대기환경과 세라믹스

신동우 공학박사 (주)나노 대표이사
윤대현 공학박사 (주)나노 생산기술팀장
박삼식 (주)나노 기술연구소 선임연구원

1. 서론
산업고도화 추세에 따른 에너지 사용량의 증가와 문명 이기의 부산물로 환경오염 문제가 심각하게 대두되고 있으며, 이러한 환경문제 중에서 특히 대기오염 문제는 발생원이 위치한 국지적인 문제가 아니라, 그 특성상 인접지역으로 확산되기 때문에 국제적인 규제대상이 되고 있다. 대기오염문제를 야기시킬 수 있는 물질로는 질소산화물(NOx), 휘발성유기화합물(VOCs), 다이옥신, 일산화탄소(CO), 이산화탄소(CO2), 황산화물(SO2) 및 각종 미립자들이 있는데 이러한 물질들은 지구온난화 및 대기 중의 자외선과 함께 오존을 발생시킬 수도 있으며, 호흡을 통해 인체를 손상시킬 수 있는 대표적인 환경오염 물질이다.
이러한 대기오염물질을 저감시키는 방법으로 연료를 친환경화하는 방법과 발생원으로부터 오염물질 배출 억제 또는 배출된 오염물질을 제거하는 방법을 들 수 있으며, 후자의 방법으로는 촉매를 이용한 저감방법이 가장 널리 상용화되고 있다.
본 고에서는 대기정화용 촉매와 관련하여 발전소, 소각장 등의 탈질(SCR)촉매, 자동차 배가스 정화용 촉매, 디젤용 미립자 제거 필터(DPF)에 대하여 요약하고 (주)나노의 관련 연구개발 현황을 소개하고자 한다.   

2. 본론
가. SCR 촉매
화력발전소, 소각장, 화학플랜트 등에서 발생하는 질소산화물(NOx)의 저감 방법으로는 발생원으로부터 NOx의 배출을 억제하는 방법과 배출가스 중의 NOx를 제거하는 방법이  있으며, 배출가스 처리 측면에서는 선택적 촉매 환원법(SCR)과 선택적 비촉매환원법(SNCR)이 주로 적용되고 있으나, 그림 1과 같이 암모니아를 환원제로 하여 촉매를 사용하는 선택적 촉매 환원법(Selective Catalytic Reduction : SCR)은 질소산화물 제거효율이 우수하여 가장 널리 상용화 되었다. 
SCR법은 촉매를 모듈화하여 배출가스가 흐르는 중간에 설치하고, 환원제로 암모니아를 분사하여 촉매층에서 환원반응을 통하여 유해한 질소산화물(NO)을 무해한 질소와 수증기로 분해하여 배출 질소산화물을 저감시키는 방법으로 공정 및 반응조건에 따라 NO가 분해되는 반응은 다양하나 주반응은 다음과 같은 반응을 통해 분해된다.
4NO  +  4NH3  +  O2 →   4N2  +  6H2O
SCR 촉매는 1950년대 엥겔하드사에서 백금/팔라듐을 이용하여 개발, 상업화하였으며, 바나듐/이산화티타늄 촉매가 일본에서 개발된 이래 널리 상용화되었고, 현재는 서유럽 특히 독일에서 기술적으로 진일보하고 있으며 가장 많이 설치운영되고 있다. 일본의 MHI, Hitachi, Nippon Shokubai와 미국의 Cormetech, Engelhard 및 유럽의 Siemens, KWH, BASF 등 대기업 및 다국적기업들이 하니컴 형태 및 플레이트 형태의 촉매를 상용 생산하고 있으나, 기술적으로는 일본이 가장 앞서 있다. 국내의 경우, SCR 촉매의 70% 이상을 차지하는 TiO2/WO3 담체원료를 국산 상용화한 (주)나노에서 SCR용 압출성형 촉매 상용화기술을 확보함으로써, SK(주) 및 KOPEC(주)를 통하여 국내의 소각장, 복합화력발전소 및 국외 EnBW 독일화력발전소에 납품하여 기술 및 품질을 검증한 바 있으며, 현재 국내 화력발전소에 신규장착되는 촉매의 일정량을 생산하고 있다.
현재 상용화되어 있는 모노리틱(Monolithic) 허니컴형 압출촉매는 담체자체가 TiO2/WO3/V2O5 등 고가의 촉매물질로 구성되어 생산비용이 높은 단점이 있다. 고가의 TiO2/WO3/
V2O5 촉매원료 사용량을 획기적으로 줄인 염가촉매 개발을 위하여, 성형성이 우수하고 다공성인 재료를 활용하여 고강도 담체를 제조하고 그 위에 고가의 촉매원료를 소량 코팅하는 방법 등으로 질소산화물을 제거할 수 있는 염가 SCR 촉매 개발을 시도하고 있다. 일본에서는 이미 그림 3과 같이 세라믹 섬유 페이퍼를 활용하여 담체를 형성하고 WO3/V2O5 함량을 높인 촉매원료물질을 코팅한 제품이 개발되어 20MW 급 발전소에 장착하여 시운전되고 있다.
이미 장착하여 사용하고 있는 촉매의 성능이 저하되어 교체가 필요할 경우, 교체비용 및 시간을 단축하기 위하여 촉매가 설치된 장소에서 간단한 방법으로 신촉매 대비 90% 이상의 성능을 보장하는 재생기술이 요구되고 있으며, 그림 4와 같이 독일, 일본에서 기술이 개발되어 적용되고 있으며, 향후 교체 시장은 이러한 기술로 대체될 것으로 예상된다.

