KR102227884B1 - 인공골재 조성물 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

산화리튬이 포함된 리튬 광석으로부터 알루미노실리케이트가 포함된 리튬 잔사를 수득하는 단계; 상기 리튬 잔사를 수세하여 상기 리튬 잔사의 pH를 조절하는 단계; 상기 리튬 잔사에 시멘트 및 알칼리 자극재를 첨가하여 혼합물을 제조하는 단계; 상기 혼합물을 성형하여 성형체를 제조하는 단계; 및 상기 성형체를 양생하는 단계;를 포함하는 인공골재 제조방법이 소개된다.

Description

인공골재 조성물 및 그 제조방법{ARTIFICIAL AGGREGATE AND MANUFATURING METHOD OF THE SAME}
본 발명은 인공골재 조성물 및 그 제조방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 리튬 광석으로부터 제조된 리튬 잔사를 이용함으로써 우수한 압축강도를 갖는 인공골재의 제조가 가능한 인공골재 조성물 및 그 제조방법에 관한 것이다.
인공 골재는 하천 및 강에서 채취된 천연 골재를 제외한 인공적으로 가공한 골재를 말하며, 석산에서 채취한 부순 골재를 비롯하여 산업 부산물인 각종 철강 슬래그, 그리고 인위적으로 내부 기공을 형성시켜 비중을 가볍게 만든 인공 경량 골재, 건설 부산물인 폐 콘크리트로부터 제조된 재생 골재 등이 여기에 해당 된다.
건설 재료인 골재의 경우, 천연 골재의 고갈과 무분별한 석산 개발 및 쇄석 채취 등에 따른 환경 문제의 부각으로 인해 향후 골재 수급이 점차 어려워지고, 국내 자연 골재 자원의 수급상 골재 이용 가능 부존량의 감소, 골재 채취원의 원거리화와 교통체증에 따른 유통 비용의 상승 등으로 골재 공급상 문제가 점차 심화되고 있는 실정이다.
건설 구조물이 대형화, 고급화 되어 감에 따라 구조 부재의 경량화가 중요한 이슈가 되어, 석영이나 점토질의 고급재료를 사용한 고비용의 인공경량 골재가 적용되고 있어, 국내에서도 석탄회, 슬래그, 제지 슬러지 등을 이용한 콘크리트 혼화재와 인공 경량 골재에 대한 연구가 시도 되었으나 고온 소성 제조에 의한 생산 비용 증가, 상대적으로 낮은 품질 특성 등의 이유로 선진사와 비교하여 생산이 전무하며 거의 대부분 수입에 의존하고 있는 실정이다.
기존의 고온 소성에 의한 인공 골재 제조는 주로 대상 원료로 화력 발전소에서 다량으로 발생되는 플라이 애쉬를 사용하고 있다. 플라이 애쉬에 점토를 적정비율로 혼합하고, 혼련기를 통해 충분히 혼합한 후 점결제를 첨가하여 펠렛타이저 등으로 적정 크기의 입자로 성형한다. 그 후, 성형체의 입자간 치밀화 반응을 통한 강도 특성을 부여하기 위하여 고온으로 소성한 후 체거름 하여 소정의 입도로 선별함으로써 인공골재를 제조하게 된다.
리튬 광석으로부터 제조된 리튬 잔사를 이용함으로써 우수한 압축강도를 갖는 인공골재의 제조가 가능한 인공골재 조성물 및 그 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 인공골재 제조방법은 산화리튬이 포함된 리튬 광석으로부터 알루미노실리케이트가 포함된 리튬 잔사를 수득하는 단계; 상기 리튬 잔사를 수세하여 상기 리튬 잔사의 pH를 조절하는 단계; 상기 리튬 잔사에 시멘트 및 알칼리 자극재를 첨가하여 혼합물을 제조하는 단계; 상기 혼합물을 성형하여 성형체를 제조하는 단계; 및 상기 성형체를 양생하는 단계;를 포함한다.
상기 리튬 잔사를 수득하는 단계는, 상기 리튬 광석을 열처리하는 단계; 상기 열처리한 리튬 광석을 분쇄하는 단계; 상기 분쇄된 리튬 광석에서 황산리튬을 석출시키는 단계; 및 상기 황산리튬을 물에 침출시켜 분리하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 리튬 광석을 열처리하는 단계에서, 상기 리튬 광석을 900 내지 1200℃의 온도로 열처리할 수 있다.
상기 리튬 잔사를 수득하는 단계에서, 상기 리튬 잔사는, 전체 100 중량%에 대하여, 알루미나(Al2O3): 20 내지 30 중량%, 실리카(SiO2): 60 내지 70 중량%, 산화철(Fe2O3), 산화칼슘(CaO), 산화나트륨(Na2O) 및 산화칼륨(K2O) 중에서 1종 이상: 10 중량% 이하를 포함할 수 있다.
상기 리튬 잔사의 pH를 조절하는 단계에서, 상기 리튬 잔사를 수세하여 상기 리튬 잔사로부터 황산이온(SO4 2-)을 제거할 수 있다.
