KR20160068343A - 오염수 처리용 세라믹 필터 및 이의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 슬러지와 규조토를 이용하여 오염수를 제거하기 위한 세라믹 필터 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 정수 처리 공정의 부산물인 슬러지를 건조하고 분쇄하여 규조토와 혼합한 세라믹 분말을 성형 및 소성하여 제조한 세라믹 필터에 관한 것이다. 본 발명의 방법에 따른 오염수 처리용 세라믹 필터는 독성이 강한 3가 비소를 포함한 오염물질을 원수로부터 효율적으로 처리할 수 있다는 장점이 있다.

Description

오염수 처리용 세라믹 필터 및 이의 제조방법{CERAMIC FILTER FOR TREATING CONTAMINATED WATER AND THE MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 발명은 오염수 처리를 위해 슬러지와 규조토를 혼합하여 제조되는 세라믹 필터 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

점차 심각해지는 물의 오염에 따라 경제적이고 효율적으로 각종 오염수를 처리하는 방법의 필요성이 증가하고 있다. 또한, 구제역 등으로 인한 가축 살처분 과정에서 생성되는 비소와 불소 등의 지하수 오염물질을 효과적으로 처리하는 방법에 대한 연구 또한 활발히 진행되는 실정이다.

종래의 오염수 처리 시설 및 방법들은 비용에 비하여 처리 효율이 만족스럽지 못하거나, 처리 시설의 설치 면적을 많이 차지하고 제조설비가 복잡하다는 등의 문제점들이 있었다.

자연적 또는 인위적으로 노출되는 비소에 의해 오염된 지표수, 지하수가 음용수로 사용되면 인체에 만성 혹은 급성의 치명적 독성을 나타낼 수 있다. 비소를 함유한 오염수 처리 방법으로는 공침/침전, 이온교환, 활성알루미나를 이용한 흡착, 역삼투 여과, 나노여과, 그리고 전기투석법 등이 있다. 하지만 이러한 방법은 5가 비소에 비해 독성이 더 강한 3가 비소 제거의 어려움 등의 문제점이 있다.

불소는 효소 활동을 저해하고 백혈구 활동을 둔화시키므로 면역체계에 손상을 초래하는 독성물질이다. 화학활성이 높아 반도체, 유리, 금속가공 등의 표면처리 및 세정제로 많이 사용되고 있으며, 배출에 관해서는 수질환경보전법에 기준이 정해져 있다. 종래의 불소를 함유한 오염수 처리 방법으로는 주로 화학응집 침전법이나 이온교환수지법이 사용되고 있다. 그러나 이러한 방법은 10ppm 이하 저농도 불소 제거에는 효과가 거의 없는 등의 문제점이 있다.

한편, 세라믹필터는 일반적으로 내식성, 내구성, 물리적인 강도 등에서 우수하여 수처리 또는 식품, 의약품의 정제, 폐가스의 처리 등에 사용되고 있다. 특히 수처리 공정의 부산물로 생성되는 슬러지와 필터링에 매우 적합한 특성을 가지는 규조토 등은 세라믹 필터의 성분으로 주로 이용된다.

규조토를 이용한 세라믹 필터에는 슬립케스팅법(니장주입법)이 많이 알려져 있지만, 이와 같은 방법은 상대적으로 물리적 강도가 약하여 취급 또는 사용 시 자주 파손되는 문제점이 있다.

이에, 종래기술의 문제점들을 해결하기 위하여 효율적인 오염수 처리방법의 개발이 요구되고 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술상의 문제점을 보완하기 위해 안출된 것으로, 슬러지와 규조토를 혼합한 세라믹 분말을 이용하여 오염수를 효율적으로 처리할 수 있는 세라믹 필터 및 이의 제조방법의 제공을 그 목적으로 한다.

그러나 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명은 오염수 처리용 세라믹 필터로서,

슬러지와 규조토를 6:4 내지 9:1로 혼합하여 제조되는 것을 특징으로 하는, 세라믹 필터를 제공한다.

