KR101535911B1 - 레드머드를 활용한 흙고화재 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 레드머드를 활용한 흙고화재 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 레드머드와 소각잔재와 탈황분진 등 산업부산물을 재활용할 수 있는 레드머드를 활용한 흙고화재 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 의한 흙고화재 제조방법은 1) 함수율이 30중량% ~ 70중량%인 레드머드 100중량부에, 페트로 코우크스를 연소하는 소각로에서 발생하고 산화칼슘(CaO) 함량이 20중량% 이상인 페트로 코우크스 연소재 5~200중량부를 혼합하여 양생한 후 파쇄하여 레드머드 건조분말을 제조하는 단계; 및 2) 상기 레드머드 건조분말에 대하여 강도발현제를 혼합하는 단계;를 포함한다.

Description

레드머드를 활용한 흙고화재 제조방법{SOIL SOLIDIFIED MANUFACTURING METHOD}
본 발명은 레드머드를 활용한 흙고화재 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 레드머드와 페트로 코우크스 연소재와 소각잔재 등 산업부산물을 재활용할 수 있는 레드머드를 활용한 흙고화재 제조방법에 관한 것이다.
레드머드(Red mud)는 보오크사이트로부터 수산화알루미늄/알루미나(Al(OH)3/Al2O3)를 제조하는 과정에서 부산물로 발생하는 물질이다. 레드머드의 주성분은 Fe2O3 이며, 이로 인해 적색의 색상이 발현되어 레드머드라 통칭되고 있으며, 국내에서 연간 약 20만톤 가량이 부산물로 발생된다. 이러한 레드머드는 최종 배출시 약 50중량% 정도의 함수율을 가진 슬러지 상태로 배출되는데 이러한 함수상태의 산업부산물은 재활용하기에 곤란하다.
따라서 현재에는 레드머드를 활용하기 위하여는 로타리 드라이어에 레드머드를 투입하여 가열해 탈수하는 과정을 거쳐 분말화 한 후 건축재료의 안료 등으로 일부 사용하고 있는 실정이다.
상기 로타리 드라이어를 이용하여 50중량% 정도의 함수율을 가진 레드머드를 완전히 건조하기 위하여는 레드머드 1톤당 약 4만원 이상의 연료비가 필요하기 때문에 비경제적이며, 그 활용용도도 레드머드의 적색을 이용한 일부 건축자재의 안료 등으로 활용되고 있어 그 활용용도가 극히 제한적이다.
따라서 산업부산물로 발생하는 레드머드의 효과적, 효율적 재활용을 위하여는 건조공정의 효율화를 통한 경제성확보와 흙을 고화시키는 토목용 고화재로 활용하는등 용처를 확대하는 기술의 개발이 시급히 요구되고 있다.
공개특허공보 제10-2013-0046775호
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 흡수 및 발열작용을 하는 CaO가 다량 함유된 페트로 코우크스 연소재와 소각잔재와 레드머드를 일정비율 혼합하여 레드머드의 함수율을 저감시키는 전처리단계를 거친 후 건조시키고, 분말화된 레드머드 건조분말을 원료로 활용한 흙고화재 제조방법을 제공함에 있다.
위와 같은 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명에 의한 흙고화재 제조방법은 1) 함수율이 30중량% ~ 70중량%인 레드머드 100중량부에, 페트로 코우크스를 연소하는 소각로에서 발생하고 산화칼슘(CaO) 함량이 20중량% 이상인 페트로 코우크스 연소재 5~200중량부를 혼합하여 양생한 후 파쇄하여 레드머드 건조분말을 제조하는 단계; 및 2) 상기 레드머드 건조분말에 대하여 강도발현제를 혼합하는 단계;를 포함한다.
또한 상기 강도발현제는 상기 레드머드 건조분말 100중량부에 대하여 5~100중량부를 혼합하며, 상기 강도발현제는 포틀랜트 시멘트, 고로슬래그 시멘트, 플라이애시 시멘트 및 삼성분계 시멘트 중 어느 하나 이상으로 이루어지고, 상기 삼성분계 시멘트는 상기 포틀랜트 시멘트에 슬래그미분말 및 플라이애시를 혼입한 것이 바람직하다.
