KR101854127B1 - 용융 슬래그를 이용한 수처리용 다공성 여과재 조성물 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 용융 슬래그 및 발포제를 혼합하여 여과재 원료를 생성하는 단계; 상기 여과재 원료에 복합 활성화제 혼합용액을 첨가하여 여과재 슬러리를 생성하는 단계; 및 상기 여과재 슬러리를 성형하여 여과재 성형체를 생성하는 단계;를 포함하고, 상기 복합 활성화제는 규소화합물 및 알칼리 활성화제를 포함하는, 용융 슬래그를 이용한 수처리용 다공성 여과재 조성물의 제조방법 및 그 제조방법에 의해 제조된 용융 슬래그를 이용한 수처리용 다공성 여과재 조성물을 제공한다.
Description
본 발명은 수처리용 다공성 여과재 조성물 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 석탄가스화복합발전(IGCC)의 운전과정에서 생성되는 용융 슬래그에 지오폴리머 제조 반응을 이용하여 제조된 수처리용 다공성 여과재 조성물 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 산업 및 축산 폐수, 하천수, 호소수, 생태조경수, 하수, 초기우수, 오탁수 등과 같은 오염수 처리 방법은 크게 물리적 처리, 화학적 처리 및 생물학적처리로 분류할 수 있다. 물리적 처리 방법은 물리적인 작용에 의한 처리방법으로서, 스크린조, 침사지 등을 이용하여 처리하는 방법을 지칭한다. 화화적 처리방법은 화학적인 반응을 주로 이용하는 방법으로서, 중화조, 산화, 환원반응조, 응집조, 흡착탑등을 이용하는 처리방법이고, 생물학적 처리방법은 미생물을 이용하여 수처리를 행하는 방법으로서 활성오니조, 활성슬러지조 등의 반응시설을 이용하는 방법이다.
물리적 처리 방법의 일종인 여과와 화화적 처리방법 중 일종인 흡착 처리가 많이 사용되고 있는데, 여과 및 흡착 처리에는 여과재가 사용된다. 일반적으로 수처리에 사용되는 여과재로는 활성탄, 제올라이트, 모래, 자갈, 기타 다양한 종류의 합성 세라믹 여과재 등이 있다. 상기 활성탄, 제올라이트 등은 흡착 능력은 우수하지만, 고가의 제품으로 경제적 부담이 크다는 문제가 있고, 그 제조과정에서 발생하는 부산물과 폐여과재의 최종 처리 곤란등으로 인하여 2차 오염 문제를 야기한다는 문제가 있다. 또한, 상기 모래, 자갈은 오염 물질의 흡착 능력이 떨어지고, 주로 여과 작용에 의존하므로 그 처리효율이 제한적이라는 단점이 있다.
그 밖에 폐비닐, 폐타이어, 폐콘크리트 등 폐기물을 재활용하는 방법이나, 섬모상이나 부직포등을 적용하는 방법도 있으나, 이 방법들은 경제성 및 유지 관리 측면, 2차 환경오염을 유발하는 문제로 그 실질적인 적용이 제한적이다.
최근 특허 제10-1075069호 등에 기재된 바와 같이 유리를 이용한 여과재가 개발되어 사용되고 있지만, 제조 공정 중에 분쇄, 용융 등의 공정이 필수적으로 필요하게 되므로 제조 과정이 복잡하고 제조 장치도 많이 필요할 뿐만 아니라 고온에서 제조되므로 열효율도 만족스럽지 못하여 경제적이지 못한 단점이 있다.
한편, 최근에는 우수처리를 위해 혈암, 황토, 천연 유기재료를 이용하여 1150℃~1200℃의 고온에서 소성한 다공성 팽창 세라믹 골재를 이용하고 있으나, 이러한 다공성 팽창 세라믹 골재는 고열 처리를 해야 하므로 제조원가가 높고, 황토 및 혈암의 구조 특성으로 인해 마찰 손실률이 15% 이상으로 연속 사용이 어려운 결점이 존재한다.
이처럼, 종래의 수처리, 예를 들어 우수처리를 위해 사용되는 여과재는 2차 환경오염을 유발하는 문제들이 있었고, 최근 환경 폐기물을 활용한 환경 친화적 기술에 대한 기대가 고조되고 있는 실정이다.
본 발명은 용융 슬래그를 이용한 수처리용 다공성 여과재 조성물에 있어서, 매립 폐기물, 예를 들어, 용융 슬래그를 활용하여 제조되되, 내구성이 강하고, 흡착력이 높고, 성형성이 우수하며, 성형 이후 추가적인 고온 건조공정 생략이 가능한, 물리적 특성이 우수하면서도 제조단가를 낮출 수 있는 수처리용 다공성 여과재 조성물 및 이의 제조방법을 제공하고자 한다.
