KR102141001B1 - 다공성 경량 조성물 - Google Patents

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KR102141001B1
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강일모
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노기민
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Abstract

본 발명은 화력발전소 산업부산물 또는 점토를 포함하거나, 화력발전소 산업부산물 및 점토를 포함하고, 물유리를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다공성 경량 조성물을 제공한다.

Description

다공성 경량 조성물{Porous lightweight composition}
본 발명은 다공성 경량 조성물에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 화력발전소 산업부산물을 활용한 다공성 경량 조성물에 관한 것이다.
화력발전소 산업부산물은 주로 시멘트 및 콘크리트의 혼화제로 사용되고 있으나, 발전회를 비롯하여 다양한 종류의 산업부산물은 용도에 따라 구체적인 활용방안이 개발되지 못하고 있다.
특히 플라이애쉬(Fly ash)는 화력 발전소에서 미분탄이 순간적으로 연소하고 비산하여 집진기에 포집되는 재이며, 화력발전 시 원탄에서 약 30 % 정도 발생한다.
플라이애쉬는 미연소탄소가 고 함량으로 포함되어 있기 때문에 혼화제로 사용하는 경우 시멘트 및 콘크리트의 강도가 저하되어 활용이 제한적이다. 플라이애쉬는 환경적인 문제를 발생시키는 산업폐기물이나, 마땅한 활용방법을 찾는데 어려움을 있으며, 최근에서야 플라이애쉬를 재활용하는 방안이 활발하게 연구되고 있다.
현재 플라이애쉬 재활용율은 약 70 % 정도이며, 대부분 콘크리트 및 시멘트 원료로 사용되고 있으며, 이외 활용처로는 경량골재, 단열재, 조형물 등 건축자재에 일부 혼합하여 사용된다.
대한민국 특허 제1946888호 인조 현무암 제조용 조성물 및 이를 이용한 인조 현무암 조형물 제조 방법에서는 플라이애쉬를 이용하여 현무암을 모사한 인조 현무암 조형물을 제조하거나(특허문헌 1), 대한민국 특허 제0928418호 플라이 애쉬를 이용한 불연단열재 제조방법에서는 플라이애쉬를 이용하여 불연단열재를 제조하는 방법을 개시한다(특허문헌 2).
종래기술의 특징은 대부분 건축용 자재를 제조하는 방법이며, 산업폐기물인 플라이애쉬가 높은 pH를 나타내고, 다이옥신과 같은 환경 호르몬이 배출되는 문제가 있으므로 건축 자재로 사용하는 경우 안전에 우려가 있으나 이를 전혀 개선하지 못한다.
한편 다공성 물질은 중금속 흡착제 등 오염성 물질을 제거하기 위하여 다양한 재료를 사용하고 있으나, 플라이애쉬를 이용한 다공성 물질의 제조 시 유해성을 감소시키고 경량으로 제조되어 활용성을 증가시킨 다공체는 개시된 바가 없다.
따라서, 플라이애쉬를 포함하는 화력발전소 산업부산물의 유해성을 제거하여 활용성을 증가시키고, 화력발전소 산업부산물의 용도를 확장하여 산업폐기물의 처리를 촉진하기 위한 새로운 다공성 경량 조성물의 개발이 시급한 실정이다.
대한민국 특허 제1946888호(2019.02.11. 공고) 대한민국 특허 제0928418호(2009.11.25. 공고)
따라서, 본 발명은 활용 범위가 크지 않은 산업폐기물인 화력발전소 산업부산물 및 점토를 활용하여 안전성 및 경량성이 증가한 다공성 경량 조성물을 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제(들)로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제(들)는 이하의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은
화력발전소 산업부산물 또는 점토를 포함하거나,
화력발전소 산업부산물 및 점토를 포함하고,
물유리를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다공성 경량 조성물을 제공한다.
또한, 상기 화력발전소 산업부산물은 석탄회, 바닥재 및 플라이애쉬로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나 이상일 수 있다.
또한, 상기 화력발전소 산업부산물은 미소구체(Cenosphere)를 포함하며, 상기 미소구체는 조성물의 경량성을 증가시킬 수 있다.
또한, 상기 미소구체는 양생을 통하여 휘발성분이 증발되어 1차 공극(Pore)이 형성될 수 있다.
또한, 상기 휘발성분은 질소 또는 수증기일 수 있다.
