KR20020096785A - 인산석고를 이용하여 제조한 인공골재 - Google Patents

Abstract

본 발명은 인산 비료 공장에서 발생하는 인산석고를 이용하여 제조한 인공골재에 관한 것으로 더욱 상세하게는 인산석고에 석탄회, 슬래그 및 시멘트를 일정량 혼합하여 성형 가공함으로써 도로기층재, 성토재 및 각종 콘크리트 2차제품 등에 이용될 수 있는 인공골재에 관한 것이다.

석고는 비료 생산 공장에서 발생하는 인산석고뿐 아니라 발전소와 화학공장의 탈황공장에서 발생하는 탈황석고 등 그 발생량이 점차 증가하고 있다. 발생하는 석고의 일부는 석고보드나 시멘트 생산에 이용되고 있으나 수요에 비해 발생량이 너무 많아 상당량이 적치되고 있으며 재활용 방안이 시급히 요구되고 있다.

이에 본 발명에서는 석고의 재활용 방안으로, 특히 인산석고의 대량 처리방안으로 인산석고 50∼80 중량%, 석탄회 5∼15 중량%, 슬래그 10∼45 중량%, 시멘트 5 중량%, 자극제나 경화제를 소량으로 혼합하고 물고형분비 20∼30%의 범위로 습식혼합한 후 직경 5∼40 mm의 입자로 성형하여 제조한 인공골재를 특징으로 한다.

Description

인산석고를 이용하여 제조한 인공골재{Artificial aggregate manufactured by using phospho-gypsum}

본 발명은 석고의 대량처리에 관한 것으로서 더욱 상세하게는 인산석고에 석탄회, 슬래그, 시멘트를 혼입하여 성형 제조한 인공골재에 관한 것이다.

석고는 인산비료의 제조공정에서 발생하는 인산석고, 화학공장 및 발전소의 탈황설비에서 발생하는 탈황석고 등 산업현장에서 대량으로 발생하는데 일부는 석고보드나 시멘트 생산에 사용되고 있다. 석고는 자체 내에 일부 유해불순물을 함유하고 있어 시멘트 및 석고보드 등의 제품에 직접적으로 사용할 경우 강도 및 내구성을 저하시키기 때문에 세척, 중화, 하소, 제립 등의 정제 과정을 거쳐 재활용되고 있다.

현재 국내에 공급되는 석고의 량은 약 420만톤/년으로 그중 약 300만톤은 소비하고 있으나, 년간 약 100 내지 120만톤은 남아 적치되고 있는 실정이다. 국내에는 약 2천만톤의 석고가 적치되어 있으며, 미국의 경우에도 약 1조톤 이상이 적치되어 있어 재활용이 시급한 문제로 대두되고 있다.

상기와 같은 대량의 적치된 석고를 재활용하기 위한 방안으로 농업용 비료로의 이용 및 간척지 개량제 이용 방안 등이 제안되고 있으나 석고의 환경적 유해성 때문에 아직 실용화되지 못하고 있다. 다른 방안으로는 대한민국 공개특허공보 제 98-013819에서와 같이 석고를 다른 화학약품과 혼합하여 800 내지 1,100℃로 하소하여 Ca²⁺의 분리에 의한 칼슘원의 제조방법이 제시되었고 외국에서는 Ca²⁺의 분리에 의한 황산 제조 및 황산암모늄을 생산하는 기술이 개발되었다. 그러나 고가의 설비투자비와 복잡한 공정, 높은 에너지 투입 등으로 실용화가 어려워 대량으로 적치되는 석고 문제에 대한 해결책을 제시하지 못하고 있다. 석고를 전처리 공정 없이 직접적인 이용방안으로는 대한민국 공개특허공보 제 99-024264에서는 석고를 이용한 황토 석고 몰탈 및 황토 석고 벽돌의 제조방법이 제시되었으나, 지금까지는 석고를 정제하여 석고보드 및 시멘트의 응결지연제 외의 다른 용도로의 사용은 크게 이루어지지 못하고 있는 실정이다.

