KR100419832B1

KR100419832B1 - 석분 폐슬러지를 이용한 건자재의 제조방법

Info

Publication number: KR100419832B1
Application number: KR10-2003-0059767A
Authority: KR
Inventors: 엄명주
Original assignee: (주)대동광업; 엄명주
Priority date: 2003-01-18
Filing date: 2003-08-28
Publication date: 2004-02-25
Also published as: KR20030024718A; KR20030074559A

Abstract

본 발명은 폐슬러지나 시멘트, 기타 혼화제 등을 전혀 혼합하지 않고, 채석장에서 발생되는 석분 폐슬러지만을 사용하여 자연 건조에 의해 수분을 제거하고, 성형시킨 다음 무기 안료를 사용하여 상감기법 또는 스프레이 방식에 의해 무늬를 채색한 후 80 내지 120℃의 온도로 약 5시간 동안 건조시킨 후 1,020 내지 1,120℃의 고온에서 소성시키는 것을 특징으로 하는 석분 폐슬러지를 이용한 건자재의 제조방법에 관한 것이다.

본 발명에 의하여 제조되어진 건자재는 다른 폐기물이나 시멘트, 기타 혼화제 등을 전혀 혼합하지 않기 때문에 암석 미분의 자연적인 질감을 그대로 느낄 수 있고, 압축강도, 비중, 흡수율 등과 같은 물성이 기존의 석분 폐슬러지와 제지 슬러지를 혼합시켜 제조한 건자재에 비해 매우 우수하다.

특히, 본 발명의 제조방법에 의하여 제조되어진 건자재는 표면에 중금속 등의 유해물질이 석출되지 않으므로 환경 친화적인 건자재일 뿐만 아니라 무기 안료를 사용하여 상감기법이나 스프레이 방식에 의해 무늬를 자유롭게 성형시킬 수있기 때문에 기존의 대리석이나 화강암보다 더욱 다양한 디자인을 표현할 수 있고, 또한 석분 폐슬러지만을 사용하여 건자재를 제조하기 때문에 사용 후 수거하여 다시 새로운 용도 또는 다른 디자인을 표현한 건자재를 제조하여 재활용할 수 있다는 장점이있다.

Description

석분 폐슬러지를 이용한 건자재의 제조방법{Method for manufacture of Building materials used of Stone dust Waste sludge}

본 발명은 채석장에서 발생되는 석분 폐슬러지를 이용한 건자재 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 다른 폐기물이나 시멘트, 기타 혼화제 등을 전혀 혼합하지 않고, 채석장에서 발생되는 석분 폐슬러지만을 사용하여 탈수 후 성형 건조시켜 고온에서 열처리한 것을 특징으로 하는 석분 폐슬러지를 이용한 건자재의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 폐기물을 이용한 건자재는 주로 폐수 슬러지, 제지 슬러지, 폐주물사 등을 주원료로 사용하여 제조하고 있으나 이러한 건자재의 제조 방법들은 이들 폐기물들을 단독으로 사용하지 못하고, 폐기물들을 서로 혼합하여 사용하거나 또는 이들 폐기물들에 시멘트, 세골재, 점토, 황토, 또는 화학약품 등을 혼합하여 건자재를 제조하고 있다.

상기와 같이 폐기물들을 이용한 특허 출원의 대표적인 예로는 대한민국 등록특허공보 10-0293771호에 폐기물과 시멘트 및 물을 혼합하여 벽돌을 제조하는 방법과 대한민국 공개특허공보 특1998-069145호에 제지 슬러지, 황토, 약쑥 등을 혼합하여 제조한 건축용 자재 등이 있으나 상기의 방법들에 의해 제조되어진 건자재들은 주원료인 폐기물 또는 제지 슬러지 등에 폐수처리 과정에서 제거되어진 중금속과 유해물질들이 다량 함유되어 있기 때문에 건자재의 표면에 중금속 등과 같은 유해물질이 석출될 우려가 있는 문제점이 있다.