상기 리튬 잔사의 pH를 조절하는 단계에서, 상기 리튬 잔사의 pH를 6 내지 8로 조절할 수 있다.
상기 혼합물을 제조하는 단계에서, 상기 리튬 잔사 100 중량부에 대하여, 10 내지 15 중량부의 시멘트를 첨가할 수 있다.
상기 시멘트는, 포틀랜드 시멘트(OPC) 및 고로슬래그 시멘트 중에서 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 혼합물을 제조하는 단계에서, 상기 리튬 잔사 100 중량부에 대하여, 5 내지 15 중량부의 알칼리 자극재를 첨가할 수 있다.
상기 알칼리 자극재는, 수산화나트륨(NaOH), 수산화칼륨(KOH) 및 소듐실리케이트 중에서 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 성형체를 양생하는 단계에서, 상기 성형체를 20 내지 70℃의 온도에서 20시간 이상 동안 양생시킬 수 있다.
상기 성형체를 양생하는 단계 이후, 상기 양생된 성형체를 파쇄하는 단계; 및 상기 파쇄된 입자를 분급하고 선별하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 인공골재 조성물은 알루미노실리케이트가 포함된 리튬 잔사; 상기 리튬 잔사 100 중량부에 대하여, 10 내지 15 중량부의 시멘트; 및 상기 리튬 잔사 100 중량부에 대하여, 5 내지 15 중량부의 알칼리 자극재;를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 인공골재 조성물 및 그 제조방법에 따르면 리튬 광석으로부터 제조된 리튬 잔사를 이용함으로써 양생 시간이 증가할수록 압축강도가 증가하는 인공골재의 제조가 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 인공골재 제조방법에서 리튬 광석의 열처리, 황산배소, 수침출 공정에서 광물의 결정구조 전이 및 리튬 잔사의 결정구조를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 인공골재 제조방법에서 수침출 후 고액분리 공정에서 발생되는 리튬 잔사의 XRD분석결과를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 인공골재 제조방법에서 수침출 후 고액분리 공정에서 발생되는 리튬 잔사의 입도분포를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 인공골재 제조방법에서 필터프레스에서 회수한 리튬 잔사의 모습을 나타낸 사진이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 인공골재 제조방법에서 리튬 잔사 중 입자 표면에 미세한 홀들이 형성되어 있는 입자와 깨끗한 벽개면을 가지는 입자를 SEM과 EDX로 분석한 결과를 나타낸 사진이다.
제1, 제2 및 제3 등의 용어들은 다양한 부분, 성분, 영역, 층 및/또는 섹션들을 설명하기 위해 사용되나 이들에 한정되지 않는다. 이들 용어들은 어느 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션을 다른 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션과 구별하기 위해서만 사용된다. 따라서, 이하에서 서술하는 제1 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션은 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 제2 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션으로 언급될 수 있다.
여기서 사용되는 전문 용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 “포함하는”의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
어느 부분이 다른 부분의 "위에" 또는 "상에" 있다고 언급하는 경우, 이는 바로 다른 부분의 위에 또는 상에 있을 수 있거나 그 사이에 다른 부분이 수반될 수 있다. 대조적으로 어느 부분이 다른 부분의 "바로 위에" 있다고 언급하는 경우, 그 사이에 다른 부분이 개재되지 않는다.
다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다.
보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
인공골재 제조방법
본 발명의 일 실시예에 의한 인공골재 제조방법은 산화리튬이 포함된 리튬 광석으로부터 알루미노실리케이트가 포함된 리튬 잔사를 수득하는 단계, 리튬 잔사를 수세하여 리튬 잔사의 pH를 조절하는 단계, 리튬 잔사에 시멘트 및 알칼리 자극재를 첨가하여 혼합물을 제조하는 단계, 혼합물을 성형하여 성형체를 제조하는 단계 및 성형체를 양생하는 단계를 포함한다.
성형체를 양생하는 단계 이후, 양생된 성형체를 파쇄하는 단계 및 파쇄된 입자를 분급하고 선별하는 단계를 더 포함할 수 있다.
먼저, 리튬 잔사를 수득하는 단계에서는 산화리튬이 포함된 리튬 광석으로부터 알루미노실리케이트가 포함된 리튬 잔사를 수득한다. 리튬 광석은 산화리튬(Li2O)이 1.5 중량% 이상이며, 주 광물상이 스포듀민(Spodumene, Li2O Al2O3 4SiO2, LiAl2Si2O6)일 수 있다. 알루미노실리케이트(Al2O3 4SiO2, AlSi2O6)는 알루미나(Al2O3)와 실리카(SiO2)가 주성분으로 구성된 화합물일 수 있다.
구체적으로, 리튬 잔사를 수득하는 단계는 리튬 광석을 열처리하는 단계, 열처리한 리튬 광석을 분쇄하는 단계, 분쇄된 리튬 광석에서 황산리튬을 석출시키는 단계 및 황산리튬을 물에 침출시켜 분리하는 단계를 포함할 수 있다.
