KR20140089631A - 정수 슬러지를 재활용한 다공성 조습보드용 조성물 및 이를 이용한 다공성 조습보드의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 수돗물을 만드는 정수장의 처리 과정에서 발생하는 정수 슬러지가 500∼700℃에서 열처리되어 형성된 정수 슬러지 분말, 상기 정수 슬러지 분말 100중량부에 대하여 폐유리 분말 70∼130중량부, 상기 정수 슬러지 분말 100중량부에 대하여 실리카 분말 및 제올라이트 분말 중에서 선택된 1종 이상의 물질 10∼40중량부 및 상기 정수 슬러지 분말 100중량부에 대하여 점토 70∼130중량부를 포함하는 다공성 조습보드용 조성물 및 이를 이용한 다공성 조습보드의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 수돗물을 만드는 정수장의 처리 과정에서 발생하는 폐 슬러지인 정수 슬러지를 재활용하므로 자원 재활용이 가능하며, 불에 잘 타지 않는 난연성으로서 무기질계 원료로 이루어지고, 원료가 저렴하여 제조비용이 낮아 대량생산이 가능하며, 인체에 무해한 무기질계 재료로 이루어지고, 발생된 유해물질을 흡수 및 방출하는 특성이 매우 우수하다.
Description
본 발명은 다공성 조습보드용 조성물 및 이를 이용한 다공성 조습보드의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 수돗물을 만드는 정수장의 처리 과정에서 발생하는 폐 슬러지인 정수 슬러지를 재활용하므로 자원 재활용이 가능하며, 불에 잘 타지 않는 난연성으로서 무기질계 원료로 이루어지고, 원료가 저렴하여 제조비용이 낮아 대량생산이 가능하며, 인체에 무해한 무기질계 재료로 이루어지고, 발생된 유해물질을 흡수 및 방출하는 특성이 매우 우수한 다공성 조습보드용 조성물 및 이를 이용한 다공성 조습보드의 제조방법에 관한 것이다.
근래에 들어서 웰빙 문화의 확산으로 실내공기의 질을 개선하는 요구가 증가함에 따라 내장재에 대한 소비자의 요구가 매우 다양해지고 있다.
높은 습도는 곰팡이나 진드기의 왕성한 번식에 따라 유해의 미분말에 의해 천식이나 아토피성 피부염과 같은 알레르기 질환이 증가하고 있다. 습도가 낮으면 감기 등의 바이러스의 증식, 정전기의 측적으로 인한 정밀기기의 오동작이 발생할 수 있고, 따라서 적당한 습도를 유지하기 위해 제습기나 가습기가 사용되고 있는데, 이 경우 에너지 소비가 크고 장시간 사용 시 문제가 발생한다.
최근에는 수분의 흡방출이 가능하여 습도 조절이 가능한 조습보드에 대한 연구가 진행되고 있다.
조습보드는 재료의 표면에 존재하는 모세관에 의해 환경습도가 높아지면 수증기를 응축 흡습하고, 환경습도가 낮아지면 응축수를 증발하는 기능을 갖는 재료로, 건물 내부나 밀페된 생활공간에서 외부 환경변화에 대응하여 일정 범위의 습도를 유지시켜 주는 재료를 말한다. 이런 기능을 갖기 위해서는 세공크기 3∼5 nm 범위, 세공 용적 0.8cc/g 이상인 메조포러스 물질(mesoporous materials) 이어야 한다.
일본에서 처음 개발된 조습보드는 원하는 기공구조의 유도를 위해 계면활성제를 사용하기 때문에 제조비용이 높고 대량생산에 어려움이 있어 실제 생산에 어려움이 있다.
불에 타지 않는 난연성으로서 무기질계 원료로 이루어지고, 원료가 저렴하여 제조비용이 낮아 대량생산이 가능하며, 무해한 재료와 발생된 유해물질을 흡수하는 재질 그리고 기능성이 부가된 재질로 이루어진 조습보드에 대한 연구가 필요하다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 수돗물을 만드는 정수장의 처리 과정에서 발생하는 폐 슬러지인 정수 슬러지를 재활용하므로 자원 재활용이 가능하며, 불에 잘 타지 않는 난연성으로서 무기질계 원료로 이루어지고, 원료가 저렴하여 제조비용이 낮아 대량생산이 가능하며, 인체에 무해한 무기질계 재료로 이루어지고, 발생된 유해물질을 흡수 및 방출하는 특성이 매우 우수한 다공성 조습보드용 조성물 및 이를 이용한 다공성 조습보드의 제조방법을 제공함에 있다.
본 발명은, 수돗물을 만드는 정수장의 처리 과정에서 발생하는 정수 슬러지가 500∼700℃에서 열처리되어 형성된 정수 슬러지 분말, 상기 정수 슬러지 분말 100중량부에 대하여 폐유리 분말 70∼130중량부, 상기 정수 슬러지 분말 100중량부에 대하여 실리카 분말 및 제올라이트 분말 중에서 선택된 1종 이상의 물질 10∼40중량부 및 상기 정수 슬러지 분말 100중량부에 대하여 점토 70∼130중량부를 포함하는 다공성 조습보드용 조성물을 제공한다.
상기 다공성 조습보드용 조성물은 상기 정수 슬러지 분말 100중량부에 대하여 TiO2 10∼40중량부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 다공성 조습보드용 조성물은 상기 정수 슬러지 분말 100중량부에 대하여 규조토, 석고, 알로펜, 이모고라이트, 소석회, 돌로마이트 및 숯 중에서 선택된 1종 이상의 물질 0.1∼40중량부를 더 포함할 수 있다.
