KR20130083519A - 비점오염원 제거용 광분해능과 흡착 성능을 갖는 투수성 콘크리트 블록 제조용 조성물 및 이를 이용하여 제조된 투수성 콘크리트 블록 - Google Patents

비점오염원 제거용 광분해능과 흡착 성능을 갖는 투수성 콘크리트 블록 제조용 조성물 및 이를 이용하여 제조된 투수성 콘크리트 블록 Download PDF

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Abstract

비점오염원 제거용 광분해능과 흡착 성능을 갖는 투수성 콘크리트 블록 제조용 조성물 및 이를 이용하여 제조된 투수성 콘크리트 블록이 개시된다. 본 발명의 비점오염원 제거용 광분해능과 흡착 성능을 갖는 투수성 콘크리트 블록 제조용 조성물은 순환 단립도 골재 30~60wt% 및 바텀 애쉬 단립도 골재 10~40wt%로 이루어지는 골재; 및 상기 골재를 둘러싸는 나노 사이즈의 이산화티타늄 분말 3~10wt%, 나노 사이즈의 산화아연 분말 3~10wt%, 알루미나 시멘트 10~13wt%로 구성되는 시멘트 페이스용 조성물을 포함한다. 본 발명에 따르면, 비점오염원인 환경오염물질과 수질환경오염물질의 하천 유입으로 인한 녹조 발생, 오염된 지하수 확산, 지하수 고갈, 투수성 구조체의 내구성 저하 등을 방지할 수 있다.

Description

비점오염원 제거용 광분해능과 흡착 성능을 갖는 투수성 콘크리트 블록 제조용 조성물 및 이를 이용하여 제조된 투수성 콘크리트 블록{Water premable concrete composition having photolysis and adsorption for removing nonpoint pollution and preparation of concrete using the same}
본 발명은 투수성 콘크리트 블록 제조용 조성물 및 이를 이용하여 제조된 투수성 콘크리트 블록에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 비점오염원 제거용 광분해능과 흡착 성능을 갖는 투수성 콘크리트 블록 제조용 조성물 및 이를 이용하여 제조된 투수성 콘크리트 블록에 관한 것이다.
일반적으로 광촉매 물질은 주로 반도체 물질에 사용되고 있으며, 오존 및 염소보다 강력한 산화력에 의해 생물학적으로 쉽게 분해되지 않는 난분해성 유기물 및 유독성 물질을 경제적이고 부작용이 없이 분해할 수 있어, 대기정화 및 수처리용으로 각광받고 있다.
광촉매 재료에는 산화아연(ZnO)과 이산화티탄(TiO2), 산화주석(SnO2) 등이 있다. 광촉매는 촉매물질 표면에 일정 수준 이상의 에너지를 가지는 자외선(UV)을 쪼이면 입자 표면에 전자의 전이가 발생하고, 이로 인해 정공(hole)이 생성된다. 이렇게 생성된 정공은 공기의 산소나 물과 반응해 강한 산화력의 화합물(수산화 라디칼)을 형성해 촉매물질 표면의 세균을 살균하고, 유해물질을 제어하는데 이를 광촉매 반응이라 한다. 그리고, 수산화(OH) 라디칼은 유기물질을 산화해서 탄산가스(CO2)와 물(H2O)로 분해시킨다.
이러한 효과를 갖는 광촉매 제품으로 처리 가능한 환경 오염 물질은 수질 오염물질과 대기 오염물질이 있다.
처리 가능한 수질 오염물질로는 방향족 유기산, 페놀류, 알콜류, 계면활성제(유기인산화합물, 질소화합물), 중금속류 착색물질(방향족 탄화수소), 시안화합물, 원유, 유기염소화합물(트리클로로에틸렌, 테트라클로로에틸렌, PCB 등) 등이 있다.
처리 가능한 대기 오염물질로는 유기염소화합물, 휘발성 탄화수소, 알데히드, 케톤, 알콜, 페놀류, 악취물질(암모니아, 황화수소 등), 질소산화물, 유황산화물 등이 있다.
광촉매 중에서 이산화티타늄은 광촉매 재료에 요구되는 여러 가지 조건을 만족시키는 물질로써, 자원 재료적인 측면에서 매장량이 풍부할 뿐만 아니라 친환경적인 소재로써 화학적으로나 생물학적으로 매우 안정된 특성을 갖는다. 이산화티타늄은 광촉매 외에도 항균, 항암 치료, 친수성 처리에 의한 김서림 방지와 방오, 자정 기능 등 산업적으로 다양한 분야에 적용되고 있다.
하지만, 일반적인 이산화티타늄은 낮은 양자효율(quantum efficiency), 낮은 초기 제거율, 그리고 낮은 흡착력의 단점을 가지고 있어, 광분해의 효율이 크지 않아 초기 처리율이 높지 않은 단점이 있다.
이러한 단점을 극복하기 위하여 최근에는 이산화티타늄과 같은 광촉매를 제올라이트(zeolite), 활성탄, 야자각, 왕겨 등과 같은 기공을 가진 물질 또는 소성(탄화)의 공정 후에 기공을 가질 수 있는 물질에 직접 합성하여 광분해 활성도를 가진 흡착제를 제조하여 사용하고 있다.
