KR100241223B1 - 전자부품 제조 공정 폐수의 슬러지를 이용한 벽돌의 제조 방법 - Google Patents

전자부품 제조 공정 폐수의 슬러지를 이용한 벽돌의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전자부품 제조 공정에서 배출되는 슬러지를 사용한 건자재의 제조 방법 및 이와 같은 방법으로 제조된 건자재에 관한 것이다. 보다 구체적으로는, 벽돌을 제조하는 방법에 있어서, 내화도가 높은 슬러지, 내화도가 낮은 슬러지 및 안정화제를 각각 슬러지 수분 함량이 20 중량%인 경우를 기준으로 슬러지들과 안정화제의 총량의 20 내지 40 중량%, 20 내지 50 중량% 및 30 내지 50 중량%의 양으로 혼합하는 단계를 포함하며, 소성 온도는 1000 ℃ 내지 1200 ℃인 것을 특징으로 하는, 압축 강도와 흡수율이 각각 160 kgf/cm2이상 및 10 중량% 이하인 벽돌의 제조 방법, 및 이와 같은 방법으로 제조된 벽돌에 관한 것이다. 본 발명에 따라 제조된 벽돌은 흡수율이 낮고 압축 강도가 높으며 외관상 색채가 다양하다. 따라서, 실리카 및 알루미나 성분이 풍부하게 함유된 폐수의 슬러지를 재활용함으로써 폐기물 처리 비용을 절감할 수 있어, 경제적이면서도 환경오염을 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 다양한 색채와 우수한 품질을 갖는 벽돌을 제조할 수 있다.

Description

전자부품 제조 공정 폐수의 슬러지를 이용한 벽돌의 제조 방법
본 발명은 전자부품 제조 공정에서 배출된 폐수의 슬러지를 이용한 건자재의 제조 방법 및 이와 같은 방법으로 제조된 건자재에 관한 것이다. 보다 구체적으로는, 실리카, 알루미나와 같은 무기물이 풍부하게 함유된 폐수의 슬러지를 안정화시켜 건축 및 토목용 건자재를 제조하는 방법 및 이와 같은 방법으로 제조된 건자재, 예를 들면 벽돌에 관한 것이다.
브라운관, 반도체 공장 등에서 배출되는 폐수에는 다량의 플루오르산 (HF)이 함유되어 있으며, 이와 같은 폐수를 처리하여 플루오르산의 농도를 법정 허용 기준치인 15 ppm 이하로 떨어뜨리기 위해서 통상 소석회 (Ca(OH)2) 등을 사용하여 CaF2로서 일차적으로 침전시키고, 이어서 알루미늄 또는 철염 등을 사용하여 잔존하는 HF를 응집시켜 제거하고 있다. 이 때 부생되는 슬러지에는 형석 (CaF2) 성분이 다량으로 함유되어 있으므로 이를 사용하여 벽돌을 제조하는 경우 내화도가 작아서 점토를 60 내지 70 중량% 이상 첨가하여야 하고, 소성 과정 중에 유독한 HF가 10 ppm 정도 발생하므로 반드시 폐가스 처리 장치를 설치하여야 하는 등 HF의 제거가 상당한 문제로 대두되고 있다.
또한, 반도체 웨이퍼, 브라운관 유리 공장 등에서 배출되는 폐수에는 HF가 함유되어 있지 않거나 미량 함유되어 있으므로 미량의 소석회를 사용하거나 알루미늄염 또는 철염 등을 가하고 유기 응집제로 응집시키는 과정을 거쳐 폐수처리를 한다. 이 과정에서 부생되는 슬러지에는 칼슘 성분이 3% 이하 함유되어 있고 실리카, 알루미나, 철 성분이 다량으로 함유되어 있다. 따라서, 이를 사용하여 벽돌과 같은 건자재를 제조하는 경우 HF 가스가 발생하지 않으므로 연소가스의 처리는 별로 문제가 되지 않으며, 내열성이 우수하므로 점토를 30 내지 50 중량%만 첨가하여도 다양한 색채를 갖는 벽돌을 제조할 수가 있다.
액정표시장치 (LCD) 공장 등에서 발생되는 폐수에는 다량의 인과 HF가 함유되어 있으므로 다량의 소석회 등을 가하여 인과 HF를 일차적으로 침전시키고, 이어서 철염과 유기 응집제 등으로 응집시켜 페수처리를 한다. 이 과정에서 부생되는 슬러지에는 칼슘과 인 및 철이 많이 함유되어 있지만 점토를 30 내지 50 중량%만 첨가하여도 1100 ℃에서도 균열과 굴곡 현상이 일어나지 않는 벽돌을 제조할 수가 있다.
