KR20160077819A - 중금속 제거용 세라믹 조성물 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 중금속 제거용 세라믹 조성물 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 세라믹 분말에 실리케이트 화합물, 알루미늄 화합물 및 철 화합물로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상으로 이루어지는 금속 화합물을 혼합하여 이루어지며, 세라믹 분말 100 중량부와 금속 화합물 24 내지 900 중량부로 이루어진 원료를 교반성형장치에 투입하고 교반하는 원료교반단계, 상기 원료교반단계를 통해 교반된 원료 100 중량부에 증류수 20 내지 30 중량부를 분무하면서 10 내지 60rpm의 속도로 회전하여 볼형태로 성형하는 성형단계, 상기 성형단계를 통해 성형된 성형물을 40 내지 80℃의 온도에서 100 내지 150분 동안 건조하는 건조단계 및 상기 건조단계를 통해 건조된 성형물을 소성로에 투입하고 700 내지 1500℃의 온도로 30 내지 90분 동안 소성하는 소성단계를 통해 제조된다.
상기의 성분 및 제조과정을 통해 제조된 중금속 제거용 세라믹 조성물은 티타늄 실리케이트 화합물, 알루미늄 화합물 및 철 화합물이 함유되어 처리수에 잔존하는 납이나 비소와 같은 중금속과 불소 성분의 제거효율이 우수하다.

Description

중금속 제거용 세라믹 조성물 및 그 제조방법 {CERAMIC COMPOSITON FOR REMOVING HEAVY METALS AND METHOD FOR PRODUCING THE SAME}
본 발명은 중금속 제거용 세라믹 조성물 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 세라믹 분말에 실리케이트 화합물, 알루미늄 화합물 및 철 화합물로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상으로 이루어지는 금속 화합물이 함유되어 처리수에 잔존하는 납이나 비소와 같은 중금속과 불소 성분의 제거효율이 우수한 중금속 제거용 세라믹 조성물 및 그 제조방법에 관한 것이다.
과거의 무분별한 광업개발 등으로 인해 중금속 등으로 인한 토양오염이 문제가 되고 있으며, 또한, 이와 같이 토양오염이 된 지역을 통과한 지하수 등에도 중금속이 함유되어 있어 그 처리가 요구되고 있는 실정이다.
일반적으로, 지하수 등으로 이루어진 원수 또는 유입수에는 부유물 및 중금속 등이 함유되어 있기 때문에, 이러한 성분들을 제거하기 위해 정수장에서는 침전법, 이온교환법 및 역삼투압법 등이 이용되고 있다.
상기 침전법은 Al2(SO4)3를 응집제로 사용하여 원수 또는 유입수 중에 포함된 중금속을 침전시킨 뒤, 이를 고형화하여 제거하는 방법으로, 원료의 가격이 저렴하다는 장점이 있으나, 침전 반응시 최적의 pH 범위를 벗어날 경우 중금속들이 다시 음용수 중으로 용해될 뿐만 아니라, 침전된 중금속 고형물을 매립 또는 해양투기와 같이 2차 처리해야하는 문제점이 있었다.
또한, 이온교환법은 단일 성분 및 특정 성분을 제거하는데 있어서는 그 효과가 떨어지며, 역삼투압은 중금속의 제거에는 효과를 나타내지만, 처리 과정에서 미량의 불순물이 존재하게 되면 2차 오염이 발생할 우려가 있고, 고가의 처리 비용이 소요되기 때문에 상용화에는 적합하지 못한 문제점이 있었다.
이 외에도, 가정에서 음용수를 정제하는데 사용되는 정수장치는 세디-카본-UF-카본 등의 순서로 구성되는데, 상기 정수장치에 사용되는 세라믹은 미네랄, 원적외선 용출 및 물의 알칼리화 등의 기능을 나타내지만, 중금속의 제거 효과는 미미한 문제점이 있었다.
한국특허등록 제10-1419425호(2014.07.08). 한국특허공개 제10-2014-0002441호(2014.01.08).
본 발명의 목적은 세라믹 분말에 실리케이트 화합물, 알루미늄 화합물 및 철 화합물로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상으로 이루어진 금속 화합물을 함유하여 제조되기 때문에, 처리수에 잔존하는 납이나 비소와 같은 중금속과 불소 성분의 제거효율이 우수한 중금속 제거용 세라믹 조성물 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 세라믹 분말 100 중량부 및 금속 화합물 24 내지 900 중량부로 이루어지며, 상기 세라믹 분말은 산화규소의 함량이 50중량% 이상이고, 산화알루미늄의 함량이 30중량%이상이며, 상기 금속 화합물은 실리케이트 화합물, 알루미늄 화합물 및 철 화합물로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 중금속 제거용 세라믹 조성물을 제공함에 의해 달성된다.
