KR100939100B1 - 수질 정화능이 증대된 투수성 블럭포장재 및 이의 제조방법 - Google Patents

수질 정화능이 증대된 투수성 블럭포장재 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 수질 정화용 투수성 블럭포장재에 관한 것으로, 보다 상세하게는 재생골재를 파쇄 및 세척하여 준비하고, 황토, 블랙셰일(black shale) 및 탄산칼슘(CaCO3)을 혼합하여 황토혼합분말을 준비하는 단계; 상기 준비된 황토혼합분말을 경화용 수지액에 투입한 후, 재생골재를 투입하여 교반하는 단계; 상기 교반된 혼합물을 블럭으로 성형, 가압 다짐 및 양생하는 단계; 및 상기 양생된 블럭에 통성 혐기성 내생포자 형성균을 식종하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 블럭포장재의 제조방법 및 이의 방법으로 제조된 수질 정화용 투수성 블럭포장재에 관한 것이다.
본 발명의 블록포장재는 대표적 자연친화적 소재인 황토를 사용하여 하천 수질정화 및 자연정화 능력을 향상시키며, 친환경적 재료의 사용으로 2차 오염원이 발생하지 않으며 각 재료들 간의 상호 유기적인 관계가 지속적으로 유지되어 설치 후 유지관리를 편리하게 한다.
친환경, 블럭, 재생골재, 블랙셰일, 탄산칼슘, 칼슘실리케이트

Description

수질 정화능이 증대된 투수성 블럭포장재 및 이의 제조방법{Permeable block and pavement with enhanced water purification and preparing method thereof}
본 발명은 수질 정화용 투수성 블럭포장재에 관한 것으로, 보다 상세하게는 재생골재를 파쇄 및 세척하여 준비하고, 황토, 블랙셰일(black shale) 및 탄산칼슘(CaCO3)을 혼합하여 황토혼합분말을 준비하는 단계; 상기 준비된 황토혼합분말을 경화용 수지액에 투입한 후, 재생골재를 투입하여 교반하는 단계; 상기 교반된 혼합물을 블럭으로 성형, 가압 다짐 및 양생하는 단계; 및 상기 양생된 블럭에 통성 혐기성 내생포자 형성균을 식종하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 블럭포장재의 제조방법 및 이의 방법으로 제조된 수질 정화용 투수성 블럭포장재에 관한 것이다.
황토는 주로 실트 크기의 지름 0.002∼0.005mm인 입자로 이루어진 퇴적물을 말하며 뢰스라고도 한다. 중국 본토인 황허강[黃河] 유역에 널리 분포하는데, 그 밖에 미국의 미시시피강 유역, 유럽 중앙부 등에도 분포한다. 중국 본토의 황토는 북서부에 있는 사막으로부터 편서풍에 의하여 운반되어 퇴적된 것이며, 그 밖의 것은 빙하가 후퇴한 뒤의 퇴적물이 바람에 운반된 것이다. 황갈색을 띠고 풍화를 잘 받지 않으며, 모난 수직 벽면을 만들고 주로 석영을 함유하며 그 밖에 휘석, 각섬석 등을 함유하여 석회질이다. 빙하 퇴적점토와 함께 스텝기후하의 체르노좀 등의 비옥한 토양의 모재가 된다.
탄산칼슘은 칼슘의 탄산염으로 대리석, 방해석, 선석(霰石), 석회석, 백악, 빙주석(氷洲石), 조개껍질, 달걀껍질, 산호 등으로서 산출된다. 시멘트의 주원료, 산화칼슘의 원료, 제철·건축재료 등의 각종 중화제(中和劑)로 사용된다. 화학식은 CaCO3 이며 자연계에 존재하는 염 중에서 가장 많다. 일반적으로 무색의 결정 또는 백색 고체로, 비중 2.93이며, 825 ℃에서 분해한다. 가열하면 이산화탄소를 발생하고 생석회를 얻는다. 순수한 물에는 용해하지 않으나, 이산화탄소를 함유하는 물에는 용해하여, 중탄산칼슘을 생성하며 녹는다. 또한, 탄산칼슘에 산을 작용시키면 이산화탄소를 발생한다. 이산화탄소를 함유하는 물이 땅속의 석회석을 만나면 용해하여 공동(空洞)을 만드는데, 이것이 석회석동굴이며, 이와 같이 용해한 물이 지열(地熱) 등에 의해서 분해되어 탄산칼슘이 침전한다. 이 침전이 석회석동굴 속에서 이루어질 때 종유석이나 석순 등을 생성한다.
바실러스는 포자 형성균으로 토양이나 물 속에서 서식하며 대부분이 유기물 분해와 관련되어 있는 부생성 세균이지만 바실러스 안트라시스(탄저병균)와 바실러 스 시리우스(수막염 원인균)는 동물에 바실러스 오리타이, 바실러스 포필리아 및 바실러스 터린기엔시스는 곤충 병원성 균이다. 이 가운데 바실러스 터린기엔시스는 비티 (BT)균이라 하여 생물 살충제로 이용되기도 한다. 바실러스 속 균주는 포자를 형성하기 때문에 생존율이 높지만, 바실러스 속에는 40개 이상의 많은 종이 있어, 단지 바실러스 속이라고 표기한 경우에는 그 특성을 정확히 파악할 수 없다.
바실러스 속 균주 중, 바실러스 서브틸리스는 고초균으로 알려지고 있는데, 포도당과 같은 다양한 당류, 전분 등을 혐기적으로 대사하여, 메주나 청국장과 같은 발효식품 제조에 이용되기도 하는 유기물 분해 미생물이다. 바실러스 서브틸리스는 식물조직의 펙틴과 다당류를 분해하지만, 일부 계통은 감자 괴경을 부패시키기도 한다.