그러나, 브라운관, 반도체 공장 등에서 배출되는 내화도가 약한 슬러지의 배출량이 액정표시장치, 반도체 웨이퍼, 브라운관 유리 공장 등에서 배출되는 내화도가 큰 슬러지의 배출량 보다 많으나, 내화도가 작은 슬러지를 벽돌로 제조하기 위해서는 상대적으로 다량의 점토가 첨가되어야 하므로 오히려 내화도가 큰 슬러지를 사용하여 벽돌을 제조하는 것이 유리한 실정이다. 따라서, 이와 같은 두 종류의 슬러지를 모두 재활용할 수 있는 방안을 모색할 필요가 있다.
따라서, 많은 연구자들이 이와 같이 전자부품 공장에서 배출되는 슬러지를 재활용하기 위하여 노력을 기울여 왔지만 아직까지 만족할만한 성과를 얻지 못하고 있는 실정이다.
본 발명자들은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 예의 연구를 거듭한 결과, 브라운관 공장, 반도체 공장 등에서 배출되는 내화도가 낮은 슬러지와 브라운관 유리 공장, 액정표시장치 공장, 반도체 웨이퍼 공장 등에서 배출되는 내화도가 높은 슬러지의 혼합 슬러지를 점토와 같은 안정화제와 적절하게 배합하여 흡수율 및 압축 강도가 우수한 벽돌을 제조하는 방법 및 이와 같은 방법으로 제조된 벽돌을 개발하게 되어 본 발명을 완성하게 되었다.
따라서, 본 발명의 목적은 전자부품 공장에서 배출되는 폐수를 처리한 후에 부생되는 슬러지에 점토와 같은 안정화제를 적절히 첨가하여 흡수율이 낮으며, 압축 강도가 높은 벽돌을 제조하는 방법 및 이와 같은 방법으로 제조된 다양한 색채를 갖는 벽돌을 제공하는데 있다.
본 발명의 상기 목적 및 다른 목적과 특징 및 잇점은 후술하는 본 발명의 상세한 설명에 의해 더욱 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 브라운관 제조 공정에서 배출되는 슬러지를 1000 ℃에서 2시간 소성한 소성물의 X-선 회절도.
도 2는 반도체 제조 공정에서 배출되는 슬러지를 1000 ℃에서 2시간 소성한 소성물의 X-선 회절도.
도 3는 LCD 제조 공정에서 배출되는 슬러지를 1000 ℃에서 2시간 소성한 소성물의 X-선 회절도.
도 4는 반도체 웨이퍼 제조 공정에서 배출되는 슬러지를 1000 ℃에서 2시간 소성한 소성물의 X-선 회절도.
도 5는 브라운관 유리 제조 공정에서 배출되는 슬러지를 1000 ℃에서 2시간 소성한 소성물의 X-선 회절도.
이하, 본 발명을 더욱 구체적으로 설명한다.
일반적으로, 전자부품 제조 공정에서 배출되는 폐수로는 브라운관 공장, 반도체 공장, 액정표시장치 공장, 반도체 웨이퍼 공장, 브라운관 유리 공장 등에서 배출되는 폐수를 들 수 있다. 본 발명에서는 이와 같이 전자부품 제조 공정에서 배출되는 폐수의 슬러지를 본 발명에 이용하기 위하여, 폐수 처리시 부생되는 대표적인 슬러지의 성분을 원자흡수분광기를 이용하여 측정하였으며, 측정된 슬러지의 화학 성분 함량을 하기 표 1에 나타낸다.
폐수 슬러지의 화학 성분 함량 (단위: 중량%)
슬러지 출처 브라운관 공장 반도체 공장 액정표시장치 공장 반도체 웨이퍼 공장 브라운관 유리 공장
성분
Na 0.99 0.86 - 0.41 0.21
Al 4.51 8.21 - 18.10 12.33
Si 3.21 4.72 - 48.50 33.89
K 0.12 0.15 - 0.15 1.43
Ca 23.90 30.30 25.14 2.02 2.25
Mg 0.51 0.60 - 0.19 1.03
Fe 21.30 1.80 8.85 0.61 8.92
P - - 24.89 - -
Ce - - 1.54 - -
Ba - - - - 5.86
표 1에서 알 수 있듯이, 브라운관 공장과 반도체 공장 등에서 배출되는 슬러지는 내열성이 큰 Si, Al 성분의 함량은 적은데 비해, 내열성이 약한 Ca 성분의 함량은 많았으며, 반도체 웨이퍼와 브라운관 유리 등의 제조 공정에서 배출되는 슬러지는 내열성이 큰 Si, Al 성분의 함량은 많은데 비해, 내열성이 약한 Ca 성분의 함량은 적었다. 또한, 액정표시장치의 제조 공정에서 배출되는 슬러지는 Ca, P 및 Fe이 많이 함유되어 있었다.