리튬 광석을 900 내지 1200℃의 온도로 열처리할 수 있다. 이에 따라 도 1에서와 같이 리튬 광석에 포함된 α-spodumene에서 a축과 b축의 수축이 일어나고, c축은 팽창이 일어나게 되어 β-spodumene 형태로 전이될 수 있다. 따라서 리튬 원자의 이동이 용이하게 될 수 있다.
열처리한 리튬 광석을 분쇄한 다음 분쇄된 리튬 광석에서 황산리튬을 석출시킬 수 있다. 리튬 광석을 황산에 침출시킬 수 있다. 이로써 리튬 광석의 Li+ 이온자리에 황산으로부터 해리된 H+ 이온이 이온교환 되고, 이온 교환된 Li+ 이온이 해리된 SO4 2- 이온과 결합하고, 석출 반응이 진행되어 황산리튬(Li2SO4)으로 석출될 수 있다.
석출된 황산리튬(Li2SO4)을 물을 이용하여 침출시킨 다음 고액 분리시킴으로써 리튬 잔사를 제조할 수 있다. 황산리튬(Li2SO4)은 물에 용해되어 침출되는 반면, 알루미노실리케이트(Al2O3 4SiO2, AlSi2O6)는 물에 용해되지 않고, 고체 화합물 형태로 잔류하여 리튬 잔사를 구성할 수 있다.
구체적으로, 리튬 잔사는 전체 100 중량%에 대하여, 알루미나(Al2O3): 20 내지 30 중량%, 실리카(SiO2): 60 내지 70 중량%, 산화철(Fe2O3), 산화칼슘(CaO), 산화나트륨(Na2O) 및 산화칼륨(K2O) 중에서 1종 이상: 10 중량% 이하를 포함할 수 있다.
리튬 잔사는 알루미노실리케이트(Al2O3 4SiO2, AlSi2O6), 실리카(SiO2) 및 알바이트(Albite) 등으로 구성되어 있는 결정상으로서 평균 입도는 500㎛ 이하이고, 부피 및 충진 밀도는 각각 0.88, 1.28 정도일 수 있다.
리튬 잔사는 입자가 무정형 형태이고, 표면에 리튬 성분의 산침출로 인해 표면에 미세한 홀(hole) 등이 형성되어 있는 입자와, 깨끗한 벽개면을 가지는 입자를 포함할 수 있다.
다음으로, 리튬 잔사의 pH를 조절하는 단계에서는 리튬 잔사를 수세하여 리튬 잔사의 pH를 조절한다. 리튬 잔사는 배소 시, 과량의 황산을 사용하기 때문에 물로 침출함에 따라 미반응 상태로 남아있던 황산이 용해되어 리튬 잔사에 포함되고, 리튬 잔사에 잔류하기 때문에 리튬 잔사는 산성을 나타내게 될 수 있다.
산성을 나타내는 리튬 잔사를 그대로 인공골재 제조를 위한 조성물로 사용할 경우, 리튬 잔사에 잔존하는 황산 이온이 포졸란 반응의 유도를 위해 첨가하는 알칼리 자극재를 중화시킴으로써 알칼리 자극재가 우선 소모될 수 있다.
이에 따라 포졸란 반응을 원활한 진행을 위해 과량의 알칼리 자극재를 첨가하게 되고, 잔존 황산 이온이 강도를 발현시키는 불용성염의 생성을 억제하게 될 수 있다. 그러므로 산성을 나타내는 리튬 잔사를 충분히 수세하여 리튬 잔사로부터 황산이온(SO4 2-)을 제거함으로써 리튬 잔사의 pH를 6 내지 8로 조절할 수 있다. 즉, 리튬 잔사의 pH를 중성 영역으로 형성시킬 수 있다.
다음으로, 혼합물을 제조하는 단계에서는 리튬 잔사에 시멘트 및 알칼리 자극재를 첨가하여 혼합물을 제조한다. 시멘트 및 알칼리 자극재는 리튬 잔사와 혼합되어 포졸란 반응이 일어날 수 있다.
특히, 시멘트는 성형체로 제조 시, 성형체의 초기 강도 발현을 촉진시키기 위한 것이 주목적이며, 부가적으로 포졸란 반응에 이용되는 알칼리 성분의 공급을 위한 것일 수 있다.
구체적으로, 시멘트는 리튬 잔사 100 중량부에 대하여, 10 내지 15 중량부가 첨가될 수 있으며, 포틀랜드 시멘트(OPC) 및 고로슬래그 시멘트 중에서 1종 이상을 포함할 수 있다. 10 중량부 미만으로 첨가될 경우, 성형체의 초기 강도 발현에 충분한 효과를 미치지 못할 수 있다. 반면, 15 중량부를 초과하여 첨가될 경우, 성형체의 초기 강도는 확보되지만 시멘트의 첨가량이 필요 이상으로 많이 사용되기 때문에 제조 비용이 증가할 수 있다.
초기 강도는 첨가한 시멘트에 의해 크게 영향을 받지만 양생 시간이 경과함에 따라서는 주로 포졸란 반응에 의해 강도의 특성이 좌우되기 때문에 초기 강도 확보를 위한 시멘트의 첨가량 조절이 중요할 수 있다.
