KR101465326B1 - 다공성 세라믹 담체의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다공성 세라믹 담체의 제조방법에 관한 것으로, (a) 광미와 하수 슬러지 케익을 혼합하는 단계와, (b) 혼합물을 압출성형하는 단계와, (c) 성형물을 건조하는 단계와, (d) 건조된 성형물을 소결하는 단계 및 (e) 소결체를 냉각시키는 단계를 포함하여, 하수 슬러지를 소결 과정에서 자연스럽게 소각 처리할 수 있고, 다공성 세라믹 담체의 기공 구조도 개선할 수 있는 다공성 세라믹 담체의 제조방법을 제공한다.

Description

다공성 세라믹 담체의 제조방법{FABRICATION METHOD OF POROUS CERAMIC CARRIER}

본 발명은 다공성 세라믹 담체의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 하수처리시 발생하는 슬러지를 바인더로 이용하여 기공 구조를 개선한 다공성 세라믹 담체의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 하수처리는 생물학적 처리 공정에 의해 이루어지는데, 이 과정에서 다량의 하수 슬러지가 발생하여 그 처리 방법이 문제되고 있다.

구체적으로, 슬러지는 입자상, 콜로이드 또는 용존상의 오염물질 제거시 발생하는 2차 오염물질로서 악취, 병원균 등의 문제를 야기하며, 유기물질을 다량 함유하고 있어 제대로 처리되지 않을 경우 부가적인 환경오염을 일으키게 된다.

이러한 슬러지의 처리와 관련하여 종래에는 슬러지를 퇴비로 활용하거나 대부분 매립하여 처리함으로써 슬러지 처리 비용이 큰 문제가 되지 않았으나, 최근 슬러지 처리에 관한 법규 강화로 직매립이 금지되고, 국제협약에 의해 해양 배출도 엄격하게 제한되면서 대안으로 슬러지를 소각처리하거나 재활용하는 방안이 주목받고 있다.

그러나 소각처리나 재활용의 경우 종래 처리 방식에 비해 처리 비용이 높기 때문에 상용화가 어려운 문제점이 있다. 즉, 소각처리는 하수 슬러지의 함수율이 높고 열량이 낮기 때문에 에너지화에 있어 비생산적이며, 소각처리에 소요되는 비용 또한 지역마다 다소 상이하기는 하나 100,000원/ton 내외로 점차 증가하는 추세에 있다. 또한, 퇴비화로 재활용하는 방법의 경우에는 기술적으로 해결이 어려운 여러 가지 제반 문제점과 경제성이 낮은 이유로 활발히 적용되지 않고 있는 실정이다.

본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 하수처리시 발생하는 슬러지를 소각처리하여 제거하는 동시에 다공성 세라믹 담체까지 생산할 수 있는 다공성 세라믹 담체의 제조방법을 제공하는 데 목적이 있다.

전술한 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서,

본 발명은 (a) 광미와 하수 슬러지 케익을 혼합하는 단계와; (b) 혼합물을 압출성형하는 단계와; (c) 성형물을 건조하는 단계와; (d) 건조된 성형물을 소결하는 단계; 및 (e) 소결체를 냉각시키는 단계;를 포함하는 다공성 세라믹 담체의 제조방법을 제공한다.

이 경우, 상기 광미와 상기 하수 슬러지 케익의 혼합비는 부피비로 3:1~1:1인 것이 바람직하다.

이 경우, 상기 (d) 단계는 1200℃에서 이루어지되, 소결 온도까지 분당 5℃의 속도로 승온되고, 상기 (e) 단계는 공냉 방식으로 이루어지는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 기술적인 문제점과 높은 비용으로 인해 처리가 어려운 하수 슬러지를 바인더로 재활용하여 다공성 세라믹 담체를 제조함으로써 하수 슬러지 처리 문제를 획기적으로 해결할 수 있을 뿐 아니라 하수 슬러지의 사용으로 다공성 세라믹 제품의 기공 구조도 대폭 개선할 수 있다.

