오염정화기술 - mewebbook.me.go.kr/DLi-File/089/5512570.pdf · 2015-10-30 · - 2 - 보고서...

최종보고서

173-091-004

오염정화기술

Pollution Remediation Technologies

마이크로웨이브와 고온발열체를 이용한 토양정화장치개발

Equipment development for soil purification using microwave and heating element of high temperature

신라대학교 산학협력단

환 경 부

- 1 -

제 출 문

환경부장관 귀하

본 보고서를 "마이크로웨이브와 고온발열체를 이용한 토양정화장치개발에

관한 연구"의 보고서로 제출합니다.

2011년 8월 31일

주 관 연 구 기 관 명 : 신라대학교 산학협력단

연 구 책 임 자 : 하 상 안

연 구 원 : 배상대 장운실

유미영 배철갑

박성희 손호현

김동균 신용민

이진성 김치영

전우석 최종진

장영일 윤동희

조경제 손희정

정종순 양춘길

안성균 황재욱

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보고서 초록

과제번호 173-091-004해당단계연구기간

2009.03.01

～2011.08.31구분 1단계/3단계

연구사업명 토양․지하수오염방지기술개발사업

대분야명 토양 • 지하수 오염방지기술

중분야명 오염정화기술

연구개발과제명

국문명 마이크로웨이브와 고온발열체를 이용한 토양정화장치개발

영문명Equipment development for soil purification using

microwave and heating element of high temperature

연구책임자 하상안

해당단계

참여연구원수

총 : 21명

내부: 11명

외부: 10명

해당단계

연구개발비

정부 : 400,000천원

기업 : 134,000천원

계 : 534,000천원

총연구기간

참여연구원수

총 : 43명

내부: 23명

외부: 20명

총

연구개발비

정부 : 400,000천원

기업 : 134,000천원

계 : 534,000천원

연구기관명 및

소속부서명신라대학교 산학협력단 참여기업명 금송ENG, 한국종합플랜트

국제공동연구 상대국명 : ※ 해당사항없음 상대국연구기관명 :※ 해당사항없음

위 탁 연 구 연구기관명 :※ 해당사항없음 연구책임자 : ※ 해당사항없음

요약보고서면수

145

기존 사용되고 있는 열탈착 공법의 대안기술로 사용하기 위해서 마이크로파/고온발열체 장점을 응용하여 고농도의 유류오염을 제거하는 기술개발이 목적

휘발분으로 결합되어 있는 오염원인 경우는 기존 탈착공정 보다 낮은 온도 분위기에서 분해되고, 승온 온도가 빠르게 올라가는 특성을 이용하여 저비용 고효율의 처리능력 최소 3ton/일 이상 처리할 수 있는 현장적용의 상용화 열적처리 신기술을 개발하는 것이 목표

윤활유나 절삭유를 포함하고 있는 유류의 경우 8kW, 500로 처리할 때를 제외하고는 토양오염복원기준 이하로 처리되었지만, 일반 유류에 오염된 토양의 경우는 8kW 500에서도 20분 내외로 토양오염복원기준 이하로 처리

입경 별 분류에 따른 유류제거 처리율은 80～98%로 높은 제거율을 보였으며, 입경에 따른 처리율이 크게 차이가 나지 않는 것으로 나타남.

유류오염토양 처리에 따른 배출가스 정화를 위하여 가스정화장치를 제작하여 배출 가스를 분석 한 결과 다이옥신과 VOC가 기준 이하로 배출

경제성 평가 결과 톤당 처리비가 약 28,692원으로 일반적인 저온열탈착 처리 비용보다 경제적임.

색 인 어(각 5개 이상)

한 글 마이크로파, 고온발열체, 토양정화기술, 총탄화수소계열

영 어Microwave, Heating element of high temperature, Soil purification technology, TPH

- 3 -

요 약 문

Ⅰ. 제 목

- 마이크로웨이브와 고온발열체를 이용한 토양정화장치개발

Ⅱ. 연구개발의 목적 및 필요성

본 연구개발은 일반 상용화과제로서 기존에 사용되고 있는 열탈착 공법의 대안기술로 사용하기 위해 마이크로파/고온발열체 장점을 응용하여 고농도의 유류오염을 제거하기 위해서 화석연료 사용량을 줄여 에너지 측면에서 경제적이다. 마이크로파에 의해서 고온발열체가 토양 내 마이크로파가 주사되는 특성에 따라서 유류분해를 위한 분위기 온도가 적절한 경우 열풍에 의한 직접 탈착공법보다 빠르게 분해가 진행된다. 특히 휘발분으로 결합되어 있는 오염원인 경우는 기존 탈착공정 보다 낮은 온도 분위기에서 분해되고, 승온 온도가 빠르게 올라가는 특성을 이용하여 저비용 고효율의 열적처리 신기술을 개발하는 것이 목표이다.

Ⅲ. 연구개발의 내용 및 범위

유류 및 다양한 유기물에 의해 오염된 토양 복원을 위한 컴팩트한 열탈착 시스템의 대안 기술로서 처리능력 최소 3ton/일 이상 처리할 수 있는 현장적용의 상용화 기술개발이다. 연구실행 과제로서 열적처리 기술과 비교한 토양입자선별, 토양수분제거, 유기물제어 등 토양물성을 고려하여 처리효율 및 경제성 평가를 위한 기초실험을 실행한다. 또한 실용화 단계의 공정을 구축하기 위해서 마이크로파/고온발열체의 특성을 고려한 토양 내 유류오염물질의 제거기작을 규명하고, 세부 실험은 탈착, 휘발, 분해 등 경로 등의 특성을 파악한다. 본 연구가 효과적으로 진행된 후 다양한 토양의 오염 조건에서 유류오염제거가 경제적이고 효율적인 분리장치 개발 및 설계/제작을 위한 메뉴얼을 작성한다.

Ⅳ. 연구개발결과

연구 결과 윤활유나 절삭유를 포함하고 있는 유류의 경우 8kW, 500로 처리할 때를 제외하고는 토양오염복원기준 이하로 처리되었지만, 일반 유류에 오염된 토양의 경우는 8kW 50

0에서도 20분 내외로 토양오염복원기준 이하로 처리되었다. 또한, 입경 별 분류에 따른 유류제거 처리율은 80～98%로 높은 제거율을 보였으며, 입경에 따른 처리율은 크게 차이가 나지 않는 것으로 나타났다. 유류오염토양 처리에 따른 배출가스 정화를 위하여 가스정화장치를 제작하여 배출 가스를 분석 한 결과 다이옥신과 VOC가 기준 이하로 배출됨에 따라 유류오염토양 정화에 따른 2차 오염은 발생되지 않는 것으로 판단된다.

Ⅴ. 연구개발결과의 활용계획

기술적 측면에서는 국내에서 유일한 지적재산권 확보(특허 및 현장시험 확보) 및 열탈착 공법의 단점을 보완하고 효율적인 측면에서 우수한 기술력 확보가 가능하다. 또한 다양한 기술력 확보 측면에서 국내에 유일한 기술력 확보가 가능하고 신속한 온도 승온 효과에 따라 시설 설치의 용적감소 및 투자비 감소가 기대된다.

환경적 • 경제적 • 산업적 측면에서는 화석연료 사용량 감소 환경오염물질 저감에 따른 에너지비용 절감 효과가 나타나며, 토양복원 기술력 확보로 환경개선 효과가 극대화되어 토양시장 경쟁력 확보 및 정책적인 규제에 대응할 수 있는 기술력 확보가 가능하다.

- 4 -

S U M M A R Y( 영 문 요 약 문 )

The aim was to develop a technology for removing high levels of oil pollution

leveraging on microwaves/high temperature heating elements so that it can be used as

an alternative technology to thermal desorption which is currently being used today. As

the proposed technology uses less amount of fossil fuel, it is more economical from an

energy standpoint, and given that the ambient temperature is suitable for oil

degradation, according to the characteristics of the injection of microwaves into the soil

by the high temperature heating element, the degradation takes place at a faster rate

than that of thermal desorption using hot blasts. More specifically, the aim was to

develop a new commercial technology for removing oil pollution based on heat

treatment that can be used on-site in the field, which meets the following criteria:

volatile contaminants are degraded at lower ambient temperatures than that required in

the thermal desorption process; low-cost and highly efficient with min. treatment

capacity of 3 ton/day using the characteristic of rapidly rising temperatures. For types

of oils that include lubricating oil or cutting oil, treatment resulted in TPH

concentration that was below the threshold required for restoration of oil contaminated

soils, except when treatment was done at 8kW and 500. On the other hand, for soils

contaminated with the ordinary type of oil, treatment resulted in TPH concentration

that was below the same threshold even at 8kW and 500 in less than 20 minutes.

The rate of oil removal according to classification based on the particle diameter was

high at 80%~98%. It was also shown that the treatment rates didn’t differ much

according to the particle diameter. To purify the exhaust gas that was generated from

the treatment of oil contaminated soil, a gas purification device was manufactured to

analyze the exhaust gas. The results showed that dioxins and VOCs released into the

atmosphere were below the allowable levels. As such, it is deemed that there won’t be

secondary pollution from the purification of oil contaminated soils.

- 5 -

C O N T E N T SSubmission of document ······································································································· 1

Abstract ····································································································································· 2

Summary(Korean) ················································································································· 3

Summary(English) ················································································································· 4

Contents(English) ···················································································································· 5

Contents(Korean) ····················································································································· 6

Contents of table ····················································································································· 7

Contents of figure ··················································································································· 8

Abbreviations Table ············································································································· 12

Chapter 1 : Overview of research projects ································································· 15

Section1. Necessity and purpose of research ······························································ 15

Section2. Distinction of technologies ··············································································· 18

Section3. Range of research ······························································································· 20

Chapter 2 : Development of technical in Korea and abroad ···································· 21

Section1. A world standard ································································································ 21

Section2. Domestic level ······································································································ 24

Section3. Status of research in Korea and abroad ····················································· 27

Chapter 3 : Research and results ····················································································· 29

Section1. Theoretical and experimental approaches method ····································· 29

Section2. Methods of research ·························································································· 50

Section3. Results of research ····························································································· 65

Chapter 4 : Work toward a goal and level of contribution at part ····················· 107

Section1. Research and development goals by year ················································· 107

Section2. Proposal of valuation basis ············································································ 113

Section3. Fulfillment of research and work toward a goal percent ····················· 114

Chapter 5 : Plans to take advantage of research and development results ······ 117

Section1. Leverage plan of research result ································································· 117

Section2. Expected effect ·································································································· 119

Section3. Market effect ······································································································ 120

Section4. A plans of commercialization and effective ·············································· 121

Chapter 6 : Scientific and Technological Information of foreign ································ 123

Chapter 7 : Reference ········································································································ 141

- 6 -

목 차

제1장 연구개발과제의 개요 ·························································································· 15

제1절. 연구개발의 목적 및 필요성 ··········································································· 15

제2절. 연구개발대상 기술의 차별성 ········································································· 18

제3절. 연구개발의 범위 ······························································································· 20

제 2장 국내외 기술개발현황 ······················································································ 21

제1절. 세계적 수준 ······································································································· 21

제2절. 국내 수준 ··········································································································· 24

제3절. 국내외 연구현황 ······························································································· 27

제 3장 연구개발수행 내용 및 결과 ············································································ 29

제1절. 이론적, 실험적 접근방법 ················································································· 29

제2절. 연구개발내용 ····································································································· 50

제3절. 연구개발결과 ····································································································· 65

제 4장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ·························································· 107

제1절. 연도별 연구개발 목표 ··················································································· 107

제2절. 평가 착안점 ····································································································· 113

제3절. 수행내용 및 목표 달성도 ············································································· 114

제 5장 연구개발결과의 활용계획 ·············································································· 117

제1절. 연구결과 활용방안 ························································································· 117

제2절. 기대효과 ··········································································································· 119

제3절. 시장현황 ··········································································································· 120

제4절. 사업화계획 및 효과 ······················································································· 121

제 6장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 ·········································· 123

제 7장 참고문헌 ············································································································ 141

- 7 -

표 목 차

Table 3-1. The kind of high-temperature heating ············································· 40

Table 3-2. Characteristic of soils used in this study ········································ 51

Table 3-3. Chemical composition (all quoted by manufacture) ······················ 52

Table 3-4. Physical dimensions and characteristics of microwave oven. ···· 53

Table 3-5. The analytical conditions of TPH by gas chromatography ······· 64

Table 3-6. Cost analysis of batch microwave process at 2kW and 4kW ····· 72

Table 3-7. Change in TPH removal ratio and TPH concentration according

to the thickness of soil ········································································· 84

Table 3-8. Cost analysis of batch microwave process at 2kW and 4kW ··· 87

Table 3-9. Economic comparison of microwave integration process ············ 90

Table 3-10. Emission sources measurement result ············································ 99

Table 3-11. Dioxin, and VOC analysis ································································ 100

Table 3-12. Measurement result of simplified resistance ······························· 103

Table 3-13. Measurement result of thermal expansion coefficient ·············· 104

Table 3-14. Thermal expansion coefficient of various resistance material ·· 104

- 8 -

그 림 목 차

Fig. 1-1. Soil remediation unit using Microwave /high-temperature heating

fusion process ······························································································ 19

Fig. 2-1. No. 847,058 (Contaminated soil purification systems) -

Commercializing technology ····································································· 25

Fig. 2-2. Participating companies (shares) Kmsong ENG has soil washing

cleaning device ···························································································· 26

Fig. 3-1. Microwave frequency band in the electromagnetic spectrum. ······ 29

Fig. 3-2. Effective loss factor as a function of the frequency. ······················ 30

Fig. 3-3. Microwave absorption characteristics for conductor, insulator and

absorber. ·········································································································· 30

Fig. 3-4. Relationship between the dielectric loss factor and ability to absorb

microwave power for some common materials ·································· 31

Fig. 3-5. Loss factor as a function ········································································ 31

Fig. 3-6. Qualitative comparison of temperature gradient within samples

heated by (a) conventional furnace heating and (b) microwave

dielectric heating. ························································································ 32

Fig. 3-7. Loss tangent with increasing temperature for fused-silica and

soda-lime-silica glasses. ··········································································· 32

Fig. 3-8. Power– temperature graph for thermal breakdown ·························· 34

Fig. 3-9. Relationship between εγ,and tanδ depending on penetration depth of

materials ··········································································································· 35

Fig. 3-10. Schematic diagram of the magnetron microwave tube ················· 36

Fig. 3-11. Schematic diagram of the traveling wave tube. ····························· 36

Fig. 3-12. Schematic of directional coupler ·························································· 37

Fig. 3-13. Multi mode oven applicators. ································································ 37

Fig. 3-14. Mixing heads and pins for an single screw. ··································· 38

Fig. 3-15. SiC high-temperature heating element electrical characteristics 44

Fig. 3-16. SiC high-temperature heating element surface load ······················ 44

Fig. 3-17. Cumulative passing rate of contaminated soil. ································ 51

- 9 -

Fig. 3-18. Microwave experiment of batch type. ················································ 53

Fig. 3-19. SiC High temperature heating element and Activated carbon used in

this study. ····································································································· 54

Fig. 3-20. Schematic diagram of experiment apparatus ···································· 54

Fig. 3-21. Power according to the processing thickness of contaminated soil

························································································································ 55

Fig. 3-22. Microwave/High temperature heating element fusion process

continuous equipment ·············································································· 58

Fig. 3-23. The screw on the right and on the left schematic ······················· 59

Fig. 3-24. The Microwave on the right and on the left Sample injection

schematic ······································································································ 60

Fig. 3-25. Microwave full schematic ······································································ 60

Fig. 3-26. Microwave upper part ············································································· 61

Fig. 3-27. Photograph of microwave experiment for continuous test ··········· 62

Fig. 3-28. Apply pressure sintering as used in this study ······························ 62

Fig. 3-29. Energy required to sample mass ························································· 65

Fig. 3-30. Change on moisture contents of soil at 1～4kW.. ·························· 66

Fig. 3-31. Change in BTEX concentration of soil at 1～4kW. ······················· 66

Fig. 3-32. Removal constants on moisture contents of soil at 1～4kW. ····· 67

Fig. 3-33. Change on temperature of soil at 1～4kW. ······································ 67

Fig. 3-34. Change in moisture contents over heating time at 2kW and 4kW. ························································································································ 68

Fig. 3-35. Change in BTEX concentration on various moisture contents of

soils at 2kW and 4kW. ··········································································· 69

Fig. 3-36. Change in temperature over heating time at 2kW and 4kW.. ···· 70

Fig. 3-37. Removal constants on moisture contents of 2kW and 4kW. ······ 70

Fig. 3-38. Variation of BTEX concentration on particle size of soils at 2kW.

························································································································ 71


························································································································ 72

Fig. 3-40. Change in moisture contents over heating time at soil amount. ··· 73

- 10 -

Fig. 3-41. Change in TPH concentration over heating time at soil amount ·· 75

Fig. 3-42. Removal constants of TPH concentration according to soil

amount. ········································································································ 76

Fig. 3-43. Change in Zn concentration over heating time at soil amount ·· 77

Fig. 3-44. Change in Temperature over heating time at soil amount. ········· 78

Fig. 3-45. Temperature vs. time with microwave heating over oil soil(500g)

at different input power levels. ···························································· 79

Fig. 3-46. Change in moisture contents over heating time at microwave

power ··········································································································· 80

Fig. 3-47. Change in TPH concentration over heating time at microwave

power ············································································································· 80

Fig. 3-48. Removal constants of TPH concentration according to microwave power.

························································································································ 81

Fig. 3-49. Change in Zn concentration over heating time at microwave

power ········································································································· 82

Fig. 3-50. Change in Temperature over heating time at microwave power ··· 83

Fig. 3-51. Change of TPH concentration according to the thickness of soil at 10% ···· 85

Fig. 3-52. Change of TPH concentration according to the thickness of soil at 20% ··· 85

Fig. 3-53. Change of TPH concentration according to the thickness of soil at 30% ··· 86

Fig. 3-54. The removal variation according to the moisture contents ········· 86

Fig. 3-55. Change in TPH concentration and moisture heating time at

microwave power ······················································································ 87

Fig. 3-56. Removal constants of TPH concentration according to microwave

power (4, 6kW). ························································································ 88

Fig. 3-57. Change in Temperature over heating time at microwave power ··· 89

Fig. 3-58. Change in TPH concentration according to microwave heating

time using to sample A and sample B ·············································· 89

Fig. 3-59. Mean residence time at fore screw speed and two moisture

content ········································································································· 91

Fig. 3-60. hold-up at fore screw speed and two moisture content ················ 91

- 11 -

Fig. 3-61. Exit age distributions of starch at screw speeds

(sample A, 12rpm) ···················································································· 92

Fig. 3-62. Exit age distributions of starch at screw speeds

(sample B, 20rpm) ···················································································· 93


microwave power (sample A) ······························································· 94


microwave power (sample B) ······························································· 95

Fig. 3-65. Change in TPH concentration at microwave power(raw sample) ·· 96

Fig. 3-66. Change in TPH concentration at microwave power(4.76mm) ····· 97

Fig. 3-67. Change in TPH concentration at microwave power(2.36mm) ····· 97

Fig. 3-68. Microwave devices temperature changes due to soil injection and

operating conditions ················································································· 98

Fig. 3-69. Properties of SiC-ZrB2 composites by annealing temperature ·· 102

Fig. 3-70. Properties of SiC-TiB2 composites by annealing temperature ·· 103

Fig. 3-71. Measuremental graph of thermal expansion coefficient ·············· 105

Fig. 3-72. Measuremental graph of thermal expansion coefficient ·············· 105

Fig. 3-73. SiC high-temperature heating SEM photographs ························· 106

Fig. 6-1. Environmental pollution preventive action and post-procedure,

referred to in the German Federal Soil Conservation Act ········· 126

Fig. 6-2. In terms of environmental protection, soil contamination and

pollutant migration path considering approach to the comparative ··· 127

Fig. 6-3. Licensed capacity trends in Germany On-site soil treatment

facilities ······································································································· 128

Fig. 6-4. Comparing capacity of the permit of German state government

on-site soil treatment facility ····························································· 129

Fig. 6-5. Schematic diagram of typical soil washing process ······················ 131

Fig. 6-6. Schematic diagram of typical chemical reduction/oxidation process ······ 133

Fig. 6-7. Schematic Diagram of Typical HTTD System ······························· 136

Fig. 6-8. Schematic Diagram of Typical LTTD System ······························· 136

- 12 -

요약어 설명

RCRA Resource Conservation and Recovery Act, 자원 보전 재생법

CERCLAComprehensive Environmental Response, Compensation, and Liability Act, 종합환경대처보상책임법

SARASuperfund Amendments and Reauthorization Act, 슈퍼펀드법 수정 및 재수권법

SITESuperfund Innovative Technology Evaluation, 슈퍼펀드 혁신기술

평가

LTTD Low Temperature Thermal Desorption, 저온열탈착

HTTD High Temperature Thermal Desorption, 고온열탈착

SVE Soil vapor extraction, 토양증기추출법

VOCs Volatile Organic Compounds, 휘발성유기화합물

SVOCs Semi-Volatile Organic Compounds, 준휘발성유기화합물

UV Ultraviolet Ray, 자외선

TCE Trichloroethylene, 트리클로로에틸렌

PCE Tetrachloroethylene, 테트라클로로에틸렌

PCBs Polychlorinated biphenyl, 폴리염화비페닐

PAHs Polycyclic aromatic hydrocarbons, 다핵방향족탄화수소

BCD Base catalyzed dechlorination, 알칼리촉매분해법

TPH Total Petroleum Hydrocarbons, 석유계총탄화수소

BTEX Benzene, Toluene, Ethylbenzene, O-xylene

ISM Industrial scientific medical, 산업 과학 의료

U.S.C.S Unified soil Classification System, 통일분류법

GC Gas Chromatograph, 가스 크로마토그래피

FID Flame Ionization Detector, 수소이온화검출기

요 약 어 표

- 13 -

LPG Liquefied petroleum gas, 액화석유가스

ASTM American society for testing materials, 미국 재료 시험 협회

EPA Environmental Protection Agency, 미국의 환경보호청

CCMECanadian Council of Ministry for the Environment, 캐나다 환경

각료회의

NCSRPNational Contaminated Sites Remediation Program, 국가오염부지

정화계획

TCLP Toxicity Characteristic Leaching Procedure, 독성용탈시험

- 14 -

- 15 -

제1장 연구개발과제의 개요

제1절 연구개발의 목적 및 필요성

우리나라 뿐 만 아니라 과거 대다수 선진국의 환경오염방지에 대한 관심은 주로 물과 공기

의 정화에 중점을 두고 있었다. 그러나 최근 과학기술 및 산업의 발달에 따른 대량 생산, 유통

및 소비는 유해폐기물의 대량 발생을 야기하게 되었으며, 이로 인한 토양오염 및 지하수 오염

으로 많은 환경문제가 발생하게 되었다. 토양오염에 대한 관심은 미국의 러브커낼(Love Canal)

사건 등 토양오염으로 인한 일련의 재앙을 겪고 난 후 그 중요성이 강조되기 시작했다.

1970년대 말 미국에서는 러브커낼 사건 이후에 토양 및 지하수의 오염에 의한 환경위해성이

새롭게 인식되면서 RCRA(Resource Conservation and Recovery Act, 자원 보전 재생법),

CERCLA(Comprehensive Environmental Response, Compensation, and Liability Act, 종합환

경대처보상책임법), SARA(Superfund Amendments and Reauthorization Act, 슈퍼펀드법 수정

및 재수권법) 등의 강력한 오염방지법이 제정되었고 오염된 지역의 토양 및 지하수의 정화에

SITE(Superfund Innovative Technology Evaluation, 슈퍼펀드 혁신기술평가) 프로그램을 통하

여 많은 예산과 노력을 투입하였다. 그 결과 1980년대부터 오염된 토양 및 지하수를 정화하여

복원하는 신기술에 대한 연구개발이 특히 미국을 중심으로 활발히 진행되어 왔고, 90년대 이후

에는 다양한 신기술이 실제 오염지역의 복원에 적용되고 있으며, 새로운 신기술들이 지속적으

로 개발되고 있는 실정이다.

우리나라에서도 토양환경보전법이 1995년 제정, 1996년 시행된 이후 환경부 국책과제로 기

업체연구소 및 대학에서 토양 및 지하수 정화 기술의 개발 연구를 수행한 바 있다. 1997년 토

양환경학회에서도 오염토양의 복원과 관련된 제도, 행정절차, 오염조사지침, 복원방안 등에 대

한 용역조사를 하였고, 현재도 일부 기업체와 연구소 등에서 토양/지하수 현장조사 기법 및

정화기술의 개발을 추진 중에 있다. 그러나 전반적인 기술의 개발수준은 선진국에 비하여 초

보적인 단계이며, 신기술의 개발보다는 주로 미국 등 선진국에서 개발된 기술의 검증 및 현장

적용성에 중점을 두고 있는 실정이다. 따라서 신기술의 개발을 촉진함과 아울러 선진국과의

기술격차를 줄일 수 있도록 기존의 여러 분야에서 개발 및 활용되어 온 요소기술들을 확장,

응용하는 연구개발이 필요하다.

오염된 지역을 정화하기 위한 기술을 선별하는데 있어 가장 중요한 기준은 오염물질의 특성

과 적용대상 부지의 특성에 좌우됨으로, 오염된 지역을 복원하기 위한 경제적이고 효율적인 신

기술의 개발과 함께 이미 다른 분야에서 개발된 요소기술들을 현장조건에 맞게 응용하고 조합

할 수 있는 엔지니어의 역할 또한 중요하다고 할 수 있다. 현재 여러 방식의 토양정화기술이

국내 뿐 만 아니라 미국을 비롯한 선진국에서 개발되어 실제로 상용되고 있으나 복원비용이

비교적 저렴하고 2차 오염이 적은 생물학적인 처리기술을 적용하고 있으나 현장여건, 공사현장

단기 정화 및 고농도의 유류 및 유기물 등의 오염에 의한 복원은 열적처리방법이 적용되고 있

다.

- 16 -

유류오염원의 정화는 생물학적인 복원기술로서 미생물이 증식하거나 생존하는데 필요한 에

너지원이나 탄소원으로 유기오염물질을 사용하는 과정에서 유기오염물질이 변환되거나 소멸되

는 현상이 보다 효과적으로 진행되도록 공학적으로 조절하는 것을 말한다. 일반적으로 유기오

염물질로 오염된 부지는 미생물처리성 실험이 수행되는 실험실 조건과는 달리 환경이 미생물

의 생장에 유리한 조건으로 되어 있지 않은 경우가 대부분인데, 현장에서 미생물의 증식에 유

리한 환경인자를 파악하여 인위적으로 이러한 환경을 조성해 주어야 하며 이러한 인자들의 효

과적인 조절 여부가 생물학적 복원기술 적용을 힘들게 한다. 그러나 생분해가 어렵거나 고농도

에 토양오염원에 의해서 복원기간이 오래 동안 필요한 경우에는 이의 처리를 위하여 물 또는

세척제를 이용한 토양세척법이나 열탈착법을 적용한다. 열탈착 기술의 특징은 오염원의 종류나

농도에 관계없이 단기간에 처리가 가능한 입증된 기술이라는 것이며 공정의 신뢰도가 높아 현

장처리 적용이 용이하다는 것이다. 특히 LTTD(Low Temperature Thermal Desorption, 저온

열탈착) 공법은 소각에 비해 처리 온도가 낮아 에너지 소모가 적고, 오염물질을 물리적으로 분

리시켜 토양 내 유기물을 파괴하지 않아 처리 후 굴착된 지역의 되메움이 가능한 장점을 지니

고 있다.

국내에서 대규모 유류오염지역의 최초 정화사례로는 부산 문현동 복원을 들 수 있다. 복원사

업에서 적용되었던 공법은 토양의 경우 Ex-situ 처리로 토양경작법, 바이오파일(biopile)공법,

열탈착 공법이 있다. 전통적으로 복원 효율의 안정이 검증되었던 생물학적 복원방법을 통해

TPH 3,699ppm의 오염토양을 670ppm으로 낮추었으며, 인위적으로 제어 및 복원 과정의 가시

적 확인, 복원 시간의 단축 등을 목적으로 국내 최초로 이동식 열탈착시스템이 도입되었다. 오

염원이 고농도의 Heavy oil로 50% 이상의 아스팔트 부분(수지와 아스팔텐)이 존재하여 LTTD

의 적용이 어려웠고 따라서 HTTD(High Temperature Thermal Desorption, 고온열탈착)기술

로 열적 처리방법이 적용되는 경우가 발생하였다. 그 밖에도 처리장치에서 발생하는 열에너지

나 고온의 배출 가스 활용설비의 부재로 인하여 열탈착 관련 연구와 개발에 대한 지속적인 관

심과 현장 적용의 경험 축적을 위한 많은 노력이 요구되고 있다.

따라서 본 연구는 고농도의 Heavy oil로 수십년간 축적된 오염원이 국내 토양성분상 열적처

리기술의 적용상 문제점을 해결하기 위해서 마이크로파의 토양성분내 결합하고 있는 화학적

결합 및 내부수의 결합을 효과적으로 분해하는 특성과 고온발열체를 사용하여 마이크로파의

흡수를 통해서 순간적으로 고온으로 온도가 올라가 유류오염의 매체를 에너지비용을 절감함과

동시에 일반적으로 작용되는 열탈착시스템과 비교하여 에너지비용을 감소할 수 있는 장치이다.

따라서, 본 연구에서는 유류 오염현장에 적용할 수 있는 효과적이고 경제적인 기존 열탈착시

스템과 비교하여 경제적이고, 적용성과 제거율이 효과적인 연계 시스템의 개발을 목표로 한다.

이 목표의 달성을 위하여 첫째, 다양한 토양에 적합한 최적 열전달기술에 대한 실내실험 및 파

일럿규모의 연구를 통해 현장 적용성이 우수한 컴팩트한 이동형 마이크로파/고온발열체 장비

의 설계 • 제작하여 현장 적용성 확보하고 둘째, 열탈착시스템의 대안기술로서 가능한 기술의

확보와 함께 이 기술의 현장적용을 위해 상대적으로 고농도의 유류오염(<TPH 35,000 pppm)

의 조건에서 오염물질의 분해효율이 우수한 공정기술개발 및 실용화 수행능력을 확보하는 연

구를 수행하고자 한다. 셋째, 토양오염 복원공사에 다양한 종류의 유류오염 토양을 수반하기

- 17 -

위해서 토양입자선별, 토양수분제거, 유기물제어 등 토양물성을 고려한 처리장치를 구성하여

적용기술을 확보하여 참여하고 있는 (주)남송에 설치되어 토양오염 유치장에 설치하여 선별장

에 유입되는 다양한 형태의 오염원에 따라 실증화 단계의 장치를 개발하고, 상용화 가능한 플

랜트 설치와 기술 확보가 주목적이다.

