KR20040019801A - 주물사를 이용한 규산질 비료 및 그의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 주물사를 이용한 규산질 비료 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 주물제품 생산 공정 중 발생되어 폐기 처분되는 주물사에 다량의 이산화규소(SiO₂)성분과 자경성 주형의 점결제로 사용된 규산소다 성분이 다량 잔류하고 있어 이를 분리 선별하기 위하여 중간 처리 단계로서 2mm이하의 입자로 분쇄하는 공정과 0.25mm 이하의 미분을 선별 분리하기 위하여 원료를 150∼250℃에서 건조하는 공정과 건조된 원료에서 0.25mm 이하의 규산소다 알카리 미분말을 선별하는 공정을 거치게 되며, 규산질 비료 생산 단계에서 생산된 0.25mm 이상 2.0mm이하의 이산화규소(SiO₂) 를 중량 대비 40∼60%, 0.25mm이하 규산소다 알카리분 미분말 30∼50%를 주원료로 하고 여기에 유기질 부식산 3∼5%, 구용성 고토 2.0%를 추가하여 규산질 비료를 제조함으로써 규산질 함량이 부족한 국내 논밭은 물론 골프장 그린 및 월드컵경기장 등 양(洋)잔디에 사용 가능한 규산질 비료 및 그의 제조하는 방법에 관한 것이다.

Description

주물사를 이용한 규산질 비료 및 그의 제조방법{Silicic acid manure and manufacturing method using the wasted foundry sand}

본 발명은 주물사를 이용한 규산질 비료 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 자경성주형(自硬性鑄型) 주물제품 생산 공정 중 발생되어 폐기 처분되는 주물사에는 80%이상의 이산화규소(SiO₂)성분과 점결제(粘結劑)인 규산소다 성분이 중량대비 2.0∼3.0% 정도 잔류하고 있다.

폐기 처분되는 주물사를 활용하기 위한 연구는 주물공장에서 사용하는 재생 주물사로서의 가능성에 대한 연구를 비롯하여 벽돌, 블럭, 보도블럭, 경계석 등 콘크리트 제품, 아스콘 및 레미콘 잔골재, 시멘트 규석대용 부원료, 동제련시 불순물 제거용 융제, 점토벽돌 및 타일류 등 요업제품 부원료 등 다양한 분야에 있어서의 연구결과 및 기술 자료들은 비교적 많은 편이다. 그러나 주물사를 농업분야의 규산질 비료 활용에 대한 종전 활용기술 및 연구실적은 찾아볼 수 없다.

폐기 처분되는 주물사에서 이산화규소 성분과 규산소다 성분을 분리 선별하기 위한 1단계 중간처리과정이 중요하며, 주물사 덩어리를 수 차례 분쇄와 선별공정을 반복하여 2mm이하로 입자화 하는 분쇄공정과 0.25mm이상 2.0mm 이하의 이산화규소와 0.25mm 이하의 규산소다 알카리 미분말을 선별 분리하기 위한 원료 건조공정, 건조 후 0.25mm∼2.0mm이하의 이산화규소와 0.25mm이하의 규산소다 성분 함유 알카리 미분말을 선별하는 2차 선별공정으로 되어 있다. 2단계 규산질 비료 생산공정은 0.25∼2.0mm 이산화규소와 0.25mm이하 규산소다 알카리 미분말에 유기질 부식산과 구용성 고토 성분을 포함하여 규산질 비료를 제조 공급함으로써 국내 논 전체의 97.2%가 부족한 규산질함량의 개선은 물론 밭과 골프장 그린의 Creeping Bentgrass와 국내 10개 월드컵경기장에 식재된 Kentucky Bulegrass에 사용 가능한 규산질 비료를 생산 공급함으로써 폐기 처분되는 자원을 효과적으로 재활용할 수 있고, 규사 자원의 고갈, 매립지 확보 곤란, 운반 물류비용 상승 등 환경적, 경제적측면의 문제를 동시에 해소할 수 있는 발명인 것이다. 특히 우수한 품질의 규산질 비료를 생산 공급함으로써 국내 논밭의 부족한 규산 함량을 높여 쌀의 증산효과를 거둘 수 있으며, 골프장 그린 및 월드컵경기장 등 극심한 답압(踏壓)의 악조건 하에서도 최상의 상태로 잔디를 관리할 수 있는 규산질 비료 및 그의 제조 방법에 관한 국가적 차원에서 볼 때 매우 유익한 발명인 것이다.

