KR102487310B1 - 슬러지를 이용한 건축자재용 조성물 및 이의 제조방법 - Google Patents

슬러지를 이용한 건축자재용 조성물 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 개시의 슬러지를 이용한 건축자재용 조성물 및 이의 제조방법은 시멘트, 슬러지, 커피박 및 부직포를 포함하고, 슬러지를 소각하는 단계, 부직포를 파쇄하고 용융하는 단계, 슬러지에 시멘트, 커피박 및 부직포의 용융물을 첨가해서 혼합물로 혼합하는 단계, 혼합물을 자외선으로 건조시키는 단계, 건조된 혼합물을 초음파로 파쇄하는 단계, 파쇄된 혼합물을 혼합하는 단계, 혼합물을 건축자재로 성형하는 단계, 건축자재를 건조시키는 단계 및 건축자재를 소성 및 냉각시켜 건축자재를 완성하는 단계를 포함한다.

Description

슬러지를 이용한 건축자재용 조성물 및 이의 제조방법{COMPOSITION FOR CONSTRUCTION USING SLUDGE AND A METHOD FOR THE PRODUCTION THEREOF}
본 개시는 슬러지를 이용한 건축자재용 조성물 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 슬러지를 재활용해서 생산 원가를 줄이고, 탈취성분이 뛰어나고, 내구성 및 항균성이 향상된 건축자재를 제공할 수 있는 슬러지를 이용한 건축자재용 조성물 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
최근 산업의 급속한 발전으로 인하여 산업 부산물 및 폐기물 종류가 다양화되고 그 발생량도 급증하고 있는 추세이다. 이에 따라 폐기물들을 재활용하여 유용한 대체자원으로 활용하는 연구가 환경보존 및 경제적 효과로 인해 점차 활성화되고 있다.
세계적으로 에너지 자원이 급격히 고갈되면서 재활용ㆍ재사용 시장에 대한 관심이 뜨거워지고 있으며, 최근에는 기후변화로 인한 환경오염 문제가 이슈가 되면서 재활용시장은 선택이 아닌 필수가 되고 있다.
무기성오니는 마사광산에서 모래의 제조공정 시 부산물로 발생되는 슬러지로, 처리비용의 부담으로 인하여 주변에 방치되거나, 매립에 의해 처리되고 있으며, 매립 시 환경오염을 발생시키는 문제가 발생되고 있을 뿐만 아니라, 무기성오니를 포함한 산업 부산물 및 폐기물 처리비용은 원가상승의 요인이 되는 문제점이 있었다.
대한민국 등록특허공보 제10-1670409호 (2016.10.24)
상기와 같은 문제점을 해결하기 위해, 본 개시의 슬러지를 이용한 건축자재용 조성물 및 이의 제조방법은 시멘트, 슬러지, 커피박 및 부직포를 포함하고, 슬러지를 소각하는 단계, 부직포를 파쇄하고 용융하는 단계, 슬러지에 시멘트, 커피박 및 부직포의 용융물을 첨가해서 혼합물로 혼합하는 단계, 혼합물을 자외선으로 건조시키는 단계, 건조된 혼합물을 초음파로 파쇄하는 단계, 파쇄된 혼합물을 혼합하는 단계, 혼합물을 건축자재로 성형하는 단계, 건축자재를 건조시키는 단계 및 건축자재를 소성 및 냉각시켜 건축자재를 완성하는 단계를 포함한다.
본 개시의 일 실시예에 따른 슬러지를 이용한 건축자재용 조성물은 시멘트, 슬러지, 커피박 및 부직포를 포함한다.
본 개시의 일 실시예에 따른 슬러지를 이용한 건축자재용 조성물은 시멘트 60~75중량부, 슬러지 40~55중량부, 커피박 10~15중량부 및 부직포 10~15중량부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 개시의 일 실시예에 따른 슬러지를 이용한 건축자재용 조성물은 평균 입도가 5㎛인 것을 특징으로 한다.
본 개시의 일 실시예에 따른 슬러지를 이용한 건축자재용 조성물의 제조방법은 슬러지를 소각하는 단계, 부직포를 파쇄하고 용융하는 단계, 슬러지에 시멘트, 커피박 및 부직포의 용융물을 첨가해서 혼합물로 혼합하는 단계, 혼합물을 자외선으로 건조시키는 단계, 건조된 혼합물을 초음파로 파쇄하는 단계, 파쇄된 혼합물을 혼합하는 단계, 혼합물을 건축자재로 성형하는 단계, 건축자재를 건조시키는 단계 및 건축자재를 소성 및 냉각시켜 건축자재를 완성하는 단계를 포함한다.
