KR101471003B1 - 그래뉼화 된 벤토나이트 성형체의 제조방법 및 이에 따라 제조된 그래뉼화 된 벤토나이트 성형체 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 벤토나이트 원료에 모래, 알루미나 또는 흑연을 첨가한 후 700 내지 1200 ℃에서 가열하는 과정 및 가열에 의해 형성된 벤토나이트 성형체를 분쇄하여 일정한 크기의 그래뉼로 제조하는 과정를 포함하는 그래뉼화된 벤토나이트의 제조방법에 관한 것이다.

Description

그래뉼화 된 벤토나이트 성형체의 제조방법 및 이에 따라 제조된 그래뉼화 된 벤토나이트 성형체{Manufacturing Method of Bentonite Granule and the Bentonite Granule manufactured by the Same}
본 발명은 그래뉼화 된 벤토나이트 성형체의 제조방법 및 이에 따라 제조된 벤토나이트 성형체에 관한 것이다.
벤토나이트는 물을 흡수하여 자체적으로 팽창하는 성질을 가지고 있으며, 이 성질을 이용하여 토목공사의 차수벽이나 지중열교환기의 그라우팅재(Grout)로 많이 사용되고 있다. 그러나 순수한 벤토나이트는 열전도도가 낮아, 높은 열전달이 요구되는 지열분야에 사용하는 경우에는 열전도도를 증가시킬 수 있는 각종 재료를 혼합하여 사용할 수 있다. 그러나, 이들을 많이 혼합하면 벤토나이트와의 비중차이로 인해 혼합물이 재료별로 분리되는 분리 현상이 나타나 많은 문제점을 야기시키고 있다.
따라서, 이에 대한 개선을 위하여 다양한 방법이 시도되고 있다. 예를 들어, 한국 공개 특허 제2010-0060916호에서는 고밀도의 벤토나이트 압축물을 제조하는 방법을 제공하고 있다. 그러나 이는 벤토나이트 건조분말을 고밀도로 압축한 후, 이후 물에 젖게 하여 팽윤압이 걸리게 한 후 건조하는 것으로서, 다시 물에 젖게 되는 경우 쉽게 해리되는 등의 해교 특성에 문제점이 있다.
(특허문헌 1) 한국공개특허 제2010-0060916호
본 발명은 분리 현상을 개선하고 해교 특성을 향상시킬 수 있는 그래뉼화된 벤토나이트의 제조 방법을 제공한다.
본 발명은 벤토나이트와 모래, 알루미나, 흑연 등을 미리 혼합한 성형체로 만들어 그라우팅재로 사용할 수 있도록 하는 그래뉼화된 벤토나이트의 제조 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 지열 응용 분야 등 다양한 용도에 적용할 수 있는 그래뉼화된 벤토나이트의 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 실시 형태에 따른 그래뉼화된 벤토나이트 성형체의 제조방법은 벤토나이트 원료에 보조 성분으로 모래, 알루미나 및 흑연 중 적어도 어느 하나를 첨가하여 혼합하는 과정; 상기 혼합물을 700 내지 1200℃에서 가열하는 과정; 및 가열에 의해 형성된 성형체를 분쇄하여 그래뉼로 제조하는 과정;을 포함한다.
이때, 벤토나이트 원료로 Na계 벤토나이트 원료를 사용하거나, Ca계 벤토나이트에 Na2CO3 를 혼합하고 열처리하여 활성화시킨 후 사용할 수 있다.
또한, 혼합 과정은 Ca계 벤토나이트 원료에 Na2CO3 를 혼합하는 단계 및 모래, 흑연 또는 알루미나를 더 첨가하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 알루미나는 평균입경이 10 내지 1000㎛ 범위일 수 있으며, 상기 모래는 평균입경이 10 내지 1000㎛ 범위일 수 있고, 상기 그래뉼의 평균직경은 1 내지 10 mm 범위일 수 있다.
또한, 보조 성분은 벤토나이트 원료 중량에 대하여 10중량% 내지 1000중량%가 혼합될 수 있다.
