KR101724341B1 - 슬래그를 이용한 광물탄산화 및 건축용 패널 제조방법 - Google Patents
슬래그를 이용한 광물탄산화 및 건축용 패널 제조방법 Download PDFInfo
- Publication number
- KR101724341B1 KR101724341B1 KR1020160110868A KR20160110868A KR101724341B1 KR 101724341 B1 KR101724341 B1 KR 101724341B1 KR 1020160110868 A KR1020160110868 A KR 1020160110868A KR 20160110868 A KR20160110868 A KR 20160110868A KR 101724341 B1 KR101724341 B1 KR 101724341B1
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- slag
- calcium
- solvent
- lid
- carbonation
- Prior art date
Links
- 239000002893 slag Substances 0.000 title claims abstract description 190
- 229910052500 inorganic mineral Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 19
- 239000011707 mineral Substances 0.000 title claims abstract description 19
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 29
- 239000011575 calcium Substances 0.000 claims abstract description 105
- 229910052791 calcium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 101
- OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N Calcium Chemical compound [Ca] OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 100
- VTYYLEPIZMXCLO-UHFFFAOYSA-L Calcium carbonate Chemical compound [Ca+2].[O-]C([O-])=O VTYYLEPIZMXCLO-UHFFFAOYSA-L 0.000 claims abstract description 64
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 39
- 229910000019 calcium carbonate Inorganic materials 0.000 claims abstract description 32
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims abstract description 22
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 claims abstract description 18
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 claims abstract description 18
- 238000005452 bending Methods 0.000 claims abstract description 9
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 66
- 239000002904 solvent Substances 0.000 claims description 45
- 238000000605 extraction Methods 0.000 claims description 40
- 239000004568 cement Substances 0.000 claims description 19
- 239000004576 sand Substances 0.000 claims description 17
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims description 16
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims description 16
- 238000009628 steelmaking Methods 0.000 claims description 15
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 14
- 238000000926 separation method Methods 0.000 claims description 8
- 239000000654 additive Substances 0.000 claims description 5
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-O ammonium group Chemical group [NH4+] QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-O 0.000 claims description 5
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 5
- 238000000638 solvent extraction Methods 0.000 claims description 5
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 4
- 239000006227 byproduct Substances 0.000 claims description 3
- 238000007599 discharging Methods 0.000 claims description 3
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 claims description 2
- 238000005406 washing Methods 0.000 claims description 2
- 239000011363 dried mixture Substances 0.000 claims 1
- 239000002002 slurry Substances 0.000 claims 1
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract description 12
- 238000004064 recycling Methods 0.000 abstract description 8
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 abstract description 5
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 abstract description 5
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 abstract description 4
- 230000006835 compression Effects 0.000 abstract 1
- 238000007906 compression Methods 0.000 abstract 1
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 21
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 14
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 9
- 230000008569 process Effects 0.000 description 9
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 5
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 5
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 5
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 5
- NLXLAEXVIDQMFP-UHFFFAOYSA-N Ammonia chloride Chemical compound [NH4+].[Cl-] NLXLAEXVIDQMFP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000000227 grinding Methods 0.000 description 4
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 4
- 239000007858 starting material Substances 0.000 description 4
- BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-L Carbonate Chemical compound [O-]C([O-])=O BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 3
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 239000000047 product Substances 0.000 description 3
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 3
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 3
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 3
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 2
- BPQQTUXANYXVAA-UHFFFAOYSA-N Orthosilicate Chemical compound [O-][Si]([O-])([O-])[O-] BPQQTUXANYXVAA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910000805 Pig iron Inorganic materials 0.000 description 2
- 235000019270 ammonium chloride Nutrition 0.000 description 2
- BFNBIHQBYMNNAN-UHFFFAOYSA-N ammonium sulfate Chemical group N.N.OS(O)(=O)=O BFNBIHQBYMNNAN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052921 ammonium sulfate Inorganic materials 0.000 description 2
- 235000011130 ammonium sulphate Nutrition 0.000 description 2
- 239000004566 building material Substances 0.000 description 2
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 description 2
- -1 carbonic acid ions Chemical class 0.000 description 2
- 239000003245 coal Substances 0.000 description 2
- 239000002178 crystalline material Substances 0.000 description 2
- 238000010828 elution Methods 0.000 description 2
- 238000001125 extrusion Methods 0.000 description 2
- 230000006870 function Effects 0.000 description 2
- 239000002223 garnet Substances 0.000 description 2
- 230000036571 hydration Effects 0.000 description 2
- 238000006703 hydration reaction Methods 0.000 description 2
- 238000002354 inductively-coupled plasma atomic emission spectroscopy Methods 0.000 description 2
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 2
- ZLNQQNXFFQJAID-UHFFFAOYSA-L magnesium carbonate Chemical compound [Mg+2].[O-]C([O-])=O ZLNQQNXFFQJAID-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 2
- 239000001095 magnesium carbonate Substances 0.000 description 2
- 229910000021 magnesium carbonate Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000004570 mortar (masonry) Substances 0.000 description 2
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 2
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- PAWQVTBBRAZDMG-UHFFFAOYSA-N 2-(3-bromo-2-fluorophenyl)acetic acid Chemical compound OC(=O)CC1=CC=CC(Br)=C1F PAWQVTBBRAZDMG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- WWILHZQYNPQALT-UHFFFAOYSA-N 2-methyl-2-morpholin-4-ylpropanal Chemical compound O=CC(C)(C)N1CCOCC1 WWILHZQYNPQALT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-M Bicarbonate Chemical compound OC([O-])=O BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 235000008733 Citrus aurantifolia Nutrition 0.000 description 1
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 235000019738 Limestone Nutrition 0.000 description 1
- FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N Magnesium Chemical compound [Mg] FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000011398 Portland cement Substances 0.000 description 1
- 235000011941 Tilia x europaea Nutrition 0.000 description 1
- 230000002378 acidificating effect Effects 0.000 description 1
- 238000013019 agitation Methods 0.000 description 1
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000003863 ammonium salts Chemical class 0.000 description 1
- 239000001166 ammonium sulphate Substances 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000011074 autoclave method Methods 0.000 description 1
- 239000003637 basic solution Substances 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 210000000988 bone and bone Anatomy 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 125000005587 carbonate group Chemical group 0.000 description 1
- 150000004649 carbonic acid derivatives Chemical class 0.000 description 1
- 238000003763 carbonization Methods 0.000 description 1
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 1
- 239000011280 coal tar Substances 0.000 description 1
- 229910052681 coesite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000571 coke Substances 0.000 description 1
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 229910052593 corundum Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052906 cristobalite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 description 1
- 230000008025 crystallization Effects 0.000 description 1
- 229910001873 dinitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004090 dissolution Methods 0.000 description 1
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 1
- 239000007792 gaseous phase Substances 0.000 description 1
- 230000002496 gastric effect Effects 0.000 description 1
- 230000036541 health Effects 0.000 description 1
- 150000004677 hydrates Chemical class 0.000 description 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 239000004571 lime Substances 0.000 description 1
- 239000006028 limestone Substances 0.000 description 1
- 239000011777 magnesium Substances 0.000 description 1
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003334 potential effect Effects 0.000 description 1
- 230000001376 precipitating effect Effects 0.000 description 1
- 238000010791 quenching Methods 0.000 description 1
- 230000035484 reaction time Effects 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 description 1
- 229910052682 stishovite Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- 229910052905 tridymite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 1
- 239000002351 wastewater Substances 0.000 description 1
- 229910001845 yogo sapphire Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B09—DISPOSAL OF SOLID WASTE; RECLAMATION OF CONTAMINATED SOIL
- B09B—DISPOSAL OF SOLID WASTE NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B09B3/00—Destroying solid waste or transforming solid waste into something useful or harmless
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B09—DISPOSAL OF SOLID WASTE; RECLAMATION OF CONTAMINATED SOIL
- B09B—DISPOSAL OF SOLID WASTE NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B09B5/00—Operations not covered by a single other subclass or by a single other group in this subclass
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01F—COMPOUNDS OF THE METALS BERYLLIUM, MAGNESIUM, ALUMINIUM, CALCIUM, STRONTIUM, BARIUM, RADIUM, THORIUM, OR OF THE RARE-EARTH METALS
- C01F11/00—Compounds of calcium, strontium, or barium
- C01F11/18—Carbonates
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B18/00—Use of agglomerated or waste materials or refuse as fillers for mortars, concrete or artificial stone; Treatment of agglomerated or waste materials or refuse, specially adapted to enhance their filling properties in mortars, concrete or artificial stone
- C04B18/04—Waste materials; Refuse
- C04B18/14—Waste materials; Refuse from metallurgical processes
- C04B18/141—Slags
-
- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E04—BUILDING
- E04C—STRUCTURAL ELEMENTS; BUILDING MATERIALS
- E04C2/00—Building elements of relatively thin form for the construction of parts of buildings, e.g. sheet materials, slabs, or panels
- E04C2/02—Building elements of relatively thin form for the construction of parts of buildings, e.g. sheet materials, slabs, or panels characterised by specified materials
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02W—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO WASTEWATER TREATMENT OR WASTE MANAGEMENT
- Y02W30/00—Technologies for solid waste management
- Y02W30/20—Waste processing or separation
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02W—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO WASTEWATER TREATMENT OR WASTE MANAGEMENT
- Y02W30/00—Technologies for solid waste management
- Y02W30/50—Reuse, recycling or recovery technologies
- Y02W30/91—Use of waste materials as fillers for mortars or concrete
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Environmental & Geological Engineering (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Structural Engineering (AREA)
- Civil Engineering (AREA)
- Architecture (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Geology (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Processing Of Solid Wastes (AREA)
Abstract
본 발명은 슬래그를 재활용하여 광물탄산화 및 건축용 패널을 제조하는 방법에 관한 것이다. 본 발명에서는 슬래그로부터 칼슘을 추출하고, 이 칼슘과 이산화탄소를 결합시켜 탄산칼슘을 합성함으로써 이산화탄소를 저감할 수 있다. 또한 칼슘이 제거된 잔여슬르래그를 건축용 패널 재료로 혼합하는 경우 압축강도와 휨강도 등의 물성이 향상된다.
Description
본 발명은 제철, 제강의 부산물인 슬래그를 재활용하는 방법에 관한 것이다.
제철, 제강 과정에서 발생하는 슬래그는 크게 고로에서 나오는 고로슬래그(blast furnace slag)와 제강슬래그(steel making slag)로 나누어진다.
고로슬래그는 제철소 고로에서 선철을 제조하는 과정에서 발생하는 생성물을 말하는 것으로 주원료 (철광석)와 부원료(코크스, 석회석)의 회분에 존재하는 SiO2와 Al2O3 등이 고온에서 석회와 반응하여 생성되며 시멘트와 유사한 성분으로 이루어진다. 선철 1톤 제강시 대략 300kg의 슬래그가 발생한다. 냉각방식에 따라 수재슬래그(용융슬래그를 물로 급냉)와 괴제슬래그(용융슬래그를 대기 중에서 서서히 냉각)로 구분된다. 수재슬래그는 화학성분이 포틀랜드시멘트와 유사하여 수경성이 있으므로 슬래그 시멘트의 원료로 재활용되는 것이 일반화되어 있다. 그러나 괴재슬래그의 경우는 시멘트 원료로 활용되지는 못하고, 오히려 비용을 들여 폐기처분하거나 성토재 등 저가의 재료로 활용되고 있다. 고로슬래그는 년간 1,300만톤 정도가 발생하고 있다.
제강슬래그는 철에서 강을 만들기 위해 쇳물에 녹아있는 탄소, 규소 성분 등을 제거하는 공정에서 발생하는 것으로서 전로슬래그(convert slag)와 전기로슬래그(selectric arc furnace slag)로 구분된다. 제강슬래그는 년간 1,000만톤 정도가 발생하고 있다. 제강슬래그 역시 시멘트 등으로 재활용되지 못하고 괴재슬래그와 마찬가지로 낮은 수준에서 활용되고 있다.
이에 거의 폐기처분되고 있는 제강슬래그와 괴제슬래그에 대한 다양한 재활용방안이 요청되고 있다.
한편, 슬래그는 광물탄산화의 출발물질로도 일부 재활용되고 있다. 광물탄산화란 칼슘 또는 마그네슘을 포함하는 출발물질에 발전소 등에서 포집한 이산화탄소를 공급하여 탄산칼슘 또는 탄산마그네슘을 형성하는 기술을 말한다. 즉 이산화탄소를 출발물질에 고정하여 이산화탄소를 저감하는 기술이다. 일반적으로 슬래그를 이용하는 광물탄산화 기술에서는 용매를 이용하여 칼슘을 추출한 상태에서 이산화탄소를 공급하는 방식을 사용하고 있다. 이산화탄소의 추출이 끝난 슬래그는 폐기된다. 광물탄산화의 출발물질로 사용한 후 폐기처분되는 슬래그에 대해서도 재활용 방안이 요청된다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 슬래그로부터 칼슘을 추출하여 광물탄산화에 사용한 후 고체 상태로 남은 슬래그를 다시 건축용 패널로 재활용하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
한편, 본 발명의 명시되지 않은 또 다른 목적들은하기의 상세한 설명 및 그 효과로부터 용이하게 추론할 수 있는 범위 내에서 추가적으로 고려될 것이다.
이와 같은 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 슬래그를 이용한 광물탄산화 및 건축용 패널 제조방법은, (a)제철, 제강의 부산물인 슬래그를 용매에 투입하여 슬래그로부터 칼슘을 추출하는 단계; (b)고액분리를 통해 칼슘을 포함하고 있는 상기 용매와 고체 상태로 남아 있는 잔여 슬래그를 상호 분리해내는 단계; 및 (c)상기 잔여 슬래그를 이용하여 건축용 패널을 제조하는 단계;를 포함하는 것에 특징이 있다.
본 발명에 따르면, 고액분리 후 상기 칼슘을 포함하는 용매에 이산화탄소를 공급하여 탄산칼슘을 형성하는 단계를 더 구비하는 것이 바람직하다.
칼슘 추출시 상기 용매는 암모늄 용액을 사용할 수 있으며, 슬래그/용매의 고액비는 5~200g/L 범위가 바람직하다. 특히 상기 슬래그는 입도가 30~2000μm 범위로 형성되도록 파분쇄하는 전처리 후 용매추출 하는 것이 효과적이다.
