KR20060079292A

KR20060079292A - 적니를 이용한 벽돌 제조 방법

Info

Publication number: KR20060079292A
Application number: KR20040117055A
Authority: KR
Inventors: 김한성; 조재수
Original assignee: 태광케미칼 주식회사
Priority date: 2004-12-30
Filing date: 2004-12-30
Publication date: 2006-07-06
Also published as: KR100652201B1

Abstract

산업 폐기물인 적니 등을 이용하여 벽돌을 제조하는 방법을 제공한다.

본 발명에 의한 벽돌 제조 방법은 적니 및 폐석회와 같은 산업 폐기물을 이용하면서도 백화 현상을 억제하고 일반 벽돌로 사용할 수 있는 수준의 압축 강도를 나타내어 경제적이면서도 실용성을 갖춘 벽돌을 제공한다.

적니. 폐석회, 산 처리(acid treatment)

Description

적니를 이용한 벽돌 제조 방법{Method for production of brick utilizing red mud}

본 발명은 벽돌 제조 방법에 관한 것으로서 보다 구체적으로는 산업 폐기물인 적니 등을 이용하여 벽돌을 제조하는 방법에 관한 것이다.

적니(Red mud)는 보오크사이트 원광석에서 생산되는 알루미나의 선광 과정에서 발생하는 무기질 부산물로서, 산화철 및 알루미나를 다량으로 함유한 찌꺼기를 말한다. 이것은 적색의 미분상 진흙으로 다량의 가성 소다를 함유하고 있어 주변에 색도오염 및 알카리 오염을 유발시키므로 원상태에서는 생태계에 악영향을 끼치게 되므로 적절한 처리가 필요하다. 과거에는 적니를 해양 투기 하였으나 런던 협약의 발효로 해양 투기가 제한되어 처리에 어려움을 겪고 있다.

국내에서도 알루미나의 수요가 증가함에 따라 예를 들어 KC(주)에서 2003년 기준으로 년간 10만톤 이상 발생하고 있으나 국내에서 2001년 이후 직매립을 금지하고 있어 이에 따른 처리 방안이 시급한 실정이다.

적니의 재활용 기술은 크게 보아 건자재로 이용하는 것과 중금속 폐수를 처리하기 위한 무기 응집제로 이용하는 것으로 구별된다. 그 중에서도 건자재로의 이 용은 자원의 재활용 측면에서 바람직하다.

벽돌 등의 건자재로의 재활용의 경우 적니를 이용한 적벽돌의 제조가 상업화되었으나 적니에 의해서 벽돌 표면에 흰색 결정이 발생하는 백화 현상이 일어남에 따라 미관상의 문제로 수요가 감소하여 현재는 그 활용이 미미한 실정이다. 또한 상기 적니는 강염기성이어서 이를 그대로 사용하기 어려워 별도의 중화 과정을 거쳐야 하는 부담이 있어 사용에 장애가 되어왔다.

그러나 적니를 건자재로 이용하는 것은 비교적 접근이 용이한 방법이며 많은 양을 처리할 수 있다는 점에서 지속적인 연구의 대상이 되어 왔으며 상기 백화 및 강염기의 문제를 해결할 경우 자원 재활용 측면에서 그 효과가 매우 크다.

한편, 폐석회는 비료공장 및 화학 공장 등에서 발생되는 무기성 슬러지로 pH가 약 12 인 강염기성 물질로서 대부분 화학 공장에서 발생되고 있다. 현재 시멘트 및 타일 등의 제조 원료로서 일부 이용되고 있을 뿐 대부분이 매립하거나 사업장내 방치하고 있어 주변에 환경 오염을 유발하고 있다. 현행 폐기물 관리법상 폐석회를 일반 토사류 등과 혼합하여 성토재 또는 복토재 등으로의 이용을 허가하고 있지만 실질적인 이용은 환경 오염의 부담으로 인하여 미미한 실정이다.

