KR101957473B1 - 폐콘크리트 슬러지를 이용한 탄산칼슘 코팅 고기능성 미세입자 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 폐콘크리트를 분쇄하여 다시 골재로 재생하는 공정에서 발생하는 슬러지 및 폐수를 친환경적으로 처리하고 재활용하기 위한 방법에 관한 것이다. 시멘트 성분과 모래 성분으로 이루어진 슬러지로부터 미세입자만을 분리하고, 광물탄산화 기술을 이용하여 미세입자의 표면에 탄산칼슘을 코팅함으로써, 시멘트, 몰탈 등에 사용되는 고기능성 혼화제로 제조할 수 있다.

Description

폐콘크리트 슬러지를 이용한 탄산칼슘 코팅 고기능성 미세입자 제조방법{METHOD FOR PRODUCING CaCO3 COATED HIGH FUNCTIONAL FINE PARTICLE FROM SLUDGE AS BY-PRODUCT OF WASTE CONCRETE RECYCLING PROCESS}

본 발명은 건축 및 토목재료의 재활용 기술로서, 특히 건설폐기물인 폐콘크리트를 재활용하여 재생골재를 생산하는 공정의 부산물을 다시 산업재료로 제조하는 방법에 관한 것이다.

2012년도 국내 건설폐기물 총 발생량은 약 680만 톤으로 전체 폐기물 발생량의 50%를 차지하고 있다. 정부는 건설폐기물을 적정처리하고 재활용을 촉진하기 위하여 지난 2003년 「건설 폐기물의 재활용촉진에 관한 법률」을 제정하였다. 이와 함께 '순환골재 품질기준'과 '순환골재 품질인증 제도'를 도입하였다. 또한 순환골재 이용의 활성화를 위해 국가, 지자체, 공공기관, 공기업 등이 발주하는 일정 규모 이상의 건설공사에 의무적으로 순환골재를 사용하도록 하는 '순환골재 등 의무 사용 제도'를 시행하고 있다.

순환 잔골재를 생산하기 위하 공정은 도 1의 기존 공정도에 도시된 바와 같이 복수의 크러싱 장치와 스크린을 이용하여 폐콘크리트를 분쇄 및 입도분리하여 정해진 입도 기준을 맞추는 공정이다. 분쇄 및 입도분리는 한 번에 이루어지지 않고 연속적, 반복적으로 수행한다.

폐콘크리트를 재생하는 과정에서의 부산물, 즉 슬러지는 주로 수처리 공정에서 발생하며, 폐콘크리트 미립자들이 물과 혼합된 형태를 띤다.

문제는 슬러지 내 고체 성분(미립자)의 양이 폐콘크리트 전체의 25~35%에 달한다는 것이다. 폐콘크리트의 재생율이 증가할수록 슬러지의 양도 증가하게 된다. 적극적인 제도 개선과 현장에서의 순환골재 사용량의 증대로 인하여 폐콘크리트의 재생율이 향상되고 있는 상태에서, 마지막으로 남은 과제는 폐콘크리트의 슬러지까지도 재생하는 것이다.

한편, 기존과 같이 슬러지를 폐기처분하는 경우, 먼저 슬러지에서 탈수를 하게 되는데, 탈수공정을 거쳐 방류되는 물은 pH12 이상의 강염기성을 띠어 아무런 조치 업이 배수하는 경우 환경오염원으로 작용하게 된다는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서 폐콘크리트 재생과정에서 발생되는 함수율이 높은 슬러지를 고기능성 건축 및 토목 재료로 다시 재활용하고, 이 과정에서 이산화탄소를 제거할 수 있는 재활용 기술을 제공하는데 그 목적이 있다.

한편, 본 발명의 명시되지 않은 또 다른 목적들은 하기의 상세한 설명 및 그 효과로부터 용이하게 추론할 수 있는 범위 내에서 추가적으로 고려될 것이다.

