KR100983537B1 - 하수 슬러지를 이용한 흡음재 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하수 슬러지(유기성폐기물)를 재활용한 흡음재 및 그의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 하수 슬러지인 유기성 폐기물을 탄화시킨 탄화물 슬러지를 이용하여 흡음재를 제조하는 방법 및 이 방법에 의해 제조된 흡음재에 관한 것이다.

본 발명의 하수 슬러지를 이용하여 흡음재를 제조하는 제조방법은, 함수율이 10-40%의 하수 슬러지를 무산소상태에서 400℃이상의 고온에서 탄화반응시켜 탄화물을 제조하는 탄화물제조단계; 상기 탄화물제조단계에서 생성된 탄화물을 일정 크기로 파쇄하는 파쇄단계; 상기 분쇄된 탄화물에 시멘트, 물 및 발포제를 혼합하여 배합하는 배합단계; 및 상기 배합된 배합물을 성형틀에 주입시켜 건식성형하여 흡음성형물을 형성하는 성형물형성단계;를 포함한다. 바람직하게는 탄화물 제조단계 전에, 하수 슬러지의 수분을 제거하는 건조공정을 추가로 포함할 수 있다.

슬러지, 유기성 폐기물, 흡음

Description

하수 슬러지를 이용한 흡음재 제조방법{sound-absorbing materials made by sludge carbide and its making method}

본 발명은 하수 슬러지(유기성폐기물)를 재활용한 흡음재 및 그의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 하수 슬러지인 유기성 폐기물을 탄화시킨 탄화물 슬러지를 이용하여 흡음재를 제조하는 방법 및 이 방법에 의해 제조된 흡음재에 관한 것이다.

점차 생활수준의 향상으로 환경문제에 대한 관심이 높아지면서 환경질 개선에 관한 요구가 증가하게 되었으며, 이에 대하여 주요하천의 수질오염을 방지하기 위하여 기초시설들이 점진적으로 확충되어지고 있는 실정이다. 이러한 기초시설 중에서 하수처리장 보급이 확대되어지면서 하수 슬러지 발생량은 매년 증가하고 있다.

국내에서 하수 슬러지량의 대부분이 단순매립과 해양투기 처분이 실행되어지고 있는데, 최근에는 매립지 부족으로 해양매립까지도 시도하고 있으나 해양환경 및 해양 생태계파괴에 따른 부작용 등의 문제점이 제기되어 2003년 런던협약에 의해 해양투기도 규제를 받게 되었다.

따라서, 수처리시설의 부산물인 슬러지를 처리하기 위하여 소각, 퇴비화, 건조, 고형화, 탄화 등 여러가지 처리방법이 제안되고 있는 실정이다.

특히, 하수 슬러지(유기성 폐기물)를 탄화반응하여 탄화시킨 슬러지 탄화물을 이용하여 다양한 용도의 제품을 제안하는 특허들이 개시되어 있다.

한국특허등록 제0557856호(발명의 명칭: 하수 슬러지를 이용한 여과재 제조방법 및 그 여과재)에서는 하수 슬러지를 탄화시켜 여과재로 이용함으로써 하수 슬러지 처리를 용이하게 하고 동시에 처리 비용을 줄일 수 있는 여과재의 제조방법을 제시하고 있으며, 한국특허등록 제07321133호(발명의 명칭: 유기성 슬러지를 이용한 합성 제올라이트의 제조방법)에서는 유기성 슬러지의 탄화반응으로 생성된 탄화물을 수열합성반응을 통해서 제올라이트로 제조하고 유기물 및 중금속 흡착제로 활용하는 방법을 제시하고 있으며, 한국특허 0734924호(발명의 명칭: 슬러지 탄화물을 담지한 악취 및 휘발성유기화합물 처리용 다공성 폴리우레탄 폼 담체의 제조방법 및 그에 의해 제조된 다공성 폴리우레탄 폼 담체)에서는 유기성 슬러지를 탄화시킨 탄화물을 사용하여 악취물질 처리용 다공성 폴리우레탄 폼 담체를 제조하는 방법을 개시하고 있다. 그러나, 상기 특허들은 기술적인 문제, 최종생성물에 대한 생산성 및 경제성 등에 있어 문제점들을 내포하고 있는 실정이다.

이러한 여러 슬러지 처리방법들의 문제점을 해결하기 위하여 슬러지 처리방법에 있어 단순하게 슬러지를 처리하는 기술에서 한 단계 나아가서 슬러지의 성상과 특성에 따라 자원화하려는 방향으로 전환되어져 가고 있다.

