KR101225190B1

KR101225190B1 - 폐기물 슬러지로부터 회수된 산화티탄을 이용한 세라믹의 제조방법

Info

Publication number: KR101225190B1
Application number: KR1020100072970A
Authority: KR
Inventors: 김종호; 김명완; 박희주; 김종범; 이장목; 나숙현; 최병철; 김건중; 조동련
Original assignee: (주) 빛과환경
Priority date: 2010-07-28
Filing date: 2010-07-28
Publication date: 2013-01-22
Also published as: KR20120021363A

Abstract

본 발명은 세라믹의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 폐기물 슬러지로부터 회수된 산화티탄을 이용함으로써 자원의 재활용과 함께 제조단가를 낮출 수 있는 유색 발색이 가능한 세라믹의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명은 응집제로서 가수분해성 티탄 화합물을 오염수에 투입하여 형성시킨 응집체를 소결하여 유무기 원소들이 도핑된 산화티탄을 회수하는 회수단계와, 산화티탄에 도핑된 유무기 원소들을 제거하여 백색도를 향상시키는 가공단계와, 가공단계에서 얻어진 산화티탄을 점토 및 물과 혼합한 후 성형체로 성형하는 성형단계와, 성형체를 건조시키는 건조단계와, 건조된 성형체를 소성하는 소성단계를 포함한다.

Description

폐기물 슬러지로부터 회수된 산화티탄을 이용한 세라믹의 제조방법 {Manufacturing method of ceramics using titanium oxide recovered from waste sludge}

본 발명은 세라믹의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 폐기물 슬러지로부터 회수된 산화티탄을 이용함으로써 자원의 재활용과 함께 제조단가를 낮출 수 있는 유색 발색이 가능한 세라믹의 제조방법에 관한 것이다.

점토는 지름이 0.004mm 이하인 미세한 흙 입자를 이르는 것으로, 암석이 풍화·분해되면, 주로 규소·알루미늄과 물이 결합하여 점토광물이 이루어지며, 점토가 가지고 있는, 소결이 있는 성질과 가열하면 암석처럼 굳어지는 성질 때문에 공업상의 용도가 많고, 벽돌, 도자기, 내화물 등의 원료로 많이 쓰인다.

그러나, 이와 같은 점토벽돌을 단순히 점토만으로 제조할 경우에는, 벽돌의 표면처리가 단조롭다는 점, 색상이 단순하여 자연스럽지 못하다는 점 때문에, 아름답고 우아한 장식용 및 내·외장용 벽돌에 적합한 표면처리가 어렵다는 문제점과, 또한 다양한 기호를 가지는 현대인의 요구를 해결하기 위한, 장식용 및 내·외장용으로 우수한 점토벽돌의 필요성이 대두되고 있다.

이러한 소비자의 욕구를 충족시키기 위해 점토에 산화티탄을 혼합함으로써 노란색을 색상을 가지는 벽돌이 알려졌다. 산화티탄은 열역학적으로 안정하고 무독성이며 백색도 및 은폐력이 좋으므로 페인트, 플라스틱, 종이 등의 백색도료의 원료로 대량 이용되고 있다.

현재 상업적으로 판매되는 아나타제형 이산화티탄 분말로는 대구사의 P25가 가장 많이 알려져 있고, 상기 이산화티탄 분말은 일부 국가에서만 제한적으로 생산되고 있다. 이러한 산화티탄은 고가이기 때문에 경제성이 현저히 낮다는 문제점을 갖고 있다.

따라서 이산화티탄을 첨가하여 생산된 벽돌은 수요처는 많으나 고가여서 제대로 활용되지 못하는 실정이다.

