眞目薰 / 住友金屬工業(주) 1. 들어가며 ‘세상에 존재하는 것 가운데 쓸모 없는 것은 하나도 없다’라고 기록한 것은 성경이었다. 선도(禪道)에서의 사고도 마찬가지로 수행 가운데 하나로 중시되는 쇼진요리(精進料理:육류, 어패류를 사용하지 않고 채소로만 만든 음식)에서조차 잎과 뿌리 하나를 취하더라도 뿌리, 줄기, 껍질, 잎사귀 등 전체를 주종(主從)의 구별 없이 전부 최적의 요리법을 구사하여 상에 낸다. 이것은 ‘낭비를 하지 않는다’하는 것 이전에 모든 것을 완벽하게 다 사용하는 것만이 하늘의 지혜요 이치라고 알아 왔기 때문이다. 좀더 쉽게 말한다면 잎 따위를 가지고도 그 부수적 작용(副作用)으로 병의 증상을 멈추게 하는 시스템을 취하는 일이 많다. 이럴 경우 어떤 것을 약 자체의 주요한 효능으로 할 것인가, 부작용으로 할 것인가 하는 어느 일정한 목표, 기준 하에 인간이 위치하고 있는 것에 지나지 않는다. 즉, 대상에 관해 ‘이것은 이러한 것이다’하는 기준이나 견해야말로 그것 본래의 효용, 가치, 의미를 한정시켜 버릴 위험성을 크게 내포하고 있다고 할 수 있다. 세상은 여전히 미지에 싸여 있다. 그러므로 재미있고 연구대상은 무한하다. 우리들 연구자들은 하나의 대상을 기존의 정의된 것으로 받아들이기 전에 그 자체를 다양한 시점, 시각으로 보고, 그 범용의 불가사이를 깨닫고, 인간의 생활에 도움을 주는 일에 전력을 기울여야 한다. 흔히 있는 것에서 개척할 수 있는 오리지널리티는 인간 측의 사고에 의존되고 있다. 필자가 연구테마로 할, PCB, DXNS, 잔류성 유해화합물 등의 분해기술에 있어서도 본래는 제철의 부산물로서 폐기물 취급을 받아 돈을 주고서라도 받아주면 좋겠다고 하던 ‘제철 슬래그’를 지금 ‘새로운 기능을 가진 소재’로서 활용하고자 하는 데에까지 와 있다. 편견의 베일을 벗고, 제철 슬래그는 이제 폐기물이 아니라 새로운 생명을 부여받은 듯 새로운 분야에서 재검토되려 하고 있다. 2. 고로 슬래그의 본래의 특질 철강업 제조 프로세스에서는 연간 약 4000만t의 부산물이 산출되며, 제철 부산물이 약 85%가 슬래그라고 알려져 있다. 제철 슬래그는 크게 나누어, 선철(銑鐵) 제조과정에서 생성되는 고로 슬래그와 철강 제조 과정에서 생성하는 제강 슬래그가 있다. 고로 슬래그는 선철 1t당 약 300㎏ 생성되어 연간 약 2000만t 이상 발생되고 있고, 제강 슬래그는 조강(粗鋼) 1t당 약 130㎏ 생성되어 연간 약 1000만t 발생하고 있다. 모두 주성분은 CaO-SiO2 로 형성되어 있어, 양질의 산화물로 된 무기소재로서 종래는 토목용 소재, 시멘트 원료 등에 이용되었다. 특히 제철 슬래그는 철 이외에 마그네슘, 망간 등의 유용한 산화물(광물질 성분)을 포함하고, 철 성분이 많은 제강 슬래그는 그 유용성에서 제철소 내에서의 선철 제조과정상 재이용이 적극적으로 권고되고 있다. 이번에 필자가 난처리 화합물의 분해처리에 활용한 것은 고로 슬래그이다. 고로 수쇄(水碎) 슬래그는 잠재수경성을 가지며 표준적 입경 4.75㎜ 이하의 모래알 모양으로 안정되어 있고, 습윤 단위체적중량 1.3tf/㎥와 비중 2.62인 것은 토목용 재료에 필적하며, 또한 투수계수 10-10~100㎝/s에서 양호한 투수성을 갖는다. 