또한, 알칼리 자극재는 리튬 잔사에 포함된 알루미늄(Al) 성분과 실리콘(Si) 성분을 용출시켜 불용성염을 형성시킴으로써 조직을 치밀하게 할 수 있다. 따라서 알칼리 자극재는 시멘트에 대비해 후기 강도를 발현시키는 작용을 하는 물질일 수 있다.
구체적으로, 알칼리 자극재는 리튬 잔사 100 중량부에 대하여, 5 내지 15 중량부가 첨가될 수 있으며, 수산화나트륨(NaOH), 수산화칼륨(KOH) 및 소듐실리케이트 중에서 1종 이상을 포함할 수 있다. 5 중량부 미만으로 첨가될 경우, 가수분해 및 이온 용출 반응이 충분하게 진행되지 못하기 때문에 소정의 수경성 발현에 의한 강도 특성 향상을 기대할 수가 없을 수 있다. 반면, 15 중량부를 초과하여 첨가될 경우, 더 이상의 강도 특성 향상 효과를 기대할 수 없으며, 과잉의 알카리 사용에 따른 제조 비용이 증가할 수 있다.
다음으로, 성형체를 제조하는 단계에서는 혼합물을 성형하여 일정한 형태의 성형체를 제조한다. 구체적으로, 공업적으로 범용되고 있는 압출 성형기나 펠렛 타이저 등을 이용하여 성형체를 제조할 수 있다.
다음으로, 성형체를 양생하는 단계에서는 성형체를 소정의 온도에서 일정 시간 이상 양생할 수 있다. 구체적으로, 공업적으로 많이 사용하고 있는 스팀 양생법, 수중 침적 양생법, 등을 이용할 수 있으며, 20 내지 70℃의 온도에서 20시간 이상 동안 양생시킬 수 있다.
다음으로, 성형체를 파쇄하는 단계에서는 양생된 성형체를 파쇄 수단을 이용하여 파쇄할 수 있다. 5mm 이하의 입도로 미파쇄할 수 있으며, 40mm 이하의 입도로 중파쇄할 수 있다.
다음으로, 분급하고 선별하는 단계에서는 파쇄된 입자를 분급하고 선별할 수 있다. 구체적으로, 체거름에 의해 잔골재 또는 굵은 골재 입도로 선별하여 사용할 수 있다.
파쇄하는 조건에 따라 잔골재 또는 굵은 골재에 해당하는 입도를 선별, 조합하여 활용 용도에 적합한 인공골재로 사용할 수 있다. 콘크리트 1차 및 2차 제품 제조용의 잔골재 또는 굵은 골재로 사용할 수 있어 천연골재를 대체할 수 있으므로 부산물의 재활용에 따른 자원 순환 사회를 구축하는데 기여할 수 있다.
인공골재 조성물
본 발명의 일 실시예에 의한 인공골재 조성물은 알루미노실리케이트가 포함된 리튬 잔사, 리튬 잔사 100 중량부에 대하여, 10 내지 15 중량부의 시멘트 및 리튬 잔사 100 중량부에 대하여, 5 내지 15 중량부의 알칼리 자극재를 포함한다.
상기한 본 발명의 일 실시예에 의한 인공골재 제조방법에 따라 산화리튬이 포함된 리튬 광석으로부터 알루미노실리케이트가 포함된 리튬 잔사를 수득하고, 리튬 잔사를 수세하여 리튬 잔사의 pH를 조절한 다음 리튬 잔사에 시멘트 및 알칼리 자극재를 첨가하여 혼합물을 제조하여 생성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 인공골재 조성물에 의해 제조된 인공골재는 압축강도가 11kg/cm2 이상일 수 있다. 양생시간이 증가함에 따라 압축강도도 점차로 증가할 수 있다.
이외 리튬 잔사, 시멘트 및 알칼리 자극재에 대한 설명은 앞서 언급한 인공골재 제조방법에 대한 설명으로 대신하기로 한다.
이하 본 발명의 구체적인 실시예를 기재한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명의 구체적인 일 실시예일뿐 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예
(1) 리튬 광석을 이용한 리튬 잔사의 제조
산화리튬(Li2O) 함량이 1.5 중량% 정도인 리튬 광석을 부유선광 등으로 장석과 운모 등을 제거하여 산화리튬(Li2O) 함량을 약 6 중량% 정도로 농축시킨 호주산 갤럭시광을 이용하였다.
이후, 1000℃로 열처리 하여 β-spodumene으로 전이시킨 후, 분쇄 처리하여 후속공정에서의 반응성 향상을 위해 입도 조정 하였다. 입도 조정된 β-spodumene에 95% 농도의 황산을 무게비로 3배 첨가하고, 혼합한 후, 250℃에서 1시간 황산 배소처리 하였다.
황산 배소 후, 무게비로 5배의 물을 첨가, 교반하여 1시간 동안 물로 침출하고, 필터프레스를 이용하여 고액 분리함으로써 리튬 잔사를 회수하였다.