상기 점토는 벤토나이트일 수 있다.
상기 폐유리 분말은 50∼800메쉬 보다 작게 분쇄된 폐유리 분말로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 실리카 분말 및 제올라이트 분말 중에서 선택된 1종 이상의 물질은 1∼80㎛의 평균 입경을 갖는 분말로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 정수 슬러지 분말은 화학 조성 성분으로 SiO2 40∼60중량%, Al2O3 25∼45중량%, Fe2O3 2∼10중량%, CaO 0.1∼3중량%, MgO 0.1∼5중량%, K2O 0.1∼6중량%, Na2O 0.01∼2중량%, TiO2 0.01∼2중량%, P2O5 0.01∼3중량%, MnO 0.01∼2중량%, ZrO2 0.001∼1중량%, Cr2O3 0.001∼1중량%, SrO 0.001∼1중량%, Li2O 0.001∼1중량%, BaO 0.001∼1중량% 및 PbO 0.001∼1중량%를 포함하는 물질일 수 있다.
또한, 본 발명은, (a) 수돗물을 만드는 정수장의 처리 과정에서 발생하는 정수 슬러지를 준비하는 단계와, (b) 상기 정수 슬러지를 500∼700℃에서 열처리하여 정수 슬러지 분말을 형성하는 단계와, (c) 상기 정수 슬러지 분말, 상기 정수 슬러지 분말 100중량부에 대하여 상기 폐유리 분말 70∼130중량부, 상기 정수 슬러지 분말 100중량부에 대하여 실리카 분말 및 제올라이트 분말 중에서 선택된 1종 이상의 물질 10∼40중량부, 상기 정수 슬러지 분말 100중량부에 대하여 점토 70∼130중량부를 혼합하여 다공성 조습보드용 조성물을 형성하는 단계와, (d) 상기 다공성 조습보드용 조성물을 성형하는 단계 및 (e) 성형된 결과물을 소성하는 단계를 포함하며, 상기 소성은 800∼1000℃의 온도에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 다공성 조습보드의 제조방법을 제공한다.
상기 (c) 단계에서, 상기 정수 슬러지 분말 100중량부에 대하여 TiO2 10∼40중량부를 더 혼합할 수 있다.
상기 (c) 단계에서, 상기 정수 슬러지 분말 100중량부에 대하여 규조토, 석고, 알로펜, 이모고라이트, 소석회, 돌로마이트 및 숯 중에서 선택된 1종 이상의 물질 0.1∼40중량부를 더 혼합할 수 있다.
상기 (d) 단계 후 상기 (e) 단계 전에, 성형된 결과물의 표면에 유약을 시유하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 성형된 결과물에 대한 시유표면적이 30∼95%인 것이 바람직하다.
상기 점토는 벤토나이트일 수 있다.
상기 폐유리 분말은 50∼800메쉬 보다 작게 분쇄된 폐유리 분말을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 실리카 분말 및 제올라이트 분말 중에서 선택된 1종 이상의 물질은 1∼80㎛의 평균 입경을 갖는 분말을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 정수 슬러지 분말은 화학 조성 성분으로 SiO2 40∼60중량%, Al2O3 25∼45중량%, Fe2O3 2∼10중량%, CaO 0.1∼3중량%, MgO 0.1∼5중량%, K2O 0.1∼6중량%, Na2O 0.01∼2중량%, TiO2 0.01∼2중량%, P2O5 0.01∼3중량%, MnO 0.01∼2중량%, ZrO2 0.001∼1중량%, Cr2O3 0.001∼1중량%, SrO 0.001∼1중량%, Li2O 0.001∼1중량%, BaO 0.001∼1중량% 및 PbO 0.001∼1중량%를 포함하는 물질을 사용할 수 있다.
본 발명의 조습보드는 수분을 흡수, 방출하는 조습성을 나타내고, 휘발성 유기화합물(Volatile Organic Compounds; VOC), 포름알데히드 등의 유해물질을 흡수할 수 있다.
또한, 본 발명의 조습보드는 수돗물을 만드는 정수장의 처리 과정에서 발생하는 폐 슬러지인 정수 슬러지를 재활용하므로 자원 재활용이 가능하며, 불에 잘 타지 않는 난연성으로서 무기질계 원료로 이루어지고, 원료가 저렴하여 제조비용이 낮아 대량생산이 가능하며, 인체에 무해한 무기질계 재료로 이루어지고, 발생된 유해물질을 흡수 및 방출하는 특성이 매우 우수하다.
본 발명의 조습보드는 주로 외장재, 욕실 등의 내장재 또는 채색이나 디자인이 가미된 마감재 등으로 주로 사용될 수 있다.
도 1은 흡방습 이력곡선을 보여주는 그래프이다.
도 2는 수돗물을 만드는 과정을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 3은 영등포 정수장의 전경을 보여주는 사진이다.
도 4는 슬러지 농축조를 보여주는 사진이고, 도 5는 벨트 프레스를 이용하여 수분을 제거하여 케이크(Cake) 형태로 만드는 것을 보여주는 사진이다.
도 6은 정수 슬러지를 600℃에서 10분 동안 열처리한 후의 사진이다.
도 7은 실험예 1에 따라 항온항습 실험할 때에 제조된 조습보드 시편의 옆면을 규격에 맞게 데이프를 이용하여 봉한 모습을 보여주는 사진이다.
도 8a 및 도 8b는 실험예 1에 따라 제조한 조습보드 시편의 앞면을 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope; SEM)으로 관찰한 사진이다.