브라운관 공장과 반도체 공장 등에서 배출되는 슬러지에 점토를 50 중량% 이하 첨가하여 벽돌을 만들었을 때 1050 ℃에서 소결 반응이 일어나고, 1100 ℃ 이상의 온도에서는 굴곡 현상과 용융 현상이 일어나서 구조물은 일정한 형상을 유지할 수가 없다. 그리고 1050 ℃에서는 브라운관 공장의 슬러지에 함유되어 있는 Fe2O3의 적색은 유지가 되지만 1100 ℃ 이상의 온도에서는 슬러지 중에 함유되어 있는 칼슘과 반응하여 검정색으로 변하는 현상이 일어난다.
이와 같이, 내화도가 낮은 폐수 슬러지를 사용하여 벽돌을 제조하는 경우, 1100 ℃에서의 굴곡 현상, 용융 현상을 방지하고 적벽돌이 갖고 있는 고유한 적색을 유지하기 위해서는 점토를 60 내지 70 중량% 이상 첨가하여야 하는 단점을 갖고 있을 뿐만 아니라, 소성 과정 중에 유독한 HF가 10 ppm 정도 발생하므로 반드시 폐가스 처리 장치를 설치하여야 하는 등 HF의 제거가 상당한 문제로 대두되고 있다. 또한, 반도체 웨이퍼와 브라운관 유리 등의 제조 공정에서 배출되는 슬러지에 점토를 50 중량% 첨가하여 벽돌을 제조하는 경우 1150 ℃에서도 굴곡 현상과 용융 현상이 전혀 일어나지 않는다. 그리고 액정표시장치의 제조 공정에서 배출되는 슬러지에 점토를 50 중량%만 첨가하여도 1100 ℃에서는 균열과 굴곡 현상이 일어나지 않으며 적벽돌의 고유한 색채를 유지한다. 그러나, 내화도가 약한 슬러지의 배출량이 내화도가 큰 슬러지의 배출량 보다 많지만, 내화도가 작은 슬러지를 벽돌로 제조하기 위해서는 상대적으로 다량의 점토가 첨가되어야 하므로 오히려 내화도가 큰 슬러지를 사용하여 벽돌을 제조하는 것이 유리한 실정이다. 따라서, 이와 같은 두 종류의 슬러지를 모두 재활용할 수 있는 방안을 모색할 필요가 있다.
점토와 내화도가 낮은 슬러지를 50:50으로 혼합하고 1100 ℃에서 소성하면 평균적으로 HF 가스가 12 ppm 정도 배출되지만, 내화도가 높은 슬러지를 첨가하여 50:25:25로 혼합하고 1100 ℃에서 소성하면 HF 가스는 평균적으로 2 ppm 이하로 저감되었다. 이 효과는 내화도가 높은 슬러지에는 칼슘이 유리칼슘 형태로 존재하므로 HF 가스가 발생하는 내화도가 낮은 슬러지와 혼합할 경우에 CaF2결정을 이루어 유리칼슘도 줄일 수가 있고, HF 가스의 발생도 2 ppm 이하로 저감시킬 수가 있으므로 이중으로 효과를 볼 수가 있었다.
한편, 폐수 슬러지를 이용하여 벽돌을 제조한 후에 이를 토목 및 건축용으로 사용하기 위해서는 통상적으로 다음의 5가지 조건이 충족되어야 한다.
1) 제조된 벽돌은 흡수율은 작아야 하고, 압축 강도는 커야 한다.
2) 제조된 벽돌은 현대인의 감각에 맞는 미려한 색상을 가지고 있어야 한다.
3) 제조된 벽돌에는 유리 칼슘이 없어야 한다.
4) 기후 변화에 대한 내후성을 갖고 있어야 한다.
5) 인체에 유해한 성분이 용출되지 않아야 한다.
이러한 토목 및 건축용 벽돌이 구비하여야 할 상기 조건 중 특히 유리 칼슘의 경우, 유리 칼슘 (CaO)이 5 중량% 이상 함유되어 있는 벽돌을 토목 및 건축용으로 사용하면 유리 칼슘은 수분과 작용하여 Ca(OH)2로 변화되면서 소성물의 부피가 증가하여 벽돌이 서서히 파괴되는 현상이 일어난다. 따라서, 건축물에 이러한 벽돌을 사용하였을 경우에는 건축물이 붕괴되어 대형 사고를 일으킬 수가 있으므로 유리 칼슘은 벽돌내에 존재하지 않는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같이, 전자부품 공장에서 배출되는 슬러지를 재활용하여 벽돌을 만드는 경우, 환경 오염 방지 뿐만 아니라 기존 벽돌 공장과의 가격 경쟁에서도 우위를 점할 수가 있다.