경화제는 열경화성수지(熱硬化性樹脂)에 첨가하여 다리결합을 일으켜 경화시키는 약제이다. 경화제에는 페놀 수지에 사용하는 헥사메틸렌테트라민, 에폭시수지에 사용하는 아민류, 폴리아마이드 등이 있다. 상온에서 경화시키기 위한 상온경화제와 가열에 의하여 경화시키는 가열경화제가 있다. 같은 수지라도 사용하는 경화제의 종류 및 양에 따라 제품의 물성(物性)이 달라진다. 경화를 촉진하거나, 가열경화반응을 상온경화반응으로 바꾸는 약제를 경화촉진제라고 한다. 불포화 폴리에스터 경화에 유기과산화물과 같이 사용하는 3급 아민 등이 대표적인 예이다. 경화제에는 이 밖에 미가황(未加黃) 고무에 배합하여 흐름을 방지하기 위한 배합제(配合劑)나 분자를 다리결합시키기 위한 다리결합제, 시멘트, 석고에 첨가하여 경화를 촉진하는 경화촉진제 등이 있다.
본 발명의 목적은 지금까지 이용되어 오던 하천 제방의 블록을 자연 상태와 가장 가까운 친환경적 소재와 미생물을 이용하여 정화기능이 증대된 포장재를 제조함으로써, 콘크리트 블록 및 도로 등의 포장재를 대신할 친환경적인 블록포장재를 제공하고자 함이다.
상기의 과제를 해결하고자, 본 발명은 재생골재, 황토, 블랙셰일(black shale), 탄산칼슘(CaCO3) 및 통성 혐기성 내생포자 형성균을 포함하는 것을 특징으로 하는 수질 정화용 투수성 블럭포장재를 제공한다.
또한 본 발명은 재생골재를 파쇄 및 세척하여 준비하고, 황토, 블랙셰일(black shale) 및 탄산칼슘(CaCO3)을 혼합하여 황토혼합분말을 준비하는 단계; 상기 준비된 황토혼합분말을 경화용 수지액에 투입한 후, 재생골재를 투입하여 교반하는 단계; 상기 교반된 혼합물을 블럭으로 성형, 가압 다짐 및 양생하는 단계; 및 상기 양생된 블럭에 통성 혐기성 내생포자 형성균을 식종하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수질 정화용 투수성 블럭포장재의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 블록포장재는 대표적 자연친화적 소재인 황토를 사용하여 하천 수질정화 및 자연정화 능력을 향상시키며, 친환경적 재료의 사용으로 2차 오염원이 발생하지 않으며 각 재료들 간의 상호 유기적인 관계(환원작용, 미생물 생육환경)가 지속적으로 유지되어 설치 후 유지관리를 편리하게 한다.
본 발명은 재생골재, 황토, 블랙셰일(black shale), 탄산칼슘(CaCO3) 및 통성 혐기성 내생포자 형성균을 포함하는 것을 특징으로 하는 수질 정화용 투수성 블럭포장재를 제공한다.
본 발명에서 상기 투수성 블럭포장재는 재생골재를 경화시키기 위해 에폭시 수지 및 경화제를 더 포함할 수 있다.
또한 본 발명에서 상기 투수성 블럭포장재는 재생골재를 경화시키기 위해 칼슘실리케이트(CaSiO3) 및 정제수를 더 포함할 수 있다.
또한 본 발명에서 상기 통성 혐기성 내생포자 형성균은 바실러스 서브틸리스(Bacillus subtillus), 바실러스 터린기엔스(Bacillus thuringiensis) 및 슈도모나스(Pseudomonas)로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상의 종균일 수 있다.
본 발명은 또한 재생골재를 파쇄 및 세척하여 준비하고, 황토, 블랙셰일(black shale) 및 탄산칼슘(CaCO3)을 혼합하여 황토혼합분말을 준비하는 단계; 상기 준비된 황토혼합분말을 경화용 수지액에 투입한 후, 재생골재를 투입하여 교반 하는 단계; 상기 교반된 혼합물을 블럭으로 성형, 가압 다짐 및 양생하는 단계; 및 상기 양생된 블럭에 통성 혐기성 내생포자 형성균을 식종하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수질 정화용 투수성 블럭포장재의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 제조방법에서 재생골재를 5~25㎜의 입경으로 파쇄하고, 정제수 또는 묽은 염산으로 세척하여 준비하고, 황토, 블랙셰일 및 탄산칼슘을 325~500mesh 의 입도로 분쇄시켜 혼합하여 황토혼합분말을 준비할 수 있다.
또한 본 발명의 제조방법에서 준비된 황토혼합분말을 에폭시 수지 및 경화제; 또는 칼슘실리케이트(CaSiO3) 및 정제수;의 경화용 수지액에 투입하여 혼합한 후, 재생골재를 다시 투입하여 교반할 수 있다.
또한 본 발명의 제조방법에서 교반된 혼합물을 제조블럭의 규격크기에 맞는 몰드로 이송하고, 25MPa 이상으로 성형, 가압 다짐한 후, 15~25℃의 온도 및 50~70%의 습도를 유지하며 7~28일 간 양생할 수 있다.
또한 본 발명의 제조방법에서 양생된 블럭에 통성 혐기성 포자형성균을 분사하여 식종하거나 또는 통성 혐기성 내생포자 형성균액에 양생된 블럭을 침적하여 식종할 수 있다.
이하 본 발명의 수질 정화용 투수성 블럭포장재 및 이의 제조방법에 대하여 보다 상세하게 설명한다.
본 발명은 기존의 콘크리트 블럭에 사용된 시멘트가 아닌 친환경적 소재인 황토의 사용으로 보다 더 자연 상태에 가까운 하천 수질 정화용 블럭포장재에 관한 것으로, 황토에 서식하는 많은 미생물과 미생물의 영양제인 효소가 풍부하여 황토 자체만의 정화능력 뿐만 아니라 종균한 미생물에 최적의 생육조건을 제공해 주는 역할을 한다. 또한 첨가되는 탄산칼슘은 교결로 이루어진 황토의 입자간 공극률이 50~55%로 충분하도록 통수 공간을 제공하며 양이온 치환 능력이 뛰어나 흡착제로서의 역할도 한다.
