KR101008822B1 - 세라믹 분말을 이용한 수질개선 및 인공어초용 블럭 및 이의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 해양식물의 서식처를 제공함과 동시에 해양 및 해저면의 생태계를 보전하는데 사용하는 인공어초용으로 사용되는 블럭과 이의 제조방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 수질개선 및 인공어초용 블럭은 마그네사이트 분말 40~70wt%, 감마형 알루미나분말 10~20wt%, 나노(nano)미터 크기인 은 분말 3~10wt%에 결합제로 황토 또는 벤토나이트분말 5~15wt% 및 규조토 분말 5~15wt%이 혼합하고, 상기 혼합물 100중량부에 대하여 목분 또는 톱밥 20~40중량부를 함유시켜 성형체를 제조한 후 건조시킨 다음 소성가공하면, 목분 또는 톱밥이 고온에 의해 완전 연소되면서, 몸체 내부를 다공질로 만들게 되고, 이 다공질의 기공이 생태통로를 이루게 되어, 각종 해조류나 어패류 등이 상기 생태통로에 뿌리를 내리게 함으로써 쉽게 부착하며 잘 떨어지지 않고 생장할 수 있게 하는 한편, 수질도 개선할 수 있게 하는 효과를 얻을 수 있다.

Description

세라믹 분말을 이용한 수질개선 및 인공어초용 블럭 및 이의 제조방법{A block for water purifying and artificial fishing reef using the ceramic powder and method thereof}

본 발명은 수질을 개선하는데 사용하고, 인공어초 내부 또는 주변에서 해양식물이 뿌리를 내리면서 자라도록 하는 인공어초용 블럭과 이 블럭의 제조방법에 관한 것으로, 특히 수질을 개선할 수 있으면서 인공어초 주변에서 각종 해조류나 어패류 등이 쉽게 부착하며 잘 떨어지지 않고 생장할 수 있게 하는 블럭과 이의 제조방법에 관한 것이다.

우리나라는 삼면이 바다이기 때문에 해양 수산업분야의 의존도가 매우 크다. 그러나 비약적인 산업의 발전과 함께 바다로 유입되는 산업폐수는 적조발생의 원인이 되고 있으며 또한 산업 배출수에 함유된 오염원으로 인한 해양오염 그리고 연안어장의 축소와 남획으로 인한 수산자원의 감소 및 해양생태계의 파괴 등과 같은 심각한 문제점이 야기되고 있다.

한편, 연안지역에서는 양식장을 통해 어족자원을 많이 확보하고 있으나 환경 자정능력을 초과한 밀식에 의한 수질오염 및 양식어장에서 배출되는 오수로 인한 해양 및 해저면 생태계의 피폐화 등을 초래하는 문제점이 야기되고 있는 실정이다.

일반적으로 인공어초는 해저면에 어류 서식처를 제공하기 위한 것이며, 그 목적은 연근해에 자연 서식하는 어류의 보호와 번식을 촉진시켜 어족자원을 증대시키는 것, 해양 및 해저면의 생태계를 보전하기 위한 것이다.

이와 같은 목적을 달성하기 위해서는 환경친화력, 생체친화력, 해양생물의 착생력, 수질정화력 등의 기능성을 가지면서 생태통로를 갖고 있는 인공어초가 절실히 요구되고 있다.

이러한 인공어초에 대한 종래기술을 살펴보면 일반적으로 종래의 인공어초는 콘크리트, 철제빔, 폐타이어, 폐수지 등을 이용하여 다양한 형태의 구조물을 이루게 되어 있는바, 이와 관련한 기술이 한국 실용신안특허 제0556599호, 제0467365호, 제0514351호, 제0463730호, 제0195529호, 제0300704호, 제0444647호, 제0315795호, 제0312401호 등에 개시되어 있다.

그런데 이와 같은 콘크리트나, 철제, 폐타이어, 폐수지 등으로만 만들어진 인공어초는 환경친화성이 매우 낮기 때문에 해양생물의 착생이 용이하지 않다는 문제점이 있다. 따라서 어류의 안락한 서식처가 제공되기까지는 약 2년 이상의 긴 시간이 소요된다는 큰 단점도 있다.

