KR101683760B1

KR101683760B1 - 고화제 조성물

Info

Publication number: KR101683760B1
Application number: KR1020160028613A
Authority: KR
Inventors: 박상숙; 김학연
Original assignee: 늘솔자원개발 주식회사
Priority date: 2016-03-10
Filing date: 2016-03-10
Publication date: 2016-12-07

Abstract

본 발명은 고화제 조성물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 재활용이 거의 이루어지지 않고 있는 페로니켈 슬래그와 제지 슬러지 소각회를 혼합하여 페로니켈 슬래그에 부족한 CaO 성분을 보충시키고 과다하게 함유되어 있는 SiO2 성분을 상대적으로 감소시킨 혼합물에 알칼리활성화제로 수산화나트륨을 혼합함으로써 페로니켈 슬래그를 고화제로 재활용하여 자원낭비와 환경오염을 방지하고 유기성 오니를 저렴한 비용으로 고화 처리할 수 있는 고화제 조성물에 관한 것이다.
본 발명에 따른 고화제 조성물은, 페로니켈 제조 과정에서 얻어진 페로니켈 슬래그 분말, 제지 슬러지를 소각시켜 얻은 제지 슬러지 소각회 분말 및 수산화나트륨 분말이 혼합된 것을 특징으로 한다.

Description

고화제 조성물{SOLIDIFYING AGENT COMPOSITION}

본 발명은 고화제 조성물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 재활용이 거의 이루어지지 않고 있는 페로니켈 슬래그와 제지 슬러지 소각회를 혼합하여 페로니켈 슬래그에 부족한 CaO 성분을 보충시키고 과다하게 함유되어 있는 SiO2 성분을 상대적으로 감소시킨 혼합물에 알칼리활성화제로 수산화나트륨을 혼합함으로써 페로니켈 슬래그를 고화제로 재활용하여 자원낭비와 환경오염을 방지하고 유기성 오니를 저렴한 비용으로 고화 처리할 수 있는 고화제 조성물에 관한 것이다.

함수율이 높은 슬러지 케익은 종래에 해양투기에 의해 처리되어 왔으나, 2012년 부터 해양 배출이 전면 금지되면서 이에 대한 처리 방법이 긴급한 현안 문제로 부각되었다. 더욱이 슬러지 케익은 환경부에서 2003년 7월부터 고함수율 및 대량의 유기물 함량 때문에 매립지에 직매립을 금지하고 있으며, 폐기물 자원화의 정책에 따라 유기성 슬러지의 필요성으로 2007년에는 슬러지의 수분함량을 75% 이하로 하고 1일 500톤까지 매립이 가능하도록 규정이 바뀌었지만 이 역시 매립가스를 회수하여 재이용하는 시설에 한해서 허용되었고, 발생량이 많은 수도권에서는 매입량이 크게 부족한 실정이다. 따라서, 일부 수도권 매립지에서는 고화제와 혼합하여 고형화한 후 파쇄하여 복토재로 이용하는 방법으로 슬러지를 반입시키고 있는 실정이다.

이러한 슬러지의 발생량은 2012년 1일 10008톤에 이르며, 이는 총인처리기준의 강화로 이들을 처리하기 위한 시설의 증가로 더욱 크게 증가하게 될 것으로 예상되고 있으나, 현재 건조, 소각, 퇴비화 등의 방법 이외에 마땅한 처리 대안이 없는 실정이다.

따라서, 이들의 문제점을 해결하기 위해서는 유기성 폐기물로부터 매립가스(LFG) 생산 및 발전을 통한 에너지 회수를 목표로 하고 있는 폐기물자원화 매립지의 유기성분으로 활용하는 것이 바람직하며, 이를 위해서는 슬러지의 매립지 반입이 가능하도록 고형화한 후 복토재로 이용하는 방법이 최선의 방안으로 판단된다.

슬러지의 고형화를 위해서 일반 시멘트 혹은 고가의 고형화제를 사용하는 것은 비경제적이며 바람직하지 않다. 따라서, 대한민국 등록특허 제10-064846호(산업폐기물을 이용한 연약지반 및 슬러지 처리용 고화제조성물), 대한민국 공개특허 제10-2013-0033532호(유기성 슬러지 고화제 및 이를 이용한 인공토양 제조방법) 및 대한민국 등록특허 제10-1185428호(유기성 슬러지 고화제 및 이를 이용한 인공토양 제조방법) 등에 개시된 바와 같이 슬러지를 고형화하기 위한 재료로서 폐기물로 발생되고 있는 소각회, 석탄회, 고로슬래그 등을 이용한 다수의 제품이 출시되어 이용되고 있다. 이들은 대부분 시멘트 원료로 적합한 주로 CaO의 함량이 40% 이상인 고로 슬래그를 원료로 사용하고 있다. 고로 슬래그를 이용하여 고화제를 제조하는 과정은 고온의 소성과정을 거치기 때문에 다량의 에너지를 소비하면서 대기중에 온난화 주범인 CO2를 배출하는 문제점을 갖는다.

