KR20170022036A

KR20170022036A - 광물성 섬유의 원료조성물

Info

Publication number: KR20170022036A
Application number: KR1020150116484A
Authority: KR
Inventors: 이상기
Original assignee: 이상기
Priority date: 2015-08-19
Filing date: 2015-08-19
Publication date: 2017-03-02

Abstract

본 발명은 광물성 섬유의 원료조성물에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 화력발전소에서 나오는 폐기물인 보텀애쉬와 광미의 복합나노입자 그리고 그래핀 나노입자로 조성되는 광물성 섬유의 원료를 개발하여 광물성 섬유의 기능성을 현격하게 향상시키고 광범위한 사용범위를 제공할 수 있는을 제공함에 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 정제애쉬와 광미의 복합나노입자 분산액과 그래핀의 나노입자 분산액을 각각 액적상태로 분무하면서 초음파를 조사하여 건조 처리함으로써 그래핀의 나노입자가 기저응집체인 정제애쉬와 광미의 복합나노입자 표면을 감싸도록 제조하되, 정제애쉬와 광미의 복합나노입자 분산액은 정제애쉬와 비자성 광미를 10~30㎛의 입자크기로 각각 분쇄한 후, 1:1의 중량비로 혼합 교반하여 혼합분말을 제조하고, 상기 혼합분말을 10~20중량비의 수분함량을 갖도록 220~300℃에서 건조시킨 다음, pH 2 이하의 인산(H₃PO₄)용액에서 표면개질을 위한 산처리를 실시한 후, pH 10 이상의 수산화칼슘(Ca(OH)₂)에서 알카리처리를 하여 상기 정제애쉬와 비자성 광미의 나노입자가 서로 흡착된 복합나노입자를 형성하며, 상기 정제애쉬와 비자성 광미의 복합나노입자는 220~300℃의 건조로에서 1 내지 2시간 동안 건조시킨 후, 다시 30~55㎛의 입자크기로 각각 분쇄하고, 100중량%에 대해 1500중량%의 물에 분산시켜 복합나노입자 분산액을 제조하며, 그래핀의 나노입자 분산액은 그래파이트 분말과 물을 0.4~0.8:100의 중량비로 혼합하여 그래파이트용액을 제조한 후, 상기 그래파이트용액에 계면활성제를 그래파이트용액 100중량부에 대해 6~14 중량부의 비율로 첨가하여 제조되는 것을 특징으로 하는 광물성 섬유의 원료조성물을 제공하게 된다.
이상과 같이 구성되는 본 발명은 우수한 열전도성과 전기전도성, 신축성, 기계적 강도 등을 갖는 그래핀의 장점을 광물성 섬유에 부여함으로써 광물성 섬유의 기능성을 현격하게 향상시키고 광범위한 사용범위를 제공할 수 있는 등의 효과를 제공하게 된다.

Description

광물성 섬유의 원료조성물{A MATERIALS COMPOSITE OF MINERAL FIBER}

본 발명은 광물성 섬유의 원료조성물에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 산업폐기물인 화력발전소의 바텀애쉬와 광미분말을 복합기저입자로 하여 그래핀 나노입자를 복합기저입자의 표면을 감싸도록 조성되어 광물성 섬유에 다양한 기능성을 부여하는 광물성 섬유의 원료조성물에 관한 것이다.

일반적으로, 광물성 섬유는 전적으로 수입에 의존하는 펄프의 대체 재료로서 백상지, 골판지, 포장용지,생리대 등의 제조에 사용되는 주요한 자원이며, 자동차 부품인 브레이크 패드 등과 각종 건축자재에도 널리 사용되는 물질이고, 또한 종이와 같이 순환 재생이 가능한 물질로서 경제성이 높으며, 석면 대체제로도 사용되고 있다.

공개특허공보 제2014-0038618호에는 화력발전소의 바텀애쉬를 정제애쉬로 정제하되, 상기 정제애쉬는 산화철 0~2중량부, 탄소 0~1.5중량부를 함유하도록 바텀애쉬에서 정제되고, 상기 정제애쉬를 원심분리기에서 고압 토출시켜 광물성 섬유를 제조하는 바텀애쉬를 이용한 광물성 섬유의 제조방법이 기재되어 있다.

