KR102213892B1 - 매립가스 유래 바이오 황을 포함하는 유황콘크리트의 제조방법 및 이에 의해 제조되는 유황콘크리트 조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 매립가스내 황화수소를 제거하는 세정공정에서 발생하는 황슬러지를 대상으로, 매립가스 유래 바이오 황을 포함하는 유황콘크리트의 제조방법에 대한 것으로, 본 발명의 실시예에 따르면, 쓰레기 매립지에서 발생하는 유독가스인 황화수소(H₂S)를 제거하여 수득된 바이오 황을 분말상으로 상태를 변화시키고 이를 콘크리트에 혼합하여, 높은 압축강도와 내산성을 가지는 유황함유 콘크리트 조성물을 형성할 수 있으며, 황슬러지를 시멘트, 모래 등과 혼합하여 콘크리트와 같은 건축재료로 활용할 때, 황슬러지의 전처리방법 및 적정 혼합비를 적용하여 강도 저하 문제를 해결할 수 있다.

Description

매립가스 유래 바이오 황을 포함하는 유황콘크리트의 제조방법 및 이에 의해 제조되는 유황콘크리트 조성물{Fabricating method of sulfur concrete using Bio sulfur and Sulfur concrete of the same}

본 발명은 매립가스에 함유된 황화수소(H₂S)를 제거하는 세정과정에서 발생하는 황슬러지를 이용한 유황콘크리트 제조기술에 대한 것이다.

산업이 고도화되고 인간생활이 윤택해지면서 가축분뇨와 음식물 폐기물과 같은 고농도 유기성 폐기물의 처리문제가 심각하게 대두되고 있고, 이러한 처리를 위해 혐기 발효를 통한 에너지원의 확보를 실행하고 있다.

혐기 발효에 의한 메탄가스 생산기술은 이미 유럽, 일본 등지에서는 정착 보급된 기술로서, 고농도 유기성폐기물(가축분뇨, 음식물 쓰레기, 농업부산물 등)의 처리라는 환경적 기능뿐만 아니라 바이오가스 등의 대체 에너지생산 기능 및 발효된 유기성 폐기물의 농지환원을 통한 자연 순환적 기능을 동시에 달성할 수 있는 기술이다.

바이오가스는 메탄 함유량이 높아 훌륭한 에너지원이 될 수 있다. 따라서 적정한 수준의 개질 과정만 거치면 바이오가스는 천연가스를 사용하고 있는 모든 수요처에서 사용이 가능하다. 예를 들어 바이오가스는 가온 및 난방, 발전의 연료로 사용하거나 정제를 통해 도시가스, 차량용 연료로 사용이 가능하다. 또한, 이와 같은 바이오가스 내 함유된 황화수소는 이송관로의 부식 등 기기에 손상을 줄 수 있는 가스성분으로 반드시 제거해야 하는 물질이다.대부분의 바이오가스에는 황화수소가 함유되어 있다. 이와 같은 바이오가스 내 함유된 황화수소는 이송관로의 부식 등 , 기기에 손상을 줄 수 있는 가스성분으로 반드시 제거해야 하는 물질이다. 이러한 바이오가스 내 함유된 황화수소를 제거하는 과정에서 수득되는 황의 경우, 다양한 탈황과정을 통해 얻어지게 되며, 이러한 황을 다양한 산업분야에 적용하고자 하는 연구가 계속되고 있다.

황(S) 성분을 정제하여 산업에 적용하는 원유정제공정에서는 발생하는 황을 건축 재료, 타이어 첨가물 등으로 적용하고 있으나, 매립가스에서 기원한 황슬러지는 건축재료, 아스팔트 혼화재, 농약, 화장품 등의 원료 등으로 활용해보고자 시도하고 있으나 실용화되지 않은 상태이다.

한국등록특허 제10-13147749호 한국등록특허 제10-1950173호

본 발명은 상술한 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 쓰레기 매립지에서 발생하는 유독가스인 황화수소(H₂S)를 제거하여 수득된 바이오 황을 분말상으로 상태를 변화시키고 이를 콘크리트에 혼합하여, 높은 압축강도와 내산성을 가지는 유황함유 콘크리트 조성물을 형성할 수 있는 기술을 제공하는 데 있다.

