KR101797958B1 - 인공경량골재 제조방법 - Google Patents

Abstract

정화 폰툰용 인공경량골재 제조에 있어, 인공경량골재의 유해 조류 흡착 및 번성을 억제할 수 있는 인공경량골재 제조방법 및 그 방법으로 제조된 정화 폰툰용 인공경량골재가 개시된다. 본 발명은 정화 폰툰용 인공경량골재 제조방법에 있어서, (a) 규석(SiO₂) 및 알루미나(Al₂O₃)를 주성분으로 포함하는 세라믹 산화물 원료로 인공경량골재를 성형하는 단계; 및 (b) 상기 성형된 인공경량골재에 은 나노 용액을 코팅하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 인공경량골재 제조방법 및 그 방법으로 제조된 정화 폰툰용 인공경량골재를 제공한다.

Description

인공경량골재 제조방법{METHOD OF PREPARING ARTIFICIAL LIGHT-WEIGHT AGGREGATES}

본 발명은 인공경량골재 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 정화용 폰툰 시스템에 적용되는 인공경량골재 제조방법에 관한 것이다.

석탄재(Fly ash, Bottom ash, 매립회)는 국내 10개 화력발전소에서 연간 약 820만톤이 발생하며, 이 중 약 620만톤은 시멘트 대체제 등으로 사용되고, 나머지 약 200만톤은 인근 매립장에 매립 처리되고 있다. 따라서 석탄회 전체의 약 75% 정도가 재활용되고 있는 실정이다. 화력 발전소에서 배출되는 석탄회는 성상에 따라 크게 비산재(fly ash)와 바닥재(bottom ash)로 구분되는데, 비산재는 입도가 미세하고 조성이 우수하여 대부분 재활용되고 있으나, 이 중 탄소 함량이 많고 입도가 커서 재활용되지 못하는 것을 잔사회(reject ash)라고 하는데, 이는 거의 매립에 의해 처리되고 있는 실정이다.

최근 이러한 석탄재에 대한 재활용이 활발히 진행되고 있으며, 단순한 시멘트 혼화제 차원에서 벗어나 고부가가치인 인공경량골재로의 연구가 진행되어 경량 보드, 내열성 블록 등으로의 응용이 전개되고 있다. 이러한 인공경량골재를 제조할 때, 골재의 내부에 기공이 존재하고 외부는 유리질로 둘러싸인 세라믹 지지체를 만들기 위해 소정의 온도로 가열된 로에 직접 성형된 골재를 투입하는 직화 소성법이 사용된다. 이렇게 제조된 인공경량골재는 기존의 천연골재에 비하여 가볍고, 물에 뜨게 할 수 있어 해상 및 가두리 양식장의 오염 및 유해 조류 제거용 장치에 적용될 수 있다.

한편, 해양 및 해양수를 이용한 육상 가두리 양식장의 오염 및 유해 조류에 의한 피해는 매년 증가하고 있으나 이러한 문제를 상시적으로 해결할 수 있는 시스템은 아직 국내외적으로 실용화 사례가 없는 실정이며, 따라서 양식장을 상시적으로 정화할 뿐 아니라, 유해 조류가 번성하여 침투할 때, 이를 효율적으로 제거하기 위한 멤브레인 층(membrane layer; ML)를 갖는 정화용 폰툰 시스템 개발이 시급히 요구되어지고 있다.

이러한 해상 및 가두리 양식장의 오염 및 유해 조류 제거용 장치에 적용되는 정화용 폰툰 시스템에 적용되는 인공경량골재의 요구 조건은 세라믹의 표면적을 크게 하여야 하고 이를 위하여 기공률과 기공크기 그리고 비표면적이 주요 인자이다. 세라믹에 포함된 공극 중 연속기공과 고립기공의 양적 비율에 따라 성질이 좌우되므로 연속기공과 고립기공의 비율 제어가 중요한 인자가 되며, 연속기공과 고립기공을 모두 포함하는 전체 기공율은 높을수록 효율적인 지지체로 사용될 수 있다. 또한 기공크기와 분포도 중요한 인자로, 처리하고자 하는 환경오염 물질에 적합한 기공 크기 제어와 다공체의 기공 크기를 작게는 수 ㎛부터 크게는 수십 ㎛까지 다양하게 분포하게 할 수 있는 제어기술 또한 필요하다. 세라믹의 표면 거칠기 또한 중요한 인자가 되며 표면 거칠기의 정도에 따라 환경오염 물질 흡착 성능이 조절된다. 또한 인공경량골재는 사용 완료 후 해양에 투입되어도 자연 환경에 무해한 세라믹 조성을 갖는 환경 친화적 소재이므로 환경오염에 무해한 친환경 재료이다.