또한, 상기 점토는 납석, 장석, 고령토, 도석, 산성백토, 벤토나이트, 반토혈암, 와목점토, 목절점토, 견운모, 운모, 질석, 활석, 불석, 및 규조토로 이루어지는 군에서 선택된 어느 하나 이상일 수 있다.
또한, 상기 점토와 물유리는 양생 및 소성을 통하여 소성체를 형성하고, 상기 소성체는 점토와 물유리가 입체적으로 결합된 마이크로 네트워크(Micro network)를 형성할 수 있다.
또한, 상기 소성체는 흡수성을 가질 수 있다.
또한, 상기 화력발전소 산업부산물과 물유리는 양생 및 소성을 통하여 소성체를 형성하고, 상기 화력발전소 산업부산물에 공극이 형성되며, 화력발전소 산업부산물 주위에 상기 물유리가 결합되어, 공극이 유지될 수 있다.
또한, 상기 소성체는 투수성을 가질 수 있다.
또한, 상기 소성체는 소성을 통하여 장석(Albite)류가 생성되어 함유할 수 있다.
또한, 상기 화력발전소 산업부산물, 점토 및 물유리는 양생 및 소성을 통하여 혼합소성체를 형성할 수 있다.
또한, 상기 혼합소성체는 상기 화력발전소 산업부산물 의 일부가 양생 과정에서 균열이 발생되어 1차 공극이 형성되고, 소성 과정에서 점토와 물유리가 입체적으로 결합되어 마이크로 네트워크(Micro network)를 형성하여 2차 공극이 형성될 수 있다.
또한, 상기 혼합소성체는 pH가 7~8의 중성일 수 있다.
또한, 상기 혼합소성체는 소성 과정에서 환경호르몬이 제거될 수 있다.
또한, 상기 환경호르몬은 염화탄화수소, 다이옥신 또는 이들의 혼합물일 수 있다.
또한, 상기 다공성 경량 조성물은 중금속을 포함하는 오염물질, 방사성 오염 물질, 유기물질, 또는 축산폐수의 정화 및 제염에 사용될 수 있다.
본 발명에 따르면, 활용이 용이하지 않은 화력발전소의 산업부산물을 활용하여 다양한 오염물질을 흡착 및 흡수할 수 있는 다공성 경량 조성물을 제조하여 화력발전소의 산업부산물의 활용성을 크게 증가시킬 수 있다.
또한, 강알칼리로 활용이 제한적인 물유리를 활용하여 공극 형성량을 증가시킨 다공성 경량 조성물을 제조할 수 있다.
또한, 화력발전소 산업부산물인 플라이애쉬를 양생하여 내부의 휘발성분을 급속도로 증발시켜 플라이애쉬 중 미소구체에 균열을 일으켜 내부에 공극을 형성하고, 소성을 통하여 주위에 소성체를 형성하여, 내부의 공극을 유지하면서도 경량으로 형성되어 사용성이 증가되고, 다공성 또한 증가되어 오염물질에 대한 흡착력을 크게 증가시킬 수 있다.
또한, 다량의 오염수를 흡수시킨 후 가열하여 물을 증발시키고 오염물질만 흡착시킬 수 있어서, 중금속 오염수뿐만 아니라 방사능 오염수의 제염이 가능하다.
또한, 화력발전소 산업부산물 중 특히 플라이애쉬에 잔류하는 염화탄화수소 및 다이옥신과 같은 환경호르몬이 소성과정 중에 제거되어 다공성 경량 조성물의 안전성을 증가시킬 수 있다.
또한, 점토와 물유리 혼합물의 소성과정에서 생성되는 소성체가 입체적으로 마이크로 네트워크를 형성하고, 이에 따라 2차 공극을 다수 형성하여 다공성을 증가시키고 피흡착물의 양을 매우 증가시킬 수 있다.
