KR102264721B1 - 유기성슬러지와 석재슬러지를 복합적으로 이용한 경량골재 제조방법 - Google Patents

유기성슬러지와 석재슬러지를 복합적으로 이용한 경량골재 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 유기성슬러지와 석재슬러지를 복합적으로 이용한 경량골재 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 현재 산업폐기물로 배출되고 있는 유기성슬러지 폐기물 및 석재슬러지 폐기물의 비효율적인 처리방법을 고부가성 경량골재의 제조원료로서 재활용하는 친환경적인 방법으로 전환시킬 수 있고, 제조시 불량률이 낮을 뿐만 아니라 저비중, 저흡수율, 고강도 등의 물성이 우수하게 제조된 경량골재를 이용하여 벽돌, 블록, 경계석 등의 경량콘크리트 제품, 옥상누름 콘크리트, 데크플레이트 콘크리트 등의 경량콘크리트, 옥상 녹화용, 지하주차장 옥상, 옹벽뒤 채움재 등의 하중저감재 등의 용도에 폭넓게 이용될 수 있도록 개선된 유기성슬러지와 석재슬러지를 복합적으로 이용한 경량골재 제조방법에 관한 것이다.

Description

유기성슬러지와 석재슬러지를 복합적으로 이용한 경량골재 제조방법{Light weight aggregate manufacturing method using organic sludge and stone sludge in combination}
본 발명은 유기성슬러지와 석재슬러지를 복합적으로 이용한 경량골재 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 현재 산업폐기물로 배출되고 있는 유기성슬러지 폐기물 및 석재슬러지 폐기물의 비효율적인 처리방법을 고부가성 경량골재의 제조원료로서 재활용하는 친환경적인 방법으로 전환시킬 수 있고, 제조시 불량률이 낮을 뿐만 아니라 저비중, 저흡수율, 고강도 등의 물성이 우수하게 제조된 경량골재를 이용하여 벽돌, 블록, 경계석 등의 경량콘크리트 제품, 옥상누름 콘크리트, 데크플레이트 콘크리트 등의 경량콘크리트, 옥상 녹화용, 지하주차장 옥상, 옹벽뒤 채움재 등의 하중저감재 등의 용도에 폭넓게 이용될 수 있도록 개선된 유기성슬러지와 석재슬러지를 복합적으로 이용한 경량골재 제조방법에 관한 것이다.
유기성 슬러지는 2003년 7월 1일부터 직매립이 전면 금지되어 대부분 해양투기에 의해 처분되고 있는 실정으로 이는 하수슬러지의 처리방법을 직매립에서 재활용과 중간처리로 전환하려는 근본 취지와는 달리 각 지자체의 생활하수처리시설에서 발생하는 것은 각 지역별의 매립장에 반입하고 있으며, 산업폐기물은 폐기물업자들이 조성한 매립장에서 처리하고 있다.
여기서, 매립지에 발생하는 문제점으로는 수분함량이 높아 매립작업이 원활하지 못하여 지반다짐에 문제점을 유발시키고 있으며, 침출수 및 악취를 발생시켜 매립장에서는 반입을 좋아하지 않고 있으며, 이러한 이유로 직 매립금지만이 제안되었으며, 그것이 법에 명시되어 있다.
이러한 해양투기와 매립에 대한 문제의 해결책으로 많은 처리방법이 제안되어 왔으며, 국내에서 실용화되어 있는 기술이 소각, 건조, 퇴비화이다.
현재 소각을 계획하고 있는 대부분의 지자체에서는 대규모처리인 경우에 건조-소각이 연계된 유동층소각시스템에 관심이 집중되고 있으며, 소규모인 경우에는 다양한 소각방법이 검토되고 있다.
최근에 또 다른 관점은 소각 후에 남는 소각재에 있으며, 비산재의 경우에는 유해폐기물인 지정폐기물, 바닥재로 유해성을 무시하지 못한다는 점에서 별도처리에 관한 방법을 검토하고 있다.