본 발명은 자원 재활용과 재료 수급의 용이성이 우수한 재생골재를 주요 소재로 사용하며 재생골재의 분쇄 과정을 통해 형성된 공극에 미생물의 부착과 생육에 관한 훌륭한 생활공간을 제공한다. 또한 수중의 유기물질 제거와 인 제거에 모두 관여하는 친환경적 복원재료로 알려진 블랙셰일(Balck shale)을 사용하여 수질 정화능을 보다 더 향상시키며, 에폭시 수지 또는 칼슘실리케이트(CaSiO3)를 포함하여 일반적인 황토와 물의 혼합으로 이루어진 황토블록에 비해 보다 더 강한 인장강도를 가지는 친환경의 수질 정화능력이 우수한 기능성 블록포장재에 관한 것이다.
본 발명은 재생골재, 황토, 블랙셰일(black shale), 탄산칼슘(CaCO3) 및 통성 혐기성 내생포자 형성균을 포함하는 것을 특징으로 하는 수질 정화용 투수성 블럭포장재에 관한 것으로, 상기 투수성 블럭포장재는 재생골재를 경화시키기 위해 에폭시 수지 및 경화제; 또는 칼슘실리케이트(CaSiO3) 및 정제수를 더 포함할 수 있다(도 2 및 도 3 참조).
바람직하게는 투수성 블럭포장재는 재생골재 70~80중량%, 황토 6~16중량%, 블랙셰일 4~8중량%, 탄산칼슘 4.5~8.5중량%, 경화용 수지액 2.0~2.8중량%를 포함할 수 있다.
보다 바람직하게는 투수성 불럭포장재는 재생골재 74.02중량%, 황토 11.49중량%, 블랙셰일 5.57중량%, 탄산칼슘 6.52중량%, 에폭시 수지 1.85중량% 및 경화제 0.55중량%(또는 칼슘실리실리케이트 0.48중량% 및 정제수 1.92중량%)를 포함할 수 있다. 상기 경화제로는 아민이나 폴리아마이드를 사용할 수 있다.
또한 본 발명에서 상기 통성 혐기성 내생포자 형성균은 바실러스 서브틸리스(Bacillus subtillus), 바실러스 터린기엔스(Bacillus thuringiensis) 및 슈도모나스(Pseudomonas)로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상의 종균일 수 있다.
바람직하게는 통성 혐기성 내생포자 형성균은 바실러스 서브틸리스와 바실러스 터린기엔스를 1:2 ~ 2:1의 중량비로 혼합한 0.81~8100ppm의 종균일 수 있다.
보다 바람직하게는 통성 혐기성 내생포자 형성균은 바실러스 서브틸리스와 바실러스 터린기엔스를 1:1의 중량비로 혼합한 81ppm의 종균일 수 있다. 상기 미생물 종균의 최적의 생육환경을 제공하기 위해 Aneylase, Protease와 같은 영양제인 효소를 첨가할 수 있으며, 안정화 물질로 Ca, Mg, Fe, Ni등의 미량의 미네랄도 첨가할 수 있다. 이를 위해 시중에 판매되는 배양액을 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명의 제조방법은 또한 모든 재료를 한꺼번에 mixing 하는 공정을 통해 제조의 번거로움을 줄이고 가격 경쟁력을 향상시킬 수 있다. 또한 기능성 블럭 및 도로포장재의 체계적인 생산방법을 제공하여, 보다 양질의 블럭을 효율적으로 다량 제조할 수 있게 한다.
본 발명의 제조방법은 재생골재를 파쇄 및 세척하여 준비하고, 황토, 블랙셰일(black shale) 및 탄산칼슘(CaCO3)을 혼합하여 황토혼합분말을 준비하는 단계; 상기 준비된 황토혼합분말을 경화용 수지액에 투입한 후, 재생골재를 투입하여 교반하는 단계; 상기 교반된 혼합물을 블럭으로 성형, 가압 다짐 및 양생하는 단계; 및 상기 양생된 블럭에 통성 혐기성 내생포자 형성균을 식종하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다(도 1 참조).
본 발명의 제조방법에서 재생골재를 5~25㎜의 입경으로 파쇄하고, 정제수 또는 묽은 염산으로 세척하여 준비하고, 황토, 블랙셰일 및 탄산칼슘을 325~500mesh 의 입도로 분쇄시켜 혼합하여 황토혼합분말을 준비할 수 있다.
바람직하게는 재생골재를 10~20㎜의 입경으로 파쇄하고, 정제수와 묽은 염산의 혼합액으로 세척하여 준비(재생골재 70~80중량%)하고, 황토, 블랙셰일 및 탄산칼슘을 350~450mesh의 입도로 분쇄시켜 혼합하여 황토혼합분말(황토 6~16중량%, 블랙셰일 4~8중량%, 탄산칼슘 4.5~8.5중량%)을 준비할 수 있다.
보다 바람직하게는 재생골재를 15㎜의 입경으로 파쇄하고, 정제수와 묽은 염산의 혼합액으로 세척하여 준비(재생골재 74.02중량%)하고, 황토, 블랙셰일 및 탄산칼슘을 400mesh의 입도로 분쇄시켜 혼합하여 황토혼합분말(황토 11.49중량%, 블랙셰일 5.57중량%, 탄산칼슘 6.52중량%)을 준비할 수 있다.
또한 본 발명의 제조방법에서 준비된 황토혼합분말을 에폭시 수지 및 경화제; 또는 칼슘실리케이트(CaSiO3) 및 정제수;의 경화용 수지액에 투입하여 혼합한 후, 재생골재를 다시 투입하여 교반할 수 있다.