한편, 페로니켈(Ferronickel)의 제조시 발생되는 페로니켈 슬래그는 일반 고로 슬래그와 비교할 때 그 성분 조성이 매우 달러서 CaO의 함량이 1% 미만으로 CaO가 매우 부족하기 때문에 시멘트의 원료로 사용하기 어렵다. 또한, SiO2의 경우 고로슬래그에는 약 30% 이상 함유되어 있는 반면 페로니켈 슬래그는 50% 정도 함유되어 있어 페로니켈 슬래그는 아직까지는 일부 골재자원으로 활용되는 외에는 그 쓰임새가 거의 없는 실정이다.

한편, 제지고정에서 배출되는 슬러지의 소각재에는 CaO 성분이 60% 이상으로 많이 함유되어 있어서 시멘트의 재료로 활용가능성이 있는 특징을 가지고 있다.

대한민국 등록특허 제10-064846호 : 산업폐기물을 이용한 연약지반 및 슬러지 처리용 고화제조성물 대한민국 공개특허 제10-2013-0033532호 : 유기성 슬러지 고화제 및 이를 이용한 인공토양 제조방법 대한민국 등록특허 제10-1185428호 : 유기성 슬러지 고화제 및 이를 이용한 인공토양 제조방법

본 발명은 상기와 같은 점을 인식하여 안출된 것으로 본 발명의 목적은 현재까지 재활용이 거의 이루어지지 않고 있는 페로니켈 슬래그에 제지 슬러지 소각회를 혼합하여 페로니켈 슬래그에 부족한 CaO 성분을 보충시키고 과다하게 함유되어 있는 SiO2 성분을 상대적으로 감소시킨 혼합물에 알칼리활성화제로 수산화나트륨을 혼합함으로써 페로니켈 슬래그를 고화제로 재활용하여 자원낭비와 환경오염을 방지하고 유기성 오니를 저렴한 비용으로 고화 처리할 수 있는 고화제 조성물을 제공하기 위한 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 고화제 조성물은, 페로니켈 제조 과정에서 얻어진 페로니켈 슬래그 분말, 제지 슬러지를 소각시켜 얻은 제지 슬러지 소각회 분말 및 수산화나트륨 분말이 혼합된 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 고화제 조성물은, 상기 페로니켈 슬래그 분말과 제지 슬러지 분말은 페로니켈 슬래그 분말 : 제지 슬러지 분말 = 30 : 70 중량부로 혼합된 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 고화제 조성물은, 상기 페로니켈 슬래그 분말, 제지 슬러지 소각회 분말 및 수산화나트륨 분말은 페로니켈 슬래그 분말 : 제지 슬러지 소각회 분말 : 수산화나트륨 분말 = 28.5 : 66.5 : 5.0 중량부로 혼합된 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 고화제 조성물은, 상기 혼합물에는 전체중량 대비 SiO₂20 ~ 25%, CaO 50 ~ 55%, Al₂O₃ 5 ~ 7% 함유된 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 고화제 조성물은, 상기 페로니켈 슬래그 분말 및 제지 슬러지 소각회 분말의 분말도는 3000 ㎠/g 이상인 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성에 의하여 본 발명에 따른 고화제 조성물은 현재까지 재활용이 거의 이루어지지 않고 있는 페로니켈 슬래그에 제지 슬러지 소각회를 혼합하여 페로니켈 슬래그에 부족한 CaO 성분을 보충시키고 과다하게 함유되어 있는 SiO2 성분을 상대적으로 감소시킨 혼합물에 알칼리활성화제로 수산화나트륨을 혼합함으로써 CaO의 함량이 매우 적어서 수경성이 없는 페로니켈 슬래그를 고화제로 재활용하여 자원낭비와 환경오염을 방지할 수 있는 장점을 갖는다.

특히, 본 발명에 따른 고화제 조성물은 기존의 고화제와는 달리 소성과정을 거치지 않기 때문에 에너지 소비를 절감함으로써 저렴한 비용으로 제조가 가능하다.

이에 따라 본 발명에 따른 고화제 조성물을 이용하는 경우 유기성 오니를 저렴한 비용으로 고화 처리할 수 있으며, 유기성 오니의 고화시에 화학반응을 통한 발열반응이 진행되어 일부의 수분을 증발하기 때문에 별도의 건조를 위한 시설이 필요없는 장점이 있다.

본 발명의 일실시예 따른 고화제 조성물은 페로니켈 제조 과정에서 얻어진 페로니켈 슬래그 분말, 제지 슬러지를 소각시켜 얻은 제지 슬러지 소각회 분말 및 수산화나트륨 분말이 혼합된 것을 특징으로 한다.