그러나 현재 내화도가 낮은 슬러지의 배출량은 많고, 내화도가 큰 슬러지의 배출량은 적으므로 이들을 안정화제와 혼합하여 모두 재활용할 수 있기 위해서는 이들의 적절한 배합비가 상당히 중요한 문제가 된다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 전자제품 제조 공정에서 배출되는 폐수 슬러지를 벽돌로 재활용하는 데 요구되는 조건들을 모두 충족시키는, 전자부품 공장 (브라운관 공장, 반도체 공장, 브라운관 유리 공장, 액정표시장치 공장, 반도체 웨이퍼 공장)의 슬러지를 사용하여 벽돌을 제조하는 방법으로서, 이와 같은 본 발명에 따른 벽돌의 제조 방법은 내화도가 높은 슬러지 및 내화도가 낮은 슬러지를 모두 포함하는 슬러지에 안정화제를 첨가하여 안정화시키므로써 달성된다.
본 발명에 따른 벽돌을 제조하는 방법은 다음과 같다.
내화도가 높은 폐수 슬러지, 내화도가 낮은 폐수 슬러지 및 안정화제를 적절한 배합량으로 균일하게 혼합하고 진공 토련기를 거쳐서 벽돌 형태로 성형하고, 이어서 건조 과정을 거쳐서 일정 시간 고온에서 소성하여 벽돌을 제조한다.
본 발명에 사용될 수 있는 내화도가 높은 폐수 슬러지의 예로는 브라운관 유리 공장, 액정표시장치 공장, 반도체 웨이퍼 공장 등에서 배출되는 폐수 슬러지를 들 수 있으며, 내화도가 낮은 폐수 슬러지의 예로는 브라운관 공장, 반도체 공장 등에서 배출되는 폐수 슬러지를 들 수 있다.
내화도가 높은 폐수 슬러지의 첨가량은 슬러지 수분 함량이 20 중량%인 경우를 기준으로 슬러지와 안정화제의 총량의 20 중량% 내지 40 중량%의 양이 바람직하고, 첨가량이 20 중량% 미만이면 균열, 굴곡 현상 등이 일어나서 안정화되지 못하고, 첨가량이 40 중량%를 초과하면 내화도가 낮은 폐수 슬러지가 적게 소모되는 단점이 있다.
내화도가 낮은 폐수 슬러지의 첨가량은 슬러지 수분 함량이 20 중량%인 경우를 기준으로 슬러지와 안정화제의 총량의 20 중량% 내지 50 중량%의 양이 바람직하고, 첨가량이 20 중량% 미만이면 내화도가 낮은 폐수 슬러지가 적게 소모되는 단점이 있고, 첨가량이 50 중량%를 초과하면 균열, 굴곡 현상 등이 일어나서 안정화되지 못한다.
본 발명에 사용될 수 있는 안정화제의 예로는 점토, 장석, 납석, 카올린, 백토, 플라이애쉬, 실리카, 알루미나, 규사, 보오크사이트, 페주물사 등을 들 수 있으며, 이들 안정화제는 단독으로 또는 2종 이상의 혼합물로서 사용될 수도 있다.
안정화제의 첨가량은 슬러지 수분 함량이 20 중량%인 경우를 기준으로 슬러지와 안정화제의 총량의 30 중량% 내지 50 중량%가 바람직하며, 첨가량이 30 중량% 미만이면 균열, 굴곡 현상 등이 일어나서 안정화되지 못하고, 첨가량이 50 중량%를 초과하면 물성은 우수하나 원료비의 상승과 슬러지의 사용량이 적어서 경제적이지 못하다.
본 발명의 소성용 가열로에는 실험실적으로는 전기를 사용하는 전기로가 바람직하지만, 산업 현장에서는 기름 또는 가스를 사용하는 로를 사용할 수도 있다.
본 발명에 따른 방법에 있어서 소성 온도는 1000 ℃ 내지 1200 ℃가 바람직하다. 소성 온도가 1000 ℃ 미만이면 완전한 소결 반응이 일어나지 않고, 1200 ℃를 초과하면 벽돌이 서로 융착되고, 산화철이 갖고 있는 붉은색이 사라지고 검정색으로 변화된다.
한편, 전자부품 공장에서 배출되는 슬러지에는 철 성분이 다양한 함량으로 함유되어 있으므로 소성 온도와 슬러지의 배합비에 따라서 다양한 색상을 갖는 벽돌을 제조할 수가 있다. 예를 들면 반도체와 반도체 웨이퍼 공장에서 배출되는 슬러지에는 철분의 함량이 적으므로 점토를 첨가하여 소성하면 1100 ℃까지는 연한 노랑색을 띄며, 온도가 더욱 증가하면 주황색으로 변화한다. 그리고 철분을 많이 함유한 슬러지에 점토를 첨가하여 1050 ℃까지 소성하면 밝은 적색으로 발색되다가 1100 ℃가 되면 어두운 적색으로 변화되며, 그 이상의 온도에서는 검정색이 증가하게 된다. 그리고 철분을 함유한 슬러지와 철분을 소량 함유한 슬러지의 혼합 슬러지에 점토를 첨가하여 소성하면 1050 ℃까지는 연한 적색을 띄다가 1100 ℃ 이상의 온도부터는 어두운 적색으로 변화되는 현상을 나타낸다.