바람직하게는 준비된 황토혼합분말 23.58중량%을 칼슘실리실리케이트 0.48중량% 및 정제수 1.92중량%의 경화용 수지액에 투입하여 혼합한 후, 재생골재 74.02중량%를 다시 투입하여 교반할 수 있다.
보다 바람직하게는 준비된 황토혼합분말 23.58중량%을 에폭시 수지 1.85중량% 및 경화제 0.55중량%의 경화용 수지액에 투입하여 혼합한 후, 재생골재 74.02중량%를 다시 투입하여 교반할 수 있다.
또한 본 발명의 제조방법에서 교반된 혼합물을 제조블럭의 규격크기에 맞는 몰드로 이송하고, 25MPa 이상으로 성형, 가압 다짐한 후, 15~25℃의 온도 및 50~70%의 습도를 유지하며 7~28일 간 양생할 수 있다.
바람직하게는 교반된 혼합물을 제조블럭의 규격크기에 맞는 몰드로 이송하고, 30MPa 에서 성형, 가압 다짐한 후, 20℃의 온도 및 60%의 습도를 유지하며 14일 간 양생할 수 있다.
또한 본 발명의 제조방법에서 양생된 블럭에 통성 혐기성 내생포자 형성균을 분사하여 식종하거나 또는 통성 혐기성 내생포자 형성균액에 양생된 블럭을 침적하여 식종할 수 있다.
바람직하게는 양생된 블럭에 바실러스 서브틸리스와 바실러스 터린기엔스를 1:2 ~ 2:1의 중량비로 혼합한 0.81~8100ppm의 종균을 반복분사하여 식종하거나, 바실러스 서브틸리스와 바실러스 터린기엔스를 1:2 ~ 2:1의 중량비로 혼합한 0.81~8100ppm의 종균액에 양생된 블럭을 침적하여 식종할 수 있다.
보다 바람직하게는 바실러스 서브틸리스와 바실러스 터린기엔스를 1:1의 중량비로 혼합한 81ppm의 종균액에 양생된 블럭을 침적하여 식종할 수 있다.
이하 본 발명의 실시예 및 실험예에 대하여 설명한다. 이하의 실시예 등은 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 권리범위를 이에 한정하고자 하는 것은 아니다.
# 에폭시 수지 및 경화제를 이용한 실시예
<실시예 1> 투수성 블럭포장재의 제조
1. 재생골재를 입경 15mm이 되도록 분쇄한 후, 정제수 및 묽은 염산의 세척액으로 표면을 세척한 후, 200℃에서 3시간 충분히 건조시켜 수분을 완전히 배제한 재생골재 4㎏(74.02중량%)을 준비하였다.
2. 400mesh의 입도로 미분쇄한 황토 620.7g(11.49중량%), 블랙셰일 300.73g(5.57중량%)및 탄산칼슘 352.4g(6.52중량%)을 혼합하여 황토혼합분말을 준비하였다.
3. 재생골재의 경화를 위해 에폭시 수지(국도화학) 100g(1.85중량%) 및 폴리아마이드(경화제) 30g(0.55중량%)를 배합하여 수지액을 준비하였다.
4. 상기 3.의 수지액에 상기 2.의 황토혼합분말을 투입하여 잘 혼합한 후, 다시 상기 1.의 재생골재를 투입하여 교반하였다.
5. 상기 4.의 교반으로 재생골재 표면에 수지액 및 황토혼합분말의 코팅이 이루어지면, 13.5*13.5*4(cm)의 몰드에 투입하여 블록 전체면이 고르게 자리 잡도록 진동을 주고 다지기를 하며, 30MPa으로 성형, 가압하였다.
6. 상기 5.의 성형, 가압된 블록을 20℃의 온도와 상대습도 60%인 양생실에서 14일 동안 1차 양생과정을 실시하여 완전경화시켰다.
7. 상기 6.의 경화를 마친 블록을 바실러스 서브틸리스(Bacillus subtillus)와 바실러스 터린기엔스(Bacillus thuringiensis)가 1:1의 중량비로 혼합된 81ppm 종균액에 충분히 침적하고, 다시 양생의 과정을 거쳐 수질 정화용 투수성 블록포장재를 제조하였다.
<실시예 2-14> 투수성 블럭포장재의 제조
상기 실시예 1의 방법과 같은 방법으로 블럭포장재를 제조하되, 포장재의 구성성분들의 함량과 식종되는 종균의 함량을 달리하여 제조하였다(이하 표 1 및 표 2 참조).
[표 1] 블럭포장재의 구성성분들의 함량별 실시예(단위: 전체블럭포장재 100중량%대비, 중량%)
재생골재 황토 블랙셰일 탄산칼슘 에폭시 수지 풀리아마이드(경화제) 비고
실시예 2 74.02 12.49 4.57 6.52 1.85 0.55 식종되는 종균의 함 량은 모두 같음 (81ppm)
실시예 3 74.02 13.49 3.57 6.52 1.85 0.55
실시예 4 74.02 14.49 2.57 6.52 1.85 0.55
실시예 5 74.02 11.49 6.57 5.52 1.85 0.55
실시예 6 74.02 11.49 7.57 4.52 1.85 0.55
실시예 7 74.02 11.49 8.57 3.52 1.85 0.55
실시예 8 74.02 10.49 5.57 7.52 1.85 0.55
실시예 9 74.02 9.49 5.57 8.52 1.85 0.55
실시예 10 74.02 8.49 5.57 9.52 1.85 0.55
(상기 표 1에서, ① 실시예 2~4는 황토와 블랙셰일의 함량비를 달리한 실시 예, ② 실시예 5~7은 블랙셰일과 탄산칼슘의 함량비를 달리한 실시예 및 ③ 실시예 8~10은 황토와 탄산칼슘의 함량비를 달리한 실시예이다.)