특히, 매립가스내 황화수소 제거공정에서 발생하는 황슬러지를 시멘트와 혼합하여 콘크리트를 제작하는 하는 경우, 황슬러지를 혼합함에 따라 콘크리트 강도가 저하되는 문제가 발생하게 되어, 이러한 황슬러지를 콘크리트 재료로 활용하기 위해서는 황슬러지 혼합에 따른 강도 저하를 해소할 수 있는 기술을 제공하는 데 있다.

상술한 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명의 실시예에서는 폐기물 매립지에서 황화수소(H₂S)를 포함하는 매립가스에, 알카리수용액을 이용해 황화수소를 집적한 후, 황산화박테리아를 통해 황원소를 수득하고, 황원소를 집적하고 건조하고, 건조된 황을 분말화 하여 시멘트와 혼합하는, 매립가스 유래 바이오 황을 포함하는 유황콘크리트의 제조방법을 제공할 수 있도록 한다.

구체적으로, 상술한 매립가스 유래 바이오 황을 포함하는 유황콘크리트의 제조방법은, 폐기물 매립지에서 황화수소(H₂S)를 포함하는 매립가스가 스크러버에 유입되어, 알카리성 수용액과 반응하여 황화수소(H₂S)를 제거하는 스크러버 공정; 상기 스크러버 공정에서 발생한 황화물(HS^-)을 반응기로 유입하고, 고압공기로 교반하여 반응기 내부의 황산화박테리아의 대사작용을 통해 황원소(S⁰)로 변환하는 반응기 공정; 상기 반응기 공정에서 변환된 황원소(S⁰)를 침전기에 유입시켜 액체와 황원소(S⁰)의 침전물로 분리하는 침전공정; 상기 침전공정을 수행한 침전물을 원심분리기에 유입하여 슬러리 상태의 제1바이오 황과 탈리액으로 분리하는 원심분리공정; 상기 원심분리공정에서 얻어진 상기 제1바이오 황을 건조하고, 분쇄하여 분말형의 제2바이오 황으로 구현하는 상변화공정; 상기 건조공정에서 구현되는 분말형의 사방황과 시멘트 및 모래를 혼합하여 유황 함유 콘크리트를 제조하는 혼합공정을 포함하여 구성될 수 있다.

본 발명은 매립가스내 황화수소 제거공정에서 발생되는 황슬러지를 적용하는 것을 실시예로 한다.

특히 본 발명은 황슬러지를 시멘트, 모래 등과 혼합하여 콘크리트와 같은 건축재료로 활용할 때, 황슬러지의 전처리방법 및 적정 혼합비를 적용하여 강도 저하 문제를 해결할 수 있도록 한다.

본 발명의 실시예에 따른 매립가스에서 기원한 황슬러지는 건조, 파쇄, 스크린의 전처리 과정을 거친다. 이때, 건조 온도는 60~85℃이하를 유지하는 것을 특징으로 한다. 건조된 황슬러지는 파쇄 및 스크린 과정을 거친 후 분말 형태로 전환하여 사용한다.

분말 상태의 황을 콘크리트 재료로 활용할 때, 황 분말은 시멘트, 모래 등을 포함하는 전체 중량의 1.2~5% 범위에서 사용하며, 시멘트 투입 중량의 10~20%를 초과하지 않아야 한다.

매립가스 내 황화수소(H₂S) 제거과정에서 발생하는 황슬러지를 전처리하여 취득한 분말 상태의 황을 적정한 비율로 혼합한 콘크리트는 기존 콘크리트에 비해, 높은 압축강도와 내산성을 가진다.

아울러, 분말상태의 황은 유기성 황성분을 포함하여 해충 방지 등에 효과적임으로, 시멘트 등과 같은 여러 물질과 혼합하여 벽돌 등 다양한 건축재료 사용할 뿐만 아니라 그 자체로도 활용이 가능하다.