한편, 한국 발명특허 제0335013호, 제0403923호, 실용신안특허 제0527114호, 제0295009호, 제0335773호, 제0288929호, 제0284635호 등에 개시된 인공어초는 패각(조개껍질), 패류껍질, 황토, 점토, 카올린, 슬래그 등을 출발원료로 한 조성물을 원재료로 하고 있다.

이러한 인공어초를 이루는 출발원료는 대부분 해양 및 산업폐기물을 재활용하기 때문에 환경친화력은 뛰어나다고 할 수 있지만, 이러한 조성물로 만들어진 인공어초는 표면에만 다공질이 형성되어 있을 뿐 몸체의 내부에는 빈 공간이 형성되지 않은 구조로 되어 있기 때문에, 인공어초의 표면에 착생 된 해조류나 어패류 등은 해류의 흐름에 따라 간단히 이탈될 수 있다는 문제점이 있다.

그리고 해조류 등의 생육에 대한 빠른 성장속도를 위한 생체친화력이 미흡한 문제점도 있다.

한편, 근년에 들어 눈부신 산업발전과 함께 폐기물, 공장폐수, 생활오수 등의 유입으로 인한 연안 및 해안의 수질오염을 가중시키고 있는 실정이다. 따라서 해양 및 산업폐기물을 원료로 한 종래의 인공어초용 조성물은 자원 재활용 등의 파급효과는 있지만 이들 폐기물에 의한 대장균 오염이 야기되었을 때는 해양 및 해저면 생태계의 피폐화 등을 초래할 수 있다는 문제점이 있다.

이상에서와 같은 종래의 인공어초 관련기술에서는 출발원료로 사용하는 물질(조성물의 원료)의 특성을 고려해야 할 필요가 있고 또한 최종 결과물(즉, 세라믹 소성체)의 기능성에 대한 구체적인 데이타(data)의 확보가 필요하나 이러한 연구가 미흡하다는 문제점이 있다.

이에 본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 인공어초에 따른 문제점을 해결하여, 인공어초의 내부에 삽입 설치되거나 인공어초의 골격과 어울려 설치되어 각종 해조류가 쉽게 뿌리를 내리는 블럭으로 이루어지고, 이들 다공질의 빈공간이 생태통로의 역할을 하여, 이 생태통로에 해조류와 어패류가 뿌리를 내리게 함으로써, 그 뿌리가 잘 떨어져 나가지 않게 하고, 해양 및 해저면의 생태계를 보전하는데 사용할 수 있게 하는 수질개선 및 인공어초용 블럭 및 이 블럭의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 바의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 수질개선 및 인공어초용 블럭은 출발원료로써 마그네사이트 분말과, 감마형 알루미나분말, 나노(nano)미터 크기인 은 분말, 결합제로 황토 또는 벤토나이트분말 및 규조토 분말로 조성되고, 이 조성물에 대하여 목분 또는 톱밥을 함유하여 이루어진다.

본 발명은 각종 세라믹 분말의 특성을 고려하여 환경친화력이 탁월한 재료만을 이용한 것으로서, 이중 감마형(Gamma type) 알루미나분말과 마그네슘(Mg)이 주성분인 마그네사이트 분말은 해양 및 해저면의 질소(N)와 인(P) 등의 영양염류를 흡착하는 힘이 강하기 때문에 적조현상을 방지할 수 있는 수질정화력이 탁월하며, 해양생물(해조류나 어패류 등)의 착생력이 우수하고 또 생육의 성장속도가 빠르다는 특징이 있다.

본 발명에서는 각종 기능성의 세라믹 분말을 출발원료로 사용하여, 다양한 조건하에서 제조한 뒤 여기서 얻어진 최종 결과물(즉, 세라믹 소성체)에 대한 해양생물의 착생력, 수질정화력 등을 각각 실험하였으며 그리고 이에 따른 결과를 토대로 하여 환경친화성 세라믹 분말을 이용한 생태통로를 갖고 있는 기능성 세라믹 블럭의 제조방법 및 이에 의해 제조된 기능성 세라믹 블럭에 관한 기술을 개발하였다.