[표 2] 블럭포장재에 식종하는 종균량에 따른 실시예
바실러스 서브틸리스 및 바실러스 터린기엔스 종균량 비고
실시예 11 8100ppm 블록포장재의 다른 구성성분들의 함량은 모두 실시예 1과 동일 함.
실시예 12 810ppm
실시예 13 8.1ppm
실시예 14 0.81ppm
# 칼슘실리케이트 및 정제수를 이용한 실시예
<실시예 15> 투수성 블럭포장재의 제조
1. 재생골재를 입경 15mm이 되도록 분쇄한 후, 정제수 및 묽은 염산의 세척액으로 표면을 세척한 후, 200℃에서 3시간 충분히 건조시켜 수분을 완전히 배제한 재생골재 4㎏(74.02중량%)을 준비하였다.
2. 400mesh의 입도로 미분쇄한 황토 620.7g(11.49중량%), 블랙셰일 300.73g(5.57중량%)및 탄산칼슘 352.4g(6.52중량%)을 혼합하여 황토혼합분말을 준비하였다.
3. 재생골재의 경화를 위해 칼슘실리케이트 25.94g(0.48중량%) 및 정제수 104.72g(1.92중량%)를 배합하여 수지액을 준비하였다.
4. 상기 3.의 수지액에 상기 2.의 황토혼합분말을 투입하여 잘 혼합한 후, 다시 상기 1.의 재생골재를 투입하여 교반하였다.
5. 상기 4.의 교반으로 재생골재 표면에 수지액 및 황토혼합분말의 코팅이 이루어지면, 13.5*13.5*4(cm)의 몰드에 투입하여 블록 전체면이 고르게 자리 잡도록 진동을 주고 다지기를 하며, 30MPa으로 성형, 가압하였다.
6. 상기 5.의 성형, 가압된 블록을 20℃의 온도와 상대습도 60%인 양생실에서 14일 동안 1차 양생과정을 실시하여 완전경화시켰다.
7. 상기 6.의 경화를 마친 블록을 바실러스 서브틸리스(Bacillus subtillus)와 바실러스 터린기엔스(Bacillus thuringiensis)가 1:1의 중량비로 혼합된 81ppm 종균액에 충분히 침적하고, 다시 양생의 과정을 거쳐 수질 정화용 투수성 블록포장재를 제조하였다.
<실시예 16-28> 투수성 블럭포장재의 제조
상기 실시예 15과 같은 방법으로 블럭포장재를 제조하되, 구성성분들의 함량과 식종되는 종균의 함량을 달리하여 제조하였다(이하 표 3 및 표 4 참조).
[표 3] 블럭포장재의 구성성분들의 함량별 실시예(단위: 전체블럭포장재 100중량% 대비, 중량%)
재생골재 황토 블랙셰일 탄산칼슘 칼슘실리케이트 정제수 비고
실시예 16 74.02 11.49 4.57 7.52 0.48 1.92 식종되는 종균의 함 량은 모두 같음 (81ppm)
실시예 17 74.02 11.49 3.57 8.52 0.48 1.92
실시예 18 74.02 11.49 2.57 9.52 0.48 1.92
실시예 19 74.02 11.49 1.57 10.52 0.48 1.92
실시예 20 74.02 11.49 6.57 5.52 0.48 1.92
실시예 21 74.02 11.49 7.57 4.52 0.48 1.92
실시예 22 74.02 11.49 5.57 6.52 0.96 1.44
실시예 23 74.02 11.49 5.57 8.52 1.44 0.96
실시예 24 74.02 11.49 5.57 9.52 1.92 0.48
(상기 표 3에서 실시예 16~21는 블랙셰일과 탄산칼슘의 함량비에 따른 실시 예, 실시예 22~24는 칼슘실리케이트 및 정제수의 함량비에 따른 실시예이다.)
[표 4] 블럭 및 도로포장재에 식종하는 미생물량에 따른 실시예
바실러스 서브틸리스 및 바실러스 터린기엔스 종균량 비고
실시예 25 8100ppm 블록포장재의 다른 구성성분들의 함량은 모두 실시예 1과 동일 함.
실시예 26 810ppm
실시예 27 8.1ppm
실시예 28 0.81ppm
<비교예 1> 투수성 블럭포장재의 제조
상기 실시예 1과 같은 방법으로 블럭포장재를 제조하되, 황토 대신 일반모레를 사용한 모레혼합분말을 이용하여 블럭포장재를 제조하였다.
<비교예 2> 투수성 블럭포장재의 제조
상기 실시예 1과 같은 방법으로 블럭포장재를 제조하되, 경화용 수지액 대신 정제수를 이용한 블럭포장재를 제조하였다.
<비교예 3> 투수성 블럭포장재의 제조
상기 실시예 1과 같은 방법으로 블럭포장재를 제조하되, 일체의 미생물을 첨가하지 않고 블럭포장재를 제조하였다.
<실험예 1> 설계인자의 설정과 구성성분들의 함량 결정
1. 설계인자 설정
블록 규격은 13.5*13.5*4(cm), 인장강도는 180kg/cm3, 흡수율은 10~15%, 공극률은 18~22% 및 투수계수는 13~200 mm/hr가 되도록 설정하였다.
2. 황토블럭의 구성성분들의 함량 결정
1) 재생골재
재생골재는 황토블록의 공극률과 투수계수를 보장하기 위해 5~25mm 입경으로 파쇄하였다. 황토블록의 흡수율을 보장하기 위해 콘크리트용 재생골재의 품질기준은 KS F 2573-2002)에서 정한 2종(굵은 골재, 흡수율 7%)과 3종(잔골재, 흡수율 10%)의 재생 굵은 골재(8~25mm)와 재생 잔골재(5mm이하)를 사용하였고, 황토블록에 부착될 미생물의 완벽한 생육 조건을 위해 파쇄 과정에서 발생한 표면적과 공극의 증가는 최상의 미생물 담채의 역할을 하게 된다. 설계사양으로 재생골재 규격은 5~25mm 입경으로 하고, 최적의 함량은 블록의 총 중량에 대해 74.02중량% 였다.