도 9a 및 도 9b는 실험예 1에 따라 제조한 조습보드 시편의 옆면을 주사전자현미경(SEM)으로 관찰한 사진이다.
도 10은 실험예 1에 따라 제조된 조습보드의 시간에 따른 흡/방습량을 보여주는 그래프이다.
도 2는 수돗물을 만드는 과정을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 3은 영등포 정수장의 전경을 보여주는 사진이다.
도 4는 슬러지 농축조를 보여주는 사진이고, 도 5는 벨트 프레스를 이용하여 수분을 제거하여 케이크(Cake) 형태로 만드는 것을 보여주는 사진이다.
도 6은 정수 슬러지를 600℃에서 10분 동안 열처리한 후의 사진이다.
도 7은 실험예 1에 따라 항온항습 실험할 때에 제조된 조습보드 시편의 옆면을 규격에 맞게 데이프를 이용하여 봉한 모습을 보여주는 사진이다.
도 8a 및 도 8b는 실험예 1에 따라 제조한 조습보드 시편의 앞면을 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope; SEM)으로 관찰한 사진이다.
도 9a 및 도 9b는 실험예 1에 따라 제조한 조습보드 시편의 옆면을 주사전자현미경(SEM)으로 관찰한 사진이다.
도 10은 실험예 1에 따라 제조된 조습보드의 시간에 따른 흡/방습량을 보여주는 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나, 이하의 실시예는 이 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다.
본 발명은 수분을 흡수, 방출하는 조습성을 나타내고, 휘발성 유기화합물(Volatile Organic Compounds; VOC), 포름알데히드 등의 유해물질을 흡수할 수 있는 조습보드를 제시한다.
본 발명에서는 다량 배출되어 해양투기 되거나 폐기물로 버려져서 처리에 문제점을 가지고 있는 정수 슬러지를 주원료로 하는 친환경 소재를 개발하고자 한다. 이하에서 정수 슬러지라 함은 수돗물을 만드는 정수장의 처리 과정에서 발생하는 슬러지를 포함하는 것으로 사용한다.
일본에서 처음 개발된 조습보드는 원하는 기공구조의 유도를 위해 계면활성제를 사용하기 때문에 제조비용이 높고 대량생산에 어려움이 있어 실제 생산에 어려움이 있다.
본 발명에서는 조습보드의 제조에 정수 슬러지를 주원료로 사용함으로써 제조비용을 낮추어 고가의 조습보드를 대체 가능하다.
본 발명의 조습보드는 불에 잘 타지 않는 난연성으로서 무기질계 원료로 이루어지고, 원료가 저렴하여 제조비용이 낮아 대량생산이 가능하며, 인체에 무해한 무기질계 재료로 이루어지고, 발생된 유해물질을 흡수 및 방출하는 우수한 특성을 나타낸다.
본 발명의 조습보드는 주로 외장재, 욕실 등의 내장재 또는 채색이나 디자인이 가미된 마감재 등으로 주로 사용될 수 있다.
한편, 최근까지 주거용 내장재의 역할은 대부분 시멘트벽체를 마감하는 것으로 주된 개념은 표면의 가림에 치중하였으나, 최근 들어서 획일적이지 않은 맞춤, 주문형 기능성 내장재를 아파트, 주택 등의 실내 주거공간에 적용하는 것이 확대되고 있다. 이와 관련된 시장은 급속히 형성되고 있으며 유, 무기 제품을 통틀어 2010년 기준 1500억 원대를 넘고 기하급수적으로 팽창하고 있다.
다공성 조습보드는 세라믹 재질로 이루어지는 것이 가장 경쟁력 있으며, 본 발명의 다공성 조습보드는 수입 대체 효과가 크고 중국산 제품 및 유럽산 제품에 밀려 경쟁력을 잃어가고 있는 기존의 내, 외장 타일에 새로운 기능성을 부여하여 제품으로서 새로운 시장 창출 및 관련 산업의 발전에 기여할 수 있다.
높은 습도는 곰팡이나 진드기의 왕성한 번식에 따라 유해의 미분말에 의해 천식이나 아토피성 피부염과 같은 알레르기 질환이 증가하고 있다. 습도가 낮으면 감기 등의 바이러스의 증식, 정전기의 측적으로 인한 정밀기기의 오동작이 발생할 수 있고, 따라서 적당한 습도의 유지가 필요하다.
본 발명의 조습보드는 조습기능을 갖고 있다. 조습기능은 습도를 조절하는 기능을 의미하며, 습도가 높을 때는 습기를 빨아들이고 습도가 낮을 때는 습기를 내뿜는 기능이다. 본 발명의 조습보드는 재료의 표면에 존재하는 모세관에 의해 환경습도가 높아지면 수증기를 응축 흡습하고, 환경습도가 낮아지면 응축수를 증발하는 기능을 가지며, 건물 내부나 밀페된 생활공간에서 외부 환경변화에 대응하여 일정 범위의 습도를 유지시켜 줄 수 있는 기능성 소재이다.
도 1은 흡방습 이력곡선을 보여주는데, 도 1에서 'adsorption'은 흡습을 나타내고 'desorption'은 방습(습기의 증발)을 나타낸다.
