KR100582648B1 - 유무기 복합체의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
축산 폐수 처리제, 퇴비, 복토재, 흡착제, 경량골재 등의 용도로 사용될 수 있는 유무기 복합체를 폐수 슬러지 등을 이용하여 제조하는 방법이 개시된다. 상기 유무기 복합체의 제조방법은 (a) 충진제, (b) 페놀 수지, 염화비닐수지, 폴리에텔렌, 폴리프로필렌 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 유기 첨가제, 및 (c) 고령석, CaO, 슬래그, 폐석고, 물유리, 해포석, 규해석, 비석, 벤토나이트 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 무기 첨가제를 혼합하는 단계; 및 상기 혼합물을 비산소 분위기 및 100 내지 700℃에서, 10분 내지 3시간 동안 가열하여, 유기물을 탄화시키는 단계를 포함하는 유무기 복합체의 제조 방법을 제공한다. 여기서, 상기 충진제는 건조된 정수장 슬러지, 건조된 하수 슬러지 및 소각재로 이루어진 군으로부터 선택되는 것이 바람직하다.
축산 폐수 처리제, 퇴비, 복토재, 유무기 복합체, 충진제, 유기 첨가제, 무기 첨가제, 정수장 슬러지
Description
도 1은 본 발명에 따른 유무기 복합체의 제조방법을 설명하기 위한 흐름도.
본 발명은 유무기 복합체의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 축산 폐수 처리제, 퇴비, 복토재, 흡착제, 경량골재 등의 용도로 사용될 수 있는 유무기 복합체를 폐수 슬러지 등을 이용하여 제조하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로 유기성 폐기물은 소각하여 무해화할 수 있으나, 무기성 폐기물은 열분해가 어려우므로, 고형화처리, 매립 등의 방법을 이용하여 주위환경으로부터 차단함으로서, 환경오염을 방지하는 방법이 사용되고 있다. 유기성 폐기물의 함량이 많은 하수 슬러지의 경우에는, (1) 건조시켜 매립하는 방법, (2) 퇴비화시켜 토양 개량재 또는 녹농지 비료로 사용하는 방법, (3) 고화시켜 쓰레기 매립장용 복토 재로 사용하는 방법, (4) 소각 후, 매립하거나, 벽돌, 시멘트 원료 등 건설자재로 재활용하는 방법, (5) 용융시켜 로반재, 경량골재, 블록 등의 건설자재로 사용하는 방법, (6) 열분해하여 가스, 오일, 차르의 제조에 사용하는 방법 등의 다양한 방법으로 처리할 수 있으나, 통상 바람직한 물성을 가지는 제품을 얻기 어려우므로 소각하거나 매립하는 방법이 주로 사용되고 있다. 예를 들면, 축산 폐수 슬러지나 그 부산물에 왕겨 또는 야자나무 톱밥을 혼합하여, 퇴비로 사용하는 방법이 알려져 있으나, 왕겨의 경우 축산 폐수의 수분 흡수율이 낮아 퇴비용으로 사용이 곤란하고, 야자나무의 경우 수분 흡수율은 우수하지만, 썩지 않아 냄새가 많이 발생하는 단점이 있다. 또한, 환경 관련법이 강화됨에 따라 소각, 매립 등의 방법을 대체할 수 있는 적절한 처리방법의 개발이 요망되고 있다.
한편, 정수장에서 발생하는 슬러지는 하수 슬러지와는 달리 유해물 및 유기물의 함량이 낮고, 점토와 유사한 성상을 가지고 있으므로, 기와, 벽돌 등의 건축용 소재로 가공하는 방법이 연구되고 있다. 건조된 정수장 슬러지는, 지역과 계절에 따라 그 성분에 차이가 있을 수 있으나, 약 40중량%의 유기물과 약 60중량%의 무기물로 구성되어 있으며, 무기물의 주성분은 주로 SiO2와 Al2O3이다. 이와 같은 정수장 슬러지는 냄새, 유기물 함유량, 중금속 함유량 등의 면에서 하수 슬러지보다 우수하지만, 약 40중량%의 유기물을 함유하므로 현재까지 복토재로서의 실용적인 용도 개발이 이루어지지 못하고 있다. 또한, 정수장 슬러지를 단순히 고화시켜 경량 골재를 제조한 경우에도, 제조된 경량 골재의 강도 등 품질이 바람직하지 못하고, 사용 가능한 크기로의 성형이 곤란한 단점이 있다.