또 용출수에서 pH값은 시멘트나 석회안정처리 용출수보다 수치가 낮고, 더욱이 해수성분에 의한 중화작용, 완충작용 및 해수에 의한 희석으로 pH값이 저하하기 때문에 시멘트나 석회안정처리보다도 환경에 대한 영향도 극히 적다는 특질을 가지고 있다. 또 고로 시멘트는 고로 슬래그의 미분말에 크링커와 석고를 균일혼합한 것으로, 수화열이 적어, 댐 등의 매스콘크리트에 적합하며 내약품성, 내해수성이 우수하다. 그리고 장기강도는 포트랜드 시멘트보다 우수하며, 알카리 골재반응 억제에 유효하여 경화 후에는 치밀해지고 방수성도 우수하다는 점은 업계에서 이미 주지의 사실이 되어 있다. 3. 메카노케미컬 기술과의 만남 일본 아니 세계는 현재, 인간이 낳은 난처리화합물로 대기는 물론이고 토양, 물, 음식물에 이르기까지 오염되어 생물의 유전자에 영향을 줄 정도로 유해물질이 잠식해 있다. 그러나 그 해결책에 대한 일본의 출발은 매우 늦어 그에 대한 분해기술의 실적은 너무나 적고, 행정을 비롯한 일반국민의 오염에 대한 인식도 다른 나라에 비해 아직 낮다. 일본 대기업은 국외의 기존기술을 연휴 또는 기술이전이라는 형식으로 차례차례 도입하여 최근 국내의 ‘환경’분야에서는 이러한 기술의 실증과 행정면에서의 인증신청이 붐처럼 속출하고 있다. 필자도 “지금 무엇을 조급하게 필요로 하고 있는가”하는 시장요구 앞에서 ‘메카노케미컬’이라는 지금까지 초합금 제조 등의 분야에서만 주목되어 왔던 한 요소의 기술을 구사하여 PCB, DXNS, 잔류성 유해화합물 등의 분해처리 장르에 참여했다. ‘메카노케미컬 기술’에 의한 분야란 완전밀폐형 용기에 대상이 되는 유해물질을 삽입하여 물리적인 충격 에너지를 균등하게 부가함으로써 물질의 구조(결합)를 미크로레벨에서 절단, 대상물에 화학반응을 야기시켜 새로운 분자구조를 가진 물질로 조성변화(반응)를 시켜 안정화시킨다. 즉 유해화합물을 전혀 다른 안전한 물질로 조성, 변화시킨다는 원리에 기초하고 있다(그림 1, 그림 2). 현재 문제가 되고 있는 난처리화합물의 대부분은 연소기를 가지고 있는데, 유기화합물 분자의 구조에 있어, 염소가 가진 결합력은 다른 결합력에 비해 약하여 이들 물질에 충격 에너지를 부여하면 염소결합이 가장 잘 절단된다. 이 때 동시에 삽입하는 물질(예를 들면 CaO)과 반응, 안전한 물질(예를 들면 CaCl2)로 변화하여 안정화한다. 즉 유해물에서 염소가 제거되어 무해한 물질로 변화하는 것이다. ‘메카노케미컬’이라는 기술 자체는 인지도가 낮아 이 기술을 가지고 행정의 인가인증을 얻기에는 상당히 많은 장애가 있었다. 물리적 방법이라는 장르와 화학적이라는 장르가 합체하여 새로운 조성이 형성된다는 로직은 일본에서 지금까지 드문 일로서 종래의 기술구분(카테고리)에서조차 존재하지 않는 것이 실상이었다. 또한 무해화를 입증할 분석법 자체를 새로이 확립한다는 것이 전제가 되었다. 그러나 전례 없는 세계적으로도 오리지널한 장르에서의 기술을 입증하기 위해 필자 등은 끈기있게 데이터를 집적하고, 로직을 구축하여 이 기술을 ‘래디컬 플라넷법’이라고 명명하기에 이르렀다. 