나. 자동차 배가스 정화용 촉매
자동차의 연소과정에서 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC), 질소산화물(NOx) 등의 대기오염물질이 생성되며, 이를 정화하는 보편적인 기술로 엔진본체의 배기가스 감소법, 연소실내의 연소제어 방식, 촉매를 이용한 후처리 방식이 있다. 그림 5와 같이 산화/환원반응에 의해 배기가스를 정화하는 후처리방식이 가장 일반적이면서도 효과적인 기술이며, 출력, 연비, 운전성을 손상시키지 않으면서 배출가스를 정화하는 차세대 자동차 핵심기술로 인식되고 있다. 자동차 배가스 정화용 삼원촉매는 열적 안정성이 우수한 코디어라이트질 담체 표면에 감마알루미나 등의 다공성 물질을 워시코팅(wash-coating)으로 도포한 후, 백금, 로듐, 팔라듐 등 삼원촉매를 코팅한 제품이다.
가솔린 자동차에 사용되고 있는 세라믹스 담체는 70년대 중반 미국 코닝(Corning Glass Inc.)에 의해 개발·생산되었으나, 현재는 미국 Corning, 일본 NGK, 일본 Denso 등에서 생산하고 있다. Corning과 NGK가 세계 수요량의 대부분을 공급하고 있는데, 이 두 회사가 코디어라이트 원료 및 조성, 압출기술, 소성기술 등에서 우위를 점하고 있다. 국내에서는 (주)세라컴에서 코디어라이트질 담체를 개발·생산하고 있다.
자동차 배가스 정화장치에 사용되는 촉매담체에 있어서 열충격강도는 중요한 특성이다. 배가스 중의 촉매반응에 의한 급격한 발열과 엔진 시동시의 급열, 엔진 정지시의 급냉에 의한 급속한 온도변화에 의해 유발되는 열응력에 대해서 높은 열충격 강도가 요구된다. 특히 현재의 촉매활성 향상을 위한 엔진 근방에 촉매담체의 설치 및 고속운전의 경우 열충격저항은 더욱 중요한 물성이다. 열충격강도는 급열급냉 내구온도차로 표현되며, 내구온도차는 담체의 열팽창계수에 반비례하며, 자동차 배가스 정화용 허니컴 구조 촉매담체로서는 실온에서 800℃까지의 열팽창계수가 6×10-7 /℃ 이하가 요구되고 있다. 이러한 열팽창계수를 획득하기 위해서는 열충격을 흡수하는 미세구조(미세크랙)와 코디어라이트 결정 배향의 조절이 요구되며, 전자는 소성 공정에서, 후자는 성형공정에서 조절 가능하다. 후자의 경우, 카올린을 구성하는 카올리나이트 판상 결정이 압출에 의해 셀벽면과 같은 방향으로 배향되고 소성에 의해 코디어라이트 결정이 카올리나이트 결정을 기준으로 성장하므로, 판상형이 잘 발달된 카올리나이트 결정을 주성분으로 하는 카올린의 개발이 핵심기술이다.
담체의 단면형상(셀형상)은 기하학적 표면적, 압력손실, 기계적강도를 결정하는 중요한 요소로, 셀을 작게 하면 기하학적표면적이 증대되지만 압력손실이 크게 되고, 셀벽두께를 얇게하면 기하학적 표면적이 증대되고 압력손실이 감소하지만, 강도가 저하된다. 이러한 특성을 고려하여 현재 셀밀도 600
cpsi(600cell/inch2), 벽두께 4mil(100㎛) 담체가 실용화되고 있으며, 대기오염 저감을 위한 환경규제 강화에 대응하기 위해서는 귀금속촉매 성능 향상 및 고분산화와 함께 세라믹스 담체의 경량화 및 고표면적화가 요구되며, 이를 위해서는 담체의 고밀도셀화 및 초박벽(Ultra thin wall)화가 요구된다. 담체 셀구조 및 구분은 표 1과 같다.
미국, 일본 등 기술선진국은 박벽 고밀도(600cpsi/4mil) 가솔린 자동차 정화용 촉매담체 제조기술을 상용화하여 자국의 국내수요를 충족할 뿐 아니라, 세계 촉매 수요량 대부분을 공급하고 있으며, 강화되는 환경규제에 대응하기 위한 초박벽 고밀도 담체개발을 꾸준히 진행하고 있다. 현재 각형의 600cpsi 촉매담체가 주로 상용화되어 미국의 Corning, 일본의 NGK, Denso가 양산하고 있다. 미국 코닝(Corning Glass Inc.)은 600cpsi/3mil, 900cpsi/2mil까지 개발하여 SULEV(Super Ultra Low Emission Vehicle) 적용에 대비하고 있다.
일본은 미국에 비해 다소 늦게 촉매담체 실용화가 이루어졌으나, 현재는 자동차 배가스 정화 촉매담체에 있어서 구미 선진국에 비해 기술 및 품질경쟁력을 갖추고 있는 것으로 평가되며, NGK, Denso가 그림 6과 같은 제품 및 사양으로 세계 수요의 50% 이상을 점유하고 있으며, 1,200cpsi/2mil까지 고셀밀도 초박벽화를 개발하였다.
국내에서는 자동차 배가스 정화용 촉매담체 전량을 수입에 의존하고 있으며, 한국과학기술원 주관으로 1988년 ‘자동차 배기 가스 촉매용 세라믹 허니컴 담체 제조개발에 관한 연구’를 수행한 바 있다.
(주)나노 기술연구소에서는 탈질촉매(SCR) 상용화기술 및 세라믹스 신소재 원료 개발에 대한 축적된 기술을 바탕으로 코디어라이트 원료 조합에 대하여 그림 7과 같이 육각형 셀을 가지는 6mil/600cpsi의 축소형 담체를 성형하여 전공정에 대한 검토를 완료하고 최종적으로 코디어라이트 상으로의 전이를 확인한 바 있다.
다. 디젤자동차 배기가스 후처리장비
디젤자동차는 연소방식의 차이에 인하여 가솔린자동차에 비해 배가스 중의 탄화수소(HC), 일산화탄소(CO) 성분은 적으나 디젤입자상물질(DPM; Diesel Particulate Matter)과 NOx가 다량 배출되는 문제를 가지고 있다. 특히, 디젤입자상물질은 불용성유기분(IOF; Insoluable Organic Fraction)인 고체탄소(soot)와 가용성유기분(SOF; Soluable Organic Fraction)인 탄화수소 그리고 황산염 등으로 구성된 0.1~0.25㎛ 크기의 미립자로 각종 호흡기질환의 원인과 발암물질로 간주되고 있으며, 시정장애의 주원인으로 국내외적으로 디젤입자상물질에 대한 규제가 강화되고 있다.
이러한 디젤엔진에서 배출되는 디젤입자상물질, NOx, HC, CO 등을 줄이기 위해서 경유의 품질을 개선하는 연료개선과 연소실의 개선, 고압분사, 연료분사량 및 분사시기 전자조절, 터보 인터쿨러, 배가스 재순환 등의 엔진개량 등의 방법으로 어느 정도까지 목표를 달성할 수 있으나, 점차 강화되는 배기가스 규제치를 만족시키기 위해서는 후처리방법에 의한 정화장치가 필요하다.
현재 디젤엔진의 입자상물질을 제거하기 위한 후처리장치에 주로 사용되는 세라믹 디젤입자상물질필터(DPF; Diesel Particulate Filter)는 가솔린자동차용 허니컴을 필터화한 것으로 1979년에 처음으로 제조되었다. 이후 여러가지 모양의 하니컴 필터가 고안되었으나 그 대표적인 모양은 그림 8에 나타낸 것처럼 허니컴의 양 끝단을 서로 엇갈리게 체크모양으로 밀봉한 것으로 배기가스가 필터를 통과할 때 끝단이 막혀 있어 반드시 다공성의 벽을 통과하게 하여 이 과정에서, 입자상물질이 다공성벽에 흡착되도록 되어 있다. 다공성벽에 의해 포집된 입자상물질은 전기히터, 버너 등으로 제거하거나 연료에 Ceria 등을 첨가하여 낮은 온도에서 산화가 일어나게 하는 방식 또는 필터자체에 촉매를 담지하여 일정온도 이상의 조건에서 연소시켜는 방법을 통하여 필터를 재생한다. 이러한 DPF에 요구되는 특성을 살펴보면 첫째, 배기가스 중의 입자물질을 잘 여과하는 포집효율이 높아야 하며, 둘째, 재생시 발생하는 열에 잘 견디는 내열성이 우수해야 하고, 셋째, 압력손실을 낮게 유지하여 엔진운전을 방해하지 않아야 하고, 넷째, 배가스 중에 포함된 화합물과 반응에 견딜 수 있는 내화학성이 좋아야 함과 동시에 차량의 진동이나 캔닝의 압력에 견딜수 있는 기계적 특성이 우수하여야 한다.
촉매필터 소재로 가장 널리 사용되어지고 있는 Cordierite는 열팽창계수가 작고 다른 기계적인 특성이 우수하여 이전부터 자동차 촉매에 널리 사용되어 왔으나, DPF로 사용할 경우 Soot 재생시 발생하는 고열에 의한 용융현상과 ash와 반응하는 문제가 있다. 이러한 고온용융 및 화학적 안정성 문제를 해결하기 위하여 우수한 내열성과 높은 열용량 특성 및 화학적 안정성을 가지고 있는 탄화규소 재질의 DPF가 일본에서 개발되었다.(그림 9)
탄화규소 DPF의 제조방법에는 Ibiden사에서 사용하는 SiC 분말을 압출성형한 후 2300℃로 가열하여 표면확산 또는 증발응축 기구에 의해 입자결합을 일으키는 재결정화법(Recrystallized SiC)과 NGK사에서 사용하는 Si분말과 SiC분말을 혼합하여 성형한 후 감압분위기에서 소결하는 반응소결법(Si-bonded SiC)이 있다. 하지만, 탄화규소는 원료가격이 비싸고, 제품의 대형화가 어려우며, 고온 및 분위기 하에서 소결을 해야하는 등 제조상의 난점으로 인하여 고가인 단점을 가지고 있으며, 이 단점을 보완하기 위하여 미국 Corning사 등에서는 Spinel, Titanate, Nitride, Cabosilicate 등의 소재를 이용한 연구를 진행 중에 있다.
디젤자동차 배기가스 후처리장비는 크게 디젤산화촉매(DOC; Diesel Oxidation Catalyst)와 DPF로 구성되어 있으며, 최근 들어 NOx 규제치가 대폭 강화됨에 따라 이와 함께 SCR 기술을 접목하는 시도가 진행되고 있다. 현재 디젤자동차 배기가스의 오염물질을 제거하는 장치로는 그림 10에 나타낸 연속재생식 촉매(CRT; Continuous Regeneration Trap)가 효과적으로 사용되고 있다. 연속재생방식은 Johnson Matthey사의 기술로 산화촉매와 DPF로 구성되어 있으며, 산화촉매에 의해 CO와 HC는 CO2와 H2O로, NO는 NO2로 전환되고, DPF에서  NO2, NO+O 반응에 의해 생성된 산소원자가 soot를 산화시키는 산화구조를 이용한 것으로, 이 장치를 이용하여 CO 및 HC, PM이 90% 저감되며, NOx는 3~8% 정도 감소된다. 그러나, 산화촉매의 성능을 유지하기 위해서는 황성분이 10ppm 이하인 초저황유(ULSD)를 연료로 사용하여야 하는 단점이 있다.
엥겔하드사에서 CRT 촉매와는 다르게 산화촉매를 두지 않고, DPF에 직접 촉매를 코팅함으로서 구조를 간단히 한 DPX 방식의 저감장치를 제조하였다. 이 방식은 재생성능이 향상되며, 연료중의 황에 대한 민감도도 감소시켰다.
프랑스 뿌조 사에서는 일본 Ibiden사의 SiC-DPF를 사용하여 0.01㎛ PM을 99% 제거하는 DPF 시스템을 개발하여 2000년부터 디젤승용차에 적용해 오고 있다. 뿌조사의 DPF 시스템은 산화촉매와 함께 SiC-DPF를 사용하며, 연료에 Ceria 첨가제를 사용하여 매 400~500km마다 배출가스 온도를 상승시켜 강제로 재생하는 방식으로 첨가제에 의해 필터내에 축적된 재를 80,000km마다 물로 세척해야하는 단점이 있다. 
도요타자동차에서 개발한 DPNR(Diesel Particulate NOx Reduction) 시스템은 그림 11에 나타낸 바와 같이 희박연소 상태(Lean)에서는 PM 포집과 NOx를 흡장시키고, 고부하 상태(Rich)에서는 흡장된 NOx를 환원시킴으로써 필터내에서 PM과 NOx를 동시에 저감시킬 수 있는 후처리시스템이다. 이 시스템에서는 NOx를 줄이기 위하여 고부하 운전이 반드시 필요하기 때문에 후분사방식이 채택된다.
일본 Nissandiesel에서는 암모니아를 발생하는 요소(Urea)를 환원제로 한 선택적 환원(Urea-SCR) 시스템의 연구가 진행되어 대형 디젤자동차에 적용이 실용화 단계에 접어들었다. 그림 12에 나타낸 요소수를 이용한 NOx 저감원리는 요소수를 가수분해하여 생성된 암모니아를 이용하여 NOx를 저감하고 발생하는 암모니아의 Slip은 다시 산화시켜 제거하는 방식이다. 이 시스템은 요소수를 저장할 탱크가 필요하기 때문에 소형자동차에는 적용이 어렵고, 요소수 공급시스템의 구성이 필요한 단점이 있다.
이 밖에 PM의 포집원리는 CRT 방식과 유사하고, 플라즈마를 이용하여 배기가스에 포함되어 있는 NO를 NO2로 전환시켜 필터에 포집된 PM을 제거하는 방식의 플라즈마 재생방식이 있다. 플라즈마 재생방식은 연료의 유황성분에 제약이 없으며, NOx 제거가 용이한 장점은 있어나, 플라즈마 발생장치 등의 복잡한 장치구조와 전기 에너지 사용에 따른 에너지 효율성의 확보 문제가 해결되어야 한다.
국내의 DPF에 대한 연구는 1980년대 후반부터 국립환경연구원의 자동차공해연구소를 시작으로 하여 1990년대 이후 본격으로 진행되었다. 최근 들어 국내기업의 독자적인 촉매기술 개발이 더욱 활발해지고 있으나 핵심부품인 DPF 담체의 제조기술이 전무해 상당한 어려움을 겪고 있다. 국내에서 생산되는 자동차 배기가스 정화용 촉매에 공급되는 담체는 세계 배기가스 정화용 촉매담체 시장을 양분하고 있는 미국의 Corning과 일본의 NGK 등에서 담채를 공급받고 있으며, 국내 자동차 촉매 생산기업인 (주)SK, 현대모비스, 대우정밀, 일진전기, 블루플래닛 등은 모두 DPF 인증을 획득했으나, DPF 담체는 전량 Corning과 NGK, Ibiden에서 공급받고 있는 실정이다.

