KR20200057166A

KR20200057166A - 비소, 크롬의 흡착 및 탈착이 가능한 세라믹볼의 제조방법

Info

Publication number: KR20200057166A
Application number: KR1020180141083A
Authority: KR
Inventors: 조호영; 김진석; 이순재; 이영재; 김봉주; 나선원; 이선용; 공윤식
Original assignee: 고려대학교 산학협력단
Priority date: 2018-11-15
Filing date: 2018-11-15
Publication date: 2020-05-26
Also published as: KR102128727B1

Abstract

본 명세서는 알루미늄 산화물, 규산염 광물, 바인더 및 영가철을 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계; 상기 혼합물을 압출하여 압출물을 생성하는 단계;및 상기 압출물을 건조하고 소성하는 단계;를 포함하고, 상기 소성하는 단계는, 1000℃ 내지 1300℃의 온도범위에서 열처리하여 소성시키거나, 또는, 제1마이크로파 처리로 소성하는 것을 특징으로 하는 세라믹볼의 제조방법을 개시한다.

Description

비소, 크롬의 흡착 및 탈착이 가능한 세라믹볼의 제조방법{Manufacturing method of ceramic balls capable of adsorption and desorption of arsenic and chromium}

본 발명은 세라믹볼의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 유해 물질인 비소 및 크롬의 흡착 및 탈착이 용이한 물리적 성질을 가지는 세라믹볼의 제조방법에 관한 것이다.

다양한 산업 분야의 발전과 더불어 무분별한 광업개발로 인해 중금속 등으로 인한 토양 및 지하수오염이 문제가 되고 있다. 중금속은 독성 유기화합물과 달리 생물 분해성이 없으므로 생물체 내에 축적되어 다양한 질병과 장해를 유발하는 것으로 알려져 있다. 이에 따라 중금속에 의한 환경오염에 대한 관심과 함께 중금속에 대한 오염처리 기술에 대한 중요성이 강조되고 있다.

비소와 크롬 등의 중금속은 지하수의 pH에 따라 다양한 산화수를 갖는 산소계 음이온으로 존재하며, 비소와 크롬의 수처리에 있어서는 산화/환원에 의한 처리와 함께 흡착 처리 방법이 이용된다. 한편, 비소를 제외한 중금속 들은 대부분 알칼리성 환경인 높은 pH 영역에서 수산화물을 생성하며 침강, 흡착하기 때문에 처리하기 용이하다. 그러나 비소의 경우는 -3, 0, +3, +5의 산화상태로 존재하며 높은 pH 영역에서 용해도가 크기 때문에 쉽게 처리되지 않는 문제가 있다.

한편, 이를 처리하기 위해서는 중성영역에서 활성알루미나, 활성탄, 철 수산화물 등을 이용하여 흡착시키는 방법이 사용되어 왔으나, 이러한 기존의 중금속 흡착제로 사용될 수 있는 물질들은 토양 등에 혼합하거나 투수성 반응 벽체의 재료로 사용할 경우 유실될 수 있는 가능성이 크기 때문에 그 사용이 어려운 문제가 있었다. 따라서, 비소 및 크롬등의 중금속을 효과적으로 제거할 수 있는 흡착제의 개발이 요구되고 있다.

한국등록특허 제10-1111536호

본 발명은 상술한 기술적 과제는 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 유해 물질인 비소 및 크롬의 흡착 및 탈착이 용이한 물리적 성질을 가지는 세라믹볼의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상술한 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 명세서는 알루미늄 산화물, 규산염 광물, 바인더 및 영가철을 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계; 상기 혼합물을 압출하여 압출물을 생성하는 단계;및 상기 압출물을 건조하고 소성하는 단계;를 포함하는 세라믹볼의 제조방법을 개시한다.

