KR102453854B1 - 광산배수슬러지와 정수슬러지를 포함하는 흡착제 제조방법 및 이를 통해 제조된 흡착제 - Google Patents

광산배수슬러지와 정수슬러지를 포함하는 흡착제 제조방법 및 이를 통해 제조된 흡착제 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광산배수 처리과정에서 발생하는 광산배수슬러지와 정수 처리과정에서 발생하는 알루미늄계 슬러지를 이용한 흡착제를 제조하는 과정에서 광산배수슬러지로부터 추출되는 철성분이 정수슬러지에 함침 및 코팅되도록 하여 정수슬러지의 철성분 함량을 증대시킴으로써 산성 및 염기성 가스의 제거 효율을 높일 수 있도록 하는 광산배수슬러지와 정수슬러지를 포함하는 흡착제 제조방법 및 이를 통해 제조된 흡착제에 관한 것이다.
본 발명의 구성은, 정수슬러지를 필터프레스로 압착하여 압착정수슬러지를 제조하는 제1단계; 광산배수슬러지를 건조한 뒤 염산, 황산 또는 질산 용액에 투입하여 용해시켜 광산배수용액을 제조하는 제2단계; 상기 광산배수용액과 압착정수슬러지를 2:1의 중량비로 혼합하고, 수열반응기에 넣어 1일동안 슬러리 상태로 교반시킨 다음, 2일동안 숙성시켜 합성슬러리용액을 제조하는 제3단계; 상기 합성슬러리용액에 침전제로서 수산화칼슘을 투입하여 잔존하는 철 물질들을 표면에 고르게 침적시킨 다음, 고형분을 인출하여 건조시키는 제4단계; 밀링기를 통해 건조된 상기 고형분을 분쇄한 다음, 공정수를 투입하여 반죽상의 혼합물을 제조하는 제5단계; 및 상기 반죽상의 혼합물을 성형 및 소성하여 흡착제를 제조하는 제6단계;를 포함한다.

Description

광산배수슬러지와 정수슬러지를 포함하는 흡착제 제조방법 및 이를 통해 제조된 흡착제{Method for manufacturing an adsorbent comprising mine drainage sludge and water treatment sludge and adsorbent manufactured through the same}
본 발명은 광산배수슬러지와 정수슬러지를 포함하는 흡착제 제조방법 및 이를 통해 제조된 흡착제에 관한 것으로, 구체적으로는 광산배수 처리과정에서 발생하는 광산배수슬러지와 정수 처리과정에서 발생하는 알루미늄계 슬러지를 이용한 흡착제를 제조하는 과정에서 광산배수슬러지로부터 추출되는 철성분이 정수슬러지에 함침 및 코팅되도록 하여 정수슬러지의 철성분 함량을 증대시킴으로써 산성 및 염기성 가스의 제거 효율을 높일 수 있도록 하는 광산배수슬러지와 정수슬러지를 포함하는 흡착제 제조방법 및 이를 통해 제조된 흡착제에 관한 것이다.
일반적으로 하수처리장, 소각장, 음식물쓰레기처리시설 또는 매립장 등과 같이 우리 생활에 필요한 환경기초시설이 혐오시설로 인식되고 있고, 특히 환경기초시설에서 발생하는 대기오염물질과 악취가 지역 주민들로부터 발생하는 민원의 원인이 되고 있다.
악취란 불쾌한 냄새를 일컫는 것으로서, 사람의 정신 및 신경계통을 자극하여 정서생활과 건강 측면에서 피해를 주는 것을 말하고, 암모니아, 메틸머캅탄, 황화수소, 황화메틸, 이황화메틸, 트리메틸아민, 아세트알데히드 또는 스틸렌 등은 법적 규제물질로 정하여 단속하고 있다.
악취물질은 pH에 따라 염기성계, 산성계 및 중성계로 구분될 수 있는데, 예를 들어 암모니아 및 트리메틸아민은 염기성계에 속하고, 황화수소, 메틸머캅탄, 프로피온산, 노르말부틸산 또는 이소발레르산 등은 산성계에 속하며, 황화메틸, 이황화메틸 또는 아세트알데히드 등은 중성계에 속한다.