3. 결론
세계적으로 지구온난화 방지 및 환경보존 대한 관심이 고조되고 있는 가운데 대기오염 규제가 미국, 일본, 유럽 등의 선진국에서부터 강화되고 있으며, 한국, 중국, 동남아 등도 단계적으로 강화되고 있다. 이에 대응하기 위해서는 사전오염저감 기술개발도 중요하지만 배출되는 유해물질을 저감하는 기술개발이 주요 과제로 대두되고 있다. 대기정화용 촉매기술을 선점한 일본, 유럽이 중심이 되어 강화되는 규제에 대응하고 시장우위를 유지하기 위하여 고효율화, 염가화를 추진하고 있다.
현재 국내의 경우, 대부분의 대기정화용 촉매담체기술에 있어서, 원료조합기술은 있으나 장비제조 및 성형기술이 부족하여 수입에 의존하고 있다. (주)나노는 SCR 촉매제조 요소인 TiO2 원료, 금형, 설비, 공정의 4개 핵심기술을 국산화하여 현재까지 2,000m3 이상을 생산하여 국내 발전소 및 독일 EnBW 발전소에 공급하고 있다. 이러한 국산 촉매담체기술 성공을 자신감으로 삼아 자동차 배가스 정화용 촉매에 대한 기술개발을 관·산·학·연 협동으로 진행한다면 3년 후 DPF 개발 및 상용화 조기실현이 가능하다고 믿는다.

그림 1. SCR 시스템 모식도 및 촉매
그림 2. (주)나노 생산 SCR 촉매(35cpsi)
그림 3. 코팅 SCR 촉매
          (1) 촉매재생 공정                           (2)폐촉매                                (3)재생촉매
그림 4. 독일 EnBW SCR촉매 재생 기술
그림 5. 가솔린 자동차 배가스 정화용 촉매컨버터
표 1. 담체 셀구조 및 구분
그림 6. 일본 NGK 사 자동차 배가스 정화용 담체
그림 7. (주)나노 개발 코디어라이트질 담체
그림 8. DPF의 구조
그림 9. 탄화규소 및 코디어라이트 DPF 사진
그림 10. 연속재생식 DPF 구조 및 촉매내 반응
그림 11. DPNR의 구조 및 저감원리(자료 ; SAE paper 2004-01-0578)
그림 12. Urea-SCR 반응원리

필자약력 (신동우)
한양대학교 무기재료공학과 졸업
한국과학기술원 재료공학과 졸업(석사)
영국케임브릿지대학 재료공학과 졸업(박사)
독일막스프랑크연구소 연구원
한국국방과학연구소 연구원
일본무기재질연구소 SAT 펠로우
경상대학교 교수
(주)나노 대표이사

필자약력 (윤대현)
경상대학교 무기재료공학과 졸업
경상대학교 무기재료공학과 졸업(석사)
경상대학교 세라믹공학과 졸업(공학박사)
(주)나노 생산개발팀장

필자약력 (박삼식)
경상대학교 무기재료공학과 졸업
경상대학교 무기재료공학과 졸업(석사)
(주)나노 기술연구소 선임연구원

수처리용 환경소재와 세라믹스

박재구 공학박사 한양대학교 지구환경시스템공학과 교수
박제현 공학박사 한양대학교 산업과학연구소 연구원
장영상 한양대학교 지구환경시스템공학과 석사과정

1. 서론
최근 웰빙으로 표현되는 삶의 질이 중요시되면서 일반인들의 환경에 대한 관심과 기대치는 날로 높아지고 있다. 환경기술은 환경오염물의 다양화 및 규제강화에 따라 점점 고도화되고 있으며, 공정기술 뿐만 아니라 오염물제거에 중요한 역할을 하는 관련 소재개발의 중요성이 대두되고 있다. 이에 따라 각종 필터, 촉매, 흡착재, 항균재 등의 환경소재 제품은 매년 높은 성장률을 보이고 있다.
특히 수처리 환경에서 세라믹스를 비롯한 각종 다공성 제품들은 고가에도 불구하고 우수한 성능과 폭넓은 응용성으로 각광을 받고 있다.
이하, 현재 수처리 환경에 적용되고 있을 뿐만 아니라 향후 환경산업에 시장 선점 가능성이 높은 폐수처리용 미생물 담체, 항균세라믹필터, 고도정수처리용 세라믹 분리막, 광촉매 제품에 대해 소개하고자 한다.

2. 폐수처리용 미생물 담체
가. 개요
미생물담체를 이용한 생물막 폐수처리 공정은 반응기 내에 다종다양한 미생물이 증식할 수 있을 뿐만 아니라 슬러지 연령이 길고, 슬러지의 자기산화가 촉진되기 때문에 폐슬러지의 발생량이 적은 이점이 있다.
폐수처리용 미생물담체는 미생물군집을 담체내에 가두는 방식의 포괄고정화담체와 담체표면에 미생물막을 형성시키는 생물막담체로 대별된다. 이들 미생물담체는 온도나 pH변동, 충격부하 및 난분해성 물질유입에 따른 대처능력이 뛰어나고, 활성슬러지법에서 발생하는 슬러지 부상 등과 같은 문제점을 줄일 수 있다1). 또한 담체는 그 구성하는 재질에 따라 유기질 담체와4)-6), 무기질담체2-3)로 크게 나뉜다. 이 중 세라믹 담체는 유기질 담체에 비해 내구성 및 내화학성이 강한 이점이 있다. 초기에는 담체로 천연석을 이용하기도 하였으나 점차로 미생물 부착능을 고려하여 인위적인 기공을 형성한 담체로 바뀌어가고 있다.
생물막 공정의 처리효율을 증가시키기 위해서는 담체의 표면적 및 미생물 부착성이 뛰어나야 한다. 즉 생물막은 담체 표면에 미생물이 부착·성장하므로 공학적인 측면에서 생물막을 빠르게 형성시키고 고농도의 미생물을 유지할 수 있는 담체의 조건을 구하는 것이 중요하다. 미생물의 입장에서 본다면 담체는 미생물의 서식처(habitat)로서 충분한 공간을 제공하여야 하고 독성물질의 유출이 없어야 한다. 미생물의 친화성 및 그 자체로 독성물질이 없는 세라믹 담체는 우수한 생물막 담체로 알려져 있다.
폐수를 처리하는데 쓰이는 담체의 재질은 세라믹 조각2)이나 무기입자3), 섬유4), 합성물질5), 플라스틱6) 등이 있으며 대체로 비표면적을 늘리거나 표면거칠기를 높이는 방향으로 설계되어 왔다. 따라서 미생물과의 친화성이 높은 서식공간을 제공하기 위해서는 담체의 기공률, 기공크기, 표면거칠기 및  담체의 표면화학적 성질이 조절되어야 한다.

나. 미생물 담체의 물성
1) 기공률 
담체의 기공은 미생물의 서식처가 되므로 기공률이 높을수록 보다 많은 양의 미생물을 서식시킬 수가 있다. 현재 상용 세라믹 담체의 경우 기공률은 약 70~80%로 평가되고 있다. Tay 등7),8)은 혐기성 조건에서 담체의 기공률, 비표면적에 따른 폐수처리특성을 실험하였는데, 동일한 비표면적을 갖는 담체의 폐수의 처리효율은 기공률이 높고 기공의 크기가 큰 담체를 투입한 경우에 보다 높게 나타남을 확인하였다. 비표면적은 기공률과 기공의 크기가 폐수처리효율에 미치는 영향에 비해 매우 미미한 영향을 준다고 보고하고 있다. 국내에서도 박, 송9) 등은 동일한 기공률에서 비표면적의 차이에 따른 폐수처리 특성을 살펴본 실험을 바탕으로 페수처리 효율에 미치는 영향은 담체의 비표면적 보다는 기공률 영향이 크다고 보고하고 있다.
2) 기공크기
기공의 크기분포는 다공체를 용도에 맞게 설계하는데 필요한 매우 중요한 정보이다. 일반적인 미생물담체의 기공의 크기는 수㎛에서부터 수백㎛ 까지 다양하게 분포한다. 폐수의 생물학적 처리에 사용되는 박테리아의 크기가 보통 0.5~5㎛ 범위에 있다고 보면 담체의 기공은 미생물의 크기에 대해 약 20배 정도 되어야 미생물 서식처로서 바람직한 것으로 알려져 있다. 따라서 담체의 평균 기공크기는 적어도 10~100㎛ 범위가 되어야 한다. 그림 1은 세라믹담체 기공내부에 미생물이 서식하는 사진이다.

3) 표면적과 표면거칠기
담체의 표면적이나 표면 거칠기(surface roughness) 등은 생물막 초기 형성시에 영향을 미친다. 그중에서도 담체의 표면거칠기는 초기 생물막의 형성에 큰 영향을 미치는데 이는 담체의 표면 거칠기가 클수록 유체의 전단응력으로부터 부착된 미생물을 보호하게 되어 생물막 형성을 용이하게 하기 때문이다10), 11). 이밖에 미생물 부착성에는 담체의 표면전하량이 등이 주요한 인자로 알려져 있으나 이는 미생물의 초기 부착성에 주로 영향을 미치는 것으로 생각된다.

다. 질소인제거기술 사례
현재 영양염류에 대한 배출허용 기준이 강화되는 추세에 따라 처리수의 수질을 보다 향상시킬 수 있는 방안으로 생물막 공정이 적용되고 있다. 생물막 공정에서 가장 중요한 요소는 미생물을 부착시키는 담체이다. 그림 2는 실리카와 점토를 이용하여 평균 기공크기가 70~150㎛인 다공성 세라믹 담체를 나타낸 것이다. 담체를 이용한 수처리 과정에서 질산화 과정과 탈질화 과정은 상호보완적인 관계를 갖는다. 질산화와 탈질의 이러한 상호보완성으로 인해 단일 반응기에 의한 동시 질산화와 탈질화(Simultaneous Nitrification & Denitrification : SND)시 많은 이점을 가져올 수 있다. 그림 3은 세라믹 담체 충전율에 따른 탈질률을 보이고 있다12). 또한 화학적 질소인제거기술의 하나인 독립영양방법으로 황을 이용한 폐수처리 방법이 최근 큰 관심을 모으고 있다. 황을 이용한 독립영양법은 황을 박테리아가 전자공여체로 이용하여 수중의 질소를 질소가스로 환원하는 폐수처리법이다. 황과 알칼리공급원인 무기물을 이용하여 담체로 만들 경우 미생물 부착이 용이하여 독립영양법 폐수처리의 효율을 극대화할 수가 있다.