본 발명은 상기의 문제점을 개선하고자 창출된 것으로서, 티타늄 공급원으로서 하수, 오폐수 등의 오염수의 수처리 공정에서 사용되는 응집제로부터 티타늄을 회수하여 폐기되는 슬러지 자원을 재활용함과 동시에 회수된 산화티탄에 도핑되어 백색도를 감소시키는 유/무기 원소들을 제거하여 백색도를 향상시킴으로써 경제적이면서도 품질이 우수한 세라믹의 제조방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 폐기물 슬러지로부터 회수된 산화티탄을 이용한 세라믹의 제조방법은 응집제로서 가수분해성 티탄 화합물을 오염수에 투입하여 형성시킨 응집체를 소결하여 유무기 원소들이 도핑된 산화티탄을 회수하는 회수단계와; 상기 산화티탄에 도핑된 유무기 원소들을 제거하여 백색도를 향상시키는 가공단계와; 상기 가공단계에서 얻어진 산화티탄을 점토 및 물과 혼합한 후 성형체로 성형하는 성형단계와; 상기 성형체를 건조시키는 건조단계와; 상기 건조된 성형체를 소성하는 소성단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 가공단계는 상기 회수단계에서 회수된 산화티탄에 알칼리 수용액을 가하여 상기 산화티탄에 도핑된 유/무기 원소를 용해시킨 후 반응기에서 130 내지 190℃에서 30 내지 70시간 동안 가열하는 제 1단계와, 상기 반응기에서 형성된 티타네이트에 염산을 가하여 세척하는 제 2단계와, 상기 세척된 티타네이트를 300 내지 800℃로 가열하여 산화티탄을 얻는 제 3단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 제 1단계의 상기 알칼리 수용액은 수산화나트륨, 수산화칼륨, 수산화리튬 중에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 한다.

상기 성형단계에서 혼합된 상기 산화티탄은 나노 크기의 튜브형상으로 형성된 것을 특징으로 한다.

상기 건조단계는 상기 성형체에 2450MHz의 마이크로파를 조사하여 상기 성형체 중에 포함된 수분을 증발시켜 상기 수분이 증발된 자리에 기공이 형성되도록 하여 다공성의 성형체로 건조시키는 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의하면 하수, 오폐수 등의 오염수의 수처리 공정으로부터 발생되는 폐기물 슬러지로부터 회수한 산화티탄을 이용함으로써 폐슬러지의 배출량을 줄이고 폐기되는 자원을 재활용할 수 있으며, 특히 세라믹의 제조단가를 낮출 수 있다.

또한, 슬러지로부터 회수된 이산화티탄에 도핑되어 백색도를 감소시키는 각종 유/무기 원소들을 제거하여 산화티탄의 백색도를 향상시키므로 유색을 발색이 가능한 고품질의 벽돌 세라믹을 제조할 수 있다.

또한, 산화티탄의 광촉매작용에 의한 정화, 살균, 탈취의 효능까지도 부가적으로 가질 수 있다.

도 1은 응집체를 소결하여 유/무기 원소가 도핑된 산화티탄을 얻는 과정을 개략적으로 나타낸 도면이고,
도 2는 각 온도에서 소결된 소결체의 XRD 패턴을 나타낸 그래프이고,
도 3 내지 도 5는 각 온도에서 소결된 소결체의 SEM 사진들이고,
도 6 내지 도 8은 Na, K, Li-티타네이트의 SEM 사진들이고,
도 9 내지 도 11은 실시예 1 내지 3에서 최종적으로 제조된 이산화티탄을 나타낸 SEM 사진들이고,
도 12 내지 도 15는 질소 흡착등온선을 나타내는 그래프들이고,
도 16 및 도 17은 2는 이산화티탄의 XRD 패턴을 나타낸 그래프이고,
도 18은 본 발명의 일 실시 예에 따른 세라믹을 나타내는 사시도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 폐기물 슬러지로부터 회수된 산화티탄을 이용한 세라믹의 제조방법에 대해서 설명한다. 본 발명의 일 실시 예로서 세라믹은 점토블록을 예로 들어 설명한다.

본 발명은 응집제로서 가수분해성 티탄 화합물을 오염수에 투입하여 형성시킨 응집체를 소결하여 유무기 원소들이 도핑된 산화티탄을 회수하는 회수단계와, 산화티탄에 도핑된 유무기 원소들을 제거하여 백색도를 향상시키는 가공단계, 가공단계에서 얻어진 산화티탄을 점토 및 물과 혼합한 후 성형체로 성형하는 성형단계와, 성형체를 건조시킨 후 소성하는 소성단계로 크게 이루어진다.

먼저, 회수단계에서 유무기 원소들이 도핑된 산화티탄을 회수한다. 도 1을 참조하면 오염수가 응집조(1)로 공급되고, 여기에 오염수에 함유된 각종 유기물과 응집반응을 하는 응집제로서 가수 분해성 티탄 화합물이 응집조(1)의 내부로 투입된다. 응집제의 첨가량은 오염수의 오염 정도에 따라 선택될 수 있다.

