KR100967819B1

KR100967819B1 - 폴리실리콘 제조공정에서 발생한 슬러지를 활용한 성토재용 조성물, 성토재 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR100967819B1
Application number: KR1020100012252A
Authority: KR
Inventors: 전성환; 민경산; 이승헌
Original assignee: 주식회사 대원바텍; 유한회사 에코산업
Priority date: 2010-02-10
Filing date: 2010-02-10
Publication date: 2010-07-05

Abstract

본 발명은 폴리실리콘 제조공정에서 슬러지 형태로 배출되는 폐기물의 재활용 방안에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 폴리실리콘 제조공정에서 발생한 슬러지를 활용 한성토재 제조용 조성물 및 성토재의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 성토재용 모르타르 조성물은 폴리실리콘 슬러지 30 ~ 98wt%에 순환골재 재활토 0.5 ~ 68wt%, 포틀랜드 시멘트 0.5 ~ 50wt%, 무수석고 0.5 ~ 30wt% 및 플라이애쉬 또는 고로슬래그 0.5 ~ 40 wt% 를 배합한 것을 특징으로 하는 한다.
그리고 본 발명의 성토재 제조용 조성물에 의하여 제조된 성토재는 압축강도 특히, 중장기적 강도면에서 우수하여 기존의 산업폐기물을 활용한 성토재에 비하여 개선된 성토재를 제공하는 효과가 있으며, 이와 더불어 산업폐기물로 폐기되는 폴리실리콘슬러지를 재활용함으로써 산업폐기물에 의한 환경문제를 해결함과 동시에 폐기물의 처분에 따르는 비용을 절감하여 성토재의 제조비용을 절감시키는 경제적 효과도 있다.

Description

폴리실리콘 제조공정에서 발생한 슬러지를 활용한 성토재용 조성물, 성토재 및 그 제조방법 {Mortar Composion for Embankment Material Using Sludge Generated in Poly Crystalline Silicon Producing Process and Manufacturing Method of Embankment Material}

본 발명은 산업폐기물을 재활용하여 우수한 물성을 갖는 성토재의 제공에 관한 것으로서, 구체적으로는 폴리실리콘 생산공정에서 발생하는 슬러지를 활용하여 우수한 물성을 갖는 성토재용 조성물 및 이를 이용한 성토재와 그 제조방법을 제공하는 것이다.

폴리실리콘은 다결정실리콘(Poly Crystalline Silicon)이라고도 하며, 초기에는 CPU 기판에 사용하기 위하여 주로 생산되어 왔으며 그 생산량도 많지 않았으나 최근 지구 온난화 등 환경문제로 인하여 CO₂가스의 배출제한에 따른 화석연료의 사용을 억제하고 또 화석연료 자원의 한계성에 따른 문제점에 대처하기 위하여 대체연료 산업인 태양에너지 산업이 발달하고 있으며, 이러한 태양에너지 산업의 발달과 더불어 태양에너지 산업의 핵심적 기초소재인 폴리실리콘의 생산기술 및 생산양도 증가하고 있다.

폴리실리콘은 규석을 정련하여 얻어지는 고도로 정제된 규사(석영)로부터 금속실리콘을 제조하고, 염화실란(모노실란이라고도 함) 및 삼염화실란으로 변환하는 일련의 과정을 그쳐 제조하는 것이 일반적으로 알려진 제조공정이며, 폴리실리콘 제조기술로는 지멘스공법, FBR공법 및 금속정련공법 등이 널리 알려져 있다.

그리고 상기한 폴리실리콘을 제조하는 일련의 공정으로부터 페기물이 슬러지 형태로 발생하고 있는데, 태양에너지 산업의 발달과 더불어 태양에너지 산업의 핵심적 기초소재인 폴리실리콘의 생산량의 증가로 인하여 폐기물인 슬러지의 발생량도 급격히 증가하는 실증이지만 적절한 재활용 방안을 찾지 못하고 산업폐기물로 취급되어 그대로 폐기되고 있는 실증이며, 이는 폐기장소의 부족과 폐기비용의 증가로 또 다른 환경문제를 일으키고 있는 실증이다.