그러나 해상 및 가두리 양식장의 오염 및 유해 조류 제거용 장치인 정화용 폰툰 시스템에 적용되는 인공경량골재는 골재의 성상이나 구조의 문제만이 아니라 유해 조류의 흡착을 억제하는 기능을 부여하여야 하지만 인공경량골재를 포함한 대부분의 물질은 그 종류에 관계 없이 수온이 상승하면 유해 조류의 흡착 및 번성이 활발히 진행되는 바, 유해 조류가 번성하여 침투할 때 이에 대한 대응방안 수립이 어려운 문제가 있다.

[선행특허문헌]

- 공개특허공보 제10-2011-0020573호(2011.03.03. 공개)

따라서 본 발명은 정화 폰툰용 인공경량골재 제조에 있어, 인공경량골재의 유해 조류 흡착 및 번성을 억제할 수 있는 인공경량골재 제조방법 및 그 방법으로 제조된 정화 폰툰용 인공경량골재를 제공하고자 한다.

전술한 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명은, 정화 폰툰용 인공경량골재 제조방법에 있어서, (a) 규석(SiO₂) 및 알루미나(Al₂O₃)를 주성분으로 포함하는 세라믹 산화물 원료로 인공경량골재를 성형하는 단계; 및 (b) 상기 성형된 인공경량골재에 은 나노 용액을 코팅하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 인공경량골재 제조방법을 제공한다.

또한 상기 세라믹 산화물 원료는 자연토, 저회, 준설토, 석탄회, 잔사회(reject ash), 석탄비산재, 석탄저회, 제강 더스트, 제강 슬래그, 용융 슬래그, 소각 슬래그, 폐촉매 슬래그, 하수오니, 슬러지 소각재, 종이재 및 적니로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 인공경량골재 제조방법을 제공한다.

또한 상기 (a) 단계에서 성형된 성형체는 직경 4~15㎜의 구형 또는 판상형인 것을 특징으로 하는 인공경량골재 제조방법을 제공한다.

또한 상기 코팅은 상기 은 나노 용액에 상기 성형된 인공경량골재를 침적하여 수행되는 것을 특징으로 하는 인공경량골재 제조방법을 제공한다.

또한 상기 은 나노 용액은 은 나노 슬러리가 탈 이온수(DI water)에 10~50ppm 함량으로 희석된 것을 특징으로 하는 인공경량골재 제조방법을 제공한다.

상기 또 다른 과제 해결을 위하여 본 발명은, 정화 폰툰용 인공경량골재에 있어서,

실리카(SiO₂) 및 알루미나(Al₂O₃)를 주성분으로 포함하는 세라믹 산화물 원료로 이루어진 성형체에 은 나노 슬러리가 10~50ppm 함량으로 희석된 은 나노 용액이 코팅된 것을 특징으로 하는 인공경량골재를 제공한다.