본 개시의 일 실시예에 따른 건축자재는 벽돌 또는 도로벽돌에 해당한다.
본 개시에 따른 슬러지를 이용한 건축자재용 조성물 및 이의 제조방법은 내구성이 향상된 건축자재를 제공하는 효과를 갖는다.
본 개시에 따른 슬러지를 이용한 건축자재용 조성물 및 이의 제조방법은 탈취성이 뛰어난 건축자재를 제공하는 효과를 갖는다.
본 개시에 따른 슬러지를 이용한 건축자재용 조성물 및 이의 제조방법은 폐기물을 재활용할 수 있어 환경오염의 방지에 기여할 수 있는 건축자재를 제공하는 효과를 갖는다.
본 개시에 따른 슬러지를 이용한 건축자재용 조성물 및 이의 제조방법은 천연점토자원을 절약할 수 있는 건축자재를 제공하는 효과를 갖는다.
본 개시에 따른 슬러지를 이용한 건축자재용 조성물 및 이의 제조방법은 제조단가를 절약할 수 있는 건축자재를 제공하는 효과를 갖는다.
본 개시에 따른 슬러지를 이용한 건축자재용 조성물 및 이의 제조방법은 항균성이 향상된 건축자재를 제공하는 효과를 갖는다.
본 개시에 따른 슬러지를 이용한 건축자재용 조성물 및 이의 제조방법은 벽돌 또는 도로벽돌에 해당하는 건축자재를 제공하는 효과를 갖는다.
본 개시의 효과는 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
이하, 본 개시의 실시를 위한 구체적인 내용을 상세히 설명한다. 다만, 이하의 설명에서는 본 개시의 요지를 불필요하게 흐릴 우려가 있는 경우, 널리 알려진 기능이나 구성에 관한 구체적 설명은 생략하기로 한다.
본 명세서에서 사용되는 용어에 대해 간략히 설명하고, 개시된 실시예에 대해 구체적으로 설명하기로 한다. 본 명세서에서 사용되는 용어는 본 개시에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 관련 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 개시에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 개시의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
본 명세서에서의 단수의 표현은 문맥상 명백하게 단수인 것으로 특정하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한, 복수의 표현은 문맥상 명백하게 복수인 것으로 특정하지 않는 한, 단수의 표현을 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 허용오차가 존재할 때 허용오차를 포괄하는 의미로 사용된 것이다.
본원 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 "이들의 조합(들)"의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미한다.
본원 명세서 전체에서, "A 및/또는 B"의 기재는 "A, 또는 B, 또는 A 및 B"를 의미한다.
아래에서는 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
본 개시의 일 실시예에 따른 슬러지를 이용한 건축자재용 조성물은 시멘트, 슬러지, 커피박 및 부직포를 포함한다.
본 개시의 일 실시예에 따른 슬러지를 이용한 건축자재용 조성물은 시멘트 60~75중량부, 슬러지 40~55중량부, 커피박 10~15중량부 및 부직포 10~15중량부를 포함한다.
본 개시에 따른 시멘트는 결합제이며, 물과 반응함으로써, 장기간의 결합을 필요로 하는 모르타르 및 콘크리트, 섬유 보강 생성물 및 다른 적용들에 대한 결합제로서 작용한다. 시멘트의 주요원료는 석회석, 점토 등으로 구성되고, 물과 혼합 시, 플라스틱 물질을 형성하며, 이러한 물질은 재료에 쉽게 적용될 수 있다. 시멘트는 화학 반응에서 경화(hardening)되며, 이의 압축 강도는 경화가 완료될 때까지 시간이 지남에 따라 증가한다. 경화 시, 시멘트는 점점 더 다공성이 적어지면서 견고해진다.
본 개시에 따른 건축자재용 조성물은 시멘트 60~75중량부를 포함하고, 시멘트는 잔사량이 낮을 경우 최고 온도대(1000~1150℃)이전에서 플럭스(flux)성분이 용융되는데 이때 미처 방출되지 못한 유기물질 또는 탄산염류 등의 가스성분이 외부로 빠져나가지 못하여 블랙코어를 형성시키는 요인으로 작용을 하여 흡수율을 증가시키고, 제품의 균일성을 저하시키며 승온시간의 지연이 발생되기 때문에, 기존 시멘트만을 활용한 제품은 시멘트의 성상에 따라 제품의 균일성에 많은 차이를 보이는 문제를 가진다.