본 발명의 실시예에 따르면, 쓰레기 매립지에서 발생하는 유독가스인 황화수소(H₂S)를 제거하여 수득된 바이오 황을 분말상으로 상태를 변화시키고 이를 콘크리트에 혼합하여, 높은 압축강도와 내산성을 가지는 유황함유 콘크리트 조성물을 형성할 수 있는 효과가 있다.

특히, 종래의 원유정제공정이나 제철공정에서 발생하는 화학적 처리방법에 의한 황을 이용하지 않고, 매립지에서 발생하는 바이오가스를 생물학적 처리공정을 통해 바이오 황을 추출하고, 바이오 황의 상변화를 고체분말상(사방황)으로 구현후, 콘크리트와 배합하여 고성능 친환경 콘크리트를 구현할 수 있도록 한다.

본 발명에 따른 콘크리트 조성물의 제조기법은 매립지에서 발생하는 유독가스를 처리하며, 동시에 이를 리사이클링하여 유효한 황성분을 추출하여 활용함으로써, 친환경적이며, 고성능의 친환경적인 콘크리트를 제조할 수 있어 경제성을 극대화할 수 있는 효과도 있다.

나아가, 매립가스내 황화수소 제거공정에서 발생하는 황슬러지를 시멘트와 혼합하여 콘크리트를 제작하는 하는 경우, 황슬러지를 혼합함에 따라 콘크리트 강도가 저하되는 문제를 해소하여 신뢰성 있는 제품을 제공할 수 있도록 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 매립가스 유래 바이오 황을 포함하는 유황콘크리트의 제조방법에 대한 순서도를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명에서의 바이오가스에 대한 탈황공정을 수행하는 주요 장치의 구성을 블록화하여 구현한 개념도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 매립가스 유래 바이오 황을 포함하는 유황콘크리트의 제조방법에 의해 제조된 유황콘크리트의 압축강도를 실험한 결과를 나타낸 그래프이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미가 있는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 매립가스 유래 바이오 황을 포함하는 유황콘크리트의 제조방법(이하, '본 발명'이라 한다.)에 대한 순서도를 도시한 것이다. 도 2는 본 발명에서의 바이오가스에 대한 탈황공정을 수행하는 주요 장치의 구성을 블록화하여 구현한 개념도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명은 폐기물 매립지에서 황화수소(H₂S)를 포함하는 매립가스에, 알카리수용액을 이용해 황화수소를 집적한 후, 황산화박테리아를 통해 황원소를 수득하고, 황원소를 집적하고 건조하고, 건조된 황을 분말화하여 시멘트와 혼합하는 과정을 포함하여 구성될 수 있다.

더욱 상세하게는, 본 발명에 따른 매립가스 유래 바이오 황을 포함하는 유황콘크리트의 제조방법은, 폐기물 매립지에서 황화수소(H₂S)를 포함하는 매립가스가 스크러버에 유입되어, 알카리성 수용액과 반응하여 황화수소(H₂S)를 제거하는 스크러버 공정과, 상기 스크러버 공정에서 발생한 황화물(HS^-)을 반응기로 유입하고, 고압공기로 교반하여 반응기 내부의 황산화박테리아의 대사작용을 통해 황원소(S⁰)로 변환하는 반응기 공정, 상기 반응기 공정에서 변환된 황원소(S⁰)를 침전기에 유입시켜 액체와 황원소(S⁰)의 침전물로 분리하는 침전공정, 상기 침전공정을 수행한 침전물을 원심분리기에 유입하여 슬러리 상태의 제1바이오 황과 탈리액으로 분리하는 원심분리공정, 상기 원심분리공정에서 얻어진 상기 제1바이오 황을 건조하고, 분쇄하여 분말형의 제2바이오 황으로 구현하는 상변화공정, 상기 건조공정에서 구현되는 분말형의 사방황과 시멘트 및 모래를 혼합하여 유황 함유 콘크리트를 제조하는 혼합공정을 포함하여 구성될 수 있다.