이상에서 설명된 바와 같이, 본 발명에 따른 수질개선 및 인공어초용 블럭은 그 원재료가 친환경적일 뿐만 아니라 다공질의 구조로 되어 있기 때문에, 물속에 넣었을 때 상기 다공질의 기공 속에 해양생물이 빠르게 착생할 수 있게 함과 더불어, 수질정화효과 및 살균효과 등과 같은 다양한 기능성을 갖게 된다.

따라서, 본 발명에 따라 만들어진 블럭은 해저면에 해양식물의 성장기점을 제공함에 따라 안락한 어류의 서식처를 제공하는 효과가 있어 어류의 보호와 번식을 촉진시켜 어족자원을 증대시킬 수 있다는 측면에서도 이에 따른 발명의 효과는 매우 클 것으로 기대된다.

또한 수질을 개선하기 위한 수질 개선용으로도 사용이 가능하고, 흐르는 물에 측면 둑의 함몰부에 본 발명의 블럭을 넣어 두어 세균에 의한 오염을 방지하고, 물의 수질을 개선하는 효과를 얻을 수도 있다.

도 1은 본 발명의 실시예 1에 따라 블럭 형태로 제조한 생태통로를 갖는 기능성 세라믹 블럭에 대한 사진
도 2는 본 발명의 실시예 1에 따라 블럭 형태로 제조한 블럭의 다공질화 된 미세구조를 나타내는 현미경사진
도 3은 본 발명의 실시예 1에 따라 블럭 형태로 제조한 발명품에 대한 해양생물 착생 실험의 결과를 나타낸 사진.
도 4a~4d는 본 발명의 실시예 1에 따라 블럭 형태로 제조한 제품에 대한 수질정화력 실험의 결과를 나타낸 그래프.
도 5는 본 발명의 실시예 1에 따라 블럭 형태로 제조한 제품에 대한 살균효과 실험의 결과를 나타낸 비교 그래프이다.

이하 본 발명을 첨부한 예시도면을 참조하여 자세히 설명한다.

본 발명에 따른 수질개선 및 인공어초용 블럭의 출발원료로 마그네사이트 분말 40~70wt%, 감마형 알루미나분말 10~20wt%, 나노(nano)미터 크기인 은 분말 3~10wt%에 결합제로 황토 또는 벤토나이트분말 5~15wt% 및 규조토 분말 5~15wt%로 조성되고 상기 조성물 100중량부에 대하여 목분 또는 톱밥 20~40중량부를 함유하여 이루어진다.

본 발명의 주요성분인 마그네사이트(MgCO3) 및 감마형(Gamma type) 알루미나 분말은 융점이 높고 가벼우며 단단하여 바다에 투입이 용이할 뿐 아니라 해양 및 해저면의 질소(N)와 인(P) 등의 영양염류를 흡착하는 힘이 강하기 때문에 적조현상을 방지할 수 있는 수질정화력이 탁월하며, 해양생물(해조류나 어패류 등)의 착생력이 우수하고 또 생육의 성장속도가 빠르다는 특징이 있다.

나노(nano)미터 크기인 은 분말은 살균성 및 항균성이 탁월하기 때문에 어패류 등의 폐사를 막을 수 있으므로, 어족자원을 증대시키는데 크게 기여할 수 있다는 큰 장점이 있다.

황토 또는 벤토나이트분말은 가소성이 탁월하기 때문에 이상에서와 같은 기능성 세라믹 분말을 성형체로 제조하기 위한 결합제의 역할을 한다.

규조토는 소결성의 향상에 기여함과 동시에 세라믹 조성물의 골격구조, 해수 중의 풀림현상 등을 방지하기 위한 결합제의 역할을 한다.

목분 또는 톱밥은 800~1000℃의 온도범위에서 완전 연소가 이루어지게 되므로, 본 발명에 따른 조성물을 만들었을 때 소성과정에서 목분 또는 톱밥이 연소되면서 몸체 내부를 다공성 구조로 만들어주게 되고, 이 다공성의 기공 속에 해조류 등의 뿌리가 내리는 생태통로를 이루게 된다.

이러한 목분 또는 톱밥은 30중량부를 포함하는 것이 가장 바람직하다.