3. 정수처리용 항균 세라믹 필터
가. 개요
국내 음용수 정수산업은 2000년 이후 매년 6~10%이상 꾸준히 상승하여 2004년 4500억원 규모가 올해는 5500억원을 무난히 돌파할 것으로 기대된다. 정수기 보급률 또한 지난 2000년 16%에서 2004년 42%까지 높아진 상황으로 4년 만에 3배 가까이 시장이 커졌다13).
정수기 시장규모의 확대에 따라 항균세라믹 필터에 대한 관심도 증가하였다. 최근 기존 활성탄필터나 세라믹 필터에 항균기능을 추가하거나 용수저장탱크 등에 항균 세라믹여재를 충전하는 방식으로 시장이 확대되고 있다.

나. 항균세라믹의 종류 및 특성
항균세라믹은 주로 제올라이트, 인산칼슘, 인산지르코늄, 실리카겔 등에 항균 작용을 하는 금속이온인 은, 아연, 구리 등을 치환시켜 만든 것으로 현재 대부분의 분야에서 활용되고 있다. 항균세라믹 여재는 담체와 항균 금속 이온으로 구성된다. 담체는 무기질로서 이온교환 혹은 기타의 방법으로 금속이온을 담지하고 서서히 방출할 수 있는 재료이고 항균 금속 이온은 항균활성과 안정성을 고려하여 대부분 Ag+, Zn2+, Cu2+ 이온들이 사용된다. 항균여재는 인체 안전성이 높고, 내성균이 나타나지 않으며, 항균 지속기간도 장기적으로 그 사용 영역이 확대되고 있다. 표 1은 세라믹 항균여재들의 특성을 비교한 것이다14).
은(Ag)은 단세포 동물(박테리아, 바이러스, 진균류 등)이 그들의 산소, 소화대사 작용을 하는 특수한 효소에 작용하여 무력화시킴으로써 균들을 질식시키는 촉매이다(그림 4참조).
대부분의 병균은 은 이온(Ag+)의 전기적 충격에 의하여 원형질이 파괴되거나 세포 분열을 하는 생식 기관이 녹는다. 금속의 용출형 항균 메커니즘은 항균특성을 나타내는 금속 이온의 직접적인 용출에 의해 항균특성을 나타낸다. Ag, Au, Pt, Cu, Zn 등의 전이 금속계 이온들은 항균효과를 가진 것으로 확인된 바 있는데14,15) 이 중 Ag이온은 다른 전이 금속계 이온들에 비해 더욱 더 탁월한 항균효과를 발현한다. 특히 Feng 등의 연구결과에16) 따르면 Ag이온의 경우, Ag가 세포 내부의 DNA에 영향을 끼쳐 복제 능력을 떨어뜨리고 세포의 비활성화 시키기 때문이라고 보고하였다. 이러한 용출형 항균소자는 세균과 직접적인 접촉에 의하여 우수한 항균효과를 나타낸다.

다. 은활성필터의 응용사례
0.05, 0.1, 0.5, 1.0 % 농도로 은 코팅된 다공성 알루미나 펠렛을 충전한 필터를 사용하여 항균 특성 평가를 수행하였다17). 실험에 사용된 미생물은 대장균군 시험종이며 시간에 따른 미생물 수의 변화를 관찰하였다. 그림 5는 유입수 주입 후 반응 시간에 따른 미생물 수의 변화를 나타낸 결과이다. 그림 6은 은 함량에 따른 항균력 지속성 실험결과로 처음 20일 정도까지 은 함량 영향은 크지 않으나 30일 이후부터 은 함유량에 따라 항균력 차이가 크게 나타남을 알 수 있다.

4. 기타 수처리용 세라믹 소재
가. 세라믹 분리막
세라믹 분리막(membrane)에는 주로 산화물이 사용되며, 경우에 따라서는 열충격 및 저항성이 우수한 비산화물계(SiC, Si3N4) 등도 개발되고 있다. 형상 측면에서는 중공사, 평판, 허니컴 등이 있으며, 최초로 식품, 음료 분야에서 상업화 되었다. 세라믹 분리막은 그림 7에서와 같은 미세 기공구조를 갖는 물질로, 기계적 강도가 강하여 파손될 확률이 적으며 화학적 안정성, 투수성이 뛰어나 막에 의한 수처리 분야에서 많이 이용되고 있다. 또한 사용 후 재활용이 가능하여, 환경오염 방지 및 감소 차원에서도 많은 이점이 있다. 하지만 수질정화용 세라믹 분리막을 이용하기 위해서 제조공정의 복잡성, 분리막의 물성제어의 난해성  및 대량생산 차원의 문제를 해결할 필요가 있다18).
과거 수질 속 부유물질 제거에만 사용되었던 세라믹 분리막은 최근에 음용수, 초순수 제조 등에까지 적용범위가 확대되었으며, 국내에서는 발효균 분리를 위한 대량생산 공정 및 공장폐수, 지하수 등의 정수 분야에 이르기까지 세라믹 분리막은 폭넓게 이용되고 있다. 그림 8은 수처리 분리막 장치 모식도이다19). 수처리 환경분야에서의 분리막은 액체와 같은 연속상에서 상이 다른 물질이 선택적으로 이동, 분리되는 과정이라 할 수 있다. 이는 농도와 압력 구배의 화학적 또는 전기적 포텐셜의 차이에 의해 발생한다. 세라믹 분리막에 따른 공정은 크게 정밀여과 공정과 한외여과 공정의 두 가지로 분류할 수 있다.
정밀여과 공정은 압력 구배에 의한 유체의 이동에 의해 분리막에서 미세 크기의 입자들이 분리되는 것을 뜻하며, 일반적으로 평균 분리입경(cut size)은 0.2㎛정도로 그 이상 입자를 분리시키는 것이 주목적이다. 이 공정을 이용하는 분야는 각종 현탁액의 여과 및 의약분야의 세균과 생물 제거, 식품분야의 균체 여과, 쥬스 정제, 반도체 분야의 초순수 제조 등이 있다.
한외여과 공정은  일정 압력에 대해서 체거름 기구를 통한 분리를 말하며, 용매나 기공보다 작은 용질 분자들은 통화시키고, 큰 분자들은 걸러지는 공정이다. 분리막은 대개 평균 분리입경이 10nm 정도이며, 용액의 상변화 및 질량이동 없이 농도 조절, 분류하는 공정으로 주로 각종 폐수처리, 정제, 농축, 초순수 및 순수 제조에 응용되고 있다20).

나. 광촉매
광촉매는 광(光)에너지에 의한 산화작용으로 살균, 항균작용이 가능하다. 또한 오염물질의 분해가 가능한 광촉매는 인체에 무해하다는 점과 물의 광분해에 따른 수소와 산소의 발생 차원에서도 많은 주목을 받고 있다.
광촉매의 대표적인 물질로 이산화티탄(TiO2)이 있으며 주로 실내공기 오염물질 등의 대기오염 물질 제거 촉매로 알려져 있다21). 그러나 수처리에 이용할 경우 기존의 처리방식에 비해 수온, 오염물질 농도에 영향을 별로 받지 않으며, 수중 오염물 산화, 환원과 살균을 동시에 할 수 있다는 장점이 있다. 그러나 광촉매 반응의 특징인 빛 에너지가 필요하다는 것과 표면에서 반응하여 처리효율이 낮다는 것 그리고 광촉매 입자의 크기가 서브 미크론(약 0.2㎛)이므로 입자의 침전성이 좋지 않아 회수하기 위한 기술 및 설비를 갖춰야 한다는 단점도 있다.
이를 해결하기 위해 오존 처리시설과 같은 다른 공정과 병행한 하이브리드 시스템의 설계나 U자관, 평판 혹은 유리관, 글래스비드 같은 지지체에 광촉매를 코팅하여 수처리장치에 응용하고 있다.(그림 9참조)

1) 국내기술
한국에너지기술연구소의 평판형 광화학반응기 기술이 있다. 이는 평판지지체에 백금이 담지된 TiO2를 이용한 기술이기 때문에 폐수처리 후 광촉매 분말 분리공정이 필요 없는 이점이 있다22).
이밖에 광촉매 반응으로 물이 분해하여 발생하는 라디칼 이온(OH-)과 산소를 이용한 독성물질 및 난분해성물질 제거 및 중금속 흡착, 제거하는 방법도 개발되어 있다23).
한편 (주)SK에서는 분말, 입자상 광촉매를 이용하여 색도, 냄새제거 및 살균 등의 효과를 동시에 얻을 수 있는 처리 과정을 개발하였다24). 이외 축산출수, 분뇨, 침출수, 산업폐수 등 폐수의 성상에 맞춰 광원 및 광세기, 반응속도를 조절하는 광촉매 산화기술이나 초음파와 광촉매를 병행한 수처리 기술, 미세전류를 더한 폐수처리 기술 등도 개발되었다25).

2) 해외 기술
1970년도부터 광촉매 반응을 수중 유해물질 분해에 적용시키고자 하는 연구가 시작되었으나, 분말상태의 광촉매의 취급 및 회수의 곤란한 점 때문에 실제로 적용하는데 어려웠다. 1990년대에 개발된 막 상태의 TiO2 촉매가 개발되면서 광촉매를 이용한 유해물질 처리가 실용화되었고 현재, 다양한 제품이 개발, 응용되고 있는 실정이다. 광촉매 연구가 가장 활발히 진행되는 곳은 일본이며, 세계특허 90% 점유 및 광촉매 관련 연구개발에 대한 관심이나 성과가 높다. 일본에서는 폐수처리 후 광촉매의 분리, 회수할 수 있는 필터를 적용하였으며, 과산화수소염이 포함된 폐수에 대한 처리기술 및 유기용존물 흡착 및 오존주입 공정 후 광촉매를 이용하여 폐수 처리하는 기술도 개발되었다25).
미국에서는 광촉매를 이용한 고도산화처리가 활발히 연구되었고, 광섬유와 TiO2를 이용한 폐수처리 기술, TiO2 코팅 막을 이용한 독성물질 처리 방법 등이 개발되어있다.

