KR101382248B1 - 적토를 이용한 건축자재용 조성물 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 적토를 이용한 건축자재용 조성물 및 그 제조방법에 관한 것으로, 적토, 고화제 및 산성분으로 이루어지며, 더욱 상세하게는 적토 100 중량부, 고화재 4 내지 5 중량부 및 산성분 2 내지 2.5 중량부로 이루어지는 건축자재용 조성물 및 그 제조방법에 관한 것이다.
상기 적토를 이용한 건축자재용 조성물 및 그 제조방법은 적토에 함유되어 있는 수산화나트륨과 산성분의 중화반응을 통해 고형 안정화 효율이 향상되고, 함수율이 최적화된 건축자재를 제공한다.

Description

적토를 이용한 건축자재용 조성물 및 그 제조방법 {COMPOSITION FOR CONSTRUCTION MARERIALS USING RED MUD AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 적토를 이용한 건축자재용 조성물 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 적토에 함유되어 있는 수산화나트륨과 산성분의 중화반응을 통해 고형 안정화 효율이 향상되고, 함수율이 최적화된 적토를 이용한 건축자재용 조성물 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명은 적토를 이용한 건축자재용 조성물 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 적토에 함유되어 있는 수산화나트륨과 산성분의 중화반응을 통해 고형 안정화 효율이 향상되고, 함수율이 최적화된 적토를 이용한 건축자재용 조성물 및 그 제조방법에 관한 것이다.
적토는 주로 소성벽돌 등의 원료로 사용되었으며, 수산화알루미늄 생산공정에서 폐기물인 슬러지의 형태로 다량 발생하여, 슬러지의 형태로 발생하는 적토를 재활용하는 방법이 다각도로 모색되고 있다.
적토 슬러지는 함수율이 35 내지 40%로 침출수의 발생 문제와 건축자재 관련 법규정을 만족시키기 위해 LPG 가스 등을 열원으로 하여 적토 슬러지를 가열하는 방법을 통해 적토 슬러지에 함수율을 건축자재용으로 적합한 15% 이하로 낮추는 방법이 제시되고 있지만, 경제성이 없어 상용화되지 못하고 있으며, LPG 가스 등을 열원으로 하여 함수율을 낮추게 되면, 제품에 백화현상이 발생하여 상품성이 저하되는 문제점이 있었다.
상기의 문제점으로 적토 슬러지에 연소재와 고화제를 혼합하여 함수율을 조절하는 방법이 제시되고 있으나, 이러한 방법으로 함수율이 조절된 건축자재는 고형 안정화가 불안정하여 침출수 발생시에 수소이온의 농도가 12를 초과하게 되어 토양이나, 주변 환경을 오염시키는 문제점이 있었다.
본 발명의 목적은 적토에 함유되어 있는 수산화나트륨과 산성분의 중화반응을 통해 고형 안정화 효율이 향상되고, 함수율이 최적화된 적토를 이용한 건축자재용 조성물 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 적토, 고화제 및 산성분으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 적토를 이용한 건축자재용 조성물을 제공함에 의해 달성된다.
본 발명의 바람직한 특징에 따르면, 상기 적토를 이용한 건축자재용 조성물은 적토 92 내지 96 중량부, 고화재 3 내지 5 중량부 및 산성분 1 내지 3 중량부로 이루어지는 것으로 한다.
본 발명의 더 바람직한 특징에 따르면, 상기 산성분은 농도가 98%인 황산으로 이루어지는 것으로 한다.
본 발명의 더욱 바람직한 특징에 따르면, 상기 고화제는 잠재수경성 재료 100 중량부에 및 반응촉진제 8 내지 12 중량부로 이루어지는 것으로 한다.
본 발명의 더욱 더 바람직한 특징에 따르면, 상기 잠재수경성 재료는 고로슬래그 분말, 플라이애시, 실리카흄 및 메타카올린으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상으로 이루어지는 것으로 한다.
