KR101307182B1

KR101307182B1 - 정수 슬러지를 이용한 샤모트 제조방법 및 이에 따라 제조된 정수 슬러지 샤모트

Info

Publication number: KR101307182B1
Application number: KR1020120031266A
Authority: KR
Inventors: 이병하
Original assignee: 명지대학교 산학협력단
Priority date: 2012-03-27
Filing date: 2012-03-27
Publication date: 2013-09-11

Abstract

본 발명은 정수처리 과정에서 발생된 정수 슬러지를 이용하여 샤모트를 제조하는 방법에 관한 것으로, PAC(poly aluminum chloride)를 응집제로 사용한 정수 슬러지를 건조하는 단계; 및 상기 건조된 정수 슬러지를 1000℃ 이상으로 가열하는 단계를 포함한다.
본 발명은, 정수 슬러지를 이용하여 샤모트를 제조함으로써, 정수 슬러지 매립에 따른 환경문제를 해소할 수 있는 효과가 있다.
그리고 수입에 의존하는 보크사이트를 주원료로 하는 PAC를 재활용함으로써, 자원 재활용에 따른 경제적 효과가 있다.
또한, 수입에 의존하는 샤모트를 국내에서 발생하는 정수 슬러지를 이용하여 제조함으로써, 상당량의 수입을 대체할 수 있는 경제적 효과가 있다.

Description

정수 슬러지를 이용한 샤모트 제조방법 및 이에 따라 제조된 정수 슬러지 샤모트{MANUFACTURING METHOD OF CHAMOTTE USING WATERWORKS SLUDGE AND CHAMOTTE MANUFACTURED THEREBY}

본 발명은 샤모트의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 상수도 정수처리 과정에서 발생하는 정수 슬러지를 이용하여 샤모트를 제조하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 상수도 정수장의 정수처리 과정에서는 정수 슬러지가 발생한다. 과거에는 정수 슬러지 대부분을 근처 하류하천에 직접 배출하였으나, 정수시설의 대형화와 하천유량의 감소로 하류하천은 이런 방류처분을 감당하기 어렵게 되었고, 또한 환경에 대한 규제가 강화되면서 지표수에 정수 슬러지를 직접 배출하거나 토지에 투기하는 것은 금지되었다.

이에 따라서, 정수 슬러지는 2005년까지 50%정도 해양처리를 하였고, 2007년부터는 런던협약 발효로 인하여 해양투기가 금지되면서, 일반폐기물로서 생활폐기물과 함께 섞어서 매립장에 매립하고 있다.

이러한 정수 슬러지는 그 자체로는 오염도가 높지 않지만 78~80%의 수분을 포함하는 반면에, 매립과정에서 중간처리과정을 거치지 않기 때문에 여러 가지 폐기물과 혼합될 경우에 누적된 침출수로 인한 문제가 발생하고 있다.

특히 최근에는 정수처리과정에서 응집제로서 PAC(poly aluminum chloride)를 주로 사용하고 있는데, 수입에 의존하는 보크사이트가 주원료인 PAC를 재활용하지 못하는 것은 경제적으로 큰 낭비이다.

따라서 정수 슬러지를 재활용하여 환경오염을 막고, 경제적인 효과를 얻을 수 있는 재활용 방법에 대한 관심이 매우 높아지고 있다.

본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서 정수처리 과정에서 PAC를 응집제로 사용한 정수 슬러지를 이용하여 샤모트를 제조하는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 샤모트 원료의 제조방법은, PAC(poly aluminum chloride)를 응집제로 사용한 정수 슬러지를 건조하는 단계; 및 상기 건조된 정수 슬러지를 400℃ 이상으로 가열하는 단계를 포함한다.

본 발명의 발명자들은 정수 슬러지의 성분 분포에 주목하여, 정수 슬러지가 78~80%의 수분을 포함하고 나머지 부분은 실리카와 정수처리 과정에서 응집제로 사용된 PAC(poly aluminum chloride)로 구성되는 점에서 정수 슬러지를 샤모트(chamotte)로 적용하는 방법을 개발하였다.