또한, 본 발명의 각 세라믹볼의 제조방법에 있어서, 압출물을 소성하는 단계는, 1000℃ 내지 1300℃의 온도범위에서 열처리하여 소성시키거나, 또는, 제1마이크로파 처리로 소성하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 각 세라믹볼의 제조방법에 있어서, 알루미늄 산화물은 Al₂O₃, Al₂(SO₄)₃, Al(OH)₃, C₉H₁₅AlO₉ 및 Al(NO₃)로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 각 세라믹볼의 제조방법에 있어서, 규산염 광물은 맥반석, 흑운모, 거정석, 화강암, 석영 및 장석으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 각 세라믹볼의 제조방법에 있어서, 알루미늄 산화물은 86중량% 내지 90중량%, 상기 규산염 광물은 3중량% 내지 5중량%, 상기 바인더는 7중량% 내지 9중량%를 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 각 세라믹볼의 제조방법에 있어서, 영가철의 함유량은 세라믹볼의 총 중량을 기준으로 5% 내지 40%를 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 각 세라믹볼의 제조방법에 있어서, 상기 압출물의 직경이 3mm 내지 10mm인 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 각 세라믹볼의 제조방법에 있어서, 혼합된 압출물의 건조는, 70℃ 내지 100℃의 온도범위에서 650분 내지 750분 동안 수행되는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 각 세라믹볼의 제조방법에 있어서, 제1마이크로파 처리는 1000W 내지 5000W의 출력범위에서 수행되는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 각 세라믹볼의 제조방법에 있어서, 제조된 세라믹볼에 중금속을 흡착시킨 후, 제2마이크로파 처리로 중금속을 탈착시키는 단계;를 더 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 각 세라믹볼의 제조방법에 있어서, 제2마이크로파 처리는 500W 내지 5000W의 출력범위에서 수행되는 것이 바람직하다.

본 발명은 중금속의 흡착능력이 뛰어난 세라믹볼을 제조할 수 있다.

또한, 본 발명은 폐수 중의 중금속을 흡착하기 위한 흡착제, 중금속에 오염된 토양으로부터 중금속이 유출되는 것을 방지할 수 있는 유출방지제, 투수성 반응벽체의 벽체재료 등으로 사용할 수 있는 세라믹볼을 제조할 수 있다.

또한, 본 발명은 매우 간단하고 경제적인 방법으로 중금속의 흡착 및 탈착이 가능한 세라믹볼을 제조할 수 있다.

도 1은 본 발명의 세라믹볼의 제조방법을 요약한 흐름도이다.
도 2a는 본 발명의 세라믹볼의 pH에 따른 중금속 제거율을 도시한 것이다.
도 2b는 본 발명의 세라믹볼의 pH에 따른 중금속 흡착량을 도시한 것이다.
도 2c는 본 발명의 세라믹볼의 중금속 농도에 따른 중금속 제거율을 도시한 것이다.
도 2d는 본 발명의 세라믹볼의 중금속 농도에 따른 중금속 흡착량을 도시한 것이다.
도 3a는 본 발명의 세라믹볼의 영가철 함량에 따른 중금속 제거율을 도시한 것이다.
도 3b는 본 발명의 세라믹볼의 영가철 함량에 따른 중금속 흡착량을 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 세라믹볼의 2회의 흡착배치 실험후의 중금속 제거율과 기 사용된 세라믹볼을 제2마이크로파 처리 후의 중금속 제거율을 도시한 것이다.

본 출원에서 사용하는 용어는 단지 특정한 예시를 설명하기 위하여 사용되는 것이다. 때문에 가령 단수의 표현은 문맥상 명백하게 단수여야만 하는 것이 아닌 한, 복수의 표현을 포함한다. 덧붙여, 본 출원에서 사용되는 "포함하다" 또는 "구비하다"등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 기능, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 명확히 지칭하기 위하여 사용되는 것이지, 다른 특징들이나 단계, 기능, 구성요소 또는 이들을 조합한 것의 존재를 예비적으로 배제하고자 사용되는 것이 아님에 유의해야 한다.

한편, 다르게 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진 것으로 보아야 한다. 따라서, 본 명세서에서 명확하게 정의하지 않는 한, 특정 용어가 과도하게 이상적이거나 형식적인 의미로 해석되어서는 안 된다.

도 1은 본 발명의 세라믹볼의 제조방법을 요약한 흐름도이다. 본 발명의 세라믹볼의 제조방법은 개괄적으로 알루미늄 산화물, 규산염 광물, 바인더 및 영가철을 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계와 상기 혼합물을 압출, 건조 및 소성하여 본 발명의 세라믹볼을 수득하는 단계로 요약될 수 있다.

세부적으로, 본 발명의 세라믹볼의 제조방법은 알루미늄 산화물, 규산염 광물, 바인더 및 영가철을 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계; 상기 혼합물을 압출하여 압출물을 생성하는 단계; 및 상기 압출물을 건조하고 소성하는 단계;를 포함한다. 이하에서는 본 발명의 세라믹볼의 제조방법과 관련하여, 각 단계를 더욱 구체적으로 분설한다.