본 발명은 폐기되는 주물사중에서 이산화규소(SiO₂) 성분과 규산소다 알카리 성분의 미분말을 분리 선별하여 규산질 비료를 생산하기 위한 것으로 폐기 처리되는 주물사를 수집 운반하여 규산질 비료의 주원료를 생산하는 중간처리단계와 규산질 비료를 제조하는 생산 단계로 구분한다.

즉 중간처리단계의 제1공정은 선별공정으로서 30mm이상과 30mm이하의 덩어리를 분리하고, 2공정은 모래에 포함되어 있는 철편을 분리하는 탈철(脫鐵)공정, 제3공정은 30mm이상 덩어리를 Jaw crusher에 의해 30mm이하로 만드는 분쇄공정, 제4공정은 원료를 150∼250℃의 건조로에 투입하여 원료에 포함되어 있는 수분을 2% 이하로 감소시키는 건조공정, 제5공정은 2중 선별기에 의한 2차 선별공정으로서 상단은 2.0mm, 하단은 0.25mm의 선별망이 설치되어 2.0mm이상의 입자는 분쇄라인으로 이송되어 분쇄공정을 거치게 되며 0.25mm ∼ 2.0mm 이하 입자와 0.25mm이하의 규산소다 함유 알카리성 미분말은 2단계의 규산질 비료 원료 silo로 이송된다. 중간처리단계에서 생산된 0.25mm∼2.0mm이하의 이산화규소는 사상(砂狀) 규산질 비료의 원료로 사용할 수 있을 뿐만 아니라 골프장 및 월드컵경기장의 양잔디에 사용하는 Topsoil(培土砂)로 활용이 가능하며, 0.25mm 이하의 미분말에 포함되어 있는 규산소다 성분의 알카리 미분말은 규산질 비료의 알카리분 원료로 사용하는 것이다.

본 발명을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

폐기되는 주물사의 종류는 주물의 재질 및 주형(Mould)의 종류, 주물용 자재에 따라 상이하나 주요 자재는 주물사(鑄物砂) 즉 천연규사, 인조규사,지르콘사,오르빈사 중량비 100%에, 점결제(粘結劑)로서 무기계(벤토나이트계의 제올라이트 점토광물, 규산소다,석고)점결제 혹은 유기계(대두유 등 기름,당밀,곡분)점결제를 중량비 2∼10% , 첨가제로서 석탄분,곡분류,목분 등 중량비 2∼5%에 물을 혼합하여주형을 만들게 된다.

규산질 비료로 재활용하고자 하는 주물사는 자경성주형 및 개스 경화성 주형중에서 규산소다를 점결제로 사용한 폐기 처분하는 주물사를 재활용하는 것이다. 주강주물을 생산하는 주강공장의 경우는 CO₂형사를 사용하는 공장이 대부분이다. 국내의 규사 자원은 SiO₂함량이 90%를 넘는 주물사용 모래가 많지 않아 내화도가 떨어지므로 주철용의 후란 주형사로는 가능하지만 주철보다 200℃ 정도 주입온도가 높은 주강용으로는 적합한 천연규사가 없어 SiO₂함량이 95%이상 되는 수입 인조규사를 이용하는 주강 공장들이 대부분이다. 이러한 주강 공장들에서 사용하는 CO₂주형사는 주물사에 규산소다(물유리) 점결제를 주물사 중량대비 4∼6% 정도 혼합하여 주형을 만든 다음 CO₂Gas를 통과시켜주면 경화하게 되며 다음과 같이 화학 반응을 하게 된다.

Na₂O ·mSiO₂(mn + x) nH₂O + CO₂→ Na₂CO₃· xH₂O + m(SiO₂· nH₂O)

[ m은 규산나트륨의 몰비, n은 규산 겔의 함수량, x은 탄산나트륨의 결정수의 몰수임 ]

점결제로 사용하는 물유리는 몰비(SiO₂/Na₂O)가 보통 2∼3 범위의 것을 주로 사용하는데 수분이 통상 50∼60% 함유되어 있으며, 쇳물 용탕을 주입하여 열을 받으면 gel화 되어 더욱 단단해지므로 대형주물을 생산하는 업체의 경우 대부분 이 공법을 사용하고 있으며 쇳물 용탕과 직접 닿지 않거나 CO₂가스와 직접 닿지 않는부분은 완전 화학반응을 하지 못한 상태 하에서 폐기 처리되며 이러한 부분이 나중에 규산질 비료의 수용성 규산으로 남게 되어 유용하게 사용되며, 이러한 공정에 의해 폐기 처분되는 주물사의 화학성분은 다음 표1과 같다.

