KR100614740B1 - 수질정화용 활성탄 세라믹 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 목재, 감람석과 천연제올라이트를 적절히 혼합 소성가공하여 수중에 용해된 유기물, 인 및 질소를 동시에 정화시키는데 적합한 세라믹 구조 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 상기 본 발명은 목재(톱밥 혹은 왕겨), 감람석 및 천연제올라이트를 적절한 크기로 분쇄하여 혼합 성형한 후 건조공정을 거치고, 건조된 성형물을 400℃∼850℃ 온도에서 소성함으로써 감람석과 천연제올라이트가 함유된 활성탄 세라믹을 얻는 것으로, 이러한 과정을 거쳐 얻어진 세라믹 소재를 수질정화에 사용함으로써 수중의 유기물, 인과 질소등 오염물질을 동시에 정화할 수 있으며, 수중의 오염물질을 제거한 후 회수되는 세라믹을 폐기시키지 않고 이를 파쇄하여 식물의 생육 촉진용 토양개량제로 재사용할 수 있도록 한 것이다.

Description

수질정화용 활성탄 세라믹 및 그 제조방법 {ACTIVITY COAL A CERAMIC AND THE MENUFACTURE METHOD FOR THE QUALITY OF WATER PURGATION}

도1은 본 발명에 따른 공정도

본 발명은 수중에 용해된 오염물질인 유기물, 인 및 질소를 동시에 제거함으로써 물을 정화할 수 있는 소재(이하 "활성탄 세라믹")을 제공하고자 한 것으로, 더욱 상세히는 목재의 톱밥 혹은 왕겨와 감람석(Olivine) 및 천연제올라이트(Zeolite)를 혼합 소성하여 얻어진 수질정화용 활성탄 세라믹 및 그 제조방법에 관한 것이다.

알려진 바와 같이 활성탄은 목재, 견과껍질(nut cell),석탄, 토탄(peat)등의 재료를 혐기성 상태에서 서서히 로를 가열시킨 후 800℃온도에서 공기와 수증기에 노출시켜 제조하며, 물속의 이취미 유발물질이나 소독부생성물(THM), 살충제 그리고 다른 합성 유기화합물을 포함한 유기물질들을 제거하기 위하여 사용되고 있다.

또한, 감람석은 건축용 자재나 철로의 침목, 슬러그 개선재등으로 이용되어 왔으며, 근래에는 수중의 인제거를 위한 용도로 개발이 시도되고 있다.

감람석은 사방정계에 속하는 주요 조암광물로서 굳기는 6.5 ∼7.0 비중은 3.2 ∼ 3.4 정도이고, 대체로 주상결정을 이루지만 결정이 분명하지 않는 것도 있으며, 하기의 표1과 같은 조성을 갖는다.

또한, 천연제올라이트는 양이온 교환특성(Cation Exchange Capacity)을 이용하여 수중의 질소 제거를 위한 용도로 활발히 이용되고 있으며, 근래에는 감람석과 천연제올라이트를 이용한 수중의 인, 질소의 동시 제거에 관한 개발이 시도되고 있는데 본원출원인에 의해 국내특허출원 제2004-18126(2004.3.17출원)호로 제안된 바 있다.

제올라이트는 화학조성상 주성분이 Si와 Al이며, 이외에 양이온으로 Na, K, Ca, Mg, Sr 및 Ba를 소량 함유하는 함수규산염 광물(hydrous aluminosilicate)이다. 결정 구조상으로는 규산염 광물의 기본단위의 하나인 (Si, Al)O₄ 사면체의 모든 산소들이 또 다른 사면체에 의해서 공유되면서 3차원적으로 연결되는 망상규산염 광물 (tectosilicate)에 속한다.

같은 망상규산염 광물인 석영과 장석군 광물들은 치밀한 구조를 이루는 데 비해서 제올라이트는 결정구조상의 공동(2.3~7.5Å)이 형성될 정도로 엉성한 구조를 가지며 비중은 2.0∼2.3정도로서 천연 제올라이트의 조성은 하기 표 2와 같은 조성을 갖는다.

한편, 국내 하수처리장의 대부분은 유기물 제거에 목적을 둔 활성슬러지법으로 설계,운전중에 있다. 활성슬러지법은 BOD, SS 등을 90%정도 제거하는 반면에 질소와 인은 미생물에 필요한 영양소로 만 제거되어 질소와 인은 10~30% 정도만이 제거된다. 이러한 질소와 인이 미처리되어 방류되면 하천이나 호수의 부영양화가 심화되어 상수원 오염으로 정수처리시 비용증가 뿐만 아니라 보건상의 위해성을 증가시킬 수 있다. 따라서 이러한 질소와 인을 처리하기 위한 고도처리시설(2차 처리후의 시설)의 설치가 필수적이며 각각의 오염물을 처리하기 위한 시설은 다음과 같다.