본 발명의 일구현예에 있어서, 상기 슬러지는 알루미늄(Aluminiun), 규소(Silicon), 티타늄(Titanium), 바나듐(Vanadium), 크로뮴(Chromium), 망가니즈(Manganese), 철(Iron), 구리(Copper), 아연(Zinc), 지르코늄(Zirconium), 및 주석(Tin)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상의 금속 성분을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 구현예에 있어서, 상기 슬러지는 알루미늄(Aluminium) 또는 규소(Silicon)가 30중량% 이상인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 구현예에 있어서, 상기 오염수는 비소 또는 불소를 함유하는 원수인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 하기 단계를 포함하는 오염수 처리용 세라믹 필터의 제조방법을 제공한다:

a) 슬러지를 건조하여 분쇄하는 단계;

b) 상기 슬러지를 규조토와 6:4 내지 9:1의 비율로 혼합하여 세라믹 분말을 제조하는 단계; 및

c) 상기 세라믹 분말을 성형 및 소성하여 세라믹 필터를 제조하는 단계.

본 발명의 일구현예에 있어서, 상기 방법은 세라믹 필터를 세라믹필터지지대(2), 5~10㎛ 기공과 2mm 이상의 두께를 가지는 여과필터(4), 고무링(5), 세라믹필터 및 스크류뚜껑(6)으로 구성된 필터거치부에 삽입하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 구현예에 있어서, 상기 방법은 세라믹필터지지대(2)와 여과필터(4) 사이에 활성탄(3)을 채우는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 구현예에 있어서, 상기 슬러지는 알루미늄(Aluminium) 또는 규소(Silicon)가 30중량% 이상인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 구현예에 있어서, 상기 오염수는 비소 또는 불소를 함유하는 원수인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 구현예에 있어서, 상기 소성은 700~800℃에서 수행되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 구현예에 있어서, 상기 a)단계는 슬러지를 15~75㎛로 분쇄하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 방법에 따른 오염수 처리용 세라믹 필터는 기존의 오염물질 처리 필터와 달리 독성이 강한 3가 비소, 5가 비소, 불소를 비롯하여 다양한 오염물질을 효율적으로 처리할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 세라믹 필터의 구조도를 나타낸 것이다.
도 2의 (a)는 본 발명에 따른 슬러지의 SEM사진을 나타낸 것이며, (b)는 본 발명에 따른 슬러지의 EDS 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 세라믹 필터의 처리능 분석을 위해 시간에 따른 비소 농도를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명에 따른 세라믹 필터의 처리능 분석을 위해 시간에 따른 불소 농도를 나타낸 그래프이다.

본 발명자들은 상기와 같은 오염수 처리 효율성 문제를 해결하고, 정수장에서 버려지는 슬러지와 필터링에 매우 적합한 특성을 가지는 규조토를 혼합하여 비소 또는 불소 등의 오염물질을 처리할 수 있는 세라믹 필터를 제조하는 방법을 발명하였다. 또한, 상기 세라믹 필터가 원수로부터 오염물질을 효율적으로 제거할 수 있음을 확인하고 본 발명을 완성하였다.

슬러지는 일반적인 정수처리공정에서 다량 발생하며, 정수 슬러지는 대부분 무기질의 물질로 이루어져 있고, 알루미늄과 규소화합물이 가장 많다. 이에, 본 발명은 상기와 같이 정수처리장에서 발생하는 슬러지를 재활용하여 세라믹 필터를 제조하고 이를 이용하여 오염수를 처리하는 방법을 제공함에 그 특징이 있다.

