KR101470791B1

KR101470791B1 - 다공질 세라믹 담체 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR101470791B1
Application number: KR1020140057047A
Authority: KR
Inventors: 곽창환
Original assignee: 곽창환
Priority date: 2014-05-13
Filing date: 2014-05-13
Publication date: 2014-12-08

Abstract

본 발명은 다공질 세라믹 담체 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 다공질 세라믹 담체는, 제올라이트와 일라이트와 인산지르코늄과 산화알루미늄과 산화마그네슘과 산화철과 산화규소가 혼합된 파인 세라믹 글라스(fine ceramic glass)와, 폐유리와, 발포제가 혼합하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

다공질 세라믹 담체 및 그 제조방법{POROUS CERAMIC MEDIA AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 발명은 다공질 세라믹 담체 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 상세하게는 산업폐기물로 버려지는 폐유리를 재활용하고, 고기능성 무기재료를 단결정화하여 영구적으로 탈취 및 수질 정화, 토양의 중성화, 식물성장촉진 등으로 활용할 수 있는 친환경적이며 기능성을 갖는 다공질 세라믹 담체 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 사용하는 세라믹 담체는 사용목적에 따라 일정한 크기와 형상을 가지며 성형된다. 이러한 세라믹 담체는 오,폐수정화용, 축산폐수정화용, 정수용, 하천복원용으로 널리 사용되고 있는데, 상기한 세라믹 담체는 정화기능이 뛰어 나기 때문에 널리 사용되고 있다.

일반적으로 가스 또는 액체의 불순물을 제거하는 필터 또는 가스 또는 액체의 유해성분을 반응시켜 무해한 성분으로 배출하기 위한 촉매 구조체로서 세라믹 담체가 사용된다. 세라믹 담체의 셀 격벽 내면에는 상기 유체가 관통되는 동안 산화 또는 환원이 일어날 수 있도록 촉매 물질이 코팅되며, 이러한 촉매 물질의 코팅층에서 일어나는 산화 또는 환원 작용에 의해 유해성분이 정화된다.

한편, 종래에는 폐유리를 이용하여 기공성 발포 담체로 활용하거나, 유기물질을 살포하여 기공을 통한 흡착방법으로 활용되고 있다.

그러나, 종래의 담체는 무기물 고유의 미세 중금속 및 유해 물질들이 제조과정에서 제거되지 않은 상태에서 사용하게 되어, 시간이 경과함에 따라 2차 환경오염을 초래하는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 감안하여 창안된 것으로서, 고유의 탈취력과 항균, 산화능력을 가지며, 수질의 중금속을 흡착하거나 악취를 정화 및 탈취할 수 있고, 무기물 고유의 미세 중금속 및 유해 물질들을 제조과정에서 제거하여 친환경적인 정화 여재로 사용할 수 있고, 2차 환경오염을 줄일 수 있는 다공질 세라믹 담체 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 제올라이트와 일라이트와 인산지르코늄과 산화알루미늄과 산화마그네슘과 산화철과 산화규소가 혼합된 파인 세라믹 글라스(fine ceramic glass)와, 폐유리와, 발포제가 혼합하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 다공질 세라믹 담체를 제공한다.

여기서, 상기 파인 세라믹 글라스는 상기 제올라이트 20∼25중량％와, 상기 일라이트 8∼12중량％와, 상기 인산지르코늄 10∼13중량％와, 상기 산화알루미늄 10∼15중량％와, 상기 산화마그네슘 7∼10중량％와, 상기 산화철 15∼20중량％와, 상기 산화규소 25∼30중량％의 비율로 혼합되는 것을 특징으로 한다.

상기 폐유리 100중량부에 대해 상기 파인 세라믹 글라스 85.5∼ 112.5중량부와, 상기 발포제 5∼15중량부의 비율로 혼합되는 것을 특징으로 한다.