비록 폐석회의 중금속 함유량이 유해물질 함유기준 이내이어서 소성이나 기타 처리단계 없이 건설 재료로 활용할 수 있고, 탄산 칼슘(CaCo₃), 생석회(CaO) 및 염화 칼슘(CaCl₂)이 주성분이어서 결합제로서의 역할이 가능하여 국내에서도 시멘트 제조시 생석회의 확보를 위해 폐석회를 이용하는 사례가 보고되고 있으나 실용적인 측면에서는 아직 부족한 실정이다.

상기 적니 또는 폐석회를 건자재로 활용한 종래 기술로는 경량 골재로 이용하거나 폐석회를 석탄재 등으로 경화시킨 경우가 알려져 있다.

예를 들어, 대한민국 특허 등록 제 0240943 호는 적니를 이용한 다공성 경량 골재를 개시하고 있다. 적니를 제지 슬러지와 혼합하여 고온 소결 시킴으로써 다공성을 가지는 건축용 골재를 생산하는 방법이다. 그러나 상기 다공성 경량 골재를 이용할 경우 건축물의 안전성에 대한 검토가 없는 상태이고 소성 과정을 거침으로써 가격이 상승하는 문제가 있다.

또한, 대한민국 특허 공개 제 2004-0013077 호는 폐석회 및 석탄회를 이용한 건설용 블록을 개시하고 있다. 기존 블록에 골재를 사용하는 대신에 폐석회를 사용하여 제조한 벽돌이다. 그러나 상기 재료는 폐석회의 재활용이 가능하다는 측면에서는 바람직하나 적니를 사용하고 있지는 않다.

따라서 상기 적니로 인한 백화 및 강염기의 문제를 해결하여 폐기물 재활용의 취지를 살리면서도 실질적으로 적니 및 폐석회의 대량 사용을 가능하게 할 수 있는 방안이 요구된다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 적니 및 폐석회를 이용하면서도 벽돌의 백화 등을 억제하여 종래의 적니를 이용한 이용한 벽돌과 차별화되는 실용적인 벽돌의 제조 방법을 제공하는 것이다.

본 발명은 상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 산 처리(acid treatment)한 적니 잔류물 100 중량부를 기준으로 건조 폐석회 200 내지 400 중량부, 결합재 50 내지 150 중량부 및 물 100 내지 200 중량부를 첨가하여 혼합하는 단계; 상기 혼합물을 일정 압력으로 벽돌 형태로 성형하는 단계; 및 상기 성형된 벽돌을 양생하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 벽돌 제조 방법을 제공한다.

이하 본 발명의 구현예를 더욱 상세하게 설명한다.

본 발명의 벽돌 제조 방법은 적니를 산 처리한 잔류물 100 중량부를 기준으로 건조시킨 폐석회 200 내지 400 중량부, 결합재 50 내지 150 중량부 및 물 100 내지 200 중량부를 첨가하여 혼합하는 단계; 및 상기 혼합물을 일정 압력으로 벽돌 형태로 성형하는 단계 및 상기 성형된 벽돌을 양생하는 단계를 포함한다.

첫 단계는 산 처리한 적니 잔류물 100 중량부를 기준으로 건조 폐석회 200 내지 400 중량부, 결합재 50 내지 150 중량부 및 물 100 내지 200 중량부를 배합하여 혼합물을 만드는 단계이다.

상기 단계에서 산 처리한 적니 잔류물은 보오크사이트에서 알루미나를 정련하는 과정에서 발생하는 부산물인 적니를 산으로 처리하고 남은 잔류물을 말한다. 적니는 알루미나(Al₂O₃), 산화철(Fe₂O₃), 규사(SiO₂), 이산화티탄(TiO₂) 및 산화나트 륨(Na₂O), 산화칼슘(CaO) 등으로 구성되는데 이것을 산으로 처리하면 적니 성분 중에서 알루미나 및 산화철은 대부분 이온화되어 용액에 녹게 된다. 예를 들어 1kg의 적니를 산으로 처리할 경우 약 500 내지 600g 정도의 잔류물이 남고 나머지는 용액에 녹게 된다. 따라서 잔류물은 주성분이 규사, 산화칼슘, 이산화티탄 등이 되어 건자재용 골재로서 적합한 조성으로 바뀌게 되며 상기 잔류물의 pH도 산성 내지 중성으로 바뀌게 된다. 또한 적니의 주성분인 산화철이 대부분 분해되므로 적니로 제조한 벽돌에서 백화를 유발하는 요인이 감소하는 결과가 되어 상기 잔류물로 벽돌을 제조할 경우 백화 현상이 억제되어 일반 황토 등을 사용한 적벽돌과 차이가 거의 없게 된다. 그리고 적니의 색깔을 결정하던 산화철이 대부분 없어지므로 색깔도 짙은 붉은 색에서 옅은 황색으로 변화하게 된다. 따라서 종래 적니를 이용하였던 벽돌 등의 건자재에서 발생하였던 백화 및 강염기의 문제를 해결할 수 있다.