국내 등록특허 제10-0404614호(2003-10-25) 소각잔재물, 슬러지, 연소재를 이용한 토목건축 소재의 제법
본 발명은 상술한 종래 기술상의 제반 문제점들을 감안하여 이를 해결하고자 창출된 것으로, 현재 산업폐기물로 배출되고 있는 유기성슬러지 폐기물 및 석재슬러지 폐기물의 비효율적인 처리방법을 고부가성 경량골재의 제조원료로서 재활용하는 친환경적인 방법으로 전환시킬 수 있고, 제조시 불량률이 낮을 뿐만 아니라 저비중, 저흡수율, 고강도 등의 물성이 우수하게 제조된 경량골재를 이용하여 벽돌, 블록, 경계석 등의 경량콘크리트 제품, 옥상누름 콘크리트, 데크플레이트 콘크리트 등의 경량콘크리트, 옥상 녹화용, 지하주차장 옥상, 옹벽뒤 채움재 등의 하중저감재 등의 용도에 폭넓게 이용될 수 있도록 개선된 유기성슬러지와 석재슬러지를 복합적으로 이용한 경량골재 제조방법을 제공함에 그 주된 목적이 있다.
본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위한 수단으로, 유기성슬러지 및 석재슬러지를 균일하게 리본 믹서에 투입하고 혼합하여 원료를 준비하는 원료준비단계; 준비된 원료와 소각재를 스크류피더로 고속혼합기에 정량 공급하고 믹싱하는 혼합단계; 혼합된 분말에 물을 첨가한 후 구형으로 입상화하여 성형체를 만드는 성형단계; 성형된 성형체 표면에 석재슬러지로 코팅하는 표면코팅단계; 표면코팅된 성형체를 건조하여 수분함량을 10% 이내로 유지하는 건조단계; 건조된 성형물을 1100-1250℃에서 소성시켜 성형물의 내부에서 발포가 발생하고 외주면에 석재슬러지에 함유된 SiO2에 의한 용융 피막이 형성되게 하는 소결단계;를 포함하는 유기성슬러지와 석재슬러지를 복합적으로 이용한 경량골재 제조방법에 있어서;
상기 원료준비단계에서, 유기성슬러지와 석재슬러지는 1:1의 중량비로 혼합되고; 상기 혼합단계에서, 준비된 원료와 소각재는 8:2의 중량비로 투입되며; 상기 성형단계에서 성형을 위해 물을 첨가할 때 혼합물과 물은 7:3의 중량비로 혼합되고;
상기 소결단계 후 냉각되기 전에 150-200℃의 온도에서 내크랙강화제를 스프레이하는 소결체 강화단계를 더 수행하되, 상기 내크랙강화제는 물 100중량부에 대해, 수용성 폴리우레탄수지 30중량부, 트리페닐포스핀 5중량부와, 디메틸하이드로겐실란:2-프로판올:소디움바이카보네이트가 1:2:1의 중량비로 혼합된 혼합물 15중량부와, 비닐트리에톡시실란(VTEOS)을 5중량부 및 펄라이트(Pearlite) 미분 3중량부로 혼합 조성된 것을 특징으로 하는 유기성슬러지와 석재슬러지를 복합적으로 이용한 경량골재 제조방법을 제공한다.
삭제
본 발명에 따르면, 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.
첫째, 산업폐기물로 배출되고 있는 유기성슬러지 폐기물 및 석재슬러지 폐기물을 효율적, 친환경적인 방법으로 처리하여 재활용할 수 있다.
둘째, 제조시 불량률을 낮출 수 있다.
셋째, 저비중, 저흡수율, 고강도 등의 물성이 우수한 경량골재를 제조할 수 있다.
넷째, 제조된 경량골재를 벽돌, 블록, 경계석 등의 경량콘크리트 제품, 옥상누름 콘크리트, 데크플레이트 콘크리트 등의 경량콘크리트, 옥상 녹화용, 지하주차장 옥상, 옹벽뒤 채움재 등의 하중저감재 등의 용도에 폭넓게 이용할 수 있다.
본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 전에, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정되어서는 아니되며, 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 발명은 유기성슬러지 폐기물 및 석재슬러지 폐기물의 효과적인 처리와 동시에 이들을 복합적으로 사용하여 고부가성 경량골재로 활용이 가능한 기술로서 경량골재 성형체는 1100 내지 1250℃에서 소결되어 외주면에 용융 피막이 형성되고 흡수율이 낮고 쉽게 발포를 일으켜 비중이 낮은 경량골재의 제조가 가능하도록 한 것이다.
