KR101777677B1 - 소각슬래그와 페놀수지를 이용한 바이오 담체 및 그 제조방법 - Google Patents

소각슬래그와 페놀수지를 이용한 바이오 담체 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 오염된 수질 환경을 정화하기 위해서 소각슬래그 및 페놀수지(phenol resin)를 이용한 바이오 담체 및 그 제조방법에 관한 것으로, 구체적으로는 클레이(clay) 및 탄소 성분을 함유하는 유기물질을 혼합하여 바이오 담체의 기본을 형성하고, 소각슬래그, 페놀수지 및 실리카 흄(silica fume)을 결합제로 사용하여 바이오 담체의 구조를 단단하게 형성시켜 수처리 중 발생되는 여러 힘으로부터 구조물이 유지되는 것이다.

Description

소각슬래그와 페놀수지를 이용한 바이오 담체 및 그 제조방법{BIO CARRIER USING INCINERATED SLAG AND PHENOLIC RESIN AND METHOD OF MANUFACTURING THERE OF}
본 발명은 오염된 수질 환경을 정화하기 위해서 소각슬래그 및 페놀수지(phenol resin)를 이용한 바이오 담체 및 그 제조방법에 관한 것으로, 구체적으로는 클레이(clay) 및 탄소 성분을 함유하는 유기물질을 혼합하여 바이오 담체의 기본을 형성하고, 소각슬래그, 페놀수지 및 실리카 흄(silica fume)을 결합제로 사용하여 바이오 담체의 구조를 단단하게 형성시켜 수처리 중 발생되는 여러 힘으로부터 구조물이 유지되는 발명이다.
최근에 하수처리장의 처리 부하가 증가함에 따라 수처리 공정의 기술 개선은 시설 및 설비에 대한 적은 투자만으로 효율 개선이 가능하게 한다. 수처리 공정을 개선함으로써 하수처리장에 가해지는 부하를 저감시킬 수 있다. 하수, 폐수 중 유기성 오염물질보다 효율적으로 제거하기 위하여 수처리 기술 중 미생물을 이용한 기술개발이 필요하며, 유기물뿐만 아니라 질소 인까지 함께 제거될 수 있는 처리 공법이 적극 필요한 실정이다.
또한, 미생물을 활용한 수처리 효율을 높이기 위하여 미생물 군락 형성을 이용한 고효율 처리 방법으로 담체가 시용되고 있다. 수처리 담체는 고농도의 고정상 미생물을 활용하며, 비교적 쉽게 조절 가능한 저 농도의 부유성 미생물을 혼용하여 수처리에 활용되고 있다. 수처리의 처리 효율 개선의 필요성이 나날이 높아감에 따라 각종 대체재와 미생물 담체 공정에 대한 활발한 기술 개발 연구가 수행되고 있다.
더불어 우리나라의 폐기물 정책은 발생된 폐기물을 최대한 재활용하는 것을 적극 권장하고 있다. 특히 도시 쓰레기 소각로로부터 발생하는 소각재와 소각용융 슬래그에 대하여 환경 부하의 최소화와 재활용 특면에서의 활용이 필요하다.
또한, 소각재 용융기술은 쓰레기 소각재의 감용과 안정성에 있어서 대단히 뛰어나 방법이지만, 향후 보관이나 자원 재활용 측면에서는 충분한 수준이라고 말하기 어렵다. 이를 해결하기 위한 연구로 쓰레기 소각재를 원료로 하여 유리질 슬래그를 제조한 후, 그 내부에 결정을 석출시켜 높은 기계적 물성을 갖는 결정화 슬래그를 제조하는 연구가 이루어지고 있다.
소각슬래그의 유리질 및 결정질이 형성되는 것은 물질이 액체에서 고체로 응고되는 과정에서 보통 구성 원자는 융점을 경계로 하여 에너지 차원에서 가장 안정된 규칙적 배치상태의 결정질이 된다. 어떤 특정한 화학조성 범위에서 어떠한 물질은 융점 이하의 온도가 되어도 결정구조를 만들지 않고, 원자는 액체의 불규칙적인 배치상태 그대로 에너지를 잃는다. 그 결과 유리질의 고체가 된다.
또한, 쓰레기 소각재의 무기물 성분에는 SiO2가 20~50% 포함되어 있으며, 유리질 범위에 해당하게 되며 용융 조작만으로 슬래그가 유리질로 형성된다.