본 발명의 바람직한 특징에 따르면, 상기 실리케이트 화합물은 티타늄 실리케이트, 나트륨 실리케이트, 칼륨 실리케이트, 알루미노 실리케이트, 알칼리 실리케이트 및 아연 실리케이트로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상으로 이루어지는 것으로 한다.
본 발명의 더 바람직한 특징에 따르면, 상기 알루미늄 화합물은 Al2O3, Al2(SO4)3, Al(OH)3, C9H15AlO9 및 Al(NO3)3로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상으로 이루어지는 것으로 한다.
본 발명의 더욱 바람직한 특징에 따르면, 상기 철 화합물은 Fe(NO3)2, Fe2O3, Fe(OH)2, Fe(OH)3, Fe2S3, FeS, FeO, 2Fe2O3, Fe2(SO4)3 및 FeSO4로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상으로 이루어지는 것으로 한다.
또한, 본 발명의 목적은 세라믹 분말 100 중량부와 금속 화합물 24 내지 900 중량부로 이루어진 원료를 교반성형장치에 투입하고 교반하는 원료교반단계, 상기 원료교반단계를 통해 교반된 원료 100 중량부에 증류수 20 내지 30 중량부를 분무하면서 10 내지 60rpm의 속도로 회전하여 볼형태로 성형하는 성형단계, 상기 성형단계를 통해 성형된 성형물을 40 내지 80℃의 온도에서 100 내지 150분 동안 건조하는 건조단계 및 상기 건조단계를 통해 건조된 성형물을 소성로에 투입하고 700 내지 1500℃의 온도로 30 내지 90분 동안 소성하는 소성단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 중금속 제거용 세라믹 조성물의 제조방법을 제공함에 의해서도 달성될 수 있다.
본 발명에 따른 중금속 제거용 세라믹 조성물 및 그 제조방법은 세라믹 분말에 실리케이트 화합물, 알루미늄 화합물 및 철 화합물로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상으로 이루어지는 금속 화합물이 함유되어 처리수에 잔존하는 납이나 비소와 같은 중금속과 불소 성분을 제거하는 세라믹 조성물을 제공하는 탁월한 효과를 나타낸다.
도 1은 본 발명에 따른 중금속 제거용 세라믹 조성물의 제조방법을 나타낸 순서도이다.
이하에는, 본 발명의 바람직한 실시예와 각 성분의 물성을 상세하게 설명하되, 이는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세하게 설명하기 위한 것이지, 이로 인해 본 발명의 기술적인 사상 및 범주가 한정되는 것을 의미하지는 않는다.
본 발명에 따른 중금속 제거용 세라믹 조성물은 세라믹 분말 및 금속 화합물로 이루어지며, 세라믹 분말 100 중량부 및 금속 화합물 24 내지 900 중량부로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 세라믹 분말은 본 발명에 따른 중금속 제거용 세라믹 조성물의 지지체가 되는 성분으로, 천연에서 얻어질 수 있는 재료로 이루어지는데, 일반적으로 사용되는 성분이면 특별히 한정되지 않고 어떠한 것이든 사용가능하나 탄화규소, 질화규소, 알루미나, 지르코니아 및 바륨티타네이트로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상으로 이루어질 수 있으며, 층간 구조가 큰 다공성 인 것을 사용하는 것이 바람직한데, 산화규소의 함량이 50중량% 이상이고, 산화알루미늄의 함량이 30중량%이상인 것을 사용하는 것이 더욱 바람직하다.
상기의 세라믹 분말은 내구성, 내식성이 우수하며, 다공성이 확보되어 정제효과가 우수한 필터를 제공하는 역할을 하는데, 직경이 1 내지 5파이(φ) 스케일로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 세라믹 분말의 직경이 1 파이 미만이면 쉽게 비산되어 작업성이 저하되며, 상기 세라믹 분말의 입자크기가 5파이를 초과하게 되면 입자크기가 지나치게 커서 상기 실리케이트 화합물, 상기 알루미늄 화합물 및 상기 철 화합물과 고르게 혼합되지 못하기 때문에 균일한 물성을 나타내는 세라믹 조성물을 제공할 수 없다.
상기 금속 화합물은 24 내지 900 중량부가 함유되며, 실리케이트 화합물, 알루미늄 화합물 및 철 화합물로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상으로 이루어지는데, 상기 세라믹 분말 100 중량부 대비 실리케이트 화합물 8 내지 300 중량부, 알루미늄 화합물 8 내지 300 중량부 및 철 화합물 8 내지 300 중량부로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 실리케이트 화합물은 처리수에 잔존하는 납 성분을 제거하는 역할을 하는데, 상기 실리케이트 화합물의 함량이 8 중량부 미만이면 상기의 효과가 미미하며, 상기 실리케이트 화합물의 함량이 300 중량부를 초과하게 되면 상대적으로 세라믹 분말, 알루미늄 화합물 및 철 화합물의 함량이 줄어들어 납 이외에 비소와 같은 중금속이나 불소 성분 등의 제거효과가 저하될 수 있다.
