KR101367591B1 - 발포세라믹의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 발포세라믹의 제조방법에 관한 것으로, (a) 광미와 발포제 및 산화제를 혼합하는 단계와, (b) 혼합물에 수계 유기바인더를 첨가하여 성형하는 단계 및 (c) 성형물을 소성하는 단계를 포함하여 광산개발로 발생하는 폐기물인 광미를 효과적으로 재활용할 수 있을 뿐 아니라 발포세라믹의 제조로 인해 새로운 부가가치를 창출할 수 있다.

Description

발포세라믹의 제조방법{FABRICATION METHOD OF BLISTERED CERAMIC}

본 발명은 발포세라믹의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 광산개발시 발생하는 광미 폐기물을 이용하여 발포세라믹을 제조하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 광미(tailing)는 선광 과정에서 발생하는 산물 중 회수 대상이 되는 성분의 함유율이 낮은 부분을 의미한다. 이와 관련하여, 최근 환경 문제에 대한 이슈가 크게 부각되고 있음에도 불구하고 광산개발 과정에서 유용한 자원의 취득 후 발생하는 잔여 광미는 아직 그 활용 방안이 없어 그대로 방치되고 있다.

광미의 활용 방안으로 건축토목용 부재료로서의 적용을 고려할 수 있으나 운반비 등의 비용 대비 경제성 확보에 어려움이 있기 때문에 실제 적용되는 사례는 거의 없는 실정이다.

그러나 이러한 광미는 그 자체로서 입도가 제어된 훌륭한 세라믹 원료가 될 수 있으며, 더 나아가 광미의 특성을 제대로 파악한 후 그 특성을 잘 활용할 경우 고부가가치의 세라믹 제품으로 탈바꿈시킬 수 있다. 즉, 광미는 비교적 균일한 고유의 성분과 입도 분포를 유지하기 때문에 세라믹 제품의 원료로 손색이 없다.

한편, 전해처리를 통한 하폐수 슬러지 또한 폐기물에 속하지만 세라믹 제조에 유용한 성분을 포함하고 있기 때문에 광미와 함께 세라믹 제조에 응용할 경우 자원화가 가능하다.

본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 폐기물로 분류되어 활용 방안이 거의 없는 광미와 하폐수 슬러지의 자원화를 이루고, 이를 이용하여 고부가가치의 발포세라믹을 제조하는 방법을 제공하는 데 목적이 있다.

전술한 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서,

본 발명은 (a) 광미와 발포제 및 산화제를 혼합하는 단계와; (b) 혼합물에 수계 유기바인더를 첨가하여 성형하는 단계; 및 (c) 성형물을 소성하는 단계;를 포함하는 발포세라믹의 제조방법을 제공한다.

이 경우, 상기 광미와 발포제 및 산화제의 혼합 비율은 부피비로 7:1:2일 수 있다.

이 경우, 상기 광미는 77.90wt%의 SiO₂와, 15.50wt%의 Al₂O₃와, 3.89wt%의 K₂O 및 0.68wt%의 Fe₂O₃를 포함하며, 평균입도가 20㎛일 수 있다.

이 경우, 상기 발포제는 AlN일 수 있다.

이 경우, 상기 산화제는 전기화학적으로 하수처리를 실시할 때 발생하는 슬러지로서 구리화합물과 유기물을 포함할 수 있다.

이 경우, 상기 (c) 단계는 1100~1200℃에서 이루어지며, 소성 온도까지는 분당 5~10℃의 속도로 승온될 수 있다.

본 발명에 따르면, 통상 폐기물로 분류되어 활용처가 거의 없는 광미와 하폐수 슬러지를 혼합, 성형, 소성하여 발포세라믹을 제조함으로써 건축, 환경, 토목 분야 등에서 다양한 자원 재활용이 가능한 친환경적인 효과를 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 제조된 발포세라믹과 그 파단면을 나타낸 사진,
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 제조된 발포세라믹의 내부 단면을 주사전자현미경으로 관찰한 미세조직 사진,
도 3은 본 발명의 비교예 1에 따라 제조된 발포세라믹과 그 파단면을 나타낸 사진,
도 4는 본 발명의 비교예 2에 따라 제조된 발포세라믹과 그 파단면을 나타낸 사진.