본 발명의 일실시예에서는 슬러지를 건조 및 분쇄한 후 상기 슬러지와 규조토를 혼합하여 세라믹 분말을 제조하고, 이를 성형 및 소성하여 세라믹 필터를 만들었다(실시예 1 참조). 그리고 슬러지와 규조토의 비율을 달리하여 제조된 세라믹 필터의 제거효율을 측정(실시예 2 참조)하고, 세라믹 필터의 처리능 분석(실시예 3 및 실시예 4 참조)을 실시한 결과, 세라믹 필터에 의한 오염수 처리 효과가 우수함을 확인하였다.

따라서 본 발명은 슬러지와 규조토를 6:4 내지 9:1의 비율로 혼합하여 제조되는 것을 특징으로 하며, 비소 또는 불소 등을 포함하는 오염수에서 상기 유해성 이온들을 효과적으로 제거할 수 있는 오염수 처리용 세라믹 필터를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명은 하기 단계를 포함하는 오염수 처리용 세라믹 필터의 제조방법을 제공할 수 있다:

a) 슬러지를 건조하여 분쇄하는 단계;

b) 상기 슬러지를 규조토와 6:4 내지 9:1의 비율로 혼합하여 세라믹 분말을 제조하는 단계; 및

c) 상기 세라믹 분말을 성형 및 소성하여 세라믹 필터를 제조하는 단계.

본 발명에서 상기 슬러지는 알루미늄(Aluminium), 규소(Silicon), 티타늄(Titanium), 바나듐(Vanadium), 크로뮴(Chromium), 망가니즈(Manganese), 철(Iron), 구리(Copper), 아연(Zinc), 지르코늄(Zirconium), 및 주석(Tin)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상의 금속 성분을 포함하는 것일 수 있고, 바람직하게는 알루미늄(Aluminium) 또는 규소(Silicon)를 포함하는 것일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 알루미늄(Aluminium) 또는 규소(Silicon)를 30~100중량% 포함하는 것일 수 있으며, 가장 바람직하게는 알루미늄(Aluminium) 또는 규소(Silicon)를 40~100중량% 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

상기 오염수는 비소, 불소, 셀레늄 등을 함유하는 원수일 수 있으며, 바람직하게는 비소 또는 불소를 함유하는 원수일 수 있고, 가장 바람직하게는 3가 비소를 포함하는 원수일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본 발명의 제조방법에서 상기 a) 단계에서 건조된 슬러지는 본 발명의 일실시예에 기재된 바와 같이 15~75μm크기로 분쇄하는 것이 가장 바람직하나 이에 제한되는 것은 아니며, 상기 b) 단계에서 혼합한 세라믹 분말은 c) 단계를 통해 원통형태로 성형 및 소성할 수 있다. 이때, 성형은 이에 제한되는 것은 아니나 세라믹 제조의 일반적인 공법인 압출성형법 또는 프레스성형법 등의 방법으로 수행할 수 있고, 소성은 700~800℃에서 충분히 이루어지는 것이 가장 바람직하나 이에 제한되는 것은 아니다.

또한, 상기 방법은 제조된 세라믹 필터를 필터거치부의 세라믹필터지지대(2)에 삽입하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 상기 필터거치부는 세라믹필터지지대(2), 5~10㎛ 기공과 2mm 이상의 두께를 가지는 여과필터(4), 고무링(5), 세라믹필터, 및 스크류뚜껑(6)으로 구성되는 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

이에 더하여, 상기 방법은 세라믹 필터가 삽입된 세라믹필터지지대(2)와 여과필터(4) 사이에 활성탄(3)을 채우는 단계를 더 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 하기 실시예에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.

세라믹 필터 제조

본 발명자들은 세라믹 필터를 제조하기 위하여, 알루미늄(Aluminium), 규소(Silicon), 티타늄(Titanium), 바나듐(Vanadium), 크로뮴(Chromium), 망가니즈(Manganese), 철(Iron), 구리(Copper), 아연(Zinc), 지르코늄(Zirconium), 및/또는 주석(Tin)을 함유하는 정수장에서 발생하는 슬러지를 이용하였으며, 특히, 알루미늄(Aluminium)이 30wt% 이상이거나 규소(Silicon)가 30wt% 이상인 슬러지를 이용하였다.