또한 본 발명은 용융 슬래그를 이용한 수처리용 다공성 여과재 조성물에 있어서, 지오폴리머 반응 특성을 응용하여 물리적 특성이 향상된 수처리용 골재를 제조하기 위해 발포제, 복합 활성화제 혼합용액의 종류 및 성분비를 제어하고, 성형 최적 조건을 갖기 위해 고형물과 수분 비율이 제어된 수처리용 다공성 여과재 조성물 및 이의 제조방법을 제공하고자 한다.
상기와 같은 문제를 해결하기 위해, 본 발명의 일 실시예는 용융 슬래그 및 발포제를 혼합하여 여과재 원료를 생성하는 단계; 상기 여과재 원료에 복합 활성화제 혼합용액을 첨가하여 여과재 슬러리를 생성하는 단계; 및 상기 여과재 슬러리를 성형하여 여과재 성형체를 생성하는 단계;를 포함하고, 상기 복합 활성화제는 규소화합물 및 알칼리 활성화제를 포함하는, 용융 슬래그를 이용한 수처리용 다공성 여과재 조성물의 제조방법을 제공한다.
이때, 상기 규소화합물은 물유리(Sodium Silicate, Na2SiO3)를 포함할 수 있다.
이때, 상기 복합 활성화제 혼합용액은 상기 알칼리 활성화제 100 중량부 당 상기 물유리가 25 중량부 내지 75 중량부로 포함될 수 있다.
또한 상기 여과재 슬러리를 생성하는 단계는 상기 여과재 원료 100 중량부 당 상기 복합 활성화제 혼합용액 중 물 함량이 12 중량부 내지 25 중량부가 되도록 혼합할 수 있다.
또한 상기 발포제는 폐실리콘 슬러지 분말을 포함할 수 있다.
이때, 상기 발포제는 상기 여과재 슬러리 100 중량부 당 0.15 중량부 이하로 포함될 수 있다.
또한 상기 여과재 원료를 생성하는 단계 이전에 상기 용융 슬래그를 평균 지름이 20 ㎛ 내지 100 ㎛ 가 되도록 분쇄하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 예로, 상기 여과재 성형체를 생성하는 단계는, 상기 여과재 슬러리를 압출 성형장치로 투입하는 단계; 및 압출 성형된 상기 여과재 슬러리를 소정 길이로 절단 후 50 ℃ 내지 90 ℃ 로 운전되는 제환기로 투입하여 성형하는 단계;를 포함할 수 있다.
또한 본 발명의 일 실시예는, 전술한 용융 슬래그를 이용한 수처리용 다공성 여과재 조성물의 제조방법에 의해 생성된, 용융 슬래그를 이용한 수처리용 다공성 여과재 조성물을 제공한다.
이때, 상기 용융 슬래그를 이용한 수처리용 다공성 여과재 조성물은 Hydroxycancrinite(Na8Al6Si6O24(OH, CO3)2·2H2O)를 포함할 수 있다.
또한 본 발명의 일 실시예는, 전술한 용융 슬래그를 이용한 수처리용 다공성 여과재 조성물을 이용한 수처리용 다공성 여과재를 제공한다.
본 발명에 따른 용융 슬래그를 이용한 수처리용 다공성 여과재 조성물의 제조방법에 의할 때, 매립 폐기물을 제조 원료로 활용하여 친환경적으로 수처리용 다공성 여과재 조성물을 제조할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 용융 슬래그를 이용한 수처리용 다공성 여과재 조성물의 제조방법에 의할 때, 내구성이 강하고, 다공질 정도 제어가 가능하여 흡착력이 향상되며, 여과재 슬러리에서 고상 및 액상 성분을 제어하여 성형성이 우수한 수처리용 다공성 여과재 조성물을 제조할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 용융 슬래그를 이용한 수처리용 다공성 여과재 조성물의 제조방법에 의할 때, 성형과 동시에 가열 및 건조 공정이 가능하여 제조 시간을 단축시키고 성형 형태 제어가 용이할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 용융 슬래그를 이용한 수처리용 다공성 여과재 조성물을 활용하여 용융 슬래그를 이용한 수처리용 다공성 여과재를 제조 시, 수처리 특성이 향상될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 용융 슬래그를 이용한 용융 슬래그를 이용한 수처리용 다공성 여과재 조성물의 제조 방법을 나타내는 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 발포제의 성분 분석을 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 발포제의 XRD(X-ray Diffraction) 피크 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 발포제의 SEM(Scanning Electron Microscope) 사진을 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에서 물유리 치환 양에 따른 시료의 압축강도 및 비중의 측정 결과를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에서 실리콘 슬러지 첨가 양에 따른 시료의 압축강도 측정 결과를 나타낸 것이다.