상기 발포제는 탄산칼슘인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 본 발명의 목적은, 본 발명의 다른 분야에 따르면, 제올라이트와 일라이트와 인산지르코늄과 산화알루미늄과 산화마그네슘과 산화철과 산화규소를 혼합하여, 1차 혼합물을 형성하는 단계와; 상기 1차 혼합물을 고온에서 가열 및 발포한 후, 냉각시키는 단계와; 상기 냉각된 1차 혼합물을 분말의 형태로 분쇄하여, 파인 세라믹 글라스(fine ceramic glass)를 형성하는 단계와; 상기 분말 형태의 파인 세라믹 글라스와, 분말 형태의 폐유리와, 상기 발포제를 혼합하여 2차 혼합물을 형성하는 단계와; 상기 2차 혼합물을 저온에서 가열 및 발포하는 단계와; 상기 발포된 2차 혼합물을 일정 크기로 성형하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다공질 세라믹 담체의 제조방법에 의해서도 달성될 수 있다.

여기서, 상기 1차 혼합물은 상기 제올라이트 20∼25중량％와, 상기 일라이트 8∼12중량％와, 상기 인산지르코늄 10∼13중량％와, 상기 산화알루미늄 10∼15중량％와, 상기 산화마그네슘 7∼10중량％와, 상기 산화철 15∼20중량％와, 상기 산화규소 25∼30중량％의 비율로 혼합되는 것을 특징으로 한다.

상기 2차 혼합물은 상기 폐유리 100중량부에 대해 상기 파인 세라믹 글라스 85.5∼ 112.5중량부와, 상기 발포제 5∼15중량부의 비율로 혼합되는 것을 특징으로 한다.

상기 발포제는 탄산칼슘인 것을 특징으로 한다.

상기 파인 세라믹 글라스는 200메쉬(mesh) 이하의 크기를 갖는 것을 특징으로 한다.

상기 1차 혼합물은 1300∼1600℃에서 가열 및 발포되는 것을 특징으로 한다.

상기 2차 혼합물은 400∼600℃에서 가열 및 발포되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 고유의 탈취력과 항균, 산화능력을 가지며, 수질의 중금속을 흡착하거나 악취를 정화 및 탈취할 수 있고, 무기물 고유의 미세 중금속 및 유해 물질들을 제조과정에서 제거하여 친환경적인 정화 여재로 사용할 수 있고, 2차 환경오염을 줄일 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 다공질 세라믹 담체 제조방법의 순서도이다.

이하, 본 발명에 대해 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 다공질 세라믹 담체는 여러 가지 성분이 혼합된 복합 원료를 포함한다.

본 실시예에서의 다공질 세라믹 담체는 파인 세라믹 글라스(fine ceramic glass)와, 폐유리와, 발포제가 혼합하여 이루어진다.

파인 세라믹 글라스는 항균, 흡착, 탈취, 수질 정화 효과를 극대화하기 위해 마련되며, 특히 파인 세라믹 글라스는 물과 접촉시 물분자를 치환하여 수질의 중금속을 흡착하거나, 악취를 정화, 탈취한다.

파인 세라믹 글라스는 최적의 촉매반응을 얻기 위해 제올라이트 20∼25중량％와, 일라이트 8∼12중량％와, 인산지르코늄 10∼13중량％와, 산화알루미늄 10∼15중량％와, 산화마그네슘 7∼10중량％와, 산화철 15∼20중량％와, 산화규소 25∼30중량％의 비율로 혼합된다.

제올라이트는 항균 및 탈취, 정화효과를 극대화시키는 역할을 한다. 파인 세라믹 글라스 중 제올라이트의 혼합 비율이 20중량％ 미만일 경우 촉매반응 효과가 현저히 떨어져 항균, 탈취효과가 거의 없어지며, 제올라이트의 혼합 비율이 25중량％를 초과할 경우 항균 및 탈취, 정화효과를 기대할 수 있으나, 발포율이 현저히 떨어져 목적하는 형상의 발포 성형물을 얻을 수 없게 된다.

