Porous ceramics have the advantages of low density, low thermal conductivity, and excellent mechanical properties. Among porous ceramic manufacturing methods, the replica template method allows the easy manufacturing of porous filters with the highest porosity and pores of the desired size, but it also has the disadvantage that the resulting filters have low mechanical strength. To overcome this shortcoming, mullite (3Al2O3·2SiO2) whiskers, which have excellent thermal stability and high mechanical strength, were introduced in porous ceramic structure. The mullite whiskers were synthesized using a composition of Al2O3, flyash and MoO3. The morphologies and crystal structures of the mullite whiskers with MoO3 contents were investigated in detail. When the porous ceramic with mullite whiskers was fabricated using 20 wt% MoO3 catalyst the most uniform microstructure was obtained, and the mullite whiskers showed the highest aspect ratio of 47.03. The porosity and compressive strength of the fabricated porous ceramic were 82.12% and 0.83 MPa, respectively.

Fly ash is a by-product of coal fired electrical power plants and used as a material for cement and concrete; particularly, imported fly ash is mainly applied for cement production. Main objectives of this article are to replace domestic fly ash with an imported source. To verify the possibility of domestic fly ash as a material for cement from the aspect of chemical composition and physical properties, we manufactured various kinds of cement, such as using only natural raw material, shale, and partial replacement with domestic and imported fly ash. When we used the domestic and imported fly ash, there were no specific problems in terms of clinker synthesis or cement manufacturing in relation to the natural material, shale. In conclusion, domestic fly ash has been confirmed as an alternative raw material for cement because 7 days and 28 days compressive strength values were better than those of reference cement using natural raw material, on top of the process issue.

기후변화에 따른 신재생에너지 사용에 대한 사회적 요구가 증가되고 있지만, 아직까지 우리나라는 전력생산의 약 40%를 석탄화력발전에 의존하고 있는 실정이다. 이에 따른 석탄재 발생량은 지난 10년간 약 2배 정도 증가하여 2015년 한해에만 약 900만톤의 석탄재가 발생하였다. 이렇게 발생된 석탄재 중 비산재는 주요성분이 Al2O3, SiO2, Fe2O3의 광물 (>95%)로 구성되어 있어, 양회용 건설재료로 많이 쓰이고 있다. 하지만, 아직까지 연간 약 200만톤의 석탄재가 매립되고 있는 실정이여서 이와관련된 여러 가지 환경오염문제들이 발생하고 있다. 본 연구에서는 국내화력발전소에서 수집한 석탄재를 이용하여 주요성분인 Al와 Si를 추출하여, 기존의 보고된 제올라이트 합성방법을 수정하여 새롭고 다양한 제올라이트로 합성하는 기술을 개발하였다. 또한, 합성된 제올라이트를 서포터로 하는 촉매를 개발하여 수내에 환경오염물질의 효과적인 제거가 가능한지 여부를 평가하였다. 본 연구의 결과들은 향후 지속적으로 발생되는 석탄재의 환경정화소재화 기술을 통해서 다양한 오염물질 분해에 적용할 수 있는 가능성을 보여준다.

A Controlled Low-Strength Materials (CLSM) is suitable for mine backfilling because it does not require compaction owing to it high fluidity and can be installed quickly. Therefore, a CLSM utilizing CO2-solidified Circulating Fluidzed Bed Combustion (CFBC) coal ash was developed and it’s properties were investigated, since. CO2-solidification of CFBC coal ash can inhibit exudation of heavy metals. The chemical composition and specific surface area of Pulverized coal Combustion fly ash and CFBC fly ash were analyzed. The water ratio, compressive strength and length change ratio of CLSM were confirmed. The water ratios differed with the specific surface area of the CLSM. It was confirmed that the porosity of CLSM affected its compressive strength and length change ratio.