인산비료 제조 공정 중에 발생하는 인산석고는 인산과 같은 산성기, 불소화합물, 미량의 중금속을 함유하고 있어서 환경 오염을 유발시킬 소지가 있으므로 인산석고만을 사용하기에는 어려움이 있다. 또한 석고의 직접적인 재활용보다는 화학적 전처리나 정제를 거친 석고의 이용 및 화학성분상의 이온의 교환에 의한 특정 물질의 추출 및 분해 등 화학적 분석연구가 많이 이루어 졌고 그 외의 기술도 막대하게 적치되어 있는 석고 처리방안으로는 확실한 대안이 되지 못하고 있는 실정이다.

인공골재의 제조방법은 대한민국 공개 특허 공보 제0142359호에서와 같이 폐레미콘 및 골재의 슬러지나 오니의 혼합물을 이용한 인공골재 제조 방법, 제96-11328호에 나타난 플라이 애쉬를 주재로 한 고강도 경량골재의 제조 방법, 제 10-0227003호에 나타난 소각회로부터 콘크리트용 인공골재의 제조방법 및 그 제조장치, 제10-0241564호에 나타난 소각회 및/또는 슬러지를 이용한 인공골재의 제조방법이 제시되었으나, 아직까지 인산석고를 이용하여 인공골재를 제조한 발명은 아직까지는 전무하다.

이에 본 발명에서는 인산석고에 함유된 환경유해 물질을 안정화시키면서 소정의 강도를 발휘할 수 있는 방안으로 인산석고에 석탄회, 슬래그, 시멘트등을 혼합하여 성형 가공한 인공골재를 제조하는데 그 목적이 있다. 이는 인산석고를 전처리 공정 없이 직접적인 건설재료로 재활용하는 기술을 개발함으로써 인산석고의 대량처리를 도모할 수 있는 방법이다. 인산석고로 제조한 인공골재는 자연환경을 파괴하며 채취되는 쇄석을 대신하여 사용할 수 있는 환경친화적인 로반재나 도로기층재 및 매립지의 성토재로 사용할 수 있으며, 콘크리트 2차제품(인터록킹 블록, 보도블록, 각종 경계석)이나 아스콘 골재 등 건설재료로 재활용이 가능한 제품이다.

도 1 및 2는 본 발명으로 제조한 인공골재의 외관

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 인산석고를 주재료로 이용하고 부재료로 석탄회, 슬래그 및 시멘트를 이용한 인공골재의 제조에 있어서, 인산석고 50∼80 중량%, 석탄회 5∼15 중량%, 슬래그 10∼45 중량%, 시멘트 3∼10 중량% 및 자극제와 경화제를 소량으로 첨가하여 건식 혼합한 후 물고형분비 20∼30%의 범위로 습식혼합하여 성형가공한 인공골재를 특징으로 한다.

이와같은 본 발명을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.

가경식 드럼형 믹서로 골재를 제조할 경우 인산석고, 석탄회, 슬래그 및 시멘트를 건식혼합한 후 대략 60%는 점성이 있는 페이스트를 제조하여 가경식믹서에 투입한 후 40%의 건식혼합한 분말을 회전하는 믹서에 계속 투입시키면 큰 반죽 덩어리가 작은 골재로 분리되면서 구형의 골재가 형성된다.

디스크 타입의 성형기로 골재를 제조할 경우 인산석고, 석탄회, 슬래그 및 시멘트를 건식혼합한 후 디스크에 원료를 공급하면서 수분을 분무하여 성형하는 방식이다.