그리고 본 발명의 상기 출발원료의 입자 크기는 200~300메쉬(mesh) 이상인 것이 바람직한데, 분말의 입자크기가 300메쉬를 초과하면 소결성이 좋지 않기 때문에 바람직하지 못하다.

이하 상기한 바와 같은 구성으로 이루어진 본 발명의 수질개선 및 인공어초용 블럭을 만드는 과정은 다음의 (a)~(d) 단계에 따라 이루어진다.

(a) 출발원료로서 감마형 알루미나분말, 마그네사이트 분말 및 나노(nano)미터 크기인 은 분말 중에 하나 또는 2 이상의 것을 선택한 뒤, 여기에 목분 또는 톱밥을 첨가한 뒤 결합제로서의 황토 또는 벤토나이트분말, 규조토분말을 첨가시켜 건식 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계,

(b) 단계(a)의 건식 혼합물에 물을 첨가한 뒤 토련기 또는 사출성형기를 이용하여 성형체를 제조하는 단계,

(c) 단계(b)의 성형체를 자연 건조과정을 거쳐 건조하는 단계,

(d) 단계(c)의 자연 건조된 성형체를 1000~1200℃의 온도범위에서 3~5시간 동안 소성과정을 거침으로서 목분 또는 톱밥이 연소되고 남은 부분에 기공이 형성된 다공질의 기능성 세라믹 조성물을 제조하는 단계,

상기 제조방법의 (a)단계에 있어서, 출발원료의 혼합구성은 마그네사이트 분말은 50~80wt%, 감마형 알루미나분말은 10~20wt%로 하는 것이 바람직하다. 그리고 이들 출발원료 분말의 입자 크기는 325메쉬(mesh) 이상인 것이 바람직하다.

그리고 목분 또는 톱밥은 30~40wt%의 혼합비가 바람직하다. 나노(nano)미터 크기인 은 분말은 3~5wt%의 혼합비로 첨가하는 것이 바람직하며 또한 결합제로서는 황토와 벤토나이트분말 중에 어느 하나를 선택하는 것이 바람직하며 그 혼합비는 10~15wt%로 하는 것이 바람직하다.

규조토분말의 혼합비는 10~15wt%로 하는 것이 바람직하며 이들 분말의 입자 크기 역시 325메쉬 이상인 것이 바람직하다. 분말의 입자크기가 큰 것은 소결성이 좋지 않기 때문에 바람직하지 못하다.

(b)단계에서의 성형체를 형성시키는데는 일반적인 물을 이용하는 것과 토련기 또는 사출성형방식을 이용하는 것이 바람직하다. 프레스(press)방식은 생산성이 뒤떨어지기 때문에 바람직하지 못하다.

(c)단계에서의 건조과정은 자연건조가 바람직하며, 90℃ 이상의 열풍 또는 오븐(oven)을 이용한 급속건조는 성형체의 균열을 발생시키기 때문에 바람직하지 못하다.

(d)단계에 있어서, 소성과정은 가스(gas)를 이용한 직접열이 바람직하며, 전기로에 의한 간접열은 제조단가의 상승을 초래하기 때문에 바람직하지 못하다.

상기의 방법으로 소성 가공된 수질개선 및 인공어초용 블럭은 인공어초 내에 바닷물 속에 직접 집어넣는 형태로 만들어 사용할 수도 있고, 인공어초의 골격과 결합하여 사용할 수도 있다.

대부분 높이가 크지 않는 원기둥형의 블럭이거나 직육면체 형태의 블럭 형태로 만들어, 이러한 블럭을 인공어초의 내부에 삽입하거나, 볼트 및 너트 또는 해수용 고무패킹 등과 같은 체결수단으로 인공어초의 골격과 상호 체결하여 사용할 수가 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.

본 실시예에서는 마그네사이트 분말 55wt%, 감마형 알루미나분말 12wt%, 나노(nano)미터 크기인 은 분말 3wt%, 황토분말 15wt%, 규조토분말 15wt%의 혼합비에 의한 혼합물 1,000kg에 30wt%의 목분 300kg을 첨가하여 건식 혼합한 혼합물 1,300kg을 제조한 뒤 여기에 물을 첨가하면서 토련기를 이용하여 성형체를 제조하였다.