그리고 오염수의 pH를 적절한 범위를 조정하기 위한 산성 또는 염기성 화합물이 상기 가수분해성 티탄 화합물의 첨가 전에 또는 상기 가수분해성 티탄 화합물과 함께 첨가될 수 있다. 응집조(1)는 도시된 것 이외에도 다양하게 구성될 수 있으며, 이것은 본 발명의 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 널리 공지되어 있다. 본 명세서에서 오염수라 함은 수처리가 요구되는 상수, 하수, 중수 및 폐수 및 기타의 오염된 물을 포함하는 것으로 의미한다.

가수분해성 티탄 화합물을 오염수에 첨가하면 가수분해되어 유기화합물 또는 콜로이드상의 무기물과 응집반응을 한다. 이러한 응집반응에 의해 응집조의 하부에는 침전된 응집체(2)가 생성된다. 여기서 응집체는 응집제에 의한 침전공정을 포함하는 통상적인 수처리 공정에서 발생하는 슬러지를 의미한다.

응집제로서 유용한 가수분해성 티탄 화합물은 통상 염화염, 황산염의 형태로 제공된다. 구체적으로 가수분해성 티탄 화합물의 예로는 티타늄 트리클로라이드, 티타늄 테트라클로라이드, 티타닐 설페이트, 티타늄 설페이트, 티타늄 옥시설페이트 및 티타늄 철 설페이트를 들 수 있다. 이들 가수분해성 티탄 화합물은 오염수의 용존 유기물과의 응집효율이 높다.

또한, 상기의 티탄화합물에 철 응집제나 알루미늄 응집제를 혼합하여 사용할 수 있다.

응집제의 처리에 의해 응집체(2)가 형성된 응집액으로부터, 응집체와 상등액이 분리한다. 분리된 응집체는 탈수하여 수분을 제거한다. 탈수장치로는 벨트프레스, 필터프레스, 스크루 데칸터, 원심분리기 등을 이용할 수 있다. 이때 슬러지의 함수량을 효과적으로 낮추기 위해 탈수보조제를 첨가한 후 탈수시킬 수 있다. 탈수보조제로 무기화합물을 이용할 수 있다. 일 예로, 무기화합물은 슬러지 1ℓ기준으로 50 내지 100mg을 첨가하는 것이 바람직하다. 무기 탈수보조제로서, Al₂(SO₄)₃·8H₂O 또는 Al(OH)₂Cl 등의 알루미늄 무기 화합물이나 FeCl₃·H₂O, FeSO₄·H₂O 또는 Fe₂(SO₄)₃·H₂O 등의 철 무기화합물 또는 Ca(OH)₂등의 칼슘무기화합물 등이 이용될 수 있다. 이러한 무기화합물은 함수율의 저하와 처리효율의 증진을 제공한다.

다음으로 탈수된 응집체를 소결하여 산화티탄(TiO₂)을 얻는다. 본 발명의 바람직한 구현 예에 따르면 응집체는 소결을 통해 산화티탄을 제공하며, 이때의 소결온도는 300 내지 800℃인 것이 바람직하다. 소결온도가 300℃ 미만인 경우 소결이 제대로 수행되지 않는다. 그리고 소결온도가 800℃를 초과하는 온도에서 소결을 수행하는 것은 에너지 효율 측면에서 비효율적이다.

상기 소결과정에서 잉여의 물과 유기화합물이 분해되어 제거되고, 티탄은 산화되어 산화티탄으로 회수된다. 이때 회수된 산화티탄은 응집체에 함유된 각종 유/무기 원소가 도핑된 형태로 제공된다. 도핑된 유/무기 원소로서 C,Na,Si,Al,Cr,Fe,P,Cl 등이 미량 존재한다. 이러한 유/무기원소들은 오염수의 종류, 응집제의 종류에 따라 차이가 있다.

산화티탄에 도핑된 유/무기 원소는 불순물로 작용하여 산화티탄의 백색도를 감소시킨다. 따라서 가공단계를 수행하여 산화티탄에 도핑된 유/무기 원소를 제거하거나 감소시켜 백색도를 향상시킨다.

