KR100305091B1 - 석회와주물모래형틀로부터생성되는미분사를이용한세라믹성제올라이트정화제및그제조방법 - Google Patents

Abstract

석회와 주물 모래형틀로부터 형성되는 미분사를 혼합하여 제조함으로써 얻어지는 다공질 세라믹성 제올라이트에 관한 것으로서, 제올라이트의 흡착작용, 분해작용 및 세라믹의 기공성을 이용하여 정화가 어려운 녹조 및 적조, 하수 및 축산폐수를 쉽게 정화할 수 있다.

본 발명에 따른 다공질 소결체의 세라믹성 제올라이트 제조방법은 입자크기가 700㎛이하인 석회와 500㎛이하의 미분사를 10 : 90내지 80 : 20의 중량비율로 균일하게 혼합하는 단계와, 혼합물에 15 내지 25 중량%의 물을 첨가한 후 입경이 0.2 내지 0.7cm가 되도록 혼합물을 성형하는 단계와, 성형물을 200 내지 3OOC℃의 도에서 1내지 1.5시간 정도 건조시킨 후 500내지 1150℃로 소결하는 단계로 이루어지며, 성형물에는 1 내지 30 중량%의 산화아연(ZnO)분말, 산화구리(CuO), 산화티타늄(TiO₂), 산화은(AgO), 반토[Al₂(SO₄)₃.nHO₂], 활성탄 중 어느 하나가 첨가되는 것도 바람직하다.

Description

석회와 주물모래형틀로부터 생성되는 미분사를 이용한 세라믹성 제올라이트정화제 및 그 제조방법.

본 발명은 석회와 폐주물사를 이용한 세라믹성 제올라이트 정화제 및 그 제조방법에 관한 것이다.

석회는 특히 탄산칼슘(CaCO₃) 제조 또는 연마제의 제조공정 등에서 부산물로 발생되는 일종의 석분(石粉) 또는 제강 슬레그등의 산화칼슘(CaO, Ca(OH)₂, CaCO₃)을 중량비율로 10% 이상을 포함하는 물질(이하 "석회" 라 칭함)로서 현재 매림하고 있는 실정이다.

제철소 등 주물공장에서 발생되는 폐주물사의 집진분진은 그 일부를 소결 하여 식물성장 토양재료 재활용하고 있으나, 그 대부분은 재활용이 불가능한 미세한 입자상태(이하 "미분사"라 칭함)이기 때문에 그 대부분을 매립 등의 방법으로 폐기하고 있다.

그러나, 산업폐기물인 미분사를 매립하는 과정에서 과도한 매립비용이 발생될 뿐 아니라 매립의 장소에도 한계가 있으며, 또한 매립으로 인하여 주변환경에 많은 영향을 미치게 된다.

상술한 석회는 중량비율이 10% - 100% 인 산화칼슘(CaO, Ca(OH)₂, CaCO₃) 외 규소(SiO₂)로 주로 구성되어 있다.

상술한 미분사는 규소(SiO₂)와 알칼리 토금속들외 산화물로 구성되어 양질의 토양 치료제로 이용될 수 있으나, 이러한 미분사만을 소결한 세라믹 만으로는 녹조및 적조, 하수 등을 치유할 수 없는 문제점이 있다. 왜냐하면 미분사만을 소결하면 세라믹 성질만 나타냄으로 토양 개량제로 사용될 수 있으나, 수질을 정화하는 중요수단인 미세 오염물질 흡착능력 및 분해능력은 갖지 못한다.

그러나, 10% 이상의 산화칼슘을 함유하는 석회를 미분사에 혼합하여 소결하면 그 소결체가 20 중량% 이상의 제올라이트를 함유하게 되어 고돈도로 오염된 수질, 즉 수조 및 적조, 그리고 하수 및 축산폐수의 수질을 정화할 수 있다.

