KR100622394B1 - 정수 슬러지를 이용한 건축자재의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 숯을 대량으로 사용하는 곳이 수돗물 정수장이라는 것에 착안하여 정수시 발생되는 상수도 정수 슬러지를 재활용함으로 숯의 재를 경제적으로 활용하여 통상의 시멘트와 물을 혼합하여 저온에서 소성한 다음, 물속에서 양생하여 경제적으로 제조된 정수 슬러지를 이용한 건축자재의 제조방법에 관한 것이다.
건축자재. 정수슬러지. 벽돌.

Description

정수 슬러지를 이용한 건축자재의 제조방법{The manufacturing method of construction materials using waterworks sludge}
본 발명은 정수 슬러지를 이용한 건축자재의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세히 설명하면, 상수도 정수과정에서 발생되는 정수 슬러지를 재활용하여 원적외선 방사효율이 우수한 정수 슬러지를 이용한 건축자재의 제조방법에 관한 것이다.
현재 일반적으로 사용중인 건축자재는 시멘트, 모래, 자갈의 혼합물을 고압으로 성형하여 건조 제작되며, 이들은 획일적인 시멘트의 원색과 형상의 수준을 벗어나지 못한 보편적인 기술로 생산되고 있는 실정으로 자연 친화적인 제품이 되지 못하는 문제를 안고 있다.
그리고 건축재료용 점토벽돌과 블록은 자연을 훼손하며 점토를 채취하여 단순히 성형기로 제작, 로(爐)에 투입하여 소성시켜 제작하므로 원재료 구입에 대한 부담이 가중될 뿐 아니라 환경 친화적이지 못하다.
그러나 본 발명은 처리비용을 주고 버리는 정수슬러지를 재활용하는 신기술의 개발로 인체에 유해한 시멘트 블록과 달리 점토질 자체의 은은한 색상을 유지하 는 상태로써 여러 가지 다양한 색소를 첨가하여 제작하므로써 보·차도블록의 경우 도시 거리 문화의 분위기를 쇄신시킬 수 있을 것으로 보인다.
또한 건축자재로 활용시 본 제품은 인체에 유익한 원적외선 방출효과와 단열 및 보온성이 탁월하므로, 요즈음 유행하는 황토방 효과가 나타난다.
또한 상수도 공급을 위한 정수장 시설을 운영하는 한 정수슬러지는 계속 발생하므로 원재료의 수급에 큰 문제가 없을 뿐 만 아니라 제조원가가 저렴하므로 블록 및 벽돌 또한 저렴한 단가로 공급하여 건축비용을 낮출 수 있으므로 경제적으로 최대한의 효과를 거둘 수 있도록 버려지는 슬러지를 재활용할 수 있는 방법을 안출하기에 이르렀다.
황토흙, 시멘트 방수액, 적색산화철 등을 혼합하여 황토흙을 이용한 벽돌의 제조방법이 국내공개특허공보 공개번호 제89-368호 , 제85-5385호 및 제90-12862호에 기재되어 있고, 황토흙과 점토등으로 제조된 건강 메트리스 및 건축재가 국내공개특허공보 공개번호 제95-33238호 및 제96-802호에, 진흙에 연탄재, 및 토양경화제를 혼합하는 기술이 국내특허공보 공고번호 제94-7222호에 기재되어 있으며,
견운모를 이용하여 인공경량골재를 제조하는 방법이 국내특허공보 공고번호 제96-11319호에, 원적외선 방사건축물 내면 피복제의 제조방법 및 천연광석을 이용한 원적외선 방사 몰탈 조성물이 동공보 공고번호 제97-3872호와 국내공개특허공보 공개번호 96-41102호 및 96-29266호에 기재되어 있고,
동 공보 공개번호 특1999-007639호에는 고상폐기물75중량부, 플라이애쉬15~45중량부 그리고 점토 5~55중량부로 조성된 고상폐기물을 원료로 하는 세라믹 조성물 및 이의 제조방법이 기재되어 있으며,
동 공보 공개번호 특2001-0008071호에는 정수슬러지를 노에서 소성 시킨 후, 카올린, 점토를 첨가하여 교반한 후에 고압프레스로 제조한 후 건조한 다음, 노에서 재가열하여 제조되는 점토벽돌, 보, 차도용 점토블록 및 그제조방법이 기재되어 있으며,
