KR101220711B1 - 탄산가스를 이용한 철강슬래그의 유리석회(Free CaO)성분을 안정화 시키는 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 수산화나트륨, 탄산나트륨이 함유하고 계면활성제가 같이 녹아 있는 공정수에 탄산가스를 공급하여 공정수 중의 수산화나트륨과 반응시켜 탄산나트륨으로 변환하여 철강슬래그의 유리석회(Free CaO)성분과 공정수에 있는 탄산나트륨의 탄산 성분과 반응하여 안정화 된 철강슬래그를 생산하는 방법으로,
더욱 상세하게는 철강슬래그의 유리석회(Free CaO)성분을 안정화시키기 위하여 수산화나트륨, 탄산나트륨이 함유하고 계면활성제가 같이 녹아 있는 공정수에 탄산가스를 공급하여 공정수 중의 수산화나트륨과 반응시켜 탄산나트륨으로 변환하여 철강슬래그의 유리석회(Free CaO)성분과 공정수에 있는 탄산나트륨의 탄산 성분과 반응하여 철강슬래그의 유리석회(Free CaO)성분을 안정화하도록 한 과정에서, 사용된 공정수를 다시 재활용할 수 있는 공정수로 만들기 위하여는 재활용 될 공정수가 또 다시 철강슬래그의 유리석회(Free CaO)성분과 공정수에 있는 탄산나트륨의 탄산 성분이 서로 반응할 수 있도록 하기 위하여 탄산가스를 사용된 공정수에 연속 공급하므로서, 반응 후에 형성된 공정수 중의 수산화나트륨이 탄산나트륨이 함유한 공정수로 변환되어, 철강슬래그의 유리석회(Free CaO)성분과 변환된 공정수에 있는 탄산나트륨의 탄산성분과 반응하여 철강슬래그의 유리석회(Free CaO)성분이 탄산석회(CaCO3)로 변환되어 안정화 된 철강슬래그를 생산하면서 공정수를 연속적으로 사용하는 철강슬래그를 안정화 방법이다.
이러한 본 발명에는 수산화나트륨, 탄산나트륨이 함유한 공정수를 만들기 위해서는 순도가 높은 수산화나트륨, 탄산나트륨의 화학물질을 사용할 수도 있지만, 규산나트륨을 점결제로 사용한 폐주물사를 사용하여 공급할 수 있는 철강슬래그를 안정화 방법이다.
탄산가스, 철강슬래그, 폐주물사
Description
본 발명은 수산화나트륨, 탄산나트륨이 함유하고 계면활성제가 같이 녹아 있는 공정수에 탄산가스를 공급하여 철강슬래그의 유리석회(Free CaO)성분과 공정수중에 있는 탄산나트륨의 탄산 성분과 반응하여 안정화된 철강슬래그를 생산하는 방법으로,
더욱 상세하게는 철강슬래그의 유리석회(Free CaO)성분을 안정화시키기 위하여 수산화나트륨, 탄산나트륨이 함유하고 계면활성제가 같이 녹아 있는 공정수에 탄산가스를 공급하여 공정수 중의 수산화나트륨과 반응시켜 탄산나트륨으로 변환하여 철강슬래그의 유리석회(Free CaO)성분과 공정수 중에 있는 탄산나트륨의 탄산 성분과 반응하여 철강슬래그의 유리석회(Free CaO)성분을 안정화하도록 한 과정에서, 사용된 공정수를 다시 재활용할 수 있는 공정수로 만들기 위하여 재활용 될 공정수에 탄산가스를 다시 사용된 공정수에 공급하므로서, 공정수 중의 수산화나트륨과 반응시켜 탄산나트륨이 함유한 공정수로 변환되어, 철강슬래그의 유리석회(Free CaO)성분과 변환된 공정수 중에 있는 탄산나트륨의 탄산성분이 반응하여 철강슬래그의 유리석회(Free CaO)성분이 탄산석회(CaCO3)로 변환되어 안정화 된 철강슬래그를 생산하면서 공정수를 연속적으로 사용하는 철강슬래그를 안정화 방법이다.
일반적으로 제철산업은 대량의 원료와 에너지를 소비하며 철강을 생산할 뿐 아니라 다양한 종류의 부산물과 폐기물을 다량 발생시켜 양적으로는 주 제품인 철강의 50％에 이르고 있다. 이러한 부산물과 폐기물은 철, 탄소 및 석회석 등의 재활용이 가능한 유효한 자원을 다량 함유하고 있어 이들을 그대로 매립해 버리는 것은 자원 및 에너지의 낭비이다.