도 7 내지 도 10은 본 발명의 일 실시예에서 액상/고상 중량비에 따른 성형특성 결과를 나타낸 것이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 여과재 성형체의 비중 및 흡수율 측정 결과를 나타낸 것이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 여과재 성형체의 COD(Chemical Oxygen Demand) 및 SS(Suspended Solids) 제거효율을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 발포제의 성분 분석을 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 발포제의 XRD(X-ray Diffraction) 피크 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 발포제의 SEM(Scanning Electron Microscope) 사진을 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에서 물유리 치환 양에 따른 시료의 압축강도 및 비중의 측정 결과를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에서 실리콘 슬러지 첨가 양에 따른 시료의 압축강도 측정 결과를 나타낸 것이다.
도 7 내지 도 10은 본 발명의 일 실시예에서 액상/고상 중량비에 따른 성형특성 결과를 나타낸 것이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 여과재 성형체의 비중 및 흡수율 측정 결과를 나타낸 것이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 여과재 성형체의 COD(Chemical Oxygen Demand) 및 SS(Suspended Solids) 제거효율을 나타낸 것이다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 본 명세서에서 사용되는 용어 및 단어들은 실시예에서의 기능을 고려하여 선택된 용어들로서, 그 용어의 의미는 발명의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서 후술하는 실시예에서 사용된 용어는, 본 명세서에 구체적으로 정의된 경우에는 그 정의에 따르며, 구체적인 정의가 없는 경우는 당업자들이 일반적으로 인식하는 의미로 해석되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 용융 슬래그를 이용한 용융 슬래그를 이용한 수처리용 다공성 여과재 조성물의 제조 방법을 나타내는 순서도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 용융 슬래그를 이용한 용융 슬래그를 이용한 수처리용 다공성 여과재 조성물을 제조하기 위해 먼저 용융 슬래그를 세척 및 건조한다. 상기 용융 슬래그는 철강 제조공정에서 철의 원료인 철광석 등으로부터 철을 분리하고 남은 암석성분을 지칭하며, 예를 들어, 철광석, 코크스, 석회석 등을 고로(용광로)에서 용융 시 약 1500˚C 이상의 쇳물과 함께 광물성분이 용해되어 발생된 것을 지칭할 수 있다. 예를 들어, 상기 용융 슬래그는 석탄가스화복합발전에서 배출된 것을 지칭할 수 있다. 일부 플라이 애쉬(fly ash)를 제외한 대부분의 석탄회는 결정상을 이루고 있지만, 석탄가스화복합발전에서 배출되는 석탄회는 비정질 형태를 가지고 있다. 상기 석탄가스화복합발전에서 배출되는 용융 슬래그는 실리카(SiO2) 및 알루미나(Al2O3)를 주성분으로 하며, 산화나트륨(Na2O), 산화칼슘(CaO), 산화철(Fe2O3), 산화마그네슘(MgO) 등이 소량 포함될 수 있다.
따라서, 본 발명에서는 석탄가스화 복합발전에서 배출되는 비정질 형태의 용용 슬래그를 활용하여 후술하는 제조방법에 의해 내구성이 강하고, 성형성이 우수한 수처리용 다공성 여과재 조성물을 제조하고자 한다.
상기 용융 슬래그를 세척수로 세척한 후, 용융 슬래그 내 수분이 10 % 이내가 되도록 건조 공정을 수행한다. 이때, 상기 용융 슬래그 내 수분 함량이 10 % 를 초과하는 경우 성형 특성이 저하되고, 후술하는 여과재 슬러리를 생성하는 단계에서 여과재 원료와 복합 활성화제 혼합용액의 비율 제어가 어려울 수 있다.
상기 건조 공정이 수행된 용융 슬래그에 분쇄 공정을 수행할 수 있다. 상기 용융 슬래그 시료의 초기 형상은 형태가 불균일하여, 이후 여과재 슬러리를 생성하는 단계에서 복합 활성화제 혼합용액과 균일한 혼합이 어려울 수 있다. 따라서, 상기 복합 활성화제 혼합용액과의 반응성을 향상시키고 후술하는 여과재 슬러리 생성 단계에서 여과재 원료와 상기 복합 활성화제 혼합용액의 성분비율을 용이하게 제어하기 위해 상기 용융 슬래그를 평균 지름이 20 ㎛ 내지 100 ㎛ 가 되도록 분쇄할 수 있다. 상기 용융 슬래그의 평균 지름이 20 ㎛ 미만인 경우 이후 상기 용융 슬래그의 반죽이 어려울 수 있고, 100 ㎛ 초과인 경우 여과재 슬러리를 생성하는 단계에서 복합 활성화제 혼합용액과 균일한 혼합이 어려울 수 있고, 제조된 여과재 조성물의 압축강도가 열악해질 수 있다.
이후, 상기 분쇄된 용융 슬래그는 성분 확인을 위해 원소 분석기를 이용하여 구성성분 및 성분비를 확인할 수 있다.