상기 산 처리한 적니 잔류물을 얻는 과정은 본 발명에 따른 벽돌만을 제조하기 위한 과정이 될 수도 있으나 상기 적니를 용해한 용액을 다른 분야에 이용하는 과정에서 수반되는 것이 일반적이므로 본 발명의 벽돌 등을 제조하는데 별도의 경제적인 부담을 주는 것은 아니다.

상기 단계에서 폐석회는 솔베이 법에 의해 석회석에서 소다회를 제조하는 과정에서 발생하는 부산물로서 그 화학적 구성은 석회석(CaCO₃), 생석회(CaO) 및 생마그네슘(MgO) 등이며 수분 함량은 일정하지 않다. 수분 함량은 혼합에 필요한 물의 양에 적합한 수준이면 그대로 사용이 가능하나 포함된 수분량이 건조 적니 100 중 량부를 기준으로 200 중량부를 초과하는 경우에는 적절한 양생을 방해하므로 상기 수준으로 건조시키는 것이 필요하다.

상기 단계에서 결합재는 상기 골재 및 폐석회를 결합시켜 경도를 발현할 수 있는 것이면 어떤 것이라도 가능하며 시멘트, 석탄회, 생석회 등이 바람직하나 이에 한정되지 않는다.

상기 혼합 단계에서 폐석회 및 산처리한 적니 잔류물은 대부분 골재 또는 충진제로 작용하며 폐석회 성분 중의 생석회는 결합재로 작용할 수 있다. 또한 상기 폐석회 또는 적니 잔류물의 일부를 자갈 등의 골재로 대체하여 콘크리트 벽돌을 제조하는 것도 가능하다.

이들의 조성비는 벽돌의 강도를 고려하여 조절될 수 있으나 건조 적니 100 중량부를 기준으로, 건조 폐석회 200 내지 400 중량부, 결합재 50 내지 150 중량부 및 물 100 내지 200 중량부가 바람직하다. 더욱 바람직하게는 건조 적니 100 중량부를 기준으로, 건조 폐석회 250 내지 350 중량부, 결합재 75 내지 125 중량부 및 물 100 내지 150 중량부이다.

상기 건조 폐석회는 200 중량부 미만인 경우에는 생석회 양의 감소로 성형된 벽돌의 강도가 낮아지는 단점이 있고 400 중량부를 초과하는 경우에는 성형체의 밀도가 낮아지는 단점이 있다.

상기 결합재는 50 중량부 미만인 경우에는 성형된 블록의 강도가 너무 낮아 건자재로 사용이 부적합하며 150 중량부를 초과하는 경우에는 성형체의 밀도가 낮아지고 첨가량 대비 압축 강도에 미치는 효과가 크지 않으며 결합재로 인한 비용 증가의 문제가 있다.

상기 성분들을 물과 함께 혼합한다. 이들의 혼합 순서는 특별히 한정하지 않으나 바람직하게는 적니 및 폐석회를 먼저 혼합한 다음에 물을 혼합한다. 물은 적니 및 폐석회를 결합재와 혼합하는 도중에 붓거나 분무하는 방식 등 어느 것이나 가능하며 폐석회가 수분을 함유한 경우에는 첨가하는 물의 양을 그만큼 줄인다. 그 첨가량은 건조 적니 100 중량부를 기준으로 100 내지 200 중량부가 바람직한데 100 중량부 미만에서는 성형된 벽돌의 점성이 떨어져 성형이 어려위 쉽게 부서지는 문제가 있고 200 중량부를 초과하는 경우에는 성형시 물이 빠져나오고 성형이 어려워지므로 바람직하지 않다.

