Magnesium and its alloys are attractive as light weight structural/functional materials for high performance application in automobile and electronics industries due to their superior physical properties. In order to obtain high quality products manufactured by the magnesium powders, it is important to control and understand the densification behavior of the powders. The effect of the sheath surrounding the magnesium powders on the plastic deformation and densification behavior during equal channel angular pressing was investigated in the study by experimental and the finite element methods. A modified version of Lee-Kim's plastic yield criterion, notably known as the critical relative density model, was applied to simulate the densification behavior of magnesium powders. In addition, a new approach that extracts the mechanical characteristics of both the powder and the matrix was developed. The model was implemented into the finite element method, with which powder compaction under equal channel angular pressing was simulated.

In this study, the bottom-up powder metallurgy and the top-down severe plastic deformation (SPD) techniques for manufacturing bulk nanomaterials were combined in order to achieve both full density and grain refinement without grain growth of rapidly solidified Al-20 wt% Si alloy powders during consolidation processing. Continuous equal channel multi-angular processing (C-ECMAP) was proposed to improve low productivity of conventional ECAP, one of the most promising method in SPD. As a powder consolidation method, C-ECMAP was employed. A wide range of experimental studies were carried out for characterizing mechanical properties and microstructures of the ECMAP processed materials. It was found that effective properties of high strength and full density maintaining nanoscale microstructure are achieved. The proposed SPD processing of powder materials can be a good method to achieve fully density and nanostructured materials.

In this study, bottom-up type powder processing and top-down type SPD (severe plastic deformation) approaches were combined in order to achieve both full density and grain refinement of Al-20 wt% Si powders without grain growth, which was considered as a bottle neck of the bottom-up method using the conventional powder metallurgy of compaction and sintering. ECAP (Equal channel angular pressing), one of the most promising method in SPD, was used for the powder consolidation. The powder ECAP processing with 1, 2, 4 and 8 passes was conducted for 10 and 20 It was found by microhardness, compression tests and micro-structure characterization that high mechanical strength could be achieved effectively as a result of the well bonded powder contact surface during ECAP process. The SPD processing of powders is a viable method to achieve both fully density and nanostructured materials.

수은의 배출로부터 국민의 건강과 환경을 보호하기 위하여 국제수은협약(Minamata Convention on Mercury)이 2013년도에 채택되었다. Article 11에서는 수은폐기물을 수은 오염, 함유, 구성 폐기물 등 총 3가지 종류로 구분하여 정의하고 있다. 현재 국내법 체계상 수은폐기물은 따로 분류 및 처리되고 있지 않은 상황이다. 국내 수은폐기물은 발생원에 따라 넓은 농도범위의 수은을 포함하고 있다. 산업시설에서 발생한 수은폐기물은 지정 폐기물로 분류되어 폐기물관리법에서 지정하고 있는 고형화 처리 후 매립되고 있다. 매립된 고농도 수은 함유 폐기물은 장기간에 걸쳐 환경에 노출되었을 때 시멘트 고화체로부터 고농도 수은 함유 침출수가 유출되어 2차 오염원이 발생할 가능성이 높다. 그러므로 본 연구에서는 고형화 처리를 거쳐 매립된 수은폐기물이 매립지에 장기간 존재하였을 때 환경에 미칠 영향을 알아보고자 하였다. 또한 수은폐기물의 처리방법으로써 고형화 처리법이 적절한 방법인지 알아보기 위해 장기용출 시험법을 적용해보았다. 대상 시료로써 국내 산업시설 발생 폐슬러지 및 원소수은을 사용하였다. 시멘트 고화체 제작을 위해 현재 국내 폐기물관리법에 명시된 고형화물 1 m³ 당 시멘트 150 kg 이상 첨가기준 및 28일의 양생기간을 준수하였다. 또한 장기용출 실험의 용출용매로써 pH 4, 7, 10의 버퍼용액을 사용하였다. 용출용매는 1, 3, 7, 28일 주기로 교체해 주었다. 용출액 수은 함량분석 결과 초기단계에 용출시험 기준치 수은항목 0.005 mg/L 이상의 수은이 용출되었음을 확인하였다. 28일 이후에 용출되는 수은량이 점차 감소하는 추세를 나타내었으나 여전히 수은이 용출되는 것을 확인하였다. 이러한 실험결과로 보아 고농도 수은폐기물을 대상으로 고형화 처리를 진행하는 것은 적절하지 않은 방법으로 판단된다. 그러므로 고농도 수은폐기물은 고형화 처리 이외의 기술을 적용시킬 필요가 있으며 고농도의 수은을 포함하고 있는 수은폐기물의 매립을 제한할 필요가 있다고 판단된다.