종래기술에 따른 이산화티타늄 광촉매가 합성된 흡착재는 이산화티타늄 분말을 인공 결합재를 사용하여 흡착재 표면에 코팅시키거나, 이산화티타늄 광촉매와 흡착재를 합성할 때 가장 많이 사용하고 있는 졸-겔(sol-gel)법을 이용하여 분말 또는 다면체 형상의 흡착재 표면에 이산화티타늄의 고정화 및 코팅을 하였다.
흡착재의 주재료는 고가의 분말 또는 입상 활성탄이 주로 사용되어 흡착재의 단가를 증가시켜 직접적인 현장 사용에 제약이 되어 왔다. 저가의 야자각 또는 왕겨를 이용할 경우 이산화티타늄 졸(sol)을 표면에 침지한 후, 높은 온도에서 소성(탄화)하는 방법이 사용되므로 고온 상승을 위한 많은 양의 에너지 소모와 탄소 생성, 및 제조 후 용출 현상이 발생하는 문제점이 있었다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 대한민국 공개특허 제2000-30368호인 "살균용 광촉매활성탄의 제조방법"에서는 이산화티타늄 졸(sol)이나 산화아연 졸(sol)에 활성탄을 침지한 후 높은 온도로 소성하여 광촉매가 주입된 활성탄을 제조하거나, 이산화티타늄 졸(sol)을 톱밥, 왕겨 등과 혼합하여 압출기를 통해 성형한 후 탄화하여 광분해 성능을 가진 활성탄을 제조하였다.
그런데, 상기 종래기술은 높은 소성 온도에 의해 활성탄의 비표면적 감소와 이산화티타늄에 의해 생성되는 표면 수산화기를 감소시키고, 소성 및 활성을 위한 온도 상승은 많은 양의 에너지 소비로 인해 직접적인 제조 원가 상승을 발생시키고 많은 양의 탄소를 배출하므로 2차적인 환경오염이 야기되는 단점이 있었다.
또한, 대한민국 공개특허 제2003-0028325호인 "나노입자상의 광촉매가 담지된 활성탄의 제조방법"에서는 이산화티타늄을 졸(sol)이나 분말 형태로 만들지 않고 야자각, 왕겨 등의 원료를 이산화티타늄 전구체 용액에 직접 함침시킨 후 함침된 용액을 탈액하여 고온에서 탄화 및 활성화하여 광분해 성능을 갖는 흡착재를 제조하였다.
그런데, 상기 종래기술은 이산화티타늄 입자가 흡착재와 균등하게 주입되기 어렵고, 광촉매 일부가 흡착재 속에 박혀는 있지만, 전체적으로 흡착재에서 쉽게 용출되는 문제점이 발생한다.
따라서, 이산화티타늄 광촉매를 분말 또는 다면체 형상의 입자형 활성탄에 주입시키는 지금까지의 종래 기술로는 높은 제조 원가 및 낮은 효율의 광촉매 흡착제를 생산할 수 밖에 없으며, 이로 인해 경제적, 환경적, 효율적인 문제점 때문에 상용화되지 못하고 있다.
한편, 1990년대 후반 도입된 포설식 굳지 않은 투수성 콘크리트의 포장은 기후 환경의 변화 속도를 늦추고, 나아가 지하수 함양 능력 배양을 통해 강우가 직접 하천으로 유입되는 도달 시간이 짧아진 것을 저감시키고자 한 제품이다. 투수성 콘크리트의 경우에는 지반 내 유입이 거의 불가능한 기존의 콘트리트 제품과 달리 자연 상태와 같이 지중 유입 과정을 회복시키므로, 지중 생태계에 물과 공기를 전달하고 강수의 유하시간을 저감함으로써 토양 오염을 방지하고 홍수를 예방하는 역할을 원활히 수행할 것으로 예상되었다.
그러나, 포설식 굳지 않는 투수성 콘크리트의 포장은 기후 및 노반 상태에 따른 영향에 내구성이 좌우되며, 오염물질로 공극이 폐쇄되어 투수성을 장기적으로 유지할 수 없게 된다. 또한, 겨울철에는 지반의 동결 융해로 인한 융기와 침하는 표층부까지 전달이 됨에 따라 표층의 유동 현상이 발생하며, 이로 인한 크랙의 발생과 확산은 포설식 투수 콘크리트의 기능을 상실하게 되는 주요 원인이 된다.
이외에도, 초기의 장점을 장기적으로 유지할 수 없다는 것과 오염된 강우를 지중으로 유입시켜 지하수의 오염을 확산시키는 문제점이 있었다.
대한민국 공개특허공보 제10-2000-0030368호 "살균용 광촉매활성탄의 제조방법" 대한민국 공개특허공보 제10-2003-0028325호 "나노입자상의 광촉매가 담지된 활성탄의 제조방법" 대한민국 등록특허 제10-0837184호 "투수성 콘크리트 블록 및 그 제조방법"
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 저온에서 생성될 수 있으며, 내구성과 효율성이 향상된 비점오염원 제거용 광분해능과 흡착 성능을 갖는 투수성 콘크리트 블록 제조용 조성물 및 이를 이용하여 제조된 투수성 콘크리트 블록을 제공하는데 목적이 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 비점오염원 제거용 광분해능과 흡착 성능을 갖는 투수성 콘크리트 블록 제조용 조성물은 순환 단립도 골재 30~60wt% 및 바텀 애쉬 단립도 골재 10~40wt%로 이루어지는 골재; 및 상기 골재를 둘러싸는 나노 사이즈의 이산화티타늄 분말 3~10wt%, 나노 사이즈의 산화아연 분말 3~10wt%, 알루미나 시멘트 10~13wt%로 구성되는 시멘트 페이스트용 조성물을 포함한다.