국내공개특허공보 공개번호 제92-655호 및 97-5872호에 맥반석과 운모 및 자력을 주재료로 한 온돌 자장조성물 및 건축자재의 제조방법이 공개되어 있고,
국내특허공보 공고번호 제97-1067호에 도자기 등의 세라믹 재의 표면을 처리해 주기 위한 세라믹 용기 처리용 유약 조성물에 관한 것이며,
국내특허공보 공고번호 제97-10301호에 맥반석을 주원료로 하는 원적외선 발생방사 특성이 강한 원적외선 발생방사 세라믹을 제조하는 방법에 관한 것이고,
국내특허공보 공고번호 제97-10301호에 맥반석을 주원료로 하는 원적외선 발생방사 특성이 강한 원적외선 발생방사 세라믹을 제조하는 방법에 관한 것이고,
국내특허공보 공개번호 제95-23626호는 맥반석과 시멘트를 3.2 : 1로 포함하는 몰탈 조성물에 관한 기술이 기재되어 있으며,
국내공개특허공보 공개번호 제93-19580호에 게르마늄광물이 함유된 천연의 무기질 광물 견운모 광석 및 맥반석 광물에 시멘트를 배합 정제가공 조립식 보온온돌 패널이 기재되어 있는바,
상기와 같은 종래의 기술들은 건축자재등의 제조공정중 소성시 또는 냉각시에 급열 급냉시 발생되는 수축과, 유약 균열이 생성되는 문제점과, 원료가 고가이어서 현재 실용화되지 못하는 문제점이 있어 왔다.
상기와 같은 문제점을 해결하고, 본 발명은 상수도 정수과정에서 발생되는 정수 슬러지를 재활용하며, 원료를 분쇄하지 않고 혼합만 함으로 해서 열성질을 개선하고 경제성을 향상시켰고, 고온소성(1200~1300℃)에서 저온소성(700~1000℃)으로 낮춤으로 해서 아름다운 미려한 색상을 낼 수 있는 정수 슬러지를 이용한 정수 슬러지를 이용한 건축자재의 제조방법을 제공하는 것을 본 발명이 이루고자 하는 기술적과제인 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 숯을 대량으로 사용하는 곳이 수돗물 정수장이라는 것에 착안하여 정수시 발생되는 상수도 정수 슬러지를 재활용함으로 숯의 재를 경제적으로 활용하여 통상의 시멘트와 물을 혼합하여 저온에서 소성한 다음, 물속에서 양생하여 경제적으로 제조된 정수 슬러지를 이용한 건축자재의 제조방법에 관한 것이다.
정수 슬러지를 건조만 하였을 때 는 슬러지속에 있는 잔존물질(황산. 반토, 숯 등)이 제거되지 않아서 제품 생산율을 저하시키는 원인이 되었다. 이를 생산이 용이하게 하기 위해서 본 발명에서도 정수 슬러지를 800~1000℃ 소성하여 잔존물질을 완전산화 시키는데 중점을 두었다, 완전산화 된 가공 슬러지는 아주 가볍고 미세한 물성을 나타냈으며
Figure 112004032395011-pat00001
가 높아서 열에 강한 성질을 나타냈다.
가공 슬러지를 이용해서 벽돌 제조를 실시한 결과 수축율이 줄어들었고 강도가 증진 됐으며 색상이 밝게 나타나는 특징이 있었다.
시멘트와 혼합하여 제품을 생산하므로 건조공정이 단축될 수 있으며 슬러지 사용양을 현저하게 많이 사용할 수 있다.
종전에는 10~20% 사용(건조분)이었으나 본 발명에서는 60~70% 사용이 가능하였다. 그 결과로 본 발명의 건축자재에 미려한 색상을 나타나게 하면서 슬러지 사용양을 늘림으로 해서 경제성이 뛰어난 제품이 될 수 있다.
소성온도가 종전에는 1150~1200℃의 고온 소성에 의해서 연료비가 많이 소요되었으나 본 발명에서는 700~1000℃이며 바람직하게는 800~900℃ 소성으로 연료 사용량을 1/3로 줄일 수 있다.
정수 슬러지 가공공정을 살펴보면, 정수 슬러지를 100℃ 건조로에서 5시간 완전 건조한 후 수분함량을 확인한 결과 수분 54% 슬러지 건량 46% 임을 알 수 있었다. 건조된 정수 슬러지를 800~900℃ 소성도에서 완전 소성하여 가공 슬러지를 얻을 수 있다.
이 때 소성중 중량 변화를 표-1에 표시하였다.