가공과정은 제 1단계로서 산화티탄에 알칼리 수용액을 가하여 산화티탄에 도핑된 유/무기 원소를 알칼리 용액에 용해시켜 반응기에서 가열한다. 알칼리 수용액으로는 강알칼리성인 수산화나트륨(NaOH) 또는 수산화칼륨(KOH), 수산화리튬(LiOH)이 적합하다. 알칼리 수용액의 농도에 따라 유/무기 원소의 제거 효율이 달라지므로 알칼리 수용액의 농도는 적절하게 사용될 수 있다. 가령, 수산화나트륨 및 수산화리튬 수용액의 경우 10M, 수산화칼륨 수용액의 경우 14M 농도를 적용하는 것이 바람직하다.

산화티탄 및 각종 유/무기 원소들은 알칼리 수용액에 용해된 형태로 존재하게 된다. 알칼리 수용액은 반응용기에 투입한 후 130 내지 190℃의 고온에서 30 내지 70시간 동안 충분히 가열하여 반응시킨다. 상기 반응은 통상적인 오토클레이브에서 수행될 수 있다. 상기 반응에 의해 알칼리 수용액의 금속 이온이 산화티탄과 결합하여 티타네이트가 형성된다.

상기 티타네이트는 알칼리 수용액으로 수산화나트륨을 이용하는 경우 Na_xTi_yO_Z, 수산화칼륨을 이용하는 경우 K_xTi_yO_Z, 수산화리튬을 이용하는 경우 Li_xTi_yO_Z이다. 특히, 수산화나트륨 및 수산화칼륨을 이용하는 경우 산화티탄이 다층구조의 튜브형상을 이루고, 내부 공간에는 알칼리 금속이 위치하고 외부 표면에는 수산기가 위치한다. 그리고 알칼리 용액에 용해된 각종 유/무기 원소들은 튜브의 내부 공간 또는 외부의 용액 중에 존재를 하게 되므로 제 2단계의 세척과정에서 용이하게 제거될 수 있다.

상기 1단계과정에 의해 형성된 티타네이트에는 알칼리성 수용액 중의 금속 이온이 결합된 형태로 존재하게 된다. 이러한 금속은 고온가열에 의해 제거가 용이하지 않으므로 수소이온으로 치환하는 것이 바람직하다.

이를 위해 제 2단계로서 알칼리 수용액에 염산을 가하여 세척한다. 세척은 티타네이트가 존재하는 알칼리 수용액에 약 1M의 염산을 가한 후 충분한 시간 동안 교반시켜 세척하는 과정에 의해 수행된다. 염산 첨가 후 pH는 1 내지 2 이하로 조절될 수 있다. 상기 세척과정에 의해 염산의 수소 이온이 티타네이트와 결합된 알칼리 금속과 치환되어 수소가 결합된 티타네이트( H_xTi_yO_Z, 가령 H₂Ti₃O₇)를 얻을 수 있다. 염산 세척 후 반응이 완료되면 탈이온수를 이용하여 2~3회 세척한다. 세척 후 알칼리 금속 및 각종 유/무기 원소들이 티타네이트와 분리된다. 상기 티타네이트는 300 내지 800℃고온에서 가열하는 제 3단계 과정을 거친 후 수소가 제거된 티탄산화물, 즉 이산화티탄으로 얻어진다.

상술한 바와 같이 슬러지로부터 분리된 산화티탄에 도핑된 유/무기 원소를 제거함으로써 백색도가 향상된 산화티탄을 제조할 수 있는 것이다. 또한, 본 발명에 의해 제조된 이산화티탄은 나노 크기의 튜브 형태 또는 구형의 입자로 형성되므로 증대된 표면적을 가질 것으로 보인다.

상기 가공단계에서 획득된 산화티탄은 성형단계를 통해 성형체로 성형된다. 산화티탄과 점토를 혼합한 후 물을 가하여 수분을 조절한다. 점토 100중량부를 기준으로 산화티탄 1 내지 6중량부를 혼합한 후 함수율(전체 중량에서 수분이 차지하는 중량의 비율, 이하 동일)이 16 내지 18%가 되도록 물을 혼합하여 반죽한다. 그리고 반죽물을 벽돌모양의 금형이 장착된 진공압출성형기를 통하여 일정형상으로 압출성형하여 적당한 크기로 절단한다.

성형된 성형체를 건조실에서 건조시킨 후 가마에서 1000 내지 1200℃의 온도로 30 내지 40시간 동안 소성하는 소성단계를 수행하여 본 발명의 점토벽돌을 제조한다.