용존 유기물을 처리하기 위해서는 활성탄 흡착, 막분리, 오존산화시설등이 있으며, 질소와 인을 처리하기위해서는 암모니아 스트리핑, 파괴점 염소, 이온교환, 화학적 인제거, 생물학적 유기물, 질소 및 인제거등의 방법 및 A/O공법과 MLE공법이 이용되고 있다

이중 생물학적 미생물에 의한 처리방법은 유기물, 질소 및 인 제거가 동시에 이루어진다는 장점이 있으나 각각의 대상물질을 먹이로 이용하는 미생물(순서대로 유기물제거미생물, 탈질미생물, 인제거미생물)이 경쟁적 공생관계에 있으므로 해당 미생물이 선택적 우위에 있게 환경을 조성해 주어야 한다. 그러나 실제적으로 2차처리 후 수질의 부하 농도가 일정하지 않으므로 그 때마다 해당미생물을 선택적 우위에 있게 환경을 조성해 주는 것은 쉬운 일이 아니며, 일정한 영양염류 유지, 용존산소, pH 및 온도에 민감하므로 유지관리가 어렵다고 할 수 있다.

또한 A/O공법과 MLE공법은 혐기조 → 호기조 → 침전지의 순서로 배열하여 질소와 인을 동시에 제거하기 위한 공법으로 조작이 간단한 반면 기존의 시설에 별도의 시설물의 설치가 필요하며, 각각 질소제거율(10~30%), 인제거율(10~30%)이 낮고, 온도의 영향을 받는다는 단점이 있다.

한편, 상기와 같이 활성탄, 감람석 및 천연제올라이트는 각각의 특성을 갖고 있는 것으로 이들을 적절히 혼합 성형하므로서 수중의 유기물, 인 및 질소를 동시에 제거하는 것이 요구되고 있다.

즉, 상기 3가지 물질은 각각의 오염대상물질을 제거하는 장점이 있으나 일정한 장소에(예로서 수중)동시에 넣어 유기물, 인, 질소등을 제거하기에는 어려움이 있었던 것이다.

본 발명은 상기한 점을 감안하여 목재, 감람석과 천연제올라이트를 적절히 혼합소성가공하여 수중에 함유된 유기물, 인, 질소를 동시에 제거 정화하는데 적합한 새로운 소재의 세라믹을 제공하고자 한 것으로, 목재, 감람석과 천연제올라이트를 적절한 크기로 분쇄하여 혼합 반죽한 후 건조공정을 거치고 건조된 성형물을 400℃∼850℃온도에서 소성함으로써 활성탄, 감람석 및 천연제올라이트가 함유된 새로운 소재의 세라믹을 제공하고자 한 것이다.

본 발명은 파쇄기에 의해 적절한 입자로 파쇄시킨 목재(예로서 '톱밥'을 뜻함), 감람석과 천연제올라이트를 부피기준 1:1:1의 비율(제거 대상물에 따른 비율조정)로 상기 3가지 재료를 물에 혼합 반죽한 후 완전 건조를 행하고, 이어서 상기 완전 건조된 성형물을 400℃ ~ 850℃ 온도에서 1시간 동안 소성함으로써 새로운 소재의 세라믹을 얻는데 그 특징을 두고 있다.

이하, 본 발명의 제조방법을 각 공정별로 상세히 설명하면 다음과 같다.

〈제1공정〉목재, 감람석 및 천연제올라이트 원재를 물로 세척한 후 파쇄기에 의해 목재는 직경1mm의 톱밥형태(이하 '톱밥'이라 칭함)로 파쇄하고, 감람석과 천연제올라이트는 직경 0.3mm 내외의 입경이 되도록 파쇄한다.

이때, 목재를 파쇄시켜 얻어진 톱밥대신에 왕겨를 사용하여도 무방한 것으로 재료는 제작자 임의로 선택사용할 수 있다.

〈제2공정〉상기와 같이 분쇄 선별된 톱밥(혹은 왕겨), 감람석 및 천연제올라이트를 부피기준 1:1:1의 비율로 하여 물을 넣어 혼합 반죽하여 원하는 형상으로 성형한 후 건조실에 넣어 완전 건조하며, 이때 형상은 용도에 맞은 형상으로 성형할 수 있는데 예로써 입경 5mm의 입상, 볼, 블록의 형태 등 형상에는 제한을 받지 않는다.

