KR100891372B1 - 폐석면을 이용한 친환경 단열재의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 폐석면을 이용한 친환경 단열재의 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 폐석면의 분해물을 황산, 염산, 불산 및 질산으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 강산용액으로 용해하여 졸 상태의 폐석면용액을 준비하는 단계; 이 졸 상태의 폐석면용액을 수산화나트륨, 수산화칼륨, 수산화리튬 및 수산화세슘으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 알칼리용액으로 중화시켜 중화된 폐석면용액을 제조하는 단계; 및 중화된 폐석면용액에 마그네슘화합물, 실리케이트화합물 또는 규산용액화합물 중에서 선택된 하나 이상의 화합물을 혼합하여 겔 상태의 고체화합물을 제조하는 단계를 포함한다.
본 발명에 의하면, 산업 현장에 폭넓게 활용되고 있는 폐석면이 환경오염을 유발하고 인체에 유해한 영향을 미치는 것을 방지할 수 있도록 폐석면을 재활용하여 친환경 단열재를 제조할 수 있다.
폐석면, 단열, 불연, 친환경
Description
본 발명은 폐석면을 이용한 친환경 단열재의 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 산업 생산현장에서 발생되는 폐석면의 분해물을 이용하여 친환경 단열재를 제조하는 방법에 관한 것이다.
산업 생산현장에서 발생되는 산업폐기물은 유?무해성을 기준으로 일반폐기물과 특정 활용폐기물로 분류하여 수집, 운반 및 처리하고 있는데, 환경보존의 차원에서 폐기물 및 부산물을 재활용하는 방법에 대한 개발노력이 더욱 커져가고 있다.
특히 국가의 기반산업 구축에 필요한 건축 재료의 재활용방법에 대한 연구의 필요성은 더욱 증가하고 있는데, 각종 폐기물 및 부산물의 증가와 유해성은 적치장소의 부족과 처리비용의 증대로 이어져 생산기업 뿐만 아니라 타 산업에까지도 커다란 부담으로 이어지고 있다.
이러한 상황에서 몇 가지 부산물을 이용하여 복합재료로 활용하는 연구가 이루어지고 있지만 아직 재활용 기술의 개발 및 이의 적용성 측면에서는 부족한 점이 많다.
이에 폐자원 중 재활용이 가능한 재료를 선별하여 우수한 효과를 갖는 자재로 제조하는 방법에 대한 연구가 요구되고 있다.
폐기물을 이용하는 방법은 그 기술적 처리방법과 활용용도에 따라서 물리적 재활용, 화학적 재활용, 열적 재활용, 생물학적 재활용의 방법으로 나눌 수 있는데, 이 중에서 화학적 재활용은 폐기물을 화학적으로 처리를 하여 다른 물질로 전환하여 사용하는 방법으로 전환된 물질은 경제성이 있어야하고 친 환경적인 물질로 전환이 되는 첨단기술을 이용하는 공정 시스템이라고 볼 수가 있다.
일상에서 생활용품 및 여러 산업 분야에서 폭넓게 사용이 되고 있는 재료인 석면은 섬유상으로 마그네슘이 많은 함수규산염(含水硅酸鹽) 광물이다.
석면은 크게 두 종류로 분류될 수 있는데, 하나는 크리소타일(chrysotile)을 주성분으로 하는 온석면(溫石綿)이라 하는 것으로서, 질이 좋은 것은 실이나 직물로 이용된다. 다른 하나는 각섬석질(角閃石質) 석면으로서, 섬유는 약하지만 화학약품에는 강한 특성이 있다.
이 중에 크리소타일에 대한 화학 조성은 일반적으로 다음 표 1과 같다.
| SiO 2 | FeO | Fe 2 O 3 | MgO | H 2 O | Al 2 O 3 |
| 37-44(%) | 0-6 | 0.1-5.0 | 39-44 | 12-15 | 0.2-1.5 |
이와 같은 석면은 유리 원료인 규사를 고온에서 용융 섬유화하여 일정한 섬유 형태로 성형을 한 인조 광물섬유를 말하는 것이며 주로 길고 가느다란 섬유조직으로 되어있다.
또한, 석면은 건축자재, 방화재, 전기절연재 등 다양한 용도로 사용되고 있는데 상기 석면이 인체에 치명적인 건강장애를 유발한다는 사실이 알려진 이후부터 사용한 후 버려지는 폐석면을 재활용하여 환경친화적이고, 인체에 무해한 물질로 개질하여 사용할 필요성이 늘어나고 있다.