1. 스크러버 공정

본 발명은 전체적으로 기존의 원유정제공정이나 배기가스처리공정에서 발생하는 아황산가스(SO₂)를 화학적 처리방법을 이용하여 처리하는 탈황공정에서 수득되는 무기황과는 달리, 수도권 매립지와 같은 폐기물 매립지에서 발생하는 바이오가스에서 함유된 황화수소(H₂S)를 제거하기 위해 미생물을 이용하는 생물학적 처리 공정에서 생산되는 유기황을 수득하는 것에 대한 것이다.

종래의 원유정제공정이나 배기가스처리공정에서 발생하는 아황산가스(SO₂)를 화학적 처리방법을 이용하여 처리하는 탈황공정은 탄산칼슘과의 앙금생성반응을 이용하며, 이는 일반 탈황공정에서 연료가 연소되어 생기는 이산화황을 제거하는 대표적인 예로, 연소실에서 석회석(CaCO₃) 분말을 뿌려주고, 이때 석회석은 열로 인해 산화칼슘(CaO)과 이산화탄소(CO₂)로 분해되면서 분해된 산화칼슘은 물과 이산화황과 반영하여 아황산칼슘(CaSO₃)을 현탁액으로 녹여 폐기물을 처리하는 과정으로 진행된다.

반면, 본 발명에서는 도 1 및 도 2에서와 같이, 황화수소(H₂S)를 함유하는 바이오가스(매립가스)가 스크러버(10) 하부로 유입되어, 충진층(15)을 통과하여 상부로 배출되는 동안, 스크러버(10) 상부의 분사모듈(S)에서 분무되는 알카리성 수용액과 접촉하여 황화수소가 제거되게 된다. 상기 알카리성 수용액은 Na₂CO₃, NaOH, NH₄OH, (NH₄)₂CO₃ 및 NH₄HCO₃로 구성된 그룹으로부터 선택된 수용액 중 하나를 적용할 수 있다.

본 공정은 스크러버 공정으로 정의하며, 본 공정에서 수행되는 화학반응은 다음의 {식 1}과 같다.

{식 1}

H₂S + OH- → HS^- + H₂O

상기 스크러버(10)로 유입되는 바이오가스 중의 이물질을 처리하기 위한 전처리부가 설치될 수있다. 이물질로 먼지, 유분, 수분 등을 들 수 있다. 바이오가스 중에 포함된 이물질을 제거하지 않으면 장치의 노즐이 막히고 과량의 수분 유입에 따라 공정수가 희석되므로 전처리부를 통해 먼지, 유분, 수분 등과 같은 이물질을 제거할 필요가 있다.

상기 스크러버(10)의 내부에는 충진층(15)이 하나 이상 설치된다. 상기 충진층은 공극률과 비표면적이 큰 충진물이 충진된 구조로서, 충진물로 폴링(pall ring), 라슁링(rashing ring) 등을 이용한다. 또한, 스크러버(10)의 내부에는 바이오가스 중의 수분을 제거하기 위한 데미스터(Demister)가 설치될 수 있다.

상기 충전층(15)의 경우, 스크러버내에 배치되는 것으로, 기체와의 접촉 면적을 늘리기 위해 충전물(packing material)(16)을 채워서 사용하며, 사용될 수 있는 충전물은 점토, 자기, 또는 플라스틱과 같은 불활성 물질로 만들어지며, 형태에 따라 여러 종류가 있다. 스크러버 내부에서 기체 및 액체의 접촉 면적을 넓히기 위해 공극률과 비표면적이 큰 충전물이 충전되는 것이 바람직하다.

2. 반응기 공정 및 침전공정

다음으로, 본 발명은 상기 스크러버(10)를 거치면서 황화물이 함유된 용액이 반응조(30)로 유입되고, 상기 반응조(30) 하부로터 산기관을 통해 공급되는 고압공기에 의해 교반되면서, 내부에 서식하는 호기성 황 산화박테리아 미생물에 의해 생물학적으로 황원소(S⁰)로 변환되는 과정이 수행되게 된다. 이러한 공정은 반응기 공정으로 명명하며, 이러한 반응기 공정에서 행해지는 화학반응은 아래의 {식 2}와 같이 수행되게 된다.