본 발명의 세라믹볼의 제조방법은 알루미늄 산화물, 규산염 광물, 바인더 및 영가철을 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계를 포함한다. 본 발명의 알루미늄 산화물 및 영가철은 본 발명의 세라믹볼의 중금속 흡착능을 결정짓는 구성요소 중 하나이다.

구체적으로, 본 발명의 세라믹볼은 알루미늄 산화물, 규산염 광물, 바인더 및 영가철을 구성요소로 한다.

상기 알루미늄 산화물은 폐수에 잔존하는 중금속의 흡착 능력이 우수한 물질로 알려져 있다. 특히, 알루미늄 수산화물은 5가 비소의 흡착능이 높으며, 환원에 의한 비소의 탈착 효율이 낮은 특성을 나타내며, 활성 알루미나는 공극이 많고 높은 비표면적을 가지고 있어 비소와 크롬 등의 중금속 이온에 대한 흡착능이 높은 특성을 나타낸다. 한편, 본 발명의 세라믹볼의 비소 및 크롬 등의 중금속 이온에 대한 흡착능을 향상시킬 수 있다는 관점에서, 상기 알루미늄 산화물은 Al₂O₃, Al₂(SO₄)₃, Al(OH)₃, C₉H₁₅AlO₉ 및 Al(NO₃)로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 각 세라믹볼의 제조방법에 있어서, 상기 규산염 광물은 맥반석, 흑운모, 거정석, 화강암, 석영 및 장석으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 각 세라믹볼의 제조방법에 있어서, 상기 알루미늄 산화물은 86중량% 내지 90중량%, 상기 규산염 광물은 3중량% 내지 5중량%, 상기 바인더는 7중량% 내지 9중량%를 포함하는 것이 바람직하다.

상기 알루미늄 산화물 및 규산염 광물이 각각 86중량%, 3중량% 미만일 경우, 세라믹볼의 중극속 흡착능이 감소하는 문제점이 발생할 수 있다. 반대로, 상기 알루미늄 산화물 및 규산염 광물이 각각 90중량%, 5중량% 초과할 경우, 세라믹볼을 제조하는 공정비용이 상승되는 문제점이 발생할 수 있다.

또한, 상기 바인더가 7중량% 미만일 경우, 상기 알루미늄 산화물 및 규산염 광물 사이의 접착력이 감소되어 세라믹볼의 기계적 강도가 감소하는 문제점이 발생할 수 있다. 반대로, 상기 바인더가 9중량% 초과할 경우, 상대적으로 세라믹볼에 포함되는 상기 알루미늄 산화물 및 규산염 광물의 중량%가 감소하여 세라믹볼의 중금속 흡착능이 감소하는 문제점이 발생할 수 있다.

한편, 본 발명의 각 세라믹볼의 제조방법에 있어서, 상기 영가철의 함유량은 세라믹볼의 총 중량을 기준으로 5% 내지 40%를 포함하는 것이 바람직하다. 상기 영가철의 함유량이 세라믹볼의 총 중량을 기준으로 5% 미만일 경우, 중금속 중의 3가 비소(As)의 흡착능이 감소하는 문제점이 발생할 수 있다. 반대로, 영가철의 함유량이 세라믹볼의 총 중량을 기준으로 40% 초과할 경우, 중금속 중의 크롬(Cr)의 흡착능이 감소하는 문제점이 발생할 수 있다. 따라서, 비소 및 크롬의 흡착 능력을 향상시킨다는 관점에서, 상기 범위를 만족하는 것이 바람직하다.

본 발명의 세라믹볼의 제조방법은 혼합물을 압출하여 압출물을 생성하는 단계를 포함한다. 상기 혼합물을 압출하여 압출물을 생성하는 단계는, 혼합물을 구 형태로 성형하는 단계로 그 크기를 다양하게 조절하여 제조할 수 있으나, 상기 압출물의 직경이 3mm 내지 10mm인 것이 바람직하다.

본 발명의 세라믹볼의 제조방법은 압출물을 건조하는 단계를 포함한다.

상기 건조하는 단계는 구 형태로 형성된 압출물의 표면에 있는 수분을 완전히 제거하기 위한 단계로, 건조기에 상기 압출물을 넣은 후, 70℃ 내지 100℃의 온도범위에서 650분 내지 750분 동안 수행되는 것이 바람직하다. 상기의 건조 단계를 통하여 압출물이 소성하는 과정에서 발생할 수 있는 뒤틀림 현상이나 균열 현상을 방지할 수 있다.

