KR20150026174A - 정수장 슬러지와 폐 활성탄을 이용한 건축마감재 - Google Patents

정수장 슬러지와 폐 활성탄을 이용한 건축마감재 Download PDF

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Abstract

본 발명은 정수장 슬러지와 폐 활성탄을 혼합하여 건축마감재 및 그 제조방법에 관한 것으로 보다상세하게는, 제습 능력을 구비하여 실내습도를 조절할 수 있는 정수장 슬러지와 휘발성 유기화합물, 포름알데히드의 유해물질을 차단하는 활성탄을 이용한 정수장 슬러지와 폐 활성탄을 이용한 건축마감재 및 그 제조방법에 대한 것이다.
본 발명은 건축 마감재에 있어서, 제습 및 휘발성 유기화합물과 포름알데히드의 유해물질을 차단하기 위해 정수장 슬러지를 소성한 후 분말화 하며, 주원료인 활성탄과, 황토, 혼화제 및 고화제의 원료를 혼합하는 것을 특징으로 한다.
또한, 정수장 슬러지를 이용한 건축마감재는, 소성 후 분말화된 정수장 슬러지 10 ~ 40중량%, 활성탄 10 ~ 20중량%, 황토 40 ~ 60중량%, 혼화제 5 ~ 10중량%를 혼합하는 제 1 단계; 상기 제 1 단계에서 혼합된 혼합물에 고화제 5 ~ 10중량%를 투입하여 혼합하는 제 2 단계; 상기 제 2 단계에서 혼합된 혼합물을 성형 틀에 투입하여 성형 및 양생하는 제 3 단계; 를 특징으로 한다.