다음 단계에서 상기 혼합물을 일정 압력으로 벽돌 모양으로 성형한다. 성형은 소정 형상의 금형 속에 혼합물을 주입하고 일정 압력으로 가압한다. 성형 공정의 압력 및 양생 조건에 따라 성형체의 강도는 변한다. 바람직하게는 1 내지 300 kgf/㎠ 의 압력을 가하고 더욱 바람직하게는 20 내지 150kgf/㎠의 압력을 가하며 진동을 부가적으로 이용하는 것도 바람직하다. 압력이 1kgf/㎠ 미만이면 성형력이 약하여 성형이 어려우며 성형물이 쉽게 부서지는 단점이 있고 압력이 300kgf/㎠를 초과하면 성형 효과는 비슷하나 장치비 및 운전비가 많이 소모되어 바람직하지 못하다.

상기와 같이 가압하면서 성형한 후 금형에서 분리한다. 또는 혼합물을 특정한 형상의 금형틀을 통과시키면서 금형틀의 후단에서 필요한 크기로 절단하여 성형할 수 있다.

마지막 단계로 상기 벽돌을 양생한다. 바람직하게는 상기 성형물을 10 내지 95℃에서 10 내지 100 시간 양생한다. 양생 온도가 10℃ 미만인 경우에는 오랜 양생시간이 요구되고 양생이 완전치 못할 뿐 아니라 성형체의 강도가 낮은 문제가 있고 양생 온도가 95℃를 초과하면 운전비가 많이 소모되어 바람직하지 못하다. 상기 양생은 온도가 상승할수록 양생 시간을 줄일 수 있으나 상기 온도 범위 내이면 상온에서 양생하는 것도 가능하다. 10 시간 이내이면 강도가 양생이 불완전하게 이루어지고 100 시간 이상이면 양생 정도에 별 차이가 없다.

상기 벽돌은 처음에 옅은 황색의 외관을 보이며 시간이 경과하여도 적니로 인한 백화 현상이 나타나지 않는다. 따라서 종래 적벽돌이 사용되는 건물 외벽용 조적 벽돌이나 보도 블럭, 호안 블럭 등 모든 분야에 사용될 수 있다.

상기 산 처리한 적니 잔류물에 있어서, 산 처리는 0.1 내지 50M 농도의 산에 0.1 내지 50 시간 적니를 접촉시키는 것이 바람직하다.

보다 구체적으로는 상기 적니를 산 용액과 접촉시키는 방법은 특별히 한정되지 않으며 예를 들어 산 용액에 적니를 투입하고 교반 등을 해줄 수 있다. 상기 산의 농도는 특별히 한정되지 않으며 적니 중에서 산화철 및 알루미나의 분해가 가능한 농도이면 어떠한 농도라도 무방하다. 바람직하게는 0.1 내지 50M 정도이나 더욱 바람직하게는 1 내지 30M 이다. 0.1M 미만인 경우에는 산의 농도가 낮아 산화철 및 알루미나의 분해가 미미하고 50M 이상인 경우에는 농도 증가에 따른 분해 정도의 차이가 크지 않다.

상기 적니를 산 용액에 접촉시키는 시간은 적니에서 산화철 및 알루미나를 용해할 수 있는 시간이면 특별히 한정되는 것은 아니다. 다만, 산의 농도가 묽을 경우에는 시간을 길게하고 산의 농도가 짙을 경우에는 시간이 짧아진다. 바람직하게는 0.1 내지 50 시간이 적합하다. 0.1 시간 미만이면 산화철 등의 분해가 미미하고 50 시간을 초과하는 경우에는 산화철 등의 분해 정도에 별 차이가 없다.

또한 상기 산처리에 사용되는 산은 산화철 및 알루미나를 분해할 수 있으면 되며 그 종류가 특별히 한정되지 않는다. 따라서 pH 가 4 이하인 일반적으로 알려진 모든 종류의 산이 사용 가능하다. 바람직하게는 pH 1 이하인 강산인 적합하며 그 중에서도 염산, 황산, 질산, 과염소산(HClO₄), 술폰산(sulfonic acid) 등이 적합하다.

