KR102444775B1 - 폐콘크리트 미분을 이용한 침강성 탄산칼슘의 제조방법 - Google Patents

폐콘크리트 미분을 이용한 침강성 탄산칼슘의 제조방법 Download PDF

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Abstract

개시된 내용은, 건축폐기물인 폐콘크리트 미분을 재활용함으로써 환경보호에 기여하면서도 제조비용은 절감할 수 있는 폐콘크리트 미분을 이용한 침강성 탄산칼슘의 제조방법에 관한 것이다.
이러한 폐콘크리트 미분을 이용한 침강성 탄산칼슘의 제조방법은 (a) 폐콘크리트 미분을 분쇄하여 폐콘크리트 분말을 제조하는 단계, (b) 상기 폐콘크리트 분말을 물에 용해시키고, 제1 용해액과 잔사를 분리하는 단계, (c) 상기 잔사를 산용액에 용해시키고, 제2 용해액과 잔사를 분리하는 단계, (d) 상기 제1 용해액 및 상기 제2 용해액에 산화제 및 응집제를 첨가하여 금속염을 침전시키고 침출모액을 수득하는 단계, (e) 상기 침출모액에 중금속제거제 및 pH조절제를 첨가하여 잔존 금속염을 침전 및 분리시켜 칼슘모액을 수득하는 단계, (f) 상기 칼슘모액과 이산화탄소를 적어도 2회 이상 다단 탄산화 반응시키는 단계, 및 (g) 상기 탄산화 반응에 의해 생성된 탄산칼슘 슬러리를 여과 및 건조하여 침강성 탄산칼슘을 수득하는 단계를 포함한다.

Description

폐콘크리트 미분을 이용한 침강성 탄산칼슘의 제조방법 {MANUFACTURING METHOD OF PRECIPITATED CALCIUM CARBONATE USING WASTE CONCRETE POWDER}
본 명세서에 개시된 내용은 폐콘크리트 미분을 이용한 침강성 탄산칼슘의 제조방법에 관한 것이다.
본 명세서에서 달리 표시하지 않는 한, 이 섹션에 설명되는 내용들은 이 출원의 청구항들에 대한 종래 기술이 아니며, 이 섹션에 포함된다고 하여 종래 기술이라고 인정되는 것은 아니다.
일반적으로 순환골재는 파쇄, 마쇄 공정을 포함하고 있으므로 목표로 하는 순환골재 외에도 필연적으로 미분이 발생하게 된다. 이들은 콘크리트의 재활용 과정에서 발생하는 2차적인 부산물이며, 일반적인 순환골재 생산공정의 경우 원재료의 약 7%가 발생하지만 고품질 순환골재 생산과정에서는 그 비율이 증가하여 40%에 육박하는 경우도 있다. 보통 40mm의 순환 굵은 골재를 이용하여 5mm의 골재를 제조할 수 있도록 파쇄, 마쇄, 선별, 건조 등의 공정으로 구성되어 있다. 미분의 발생량은 시간당 40톤의 굵은 골재가 투입되면, 대략적으로 잔골재는 30톤(75%), 미분은 9.48톤(23.7%), 이물질이 0.52톤(1.3%)이 발생된다. 2019년 1억톤 이상의 산업폐기물(사업장폐기물)이 국내에서 발생되었으며, 이 중 60% 이상인 8천톤이 도시 재개발과 건축물의 해체 및 신축과정에서 발생되는 건설 폐기물이 차지하였다. 이 건설폐기물 중 대부분은 폐콘크리트로서 건설폐기물의 62.3%인 약 5천만톤이 발생하여 폐콘크리트 내 굵은 골재는 회수되어 재생골재로 재활용되고 있으나 폐콘크리트 발생량의 50%에 해당되는 3천만 톤의 시멘트 미분은 재활용되지 못하고 매립 처분되고 있는 실정이다.
이러한 시멘트 미분을 재활용하는 기술로 특허문헌 1에는 폐콘크리트 미분말을 이용한 이산화탄소 고정화 방법이 개시되어 있다.