폐기 처리되는 주물사는 주형의 종류와 주물의 재질에 따라 각각 상이함으로 토양오염이나 수질오염의 우려 여부를 확인하기 위하여 폐기물공정시험법에 의하여 용출시험을 실시한 결과 다음 표2와 같은 결과를 얻었다.

주형종류와 주조 재질에 관계없이 일반폐기물 허용기준치보다 훨씬 적은 함량의 중금속 종류가 일부 검출되었으나 시험결과는 자연토양의 용출시험결과와 유사한 수준으로 문제가 되지 않았다.

토양오염에 대하여 국립환경보건연구원에 의뢰하여 환경부고시 제 1999-116호 및 토양환경보전법 시행규칙(2001. 12.31) 환경부령 제 121호에 의하여 시험한 결과는 다음 표3과 같다.

주조 재질별 주물사의 토양오염 공정시험결과 2001.12.31 개정된 토양환경보전법 시행규칙의 토양오염우려지역 "가" 지역[지적법에 의한 지목이 전,답,대,과수원,목장용지,임야,학교용지,하천,수도용지,공원,체육용지(수목 · 잔디 식생지에 한한다),유원지,종교용지 및 사적지인 지역]에 대한 우려기준(가장 엄격한 기준)과 비교하였을때 일부 중금속만 극히 미량 검출되었을 뿐으로 전혀 문제가 되지 않았다. 각 주형별로 가장 엄격한 농경지의 토양오염 공정시험결과는 다음 표4와 같이 모두 기준치 이내에 있다.

* 근거자료 : 주형종류별 폐주물사의 환경유해성 검토 및 적정관리방안 연구 (한국자원재생공사 .1997. 6.)

즉 상기에서와 같이 주물공장에서 폐기 처분되는 주물사는 주형이나 재질에 관계 없이 토양오염시험결과 모두 가장 엄격한 기준을 적용하는 농경지를 기준으로 할 경우에도 기준치 이내에 있음으로 폐기 처분되는 주물사를 이용하여 규산질 비료로 사용 시 토양오염 문제는 발생하지 않음을 알 수 있다.

다음은 폐기 처리되는 주물사를 이용한 규산질 비료를 제조하는 방법을 단계별로 설명하기로 한다.

본 고안에서 규산질 비료로 재활용하고자 하는 주물사는 자경성 주형 및 CO₂개스 경화성 주형 중에서 규산소다를 점결제로 사용하는 주물 제품 생산 업체로부터 발생하여 폐기 처리되는 주물사이며, 이중에서 이산화규소(SiO₂) 성분과 규산소다(물유리) 성분을 분리 선별하여 규산질 비료의 주원료로 사용하는 것이며 생산단계는 2단계로 구분한다. 1단계는 주물사를 중간 처리하여 0.25mm∼2.0mm이하의 이산화규소와 0.25mm이하의 규산소다 알카리 미분말을 선별하는 것이며, 2단계는 1단계에서 생산된 이산화규소와 규산소다 알카리 미분말을 주원료하여 규산질 비료를 만드는 것이다.

1단계 제1공정은 수집된 주물사를 공급기에 투입하여 30mm 입도의 회전선별기에 의하여 30mm 이상의 덩어리는 분쇄기(Jaw crusher)로 이송하고, 30mm이하는 건조기로 이송하게 된다. 제2공정은 철분분리공정으로서 분쇄 및 건조공정으로 이송하는 벨트 컨베어 상단에 Belt형 Magnet를 설치하여 철편을 분리하고, 제3공정은 분쇄공정으로 30mm이상의 덩어리를 30mm이하로 분쇄하며 , 제4공정은 분쇄공정을 거친 30mm이하의 입자와 1공정에서 선별된 30mm이하 입자들을 Rotary Killen Type의 건조로에 투입, 원료의 함수율에 따라 150℃∼250℃ 정도로 건조하여 함수율을 2.0% 이하로 낮추어 규산소다 성분이 2.0∼3.0% 정도 함유된 알카리성 미분말을 선별하는 공정으로 구성되어 있다.

제2단계 규산질 비료 생산 단계는 5개 공정으로 제1공정은 원료 자동계량공정, 제2공정은 혼합공정,제3공정은 입상제조공정,제4공정은 건조공정,제5공정은 계량 및 포장공정으로 되어 있다.