본 발명에 있어서, 상기 골재는 입도 선별기에 의해 세척 선별된 2mm 내지 13mm 사이의 입도 범위를 갖는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 상기 시멘트 페이스트용 조성물에는 0.2~1.0wt%의 메틸셀롤로오스(MC)를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 투수성 콘크리트 블록 조성물에 의해 제조된 콘크리트 블록의 공극률은 10% 내지 30%이며, 투수 계수는 0.01cm/초 이상인 것이 바람직하다.
상기 또 다른 기술적 과제를 달성하기 위하여 투수성 콘크리트 블록의 제조방법은 순환 단립도 골재 30~60wt% 및 바텀 애쉬 단립도 골재 10~40wt%로 이루어지는 골재와 나노 사이즈의 이산화티타늄 분말 3~10wt%, 나노 사이즈의 산화아연 분말 3~10wt%, 알루미나 시멘트 10~13wt%로 구성되는 시멘트 페이스트용 조성물을 준비하는 단계; 상기 시멘트 페이스트용 조성물에 물/시멘트의 비율을 20% 내지 40%로 하여 물을 첨가하고 교반하여 시멘트 페이스트를 형성하는 단계; 및 상기 골재에 시멘트 페이스트를 혼합, 성형, 건조하여 콘크리트 블록을 제조하는 단계를 포함한다.
본 발명에 있어서, 상기 골재는 입도선별기에 의해 세척 선별된 2mm 내지 13mm 사이의 입도 범위를 갖는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 상기 시멘트 페이스트용 조성물에는 0.2~1.0wt%의 메틸셀롤로오스(MC)를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 투수성 콘크리트 블록의 공극률은 10% 내지 30%이며, 상기 투수성 콘크리트 블록의 투수 계수는 0.01cm/초 이상인 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 비점오염원인 환경오염물질과 수질환경오염물질의 하천 유입으로 인한 녹조 발생, 오염된 지하수 확산, 지하수 고갈, 투수성 구조체의 내구성 저하 등을 방지할 수 있다.
본 발명에 따른 투수성 콘크리트 블록 제조용 조성물을 활용하여 제작된 투수성 콘크리트 블록의 효능에 의해 비점오염원 물질은 흡착재인 골재와 투수성 구조체의 공극에 흡착되고, 담지된 광촉매인 이산화티탄과 산화아연의 광화학반응에 의해 형성된 수산화(OH) 라디칼에 의해 산화되어 탄산가스(CO2)와 물(H2O)로 분해된다. 따라서, 비점오염원은 하천으로 유입되기 전에 비점오염원의 발생지에서부터 점차 제거되어 세정된 표류수는 지하로 유입되어 고갈된 지하수를 보충하고, 최소량의 비점오염원만이 표류수에 의해 하천으로 유입되며, 이로 인해 하수종말처리장, 정수처리장 등 수자원 처리 시설의 과부하를 저감할 수 있다. 이에 더하여, 호수와 저수지 그리고 하천 등의 녹조 발생 빈도를 저감하게 되는 성과를 이룰 수 있다.
또한, 대기 중의 오염물질인 빗물에 의해 본 발명의 비점오염원 제거용 투수성 콘크리트 블록과 접촉할 경우에, 세정 효율을 향상시키고 환경을 보호할 수 있다.
또한, 보도블록 등의 도로용 포장제품으로 적용시 강우에 의한 비점오염원이 하처으로 유입되기 전 흡착과 분해에 의한 정화효과를 얻을 수 있다.
또한, 하천용 호안블록 등에 적용 생산시 수면과 접하는 상태에서 수중의 비점오염원을 흡착하고 광촉매에 의한 산화 효과로 하천수의 수질 정화 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명에 일실시예에 따른 단립도 골재를 나타내는 모식도이다.
도 2는 본 발명에 일실시예에 따른 연속 공극이 형성된 단립도 골재를 나타내는 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 독립 공극이 형성된 단립도 골재를 나타내는 모식도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 투수성 콘크리트 단면의 공극 분포도이다.
상술한 목적, 특징들 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다.
본 발명은 MWIM(Modified Wet Impregnation Method)를 이용하여 제조가 용이하고 제작 단가가 저렴하다.
본 발명은 생산과정에서 발생되는 탄소 배출량을 줄일 수 있는 친환경적인 이산화티타늄과 산화아연 광촉매를 선별된 단립도 골재 및 바텀애쉬 단립제 골재와 내수성이 강한 알루미나 시멘트와 메틸 셀룰로오스를 결합재로 이용하여 내구성이 증진된 비점오염원 제거용 광분해능과 흡착성능을 갖는 투수성 콘크리트 블록 제조용 조성물을 형성한다.
