KR20240041129A - 발포 석고의 제조방법 및 그에 따라 제조된 발포 석고 - Google Patents

발포 석고의 제조방법 및 그에 따라 제조된 발포 석고 Download PDF

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KR20240041129A
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Abstract

본 발명은, 황산 및 석회석을 주반응기에 투입하는 단계; 황산과 석회석을 반응시켜 석고를 합성하는 단계; 상기 석고 합성 시 발생하는 이산화탄소를 포집하는 단계; 물과 분말상태의 석회를 주반응기에 더 투입하는 단계; 상기 석고에 물과 석회를 혼합하는 단계; 상기 혼합물을 하부 노즐을 통해 발포기로 이동시키는 단계; 및 상기 포집된 이산화탄소를 상기 발포기에 주입함으로써 상기 석회를 탄산화하여 발포시키는 단계;를 구비하는 것을 특징으로 하는, 발포 석고의 제조 방법 및 그에 따라 제조된 발포 석고에 관한 것이다.

Description

발포 석고의 제조방법 및 그에 따라 제조된 발포 석고{THE MANUFACTURING METHOD OF FOAMED GYPSUM AND FORAMED GYPSUM MANUFACTURED BY THE SAME}
본 발명은, 발포 석고의 제조방법 및 그에 따라 제조된 발포 석고에 관한 것이다.
지금까지의 석고는 발전소 배연탈황석고나 천연석고 또는 인산비료 공정에서 발생하는 황산 폐수 정제 석고 등이 사용되어 왔다. 이 중에서 천연석고는 가격이 비싸고, 발전소 배연탈황석고는 석탄화력발전소 배출 가스 정제 과정에서 발생하게 되어 유연탄 연소 후 발생한 배출 가스 세정 공정에서 나오는 부산물이기 때문에 배출 가스에 포함되어 있던 질소 산화물, 중금속 및 기타 확인되지 않은 유해물질에 대한 사회적 우려가 존재한다. 또한, 인산 석고는 라돈 등의 방사성 물질이 검출될 수 있어서 석고보드 등에는 사용이 금지되었다.
이에 대한민국 등록특허공보 10-2038327호에(이하, '선행문헌'이라 함)는 액상소석회와 황산폐수를 이용한 시멘트용 중화석고 제조 방법과 같은 중화처리 방법이 개시된다. 상기 선행문헌에 따르면, 미리 액상소석회를 제조하여 여기에 반도체 공정에서 발생하는 폐황산을 나누어 투입, 교반하여 석고를 제조하게 된다.
상기 선행문헌의 기술은 액상소석회를 만들어 폐황산과 반응시키기 때문에 액상소석회에 함유된 20 내지 70%의 수분으로 인해 혼합 공정상 수분이 많이 포함되어 최종 합성된 석고의 함수율이 40% 이상이 된다. 따라서 시멘트나 석고보드에 필요한 함수율 20% 이하의 고형 석고를 만들기 위해서는 대략 48시간 이상 야적하여 바람이 통하도록 섞어주면서 자연 건풍을 하거나 별도의 열풍 건조장치가 필요하게 된다. 이러한 추가 건조 공정에는 넓은 야적 공간 또는 대형 교반 장치, 장기간의 시간 등 부대 비용이 많이 소요된다. 또한 시중에 유통되는 발전소 탈황석고는 습식 침전, 압착 방식으로 제조하기 때문에 조직이 치밀하고 밀도가 높아 강도 특성은 우수하지만 실내 내장재로서 필요한 특징인 단열성, 흡음성 등은 매우 낮은 편이다. 그러한 이유로 실내 건축물 내장재로 석고보드를 사용하면서 스티로폼이나 특수 플라스틱 단열소재를 별도로 시공하게 된다. 하지만 스티로폼이나 플라스틱 등의 합성수지는 화재에 취약한 문제점을 수반한다.
따라서, 친환경적이면서도 경제적이고, 밀도, 강도 등의 물리적 특성이 우수하여 건축 내장재로 사용하기에 적합한 석고 제품의 개발이 필요한 실정이다.
대한민국 등록특허공보 10-2038327호
일반적으로 건축 내장재 등에 사용되는 석고보드는 용이한 제작을 위하여 경량화가 필요하며, 단열성과 흡음성 등의 특징을 필요로 한다. 이 경우, 천연석고는 조직이 치밀하고 중량이 상대적으로 무거우며 단단한 성질을 가지고 있어 강도특성은 우수하나 방음, 흡음성은 상대적으로 약하며, 국내에서 생산되지 않고 전량 외국의 광산에서 채취하여 수입되기 때문에 단가가 높다는 단점이 있다. 그럼에도 발전소 등에서 부산물로 발생하는 석고보다는 순도가 높고 인체 유해물질이 적어 생체 안전성이 높다는 면에서 일부 사용되고 있다.
따라서, 단열성, 흡음성 등의 성질을 가지면서 가벼우며 건축 내장재료로서의 강도를 보유하고 있는 석고의 제작에 대한 필요성이 대두되었다. 특히 난방비가 적게 드는 건축물에 대한 수요가 저탄소 시대에 한층 강화되고 있다.
한편, 건축물에 사용되는 단열재는 기포가 많아야 단열 효과를 극대화할 수 있어, 최근까지 스티로폼이 가장 우수한 단열재로 사용되었다. 하지만, 상기 스티로폼은 화재발생 시 유독가스를 발생시키는 치명적인 문제로 하여 비가연성 무기질 다공체 단열재료에 대한 필요성이 증가하고 있는 실정이다.