5. 맺음말
수처리 뿐만 아니라 대기 및 폐기물 분야에서 환경오염물질의 정화, 처리에 세라믹 소재는 폭넓게 이용되고 있다. 따라서 세라믹 소재가 다양한 형상의 제품을 갖도록 성형성을 향상시키고 그에 따른 생산성을 극복하게 된다면 보다 광범위한 분야에 응용될 것으로 생각된다. 이와 같이 세라믹 소재의 환경 분야로의 응용확대는 소재의 기본물성 변화에 따른 환경오염물 제거요율변화에 대한 연구가 병행되어야 할 것이다. 그러기 위해서는 세라미스트와 환경공학자의 상호보완적인 공동연구 등 다양한 형태의 교류가 절실히 요구되는 때이다.

참고문헌
1. Bitton, G., Wastewater microbiology, John wiley & sons, Inc., NY. 89-198 (1994)
2. Valentis G. et al., Wastewater treatment by attached-growth microorganisms on a geotextile support, Wat. Sci. Tech.,22(1/2), 43-51 (1990)
3. Breitenbucher K. et al., Openpore sintered glass as a high efficiency support medium in bioreactors ; new results and long-term experiments achieved in high rate anaerobic digestion, Wat. Sci. Tech.22(1/2), 25-32 (1990)
4. Buisman C. J. et al., Biotechnological sulphide removal in three polyurethane carrier reactors;stirred reactor, bioreactor reactor and upflow reactor, Wat. Res., 24(2), 245-251 (1990)
5. Kawase, M. et al., An anaerobic fixed bed reactor with porous ceramic carrier, Wat. Sci. Tech., 21, 77-86 (1989)
6. Johns, A. et al., Continuous production of penicillin-G by penicillium chrysogenum cells immobilized on celite biocatalyst support particles, Can. J. Chem. Eng., 64, 547-552 (1986)
7. J. H. Tay et al., Perfomance of anaerobic packed-bed system with different media characteristics, Wat. Sci. Tech., 34 (5/6), 453-459 (1996)
8. K. Y. Show et al., Influence of support media on biomass growth and retention in anaerobic filters, Wat. Res., 33(6), 1471-1481 (1999)
9. 박태주 외, 고정생물막 공법을 이용한 고농도 폐수처리시 비표면적 영향, 한국화학공학회, 28(1), 114-123 (1990 )
10. A. P. Annachhatre, Anaerobic treatment of industrial wastewater, Resour. Conserv. & Recycling, 16, 161-166 (1996)
11. C. S. Harendranath et al., Immobilization in fixed film teactors : an ultrastructural approach, Wat. Sci. Tech, 33(8), 7-15 (1996)
12. 박재구 외, 세라믹 담체를 이용한 고정생물막공정에서의 동시 질산화 및 탈질화, 대한환경공학회지, 24(6), 1105-1115 (2002)
13. 국내 정수기 시장규모 및 전망, (주)알엔디비즈 (2004)
14. Kim, T. N. et al., Antimicrobial effects of metal ions(Ag+, Cu2+, Zn2+) in hydroapatite, J. Mat. Sci.:Mat. Med., 9, 129-134(1998)
15. Laurin, D. et al., Antimicrobial composition, U.S. Pat., 4, 144(1987)
16. Banks, M. K. et al., "Bacterial species dominance within a binary culture biofilm," Appl. Environ. Microbial., 57, 1974-1979(1991)
17. 박재구 외, Ag 담지 다공성 세라믹 비드 제조 및 향균 특성, 대한환경공학회지, 549- 554 (2005)
18. 박정훈, 세라믹 멤브레인 기술 및 응용, 화학공학기술정보지(NICE), 21(3), 33-38 (2003)
19. http://www.vichem-international.com/
20. 강상규 외, 수처리용 세라믹 분리막의 기술개발 현황과 정보 분석, 공업화학전망, 7(3), 83-96 (2004)
21. 박재구 외, TiO2 코팅된 다공성 세라믹 펠렛을 이용한 페놀의 광분해, 한국지구시스템공학회, 40(2), 103-109 (2001)
22. 대한미국특허출원 제1996-1576호
23. 대한미국특허출원 제1997-46135호
24. 대한미국특허출원 제1996-69163호
25. http//www.kttc.or.kr, 광촉매를 이용한 수처리, 한국기술거래소, 시장 동향 보고서(2006)
26. T. Sauer et al., Kinetics of photocatalytic degradation of reactive dyes in a TiO2 slurry reactor, J. Photochem. Photobio. A: Chem., 149(1-3), 147-157 (2002) 

그림 1. 다공성세라믹 내부기공(좌) 및 기공내 서식하는 미생물 군집(우)
그림 2. 큐빅형 다공성 세라믹 담체
그림 3. 세라믹 담체 충전율에 따른 탈질률

표 1. 세라믹 항균여재의 종류 및 특성종류
     
그림 5. 반응시간에 따른 E. Coli 제거율
그림. 6. Escherichia Coli 항균지속성시험
그림 4. 은이온에 의한 항균 메카니즘
그림 7. 세라믹 분리막의 구조 및 형태
그림 8. 정수처리 분리막 장치 모식도19)
그림 9. 일반적인 광촉매 폐수처리 장치26)

필자약력(박재구)
한양대학교 자원공학과 공학사
일본 동경대학 공학석사
일본 동경대학 공학박사
한양대학교 지구환경시스템공학과 교수

필자약력(박제현)
한양대학교 자원공학과 공학사
한양대학교 자원환경공학과 공학석사
한양대학교 지구환경시스템공학과 공학박사
한양대학교 산업과학연구소 연구원

필자약력(장영상)
강원대학교 환경과학과 이학사
한양대학교 지구환경시스템공학과 공학석사 입학

주거환경과 세라믹스 재료

이종규 공학박사 요업기술원 시멘트·콘크리트팀 팀장

1. 서 론
우리의 주거공간은 목재, 금속, 고분자 및 세라믹스 등 다양한 소재들로 구성되어 있다. 이중 세라믹스 재료들은 사회의 발전과 더불어 그 중요성은 점점 더 증대되고 있다. 주거 환경에서의 대표적인 세라믹스 소재로는 구조물의 뼈대를 이루는 재료로서 시멘트·콘크리트를 들 수 있다. 그 이외의 각종 내·외장소재, 단열소재, 마감재료 및 각종 기능성 소재 등 구조물의 전 분야에 세라믹스 재료들이 널리 사용되어지고 있다.
시멘트·콘크리트는 우리나라의 기간산업으로서 경제성장 발전의 주도적인 역할을 해왔다. 최근에는 단순한 구조적인 측면뿐만 아니라 환경적인 측면에서도 시멘트·콘크리트재료에 대한 관심이 집중되어지고 있다. 특히 그 중에서 시멘트 중에 수용성 6가 크롬에 대한 사회적 관심이 집중되고 있다.1)    우리나라 전체 가구 수의 50% 이상이 공동주택에서 주거하고 있으며, 생활의 질이 향상되고, 공동주택 구성원들의 주거공간에 대한 밀집도가 높아질수록 층간소음, 주거환경 등에 대한 청정성이 요구되고 있다.2) 그러나 현재의 주거환경은 외관상의 편리함과 아름다움만을 추구할 뿐 그 내면에 있는 환경적인 문제를 등한시하고 있는 것도 현실이다. 여기에서는 주거환경에 사용되는 대표적인 세라믹스로 재료들에 대한 최근의 동향에 대해서 알아보겠다.

2. 시멘트재료와 주거환경
우리의 주거환경에서 사용되는 세라믹스 중 가장 다량으로 사용되고 있는 재료가 시멘트이다.  시멘트는 천연의 석회석, 점토, 규석, 산화철 원료를 주원료로 사용하고 있지만, 자원의 유효이용이라는 관점에서 각종 부산물과 폐기물이 원료 및 연료로 사용되고 있다. 이러한 천연 원료나 연료, 부산물, 폐기물 중에는 시멘트의 주요구성 성분 이외에 미량성분을 함유하고 있으므로 제조과정을 통하여 미량성분이 최종 시멘트 제품에 포함되게 된다. 이들 미량성분은 시멘트의 구성광물에 고용되어 대부분 용출이 되지 않지만 일부 수용성  Cr6+가 일정량 용출이 일어난다.3) 최근 우리나라에서도 2005년 3월 이후 시멘트에 함유된 Cr6+의 발생원인 규명 및 저감방안에 대해 활발한 논의가 이루어져 환경부를 소관으로 하는 민·관 정책협의회가 구성되어 있다. 현재 우리나라도 선진국 기준인 20mg/
kg이하로  Cr6+ 자율규제 움직임이 있으며 양회협회 차원에서는 주·부 원료의 총 크롬 양 관리 및 선진화된 저감기술 개발을 적극 추진하여 2009년까지 선진국 수준 이하로 관리할 예정이어서 우리 주거 환경에 대한 안정성은 더욱 높아지리라 생각된다. 
시멘트를 사용한 재료가 일반국민들과 접하게 되는 것은  콘크리트이다. 따라서 콘크리트에도 시멘트와 마찬가지로 중금속을 포함한 Cr6+용출의 염려가 있을 수 있으나, 국내 시멘트 9개 시료를 분석한 결과 경화된 몰탈/콘크리트를 분석한 결과 Cr6+이 용출되지 않고 있음을 알 수 있다.(표 1)
또한 구조물의 파손, 노화로 인한 해체작업 시 발생하는 분말에 대한 유해성에 대해서도 중금속이 시멘트가 수화물에 고정이 되기 때문에 다시 용출가능성은 상당히 줄어들 것이라 판단된다.(표 2)
그러나 시멘트는 강알칼리성으로 직접 접촉 시는 알레르기성 피부염 발생의 우려가 있다. 또한 구조물 해체 시 발생하는 분진의 영향이 있을 수 있으므로, 시멘트를 취급하는 작업자들에게는 보호 장구 착용을 의무화 하는 등의 철저한 관리가 필요하다.