Element	Wt%	At%
OK	53.28	66.63
MgK	00.33	00.27
AlK	30.08	22.31
SiK	13.78	09.81
CaK	00.48	00.24
FeK	02.06	00.74
Matrix	Correction	ZAF

본 실시예에서 사용된 슬러지의 조성은 상기 표 1에 나타낸 바와 같으며, 도 2에 슬러지의 SEM 사진과 EDS를 이용한 성분 분석의 결과를 나타냈다. 먼저, 건조된 슬러지를 15~75㎛ 크기로 분쇄한 후, 상기 슬러지와 규조토를 7:3의 비율로 혼합하여 세라믹 분말을 제조하였다. 잘 혼합된 세라믹 분말을 세라믹 제조의 일반적인 공법인 압출성형법 또는 프레스성형법으로 원통 형태로 성형하고, 성형된 세라믹분말을 700~800℃에서 충분히 소성하였다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 성형된 원통형 세라믹 필터(1)를 세라믹필터지지대(2)에 삽입한 후 (3)의 부분에 활성탄을 채웠다. 상기활성탄은 표면에 은이 0.1~1중량%로 코팅되어 있는 것이 바람직하며, 코팅방법은 일반적인 산화환원법을 이용하였다. 필터거치부는 유공관형태의 세라믹필터지지대(2), 5~10㎛의 기공을 가지고 있는 여과필터(4), 원수가 유출부로 바로 나가는 것을 막기 위한 고무링(5), 세라믹필터 및 활성탄 교체를 용이하게 하기 위한 스크류뚜껑(6)으로 구성된다.

이와 같이 제조된 세라믹 필터는 종래의 규조토를 포함한 세라믹 필터에 비해 물리적 강도가 높고, 일반적인 10인치 하우징필터(7)에 삽입하여 사용할 수 있으며, 비소, 불소함유 원수를 제거하는 효과가 있다.

슬러지:규조토 혼합비율에 따른 제거효율

상기 실시예 1과 같이 세라믹 필터를 제조함에 있어서, 슬러지/규조토의 비율을 3:7, 5:5, 7:3로 다르게 하고 그에 따른 비소, 불소의 제거효율을 알아보았다. 이때, 슬러지만 이용하여 세라믹 필터를 제조하였으나 소성과정에서 결합이 제대로 이루어지지 않아 제품으로 사용하기에 문제가 있었음을 알 수 있었다.

제거효율 측정을 위해서 위의 비율로 제조된 세라믹 필터에 3가 비소, 5가 비소, 불소로 오염된 원수를 200 bed volume 통과시킨 후 처리수를 분석하였다. 원수의 농도와 처리수의 농도 비교를 통해 제거율을 구하였으며, 결과는 하기 표 2에 나타내었다.

비율 (슬러지:규조토)	제거효율 (%)
	3가비소	5가비소	불소
10 : 0	-	-	-
3 : 7	63.4	71.8	67.9
5 : 5	79.8	82.3	80.1
7 : 3	96.7	98.1	95.9

측정 결과, 슬러지와 규조토를 7:3의 비율로 혼합하여 제조한 세라믹 필터가 가장 우수한 유해성 이온 제거 효과를 나타냄을 알 수 있었다.

비소 파과실험(최대처리가능수량)

본 세라믹 필터의 수명을 파악하기 위하여, 파과(break through)실험을 수행하였다. 사용된 세라믹 필터의 1 bed volume은 약 450ml로, 파과실험은 본 발명에 따른 세라믹 필터가 장착된 정수기에 약 0.2mg/L 농도의 비소를 50ml/min의 속도로 주입하였다. 1일 주입량은 72L(160BV)이었다.

비소오염 용액은 3가 비소와 5가 비소 모두 제조하여 진행하였다.