점토광물은 약 15%의 수분을 함유하고 있기 때문에 그대로 성형 및 소성하면 수축이 발생하여 변형이나 균열이 발생하는 문제가 있기 때문에, 사전에 소성하여 안정한 형으로 만든 것을 샤모트라고 한다.

본 발명의 발명자들은 PAC를 가열하면 400℃ 전후에서 알루미나가 생성되는 점으로부터, 건조된 정수 슬러지를 400℃ 이상에서 소성하여 SiO₂와 Al₂O₃를 주로 포함하는 샤모트 원료를 제조할 수 있었다.

그리고 본 발명에 의한 정수 슬러지 샤모트 제조 방법은, PAC(poly aluminum chloride)를 응집제로 사용한 정수 슬러지를 건조하는 단계; 및 상기 건조된 정수 슬러지를 1000℃ 이상으로 가열하는 단계를 포함한다.

본 발명의 다른 형태에 의한 정수 슬러지 샤모트는, 상기한 방법으로 제조된 샤모트로서, PAC로부터 생성된 Al₂O₃와 SiO₂가 반응하여 생산된 멀라이트(mullite)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

특히, 본 발명은 건조된 정수 슬러지에 다른 원료를 추가하거나 추가적인 공정을 거치지 않고 1000℃ 이상에서 가열하는 간단한 방법으로, 원료내의 Al₂O₃와 SiO₂가 반응하여 멀라이트가 형성된 정수 슬러지 샤모트를 제조할 수 있다.

본 발명의 또 다른 형태에 의한 내화 세라믹스 원료 물질은, 상기한 방법으로 제조된 정수 슬러지 샤모트; 및 고령토를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

이때, 정수 슬러지 샤모트가 10~40중량% 범위인 것이 바람직하다. 정수 슬러지 샤모트가 10~40중량% 범위에서 첨가된 내화 세라믹스 원료 물질을 사용하면 1500℃ 이상의 고온에서 사용할 수 있는 내화 세라믹스 제품을 제조할 수 있다.

상술한 바와 같이 구성된 본 발명은, 정수 슬러지를 이용하여 샤모트를 제조함으로써, 정수 슬러지 매립에 따른 환경문제를 해소할 수 있는 효과가 있다.

그리고 수입에 의존하는 보크사이트를 주원료로 하는 PAC를 재활용함으로써, 자원 재활용에 따른 경제적 효과가 있다.

현재 생산되고 있는 샤모트는 카오린을 1500℃ 이상에서 소성하여 생산하여 가격이 매우 비싸지만, 본 발명은 정수 슬러지를 사용하여 1000℃이상의 온도에서 샤모트를 제조하므로서 제조비용을 줄일 수 있으며, 결국 저렴한 샤모트를 제공할 수 있다.

또한, 수입에 의존하는 샤모트를 국내에서 발생하는 정수 슬러지를 이용하여 제조함으로써, 상당량의 수입을 대체할 수 있는 경제적 효과가 있다.

도 1은 건조한 정수 슬러지와 본 실시예에 따라서 제조된 정수 슬러지 샤모트의 XRD분석 결과이다.
도 2는 본 실시예에 의해 제조된 내화 세라믹스 원료 물질을 이용하여 제조된 내화 세라믹스 제품에 대한 내열성을 평가한 사진이다.

첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다.

본 발명의 발명자들은 상수도 정수 처리과정에서 응집제로 주로 사용하는 PAC(poly aluminum chloride)에 주목하였다.

PAC는 황산알루미늄의 뒤를 이어 사용되는 2세대 응집제로서, 응집능력이 매우 우수하여 정수처리장의 대부분에서 응집제로 사용하고 있다. 이러한 PAC의 주원료는 염산과 수산화알루미늄이며, 특히 수산화알루미늄의 원료인 보크사이트는 거의 호주에서 수입하여 사용하고 있다.