{식 2}

HS^- + 1/2O₂ → S⁰ + OH^-

사용되는 미생물은 TIO BACILLUS(예: TIO OXIDANS 등) 타입이며 이러한 박테리아는 O₂를 탄소원으로 하는 활용하는 독립영양미생물로 별도의 유기 탄소원이 필요없으며, 개체유지를 위하여 일정량의 영양분을 공급한다. 따라서, 본 반응기 공정에서 교반을 위해 공급되는 고압공기에 함유된 산소는 교반과정과 동시에 미생물의 유기 탄소원으로 적용될 수 있다. 티오바실러스 세균은 우수한 황산화 및 황전환 성능으로 황화수소나트륨을 수산화나트륨으로 전환시키는데 유용하다. 특히, 티오바실러스 세균으로 Thiobacillus sp.IW를 이용할 수 있다.

상기 반응기(30)에서 황원소(S⁰)로 변환되는 과정이 수행되며, 액상에 부유되는 바이오 황 입자를 큰 입자들로 뭉치게 한 후, 중력에 의해 침전시켜 바이오 황을 농축하는, 침전조(40)에 의한 침전 공정이 수행된다.

3. 원심분리공정 및 건조공정

이후, 침전공정이 수행된 침전조(40)를 거치며 침전된 황입자는 흘러리 형태를 가지게 되며, 이렇게 농축된 황슬러리를 원심분리부(50)에서, 원심력을 이용한 탈수 방법을 이용하여 고체상태의 바이오 황과 탈리액으로 분리하는 원심분리공정이 수행되게 된다.

원심분리공정에 의해 분리되는 바이오 황(이하, '제1바이오 황'이라 한다.)은 일정한 함수율을 가지게 되며, 상기 제1바이오 황은 수분함량 40~60%의 슬러리 타입의 약알카리성(pH8.0~8.6) 물질의 특성을 가지게 된다.

이후, 슬러티 타입의 제1바이오 황은 상변화부(60)로 이동되며, 상기 상변화부(60)에서는 넓은 트레이(tray)에 슬러티 타입의 제1바이오 황을 배치하고, 65~85℃ 범위의 온도의 건조기에 투입하여 수분함량이 제로(0)가 될 때까지 완전건조를 수행한다. 수분함량의 오차 범위는 수분함량 1% 이하인 것이 바람직하다. 슬러리 타입의 제1바이오 황은 100℃이하에서 2가지 상(rhombic과 monoclinic)으로 존재하는데, 본 발명에서는 100℃이하에서 건조시킨 파우더 행태의 황(rhombic 결정)을 사용하여, 후술하는 콘크리트를 제조할 수 있도록 한다.

이를 위해, 상기 상변화부(60)에서는 건조기(61)에서 건조된 황을 파쇄기(62)를 이용하여 파우더 형태로 분쇄하여 600㎛ 이하의 분리필터를 적용하여 분말형의 황인 제2바이오 황을 수득하게 된다. 따라서, 상기 상변화 공정 후에 수득되는 상기 제2바이오 황은, 사방황(rhombic 결정)으로, 수분함량 0%의 중성이며, 600um 이하의 분말입자로 구성된다.

4. 혼합공정

이후, 본 발명에서는 제2바이오 황은 시멘트와 모래를 혼합하여 유황콘크리트를 제조할 수 있도록 하는 혼합고정이 수행되게 된다.

상기 혼합공정은, 바람직하게는 시멘트와 본 발명에 따른 제2바이오 황, 모래를 혼합하되, 시멘트 100 중량%를 기준으로, 상기 사방황의 투입 중량% 비율이 10중량%~20중량%가 되도록 투입할 수 있도록 한다. 또한, 상기 사방황과 모래의 혼합물의 중량비가 투입되는 시멘트를 기준으로, 중량비율이 1:3의 범위를 충족하도록 배합함이 바람직하다. 즉, 본 발명의 실시예에 따른 분말 상태의 황을 콘크리트 재료로 활용할 때, 황 분말은 시멘트, 모래 등을 포함하는 전체 중량의 1.2~5% 범위에서 사용하며, 시멘트 투입 중량의 10~20%를 초과하지 않아야 한다.