특허등록공보 제1091837호에는 화력발전소에서 나오는 폐기물인 보텀애쉬(Bottom ash)와 플라이애쉬(Fly ash)를 코크스성형탄,석회석성형물,장석성형물 과 함께 용융하여 액상화 시킨 후, 원심력을 이용해 공기압력 컴퓨레서로 압축하고 분사노즐을 통해 분사해서 솜과 같은 성상의 물질인 광물성 섬유를 제조하는 광물성 섬유의 제조방법이 기재되어 있다.

그러나, 본 발명에서는 화력발전소에서 나오는 폐기물인 보텀애쉬와 광미 그리고 그래핀 나노입자로 조성되는 광물성 섬유의 원료조성물을 개발하여 광물성 섬유의 기능성을 현격하게 향상시키고 광범위한 사용범위를 제공할 수 있는 기술을 제안하고자 한다.

KR 10-2011-0087021 A 2011.08.02 KR 10-1091837 Y 2011.12.02 KR 10-2014-0038618 Y 2014.03.31 KR 10-2006-0130806 A 2006.12.20 KR 10-0693391 B1 2007.03.05

국내 석탄광 폐석의 특징,한국지구시스템공학학회지[Vol.42,no.1 (2005)pp.1-8] 광석을 이용한 친환경 미네랄 울 보드 개발에 관한 연구[경상대학교 대학원 석사학위논문 2005]

본 발명은 상기한 종래기술의 문제를 개선하기 위하여 안출된 것으로, 화력발전소에서 나오는 폐기물인 보텀애쉬와 광미를 응집체인 복합기저입자로 하여 그래핀 나노입자를 복합기저입자의 표면을 감싸도록 조성되는 광물성 섬유의 원료를 개발하여 광물성 섬유의 기능성을 현격하게 향상시키고 광범위한 사용범위를 제공할 수 있는 광물성 섬유의 원료조성물을 제공함에 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 정제애쉬와 광미의 복합나노입자 분산액과 그래핀의 나노입자 분산액을 각각 액적상태로 분무하면서 초음파를 조사하여 건조 처리함으로써 그래핀의 나노입자가 기저응집체인 정제애쉬와 광미의 복합나노입자 표면을 감싸도록 제조하되, 정제애쉬와 광미의 복합나노입자 분산액은 정제애쉬와 비자성 광미를 10~30㎛의 입자크기로 각각 분쇄한 후, 1:1의 중량비로 혼합 교반하여 혼합분말을 제조하고, 상기 혼합분말을 10~20중량비의 수분함량을 갖도록 220~300℃에서 건조시킨 다음, pH 2 이하의 인산(H₃PO₄)용액에서 표면개질을 위한 산처리를 실시한 후, pH 10 이상의 수산화칼슘(Ca(OH)₂)에서 알카리처리를 하여 상기 정제애쉬와 비자성 광미의 나노입자가 서로 흡착된 복합나노입자를 형성하며, 상기 정제애쉬와 비자성 광미의 복합나노입자는 220~300℃의 건조로에서 1 내지 2시간 동안 건조시킨 후, 다시 30~55㎛의 입자크기로 각각 분쇄하고, 100중량%에 대해 1500중량%의 물에 분산시켜 복합나노입자 분산액을 제조하며, 그래핀의 나노입자 분산액은 그래파이트 분말과 물을 0.4~0.8:100의 중량비로 혼합하여 그래파이트용액을 제조한 후, 상기 그래파이트용액에 계면활성제를 그래파이트용액 100중량부에 대해 6~14 중량부의 비율로 첨가하여 제조되는 것을 특징으로 하는 광물성 섬유의 원료조성물을 제공하게 된다.

이상과 같이 구성되는 본 발명은 우수한 열전도성과 전기전도성, 신축성, 기계적 강도 등을 갖는 그래핀의 장점을 광물성 섬유에 부여함으로써 광물성 섬유의 기능성을 현격하게 향상시키고 광범위한 사용범위를 제공할 수 있는 등의 효과를 제공하게 된다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

일반적으로, 화력발전소에서는 전력생산을 위해 유연탄의 연소시 불완전연소의 부산물로서 바텀애쉬와 플라이애쉬(fly ash)와 같은 무기성의 잔류 물질이 발생되고, 바텀애쉬(bottom ash)는 연소로 내에서 소결 작용에 의해 다소 큰 입자 형

태를 이루면서 연소로의 하부로 낙진되어 수집되지만, 플라이애쉬(fly ash)는 미세한 크기의 입자로 비산되면서 배기가스와 함께 연도를 통해 배출되는 과정에서 연도 상에 구비된 집진기에 의해 포집되는 특징이 있다.

