KR20130005706A

KR20130005706A - 폐기물을 이용한 경량 건축자재의 제조 방법 및 이로부터 제조된 경량 건축자재

Info

Publication number: KR20130005706A
Application number: KR1020110067272A
Authority: KR
Inventors: 이세린
Original assignee: 이세린
Priority date: 2011-07-07
Filing date: 2011-07-07
Publication date: 2013-01-16
Also published as: AU2012278447A1; CA2844052A1; AU2012278447B2; WO2013006011A3; KR101380856B1; WO2013006011A2

Abstract

본 발명은 폐기물을 이용한 경량 건축자재의 제조 방법 및 이로부터 제조된 경량 건축자재에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 하수 슬러지, 레미콘 슬러지, 폐주물사, 발전소 재, 소각 잔재물, 연마석 잔재물, 폐석면, 제철소 분진 등의 폐기물을 이용한 경량 건축자재의 제조 방법 및 이로부터 제조된 경량 건축자재에 관한 것이다.
상기 경량 건축자재의 제조 방법은 (a) 하수 슬러지에 레미콘 슬러지, 폐주물사, 폐석면 및 발전소 재로 구성된 군에서 선택되는 폐기물을 적어도 1종류 이상 첨가하여 폐기 혼합물을 제조하거나 레미콘 슬러지에 소각 잔재물, 연마석 잔재물, 폐주물사, 폐석면, 제철소 분진 및 발전소 재로 구성된 군에서 선택되는 폐기물을 적어도 1종류 이상 혼합하여 폐기 혼합물을 제조하는 단계; (b) 상기 폐기 혼합물에 장석, 벤토나이트, 제올라이트, 황토, 운모 및 납석으로 구성된 군에서 선택되는 첨가제를 넣은 다음, 혼합하여 첨가제가 함유된 혼합물을 제조하는 단계; (c) 상기 첨가제가 함유된 혼합물을 성형하여 성형물을 제조하는 단계; 및 (d) 상기 성형물을 소성로에서 소성하여 경량 건축자재를 제조하는 단계를 포함한다.

Description

폐기물을 이용한 경량 건축자재의 제조 방법 및 이로부터 제조된 경량 건축자재 {Method for Producing Lightweight Construction Material Using Waste and Lightweight Construction Material Produced Thereby}

본 발명은 폐기물을 이용한 경량 건축자재의 제조 방법 및 이로부터 제조된 경량 건축자재에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 하수 슬러지, 레미콘 슬러지, 폐주물사, 발전소 재, 소각 잔재물, 연마석 잔재물, 폐석면, 제철소 분진 등의 폐기물을 이용한 경량 건축자재의 제조 방법 및 이로부터 제조된 경량 건축자재에 관한 것이다.

일반적으로 정수장이나 하수종말처리장, 공장 또는 소각장 등에서 발생하는 슬러지 및 유기물이 아닌 잔재물은 폐기물로 분류되어, 수거과정을 통하여 지정된 방법으로 폐기하고 있다.

이러한 폐기물을 처리하기 위한 방법으로 폐기물의 탄화, 고화, 부숙화, 소각, 시멘트 원료로 이용, 화력 발전 연료로 이용하는 방법 등이 시도되었다.

탄화는 가마 연소실 내에 폐기물을 넣고 연소실의 온도가 700~1200℃가 되도록 열을 가하는 방법으로, 냄새는 유발되지 않으나, 탄화된 고체 폐기물이 발생되므로, 이를 매립시켜야 하는 문제점이 있다.

고화는 함수율이 80~83% 정도되는 슬러지에 고화제를 첨가한 다음 매립하거나 재활용하여 사용하는 방법으로, 고화제로 처리된 슬러지가 약 1년 이상 경과되면 슬러지의 유기물이 부패되면서 가스가 분출되거나, 고화제 또는 슬러지 입자의 문제로 토양에 침출되고, 비가 오면 산성 성분으로 인하여 토양의 산성화를 유발시킨다는 문제점이 있다.

부숙화는 슬러지를 퇴비로 사용하는 방법으로, 초기에는 식물이 잘 성장하지만, 시간이 흐를수록 토양이 중금속으로 오염되어, 식물이 중금속을 함유하거나 식물의 성장이 저해되는 문제점이 있다.

소각을 위해서는 많은 시설비와 투자비가 소요되지만, 소각 기계의 빠른 부식으로 인한 고장이 많아서 지속적으로 가동시키는데 어려움이 있을 뿐만 아니라 소각시 다이옥신이 발생되는 문제점이 있다.

슬러지를 시멘트 원료로 이용할 경우, 건축 자재가 중금속을 다량 함유하게되어 인체에 해로움을 유발하고, 시멘트 생산시 또 다른 무기물 등의 폐기물을 양산시키는 문제점이 있다.

끝으로, 슬러지를 화력 발전 연료로 이용할 경우, 먼저 슬러지를 건조시켜야 하는데 이때 다이옥신과 악취가 유발되며, 무연탄이나 유연탄을 이용할 때 보다 전기 생산 효율이 낮은 문제점이 있다.

이러한 문제점들을 해결하기 위하여, 슬러지를 재활용하는 방안이 강구되었는데, 슬러지를 재활용하기 위해서는 슬러지에 포함되어 있는 중금속을 처리해야 하고, 재활용시 경제성이 있어야 하며, 재활용된 제품에 기능성이 있어야 한다.