하수처리장의 증가와 함께 하수슬러지의 발생량 또한 매년 상승하고 있으며, 2025년은 2006년 대비 2배가 더 발생하게 된다. 이러한 하수슬러지는 주로 해양투기와 재활용에 의하여 처리되어 왔으나, 가장 단순하고 저렴한 방식이었던 해양투기가 2012년 01월부터 전면금지가 되었다. 현재 하수슬러지의 처리방법 중 재활용은 약 56% 정도를 차지하고 있다. 이 중 재활용은 매립지의 복토재, 건설자재, 토목자재, 시멘트 원료화 등으로 활용되고 있다. 지금까지 재활용 처리방법 중 매립지의 복토재로 재활용하는 것이 많은 연구가 진행되어 왔으나 친환경적인 처리방법 및 MICP 미생물에 관한 고형화/안정화 연구는 아직 미흡하다고 판단된다. 따라서, 본 연구에서는 MICP를 형성하는 미생물을 이용하여 하수슬러지를 고형화/안정화 한 후 매립지의 복토재로서 가능성을 보고자 한다. 이에 본 연구는 MICP를 형성하는 미생물의 생물학적 및 광물학적 분석을 하였으며 하수슬러지 및 고화제의 물리화학적 분석을 수행하였다. 본 연구를 위하여 하수슬러지의 고형화적 품질기준인 pH, 수분함량, 투수계수, 일축압축 강도, 유해물질 함량 분석을 실시하였다. 또한, MICP를 형성하는 미생물에 의하여 하수슬러지가 고화처리 된 것인지 확인하기 위하여 탄산칼슘의 광물학적 분석을 병행하여 고형화/안정화에 대한 신뢰성을 갖고자 한다.

The purpose of this study was to suggest feasible disposal methods for heavy-metal-contaminated soil or mine tailings through solidification/stabilization. To improve the compressive strength and enhance the heavy-metal stabilization after solidification/stabilization, we used the industrial wastes (oyster shell powder and waste gypsum) and indigenous bacteria as immobilization agents. Three indigenous bacteria were isolated from each heavy-metal-contaminated soil or mine tailing site, and the bacteria were identified by cellular fatty acid composition analysis. The results of cellular fatty acid composition analysis showed that the closest strains of these bacteria are Brevibacillus centrosporus, Lysinibacillus sphaericus, and Bacillus megaterium. To the best of our knowledge, this research was the first report of biomineralization by Brevibacillus centrosporus. As a result of mixing additives with the optimum mixing ratio suggested in this study, the compressive strengths of specimens were satisfied in accordance with the US Environmental Protection Agency (EPA) waste treatment standard after 28 days of aging. Additionally, the results of the Toxicity Characteristics Leaching Procedure (TCLP) and Synthetic Precipitation Leaching Procedure (SPLP) analysis showed the successful immobilization of heavy metals after 28 days of specimen formation for solidification/stabilization.

파이로 공정에서 발생되는 염폐기물은 휘발성이 높아 고온공정에 적용하기 어려우며, 폐기물내에 존재하는 염소로 인해, 전 통적인 유리매질에 대한 상용성이 낮은 특성을 가지고 있어, 새로운 고화방법이 필요하다. KAERI에서는 탈염소화법을 이용 하여 염소를 탈리하고, 일반적인 유리매질에 고화하는 연구방법을 제안하였다. 본 연구에서는 기존의 탈염소화법에 사용된 합성무기복합체(SAP, SiO2-Al2O3-P2O5)에 첨가물로서, Fe2O3 및 B2O3를 부가하여 5성분계의 복합체를 제조하고, 조성에 따른 탈염소화반응 및 고화체의 특성을 조사하였다. 탈염소화 반응은 조성에 따른 생성물의 변화 경향은 크지 않았으며, 유사한 반응메커니즘으로 주어진 시간 내에 반응이 진행되는 것으로 나타났다. Si-rich phase와 P-rich phase를 화학적으로 연결시 켜주는 Al2O3와 B2O3의 함량이 높은 경우에는 고화체내 상분리의 정도는 상대적으로 낮게 나타나며, 구성원소의 분포가 보 다 균일한 형태를 보였다. PCT-A 침출시험법을 통한 조성에 따른 내구성의 평가결과, 기준조성을 벗어나는 경우에는 내침 출성이 낮게 나타났으나, EA glass(Environmental Assessment glass)의 값보다는 우수한 것으로 확인되었다. 이상의 결과로 부터, 주어진 적정 Si와 P의 조성분율하에서, Al과 B의 함량변화는 고화체의 미세구조와 내침출성에 영향을 주는 것을 확인 할 수 있었으며, 미세구조와 내침출성의 연관관계에 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.

