kg
3
l
5g
10 ml
kg
(
> Cu 분석결과 30 mg/ml일 경우
3
Cu 의 경우
폐
기
물
실
험
방
법
)
30mg
100ml
l
10 g
------ × ----- × -----× ----- = 600 mg/kg
3
l
5g
10 ml
kg
분
석
편
제5장 폐기물 용출시험 및 함유량시험
※ 휘발성 저급염소화 탄화수소(PCE, TCE) 측정방법
▢ GC 법
- 시료의 전처리(액상)
시
시료
료
← (약 20㎖)
시
여과
료
← (공극 크기 1㎕ 내외의 유리섬유 여지가 부착된 유리주사기 사용)
시
검액
료
← (여액을 검액으로 사용)
- 시료의 전처리(반고상)
시
시료
료
마개있는
시삼각플라스크
료
← (50g)
← (용량 : 약 550㎖)
← 용매(pH 5.8~6.3의 정제수) 500㎖
(시료 : 용매 = 1:10(w/v))
시
교반
료
← (10 ~ 20분)
시
정치
료
← (약 20㎖)
시
검액
료
← (공극크기 1㎕ 내외의 유리섬유 여지가 부착된
유리주사기 사용)
← 여액을 검액으로 함
(
상등액
시 료
분취
폐
기
물
실
험
방
법
)
분
석
편
제5장 폐기물 용출시험 및 함유량시험
※ 휘발성 저급염소화 탄화수소(PCE, TCE) 측정방법
▢ GC 법
- 시험방법
시
검액
료
시
분취
료
← (마개 있는 20㎖ 시험관에 10㎖ 분취)
시
진탕
료
← n-Hexane 10㎖ 첨가
← (3분간)
시
정치
료
← (1분 정도)
용매층 분리
← (정치시킨 후 GC 분석 용 주사기로
n-Hexane 층 분취)
GC
시 분석
료
폐
기
물
실
험
방
법
(
)
분
석
편
제5장 폐기물 용출시험 및 함유량시험
※ 유기인 측정방법
▢ GC 법(가스크로마토그래피 법)
- 시료 전처리
시
시료
료
분액깔때기
시 료
← (액상폐기물 시료 또는 용출액)
← (1ℓ)
← 염화나트륨, 5g
← 0.1% 메틸 오렌지용액 2~3g
pH
시 조절
료
← (1+1) 염산으로 pH 3~4 로 조절
← n-Hexane 50㎖
시
진탕
료
용
시매료
층
분액깔때기
시 료
← (3분간)
←
(수층을 헥산 25㎖로 2회 수 수출하여 버리
고,
헥산은 용매층에 합한다.)
← (250㎖용)
(세척 : 증류수 20㎖씩 2회)
세척 및시탈수
료 여과 ← (탈수 : 무수황산나트륨)
감압농축
시 료
추출잔류물
시 료
(
Hexane층
시 료 휘산
← (40℃ 이하에서 농축)
공기 또는 질소 송
←
기 않도록 주
(건조시키지
←
의)
폐
기
물
실
험
방
법
)
분
석
편
제5장 폐기물 용출시험 및 함유량시험
※ 유기인 측정방법
▢ GC 법(가스크로마토그래피 법)
- 시험 방법
추출잔류물
시 료
유기인 정제용 컬럼용액 2㎖로 잔류물을 녹여
← 정제용 컬럼에 넣는다
정제용
시 료
컬럼
← 유기인 정제용 컬럼용출액 70㎖
시
유출
료
유출액
시 료
70㎖
시
농축
료
← (1초당 1방울의 속도로 조절)
← (초기 5㎖ 정도)
← (5㎖ 정도)
← 공기 또는 질소가스 송기
유출액
시 료
휘산
← (건고되지 않도록 주의)
← 아세톤
시
10㎖
료
GC
시 분석
료
폐
기
물
실
험
방
법
(
)
분
석
편