도 1에 나타낸 흡습 기능은 기공의 직경이 작을수록 낮은 습도에서도 일어나게 되는데, 약 10㎚의 기공은 상대습도(RH) 90%에서 응축이 일어나게 되며, 습기의 증발(방습) 또한 기공 직경이 작을수록 낮은 습도에서 일어나게 되는데 약 10㎚의 기공에서의 증발은 응축보다 낮은 상대습도(RH) 80%에서도 일어난다. 이러한 현상은 흡방습 이력곡선으로 설명되며, 흡방습 기준의 습도는 기공 크기에 의존하고 그 양은 기공률에 따라 증가한다. 따라서, 기공의 크기가 클수록 높은 습도를 중심으로 변화하게 되는데, 일반적으로 평균습도 40∼70%일 때 약 3∼7.5㎚의 기공범위에서 흡방습이 일어난다고 알려져 있다.
이러한 흡방습 특성은 발현 시간에 따라 단기형과 장기형으로 나누어지게 되는데, 단기형은 12시간 이내에 약 80% 이상을 흡습, 방습하는 것이며, 장기형은 수일간에 걸쳐 약 80% 이상을 서서히 흡습, 방습을 하는 것으로 목질계 재질 등이 속한다. 또한 재질에 따라 장, 단기형의 복합 특성을 가지게 할 수도 있다.
본 발명에서는 부유침전체인 정수 슬러지를 재활용하여 다공성 조습보드의 주원료로 사용한다.
도 2는 수돗물을 만드는 정수장의 처리 과정을 개략적으로 보여주는 도면이다. 도 3은 영등포 정수장의 전경을 보여주는 사진이다. 도 4는 슬러지 농축조를 보여주는 사진이고, 도 5는 벨트 프레스를 이용하여 수분을 제거하여 케이크(Cake) 형태로 만드는 것을 보여주는 사진이다.
대부분의 정수 슬러지는 우리가 먹는 수돗물을 만드는 도 2와 같은 공정 중에서 침전지 과정에서 주로 발생한다. 침전지에서 배수슬러지가 배출되고, 배수슬러지는 1차농축조 및 2차농축조를 거쳐 농축된 후, 벨트 프레스 등을 이용하여 과량의 수분이 제거되고 케이크(Cake) 형태로 배출된다. 이렇게 케이크 형태로 얻어지는 정수 슬러지의 양은 2010년 기준으로 년간 50만 톤에 이르고 있다.
일산과 수도권에서 발생하는 대부분의 정수 슬러지는 광역관리 폐기물 매립장에 매립되고 있지만, 반송, 사천, 연초 및 구천 정수장에서는 지자체 쓰레기 매립장에 매립되며, 청주, 대덕 및 황지 정수장에서는 폐기물 처리업자의 자가매립장을 이용하고 있고, 석성 정수장에서 발생되는 정수 슬러지는 농지에 살포되어 매립 성토재로 사용되고 있으며, 2007년 이전에는 정수 슬러지가 해양투기 되기도 하였다. 최근에는 일부 정수장에서 정수 슬러지의 처리 지연 등의 문제로 큰 곤란을 겪고 있는 것으로 파악되고 있다.
정수 슬러지는 500∼700℃, 바람직하게는 600℃ 온도에서 열처리 후에 사용하는 것이 바람직하다. 상기 열처리에 의해 정수 슬러지 내에 함유된 유기물은 태워져 제거되게 되며, 정수 슬러지 분말을 얻을 수가 있다.
정수 슬러지 분말은 화학 조성 성분으로 SiO2 40∼60중량%, Al2O3 25∼45중량%, Fe2O3 2∼10중량%, CaO 0.1∼3중량%, MgO 0.1∼5중량%, K2O 0.1∼6중량%, Na2O 0.01∼2중량%, TiO2 0.01∼2중량%, P2O5 0.01∼3중량%, MnO 0.01∼2중량%, ZrO2 0.001∼1중량%, Cr2O3 0.001∼1중량%, SrO 0.001∼1중량%, Li2O 0.001∼1중량%, BaO 0.001∼1중량% 및 PbO 0.001∼1중량%를 포함하는 물질일 수 있다.
구이 정수장에서 발생되는 정수 슬러지를 600℃에서 10분 동안 열처리하여 형성된 정수 슬러지 분말의 성분 분석을 통해 실리카(SiO2)가 약 48∼50중량%, 알루니마(Al2O3)가 약 34∼37중량% 함유되어 있음을 확인할 수 있었으며, 조습보드로 제조 시에 다공체의 형성을 가능하게 한다.
아래의 표 1에 구이 정수장에서 발생되는 정수 슬러지를 600℃에서 10분 동안 열처리한 후에 화학 조성 성분을 분석하여 나타내었다. 도 1은 600℃에서 10분 동안 열처리하여 얻은 정수 슬러지 분말을 보여주는 사진이다.
| 성분 | 함량(중량%) |
| SiO2 | 49.8 |
| Al2O3 | 34.8 |
| Fe2O3 | 6.63 |
| CaO | 0.96 |
| MgO | 1.36 |
| K2O | 2.14 |
| Na2O | 0.65 |
| TiO2 | 0.64 |
| P2O5 | 0.85 |
| MnO | 0.24 |
| ZrO2 | 0.01 이하 |
| Cr2O3 | 0.03 |
| SrO | 0.02 |
| Li2O | 0.05 |
| BaO | 0.06 |
| PbO | 0.01 이하 |
| 강열감량 | 1.76 |
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다공성 조습보드용 조성물은, 수돗물을 만드는 정수장의 처리 과정에서 발생하는 정수 슬러지가 500∼700℃에서 열처리되어 형성된 정수 슬러지 분말, 상기 정수 슬러지 분말 100중량부에 대하여 폐유리 분말 70∼130중량부, 상기 정수 슬러지 분말 100중량부에 대하여 실리카 분말 및 제올라이트 분말 중에서 선택된 1종 이상의 물질 10∼40중량부 및 상기 정수 슬러지 분말 100중량부에 대하여 점토 70∼130중량부를 포함한다.