따라서 이와 같이 다양한 산업 분야에 활용되고 버려지는 폐석면을 재활용하여 환경친화적이고 인체에 무해한 자재로 제조하는 방법이 요구되고 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 산업용으로 폭넓게 사용되고 있으나 인체에 유해하기 때문에 그대로 사용되거나 폐기될 경우 산업적인 환경오염 및 인체에 건강장애를 일으킬 수 있는 폐석면을 친환경 제품으로 전환하여 단열성 및 불연성을 갖춘 복합 신소재를 개발할 수 있도록 폐석면을 이용한 친환경 단열재를 제조하는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 폐석면을 이용한 친환경 단열재의 제조방법은 폐석면의 분해물을 황산, 염산, 불산 및 질산으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 강산용액으로 용해하여 졸 상태의 폐석면용액을 준비하는 단계; 상기 폐석면용액을 수산화나트륨, 수산화칼륨, 수산화리튬 및 수산화세슘으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 알칼리용액으로 중화시켜 중화된 폐석면용액을 제조하는 단계; 및 상기 중화된 폐석면용액에 마그네슘화합물, 실리케이트화합물 또는 규산용액화합물 중에서 선택된 하나 이상의 화합물을 혼합하여 겔 상태의 고체화합물을 제조하는 단계를 포함한다.
여기서, 상기 졸 상태의 폐석면용액은 상기 폐석면의 분해물에 대하여 상기 강산용액이 20~70부피%가 되도록 1~2시간동안 서서히 첨가하여 200~500rpm으로 교반한 것이 바람직하다.
또한, 상기 알칼리용액의 농도는 3~6N이고, 상기 중화된 폐석면용액은 pH가 5~9인 것이 바람직하다.
또한, 상기 겔 상태의 고체화합물을 50~150℃의 진공건조기에서 2~5시간동안 건조시킨 후 50~100mesh로 분쇄하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.
나아가, 상기 마그네슘화합물은 산화마그네슘, 수산화마그네슘, 황산마그네슘 및 질산마그네슘으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 물질을 혼합한 화합물이고, 상기 실리케이트화합물은 마그네슘 헥사플루오로 실리케이트(magnesium hexafluoro silicate), 소듐 메타실리케이트(sodium meta silicate) 및 칼슘 실리케이트(calcium silicate)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 물질을 혼합한 화합물이고, 상기 규산용액화합물은 액상규산소다, 액상규산가리 및 실리카 졸로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 물질을 혼합한 화합물인 것이 바람직하다.
상술한 바와 같은 본 발명의 폐석면을 이용한 친환경 단열재의 제조방법은,
첫째, 인체에 유해하고 환경오염을 일으킬 수 있는 폐석면을 분해하여 단열성 및 불연성능을 유지하면서 친환경적인 자재로 재활용할 수 있다는 장점이 있다.
둘째, 친환경 물질이므로 다양한 산업분야에 단열재, 불연재 또는 마감재 등으로 폭넓게 활용될 수 있다는 장점이 있다.
이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 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, 도 1을 참고하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 폐석면을 이용한 친환경 단열재의 제조방법을 설명하도록 한다. 도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 폐석면을 이용한 친환경 단열재의 제조방법을 나타낸 블록흐름도이다.
도 1을 참고하면, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 폐석면을 이용한 친환경 단열재의 제조방법은 졸 상태의 폐석면용액 준비단계(S110), 중화된 폐석면용액 제조단계(S120), 겔 상태의 고체화합물 제조단계(S130) 및 건조 및 분쇄단계(S140)를 포함한다.
우선, 산업현장에서 발생되는 폐석면을 분쇄한 분해물을 용기에 넣고, 강산용액을 서서히 첨가하여 용해시켜 졸 상태의 폐석면용액을 준비한다(S110).
이때, 상기 폐석면은 강산에 잘 용해될 수 있도록 5~15cm의 크기로 분쇄를 하는 것이 바람직하다.
상기 강산용액은 황산, 염산, 불산 및 질산으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 용액인 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 불산 용액을 사용한다. 상기 폐석면의 분해물이 잘 용해될 수 있도록 상기 강산용액을 1~2시간동안 서서히 첨가하면서 200~500rpm으로 교반하여 혼합시켜주는 것이 바람직하다.
또한, 반응에 사용되는 용기는 내열성 플라스틱으로 이루어진 용기를 사용하는데, 반응용기는 강산용액과의 반응과정 중에서 발생되는 발열을 식히기 위해서 주변에 냉각수가 흐르도록 구비되고, 반응 중에 발생되는 가스를 배출집진기를 통하여 배출함으로써 공기의 오염을 유발하지 않도록 하는 반응용기를 사용하는 것이 바람직하다.
이때, 상기 강산용액은 폐석면의 부피에 대하여 20~70부피%가 되도록 첨가하는 것이 바람직하다.
상기 강산용액을 첨가한 후 혼합하여 졸 상태의 폐석면용액이 준비되면, 상기 졸 상태의 폐석면용액에 알칼리용액을 첨가하고 교반하여, pH가 5~9가 되는 중화된 폐석면용액을 제조한다(S120).