또한, 본 발명에 따라 제조된 경량골재는 건축물의 사하중 경감, 단열성 및 방음성을 향상시킬 수 있는 고부가성 건설재료로서 이를 이용하여 경량콘크리트를 제조할 경우 고층화에 따른 부재단면 확대를 경량화로 축소시킬 수 있으며, 이에 따른 기초비 절감효과를 볼 수 있고, 건물의 경우 단열성능 향상에 따른 에너지 절약효과를 볼 수 있어 전체적으로 공사비를 절감할 수 있다.
뿐만 아니라, 경량골재를 사용함으로써 부족한 천연골재의 의존도를 저감시킬 수 있으므로 향후 골재수급에 대비를 할 수 있다. 선진 각국에서는 이러한 경량골재를 활용한 경량콘크리트의 장점을 인지하여 난방비 절감이나 방음성능 개선을 위해 주택외벽용으로 폭넓게 사용되고 있으며, 일반 구조물뿐만 아니라 해양구조물 등의 특수 구조물에 이르기까지 경량콘크리트가 폭넓게 활용되고 있다.
보다 구체적으로, 본 발명에 따른 유기성슬러지와 석재슬러지를 복합적으로 이용한 경량골재 제조방법은 유기성슬러지 및 석재슬러지를 균일하게 리본 믹서에 투입하고 혼합하여 원료를 준비하는 원료준비단계; 준비된 원료와 소각재를 스크류피더로 고속혼합기에 정량 공급하고 믹싱하는 혼합단계; 혼합물에 물을 첨가한 후 구형으로 입상화하여 성형체를 만드는 성형단계; 성형된 성형체 표면에 석재슬러지로 코팅하는 표면코팅단계; 표면코팅된 성형체를 건조하여 수분함량을 10% 이내로 유지하는 건조단계; 건조된 성형물을 1100-1250℃에서 소성시켜 성형물의 내부에서 발포가 발생하고 외주면에 석재슬러지에 함유된 SiO2에 의한 용융 피막이 형성되게 하는 소결단계;를 포함한다.
이때, 원료준비단계에서 혼합되는 원료는 유기성슬러지와 석재슬러지는 1:1의 중량비로 혼합됨이 바람직하다.
특히, 유기성슬러지와 석재슬러지는 각각 수분함량이 20~35%로 유지한 채 혼합하거나 혹은 혼합된 상태에서 혼합된 원료의 수분함량이 10~15%가 되도록 건조하는 것이 바람직하다.
이렇게 하는 이유는 건조시 소비되는 에너지 및 건조시간이 지연됨으로 인해 발생하는 불필요한 낭비를 막고, 저비중, 저흡수율 등의 물성이 우수한 경량골재를 만들기 위함이다.
또한, 성형을 위해 물을 첨가할 때는 혼합물과 물이 7:3의 중량비로 혼합되도록 하여 성형성을 좋게 함이 바람직하다.
아울러, 소각재는 각종 슬러지 소각재 및 도시산업 쓰레기 등을 소각하고 남은 제반 소각재 및 비산재 등을 말하며, 이들은 현재 폐기물로 분류되고 있으며 매립 및 고화처리 후 매립 등에 의해 대부분 처리되고 있는 실정이지만 본 발명에서 활용할 경우 유기성슬러지의 상대적인 함수율 저감과 더불어 소성시 치밀소결에 의해 경량골재의 강도를 증가시킬 수 있다.
특히, 소각재(비산재 포함)는 준비된 원료 80중량%에 대해 20중량%로 첨가되며, 소각재가 투입될 경우 누들 형태의 성형물을 디스크에 투입 후 고속으로 회전시키면 누들 형태의 성형물이 디스크 내부 배출구에 돌출되어 있는 부분과 부딪치며 낱알갱이 형태로 부서지며, 이 부서진 낱알갱이는 고속회전에 의해 구형의 성형체, 즉 펠릿 형태로 제조된다.
이때, 압출성형기를 통해 누들 형태의 성형물을 뽑을 때 노즐 또는 몰드 크기를 조절함으로써 골재의 크기를 조절할 수 있고 건조과정 중 성형강도를 확보할 수 있어 컨베이어 이송시 깨지지 않으므로 원활한 조업이 가능하다.
한편, 상기 표면코팅단계에서 석재슬러지는 SiO2의 공급원으로 석영과 장석류를 주성분으로 이루어진다. 이러한 폐 석재슬러지는 채석장이나 원석의 절단과정에서 발생되는 폐석분과 슬러지 등 채취하고, 경량골재의 부재료의 원료로 쓰여 강도를 보강하며, 융착을 시키기에 많은 광물을 포함하고 있다.