상기 폐유리 분말은 소성 보조제이며, 폐유리 분말을 적게 넣을시 소성이 잘 되지 않으며 강도가 약하게 된다. 상기 폐유리 분말은 50∼800메쉬 보다 작게 분쇄된 폐유리 분말로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 실리카 분말 및 제올라이트 분말 중에서 선택된 1종 이상의 물질은 1∼80㎛의 평균 입경을 갖는 분말로 이루어지는 것이 바람직하다. 실리카 분말은 다공성 물질로 조습성능제 역할을 할 수 있다. 제올라이트의 경우도 조습성능제 역할을 할 수 있다.
상기 점토는 벤토나이트일 수 있다. 벤토나이트는 가소성 원료로 성형을 용이하게 하며, 벤토나이트의 함량이 너무 적으면 성형이 잘 되지 않을 수 있고, 너무 많은 경우 비용이 많이 든다.
상기 다공성 조습보드용 조성물은 상기 정수 슬러지 분말 100중량부에 대하여 TiO2 10∼40중량부를 더 포함할 수 있다. TiO2는 다공성 조습보드의 색상이 흰색을 띠게 하는 역할을 할 수 있다.
또한, 상기 다공성 조습보드용 조성물은 상기 정수 슬러지 분말 100중량부에 대하여 규조토, 석고, 알로펜, 이모고라이트, 소석회, 돌로마이트 및 숯 중에서 선택된 1종 이상의 물질 0.1∼40중량부를 더 포함할 수 있다. 상기 규조토, 석고, 알로펜, 이모고라이트, 소석회, 돌로마이트 및 숯 중에서 선택된 1종 이상의 물질은 조습성능제 역할을 할 수 있다.
이하에서, 나노입자를 갖는 부유침전체인 정수 슬러지를 탈수 및 열처리하고 적절한 혼합물을 활용하여 저온 소성과정을 거친 후 나노기공을 통해 흡방습 특성을 발현할 수 있는 다공성 조습보드를 제조하는 방법을 설명한다.
수돗물을 만드는 정수장의 처리 과정에서 발생하는 정수 슬러지를 준비하고, 상기 정수 슬러지를 500∼700℃에서 열처리하여 정수 슬러지 분말을 형성한다. 정수 슬러지 분말은 화학 조성 성분으로 SiO2 40∼60중량%, Al2O3 25∼45중량%, Fe2O3 2∼10중량%, CaO 0.1∼3중량%, MgO 0.1∼5중량%, K2O 0.1∼6중량%, Na2O 0.01∼2중량%, TiO2 0.01∼2중량%, P2O5 0.01∼3중량%, MnO 0.01∼2중량%, ZrO2 0.001∼1중량%, Cr2O3 0.001∼1중량%, SrO 0.001∼1중량%, Li2O 0.001∼1중량%, BaO 0.001∼1중량% 및 PbO 0.001∼1중량%를 포함하는 물질일 수 있다.
상기 정수 슬러지 분말, 상기 정수 슬러지 분말 100중량부에 대하여 상기 폐유리 분말 70∼130중량부, 상기 정수 슬러지 분말 100중량부에 대하여 실리카 분말 및 제올라이트 분말 중에서 선택된 1종 이상의 물질 10∼40중량부, 상기 정수 슬러지 분말 100중량부에 대하여 점토 70∼130중량부를 혼합하여 다공성 조습보드용 조성물을 형성한다.
상기 정수 슬러지 분말 100중량부에 대하여 TiO2 10∼40중량부를 더 혼합할 수 있다. TiO2는 다공성 조습보드의 색상이 흰색을 띠게 하는 역할을 할 수 있다.
상기 정수 슬러지 분말 100중량부에 대하여 규조토, 석고, 알로펜, 이모고라이트, 소석회, 돌로마이트 및 숯 중에서 선택된 1종 이상의 물질 0.1∼40중량부를 더 혼합할 수 있다. 상기 규조토, 석고, 알로펜, 이모고라이트, 소석회, 돌로마이트 및 숯 중에서 선택된 1종 이상의 물질은 조습성능제 역할을 할 수 있다.
상기 폐유리 분말은 다공성 조습보드의 기공율 특성 등을 고려하여 50∼800메쉬 보다 작게 분쇄된 폐유리 분말을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 폐유리 분말은 소성 보조제이며, 폐유리 분말을 적게 넣을시 소성이 잘 되지 않으며 강도가 약하게 된다.
상기 실리카 분말 및 제올라이트 분말 중에서 선택된 1종 이상의 물질은 다공성 조습보드의 기공율 특성 등을 고려하여 1∼80㎛, 바람직하게는 20∼50㎛의 평균 입경을 갖는 분말을 사용하는 것이 바람직하다. 실리카 분말은 다공성 물질로 조습성능제 역할을 할 수 있다. 제올라이트의 경우도 조습성능제 역할을 할 수 있다.
상기 점토는 벤토나이트일 수 있다. 벤토나이트는 가소성 원료로 성형을 용이하게 하며, 벤토나이트의 함량이 너무 적으면 성형이 잘 되지 않을 수 있고, 너무 많은 경우 비용이 많이 든다.