3. 환경친화형 무기질 도료
최근 실내공간의 각종 내장재에서 뿜어 나오는 포름알데히드 등의 유기성휘발물질(VOC)에 의한 ‘Sick house 증후군’이 사회적인 문제로 대두되고 있다. 따라서 이러한 문제를 해결하기 위한 방법 중의 하나로 도료분야에서는 VOC가 전혀 발생하지 않은 환경친화형 무기질도료의 개발 및 적용이 활발해지고 있다.4)
기존에 범용적으로 적용되고 있는 도료의 환경오염성 및 인체 유해성에 대한 인식이 확산됨에 따라 세계적으로 환경친화형 도료의 개발이 활발히 진행되고 있는데 대표적으로 VOC 저감형 수성도료, 초내후성 수성도료, 천연도료, 무기질도료 등을 들 수 있다. 그러나 VOC 저감형 수성도료, 불소수지를 주원료로 사용하는 초내후성 수성도료는 경제성과 범용성에서 단점이 있고, 식물에서 추출한 천연수지를 바인더로 하여 만든 천연도료는 인체에 무해하고 친환경적인 장점이 있는 반면 경제성과 원료수급이 어려운 단점을 가지고 있다. 이에 비하여 무기질도료는 내구성, 내수성, 내화성 등 기능성이 우수할 뿐 아니라 원료조달 및 경제성이 우수하여 향후 합성수지 에멀젼 도료의 대체제로 활용이 기대된다.   
표 3은 환경적 측면에서 합성수지 도료와 무기질 도료를 비교한 것이다.
세라믹스를 주원료로 하는 무기질 도료는 calcium-silicate계의 무기질 원료를 바인더로 사용하고 있으므로 일반적인 합성수지 도료의 경화과정과는 완전히 다른 경화기구를 갖게 된다. 즉 calcium-silicate 화합물이 용제로 사용되는 물과의 수화반응에 의해 calcium silicate 수화물을 형성하며 이러한 수화물이 도막을 형성하는 주요 구성광물이 된다. 물론 수화반응에 영향을 미치는 요인은 여러 가지가 있으나 외부의 조건으로는 시공 당시의 온도와 습도 등이 중요한 영향인자로 작용하며, 적용 원료의 입도, 바인더와 도료로서의 기능을 발현할 수 있는 첨가제들과의 상호 영향성 및 혼합수량 등도 무기질 도료의 물성을 좌우하는 가장 중요한 요인으로 작용하게 된다. 또한 무기질 도료는 일반적인 합성수지 에멀젼 도료와는 달리 내부의 미세한 기공을 통해 습기를 흡수 방출함으로써 습도조절이 가능하고, 구조물과의 동일한 열팽창계수를 가지고 있어 온도변화나 기타의 외부조건 변화에 따른 내구성 및 접착특성이 매우 우수하다.
이외에도 도막의 강알칼리 특성에 의해 기본적으로 항균특성을 보유하고 있다는 장점 및 원료 자체의 개질과 도료로서의 특성을 부여하기 위한 첨가제들의 기능성에 의해 일반적인 합성수지 도료와 동일한 시공성을 보유하고 있다는 것도 무기질 도료의 시장 확대 가능성을 높여주는 또 다른 특성이라고 하겠다.
 
4. 실내공기 조절용 소재
건축 내장재의 다양한 기능 중 최근 대두되는 물성으로는 조습기능을 들 수 있다. 이는 난방 및 냉방효율 향상과 에너지 효율의 극대화 일환으로, 건물의 밀폐성(단열성)이 증가하여 생활환경에서의 습도가 문제되고 있기 때문이다.
주거환경에서의 적당한 환경 습도는 40~70% 범위로, 이보다 높으면 곰팡이나 진드기의 왕성한 번식에 따라 이들의 배설물이나 유해 미분말에 의해 천식 및 아토피성 피부염과 같은 알레르기 질환이 증가하게 된다. 이보다 낮은 경우에는 감기 등의 바이러스 증식, 정전기의 축적으로 인한 정밀기기의 오동작, 발화 및 미술품/기타 제품 등의 열화가 발생하게 된다.
그러므로 적당한 습도를 유지하기 위해 제습기나 가습기가 사용되고 있으며, 이 경우 에너지 소비가 크고 장기간 사용 시 제습기/가습기 내부에 곰팡이나 진드기 또는 각종 세균이 번식하게 되며, 결국에는 이들 세균들이 환경을 오염시켜 인체 건강을 크게 위협하게 된다. 따라서 제습기/가습기의 도움 없이도 주거 환경에 적합한 습도를 유지할 수 있는 조습재의 개발이 필요하다. 조습재는 조습재 자체가 갖는 고유의 기공 특성으로 습도 조절뿐만 아니라 탈취, VOC 제거 등 기존 기능성 제품의 역할도 동시에 수행할 수 있는 장점을 나타낸다. 즉 조습재의 사용 목적은 1)실내 습도를 조절하는 것이며, 2)결로를 방지하고, 3)최근에는 화학물질의 ‘흡착+분해’라는 프리미엄도 갖고 있다. 

5. 층간 소음 저감 소재
우리나라 전체가구수의 50% 이상이 공동주택에서 생활하는 현 주거공간에서 쾌적성을 해치는 또 하나의 주된 요인은 층간 소음 문제에 있다.
구조물의 고층화에 따른 경량화 된 자재의 사용과 시공의 편이성 증대로 인하여 아래 위층 세대에서 발생하는 바닥충격음에 의한 불만이 자주 발생되고 있다.
이에 따라 공동주택 바닥충격음에 대한 기준이 법제화 되어 시행되고 있고, 아울러 층간 바닥충격음 저감소재에 대한 연구 및 개발이 활발하게 진행되고 있다. 일반적으로 바닥충격음은 건물의 구조형식 바닥슬래브의 두께 및 구성, 주변의 보나 벽에 의한 지지 조건, 마감재의 종류 등 다양한 인자에 의하여 복합적으로 영향을 받는다. 또한 각각의 경계 조건에 대한 시공방법과 사용재료의 변화는 바닥충격음 저감성능에 많은 영향을 미치고 있는 것으로 알려져 있다.                  

6. 무기질 단열소재 
 주거환경에서 또 하나의 중요한 세라믹스로는 단열소재를 들 수 있다. 현재 국내시장은 화재 시 유독가스를 배출하고 화재를 급속도로 확산시켜 인명피해를 증가시키는 유기질단열재가 70%의 시장 점유율을 기록하고 있으나, 외국의 경우 90% 이상이 무기질 단열재를 사용하고 있는 실정으로 국내에서도 가능한 한 빠른 시일 내에 유기질 단열소재를 대체할 수 있는 획기적인 무기질 단열소재의 개발이 시급한 실정이다. 무기단열소재로는 그림 3에 단열소재의 종류에 따른 열전도율과 강도특성을 나타내었다. 유기질 단열소재의 경우 단열특성은 우수하나 화재에 취약하고 강도특성이 나쁘다는 단점이 있다. 무기질 단열소재의 경우 단열특성이 우수한 재료는 시공특성 및 강도특성이 나쁘고, 강도특성이 양호한 소재는 단열특성이 나쁘다는 단점이 있다. 따라서 열전도율 특성과 기계적인 물성을 동시에 만족하는 무기 단열소재 개발이  절실히 필요하다.
단열소재로서 특히 주목받고 있는 또 하나의 재료는 에어로젤 소재이다. 에어로젤은 80~99% 정도의 기공률과 1~50 nm 범위의 기공크기를 갖으며 기존 소재에 비해 초단열/초경량특성 등의 탁월한 특성을 갖고 있기 때문에 미래의 에너지/환경분야에 그 응용성이 날로 증가되고 있고, 또한 연구/개발의 필요성 순위가 전 연구분야에서 상위 10위권에 포함될 정도로 에어로젤 소재 개발의 중요성이 높다고 평가한 첨단 소재중의 하나이다. 현재 국내에서도 에어로젤 소재에 대한 연구 개발이 시작되어 향후 몇 년 안에 에어로젤 분말 및 에어로젤 flexible 블랑켓트 그리고 smart glazing 소재 등이 개발되리라 생각된다.

7. 초 친수성 소재
광촉매 소재는 실내공기질의 정화를 요구하는 곳이나 생활용품, 공업제품 등에 응용하기도 하고 수질정화 대기정화용 소재로 활용되기도 하며, 항균, 항 곰팡이 소재로도 활용되기도 한다. 이러한 광촉매 물질을 응용한 친환경 건설소재가 다수 개발 되어 활용되고 있다.5)
이와 같이 광촉매로 널리 알려진 TiO2가 있으나, 이는 빛이 없는 곳이나 야간에는 효과를 낼 수 없으며, 장기적으로는 촉매 작용의 저하로 오염성분의 분해 효과가 저하된다. 특히 고가의 소재로 광범위한 적용을 위해서는 경제성이 떨어지는 단점을 가지고 있다. 그러므로 광촉매인 TiO2 와 동등 혹은 그 이상의 성능을 가지며, 또한 경제성 있는 실리케이트 계열의 초 친수성 소재개발이 필요하다. 이러한 실리케이트 계열의 초 친수성 소재는 내구성, 내수성 및 내열성 등이 뛰어나 내부의 콘크리트를 효과적으로 보호해 줄 수 있으며, 특히 콘크리트와 유사 성분으로 콘크리트 계면에서의 탈락 및 분리 현상을 최소화 할 수 있다. 또한 액상으로 존재할 수 있어 콘크리트 표면에서부터 시작되는 개기공을 최소화할 수 있다는 장점을 가지고 있다.
8. 결 론
주거공간과 세라믹스 재료는 필요불가결한 관계이다. 세라믹스 재료의 안정성 및 성능이 우리의 주거환경과 건강에 밀접한 관계가 있다.
최근 삶의 질이 높아짐에 따라 우리의 주거생활에 직접적으로 영향을 미치는 주택의 성능, 특히 건강에 영향을 미치는 부분에 대해서 현재 일반국민들의 반응은 매우 민감하며, 주거생활의 수준이 높아지고 주택에 대한 가치판단 기준이 건강하고 쾌적한 삶으로 변화하면서 주거공간에 대한 소비자의 요구수준도 높아지고 있다.
따라서 주거공간의 근간을 이루고 있는 시멘트·콘크리트의 안정성, 기능성뿐만 아니라, 실내공기질 개선, 유해성분의 흡착·분해 및 흡·차음, 단열 성능 등 다양한 기능성을 가지는 세라믹스 소재에 대한 철저한 관리와  더불어 새로운 기능성을 창조할 수 있는 세라믹스 소재의 연구 개발에 더욱 박차를 가하여, 우리의 주거환경 개선 및 건강증진에 있어서 세라믹스재료의 역할을 더욱 확대해 나가야 할 것이다.