본 발명에서는 MWIM 공법으로 기 제조된 이산화티탄과 산화아연을 광촉매로 사용하는데, 넓은 비표면적을 갖는 나노 사이즈 입자, 그리고 빛이 조사되면 많은 양의 광자(photon) 및 수산화기를 생성할 수 있는 나노 사이즈의 이산화티타늄과 나노 사이즈의 산화아연을 사용한다.
본 발명의 투수성 콘크리트 블록 제조용 조성물은 순환 단립도 골재 30~60wt% 및 바텀애쉬 단립도 골재 10~40wt%로 이루어지는 골재, 및 상기 골재를 둘러싸는 나노 사이즈의 이산화티타늄 분말 3~10wt%, 나노 사이즈의 산화아연 분말 3~10wt%, 알루미나 시멘트 10~13wt%로 구성되는 시멘트 페이스용 조성물로 이루어진다.
흡착제의 재료로는 다공을 보유할 수 있으며, 자연상태에서 충분히 건조되고 분쇄에 적합한 경도(강도)를 갖는 재활용 재료이며, 또한 저비용으로 충분한 양을 수시로 공급받을 수 있는 바텀애쉬 단립도 골재를 사용한다. 바텀애쉬는 화력발전소에서 사용되는 석탄에 함유된 대부분의 광물질을 용융점 이상인 1500±200℃ 온도 범위에서 부유 상태로 순간 연소시키고 남은 물질, 즉 산업폐기물의 일종이다.
표 1은 바텀애쉬 중 선별된 단립도 골재 입도 범위이다.
입도크기(mm) 단립도 골재(mm)
13 5 2
잔류량(%) 100 65～80 0～65
표 2는 본 발명에 사용되는 바텀애쉬의 화학적 성질을 나타낸다.
성분 SiO2 Al2O3 Fe2O CaO K2O MgO
함유율(%) 50~60 20~25 8~12 3~8 3~4 1~3
표 3는 본 발명에 사용되는 바텀애쉬의 물리적 성질을 나타낸다.
구분 비중 흡수율(%) 단위용적중량
(Kg/m3)		 비표면적
(cm2/g)		 공극율(%) 안정성(%)
특성 1.5 20~25 950~1,100 3,500~4,5000 45~55 8~9
또 다른 흡착재의 재료로서는 다공을 보유할 수 있으며, 자연상태에서 충분히 건조되고 분쇄에 적합한 경도(강도)를 갖는 재활용 재료이며, 또한 저비용으로 충분한 양을 수시로 공급받을 수 있는 순환 단립도 골재를 사용한다. 순환 단립도 골재는 건설폐기물 중간 처리 과정에서 생산되는 골재로서 생산자의 보유 설비 및 의도에 따라 단립도 골재를 생산할 수 있다. 따라서, 주 골재는 건설폐기물 중간 처리 과정으로부터 생산된 동일한 입경을 갖는 골재들로써 순환 골재 중 단립도 골재를 선정하여 사용하며, 그 입도는 아래와 같다.
표 4는 건설 폐기물 순환골재 중 선별된 단립도 골재 입도 범위이다.
입도크기(mm) 단립도 골재(mm)
19 13 8 2
잔류량(%) 100 65～80 30～65 0～30
본 발명에 따르면 대기 정화 및 수질 정화시 야기되는 교체 및 재사용시 발생되는 제반 문제점을 해결할 수 있다. 즉, 제조 원료를 쉽게 구할 수 있고, 직접적인 제조 원가를 급격히 절감할 수 있다. 또한, 건설폐기물을 수집 파쇄 선별 후 발생하는 순환 단립도 골재는 표4와 같이 생산할 수 있다.
이산화티타늄과 산화아연 나노입자가 균등하고 견고하게 단립도 골재 표면에 담지되어, 나노 입자들의 용출이 일어나지 않으며, 광분해 활성도를 크게 향상시키며, 다양한 형태로 제조하여 대기 및 수질 정화 등 광범위한 사업분야에 적용할 수 있다.
보다 상세하게는 대기중 비점오염원인 질소산화물(NOx)의 포착 효율을 증가시켜 높은 질소산화물(NOx) 정화 성능을 가지면서 빗물에 의한 세정 효율을 향상시키며, 투수성 구조에 의해 지하수 함량을 증진시켜 환경을 보호할 수 있다. 또한, 건설 폐기물 처리과정에서 발생하는 순환 단립도 골재를 사용하여 자원재활용 효과를 얻을 수 있다.
비점 오염원은 넓은 지역으로부터 빗물 등에 의해 씻겨지면서 배출되어 정확히 어디가 배출원인지 알기 어려운 산재된 오염원으로부터 배출되는 것을 의미한다. 육지에서 발생된 오염물질이 강우에 의해 직접 수계로 유입될 때 질소와 인이 함께 유입됨에 따라 녹조 발생 비율인 질소와 인이 증가하게 된다. 조류는 유입된 각종 유기물질을 먹이로 성장하게 된다. 본 발명에서는 대기와 지상으로부터 배출되는 질소와 유기물을 정화하여 조류의 증식을 억제할 수 있다.