그러나 특허문헌 1에서는 폐콘크리트 미분말에 황 및 이산화탄소를 압력을 가해 분사하는 방식으로 고정화하고, 이를 외부로 배출하기 때문에 대기오염은 개선할 수 있기는 하나 토양오염 문제는 여전히 존재하고, 탄산화 과정에서 발생되는 광물 탄산화 물질을 안정적으로 얻지 못하는 문제점이 있다.
대한민국 등록특허 제10-1419315호(2014.07.30)
폐콘크리트 미분을 활용함으로써 토양오염 문제를 개선하면서도 품질, 경제성 및 생산성을 만족시킬 수 있는 폐콘크리트 미분을 이용한 침강성 탄산칼슘의 제조방법을 제공하고자 한다.
또한 상술한 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 이하의 설명으로부터 또 다른 기술적 과제가 도출될 수도 있음은 자명하다.
개시된 내용의 일 실시예에 의하면, 폐콘크리트 미분을 이용한 침강성 탄산칼슘의 제조방법은 (a) 폐콘크리트 미분을 분쇄하여 폐콘크리트 분말을 제조하는 단계, (b) 상기 폐콘크리트 분말을 물에 용해시키고, 제1 용해액과 잔사를 분리하는 단계, (c) 상기 잔사를 산용액에 용해시키고, 제2 용해액과 잔사를 분리하는 단계, (d) 상기 제1 용해액 및 상기 제2 용해액에 산화제 및 응집제를 첨가하여 금속염을 침전시키고 침출모액을 수득하는 단계, (e) 상기 침출모액에 중금속제거제 및 pH조절제를 첨가하여 잔존 금속염을 침전 및 분리시켜 칼슘모액을 수득하는 단계, (f) 상기 칼슘모액과 이산화탄소를 적어도 2회 이상 다단 탄산화 반응시키는 단계, 및 (g) 상기 탄산화 반응에 의해 생성된 탄산칼슘 슬러리를 여과 및 건조하여 침강성 탄산칼슘을 수득하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 (a)단계에서 폐콘크리트 분말의 평균입경은 0.1~0.8mm일 수 있다.
또한, 상기 (d)단계에서 산화제는 차아염소산나트륨, 과산화수소 및 염소산 중에서 선택되는 하나 이상일 수 있다.
또한, 상기 (d)단계에서 응집제는 폴리아크릴아미드, 황산철 및 염화철 중에서 선택되는 하나 이상일 수 있다.
또한, 상기 (e)단계에서 중금속제거제는 황화수소나트륨 및 황화나트륨 중에서 선택되는 하나 이상일 수 있다.
또한, 상기 (e)단계에 상기 (b)단계에서 분리된 제1 용해액을 공급하여 pH를 9~11의 범위로 조절할 수 있다.
본 명세서에 개시된 일 실시예에 따르면, 폐콘크리트 미분을 이용한 침강성 탄산칼슘의 제조방법은 건축폐기물인 폐콘크리트 미분을 재활용함으로써 환경보호에 기여하면서도 제조비용은 절감할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 명세서에 개시된 내용의 일 실시예에 따른 폐콘크리트 미분을 이용한 침강성 탄산칼슘의 제조방법을 설명하기 위한 공정도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 개시된 내용의 바람직한 실시예의 구성 및 작용 효과에 대하여 살펴본다. 참고로, 이하 도면에서, 각 구성요소는 편의 및 명확성을 위하여 생략되거나 개략적으로 도시되었으며, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 반영하는 것은 아니다. 또한 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭하며 개별 도면에서 동일 구성에 대한 도면 부호는 생략하기로 한다.
이하, 본 명세서에 개시된 내용의 일 실시예에 따른 폐콘크리트 미분을 이용한 침강성 탄산칼슘의 제조방법을 도면에 따라 상세하게 설명한다.
도 1은 본 명세서에 개시된 내용의 일 실시예에 따른 폐콘크리트 미분을 이용한 침강성 탄산칼슘의 제조방법을 설명하기 위한 공정도이다.
도 1을 참조하면, 우선, 폐콘크리트 미분을 분쇄하여 폐콘크리트 분말을 제조한다(S10).