일라이트는 구성하는 주재료들의 기능을 활성화시켜, 각 성분들의 촉매반응을 극대화시켜주는 역할을 한다. 파인 세라믹 글라스 중 일라이트의 혼합 비율이 8중량％ 미만일 경우 발포 효과가 현저히 떨어지고, 일라이트의 혼합 비율이 12중량％를 초과할 경우 발포시 강도가 강해지며, 기공율이 현저히 줄어들게 된다.

인산지르코늄, 산화알루미늄, 산화마그네슘은 각각 촉매반응을 활성화시켜 음이온 기능을 높여주어 토양의 양이온 치환용량(CEC)을 상승시키는 역할을 한다. 파인 세라믹 글라스 중 인산지르코늄, 산화알루미늄, 산화마그네슘은 각각 상기의 제시된 하한치 미만으로 혼합되거나 상기의 제시된 상한치를 초과하여 혼합되는 경우, 최적의 음이온 기능의 촉매반응 효과를 기대할 수 없게 된다.

산화철은 파인 세라믹 글라스의 착색제 역할을 하며, 강알칼리성을 가진 각각의 성분의 pH를 낮추어 주는 기능을 한다. 파인 세라믹 글라스 중 산화철의 혼합 비율이 15중량％ 미만일 경우 착색효과가 없으며 높은 강알칼리성의 파인 세라닉 글라스로 이루어지게 되고, 산화철의 혼합 비율이 20중량％를 초과할 경우 지나친 착색효과와 함께 pH가 산성에 가까워지게 된다.

산화규소는 파인 세라믹 글라스의 주요한 무기물로써 제시된 성분조성비를 가진 다른 주재료와 혼합되어 최적의 발포율로 적절한 강도와 높은 기공율을 가지는 발포 세라믹 담체를 만드는 역할을 한다. 파인 세라믹 글라스 중 산화규소의 혼합 비율이 25중량％ 미만일 경우 발포가 되지 않거나 기공율이 현저히 떨어지게 되며, 산화규소의 혼합 비율이 30중량％를 초과할 경우 다른 주재료의 기능들이 현저히 떨어져 목적하는 항균, 탈취, 수질정화 효과를 얻을 수 없게 된다.

한편, 제올라이트와 일라이트와 인산지르코늄과 산화알루미늄과 산화마그네슘과 산화철과 산화규소가 혼합된 파인 세라믹 글라스는 200메쉬(mesh) 이하의 크기로 미분쇄되어, 폐유리와 발포제와 혼합된다.

폐유리는 본 발명에 따른 다공질 세라믹의 주성분을 이루며, 폐기되는 유리를 재활용하되, 미분말 형태로 분쇄하여 파인 세라믹 글라스와 발포제와 혼합된다.

발포제는 본 발명에 따른 다공질 세라믹 담체의 기공을 형성하는 역할을 한다. 여기서, 발포제로서 탄산칼슘을 사용하는 것이 보다 효과적이다.

한편, 본 발명에 따른 다공질 세라믹 담체는 폐유리 100중량부에 대해 파인 세라믹 글라스는 85.5∼112.5중량부의 비율로 혼합된다.

또한, 발포제는 폐유리 100중량부에 대해 5∼15중량부의 비율로 혼합된다. 여기서, 발포제의 혼합비율이 5중량부 미만일 경우 기포 형성 역할이 미비하여 기공 형성이 용이하지 않으며, 발포제의 혼합비율이 15중량부를 초과할 경우 과도한 발포에 의해 과도한 기공들이 형성되어 표면적을 감소시키게 된다.

이하에서는, 본 발명에 따른 다공질 세라믹 담체의 제조방법을 도 1을 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 다공질 세라믹 담체의 제조방법은 크게 분류하면, 고온발포공정과, 저온발포공정을 가진다.

먼저, 고온발포공정으로서, 제올라이트와 일라이트와 인산지르코늄과 산화알루미늄과 산화마그네슘과 산화철과 산화규소를 혼합하여, 1차 혼합물을 형성한다(S10). 이 때, 제올라이트 20∼25중량％와, 일라이트 8∼12중량％와, 인산지르코늄 10∼13중량％와, 산화알루미늄 10∼15중량％와, 산화마그네슘 7∼10중량％와, 산화철 15∼20중량％와, 산화규소 25∼30중량％의 비율로 혼합한다.