또한, 다량의 유기물이 함유된 축산 폐수 또한 효과적으로 정화하여 처리할 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다공성 경량 조성물의 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 다공성 경량 조성물의 소성 전후의 X선 회절 분석 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 다공성 경량 조성물의 석탄회, 점토 및 물유리 배합물의 혼합소성체의 주사전자현미경 사진이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 다공성 경량 조성물의 석탄회, 점토 및 물유리 배합물의 혼합소성체의 레진 및 연마 처리 후 횡단면의 주사전자현미경 사진이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 다공성 경량 조성물의 미소구체의 양생 및 소성으로 인한 천공(Hollow)을 나타낸 주사전자현미경 사진이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 다공성 경량 조성물에 있어서, 물유리 점토의 양생 및 소성 후 소성체의 주사전자현미경 사진이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 다공성 경량 조성물에 있어서, 물유리 석탄회의 양생 및 소성 후 소성체의 주사전자현미경 사진이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 다공성 경량 조성물에 있어서, 물유리, 점토 및 석탄회의 양생 및 소성 후 혼합소성체의 주사전자현미경 사진이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 다공성 경량 조성물의 열중량/시차열 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 다공성 경량 조성물에 있어서, 소성 전과 후의 비교 사진이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 다공성 경량 조성물에 있어서, 소성 전과 후의 무게변화를 나타내 그래프이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 다공성 경량 조성물이 잉크를 흡수하기 전과 흡수한 후 및 물을 증발시켜 건조한 후 사진이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 다공성 경량 조성물의 오염수 흡착 후 증발속도와 물의 증발속도를 비교한 그래프이다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것을 달성하는 방법은 첨부된 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다.
그러나 본 발명은 이하에 개시되는 실시예들에 의해 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기술 등이 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있다고 판단되는 경우 그에 관한 자세한 설명은 생략하기로 한다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명은 화력발전소 산업부산물 또는 점토를 포함하거나, 화력발전소 산업부산물 및 점토를 포함하고, 물유리를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다공성 경량 조성물을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 다공성 경량 조성물은 점토 및 물유리를 포함할 수 있고, 다른 실시예에 따른 다공성 경량 조성물은 화력발전소 산업부산물 및 물유리를 포함할 수 있으며, 또 다른 실시예에 따른 다공성 경량 조성물은 화력발전소의 산업부산물, 점토 및 물유리를 포함할 수 있다.
상기 화력발전소 산업부산물은 석탄회, 바닥재 및 플라이애쉬로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나 이상일 수 있다.
상기 화력발전소 산업부산물은 플라이애쉬인 것이 바람직하다.
상기 화력발전소 산업부산물은 미소구체(Cenosphere)를 포함하며, 상기 미소구체는 조성물의 경량성을 증가시킬 수 있다.
상기 미소구체는 석탄 화력 발전소에서 연소 시 발생하는 다양한 입자 중 저비중 중공 입자이다.
상기 미소구체는 내부에 공간이 형성된 중공 형태이기 때문에 미소구체의 함량을 증가시킬수록 다공성 경량 조성물의 경량성을 증가시킬 수 있는 장점을 갖는다.
상기 미소구체는 특히 플라이애쉬 중 약 0.1 내지 10 wt%로 함유될 수 있다.
상기 미소구체의 함량은 통상 화력발전소 산업부산물인 플라이애쉬 중 미소구체의 함량 범위를 나타내는 것이며, 미소구체의 함량이 상기 범위 내에서 미소구체의 함량이 증가되는 경우 경량성이 증가되고, 상기 범위에 미치지 못하는 경우 다공성을 확보하기 어렵다.
본 발명의 일 실시예에 따른 다공성 경량 조성물은 점토 및 물유리를 함유한다.
상기 점토는 납석, 장석, 고령토, 도석, 산성백토, 벤토나이트, 반토혈암, 와목점토, 목절점토, 견운모, 운모, 질석, 활석, 불석, 및 규조토로 이루어지는 군에서 선택된 어느 하나 이상일 수 있다.
상기 점토를 선택하는 것이 바람직하나, 통상적으로 점토라고 인식되는 자원과 법정 점토 광물로 다공성 물질이면 제한되지 않는다.
상기 점토와 물유리는 양생 및 소성을 통하여 소성체를 형성하고, 상기 소성체는 점토와 물유리가 입체적으로 결합된 마이크로 네트워크(Micro network)를 효과적으로 형성할 수 있다.
상기 양생은 상기 양생은 100 내지 200 ℃ 범위에서 소성 온도 범위보다 상대적으로 저온에서 수행된다.
상기 양생을 통하여 점토와 물유리를 혼합하고 일정 형태로 준비할 수 있다.
상기 양생을 수행하지 않고 이후 소성을 진행하는 경우 소정과정에서 혼합물이 매우 팽창하는 문제가 발생할 수 있다.