또한 상기 1)단계에서 상기 레드머드 100중량부에 대하여 산화칼슘(CaO) 함량이 20중량% 이상인 소각잔재 5~200중량부를 더 포함하며, 상기 소각잔재는 석탄재, 제지 슬러지 소각잔재, 바이오매스 소각잔재, 하수슬러지 소각잔재, 소각잔재, RDF(Refuse Derived Fuel) 소각잔재 및 RPF(Refuse Plastic Fuel) 소각잔재로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나이거나 둘 이상의 혼합물인 것이 바람직하다.
또한 상기 2)단계에서 상기 레드머드 건조분말 100중량부에 대하여, 포졸란 활성제 10~50중량부가 더 혼입되는 것이 바람직하다.
또한 상기 포졸란 활성제는 산화칼슘(CaO) 함량이 10중량% 미만인 석탄재, 또는 고로슬래그 미분말인 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 레드머드와, CaO가 다량 함유된 페트로 코우크스 연소재와 소각잔재 등 산업부산물을 재활용할 수 있는 효과가 있다.
이하, 본 발명에 의한 레드머드를 활용한 흙고화재 조성물 및 그 제조방법을 구체적으로 설명한다.
먼저, 본 발명에 의한 레드머드를 활용한 흙고화재의 구성성분 및 작용을 설명한다.
본 발명에 의한 레드머드를 이용한 흙고화재 조성물은 함수율이 30중량% ~ 70중량%인 레드머드 100중량부에 대하여, 산화칼슘(CaO) 함량이 20중량% 이상이며, 산화제이철(Fe2O3) 함량이 5중량% 이상인 소각잔재와 탈황분진 5~200중량부를 포함한다.
또한 상기 소각잔재는 석탄재, 제지 슬러지 소각잔재, 바이오매스 소각잔재, 하수슬러지 소각잔재, 페트로 코우크스를 연소하는 소각로에서 발생하는 탈황석고, RDF(Refuse Derived Fuel) 소각잔재 및 RPF(Refuse Plastic Fuel) 소각잔재로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나이거나 둘 이상의 혼합물인 것이 바람직하다.
또한 상기 탈황분진은 제철소 제철 및 제강공정에서 발생되는 탈황부산물로서 슬래그 더스트 또는 KR슬래그 분진 등이다.
상기 소각잔재 및 탈황분진은 0.001~0.1cm의 입경을 갖는 것이 바람직하다. 또한 상기 소각잔재의 비표면적은 2,000~6,000cm2/g의 것이 바람직하다.
또한, 레드머드 혼합 건조물의 색상을 붉은색으로 유지하기 위하여 상기 소각잔재 및 탈황분진의 산화제이철(Fe2O3) 성분은 5중량% 이상이어야 한다. 상기 소각잔재 및 탈황분진의 색상은 그 원료중의 산화제이철(Fe2O3) 함량에 의해서 결정된다. 산화제이철(Fe2O3) 함량이 낮을수록 그 원료의 색상은 백색 및 회백색을 띄게 되고 산화제이철(Fe2O3) 함량이 높아질수록 갈색의 색상이 발현된다. 따라서 흙고화재의 특성상 고화재의 색상을 갈색 내지 붉은색으로 유지하기 위하여 소각잔재 및 탈황분진의 산화제이철(Fe2O3) 성분은 5중량% 이상이어야 한다.
소각잔재 및 탈황분진에 다량 함유된 산화칼슘은 물과 반응하여 흡수, 발열 및 팽창하여 수산화칼슘이 된다. 이에 대한 반응식은 아래와 같다.
CaO+ H2O->Ca(OH)2+15.6 mol-1
통상 소각잔재는 콘크리트 혼화재료로 재활용됨에도 불구하고, 위와 같이 산화칼슘이 다량 함유된 소각잔재는 흡수, 발열 및 팽창 특성이 있어 콘크리트 혼화재료로 활용이 불가능하다.
따라서 본 발명은 콘크리트 혼화재료로 활용이 불가능한 소각잔재들을 이용하는 것이다. 석탄재는 발전소에서 많이 생성되는데, 특히, 노내 탈황방식을 갖는 발전소에서 생성되는 석탄재가 산화칼슘의 함유량이 높다. 노내 탈황방식의 경우, 석탄과 석회석을 혼합연소하기 때문에 석탄재에 다량의 Free CaO가 함유되게 된다.