이와 같은 과제를 달성하기 위하여 본 발명에 따른 페콘크리트 슬러지를 이용한 탄산칼슘 코팅 미세입자 제조방법은 하기의 단계를 순차적으로 수행하게 된다. 즉, 폐콘크리트를 재생골재로 만드는 과정에서 발생하는 것으로서 폐콘크리트 미분과 물이 포함되어 있는 슬러지에 고액분리 및 입도분리를 통해 상기 슬러지 내 물과, 상기 슬러지 내 일정 입도 이하의 미세입자만을 별도로 분리하는 분리단계; 상기 슬러지로부터 분리된 상기 미세입자와 물을 상호 혼합하여 현탁액을 형성하는 현탁액 생성단계; 상기 현탁액에 이산화탄소를 주입하여, 상기 물 속에 녹아 있는 칼슘 이온이 이산화탄소와 반응하여 탄산칼슘을 형성하되, 상기 현탁액 내 미세입자의 표면에 석출되게 하는 코팅단계; 및 상기 현탁액에서 액체와 고체를 상호 분리하는 고액분리단계;를 수행한다.

본 발명에 따르면, 상기 분리단계에서는 상하면이이 개구되어 있으며, 상대적으로 입도가 작은 입자를 포함하는 오버플로우 산물은 상부로 배출되고, 상대적으로 입도가 큰 입자를 포함하는 언더플로우 산물은 하부로 배출되게 하여 입도분리를 수행하는 복수의 싸이클론유닛이 연속적으로 배치된 다단 싸이클론 장치를 이용하며, 상기 다단 싸이클론 장치에서는 오버플로우 산물을 대상으로 복수의 상기 싸이클론 유닛을 이용하여 연속적으로 입도분리를 수행한다.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 다단 싸이클론 장치에서 마지막에 배치된 상기 싸이클론 유닛의 오버플로우 산물 내에 포함된 입자를 상기 미세입자로 활용하는데, 이 미세입자는 #400 체(sieve)를 통과하는 입도로 형성된다.

또한 본 발명의 일 실시예에서, 상기 다단 싸이클론 장치에서는 오버플로우 산물을 대상으로 복수의 상기 싸이클론 유닛을 이용하여 연속적으로 입도분리를 수행하고, 마지막에 배치된 상기 싸이클론 유닛의 오버플로우 산물을 상기 현탁액으로 활용할 수 있다. 이에 더하여, 상기 싸이클론 장치의 각 싸이클론 유닛의 언더플로우 산물에 대하여 탈수를 수행하여 분리된 탈수여액을 상기 현탁액에 추가할 수 있다. 여기서, 상기 현탁액의 물에 녹아 있는 칼슘 이온의 농도는 400~1,000mg/L 범위이다.

본 발명의 일 실시예에서, 현탁액에 녹아 있는 칼슘과 반응하는 이산화탄소는 발전소의 배가스에서 포집된 것을 사용할 수 있으며, 마이크로 사이즈의 버블 형태로 공급하는 것이 바람직하다.

또한 상기 코팅단계에서 이산화탄소를 주입하여 상기 현탁액이 pH 8.3~8.5 범위에 형성되도록 하는 것이 바람직하다.

본 발명에서는 폐콘크리트를 순환골재로 만드는 과정에서 발생하는 함수율이 매우 높은 폐콘크리트 미분을 다시 재활용할 수 있는 방법을 제공함으로써 페콘크리트의 전체적인 재활용율을 향상시킬 수 있다.

특히 골재로 사용 불가능한 미분을 훨씬 고부가가치의 시멘트, 몰탈용 혼화재 등의 고기능성 미세입자로 제조하여 경제성을 향상시켰다.

또한 슬러지를 재활용하기 위한 과정에서 강알카리성을 띠는 폐수의 pH가 하강되어 방류 기준에 적합하게 형성된다는 이점이 있다.

또한 본 발명에서는 재활용과정에서 이산화탄소를 폐수에 공급하여 광물탄산화를 수행함으로써 탄소배출권의 대상이 되는 이산화탄소를 효과적으로 고정할 수 있다는 이점이 있다.

한편, 여기에서 명시적으로 언급되지 않은 효과라 하더라도, 본 발명의 기술적 특징에 의해 기대되는 이하의 명세서에서 기재된 효과 및 그 잠정적인 효과는 본 발명의 명세서에 기재된 것과 같이 취급됨을 첨언한다.