- 18 -

제2절 연구개발 대상 기술의 차별성

기존 유류나 유기물에 의한 고농도 오염토의 복원은 열탈착 방법이 적용되는 저온 열탈착의 경우

350의 이내 온도범위에서 직접 또는 간접가열에 의한 토양 내 오염원을 열탈착으로 인한 분해하

는 기술을 의미한다. 본 기술의 마이크로파의 특성을 보면 300MHz~300GHz의 주파수 범위를 가

지는 전자파의 일종으로서 마이크로웨이브 영역에서 극성분자나 이온이 쌍극자 모멘트(Dipole

moment)와 이온전도(Ionic conductance)를 일으켜 대상물질의 온도를 상승시키는 역할을 한다.

이에 의해서 오염토에 직접 파가 주사됨으로서 내부의 화학적 결합이나 극성을 가진 수분과

결합수가 용적가열 특성을 가지며, 에너지 침투에 의한 온도분포에서도 대류 건조방식 보다 우

수, 빠른 가열과 장치의 소규모화, 가열 조작이 용이하여 오염토의 분해에 있어서 빠른 응답,

높은 전처리 효율 및 균일성을 가지는 장점이 있다. 토양내 마이크로파가 주사되는 특성에 따

라서 유류분해를 위한 분위기 온도가 적절한 경우 열풍에 의한 직접 탈착공법보다 빠르게 분

해가 진행된다. 특히 휘발분으로 결합되어 있는 오연원인 경우는 기존 탈착공정 보다 낮은 온

도 분위기에서 분해되고, 승온 온도가 빠르게 올라가는 특성에 의해서 경제성 부분에 있어서

차별성이 있는 공법이다.

- 19 -

Fig. 1-1. Soil remediation unit using Microwave/high-temperature heating fusion process

기술명(또는 특허명) 인증번호 개발기간 지원기관 구분(특허, 신기술 등)

하수슬러지 열분해시스템 환경신기술 163호 2004.3-2005.2 RRC과제 환경 신기술지정

열분해시스템 특허10-0639437 2005.1-2006.1 국내특허

건조장치 특허10-0420325 2005.1-2006.1 국내특허

마이크로파 건조기 2005.2-2006.2 환경부 특허출헌 중

열탄화화장실 개발 특허10-0847242 2007.5-2008.5 부산시 국내특허

토양정화시스템 특허10-0847058 2007.4-2008.3 국내특허

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제3절 연구개발의 범위

- 마이크로파/고온발열체의 융합공정을 이용한 고효율 • 저비용 토양정화장치개발

유류 및 다양한 유기물에 의한 오염된 토양 복원을 위한 콤팩트한 열탈착 시스템의

대안 기술로서(최소 3 ton/일 이상 처리를 설계/제작) 현장적용의 상용화 기술 개발

열적처리 기술과 비교한 토양입자선별, 토양수분제거, 유기물제어 등 토양물성을 고려한

처리효율 및 경제성 향상

마이크로파/고온발열체의 특성을 고려한 토양 내 유류오염물질의 제거기작 규명

(탈착, 휘발, 분해 등 경로)

다양한 토양의 오염조건에서 유류오염제거에 경제적이고 효율적인 분리장치 개발 및

설계/제작을 위한 매뉴얼 작성

화석연료 절감을 위한 열탈착 기술의 에너지소비의 단점을 보완하기 위해 마이크로파/

고온 발열체 열적기작 조사에 따른 최적조건 재질개발 및 마이크로파 및 고온발열체 융합

공정 개발

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제2장 국내외 기술개발현황

제1절 세계적 수준

개념정립 단계 기업화 단계 o 기술 안정화 단계

선진외국의 경우는 이미 1980년대 초부터 정화기술개발을 시작하여 현재 입증된 프로세스가

여러 가지가 있다. 오염매체의 정화기술로 크게 물리/화학적 처리, 생물학적 처리기술로 나눌

수 있으며 이러한 처리기술을 처리 장소에 따라 In-situ와 Ex-situ기술로 나눌 수 있다. 물리

적 처리기술 중 In-situ에서 적용될 수 있는 기술로는 SVE(soil vapor extraction, 토양증기추

출법), 에어스파징(air sparging), 토양세척(soil flushing)을 들 수 있고 Ex-situ에서 적용될 수

있는 기술로는 증기화를 적용한 환기(aeration), 증기유도 휘발(steam-induced volatilization),

열탈착(thermal desorption)을 들 수 있으며 세척기술을 적용한 수세법(water washing), 용매세

정(solvent washing) 공정이 있다. 화학적 처리기술은 오염물질을 화학적으로 변환시키거나 파

괴하는 기술로 In-situ에서 적용될 수 있는 처리기술로는 In-situ 화학적 산화(chemical

oxidation), In-situ 화학적 환원(chemical reduction), In-situ 고형화/안정화

(solidification/stabilization) 공정이 있으며, 이러한 기술들은 Ex-situ에서도 적용될 수 있다. 다

음으로 생물학적 처리기술로는 토양경작(land farming), 바이오벤팅(bioventing), 생물반응기

(bioreactor) 등이 있다.

미국을 중심으로 한 각각의 기술들에 대한 현황을 살펴보면 먼저, In-situ 물리적 처리기술

중 SVE공정은 유기오염물질의 휘발성을 이용하여 토양으로부터 오염물질을 분리하는 공정이

다. SVE공정은 약 15년 정도 연구가 진행되어 처리기술 선택 시의 여러 요소들에 대한 기준

을 마련하였다. 그러나 SVE는 휘발성이 낮은 오염물질의 경우 상대적으로 처리효율이 낮기

때문에 SVE공정에 대한 처리성능을 향상시키기 위하여 여러 공정들이 개발되었다. 공기주입

(Air injection), 스팀 스파징(steam sparging), 무선가열(radio-frequency heating), 고온공기가

열(hot air heating), 전기가열(electrical heating) 공정이 이러한 범주에 해당된다. 공기주입

(Air injection) 공정은 1년간의 성능시험을 통해 VOCs(Volatile Organic Compounds, 휘발성유

기화합물)와 SVOCs(Semi-Volatile Organic Compounds, 준휘발성유기화합물)의 전체 물질 중

80%의 제거효율을 달성하였다. 스팀 스파징(steam sparging) 공정의 시험운전에서는 약

10,000시간의 운전을 통해 상당량의 탄화수소가 제거 가능하였으며, SVOCs도 90%를 약간 밑

도는 처리효율을 달성하였다. 무선가열(radio-frequency heating) 공정은 토양을 가열시키기 위

해 전기에너지를 이용하는데, 토양을 약 250-300정도로 가열 시킨다. 현장실험 결과 전체 회

수 가능한 석유 탄화수소류의 처리효율이 30-95%로 나타났다. 고온공기가열(hot air heating)

공정은 650로 가열된 공기를 토양층에 주입하여 오염물질을 분리시키는데 시험운전에서 전

체 탄화수소 잔류량을 법적 허용기준 이하로 처리하였다. 에어 스파징(Air sparging)은 스파징

에어(sparging air)에 의해 토양입자와 지하수에 용존된 VOCs를 증기화 시키는 공정으로 흔히

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SVE공정과 생물학적 분해 공정이 결합되어 적용된다. 처리효율은 약 70-90%를 보이며 생물

학적 분해를 촉진시켜 SVOCs 및 무기물을 분해시킨다. 더 발전된 Well bore air stripping,

dual phase vacuum extraction, vacuum enhanced pumping공정 등이 있다. Soil flushing기술

은 계면활성제를 물에 첨가하여 주입한 후 에 회수정을 이용하여 주입된 물을 회수하는 기술

로 여러 계면활성제에 대한 연구가 진행되었으며 일반적으로 0.5-2%의 범위에서 계면활성제를

이용한다. 그리고 전기력을 이용한 정화기술과, 토양의 침투능을 향상시키기 위한 hydraulic

fracturing 공정 등이 개발 중에 있다.

Ex-situ 물리적 처리기술은 주로 증기화와 세척을 이용한 기술이며 토양의 취급과 처리공정

에 투입하기 위해서는 추가적인 예비조치가 필요하게 된다. 증기화를 이용한 공정으로는 탈기,

steam-induced volatilization, thermal desorption 등이 있으며, washing을 이용한 공정으로

water washing, solvent washing(extraction)이 있다. 탈기공정은 SVE와 공정이 매우 유사하

며 공정자체가 간단하고 장비 비용을 비롯한 경비가 적게 든다. 그리고 실 공정에서는 토양과

공기에 열을 가하거나 컨테이너 용기를 진공상태로 만들어 휘발성을 증가시고 토양 내 잔류농

도를 낮게 할 수 있다. 스팀을 이용한 증기화공정은 100이하에서는 적용하기가 힘들지만 10

0이상에서 증기의 첨가로 토양 내 수분함량을 증가시켜 오염물질과 증기를 같이 회수한다.

이러한 스팀증류공정은 슬러지나 침전물, 수분함량이 많은 clay와 같은 오염매체에 적용성이

매우 크며 파일럿스케일정도의 실험에서 VOCs에 대해 약 97-99%의 처리효율을 달성하였다.

열탈착기술은 오염매체에 직, 간접적으로 열을 가하여 오염물질을 매체로부터 증기화시킨 후 2

차 처리장치를 통해 탈착된 오염물질을 처리하는 공정이다. 현재까지 여러 가지 열탈착장치가

개발되었으며 가장 많이 이용되는 장치가 로터리킬른 열탈착장치이다. In-situ 화학적 처리기

술은 In-situ 화학적산화, In-situ 화학적 환원, In-situ 고형화/안정화공정 등이 있다.

In-situ 화학적산화공정은 UV(Ultraviolet Ray, 자외선)와 과산화수소를 함께 이용한 지하수

및 폐수처리기술이 개발되었다. 금속환원은 지하수 중의 염소화합물과 철과 같은 금속과의 반

응을 이용한 기술이다. 금속환원공정을 이용하여 1991년 캐나다의 현장실험을 수행한 결과 13

주의 운전동안 지하수중의 TCE(Trichloroethylene, 트리클로로에틸렌), PCE(Tetrachloroethylene,

테트라클로로에틸렌)를 90%이상 처리하였다.

Ex-situ 화학적 처리기술은 화학적 산화, 화학적 환원, 고형화/안정화 공정이 있다. 현재까지

Ex-situ 화학적 산화공정이 실제현장에 적용된 예는 극히 드물다. 그렇지만 생물분해 전단계로

PCBs(Polychlorinated biphenyl, 폴리염화비페닐)와 PAHs(Polycyclic aromatic hydrocarbons, 다

핵방향족탄화수소)의 처리에 이 기술을 적용할 시 전체 처리 효율면에서 높은 효과를 볼 수

있다고 판단된다. 다음으로 화학적 환원공정은 PCBs나 펜타클로로페놀(pentachlorophenol)과

같은 물질을 주요 대상물질로 하여 알칼리성 환원제를 이용해 탈염소화시키는 공정으로 화학

적 환원공정에서 탈염소화 반응을 일으키기 위한 것은 거의 모든 연구가 진행되었다고 할 수

있다. 현재 풀 스케일(full scale)로 운전되고 있는 유일한 공정은 BCD(base catalyzed

dechlorination, 알칼리촉매분해법)공정인데 BCD공정은 2단계로 진행된다. 1단계는 탈염소화보

다는 열탈착에 가까워 로타리킬른 반응기에서 약 300로 가열시킨 후 탄산나트륨과 촉매를

첨가하여 탈염소화 반응을 진행시킨다. 마지막으로 Ex-situ 고형화/안정화기술은 In-situ 고형

- 23 -

화/안정화기술과 마찬가지로 반응제에 의해 오염물질의 이동성을 줄인다. 다만 처분문제에 있

어 법적허용기준과 맞물려 보다 높은 처리효율이 요구된다.

지금까지 물리화학적 처리기술에 대해 간략히 설명하였는데 현재 In-situ 처리의 주요 초점

은 SVE, air sparging, 그리고 생물학적 처리를 혼합한 시스템을 사용하는 것으로 흔히

bioventing 으로도 불린다. SVE공정과 air sparging공정에 의해 휘발성유기물질을 제거하고

air sparging공정에 의해 미생물이 이용할 수 있는 산소를 공급하여 생물분해 가능한 유기물질

을 호기성 분해에 의해 제거한다. 이러한 혼합시스템은 비교적 경비가 적게 든다. TCE와 같은

염소가 포함된 유기물질의 In-situ 처리에서는 두 가지 방법론이 개발 중이다. 첫째는 지하수

중에서 오염물질을 제거하기 위해 0가의 금속을 사용하는 것이며, 둘째는 필요한 화합물질을

주입하여 미생물에 의한 특정 오염물질을 생물 분해시키는 방법이다. 그리고 clay와 같이 매우

낮은 투과성을 가진 토양에 대해서는 fracturing 기술과 전기와 관련된 기술의 적용에 연구의

초점을 맞추고 있다. 그리고 In-situ와 Ex-situ처리기술 중 고형화/안정화기술의 적용이 증가하

고 있다. 이는 경비가 적게 소요된다는 장점과 함께 유해물질을 인간환경과 분리시키는 개념의

처리가 확산 되고 있기 때문이다.

다음으로 Ex-situ 처리기술 접근방법의 경향을 알아보면 열처리기술이 많이 적용되고 있는

데, 열탈착 시스템은 소각이 가지고 있는 부정적인 영향을 피하면서 소각에 버금가는 처리효율

을 달성할 수 있기 때문이다. 그리고 토양 및 침전물에 중금속이 함유되어 있을 시 추가적인

분리단계로서 soil washing 기법을 이용한 연구에 대해 계속적인 연구가 진행 중이다. 그리고

생물학적 처리가 불가능할시 예비단계로 화학적 산화공정을 적용한 후 생물학적 산화공정을

적용하여 유기물질을 생물분해 시킨다. Ex-situ방법 중 열탈착 기술의 경향은 단기적이고 고

농도의 경우 적용되는 기술로서 경제성 때문에 다른 공정에 비교하여 국내외 특수한 경우 제

외하고 저농도 오염정도에서 큰 호응을 얻지 못하고 있다. 그러나 열탈착기술 공정은 고농도의

공정에서 Ex-situ법 중에 다른 공정과 비교하여 불가피하게 적용되어야 하는 부분이 늘어나고

있는 시점에서 에너지소비의 경제성과 제거효율을 제고할 수 있는 기술개발 및 현장적용이 필

요한 시점에 미국 등지에서 상용화가 되고 있다. 미국의 연구에서 발열체인 탄소매체를 토양오

염원에 혼합하여 처리하게 함으로서 고농도 heavy oil의 오염토를 정화할 수 있는 효율을 올리

는 마이크로파 공정 등은 상용화가 되고 있는 실정이다.

- 24 -

제2절 국내수준 국내에서는 약 10여년 전부터 토양오염을 복원하기 위한 기술들이 개발되어 왔으며 90년대

말까지는 주로 소규모의 주유소에 대해 물리적인 처리방법에 국한하여 기술이 적용되어 왔다.

2000년대에 들어서면서 본격적인 대규모 복원사업이 개시되었는데. 국내 최초의 대규모 유류오

염지역의 정화사례로는 부산 문현동 복원을 들 수 있다. 부산시 남구 문현동 일대의 약 1만 4

천평이 TPH(Total Petroleum Hydrocarbons, 석유계총탄화수소), BTEX(Benzene, Toluene,

Ethylbenzene, o-xylene), 유분 등의 유류로 오염되어 있었으며 토양, 지하수, 폐기물의 오염매

체 중 오염토량만 95,911톤에 이르렀다. 3년에 걸쳐 실시되었던 복원사업에서 적용되었던 공법

은 토양의 경우 Ex-situ 처리법인 토양경작법, 바이오파일공법, 열탈착 공법이었다. 선진국에서

복원효율이 검증되었던 생물학적 복원방법을 통해 평균 TPH 3,699ppm농도의 오염토양을

670ppm으로 낮추었으며 또한, 인위적으로 제어 및 복원 과정의 가시적 확인, 복원 시간의 단

축 등의 목적하에 국내 최초로 이동식 열탈착시스템이 도입되었다.

그러나 부산 문현지구에서 사용된 열탈착 설비의 경우 순수 국내기술로 설계, 제작되지 못하

였으며(캐나다 제작) 장치 운전의 경험 부족, 오염물의 특성조사 미흡, 그리고 열탈착 원리와

같은 기술적인 한계에 부딪혀 복원이 진행되던 중에 저온 열탈착처리에서 고온 열탈착처리로

설비가 변경되는 등의 문제가 발생되었다. 설비 변경 주요 원인은 대상지역의 유류오염 형태가

대부분 고농도의 Heavy oil로 50% 이상의 아스팔트 부분이 존재하여 저온열탈착 운전으로는

복원목표를 달성하기가 어려웠고 따라서 운전온도를 높인 HTTD기작을 적용하게 되었다. 이

로 인한 장비 내부 자재의 손상으로 인해 운영과정에서 많은 문제점이 제기되었으며 그 밖에

도 처리장치에서 발생하는 열에너지나 고온의 배출 가스 활용설비의 부재가 열탈착 관련 연구

와 개발의 지속적인 관심과 현장 적용에 대한 경험 축적의 노력을 필요로 하였다. (주)오이코

스가 환경부 차세대 과제 실용화 통합과제를 통해서 직접 열탈착 공법이 개발되어 국산화 기

술들이 상용화가 되어졌고, 국내기술 수준은 기술개발단계에서 상용화단계에 진입하고 있으나

다양한 토양 종류에 따른 적용성 부재, 고농도 효율성 미흡, 경제성 등에 따라 국산화된 열탈

착 기술 적용은 아직 많은 문제점을 가지고 있다. 마이크로파의 연구 및 상용화는 이미 건조기

술에는 다양하게 적용이 되고 있으며, 순수한 마이크로파의 특성은 온도 200- 270 oC범위내의

온도가 내부에서 마이크로파 반사열에 의해서 발열되어 열탈착법으로 오염원이 분해가 온도에

큰 영향을 미치지는 것을 연구하여 부분적 가능성을 찾아 본 기술은 신라대학교 연구에서 마

이크로파/열탈착기술을 이용한 토양정화기술에 대하여 특허를 출원하였다.

- 25 -

Fig. 2-1. No. 847,058 (Contaminated soil purification systems) - Commercializing technology

또한 토양정화 시스템을 상용화를 위해서 마이크로파와 고온발열체를 이용한 융합공정은 고

농도 오염토를 효과적으로 분해가 가능한 특성을 연구하는 과정에서 고온발열체의 적용은 기

존 열탈착 시스템과 비교하면 경제성이 높고 열탈착 기술에 대응할 수 있는 공법으로서 상용

화가 가능한 연구가 진행되었지만, 국내 연구에서는 아직 발열체를 이용한 상용화단계의 기술

개발은 거의 전무한 상태이다. 또한 국내에서는 불규칙하게 분포된 지중의 오염토양 및 지하수

복원장치가 현장적용 단계에 있으며, 미생물 계면활성제를 이용한 토양복원기술, 중금속오염의

토양복원 및 세척액을 사용한 토양복원 기술 등은 부분적으로 현장에 적용되고 있는 것으로

나타났다.

(주)금송이엔지는 토양세척이나 미생물복원 및 토양경작법 등에 의해서 정화사업을 하고 있

지만, 단축 기간 내 정화나 고농도 토양오염원의 복원을 위해서 기술적인 노하우나 경험이 부

족으로 이번 주관기관인 신라대학교 산학협력단에서 보유하고 마이크로파 열탈착 기술과 위탁

기관에서 개발하고 있는 고온발열체를 이용한 마이크로파/고온발열체 융합공정을 이용한 토양

복원 기술 확보는 토양정화업체로서 기술력확보를 통해서 다양한 분야의 토양정화사업에 진출

할 수 있는 교두보를 마련할 수 있을 것이다.

- 26 -

Fig. 2-2. Participating companies (shares) Kmsong ENG has soil washing cleaning device

- 27 -

제3절 국내 • 외의 연구현황

연구수행 기관 연구개발의 내용 연구개발성과의 활용현황

미국 EPA, 독일,

네델란드 등

이동형 열탈착 장치를 이용한 원유,

벙커유(#6), 광유 및 윤활유 오염토 복원

기술

실규모 현장적용 및 특허

기술의 상업화

(주)에코솔루션오염토양 및 지하수 복원을 위한

이중구조의 복원 정

특허출원 및 현장 적용성

시험

(주)오이코스저온열탈착공정을 연계한 생물학적

지하수 및 토양복원 기술

직접열탈착 공정

현장적용시험

(주)오이코스오염토양 세척액과 복원토양 분리용

진동스크린 특허출원 및 현장적용

신라대학교마이크로파/열탈착 연계공정을 이용한

고농도 유류토양 오염정화 특허출원 및 현장적용 시험

아름다운환경건설(주)오염물질이 불규칙하게 분포된 지중의

오염토양 및 지하수 복원장치

특허출원 및 현장 적용성

시험

자연엔지니어링(주)토양복원용 미생물 계면활성제 조성물 및

이를 이용한 오염토양 복원 기술특허출원 및 현장적용

신일(주) 중금속 오염의 토양생물학적 복원 특허출원 및 현장적용

- 28 -

- 29 -

제3장 연구개발 수행 내용 및 결과

제1절 이론적, 실험적 접근방법

1. 마이크로파의 이론적 배경

가. 마이크로파의 개념

마이크로파는 전자 에너지의 일종으로서 파장이 cm단위로 측정되는 전자파의 총칭이다. 전

파법상으로는 300MHz에서 300GHz사이를 마이크로파로 규정하고 있으며, 가정용 및 산업용으

로 사용하고 있는 2,450MHz는 파장이 12.2 cm, 1.02×10-2 eV의 에너지를 가진다. 종래에는

1～30GHz(파장 30cm～1cm)정도를 마이크로파라 하였지만, 현재는 1～3000GHz(파장 30cm～

0.1mm)의 주파수 범위를 갖는 전자파를 마이크로파로 분류한다. 마이크로파의 다양한 사용 가

능성에 의해 다른 주파수의 간섭 현상이 발생할 수 있어 이를 막기 위해 목적별로 사용할 수

있는 주파수대가 할당되어 있다. 그 대부분이 레이더, 다중통신 등 정보전달 용도이고, 그 이외

의 산업 용도로 사용되는 주파수가 지정되어 있는데 이를 ISM(industrial scientific medical, 산

업 과학 의료) 주파수대라 부른다. 공업용, 과학용 및 의학용 등이 이에 속하며, 915±13MHz,

2,450±50MHz, 5,800±75MHz, 22,155±125MHz 등을 배정하여 사용하고 있다. 이 중,

915±25MHz와 2,450±50MHz의 주파수가 주로 산업용으로 사용되고 있으며, 가열에 사용되는

주파수대는 13.56MHz, 27.12MHz, 433.9MHz, 2,450MHz 등이다.

Fig. 3-1. Microwave frequency band in the electromagnetic spectrum

- 30 -

나. 마이크로파의 원리

마이크로파는 전하와 쌍극자를 유전체 물질에 흡수되어 마이크로파 주파수의 진동에 의해

가열되고 열에너지로 변환시켜 에너지를 발생시키는 원리로 열전도에 필요한 시간이 없으므로

급속한 가열이 가능하다. 마이크로파의 효율은 물질 간 에너지 전달, 물질의 특성, 밀도 등에

의해 결정되며 가열되는 물질의 특성은 부도체, 절연체, 흡수체의 종류에 따라 흡수, 반사, 투

과가 결정되고 물질의 온도, 수분, 밀도 분자에 따라서도 마이크로파의 처리효율이 차이가 난

다. 알루미나 및 세라믹스 재료들은 상온에서 마이크로파를 투과 시키게 되고 물은 마이크로파

를 흡수하여 열을 전달하므로 수분 건조 및 가열에 효과적이다. Fig. 3-2에 나타난 바와 같이

물질에 따라 마이크로파의 흡수와 반사가 결정되기도 한다. 특히 수분은 마이크로파 적용 시

중요한 인자이며 함수율이 높을수록 진동을 증가시켜 건조속도가 빠르게 된다.

Fig. 3-2. Effective loss factor as a function of the frequency.

Fig. 3-3. Microwave absorption characteristics for conductor, insulator and absorber.

- 31 -

마이크로파의 흡수와 관계있는 손실계수는 Fig 3-4에 나타난 바와 같이 물질의 종류에 따라

투과, 흡수 반사가 일어나는 정도가 변하게 되며 높은 전기전도도 특성이 있는 금속은 마이크

로파를 반사하므로 가열되지 않으며, Fig. 3-5에 나타난 것처럼 여러 주파수 중에서 가열을 적

용 시 27.12MHz나 다른 주파수 보다 2,450MHz가 효과적임을 알 수 있다. 이것은 손실계수가

27.12MHz에 비해 2,450MHz가 훨씬 작게 나타나기 때문이다.

마이크로파 처리 시 물질의 중심부터 가열되어 표면으로 갈수록 온도가 감소하는 "core

effect" 현상과 중심온도가 가장 높은 "hotspot(열섬현상)"현상이 나타나며 열섬현상으로 인한

온도가 갑자기 증가하는 thermal runaway 현상이 발생하기도 한다.

Fig. 3-4. Relationship between the dielectric loss factor and ability to absorb microwave

power for some common materials.

a) the moisture content (M) b) temperature (T)

Fig. 3-5. Loss factor as a function

- 32 -

다. 마이크로파 가열

유전체에 마이크로파가 조사되면 유전체의 특성에 따라 전파가 유전체 내부에 침투하여 고

주파 전계 및 자계를 가한다. 유전체의 내부가 일반적으로 “+” 이온과 그 근방에 속박된 “-”의

전자가 서로 상쇄되어 있고 전체적으로는 전계가 “0”인 상태로 되어져 있다. 지금 내부에 강한

전계를 가하면 이온과 전자의 쌍이 전계의 방향으로 정렬되고, 이 전계가 역으로 되면 이온,

전자쌍의 방향도 역의 배열로 변한다. 이와 같이 하여 분자 내에서 쌍극자의 회전이나 진동이

발생하고, 그 내부 마찰로부터 열이 발생한다. 이러한 가열법을 유전체 가열 혹은 마이크로파

가열이라 한다.

Fig. 3-6. Qualitative comparison of temperature gradient within samples heated by (a)

conventional furnace heating and (b) microwave dielectric heating.

Fig. 3-7. Loss tangent with increasing temperature for fused-silica and soda-lime-silica

glasses.

- 33 -

이때 유전체 중에서 열로 변하는 전력 손실은 다음 식(1)로 주어진다.

p=1

1.810- 10fE 2ε γtanδ　　　　(W/m 3) ·································································· (1)

p : 단위체적당 흡수에너지, [W/m3]

E : 전계의 세기, [W/m]

f : 주파수 [Hz]

εγ : 물질의 비유전율

tanδ : 물질의 유전체 손실각

이것을 매시, 단위 체적에 따라 발생하는 열량으로 환산하면

p=1

2.110- 10fE 2ε γtanδ　　　　(cal) ······································································· (2)

이다. εγ, tanδ는 물질의 고유한 값이며 손실계수라고 부른다. 이 식에서 알 수 있듯이 발생하

는 열량은 마이크로파 주파수에 비례하고, 또 손실계수( εγ, tanδ)에 비례한다.

Collins34)는 마이크로파 가열에서 시료에 공급된 에너지를 E1, 시료에 의하여 사용된 에너지

를 E2로 하여 에너지 수지(energy balance)를 세웠는데 물의 증발에 요구되는 잠열(latent

heat)과 물의 온도증가에 요구되는 현열(sensible het)로 구성되어 있다. 에너지 수지는 다음 식

(3)과 같다.35)

E 1=PR Pt100

·········································································································· (3)

P : 마이크로파의 setting power, [%]

RP : 마이크로파 cavity에서 최대 power 속도

t : 마이크로파 가열 시간, [hr]

E 2= M 1C P(T 2- T 1)+M maxL ········································································ (4)

M max : 한계 수분 제거량

M1 : 시료에 있는 초기 수분의 량

CP : 물의 비열

L : 물의 증발 잠열

T1 : 시료내의 물의 초기온도

T2 : 시료내의 물의 최종온도

- 34 -

Fig. 3-8. Power– temperature graph for thermal breakdown.

(The straight line is the heat carried away from the sample, and the curves represent the

heat dissipated in the sample for various values of applied power.)

위 식(4)로부터 마이크로파가 물질에서 변환된 열에너지를 계산할 수 있다. 물질에 조사된

전파의 감쇄(attenuation)를 나타내는데 전파의 침투깊이(penetration depth)라고 하는 것을 사

용한다. 마이크로파가 유전체 내로 들어가면 유전체 손으로서 흡수되어 강도가 약해진다. 마이

크로파 에너지가 1/exp(exp : 자연대수)로 감쇄하는 깊이 D는 다음 식으로 표현된다.

D=λ2π

[2

ε γ 1+ tan2δ- 1

] 1/2　(cm) ·································································· (5)

또는 마이크로파의 전력밀도가 물체 표면에서의 값에 대하여 1/2로 감쇄하는 깊이를 반감심

도라 하여 다음 식(6)으로 구하여진다.

D≒9. 56×10 7

f ε γ×tanδ　(m) ························································································· (6)

이 식(6)에서 알 수 있듯이 침투깊이 D는 주파수와 ε γ×tanδ에 반비례하므로 εγ, tanδ가 큰

물체의 깊은 곳까지 가열하는 경우 주파수가 낮지 않으면 안 된다. 따라서 마이크로파 가열을

행할 경우 침투깊이와 가열 효과의 양면에서 생각하여 주파수를 결정하지 않으면 안 된다.

Fig. 3-9는 몇 가지 물질의 εγ, tanδ와 침투 깊이를 주파수 2,450MHz에 대하여 그린 것이다.