이때, 상기 알칼리용액의 농도는 3~6N인 것이 바람직하다.
상기 알칼리용액의 농도가 3N 미만인 경우에는 첨가되는 알칼리용액의 부피가 너무 커지게 되어 비경제적이고, 6N를 초과하는 경우에는 반대로 첨가되는 알칼리용액의 부피가 작아서 수득물이 적어지게 되므로 효율성이 떨어진다는 문제점이 있다.
상기 중화된 폐석면용액의 pH는 1~14까지 변화를 시킬 수 있지만, 이후 겔 상태의 고체화합물을 얻기 위해서는 상기와 같이 pH가 5~9인 것이 바람직하다.
상기 중화된 폐석면용액에 마그네슘화합물, 실리케이트화합물 또는 규산용액화합물 중에서 선택된 하나 이상의 화합물을 혼합하여 겔 상태의 고체화합물을 제 조한다(S130).
여기서, 상기 마그네슘화합물은 산화마그네슘, 수산화마그네슘, 황산마그네슘 및 질산마그네슘으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 물질을 혼합한 화합물이고, 상기 실리케이트화합물은 마그네슘 헥사플루오로 실리케이트(magnesium hexafluoro silicate), 소듐 메타실리케이트(sodium meta silicate) 및 칼슘 실리케이트(calcium silicate)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 물질을 혼합한 화합물이고, 상기 규산용액화합물은 액상규산소다, 액상규산가리 및 실리카 졸로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 물질을 혼합한 화합물인 것이 바람직하다.
상기와 같은 마그네슘화합물, 실리케이트화합물 및 규산용액화합물로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 화합물은 겔 상태의 고체화합물을 제조하는데 있어서, 백색 분말을 형성할 수 있도록 해준다.
특히, 마그네슘화합물은 다른 화합물에 비하여 방열효과 및 경량효과를 나타내어 불연성을 나타내는 가벼운 자재로서 보다 바람직한 화합물로 사용될 수 있다.
상기 겔 상태의 고체화합물을 50~150℃의 진공건조기에서 2~5시간동안 건조시킨 후 50~100mesh로 분쇄하여 백색 분말을 제조한다(S140).
이와 같이 제조된 백색분말은 휘발성유기물과 중금속물질에 대한 검출시험을 한 결과 모두가 불검출로 확인이 되었다.
이하, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 폐석면을 이용한 친환경 단열재의 제조방법에 있어서, 겔 상태의 고체화합물을 제조하기 위하여 첨가하는 화합물을 다르게 하여 제조한 경우를 비교하도록 한다.
실시예 1
산업현장에서 발생되는 폐석면을 5~15cm 정도로 절단을 하여 내열성 플라스틱으로 만들어진 반응용기에 집어넣고, 불산 용액을 상기 폐석면부피의 40부피%가 되도록 2시간동안 서서히 첨가하고, 500rpm의 속도로 교반하였다.
상기 폐석면이 상기 불산 용액에 완전히 용해될 때까지 교반을 하여 졸 상태의 폐석면용액을 준비하였다.
이어서, 상기 졸 상태의 폐석면용액에 5N의 수산화나트륨 용액을 1~2시간에 걸쳐서 첨가하여 중화시킴으로써 pH 5-8의 중화된 폐석면용액을 제조하였다.
상기 중화된 폐석면용액에 산화마그네슘, 수산화마그네슘, 황산마그네슘 및 질산마그네슘을 혼합한 마그네슘화합물을 첨가하여 겔 상태의 고체화합물을 수득하였다.
상기 겔 상태의 고체화합물을 진공건조기에 넣고 120℃에서 4시간동안 건조를 시킨 후 50~100mesh로 분쇄를 하였다.
상기 분쇄에 의하여 얻어진 백색분말의 성분을 한국생활환경시험연구원에 의뢰하여 휘발성유기물과 중금속물질에 대한 검출시험을 한 결과 모두가 불검출로 확인이 되었다.
실시예 2
상기 실시예 1과 같은 방법으로 얻은 중화된 폐석면용액에 마그네슘 헥사플루오로 실리케이트(magnesium hexafluoro silicate), 소듐 메타실리케이트(sodium meta silicate) 및 칼슘 실리케이트(calcium silicate)를 혼합한 실리케이트화합물 을 첨가하여 겔 상태의 고체화합물을 얻고, 상기 실시예 1과 같은 방법으로 백색분말을 수득하여 한국생활환경시험연구원에 의뢰하여 휘발성유기물과 중금속물질에 대한 검출시험을 한 결과 모두가 불검출로 확인이 되었다.
