KR101322655B1 - 부산되는 분말 숯을 이용한 지오폴리머법에 의한 성형 숯 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 부산되는 미분의 숯가루를 이용한 지오폴리머법에 의해 저온하에서의 성형 숯 제조방법에 관한 것으로, 숯을 체질하는 단계 ; 숯분말, 메타카올린, 물유리, 수산화나트륨이나 수산화칼륨 점결제 및 물을 일정 비율로 혼합하는 원료 혼합단계, 혼합된 원료를 성형하는 단계, 25~40℃에서 2~8시간, 습윤상태에서 양생하는 1차 양생단계 및 25~40℃에서 3일이상 양생하는 2차 양생단계를 포함하는 성형 숯 제조방법 및 그 방법으로 제조된 성형 숯을 제공함으로써, 연소시 인체에 무해하고, 내수성이 우수하여 연소시킨 후에 물로 소화시키더라도 형상을 유지하여 재사용하기에 적절한 성형 숯 및 그 제조방법을 제공할 수 있는 발명이다.

Description

부산되는 분말 숯을 이용한 지오폴리머법에 의한 성형 숯 및 그 제조방법{Method of manufacturing wood soot using powder form soot by product by geopolymer method}

본 발명은 지오폴리머 방법을 이용하여 분말 형태의 숯가루를 저온에서 성형하는 숯 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 숯을 원료로 사용하는 데 있어서는 점화방식을 기준으로 하여 크게 두 가지 분류로 구분되는데, 나무를 가열하여 생성한 자체를 그대로 이용하는 강제탄과, 이렇게 생성된 숯을 분쇄하여 화약류와 같은 착화제를 혼합, 성형한 착화탄으로 구분된다.

강제탄은 점화되는 온도가 높아 불을 붙였을 대 쉽게 점화되지 않아 별도의 착화탄이나 열원을 이용하여 산소를 공급하면서 장시간 열을 가함으로써 강제로 점화를 시키는 것으로, 점화된 후 연소시간이 길어 장시간 점화상태가 유지된다. 이와 반대로 착화탄은 화약류를 포함하여 불을 붙였을 때 쉽게 점화되지만 금방 다 타버리게 된다.

상기의 강제탄에는 천연 목재 그대로를 탄화시킨 참숯, 대나무숯, 야지숯 등 흔히 일컫는 숯 종류 및 목재를 벌목할 때 생성되는 톱밥을 성형하여 탄화시켜 제조한 열탄이 포함된다. 착화탄에는 소위 말하는 번개탄과 같은 종류가 포함된다. 그런데 강제탄은 목재를 그대로 탄화시켜 만든 것이어서 가정이나 영업장소에서 화로 등에 사용하기 위해서는 일정 크기로 절단하여 사용하여야 하는 불편이 있다.

한편, 강제탄 중 열탄은 톱밥을 이용하여 일단 일정 크기로 성형한 후 탄화시키 숯을 제조한 것이어서 톱밥의 상태만으로 자제의 성질을 알 수 없어 일정한 품질의 숯을 생산하지 못하는 문제가 있다. 또한 톱밥을 이용하여 먼저 성형한 후 탄화시키므로 어느 정도 강도를 갖도록 성형하기 위해서는 작은 크기로 성형이 불가능하다. 따라서 열탄을 제조하기 위한 톱밥 성형체의 길이가 대략 30cm크기가 되어야 하며, 이를 탄화시켰을 때 약간 줄어들어 20~30cm정도의 열탄이 제조된다. 따라서 상기 언급한 문제, 즉, 일반 가정이나 영업장소에서 화로 등에 사용하기 위해서 일정 크기로 절단하여야 하는 문제가 여전히 남아있다.

이러한 문제를 해결하기 위하여 종래 성형된 착화탄의 제조방법을 살펴보면 분말 숯과 점결제, 착화제 및 물을 혼합하여 성형 후 100℃정도에서 건조하였다. 그러나 이 경우 연소시 눈이 맵고 냄새가 나는 문제가 있으며, 재활용할 때 문제가 발생한다. 즉, 강제탄은 한번 점화하여 연소하면 그 역할이 끝나는 착화탄과는 달리, 연소시간이 길기 때문에 연소시간보다 짧은 시간동안 사용한 경우에는 물을 부어 소화한 다음에 재사용한다. 그러나 숯을 분쇄하고 종래 점결제 중에서도 무해한 성분으로 대표적인 전분을 혼합하여 성형한 숯은 내수성이 부족하여 물과 접하였을 때 숯의 단단함을 유지하지 못하고 강도가 약해지면서 쉽게 부서지며, 습기 많은 곳이나 장마철 보관시 숯에 곰팡이 등이 발생될 수 있다. 특히 물을 부어 소화할 때 숯이 분해되어 풀어지므로 다시 사용할 수 없게 되는 문제가 있다.