한 예로 주파수 2,450MHz에서 물의 침투깊이는 1cm로 물의 마이크로파 흡수가 대단히 좋은

것을 알 수 있으며, 침투깊이가 작을수록 가열되기 쉽다. 그리고 중심부의 유전 및 열적성질은

온도의존성을 가진다. 물질의 유전 및 열적성질에서 나온 것들은 모두 온도의 함수이다.

- 35 -

Fig. 3-9. Relationship between εγ, and tanδ depending on penetration depth of materials.

비열을 알고 있는 경우의 온도 상승은 다음 식(7)에 의해 계산 가능하다.

T =P o×t

C×M×J································································································· (7)

C : 비열 [kcal/kg • ]

M : 중량, [g]

Po : 흡수된 마이크로파 전력, [W]

t : 가열시간, [sec]

J : 열의 일량, [4.2 Joule/cal]

이 식(7)로부터 가열시간과 온도상승 T의 관계는 다음 식으로 표현된다.

t= C×M×J×TP o

··························································································· (8)

무기산과 같은 용액은 전류를 전달할 수 있는 이온을 포함하고 있다. 용액에 녹아 있는 이온

은 마이크로파 영역에서 이동하게 되는데 이온의 이동은 주위 분자와 충돌하며 운동에너지를

증가시켜 용액의 온도를 상승시킨다.

이 두 원리에 의해 물질은 가열되며 각 원리의 역할은 이온농도와 그들의 전도도에 의해 달

라질 수 있다. 그러나 이온전도에 의한 가열은 쌍극자의 회전에 비해 상대적으로 작게 일어난

다. 특히 물과 같은 극성물질은 쌍극자 회전에 의한 가열효과가 이온전도에 의한 효과보다 크

- 36 -

다고 알려져 있다. 즉, 마이크로파에 의한 가열은 에너지가 유전체의 내부에서 열로 전환되는

원리를 이용하는 것이라 할 수 있다.

라. 마이크로파 장치

마이크로파는 전기전자기장의 스펙트럼의 일부분으로 파장 길이가 1mm ～ 1m까지 가지며

주파수는 300MHz에서 3GHz 까지 가진다. 마이크로파 장치는 세 가지로 구성되어 있는데 전

력 및 주파수 생성장치(microwave source), 전송선로(transmission line), 마이크로파 장치

(applicator)로 구성된다. 산업용으로는 많은 마이크로파가 사용되어지나 일반적으로 산업용으

로 건조 또는 가열 시 사용되는 마이크로파 장치이며 power unit, 진공장치(vacuum unit),

hybrid system으로 구성되어 있다. 산업용 마이크로파 장치의 원리는 가정용 마이크로 오븐과

비슷하나 대용량 처리가 가능하도록 설계되었다.

Power unit와 전력 및 마이크로파의 생성장치는 마이크로파 및 주파수를 발생시키며 마그네

트론과 진행파관(traveling wave tube)이 속한다.

(a) top view (b) side view

Fig. 3-10. Schematic diagram of the magnetron microwave tube

Fig 3-11. Schematic diagram of the traveling wave tube.

- 37 -

두 번째 장치인 진공관(vacuum tube)은 전송 선로이며 써큘레이터(Circulator)와 튜너

(Tuner), Directional couples가 여기에 속하고 전력 및 주파수를 마이크로파 장치까지 이송하

는 역할을 한다.

Fig. 3-12. Schematic of directional coupler

a) basic multi-mode applicator with four magnetrons b) modular system

Fig. 3-13. Multi mode oven applicators

마지막 마이크로파 장치는 도파관, 진행파관, 싱글모드나 멀티모드의 장치로 구성된다. 마이

크로파 공진에 사용되는 싱글모드와 멀티모드의 장치 적용은 물질의 특성에 따라 달라지나 산

업용으로는 멀티모드를 많이 사용한다. Fig. 3-13에 나타난 바와 같이 일반적으로 쓰이는 마이

크로파 장치는 멀티모드 장치이며, a)는 마그네트론이 4개 있을 경우 기본적인 멀티모드 장치

이다. b)는 기본적인 모듈구조로 컨베이어를 통해 물질을 이송하고 산업용 마이크로파 장치의

경우 대량으로 이송할 수 있다는 장점이 있다.

- 38 -

2. 스크류 이송장치

시료의 이송에는 컨베이어 벨트와 스크류 등 다양한 이송장치가 있다. 그 중 스크류

이송장치의 형태는 하나의 스크류와 하나 이상의 스크류가 혼합된 형태로 나눌 수 있으

며 Fig. 3-14에 나타냈다.

Fig. 3-14. Mixing heads and pins for an single screw

‣ SHORT PITCH SCREW ‣ STANDARD PITCH SCREW

- 정량공급, 냉각, 가열, 건조 등의 저속이송

컨베이어에 사용

- 수평이나 경사각이 20도 이하인 컨베이어

에 사용

‣ LONG PITCH SCREW ‣ DOUBLE PITCH SCREW

- 대용량 및 흐름성이 좋은 원료의 공급에

사용

- 대용량 정량 공급용 피터 및 콘베이어에

미끄러지며 많은 양을 이송

- 39 -

‣ DOUBLE SHORT PITCH SCREW ‣ STEPPED PITCH SCREW

- 원료의 저속정량 공급용 컨베이어 및

피더 - 특수정량 공급용 컨베이어에 사용

스크류 이송의 경우 수분과 시료의 성상에 따라 체류시간과 혼합율 등에 영향을 끼친다. 스

크류의 시료의 체류시간 배분은 E(t)로 기술되며 다음 식에 의해 계산된다.

≅

∞

∆

-----------------------------------(9)

ci = t시간의 농도

또한 시료의 운반량 계산은 다음 식으로 계산된다.

⊘ ∗⋯

--------------------(10)

Qm = 운반능력()

d=축의 외경(m)

D = Screw의 외경(m)

P = Screw의 PITCH(m)(0.5-ID)

N = RPM

= 충만효율(15%-45%)

3. 고온발열체 이론적 배경

가. 고온 발열체 종류

고온발열체는 금속 발열체와 비금속 발열체 등으로 나눌 수 있고, 고온발열체의 종류는 표

에 나타내었다. 금속발열체의 종류는 Fe-Cr-Al계(JIS규격 철 • 크롬 1종, 2종)와 NI-Cr계(JIS규

격 니켈 • 크롬 1종, 2종), 고용점 금속(백금, Mo, W, Ta 등)이 속하게 된다. 비금속 발열체는

탄화규소, 몰리브덴 실리사이드, 란탄크로마이트, 탄소, 지르코니아 등이 속하며 기타 발열체로

는 발열온도가 비교적 낮지만 전자기기 부문에 많이 사용되는 재질인 원적외선 방사체, 탄산

바륨, 후막 저항 기타 발열체가 있다.

- 40 -

Table 3-1. The kind of high-temperature heating

구 분 고온발열체 종류

금속발열체

‧ Fe-Cr-Al계(JIS규격 철 • 크롬 1종, 2종)

‧ NI-Cr계(JIS규격 니켈 • 크롬 1종, 2종)

‧ 고용점 금속(백금, Mo, W, Ta 등)

비금속발열체 ‧ 탄화규소, 몰리브덴 실리사이드, 란탄크로마이트, 탄소, 지르코니아 등

기타발열체 ‧ 원적외선 방사체, 탄산바륨, 후막 저항 기타발열체

나. 금속 발열체

(1) FeCrAl합금

분말 야금 제조업에 의한 금속 발열체 개발 일본의 (주)리껜은 (주)神戶제강소와 공동 연

구 • 개발로 분말야금 제법에 의한 금속 발열체, 파이로막스 PM시리즈를 발표하였다. 특징은

아래와 같다.

• 내 고온 변형성

• 가공성

• 내산화성

종래에 비해 특성을 개선시킨 FeCrAl 합금으로 NiCrAl과 비교하여 전기저항과 융점이 높으

며 산호 보호피막도 훨씬 고온까지 안정된 양상을 보이지만 고온강도와 크리프 특성은 떨어진

다. 이점을 분말 야금법을 이용하여 개선한 것이다. 1,100～1,420의 고온로, 확산로, 세라믹스

소성 등에 사용된다.

(2) 고융점 금속

고융점을 사용한 발열체 중 특히 공업적인 대형로에는 Mo, W가 사용된다. 순 Mo는 100이상에서 재결정되어 충격에 약하고 변형되기 쉽다는 결점이 있다. 일본 동경텅스텐(주)의 내

열성 몰리브덴(TEM재)은 소량의 희토류가 첨가되어 있어 내충격강도나 고온에서의 내변형성

- 41 -

이 향상되었음을 볼 수 있다. 종래에는 순 Mo이 사용되어 변형에 의해 발열체가 서로 접촉되

거나 또는 발열체와 반사판이 접촉하여 단선되는 등의 문제가 있었다. TEM재의 경우는 내고

온 • 변형성이 크기 때문에 접촉이 생기지 않고 단선되지 않는다.

TEM재 선(線) • 봉 제품의 사양 특징

• 선 직경 ψ0.1～ψ6.0mm이며

• 재결정 온도가 높고

• 재결정 후의 실온 충격 강도가 순 Mo재의 수배이며

• 고온에서의 변형이 작고

• 재결정 후의 조직이 입계 슬립이 일어나기 힘든 조직이기 때문에 실온에서의 내충격 강

도나 고온에서의 내변형성이 향상된다.

다. 비금속 발열체

(1) 탄화규소 발열체 (SiC)의 종류

고순도의 탄화규소(SIC)를 주원료로, 고온 재결정을 통하여 만들어진 봉 모양 혹은 관(Pipe)

모양의 비금속 전기 발열체이다. 이 히터는 최대 히터 표면온도를 1,600까지 사용할 수 있다.

공업용으로 사용할 경우에는 600～1,500사이의 로내 분위기에서 사용할 수 있으며, 진공인

경우에는 1l,200(1/1,000 Torr)까지 사용 가능하며, 단위면적당 발열량이 니크롬선 등의 금속

발열체보다 5～10배 정도 높다. 화학적으로는 안정되어 있고, 기체나 액체연료에 비해 대기오

염, 소음공해가 없는 환경에 좋은 열원이다. 세라믹스의 가열, 범랑제품, 금속열처리, 유리공업

의 온도 상승 시, 금속의 용해나 보온 시, 치과기공소와 실험실, 브레이징로에 사용된다.

EREMA는 고순도 탄화규소로 조성된 비금속 저항발열체의 상품명으로 일본에서 최초로 시판

된 탄화규소(SIC) 발열체이다. EREMA 발열체는 계속적인 연구를 거듭하고, 내외의 기술을 결

합하여 품질의 향상, 개량에 노력한 결과 업계최대의 생산규모와 최고품질의 제품으로서 호평

을 받고 있다.

- 42 -

- EREMA 발열체의 종류

• D3형(JIS규격 R7501 제2종 해당품)

치밀 강고한 결정으로 구성되어 있으며, 내산화성, 내식성의 향상 및 강도의 증가 등에 따라,

고온과 각종 분위기에서도 사용할 수 있는 경제성이 높은 발열체로서 현재 가장 많이 사용되

고 있는 품종이다. 용도에 따라 내산화성, 내식성 향상을 위해 각종 coating에 사용되고 있다.

• E형-F형(JIS규격R7501제2종 해당품)

발열부는 D3형과 같은 특징을 가지고 있고, D3형의 단부를 저항이 작은 것으로 개량하여 단

부의 열손실이 적은 에너지 절약형의 품종이다. 일반 공업로에서는 D3형에 비하여 5～12%정

도 에너지 절약 효과가 있다.

• SG형

발열부에 나선형의 홈이 있는 발열체로, D3형, E형, F형보다도 더욱 고온에 잘 견디고, 내식

성이 있고, 열악한 사용 조건에도 뛰어난 성능을 발휘한다. 지름이 큰 제품은 내측을 관상로

로서도 사용할 수 있다. 단부는 E형과 같이 저저항의 에너지 절약형으로 되어있다.

- 43 -

• SGR형

SG형과 같이 발열부에 나선형의 홈이 있는 발열체로 한쪽만 단부를 가지고 있는 것이 큰

특징이다. 접속단자가 한쪽이기 때문에 사용이 편리하며 성 에너지 구조의 로를 만들 수 있다.

SG형 및 SGR형은 사용조건이 좋지 않은 경우나 로 내부 온도가 1400°이상의 고온영역에 사

용이 권장된다.

• U형

EREMA E형, F형 2본을 조합하여 U자형으로 한 것이다. 한쪽 방향에 양쪽단부를 가진 단

상발열체로 에너지 절약형 구조의 로를 만들 수 있다.

• W형

표준형 SIC발열체 3개를 접착하여 W형으로 제작한 것으로서 3상 전력에 유효하게 사용가능

하며 한 방향으로 단자가 인출되므로 Y형 결선으로 구성하여 용융유리 제조로에 널리 사용된

다.

• 특수히터

용도, 사용조건에 맞춘 특수한 형상(RING형, 궁형)도 제작하고 있다. 또한, 로내 온도분포를

균일하게 하기 위하여 발열부의 중앙부분을 저온도로 한 특수한 구조(SDL형)나 가스, 석유(기

화)의 점화용 및 유리, 금속, 세라믹 등의 국부가열용 히터 등도 있다.

D3 U

E-F W

SG

특수

히터SGR

(2) SiC 발열체의 성질

Fig. 3-15에 나타나듯이 EREMA의 저항온도특성은 650～700까지는 부성저항특성(온도가

상승 할 때 저항치가 내려감)이지만, 그 이상의 온도가 되면 정성저항특성(온도가 상승할 때

- 44 -

저항치가 올라감)을 가진다.

한편, EREMA의 저항치는 통상 공기 중에 노출된 1.000에서 측정한 저항값이며 상온에서

측정한 저항값과는 상당히 틀리기 때문에 히터 설계 시 저항값에 대해서는 주의해야 한다.

Fig. 3-15. SiC high-temperature heating element electrical characteristics

Fig. 3-16. SiC high-temperature heating element surface load

EREMA는 안정된 고순도 탄화규소로 이루어져 금속 히터보다 내고온성, 내산화성, 내침식성

에서 뛰어나다. 실제로 EREMA를 고온에서 사용하는 경우는 수증기, 산소, 질소, 유황, 할로겐

등의 가스 분위기 및 용융된 알칼리, 알칼리염, 용융금속(Fe, Ni, Cd등), 일부의 금속산화물 등

- 45 -

과 접촉하면 이것과 반응하여 침식 또는 산화가 될 수 있다. EREMA를 침식시키는 전기물질

을 취급하는 경우는 직접 EREMA에 닿지 않도록 로의 설계 시 주의가 필요하다.

(3) SiC 고온발열체 특징

• 신속소성 - 소성시간이 1 ～ 3시간으로 신속

• 가열패턴 - 승온, 유지, 냉각이 자유로움

• 금속승온 - 경량 단열재를 사용했기 때문에 상용온도까지 약 2시간 내에 승온 가능

• 고효율 - 밑판이 불필요 또, 얇은 두께의 세터를 사용하기 때문에 응답이 좋고 효율적이며

안정된 품질이 얻어짐

• 전자동화 - 성형으로부터 소성, 회수에 이르기까지의 자동화 라인의 조립이 쉽고 컴퓨터의

조립에 의해 무인화 가능

• 콤팩트한 설계 - 전력 제어반은 로의 아래쪽에 설치되어 공간을 유효하게 이용할 수 있음

• 유니트화 - 로체가 유니트화 되어 증설이나 연장 등이 쉬움

• 분위기 제어 - 전기로에서는 로내 분위기의 각종 조정이 가능

• 롤러재 - 탄화규소(SiC), 무라이트(수축이 적은 마찰 재료) 등이 적재적소에 사용

(4) SiC 고온발열체 제작방법

- 소결법

단일 세라믹스 제조방법과 같이 세라믹 매트릭스 보강재를 혼합, 성형하여 상압소결 또는 고

온가압소결하는 공정으로 주로 입자강화 복합재료와 위스커 강화 복합재료의 제조에 사용된다.

- 슬러리 함침법 (Slurry infiltration method)

세라믹 섬유를 매트릭스 원료로 제조한 슬러리에 통과시킨 후 건조된 성형제를 재단 및 적

출하여 원하는 형태로 만든 후, 가압소결하여 치밀화 하는 공정이다. 주로 섬유강화 복합재료

의 제조에 사용된다.

- 용융 함침법 (melt infiltration method)

보강재 프리폼(preform)에 용융 상태의 기지상을 가압하여 함침시키는 공정이다. 이 공정은

제조기술이 단순하고, 수축률이 작다는 장점을 갖고 있다. 주로 용점이 낮은 유리 및 결정화

유리(glass ceramics) 매트릭스 복합재료의 제조에 사용된다.

- 화학 증착 함침법(chemical vapor infiltration)

보강재 프리폼 내에 세라믹 기지를 화학증착 시킴으로서 복합재료를 제조하는 공정이다. 이

공정은 비교적 낮은 온도에서 제조 공정이 이루어짐으로 보강재, 특히 세라믹 섬유의 손상을

최소화 할 수 있고, 수축이 없어서 원하는 치수의 형상을 제조할 수 있다는 장점을 갖고 있다.

이 공정은 섬유강화 복합재료를 제조할 수 있는 가장 효과적인 방법이지만 제조 단가가 비싸

며, 제조시간이 많이 걸린다는 단점이 있다.

- 용융금속산화법 (directed oxidation method of molten metal)

용융금속의 급속한 화학반응(산화, 질화)에 의해 형성된 반응물이 혼합하여 보강재와 복합화

를 이루는 공정이다. 용융 금속의 종류, 반응시간 및 반응온도의 변화를 다양한 특성 및 다양

한 종류의 세라믹 매트릭스 복합재료를 제조할 수 있는 공정이다.

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(5) 몰리브덴 실리사이드(MoSi2)계 발열체

MoSi2계 발열체의 대표적인 회사로는 스웨덴의 칸탈(주)(상품명 ; 칸탈슈퍼)이 있다. 칸탈사

의 몇가지 발열체중 최고 발열체를 통칭한다. 또한 독일의 시구리社사도 모지리트라는 상품명

의 발열체가 있다. 약 30년전에 일본, 미국에서도 시험작업이 되었으나 상품화는 되지못했다.

몰리브덴 실리사이드를 석영(Quartz)과 세라믹으로 성형한 히터이며, 초고온의 전기로에 사

용 가능하다. 이 히터는 칸탈슈퍼로 잘 알려져 있으며, 최근 특허기간의 만료로 여러 회사에서

경쟁적으로 생산되어 판매되고 있다. 이 히터는 최대 히터 표면온도를 1,900까지 사용할 수

있다. 공업용으로 사용할 경우에는 600～1,650 사이의 로내 분위기에서 사용할 수 있으며, 전

공인 경우에는 1,200(1/1,000Torr)까지 사용 가능하다.

사용 용도는 세라믹스공업, 도기공업, 법랑공업, 유리용해로, 용해유리 보온로, 소결로, 급속

건조로, 고온 시험로, 금속열처리로 등이다.

(6) 란탄크로마이트(LaCrO2)발열체

1971년에 일본회학도업과 공업기술원으로부터 발열체에 대한 제조방법이 특허 출원되었다.

이것은 다른 발열체와 비교하여 독특한 재질로서 그 상품명이 게라맥스로 알려져 있으며 대기

중의 산화되어 발열체 표면온도 1,900(유효 로내 온도 1,800)까지 사용할 수 있다. 단, 고온

에 있어서는 발열체에서 크롬(Cr) 성분이 약간 증발되므로 피가열물로의 확산을 방지하기 위

해 치밀질 고순도 알루미나로 차폐하여 사용할 필요가 있다. 한편, 이들 대책을 강구한 알루미

나 관으로 차폐한 일체형 발열체도 있다.

(7) 탄소(흑연) 발열체

탄소(흑연) 발열체는 직접 통전하여 발열하는 저항 발열체로서, 그리고 고주파유도에 의한

발열을 이용하는 다양한 고온용 발열체로서 이용되고 있다. 탄소(흑연) 발열체는 중성이나 환

원분위기에서 사용할 경우에는 200～2,500의 온도로 사용 할 때가 가장 많다. 저항 발열체의

경우 사용조건이나 전기조건에 맞추어 형상을 파이프 모양이나 막대모양, 판 모양의 단순한 것

으로부터 복잡한 것까지 선정 할 수 있다.

탄소발열체의 특징

• 열, 전기를 잘 전달

• 열팽창이 작고 내열충격성이 우수

• 고온에서의 강도가 큼

• 화학적으로 안정하고 내약품성

• 자가 윤할성

• 가공성이 좋음

탄소제품은 어느 온도(대기중에서 탄소질은 350, 흑연은 450 정도) 이상에서는 산화되기

시작하며 기계적 강도도 금속보다 낮으므로 사용 시에는 이를 염두에 두어야 한다. 발열체는

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사용온도, 가열대역, 가열조건 기타 사용목적에 따라 여러 가지 형상, 재질의 것이 사용된다.

관상(pipe), 봉상(rod), 판상(plate), 슬릿(slit), 스파이랄(spiral) 가공 발열체 등 각각의 조건에

부합되도록 설계, 제작되고 있다.

(8) 지르코니아(ZrO2) 발열체

지르코니아 발열체는 산화물 발열체로서 일찍부터 연구되어 오던 분야이다. 산화물이므로 산

화에 의한 저항변화가 없으며 융점이 2,680이므로 고온에서 사용할 수 있다는 특징이 있다.

품천백련와(주)는 산화분위기에서 2,000의 꿈을 실현한 지르코니아 발열체(상품명 에레바

다)를 개발하였다. 즉, ZrO2 섬유를 ZrO2와 복합화하여 2,000의 내열성을 가지는 발열체 및

단열재를 개발한 것이다.

에레바다의 품종과 특성은 백금선 타입과 란탄 타입으로 나누어 설명할 수 있다. 백금선 타

입은 발열체의 본체가 지르코니아 섬유와 지르코니아의 복합조성 다공체로 이루어졌으며 통전

용의 리드선으로서는 백금 로디움을 사용하였다. 이 타입은 2,000의 내열성(융점-2,600)을

지니고 있어 급속승온 조건에 적합하다. 란탄 타입의 발열체 본체는 지르코니아 분말만으로 이

루어진 치밀질 지르코니아로 통전용의 리드재로서는 란탄 크로마이트를 사용하였다. 이 타입으

로는 CaO(5mol%) 안정화 지르코니아가 있으며 백금선 타입과 비교하여 코스트가 낮고 단자가

나와 있으므로 세팅이 쉽다. ZrO2 발열체는 저온에서의 저항치가 높기 때문에 예열용 발열체에

서는 1,500까지 가열하여 저항치를 낮춘 후 통전한다.

에레바다의 전기 특성은 지르코니아 발열체가 상온에서의 저항치가 높으므로 온도가 올라갈

수록 저항치가 내려가 통전 발열되는 온도로 하기 위해서는 다른 발열체를 이용하여 예열할

필요가 있다. 따라서 예열 발열체는 MoSi2로 이루어져 있으며 주 발열체만 ZrO2로 되어 있다.

지금까지 기술한 발열체는 공업적으로 고온처리에 이용되고 있는 것들이다. 따라서 전기로에

사용하기 쉽게 형상, 치수나 부품, 단열체와의 조합 등에 대한 연구가 앞으로도 계속 되어야

할 것이다. 한편, 이 밖에도 비교적 낮은 온도영역이나 전기로 이외의 분야에 사용할 수 있도

록 제작된 발열체 및 특수한 기능을 가지는 재질의 발열체가 있다.

MoSi 탄소

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라. 기타 발열체

(1) 원적외선 발열체

최근 발열체 관계의 문헌이나 특허, 실용신안에는 원적외선 발열체에 관한 것이 많다. 원적

외선 발열체의 주류는 금속 발열체를 사용한 시즈 히터형이 가장 많았으며 MgO 등의 무기 절

연물을 충전한 금속관의 표면에 원적외선을 방사한 재료를 이용하는 것이다. 따라서 이 경우

원적외선 방사재료를 금속 발열체가 절연물을 거쳐서 간접적으로 가열하는 방식으로 금속 발

열체를 응용한 기술이라고 할 수 있지만 최근 이러한 간접가열이 아닌 세라믹스 재질로 된 직

접 통전형의 원적외선 발열체를 개발하였다.

동해고열공업(주)은 원적외선을 방사하여 발열시키는 세라믹스 재질의 저항 발열체(인프라

렉스 바크)를 개발하였다. 이것의 특징은 직접 가열형이므로 승온이 빠르며 발열부의 온도차가

적다. 또한 최고 사용온도는 500로 10,000시간 경과하여도 안정함을 볼 수 있다. 더욱이 완전

소결 세라믹 발열체이기 때문에 먼지나 가스 등의 이물질 발생이 없는 것이 특징이다.

(2) 사상발열체

사상발열체란 도전성 카본을 사용, 특수공법으로 사상발열사라는 실을 생산하여 폴리에스테

르사와 혼용하여 직물형태로 직조한 상태를 말한다. 사상발열체를 직조함에 있어서 수직실로는

폴리에스테르사와 석동선으로 되는 전극을 사용하고 수평실로는 카본사를 사용하며 카본사 외

주에 수지층이 피복되어 있는데, 이들은 유연성이 있고 내 굴곡성과 내 마찰이 양호하여 이들

을 사용하여 직조된 사상발열체도 유연성과 내굴곡성이 매우 양호하여 일반천과 같이 자유롭

게 굴곡 시킬 수 있을 뿐만 아니라 절단 또는 손상도 방지된다.

사상발열체는 동일간격으로 일정하게 직조되어 발열 분포가 고르며, 일반천과 같은 구조로

직조하여 반영구적으로 사용이 가능하다. 또한 일정온도 이상 상승되면 발열사의 수지성분이

녹아 스스로 단선이 되어 전원을 차단하는 퓨즈 역할을 하는 자기제어기능을 가지고 있다.

- 특성

• 굴곡성이 금속선에 비해 대단히 높다.

• 유연성이 있기 때문에 편제가 용이하다.

• 전기저항치가 높기 때문에 넓은 면적을 균일하게 가열시킨다.

• 금속선에 비해 내약품성이 우수하다.

• 선에 신장이 있어 내충격성이 있다.

• 단선의 염려가 없고 안전성이 높다.

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• 침투력이 강한 원적외선의 방사로 몸의 깊은 곳까지 따뜻하게 한다.

- 사용분야

• 의류분야 : 방한복, 낚시복, 스키복, 헬스복

• 건축분야 : 온돌 및 바닥 난방대용

• 생활자재분야 : 장갑, 구두, 양말, 방석, 소파, 보료, 매트리스, 모포 등

• 자동차분야 : 각종 의자 및 시트

• 의료분야 : 핫백, 약품보온, 베드용 히팅

• 기타분야 : 보온을 필요로 하는 모든 용도에 따라 광범위한 상품적용이 가능

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제2절 연구개발내용

1. 실험재료

가. 유류오염토양 처리연구 실험재료

본 연구에 사용한 오염토양 중 sample A(C20～C30)는 B시에 있는 폐차창에서 실험기간 내에

수시로 채취하였으며, sample B(C8～C20)는 경유/휘발유에 오염된 토양을 채취하였다. 토양 함수

율과 BTEX 및 TPH 농도를 분석한 결과 윤활유 오염토양(C20～C30)인 sample A의 함수율은

9.5%이며 TPH 평균농도는 12,088mg/kg, BTEX는 8,000mg/kg이며, sample B(C8～C20)는 경유/

휘발유에 오염된 토양으로써, 고농도 sample인 B-1의 함수율은 2.3%, TPH 평균농도는

45,273mg/kg이며, BTEX는 2,767mg/kg이었고, 저농도 sample B-2는 함수율이 10.3%, TPH

평균농도는 32,395mg/kg, BTEX는 521mg/kg였다. 실험에 사용된 오염토양의 특성을 Table

3-2에 나타내었다. 대상시료의 성상분석은 토양오염공정시험기준45)에 준하여 분석하였다.

토질은 통일 분류법(KS F 2324)과 U.S.C.S(Unified soil Classification System, 통일분류법)로

분류하였다. 입도는 농도에 따라 분류한 오염토를 105～110의 건조기에서 4시간 이상 건조하

여 수분을 완전히 제거한 후 분석하였다. 체의 종류에 따른 입경분포곡선을 작성한 후 곡률계수

는 식(11)를 적용하였으며 균등계수는 식(12)을 적용하여 분석하였으며, 그 식은 아래와 같다.

Cu = D 60

D 10

---------------------------------------------------------- (11)

Cz = D 2

30

D 60×D 10

---------------------------------------------------- (12)

여기서 D10, D30, D60은 각각 통과백분율 10%, 30% 및 60%에 해당하는 직경을 의미

토양을 입경이 다른 체에 통과시킨 결과 입도가 균일한 모래로 분류 되었다. 즉, NO. 200 체

의 통과율이 50% 이하로 조립토로 분류되었고 이 조립토 중 NO. 4 체의 통과율이 50% 이상

이므로 모래 또는 모래질 흙으로 분류 되었으며 균등계수가 6.46 이고 곡률계수가 1.36 이므로

입도분포가 좋은 흙으로 분류 되었다. 토양의 입경에 따른 누가중량 변화 곡선을 Fig. 3-17에

나타내었다.

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Fig. 3-17. Cumulative passing rate of contaminated soil

Table 3-2. Characteristic of soils used in this study

ParameterConcentration Concentration

sample A sample B

Moisture contents(%) 9.5 2.3～12.3

TPH(mg/kg) 12,088 32,395～45,273

BTEX(mg/kg) 8,000 2,767～521

나. 고온발열체 재질개발 실험재료

본 실험에서 사용된 β-SiC와 ZrB2, TiB2는 각각 독일 H. C. Starck Inc.의 Grade BF12와

Grade B 제품을 사용하였고, Al2O3(Showa Chemical Inc, Japan)와 Y2O3(Aldrich Chemical

Company, Inc USA)를 이용하였으며, 그 특성은 Table 3-3과 같다.

시료제작은 61vol.%의 β-SiC에 각각 39vol.%의 ZrB2와 TiB2를 혼합하고, 이 혼합물에

12Wt%의 Al2O3+Y2O3(6:4 mixture of Al2O3 and Y2O3)를 첨가하였다. 이렇게 준비된 시료는

아세톤 용액으로 polyurethane jar(diameter = 120mmΦ, height = 140mmL, volume = 1583.4

)에서 SiC(10, 20Φ), 1:5 charge을 사용하여 48시간 동안 planetary ball milling을 시킨 후

100에서 24시간 동안 잘 건조 시켰다. 건조된 시료는 planetary ball milling을 48시간동안 행

한 후 100에서 24시간동안 건조 후 60mesh 망체로 체거름을 하였다.