한편, 본 발명의 실시 형태에 따른 그래뉼화된 벤토나이트 성형체는 상기의 제조 방법에 의하여 제조된 그래뉼화된 벤토나이트 성형체이다.
본 발명의 실시 형태에 따르면, 각 재료를 혼합한 후 열처리하여 일체화된 성형체를 제조하므로, 재료별로 분리되는 분리 현상을 방지할 수 있고, 해교 특성이 우수한 벤토나이트 그래뉼을 제공할 수 있다.
또한, 이러한 그래뉼화된 벤토나이트를 그라우팅 공법에 사용할 때에 있어서, 쉽게 층분리가 되지 않아 상용성이 우수하고 시공이 편리한 효과를 제공한다.
도 1은 본 발명의 그래뉼화된 벤토나이트 성형체의 제조방법의 공정 순서도이다.
도 2는 본 발명에 따른 그래뉼화된 벤토나이트의 분쇄 정도에 따른 입자 크기를 비교한 사진으로, 좌측은 열처리 공정 후의 벤토나이트, 중앙은 조분쇄된 그래뉼, 우측은 미분쇄된 분말 벤토나이트이다.
도 3은 본 발명에 따른 그래뉼화된 벤토나이트의 시간에 따른 해교특성을 나타낸 사진이다.
도 4는 본 발명에 따른 그래뉼화된 벤토나이트와 종래 벤토나이트와 모래 조성물의 층분리 현상을 비교한 사진이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 발명을 상세하게 설명하기 위해 도면은 과장될 수 있고, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
본 발명의 그래뉼화된 벤토나이트의 제조방법은 벤토나이트 원료에 모래, 알루미나 및 흑연 중 적어도 어느 하나를 첨가하여 혼합하는 과정(S10), 상기 혼합물을 700 내지 1200℃에서 가열하는 열처리 과정(S20), 및 가열에 의해 형성된 성형체를 분쇄하여 그래뉼로 제조하는 과정(S30)을 포함한다.
도 1를 참조하면, 우선 각종 원료를 마련하고, 이들 원료를 소정 비율로 혼합한다(S10). 이때 벤토나이트 원료는 Na계 벤토나이트 원료를 사용하거나, Ca계 벤토나이트에 Na2CO3 를 혼합하고 열처리하여 활성화 시킨 후 사용할 수 있다. 즉, Ca계 벤토나이트를 Na계 벤토나이트로 제조한 후 사용할 수 있다. 또한, 혼합 과정은 Ca계 벤토나이트 원료에 Na2CO3 를 혼합하고 여기에 모래, 알루미나 또는 흑연을 더 첨가하고 혼합하여 사용할 수 있다. 즉, 후술하는 열처리에 의하여 Ca계 벤토나이트 원료를 Na계 벤토나이트로 변환시키면서 모래 등의 다른 성분과 함께 가열할 수 있다.
또한, 본 발명에 사용되는 벤토나이트는 물과 접촉하면 자체 체적의 10~20배로 팽창하고, 건조상태가 되어 수분이 존재하지 않으면 원래의 체적으로 수축되는 천연점토의 일종으로서, 수분에 의한 겔화 팽창능 때문에 현재 지하건설공사 등과 같은 대부분의 대규모 토목공사의 방수재로서 사용되고 있다. 상기 벤토나이트는 몬모릴로나이트(montmorillonite)를 주 구성으로 하며, 벤토나이트 내의 몬모릴로나이트의 판상구조 사이에 Na+, Ca2 + 등의 양이온들 중 어느 양이온이 우세하게 존재하느냐에 따라서, 크게 Na계 벤토나이트와 Ca계 벤토나이트로 나뉠 수 있다. 자연 상에서 산출되는 벤토나이트는 주로 Ca계 벤토나이트 형태인데, Ca계 벤토나이트에 비하여 Na계 벤토나이트가 그 점도 및 팽윤도가 월등하기 때문에 Ca계 벤토나이트의 양이온을 Na로 치환시켜 Na계 벤토나이트의 형태로 이용한다. 구체적으로 상기 Ca계 벤토나이트를 채굴한 후, 이를 분쇄한 다음 여기에 Na2CO3 파우더와 혼합한 후, 이를 700 ~ 1200℃로 열처리하여 Na계 벤토나이트를 만들 수 있는데, 이를 활성화 공정이라 부르며, 이 공정에 혼합물을 투여한 후 같이 열처리하여 그래뉼화할 수도 있다. 상기 활성화 공정에 있어서, 가열하기 전에 벤토나이트에 모래, 알루미나 또는 흑연을 더 첨가할 수 있다.