이러한 악취유발 물질을 효율적으로 제거하기 위해서는 흡착탑이 많이 사용되는데, 암모니아, 메틸머캅탄, 황화수소, 황화메틸, 이황화메틸, 트리메틸아민, 아세트알데히드 또는 스틸렌 등과 같은 물질은 다른 방법보다도 간편하고 제거효율이 우수한 흡착탑에 의해 많이 제거되며, 흡착탑에 충진되어 악취유발 물질을 효율적으로 제거하는데 기존에는 활성탄이나 제올라이트와 같은 고가의 흡착제가 많이 사용되어 왔다.
산업화와 더불어 가정, 공장, 자동차 또는 발전소 등에서 발생되는 대기배출 오염원의 종류가 다양해지고 있어 점차 인체에 유해한 대기 오염물질에 대한 관심도가 높아지고 있는데, 특히 하수 및 분뇨 처리장의 주요 악취 유발가스는 황화수소와 암모니아로 알려져 있다.
이러한 악취 유발가스를 탈취하기 위한 방법으로 활성탄 및 제올라이트가 개발되어 사용되고 있으나, 구입비용 및 유지관리비가 많이 소요되고, 흡착제의 흡착능 단축으로 인해 사용시간이 짧아지는 문제점 등이 있어, 이를 보완할 수 있는 저비용 고효율의 흡착제 개발이 절실히 요구되고 있는 실정이다.
아울러, 광물을 채광하기 위하여 굴착하는 지하암반에 포함된 황화광물이 산소 및 물에 노출되면서 산화작용에 의해 주변 자연수의 pH를 낮추게 됨에 따라 산성화된 물과 접하는 광물들로부터 철을 포함한 각종 유해 중금속들이 용출된다.
이러한 중금속은 자연계 및 수생태계에 악영향을 주기 때문에 이를 해결하기 위해 정화공정을 도입하였고, 이 정화공정의 부산물로 중금속을 함유하는 광산배수슬러지가 다량 발생하게 된다.
광산배수슬러지는 발생 지역에 따라서 조성이 다르지만 대체적으로 중화침전을 통해, Fe(OH)3ㆍnH20 또는 FeOOHㆍnH20의 수산화물 형태로 구성된다.
이러한 수산화물 형태의 광산배수슬러지는 대략 90wt% 이상의 함수율을 갖는데, 물리적 수분제거(예를 들어, 필터프레스 공정 등)를 통해서 대략 70wt% 미만으로 함수율을 조정하기 어렵기 때문에, 매립 이외에는 큰 대안이 없는 상황이지만, 매립 자체도 높은 함수율로 인해 곤란한 실정이어서 광산배수슬러지의 재활용을 위한 방법의 강구가 요구되고 있다.
한편, 정수장에서 발생하는 슬러지는 하수슬러지와 달리 유해물의 함유량이 적고 점토와 유사한 성상을 가지고 있어서 재활용을 위한 연구가 다방면에서 진행되어 왔으며, 그 일례로 건축용 벽돌로 활용하는 방안이 제시되기도 했었다.
정수장 슬러지의 화학적 성분은 대부분 실리카(SiO2), 알루미나(Al203)로 이루어져 있으며, 그 밖에 미량금속이 존재하는 것으로 보고되어 있고, 이러한 화학 조성상 정수슬러지를 각종 유해 중금속의 흡착제거에 이용할 수 있는 흡착제로 재활용하기 위한 기술들이 제안되고 있다.