In this study, we looked into the levels and distribution characteristics of harmful substances found in imported coal ash to identify their possible impacts on the environment and human body in the process of recycling and to develop plans for their proper management. To this end, organic pollutants including heavy metals were analyzed from 19 samples of imported coal ash, and their potential impact on the environment was evaluated. To investigate the characteristics of the heavy metal content in the coal ash, a leaching test was conducted, and the result showed that the heavy metal concentrations in the coal ash were far lower than the permitted levels of hazardous substances in designated waste in Korea. In addition, a content analysis showed that the heavy metal content was lower than the level prescribed in the standards for area II levels of soil contamination. Since coal ash is recycled in cement kilns, levels of Pb, Cu, and Cd in the cement kilns were reviewed and compared against permitted levels of those heavy metals in other alternative fuels. Levels of Pb, Cu, and Cd in the coal ash were comfortably within the acceptable limits by Korean standards, but the level of arsenic was close to the limit. Given the fact that arsenic leached from the coal ash recycling process could have an adverse impact on both the environment and the human body, it is therefore necessary to monitor arsenic leaching from coal ash continuously . Levels of other substances that could be contained in coal ash, such as dioxin, PCBs , and PAHs, were also measured. The measurements showed that the levels of these substances were generally low or undetectable; therefore, the environmental impact of organic pollutants from coal ash recycling was considered insignificant.

광물 탄산화 공정은 CCS 기술 분야 중 하나로써 이산화탄소를 특정 금속 또는 금속화합물과 반응시켜 안정하고 영구적인 탄산염 형태로 저장 및 고정화하는 기술이다. 연간 약 5000만톤 발생하는 산업 부산물은 알칼리성 금속들을 상당량 포함하고 있고 이산화탄소 발생지 근처에서 수급이 가능하므로 탄산화의 원료로 이용하는데 유리하다. 본 연구에서는 산업 부산물중 석탄재를 이용하여 이산화탄소와 액상탄산화 반응 후 탈리액 내 미반응 무기 양이온의 재이용에 대한 가능성 및 특성을 알아보고자 하였다. 탄산화전 석탄재의 무기 양이온 용출 효율을 높이기 위해 용출제로 1N HCl이 사용되었다. 이산화탄소의 공급농도는 질소와 혼합되어 배기가스 농도인 15vol%로 사용되었다. 이산화탄소 흡수제는 널리 쓰이고 있는 30wt%의 MEA(MonoEthanolAmine)수용액을 이용하였고 포화된 이산화탄소의 공급량 및 흡수량을 계산하였다. 탄산화 반응 전후의 무기양이온 용출농도, 이산화탄소 전환율, CaCO3 성분 확인 등은 IC, TGA, XRD 분석을 통해 확인되었다.

우리나라에서는 5개 발전사의 10개 화력발전소에서 2013년 기준으로 약 891만 톤의 석탄재가 발생하고 있다. 석탄재는 약 82%가 비산재, 18%는 바닥재로 구성되어있으며, 이 중 비산재는 대부분 레미콘혼화제 및 시멘트 대체원료 등으로 재활용되고 있으나 바닥재는 발전소 내의 매립시설에 보관되어 있는 실정이다. 본 연구에서는 바닥재의 토양으로 재활용 가능성을 평가하고자 하였으며, 석탄재가 함유하고 있는 유해물질을 중심으로 석탄재의 환경영향 가능성 평가를 위해 SP 및 HD석탄재를 각각 단독 또는 토양과 혼합하여 컬럼시험(Percolation test)을 진행하였고, 대조군시험을 위해 비오염토양을 확보하여 동일하게 분석을 수행하였다. 컬럼시험에 사용한 유입수는 해수, 산성강우(pH 4.5), 증류수이며, 유입 유속을 1 mL/min으로 유지하여 운전하였다. 각 컬럼에서 2L씩 최대 15 Fraction의 용출액을 채취하였으며, 채취한 즉시 pH, 온도 및 전기전도도를 측정하였고, 이 외에 생태독성, 중금속 및 이온물질을 분석하여 유해물질 용출 패턴을 확인하였다. 컬럼 용출액 중 pH를 모니터한 결과, SP 석탄재는 8.20~8.78, HD 석탄재는 7.63~8.03 범위를 보였다. 석탄재에 함유되어 있는 다양한 중금속의 용출패턴을 확인한 결과, 전반적으로 유출량에 따른 뚜렷한 감소특성을 보이지 않았다. 철(Fe)은 초기 용출액에서 낮은 농도가 검출되다가 6 Fr 이후부터 높은 농도가 유출되었고, 다시 12 Fr 이후부터 감소하였다. 석탄재를 단독으로 사용한 컬럼에 비해 토양과 혼합한 컬럼의 용출액 중 보론(B) 농도가 낮은 것으로 나타났다. Al, Mn, Ni, Sb, Se 등은 특별한 경향을 보이지 않았으며, 이 외에 분석한 중금속 항목 중에 Cd, Cu, Pb, Zn, Hg, 6가크롬은 용출액에서 모두 불검출 되었다. 용출액을 가지고 물벼룩의 급성독성을 시험하여 유입수에 따라 독성 수준이 다른 것을 확인하였다. 즉, 석탄재 자체의 독성보다는 해수, 담수, 산성강우 등 유입수의 영향을 받는 것으로 보인다. 증류수를 유입한 컬럼 중 SP석탄재는 모두 불검출 되었고, HD석탄재에서는 첫 번째 유출액에서만 1 TU이상의 값이 나오다가 이후 감소되었다. 해수를 흘려준 컬럼에서는 염도의 영향으로 1~2 TU 이상이 5 Fr 까지 유지되었고, 산성강우를 흘려준 SP석탄재와, 토양과 혼합한 HD석탄재 컬럼에서는 10 Fr 까지 1 TU이상을 유지하였으며 최대 8.2 TU의 독성을 나타내었다. 국내에서는 생태독성을 산업폐수 배출허용기준으로 적용하고 있으며, 청정지역과 청정지역 외로 구분하여 각각 1 TU와 2 TU로 규제하고 있다. 미국 델라웨어주와 뉴욕주, 독일의 폐수종말처리장에서도 2 TU로 관리하고 있다. 석탄재중 용출시험 결과 2 Fr 이후부터는 2 TU 이하를 유지하는 것으로 나타났으나, 일부 컬럼의 초기 용출액에서 나타난 독성영향에 대해서는 추가적인 검토가 필요하다.