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또한, 유속이 1m/sec 이상인 곳에 사용하고자 할 때는(빠른 유속을 뜻함), 유속 조건에 따라 고압성형 하는 것이 요구된다.

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〈제3공정〉완전 건조된 성형물을 400℃ ~ 850℃ 온도에서 1시간 동안 소성하여 새로운 소재의 완성된 세라믹을 얻는다. 이때 톱밥(왕겨)은 혐기성 조건에서 연소되므로 활성탄이 되는 것이다.

한편, 유속이 1m/sec 이상인 곳에 사용하고자 할 때는(빠른 유속을 뜻함), 유속 조건에 따라 재벌구이를 하는 것이 요구되며, 재벌구이의 유약은 감람석과 천연 제올라이트를 3일 이상 담가놓은 물을 사용하고 온도조건은 초벌구이 온도보다 200℃ 높은 온도에서 소성한다.

〈제4공정〉소성하여 얻어진 완성된 세라믹은 수분 접촉시 오염물 제거율이 저하되므로 수밀포장을 하여 수분과 접촉하지 못하도록 한 상태에서 보관 및 유통시킨다.

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이와 같이 세재료의 혼합소성에 의해 얻어진 세라믹에 있어서, 세라믹 내부에 함유된 톱밥(왕겨)은 소성시 혐기성 조건에서 연소되므로 활성탄이 되어 유기물 흡착 제거효과를 높여주며, 외부의 톱밥(왕겨)은 호기성 조건에서 완전연소되어 비표면적을 크게 해주며, 내부와 외부에 존재하는 톱밥(왕겨) 또한 완전 연소되어 무수한 공동(空洞)을 형성하여 물과 세라믹의 접촉면적이 커져 오염물질 제거효과를 크게 해주는 것이다.

또한, 본 발명은 바람직하게 제1공정 내지 제4공정을 통해 소망하는 세라믹을 얻을 수 있으나 다른 실시예로서 제3공정 완료 후 제4공정으로써 소성된 세라믹의 표면에 인체에 무해하고 수질정화효과를 저해하지 않는 접착제 예로써, 아크릴레이트 포리머를 주성분으로 하는 접착제를 사용하여 직경0.5∼1.0㎜내외의 활성탄을 코팅하므로서 물의 정화효과 특히 유기물의 정화 효과를 높일 수 있다.

그리고, 상기의 실시 예에서는 파쇄시킨 톱밥(왕겨), 감람석과 천연 제올라이트를 혼합시 사용하는 물은 일반적인 정수를 뜻하고 있으나, 필요시 감람석과 제올라이트를 물에 3일이상 담가 놓은 후 그 물을 사용하거나, 제2공정에서 완성된 성형물의 표면에 그 물을 발라줌으로써 그 효과가 배가되는 것으로 이는 제조자가 임의로 선택 사용할 수 있으며, 이와 같이 3일 이상 담가 놓은 물을 사용하는 것은 본 발명의 범주내에 속한다 할 것이다.
한편, 본 발명에 있어서의 소재로 사용되는 감람석에 대한 수중의 인을 제거하는 실험을 한 결과 다음 표3과 같은 인제거 결과가 나타났다.
1. 실험조건
1.1 완전혼합시험에 의한 시간경과에 따른 인제거 농도분석
1.2 초기 인 농도: 11.8mg/L
1.3 교반속도: 150rpm
1.4 수온: 20± 1℃
2. 실험결과
반응시간 30분일 때 수중의 인농도는 11.8ppm으로 낮아져 약 89.2％의 제거율을 보이며, 반응시간 12시간 까지 인이 제거되어 인농도와 제거율은 각각 0.82ppm, 93.1％가 되었다.
[표 3]

그리고 인이 용해된 물속에 감람석을 넣어 반응시킨 후 이를 꺼내어 건조한 뒤 XRD분석을 하였으며, 그 결과는 다음 표4와 같이 나타났던 것으로, 인농도(PO4-P)가 Mg,Ca,Fe 성분과 반응하여 감람석에 흡착된 것을 알 수 있었다.
[표 4]

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 파쇄시킨 톱밥(왕겨), 감람석과 천연 제올라이트를 부피기준 1:1:1의 비율로 하여 혼합 반죽한 후 완전 건조를 거쳐 건조된 성형물을 400℃ ~ 850℃ 온도에서 1시간 동안 소성하여 얻어지는 것으로, 세라믹 표면의 톱밥(왕겨)은 완전 연소되어 비표면적을 넓혀주고, 일부는 다수의 공동(空洞)을 형성하며 내부의 톱밥(왕겨)은 활성탄이 된다.