상기 소성은 1000 내지 1500 ℃의 온도 범위에서 수행될 수 있다.
상기 온도 범위 내에서 소성을 통하여 상기 마이크로 네트워크가 효과적으로 형성될 수 있다.
상기 마이크로 네트워크는 다수의 공극을 형성할 수 있다.
상기 소성체는 흡수성을 가질 수 있다.
상기 소성체는 마이크로 네크워크 내에 수분이 흡수될 수 있다.
상기 마이크로 네트워크는 오염물질 특히 오염수와 같은 액체를 흡수하여 일정하게 유지할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 다공성 경량 조성물은 화력발전소 산업부산물 및 물유리를 포함할 수 있다.
여기서 상기 화력발전소 산업부산물은 플라이애쉬인 것이 바람직하다.
상기 화력발전소 산업부산물은 양생 과정에서 휘발성분이 증발되어 1차 공극(Pore)이 형성될 수 있다.
상기 양생은 100 내지 200 ℃ 범위에서 소성 온도 범위보다 상대적으로 저온에서 수행된다.
상기 플라이애쉬 중 미소구체는 내부에 휘발성분을 포함하고 있으며, 상기 온도범위 내의 양생과정에서 상기 휘발성분이 증발하여 미소구체의 일 부분에 균열을 형성할 수 있다.
상기 미소구체에 균열이 형성되는 경우 각각의 구체는 균열로 인하여 1차 공극을 형성할 수 있다.
상기 양생과정에서 상기 온도 범위에 미치지 못하는 경우 미소구체 내의 휘발성분이 증발하지 않아서 균열이 생성되지 않을 수 있으며, 상기 온도범위를 초과하는 경우에는 미소구체 형태가 완전하게 변화되어 균일한 공극을 형성하기 어렵다.
또한 상기 양생을 수행하지 않고 이후 소성을 진행하는 경우 소정과정에서 혼합물이 매우 팽창하는 문제가 발생할 수 있다.
상기 휘발성분은 질소 또는 수증기일 수 있다.
상기 휘발성분은 미소구체 내부에 잔류하는 물질이며, 상기 물질은 양생과정을 통하여 쉽게 증발하여 미소구체에 균열을 형성할 수 있다.
상기 화력발전소 산업부산물과 물유리는 양생 및 소성을 통하여 소성체를 형성하고, 상기 화력발전소 산업부산물에 공극이 형성되고, 화력발전소 산업부산물 주위에 상기 물유리가 결합되어, 공극이 유지될 수 있다.
상기 소성체는 투수성을 가질 수 있다.
상기 소성체는 점토를 포함하는 경우 대비 공극이 매우 증가되어 투수성이 증가된다.
상기 소성체는 소성을 통하여 장석(Albite)류가 생성되어 함유할 수 있다.
상기 소성을 통하여 화력발전소 산업부산물과 비교할 때 성분이 변화되어 장석류가 생성된다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 다공성 경량 조성물은 화력발전소 산업부산물, 점토 및 물유리를 포함할 수 있다.
상기 화력발전소 산업부산물은 플라이애쉬인 것이 바람직하다.
상기 화력발전소 산업부산물, 점토 및 물유리는 양생 및 소성을 통하여 혼합소성체를 형성할 수 있다.
상기 양생은 100 내지 200 ℃ 범위에서 소성 온도 범위보다 상대적으로 저온에서 수행된다.
상기 양생은 일정 모양의 틀에서 수행되는 경우 다공성 경량 조성물을 다양한 형태로 제조할 수 있으며, 펠릿이나 원통모양으로 제조하여 흡착제로 활용 시 보관 및 사용 편의성을 증가시킬 수 있다.
상기 양생을 수행하지 않고 이후 소성을 진행하는 경우 소정과정에서 혼합물이 매우 팽창하는 문제가 발생할 수 있다.
상기 화력발전소 산업부산물은 미소구체를 포함하고 있으며, 상기 미소구체는 알루미나와 실리카의 화합물로 내부에 질소 또는 수분이 포함될 수 있다.
상기 미소구체는 특히 플라이애쉬 중 약 0.1 내지 10 wt%로 함유될 수 있다.
상기 양생을 통하여 화력발전소 산업부산물 중 미소구체 내부의 휘발성분이 급속도로 증발하여 미소구체 표면에 균열이 발생하며, 1차 공극이 형성된다.