이하 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명하지만, 본 발명이 하기 실시예에만 한정되는 것은 아니다.
〈실시예 1〉
슬러지의 열적 특성
전자부품 공장 폐수의 슬러지를 1000 ℃에서 2시간 소성시킨 소성물의 X-선 회절 시험(리가꾸사(Rigaku)제 X-선회절기 D/Max.IIA)을 통해 조사하였으며, 그 결과를 도 1 내지 5에 도시하였다. 이들 도면에서 알 수 있듯이 도 1의 브라운관 제조 공정에서 배출되는 슬러지는 고온에서 안정한 CaF2와 Fe2O3결정형으로 변화되며 그 외 소량의 실리카와 알루미나 결정으로 이루어져 있다는 것을 알 수가 있다.
도 2의 반도체 제조 공정에서 배출되는 슬러지도 고온에서 안정한 CaF2결정형으로 변화되며 그 외 소량의 실리카와 알루미나 결정형으로 이루어져 있다는 것을 알 수가 있다.
또한, 도 3으로부터 알 수 있는 바와 같이, LCD 제조 공정에서 배출되는 슬러지를 1000 ℃에서 소성하였을 때 생성되는 결정상은 Ca과 P이 결합하여 생성되는 아파타이트 (apatite), Fe2O3와 CaF2결정으로 이루어져 있다. 특히 LCD 공정에서 배출되는 슬러지에는 내열성이 약한 칼슘 성분이 다량으로 함유되어 있으나 강한 내화도를 갖는 것은 칼슘과 인산염이 고온에서 반응하여 인체의 치아 원료인 아파타이트 (10CaO.3P2O5)가 고온에서 생성되기 때문이며, 점토를 50 중량% 첨가하고 1150 ℃에서 소성하여도 슬러지에 포함되어 있는 산화철의 색상이 그대로 유지되며 굴곡 현상이 전혀 일어나지 않았다. 따라서, 이러한 재료로 제조된 벽돌과 신체 접촉시 바이오 역할도 기대할 수 있다.
도 4는 반도체 웨이퍼 공정에서 배출되는 슬러지를 1000 ℃에서 2시간 소성한 결정상을 나타내며, 주로 Al2O3, SiO2, Al2O3-SiO2의 화합물의 결정이 생성된 것을 알 수 있다. X-선 회절도와 표 1의 성분 분석표에서 확인할 수 있듯이 반도체 웨이퍼 공정에서 배출되는 슬러지에는 내화도를 주는 성분이 많이 함유되어 있으므로 점토를 첨가하지 않고 1100 ℃ 이상의 온도에서 소성하여도 성형체는 균열과 굴곡 현상이 일어나지 않는 특성을 갖고 있다.
도 5는 브라운관 유리를 제조하는 공정에서 배출되는 슬러지를 1000 ℃에서 2시간 소성한 결정상을 나타내며, Fe2O3, Ca-Mg-Fe 결정상과 SiO2, Al2O3결정상이 생성된 것을 알 수 있다. 상기 표 1의 성분 분석표에서 알 수 있듯이 내열성을 주는 성분이 다량으로 함유되어 있으므로 점토를 30 중량% 첨가하면 1100 ℃ 이상의 온도에서도 균열과 굴곡 현상이 전혀 일어나지 않는 특성을 갖고 있으며, 철분을 함유하고 있으므로 점토와 혼합할 경우에 적벽돌이 갖고 있는 고유한 색을 그대로 유지하였다. 그러나 소성 온도를 1200 ℃로 상승시키면 검정색으로 변화하면서 용융 현상이 일어나는데, 점토의 양을 60 중량%로 증가시키면 검정색은 그대로 유지되지만 용융 현상은 일어나지 않았다. 검정색으로 변화하는 현상은 슬러지에 포함되어 있는 Ca, Mg, Ba이 철 성분과 반응하여 페라이트 결정을 형성하였기 때문이다.
각 공정에서 배출되는 슬러지를 수분이 10 중량%가 되게 건조시키고, 3 g을 정확하게 칭량하여 지름 2 cm 크기의 디스크 형태로 성형하고 48시간 건조시킨 후에 승온 속도를 3 ℃/분으로 하여 측정하고자 하는 각 온도에서 48분간 유지시키고 무게 감량 (wt%)과 수축율 (%)을 측정하여, 그 결과를 하기 표 2에 기재하였다.