본 발명의 투수성 콘크리트 블록의 제조방법은 순환 단립도 골재 30~60wt% 및 바텀애쉬 단립도 골재 10~40wt%로 이루어지는 골재와 나노 사이즈의 이산화티타늄 분말 3~10wt%, 나노 사이즈의 산화아연 분말 3~10wt%, 알루미나 시멘트 10~13wt%로 구성되는 시멘트 페이스트용 조성물을 준비하여서, 상기 시멘트 페이스트용 조성물에 물/시멘트의 비율을 20% 내지 40%로 하여 물을 첨가하고 교반하여 시멘트 페이스트를 형성하고, 상기 골재에 시멘트 페이스트를 혼합, 성형, 건조하여 콘크리트 블록을 제조한다.
단립도 골재에 알루미나 시멘트와 메틸 셀룰로오스 등의 결합재를 이용하여 직접 합성시킨 후에, 이를 상온에서 건조하여 단립도 골재 표면에 이산화티타늄 광촉매와 산화아연 광촉매가 균일하게 담지된 비점오염원 제거용 광분해능과 흡착 성능을 갖는 투수성 콘크리트 블록 제조용 조성물을 제조하여, 이를 이용하여 콘크리트 제품을 생산할 수 있다. 직접적으로 단립도 골재 입자와 광촉매를 합성한 후에 투수성 콘크리트 구조물로 성형 제작이 되므로, 제작된 구조물이 파괴되어도 광분해 및 투수성 구조의 흡착 기능은 원상태로 유지하게 된다.
본 발명에서는 비점오염원을 효과적으로 흡착하고 제거하기 위하여 투수성 콘크리트의 구성 조건을 접목하는데, 이는 단립도 골재와 단립도 골재가 접하는 사이 면에 광촉매 이산화티탄과 산화아연이 혼합된 결합재인 시멘트 페이스트(Cement-paste)를 교반하여 비점오염원 제거용 광분해능과 흡착 성능을 갖는 투수성 콘크리트 블록 제조용 조성물을 제조한다.
도 1은 본 발명에 일실시예에 따른 단립도 골재를 나타내는 모식도이다.
도 1을 참조하면, 단립도 골재는 순환 단립도 골재 및 바텀애쉬 단립도 골재로서, 기존의 콘크리트 제품는 달리, 입자 크기가 동일하거나 유사한 것으로서, 입도선별기에 의해 세척 선별된 2mm 내지 13mm 사이의 입도 범위를 가질 수 있다.
도 2는 본 발명에 일실시예에 따른 연속 공극이 형성된 단립도 골재를 나타내는 모식도이다.
도 2를 참조하면, 단립도 골재에 시멘트 페이스트를 부착시켜 연속 공극을 형성할 수 있다. 투수성 콘크리트 블록 제조용 조성물의 교반 형식은 골재를 고상(solid phase), 광촉매가 혼입된 시멘트 페이스트를 액상(liquid phase), 공극을 기상(air phase)로 가정할 경우 이들로 인해 연속 공극을 형성한다. 이들 재료의 구성 요건인 고상, 액상, 기상이 각자 연속할 필요가 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 독립 공극이 형성된 단립도 골재를 나타내는 모식도이다.
도 3을 참조하면, 투수성과 통기성은 저하되지만 고상과 액상이 연속하고, 기상이 독립한 경우가 일부 포함되는 경우로서, 즉 독립 공극이 존재하는 경우이다.
투수성 콘크리트 제품의 실제 배합적인 측면에서 고려해보면, 보통 콘크리트에서 잔골재의 용적을 굵은 골재로 대체하고, 물과 시멘트의 용적을 낮추어 공극을 늘린다. 배합 조건 단위 시멘트 량은 공극을 폐쇄하지 않는 범위에서 단립도 골재가 시멘트 페이스트에 둘러싸이는 정도가 바람직하다.
최적의 물/시멘트비는 20 내지 40%의 범위이며, 이 범위를 상회하는 높은 물/시멘트비의 경우에는 성형에 요구되는 시멘트 페이스트의 적정한 점도가 형성되지 않고 다짐 또한 곤란하다.
배합 측면에서의 비점오염원 제거용 광분해능과 흡착성을 갖는 투수성 콘크리트 제조용 조성물의 제조는 공극 형성이 주요 관건이라 할 수 있는데, 사용 물/시멘트비 및 단위 시멘트량, 광촉매 혼입량, 흡착용 단립도 골재의 혼입량과 입도 등의 배합 인자들이 상호 연관되어 있다. 이는 골재의 치수에 따라 실내 실험을 통한 최적 배합설계를 진행하였으며, 이에 의하여 첨부된 청구항과 실시예인 배합설계의 결과를 얻었다.
투수성 콘크리트는 연속 또는 독립된 공극 구조가 공존하는 콘크리트로서 요구되는 물성은 여러 가지 항목으로 나타낼 수 있으며, 그 중에 가장 중요한 항목은 연속 공극률과 최소한의 압축 강도이다. 공극률과 공극 구조가 투수성 콘크리트의 강도 및 투수성과 같은 물리적 특성뿐만 아니라 해양생물의 부착, 유기 오염물질 흡착, 광촉매에 의한 대기 정화와 수질 정화 및 식생에 관한 효과를 좌우한다. 다시 말하면, 투수성 콘크리트에 있어서 공극율은 각종 역학적인 특성인 강도, 투수성 등에 영향을 미치는 가장 중요한 요소이다.