본 발명에 따르면, 정화 폰툰용 인공경량골재 제조에 있어, 세라믹 산화물 원료로 이루어진 재료로 균일 발포 골재를 성형하고, 성형된 인공경량골재에 은 나노 용액을 소정의 방법으로 골재의 표면에 코팅함으로써 유해 조류의 흡착 및 번성이 억제되는 인공경량골재를 제조하는 방법 및 그 방법으로 제조된 인공경량골재를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 인공경량골재의 대장균 및 황색 포도상구균에 대한 살균능력 시험을 수행한 결과를 나타낸 시험성적서,
도 2는 본 발명의 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 인공경량골재의 대장균 및 황색 포도상구균에 대한 살균능력을 관찰한 결과를 나타낸 사진,
도 3은 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 은 나노 코팅 인공경량골재와 비교예 1에 따라 제조된 은 나노 코팅을 하지 않은 인공경량골재를 부착한 제품 사진,
도 4는 도 3의 제품을 해양에 투입한 후 1개월이 지나서 유해 조류의 흡착 및 번성을 관찰한 사진,
도 5는 도 3의 제품을 해양에 투입한 후 2개월이 지나서 유해 조류의 흡착 및 번성을 관찰한 사진,
도 6은 도 3의 제품을 해양에 투입한 후 3개월이 지나서 유해 조류의 흡착 및 번성을 관찰한 사진,
도 7은 도 3의 제품을 해양에 투입한 후 5개월이 지나서 유해 조류의 흡착 및 번성을 관찰한 사진,
도 8은 본 발명의 실시예 2 및 비교예 2에 따라 비소성 방식으로 제작된 지오폴리머 제품에 대하여 은 나노 코팅 및 은 나노 코팅하지 않은 제품 사진,
도 9는 도 8의 제품을 해양에 투입한 후 1개월이 지나서 유해 조류의 흡착 및 번성을 관찰한 사진,
도 10은 도 8의 제품을 해양에 투입한 후 2개월이 지나서 유해 조류의 흡착 및 번성을 관찰한 사진,
도 11은 도 8의 제품을 해양에 투입한 후 3개월이 지나서 유해 조류의 흡착 및 번성을 관찰한 사진,
도 12는 비교예 3에 따라 비소성 방식으로 은 나노 용액을 단순 첨가하여 제작된 지오폴리머 제품에 대하여 해양에 투입 후 각각 1, 2, 3개월이 지나서 유해 조류의 흡착 및 번성을 관찰한 사진,
도 13은 실시예 1에 따라 은 나노가 코팅된 시편과 비교예 1에 따라 은 나노가 코팅되지 않은 시편의 유해 조류 흡착 및 번성을 정량화 한 그래프.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참고하여 상세하게 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 또한 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.

본 발명자들은 정화 폰툰용 인공경량골재 제조에 있어, 종래 문제점을 해결하고자 예의 노력한 결과, 세라믹 산화물 원료로 이루어진 재료로 균일 발포 골재를 성형하고, 성형된 인공경량골재에 은 나노 용액을 소정의 방법으로 골재의 표면에 코팅함으로써 유해 조류의 흡착 및 번성이 억제되는 것을 발견하고 본 발명에 이르게 되었다.

따라서 본 발명은 정화 폰툰용 인공경량골재 제조방법에 있어서, (a) 규석(SiO₂) 및 알루미나(Al₂O₃)를 주성분으로 포함하는 세라믹 산화물 원료로 인공경량골재를 성형하는 단계; 및 (b) 상기 성형된 인공경량골재에 은 나노 용액을 코팅하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 인공경량골재 제조방법을 개시한다.

본 발명에서 적용되는 세라믹 산화물 원료는 규석(SiO₂) 및 알루미나(Al₂O₃)를 주성분으로 포함하는 것으로, 황토, 점토, 적점토 등 자연토 뿐 아니라 각종 폐기물, 예컨대 저회, 준설토, 석탄회, 잔사회(reject ash), 석탄비산재, 석탄저회, 제강 더스트, 제강 슬래그, 용융 슬래그, 소각 슬래그, 폐촉매 슬래그, 하수오니, 슬러지 소각재, 종이재, 적니 실리카 및 알루미나를 주성분으로 포함하는 원료라면 특별히 한정되지 않는다. 이러한 세라믹 산화물 원료는 실리카 및 알루미나 뿐 아니라 산화철(FeO), 삼산화이철(Fe₂O₃), 오산화이인(P₂O₅), 산화칼슘(CaO), 산화나트륨(Na₂O), 산화망간(MnO) 등을 주요 성분으로 하여 구성된 원료일 수 있다.

이하의 실시예에서는 세라믹 산화물 원료로서 잔사회 100%를 이용하여 균일한 발포골재를 형성하고 골재의 표면에 은 나노 용액을 코팅함으로써 제조되는 인공경량골재의 제조 조건을 제시하되, 본 발명에 따른 인공경량골재 구조에 따른 효과를 비교하기 위하여 비소성 방식을 이용한 지오폴리머 제품과 비교예로서 은 나노 용액으로 코팅되지 않은 예를 함께 제시하여 설명하기로 한다.