도 1의 기존의 폐콘크리트를 재생하기 위한 개략적 공정도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고기능성 미세입자 제조방법의 개략적 흐름도이다.
도 3은 다단 습식 싸이클론 장치를 이용한 입도분리와 현탁액 형성을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 입도분리를 통해 분리한 슬러지 내 미세입자의 SEM 사진이다.
도 5는 SEM 이미지에서 SEM-EDS 분석을 수행한 영역을 네모 박스로 표시한 사진이다.
도 6 및 도 7은 도 5의 네모 박스 영역에 대한 SEM-EDS 분석 결과이다.
도 8은 탄산칼슘 합성 후 분리된 미세입자의 SEM 사진이다.
도 9 및 도 10은 도 8의 SEM 사진 중 일부에 대한 SEM-EDS 분석 결과이다.
도 11은 Si를 특정하여 SEM-EDS 분석을 다시 수행한 결과이다.
도 12는 대조군인 순수 탄산칼슘에 대한 SEM-EDS 분석 결과이다.
도 13은 폐콘크리트 미세입자의 확대 전자현미경 사진이다.
도 14는 탄산칼슘이 코팅된 후의 확대 전자현미경 사진이다.
※ 첨부된 도면은 본 발명의 기술사상을 구체적으로 설명하기 위한 예시에 불과하며, 첨부된 도면에 의해 본 발명의 권리범위가 제한되지 않는다.

본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능에 대하여 이 분야의 기술자에게 자명한 사항으로서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다.

본 발명은 폐콘크리트를 순환골재로 재생하는 공정에서 발생하는 슬러지를 처리 및 재활용하기 위한 방법에 관한 것이다.

배경기술에서도 설명하였지만, 순환골재를 생산하는 과정에서는 분쇄, 입도분리 및 세척공정이 반복적으로 수행되기 때문에 함수율이 매우 높은 폐콘크리트 미분이 발생하게 된다. 이를 "재생골재 슬러지"라 한다.

재생골재 슬러지는 골재와 시멘트의 결합체인 폐콘크리트의 분쇄 과정에서 발생하는 것이므로, 주로 모래 성분과 시멘트 성분으로 이루어진다. 기존의 재생골재 생산 공정에서 스크린을 이용한 선별로는 재생골재 슬러지 내 모래 성분과 시멘트 성분을 상호 분리한다는 것은 불가능하다. 또한 슬러지의 입도는 대부분 0.075mm 이하인데, 이들 중 특히 0.03~0.04mm 이하의 성분들은 너무 입도가 작아서 골재로 사용하기 곤란하다. 이러한 이유로 재생골재 생산과정에서 발생하는 슬러지는 모두 폐기처분하였다.

본 발명에서는 위 슬러지 내에 포함되어 있는 미세입자들을 고부가가치의 산업재료로 재활용하기 위한 방법을 제공하고자 한다. 슬러지 내 미세입자들은 골재로 활용할 수 없으며, 더욱이 골재는 고부가가치의 재료도 아니므로, 미세입자들을 시멘트나 몰탈에 혼합되어 특수한 성능을 발현시킬 수 있는 고기능성 혼화제 등으로 재활용하고자 한다. 슬러지 내의 일정 입도 이하의 미세입자들을 분리하고, 그 표면에 탄산칼슘을 코팅하여 고기능성 미세입자를 제조하는 방법을 제공하고자 한다. 보다 구체적으로, 슬러지 내에서 미세입자와 물을 분리한 후, 이들을 혼합하여 현탁액을 만든다. 현탁액의 물에는 칼슘 이온이 풍부하게 녹아 있는데, 미세입자의 존재하에서 이산화탄소를 현탁액에 주입하면, 칼슘 이온과 이산화탄소가 반응하여 탄산칼슘이 형성되는데, 이 탄산칼슘이 미세입자(입자의 종류와 무관)의 표면에서 석출되어 탄산칼슘이 코팅된 미세입자가 형성된다. 이렇게 본 발명은 고기능성 미세입자들을 제조함과 동시에, 발전소 등의 배가스에서 배출되는 이산화탄소를 이용하므로 이산화탄소 저감에도 기여할 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 일 실시예에 따른 폐콘크리트 재생 공정에서 발생되는 슬러지의 재활용 방법 및 방류수의 처리방법(이하, "슬러지 재활용방법"이라 함)에 대하여 더욱 상세히 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 폐콘크리트 슬러지를 이용한 탄산칼슘 코팅 고기능성 미세입자 제조방법(이하, 고기능성 미세입자 제조방법)의 개략적 흐름도이며, 도 3은 다단 습식 싸이클론 장치를 이용한 입도분리와 현탁액 형성을 설명하기 위한 도면이다.

