KR101379541B1 - 하폐수 슬러지를 이용한 토목건축자재의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 (1) 하폐수 슬러지 분말 40∼55 중량%, 플라이애쉬 10~20 중량%, 점토 20~25 중량%, 폐유리 5~10 중량%, 철분 5-10 중량%,, 유약 5-10 중량%로 구성된 조성물을 혼합하여 원료를 준비하는 단계;
(2) 상기 혼합한 원료를 프레스에 넣고 가압 성형하는 단계; 및
(3) 상기 성형된 재료를 1,100∼1,300 ℃의 소성로에서 6~36 시간 동안 소성하고 냉각하는 단계를 포함하는 하폐수 슬러지를 이용한 토목건축자재의 제조방법을 제공한다.

Description

하폐수 슬러지를 이용한 토목건축자재의 제조방법{PREPARATION METHOD OF CONSTRUCT MATERIALS USING WASTED WATER SLUDGE}

본 발명은 하폐수 슬러지를 이용한 토목건축자재의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 하수 및 폐수 등의 슬러지를 재활용함으로써 환경적인 문제를 해결하면서, 압축강도, 흡수율 및 투수도 측면을 포함한 제반 물성에서 우수한 건축용 자재의 제조방법 및 동 방법에 의해 제조된 토목건축용 자재에 관한 것이다.

경제발전과 생활의 향상이 식수원의 오염을 가져왔고 이에 따라 하수종말처리장과 폐수처리장의 시설도 불가피하게 증가되어 왔다. 증가된 하수종말처리장과 폐수처리장으로 인해 하수 및 폐수 처리시 발생되는 하수 및 폐수슬러지의 발생량도 점차적으로 증가되어 이의 처리가 심각한 환경문제로 대두되고 있다.

현재 이들 하수 및 폐수슬러지의 처리는 매립, 건조 후 소각 및 해양투기에 의존하여 처리되어 왔다. 하지만, 하수 및 폐수슬러지의 매립으로 인해 슬러지 내에 포함된 중금속 및 유기물 등에 의하여 토양내의 중금속 농축, 지하수 오염, 각종 병원균 및 악취가 발생하고, 해양투기시에는 해양오염의 주원인이 되고 있음으로 사회문제로 대두되어 2013년부터 해양투기가 전면적으로 금지되고 있다. 또 건조 시에는 슬러지내에 포함된 수분은 고형물의 미세기공에 결합수 또는 비결합수 상태로 존재하거나 유기물의 세포막으로 둘러싸여 있기 때문에 기계적인 탈수방법으로는 건조가 어려워서 열원에 의하여 가열하는 가열탈수방법을 이용하고 있음으로 비용이 많이 소요되고, 또한 소각방법도 열원을 이용함으로서 상기한 가열탈수방법과 같이 비용이 많이 들 뿐 아니라 재 또는 중금속의 비산으로 2차환경문제를 일으키고 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술이 가지는 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 그 목적은 하수 및 폐수 등의 슬러지를 재활용함으로써 환경적인 문제를 해결하면서, 압축강도, 흡수율 및 투수도 측면을 포함한 제반 물성에서 우수한 토목건축용 자재를 제공함에 있다.

상기한 바와 같은 본 발명의 기술적 과제는 다음과 같은 수단에 의해 달성되어진다.

1. (1)하폐수 슬러지 분말 40∼55 중량%, 플라이애쉬 10~20 중량%, 점토 20~25 중량%, 폐유리 5~10 중량%, 철분 5-10 중량%,, 유약 5-10 중량%로 구성된 조성물을 혼합하여 원료를 준비하는 단계;

(2) 상기 혼합한 원료를 프레스에 넣고 가압 성형하는 단계; 및

(3) 상기 성형된 재료를 1,100∼1,300 ℃의 소성로에서 6~36 시간 동안 소성하고 냉각하는 단계를 포함하는 하폐수 슬러지를 이용한 토목건축자재의 제조방법.

2. 상기 1에 있어서,

가압 성형 후 재료를 건조실에서 60~80℃하에 1~2 시간 동안 건조하는 단계가 더 추가된 것을 특징으로 하는 토목건축자재의 제조방법.

3. 상기 1에 있어서,

단계 (1)의 혼합원료 100 중량부에 대하여 점토 5~10 중량부 및 칼슘 5-10 중량부를 더 첨가하는 것을 특징으로 하는 토목건축자재의 제조방법.