제철산업의 부산물과 폐기물은 철강슬래그로서, 철강슬래그는 고로슬래그와 제강슬래그(전로슬래그, 전기로슬래그)로 구분된다.
고로슬래그는 제철소 고로에서 선철을 제조하는 과정에서 발생하는 생성물을 말하는 것이며, 냉각방식에 따라 급냉슬래그와 서냉슬래그로 구분된다.
급냉슬래그의 화학성분이 포틀랜드시멘트와 유사하고 수경성이 있어 슬래그시멘트의 원료로 이용된다.
제강슬래그는 선철을 강을 만들기 위해 쇳물에 녹아 있는 탄소, 규소 성분 등을 제거하는 공정에서 발생하는 생성물을 말하는 것이며, 전로슬래그와 전기로슬래그로 구분되고, 전기로슬래그는 로 내의 분위기를 산화성, 환원성으로 처리하는 방법에 따라 산화슬래그와 환원슬래그로 구분된다.
제강슬래그의 화학성분이 포틀랜드시멘트와 유사하지 못하여 시멘트의 원료로 사용하지 못하고 단순 매립용으로 사용되고 있다.
철강슬래그의 화학조성은 아래와 같다.
철강슬래그는 유리석회(Free CaO)성분이 다량 있어 수분과 반응하여 수산화칼슘(Ca(OH)2)로 되는데, 유리석회(Free CaO)성분보다 수산화칼슘(Ca(OH)2)이 부피가 약 2배 크기로 팽창하기 때문에 슬래그가 팽창되고 붕괴가 되므로 안정화하지 않으면 재활용할 수 없다.
팽창 붕괴성이 있는 철강슬래그를 도로 및 콘크리트용 골재로 재활용 용도로 활용하기 위해서는 충분히 안정화 시켜야 한다. 철강슬래그를 안정화시키는 방법으로 에이징 처리, 급냉처리, 개질처리 등 다양한 방법들이 있다.
그 중에 일반적인 방법인 에이징 처리방법은, 고온의 철강슬래그를 서냉 시킨 후 적절한 입도로 파쇄한 다음, 사용 전에 대기 중에서 방치하여 인위적으로 유리석회(Free CaO)성분을 수분에 노출시켜 수산화석회(Ca(OH)2)로 변환함으로 재활용 용도로 사용할 시에 팽창 붕괴 현상이 발생하지 않도록 사전에 수화반응을 유도하는 방법이다. 이 방법은 보통 3m정도의 높이로 대기 중에 야적하여 방치하는 것이다. 팽창이 안정하기까지는 유리석회(Free CaO)성분의 함량에 따라 3～12개월 이상의 장기간의 시간을 요구한다. 기간을 단축하기 위하여 여러 가지가 있는데, 그 중 에 온수 에이징 처리방법의 대표적인 기술로는 일본 공개특허공보 평3-13517호가 있는데 유리석회(Free CaO)성분을 수산화석회(Ca(OH)2)로 안정화하는 것이며, 증기 에이징 처리방법의 대표적인 기술로는 일본 공개특허공보 소61-101441호가 있는데 이 역시 유리석회(Free CaO)성분을 수산화석회(Ca(OH)2)로 안정화하는 것이다. 이것들은 처리기간이 48시간 이상 필요하고, 처리비용이 고가이고, 1회 처리량이 적은 점에 문제가 있고, 수산화석회(Ca(OH)2)에 의해 알카리성 침출수가 생성됨에 문제가 있다.
또한 수분에 탄산가스를 흡수시켜 유리석회(Free CaO)성분을 탄산화를 촉진하는 대표적인 기술로는 한국 등록번호 10-0537345호가 있는데, 유리석회(Free CaO)성분을 탄산화를 촉진하는 효과를 높일 수 있으나, 수분의 탄산가스 흡수량이 상당히 작아 탄산화 시킬 수 있는 량을 많이 할 수 없는 점에 문제가 있다.
본 발명의 목적은 유리석회(Free CaO)성분이 함유한 철강슬래그를 탄산가스와의 반응을 시켜 안정화 된 철강슬래그를 제조하기 위한 것이다.