상기 산으로 처리한 적니 잔류물은 알루미나 및 산화철이 대부분 분해되어야 하므로 잔류물 중에서 알루미나(Al₂O₃) 함량이 0.001 내지 5 중량%, 산화철(Fe ₂O₃)의 함량이 0.001 내지 20 중량% 인 것이 바람직하다.

알루미나 및 산화철의 함량이 0.001중량% 미만인 경우에는 벽돌 제조에 미치는 영향이 거의 없고 알루미나의 함량이 5중량% 를 초과하는 경우에는 벽돌의 밀도가 저하되는 문제가 있고 산화철이 20 중량%를 초과하는 경우에는 백화 현상을 유발할 수 있다. 이와 같이 산화철 및 알루미나의 함량이 감소하면 규사 및 생석회의 함량이 상대적으로 증가하여 상기에 언급한 바와 같이 골재로 사용하기에 적합한 조성으로 바뀌게 된다.

상기 결합재는 시멘트, 석탄회 및 생석회로 이루어진 군에서 선택된 1 종 이 상인 것이 바람직하나 이에 한정되지 않으며 상기 적니 및 폐석회를 경화시키면서 결합시킬 수 있는 것이면 어떤 것이라도 가능하다. 바람직하게는 포틀랜드 시멘트등이 사용될 수 있다.

상기한 방법으로 제조되는 벽돌은 색깔이 옅은 황색이면서 백화 현상이 억제되므로 황토를 사용하여 제조한 적벽돌과 유사한 외관을 가지게 될 뿐만 아니라 화학적 조성도 유사하여 실질적으로 동등한 적벽돌이 제조될 수 있다. 즉 제조 원료는 다르지만 화학적 처리를 거침으로서 실제 생산품은 외형적으로나 성분적으로나 동등 수준이므로 경제적이면서도 실용성이 구비한 건자재 제품이 가능하다.

상기 벽돌은 벽돌만으로 한정되는 것이 아니며 벽돌 블럭 호안 블럭등 일반적으로 배합 양생하여 생산되는 소위 벽돌로 총칭되는 것들을 모두 포함한다.

이하 본 발명을 실시예를 들어 보다 구체적으로 설명한다.

산 처리한 적니 잔류물 제조

보오크사이트의 알루미나 선광 과정에서 얻어진 하기 표 1 의 조성을 갖는 적니 1kg을 9M 염산 용액 3.2kg에 투입하고 6시간 동안 방치하면서 매시간마다 저어준다. 상기 용액에서 액체 부분을 별도의 용기에 붓는다. 액체를 제거하고 바닥에 남은 잔류물에 물을 부어 세정한다. 잔류물의 건조 중량은 481g 이었다.

구분	Fe₂O₃	Al₂O₃	SiO₂	TiO₂	Na₂O	CaO	LOI
중량%	36.3	18.3	16.4	9.1	7.5	9.1	10.3

(LOI: Loss of Ignition)

벽돌 제조

실시예 1

상기 산 처리한 적니 100 중량부를 기준으로 건조 폐석회 300 중량부, 시멘트 100 중량부를 배합한 후 물을 125 중량부를 첨가하면서 다시 배합한다. 그런 후에 금형 속에 주입하여 100kgf/㎠의 압력으로 성형하였다. 마지막으로 상기 성형체를 20℃에서 100 시간 동안 양생하여 벽돌을 제조하였다.

실시예 2

상기 폐석회 150 중량부를 첨가한 것을 제외하고는 실시예 1 과 동일한 방법에 의하여 벽돌을 제조하였다.

실시예 3

상기 폐석회 400 중량부를 첨가한 것을 제외하고는 실시예 1 과 동일한 방법에 의하여 벽돌을 제조하였다.

실시예 4

상기 폐석회 500 중량부를 첨가한 것을 제외하고는 실시예 1 과 동일한 방법에 의하여 벽돌을 제조하였다.

실시예 5

상기 시멘트 200 중량부를 첨가한 것을 제외하고는 실시예 1 과 동일한 방법에 의하여 벽돌을 제조하였다.

