KR100852215B1 - 연탄재의 지오폴리머 반응을 이용한 친환경 에코벽돌 제조방법 - Google Patents

연탄재의 지오폴리머 반응을 이용한 친환경 에코벽돌 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연탄재의 지오폴리머 반응을 이용한 친환경 에코벽돌 제조 방법에 관한 것으로, 보다 자세하게는 연탄 연소 후 발생한 연탄재에 알칼리 자극제로써 수산화 나트륨 수용액을 사용하여 친환경적이며 성능이 뛰어난 에코벽돌 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명의 연탄재의 지오폴리머 반응을 이용한 친환경 에코벽돌 제조 방법은 연탄재를 미립자로 분쇄하는 제 1단계; 상기 연탄재에 수산화나트륨 수용액을 첨가하고 혼합하여 혼합물을 생성하는 제 2단계; 및 상기 혼합물을 성형틀 속에 넣어 가압성형한 후, 양생하는 제 3단계를 포함함에 기술적 특징이 있다.
연탄재, 지오폴리머, 에코 벽돌

Description

연탄재의 지오폴리머 반응을 이용한 친환경 에코벽돌 제조 방법{The manufacturing method of environmentally friendly eco brick containing geopolymerization of biquette ashes}
본 발명은 연탄재의 지오폴리머 반응을 이용한 친환경 에코벽돌 제조 방법에 관한 것으로, 보다 자세하게는 연탄 연소 후 발생한 연탄재에 알칼리 자극제로써 수산화 나트륨 수용액을 사용하여 친환경적이며 성능이 뛰어난 에코벽돌 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 사용되고 있는 시멘트 벽돌은 포틀랜드 시멘트와 모래를 혼합하여 제조한다. 포틀랜드 시멘트는 내구성이 좋지 않으며, 공극에 의해 철근의 부식이 많다. 또한, 제조과정에서 대기 중에 많은 양의 CO2 배출하고, 포틀랜드 시멘트의 제조과정에서 발생하는 온실가스 배출량은 약 135만 톤에 이르며, 대기 중에 배출되는 전세계 온실가스 배출량의 약 7%를 차지함으로써, 생태계에 좋지 않은 영향 을 주는 것으로 알려졌다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 종래에는 연탄재를 주재료로 하여 벽돌을 제조하는 방법이 발명되었다. 이러한 방법은 연탄재 및 화공약품을 혼합 압축 성형하는 양생법이 있으며, 또한 연탄재, 소석회, 시멘트, 화공약품, 카아바이트 등을 혼합 압축 성형하여 증기로 쪄서 만드는 증기방법 등이 알려져 있으나, 양생법에 의해 제조되는 제품은 압축 강도가 30~40kgf/cm2에 불과하고, 또한 증기방법에 의해 제조되는 제품은 압축강도가 양생법에 의한 것보다는 나아서 50~150kgf/cm2 정도를 유지하나, 내구성, 부식 등에 있어 성능이 뒤떨어지고 무거운 것이 단점이었다.
상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 본 발명은 연탄재에 결합제로써 알칼리 자극제인 수산화나트륨 수용액을 첨가하여 지오폴리머 반응을 이용한 환경적이며 성능이 뛰어난 연탄재의 지오폴리머 반응을 이용한 친환경 에코벽돌 제조 방법을 제공함에 본 발명의 목적이 있다.
본 발명의 상기 목적은 연탄재를 미립자로 분쇄하는 제 1단계; 상기 연탄재에 수산화나트륨 수용액을 첨가하고 혼합하여 혼합물을 생성하는 제 2단계; 및 상기 혼합물을 성형틀 속에 넣어 가압성형한 후, 양생하는 제 3단계를 포함하는 연탄재의 지오폴리머 반응을 이용한 친환경 에코벽돌 제조 방법에 의해 달성된다.
삭제
또한, 본 발명의 수산화나트륨 수용액의 첨가량은 20wt% 내지 40wt%인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 수산화나트륨 수용액의 농도는 6 mole/liter 내지 12 mole/liter인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 양생 온도는 60℃ 내지 80℃인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 양생하는 시간은 1일 내지 28일인 것이 바람직하다.
따라서, 본 발명의 연탄재의 지오폴리머 반응을 이용한 친환경 에코벽돌 제조 방법은 연탄재와 알칼리 자극제인 수산화나트륨 수용액을 이용하여 벽돌을 제작함으로써 폐기물로 버려지는 연탄재를 재활용하는 장점이 있고, 이산화탄소 발생을 줄여 환경오염을 줄일 수 있는 효과가 있다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 연탄재의 지오폴리머 반응을 이용한 친환경 에코벽돌의 제조 방법을 나타낸 순서도이다.
도 1을 참조하면, 우선 연탄재를 미립자로 분쇄한다(S110). 연탄재의 분쇄단 계는 조크러셔(Jaw crusher)를 이용한 1차 분쇄, 중쇄기인 콘크러셔(cone crusher)를 이용하여 3mm 이하의 크기로 2차 분쇄, 그리고 싱글 러너 밀(single runner mill)을 이용하여 1mm 이하의 미립자로 3차 분쇄, 미분쇄기를 이용하여 최대입도 43㎛ 이하로 분쇄하는 4차분쇄로 진행한다.
미분쇄기는 볼 밀, 본드 밀, 진동 밀, 함마 밀 등을 이용하는 것이 바람직하다.
그리고 나서, 분쇄한 연탄재에 결합제로써 알칼리 자극제를 첨가하고 혼합하여 혼합물을 생성한다(S120). 상기 알칼리 자극제는 NaOH(수산화나트륨) 수용액을 사용하는 것이 가장 바람직하다.
NaOH 수용액의 양은 20wt% 내지 40wt%가 적당하며, NaOH 수용액의 양을 50wt%로 하고, 성형압을 90kgf/cm2로 성형하면 슬러리 상태로 되어 가압성형에는 부적절하다.
