KR101371701B1 - 고형화 브릭 - Google Patents

Abstract

본 발명은 철강 슬러지 및 고화제를 주원료로 하는 고형화 브릭의 제조에 있어서, 인산 석고를 포함하는 중화제를 사용하는 것을 그 특징으로 한다.

본 발명의 고형화 브릭은 철강 슬러지, 알칼리 촉진제, 입도가 4000㎠/g 이상인 고로 슬래그 미분말과 일반 포틀랜드 시멘트가 1:0.25 내지 1:4의 중량비로 배합된 고화제 및 인산 석고 또는 점토와 인산 석고 혼합물로 이루어진 중화제를 포함하여 이루어지며, 이때 상기 알칼리 촉진제의 함량은 철강 슬러지 100 중량부에 대하여 0.02 내지 0.1 중량부이고, 상기 고화제의 함량은 상기 철강 슬러지 100 중량부에 대하여 30 내지 50 중량부이며, 상기 중화재의 함량은 상기 철강 슬러지 100 중량부에 대하여 10 내지 50 중량부인 것이 바람직하다.

본 발명에 의한 고형화 브릭은 인산 석고 또는 인산 석고와 점토의 혼합물로 이루어진 중화제를 사용함으로써, 강알칼리성 침출수에 의한 환경 오염뿐만 아니라, 중금속으로 인한 환경 오염까지 방지하는 효과를 제공한다.

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Description

고형화 브릭 {SOLIDIFICATION BRICK}

본 발명은 고형화 브릭에 관한 것으로, 보다 상세하게는 환경 오염의 우려가 없고, 물리 화학적 성질이 우수한 고형화 브릭에 관한 것이다.

종래에 일반적으로 사용되었던 고형화 브릭 제조 방법에 관하여는 한국공개특허 제1987-05929호 및 한국등록특허 제1997-08689호에 기재되어 있다. 한국공개특허 제1987-05929호는 각종 소각재 등의 고화 방법에 관한 것으로, 석회류, 알루미늄염 및 탄산소다 염류로 이루어진 고화제를 첨가하여 플라이애시 등 각종 소각재를 고화시켜 브릭을 형성하는 방법에 대하여 기재되어 있다. 상기 특허는 화력 발전소, 쓰레기장 등에서 발생하는 소각재를 간편하게 폐기할 수 있도록 함과 동시에 건축물, 구조물 등에 재활용할 수 있도록 하였다는 점에 그 의의가 있다. 한편, 한국등록특허 제1997-08689호는 제강 전로 슬래그에 의한 하수 소화 슬러지의 고화 처리 방법에 관한 것으로, 상기 특허의 하수 소화 슬러지의 고화 처리 방법은 하수 슬러지에 제강전로 슬래그 분말과 보조 고화제를 첨가, 혼합하는 단계와 상기 단계에 의해 얻어진 혼합물을 압축 성형한 후, 상온에서 1일 내지 28일간 기밀 양생하 는 단계로 이루어져 있다. 상기 한국등록특허 제1997-08689호의 경우 제철소 등에서 발생하는 산업 폐기물을 이용하여 하수 소화 슬러지를 처리함으로써 복수의 폐기물을 한꺼번에 처리할 수 있도록 하였으며, 위생 매립시의 중간 복토재로 하수 슬러지를 활용할 수 있도록 하였다는 점에 그 의의가 있다.

그러나 상기 특허들에 기재된 방법에 의해 제조된 고형화 브릭의 경우, 제조에 사용되는 고화제가 대체로 고가이기 때문에 경제적이지 못하고, 우천시에는 물을 흡수하여 압축 강도가 거의 상실되고, 강도가 약해지기 때문에 매립용 또는 건축용 브릭으로 사용하는데 한계가 있다. 또한, 상기 방법에 의해 제조된 브릭이 물과 접촉할 경우, 강알칼리의 침출수가 발생하고, 그 결과 주변 생태계 및 환경에 치명적인 악영향을 미친다는 문제점이 있다.