본 발명의 더욱 더 바람직한 특징에 따르면, 상기 반응촉진제는 소결 공정 더스트, 시멘트 킬른 더스트 및 생석회로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상으로 이루어지는 것으로 한다.
본 발명의 더욱 더 바람직한 특징에 따르면, 상기 생석회는 산화칼슘의 함량이 85% 이상인 것으로 한다.
또한, 본 발명의 목적은 적토, 고화제 및 산성분을 혼합하는 원료혼합단계, 상기 원료혼합단계를 통해 혼합된 적토에 함유되어 있는 수산화나트륨과 산성분이 반응하는 중화반응단계 및 상기 중화반응단계를 거친 혼합물을 냉각하는 냉각단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 적토를 이용한 건축자재용 조성물의 제조방법을 제공함에 의해서도 달성될 수 있다.
본 발명의 바람직한 특징에 따르면, 상기 원료혼합단계는 적토 92 내지 96 중량부, 고화재 3 내지 5 중량부 및 산성분 1 내지 3 중량부를 혼합하여 이루어지는 것으로 한다.
본 발명의 더 바람직한 상기 산성분은 농도가 98%인 황산으로 이루어지는 것으로 한다.
본 발명에 따른 적토를 이용한 건축자재용 조성물 및 그 제조방법은 적토에 함유되어 있는 수산화나트륨과 산성분의 고온 중화반응을 통해 각 입자간의 반응을 가속화시켜 고형 안정화 효율이 향상되고, 함수율이 최적화된 건축자재를 제공함으로써, 별도의 열원을 사용하는 적토를 활용한 건축자재 제조방법에 비해 경제성 및 실용성이 높으며, 산업폐기물인 적토를 최적으로 재활용하여 알칼리성 침출수 방지 등 환경 오염을 감소시키고, 관련 법규를 만족시키는 보다 안정화된 자재를 제공하여 관련 산업 발전 및 활성화에 기여할 수 있는 효과를 제공한다.
도 1은 본 발명에 따른 적토를 이용한 건축자재용 조성물의 제조방법을 나타낸 순서도이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1 및 비교예 1 내지 2를 통해 제조된 적토를 이용한 건축자재용 조성물의 함수율을 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시예 1 및 비교예 1 내지 2를 통해 제조된 적토를 이용한 건축자재용 조성물의 씻기시험손실량을 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예 1을 통해 제조된 적토를 이용한 건축자재용 조성물의 함수율에 따른 최대 건조밀도를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예 1을 통해 제조된 적토를 이용한 건축자재용 조성물의 침수시간에 따른 pH의 변화를 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예 1을 통해 제조된 적토를 이용한 건축자재용 조성물의 침수시간(5분, 22시간 및 96시간)에 따라 pH 측정장치로 실제 pH를 측정하는 모습을 나타낸 사진이다.
도 7a는 원료혼합단계시의 준비된 적토의 사진을 보여주는 사진이며, 도7b는 원료혼합단계시의 준비된 고화재의 사진을 보여주는 사진이며, 도7c는 원료혼합단계시의 준비된 황산의 사진을 보여주는 사진이며, 도7d는 중화반응시의 사진이며, 도7e는 완성된 본 발명에 따른 건축자재용 조성물 제조방법에 의해 제조된 조성물의 사진이다.
이하에는, 본 발명의 바람직한 실시예와 각 성분의 물성을 상세하게 설명하되, 이는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세하게 설명하기 위한 것이지, 이로 인해 본 발명의 기술적인 사상 및 범주가 한정되는 것을 의미하지는 않는다.