그리고 48시간 동안 자연 건조한 후 가스로를 이용하여 1100℃에서 4시간 동안 소성과정을 거쳐 도 1에서와 같은 기능성 세라믹 블럭을 제조하였다.

이와 같이 하여 제조한 블럭에 대한 미세구조를 관찰한 결과 도 2에서와 같이 조직 사이 사이에 기공(S, 중간 중간의 검은 부분)이 형성된 다공질의 세라믹 소성체가 얻어졌는데, 상기 기공(S)이 본 발명의 조성물에서 추구하는 생태통로서의 역할을 한다.

- 해양생물의 착생력

상기의 실시예 1에 따라 만들어진 본 발명의 기능성 세라믹 블럭을 수심 6~8m정도의 해저면에 투입시킨 후 6개월이 경과된 시점에서 관찰한 결과 도 3에서와 같이 해양생물의 착생이 되어 있었다. 도 3에서 볼 수 있듯이 본 발명의 블럭은 해양생물의 착생력이 뛰어나고 또 성장속도가 빠른 점에 특징을 나타내고 있다.

이와 같이 해양생물의 착생력이 뛰어나고 또 성장속도가 빠른 특징을 나타낸 것은 본 발명에 따른 블럭은 본 발명의 방법에 따라 제조되어 그 조직의 중간 중간에 많은 기공(S)이 형성되어 있고, 이들 기공(S)에 해양식물의 뿌리가 단단하게 내리는 생태통로로서의 역할을 하기 때문인 것으로 판단된다.

- 수질정화능력 시험

본 발명의 실시예 1의 블럭에 대한 수질정화력을 시험한 결과 질소의 총량(T-N); 23.8㎎/ℓ, 인의 총량(T-P); 2.3㎎/ℓ, 화학적 산소요구량(COD); 116㎎/ℓ, 생물학적 산소요구량(BOD); 559㎎/ℓ의 상태인 바닷물(해수) 각각 2리터에 150g의 본 발명의 블럭을 30시간 동안 담가 둔 후 측정하였다. 그 결과, 도 4a~4d에서와 같이 수질정화의 능력이 있는 특징을 보였다.

그리고 대장균군 수의 변화량 실험은 수질환경보전법 제8조에 명시된 수질오염공정시험방법에 따른 평판집락법으로 측정하였으며 그 결과, 도 5에서와 같이 살균효과의 기능성이 탁월한 특징을 보였다.

본 발명의 실시예 2에서는 마그네사이트 분말 50wt%, 감마형 알루미나분말 20wt%, 나노(nano)미터 크기인 은 분말 3wt%, 황토분말 15wt%, 규조토분말 12wt%의 혼합비에 의한 혼합물 1,000kg에 30wt%의 톱밥 300kg을 첨가하여 건식 혼합한 혼합물 1,300kg을 제조한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하다.

상기 실시예 2에 따라 블럭으로 제조하여 생태통로를 갖고 있는 다공질화 한 세라믹 소성체의 블럭은 해양생물의 착생력, 수질정화력, 살균효과 등의 실험을 행한 결과, 그 기능성은 실시예 1과 거의 동일하였다.

본 발명의 실시예 3에서는 마그네사이트 분말 60wt%, 감마형 알루미나분말 10wt%, 나노(nano)미터 크기인 은 분말 5wt%, 벤토나이트분말 15wt%, 규조토분말 10wt%의 혼합비에 의한 혼합물 1,000kg에 40wt%의 목분 400kg을 첨가하여 건식 혼합한 혼합물 1,400kg을 제조한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하다.

상기 실시예 3에 따라 제조한 생태통로를 갖고 있는 다공질화 한 소성체의 블럭에 대한 해양생물의 착생력, 수질정화력, 살균효과 등의 실험을 행한 결과, 실시예 1과 비교하여 해양생물의 착생력과 살균효과가 매우 우수하였다.

본 발명의 실시예 4에서는 건조과정을 거친 성형체를 900℃에서 4시간 동안 소성과정을 거치는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하다.