한편, 본 발명의 일 실시예에서, 상기 슬래그를 용매 추출할 때 사용하는 추출반응기와 탄산칼슘을 형성할 때 사용하는 탄산화 반응기는, 바닥면이 평평하게 형성되며 상하방향으로 회전되게 설치되는 반응조와, 상기 반응조의 개방된 상단에 분리가능하게 결합되는 제1덮개와, 상기 반응조에 분리가능하게 설치되는 교반기와, 상기 제1덮개를 대체하여 상기 반응조의 개방된 상단에 분리가능하게 결합되며 콘(cone) 형상으로 중앙부가 더 높게 배치되며, 중앙부에 배출구가 형성되어 있는 제2덮개와, 상기 제2덮개의 배출구에 연결된 배출관에 설치되는 밸브를 구비하여, 반응(칼슘추출 또는 탄산화)시에는 상기 제1덮개를 사용하며, 반응이 끝난 후에는 상기 제1덮개를 대체하여 제2덮개를 덮은 상태에서 상기 반응조를 반대방향으로 회전시켜 상기 제2덮개의 배출구를 통해 고체 상태의 물질(잔여슬래그, 탄산칼슘)을 배출하는 구조로 이루어진다.
또한, 상기 반응조의 높이방향을 따라 복수 개의 용매배출구가 형성되며, 각 배출구와 연결된 펌프를 더 구비할 수 있다.
한편, 상기 건축용 패널의 제조는, 상기 잔여슬래그를 세척하는 단계와, 상기 잔여슬래그와 시멘트와 모래 및 첨가제를 상호 혼합하여 건비빔하는 단계와, 건비빔된 혼합물을 물 비빔하는 단계와, 물 비빔된 혼합물을 압출하여 양생하는 단계를 포함하여 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 모래와 잔여슬래그의 합량 100을 기준으로, 상기 잔여슬래그는 15~60 중량부의 범위로 혼합되는 것이 바람직하며, 그 결과 건축용 패널의 휨강도는 3일 재령에서 5MPa 이상으로 형성된다.
본 발명에 따르면 슬래그로부터 칼슘을 추출하여 광물탄산화에 사용함으로써 이산화탄소를 저감시킬 수 있을 뿐만 아니라, 칼슘이 제거된 슬래그를 건축용 패널 제조의 재료로 활용할 수 있다는 이점이 있다.
무엇보다도 칼슘이 제거된 슬래그를 시멘트, 모래 등과 혼합하여 건축용 패널을 제조하는 경우 모래만 사용한 경우는 물론 칼슘을 제거하지 않은 슬래그를 사용한 경우에 비하여 강도가 높게 발현된다는 이점이 있다.
부가적으로 기존에 재활용율이 상대적으로 저조한 괴재슬래그나 제강슬래그를 사용함으로써 폐기물로 취급되는 이들 슬래그에 대한 활용성을 확보했다는 이점이 있다.
한편, 여기에서 명시적으로 언급되지 않은 효과라하더라도, 본 발명의 기술적 특징에 의해 기대되는 이하의 명세서에서 기재된 효과 및 그 잠정적인 효과는 본 발명의 명세서에 기재된 것과 같이 취급됨을 첨언한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 슬래그를 이용한 광물탄산화 및 건축용 패널 제조방법의 개략적 흐름도이다.
도 2는 건축용 패널 제조방법을 구체적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 사용되는 칼슘 추출반응기와 탄산화 반응기를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 칼슘 추출반응기/탄산화 반응기의 작동 상태를 설명하기 위한 도면이다.
도 5 및 도 6의 표는 전로슬래그 시료(도 5)와 괴재슬래그(도 6) 시료를 ICP-OES를 이용하여 성분 분석한 결과이다.
도 7 및 도 8의 표는 전로슬래그 시료에 대한 칼슘 추출 실험을 2군데의 연구실에서 각각 수행한 결과이다.
도 9의 표는 전로슬래그의 탄산화 실험 결과를 나타낸 것이다.
도 10 및 도 11의 표는 괴재슬래그 시료에 대한 칼슘 추출 실험을 2군데의 연구실에서 각각 수행한 결과이다.
도 12의 표는 괴재슬래그의 탄산화 실험 결과를 나타낸 것이다.
도 13(전로슬래그) 및 도 14(괴재슬래그)의 표는 건축용 패널 제조에 사용한 시료의 배합비를 나타낸 것이다.
도 15 및 도 16의 표는 전로슬래그로부터 칼슘을 제거한 잔여슬래그를 시멘트와 혼합하여 성형한 건축용 패널의 압축강도(도 15)와 휨강도(도 16)를 측정한 결과이다.
도 17 및 도 18의 표는 괴재슬래그로부터 칼슘을 제거한 잔여슬래그를 시멘트와 혼합하여 성형한 건축용 패널의 압축강도(도 17)와 휨강도(도 18)를 측정한 결과이다.
※※ 첨부된 도면은 본 발명의 기술사상에 대한 이해를 위하여 참조로서 예시된 것임을 밝히며, 그것에 의해 본 발명의 권리범위가 제한되지는 아니한다.
도 2는 건축용 패널 제조방법을 구체적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 사용되는 칼슘 추출반응기와 탄산화 반응기를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 칼슘 추출반응기/탄산화 반응기의 작동 상태를 설명하기 위한 도면이다.
도 5 및 도 6의 표는 전로슬래그 시료(도 5)와 괴재슬래그(도 6) 시료를 ICP-OES를 이용하여 성분 분석한 결과이다.
도 7 및 도 8의 표는 전로슬래그 시료에 대한 칼슘 추출 실험을 2군데의 연구실에서 각각 수행한 결과이다.
도 9의 표는 전로슬래그의 탄산화 실험 결과를 나타낸 것이다.
도 10 및 도 11의 표는 괴재슬래그 시료에 대한 칼슘 추출 실험을 2군데의 연구실에서 각각 수행한 결과이다.
도 12의 표는 괴재슬래그의 탄산화 실험 결과를 나타낸 것이다.
도 13(전로슬래그) 및 도 14(괴재슬래그)의 표는 건축용 패널 제조에 사용한 시료의 배합비를 나타낸 것이다.
도 15 및 도 16의 표는 전로슬래그로부터 칼슘을 제거한 잔여슬래그를 시멘트와 혼합하여 성형한 건축용 패널의 압축강도(도 15)와 휨강도(도 16)를 측정한 결과이다.
도 17 및 도 18의 표는 괴재슬래그로부터 칼슘을 제거한 잔여슬래그를 시멘트와 혼합하여 성형한 건축용 패널의 압축강도(도 17)와 휨강도(도 18)를 측정한 결과이다.
※※ 첨부된 도면은 본 발명의 기술사상에 대한 이해를 위하여 참조로서 예시된 것임을 밝히며, 그것에 의해 본 발명의 권리범위가 제한되지는 아니한다.
본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능에 대하여 이 분야의 기술자에게 자명한 사항으로서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 슬래그를 이용한 광물 탄산화 및 건축용 패널 제조방법에 대하여 더욱 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 슬래그를 이용한 광물탄산화 및 건축용 패널 제조방법의 개략적 흐름도이며, 도 2는 건축용 패널 제조방법을 구체적으로 설명하기 위한 도면이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 사용되는 칼슘 추출반응기와 탄산화 반응기를 설명하기 위한 도면이다.
도면을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 방법은 칼슘 추출, 고액분리, 탄산화 및 건축용 패널 제조로 이루어진다.
본 발명에서 슬래그의 종류에 제한은 없지만, 수재슬래그의 경우 시멘트 대체제로서 재활용율이 높은 바, 상대적으로 재활용율이 낮은 괴제슬래그나 제강슬래그를 칼슘 추출의 재료로 사용한다.