본 발명에 따른 적토를 이용한 건축자재용 조성물은 적토(RED MUD), 고화재 및 산성분으로 이루어지며, 전체 조성물 100 중량부에 대해 적토 92 내지 96 중량부, 고화재 3 내지 5 중량부 및 산성분 1 내지 3 중량부로 이루어지는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 적토 94 중량부, 고화재 4 중량부 및 산성분 2 중량부로 이루어지는 것이 최적이다. 여기서, 상기 고화재의 중량비가 3 미만이면 다짐율이 떨어져 기계적 강도가 낮아지며, 고화재의 중량비가 5 초과이면 함수율이 높아져 함수율을 낮추는 데에 추가 재료비가 투입되어 생산비가 상승되는 문제점이 있다. 또한, 상기 산성분이 1 미만이면 충분한 중화 반응이 나오지 않아 우수한 건축자재로서의 다짐율 및 함수율을 만족시킬 수 없고, 산성분이 3 초과이면 오히려 다짐율 및 함수율이 더 나빠져 품질이 저하되는 문제점이 있다. 즉, 상기한 고화재 및 산성분의 조성비율 및 잔여 적토 비율의 범위대에서 배합 제조하는 것이 바람직하다.
상기 적토는 수산화알루미늄 생산공정에서 폐기물인 슬러지의 형태로 다량 발생하며, 수산화나트륨이 다량 함유되어 있다.
수산화알루미늄 생상공정에서 발생하는 적토는 보크사이트로부터 알루미나를 추출하기 위해 다량의 수산화나트륨이 사용되기 때문에, 적토 슬러지에는 다량의 수산화나트륨이 함유되어 있다.
이처럼 적토에 함유되어 있는 수산화나트륨은 상기 산성분과 혼합되면 중화반응이 진행되는데, 이러한 중화반응을 통해 발생하는 반응열로 인해 본 발명에 따른 적토를 이용한 건축자재 조성물 제조방법에 따라 적토 슬러지의 함수량이 15% 이하로 조절된다.
상기 산성분은 바람직하게는 1 내지 3 중량부, 가장 바람직하게는 적토 94 중량부 및 고화재 4 중량부와 함께 산성분 2 중량부가 함유되며, 황산 또는 폐산(산성폐액), 염산이 될 수 있고, 상기 적토에 함유되어 있는 수산화나트륨과 혼합되면 중화반응이 진행되는데, 이러한 중화반응을 통해 발생하는 반응열로 인해 본 발명에 따른 적토를 이용한 건축자재 조성물 제조방법에 따라 적토 슬러지의 함수량이 15% 이하로 조절된다. 본 실시예에서는 산성분은 농도가 98%인 황산이 사용되었으며, 농도 98%인 황산은 실제 중화 반응의 효율성, 상용화 및 생산성면에서 최적인 산성분이다.
상기의 적토에 함유되어 있는 수산화나트륨과 상기 산성분인 황산의 중화반응을 아래 반응식으로 나타내었다.
<반응식>
2NaOH + H2SO4 ↔ Na2SO4 + 2H2O
상기 고화재는 바람직하게는 3 내지 5 중량부, 가장 바람직하게는 적토 94 중량부 및 산성분 2 중량부와 함께 고화재 4 중량부가 함유되며, 잠재수경성 재료 100 중량부에 및 반응촉진제 8 내지 12 중량부를 혼합하여 이루어지는데, 상기 고화재에 함유된 잠재수경성 재료는 상기 적토에 함유되어 있는 수산화나트륨과 산성분의 반응에서 발생하는 수분에 노출되면 경화되어 고형 안정화 효율이 향상된 건축자재용 조성물을 제공하는 역할을 한다.
상기 잠재수경성 재료는 고로슬래그 분말, 플라이애시, 실리카흄 및 메타카올린으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상으로 이루어지며, 상기 반응촉진제는 소결 공정 더스트, 시멘트 킬른 더스트 및 생석회로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상으로 이루어진다.
상기 고로슬래그 분말은 분말도가 6000 내지 7500cm2/g인 것이 바람직한데, 고로슬래그 분말의 입도가 6000 미만인 경우에는 반응성이 저하되어 반응촉진제의 함량을 높여야하며, 분말도가 7,500cm2/g을 초과하는 경우에는 과도한 반응성으로 인해 현장작업시 작업효율성이 저하된다.