<표-1>
Figure 112004032395011-pat00002
800℃ 이상에서도 중량 변화가 일어나지 않는다고 결과를 얻었다. 이점을 정수슬러지 가공이 800℃가 적합한 온도임을 알 수 있었다. 정수 슬러지 1ton을 로타리 킬른에서 가공처리 하면 80-500kg의 슬러지를 생산할 수 있다. 정수 슬러지의 가공에 의해서 슬러지의 부피를 최저1/10로 줄일 수 있는 장점이 생긴다.
본 발명은 시멘트, 슬러지 벽돌을 자연상에서 양생되어 강도를 유지한 벽돌이 된다. 이를 건조 후 소성 시키면 소성벽돌이 되는데 소성 후 물 속에 다시 넣어 양생 과정을 거치면 완전한 제품이 생산된다.
보통 포틀랜드 시멘트의 광물 조성은 표-2에 나타낸 결과와 같이
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(
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·
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)
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(
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)
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·
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·
Figure 112004032395011-pat00015
)이다.
< 표 - 2 >
Figure 112004032395011-pat00016
Figure 112004032395011-pat00017
Figure 112004032395011-pat00018
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51 25 9 9 6
일반적으로 시멘트 콘크리트 제품은
Figure 112004032395011-pat00021
Figure 112004032395011-pat00022
Figure 112004032395011-pat00023
Figure 112004032395011-pat00024
궁극적으로
Figure 112004032395011-pat00025
Figure 112004032395011-pat00026
가 된다.
( 의 약자이다.)
시멘트 20~30중량% 가공 정수슬러지 50~70중량%에 물을 10~20중량% 썩어서 교반기에서 혼합한다. 혼합된 원료로 프래스에 넣고 규격화된 벽돌을 만들면 전 양생이 일어난다.
전양생이 일어난 제품은 강도가 유지되는 겸화 벽돌이 된다.
건축자재의 소성 공정은 800~900℃ 고온에서 행해지기 때문에 시멘트의 결함수호 이 때 탈수 돼 유기물은 완전제거 된다. 시멘트 콘크리트 제품의 주요 강도요인은
Figure 112004032395011-pat00028
인대
Figure 112004032395011-pat00029
가 탈수되어
Figure 112004032395011-pat00030
가 생성된다.
Figure 112004032395011-pat00031
는 450~550℃에서 탈수되어
Figure 112004032395011-pat00032
가 생성된다. 한편 미반응
Figure 112004032395011-pat00033
Figure 112004032395011-pat00034
는 800℃온도 그대로 잔존된다.
<화학 반응>
Figure 112004032395011-pat00035
Figure 112004032395011-pat00036
Figure 112004032395011-pat00037
Figure 112004032395011-pat00038
Figure 112004032395011-pat00039
Figure 112004032395011-pat00040
Figure 112004032395011-pat00041
양생(물 담그기) 공정은 소성 된 벽돌을 물 속에 담가 제품내부까지 신속하게 수분을 공급하여 수화 반응을 일으키게 한다.
수분을 제품의 미세 균열을 통해서 빠른 속도로 공급되어 시멘트 매트릭스 내부까지 이르러 수화반응이 일어난다.
이 결과 생성된
Figure 112004032395011-pat00042
및 잔존
Figure 112004032395011-pat00043
·
Figure 112004032395011-pat00044
가 동시에 수화반응을 일으킨다. 수화반응에 의해서
Figure 112004032395011-pat00045
가 생성된다.
<화학반응>
Figure 112004032395011-pat00046
Figure 112004032395011-pat00047
Figure 112004032395011-pat00048
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잔존
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Figure 112004032395011-pat00051
Figure 112004032395011-pat00052
Figure 112004032395011-pat00053
미반응
Figure 112004032395011-pat00054
Figure 112004032395011-pat00055
Figure 112004032395011-pat00056
Figure 112004032395011-pat00057
이에 잔존된
Figure 112004032395011-pat00058
까지 완전 반응이 일어나 강도가 강화된다.
계속 수화가 진행되어
Figure 112004032395011-pat00059
Figure 112004032395011-pat00060
가 생성된다. 여기서
Figure 112004032395011-pat00061
의 수화 속도도 매우 빠르기 때문에
Figure 112004032395011-pat00062
는 모두
Figure 112004032395011-pat00063
가 생성된다. 는 수화 팽창이 일어나 소성 중에 발생한 미세 균열을 완전히 없애주는 역할을 한다.
