KR101690639B1 - 산업부산물을 활용한 여과재 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 산업부산물을 활용한 여과재 제조방법 및 상기 방법으로 제조된 여과재에 관한 것으로, 구체적으로는 석탄재 및 연탄재가 포함된 연소재, 정수슬러지, 식물성 잔재물 및 유기성 폐기물이 포함된 유기성 물질, 물유리 및 알칼리제가 혼합되어 소성되는 것을 특징으로 하는 여과재의 제조방법 및 상기 방법으로 제조된 여과재에 관한 것이다.
본 발명에 따른 산업부산물을 활용한 여과재 제조방법 및 상기 제조방법으로 제조된 여과재는, 산업부산물을 활용하여 다공성과 여과성을 높인 여과재를 제조함으로써 자원을 순환시키고, 수질 정화력을 높인 효과를 보유하고 있다.

Description

산업부산물을 활용한 여과재 및 그 제조방법{FILTERING MEDIA MATERIALS USING INDUSTRIAL WASTE AND METHOD OF MANUFACTURING THEREOF}
본 발명은 산업부산물을 활용한 여과재 제조방법 및 상기 방법으로 제조된 여과재에 관한 것으로, 구체적으로는 석탄재 및 연탄재가 포함된 연소재, 정수슬러지, 식물성 잔재물 및 유기성 폐기물이 포함된 유기성 물질, 물유리 및 알칼리제가 혼합되는 것을 특징으로 하는 여과재 제조방법 및 상기 방법으로 제조된 여과재에 관한 것이다.
본 발명에 따른 산업부산물을 활용한 여과재 제조방법 및 상기 방법으로 제조된 여과재는 석탄재 및 연탄재가 포함된 연소재, 정수슬러지, 식물성 잔재물 및 유기성 폐기물이 포함된 유기성 물질, 물유리 및 알칼리제를 혼합 소성할시 온도 범위 600~1,200℃, 시간 범위 30~60분에서 소성되는 것을 기술적 특징으로 하고 있다.
본 발명에 따른 산업부산물을 활용한 여과재 제조방법 및 상기 제조방법으로 제조된 여과재는, 산업부산물을 활용하여 다공성과 여과성을 높인 여과재를 제조함으로써 자원을 순환시키고, 수질 정화력을 높인 효과가 있다.
오늘날 현대인들은 어항, 수족관 등의 심미적 목적, 오수/폐수의 정수 등의 실용적 목적 등 다양한 이유로 물을 가둬둔 구조물을 많이 사용하고 있다.
물을 가둬두고 있을시 물의 오염이 진행되는 것은 자명한 결과이며, 따라서 물의 오염도를 감소시킬 수 있도록 하는 여과재가 널리 사용되어 오고 있다. 따라서 시중에 출시되는 여과재의 종류는 다양하다.
여과재에 일정 기간 물을 순환시키며 통과시킬 때, 여과재의 표면에는 생물막(biofilm)이 형성된다. 그 과정은 유기성 분자가 여과재의 표면에 흡착되어 컨디셔닝 필름(conditioning film)을 만들고, 그 표면에서 세균이 가역적 상태의 흡착을 하게 되는 과정으로 이루어진다. 그 위에 세균이 다당류로 구성된 체외물질을 분비하여 단단히 결합하고 분비물질 사이에 다른 미생물이나 용해성 또는 부유성 유기물의 분해가 일어나게 된다. 따라서 여과재의 유기성 분자의 함량이 높을수록 수중 유기물의 분해력 또한 높아진다 할 수 있다.
이 때 생물막 표면 근처의 미생물들은 유기물 농도가 높기 때문에 빠른 성장을 보이나 표면 아래쪽은 늘 유기물이 부족한 상태에 놓여있으므로, 유기물이 여과재 전역에 고르게 분포되는 여과재의 개발이 필요하다.
본 발명의 배경기술이 되는 선행기술은 대한민국 공개특허공보 제10-2015-0107128호( 2015. 9. 23., 이하 ‘선행기술 1’)에 개시되어 있다.
선행기술 1에는 ‘정수 슬러지를 이용한 다공성 여과재의 제조방법’으로 열처리된 슬러지, SiO2-Na2CO3계 소결조제 및 팽윤제를 혼합하여 다공성 여과재를 제조하는 방법이 기재되어 있다.
하지만 선행기술 1의 여과재에는 유기성 물질이 포함되지 않으므로, 생물막의 생성이 얇게 되며, 미생물의 분해력 또한 적다는 단점이 있다.