따라서 본 발명의 목적은 축산 폐수 처리제, 퇴비, 복토재, 흡착제, 경량골재 등의 용도로 사용될 수 있는 유무기 복합체를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 온도, 압력 등 처리 조건을 조절하여, 입자 크기 및 강도를 제어할 수 있는 이용한 유무기 복합체의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 비표면적 및 수분 흡수율이 높고, pH가 낮아 유기물을 용이하게 발효시킬 수 있는 유무기 복합체의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 정수장 슬러지를 경제적, 친환경적으로 재활용할 수 있는 유무기 복합체의 제조방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 (a) 충진제, (b) 페놀 수지, 염화비닐수지, 폴리에텔렌, 폴리프로필렌 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 유기 첨가제, 및 (c) 고령석, CaO, 슬래그, 폐석고, 물유리, 해포석, 규해석, 비석, 밴토나이트, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 무기 첨가제를 혼합하는 단계; 및 상기 혼합물을 비산소 분위기 및 100 내지 700℃에서, 10분 내지 3시간 동안 가열하여, 유기물을 탄화시키는 단계를 포함하는 유무기 복합체의 제조 방법을 제공한다. 여기서, 상기 충진제는 건조된 정수장 슬러지, 건조된 하수 슬러지 및 소각재로 이루어진 군으로부터 선택되는 것이 바람직하다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 따른 유무기 복합체의 제조방법을 설명하기 위한 흐름도이다. 도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따라 유무기 복합체를 제조하기 위해서는, 먼저, 충진제를 준비하여야 한다. 상기 충진제로는 정수장 슬러지 및/또는 하수 슬러지를 건조시켜 얻거나, 소각재를 사용할 있으며, 유기물의 함량이 적은 정수장 슬러지를 건조시켜 사용하는 것이 바람직하다. 정수장 슬러지를 이용하여 충진제를 얻기 위해서는, 탈수된 케이크(cake) 상태의 정수장 슬러지를 100 내지 700℃, 바람직하게는 100 내지 300℃에서 10분 내지 2시간, 바람직하게는 10분 내지 60분 동안 가열하여 건조시킨다(단계 S 10). 여기서 상기 정수장 슬러지의 가열 온도가 100℃ 미만이거나, 가열 시간이 10분 미만인 경우에는 정수장 슬러지가 충분히 건조되지 않을 우려가 있으며, 가열 온도가 700℃를 초과하거나, 가열 시간이 2시간을 초과하면 비경제적이고 무기물 분해가 일어날 뿐 만 아니라, 기공이 없어지거나 작아져 비표면적이 감소하는 문제가 있다.
다음으로 건조된 정수장 슬러지 등의 충진제 100중량부에 대하여 유무기 첨 가제 10 내지 50중량부를 혼합한 다음(단계 S 12), 이를 교반하면서, 비산소 분위기, 바람직하게는 산소 함량 15부피% 미만의 분위기, 더욱 바람직하게는 질소 분위기에서 100 내지 700℃, 바람직하게는 150 내지 300℃에서, 10분 내지 3시간, 바람직하게는 10분 내지 2시간 동안 가열하여, 유기물을 탄화시킴으로서, 정수장 슬러지를 활성화시킨다(단계 S 14). 여기서 상기 활성화 공정은 충진제를 수열 양생하고 건조시켜 수행될 수도 있으며, 상기 활성화 공정의 가열 온도 및 시간이 각각 100℃ 및 10분 미만인 경우에는 충분한 기공형성이 어려워서 비표면적이 감소되는 문제가 있으며, 각각 700℃ 및 3시간을 초과하는 경우에는 무기물이 분해되거나, 형성된 기공이 감소하는 문제가 있다. 여기서 상기 유무기 첨가제에 포함되는 유기 첨가제로는 페놀 수지, 염화비닐수지, 폴리에텔렌, 폴리프로필렌 이들의 혼합물 등을 사용할 수 있으며, 상기 유무기 첨가제에 포함되는 무기 첨가제로는 고령석(kaolinite), CaO, 슬래그, 폐석고, 물유리, 해포석, 규해석, 비석, 벤토나이트 이들의 혼합물 등을 사용할 수 있다. 또한 상기 유무기 첨가제에 있어서, 유기 첨가제의 함량은 50 내지 80중량%이고, 상기 무기 첨가제의 함량은 20 중량% 내지 50 중량%인 것이 바람직하다. 여기서 상기 유기 첨가제의 함량이 50중량% 미만이면, 기공형성이 불충분하고, 무기물들 간의 결합력이 작아지는 문제가 있고, 80중량%를 초과하여도 특별한 추가적인 효과를 얻기 어렵고, 경제적으로 불리할 뿐이다. 또한 상기 유무기 첨가제의 총량이 충진제 100중량부에 대하여 10중량부 미만인 경우에는 입자들 간의 결합력이 감소되는 문제가 있고, 50중량부를 초과하는 경우에는 pH가 상승하는 문제가 있다.