한국등록특허 제10-0859002호에서는 하수 슬러지, 석탄 비산재 및 점토를 각각 1mm 이하로 분쇄한 뒤 성형하고 1100℃~1200℃에서 10~15분간 소성하여 인공경량골재를 제조하는 방법을 제시하였고, 한국등록특허 제10-0450898호에서는 탈수케이크 상태의 하수 슬러지를 24시간 1차 건조하고 분쇄한 뒤 점토, 규사, 석고 및 고로슬래그분말과 혼합하여 성형, 2차 건조 과정 및 900℃~1100℃에서 13시간 소성과정을 거쳐 소성 건자재를 제조하는 방법을 제시하는 등 많은 특허에서 다양한 방법들을 제시하였는데, 이 발명들은 중금속의 용출이 없으며 경량의 골재를 제조할 수 있는 효과가 있었으나, 제조 과정 중에 많은 에너지가 소요되고 제품의 다변화가 어려우며, 소각 후 잔재물을 이용한 제품의 경우 강도가 약하다는 문제점이 있었다.

본 발명자는 상기 문제점을 해결하기 위하여 하수 슬러지 폐기물에 장석, 벤토나이트, 제올라이트, 황토, 운모 및 납석을 첨가하고, 성형 및 소성시키는 것을 특징으로 하는 슬러지 폐기물을 이용한 경량 건축자재의 제조방법(출원번호: 10-2009-0123481)을 출원하였다.

그리고, 본 발명자는 하수 슬러지에 레미콘 슬러지, 폐주물사, 발전소 재, 폐석면 등의 폐기물을 혼합하거나 레미콘 슬러지에 소각 잔재물, 연마석 잔재물, 폐주물사, 발전소 재, 제철소 분진 등의 폐기물을 혼합한 다음 첨가제를 첨가하고, 성형 및 소성시킬 경우, 경량 건축자재의 강도, 투수성 및 불연성을 더욱 높일 수 있을 뿐만 아니라, 별도의 안료를 사용하지 않아도, 적절한 색상의 경량 건축자재를 제조할 수 있다는 사실을 확인하고, 본 발명을 완성하게 되었다.

본 발명의 목적은 하수 슬러지, 레미콘 슬러지, 폐주물사, 발전소 재, 소각 잔재물, 연마석 잔재물, 폐석면 등의 폐기물을 재활용하는 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 폐기물을 재활용하여 강도와 투수성이 우수한 경량 건축자재를 제조하는 방법 및 이로부터 제조된 경량 건축자재를 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 (a) 하수 슬러지에 레미콘 슬러지, 폐주물사, 폐석면 및 발전소 재로 구성된 군에서 선택되는 폐기물을 적어도 1종류 이상 첨가하여 폐기 혼합물을 제조하는 단계; (b) 상기 폐기 혼합물에 장석, 벤토나이트, 제올라이트, 황토, 운모 및 납석으로 구성된 군에서 선택되는 첨가제를 넣은 다음, 혼합하여 첨가제가 함유된 혼합물을 제조하는 단계; (c) 상기 첨가제가 함유된 혼합물을 성형하여 성형물을 제조하는 단계; 및 (d) 상기 성형물을 소성로에서 소성하여 경량 건축자재를 제조하는 단계를 포함하는 폐기물을 이용한 경량 건축자재의 제조 방법 및 상기 방법으로 제조된 경량 건축자재를 제공한다.

본 발명은 또한, (a) 레미콘 슬러지에 소각 잔재물, 연마석 잔재물, 폐주물사, 폐석면, 제철소 분진 및 발전소 재로 구성된 군에서 선택되는 폐기물을 적어도 1종류 이상 혼합하여 폐기 혼합물을 제조하는 단계; (b) 상기 폐기 혼합물에 장석, 벤토나이트, 제올라이트, 황토, 운모 및 납석을 포함하는 첨가제를 넣은 다음, 혼합하여 첨가제가 함유된 혼합물을 제조하는 단계; (c) 상기 첨가제가 함유된 혼합물을 성형하여 성형물을 제조하는 단계; 및 (d) 상기 성형물을 소성로에서 소성하여 경량 건축자재를 제조하는 단계를 포함하는 폐기물을 이용한 경량 건축자재의 제조 방법 및 상기 방법으로 제조된 경량 건축자재를 제공한다.

본 발명에 따르면 하수 슬러지, 레미콘 슬러지, 폐주물사, 발전소 재, 소각 잔재물, 연마석 잔재물, 폐석면, 제철소 분진 등의 폐기물을 강도, 투수성 및 불연성이 우수한 경량 건축자재로 재활용할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 폐기물을 이용한 경량 건축자재의 제조공정도이다.

본 발명에서는 하수 슬러지에 레미콘 슬러지, 폐주물사, 폐석면 및 발전소 재로 구성된 군에서 선택되는 폐기물에 첨가제를 넣고, 성형과 소성을 수행할 경우, 폐기물을 재활용함과 동시에 강도, 투수성 및 불연성이 우수한 경량 건축자재를 제조할 수 있다는 것을 확인하고자 하였다.