이에 본 출원인은, 산업부산물을 활용하여 자원의 순환이 촉진되며, 유기성 물질이 포함됨에 따라 생물막이 두껍게 생성되어 미생물의 분해력이 뛰어나며, 다공성을 높인 여과재를 제공할 목적으로 본 발명을 안출하게 되었다.
대한민국 공개특허공보 제10-2015-0107128호( 2015. 9. 23.)
본 발명은 종래 기술을 문제점을 인식하여, 산업 현장에서 활용가치를 잃고 버려지거나 부가가치가 낮게 활용되는 연소재와 같은 유해성분이 없거나 최소화된 산업부산물과 정수슬러지, 유기성 물질, 물유리 및 알칼리제 등을 혼합하여 소성한 여과재를 제공함으로써 자원의 순환을 촉진하고, 수질 정화력을 높이고자 하는 데에 목적이 있다.
본 발명의 산업부산물을 활용한 여과재 제조방법 및 상기 방법으로 제조된 여과재는 석탄재 및 연탄재가 포함된 연소재, 정수슬러지, 식물성 잔재물 및 유기성 폐기물이 포함된 유기성 물질, 물유리 및 알칼리제를 혼합 소성할시 온도 범위 600~1,200℃, 시간 범위 30~60분에서 소성되는 여과재 제조 방법 및 상기 제조 방법으로 제조된 여과재를 제공함으로서 기술적 과제를 해결하고자 한다.
본 발명에 따른 산업부산물을 활용한 여과재 제조방법 및 상기 제조방법으로 제조된 여과재는, 산업부산물을 활용하여 다공성을 높인 여과재를 제조함으로써 자원의 순환을 촉진하고, 수질 정화력을 높인 효과가 있다.
도 1은 비산재를 주원료로 제조한 혼합 소성물의 구조를 100배율로 관찰한 것이다.
도 2는 바닥재를 주원료로 제조한 혼합 소성물의 구조를 200배율로 관찰한 것이다.
도 3은 비산재를 주원료로 제조한 혼합 소성물 성분을 EDX로 측정한 결과이다.
도 4는 바닥재를 주원료로 제조한 혼합 소성물 성분을 EDX로 측정한 결과이다.
도 5는 본 발명 여과재의 소성 전(좌측)과 후(우측)의 모습이다.
도 6은 본 발명 여과재의 소성 전(좌측)과 후(우측)의 또 다른 모습이다.
도 7은 본 발명 여과재의 소성 전(좌측)과 후(우측)의 또 다른 모습이다.
도 8은 본 발명의 여과재 제조공정 1~3단계를 나타낸 것이다.
도 9는 본 발명의 여과재 제조공정 4~5단계를 나타낸 것이다.
이하, 실시예들을 통하여 본 발명을 상세하게 설명한다. 본 발명은 여기에서 개시되는 실시예들에 한정되지 않고, 다른 형태로 구체화될 수 있다. 여기에서 개시되는 실시예들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 사람에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위하여 제공되는 것이다. 따라서 이하의 실시예들에 의하여 본 발명이 제한되어서는 안 되며, 본 발명의 기술적 사상 및 기술적 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 또는 대체물이 포함되는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명은 다양한 변환이 가해질 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명한다. 도면들에서 요소의 크기 또는 요소들 사이의 상대적인 크기는 본 발명에 대한 명확한 이해를 위해서 다소 과장되게 도시될 수 있다. 또한, 도면들에 도시된 요소의 형상이 제조 공정상의 변이 등에 의해서 다소 변경될 수 있다. 따라서 본 명세서에서 개시된 실시예들은 특별한 언급이 없는 한 도면에 도시된 형상으로 한정되어서는 안 되며, 어느 정도의 변형을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
한편, 본 발명의 여러 가지 실시예들은 명확한 반대의 지적이 없는 한 그 외의 어떤 다른 실시예들과 결합될 수 있다. 특히 바람직하거나 유리하다고 지시하는 어떤 특징도 바람직하거나 유리하다고 지시한 그 외의 어떤 특징 및 특징들과 결합될 수 있다.
본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
<실시예 1. 혼합 소성물 제조>
연소재, 정수슬러지, 유기성 물질, 물유리 및 알칼리제가 혼합되어 소성온도 600∼1,200℃에서 30~60분 동안 소성된다. 혼합된 유기물이 소성 과정을 거쳐 열분해되면서 기공을 생성하게 된다.