상기 1차 공극은 오염물질을 흡수 또는 흡착하여 보유할 수 있다.
상기 혼합소성체는 상기 화력발전소 산업부산물의 일부가 양생 과정에서 균열이 발생되어 1차 공극이 형성되고, 소성 과정에서 점토와 물유리가 입체적으로 결합되어 마이크로 네트워크(Micro network)를 형성하여 2차 공극이 형성될 수 있다.
상기 혼합소성체는 1000 내지 1100 ℃의 온도 범위의 소성을 통하여 형성될 수 있다.
상기 온도 범위를 벗어나는 경우 점토와 물유리가 결합된 마이크로 네트워크를 형성하기 어려우며, 제조된 다공성 경량 조성물의 pH를 7 내지 8의 중성 범위로 변화시키기 어렵고, 점토 또는 물유리가 함유하는 불순물을 제거하지 못하는 문제가 있다.
상기 물유리는 건축자재 성형 시 바인더로 주로 사용되나 강알칼리로 사용이 제한적이므로, 상기 소성을 통하여 pH를 7 내지 8의 중성에 가깝게 변화시켜 사용성을 증가시킬 수 있다.
상기 1차 공극이 형성된 이후에 소성을 통하여 물유리가 발포되며, 입체적으로 점토 또는 미소구체와 연결된다.
상기 물유리와 점토 또는 미소구체가 입체적으로 결합되어 마이크로 네트워크를 형성하면 다수의 2차 공극이 형성된다.
상기 1차 공극과 2차 공극을 통하여 오염물질을 흡수 또는 흡착할 수 있으며, 중금속 및 방사성 원소를 함유하는 오염수와 같은 액체뿐만 아니라 미세입자를 포함하는 기체에서 미세입자를 포집하여 보유할 수 있다.
상기 혼합소성체는 pH가 7~8의 중성일 수 있다.
상기 온도범위에서 소성은 강알카리인 물유리의 pH를 감소시켜 전체 다공성 경량 조성물의 pH를 매우 안전하게 중성에 가깝게 낮출 수 있다.
상기 소정을 통하여 별도의 중화과정 없이 pH가 낮아지게 되어 매우 효과적이다.
상기 혼합소성체는 소성 과정에서 환경호르몬이 제거될 수 있다.
상기 환경호르몬은 염화탄화수소, 다이옥신 또는 이들의 혼합물일 수 있다.
상기 종류의 환경호르몬은 상기 소성의 온도범위에서 매우 효과적으로 제거되어 다공성 경량 조성물의 사용 편의성 및 사용 안정성을 증가시킬 수 있다.
상기 소성 과정에서 환경호르몬이 제거되어, 상기 다공성 경량 조성물은 실내에서 오염된 공기의 미세입자를 포집하는 데 효과적으로 사용될 수 있다.
상기 다공성 경량 조성물은 중금속을 포함하는 오염물질, 방사성 오염 물질, 유기물질, 또는 축산폐수의 정화 및 제염에 사용될 수 있다.
상기 다공성 경량 조성물의 다공은 중금속, 방사능 물질, 유기물질 등을 효과적으로 흡착할 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1. 다공성 경량 조성물 제조
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다공성 경량 조성물의 모식도이다.
도 1을 참조하면, 좌측 모식도에서 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 다공성 경량 조성물은 소성 전 미소구체(100)의 내부에 1차 공극(110)이 형성되고 배합물(400)이 미소구체 주위에 소성체를 형성하는 것이다.
우측 모식도에서 소성 후 미소구체의 주위에 소성체(600)가 형성되어 미소구체가 보존되는 것을 알 수 있으며, 점토(200)와 물유리(300)가 결합하면서 물유리가 발포되어 마이크로 네트워크를 형성하고 2차 공극(500)을 형성하는 것을 알 수 있다.
석탄회 10 g, 점토 5 g, 물유리 0.5 g 및 물 7 g을 배합하여 배합물을 준비하였다.
구분 물유리 점토 석탄회 물
실시예 0.5 g 5 g 10 g 7 g
조성비 (중량부) 0-20 0-70 0-70 0-30
상기 석탄회를 활용하여 다공성 경량조성물의 밀도를 낮추어 경량성을 확보할 수 있다.
상기 배합물을 틀에 투입하고 100 ℃에서 1시간 동안 양생하여 펠렛 형상(이하 'FA펠렛')으로 제조하였다.