이때, 상기 실리케이트 화합물은 티타늄 실리케이트, 나트륨 실리케이트, 칼륨 실리케이트, 알루미노 실리케이트, 알칼리 실리케이트 및 아연 실리케이트로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상으로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 알루미늄 화합물은 처리수에 잔존하는 불소 성분을 제거하는 역할을 하는데, 상기 알루미늄 화합물의 함량이 8 중량부 미만이면 상기의 효과가 미미하며, 상기 알루미늄 화합물의 함량이 300 중량부를 초과하게 되면 상대적으로 세라믹 분말, 티타늄 실리케이트 화합물 및 철 화합물의 함량이 줄어들어 불소 이외에 납이나 비소와 같은 중금속의 제거효과가 저하될 수 있다.
이때, 상기 알루미늄 화합물은 Al2O3, Al2(SO4)3, Al(OH)3, C9H15AlO9 및 Al(NO3)3로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상으로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 철 화합물은 처리수에 잔존하는 비소 성분을 제거하는 역할을 하는데, 상기 철 화합물의 함량이 8 중량부 미만이면 상기의 효과가 미미하며, 상기 철 화합물의 함량이 300 중량부를 초과하게 되면 상대적으로 세라믹 분말, 티타늄 실리케이트 화합물 및 알루미늄 화합물의 함량이 줄어들어 비소 이외에 납과 같은 중금속과 불소의 제거효과가 저하될 수 있다.
이때, 상기 철 화합물은 Fe(NO3)2, Fe2O3, Fe(OH)2, Fe(OH)3, Fe2S3, FeS, FeO, 2Fe2O3, Fe2(SO4)3 및 FeSO4로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상으로 이루어지는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 중금속 제거용 세라믹 조성물의 제조방법은 세라믹 분말 100 중량부와 금속 화합물 24 내지 900 중량부로 이루어진 원료를 교반성형장치에 투입하고 교반하는 원료교반단계(S101), 상기 원료교반단계(S101)를 통해 교반된 원료 100 중량부에 증류수 20 내지 30 중량부를 분무하면서 10 내지 60rpm의 속도로 회전하여 볼형태로 성형하는 성형단계(S103), 상기 성형단계(S103)를 통해 성형된 성형물을 40 내지 80℃의 온도에서 100 내지 150분 동안 건조하는 건조단계 (S105) 및 상기 건조단계(S105)를 통해 건조된 성형물을 소성로에 투입하고 700 내지 1500℃의 온도로 30 내지 90분 동안 소성하는 소성단계(S107)로 이루어진다.
상기 원료교반단계(S101)는 세라믹 분말 100 중량부와 금속 화합물 24 내지 900 중량부로 이루어진 원료를 교반성형장치에 투입하고 교반하는 단계로, 이때, 상기 원료교반단계(S101)에서 사용되는 세라믹 분말과 금속 화합물의 성분, 함량 및 역할은 상기 중금속 제거용 세라믹 조성물에 기재된 내용과 동일하므로, 이에 대한 설명은 생략하기로 한다.
상기 성형단계(S103)는 상기 원료교반단계(S101)를 통해 교반된 원료 100 중량부에 증류수 20 내지 30 중량부를 분무하면서 10 내지 60rpm의 속도로 회전하여 볼형태로 성형하는 단계다.
상기 증류수는 상기 원료교반단계(S101)를 통해 교반된 원료들이 볼의 형태를 나타낼 수 있도록 하는 바인더의 역할을 하며, 증류수의 함량이 20 중량부 미만이면 원료들이 볼의 형태로 성형되지 않고, 상기 증류수의 함량이 30 중량부를 초과하게 되면 원료가 묽어져 성형성이 저하된다.
상기 건조단계(S105)는 상기 성형단계(S103)를 통해 성형된 성형물을 40 내지 80℃의 온도에서 100 내지 150분 동안 건조하는 단계로, 상기 성형단계(S103)를 통해 볼 형태로 성형된 성형물을 상기의 온도와 시간동안 가열하여 상기 성형물에 함유된 증류수를 제거하는 단계다.
상기 소성단계(S107)는 상기 건조단계(S105)를 통해 건조된 성형물을 소성로에 투입하고 700 내지 1500℃의 온도로 30 내지 90분 동안 소성하는 단계로, 상기의 소성단계(S107)를 거치면, 상기 건조된 성형물의 경도가 향상된다.