본 발명에서는, 하수 슬러지에 레미콘 슬러지, 폐주물사, 발전소 재를 각각 혼합시킨 폐기 혼합물을 제조하고, 장석, 벤토나이트, 제올라이트, 황토, 운모 및 납석을 포함하는 첨가제를 넣은 후, 이를 프레스로 성형하고, 1100~1200℃에서 소성시켜 경량 건축자재인 투수 보도블록과 경량 판넬을 제조하였다. 제조된 투수 보도블록 및 경량 판넬의 물성을 평가한 결과, 보도블록은 우수한 투수성 및 강도를 가지고, 경량 판넬은 우수한 강도와 불연성을 가지고 있음을 확인할 수 있었다.

따라서, 본 발명은 일 관점에서, (a) 하수 슬러지에 레미콘 슬러지, 폐주물사, 폐석면 및 발전소 재로 구성된 군에서 선택되는 폐기물을 적어도 1종류 이상 첨가하여 폐기 혼합물을 제조하는 단계; (b) 상기 폐기 혼합물에 장석, 벤토나이트, 제올라이트, 황토, 운모 및 납석을 포함하는 첨가제를 넣은 다음, 혼합하여 첨가제가 함유된 혼합물을 제조하는 단계; (c) 상기 첨가제가 함유된 혼합물을 성형하여 성형물을 제조하는 단계; 및 (d) 상기 성형물을 소성로에서 소성하여 경량 건축자재를 제조하는 단계를 포함하는 폐기물을 이용한 경량 건축자재의 제조 방법 및 상기 방법으로 제조된 경량 건축자재에 관한 것이다.

본 발명에서 이용되는 하수 슬러지는 하수처리 공정의 여러 단계에서 얻어지는 물질뿐만 아니라 취수관, 취수정에서 인입된 원수를 정수공정에서 여과 및 침전 하면서 발생되는 것을 포함한다. 하수 슬러지는 유기물을 함유하고 있으며 함수율도 높기 때문에 지금까지는 혐기처리(嫌氣處理)에 의해 하수 슬러지를 안정화시킨 후 탈수하여 매립하는 방법으로 처분하거나, 수중투기법(水中投棄法)이나 양수법(揚水法)으로 처리한 후에 바다로 내보내어 처리하였다. 그러나 매립하는 방법은 하수 슬러지량의 증가로 인해 매립지 확보에 어려움을 가지게 되었고, 바다에 투척하는 방법은 그 처리 과정이 까다롭고 환경오염의 가능성을 완전히 배제할 수 없는 단점이 있었다.

상기 하수 슬러지는 함수율이 약 70~80%인 케이크 상태의 슬러지 상태로 수거되어 슬러지 저장조에 저장되었다가, 공급기를 거쳐서 다른 폐기물과 혼합되어 폐기 혼합물로 제조된다. 상기 폐기물은 레미콘 슬러지, 폐주물사, 폐석면 및 발전소 재로 구성된 군에서 선택될 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 레미콘 슬러지는 시멘트에 모래와 자갈, 골재 따위를 적당히 섞고 물에 반죽시킨 혼합물인 콘크리트 제조시 발생되는 폐기물로써, 알카리성을 띠는 복합무기물이다. 레미콘 슬러지는 강도가 우수하고, 소성온도가 낮아 연료를 절감할 수 있으며, 색상이 어둡기 때문에, 별도의 흑색 안료를 사용하지 않고도 건축자재를 제조할 수 있다.

상기 폐주물사는 주조(鑄造)후 남은 모래로써, 석영입자(규사; SiO₂성분이 포함된 석영 알갱이 모래)가 대부분이며, 장석과 점토를 소량 포함하고 있다. 상기 폐주물사를 건축자재 제조시 이용할 경우, 강도를 향상시킬 수 있다.

상기 폐석면은 건축자재, 방화재, 전기절연재 등으로부터 발생되는 것으로, 섬유상으로 마그네슘이 많은 함수규산염(含水硅酸鹽) 광물인 석면은 건축재료로 널리 사용되었으나, 호흡을 통하여 가루를 마시면 폐암이나 폐증, 늑막이나 흉막에 악성종양을 유발할 수 있는 물질로 밝혀짐으로써, 건축물 폐기시 발생되는 폐기물을 처리하는데 주의를 요하고 있다. 상기 석면은 비중 2.5~2, 인장강도 약 13g/d, 사문암(蛇紋岩), 각섬석(角閃石) 등의 분해로 형성된 것으로 규산마그네슘, 칼슘을 주성분으로 한다. 상기 석면의 종류로는 백석면, 갈석면, 청석면, 트레모나이트, 악티노라이트, 안소필나이트 등이 있다. 상기 폐석면을 건축자재 제조시 이용할 경우, 제품을 경량화시키고, 불연성, 투수성 및 강도를 향상시킬 수 있다.

상기 발전소 재는 유연탄, 무연탄 및 이들의 혼합물을 발전소에서 연료로 사용시 발생되는 폐기물로써 철 성분을 함유한다.

상기 발전소 재를 건축자재 제조시 이용할 경우, 제품을 경량화시키고, 강도를 향상시킬 수 있다.

하수 슬러지에 첨가되는 상기 폐기물의 양은 첨가되는 폐기물의 종류와 수에 따라 적절히 조절될 수 있으나, 하수 슬러지 100중량부에 대하여 각각 10~100중량부 첨가되는 것이 바람직하다. 만일 상기 폐기물이 10중량부 미만 첨가될 경우, 경량화를 이룰 수 없고, 100중량부를 초과하여 첨가될 경우, 제품의 강도가 약해지고, 유기성분이 연소되어 규격에 부합되는 제품을 제조할 수 없는 문제점이 있다.