본 실시예의 주원료인 폐콘크리트 미분은 폐콘크리트를 순환골재로 제조하는 과정에서 발생되는 5mm 이하의 분진을 통칭하며, 대략적으로는 SiO2 35~55%, CaO 15~35%, Al2O3 10 %, T-Fe 3%, 및 MgO 1.7%로 구성될 수 있다. 이러한 폐콘크리트 미분은 하기에서 후술할 물에 칼슘성분이 보다 용이하게 용해될 수 있도록 볼 밀(Ball mill), 레이몬드 밀(Raymond mill), 해머 밀(Hammer mill), 아크리션 밀(Attrition mill), 제트 밀(Jet mill), 회전 밀(Rotary mill) 및 진동 밀(Vibration mill) 중에서 선택되는 하나 이상의 장비를 이용하여 습식분쇄공정에 의해 분쇄될 수 있다. 이렇게 분쇄된 폐콘크리트 분말은 0.1~0.8mm, 바람직하게는 0.3~0.6mm의 평균입경을 가질 수 있는데, 이는 폐콘크리트 분말의 평균입경이 0.1mm 미만이면, 취급이 어려울 뿐만 아니라 공기 중으로 분산되어 손실되는 양이 많아질 수 있고, 0.8mm를 초과하면, 폐콘크리트 분말이 물과 접촉하는 표면적이 적어 칼슘성분의 용해율이 낮을 수 있으므로 바람직하지 못하다. 그러므로 폐콘크리트 분말 중 칼슘성분이 물에 보다 효율적으로 용해될 수 있도록 폐콘크리트 미분의 평균입경이 0.1~0.8mm의 범위를 만족하도록 분쇄하는 것이 바람직하다. 한편, 폐콘크리트 미분의 평균입경이 0.1~0.8mm 범위라면 분쇄하는 단계를 생략하여도 무방하다.
폐콘크리트 미분을 분쇄한 이후에 체를 이용하여 0.1~0.8mm의 평균입경을 갖는 폐콘크리트 분말만을 선별하는 단계를 더 실시할 수 있으며, 0.8mm의 범위를 초과하는 폐콘크리트 분말은 0.1~0.8mm의 평균입경 범위를 갖도록 더 분쇄하는 작업을 실시할 수 있다. 이와 같이 선별단계를 더 실시함에 따라 S20단계에서 칼슘성분의 용해율이 더욱 높아질 수 있다.
그 다음 폐콘크리트 분말을 물에 용해시키고, 제1 용해액과 잔사를 분리한다(S20).
상기 S10단계에서 제조된 폐콘크리트 분말을 물, 바람직하게는 15~35℃의 미온수에 투입한 후 슬러리화하면 알칼리 상태에서 용해되는 칼슘성분을 폐콘크리트 분말로부터 용출시킬 수 있고, 용해는 적어도 2회 이상 실시할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 슬러리는 데칸터(decanter) 원심분리기를 이용하여 제1 용해액과 잔사로 분리할 수 있는데, 이때 슬러리 잔사의 함수율은 40~60%일 수 있다. 예컨대 제1 용해액의 pH는 칼슘이온의 영향으로 12~13 범위일 수 있으며, 칼슘성분의 용해율은 폐콘크리트 분말 및 상태에 따라 유동적이기는 하나 대체로 30~50%일 수 있다.
그 후, 잔사를 산용액에 용해시키고, 제2 용해액과 잔사를 분리한다(S30).
상기 S20단계에서 분리된 잔사에 산용액, 바람직하게는 염산(HCl), 가장 바람직하게는 폐염산을 잔사의 당량대비 약 2배수로 투입한 후 슬러리화하여 상기 물에 미용해된 칼슘 및 마그네슘성분을 용해시킴으로써 칼슘모액의 수득이 가능할 수 있다. 산용액의 투입량은 잔사에 포함된 칼슘 및 마그네슘 함유량에 대해 이온평형을 이룰 수 있도록 조절하는 것이 바람직하다. 예컨대 슬러리는 제2 용해액과 잔사로 분리할 수 있는데, 이때 제2 용해액의 pH는 1~3 범위일 수 있다.
