KR100567422B1 - 수질정화용 다공성 소결골재의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 황토를 소결하여 수질정화용 여재로 사용토록 한 다공성 소결 골재의 제조방법에 관한 것으로, 특히 휘발성 물질을 미세 기공의 형성 매체로 사용하여 휘발 성분이 증발되면서 무수히 많은 미세 기공을 형성시킬 수 있도록 하는 간단한 제조방법으로 우수한 흡착력을 제공할 수 있는 골재를 제공토록 한 것이다.

또한 흡착력의 배가 및 경량화를 위하여 숯을 첨가함으로서 건물옥상의 녹화를 위한 식물의 식재여재로 사용할 수 있도록 한 것이다.

다공성 골재, 휘발성 물질, 황토, 규산나트륨

Description

수질정화용 다공성 소결골재의 제조방법{A manufacturing method of a porous aggregate to purify a water}

본 발명은 황토를 소결하여 수질정화용 여재로 사용토록 한 다공성 소결 골재의 제조방법에 관한 것으로, 기공의 형성 매체로서 휘발성 물질을 사용하여 휘발 성분의 증발 시 무수히 많은 미세 기공을 형성시킬 수 있도록 하여 간단하고 저렴한 제조 단가로 우수한 흡착력을 갖는 다공성 골재를 제공토록 한 것이다.

또한 경량화로 건물옥상의 녹화를 위한 식물의 식재 여재로 사용할 수 있도록 한 것이다.

현재 이러한 용도로 사용되고 있는 다공성 소결 골재는 미생물의 서식 조건이 우수한 황토를 소결하여 많은 기공이 형성토록 한 것으로서, 이러한 다공성 골재는 단위 면적 당 제공되는 표면적이 커서 미생물 부착 및 오염물질의 흡착을 이용한 수질정화시설에서 수질정화용 여재로 사용하거나 식물을 이용한 수질정화시설에서 식물의 식재 여재로 사용되고 있다.

따라서 이러한 다공성 골재는 기공의 형성 수량이 수질정화효율에 가장 중요한 요인으로서 작용되고 있는 것으로서, 종래에는 황토에 톱밥이나 우드칩을 혼합 하여 소성 시 톱밥이나 우드침이 들어 있던 공간에 기공이 형성되는 방식으로 소결시켜 제조토록 하였던 것으로, 이러한 방법은 700 ~ 850℃의 적정 소성 온도에서 소성시킬 경우 기공의 형성을 위하여 혼합시킨 톱밥이나 우드칩의 입자가 커서 골재 내부의 결합력이 약해지기 때문에 작은 충격에도 쉽게 부서지게 되는 문제점이 있는 것이다.

따라서 소성 온도를 1000℃이상의 고온 상태로 유지시켜 입자 간의 결합력을 높일 수 있도록 함으로서 강도를 높이도록 하고 있으나, 이것은 결국 열원의 소비량 증가로 제조단가를 크게 상승시키게 되는 것이고, 또한 골재의 소성온도가 950℃이상이면 황토 성분 중의 규산이 녹아 골재 표면을 덮어버리기 때문에 기공률이 오히려 낮아지게 되는 문제점이 있는 것이다.

따라서 폐각분, 제올라이트, 게르마늄 등 여러가지 첨가물을 혼합하여 소결하는 방식이 제안되고 있으나, 첨가물 혼합에 따라 수반되어야 할 공정의 추가 및 비용 상승으로 경제성이 없는 것이다.

따라서 본 발명은 강한 휘발성 물질을 황토에 혼합시켜 700 ~ 850℃의 적정 소성 온도에서 소결시켜 소성 시 증발되는 휘발성 성분에 의하여 기공이 형성토록 함으로서 종래보다 제조단가는 저렴하면서도 많은 수량의 미세 기공과 적정 강도가 유지되는 다공성 소결 골재를 제공할 수 있도록 하고자 함이다.

본 발명의 다공성 소결 골재는 골재의 주 원료로서 황토를 수집하여 준비하 고, 준비된 황토에는 휘발성 물질을 기공의 형성 매체로 혼합하여 원하는 크기와 형태로 성형한 후, 성형된 골재를 입자 간의 결합력 증진을 위하여 건조시킨 후, 700 ~ 850℃의 온도에서 30분 ~ 60분 동안 소성시켜 증발되는 휘발성 성분에 의하여 무수히 많은 미세 기공이 형성토록 소결토록 한 것이다.

이때 상기 골재의 성형은 볼 형태로 형성시켜 우수한 강도를 얻을 수 있도록 하여도 가능하고, 압출 성형 방식을 사용하여 내부에 형성되는 기공이 외부와 통할 수 있도록 하여 우수한 흡착 효과를 얻을 수 있도록 하여도 가능한 것이다.