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 하수 슬러지를 재활용하여 환경문제를 해결함과 동시에 외부의 소음을 방지하기 위한 흡음재의 제조방법 및 그 제조방법에 의해 제조되는 흡음재를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 철도나 지하철의 선로에 깔려지는 자갈 등을 대체할 수 있어 흡음 효율을 증대시킬 뿐만 아니라 경제성이 우수한 흡음재 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위한 것으로서, 본 발명의 하수 슬러지를 이용하여 흡음재를 제조하는 제조방법은,

함수율이 10-40%의 하수 슬러지를 무산소상태에서 400℃이상의 고온에서 탄화반응시켜 탄화물을 제조하는 탄화물제조단계;

상기 탄화물제조단계에서 생성된 탄화물을 일정 크기로 파쇄하는 파쇄단계;

상기 분쇄된 탄화물에 시멘트, 물을 혼합하여 배합하는 배합단계; 및

상기 배합된 배합물을 성형틀에 주입시켜 건식성형하여 흡음성형물을 형성하는 성형물형성단계;를 포함한다.

바람직한 실시예에 따르면, 상기 탄화물 제조단계 전에, 하수 슬러지의 수분을 제거하는 건조공정을 추가로 포함한다.

바람직한 실시예에 따르면, 상기 배합단계에서, 기포를 형성시켜 효과를 증 대하도록, 발포제를 추가로 포함하여, 그 배합비율은 상기 분쇄된 탄화물 100중량부에 대해, 시멘트 30-50중량부, 물 5-10중량부, 발포제 0.01-0.5중량부가 첨가된다.

바람직한 실시예에 따르면, 상기 성형물 형성단계에서, 성형물의 형상은 구형, 블록형상, 패널형상, 또는 다면체 형상 등으로 제조된다.

상술한 바에 따른, 본 발명의 흡음재는 수처리과정에서 생산되어 폐기되어야할 슬러지를 건조, 탄화과정을 거쳐 세공이 발달된 탄화물(슬러지)을 흡음재의 원료로 이용함으로써 소음저감기능을 발휘하고, 폐기물을 재활용함으로써 친환경적인 흡음재를 제공할 수 있다.

비표면적이 큰 탄화물 슬러지를 이용한 본 발명의 흡음재는 흡음재의 표면과 내부에 발달된 공극을 가지고 있으므로 공극내로 침투한 음은 공극 내부의 벽과의 마찰이나 진동 등에 의해 음에너지는 열에너지로 전환되어 음이 흡수된다. 즉, 하수 슬러지를 탄화시킴으로써 탄화물내에 세공이 생성됨에 따라 비표면적이 크므로 흡음효과가 뛰어나다고 할 수 있다.

본 발명의 탄화물슬러지를 원료로 이용한 흡음재는 다면체나 구형으로 제작시 철도나 지하철에 철로에 깔려있는 자갈등을 대체할 수 있고, 패널이나 블록형태로 제작할 경우 건축물이나 토목시설의 방음재로써 활용될 수 있다.

이하에서는, 첨부된 도면 및 구체적인 실시예를 들어, 본 발명의 하수 슬러 지 탄화물을 재활용한 흡음재 제조방법을 보다 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 유기성폐기물(슬러지)을 이용하여 흡음재를 제조하는 과정의 순서도이다.

-건조공정(S100)-

하폐수나 정수 처리시설에서 발생되는 폐기물인 하수 슬러지(유기성 폐기물)를 탄화반응하기 전의 전처리 공정으로서, 탄화반응 공정에서의 열효율을 높이고, 효율적인 탄화 반응을 하기 위해 건조공정이 필요하다.

수처리 부산물인 함수율 약 80%의 슬러지를 일정온도(100~200℃)에서 수시간동안 건조하여 수분을 제거시킨다. 슬러지를 수거한 후 일정한 시간이 경과하여 함수율이 낮아진 경우나, 외부에서 건조공정을 거친 후에 유입되는 경우에는 별도의 건조공정이 불필요할 것이다.

- 탄화공정(S200)-

건조공정을 통해 함수율 10~40%정도로 감소된 건조슬러지를 가열방식을 통해 산소가 공급되지 않는 무산소상태로 400℃이상의 고온에서 탄화반응시켜 탄화물을 제조하는 탄화물제조공정이다. 이 공정은 앞서 언급한 종래의 특허기술에서도 언급된 기술이라 할 것이다.

-탄화물 1차 가공(S300)-

탄화물 제조공정에서 생산된 탄화물을 파쇄하여 입경 2~3㎜로 균등하게 파쇄하여 가공한다. 일정한 크기로 파쇄 가공하는 이유는 추후 시멘트 등의 배합시에 배합효율을 높여 우수한 흡음재를 제조하기 위해서이다.