필터프레스에서 회수한 리튬 잔사의 구성성분과 함량을 XRF 및 ICP로 분석한 결과를 하기 표 1 및 표 2에 나타내었다.
성분 Li2O Al2O3 SiO2 CaO Na2O K2O P2O5 Fe2O3 CoO MnO Cr2O3 MgO CuO NiO TiO2
함량(wt%) 분석
불가		 25.8 66.2 0.4 0.1 0.5 0.1 1.6 - 0.1 0.03 0.1 - 0.01 0.04
성분 Li Al Si Ca Na K P Fe Co Mn Cr Mg Cu Ni
함량(wt%) 0.51 12.59 28.41 0.32 0.4 0.6 0.063 1.11 <0.005 0.11 0.023 0.21 <0.005 0.01
상기 표 1, 표 2, 도 2 및 도 3에서와 같이, 리튬 잔사는 알루미나(Al2O3): 약 26 중량%, 실리카(SiO2): 약 66 중량%, 산화철(Fe2O3): 약 1.6 중량%, 산화칼슘(CaO), 산화나트륨(Na2O) 및 산화칼륨(K2O) 중에서 1종 이상: 약 0.4 중량% 이하를 포함하며, 알루미노실리케이트(Al2O3 4SiO2, AlSi2O6), 실리카(SiO2) 및 알바이트(Albite) 등으로 구성되어 있는 결정상으로서 평균 입도는 500㎛ 이하이고, 부피 및 충진 밀도는 각각 0.88, 1.28 정도였다.
도 4에서와 같이, 필터프레스에서 회수한 리튬 잔사는 매우 미세한 입자들이 뭉쳐져 있는 상태이고, 함수율은 약 39%정도, pH는 약산성인 3.1정도를 나타내었다.
도 5에서와 같이, 플라이 애쉬와 리튬 잔사는 구성 성분과 주요 성분의 함량측면에서 매우 유사한 값을 나타내지만 알카리 금속 성분인 산화칼슘(CaO), 산화마그네슘(MgO) 및 산화철(Fe2O3)의 함량은 플라이 애쉬 원료가 다소 높은 함량을 나타내고 있고, 산성 성분인 실리카(SiO2)의 함량은 리튬 잔사 원료가 대략 10% 정도 높은 함량을 나타내었다.
반면, 중성 성분인 알루미나(Al2O3)는 두 원료가 거의 유사한 수준의 함량을 나타냄을 확인할 수 있었다. 플라이 애쉬는 입자 형태가 구형이며, 통상 5 내지 600㎛ 정도 범위의 입자크기를 나타내는 반면, 리튬 잔사는 도 5에서와 같이, 입자형태가 무정형이며, 입자 표면은 리튬(Li) 성분의 산침출로 인해 미세한 홀(hole)들이 표면에 잔류하는 형태를 보이는 입자들과 깨끗한 벽개면을 가진 입자들로 구성되어 있음을 확인할 수 있었다.
(2) 리튬 잔사의 pH 조절
[실험예 1] 상기 실험에서 제조한 리튬 잔사 3kg에 증류수 15Kg을 첨가하여 고액비(물/리튬 잔사) 5/1 조건으로 조정하고, 500rpm으로 3시간 교반 후, 여과하는 조작을 3회 반복하여 3회 수세하였다. 수세한 잔사의 pH를 폐기물 공정 시험방법의 pH 측정 기준에 따라 측정하고, 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다.
[실험예 2] 수세 조작을 1회만 실시한 것을 제외하고는 실험예 1과 동일한 조건으로 실시하고, 수세한 리튬 잔사의 pH를 측정하고, 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다.
[실험예 3] 수세 조작을 2회만 실시한 것을 제외하고는 실험예 1과 동일한 조건으로 실시하고, 수세한 리튬 잔사의 pH를 측정하고, 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다.
구분 고액비
(리튬 잔사/물 중량비)		 수세(회) 리튬 잔사 pH
실험예1 1/5 3 6.08
실험예2 1/5 1 3.23
실험예3 1/5 2 3.84
상기 표 3에서와 같이, 실험예 1에서 고액비 (리튬 잔사/물 중량비) 1/5의 조건으로 수세과정을 3회 반복하여 제조한 리튬 잔사의 pH는 6.08로서 pH가 중성영역에 도달하였음을 알 수 있었다. 반복 수세과정에 의해 리튬 잔사 내에 잔류하고 있던 과량의 미반응 황산용액이 제거되었기 때문이다. 반면, 실험예 2 및 실허예 3의 경우 수세 단계를 1회 또는 2회만 실시하여 리튬 잔사의 pH가 각각 3.23, 3.84였다. 이를 통해 리튬 잔사 내에 황산이 잔류하고 있음을 알 수 있다.
따라서 산성을 나타내는 리튬 잔사를 충분히 수세하여 리튬 잔사로부터 황산이온(SO4 2-)을 제거함으로써 리튬 잔사의 pH를 중성 영역으로 형성시킬 수 있다.