슬러지의 가열 온도에 따른 무게 감량 (wt%) 및 수축율 (%)
특성 900 ℃ 1000 ℃ 1100 ℃
무게감량 수축율 무게감량 수축율 무게감량 수축율
슬러지 출처
브라운관 공장 30 10 34 20 - -
반도체 공장 27 8 30 15 - -
액정표시장치 공장 25 7 28 10 28 11
반도체 웨이퍼 공장 23 5 25 6 25 7
반도체 유리 공장 25 8 28 10 28 10
상기 표 2로부터 900 ℃까지는 수분과 유기물 및 침전물 형태로 존재하는 화합물의 분해가 일어나며, 1000 ℃에서는 슬러지의 무게 감량이 거의 완료되었음을 알 수 있었다. 그리고 1100 ℃에서는 브라운관과 반도체 공정에서 배출되는 슬러지는 용융 반응이 일어나서 무게 감량과 수축율을 측정할 수가 없었으며, 나머지 슬러지는 1000 ℃의 결과와 거의 차이가 없었고 단지 소성체의 표면에 검정색이 나타나기 시작하였다.
〈실시예 2〉
안정화제를 첨가한 벽돌의 제조
각 회사의 공정별로 배출되는 슬러지의 열적 특성이 다르므로 안정화제를 첨가하여 현대인의 감각에 맞는 양질의 벽돌을 생산하기 위해서는 앞에서도 언급하였듯이 슬러지의 배합비와 소성 온도가 상당히 중요하다. 본 실시예에서는 안정화제로서 점토질 광물을 사용하여 벽돌을 제조하는 시험을 수행하였다.
따라서 수분이 20 중량% 함유된 슬러지와 점토의 배합비를 다양하게 변화시키고, 이어서 진공 토론기를 거쳐서 구멍이 3개 있는 2종 벽돌 형태로 성형하고 48시간을 건조시킨 후에 전기로를 사용하여 950 ℃, 1000 ℃, 1050 ℃, 1100 ℃, 1150 ℃, 1200 ℃에서 소성하였다. 이때 최고 온도까지의 승온 시간은 7시간, 최고 온도에서의 유지 시간은 48분, 상온까지의 냉각 시간은 7시간으로 설정하였다. 이 때 압축 강도 시험은 2종 벽돌의 190 mm x 90 mm의 면을 가압면으로 하고, 가압면에는 종이 주걱을 끼워 균일하게 가압하였으며, 가압 속도는 매초 10 kgf/cm2로 하여 시료가 파괴되었을 때의 최대 하중을 측정하였다. 그리고 흡수율은 무게를 알고 있는 벽돌을 120 ℃에서 24시간 건조한 후에 끊는 물 속에 넣어 3시간 동안 끓이고 실온으로 방냉한 후에 즉시 젖은 수건으로 벽돌의 표면을 닦고 무게를 달아서 시험전의 무게와의 차이를 구하여 흡수율을 측정하였다.
내화도가 높은 슬러지에 점토를 혼합하여 제조한 벽돌의 특징을 하기 표 3에 나타내었다.
내화도가 높은 슬러지를 이용한 벽돌의 특성
특성 950 ℃ 1000 ℃ 1050 ℃ 1100 ℃ 1150 ℃ 1200 ℃
압축 강도 흡수율 압축 강도 흡수율 압축 강도 흡수율 압축 강도 흡수율 압축 강도 흡수율 압축 강도 흡수율
슬러지
A 125 18 165 10 168 9 185 7 190 5 198 2
B 112 25 160 10 164 10 195 7 201 5 203 2
C 90 35 102 30 145 10 165 10 180 8 195 3
D 85 30 98 28 130 22 162 12 178 10 195 5
E 138 20 163 10 168 10 186 6 192 6 195 3
F 120 28 160 10 165 10 192 8 198 6 202 3
* 압축강도 단위: kgf/cm2, 흡수율 단위: 중량%A: 점토 (30 중량%) + 액정표시장치 슬러지 (70 중량%)B: 점토 (40 중량%) + 액정표시장치 슬러지 (60 중량%)C: 점토 (30 중량%) + 반도체 웨이퍼 슬러지 (70 중량%)D: 점토 (40 중량%) + 반도체 웨이퍼 슬러지 (60 중량%)E: 점토 (30 중량%) + 브라운관 유리 슬러지 (70 중량%)F: 점토 (40 중량%) + 브라운관 유리 슬러지 (60 중량%)
상기 표 3의 결과를 보면 950 ℃에서는 제반 물성이 우수하지 못하며, 1000 ℃에서는 액정표시장치, 브라운관 유리 공정에서 배출되는 슬러지에 점토를 30 중량%, 40 중량% 혼합하였을 때 압축 강도와 흡수율이 한국산업규격 (L 4201)의 점토 벽돌의 기준에 적합하였다. 그리고 온도를 상승시키면 물성이 더 좋아지는 경항을 보여주고 있으며, 1200 ℃에서는 굴곡 현상이 나타나기 시작하였다. 반도체 웨이퍼 공정에서 배출되는 슬러지는 소성 온도가 1100 ℃를 상회하여야 한다는 것을 알 수가 있다.