물 담그기에서 꺼낸 벽돌은 공기 중에서 계속적인 양생이 일어나면서 강도는 계속 증진되는 효과를 나타낸다. 물 담그기에서 수화반응이 시작되어 공기 중에서 계속반응이 시작되어 공기 중에서 계속 반응이 진행되는데 이 때
Figure 112004032395011-pat00065
Gel 상태가
Figure 112004032395011-pat00066
섬유상태로 변화되어 계속적인 강도 증진효과를 나타낸다.
본 발명에서는 정수슬러지를 그대로 사용할 수도 있으며, 정수슬러지를 1차 가공하여 가공한 정수슬러지를 사용할 수도 있는 것으로서, 정수슬러지를 사용하는 것보다 정수슬러지를 1차가공한 것을 사용하면, 소성공정시 수축이 덜되는 이점이 있으며, 단점으로는 정수슬러지가 공정이 더 필요하다는 점이 있으나, 이는 현장에서 필요에 따라 선택하여 사용할 수 있도록 하였다.
정수슬러지 가공은 상수도 정수장에서 발생된 슬러지를 운반하여 로타리 킬른에 넣고 800℃~850℃온도에서 3~5시간 소성하면 수분이 완전 제거되고 슬러지에 포함된 유기물질이 완전 소성되어 재가 되게 된다.
이때의 수분 함량을 70~80%중량이고 결정수와 유기물질함량을 20~25중량%, 즉 정수량이다. 슬러지 1ton을 로타리 킬른에서 가공처리하면 80~500Kg의 슬러지 재를 생산할 수 있다. 가공된 슬러지재로 세라믹벽돌 생산원료로 사용한다.
이하 본 발명을 실시예를 통하여 상세히 설명하기로 한다.
실시예
제1공정(정수슬러지 가공공정)
상수도 정수장에서 발생된 슬러지를 슬러지 1ton을 로타리 킬른에 넣고 800℃~850℃온도에서 3~5시간 소성하여 수분과 유기물질이 완전 소성된 80~500㎏의 슬러지 재를 제조한 다음,
제2공정(벽돌 성형 및 소성공정)
시멘트 30kg, 가공슬러지 70kg, 물 20kg을 배합하며 교반기에 투입하여 완전히 혼합한 원료를 프래스에 넣고 프래스 성형으로 벽돌 모양을 제조한 다음, 일정기간 약 3시간 정도 전 양생을 시킨 벽돌을 준비한 후에, 800~
900℃ 고온에서 5~ 6시간 동안 소성한 다음에,
제3공정(양생공정)
상기와 같이 소성 된 벽돌을 물 속에 3시간 동안 담가 제품내부까지 신속하게 수분을 공급하여 수화 반응을 일으키게 한 후에, 벽돌을 꺼내어 공기 중에서 약 24시간 동안 양생시켜 벽돌을 제조하였다.
실험예 1
실시예와 같이 제조된 벽돌 시편을 24시간 동안 물속에 담근 후 꺼낸 즉시 휨강도를 검사하였다. 시편의 양측 밑면에 받침물을 고이고 중앙부분에 누름하중을 가하여 하기의 공식에 따라 휨강도를 측정하였다.
여기서 P는 시험기가 나타낸 최대하중(N) {kgf}, L은 받침물 사이의 거리 (cm), b는 상기 지점간에 직각 방향의 평균너비(㎠), d는 블록의 평균 두께(cm) 이다.
한편, KS규격에 의하면 보도용 블록은 휨강도가 최소 490N/㎠{50kgf/㎠}, 차도용 블록은 588N/㎠{60kgf/㎠}이어야 하는데 본 발명의 건축자재의 휨강도는 592N/㎠{60kgf/㎠}의 수치를 나타내어 KS규격을 충분히 만족시킴을 알 수 있었다.
실험예 2
소성온도는 후양생의 강도회복에 커다란 원인으로 작용한다. 소성온도와 후양생의 관계를 표-3에 나타내었다.
Figure 112004032395011-pat00067
<표-3> 소성온도와 구부리는 강도
소성온도가 900℃를 넘으면 곡강도가 낮아지는 결과를 얻을 수 있다.
1000℃ 이상에서도 수축이 발생하여 제품을 규격화하는데 어려움이 따른다.
표-3의 결과에 의해서 소성온도로 800℃가 가장 적합함을 알 수 있다.
소성방법에서 주의해야할 점을 저온부분(200~500℃)에서 제품이 갖는 수분과 유기물질이 제거되기 때문에 완전 증발 분해시키는 것이 중요하다.