또한, 상기 벤토나이트 원료의 입도는 원광을 분쇄하는 정도에 따라 결정되나, 효율적인 활성화 공정을 위해서는 입도가 작은 것이 좋다. 특별한 제한은 없으나 바람직하게는 평균입경이 1 내지 1000㎛인 벤토나이트 분말을 사용할 수 있다.
모래, 알루미나 또는 흑연 등은 열전도도를 높이기 위하여 첨가되는 보조 성분으로, 이들은 후술하는 열처리에 의하여 성형체에 일체화될 수 있다. 이때, 보조 성분은 모래, 알루미나 및 흑연 중에서 어느 하나를 사용할 수도 있고, 이들 중 복수개를 혼합하여 사용할 수 있다. 즉, 원하는 열전도도에 따라, 보조 성분의 재료 및 함량을 조절하여 벤토나이트 원료에 혼합할 수 있다.
또한, 보조 성분은 벤토나이트 원료 중량에 대하여 10중량% 내지 1000중량%가 혼합될 수 있다. 즉, 보조 성분 중 적어도 한 성분의 함유량이 10중량% 내지 1000중량% 일 수 있고, 복수의 보조 성분을 사용하는 경우 각 보조 성분을 합한 량이 10중량% 내지 1000중량% 일 수 있다. 예를 들면 보조 성분으로 알루미나와 모래를 같이 사용하는 경우, 알루미나 및 모래가 각각 벤토나이트 원료 중량에 대하여 5중량% 내지 500중량%일 수 있다. 모래, 알루미나, 흑연 등의 보조 성분이 상기 범위보다 많이 포함되는 경우에는 층간분리현상이 심하게 일어나며, 상기 범위보다 적게 포함되는 경우에는 열전도도 증대현상이 충분하지 않게 된다. 또한 혼합비율은 사용되는 벤토나이트 원료의 차수성능과 원하는 열전도에 따라 상기 범위에서 조절될 수 있다.
사용되는 모래에 특별한 제한이 없으나, 바람직하게는 10 내지 1000㎛의 평균입경을 갖는 모래를 사용할 수 있다. 모래의 평균입경이 10 ㎛미만 이면 열전도도를 증가시키는 효과가 떨어지고, 1000 ㎛를 초과하면 비중차이에 의해 침강현상이 심하게 일어나 벤토나이트와 모래가 분리되는 현상이 일어난다.
상기 알루미나는 본 발명의 벤토나이트 성형체의 열전도도를 높이기 위하여 사용된다. 상기 알루미나는 특별한 제한이 없으나, 바람직하게는 10 내지 1000㎛의 평균입경을 갖는 알루미나를 사용할 수 있다. 알루미나의 평균입경이 10㎛ 미만 이면 열전도도 증대 효과가 떨어지고, 1000㎛을 초과하면 비중차이에 의해 침강현상이 심하게 일어나 벤토나이트와 알루미나가 분리되는 현상이 일어난다.
흑연도 본 발명의 벤토나이트 성형체의 열전도도를 높이기 위하여 사용될 수 있고, 흑연의 종류 및 크기에 특별한 제한은 없다.
이어서, 각종 성분을 원하는 비율로 혼합한 혼합물을 소정 온도 범위에서 가열한다(S20). 즉, 혼합물을 가열로 등의 가열 장치에 투입하고 700 내지 1200℃ 범위에서 가열하여 각 성분들이 충분히 소결되도록 한다.