실시예 1

본 실시예에 사용된 석탄 잔사회(coal reject ash)는 한국내 'Y' 화력발전소에서 발생된 것으로, 그 화학조성(단위: wt%)을 XRF(ZSX-100e, Rigaku, Japan)로 분석하여 하기 표 1에 나타내었다. 잔사회는 미연탄소가 9.1wt%로 다량 포함되어 있다. 미연탄소는 그 표면이 소수성(hydrophobic)이므로 미연탄소 함량이 높은 원료는 물과 혼합이 어려워 성형이 곤란하다. 따라서 본 실시예에서는 잔사회의 성형능력을 향상시키기 위하여 폴리비닐알코올(PVA) 1% 수용액을 첨가하여 평균 직경 10±1㎜의 구형 성형체를 제조하였다.

상기 성형된 골재를 110℃에서 24시간 동안 건조한 후 1200~1300℃에서 10~30분간 소성하여 발포 성형체를 제조하였다.

이후 직경 10~50nm 크기의 은 나노 입자를 포함하는 은 나노 슬러리를 살균 효과 범위인 10~50ppm 범위에서 탈 이온수로 희석하여 은 나노 용액을 준비하고, 상기 은 나노 용액에 상기 제조된 발포 성형체를 침적하여 코팅 후 건조시켜 인공경량골재를 제조하였다.

실시예 2

실시예 1에서 소성하지 않고 알칼리 활성화제를 이용하여 잔사회와 혼합한 뒤, 황동 몰드(50×50×50mm)에 손다짐으로 성형한 후, 70℃/24h 조건에서 양생하여 지오폴리머 제작 방식으로 수행한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 인공경량골재를 제조하였다.

비교예 1

실시예 1에서 은 나노 코팅을 수행하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 인공경량골재를 제조하였다.

비교예 2

실시예 2에서 은 나노 코팅을 수행하지 않은 것을 제외하고는 실시예 2와 동일한 방법으로 인공경량골재를 제조하였다.

비교예 3

실시예 2에서 은 나노 코팅을 수행하지 않고, 지오폴리머 제작 시 은 나노 용액을 첨가 후 제조한 것을 제외하고는 실시예 2와 동일한 방법으로 인공경량골재를 제조하였다.

시험예

먼저, 본 발명에 따른 인공경량골재의 은 나노 살균 효과를 알아보기 위하여 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 인공경량골재 시편을 대장균 및 황색 포도상구균에 24시간 노출시켜 은 나노에 의한 살균 시험을 진행하였고 그 결과를 도 1(시험성적서) 및 도 2에 나타내였다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 대장균 및 황색 포도상구균에 대한 살균 시험성적서에서는 은 나노가 코팅되지 않은 시편에서 0%의 살균 능력을 보였으나, 은 나노가 코팅된 시편에서는 99.9%의 살균 능력을 보여주고 있다. 또한 육안상으로도 은이 코팅된 시편에서 24시간 후 황색 포도상구균 및 대장균이 모두 소멸된 것을 확인할 수 있다. 따라서 은 나노의 높은 세균 감소율을 통해 유해 조류의 흡착 및 번성 억제 효과가 클 것으로 예상할 수 있다.

도 3은 상기 실시예 1에 따라 제조된 은 나노 코팅 인공경량골재와 비교예 1에 따라 제조된 은 나노 코팅을 하지 않은 인공경량골재를 부착한 제품 사진이고, 도 4 내지 도 7은 도 3의 제품을 해양에 투입한 후 각각 1, 2, 3, 5개월이 지나서 유해 조류의 흡착 및 번성을 관찰한 사진이다.

도 3 내지 도 7을 참조하면, 해양에 투입 후 1개월 경과한 경우에는 생물종의 활동이 적어 유해 조류의 흡착 및 번성이 많이 되지 않은 것으로 보여져, 은 나노 살균 효과에 따른 유해 조류의 흡착 및 번성 억제 효과는 아직 두드러지게 진행되지 않아 은 나노 코팅 여부에 따른 결과를 비교하기는 어려웠다.

그러나 2~3개월 경과 후에는 육안상으로 관찰했을 때 비교적 은 나노 코팅된 시편의 유해 조류 흡착 및 번성 억제 효과가 나타난 것을 확인할 수 있다. 다만, 5개월 경과 후에는 유해 조류 흡착 및 번성 억제 효과는 2~3개월 경과와 비교하여 적어지나, 은 나노 코팅된 시편에서 여전히 은 나노 코팅을 하지 않은 시편보다 유해 조류의 흡착 및 번성 효과는 나타나고 있다.