결정화 유리는 유리질 안에 미세한 결정을 균일하게 석출시킨 인공재료로서 유리와 결정의 상반된 물질이 혼재되어 있기 때문에 양자의 장점을 모두 갖고 있으며, 일반적으로 강도내열성, 내약품성 등의 물성이 우수하게 나타난다.
소각재 용융슬래그의 주성분은 SiO2, Al2O3, CaO로 전체 구성 성분의 60%가 넘으며, 3가지 성분비도 비교적 안정되어 있다.
또한, 핵형성 물질이 존재할 경우 결정은 내부로부터 균일하게 석출하게 되며, 결정의 석출은 반드시 결정핵이 생성되고 그것을 기점으로 결정이 성장한다. 결정핵의 형성은 에너지의 차이가 생기는 계면에서 일어나기 쉽기 때문에 유리 내부에 핵 형성제가 없는 경우에는 유리 표면에서 결정이 석출된다. 표면 결정의 경우 결정 성장 속도가 아주 늦기 때문에 내부는 아직 유리 상태로 남아있는 경우가 많다. 일반적으로 핵형성물질인 TiO2, ZrO2, Pt, Au 등을 첨가하여 결정핵을 내부에 균일하게 생성시켜 결정을 내부에서 균일하게 석출시키는 것이 가능하다.
현재의 소각용융 슬래그를 이용한 재활용 기법이 제시되었으나, 대부분 압축 성형 후 보도블록 등에 사용되고 있다.
본 발명의 배경기술이 되는 선행기술은 대한민국 등록특허공보 제10-1516836호(2015. 4. 30., 이하 ‘선행문헌 1’), 일본 공개특허공보 특개2010-520046호(2010. 6. 10., 이하 ‘선행문헌 2’), 일본 공개특허공보 특개2008-12447호(2008. 1. 24., 이하 ‘선행문헌 3’) 및 대한민국 공개특허공보 제10-2016-0059185호(2016. 5. 26., 이하 ‘선행문헌 4’)에 개시되어 있다.
선행문헌 1은 ‘활성 탄소를 포함하는 흡수체, 이의 제조방법, 및 이의용도’로 가스 스트림과 같은 유체로부터 독성 인자를 제거할 수 있는 흡수체를 제조하는 방법이 기재되어 있다.
선행문헌 2는 ‘활성탄을 포함하는 흡착제, 그 제조 방법 및 사용’으로 활성탄 및 유황이 포함되어 가스 흐름에서 독성 물질을 줄이는 흡착제를 제조하는 방법이 기재되어 있다.
그러나 선행문헌 1 및 선행문헌 2 발명의 흡착제는 페놀수지가 일부 포함되어 있지만, 가스와 같은 유체로부터 수은 또는 다른 독성 인자를 제거하는 데에 사용되므로 본 발명과 같이 수처리에 사용되기 적합하지 않다.
선행문헌 3은 ‘중금속용 흡착제 및 그 제조방법, 중금속 제거방법’으로 페놀수지와 아미노화합물을 포함한 고형물로 가열 처리 공정으로 흡착제를 제조하는 방법이 기재되어 있다.
그러나 선행문헌 3 발명은 용액이나 토양에 존재하는 중금속 중 카드뮴을 제거하는데 적합하게 설계되어 있으므로 수처리에 활용할 수 없다.
선행문헌 4는 ‘다공성 흡착제를 이용한 오염물 처리 장치 및 방법’으로 오염물이 흡착된 다공성 흡착제를 압착하여 오염물을 분리하고, 미회수 된 잔존 오염물을 융해하여 재생된 흡착제를 활용하여 오염물을 처리하는 방법이 기재되어 있으나, 활성탄은 주로 야자나무껍질, 톱밥 등을 활용하여 제조되므로 내구성이 약하여 회수가 되어도 오염 물질이 제거되지 않아 활용하기가 어렵다.
이에 본 출원인은 소각슬래그 및 페놀수지를 결합제로 사용하여 수처리 중 발생되는 여러 힘으로부터 담체의 구조가 유지되면서도, 공극이 형성되어 고농도의 고정상 미생물을 활용하여 처리 효율을 개선할 수 있는 바이오 담체를 안출하게 되었다.