상기와 같이 벤토나이트에 모래, 알루미나 또는 흑연을 더 첨가한 후 열처리 장치에서 가열한다. 상기 가열시에 열처리 장치는 당업계에서 통상적으로 사용가능한 열처리 장치라면 특별한 제한 없이 사용할 수 있다. 상기 가열시에 가열온도는 700 내지 1200℃의 온도범위에서 이루어지는 것이 바람직하다. 상기 열처리 온도가 700℃ 미만이면 혼합물이 충분히 소결되지 않아 그래뉼화된 벤토나이트의 굳기 혹은 결합강도가 충분하지 않은 문제점이 있고, 1200℃를 넘으면, 지나치게 소결되어 그라우팅 공법에 사용하는 경우 적용성이 떨어지게 된다.
상기 열처리 장치에 의하여 혼합물을 가열하게 되면 벤토나이트 원료과 모래, 흑연 또는 알루미나를 포함하는 보조 성분이 함께 소결되어 이들 성분이 일체화된 소결 성형체를 얻게 된다. 즉, 벤토나이트와 보조 성분이 강하게 결합된 상태의 성형체를 얻을 수 있다. 이에, 제조된 성형체는 이후 여러 응용 분야에 사용될 때 재료 혹은 성분별로 분리되는 현상이 방지되거나 억제될 수 있다. 또한, 제조된 성형체는 물에 젖게 되더라도 쉽게 해교되지 않게 된다.
또한, Ca계 벤토나이트 원료와 Na2CO3 및 보조 성분(모래, 흑연 또는 알루미나)을 함께 혼합하여 열처리하는 경우 이들이 반응하여 Na계 벤토나이트를 형성하게 된다.
이후, 상기 소결된 성형체를 분쇄하여 일정한 크기의 그래뉼로 제조한다(S30). 즉, 소결된 성형체를 분쇄기에 의하여 분쇄하여 일정한 크기의 그래뉼화된 벤토나이트 성형체로 가공한다. 상기 분쇄기는 특별한 제한은 없으며, 분쇄속도와 분쇄시간을 적절하게 조절하면 원하는 크기의 그래뉼화된 벤토나이트 성형체를 얻을 수 있다. 본 발명에 있어서, 그래뉼화된 벤토나이트 성형체의 직경은 특별한 제한은 없으나, 구체적으로는 평균 직경이 1 내지 10 mm일 수 있고, 또한, 평균 직경이 1 내지 5 mm일 수도 있다. 이는 그라우팅재를 물과 혼합하여 천공 내에 주입하는 적당한 크기로, 1mm보다 작게 되면 열전도 상승의 효과가 떨어지며, 10mm를 초과하여 지나치게 큰 경우 천공 내에 주입하는 작업성이 떨어진다.
본 발명은 상기와 같은 그래뉼화된 벤토나이트의 제조방법에 의하여 제조된 벤토나이트 성형체를 제공한다.
이하, 실시예 및 실험예를 들어 본 발명을 보다 구체적으로 설명하지만, 이들은 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 이들에 의하여 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
실시예 1:
건조된 Na계 벤토나이트 원료 분말 50g(미국 CETCO사의 High TC Geothermal Grout)에 모래 10g을 넣은 후, 물 100g을 200 ml 비이커에 넣은 후, 10분간 교반하였다. 상기 혼합된 벤토나이트 혼합물을 건조기(120℃)에서 수분을 완전히 증발시킨 후, 가열로(아전 H-1200 모델의 가열로)에 넣고 800℃에서 1시간 열처리 하여, 유발로 조분쇄한 후, 10 메쉬의 체를 사용하여 직경 2mm 전후의 그래뉼화된 벤토나이트를 얻었다. 즉, 도 2에 나타낸 바와 같이, 좌측의 벤토나이트 성형체의 경우, 열처리한 직후의 분쇄가 안된 상태이고, 가운데의 벤토나이트 성형체의 경우 입자의 직경이 2mm 정도로 분쇄한 것으로, 본 실시예1에서 얻어진 그래뉼화된 벤토나이트 성형체이다. 한편 성형체를 더욱 미세하게 분쇄하면 분말을 얻을 수도 있다. 예를 들면, 도 2의 우측의 벤토나이트 성형체는 일반적으로 시판되고 있는 분말 형태로 완전히 분쇄가 된 것이다.