- 배합단계(S400)-

상기와 같이 분쇄하여 입경 2~3㎜로 균등하게 가공된 탄화물에 시멘트, 및 물을 첨가하여 배합한다. 바람직하게는, 기포를 형성시켜 다공성을 향상시킴으로서 흡음재로서의 효과를 향상시키도록 발포제를 추가로 첨가한다. 바람직하게는 기본 배합비율은 슬러지 탄화물 100중량부에 대해, 시멘트 30-50중량부, 물 5-10중량부이며, 발포제는 0.01-0.5중량부가 첨가되나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 시멘트, 발포제, 물의 배합 비율은 흡읍재료로 사용되는 용도와 필요기능에 따라 조성비율이 ±20%의 범위내에서 각 소재량을 증감 조정할 수 있음은 물론이다.

-성형물형성단계(S500)-

탄화물과 시멘트, 발포제, 물을 배합한 후 성형틀에 주입시켜 건식성형시킨다. 성형물의 형상은 다양한 형상으로 성형시킬 수 있는 데, 철도나 지하철에서 철로에 깔려지는 자갈을 대체할 용도로는 10~30㎜의 구형상 또는 10~30㎜ 다면체 형상으로 성형될 것이며, 건축물이나 토목시설에는 벽면에 부착시킬 용도로는 패널이나 벽돌과 같은 블록형상으로도 성형될 수 있다.

- 실시예 -

부산하수종말처리장에서 수거한 하수 슬러지 1.5톤(1500kg)을 반입하였다. 이 하수 슬러지를 건조기에 넣고 약 150℃의 온도를 유지하면서 2시간동안 건조시켜 수분을 제거하였다. 그런 후, 슬러지를 탄화기에 넣고 뚜껑을 닫아 무산소상태 에서 약 500℃의 고온을 유지하면서 약 1시간 동안 탄화반응시켜 탄화물 슬러지를 만들었다.

탄화물 슬러지를 파쇄기에 넣고 입경 2~3㎜로 균등하게 파쇄한 후, 가공된 탄화물 700kg에 시멘트 300kg, 물 60kg, 발포제 500g를 첨가하여 혼합시켰다. 이 혼합물을 미리 마련된 다양한 종류의 성형틀에 주입하여 건식성형시켜 다양한 형상(1∼3cm 다면체 형상, 10cm×15cm×30cm 정도 크기의 블록형상)의 흡음제를 제조하였다.

실험예 1

상기의 실시예에서 제조된 흡음재를 대상으로 음영역(주파수)대별 흡음효과를 실험하였다. 도 2는 그 결과를 나타낸 그림이다.

도 2를 참조하면, 저음영역인 400~800Hz대에서는 약 90%대의 흡음효과를 보였고, 고음영역인 2,000~2,500Hz대에서도 약 80%대의 흡음효과를 나타내었다.

상기의 실험결과로부터, 본 발명의 실시예에 따라 하수 슬러지를 건조, 탄화과정을 거친 탄화물을 흡음재의 원료로 이용함으로써, 폐기물을 재활용한다는 측면에서 친환경적이며, 용도면에서 우수한 소음저감기능을 발휘하는 흡음재를 얻을 수 있다. 이와 같이, 탄화물 슬러지가 우수한 흡음제의 특성을 가지는 이유는 수많은 세공이 발달된 다공성을 지니기 때문이다. 이러한 흡음은 음파를 흡수한다는 것으로서 매질입자의 운동에너지가 흡음재 재료에 진동 등을 유발시켜 열에너지로 전환되는 것을 말한다.

본 발명의 탄화물 슬러지를 재활용하여 제조된 흡음재는 소형의 구 형상 또는 다면체 형상으로 제작시 철도나 지하철의 선로에 자갈을 대체하여 흡음재로 적용할 수 있고, 패널형상이나 블록형상으로 제작시에는 철도와 지하철, 도로의 터널구간(지하차도 포함)의 보도 및 벽체, 철도 도로변의 방음벽, 방음, 흡음시설이 필요한 실내바닥 및 벽체 천장 등에 적용할 수 있을 것이다.

한편, 표 1은 소음원에 따른 장애요소를 나타낸 표이다. 즉, 각 소음원별 소음의 대표치로서 음의 단위인 dB에 따라 발생되는 장애요소이다. 이 항목들 중 도로변 소음과, 철도변 소음은 일반적으로 각 70, 80dB로써 청력이 손상되는 등의 장애요소가 발생된다. 따라서 도로변이나 철도변의 소음을 차단하기 위하여 흡음판, 방음판 등으로 사용하여 소음환경기준 이하로 소음을 차단하여야 한다.

표 1.

소 음 원	단위	장애요소
보통음성	65dB	정신력 집중력 저하, TV, 라디오, 전화등 청취장애.
전화벨소리	70dB	말조혈관수축, 부시피질 호르몬 감소.
도로변 소음	70dB	청력손실이 일어나기 시작함.
철도변 소음	80dB	양수막 조기파열 현상의 발현 가능.
자동차, 경적음	100dB	소변량 증가, 난청이 발생함.