상기 양생을 통하여 미소구체 내에 휘발성분을 급속도로 증발시켜 미소구체 내에 1차 공극을 확보하였다.
틀을 제거한 이후에 전기로에서 5 ℃/min의 속도로 승온하여 1000 ℃에 도달하면 1시간 동안 온도를 유지하여 소성하였다.
소성과정에서 물유리가 발포되어 점토 및 석탄회 외주면과 입체적으로 결합되어 마이크로 네트워크를 형성하여 2차 공극을 형성시켰다.
소성을 통하여 최종적으로 다공성 경량 조성물을 회수하였다.
실험예 1. 다공성 경량 조성물 조성
소성에 따른 배합물의 조성을 XRD를 통하여 분석하였다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 다공성 경량 조성물의 소성 전후의 X선 회절 분석 그래프이다.
도 2를 참조하면, 소성 후 규산염 광물인 조장석(Albite)이 형성되고, 석영의 함량이 증가하여 소성에 따라 성분이 변화된 혼합소성체가 형성된 것을 확인하였다.
실험예 2. 다공성 경량 조성물의 공극 확인
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 다공성 경량 조성물의 석탄회, 점토 및 물유리 배합물의 혼합소성체의 주사전자현미경 사진이다.
도 3을 참조하면, 좌측 사진(A)에서 석탄회 중 미소구체를 존재를 확인할 수 있으며, 우측 사진(B)에서 상기 미소구체 주위에 점토 및 물유리가 소성체를 형성하여 입체적으로 결합되어 있으며 마이크로 네트워크를 형성하였다.
상기 마이크로 네트워크는 다수의 공극을 형성하는 것을 확인하였다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 다공성 경량 조성물의 석탄회, 점토 및 물유리 배합물의 혼합소성체의 레진 및 연마 처리 후 횡단면의 주사전자현미경 사진이다.
도 4를 참조하면, 좌측 사진(C)에서 미소구체 주위에 다수의 공극이 형성된 것을 확인하였고, 우측 사진(D)에서 특히 미소구체의 일부의 표면에 균열이 형성된 것을 확인하였다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 다공성 경량 조성물의 미소구체의 양생 및 소성으로 인한 천공(Hollow)을 나타낸 주사전자현미경 사진이다.
도 5를 참조하면, 양생 과정에서 석탄회 중 미소구체의 균열로 천공이 형성되고, 개방되어 다공성을 가질 수 있는 것을 확인하였으며, 소성 후에도 상기 천공이 유지되는 것을 확인하였다.
양생 및 소성을 통하여 1차 공극 및 2차 공극을 형성하여 다공성을 크게 증가시킬 수 있는 것을 확인하였다.
한편 조성 성분에 따라 마이크로 네트워크가 형성되어 다공성을 유지하는 지 확인하였다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 다공성 경량 조성물에 있어서, 물유리, 점토의 양생 및 소성 후 소성체의 주사전자현미경 사진이다.
도 6을 참조하면, 양생 및 소성을 통하여 물유리가 발포되어 마이크로 네트워크가 형성되어 다공성을 갖는 것을 확인하였다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 다공성 경량 조성물에 있어서, 물유리 석탄회의 양생 및 소성 후 소성체의 주사전자현미경 사진이다.
도 7을 참조하면, 미소구체에 따른 1차 공극과, 물유리의 발포에 의한 마이크로 네트워크가 2차 공극을 형성하는 것을 확인하였다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 다공성 경량 조성물에 있어서, 물유리, 점토 및 석탄회의 양생 및 소성 후 혼합소성체의 주사전자현미경 사진이다.
도 8을 참조하면, 마찬가지로 공극이 형성되어 다공성을 갖는 것을 확인하였다.
Bd
(g/cm3)		 Pd
(g/cm3)		 Porosity(공극율)
(%)
0.9 ~ 1.2 2.60 60-62%
Bd: Bulk density, Pd: Particle density,상기 표 2는 실시예에 따른 다공성 경량 조성물의 경량 및 다공성을 확인한 것이다.
모든 실시예에서 부피밀도(Bulk density)가 0.9 ~ 1.2 범위였으며, 공극율은 약 60 %이상으로 확인되었다.
실험예 3. 열중량시차열 분석
열중량/시차열 분석(TGA/DTA)을 통하여 소성에 따른 성분 변화를 확인하였다.