석탄재는 4개 시멘트제조사에서 ‘02년부터 일본에서 수입하여 시멘트 대체원료로 사용하고 있으며 수입량은 매년 증가하고 있다. 2011년 1,110천톤, 2012년 1,231천톤, 2013년 1,347천톤의 석탄재를 수입하였으며, 주 용도는 점토대체재와 정제회로 재활용하고 있다. 이에 수입석탄재(비산재)의 적정성 및 유해성 검토 필요성이 제기되어 수입폐기물의 유해물질 함유실태 및 재활용 과정의 유해물질 배출실태를 조사하여 폐기물의 수입규제 강화 등 적정 관리방안 마련을 위해 조사를 수행하였다. 수입석탄재는 선박의 해치에서 호퍼나 압송으로 사이로나 벨트컨베이어로 하역하며 BCT나 트럭으로 이송하여 보관한다. 수입석탄재의 주성분은 SiO2, Al2O3, Fe2O3로 구성되며 국내 석탄재와 유사하다. 2013년 일본의 15개 발전소에서 총 19건의 수입석탄재를 시료 채취하여 중금속 용출･함량, 다이옥신 등 유해물질 농도 분포를 비교･분석하여 유해성 검토하였다. 무기물질류 18항목을 분석하여 이 중 폐기물관리법 시행규칙의 지정폐기물에 함유된 중금속 용출기준과 비교한 결과 6항목(Cr6+, Cu, Cd, As, Hg, Pb) 모두 법적기준 이내이었으며 PCBs(7종)는 19건 모두 불검출, PAHs(7종)는 불검출~0.004mg/kg으로 미량 검출, PCDD/DFs(17종) 또한 불검출~0.043 I-TEQ(pg/g)으로 검출되었다. 우리나라는 폐기물 수출･입을 신고와 허가제도로 이원화하여 관리하고 있으며 허가제도는 폐유기용제 등 바젤협약 유해폐기물(63품목) 및 OECD 황색폐기물(23품목) 86품목을 지정하여 유해폐기물의 국가간 이동으로 인한 환경오염을 방지하고 유해폐기물의 수출입을 규제하는 제도로 1994년 12월부터 운영하고 있다. 신고제도는 허가대상 외의 수입폐기물(25품목)에 대해서 수출입 관리를 강화하여 적정처리 유도하는 제도로 2008년 8월시행하고 있다. 현재 수입석탄재는 신고대상 품목에 포함되어 관리되고 있어 방사능 및 유해성, 국민정서를 고려하여 허가대상 품목 및 수입금지 품목으로의 제도개선도 검토해야 할 것이다.