<선행기술문헌>
(선행문헌 1) 대한민국 등록특허공보 제10-1516836호
(선행문헌 2) 일본 공개특허공보 특개2010-520046호
(선행문헌 3) 일본 공개특허공보 특개2008-12447호
(선행문헌 4) 대한민국 공개특허공보 제10-2016-0059185호
본 발명은 상기 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 클레이, 유해 성분이 없는 사업장 폐기물, 유기물질 등을 혼합하여 다공성 바이오 담체를 제공함으로써 활용 가치가 없는 폐기물 재활용으로 자원이 순환되는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명의 바이오 담체에 결합제가 포함되어 여러 힘으로부터 담체 구조가 유지되는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 고온에서 소성됨으로서 공극이 확대 활성화되어 고농도의 고정상 미생물을 활용하여 수처리의 여과 기능과 효율이 개선되는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 클레이, 연소재, 유기물질 및 결합제 등이 포함되어 혼합 제조 후, 고온 소성을 통해 공극이 확대 활성화된 다공성의 바이오 담체를 제공함으로서 기술적 과제를 해결하고자 한다.
또한, 본 발명에서 결합제는 소각슬래그, 페놀수지 및 실리카 흄 등이 포함되는 것을 기술적 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 바이오 담체에 사용되는 재료가 혼합되는 단계(S110); 혼합된 바이오 담체가 일정한 형태로 제조되는 단계(S120); 제조된 담체가 건조되는 단계(S130); 건조된 담체가 고온에서 열분해 소성되는 단계(S140); 바이오 담체가 양생되는 단계(S150);를 포함하여 제조되는 것을 기술적 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 바이오 담체는 클레이 15~25중량%, 연소재 15~25중량%, 유기물질 35~45중량% 및 결합제 등이 포함되어 제조되는 것을 기술적 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 결합제는 소각슬래그 10~20중량%, 페놀수지 1~5중량%, 실리카 흄 0.1~4중량% 등이 포함되는 것을 기술적 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 100~150℃에서 30~80분 건조되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 700~1,300℃에서 40~70분 열분해 소성되는 것을 기술적 특징으로 한다.
본 발명에 따른 소각슬래그 및 페놀수지를 이용한 바이오 담체 및 그 제조방법으로 제조된 바이오 담체는, 폐기물과 도시 쓰레기 소각로로부터 발생되는 소각재와 소각 용융슬래그를 활용하므로 가치가 없는 폐자원을 재활용하여 자원이 순환되는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 유해물질이 용출되지 않는 폐자원을 재활용하므로 제조비용 및 폐자원 처리비용이 절감되는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 소각슬래그, 페놀수지 및 실리카 흄 등을 결합제로 사용하여 보다 단단한 구조가 형성되어 수처리 중 발생되는 외부 충격으로부터 바이오 담체가 부서지지 않는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 열분해 소성을 통해 공극이 확대 활성화되어 고정상 미생물을 활용됨으로서 수처리의 효율이 개선된다.
도 1은 바이오 담체의 제조방법을 나타낸 순서도이다.
도 2는 건조 후 열분해 소성된 바이오 담체를 나타낸 것이다.
도 3은 주사전자현미경을 이용하여 소각슬래그의 결정구조를 촬영한 것이다.
도 4는 소각슬래그의 입도분포곡선을 나타낸 것이다.
도 5는 바이오 담체에 사용되는 재료 혼합물의 구조를 100배율로 관찰한 것이다.
도 6은 비회가 포함된 혼합물의 성분을 EDX로 측정한 결과를 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명에서 사용된 점토 반죽기이다.
도 8은 본 발명에서 사용된 압출 성형기이다.
도 9는 본 발명에서 사용된 열분해 소성 시 사용되는 도구이다.
<부호의 설명>
S110 : 바이오 담체에 사용되는 재료가 혼합되는 단계
S120 : 혼합된 바이오 담체가 일정한 형태로 제조되는 단계
S130 : 제조된 담체가 건조되는 단계
S140 : 건조된 담체가 고온에서 열분해 소성되는 단계
S150 : 바이오 담체가 양생되는 단계
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 변환이 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. 바이오 담체 제조>
도 1은 바이오 담체의 제조방법을 나타낸 순서도이다.
1) 바이오 담체에 사용되는 재료가 혼합되는 단계(S110)
클레이, 연소재, 유기물질 및 결합제 등이 혼합되어 담체 반죽이 제조될 수 있다.