먼저 슬래그에 대해 용매추출을 수행하여 슬래그로부터 칼슘을 추출한다. 용매추출의 효율을 높이기 위해서는 슬래그의 비표면적을 넓혀서 용매와의 접촉이 원활해지도록 해야 한다. 이에 본 발명에서는 슬래그를 파분쇄하는 전처리를 수행한다. 원료물질을 크러셔, 밀 및 스크린을 이용하여 정해진 입도 범위 이하로 파분쇄한다. 그러나 파분쇄를 많이 할수록 경제성이 저하되는 단점이 있다. 이에 칼슘의 용출 효율과 경제성을 모두 고려하여 분쇄 입도를 최적화하는 것이 중요하다. 본 실시예에서는 슬래그를 30~200 μm 범위로 분쇄하여 사용한다.
파분쇄가 완료되면 슬래그로부터 칼슘을 용출시킨다. 용매가 수용되어 있는 추출반응조에 슬래그를 투입한다. 본 실시예에서 슬래그에서 칼슘을 용출하는데 사용하는 용매는 황산암모늄(3(NH4)2SO4) 용액이다. 황산암모늄 이외에도 황산수소암모늄(NH4HSO4), 염화암모늄(NH4Cl) 질산암모늄(NH4NO3) 등 암모늄 계열의 용매를 사용할 수 있다.
한편, 슬래그로부터 칼슘이 용출되기 용이한 조건을 설정해야 한다. 용매의 농도, 고액비, 온도 조건은 아래와 같다.
암모늄계 용매는 대략 0.1~10M 범위의 농도로 형성하며, 25~80℃ 온도 범위에서 반응을 수행한다. 고액비는 중요한 요소인데 본 실시예에서는 5~200g/L 고액비 범위에서 칼슘의 용출이 원활하게 이루어지는 것을 확인하였다. 슬래그와 용매가 잘 혼합되어 추출 효율을 향상시키도록 추출반응조에는 교반기가 설치된다. 교반기는 대략 100 ~ 1500RPM 정도로 회전된다. 반응시간은 대략 10~360분 정도가 걸린다. 압력은 상압 조건을 유지하여도 추출 효율이 보장될 수 있다. 다만 질소가스를 이용하여 압력을 5기압 정도로 높인 상태에서 추출반응을 수행하면 추출 효율이 보다 상승될 수 있다.
대기압과 상기한 반응 조건 슬래그 내 포함된 전체 칼슘 중 대략 35~45% 정도의 칼슘이 추출되는 것으로 확인되었다.
칼슘 추출이 완료되면 반응조로부터 고체 상태의 잔여슬래그와 칼슘이 녹아 있는 용매를 고액분리하여 용매에 대해서는 광물탄산화 공정을 수행하고, 잔여슬랙는 건축용 패널 제조에 사용한다.
광물탄산화 단계에서는 칼슘이 녹아 있는 용매를 탄산화 반응조에 투입하고 이산화탄소를 주입하여 탄산화 반응을 일으킨다. 가스상의 이산화탄소가 탄산이온으로 전환되어, 탄산화되는 과정은 아래의 반응 (A-E)을 거치게 된다.
즉, 반응(A)와 같이 가스상의 이산화탄소가 용해되고, 용해된 이산화탄소는 물과 반응하여 아래의 반응(B)와 같이 탄산을 형성한다.
CO2(g) ↔ CO2(aq) (A)
CO2(aq) + H2O ↔ H2CO3 (B)
그리고 탄산은 아래의 반응(C), 반응(D)를 통해 수소와 탄산 이온(CO3 2-)으로 분해된다.
H2CO3 ↔ H+ + HCO3 - (C)
HCO3 - ↔ H+ + CO3 2- (D)
탄산 이온이 형성된 상태에서 칼슘이 공급되면 아래의 반응(E)와 같이 탄산마그네슘이 형성되어 고체 상태로 침전된다.
Ca2 + + CO3 2- ↔ CaCO3 ↓ (E)
위 탄산화 반응에 있어 가장 중요한 변수는 pH이다. 산성 조건하에서는 중탄산이온(HCO3 -)이 반응(D)처럼 탄산 이온(CO3 2-)으로 전환되지 못하고 탄산 (H2CO3) 형태를 유지하기 때문에 탄산칼슘 합성이 일어날 수 없다. 그리고 염기성 조건에서 탄산화 반응이 일어나면 이산화탄소가 전환된 탄산화 물질의 수율과 순도의 측면에서 유리하다.
따라서 탄산화 반응을 위하여 염기성 조건, 대략 pH8 이상의 환경을 조성해야 하며, 바람직하게는 pH10 이상의 환경이 조성되어야 한다. 칼슘이 녹아 있는 용매에는 암모늄 이온도 풍부하게 존재하는 바, 염기성을 띠게 된다. 즉, 용매 자체가 염기성을 띠게 된다. 본 발명에서 용매로서 암모늄 이온을 포함하는 용액을 사용하는 것은 칼슘의 용출 목적과 함께 염기성 조건을 형성할 수 있기 때문이다.
그리고 탄산화조에의 pH가 충분하게 상승되지 않는 경우, 탄산화반응조에 염기성 용액을 추가적으로 공급할 수 있다.
상기한 바와 같이 염기성 조건에서 이산화탄소가 활발하게 탄산 이온으로 전환되면서 칼슘과 결합하게 되어 탄산칼슘이 형성되어 고체 상태로 침전된다.
탄산칼슘 합성이 완료되면 고액분리를 통해 침전되어 있는 고체 상태의 탄산칼슘을 별도로 분리하는 것으로 광물탄산화 단계가 완료된다.
이렇게 만들어진 탄산칼슘은 이산화탄소를 고정하며, 더 나아가 순도와 입도의 조절, 고부가가치재료로서의 가공 등을 통해 산업원료로 재활용될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 실시예에서는 도 3에 도시된 바와 같이 칼슘의 추출과 광물탄산화 반응을 수행하기 위하여 추출반응조 및 탄산화반응조를 사용한다.
도 3에는 칼슘 추출단계 및 탄산화 반응단계에서의 추출반응조와 탄산화반응조가 나타나 있는데, 칼슘이 추출된 후 잔여슬래그와 용매를 상호 고액분리할 때와, 탄산칼슘이 형성된 후 탄산칼슘과 용매를 고액분리할 때에는 위 반응조들의 덮개를 교체함으로써 보다 효과적인 공정이 가능해진다.
도 4에는 탄산화 반응기의 작동 과정이 도시되어 있다. 칼슘 추출반응기와 탄산화 반응기는 동일한 구성으로 되어 있으므로 탄산화 반응조를 예로 들어 설명하기로 한다.
도 3 및 도 4를 참고하면, 탄산화 반응기의 반응조는 밑면이 평평하게 형성되어 칼슘이 녹아 있는 용매를 수용할 수 있다. 제1덮개도 평평한 형상으로 이루어지며 교반기, 센서들이 삽입될 수 있는 포트가 마련된다. 교반기는 제1덮개에 분리가능하게 설치되며 이산화탄소를 공급하기 위한 장치도 제1덮개를 통해 반응조 내부와 연결된다. pH와 온도를 측정할 수 있는 센서도 반응조 내에 배치된다. 반응조 측면에는 복수의 용매배출구가 마련된다. 각 용매 배출구는 밸브에 의하여 펌프와 선택적으로 연결된다. 또한 반응조는 항온조에 의하여 가열됨으로써 위에서 설명한 온도 조건을 그대로 유지할 수 있다.