[실험예 4] 실험예 1에 따른 pH 6.08인 수세한 리튬 잔사 100g에 대해 포틀랜드 시멘트(OPC) 10g과 수산화나트륨(NaOH)으로 구성된 알칼리 자극재 10g을 건식으로 충분히 혼합한 후, 중량비 22%에 해당하는 물을 첨가하고, 균일하게 혼합하여 혼합물을 제조하였다.
이 혼합물을 5x5x5cm의 성형틀에서 성형체를 제조한 다음 60℃에서 24시간 기건 양생하고, 탈형하여 25℃의 물에 침적시킨 상태로 수침 양생하였다.
수침 후, 1일, 3일, 7일 양생시간에 따른 성형체의 압축강도 특성을 측정하고, 그 결과를 하기 표 4에 나타내었다.
[실험예 5] 실험예 2에 따른 pH 3.23인 수세한 리튬 잔사를 사용한 것을 제외하고는 실험예 4와 동일한 조건으로 실시하고, 그 결과를 하기 표 4에 나타내었다.
[실험예 6] 실험예 3에 따른 pH 3.84인 수세한 리튬 잔사를 사용한 것을 제외하고는 실험예 4와 동일한 조건으로 실시하고, 그 결과를 하기 표 4에 나타내었다.
구분 pH 리튬 잔사
(g)		 시멘트
(g)		 알칼리 자극재(g) 압축강도(kg/cm2)
1일 3일 7일
실험예4 6.08 100 10 10 11.0 19.3 32.0
실험예5 3.23 100 10 10 9.3 10.3 12.4
실험예6 3.84 100 10 10 8.9 11.2 12.6
상기 표 4에서와 같이, 실험예 4의 경우, 리튬 잔사를 충분히 수세하여 잔사 내 잔류하는 산의 성분을 제거하고, 리튬 잔사의 pH를 중성영역으로 조절한 실험예 4의 경우, 양생시간이 증가함에 따라 압축강도 특성은 점차 상승하는 결과를 나타냈다.
반면, 리튬 잔사를 충분히 수세하지 않아 리튬 잔사 내의 산의 성분을 완전히 제거하지 않은 상태에서 원료로 사용한 실험예 5 및 실험예 6의 경우, 양생시간 증가에 따라서 압축 강도 특성은 거의 변하지 않고, 정체하고 있는 것을 확인할 수 있었다.
실험예 4는 첨가한 시멘트 및 알카리 자극재가 양생시간 증가에 따라 점차 포졸란 반응을 일으켜 잠재 수경성을 발현하는 결과로 판단된다. 그러나 실험예 5 및 실험예 6은 리튬 잔사 원료 내에 산의 성분이 잔류하고 있기 때문에 포졸란 반응을 유도하는 알카리가 첨가 되었지만 첨가된 알카리가 잔류하는 산의 중화 반응에만 소모되어 포졸란 반응에 기여할 수 없었고, 양생시간 증가에 따라서도 강도 특성은 그대로 정체하는 현상을 나타내게 된 것으로 판단된다.
따라서 리튬 잔사를 인공골재로 제조하기 위해서는 우선 수세하여 리튬 잔사 내 잔류하는 산의 성분을 충분히 제거해 줌으로써 알카리 자극재 첨가에 의한 효과를 기대할 수 있다.
(3) 시멘트 첨가량 조절
[실험예 7] 실험예 4와 동일한 조건으로 실시하고, 그 결과를 하기 표 5에 나타내었다.
[실험예 8] 포틀랜드 시멘트(OPC)를 15g 첨가한 것을 제외하고는 실험예 4와 동일한 조건으로 실시하고, 그 결과를 하기 표 5에 나타내었다.
[실험예 9] 포틀랜드 시멘트(OPC)를 5g 첨가한 것을 제외하고는 실험예 4와 동일한 조건으로 실시하고, 그 결과를 하기 표 5에 나타내었다.
[실험예 10] 포틀랜드 시멘트(OPC)를 20g 첨가한 것을 제외하고는 실험예 4와 동일한 조건으로 실시하고, 그 결과를 하기 표 5에 나타내었다.
[실험예 11] 포틀랜드 시멘트(OPC)를 30g 첨가한 것을 제외하고는 실험예 4와 동일한 조건으로 실시하고, 그 결과를 하기 표 5에 나타내었다.
구분 리튬 잔사
(g)		 시멘트
(g)		 알칼리 자극재(g) 압축강도(kg/cm2)
1일 3일 7일
실험예7 100 10 10 11.0 19.3 32.0
실험예8 100 15 10 14.0 22.0 34.1
실험예9 100 5 10 6.3 14.2 23.0
실험예10 100 20 10 15.1 23.2 32.4
실험예11 100 30 10 16.3 22.4 31.9
상기 표 5에서와 같이, 리튬 잔사 100 중량부에 대하여, 시멘트의 첨가량을 10 내지 15 중량부의 범위 내로 첨가한 실험예 7 및 실험예 8의 경우, 1일의 압축강도가 11.0 내지 14kg/cm2, 3일의 압축강도가 19 내지 22kg/cm2 정도의 값을 각각 나타내어 초기 강도값이 발현됨을 확인할 수 있었다.