다음으로, 상기 분쇄가 완료된 미립자 형태의 용융 슬래그에 발포제를 혼합하여 여과재 원료를 생성할 수 있다. 상기 발포제는 여과재의 흡착 특성을 향상시켜 수질 정화 능력을 향상시키기 위한 것으로, 예를 들어, 폐실리콘 슬러지(Si-sludge) 분말을 포함할 수 있다. 상기 폐실리콘 슬러지는 다양한 실리콘 산업 중 실리콘을 웨이퍼 형태로 절삭 또는 연마하는 과정에서 발생하는 것으로, 연간 21,000 톤 이상 발생하여 이들 슬러지의 재활용 기술이 요구되는 상황이므로, 상기 폐실리콘 슬러지를 발포제로 사용하여 폐기물 재활용 효과를 기대할 수 있다. 한편, 상기 폐실리콘 슬러지는 미량의 알루미나만을 포함하는 불순물이 거의 없는 실리카를 적용할 수 있다.
이때, 본 발명의 일 실시예에 따른 용융 슬래그를 이용한 용융 슬래그를 이용한 수처리용 다공성 여과재 조성물에 사용되는 발포제의 성분 분석을 도 2에, XRD(X-ray Diffraction) 피크 분석을 도 3에, SEM(Scanning Electron Microscope) 사진을 도 4에 각각 나타내었다. 도 2 내지 도 4에서 나타낸 바와 같이, 상기 발포제는 불순물이 거의 없는 실리카로 구성됨을 확인할 수 있다.
상기 폐실리콘 슬러지 발포제는 하기 화학식 1에 나타낸 반응을 통해 수소 기체를 생성함으로써 다기공이 형성된 여과재를 제조할 수 있다.
[화학식 1]
Si + 2NaOH + H2O → Na2SiO3 +2H2
즉, 발포제로 사용한 Si 성분과 NaOH 의 반응으로 수소기체가 발생하여 기공이 생성되므로, 상기 발포제가 일정 함량 이상으로 포함되는 경우 지오폴리머(Geo-polymer)의 기계적 강도가 저하되어 수처리용 다공성 여과재 조성물의 내구성이 열악해지는 문제가 있다. 따라서, 상기 발포제는 후술하는 여과재 슬러리 100 중량부 당 0.15 중량부 이하로 포함될 수 있고, 일 예로, 0.01 중량부 내지 0.15 중량부, 예를 들어, 0.01 중량부 내지 0.10 중량부가 포함될 수 있고, 일 실시예에 있어서, 0.05 중량부 내지 0.10 중량부가 포함될 수 있다.
이후, 상기 여과재 원료에 복합 활성화제 혼합용액을 첨가하여 여과재 슬러리를 생성할 수 있다. 상기 복합 활성화제 혼합용액은 석탄가스화복합발전(IGCC)의 운전과정에서 생성되는 용융 슬래그를 원료로 하는 지오폴리머 생성 반응을 유도할 수 있다.
상기 지오폴리머는 규산 알루미늄 원료 물질을 저온에서 알칼리 활성 용액으로 화학 반응시켜 제조되는 알칼리 활성 결합재의 한 종류를 지칭할 수 있다. 상기 지오폴리머의 중합과정은 고알칼리 상태에서 Al-Si 광물에 화학적 반응이 일어나서 중합체인 Si-O-Al-O 결합이 이루어지며, 알칼리 활성화제 농도 및 제조 공정에 따라 결합재의 물성과 재료적 특성이 달라질 수 있다. 이러한 지오폴리머 반응 특성을 응용하여 수처리용 골재를 제조하기 위해서는 적정량의 알칼리 활성화제 공급, 우수처리 기능 향상을 위한 첨가제 공급, 성형 최적 조건을 갖기 위한 고형물과 수분 비율 제어가 필요하다.
이때, 상기 복합 활성화제 혼합용액은 알칼리 활성화제 및 규소화합물을 포함할 수 있다. 석탄가스화복합발전(IGCC)의 운전과정에서 생성되는 용융 슬래그는 자체적으로 지오폴리머 반응을 할 수 없기 때문에, 유리질 피막을 깨고 지오폴리머 반응에 관여하는 Si4 +, Al3 + 이온을 용출시켜 반응을 일으킬 수 있는 강알칼리 활성화제를 사용하는데, OH- 의 농도가 높을수록 SiO2-Al2O3 유리질 결합을 빨리 분해시키고 많은 양의 반응 이온들을 생성하게 된다. 따라서, 알칼리 이온 농도가 높은 경우, 알칼리 활성화제가 상기 용융 슬래그의 반응물질 분해를 촉진시켜 높은 강도를 갖는 지오폴리머를 제조할 수 있고, 그 결과 제조된 여과재 조성물의 내구성을 향상시킬 수 있다.