종래 석탄회를 활용하기 위하여 주로 사용하는 상온에서 알칼리 반응을 통하여 경화시켜 제조된 석탄회 지오폴리머와 비교하였다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 다공성 경량 조성물의 열중량/시차열 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 다공성 경량 조성물은 양생 및 소성 과정을 통하여 400 내지 600 ℃ 사이에서 탄질이 모두 제거(온도에 따른 중량 감소는 녹색선으로 표시)되어 지오폴리머와 상이한 열중량을 나타내는 것을 확인하였다.
실험예. 4 소성 중량 분석
열중량 분석이 질소 조건에서 산화시켜 탄질이 제거되는 것을 확인하였으나, 다공성 경량 조성물을 실제 환경에서 제조하는 경우에도 경량성이 나타나는지 확인하기 위하여 대기 중 소성을 통하여 탄질이 제거되어 중량이 무게가 변화되는지 확인하였다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 다공성 경량 조성물에 있어서, 소성 전과 후의 비교 사진이다.
도11은 본 발명의 일 실시예에 따른 다공성 경량 조성물에 있어서, 소성 전과 후의 무게변화를 나타내 그래프이다.
도 10및 도 11를 참조하면, 소성에 따라 탄질이 제거되어 색이 변화되었으며, 무게 또한 3.58 % 감소되는 것을 확인하여, 실제 대기 중 소성을 통하여 경량성을 증가시킬 수 있는 것을 확인하였다.
실험예. 5 물 흡수율 분석
다공성 경량 조성물의 흡수성을 확인하였다.
[수학식 1]
흡수율 = (흡수 후 무게 - 흡수 전 무게) / 흡수 전 무게 x 100(%)
여기서, 흡수 후 무게 = 다공성 경량 조성물 무게 + 물 무게임.
상기 수학식 1에 따라 흡수성을 확인한 결과 물 흡수율의 범위는 25 내지 45 % 에 달하는 것을 확인하였다.
실험예. 6 오염물질 흡착능 분석
다공성 경량 조성물의 오염물질 흡착 성능을 실험하였다.
도 12은 본 발명의 일 실시예에 따른 다공성 경량 조성물이 잉크를 흡수하기 전과 흡수한 후 및 물을 증발시켜 건조한 후 사진이다.
도 12를 참조하면, 우선 잉크를 오염물질로 가정하고 잉크 용액 중에 실시예 1의 다공성 경량 조성물을 침지하였다.
다공성 경량 조성물이 잉크 용액을 전부 흡수한 이후에 90 ℃에서 건조하였다.
건조 후 다공성 경량 조성물의 색이 변화되어 잉크 내 물질이 다공성 경량 조성물에 남아있는 것을 확인하였다.
따라서 다공성 경량 조성물은 오염수를 흡수하여 수용액에 용해되어 있는 중금속, 이온 등을 흡착하고, 이를 증발시키면 물을 제거하고 오염물질을 잔류되어 분리할 수 있는 것을 확인하였다.
한편 중금속이 포함된 오염수의 정제 능력을 확인하기 위하여, 10 ppm 카드뮴(Cd) 오염수 0.5 ml을 1.5 g 다공성 경량 조성물에 분주한 후 110℃ 오븐에서 건조한 후 파쇄하여 산처리 하고 ICP-MS로 분석하였다.
종류 Cd
제거효율 95-99%
단위 무게당 오염물질 제거능(mg/kg, 오염물/다공성 경량 조성물) 0.317-0.327
상기 표 3은 다공성 경량 조성물의 오염물질 제거능력을 나타낸 것이다. 95 % 이상의 중금속을 제거할 수 있는 것을 확인하였다.
실험예 7. 오염수 분리 속도
실제 오염수를 흡착하고 다공성 경량 조성물에서 물을 얼마나 빠르게 제거할 수 있는지 증발속도 실험을 수행하였다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 다공성 경량 조성물의 오염수 흡착 후 증발속도와 물의 증발속도를 비교한 그래프이다.
도 13을 참조하면, 물 0.5 ml와 0.5 ml의 오염수를 흡착한 다공성 경량 조성물을 80 ℃에서 각각 증발시켰다.
약 20분 이후 물은 약 43 %가 잔존하였으며, 대조군인 FA 펠렛은 약20 %의 수분이 잔존하여 실시예 1의 다공성 경량 조성물의 증발 속도가 매우 빨라서 오염수 흡착제로 사용할 때 매우 유리한 것을 확인하였다.