이와 같이 탄화된 유무기 복합체는 분쇄되어 분말 상태로 성형되거나, 소정 형상의 성형틀에 넣어 압력을 가함으로서 펠렛 상태로 성형된다(단계 S 16). 분말 상태로 성형된 유무기 복합체는 축산 폐수 처리용으로 유용하며, 펠렛 상태로 성형된 유무기 복합체는 복토재용으로 유용하다. 상기 분말 상태 유무기 복합체는 비표면적이 넓고, 수분 흡수율이 높아 활성 탄소 기능을 가지며, 축산 폐수와 혼합될 경우에도 폐수의 뭉침을 방지할 수 있으므로, 폐수 처리 작업이 용이할 뿐 만 아니라, 암모니아성 질소를 흡착하여 악취를 감소시킬 수 있다. 또한, 본 발명에 따라 제조된 분말 상태 유무기 복합체는 pH가 낮아, 강염기의 축산 폐수를 중성화시키고, 축산 폐수를 용이하게 발효시킬 수 있으므로, 퇴비로 용이하게 재활용될 수 있다. 이와 같이 본 발명에 따라 제조된 유무기 복합체를 이용하여 퇴비를 제조할 경우, 유무기 복합체의 사용량은 축산 폐수 100중량부에 대하여 통상 10 내지 60중량부인 것이 바람직하고, 축산 폐수 및 유무기 복합체 혼합물의 pH가 5 내지 10이 되도록 하면 축산 폐수의 발효를 촉진시키므로 더욱 바람직하다.
상기 유무기 복합체를 복토재로 사용하는 경우에도, 상기 유무기 복합체가 암모니아성 질소 등 쓰레기 매립장의 냄새 유발 물질을 흡착하는 흡착제 기능을 할 뿐만 아니라, 펠렛 상태의 유무기 복합체가 복토재로서 필요한 충분한 강도를 가진다. 이 경우 상기 유무기 복합체는 5 내지 8의 pH값을 가지도록 제조되는 것이 바람직하다. 또한 본 발명에 따른 유무기 복합체를 산소분위기, 바람직하게는 대기 중에서, 300 내지 1250℃에서 10분 내지 120분 동안 열처리하고 분쇄하면(단계 S 18), 강도가 우수한 경량골재를 얻을 수 있으며, 이와 같은 경량 골재는 4 내지 10mm의 크기를 가지는 것이 바람직하다. 이때 상기 열처리는 회전로에서 수행되는 것이 바람직하며, 상기 열처리 온도는 입자가 엉겨 붙지 않아, 입자의 크기가 10mm 이하가 되도록 조절되는 것이 바람직하다. 이와 같이 경량 골재를 제조할 경우에는 상기 활성화 공정을 생략할 수도 있으며, 본 발명에 따라 제조된 유무기 복합체는 퇴비 또는 복토재로 사용된 후, 다시 상기 활성화 공정을 거침으로서 재활용될 수도 있다.
본 발명에 따른 유무기 복합체는 무기 첨가제로서 슬래그, 폐석고 등의 산업부산물을 사용할 수 있으므로, 폐자원을 효율적, 친환경적으로 재활용할 수 있을 뿐 만 아니라, 정수장 슬러지 처리비용을 감소시킬 수 있다. 또한 본 발명에 따른 유무기 복합체는 복토재로 통상 사용되는 흙의 대용품이 될 수 있으므로, 복토재를 얻기 위한 산림훼손을 방지할 수 있다.
다음으로 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예 및 비교예를 제시한다. 그러나 하기 실시예들은 본 발명을 보다 쉽게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 본 발명을 한정하는 것은 아니다.
[실시예 1]
1Kg의 정수장 슬러지를 200℃에서, 1시간 동안 가열하여, 정수장 슬러지를 건조 열처리함으로서, 어두운 갈색의 건조 슬러지 0.7Kg를 얻었으며, 건조된 정수장 슬러지를 ICP를 이용하여 성분 분석한 결과를 표 1에 나타내었다.
| 분석항목 | 결과치(중량%) |
| 감열감량(Ig.Loss) | 40.7 |
| SiO2 | 21.1 |
| Al2O3 | 32.4 |
| CaO | 0.61 |
| Fe2O3 | 2.24 |
| K2O | 0.72 |
| MgO | 0.49 |
| MnO | 0.08 |
| Na2O | 0.25 |
| P2O5 | 1.12 |
| TiO2 | 0.18 |
| N | 1.68 |
정수장 슬러지의 건조 열처리 과정에서, 건조 온도가 600℃ 이상일 경우에는 건조 슬러지의 색상이 황토색으로 진하게 변색하였다. 또한, 자연 건조한 정수장 슬러지의 열적 특성을 알아보기 위하여, 질소 분위기하에서, 열중량 분석기로(TGA) 1000℃까지 승온시키면서, 슬러지의 중량을 측정한 결과, 100℃에서 약 13중량%의 수분 감량이 발생하였고, 700℃에서 약 35중량%의 총적산 감량이 발생하였다. 이때 정수장 슬러지 내에 함유된 각종 유기물이 탄화되어, 슬러지의 색상이 흑색으로 변색되며, 이는 공기 중에서 슬러지를 열처리한 경우, 유기물이 완전 연소되어 30 내지 55중량%의 높은 감량율과 황백색의 색상을 나타내는 것과 대조된다.