실시예 6

상기 시멘트 250 중량부를 첨가한 것을 제외하고는 실시예 1 과 동일한 방법에 의하여 벽돌을 제조하였다.

실시예 7

상기 폐석회 300 중량부를 첨가한 것을 제외하고는 실시예 1 과 동일한 방법에 의하여 벽돌을 제조하였다.

비교예 1

상기 적니를 산 처리하지 않고 사용한 것을 제외하고는 실시예 1 과 동일한 방법에 의하여 벽돌을 제조하였다.

압축 강도 시험

KS 규정에 따라 시험하였다.

구분	혼합비(중량부)				압축강도 (kgf/㎠)
구분	산 처리한 적니	폐석회	시멘트	일반 적니	압축강도 (kgf/㎠)
실시예 1	100	300	100	0	110
실시예 2	100	150	100	0	81
실시예 3	100	400	100	0	121
실시예 4	100	500	100	0	125
실시예 5	100	300	200	0	131
실시예 6	100	300	250	0	135
실시예 7	100	300	300	0	139
비교예 1	0	300	100	100	115

상기 표 2 에 나타난 바와 같이, 본 발명의 벽돌 제조 방법에서 폐석회의 함량이 200 중량부 미만인 경우에는 벽돌의 압축 강도가 감소하였으며 400 중량부를 초과하는 경우에는 압축 강도의 증가가 크지 않았다. 시멘트의 함량이 150 중량부를 초과할 경우에도 함량 증가에 따른 압축 강도의 증가가 크지 않았다. 한편 상기 적니 및 폐석회를 사용한 벽돌을 제조한 모든 경우의 압축 강도는 80kgf/㎠ 이상으로서 KS기준을 만족하였다. 산처리하지 않은 적니를 사용한 경우에도 압축 강도는 KS 기준을 통과하였다.

외관 평가

상기 실시예 1 내지 7 및 비교예 1 의 적벽돌의 외관을 제조 직후 및 30일 후에 비교 하였다. 상기 실시에 1 내지 7 의 적벽돌은 옅은 황색을 보였으나 비교예 1 의 적벽돌은 짙은 붉은 색을 보였다. 또한 상기 실시예 1 내지 7 의 적벽돌은 30일이 경과한 후에도 벽돌 표면에 백화 현상이 나타나지 않아 우수한 상품성을 유지 하였으나 비교에 1 의 적벽돌은 벽돌 표면에 백화가 진행되어 백태가 모든 면에 골고루 퍼져 있어 상품 가치가 크게 감소하였다.

Claims

적니를 이용한 건축 및 건설용 벽돌 제조 방법으로서,

산 처리한 적니 잔류물 100 중량부를 기준으로 건조 폐석회 200 내지 400 중량부, 결합재 50 내지 150 중량부 및 물 100 내지 200 중량부를 첨가하여 혼합하는 단계;

상기 혼합물을 일정 압력으로 벽돌 형태로 성형하는 단계; 및

상기 성형된 벽돌을 양생하는 단계;

를 포함하는 것을 특징으로 하는 벽돌 제조 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 산 처리는 0.1 내지 50M 농도의 산에 0.1 내지 50 시간 적니를 접촉시키는 것을 특징으로 하는 벽돌 제조 방법.
제 2 항에 있어서, 상기 산처리에 사용되는 산은 염산, 황산, 질산, 과염소산(HClO₄) 및 술폰산(sulfonic acid)으로 이루어진 군에서 선택된 1 종 이상인 것을 특징으로 하는 벽돌 제조 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 산 처리한 적니 잔류물 중에서 알루미나(Al₂O₃) 함량이 0.001 내지 5 중량%, 산화철(Fe₂O₃)의 함량이 0.001 내지 20 중량% 인 것을 특징으로 하는 벽돌 제조 방법.
제 1 항에 있어서 상기 결합재가 시멘트, 석탄회 및 생석회로 이루어진 군에서 선택된 1 종 이상인 것을 특징으로 하는 벽돌 제조 방법.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 의한 방법으로 제조되는 것을 특징으로 하는 벽돌.