실시예 3
상기 실시예 1과 같은 방법으로 얻은 중화된 폐석면용액에 액상규산소다, 액상규산가리 및 실리카 졸을 혼합한 규산용액화합물을 첨가하여 겔 상태의 고체화합물을 얻고, 상기 실시예 1과 같은 방법으로 백색분말을 수득하여 한국생활환경시험연구원에 의뢰하여 휘발성유기물과 중금속물질에 대한 검출시험을 한 결과 모두가 불검출로 확인이 되었다.
이와 같은 사항을 다음 표 2에 나타내었다.
| 시험항목 | 단위 | 시험결과 | 시험방법 |
| 휘발성 유기화합물 함량(VOCs content) | mg/kg | 검출안됨 | ISO 11890-2:2000(E) |
| 포름알데히드 | 불검출(검출한계1) | HPLC(DNPH 법) | |
| 납(Pd) | 불검출(검출한계2) | USEPA 3052:1996 시험장비 : ICP-AES | |
| 카드뮴(Cd) | 불검출(검출한계1) | USEPA 3052:1996 시험장비 : ICP-AES | |
| 수은(Hg) | 불검출(검출한계1) | USEPA 3052:1996 시험장비 : ICP-AES | |
| 6가 크롬(Cr6 +) | 불검출(검출한계0.1) | USEPA 3060A:1996 UV-Vis. Spectrophotometer |
상기 표 2에 나타난 바와 같이, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 폐석면을 이용한 친환경 단열재의 제조방법을 통하여 제조된 백색 분말의 경우 다양한 휘발성 유기화합물 및 중금속의 검출시험에서 모두 불검출로 나타나 본 발명에 따라 제조된 물질이 친환경을 나타낸다는 사실을 알 수 있다.
나아가 상기 VOCs에 포함된 메탄올, 에탄올, 아세톤, 2-프로판올, 헥산, 메틸에틸케톤, 이소부탄올, 벤젠, 1-부틸알코올, 트리클로로에틸렌, 셀로솔브, 메틸이소부틸케톤, 톨루엔, 테트라클로로에틸렌, 아세트산부틸, 에틸벤젠, 자일렌, 스티렌, 부틸셀로솔브, 1,4-디클로로벤젠, 테트라데칸 및 기타 각종 유기화합물이 모두 검출되지 않았다.
따라서 본 발명에 따라 제조된 물질은 기존 석면이 가지고 있던 장점에 부가하여 불연성 및 단열성 기능과 함께 친환경적인 성질을 갖게 되어 다양한 산업분야에 유용하게 사용될 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 특허 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 폐석면을 이용한 친환경 단열재의 제조방법의 블록흐름도이다.
Claims (7)
- 폐석면의 분해물에 황산, 염산, 불산 및 질산으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 강산용액을 1~2시간 동안 상기 폐석면의 분해물에 대하여 20~70부피% 로 첨가하고 200~500rpm으로 교반하여 상기 폐석면의 분해물을 용해함으로써 졸 상태의 폐석면용액을 준비하는 단계;상기 졸 상태의 폐석면용액을 수산화나트륨, 수산화칼륨, 수산화리튬 및 수산화세슘으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 알칼리용액으로 중화시켜 중화된 폐석면용액을 제조하는 단계; 및상기 중화된 폐석면용액에 마그네슘화합물, 실리케이트화합물 또는 규산용액화합물 중에서 선택된 하나 이상의 화합물을 혼합하여 겔 상태의 고체화합물을 제조하는 단계를 포함하는 폐석면을 이용한 친환경 단열재의 제조방법.
- 제 1항에 있어서,상기 겔 상태의 고체화합물을 50~150℃의 진공건조기에서 2~5시간동안 건조시킨 후 50~100mesh로 분쇄하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 폐석면을 이용한 친환경 단열재의 제조방법.
- 삭제
- 제 1항에 있어서,상기 중화된 폐석면용액은 pH가 5~9인 것을 특징으로 하는 폐석면을 이용한 친환경 단열재의 제조방법.
- 제 1항에 있어서,상기 마그네슘화합물은 산화마그네슘, 수산화마그네슘, 황산마그네슘 및 질산마그네슘으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 물질을 혼합한 화합물인 것을 특징으로 하는 폐석면을 이용한 친환경 단열재의 제조방법.
- 제 1항에 있어서,상기 실리케이트화합물은 마그네슘 헥사플루오로 실리케이트(magnesium hexafluoro silicate), 소듐 메타실리케이트(sodium meta silicate) 및 칼슘 실리케이트(calcium silicate)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 물질을 혼합한 화합물인 것을 특징으로 하는 폐석면을 이용한 친환경 단열재의 제조방법.
- 제 1항에 있어서,상기 규산용액화합물은 액상규산소다, 액상규산가리 및 실리카 졸로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 물질을 혼합한 화합물인 것을 특징으로 하는 폐석면을 이용한 친환경 단열재의 제조방법.
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