소성과정은 온도범위 600∼1,200℃에서, 바람직하게는 650~800℃, 더욱 바람직하게는 700~800℃에서, 30~60분 동안 소성하나, 온도범위 및 시간범위는 이에 한정되지 않는다.
모양은 필요에 따라 입상(pellet) 또는 판상 등 다양하게 제조될 수 있으며, 바람직하게는 입상으로 제조될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
1) 혼합 소성물 원료 혼합물이 제조되는 단계(S10)
연소재에는 석탄재, 연탄재 등이 포함될 수 있으며, 점토로 대체될 수 있다.
석탄재는 친환경 바이오연료{PKS(Palm Kernel Shell, 팜껍질)+wood chip} 85%와 석탄 15%의 조합으로 화력발전을 위한 연료로 사용 후 발생되는 폐자원으로서, 바이오매스 연료를 주로 사용하는 연료 조합에 따라 발생부산물은 유해물질이 함유되지 않는 석탄재가 발생된다.
석탄재는 중금속이 발생되지 않는 산업부산물로서, 비산재와 바닥재로 분류할 수 있다. 비산재는 미연탄 12% 이상으로 매립용으로 사용하고 있으며, 바닥재는 미연탄 2% 이내로 시멘트 회사에서 시멘트 대체재로 활용되고 있다.
하기의 [표 1]은 석탄재 발생 및 활용현황을 나타낸 것이다.
구분 월 발생량(ton) 년 발생량(ton) 부산물 처리 방법
비산재 1,500 18,000 미연탄 12%(KS 기준 5% 이내) 이상으로 콘크리트 강도 감소의 원인이 되므로 시멘트 대체재로 사용을 못하고 있으며 수도권 매립용으로 사용됨
바닥재 400 4,800 미연탄 2% 이내로 시멘트 대체재로 사용 가능하고,
현재 시멘트 제조회사에서 가공하여 시멘트 대체재로 사용됨
바닥재 입도는 5mm 이하로 미분말로 사용하기 위해서는 파쇄공정이 이루어져야 시멘트 대체재로 사용이 가능하므로 1차 가공이 필요한 상태이며, 따라서 시멘트 대체재보다는 재활용 골재로 사용하는 것이 더 이용가치가 높다. 바닥재 골재의 경우 밀도 1.5∼2.0g/㎤, 흡수율 20% 이하, 마모율 45% 이하의 특성을 가지고 있다.
하기의 [표 2]는 PKS 재의 화학성분 함유도를 나타낸 것이다.
화학 성분 SiO2 K2O CaO Fe2O3 Al2O3
분석결과(%) 38.7 13.2 13.4 14.1 9.2
정수 슬러지는 무기성분을 주로 함유하고 있어 토질분류상 점토에 가까운 성상을 갖고 있으며, 환경적인 위해요소가 적고 발생량이 비교적 적기 때문에 처분의 입장에서나 재활용의 입장에서 적극적인 연구나 활용 기술의 개발이 적은 편이다.
정수 슬러지의 화학적 성분은 원수 자체의 성분과 응집제 및 탈수제의 성분으로 구성되어 있으며, 주로 실리카분 및 알루미나분으로 구성되어 있다.
하기의 [표 3]은 정수 슬러지의 화학성분 함유도를 나타낸 것이다.
화학 성분 SiO2 Al2O3 P2O5 SO3 CaO Fe2O3 K2O TiO2 MgO Na2O
분석결과
(중량%)		 20.43 26.79 0.31 0.94 0.70 2.45 0.76 0.29 0.32 0.22
유기성 물질에는 탈지대두, 소맥찌꺼기 등의 식물성 잔재물, 왕겨 등의 농업부산물, 톱밥 등의 유기성 폐기물이 포함된다.
식품을 가공 후 발생하는 식물성 잔재물은 여과재 제조시 연소온도 조건에 따라 공극을 형성하도록 하는 재료로서 활용된다.
하기의 [표 4]는 식물성 잔재물의 성분을 나타낸 것이다.
성분 수분 조단백질 조섬유 조회분
분석결과(%) 43.87 20.74 17.64 11.01
[표 4]를 살펴보면 식물성 잔재물의 성분 중 가장 높은 함량을 차지하는 항목은 수분으로, 43.87%가 함유되어 있다. 식물성 잔재물은 높은 수분 함량을 함유하고 있어, 여과재의 공극 발달에 기여할 수 있다.