이 경우, 석재슬러지로 코팅한다는 말은 성형체 표면에 석재슬러지를 뿌려 준다는 것을 의미한다.
뿐만 아니라, 석재슬러지는 고온 소성시 골재의 강도가 현저하게 증가하기에 유기성슬러지 폐기물 및 석재슬러지 폐기물을 다량 사용함에 따라 고온 소성시 골재끼리의 융착 및 킬른 내부에 융착이 심하게 발생하는 현상을 방지하기도 한다.
이와 같은 석재 슬러지원료는 석영, 장석질, 운모 등 비가소성 물질이 대부분으로 제조시 혼합하여 사용할 경우 경량골재의 유리질이 제대로 형성되어 강도가 우수하고 흡수율이 낮은 경량골재를 얻을 수 있다.
특히, 석재슬러지에 의해 성형체의 표면에 생기는 피막, 즉 코팅은 약 100~200㎛ 정도의 두께로 두께로 코팅되며 계속되는 굴림 동작에 의해 성형체의 조직이 치밀화된다.
그리고, 펠렛화된 성형체를 200℃ 이하의 온도에서 건조하여 전체 함수율이 10% 이하가 되도록 한다.
아울러, 소결단계는 터널식 킬른 내에서 고온으로 소성하는 방식ㅇ로 이루어진다. 이 경우, 킬른에서 소성에 사용되는 세라믹용기로 알루미나, 뮬라이트, 마그네시아, 내화 점토 등의 혼합물로 제조된 것이 사용될 수 있다.
특히, 성형체 내부에 발포가 일어나고 외주면에 용융 피막이 형성하기 위해 1100~1250℃에서 터널킬른 내에 투입되어 여러 시간 동안 그 내부를 따라 이동하면서 다른 영역들 및 온도들을 통과케 소성하여야 원하는 물성을 갖는 경량골재를 만들 수 있게 된다.
이때, 소결온도가 1100℃ 미만인 경우 터널킬른 내에서 경량골재가 미반응을 나타내어 비중 및 흡수율이 높고 강도가 낮은 골재가 제조되고, 1250℃ 초과인 경우 연료비 등의 소비가 상승하여 제조비용이 상승되고, 과소결, 과발포 및 부분 용융현상이 나타나 물성이 좋지 못한 골재를 얻어 경량골재로서 사용하기 어렵다.
덧붙여, 소성공정 후 냉각공정을 행할 수 있다. 골재의 냉각은 속도를 천천히 할수록 골재의 강도는 증가하나 생산성과 직결되므로 공냉식 냉각기를 통과시켜 취급이 용이한 상태로 배출시켜 선별대상물을 크기별로 선별할 시, 선별하고자 하는 크기마다 대응되는 메쉬의 크기를 다양하게 조절하여 선별대상물을 다양한 크기로 선별할 수 있다.
선별기는 분쇄되어 호퍼로부터 낙하된 경량골재는 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 선별기는 프레임에 진동가능하게 설치된 선별본체의 바닥면으로부터 이격되어 선별대상물 중 선별된 선별대상물의 배출통로를 형성하도록 선별본체에 고정되는 메인스크린과 간격조절부에 의해 상기 메인스크린에 대해 상대 이동되어 선별대상물을 크기별로 선별하기 위한 서브스크린을 포함하는 적어도 하나의 선별스크린유닛과 상기 선별본체에 선별대상물을 이송 및 선별하기 위한 진동력을 제공하도록 상기 선별본체에 설치되는 진동유닛을 구비할 수 있다.
이때, 메인스크린은 상기 선별본체의 양측에 고정되는 제1,2고정프레임과, 제1선별살고정부에 의해 양단이 고정되며 제1,2고정프레임의 길이방향을 따라 다수개가 일정간격을 갖도록 설치되는 메인선별살을 구비하고, 상기 서브스크린은 상기 제1,2고정프레임에 슬라이딩 결합되는 제1,2슬라이딩프레임과, 제2선별살고정부에 의해 상기 제1,2슬라이딩프레임에 고정되며 제1,2슬라이딩프레임의 길이방향을 따라 다수개가 일정간격을 갖도록 설치되는 서브선별살을 구비하고, 상기 제1선별살고정부와 상기 제2선별살고정부는 동일편면상에 위치할 수 있다.