그리고, 요즈음은 토목 또는 건축공사에서 사용되는 조골재와 세골재 등이 고갈됨에 따라 석산을 굴착하여 채취한 암석을 파쇄하여 골재를 얻는 과정에서 물을 사용하게 되며, 이때 석분과 물이 혼합된 석분 폐슬러지가 부산물로 대량 발생되는데, 이 석분 폐슬러지를 처리하는 가장 적절한 방법으로 매립하고 있으나 매립한 석분 폐슬러지가 건기에는 바람에 의해 먼지가 비산하여 대기를 오염시키고, 우기에는 빗물에 휩쓸려 하천에 유입되어 수질을 오염시키는 등의 문제점이 있었다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 방안으로, 하수 슬러지 또는 폐수 슬러지 등을 사용하지 아니하고, 채석장에서 자연적으로 발생되는 석분 폐슬러지를 이용한 건자재의 제조방법들이 개발되고 있으며, 특허 출원된 예로서 대한민국 공개특허공보 특1998-033801호에 석분 폐슬러지와 정수장 슬러지를 혼합하여 경량 골재를 제조하는 방법이 있으나 이것 역시 정수 처리과정에서 제거된 중금속과 같은 유해물질이 정수 슬러지에 다량 함유되어 있기 때문에 골재의 표면에 중금속 등이 석출될 우려가 있으며, 석분 폐슬러지와 시멘트를 혼합하여 건자재를 제조할 경우에도 석분 폐슬러지에 함유된 세골재의 표면에 미분이 부착되어 피막이 형성되어 있기 때문에 세골재와 시멘트의 접착을 방해하여 건자재의 강도가 저하되는 문제점이 있었다.

또 대한민국 공개특허공보 10-2001-0025565호는 암석미분 슬러지만을 이용한 역청 포장용 채움재 및 건자재원료 제조방법에 관한 것으로 특허 출원되었으나 역청 포장용 채움재는 골재의 대용품으로서, 아스팔트 도로 포장을 위한 역청 혼합물의 채움재로 사용하거나 또는 건자재의 제조시 시멘트, 모래 및 기타 다른 혼화제와 함께 혼합해서 사용해야 하는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명자는 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위한 방안으로 적정한 온도의 열을 가하여 소결시켜 연구 개발한 끝에, 다른 폐기물이나 시멘트, 기타 혼화제 등을 전혀 혼합하지 아니하고 중금속과 같은 유해물질이 함유되어 있지 않은 석분 폐슬러지만을 사용하여 친환경적인 건자재를 제조함으로써 본 발명을 완성하게 되었다.

본 발명은 석분 폐슬러지만을 사용하여 암석 미분의 자연적인 질감을 느낄 수 있는 건자재를 제조하는 것을 특징으로 하는 석분 폐슬러지를 이용한 건자재의 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.

본 발명의 또 목적은 다른 폐기물이나 시멘트, 기타 혼화제 등을 전혀 혼합하지 아니하고 중금속 등과 같은 유해물질이 함유되어 있지 않은 석분 폐슬러지만을 사용하여 탈수 후 성형 건조시켜 고온에서 열처리하여 환경 친화적인 건자재를 제조하는 것을 특징으로 하는 석분 폐슬러지를 이용한 건자재의 제조방법을 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 석분 폐슬러지만을 사용하여 고온으로 열처리함으로써, 기존 제품과 동등 또는 그 이상의 강도, 흡수율, 비중 등의 물성을 갖고, 상감기법에 의해 다양한 디자인을 구현할 수 있는 것을 특징으로 하는 석분 폐슬러지를 이용한 건자재의 제조방법을 제공함에 있다.

본 발명은 다른 폐기물이나 시멘트, 기타 혼화제 등을 전혀 혼합하지 않고, 채석장에서 발생되는 석분 폐슬러지만을 사용하여 탈수 후 성형 건조시켜 고온에서 열처리한 것을 특징으로 하는 석분 폐슬러지를 이용한 건자재의 제조방법에 관한 것이다.

본 발명은 석분 폐슬러지만을 이용하여 건자재를 제조하는 방법에 관한 것으로, 제조 방법을 각 공정별로 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

1) 전처리 공정

채석장에서 수거한 석분 폐슬러지를 150 내지 200 메쉬 표준체에 통과시켜 석분 폐슬러지에 섞여 있는 세골재와 이물질들을 걸러낸 후 뻘물 상태의 석분 폐슬러지를 필터프레스에서 걸러 발생되는 물은 정화처리과정을 거쳐 배출시키고, 남은 석분 폐슬러지를 회수한다.

2) 수분 제거 공정

석분 폐슬러지를 상온에서 약 3일간 자연 건조시켜 수분을 제거시키는데, 이때 성형 방법에 따라 석분 폐슬러지의 함수율을 조정해 주어야 한다. 수분 제거시에는 성형 방법에 따른 적정한 함수율을 맞추기가 어렵기 때문에 수분 제거 후에는 건조된 석분 폐슬러지에 일정량의 수분을 다시 가하여 함수율을 재조정하여야 한다.

건조시에는 상온에서 약 3일간 자연건조를 시키는데, 상기에서 규정한 진공스크류 성형 방식과 가압성형 방식의 함수율 조건에 정확히 맞출 수 없으므로 건조 후에는 건조된 석분 폐슬러지에 일정량의 수분을 가하여 상기의 함수율 조건에 맞게 석분 폐슬러지의 함수율을 다시 재조정하여야 한다.