이러한 문제점의 해결 방안으로 본 발명자들은 특정한 중화제를 사용하여 강알칼리성 침출수의 발생을 억제하고, 물리 화학적으로 안정성이 우수한 고형화 브릭을 제조하는 방법에 관하여 기출원한 바 있다(출원 번호: 제 10-2002-0083098 호). 상기 기출원된 발명의 고형화 브릭 제조 방법은 물; 철강 슬러지; 고로 슬래그 미분말과 포틀랜드 시멘트로 이루어진 고화제; 소결 더스트로 이루어진 혼합물에 점토 및/또는 산회수 슬러지로 이루어진 중화제를 첨가하여 수분의 양을 조절하여 혼합한 후, 압축 성형한 다음 양생하는 방법으로 이루어져 있다. 상기와 같이 점토 및/또는 산회수 슬러지를 첨가하여 브릭을 제조할 경우, 점토나 산회수 슬러지의 중화능에 의해 철강 슬러지, 고로 슬래그 및 포틀랜드 시멘트 등의 알칼리 성분이 중화되어, 생태계 및 환경에 해로운 알칼리성의 침출수 발생을 억제할 수 있 고, 주재료로 사용되는 철강 슬러지에 함유된 무기성 광물과 시멘트 성분의 결합성이 좋아 종래의 비해 강도가 우수한 브릭을 제조할 수 있다는 장점이 있다.

이처럼 기출원된 특허출원 제 10-2002-0083098 호의 경우 강알칼리성 침출수의 발생을 방지하여 종래의 고형화 브릭에 비해 환경 오염을 획기적으로 감소시켰다는 장점이 있으나, 각종 산업 폐기물에 포함된 중금속으로 인한 오염까지 방지하지는 못한다는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해, 중화제로 산회수 슬러지 대신 인산 석고를 사용함으로써, 경제적이고, 강도 등 물리 화학적 성질이 우수하며, 강알칼리성 침출수에 의한 환경 오염뿐만 아니라, 중금속에 의한 환경 오염까지 방지할 수 있는 고형화 브릭을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 철강 슬러지 및 고화제를 주원료로 하는 고형화 브릭의 제조에 있어서, 인산 석고를 포함하는 중화제를 사용하는 것을 그 특징으로 한다. 본 발명의 중화제로 사용되는 인산 석고는 Ca(OH)₂와의 반응하여 수소 이온(H⁺) 및 하이드록시아파타이트(hydroxyapatite)를 형성하게 되는데, 이때 형성된 수소 이온은 강알칼리성 침출수의 중화를, 하이드록시아파타이트 는 유독한 중금속 성분을 고정하는 작용을 하게 된다. 상기 인산 석고와 Ca(OH)₂의 반응 매카니즘에 대한 자세한 내용은 후술하기로 한다.

본 발명의 고형화 브릭은 철강 슬러지, 알칼리 촉진제, 입도가 4000㎠/g 이상인 고로 슬래그 미분말과 일반 포틀랜드 시멘트가 1:0.25 내지 1:4의 중량비로 배합된 고화제 및 인산 석고 또는 점토와 인산 석고 혼합물로 이루어진 중화제를 포함하여 이루어진 것을 그 특징으로 한다.

이때 상기 알칼리 촉진제의 함량은 철강 슬러지 100 중량부에 대하여 0.02 내지 0.1 중량부이고, 상기 고화제의 함량은 상기 철강 슬러지 100 중량부에 대하여 30 내지 50 중량부이며, 상기 중화재의 함량은 상기 철강 슬러지 100 중량부에 대하여 10 내지 50 중량부인 것이 바람직하다.

상기와 같이 이루어진 본 발명의 고형화 브릭은 무기성 광물질을 포함하는 철강 슬러지를 사용함으로써 시멘트 성분과의 결합성을 향상시켜 강도가 우수하고, Ca(OH)₂ 와 반응하여 수소 이온과 하이드록시아파타이트를 생성하는 인산 석고를 포함하는 중화제를 사용하여, 브릭에서 발생하는 강알칼리성 침출수를 중화하고, 유독한 중금속의 유출을 방지함으로써, 환경 오염을 미연에 방지하는 효과를 가져왔다.

이하, 본 발명의 고형화 브릭에 대하여 보다 상세하게 설명하기로 한다.

본 발명의 고형화 브릭은 철강 슬러지 100 중량부을 기준으로, 중량비 0.25:1 내지 4:1로 혼합된 고로 슬래그 미분말과 일반 포틀랜드시멘트로 이루어진 고화제를 30 내지 50 중량부, 알칼리 촉진제를 0.02 내지 0.1 중량부로 혼합하고, 여기에 인산 석고를 포함하여 이루어진 중화제를 상기 철강 슬러지를 기준으로 10 내지 50 중량부로 첨가한 후, 수분 양을 제어하여 혼합하고, 그 혼합물을 압축 성형하고, 양생함으로써 제조된다.