도 2 및 도 3을 참고하면, 본 발명에 따른 고기능성 미세입자 제조방법에서는 먼저 슬러지에 대하여 입도분리를 수행한다.

슬러지는 폐콘크리트를 분쇄하는 과정에서 발생하는 미분으로 이루어지며, 앞에서 언급한 바와 같이 함수율이 매우 높다. 함수율이 대략 80% 이상으로 형성되는 것이 일반적이다. 폐콘크리트 미분들을 화학적 성분으로 분석하면, 모래의 성분인 SiO2가 가장 많이 함유되어 있고, 시멘트로부터 나온 Ca의 함량도 많은 편이다. 그 외에도 알루미늄과 철 성분이 상당 수준으로 포함되어 있다. 다만, 미분은 폐콘크리트 재생과정에서 나오는 것이므로, 원래의 폐콘크리트의 성분에 따라 미분의 화학적 조성이 달라지기 때문에 미분의 조성 성분들을 일정한 범위로 규정하기는 곤란한 측면이 있다.

입도분리단계에서는 슬러지 내 물과 미분을 상호 분리하며, 또한 미분들 중에서 일정 입도 이하의 미분들만을 따로 분리한다. 입도 기준은 본 발명의 결과물인 고기능성 미세입자에 요구되는 성능에 따라 달라질 수 있다. 본 실시예에서는 주로 시멘트, 몰탈 등에 첨가되는 혼화제를 목표로 하고 있는 바, 입도기준을 400 메쉬의 체(#400 sieve)를 통과할 수 있는 입도를 기준으로 하였다. 대략 38μm 이하의 입도이다. 입도 최고치가 위 수준이며, 실제 분리된 입자들에는 수백 나노 m 수준의 미세입자의 분율이 매우 높을 것으로 추정된다.

보다 구체적으로, 본 실시예에서는 물과 기준 입도 이하의 미분만을 분리해 내기 위해서 도 3에 도시된 바와 같은 다단 습식 싸이클론 장치를 사용한다. 다단 싸이클론 장치는 복수의 싸이클론 유닛이 연속적으로 연결되어 있는 장치를 말하는데, 도면에서는 3개만 도시하였지만, 2~8개를 사용할 수 있다. 싸이클론 유닛은 도면에 도시된 바와 같이 상부는 원통형으로 하부는 원추 형상으로 이루어지며, 상부 측면에는 유입구가 형성된다. 그리고 상면과 하면은 각각 개구되어 있다. 유입구를 통해 슬러지를 특정 속도와 압력으로 유입시키면, 슬러지는 싸이클론 유닛의 내주면을 따라 회전하면서 하강하게 되는데, 하강하는 과정에서 일 상대적으로 가볍고 작은 입도를 가지는 입자들은 상승하여 상부 배출구로 배출되며, 상대적으로 무겁고 큰 입도를 가지는 입자들은 하부 배출구를 통해 배출된다. 상부로 배출되는 산물을 오버플로우 산물이라 하며, 하부로 배출되는 산물을 언더플로우 산물이라 한다. 오버플로우 산물과 언더플로우 산물이 나누어지는 입도 기준은 싸이클론 유닛의 입경, 유입시의 속도와 압력을 통해 조절할 수 있다.

본 실시예에서는 처음에 배치된 싸이클론 유닛으로 슬러지를 유입시킨 후, 오버플로우 산물에 대하여 순차적으로 입도분리를 수행한다. 복수의 싸이클론 유닛들을 거치면서 오버플로우 산물들의 입도는 점차 작아지게 되며, 마지막에 배치된 싸이클론 유닛을 통해 배출된 오버플로우 산물 내의 미세입자의 입도는 앞에서 언급한 기준입도 이하가 된다. 본 실시예에서는 복수의 싸이클론 유닛을 사용하되, 첫 번째 배치된 싸이클론 유닛에서의 오버플로우 산물은 #70 체를 통과하는 입도, 이후 싸이클론 유닛들에서는 순차적으로, #200 체를 통과하는 입도, #400 체를 통과하는 입도로 오버플로우 산물들이 산출되도록 한다. 예컨대 마지막에 배치된 싸이클론 유닛은 2inch 싸이클론 유닛이며, 주입압력 0.2~0.3MPa 조건에서 입도 기준을 만족한다. .