이하에서는 실시예를 참조하여 본 발명에 따른 고화제 조성물을 보다 상세하게 설명하기로 한다.

<실시예1 : 고화제의 제조>

분말도가 3000 ㎠/g 이상으로 한 페로니켈 슬래그와 제지 슬러지 소각회를 건조한 상태에서 30:70의 중량부로 혼합한 후 페로니켈 슬래그와 소각회 혼합물에 건조 분말화된 NaOH를 100:5의 중량부로 배합하여 수분이 차단되는 용기에 담은 후 밀봉한다. 페로니켈 슬래그와 제지 슬러지 소각회의 비표면적이 클수록 반응성은 높아지지만 분말도가 높아질수록 경제성이 저하되므로 너무 무리하게 분말도를 높여 비표면적을 필요이상으로 크게 하는 것은 바람직하지 않다.

이 혼합물의 혼합비율은 중량부로 페로니켈 슬래그 : 제지 슬러지 소각회 : NaOH 분말 = 28.5:66.5:5.0이다.

상기 제지 슬러지는 통상 CaO 성분 함량이 60~70% 정도이며, 이렇게 얻어진 본 발명에 따른 고화제 조성물에는 대략적으로 SiO₂20~25%, CaO 50~55%, Al₂O₃ 5~7%, Fe₂O₃, MgO 등의 성분이 함유된다. 상기와 같이 제조된 본 발명에 따른 고화제의 성분은 일반적인 포틀랜드 시멘트의 성분과 비교할 때 SiO₂(약 22%)는 약간 많고, CaO(약 64%)는 약간 부족한 구성을 나타내지만 충분히 포졸란 반응을 일으킬 수 있는 조건을 가진다.

상기와 같이 제조된 본 발명에 따른 고화제 조성물은 이를 고화제로 이용할 때 고화제에 물을 대략 60~70 : 40~30 중량부 혼합하는 것이 적당하다.

<실시예2 : 유기성 슬러지의 고화>

고화제와 대략적인 함수율이 80% 정도이 유기성 슬러지와 혼합하여 고화물을 제조하였다.

고화제 : 함수율이 80% 유기성 슬러지 = 50 : 50 중량비로 혼합하여 얻어진 고화물의 경우 1일째 압축강도는 1.7kgf/㎠를 나타냈고, 3일째 압축강도는 4.6kgf/㎠ 이상을 나타냈으며, 28일째 압축강도는 7.3kgf/㎠를 나타냈다.

고화제 : 함수율이 80% 유기성 슬러지 = 40 : 60 중량비로 혼합하여 얻어진 고화물의 경우 1일째 압축강도는 1.1kgf/㎠를 나타냈고, 3일째 압축강도는 2.3kgf/㎠를 나타냈으며, 28일째 압축강도는 5.4kgf/㎠를 나타냈다.

고화제 : 함수율이 80% 유기성 슬러지 = 30 : 70 중량비로 혼합하여 얻어진 고화물의 경우 1일째 압축강도는 0.6kgf/㎠으로 크게 저하되었고, 3일째 압축강도는 1.2kgf/㎠를 나타냈으며, 28일째 압축강도는 2.8kgf/㎠를 나타냈다.

고화제 : 함수율이 80% 유기성 슬러지 = 60 : 40 중량비로 혼합하여 얻은 고화물의 경우 1일째 압축강도는 2.4kgf/㎠, 3일째 압축강도는 5.8kgf/㎠, 28일째 압축강도는 58.7kgf/㎠를 나타냈다.

또한, 고화제 : 함수율이 80% 유기성 슬러지 = 70 : 30 중량비로 혼합하여 얻은 고화물의 경우 1일째 압축강도는 1.9kgf/㎠, 3일째 압축강도는 3.1kgf/㎠, 28일째 압축강도는 8.2kgf/㎠를 나타냈다.

한편, 고화제 : 함수율이 80% 유기성 슬러지 = 70 : 30 중량부로 혼합하고 여기에 10중량부의 물을 혼입하여 제작한 고화물의 경우 1일째 압축강도는 3.2kgf/㎠, 3일째 압축강도는 10.3kgf/㎠, 28일째 압축강도는 75.4kgf/㎠를 나타냈다.

상기로부터 본 발명에 따른 고화제를 이용하여 함수율 80% 정도의 유기성 슬러지를 고화시키는 경우 고화제와 유기성 슬러지의 혼합비율은 60 : 40 ~ 70 : 30 중량부의 비율 범위가 적당하며, 특히 고화제와 유기성 슬러지의 혼합비율이 70 : 30 중량부인 경우 10 중량부의 물을 더 첨가하는 것이 압축강도의 발현에 효과적이다.