실증실험의 결과를 관련행정의 심사기관에서 평가해 준 것은 1999년도, 環境廳(현 環境省) ‘DX-Ns 등 오염토양의 분해 무해화 실증 조사’이고, 이어서 2000, 2001년도에는 農林水産省의 ‘잔류성 농약, 매설농약의 분해 무해화 실증 조사’에서 무해화 기술로서의 평가를 받았다. 2000년도에는 厚生勞動省의 ‘폴리염화비닐의 탈염소화 연구 개발’에 참여, 탈염소화 반응을 안전하게 실시할 수 있다는 것에 대한 평가를 얻었다. 또 PCB의 무해화 기술의 인증으로서는 2001년도에 환경성의 ‘PCB혼입기기 등 처리추진조사검토회’와 經濟産業省의 ‘난분해성 유기화합물 처리기술 검토 위원회’등 두 곳에서 무해화 기술로서 평가, 인지를 받고, 현재, 환경성(구 후생성 관할)의 ‘PCB처리기술 조사 검토위원회’의 최종심사에 이르렀다. 이 ‘래디컬 플라넷법’은 상당한 속도로 기술평가, 인증을 받았는데, 이것은 심사위원회의 각 선생님들이 이 기술의 신규성, 오리지널리티, 다양성에 간심을 가져 주시고, 한결같이 이 기술의 높은 실용성, 안전성을 평가해 주셨기 때문이라고 생각한다. 그리고 이 ‘래디컬 플라넷법’의 메리트가 폐기물을 일체 내보내지 않는, 제로에미션성에 의한다는 것을 여기에서 강조하고 싶다. 무해화한 것은 전부 유효하게 효과적으로 활용할 수 있는 가능성을 가지며, 법적 인지를 가지는 데에까지 와 있다. 그 숨은 공로자야말로 ‘제철 슬래그’이다. 4. 제철 슬래그만의 메리트 위에 기술한 바와 같이 ‘메카노케미컬 기술’프로세스에서 난처리 유해화합물과 함께 삽입하는 첨가물이 ‘제철 슬래그’라는 것은 이미 알아차렸으리라 생각한다. 유해화합물에서 벗어나 활성상태가 된 염소와 반응하여 이것을 안전한 물질로 만들고, 또한 무해화 처리 후의 모든 물질에 유효한 사용방도를 개척하기 위해서는 CaO성분이 불가결하다. 물론 이들 반응을 해석하고 기술평가를 하기 위해서는 CaO단체(單體)를 사용하는 편이 평가하기 쉽다. 그러나 실용적 관점에서 다음에 기술하는 것과 같은 특성을 가진 제철 슬래그를 사용하는 편이 보다 효율적이다. 가. 고온열 이력을 받은 조합조성 메카노케미컬 기술에서의 탈염소 반응에는 화합물에서 이탈한 활성 염소(염소래디컬 Cl)를 안정하게 만드는 활성 칼슘(칼슘래디컬 Ca)과 활성 산화칼슘(CaO)이 필요하다. 생석회(CaO단체)는 강고한 Ca=O결합으로 된 비결정성 물질로, 이것을 활성화시키는 에너지에 비해 제철 슬래그 속의 Ca는 -Ca-Si-와 -Ca-O-Si 등의 결합으로 구성되어(그림 3), 파쇄 등에 의해 활성화시키는 에너지는 낮다. 즉 제철 슬래그는 -Si-O 네트웍 속에 Ca원자가 존재하여 물리적 에너지에 의해 얻을 수 있는 파면이 생성, 활성적인 칼슘면이 표출되기 쉬워진다. 나. 수분흡수속도의 지연과 취급보관의 용이성 메카노케미컬 반응에서는 수분이 적을수록 반응효율이 좋다. 생석회(CaO)의 경우에는 건조제로서 사용될 정도로 수분을 흡수하는 속도가 빠르고, 이때 발열이 있다는 점에서 이전에는 위험물 제3종(현재는 제외)으로 지정되었을 정도이다. 