다음, 1차 혼합물을 용해로(미도시)에서 고온으로 예컨대, 1300∼1600℃에서 가열 및 발포시킨 후, 냉각하여 글라스화한다(S20).

이어서, 냉각된 1차 혼합물을 진동밀(미도시)에서 분말의 형태로 분쇄하여, 파인 세라믹 글라스(fine ceramic glass)를 형성한다(S30). 이 때, 분말의 형태로 분쇄되는 파인 세라믹 글라스의 입도는 200메쉬(mesh) 이하의 크기를 갖는 것이 바람직하다. 이러한 파인 세라믹 글라스는 단결정화되어, 고유의 탈취력과 항균, 산화 능력이 있어, 물과 접촉시 물분자를 치환하여 수질의 중금속을 흡착하거나, 악취를 정화, 탈취한다.

그리고, 미분말 형태로 분쇄된 폐유리와, 파인 세라믹 글라스와, 발포제를 혼합하여 2차 혼합물을 형성한다(S40). 이 때, 폐유리 100중량부에 대해 파인 세라믹 글라스 85.5∼ 112.5중량부와, 발포제 5∼15중량부의 비율로 혼합한다. 여기서, 폐유리는 다른 조성물과의 혼합이 용이하도록 분말 형태로 마련되는 것이 바람직하다. 또한, 발포제로서 다공질 세라믹 담체의 기공을 형성하는 탄산칼슘을 사용하는 것이 보다 효과적이다.

계속해서, 2차 혼합물을 저온에서 예컨대, 400∼600℃에서 가열 및 발포시킨다(S50).

마지막으로, 발포된 2차 혼합물을 압출성형기에 넣고 용도에 따라 펠릿(pellet) 타입으로 성형하거나, 스톤(stone) 타입으로 성형한다(S60).

이로써, 복수의 기공이 형성된 다공질 세라믹 담체의 제조가 완료된다.

이하에서는 본 발명에 따른 기술적 요지를 명확히 하기 위해, 본 발명에 따라 제조된 다공질 세라믹 담체와, 종래의 담체를 비교 시험한 결과에 대해 설명한다.

하기의 실시예1은 본 발명에 따라 제조된 다공질 세라믹 담체로서, 파인 세라믹 글라스의 소재로서 제올라이트 20중량％와, 일라이트 10중량％와, 인산지르코늄 10중량％와, 산화알루미늄 10중량％와, 산화마그네슘 10중량％와, 산화철 15중량％와, 산화규소 25중량％의 비율로 혼합화여, 1500℃로 용융하여 이물질 등을 제거하고 냉각시킨 후 200메시 이하로 분쇄하고, 폐유리 100중량부에 대해 분쇄된 파인 세라믹 글라스 100중량부와 발포제인 탄산칼슘 10중량부를 혼합하여, 가열로에 투입하여 500℃에서 가열 및 발포하여 의 연속가열로에 투입하여, 일정 크기로 성형한 다공질 세라믹 담체이다.

한편, 비교예1은 본 발명과 비교될 종래의 세라믹 담체로서, 폐유리미분 100중량부에 대해 산화철 10중량부와 이산화규소 15중량부를 혼합하여, 800℃에서 가열 및 발포하여 제조된 세라믹 담체이다.

아래의 〔표 1〕에는 실시예1과 비교예1의 SiO₂, MgO, CaO, P₂O₅, K₂O 분석과, pH값, 밀도, 비표면적, 기공률에 대해 시험 측정한 결과가 도시되어 있고, 〔표 2〕는 압축하중에 대해 시험 측정한 결과가 도시되어 있다.