반면, 시멘트의 첨가량이 5 중량부인 실험예 9의 경우, 실험예 7 및 실험예 8 보다 낮은 특성값을 나타내고 있음을 확인할 수 있었다.
시멘트의 첨가량이 20 중량부 및 30 중량부인 실험예 10 및 실험예 11의 경우, 1일, 3일의 압축강도는 실험예 7 및 실험예 8 보다 약간 높은 압축강도 값을 나타내나 7일의 압축강도는 거의 유사한 압축강도값을 나타내며, 시멘트 첨가량이 증가하였는데도 더 이상의 압축강도 특성 증가 현상 없이 유사한 수준을 유지함을 확인할 수 있었다.
이는 첨가한 시멘트가 성형체의 초기 강도 발현에 큰 영향을 미치는 인자이며, 양생시간이 증가함이 따라서 나타나는 후기 강도에는 크게 영향을 주지 못한다는 것을 알 수 있다. 즉, 양생 시간이 길어짐에 따라서 나타나는 후기 강도 발현은 알카리 자극재에 의해 유도되는 포졸란 반응에 의한 수경성의 발현에 의해 강도 값이 좌우지되는 것으로 판단된다.
따라서 리튬 잔사로 인공골재를 제조하기 위해서는 시멘트의 첨가량을 리튬 잔사 100 중량부에 대하여, 10 내지 15 중량부로 조절한다.
(4) 알칼리 자극재 첨가량 조절
[실험예 12] 알칼리 자극재로서 수산화나트륨을 5g 첨가한 것을 제외하고는 실험예 4와 동일한 조건으로 실시하고, 그 결과를 하기 표 6에 나타내었다.
[실험예 13] 실험예 4와 동일한 조건으로 실시하고, 그 결과를 하기 표 6에 나타내었다.
[실험예 14] 알칼리 자극재로서 수산화나트륨을 15g 첨가한 것을 제외하고는 실험예 4와 동일한 조건으로 실시하고, 그 결과를 하기 표 6에 나타내었다.
[실험예 15] 알칼리 자극재로서 수산화나트륨을 2.5g 첨가한 것을 제외하고는 실험예 4와 동일한 조건으로 실시하고, 그 결과를 하기 표 6에 나타내었다.
[실험예 16] 알칼리 자극재로서 수산화나트륨을 20g 첨가한 것을 제외하고는 실험예 4와 동일한 조건으로 실시하고, 그 결과를 하기 표 6에 나타내었다.
[실험예 17] 알칼리 자극재로서 수산화나트륨을 30g 첨가한 것을 제외하고는 실험예 4와 동일한 조건으로 실시하고, 그 결과를 하기 표 6에 나타내었다.
구분 리튬 잔사
(g)		 시멘트
(g)		 알칼리 자극재(g) 압축강도(kg/cm2)
1일 3일 7일
실험예12 100 10 5 11.5 19.1 31.2
실험예13 100 10 10 11.0 19.3 32.0
실험예14 100 10 15 13.2 22.1 33.1
실험예15 100 10 2.5 11.2 16.3 19.2
실험예16 100 10 20 12.1 20.3 32.3
실험예17 100 10 30 13.0 20.1 31.3
상기 표 6에서와 같이, 리튬 잔사 100 중량부에 대하여, 알칼리 자극재의 첨가량을 5 내지 15 중량부의 범위 내로 첨가한 실험예 12 내지 실험예 14의 경우, 양생시간이 증가함에 따라 압축강도 특성 값이 점차 증가하는 현상을 확인할 수 있었다.
반면, 시멘트의 첨가량이 2.5 중량부인 실험예 15의 경우, 실험예 12 내지 실험예 14 보다 양생시간에 따른 강도특성 증가 폭이 그다지 크지 않음을 확인할 수 있었다.
시멘트의 첨가량이 20 중량부 및 30 중량부인 실험예 16 및 실험예 17의 경우, 실험예 12 내지 실험예 14 보다 압축강도 특성값과 유사한 수준의 강도값을 나타내고 있음을 확인할 수 있었다.
따라서 리튬 잔사로 인공골재를 제조하기 위해서는 알칼리 자극재의 첨가량을 리튬 잔사 100 중량부에 대하여, 5 내지 15 중량부로 조절한다.
(5) 성형체의 파쇄 후, 분급 및 선별
[실험예 18] 실험예 4의 조건으로 7일간 양생한 5X5X5cm 성형체를 60℃에서 24시간 건조한 후, 막자 사발을 이용하여 미파쇄를 각각 실시하고 체거름에 의해 입도를 분급, 선별하였다. 체거름에 의해 분급, 선별된 입도분포를 측정하고 그 결과를 하기 표 7에 나타내었다.
[실험예 19] 실험예 4의 조건으로 7일간 양생한 5X5X5cm 성형체를 60℃에서 24시간 건조한 후, 막자 사발을 이용하여 중파쇄를 각각 실시하고 체거름에 의해 입도를 분급, 선별하였다. 체거름에 의해 분급, 선별된 입도분포를 측정하고 그 결과를 하기 표 8에 나타내었다.