한편, 제철 슬래그에도 흡습능력이 있기는 하지만 CaO성분은 SiO2와 네트워크 결합되어 있어 단순히 CaO가 수분을 흡수하여 Ca(OH)2가 되는 것은 아니기 때문에 발열이 적고 운반이나 보관이 용이하여 실용적이라고 할 수 있다. 다. 우수한 탈염소 능력 상기의 특성이 있기 때문에 실제로 제철 슬래그를 사용하여 잔류성 유해화합물(농약)의 무해화 실증시험을 실시한 결과, 생석회의 1/2을 제철슬래그로 바꾸고 CaO 첨가량을 약 3/4으로 해도 농약의 무해화 속도는 순 CaO의 경우와 동등하다는 결과를 얻을 수 있었다(그림 4). 이것은 다른 유해화합물, DXNs (그림 5)이나 PCB 등의 무해화 실증실험에서도 확인되어 실용화에의 기대가 확고한 것이 되었다. 라. 고기능 무기소재로의 변신 메카노케미컬 무해화 반응에서 파쇄로 인해 생성된 제철 슬래그 파면의 거의 전량이 활성면이고, 잠재수경성의 특성을 쉽게 얻을 수 있기 때문에, 수화경화시, 그 결합력을 높일 수 있다. 한편, 생석회(CaO)에서 얻어지는 파면도 활성이지만 수화경화시, 일부, 결합되지 않은 유리 CaO면에서는 Ca(OH)2가 생성하기 때문에 슬래그 사용시의 결합강도 쪽이 더 강도는 커진다. 그러나 어떤 경우에나 메카노케미컬 처리 후의 무기물의 수화경화 강도는 종래 시멘트 고화물 강도의 몇 백 배가 된다는 것은 변함이 없다. 또한 이들 메카노케미컬 반응으로 얻어진 수화고화물에서는 CaO가 화학결합해 있다는 점에서 물에 대한 알칼리 용출량(pH=8~9)는 종래의 시멘트 고화물(pH=11~12)의 알칼리 용출량에 비해 낮고, 그 중에서도 유리CaO가 적은 제철 슬래그는 안정적으로 pH를 낮게 유지할 수 있다. 즉 유해화합물의 무해화 처리 후의 미분말을 무기소재로 이용할 경우, 수화결화하는 과정에서 제철 슬래그 쪽이 종래의 시멘트 고화물보다도 고강도, 저알카리 용출이라는 특성을 발휘할 수 있게 된다. 마. 안전성, 저원가 및 다량입수의 용이성 처음에 기술한 것처럼, 제철 슬래그는 철강업계에서는 상시 발생하고 있는 부산물로서 폐기물 취급을 받고 있기 때문에 당연한 일이지만 낮은 가격에 다량으로 입수할 수 있고, 많은 양을 보관해도 안전하다. 유해화합물의 무해화 처리 시의 첨가물은 예를 들면 PCB처리의 경우, ‘래디컬 플라넷법’이 생석회 또는 제철 슬래그인데 대해, 다른 분해기술에서는 금속나트륨이나 가성소다, 혹은 기타 화학약품을 사용하고 있다는 것을 생각하면 ‘래디컬 플라넷법’은 안전성이나 원가의 면에서 상당히 위에 서는 기술이라고 할 수 있다. 또한 최근에는 전력비회(電力飛灰)가 시멘트 원료에서 제철 슬래그의 점유율을 위협하고 있는데, CaO성분을 거의 포함하지 않은 전력비회는 당연히 메카노케미컬 기술에서 유해화합물을 무해화하기 위한 첨가물은 되기 어렵다는 점에서 이 분야에 있어 여전히 제철 슬래그의 우위성은 평가된다. 5. 보다 고기능의 무기화합물 재생을 위하여 제로에미션화라던가 재활용이라는 말이 많이 나오고 있지만, 난처리 유해화합물을 무해화한 경우, 다른 기술에서 발생하는 무기화합물은 거의가 시멘트 고화되거나, 유리 용융고화의 과정을 거쳐 최종처리장에서 매립되는 등 유효가치가 있는 이용법은 적다. 