상기 알칼리 활성화제로서 상기 용융 슬래그와 반응(포졸란 반응)하여 수경성을 갖는 실리케이트나 알루미네이트 등의 성분을 생성하도록 하는 수용성 알칼리수산화물이라면 특별히 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 증류수에 수산화나트륨(NaOH)이나 수산화칼륨(KOH) 등이 혼합된 용액으로 농도 5~30M, 일 예로, 10~30M, 예를 들어, 15~30M, 예를 들어, 20~25M의 알칼리 활성화제 용액이 사용될 수 있다. 상기 알칼리 활성화제 용액은 상온에서 증류수에 수산화나트륨을 적정 농도로 혼합하여 준비할 수 있다.
상기 규소화합물은 상기 복합 활성화제 혼합용액으로부터 상기 여과재 원료로 규소가 공급 가능한 것으로, 규소원소를 포함하는 수소화물, 산화물, 실록산, 실록센, 할로겐화물, 붕소화물, 탄화물, 질화물, 금속산화물 등을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 규소화합물은 물유리(Sodium Silicate, Na2SiO3)를 포함할 수 있다. 상기 물유리는 하기 화학식 2에 나타낸 반응과 같이, 상기 여과재 원료에서 용출되는 Si 이외에도 추가적인 Si 공급이 가능하게 한다. 따라서, 상기 물유리의 첨가로 수처리용 다공성 여과재 조성물의 압축강도를 향상시키면서 작업성이 크게 저하되지 않도록 제어가 가능하다. 또한, 상기 물유리는 상기 물유리의 가수분해 반응으로 인한 OH- 기의 증가로 알칼리도가 상승하여 Si4 +, Al3 + 이온의 용출 정도를 더욱 향상시킴으로써, 제조된 여과재 조성물의 내구성을 향상시킬 수 있다.
[화학식 2]
Na2O·nSiO2 + (2n+1)H2O → 2NaOH + nSi(OH)4
이때, 상기 복합 활성화제는 수용액 상태를 기준으로 상기 알칼리 활성화제 100 중량부 당 상기 물유리가 25 중량부 내지 75 중량부로 포함될 수 있고, 일 예로, 40 중량부 내지 75 중량부, 예를 들어, 40 중량부 내지 60 중량부로 포함될 수 있다. 상기 물유리 함량이 증가할수록 제조된 여과재 조성물의 압축강도가 향상될 수 있으나, 상기 물 유리 함량이 75 중량부를 초과하는 경우 작업성이 저하되어 이후 여과재 성형체를 원활하게 제조할 수 없는 문제가 발생할 수 있다. 또한 물유리 함량이 지나치게 높은 경우 제조된 여과재 슬러리의 결정성이 낮아지게 되어 제조된 여과재 조성물의 내구성이 열악해질 수 있다.
상기 여과재 슬러리를 생성하는 단계에서, 상기 여과재 슬러리의 액상/고상 중량비를 제어하여 반응 이온을 증가시켜 반응 효율을 향상시키는 동시에 성형성을 향상시킬 수 있다. 이때, 상기 액상/고상 중량비는 복합 활성화제 혼합용액 중 물 함량/여과재 원료 중량비를 지칭할 수 있다. 이때, 상기 액상/고상 중량비가 0.12 내지 0.25(여과재 원료 100 중량부 당 상기 복합 활성화제 혼합용액 중 물 함량이 12 중량부 내지 25 중량부), 예를 들어, 0.12 내지 0.18 (여과재 원료 100 중량부 당 상기 복합 활성화제 혼합용액 중 물 함량이 12 중량부 내지 18 중량부), 일 예로, 0.12 내지 0.15(여과재 원료 100 중량부 당 상기 복합 활성화제 혼합용액 중 물 함량이 12 중량부 내지 15 중량부)가 되도록 혼합할 수 있다. 상기 액상/고상 중량비가 0.12 미만인 경우, 이후 여과재 성형체를 생성하는 단계에서 사출장치의 부하가 지나치게 크게 발생할 수 있고, 0.25 초과인 경우 사출 방식으로 형태유지가 어렵고, 성형 틀을 이용한 판 형태로만 제조가 가능할 수 있다. 이때, 상기 액상/고상 중량비는 여과재 슬러리에 물을 추가하여 제어할 수 있다.
다음으로, 여과재 성형체를 생성하기 위해, 상기 여과재 슬러리의 상기 액상/고상 중량비가 제어된 이후 반죽 공정을 수행하고, 이를 성형장치에 투입한다. 예를 들어, 상기 성형장치로 투입된 여과재 슬러리 반죽은 원기둥 형태로 압출 성형될 수 있다. 상기 원기둥 형태의 압출 성형물을 소정의 크기, 예를 들어 5 ㎜ 로 절단 후 제환기에 투입할 수 있다. 이때, 상기 제환기는 50 ℃ 내지 100 ℃ 로 운전되어 성형과 동시에 건조 공정을 수행함으로써, 이후 별도의 고온 건조 공정을 생략 가능하도록 하여 제조 공정의 시간을 단축시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 용융 슬래그를 이용한 수처리용 다공성 여과재 조성물은 전술한 제조방법에 의해 제조될 수 있다.