따라서, 본 발명에 따른 다공성 경량 조성물은 산업폐기물과 건축자재 이외에 활용이 제한적인 화력발전소 산업부산물이 저비중 중공인 미소구체를 함유하는 것을 확인하고, 양생을 통하여 미소구체에 1차 공극을 형성하고, 물유리를 함유하는 배합물을 일정 온도에서 소성하여 마이크로 네트워크를 생성하여 2차 공극을 형성함으로써 밀도가 크게 감소되어 경량이고 다공성이 증가된 다공성 경량 조성물을 제공한다.
상기 다공성 경량 조성물은 중금속, 방사성 원소가 함유된 오염수에 투입하여 오염수를 흡착하고 물을 신속하게 증발시킬 수 있어서 오염물질 흡착제로 활용이 가능할 뿐만 아니라 다량의 유기물을 함유하는 축산폐수의 처리 및 미세입자를 함유하는 오염기체를 효과적으로 정화하여 처리할 수 있다.
지금까지 본 발명에 따른 다공성 경량 조성물에 관한 구체적인 실시예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 실시 변형이 가능함은 자명하다.
그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
즉, 전술된 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적인 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술될 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 그 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100 : 미소구체 110 : 1차 공극
200 : 점토 300 : 물유리
400 : 배합물 500 : 2차 공극
600 : 소성체

Claims (17)

  1. 화력발전소 산업부산물 및 점토를 포함하고,
    물유리를 더 포함하며,
    양생 과정을 통하여 화력발전소 산업부산물에 1차 공극이 형성되고, 소성 과정에서 점토와 물유리가 마이크로 네트워크(micro network)를 형성하여 2차 공극이 형성된 혼합소성체를 형성하는 것을 특징으로 하는,
    오염물질 또는 폐수의 정화 및 제염을 위한 다공성 경량 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 화력발전소 산업부산물은
    석탄회, 바닥재 및 플라이애쉬로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 다공성 경량 조성물.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 화력발전소 산업부산물은
    미소구체(Cenosphere)를 포함하며, 상기 미소구체는 조성물의 경량성을 증가시키는 것을 특징으로 하는 다공성 경량 조성물.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 미소구체는
    양생을 통하여 휘발성분이 증발되어 1차 공극(Pore)이 형성되는 것을 특징으로 하는 다공성 경량 조성물.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 휘발성분은
    질소 또는 수증기인 것을 특징으로 하는 다공성 경량 조성물.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 점토는
    납석, 장석, 고령토, 도석, 산성백토, 벤토나이트, 반토혈암, 와목점토, 목절점토, 견운모, 운모, 질석, 활석, 불석, 및 규조토로 이루어지는 군에서 선택된 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 다공성 경량 조성물.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 공극이 형성된 혼합소성체는 흡수성을 가지는 것을 특징으로 하는 다공성 경량 조성물.
  9. 삭제
  10. 제1항에 있어서,
    상기 혼합소성체는
    투수성을 가지는 것을 특징으로 하는 다공성 경량 조성물.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 혼합소성체는
    소성을 통하여 장석(Albite)류가 생성되어 함유되는 것을 특징으로 하는 다공성 경량 조성물.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 화력발전소 산업부산물, 점토 및 물유리는 양생 및 소성을 통하여 혼합소성체를 형성하고,
    양생 과정을 통하여 상기 화력발전소 산업부산물의 일부가 균열이 발생되어 1차 공극이 형성되며,
    소성 과정에서 점토와 물유리 사이에 마이크로 네트워크(micro network)를 형성하여 2차 공극이 형성된 것을 특징으로 하는 다공성 경량조성물.
  13. 삭제
  14. 제1항에 있어서,
    상기 혼합소성체는 pH가 7~8의 중성인 것을 특징으로 하는 다공성 경량 조성물.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 혼합소성체는 소성 과정에서 환경호르몬이 제거된 것을 특징으로 하는 다공성 경량 조성물.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 환경호르몬은
    염화탄화수소, 다이옥신 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 다공성 경량 조성물.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 오염물질 또는 폐수는 중금속을 포함하는 오염물질, 방사성 오염 물질, 유기물질, 축산폐수 중 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 다공성 경량 조성물.
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