본 발명의 세라믹볼의 제조방법은 압출물을 소성하는 단계를 포함한다.

상기 소성하는 단계는, 1000℃ 내지 1300℃의 온도범위에서 열처리하여 소성하는 것이 바람직하며, 또는 본 발명의 세라믹볼의 제조방법에 있어서, 상기 소성하는 단계는 제1마이크로파로 처리하여 소성하는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 제1마이크로파로 처리하여 소성하는 단계는, 압출물을 소성하기 위한 가열원으로써 마이크로파를 이용하는 것을 의미한다.

일반적으로 마이크로파는 주파수 300MHz ~ 300GHz(파장 1m ~ 1mm)의 범위에 있는 전자파를 의미하며, 일상생활에서 사용되고 있는 마이크로파는 전자 레인지로, 2.45 GHz의 주파수, 0.2 ~ 3kW의 출력을 가지고 있다.

마이크로파를 이용한 소성의 원리는 마이크로파를 물질에 인가했을 때 발생되는 쌍극자 분극현상에 의한 것으로, Fe₂O₃, Fe₃O₄, FeO 또는 Al₂O₃　등으로 세라믹 재료들이 안정한 형태로 존재하는 입자에 마이크로파를 조사하면 마이크로파가 극성을 띄는 Fe₂O₃, Fe₃O₄, FeO 또는 Al₂O₃ 분자입자들을 201진동시키면서 비전도성인 세라믹 재료의 내부에 마이크로파의 흡수에 의해 가열되면서 발열하는 것이다.

본 발명의 세라믹볼을 소성하는 단계에서, 제1마이크로파 처리는 1000W 내지 5000W의 출력범위에서 수행되는 것이 바람직하다. 상기 제1마이크로파의 출력이 1000W 미만인 경우, 상기 압출물에 충분한 에너지 공급이 이루어지지 않아 소성이 잘 되지 않은 문제점이 발생할 수 있다. 반대로, 제1마이크로파의 출력이 5000W 초과인 경우 지나친 에너지 공급으로 인하여, 상기 압출물이 뒤틀리거나 용융되는 문제점이 발생할 수 있다.

한편, 본 발명의 세라믹볼의 제조방법은 제조된 세라믹볼에 중금속을 흡착시킨 후, 제2마이크로파 처리로 중금속을 탈착시키는 단계;를 더 포함한다.

상기 제2마이크로파 처리로 중금속을 탈착시키는 단계에서, 제2마이크로파 처리는 500W 내지 5000W의 출력범위에서 수행되는 것이 바람직하다. 상기 제2마이크로파의 출력이 500W 미만인 경우, 중금속의 탈착이 원할하게 이루어지지 않은 문제점이 있다. 반대로, 제2마이크로파의 출력이 5000W를 초과할 경우, 압출물이 용융되어 변형되는 단점이 있다. 따라서, 본 발명의 세라믹볼의 탈착능을 향상시킨다는 관점에서, 상기 범위를 만족하는 것이 바람직하다.

이하, 첨부한 도면, 제조예, 및 실시예들을 참조하여 본 명세서가 청구하는 바에 대하여 더욱 자세히 설명한다. 다만, 본 명세서에서 제시하고 있는 도면, 제조예, 내지 실시예 등은 통상의 기술자에게 의하여 다양한 방식으로 변형되어 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 본 명세서의 기재사항은 본 발명을 특정 개시 형태에 한정되는 것이 아니고 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 균등물 내지 대체물을 포함하고 있는 것으로 보아야 한다.

{실시예}

실시예 1: 영가철의 함유량이 10%인 세라믹볼의 제조

산화알루미늄 88중량%, 점토광물 4중량%, 장석 4중량%, 이산화 규소 4중량% 및 메틸셀룰로우스계 바인더 8중량%에 약 20중량%의 물과 약 5중량%의 글리세린을 혼합한 혼합용매를 넣은 후, 슬러지를 제조하였다. 제조된 슬러지에 영가철을 10% 추가하고, 믹서기로 혼합하여 혼합물을 제조하였다. 상기 혼합물을 압출기를 통하여 직경이 4mm의 구형이 되도록 압출하였다. 상기 압출물을 80℃에서 12시간 건조하고, 건조된 압출물을 마이크로파(2.45GHz, 1100W)를 이용하여 20분간 소성하여 세라믹볼을 수득하였다.

실시예 2: 영가철의 함유량이 30%인 세라믹볼의 제조

영가철의 함량이 30%인 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 세라믹 볼을 제조하였다.

비교예 1: 영가철의 함유량이 0%인 세라믹볼의 제조

영가철을 함량이 0%인 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 세라믹 볼을 제조하였다.

{평가}

1. 본 발명의 세라믹볼의 중금속 흡착능력

1.1 pH에 따른 중금속 흡착능력

본 발명의 세라믹볼의 pH에 따른 중금속 흡착능력을 평가하기 위하여, 물에 비소(As(III), As(V)) 및 크롬(Cr(VI))을 넣어 총 농도가 5ppm인 중금속 용액을 제조하였다. 이 때, 제조된 중금속 용액에 황산을 첨가하여 pH가 각각 pH 3 및 pH 5가 되도록 조절하였다. 제조된 중금속 용액에 상기 실시예 2에서 제조된 세리믹볼을 각각 넣은 후, 상온에서(25℃)에서 160rpm의 속도로 48시간동안 교반하여 반응시켰다.

반응 후, 상기 중금속 용액을 5000rpm의 속도로 10분간 원심분리하고, 상등액만을 취하여 유도결합 플라즈마(ICP, Inductivity Coupled Plasma-Optical Emission Spectroscopy)를 이용하여 용액 내의 중금속 이온의 양을 분석하였다.

표 1은 중금속인 비소(As(III), As(V)) 및 크롬(Cr(VI))가 포함된 중금속 용액의 pH에 따른 중금속 제거율 및 흡착량을 나타낸 것이다.

중금속 종류	실시예 2
	pH 3		pH5
	제거율 (%)	흡착량 (mg/g)	제거율 (%)	흡착량 (mg/g)
As(III)	99.1	0.028	39.5	0.012
As(V)	55.9	0.015	51.0	0.015
Cr(VI)	56.0	0.016	9.5	0.001

표 1, 도2a 및 도 2b를 참조하면, pH 3인 조건에서 As(V)의 제거율이 99.1%로 가장 높았으며, As(III) 및 Cr(VI)의 제거율은 각각 55.9%, 56.0%로 유사하게 측정된 것을 확인할 수 있었다. 이는, 본 발명의 세라믹볼은, 세라믹볼을 구성하는 알루미늄 산화물 및 영가철(철 산화물)에 의해 강산성인 pH 3 조건의 용액상에서 표면이 양전하를 띠는 특성을 나타내는데, 이로 인해 강산성인 pH 3 조건의 용액상에서 음이온 형태로 존재하는 중금속의 흡착능력이 높아진 것을 의미한다.

한편, pH 5인 조건에서는 pH 3인 조건과 비교했을 때, As(III) 및 Cr(VI)의 제거율이 급격하게 감소함을 확인할 수 있다.

크롬의 경우에는 약산성인 pH 5의 조건에서, Cr(VI)에서 Cr(III)로 환원이 진행되기 때문에 강산성인 pH 3의 조건과 비교하였을 때, Cr(VI)의 제거율이 낮게 측정됨을 알 수 있으며, 비소의 경우에는 약산성의 pH조건(pH 5) 비소의 용해도가 크기 때문에 강산성의 pH조건(pH 3)과 동일한 시간으로 중금속 흡착실험을 진행할 경우, 강산성인 pH 3 조건과 비교하였을 때, 비소의 제거율이 비교적 낮게 측정됨을 알 수 있다.

1.2 중금속의 농도 및 교반시간에 따른 중금속 흡착능력

중금속의 농도 및 반응시간에 따른 본 발명의 세라믹볼의 중금속 흡착능력을 평가하기 위하여, 비소(As(III), As(V)) 및 크롬(Cr(VI))의 총 농도가 각각 5ppm, 10 ppm인 중금속 용액을 제조하였다. pH는 중금속의 농도와 상관없이 pH 3으로 동일하게 조절하였다.

제조된 중금속 용액에 상기 실시예 2에서 제조된 세리믹볼을 각각 넣은 후, 상온에서(25℃)에서 160rpm의 속도로 24시간 내지 48시간동안 교반하여 반응시켰다.

표 2는 본 발명의 세라믹볼의 중금속 농도에 따른 중금속 제거율 및 흡착량을 나타낸 것이다.