화력발전소에서 석탄을 이용하여 에너지를 생산하는 연소방식에는 크게 미분탄 연소방식과 순환 유동층 연소방식으로 구분된다. 순환 유동층 연소방식은 기존 연소로에는 적합하지 않은 고유황탄, 저품위탄, 폐기물 등 모든 가연성 물질에 대하여 광범위한 원료 사용이 가능하다. 또한, 질소산화물의 배출을 억제하기 위해 연소로 온도를 약 900℃ 정도로 유지하고 암모니아를 분무하며, 석탄과 석회석을 혼소하여 노(盧) 내에서 직접 탈황을 실시하는 등의 공정관리를 실시하고 있다. 이러한 순환 유동층 연소방식의 석탄재(이하 CFBC-FA)는 화학적 특성이 미분탄 연소방식의 F급 석탄재와는 달리 CaO 화합물이 다량 함유되어 있어 콘크리트 혼화재로 사용할 경우 Free CaO 성분이 콘크리트의 이상 응결현상, 슬럼프의 손실, 지연제의 사용량 증가, 내구성 저하 등의 문제를 발생시키고, 특히 콘크리트의 팽창, 균열　등의 문제를 발생하여 물성을 저하시키는 것으로 알려져 있으며, 전량 매립처리 되고 있어 재활용 방안이 요구되고 있다. 본 연구에서는 CFBC-FA를 건설재료(콘크리트 구조물 적용 제외)로 활용하기 위해 CFBC-FA의 물리․화학적 특성 분석을 실시하였으며, 고로슬래그와 CFBC-FA를 활용한 무기결합재 물성평가를 실시하였다. 본 실험에 사용한 CFBC-FA는 미분탄 연소방식의 석탄재와는 달리 CaO 함량 32.4%, SO₃ 함량 8.4%로 높았으며, SiO₂ 30.5%, Al₂O₃ 15.9%로 구성되어 있음을 확인하였다. Free CaO 함량은 17.3%, 비중은 2.8, 강열감량은 3.4%, pH는 12.4, 평균입경은 7.23 ㎛로 측정되었으며, 입형은 미분탄 연소방식의 석탄재와 같은 구형이 아닌 부정형임을 확인하였다. 이러한 물성을 지닌 CFBC-FA를 개질처리하여 제조한 결합재의 수화열, 유동성, 강도 측정을 실시하였다. 개질처리한 CFBC-FA의 혼입량이 증가할수록 유동성은 감소하는 경향을 나타내었으며, 수화열은 높아지는 경향을 보였다. 수화열의 발열성상은 보통포틀랜드 시멘트 및 슬래그시멘트와 달리 가수 후 2시간 이내에 최고 온도에 도달하고 있음을 확인하였다. 개질처리한 CFBC-FA와 고로슬래그의 혼합비율이 55:45인 결합재와 슬래그 시멘트의 재령7일 압축강도는 각각 12.7 MPa, 17.6 MPa였으며, 28일 압축강도는 30.0 MPa, 29.8 MPa 로 측정되었다.

The recovery potential of rare earth elements (REE) in coal ash was evaluated in this study. The previous researches were reviewed, and the physicochemical analysis of coal ash collected from a thermal power plant in Korea was conducted. According to the results of particle-size distribution, fly ash could be classificed as a fine-grained soil by unified soil classification system, and showed a uniform particle size distribution. The particle size of bottom ash was a coarse grained soil and the particle-size distribution was well graded compared to that of fly ash. However, there was no significant difference in the physicochemical composition between both the ashs and particle-size. Although REE was not found in the coal ash specimens used in this study, various valuable metallic compounds were observed. The silicate compounds showed the highest contents being 50% (by wt.), followed by 20 and 10% in aluminum oxide and iron hydroxide. There were also the trace elements in oxide forms (e. g., Ca, Mg, K). Unlike previous researches there are no REE detected in the coal ash specimens used in this study. The composition of ash depends on the coal used in the power plant and the detection limits of analytic instruments may be critical.