한편, 여러 가지 가공 공정에서 발생하는 목탄분은 그 이용 용도가 없어 대부분 폐기되는 상황에 있거나 일부 연료로 사용되는 경우가 있다.

따라서 연소시 인체에 무해하면서 비성형 강제탄의 장점을 가지면서도 사용자의 요구에 맞는 균일하고 적정한 크기로 성형되고, 연소시 냄새가 나지 않고 재활용 가능한 부산 목탄분을 이용한 강제탄이 요구되고 있는 실정이다.

본 발명의 성형 숯은 부산되는 숯가루를 이용한 강제탄에 관한 것이다.
본 발명의 배경기술은 대한민국 등록특허공보 제10-0615034호(2006.08.16), 제10-0911026호(2009.07.30)에 개시되어 있다.

이에 본 발명자는 요구되는 일반목탄 가공공정에서 발생하는 목탄분을 일정 크기로 성형되고, 상온에서 양생하는 점결제로 지오폴리머 반응을 이용하는 경우에 연소시 냄새가 나지 않고 인체에도 무해하면서 내수성이 우수하고, 연소 후 물을 부어 소화시키더라도 그 형상을 유지할 수 있는 에너지절약형 성형 숯 및 그 제조방법을 제공할 수 있음을 확인하고 본 발명을 완성하게 되었다.

따라서 본 발명은 부산되는 목탄분을 이용하여 내수성이 우수하여 보관이 용이하고, 연소 후 물로 소화시키더라도 형상을 유지하는 성형 숯 제조방법을 제공하는 데도 그 목적이 있다.

아울러 본 발명은 연소시 냄새가 없으며 인체에 무해하고, 일정 크기로 성형된 성형 숯 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은 분말 숯, 메타카올린, 수산화나트륨이나 수산화칼륨, 규산나트륨을 일정 비율로 혼합하는 원료 혼합과 성형단계 ; 혼합된 원료를 30~40℃, 습도 70~90%에서 8시간 양생하는 1차 양생단계 및 30~40℃에서 3일 이상 양생하는 2차 양생단계를 포함하는 미분숯을 이용한 성형 숯 제조방법을 제공한다.

상기 점결제는 메타카올린을 포함한 지오폴리머원료 물질을 이용하는 것을 특징으로 한다.

상기 원료 혼합단계 후 일정 크기 및 모양으로 성형하는 단계와 양생과정에서 습도를 올려주는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 숯은 분말숯 및 코크스분진등 탄소분함유 미분을 단독 또는 2이상으로부터 제조된 것임을 특징으로 한다.

또한 본 발명은 상기 제조방법에 의하여 제조된 성형 숯을 제공한다.

상기 제조방법에 의하여 제조된 본 발명은 10~25℃ 물 100중량%에 대하여 성형 숯 8~12중량%를 완전히 잠기도록 투입하여 20분간 침전시켰을 때, 물에 분해되어 발생되는 잔해가 성형 숯 전체 중량에 대하여 20% 이하인 것임을 특징으로 한다.

상기 제조방법에 의하여 제조된 본 발명은 성형 숯을 점화시킨 후 200~1000℃로 1시간 가열하여 연소시키고, 10~25℃ 물 100중량%에 대하여 성형 숯 8~12중량%를 완전히 잠기도록 투입하여 10분간 침전시켰을 때, 물에 분해되어 발생되는 잔해가 성형 숯 전체 중량에 대하여 10% 이하인 것임을 특징으로 한다.

본 발명은 폐기되거나 부산되는 숯분말을 이용하여 연소시 냄새가 발생되지 않으며 인체에 무해하고, 사용자가 요구하는 모양과 크기로 용이하게 생산이 가능하며, 내수성이 우수하여 보관이 용이하고, 연소시킨 후에 물로 소화시키더라도 형상을 유지하여 재사용하기에 적절한 성형 숯 제조방법을 제공함으로서 친환경적 부산물 재활용 법이다.

이하, 본발명을 보다 상세히 설명한다.

본 발명의 미세목탄분을 성형한 성형 숯은 10~25℃ 물 100중량%에 대하여 성형 숯 8~12중량%를 완전히 잠기도록 투입하여 20분간 침전시켰을 때, 물에 분해되어 발생되는 잔해가 성형 숯 전체 중량에 대하여 20%이하이며, 나아가 숯을 200~1000℃로 1시간 가열하여 연소시킨 후, 10~25℃ 물 100중량%에 대하여 성형 숯 8~12중량%를 완전히 잠기도록 투입하여 10분간 침전시켰을 때, 물에 분해되어 발생되는 잔해가 성형 숯 전체 중량에 대하여 10% 이하인 성형 숯을 제공한다.