본 발명에서는 물에 대한 용해도가 높은 탄산나트륨을 이용하여 철강슬래그의 유리석회(Free CaO)성분을 탄산칼슘으로 변환시켜 철강슬래그를 안정화시키고 반응 후의 생성물인 수산화나트륨 수용액에 탄산가스를 투입하므로 재 이용할 수 있는 탄산나트륨 수용액을 형성시키므로 연속적으로 철강슬래그를 안정화 할 수 있다.
본 발명에 따르면, 철강슬래그를 안정화하는 과정에서 탄산나트륨, 수산화나트륨의 용해도가 높은 공정수를 공급하여, 철강슬래그에 함유하고 있는 유리석회 성분을 탄산칼슘으로 반응시킬 수 있는 기회를 높임으로 빠른 기간에 안정화 된 철강슬래그를 생산 할 수 있다.
또한, 본 발명에서는 반응 후에 형성된 수산화나트륨 공정수에 탄산가스를 투입하므로서 탄산나트륨이 많이 함유한 공정수로 변환되어 연속적으로 공급하여 안정화 된 철강슬래그를 생산할 수 있다.
규산나트륨을 점결제로 사용된 폐주물사를 철강슬래그를 안정화 하는데 보조제로 활용하여 폐주물사의 재활용 범위를 넓힐 수 있다.
철강슬래그를 안정화시키는데, 철강슬래그의 성분 중의 유리석회(Free CaO)성분이 수분과 반응하여 팽창 붕괴 현상이 일어나기 때문에 안정화 하여야만 재활용할 수 있는 제강슬래그가 될 수 있다.
철강슬래그의 성분 중의 유리석회(Free CaO)성분이 물과 반응하여 수산화칼슘으로 변환되면서 약 2배의 부피 팽창을 하고, 물에 약간 용해되어 철강슬래그 용출수의 PH가 12이상이 되므로 수산화칼슘을 물에 녹지 않는 탄산칼슘으로 변환시키 므로 완전한 안정화를 시킬 수 있다. 수산화칼슘(Ca(OH)2)은 물 1리터당 0.82g 밖에 용해되지 않아 철강슬래그의 성분 중의 유리석회(Free CaO)성분이 물과 반응하여 수산화칼슘으로 변환된 것을 탄산칼슘으로 변환하려면 상당히 많은 공정수가 필요하게 되며, 철강슬래그를 안정화시키는데 오래 걸리는 결점이 있었다.
본 발명은 이러한 종래의 결점을 해소하기 위하여 안출된 것으로, 탄산가스를 탄산나트륨, 수산화나트륨이 함유한 공정수에 공급하여 공정수 중의 수산화나트륨과 반응시켜 탄산나트륨으로 변환하여 철강슬래그의 성분 중의 유리석회(Free CaO)성분이 공정수 내에 있는 탄산나트륨과 반응하여 물에 녹지 않는 탄산칼슘으로 변환되어 철강슬래그가 안정화할 때에 공정수의 양을 상당히 줄이므로서 안정화 된 철강슬래그를 생산하는 방법을 목적으로 한다.
철강슬래그의 성분 중의 유리석회(Free CaO)성분을 안정화하기 위하여 공정수에 [반응식 1] 에 의해 생성된 탄산가스를 공급하여 철강슬래그의 성분 중의 유리석회(Free CaO)성분과 탄산가스와 화학반응이 일어나므로서 철강슬래그의 성분 중의 유리석회(Free CaO)성분이 탄산칼슘로 변환되어 변환된 탄산칼슘이 물에 불용상태로 되므로 안정화 된 철강슬래그가 생산하게 된다.
그렇지만, 철강슬래그의 성분 중의 유리석회(Free CaO)성분은 철강슬래그 총무게에 20～50％ 존재한다.
수산화칼슘은 세척수 1L당 0.82g 밖에 녹지 않고, [반응식 2] 와 같이 탄산가스는 세척수 1L당 20℃에서는 0.88L, 40℃에서는 0.53L 밖에 녹지 않는다.
철강슬래그의 성분 중의 유리석회(Free CaO)성분을 탄산칼슘으로 변환하기 위해서는 [반응식 3] 과 같이 철강슬래그의 성분 중의 유리석회(Free CaO)성분을 수산화칼슘으로 변환하여야 하고, 수산화칼슘이 공정수에 녹아야하고, 탄산가스도 공정수에 녹아야 반응이 일어나 철강슬래그의 성분 중의 유리석회(Free CaO)성분이 안정화 된 철강슬래그를 생산할 수 있다.