그리고 마지막 싸이클론 유닛에서 배출된 오버플로우 산물을 대상으로 후속 공정을 실시한다. 대상이 되는 오버플로우 산물은 기준입자 이하의 미세입자와 물이 혼합되어 있는 현탁액 상태로 형성된다. 본 실시예에서는 입도분리의 결과 오버플로우 산물이 미세입자와 물이 혼합되어 있는 현탁액 상태로 배출되므로, 현탁액 형성단계가 입도분리단계와 함께 수행된다. 그러나, 다른 예에서는 슬러지 내 물을 별도로 수집하여 미세입자와 혼합하는 현탁액 형성단계를 수행해야 하는 경우도 있다. 즉 각 싸이클론 유닛에서의 언더플로우 산물은 탈수과정을 거쳐 처리되는데, 여기서 나오는 탈수여액은 현탁액에 추가하여 혼합할 수 있다. 본 발명에서는 슬러지에서 배출된 물에 녹아 있는 칼슘 이온을 광물탄산화 반응의 출발물질로 활용하므로, 탈수여액을 현탁액에 혼합하여 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 마지막 싸이클론 유닛에서 배출되는 오버플로우 산물에서 물의 함량이 적은 경우에도, 언더플로우 산물들의 탈수여액을 수집하여 오버플로우 산물의 미세입자와 혼합하여 현탁액을 형성한다. 본 실시예에서는 현탁액의 펄프 농도를 0.01wt/v %로 설정하였다.

현탁액이 형성되면 미세입자의 표면에 탄산칼슘을 코팅하는 코팅단계를 수행한다. 코팅단계에서는 현탁액에 이산화탄소를 주입한다. 현탁액에 녹아 있는 칼슘 이온과 이산화탄소가 반응하여 탄산칼슘을 형성하는데, 현탁액 내에 미세입자가 분산되어 있는 조건에서는 탄산칼슘이 미세입자의 표면에 침전되어 미세입자 표면에 탄산칼슘이 코팅되는 효과가 나타난다. 탄산칼슘이 코팅되는 미세입자는 종류와는 무관하다. 모래 성분인 SiO₂ 입자가 될 수도 있으며 칼슘, 알루미늄, 철 등 현탁액 내에 포함된 모든 입자가 될 수 있다. 미세입자들은 탄산칼슘이 누적적으로 침전될 수 있는 일종의 시드(seed) 역할만을 수행하기 때문이다. 이산화탄소는 발전소 등에서 배출되는 배가스를 직접 사용할 수도 있고, 배가스로부터 이산화탄소만을 별도로 포집하여 사용할 수도 있다. 배가스를 직접 사용하는 것은 경제성의 측면에서 이롭고, 이산화탄소만을 포집하는 경우 농도가 상승되므로 탄산칼슘 합성 수율의 측면에서 유리하다. 수율과 경제성을 고려하여 현탁액으로 주입되는 이산화탄소의 농도를 결정하면 된다.

이산화탄소의 주입량은 현탁액의 pH 변화에 따라 조정되어야 한다. 현탁액은 폐콘크리트 내 시멘트 성분으로 인하여 강한 알카리성을 띠는 경우가 일반적이다. 이산화탄소를 주입하면 탄산칼슘이 합성되면서 pH가 점차 낮아지게 되는데, 본 실시예에서는 현탁액의 pH가 8.3~8.5 범위가 될 때까지 주입한다. 위 범위로 조정하는 것은 두 가지 목적이 있다. 현탁액의 수소이온농도가 pH8.3 미만에서도 탄산칼슘이 합성되기는 하지만, 다시 재용해가 일어나므로 탄산칼슘 침전이 원활하지 않다. pH 8.3 이상에서는 재용해 현상이 발생하지 않고 안정적으로 탄산칼슘이 합성된다. pH를 더 하강시키게 되면 코팅단계 후에 발생하는 여액의 산도가 낮아 방류 기준을 만족하지 않을 수 있는 바, 방류 기준에 적합한 수준인 pH8~9 수준으로 산도를 맞춘다.