예컨대 본 실시예에서는 폐콘크리트 분말을 물과 산용액에 순차적으로 용해시킴으로써 칼슘성분의 용해율을 높일 수 있다. 또한, 미용해된 잔사만을 산용액에 용해시키므로 용해효과를 높임과 동시에 염산과 같은 화학약품의 소비량은 최소화할 수 있다.
그리고, 제1 용해액 및 제2 용해액에 산화제 및 응집제를 첨가하여 금속염을 침전시키고 침출모액을 수득한다(S40).
상기 S20단계 및 상기 S30단계에서 각각 분리된 제1 용해액 및 제2 용해액에 산화제 및 응집제를 첨가하여 철, 마그네슘과 같은 금속염을 침출시키고 침출모액을 수득할 수 있으며, 이때 침출모액의 pH는 5~9 범위일 수 있다.
상기 산화제로는 차아염소산나트륨(NaOCl), 과산화수소(H2O2) 및 과염소산(HClO3) 중에서 선택되는 하나 이상을 사용할 수 있고, 상기 응집제로는 폴리아크릴아미드(Polyacrylamide), 황산철(FeSO4) 및 염화철(FeCl2) 중에서 선택되는 하나 이상을 사용할 수 있다.
한편, S40단계는 다단계로 구성된 복수의 침출조에서 연속적으로 순환되면서 실시될 수 있으며, 침출조에서의 체류시간을 높임으로써 침출율을 높일 수 있다. 예컨대 첫단에 위치된 침출조에는 산화제 및 응집제를 공급하여 제1 용해액과 제2 용해액 내에 포함된 철, 마그네슘 등을 침전시킬 수 있고, 말단에 위치된 침출조에는 세척수를 공급하여 잔사를 세척함으로써 잔사에 묻어나가는 침출모액이 없도록 할 수 있다.
그 다음, 침출모액에 중금속제거제 및 pH조절제를 첨가하여 잔존 금속염을 침전 및 분리시켜 칼슘모액을 수득한다(S50).
상기 S40단계에서 수득된 침출모액에 중금속제거제 및 pH조절제를 첨가하여 미량 또는 일부 잔존 금속염을 침전 및 분리시켜 칼슘모액을 수득할 수 있으며, 이때, 칼슘모액의 pH는 pH조절제 및 상기 S20단계에서 분리된 제1 용해액의 공급에 의해 9~11로 조절될 수 있다. 또한, 칼슘모액의 농도는 1~5mol일 수 있다.
pH조절제로는 암모니아수(NH4OH)를 사용할 수 있고, 중금속제거제로는 황화수소나트륨(NaHS) 및 황화나트륨(Na2S) 중에서 선택되는 하나 이상을 전체 중량%에 대하여 0.01~0.2중량% 첨가할 수 있다. 이때 첨가되는 중금속제거제의 함량이 0.2중량%를 초과하면 경제성에 영향을 미칠 수 있으며 잔류 황화물로 인해 환경오염문제가 발생될 수 있으므로 상기 언급한 범위를 만족하는 것이 바람직하다.
그 다음 칼슘모액과 이산화탄소를 적어도 2회 이상 다단 탄산화 반응시킨다(S60).
상기 S50단계에서 수득된 칼슘모액과 이산화탄소를 적어도 2회 이상 다단 탄산화 반응시켜 탄산칼슘 슬러리를 생성할 수 있으며, 이때 탄산화 반응은 탄산화 반응 장치에 의해 실시될 수 있다. 상기 이산화탄소로는 배기가스 중 이산화탄소를 회수하여 사용할 수 있으며, 상기 회수된 이산화탄소는 습식세정탑을 이용하여 이산화탄소 내 이물질을 제거하고 냉각시킨 후 자체 순환하는 방식으로 포집하여 정제한 다음 탄산화 반응에 사용할 수 있다. 따라서 이산화탄소의 대기 배출을 최소화하여 환경은 보전하면서도 제조비용은 절감할 수 있다.