대한민국 등록특허공보 제10-1790740호(2017.10.27. 공고) 대한민국 등록특허공보 제10-1466327호(2014.12.11. 공고)
본 발명의 목적은 광산배수슬러지와 정수슬러지를 재활용할 수 있도록 함을 근간으로 하여 광산배수 처리과정에서 발생하는 광산배수슬러지와 정수 처리과정에서 발생하는 알루미늄계 슬러지를 이용한 흡착제를 제조하는 과정에서 광산배수슬러지로부터 추출되는 철성분이 정수슬러지에 함침 및 코팅되도록 하여 정수슬러지의 철성분 함량을 증대시킴으로써 산성 및 염기성 가스의 제거 효율을 높일 수 있도록 하는 광산배수슬러지와 정수슬러지를 포함하는 흡착제 제조방법 및 이를 통해 제조된 흡착제를 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 광산배수슬러지와 정수슬러지를 포함하는 흡착제 제조방법은, 정수슬러지를 필터프레스로 압착하여 압착정수슬러지를 제조하는 제1단계; 광산배수슬러지를 건조한 뒤 건조분말에 염산, 황산 또는 질산 용액에 투입하여 용해시켜 광산배수용액을 제조하는 제2단계; 상기 광산배수용액과 압착정수슬러지를 2:1의 중량비로 혼합하고, 수열반응기에 넣어 1일동안 슬러리 상태로 교반시킨 다음, 2일동안 숙성시켜 합성슬러리용액을 제조하는 제3단계; 상기 합성슬러리용액에 침전제로서 수산화칼슘을 투입하여 잔존하는 철 물질들을 표면에 고르게 침적시킨 다음, 고형분을 인출하여 건조시키는 제4단계; 밀링기를 통해 건조된 상기 고형분을 분쇄한 다음, 결합제와 공정수를 투입하여 반죽상의 혼합물을 제조하는 제5단계; 및 상기 반죽상의 혼합물을 성형 및 소성하여 흡착제를 제조하는 제6단계;를 포함한다.
상기 제1단계에서 압착정수슬러지는 함수율이 60 내지 70wt%일 수 있다.
상기 제2단계에서 건조 광산배수슬러지 분말의 함수율이 5 내지 10wt%일 수 있다.
상기 제3단계에서 슬러리 상태의 교반 및 숙성시 100℃의 온도 조건에서 이루어지도록 할 수 있다.
상기 제5단계에서 분쇄된 상기 고형분과 결합제로서 바인더를 8:2의 중량비로 혼합한 다음 공정수를 투입하여 혼합물을 제조하고, 상기 바인더는, 칼슘계 또는 나트륨계 벤토나이트이거나, 카올리나이트, 디카이트, 헬로이사이트, 몬모릴로나이트 또는 산성백토의 점토계 광물일 수 있다.
상기 제6단계에서 상기 반죽상의 혼합물을 압축식 비드형 성형기를 통해 직경 4 내지 10mm로 성형되고, 500℃의 온도 조건에서 1시간동안 소성할 수 있다.
상술한 광산배수슬러지와 정수슬러지를 포함하는 흡착제 제조방법을 통해 제조된 흡착제로서, 함수율 5 내지 10wt%의 건조 광산배수슬러지 30 내지 40중량부 및 함수율 60 내지 70wt%의 정수슬러지 60 내지 70중량부를 포함할 수 있다.
결합제로서 함수율 5wt%의 바인더 10 내지 30중량부를 더 포함하고, 상기 바인더는, 칼슘계 또는 나트륨계 벤토나이트이거나, 카올리나이트, 디카이트, 헬로이사이트, 몬모릴로나이트 또는 산성백토의 점토계 광물일 수 있다.
상술한 본 발명의 구성에 의하면, 광산배수슬러지와 정수슬러지를 재활용할 수 있게 됨은 물론 광산배수슬러지로부터 추출되는 철성분의 침적을 통해 철성분이 정수슬러지에 함침 및 코팅되어 정수슬러지의 철성분 함량이 증대됨으로써 산성(황화수소) 및 염기성(암모니아) 가스의 제거 효율을 높일 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 광산배수슬러지와 정수슬러지를 포함하는 흡착제 제조방법을 개략적으로 나타낸 플로우차트이다.