먼저, 담체 반죽은 클레이, 연소재 및 유기물질을 혼합하며, 상세하게는 클레이 15~25중량%, 연소재 15~25중량% 및 유기물질 35~45중량%가 포함될 수 있으며, 바람직하게는 클레이 17~23중량%, 연소재 18~22중량% 및 유기물질 38~42중량%, 가장 바람직하게는 클레이 15중량%, 연소재 20중량% 및 유기물질 40중량% 포함될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
상기 연소재는 PKS 연소재, 석탄재, 연탄재 등이 포함될 수 있으며, 바람직하게는 석탄재 중 비회(飛灰, fly ash)가 포함될 수 있다.
석탄재는 비회와 저회(低灰, bottom ash)로 분류할 수 있다. 비회는 미연탄 12% 이상으로 매립용으로 이용되며, 저회는 미연탄 2% 이내로 시멘트 대체재로 이용되고 있다.
상기 유기물질은 톱밥 등의 유기성 폐기물, 왕겨, 볏짚, 호두 껍데기 등의 농업 폐기물, 하수슬러지, 제지슬러지 등의 사업장 배출폐기물, 커피(원두) 부산물 등의 식품 찌꺼기 등이 포함될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
상기 결합제는 소각슬래그, 페놀수지, 실리카 흄 등이 포함되며, 소각슬래그 10~20중량%, 페놀수지 1~5중량% 및 실리카 흄 0.1~4중량% 등이 포함되며, 바람직하게는 소각슬래그 12~17중량%, 페놀수지 2~4중량% 및 실리카 흄 1~3중량% 등이 포함되며, 가장 바람직하게는 소각슬래그 15중량%, 페놀수지 3중량% 및 실리카 흄 2중량% 등이 포함될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
본 발명에서 소각재 용융슬래그는 생활폐기물 처리를 통하여 얻어진 부산물인 용융슬래그가 사용되었으며, 상세하게 생활폐기물을 열분해 고형물 용융로에서 1,350~1,450℃로 용융시켜 얻어진 소각 용융슬래그가 사용되었다.
또한, 상기 용융 반응에서 용융열원으로서 열분해 고형물(char) 및 고형연료(RPF, Refuse Plastic Fuel)의 연소열을 활용하였다.
페놀수지는 열 및 화학물질에 대한 안정성이 에폭시 수지보다 우수하며, 탄소수율이 55~66%로 높다. 이는 열 변형 온도가 높고, 고온에서 강도를 유지할 수 있다.
또한, 페놀수지에 촉매, 열 또는 압력을 가하면 비가역적 화학반응에 의하여 경화되고, 이러한 특징으로 인하여 수지가 가교화되면서 강성률이 높아져 열 및 화학물질에 대한 저항성이 증가된다.
또한, 페놀수지는 온도가 300℃ 이상 상승하면, 열분해를 시작한다. 이 때 많은 코크스상 탄소가 되어 잔류 탄소로 잔존하여, 기계적 강도나 내열성에 강점을 가진다.
또한, 페놀수지는 유리, 규상, 알루미나 등에 대해서도 접착성과 내열성이 뛰어나 무기질 재료의 결합재로 사용이 가능하다.
실리카 흄은 규소철과 메탈실리콘의 생산 과정에서 생성되는 가스를 수집 및 여과하여 포집된 마이크로 실리카 입자로 시멘트 및 콘크리트제품, 내화물, 고강도 구조물 등의 사업에 주로 사용되며, 평균입자 0.15㎛로 완전 구형에 가까운 입자로서 비정질의 활성 실리카이다. 수산화칼슘과 반응하여 상온에서 함수규산 칼슘으로 변화하여 슈퍼 포졸란(pozzolan) 성질을 나타낸다.
본 발명의 바이오 담체에 실리카 흄이 비회 입자 사이에 충전 효과를 주어 고강도화가 나타나며, 알칼리 실리카 반응 억제 및 화학적 저항성이 향상된다.
또한, 유기물질은 바이오 담체 제조 시 연소온도 조건에 따라 공극이 형성된다.
바이오 담체에 사용되는 재료 혼합물을 점토 반죽기에 넣고 혼합하다.
2) 혼합된 바이오 담체가 일정한 형태로 제조되는 단계(S120)
혼합된 바이오 담체는 반죽 상태이므로 원하는 모양으로 제조할 수 있다. 압출 성형기를 통해 압출되면 펠렛(pellet) 형태가 되며, 판상, 괴상, 구상 등 다양하게 제조될 수 있으며, 바람직하게는 펠렛 형태로 제조될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
3) 제조된 담체가 건조되는 단계(S130)
제조된 담체가 건조된다.