본 발명에서 이산화탄소와 칼슘을 반응시켜 탄산칼슘을 합성하는 공정은 이른바 광물탄산화 기술로 알려져 있다. 광물탄산화 기술은 칼슘이나 마그네슘과 같은 알카리 토금속에 이산화탄소를 공급하여 이들을 탄산칼슘으로 만드는 기술을 말한다. 광물탄산화 기술은 출발물질을 고체 상태로 하여 이산화탄소와 반응시키는 직접법과, 산 등을 이용하여 출발물질로부터 칼슘이나 마그네슘을 용출시킨 후 이산화탄소를 공급하여 반응시키는 간접법으로 나눌 수 있다. 광물탄산화 기술에서 효율은 간접법이 훨씬 우수한데, 간접법에서는 산을 이용하여 칼슘을 먼저 용출시켜야 하므로 경제성이 저하된다는 점이 큰 문제로 지적되었다. 또한 산 용액을 사용하였으므로, 광물탄산화를 위해서 다시 용액을 염기성 조건으로 맞추어야 하므로 다시 알카리제를 투입해야 하므로 경제성은 더욱 저하된다.

그러나 본 발명에서는 현탁액 내에 칼슘 이온이 이미 녹아 있는 상태이므로 광물탄산화의 간접법에서 약점으로 작용하는 칼슘의 용출 문제가 이미 해결된 상태이다. 또한 현탁액은 염기성을 띠기 때문에 별도의 알카리제를 투입할 필요도 없다.

본 발명이 기존의 광물탄산화와 다른 점은 미세입자의 존재하에서 광물탄산화 간접법을 적용한다는 것이다. 기존의 광물탄산화는 직접법이나 간접법을 선택적으로 활용하였다. 그러나 본 발명에서는 미세입자의 존재하에서 간접법을 적용하여 미세입자의 표면에 탄산칼슘을 코팅한다는 데에 특징이 있다. 간접법을 적용한 기존의 광물탄산화에서는 탄산칼슘 입자가 석출되는 반면, 본 발명에서는 미세입자의 표면에 탄산칼슘이 침전 및 코팅된다는 점에서 차이를 찾을 수 있다. 광물탄산화 간접법에 의하여 제조된 탄산칼슘은 입도가 매우 작고 강도가 낮아서 산업적으로 재활용하는데 있어서 한계가 있었지만, 본 발명과 같이 탄산칼슘이 모래 성분에 코팅된 미세입자의 경우에는 탄산칼슘의 성질을 띠면서도 강도가 보장되므로 혼화제 등의 용도로 산업적으로 폭넓게 활용될 수 있다는 이점이 있다.

위에서 설명한 바와 같이, 탄산칼슘의 합성 및 미세입자에 코팅되는 반응이 완료되면, 고액분리를 수행하여 탄산칼슘 코팅 미세입자와 현탁액의 여액을 상호 분리하여 공정이 완료된다.

최종적으로 분리된 여액은 pH가 저감되어 방류 기준을 만족하지만, 폐콘크리트 재생공정에 다시 사용하여 순환공정을 형성할 수도 있다.

본 발명을 통해 기존에 폐기처리 되었던 폐콘크리트 슬러지를 시멘트, 몰탈의 혼화제와 같은 고부가가치 재료로 합성할 수 있어 산업경제에 기여할 수 있다는 이점이 있다.

또한 본 발명에서는 광물탄산화 기술을 폐콘크리트 슬러지에 적용함으로써, 이산화탄소를 탄산칼슘으로 고정하여 거래의 대상이 되는 탄소배출권을 획득할 수 있다.

또한 기존의 재생골재 공정에서 문제가 되었던 폐수의 방류문제도 해결한다. 즉, 광물탄산화 반응에서 수소 이온이 발생하게 되므로 폐수의 pH가 낮아져서, 방류 기준인 pH5.8~8.5 수준을 만족할 수 있다. 폐수 처리는 폐콘크리트 재생공정에서 친환경성과 경제성을 저하시키는 매우 큰 문제였지만, 광물탄산화 기술을 도입함으로써 이러한 문제들이 일거에 해결될 수 있다.

본 발명을 실험하였다.