이때, 상기 생석회는 반응촉진제로서의 반응성이 유지될 수 있도록 산화칼슘의 함량이 85% 이상인 것을 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 적토를 이용한 건축자재용 조성물의 제조방법은 적토, 고화제 및 산성분을 혼합하는 원료혼합단계(S101), 상기 원료혼합단계(S101)를 통해 혼합된 적토에 함유되어 있는 수산화나트륨과 산성분이 반응하는 중화반응단계 (S103) 및 상기 중화반응단계(S103)를 거친 혼합물을 냉각하는 냉각단계(S105)로 이루어진다.
상기 원료혼합단계(S101)는 적토, 고화제 및 산성분을 혼합하는 단계로, 적토 92 내지 96 중량부, 고화재 3 내지 5 중량부 및 산성분 1 내지 3 중량부를 혼합기에 투입하고 혼합하여 원료를 제조하는 단계다.
이때, 상기 적토, 고화재 및 산성분의 성분 및 역할을 상기의 적토를 이용한 건축자재용 조성물에 사용된 것과 성분 및 역할이 동일함으로 이에 대한 설명은 생략하기로 한다.
상기 중화반응단계(S103)는 상기 원료혼합단계(S101)를 통해 혼합된 적토에 함유되어 있는 수산화나트륨과 산성분이 반응하여 중화반응을 진행하는 단계로, 중화반응을 통해 반응열이 발생하며, 이러한 반응열로 인해 상기 원료는 120 내지 150℃의 온도에 4 내지 5분 동안 노출되어 건축자재료 사용되기에 가장 적합한 수분함량인 15% 이하로 조절된다.
특히, 적토 94 중량부에 대해 고화제와 상기 산성분은 각각 4 중량부 및 2 중량부, 즉 혼합비율이 2:1이 되도록 하여 다짐성 등이 우수한 건축자재가 되도록 하는 조건인 수분 함량을 10% 내지 15% 로 조절하는 것이 더욱 바람직하다.
상기 수분 함량이 15%를 초과하게 되면 과다 함수로 인해 건축재료의 다짐상태가 불량해지며, 수분의 함량이 10% 미만이면 함수율이 지나치게 낮아 다짐상태가 불량해지며, 다짐상태를 향상시키기 위해 고화제를 추가 투입해야 하기 때문에 제조비용이 증가하게 된다.
상기 냉각단계(S105)는 상기 중화반응단계(S103)를 거친 원료를 상온으로 냉각하는 단계로, 중화반응 단계에서 반응열로 인해 온도가 고온으로 가열되었던 원료가 상온이 될때가지, 방치한 후에 포장하여 제품화하는 단계다.
상기의 냉각단계(S105)를 거치면, 수산화나트륨과 산성분의 중화반응을 통해 고형 안정화 효율이 향상되고, 함수율이 최적화된 건축자재용 조성물이 제공된다.
이하에서는, 본 발명에 따른 적토를 이용한 건축자재용 조성물의 제조방법 및 그 제조방법을 통해 제조된 건축자재의 물성을 실시예를 들어 설명하기로 한다.
<실시예 1>
적토 94 중량부, 고로슬래그 분말 100 중량부에 생석회 10 중량부를 혼합하여 이루어진 고화재 4 중량부 및 황산 2 중량부를 혼합하여 원료를 제조하고, 혼합된 원료가 중화반응에서 발생하는 반응열로 인해 고온으로 가열되었다가 상온으로 냉각되는 과정을 거치도록 하여 적토를 이용한 건축자재용 조성물을 제조하였다.
<실시예 2>
상기 실시예 1과 동일하게 진행하되, 적토 92 중량부, 고화재 5 중량부 및 황산 3 중량부를 혼합하여 적토를 이용한 건축자재용 조성물을 제조하였다.