본 개시에 따른 슬러지는 산업폐기물로서 무기성오니를 포함하고, 무기성오니는 아래 [표 1] 및 [표 2]에서와 같이 점토와 비교해서 플럭스(flux)로 작용하는 SiO2, Al2O3, K2O, Na2O, CaO, MgO, TiO2, MnO2, P2O5 등의 산화물이 점토보다 다량 함유되어 있음으로, 시멘트의 경화시간을 절약할 수 있고, 건축자재의 제조공정에서 소성 시 융제로 작용하여 고체입자의 재정열 및 확산이 용이하고 기공의 발생이 작아 조직이 조밀해짐으로 제품의 내구성(강도, 흡수율, 내동해성)이 점토 단일제품 보다 높다.
본 개시에 따른 슬러지는 시멘트의 불균일한 성분비를 보강하고 입도분포를 원활하게 하면서도 시멘트에 포함된 점토에 부족한 잔사량의 보충으로 가소성의 향상과 치밀도를 높임으로 건조 및 소성에서 발생되는 수축을 줄여서 성형, 건조, 소성변형을 감소시키고, 슬러지의 강열감량이 점토의 7.89%보다 낮은 3.86%로 인하여 물성강도를 높이면서도 균일한 물성을 유지할 수 있게 하며, 가스의 원활한 배출로 기존의 점토단일제품보다 제품규격의 균일성이 높으면서도 제조공정에 소요되는 전체공정시간을 줄일 수 있다. 또한, 슬러지에는 플럭스(flux)성분인 SiO2, Al2O3, K2O, Na2O, CaO, MgO, TiO2, MnO2, P2O5 등이 점토보다 많이 포함되어 있어서 소성(소결)온도를 낮추게 되어 연료비를 절감하는 효과를 제공한다.
슬러지의 사용비율인 40~55중량부에 한정한 것은 건축자재의 종류에 따라 요구되는 특성이 상이함에 따른 것으로, 사용비율의 최소치(40중량부)는 가소성이 많이 요구되는 건축자재를 기준으로 하였으며, 최대치(55중량부)는 가압성형 시 소지의 유동성이 많이 요구되는 건축자재를 기준으로 한정하였다. 기존의 무기성오니를 이용한 건축자재의 건조과정에서 가소성이 부족하면 자중에 의한 균열 및 낙하가 발생되고, 유동성이 부족하면 가압밀도의 차이로 제품의 표면에 균열이 발생하게 된다. 이와 같이 슬러지를 이용한 건축자재를 성형함에 있어서 가소성과 유동성이 적정하게 관리되어야 함으로 슬러지 40~55중량부를 유지하는 것이 매우 중요하다.
본 개시에 따른 슬러지를 이용한 건축자재용 조성물의 평균 입도는 5㎛인 것을 특징으로 한다. 건축자재용 조성물의 입도가 5㎛를 초과하면, 빈 공간이 증가하기 때문에 슬러지를 이용한 건축자재용 조성물의 강도가 약해질 수 있고, 5㎛미만이 되면 파쇄 공정에 많은 시간과 비용이 소요될 수 있는 문제를 가진다.
슬러지(무기성오니)의 성분분석표
시료명 시험분석항목 시험분석결과(%) 시험분석방법
슬러지
(무기성오니)		 SiO2 83.12 KS L 4007 : 2016
기기분석
Al2O3 11.37
Fe2O3 0.14
CaO 0.27
MgO 0.88
K2O 0.34
Na2O 0.46
TiO2 1.57
MnO2 1.34
P2O5 0.51
강열감량 3.86
시멘트(점토)의 성분분석표
시료명 시험분석항목 시험분석결과(%) 시험분석방법
시멘트(점토) SiO2 63.6 KS L 4007 : 2016
기기분석
Al2O3 5.10
Fe2O3 27.2
CaO 2.35
MgO 0.01
K2O 0.01
Na2O 0.01
TiO2 1.34
MnO2 0.23
P2O5 0.01
강열감량 7.89
본 개시에 따른 커피박은 커피를 액상으로 추출하고 남은 모든 부산물을 의미하며, 다량의 유기물을 함유하며 제습 및 탈취 기능이 있다. 대부분의 커피박은 일반쓰레기로 배출되어 매립되거나 소각되는데 이때 지구온난화 가스로 알려진 메탄과 이산화탄소가 다량 발생하여 문제가 되고 있다.