Description

정수장 슬러지와 폐 활성탄을 이용한 건축마감재 및 그 제조방법{Activated sludge wastewater treatment plant construction materials and manufacturing method}
본 발명은 정수장 슬러지와 폐 활성탄을 혼합하여 건축마감재 및 그 제조방법에 관한 것으로 보다상세하게는, 제습 능력을 구비하여 실내습도를 조절할 수 있는 정수장 슬러지와 휘발성 유기화합물, 포름알데히드의 유해물질을 차단하는 활성탄을 이용한 정수장 슬러지와 폐 활성탄을 이용한 건축마감재 및 그 제조방법에 대한 것이다.
최근 웰빙 바람이 불면서 친환경 소재에 대한 관심이 높아지고 있다. 최근의 건축 마감재에 혼화되는 원료들에 대한 유해성 부분이 충분하게 검증되지 않고 있으며, 건축마감재의 기능인 유해물질을 효율적으로 차단하는 기능이 미약하며, 습기에 의한 곰팡이, 내부 환경등에 대해 해소할 수 있는 기능이 부족한 실정이다. 정수슬러지의 활용을 위한 연구는 다양한 분야에서 시도된 바 있다. 미국에서는 정수슬러지의 중금속 성분이 다른 폐 슬러지에 비해 비교적 낮다는 점에 착안하여 초지 및 농작물 재배를 위한 토양 개량제로 사용되고 있으며 일본에서는 해안과 공공용지의 매립 성토재, 단열재, 경량골재, 농업용 토지 개량재 및 무기질 비료를 위한 자원화가능성을 제시하고 있다.
국내에서도 정수슬러지는 시멘트 원료, 토공재료 및 요업재료로서 재활용하기 위한 용도개발과 자원화 기술개발 등의 가능성이 연구된 바 있으며 인공배양토, 부산물 비료, 무기 이온 흡착제, 질소 및 인 제거제 등으로 활용하는 방안도 연구된바 있다.
상기의 종래기술은 슬러지를 재활용한다는 측면은 있었으나 토공 및 요업재료에서는 점토 대체물질로 활용하여 기존제품과의 성능차이가 크게 나타나지 않고, 인공배양토, 부산물 비료, 무기 이온 흡착제, 질소 및 인 제거제는 제조비용 및 수요처 확보의 어려움으로 실용화가 어려운 실정이다.
[선행문헌]
출원번호 10-2003-0036653 : 유기성 슬러지를 활용한 불연성 경량 건축마감재료의 제조방법 및 그 제품
상기의 문제를 해결하기 위한 본 발명은 흡습력이 높으며, 유기화합물, 포름알데히드의 유해물질 제거효과와 비중이 낮은 물질을 혼합함으로서 건축마감재를 제조하는 방법을 제공한다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은 건축 마감재에 있어서, 제습 및 휘발성 유기화합물과 포름알데히드의 유해물질을 차단하기 위해 정수장 슬러지를 소성한 후 분말화 하며, 주원료인 활성탄과, 황토, 혼화제 및 고화제의 원료를 혼합하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 건축마감재는 정수장 슬러지 10 ~ 40중량%, 활성탄 10 ~ 20중량%, 황토 40 ~ 60중량%, 혼화제 5 ~ 10중량%를 혼합하여 조성된 것을 특징으로 하는 정수장 슬러지와 폐 활성탄을 이용한 건축마감재.
또한, 상기 정수장 슬러지와 활성탄은 입도의 크기가 10 ~ 100nm로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 정수장 슬러지를 이용한 건축마감재는, 소성 후 분말화된 정수장 슬러지 10 ~ 40중량%, 활성탄 10 ~ 20중량%, 황토 40 ~ 60중량%, 혼화제 5 ~ 10중량%를 혼합하는 제 1 단계; 상기 제 1 단계에서 혼합된 혼합물에 고화제 5 ~ 10중량%를 투입하여 혼합하는 제 2 단계; 상기 제 2 단계에서 혼합된 혼합물을 성형 틀에 투입하여 성형 및 양생하는 제 3 단계; 를 특징으로 한다.
본 발명에 따른 정수장 슬러지와 폐 활성탄을 혼합하여 건축마감재를 제조하는 방법은 매우 우수한 건축마감재로 활용될 수 있어 맥반석, 규조토를 이용하여 제조한 건축마감재에 적용될 수 있는 모든 분야에서 활용이 가능한 효과를 제공한다.
또한, 기존의 맥반석, 규조토의 기능을 대체할 수 있는 대체 물질인 정수장 슬러지와 정수장 맛·냄새 제거를 위해 사용 후 발생 된 폐 활성탄으로 대체함으로 실내습도를 조절할 수 있으며, 휘발성 유기화합물, 포름알데히드의 유해물질을 차단하는 효과 및 유해성이 없는 친환경적인 폐자원 활용할 수 있는 매우 유용한 효과를 제공한다.
도 1은 본 발명의 실시에 따른 제습 기능시험 결과를 도시한 그래프이다.
도 2는 본 발명의 실시에 따른 휘발성 유기화합물, 포름알데히드의 흡착능력 시험을 나타낸 그래프이다.
도 3a는 본 발명의 정수장 슬러지의 원료에 대한 XRD에 대한 분석결과를 나타낸 데이터이다.
도 3b는 본 발명의 정수장 슬러지의 원료에 대한 TGA에 대한 분석결과를 나타낸 데이터이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 제습 기능시험결과 그래프이고, 도 2는 본 발명의 유기화합물, 포름알데히드의 흡착능력시험 그래프이며, 도 3a와 도 3b는 정수장 슬러지의 원료에 대한 XRD, TGA의 분석결과 데이터이다.
본 발명은 소성 후 분말화된 정수장 슬러지, 활성탄 및 황토를 균일하게 혼합한 제 1 단계; 제 1 혼합물에 혼화제 및 고화제를 투입하여 혼합하는 제 2 단계; 제 2 혼합물을 형틀 내에 투입하여 성형 후 양생하는 제 3 단계로 제조되는 건축 마감재이다.
본 발명의 첨가재료로 사용되는 정수장 슬러지는 흡습성이 높으며, 습기제거제로 사용이 가능하고, 실내의 습기를 제거하여 곰팡이 발생억제와 실내 환경 개선이 가능하다.
또한, 정수장 슬러지는 지금까지 이용 가능한 어떤 슬러지 보다 토성과 색상이 일반 토양과 유사하여 건축자재로의 환경 친화적 재료로서 가장 적합하다.
또한, 기타 건축내장재의 원료로 사용시 알루미나의 함량이 많아 내화도가 높고, 정수장 슬러지의 용융온도는 약 1800℃로 매우 높은 것으로 용융온도가 높아 안전사용온도에서의 안전성을 확보할 수 있는 장점이 있다.
일반적으로 건축마감재의 단열성을 높이기 위해서 내부에 많은 기공을 만들어 주기 위해 배합 과정 중에 일정량의 톱밥이나 갈탄 등을 첨가하여 소성 과정 중 연소시켜 기공을 갖게하는 방식을 사용하고 있다.
따라서, 슬러지의 내부에 존재하는 미세한 조류 등의 유기물은 이러한 기공 형성제로써 톱밥의 역할을 대신할 뿐만 아니라 기공의 크기도 아주 미세하게 형성되므로 제품의 단열성이나 강도 등의 특성에서 큰 효과를 갖는다.
정수장 슬러지는 일반 토양에 비해 점도가 높다. 따라서, 점토는 층 사이에 물이 함유되어 있어 고온의 가열조건에서 열팽창 및 증발에 의해 부피 팽창을 하는 특성을 지니고 있다.
즉, 점토와 비슷한 구조를 갖는 건조 슬러지 역시 고온의 가열조건에서 부피팽창을 일으켜 비중이 작게 된다. 슬러지의 입자크기가 미세하다는 것이므로, 슬러지는 건조 과정에서 입자들끼리 응집되어 있기는 하나 간단한 분쇄공정에 의하여 용이하게 입도의 조절이 가능하다는 장점이 있다.
또한, 활성탄은 세공이 발달되어 있어 유효 표면적이 매우 높고, 내열성이 우수함과 동시에 휘발성 유기화합물, 포름알데히드의 흡착 능력이 뛰어남으로 친환경 건축재료로써 활용이 가능하다.
따라서, 정수장에서 사용 후 폐기되는 활성탄을 소성하여 재활용함으로써, 폐기물 발생량을 줄이고, 폐기물 자원화에 크게 기여할 것으로 판단된다.
또한, 황토는 현재 건축마감재로 활용되고 있으며, 원적외선 복사 특성이 양호하고, 습도가 높을 때 수분을 흡수하며, 건조 시 수분을 발산하는 자동습도 조절능력을 가지고 있어 친환경 건축 재료로 활용이 가능하다.
또한, 혼화재는 건축마감재의 기능성을 향상시키기 위한 것으로 유동화제, AE제, 급결제, 경화제, 응결지연제 등이 사용될 수 있다.
하기 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하는 것이며, 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다.
실시예 1
전체 조성물 중량을 기준으로 하여 정수장 슬러지 40wt%, 황토40wt%, 혼화제 10wt%, 고화제 10wt%를 혼합하여 조성된 건축마감재를 제조한다.
실시예 2
전체 조성물 중량을 기준으로 하여 활성탄 40wt%, 황토 40wt%, 혼화제 10wt%, 고화제 10wt%를 혼합하여 조성된 건축마감재를 제조한다.
실시예 3
실시예 3은 상기 실시예 1에서 제조된 아래 표1은 본 발명의 정수장 슬러지를 이용한 건축마감재의 제습 기능시험 결과표이다.
흡습시험
습도(%) 경과시간(h) 함수율(%)
A회사 발명품
90 0 50 50
90 12 53 54
90 24 55 60
90 36 55 62
90 48 57 61
정수장 슬러지를 이용한 건축마감재의 흡착능력에 대한 결과는 도 1에 나타내었으며, 상기 시험시료를 105℃에서 5시간 건조 후 수분함량을 측정하였으며, 습도를 90%로 하여 흡습효과를 평가하였다.
상기의 측정결과 본 발명은 12시간 경과시 습도를 4% 제거하고, 지속적으로 24시간 경과 후 10% 이상 제거되다가 이후 일정하게 습도를 유지된다.
상기 정수장 슬러지를 원료로 할 경우 실내 습기를 제거하여 곰팡이 발생억제 등 쾌적한 환경을 유지할 수 있을 것으로 이루어지며, 시판용과 비교 시 매우 탈월 한 효과를 나타내는 것으로 이루어진다.
실시예 4
실시예 4는 상기 실시예 2에서 제조된 아래 표 2에서 보는 바와 같이, 본 발명의 활성탄을 이용한 건축마감재의 휘발성 유기화합물, 포름알데히드의 흡착능력시험 결과를 나타낸 표이다.