<실시예 3>
상기 실시예 1과 동일하게 진행하되, 적토 96 중량부, 고화재 3 중량부 및 황산 1 중량부를 혼합하여 적토를 이용한 건축자재용 조성물을 제조하였다.
<비교예 1>
상기 실시예 1과 동일하게 진행하되, 적토 91 중량부, 고화재 4 중량부 및 황산 5 중량부를 혼합하여 적토를 이용한 건축자재용 조성물을 제조하였다.
<비교예 2>
상기 실시예 1과 동일하게 진행하되, 적토 97 중량부, 고화재 2.5 중량부 및 황산 0.5 중량부를 혼합하여 적토를 이용한 건축자재용 조성물을 제조하였다.
상기 실시예 1, 실시예 2 및 실시예 3과 이외 고화재 및 황산의 중량 비율을 조절해가면서 잔여 적토 함량을 배합 조절하여 실험한 결과, 제조된 적토를 이용한 건축자재용 조성물의 함수율과 씻기 시험 손실량을 측정하여 아래 도 2 및 도 3에 나타내었다.
(단, 함수율은 함수율측정기를 이용하여 측정하였으며, 씻기 시험 손실량은 KS F 2511의 시험기준에 의거하여 측정하였다.)
아래 도 2 및 도 3에 나타낸 그래프를 보면, 본 발명의 실시예 1과 같이 적토 94 중량부에 대해 고화제와 황산의 함량비율이 4 중량부 및 2 중량부, 즉 2:1인 경우에 함수율이 12.4%를 나타내었으며, 씻기 시험 손실량이 25%를 나타내었다.
또한, 함수율이 12.4%를 나타낸 적토를 이용한 건축자재용 조성물의 다짐시험을 실시하여 그 결과를 아래 도 4에 나타내었다.
아래 도 4에 나타낸 것처럼, 함수율이 12.4%를 나타낸 적토를 이용한 건축자재용 조성물은 최대 건조밀도가 1.877g/cm2을 나타내어, 다짐율이 가장 우수한 것을 알 수 있다. 즉, 이러한 실험으로 최적의 건축자재용 조성물의 지표인 건조밀도로 보여주는 다짐율 및 함수율이 최적인 배합비는 적토 94 중량부에 대해 고화제와 황산의 함량비율이 4 중량부 및 2 중량부인 것임을 확인할 수 있었다.
또한, 본원발명의 실시예 1을 통해 제조된 적토를 이용한 건축자재용 조성물의 침수시 pH의 변화를 측정하여 아래 도 5 내지 6에 나타내었다.
아래 도 5 내지 6에 나타낸 것처럼 본 발명의 실시예 1을 통해 제조된 적토를 이용한 건축자재용 조성물은 침수시간이 증가해도 일정시간 이후로는 pH의 변화가 거의 일정하게 유지되는 것을 알 수 있었다.
또한, 도 2에서 실시예 1의 적토, 고화재 및 황산의 중량 비율에서 고화재의 비율을 낮추고, 황산의 비율을 높여가고 잔여분을 적토의 중량 비율로 맞춘 실시예 2로의 그래프 영역대에 포함된 각 조합 비율과 실시예 1의 적토, 고화재 및 황산의 중량 비율에서 고화재의 비율을 높이고, 황산의 비율을 낮춰가고 잔여분을 적토의 중량 비율로 맞춘 실시예 3으로의 그래프 영역대에 포함된 각 조합 비율 범위대는 건축 토목 자재 조성물로서의 허용될 수 있는 우수한 함수율에 포함됨을 알 수 있었고, 도 4에서 건조밀도로 보여주는 다짐율에서도 우수한 다짐율을 보여주어 우수한 건축 토목 자재 조성물로 사용될 수 있음을 알 수 있었다.