성형 숯 자체를 10~25℃ 물에 20분간 침전시켰을 때, 물에 분해되어 발생되는 잔해가 성형 숯 전체 중량에 대하여 20%를 초과하면 내수성이 부족하게 되어 숯의 보관 및 유통과 관련하여 문제가 발생할 수 있다.

또한 성형 숯을 200~1000℃로 1시간 가열하여 연소시킨 후, 10~25℃ 물에 10분간 침전시켰을 때, 물에 분해되어 발생되는 잔해가 성형 숯 전체 중량에 대하여 10%를 초과하면 역시 내수성이 부족하게 되어 특히 연소 후 잔열이 남은 숯을 재활용하기 위하여 물을 부어 소화시키는 경우 물에 분해되는 양이 많아지면서 강도가 형성되지 않으므로 숯을 재활용하지 못하게 된다.

이와 같은 본 발명의 성형 숯을 제조하는 방법은 우선 분말 숯, 점결제 및 물을 일정 비율로 혼합하는 원료 혼합단계 ; 수분건조 및 양생을 위한 열풍 건조단계를 포함한다.

본 발명에서 사용하는 점결제는 천연 점결제를 사용하는 것이 후에 성형 숯을 고기집 등에서 사용할 때 유해성분이 발생되지 않으므로 바람직하며, 또한 숯을 성형하였을 때 성형성, 강도 및 내수성을 고려하여, 무기계인 것이 좋다.

현재까지 알려진 지오폴리머 시멘트를 제조하는 방법은 주요 원재료로서 실리카 및 알루미노-규산염 광물과 같은 순수한 재료를 사용한다. 나트륨 및 칼륨의 규산염 및 수산화물이 지오폴리머 반응을 위한 알칼리성 활성제로서 사용된다. 종래의 제조방법은 카올리나이트와 같은 알루미노-규산염 광물을 주요 성분으로서 사용한다. 지오폴리머 시멘트는 카올리나이트 광물의 하소(calcination)에 이어 높은 알칼리성 환경에서의 중축합에 의해 형성된다. 종래의 방법은 2~8시간 동안 650~1050℃의 온도범위에서 가스연료로 또는 전기적으로 가열된 화로에서 카올리나이트를 하소하는 단계, 주위온도로 냉각하는 단계, 칼륨 또는 나트륨의 규산염 또는 수산화물과 같은 알칼리성 활성제와 혼합하는 단계 및 원하는 형태로 성형한 후 60~250℃의 온도범위에서 경화하는 단계로 구성된다.

지오폴리머 시멘트를 제조하는 또 다른 공지의 제조방법은 순수 알루미나 및 실리카를 사용한다. 이 제조방법은 기계적 혼합기에서 원재료를 혼합하는 단계, 칼륨 또는 나트륨의 규산염 또는 수산화물과 같은 알칼리성 활성제와 혼합하는 단계, 원하는 형태로 성형한 후 실온에서 1~10일 동안 경화하고나서 60~250℃의 온도범위에서 가열하는 단계로 구성된다.

지오폴리머 시멘트를 제조하는 또 다른 공지의 제조방법은 플라이애쉬, 카올리나이트, 규산나트륨 및 수산화나트륨을 원재료로 사용한다. 이 제조방법은 가공하지 않은 플라이애쉬 및 카올린을 조화시켜 섞는 단계, 나트륨 첨가 알칼리성 활성제와 혼합하는 단계 및 원하는 형태로 진동-캐스팅 한 후 실온에서 최소 7일간 경화하고나서 60~200℃의 온도범위에서 가열하는 단계로 구성된다.

본 발명에서는 분말 숯을 사용하는데 이를 위하여 숯을 일정 크기로 분쇄할 수 있다. 숯의 입경이 작을수록 점결제의 사용량은 감소하고, 숯의 입경이 클수록 점결제의 사용량은 증가하게 된다.

즉, 숯을 3~8메쉬(mesh)로 분쇄하는 경우, 물을 제외한 원료 총 중량에 대하여 분말 숯 60~70중량% 및 점결제 30~40중량%를 포함하며, 숯을 8~20메쉬(mesh)로 분쇄하는 경우, 물을 제외한 원료 총 중량에 대하여 분말 숯 70~80중량% 및 점결제 20~30중량% 포함하는 것이 바람직하며, 숯을 20메시(mesh) 이상으로 분쇄하는 경우, 물을 제외한 원료 총 중량에 대하여 분말 숯 85~95중량% 및 점결제 5~15중량%를 포함하는 것이 좋다. 이 때 물을 어떠한 입경의 숯을 사용하든 원료 총 중량에 대하여 20~30중량% 포함한다.