탄산화 반응시에는 상기한 바와 같이 제1덮개를 설치한 상태에서 반응을 수행한다. 그러나 반응이 완료되고 나서 고체 상태의 탄산칼슘과 액체 상태의 용매를 상호 분리할 때에는 도 4에 도시된 바와 같이 제1덮개를 콘 형상의 제2덮개로 교체한다. 제2덮개는 중앙부가 가장 높게 배치되고 반경방향을 따라 하방으로 경사지게 배치된다. 제2덮개의 상부 중앙에는 고체 상태의 탄산칼슘을 배출할 수 있는 배출구가 마련되며, 배출구에는 밸브가 설치된다.
탄산화 반응이 완료되면 제1덮개를 반응조로부터 분리하면서 교반기, 센서 등도 모두 제거한다. 그리고 제1덮개를 대체하여 제2덮개를 결합한다. 이 상태에서 반응조를 180도 회전시키면 제2덮개가 하방으로 향하게 된다. 고체 상태로 형성된 탄산칼슘은 용매보다 무겁기 때문에 콘 형상의 제2덮개쪽으로 가라앉게 된다.
펌프를 이용하여 용매배출구에서 용매를 배출시킨 후, 배출구의 밸브를 열어 탄산칼슘을 배출할 수 있다.
상기한 바와 같이 탄산화반응시와 고액분리시에 덮개를 교체하는 이유는 탄산화반응의 효율을 높이기 위한 것과 장치의 원활한 작동성을 위한 것이다.
즉, 반응조의 하부를 콘 형상으로 만든 상태에서 탄산화반응을 수행하면 될 것으로 생각할 수 있다. 그러나 하부가 콘 형상으로 형성되고 중앙부에 배출구가 마련된 형태에서 탄산화를 수행하면 2가지 문제점이 발생한다.
첫 째, 교반 효율이 떨어진다. 탄산칼슘 합성반응의 수율을 향상시키기 위해서는 교반효율이 중요한데, 하부가 콘 형상으로 이루어지면 하부에는 회전력의 전달이 용이하지 않아 교반이 잘 이루어지지 않는다.
두 번째 문제가 더욱 중요하다. 탄산화 반응과정 중에 일찍 형성된 탄산칼슘이 콘 형상의 하부에 모이거나 배출구 근처에서 성장하여 배출구를 막아버리게 된다. 결국 밸브를 열어서 탄산칼슘을 배출시킬 수 없게 된다.
위의 2가지 문제를 해결하고자 본 발명에서는 탄산화 반응시에는 반응조의 하부가 평평한 상태를 유지하도록 하고 배출구도 배치시키지 않는다. 그리고 반응이 끝나서 탄산칼슘이 형성된 후에는 반응조를 뒤집어서 고체 상태의 탄산칼슘이 용이하게 배출될 수 있도록 하였다.
매우 간단한 구성을 통해 교반효율을 유지하고, 탄산칼슘이 배출구를 막아 버리는 현상을 모두 해결하였다.
또한 탄산칼슘 합성양이 많아지면 용매의 수위가 올라가므로 용매배출구를 반응조의 높이 방향을 따라 복수 개 형성하였으며, 이 용매배출구들을 펌프에 각각 연결하고 밸브에 의하여 개폐되도록 하였다. 탄산칼슘을 배출하기에 앞서 먼저 용매를 배출시킬 수 있다.
상기한 구성은 칼슘 추출반응기에서도 동일하다. 칼슘 추출반응에서도 교반 효율이 높아야 하며, 슬래그들이 엉겨 붙어서 배출구를 막을 염려가 있는 바 탄산화 반응조와 동일한 구성으로 위의 문제들을 해결하였다.
한편, 칼슘 추출이 완료된 후에 고액분리된 잔여슬래그는 건축용 패널을 제조하는 재료로 사용된다. 건축용 패널을 제조하는 과정에 대하여 설명한다.
먼저 칼슘이 제거된 잔여슬래그를 물로 세척하여 슬래그에 뭍어 있는 용매를 제거한다. 여기서 칼슘이 제거되었다는 것은 칼슘이 전혀 없다는 것이 아니라 칼슘 추출공정을 거쳤다는 것을 의미한다. 앞에서도 설명하였지만 경제성을 유지한 상태로 칼슘을 추출하면 칼슘 추출율이 50% 이상이 되지 않기 때문에 잔여슬래그에도 다량의 칼슘이 포함되어 있다.
세척이 완료되면 잔여슬래그, 시멘트, 모래 및 첨가제를 모두 혼합한다. 모두 건조된 상태에 있으므로 건비빔이 된다.
건비빔을 통해 재료들이 고르게 혼합되면 물을 투입하여 물비빔을 수행하여 모양을 성형할 수 있는 반죽 상태로 만든다.
이후 압출 과정을 통해 모양을 성형하고 양생하면 패널이 완성된다.
패널 제조공정 자체는 이외에도 다른 과정을 거칠 수 있다. 본 발명에서 중요한 점은 칼슘이 제거된 잔여슬래그를 건축용 패널로 재활용한다는 점이다. 또한 이를 통해 건축용 패널의 물성이 향상된다는 점이다.
건축용 패널의 물성 향상을 위해서는 잔여슬래그의 배합률이 가장 중요하다. 본 발명에서는 모래와 잔여슬래그의 합량을 100으로 보았을 때, 잔여슬래그는 15~60 중량부의 범위로 배합된다. 이 정도의 범위에서 모래를 잔여슬래그로 대체하면 압축강도와 휨강도가 모래만 사용한 경우보다 우수하게 나타난다는 이점이 있다. 그리고 건축용 패널에서 요구되는 휨강도 5MPa을 만족할 수 있다.
본 발명에서 칼슘을 제거한 슬래그를 이용하여 건축용 패널을 만드는 것은 단순히 슬래그의 재활용을 위한 것이 아니며, 건축용 패널의 물성을 향상시킬수 있기 때문이다.
기존에도 슬래그를 시멘트에 혼합하여 건축용 패널을 제조한 경우가 있을 수 있다. 그러나 칼슘을 제거하지 않은 상태에서 슬래그를 사용하는 것은 오히려 건축용 패널의 물성을 약화시킬 수 있다. 또한 슬래그를 전혀 사용하지 않고 골재로서 모래만을 사용하는 경우에 비하여 칼슘을 제거한 슬래그를 사용하면 보다 공정비용이 적게 요구되고 우수한 품질의 건축용 패널을 제조할 수 있다.
슬래그가 최초로 발생하면 이 슬래그에 포하된 칼슘은 산소와 결합된 CaO나 SiO2와 결합된 형태를 띤다. CaO는 시멘트의 주요 수화성분이지만 매우 쉽게 수화된다는 단점이 있다. 즉, 건축용 패널을 제조할 때 수화되는 경우 패널의 강도 향상에 도움이될 수 있지만 그 전에 재료 상태에서 수화가 진행되어 Ca(OH)2 형태로 변환되면 이 성분은 SiO2 등과의 결합없이 자유롭게 존재하여 슬래그를 건축자재로 활용할 경우 슬래그와 시멘트의 결합을 방해하는 요인이 된다 또한, SiO2 및 Al2O3 등보다 강도가 작아 쉽게 부숴지므로 건축자재의 강도를 저하시키는 원인이 된다. 슬래그는 발생된 후에 장기간 보관된 후 패널에 사용되는 것이 일반적인데 비가 오거나 습도가 높은 경우에도 CaO 성분의 수화가 진행되어 슬래그를 건축용 패널에 직접 사용하는 것은 오히려 바람직하지 않다. 칼슘을 제거한 잔여슬래그는 칼슘 추출과정에서 Ca(OH)2에서 칼슘이 제거되어 건축용 패널의 강도를 향상시킬 수 있다. 또한 상대적으로 Ca 등을 추출하지 않은 슬래그와 비교하여 실리카 성분이 늘어나게 되므로 골재로서의 기능을 보다 충실하게 수행할 수 있다는 이점이 있다.