도 2는 본 발명에 따른 광산배수슬러지와 정수슬러지를 포함하는 흡착제 제조방법을 통해 제작된 흡착제의 사진이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 상술한 본 발명의 목적을 구현하기 위한 바람직한 실시 구성과 이들 구성에 따른 작용관계에 대하여 설명하겠으며, 종래와 동일 내지 동일 범주에 있는 기술구성에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
본 발명은 광산배수 처리과정에서 발생하는 광산배수슬러지와 정수 처리과정에서 발생하는 알루미늄계 슬러지를 이용한 흡착제를 제조하는 과정에서 광산배수슬러지로부터 추출되는 철성분이 정수슬러지에 함침 및 코팅되도록 하여 정수슬러지의 철성분 함량을 증대시킴으로써 산성 및 염기성 가스의 제거 효율을 높일 수 있도록 하는 광산배수슬러지와 정수슬러지를 포함하는 흡착제 제조방법 및 이를 통해 제조된 흡착제에 관한 것이다.
이를 위해 본 발명에 따른 광산배수슬러지와 정수슬러지를 포함하는 흡착제 제조방법은, 도 1에 나타낸 바와 같이, 제1단계 내지 제6단계를 포함한 구성으로 이루어질 수 있다.
[제1단계]
먼저, 제1단계는 압착정수슬러지를 제조하는 단계로서, 정수슬러지를 필터프레스 등으로 압착하여 함수율을 60 내지 70wt%로 낮추어 후술하는 제3단계의 수행을 준비하는 단계이다.
통상적으로 정수슬러지는 80 내지 90wt% 정도의 함수율을 가지고 있어 열처리시, 수분이 너무 많이 포함되어 있을 경우, 표면 활성화가 어렵기 때문에 상술한 바와 같이 함수율을 낮추는 공정이 필수적으로 수반된다.
[제2단계]
다음으로, 제2단계는 함수율이 높은 광산배수슬러지를 건조하여 5 내지 10wt%의 함수율을 갖는 건조 광산배수슬러지를 분쇄하여 분말 형태로 염산, 황산 또는 질산 용액에 투입하여 용해시켜 광산배수용액을 제조하는 단계로서, 바람직하게는 염산 용액에 건조 광산배수슬러지 분말을 투입하여 광산배수용액을 제조할 수 있다.
[제3단계]
다음으로, 제3단계는 제2단계에서 제조된 광산배수용액과 제1단계에서 제조된 압착정수슬러지를 2:1의 중량비로 혼합하고, 수열반응기에 넣어 1일동안 슬러리 상태로 교반시킨 다음, 2일동안 숙성시켜 합성슬러리용액을 제조하는 단계이다.
이때, 광산배수용액과 압착정수슬러지로 이루어진 슬러리 상태의 혼합물을 교반 및 숙성시킬 때, 100℃의 온도 조건에서 이루어지도록 한다.
[제4단계]
다음으로, 제4단계는 제3단계를 통해 제조된 합성슬러리용액에 침전제로서 수산화칼슘(Ca(OH)2)을 투입하여 잔존하는 철 이온들을 표면에 고르게 침적시킨 다음, 고형분을 인출하여 건조시키는 단계이다.
[제5단계]
다음으로, 제5단계는 제4단계를 통해 건조된 고형분을 밀링기를 통해 분쇄한 다음, 공정수를 투입하여 반죽상의 혼합물을 제조하는 단계이다.
이때, 건조된 상기 고형분을 200㎛ 내외의 작은 크기로 분쇄하여 케이크 형상을 이루도록 한 상태에서 공정수를 투입할 수 있다.
그리고, 분쇄된 고형분과 바인더(결합제)를 8:2의 중량비로 혼합한 다음 공정수를 투입하여 혼합물을 제조할 수 있는데, 여기에서 바인더는 칼슘계 또는 나트륨계 벤토나이트이거나, 카올리나이트, 디카이트, 헬로이사이트, 몬모릴로나이트 또는 산성백토의 점토계 광물이 적용될 수 있다.
아울러, 공정수는 분쇄된 고형분과 바인더의 혼합물과 0.5(공정수):1 내지 2(공정수):1의 중량비로 투입될 수 있고, 바람직하게는 분쇄된 고형분과 바인더의 혼합물과 1:1의 중량비로 투입될 수 있으며, 혼합비율은 투입된 바인더가 수분 흡수를 통해 분쇄된 고형분 사이에서의 결합제 역할을 하기 위함이다.
