KR20130028653A

KR20130028653A - 슬러지와 알루미노실리케이트계 산업 부산물을 이용한 토목 건축용 경화체 제조 방법

Info

Publication number: KR20130028653A
Application number: KR1020120089172A
Authority: KR
Inventors: 오재은; 이창하
Original assignee: 국립대학법인 울산과학기술대학교 산학협력단
Priority date: 2011-09-09
Filing date: 2012-08-14
Publication date: 2013-03-19

Abstract

본 발명은 슬러지를 저가의 알루미노실리케이트계 산업 부산물을 이용하여 빠른 경화시간과 적절한 강도를 가져 토목 건축용으로 적용 가능한 경화체를 제조할 수 있는 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 슬러지와 알루미노실리케이트계 산업 부산물을 이용한 토목 건축용 경화체 제조 방법에 있어서, 슬러지 100중량부에 대하여 생석회 40 내지 100중량부를 혼합하여 전처리 슬러지를 생성하는 슬러지 전처리 단계; 상기 전처리 슬러지 100중량부에 대하여 알루미노실리케이트계 산업 부산물50 내지 150중량부를 혼합하여 페이스트 상태의 혼합물을 생성하는 페이스트 생성 단계; 및 상기 슬러지 혼합물을 몰드에 담아 80℃이하의 온도와 상대습도를 60 내지100%의 환경 하에서 경화하여 최종 제품을 제조하는 성형 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

슬러지와 알루미노실리케이트계 산업 부산물을 이용한 토목 건축용 경화체 제조 방법{Structural material manufacturing method using sludge and aluminosilcate based industrial by-products}

본 발명은 슬러지와 알루미노실리케이트계 산업 부산물을 이용한 토목 건축용 경화체 제조 방법에 관한 것으로 더욱 상세하게는 슬러지와 알루미노실리케이트계 산업 부산물을 이용하여 토목 건축용으로 사용 가능할 정도의 강도를 갖는 경화체를 제조하기 위한 슬러지와 알루미노실리케이트계 산업 부산물을 이용한 토목 건축용 경화체 제조 방법에 관한 것이다.

일반적으로 슬러지란 하수 및 폐수를 처리하는 과정에서 침전분리되는 진흙상태의 물질을 말하는 것으로 함수율이 높고 유기물 함량이 높아 부패하기 쉽고 처리하기 곤란한 특성이 있다.

상기 슬러지는 지하에 매립되거나, 해양투기로 인하여 바다에 버려지거나, 소각, 건조, 퇴비화 등에 의하여 처리되고 있다. 상기 슬러지를 처리하는 방법 중에서 해양투기와 육상매립은 처리비용이 저렴하고 적용기술이 간단하지만 환경오염을 유발하기에 국제적으로 금지되고 있는 추세이다. 특히 해양투기의 경우에는 우리나라도 환경적인 측면을 고려하여 금지하기 위한 법률이 입법화되었으며, 2011년 중에 시행될 예정이다.

또한, 상기 슬러지를 소각처리하는 경우에는 초기 시설투자비가 높고 처리시에 2차 오염물이 발생하는 등 환경오염발생의 문제가 있다. 또한, 상기 슬러지의 퇴비화가 시도되고 있지만 생산된 퇴비의 사용처 확보가 곤란해 대량의 슬러지를 처리하기에는 한계가 있는 실정이다. 따라서, 상기 슬러지를 고화처리하여 매립지의 복토재로 이용하기 위한 다양한 방법들이 적극적으로 모색되고있다.

예를 들면, 공개특허 제2004-37871호에는 생석회와 전로 슬래그를 이용하여 슬러지를 복토재로 사용하는 방법이 개시되어 있다.

상기와 같이 슬러지를 복토재로 사용하는 방법은 종래 매립이나 해양투기에 보하여 자원의 재활용 측면에서 매우 우수한 방법 중 하나이나, 복토재로 용도가 제한적인 단점이 있다.