이렇게 수입에 의존하는 원료물질로 제조된 PAC가 포함된 정수 슬러지를 일반폐기물로 생활 폐기물과 함께 섞어 매립장에 매립하는 것은 경제적인 면에서 큰 손실이다.

한편, 샤모트(chamotte)는 점토성분의 내화 찰흙을 구워서 가루로 만든 것을 말한다. 일반적으로 점토광물은 약 15%의 수분을 함유하고 있기 때문에 그대로 성형 및 소성하면 수축이 발생하여 변형이나 균열이 발생하는 문제가 있기 때문에, 사전에 소성하여 안정한 형으로 만든 것을 샤모트라고 한다. 현재 주로 사용되는 샤모트는 카오린를 1500℃ 이상에서 소성하여 제조하고 있으며, 그 가격이 톤(ton)당 30만원에 이를 정도로 고가이다.

샤모트를 제조하기 위해서는 Al₂O₃과 SiO₂가 주요 물질로 포함되어야 한다. PAC는 알루미늄을 주 원소로 하기 때문에, 400℃ 이상으로 소성하면 알루미나(Al₂O₃)가 되며, 본 발명은 PAC를 소성하여 샤모트(chamotte)의 주원료인 알루미나를 얻을 수 있는 점에서 출발하였다.

표 1은 본 실시예에 따라서 PAC를 응집제로 사용한 정수 슬러지를 건조한 뒤에 400℃ 이상으로 소성한 샤모트 원료의 성분을 분석한 것이며, 단위는 중량%이다.

Na₂O	MgO	Al₂O₃	SiO₂	SO₃	K₂O	CaO	TiO₂	Fe₂O₃	P₂O₅	MnO	ZnO
0.196	0.899	53.568	33.152	1.646	1.262	1.073	0.832	4.901	1.469	0.321	0.040

표 1에 나타난 것과 같이, 건조된 정수 슬러지를 400℃ 이상으로 소성하면 Al₂O₃와 SiO₂가 95%이상이고 그 외에 Fe₂O₃와 K₂O 등이 소량 존재한다. 이는 건조된 정수 슬러지를 400℃ 이상으로 소성하는 과정에서 PAC가 Al₂O₃로 변환되었기 때문이다.

Al₂O₃와 SiO₂가 각각 50%이상과 30%이상 포함된 재료는 샤모트의 원료로 사용하기에 적합한 구성이며, 국내에서는 이상과 같이 Al₂O₃의 함량이 높은 원료를 구하기 어려워 전량 수입에 의존하는 점을 생각하면 경제적인 가치는 더욱 높다.

한편, 샤모트는 Al₂O₃와 SiO₂가 1000℃ 이상에서 반응하여 형성된 멀라이트(mullite, 3Al₂O₃·2SiO₂)를 포함한다. 멀라이트는 내화물이나 도자기의 주 결정으로 내화도가 높고 열팽창계수가 작아서, 내열성과 내산성이 뛰어나고 기계적 강도가 높기 때문에 세라믹스 제품에서 매우 중요한 결정이다.

상기한 것과 같이, 건조된 정수 슬러지를 400℃ 이상으로 가열하면 Al₂O₃와 SiO₂를 주로 포함하는 샤모트 원료를 얻을 수 있으며, 이러한 샤모트 원료에 추가적인 원료를 첨가한 뒤에 소성하여 샤모트를 제조할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에서는 건조된 정수 슬러지에 다른 원료를 첨가하거나 추가적인 처리를 하지 않고, 건조된 정수 슬러지를 1000℃ 이상으로 가열하여 정수 슬러지 샤모트를 제조하였다.

도 1은 건조한 정수 슬러지와 본 실시예에 따라서 제조된 정수 슬러지 샤모트의 XRD분석 결과이다.