4. 상기 3에 있어서,

단계 (1)의 혼합원료 100 중량부에 대하여, 화산석 5~10 중량부 및 제올라이트 2~5 중량부 더 첨가하는 것을 특징으로 하는 토목건축자재의 제조방법.

5. 상기 1 또는 2에 있어서,

소성 및 냉각과정은 2~3회 반복하여 수행하되, 냉각은 질소를 이용하여 수행하는 것을 특징으로 하는 토목건축자재의 제조방법.

6. 상기 1 방법에 의해 제조된 토목건축자재.

상기와 같이 본 발명에 의하면, 하수 및 폐수 등의 슬러지를 재활용함으로써 환경적인 문제를 해결하면서, 압축강도, 흡수율 및 투수도 측면을 포함한 제반 물성에서 우수한 토목건축용 자재를 제공한다.

도 1은 본 발명의 토목건축용 자재의 제조공정도이다.

상기 본 발명에서 「토목건축자재」는 건축에 일반적으로 사용되는 마감재, 내외장재, 판넬, 바닥재 등을 포함한다.

이하 첨부 도면에 의거하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에서 하폐수 슬러지는 하수종말처리장, 산업폐수처리장등에서 함수율 80% 이상인 탈수케이크 상태의 하폐수 슬러지를 수거한 후, 하폐수 슬러지 케이크를 약 100~120℃에서 24~36 시간동안 1차 건조하고, 상기 1차 건조된 하폐수 슬러지를 분쇄기로 분쇄하여 분말화한 것을 사용한다.

본 발명에서는 상기 분쇄된 하폐수 슬러지 분말 40∼55 중량%과 함께, 플라이애쉬 10~20 중량%, 점토 20~25 중량%, 폐유리 5~10 중량%, 철분 5-10 중량%, 유약 5-10 중량%로 구성된 조성물을 혼합하여 원료를 준비하는 단계;로 구성된 조성물을 혼합하여 소정의 형상모양을 갖는 프레스에 넣고 가압 성형한다.

바람직하게는 상기 혼합물 100 중량부에 대하여 칼슘 5~10 중량부를 더 첨가하는 것이 좋다. 칼슘의 첨가로 내열성 및 압축강도가 보다 향상되어진다.

보다 바람직하게는 상기 혼합물의 조성 중 화산석과 제올라이트를 소정량 첨가하는 것으로 제반 물성의 추가적인 개선이 가능해진다. 이를 위해 화산석은 혼합물 100 중량부에 대하여 5~10 중량부 범위에서 사용될 수 있고, 제올라이트는 2~5 중량부의 범위에서 첨가하는 것이 바람직하며, 만일 상기 각 성분의 함량에 과부족이 생길 경우에는 원하는 물성의 추가적인 개선효과를 기대하기는 곤란하고, 뿐만 아니라 오히려 과다 첨가로 물성하락을 초래하게 되므로 주의하여야 한다.

상기 과정을 통해 성형된 건자재는 바람직하게는 건조실에서 60~80℃하에 1~2 시간 동안 건조되어지고, 상기 건조된 건자재를 바람직하게는 1,100∼1,300 ℃의 소성로에서 타이머에 의해 6~36 시간 동안 이동 소성하고, 냉각하는 과정을 거친다.

상기 소성 및 냉각공정은 2 내지 3회 정도 반복하여 수행하는 것이 바람직하며, 이때 생산량의 증대를 위해 신속하게 공정을 수행하기 위하여 질소를 이용하여 냉각하는 것이 바람직하다.

상기 건조조건 내지 소성조건은 조직의 치밀도 내지 제품의 강도를 높이고 유지함에 있어 중요하며, 이러한 조건을 벗어나게 되면 오히려 물성하락으로 인해 건축용 자재로서 사용하기에 그 기능이 현저히 저하될 우려가 있다.

상기와 같이 본 발명에서는 오폐수의 슬러지를 분말화하여 얻어진 원료에 플라이애쉬, 점토, 폐유리, 철분, 유약, 필요에 따라 칼슘 및 기타 첨가제를 혼합하고, 소결처리하여 얻어진 재료는 기존의 일반 시멘트를 적용할 경우에 비하여 성분간 결합력이 강하여 압축강도가 높고, 뿐만 아니라 투수도나 흡수율의 측면에서도 기존의 일반 시멘트를 적용하여 얻은 토목건축자재에 비하여 개선되어 다양한 용도를 갖는 토목건축용 자재로서 사용되어질 수 있다.