한편, 슬러지를 건축용 경화체로 활용하는 방법들도 제안되고 있다. 예를 들면, 등록특허 제383855호에서는 슬러지를 다양한 첨가제를 부가하여 건축용 타일이나 블록을 제조하는 방법이 개시되어 있다. 상기 특허는 슬러지의 새로운 용도로서는 적절하나, 슬러지의 경화를 위하여 사용되는 첨가제가 비교적 높은 가격으로 산업적인 측면에서 활용되기에는 제한이 있다.

또한, 석분 슬러지의 경우에는 등록특허 제1025893호에 개시된 바와 같이, 고로 슬러그 등을 이용하여 경화체를 제조하는 방법이 개시되어 있다. 상기 특허는 비교적 낮은 가격으로 건축용 경화체를 제조할 수 있는 효과가 있으나, 슬러지가 석분 슬러지로 제한되어 활용도 역시 제한되는 단점이 있다.

따라서, 일반적인 슬러지를 비교적 낮은 가격으로 재활용할 수 있는 새로운 방법이 필요한 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술들의 단점을 극복하기 위하여 안출된 것으로 슬러지를 저가의 알루미노실리케이트계 산업 부산물을 이용하여 빠른 경화시간과 적절한 강도를 가져 토목 건축용으로 적용 가능한 경화체를 제조할 수 있는 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 슬러지와 알루미노실리케이트계 산업 부산물을 이용한 토목 건축용 경화체 제조 방법에 있어서, 슬러지 100중량부에 대하여 생석회 3 내지 100중량부를 혼합하여 전처리 슬러지를 생성하는 슬러지 전처리 단계; 상기 전처리 슬러지 100중량부에 대하여 알루미노실리케이트계 산업 부산물50 내지 150중량부를 혼합하여 페이스트 상태의 혼합물을 생성하는 페이스트 생성 단계; 및 상기 슬러지 혼합물을 몰드에 담아 80℃이하의 온도와 상대습도를 60 내지100%의 환경 하에서 경화하여 최종 제품을 제조하는 성형 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 슬러지 전처리 단계는 전처리 슬러지의 pH가 12이상이 되도록 혼합하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 페이스트 생성 단계에서 알루미노실리케이트계 산업 부산물을 전처리 슬러지 100중량부를 기준으로 80 내지 120중량부를 혼합하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 페이스트 생성 단계에서 경화 촉진제를 전처리 슬러지 100중량부를 기준으로 30중량부 이하를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 페이스트 생성 단계에서 경화 촉진제를 전처리 슬러지 100중량부를 기준으로 2중량부 이하를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직하게는, 상기 경화 촉진제는 알칼리용액 또는 Na₂SO₄인 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직하게는, 상기 알칼리용액은 NaOH, KOH, Na-실리케이트 및 K-실리케이트 중 선택된 어느 하나 이상인 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 성형 단계는 상온~60℃의 온도와 상대습도를 80 내지 100%의 환경하인 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 알루미노실리케이트계 산업 부산물은 고로슬래그, 플라이애시 및 실리카퓸 중 선택된 어느 하나 이상인 것을 특징으로 한다.

상기한 바와 같이 본 발명에 따른 슬러지와 알루미노실리케이트계 산업 부산물을 이용한 토목 건축용 경화체 제조 방법은 종래 슬러지를 처리 방법을 개선한 것으로 종래 슬러지의 재활용 용도 이외에 낮은 제조 단가로 산업적으로 매우 유용하게 활용할 수 있는 토목 건축용 경화체로 재활용할 수 있는 방법을 제시한 효과가 있다. 또한 상기와 재활용의 확대에 의하여 환경을 개선할 수 있는 효과도 제공한다.

도 1은 본 발명에 따른 슬러지와 알루미노실리케이트계 산업 부산물을 이용한 토목 건축용 경화체 제조 방법을 설명하는 절차도이다.

이하 본 발명을 첨부한 도면을 참조하여 구체적으로 설명한다.

본 발명에 따른 슬러지와 알루미노실리케이트계 산업 부산물을 이용한 토목 건축용 경화체 제조 방법은 슬러지와 생석회를 혼합하는 슬러지 전처리 단계(S1), 알루미노실리케이트계 산업 부산물 및/또는 경화 촉진을 위하여 알칼리 용액을 혼합하여 페이스트를 상태의 혼합물을 생성하는 페이스트 생성 단계(S2) 및 토목 건축용 경화체 생성을 위하여 성형하는 성형 단계(S3)를 포함하여 구성된다.