각종 산업 폐기물의 재활용기술로 국내 등록특허공보 등록번호 10-0502070호, 국내등록특허공보 등록번호 10-0921334호, 국내 등록특허공보 등록번호 10-0900779호 및 국내 공개특허공보 공개번호 10- 2009-86862호 등에 석탄회, 고로슬래그, 플라이 애쉬 등에 시멘트 등을 배합하여 성토재로 재활용하는 산업폐기물 재활용기술이 개시되어 있으나, 본 발명과 같은 폴리실리콘 제조공정에서 발생한 슬러지를 이용하여 성토재로 재활용하는 기술에 관해서는 특별히 소개하고 있는 문헌을 찾을 수가 없다.

본 발명은 폴리실리콘을 제조하는 일련의 공정으로부터 슬러지형태로 발생하는 폐기물을 성토재로 재활용함으로써 환경문제를 해결함과 더불어 본 발명에 따른 슬러지가 지니고 있는 고유의 속성(물성)을 이용하여 성토작업(성토시공)에 적합한 물성을 갖는 신규의 성토재를 제공하고자 하는 것을 목적으로 하며, 또 그 성토재의 제조방법을 제공하고자 하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에서는 폴리실리콘을 제조하는 일련의 공정으로부터 발생하는 폐기물인 슬러지를 타의 슬러지와 구분하기 위하여 ‘폴리실리콘슬러지'라 정의하여 표기한다.

상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 수단으로서, 본 발명의 성토재는 폴리실리콘슬러지 30 ~ 98wt%에 순환골재 재활토 0.5 ~ 68wt%, 포틀랜드시멘트 0.5 ~ 50wt%, 플라이애쉬 또는 고로슬래그 0.5 ~ 40 wt% 및 무수석고 0.5 ~ 30wt%를 배합하여서 이루어진 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 주요성분으로 배합하고 있는 폴리실리콘슬러지는 밝은 회색빛을 띠고 있으며, 30 ~ 98wt%를 배합하며, 35 ~ 70wt%를 배합하는 것이 바람직하다.

본 발명의 폴리실리콘슬러지의 물리화학적 성질을 [표1] 및 [표2]에 나타내었다.

함수율(%)	밀도(g/㎤)	분말도 (㎤/g)	Cl이온(%)
61.5	1.95	7122	2.77

화학조성	SiO₂	Al₂O₃	CaO	SO₃	MgO	Fe₂O₃	P₂O₅	K₂O	Na₂O	Cl
함유량(wt%)	46.60	0.57	45.16	0.16	0.69	0.16	0.01	0.08	2.16	3.95

상기 [표1] 및 [표2]에 나타난 바와 같이, 본 발명의 폴리실리콘슬러지는 함수율 62%로 높은 함수율로 배출되며, 밀도가 낮고 가벼우며, 분말도가 7122㎤/g로 미세한 분말 형태로서, 화학조성은 대부분 SiO₂와 CaO로 조성되어 있고 알칼리성분인 K₂O와 Na₂O가 미량 포함되어 있다.

또한, [도 1]에 나타난 바와 같이 본 발명의 폴리실리콘슬러지 분말을 60℃에서 24시간 이상 건조시킨 후 얻은 결정상은 CaCO₃로 이루어져 있으며, Na₂O와 Cl의 화합물인 NaCl이 소량 포함되어 있다. 특히, 본 발명의 폴리실리콘슬러지의 특징적 사항은 유리질 SiO₂를 함유하고 있어 포틀랜드 시멘트와 반응시 포졸란 반응성을 나타내는 것으로 예측된다.