수분 제거 공정시 함수율은 진공스크류성형 방식이 석분 폐슬러지가 진공 토련기에서 스크류에 의해 이송되기에 적합하도록 15 내지 20중량%로 조정하고, 그리고 가압성형 방식의 경우 석분 폐슬러지가 가압되는 동안에 성형틀에서 원하고자 하는 모양으로 잘 채워지고, 성형틀에서 떼어 냈을 때 성형된 형상을 계속하여 유지할 수 있도록 5 내지 10중량%로 조정하여야 하는데, 이러한 함수율은 손으로 꼭 쥐었을 때 석분 폐슬러지가 약간 뭉쳐질 정도이면 된다.

3) 성형 공정

진공스크류 성형은 진공토련기를 이용하여 벽돌을 성형하는 방법으로, 석분 폐슬러지를 금형을 통해 압출하면서 필요한 길이로 절단하여 원하는 모양을 만드는데, 이 성형 방법은 연속 조작과 대량 생산이 가능한 것이 장점이다. 그리고, 가압성형은 프레스를 이용하여 타일, 내화물, 보도블록, 건물 외장재 또는 토목자재 등을 성형하는 방법으로, 석분 폐슬러지의 함수율이 적으므로 치수가 정확하고 변형이 없는 물건을 만들 수 있는 것이 장점이다.

4) 채색 공정

문양을 성형하는 채색 방법에 따라 상감기법과 스프레이법으로 구분된다. 상감기법은 상기 공정에서 성형된 기물의 표면을 칼로 긁거나 각인으로 눌러 오목하게 한 다음 그 속에 색상이 다른 점토나 무기안료를 직접 메워 넣어 문양을 만든다. 이때 점토의 색상을 내기 위한 무기안료로서, 백색인 산화아연, 산화티탄, 적색인 벵갈라, 녹색인 산화크롬, 흑색인 카본블랙 등이 주로 사용된다. 그리고 스프레이법은 분사방식으로 원하는 색상을 스프레이 안료통에 담아서 원하는 형상으로 분사하면 자연스러운 느낌의 건자재를 얻을 수 있다. 이 방법은 부분분사방시과 전체분사방식이 있다.

5) 건조 공정

성형물을 바로 가마에서 열처리하면 성형물의 표면이 내부보다 빨리 마르게 되므로 제품의 외부와 내부의 수축 정도가 달라서 금이 가거나 이그러지는 것을 방지하기 위한 공정으로서, 컨베이어 벨트를 이용한 터널형 건조기를 사용하여 80 내지 120℃에서 약 5시간 동안 건조시킨다. 이때 건조된 성형물의 함수율은 2 중량% 이내가 된다.

6) 소성 공정

소성은 1,020 내지 1,120℃의 고온에서 열처리하는데, 소성 온도는 압축강도와 흡수율에 직접적인 영향을 주는 인자이다. 빨간색의 적별돌은 1,020 내지 1,100℃의 산화 방식 소성에 의해 제조하고, 색상이 어두운 브라운 색상과 같은 기와는 1,050 내지 1,120℃의 환원 방식 소성에 의해 제조한다. 바람직한 소성 시간은 가마의 길이에 따라 상이하나 터널식 가마나 단가마 모두 7시간 내지 10시간이다. 터널식 가마의 경우에는 가마 내에서 공급되는 불꽃의 위치에 따라 옆 소성(side firing), 밑 소성(under firing), 위 소성(overe firing)의 3 종류의 소성방식 중용도에 맞게 택일하여 선택하면 된다.

이하 본 발명을 하기의 실시예를 통하여 더욱 상세히 설명하고자 하며, 본 발명은 하기의 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.

먼저, 본 발명에 사용된 석분 폐슬러지를 성분 분석 결과는 다음 [표 1]과 같다.

[표 1]

시험항목	SiO₂	Al₂O₃	Fe₂O₃	CaO	MgO	K₂O	Na₂O	감량
함량(wt%)	64.1	16.1	4.88	2.18	0.54	4.77	2.54	4.20

상기 [표 1]의 시료는 경남 양산시에 소재한 채석장에서 채취한 석분 폐슬러지로서, 한국화학시험연구원에서 KS E 3806-93의 시험방법에 의해 시험한 결과이다. 주성분은 SiO₂, Al₂O₃등이며, 납, 카드뮴, 크롬, 구리 등과 같은 중금속은 함유되어 있지 않다.