상기 혼합은 다양한 방식으로 이루어질 수 있으며, 여기서는 습식 볼밀링 공정을 이용하는 예를 설명한다.
상기 볼 밀링 공정에 대하여 설명하면, 출발원료를 볼 밀링기(ball milling machine)에 장입하여 증류수와 같은 용매와 함께 습식 혼합한다. 볼 밀링기를 이용하여 일정 속도로 회전시켜 상기 출발원료를 기계적으로 혼합하면서 분쇄한다. 상기 볼 밀링에 사용되는 볼은 불순물의 생성을 억제하기 위하여 알루미나와 같은 세라믹 재질의 볼을 사용하는 것이 바람직하며, 볼은 모두 같은 크기의 것일 수도 있고 2가지 이상의 크기를 갖는 볼을 함께 사용할 수도 있다. 볼의 크기, 밀링 시간, 볼 밀링기의 분당 회전속도 등을 조절한다. 예를 들면, 볼의 크기는 1㎜∼50㎜ 정도의 범위로 설정하고, 볼 밀링기의 회전속도는 50∼500rpm 정도의 범위로 설정할 수 있다. 볼 밀링은 1∼48시간 동안 실시하는 것이 바람직하다. 볼 밀링에 의해 출발원료는 미세한 크기의 입자로 혼합 및 분쇄되고, 균일한 입자 크기 분포를 갖게 된다. 상기와 같이 습식 혼합 공정을 거치면 미분화되어 슬러리(slurry) 상태를 이루며, 이러한 슬러리 상태의 물질을 다공성 조습보드용 조성물로 사용할 수 있다.
상기 다공성 조습보드용 조성물을 성형한다. 상기 성형은 다양한 방식으로 이루어질 수 있다.
상기 성형하는 단계 후 후술하는 소성 단계 전에 성형된 결과물의 표면에 유약을 시유하는 단계를 더 포함할 수 있다. 성형된 결과물에 실크스크린, 분무법 등을 이용하여 유약을 시유할 수 있다. 이때, 사용될 수 있는 유약에 특별히 제한이 있는 것은 아니다. 사용될 수 있는 유약의 예를 들어보면, 융점이 소성온도 보다 낮은 보로실리케이트계 프릿을 소정 크기(예컨대, 200 mesh) 보다 작게 분쇄하고 카올린과 같은 물질을 소정량(예컨대, 5중량%) 첨가하여 물에 분산시켜 유약으로 사용할 수 있다. 상기 유약의 시유는 성형된 결과물에 대한 시유표면적이 30∼95%인 것이 바람직한데, 시유표면적이 95%를 초과하면 조습성능이 제한을 받게되고, 시유면적이 30%에 미달이면 사용 중 표면의 오염물이 축적될 가능성이 높아진다.
성형된 다공성 조습보드용 조성물을 전기로와 같은 퍼니스(furnace)에 장입하고 소성 공정을 수행한다. 상기 소성 공정은 비교적 저온인 800∼1000℃ 정도의 온도에서 1분∼48시간 정도 수행하는 것이 바람직하다. 소성하는 동안에 퍼니스 내부의 압력은 일정하게 유지하는 것이 바람직하다.
상기 소성은 800∼1000℃ 범위의 온도에서 이루어지는 것이 바람직하다. 소성온도가 800℃ 미만인 경우에는 다공성 조습보드용 조성물이 불완전하게 소성되어 다공성 조습보드의 특성이 좋지 않을 수 있고, 1000℃를 초과하는 경우에는 에너지의 소모가 많아 비경제적일 수 있다.
상기 소성온도까지는 1∼50℃/min의 승온속도로 상승시키는 것이 바람직한데, 승온 속도가 너무 느린 경우에는 시간이 오래 걸려 생산성이 떨어지고 승온 속도가 너무 빠른 경우에는 급격한 온도 상승에 의해 열적 스트레스가 가해질 수 있으므로 상기 범위의 승온 속도로 온도를 올리는 것이 바람직하다.
또한, 상기 소성은 소성온도에서 1분∼48시간 동안 유지하는 것이 바람직하다. 소성 시간이 너무 긴 경우에는 에너지의 소모가 많으므로 비경제적일 뿐만 아니라 더 이상의 소성 효과를 기대하기 어려우며, 소성 시간이 작은 경우에는 불완전한 소성이 이루어질 수 있다.
또한, 상기 소성은 산화 분위기(예컨대, 공기(air) 또는 산소(O2) 분위기)에서 실시하는 것이 바람직하다.
소성 공정을 수행한 후, 퍼니스 온도를 하강시켜 다공성 조습보드를 언로딩한다. 상기 퍼니스 냉각은 퍼니스 전원을 차단하여 자연적인 상태로 냉각되게 하거나, 임의적으로 온도 하강률(예컨대, 10℃/min)을 설정하여 냉각되게 할 수도 있다. 퍼니스 온도를 하강시키는 동안에도 퍼니스 내부의 압력은 일정하게 유지하는 것이 바람직하다.
본 발명은 하기의 실험예들을 참고로 더욱 상세히 설명되며, 이 실험예들이 본 발명을 제한하는 것은 아니다.
<실험예 1>
정수 슬러지(SL)를 600℃ 온도에서 10분 동안 열처리하였다. 600℃에서 열처리되어 형성된 정수 슬러지 분말은 표 1 및 도 6에 나타낸 것과 동일하다.