건조방법으로 약 30 내지 110℃에서 2 내지 3일간 건조시킬 수 있다. 다른 건조방법으로 마이크로파를 이용하여 건조시키는 방식을 적용할 수 있다. 이러한 방법은 성형체를 빠르게 건조시킴과 동시에 성형체의 내부에 많은 기공을 형성시키기 위해 마이크로파를 성형체에 조사하여 성형체 내의 수분을 가열하여 증발시킬 수 있다. 1,000MHz 내지 300GHz의 주파수를 가지는 마이크로파가 조사되면 물 분자는 1초간 약 24억5000만 회의 분자 배향에 의해 진동, 병진, 회전운동을 일으키며 이때 발생되는 분자 간의 마찰열에 의해 수분이 가열된다. 가열에 의해 성형체 내에 함유된 수분이 증발되고, 수분이 증발된 자리에 무수한 기공이 형성된다. 마이크로파 조사에 의한 수분증발시 입자와 입자가 서로 유착하여 고결되므로 성형 강도를 증대시킨다. 이와 같이 마이크로파를 이용하여 성형체를 건조시킴으로써 소성된 벽돌은 다공성 구조를 갖게 되어 표면적 및 단열성, 흡음성을 향상시킬 수 있다.

건조과정은 마이크로 웨이브 건조기에서 수행될 수 있다. 마이크로파가 조사되는 챔버를 일정한 속도로 통과하는 무한궤도에 성형체를 올려놓게 되면 무한궤도를 따라 성형체가 이동한다. 성형체는 챔버를 통과하면서 마이크로파에 의해 건조된다. 마이크로 웨이브 건조기는 일 예로 2450MHz (파장λ=122.45mm), 파워 0.6kW가 적용될 수 있다.

본 발명에 따라 제조된 점토블록은 통상적인 직육면체 형상으로 이루어질 수 있다. 또한, 도 18에 도시된 구조를 가질 수 있다.

도 18을 참조하면, 점토벽돌(10)은 정육면체 형상의 본체(15)와, 본체(15)의 일측에서 타측으로 관통하여 형성된 장착홀(17)에 장착되는 발광부(20)로 이루어진다.

본체(15)는 상술한 성형과정에서 다수의 장착홀이 형성되도록 성형체를 성형한 후 건조 및 소성하여 만들어진다. 이와 같이 만들어진 본체(15)에 발광부(20)를 설치한다. 발광부(20)는 장착홀(17)에 삽입될 수 있도록 봉형상으로 형성된 투광성 튜브(21)와, 투광성 튜브(21)의 양측에 마련된 충전공간에 충전된 축광재(25)를 구비한다. 투광성 튜브(21)는 투명한 폴리 카보네이트(PC), 폴리 메틸메타아크릴레이트(PMMA), 폴리 에틸렌 테레프탈레이트(PET) 등을 이용할 수 있다.

축광재(25)는 태양광이나 전기적 광원으로부터 광 에너지를 흡수하여 축적한 후에 야간 또는 빛이 차단된 경우 축적한 광을 발산시키는 물질로서, 흡수-축적-발광 과정이 반영구적으로 반복 가능하다. 축광재는 종래 공지의 것, 시판되고 있는 것이 적절히 사용될 수 있다. 예를 들면 화학적, 광학적으로 우수한 알루민산스트론튬계 물질이나 황화아연계 물질 등을 들 수 있다.

이러한 축광재(25)는 강한 광 에너지를 흡수할수록, 그리고 축광재의 양이 많을수록 휘도가 강하다. 축광재는 발광시간이 길고 휘도가 높을수록 바람직하다. 축광재는 축광성질을 갖는 축광원재를 분쇄하여 분말형태로 사용한다. 본 발명에서 축광재는 분말형태로 충전공간에 충전되어 형성되므로 휘도가 강하다.

상술한 구성을 갖는 발광부(20)는 주간에 광에너지를 흡수하고 야간에 광을 발산한다. 따라서 본 발명의 점토벽돌(10)은 야간에 미려한 경관을 창출할 수 있다.

도 18에 도시된 점토블록은 성형과정에서 다수의 장착홀(17)이 형성되도록 성형체를 성형한 후 건조 및 소성한 다음 내부에 형성된 충전공간에 축광재가 충전된 투광성 튜브(21)를 장착홀(17)에 삽입하여 제조한다.

이하, 실시 예를 통하여 본 발명의 제조방법에 대해 설명하고자 한다. 다만, 하기의 실시 예는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위를 하기의 실시 예로 한정하는 것은 아니다.