또한 수집된 황토는 자연 건조시키거나 강제로 건조시켜 자체 수분을 제거시킨 후 채분리 공정을 통하여 입자를 균일한 크기로 분리하여 준비하여야 하는 것으로, 이러한 채분리 공정은 수집된 황토와 섞여 있는 불순물을 제거할 수 있고, 황토를 균일한 입자로 준비하여 입자별 적정 소성 온도를 선택하여 소결할 수 있도록 함으로서 강도와 경제성 모두를 고려할 수 있는 것이다.

즉, 입자가 다른 2개의 골재를 동일한 온도에서 소성을 할 경우, 입자가 작은 골재의 강도가 더 강해지는 것으로, 본 발명에서는 강도와 경제성 모두를 고려하여, 200 ~ 300 메쉬(mesh)의 입자 크기의 황토를 준비하도록 한다.

이때 채분리된 황토에는 소결 시 황토 입자 간의 점성 부족으로 인한 응집력의 저하로 강도가 약해질 수 있는 문제점의 해결을 위하여 물을 황토의 중량 대비 40% ∼ 50% 첨가하여 함수율을 조정하도록 하는 것이다.

이후, 적정 함수율이 유지된 황토에 혼합되는 휘발성 물질은 강한 휘발성 물질을 사용할수록 증발되는 휘발 성분이 많아 미세 기공이 많아지게 되는 것으로, 본 발명에서는 메탄올을 실시예로 사용하였고, 이때 메탄올은 독성이 있으나 소성 시 휘발되어 골재 자체에는 남아 있지 않게 됨으로서 위험성이 없으며, 소성 과정에서 휘발되는 메탄올은 별도의 집진장치로 수거하여 대기 중으로의 무단 배출을 방지할 수 있도록 하는 것이다.

이때 상기 황토에 혼합되는 휘발성 물질은 혼합되는 양이 많을 수록 기공을 많이 형성시킬 수 있는 것이나, 기공 형성에 따라 미약하나마 약해질 수 있는 강도를 고려하여 준비된 황토의 중량 대비 10% ~ 20% 정도를 혼합시키는 것이 적정하다.

이때 상기 휘발성 물질은 혼합되는 양이 10% 이하에서는 기공 형성이 작고, 20% 이상에서는 미약하나마 강도가 약해질 수 있는 것이다.

또한 상기 황토와 휘발성 물질의 혼합물에는 숯을 기능성 첨가제로 혼합시켜 숯 자체가 가지고 있는 다양한 효과를 부가적으로 얻을 수 있도록 할 수 있는 것이다.

이때 숯은 자체적인 기공 형성에 의하여 표면적이 일반숯에 비하여 탁월히 높은 대나무숯을 사용하는 것이 우수한 효율을 얻을 수 있는 것으로, 높은 흡착력으로 악취와 독성성분을 제거할 수 있고, 높은 살균력으로 소독효과를 부가적으로 얻을 수 있는 것이고, 특히 부영양화의 원인이 되는 인 제거에 우수한 효과를 얻을 수 있는 것이다.

또한 상기 혼합물에는 많은 기공 형성에 의하여 약해질 수 있는 강도의 보강을 위하여 규산나트륨(sodium silicate solution)이나 고령토(kaolin) 등의 보강재 를 혼합물의 중량 대비 5% ~ 10% 정도 혼합하는 것이 보다 우수한 품질의 골재를 제공할 수 있는 것이고, 이중 규산나트륨이 저렴한 단가로 구입할 수 있어 경제적이다.

또한 성형된 골재의 건조는 건조시간이 길수록 혼합물의 입자 간 결합력이 좋아져 강도를 높일 수 있는 것으로, 자연건조의 경우 24시간이상 시키는 것이 좋다.

이하에서는 동일한 소성온도(750℃)와 소성시간(45분)을 소결 조건으로 하여 종래의 방식으로 제조된 일반 다공성 골재와 본 발명의 다공성 골재에 대한 물리적 특성을 비교하면 다음과 같다.

(1) 휘발성 물질 첨가에 따른 기공 및 강도의 비교

구성성분(무게비율)	압축강도(Kgf)	기공율(%)
황토 + 메탄올	17.05	35.6
황토 + 우드칩	15.72	29.5

상기 비교표에 의하면, 동일 소결 조건 하에서 우드칩을 혼합할 경우보다 휘발성 물질(메탄올)을 혼합시켜 소결시킨 골재가 기공은 물론 강도 면에서 높다는 것을 확인할 수 있다.