출원원료로 600℃에서 열처리된 정수 슬러지 분말 30wt%, 폐유리(GP) 분말 30wt%, 실리카 분말 10wt%, 벤토나이트(BE) 30wt%를 혼합한 후, 분무건조법(Spray drying)을 이용하여 건조하여 다공성 조습보드용 조성물을 얻었다. 상기 폐유리 분말은 200메쉬 보다 작게 분쇄된 폐유리 분말을 사용하였다. 상기 실리카 분말은 평균 입도 27㎛, 표면적(surface area)이 약 301.32 ㎡/g의 물리적 성능을 갖는 것을 사용하였다.
상기 다공성 조습보드용 조성물을 조습보드 규격에 맞추어 400Kg/cm2의 하중으로 프레스(press)하여 조습보드 시편 형태로 제작하였다.
시유한 결과물을 터널형 가마(Tunnel Kiln)를 사용하여 850℃에서 10분 동안 소성하여 조습보드 시편을 얻었다.
제조한 조습보드 시편은 기공율을 측정하였고, 흡수율/방출율 측정 시 항온항습기를 사용하여 관찰하였다.
제조한 조습보드 시편의 흡수율/방출율 분석방법으로 항온항습기를 사용하였다. 흡/방출율을 측정시 동일한 온도 조건에서 습도의 조건을 달리하여 흡수율과 방출율을 측정할 수 있다.
도 7과 같이 조습보드 시편의 옆면을 데이프를 이용하여 봉하게 되며, 윗면이 보이도록 준비한 후 조습보드 시편을 항온항습기에 넣고 25℃의 온도에서 습도 25%로 셋팅(setting) 후 12 시간 후에 샘플을 꺼내서 무게를 측정하였다.
무게 측정 후 25℃에서 90%로 습도를 올린 다음 12시간 후에 꺼내어 무게를 측정하고, 단면에 흡습된 물의 양을 계산하였다.
이것을 다시 항온항습기에 집어넣은 후 25℃에서 습도 25%로 셋팅 후 12시간 후에 꺼내어 무게를 측정하고, 방습량을 계산하였다.
물을 흡/방습한 양을 ㎡의 단위면적으로 환산하여 흡/방습량을 계산하였다.
표 2는 실험예 1에 따라 제조한 조습보드 시편의 흡/방출율을 보여주는 표이다. 표 2에서 'm0'은 조습보드 시편을 항온항습기에 넣고 25℃의 온도에서 습도 25%로 셋팅(setting) 후 12 시간 후에 샘플을 꺼내서 측정한 무게이고, 'm1'은 25℃에서 90%로 습도를 올린 다음 12시간 후에 꺼내어 측정한 무게이며,'m2'는 25℃에서 습도 90%로 세팅 후 12시간 후에 꺼내어 무게를 측정하고 나서 다시 항온항습기에 넣고 25℃에서 습도 25%로 셋팅 후 12시간 후에 꺼내어 측정한 무게이고, 'A'는 조습보드 시편의 면적을 의미한다.
| 실험예 1 | ||
| 항온항습전 | 154.45g | |
| T0:25℃ / H: 25% / 12h (m0) | 154.52g | |
| T0:25℃ / H: 90% / 12h (m1) | 156.58g | |
| 흡수량((m1-m0)/A) |
103.48 | |
| 가로*세로 | 10㎝*11.5㎝ | |
| 단면적(A) | 115.0㎠ | |
| 179.1/㎡ | ||
| T0:25℃ / H: 25% / 12h (m2) | 154.45g | |
| 방출량((m2-m1)/A) | 185.2/㎡ | |
표 2는 실험예 1에 따라 제조된 조습보드 시편을 온도 25℃, 습도 25%에서 12시간 동안 반응시킨 다음에 온도 25℃, 습도 90%에서 12시간 반응시킨 후 흡수율을 측정하고 온도 25℃, 습도 25%에서 12시간 반응시켜 방출율을 측정한 결과를 보여준다.
도 8a 및 도 8b는 실험예 1에 따라 제조한 조습보드 시편의 앞면을 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope; SEM)으로 관찰한 사진이고, 도 9a 및 도 9b는 실험예 1에 따라 제조한 조습보드 시편의 옆면을 주사전자현미경(SEM)으로 관찰한 사진이다.
도 8a 내지 도 9b에 도시한 바와 같이 실험예 1에 따라 제조된 조습보드 시편에는 기공이 존재하는 것을 볼 수 있다.
도 10는 실험예 1에 따라 제조된 조습보드 시편의 시간에 따른 흡/방습량을 보여주는 그래프이다.
실험예 1에 따라 제조한 조습보드 시편의 기공율을 측정하였다. 실험예 1에 따라 제조한 조습보드 시편의 평균 기공 지름(average pore diameter)는 742Å 이었으며, 체적 밀도(bulk density)는 1.0237g/㎖ 이었고, 겉보기 밀도(apparent density)는 1.9252g/㎖ 이었으며, 기공율(porosity)은 46.8259% 이었다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.
Claims (15)
- 수돗물을 만드는 정수장의 처리 과정에서 발생하는 정수 슬러지가 500∼700℃에서 열처리되어 형성된 정수 슬러지 분말;
상기 정수 슬러지 분말 100중량부에 대하여 폐유리 분말 70∼130중량부;
상기 정수 슬러지 분말 100중량부에 대하여 실리카 분말 및 제올라이트 분말 중에서 선택된 1종 이상의 물질 10∼40중량부; 및
상기 정수 슬러지 분말 100중량부에 대하여 점토 70∼130중량부를 포함하는 다공성 조습보드용 조성물.
- 제1항에 있어서, 상기 정수 슬러지 분말 100중량부에 대하여 TiO2 10∼40중량부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다공성 조습보드용 조성물.