폐콘크리트 슬러지를 대상으로 다단 습식 싸이클론 장치를 통해 입도분리를 수행하여 #400 체를 통과하는 입자들을 선별하였다. 선별된 미세입자들에 대한 전자현미경 사진이 도 4에 나타나 있다. 도 4에서 상단 좌측은 현미경 원본 사진이며, 나머지 사진들은 특정 원소가 색을 띠게 하여 나타낸 것이다. 실리카, 칼슘이 덩어리 형태로 보이며, 철은 미세하게 분산되어 있는 것을 알 수 있다. 탄소와 산소는 SEM에서 배경으로 나타나는 것이므로 의미를 부여할 필요가 없다.

도 5는 미세입자의 또 다른 SEM 사진이며, 위 이미지 상에 나타난 물질의 화학원소를 파악하기 위한 SEM-EDS 분석을 위한 구간을 네모 박스로 표시하였다. 도 6은 SEM-EDS 분석 결과이며, 도 7은 도 6의 결과를 테이블로 정리한 것이다.

도 6 및 도 7을 참고하면, #400 체를 통과한 미세입자 중에서 규소가 15.55%로 가장 많이 함유되어 있으며 그 뒤로 칼슘이 12.58%를 차지하고 있다. 알루미늄과 철도 확인할 수 있다.

실험에서는 위 미세입자들과 슬러지에서 탈수된 물을 혼합하여 0.01wt/v% 농도의 현탁액 2.5L를 형성한 후, 99% 농도를 가진 이산화탄소를 분당 16cc/L의 유량으로 주입하여 탄산칼슘을 합성하였다. 고액분리를 통해 미세입자와 물을 상호 분리하고, 미세입자를 건조한 후 앞에서와 마찬가지로 SEM 사진과 SEM-EDS 분석을 수행하였다.

도 8은 탄산칼슘 합성 후 미세입자의 SEM 사진과, 특정 원소에 색을 입혀 나타낸 것이며, 도 9는 도 8의 이미지 상의 특정 부분에 대한 SEM-EDS 분석결과이고, 도 10은 SEM-EDS 분석결과를 테이블로 정리한 것이다.

도 9 및 도 10을 참고하면, 광물탄산화 공정 전의 SEM 결과와 비교할 때, Si가 전혀 나타나지 않고, 칼슘 성분만 도드라지게 나타나는 것을 알 수 있다. 즉, Si 입자의 표면이 모두 탄산칼슘에 의하여 코팅된 결과이다. 도 7의 테이블과 도 10의 테이블을 비교하면, Si는 거의 나타나지 않고, 칼슘만 2배 늘어난 것을 알 수 있다. 이를 토대로, 본 발명에서는 미세입자 중에서 칼슘 입자가 광물탄산화를 통해 탄산칼슘 입자로 형성되는 것만이 아니라, 모래 성분 위에 탄산칼슘이 코팅된다는 것을 확인할 수 있다. 만약 미세입자 중에서 칼슘 입자만이 탄산칼슘으로 합성되었고, 모래 입자에는 탄산칼슘이 코팅되지 않았다면 SEM-EDS 분석 결과에서 Si 성분이 나타나야 하기 때문이다.

SEM-EDS 분석에서는 특정 성분이 많은 경우 별도의 색을 입혀 보여주지만, 함량이 적은 성분에 대해서는 분석을 보여주지 않는다. 이에 본 연구진은 SEM-EDS 분석에서 실리카 성분만을 특정하여 다시 분석을 수행하였으며, 그 결과를 도 11에 나타냈다. 도 11을 참고하면 Si 성분은 0.76%로서 도 7의 15.55%와 비교하면 규소 성분이 거의 전부 사라진 결과를 나타냈다. 이를 통해, 본 발명을 통한 공정을 통해 미세입자의 존재하에서 광물탄산화를 수행하면, 탄산칼슘이 칼슘 입자는 물론, 모래, 알루미늄, 철 등의 입자의 표면에 침전되어 코팅되는 것을 확인할 수 있었다.

참고로, 도 12에는 대조군인 순수 탄산칼슘에 대한 SEM-EDS 분석 결과를 나타냈다. 도 12의 결과와 본 발명에 따른 SEM-EDS 분석 결과인 도9, 도10을 참고하면, 본 발명에 의해서 형성된 미세입자들이 순수 탄산칼슘과 동일한 양상으로 나타나는 것을 확인할 수 있다.

