보크사이트 잔재물을 활용한 지속 가능한 성토재 개발 및 환경 유해성 연구 = A study one the development of sustainable filling materials using bauxite residue and the assessment of environmental hazards

국문 초록 (Abstract)

알루미늄 제련 산업의 베이어 공정(Bayer process)에서 발생하는 보크사이트 잔재물(Bauxite Residue)은 강알칼리성(pH 12~13)과 미세 입자 특성으로 인해 환경적 유해성이 높아 대부분 매립 처분되고 있는 실정이다. 본 연구에서는 보크사이트 잔재물을 토목 및 건설 현장의 성토재로 재활용하기 위해, 화학적 중화와 물리적 세척을 결합한 친환경 안정화 공정을 개발하고 이에 대한 환경적 안전성, 공학적 적합성 및 경제성을 종합적으로 평가하였다. 먼저, 중화 효율과 경제성을 고려하여 황산(H2SO4)을 최적의 무기산 중화제로 선정하였다. 그러나 단순 중화 반응 시 생성되는 가용성 염(Na2SO4)으로 인해 전기전도도(EC)가 상승하고, 이에 따른 삼투압 스트레스가 물벼룩 급성 독성 (Toxic Unit > 2.0)을 유발함을 규명하였다. 또한 유기산(휴믹산)과 플라이애쉬를 이용한 대체 공정을 검토하였으나, 각각 경제성 저하와 pH 재상승(Rebound)이라는 한계점이 확인되었다. 이에 본 연구에서는 가용성 염류를 효과적으로 제거하기 위해 가압 여과 (Filter Press) 세척 공정을 도입하였다. 고형분 대비 세척수 비(L/S Ratio) 2.0 조건에서 전기전도도를 5.5 mS/cm 수준으로 저감시켰으며, 그 결과 생태독성 (Eco-Toxicity)값이 0을 기록하여 수생태계 유해성을 완전히 해소하였다. 또한, 토양오염공정시험기준에 따른 용출 시험 결과, 카드뮴(Cd), 비소(As), 불소(F) 등 주요 유해 물질 농도가 1지역 우려 기준을 모두 만족하여 환경적 안전성을 입증하였다. 세척 공정 후 소달라이트(Sodalite) 구조 붕괴와 기공 형성으로 인해 발생한 다짐 밀도 저하(1.5 t/m3) 문제는 잔골재(석분) 10 wt% 혼합을 통해 해결하였다. 이를 통해 다짐 밀도를 1.7 t/m3 까지 증진시키고 수정 CBR(노상 지지력 비) 6.5를 확보하여, 성토재 품질 기준을 충족하는 물리적 특성을 달성하였다. 마지막으로, 연간 10만 톤 규모의 양산 공정을 설계하고 현금흐름할인법 (Discount Cash Flow, DCF)을 이용하여 경제성을 평가하였다. 분석 결과, 연간 약 19억 원의 세후 이윤과 24.4%의 내부수익률(Internal Rate of Return, IRR)이 예측되었으며, 약 6년 차에 손익분기점에 도달하여 산업적 사업성 또한 충분함을 확인하였다. 결론적으로 본 연구에서 제안한 복합 공정은 보크사이트 잔재물의 환경적, 물리적 문제를 동시에 해결하여 지속 가능한 순환 자원으로 활용할 수 있는 실효성 있는 기술임을 시사한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Bauxite residue, a byproduct generated from the Bayer process in the aluminum refining industry, is mostly disposed of in landfills due to its high environmental hazards caused by strong alkalinity (pH 12–13) and fine particle characteristics. In this study, an eco-friendly stabilization process combining chemical neutralization and physical washing was developed to recycle bauxite residue as fill material for civil engineering and construction sites. The environmental safety, engineering suitability, and economic feasibility of the developed process were comprehensively evaluated.

First, sulfuric acid (H2SO4) was selected as the optimal inorganic neutralizer considering neutralization efficiency and economic feasibility. However, it was identified that soluble salts (Na2SO4) generated during the simple neutralization reaction increased electrical conductivity (EC), and the resulting osmotic stress caused acute toxicity to Daphnia magna (Toxic Unit > 2.0). Alternative processes using organic acids (humic acid) and fly ash were also examined, but limitations such as low economic viability and pH rebound were observed, respectively.

To address these issues, a filter press washing process was introduced to effectively remove soluble salts. Under the condition of a liquid-to-solid (L/S) ratio of 2.0, the electrical conductivity was reduced to 5.5 mS/cm. As a result, the ecotoxicity (TU) value dropped to 0, completely eliminating hazards to the aquatic ecosystem. Furthermore, leaching tests based on the Soil Contamination Standard Test Methods confirmed that the concentrations of major hazardous substances, such as cadmium, arsenic, and fluorine, met the warning standards for Area 1, thereby proving environmental safety.

The issue of reduced compaction density (1.5 t/m3) caused by the collapse of sodalite structures and pore formation after the washing process was resolved by mixing 10 wt% of s톤e dust (fine aggregate). This increased the compaction density to 1.7 t/m3 and secured a modified CBR (California Bearing Ratio) of 6.5, achieving physical properties that satisfy the quality standards for fill materials.

Finally, a mass production process with an annual capacity of 100,000 톤s was designed, and its economic feasibility was evaluated using the Discounted Cash Flow (DCF) method. The analysis predicted an annual net profit of approximately 1.9 billion KRW and an Internal Rate of Return (IRR) of 24.4%, with the break-even point reached after about 6 years, confirming sufficient industrial viability. In conclusion, the composite process proposed in this study suggests a practical technology capable of simultaneously resolving the environmental and physical issues of bauxite residue, enabling its utilization as a sustainable circular resource.

목차 (Table of Contents)

• 그림 목차 ⅲ
• 표 목차 ⅴ
• 국문 초록 ⅶ
• 1. 서론 1
• 가. 연구의 목적 1
• 나. 연구의 내용 2
• 2. 이론적 고찰 4
• 가. 보크사이트 잔재물의 공정별 물성 및 화학적 거동 4
• 나. 보크사이트 잔재물의 물리화학적 및 광물학적 특성 6
• 다. 보크사이트 잔재물 연구현황 10
• 라. 성토재의 종류 및 활용방법 14
• 마. 보크사이트 잔재물의 재활용 기준 18
• 바. 보크사이트 잔재물의 중화조건 23
• 사. 보크사이트 잔재물의 물성 시험 평가 26
• 3. 실험 및 분석방법 28
• 가. 원부원료 및 실험방법 28
• 나. 성토재의 유해성 평가방법 30
• 다. 성토재의 물리적 특성 평가 방법 33
• 4. 실험 결과 및 향후 계획 36
• 가. 무기산 중화 특성 및 pH에 따른 생태독성 거동 평가 36
• 나. 보크사이트 잔재물의 염분 농도 및 전기전도도에 따른 생태독성 영향 ·· 41
• 다. 유기산 중화 처리에 따른 전기전도도 저감 특성 평가 47
• 라. 플라이 애쉬 혼합에 따른 전기전도도 저감 및 물리적 특성 평가 51
• 마. 가압 여과 세척에 따른 생태독성 저감 및 물리적 특성 변화 54
• 바. 재활용 성토재의 환경 유해성 및 물리적 특성 평가 57
• 사. 재활용 성토재 양산 공정 구축 및 경제성 평가 59
• 5. 결론 64
• 참고문헌 66
• Abstract(영문초록) 69