제1공정은 1단계 중간처리공정에서 생산된 원료를 저장탱크에 구분 보관하게 되는데 제1탱크는 0.25mm∼2.0mm이하의 이산화규소(SiO₂),제2탱크는 0.25mm이하의 규산소다(Na₂O · mSiO₂(mn+x) · nH₂O) 함유 알카리성 미분말(微粉末),제3탱크는 유기질성분의 부식산을 보관하며,각 탱크에 보관중인 원료는 중량 계량장치(Load cell)에 의하여 자동 계량된다.

제2공정은 혼합공정으로 중량비로 0.25mm∼2.0mm이하 이산화규소(SiO₂) 40∼60%,규산소다 포함 알카리성 미분말 30∼50%, 유기질 부식산(腐植酸) 3∼5%, 구용성고토 2%를 Ribbon Type Mixer에 의해 약 2분간 혼합한다.

제3공정은 사상 혹은 입상제조공정으로 제2공정에 의해 충분히 교반 혼합된 원료는 사상 혹은 입상으로 제조함으로써 미분상태로 시비할 경우 바람에 잘 날리게 되어 작업 요원의 호흡 및 시력에 장애가 되는 점을 보완하고 비교적 적은 입자의 2.0∼3.0mm의 사상 혹은 입상으로 제조함으로써 시비 후 단기간에 토양에 용해되어 작물에 비료성분이 쉽게 흡수되도록 한다.

제4공정은 건조공정으로 제3공정에서 2.0∼3.0mm의 입상으로 제조된 제품은 Rotary Killen Type의 건조기에 의하여 150~250℃로 건조하여 함수율을 조절한 후 공냉식 사이로로 이송하여 상온에 의하여 서냉한 다음 계량 포장공정으로 이송한다.

제5공정은 계량.포장공정으로 서냉 사이로에 보관되어 있던 제품은 계량장치에 의하여 20kg씩 혹은 1,000kg씩 계량되어 PE Bag 혹은 대형 bag으로 포장한 후 제품 보관창고에 보관하게 된다.

폐기되는 주물사를 이용한 규산질 비료는 사상 및 입상형태로 다량의 이산화규소와 규산소다 알카리 미분말,유기질 부식산,고토 등이 다량 함유된 알카리성 비료이며, 산성 토양 개량제이다. 규산성분은 식물조직을 튼튼하게 하여 벼,보리,잔디 등 벼과 식물의 도복 및 각종 병충해에 대한 내성을 증가시키므로 도열병,뿌리 썩음병 방지에도 효과가 있다. 벼농사를 짓는데 가장 많이 필요한 것은 질소비료라고 알기 쉽지만 벼는 규산을 질소의 8배 이상 흡수하며 자라고,벼 100kg 생산에 필요한 질소 흡수량은 1.8kg인데 비하여 규산 흡수량은 14.8kg나 된다.논 토양의 규산질 함량은 130~180ppm이 적당한데 우리 나라 논의 규산함량은 평균 72ppm으로 97.2%의 논이 규산이 부족한 실정이다. 고로슬랙을 이용하여 제조한 광재 규산질 비료는 고로(高爐)에서 수쇄(水碎)급냉슬랙을 만드는 과정에서 침상(針狀)이 형성되는 경우가 있어 시비(施肥)할 경우 호흡기 및 시력보호를 위해 약간의 주의할 점이 있으나 본 발명에 의하여 생산된 규산질 비료는 이러한 문제점이 없으며 그 효과 또한 기존 광재 규산질 비료와 대등한 효과를 발휘한다.

본 발명에 의하여 생산된 규산질 비료는 가용성 규산을 15∼25% 함유하고 있고 규산소다 미분말은 알카리 성분으로서 CO₂형의 경우 Ph 7.48~7.68이며,Core sand인 αset형사는 Ph 7.68~8.4로서 약 알카리성을 띠고 있어 산성토양의 개량에 효과적이며,규산소다 미분말의 성분은 본래의 성질 즉 Na₂O · mSiO₂(mn+x) · nH₂O로 안정화하려는 성질이 있어 우수(雨水)나 살수(撒水)시 수분을 다량 흡수하려는 성질을 가지고 있으며, 한번 수분을 흡수하면 잘 건조되지 않는 성질이 있어 식물에 상당 기간 동안 수분을 제공하며,미분말의 규산(mSiO₂)은 수용성 규산으로 작물의 뿌리나 미생물에서 분비되는 산이나 유기물의 분해 때 발생하는 유기산 등에 잘 녹아 식물에 흡수가 용이하게 된다.