참고문헌
1. 이종규 외 ‘시멘트중 중금속 함량조사 연구’ 보고서(2006)
2. 박춘근 외 ‘공동주택에서의 바닥충격음 저감소재 특성’ 세라미스트 제9권 3호, 50(2006)
3. K.Kolovos, ‘SEM examination of clinker containing foreign elements’, Cement & concrete Research, Vol. 27, 163(2005)
4. 김태현 외, ‘시멘트를 이용한 ECO-SAFE 건재기술’ 세라미스트 제9권 3호, 29(2006)
5. H.Nagaishi, ‘Interior and Exterior Construction Materials using Photocatalyst’ Ceramics, Japan, 40, [7], 542(2005)

표 1. 몰탈 및 콘크리트중의 Cr6+ 용출결과(28일 양생 시료)
표 2. 시멘트 수화물에 의한 Cr6+의 고정능력
표 3.  합성수지 도료와 무기질 도료의 특성비교
 

그림 1. VOC 흡착/분해, 습도제어형 복합기능 제품
그림 2. 공동주택의 바닥구조
그림 3. 각종 단열소재의 특성
그림 4. 초 친수성 소재의 적용사례

필자약력
한양대학교 무기재료공학과(학사)
한양대학교 무기재료공학과 (석사)
한국과학기술연구원(연구원)
동경공업대학(박사)
동경공업대학(조수)
니이가타대학(조수)
요업기술원 시멘트·콘크리트팀 팀장

생활폐기물 소각바닥재를 재활용하기 위한
국내외 관리 현황

안지환 공학박사 한국지질자원연구원 자원활용소재연구부 책임연구원

1. 서론
생활폐기물의 처리 현황은 95년에는 매립이 72.3%, 소각이 4.0%, 재활용이 23.7%였으나, 매립비율은 꾸준히 감소하였고 소각 및 재활용의 비율이 지속적으로 증가하여 2003년에는 매립이 40.8%, 소각이 14.5%, 재활용이 45.2%로 처리구조가 개선되었다. 그러나 생활폐기물의 가연성 물질이 50%이상임을 감안하면 소각에 의한 처리를 더욱 증가시키는 것이 바람직하다고 생각된다.
소각비율이 점차 높아짐에 따라 소각한 후 잔재물의 발생량도 더욱 증가될 전망이다. 생활폐기물 소각재의 발생량은 대체로 소각시설로 반입된 생활폐기물의 약 20wt.%정도 발생하며 발생된 소각재의 약 90wt.%는 바닥재로, 10wt.%를 비산재로 추정하고 있다. 이러한 계산을 기초로 하면 생활폐기물의 소각비율이 약 13.6wt.%였던 2003년에 소각재는 약 40만톤이 발생했으며, 이 중 바닥재는 약 35만톤, 비산재는 약 5만톤이 발생된 것으로 추정된다. 정부는 2011년까지 생활폐기물 소각비율을 30wt.%까지 증가시킬 예정이기 때문에, 2003년이후 생활폐기물 발생량이 큰 변화가 없고 소각비율이 2%씩 증가할 것이라고 예상할 경우, 소각재의 발생량은 매년 약 10%씩 증가하여 2008년에는 약 100만톤으로 증가할 것으로 추정된다.
비산재는 중금속 용출량이 허용기준치를 초과하여 고형화/안정화 등의 중간처리를 거쳐 매립하고 있다. 바닥재는 주로 철, 유리, 도자기 등으로 구성되어 있기 때문에 적절한 전처리를 함으로써 재활용이 가능하지만 국내에서는 이들을 주로 매립처리하고 있다. 그러나 2차 오염물질의 방출, 지역이기주의 등에 따라 매립지의 확보가 어려워지고 있으며 자원의 재이용이라는 측면에서 바닥재의 재활용을 위한 기술 및 정책의 개발이 절실히 필요하다. 반면에 독일, 덴마크, 네덜란드 등 유럽에서는 바닥재를 도로건설의 경량 골재로서 이용하거나 아스팔트 또는 콘크리트의 골재로 바닥재의 60∼90%를 재이용하고 있다.
본 고에서는 생활폐기물 소각장에서 발생된 소각재 중 바닥재를 대상으로 하여 국·내외 바닥재 관리 및 재활용 현황을 검토하고자 한다.

2. 국내의 소각재 관리
2001년 전국 26개 소각장에 반입되는 폐기물 총 반입량과 소각재 발생량 기준으로 보면 생활폐기물을 소각하여 발생된 바닥재는 약 25만톤이었으며, 비산재는 약 4만 9천톤 발생하였다. 표 1은 2001년 26개 대형 소각장별 바닥재 및 비산재 처리현황을 나타낸 것이다. 표 1에 나타난 바와 같이 대부분 바닥재는 매립 처분되고 있으며, 일부 업체에서 소량으로 재활용되고 있는 실정이다. 또한 비산재는 지정폐기물 매립장에 매립되고 있고, 일본처럼 이들을 용융처리 하고 있는 곳은 없으며, 일부 약제를 사용한 안정화와 시멘트를 사용한 고화처리한 후 매립하고 있다.
현재 국내의 소각재 처리 수단의 상당한 부분을 차지하고 있는 매립은 중금속의 용출문제 등 환경적 차원의 문제점을 고려하여 본다면 바람직하지 못한 처리수단이라 할 수 있다. 따라서, 소각재중의 중금속 성분을 용출되지 않도록 처리하여 이를 자원화함으로써 처리비용의 저감효과와 환경안정성을 함께 도모하는 방안이 대두되고 있으며, 현재 우리나라에서는 전체 바닥재 발생량의 약 3-4%정도만이 재활용되고 있으며, 전진산업(주), (주)진흥, 삼광물산 등이 바닥재를 활용하여 건축용 벽돌, 기와, 블럭 등을 생산하고 있다 (표 2).