즉 무해화 처리 후의 나머지의 균일성 유지, 무해화의 증명은 곤란하며 법적 기준이나 규제의 벽은 높다. 그러나 ‘래디컬 플라넷법’은 일찍이 전례도 없고 기술 카테고리도 존재하지 않을 정도로 참신하며 동시에 특수한 것이다. 무해화 프로세스에서는 가열을 하지 않고 분자의 결합을 끊고, 조성을 바꾸는 것인데 그 과정에서는 배기가스, 배수가 발생하지 않기 때문에 그를 위한 처리설비조차 필요치 않다. 또 무해화 후의 미분말은 매우 균일하여 고화 전의 상태에서 완전히 안전한 무기물이라는 것을 확인했으므로 고화물로서도 안전하게 활용할 수 있다. 필자 등이 검증한 무기화합물의 주요한 획기적 특성은 다음과 같다. 가. 용도에 맞는 형상설정이 가능하다는 점 유해화합물의 무해화 후의 분체는 CaO-Al2O3-SiO2를 주성분으로 하는 활성한 미분말로, 페레타이징 성형, 브리케팅 성형, 주입 성형 등, 원하는 형상으로 성형할 수 있다. 또 다른 소재와의 균일혼합도 용이하며 입도, 밀도, 강도 등의 조정도 매우 간단하다. 소성하는 일없이 고화시켜 안전하게 사용할 수 있다는 것은 다른 유해화합물의 무해화 기술에는 없는 획기적인 특성이라고 할 수 있다. 나. 조기양생가능으로 사면에의 분사가공이 용이하다는 점 일반 시멘트 고화에는 28일간의 양생기간이 필요한데, 이 활성 무기화합물 분체의 경우는 빠른 것인 7~10일의 양생기간으로 시공이 가능하다. 게다가 분체이기 때문에 식물의 씨나, 비료를 혼입, 물과 하면 사면 등에 뿜는 것만으로 경사면의 녹화를 단기간에 실시할 수 있다. 이러한 것들은 ‘래디컬 플라넷법’으로 무해화한 무기화합물에 공통된 특성이다. 다. 고강도, 저알칼리 용출로 박테리아 육성이 가능 무기화합물의 수화경화 후의 강도는 일반 시멘트 고화물이 수 ㎏/㎠인데 비해 이 메카노케미컬 분체는 최대여도 2000㎏/㎠로 매우 높다. 물론 골재를 첨가하거나 배합을 바꿈으로써 용도에 따른 강도 설정이 가능하다. 또한 이 활성분체의 수화고화 후는 CaO성분 가운데 CaO단신(free lime)의 양을 저하시킬 움직임을 갖는 것으로 물 속에서 용출하는 CaO의 억제로 pH는 높아지지 않아 9이하로 가능하다. 이것은 동물, 식물의 생육영역에서의 용도에도 적합한 조건이라고 할 수 있다.(그림 6) 또 비가열 조건 하에서의 화학반응이기 때문에 수화경화시킨 무기물은 고온도 열이력을 전혀 받지 않고 성형할 수 있으므로 박테리아가 자라는 환경을 확립할 수 있다. 따라서 처리 중에 혼입한 철 성분의 효과도 있어 바다 속에서의 플랑크톤 육성지수가 향상한다는 점에서 조류 등을 육성하는 어초재 등에 최적의 소재가 될 수 있을 것이다. 6. 맺으며 연구란 무엇인가, 사람의 지혜란 무엇인가를 생각했을 때 이미 주어진 환경 속에서 새로운 발견이 이루어지는 일이 얼마나 많은가, 또 그것이 얼마나 중요한가에 심히 놀라는 일이 있다. 이번의 제철 슬래그도 그 한 예이다. 이것을 폐기물로서 구분하고 있는 것은 인간이며 법률이다. 정말 쓸데없는 것은 없다. 만약 쓸데가 없다고 생각되는 것이 있다면 우리들이 아직 그 사용용도를 모르고 있을 뿐인 것이다. (Ceramics Japan)