이때, 상기 여과재 조성물은 Hydroxycancrinite(Na8Al6Si6O24(OH, CO3)2·2H2O)를 포함할 수 있다. 상기 Hydroxycancrinite는 전술한 지오폴리머 형성 과정에서 생성될 수 있으며, 결정질을 포함할 수 있다. 전술한 바와 같이, 석탄가스화 복합발전에서 배출되는 용용 슬래그는 비정질 형태인 것으로, 지오폴리머 형성 공정을 수행한 결과 결정질인 상기 Hydroxycancrinite 가 생성됨으로써, 제조된 다공성 여과재 조성물의 내구성이 향상될 수 있다.
이하, 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
실시예
1: 물유리 치환 양에 따른 압축강도, 비중 및 유동성 변화 측정
제조예
1
가스화 석탄 슬래그로서 XRF 분석(X-ray fluorescence spectrometer, SPECTRO 2000)에 따라 실리카 및 알루미나의 함량이 50 중량%를 초과하는 화학적 조성을 갖는 원료를 준비하였다. 이후, 상기 원료를 세척수로 세척한 후, 용융 슬래그 내 수분이 10 % 이내가 되도록 건조 공정을 수행하였다. 이후, 상기 건조 공정이 수행된 용융 슬래그는 평균 지름이 20 ㎛ 내지 100 ㎛ 가 되도록 분쇄 공정을 수행하였다.
이때, 복합 활성화제 혼합용액은 알칼리 활성화제(NaOH 수용액 9~18 M) 및 물유리(SiO2 28.4%, Na2O 9.4%)를 혼합하여 제조하되, 수용액 상태를 기준으로 상기 알칼리 활성화제 100 중량부 당 상기 물유리가 0 중량부, 25 중량부, 50 중량부 및 75 중량부가 포함되도록 제어하였다.
한편, 용융 슬래그 지오폴리머의 유동특성을 확인하기 위해서는 지오폴리머가 흐르는 조건에서 분석이 가능하다는 점에서 액상/고상 중량비는 실제 성형 조건보다 높은 조건인 0.22 내지 0.26 이 되도록 제어하였다.
실험예
1
상기 실시예 1에 따라 제조된 시료에서, 물유리 치환 양에 따른 압축강도 및 비중의 측정 결과를 도 5에 나타내었다.
이때, 상기 압축강도는 universal testing machine(UTM-900NH Series DAEKYUNG, Korea)을 이용하여 5 cm/min의 헤드 속도로 3~5개 시편을 측정하여 평균값으로 나타내었다.
도 5를 참조하면, 물유리 치환 양이 25 %(알칼리 활성화제 100 중량부 당 25 중량부) 인 경우 단일한 알칼리 활성화제를 사용했을 때보다도 압축강도가 낮게 나타났으나, 물유리 치환 양이 50 %(알칼리 활성화제 100 중량부 당 50 중량부) 인 경우 압축강도가 보다 높게 나타났고, 75 %(알칼리 활성화제 100 중량부 당 75 중량부) 인 경우의 압축강도가 가장 높게 나타났다. 한편, 밀도는 물유리 치환 양이 25 % 인 경우 단일한 알칼리 활성화제를 사용했을 때보다 비중이 급격히 감소하였으나, 물유리 치환 양이 증가할수록 비중이 함께 증가하였다.
즉, 물유리 치환 양이 25 % 인 경우에는 단일한 알칼리 활성화제를 사용한 경우 보다 오히려 압축강도가 낮게 나타났으나, 물유리 치환 양이 증가할수록 압축 강도가 증가하였고, 비중은 물유리 치환 양이 25 %, 50 %, 75 % 로 변하여도 큰 차이가 나타나지 않았다.
실시예
2: 발포제 혼합 비율에 따른
지오폴리머의
압축강도
제조예
2
가스화 석탄 슬래그로서 XRF 분석(X-ray fluorescence spectrometer, SPECTRO 2000)에 따라 실리카 및 알루미나의 함량이 50 중량%를 초과하는 화학적 조성을 갖는 원료를 준비하였다. 이후, 상기 원료를 세척수로 세척한 후, 용융 슬래그 내 수분이 10 % 이내가 되도록 건조 공정을 수행하였다. 이후, 상기 건조 공정이 수행된 용융 슬래그는 평균 지름이 20 ㎛ 내지 100 ㎛ 가 되도록 분쇄 공정을 수행하였다.
복합 활성화제 혼합용액은 알칼리 활성화제(NaOH 수용액 9~18 M) 및 물유리(SiO2 28.4%, Na2O 9.4%)의 중량비가 1 : 1 이 되도록 혼합하였고, 70 ℃ 조건에서 성형하였다.