또한, 분쇄한 연탄재와 NaOH 수용액은 혼합기에 넣어 60rpm의 회전 속도로 3분간 혼합하는 것이 가장 바람직하다.
이제 혼합한 혼합물을 제조하고자 하는 성형 틀에 넣어 성형한 후, 성형 틀을 제거하고 오븐(oven) 속에 넣어 양생시킨다(S130).
표 1은 NaOH의 양을 30wt%로 고정하고 NaOH의 농도를 6 mole/liter 내지 12 mole/liter로 변화시키고, 양생한 시간을 변화하며, 상온에서 양생하였을 경우, 압축강도(kgf/cm2)를 실험한 결과이다.
양생시간 (day) NaOH의 농도 (mole/liter)
6 8 10 12
1 9.83 9.63 7.69 3.37
3 17.00 15.22 10.62 5.69
7 36.79 25.51 17.46 11.85
14 76.07 61.34 32.95 26.53
28 107.56 102.69 67.34 40.85
표 1에서 보는 바와 같이, 압축강도를 살펴보면 상온에서 양생을 하루 하였을 때, NaOH의 농도가 6 mole/liter이면 9.83kgf/cm2의 압축강도이나 12 mole/liter이면 3.37kgf/cm2로 오히려 압축강도가 낮아졌다.
양생을 3일, 7일, 14일, 28일의 결과에서도 마찬가지로 NaOH의 농도가 12mole/liter일 경우보다 6 mole/liter일 경우에 압축강도가 높은 것으로 나타난다. 따라서, NaOH의 농도는 6 mole/liter 내지 8 mole/liter이 가장 바람직하다.
NaOH의 농도가 높으나 압축강도가 낮은 성형체는 지오폴리머 반응을 하지 못한 과잉의 수산화나트륨이 성형체 표면에 석출되기 때문이다.
또한, 같은 NaOH의 농도일 경우에는 양생을 많은 시간동안 할수록 압축강도가 높아진 것으로 나타난다. 예를 들면, NaOH의 농도가 6 mole/liter일 때, 양생을 하루하면 9.83kgf/cm2의 압축강도가 나타나지만, 28일 양생하면 107.56kgf/cm2의 압축강도로 차이가 많이 나는 것으로 나타난다.
다른 NaOH 농도에도 같은 결과가 나타나므로 양생 시간이 길어질수록 압축강도가 높아진다는 것을 알 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연탄재의 지오폴리머 반응을 이용한 친환경 에코벽돌의 양생 시간에 따른 압축강도 변화에 대한 도면이다.
도 2를 참조하면, NaOH의 농도를 30wt%와 40wt%로 변화시켜 상온에서 양생한 경우 양생 시간에 따른 압축강도를 나타낸 것으로, 모두 양생 시간이 늘어날수록 압축강도가 증가하는 것으로 나타난다.
양생 시간이 28일 경우에는 NaOH의 농도에 따른 압축강도가 차이가 났으나, 1일 내지 14일일 경우에는 별다른 차이가 나타나지 않는다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연탄재의 지오폴리머 반응을 이용한 친환경 에코벽돌의 양생 온도에 따른 압축강도 변화에 대한 도면이다. 도 3을 참조하면, NaOH의 양은 30wt%, 양생 온도는 60℃로 하고, NaOH의 농도를 6 mole/liter 내지 12 mole/liter로 변화시키며 압축강도를 나타낸 것이다.
표 1에서 보는 바와 같이, NaOH의 농도가 6 mole/liter이고, 28일 동안 상온에서 양생한 경우, 압축강도는 107.56kgf/cm2이나, 도 2에서 같은 조건의 NaOH의 농도에서 양생 온도를 60℃로 28일 동안 양생하면 193.78kgf/cm2로 압축강도에 차이가 나타난다. 양생 온도가 60℃일 때, 하루만 양생하여도 147.14kgf/cm2로 상온에서 양생한 것보다 압축강도가 높은 것을 알 수 있다.
같은 NaOH 농도와 양생 시간이어도 양생 온도에 따라서 압축강도가 달라지는 것을 알 수 있으며, 양생 온도가 60℃일 때는 NaOH의 농도는 6 mole/liter 내지 8 mole/liter이고, 양생 시간은 3일 내지 14일 경우에 압축강도가 높은 것으로 나타난다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연탄재의 지오폴리머 반응을 이용한 친환경 에코벽돌의 양생 온도에 따른 압축강도 변화에 대한 도면이다. 도 4를 참조하면, NaOH의 양은 30wt%, 양생 온도는 80℃로 하고, NaOH의 농도를 6 mole/liter 내지 12 mole/liter로 변화시키며 압축강도를 나타낸 것이다.
NaOH의 농도와 시간에 따라 각각 다른 결과가 나오지만 대체적으로 NaOH의 농도는 6 mole/liter 내지 8 mole/liter이고, 양생 시간은 오래 걸릴수록 압축강도가 높은 것으로 나타난다.
또한, 양생 온도가 60℃에 비하여 압축강도가 향상되는 것을 알 수 있다.
본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 연탄재의 지오폴리머 반응을 이용한 친환경 에코벽돌의 제조 방법을 나타낸 순서도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연탄재의 지오폴리머 반응을 이용한 친환경 에코벽돌의 양생 시간에 따른 압축강도 변화에 대한 도면,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연탄재의 지오폴리머 반응을 이용한 친환경 에코벽돌의 양생 온도에 따른 압축강도 변화에 대한 도면,
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연탄재의 지오폴리머 반응을 이용한 친환경 에코벽돌의 양생 온도에 따른 압축강도 변화에 대한 도면이다.