한편 페트로 코크스 탈황석고는 페트로 코크스를 연료로 연소하는 소각로에서 노내 탈황을 위하여 페트로 코크스와 석회석을 혼합연소하기 때문에 소각재에 다량의 석고성분과 CaO가 함유되게 된다.
또한 상기 탈황분진은 제철소 제철 및 제강공정에서 발생되는 탈황부산물로서 슬래그 더스트, KR슬래그 분진 등이 있다. 이러한 탈황분진은 제철소의 제철 및 제강공정에서 황산 가스의 대기방출을 방지하기 위하여 탈황재로서 석회석을 사용하게 되는데 고온에서 탈 탄산된 CaO 입자상 물질과 황성분이 결합하여 분진에 다량의 SO3 성분과 CaO 성분이 함유되게 된다.
따라서, 함수율이 높은 레드머드와 산화칼슘이 다량 함유된 소각잔재 및 탈황분진을 혼합하면, 위의 반응으로 수산화칼슘이 생성되면서 레드머드의 수분이 저감되는 것이다. 또한 역시 위의 반응으로 발생되는 열이 레드머드의 수분을 증발시키기 때문에 더욱더 레드머드의 함수율을 저감시킬 수 있게 되는 것이다.
이러한 공정을 거쳐 혼합물의 함수율을 저감한 후 그 혼합물을 로터리 드라이어에 투입할 경우 건조효율이 높아져 레드머드 1톤당 약 3만원의 연료비면 건조가 충분히 가능하여 경제적인 공정운영이 보장되는 것이다.
상기 소각잔재 및 탈황분진의 비표면적은 2,000~6,000cm2/g인 것이 바람직하다. 상기 소각잔재 및 탈황분진의 비표면적이 2,000cm2/g 미만일 경우 미립분이 부족하여 레드머드와 혼합시 함수율 저감효과가 저하되고, 비표면적이 6,000cm2/g을 초과일 경우 혼합시설 내에서의 이송시 겉보기 밀도가 낮아져 계량 및 이송 중에 비산되고 설비 가동성이 저하된다.
또한 본 발명에서는 상기 레드머드와 소각잔재 및 탈황분진을 혼합한 혼합물을 로타리 드라이어에 투입하여 직접가열을 통하여 혼합물을 건조하는 공정을 거친다. 상기 혼합물을 직접가열방식 로타리 드라이어에 투입하여 수분 2중량% 이내의 완전 건조된 레드머드 건조분말을 회수할 수 있다.
또한 상기 레드머드 건조분말을 이용한 고화재가 강도를 발현하기 위하여 강도발현제가 혼입되는 것이 바람직하다. 상기 강도발현제는 포틀랜트 시멘트, 고로슬래그 시멘트, 플라이애시 시멘트 또는 포틀랜트 시멘트에 슬래그미분말 및 플라이애시를 혼입한 삼성분계 시멘트 중 어느 하나 이상이 더 포함되되, 강도발현제는 상기 레드머드 건조분말 100중량부에 대하여 5~100중량부가 더 포함되는 것이 바람직하다. 상기 시멘트는 통상적으로 시장에서 수득이 가능한 공산품을 구매하여 사용하는 것이다.
또한 상기 강도발현제는 상기 레드머드건조분말 100중량부에 대하여 5~100중량부 혼입되는 것이 바람직하다. 5중량부 미만으로 혼입되는 경우 소정의 강도를 발현하지 못하여 고화재 조성물이 흙과 혼입되어 고화체를 형성한 후 우천이나 지하수 및 지표수와 접촉할 경우 다시 슬러리화 될 위험이 있으며, 100중량부를 초과하여 과량 혼입될 경우 수화물이 과량 생성되어 강도는 크게 증가되나 너무 단단하여 토질역학적인 기준치를 초과하여 고화재의 특성을 만족하지 못할 우려가 있다.
또한 상기 레드머드 건조분말을 이용한 고화재가 포졸란 활성을 통해 장기적인 강도를 유지하기 위하여 포졸란 활성제가 더 포함되되, 상기 포졸란 활성제는 상기 레드머드 건조분말 100중량부에 대하여 10~50중량부 더 혼입되는 것이 바람직하다.