폐기 혼합물이 제조되면, 폐기 혼합물에 장석, 벤토나이트, 제올라이트, 황토, 운모 및 납석으로 구성된 군에서 선택되는 첨가제를 넣은 다음, 혼합하여 첨가제가 함유된 혼합물을 제조한다. 상기 첨가제는 생산하고자 하는 건축자재의 특성에 따라서 선택적으로 사용할 수 있다.

상기 장석(Feldspar)은 알루미늄 규산염광물로써, 모스 굳기는 6이고, 비중은 2~2.7, 쪼개짐의 두 방향은 90°를 이루며, 흰색, 회색, 짙은 갈색 등을 띠는 것으로 알려져 있다. 상기 폐기 혼합물에 장석을 첨가할 경우, 건축자재의 점력과 강도를 향상시키고, 소성 온도를 낮춤으로써, 에너지를 절감할 수 있는 효과가 있다.

상기 벤토나이트(bentonite)는 화산회(火山灰)에서 유래된 미세한 유리질 입자들의 변질로 생긴 점토광물로써, 운모와 같은 결정구조를 하는 단사정계에 속하는 광물인 몬모릴로나이트가 주로 들어있는 점토를 의미한다. 상기 폐기 혼합물에 벤토나이트를 첨가할 경우, 건축자재의 점력을 향상시킬 수 있다.

상기 제올라이트(Zeolite)는 알칼리 및 알칼리토금속의 규산알루미늄 수화물인 광물을 총칭하는 것으로서, (Si, Al)O₄의 사면체가 입체망상으로 결합되어 있는 구조를 갖는다면, 그 종류에 제한없이 이용할 수 있다. 상기 폐기 혼합물에 다공성 물질인 제올라이트를 첨가할 경우, 건축자재를 경량화시킬 수 있고, 투수성을 향상시킬 수 있으며, 폐기물의 악취를 제거시킬 수 있다.

상기 황토(Loess)는 주로 실트 크기의 지름 0.002～0.005mm인 입자로 이루어진 퇴적물로써, 황갈색을 띠고 풍화를 잘 받지 않으며, 주로 석영을 함유하고, 그 밖에 휘석, 각섬석 등을 함유하는 석회질인 것으로 알려져 있다. 상기 폐기 혼합물에 황토를 첨가할 경우, 우수한 소결성으로 인하여 강도를 향상시키고, 원적외선 방출 효과 및 탈취 효과를 얻을 수 있으며, 소성 온도를 낮춤으로써, 에너지를 절감할 수 있는 효과가 있다.

상기 운모(Mica)는 화강암 중의 중요한 조암광물로서, 층상 규산염광물이며, 굳기는 2.5~4, 비중은 2.75~3.2이고, 황색, 갈색, 녹색을 띤다. 또한 게르마늄(Ge)을 2.82ppm정도 함유하고 있어 인체에 유익한 원적외선의 분광분포가 높아 원적외선의 방사도가 높은 것으로 알려져 있다. 상기 폐기 혼합물에 운모를 첨가할 경우, 탈취 및 항균 효과를 얻을 수 있고, 성형시 점력을 향상시키며, 사질이 없어 기계 마모를 적게 하는 효과가 있다. 본 발명에 있어서, 상기 운모는 운모엽, 운모편, 리듐운모 등을 모두 포함한다.

상기 납석(Agalmatolite)은 일반적인 화학식이 Al₂O_3·4SiO₂·H₂O(이론적인 함량비: Al₂O₃: 28.3%, SiO₂: 66.7%, H₂O: 5%)인 광물로써, 백색에서 녹색까지 다양한 색을 가지고, 비중은 2.7～2.9이고, 경도는 1～2인 특성이 있다. 상기 폐기 혼합물에 납석을 첨가할 경우, 물과 함께 포졸란 반응을 유도하여 건축자재에 강도를 부여하고, 내수성 및 내부식성을 향상시키며, 흡음성 또는 투수성을 향상시킬 수 있다.

상기 첨가제는 상기 폐기 혼합물 100중량부에 대하여 장석 10~35중량부, 벤토나이트 10~30중량부, 제올라이트 10~60중량부, 황토 15~60중량부, 운모 15~60중량부 및 납석 5~25중량부 첨가하여 사용할 수 있다.

상기 첨가제를 상기 함량보다 적게 사용할 경우, 목적하는 효과를 얻을 수 없고, 상기 함량보다 많이 사용할 경우 경제적으로 바람직하지 않다.

첨가제가 함유된 혼합물은 버켓 엘리베이터(bucket elevator), 대형싸이로 분배 컨베이어, 소형 분배 싸이로를 통하여 성형기에서 성형물로 제조된다. 상기 형성은 통상적인 방법으로 할 수 있으나, 건식 프레스를 이용하여, 500~1500톤의 압력으로 가압시키는 것이 바람직하다.

제조된 성형물은 내화판 대차 시스템을 통하여 소성로로 이송된 다음 소성로에서 소성되어 경량 건축자재로 제조된다.