한편, 슬래그를 전혀 사용하지 않는 경우와 비교해도 칼슘을 제거한 잔여슬래그를 사용하는 것이 강도향상 측면에서 유리하다. 즉, 칼슘 추출 반응을 통해 슬래그 내 잔존하는 용출되지 않은 칼슘 또한 추출 과정에서 활성화 되어 일부 SiO2 혹은 Al2O3 등과 재수화에 참여함으로써 강도 향상을 꾀할 수 있다. 또한 칼슘은 실리케이트와 결합된 형태로 존재하는데, 칼슘 추출을 통해 칼슘이 빠져나온 자리에 시멘트 성분이 결합되면서 강도가 향상될 수 있다.
즉, 본 발명과 같이 칼슘을 제거한 잔여슬래그를 사용하는 경우 기존에 슬래그를 전처리 없이 그냥 사용하는 경우에 비하여 실리카 성분이 늘어나서 골재로서의 역할을 보다 충실하게 수행하며 압축강도를 향상시킬 수 있다.
본 발명의 연구진은 슬래그로부터 칼슘을 추출하는 실험 및 건축용 패널을 제조하는 실험을 진행하였다.
시료는 광양제철소의 전로에서 발생된 전로슬래그(제강슬래그의 일종)와 고로에서 발생된 괴재슬래그(고로슬래그의 일종)를 사용하였다.
도 5 및 도 6의 표는 전로슬래그 시료(도 5)와 괴재슬래그(도 6) 시료를 ICP-OES를 이용하여 성분 분석한 결과이다.
먼저 도 5의 표를 참고하면 전로슬래그 시료에는 칼슘이 22.3% 정도 포함되어 있으며, SiO2 모래 성분은 13.3%로 포함되어 있다.
도 6의 표를 참고하면 괴재슬래그 시료에는 칼슘이 43.2%로 매우 높게 나타났다. 위 성분표에서 총 합은 80% 정도로 나머지 20%는 흔히 igloss라고 불리우는 회분으로 파악된다.
그리고 위 2가지 슬래그 시료에서 칼슘은 실리케이트 성분과 결합되어 있거나 또는 수산화물 형태로 존재한다.
전로슬래그 시료에 대한 칼슘 추출 실험을 2군데의 연구실에서 각각 수행하였으며, 그 결과를 도 7 및 도 8의 표에 각각 표시하였다. 이들 중에서 도 8의 표에서 추출한 칼슘을 이용하여 탄산칼슘을 합성하였고 그 결과를 도 9의 표에 나타내었다.
도 7 내지 도 9의 표를 참고하면, 실험에서 용매는 2M의 염화암모늄 용액을 사용하였고 고액비 66g/L로 50 ℃에서 2시간 진행하였다. 교반기는 200RPM으로 회전시켰다.
첫 번째 실험에서는 슬래그 전체 칼슘량 대비 35~39중량% 수준으로 칼슘이 추출되었다. 동일한 조건의 두 번째 실험에서는 37~40중량% 수준으로 칼슘이 추출되었다. 경제성 향상을 위해서 대기안 보건을 유지하고 온도를 약간만 올린 상태에서 추출반응을 수행하면 대략 35~45% 수준에서 칼슘이 추출될 수 있다. 압력과 온도를 더 올리면 추출효율은 향상될 수 있다. 그러나 본 발명에서는 광물탄산화 보다는 칼슘을 제거한 후 잔여슬래그를 건축용 패널 제조에 사용한다는 것에 보다 중점을 두고 있는 바, 추출율을 높이기 위한 시도는 의식적으로 배제하였다.
그리고 두 번째 실험에서 칼슘이 추출된 용매를 이용하여 탄산칼슘을 합성하였는데, 도 9의 표를 참고하면 위와 동일한 실험 조건에서 탄산화 효율이 대략 99%를 나타냈다. 즉 이온 상태의 칼슘이 거의 전부 탄산칼슘으로 합성되었다.
괴제슬래그 시료에 대해서도 2차례에 걸쳐 칼슘 추출 실험 및 탄산화실험을 수행하였다. 그 결과가 도 10 내지 도 11의 표에 나타나 있다.
도 10 및 도 11의 표를 참고하면, 위와 동일한 실험 조건에서 칼슘 추출 효율은 전로슬래그를 사용한 경우보다 낮게 나타났다. 칼슘이 대략 11중량% 정도만 추출된 것으로 나타났다. 이는 전로슬래그와 괴재슬래그의 결정성상 차이 등에 기인한 것으로 추정된다. 괴재슬래그와 전로슬래그를 구성하는 결정물질의 차이가 두 슬래그의 칼슘 추출 효율의 차이를 가지고 왔다. 괴재슬래그를 구성하는 결정질은 전로슬래그와 비교하여 암모늄 계열의 추출에너지보다 강한 결합력을 갖는 결정질로 구성되어 있다고 추정되며 실험에 사용된 암모늄 계열이 아닌 pH가 상대적으로 낮은 용매를 사용할 경우 괴재슬래그의 칼슘 효율은 증진될 수 있다.
다만 탄산칼슘 합성율은 도 12의 표에 나타난 바와 같이 앞의 실험과 마찬가지로 대부분의 칼슘 이온이 탄산칼슘으로 합성된 것으로 나타났다.
그리고 2가지 실험에서 각각 발생한 잔여슬래그를 이용하여 건축용 패널을 제조하였다. 비교를 위하여 슬래그를 전혀 혼합하지 않고 시멘트와 모래를 주성분으로 사용한 경우와, 칼슘을 제거하지 않은 슬래그를 혼합한 경우에 대해서도 함께 실험하였다.
본 발명에 따른 시료에서는 모래와 슬래그의 합량을 100으로 보았을 때 슬래그의 함량을 25%, 50%, 75%로 나누어 실험하였다. 기존에 모래만 이용한 것을 전제한다면 슬래그의 모래 대체율로 표현할 수도 있다. 압출이 끝난 후 공기중에서 자연 건조방식과 오토클레이브 방식을 각각 사용해 보았다.
실험항목은 3일 재령과 7일 재령에서 자연건조한 경우(air dry)와 오토클레이브(autoclave)를 사용하여 건조한 경우에 있어서 건축용 패널의 압축강도(compressive strength)와 휨강도(flexural strength)를 측정하였다.
실험에 사용한 시료의 배합비가 도 13의 표(전로슬래그 시료) 및 도 14의 표(괴재슬래그 시료)에 나타나 있다.
도 13 및 도 14의 표에서 시료 명칭 CS0는 슬래그를 사용하지 않은 시료, CS25B, CS50B, CS75B는 칼슘을 제거하지 않은 슬래그를 사용한 시료, 그리고 CS25A, CS50A, CS75A는 칼슘을 제거한 슬래그를 사용한 시료이다. 여기서 25, 50, 75는 슬래그의 배합비(모래의 대체율)이다. 나머지 첨가제는 모든 실험에 동일하게 적용하였다.