이때, 발포제로서 실리콘 슬러지는 여과재 슬러리 100 중량부 당 0 중량부, 0.05 중량부, 0.10 중량부, 0.15 중량부, 0.20 중량부가 포함되도록 제어하였다.
실험예
2
상기 실시예 2에 따라 제조된 시료에서, 실리콘 슬러지 첨가 양에 따른 압축강도 측정 결과를 도 6에 나타내었다.
이때, 상기 압축강도는 universal testing machine(UTM-900NH Series DAEKYUNG, Korea)을 이용하여 5 ㎝/min의 헤드 속도로 3~5개 시편을 측정하여 평균값으로 나타내었다.
도 6을 참조하면, 실리콘 슬러지가 첨가되지 않은 경우 압축 강도가 117.1 MPa 로 가장 높았고, 여과재 슬러리 100 중량부 당 0.05 중량부 및 0.10 중량부 첨가된 경우 40 MPa 로 측정되었으며, 0.15 중량부 첨가된 경우 30 MPa, 0.20 중량부 첨가된 경우 더 낮게 나타났다.
즉, 실리콘 슬러지가 0.10 중량부 첨가될 때 까지는 40 MPa 을 유지하였으나, 그 이상 첨가되는 경우 압축 강도가 감소하였다.
실시예
3: 액상/고상 중량비에 따른 성형성 측정
제조예
3
가스화 석탄 슬래그로서 XRF 분석(X-ray fluorescence spectrometer, SPECTRO 2000)에 따라 실리카 및 알루미나의 함량이 50 중량%를 초과하는 화학적 조성을 갖는 원료를 준비하였다. 이후, 상기 원료를 세척수로 세척한 후, 용융 슬래그 내 수분이 10 % 이내가 되도록 건조 공정을 수행하였다. 이후, 상기 건조 공정이 수행된 용융 슬래그는 평균 지름이 20 ㎛ 내지 100 ㎛ 가 되도록 분쇄 공정을 수행하였다.
발포제로 실리콘 슬러지를 여과재 슬러리 100 중량부 당 0.05 중량부를 첨가하였고, 복합 활성화제 혼합용액은 알칼리 활성화제(NaOH 수용액 9~18 M) 및 물유리(SiO2 28.4%, Na2O 9.4%)의 중량비가 1 : 1 이 되도록 혼합하였으며, 70 ℃ 조건에서 성형하였다.
이때, 액상/고상 중량비, 즉, 여과재 원료(고상) 100 중량부 당 상기 복합 활성화제 혼합용액 중 물 함량이 12 중량부 내지 25 중량부가 되도록 제어하였다.
실험예
3
상기 실시예 3에 따라 제조된 시료에서, 액상/고상 중량비에 따른 성형특성 결과를 도 7 내지 도 10 및 하기 표 1에 나타내었다. 구체적으로, 액상/고상 중량비가 0.12 인 경우 성형체를 도 7에, 0.135 인 경우 성형체를 도 8에, 0.15 인 경우 성형체를 도 9에, 0.18 인 경우 성형체를 도 10에 각각 나타내었다.
| 액상/고상 중량비 | 성형특성 |
| 0.12 미만 | - 성형장치 부하가 매우 큼 - 성형체 표면에 금이 형성되어 성형성 열악함 |
| 0.12 | - 반죽상태에서 유동성이 적음 - 온전한 성형체 형상 유지 |
| 0.135 | - 반죽상태에서 유동성 양호 - 반죽장치 및 성형장치 부하 양호 - 온전한 성형체 형상 유지 - 절단면 부위가 매끄러워 성형성 매우 우수 |
| 0.15 | - 반죽상태에서 유동성 양호 - 절단면 부위에 칼날에 의한 변형 발생 |
| 0.18 | - 반죽상태에서 유동성 매우 좋음 - 성형체 바닥면 눌림현상 발생 |
| 0.25 | - 사출 방식으로 형태유지가 어렵고, 성형 틀을 이용한 판 형태로만 제조 가능 |
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 용융 슬래그를 이용한 수처리용 다공성 여과재 조성물을 이용한 수처리용 다공성 여과재는 액상/고상 중량비가 0.12 내지 0.18 인 경우 성형성이 우수하다.
실시예
4:
여과재
성형체의
성능 측정
제조예
4
가스화 석탄 슬래그로서 XRF 분석(X-ray fluorescence spectrometer, SPECTRO 2000)에 따라 실리카 및 알루미나의 함량이 50 중량%를 초과하는 화학적 조성을 갖는 원료를 준비하였다. 이후, 상기 원료를 세척수로 세척한 후, 용융 슬래그 내 수분이 10 % 이내가 되도록 건조 공정을 수행하였다. 이후, 상기 건조 공정이 수행된 용융 슬래그는 평균 지름이 20 ㎛ 내지 100 ㎛ 가 되도록 분쇄 공정을 수행하였다. 분쇄된 용융 슬래그의 성분 확인을 위해 원소 분석기를 이용하여 구성성분 및 성분비를 확인한 후, 성분이 확인된 용융 슬래그에 다공성 형성을 위한 실리콘 슬러지 발포제 0.05~0.10 중량부를 첨가하여, 여과재 원료를 생성하였다.