제조된 바이오 담체는 100~150℃에서 30~80분 건조될 수 있으며, 바람직하게는 115~140℃에서 45~70분, 가장 바람직하게는 120℃에서 60분 건조될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
건조 과정을 통하여 1차로 기포가 형성되어 공극이 생성된다.
4) 건조된 담체가 고온에서 열분해 소성되는 단계(S140)
건조된 바이오 담체가 고온에서 열분해 소성된다.
건조된 바이오 담체의 소성 온도와 시간은 700~1,300℃에서 40~70분, 바람직하게는 800~1,250℃에서 50~65분, 가장 바람직하게는 950~1,100℃에서 60분 열분해 될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
고온에서 열분해 소성 과정을 통하여 결합제에 포함된 소각슬래그, 페놀수지 및 실리카 흄이 열 변형으로 인해 담체의 구조가 단단해지도록 결합 역할을 한다.
또한, 열분해 소성된 담체는 공극이 확대 활성화되어 미생물의 부착 능과 집적화를 높일 수 있다.
도 2는 건조 후 열분해 소성된 바이오 담체를 나타낸 것이다.
6) 바이오 담체가 양생되는 단계(S160)
공극이 확대 활성 된 바이오 담체를 상온에서 6~8일, 바람직하게는 7일 양생할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 이와 같이 양생 과정을 통해 강도가 증진되어 수처리에 사용이 가능한 바이오 담체로 활용할 수 있다.
<실시예 2. 바이오 담체 제조>
실시예 1의 혼합된 바이오 담체 재료에 희토류가 더 포함하여 바이오 담체를 제조할 수 있다.
1) 바이오 담체에 사용되는 재료가 혼합되는 단계(S110)
상기 <실시예 1>의 혼합물에 희토류를 더 포함하여 바이오 담체를 제조할 수 있다. 보다 상세하게는 클레이 15~25중량%, 연소재 15~25중량%, 유기물질 35~45중량% 및 희토류 1~7중량%가 포함될 수 있으며, 바람직하게는 클레이 17~23중량%, 연소재 18~22중량%, 유기물질 38~42중량% 및 희토류 3~5중량%, 가장 바람직하게는 클레이 15중량%, 연소재 20중량%, 유기물질 40중량% 및 희토류 4중량% 포함될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
희토류에는 17개의 원소가 포함되어 있으며, 그 중에서 란타늄(La, Lanthanum)이 수질 내 부영화의 원인이 되는 인을 흡착하는 특성을 갖고 있다.
따라서 본 발명에서는 란타늄이 포함된 희토류를 사용하는 것이 가장 좋다.
또한, 본 발명에서 바이오 담체의 구조를 단단하게 유지하기 위해서 결합제가 사용되었다. 보다 상세하게는 소각슬래그 10~20중량%, 페놀수지 1~5중량% 및 실리카 흄 0.1~4중량% 등이 포함되며, 바람직하게는 소각슬래그 12~17중량%, 페놀수지 2~4중량% 및 실리카 흄 1~3중량% 등이 포함되며, 가장 바람직하게는 소각슬래그 15중량%, 페놀수지 3중량% 및 실리카 흄 2중량% 등이 포함될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
2) 바이오 담체가 제조되는 단계(S210)
상기 <실시예 1>의 2)단계(S120) 내지 6)단계(S160)와 동일한 방법으로 바이오 담체를 제조할 수 있다.
<실험예 1. 슬래그의 특성 분석>
본 발명에서 사용되는 소각슬래그의 특성을 분석하였다.
하기 <표 1>은 소각슬래그의 화학적 조성비를 나타낸 것이다.
<표 1>
Figure 112017047641510-pat00001
<표 1>을 토대로 살펴보면, 소각슬래그의 구성성분은 평균적으로 SiO2가 46.05중량%, CaO가 26.49중량%를 차지하고 있는 것을 알 수 있다. 이는 쓰레기 소각재의 무기물 성분에는 SiO2가 20~50% 포함되어 있으며, 용융조작만으로 얻을 수 있는 유리질 범위에 해당하기 때문에 결정화 유리를 얻을 수 있다. 결정화 유리는 유리 안에 미세한 결정을 균일하게 석출시킨 인공재료로서 일반적으로 강도, 내열성, 내약품성이 우수하다.