또한, 간격조절부는 상기 제1,2슬라이딩프레임과 나사결합되어 회전에 따라 상기 제1,2슬라이딩프레임을 정렬 이동되어질 수 있도록 바이브레이터에 의해 한 방향으로 진동되어짐과 동시에 경량골재가 정렬 이동하는 과정에서 경사진 아래로 미끄러짐이 발생하지 않고 전진 이동만이 가능하도록 하는 요철면이 형성되어 있는 선별망을 구비할 수 있다.
이에 더하여, 본 발명에서는 소결후 냉각전 150-200℃의 온도에서 내크랙강화제를 스프레이하는 소결체 강화단계가 더 수행될 수 있다.
이때, 상기 내크랙강화제는 물 100중량부에 대해, 수용성 폴리우레탄수지 30중량부, 트리페닐포스핀 5중량부와, 디메틸하이드로겐실란:2-프로판올:소디움바이카보네이트가 1:2:1의 중량비로 혼합된 혼합물 15중량부와, 비닐트리에톡시실란(VTEOS)을 5중량부 및 펄라이트(Pearlite) 미분 3중량부로 혼합 조성될 수 있다.
여기에서, 트리페닐포스핀은 경화성을 높이고, 내후성을 증대시켜 소결체의 표면 균질화를 유도하며; 디메틸하이드로겐실란:2-프로판올:소디움바이카보네이트가 1:2:1의 중량비로 혼합된 혼합물은 내부에 3차원 망상구조를 갖게 함으로써 폴리우레탄이 높은 가교밀도로 인해 일정기간 경과시에도 표면 박리와 내부 크랙을 억제하는 특성을 강화시킨다.
또한, 비닐트리에톡시실란(VTEOS)은 커플링에이전트로 작용하여 실록산 결합을 유도함으로써 인장강도와 파단신율 및 인열강도를 확보하며; 펄라이트는 화산에서 유래된 회백색의 규소성 광물질로써 불연성을 강화시키게 된다.
이렇게 구성된 소결체의 박리력(g/25mm)과 내크랙성을 테스트한 결과, 박리력은 65(스펙 45)로 확인되었으며, 밀착성은 극상, 상, 상하, 중상, 중, 중하, 하 중에서 극상으로 평가되었고; 충격강도가 높아 내크랙성도 우수한 것으로 확인되엇다.

Claims (2)

  1. 유기성슬러지 및 석재슬러지를 균일하게 리본 믹서에 투입하고 혼합하여 원료를 준비하는 원료준비단계; 준비된 원료와 소각재를 스크류피더로 고속혼합기에 정량 공급하고 믹싱하는 혼합단계; 혼합된 분말에 물을 첨가한 후 구형으로 입상화하여 성형체를 만드는 성형단계; 성형된 성형체 표면에 석재슬러지로 코팅하는 표면코팅단계; 표면코팅된 성형체를 건조하여 수분함량을 10% 이내로 유지하는 건조단계; 건조된 성형물을 1100-1250℃에서 소성시켜 성형물의 내부에서 발포가 발생하고 외주면에 석재슬러지에 함유된 SiO2에 의한 용융 피막이 형성되게 하는 소결단계;를 포함하는 유기성슬러지와 석재슬러지를 복합적으로 이용한 경량골재 제조방법에 있어서;
    상기 원료준비단계에서, 유기성슬러지와 석재슬러지는 1:1의 중량비로 혼합되고; 상기 혼합단계에서, 준비된 원료와 소각재는 8:2의 중량비로 투입되며; 상기 성형단계에서 성형을 위해 물을 첨가할 때 혼합물과 물은 7:3의 중량비로 혼합되고;
    상기 소결단계 후 냉각되기 전에 150-200℃의 온도에서 내크랙강화제를 스프레이하는 소결체 강화단계를 더 수행하되, 상기 내크랙강화제는 물 100중량부에 대해, 수용성 폴리우레탄수지 30중량부, 트리페닐포스핀 5중량부와, 디메틸하이드로겐실란:2-프로판올:소디움바이카보네이트가 1:2:1의 중량비로 혼합된 혼합물 15중량부와, 비닐트리에톡시실란(VTEOS)을 5중량부 및 펄라이트(Pearlite) 미분 3중량부로 혼합 조성된 것을 특징으로 하는 유기성슬러지와 석재슬러지를 복합적으로 이용한 경량골재 제조방법.
  2. 삭제
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