상기 소성 과정은 터널가마, 킬론 가마 등과 같은 통상적인 소성 방법으로 1100~1200℃의 온도에서 3~5시간 수행될 수 있다. 상기 소성온도가 1100℃ 미만인 경우 경량 건축자재의 강도가 저하될 우려가 있고, 1200℃를 초과할 경우 투수성이 저하될 우려가 있다.

특히, 상기 소성온도가 1100~1145℃인 경우, 투수용 건축자재가 제조되고, 1150~1200℃인 경우, 불연 및 흡음용 건축자재가 제조될 수 있다. 상기 투수용 건축자재로는 투수용 보도블럭을 예시할 수 있고, 상기 불연 및 흡음용 건축자재로는 경량 판넬, 경량 벽돌, 경량 골재 등을 예시할 수 있다.

일반적으로 1145~1150℃를 기준으로 소성온도가 상기 기준온도 미만인 경우 제품에 기공이 형성되어 있고, 상기 기준온도 이상인 경우 기공이 용융되어 부피가 커지기 때문이다. 소성단계에서 유기성 유해 성분은 산화되고, 무기성 유해성분은 상기 첨가제와 혼합되어 자화되는 과정에서 무해성분으로 물성이 변화된다.

제조된 경량 건축자재는 커팅기로 절단된 다음 컨베이어를 거쳐 자동포장기에서 포장된 후, 파렛트로 운반되어 제품창고에 보관된다.

한편, 본 발명에서는 레미콘 슬러지에 소각 잔재물, 연마석 잔재물, 폐주물사, 폐석면, 제철소 분진 및 발전소 재로 구성된 군에서 선택되는 폐기물을 첨가한 다음 첨가제를 더욱 넣고, 성형과 소성을 수행할 경우, 폐기물을 재활용함과 동시에 강도, 투수성 및 불연성이 우수한 경량 건축자재를 제조할 수 있다는 것을 확인하고자 하였다. 하수 슬러지 대신 레미콘 슬러지를 이용할 경우, 제품의 강도를 더욱 향상시킬 수 있고, 색상이 어둡기 때문에, 별도의 흑색 안료를 사용하지 않아도 되는 장점이 있다.

본 발명에서는, 레미콘 슬러지에 소각 잔재물, 연마석 잔재물, 폐주물사, 폐석면, 제철소 분진 및 발전소 재를 각각 혼합시킨 폐기 혼합물을 제조하고, 장석, 벤토나이트, 제올라이트, 황토, 운모 및 납석을 포함하는 첨가제를 넣은 후, 이를 프레스로 성형하고, 1100~1200℃에서 소성시켜 경량 건축자재인 투수 보도블록과 경량 판넬을 제조하였다. 제조된 투수 보도블록과 경량 판넬의 물성을 평가한 결과, 보도블록은 우수한 투수성 및 강도를 가지고, 경량 판넬은 우수한 강도 및 불연성을 가지고 있음을 확인할 수 있었다.

따라서, 본 발명은 다른 관점에서,(a) 레미콘 슬러지에 소각 잔재물, 연마석 잔재물, 폐주물사, 폐석면, 제철소 분진 및 발전소 재로 구성된 군에서 선택되는 폐기물을 적어도 1종류 이상 혼합하여 폐기 혼합물을 제조하는 단계; (b) 상기 폐기 혼합물에 장석, 벤토나이트, 제올라이트, 황토, 운모 및 납석을 포함하는 첨가제를 넣은 다음, 혼합하여 첨가제가 함유된 혼합물을 제조하는 단계; (c) 상기 첨가제가 함유된 혼합물을 성형하여 성형물을 제조하는 단계; 및 (d) 상기 성형물을 소성로에서 소성하여 경량 건축자재를 제조하는 단계를 포함하는 폐기물을 이용한 경량 건축자재의 제조 방법 및 상기 방법으로 제조된 경량 건축자재에 관한 것이다.

상기 레미콘 슬러지는 시멘트에 모래와 자갈, 골재 따위를 적당히 섞고 물에 반죽시킨 혼합물인 콘크리트 제조시 발생되는 폐기물로써, 알카리성을 띠는 복합무기물이다. 레미콘 슬러지를 건축자재 제조시 이용할 경우, 소성온도가 낮아 연료를 절감할 수 있으며, 강도를 향상시킬 수 있고, 색상이 어둡기 때문에, 별도의 흑색 안료를 사용하지 않고도 건축자재를 제조할 수 있다.

상기 소각 잔재물은 생활폐기물 소각장에서 소각시 발생되는 잔재물로써, 생활 폐기물 소각시 약 20~30%가 잔재물로 남게된다. 생활폐기물 소각장에서는 일반적으로 생활폐기물 중 분리수거되는 재사용·재활용품, 폐가구·폐가전제품 등의 대형 쓰레기와, 사료화·퇴비화의 원료용 음식물쓰레기 등을 제외한 가연성 폐기물을 주로 소각하며, 소각시 유기물은 소각되므로, 무기물로 구성되어 있다. 상기 소각 잔재물을 건축자재 제조시 이용할 경우, 폐기물 재활용과 더불어 제품을 경량화시킬 수 있는 장점이 있다.

상기 연마석 잔재물은 금속 등의 표면을 매끄럽게 연마시킬 때 발생되는 가루 또는 사용 후 남은 연마석 폐기물로써, 주성분으로 이산화 규소(SiO ₂ )를 함유한다. 상기 연마석 잔재물을 건축자재 제조시 이용할 경우, 우수한 강도를 가지면서, 경량화시킬 수 있는 장점이 있다.