상술한 실시예에서 설명한 본 발명은 매립가스내 황화수소 제거공정에서 발생되는 황슬러지를 대상으로 한다. 특히, 상술한 것과 같이 황슬러지를 시멘트, 모래 등과 혼합하여 콘크리트와 같은 건축재료로 활용할 때, 황슬러지의 전처리방법 및 적정 혼합비를 적용하여 따른 강도 저하 문제를 해결할 수 있게 된다.

구체적으로, 상술한 실시예와 같이 본 발명에서 적용하는 매립가스에서 기원한 황슬러지는 건조, 파쇄, 스크린의 전처리 과정을 거친다. 이때, 건조 온도는 60~85℃이하를 유지하는 것을 특징으로 한다. 건조된 황슬러지는 파쇄 및 스크린 과정을 거친 후 분말 형태로 전환하여 사용한다.

매립가스 내 황화수소(H₂S) 제거과정에서 발생하는 황슬러지를 전처리하여 취득한 분말 상태의 황을 적정한 비율로 혼합한 콘크리트는 기존 콘크리트에 비해, 높은 압축강도와 내산성을 가진다.

아울러, 분말상태의 황은 유기성 황성분을 포함하여 해충 방지 등에 효과적임으로, 시멘트 등과 같은 여러 물질과 혼합하여 벽돌 등 다양한 건축재료 사용할 뿐만 아니라 그 자체로도 활용 가능하다.

이상의 혼합공정에서 제조되는 유황콘크리트의 강도를 다음과 같은 실험과정을 통해 실험하였다.

<강도실험>

[실시예 1]

시멘트:(제2바이오 황+모래)의 중량비는 1:3으로 조절하되, 시멘트 500g과, 제2바이오 황과 모래의 혼합물의 중량은 1500g을 혼합하였다. 모래는 ISO 표준사를 혼합하였으며, 함수율(water to solid ratio)은 시료내 고화제 무게의 50%가 되도록 주입하였다. 제2바이오 황은 이중 50g(시멘트 투입량의 10%) 적용하였다.

강도분석을 위해 제작한 공시체는 직경 50mm, 높이 100mm의 주철제 몰드를 사용하였다. 공시체 제작후, 이틀간 대기에서 양생 후 탈형을 하여 온도 25℃, 습도 60±5%가 유지되는 양생조건에서 7, 14, 28일간 양생 후 강도 측정을 하였다.

[실시예 2]

실시예 1과 동일한 방법으로 공시체를 제작하고 양생하되, 투입되는 제2바이오 황은 100g(시멘트 투입량의 20%)으로 적용하였다.

[실시예 3]

실시예 1과 동일한 방법으로 공시체를 제작하고 양생하되, 투입되는 제2바이오 황은 150g(시멘트 투입량의 30%)으로 적용하였다.

[비교예]

제2바이오 황을 제거하고, 시멘트:모래의 중량비는 1:3으로 조절하되, 시멘트 500g과, 모래의 중량은 1500g을 혼합하였다. 모래는 ISO 표준사를 혼합하였으며, 함수율(water to solid ratio)은 시료내 고화제 무게의 50%가 되도록 주입하였다.

도 3은 본 발명의 실시예와 비교예의 압축강도를 양생일별(7일, 14일, 28일)로 측정한 것이며, 붉은선은 비교예의 강도를 의미하며, 푸른선은 손환골재 콘크리트의 최대설계의 기준강도를 의미한다.