구분 분쇄정도 입도 분포 (해당 체 잔류율(%))
-0.08mm 0.08mm 0.15mm 0.3mm 0.6mm 1.2mm 2.5mm 5mm
실험예18 미파쇄 2.3 4.2 173 13.9 15.2 24.6 22.5 -
구분 분쇄정도 입도 분포 (해당 체 잔류율(%))
-5mm 5mm 10mm 15mm 20mm 25mm 40mm
실험예19 중파쇄 2.4 10.5 20.3 32.1 25.0 9.7 -
상기 표 7 및 표 8에서와 같이, 양생한 성형체를 미파쇄한 경우는 잔골재로 규정하고 있는 입도인 5mm 이하의 입도로, 중파쇄한 경우에는 굵은 골재로 규정하고 있는 입도에 각각 해당하는 입도로 제조할 수 있음을 확인할 수 있었다.
파쇄하는 조건에 따라 잔골재 또는 굵은 골재에 해당하는 입도를 선별, 조합하여 활용 용도에 적합한 인공골재로 사용하는 것이 가능하다.
본 발명은 상기 구현예 및/또는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 구현예 및/또는 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (13)

  1. 산화리튬이 포함된 리튬 광석으로부터 알루미노실리케이트가 포함된 리튬 잔사를 수득하는 단계;
    상기 리튬 잔사를 수세하여 상기 리튬 잔사의 pH를 조절하는 단계;
    상기 리튬 잔사에 시멘트 및 알칼리 자극재를 첨가하여 혼합물을 제조하는 단계;
    상기 혼합물을 성형하여 성형체를 제조하는 단계; 및
    상기 성형체를 양생하는 단계;를 포함하고,
    상기 리튬 잔사의 pH를 조절하는 단계에서, 상기 리튬 잔사를 수세하여 상기 리튬 잔사로부터 황산이온(SO4 2-)을 제거하며, 상기 리튬 잔사의 pH를 6 내지 8로 조절하고,
    상기 리튬 잔사를 수득하는 단계에서,
    상기 리튬 잔사는, 전체 100 중량%에 대하여, 알루미나(Al2O3): 20 내지 30 중량%, 실리카(SiO2): 60 내지 70 중량%, 산화철(Fe2O3), 산화칼슘(CaO), 산화나트륨(Na2O) 및 산화칼륨(K2O) 중에서 1종 이상: 10 중량% 이하를 포함하는, 인공골재 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 리튬 잔사를 수득하는 단계는,
    상기 리튬 광석을 열처리하는 단계;
    상기 열처리한 리튬 광석을 분쇄하는 단계;
    상기 분쇄된 리튬 광석에서 황산리튬을 석출시키는 단계; 및
    상기 황산리튬을 물에 침출시켜 분리하는 단계;를 포함하는 인공골재 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 리튬 광석을 열처리하는 단계에서,
    상기 리튬 광석을 900 내지 1200℃의 온도로 열처리하는 인공골재 제조방법.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 혼합물을 제조하는 단계에서,
    상기 리튬 잔사 100 중량부에 대하여, 10 내지 15 중량부의 시멘트를 첨가하는 인공골재 제조방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 시멘트는,
    포틀랜드 시멘트(OPC) 및 고로슬래그 시멘트 중에서 1종 이상을 포함하는 인공골재 제조방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 혼합물을 제조하는 단계에서,
    상기 리튬 잔사 100 중량부에 대하여, 5 내지 15 중량부의 알칼리 자극재를 첨가하는 인공골재 제조방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 알칼리 자극재는,
    수산화나트륨(NaOH), 수산화칼륨(KOH) 및 소듐실리케이트 중에서 1종 이상을 포함하는 인공골재 제조방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 성형체를 양생하는 단계에서,
    상기 성형체를 20 내지 70℃의 온도에서 20시간 이상 동안 양생시키는 인공골재 제조방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 성형체를 양생하는 단계 이후,
    상기 양생된 성형체를 파쇄하는 단계; 및
    상기 파쇄된 입자를 분급하고 선별하는 단계;를 더 포함하는 인공골재 제조방법.
  13. 알루미노실리케이트가 포함된 리튬 잔사;
    상기 리튬 잔사 100 중량부에 대하여, 10 내지 15 중량부의 시멘트; 및
    상기 리튬 잔사 100 중량부에 대하여, 5 내지 15 중량부의 알칼리 자극재;를 포함하고,
    상기 리튬 잔사는 황산이온(SO4 2-)이 제거되어 있으며, pH는 6 내지 8이고,
    상기 리튬 잔사는, 전체 100 중량%에 대하여, 알루미나(Al2O3): 20 내지 30 중량%, 실리카(SiO2): 60 내지 70 중량%, 산화철(Fe2O3), 산화칼슘(CaO), 산화나트륨(Na2O) 및 산화칼륨(K2O) 중에서 1종 이상: 10 중량% 이하를 포함하는, 인공골재 조성물.
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