상기 제철소 분진은 철광석에서 철을 뽑아내어 강판, 강관 등의 철재를 생산하는 제철소에서 발생되는 고체 미립자로써, 제철소의 집진기에서 모아진 것을 이용할 수 있다. 상기 제철소 분진은 제철소에서 발생되는 분진이면 모두 사용이 가능하며, 철, 황 등의 성분을 주요성분으로 포함하고 있다. 제철소 분진을 건축자재 제조시 이용할 경우, 철 성분을 가지고 있으므로 제품의 강도를 향상시킬 수 있으며, 저온에서도 소결이 잘 이루어지므로, 소성시 연료를 절감할 수 있는 장점이 있다.

상기 폐주물사 및 폐석면은 앞서 설명한 바와 동일하다.

시멘트 슬러지에 첨가되는 상기 폐기물의 양은 첨가되는 폐기물의 종류와 수에 따라 적절히 조절될 수 있으나, 시멘트 슬러지 100중량부에 대하여 각각 10~65 중량부 첨가되는 것이 바람직하다. 만일 상기 폐기물이 10중량부 미만 첨가되거나 65중량부를 초과하여 첨가될 경우 제품에 균열(crack)이 발생될 수 있다.

일반적으로 1145~1150℃를 기준으로 소성온도가 상기 기준온도 미만인 경우 제품에 기공이 형성되어 있고, 상기 기준온도 이상인 경우 기공이 용융되어 부피가 커지고, 자화되어 흐르면서 기공을 막기 때문이다.

본 발명은 함수율이 70~80%인 하수슬러지 또는 레미콘 슬러지를 이용하므로, 다른 폐기물 및 첨가제와 혼합 시 별도의 물을 사용하지 않으므로, 폐수를 발생시키지 않으며, 혼합 성형 후 건조과정을 거치지 않고, 소성을 수행하는 것을 특징으로 한다.

통상적인 건축자재의 성형과정에서는 물을 필요로 하는데, 건조과정을 거치지 않고, 소성을 수행하게 되면, 남아 있는 수분이 분출하여 제품에 크랙이 생성되는 문제점이 있고, 일반적으로 소성과정을 마친 후 바로 냉각시키면 제품에 크랙이 생성되어 10~24시간 정도 천천히 냉각을 시켜야 하므로 제품을 대량생산하는데 어려움이 있었다. 그러나 본원발명의 건축자재는 유기성 가스와 수분이 분출하면서 기공을 형성함으로써, 건조과정 없이 소성을 수행하거나, 소성과정을 마친 후 바로 냉각을 수행하여도 제품에 크랙이 발생되지 않는 장점이 있다.

[실시예]

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 1~16: 하수 슬러지를 이용한 경량 건축자재의 제조 방법

하기 표 1과 같이, 혼합기를 이용하여, 폐기 혼합물을 제조한 다음, 제조된 폐기 혼합물에 첨가제를 넣고 혼합하여 첨가제가 함유된 혼합물을 제조하였다. 제조된 첨가제가 함유된 혼합물을 프레스 건식 성형기(INOCATOR)를 이용하여 1000압력으로 성형을 수행한 후, 터널 가마(건우 터널가마)를 이용하여, 소성을 수행하여 경량 건축자재를 제조하였다.

사용된 하수 슬러지는 경기도 광주시 하수 처리장에서 케이크로 생산된 후, 다른 처리 과정 없이 운반된 함수율 75~80%인 것을 이용하였다.

레미콘 슬러지는 경기도 남양주시에 위치한 (주)산하에서 콘크리트 제조시 발생시킨 것으로서, 함수율이 80%이고, 알카리성 약품 및 석회석을 함유하는 것을 이용하였다.

폐주물사는 인천시 남동공단 소재 주물공장에서 주조를 위하여 고온에서 사용후 발생된 것으로서, 이산화규소(SiO₂) 및 분진을 포함하는 것을 이용하였다.

폐석면은 평택시 합정동 소재 건축물 폐기장에서 공급받은 것으로서, 청석면, 백석면 또는 갈석면을 이용하였다.

발전소 재는 충남 당진군 화력발전소에서 유연탄을 사용한 잔재물을 공급받은 것으로서, 이산화규소(SiO₂), 철, 크롬, 황을 포함하는 것을 이용하였다.

소각 잔재물은 인천시 서구 백석면에 위치한 수도권 매립공사현장에서 공급받은 것으로서, 인, 알카리성 잔재물, 규사질, 분진, 철 등을 포함하는 것을 이용하였다.

연마석 잔재물은 경기 포천시에 위치한 이화산업에서 공급 받은 것으로서, 광물 연마석 325메쉬 이상인 것을 이용하였다.

제철소 분진은 충남 당진군에 위치한 현대제철에서 공급 받은 것으로서, 철(Fe) 및 이산화규소(SiO₂)를 함유하는 것을 이용하였다.