전로슬래그로부터 칼슘을 제거한 잔여슬래그를 시멘트와 혼합하여 성형한 건축용 패널의 압축강도와 휨강도가 각각 도 15의 표 및 도 16의 표에 나타나 있다.
도 15의 표를 참고하면 모든 재령에서 오토클레이브를 사용하여 양생한 경우의 압축강도가 공기중에서 양생한 경우보다 높게 나타났다. 그리고 칼슘을 제거한 잔여슬래그를 사용한 경우가 슬래그를 전혀 사용하지 않은 경우와 칼슘을 제거하지 않은 슬래그를 사용한 경우보다 모두 높게 나타났다. 특히 칼슘을 제거하지 않은 슬래그의 경우 전체적으로 압축강도가 매우 낮게 나타났으며 슬래그의 배합률이 올라갈수록 압축강도가 저하되는 경향을 나타냈다. 칼슘을 제거한 시료의 경우에는 잔여슬래그 사용율이 올라가면서 압축강도가 함께 향상되었지만 75% 수준에서는 오히려 감소하는 경향을 나타냈다.
도 16의 휨강도에서도 압축강도와 비슷한 경향을 나타내었다. 칼슘을 제거하지 않은 슬래그를 혼합한 경우 압축강도와 휨강도 모두 저하되며, 슬래그를 많이 혼합할수록 강도가 낮게 나타났다. 이러한 실험 결과를 바탕으로 슬래그로부터 칼슘을 제거하는 것이 건축용 패널의 강도를 향상시키는 측면에서는 매우 유리하다는 것을 확인하였다.
괴재슬래그 시료를 사용한 경우의 압축강도와 휨강도 측정 결과는 도 17 및 도 18의 표에 나타내었다.
도 17 및 도 18의 표를 참고하면, 역시 오토클레이브를 사용한 경우가 공기중에서 양생한 경우보다 압축강도와 휨강도가 더 높게 나타났다.
괴재슬래그의 경우는 3일 재령에서 칼슘의 제거 여부와 무관하게 압축강도는 비슷한 경향을 보였고 으나 7일 재령에서는 칼슘을 제거한 경우에 압축강도가 더 높게 나타났다. 또한 칼슘을 제거한 잔여슬래그의 배합율이 75% 수준에서는 압축강도가 저하되는 것으로 확인되었다.
휨강도의 경우도 25%의 배합률로 잔여슬래그를 혼합한 경우 3일 재령과 7일 재령에서 모두 칼슘을 제거하지 않은 슬래그를 사용한 경우보다 휨강도가 높게 나타났지만 슬래그 배합률이 올라가면 오히려 저하되는 현상이 나타났다.
중요한 점은 전로슬래그나 괴재슬래그에서 칼슘을 제거한 잔여슬래그를 시멘트에 혼합하여 건축용 패널을 제조하였을 때 압축강도가 기준치 보다 훨씬 높게 나타난다는 점과 휨강도에서 5MPa 이상의 강도를 확보할 수 있다는 것이다. 압축강도와 휨강도의 측정 결과 건축용 패널로 사용하기에 충분한 물성을 확보한 것으로 확인하였다.
본 발명의 보호범위가 이상에서 명시적으로 설명한 실시예의 기재와 표현에 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 자명한 변경이나 치환으로 말미암아 본 발명이 보호범위가 제한될 수도 없음을 다시 한 번 첨언한다.
Claims (12)
- (a)제철, 제강의 부산물인 슬래그를 용매에 투입하여 슬래그로부터 칼슘을 추출하는 단계;
(b)고액분리를 통해 칼슘을 포함하고 있는 상기 용매와 고체 상태로 남아 있는 잔여 슬래그를 상호 분리해내는 단계; 및
(c)상기 잔여 슬래그를 이용하여 건축용 패널을 제조하는 단계;를 포함하며,
상기 건축용 패널의 제조는,
상기 잔여슬래그를 세척하는 단계와,
상기 잔여슬래그와 시멘트와 모래 및 첨가제를 상호 혼합하여 건비빔하는 단계와,
건비빔된 혼합물을 물 비빔하는 단계와,
물 비빔된 혼합물을 압출하여 양생하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 슬래그를 이용한 광물탄산화 및 건축용패널 제조방법. - 제1항에 있어서,
고액분리 후 상기 칼슘을 포함하는 용매에 이산화탄소를 공급하여 탄산칼슘을 형성하는 단계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 슬래그를 이용한 광물탄산화 및 건축용 패널 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 용매는 암모늄 용액이며, 상기 슬래그는 괴제슬래그 또는 제강슬래그인 것을 특징으로 하는 슬래그를 이용한 광물탄산화 및 건축용패널 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 칼슘을 추출할 때의 온도는 10~200℃ 범위인 것을 특징으로하는 슬래그를 이용한 광물탄산화 및 건축용패널 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 슬래그를 상기 용매에 투입할 때 고액비는 5~200g/L 범위인 것을 특징으로 하는 슬래그를 이용한 광물탄산화 및 건축용패널 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 슬래그는 입도가 30~2000μm 범위로 형성되도록 파분쇄하는 전처리 후 용매추출 하는 것을 특징으로 하는 슬래그를 이용한 광물탄산화 및 건축용패널 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 슬래그를 용매 추출할 때 사용하는 추출반응기는,
바닥면이 평평하게 형성되며 상하방향으로 회전되게 설치되는 반응조와,
상기 반응조의 개방된 상단에 분리가능하게 결합되는 제1덮개와,
상기 반응조에 분리가능하게 설치되며 슬래그와 용매를 상호 혼합해주는 교반기와,
상기 제1덮개를 대체하여 상기 반응조의 개방된 상단에 분리가능하게 결합되며 콘(cone) 형상으로 중앙부가 더 높게 배치되며, 중앙부에 배출구가 형성되어 있는 제2덮개와,
상기 제2덮개의 배출구에 연결된 배출관에 설치되는 밸브를 구비하여,
칼슘 추출반응시에는 상기 제1덮개를 사용하며, 칼슘 추출반응이 끝난 후에는 상기 제1덮개를 대체하여 제2덮개를 덮은 상태에서 상기 반응조를 반대방향으로 회전시켜 상기 제2덮개의 배출구를 통해 고체 상태의 잔여 슬래그를 배출하는 것을 특징으로 하는 슬래그를 이용한 광물탄산화 및 건축용패널 제조방법. - 제7항에 있어서,
상기 반응조의 높이방향을 따라 복수 개의 용매배출구가 형성되며, 각 배출구와 연결된 펌프를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 슬래그를 이용한 광물탄산화 및 건축용패널 제조방법. - 제2항에 있어서,
상기 탄산칼슘을 형성할 때 사용하는 탄산화 반응기는,
바닥면이 평평하게 형성되며 상하방향으로 회전되게 설치되는 반응조와,
상기 반응조의 개방된 상단에 분리가능하게 결합되는 제1덮개와,
상기 반응조에 분리가능하게 설치되며 슬래그와 용매를 상호 혼합해주는 교반기와,
상기 제1덮개를 대체하여 상기 반응조의 개방된 상단에 분리가능하게 결합되며 콘(cone) 형상으로 중앙부가 더 높게 배치되며, 중앙부에 배출구가 형성되어 있는 제2덮개와,
상기 제2덮개의 배출구에 연결된 배출관에 설치되는 밸브를 구비하여,
탄산화 반응시에는 상기 제1덮개를 사용하며, 탄산화 반응이 끝난 후에는 상기 제1덮개를 대체하여 제2덮개를 덮은 상태에서 상기 반응조를 반대방향으로 회전시켜 상기 제2덮개의 배출구를 통해 고체 상태의 탄산칼슘을 배출하는 것을 특징으로 하는 슬래그를 이용한 광물탄산화 및 건축용패널 제조방법. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 모래와 잔여슬래그의 합량 100을 기준으로, 상기 잔여슬래그는 15~60 중량부의 범위로 혼합되는 것을 특징으로 하는 슬래그를 이용한 광물탄산화 및 건축용패널 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 잔여슬래그를 혼합하여 제조된 건축용 패널의 휨강도는 3일 재령에서 5MPa 이상인 것을 특징으로 하는 슬래그를 이용한 광물탄산화 및 건축용패널 제조방법.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020160110868A KR101724341B1 (ko) | 2016-08-30 | 2016-08-30 | 슬래그를 이용한 광물탄산화 및 건축용 패널 제조방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020160110868A KR101724341B1 (ko) | 2016-08-30 | 2016-08-30 | 슬래그를 이용한 광물탄산화 및 건축용 패널 제조방법 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR101724341B1 true KR101724341B1 (ko) | 2017-04-19 |