이러한 원료의 배합은 숯의 성형성을 고려하여 숯이 잘 뭉치도록 하기 위함인데, 숯을 20메쉬 이상으로 분쇄하여 파우더 형상의 작은 입경의 숯으로 성형 숯을 제조하는 경우, 점결제를 적게 사용하여도 성형이 잘되나, 연소시킬 때 발생되는 재가 떨어지지 않고 숯에 그대로 남아있어 연속되면서 발생되는 열을 재가 막게 되는 단점이 있다. 이는 점결제로서 전분을 사용하여도 같은 문제점이 발생한다.

따라서 성형성과 강도 및 내수성을 고려하여 바람직하기로는 입경에 따라, 물을 제외한 원료 총 중량에 대해 일반적으로 순성형 방법에 있어서는 상기 여러 입경의 숯이 혼합된 분말 숯 80~90중량% 및 무기 점결제 10~20중량%를 포함하도록 하는 것이 좋다.

이후 일정 크기 및 모양으로 성형하는 단계를 거치는데, 공지된 성형 방법에 의하여 성형되며, 그 크기 및 모양에 있어서 특별히 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 구형, 원기둥형, 각뿔형 등의 여러 가지 모양이 될수 있으며, 평균 직경 또는 평균 대각길이 및 높이는 50~60mm가 될 수 있고, 원기둥형, 각기둥형의 경우 중심에 평균 직경 10~20mm의 통공이 형성될 수도 있다. 본 발명에서 가장 바람직하게는 평균 대각길이 또는 평균 직경 및 높이가 50~60mm의 원기둥형 또는 각기둥형에서 직경 10~20mm의 원기둥형상의 중공이 형성된 모양이 좋다. 이는 구이집에서 화로 내에서 연소시킬 때 고기가 잘 구워지도록 연소가 잘 되면서도 연소 시간을 비교적 길게 할 수 있기 때문이다. 또한 이러한 점을 고려하여 한 개의 성형 숯의 중량은 80~120g인 것이 바람직하다.

상기 성형된 숯은 열처리단계를 거치는데, 우선 혼합된 원료를 25~40℃, 습도 60~90%에서 8시간 양생하는 1차 양생단계를 거친다. 우선 수분만을 건조함으로써 갑작스런 온도 변화로 인한 숯의 균열 등을 방지할 수 있다.

이후 상온에서 30~40℃에서 3일이상 양생하는 2차 양생단계를 거치면서 2차적으로 성형 숯의 강도가 형성되게 된다. 따라서 2차 열처리단계를 거치면서 성형 숯이 더욱 견고해지고 우수한 내수성을 갖도록 해준다.

이하, 본 발명의 실시예로 더욱 상세히 설명하나, 본 발명의 범위가 이들 실시예로 한정되는 것은 아니다.

미분의 숯을 혼합기에 미분 숯 1000g 및 점결제로서 메타카올린 100g, 규산나트륨 50g, 수산화나트륨 50g을 물100g과 함께 혼합하여 성형틀에 원료를 투입하여, 직경이 15mm인 원기둥 형상의 중공을 포함하며 평균 대각길이가 55mm, 높이가 65mm인 육각기둥형상으로 성형하였다. 성형된 숯을 28~38℃에서 8시간 수분이 있는 상태에서 양생하고, 30~40℃에서 3일동안 성형하였다. 제조된 성형 숯의 1개 중량은 120g 이었다.

	이산화 규소 (SiO2)	산화 알루미늄 (Al2O3)	산화철 (Fe2O3)	산화칼슘 (CaO)	산화칼륨 (K2O)	산화 마그네슘 (MgO)	산화 나트륨 (Na2O)
(%)	52.26	42.83	1.01	0.02	1.56	0.09	0.02

상기 실시예 1에서와 같이 일반 숯을 8~20메쉬로 분쇄하고, 분쇄된 숯 1000g 및 석탄회 100g, 규산나트륨 50g과 수산화나트륨 50g, 물100g과 함께 혼합하여 동일한 방법으로 성형 숯을 제조하였다.

상기 실시예1에서 숯을 20~40 메쉬로 분쇄하고, 분쇄된 숯 1000g 및 마그네슘산화물 100g, 염화마그네슘 50g, 물 100g과 함께 혼합하여 동일한 방법으로 성형 숯을 제조하였다. 제조된 성형 숯의 1개 중량은 100g 이었다.