본 발명에 따른 세라믹성 제올라이트 정화제는 폐기 처분되고 있는 석회와 미분사를 혼합한 다공질 소결체의 세라믹인 환경정화제 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한 본 발명은 산업용수, 녹조 및 적조 치료제, 쓰레기침출수 및 하수 정화제, 토양 개량제, 축산분뇨 정화제, 식물성장토양, 광촉매에 의한 유해 화학물질 및 유기물질 분해제, 탈취제, 살균제, 향균효과에 의한 신선도 유지제로 사용될 수 있는 무균성 다공성 소결체의 세라믹성 제올라이트를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 석회와 미분사의 혼합비율에 따른 소결체 내 제올라이트의 중량비율을 나타낸 그래프이다.

도 2는 소결체내의 제올라이트 중량비율에 따른 녹조류 제거율을 나타낸 그래프이다.

본 발명에 따른 다공성 소결체의 세라믹 제조방법은 입자 크기가 700 ㎛이하인 석회와 500㎛이하의 미분사를 10:90 내지 80:20의 중량비율로 균일하게 혼합하는 단계와, 혼합물에 15 내지 25 중량%의 물을 첨가한 후 입경이 0.2 내지 0.7cm 되도록 혼합물을 성형하는 단계와, 성형물을 200 내지 300 ℃의 은도에서 약 1 내지 1.5 시간 건조시킨 후 500 내지 1150 ℃로 소결하는 단계로 이루어진다. 상기 성형물에는 1 내지 30 중량%의 산화아연(ZnO)분말, 산화구리(CuO), 산화티타늄(TiO₂), 반토[Al₂(SO₄)₃.nHO₂], 활성탄 중 어느 하나가 첨가되는 것도 사용 용도에 따라 바람직하다.

본 발명에서 입자크기 700㎛ 이하의 석회를 사용하는 것은 입자크기가 작을수록 소결시 반응 표면적이 증가되어 양질의 세라믹성 제출라이트 정화제로 제조될수 있기 때문이다. 입자크기가 700 ㎛ 초과하는 경우에는 반응표면적이 작기 때문에 세라믹 소결체는 가능하나 세라믹성 제올라이트 소결체로 제조되기 어렵게 된다.

입자크기 500 ㎛ 이하의 미분사를 사용하는 이유도 역시 동일하다.

석회 : 미분사의 사용비는 10:90 내지 80:20 의 중량비 범위내인 것이 좋다.석회의 중량비가 10 이상이 되어야 Ca성분이 포함된 제올라이트가 소결체 내에 생성되기 때문이다. 또한 석회의 중량비가 80 초과시에는 Ca가 포함된 제올라이트가 생성되지 않고 CaO가 생성되게 되어 수질정화시에 ph가 11 이상으로 증가되어 생태계에 악영향을 주게된다.

상기 석회와 미분사를 균질하게 혼합한다. 이는 소결시에 반응이 골고루 용이하게 일어나 균일한 세라믹성 제올라이트 물질을 얻기 위함이다.

혼합물에 15 내지 25 중량%의 물을 더한다. 물의 중량비가 15% 미만이 되면 성형물을 소결할 때 균열이 일어나 반응성이 떨어지고, 25% 초과시에는 성형후 입경크기 분포가 균일하지 않게 된다.

석회와 미분사의 혼합물에 물을 첨가하여 얻어진 재료를 입자크기 0.2 내지 0.7cm의 과립(granule)형태로 성형한다. 입자크기를 상기 범위로 하는 것은 소결시 반응성을 좋게 하여 세라믹성 제올라이트를 얻기 위함이다. 입경이 약 0.2cm 정도로 작을수록 소결시에 반응성이 좋으며, 0.7cm를 초과하게 되면 입자가 커서 반응열이 입자내부까지 전달되지 않아 반응성이 떨어져 세라믹성 제올라이트 소결체가 생성되지 않는다.

본 발명에서 성형을 수행하는 것은, 석회와 미분사 입자 간의 거리를 가깝게 함으로써 반응성을 증가시켜 반응시간을 줄이기 위한 것이며, 또한 낮은 소결온도에서도 소결체를 얻을 수 있고, 또한 수질여과제로 사용하여 사용후 회수가 용이하게 하기 위한 것이다.