본 개시에 따른 커피박은 수분함량이 20% 이하인 것이 바람직하다. 커피박은 내부에 빈 공간을 갖는 다공성의 표면을 가져 흡착능력이 뛰어나기 때문에, 냄새 물질이 구멍 안에 흡착되면 액체 혹은 고체로 된 물질 표면에 기체 혹은 액체상의 물질이 붙어 얇은 막이 형성되어 냄새 물질 등의 오염물질을 차단할 뿐 아니라, 주변의 습기를 흡수하는 흡습성이 높다.
본 개시에 따른 건축자재용 조성물은 커피박 10~15중량부를 포함하고, 폐기물로 버려지는 커피박을 활용하여 슬러지의 냄새 유발 물질에 대해 분해능을 가지는 미생물이 슬러지를 이용한 건축자재용 조성물 내에서 잘 자랄 수 있는 환경을 제공할 뿐만 아니라 냄새 유발 물질을 흡착하여 슬러지의 악취를 저감한다.
본 개시에 따른 커피박의 사용비율인 10~15중량부에 한정한 것은 제품의 종류에 따라 균일도 및 압축강도의 요구특성이 상이함에 따른 것으로, 사용비율의 최소치(10중량부)는 압축강도가 많이 요구되는 제품을 기준으로 하였으며, 최대치(15중량부)는 탈취성이 많이 요구되는 제품을 기준으로 도출하였다. 종래의 커피박을 이용한 발명에서 사용비율이 최대치(15중량부)를 초과하는 경우는 탈취성이 향상되지만, 커피박의 높은 흡습성으로 인해 수분과 접촉 시 수분함유량이 높아져 건축자재의 압축강도가 약해지고, 유해 세균이 번식할 수 있는 문제가 발생할 수 있다.
또한, 건축자재의 제조과정에서 가압밀도의 차이로 제품의 표면에 균열이 발생하게 되거나, 수분함량이 증가하게 되면 커피박 특유의 효과를 제공하기 어렵다. 이와 같이 제품을 성형함에 있어서 커피박의 함유량이 적정하게 관리되어야 함으로 커피박 10~15중량부를 유지하는 것이 매우 중요하다.
본 개시에 따른 부직포는 코로나 바이러스 차단을 위해 사용된 폐마스크의 필터를 재활용하여 사용된다. 기존 마스크를 제조하기 위해서는 폴리프로필렌 원료를 저장통에 넣고 열을 가하여 녹인 다음에 노즐을 통해 뿜어내면서 실 형태로 나오게 한다. 이때 녹여서 뿜어내는 것을 바로 멜트블로운(Melt-Blown, 용융 방사)이라고 한다. 이렇게 뿜어져 나온 실들이 컨베이어 벨트 위에 실려서 운반되는데, 이후에 두 개의 롤러 사이를 통과하면서 눌려져, 부직포가 되는 것이다. 이렇게 제조된 부직포인 멜트블로운 필터를 전극 사이에 끼워서 정전기를 띨 수 있도록 하면, 보건용 마스크 KF 80, 94의 중간에 끼여 있는 정전기 필터가 된다. 이러한 마스크 필터는 유기체 분류상 열가소성 플라스틱이며, 다시 열을 가하면 액상화되고 재활용 가능한 원재료로 사용할 수 있게 된다.
폴리프로필렌 소재의 부직포는 폐마스크에서 필터만을 분리해서, 분리된 폐마스크 필터에 증기를 가해 멸균처리하고, 멸균된 폐마스크 필터를 약 30분간 건조시키고, 건조된 폐마스크 필터를 파쇄하고, 파쇄한 부직포를 500℃로 가열해서 용융시켜 용융물로 수득한다.
본 개시에 따른 부직포 용융물은 폐마스크의 필터로 이용되는 부직포의 소재가 폴리프로필렌이므로 폴리프로필렌 용융물이다. 폴리프로필렌 용융물은 수득해서 바로 냉각시키거나 펠렛 등의 형태로 냉각시켜서 사용한다.
본 개시에 따른 부직포는 3차원 입체구조로 분포되어 건축자재의 균열억제는 물론 충격 저항성, 마모저항성, 동결융해 저항성을 가지고 있으며, 특히 화재 발생시 우수한 폭열저항성을 발휘해서 건축자재에 포함되었을 때, 내열성을 향상시키는 효과를 제공한다.