3. 국외의 소각재 관리
가. 미국의 소각재 관리
미국에서 바닥재의 재활용 분야는 아스팔트 채움재, 콘크리트용 골재, 복토재 등이다.
미국에서 바닥재의 재활용 분야는 아스팔트 채움재, 콘크리트용 골재, 복토재 등으로 사용된 실적이 있으며 주요 실적은 표 3과 같다. 현장실험에 따라 효과가 검증이 안된 곳도 있음을 알 수 있으며, 대부분 정부 혹은 지방자치단체 주도의 과제로 추진되었음을 알 수 있다.
미국에서는 현재 7개소의 바닥재 처리시설을 가동하고 있으며, 입도분리와 자력분리공정 등을 통해 철질금속, 비철금속과 재생골재로 분리되며, 미연소성분은 소각로로 반송되어 소각하여 처리한다. 표 4에 미국에서 상업 가동중인 바닥재 처리시설의 개요를 나타내었다.
나. 일본의 소각재 관리
일본에서의 생활폐기물 소각재의 처리는 1991년에 수정된 폐기물 처리법에 의하여 관리되고 있다. 이에 따라 비산재는 유해중금속의 함유로 인하여 직접 매립되지 못하고 최종매립 전에 전처리를 하도록 규정되어 있으며, 환경청에 의해 규정된 범위를 만족해야 한다. 처리기술은 후생성에 의하여 규격화되었다. 이러한 방법에는 용융, 시멘트고화, 화학적 안정화, 산/용매추출 등이 있다.
1991년에 소각설비의 83%가 바닥재를 포함한 비산재를 처리하고 13%가 고형화 기술을 이용하여 처리되었으며, 15개의 plant에서 혼합재를 용융처리하고 있으며 2001년까지 21개로 늘어날 전망이다.
1995년에 134,000톤의 슬래그가 용융처리로 생산되었으나 이는 일본 전체 소각재 발생량의 3%에 불과하다. 슬래그 생산량의 약 17%인 22,800톤이 건축용으로 쓰였는데 그 용도로는 충전재, 노반재, 인터로킹 블록과 아스팔트 충전용 등으로 쓰이고 있다. 2001년까지 슬래그 생산은 205,103톤으로 증가할 것으로 예상되며 이의 유효이용도 더불어 증가할 것이다. 또한 생활폐기물 소각재 등에 함유되어 있는 다이옥신, 중금속, 염소 등의 문제를 해결한 새로운 유형의 Eco-cement 개발 등의 연구가 진행되고 있다. Eco-cement는 소각재 중의 5~10%를 함유하고 있는 염소 때문에 지금까지 시멘트 원료로 이용이 곤란하였으나 이 염소를 염소함유 시멘트 광물로 생성시킨 새로운 유형의 시멘트 제조기술을 확립한 것이다. 또한, 용융로를 이용하여 소각재를 파인세라믹으로 재생하는 연구가 진행되고 있다. 이는 소각재를 1,600℃의 고온으로 녹여 재생 이용시 장애가 되고 있는 금속성분을 제거하는 용융로를 개발하여 노에서 나오는 재를 냉각시켜 분말상으로 만든 후 압력으로 굳혀 세라믹의 재료로 이용하는 것이다.
그림 1은 일본의 스토커식 소각로의 바닥재 재활용 공정 사례를 나타낸 것이다. 바닥재는 보통 노반재로 사용되고 있지만, 안전성을 높이고 일반 용도까지 넓히기 위해서는 수분 및 염분 제거, 미연유기물질 제거, 알칼리-실리카 반응성에 대응, 철분 제거, 비철금속류 제거, 입상화 및 입도 분포 조정, 용출성 중금속의 용출억제, 다이옥신류 제거 등이 필요하다. 이를 위해 일본의 (株)테크노론티아에서는 일반 용도의 재생 모래로서 사용이 가능하도록 개발한 공정이다.
그림 2는 소각장에서 배출되는 비산재를 가공처리하여 공업용 이수석고로 전환하는 설비로서 (株)테크노론티아에서 개발한 공정도를 나타낸 것이다. 이 공정으로 처리할 경우 비산재에 함유된 유해물질(용출성 중금속, 다이옥신)은 안전한 수준까지 분해·제거되며 비산재 중 수용성 물질은 수세에 의해서 제거되고 건자재용 또는 시멘트 원료로 사용 가능한 석고가 생성된다.
다. 네덜란드의 소각재 관리
Dutch Ministry of Housing, Physical Planning and Environment에 의해 발기된 Netherlands National Implementation Plan은 2차 물질 이용을 위한 전략을 제공한다. 이 계획은 생활폐기물 소각(Municipal solild waste incineration: MSWI) 잔류물 분류의 이용, 처리, 폐기를 위한 모든 측면을 포괄하며, 새롭고도 발전된 처리 옵션에 대한 연구, 건설에서의 바닥재 이용을 유지 또는 증가시키기 위한 관리 체계의 집행, 비산재 및 연료 가스 청정 잔류물을 이용하거나 폐기하기 위한 적정 기법을 찾아내는 것 등을 제공한다.
네덜란드는 2차 물질로서의 폐기물 잔류물의 유용한 이용이 폐기에 우선한다고 결정하여 소각재 관리는 Regulation for Construction Materials(1995년 11월)에 따른다. 이 규정은 100년 이상의 기간 동안 환경에 미치는 영향 등을 고려하여 폐기물로부터 유해물질의 방출 한계를 결정하고 있다. 바닥재는 1998년까지 이 규정의 특별 범주에 속했으며, 이것은 소각재가 이 규정의 엄격한 조건을 충족시키지 못할 수 있음을 인정하더라도 소각재의 재활용을 촉진시키는 것이다. 바닥재는 도로 제방의 성토용 흙으로, 도로 기층재로 사용되지만, 설계는 빗물의 침투를 최소화해야 한다. 네덜란드에서는 바닥재의 90%이상이 이용되고 있다.
라. 덴마크의 소각재 관리
덴마크에서는 재활용될 수 없는 폐기물은 소각을 우선으로 하고 있다. 1993년 가정 폐기물의 58% (1,334,000톤)가 WTE 시설에 의해 처리되었다. 덴마크의 정책은, 소각으로부터 발생한 잔류물은 환경적 영향만이 고려된다면 이용되어야 한다는 것이다. 원칙적으로 혼합재 및 비산재는 이용될 수 있다. 그러나 실제로 법규, 기준 등의 확립이 마련되지 않아 바닥재는 유용한 이용을 위해 따로 수집된다. 수집된 바닥재는 전체 소각재의 약 10%로 재활용을 위해 금속을 제거된 후 자갈의 대체재로서 사용되고 있다. APD 잔류물(비산재 및 acid gas cleaning residues)는 특별히 유해한 폐기물로 분류되어 이용되지 않는다.
마. 독일의 소각재 관리
독일은 경제적으로 적합하다면 모든 잔류물이나 잔류물의 성분들을 재생하고 이용하도록 요구하고 있다. 이러한 전략은 모든 도시 폐기물 소각 잔류물을 포함한다. 약 60%의 바닥재(180만 Mg/yr)가 도로 포장과 그와 유사한 프로젝트에서 이용되고 있다. 이러한 활용은 독일의 여러 주에 의해 규제되고 있고 그 요구조건도 주마다 약간씩 다르다.
표 5는 잔류물이 매립되기 전에 충족시켜야 하는 Technical Directive for Residential Waste에 의해 설정된 기준들을 나타내고 있다. 이러한 기준은 LAGA에 의해 확립되었으며,  도로 건설에서의 바닥재 이용에 대한 기준을 포함하고 있다.
바. 프랑스의 소각재 관리
1994년 프랑스에서는 약 1,800만 톤의 폐기물을 소각하여 약 216만 톤의 바닥재가 발생하였다. 216만톤의 바닥재 중에서 약 45%(약 100만톤)가 토목, 건설 분야에서 이용되었다. 1994년 5월, 도로 건설 및 다른 활용에서의 바닥재 이용에 대한 규정이 환경부에 의해 확립되었다. 이러한 규정 및 부속 요건들은, 활용하기 전 잔류물의 화학적 및 물리적 특성을 명시하도록 하고 있다. 소각재에 프랑스 여과 시험(NFX31-210) 결과를 이용하여, 표 6에 나타낸 바와 같이 바닥재는 다음과 같은 세 종류의 잠재적 범주로 구분된다.
위의 기준은 10개의 소각 시설로부터 소각재 표본을 만들어 분석한 후 결정된 것으로 분석결과는 단 한 시설의 바닥재만이 범주 V의 요건을 충족시켰고, 네 시설의 바닥재는 범주 M에, 5 시설의 바닥재는 범주 L에 속하였다. 9개월의 숙성 후, 7군데의 바닥재는 범주 V의 필요조건을 충족시켰으며, 하나는 범주 M에, 둘은 범주 L에 속하였다. 바닥재를 노반재 등으로 사용한 도로 시험 결과, 훌륭한 물리적 및 공학적 특성을 보여주었으며, 투수된 물을 한 달 간격으로 측정한 결과 자연 수질에 영향을 미치지는 않는다는 결론을 내렸으며, 측정된 성분의 농도는 음용수로 적합하였다.
사. 영국의 소각재 관리
1996년, 영국에서는 4,180만톤의 폐기물이 수집되었다. 이 중 약 90%는 매립지로 향했고, 5%는 재활용되었으며, 5%는 WTE 시설에서 소각되었다. 그러나, 이러한 상황은 지속가능한 폐기물 관리(Making Waste Work, 환경부, 1995)를 촉진시키는 전략 및 규정의 발전에 따라 변화하고 있다. 이 전략은 감소 및 재이용에 뒤이어, 에너지 재생, 합성 및 재활용과 같은 범주로 두고 있다. 매립의 감소 및 재활용 및 합성의 증가와 함께 (2000년까지 25%), 2005년까지 MSW의 재생(40%)을 위한 국가 목표가 확립되었다.
여러 가지 요인들을 기초로, 영국에서는 2005년까지 약 270만톤의 폐기물이 연소될 것으로 예상되고 있으며, 이는 약 800,000톤의 바닥재 및 10,000톤의 혼합된 비산재와 공기 오염 잔류물의 발생을 예고하고 있는 것이다. 현재의 Special Waste Regulations(1996년 9월)에 의해 바닥재는 특별 폐기물로 분류되지 않으며, 혼합된 비산재 및 APC 잔류물도 마찬가지이다. 현재 영국의 WTE 시설로부터 나온 모든 잔류물은 매립되지만, 기업 및 정부는 바닥재의 유용한 이용의 개발을 추진하고 있다. 1996년, 영국 연구자들은 유용한 이용 전 소각재 처리를 위해 바닥재의 탄산화, pH 감소 등 바닥재의 풍화 또는 숙성을 권고하고 있다.

4. 결론
국내외 생활폐기물 발생 현황 및 그 성상은 생활양식, 문화 등에 따른 생활폐기물 편차가 예상보다는 크지 않았으며, 국토 면적이 큰 미국 등은 매립위주의 관리를 하고 있는 반면 국내와 같이 국토 면적이 좁은 일본, 네덜란드, 독일 등은 소각비율이 40% 이상으로 소각 위주의 관리를 지향하고 있는 것으로 판단된다. 국내 생활폐기물의 처리 구조는 2001년 현재 매립이 전체의 약 43.3%, 재활용이 약 43.1%, 소각이 약 13.6%로 90년대의 매립위주로부터 개선되기는 하였으나 생활폐기물 중 가연성 폐기물의 비중이 높아짐에 따라 소각 비율을 더욱 높이는 것이 바람직할 것으로 판단된다. 또한, 국내의 소각시설은 소각을 지향하는 국내 정책에 따라 지속적으로 증가되고 있으나 다이옥신 및 유해 물질에 의한 2차 오염 등에 대한 우려로 인해 그 설치가 점차 어려워지고 있기 때문에 유해물질의 방출 억제 등을 위한  제반 시설 및 기준 등을 보다 엄격하게 적용하여야 할 것으로 판단되며 그에 대한 기술 개발도 병행되어야 할 것이다. 특히 소각 처리의 저해 요인인 생활폐기물 중 40%이상을 차지하는 음식물류를 분리수거 하기 위한 적정 방안이 논의되어야 할 것이다.
따라서, 소각비율이 증가함에 따라 소각량의 10~20% 수준으로 발생하는 소각재의 발생량도 증가할 것이며 현재 국내의 소각재 처분이 중금속 유출 등 환경 오염 등을 유발할 수 있는 매립 위주인 것을 감안하면 소각재의 발생특성과 성상을 조사·분석하고 국내외의 소각재 안정화 및 재활용기술에 대한 기술조사 및 평가를 기반으로 국내실정에 적합한 최적처리방안에 대한 연구가 절실히 요구된다.
참고문헌
1) 환경관리공단, 2000 : 소각재 안정화 및 재활용 기술에 관한 연구.
2) 과학기술부, 2004 : 철강산업 슬러지의 복합처리에 의한 실용화 기술개발, 21c 프론티어연구개발사업보고서.
3) 환경부, 2002 : 01 생활폐기물소각시설 운영현황, 2002.
4) 환경부, 2004 : 국폐기물 발생 및 처리현황 2003.
5) 환경부, 2004 : 환경백서 2003.
6) Wiles, C. and Shepherd, P., 1999 : Beneficial Use and Recycling of Municipal Waste Combustion Residues, National Renewable Energy Laboratory (NREL).

표 1. Production of municipal solid waste incineration     
      (MSWI)-bottom ash in Korea (2001)

표 2. List of commercial companies recycling the MSWI-
       bottom ash in Korea

표 3. Recycling of the MSWI-ash in USA
그림 1. Schematics for recycling process of the MSWI-bottom ash in Technoronpia Co.
그림 2. Schematics for recycling process of the MSWI-fly ash in Technoronpia Co.

표 4. List of commercial companies recycling the MSWI-
       bottom ash in USA

표 5. Classifications for the MSWI-bottom ash
       recycling in Germany

표 6. Classifications for the MSWI-bottom ash
       recycling in France

필자약력
인하대학교 자원공학과(학사, 석사, 박사)
연세대학교 경제학(석사)
광운대학교 화공과 겸직교수
환경부 환경기술심의위원회 심의위원

<본 사이트에는 표가 생략되었습니다. 자세한 내용은 월간세라믹스를 참조바람>