물유리(Na2SiO3)는 기타 결착재로 대체될 수 있으며, 알칼리제에는 소석회, 소다회, 가성 소다 등이 포함된다.
상기 석탄재 및 연탄재가 포함되는 연소재의 중량%는 바람직하게 50~60, 정수슬러지의 중량%는 바람직하게 10~20, 식물성 잔재물 및 유기성 폐기물이 포함되는 유기성 물질의 중량%는 바람직하게 20~25, 물유리의 중량%는 바람직하게 5~15, 알칼리제의 중량%는 바람직하게 3~5로 설정할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
2) 혼합 소성물 원료 혼합물을 성형하고 소성하는 단계(S12)
혼합 소성물을 성형하고 소성한다. 성형시 모양은 입상(pellet), 판상, 괴상, 다양하게 제조될 수 있으며, 바람직하게는 입상으로 성형할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
<실시예 2. 스펀지 소성물의 제조>
1) 혼합 소성물 원료 혼합물을 스펀지에 흡수시켜 스펀지 조성물이 제조되는 단계(S20)
혼합 소성물 원료 혼합물은 연소재, 정수슬러지, 유기성 물질, 물유리 및 알칼리제가 혼합되고 수분이 첨가된 후, 스펀지 구조의 조성물에 흡수되어 스펀지 조성물이 제조된다. 설계 조건에 따라 수분 첨가량은 다양하게 변경될 수 있다.
스펀지 구조의 소재는 폴리에틸렌(PE), 폴리우레탄(PU), EVA 등 스펀지 구조의 고분자 조성물로 된 물질이 사용될 수 있다. 바람직하게는 폴리에틸렌을 사용할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 코코피트, 피트머스, 퍼라이트 및 질석은 보습 및 공극 확보를 위해 추가될 수 있다.
스펀지 모양은 용도처에 따라 입상(pellet), 판상, 괴상, 다양하게 제조될 수 있으며, 바람직하게는 입상으로 성형할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
2) 스펀지 조성물을 소성하는 단계(S21)
상기 단계 1)의 과정으로 제조된 스펀지 조성물을 소성한다. 소성과정은 온도범위 600∼1,200℃에서, 바람직하게는 650~800℃, 더욱 바람직하게는 700~800℃에서, 30~60분 동안 소성하나, 온도범위 및 시간범위는 이에 한정되지 않는다. 이러한 고온에서의 소성 과정을 통해 스펀지 조성물에서 스펀지는 타서 없어지게 되고, 스펀지가 제거된 잔재물이 남게 된다. 이 잔재물의 형태는 스펀지의 모양을 그대로 유지하게 된다.
<실험예 1. 성분 분석>
비산재 주원료를 소재로 한 혼합 소성물과 바닥재 주원료를 소재로 한 혼합 소성물의 성분을 분석하였다. 각 혼합 소성물은 실시예 1의 과정으로 제조되었다.
하기의 [표 5]는 각 혼합 소성물의 성분을 분석한 결과이다.
성분(단위 %) Si Al Ca Fe K Ti Mg Na
비산재 주원료 20.77 2.30 12.61 5.24 1.23 0.69 2.17 8.73
바닥재 주원료 29.12 2.62 7.58 3.47 1.52 0.38 0.57 11.03
성분 분석 결과, 비산재의 경우 Si가 20.27%, 바닥재의 경우 Si 29.92%가 나타나 Si 성분이 가장 많이 함유되어 있었으며, 기공 구조에 영향을 미치는 Al, Ca 및 Fe 등이 포함되어 있는 것으로 나타났다.
또한, 여과재로 사용하기에 적합한 구조인지를 확인하기 위하여 주사전자현미경(SEM) 분석을 한 결과 다공성이 발달된 구조로서 여과성을 높일 수 있는 구조로 발달되어 있음을 확인할 수 있었다.
도 3은 비산재를 주원료로 제조한 혼합 소성물 성분을 EDX로 측정한 결과이다. 도 4는 바닥재를 주원료로 제조한 혼합 소성물 성분을 EDX로 측정한 결과이다. 도 3 및 4를 살펴보면, 비산재 또는 바닥재의 성분 중 Si가 가장 함량이 높은 것을 알 수 있다.
<실험예 2. 각 여과재의 수질 정화력>
실시예 1에 기재된 과정으로 제조된 여과재와, 비교예인 금속 여과재에서의 비교하기 위하여, 각 여과재의 수질 정화력을 측정하여 비교하는 실험이 수행되었다.