공극율에는 연속 공극률과 독립 공극이 포함된 전공극율이 있다. 특히 연속 공극에 의하여 유기오염물질이 함유된 물이나 공기의 흐름이 본 발명에 따른 투수성 콘크리트의 표면과 내부로 유입되어 흡착된다. 연속 공극은 광투과 효과로 인하여 유기물질 흡착 후 표면에서의 거리에 따라서 다르겠지만 5분에서 3시간 내에 분해가 완료된다. 그러나, 독립 공극으로 유입된 오염물질은 광의 전달이 느려 약 8시간 정도의 시간이 경과한 후에 분해가 이루어진다.
본 발명에 따른 투수성 콘크리트의 배합설계와 제거효율은 다음의 표 5과 같다.
구 분 W/C 순환
단립도
골재		 Bottom
ash
단립도
골재		 알루미나
시멘트		 복합 광촉매 MC 기타
첨가물		 계
TiO2 ZnO
배합안 1안 35 60~50 10~20 10~13 3~5 7~10 0.4~0.6 1.2~1.6 100
배합안 2안 50~40 20~30 10~13 7~10 3~5 0.4~0.6 1.2~1.6 100
배합안 3안 40~30 30~40 10~13 3~5 7~10 0.4~0.6 1.2~1.6 100
여기서, 물 /시멘트(W/C) 비에 따른 물의 양은 시멘트 수화반응에 의해 소모되므로 총계에 중량 가산되지 않는다.
표 6는 표 5의 배합 설계에 따른 압축강도, 공극률, 투수계수의 시험결과이다.
구 분 압축강도(MPa) 공극율(%) 투수계수
(cm/sec)
7일 28일
배합안 1안 8.2 15.4 23.5 1.5×10-1
배합안 2안 9.8 17.8 21.9 9.6×10-2
배합안 3안 10.6 19.2 20.2 9.0×10-2
표 7는 표 5의 배합 설계에 따른 메틸렌블루의 제거 효율이다. 자외선이 공급되는 "명" 조건과 공급이 느리거나 되지 않는 "암" 조건에서 광촉매에 의한 제거효율이다.
구 분 초기 농도(0시간) 종료 농도(24시간) 제거율(%)
“암”조건 “명”조건 “암”조건 “명”조건 “암”조건 “명”조건
배합안 1안 50ppm 50ppm 10ppm 0ppm 80.0% 100.0%
배합안 2안 50ppm 50ppm 8ppm 0ppm 84.0% 100.0%
배합안 3안 50ppm 50ppm 11ppm 0ppm 78.0% 100.0%
암조건 제거율의 계산(%) = (암조건 초기농도-암조건 말기농도)/암조건 초기농도 ×100
명조건 제거율의 계산(%) = (명조건 초기농도-명조건 말기농도)/명조건 초기농도 ×100
표 8은 표 5의 배합 설계에 따른 대장균 및 녹농균의 살균효율이다.
시험항목 시료구분 초기농도
(CFU/㎖) 		24시간 후 농도
(CFU/40p) 		세균 감소율
(%) 		평균
(%)
대장균에 의한
항균 시험		 blank 399 1128 - -
배합안 1안 399 1 99.7 99.9
배합안 2안 386 0 100.0
배합안 3안 392 0 100.0
일반 시멘트블록 312 236 24.4
녹농균에 의한
항균시험		 blank 380 1148 -
배합안 1안 380 1 99.7 99.6
배합안 2안 385 2 99.5
배합안 3안 388 1 99.7
일반 시멘트블록 316 248 21.5
Remarks ; 1. Blank : 시료를 넣지 않은 상태 측정값
2. CFU : Colony Forming Unit .
3. 40p : 0.04 mL
4. 배지상의 균수는 희석배수를 곱하여 산출한 것임
비점오염원 제거용 투수성 콘크리트 블록은 오염된 대기에 노출되도록 시공되는 조건을 가지며, 각각의 배합안 1안, 2안, 3안에 대한 항균 성능을 평가하기 위하여 항균성을 시험하였다.
시료를 넣지 않은 상태(blank)와 시료를 넣은 상태에서 초기농도와 24시간 결과 후의 세균 감소율을 비교 시험한 결과인 표 8에서 알 수 있듯이, 대장균 및 녹농균에 모두 시료를 넣지 않은 상태(blank)에서는 24시간 경과 후 균수는 정상적으로 증가하였다. 일반 시멘트 블록에서는 대장균 및 녹농균의 경우 각각 24.4% 및 21.5%를 나타냈다. 이에 비해. 본 발명에 따른 비점오염원 제거용 투수성 콘크리트 블록에서는 대장균 및 녹농균의 경우 각각 99.9% 및 99.6% 이상의 세균 감소율 즉, 우수한 항균 능력을 갖는 것으로 나타났다.
표 9은 항곰팡이 시험이다.
시료 시험항목 배양시험의 기간
1주후 2주후 3주후 4주후
배합안 1안 항곰팡이시험 0 0 0 0
배합안 2안 0 0 0 0
배합안 3안 0 0 0 0
Remarks ; - 결과의 판독 : 0 균의 성장을 인지할 수 없음
시험에 사용된 균주는 혼합균주이며 다음과 같다.