(실시예 1)

폐슬러지나 시멘트 등을 전혀 혼합하지 않고, 채석장에서 발생되는 석분 폐슬러지만을 수거하여 200 메쉬 표준체에 통과시켜 석분 폐슬러지에 함유되어 있는 세골재와 이물질들을 걸러낸다. 그리고 상온에서 3일간 자연 건조시켜 수분을 제거시킨 후 석분 폐슬러지의 함수율을 15 내지 20 중량%로 조정하였다. 상기 석분 폐슬러지를 50mm 입방체의 성형 틀에 의해 성형시킨 후 80 내지 120℃에서 5 시간 동안 건조시킨다. 그리고, 단가마에서 1,050℃에서 7 시간 동안 산화 방식 소성에 의해 무늬가 없는 벽돌을 제조한다.

(실시예 2)

상기 실시예 1의 방법에 따라 1,050℃에서 7 시간 동안 환원 방식 소성에 의해 무늬가 없는 벽돌을 제조한다.

(실시예 3)

상기 실시예 1의 방법에 따라 석분 폐슬러지를 성형시킨 후 성형된 기물의 표면을 각인으로 눌러 오목하게 한 다음 그 속에 백색인 산화아연, 녹색인 산화크롬과 흑색인 카본블랙의 무기안료를 메워 넣어 상감기법에 의해 문양을 만든 후 상기 실시예 1의 방법에 따라 1,050℃에서 7 시간 동안 산화 방식 소성에 의해 무늬 벽돌을 제조한다.

(실시예 4)

상기 실시예 1의 방법에 따라 1,050℃에서 7 시간 동안 환원 방식 소성에 의해 무늬 벽돌을 제조한다.

(비교예 1)

석분 폐슬러지 65 중량%와 제지 슬러지 35 중량%를 혼합하여 상기 실시예 1의방법에 따라 1,050℃에서 7 시간 동안 산화 방식 소성에 의해 무늬가 없는 벽돌을 제조한다.

(비교예 2)

상기 비교예 1의 방법에 따라 1,050℃에서 7 시간 동안 환원 방식 소성에 의해 무늬가 없는 벽돌을 제조한다.

(비교예 3)

석분 폐슬러지 65 중량%와 제지 슬러지 35 중량%를 혼합하여 상기 실시예 2의 방법에 따라 1,050℃에서 7 시간 동안 산화 방식 소성에 의해 무늬 벽돌을 제조한다.

(비교예 4)

상기 비교예 3의 방법에 따라 1,050℃에서 7 시간 동안 환원 방식 소성에 의해 무늬 벽돌을 제조한다.

상기의 방법에 의해 제조한 실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지4의 벽돌을 시험한 결과는 다음 [표 2]와 같다.

[표 2]

구 분	실시예 1	실시예 2	실시예 3	실시예 4	비교예 1	비교예 2	비교예 3	비교예 4
압축강도(N/mm²)¹⁾	63.1	65.9	61.3	64.8	55.6	56.9	54.7	57.9
비 중²⁾	2.22	2.23	2.23	2.25	2.13	2.18	2.12	2.16
흡수율(%)²⁾	0.56	0.56	0.54	0.52	0.86	0.81	0.86	0.83

비고 : 1) KS L 5105-87의 시험방법에 따름.

2) KS F 2518-80의 시험방법에 따름.

상기 [표 2]의 시험결과는 건자재의 제조에 사용된 원자재와 소성 방법에 따라 물성의 차이가 있는데, 이들 시험항목을 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.

1) 압축강도

실시예 1 내지 4가 비교예 1 내지 4에 비해 압축강도가 높은 것을 알 수 있는데, 이는 실시예 1 내지 4는 순수하게 석분 폐 슬러지만을 사용하였고, 비교예 1 내지 4는 석분 폐슬러지와 함께 유기물이 다량 함유된 제지 슬러지를 혼합하여 사용하였기 때문이다. 그리고, 소성 방법에 따라 환원 방식을 채택한 실시예 2, 4 및 비교예 2, 4가 산화 방식을 채택한 실시예 1, 3 및 비교예 1, 3에 비해 압축강도가 높다는 것을 알 수 있다.

2) 비중

건자재의 비중은 표면 건조 포화상태(표건상태)의 비중을 말하는데, 비중은 석분 폐슬러지의 질과 풍화의 정도 등에 따라 정해진다. 실시예 1 내지 4는 비교예 1 내지 4에 비해 비중이 큰데, 비중이 큰 것은 조직이 치밀하고 공극이 작아서 흡수율이 적으므로 동결에 의한 손실이 적고 내구성이 좋기 때문이다.