상기 각 성분의 조성비는 이와 같이 토목건축용 자재로서 요구되어지는 제반 물성의 측면에서 중요하며, 만일 그 함량에 있어 과부족이 발생할 경우에는 압축강도의 저하, 내지 투수도 및 흡수율이 저하되어 원하는 용도로써 그 기능을 충족할 수 없게 될 우려가 있어 상기 각 성분간 조성비를 유지하여 주는 것이 바람직하다.

이하 본 발명의 내용을 실시예에 의해 보다 상세하게 설명하기로 한다. 다만 이들 실시예는 본 발명의 내용을 이해하기 위해 제시되는 것일 뿐 본 발명의 권리범위가 이들 실시예에 한정되어지는 것으로 해석되어져서는 아니된다.

[실시예 1]

도 1에 도시된 절차에 따라, 하폐수 슬러지 분말 40 중량%, 플라이애쉬 15 중량%, 점토 23 중량%, 폐유리 5 중량%, 철분 10 중량%, 유약 7 중량%로 구성된 조성물을 혼합하여 소정의 형상모양을 갖는 프레스에 넣고 가압 성형하였다.

상기 성형된 건자재를 건조실에서 80℃하에 1 시간 동안 건조한 후, 상기 건조된 건자재를 1,200 ℃의 소성로에서 12 시간 동안 소성하고, 냉각하여 토목건축자재를 제조하였다. 하폐수 슬러지 분말 대신 일반 시멘트로 대체한 것을 비교예로 하였다.

[실시예 2]

하폐수 슬러지 분말 40 중량%, 플라이애쉬 15 중량%, 점토 25 중량%, 폐유리 5 중량%, 철분 10 중량%, 유약 5 중량%로 구성된 조성물을 혼합하고, 상기 혼합물 100 중량부에 대하여 칼슘 10 중량부를 첨가하여 소정의 형상모양을 갖는 프레스에 넣고 가압 성형하였다.

상기 성형된 건자재를 건조실에서 80℃하에 1 시간 동안 건조한 후, 상기 건조된 건자재를 1,200 ℃의 소성로에서 24 시간 동안 소성하고, 냉각하여 토목건축자재를 제조하였다.

[실시예 3]

하폐수 슬러지 분말 40 중량%, 플라이애쉬 15 중량%, 점토 25 중량%, 폐유리 10 중량%, 철분 5 중량%, 유약 5 중량%로 구성된 조성물을 혼합하고, 상기 혼합물 100 중량부에 대하여 칼슘 10 중량부, 및 화산석 10 중량부를 첨가하여 소정의 형상모양을 갖는 프레스에 넣고 가압 성형하였다.

상기 성형된 건자재를 건조실에서 80℃하에 1 시간 동안 건조한 후, 상기 건조된 건자재를 1,200 ℃의 소성로에서 24 시간 동안 소성하고, 냉각하여 토목건축자재를 제조하였다.

[실시예 4]

하폐수 슬러지 분말 40 중량%, 플라이애쉬 15 중량%, 점토 20중량%, 폐유리 10 중량%, 철분 5 중량%, 유약 10 중량%로 구성된 조성물을 혼합하고, 상기 혼합물 100 중량부에 대하여 칼슘 10 중량부, 화산석 10 중량부 및 제올라이트 5중량부를 첨가하여 소정의 형상모양을 갖는 프레스에 넣고 가압 성형하였다.

상기 성형된 건자재를 건조실에서 80℃하에 1 시간 동안 건조한 후, 상기 건조된 건자재를 1,200 ℃의 소성로에서 24 시간 동안 소성하고, 냉각하여 토목건축자재를 제조하였다.

[실시예 5]

하폐수 슬러지 분말 55 중량%, 플라이애쉬 10 중량%, 점토 20 중량%, 폐유리 5 중량%, 철분 5 중량%, 유약 5 중량%로 구성된 조성물을 혼합하고, 상기 혼합물 100 중량부에 대하여 칼슘 10 중량부, 화산석 10 중량부 및 제올라이트 2중량부를 첨가하여 소정의 형상모양을 갖는 프레스에 넣고 가압 성형하였다.

상기 성형된 건자재를 건조실에서 80℃하에 1 시간 동안 건조한 후, 상기 건조된 건자재를 1,200 ℃의 소성로에서 24 시간 동안 소성하고, 냉각하여 토목건축자재를 제조하였다.