이와같이 세라믹 표면의 넓은 비표면적과 공동은 물과의 접촉면적이 커짐으로써 오염물의 처리효율이 증대되며, 내부의 활성탄은 유기물을 흡착한다. 또한 천연 제올라이트는 질소 제거능력은 뛰어나지만 소성을 하더라도 물에서 분리되는 단점이 있으나, 감람석과 혼합 소성하게 되면 강도가 높아져 수중에 분해됨이 없어 안정된 상태에서 유기물, 인,질소가 동시에 제거되며 사용 후 회수가 가능해지는 것이다.

따라서 본 발명은 각 재료가 갖는 단점을 보완하고 장점을 살려줌으로써 수 중의 유기물, 인과 질소를 동시에 정화할 수 있는 것으로 물의 정화에 획기적이고 수질정화에 다용도로 사용될 수 있는 것이며, 차후 부수적으로 물의정화에 사용된 세라믹을 파쇄하여 식물의 생육촉진용 토양개량제로 사용할 수 있는 것으로 그 활용범위가 넓다 할 것이다.

또한, 본 발명의 세라믹소재는 수중에 적치하기만 하면 되므로 종래와 같이, 별도의 공정이 필요치 않고 , 생물학적 처리와 같은 유지관리상의 어려움이 없으므로 시설비 투자 및 유지관리비가 저렴한 획기적인 발명이라 할 것이다.

본 발명의 세라믹소재의 사용 용도를 예로서 살펴보면, 정수장, 분뇨처리장, 하수처리장이나 폐수처리장의 인과 질소를 제거하기 위한 공정에 사용할 수 있으며, 하천, 호수, 저수지등 수중의 유기물, 인과 질소를 제거하기 위하여 세라믹을 볼이나 블럭 형태로 성형하여 거치할 수 있고, 농업용수로, 오폐수관로 및 U형 측구 등의 소재, 필터의 여재(Filter Media), 담체(Support Carrier) 및 역간접촉산화법의 접촉재 등으로 광범위하게 수질 정화용으로 사용될 수 있는 것이다.

또한, 상기한 바와 같이 수중에서 유기물, 인과 질소가 흡착된 세라믹은 회수하여 용도에 맞도록 파쇄 한 후 이를 재 사용할 수 있는데, 이때는 별도의 인과 질소가 포함된 비료를 사용하지 않고 수질정화용으로 사용이 완료된 세라믹을 적절히 파쇄하여 골프장의 페어웨이(fairway) 및 그린 등에 사용하거나 혹은 채소작물 생육촉진용 토양개량제로 사용할 수 있는 것으로 재활용이 가능한 것이다.

Claims (6)

1. 목재, 감람석과 천연제올라이트를 원재로 하여 목재는 직경 1.0mm내외의 톱밥형태, 감람석과 천연제올라이트는 직경 0.3mm내외의 입경을 갖도록 파쇄 선별하는 제1공정;

   상기와 같이 파쇄 선별된 목재(예로서 톱밥형태), 감람석 및 천연 제올라이트를 부피기준 1:1:1비율로 하여 물로 혼합 반죽 성형한 후 완전 건조하는 제2공정;

   건조된 성형물을 400℃ ~850℃ 온도에서 1시간 소성하여 완성품인 세라믹을 얻는 제3공정;

   세라믹 완성품을 수분접촉을 방지하기 위한 수밀포장하는 제4공정으로 이루어진 것을 특징으로 하는 수질 정화용 활성탄 세라믹의 제조방법.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,

   목재, 감람석 및 천연제올라이트는 유속 조건에 따라 고압성형 또는 재벌구이 하도록 한 것을 특징으로 하는 수질 정화용 활성탄 세라믹의 제조방법.
5. 제1항에 있어서,

   3공정에서 얻어진 완성된 세라믹 표면에 접착제를 사용하여 직경0.5∼1.0㎜내외의 활성탄을 코팅한 것을 특징으로 하는 수질 정화용 활성탄 세라믹의 제조방법.
6. 파쇄시킨 목재, 감람석 및 천연제올라이트를 부피기준 1:1:1비율로 혼합한 후 건조 및 400℃ ~850℃ 온도에서 1시간 동안 소성함으로써 압축강도가 높고 수중 에 분해되지 않는 세라믹으로 성형된 것을 특징으로 하는 수질 정화용 활성탄 세라믹.

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