철강슬래그의 성분 중의 유리석회(Free CaO)성분은 철강슬래그 총무게에 20～50％ 존재하기 때문에 안정화 된 철강슬래그를 생산하기 위해서는 유리석회(Free CaO)성분이 물과 반응하여 수산화칼슘으로 변환 되고, 변환된 수산화칼슘이 물에 용해된 상태를 유지하여야 탄산가스와 화학반응이 잘 일어날 수가 있다. 또한 탄산가스도 물에 용해된 상태를 유지하여야 수산화칼슘과 화학반응이 일어날 수가 있다.
수산화칼슘과 탄산가스가 물 1L당 용해될 수 양이 너무나 적기 때문에 용해시킬 공정수의 양이 철강슬래그 부피의 200～5000배가 필요하기 때문에 상당히 많은 양이 필요하게 된다.
위와 같은 반응은 아래와 같이 일어나게 된다.
본 발명은 위와 같은 수산화칼슘과 탄산가스의 용해할 수 있는 양이 작기 때문에 공정수의 양이 철강슬래그 부피의 200～5000배가 필요하게 되므로 공정수의 양을 줄일 수 있는 방법을 강구하게 되었다.
철강슬래그의 성분 중의 유리석회(Free CaO)성분과 화학반응이 일어 날 수 있는 탄산나트륨을 공정수에 용해시키므로써 유리석회(Free CaO)성분과 탄산나트륨의 탄산성분과의 화학반응 속도를 높일 수가 있다.
탄산나트륨은 물 1L당 0℃에는 71g 용해되며, 100℃에서는 455g 용해된다. 따라서, 수산화칼슘이 물에 용해되는 양과 비교하여 보면 거의 100～500배 물에 용해되기 때문에 탄산나트륨을 사용하지 않았을 때의 공정수의 양을 탄산나트륨을 사용하였을 때에는 공정수의 양을 그 비율만큼 줄일 수가 있다.
위와 같은 화학반응은 아래와 같다.
화학반응이 일어나게 되면 탄산칼슘은 물에 불용하게 되어 침전되고, 공정수 내에는 생성물인 수산화나트륨이 녹아 있게 된다.
수산화나트륨은 물 1L당 0℃에는 420g 용해되며, 100℃에는 3470g 용해되므로 공정수에 수산화나트륨이 용해된 상태로 유지하게 된다.
수산화나트륨은 탄산나트륨보다 물에 용해되는 양이 많아 공정수 내에서는 침전이 절대 일어 날 수가 없고, 공정수내에서 용해된 상태로 유지하게 된다.
수산화나트륨은 유리석회(Free CaO)성분과는 화학반응이 없으므로, 수산화나트륨이 유리석회(Free CaO)성분과 화학반응이 일어 날 수 있는 탄산나트륨으로 변화시켜야 한다.
수산화나트륨은 물 1L당 0℃에는 420g 용해되며, 100℃에는 3470g 용해되므로, 탄산가스를 공정수에 투입하였을 때에 탄산가스는 공정수 1L당 20℃에서는 0.88L, 40℃에서는 0.53L 밖에 녹는것 보다는 물 1리터당 0℃에는 420g 용해되며, 100℃에는 3470g 용해될 수 있는 수산화나트륨이 녹아 있는 공정수에서 탄산가스가 화학반응이 500～2000배 일어난다.
일어나는 [반응식 5] 와 같이 된다.
공정수에는 철강슬래그의 성분 중의 유리석회(Free CaO)성분과 탄산나트륨과의 화학반응이 끝나면 탄산칼슘은 물에 불용되어 침전되고 공정수에는 물에 용해된 수산화나트륨이 있게 된다.
[반응식 5] 과 같이 공정수에 용해된 수산화나트륨에 탄산가스를 공정수에 투입하여 수산화나트륨과 탄산가스와의 화학반응을 시켜 탄산나트륨으로 생성하게 하여, 또 다시 철강슬래그의 성분 중의 유리석회(Free CaO)성분과 탄산나트륨과의 화학반응을 시키게 함으로 공정수를 연속적으로 재 활용, 재 이용할 수가 있다.
규산나트륨을 점결제로 쓰는 주물사에는 규산나트륨에 의해 수산화나트륨, 탄산나트륨으로 변환된 폐주물사로 바뀌게 된다.