[실험예 1] 압축강도

상기 각 실시예를 통해 제조된 건축자재를 대상으로 압축강도를 측정하였다. 압축강도는 유압 서보식 재료 시험기(UTM)를 이용하였으며, 실험은 제조된 블록을 측정 장비에 올려놓은 후 Load Control Valve을 일정하게 유지한 후 블록이 파쇄 되었을 때 가장 높은 피크 값에서 멈추게 되는 값을 측정하였다.

샘플	압축강도(N/㎟)
실시예 1	1710
실시예 2	1730
실시예 3	1750
실시예 4	1760
실시예 5	1760
비교예	1000

상기 표 1에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 토목건축자재는 비교예 대비 높게 나타났으며, 갈라지거나 부서지는 현상이 발생하지 않아 토목건축용 자재로서 매우 적합함을 확인할 수 있다.

[실험예 2] 투수도

상기 각 실시예를 통해 제조된 건축자재를 대상으로 투수도를 측정하였다.

투수도는 5cm×5cm×6cm 틀을 제작하고 소성 공정을 통해 제조된 토목건축자재 2개를 서로 붙여 투수도 측정을 위해 제작한 틀 아래 부분에 고정하여 제작하였다. 투수도 측정은 물 500㎖을 넣어 10분간 토목건축자재를 투수하는 물의 양을 측정 하였으며, 투수된 물의 양은 메스실린더를 이용하여 측정하였다.

샘플	투수도(㎖/분)
실시예 1	14.8
실시예 2	15.2
실시예 3	15.3
실시예 4	15.7
실시예 5	16.8
비교예	8.6

상기 표 2에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 토목건축자재의 경우 투수도가 비교예에 비하여 우수한 것을 확인할 수 있어 특히 투수성블록의 제조에 유용할 것으로 판단된다.

[실험예 3] 흡수율

상기 각 실시예를 통해 제조된 건축자재를 대상으로 흡수율을 측정하였다.

흡수율은 제조된 토목건축자재 시편을 건조기에 넣고 105±10℃에서 24시간 동안 공기 중탕을 통해 건조하여 데시케이터에서 방랭한 후 건조 무게(m₁) 측정한 후 시편 상부와 수면 사이 거리를 50-60mm로 하여 20±5℃의 물속에서 24시간 정치하였다. 시편을 물속에서 꺼내어 재빨리 헝겊으로 표면의 수분을 닦아 낸 후 공시체의 무게를 측정(m₂)하여 아래 식에 따라 흡수율을 계산하였다.

샘플	흡수율(%)
실시예 1	33.2
실시예 2	33.4
실시예 3	34.1
실시예 4	35.2
실시예 5	35.4
비교예	20.8

상기 표 3에서와 같이 본 발명에 따른 토목건축자재는 흡수율이 비교예에 비해 우수한 것을 확인할 수 있어 다양한 목적의 토목건축용 자재에 활용되어질 수 있음을 확인할 수 있다.

상기와 같이, 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (6)

1. (1) 함수율 80% 이상인 탈수케이크 상태의 하폐수 슬러지를 100~120℃에서 24~36 시간동안 1차 건조하고, 상기 1차 건조된 하폐수 슬러지를 분쇄기로 분쇄하여 분말화한 하폐수 슬러지 분말 40∼55 중량%, 플라이애쉬 10~20 중량%, 점토 20~25 중량%, 폐유리 5~10 중량%, 철분 5-10 중량%, 및 유약 5-10 중량%로 구성된 혼합원료 100 중량부에 대하여 상기 혼합원료에 칼슘 5-10 중량부, 화산석 5~10 중량부 및 제올라이트 2~5 중량부를 혼합하여 원료를 준비하는 단계;
   (2) 상기 혼합한 원료를 프레스에 넣고 가압 성형하고, 건조실에서 60~80℃하에 1~2 시간 동안 건조하는 단계; 및
   (3) 상기 성형된 재료를 1,100∼1,300 ℃의 소성로에서 6~36 시간 동안 소성하고 냉각하되, 상기 소성 및 냉각과정은 2~3회 반복하고, 냉각은 질소를 이용하여 수행하는 단계를 포함하는 하폐수 슬러지를 이용한 토목건축자재의 제조방법.
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6. 제 1항 방법에 의해 제조된 토목건축자재.

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