비교예 1:
건조된 Na계 벤토나이트 원료 분말 50g(미국 CETCO사의 High TC Geothermal Grout)에 모래 10g을 넣은 후, 물 100g을 200 ml 비이커에 넣은 후, 10분간 교반하여, 혼합된 벤토나이트 혼합물을 비교예 1로 사용하였다.
실험예 1: 해교현상
상기 실시예 1에서 제조된 그래뉼화된 벤토나이트를 사용하여 해교 현상을 관찰해 보았다. 도 3은 본 발명에 따른 그래뉼화된 벤토나이트의 시간에 따른 해교특성을 나타낸 사진이다.
도 3은 실시예 1에서 제조된 그래뉼화된 벤토나이트 성형체의 해교 특성을 나타낸 사진인데, 물에 침수되고 교반한 직후를 촬영한 도 3의 (a)의 상태와 침수 및 교반한 후 8시간이 지난 후를 촬영한 도 3의 (b)를 비교해 보면, 둘 사이에 큰 차이가 없다. 즉, 교반 후 장시간이 지나더라도 해교 되지 않고, 초기 상태와 유사한 상태로 관찰된다. 이로 부터, 실시예 1의 그래뉼화된 벤토나이트 성형체는 시간에 따른 해교 특성에 차이가 없는 것을 알 수 있다.
실험예 2: 층분리 비교
도 4는 실시예 1에서 제조된 그래뉼화된 벤토나이트(우측)와 비교예 1의 벤토나이트 혼합물(좌측)의 층분리 현상을 나타내었다. 사진의 우측에서 보여지는 바와 같이 실시예 1의 그래뉼화된 벤토나이트는 층분리 현상 없이 균일하게 섞여있다. 반면, 사진의 좌측에서 보여지는 바와 같이, 비교예 1의 벤토나이트 혼합물은 밀도 차이에 따른 층분리 현상이 나타났다. 따라서, 실시예 1의 그래뉼화된 벤토나이트는 종래 벤토나이트 혼합물에 비하여, 각 성분이 쉽게 분리되지 않고 동일한 성분을 유지할 수 있다는 것을 알 수 있었다.
본 발명은 해교 특성이 우수하고 쉽게 층분리가 되지 않아 상용성이 우수한 벤토나이트 성형체를 제공하고, 이에 시공이 편리한 그라우팅 공법에 활용될 수 있다.
이처럼, 상용성이 우수할 뿐만 아니라 시공이 편리하여, 본 발명의 그라우팅재는 지중열교환기용 등 높은 열전달이 요구되는 분야에 이용할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며, 아래에 기재될 특허청구범위뿐만 아니라 이 청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (8)

  1. 벤토나이트 원료에 보조 성분으로 모래, 알루미나 및 흑연 중 적어도 어느 하나를 첨가하여 혼합하는 과정;
    상기 혼합물을 700 내지 1200℃에서 가열하는 과정; 및
    가열에 의해 형성된 성형체를 분쇄하여 그래뉼로 제조하는 과정;을 포함하고,
    상기 벤토나이트 원료로 Ca계 벤토나이트에 Na2CO3 를 혼합하고 열처리하여 활성화시킨 후 사용하거나,
    상기 혼합 과정이 Ca계 벤토나이트 원료에 Na2CO3 를 혼합하는 단계 및 모래, 흑연 또는 알루미나를 더 첨가하는 단계를 포함하는 그래뉼화된 벤토나이트 성형체의 제조방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 알루미나는 평균입경이 10 내지 1000㎛ 범위인 그래뉼화된 벤토나이트 성형체의 제조방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 모래는 평균입경이 10 내지 1000㎛ 범위인 그래뉼화된 벤토나이트 성형체의 제조방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 그래뉼의 평균직경이 1 내지 10 mm 범위인 그래뉼화된 벤토나이트 성형체의 제조방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 보조 성분이 벤토나이트 원료 중량에 대하여 10중량% 내지 1000중량%가 혼합되는 그래뉼화된 벤토나이트 성형체의 제조방법.
  8. 청구항 1, 청구항 4 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 기재된 제조 방법에 의하여 제조된 그래뉼화된 벤토나이트 성형체.
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