미설명한 도 13은 폐콘크리트 미세입자의 확대 전자현미경 사진이며, 도 14는 탄산칼슘이 코팅된 후의 확대 전자현미경 사진이다.

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)

1. 폐콘크리트를 재생골재로 만드는 과정에서 발생하는 것으로서 폐콘크리트 미분과 물이 포함되어 있는 슬러지에 고액분리 및 입도분리를 통해 상기 슬러지 내 물과, 상기 슬러지 내 기준 입도 이하의 미세입자만을 별도로 분리하는 분리단계;
   상기 슬러지로부터 분리된 상기 미세입자와 물을 상호 혼합하여 현탁액을 형성하는 현탁액 생성단계;
   상기 현탁액에 이산화탄소를 주입하여, 상기 물 속에 녹아 있는 칼슘 이온이 이산화탄소와 반응하여 탄산칼슘을 형성하되, 상기 현탁액 내 미세입자의 표면에 석출되게 하는 코팅단계; 및
   상기 현탁액에서 액체와 고체를 상호 분리하는 고액분리단계;를 구비하며,
   상기 분리단계에서는 상하면이이 개구되어 있으며, 상대적으로 입도가 작은 입자를 포함하는 오버플로우 산물은 상부로 배출되고, 상대적으로 입도가 큰 입자를 포함하는 언더플로우 산물은 하부로 배출되게 하여 입도분리를 수행하는 복수의 싸이클론유닛이 연속적으로 배치된 다단 싸이클론 장치를 이용하며,
   상기 다단 싸이클론 장치에서는 오버플로우 산물을 대상으로 복수의 상기 싸이클론 유닛을 이용하여 연속적으로 입도분리를 수행하되, 상기 다단 싸이클론 장치에서 마지막에 배치된 상기 싸이클론 유닛의 오버플로우 산물에 포함된 미세입자는 #200 체(sieve)를 통과하는 입도를 지니는 것을 특징으로 하는 폐콘크리트 슬러지를 이용한 탄산칼슘 코팅 미세입자 제조방법.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 다단 싸이클론 장치에서 마지막에 배치된 상기 싸이클론 유닛의 오버플로우 산물 내에 포함된 입자를 상기 미세입자로 활용하는 것을 특징으로 하는 폐콘크리트 슬러지를 이용한 탄산칼슘 코팅 미세입자 제조방법.
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,
   상기 다단 싸이클론 장치에서는 오버플로우 산물을 대상으로 복수의 상기 싸이클론 유닛을 이용하여 연속적으로 입도분리를 수행하고, 마지막에 배치된 상기 싸이클론 유닛의 오버플로우 산물을 상기 현탁액으로 활용하는 것을 특징으로 하는 폐콘크리트 슬러지를 이용한 탄산칼슘 코팅 미세입자 제조방법.
6. 제1항에 있어서,
   상기 싸이클론 장치의 각 싸이클론 유닛의 언더플로우 산물에 대하여 탈수를 수행하여 분리된 탈수여액을 상기 싸이클론 장치의 마지막에 배치된 싸이클론 유닛의 오버플로우 산물과 혼합하여 상기 현탁액을 형성하는 것을 특징으로 하는 페콘크리트 슬러지를 이용한 탄산칼슘 코팅 미세입자 제조방법.
7. 제1항에 있어서,
   상기 현탁액의 물에 녹아 있는 칼슘 이온의 농도는 400~1,000mg/L 범위인 것을 특징으로 하는 페콘크리트 슬러지를 이용한 탄산칼슘 코팅 미세입자 제조방법.
8. 제1항에 있어서,
   상기 이산화탄소는 발전소의 배가스에서 포집된 것을 특징으로 하는 페콘크리트 슬러지를 이용한 탄산칼슘 코팅 미세입자 제조방법.
9. 제1항에 있어서,
   상기 이산화탄소는 마이크로 사이즈의 버블 형태로 공급하는 것을 특징으로 하는 페콘크리트 슬러지를 이용한 탄산칼슘 코팅 미세입자 제조방법.
10. 제1항에 있어서,
    상기 코팅단계에서 이산화탄소를 주입하여 상기 현탁액이 pH 8.3~8.5 범위에 형성되도록 하는 것을 특징으로 하는 페콘크리트 슬러지를 이용한 탄산칼슘 코팅 미세입자 제조방법.
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