분석항목 중 SiO₂, MgO, CaO, P₂O₅, K₂O 분석에 사용된 ICP-OES는 PERKIN-ELMER사의 OPTIMA 5300 DV를 사용하였으며, 밀도는 한국공업규격 KS M 0004에 의하여 수행하였는데 Gas Pycnometer(모델:AccuPyc 1330, Micromeritics)를 이용하여, 헬륨가스를 주입하여 시료가 차지하고 있는 부피를 알아내어 비중을 측정, 의뢰 시료는 10회 측정 평균값으로 그 결과에 대한 표준편차(STD)를 명시하였다. pH는 시료 2g을 증류수 100mL에 녹여 측정하였다.

비표면적 및 기공률, 압축하중은 시험온도 26℃±1℃, 상대습도 30％R.H.±1％R.H.의 환경에서 비표면적은 가스흡착식 비표면적, 기공분포 측정기(모델:Micromeritics ASAP24240)를 이용하여, 300℃에서 1.333Pa(10㎛Hg)이하로 압력을 내려서 탈기시킨 후 질소가스를 사용하여 측정하였고, 기공률은 Micromeritics사 AUTOPORE IV 9500(V1.06)로 수은압입법에 의한 기기분석으로 측정하였고, 압축하중은 INSTRON 4204를 사용하여 측정하였다.

상기 〔표 1〕에 도시된 바와 같이, 실시예1은 비교예1에 비해 pH값이 낮고, 밀도 및 비표면적은 상대적으로 높으며, 특히 기공률은 월등히 높은 것을 알 수 있다.

또한, 〔표 2〕에 도시된 바와 같이, 실시예1은 비교예1에 비해 압축하중이 월등히 높아, 내구성이 우수한 것을 알 수 있다.

〔표 3〕에는 실시예1과 비교예1의 탈취율에 대해 시험 측정한 결과가 도시되어 있다.

탈취율은 가스검지관법을 이용하여 분석하였는데, 시험편 1.0g, 가스백 5L, 가스백 내 가스량 3L, 초기농도 암모니아 100ppm, 포름알데히드 15ppm를 2시간 경과 후 시험가스백 안에 남아 있는 각각의 시험가스의 농도를 측정하였다.

상기 〔표 3〕에 도시된 바와 같이, 실시예1은 비교예1에 비해 탈취율이 우수한 것을 알 수 있다.

〔표 4〕에는 실시예1과 비교예1의 항균력에 대해 시험 측정한 결과가 도시되어 있다.

항균력은 중화용액 사용량 50mL, 접종배지 TSB 1mL, 시료무게 10.0g을 시험균액을 (37±1)℃에서 24시간 진탕배양(진탕횟수를 120회/분) 후 균수를 측정하여 한국공업규격 KS J 4206:2008 (진탕플라스크법)에 의해 수행하였다.

상기 〔표 4〕에 도시된 바와 같이, 실시예1은 비교예1에 비해 항균력이 월등히 우수한 것을 알 수 있다.

상기 〔표 1〕 내지 〔표 4〕에 도시된 바와 같이 일라이트, 산화알루미늄,산화마그네슘이 포함되지 않을 경우 각 성분들의 촉매반응 효과가 떨어져 비표면적, 기공율이 낮게 나타났으며, 고온발포 공정을 거친 파인 세라믹 글라스(Fine Ceramic Glass)를 혼합한 후, 저온발포공정이 없을 경우 압축강도가 낮아지는 현상을 보였다.

또한 제올라이트, 인산지르코늄이 포함되지 않을 경우 탈취율 및 항균력이 현저히 낮게 나타난다.

따라서, 본 발명에 따른 파인 세라믹 글라스를 만드는 고온발포공정과, 제올라이트, 일라이트, 인산지르코늄, 산화알루미늄, 산화마그네슘의 성분을 혼합 할 경우 높은 기공율과 비표면적을 가지며, 탈취율 및 항균력이 우수한 발포세라믹 담체를 제조할 수 있음을 알 수 있다.