Claims (8)

  1. 연탄재의 지오폴리머 반응을 이용한 친환경 에코벽돌 제조 방법에 있어서,
    연탄재를 미립자로 분쇄하는 제 1단계;
    상기 연탄재에 수산화나트륨 수용액을 첨가하고 혼합하여 혼합물을 생성하는 제 2단계; 및
    상기 혼합물을 성형틀 속에 넣어 가압성형한 후, 양생하는 제 3단계
    를 포함하는 연탄재의 지오폴리머 반응을 이용한 친환경 에코벽돌 제조 방법.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 수산화나트륨 수용액의 첨가량은 20wt% 내지 40wt%인 연탄재의 지오폴리머 반응을 이용한 친환경 에코벽돌 제조 방법.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 수산화나트륨 수용액의 농도는 6 mole/liter 내지 12 mole/liter인 연탄재의 지오폴리머 반응을 이용한 친환경 에코벽돌 제조 방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 제 3단계의 양생 온도는 60℃ 내지 80℃인 연탄재의 지오폴리머 반응을 이용한 친환경 에코벽돌 제조 방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 양생하는 시간은 1일 내지 28일인 연탄재의 지오폴리머 반응을 이용한 친환경 에코벽돌 제조 방법.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 제 1단계는,
    조크러셔를 이용하여 1차 분쇄하는 제 1과정;
    콘크러셔를 이용하여 2차 분쇄하는 제 2과정;
    싱글 러너 밀을 이용하여 3차 분쇄하는 제 3과정; 및
    미분쇄기를 이용하여 4차 분쇄하는 제 4과정
    을 포함하는 연탄재의 지오폴리머 반응을 이용한 친환경 에코벽돌 제조 방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 미분쇄기는 볼 밀, 본드 밀, 진동 밀 및 함마 밀 중 어느 하나인 연탄재의 지오폴리머 반응을 이용한 친환경 에코벽돌 제조 방법.
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