이때, 미연소함량이 6% 미만인 플라이애쉬는 주로 시멘트 혼화재, 성토재, 토지 개량재, 경량 골재 등과 같이 건축자재 등으로 재활용하는 기술이 개발되어 있고, 미연소함량이 6%이상인 바텀애쉬는 발전소 별로 바닷가에 마련된 폐처리장으로 보내 폐기물로 대부분 보관하지만, 성토재 등으로 일부 재활용하고 있다.

그러나, 실질적으로 바텀애쉬와 플라이애쉬(fly ash)의 재활용 비율은 매우 낮은 편이고, 특히 바텀애쉬는 미연소함량이 다량 포함되어 있어 미연소입자를 중심으로 입자들이 엉기면서 입자의 크기가 불균일하여 재활용이 어렵게 된다.

더욱이, 바텀애쉬는 재활용되어 어떤 구조물을 이루는 경우 다량함유된 미연소입자가 수화팽창에 의해 구조물의 손상을 야기하면서 때로는 부분적인 융기 현상을 초래하게 된다.

또한, 바텀애쉬는 다량 함유된 미연소입자가 지하수 또는 우수 등과 같은 수분과 접촉되면 강알칼리성 침출수 등을 생성함으로써 수질 오염 등과 같은 환경오염을 유발할 수 있다.

특히, 바텀애쉬를 재활용하여 아파트 등과 같은 건축물에 내장재로 활용될 경우 미연소입자가 공기에 혼입되면서 아토피 등과 같은 부작용을 유발하게 된다.

결국, 바텀애쉬는 다량 함유된 미연소입자에 의해 상기와 같은 문제를 초래하게 되고, 이러한 이유로 재활용이 되지 못하고 해안에 그대로 매립되는 폐기물로 처리되고 있는 실정이다.

종래에는 화력발전소에서 발생하는 바텀애쉬를 회수하여 전기아크로 또는 경유(LPG가스)버너로 용해시켜 광섬유를 추출하는 재활용방법이 개발되었는데, 전기아크로 또는 경유(LPG가스)버너를 이용한 기존의 열원으로 바텀애쉬를 용해할 경우 바텀애쉬 2톤정도를 용해할 때 약 3시간정도가 소요되는 등 광물성 섬유의 추출비용이 과다하여 경제성 및 생산성이 현저히 떨어지면서 실용화할 수 없는 기술적인 문제가 있다.

더욱이, 바텀애쉬의 용융점을 낮추어 바텀애쉬의 용융에 소요되는 연료비용과 용융시간을 감소시키기 위한 기술이 개발되고 있는데, 예컨대 바텀애쉬에 규석, 산화알루미나, 백운석, 망간, 마그네시아, 석탄 등 다양한 광물을 혼합하는 동시에 탄산칼슘 등과 같은 첨가재를 추가로 투여하여 바텀애쉬의 용융점을 낮추는 방법이 시도되고 있지만, 이 방법 또한 복잡한 생산설비와 생산공정 등에 따른 과다한 생산원가와 생산성 또는 효율성의 저하 등의 문제로 실용화에 어려움이 있다.

이때, 바텀애쉬의 용융점을 낮추기 위하여 첨가되는 각종 첨가물은 용융로에서 바텀애쉬의 연소시 함께 연소되면서 또 다른 산업폐기물을 발생시키게 되고, 이는 2차 환경오염을 야기시키게 된다.

한편, 광미(鑛尾, tailings)는 광산에서 채취한 광석을 밀링(milling)공정에 의해 파우더 형태로 만든 후에 부유선광을 거치고 남은 광산생산물의 찌꺼기로서, 그 활용도가 극히 낮아 주로 매립하는 정도에 그치고 있다.

그러나 이들 광미는 중금속 함량이 높아서 단순매립으로는 오히려 중금속의 용출에 의한 주변 환경의 오염의 결과를 가져오는 경우가 많아서 광산지역의 환경오염에 있어 큰 원인이 되고 있다.

한편, 그래핀(Graphene)은 흑연의 구성 물질로서, 흑연을 뜻하는 그래파이트(graphite)와 화학에서 탄소 이중결합을 가진 분자를 뜻하는 접미사 -ene을 결합해 만든 용어이다.

이때, 그래핀은 탄소 원자가 육각형 벌집구조로 한 층을 이루는 두께 0.35 nm의 2차원 평면 형태의 얇은 막 구조이며, 세상에서 가장 얇은 소재라 할 수 있다.