이하에서는, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명에 대해 상세히 설명한다.

먼저, 본 발명은 광산개발 과정에서 발생하는 폐기물인 광미를 이용하여 발포세라믹을 제조하는 방법에 관한 것이다. 이 경우, 광미로는 전라남도 해남에 위치한 국내 유일의 금광인 은산광산의 광미를 이용한다.

구체적으로, 은산광산의 광미는 SiO₂(77.90wt%)와, Al₂O₃(15.50wt%)와, K₂O(3.89wt%) 및 Fe₂O₃(0.68wt%)를 주요 성분으로 포함하고 있으며, 중금속이 거의 포함되지 않아 토양오염 기준을 만족하는 품질을 가지고 있다. 또한, 은산광산 광미의 평균입도는 약 20㎛로서 매우 미분으로 구성되어 있다.

발포세라믹을 제조하기 위해 상술한 바와 같이 구성되는 광미와 발포제 및 산화제를 혼합한다. 이 경우, 광미, 발포제, 산화제의 혼합 비율은 요구되는 발포 정도와 강도를 위해 적절히 조절될 수 있으나 부피비로 약 7:1:2인 것이 바람직하다.

본 발명에서 발포제로는 AlN(질화알루미늄)을 사용한다. AlN은 소성시 분해되어 Al₂O₃로 산화되며 질소를 배출해 발포함으로써 세라믹 내부에 다량의 폐기공을 형성시키는 역할을 한다.

한편, 산화제로는 하폐수 슬러지를 사용한다. 하폐수 슬러지는 구리전극을 이용하여 하폐수를 전기화학적으로 처리할 때 발생하는 슬러지로서 CuO, Cu(OH)₂, Cu₃(PO₄)₂ 등의 구리화합물과 유기물을 포함한다. 이러한 산화제는 소성 과정에서 AlN의 분해시 산소의 공급원으로서 Al₂O₃가 잘 형성되도록 도와주며, 공정반응에 의해 액상 형성 온도를 낮춰주는 역할을 한다. 또한, 산화제에 포함되어 있는 유기물이 분해되면서 기공을 형성하기 때문에 세라믹 발포에 도움을 준다.

상술한 바와 같이 광미, 발포제 및 산화제를 혼합한 후에는 혼합물에 메틸 또는 에틸 셀룰로오스계 바인더와 같이 적절한 수계 유기바인더를 첨가하여 압출 성형한다. 이 경우, 성형물은 용도에 맞게 다양한 형태를 가질 수 있으며, 예컨대 여기서는 하폐수 처리시 적용 가능한 구형의 입상 형태로 제조하였다.

성형이 완료되면 성형물을 소성한다. 소성은 1300℃ 이하, 보다 상세하게는 1100~1200℃ 사이에서 이루어지는 것이 바람직하다. 또한, 소성 온도까지의 승온 속도는 가능한 빠른 것이 유리하며, 분당 5~10℃인 것이 바람직하다. 왜냐하면, 승온 속도가 분당 5~10℃ 미만으로 너무 느릴 경우에는 승온 과정에서 확산을 통해 고용화가 진행되어 발포제가 액상이 형성되는 소성 온도 이전에 분해됨으로써 발생하는 질소 가스가 갇히지 못하고 그대로 빠져나가 발포가 일어나지 않기 때문이다.

한편, 소성 온도에서 유지시간은 따로 둘 필요가 없으며, 냉각 속도 역시 공냉 정도로 가능한 빠른 것이 바람직하다. 왜냐하면, 소성 온도는 액상이 형성되는 온도로서 소성 시간과 냉각 시간을 길게 설정할 경우 성형체의 발포 후 형성된 기공이 액상 상태에서 무너질 수 있기 때문이다. 따라서 본 발명과 같이 소성 온도에서 유지시간을 두지 않고 빠르게 냉각하면 성형체가 발포된 후 바로 냉각되어 고상 상태로 굳어지기 때문에 기공 구조를 발포 형태로 유지할 수 있다.