이때, 상기 소성단계(S107)의 온도가 700℃ 미만이면 성형물의 경도향상 효과가 미미하며, 상기 소성단계(S107)의 온도가 1500℃를 초과하게 되면 경도향상 효과는 미미하면서 제조공정의 효율성을 저하시킨다.
이하에서는, 본 발명에 따른 중금속 제거용 세라믹 조성물의 제조방법 및 그 제조방법을 통해 제조된 중금속 제거용 세라믹 조성물의 물성을 실시예를 들어 설명하기로 한다.
<실시예 1>
직경이 3파이인 세라믹 분말 100 중량부, TiSi2 100 중량부, Al2O3 100 중량부 및 Fe2O3 100 중량부를 교반성형장치에 투입하고 교반하여 제조된 원료 100 중량부에 증류수 25 중량부를 분무하면서 30rpm의 속도로 회전하여 50g의 볼 형태로 성형하고, 성형된 원료를 60℃의 온도에서 120분 동안 건조한 후에, 건조된 성형물을 소성로에 투입하고 1000℃의 온도에서 40분 동안 소성하여 중금속 제거용 세라믹 볼을 제조하였다.
상기 실시예 1을 통해 제조된 중금속 제거용 세라믹 볼의 비소, 납 및 불소의 제거효율을 측정하여 아래 표 1에 나타내었다.
{단, 비소, 납 및 불소의 제거효율은 비소, 납 및 불소가 혼합된 조제수 200cc에 상기 실시예 1을 통해 제조된 세라믹 볼을 투입하고, 시간의 경과에 따라 조제수에 함유된 비소, 납 및 불소의 함량을 ICP분석기로 측정하여 확인하였다.}
<표 1>
Figure pat00001
위에 표 1에 나타낸 것처럼, 본 발명의 실시예 1을 통해 제조된 세라믹 볼은 비소, 납 및 불소의 제거효율이 우수한 것을 알 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 중금속 제거용 세라믹 조성물은 세라믹 분말에 실리케이트 화합물, 알루미늄 화합물 및 철 화합물이 함유되어 처리수에 잔존하는 납이나 비소와 같은 중금속과 불소 성분을 제거하는 효과를 나타낸다.
S101 ; 원료교반단계
S103 ; 성형단계
S105 ; 건조단계
S107 ; 소성단계

Claims (5)

  1. 세라믹 분말 100 중량부 및 금속 화합물 24 내지 900 중량부로 이루어지며,
    상기 세라믹 분말은 산화규소의 함량이 50중량% 이상이고, 산화알루미늄의 함량이 30중량%이상이며,
    상기 금속 화합물은 실리케이트 화합물, 알루미늄 화합물 및 철 화합물로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 중금속 제거용 세라믹 조성물.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 실리케이트 화합물은 티타늄 실리케이트, 나트륨 실리케이트, 칼륨 실리케이트, 알루미노 실리케이트, 알칼리 실리케이트 및 아연 실리케이트로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 중금속 제거용 세라믹 조성물.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 알루미늄 화합물은 Al2O3, Al2(SO4)3, Al(OH)3, C9H15AlO9 및 Al(NO3)3로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 중금속 제거용 세라믹 조성물.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 철 화합물은 Fe(NO3)2, Fe2O3, Fe(OH)2, Fe(OH)3, Fe2S3, FeS, FeO, 2Fe2O3, Fe2(SO4)3 및 FeSO4로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 중금속 제거용 세라믹 조성물.
  5. 세라믹 분말 100 중량부와 금속 화합물 24 내지 900 중량부로 이루어진 원료를 교반성형장치에 투입하고 교반하는 원료교반단계;
    상기 원료교반단계를 통해 교반된 원료 100 중량부에 증류수 20 내지 30 중량부를 분무하면서 10 내지 60rpm의 속도로 회전하여 볼형태로 성형하는 성형단계;
    상기 성형단계를 통해 성형된 성형물을 40 내지 80℃의 온도에서 100 내지 150분 동안 건조하는 건조단계; 및
    상기 건조단계를 통해 건조된 성형물을 소성로에 투입하고 700 내지 1500℃의 온도로 30 내지 90분 동안 소성하는 소성단계;로 이루어지는 것을 특징으로 하는 중금속 제거용 세라믹 조성물의 제조방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20140002441A (ko) 2012-06-30 2014-01-08 강학철 친환경 정수를 위한 중금속 제거 및 항균용 기능성 세라믹 볼 제조
KR101419425B1 (ko) 2012-10-30 2014-07-14 주식회사 중앙환경기술 오폐수 내에 함유된 중금속 제거용 세라믹파우더를 이용한 수처리 방법

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