또한, [도 2]의 TG-DTA 측정을 통한 열분석 측정의 결과에서 나타난 바와 같이, 본 발명의 폴리실리콘슬러지는 별다른 유기물질은 관찰되지 않았으며, 650 내지 700℃ 부근에서 CaCO₃의 열분해가 관찰되었다.

본 발명의 조성성분으로 배합하는 순환골재 재활토(도로공사용 4mm)는 0.5 ~ 68wt%의 비율로 배합하며, 성토재의 입도를 조절하기 위하여 배합하는 것으로써 30 ~ 60wt%를 배합하는 것이 바람직하고, 체가름 시험법에 의한 입도분포를 고르게 분포되게 조성하여 성토재로서 알맞은 입도를 갖도록 하였다.

본 발명에서 배합하는 순환골재 재활토의 물리적 성질 및 입도분포를 [표3] 및 [표4]에 나타내었다.

시험항목	최대건조밀도	최적 함수비	수정 C.B.R	소성지수	액성한계	소성한계
단위	g/㎤	%	%	%	%	%
시험결과	1.89	9.4	62.8	N.P	N.P	N.P
시험방법	KS F 2320:2000			KS F 2303:2000

시험 항목	체를 통과하는 질량 백분율(%)
시험 항목	50mm	40mm	20mm	5mm	2.5mm	0.4mm	0.08mm
체가름	100	100	93	67	52	20	3

그리고 본 발명에서 배합되는 성분인 포틀랜드 시멘트는 수화성 부여를 위하여 0.5 ~ 50wt% 배합하며, 1 ~ 10wt%를 배합하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에서 배합하는, 플라이애쉬 또는 고로 슬래그 및 무수석고는 반응성 향상 및 중장기 강도 향상을 위하여 배합한다. 특히, 플라이애쉬 또는 고로슬래그는 성토재의 함수율 조절과 중장기적 압축강도 향상을 위하여 0.5 내지 40wt% 배합하며, 바람직하게는 4 내지 8wt%를 배합하고, 고로슬래그는 CaO와 SiO₂를 주성분으로 유리화율이 높고 결정성이 적은 수쇄 슬래그로서 수경성이 높은 Mellilite계 이고, 분말도는 한국 산업규격 KS F 2563에 규정된 고로슬래그 미분말 3급인 비표면적 4000㎤/g이며, 비중은 2.91인 것을 배합한다. 본 발명에서 사용하는 플라이 애쉬와 고로슬래그에 대한 물리화학적 성질을 [표5] 및 [표6]에 나타내었다.

밀도g/㎤		분말도㎤/g		90㎛체 잔분량(%)		강열감량(%)
2.21		5730		3.89		8.27
	SiO₂	Al₂O₃	CaO	Fe₂O₃	MgO	SO₃	TiO₂
함유율(%)	47.4	16.1	14.8	5.73	1.27	1.31	0.67

	SiO₂	Al₂O₃	Fe₂O₃	CaO	MgO	SO₃	Na₂O	TiO₂
함유율(%)	33.6	14.5	0.75	43.5	5.20	1.40	0.23	0.77

또한, 본 발명에 배합하는 무수석고는 수화반응성을 증가시키기 위하여 배합하는 것으로서, 분말도가 4300㎤/g이고 일반적인 무수석고보다 SO₃ 함양이 높은 태국산 천연석고를 0.5 ~ 30wt% 배합하며, 1 ~ 3wt% 배합하는 것이 바람직하다. 본 발명에서 사용하는 천연 무수석고의 기본적 물성 및 화학조성을 [표7]에 나타내었다.