또한, 비용 절감은 물론 하수 슬러지를 바인더로 재활용하는 측면에서 경제적, 환경적 효과도 기대할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시제조예에 따라 제조된 다공성 세라믹 담체와 본 발명의 비교제조예에 따라 제조된 다공성 세라믹 담체의 사진,
도 2 및 도 3은 본 발명의 실시제조예에 따라 제조된 다공성 세라믹 담체의 표면과 내부 파단면의 전자현미경 사진,
도 4 및 도 5는 본 발명의 비교제조예에 따라 제조된 다공성 세라믹 담체의 표면과 내부 파단면의 전자현미경 사진,
도 6은 본 발명의 실시제조예에 따라 제조된 다공성 세라믹 담체와 본 발명의 비교제조예에 따라 제조된 다공성 세라믹 담체의 기공분포도 측정 결과를 나타낸 그래프.

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

먼저, 본 발명은 종래 기술적인 문제와 높은 비용으로 인해 처리가 어려웠던 하수 슬러지를 소각처리하면서 재활용할 수 있는 방안으로 다공성 세라믹 제품의 제조시 하수 슬러지를 바인더로 첨가함으로써 소결 과정에서 하수 슬러지를 자연스럽게 소각하여 제거하는 동시에 다공성 세라믹을 제공할 수 있는 방법에 관한 것이다.

이와 관련하여, 세라믹 제품을 여러 가지 형태로 자유롭게 성형하기 위해서는 바인더를 첨가해야 하며, 이러한 바인더는 세라믹 분말 사이에서 유동성과 점도를 제공하고 건조시에 결합제의 역할을 수행한다. 바인더의 종류에 따라, 그리고 제조하는 방법과 세라믹 분말의 특성에 따라 첨가하는 양은 다르지만 다공성 세라믹 제품을 제조하는 경우 바인더는 유동성과 점도를 제공하고 결합제의 역할 뿐 아니라 소결시 탈지된 후 기공 구조를 형성해주는 역할까지 담보되어야만 하며, 통상 많은 양을 사용하기 때문에 가격도 저렴해야 한다.

따라서 다공성 세라믹 제품의 제조시 하수 슬러지를 바인더로 사용하면 오히려 슬러지의 처리 비용을 받을 수 있을 뿐 아니라 슬러지에 의해 기공 구조가 개선되어 담체의 특성을 향상시킬 수 있다.

이에, 본 발명에서는 일반적인 생물학적 하수처리 과정에서 발생된 슬러지 케익을 광미와 혼합하여 다공성 세라믹 담체를 제조하는 공정을 확립하였다. 여기서, 슬러지 케익은 하수 슬러지를 탈수처리하여 함수율을 낮춘 고형물을 의미한다.

이하, 본 발명에 따른 다공성 세라믹 담체의 제조방법에 대해 구체적으로 설명하도록 한다.

먼저, 광미와 하수 슬러지 케익을 혼합한다. 이 경우, 광미는 전라남도 해남에 위치한 은산광산의 광미를 사용할 수 있다. 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 있을 뿐 아니라 평균입도가 약 20㎛로서 매우 미분으로 구성되어 있다. 그러나 본 발명에서 세라믹의 원료가 상술한 은산광산의 광미로 한정되는 것은 아니며, 모든 세라믹 재료를 사용할 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 하수 슬러지 케익의 함수율은 50~80% 정도인 것이 바람직하다.

한편, 광미와 하수 슬러지 케익의 혼합비는 부피비로 3:1~1:1의 범위에서 조절되는 것이 바람직하다. 왜냐하면, 바인더, 즉, 하수 슬러지 케익의 양을 감소시키면 기공도가 낮아지고, 증가시키면 기공도는 좋아지지만 강도가 약해지기 때문에 적절한 기공도와 강도를 얻기 위해서는 상술한 범위로 한정하는 것이 유리하다.

이후, 광미와 하수 슬러지 케익의 혼합물을 성형한다. 이 경우, 성형은 압출 방식의 펠렛타이저를 이용하여 직경 7mm의 구형 입상체로 성형할 수 있다.

성형이 완료되면 성형물을 오븐에서 충분히 건조한다.