또한, 장석은 K₂O₉ Na₂O₃ SiO₂의 성분으로 이루어진 것으로, 임계광산에서 입도 2㎜이하의 것으로 구입하였고, 벤토나이트는 (주)에스알그린에서 입도 3㎜이하의 것으로 구입하여 사용하였다. 제올라이트는 (주)에스알그린에서 구입하여 사용하였고, 황토는 (주)풍향 황토에서 입도 2㎜이하의 것으로 구입하여 사용하였으며, 운모는 경북 봉화에서 입도가 2㎜이하인 것으로 구입해서 사용하였고, 납석은 경주의 납석 광산에서 구입하였다.

구분	구성성분(중량%)	소성시간	소성 온도	생산제품
실시예 1	하수슬러지 40, 레미콘슬러지 40, 제올라이트 20	3: 00	1140℃	투수용 보도블럭
실시예 2	하수슬러지 40, 레미콘슬러지 40, 제올라이트 20	3: 00	1155℃	경량벽돌
실시예 3	하수슬러지 45, 폐석면 40, 운모 15	3: 50	1150℃	경량판넬
실시예 4	하수슬러지 50, 폐주물사 30, 벤토나이트 20	3: 50	1150℃	경량벽돌
실시예 5	하수슬러지 50, 발전소 재 35, 운모 15	3: 40	1140℃	투수용 보도블럭
실시예 6	레미콘슬러지 50, 소각 잔재물 40, 제올라이트 10	4: 00	1165℃	경량벽돌
실시예 7	레미콘슬러지 50, 소각 잔재물 40, 제올라이트 10	4: 00	1145℃	투수용 보도블럭
실시예 8	레미콘 슬러지 50, 연마석 잔재물 30, 장석 20	3: 40	1120℃	투수용 보도블럭
실시예 9	레미콘 슬러지 50, 폐주물사 35, 벤토나이트 15	4: 10	1160℃	경량벽돌
실시예 10	레미콘 슬러지 45, 발전소 재 25, 운모 30	4: 10	1155℃	경량벽돌
실시예 11	레미콘 슬러지 40, 제철소 분진 40, 납석 20	3: 30	1140℃	투수용 보도블럭
실시예 12	레미콘 슬러지 50, 폐석면 35, 제올라이트 15	3: 50	1170℃	경량판넬
실시예 13	하수슬러지 40, 레미콘슬러지 20, 발전소 재 20,제올라이트 20	3: 20	1165℃	경량벽돌
실시예 14	하수슬러지 45, 레미콘슬러지 20, 폐석면 20, 벤토나이트 15	3: 30	1165℃	경량벽돌
실시예 15	레미콘 슬러지 50, 연마석 잔재물 20, 제철소 분진 15, 장석 15	3: 50	1155℃	경량벽돌
실시예 16	레미콘 슬러지 50, 폐주물사 20, 폐석면 15, 벤토나이트 15	3: 50	1155℃	경량벽돌

실시예 1~2와 실시예 6~7의 결과에 나타난 바와 같이, 동일한 구성성분을 가지고 있다하여도, 소성온도에 따라 최종적으로 생산되는 제품의 종류가 달라지는 것을 확인하였다. 이는 소성온도에 따라서, 제품에 기공이 형성되거나 형성되지 않기 때문이다. 즉 소성온도가 1145℃ 이하인 경우 제품에 기공이 유지되지만, 1150℃ 이상인 경우 기공이 용융되어 사라진다.

비교예 1~4 : 하수 슬러지를 이용한 경량 건축자재의 제조 방법

폐기 혼합물 대신에 하수 슬러지를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1~16과 동일한 방법으로 경량 건축자재를 제조하였다.

구분	구성성분(wt%)
구분	하수 슬러지	장석	황토	벤토 나이트	제올 라이트	소성온도 (℃)	소성시간	생산제품
비교예 1	40	20	40	-	-	1140	3:30	투수용 보도블복
비교예 2	50	20	-	30	-	1140	3:30	투수용 보도블복
비교예 3	50	-	-	-	50	1170	4:10	경량판넬
비교예 4	50	-	50	-	-	1190	4:20	경량벽돌

실험예 1 : 실시예 및 비교예에서 제조된 건축자재의 물리적 특성 실험

실시예 및 비교예에서 제조된 경량 건축자재에 대하여 비중, 투수성, 압축강도, 불연성 및 색상을 측정하였다. 비중, 투수성 및 압축강도는 한국표준 시험방법인, KSF2353, KSF 2322(2000), KSF4004(2008)으로 각각 측정하였다.

불연성은 건축자재를 1000℃에서 1시간 유지시킨 후 외관 변화를 관찰하였다.

	비중(g/cm³)	투수성 (cm/s)	압축강도 (N/m²)	불연성	색상
실시예 1	68/100	3.9×10^-2	24	양호	진회색
실시예 2	68/100	1.5×10^-2	24	양호	진회색
실시예 3	62/100	1.9×10^-2	26	양호	밝은회색
실시예 4	68/100	3.2×10^-2	23	양호	밝은회색
실시예 5	58/100	3.7×10^-2	23	양호	밝은회색
실시예 6	62/100	1.5×10^-2	21	양호	진회색
실시예 7	62/100	3.8×10^-2	21	양호	진회색
실시예 8	64/100	1.1×10^-2	24	양호	진회색
실시예 9	72/100	3.2×10^-2	26	양호	진회색
실시예 10	64/100	1.2×10^-2	27	양호	진회색
실시예 11	68/100	3.8×10^-2	28	양호	진회색
실시예 12	62/100	1.7×10^-2	24	양호	진회색
실시예 13	66/100	1.4×10^-2	25	양호	진회색
실시예 14	66/100	1.5×10^-2	26	양호	진회색
실시예 15	66/100	1.6×10^-2	24	양호	진회색
실시예 16	68/100	1.7×10^-2	23	양호	진회색
비교예 1	58/100	2.2×10^-2	17	양호	밝은회색
비교예 2	61/100	2.4×10^-2	16	양호	밝은회색
비교예 3	66/100	0.7×10^-2	16	양호	밝은회색
비교예 4	77/100	0.6×10^-2	17	양호	밝은회색