규산(SiO₂)성분이 많으면 많을수록 벼가 규산을 잘 흡수하며,규산을 오래 동안 연용(連用)한 논이라도 생산량 감소를 막기 위해서는 감량을 해서라도 매년 시용하는 것이 좋다. 규산은 작물의 줄기 및 표피에서 규화(珪化)세포를 형성하여 가뭄,홍수 외에 병 · 해충에 대한 저항성을 높여 주며,질소 및 인산의 흡수 이용률을 높여 토양 내 비효(肥效)의 유실을 줄여 준다. 또 부식산으로 인하여 유기질 성분을 5% 이상 함유하고 있어 논과 밭의 토양은 물론 골프장 그린 및 페어웨이의 잔디와 축구전용구장의 잔디에 시비 시 잔디의 잎면의 폭이 좁혀지고,규화세포를 형성하게 되어 잔디의 병해가 적어지고 잔디 뿌리 부분까지 산소의 공급이 용이하여 답압으로부터 도복된 잔디의 회복속도가 빨라 최상의 그린 상태를 유지할 수 있다. 규산질 비료는 과잉 사용하여도 장해가 없는 유일한 비료성분으로 산성 토양을 개량하여 주고 인산비료의 효과를 높여주는 역할을 하며,규산질 비료의 알카리성은 토양 속의 산을 조금씩 중화해 석회보다 그 효과가 오래 지속된다. 규산질 비료의 효과는 논의 조건에 따라 다르나 규산함량이 60ppm인 논에다 규산질 비료를 10a당300kg을 주었을 경우 쌀이 평균 11%나 증수되고 튼튼해진 벼는 잎이 직립하기 때문에 질소(요소)비료를 주어도 햇빛을 잘 받고 병충해나 도복에 강하기 때문에 질소량을 7.3kg →11.3kg으로 늘려주었을 때 쌀이 52%나 증수되었다. 규산질 비료는 사질토,부식토,냉수지,천수답,도열병 상습지,경지정리지구 등의 논에 효과가 있으며,규산질 비료는 대량 살포하여야 하기 때문에 본 특허 규산질 비료는 농협에 비치되어 있는 비료 살포기를 이용하는 것이 바람직하다.

Claims (4)

1. 주물공장에서 폐기 처리되는 주물사를 분쇄,건조,선별공정의 중간처리단계를 거쳐 생산된 이산화규소(SiO₂)를 중량비 40∼60%와 규산소다 함유 알카리성 미분말 30∼50%를 주원료로 하여 유기질 부식산 3∼5%와 구용성 고토 2.0%를 추가 혼합하여 규산이 부족한 논밭은 물론 골프장 그린과 축구전용구장의 양(洋)잔디에 사용 가능하도록 폐기 처리되는 주물사를 주원료로 이용한 규산질 비료를 생산함을 특징하는 규산질 비료의 제조방법.
2. 제1항에 있어서 주물사 입자들을 선별하기 위한 선별기 상단은 2.0mm, 하단은 0.25mm의 2중 선별망을 사용하여 2.0mm이상의 입자들은 다시 분쇄 시킨 후 재 선별토록 하여 0.25mm이하의 입자와 0.25mm이상 2.0mm이하의 입자를 선별하도록 하는 단계를 더 포함하도록 구성되어짐을 특징으로 하는 주물사를 이용한 규산질 비료의 제조방법.
3. 제1항에 있어서 주물사에서 0.25mm이하의 미분을 분리하기 위하여 로타리킬른 타입의 건조기를 주물사가 통과하도록 하되 건조기 내의 온도는 150∼250℃를 유지하여 함수율을 2% 이하로 건조시키도록 하는 단계를 더 포함하도록 구성되어짐을 특징으로 하는 주물사를 이용한 규산질 비료의 제조방법.
4. 주물공장에서 폐기 처리되는 주물사를 분쇄,건조,선별의 처리단계를 거쳐 생산된 이산화규소(SiO₂)와 규산소다 알카리성 미분말을 주성분으로 하되 중량비로 이산화규소(SiO₂) 40∼60%, 규산소다 알카리 미분말 30∼50%, 유기질 부식산 3∼5%,구용성고토 2.0%로 조성되는 폐기 처리되는 주물사를 30∼80% 주원료로 생산함을 특징으로한 규산질 비료