도시된 것과 같이, 건조한 정수 슬러지를 1000℃에서 가열하는 것만으로 멀라이트가 형성된 것을 확인할 수 있다.

따라서 본 실시예와 같이 건조된 정수 슬러지에 다른 원료를 추가하거나 추가적인 공정을 거치지 않고, 1000℃ 이상으로 가열하는 것만으로도 멀라이트를 포함하는 정수 슬러지 샤모트를 제조할 수 있는 것을 확인할 수 있다.

본 실시예에 따라 제조된 정수 슬러지 샤모트를 사용한 세라믹스 제품의 내열성을 확인하기 위하여, 정수 슬러지 샤모트와 고령토를 혼합하여 세라믹스 제품을 제조하고 내열성을 평가하였다.

정수 슬러지 샤모트는, PAC를 응집제로 사용한 정수 슬러지를 건조한 뒤에 1100℃에서 소성하여 제조하였으며, 이를 고령토와 혼합하여 내화 세라믹스 원료 물질을 제조하였다.

표 2는 내화 세라믹스 원료 물질의 성분을 중량%로 나타낸 것이다.

시편 번호	정수 슬러지 샤모트 함량	고령토 함량
1	40	60
2	30	70
3	20	80
4	10	90

표 2와 같이 구성된 내화 세라믹스 원료물질을 혼합하여 바(bar)형태로 만들고 1500℃에서 1시간 동안 소성하여 내화 세라믹스 제품을 제조하였다.

그리고 제조된 내화 세라믹스 제품을 900℃에서 3시간 및 1500℃에서 3시간 20분 동안 가열하여 내열성을 평가하였다.

도 2는 본 실시예에 의해 제조된 내화 세라믹스 원료 물질을 이용하여 제조된 내화 세라믹스 제품에 대한 내열성을 평가한 사진이다.

도시된 것과 같이, 본 실시예의 정수 슬러지 샤모트를 10~40중량%를 첨가한 내화 세라믹스 원료 물질로 제조된 내화 세라믹스 제품은 내열성 평가 과정에서 굽힘 현상이나 용융 현상이 발생하지 않은 것을 확인할 수 있다.

이로부터 본 실시예의 내화 세라믹스 원료 물질로부터 제조된 내화 세라믹스 제품은 1500℃ 이상의 고온에서도 사용할 수 있음을 알 수 있다.

이상 본 발명을 바람직한 실시예를 통하여 설명하였는데, 상술한 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과하며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화가 가능함은 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 보호범위는 특정 실시예가 아니라 특허청구범위에 기재된 사항에 의해 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상도 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims

PAC(poly aluminum chloride)를 응집제로 사용한 정수 슬러지를 건조하는 단계;
상기 건조된 정수 슬러지를 400℃ 이상으로 가열하여 Al₂O₃를 생성하는 단계; 및
상기 Al₂O₃ 생성된 물질을 1000℃ 이상으로 가열하여 멀라이트를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 정수 슬러지 샤모트의 제조방법.
PAC(poly aluminum chloride)를 응집제로 사용한 정수 슬러지를 건조하는 단계; 및
상기 건조된 정수 슬러지를 1000℃ 이상으로 가열하여 멀라이트를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 정수 슬러지 샤모트의 제조방법.
청구항 1 또는 청구항 2의 방법으로 제조된 샤모트로서,
PAC로부터 생성된 Al₂O₃와 SiO₂가 반응하여 생산된 멀라이트(mullite)를 포함하는 것을 특징으로 하는 정수 슬러지 샤모트.
청구항 1 또는 청구항 2의 방법으로 제조된 정수 슬러지 샤모트; 및
고령토를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 정수 슬러지 샤모트를 포함한 내화 세라믹스 원료 물질.
청구항 4에 있어서,
상기 정수 슬러지 샤모트가 10~40중량% 범위인 것을 특징으로 하는 정수 슬러지 샤모트를 포함한 내화 세라믹스 원료 물질.