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Table 3-3. Chemical composition (all quoted by manufacture)

β-SiC [H. C. Starck, Germany]

Chemical Characteristics Physical Characteristics

• C 26.50 - 30.5% • β-SiC min 95.0%

• O max. 1.5% • α-SiC Balance

• Al max. 0.05% • Free Si max. 0.1%

• Ca max. 0.01% • Green Density 1.55 - 1.75g/

• Fe max. 0.05%

• Specific Surface Area 11.2 - 13.0 /g

• Particle Size Distribution

D 90 1.70

D 50 0.75

D 10 0.30

ZrB2 [H. C. Starck, Germany]

• B 139.3%

• FSSS

• Particle Size Distribution

1.5

< 10 99.0%

• C 1,000ppm

• O2 7,400ppm

• N2 400ppm

• Fe 970ppm

• Hf 1.8%

TiB2 [H. C. Startck, Germany]

• FSSS 6-9• Thermal Expansion

Coefficient4.6×10-6/

• Density 4.48g/ • Melting Point 2,920• Resistivity 15Ω • cm • Hardness 3,300kg/mm

• Thermal Conductivity 55.4kcal/m • hr • c

Al2O3 [Showa Chemical INC., Japan]

• SiO2 max. 0.01%

• Fe max. 0.01%

• Na max. 0.3%

• Assay max. 99.5%

Y2O3 [Aldrich chemical ING., Japan]

• Y 77.6% - 79.9% • Weight 225.81

- 53 -

2. 실험장치

가. 순수 마이크로파 실험장치

본 연구에 사용한 회분식 마이크로파 실험 장치는 Fig. 3-18에 나타냈다. 마이크로파 가열장

치는 주파수 2,450MHz, 전력 1～4kW인 마이크로파 장치를 사용하였으며 마이크로파 규격과

특징은 Table 3-4와 같다. 마이크로파 건조 모식도는 Fig. 3-18과 같으며 전력발생기에서 필요

한 전압을 공급하고 마그네트론에서 발생한 출력을 일정하게 가열해주는 전력공급시스템을 통

하여 마이크로웨이브를 장치내부로 주사하여 가열하는 장치이다. 'On-off' 스위치의 조작에 의

해 전력을 1～4kW까지 단계적으로 조절이 가능하도록 설계하였다.

시료의 내부 온도를 측정하기 위해 0～800의 온도범위를 가지는 k-type의 열전도계를 사

용하였다.

Table 3-4. Physical dimensions and characteristics of microwave oven.

Parameters Dimensions and characteristics

Voltage (V/Hz) AC 220/60

Maximum power of microwave (kW) 1 ～ 4

Frequency (MHz) 2,450

Dimensions (W×D×H) 800mm × 600mm × 250mm

Process Batch test

Sample temperature indication

Thermocouple

Oven

Magentron

Microwave

Movement Passage

Dispertion

Apparatus

Sample temperature indication

Thermocouple

Oven

Magentron

Microwave

Movement Passage

Dispertion

Apparatus

Fig. 3-18. Microwave experiment of batch type

나. 고온발열체 융합시설을 이용한 기초실험장치

고온발열체 융합시설에 사용된 마이크로파 장치는 순수 마이크로파 시험분석에 사용된 Fig.

3-18 회분식 실험 장치를 사용하였으며, 회분식 실험장치 내부에 고온발열체를 장착하여 사용

하였다. 마이크로파 장치 내부에 고온 발열체 장착 모식도는 Fig. 3-20에 나타났다. 모식도 중

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a)는 SiC 고온발열체만 장착한 모습이고 b)는 활성탄과 고온발열체를 동시에 장착한 모습이다.

고온발열체는 참여기관인 (주)한국종합플랜트에서 제작한 SiC 고온발열체를 사용하였으며,

시료 용기 또한 고온발열체를 사용하였다. SiC 고온발열체는 Fig. 3-19에 나타냈고 시료용기의

크기는 200mm × 200mm × 200mm 이며, 시료 무게는 1kg이다.

장치내부의 온도를 500 이상으로 하기위하여 고온발열체와 활성탄을 동시에 사용하였다.

활성탄의 경우 비금속성 발열체로 마이크로파 주사 시 마이크로파 장치 내부의 온도를 증가시

키는 역할을 하였다. 본 연구에 사용된 활성탄은 H사의 폐 활성탄을 사용하였다.

a) Sample box b) SiC High temperature heating element c)activated carbon

Fig. 3-19. SiC High temperature heating element and Activated carbon used in this study.

a) SiC High temperature heating element b) Sic / Activated carbon High

temperature heating element

Fig. 3-20. Schematic diagram of experiment apparatus

다. 마이크로파 및 고온발열체 융합공정 연속식 랩 테스트 장치 제작

마이크로파/고온발열체 융합장치 제작을 위한 설계는 일단 토양과 흡착된 유류를 탈착시킬

수 있는 500이상의 온도와 회분식 공정에서의 처리효율 면을 고려하여 진행하였다. 설계의

조건은 랩 테스트 규모의 1ton/day로 하여 가열방식은 마이크로파 가열로 회분식 실험 시

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4kW이상 시 임계온도 이상으로 나타남을 고려하여 6kW까지 설계에 반영하였다.

고온발열체의 경우 SiC를 사용하여 20T 이상의 두께로 500이상의 온도를 유지할 수 있게

반영하였으며, 팬을 이용하여 장치 내부의 열원을 순환시키는 작용을 알 수 있게 고려하였다.

마이크로파와 저온 열탈착 융합공정의 선행 연구에서는 연속식 운전 시 오염토의 두께에 관

한 실험을 실시한 것으로 조사되었다. 이는 연속식 마이크로파 장치의 이송방법이 컨베이어 벨

트이기 때문인 것으로 사료되어진다. 아래의 식을 이용하여 유전손실과 유전율로 마이크로파

전력에 따른 오염토양의 처리가능 두께를 이론적으로 도출하였다.

------------------------------------- (13)

ε" = 유전 손실요인, εo = 유전율

Fig. 3-21. Power according to the processing thickness of contaminated soil

전력과 두께의 관계를 도출한 결과 유류오염토양의 경우 유전손실과 유전율을 연료오일을

적용하였으며, 전력이 높아질수록 오염토양의 처리두께도 두꺼워짐을 알 수 있다. 이론적으로

산출한 마이크로파/고온발열체 처리 시 가능한 오염토양의 두께는 4kW일 때 11cm이상으로

나타나 4kW 이상으로 연속식 장치 운전 시 두께는 문제가 되지 않을 것으로 판단된다. 하지

만 전력이 4kW 보다 낮고 오염토의 두께가 10cm 이상 두꺼워 질 경우 발생될 수 있는 문제

점을 해결하기 위해 시료의 이송은 컨베이어 벨트 보다는 스크류 이송을 고려하였다.

이와 같은 설계 조건 및 기본 스펙에 따라 연속식 장치의 기초설계가 이루어졌다. 또한 에너

지 효율과 전기부분의 문제점을 해결하여 최종 연속식 장치가 제작되었다.

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(1) 기초설계

BEARING COVER

FRAME ASSEMBLY

ASSEMBLY

SCREW & SHAFT

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UPPER FRAME

SUPPLY HOPPER

UNDER FRAME

기타사항

(전기)

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(2) 장치제작

Fig. 3-22는 본 연구에 사용한 마이크로파/고온발열체 융합공정 연속식 장치의 주요 구성,

각 구성의 배치도 및 실물 사진을 보여주고 있다.

a) 연속식 장치 전체 모식도 b) 스크류 c) 마이크로파

c) 마이크로파 d) 투입구

b) 스크류

a) 연속식 장치

f) 배출구e) 컨트롤 박스 g) 모터

Fig. 3-22. Microwave/High temperature heating element fusion process continuous

equipment

- 59 -

마이크로파 및 고온발열체 융합공정 연속식 장치의 시료 이송은 두 개의 스크류를 사용하였

으며, 시료의 유류물질의 탈착을 위한 마이크로파 전력은 최대 6kW로 제작하였다. 장치 앞면

에 설치된 컨트롤 박스로 연속식 장치의 운전과 제어가 가능하도록 하였고, 장치 후단에 설치

된 송풍기는 장치 내부의 공기가 순환하게 제작함에 따라 장치내부 온도를 전체적으로 일정하

게 유지시키는 역할을 한다. 특히 장치운전 시 발생될 수 있는 문제점으로 인한 사고에 대비하

여 전원차단 시스템을 장착하였다.

라. 마이크로파 및 고온발열체 융합공정 연속식 장치(3ton/day)

본 연구에 사용된 연속식 마이크로파 고온발열체 토양정화장치에서 시료는 1단의 두 개의

스크류와 2단의 3개의 스크류로 이송하였으며, 시료의 유류오염물질의 탈착을 위한 마이크로파

전력은 1단의 6kW, 2단의 8kW로 최대 14kW로 제작하였다. 컨트롤 박스를 제작하여 연속식

장치의 운전과 제어가 가능하도록 하였고, 장치 후단에 설치된 송풍기는 장치 내부의 공기가

순환하게 제작함에 따라 장치내부 온도를 전체적으로 일정하게 유지시키는 역할을 한다. 또한,

유류오염토 처리 후 발생되는 배출가스처리를 위해 활성탄과 TiO2를 이용한 가스정화장치를

제작하여 배출되도록 하였다.

Fig. 3-23～26은 연속식 마이크로파 고온발열체 토양정화장치의 단면도를 나타내었고 Fig.

3-27은 토양정화장치를 사진으로 나타내었다.

Fig. 3-23. The screw on the right and on the left schematic

- 60 -

Fig. 3-24. The Microwave on the right and on the left Sample injection schematic

Fig. 3-25. Microwave full schematic

- 61 -

Fig. 3-26. Microwave upper part

Absorber

- 62 -

(a) Control box (b) Transformers

Fig. 3-27. Photograph of microwave experiment for continuous test

마. 고온발열체 재질 개발을 위한 실험장치

본 연구에서는 고온발열체의 재질을 개발하기 위하여 실험재료를 소결하기 위한 장치로 흑

연 유도 가열식 가압소결로인 Astro, California, U.S.A를 사용하였다. 장치의 사진은 Fig. 3-28

에 나타내었다.

Fig. 3-28. Apply pressure sintering as used in this study

3. 분석방법

연속식 마이크로파 고온발열체 토양정화장치는 500 이상의 고온처리를 위해 8/min의 승

온율로 500와 700로 예열하여 사용하였다. 실험에 사용된 시료는 함수율의 변화에 따른 실

험, 그리고 전력의 변화에 따른 BTEX 제거효율과 TPH의 제거효율을 분석하였다.

가. 수분 함량 분석

평량법 또는 증발접시를 105～110에서 1시간 건조시킨 다음 데시케이터 안에서 방냉하고 함

량으로 하여 무게(W1)를 정확히 달고 여기에 시료를 적당량 취하여 평량법 또는 증발접시와 시료의

무게(W2)를 정확히 달고 다음에 105～110의 건조기 안에서 4시간 이상 건조하여 데시케이터 안에

서 방냉하고 함량으로 무게(W3)를 정확히 단다.

- 63 -

수분

× ········································································ (14)

나. BTEX 분석

BTEX는 메탄올로 추출하여 얻어진 검액을 GC(Gas Chromatograph, 가스 크로마토그래피)에 부

착된 purge & trap에 주입하여 휘발유 등 경질유 오염여부를 판단하는 시료 주입방법으로써, 시료

일부를 메탄올에 분산시켜 휘발성 유기물질을 용해시킨다. 이렇게 추출된 메탄올 용액의 일부를 취

하여 분석한다.

Purge & trap 과정은 실온에서 불활성 기체로 시료용액을 purge하면 휘발성 물질들은 기체상으

로 되어 흡착제가 들어있는 trap에 흡착되며, purge과정이 끝나면 흡착 column을 가열하면서 불활

성기체를 반대방향으로 통과시켜 탈취된 성분을 GC column으로 이동시킨다. 이렇게 하여 각 성분

의 화합물을 용리시켜 검출한다.

농도계산은 각 피크의 면적(Ax)에 대해서 내부표준물질에 대한 면적비(Ax/Ai)를 구한다음

검정곡선식의 y(i)값에 대입하여 x(i)값을 계산하면 스파저 용액 중 분석물질의 농도(ng)를 계

산 할 수 있다. 용액의 농도로부터 아래의 식을 사용하여 토양시료 중에 각 성분의 농도를 계

산할 수 있다.

BTEX(/) = ×

××··································································· (15)

As : 검정곡선에서 얻어진 검출량(ng)

Vf : 메틸알코올 양()

D : 희석배수

Wd : 수분보정한 토양시료의 건조중량(g)

Vi : 검액의 주입량()

다. 석유계총탄화수소(TPH)

TPH 분석은 시료중의 비등점이 높은(150～500) 유류에 속하는 제트유 • 등유 • 경유 • 벙커

C유 • 윤활유 • 원유를 디클로로메탄으로 추출하여 정제한 후 GC에 주입하여 크로마토그램에 나

타난 피크의 패턴에 따라 유류의 성분을 확인하고, 짝수의 노말알칸(C8～C40) 표준물질의 총면적과

시료 피크의 총면적을 비교하여 TPH를 정량하는 방법으로 중질유에 대한 오염여부를 판단할

수 있다. 시료용액 일정량(2)을 미량주사기로 기체크로마토그래프에 주입하여 크로마토그램

을 기록한다.

노말알칸 표준액(C8～C40)의 머무름시간(retention time)에 해당하는 피크의 범위를 구분하고,

모든 피크의 면적을 합산하고, 시료의 피크 면적이 검정곡선의 상한치를 초과할 경우에는 시료

일정량을 취하여 적당한 농도로 정확히 희석한 다음 이 용액을 가지고 실험한다. 총면적은 바

- 64 -

탕선(C8)～바탕선(C40) 적분방법을 이용하여 계산한다. 토양시료 중에 TPH의 계산식은 다음과

같다.

TPH(/) = ×

××······································································ (16)

As : 검정곡선에서 얻어진 석유계총탄화수소의 양(ng)

Vf : 최종액량()

D : 희석배수

Wd : 수분보정한 토양시료의 건조중량(g)

Vi : 검액의 주입량()

라. 가스크로마토그래피법(Gas Chromatograph)

가스크로마토그래피법은 적당한 방법으로 전 처리한 시료를 운반가스(Carrier Gas)에 의하여

분리관 column내에 전개시켜 분리되는 각 성분의 크로마토그램을 이용하여 목적성분을 분석하

는 방법이다. 일반적으로 유기화합물에 대한 정성(定性) 및 정량(定量)분석에 이용하는 방법으

로써 최초 오염된 토양을 토양오염공정시험방법에 맞게 전처리한 후 GC-FID(Flame Ionization

Detector, 수소이온화검출기)의 검출기를 이용하여 본 연구의 목적 분석항목인 BTEX/TPH를

분석 하였으며, 분석조건은 Table 3-5와 같고, GC 기기는 Agilent 7890을 사용하였다.

Table. 3-5. The analytical conditions of TPH by gas chromatography

conditions value

oven temp () 50

initial temp () 450

detector temp () 320

rate (/min) 10

flow rate (ml/min) 1～2

injection volume 2

Spilt ratio 20 : 1

- 65 -

제3절 연구개발결과

1. 다양한 오염토의 물성에 따른 순수마이크로파 기초실험 장치개발

가. 처리용량 산정

J. P Robinson은 시료의 양을 10g에서 30g까지 하여 시료에 요구되는 필수 에너지를 연구한

결과 마이크로파 전력에 비해 시료의 양이 적을 경우 마이크로파의 에너지가 시료 내부에 흡

수되는 것보다 분산되는 에너지가 더 크다고 보고하였다. 이는 시료의 양이 적을 경우 시료 외

부로 방출되는 에너지가 많기 때문에 마이크로파 전력에 따른 적정 시료 양을 선택하고자 본

연구에서 사용되는 마이크로파 전력에 따른 시료 양의 필수 에너지를 산출하였다. 필수 에너지

산출결과는 Fig. 3-29에 나타냈으며, 300g 이상의 시료에 대해서는 요구되는 필수에너지가

0.5kJ/g 이하인 것으로 나타나 시료의 적정 용량을 300g 이상으로 하여 실험하였다.

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

0 200 400 600 800 1000 1200

Sample M ass (g)

En

erg

y r

eq

uir

ed

(kJ/g

)

1 2 3 4

Fig. 3-29. Energy required to sample mass

나. 마이크로파 전력 변화에 따른 유류 오염토양 처리특성 실험

Sample A의 오염토양을 이용하여 마이크로파의 전력 변화 시 나타나는 유류오염물질의 제거

율을 실험하였고 마이크로파 조사강도와 조사시간에 따른 에너지 소비특성을 수치화하여 에너

지소비 특성을 연구하였다.

Fig. 3-30은 전력변화에 따른 유류 오염토의 함수율 제거 특성을 분석하였다. 1～4kW의 전력

변화에 따라 4분 내에 급속하게 수분이 감소되는 것으로 나타났으며 한계함수율 도달시간은 마

이크로파 전력 1kW와 4kW일 때 각각 처리시간 8분, 20분으로 나타나 전력이 높을수록 한계함

수율 도달시간이 짧은 것을 알 수 있다.

- 66 -

0

2

4

6

8

10

12

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32

t ime (min )

mois

ture

concentr

ation(%

)

1kW 10%

2kW 10%

3kW 10%

4kW 10%

Fig. 3-30. Change on moisture contents of soil at 1～4kW.

Fig. 3-31은 유류오염토양 1kg에 대한 마이크로파 전력의 변화에 따른 BTEX의 제거율을 나

타낸 것이다. 전력이 3kW와 4kW인 경우 가열 초기에 급격하게 농도가 감소되는 경향을 나타

내고 있으며 수분의 제거 변화와 비슷한 경향이 나타났다. 이는 초기 마이크로파가 투과 시 유

전체인 수분이 쌍극자 운동으로 열을 발생시켜 에너지가 발생되므로 BTEX 제거기작은 수분

제거기작과 연관이 있는 것으로 판단된다.

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32

t ime (min )

BTEX c

onc.

(mg/kg)

1kW 10% 2kW 10% 3kW 10% 4kW 10%

Fig. 3-31. Change in BTEX concentration of soil at 1～4kW.

- 67 -

y = 0.1974x a t 2kW 10%

y = 0.2085x a t 3kW 10%

y = 0.2622x a t 4kW 10%

y = 0.1674x a t 1kW 10%

-6

-4

-2

0

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

t ime (min )

ln(x

f/xo)

1kW 10% 2kW 10% 3kW 10% 4kW 10%

Fig. 3-32. Removal constants on moisture contents of soil at 1～4kW.

Fig. 3-32는 BTEX를 로그로 환산하여 y축으로 하였으며 x축은 가열 시간으로 하였다. 제거

상수 값은 y로 나타내었으며 제거상수 값이 높을수록 제거효율이 좋은 것을 의미하는데 전력이

4kW인 경우 제거상수 값이 가장 높게 나타났다. 제거상수 값만으로는 4kW의 전력으로 처리하

였을 때 가장 제거가 잘 되는 것으로 나타났다.

마이크로파 처리 시 나타나는 온도변화는 Fig. 3-33에 나타내었다. 1kW와 2kW의 전력일 경

우는 15분 이후 온도가 각각 120와 140에서 일정하게 유지되는 경향이 나타났으며, 3kW와

4kW는 처리시간 동안 온도가 증가하는 경향을 나타났다. 처리시간에 따른 최고 온도는 4kW처

리 시이며, 온도는 170이다.

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

0 5 10 15 20 25

t ime (min )

tem

pera

ture

(

)

1kW 10% 2kW 10%

3kW 10% 4kW 10%

Fig. 3-33. Change on temperature of soil at 1～4kW.

- 68 -

다. 유류 오염 토양의 함수율의 변화에 따른 오염토의 유류성분 제거 특성

실험

Sample A의 오염토양을 이용하여 마이크로파 처리 시 중요한 인자인 수분 및 온도를 각기

다르게 하여 마이크로파의 전력과 시간에 따른 오염토의 함수율 변화 및 온도변화를 실험하였

다.

Fig. 3-34는 마이크로파 전력이 2kW와 4kW인 경우 함수율 변화를 나타낸 것으로 전력을

2kW로 운전 시 오염토의 함수율이 10%인 경우는 20분 내로 한계함수율에 도달함을 알 수 있

으며 함수율이 20%인 경우는 25분, 30%인 경우는 30분 내로 한계함수율에 도달하는 것을 알

수 있다. 전력을 4kW로 운전 시 오염토의 함수율이 10%, 20%인 경우 2kW의 전력으로 운전

시와 같은 시간으로 한계함수율에 도달함을 알 수 있으며 30%인 경우는 15분 내에 한계함수율

에 도달함을 알 수 있다. 2kW와 4kW의 운전 시 수분 특성을 비교하면 2kW에 비해 4kW는 예

열기간이 단축되었으며 4kW는 항률건조 구간과 단열건조 구간이 비슷하게 나타남을 알 수 있

다. 이는 전력이 4kW인 경우 2kW에 비해 열전달이 빠르기 때문으로 2kW의 경우 수분이 많은

경우 오염토 내부로 열이 전달되는데 방해되는 역할을 하는 것으로 판단된다.

0

5

10

15

20

25

30

35

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30

t ime (min )

mois

ture

conte

nts

(%)

2kW 10% 2kW 20% 2kW 30%4kW 10% 4kW 20% 4kW 30%

Fig. 3-34. Change in moisture contents over heating time at 2kW and 4kW.

Fig. 3-35에 나타난 토양의 함수율 및 마이크로파 전력에 따른 BTEX 농도 변화는 가열 초기

에 급격하게 감소되는 경향을 나타내고 있으며 수분 변화와 비슷한 경향을 나타내고 있다. 이는

초기 마이크로파 투과 시 유전체에 의해 열을 발생시켜 에너지를 발생하므로 BTEX 제거기작

은 수분 제거기작과 연관이 있는 것으로 판단된다.

전력이 2kW와 4kW인 경우를 비교하면 2kW인 경우 10%와 20% 함수율일 때 BTEX 제거에

소요되는 시간이 20분∼25분 정도인 것으로 나타났으며, 함수율이 30%인 경우는 30분 이내에

- 69 -

BTEX가 제거되었다. 마이크로파 전력을 4kW로 운전 시 함수율이 10%인 시료는 8분 내에 제

거되었고, 함수율이 20%인 경우는 10분 정도 소요되는 것으로 나타났으며, 함수율이 30%인 경

우는 15분 내에 BTEX가 제거되었다. BTEX 농도에 따른 시료의 제거 특성이 오염토의 수분에

영향을 받는 것으로 판단된다.

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

0 5 10 15 20 25 30 35

t ime (min )

BTE

X c

oncentr

ati

on (

mg

/kg

)

2kW 10%

2kW 20%

2kW 30%

4kW 10%

4kW 20%

4kW 30%

Fig. 3-35. Change in BTEX concentration on various

moisture contents of soils at 2kW and 4kW.

Fig. 3-36는 2kW와 4kW의 전력으로 마이크로파 처리 시 나타나는 온도변화를 나타내었다.

2kW의 마이크로파 처리 시 온도는 함수율이 10%와 20%인 경우는 170까지 상승하였으며, 함

수율이 30%인 경우는 155까지 온도분포를 나타냄을 알 수 있다. 함수율이 30%이하인 경우는

초기 10분 동안 온도가 100까지 상승하여 대부분의 수분이 초기에 제거되어 “core effect" 의

영향을 크게 받지 않는 것으로 판단된다. 마이크로파 전력 4kW로 운전 시 나타나는 온도변화

는 2kW의 전력과 비슷한 분포를 보이며 함수율이 10%와 20%인 경우는 처리시간 10분 이후

140로 유지되는 것으로 나타났고, 함수율이 30%인 경우는 처리시간 15분 이후 120에서 온

도가 유지되는 것을 알 수 있다. 2kW와 4kW를 비교하여 보면 한계함수율 이후 온도가 유지되

는 경향은 비슷하였지만, 4kW의 경우가 온도가 더 높은 것으로 나타났다.

- 70 -

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

0 5 10 15 20 25 30

t ime (min )

tem

pera

ture

()

2kW 10% 2kW 20% 2kW 30%

4kW 10% 4kW 20% 4kW 30%

Fig. 3-36. Change in temperature over heating time at 2kW and 4kW.

Fig. 3-37은 시간 당 제거되는 BTEX를 로그로 환산하여 y축으로 하였으며 x축은 가열 시간

으로 하였다. 제거상수는 x축과 y축의 기울기를 통해 도출하였다. Fig. 3-37에서 제거상수 값은

y로 나타내었으며 제거상수 값이 높을수록 제거효율이 좋은 것을 의미한다. 마이크로파 전력이

2kW일 때 함수율이 30%인 경우, 10%에 비해 다소 높은 제거상수를 가지는 것을 알 수 있으며

함수율이 20%인 경우 제거상수 값이 가장 높게 나타났다. 4kW의 전력일 때는 2kW 전력 일

때 나타난 경향과 같은 것으로 나타났다.

y = 0.1974x a t 2kW 10%

y = 0.2298x a t 2kW 20%

y = 0.2218x a t 2kW 30%

y = 0.3229x a t 4kW 10%

y = 0.4595x a t 4kW 20%

y = 0.3366x a t 4kw 30%

-10

-8

-6

-4

-2

0

0 5 10 15 20 25 30

t ime (min )

ln(x

t/xo

)

2kW 10% 2kW 20% 2kW 30%

4kW 10% 4kW 20% 4kW 30%

Fig. 3-37 Removal constants on moisture contents of 2kW and 4kW.

- 71 -

라. 유류오염 토양의 입경에 따른 오염토의 농도변화 실험

Sample A의 오염토양의 입경에 따른 BTEX 제거 효율을 연구하기 위해 체에 거르지 않은

시료와 체를 이용하여 4.75, 300로 분류한 오염토를 마이크로파 전력을 2kW, 4kW 조건에

서 운전하면서 제거효율을 분석하였다. Fig. 3-38에 나타난 바와 같이 입경이 클수록 BTEX의

제거 효율이 높은 것을 알 수 있으며 마이크로파 처리 초기에는 각 입경별 차이가 조금씩 났으

나 처리되는 시간은 동일한 것으로 나타났다. 전력을 2kW로 운전 시 나타나는 BTEX 및 온도

변화를 나타낸 것으로 체에 거르지 않은 시료의 온도는 140까지 상승하는 것을 알 수 있으며

300의 입경을 가진 오염토의 경우 110로 입경에 따른 온도 차이가 나타났으며 처리효율도

차이가 나타났다.

Fig. 3-39는 마이크로파 전력을 4kW로 운전 시 나타나는 BTEX 및 온도변화로 2kW에 비해

온도차이가 남을 알 수 있으며 체에 거르지 않은 시료는 170까지 상승하는 것으로 나타났다.

2kW와는 달리 4kW에서는 입경에 따른 처리효율의 차이가 크게 나타나지 않음을 알 수 있다.

Fig. 3-38과 Fig. 3-39에서 나타난 바와 같이 초기에는 BTEX의 제거 효율 및 온도의 차이가

나더라도 BTEX의 제거되는 시간은 비슷하게 소요됨을 알 수 있다. 그러나 온도변화에서 나타

났듯이 입경이 극 미세한 경우는 토양 내 열 보유력이 작아 열 방출이 많은 것으로 판단되며

온도 상승률은 체에 거르지 않은 시료에 비해 작은 것으로 나타났다. 오염토의 입경에 따른 처

리효율은 온도 및 마이크로파 전력이 높을수록 영향을 많이 받는 것으로 나타났다.

BEX T c onc e n t ra t ion

tempe ra tu re ()

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

0 5 10 15 20 25 30

t ime (min )

BTE

Xco

ncentr

at

ion (

mg

/kg

)

0

20

40

60

80

100

120

140

160

tem

pera

ture

(

)

in i tial 4.75mm 300

initial 4.75mm 300

2kW


- 72 -

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

0 5 10 15 20 25

t ime (min )

BTEX c

oncentration (

mg/kg)

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

tem

pera

ture

(

)

i n i t i a l 4.75mm300 in i t i a l

4.75mm 300

BTEX c onc e n t ra t ion

te mpe ra tu re ()

4kW


마. 경제성 평가

순수 마이크로파 처리 시 상대적 비용 분석은 전력비를 기준으로 산정하였다. 한국전력공사

산업용 전력비의 계절별 평균은 59.6won/kwh이며 2kW인 경우 119.2won/hr, 4kW인 경우는

238.4won/hr의 비용이 소모된다.

회분식 순수 마이크로파의 경우는 처리온도가 고온이 되지 않아 TPH 처리가 어려워 회분식

순수 마이크로파를 이용하여 처리 가능한 양은 BTEX 제거시간을 기준으로 산정하였으며 오

염토의 함수율에 따른 시간당 처리량과 1kg 처리 시 소요되는 비용은 Table 3-6과 같다.

함수율에 따른 회분식 순수 마이크로파의 경제적 운전조건은 10%와 20%일 때로 2kW보다

4kW가 더 경제적인 것으로 나타났다. 시간 당 처리할 수 있는 양은 마이크로파 4kW, 함수율

10～20%인 경우가 가장 높았으며 처리비용 또한 4kW가 가장 낮게 나타났다. 함수율 30%인

경우 함수율 20%에 비해 1kg 처리비용이 2배 이상 증가하는 것을 알 수 있다.

Table 3-6. Cost analysis of batch microwave process at 2kW and 4kW.

Electric power of microwave

(kW)

Moisture content of

soils (%)

Amount of treatment

per hour (kg/hr)

Cost per mass

(won/kg)

Microwave

2kW

10% 3.0 39.7

20% 3.0 39.7

30% 2.0 59.6

4kW

10% 7.5 31.8

20% 7.5 31,8

30% 4.0 59.6

- 73 -

2. 고온발열체 융합시설을 이용한 오염토의 물성에 따른 기초실험 장치개발

가. 유류 오염토양 처리량에 따른 마이크로파/고온발열체 처리특성 실험

Sample A를 순수 마이크로파 처리 한 유류오염토양을 이용하여 마이크로파/고온발열체 처리

특성을 분석하였다. 마이크로파 4kW로 30분간 예열 한 후 고온발열체를 이용하여 장치 내부의

온도를 500로 승온시키고 난 후 유류오염토양의 공급량(300g, 500g, 1kg)에 따른 함수율변화,

유류제거율, 아연제거율, 시료내부와 장치외부의 온도변화를 분석하였다.