상기 여과재 원료에 복합 활성화제 혼합용액으로 알칼리 활성화제(NaOH 수용액 9~18 M) 및 물유리(SiO2 28.4%, Na2O 9.4%)의 중량비가 1 : 1 이 되도록 혼합하였고, 액상/고상 중량비가 0.12 내지 0.18 이 되도록 물을 첨가하여 여과재 슬러리를 생성하였다.
상기 여과재 슬러리를 고르게 반죽한 후, 성형장치를 이용하여 소정 크기(5 ㎜)로 절단한 후, 50 ℃ 내지 100 ℃ 로 가동되는 제환기에 투입하여 여과재 성형체를 제조한다.
실험예
4
상기 실시예 4에 따라 제조된 여과재 성형체의 비중 및 흡수율을 측정하여 그 결과를 도 11에, COD 및 SS 제거효율을 측정하여 그 결과를 도 12에 각각 나타내었다.
도 11 내지 도 12를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 여과재 성형체는 비중 대비 흡수율이 매우 높은 것을 확인할 수 있고, COD 및 SS 제거 효율이 매우 높아 수처리용, 예를 들어 우수처리용 여과재 소재로 우수함을 확인할 수 있다.
Claims (10)
- 용융 슬래그 및 발포제를 혼합하여 여과재 원료를 생성하는 단계;
상기 여과재 원료에 복합 활성화제 혼합용액을 첨가하여 여과재 슬러리를 생성하는 단계; 및
상기 여과재 슬러리를 성형하여 여과재 성형체를 생성하는 단계;
를 포함하고,
상기 여과재 성형체를 생성하는 단계는, 상기 여과재 슬러리를 압출 성형장치로 투입하는 단계 및 압출 성형된 상기 여과재 슬러리를 소정 길이로 절단 후 50 ℃ 내지 90 ℃ 로 운전되는 제환기로 투입하여 성형과 동시에 고온 건조 공정을 수행하는 단계를 포함하며,
상기 여과재 슬러리를 생성하는 단계에서, 상기 여과재 원료 고상 100 중량부 당 상기 복합 활성화제 혼합용액 중 물 함량이 12 중량부 내지 18 중량부이고,
상기 복합 활성화제는 규소화합물 및 알칼리 활성화제를 포함하는, 용융 슬래그를 이용한 수처리용 다공성 여과재 조성물의 제조방법.
- 청구항 1에 있어서,
상기 알칼리 활성화제는 물유리를 포함하고,
상기 복합 활성화제 혼합용액은 수용액 상태를 기준으로 상기 알칼리 활성화제 100 중량부 당 상기 물유리가 25 중량부 내지 75 중량부로 포함된 것인, 용융 슬래그를 이용한 수처리용 다공성 여과재 조성물의 제조방법.
- 청구항 1에 있어서,
상기 여과재 슬러리를 생성하는 단계는 상기 여과재 원료 100 중량부 당 상기 복합 활성화제 혼합용액이 12 중량부 내지 25 중량부가 되도록 혼합하는, 용융 슬래그를 이용한 수처리용 다공성 여과재 조성물의 제조방법.
- 청구항 1에 있어서,
상기 발포제는 폐실리콘 슬러지 분말을 포함하는, 용융 슬래그를 이용한 수처리용 다공성 여과재 조성물의 제조방법.
- 청구항 4에 있어서,
상기 발포제는 상기 여과재 슬러리 100 중량부 당 0.15 중량부 이하로 포함된 것인, 용융 슬래그를 이용한 수처리용 다공성 여과재 조성물의 제조방법.
- 청구항 1에 있어서,
상기 여과재 원료를 생성하는 단계 이전에 상기 용융 슬래그를 평균 지름이 20 ㎛ 내지 100 ㎛ 가 되도록 분쇄하는 단계를 더 포함하는, 용융 슬래그를 이용한 수처리용 다공성 여과재 조성물의 제조방법.
- 삭제
- 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 하나의 항에 따른 용융 슬래그를 이용한 수처리용 다공성 여과재 조성물의 제조방법에 의해 생성된, 용융 슬래그를 이용한 수처리용 다공성 여과재 조성물.
- 청구항 8에 있어서,
Hydroxycancrinite(Na8Al6Si6O24(OH, CO3)2·2H2O)를 포함하는, 용융 슬래그를 이용한 수처리용 다공성 여과재 조성물.
- 청구항 8에 따른 용융 슬래그를 이용한 수처리용 다공성 여과재 조성물을 포함하는, 용융 슬래그를 이용한 수처리용 다공성 여과재.
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2018
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