상술한 바와 같이 성형물을 소성하면 발포세라믹이 완성된다. 이처럼 본 발명에서는 광미와 하폐수 슬러지를 원료로 재활용하여 고부가가치의 발포세라믹을 제조함으로써 폐기물을 유용하게 활용할 수 있다. 예컨대, 발포세라믹은 폐기공을 다수 함유하고 있어 비중이 작고 가벼우며 단열 및 방음 특성이 우수하기 때문에 건축자재로서 활용 가치가 매우 높다. 또한, 비중을 제어하여 물 위에 부상할 수 있도록 제조할 경우 하폐수 처리시 세라믹 담체와 여재로서도 응용 가능하다.

이상으로 본 발명에 따른 발포세라믹의 제조방법에 대해 설명하였다. 이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명하도록 한다. 본 발명은 아래의 실시예에 의해 보다 명확하게 이해될 수 있으나, 이는 본 발명의 예시를 위한 것에 불과하고 본 발명의 범위를 제한하고자 하는 것은 아니다.

실시예

은산광산 광미와, 발포제로서 AlN, 그리고 산화제로서 전해처리 슬러지를 각각 부피비로 7:1:2의 비율로 혼합하고, 셀룰로오스계 바인더를 부피비로 50% 첨가하여 구형의 입상으로 성형한 후 분당 5℃로 승온시켜 1200℃에서 유지시간 없이 소성함으로써 발포세라믹을 제조하였으며, 그 결과를 도 1에 나타내었다. 또한, 도 2에는 제조된 발포세라믹의 내부 단면을 주사전자현미경으로 관찰한 미세조직 사진을 나타내었다. 도 1 및 도 2로부터 발포과정이 안정적으로 진행되어 미세조직이 균일하게 형성되었음을 확인할 수 있다. 한편, 제조된 발포세라믹의 압축강도는 2MPa 이상으로 측정되어 강도 또한 우수한 것으로 확인되었다.

비교예 1

은산광산 광미와 부피비로 10%의 발포제 AlN을 혼합하고, 셀룰로오스계 바인더를 부피비로 50% 첨가하여 구형 입상으로 성형한 후 분당 5℃로 승온시켜 1200℃에서 유지시간 없이 소성함으로써 발포세라믹을 제조하였으며, 그 결과를 도 3에 나타내었다. 도 3으로부터 세라믹에 발포가 전혀 일어나지 않았음을 알 수 있으며, 이는 산화제로서 전해처리 슬러지가 혼합되지 않을 경우 발포제인 AlN의 분해와 Al₂O₃의 형성이 원활하게 이루어지지 않아 기공이 형성되지 않음을 의미한다.

비교예 2

은산광산 광미와 산화제로서 전해처리 슬러지를 8:2의 비율로 혼합하고, 셀룰로오스계 바인더를 부피비로 50% 첨가하여 구형 입상으로 성형한 후 분당 5℃로 승온시켜 1200℃에서 유지시간 없이 소성함으로써 발포세라믹을 제조하였으며, 그 결과를 도 4에 나타내었다. 도 4로부터 세라믹에 일부 발포가 진행된 것을 확인할 수 있으며, 이는 소성 온도 이하에서 광미의 SiO₂ 성분과 전해처리 슬러지의 구리화합물 간의 공정반응에 의해 액상이 형성되고, 슬러지에 포함된 유기물들이 분해되면서 발생하는 기상에 의해 발포공정이 진행된 것으로 판단된다. 이를 통해 발포제의 첨가 없이 전해처리 슬러지만으로도 은산광산 광미의 발포가 일어날 수 있음을 알 수 있다.

Claims (6)

1. 삭제
2. 광미를 이용한 발포세라믹의 제조방법에 있어서,
   (a) 77.90wt%의 SiO₂와, 15.50wt%의 Al₂O₃와, 3.89wt%의 K₂O 및 0.68wt%의 Fe₂O₃를 포함하는 광미와, AlN(질화알루미늄)으로 이루어지는 발포제 및 전해처리 슬러지로 이루어지는 산화제를 혼합하는 단계와;
   (b) 혼합물에 셀룰로오스계 바인더를 부피비로 50% 첨가하여 구형의 입상으로 성형하는 단계; 및
   (c) 분당 5℃의 속도로 승온시켜 1200℃에서 성형물을 소성하는 단계;
   를 포함하되, 상기 광미와 발포제 및 산화제의 혼합 비율은 부피비로 7:1:2인 것을 특징으로 하는 발포세라믹의 제조방법.
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제

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