이때 상기 철강 슬러지로는 제철소의 철강 제조 공정 중에 발생되는 부산물로 미량 ~ 수십% 내외의 철 화합물, CaO, SiO₂ 등을 주요 성분으로 하여 이루어지는 통상의 철강 슬러지를 사용할 수 있다. 철강 슬러지에 함유된 무기성 광물질은 시멘트 성분과의 결합성이 좋기 때문에, 철강 슬러지를 고형화 브릭의 주원료로 사용할 경우, 종래의 고형화 브릭에 비해 우수한 강도의 브릭을 제조할 수 있다는 장점이 있다.

고화제는 물과의 수화 작용을 통해 망사 구조의 침상 또는 로드상으로 된 미세 결합물인 수화 생성물을 형성함으로써 브릭의 강도 발현에 기여하도록 하기 위한 것으로, 본 발명이 고화제로는 고로 슬래그 미분말과 일반 포틀랜드 시멘트의 혼합물을 사용하는 것이 바람직하다.

상기 고화제 성분 중 고로 슬래그 미분말과 같은 포졸란 성분은 다량의 에트링가이트(3CaO·Al₂O₃·32H₂O)를 생성하며, 이는 물을 결합수로 취하여 함수비를 저하시키고, 철강 슬러지 입자의 이동을 구속함으로써, 브릭의 강도를 향상시킨다.

또한 고로 슬래그의 구성 성분인 산화칼슘 등으로부터 용출되는 칼슘 이온에 의해 수산화 칼륨이 형성되고, 이 수산화칼륨은 철강 슬러지 입자 및 점토에 함유되어 있는 CaO와 SiO₂, Al₂O₃ 등의 가용 성분과 반응하여 불용성의 수산화물을 형성하게 된다. 상기 불용성 수산화물은 포졸란의 활성화에 의해 경화되고, 경화에 의해 브릭 내의 기공이 극소화됨에 따라, 침출수가 브릭 외부로 유출되는 것을 억제한다.

한편, 상기 고로 슬래그는 고로 공장에서 발생되며, CaO 40% 내외, SiO 23.5 % 내외, 실리카, 알루미나 등을 포함하는 거의 일정한 성분으로 이루어지고, 그 입도가 4000㎠/g 이상인 미분말 형태의 고로 슬래그를 사용하는 것이 바람직하다. 고로 슬래그의 비표면적이 클수록, 즉 입도가 작을 수록 물과 반응하여 수화생성물을 형성하는 활성화 작용이 우수하기 때문이다. 따라서, 입도가 작을 수록 좋지만 경제성 등을 고려하여 4000㎠/g 이상인 고로 슬래그 미분말로부터 적절히 선정하여 사용할 수 있다.

또한 상기 고화제는 고로 슬래그 미분말과 일반 포틀랜드 시멘트의 중량비가 1:0.25 내지 1:4인 것이 바람직하다. 중량비가 0.25 이하인 경우에는 포클랜드 시 멘트의 사용량이 많아져 비경제적이며, 4.0을 초과하는 경우에는 고형화 브릭의 강도 발현이 충분하지 않기 때문이다.

또한, 상기 고화제는 상기 철강 슬러지 100 중량부에 대하여 30 내지 50 중량부로 혼합되는 것이 바람직하다. 고화제 함량이 30 중량부 미만인 경우에는 고형과 브릭의 강도 발현이 바람직하지 않으며, 반면에 50 중량부를 초과하면 비경제적이기 때문이다.

상기 알칼리 촉진제는 다양한 금속 산화물들이 복합적으로 함유되어 있는 것으로, 물과의 가수 분해 반응에 의해 수산기를 형성하며, 상기 수산기는 물과 고화제의 수화 반응에 의해 형성되는 수화 생성물 상에 생기는 막을 제거함으로써 수화 반응이 지속적으로 진행될 수 있도록 하는 역할을 한다. 수화 생성물 상에 막이 형성되면, 수화 반응이 진행되지 않고, 그 결과 브릭의 강도가 떨어지게 된다. 따라서 알칼리 촉진제는 상기 수화 생성물에 형성된 막을 제거하여 수화 반응이 계속 진행될 수 있도록 하며, 그 결과 보다 강고한 브릭을 얻을 수 있도록 해준다.

상기 알칼리 촉진제로는 소결 더스트를 사용하는 것이 가장 효과적이다. 상기 소결 더스트는 소결 공장에서 발생되는 부산물로서 CaO 50%이상, MgO 30 %이상으로 이루어진다.