이와 같이, 본 발명에 따르면, 제올라이트와 일라이트와 인산지르코늄과 산화알루미늄과 산화마그네슘과 산화철과 산화규소가 혼합된 파인 세라믹 글라스(fine ceramic glass)와, 폐유리와, 발포제를 혼합하여 고기능성 무기재료가 단결정화된 다공질 세라믹 담체를 제조함으로써, 고유의 탈취력과 항균, 산화능력을 가지며, 수질의 중금속을 흡착하거나 악취를 정화 및 탈취할 수 있고, 무기물 고유의 미세 중금속 및 유해 물질들을 제조과정에서 제거하여 친환경적인 정화 여재로 사용할 수 있고, 2차 환경오염을 줄일 수 있게 된다.

상기한 실시예는 예시적인 것에 불과한 것으로, 당해 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 하기의 특허청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims

제올라이트와 일라이트와 인산지르코늄과 산화알루미늄과 산화마그네슘과 산화철과 산화규소가 혼합된 파인 세라믹 글라스(fine ceramic glass)와, 폐유리와, 발포제가 혼합하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 다공질 세라믹 담체.
제1항에 있어서,
상기 파인 세라믹 글라스는 상기 제올라이트 20∼25중량％와, 상기 일라이트 8∼12중량％와, 상기 인산지르코늄 10∼13중량％와, 상기 산화알루미늄 10∼15중량％와, 상기 산화마그네슘 7∼10중량％와, 상기 산화철 15∼20중량％와, 상기 산화규소 25∼30중량％의 비율로 혼합되는 것을 특징으로 하는 다공질 세라믹 담체.
제1항에 있어서,
상기 폐유리 100중량부에 대해 상기 파인 세라믹 글라스 85.5∼ 112.5중량부와, 상기 발포제 5∼15중량부의 비율로 혼합되는 것을 특징으로 하는 다공질 세라믹 담체.
제1항에 있어서,
상기 발포제는 탄산칼슘인 것을 특징으로 하는 다공질 세라믹 담체.
제올라이트와 일라이트와 인산지르코늄과 산화알루미늄과 산화마그네슘과 산화철과 산화규소를 혼합하여, 1차 혼합물을 형성하는 단계와;
상기 1차 혼합물을 고온에서 가열 및 발포한 후, 냉각시키는 단계와;
상기 냉각된 1차 혼합물을 분말의 형태로 분쇄하여, 파인 세라믹 글라스(fine ceramic glass)를 형성하는 단계와;
상기 파인 세라믹 글라스와, 폐유리와, 발포제를 혼합하여 2차 혼합물을 형성하는 단계와;
상기 2차 혼합물을 저온에서 가열 및 발포하는 단계와;
상기 발포된 2차 혼합물을 일정 크기로 성형하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다공질 세라믹 담체의 제조방법.
제5항에 있어서,
상기 1차 혼합물은 상기 제올라이트 20∼25중량％와, 상기 일라이트 8∼12중량％와, 상기 인산지르코늄 10∼13중량％와, 상기 산화알루미늄 10∼15중량％와, 상기 산화마그네슘 7∼10중량％와, 상기 산화철 15∼20중량％와, 상기 산화규소 25∼30중량％의 비율로 혼합되는 것을 특징으로 하는 다공질 세라믹 담체의 제조방법.
제5항에 있어서,
상기 2차 혼합물은 상기 폐유리 100중량부에 대해 상기 파인 세라믹 글라스 85.5∼ 112.5중량부와, 상기 발포제 5∼15중량부의 비율로 혼합되는 것을 특징으로 하는 다공질 세라믹 담체의 제조방법.
제5항에 있어서,상기 발포제는 탄산칼슘인 것을 특징으로 하는 다공질 세라믹 담체의 제조방법.
제5항에 있어서,
상기 파인 세라믹 글라스는 200메쉬(mesh) 이하의 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 다공질 세라믹 담체의 제조방법.
제5항에 있어서,
상기 1차 혼합물은 1300∼1600℃에서 가열 및 발포되는 것을 특징으로 하는 다공질 세라믹 담체의 제조방법.
제5항에 있어서,
상기 2차 혼합물은 400∼600℃에서 가열 및 발포되는 것을 특징으로 하는 다공질 세라믹 담체의 제조방법.