여기서 토목 건축용 경화체는 블록, 벽돌, 복토재, 펠렛 시멘트 대체 경화재 레미콘 등을 포함하며, 기타 형상을 달리하는 토목 건축용 경화체들도 포함한다.

또한, 슬러지는 하수슬러지, 폐수슬러지, 하천 및 호수의 침전물 등을 포함한다.

이하에서는 상기 단계들에 대하여 구체적으로 설명한다.

슬러지 전처리 단계(S1)는 준비된 슬러지를 생석회와 혼합하여 슬러지를 전치리된 슬러지(이하에서는 전처리 슬러지라 함)로 전환시킨다.

여기서 슬러지 100중량부를 기준으로 생석회 3중량부 내지 100중량부를 혼합한다. 이때 생석회가 3중량부 미만인 경우에는 성형 단계에서 경화가 너무 느려지거나 충분히 경화되지 않아 산업적으로 이용하기 어려우며, 100중량부를 초과하는 경우에는 점도 상승에 의하여 혼합이 어려우며 또한 경제적으로 불리하게 된다.

상기 슬러지 전처리 단계에서 슬러지와 생석회의 혼합은 pH가 12 이상이 되도록 혼합 시간을 설정한다. 상기 pH를 12이상으로 한정하는 이유는 pH가 12이상 되어야지만 투입된 생석회가 모두 소석회(Ca(OH₂))로 전환된다.

상기와 같은 화학 반응은 발열 반응으로 많은 열이 발생하게 된다. 발생된 열은 일부 수분을 증발시키고 슬러지 내부에 존재하는 병원균을 약화 또는 사멸시키는 중요한 작용을 한다. 또한, 발열 반응으로 생긴 열은 이후 성형 단계에서 강도 발현에 필수적인 경화 촉매 역할을 하게 된다.

다음은 페이스트 생성 단계(S2)에 대하여 설명한다.

페이스트 생성 단계(S2)는 상기 슬러지 전처리 단계(S1)에서 생성된 전처리 슬러지는 경화 촉진제와 혼합하여 페이스트 상태로 변환시키는 단계이다.

상기 슬러지 전처리 단계(S1)에서 형성된 전처리 슬러지는 알루미노실리케이트계 산업부산물과 혼합하고 필요한 경우 경화촉진제인 소량의 알칼리 용액 또는 Na₂SO₄를 첨가하여 혼합한다.

여기서 경화촉진제는 이후 경화의 속도와 경화 후 강도를 조절하는 것으로 필요한 경우 추가한다.

알루미노실리케이트계 산업부산물은 고로슬래그, 플라이애시 및 실리카퓸 중 선택된 어느 하나 이상 혹은 혼합물이다.

그리고 상기 알칼리 용액은 NaOH, KOH, Na-실리케이트, K-실리케이트 중 선택된 어느 하나 이상이며, 또한, 상기 알칼리 용액 대신에 Na₂SO₄를 단독으로 또는 상기 알칼리 용액과 혼합하여 이용할 수도 있다.

상기 물질의 혼합은 전처리 슬러지 100중량부를 기준으로 상기 알루미노실리케이트계 산업부산물은 50 내지 150중량부, 바람직하게는 80내지 120중량부이며, 경화촉진제는 30중량부 이하, 바람직하게는 2중량부 이하이다.

여기서 상기 알루미노실리케이트계 산업부산물이 50중량부 미만인 경우에는 경화가 잘 이루어지지 않거나 충분한 강도를 나타내지 못하며, 알루미노실리케이트계 산업부산물이 150중량부를 초과하는 경우에는 단가가 상승하는 단점이 있다.

또한, 경화촉진제는 사용하지 않을 수도 있으나, 이때는 경화 시간이 길어지는 단점이 있으며, 30중량부를 초과하는 경우 경화시간이 짧아져서 유리한 측면도 있지만, 단가가 상승하는 단점이 있다.