0

2

4

6

8

10

12

0 5 10 15 20 25 30 35

T ime (min )

mo

istu

re c

on

ten

t (%

)

2kw 10% 300g 2kw 10% 500g 2kw 10% 1kg

4kw 10% 300g 4kw 10% 500g 4kw 10% 1kg

a) SiC High temperature heating element

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0 5 10 15 20 25 30 35

t ime (min )

mo

istu

re c

onte

nt

(%)

4kw 10% 300g 4kw 10% 500g 4kw 10% 1kg

2kw 10% 300g 2kw 10% 500g 2kw 10% 1kg

b) SiC/ Activated carbon High temperature heating element

Fig. 3-40. Change in moisture contents over heating time at soil amount

Fig. 3-40은 오염토양 처리량에 따른 함수율변화를 나타낸 것이다. 처리량 300g의 경우 함수

율이 상대적으로 빠른 시간 내에 감소되는 것으로 나타났으며, 건조특성을 구별할 수 있는 것

- 74 -

을 알 수 있다. 반면 500g이상의 처리량에 대해서는 초기에 함수율의 감소가 나타나나 6분 이

후 함수율이 증가하는 구간이 나타났다. 이는 내부에서 가열된 마이크로파 열이 외부로 효과적

으로 전달되지 않아 표면으로 갈수록 온도가 감소하는 “core effect" 현상이 발생하게 되어 표

면에서 기화되던 토양수가 액화되는 현상이 발생한 것으로 판단된다.

유류오염토양 처리량을 300g, 500g, 1kg으로 하여 마이크로파와 고온발열체 융합공정 기초실

험 시 TPH 제거율과 제거상수를 Fig. 3-41과 3-42에 나타내었다. Fig. 3-41의 a)는 마이크로파

/SiC 고온발열체만 단독 사용한 것으로 TPH 제거율은 2kW일 경우 40%, 49%, 47%로 나타났

고, 4kW는 각각 53%, 55%, 57%로 나타났다.

또한, Fig. 3-41 b)는 마이크로파/SiC/활성탄 발열체 융합처리로 TPH를 처리 시 처리율은

4kW일 때 각각 70%, 54%, 67%로 나타났고 2kW의 경우는 각각 51%, 51%, 50%로 나타났다.

SiC 발열체의 단독 사용보다는 활성탄과의 혼합사용 시 TPH처리율이 높은 것으로 나타났지만

처리온도 500에서는 TPH 토양오염 처리기준인 2,000mg/kg이하로 처리되지 않은 것으로 나

타났다.

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

0 5 10 15 20 25 30 35

t ime (min )

TP

H c

on

ce

ntr

ati

on

(m

g/k

g)

2kw 10% 300g 2kw 10% 500g 2kw 10% 1kg

4kw 10% 300g 4kw 10% 500g 4kw 10% 1kg


- 75 -

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

0 5 10 15 20 25 30 35

time (min)

TP

H c

oncentr

ati

on (

mg/k

g)

1kw 10% 1kg 2kw 10% 1kg 3kw 10% 1kg 4kw 10% 1kg



Fig. 3-41 Change in TPH concentration over heating time at soil amount

본 연구에서는 연속식 마이크로파/고온발열체 융합장치를 500이상의 고온을 유지할 수 있

게 설계하였다.

Fig. 3-42에 나타낸 유류오염토양 처리량을 300g, 500g, 1kg으로 하여 마이크로파/고온발열체

처리 시의 TPH제거상수는 SiC발열체 단독 처리일 경우 2kW와 4kW의 경우 각각 0.0207,

0.0296, 0.0267과 0.0551, 0.049, 0.0391로 나타났다.

y = 0.0207x a t 2kW 300g

y = 0.0296x a t 2kw 500g

y = 0.0267x a t 2kw 1kg

y = 0.0391x a t 4kw 1kgy = 0.0551x a t 4kw 300g

y = 0.049x a t 4kw 500g

-1.8

-1.6

-1.4

-1.2

-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0 5 10 15 20 25 30 35

t ime (min )

ln(X

t/X

o)

2kw 10% 300g 2kw 10% 500g 2kw 10% 1kg

4kw 10% 300g 4kw 10% 500g 4kw 10% 1kg


- 76 -

y = 0 .0 7 61 x a t 2 kW 3 00 g

R2 = 0 .9 21 3

y = 0 .0 6 7 x a t 2 kW 1 kg

R2 = 0 .8 9 8 3

y = 0 .0 56 3 x a t 2 kW 5 0 0 g

R2 = 0 .8 3 3y = 0 .1 3 37 x a t 4 kW 30 0 g

R2 = 0 .9 04 7

y = 0 .0 5 8 3 x a t 4 kW 5 0 0g

R2 = 0 .9 4 98

y = 0 .0 7 4 7 x a t 4 kW 1 kg

R2 = 0 .9 3 4 2

-2.5

-2

-1.5

-1

-0.5

0

0 5 10 15 20 25 30 35

t ime (min )

ln(X

t/X

o)

2kW 300g 2kW 500g 2kW 1kg 4kW 300g 4kW 500g 4kW 1kg


Fig. 3-42. Removal constants of TPH concentration according to soil amount

또한, 마이크로파/SiC/활성탄 발열체 융합처리로 TPH를 처리 시 도출된 TPH 제거상수는

4kW일 때 각각 0.1337, 0.0683, 0.0747로 나타났고 2kW의 경우는 각각 0.0761, 0.0683, 0.0670으

로 나타났다. 문(1996)등의 연구에 의하면 토양에 인공적으로 유류를 주입하여 마이크로파 처리

시 오염물질의 제거상수는 함수율이 0%일 때 0.165～0.224로 나타났으며, 10%일 때 1.133～

1.167이라고 보고한다. 본 연구에서 도출된 제거상수와 비교하여 보면 문 등이 실험한 제거상수

가 높은 것을 알 수 있는데 이는 인공시료의 경우 오염물질과 토양 사이의 흡착율이 낮아 탈착

및 휘발이 빠르게 진행되나 실제 유류오염토양은 오랜 시간동안 오염물과 토양이 결합되어 있

어 제거가 잘 이루어지지 않아 문 등이 실험한 제거상수보다 낮은 것으로 판단된다.

본 연구에서는 순수마이크로파의 경우 온도가 150 내외인 반면 마이크로파/고온발열체의

경우 최대 700까지 상승하는 것으로 나타나 유류오염토양을 고온으로 처리 할 시 토양에 흡

착된 중금속인 아연의 처리가 가능한지에 대한 기초실험을 실시하였다. Fig. 3-43은 처리량을

300g, 500g, 1kg으로 하여 마이크로파 전력 2, 4kW로 처리 할 시 아연이 제거되는 기작을 나타

낸 것이다. SiC발열체의 단독처리와 SiC/활성탄 발열체의 혼합처리 시 마이크로파 전력 2kW의

아연 처리율은 각각 최대 29%와 51%이고, 4kW의 경우는 29%와 54%로 나타났다.

초기 아연농도 3,000mg/kg에 대하여 SiC/활성탄 발열체의 혼합처리 시의 처리율은 50%정도

되지만 아연의 토양기준 200mg/kg에는 미달하는 것으로 나타나 아연 처리를 위해서는 500이

상의 고온이 필요한 것으로 판단된다.

- 77 -

0.00

500.00

1000.00

1500.00

2000.00

2500.00

3000.00

3500.00

0 5 10 15 20 25 30 35

t ime (min )

zn c

oncentr

ati

on (

mg

/kg

)

2kw 10% 300g 2kw 10% 500g 2kw 10% 1kg

4kw 10% 300g 4kw 10% 500g 4kw 10% 1kg


0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

0 5 10 15 20 25 30 35

time (min)

zn c

oncentr

ati

on (

mg/k

g)

4kw 10% 300g 4kw 10% 500g 4kw 10% 1kg

2kw 10% 300g 2kw 10% 500g 2kw 10% 1kg


Fig. 3-43. Change in Zn concentration over heating time at soil amount

- 78 -

0

50

100

150

200

250

300

350

0 5 10 15 20 25 30 35

t ime (min )

Te

mp

era

ture

(

)

2kw 10% 300g 2kw 10% 500g 2kw 10% 1kg

4kw 10% 300g 4kw 10% 500g 4kw 10% 1kg


0

50

100

150

200

250

300

350

0 5 10 15 20 25 30 35t ime (min )

Te

mp

era

ture

(

)

4kw 10% 300g 4kw 10% 500g 4kw 10% 1kg

2kw 10% 300g 2kw 10% 500g 2kw 10% 1kg


Fig. 3-44. Change in Temperature over heating time at soil amount

유류오염토양을 처리하기 위한 중요인자 중 하나는 온도이다. 마이크로파와 고온발열체 융합

공정 시 처리시간에 따른 시료 내부 온도를 Fig. 3-44에 나타났다. Fig. 3-44 a)의 경우 마이크

로파와 SiC 고온발열체 융합공정 시의 내부온도 변화는 초기 6분까지 상승하는 것을 알 수 있

으며, 6분 이후 감소하다 10분 이후 일정하게 유지되는 것으로 나타났다. 이는 함수율 변화와

비슷한 유형으로 초기 6분 이후 시료 내부의 온도감소에 의한 함수율 증가가 나타난 것으로

판단된다. Fig. 3-44 b)의 경우는 마이크로파와 고온발열체 SiC/활성탄 융합공정 시 내부온도

- 79 -

변화를 나타낸 것이다. 초기 6분 이후 온도가 감소하는 경향이 나타나나 4kW의 경우는 처리

시간 10분 이후 급격히 증가하는 것으로 나타났다. 이는 SiC 고온발열체만을 사용하였을 때보

다 SiC/활성탄 고온발열체 동시 사용 시 외부온도 증가로 “코어 이펙트(core effect)" 현상이

감소된 것으로 판단된다.

나. 마이크로파 전력 변화에 따른 유류 오염토양 처리특성 실험

Xunli Zhang el at.(2006)에 의하면 시료의 급격한 온도 증가를 위해서는 시료의 임계온도 이

상으로 마이크로파 전력을 가해야 한다고 보고한다. 또한, 임계온도 이하의 온도에서는 안정된

온도로 온도 조절이 가능하지만 임계온도 이상 증가한 온도는 급격한 온도 증가로 인해 온도제

어가 어렵다고 보고한다. 본 연구에서는 유류를 제거하기 위해서는 높은 온도가 요구되기 때문

에 실험 시 임계온도 이상으로 시료온도를 올리기 위한 마이크로파 전력을 파악하기 위해

sample A를 순수마이크로파 처리 한 유류오염토양 시료 500g에 대하여 유입전력에 대한 온도

를 분석하여 Fig. 3-45에 나타냈다.

Fig. 3-45의 온도분포를 살펴보면 1kW의 유입전력에서는 임계온도 이하로 온도가 유지되는

것을 알 수 있으며 2, 3kW의 경우는 초기 온도가 증가하지만 처리시간 10분 이후 온도가 유지

되는 것으로 나타나 임계온도 이상의 고온을 유지시키기 위해서는 4kW 이상의 유입전력이 필

요한 것으로 판단된다. 이에 연속식 마이크로파/고온발열체 융합공정을 설계 시 전력은 4kW이

상으로 설계하였다.

i n pu t pow e r

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 5 10 15 20 25 30 35

t ime (min )

Te

mp

era

ture

(

)

1 2 3 4

Fig. 3-45. Temperature vs. time with microwave heating over oil soil(500g) at different

input power levels.

일정한 유류오염토양(1kg)을 기준으로 했을 때 마이크로파/고온발열체의 전력 변화에 따른

처리 시 함수율변화, 유류제거율, 아연제거율, 시료내부와 장치외부의 온도변화를 나타내었다.

마이크로파 전력변화 실험 또한 실험 전 장치 내부의 온도를 마이크로파 전력 4kW를 이용하여

30분 동안 500이상으로 승온 시킨 후 사용하였다.

- 80 -

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0 5 10 15 20 25 30 35

t ime (min )

mois

ture

conte

nt

(%)



Fig. 3-46. Change in moisture contents over heating time at microwave power

( SiC/ Activated carbon High temperature heating element,

SiC High temperature heating element)

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

0 5 10 15 20 25 30 35

time (min)

TPH c

oncentration (

mg/k

g)



Fig. 3-47 Change in TPH concentration over heating time at microwave power



Fig. 3-46은 고온발열체의 종류 및 마이크로파 전력에 따른 함수율변화를 나타낸 것이다. 마

이크로파 전력이 높아질수록 “core effect" 현상으로 함수율이 감소하거나 나타나지 않는 것으로

나타났다. SiC 고온발열체만을 단독 사용하여 처리 할 시 1～3kW의 경우 처리시간 8분경에 함

수율이 증가하는 것으로 나타났으며, 4kW는 4분에 함수율이 증가하는 “core effect" 현상이 나

타났다. 반면 SiC/활성탄 고온발열체를 혼합하여 처리할 경우는 1kW에서 4분경에 함수율이 증

가하는 구간이 있을 뿐 2, 3, 4kW에서는 “core effect" 현상이 나타나지 않고 전력이 높을수록

빠른 시간 내에 수분이 감소되는 것으로 나타났다.

유류오염토양 처리량을 1kg으로 하여 마이크로파 전력변화와 고온발열체 종류에 따른 TPH

- 81 -

제거율과 제거상수를 산출하여 Fig. 3-47과 3-48에 나타내었다. 마이크로파/SiC 고온발열체만

단독 사용 시 TPH 제거율은 1kW, 2kW, 3kW, 4kW 운전조건에서 각각 51%, 47%, 28%, 56%

로 나타났고, 마이크로파/SiO2/활성탄 발열체 융합처리 운전조건에서의 경우 각각 48%, 49%,

41%, 56%로 나타났으나 TPH 토양오염 처리기준인 2,000mg/kg이하로 처리되지 않은 것으로

나타났다.

Fig. 3-48에 나타낸 유류오염처리량 1kg에 대한 마이크로파/고온발열체 처리 시의 TPH제거

상수는 SiC 발열체 단독 처리일 경우 전력이 높아질수록 각각 0.0642, 0.0517, 0.0187, 0.0391로

나타났고 마이크로파/SiO2/활성탄 발열체 융합처리로 TPH를 처리 시 도출된 TPH 제거상수는

각각 0.0732, 0.0670, 0.0246, 0.0747로 나타났다. 3kW를 제외하고는 전력이 증가할수록 제거가

잘 이루어지는 것을 알 수 있다.

y = 0.0189x a t 3kw 1kg

y = 0.0517x a t 2kW 1kg

y = -0.0642x a t 1kW 1kg

y = 0.0806x a t 4kW 1kg

-3

-2.5

-2

-1.5

-1

-0.5

0

0 5 10 15 20 25 30 35

t ime (min )

ln(x

f/xo

)



y = 0.0732x a t 1kW 1kg

y = 0.0747x a t 4kW 1kgy = 0.067x a t 2kw 1kg

y = 0.0245x a t 3kW 1kg

-2.5

-2

-1.5

-1

-0.5

0

0 5 10 15 20 25 30 35

t ime (min )

ln(x

f/xo

)



Fig. 3-48. Removal constants of TPH concentration according to microwave power.

Fig. 3-49는 처리량 1kg에 대한 마이크로파 전력변화 시 아연의 제거특성을 나타낸 것이다.

- 82 -

최대 제거율은 마이크로파/SiC 고온발열체 융합 처리 시 4kW 조건에서 64%로 나타났다. Fig.

3-49를 보면 알 수 있듯이 아연 제거는 전력보다는 온도의 영향을 받는 것을 알 수 있다. 이에

Fig. 3-50에 전력변화에 따른 온도를 측정하여 나타났다.

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

0 5 10 15 20 25 30 35

time (min)

zn c

oncentr

ati

on (

mg/k

g)



Fig. 3-49. Change in Zn concentration over heating time at microwave power



마이크로파와 고온발열체 융합공정 시 처리시간에 따른 시료 내부와 장치외기 온도를 Fig.

3-50에 나타났다. Fig. 3-50의 a)는 마이크로파와 SiC 고온발열체 융합공정 시의 온도 변화로

전력변화에 따른 시료내부 온도는 1kW와 3kW의 경우 처리시간 8분까지 온도가 증가하다 각각

150, 250에서 일정하게 유지되는 것으로 나타났다. 2kW와 4kW에서는 각각 처리시간 4분과

8분까지 온도가 상승하다 온도가 감소하는 구간을 거쳐 10분 이후 각각 230, 250에서 일정

하게 유지되는 경향이 나타났다.

Fig. 3-50 b)의 경우는 마이크로파와 고온발열체 SiC/활성탄 융합공정 시 온도 변화를 나타낸

것이다. 시료의 내부온도는 1kW와 3kW의 경우 10분까지 증가 후 각각 170와 220에서 일

정하게 유지되는 것으로 나타났다. 2kW의 경우는 4분까지 증가 한 후 200에서 일정하게 유

지되는 경향을 보였으며, 4kW에서는 처리시간 2분에 300이상 증가한 후 감소경향이 나타나

다 8분 이후 다시 증가하는 추세를 나타냈다. 감소경향은 2분 이후 발생한 수분증발로 인한 열

손실에 기인하는 것으로 판단된다.

마이크로파와 고온발열체 융합공정 시 장치 내부를 500로 승온 시킨 후 실험을 실시하였으

나, 시료의 투입과 운전에 따라 모든 전력이 처리시간 10분 이후 300 이상으로 일정하게 유지

되는 것으로 나타나 시료의 내부온도와 외기온도가 처리시간 10분 이후 평형상태로 운전되는

것으로 판단된다. 또한, 시료의 처리온도 분포는 아연 처리율이 처리시간 10분 이후 일정하게

- 83 -

유지되는 경향과 유사한 것으로 나타나 아연 처리를 위해서는 처리온도가 중요함을 알 수 있다.

1kg

0

50

100

150

200

250

300

0 5 10 15 20 25 30 35

t ime (min )

Te

mp

era

ture

(

)

0

100

200

300

400

500

600

1kW 내부온도 2kW 내부온도 3kW 내부온도 4kW 내부온도

1kW 외기온도 2kW 외기온도 3kW 외기온도 4kW 외기온도


0

50

100

150

200

250

300

350

0 5 10 15 20 25 30 35

time (min)

Te

mp

era

ture

(

)

.

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1kW 내부온도 2kW 내부온도 3kW 내부온도 4kW 내부온도

1kW 외부온도 2kW 외부온도 3kW 외부온도 4kW 외부온도


Fig. 3-50. Change in Temperature over heating time at microwave power

다. 오염토양 두께에 따른 유류오염토양 처리

유류오염토양의 두께(높이)를 각각 1cm, 3cm, 5cm로 하였으며, 토양 두께에 따른 TPH 농도

변화와 제거율을 Fig. 3-51, Fig. 3-52, Fig. 3-53과 Table. 3-7에 나타내었다. Fig. 3-54는 수

분함수율(10%, 20%, 30%) 별로 한계함수율 도달시간을 나타내었다.

높이 1cm의 10%의 함수율을 포함한 유류오염토양의 TPH 제거율은 52%로 나타났고, 3cm

의 경우 46%이며 5cm는 39%로 나타났다. 20%의 함수율을 포함한 높이 1cm의 TPH 제거율

- 84 -

은 65%이고 제거농도는 3,985mg/kg으로 나타났으며, 3cm의 경우 제거율 55%로 제거농도

4,690mg/kg, 5cm의 경우 제거율 56%, 제거농도 4,400mg/kg으로 나타났다. 30%의 함수율을

포함한 높이 1cm의 유류오염토양에서 TPH 제거율은 53%로 나타났고 3cm의 경우는 47%로

나타났으며 5cm의 경우는 44%의 제거율을 보였다.

1cm의 두께에 따른 수분함수율(10%, 20%, 30%)별로 동일한 처리시간 20분에 대한 수분변

화를 나타낸 결과 4kW의 전력을 주었을 때 10%와 20% 그리고 30%의 함수율 모두 처리시간

6분에 급속하게 수분이 감소되는 것으로 나타났다.

토양의 두께에 따른 TPH의 제거율을 비교했을 때 1cm의 경우 50%이상의 비교적 높은 제

거율을 보였고 두께가 두꺼울수록(3cm, 5cm) 비슷한 제거율을 보이며 처리가 잘 되지 않는 것

으로 나타났다. 최적두께는 1cm로 도출하였다. 또한 함수율의 변화를 살펴보면 20%의 함수율

을 포함한 토양의 경우가 TPH 제거율이 가장 좋은 것으로 나타났는데, 이것은 수분이 적정량

존재할 경우 유전상수가 증가하게 되고 마이크로파에 의해 온도가 급격히 상승하게 되면 내부

증기압력으로 인한 “pumping effect” 현상41)으로 물과 오염물이 빠르게 휘발되는 것으로 판단

된다.

문 등27)은 유해 유기물질로 오염된 토양에 마이크로파 에너지를 적용시켜 증발과 확산에 의

해 오염물질들을 토양으로부터 탈착, 포집할 수 있으며, 일반적으로 토양에는 20%정도의 수분

이 함유되어 있으므로 그 가열효율은 매우 높을 것이라고 보고하였다.

유류오염토양 정화를 위한 고온발열체를 활용한 마이크로파 처리시 처리율은 50%이상으로

나타났지만 처리온도 500에서는 TPH의 토양처리기준인 2,000mg/kg이하로 처리되지 않는

것으로 나타났다.

Table 3-7. Change in TPH removal ratio and TPH concentration according to the thickness

of soil

1cm 3cm 5cm

10% - TPH 제거율(%)/ 농도 (mg/kg) 52.1 / 5,467 46.4 / 5,646 39.7 / 6,160

20% - TPH 제거율(%)/ 농도 (mg/kg) 65.1 / 3,985 55.4 / 4,690 56.6 / 4,400

30% - TPH 제거율(%)/ 농도 (mg/kg) 52.9 / 5,383 47.5 / 5,530 44.2 / 5,664

- 85 -

10%

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

0 2 4 6 8 10 20

heating time (min)

TP

H c

oncentr

ati

on

(mg/k

g)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

rem

oval rate

(%

)

1cm 3cm 5cm

1cm removal rate 3cm removal rate 5cm removal rate

Fig. 3-51. Change of TPH concentration according to the thickness of soil at 10%

20%

0

2,000

4,000

6,000

8,000

10,000

12,000

14,000

0 2 4 6 8 10 20

heating time (min)

TP

H c

oncentr

ati

on (

mg/k

g)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

rem

oval rate

(%

)

1cm 3cm 5cm



- 86 -

30%

0

2,000

4,000

6,000

8,000

10,000

12,000

14,000

0 2 4 6 8 10 20

heating time (min)

TP

H c

oncentr

ati

on (

mg/k

g)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

rem

oval rate

(%

)

1cm 3cm 5cm



0

5

10

15

20

25

30

35

0 2 4 6 8 10 20

heating time (min)

moistu

re c

onte

nts

(%

)

10%

20%

30%

Fig. 3-54. The removal variation according to the moisture contents

라. 마이크로파/고온발열체 경제성 평가

마이크로파 처리 시 상대적 비용분석은 전력비를 기준으로 산정하였다. 한국전력공사 산업용

전력비의 계절별 평균은 59.6won/kwh이며 2kW인 경우 119.2won/hr, 4kW인 경우는

238.4won/hr의 비용이 소모된다.

마이크로파/고온발열체 융합공정인 회분식의 경우는 TPH 제거시간을 기준으로 산정하였다.

SiC 고온발열체만을 이용한 경우는 4kW를 제외하고는 처리시간 30분까지 제거율이 낮아 4kW

만을 고려하였으며 1kg 처리 시 소요되는 비용은 119.2won/kg으로 4kW로 500까지 예열하

는데 걸린 30분의 전력비까지 포함한다면 238.4won/kg으로 산정되었다. SiC와 활성탄 고온발

- 87 -

열체를 동시에 사용한 경우는 1kW를 제외하고는 처리시간 30분에 비슷한 제거율이 나타났으

며 1kg 처리 시 소요되는 비용은 59.6won/kg로 동일하였다. 예열에 소요된 전력비까지 포함하

면 119.2won/kg으로 마이크로파/SiC 고온발열체만을 사용한 경우보다 경제적인 것을 알 수 있

다.

Table 3-8. Cost analysis of batch microwave process at 2kW and 4kW.

Electric power of microwave

(kW)

Moisture content of

soils (%)

Amount of treatment

per hour (kg/hr)

Cost per mass

(won/kg)

Microwave/SiC High temperature

heating element4kW 10% 2.0

119.2

(238.4)

Microwave / SiC / Activated carbon High

temperature heating element

2kW 10% 2.059.6

(119.2)

4kW 10% 4.059.6

(119.2)

3. 마이크로파/고온발열체 융합공정을 이용한 연속식 Lab test 장치개발

가. 유류오염토양 제거효율

본 연구는 TPH 농도가 12,088.3mg/kg인 sample A의 오염토를 마이크로파 6kW를 이용하여

장치를 500, 700로 승온 한 후 전력 4kW와 6kW로 운전하였다.

Fig. 3-55는 전력의 변화에 따른 TPH 농도변화와 함수율 변화인데, 함수율은 수분 9.04%에

서 처리시간 5분인 초기에 가장 높은 처리율이 나타났고 전력과 온도가 높을수록 처리시간 초

기에 한계함수율에 도달함을 알 수 있다.

TPH concentrationmois ture concent

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

he a t in g t ime (min )

TP

H c

oncentr

ati

on (

mg

/kg

)

0

2

4

6

8

10

12

mo

istu

re c

oncent

(%)

6kW/ 500 6kW/ 700 4kW/500 4kW/ 700

6kW/ 500 6kW/ 700 4kW/500 4kW/ 700

Fig. 3-55. Change in TPH concentration and moisture heating time at microwave power

- 88 -

회분식 마이크로파의 경우 수분이 증가하는 core effect 현상이 나타나기도 하지만, 연속식에

서는 처리전력과 온도가 높아 내부와 외부가 동시에 가열됨에 따라 core effect 효과가 감소한

것으로 판단된다.

TPH 처리량은 4kW, 500, 700일 때 각각 61.72%, 73.35%였으며 6kW, 500, 700 일

때 64.1%, 85.2%로 6kW 700의 40분 처리 이후 토양오염복원기준인 2,000mg/kg이하의 농도

를 나타내는 것으로 나타났다. 본 연구에 사용된 토양의 경우는 일반 유류오염토양이 아닌 폐

차창 오염토양으로 화학처리를 거친 토양이다. 유류 중에서도 난분해성 물질인 탄소 20∼30개

이상이고 고리를 가진 윤활유와 절삭유로 오염되어 이미 화학적 처리를 적용하였음에도 불구

하고 토양오염복원기준(2,000mg/kg)에 미달되어 문제가 되고 있는 토양을 6kW, 700 조건의

마이크로파/고온발열체 융합공정으로 처리하여 2,000mg/kg 이하로 농도를 저감시켜 이 공정

의 난분해성물질 처리가능성을 확인하였다. 염의 연구(2008)에 의하면 저온 열탈착과 마이크로

파 연계공정 시 4kW, 300처리로 처리율 90%의 결과를 나타낸다고 보고하지만 처리농도가

토양오염복원기준에 미달되는 것으로 나타났고, 마이크로파/고온발열체 융합공정으로 일반 유

류오염토양을 처리 할 경우는 700mg/kg 이하로 낮아졌다. 제거상수로 살펴본 총 탄화수소 처

리율은 4kW, 500, 700와 6kW, 500, 700일 때 각각 0.0291, 0.0335, 0.0326, 0.0412로 전

력이 높고 처리온도가 높을수록 제거가 잘 되는 것을 알 수 있다.

y = 0.0291x at 4kW 500

y = 0.0412x at 6kW 700 y = 0.0335x at4kW 700

y = 0.0326x at 6kW 500

-1.4

-1.2

-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0 5 10 15 20 25 30 35

heating time (min)

ln(X

t/Xo

)

6kW/500 6kW/700 4kW/500 4kW/ 700

Fig. 3-56. Removal constants of TPH concentration according to microwave power (4,

6kW).

Fig. 3-57의 경우는 마이크로파와 SiC 고온발열체 융합공정 시 온도 변화를 나타낸 것이다.

시료의 내부온도는 500로 처리 시 4kW와 6kW의 경우 15분까지 서서히 증가한 후 최대

228.2와 288.2까지 상승하였으며, 700로 처리 시 각각 314.2와 335.3로 증가하였다.

마이크로파와 고온발열체 융합공정 시 장치 내부의 온도는 500로 하여 4kW와 6kW로 처리

시 시료 투입에 따라 각각 402.0와 415.3로 온도가 하락하였으며, 4kW의 경우는 500로

온도를 상승시키는데 20분 걸렸으며, 6kW는 15분 뒤에 처리온도 500로 나타났다. 장치내부온

- 89 -

도 700의 경우는 4kW와 6kW에서 시료투입에 따른 온도 하락은 나타나지 않았다. 이는 장치

내부의 고온과 마이크로파 처리로 인한 초기 5분경에 급격한 수분 감소가 나타남에 따라 온도

하락을 유발하는 요소가 감소하여 장치내부 온도가 유지되는 것으로 판단된다.

0

100

200

300

400

500

600

700

800

0 10 20 30 40 50

heating time (min)

Tem

ppera

ture

(

) .

6kW 500 시료온도 6kW 500 장치온도 6kW 700 시료온도

6kW 700 장치온도 4kW 500 시료온도 4kW 500 장치온도

4kW 700 시료온도 4kW 700 장치온도

Fig. 3-57. Change in Temperature over heating time at microwave power

나. 유류성분에 따른 처리율 평가

본 연구에서는 TPH 농도가 12,088.3mg/kg인 sample A와 32,395mg/kg인 sample B의 오염

토를 대상으로 마이크로파 6kW를 이용하여 장치온도를 500, 700로 승온 한 후 전력 4kW

와 6kW로 운전하였다.