(실시예1)

용존 유기물의 농도가 10.05mg/L, pH 7.3인 오염수를 응집조로 이송시켜 응집제인 TiCl₄를 10.04 Ti-mg/L을 첨가하여 응집반응에 의해 형성된 응집체를 분리하여 탈수시킨 다음 전기로에서 500℃에서 3시간 동안 소결하여 유/무기 원소가 도핑된 소결체, 즉 산화티탄(TiO₂)을 회수하였다.

그리고 소결체를 10M의 수산화나트륨 수용액에 혼합하여 교반시키고 오토클레이브에 투입하여 150℃에서 48시간 동안 가열하여 Na-티타네이트(Na_xTi_yO_Z)를 형성한 후 1M의 염산수용액을 가하여 충분히 교반하여 세척하였다. 산 세척 후 탈이온수를 이용하여 다시 세척한 다음 분리된 H-티타네이트(H_xTi_yO_Z)를 전기로에서 600℃로 약 2시간 동안 가열하여 불순물이 제거된 산화티탄을 얻었다.

그리고 점토 100중량부를 기준으로 산화티탄 3.5중량부를 혼합한 후 함수율이 18%가 되도록 물을 혼합하여 반죽한 다음 진공압출성형기를 통하여 직사각형으로 압출성형하여 절단하였다. 성형된 벽돌은 건조실에서 약 50℃에서 3일간 건조시킨 다음 터널가마에서 1100℃의 온도로 35시간 동안 소성하여 유색을 나타내는 점토벽돌을 제조하였다.

(실시예2)

상기 실시 예 1과 동일한 방법으로 점토벽돌을 제조하되, 알칼리 수용액으로 14M의 수산화칼륨 수용액을 이용하여 K-티타네이트(K_xTi_yO_Z)를 형성한 다음 염산세척 및 탈이온수 세척 후 전기로에서 가열하여 불순물이 제거된 산화티탄을 얻었다.

(실시예3)

상기 실시 예 1과 동일한 방법으로 이산화티탄을 제조하되, 알칼리 수용액으로 10M의 수산화리튬 수용액을 이용하여 Li-티타네이트(Li_xTi_yO_Z)를 형성한 다음 염산세척 및 탈이온수 세척 후 전기로에서 가열하여 불순물이 제거된 산화티탄을 얻었다.

(비교예)

그리고 점토 100중량부를 기준으로 유/무기 원소가 도핑된 산화티탄 3.5중량부를 혼합한 후 함수율이 18%가 되도록 물을 혼합하여 반죽한 다음 진공압출성형기를 통하여 직사각형으로 압출성형하여 절단하였다. 성형된 벽돌은 건조실에서 약 50℃에서 3일간 건조시킨 다음 터널가마에서 1100℃의 온도로 35시간 동안 소성하여 유색을 나타내는 점토벽돌을 제조하였다.

<제 1실험예: 소결체(TiO₂)의 특성>

상기 실시 예 1에서 응집체를 500℃ 외에도 300℃, 700℃에서 각각 소결하여 얻어진 소결체의 XRD 패턴을 측정하여 그 결과를 도 2에 도시하였다.

도 2에서, (a)는 Anatase TiO₂의 JCPDS의 데이터로서 대조구 그래프이고, (b)는 300℃, (c)는 500℃, (d)는 700℃에서 소결하여 얻어진 소결체의 그래프이다. 도 2를 참조하면, 각 온도에서 제조된 소결체는 모두 Anatase TiO₂ 구조와 일치함을 확인할 수 있다.

도 3 내지 도 5는 각 온도에서 소결된 소결체의 SEM 사진들이다. 도 3은 300℃, 도 4는 500℃, 도 5는 700℃의 사진이다. 도면에 나타난 바와 같이 실시예 1에서 제조된 TiO₂는 모두 균일한 구형 입자 형태임을 알 수 있다.

그리고 500℃에서 제조된 소결체의 성분을 EDX(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy)로 분석한 결과를 하기 표 1에 나타냈다.

구분	중량%
C	3.83
O	50.00
Na	1.15
Si	1.07
S	0.73
Ti	43.23
계	100.00

상기 표 1의 결과를 살펴보면, 소결체의 주성분은 Ti와 O 이고 미량의 C, Na,Si,S 등의 유/무기원소들이 함유되어 있음을 알 수 있다. 그리고 상술한 바와 같이 도 2의 그래프에서 소결체가 Anatase TiO₂ 구조와 일치함을 확인할 수 있었는데, 이는 유/무기원소들이 산화물 형태로 독립적으로 생성되지 않고 TiO₂에 도핑되어 있음을 보여준다. 이러한 유/무기원소의 도핑은 이산화티탄의 백색도를 감소시킨다.