다음에, 성형한 혼합물을 건조시킨다. 건조는 200 내지 300 ℃에서 1 내지 1.5 시간 동안 수행한다. 입경이 0.2cm인 성형물의 내부까지 건조에는 상기 온도에서 약 1시간이, 입경이 0.7cm인 성형물은 약 1.5시간이 소요된다. 건조온도가 300℃를 초과하면 원하지 않는 다른 세라믹 구조로 변하게 되므로 바람직하지 않다. 그리고 건조를 하지 않고 바로 온도를 상승시켜 소결을 수행하게 되면 소결체에 균열이 일어나 세라믹성 제올라이트 소결체가 합성되지 않고 세라믹 소결체가 합성되므로 하수물 등의 정화시에 효율이 떨어진다.

건조가 완결되면, 재료를 500 내지 1,150℃에서 소결시킨다. 500℃에서부터 반응이 시작되어 1,150℃ 이하에서 반응이 끝나며, 사용 용도에 따라 상기 온도범위내에서 소결온도를 조절할 수 있다. 1,150℃보다 고온에서는 수질을 정화할 수 있는 세라믹성 제올라이트 구조가 아닌 다른 세라믹 구조로 변형이 일어난다. 이러한 변형된 구조는 하수 등 물에서 제거해야하는 이온들을 용출시키지 못한다.

상기 성형단계와 건조단계 사이에, 1 내지 30 중량%의 산화아연(ZnO)분말, 산화구리(CuO), 산화티타늄(TiO₂),반토[Al₂(SO₄)₃.nHO₂], 활성탄 중 어느 하나를 첨가할 수 있다. 이들을 첨가하는 것은 수중 유기물을 광분해하는 성질을 더욱 보강하는 효과가 있다. 상기 첨가물의 중량비가 1% 미만이 되면 광촉매 역할이 미미하고, 30% 초과시에는 중금속의 일부가 물에 용출될 수 있어서 좋지 않다.

전술한 특성을 갖는 본 발명에 따른 세라믹성 제올라이트를 제조하기 위한미분사와 석회를 구성하는 각각의 성분비를 아래 표1 내지 표2에 나타내었다.

본 발명에 이용되는 미분사는 주물 모래형틀의 개방시에 다량으로 얻어지는 500㎛ 이하와 미세한 분말의 모래로서, 주물사로서의 기능을 수행할 수 없다.

상기 미분사의 구성성분 및 그 구성비율은 이하 표 1과 같다.

표 1의 구성성분 중 유기물질은 유기접촉제 수지 전분 및 탄소 등을 포함한다.

또한, 석회의 구성성분 및 구성성분의 비율은 표 2와 같다.

도 1은 석회와 미분사의 혼합물에서 석회의 중량비율에 따라 소정의 온도에서 소결된 세라믹성 제올라이트를 구성하는 성분 중 제올라이트의 중량비율을 도시한 그래프이다.

도시한 바와 같이 석회의 비율이 증가함에 따라 소결체내의 제올라이트 중량비율이 커짐을 알 수 있으며, 석회와 미분사의 혼합비율이 40 : 60 일 경우 소결체내의 성분 중 제올라이트의 중량비율이 가장 큰 값을 갖는다.

여기서 소결체의 기공율이 20% 이하인 경우에는 별도의 충진제를 첨가함으로써 20 내지 45%의 기공율을 갖는 소결체를 제조할 수 있다.

본 발명에 따라서 얻어지는 다공질 소결체 또는 이소결체를 분쇄한 분말세라믹성 제올라이트을 수조, 목늪, 호수, 하천, 바다해수 등지에 투입할 경우 수질을 개선할 수 가 있으며, 물을 흐르게 하거나 순환시켜 줌으로써 수질정화에 더욱 효과적이다.