본 개시에 따른 슬러지를 이용한 건축자재용 조성물은 부직포를 10~15중량부가 포함되고, 건축자재용 조성물로 제작된 건축자재의 내열성을 향상시키는 효과를 갖는다.
본 개시에 따른 슬러지를 이용한 건축자재용 조성물 제조방법은 슬러지를 소각하는 단계, 부직포를 파쇄하고 용융하는 단계, 슬러지에 시멘트, 커피박 및 부직포의 용융물을 첨가해서 혼합물로 혼합하는 단계, 혼합물을 자외선으로 건조시키는 단계, 건조된 혼합물을 초음파로 파쇄하는 단계, 파쇄된 혼합물을 혼합하는 단계, 혼합물을 건축자재로 성형하는 단계, 건축자재를 건조시키는 단계 및 건축자재를 소성 및 냉각시켜 건축자재를 완성하는 단계를 포함한다.
본 개시에 따르면 슬러지를 소각하는 단계는 미세먼지 저감 장치가 설치된 환경에서 1100℃의 열을 가해서 약 30분간 슬러지를 소각한다.
본 개시에 따르면 부직포는 폐마스크의 필터를 재활용해서 이용한다. 폴리프로필렌 소재의 부직포는 폐마스크 필터로 이용되고, 분리된 폐마스크 필터에 증기를 가해 멸균처리하고, 멸균된 폐마스크 필터를 약 30분간 건조시키고, 건조된 폐마스크 필터를 파쇄하고, 파쇄한 부직포를 500℃로 가열해서 용융시켜 용융물로 수득한다.
본 개시에 따르면 슬러지에 시멘트, 커피박 및 부직포의 용융물을 첨가해서 혼합물로 혼합하는 단계는 소각이 완료된 슬러지 40~55중량부에 시멘트 60~75중량부, 커피박 10~15중량부 및 부직포 10~15중량부를 첨가해서 혼합물로 혼합한다.
본 개시에 따른 부직포는 폐마스크의 필터로 이용되고, 부직포의 소재가 되는 폴리프로필렌 용융물로 수득해서 바로 냉각시키거나 펠렛 등의 형태로 냉각시켜서 첨가된다.
본 개시에 따르면 건축자재용 조성물을 자외선으로 건조시키는 단계는 150~200℃의 온도에서 자외선으로 1시간 건조한다.
본 개시에 따른 자외선은 100~280㎚의 파장영역에 해당하는 UV-C(단파)에 해당하고, 건조하는 과정에서 건축자재용 조성물 내부의 박테리아, 바이러스 등과 같은 각종 유해 세균의 세포막을 투과하여 세포증식이 이루어지지 않도록 DNA를 손상시키나 파괴해서 살균한다.
본 개시에 따르면 건조된 혼합물을 초음파로 파쇄하는 단계는 건축자재용 조성물을 균일한 혼합물로 제조한다.
본 개시에 따른 초음파 파쇄기는 30kHz 및 250W의 진동 출력으로 작동하는 초음파 파쇄기를 이용하고, 건축자재용 조성물을 초음파로 파쇄해서 건축자재용 조성물의 평균 입도가 5㎛인 것을 특징으로 한다. 건축자재용 조성물의 입도가 5㎛를 초과하면, 슬러지를 이용한 건축자재용 조성물의 강도가 약해질 수 있고, 5㎛미만이 되면 분쇄 공정에 많은 시간과 비용이 소요될 수 있다. 또한, 초음파 파쇄기가 발생하는 음파를 이용해 건축자재용 조성물에 잔존하는 박테리아 또는 유해 세균의 세포벽과 세포막을 폐쇄한다.
본 개시의 일 실시예에 따른 건축자재용 조성물을 자외선으로 건조시키는 단계 및 초음파로 파쇄하는 단계는 혼합물에 포함된 미생물을 살균하고, 탈취하는 효과를 제공한다.
본 개시에 따르면 혼합물을 혼합하는 단계는 고속 믹서(High Speed Mixer)를 사용할 수 있고, 이외에도, 타믹서, 몬손 믹서 및 페달 믹서 등을 사용할 수 있다.
본 개시에 따르면 혼합물을 건축자재로 성형하는 단계는 건축자재용 조성물을 틀에 넣고 유압 프레스로 압력을 가하여 건축자재(예컨대, 벽돌, 도로벽돌)의 형태로 성형한다.