도 3은 주사전자현미경을 이용하여 소각슬래그의 결정구조를 촬영한 것이다.
도 4는 소각슬래그의 입도분포곡선을 나타낸 것이다.
도 3 및 도 4를 토대로 살펴보면, 소각슬래그의 결정구조는 유리질의 검은 결정 형태로 입자 표면이 매끈한 형태인 것을 알 수 있다.
또한, 전체 입경은 0.25~10mm의 분포를 나타내고 있으며, 주로 1.0~5.0mm 사이에 주입경이 분포하고 있다. 균등계수(Cu)는 3.75로 모래를 기준으로 하였을 때, Cu가 6보다 작기 때문에 입조가 양호하지 못한 것으로 나타났으며, 곡률계수(Cg)는 1.067로 양호한 것을 알 수 있다.
<실험예 2. 슬래그의 용출 분석>
본 발명에서 사용되는 소각슬래그의 용출을 분석하였다.
슬래그는 폐기물에서 출발한 원료이므로 소각재에 다량 함유되어 있는 중금속 용출 가능성이 높아 환경적 안정성이 입증되어야 한다.
본 발명에서는 소각슬래그를 여재로 사용함에 있어서 입상 용융슬래그의 결정상이 파괴되지 않도록 하는 세심한 품질관리가 필요하며, 여재로 사용하는 경우 중금속의 침출이나 기타 오염물질의 침출이 발생할 수 있다.
소각재를 용융하여 슬래그화 되면 다이옥신과 같은 화합물질은 분해되고, 납 등과 같은 유해한 중금속은 분리되거나 용융슬래그 내 유리질과 일체화되어 용출되지 않는다. 용융슬래그의 구조는 기본적으로 실리카 유리의 성질과 유사하여 SiO4 +가 망목 형성 이온으로 각각 4개의 O원자로 연결된 3차원적인 망목 구조로 되어 있다. 이와 같이 슬래그 중 분리되지 않은 중금속들은 망목 구조 안에 이온의 형태로 결합되어 있다. 이러한 망목수식 이온이 용출되기 위해서는 주위의 유리구조로부터 용출되어야하는데, 일반적으로 유리구조의 용출속도가 상당히 느리기 때문에 실제로 망목수식 이온은 거의 검출되지 않는 것으로 알려져 있다.
입상 용융슬래그에 대하여 미국 환경보호청(US EPA)에서 제안한 독성 특성 침출 절차(TCLP, Toxicity Characteristic Leaching Procedure) 방법을 사용하여 용출 실험을 수행하였다.
하기 <표 2>는 소각슬래그의 용출실험 결과를 나타낸 것이다.
<표 2>
Figure 112017047641510-pat00002
<표 2>를 토대로 살펴보면, 본 발명에서 사용되는 소각슬래그에서 As, Cd, Cu, Pb, Hg, CN, Cr+6의 중금속이 용출되지 않음을 알 수 있다.
<실험예 3. 바이오 담체를 이용한 수처리 특성 실험>
<실시예 1>의 제조방법으로 제조된 바이오 담체를 이용하여 수처리 회분 실험을 수행하였다.
하기 <표 3>은 수처리 회분실험 결과를 나타낸 것이다.
<표 3>
Figure 112017047641510-pat00003
<표 3>을 토대로 살펴보면, 하수가 처리되기 전인 원수의 부유물질(SS, Suspended Solid)이 95% 제거되었으며, 화학적 산소 요구량(COD, Chemical Oxygen Demand)은 92.2% 제거된 것을 알 수 있다.
또한, 총 질소(T-N, Total Nitrogen)는 68.5% 제거되었으며, 총 인(T-P, Total Phosphorus)은 78.1% 제거된 것을 알 수 있다.
<실험예 4. 성분 분석>
본 발명의 혼합 성형물에 사용된 비회와 저회의 성분을 분석하였다.
하기 <표 4>는 비회의 성분을 분석한 결과이다.
<표 4>
Figure 112017047641510-pat00004
<표 4>를 토대로 살펴보면, 비회의 경우 Si 성분이 20.77%로 가장 많이 함유되어 있었으며, 기공 구조에 영향을 미치는 Al, Ca 및 Fe 등이 포함되어 있는 것을 확인할 수 있다.
<실험예 5. 유기물질 성분>
본 발명의 바이오 담체에 사용되는 유기물질 중 왕겨, 볏짚, 커피 부산물 및 하수슬러지 성분을 분석하였다.