<제 2실험예: Na, K, Li-티타네이트의 특성>

상기 실시예1 내지 3에서 오토클레이브에서 생성된 Na, K, Li-티타네이트의 사진들을 도 6 내지 도 8에 각각 나타내었다.

도 6 내지 도 8을 참조하면, Na-티타네이트 및 K-티타네이트는 나노 크기의 튜브 형상으로 형성되고, Li-티타네이트는 나노 크기의 구형으로 형성됨을 알 수 있다.

그리고 유/무기 원소의 감소율을 확인하기 위해 Na-티타네이트 및 K-티타네이트, Li-티타네이트의 구성 성분을 EDX(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy)로 분석한 결과를 하기 표 2에 나타냈다.

	중량(%)
구성성분	소결체	Na-티타네이트	K-티타네이트	Li-티타네이트
C	3.83	5.92	14.18	6.17
O	50.00	30.86	47.23	47.60
Na	1.15	0.03	-	-
Si	1.07	0.03	0.25	0.39
S	0.73	-	0.48	-
Ti	43.23	62.86	37.60	45.84
기타			K: 0.27

상기 표 2에 비교가 용이하도록 표 1에 기재된 소결체의 구성성분도 함께 나타냈다. 상기 표 2의 결과를 살펴보면, 소결체에 도핑된 Na, Si, S 등의 원소들이 크게 감소되거나 제거됨을 확인할 수 있다.

<제 3실험예: 불순물이 제거된 산화티탄의 특성>

상기 실시예 1 내지 3에서 H-티타네이트를 전기로에서 가열하여 불순물이 제거된 산화티탄을 도 9 내지 도 11에 나타내었다.

도 9 내지 도 11을 참조하면, Na-티타네이트 및 K-티타네이트를 고온으로 가열하여 수득한 산화티탄은 Na-티타네이트 및 K-티타네이트와 비교시 잘게 절단된 나노 크기의 튜브형태를 이루고 있음을 알 수 있다. 그리고 Li-티타네이트는 나노 사이즈의 균일한 입자 형태를 갖는다.

한편, 산화티탄의 비표면적과 세공의 부피를 측정하기 위해 질소흡착을 시행하고 그 결과를 도 12 내지 도 15에 나타내었다. 도 12는 유/무기 원소가 도핑된 소결체에 대한 그래프이고, 도 13 내지 도 15는 H-티타네이트를 전기로에서 가열하여 불순물이 제거된 산화티탄에 대한 그래프들이다.

그리고 BET방정식에 의해 계산된 비표면적과, 메조세공(mesopore)의 부피를 하기 표 3에 나타내었다. 대조구 1은 유/무기 원소가 도핑된 소결체이고, 대조구 2는 순수한 산화티탄(TiO₂, Degussa의 P-25)이다.

구분	비표면적(m²/g)	메조세공부피(cm³/g)
실시예1	368.7	0.534
실시예2	425.8	0.708
실시예3	271.4	0.325
대조구1	59.2	0.266
대조구2	50	0.25

상기 도 12 내지 도 15 그리고 표 3의 결과를 살펴보면, 가공단계를 거쳐 불순물이 제거된 산화티탄은 대조구 1 또는 2에 비해 비표면적과 메조세공의 부피에 있어서 큰 차이가 있음을 확인할 수 있다. 비표면적이 크다는 것은 이산화티탄의 유용성을 더욱 증대시킬 수 있음을 의미한다.

한편, 이산화티탄의 결정구조를 확인하기 위해 XRD 패턴을 측정하여 그 결과를 도 16에 도시하였다. 그리고 Na-티타네이트 및 K-티타네이트, Li-티타네이트의 XRD 패턴 결과는 도 17에 나타냈다. 도 16 및 도 17을 참조하면, Na-티타네이트 및 K-티타네이트, Li-티타네이트는 titanate 결정구조를 갖는 반면에 각 티타네이트를 가열하여 얻은 산화티탄은 Anatase 결정 구조를 가짐을 확인할 수 있다.