본 개시에 따르면 성형된 건축자재를 건조시키는 단계는 일정한 온도 및 시간으로 건조하는 공정으로, 수분 함유량이 높을 경우, 기공이 막혀 흡음성 및 단열 효과가 저하될 수 있기 때문에 건축자재의 수분을 제거하기 위해 100~140℃의 온도가 유지되는 조건의 건조기를 이용해 1시간 건조시킨다.
본 개시에 따르면 건축자재를 소성 및 냉각시켜 건축자재를 완성하는 단계는 건축자재의 이물질을 제거하고, 더욱 견고하게 하기 위해 건축자재를 1150~1250℃의 온도로 12시간 소성시킨다. 소성장치로는 킬른 장치를 이용할 수 있으며, 소성 시간 및 온도설정은 킬른을 통과하는 속도를 유지하여 직선형으로 12시간 동안 1150~1250℃의 온도로 소성하고, 냉각시에는 소성장치를 폐쇄해서 냉각해서 벽돌 또는 도로벽돌 중 적어도 하나에 해당하는 건축자재를 완성한다.
이하 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니라는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
실시예 1
시멘트 60~75중량부, 슬러지 40~55중량부, 커피박 10~15중량부 및 부직포 10~15중량부를 사용하였다. 미세먼지 저감 장치가 설치된 환경에서 슬러지 40~55중량부를 1100℃의 열을 가해서 약 30분간 소각하고, 폐마스크에서 필터로 이용되는 부직포를 분리해서 증기를 가해 멸균처리하고, 멸균된 부직포를 건조시키고, 건조된 부직포를 파쇄하고, 파쇄한 부직포를 500℃로 가열해서 용융시켜 용융물로 수득한 부직포의 용융물을 수득하고, 소각이 완료된 슬러지에 시멘트, 커피박 및 부직포의 용융물을 첨가해서 혼합물로 혼합하고, 혼합물을 150~200℃의 온도에서 100~280㎚의 파장영역에 해당하는 UV-C(단파) 자외선으로 1시간 건조시킨다. 건조가 완료된 혼합물을 추가해서 건축자재용 조성물로 혼합하고, 건축자재용 조성물을 건조시키고, 건조된 혼합물을 30kHz 및 250W의 진동 출력으로 작동하는 초음파 파쇄기를 이용해 평균 입도가 5㎛인 것으로 파쇄하고, 파쇄된 혼합물을 고속 믹서(High Speed Mixer)를 사용해서 혼합하고, 혼합물을 틀에 넣고 유압 프레스로 압력을 가하여 벽돌로 성형한다. 성형된 벽돌을 100~140℃의 온도가 유지되는 조건의 건조기를 이용해 1시간 건조시키고, 1150~1250℃의 온도로 12시간 소성시키고, 냉각해서 완성된 벽돌을 제품화하였다.
비교예 1
시중에 판매되고 있는 시멘트 단일 벽돌을 사용하였다.
비교예 2
상기 실시예 1에서, 시멘트 40~55중량부. 슬러지 40~55중량부, 커피박 10~15중량부 및 부직포 10~15중량부를 사용하는 대신, 시멘트 40~55중량부, 슬러지 20~35중량부, 커피박 10~15중량부 및 부직포 10~15중량부를 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 벽돌을 제조하였다.
비교예 3
상기 실시예 1에서, 시멘트 40~55중량부. 슬러지 40~55중량부, 커피박 10~15중량부 및 부직포 10~15중량부를 사용하는 대신, 시멘트 40~55중량부, 슬러지 60~75중량부, 커피박 10~15중량부 및 부직포 10~15중량부를 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 벽돌을 제조하였다.
비교예 4
상기 실시예 1에서, 시멘트 40~55중량부. 슬러지 40~55중량부, 커피박 10~15중량부 및 부직포 10~15중량부를 사용하는 대신, 시멘트 40~55중량부, 슬러지 40~55중량부, 커피박 1~5중량부 및 부직포 10~15중량부를 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 벽돌을 제조하였다.
비교예 5
상기 실시예 1에서, 시멘트 40~55중량부. 슬러지 40~55중량부, 커피박 10~15중량부 및 부직포 10~15중량부를 사용하는 대신, 시멘트 40~55중량부, 슬러지 40~55중량부, 커피박 30~35중량부 및 부직포 10~15중량부를 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 벽돌을 제조하였다.