고화제 : 유기성 슬러지의 혼합 비율을 60 : 40 중량부로 했을 때보다 70 : 30 중량부로 하고 여기에 10 중량부의 물을 첨가하였을 경우 압축강도가 더욱 크게 증가한 것은 유기성 슬리저의 고형물 함량이 상대적으로 적게 들어갔기 때문이며, 고화제의 중량이 상대적으로 커질수록 압축강도는 높아진다.

결론적으로 본 발명에 따른 고화제는 최적의 압축강도를 발현시키기 위해서는 고화제를 포함한 고형물의 건조 중량에 대하여 30중량부의 물이 혼합되는 것이 바람직하다.

유기성 슬러지의 함수율이 80%이므로 고화제와 유기성 슬러지의 중량비로 50 : 50으로 혼합하면 이론적인 함수율은 40%로 계산되었으나 측정된 함수율은 혼합 직후 46.2%, 1일 째 37.8%, 3일째 32.5%를 나타냈다.

고화제와 유기성 슬러지를 60 : 40 중량비로 혼합하면 이론적인 함수율은 32%이지만 혼합 직후 37.4%, 1일 째 32.6%, 3일째 29.6%를 나타냈다.

고화제와 유기성 슬러지를 혼합하면 고화제에 포함된 알칼리활성화제가 물과 화학반응을 일으키게 되면서 발열반응을 수반하게 되는데 이때 일부의 수분이 증발하게 되고, 수분의 일부는 Ca, Si, Al 등과 반응하오 수화물을 형성하면서 흡수, 소비된다. 이러한 과정을 통하여 칼슘실리게이트수화물 등의 형성과 포졸란 반응을 통하여 압축강도가 증가되는 시멘트의 특성 반응이 진행된다.

<실시예3 : 유해성 검사>

페로니켈 슬래그의 유해성을 파악하기 위하여 폐기물공정시험법에 따라 실시한 용출시험을 통해 얻어진 용출액에 대하여 중금속 시험분석을 실시하였다.

용출시험 결과에 의하면 원재료인 페로니켈 슬래그의 중금속 용출량은 Cd 0.0001mg/l, Cr⁺⁶ 0.0710mg/l, Zn 0.0001mg/l, Ni 0.1822mg/l를 나타냈으며 기타 Hg, As, Cu, Pb 등의 중금속은 검출되지 않았다.

유기성 슬러지에 고화제를 혼합하여 제조한 고화물의 용출시험 결과는 Cr⁺⁶이 0,0025mg/l로 약 96.5%의 감소효과를 나타냈고 Ni는 0.0013mg/l로 99% 이상의 용출량 감소율을 나타냈으며, 미량 검출되었던 Cd와 Zn은 검출되지 않았다.

이것은 고화제에 함유된 알칼리활성화제의 영향으로 pH를 유지함에 따라 중금속의 대부분이 OH와 결합한 수산화물로 존재할 뿐만 아니라 치밀하게 시멘트 구조로 인하여 내부의 중금속 용출이 저지되기 때문으로 판단된다.

앞에서 설명된 고화제 조성물은 본 발명을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과하며, 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안된다. 본 발명의 보호범위는 이하의 특허청구범위에 기재된 사항에 의해서만 정하여지며, 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 개량 및 변경된 실시예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속한다고 할 것이다.

Claims

페로니켈 제조 과정에서 얻어진 페로니켈 슬래그 분말, 제지 슬러지를 소각시켜 얻은 제지 슬러지 소각회 분말 및 수산화나트륨 분말이 혼합된 것을 특징으로 하는 고화제 조성물.
제1항에 있어서,
상기 페로니켈 슬래그 분말과 제지 슬러지 분말은 페로니켈 슬래그 분말 : 제지 슬러지 분말 = 30 : 70 중량부로 혼합된 것을 특징으로 하는 고화제 조성물.
제1항에 있어서,
상기 페로니켈 슬래그 분말, 제지 슬러지 소각회 분말 및 수산화나트륨 분말은 페로니켈 슬래그 분말 : 제지 슬러지 소각회 분말 : 수산화나트륨 분말 = 28.5 : 66.5 : 5.0 중량부로 혼합된 것을 특징으로 하는 고화제 조성물.
제3항에 있어서,
상기 혼합물에는 전체중량 대비 SiO₂20 ~ 25%, CaO 50 ~ 55%, Al₂O₃ 5 ~ 7% 함유된 것을 특징으로 하는 고화제 조성물.
제1항 내지 제4항 중 어느 하나의 항에 있어서,
상기 페로니켈 슬래그 분말 및 제지 슬러지 소각회 분말의 분말도는 3000 ㎠/g 이상인 것을 특징으로 하는 고화제 조성물.