10 중량부 미만 혼입될 경우 포졸란 활성이 충분치 못하여 장기강도의 유지가 어렵게 되며, 50중량부 이상일 경우 혼합물내의 시멘트량이 상대적으로 부족하게 되어 고화재 조성물의 강도가 충분히 발현되지 못하게 된다.
또한 상기 포졸란 활성제는 산화칼슘(CaO) 함량이 10중량% 미만인 석탄재, 또는 고로슬래그 미분말인 것이 바람직하다.
이하에서는 본 발명에 의한 레드머드를 활용한 흙고화재의 제조방법을 설명한다.
본 발명에 의한 레드머드를 활용한 흙고화재 조성물의 제조방법은 1) 레드머드 슬러지 100중량부에 대하여, 산화칼슘(CaO) 함량이 20중량% 이상이며, 산화제이철(Fe2O3) 함량이 5중량% 이상인 페트로 코우크스 연소재 및/또는 소각잔재 5~200중량부를 혼합하여 양생한 후 파쇄하여 레드머드 건조분말을 제조하는 단계; 2) 레드머드 건조분말 100중량부에 대하여, 강도발현제 5~100중량부 및/또는 포졸란 활성제 10~50중량부를 혼합하는 단계;를 포함한다.
상기 1)단계에서 페트로 코우크스 연소재 및 소각잔재가 5 중량부 미만 혼입되면 함수율 저감이 충분치 않아 로타리 드라이어를 통하여 건조할 시 너무 많은 연료비용이 들어가게 되며, 200 중량부 이상 혼입되면 산화제이철(Fe2O3) 함량이 5중량% 이상 되더라도 레드머드의 붉은색을 너무 저감하게 되어 흙고화재로서의 요구되는 색상을 만족할 수 없게 된다.
또한 상기 소각잔재는 석탄재, 제지 슬러지 소각잔재, 바이오매스 소각잔재, 하수슬러지 소각잔재, 소각잔재, RDF(Refuse Derived Fuel) 소각잔재 및 RPF(Refuse Plastic Fuel) 소각잔재로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나이거나 둘 이상의 혼합물이다.
또한 상기 강도발현제는 포틀랜트 시멘트, 고로슬래그 시멘트, 플라이애시 시멘트 및 삼성분계 시멘트 중 어느 하나 이상으로 이루어지고, 상기 삼성분계 시멘트는 상기 포틀랜트 시멘트에 슬래그미분말 및 플라이애시를 혼입한 것이다.
또한 상기 포졸란 활성제는 산화칼슘(CaO) 함량이 10중량% 미만인 석탄재, 또는 고로슬래그 미분말이다.
이하, 본 발명을 하기 실시예 및 비교예에 의하여 보다 구체적으로 설명하고자 한다. 다만, 하기 실시예 및 비교예는 본 발명을 예시하기 위함이며 본 발명의 권리범위가 이들 실시예 및 비교예의 범위에 한정되는 것이 아닌 것은 자명하다.
실시예
먼저, 함수율 53중량%의 레드머드 100중량부에 대하여 산화칼슘 함량이 38중량%이며 산화제이철 함량이 8중량%인 고칼슘 석탄재 50중량부와, 산화칼슘 함량이 43중량%이며 산화제이철 함량이 6중량%인 제철소 탈황분진(CH) 50중량부를 균일하게 혼합하여 시험실 건조로를 이용하여 완전히 건조된 레드머드 건조분말을 제조 한후, 이 레드머드 건조분말 100중량부에 대하여 고로 슬래그 시멘트 50중량부와 CaO 함량이 2중량%인 석탄재 25중량부를 균일하게 혼합하여 흙고화재를 제조하였다.
다음으로 천연토사(황토) 100중량부에 대하여, 위와 같이 제조된 흙고화재 20중량부와 고화재 동일량인 물 20중량부를 첨가하여 강제식 믹서로 충분히 혼합한 후 흙고화체를 토대로 12개의 공시체를 제작하여 이를 7일간 20에서 양생하였다.