도 3과 같이, 3가 비소의 경우 약 9,878 BV에서 기준치인 10ppb를 상회하기 시작하였으며, 5가 비소의 경우 5,722 BV에서 기준치를 상회하였다.

이를 처리가능수량으로 환산하면, 하기 표 3과 같이, 3가 비소의 경우 약 4,450 L, 5가 비소의 경우 약 2,568 L의 비소오염 지하수를 처리할 수 있음을 확인하였다.

그러나 유입수의 비소농도가 낮아질 경우 처리가능수량은 증가할 수 있음을 알 수 있었다.

구 분	필터수명
	BV	L	일*
3가 비소	9,878	4,450	222
5가 비소	5,722	2,568	128
*1일 20L 처리

불소 파과실험(최대처리가능수량)

불소 파과실험 방법은 상기 실시예 3과 동일하며, 본 발명에 따른 세라믹 필터가 장착된 정수기에 약 0.2mg/L 농도의 불소를 주입하였다.

도 4와 같이, 약 18,033 BV에서 기준치인 10ppb를 상회하기 시작하였으며, 이를 처리가능수량으로 환산할 경우, 하기 표 4와 같이, 약 8,136 L의 불소오염 지하수를 처리할 수 있음을 확인하였다.

구 분	필터수명
	BV	L	일*
불소	18,033	8,136	406
* 1일 20L 처리

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해되어야 한다.

1: 세라믹필터
2: 세라믹필터지지대
3: 활성탄
4: 여과필터
5: 고무링
6: 스크류뚜껑
7: 10인치 하우징

Claims (11)

1. 오염수 처리용 세라믹 필터로서,
   슬러지와 규조토를 6:4 내지 9:1로 혼합하여 제조되는 것을 특징으로 하는, 세라믹 필터.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 슬러지는, 알루미늄(Aluminium), 규소(Silicon), 티타늄(Titanium), 바나듐(Vanadium), 크로뮴(Chromium), 망가니즈(Manganese), 철(Iron), 구리(Copper), 아연(Zinc), 지르코늄(Zirconium), 및 주석(Tin)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상의 금속 성분을 포함하는 것을 특징으로 하는, 세라믹 필터.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 슬러지는 알루미늄(Aluminium) 또는 규소(Silicon)가 30중량% 이상인 것을 특징으로 하는, 세라믹 필터.
   
4. 제 1항에 있어서,
   상기 오염수는 비소 또는 불소를 함유하는 원수인 것을 특징으로 하는, 세라믹 필터.
   
5. 하기 단계를 포함하는 오염수 처리용 세라믹 필터의 제조방법:
   a) 슬러지를 건조하여 분쇄하는 단계;
   b) 상기 슬러지를 규조토와 6:4 내지 9:1의 비율로 혼합하여 세라믹 분말을 제조하는 단계; 및
   c) 상기 세라믹 분말을 성형 및 소성하여 세라믹 필터를 제조하는 단계.
   
6. 제 5항에 있어서,
   상기 방법은 세라믹 필터를 필터거치부의 세라믹필터지지대(2)에 삽입하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 제조방법.
   
7. 제6항에 있어서,
   상기 방법은 세라믹필터지지대(2)와 5~10㎛ 기공의 여과필터(4) 사이에 활성탄(3)을 채우는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 제조방법.
8. 제 5항에 있어서,
   상기 슬러지는 알루미늄(Aluminium) 또는 규소(Silicon)가 30중량% 이상인 것을 특징으로 하는, 제조방법.
   
9. 제 5항에 있어서,
   상기 오염수는 비소 또는 불소를 함유하는 원수인 것을 특징으로 하는, 제조방법.
   
10. 제 5항에 있어서,
    상기 소성은 700~800℃에서 수행되는 것을 특징으로 하는, 제조방법.
    
11. 제 5항에 있어서,
    상기 a) 단계는 슬러지를 15~75㎛로 분쇄하는 것을 특징으로 하는, 제조방법.
    
    

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