기본물성		화학조성(함유율%)
밀도(g/㎤)	분말도(㎤/g)	SiO₂	Al₂O₃	CaO	Fe₂O₃	MgO	SO₃
2.91	4290	3.46	0.19	38.3	0.12	0.06	55.0

그리고 본 발명의 성토재를 제조하는 구성에 대하여 설명하면, 약간 응집되어 덩어리 형태로 배출되는 폴리실리콘슬러지를 믹서를 이용하여 입자를 균일하게 하여 미세분말(5000 내지 75000㎠/g)로 한 다음, 미분상의 폴리실리콘슬러지 30 ~ 98wt%에 순환골재 재활토 0.5 ~ 68wt%, 포틀랜드 시멘트 0.5 ~ 50wt%, 플라이애쉬 또는 고로 슬래그 0.5 ~ 40 wt% 및 무수석고 0.5 ~ 30wt%를 배합하여 실온에서 양생시킨 후 분쇄하여 입경 50mm 정도로 한다.

본 발명의 폴리실리콘슬러지를 주요성분으로 하여 제조한 성토재는 압축강도 특히, 중장기적 강도면에서 우수하여 기존의 산업폐기물을 활용한 성토재에 비하여 개선된 성토재를 제공하는 효과가 있으며, 이와 더불어 산업폐기물로 폐기되는 폴리실리콘슬러지를 재활용함으로써 산업폐기물에 의한 환경문제를 해결함과 동시에 폐기물의 처분에 따르는 비용을 절감하여 성토재의 제조비용을 절감시키는 경제적 효과도 있다.

도 1은 폴리실리콘슬러지의 구성성분에 대한 측정 그래프
도 2는 폴리실리콘슬러지의 TG-DTA 측정 그래프
도 3은 폴리실리콘슬러지와 시멘트의 반응성에 따른 압축강도 그래프

본 발명의 실시를 위하여 시험예 및 실시예를 통하여 구체적으로 설명하기로 하며, 본 발명은 하기에서 설명하는 실시예에 의해 제한되지 않는다.

<시험예>

시멘트에 대한 본 발명의 폴리실리콘슬러지의 반응성을 시험하여 폴리실리콘슬러지가 성토재로 재활용하는데 적합한지 여부를 살피기 위하여 포틀랜드 시멘트에 본 발명의 폴리실리콘슬러지를 첨가하지 않은 무첨가시료, 5wt% 첨가시료 및 10wt% 첨가시료에 의한 압축강도 측정시험 결과를 [도 3]에 의해 나타내었다.

[도 3]의 결과에 의하면, 압축강도에 있어서, 5wt% 첨가시료 및 10wt% 첨가시료가 무첨가시료와 비슷하거나 더 높은 것으로 나타내고 있으므로 이는 본 발명의 폴리실리콘슬러지의 구성성분 중에 SiO₂의 비정질상이 존재하여 이 성분에 의해 포틀랜드 시멘트와의 상호 화학작용을 통해 SiO₂와 Al₂O₃ 및 Ca²⁺이온이 물과 반응하여 경화되는 포졸란 반응을 일으키는 것을 예측할 수 있으므로 본 발명의 폴리실리콘슬러지가 성토재로 적합하게 활용할 있음을 확인할 수가 있다.

<실시예1 내지 실시예5>

실시예1 내지 5에서는 본 발명의 폴리실리콘슬러지 및 순환골재 재활토의 배합량의 변화에 따른 압축강도를 측정한 결과를 [표8]에 나타내었다.

실시예	배합비(wt%)					압축강도(kg_f/㎠)
실시예	폴리실리콘슬러지	순환골재 재활토	포틀랜드 시멘트	무수석고	플라이애쉬	3일	7일
1	45	45	2	1	7	13.78	15.93
2	55	35	2	1	7	15.52	17.64
3	65	25	2	1	7	15.89	19.02
4	75	15	2	1	7	16.41	19.17
5	85	5	2	1	7	16.52	19.22

실시예1 내지 5에서 나타난 바와 같이 본 발명의 폴리실리콘슬러지의 배합량이 증가할수록, 순환골재 재활토의 배합량이 감소할수록 압축강도가 증가하는 것으로 나타나지만 폴리실리콘슬러지의 배합량이 순환골재 재활토의 배합량에 비하여 과다하게 배합될 경우 입자분포가 넓지 못하여 성토재의 물리적 특성에 좋지 않은 영향을 주기 때문에 폴리실리콘슬러지의 배합량이 순환골재 재활토의 배합량에 비하여 과다하게 배합되지 않게 하는 것이 바람직하다.