이때 물의 량은 조성물의 10 내지 40%, 바람직하게는 20 내지 30%가 적당하다. 수분이 너무 많은 경우에는 케이킹 현상이 발생하며 반대로 수분이 적은 경우에는 분말이 골재로 성형되지 못하고 그대로 배출되거나 강도가 매우 약한 골재가 형성되는 등 약간의 변화에 의해서도 입도 조절이 곤란한 경우가 있으므로 이를 주의해야 한다. 가경식 드럼형 믹서의 회전속도는 10 내지 60 rpm이 바람직하며, 드럼의 경사각도는 30 내지 60°, 바람직하게는 30 내지 45°이다. 디스크 타입 믹서의 경우 회전속도는 20 내지 60 rpm, 경사각도는 10 내지 60°, 바람직하게는 30 내지 50°이다. 회전속도와 경사각도를 조절함으로써 골재의 입도를 3 내지 40mm의 크기로 조절할 수 있도록 한다. 믹서 안에서 계속되는 굴림동작에 의해 성형되는골재는 더욱 구상화되고 치밀하게 된 후 상온 또는 증기양생하여 인공골재를 제조한다.

이하 본 발명을 실시예와 비교예에 의거 상세하게 설명하면 다음과 같은 바, 본 발명이 실시예와 비교예에 의해 한정되는 것은 아니다.

[실시예 1-2 및 비교예 1-5]

다음 표 1에 나타낸 바와 같이 인공골재의 조성물인 인산석고, 석탄회, 슬래그 및 시멘트를 혼합한 후 물을 첨가하여 가경식 드럼형 믹서나 디스크 타입의 성형기로 성형하였다. 이때 물의 량은 조성물의 20% 였으며, 실시예 1은 가경식 드럼형 성형기로 제조하였으며 실시예 2는 디스크 타입의 성형기로 골재를 제조하였다. 실시예 1은 드럼의 회전속도를 30 rpm, 경사각도는 40°로 하여 입도가 3 내지 20mm인 골재를 성형한 후 이를 상온에서 양생하여 인공골재를 제조하였으며 실시예 2는 디스크의 회전속도를 40 rpm, 경사각도 45°로 하여 입도가 5∼10mm인 골재를 성형한 후 인공골재를 제조하였다.

양생하기전 골재의 성형성을 18" Drop test로 확인하였는바, 18" Drop test는 18" 높이에서 성형골재를 20회 떨어뜨렸을 때 깨지지 않으면 컨베이어 이송이나 양생기 투입시 낙하와 같은 후속공정에서 깨질 염려가 없다는 것을 의미한다. 실시예 1-2 및 비교예 1-5의 혼합 비율로 성형된 골재 모두 기준에 합격하였다.

제조된 인공골재의 비중, 흡수율, 마모율, 충격율, 파쇄율을 한국공업규격(KS), 영국공업규격(BS)에 의거하여 실시하였다. 인공골재의 특성을 평가한 각 시험항목의 규준은 다음과 같다. 입도시험(KS F 2502 굵은 골재의 체가름 시험), 비중 및 흡수율 시험(KS F 2503 굵은 골재의 비중 및 흡수량 시험), 마모시험(KS F 2508 로스엔젤스 시험기에 의한 굵은 골재의 닳음 시험), 충격시험(BS 812 Aggregates Crushing and Impact Test), 파쇄시험(KS F 2541 굵은 골재의 파쇄시험 및 KS F 2542 굵은 골재의 10% 세립치 측정)를 실시하여 그 결과를 표 1에 나타내었다. 실시예 1 및 2로 제조한 인공골재의 외관을 도 1 및 도 2에 나타내었다.

[표 1]

상기 표 1의 결과로부터 제조된 인공골재의 비중은 1.78∼1.96으로 경량골재보다는 다소 높은 비중을 나타내나 일반적인 쇄석의 비중이 2.5∼2.6임을 감안할 때 향후 콘크리트 2차 제품에 활용될 시 콘크리트 제품의 경량화를 확보할 수 있다. 흡수율은 17.2∼20.4%로서 일반적인 고온에서 소성한 경량골재와 비슷한 수준을 나타내었다.