2) 황토
황토입자는 주로 실트 크기의 입자로 구성되어있고 1mm이하를 유지하는 적황토를 사용하였다. 상기 황토입자는 탄산칼슘에 의해 느슨하게 교결되어 황토 입자간의 공극률이 50~55%를 보장하며 간접적인 접착제의 역할을 한다. 또한 광물학적 특성상 높은 비표면적으로 양이온 교환 능력이 우수하기 때문에 충분히 흡착제로서 사용이 가능하며, 황토 자체에 수 억 마리의 미생물이 활발하게 서식하고 있으며 사상균 조류 및 원생동물이나 식물 뿌리계가 공존하여 무기물의 분해 작용이 탁월하다. 또한 50여 종류의 다양한 효소가 존재하며 대부분 가수분해 효소에 속한다. 효소 중 카탈라아제는 생물에 대해 독소를 나타내는 H2O2를 제거하여 적절한 생육조건을 유지하며, 디페놀 옥시다아제는 황토 속의 미생물과 함께 산화력과 분해력을 강하게 하는 효과가 있으며, 프로타아제는 단백질을 아미노산으로 분해하는 작용을 하여 유기물의 처리능력을 향상 시킨다. 설계사양으로 황토 규격은 1mm이하의 입경, 최적의 함량은 블록의 총 중량에 대해 11.49중량% 였다.
3) 블랙셰일
블록의 양생 과정이나 양생 후 균열, 박리, 붕괴를 일으키는 팽창성 물질인 montmorillonite, illite등을 포함하지 않아 안정성이 높고, 특히 온도와 pH의 조건을 달리한 slake durability test(풍화내구시험) 결과 온도 및 pH에 대하여 영향을 받지 않아 안정성이 높다. 수중의 인산염 이온 흡착 실험 결과 인산염의 흡착량이 제올라이트(0.91), sediment(1.141)에 비해 black shale(7.721)이 더 높게 나타나 인산염 제거에 탁월한 흡착제가 될 수 있는 결과를 확인했다. 여러 해를 거쳐 퇴적된 퇴적암의 특징 상 높은 압축강도(730~1,140 kg/cm2)와 인장강도(130~180 kg/cm2)를 보유하고 있어 황토블록의 인장강도를 높이는 효과를 가져왔다. 설계사양으로 함량은 블록의 총 중량에 대해 5.57중량% 였다.
4) 탄산칼슘
탄산칼슘은 pH의 상승도가 완만한 약알카리성 지속성의 무기물로 수질의 산 성화를 방지하는 기능을 가지고 있으며, 황토 입자간의 교결작용을 일으키며 그 자체만으로 약간의 접착제 역할을 할 수 있다. 수중의 인산염인을 정석탈인법에 의하여 제거하며 제거율은 20℃에서 50%이상의 제거 효율을 나타내었다.
[정석탈인법]
정석탈인법은 이온의 형태로 수중에 용해되어 있는 인산이온을 정석반응을 통하여 난용성인 HAP(Hydroxyapatite, Ca5(OH)PO4)3)의 결정으로 석출시켜 제거하는 방법이며 화학 반응식은 다음과 같다.
10Ca2+ + 6PO4 3- + 2OH- → Ca10(OH)2(PO4)6
CaCO3의 수중의 인산염인 제거기작과 관련하여, 정석탈인법의 특징으로 정인산 이온이 칼슘이온과 반응하여 Hydroxyapatite [Ca5(OH)(PO4)3]을 생성하는 원리로써 석회 응집침전법에 의한 반응과 동일하며 수중에서의 화학 반응식은 다음과 같다.
CaCO3 + H2O → Ca2+ + HCO3 - + OH-
Ca2+와 OH-와 HCO3 -가 용리하여 수중의 칼슘이온과 반응하여 pH가 상승 한다. 여기에 인산염인이 함유된 물과 반응하게 되면 아래의 반응이 이루어진다.
5Ca2+ + 3HPO4 2- + 4OH- → Ca10(OH)2(PO4)6 + 3H2O
설계사양으로 투입된 함량은 블록의 총 중량에 대해 6.52중량% 였다.
5)칼슘실리케이트
칼슘실리케이트는 물과 반응하여 빠른 속도로 경화가 이루어지며 일반적인 황토의 접착력만을 이용한 블록에 비해 훨씬 더 높은 인장강도를 가진다. 수경화 화학 반응식은 이하와 같다.
2(2CaO·SiO2) + 4H2O → 3CaO·2SiO2·3H2O + Ca(OH)2
설계사양으로 함량은 블럭의 총 중량에 대해 0.48중량% 였다.
6) 에폭시 수지
에폭시 수지는 경화가 일어나기 전에 물과 반응하면 안되고, 시멘트의 10배의 압축강도 유지 가능하다. 설계사양으로 함량은 블럭의 총 중량에 대해 1.85중량% 였다.
7) 미생물 종균
미생물 종균으로서, 바실러스 서브틸리스(Bacillus subtillis)는 극한 환경속에서 포자를 형성하여 외부에 대한 높은 저항력을 부여하는 강한 생존성을 보유하고 있어 종균 미생물로 적합하다. 외부의 산소 공급에 영향을 받지 않는 통성혐기성인 종류가 대두분이며 유기물을 기질로 하여 세포물질을 합성하는 화학유기영양 세균으로 유기물 분해에 최적인 미생물이다. Bacillus 균은 오염된 수질에 대해 생물학적 질소, 유기물의 제거 효율이 뛰어나며, Bacillus 균의 생물학적 질소 제거 과정은 다음과 같다.
① 생물학적 질산화 - 암모니아성 질소(NH4-N)가 아질산성질소(NO2-N)로 산 화되고 다시 질산성질소 (NO3-N)로 산화되는 두 단계의 생물학적 공정을 필요로 한다.