<비교예1>

상기 실시예3에서 점결제로서 전분을 사용하여 원료를 혼합하고, 증기를 가한 후 성형된 숯을 100℃에서 3시간 열풍건조하고 이를 24℃에서 1시간 냉풍건조하여 식혀줌으로써 성형 숯을 제조하였다. 제조된 성형 숯의 1개 중량은 100g이었다.

<비교예2>

상기 실시예6과 같은 방법으로 원료를 혼합하고, 증기를 가한 후 성형된 숯을 100℃에서 3시간 열풍건조하고 이를 24℃에서 1시간 냉풍건조하여 식혀줌으로써 성형 숯을 제조하였다. 제조된 성형 숯의 1개 중량은 100g이었다.

<비교예3>

톱밥 1000g을 직경이 15mm인 원기둥 형상의 중공을 포함하며 평균 대각길이가 200mm, 높이가 350mm인 육각기둥형상으로 성형하였다. 100℃에서 30분 가열하여 수분을 제거하고, 이를 공기를 차단한 가마에서 300℃, 1시간 탄화시켜 숯으로 만들었다. 제조된 성형 숯의 1개 중량은 800g이었다.

<실험예1>

상기 실시예 및 비교예에서 제조된 성형 숯 100g을 20℃ 물이 채워진 1ℓ 용기에 완전히 잠기도록 투입하여 침전시키고, 20분간 방치하여 분해상태를 조사하였다. 20분간 침전시킨 숯을 꺼내어 완전히 건조시킨 후 무게를 다시 측정하고 물에 투입하기 전 무게와의 차이를 측정함으로써 분해되어 발생한 성형 숯 잔해를 측정하였으며, 이를 물에 투입하기 전 성형 숯 중량에 대한 비율로 환산하였다. 그 결과는 <표3>에 나타내었다.

<실험예2>

상기 실시예 및 비교예에서 제조된 성형 숯 100g을 점화시켜 500℃로 1시간 가열하여 연소시킨 후, 20℃ 물이 채워진 1ℓ 용기에 완전히 잠기도록 투입하여 침전시키고 10분간 방치하여 분해상태를 조사하였다.

<실험예3>

상기 실시예 및 비교예에서 제조된 성형 숯 100g을 점화시켜 500℃로 1시간 가열하여 연소시키면서 발생되는 냄새에 대하여 일반인 20명을 대상으로 관능평가하여 결과를 <표3>에 나타내었으며, 평가 기준은 다음과 같다.

구분	실험예1	실험예2	실험예3
실시예1	10.2	3.7	○
실시예2	8.2	3.9	○
실시예3	8.9	4.5	○
실시예4	6.3	4.3	○
실시예5	6.9	4.0	○
실시예6	7.2	3.2	○
비교예1	72.3	78.2	×
비교예2	79.5	79.3	×
비교예3	73.4	72.5	×

○ : 양호 , × : 불량

상기 실험결과, 본 발명에 따라 제조된 실시예의 성형 숯은 물에 장시간 침전시켜도 분해되지 않았으며, 또한 500℃에서 1시간 가열하여 연소시킨 후 물에 투입하였을 때에도 분해되는 비율이 매우 미미하였음을 알 수 있다.

이와는 달리 본 발명에 의하지 않은 비교예의 성형 숯은 물에 침전시켰을 때 분해되어 발생되는 잔해 발생 비율이 70%에 육박하여 재활용할 수 있는 가능성이 거의 없다는 것을 알 수 있다.

또한 본 발명에 의한 성형 숯은 연소시 냄새가 거의 없어 사용에 불편함이 없었으나, 비교예의 성형 숯은 연소시 냄새가 발생하여 사용시 불편한 것을 알 수 있다.

Claims (8)

1. 분말 숯, 메타카올린, 수산화나트륨이나 수산화칼륨 및 물을 일정 비율로 혼합하는 원료 혼합단계; 혼합된 원료를 25~40℃, 습도 60~90%에서 8시간 양생하는 1차 양생단계 및 30~40℃에서 3일이상 양생하는 2차 양생단계를 포함하되, 상기 분말 탄화 숯은 입경이 3~20메쉬(mesh)이고, 물을 원료 총 중량에 대하여 20~30중량% 포함하며, 물을 제외한 원료 총중량에 대하여 분말 숯 60~95중량% 및 점결제 5~40중량% 포함하고, 상기 혼합단계 후 일정 크기 및 모양으로 성형하는 단계를 더 포함하며, 상기 성형단계 후 습도를 60~90%로 유지하기 위해 증기를 가하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 성형 숯 제조방법.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 삭제