다음으로, 건조된 정수장 슬러지 100중량부, 유기 첨가제로서 페놀 수지 30 중량부 및 무기 첨가제로서 CaO 20중량부를 혼합하고, 질소분위기 및 200℃에서 1시간 동안 활성화시켜 유무기 복합체를 제조하였다. 제조된 유무기 복합체의 비표면적을 측정한 결과, 건조 슬러지의 비표면적은 140m2/g 이고, 유무기 복합체의 비표면적은 311m2/g이었으며, 일축 압축 강도는 0.76kgf/cm2이었다.
[실시예 2]
무기 첨가제로서 CaO 대신 고로슬래그를 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 유무기 복합체를 제조하였으며, 제조된 유무기 복합체의 일축 압축 강도는 0.8kg/cm2이었다.
[실시예 3]
무기 첨가제로서 CaO 대신 물유리 20중량부를 사용하고, 슬러지 혼합물을 100℃에서 1시간 동안 수열양생한 후, 같은 온도에서 건조한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 유무기 복합체를 제조하였다. 얻어진 유무기 복합체는 흡착성이 우수한 제올라이트를 일부 포함하였다.
[실시예 4]
실시예 1에서 제조한 유무기 복합체를 1000℃에서 1시간 동안 열처리하여, 양호한 강도의 경량 골재를 제조하였다.
실시예 1-3에서 제조한 유무기 복합체를 물에 녹여 pH 및 중금속 함량을 측정한 결과, 중금속은 검출되지 않았으며, 유무기 복합체의 pH는 약 7.4였다. 또한 pH가 12인 축산 폐수 100중량부에 실시예 1에서 얻은 유무기 복합체 50중량부를 혼합한 결과, 혼합물은 부술 부술한 상태가 되어, 삽으로 쉽게 작업할 수 있는 정도의 퇴비가 되었으며, pH를 측정결과 9이하의 값을 나타내어, 유무기 복합체를 첨가함에 의하여 축산 폐수가 중화됨을 확인하였다.
이상 상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 유무기 복합체의 제조방법은 온도, 압력 등 처리 조건을 조절하여, 유무기 복합체의 입자 크기 및 강도를 제어할 수 있으며, 비표면적 및 수분 흡수율이 높고, pH가 낮아 유기물을 용이하게 발효시킬 수 있는 유무기 복합체를 제공한다. 또한, 본 발명에 따른 유무기 복합체의 제조방법은 정수장 슬러지를 경제적, 친환경적으로 재활용할 수 있으며, 얻어진 유무기 복합체는 축산폐수 처리제, 퇴비, 쓰레기 매립장의 복토재, 흡착제, 경량골재 등의 용도로 사용될 수 있다.
Claims (5)
- (a) 충진제, (b) 페놀 수지, 염화비닐수지, 폴리에텔렌, 폴리프로필렌, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 유기 첨가제, 및 (c)고령석, CaO, 슬래그, 폐석고, 물유리, 해포석, 규해석, 비석, 벤토나이트 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 무기 첨가제를 혼합하는 단계;상기 혼합물을 비산소 분위기 및 100 내지 700℃에서, 10분 내지 3시간 동안 가열하여, 유기물을 탄화시키는 단계; 및탄화된 유무기 복합체를 성형하는 단계를 포함하며,상기 유기 및 무기 첨가제의 총량은 충진제 100 중량부에 대하여 10 내지 50 중량부이고, 상기 유기 및 무기 첨가제에 있어서, 유기 첨가제의 함량은 50 내지 80 중량%이고, 상기 무기 첨가제의 함량은 20 중량% 내지 50 중량%인 것인 유무기 복합체의 제조 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 충진제는 건조된 정수장 슬러지, 건조된 하수 슬러지 및 소각재로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 유무기 복합체의 제조 방법.
- 제2항에 있어서, 상기 건조된 정수장 슬러지는 탈수된 케이크 상태의 정수장 슬러지를 100 내지 700℃에서 10분 내지 2시간 동안 가열하여 얻는 것인 유무기 복합체의 제조 방법.
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