<제 4실험예: 물성실험>

본 발명의 점토벽돌의 물성 증대를 살펴보기 위해 압축강도, 휨강도를 실시예 1 내지 4 및 비교예를 대상으로 실험하여 그 결과를 하기 표 4에 나타내었다. 압축강도 시험은 한국 산업규격인 KSL4201의 방법에 따라 실시하였으며, 휨강도 시험은 KSF4419의 방법에 따라 실시하였다.

구분	실시예1	실시예2	실시예3	비교예
압축강도(kg/cm2)	403	405	382	360
휨강도(N/mm2)	12.8	13.2	12.1	11.7

상기 표 4의 결과로부터 본 발명의 벽돌은 비교 예와 비교시 강도 면에서 양호함을 알 수 있다. 특히, 실시 예 1 및 2의 경우가 실시 예 3에 비해 강도가 더 우수한 것으로 나타났는 데, 이는 실시 예 1 및 2의 경우 산화티탄의 구조가 나노 크기의 튜브형태인 것 때문으로 보인다.

그리고 색상에 있어서 비교예의 경우 오렌지색인 반면에 실시 예들의 경우 노란색으로 변화되어 유색 발색에 효과적임을 확인하였다.

<제 5실험예: 광활성도>

본 발명의 점토벽돌의 광촉매 효과를 살펴보기 위해 NO₂ 제거율을 측정하였다. 시험구로 상기 실시 예 1의 벽돌을 이용하였고, 대조구로 상기 비교 예의 벽돌을 이용하였다.

벽돌을 반응기에 넣은 후 입구로부터 2ppm의 NO₂가스를 포함하는 모의가스를 공급하였다. 이때 10W의 자외선램프를 설치하여 365 nm의 자외선 광을 블록의 표면층에 조사시키면서 실험하였다. 반응기의 출구로부터 가스 중의 포함된 NO₂의 농도를 측정하여 그 결과를 하기 표 5에 나타내었다.

구분	NO₂ 농도(ppm)
구분	4시간 후	8시간 후	12시간 후
시험구	1.287	0.730	0.564
대조구	1.648	1.436	1.118

상기 표 5에 나타난 바와 같이 시험구는 초기 2ppm이던 NO₂의 농도를 12시간 후에는 0.564ppm으로 감소시켰다. 그리고 대조구는 12시간 후 NO₂의 농도를 1.118ppm으로 감소시키기는 하였으나 시험구에 비해 분해율이 약 절반 정도에 미치는 것으로 나타났다. 본 발명의 점토블록은 표 3에 나타난 것처럼 비표면적이 매우 크기 때문에 분해율이 높은 것으로 나타났다.

이상, 본 발명은 도면에 도시된 일 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.

따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 등록청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

1: 응집조 2: 응집체

Claims

응집제로서 가수분해성 티탄 화합물을 오염수에 투입하여 형성시킨 응집체를 소결하여 유무기 원소들이 도핑된 산화티탄을 회수하는 회수단계와;
상기 산화티탄에 도핑된 유무기 원소들을 제거하여 백색도를 향상시키는 가공단계와;
상기 가공단계에서 얻어진 산화티탄을 점토 및 물과 혼합한 후 성형체로 성형하는 성형단계와;
상기 성형체를 건조시키는 건조단계와;
상기 건조된 성형체를 소성하는 소성단계;를 포함하고,
상기 건조단계는 상기 성형체에 2450MHz의 마이크로파를 조사하여 상기 성형체 중에 포함된 수분을 증발시켜 상기 수분이 증발된 자리에 기공이 형성되도록 하여 다공성의 성형체로 건조시키는 것을 특징으로 하는 세라믹의 제조방법.
제 1항에 있어서, 상기 가공단계는 상기 회수단계에서 회수된 산화티탄에 알칼리 수용액을 가하여 상기 산화티탄에 도핑된 유/무기 원소를 용해시킨 후 반응기에서 130 내지 190℃에서 30 내지 70시간 동안 가열하는 제 1단계와, 상기 반응기에서 형성된 티타네이트에 염산을 가하여 세척하는 제 2단계와, 상기 세척된 티타네이트를 300 내지 800℃로 가열하여 산화티탄을 얻는 제 3단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹의 제조방법.
제 2항에 있어서, 상기 제 1단계의 상기 알칼리 수용액은 수산화나트륨, 수산화칼륨, 수산화리튬 중에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 세라믹의 제조방법.
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