표 2는 소음환경기준을 나타낸다.

표 2.

지역구분	적용대상지역	환경기준 (단위 : dB)
		낮 (06:00-22:00)	밤 (22:00-06:00)
일반지역	전용주거지역	50	40
	일반주거지역	55	45
	상업지역	65	55
	공업지역	70	65
도로변지역	주거지역	65	55
	상업지역	70	60
	공업지역	75	70

실험예 2

일정한 소음 발생에 따른 소음의 차단 정도를 알기 위한 실험을 실시하였다.

먼저, 철도변 정도의 소음 실험을 위해 80~90dB 범위로 소음을 발생시키고, 상기의 실시예에서 제조된 흡음재를 통과한 후의 소음 감소 정도를 측정하였으며,

다음으로, 도로변 정도의 소음 실험을 위해 70~8dB 범위로 소음을 발생시키고, 역시 상기 실시예에서 제조된 흡음재를 통과한 후의 소음 감소 정도를 측정하였다.

도 3 및 도 4를 그 결과를 나타낸 그림으로서, 도 3은 철도변 정도의 소음 (80~90dB) 발생시이며, 도 4는 도로변 정도의 소음(70~80dB) 발생시이다.

도 3을 참조하면, 소음의 발생은 철도변 정도의 소음인 80~90dB 범위였으나, 다면체(입면체) 흡음재의 설치시 소음은 15~25db 정도로 소음이 차단되어 평균 75%정도 소음이 차단되었으며, 블록형상의 흡음재의 설치시에는 13~21dB의 범위로써 약 80%정도 소음이 차단되는 효과를 볼 수 있었다.

이는 일반 주거지역의 소음환경기준(55~65dB)을 만족시킴은 물론, 주거전용 지역의 소음환경기준(40~50dB) 정도로 흡음의 효과가 있는 것으로 실험되었다.

도 4를 참조하면, 도로변 정도의 흡음실험을 위해 70~80dB정도로 소음을 발생시켰으나, 블록형 흡음재를 설치시 11~20dB의 범위로써 약 80%정도 소음이 차단되는 효과를 볼 수 있었다.

이는 도로변의 주거지역 소음기준(55~65dB)를 만족시킴은 물론, 주거전용 지역의 소음환경기준(40~50dB) 정도로 흡음의 효과가 있는 것으로 실험되었다.

이상과 같이, 본 발명의, 탄화물을 재활용한 흡음재를 적용할 경우 다면체 흡음재로 제작시 소음을 약 70~80%정도, 블록 형상 흡음재로 제작시 75~85%정도 소음차단효과를 낼 수 있었다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부한 도면에 의해 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서, 치환, 변형 및 변환이 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에서, 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 유기성폐기물(슬러지)을 이용하여 흡음재를 제조하는 과정의 순서도.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 의해 제조된 흡음재의 흡음효율을 측정한 결과.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 의해 제조된 흡음재의 소음 차단 효과를 측정한 결과(철도변 소음).

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 의해 제조된 흡음재의 소음 차단 효과를 측정한 결과(도로변 소음).

Claims (6)

1. 하수 슬러지를 이용하여 흡음재를 제조하는 제조방법에 있어서,

   함수율이 10-40%의 하수 슬러지를 무산소상태에서 400℃이상의 고온에서 탄화반응시켜 탄화물을 제조하는 탄화물제조단계;

   상기 탄화물제조단계에서 생성된 탄화물을 일정 크기로 파쇄하는 파쇄단계;

   상기 파쇄된 탄화물에, 기포를 증대시켜 흡음재의 효과를 향상시키기 위한 발포제, 시멘트, 및 물을 혼합하여 배합하는 배합단계; 및

   상기 배합된 배합물을 성형틀에 주입시켜 건식성형하여 흡음성형물을 형성하는 성형물형성단계;

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 하수 슬러지를 이용한 흡음재 제조방법.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 탄화물 제조단계 전에, 하수 슬러지의 수분을 제거하는 건조공정을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 하수 슬러지를 이용한 흡음재 제조방법.
3. 삭제
4. 제 1항에 있어서,

   상기 파쇄된 탄화물 100중량부에 대해, 시멘트 30-50중량부, 물 5-10중량부, 발포제 0.01-0.5중량부가 첨가되는 것을 특징으로 하는 하수 슬러지를 이용한 흡음재 제조방법.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 성형물 형성단계에서, 성형물의 형상은 구형상, 다면체 형상, 블록형상, 또는 패널형상인 것을 특징으로 하는 하수 슬러지를 이용한 흡음재 제조방법.
6. 삭제

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