(2) 휘발성 물질 첨가량에 따른 기공 및 강도의 비교

구성성분(무게비율) (단, 황토는 함수율이 45% 유지된 상태)	기공율(%)	압축강도(Kgf)
황토(100%)	29.5	17.72
황토(90%) + 메탄올(10%)	32.2	17.22
황토(85%) + 메탄올(15%)	35.6	17.05
황토(80%) + 메탄올(20%)	36.5	16.85

상기 비교표에 의하면, 황토에 휘발성물질(메탄올)을 혼합시킬 경우, 휘발성 물질 첨가량이 많을수록 기공율이 높으나, 메탄올이 20 %이상일 경우에는 강도가 약간 저하되기 때문에 기공율과 강도 모두를 고려해 볼 때 휘발성물질의 첨가량은 10 ∼ 20%로 하는 것이 우수한 품질을 얻을 수 있는 것이다..

(3)보강재에 첨가에 따른 기공 및 강도 변화

구성성분(무게비율) (단 ,황토는 함수율이 45% 유지된 상태)	압축강도(Kgf)	기공율(%)
황토(85%) + 메탄올(15%)	17.05	35.6
[황토(85%)+메탄올(15%)](95%) + 규산나트륨(5%)	20.65	33.47
[황토(85%)+메탄올(15%)](90%) + 규산나트륨(10%)	22.72	30.4

상기 비교표에 의하면, 강도와 기공율 모두를 고려할 때 보강재(규산나트륨)를 5 ∼ 10% 첨가할 경우가 우수한 품질을 얻을 수 있는 것이다.

(4) 대나무 숯 첨가에 따른 인 제거율

구성성분(무게비율)	시 간	인 제거율(%)	비 고
황토(100)	24	13.7
황토(99.9) + 대나무 숯(0.1)	24	25.8
황토(99.5) + 대나무 숯(0.5)	24	42.4
황토(99.0) + 대나무 숯(1.0)	24	65.2

상기 비교표에 의하면, 황토에 대나무 숯을 혼합시켜 소결할 경우, 혼합되는 양이 증가될수록 인 제거율이 높아짐을 확인할 수 있다.

이하에서는, 일반 골재와 본 발명의 다공성 소결 골재의 내부 사진을 나타내었다.

[그림1] 본 발명 골재의 내부 사진 확대도(150배 확대)

[그림2] 일반 골재의 내부 사진 확대도(150배 확대)

상기 그림1, 2를 비교해 보면, 본 발명의 골재에 더 많은 미세한 기공이 형성되어 있음을 확인할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 제조방법으로 제조된 골재는 소성 시 휘발성 물질의 증발에 의하여 기공이 형성토록 함으로서 종래에 입자성 물질을 소성시켜 기공이 형성토록 한 방법보다 동일한 소성온도 및 시간에서 더 미세한 기공을 더 많이 형성시킬 수 있음은 물론 더 우수한 강도를 유지할 수 있게 되는 것이다.

본 발명의 제조방법으로 제조된 다공성 소결 골재는 통상의 골재 소성 온도를 유지하면서도 우수한 강도를 유지할 수 있어 저 단가로 고 품질의 골재 생산이 가능하게 되는 것이다.

따라서 수질정화용 여재로 사용할 경우, 수질정화를 위하여 소요되는 비용을 절감시킬 수 있고, 또한 미세 기공의 형성으로 경량화가 가능하여 건물 옥상의 녹화를 위한 식물의 식재여재로 사용할 수 있는 것이다.

Claims (4)

1. 황토에 황토의 중량대비 10%~20%의 메탄올을 혼합하여 원하는 크기와 형태로 성형한 후, 성형된 골재를 건조시켜 700 ∼ 850℃의 온도에서 30분 ∼ 60분 동안 소성시켜 휘발성 물질의 증발에 의하여 미세 기공이 형성토록 소결시키는 것이 특징인 수질정화용 다공성 소결골재의 제조방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 황토는 200 ∼ 300메쉬의 입자 크기로 채 분리하여 사용함을 특징으로 하는 수질정화용 다공성 소결골재의 제조방법.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 황토와 메탄올의 혼합물에는 강도이 보강을 위하여 혼합물의 중량대비 5%~10%의 규산나트륨을 혼합시켜 성형함을 특징으로 하는 수질정화용 다공성 소결골재의 제조방법
4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 황토와 메탄올의 혼합물에는 혼합물의 중량대비 0.1%~1%의 대나무 숯을 기능성 첨가제로 혼합시켜 성형함을 특징으로 하는 수질정화용 다공성 소결 골재의 다공성 소결골재의 제조방법.