중금속 종류	실시예 2
	5ppm				10 ppm
	24h		48h		24h
	제거율 (%)	흡착량 (mg/g)	제거율 (%)	흡착량 (mg/g)	제거율 (%)	흡착량 (mg/g)
As(III)	33.9	0.009	55.9	0.015	24.2	0.012
As(V)	84.8	0.024	99.0	0.028	67.4	0.041
Cr(VI)	55.6	0.016	-	-	19.5	0.01

표 2, 도 2c 및 도 2d를 참조하면, 동일한 반응시간 조건에서, 중금속의 농도가 10ppm일 경우, As(III)와 As(V)의 제거율은 각각 24.2%, 67.4%로 측정되었으며, 중금속의 농도가 5ppm일 경우, As(III)와 As(V)의 제거율은 각각 33.9%, 84.8%로 측정되었으며, 중금속의 농도가 낮을 경우 제거율이 10~17% 정도 낮게 측정된 것을 확인할 수 있었다.

한편, 반응시간이 24 h에서 48 h으로 늘어남에 따라 As(III) 제거율은 33.9%에서 55.9%로, As(V)의 제거율은 84.8%에서 99.0%로 증가된 것을 확인할 수 있다. 흡착량 또한 As(III)는 0.009 mg/g에서 0.015 mg/g, As(V)는 0.024 mg/g에서 0.028 mg/g로 증가된 것을 확인할 수 있다. 이로부터, 본 발명의 세라믹볼의 중금속 제거율은 중금속 농도에 반비례하며, 반응 시간에 비례한다는 것을 확인할 수 있었다.

1.3 영가철 함유량에 따른 중금속의 흡착능력

본 발명의 세라믹볼에 포함된 영가철의 함유량에 따른 중금속 흡착능력을 알아보기 위하여, 비소(As(III), As(V)) 및 크롬(Cr(VI))의 총 농도가 각각 5ppm이고, pH는 3으로 조절하여 중금속 용액을 제조하였다. 제조된 중금속 용액에 상기 실시예 1 내지 2 및 비교예에 따라 제조된 세리믹볼을 각각 넣은 후, 상온에서(25℃)에서 160rpm의 속도로 48시간동안 교반하여 반응시켰다.

표 3은 본 발명의 세라믹볼의 영가철 함유량에 따른 중금속 제거율 및 흡착량을 나타낸 것이다.

중금속 종류	실시예 1		실시예 2		비교예 1
중금속 종류	제거율 (%)	흡착량 (mg/g)	제거율 (%)	흡착량 (mg/g)	제거율 (%)	흡착량 (mg/g)
As(III)	42.1	0.010	55.9	0.015	4.5	0.001
As(V)	99.1	0.026	99.1	0.029	85.1	0.025
Cr(VI)	43.5	0.013	55.0	0.015	5.0	0.002

표 3을 참조하면, 실시예 1에서 제조된 세라믹볼은 As(III)의 제거율과 흡착량이 각각 42.1%, 0.010 mg/g으로 측정되었으며, 실시예 2에서 제조된 세라믹볼은 As(III)의 제거율과 흡착량은 각각 55.9%, 0.015 mg/g으로 측정된 것을 확인할 수 있었으며, 반면에, 비교예 1에서 제조된 세라믹볼의 경우, As(III)의 제거율과 흡착량이 거의 0에 가깝게 측정되었다.

도 3a 및 도 3b를 참조하면, 영가철의 함유량이 가장 높은 실시예 2의 각 중금속의 제거율과 흡착량이 2/3배정도 높은 값을 나타내는 것을 확인할 수 있었다. As(V)와 Cr(VI)에서도 동일한 경향을 나타나는 것을 확인할 수 있다.

본 발명의 세라믹볼의 중금속 흡착특성은 세라믹볼을 구성하는 영가철과 알루미늄 산화물의 흡착특성에 의해 결정된다. 특히, 영가철 즉, 철 산화물의 흡착능력은 알루미늄 산화물보다 높은 것으로 알려져 있다.

따라서, 도 3a 및 도 3b를 참조하면, 알루미늄 산화물보다 영가철(즉, 철 산화물)의 함유량이 높은 실시예 2의 세라믹볼이 비교예 1에 비해 개선된 중금속 흡착특성을 나타낸다는 것을 알 수 있다.