비교예 6
상기 실시예 1에서, 건조된 혼합물을 30kHz 및 250W의 진동 출력으로 작동하는 초음파 파쇄기를 이용해 평균 입도가 5㎛인 것으로 파쇄하는 대신, 건조된 혼합물을 30kHz 및 250W의 진동 출력으로 작동하는 초음파 파쇄기를 이용해 평균 입도가 1㎛인 것으로 파쇄하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 벽돌을 제조하였다.
비교예 7
상기 실시예 1에서, 건조된 혼합물을 30kHz 및 250W의 진동 출력으로 작동하는 초음파 파쇄기를 이용해 평균 입도가 5㎛인 것으로 파쇄하는 대신, 건조된 혼합물을 30kHz 및 250W의 진동 출력으로 작동하는 초음파 파쇄기를 이용해 평균 입도가 10㎛인 것으로 파쇄하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 벽돌을 제조하였다.
<실험예 1. 물성 실험>
실시예 1에서 제조한 슬러지를 이용한 건축자재용 조성물의 비중, 압축 강도 및 열전도율을 알아보기 위하여 하기와 같은 실험을 수행하였다.
비중과 기공율은 KS L 3114의 방법에 의거하여 측정하였고, 압축강도는 KS L 5105에 의하여 측정하였으며, 열전도율은 KS L 9016에 의하여 측정하였고, 재가열수축율은 제품을 1500℃에서 3시간 소성 한 뒤 자연 냉각하여 전후의 부피를 측정하여 계산하였다. 내화도는 SK 표준 제게르콘(3각추 모양)을 사용하여 연화 상태를 관찰하여 측정하였으며, 흠음률은 KS F 2805의 방법으로 측정하였다.
물성 비교 시험 결과
실시예 1 비교예 1 비교예 2 비교예 3
비중 0.66 0.89 0.79 0.65
압축강도 (㎏/㎠) 17.5 16.0 18.0 16.5
열전도율 (kcal/m·h·℃) 0.17 0.25 0.21 0.24
재가열수축율 (%) 0.16 0.31 0.22 0.19
기공율 (%) 24 16 20 22
내화도 (SK) 36 28 35 31
흡음률 (1000Hz에서 측정) 17.4 14.9 17.6 15.4
비교예 4 비교예 5 비교예 6 비교예 7
비중 0.75 0.62 0.69 0.58
압축강도 (㎏/㎠) 17.9 16.2 17.9 16.2
열전도율 (kcal/m·h·℃) 0.22 0.21 0.24 0.15
재가열수축율 (%) 0.24 0.15 0.14 0.25
기공율 (%) 21 28 14 30
내화도 (SK) 35 31 31 40
흡음률 (1000Hz에서 측정) 17.6 13.7 17.7 15.6
[표 3] 및 [표 4]에 나타난 바와 같이, 실시예 1에서 제조된 벽돌이 기존 제품이나 비교예 1 내지 7에 비해서 경량화가 되었으며, 강도는 우수하고, 열전도열이 낮아졌으므로 단열 효과를 나타내고 있는 것을 확인할 수 있다. 또한, 내화도가 증가하였으며, 기공율과 흡음률이 향상되어 또는 동등 이상이 되어 방음이나 흡음 효과에 있어서 더 우수한 것을 확인할 수 있다. 더욱 구체적으로, 실시예 1에서 제조된 벽돌이 슬러지 40~55중량부 및 커피박 10~15중량부를 포함하고, 평균 입도가 5㎛인 것을 사용하는 실시예 1에 있어서 기존 제품 및 비교예 1 내지 7에 비해서 물성이 우수한 것을 확인할 수 있다.
<실험예 2. 습도 환경에서의 탈취 및 항균 검사>
실시예 1에서 제조된 벽돌의 제조 과정 중 일부에 해당하는 커피박 10~15중량부를 사용하는 단계에 있어서, 실시예 1, 비교예 1 내지 비교예 7에 대해 습도에 따른 벽돌의 탈취 및 항균검사를 실시하였다.
탈취 검사은 암모니아(NH3)가스의 습도에 따른 시료농도 차이에 의해 계산하였고, 항균 검사는 벽돌에 대해 황색포도상구균 및 폐렴균에 의한 오염 농도를 측정하였다.