일반적으로 투수포장을 위한 콘크리트 압축강도의 기준은 18MPa로, 비교예의 시멘트와 모래의 혼합 골재로 구현된 것이 이를 충족하는 기준으로 나타났으며(붉은색 실선), 본 발명의 실시예의 경우, 양생일자가 7일이 넘어가는 시점에서는 모든 실시예에서 비교예의 강도보다 높은 강도를 나타내는 것을 확인할 수 있었으며, 나아가 특히 제2바이오 황 투입 함량이 시멘트 투입량의 10%, 20%의 경우, 순환골재 콘크리트 최대 설계 기준강도인 27MPa을 넘어서는 것을 확인할 수 있다.

나아가, 도로공사시 사용되는 포틀랜트 시멘트의 압축강도는 42.5MPa인점을 감안하면, 본 발명에서 제2바이오 황함량이 시멘트 투입량의 10%인 경우에는 이러한 압축강도 42.5MPa를 초과하는 것으로 나타났다.

이상의 결과를 종합해 보면, 본 발명에 따라, 쓰레기 매립지에서 발생하는 유독가스인 황화수소(H₂S)를 제거하여 수득된 바이오 황을 분말상으로 상태를 변화시키고 이를 콘크리트에 혼합하여, 높은 압축강도와 내산성을 가지는 유황함유 콘크리트 조성물을 제조할 수 있음을 확인할 수 있다.

본 발명에 따라 제조되는 유황 함유콘크리트 조성물의 경우, 우수한 압축강도와 친환경적인 측면을 구비하며, 사용상태에 따라 첨가제로 고로슬래그, 플라이애쉬, MgO, CaO를 선택적으로 포함할 수 있다.

고로 슬래그는 용광로 제선 과정 중에서 발생하는 것으로서, 슬래그 배출시에 고온 용융상태의 고로 슬래그를 살수 급냉함으로써 5mm 미만의 비결정질 알갱이 상태로 형성되는 수재 슬래그를 사용할 수 있다. 이를 분말화할 경우, 콘크리트용 혼화재, 슬래그 시멘트 원료 등으로 활용할 수 있다. 고로 슬래그는 통상 Ca, Si, Al 등의 이온을 포함하며, 상기 고로 슬래그 미분말에 물을 투입하게 되면, 미분말 표면에 비결정질 피막이 형성된다. 따라서, 상기 비결정질 피막에 의해 고로 슬래그 미분말 내부의 Ca²⁺, Al²⁺ 등의 용출이 이루어지지 않고, 따라서 그 자체로 경화하는 성질이 약하다. 한편, 상기 고로 슬래그 미분말과 포틀랜드 시멘트의 혼합물에 물을 투입하는 경우, 시멘트와 물의 반응에 의해 수산화칼슘 및 황산염과 같은 수화생성물이 생성되고, 그 후에, 상기 수화생성물에 의해 고로 슬래그 미분말이 경화하는 특징이 있다.

본 발명에 따른 유황콘크리트 조성물에 고로슬래그를 포함하는 경우, 시멘트와 고로 슬래그 미분말의 첨가량은 포틀랜드 시멘트 20 내지 55중량%와 고로 슬래그 시멘트 미분말 45 내지 70중량%의 비율로 혼합할 수 있다. 이들을 별도로 혼합할 수도 있으며, 이들이 혼합되어 있는 슬래그시멘트를 사용할 수도 있다. 고로슬래그 미분말 함량이 45중량% 미만에서는 분체량이 절대적으로 부족하여 결합재로서의 역할을 하지 못하며, 70중량% 이상에서는 과도한 분체량에 의해 콘크리트의 유동성이 급격히 떨어질 우려가 있다.