NH4 + + 1.5O2 → NO2- + H2O + 2H+
NO2 - + 0.5O2 → NO3 -
② 생물학적 탈질 - 질산염을 NO, N2O, N2 가스로 생물학적으로 환원시키는 과정을 말한다.
NO3 - + 2e- + 2H+ → NO2 - + H2O
NO2 - + e- + 2H+ → NO + H2O
2NO + 2e- + 2H+ → N2O + H2O
N2O + 2e- + 2H+ → N2(g) + H2O
생물학적 질소 제거율은 인공폐수 적용 시 97%, 실 폐수 적용 시 87%의 제거 효율을 나타냈다.
생물학적 유기물 제거는 또한 산화와 분해의 과정을 통한 제거 과정을 거친다. 산화(호기조건)는 유기질소 + O2 → CO2 + H2O + 미생물증식 +E, 분해(혐기조건)는 고분자 유기물질 → 저분자, VFA(Volatile Fatty Acids 저분자성 유기산)의 과정을 거친다. 생물학적 유기물질 제거율은 인공폐수와 실 폐수 모두 97%의 제거효율을 나타냈다.
설계사양으로 블록에 충분히 부착할 수 있는 량을 투입하였다. 최적의 투입량은 81ppm 이었다.
<실험예 2> 제조된 투수성 블럭포장재의 처리효율 측정
1. 제조된 블럭포장재의 적합성 측정
상기 실시예 1 내지 28의 방법으로 제조된 블럭포장재를 KS규격에 (기본적인 강도와 종균된 미생물의 개체수에 의한 평가) 따라서 적합성을 평가하여 보았다. 또한 비교를 위하여 비교예 1-3의 방법으로 제조된 블럭포장재도 평가하였다(이하 표 5 및 표 6 참조).
[표 5] 블럭포장재(에폭시 수지 및 경화제 이용)의 적합성 측정결과
적합성 비고
실시예 1의 방법으로 제조된 블럭포장재 매우우수
실시예 2의 방법으로 제조된 블럭포장재 우수
실시예 3의 방법으로 제조된 블럭포장재 보통
실시예 4의 방법으로 제조된 블럭포장재 우수
실시예 5의 방법으로 제조된 블럭포장재 보통
실시예 6의 방법으로 제조된 블럭포장재 보통
실시예 7의 방법으로 제조된 블럭포장재 보통
실시예 8의 방법으로 제조된 블럭포장재 보통
실시예 9의 방법으로 제조된 블럭포장재 보통
실시예 10의 방법으로 제조된 블럭포장재 보통
실시예 11의 방법으로 제조된 블럭포장재 보통
실시예 12의 방법으로 제조된 블럭포장재 보통
실시예 13의 방법으로 제조된 블럭포장재 보통
실시예 14의 방법으로 제조된 블럭포장재 보통
비교예 1의 방법으로 제조된 블럭포장재 불량
비교예 2의 방법으로 제조된 블럭포장재 불량
비교예 2의 방법으로 제조된 블럭포장재 불량
상기 표 5에서 알 수 있듯이, 실시예 1, 2 및 4의 방법으로 제조된 블럭포장 재가 적합성면에서 우수하다는 것을 알 수 있었다.
[표 6] 블럭포장재(칼슘실리케이트 및 정제수 이용)의 적합성 측정결과
적합성 비고
실시예 15의 방법으로 제조된 블럭포장재 우수
실시예 16의 방법으로 제조된 블럭포장재 우수
실시예 17의 방법으로 제조된 블럭포장재 보통
실시예 18의 방법으로 제조된 블럭포장재 우수
실시예 19의 방법으로 제조된 블럭포장재 보통
실시예 20의 방법으로 제조된 블럭포장재 보통
실시예 21의 방법으로 제조된 블럭포장재 보통
실시예 22의 방법으로 제조된 블럭포장재 보통
실시예 23의 방법으로 제조된 블럭포장재 보통
실시예 24의 방법으로 제조된 블럭포장재 보통
실시예 25의 방법으로 제조된 블럭포장재 보통
실시예 26의 방법으로 제조된 블럭포장재 보통
실시예 27의 방법으로 제조된 블럭포장재 보통
실시예 28의 방법으로 제조된 블럭포장재 보통
상기 표 6에서 알 수 있듯이, 실시예 15, 16 및 18의 방법으로 제조된 블럭포장재가 적합성면에서 우수하다는 것을 알 수 있었다.
2. 제조된 블럭포장재의 유층수의 처리효율 측정
1) 본 발명의 블럭포장재를 이용하여 하천 및 호수의 수질 개선을 측정하였다. 경기도 과천시에 위치한 양재천의 물을 채수하여 원수로 사용하였다. 상기 1.의 실험에서 적합성이 우수한 것 중, 3개의 블럭포장재(실시예 1, 2 및 4의 방법으로 제조된 블럭포장재)을 선정하고 각각의 용기에 선정된 블럭포장재와 채수한 원수를 투입하여 수질개선에 대한 실험을 실시하였다(또한 비교를 위하여 비교예의 방법으로 제조된 블럭포장재도 같이 실험하였다.). 상기 각각의 용기에서 1일 간격으로 채수를 실시하고 수질분석을 수행하였으며 실험 시작 15일과 30일 후의 수질 개선에 대한 분석결과를 아래의 표 7에 나타내었다.