경과시간		 대상물질
포름알데히드(mg/L) 벤젠(mg/L)
A회사 발명품 A회사 발명품
0 2.3 2.3 3.6 3.5
30분 2.2 2.2 3.4 3.5
2시간 1.9 1.4 3.0 1.7
4시간 1.5 1.0 2.7 1.4
24시간 1.5 0.7 2.7 1.2
48시간 1.4 0.7 2.6 0.7
상기 활성탄을 이용한 건축마감재의 흡착능력에 대한 결과는 도 2에 나타나 있다.
표 2에서의 실험결과는 소형 챔버 측정방법으로 측정하여, 활성탄을 이용한 건축마감재 1000g과 물 300mL를 혼합하고, 스테인레스판 5mm 두께로 시험편을 제작하고, 실온에 24시간 이상 방치한 후 소형 챔버에 넣어 흡착대상물질 10L를 각각 주입한 후 시간별로 공기 포집을 실시하여 측정한 것이다.
상기의 측정결과 본 발명은 2시간 경과 후 포름알데히드, 벤젠 각각 50%이상이 제거되었으며, 24시간 동안 지속적으로 흡착이 이루어졌으며, 현재 시판되고 있는 것과 비교 시 본 발명이 매우 탁월한 효과를 나타낸다.
실시예 5
아래의 표 3은 본 발명의 정수장 슬러지, 활성탄을 이용한 건축마감재의 불연소 시험 결과를 나타낸 표이다.
두께(mm) 중량(g) 총발열량(MJ/) 가열시간 결과
5 50 1.3 25분 불연소
건축마감재 1000g과 물 300mL를 혼합하고, 스테인레스판 5mm 두께로 시험편을 제작하고, 이 시험편에 대한 발연성 시험을 한 결과 불연소를 나타내었다.
상기와 같이, 소성된 정수장 슬러지는 무기질로 이루어져 있으며, 활성탄은 제품 제조 시 이미 탄화된 물질로써, 가연성 물질이 제거된 불연물질로 건축물의 건축마감재로 화재의 위험으로부터 보호받을 수 있다.
실시예 6
상기 정수장 슬러지의 원료에 대한 XRD, TGA 분석결과는 도 3에서 나타내고 있다.
상기 정수장 슬러지의 열처리 전후의 시료에 대한 결정상의 확인은 XRD분석을 통하여 결정상을 확인하였으며, XRD분석 결과 결정상을 확인할 수 있는 산화물은 실리카분(SiO2)과 알루미나분(AL2O3)으로 이루어진다.
따라서, 정수장 슬러지는 내화물 원료인 공업용 알루미나의 대체 물질로 활용이 가능하다.
상기 정수장 슬러지의 원료에 TGA 분석결과 100 ~ 200℃ 사이의 질량 감소는 잔여 수분 및 결정수의 증발 현상으로 이루어지고, 200℃ 이후에 발생하는 질량의 감소는 유기 성분 및 기타 정수장에서 처리한 화학 약품의 산화 및 휘발 현상에서 기인하는 것으로 이루어진다.
또한, 600℃ 이상 온도에서는 슬러지에 함유된 수분과 유기 성분 및 정수장에서의 약품처리 잔여물 등이 모두 제거되어 무게 감소가 둔화되는 안정화 영역에 접어드는 것을 도 3에서 보는 바와 같이 알 수 있다.
이상과 같이, 본 명세서와 도면에는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예 외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.