상기 페이스트 생성 단계(S2)에서 전처리 슬러지, 산업부산물 및/또는 알칼리 용액은 충분히 골고루 혼합하는 경우 페이스트 상태의 혼합물이 생성된다.

다음은 슬러지 혼합물을 이용하여 성형 단계(S3)가 추가될 수 있다.

상기 페이스트 생성 단계(S2)에서 생성된 페이스트 상태의 슬러지혼합물은 그 자체로 활용될 수도 있지만, 보다 여러 가지 용도에 활용하기 위하여 특정 형태, 예를 들면 블록, 벽돌, 판, 펠렛, 레미콘 형태 등으로 이용하는 것이 바람직하다.

상기 성형 단계(S3)는 상기 페이스트 생성 단계(S2)에서 생성된 페이스트 상태의 혼합물을 그대로 또는 성형하여 제품으로 제조하는 공정으로 먼저 상기 페이스트를 몰드에 투입한다. 이때 상기 몰드는 제품의 형상에 따라 다양한 형태로 구현될 수 있다.

상기 몰드는 80℃이하, 바람직하게는 상온에서 60℃ 정도의 온도로 유지시키고, 상대 습도는 60% 내지 100%, 바람직하게는 80% 내지 100%로 유지하여 제품 제조를 완료한다.

상기 단계에서 제작된 제품은 상온에서도 양생 효과가 있지만, 상온에서 성형 시에는 성형 시간이 너무 길어질 수 있어 대량 생산 시에 성형 공간을 너무 차지하게 되므로 온도를 높여서 적절한 시간에 성형되도록 할 필요가 있다.

이하 본 발명을 실시예에 의거하여 상세하게 설명한다.

실시예 1

수분 함량 98wt%의 하수 슬러지 60중량부에 대하여 생석회 40중량부를 3분이상 혼합하여 생성한 pH 12.이상인 전처리 슬러지 100중량부를 준비하였다.

그리고 상기 전처리 슬러지 100중량부와 고로슬래그 100중량부를 3분 이상 혼합하여 페이스트 상태의 혼합물을 생성하였다.

상기 페이스트 상태의 혼합물을 몰드에 담아 40℃로 유지되고 상대습도가 80~100%로 유지되도록 하여 5일 정도 보관한 후 가로, 세로 및 높이가 각각 50mm인 입방면체 블록을 제조하였다.

실시예 2

수분 함량 98wt%의 하수슬러지 60중량부에 대하여 생석회 40중량부를 3분이상 혼합하여 생성한 pH 12.이상인 전처리 슬러지 100중량부를 준비하였다.

그리고 상기 전처리 슬러지 100중량부를 기준으로 NaOH(10M) 용액 15중량부와 Na-실리케이트 용액 10중량부 그리고 고로슬래그 125중량부를 3분이상 혼합하여 페이스트 상태의 혼합물을 생성하였다.

실시예 3

그리고 상기 전처리 슬러지 100중량부를 기준으로 Na₂SO₄ 용액 2중량부와 고로슬래그 98중량부를 3분이상 혼합하여 페이스트 상태의 혼합물을 생성하였다.

상기 페이스트 상태의 혼합물을 몰드에 담아 40℃로 유지되고 상대습도가 80~100%로 유지되도록 하여 5일 정도 보관한 후 가로, 세로 및 높이가 각각 50mm인 입방면체블록을 제조하였다.

실시예 4

그리고 상기 전처리 슬러지 100중량부를 기준으로 NaOH 용액 25중량부와 플라이에시 125중량부를 3분이상 혼합하여 페이스트 상태의 혼합물을 생성하였다.

실험예 : 강도 측정 실험

상기와 같은 실시예에 의한 블록은 토목 건축용으로 이용되기 위해서는 블록의 강도가 중요한 물성치이다. 따라서, 완성된 블록을 대상으로 강도를 시험하였다. 실험결과는 표 1과 같다. 실험 방법은 50mm 입방 시험체를 골제 없이 페이스트만으로 제작하여 KS L 5105 혹은 JIS R 5201에서 기술된 시멘트 몰타르의 압축강도 시험법에 준한다.