마지막으로, 건조된 성형물을 소결하여 냉각하면 다공성 세라믹 담체가 완성된다. 이 경우, 소결은 분당 5℃의 속도로 승온하여 1200℃에서 유지시간 없이 소결하고, 냉각은 공냉 방식에 의하는 것이 바람직하다. 이와 같이 소결 및 냉각 조건을 제어하면 기공이 액상 상태에서 무너지지 않고 바로 냉각되어 고상 상태로 굳어지기 때문에 기공 구조를 안정적으로 유지할 수 있다.

이상으로 본 발명에 따른 다공성 세라믹 담체의 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.

실시제조예

은산광산 광미와 하수 슬러지 케익을 1:1의 부피비로 혼합하고, 압출 방식의 펠렛타이저로 7mm의 직경을 갖는 입상 담체를 성형한 후 충분히 건조하여 분당 5℃로 1200℃까지 승온한 다음 유지시간 없이 공냉하여 소결하였다.

비교제조예

은산광산 광미와 물을 1:1의 부피비로 혼합하고, 압출 방식의 펠렛타이저를 이용하여 7mm의 직경을 갖는 입상 담체를 성형한 후 충분히 건조하여 분당 5℃로 1200℃까지 승온한 다음 유지시간 없이 공냉하여 소결하였다.

실시예 1

도 1에는 본 발명의 실시제조예에 따라 제조된 다공성 세라믹 담체(우측)와 본 발명의 비교제조예에 따라 제조된 다공성 세라믹 담체(좌측)의 사진을 각각 나타내었고, 도 2 및 도 3에는 본 발명의 실시제조예에 따라 제조된 다공성 세라믹 담체의 표면과 내부 파단면의 전자현미경 사진을 나타내었으며, 도 4 및 도 5에는 본 발명의 비교제조예에 따라 제조된 다공성 세라믹 담체의 표면과 내부 파단면의 전자현미경 사진을 나타내었다.

도 1 내지 도 5로부터 하수 슬러지 케익을 첨가하지 않은 경우 담체 표면이 매끄럽고, 내부 기공이 미세하게 분포하고 있으나 하수 슬러지 케익을 첨가한 경우에는 표면 거칠기가 향상되었고, 내부에 큰 기공 구조가 발달한 것을 확인할 수 있다.

실시예 2

포로지미터를 이용하여 본 발명의 실시제조예에 따라 제조된 다공성 세라믹 담체와 본 발명의 비교제조예에 따라 제조된 다공성 세라믹 담체의 기공분포도를 측정하였으며, 그 결과를 도 6에 나타내었다.

도 6으로부터 하수 슬러지 케익을 첨가하지 않고 광미로만 제조한 경우 1㎛ 이하의 기공 구조가 형성되어 있으나, 하수 슬러지 케익을 첨가한 경우에는 10~20㎛ 범위의 기공 구조가 발달한 것을 확인할 수 있다. 구체적으로, 하수 슬러지 케익을 첨가하지 않은 경우 기공도는 24%로 평균 기공 크기가 0.8㎛였으나 하수 슬러지 케익을 첨가한 경우에는 기공도가 35%로 증가되었고, 평균 기공 크기도 약 14㎛로 크게 향상된 것으로 나타났다.

따라서 본 발명과 같이 하수 슬러지를 바인더로 사용하여 다공성 세라믹 담체를 제조할 경우 하수 슬러지가 소결 과정에서 자연스럽게 소각 처리될 뿐 아니라 제조되는 다공성 세라믹 담체의 기공 구조도 현저하게 개선 가능할 것으로 기대된다.

Claims (3)

1. (a) 광미와 하수 슬러지 케익을 혼합하는 단계와;
   (b) 혼합물을 압출성형하는 단계와;
   (c) 성형물을 건조하는 단계와;
   (d) 건조된 성형물을 소결하는 단계; 및
   (e) 소결체를 냉각시키는 단계;
   를 포함하되,
   상기 광미와 상기 하수 슬러지 케익의 혼합비는 부피비로 3:1~1:1이고, 상기 (d) 단계는 소결 온도까지 분당 5℃의 속도로 승온되어 1200℃에서 유지시간 없이 이루어지며, 상기 (e) 단계는 공냉 방식으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 다공성 세라믹 담체의 제조방법.
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