Family
ID=58705970
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020160110868A KR101724341B1 (ko) | 2016-08-30 | 2016-08-30 | 슬래그를 이용한 광물탄산화 및 건축용 패널 제조방법 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR101724341B1 (ko) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101914603B1 (ko) * | 2017-05-17 | 2018-11-05 | 두산중공업 주식회사 | 칼슘 이온 추출 반응기 및 이를 포함하는 탄산칼슘 제조장치 |
| KR20180126410A (ko) * | 2018-09-12 | 2018-11-27 | 두산중공업 주식회사 | 칼슘 이온 추출 반응기 및 이를 포함하는 탄산칼슘 제조장치 |
| KR20180126409A (ko) * | 2018-09-12 | 2018-11-27 | 두산중공업 주식회사 | 칼슘 이온 추출 반응기 및 이를 포함하는 탄산칼슘 제조장치 |
| CN115365274A (zh) * | 2022-09-20 | 2022-11-22 | 中南大学 | 一种提高钢渣粉磨效率及铁资源回收率的方法 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101375735B1 (ko) * | 2013-08-16 | 2014-03-19 | 한국지질자원연구원 | 암모늄염을 이용한 시멘트 폐기물의 광물탄산화 방법 |
| JP5910137B2 (ja) * | 2012-02-09 | 2016-04-27 | 宇部興産株式会社 | 鉄鋼スラグからのフッ素の溶出抑制方法、土木建築用資材およびその製造方法 |
-
2016
- 2016-08-30 KR KR1020160110868A patent/KR101724341B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP5910137B2 (ja) * | 2012-02-09 | 2016-04-27 | 宇部興産株式会社 | 鉄鋼スラグからのフッ素の溶出抑制方法、土木建築用資材およびその製造方法 |
| KR101375735B1 (ko) * | 2013-08-16 | 2014-03-19 | 한국지질자원연구원 | 암모늄염을 이용한 시멘트 폐기물의 광물탄산화 방법 |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101914603B1 (ko) * | 2017-05-17 | 2018-11-05 | 두산중공업 주식회사 | 칼슘 이온 추출 반응기 및 이를 포함하는 탄산칼슘 제조장치 |
| KR20180126410A (ko) * | 2018-09-12 | 2018-11-27 | 두산중공업 주식회사 | 칼슘 이온 추출 반응기 및 이를 포함하는 탄산칼슘 제조장치 |
| KR20180126409A (ko) * | 2018-09-12 | 2018-11-27 | 두산중공업 주식회사 | 칼슘 이온 추출 반응기 및 이를 포함하는 탄산칼슘 제조장치 |
| KR102000270B1 (ko) * | 2018-09-12 | 2019-07-15 | 두산중공업 주식회사 | 칼슘 이온 추출 반응기 및 이를 포함하는 탄산칼슘 제조장치 |
| KR102000263B1 (ko) * | 2018-09-12 | 2019-07-15 | 두산중공업 주식회사 | 칼슘 이온 추출 반응기 및 이를 포함하는 탄산칼슘 제조장치 |
| CN115365274A (zh) * | 2022-09-20 | 2022-11-22 | 中南大学 | 一种提高钢渣粉磨效率及铁资源回收率的方法 |
| CN115365274B (zh) * | 2022-09-20 | 2024-05-28 | 中南大学 | 一种提高钢渣粉磨效率及铁资源回收率的方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Pan et al. | Integrated and innovative steel slag utilization for iron reclamation, green material production and CO2 fixation via accelerated carbonation | |
| KR101724341B1 (ko) | 슬래그를 이용한 광물탄산화 및 건축용 패널 제조방법 | |
| RU2644169C1 (ru) | Способ рекуперации щелочи и алюминия во время обработки получаемого в процессе байера красного шлама с применением технологии известкования и карбонизации | |
| AU2008256636B2 (en) | Hydraulic cements comprising carbonate compounds compositions | |
| Belhadj et al. | Properties of hydraulic paste of basic oxygen furnace slag | |
| CN109516484B (zh) | 一种用电石泥粉煤灰和煤矸石烧结法生产氧化铝的方法 | |
| KR101423131B1 (ko) | 순환 유동층 보일러에서 발생하는 비산재를 이용한 콘크리트 혼화재 및 그 제조방법 | |
| CN101306826B (zh) | 一种从粉煤灰或炉渣中提取冶金级氧化铝的方法 | |
| CN110357548A (zh) | 一种快硬早强高性能全固废混凝土及其制备方法 | |
| MX2015003309A (es) | Metodo para producir un aditivo asi como carbonato de calcio a partir de agregado de concreto, asi como un dispositivo para realizar el procedimiento. | |
| CN111892340B (zh) | 一种低成本钢渣碳化砖的制备方法 | |
| JP7450409B2 (ja) | セメント混合材、混合セメントおよび炭酸ガス吸着材の製造方法 | |
| CN106277881A (zh) | 一种复合矿物掺和料 | |
| CN111285406A (zh) | 一种氧化铝赤泥与半干法脱硫灰共资源化方法 | |
| KR101789030B1 (ko) | 시멘트 혼화재와 그 제조방법 및 상기 시멘트 혼화재를 포함한 시멘트 및 상기 시멘트 혼화재를 포함한 콘크리트 | |
| US20240067565A1 (en) | Method and device for carbonation | |
| CN1766128A (zh) | 从高铁铝土矿中提取铁和铝的方法 | |
| CN103030312A (zh) | 一种金属镁冶炼渣的处理方法 | |
| CN106145164A (zh) | 从锂云母中制备碳酸锂的方法 | |
| CN114292081B (zh) | 一种无水泥低碳混凝土及其制备方法 | |
| CN114163158A (zh) | 一种多组分废渣耦合增质的复合粉及其制备方法与应用 | |
| KR20170004915A (ko) | 백운석을 이용하는 탄산마그네슘과 염화칼슘 제조방법 | |
| CN102115828B (zh) | 用拜尔法赤泥制备铁和铝并联产硫酸钠的方法 | |
| KR101346561B1 (ko) | 비산재를 이용한 혼화재와 이것의 제조방법 | |
| CN115028395B (zh) | 一种固废建材制品及其制备方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant |