KR20130096855A

KR20130096855A - 생활폐기물 소각 바닥재와 정수 슬러지를 이용한 세라믹 제품의 제조방법 및 이를 이용한 제조된 세라믹 제품

Info

Publication number: KR20130096855A
Application number: KR1020120018387A
Authority: KR
Inventors: 이병하
Original assignee: 명지대학교 산학협력단; 서울특별시
Priority date: 2012-02-23
Filing date: 2012-02-23
Publication date: 2013-09-02
Also published as: KR101385171B1

Abstract

본 발명은 생활폐기물인 소각 바닥재와 정수 슬러지를 포함한 세라믹 조성물 및 이를 이용한 세라믹 제품에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 생활폐기물인 소각 바닥재와 정수 슬러지를 원료로 사용함으로써 폐자원의 활용은 물론 중금속을 용출하지 않고 친환경적이면서도 강도가 우수하여 고품질의 세라믹 제품을 제조할 수 있는 세라믹 조성물 및 이를 이용한 세라믹 제품에 관한 것이다.

Description

생활폐기물 소각 바닥재와 정수 슬러지를 포함한 세라믹 조성물 및 이를 이용하여 제조된 세라믹 제품{CERAMIC COMPOSITION COMPRISING MUNICIPAL SOLID WASTE INCINERATOR BOTTOM ASH AND WATER SLUDGE AND CERAMIC PRODUCTS MANUFACTURED BY USING THE SAME}

본 발명은 생활폐기물 소각 바닥재와 정수 슬러지를 포함한 세라믹 조성물 및 이를 이용하여 제조된 세라믹 제품에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 생활폐기물 소각 바닥재와 정수 슬러지를 원료로 사용함으로써 중금속이 용출되지 않아 친환경적이면서도 강도가 우수하여 고품질의 세라믹 제품을 제조할 수 있는 세라믹 조성물 및 이를 이용한 세라믹 제품에 관한 것이다.

급속한 산업화와 인구증가로 인해 도시생활폐기물의 양이 증가하였으며 이것의 대부분을 매립하여 처리하고 있다. 하지만 이 방법은 국토이용의 효율성을 떨어뜨리고 침출수 유출과 같은 환경 문제를 유발하기 때문에 현재 도시생활폐기물처리는 소각과 재활용의 비율을 높이는 방법에 초점을 맞추고 있다.

소각된 도시생활폐기물 1 ton 에서는 약 250~300 kg의 바닥재와 30-50 kg의 비산재가 발생하는데, 다량의 다이옥신과 중금속을 함유하여 유해성이 높은 비산재는 지정 폐기물로 정하여 별도로 매립하지만, 상대적으로 유해성이 낮은 바닥재는 대부분 일반폐기물 매립장에서 매립하고 있다.

특히 소각재 중에서 바닥재는 분리, 선별, 세척 등의 처리에 의해 재활용이 가능한 철, 비철금속, 유리 등을 다량 함유하고 있는데 이들 물질을 재활용함으로써 매립되는 양을 감소시키고 폐기물 자원화를 통한 경제적 이익을 얻을 수 있다.

이러한 생활폐기물 소각 바닥재의 성분은 하기 표 1에서와 같이 일반 지질의 성분과 비슷하여 세라믹 원료로 사용할 수 있다.

SiO₂	Al₂O₃	Fe₂O₃	CaO	MgO	K₂O	Na₂O	P₂O₅
26.98	17.25	3.30	30.30	2.14	1.08	2.55	5.05

상술한 생활폐기물 소각 바닥재를 활용한 종래 기술은 하기와 같다.

한국공개특허 제2010-0090844호에서는 알칼리 용액으로 전처리된 소각비산재 10~30 중량%와 소각바닥재 70~90 중량%로 구성되는 도시 쓰레기 소각재 10~70 중량% 및 고로슬래그 30~90 중량%의 건식 몰탈 분말 100 중량부에 대해서, 규산소다 50~100 중량부가 첨가되는 슬러리상의 혼합물을 진동 성형한 다음, 25~80 ℃의 온도범위로 양생하는 것을 특징으로 하는 도시 쓰레기 소각재를 이용한 성형체의 제조 방법을 개시하고 있다.

한국공개특허 제2011-0091176호에서는 생활폐기물 소각 바닥재를 체질하여 증류수와 혼합하고 교반하여 제조된 소각 바닥재 슬러리에 탄산가스를 pH 12.5로부터 pH 6까지 조정하면서 탄산가스와 반응시켜 제조한 이산화탄소가 고정된 소각 바닥재 겔을 건조한 후, 플라스틱 외피의 심재로서 주입하고 밀봉하여 제조하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소가 고정된 생활폐기물 소각 바닥재를 이용한 건축용 자재를 개시하고 있다.

상기 생활폐기물 소각 바닥재만을 사용하여 세라믹 제품을 만들 때 SiO₂와 Al₂O₃함량이 낮아 강도가 좋은 제품을 만들기 어렵고, 종래의 생활폐기물 소각 바닥재를 이용한 세라믹 제품에는 중금속이 용출되는 문제점을 가진다.

정수 슬러지 또한 일반폐기물로 되어 있어서 생활폐기물과 함께 섞어 매립장에 매립하고 있다.

본 발명자들은 상술한 문제점을 해결하고자 연구를 거듭하였고, 그 결과 생활폐기물 소각 바닥재에 SiO₂와 Al₂O₃함량이 높은 정수 슬러지를 포함하여 세라믹 조성물을 제조하고 이를 이용하는 경우 중금속이 용출되지 않고 강도가 우수한 세라믹 제품을 제조할 수 있다는 것을 알게 되어 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

본 발명의 목적은 도시생활폐기물을 재활용하면서도 중금속이 용출되지 않아 친환경적이면서도 강도가 우수하여 고품질의 세라믹 제품을 제조할 수 있는 세라믹 조성물 및 이를 이용한 세라믹 제품을 제공하기 위한 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 소각 바닥재 30~70 중량% 및 정수 슬러지 30~70 중량%를 포함하는 세라믹 조성물 또는 소각 바닥재 20~40 중량%, 정수 슬러지 10~40 중량% 및 황토 40~50 중량%를 포함하는 세라믹 조성물을 제공한다.

본 발명의 일 양태에 있어서, 상기 소각 바닥재로는 소각한 바닥재를 체로 철분과 비철금속 및 미연소 물질을 분리한 후 분쇄된 것을 사용할 수 있다.

본 발명의 일 양태에 있어서, 본 발명에서 사용되는 정수 슬러지로는 Al₂O₃ 40 중량% 이상 및 SiO₂ 30 중량% 이상 포함하는 것으로, 정수장에서 수거한 후 전체 중량에 대하여 수분량이 1~3%가 되도록 건조 처리된 것을 사용할 수 있다.

또한, 본 발명은 소각 바닥재 30~70 중량% 및 정수 슬러지 30~70 중량%를 포함하는 세라믹 조성물 또는 소각 바닥재 20~40 중량%, 정수 슬러지 10~40 중량% 및 황토 40~50 중량%를 포함하는 세라믹 조성물을 소성하여 제조되는 세라믹 제품을 제공한다.

본 발명에 따른 세라믹 제품은 기층재, 도자기, 벽돌, 경량 골재 등일 수 있다.

본 발명은 매립지에 매립되고 있는 생활폐기물 소각 바닥재와 정수 슬러지의 생활폐기물을 활용함으로써 폐자원의 재활용은 물론 제조비용이 감소될 수 있으며 중금속이 용출되지 않아 친환경적이면서도 강도가 높아 고품질인 세라믹 제품 제조용 세라믹 조성물 및 이를 이용한 세라믹 제품을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 실시예 1에서 제조한 세라믹 제품의 사진이다.
도 2는 본 발명에 따른 실시예 2에서 제조한 세라믹 제품의 사진이다.
도 3은 본 발명에 따른 실시예 3에서 제조한 세라믹 제품의 사진이다.

이하, 본 발명에 따른 생활폐기물 소각 바닥재와 정수 슬러지를 포함한 세라믹 조성물 및 이를 이용한 세라믹 제품을 상세히 설명한다.

본 발명은 소각 바닥재 및 정수 슬러지를 원료로서 포함하는 세라믹 조성물을 제공한다.

상기 본 발명에 따른 세라믹 조성물은 소각 바닥재 30~70 중량% 및 정수 슬러지 30~70 중량%를 포함한다.

생활폐기물 소각로에서 생활폐기물을 소각하고 남은 잔류물로서 크게 비산재와 바닥재로 나눌 수 있다. 소각로 상부로 비산하여 배출되는 비산재는 다이옥신류의 함유량과 중금속의 함유량 및 용출량이 높아 중간처리하여 지정폐기물 매립지에 매립되는 반면 바닥재는 중금속의 함유량이 비산재 보다 낮지만 중금속 용출을 막기 위해 키레이트 처리를 한 후 매립하고 있다. 그러나 이 방안은 일정기간이 지나면 중금속이 용출되므로 환경문제에서는 안정하지 못하다.

본 발명에 따른 세라믹 조성물은 소성시 원료 내에 들어 있는 각종 중금속을 유리상이나 결정상에 고용시켜 영원히 용출을 억제시키므로 친환경적인 제품을 만들 수 있음을 특징으로 한다.

즉 세라믹 제품이 소결되면 조직 내에 유리상과 결정상이 생성된다. 이 경우 원료에 함유되어 있는 중금속은 유리상 속에 녹아 들어가든지 결정상 속에 고용되어 시간이나 환경에 영향 없이 용출되지 않는다.

즉 바닥재는 소성시 융제 역할을 하여 유리상을 1190℃ 부근에서 만들어 주고 정수 슬러지는 1000℃ 부근에서 뮬라이트 결정상을 생성하므로 이 때 중금속이 유리상 속이나 결정상 속에 함유된다.

본 발명에서는 상기 소각 바닥재로는 상술한 생활폐기물의 소각로에서 소각된 잔류물 중 바닥재를 체(예를 들어, 20 mm 의 체)로 철분과 비철금속 및 미연소 물질을 분리한 후 분쇄한 후 사용하는 바람직하다.

정수 슬러지는 폐기물로 지정되어 있어 현재 전량 수도권 매립지에 매립되고 있으며, 유기물 함량이 적고, 규산질과 수산화알루미늄이 주성분이다.

이 정수 슬러지는 함수율이 70~80%로 높아 매립시 생활폐기물이나 연탄재와 함께 섞어 매립한다.

정수장에서 수거하여 온 정수 슬러지에는 수분의 70~80% 함유되어 있어 본 발명에서는 이를 건조시킨 후 세라믹 조성물의 원료로서 사용하며, 바람직하게는 전체 중량에 대하여 수분량이 1~3 %가 되도록 건조 처리하여 정수 슬러지로서 사용한다.

본 발명에서 사용되는 정수 슬러지는 Al₂O₃ 20 중량% 이상 및 SiO₂ 30 중량% 이상 포함하는 것을 사용하는 것이 바람직하며, 상기 정수 슬러지는 Al₂O₃ 20 중량% 이상 및 SiO₂ 30 중량% 이상 이외 Fe₂O₃, CaO, MgO, K₂O, Na₂O, P₂O₅ 등이 더 포함할 수 있다.

예를 들어, 본 발명에서 사용될 수 있는 정수 슬러지의 성분값은 하기 표 2에 나타난 바와 같으나, 이에 제한되지 않고 Al₂O₃ 20 중량% 이상 및 SiO₂ 30 중량% 이상을 포함하는 정수 슬러지를 사용할 수 있다.

SiO₂	Al₂O₃	Fe₂O₃	CaO	MgO	K₂O	Na₂O	P₂O₅
33.15	53.57	4.90	1.1	0.90	1.26	0.2	1.47

본 발명의 다른 양태에 있어서, 본 발명에 따른 세라믹 조성물은 소각 바닥재, 정수 슬러지 및 황토를 포함한다.

상기 본 발명에 따른 세라믹 조성물은 소각 바닥재 20~60 중량%, 정수 슬러지 10~40 중량% 및 황토 40~60 중량%를 포함한다.

이 경우 바닥재나 정수 슬러지는 가소성이 없어서 원하는 형태의 제품을 만드는데 곤란할 수 있으므로 가소성이 좋은 황토를 함께 사용하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명은 소각 바닥재 30~70 중량% 및 정수 슬러지 30~70 중량%를 포함하는 세라믹 조성물 또는 소각 바닥재 20~60 중량%, 정수 슬러지 10~40 중량% 및 황토 40~60 중량%를 포함하는 세라믹 조성물을 소성하여 제조된 세라믹 제품을 제공한다.

본 발명에서는 상기 세라믹 조성물은 1,000~1,300 ℃에서 소성시켜 강도가 우수한 기층재, 도자기, 벽돌 또는 경량 골재 등의 세라믹 제품으로 제조될 수 있다.

본 발명에 따라 제조된 세라믹 제품은 생활폐기물을 이용하여 저렴하게 제조할 수 있으면서도 Al₂O₃ 및 SiO₂의 함량이 높아 고강도를 나타내며 중금속을 용출하지 않는다(시험예 1 참조).

이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 시험예를 상세하게 설명한다. 본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적 의미로 한정되어 해석되지 아니하며, 본 발명의 기술적 사항에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.

본 명세서에 기재된 실시예, 시험예 및 도면은 본 발명의 바람직한 실시예이며, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것이 아니므로, 본 출원 시점에서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있다.

실시예 1

생활폐기물 소각장에서 생활폐기물을 소각하여 얻은 소각 바닥재를 20 mm 체로 철분과 비철금속 및 미연소 물질을 분리한 다음 분쇄하여 소각 바닥재를 준비하였다. 이후 정수장으로부터 수거한 정수 슬러지를 천천히 건조시켜 정수 슬러지 전체 중량에 대하여 1~3%의 수분 함량을 갖도록 건조하여 정수 슬러지를 준비하였다.

상술한 바와 같이 준비된 소각 바닥재 50 중량% 및 정수 슬러지 50 중량%를 혼합하여 세라믹 조성물을 제조하였고, 상기 세라믹 조성물을 1000~1300 ℃에서 소성시켜 세라믹 제품을 제조하였고, 제조된 세라믹 제품을 촬영하여 도 1에 나타내었다.

도 1에 나타난 세라믹 제품은 완전히 소결되어 흡수율이 2% 미만이며 강도값은 700 kg/cm² 이상으로 벽돌, 기층재로 사용하기에 적합한 것으로 측정되었다.

실시예 2

실시예 1에서 준비된 소각 바닥재 40 중량%, 정수 슬러지 10 중량% 및 황토(고령토) 50 중량%를 혼합하여 세라믹 조성물을 제조하였고, 상기 세라믹 조성물을 1200 ℃에서 소성시켜 세라믹 제품을 제조하였고, 제조된 세라믹 제품을 촬영하여 도 2에 나타내었다.

도 2에 나타난 세라믹 제품은 완전히 소결되었으며 흡수율이 1% 미만이고 강도값은 650 kg/cm²로 측정되어 도자기, 벽돌, 기층재, 경량골재로 사용하기에 적합한 것으로 측정되었다.

실시예 3

실시예 1에서 준비된 소각 바닥재 30 중량%, 정수 슬러지 30 중량% 및 황토(고령토) 40 중량%를 혼합하여 세라믹 조성물을 제조하였고, 상기 세라믹 조성물을 1200 ℃에서 소성시켜 세라믹 제품을 제조하였고, 제조된 세라믹 제품을 촬영하여 도 3에 나타내었다.

도 3에 나타난 세라믹 제품은 완전히 소결되었으며 흡수율이 1% 미만이고 강도값은 650 kg/cm²로 측정되어 도자기, 벽돌, 기층재, 경량골재로 사용하기에 적합한 것으로 측정되었다.

시험예 1: 본 발명의 세라믹 제품의 중금속 용출 측정시험

상기 실시예 1 내지 실시예 3에서 제조한 세라믹 제품에 대해 중금속 용출을 측정하였고 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다.

중금속 용출 측정시험은 폐기물 공정 시험법에 의하여 측정하였다.

(단위: mg/L)

구분	Pb	Cd	Hg	As	Cu	Cr⁶⁺	CN
실시예 1	불검출	불검출	불검출	불검출	0.01	불검출	불검출
실시예 2	불검출	불검출	불검출	불검출	0.02	불검출	불검출
실시예 ３	불검출	불검출	불검출	불검출	0.01	불검출	불검출

표 3에 나타난 바와 같이, 실시예 1 내지 3의 모든 세라믹 제품에서 Cu가 0.01~0.03 mg/L 용출되었지만 이는 제품의 용출 한계인 0.5mg/L 내에 있으므로 세라믹 제품 개발에는 별 문제가 없는 것으로 관찰되었며, Pb, Cd, Hg, As, Cu, Cr⁶⁺, CN 등의 중금속이 용출되지 않은 것을 알 수 있다.

Claims

소각 바닥재 30~70 중량% 및 정수 슬러지 30~70 중량%를 포함하는 세라믹 조성물.
소각 바닥재 20~60 중량%, 정수 슬러지 10~40 중량% 및 황토 40~60 중량%를 포함하는 세라믹 조성물.
청구항 2에 있어서,
상기 황토는 고령토 또는 점토인 것을 특징으로 하는 세라믹 조성물.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 소각 바닥재는 소각한 바닥재를 체로 철분과 비철금속 및 미연소 물질을 분리한 후 분쇄된 것임을 특징으로 하는 세라믹 조성물.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 정수 슬러지는 정수장에서 수거한 후 전체 중량에 대하여 수분량이 1~3%가 되도록 건조 처리된 것임을 특징으로 하는 세라믹 조성물.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 정수 슬러지는 Al₂O₃ 20 중량% 이상 및 SiO₂ 30 중량% 이상 포함하는 것임을 특징으로 하는 세라믹 조성물.
소각 바닥재 30~70 중량% 및 정수 슬러지 30~70 중량%를 포함하는 세라믹 조성물을 소성하여 제조되는 것을 특징으로 하는 세라믹 제품.
소각 바닥재 20~60 중량%, 정수 슬러지 10~40 중량% 및 황토 40~60 중량%를 포함하는 세라믹 조성물을 소성하여 제조되는 것을 특징으로 하는 세라믹 제품.
청구항 7 또는 청구항 8에 있어서,
상기 소각 바닥재는 소각한 바닥재를 체로 철분과 비철금속 및 미연소 물질을 분리한 후 분쇄된 것임을 특징으로 하는 세라믹 제품.
청구항 7 또는 청구항 8에 있어서,
상기 정수 슬러지는 정수장에서 수거한 후 전체 중량에 대하여 수분량이 1~3%가 되도록 건조 처리된 것임을 특징으로 하는 세라믹 제품.
청구항 7 또는 청구항 8에 있어서,
기층재, 도자기, 벽돌 또는 경량 골재인 것을 특징으로 하는 세라믹 제품.