[제6단계]
다음으로, 제6단계는 제5단계를 통해 제조된 반죽상의 혼합물을 성형 및 소성하여 철성분의 함량이 증대되고 흡착제의 표면과 내부에 철산화물이 고르게 코팅된 흡착제를 제조하는 단계이다.
이때, 반죽상의 혼합물을 압축식 비드(bead)형 성형기를 통해 직경 4 내지 10mm로 성형할 수 있고, 500℃의 온도 조건에서 1시간동안 소성함이 바람직하다.
이렇게 제조되는 흡착제가 성형과정에서 비드형으로 압축 성형됨으로써, 모서리가 없어 성형체간의 접촉 또는 마찰로 인한 파쇄가 절감되고, 카트리지 등에 넣어 운반하거나 교체하는 것이 편리하며, 압축식으로 성형되어 파괴 강도가 높아 취급이 용이해질 수 있게 된다.
상술한 광산배수슬러지와 정수슬러지를 포함하는 흡착제 제조방법을 통해 제조된 흡착제로서, 함수율 5 내지 10wt%의 광산배수슬러지 30 내지 40중량부 및 함수율 60 내지 70wt%의 정수슬러지 60 내지 70중량부를 포함하여 이루어질 수 있다.
여기에서, 본 발명에 따른 흡착제는 결합제로서 함수율 5wt%의 바인더 10 내지 30중량부를 더 포함하여 이루어질 수 있고, 이때 바인더는 상술한 칼슘계 또는 나트륨계 벤토나이트이거나, 카올리나이트, 디카이트, 헬로이사이트, 몬모릴로나이트 또는 산성백토의 점토계 광물이 포함될 수 있다.
특히, 무기바인더로 사용되는 칼슘계 벤토나이트의 경우 물과 반응하면 대략 3배, 나트륨계 벤토나이트의 경우 대략 15배까지 팽창하여 중량의 5배까지 물을 흡수하는 성질을 이용하여 높은 에너지가 필요한 별도의 건조 과정없이 광산배수슬러지에 포함된 수분을 흡수할 수 있게 된다.
이하, 상술한 본 발명에 따른 광산배수슬러지와 정수슬러지를 포함하는 흡착제 제조방법 및 이를 통해 제조된 흡착제의 실시예에 대하여 상세히 설명한다.
[실시예 1]
함수율이 90wt%인 정수슬러지를 필터프레스로 압착하여 함수율이 70wt%로 낮추어진 압착정수슬러지를 준비하고, 함수율이 70wt%인 광산배수슬러지를 건조하여 함수율이 5wt%로 낮추어진 건조 광산배수슬러지를 분쇄하여 얻어진 분말 100g을 염산 용액 800mL에 투입하여 용해시켜 광산배수용액 1kg을 준비한다.
다음으로, 광산배수용액 1kg과 압착정수슬러지 500g을 혼합한 다음, 수열반응기에 넣고 100℃의 온도 조건에서 1일간 슬러리 상태로 교반한 다음, 동일한 100℃의 온도 조건에서 2일동안 숙성시켜 합성슬러리용액을 제조한다.
다음으로, 합성슬러리용액에 수산화칼슘 수용액 300ml를 투입하여 철성분들을 침적시킨 다음 고형분을 인출하여 건조시킨다.
다음으로, 건조된 고형분을 밀링기를 통해 200㎛로 분쇄한 다음, 나트륨계 벤토나이트와 8:2의 중량비로 혼합한 다음, 공정수로서 탈이온수 150ml를 투입하여 반죽상의 혼합물을 제조하고, 압축식 비드형 성형기를 통해 직경 약 5mm로 성형하며, 500℃의 온도 조건에서 1시간동안 열처리하는 소성과정을 거쳐, 도 2와 같이, 본 발명에 따른 광산배수슬러지와 정수슬러지를 포함하는 흡착제를 제조하였다.