Fig. 3-58. Change in TPH concentration according to microwave heating time using to

sample A and sample B

Fig. 3-58은 전력의 변화에 따른 TPH 농도변화를 보여주는데 sample A는 난분해성 물질인

- 90 -

탄소 20∼30이상이고 고리를 가진 윤활유와 절삭유로 오염된 토양으로 6kW, 700 조건에서

40분 처리 후 토양오염복원기준인 2,000mg/kg 이하로 농도가 낮아짐에 반해 sample B의 경우

는 처리시간 20분 이내에 복원기준 이하로 낮아졌다. 이에 탄소 고리가 적은 유류로 오염된 토

양의 경우는 처리용량보다 더 많은 양을 단시간에 처리가능하다고 판단된다.

다. 마이크로파/고온발열체 융합 연속식 Lab test 공정 경제성 평가

마이크로파/고온발열체 융합 연속식 공정의 경우는 총 탄화수소 제거시간을 기준으로 전력

비를 산정하였으며, 선행 연구된 마이크로파/저온 열탈착 융합공정 시의 비용과 비교하였다.

염의 연구(2008)에 따르면 저온열탈착과 마이크로파 융합공정의 최적운전조건(300, 4kW)을

도출하였고 소요 비용은 18,682won/ton으로 산출하였다. 이는 LPG(Liquefied petroleum gas,

액화석유가스) 소요와 마이크로파 전력비를 합산한 것으로 마이크로파/고온발열체 융합공정의

경우는 LPG 소요 비용이 제외되기 때문에 저온열탈착의 융합공정 보다는 경제적인 것으로 나

타났다. 4kW, 700 운전 시 토양 1톤당 처리비용이 가장 낮은 것으로 나타났고, C20-30이상

의 고리를 가진 윤활유나 절삭유 같은 난분해성 유류오염물질을 처리하기에는 처리효율 면과

처리비용을 동시에 고려한다면 처리비용이 13,280won/ton으로 4kW 보다는 높지만 토양오염복

원기준인 2,000mg/kg에 도달하기 위해 6kW, 700로 30분 처리하는 것이 경제적인 것으로 나

타났다.

Table 3-9. Economic comparison of microwave integration process

Process microwave power Temperature Total cost (won/ton)

Thermal desorption 4kW 300 18,682

Microwave/

SiC High temperature

heating element

4kW500 14,160

700 10,620

6kW500 15,930

700 13,280

4. 마이크로파/고온발열체 융합공정을 이용한 연속식 장치개발(3ton/day)

가. MRT 및 hold-up 산정

마이크로파/고온열탈착 융합공정의 스크류 혼합에 따른 오염토양의 체류시간(MRT)과

hold-up은 Fig. 3-59와 3-60에 나타냈으며, 오염토양의 수분은 2.3%, 12.04%로 스크류는 12～

25rpm의 속도로 운전하였다.

- 91 -

Fig. 3-59. Mean residence time at fore screw speed and two moisture content

스크류의 속도를 각각 12, 15, 20, 25rpm으로 유류오염토양을 이송할 시에 수분이 2%인 토

양의 체류시간은 각각 10분, 7분, 5분26초, 4분으로 나타났으며, 수분이 12%인 토양의 체류시

간은 각각 10분34초, 7분30초, 6분20초, 4분7초로 나타났다. 체류시간과 토양의 성분에 따른 장

치 내의 hold-up되는 토양의 양을 분석한 결과 C20이상의 절삭유, 윤활유를 포함한 토양은 수

분 10%이내일 때 각각의 rpm 12, 15, 20, 25에 대해 0.17g, 0.53g, 0.675g, 1.145g으로 나타났고

10%이상일 때는 0.46g, 1.475g, 6.35g, 5.675g으로 나타났다.

Fig. 3-60. hold-up at fore screw speed and two moisture content

C20이하의 일반 유류에 오염된 토양은 수분 10%이내일 때 각각의 rpm 12, 15, 20, 25에 대

해 0.45g, 0.345g, 0.265g, 0.975g으로 나타났고, 10% 이상일 때는 3.880g, 1.385g, 0.445g, 4.095g

- 92 -

으로 나타났다. 토양의 수분이 10%이상일 경우가 hold-up되는 양이 많은 것으로 나타났는데

이는 토양의 수분으로 인해 처리초기에 장치 내부의 스크류 피치나 내벽에 토양이 달라붙기

때문에 수분이 낮은 토양에 비해 hold-up되는 양이 많은 것으로 판단된다.

(a) be below 10% moisture content

(b) more than 10% moisture content.

Fig. 3-61. Exit age distributions of starch at screw speeds (sample A, 12rpm)

식(9)를 이용하여 마이크로파/고온발열체 처리시간에 따른 유출토양의 농도분포를 분석하였

다. Sample A토양의 경우는 유류오염토양 처리 시 처리 초반과 처리 후반의 농도차이가 크게

나타나는 반면에, Sample B의 경우는 처리 초반에서 후반으로 갈수록 일정한 농도 이상으로

처리가 이루어지는 것으로 나타났다. 이는 C20이상의 윤활유, 절삭유로 오염된 토양의 경우

700이상의 온도에서 수분이 증발되면서 일부 유류가 제거되고 수분 증발 이후 탈착을 위해

토양의 가열이 이루어지면서 탄소 고리가 많은 유류가 제거됨에 따라 제거 양상이 두 군데로

- 93 -

나타나는 것으로 판단된다. C20이하의 일반 유류의 경우는 수분증발과 함께 유류의 제거가 이

루어지며, 토양의 가열과 동시에 유류의 제거가 일정하게 이루지는 것으로 사료된다.

(a) be below 10% moisture content

(b) more than 10% moisture content.

Fig. 3-62. Exit age distributions of starch at screw speeds (sample B, 20rpm)

나. 유류오염토양 처리

본 연구에서는 TPH 농도가 32,395～50,677mg/kg인 sample B 오염토와 난분해성 물질인 절

삭유같이 탄소 고리 C20이상의 유류를 포함하고 있는 sample A를 마이크로파 16kW를 이용하

여 500, 700로 승온 한 후 전력 8kW와 16kW 운전조건에서 처리하였다.

- 94 -

(a) be below 10%

(b) more than 10%

Fig. 3-63. Change in TPH concentration and moisture heating time at microwave

power(sample A)

Fig. 3-63은 sample A를 처리한 결과로 함수율의 경우 10%이내의 토양은 10분 내에 한계함

수율에 도달하는 것으로 나타났고 10% 이상의 토양은 20분 내에 한계함수율에 도달하였다.

TPH의 경우 C20이상의 윤활유나 절삭유가 포함된 토양으로 인해 8kW, 500 조건에서 45분

처리 시 함수율 10%이내 및 10%이상 토양의 처리효율은 각각 70.12%, 75.79%로 나타났지만

토양오염복원기준에 미달되는 것으로 나타났다. 반면 8kW, 700 조건에서 45분 처리 시에는

토양오염복원기준에 부합되는 것으로 나타났다.

- 95 -

(a) be below 10%

(b) more than 10%

Fig. 3-64. Change in TPH concentration and moisture heating time at microwave

power(sample B)

Fig. 3-64는 전력의 변화에 따른 TPH 농도변화와 함수율 변화를 보여주는데, 10%이내의 함

수율은 처리시간 대비 일정한 속도로 제거되는 것으로 나타났고 10%이상의 함수율에서는 처

리시간 5분에서 가장 높은 함수율 제거가 일어나는 것으로 나타났다.

TPH 처리량은 수분함량이 10% 이하일 때 14kW, 500, 700에서 각각 95.86%, 98.39%였고 8kW

500, 700일 때 95.39%, 95.65%로 나타났으며, 수분함량이 10%이상일 때 14kW, 500, 700에서

각각 96%, 98.45%였으며 8kW 500, 700일 때 94.7%, 96.20%로 나타났다. 또한, 14kW의 전력으로

500, 700에서 처리 시에 토양오염복원기준인 2,000mg/kg 이하로 농도가 낮아지는 것으로 나타났

- 96 -

으며 14kW, 700에서는 처리시간 20분 내에 토양오염복원기준을 만족하는 것으로 나타났다.

다. 입경에 따른 유류오염토양 처리

오염토양의 입경에 따fms 탄화수소 제거효율을 파악하기 위해 체로 4.76mm이상의 자갈만

제거한 원시료와, 4.76mm, 2.36mm로 분류한 오염토양을 마이크로파 8kW와 14kW에서 운전하

면서 제거효율을 분석하여 Fig. 3-65, 66, 67에 나타냈다.

Fig. 3-65. Change in TPH concentration at microwave power(raw sample)

Sample A토양을 마이크로파 8kW와 14kW 전력으로 500, 700 조건으로 처리 시 제거

효율은 각각 75.79%, 83.57%, 84.21%, 87.51%로 나타났으며, 8kW, 500 처리조건을 제외한

전력과 온도에서는 토양복원기준 이하로 처리되는 것으로 나타났다. Sample B를 마이크로파

8kW와 14kW 전력으로 500, 700 조건에서 처리 시 입경별 탄화수소 제거율은 95% 이상

이며 처리시간 20분이내에 토양오염복원기준 이하로 농도가 감소하였다.

- 97 -

Fig. 3-66. Change in TPH concentration at microwave power(4.76mm)

Fig 3-66과 3-67은 입경 4.76mm와 2.36mm에서 탄화수소 제거효율을 나타낸 것으로 8kW,

500 조건을 제외한 나머지 처리조건에서는 토양오염복원기준 이하로 처리가 가능한 것으로

나타났으며, 처리율은 80～98%이었다.

Fig. 3-67. Change in TPH concentration at microwave power(2.36mm)

Sample A와 B의 입경에 따른 처리율을 분석한 결과 총 제거율은 큰 차이가 나타나지 않았

다. 이는 마이크로파와 고온열탈착 공정의 경우 토양온도 전달이 내부와 외부에서 동시에 일어

나고 또한 장치 내의 토양을 이송하는 스크류에 의한 열의 혼합 등으로 장치내부의 온도가 상

승하게 되어 일정부분의 제거가 일어나는 것으로 판단된다.

- 98 -

정 등(2010)의 논문에 의하면 로터리킬른을 이용한 열탈착 실험에서 적용온도 300, 체류시

간 7.4분인 경우 모래질 토양의 오염제거율은 97.4%, 실트질 토양의 오염제거율은 94.2%이며,

400이상에서는 99%이상 제거되는 것으로 나타나 입경에 따른 차이가 크지 않다고 하였으며,

과학기술부 보고서(한국과학기술연구원, 1999)에서도 체에 거르지 않은 시료와 모래의 오염제

거율의 차이는 크게 나타나지 않는다고 보고하고 있다.

라. 온도변화

마이크로파 내부온도를 승온 → 마이크로파 운전 → 마이크로파 정지 → 마이크로파 운전으

로 나누어 상태를 확인하였다. 마이크로파 고온발열체 융합공정 장치에서 토양 투입량과 수분

함량에 따른 실제 열적거동의 변화를 분석하기 위해서 스크류 구간에 따라 온도변화를 분석하

였다.

Fig. 3-68. Microwave devices temperature changes due to soil injection and operating

conditions

토양 투입에 따라 1단과 2단의 온도변화를 분석하기 위해서 건조기 내부에 온도센서를 이용

하여 온도변화를 측정하였다. 마이크로파 1단의 유입부 온도가 500oC와 700인 조건에서 상단

부에 토양이 투입되었고 운전되는 동안 온도는 하강하였다. 마이크로파 장치 내 일정한 온도유

지는 토양 투입 약 5분경과 후로 토양투입 30분 이후 장치내부의 일정한 온도 유지를 위하여

마이크로파를 일시 정지한 후 재가동하는 방식으로 유류오염토양을 처리하였다. Fig. 3-68은

이러한 조건의 변화에 따른 장치내부 온도변화를 나타낸 것이다. 1단의 경우는 토양 투입에 따

라 온도하강 구간이 나타났지만, 2단의 경우는 승온 후 장치내부의 온도가 일정하게 유지되는

것으로 나타나 토양투입에 따른 영향을 크게 받지 않는 것으로 판단된다. 이는 1단에서 마이크

로파 처리에 따라 토양에 열전달이 이루어졌고, 가열된 토양이 2단으로 공급됨에 따라 초기 토

- 99 -

양 투입에 따른 내부공기 유입이 2단에는 영향을 끼치지 않았을 것으로 사료된다.

마. 유류오염토양 처리에 따른 가스분석

유류오염토양 처리 시 발생하는 배출가스 처리를 위하여 배출가스 정화장치를 제작하여 처

리함에 따라 배출가스 분석을 실시한 결과 Table 3-10에 나타낸 바와 같이 배출허용기준 이하

로 나타남을 알 수 있다.

Table 3-10. Emission sources measurement result

조사

시기 측 정 항 목 배출허용기준

2011년

측정횟수

1회 2회

2

0

1

1

년

먼지 (mg/Sm3) 80(12) 23.6 23.9

SO2 (ppm) 70(12) 0.75 0.72

NOX (ppm) 150(12) 45.3 45.0

NH3 (ppm) 100 3.33 3.18

HCl (ppm) 40(12) 1.55 1.63

Cl2 (ppm) 10 0.55 0.62

CO (ppm) 200(12) 2.11 2.12

H2S (ppm) 2(12) 0.05 0.06

HCHO (ppm) 10 N.D N.D

HCN (ppm) 10 N.D N.D

Cd (mg/Sm3) 0.1(12) N.D N.D

Cu (mg/Sm3) 10 N.D N.D

Pb (mg/Sm3) 1.6(12) N.D N.D

Cr (mg/Sm3) 0.5(12) N.D N.D

Hg (mg/Sm3) 0.1(12) N.D N.D

＊N.D : 0.001mg/Sm3 또는 0.001ppm미만

배출허용기준란의 ( )는 표준산소농도(O2의 백분율)를 말한다.

또한 유류오염토양의 열탈착 처리에 따른 다이옥신 및 VOC 분석을 실시한 결과는 Table

3-11에 나타냈다.

- 100 -

Table 3-11. Dioxin and VOC analysis

조사 시기 측 정 항 목 배출허용기준 측정결과

2011년

다이옥신 (ng/N) 5 0.006

Benzene (ug/m3) 20ppm이하 0.18

Toluene (ug/m3) - 6.28

Ethylbenzene (ug/m3) - N.D

Xylene (ug/m3) - N.D

Styrene (ug/m3) 0.4ppm N.D

n-Tridecane (ug/m3) - 2.45

n-Tetradecane (ug/m3) - 4.04

n-Pentadecane (ug/m3) - 4.53

n-Hexadecane (ug/m3) - 4.59

다이옥신의 배출허용기준은 5ng/N을 적용하고 있지만 본 장치의 경우는 측정결과

0.006ng/N으로 나타나 기준 이하임을 알 수 있다. 또한, VOCs 분석결과도 배출허용기준 이

하로 나타났다.

바. 경제성평가

토양오염복원기준 2,000mg/kg 이하로 처리되는 총 탄화수소 제거시간을 기준으로 마이크로

파/고온발열체 융합 연속식 공정의 전력비를 산정하였다. 또한, 처리효율과 처리비용을 동시에

고려하여 14kW의 마이크로파 처리로 토양오염복원기준 2,000mg/kg 이하로 처리되는 시간을

기준으로 연간운영경비를 산출하였다.

- 101 -

항 목 금 액(원) 산 출 근 거

인 건 비 18,000,000 사무직(1명) 1,500,000원 x 12개월

노 무 비 31,200,000 현장(2명):중급:1,초급:1

평균임금1,300,000원x12개월x2명

전 력 비 5,293,960

[(여름철70원/kWhx296kWh/일×25일/월×2월/년]+[(일반52.7원/

kWhx296kWh/일×25일/월×6월/년]+[(겨울철64.8원/kWhx296k

Wh/일×25일/월×4월/년]+(기본료:4,720×12월/년)

유류사용량 0 -

감가상각비 5,611,200 상각기간15년 후 10% 잔존

수선유지비 1,870,400 시설비의 2%

합 계 61,975,560 연간운영비

▷ 초기 투자비 가. 시설비 : -. 一金 93,520,000원 (1기)

-. 토목, 건축공사 : 별도 협의 -. 부지구입비 제외 -. 요구조건 및 현장사정에 따라 변경가능 나. 시설부지면적 : 12.95

다. 건축연면적 : 13

라. 감가상각비 : 5,611,200원/년 (수명 : 15년, 잔존가액 : 9,352,000원)

- 톤당처리비: 약28,692원 / 감각상각비 제외 : 약 26,081원

※ 계산식 : 처리단가 = (년간 운영비용)61,975,560

(년간 처리량) 2160

- 연간 처리량 = 7.2on/day × 300day/년 = 2,160ton/년

5. 고온발열체 재질개발 및 제품화를 위한 연구

가. 열처리 온도에 따른 발열체 제작

β-SiC에 ZrB2와 TiB2를 각각 39vol%를 첨가하고 이 혼합물에 12wt%의 Al2O3+Y2O3(6:4

mixture of Al2O3 and Y2O3)를 첨가하였다. 준비된 분말에 결합체를 혼합하여 3시간 밀링

(milling)한 후 미가공 형태로 성형하고, 성형압력은 1305kg/을 주었다. 소결은 1,750, 1,800

, 1,850, 1,900의 열처리 온도로 2시간 동안 이루어졌다. 1,650 경우는 승압은 1,000에

서 5.55MPa을 주고 매 10씩 마다 약 21.5kg을 승압하여서 25MPa를 가한 뒤 4시간 동안 가

압 열처리를 유지한 다음 상압상태로 압력을 풀어 12.8로 냉각 시켰다.

- 102 -

제작된 고온 발열체의 특성은 Fig. 3-69와 3-70에 나타내었다. Fig. 3-69는 SiC+ZrB2복합체

로 상대밀도는 1,750, 1,800, 1,850, 1,900에서 각각 72.57%, 71.64%, 73.03%, 81.1%로

나타났다. 1,800 소결온도에서 상대밀도가 가장 낮게 나타났는데 이는 소결과정 중 탄소의

산소에 대한 높은 친화력으로 인하여 Al2O, SiO, CO 등의 성분이 휘발됨에 따라 기공의 발생

이 증가되었기 때문으로 판단된다.

반대로 1,850이상부터 다시 상대밀도의 증가는 휘발성분에 의한 기공이 증가하더라도 소결

온도에 따라 열처리되는 동안 판상 또는 침상 형태로 입자성장이 가속화되어 거칠어진 미세구

조가 다르기 때문으로 판단된다.

꺽임 강도는 열처리 온도가 증가함에 따라 증가하는 현상이 나타내고 있는데 이는 열처리

후 미세구조의 기하학적인 모양 뿐만 아니라 조성과 입계의 변형이 영향을 미치기 때문으로

사료되고 경도와 파괴인성은 상대밀도와 같은 경향으로 열처리 1,900에서 가장 높게 나타나

고 있다.

0

50

100

150

200

250

300

1650 1750 1800 1850 1900

te mpe ra tu re ()

Num

eri

cal

valu

e

-2

0

2

4

6

8

10

12

꺽임강도(M pa) 밀도(%)저항온도계수 ( log/ ) 파괴인성(M Pa?m1/ 2)경도(Gpa)

Fig. 3-69. Properties of SiC-ZrB2 composites by annealing temperature

Fig. 3-70에는 SiC-TiB2 고온발열체 특성이 제시되어 있는데, 상대밀도는 열처리 온도가 증

가함에 따라 미세하게 증가하다가 1,900에서 84.92%로 가장 높게 나타났다. 꺽임 강도와 경

도, 파괴인성은 상대밀도와 같은 형태로 증가하는 것으로 나타났고 전기 저항률은 1,750,

1,800, 1,850, 1,900에서 각각 25는 5.51×10-4, 2.11×10-3, 7.91×10-4, 6.91×10-4Ω • cm로

나타났으며 700는 1.71×10-3, 5.98×10-3, 2.36×10-3, 2.25×10-3Ω • cm로 모두 정 저항 온도계수

특성이 나타났다.

- 103 -

0

20

40

60

80

100

120

140

160

1650 1750 1800 1850 1900

te mpe ra tu re ()

Num

eri

cal

valu

e

-1

0

1

2

3

4

5

꺽임강도(M pa) 밀도(%)

저항온도계수 ( log/) 파괴인성(M Pa?m1/ 2)

경도(Gpa)

Fig. 3-70. Properties of SiC-TiB2 composites by annealing temperature

나. 경제성 평가

소결첨가제를 첨가하여 액상소결방식으로 소결온도를 1,650에서 1,900까지 증가하여 고

온발열체를 제작함에 따라 대량생산이 가능하고 기초기반 기술 확보를 위한 시제품 제작에 따

른 고온발열체 재질의 경제성을 평가하였다.

고온발열체의 전기저항률과 열팽창계수 등의 측정을 위한 고온발열체 조립도의 분석결과는

Table 3-12과 3-13에 나타내었다.

전기저항은 10-1단위를 측정할 수 있는 멀티 테스터기를 이용하여 흑연 단자 대에 테스터기

봉을 접촉하여 측정하였으며 측정결과는 Table 3-13에 나타내었다.

Table 3-13에 나타난 바와 같이 큰 편차를 보이지 않고 일률적이며 측정방법은 접촉저항이

심하게 발생하고 있다는 사실을 간과할 수는 없다. 초기에 접촉저항이 많이 존재하여 전체 측

정한 저항은 1.7Ω이 나오지만 시스템 최적화를 추구하면서 0.8Ω까지 낮추는 결과를 얻었다.

Table 3-12. Measuremental result of simplified resistance

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

측정치 (Ω) 0.4 0.4 0.4 0.4 0.6 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4

Table 3-14에 제시된 열팽창계수는 온도 23±2, 상대습도 50±20%에서 ASTM(American

society for testing materials, 미국 재료 시험 협회) E 381에 따라 측정하였으며, 일반 금속재

료의 열팽창계수는 1.2～2.31×10-5/을 나타내지만 Table 3-13에 나타난 바와 같이 SiC 발열

체는 4.75～6.94×10-6• k-1으로 금속재료 보다 낮게 나타나는 것을 볼 수 있다.

- 104 -

Table 3-13. Measuremental result of thermal expansion coefficient

Temperature () 평균선팽창계수 (×10-6• k-1)

26.35 ～ 100.26 4.75

100.26 ～ 200.07 5.11

200.07 ～ 300.14 5.59

300.14 ～ 400.96 5.96

400.96 ～ 499.87 6.17

499.87 ～ 600.80 6.45

600.80 ～ 700.11 6.55

700.11 ～ 800.08 6.79

800.08 ～ 901.29 6.94

Table 3-14. Thermal expansion coefficient of various resistance material

합 금 성 분 열팽창 계수 (× 10-5/)

니크롬 1종 80Ni, 20Cr 1.4

니크롬 2종 60Ni,c16Cr, 24Fe 1.4

니크로탈 L 75Ni, 17Cr, Si+Mn 1.28

철 크롬 1종선 25Cr, 45Al, Fe 1.6

철 크롬 2종선 20Cr, 3Al, Fe 1.2

칸탈 Al 24Cr, 5.5Al, 1～1.5Co, Fe 1.7

동 니켈 1종 45Ni, Cu 1.44

망가닌선 12Mn, 2Ni, 1Fe, 85Cu 1.87

니켈선 1.50

모넬 65Ni, Cu 1.40

텅스텐레스 8Ni, 18Cr, Fe 1.73

동 1.59

은 1.92

알미늄 2.31

- 105 -

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

20 120 220 320 420 520 620 720 820 920

te mpe ra tu re ()

Therm

al

Expansio

n [

dL/Lo×

106]

1s t

2s t

Fig. 3-71. Measuremental graph of thermal expansion coefficient

산화 내구성 실험은 300에서 4시간 동안 간접 가열하여 시간마다 무게 변화량을 측정하였

다. 그 결과 산화에 따른 무게변화는 나타나지 않아 공기 중에서 산화 내구성은 뛰어난 것으로

판단된다.

발열체의 발열온도를 측정하기 위해 적외선 온도 측정 기구를 사용하였으며, 4kW 전력에 따

른 처리시간 당 발열체의 표면온도를 측정하였다.

0

100

200

300

400

500

600

700

800

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55

time (min)

Te

mp

era

ture

(

)

S iC-Z rB4

S iC-T iB2

Fig. 3-72. Measurement graph of thermal expansion coefficient

제작된 발열체를 이용하여 마이크로파 전력 4kW에 의한 표면온도 상승을 측정한 결과 처리

시간 25분 이후 SiC 고온발열체의 온도가 500이상으로 나타났고, 처리시간 50분에 SiC 발열

체의 온도가 700이상으로 나타났다.

Fig. 3-73에 주사전자현미경을 이용하여 측정한 SiC 미세구조를 나타내었다. 검은색 부분이

- 106 -

매트릭스상의 SiC이고, 회색 부분이 첨가된 보강재로서 미세구조가 발달한 것을 알 수 있다.

a) 1,800 b) 1,900Fig. 3-73. SiC high-temperature heating SEM photographs

발열체 표면온도 상승률과 SiC 발열체의 특성을 분석한 결과 소결온도 1,650와 소결첨가

제 12%로 제작된 SiC 고온발열체가 소결밀도도 가장 높고, 열팽창계수가 일정하게 상승하며

발열체 표면온도 상승으로 인한 장치 내부의 온도 상승을 기대할 수 있는 것으로 판단된다.

- 107 -

제4장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도

제1절 연도별 연구개발 목표

기존 열처리 기술중 저온열탈착 기술은 운전온도범위(90∼320)에서 토양의 유기성분을 완

전히 파괴하지 않고 이를 통해 처리된 토양은 원래의 물성을 유지한다는 장점을 가지고 있지

만, 부산 문현동 금융단지 등과 같이 장기간 유류오염이 축척되고 사질토가 많은 지역에서는

저온열탈착 운전 온도범위에서 유류분해가 불가능하여 고온열탈착 처리로 변경하여 처리한 경

험적인 사례가 있다. 일반적인 열탈착 처리장비의 주요구성은 열탈착기(Thermal processor),

열산화기(Thermal Oxidizer), 가스냉각기(Cooling System), 집진기(Filtration System), 유인송

풍기(Induction Fan), 공기압축기, 제어장치(Electronic Control System), 투입컨베이어, 배출컨

베이어 등으로 이루어지며 VOCs, SVOCs, 디젤, BTEX, 휘발유, 제트유 등의 오염물질에 대해

95%까지의 분해효율이 보고되고 있다.

국내에서 최초로 부산 문현지구 오염 복원사업에 적용되었던 열탈착 장비는 캐나다의

Enviro-Klean Technologies INC.에서 제작한 장비로서 처리용량은 시간당 7∼27톤이었고 모든

설비가 트레일러에 장착되어 이동과 설치가 용이 하였으나 열탈착온도가 고온(최대 650)이어

서 열손실 및 다른 공정과의 연계가 어렵다. 이 때 고온열처리의 단점은 토양 성분내 유기성

성분의 분해로 생물학적 적용이 힘든 공정이 될 수 있는 단점이 있다. 특히 이러한 문제점들을

해결하기 위해서 열탈착의 대안 기술로서 마이크로파 장점은 토양오염원의 내부에서부터 극성

을 띄고 있는 수분의 쌍극자 모멘트작용에 의해서 휘발되어지는 성분이 분해되기 때문에 토양

고유의 성분은 고온 열탈착에 비교하여 유지함과 동시에 유류성분만 특징적으로 분해되는 특

성을 가지고 있다. 고온발열체는 기존 열탈착 공정과 비교하여 짧은 시간 내에 고온의(600oC이

상) 조건을 유지하여 고농도의 토양오염원이 분해가 가능한 열적특성을 가지고 있어서 분해속

도가 빠르게 진행되어 기존의 열탈착 기술과 비교하여 화석연료 사용의 측면에서 에너지를 효

율적으로 절감할 수 있는 기술이다.

본 연구에서는 마이크로파/고온발열체의 융합공정을 이용한 고효율 • 저비용 토양정화장치의

시작품 제작 및 매뉴얼 개발을 위해서 주관기관인 신라대학교 산학협력단에서 기존 보유하고

있는 열탈착 장치와 기초 마이크로파 탈착 장치를 통해서 다양한 토양물성이나 유류농도에 따

른 최적조건 효율과 화석연료 사용량을 도출하였다.

1차년도에는 간접가열에 의한 기존 열탈착 시스템과 마이크로파 열탈착 기초시설을 제작하

여 순수 마이크로파에 의한 토양 속에 있는 오염원의 물성에 따라 휘발, 분해 등의 열적기작에

대한 특성을 조사하고, 열탈착 공정과 마이크로파 공정에 대한 에너지비용 산정을 위한 기초실

험을 실시하였다. 위탁기관인 (주)한국종합플랜트에서는 고온발열체의 제질인 ZrO2나 SiN4,

SiC 등의 세라믹 종류를 선택하여 기계적강도, 인성, 고온변형성, 단열성을 평가하고, 마이크로

웨이브를 이용한 고온 로에 사용되는 특수 세라믹 발열체의 재질 개발에 목표를 두고 있다. 참

- 108 -

여기업인 토양정화업체 (주)금송이 보유하고 있는 토양 반입장에 사용되는 시제품 제작을 바탕

으로 파일롯 규모의 연속장치를 설치하여 주관기관인 신라대학교 산학협력단에서 최종 마이크

로파/고온발열체 융합 열탈착공정의 시작품을 제작하여 (주)금송이 공급하는 토양오염원을 대

상으로 실용화를 위한 장치설계를 하고, 주관기관에서 설계 • 제작한 연속장치에 융합 설치하여

온도조건 설정과 컨트롤장치 개발을 하고, 위탁기관인 (주)한국종합플랜트에서 효과적인 재질

을 선정하여 마이크로파 조절 가능한 시스템을 개발하는 것이다. 2차년도에는 주관인 신라대학

교 산학협력단과 참여업체인 (주)금송에서 소유하고 있는 반입장 내에 실용화가 가능한 5톤/일

규모의 장치를 설치하여 실용화 시설로서 가능한 장치를 설계 • 제작하여 설계비용 산출, 운전

비용 산출, 장치 재질 선정, 운전 메뉴엘을 최종 보급하여 상용화가 가능한 연구를 실행하는

것을 목표로 한다.