The objective of this study is to investigate the immobilization properties of arsenic in solidification process using geopolymer binder. Metakaolin and fly ash were used as prime materials for geopolymer that was also called as activated metakaolin cement (or Si + Al cement). The immobilization of As in geopolymer was found to be very limited regardless of the oxidation state of As and the mixing ratio of As to the binders. These results may be ascribed to the low Ca contents in prime materials used and the structural property of geopolymer formed. It was generally accepted that As was immobilized into C-S-H (calcium silicate hydrates) via precipitation and sorption, when it was solidified with ordinary portland cement and/or lime. When Ca(II) or Fe(III) was used as stimulating agents, the As leaching was reduced by15 ~ 25% than that of control experiment. These limited improvements of As immobilization might be resulted from the extremely high pH in geopolymer reaction.

비소는 광산, 제련소와 같은 산업 활동과 농작물에 사용된 살충제 등 인간 활동으로 발생하는 오염물이다. 비소는 토양 세척, 토양 세정과 흡착-탈착, 용해-침전, 고형화/안정화 등으로 처리하고 있다. 그중 고형화/안정화공법은 금속산화물, 점토, 석회 등을 사용한 연구가 진행 중이나, 시멘트 계열 바인더가 주로 이용되고 있다. 이에 본 연구에서는 시멘트보다 이산화탄소 배출량이 적고, 빠른 조기강도 발현, 화학적인 안정성, 내구성, 내화성과 같은 역학적 특징을 갖는 지오폴리머를 사용하여 비소의 고형화 특성을 평가하였다. 즉, 비소의 산화 상태, 첨가량, 무기성 바인더의 조성, Fe 및 Ca 첨가 등이 비소의 지오폴리머 고형화에 미치는 영향을 조사하였다. 모든 실험에서 Fly ash와 Metakaolin을 사용하여 무기성 바인더 총량을 1500g으로 하였으며, 무기성 바인더의 조성별 실험을 제외 한 나머지 실험에서는 Fly ash와 Metakaoline은 1:1 비율로 혼합하여 사용하였다. 시편의 크기는 5×5×5 cm³이며, 실험 조건별당 시편은 9개씩 제조하였다. 압축강도는 지오폴리머 혼합 14일 후 측정하였으며, 용출 농도는 폐기물공정시험법의 용출시험방법으로 용출한 뒤, ICP-OES(Varian사)로 측정하였다. 압축강도 측정 결과, As(III)의 경우, 0.1%, 0.5% 1.0%에서 각각 68.5, 64.7, 61.8 MPa, As(V)의 경우 68.9, 75.2, 76.8 MPa로 측정되었다. 비소를 첨가하지 않은 실험의 강도, 68.14MPa 비해서 적거나 최대 약 12%가량 증가한 강도가 측정되었다. 무기성 재료 조성 실험에서는 3가지 조건에서 각각 64.8, 49.1, 37.4 MPa이 측정되었다. Fe과 Ca을 첨가한 실험에서는 평균 42.9 MPa으로 조건별로 강도의 차이가 크지 않았으나, 첨가제를 사용하지 않은 실험의 강도, 68.5MPa에 비하여 약 37% 감소된 압축강도가 측정되었다. ICP-OES 분석 결과 As(III) 실험에서 0.1%, 0.5%, 1.0%에서 용출비소 농도가 각각 81.9, 373.3, 764.9 mg/L, As(V)의 경우 82.0, 380.0, 769.9 mg/L로. As 첨가량의 증가에 따라 일정하게 증가하였다. 무기성 바인더의 조성별(무기성 재료에 대한 fly ash 중량비% : 50%, 34%, 0%)로 81.6, 69.5, 69.2 mg/L로 Fly ash 첨가율이 가장 높은 조건에서 용출비소농도가 높게 측정되었다. Fe과 Ca를 이용한 실험에서는 61.7~69.8 mg/L의 비소가 용출되었고, 첨가제를 넣지 않은 지오폴리머(82.0 mg/L)에 비하여 약 15~25%가 감소한 비소 농도를 보였다. 몰비 Fe/As 3일 때, 용출된 5가 비소의 농도가 69.75mg/L로 가장 높게 측정되었고, 몰비 Ca/As 12일 때 61.74mg/L로 가장 낮게 측정되었다. 첨가하는 Fe, Ca의 양이 많을수록 제거율은 증가되나 그 효과가 미미하므로, 첨가제의 양을 증가시킬수록 효율은 떨어진다.