표 3으로부터, 폐석면, 발전소 재, 소각 잔재물, 또는 연마석을 포함할 경우 대체로 경량화를 이룰 수 있으며, 연마석, 제철소 분진, 폐주물사, 발전소 재 또는 폐석면을 포함할 경우 보다 압축강도가 우수하다는 것을 확인할 수 있었다.

또한, 투수용 보도블록으로 제조된 실시예 1, 실시예 5, 실시예 7 및 실시예 11은 투수성이 우수하였고, 실시예 1~16 및 비교예 1~4의 건축자재 모두 연소가 발생하지 않았으며, 건축자재 외부 표면에 아무 이상이 없음을 확인하였다. 또한, 1000℃에서 1시간동안 유지시키는 과정에서 유해가스는 전혀 발생하지 않았다.

끝으로, 레미콘 슬러지를 포함하는 건축자재(실시예1~2, 6~16)인 경우 진회색을 나타내는 것을 확인할 수 있었다.

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시 양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

Claims

다음 단계를 포함하는 폐기물을 이용한 경량 건축자재의 제조 방법:
(a) 하수 슬러지에 레미콘 슬러지, 폐주물사, 폐석면, 발전소 재로 구성된 군에서 선택되는 폐기물을 적어도 1종류 이상 첨가하여 폐기 혼합물을 제조하는 단계;
(b) 상기 폐기 혼합물에 장석, 벤토나이트, 제올라이트, 황토, 운모 및 납석으로 구성된 군에서 선택되는 첨가제를 넣은 다음, 혼합하여 첨가제가 함유된 혼합물을 제조하는 단계;
(c) 상기 첨가제가 함유된 혼합물을 성형하여 성형물을 제조하는 단계; 및
(d) 상기 성형물을 소성로에서 소성하여 경량 건축자재를 제조하는 단계.
제1항에 있어서, 상기 폐기 혼합물은 하수 슬러지 100중량부에 대하여 레미콘 슬러지, 폐주물사, 폐석면 및 발전소 재로 구성된 군에서 선택되는 폐기물을 각각 10~100중량부 함유하는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 첨가제는 상기 폐기 혼합물 100중량부에 대하여 장석 10~35중량부, 벤토나이트 10~30중량부, 제올라이트 10~60중량부, 황토 15~60중량부, 운모 15~60중량부 및 납석 5~25중량부 첨가되는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 소성은 1100~1200℃ 의 온도에서 3~5시간 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
제4항에 있어서, 상기 소성온도가 1100~1145℃인 경우, 투수용 건축자재가 제조되고, 1150~1200℃인 경우, 불연 및 흡음용 건축자재가 제조되는 것을 특징으로 하는 방법.
다음 단계를 포함하는 폐기물을 이용한 경량 건축자재의 제조 방법:
(a) 레미콘 슬러지에 소각 잔재물, 연마석 잔재물, 폐주물사, 폐석면, 제철소 분진 및 발전소 재로 구성된 군에서 선택되는 폐기물을 적어도 1종류 이상 혼합하여 폐기 혼합물을 제조하는 단계;
(b) 상기 폐기 혼합물에 장석, 벤토나이트, 제올라이트, 황토, 운모 및 납석으로 구성된 군에서 선택되는 첨가제를 넣은 다음, 혼합하여 첨가제가 함유된 혼합물을 제조하는 단계;
(c) 상기 첨가제가 함유된 혼합물을 성형하여 성형물을 제조하는 단계; 및
(d) 상기 성형물을 소성로에서 소성하여 경량 건축자재를 제조하는 단계.
제6항에 있어서, 상기 폐기 혼합물은 레미콘 슬러지 100중량부에 대하여 소각 잔재물, 연마석 잔재물, 폐주물사, 폐석면, 제철소 분진 및 발전소 재로 구성된 군에서 선택되는 폐기물을 각각 10~65중량부 함유하는 것을 특징으로 하는 방법.
제6항에 있어서, 상기 첨가제는 상기 폐기 혼합물 100중량부에 대하여 장석 10~35중량부, 벤토나이트 10~30중량부, 제올라이트 10~60중량부, 황토 15~60중량부, 운모 15~60중량부 및 납석 5~25중량부 첨가되는 것을 특징으로 하는 방법.
제6항에 있어서, 상기 소성은 1100~1200℃의 온도에서 3~5시간 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
제6항에 있어서, 상기 소성온도가 1100~1145℃인 경우, 투수용 건축자재가 제조되고, 1150~1200℃인 경우, 불연 및 흡음용 건축자재가 제조되는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항 내지 제5항중 어느 한 항의 방법으로 제조된 경량 건축자재.
제6항 내지 제10항중 어느 한 항의 방법으로 제조된 경량 건축자재.