- 109 -

<주관기관 년차별 사업내용>

단계 구분 연도 연구개발의 목표 연구개발의 내용 연구범위 비고

1

단계

1차연도

2009

국내 실정에 맞는 열탈

착 대안 관련기술 확보

열탈착 장치 제작 및

대안 기술 장단점 비교

및 대안기술 로드맵 작성

열탈착/마이크로파/

고온발열체 융합공정

장치 설계 및 단위공정

성능 시험을 위한 기초

조사

열탈착과 마이크로파/

고온발열체 융합 공정설

계를 위한 분해율, 분해

시간, 열소모량 산정

연속형 마이크로파 시제 품 모듈화를 위한 Pilot 장치 설치(2m

3/d)

대상 오염원별 시스템 적용성 평가 대상 오염원 처리효율 및 에너지산정 목표 달성 결과분석

최적 운전조건 확립

국내․외 관련 기술 및 복원사례 조사 열탈착 및 마이크로파/ 고온발열체 시제품 제 작을 위한 적용기술 장 단점 비교에 따라 조사 항목 선정 및 재질조사 로드맵작성 열탈착/순수마이크로파 /마이크로파-고온발열 체 기초실험 장치를 통 한 토양오염원 물성에 의한 휘발, 분해, 열적 반응 기작 기초조사

장비의 세부 요소 결정 을 위한 기초 조사와 기 술 확보 Lab. test를 통한 최적 운전조건 시험 및 시제 품 설계자료 확보 및 기 초운전 조건 확보 Lab. test 문제점 보안설 계 및 시제품 보완 제작 기 적용되었던 시스템 과의 비교 분석 및 벤 치마킹/업그레이드 제작 연속형 장치내 장비의 각 단위공정 탈․부착 가능 성 시험

처리용량, 처리순서의 결정을 위한 연속처리 공정 테스트 시험

적용성 평가를 위한 대상 오염원 선정 및 특성 조 사 통합 시스템 및 각 단위 공정의 현장 운영 및 결 과 분석

오염현장의 가변 성 및 국내 유류 오염 지역의 특성 반영

열탈착 공법 대 안기술로서, 열적 토양복원 기술로 서 연계, 토양복 원 응용기술로서 각 세부 공정의 효율성 확보

열탈착 공정 용 용 기술로서 타당 성 진단 및 고려 컴팩트한 이동형 장비 설계를 데이 터 베이스 구축 경제적 및 현장 적용 가능성 진단 을 위한 타당성 고려 적정 운전시간, 처리 가능한 량 및 부피 산정

법규상 규제농도 이하의 유류 농도 저감 효과 확인

오염 종류별 적용 농도범위, 유입량, 유입입자크기, 수 분량, 토양물성 등에 의한 처리단 계 결정 및 체류 시간 고려 에너지 소비량 산 정

운영상의 문제점 검토

기후현상 및 계절 적 변수 고려

주관

주관

주관

참여 주관

주관위탁

주관

주관참여

주관참여

- 110 -


1

단계

2차연도

2010

대상오염원별 적용 공정

체계 작성 및 적용성

평가

복원 효율의 안정성 및

경제성 증명

개발시스템 신기술평가

최종 마이크로파/고온발

열체의 융합공정의 토양

복원 시스템의 상용화

최종 시제품 5m3/d 장

치 시스템 및 현장 적용

보안 설계 및 제작

현장적용 결과분석 평가

및 분석

실제 대상오염원 고온발

열체 선택사향 메뉴엘

고려 및 선정

최종 시제품 진행사항

모니터링 및 처리효율,

처리비용 및 기간 분석

기술적 평가를 통한

특허 및 국가기관 기술

평가 확보

시스템 유지관리 및 안

전 매뉴얼 작성

유류로 오염된 토양 복원을 위한 Ex-situ 열처리 처리기술 개 발 최소 5m3/일 이상

처리 가능 여부

고온발열체 온도상

승 조건에 따라 재질

선택고려 및 200-

1,500oC범위 내 온도

감지 자동화 시스템

구축

재질 및 공정분야

특허 출헌 신기술 분

야 보유

열적처리기술로서

동시에 적용할 수

있는 복원장치로서

사용자에게 우선선

택권 확보

주관

마이크로파/고온발열체의 융합공정에 응용을 위한 고온발열체 재질개발 및 제품화 (위탁기관)

위탁기관인 (주)한국종합플랜트는 열탈착, 건조 등의 유기물 등을 처리하는 종합플랜트사로서 마이

크로파를 이용한 건조기를 개발하였고, 에너지소비량의 감소를 고온발열체를 이용한 건조공정으로

개발하여 상용화 플랜트로 활용하고 있는 열적처리 공정을 개발하고 있고, 이 분야에서 토양처리

공정의 기술적 확보를 위해서 본 연구를 실행할 계획이다. 본 연구는 건조기나 열분해 및 열탈착에

사용될 수 있는 재질을 개발 하므로서 국내외 고온발열체 재질 및 기능 등의 사례조사, 고온발열체

기능에 따른 재질, 구조적형태, 기능적 역할에 기초조사 로드맵 작성, 마이크로파 특성과 발열체 재

질특성에 따른 기초조사, 발열체의 토양물성에 따라 변화되는 마이크로파의 특성변화 조사 및 마이

크로파/ 고온발열체 융합 공정에 설치 및 제작 가능한 재질의 기능 및 특성 조사를 완료하여 토양

오염원을 열적 분해하는 연속장치에 장착이 가능한 재질을 개발함에 목표를 두고 있다.

본 실용화 과제개발을 통해 유기물분해를 위한 건조, 열분해 및 토양오염원을 분해할 수 있는 열

적 처리기술을 확보하고 다양한 토양오염원의 분해를 위한 기술을 확보하고자 하였다.

- 111 -

<참여기관 년차별 사업내용>

단계 구분 연도 연구개발의 목표 연구개발의 내용 연구범위

1

단계

1차연도

2009

국내외 고온발열체 재질 및

기능 등의 사례조사

고온발열체 기능에 따른 재

질, 구조적형태, 기능적 역할

에 기초조사 로드맵 작성

마이크로파 특성과 발열체

재질에 따른 특성평가

발열체의 토양물성에 따라

변화되는 마이크로파의 특성

과 용량결정

마이크로파/고온발열체 융

합 공정에 설치 및 제작 가

능한 재질의 기능 및 특성

조사 완료

연속형 마이크로파 Pilot 장

치에 장착 가능한 재질 선정

및 구조적 형태 결정

고온발열체 재질개발 완료

및 Pilot 연속장치 장착과 토

양오염원별 물성변화 평가를

위한 기초조사

대상 오염원별 재질의 구조

특성, 용적화를 고온발열체

시스템 적용성 평가

대상 오염원별 기존 열탈

착, 마이크로파 및 융합장

치의 최종 처리효율 및 에

너지산정 목표 달성 결과분

석

최적 운전조건 확립

국내․외 관련 기술 및

복원사례 조사

고온발열체 시제품 제작

을 위한 적용기술 장단

점 비교에 따라 조사항

목 선정 및 재질조사 로

드맵작성

고온발열체 재질과 토양

오염원의 물성에 의한

휘발, 분해, 열적반응 기

작 기초조사

마이크로파에 의한 발열

체 종류에 수분함량, 토

양 입자크기, 농도량에 따

른 온도생성의 반응속도,

유지온도, 온도 상승률

등 기초실험

Lab. test를 통한 최적 재

질선정을 위한 효율성 및

경제성 등 평가

Lab. test 문제점 보안설

계 및 고온발열체 형상

제작

각 단위공정 탈․부착

가능성 시험

고온발열체 오염원별 고

온발열체 재질선정 및

장치 구조형태, 두께, 용

량 및 크기 선정

처리용량별 발열체 용적

크기 결정 및 규격화

선정

발열체 재질과 오염원

특성별 온도변화 에너지

수지 최종산정

최종 시제품의 공정에

적용될 고온발열체 최종

제품화 조건 확립

오염현장의 가변성

및 국내 유류 오염

지역의 특성 반영

열탈착 공법 대안기

술로서, 열적 토양복

원 기술로서 연계,

토양복원 응용기술

로서 각 세부 공정

의 효율성 확보

열탈착 공정 용용

기술로서 타당성 진

단 및 고려

컴팩트한 이동형 장

비 설계를 데이터

베이스 구축

경제적 및 현장적용

가능성 진단을 위한

타당성 고려

재질종류 및 최적의

구조적 형상화 선정

장치에 장착을 위한

기계적강도, 전열성,

화학적변화, 열적 형

상변화에 기초 물성

조사 완료

오염원별 재질, 용

량, 온도범위, 구조

적 형태 고려

오염 종류별 적용

을 위한 재질종류,

용적크기, 설치형태

및 구조적 형상

메뉴엘 작성

에너지 소비량 산정

운영상의 문제점 검

토 및 최적 조건의

발열체 선정

참여

참여

주관

참여

참여

주관

참여

참여

주관

참여

참여

참여

주관

위탁

- 112 -


1

단계

2차연도 2010

대상오염원별 적용 공정에

따른 고온발열체 제품화

복원 효율의 안정성 및

경제성 증명

고온발열체의 재질 및 공정

의 신기술 고려

최종 마이크로파/고온발열

체의 융합공정에 대한 토양

복원 시스템의 상용화를 고

온발열체 제품화

최종 시제품 5/day 장치

시스템내에 발열체 장착한

마이크로파/고온발열체 융

합시스템 최종 구축

현장적용 결과분석 평가

실제 대상오염원 고온발

열체 선택사항 메뉴엘 고

려 및 선정

최종 시제품 공정에 따른

고온발열체 경제성을 위

한 PCL회로 및 자동화

구축

고온발열체의 기술적 평

가를 통한 특허 및 국가

기관 기술평가 확보

최종 융합시스템에 적용

을 위한 고온발열체 적용

에 따른 유지관리 및 안

전 메뉴얼 작성

유류로 오염된 토

양 복원을 위한

E x -s itu 열처리

처리기술 개발

최소 10m3/일 이상

처리 가능 여부

고온발열체 온도상

승 조건에 따라 재질

선택고려 및 200

-1,500oC범위내 온도

감지 자동화 시스템

구축

재질 및 공정분야

특허 출헌 신기술 분

야 보유

마이크로파/고온발

열체의 융합공정 시

스템에 적용 가능한

발열체 제품화를 위

한 데이터베이스 구

축

참여

참여

주관

참여

주관

참여

- 113 -

제2절 평가착안점

구분 연도 세부연구개발 목표 평가의 착안점 및 기준

1차

연도2009

국내 실정에 맞는 열적처리기술 관련기술 확보

기술의 타당성, 적용성, 경제성 및 확 보된 기술의 서면 자료

열탈착 대안기술로서 신기술 확립을 위한 공정이나 재질의 로드맵작성

시험 항목들의 필요성, 과정의 체계 성, 시험 결과의 신뢰정도

마이크로파/고온발열체 신기술 기술 적 정립을 위한 기초데이터베이스 구 축

기초반응 기작인 휘발, 분해, 열적 반 응기작을 통한 기초설계 자료 구축 확보 정도

융합기술과 공정설계 및 제작을 위한 안정성 및 기술정도 확보

열적 기술적용을 위한 컴팩트한 연속 형 장비 개발에의 적합성

마이크로파/고온발열체 융합공정의 연속형 Pilot 장치 설계 및 단위공정 성능 시험/최적 운전조건 도출

실용화를 시제품 장치 제작의 경제성 유지, 도출된 운전 조건의 실험적 근거 로 확보

마이크로파/고온발열체 융합공정의 연속형 Pilot 장치 제작 및 현장 설치

현장적용을 위한 Pilot 장치 제작의 경 제성 유지, 도출된 운전 조건의 실험적 근거 확보

마이크로파/고온발열체 융합공정 실 용화 장치 제작을 위한 발열체 구조 적 형상화 및 용적크기 결정

열적처리용 기술적용을 위한 연속형 장비 개발에의 적합성, 각 공정별 고 온발열체 재질 적용시 복원 효과 및 결합 운전시의 시너지 효과, 경제성 평가

최종

평가2010

최종 마이크로파/고온발열체 실증화

플랜트 참여기업 반입장내 설치 및

시스템 작용성 평가

복원목표 달성 여부, 설비 외적 문제 발생 여부 및 합리적인 해결 방안 구 축 정도 시스템으로부터의 열전달 경로 분석 및 효율, 설치 비용

대상오염별 오염처리 목표달성 법적 규제치 이하 농도까지의 복원 진위, 타 복원 공법과의 차별성 검토

최적 운전조건 확립 운전조건 설정에 따른 복원 효율 향 상 정도와 그에 따른 경제적 효과

복원 대상별 적용 공정 체계 작성 및 적용성 평가

선택적 공정 사용의 경제적 효과 증 명과 각 공정의 메뉴얼

복원 효율의 안정성 증명 지속적인 모니터링 수행여부와 문제 발생시 대책 구비

개발 시스템 신기술 평가 전문가 및 국가 기관으로부터의 공신 력 있는 인정

복원 시스템의 상용화 실제 복원 사업 투입여부 결정 및 결 정이 고려되는 관련 자료

- 114 -

제3절 수행내용 및 목표 달성도

목 표 연구개발 수행내용 달성도(%)비고

(미진사유)

1

차년도

국내 실정에 맞는 열적처리 기술 관련기술

확보

국내 • 외 오염현장의 가변성 및 국내 유류 오염 지역의 특성을 반영한

복원사례 조사처리공정별 조사항목 선정 및

처리방법 결정을 위한 문헌조사 실시

100 -

열탈착 대안기술로서 신기술 확립을 위한

공정이나 재질의 로드맵작성

열탈착 및 마이크로파/고온발열체 시제품 제작을 위한 적용기술 장단점

비교에 따라 조사항목 선정 및 재질조사, 로드맵작성

100 -

마이크로파/고온발열체 신기술 기술적 정립을 위한 기초데이터베이스

구축

토양 오염원의 물성 (토성, 수분함량, 두께, 오염물 농도, 오염물 종류 등)과 고온발열체 종류, 처리시간, 처리전력 등에 따른 휘발, 분해, 열적 반응기작

실험 및 에너지 흡수율 산정

100 -

융합기술과 공정설계 및 제작을 위한 안정성

및 기술정도 확보

열탈착과 마이크로파/고온발열체 융합 공정설계를 위한 분해율, 분해시간, 열소모량 산정, 열탈착 공정 용융 기술로서 타당성 진단 및 고려

적정 운전시간, 처리 가능한 량 및 부피 산정

100 -

마이크로파/고온발열체 융합공정의 연속형 Pilot 장치 설계 및 단위공정

성능 시험/최적 운전조건 도출

오염 종류별 적용 농도범위, 유입량, 유입입자크기, 수분량, 토양물성

등에 의한 처리단계 결정 및 체류시간 고려

에너지 소비량 산정

100 -

마이크로파/고온발열체 융합 공정의 연속형 Pilot 장치 제작 및

현장 설치

1ton/day 연속형 Pilot 장치 제작 100 -

마이크로파/고온발열체 융합 공정 실용화 장치

제작을 위한 발열체 구조적 형상화 및

용적크기 결정

고온발열체 재질과 토양오염원의 물성에 의한 휘발, 분해,

열적반응 기작 기초조사Lab. test를 통한 최적 재질선정을 위한

효율성 및 경제성 등 평가

100 -

- 115 -

목 표 연구개발 수행내용 달성도(%)비고

(미진사유)

2

차년도

최종 마이크로파/

고온발열체 실증화 플랜트 참여기업 반입장 내 설치 및

시스템 작용성 평가

복원목표 달성 여부, 설비 외적 문제 발생 여부 및 합리적인 해결 방안 구축 정도 시스템으로부터의 열전달

경로 분석 및 효율, 설치 비용

100 -

대상오염별 오염처리 목표달성

법적 규제치 이하 농도까지의 복원 진위, 타 복원 공법과의 차별성 검토

100 -

최적 운전조건 확립 운전조건 설정에 따른 복원 효율 향 상 정도와 그에 따른 경제적 효과

100 -

복원 대상별 적용 공정 체계 작성 및 적용성 평가

선택적 공정 사용의 경제적 효과 증 명과 각 공정의 메뉴얼

100 -

복원 효율의 안정성 증명

지속적인 모니터링 수행여부와 문제 발생 시 대책 구비

100 -

개발 시스템 신기술 평가

전문가 및 국가 기관으로부터의 공신력 있는 인정

80특허출원이

늦어짐에 따라 신기술 신청 중

복원 시스템의 상용화

실제 복원 사업 투입여부 결정 및 결정이 고려되는 관련 자료

70

토양복원업체(주)큐엔솔류션와 복원사업

투입위한 협약 중

- 116 -

- 117 -

제5장 연구개발결과의 활용계획

제1절 연구결과 활용방안

국내의 유류 제조 • 저장시설, 산업단지의 유기용매저장시설, 군부대, 휴 • 폐광산 등 토양 및

지하수 유류오염우려지역 또는 실제 오염사례는 자주 보고되고 있으나, 효과적인 처리기술의

미확보와 함께 과다한 정화처리 비용 때문에 많은 지역이 오염도 조사 및 신속한 복원이 이루

어지고 있지 못한 실정이므로 장래의 환경오염 피해사고에 대한 우려가 증대되고 있다. 따라서

효율적이고 경제적인 복원기술이 개발된다면 정화 복원 사업을 가시화 할 수 있으므로 더 이

상의 오염확산을 방지하고 확산된 오염물질의 정화에 소요되는 막대한 추가 비용을 절감할 수

있을 것이다. 이러한 복원기술의 개발은 물리적, 화학적, 열적, 생물학적인 요소기술을 현장여

건에 맞도록 최적화함으로써 달성될 수 있을 것으로 생각된다.

본 연구에서 개발하고자 하는 기술의 특징 및 장점을 나열하면 다음과 같다.

열처리기술 적용에 대한 다양성이 증가함으로서 기존 열탈착 기술의 단점을 보완하고, 개

발하고자 하는 요소기술의 장점을 살려 개발기술의 요소기술들을 오염물질의 특성 및 현

장 여건에 따라 최적화하여 적용할 수 있는 시스템을 개발함으로써 보다 경제적이고 효

과적이며 범용적으로 활용할 수 있는 복원기술의 확보

복합 오염성분에 의한 오염지역 정화를 위한 최적화된 정화시스템 설계 • 제작

난분해성 유류 오염물질의 효과적인 정화목표 달성

기존에 고온 열탈착 방법에서 발생되는 문제점을 보완하여 현장에 적용할 수 있는 기술

기반 확보

열적 복원기술의 효율을 증진시킬 수 있는 마이크로파/고온발열체 융합기술 확보

열적처리 공정에서 에너지가 적게 소비되는 공정 확보

또한, 본 기술의 개발로 예상되는 긍정적인 효과들을 예상하면 다음과 같다.

첫째, 토양 및 지하수 환경개선효과로서 현재 처리가 어려우면서 위해성이 커서 대책이 시급

한 DNAPL(Dense Non-aqueous Phase Liquid, 중소수성 액체)계 오염물질(윤활유계통, TCE,

PCE 등)로 오염된 지역의 적절한 처리대안을 제시함으로써 이들 지역을 관리할 수 있는 정책

추진을 가능케 하고 나아가 전국에 산재한 유류오염 예상지역에 대한 처리우선순위와 소요예

산배분을 가능하게 함으로써 오염지역의 복원을 위한 체계적인 정책수립이 가능할 것으로 생

각된다.

둘째, 본 연구의 결과로서 제시될 수 있는 경제적인 복원기술은 국내 복원시장의 활성화뿐만

아니라 선진국의 기술 대체효과 및 중국과 동남아시아 등의 잠재적인 복원시장의 창출에 기여

할 것으로 생각된다.

셋째, 안전하고 쾌적한 환경조성에 의한 국민의 환경권 향상은 금전적으로 계량화할 수 없는

무형의 가치를 창출할 수 있고, OECD 가입 후 국제적으로 요구되는 환경개선 정책의 강화를

- 118 -

통한 국제사회의 신뢰 및 영향력 제고를 기대할 수 있다.

넷째, 대규모 택지개발사업 등의 시행 시에 자주 문제가 되어온 개발 부지 내 오염문제를 신

속히 해결할 수 있어 전체 사업의 비용을 절감할 수 있고 토목 등 관련분야에도 긍정적인 파

급효과를 기대할 수 있다.

- 119 -

제2절 기대성과

1. 기술적 측면

가. 국내에서 유일한 지적재산권 확보(특허 및 현장시험 확보)

나. 열탈착 공법의 단점을 보완하고 효율적인 측면서 우수한 기술력 확보가능

다. 다양한 기술력 확보 측면에서 국내에 유일한 기술력 확보가 가능

라. 신속한 온도 승온에 따라 용적감소 시설투자비 감소

2. 환경적 • 경제적 • 산업적 측면

가. 화석연료 사용량 감소로 환경오염물질 저감에 따른 에너지비용 절감

나. 악취 및 배기가스 감소로 환경적인 저감기술 감소

다. 토양복원 기술력 확보로 환경개선 효과 극대화에 따른 토양시장 경쟁력 확보

라. 정책적인 규제에 대응할 수 있는 기술력 확보

- 120 -

제3절 시장현황

1. 주시장(국가 또는 지역) : 한국, 중국, 동남아, 미국

2. 시장규모

구 분 현재의 시장규모 예상되는 시장규모

세계시장규모 9,651,688억원 ( 2020 년) 12,201,395억원

한국시장규모 551,280억원 ( 2020 년) 1,005,361억원

* 산출근거

- 세계시장규모 : 2010년 7,967달러, 2011～2020 연 평균 성장률 약 3.2%, 미국 환율 1,137.50원

- 한국시장규모 : 2009년 44조 64억, 연 평균 성장률 약 7.8%

가. 전 세계 토양오염복원 시장규모 2005년, 300억달러(약 33.8조원)

→ 2015년 534억달러(약 60조원) 규모

(미국의 환경전문 컨설팅 EBI와 영국 정부 기관 JEMU 자료에 따름)

나. 국제 환경시장 년간성장률 3.2％

(EBI, Inc, San Diego, Calif, 2009 내부자료)

다. 토양오염 복원시장규모 3,383억원

(환경부, 국내토양정화 시장, 2008)

라. 국내 환경시장 년간 성장률 7.8％

(한국환경정책 • 평가연구원, 환경시장의 구조변화와 정책과제, 2009)

3. 세계시장의 성격

안정성이 큼 영속성이 있음 성장성이 있음

독점성(또는 과점성)이 있음

4. 본 기술을 보유하고 있는 국내 • 외 회사는 ?

회사 : Enviro-Klean Technologies INC. (Canada), (주)바투,

(국명 : 미국) 외

5개사 이상

5개사 미만

- 121 -

제4절 사업화계획 및 효과

1. 사업화계획

구분사업화 연도

( 2012 )년 ( 2017 )년 ( 2022 )년

개발계획품목마이크로파/고온발열체

융합공정 상용화장치

마이크로파/고온발열체


마이크로파/고온발열체


투자계획

소요인원 20 30 40

제조시설 2 2 3

시험시설 2 2 2

생산계획(톤)50,000/년간예상복원량

100,000/년간예상복원량

500,000/년간예상복원량

판매계획(억원)

내수 30 150 350

수출 - - -

계 30 150 350

2. 무역수지 개선효과

구분 20012 년도 2017 년도 2022 년도

수입대체효과(억원) 30 150 350

수 출 효 과(억원) - - -

가. 복원기술 및 장비를 국산화함에 따른 수입대체 효과

나. 외국장비 이용 및 오염현장 복원에 따른 복원비용 :

- 2012년도 : 부산문현현장의 토양열탈착 처리장비 및 복원비용

- 2017년도 : 국내 중대규모 복원현장 4개소에 적용시의 추정액

- 2022년도 : 국내 중대규모 복원현장 10개소에 적용시의 추정액

- 122 -

3. 사업화가능성 SWOT 분석

(강 점)

주관기관의 마이크로파 원천기술 복원경험

주관기관의 열분해탈착 기술력 확보

위탁기관의 열탈착처리 원천기술과 연계

개발형 토양복원사업에 경제적이고 신속한

복원기술 제공

(약 점)

복원시장의 확대시 대형 건설회사의 참여

가 예상되므로 중소기업의 자본력 및 영

업력 열세

(위 기)

일본 및 미국의 자본과 경험이 풍부한 업

체 국내 진출

국내 경기 변동에 따른 환경투자 예산 위축

(기 회)

개발된 통합형 기술을 이용 Off-Site 처

리장운영

미군기지 이전에 따른 복원대상지역 확대

- 123 -

제6장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보

제1절 국외 토양 및 지하수 오염정화 기술 연구 현황

1. 북미

미국은 1970년대 러브커낼(Love Canal) 지역에서 토양오염으로 인한 암 등의 질병 만연으

로 재해지역으로 선포된 사건 이후 토양오염에 대한 문제점이 부각되기 시작하였다. 대중

들의 인식이 증가됨에 따라 미국정부는 토양 및 지하수 오염문제에 대한 해결방안으로서

1986년 슈퍼펀드(Superfund)를 조성하게 되었고 이 기금은 1995년 85억 달러에 이르게 되

었다.

이 기금과 연관된 SITE 프로그램은 환경복원기술을 지원하기 위한 연방정부사업으로 주로

민간분야에서 개발된 기술에 대한 평가를 수행하고 있는데, 1994년까지 110개 이상의 기술

들이 현장평가 프로그램에 포함되었으며, 이중 70개 기술에 대한 평가가 완료되었다. 미국

의 총 수자원대비 지하수 이용량이 22%에 이르고 이 중에서도 지하수를 식수로 쓰는 비율

이 51%로 이에 대한 각별한 관심을 기울여 EPA(Environmental Protection Agency, 미국

의 환경보호청) 전체 예산의 43%가 지하수 오염과 관련되어 있고 주(州)에 따라서는 지하

수 사용량에 대한 규제를 가하고 있다.

캐나다의 환경행정은 중앙의 CCME(Canadian Council of Ministry for the Environment,

캐나다 환경각료회의)에 의해 조정되고 있고 법적용은 지방정부 자체에서 제정한 법률에

따르고 있다. 1989년 CCME는 전국적인 오염부지 분류 및 복원작업을 수행하기 위한 일환

으로 NCSRP(National Contaminated Sites Remediation Program, 국가오염부지정화프로그

램)를 시작하였다. 이 프로그램은 연방정부와 지방정부/특별행정부 사이의 상호공동협약에

따라 운영되고 있으며 인체건강에 대한 잠재적 위해성이 있는 오염부지의 확인, 평가, 복원

수행과 환경복원을 위한 신기술 개발 및 실용화를 장려하고 있다.

2. 프랑스

1994년 개정법 76/663에서 프랑스 정부는 과거에 약 670개의 오염사이트를 지정하여 공시

하고 있다. 토양오염 건수는 점점 증가하고 있는데 조업 중인 공장과 방치된 오염토지도

포함되어 있다. 이 지정 사이트는 순서대로 오염정화조치 명령이 내릴 예정이며 필요한 경

우는 공적자금으로 조치가 취해질 것이다. 이 법에서는 주변 환경을 파괴할 위험과 주민의

건강과 안전에 피해를 줄 가능성이 있는 일정의 시설을 규제하고 있으며 설치와 조업, 폐

업 시 인가와 면허를 받지 않고서는 이러한 시설의 토지는 원칙적으로 전매할 수 없다.

행정당국이 오염정화조치를 명할 경우, 책임당사자는 조치 비용을 부담할 의무가 있다. 반

면, 당사자가 확실하지 않는 경우는 지불을 거부할 수 있고, 오염 책임자가 도산 또는 파산

한 경우에는 공적자금이 지원되지만 정부는 오염원인자와 토지소유자에 대하여 비용의 변

- 124 -

제소송을 할 수 있다. 오염토지대장에는 기본적으로 ①시설의 개요 ②오염의 책임당사자명

③오염물질과 오염범위 등의 오염특징 ④현재의 상황(오염조사 중, 토지용도와 사용조건의

제한, 적용되는 정화조치의 내용 등)의 정보가 포함된다.

과거에는 자치체가 중심이 되어 위험영향평가와 현지조사를 실시하였지만 법 개정과 함께

정부는 오염사이트에 대해 우선적으로 정화요구를 하여 오염토양 관리를 보다 효율적으로

하려고 노력하고 있다. 반면, 오염정화조치에 관한 정화목표기준 등 표준사양과 정화기준이

정의되어 있지 않아 각각의 상황에 따라 정화기준이 설정되고 있다.

3. 영국

1995년도 영국환경법에 대한 구체적인 규정이 최근 발효되고 있다. 오염원인자 그룹인 A

급과 토지소유자 그룹인 B급으로 책임주체가 구분되고 있다. 최초 정화책임을 지게 되는

A급에 해당되는 또 다른 경우는 오염원인자와 알고 지내면서 오염배출을 허가한 자이다.

원인자와 토지소유자 등이 불분명하거나 파산한 경우는 공공기관이 책임주체가 된다. 영국

환경법에 있어서 오염토지는 다음 가운데 하나에 해당하는 경우로 정의되고 있다. 뚜렷한

위해성이 있거나 생길 위험이 있다.

위해성은 생명(동식물)의 건강피해 또는 환경, 생태시스템에 대한 위해성 또는 사람의 경우

는 소유 관리하는 토지재산에 대한 위해성을 말한다. 지하수와 지표수의 오염이 생기거나

또는 생길 위험이 있다. 과거 토지소유자의 경우, 오염원인에 기여하지 않고 오염행위의 허

락도 하지 않은 것이 입증되거나, 또는 토지매매 전에 구입자에게 오염문제를 충분히 통지

한 경우에는 정화책임이 면제될 수 있다. 완벽하게 오염고지를 받고 토지를 구입한 자는

정화책임을 계승하게 된다.

극히 심각한 토양오염과 오염자 불명의 경우는 토지소유자가 비용지불 능력이 없는 경우에

한해 최후의 수단으로 오염대책 조치를 위한 공적자금이 부여된다. 공적자금이 사용된 경

우는 이후의 책임주체로부터 배상을 받는다. 지방자치단체는 법의 집행과 모니터링의 책임

이 있고 오염토지조사를 위한 전략을 구축하게 된다. 기준치를 초과하는 오염이 발각된 경

우는 토지소유자에 대해 정화명령 3개월 전에 사전에 통지해야 한다. 3개월 이내에 자주적

오염정화가 개시된다면 정화명령을 송달하지 않는다.

당국이 정화작업 완료 후 적당하다고 인정하면 당국은 정화명령을 내지 않는다. 통상적으

로 오염대책조치명령에는 ①오염조사 ②정화 ③조치후의 모니터링이 포함된다.