비교예
비교예 에서는 천연토사(황토) 100중량부에 대하여, 시중에서 판매되는 포틀랜트 시멘트 20중량부와 시멘트 동일량인 물 20중량부를 첨가하여 강제식 믹서로 충분히 혼합한 후 흙고화체를 토대로 12개의 공시체를 제작하여 이를 28일간 20에서 양생하였다.
고화토의 성능시험방법 및 결과
아래 표 1에 나타낸 바와 같이 압축강도는 KS F 2343 투수계수시험은 KS F 2322 방법에 의해 실시하였다.
실험 방법 비고
압축강도 KS F 2343 일축압축강도법
투수계수 KS F 2322 변수위 투수시험법
그리고 표 1에 따른 실시예 및 비교예에 대한 시험결과는 표 2 에 기재된 바와 같다.
구분 실시예 비교예
압축강도(kgf/cm2)
 재령3일 13.5 12.8
재령7일 26.4 19.7
재령28일 36.3 25.7
투수계수(cm/sec) 재령28일 5.58 ×10-7 5.37×10-7
(1) 일축압축강도의 변화
표 2에 나타난 바와 같이 본 발명에 의해 제조된 흙고화재를 이용한 흙고화체의 일축압축강도는 재령28일 기준으로 36.3kgf/cm2로 측정되어 비교예의 천연토사에 시멘트만 혼입한 고화체의 일축압축강도인 25.7kgf/cm2보다 우수하게 나타났으며, 흙포장용 고화재, 사면 안정처리용 고화재, 연약지반 개량재, 차수재, 뒷채움재 등 다양한 지반용 재료로도 활용할 수 있는 강도 발현을 보였다.
이것은 고화재와 혼합시 흡수발열반응에 의해 수분저감 및 강도발현이 일어나 입자의 단결화를 이루어 압밀 촉진 효과를 얻을 수 있고 CaO와 SiO2 성분에 의해 칼슘실리케이트 반응이 유도되어 압축강도를 확보할 수 있는 고화반응이 일어나 강도를 증진시키기 때문이라 판단된다.
(2) 투수특성
표 2의 투수계수 측정치에서 알 수 있듯이 재령 28일의 투수계수를 측정한 결과 실시예 및 비교예 모두 불투수층을 구성하였다. 따라서 기존의 시멘트를 고화재로 이용한 고화공법과 동등 이상의 차수성능을 발휘하는 것으로 판단되어 본 발명에 의해 제조된 레드머드를 이용한 흙고화재 조성물은 쓰레기 매립지의 차수층 구성용 고화재, 토목 기초구조용 SCW 공법용 고화재, DCM공법용 고화재 등으로 활용될 가치가 충분하다고 판단된다.

Claims (5)

1) 함수율이 30중량% ~ 70중량%인 레드머드 100중량부에, 페트로 코우크스를 연소하는 소각로에서 발생하고 산화칼슘(CaO) 함량이 20중량% 이상인 페트로 코우크스 연소재 5~200중량부를 혼합하여 양생한 후 파쇄하여 레드머드 건조분말을 제조하는 단계; 및
2) 상기 레드머드 건조분말 100중량부에 대하여 강도발현제 5~100중량부와 포졸란 활성제 10~50중량부를 혼합하는 단계;를 포함하며,
상기 강도발현제는 포틀랜트 시멘트, 고로슬래그 시멘트, 플라이애시 시멘트 및 삼성분계 시멘트 중 어느 하나 이상으로 이루어지고,
상기 삼성분계 시멘트는 상기 포틀랜트 시멘트에 슬래그미분말 및 플라이애시를 혼입한 것이고,
상기 1)단계에서 상기 레드머드 100중량부에 대하여 산화칼슘(CaO) 함량이 20중량% 이상인 소각잔재 5~200중량부를 더 포함하며,
상기 소각잔재는 석탄재, 제지 슬러지 소각잔재, 바이오매스 소각잔재 및 하수슬러지 소각잔재로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나이거나 둘 이상의 혼합물이고,
상기 포졸란 활성제는 산화칼슘(CaO) 함량이 10중량% 미만인 석탄재, 또는 고로슬래그 미분말인 것을 특징으로 하는 흙고화재 조성물 제조방법.
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