그러나, 적토 92 내지 96 중량부, 고화재 3 내지 5 중량부 및 산성분 1 내지 3 중량부의 범위대를 벗어나는 영역대, 즉 실시예 2의 각 조성 비율에서 고화재의 비율을 더 낮추고, 황산의 비율을 더 높이거나, 실시예 3의 각 조성 비율에서 고화재의 비율을 더 높이고, 황산의 비율을 더 낮추는 경우에는 우수한 다짐율 및 함수율 수치가 우수한 수치 영역대에서 급격하게 벗어남을 확인할 수 있었으며, 적토 92 내지 96 중량부, 고화재 3 내지 5 중량부 및 산성분 1 내지 3 중량부의 범위대를 벗어나는 영역대인 비교예 1 및 비교예 2에서도 그러한 사실을 확인할 수 있었다. 즉, 상기 고화재의 중량비가 3 미만이면 다짐율이 떨어져 기계적 강도가 낮아지며, 고화재의 중량비가 5초과이면 함수율이 높아져 함수율을 낮추는 데에 추가 재료비가 투입되어 생산비가 상승되는 문제점이 있다. 또한, 상기 산성분이 1 미만이면 충분한 중화 반응이 나오지 않아 우수한 건축자재로서의 다짐율 및 함수율을 만족시킬 수 없고, 산성분이 3 초과이면 오히려 다짐율 및 함수율이 더 나빠져 품질이 저하되는 문제점이 있다.
도 7a는 원료혼합단계시의 준비된 적토의 사진을 보여주는 사진이며, 도7b는 원료혼합단계시의 준비된 고화재의 사진을 보여주는 사진이며, 도7c는 원료혼합단계시의 준비된 황산의 사진을 보여주는 사진이며, 도7d는 중화반응시의 사진이며, 도7e는 완성된 본 발명에 따른 건축자재용 조성물 제조방법에 의해 제조된 조성물의 사진으로서, 본 발명에 따른 건축자재용 조성물의 각 원료의 사진, 중화 반응시의 사진 및 실험 완성 제품의 사진을 보여준다.
본 실시예에서 산성분은 황산을 예로 실험하고 설명되었지만, 중화 반응을 일으킬 수 있는 염산이나 폐산(산성용액) 등의 산성분도 가능함은 물론이다.
S101 ; 원료혼합단계
S103 ; 중화반응단계
S105 ; 냉각단계

Claims (11)

  1. 적토 94 중량부, 고화제 4 중량부 및 황산 2 중량부를 포함하며, 적토와 산성분간의 중화 반응에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 적토를 이용한 건축자재용 조성물.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 중화 반응의 반응식은
    2NaOH + H2SO4 ↔ Na2SO4 + 2H2O 인 것을 특징으로 하는
    적토를 이용한 건축자재용 조성물.
  5. 청구항 1 또는 청구항 4에 있어서,
    상기 산성분은 농도가 98%인 황산으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 적토를 이용한 건축자재용 조성물.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 고화제는 잠재수경성 재료 100 중량부 및 반응촉진제 8 내지 12 중량부로 이루어지는 것을 특징으로 하는 적토를 이용한 건축자재용 조성물.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 잠재수경성 재료는 고로슬래그 분말, 플라이애시, 실리카흄 및 메타카올린으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 적토를 이용한 건축자재용 조성물.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 반응촉진제는 소결 공정 더스트, 시멘트 킬른 더스트 및 생석회로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 적토를 이용한 건축자재용 조성물.
  9. 적토 94 중량부, 고화재 4 중량부 및 황산 2 중량부를 혼합하는 원료혼합단계;
    상기 원료혼합단계를 통해 혼합된 적토에 함유되어 있는 수산화나트륨과 산성분이 반응하는 중화반응단계; 및
    상기 중화반응단계를 거친 혼합물을 냉각하는 냉각단계;로 이루어지는 것을 특징으로 하는 적토를 이용한 건축자재용 조성물의 제조방법.
  10. 삭제
  11. 삭제
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