결과적으로 소결체가 세라믹성 제올라이트로 제조되어야만 고농도로 오염된 수질을 정화시킬 수 있다.

석회가 첨가되지 않은 미분사만으로는 소결체의 제올라이트 성분이 적기 때문에 고농도로 오염된 수질, 즉 조류 및 쓰레기침출수, 축산폐수 등의 수질을 정화할 수 없다.

수질 정화제로서의 사용량은 정화하고자 하는 물의 수질에 따라 달라지며, 사용량이 많을수록 생물학적 산소요구량 및 화학적 산소요구량, 부유물량, 색도, 탁도, 등을 개선 할 수 있고, 수질의 PH를 약 알칼리로 조절할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 다공질 소결체인 세라믹으로부터 얻어지는 토양 개량제 또는 식물성장용 토양은 높은 강도, 우수한 기공성 그리고 우수한 기공으로 인한 흡습성 때문에 광물질분이 요구되는 잔디의 육성용, 가정의 화원용, 화분용 이외에 일반 농지의 토양에 배합하여 토양 대식으로 사용할 수 있다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하도록 한다.

제 1 실시예

본 발명의 제 1 실시예에 따른 다공질 소결체의 세라믹을 제조하는 공정은 다음과 같다.

입자의 크기가 700㎛이하인 석회와 200㎛ 이하의 미분사를 30 : 70의 중량비율로 균일하게 혼합한 후, 이 혼합물의 중량에 대해 20 중량%의 물을 첨가하여, 물이 첨가된 혼합물을 입경이 약 0.2 내지 0.7cm인 크기를 갖는 과립형태로 성형한다.

상기 성형물을 200 내지 300℃의 은도에서 1.5시간 동안 건조시킨 후, 전기로에서 500 내지 1150℃로 소결하여 다공성 세라믹성 제올라이트로 제조한다.

소결과정에서 미분사의 구성성분 중 SiO2 이외의 광물성분 일부가 용융되어 세라믹성 제올라이트 소결체가 합성되면서 기타 유기성분은 일부가 연소되어 없어진다.

이때, 얻어지는 소결체는 기공율이 10 내지 40 % 인 다공성이며, 4 내지 7kg(소결온도가 500℃인 경우) 또는 20kg 이상(소결온도가 800 내지 1150℃인 경우)의 압축강도를 갖는다.

따라서, 강도가 높고 기공성이 우수한 다공질성 소결체인 세라믹성 제올라이트를 얻을 수 있다.

실시예 2

본 발명의 제 2 실시예에 따른 다공질 소결체의 세라믹을 제조하는 공정은 다음과 같다.

먼저, 입자의 크기가 700㎛이하인 석회와 500㎛이하의 미분사를 80 : 20의 중량비율로 균일하게 혼합한 후, 이 혼합물에 20 중량%의 물을 첨가하고, 이 상태에서 입경이 0.2 내지 0.7cm가 되도록 혼합물을 성형한다.

이 성형물에 1 내지 30 중량%의 산화아연(ZnO)분말을 첨가시킨 후 200 내지 300℃의 온도에서 1시간 동안 건조시킨 후, 전기로에서 500 내지 1150℃로 소결하여 다공질 소결체 세라믹을 제조한다.

특히, 산화아연 분말을 혼합한 후 소결하여 얻어지는 다공질 소결체 세라믹은 유해 유기물질과 중금속 이온의 흡착 및 분해제, 공기 정화제, 탈취제, 촉매제의 기능을 수행하므로 정화능력을 향상시킬 수 있다.

상기 실시예에서 제조한 다공질 세라믹을 이용하여 적조(Ceratium Furca)가 포함된 바다의 해수를 정화한 결과를 설명하도록 한다.

표 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 다공질성 세라믹성 제올라이트를 이용하여 적조를 포함한 바다해수의 정화 결과를 나타낸 분석표이다.

상기 표 3은 대한민국의 포항 영일만에서 채취한 해수 50리터에 본 발명에 따라 제조된 세라믹 분말 50g을 넣어 30분 동안 정화시킨 결과를 나타낸 것이다.