하기의 [표 6]은 실시예 1에 기재된 과정으로 제조된 여과재와, 비교예인 금속 여과재에서 여과한 물의 BOD(Biochemical Oxygen Demand) 함량을 측정하여 비교한 결과이다.
BOD는 생물화학적 산소요구량으로 어떠한 유기물이 미생물에 의하여 호기성 상태에서 분해하여 안정화시키는데 요구되는 산소량을 칭한다.
여과재 종류 BOD(ppm)
비산재 주원료 혼합 소성물 0.770
바닥재 주원료 혼합 소성물 0.723
금속 여과재 1.232
[표 6]을 살펴본 결과, 비산재 주원료 혼합 소성물과 바닥재 주원료 혼합 소성물에서 여과한 물의 BOD는 각각 0.770ppm 및 0.723ppm으로, 전반적으로 낮은 것으로 나타났다.
반면 금속 여과재에서 여과한 물의 BOD는 1.232ppm으로, 비산재 주원료 혼합 소성물과 바닥재 주원료 혼합 소성물에서 여과한 물의 BOD보다 현저히 높은 것으로 나타났다.
이상의 실험 결과로 살펴보면, 본 발명의 실시예 1의 과정으로 제조된 여과재가 수질 정화력을 높이는 것을 알 수 있다.
이상, 본 발명의 실시예들에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 사람이라면 청구범위에 기재된 본 발명의 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 삭제 또는 변경 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이고, 위에서 기술된 본 발명의 다양한 양상들, 특징들, 실시예들 또는 구현예들은 단독으로 또는 다양한 조합들로 사용될 수 있다.
S10: 혼합 소성물 원료 혼합물이 제조되는 단계
S11: 혼합 소성물 원료 혼합물을 성형하고 소성하는 단계
S20: 혼합 소성물 원료 혼합물을 스펀지에 흡수시켜 스펀지 조성물이 제조되는 단계
S21: 스펀지 조성물을 소성하는 단계

Claims (7)

  1. 삭제
  2. 혼합 소성물 원료 혼합물을 폴리에틸렌(PE), 폴리우레탄(PU), EVA 중 어느 하나로 된 스펀지에 흡수시켜 스펀지 조성물이 제조되는 단계(S20);
    스펀지 조성물을 소성하는 단계(S21)를 포함하는 과정을 거쳐 스펀지가 제거된 잔재물로 여과재를 제조하는 방법에 있어서, 상기 혼합 소성물 원료 혼합물은 석탄재 및 연탄재가 포함되는 연소재의 중량%는 50~55, 정수슬러지의 중량%는 10~14, 탈지대두, 소맥찌꺼기를 포함하는 식물성 잔재물, 왕겨를 포함하는 농업부산물 및 톱밥을 포함하는 유기성 폐기물이 포함되는 유기성 물질의 중량%는 20~25, 물유리의 중량%는 5~9, 알칼리제의 중량%는 3~5인 것을 특징으로 하는, 여과재를 제조하는 방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 여과재는 입상(pellet)으로 성형되는 것을 특징으로 하는, 여과재를 제조하는 방법.
  4. 삭제
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 스펀지 조성물이 소성되는 온도 범위는 650~800℃인 것을 특징으로 하는, 여과재를 제조하는 방법,
  6. 청구항 2에 있어서,
    상기 스펀지 조성물이 소성되는 시간 범위는 30~60분인 것을 특징으로 하는, 여과재를 제조하는 방법.
  7. 청구항 2,3,5,6 중 어느 한 항의 제조방법으로 생산된 여과재.
KR1020160088420A 2016-07-13 2016-07-13 산업부산물을 활용한 여과재 및 그 제조방법 KR101690639B1 (ko)

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KR20050020096A (ko) * 2003-08-21 2005-03-04 (주)바이오쉴드 오·폐수처리용 고 흡착능 및 고 미생물 담지능 다공성성형체 및 그 제조방법
KR100759833B1 (ko) * 2006-04-21 2007-09-18 한국과학기술연구원 생물학적 하수 및 폐수 처리를 위한 활성 물질, 상기 활성물질을 내재한 미생물 담체 및 그 제조 방법
KR20150107128A (ko) 2014-03-13 2015-09-23 김동관 정수 슬러지를 이용한 다공성 여과재의 제조방법

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