도 8은 상기 실시예 2 및 비교예 2에 따라 비소성 방식으로 제작된 지오폴리머 제품에 대하여 은 나노 코팅 및 은 나노 코팅하지 않은 제품 사진이고, 도 9 내지 도 11은 도 8의 제품을 해양에 투입한 후 각각 1, 2, 3개월이 지나서 유해 조류의 흡착 및 번성을 관찰한 사진이다.

도 8 내지 도 11을 참조하면, 비소성 방식으로 제작된 지오폴리머 제품의 경우에도 은 나노 코팅을 수행할 경우 2~3개월 후의 상태를 비교해 보면, 소성 과정을 거친 경우(실시예 1)에 미치지는 못하나 은 나노 코팅하지 않은 제품에 비해 상대적으로 유해 조류 흡착 및 번성이 현저히 감소된 것을 확인할 수 있다.

도 12는 상기 비교예 3에 따라 비소성 방식으로 은 나노 용액을 단순 첨가하여 제작된 지오폴리머 제품에 대하여 해양에 투입 후 각각 1, 2, 3개월이 지나서 유해 조류의 흡착 및 번성을 관찰한 사진이다.

도 12를 참조하면, 은 나노 용액을 단순 첨가하여 비소성 방식으로 제작된 지오폴리머 시편의 경우 유해 조류의 흡착 및 번성 억제 효과가 떨어지는 것을 확인할 수 있다. 즉, 은 나노를 단순 첨가하여 제작한 지오폴리머 시편의 경우에는 전혀 은 나노 살균 효과를 통한 유해 조류 흡착 및 번성 억제 효과를 보지 못하는 것을 확인하였으며, 유해 조류 흡착 및 번성 억제를 위해서는 표면을 필수적으로 제어해야 한다는 것이다.

한편, 해양에 투입 후 5개월 이후부터는 은 나노 코팅 시편과 그렇지 않은 시편의 유해 조류 흡착 무게가 비슷해져 가는데, 이는 은 나노의 효과가 대략적으로 5개월 정도 지속되는 것을 의미한다. 일반적으로 해양의 유해 조류 흡착 및 번성은 해수 온도가 상승하는 하절기에 이루어지는데, 하절기 기간이 약 4개월 정도인 것을 감안하면 해상 및 가두리 양식장의 오염 및 유해 조류 제거 장치에 적용되는 정화용 폰툰 시스템에 적용이 충분할 것으로 판단된다.

도 13은 실시예 1에 따라 은 나노가 코팅된 시편과 비교예 1에 따라 은 나노가 코팅되지 않은 시편의 유해 조류 흡착 및 번성을 정량화 한 그래프이다.

도 13에서도 확인되는 바와 같이, 은 나노가 코팅된 시편이 그렇지 않은 시편보다 유해 조류 흡착 무게가 낮은 것으로 확인되었다

이와 같이, 유해 조류의 흡착 및 번성 억제 효과를 구현하기 위해서는 인공경량골재 성형체 제작 후 표면에 은 나노가 코팅되어야 하며, 시편 제작 시에는 은 나노를 표면에 코팅하기 위하여 세라믹 다공체에 침적하는 코팅 방법이 효과적인 것을 알 수 있다.

이상으로 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참고하여 상세하게 설명하였다. 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

따라서, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미, 범위 및 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (6)

1. 정화 폰툰용 인공경량골재 제조방법에 있어서,
   (a) 규석(SiO2) 및 알루미나(Al₂O₃)를 주성분으로 포함하는 석탄 잔사회 유래 세라믹 산화물 원료를 직경 4~15mm의 구형으로 성형한 다음, 1200~1300℃에서 소성하여 발포 성형체인 인공경량골재를 성형하는 단계; 및
   (b) 은 나노 슬러리가 탈 이온수(DI water)에 10~50ppm 함량으로 희석된 은 나노 용액에 상기 성형된 인공경량골재를 침적하여 은 나노 용액을 코팅하는 단계;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 인공경량골재 제조방법.
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