3) 흡수율

흡수율은 절대건조 상태에서 포화상태가 될 때까지 흡수하는 수량을 흡수량이라 하는데 흡수율은 낮아야 좋으며, 흡수율이 높은 건자재는 안정성을 저하시켜 내구성과 강도에 나쁜 영향을 미치고, 내부로 비가 스며들거나 동파될 우려가 있다. 실시예 1 내지 4의 흡수율은 0.52 내지 0.56으로 비교예 1 내지 4의 0.81 내지 0.86에 비해 다소 흡수율이 다소 높은 것을 알 수 있다. 그리고 소성 온도에 따라 1,200℃의 열처리를 하는 환원 방식을 채택한 실시예 2, 4 및 비교예 2, 4가 1,100℃의 열처리를 하는 산화 방식을 채택한 실시예 1, 3 및 비교예 1, 3에 비해 흡수율이 낮다는 것을 알 수 있다.

상기 [표 2]의 시험 결과와 같이, 비교예 1 내지 4는 석분 폐슬러지와 함께 유기물이 다량 함유된 제지 슬러지를 혼합하여 사용함에 따라 소성시 유기물질이 탄화되어 많은 기공들이 발생되기 때문에 실시예 1 내지 4에 비해 압축강도와 비중은 낮아지나 많은 기공에 의해 흡수율은 높아진다는 것을 알 수 있다.

그리고 건자재 표면을 상감기법에 의해 채식한 실시예 3, 4 및 비교예 3, 4의 무늬 벽돌은 각인으로 눌러 오목하게 한 다음 메워 넣은 백색, 녹색, 흑색의 문양들이 선명하게 입체감을 나타내었다.

본 발명에 의하여 제조되어진 건자재는 다른 폐기물이나 시멘트, 기타 혼화제 등을 전혀 혼합하지 않기 때문에 암석 미분의 자연적인 질감을 그대로 느낄 수 있고, 압축강도, 비중, 흡수율 등과 같은 물성이 기존의 석분 폐슬러지와 제지 슬러지를 혼합시켜 제조한 건자재에 비해 매우 우수하며 표면의 질감과 문양을 조화시켜 한국 고유의 전통미가 강조된 건자재를 생산하여 공급할 수 있다.

특히, 본 발명의 제조방법에 의하여 제조되어진 건자재는 표면에 중금속 등의 유해물질이 석출되지 않으므로 환경 친화적인 건자재일 뿐만 아니라 무기 안료를 사용하여 상감기법이나 스프레이 방식에 의해 무늬를 자유롭게 성형시킬 수있기 때문에 기존의 대리석이나 화강암보다 더욱 다양한 디자인을 표현할 수 있고, 또한 석분 폐슬러지만을 사용하여 건자재를 제조하기 때문에 사용 후 수거하여 다시 새로운 용도 또는 다른 디자인을 표현한 건자재를 제조하여 재활용할 수 있다는 장점이 있다.

Claims

150 내지 200 메쉬 표준체를 통과시킨 석분 폐슬러지를 함수율이 15 내지 20 중량%가 될 때까지 자연 건조시켜 수분을 제거한 후 진공스크류 성형 방식에 의해 성형시킨 다음 상감기법으로 무늬를 채색하여 80 내지 120℃의 온도에서 약 5시간 동안 건조한 후 1,020 내지 1,120℃의 고온 가마에서 7시간 내지 10시간 동안 소성시키는 것을 특징으로 하는 석분 폐슬러지를 이용한 건자재의 제조방법.

150 내지 200 메쉬 표준체를 통과시킨 석분 폐슬러지를 함수율이 5 내지 10 중량%가 될 때까지 자연 건조시켜 수분을 제거한 후 가압성형 방식에 의해 성형시킨 다음 상감기법으로 무늬를 채색하여 80 내지 120℃의 온도에서 약 5시간 동안 건조한 후 1,020 내지 1,120℃의 고온 가마에서 7시간 내지 10시간 동안 소성시키는 것을 특징으로 하는 석분 폐슬러지를 이용한 건자재의 제조방법.

청구항 제 1항 또는 제2항에 있어서, 무늬 채색은 상감기법 대신 스프레이법을 채택하는 것을 특징으로 하는 석분 폐슬러지를 이용한 건자재의 제조방법.

청구항 제 1항 또는 제2항에 있어서, 터널식 가마는 가마 내에서 공급되는 불꽃의 위치에 따라 옆 소성, 밑 소성, 위 소성의 3 종류의 소성방식 중 용도에 맞게 택일하여 선택하는 것을 특징으로 하는 석분 폐슬러지를 이용한 건자재의 제조방법.