표 4에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 다공질 세라믹성 제올라이트를 이용하여 해수를 30분동안 정화시켰을 경우 미분사만으로 제조된 세라믹을 이용하였을 때 보다 그 정화결과가 우수하게 나타났으며, 미분사 + 석회의 세라믹성 제올라이트인 경우는 30분 후에 적조류가 거의 소멸되었음을 알 수 있었다.

도 2는 소결체 내의 성분 중 제올라이트의 중량비율에 따른 적조류 또는 녹조류의 제거율을 나타낸 그래프이다.

상기 그래프의 조건은 녹조류 1ℓ 에 소결체 1g을 투입한 후 약 3시간이 경과한 후의 상태를 나타낸 것이다.

도시한 바와 같이, 소결체내에서 제올라이트의 중량비율의 값이 커질수록 녹조류의 제거율이 높다는 것을 알 수 있으며, 특히 제올라이트의 중량비율이 25 내지 40%일 경우 녹조류가 거의 제거되었음을 알 수 있다.

도 3은 석회 및 충진제를 미분사에 혼합한 세라믹성 제올라이트와 미분사 및 황토 세라믹을 가지고 축산뇨 중의 색소를 제거하는 실험을 하고 그 결과를 분광광도계로 측정하여 나타낸 그래프이다. 그래프에서 (가)는 직경 3mm 석회와 충진제를 미분사에 혼합한 세라믹성 제올라이트(본 발명), (나)는 직경 3mm 미분사 세라믹, (다)는 직경 3mm 황토 세라믹에 의한 실험결과이며, 그래프로부터 세라믹성 제올라이트가 세라믹보다 색소제거율이 우수한 것을 알 수 있다.

결과적으로, 석회를 첨가하면 조류(녹조 및 적조)를 소멸시킬 수 있는 제올라이트가 소결체내에서 생성되어 정화능력을 갖추게 되는 것이다.

석회와 유기물질이 함유된 미분사를 혼합하여 제조함으로써 얻어진 다공질 세라믹성 제올라이트는 제올라이트의 흡착작용, 분해작용과 미분사의 우수한 기공성에 의해 정화가 어려운 녹조 및 적조, 하수 등을 쉽게 정화할 수 있다. 또한 융점이 낮은 광물성분과 가연성의 유기물 기타 성분을 함유하는 미분사원료로 인하여 토양개량제, 수질정화제 식물성장용 토양, 유해 유기화합물의 분해 및 공기정화제로서 이용할 수 있다. 더욱, 본 발명에 따른 다공질 세라믹성 제올라이트는 환경친화제로 사용한 후 폐기물화되지 않고 다시 소결하여 재활용하고 최종적으로 토양치료제로 사용할 수 있으므로, 환경보전 및 개선에 효과적일 뿐 아니라 경제적으로도 큰 이점을 얻을 수 있다.

Claims (3)

1. 입자크기가 700㎛이하인 석회와 500㎛이하의 미분사를 10 : 90내지 80 : 20의 중량비율로 균일하게 혼합하는 단계와,

   혼합물에 15 내지 25 중량%의 물을 첨가한 후 입경이 0.2 내지 0.7cm가 되도록 혼합물을 성형하는 단계와,

   성형물을 200내지 300℃의 온도에서 1 내지 1.5시간 정도 건조시킨 후, 500내지 1150℃로 소결하는 단계

   로 이루어진 세라믹 제올라이트 정화제의 제조방법.
2. 제 1항에 있어서,

   성형물에는 1 내지 30 중량%의 산화아연(ZnO)분말, 산화구리(CuO), 산화티타늄(TiO₂), 산화은(AgO), 반토[Al₂(SO₄)₃,nHO₂],활성탄 중 어느 하나의 분말이 첨가되는 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제 1항 또는 제 2항 중 어느 한 항의 방법에 의해 제조된 다공질 세라믹성 제올라이트 정화제.