상기 실시예 4에 따라 제조한 블럭은 생태통로를 갖고 있는 다공질화 한 세라믹 소성체로서 실시예 1과 거의 동일하였다. 그리고 해양생물의 착생력, 수질정화력, 살균효과 등의 실험을 행한 결과 실시예 1과 거의 동일하였다.

그러나 소성온도를 1000℃ 이하로 할 경우에는 목분 또는 톱밥이 불완전 연소되기 때문에 다공질화가 뒤떨어지는 경향이 있었으며 또한 낮은 온도로 인한 소성시간이 5시간 이상과 같은 긴 시간을 필요로 한다는 문제점이 있었다.

그리고 본 발명에 따른 블럭의 제조에 있어서, 가스로에 사용되는 가스(gas)의 량은 제조단가에 가장 큰 영향을 미친다. 따라서 본 발명에 의한 블럭은 실시예 1의 혼합물을 성형체로 제조한 뒤 이를 1000~1200℃의 범위에서 4시간 동안 소성과정을 거쳐 제조하는 것이 최적임을 알았다.

본 발명에 따른 실시예 5에서는 블럭의 형태를 원판형, 튜브형 및 사각형 등으로 다양하게 제조한 뒤 이를 콘크리트, 철제빔 등의 구조물에 적용해 보았다. 이들 구조물로부터 이탈의 정도, 해류의 저항력 등을 관찰한 결과, 콘크리트 구조물에는 원판형 그리고 철제빔 구조물에는 정육면체와 직육면체형이 최적임을 알았다.

S - 생태통로를 이루는 기공

Claims (5)

1. 마그네사이트 분말 40~70wt%, 감마형 알루미나분말 10~20wt%, 나노(nano)미터 크기인 은 분말 3~10wt%에 결합제로 황토 또는 벤토나이트분말 5~15wt% 및 규조토 분말 5~15wt%로 이루어진 혼합물 100중량부에 대하여 목분 또는 톱밥 20~40중량부를 함유시켜 성형체를 제조한 후 건조시켜 1000~1200℃의 온도범위에서 3~5시간 동안 소성과정을 거쳐 제조된 세라믹 분말을 이용한 수질개선 및 인공어초용 블럭
   
2. 제 1항에 있어서, 상기 블럭의 형태는 원판형, 튜브형 또는 직육면체의 형태인 것을 특징으로 하는 세라믹 분말을 이용한 수질개선 및 인공어초용 블럭
   
3. 출발원료로서 감마형 알루미나분말, 마그네사이트 분말 및 나노(nano)미터 크기인 은 분말 중에 하나 또는 그 이상의 것을 선택한 뒤 여기에 목분 또는 톱밥을 첨가한 뒤 결합제로서의 황토 또는 벤토나이트분말, 규조토분말을 첨가시켜 건식 혼합하여 혼합물을 제조하는 제 1 단계,
   상기 제 1 단계에서 제조된 혼합물에 물을 첨가시킨 뒤 토련기 또는 사출성형기를 이용하여 성형체를 제조하는 제 2 단계,
   상기 제 2 단계에서 제조된 성형체를 자연 건조과정을 거쳐 건조하는 제 3 단계,
   상기 제 3 단계에서 자연 건조된 성형체를 1000~1200℃의 온도범위에서 3~5시간 동안 소성과정을 거치는 제 4 단계를 거쳐 제조한 생태통로를 갖고 있는 세라믹 분말을 이용한 수질개선 및 인공어초용 블럭을 제조하는 방법
   
4. 제 3항에 있어서, 상기 출발원료는 마그네사이트 분말 40~70wt%, 감마형 알루미나분말 10~20wt%, 나노(nano)미터 크기인 은 분말 3~10wt%에 결합제로 황토 또는 벤토나이트분말 5~15wt% 및 규조토 분말 5~15wt%로 이루어진 혼합물인 것을 특징으로 하는 세라믹 분말을 이용한 수질개선 및 인공어초용 블럭을 제조하는 방법
   
5. 제 3항에 있어서, 상기 목분 또는 톱밥의 함유량은 혼합물 100중량부에 대하여 20~40중량부를 첨가하는 것을 특징으로 하는 세라믹 분말을 이용한 수질개선 및 인공어초용 블럭을 제조하는 방법

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