또한, 상기 알칼리 촉진제는 철강 슬러지 100중량부에 대하여 0.02 내지 0.1 중량부가 첨가되는 것이 바람직하다. 알칼리 촉진제의 함량이 0.02 미만인 경우에는 알칼리 촉진 효과가 미흡하여 고화제의 수화가 지연되어 강도 발현이 충분히 일 어나지 않으며, 0.1을 초과하면, 불순물로 작용하거나, 물리 화학적 안정성이 떨어지게 되기 때문이다.

한편, 상기 중화제는 인산 석고 또는 인산 석고와 점토의 혼합물을 포함하여 이루어진다.

인산 석고는 고로 슬래그의 구성 성분인 산화칼슘 등으로부터 용출되는 칼슘 이온으로부터 생성되는 수산화 칼슘 Ca(OH)₂과 반응하여 수소 이온과 하이드록시아파타이트를 형성하는데 그 과정을 구체적으로 살펴보면 다음과 같다. 먼저 인산 석고 내의 P₂O₅가 물에 용해되어 H₃PO₄를 형성하고, 상기 H₃PO₄는 다시 HPO₄ ^2- 가 되어 Ca²⁺와 반응하여 Ca₃(PO₄)₂ 의 침전물을 형성하면서, H⁺를 방출한다. 방출된 H⁺에 의해 강알칼리성인 침출수가 중화된다. 한편, 상기 반응에서 형성된 Ca₃(PO₄)₂는 불안정한 침전물로, Ca(OH)₂와 반응하여 Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂ 즉, 히드록시아파타이트를 형성하면서 안정화하게 된다. 이때 생성되는 히드록시아파타이트는 유독한 중금속 성분을 고정하는 성질을 가지고 있기 때문에, 고형화 브릭 제조 시에 인산 석고를 포함하는 중화제를 사용하면 상기 과정에 의해 형성된 히드록시아파타이트로 인해 고형화 브릭의 원료에 포함되어 있는 중금속이 고정되어 외부로 유출되지 않아 중금속으로 인한 환경 오염을 방지할 수 있다. 이처럼, 인산 석고를 중화제로 사용할 경우 강알칼리성 침출수의 중화 효과는 물론 중금속 고정 효과를 동시에 얻을 수 있 어, 강알칼리성 침출수에 의한 환경 오염은 물론 중금속 유출로 인한 환경 오염까지 방지할 수 있게 된다.

한편, 상기 중화제는 상기 인산 석고 이외에 점토를 더 포함하여 이루어질 수 있다. 점토는 수산기를 흡착하여 알칼리성 침출수의 발생을 억제하는 기능을 하며, 상기에 언급한 바와 같이, 점토에 함유되어 있는 CaO와 SiO₂, Al₂O₃ 등의 가용 성분이 수산화칼슘과 반응하여 불용성의 수산화물을 형성하고, 상기 불용성 수산화물은 포졸란의 활성화에 의해 경화됨으로써, 브릭 내의 기공을 극소화하여 침출수가 브릭 외부로 유출되는 것을 억제하는 기능을 한다.

한편, 상기 중화제의 함량은 철강 슬러지 100중량부에 대하여 10 내지 50 중량부인 것이 바람직하다. 함량이 10 중량부 미만인 경우에는 브릭에서 발생하는 침출수의 중화가 충분히 이루어지지 않으며, 50 중량부를 초과하는 경우에는 고형화 브릭의 강도 발현에 악영향을 미칠 수 있기 때문이다.

이와 같이 본 발명의 고형화 브릭은 인산 석고를 포함한 중화제를 이용하여 강알칼리성 침출수 및 중금속의 유출을 억제하여 친환경적이며, 철강 슬러지 및 알칼리 촉진제를 사용하여 강도 역시 우수하다는 특징이 있다.

또한, 본 발명은 인산 석고, 철강 슬러지, 고로 슬래그 등의 산업 폐기물을 재활용함으로써 폐기물 처리 비용 절감할 수 있도록 하였다.

이하, 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기로 한다.

실시예

철강 슬러지 100 중량부에 알칼리 촉진제인 소결 더스트를 0.02 중량부, 4000㎠/g 이상의 고로 슬래그 미분말과 일반 포틀랜그 시멘트로 이루어진 고화제(고로 슬래그 미분말/일반 포틀랜그 시멘트=1.5)를 43 중량부의 양으로 혼합하고, 여기에 중화제로 인산 석고 또는 점토와 인산석고 혼합물을 하기 표 1에 나타내어지는 양으로 각각 첨가하고, 물/ 고화제의 비가 0.3이 되도록 제어한 후 이들을 혼합하였다.