본 발명의 시멘트 혼화재로는 플라이 애쉬를 추가로 포함할 수 있다. 상기 플라이애쉬는 혼화재로서 사용될 수 있는 물질 중에서 저렴한 것으로서 경제적이며, 입자가 구형이어서 콘크리트에 혼입시 볼베어링 효과에 따른 유동성을 향상시킬 수 있다. 이와 같은 플라이애쉬는 특별히 한정하는 것은 아니지만, 30중량% 이하로 첨가될 수 있다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

1: 매립가스 공급부
2: 분사모듈
10: 스크러버(바이오탑)
15: 충진부
20: 공정액공급부
30: 반응조
40: 침전조
50: 원심분리부
60: 상변화부
70: 혼합부

Claims (10)

1. 폐기물 매립지에서 황화수소(H₂S)를 포함하는 매립가스에, 알카리수용액을 이용해 황화수소를 집적한 후,
   황산화박테리아를 통해 황원소를 수득하고,
   황원소를 집적하고 건조하고, 건조된 황을 분말화하여 시멘트와 혼합하는,
   매립가스 유래 바이오 황을 포함하고,
   상기 매립가스 유래 바이오 황을 포함하는 유황콘크리트의 제조방법은,
   폐기물 매립지에서 황화수소(H₂S)를 포함하는 매립가스가 스크러버에 유입되어, 알카리성 수용액과 반응하여 황화수소(H₂S)를 제거하는 스크러버 공정;
   상기 스크러버 공정에서 발생한 황화물(HS^-)을 반응기로 유입하고, 고압공기로 교반하여 반응기 내부의 황산화박테리아의 대사작용을 통해 황원소(S⁰)로 변환하는 반응기 공정;
   상기 반응기 공정에서 변환된 황원소(S⁰)를 침전기에 유입시켜 액체와 황원소(S⁰)의 침전물로 분리하는 침전공정;
   상기 침전공정을 수행한 침전물을 원심분리기에 유입하여 수분함량 40~60%의 슬러리 타입의 약알카리성 물질인 제1바이오 황과 탈리액으로 분리하는 원심분리공정;
   상기 원심분리공정에서 얻어진 상기 제1바이오 황을 65 내지 85℃ 온도로 수분 함량이 0이 될 때까지 건조하고, 분쇄하여 수분 함량이 0%인 분말형의 제2바이오 황으로 구현하는 상변화공정; 및
   상기 제2바이오 황과 시멘트 및 모래를 혼합하여 유황 함유 콘크리트를 제조하는 혼합공정;을 포함하고,
   상기 혼합공정은,
   상기 시멘트 100 중량%를 기준으로 상기 제2바이오 황의 투입 중량%는 10중량%이고, 상기 제2바이오 황은 상기 제2바이오 황, 상기 시멘트 및 상기 모래 전체 중량의 2.5%이고, 상기 시멘트 기준으로 상기 제2바이오 황과 모래의 혼합물의 중량비가 1:3의 범위를 충족하도록 배합되는 것을 특징으로 하는 매립가스 유래 바이오 황을 포함하는 유황콘크리트의 제조방법.
2. 삭제
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 스크러버 공정은,
   탑형태의 스크러버의 하부에 황화수소를 포함하는 매립가스가 유입되고,
   유입된 매립가스가 충진층을 경우하여 스크러버 상부로 배출되며, 탑 상부에서 분사되는 Na₂CO₃, NaOH, NH₄OH, (NH₄)₂CO₃ 및 NH₄HCO₃로 구성된 그룹으로부터 선택된 수용액과 접촉하여 하기의 {식 1} 반응에 의해 황화수소가 제거되고,
   상기 반응기 공정은,
   상기 스크러버를 거치며 황화물(HS-)의 황산화균인 티오바실루스균종에 의해 하기의 {식 2}에 의해 황원소(S⁰)로 변환되는 것을 특징으로 하는 매립가스 유래 바이오 황을 포함하는 유황콘크리트의 제조방법.
   {식 1}
   H₂S + OH^- --> HS^- + H₂O
   {식 2}
   HS^- + 1/2O₂ --> S⁰ + OH^-
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 청구항 1에 따른 매립가스 유래 바이오 황을 포함하는 유황콘크리트의 제조방법에 의해 제조되는 콘크리트 조성물.
9. 삭제
10. 청구항 8에 있어서,
    상기 콘크리트 조성물은,
    플라이애쉬, MgO, CaO, 고로슬래그 중 선택되는 어느 하나 이상을 더 포함하는,
    콘크리트 조성물.

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