하･폐수 슬러지는 퇴비화, 소각, 해양투기, 매립, 건조 에너지화 등 다양한 방법을 통해 처리하였으나,해양배출 금지, 환경 문제 등으로 인해 처리상 어려움이 있다. 하･폐수 슬러지는 건조화 방식을 통해 고형연료로 변환이 가능하며, 이는 신재생에너지로 활용하여 열적 변환을 통해 에너지를 생산과 동시에 효율적으로 처리할 수 있다. 건조된 하･폐수 슬러지는 저위발열량 12-15 MJ/kg, 회분함량 20~30% 로써 열적 변환 방식에 따라 전･혼소용 연료로 충분한 활용이 가능하다. 따라서 본 연구에서는 건조/고형 슬러지를 대상으로 열중량분석, 열분해, 연소를 통해 연료 특성에 대해 파악하였다. 건조/고형화 슬러지는 산업폐수를 활용하여 열수 건조 후 성형된 고형 연료로써 수분은 5.73%로 나타났다. 회분의 함량은 36.27%, 가연분 함량(휘발분+고정탄소)는 58.0%, 저위발열량 14.28 MJ/kg 이다. 열중량분석은 약 10 mg의 미량의 샘플을 사용하여, 질소분위기에서 800℃까지 5-50℃/min으로 승온율에 따른 무게감소량 등 연료 특성에 대해 분석하였다. 전반적으로 약 100℃ 내외에서 수분이 증발되며, 250-520℃에서 열분해가 진행되는 것을 확인할 수 있었고, 승온율이 증가할수록 열분해 시 온도에 따른 무게감소량이 점점 감소하였다. 슬러지의 저속 열분해는 직경 100 mm, 높이 300 mm의 고정층 반응기를 통해 550℃까지 50℃/min 으로 승온하여 열분해 후 생성된 촤,타르와 합성가스의 양과 조성을 분석하였다. 열분해를 통해 생성된 Tar는 원소 조성을 파악하여 Tar내의 다양한 조성을 측정하였다. 생성된 가스는 연소실험과 동일한 방법을 통해 가스조성, 발열량 등을 파악하였다. 이를 통해 가스화, 연소 모델 개발에 활동 가능한 기초자료를 도출하였다. 건조/고형 슬러지의 연소 특성 실험은 직경 310 mm, 높이 720 mm의 Lab-scale 고정층 반응기를 사용하여 공기유량 100-400 L/min(97-390kg/m2hr)의 범위에 대해 수행해였다. 연소실험의 온도분포는 반응기 내부에서 5 cm 간격으로 설치된 열전대를 통해, 연료 무게 감소량은 로드셀을 통해 무게 감소량을 측정하였다. 이때 생성된 가스는 Online 가스분석기를 통해 CO, CO2, CH4, H2 를 분석하며, Micro-GC를 통해 CxHy 등을 일정 시간마다 분석하였다. 실험결과 해당 유량범위에서 슬러지 연소는 당량비가 1이하인 연료과잉 상태로써 유량이 증가할수록 화염면의 온도가 상승하며, 그 결과로 화염면 하단으로의 열전달이 증가하면서 화염 전파 속도가 증가하였다. 또한 촤의 느린 연소속도로 인해 화염면 상부에 누적되며 화염면이 화격자에 도달한 후 고온의 촤 연소 영역이 형성되었다. 측정된 온도와 가스 조성, 무게 감소 결과는 향후 연소모델 개발을 위한 기초자료로 활용할 수 있다.