여기서, 그래핀은 상온에서 단위면적당 구리보다 약 100배 많은 전류를, 실리콘보다 100배 이상 빠르게 전달할 수 있을 뿐만 아니라 열전도성이 최고인 다이아몬드보다 2배 이상 높고, 기계적 강도는 강철보다 200배 이상 강한 것으로 알려져 있다.

특히, 그래핀은 신축성이 우수하여 늘리거나 접어도 전기전도성을 잃지 않고, 탄소가 마치 그물처럼 연결돼 벌집 구조를 통해 생긴 공간적 여유로 신축성이 생겨 구조가 변해도 비교적 잘 견딜 수 있으며, 육각형의 탄소 구조가 가지는 전자배치 특성 때문에 전도성을 잃지 않아 화학적으로 안정적이다.

먼저, 본 발명에서는 화력발전소의 바텀애쉬를 물 100중량부에 대해 10~30중량부의 비율로 혼합하여 애쉬혼합액을 조성하게 되는데, 이러한 애쉬혼합액의 혼합비율은 기포와 함께 떠오르는 탄소분말이 산화철에 의한 물리적 스크린 작용 및 충돌에 의해 탄소의 분리효율이 감소되는 현상을 방지하기 위한 함량인 동시에 단시간에 대량처리 가능한 함량이다.

상기 애쉬혼합액에 규산나트륨, 포집제, 기포제를 각각 혼합하여 교반하게 되는데, 규산나트륨은 애쉬혼합액에서 바텀애쉬로부터 탄소와 산화철을 분리시키는 동시에 탄소분말의 부유를 촉진하게 되고, 포집제는 바텀애쉬의 탄소에 소수성을 부여하게 되며, 기포제는 탄소기포를 생성하도록 작용하게 된다.

상기 규산나트륨, 포집제, 기포제는 산화철의 응집을 방지하고, 바텀애쉬로부터 유리된 산화철과 탄소를 효과적으로 분리시키며, 기포에 의해 탄소가 산화철과 분리되어 효과적으로 부유선별되도록 작용하게 된다.

상기한 바텀애쉬의 분쇄공정과 애쉬혼합액의 부유선별공정을 수차례 반복함으로써 산화철과 탄소의 함량을 현저히 낮춘 정제애쉬를 생산하여 광물성 섬유의 원료로 사용하게 된다.

그리고, 본 발명에 따른 광미는 자력 감응 특성 차이를 이용하여 통상적인 자력선별기를 통해 비자성, 상자성, 강자성 광물들을 분리하여 선별하게 되고, 비금속 광물들 중에서도 비자성 광물만을 분리하여 광물성 섬유의 원료로 사용하게 된다.

이때, 본 발명에서는 상기 정제애쉬와 비자성 광미를 10~30㎛의 입자크기로 각각 분쇄한 후, 1:1의 중량비로 혼합 교반한 다음, 상기 혼합분말을 220~300℃의 건조로에서 1 내지 2시간 동안 건조시키어 10~20중량비의 수분함량을 갖도록 구성되어 있다.

또한, 상기 혼합분말을 pH 2 이하의 인산(H₃PO₄)용액에 침지시켜 표면개질을 위한 산처리를 실시하게 되고, 산처리된 혼합분말을 다시 pH 10 이상의 수산화칼슘(Ca(OH)₂)에 침지시켜 알카리처리를 실시하게 된다.

이때, 알카리처리단계에서 정제애쉬에 존재하는 실리카(SiO₂)의 비표면적이 물리적으로 증가하면서 비자성 물질의 흡착이 이루어지게 되고, 이에 따라 정제애쉬와 비자성 광미의 나노입자가 서로 흡착되면서 복합나노입자를 형성하게 된다.

여기서, 상기 정제애쉬와 비자성 광미의 복합나노입자는 220~300℃의 건조로에서 1 내지 2시간 동안 건조시킨 후, 다시 30~55㎛의 입자크기로 각각 분쇄하고, 100중량%에 대해 1500중량%의 물에 분산시켜 복합나노입자 분산액을 제조하게 된다.

한편, 본 발명에서 그래핀의 나노입자는 본 발명에서는 그래파이트 분말과 물을 0.4~0.8:100의 중량비로 혼합하여 그래파이트용액을 제조한 후, 그래파이트용액에 계면활성제를 그래파이트용액 100중량부에 대해 6~14 중량부의 비율로 첨가하여 혼합하게 된다.