아스페르질루스니게르(Aspergillus niger, 흑색국균(黑色麴菌)) ATCC(미국표준균주배양수록보존소) 9642
페니실륨피노필룸(Penicillium pinophilum) ATCC(미국표준균주배양수록보존소) 11797
카에토미움글로보숨(Chaetomium globosum) ATCC(미국표준균주배양수록보존소) 6205
아우레오바시디움풀루란(Aureobasidium pullulans) ATCC(미국표준균주배양수록보존소) 15233
위의 균들은 일반적인 오염균으로 흔히 볼 수 있으며, 면역체계가 손상되어 저항력이 약해져 있는 개체들 내에서 다양한 장소로 감염되는 기회 감염성 균으로, 일반적인 환경 내에 넓게 분포되어 있으며 호흡기를 통한 감염성 병원균들이다.
표 9에서 알 수 있듯이, 비점오염원 제거용 광분해능과 흡착 성능을 갖는 투수성 콘크리트 블록 제조용 조성물을 이용한 콘크리트 제품에 대하여 항곰팡이 시험을 한 결과, 균의 성장을 전혀 인지할 수 없었다.
연속 공극율과 전공극률의 측정방법은 현재 국내에서 별도로 제정된 기준이 없으며, 일본에서 「일본콘크리트 공학협회」의 ‘에코콘크리트 연구위원회’에서 제졍한 안에 따라 화상분석기에 의한 측정을 실시하였다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 투수성 콘크리트 단면의 공극 분포도이다. 초록색이 공극이다.
도 4를 참조하면, 구형의 골재 및 쇄석을 이용한 일반적인 다공성 콘크리트의 단면 공극 형상을 나타낸다. 단립도 골재 주변을 둘러싸고 있는 페이스트에 의해서 생성된 공극이 연속적으로 변화하는 입체구조로 형성되어 있음을 알 수 있다.
본 발명의 비점오염원 제거용 광분해능과 흡착 성능을 갖는 우수성 콘크리트 블록 제조용 조성물은 포장구조체로 적용되며, 질소산화물(NOx) 및 각종 유기오염물질에 대한 정화 능력을 갖는 제품으로서 이에 관한 메커니즘은 다음과 같다.
Figure pat00001
여기서, [Organic-HPA]ads와 [intermediate - HPA]는 유기물과 산화부산물이 비점오염원 제거용 광분해능과 흡착 성능을 갖는 투수성 콘크리트 블록 제조용 조성물의 표면에 흡착되는 것이다. HPA는 하이브리드 광촉매 흡착제(Hybrid Photocatalytic Adsorbent; 이하 HPA라 함)이다.
광원이 조사되는 상태에서 HPA에서는 수중의 유기물이 분해되고, 이때 생성된 산화부산물들은 비점오염원 제거용 광분해능과 흡착성능을 갖는 투수성 콘크리트 블록 제조용 조성물을 이용한 콘크리트 제품에 흡착되며, HPA에서 생성된 수산화(OH) 라디칼에 의해서 유기물이 완벽하게 제거된다.
따라서 HPA를 이용한 유기물 제거는 다음과 같은 식으로 나타내진다.
Figure pat00002
여기서, k’는 반응상수 이고, θorganic는 강우가 함유하는 유기물이 HPA의 표면에 흡착되는 부분 싸이트 커버리지(fractional site coverage)이다. 또한 [OH]ads는 HPA와 광원에 의해 생성된 수산화(OH) 라디칼이다.
다양한 실험을 통해서 반응상수, θorganic, [OH]ads를 구할 수 있다.
Figure pat00003
여기서 Ci는 산화부산물의 농도이다. K 1 = k 1 /k- 1 , 그리고 K i = k i /k -i , 라고 놓으면 K 1 와 K i 는 유기물과산화부산물의 흡착평형상수이다.
따라서,
Figure pat00004
라고 다시 쓰여진다.
본 발명에 따른 비점오염원 제거용 광분해능과 흡착 성능을 갖는 투수성 콘크리트 블록 제조용 조성물로 유기물 및 질소산화물(NOx) 정화용 블록을 제조할 수 있다.
본 발명에 따라 제조된 블록은 단립도 골재 흡착재와 투수성 구조로 인한 흡착능을 보유함으로써, 낮 동안은 태양광(이에 함유되어 있는 자외선)에 의해 유기물 및 질소산화물(NOx)이 제거될 뿐만 아니라, 야간에도 상기 흡착재에 유기물 및 질소산화물(NOx)이 흡착되고, 이것이 낮에 자외선에 의해 분해됨으로써 유기물 및 질소산화물(NOx)이 제거된다.
또한, 비점오염원은 강우에 의해 도심지, 산지, 농경지로부터 유실되어 하천, 저수지 등으로 유입된다. 이와 같이 오염된 강우는 하천으로 유입되는 과정에서 도로 바닥부의 경계석, 포장된 보도블록 등의 상부로 흐르면서 접촉하게 되며, 하천으로 유입된 후에는 호안블록 등과 접촉하게 된다. 여기서, 경계석, 보도블록, 호안블록 등을 본 발명에 따른 비점오염원 제거용 광분해능과 흡착 성능을 갖는 투수성 콘크리트 블록제조용 조성물을 이용하여 제작하고 설치하는 경우 하천과 저수지로 유입되는 비점오염원을 상당 부분 제거할 수 있게 된다.