습도 환경에서의 탈취 및 항균 검사 결과
실시예 1 비교예 1 비교예 2 비교예 3
탈취 검사
습도에 따른 탈취율, %		 습도20% 62.3 46.4 52.1 54.3
습도40% 65.8 47.3 57.6 55.8
습도60% 70.5 49.5 59.4 60.6
습도80% 71.9 52.5 60.2 61.5
항균 검사
농도, CFU/mL		 Staphylococcus 1.3x105 4.2x105 2.8x105 2.9x105
Klebsiella 1.3x105 5.5x105 3.1x105 3.0x105
비교예 4 비교예 5 비교예 6 비교예 7
탈취 검사
습도에 따른 탈취율, %		 습도20% 56.2 54.4 53.1 55.9
습도40% 59.7 56.5 55.9 59.2
습도60% 63.6 61.2 63.4 63.8
습도80% 65.7 63.4 67.3 65.4
항균 검사
농도, CFU/mL		 Staphylococcus 3.2x105 3.1x105 3.5x105 3.5x105
Klebsiella 3.5x105 2.9x105 3.2x105 3.7x105
상기 [표 5] 및 [표 6]의 결과로 보아, 실시예 1에서 제조된 벽돌의 탈취 및 항균 효과가 비교예 1 내지 7에 비해 우수함을 알 수 있다. 더욱 구체적으로, 실시예 1의 경우, 커피박 10~15중량부를 사용함으로써, 흡습성을 적절하게 유지하기 때문에 커피박 특유의 탈쉬성 효과를 제공할 뿐 아니라, 항균 효과를 유지하는데 효과적임을 확인할 수 있었다.
본 개시의 일 실시예에 따른 슬러지를 이용한 건축자재용 조성물 및 그 제조방법은 종래 건축자재용 조성물 및 그 제조방법과 비교할 때 슬러지를 재활용해서 생산 원가를 줄이고, 탈취성분이 뛰어나고, 내구성 및 항균성이 향상된 건축자재를 제공할 수 있다.
본 개시의 앞선 설명은 당업자들이 본 개시를 행하거나 이용하는 것을 가능하게 하기 위해 제공된다. 본 개시의 다양한 수정예들이 당업자들에게 쉽게 자명할 것이고, 본원에 정의된 일반적인 원리들은 본 개시의 취지 또는 범위를 벗어나지 않으면서 다양한 변형예들에 적용될 수도 있다. 따라서, 본 개시는 본원에 설명된 예들에 제한되도록 의도된 것이 아니고, 본원에 개시된 원리들 및 신규한 특징들과 일관되는 최광의의 범위가 부여되도록 의도된다.
본 명세서에서는 본 개시가 일부 실시예들과 관련하여 설명되었지만, 본 개시가 속하는 기술분야의 통상의 기술자가 이해할 수 있는 본 개시의 범위를 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형 및 변경이 이루어질 수 있다는 점을 알아야 할 것이다. 또한, 그러한 변형 및 변경은 본 명세서에 첨부된 특허청구의 범위 내에 속하는 것으로 생각되어야 한다.

Claims (5)

  1. 슬러지를 이용한 건축자재용 조성물을 제조하는 방법에 있어서,
    슬러지를 소각하는 단계;
    부직포를 파쇄하고 용융하는 단계;
    상기 슬러지에 시멘트, 커피박 및 상기 부직포의 용융물을 첨가해서 혼합물로 혼합하는 단계;
    상기 혼합물을 자외선으로 건조시키는 단계;
    건조된 상기 혼합물을 초음파로 파쇄하는 단계;
    파쇄된 상기 혼합물을 혼합하는 단계;
    상기 혼합물을 건축자재로 성형하는 단계;
    상기 건축자재를 건조시키는 단계; 및
    상기 건축자재를 소성 및 냉각시켜 건축자재를 완성하는 단계
    를 포함하는, 슬러지를 이용한 건축자재용 조성물의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 건축자재용 조성물은, 시멘트 60~75중량부, 슬러지 40~55중량부, 커피박 10~15중량부 및 부직포 10~15중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는, 건축자재용 조성물의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 건축자재용 조성물의 평균 입도는 5㎛인 것을 특징으로 하는, 건축자재용 조성물의 제조방법.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 건축자재는 벽돌 또는 도로벽돌에 해당하는, 슬러지를 이용한 건축자재용 조성물의 제조방법.
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김제두., 경북대학교 공학석사학위논문., 대학원 건설환경에너지공학부(2019. 12. 공지) 1부.* *

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