이때, 그래파이트 분말은 4~10㎛의 입자크기를 가지는데, 4㎛ 미만의 입자크기에서는 그래핀의 입자제조가 어렵고, 05㎛를 초과하는 과대한 입자크기는 반응시간을 지연시키는 원인을 제공하게 된다.

또한, 그래파이트용액에 첨가되는 계면활성제는 소듐 올레이트, 소듐 도데실설포네이트, 세틸트리메틸암모늄 크로라이드,세틸트리메틸 암모늄 브로마이드, 다이옥틸 소듐 설포숙신네이트중에서 선택된 하나 이상이 사용될 수 있는데, 그래파이트용액 100중량부에 대해 6중량부 미만으로 첨가될 경우 그래파이트의 층분리가 원활하지 않아 분산이 어려운 문제가 발생하고, 그래파이트용액 100중량부에 대해 14중량부를 초과하여 첨가될 경우 그래파이트의 입자를 침전시켜 오히려 분산을 방해하는 문제가 초래된다.

그리고, 본 발명에서는 계면활성제를 첨가한 그래파이트용액에 초음파를 조사하는 공정을 거치게 되는데, 이는 그래파이트용액내 그래파이트의 분말입자크기를 최소화하고, 계면활성제에 의한 분산효과를 극대화하면서 그래파이트의 층분리에 의한 그래핀의 제조를 돕는 작용을 하게 된다.

본 발명에서는 상기한 공정을 거쳐 그래파이트용액에서 그래파이트를 그래핀으로 만들어 그래핀의 나노입자 분산액을 제조할 수 있게 된다.

본 발명에서는 상기와 같이 제조된 그래핀의 나노입자 분산액과, 바텀애쉬와 광미의 복합나노입자 분산액을 각각 액적상태로 분무하게 되고, 분산액의 액적 분무에 초음파를 조사하여 건조 처리를 진행하여 그래핀의 나노입자와, 바텀애쉬와 광미의 복합나노입자로 조성된 광물성 섬유의 원료조성물을 제조하게 된다.

이때, 본 발명에 따른 광물성 섬유의 원료조성물은 그래핀의 나노입자가 응집체인 바텀애쉬와 광미의 복합나노입자 표면을 감싸는 구조를 형성하게 된다.

이와 같이, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 이는 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도내에서 여러가지 변형이 가능함은 물론이다.

그러므로, 본 발명의 실질적인 범위는 상술된 실시예에 의해 한정되어져서는 안되며, 후술하는 청구범위 뿐만 아니라 청구범위와 균등한 구성에 의해 정해져야 함은 당연하다.

Claims

정제애쉬와 광미의 복합나노입자 분산액과 그래핀의 나노입자 분산액을 각각 액적상태로 분무하면서 초음파를 조사하여 건조 처리함으로써 그래핀의 나노입자가 기저응집체인 정제애쉬와 광미의 복합나노입자 표면을 감싸도록 제조하되,
정제애쉬와 광미의 복합나노입자 분산액은 정제애쉬와 비자성 광미를 10~30㎛의 입자크기로 각각 분쇄한 후, 1:1의 중량비로 혼합 교반하여 혼합분말을 제조하고, 상기 혼합분말을 10~20중량비의 수분함량을 갖도록 220~300℃에서 건조시킨 다음, pH 2 이하의 인산(H₃PO₄)용액에서 표면개질을 위한 산처리를 실시한 후, pH 10 이상의 수산화칼슘(Ca(OH)₂)에서 알카리처리를 하여 상기 정제애쉬와 비자성 광미의 나노입자가 서로 흡착된 복합나노입자를 형성하며, 상기 정제애쉬와 비자성 광미의 복합나노입자는 220~300℃의 건조로에서 1 내지 2시간 동안 건조시킨 후, 다시 30~55㎛의 입자크기로 각각 분쇄하고, 100중량%에 대해 1500중량%의 물에 분산시켜 복합나노입자 분산액을 제조하며,
그래핀의 나노입자 분산액은 그래파이트 분말과 물을 0.4~0.8:100의 중량비로 혼합하여 그래파이트용액을 제조한 후, 상기 그래파이트용액에 계면활성제를 그래파이트용액 100중량부에 대해 6~14 중량부의 비율로 첨가하여 제조되는 것을 특징으로 하는 광물성 섬유의 원료조성물.