실시예	강도(kg/cm²)
실시예 1	179.7
실시예 2	197.6
실시예 3	233.1
실시예 4	129.9

상기 표 1로부터 4개의 실시예 모두 기존 방법에 의한 제품의 강도가 20kg/cm²이하인 것에 비해 매우 우수한 강도를 나타내어 토목 건축용 경화체로 사용 가능함을 알 수 있었다. 특히 실시예 3의 경우에는 매우 높은 강도를 나타내며, 이러한 강도 증가는 Na₂SO₄의 작용에 기인된 것으로 높은 강도를 요하는 블록의 경우에는 가격이 허용되는 범위 내에서 실시예 3이 바람직하다.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시 예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시 예들을 모두 포함한다.

S1: 슬러지 전처리 단계 S2: 페이스트 생성 단계
S3: 성형 단계

Claims

슬러지와 알루미노실리케이트계 산업 부산물을 이용한 토목 건축용 경화체 제조 방법에 있어서,
슬러지 100중량부에 대하여 생석회 3 내지 100중량부를 혼합하여 전처리 슬러지를 생성하는 슬러지 전처리 단계;
상기 전처리 슬러지 100중량부에 대하여 알루미노실리케이트계 산업 부산물50 내지 150중량부를 혼합하여 페이스트 상태의 혼합물을 생성하는 페이스트 생성 단계; 및
상기 슬러지 혼합물을 몰드에 담아 80℃이하의 온도와 상대습도를 60 내지100%의 환경 하에서 경화하여 최종 제품을 제조하는 성형 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 슬러지와 알루미노실리케이트계 산업 부산물을 이용한 토목 건축용 경화체 제조 방법.
청구항 1에 있어서, 상기 슬러지 전처리 단계는 전처리 슬러지의 pH가 12이상이 되도록 혼합하는 것을 특징으로 하는 슬러지와 알루미노실리케이트계 산업 부산물을 이용한 토목 건축용 경화체 제조 방법.
청구항 1에 있어서, 상기 페이스트 생성 단계에서 알루미노실리케이트계 산업 부산물을 전처리 슬러지 100중량부를 기준으로 80 내지 120중량부를 혼합하는 것을 특징으로 하는 슬러지와 알루미노실리케이트계 산업 부산물을 이용한 토목 건축용 경화체 제조 방법.
청구항 1에 있어서, 상기 페이스트 생성 단계에서 경화 촉진제를 전처리 슬러지 100중량부를 기준으로 30중량부 이하를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 슬러지와 알루미노실리케이트계 산업 부산물을 이용한 토목 건축용 경화체 제조 방법.
청구항 1에 있어서, 상기 페이스트 생성 단계에서 경화 촉진제를 전처리 슬러지 100중량부를 기준으로 2중량부 이하를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 슬러지와 알루미노실리케이트계 산업 부산물을 이용한 토목 건축용 경화체 제조 방법.
청구항 4내지 5에 있어서, 상기 경화 촉진제는 알칼리용액 또는 Na₂SO₄인 것을 특징으로 하는 슬러지와 알루미노실리케이트계 산업 부산물을 이용한 토목 건축용 경화체 제조 방법.
청구항 6에 있어서, 상기 알칼리용액은 NaOH, KOH, Na-실리케이트 및 K-실리케이트 중 선택된 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 슬러지와 알루미노실리케이트계 산업 부산물을 이용한 토목 건축용 경화체 제조 방법.
청구항 1에 있어서, 상기 성형 단계는 상온~60℃의 온도와 상대습도를 80 내지 100%의 환경하인 것을 특징으로 하는 슬러지와 알루미노실리케이트계 산업 부산물을 이용한 토목 건축용 경화체 제조 방법.
청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서, 상기 알루미노실리케이트계 산업 부산물은 고로슬래그, 플라이애시 및 실리카퓸 중 선택된 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 슬러지와 알루미노실리케이트계 산업 부산물을 이용한 토목 건축용 경화체 제조 방법.