4. 독일

독일은 유해폐기물 매립과 오염정화에 관하여 유럽에서 가장 엄격하고 진화된 환경법을 도

입하고 있다. 독일의 환경책임법은 토양오염 등에 의해 재물손해와 신체장애에 대해 무과

실이라도 책임을 질 엄격책임을 가하고 있다. 그리고 오염폭로에 의해 건강피해와 사망의

경우는 불법행위와 손해에 대한 인과관계가 성립하는 것으로 간주한다. 조업 중의 공장에

- 125 -

서 오염 규제가 강화되고 있지만 예측과 관리가 되지 않는 자연현상에서 생긴 오염토양에

의한 손해배상책임은 면책된다.

그러나 오염자 지불원칙에 의해 사유 토지가 오염 원인으로서 의심되고 오염발생의 개연성

이 있다면, 법적으로 손해가 당해 토지에서 발생한 것으로 추정한다. 지방자치체는 오염원

인자와 오염책임자에 대해 오염정화조치를 취하도록 소송을 제기하는 권한을 갖고 있다.

복수 오염자의 경우는 어느 쪽에 책임을 지게 하는가의 결정권도 갖고 있다. 책임주체가

명확하지 않은 경우에는 정화 조치를 위한 공적자금이 공급된다. 하지만 그렇다 하더라도

구동독의 심각한 오염문제 때문에 공적자금의 사용은 한정적이었고 수속이 복잡하였다.

공적자금이 지출되는 경우에는 나중에 판명되는 모든 책임주체에 대해 변상을 받고 있다.

환경오염에 폭로되어 재물손해와 신체장애가 생긴 경우에 피해를 받은 개인은 책임주체에

대해 배상청구 시 유리한 입장에 설 수 있는 권리가 보장되어 있다. 정화목표는 오염상황

과 장래의 토지용도에 의해 개별적으로 선정된다.

Fig. 6-1은 독일연방토양보전법에 명시된 사전예방 조치 및 사후처리를 위한 절차를 나타

낸다. 토양보전법 제4조에는 토양 및 오염지역, 그리고 토양오염 혹은 오염지역에 의해 야

기될 수 있는 2차 수질오염은 장기적으로 인체 혹은 일반 시민들에게 심각한 피해가 없도

록 유해하지 않은 수준으로 복원되어야 함이 규정되어 있다. 이를 위해서는 다양한 환경요

소(지리학적 특성, 수리학적 특성, 현재 및 미래 토지용도, 노출경로 등)와 오염물질의 특성

(물리화학적 특성, 생물학적 특성, 독성 등)이 충분히 고려되어야 한다.

Fig. 6-2는 환경보호를 위해 토양오염원 및 오염물질의 이동경로를 고려한 접근방법을 비

교한 그림이다. 시계방향으로 보면, 오염원제거를 통한 접근방식, 오염원 배출차단을 통한

접근방식, 오염원의 예상 이동경로 통제를 통한 접근방식, 마지막으로 오염원이동경로 제거

를 통한 접근방식이 있다.

- 126 -

Fig. 6-1. Environmental pollution preventive action and post-procedure, referred to in the German Federal Soil Conservation Act

- 127 -

Fig. 6-2. In terms of environmental protection, soil contamination and pollutant migration

path considering approach to the comparative

토양보전 및 오염지역 조례의 제3조에는 환경복원 조사는 적절한 방법(복원방법 및 전략

등)을 통한 비교검토(comparative review)를 통해 이루어져야 함을 규정하고 있다. 연방토

양보전법 제2조에 따르면, 장기적인 유해성 예방(복원)을 위한 가능한 조치는 정화대책뿐만

아니라 오염물질의 확산을 방지할 수 있는 통제대책도 포함되어야 한다.

사후조치 또한 복원지역 내 잔존한 오염물질의 영향을 확인하고 장기적으로 정화시설을 효

과적으로 유지관리 하기 위해 반드시 필요한 단계이다.

연방토양보전법에 명시된 원칙은 토양환경오염 방지에 있다. 토양보전 및 오염지역 조례에

포함된 유해성평가를 위한 물질기준은 특정 오염물질 및 이동경로에 관한 트리거 값

(trigger values)과 액션 값(action values)의 형태로 구체화 되어있다.

트리거 값은 우려농도 값을 의미하며, 이 값을 초과하는 경우 환경오염조사가 토지용도에

대한 고려를 통해 사례별로 진행된다. 액션 값은 유해농도 값으로, 이 값을 초과하는 경우

에는 일반적으로 토지용도를 고려하여 유해한 토양성상 변화 혹은 부지오염이 발생한 것으

로 판단할 수 있다.

특히 토양환경에 대한 트리거 값 및 액션 값 도출을 위한 기준은 아래와 같다.

‣ 물질의 확산 및 흡착에 영향을 미치는 물질특성

‣ 환경 내 물질 거동 및 오염물질에 영향을 미치는 토양특성

‣ 다양한 연령 별 활동장소에서의 노출기간과 인간의 행동 패턴(여가, 근로 등)

‣ 다양한 인체 유입 경로(음식물 및 물 섭취, 먼지 흡입 등)

- 128 -

‣ 이용 가능한 데이터의 양과 질(통계학적 데이터, 질병역학적 발견)

독일연방교육연구부(BMBF)의 우선순위 자금집행 및 협력연구 사업을 살펴보면, 혁신 및

지속가능성의 상호작용을 통한 과학 및 기술의 첨단화를 위한 연구 사업들이 우선순위로

선정되어 있다. 이러한 범주 내 토양환경 관련 연구사업들을 보면 다음과 같다.

‣ KORA : 오염된 지하수 및 토양의 복원 시, 오염물질의 통제된 자연정화와 분해에 관한

연구

‣ RUBIN : 오염부지복원을 위한 투수성반응벽체(permeable reactive barriers)의 이용 연구

‣ REFINA : 토지수용 저감 및 지속 가능한 토지관리 연구

‣ SAFIRA I I : 대규모 오염 토양 및 지하수의 재생화를 위한 컨셉

‣ TASK : 토양, 물 및 오염부지 재생 역량강화를 위한 센터

Fig. 6-3은 1995년부터 2009년, 14년간의 독일 내 현장 토양처리시설(stationary soil

treatment)의 허가용량 변화추이를 보여준다.

Fig. 6-3. Licensed capacity trends in Germany On-site soil treatment

facilities(1995year∼2009year)

Fig. 6-3을 통해 지난 10여년간, 생물학적 복원 시설용량이 가장 두드러지게 증가하였으며,

물리-화학적 복원과 열탈착 복원이 그 뒤를 이루고 있음을 알 수 있다.

Fig. 6-4은 독일 주정부별(16개) 설치된 현장 토양처리시설의 종류와 허가용량을 보여준다.

- 129 -

독일 내 토양복원 서비스 산업시장은 꾸준히 증가하고 있다. 1990년대에는 복원 인프라 시

설을 개발하고 이용하는 것이 주요 목적이었으나, 현재 독일은 전반적으로 충분한 복원 인

프라를 구축한 상태로 평가되고 있는 상황이다. 1995년부터 꾸준히 증가한 허가시설용량은

현재 연간 7백만 톤을 넘어서고 있다. 2009년도 기준으로, 62개의 생물학적 토양처리 시설,

23개의 물리-화학적 토양처리시설, 8개의 열탈착 토양처리시설이 독일에서 현장 처리시설

로 운영되고 있다. 오늘 날 다양한 기술개발과 시설 등의 도입 등으로 기존 사업자와 신규

사업자 간의 경쟁이 이전보다 심화될 것으로 전망되기도 한다.

Fig. 6-4. Comparing capacity of the permit of German state government on-site soil

treatment facility

- 130 -

제2절 토양 및 지하수 오염정화 기술

1. 토양세척기술 (Soil Washing)

- 토양세척은 토양 굴착(excavation)뒤 ex-situ에서 토양입자(particle size) 크기에 따라 수용

액 내에서 흙 속에 흡착되어 있는 오염물질들을 토양입자로부터 분리해내는 기술이다. 토양세

척에 사용되는 세정수(wash water)에 유기물(organics)이나 중금속(heavy metal) 등의 오염물

질들을 제거하기 위해 목적에 따라 기초 용출제제(basic leaching agent)나 계면활성제

(surfactant), 또는 pH조정(pH adjustment)나 킬라이트제(chelating agent)를 첨가할 수 있다.

- 토양세척은 오염물질을 제거하기 위한 water-based ex-situ process로 다음의 두가지 방법

으로 오염물질이 제거된다.

• 세정수 안에서 용해 또는 정치(일정기간 동안 pH의 화학적 조작에 의해 유지가능).

• 오염토양을 굴착하여 토양입자 표면에 부착된 유·무기성 오염물질을 세착액으로 분리시켜

이를 토양 내에서 농축·처분 처리(모래와 자갈을 분류하는 기술과 유사).

- 대부분의 오염물질제거기술을 포함하고 있는 토양세척시스템은 다양한 오염물질(중금속

(heavy metal), 방사선 핵종(radionuclides), 유기오염물질(organic contaminants) 등)로 오염되

어 있는 토양에 적용이 된다면 최적의 결과를 제공할 수 있지만 아직까지도 상업화는 미약한

형편이다.

- 토양입경분리(particle size separation) 개념의 적용을 통한 토양세척(오염물질의 저감)은 대

부분의 무기 및 유기오염물질들이 화학, 물리학적으로 점토, 실트 또는 유기토양입자(organic

soil particles)에 바인딩(binding)이 되는 경향이 있다는 과학적 사실에 기초를 둔 것으로서, 궁

극적으로 실트와 점토는 컴팩션(compaction)이나 흡착(adhesion)과 같은 물리적 작용(physical

processes)에 의해 모래(sand)와 자갈(gravel) 입자에 어태치(attach) 될 수 있다.

- 굵은 모래(Coarse sand)와 자갈토입자(gravel soil particles)로부터 세점토(fine clay)와 실트

입자(silt particles)를 분리하는 수세법(washing process)들은 오염물질들을 분리하거나 더 작

은 부피의 흙으로 오염물질을 효과적으로 농축할 수 있는데, 오염물질이 농축된 흙은 차후 추

가처리(further treatment)가 필요하다.

- 비중 분리(Gravity separation)는 중금속(lead, radium oxide 등)을 함유하는 고비중량 또는 저

비중량(high or low specific gravity) 입자(particles)의 제거에 효과적이다. 마찰세정(Attrition

scrubbing)은 조대입자(coarser particles)로부터 흡착된 오염물 film을 제거하지만, 마찰 워싱

(attrition washing)은 처리된 토양에서 미립자(fine particle)를 증가 시킬 수 있다. 처리된 깨끗한

입경이 큰 부분(fraction)은 계속 적인 토지이용(land use)을 위해서 부지(site)로 되돌려 보낸다.

- 131 -

- 실제 오염 부지(site)에서는 복합 혼합물(즉 a mixture of metals, nonvolatile organics, and

SVOCs)과 불균질한 토양의 조성 때문에 이와 같은 토양 내 오염물들은 아무리 적합한 용제

(agent)를 선정하더라도 한 번의 세척으로는 완벽한 처리가 불가능하다. 이와 같은 경우에는

다른 세척제(wash formulations)이나 다른 토양/세척액 비율(soil/wash fluid ratio)들이 적용된

순차세정(sequential washing)이 필요하게 된다.

- 토양세척은 일반적으로 "media transfer technology"이므로 세척공정에서 발생하는 오염폐수

역시도 적합한 처리기술로 처리되어야 한다. 토양세척에 소요되는 시간은 다른 기술공정에 비

해 중, 단기기간이 소요되는 비교적 효율적인 공정이다.

Fig. 6-5. Schematic diagram of typical soil washing process

가. 장단점, 적용성, 제한성

- 토양세척이 적합한 오염물질: SVOCs, 연료(fuels), 그리고 중금속(heavy metals), 선택된

VOCs와 농약(pesticides)

- 토양세척이 적합한 토양: 조립토(Coarse-grained soil) (조립토에 토양세척이 적용될 경우 다

양한 유기 및 무기오염물질들을 광범위하게 제거할 수 있음)

- 특히 중금속으로 오염된 토양을 토양세척으로 처리할 경우 이 기술공정은 확고한 중금속회

수(recovery)를 보장한다.

- 132 -

- 토양세척공정의 적용과 효율성을 제한하는 인자들:

• 복합적인 폐기물 혼합물(Complex waste mixtures; 예, metals with organics): 세척액 선택

/제조(formulating washing fluid)를 어렵게 한다.

• 토양 내 고농도의 부식질(humic content): 전처리가 필요하다.

• 부동화(Demobilization)를 위해서 액상 흐름(aqueous stream)의 처리가 필요하다.

• 반응조에 남아있는 유해한 수준(hazardous level)의 세척용액(washing solvent)을 처리하기

위해 부가적인 처리(step)가 요구된다.

• 토양세척공정을 이용해서 점토크기입자(clay-size particle)에 흡착되어 있는 유기오염물의

제거는 매우 어렵고도 비효율적이다.

나. 설계 및 시공방법

- 토양세척기법은 ex-situ 기법으로 기존 반응공학(chemical reaction engineering)에서 다뤘던

회분식 및 연속식 반응조의 설계법에 준해서 설계를 할 수 있다. 즉 회분식 반응조와 연속반응

기(CSTR in series) 형태 반응조의 유량, 반응조 부피, 반응시간(HRT, SRT) 등을 처리가능성

연구(treatability study)에서 구해지는 인자(factor)들을 이용해서 설계할 수 있는 것이다.

- 이 기법이 해결법(remedial solution)으로 사용되기 위해서는 완벽한 벤치스케일 처리가능성

연구(bench scale treatability study)가 이루어져야 한다. 이때 고려되어져서 규명되어야 할 인

자(factor)들은: (1)입도분포(particle size distribution)(0.24 to 2 mm optimum range); 토양유형

(soil type), 물리적 형상(physical form), 조작특성(handling properties); (2)함수율(moisture

content); (3)contaminant type and concentration; (4)토성(texture); (5)유기물질(organic

content); (6)양이온교환능력(cation exchange capacity); (7)pH and 완충능력(buffering

capacity); (8)산화환원전위((oxidation reduction potential) (Eh)); (9)분할계수((partitioning

coefficient(KOW)); (10)부식질(humic content) 등.

다. 사례조사

- 최근에 들어와서 토양세척은 유럽에서 널리 사용되고 있지만 미국에서는 그 사용이 제한되

어왔다. 1986∼1989년 사이에 이 기술은 미국 8개 슈퍼펀드지점(superfund site)에서 선택된 오

염규제방안(source control remedy) 중에 하나였다.

- 토양세척은 안정화와 매립에 경제적이고 환경순행적인 대안을 제시했다. 1996년 미국 루이지

애나 주 포트포크에서는 두 개의 토양세척 파일럿규모 실증(pilot-scale demonstration)이 수행

되었는데, 이 시스템은 물리적 분리/산용출(physical separation/acid leaching)과 같은 이미 상

업화된 시스템을 포함하였고, 초산과 염산을 용출용매(leaching agent)로 사용하였다. 오염원으

로 3,500mg/kg 납을 함유하고 있는 토양을 처리하였는데 염산이 가장 효과적이었다. 최종 처

리된 흙의 납 함유량은 200mg/kg이었고 토양의 납에 대한 TCLP(Toxicity Characteristic

Leaching Procedure, 독성용탈시험) 농도는 2mg/L이었다. 처리속도(Throughput rate)는 대략

- 133 -

적으로 6ton/hr정도였다. 산 용출용매(Acid leaching agent)의 선택이 가장 중요하였고(critical

point) 용해도 등에 영향을 큰 요소였다.

- 오염부지(site)의 특수조건과 목표폐기물(target waste)의 양과 농도를 고려했을 때 굴착이

포함된 토양세척 시스템에 필요한 평균비용(average cost)은 계략적으로 토양 1ton당 $170 정

도가 소요된다.

2. 화학적 산화/환원법

- 산화/환원법은 화학적으로 유해오염물질들을 비유해오염물질이나 보다 안정하고 이동성이

적으며 비활성의 독성이 훨씬 작은 화합물들로 전환시켜준다. 산화반응 제제로서 오존, 과산화

수소, 염소, 이산화염소, 차아염소산 등이 사용되어왔다.

- 화학적 산화/환원법은 대응(couple)이 되는 반응물질들 사이에서 전자들의 교류가 일어나서

한쪽은 산화되어 전자를 잃고 다른 한쪽은 환원되어 전자를 얻는다. 산화/환원법은 수/폐수처

리공정에서 소독을 목적으로 기존에 상용규모(full-scale)로 이미 잘 확립된 기술이었고, 시안

폐수 처리에도 일반적으로 널리 사용이 되었다. 최근에 들어서는 향상된 산화/환원반응 시스템

의 개발로 토양 내에 존재하는 오염물질들의 처리와 복원에 더 빈번하게 이용되고 있다.

- 화학적 산화/환원시스템은 토양세척법과 마찬가지로 중/단기간이 소요되는 효과적인 ex-situ

복원공정 중에 하나이다.

Fig. 6-6. Schematic diagram of typical chemical reduction/oxidation process

- 134 -


- 화학적 산화/환원법에 적합한 오염물질: 무기오염물질

- Non-halogenated VOCs, SVOCs, fuels, hydrocarbons, pesticides 등에도 사용가능 하지만

덜 효과적이다.

- 화학적 산화법의 적용성과 효율성을 제한하는 요소들:

• 토양 내 오염물질의 특성과 산화/환원제들에 따라 불완전 산화/환원이 발생할 수 있고 더

독성이 강한 부산물들이 생성될 수 있다.

• 화학적 산화/환원법은 토양 내 오염물질의 농도가 고농도이면 산화/환원제의 투입 양이 증

가하게 되어 경제적이지 못하게 된다.

• 화학적 산화/환원공정이 적용되어 더 높은 효율을 올리기 위해서는 오염매질내의 오일과

그리스 양이 최소화 되어야 한다.


- 화학적 산화/환원법은 ex-situ기법으로 기존 반응공학(chemical reaction engineering)에서

다뤘던 회분식 및 연속식 반응조의 설계법에 준해서 설계를 할 수 있다. 즉 회분식 반응조와

연속반응기(CSTR in series) 형태 반응조의 유량, 반응조 부피, 반응시간(HRT, SRT)등을 처

리가능성 연구(treatability study)에서 구해지는 인자들을 이용해서 설계할 수 있는 것이다.

- 이 기법이 정화방안(remedial solution)으로 사용되기 위해서는 완벽한 벤치스케일 처리가능

성 연구(bench scale treatability study)가 이루어져야 한다. 이때 고려되어져서 규명되어야 할

인자들로는 수분함량, 알칼리 금속, 토양 내 부식물(다상(multiple phases)의 존재 프로세싱 타

임(processing time)과 비용에 영향을 주는 TOX(Total organic halides, 총할로겐화유기물)) 등

이 있다.

- 예측되는 화학적 산화/환원법의 비용 : 토양 1당 $190∼660($150∼500 per cubic yard). 부

가적인 비용정보는 Interagency Cost Estimation Group의 Environmental Historical Cost

Committee에서 개발되는 Hazardous, Toxic, and Radioactive Wastes(HTRW), Historical Cost

Analysis System(HCAS)에서 찾을 수 있다.

3. 열탈착법 (Thermal Desorption)

- 열탈착(Thermal desorption)은 물리적 분리공정으로 유기화합물을 분해, 제거 하도록 설계되

지 않은 공법이다. 오염토양 등의 폐기물들에 열을 가하여 유기오염물질이나 수분을 휘발시킨

뒤 수송가스(carrier gas)나 진공(vacuum)시스템을 이용하여 휘발된 수분과 유기물질을 가스처

리장치(gas treatment system)으로 운송한다. 이 시스템을 위해 설계된 베드(bed)의 온도와 체

류시간은 처리할 오염물을 휘발시키지만 산화시키지는 않는다.

- 135 -

- 일반적으로 로터리건조기(rotary dryer)와 열 스크류(thermal screw)가 보편적으로 사용되는

데 로터리건조기는 직·간접적으로 점화할 수 있는 수평 실린더(horizontal cylinder)들이다. 건

조기는 경사졌거나 회전하는 형식이다. 열 스크류(thermal screw unit)를 위해서 스크류 콘베

이어(screw conveyor)나 할로우 오거(hollow auger) 등이 매체(medium)를 운송하는데 사용된

다. 열매체유(Hot oil)나 증기가 간접적으로 매체(medium)에 열을 가하기 위해서 순환을 한다.

모든 열탈착 시스템은 배가스의 입자와 오염물을 제거하기 위해 배가스 처리 장치가 필요하다.

입자상 오염물질에 대해서는 기존의 섬유필터(fabric filter) 또는 습식세정집진설비(wet

scrubber) 등이 사용되고 가스상 오염물질들은 활성탄 흡착 등에 의해서 농축된 뒤 2차 소각

챔버(chamber)나 촉매산화제에 의해서 분해된다. 대부분 이 단위공정(unit)은 이동가능

(transportable)하다.

- 세 가지 종류의 열탈착 기법이 유용하며 아래에 간략하게 서술되어 있다.

• 직접연소방식(Direct Fired): 불이 직접 오염된 매체(medium) 표면에 점화되며, 이 불꽃은

토양에서 직접적으로 오염물질을 열탈착 시킨다. 일부 오염물질들은 열에 의해 산화될 수

있다.

• 간접가열건조기(Indirect Fired): 직접가열 로타리건조기(direct-fired rotary dryer)가 공기를

가열해서 공기의 직접적인 접촉에 의해 수분과 유기오염물질들이 토양에서 열탈착 된다.

Canonie Environmental Services Corporation에서 생산된 저온 열교환기(Thermal

Aeration, LTTA®)는 간접가열건조기(indirect fired) 시스템의 예로서 토양으로부터 살충제

(DDTs)를 성공적으로 열탈착 시켰다.

• 간접가열기(Indirect Heated): 외부 가열로터리건조기(fired rotary dryer)는 오염된 매체

(medium)로부터 수분과 유해물질을 휘발시켜 불활성 운송가스기류(inert carrier gas

stream)로 전송한다. 운송가스(Carrier gas)는 추후에 유해물질을 제거하고 재생하기 위해서

처리된다. XTRAX™thermal Desorption 시스템은 고에너지 세정가스처리(high-energy

scrubber gas treatment)가 후처리로 결합된 간접가열탈착(indirect heated desorption) 시스

템으로 PCBs로 오염된 토양으로부터 99%이상의 PCBs를 성공적으로 제거한다.

- 운전온도에 기초해서 열탈착 공정은 HTTD와 LTTD 두 가지로 분류된다.

• HTTD: HTTD는 폐기물이 320∼560°C로 가열되는 상용규모(full-scale) 기술로 오염 부지

(site)의 특성에 따라 소각, 고형화, 탈염화 공정과 조합하여 운영된다. HTTD는 밝혀진 토

양 내 목표(target) 오염물질들의 최종 오염농도를 5mg/kg이하로 낮추어 처리할 수 있는

특징을 가졌다.

- 136 -

Fig. 6-7. Schematic Diagram of Typical HTTD System

• LTTD: LTTD 내부에서 90∼320°C까지 가열하여 모든 종류의 토양에 오염되어 있는 유류

탄화수소를 제거 및 복원하는 데 널리 쓰이는 기술이다. 후단 버너(burner)에서 오염물질의

분해율은 95%이상이며 오염물이 제거된 토양은 그 자체의 특성을 보유하고 있다. LTTD

공정의 최고 온도범위를 넘지 않고 토양을 처리했다면 토양 내의 유기물 조성은 손상을 입

지 않았으므로 가까운 미래에 미생물학적으로 그 처리된 토양을 다시 이용할 수 있다

Fig. 6-8. Schematic Diagram of Typical LTTD System

- 137 -


- 열탈착법은 다양한 유기오염물질들에 대해 다양한 정도의 효율성을 가지고 있다.

- LTTD 시스템에 적합한 오염물질군: 비할로겐화(Non-halogenated) VOCs와 연료(Fuels),

SVOCs(효율이 조금 떨어짐) 등

- HTTD 시스템에 적합한 오염물질군: SVOCs, PAHs, PCBs, 농약, 휘발성금속(Volatile

metals), VOCs 및 연료(Fuels). 이 두 항목(VOCs 및 연료)은 가끔 경제적이지 못하다.

- HTTD 시스템은 정유 폐기물(refinery wastes), 콜타르 폐기물(coal tar wastes), 목재처리

폐기물(wood-treating wastes), 크레소오트 오염토양(creosote-contaminated soils), 탄화수소

오염토양(hydrocarbon-contaminated soils), 방사성/유해성 혼합 폐기물(mixed radioactive and

hazardous wastes), 합성고무가공 폐기물(synthetic rubber processing waste), 농약(pesticides)

및 페인트폐기물(paint wastes)로부터 유기물질들을 분리하는데 아주 적합하다.

- 열탈착 공법의 적용성과 효율성을 제한하는 요소들:

• 특정 부지에서는 적용성과 경제성에 영향을 주는 특정 입자경과 물질들이 존재한다.

• 토양의 적절한 함수비를 유지하기 위해서는 탈수가 요구될 수 있다.

• 마찰을 잘 일으키는 오염물질의 유입은 공정에 손상을 줄 수 있다.

• 유입 오염물 중 중금속이 처리가 완벽하게 되지 않을 경우는 토양 내의 잔여물(residue)을

처리하기 위해 안정화(stabilization)가 필요할 수 있다.

• 점토(Clay), 실트토양(silty soils), 고 부식질 토양(high humic content soil) 등은 오염물질

과의 바인딩(binding)으로 인하여 반응시간이 증가할 수 있다.


- 열탈착공법은 in-situ보다는 오염토양을 굴착해서 ex-situ로 대체적으로 많이 처리된다.

- 열탈착공법을 적용하기 위해서는 토양오염물질과 그들의 농도가 규명되어야 하며 부가적으

로 특별한 적용을 위해 공학적으로 열적시스템에 필수적인 정보(토양수분함량, 토질분류, 제거

될 다양한 오염물질들의 비등점)가 획득되어야 하며 다양한 온도와 체류시간에서 열탈착의 효

율성을 결정하는 적용성 테스트(treatability test)가 수행되어야 한다.

- 대기오염제어기기의 크기를 결정하고 설계하기 위해서는 시스템으로의 먼지 부하량(loading)

을 측정한 체 분석 자료가 필요하다.

- 138 -

다. 사례조사

- 대부분 열탈착에 필요한 하드웨어(hardware)들은 이미 규격품의 재고가 있어 이용이 용이하

다. 대부분의 ex-situ 열탈착처리 시스템은 5cm이상의 물질들을 제거하기 위해서 선별부

(screening device), 오염토양을 스크린에서 첫 번째 열처리 챔버로 이송하는 벨트 컨베이어

(belt conveyor), 토양중량(soil mass)을 측정하는 웨이트 벨트(weight belt)를 포함하는 투입

(feed) 시스템을 채택하고 있다.

- 가끔 오거(auger)가 벤트 컨베이어를 대신해서 사용되기는 하지만 이 두 가지 경우 모두 시스

템 셧다운(system shutdown)을 방지하기 위해서 일일정비(daily maintenance)를 필요로 한다. 큰

시스템의 경우 토양 컨베이어(soil conveyor)는 다른 시스템에 비해서 더 잦은 고장을 일으킨다.

분쇄기(Size reduction) 시스템이 투입(feed) 시스템과 조합을 이루어 설치가 되지만 시스템을 고

장나게 만드는 시스템 셧다운(shutdown)을 방지하기 위해서 사용이나 설치를 장려하지 않는다.

- 대다수의 생산업체들은 싱글 트레일러(single trailer)가 장착되어있는 LTTD 시스템을 제공

한다. 10%이상의 재료들이 200메쉬 스크린을 통과할 때 토양처속도(soil throughput rate)는 일

반적으로 모래흙(sandy soil)에서는 시간당 15∼20ton이고 점토질 토양(clay soil)에서는 7ton이

하이다. 시간당 25∼50ton 범위의 처리용량을 가진 시스템의 경우 운송을 위해서 4∼5 대의 트

레일러가 필요하고 2일의 준비기간이 필요하다.

- HTTD 시스템을 사용해서 20,000ton 규모의 표준부지(standard site)를 클린업(cleanup) 할

경우 소요되는 시간은 4개월 이상이 걸린다.

- 토양저장파일(Soil storage piles)과 투입장비(feed equipment)는 토양 함수량과 재질 핸들링

문제를 최소화하기 위해서 일반적으로 커버를 이용해서 비로 인한 피해를 줄일 수 있다. 함수

량이 20∼25%이상이 되는 토양과 퇴적토는 투입(feed) 시스템 내에 건조기를 설치해서 탈착기

의 원료공급량(throughput)과 투입(feed)의 컨베잉(conveying)을 용의하게 하여야 한다. 건조기

내에서 토양 속의 오염물질의 휘발이 발생하며 이들 가스들은 열처리 챔버로 보내어 진다.

- 비용분석

- 139 -

* 비용분석은 Remedial Action Cost Engineering and Requirements (RACER) software를 사

용하여 수행되었다.

- 열탈착법이 적용된 미국의 오염 site들:

• EPA Remedial Action: McKin, ME

• EPA Remedial Action: Otteti & Goss, NH

• EPA Remedial Action: Outboard Marina, Waukegan Harbor (OU 3), IL

• EPA Remedial Action: Cannon Engineering/ MA

• EPA Removal Action: Drexler RAMCOR, WA

• EPA Demo: ReSolve, Inc., Superfund Site, MA

• EPA Demo: Wide Beach Development Superfund Site, NY & Outboard Marine Corp., IL

• EPA Demo: Niagara-Mohawk Power Co., NY

• EPA Demo: Pesticide Site, AZ

• Army Demo: Letterkenny Army Depot, PA

• EPA & Army Demo: Tinker AFB, OK & Anderson Development Co. Superfund Site,

MI

• EPA SITE Demo: EPA Combustion Research Facility, Jefferson, AK

• Alaskan Battery Enterprises Superfund Site, Fairbanks, AK

• Escambia Wood Treating Company, Superfund Site, Pensacola, FL

• Pristine, Inc., Reading, OH

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주 의

1. 이 보고서는 환경부에서 시행한 토양·지하수오염방지기술

개발사업의 연구보고서입니다.

2. 이 보고서 내용을 발표할 때에는 반드시 환경부에서 시행한

토양·지하수오염방지기술개발사업의 연구개발결과임을 밝혀야

합니다.

3. 국가과학기술 기밀유지에 필요한 내용은 대외적으로 발표

또는 공개하여서는 아니됩니다.

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