하기 <표 5>는 유기물질의 성분을 분석한 결과이고, <표 6>은 하수슬러지 성분을 분석한 결과이다.
<표 5>
Figure 112017047641510-pat00005
<표 6>
Figure 112017047641510-pat00006
<표 5>을 살펴보면, 본 발명에서 사용되는 왕겨, 볏짚 및 커피 부산물의 성분 중 수분이 각각 42.8%, 40.1%, 29.47%로 가장 많이 함유되어 있다. 이러한 높은 함량은 바이오 담체의 공극 발달에 기여되어 고정상 미생물이 활용되어 수처리의 효율이 높아지는 것을 유추할 수 있다.
<표 6>을 살펴보면, 본 발명에서 사용된 하수슬러지는 주로 무기 성분을 함유하고 있으며, SiO2 및 Al2O3로 구성되어 열분해 소성을 통해 바이오 담체의 구조를 단단하게 유지되어 수처리 중 발생되는 물리적 힘으로부터 담체의 구조가 유지되는 것을 유추할 수 있다.
<실험예 6. 물리적 특성 분석>
<실시예 1>의 제조방법으로 제조된 바이오 담체를 이용하여 물리적 특성을 분석하였다.
또한, 실험군으로는 실시예 1의 혼합된 바이오 담체가 사용되었으며, 입경 4~6m, 유효경 5mm, 균등계수 1.2 이하의 바이오 담체로 성형하여 활용 가능하다.
하기 <표 7>은 본 발명의 바이오 담체의 물리적 특성을 분석한 결과이다.
<표 7>
Figure 112017047641510-pat00007
<표 7>을 살펴보면, 본 발명의 바이오 담체는 공극률 60~70%, 비중 0.25∼0.35, 강도 2.5N/㎟, 투수계수(permeability coefficient) 60m/hr로 나타난 것을 알 수 있다.
<실험예 7. 바이오 담체의 인 제거효율>
<실시예 1> 및 <실시예 2>의 제조방법으로 제조된 바이오 담체를 이용하여 수질의 인이 제거되는 효율을 확인하였다.
하기 <표 8>은 바이오 담체를 활용하여 수질의 인이 제거되는 효율을 확인한 결과이다.
<표 8>
Figure 112017047641510-pat00008
<표 8>을 살펴보면, 실시예 1의 바이오 담체는 수질 내 인이 61.8% 제거되었으며, 실시예 2의 바이오 담체는 수질 내 인이 79.53% 제거되었다. 이를 통해 본 발명의 바이오 담체는 란타늄이 포함된 희토류가 더 포함되었을 경우, 수질 내 인이 제거되는 효과를 확인할 수 있다.
<실험예 8. 바이오 담체의 부유물질 제거 효율>
<실시예 1>의 제조방법으로 제조된 바이오 담체를 이용하여 수질 내 부유물질 제거 효율을 확인하였다.
하기 <표 9>는 본 발명의 바이오 담체를 이용하여 부유물질 제거 효율 결과를 나타낸 것이다.
<표 9>
Figure 112017047641510-pat00009
<표 9>를 살펴보면, 본 발명의 바이오 담체는 부유물질 제거 효율이 80~95%를 나타내는 것을 확인할 수 있다.
본 발명은 소각슬래그 및 페놀수지를 이용한 바이오 담체 및 그 제조방법에 관한 것으로, 소각슬래그, 페놀수지 및 실리카 흄 등을 결합제로 사용하여 바이오 담체를 제조하여 단단하게 형성되어 수처리 중 발생되는 외부 충격으로부터 구조물이 유지되는 산업상 이용가능한 발명이다.

Claims (7)

  1. 클레이(clay)가 15 내지 25중량%, 연소재가 15 내지 25중량%, 유기물질이 35 내지 45중량%, 소각슬래그가 10 내지 20중량%, 페놀수지가 1 내지 5중량% 및 실리카 흄이 0.1 내지 4중량% 포함되어 공극률이 60 내지 70%인 것을 특징으로 하는, 바이오 담체.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN108191398A (zh) * 2018-02-02 2018-06-22 湖州师范学院 竹炭膨润土尾矿复合陶瓷材料及其制备方法

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JP2002519056A (ja) * 1998-07-06 2002-07-02 ダブリュー・アール・グレース・アンド・カンパニー−コーン バイオレメディエーション用の非マクロポーラス型無機支持体

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