Claims (4)

  1. 건축 마감재에 있어서,
    제습 및 휘발성 유기화합물과 포름알데히드의 유해물질을 차단하기 위해 정수장 슬러지를 소성한 후 분말화 하며, 주원료인 활성탄과, 황토, 혼화제 및 고화제의 원료를 혼합하는 것을 특징으로 하는 정수장 슬러지와 폐 활성탄을 이용한 건축마감재.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 건축마감재는 정수장 슬러지 10 ~ 40중량%, 활성탄 10 ~ 20중량%, 황토 40 ~ 60중량%, 혼화제 5 ~ 10중량%를 혼합하여 조성된 것을 특징으로 하는 정수장 슬러지와 폐 활성탄을 이용한 건축마감재.
  3. 제1항 내지 제2항 중 어느 한 항에서,
    상기 정수장 슬러지와 활성탄은 입도의 크기가 10 ~ 100nm로 이루어지는 것을 특징으로 하는 정수장 슬러지와 폐 활성탄을 이용한 건축마감재.
  4. 정수장 슬러지를 이용한 건축마감재는,
    소성 후 분말화된 정수장 슬러지 10 ~ 40중량%, 활성탄 10 ~ 20중량%, 황토 40 ~ 60중량%, 혼화제 5 ~ 10중량%를 혼합하는 제 1 단계;
    상기 제 1 단계에서 혼합된 혼합물에 고화제 5 ~ 10중량%를 투입하여 혼합하는 제 2 단계;
    상기 제 2 단계에서 혼합된 혼합물을 성형 틀에 투입하여 성형 및 양생하는 제 3 단계;
    를 특징으로 하는 정수장 슬러지와 폐 활성탄을 이용한 건축마감재 제조방법.

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