2. 본 발명의 세라믹볼의 중금속 탈착 능력

도 4는 본 발명의 세라믹볼의 2회의 흡착배치 실험후의 중금속 제거율과 기 사용된 세라믹볼을 제2마이크로파 처리 후의 중금속 제거율을 도시한 것이다.

본 발명의 세라믹볼의 흡착배치 실험은, 비소(As(III), As(V)) 및 크롬(Cr(VI))의 총 농도가 각각 5ppm이고, pH는 3으로 조절하여 중금속 용액을 제조하여 진행하였다. 또한, 제조된 중금속 용액에 상기 실시예 2에서 제조된 세리믹볼을 각각 넣은 후, 상온에서(25℃)에서 160rpm의 속도로 48시간동안 교반하여 반응시킨 후, 상기 중금속 용액을 5000rpm의 속도로 10분간 원심분리하고, 상등액만을 취하여 유도결합 플라즈마(ICP, Inductivity Coupled Plasma-Optical Emission Spectroscopy)를 이용하여 용액 내의 중금속 이온의 양을 분석하였다.

이러한 과정을 2회 진행하여 각각의 흡착배치 실험후의 중금속 제거율을 측정하였다.

한편, 본 발명의 중금속 탈착능에 대한 실험은, 2회의 흡착배치 실험 후의 세라믹볼을 1100W의 출력으로 마이크로파를 20분간 조사하고, 상기 흡착배치 실험을 1회 진행한 세라믹볼의 제거율을 측정하였다.

도 4를 참조하면, 각 중금속의 제거율은 2회 진행 후 급격하게 감소됨을 확인할 수 있었다. As(V)는 1회 흡착배치 실험 후의 제거율이 가장 높게 측정되었으며, 마이크로파 처리에 의한 탈착 후의 중금속 제거율은 2회 흡착배치 실험 후의 중금속 제거율이 보다 높게 측정된 것을 확인할 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 세라믹볼은 흡착배지 실험 후, 제2마이크로파 처리에 의해 세라믹볼의 흡착능이 회복되어 재활용이 가능하다는 것을 알 수 있다.

한편, As(III) 및 Cr(VI)의 경우에는 1회의 흡착배치 실험의 중금속 제거율 보다 제2마이크로파 처리 후의 중금속 제거율이 높게 측정된 것을 확인할 수 있다. 이는, 제2마이크로파 처리에 의한 중금속의 탈착 효과뿐만 아니라, 세라믹볼이 재 소성되는 효과로 인해, 개선된 전기적 특성 및 흡착특성 등을 나타낸다.

이상과 같이 실시예를 통하여 본 발명을 설명하였다. 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 상술한 실시예들은 모든 면에 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 한다. 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims

알루미늄 산화물, 규산염 광물, 바인더 및 영가철을 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계;
상기 혼합물을 압출하여 압출물을 생성하는 단계;및
상기 압출물을 건조하고 소성하는 단계;를 포함하고,
상기 소성하는 단계는,
1000℃ 내지 1300℃의 온도범위에서 열처리하여 소성시키거나, 또는,
제1마이크로파 처리로 소성하는 것을 특징으로 하는 세라믹볼의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 알루미늄 산화물은 Al₂O₃, Al₂(SO₄)₃, Al(OH)₃, C₉H₁₅AlO₉ 및 Al(NO₃)로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹볼의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 규산염 광물은 맥반석, 흑운모, 거정석, 화강암, 석영 및 장석으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹볼의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 알루미늄 산화물은 86중량% 내지 90중량%, 상기 규산염 광물은 3중량% 내지 5중량%, 상기 바인더는 7중량% 내지 9중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹볼의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 영가철의 함유량은 세라믹볼의 총 중량을 기준으로 5% 내지 40%를 포함하는 것을 하는 세라믹볼의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 압출물의 직경이 3mm 내지 10mm인 것을 특징으로 하는 세라믹볼의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 압출물의 건조는, 70℃ 내지 100℃의 온도범위에서 650분 내지 750분 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 세라믹볼의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 제1마이크로파 처리는 1000W 내지 5000W의 출력범위에서 수행되는 것을 특징으로 하는 세라믹볼의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 제조된 세라밀볼에 중금속을 흡착시킨 후, 제2마이크로파 처리로 중금속을 탈착시키는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹볼의 제조방법.
제9항에 있어서,
상기 제2마이크로파 처리는 500W 내지 5000W의 출력범위에서 수행되는 것을 특징으로 하는 세라믹볼의 제조방법.