상기 슬러지를 30 중량%, 점토를 70 중량% 혼합하여 1150 ℃에서 소성하면 압축 강도가 액정표시장치 슬러지는 210 kgf/cm2, 반도체 웨이퍼 슬러지는 208 kgf/cm2, 브라운관 유리 슬러지는 215 kgf/cm2이었고 흡수율은 전부가 8% 이하였다. 이로부터, 각 슬러지에 대한 점토 광물의 첨가량을 증가시키면 일반적으로 제반 물성이 더 좋아지는 경향을 나타낸다는 것을 알 수 있었다. 또한, 점토 30 중량%와 40 중량%에 상기 3종의 내화도가 높은 슬러지를 동일 비율로 혼합한 혼합물을 혼합하고 1150 ℃에서 소성하면 각각의 경우 모두 압축 강도는 209 kgf/cm2, 흡수율은 8%였다. 따라서 점토에 내화도가 높은 슬러지를 한 종류만 배합한 경우와 두 종류 이상을 혼합하여 배합한 경우의 벽돌의 물성은 거의 변화가 없다는 것을 알 수 있었다.
내화도가 낮은 슬러지에 내화도가 높은 슬러지와 점토를 혼합하여 제조한 벽돌의 물성을 하기 표 4에 나타내었다.
내화도가 낮은 슬러지를 이용한 벽돌의 특성
특성 950 ℃ 1000 ℃ 1050 ℃ 1100 ℃ 1150 ℃ 1200 ℃
압축 강도 흡수율 압축 강도 흡수율 압축 강도 흡수율 압축 강도 흡수율 압축 강도 흡수율 압축 강도 흡수율
슬러지
G 115 25 160 10 164 9 170 7
H 125 20 163 10 164 10 168 7
I 130 22 165 8 165 10
J 110 22 160 10 166 10 168 10 172 8
K 138 20 163 10 168 10 170 8
L 139 18 160 10 165 10
M 98 45 145 21 161 10 178 8 198 6 205 3
N 120 30 155 15 163 9 170 8 192 6
* 압축강도 단위: kgf/cm2, 흡수율 단위: 중량%G: 점토(30 중량%) + 고내화도 슬러지(40 중량%) + 저내화도 슬러지(30 중량%)H: 점토(30 중량%) + 고내화도 슬러지(30 중량%) + 저내화도 슬러지(40 중량%)I: 점토(30 중량%) + 고내화도 슬러지(20 중량%) + 저내화도 슬러지(50 중량%)J: 점토(40 중량%) + 고내화도 슬러지(40 중량%) + 저내화도 슬러지(20 중량%)K: 점토(40 중량%) + 고내화도 슬러지(30 중량%) + 저내화도 슬러지(30 중량%)L: 점토(40 중량%) + 고내화도 슬러지(20 중량%) + 저내화도 슬러지(40 중량%)M: 점토(50 중량%) + 고내화도 슬러지(30 중량%) + 저내화도 슬러지(20 중량%)N: 점토(50 중량%) + 고내화도 슬러지(20 중량%) + 저내화도 슬러지(30 중량%)
상기 표 5로부터, 점토를 30 중량% 첨가하였을 때 (G, H, I) 내화도가 낮은 슬러지 (브라운관 슬러지, 반도체 슬러지)의 첨가량이 많을수록 저온에서 벽돌을 만들 수 있다는 것을 알 수가 있다. 예를 들어서 내화도가 높은 슬러지만 사용하였을 경우에는 1000 ℃에서는 벽돌을 만들 수가 없지만 G, H, I에서는 압축 강도와 흡수율이 KS 기준을 만족시키고 있다는 것을 알 수가 있다. 그러나, 내화도가 낮은 슬러지를 50 중량% 첨가한 벽돌 (I)에서는 1100 ℃에서 굴곡 현상이 일어남을 확인할 수가 있었고, 내화도가 낮은 슬러지를 40 중량% 첨가한 벽돌 (H)과 30 중량% 첨가한 벽돌 (G)에서는 모두가 1150 ℃에서 굴곡 현상이 일어났다.
그리고 점토를 40 중량% 첨가하였을 때 (J, K, L) 내화도가 낮은 슬러지의 첨가량을 변화시켰을 때 1050 ℃까지는 점토를 30 중량% 첨가한 경우와 거의 같은 경향을 보여주고 있으나, 내화도가 높은 슬러지를 40 중량%, 내화도가 낮은 슬러지를 20 중량% 첨가한 벽돌 (J)에서는 1150 ℃에서도 굴곡 현상이 일어나지 않으며, 적벽돌이 갖고 있는 고유한 색을 유지하고 있었다.