탄산화 반응 장치는 칼슘모액을 저장하며, 상기 칼슘모액과 이산화탄소가 탄산화 반응하는 반응컬럼, 상기 반응컬럼에 연결되고, 반응컬럼에서 미반응된 칼슘모액과 이산화탄소가 연속적으로 탄산화 반응하는 복수의 반응조, 및 상기 반응컬럼에서 미반응된 이산화탄소를 회수하여 별도의 잉여 이산화탄소를 처리하기 위한 예비 반응조로 구성될 수 있다.
상기 이산화탄소는 칼슘모액의 미반응 농도와 관계없이 반응이 완결된 역순으로 이산화탄소가 연속적으로 투입됨으로써 침강성 탄산칼슘의 반응 완결도를 최대한으로 높일 수 있다. 또한, 다단으로 진행되므로 회수되는 이산화탄소 외에 별도로 외부로부터 이산화탄소를 공급하지 않아도 탄산화 반응의 완결이 가능하며 이산화탄소의 손실을 최소화할 수 있다.
마지막으로, 탄산칼슘 슬러리를 여과 및 건조한다(S70).
상기 S60단계에서 탄산화 반응에 의해 생성된 탄산칼슘 슬러리를 여과 및 건조하여 침강성 탄산칼슘을 수득하고 염화암모늄 용액(NH4Cl)은 회수할 수 있다. 상기 여과 이후에는 탄산칼슘 슬러리가 10~30%의 수분함량을 갖는 탄산칼슘 케이크 형태일 수 있고, 건조는 건조기(Spin flesh dryer)에서 105~120℃의 온도 조건으로 실시될 수 있다.
개시된 내용은 예시에 불과하며, 특허청구범위에서 청구하는 청구의 요지를 벗어나지 않고 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 다양하게 변경 실시될 수 있으므로, 개시된 내용의 보호범위는 상술한 특정의 실시예에 한정되지 않는다.

Claims (6)

  1. (a) 폐콘크리트 미분을 분쇄하여 폐콘크리트 분말을 제조하는 단계;
    (b) 상기 폐콘크리트 분말을 물에 용해시키고, 제1 용해액과 잔사를 분리하는 단계;
    (c) 상기 잔사를 산용액에 용해시키고, 제2 용해액과 잔사를 분리하는 단계;
    (d) 상기 제1 용해액 및 상기 제2 용해액에 산화제 및 응집제를 첨가하여 금속염을 침전시키고 침출모액을 수득하는 단계;
    (e) 상기 침출모액에 중금속제거제 및 pH조절제를 첨가하여 잔존 금속염을 침전 및 분리시켜 칼슘모액을 수득하는 단계;
    (f) 상기 칼슘모액과 이산화탄소를 적어도 2회 이상 다단 탄산화 반응시키는 단계; 및
    (g) 상기 탄산화 반응에 의해 생성된 탄산칼슘 슬러리를 여과 및 건조하여 침강성 탄산칼슘을 수득하는 단계;를 포함하고,
    상기 (d)단계에서 응집제는 폴리아크릴아미드, 황산철 및 염화철 중에서 선택되는 하나 이상이며, 상기 (e)단계에서 중금속제거제는 황화수소나트륨 및 황화나트륨 중에서 선택되는 하나 이상이고, pH조절제는 암모니아수인 것을 특징으로 하는 폐콘크리트 미분을 이용한 침강성 탄산칼슘의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 (a)단계에서 폐콘크리트 분말의 평균입경은 0.1~0.8mm인 것을 특징으로 하는 폐콘크리트 미분을 이용한 침강성 탄산칼슘의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 (d)단계에서 산화제는 차아염소산나트륨, 과산화수소 및 염소산 중에서 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 폐콘크리트 미분을 이용한 침강성 탄산칼슘의 제조방법.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 (e)단계에 상기 (b)단계에서 분리된 제1 용해액을 공급하여 pH를 9~11의 범위로 조절하는 것을 특징으로 하는 폐콘크리트 미분을 이용한 침강성 탄산칼슘의 제조방법.
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