Figure 112004032395011-pat00068
<표-4 로더하스킬른 소성방법>
실험예 3 (내산성, 내알칼리성 실험)
본 발명의 제품은 내산성과 내알칼리성이 시멘트 벽돌보다 우수함을 알 수 있다. 10Vol%의 HCl과 10Vol%의 MaOH 수용액을 습지에 물려서 20℃온도에서 24시간 경과시켜 변화를 관찰하고 시험을 실시했다.
이 결과 본 발명의 제품은 습지 부착부분에 변화가 발생하지 않았으나, 종래의 시멘트 제품은 부식이 발생되었다.
실험예 4(동해성 실험)
본 발명의 제품을 24시간 물에 담그어서 물은 완전히 흡수되게 한 후 동결용해 실험조에 넣고 영하 20℃에서 80분 동안 동결상태로 둔 후 꺼내서 30℃물에 20분간 녹인다.
이 실험은 반복해서 실시한 결과 500주기까지 이상 발생이 없었다. 통상적인 건축재료의 경우 300회 주기 이상이면 내종해성이라 인정한다.
시멘트, 콘크리트보다 우수하고 토기재질과도 유사했으나 그보다 더 우수함이 나타남을 알 수 있었다.
실험의 특징은 표-5로 정리하면 아래와 같은 결과가 나타난다.
본 발명 시멘트제품 토기제품
곡강도 12.9HPa 11.8HPa 8.4HPa
흡수율 7.8% 6.3% 7.6%
투수량 1mm 2mm 7.5mm
동해성 우수 불량 양호
내산성 우수 불량 우수
내알칼리성 우수 우수 우수
형태변화 없음 없음 16% 수축
상기와 같은 종래의 기술들은 폐기되는 정수슬러지를 이용함으로서 생산 원가를 70% 수준으로 줄일 수 있어 경제적인 면에서 큰 효과가 있으며, 사용시 급열 급냉시 유약에 발생되는 균열을 줄일 수 있어 제품의 수명을 연장시키고, 정수 슬러지를 800~1000℃ 소성하여 잔존물질을 완전산화 된 가공 슬러지는 아주 가볍고 미세한 물성을 나타냈으며
Figure 112004032395011-pat00069
가 높아서 열에 강한 성질을 가지며, 가공 슬러지 를 이용해서 벽돌 제조를 실시한 결과 수축율이 줄어들었고 강도가 증진 됐으며 색상이 밝게 나타나고 특징이 있으며, 시멘트와 혼합하여 제품을 생산하므로 건조공정이 단축될 수 있으며 슬러지 사용양을 현저하게 많이 사용할 수 있고, 소성온도가 종전에는 1150~1200℃의 고온 소성에 의해서 연료비가 많이 소요되었으나 본 실험에서는 800~900℃ 소성으로 연료 사용량을 1/3로 줄일 수 있고,정수 슬러지의 사용으로 원적외선 방사효율을 증대시키는 효과가 있는 것이다.













Claims (3)

  1. 정수슬러지를 이용한 건축자재의 제조방법에 있어서,
    제1공정(정수슬러지 가공공정)
    상수도 정수장에서 발생된 슬러지를 슬러지 1ton을 로타리 킬른에 넣고 800℃~850℃온도에서 3~5시간 소성하여 수분과 유기물질이 완전 소성된 80~500㎏의 슬러지 재를 제조한 다음,
    제2공정(벽돌 성형 및 소성공정)
    시멘트 20~30중량%, 가공슬러지 50~70중량%, 물 10~20중량%을 배합하며 교반기에 투입하여 완전히 혼합한 원료를 프래스에 넣고 프래스 성형으로 벽돌 모양을 제조한 다음, 일정기간 약 3시간 정도 전 양생을 시킨 벽돌을 준비한 후에, 700~1000℃ 고온에서 5~ 6시간 동안 소성한 다음에,
    제3공정(양생공정)
    상기와 같이 소성 된 벽돌을 물 속에 3시간 동안 담가 제품내부까지 신속하게 수분을 공급하여 수화 반응을 일으키게 한 후에, 벽돌을 꺼내어 공기 중에서 약 24시간 동안 양생시켜 제조함을 특징으로 하는 정수슬러지를 이용한 건축자재의 제조방법
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 제2공정(벽돌 성형 및 소성공정)중 소성온도가 800~900℃ 임을 특징으로 하는 정수슬러지를 이용한 건축자재의 제조방법
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 제3공정(양생공정)을 물속에서 3시간 동안 담근 다음, 공기 중에서 약 24시간 동안 양생시켜 제조함을 특징으로 하는 정수슬러지를 이용한 건축자재의 제조방법
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