[표 7] 유층수의 수질 및 처리효율 결과
처리전 15일후 30일후 처리효율
BOD(mg/l) 실시예 1의 블럭포장재 4.2 2.1 1.7 50~60%
실시예 2의 블럭포장재 4.4 2.2 1.8 51~58%
실시예 4의 블럭포장재 4.1 2.5 2.4 40~46%
비교예 1의 블럭포장재 4.2 3.9 3.7 5~10%
비교예 2의 블럭포장재 4.2 3.7 3.6 7~20%
비교예 3의 블럭포장재 4.2 4.0 3.9 3~10%
COD(mg/l) 실시예 1의 블럭포장재 10.5 5.8 5.2 45~50%
실시예 2의 블럭포장재 11.0 5.8 5.1 47~54%
실시예 4의 블럭포장재 10.3 6.3 6.0 39~42%
비교예 1의 블럭포장재 10.5 9.9 9.3 5~10%
비교예 2의 블럭포장재 10.5 8.6 8.1 7~20%
비교예 3의 블럭포장재 10.4 10.3 9.5 3~10%
SS(mg/l) 실시예 1의 블럭포장재 23.2 11.6 8.1 50~65%
실시예 2의 블럭포장재 23.1 11.1 7.4 52~68%
실시예 4의 블럭포장재 22.9 10.3 9.2 55~60%
비교예 1의 블럭포장재 23.1 18.4 16.3 7~20%
비교예 2의 블럭포장재 23.2 17.2 15.5 10~25%
비교예 3의 블럭포장재 23.1 20.5 20.1 3~10%
T-N(mg/l) 실시예 1의 블럭포장재 5.5 3.9 2.8 30~50%
실시예 2의 블럭포장재 6.2 4.1 3.3 33~47%
실시예 4의 블럭포장재 5.7 4.2 3.2 26~44%
비교예 1의 블럭포장재 5.9 5.6 5.4 5~10%
비교예 2의 블럭포장재 5.9 5.2 4.9 7~20%
비교예 3의 블럭포장재 6.0 5.8 5.6 3~10%
T-P(mg/l) 실시예 1의 블럭포장재 0.4 0.2 0.2 30~40%
실시예 2의 블럭포장재 0.3 0.2 0.2 27~42%
실시예 4의 블럭포장재 0.3 0.3 0.2 23~27%
비교예 1의 블럭포장재 0.3 0.3 0.3 2~10%
비교예 2의 블럭포장재 0.3 0.3 0.3 4~10%
비교예 3의 블럭포장재 0.3 0.3 0.3 1~10%
상기 표 7에서 알 수 있듯이, 본 발명의 실시예들에 의하여 제조된 블럭포장재는 유층수의 수질 및 처리효율이 높다는 것을 알 수 있었다.
본 발명의 투수성 블록포장재는 기존의 시멘트 등을 이용한 하천 제방블럭 등에 비하여 환경 친화적이며, 하천수질의 정화에 탁월한 효율성을 가지는 바, 보다 맑고 깨끗한 친환경 하천을 만들 수 있으며, 자전거 도로 등의 포장재로써 이용이 가능하여 국가의 환경산업발전에 이바지 할 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 투수성 블럭포장재의 제조공정을 모식도로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 투수성 블럭포장재의 평면도를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 투수성 블럭포장재의 블럭입자를 확대한 것을 나타낸 것이다.

Claims (9)

  1. 재생골재 70~80중량%, 황토 6~16중량%, 블랙셰일(black shale) 4~8중량%, 탄산칼슘(CaCO3) 4.5~8.5중량% 및 경화용 수지액 2.0~2.8중량% 를 포함하고, 통성 혐기성 내생포자 형성균인 바실러스 서브틸리스와 바실러스 터린기엔스를 1:2 ~ 2:1의 중량비로 혼합한 0.81~8100ppm의 종균이 식재된 것을 특징으로 하는 수질 정화용 투수성 블록포장재.
  2. 제1항에 있어서, 상기 경화용 수지액은 에폭시 수지 및 경화제인 것을 특징으로 하는 수질 정화용 투수성 블럭포장재.
  3. 제1항에 있어서, 상기 경화용 수지액은 칼슘실리케이트(CaSiO3) 및 정제수인 것을 특징으로 하는 수질 정화용 투수성 블럭포장재.
  4. 삭제
  5. 재생골재를 파쇄 및 세척하여 준비하고, 황토, 블랙셰일(black shale) 및 탄 산칼슘(CaCO3)을 혼합하여 황토혼합분말을 준비하는 단계;
    상기 준비된 황토혼합분말을 경화용 수지액에 투입한 후, 재생골재를 투입하여 교반하는 단계;
    상기 교반된 혼합물을 블럭으로 성형, 가압 다짐 및 양생하는 단계; 및
    상기 양생된 블럭에 통성 혐기성 내생포자 형성균을 식종하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수질 정화용 투수성 블럭포장재의 제조방법.
  6. 제5항에 있어서, 재생골재를 5~25㎜의 입경으로 파쇄하고, 정제수 또는 묽은 염산으로 세척하여 준비하고, 황토, 블랙셰일 및 탄산칼슘을 325~500mesh 의 입도로 분쇄시켜 혼합하여 황토혼합분말을 준비하는 것을 특징으로 하는 수질 정화용 투수성 블럭포장재의 제조방법.
  7. 제5항에 있어서, 준비된 황토혼합분말을 에폭시 수지 및 경화제; 또는 칼슘실리케이트(CaSiO3) 및 정제수;의 경화용 수지액에 투입하여 혼합한 후, 재생골재를 다시 투입하여 교반하는 것을 특징으로 하는 수질 정화용 투수성 블럭포장재의 제조방법.
  8. 제5항에 있어서, 교반된 혼합물을 제조블럭의 규격크기에 맞는 몰드로 이송하고, 25MPa 이상으로 성형, 가압 다짐한 후, 15~25℃의 온도 및 50~70%의 습도를 유지하며 7~28일 간 양생하는 것을 특징으로 하는 수질 정화용 투수성 블럭포장재의 제조방법.
  9. 제5항에 있어서, 양생된 블럭에 통성 혐기성 내생포자 형성균을 분사하여 식종하거나 또는 통성 혐기성 내생포자 형성균액에 양생된 블럭을 침적하여 식종하는 것을 특징으로 하는 수질 정화용 투수성 블럭포장재의 제조방법.
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