<실시예6 내지 실시예16>

실시예6 내지 실시예16에서는 폴리실리콘슬러지와 순환골재 재활토의 배합량의 변화는 미약하게 하면서 포틀랜드 시멘트, 무수석고 및 플라이 애쉬의 배합량의 변화에 따른 압축강도를 측정한 결과를 [표9]에 나타내었다.

실시예	배합비(wt%)					압축강도(kg_f/㎠)
실시예	폴리실리콘슬러지	순환골재 재활토	포틀랜드 시멘트	무수석고	플라이애쉬	3일	7일
6	38	57	0.5	0.25	4.25	10.14	9.76
7	38	57	1	0.25	3.75	10.35	9.89
8	38	57	1.5	0.25	3.25	10.48	9.97
9	36	54	1	0.5	8.5	10.40	13.01
10	36	54	2	0.5	7.5	15.52	18.64
11	36	54	3	0.5	6.5	18.00	18.59
12	36	54	1	1	8	14.35	14.29
13	36	54	2	1	7	17.41	18.28
14	36	54	3	1	6	22.61	22.84
15	36	54	1	1.5	7.5	14.56	15.09
16	36	54	2	1.5	6.5	18.05	18.48
17	36	54	3	1.5	5.5	21.32	21.68

실시예6 내지 17에 나타난 바와 같이 포틀랜드 시멘트, 무수석고 및 플라이 애쉬의 배합량이 증가할수록 압축강도의 증가를 나타내고 있다.

<실시예18 내지 실시예21>

실시예18 내지 21에서는 폴리실리콘슬러지 38wt%, 순환골재 재활토 54wt% 및 포틀랜드 시멘트 2wt%로 배합한 것에 대하여 플라이 애쉬와 고로슬래그를 각각 배합한 배합량에 따른 압축강도를 측정한 결과를 [표10]에 나타내었다.

실시예	배합비(wt%)			압축강도(kg_f/㎠)		함수율(%)
실시예	무수석고	플라이 애쉬	고로슬래그	3일	7일	함수율(%)
18	1	7	-	17.41	18.28	16.7
19	1.5	6.5	-	18.05	18.48	17.8
20	1	-	7	17.68	19.01	25.7
21	1.5	-	6.5	17.52	19.40	24.9

실시예18 내지 21에 나타난 바와 같이 플라이 애쉬를 배합한 실시예에 비하여 고로 슬래그를 배합한 실시예에서 압축강도가 더 높게 나타나지만, 함수율 감소에서는 플라이 애쉬를 첨가한 실시예가 더 높은 감소를 보이므로 양생기간 등 경제성을 감안할 때 플라이 애쉬의 배합이 다소 유리한 것을 예측할 수 있다.

Claims

폴리실리콘 슬러지 30 ~ 98wt%에 순환골재 재활토 0.5 ~ 68wt%, 포틀랜드 시멘트 0.5 ~ 50wt%, 무수석고 0.5 ~ 30wt% 및 플라이애쉬 또는 고로슬래그 0.5 ~ 40 wt% 를 배합한 것을 특징으로 하는 성토재용 조성물.
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폴리실리콘 슬러지 30 ~ 98wt%에 순환골재 재활토 0.5 ~ 68wt%, 포틀랜드 시멘트 0.5 ~ 50wt%, 무수석고 0.5 ~ 30wt% 및 플라이애쉬 또는 고로슬래그 0.5 ~ 40 wt% 를 배합한 다음 실온에서 경화하여 얻어진 경화체를 입경 50mm 이하로 분쇄하는 것을 특징으로 하는 성토재의 제조방법.
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제4항 기재의 제조방법에 의해 제조된 성토재.