제조한 인공골재의 강도특성은 전반적으로 고온에서 소성한 경량골재보다 우수하게 나타났으며 배합비에 따라서 조절이 가능하므로 사용하고자 하는 용도에 따라 배합비를 조절하면 다양한 분야에 사용이 가능하다. 마모율은 15.4∼37.1%로서 댐콘크리트 표준 시방서 규준의 40% 이하 및 도로공사 목적으로 분쇄한 골재의 마모율 40% 이하를 모두 만족하고 있다. 골재의 충격율과 파쇄율은 16.9∼23.3 %로써 전반적으로 인산석고의 혼입율이 높아질수록, 슬래그의 양이 감소할수록 높게 나타났다.

제조한 인공골재를 사용할 경우 조성물에 함유된 미량 중금속의 침출로 인한 환경 오염의 여부를 판단하기 위하여 용출실험을 실시하였다. 실시예 1에서 제조한 인공골재 4 kg에 우수 40 L를 더하여 1일간 방치한 후 수질환경보전법에 의한 오염물질의 배출허용기준을 만족하는지 측정하였으며 그 결과를 표 2에 나타내었다.

[표 2]

㉠ 청정지역 : 환경기준(수질) Ⅰ 등급 정도의 수질을 보전하여야 한다고 인정하는 수역의 수질에 영향을 미치는 지역으로서 환경부장관이 정하여 고시하는 지역

㉡ 가 지역 : 환경기준(수질) Ⅱ 등급 정도의 수질을 보전하여야 한다고 인정하는 수역의 수질에 영향을 미치는 지역으로서 환경부 장관이 정하여 고시하는 지역

㉢ 나 지역 : 환경기준(수질) Ⅲ, Ⅳ Ⅴ 등급 정도의 수질을 보전하여야 한다고 인정하는 수역의 수질에 영향을 미치는 지역으로서 환경부 장관이 정하여 고시하는 지역

㉣ 특례지역 : 환경부 장관이 공단폐수종말처리구역으로 지정하는 지역 및 시장·군수가 산업입지 및 개발에 관한 법률 제8조의 규정에 의하여 지정하는 농공단지

상기 표 2에 나타낸바와 같이 실시예 1로 제조한 인공골재의 침출수의 분석 결과는 측정항목 모두가 특례지역 및 청청지역의 기준 이내로서 수질환경보전법에 의한 오염물질의 배출허용 기준을 만족하고 있다. 이는 제조한 인공골재를 로반재나 도로기층재 및 매립지의 성토재로 사용하거나 콘크리트 2차제품(인터록킹 블록, 보도블록, 각종 경계석)으로 사용할 경우 환경 오염의 문제가 없다는 것을 의미한다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 인산석고를 이용하여 제조한 인공골재는 인산비료 공장에서 대량으로 발생하여 상당량 적치되고 있는 인산석고를 하소나 정제 과정을 거치지 않고 재활용이 가능하기 때문에 인산석고의 대량처리가 가능하고, 부원료로 발전소에서 발생하는 석탄회나 제철소에서 발생하는 슬래그를 사용함으로써 경제적이며, 나아가서는 환경친화적인 효과를 얻을 수 있다.

Claims (3)

1. 인산석고의 대량 처리방안으로 인산석고 50∼80 중량%, 석탄회 5∼15 중량%, 슬래그 10∼45 중량%, 시멘트 3∼10 중량% 및 소량의 자극제와 경화제를 혼합한 후 물고형분비 10∼40%로 성형가공하여 인공골재를 제조하는 방법.
2. 상기와 같은 조성비료 성형가공하여 로반재나 도로기층재 및 매립지의 성토재로 사용하거나 콘크리트 2차제품(인터록킹 블록, 보도블록, 각종 경계석)으로 사용할 수 있는 인공골재.
3. 상기와 같은 조성비로 성형가공하여 수질환경보전법에 의한 오염물질의 배출허용 기준을 만족하는 인공골재 및 제조방법.