이 폐주물사는 다시 주물사로 재활용되는 것이 아니고, 일반 흙이나, 재생골재 등과 50％ 혼합하여 성토재로 활용할 뿐이다.
폐주물사에 남아 있는 성분이 탄산나트륨, 수산화나트륨이기 때문에 철강슬래그의 성분 중의 유리석회(Free CaO)성분의 무게 대비 1～5％ 혼합하여 분쇄 후 공정수로 처리하는 과정에서 폐주물사에 남아 있는 성분인 탄산나트륨, 수산화나트륨이 물에 용해되어 자연히 공정수 내에는 탄산나트륨, 수산화나트륨이 녹아 있는 공정수로 되기 때문에 위에서 설명한 것과 같이 철강슬래그의 성분 중의 유리석회(Free CaO)성분과 화학반응을 일으켜서 안정화 된 철강슬래그를 생산할 수가 있다.
물은 20℃에서 표면장력이 약 72dyne/㎠이지만은, 공정수에 0.0001～0.1％의 계면활성제를 첨가하게 되면, 물의 표면장력이 약 15dyne/㎠까지 낮아질 수 있어 철강슬래그의 표면에 공정수가 더욱 더 흡착할 수 있고, 철강슬래그의 표면에 공정수가 더욱 더 많이 젖게 되고, 철강슬래그 내부에 까지 공정수가 스며들게 할 수 있어 반응을 더 잘 일어나게 도움을 준다.
도면 1 본 발명의 방법으로 탄산나트륨, 수산화나트륨이 함유한 공정수를 이용한 철강슬래그를 안정화하는 공정도.
도면 2 본 발명의 방법으로 폐주물사를 이용한 철강슬래그를 안정화하는 공정도
Claims (2)
- 철강슬래그를 투입하여 파쇄하고, 수산화나트륨, 탄산나트륨이 함유하고 계면활성제가 같이 녹아 있는 공정수를 공급하므로 안정화된 철강슬래그를 생산함에 있어서.철강슬래그를 투입하여 파쇄하는 과정과;공정수에 수산화나트륨, 탄산나트륨를 녹이고, 계면활성제가 같이 녹이는 과정과;수산화나트륨, 탄산나트륨이 함유하고 계면활성제가 같이 녹아 있는 공정수를 파쇄된 철강슬래그에 투입하는 과정과;철강슬래그에 함유된 유리석회(Free CaO)성분이 공정수에 함유하고 있는 탄산나트륨과 반응하여 탄산칼슘과 수산화나트륨으로 변환되는 과정과;반응이 일어난 후에 수산화나트륨으로 변환된 공정수과 안정화 된 철강슬래그를 분리하는 과정과;분리한 수산화나트륨으로 변환된 공정수를 연속적으로 탄산가스를 공급하여 또 다시 화학반응이 일어 날 수 있는 탄산나트륨이 함유한 공정수로 변환하여 공급하는 과정과;이 과정을 반복하여 안정화 된 철강슬래그를 얻어짐을 특징으로 하는 탄산가스를 이용한 철강슬래그를 안정화하는 방법
- 철강슬래그를 투입하여 파쇄하고, 폐주물사에 탄산나트륨이 함유한 것을 이용하고 계면활성제가 같이 녹아 있는 공정수를 공급하므로 안정화된 철강슬래그를 생산함에 있어서.철강슬래그를 투입하여 파쇄하는 과정과; 규산나트륨을 사용한 폐주물사를 철강슬래그에 혼합하는 과정; 공정수에 계면활성제가 녹이는 과정과;폐주물사에서 공정수에 녹아 나온 탄산나트륨이 함유하고 계면활성제가 같이 녹아 있는 공정수를 파쇄된 철강슬래그에 투입하는 과정과;철강슬래그에 함유된 유리석회(Free CaO)성분이 공정수에 함유하고 있는 탄산나트륨과 반응하여 탄산칼슘과 수산화나트륨으로 변환되는 과정과;반응이 일어난 후에 수산화나트륨으로 변환된 공정수과 안정화 된 철강슬래그를 분리하는 과정과;분리한 수산화나트륨으로 변환된 공정수를 연속적으로 탄산가스를 공급하여 또 다시 화학반응이 일어 날 수 있는 탄산나트륨이 함유한 공정수로 변환하여 공급하는 과정과;이 과정을 반복하여 안정화 된 철강슬래그를 얻어짐을 특징으로 하는 탄산가스를 이용한 철강슬래그를 안정화하는 방법
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