[실험예]
상술한 바와 같이 제조된 본 발명의 광산배수슬러지와 정수슬러지를 포함하는 흡착제를 이용하여 암모니아 및 황화수소의 제거효율을 실험하였으며, 그 결과는 하기의 표 1에 나타내었다.
[표 1]
Figure 112022004208822-pat00001
암모니아의 경우 본 발명에 따른 광산배수슬러지와 정수슬러지를 포함하는 흡착제의 표면에 물리적인 흡착을 이루어 제거된 것으로 보여지고, 황화수소의 경우 하기의 반응식에 의한 반응에 따라 제거된 것으로 보여진다.
Fe2O3 + 3H2S = Fe2S3 + 3H20
상기 표 1에서 확인되는 바와 같이, 본 발명에 따른 광산배수슬러지와 정수슬러지를 포함하는 흡착제를 사용하여 암모니아 및 황화수소의 제거효율이 매우 높음을 확인할 수 있었다.
본 발명에서 상기 실시 형태는 하나의 예시로서 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 특허청구범위에 기재된 기술적 사상과 실질적으로 동일한 구성을 갖고 동일한 작용효과를 이루는 것은 어떠한 것이라도 본 발명의 기술적 범위에 포함된다.

Claims (7)

  1. 정수슬러지를 필터프레스로 압착하여 함수율이 60 내지 70wt%인 압착정수슬러지를 제조하는 제1단계;
    광산배수슬러지를 건조한 뒤 염산, 황산 또는 질산 용액에 투입하여 용해시켜 광산배수용액을 제조하는 제2단계;
    상기 광산배수용액과 압착정수슬러지를 2:1의 중량비로 혼합하고, 수열반응기에 넣어 1일동안 슬러리 상태로 교반시킨 다음, 2일동안 숙성시켜 합성슬러리용액을 제조하는 제3단계;
    상기 합성슬러리용액에 침전제로서 수산화칼슘을 투입하여 잔존하는 철 물질들을 표면에 고르게 침적시킨 다음, 고형분을 인출하여 건조시키는 제4단계;
    밀링기를 통해 건조된 상기 고형분을 분쇄한 다음, 결합제와 공정수를 투입하여 반죽상의 혼합물을 제조하는 제5단계; 및
    상기 반죽상의 혼합물을 성형 및 소성하여 흡착제를 제조하는 제6단계;를 포함하되,
    상기 제5단계에서 분쇄된 상기 고형분과 결합제로서 바인더를 8:2의 중량비로 혼합한 다음 공정수를 투입하여 혼합물을 제조하고,
    상기 바인더는,
    칼슘계 또는 나트륨계 벤토나이트이거나, 카올리나이트, 디카이트, 헬로이사이트, 몬모릴로나이트 또는 산성백토의 점토계 광물임을 특징으로 하는 광산배수슬러지와 정수슬러지를 포함하는 흡착제 제조방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제3단계에서 슬러리 상태의 교반 및 숙성시 100℃의 온도 조건에서 이루어지도록 함을 특징으로 하는 광산배수슬러지와 정수슬러지를 포함하는 흡착제 제조방법.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제6단계에서 상기 반죽상의 혼합물을 압축식 비드형 성형기를 통해 직경 4 내지 10mm로 성형되고, 500℃의 온도 조건에서 1시간동안 소성함을 특징으로 하는 광산배수슬러지와 정수슬러지를 포함하는 흡착제 제조방법.
  6. 제1항에 의한 광산배수슬러지와 정수슬러지를 포함하는 흡착제 제조방법을 통해 제조된 흡착제로서,
    함수율 5 내지 10wt%의 건조 광산배수슬러지 30 내지 40중량부 및 함수율 60 내지 70wt%의 정수슬러지 60 내지 70중량부를 포함함을 특징으로 하는 광산배수슬러지와 정수슬러지를 포함하는 흡착제 제조방법을 통해 제조된 흡착제.
  7. 제6항에 있어서,
    결합제로서 함수율 5wt%의 바인더 10 내지 30중량부를 더 포함함을 특징으로 하는 광산배수슬러지와 정수슬러지를 포함하는 흡착제 제조방법을 통해 제조된 흡착제.
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