- 제1항에 있어서, 상기 정수 슬러지 분말 100중량부에 대하여 규조토, 석고, 알로펜, 이모고라이트, 소석회, 돌로마이트 및 숯 중에서 선택된 1종 이상의 물질 0.1∼40중량부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다공성 조습보드용 조성물.
- 제1항에 있어서, 상기 점토는 벤토나이트인 것을 특징으로 하는 다공성 조습보드용 조성물.
- 제1항에 있어서, 상기 폐유리 분말은 50∼800메쉬 보다 작게 분쇄된 폐유리 분말로 이루어지는 것을 특징으로 하는 다공성 조습보드용 조성물.
- 제1항에 있어서, 상기 실리카 분말 및 제올라이트 분말 중에서 선택된 1종 이상의 물질은 1∼80㎛의 평균 입경을 갖는 분말로 이루어지는 것을 특징으로 하는 다공성 조습보드용 조성물.
- 제1항에 있어서, 상기 정수 슬러지 분말은 화학 조성 성분으로 SiO2 40∼60중량%, Al2O3 25∼45중량%, Fe2O3 2∼10중량%, CaO 0.1∼3중량%, MgO 0.1∼5중량%, K2O 0.1∼6중량%, Na2O 0.01∼2중량%, TiO2 0.01∼2중량%, P2O5 0.01∼3중량%, MnO 0.01∼2중량%, ZrO2 0.001∼1중량%, Cr2O3 0.001∼1중량%, SrO 0.001∼1중량%, Li2O 0.001∼1중량%, BaO 0.001∼1중량% 및 PbO 0.001∼1중량%를 포함하는 물질인 것을 특징으로 하는 다공성 조습보드용 조성물.
- (a) 수돗물을 만드는 정수장의 처리 과정에서 발생하는 정수 슬러지를 준비하는 단계;
(b) 상기 정수 슬러지를 500∼700℃에서 열처리하여 정수 슬러지 분말을 형성하는 단계;
(c) 상기 정수 슬러지 분말, 상기 정수 슬러지 분말 100중량부에 대하여 상기 폐유리 분말 70∼130중량부, 상기 정수 슬러지 분말 100중량부에 대하여 실리카 분말 및 제올라이트 분말 중에서 선택된 1종 이상의 물질 10∼40중량부, 상기 정수 슬러지 분말 100중량부에 대하여 점토 70∼130중량부를 혼합하여 다공성 조습보드용 조성물을 형성하는 단계;
(d) 상기 다공성 조습보드용 조성물을 성형하는 단계; 및
(e) 성형된 결과물을 소성하는 단계를 포함하며,
상기 소성은 800∼1000℃의 온도에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 다공성 조습보드의 제조방법.
- 제8항에 있어서, 상기 (c) 단계에서,
상기 정수 슬러지 분말 100중량부에 대하여 TiO2 10∼40중량부를 더 혼합하는 것을 특징으로 하는 다공성 조습보드의 제조방법.
- 제8항에 있어서, 상기 (c) 단계에서,
상기 정수 슬러지 분말 100중량부에 대하여 규조토, 석고, 알로펜, 이모고라이트, 소석회, 돌로마이트 및 숯 중에서 선택된 1종 이상의 물질 0.1∼40중량부를 더 혼합하는 것을 특징으로 하는 다공성 조습보드의 제조방법.
- 제8항에 있어서, 상기 (d) 단계 후 상기 (e) 단계 전에,
성형된 결과물의 표면에 유약을 시유하는 단계를 더 포함하며, 성형된 결과물에 대한 시유표면적이 30∼95%인 것을 특징으로 하는 다공성 조습보드의 제조방법.
- 제8항에 있어서, 상기 점토는 벤토나이트인 것을 특징으로 하는 다공성 조습보드의 제조방법.
- 제8항에 있어서, 상기 폐유리 분말은 50∼800메쉬 보다 작게 분쇄된 폐유리 분말을 사용하는 것을 특징으로 하는 다공성 조습보드의 제조방법.
- 제8항에 있어서, 상기 실리카 분말 및 제올라이트 분말 중에서 선택된 1종 이상의 물질은 1∼80㎛의 평균 입경을 갖는 분말을 사용하는 것을 특징으로 하는 다공성 조습보드의 제조방법.
- 제8항에 있어서, 상기 정수 슬러지 분말은 화학 조성 성분으로 SiO2 40∼60중량%, Al2O3 25∼45중량%, Fe2O3 2∼10중량%, CaO 0.1∼3중량%, MgO 0.1∼5중량%, K2O 0.1∼6중량%, Na2O 0.01∼2중량%, TiO2 0.01∼2중량%, P2O5 0.01∼3중량%, MnO 0.01∼2중량%, ZrO2 0.001∼1중량%, Cr2O3 0.001∼1중량%, SrO 0.001∼1중량%, Li2O 0.001∼1중량%, BaO 0.001∼1중량% 및 PbO 0.001∼1중량%를 포함하는 물질을 사용하는 것을 특징으로 하는 다공성 조습보드의 제조방법.
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| WO2017188727A1 (ko) * | 2016-04-26 | 2017-11-02 | 주식회사 지엔티엔에스 | 건축폐기물을 이용한 고순도 합성 제올라이트 대량생산 제조방법 |
| KR102136043B1 (ko) * | 2020-01-03 | 2020-07-20 | 최승규 | 정수 슬러지를 이용한 인공어초용 대형 세라믹패널의 제조 방법 |
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