상기에서 얻어진 혼합물을 성형틀(5㎝×5㎝×5㎝)에서 3층 다짐(각층 15㎝ 높이에서 15회씩 낙하)으로 압축 성형하고 탈형한 후 상온에서 28일간 상대습도 90% 이상에서 양생하여 비교예 1~2 및 발명예 1~4의 고형화 브릭을 제조하였다.

그 후, 중화제 함량 및 중화제 구성비에 따른 고형화 브릭의 28일 압축 강도를 측정하고 고형화 브릭을 파쇄하여 체로 걸려 입경이 0.5 ~ 5mm가 되도록 한 다음, 고형물과 증류수의 비를 1:10(고형물의 무게: 증류수 부피)으로 하여 120rpm으로 24시간 동안 좌우 진탕으로 교반시킨 후 중화제 함량에 따른 pH 및 중금속 Pb농도를 측정하고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.

구분	중화재 함량 (철강슬러지에 대한 중량부)	중화제			28일 양생후 압축강도 (kg/cm2)	pH	Pb (ppm)
		(1) 점토	(2) 인산석고	구성비 (1)/(2)의 중량비
비교예1	5	60	40	1.5	103.5	11.7	63.44
발명예1	10	60	40	1.5	109.1	8.5	2.832
발명예2	20	20	80	0.25	105.3	7.6	2.234
발명예3	30	80	20	4	102.4	8.2	2.701
발명예4	40	0	100	0	98.3	7.6	1.707
비교예2	60	60	40	1.5	75.8	7.5	1.97

상기 표 1에 나타난 바와 같이, 중화제의 함량이 10 내지 50 중량부의 범위 내에 있는 발명예 1 내지 4의 압축 강도는 모두 80 kg/㎠ 으로 나타나 충분한 강도 발현을 실현할 수 있음을 확인할 수 있으며, pH 값 역시 10 이하로 강알칼리성의 침출수가 유출되지 않음을 알 수 있다. 또한 중화제의 함량이 10 내지 50 중량부의 범위 내에 있는 발명예 1 내지 4의 중금속 Pb농도가 규제치인 3ppm이하로 떨어짐을 확인 할 수 있다. 이에 반해, 중화제의 함량이 적은 비교예 1의 경우 pH값이 11.7로 강알칼리성 침출수가 유출될 수 있으며, 중금속 Pb농도가 규제치인 3ppm보다 높은 값을 나타내고 있어 중금속 유출 방지 효과를 기대하기 어렵고 중화제 함량이 높은 비교예 2의 경우 브릭의 강도가 낮다는 단점이 있음을 알 수 있다.

본 발명의 고형화 브릭은 인산 석고 또는 인산 석고와 점토의 혼합물로 이루어진 중화제를 첨가하여 강알칼리성 침출수에 의한 환경 오염뿐만 아니라, 중금속으로 인한 환경 오염까지 방지할 수 있도록 하였다.

또한, 본 발명은 무기 광물질을 함유한 철강 슬러지를 고화재로 사용함으로 써 시멘트와의 결합성을 향상시킴으로써 고형화 브릭의 강도를 증가시키는 효과를 가져왔다.

또한, 본 발명은 고화재에 고로 슬래그 미분말과 같은 포졸란 성분을 포함하여 고형화 브릭의 함수비를 저하시키고, 조직이 치밀해지도록 함으로써 강알칼리성 브릭으로부터 발생되는 침출수를 효과적으로 억제할 수 있도록 하였다.

또한, 본 발명의 고형화 브릭은 고화재와 중화재가 특정한 양으로 배합함으로써, 충분한 강도 발현을 실현할 수 있도록 하였다.

또한, 본 발명은 철강 슬러지, 고로 슬래그, 인산 석고 등 산업 폐기물들을 고형화 브릭 제조에 사용함으로써, 폐기물 처리 비용을 절감하고, 자원을 재활용하는 효과를 가져왔다.

Claims (3)

1. 철강 슬러지 100 중량부에 대하여,

   알칼리 촉진제 0.02 내지 0.1 중량부,

   입도가 4000㎠/g 이상인 고로 슬래그 미분말과 일반 포틀랜드 시멘트가 1:0.25 내지 1:4의 중량비로 배합된 고화제 30 내지 50 중량부 및

   인산 석고 또는 점토와 인산 석고 혼합물로 이루어진 중화제 10 내지 50 중량부를 포함하여 이루어진 고형화 브릭.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,

   상기 알칼리 촉진제는 소결 더스트인 것을 특징으로 하는 고형화 브릭.