또한, 점토를 50 중량% 첨가한 조성 (M, N)에서는 내화도가 높은 슬러지 30 중량%와 내화도가 낮은 슬러지 20 중량%를 혼합하였을 때 (M) 1000 ℃부터 벽돌의 제조가 가능하였으며, 1200 ℃의 온도에서도 굴곡 현상이 얼아나지 않았다. 그리고 내화도가 높은 슬러지 20 중량%와 내화도가 낮은 슬러지 30 중량%를 혼합하였을 경우 (N)에는 내화도가 높은 슬러지를 30 중량% 첨가한 벽돌 (M)에 비하여 1050 ℃까지는 물성이 우수하지만 1100 ℃, 1150 ℃에서는 물성이 우수하지 못하다는 것을 알 수 있었다.
추가로, 점토를 60 중량% 첨가하여 내화도가 낮은 슬러지를 단독으로 사용하여 시험한 결과, 1000 ℃부터 1150 ℃까지 벽돌의 제조가 가능하였고, 또 점토를 70 중량% 이상 첨가하고 내화도가 낮은 슬러지를 단독으로 사용하여 시험한 결과, 1000 ℃부터 1200 ℃까지 벽돌의 제조가 가능하였다.
〈실시예 3〉
벽돌의 내구성 시험
실시예 2에서 제조한 각종 벽돌의 기후 변화에 대한 내구성을 알아보기 위하여, 벽돌을 물에 2시간 동안 담구어 둔 후에 바로 꺼내어서 -30 ℃에서 5시간을 유지하고 이어서 바로 승온시켜 30 ℃에서 5시간을 유지하는 실험을 5회 반복한 후 압축 강도를 측정한 결과 압축 강도의 변화는 거의 없었고, 800배 배율의 현미경으로 벽돌의 표면을 관찰한 결과 아무런 변화도 관찰되지 않았다.
〈실시예 4〉
유리 칼슘 존재 여부 확인 시험
유리칼슘의 확인은 화학적인 방법과 물리적인 방법이 있는데 본 발명에서는 물리적인 방법을 사용하였다. 실시예 2에서 제조된 벽돌을 미세하게 분쇄한 후에 오토클레이브에 넣어서 수화시켜 유리칼슘을 Ca(OH)2로 전환시킨 후에 100 ℃에서 건조시켜 수분을 제거시켰다. 이어서 열분석기를 이용하여 325 ℃ 부근에서 Ca(OH)2가 분해될 때 발생하는 흡열 피크를 확인하므로써 유리 칼슘의 존재를 확인할 수 있다. 이와 같은 물리적 방법으로 본 발명에서 개발한 벽돌을 시험한 결과, 유리 칼슘은 검출되지 않았다. 이로부터 칼슘이 CaF2형태로 안정하게 존재하고 있다는 것을 알 수가 있으며 이 사실은 X-선 회절 분석과도 잘 일치하였다. 그리고 유리 칼슘이 소량 존재하더라도 철 성분과 반응하여 안정한 화합물로 변화하기 때문인 것으로 사료된다.
본 발명에 따르면, 전자부품 제조 공정에서 배출되는 슬러지를 사용하여 토목 및 건축용 벽돌을 제조할 수 있으며, 본 발명에 따라 제조된 벽돌은 흡수율이 낮고 압축 강도가 높으며 유리 칼슘이 존재하지 않는다. 또한 배출량이 많고 내화도가 낮은 슬러지와 배출량은 적으나 내화도가 높은 슬러지를 병용하여 벽돌을 제조할 수도 있다. 따라서 전자부품 공장에서 배출되는 슬러지를 재활용함으로써 폐기물 처리 비용을 절감할 수 있어, 경제적이면서도 환경 오염을 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 우수한 물성을 갖는 벽돌을 제조할 수 있다.

Claims (4)

  1. 벽돌을 제조하는 방법에 있어서,
    내화도가 높은 슬러지, 내화도가 낮은 슬러지 및 안정화제를 각각 슬러지 수분 함량이 20 중량%인 경우를 기준으로 슬러지들과 안정화제의 총량의 20 내지 40 중량%, 20 내지 50 중량% 및 30 내지 50 중량%의 양으로 혼합하는 단계를 포함하며, 소성 온도는 1000 ℃ 내지 1200 ℃인 것을 특징으로 하는, 압축 강도와 흡수율이 각각 160 kgf/cm2이상 및 10 중량% 이하인 벽돌의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 내화도가 높은 슬러지가 액정표시장치 (LCD), 반도체 웨이퍼 또는 브라운관 유리 제조 공정에서 배출되는 슬러지, 또는 이들 슬러지의 혼합물인 방법.
  3. 제1항에 있어서, 내화도가 낮은 슬러지가 브라운관 또는 반도체 제조 공정에서 배출되는 슬러지, 또는 이들 슬러지의 혼합물인 방법.
  4. 제1항에 있어서, 안정화제가 점토, 장석, 납석, 카올린, 백토, 플라이애쉬, 실리카, 알루미나, 규사, 보오크사이트 및 페주물사로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상의 안정화제인 방법.
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