비점오염원의 흡착 및 광분해 효율을 높이기 위해서는 투수성 구조체가 가장 적합하다. 이를 위해서는 단립도 골재를 사용하여 공극률을 10% 내지 40%로 하고, 투수 계수를 0.01cm/초 이상으로 함으로써 유효 표면적 증가에 의한 광촉매의 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 비점오염원 제거용 광분해능과 흡착 성능을 갖는 투수성 콘크리트 블록 제조용 조성물에 의해 제조된 콘크리트 제품은 투수성이 크므로 빗물에 함유된 유기물의 광분해, 흡착에 의한 세정 효율이 증가된다. 따라서, 경제적이고 효율적으로 비점오염원을 제거할 수 있는 콘크리트 제품이 얻어진다.
또한, 본 발명의 광촉매로는 이산화티탄과 산화아연을 사용하는데, 광촉매는 빛을 받아들여 화학반응을 촉진시키는 물질이며, 이러한 반응을 광화학반응이라 한다.
또한, 본 발명은 흡착 성능을 갖는데, 흡착이란 2개의 상(相)이 접할 때, 그 상을 구성하고 있는 성분물질이 경계면에 농축되는 현상이다. 대표적인 예로서 숯을 들 수 있는데, 숯은 내부에 기공을 갖고 있다. 이와 유사한 물질들은 탄화에 의한 기공이 형성된 물질들로써, 본 발명에서는 자원 순환을 위하여 화력발전소에서 석탄 원료로부터 발생되는 석탄재인 단립도 골재를 적용한다.
하천 녹조의 주원인이 되는 비점오염원에는 질소산화물(NOx)과 각종 유기물이 있으며, 이러한 비점오염원은 본 발명에 따라서 정화된다. 즉, 태양광 중 자외선에 의해 유기물 및 질소산화물(NOx)이 이산화티탄과 산화아연의 광화학반응에 의한 촉매 작용으로 분해 제거되는 것을 의미한다.
본 발명의 비점오염원 제거용 광분해능과 흡착 성능을 갖는 콘크리트 블록 제조용 조성물은 각종 콘크리트 제품의 제조에 활용될 수 있다. 예컨대, 경계석, 보도블록, 호안블록을 제조할 수 있다.

Claims (10)

  1. 비점오염원 제거용 광분해능과 흡착 성능을 갖는 투수성 콘크리트 블록 제조용 조성물로서,
    순환 단립도 골재 30~60wt% 및 바텀 애쉬 단립도 골재 10~40wt%로 이루어지는 골재; 및
    상기 골재를 둘러싸는 나노 사이즈의 이산화티타늄 분말 3~10wt%, 나노 사이즈의 산화아연 분말 3~10wt%, 알루미나 시멘트 10~13wt%로 구성되는 시멘트 페이스트용 조성물을 포함하는 투수성 콘크리트 블록 제조용 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 골재는 입도선별기에 의해 세척 선별된 2mm 내지 13mm 사이의 입도 범위를 갖는 것을 특징으로 하는 투수성 콘크리트 블록 제조용 조성물.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 시멘트 페이스트용 조성물에는 0.2~1.0wt%의 메틸셀롤로오스(MC)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 투수성 콘크리트 블록 제조용 조성물.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 투수성 콘크리트 블록 조성물에 의해 제조된 콘크리트 블록의 공극률은 10% 내지 30%인 것을 특징으로 하는 투수성 콘크리트 블록 제조용 조성물.
  5. 상기 투수성 콘크리트 블록 조성물에 의해 제조된 콘크리트 블록의 투수 계수는 0.01cm/초 이상인 것을 특징으로 하는 투수성 콘크리트 블록 제조용 조성물.
  6. 순환 단립도 골재 30~60wt% 및 바텀 애쉬 단립도 골재 10~40wt%로 이루어지는 골재와 나노 사이즈의 이산화티타늄 분말 3~10wt%, 나노 사이즈의 산화아연 분말 3~10wt%, 알루미나 시멘트 10~13wt%로 구성되는 시멘트 페이스트용 조성물을 준비하는 단계;
    상기 시멘트 페이스트용 조성물에 물/시멘트의 비율을 20% 내지 40%로 하여 물을 첨가하고 교반하여 시멘트 페이스트를 형성하는 단계; 및
    상기 골재에 시멘트 페이스트를 혼합, 성형, 건조하여 콘크리트 블록을 제조하는 단계를 포함하는 투수성 콘크리트 블록의 제조방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 골재는 입도선별기에 의해 세척 선별된 2mm 내지 13mm 사이의 입도 범위를 갖는 것을 특징으로 하는 투수성 콘크리트 블록의 제조방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 시멘트 페이스트용 조성물에는 0.2~1.0wt%의 메틸셀롤로오스(MC)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 투수성 콘크리트 블록의 제조방법.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 투수성 콘크리트 블록의 공극률은 10% 내지 30%인 것을 특징으로 하는 투수성 콘크리트 블록의 제조방법.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 투수성 콘크리트 블록의 투수 계수는 0.01cm/초 이상인 것을 특징으로 하는 투수성 콘크리트 블록의 제조방법.
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