본 발명은 반도체 제조 공정에서 발생하는 폐황산에 석회석을 반응시킬 때 발생하는 열과 가스를 적극 활용함으로써 석고의 제조 비용을 줄이고 석고보드에 필요한 석고의 다공질을 확보하기 위한 제조하는 방법 및 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은, 황산 및 석회석을 주반응기에 투입하는 단계; 황산과 석회석을 반응시켜 석고를 합성하는 단계; 상기 석고 합성 시 발생하는 이산화탄소를 포집하는 단계; 물과 분말상태의 석회를 주반응기에 더 투입하는 단계; 상기 석고에 물과 석회를 혼합하는 단계; 상기 혼합물을 하부 노즐을 통해 발포기로 이동시키는 단계; 및 상기 포집된 이산화탄소를 상기 발포기에 주입함으로써 상기 석회를 탄산화하여 발포시키는 단계;를 구비하는 것을 특징으로 하는, 발포 석고의 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명은, 상기 황산의 결정농도는 30중량% 내지 75중량%에 해당하며, 상기 황산의 반응 전 결정온도는 15℃ 내지 50℃에 해당하는 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.
본 발명은, 상기 황산, 석회 및 이산화탄소는 탈황 공정의 부산물로부터 얻어지는 것을 활용한 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.
본 발명은, 상기 황산과 석회석을 투입하는 단계에서, 상기 황산 및 석회석의 혼합 중량비는 98 : 100 내지 98:103 이며, 상기 석회석의 입도는 200 메시 이하인 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.
본 발명은, 물과 분말상태의 석회를 주반응기에 더 투입하는 단계에서, 상기 혼합물의 제1 임계온도는 60℃이며, 상기 석회의 최종 투입 시에 상기 혼합물의 최종 임계온도는 80℃ 내지 100℃인 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.
본 발명은, 상기 주반응기 내부의 압력이 미리 결정된 임계압력 이상으로 상승할 경우 상기 주반응기의 압력을 1 내지 10 atm으로 유지하도록 상기 주반응기에서 이산화탄소 또는 증기를 배출하는 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.
본 발명은, 상기 주반응기 내부의 압력이 미리 결정된 임계압력 이상으로 상승할 경우 상기 주반응기의 압력을 1 내지 10 atm으로 유지하도록 상기 주반응기에서 이산화탄소 또는 증기를 배출하는 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.
본 발명은, 석회를 탄산화하여 발포시키는 단계에서, 상기 황산과 석회의 반응에 의해 생성된 증기와 이산화탄소가 배출되면서 상기 석고에 공극이 생성되는 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.
본 발명은, 상기 발포기에 이산화탄소 외 별도의 발포제 및 시멘트 중 하나 이상을 더 포함하는 것일 수 있다.
본 발명은, 석고 합성 시 발생하는 이산화탄소를 포집하는 단계 이후에, 상기 이산화탄소를 정제하고 수집하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.
본 발명은, 상기 정제 단계에서 상기 이산화탄소에 냉각수를 공급하여 1차로 황성분가스를 제거하고, 상기 이산화탄소를 액상소석회(Ca(OH)2)에 공급하여 2차로 황성분가스를 제거하는 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.
본 발명은, 상기 혼합물을 별도의 성형틀에 투입하여, 상기 성형틀에서 괴상 또는 판상의 발포 석고를 제조하는 것일 수 있다.
또한 본 발명은, 상기 제조방법으로 제조되며, 석고결정 내에 분포하는 1㎛ 이하의 미세공극과, 10㎛ 내지 200㎛의 매크로공극이 형성된 발포 석고에 관한 것이다.
또한 본 발명은, 수분함량이 5중량% 내지 25중량% 이며, 비중이 0.5 내지 0.9 이며, 무수석고와 이수석고의 합산 중량비가 총 석고 충량의 85중량% 내지 95중량%이며, SO3 함량은 35중량%내지 45중량%에 해당하며, 상기 무수석고와 이수석고의 중량비는 5:5에서 이수석고의 중량비를 증가시켜 이수석고로 모두 전환되도록 조절될 수 있는 것을 특징으로 하는 발포 석고에 관한 것이다.
본 발명의 석고는 반도체 공정에서 부산물로 발생한 폐황산을 사용하고 있기 때문에 폐황산에 실리콘 성분 외에 이물질이 거의 없고 매우 깨끗한 성분을 가질 수 있다. 이렇게 순도가 높고 기타 유해 물질이 없는 폐황산에 고순도의 깨끗한 천연 석회석 파우더만을 투입하여 합성하였기 때문에 인체 유해 물질이 없어 생태 독성은 천연석고에 해당할 정도로 안전도가 높다는 장점이 있다. 따라서 본 발명에 의해 제조된 석고는 인체와 접촉이 되는 내장재로 사용할 때 필수 요소인 인체 유해물질을 저감할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 반도체 제조 공정에서 발생하는 폐황산을 밀폐된 공간에서 고순도 석회석 파우더와 반응시켜 반응열과 반응 시 발생하는 고온 가스 및 이산화탄소를 이용하여 석고를 다공질로 제조할 수 있고, 잔류 액체 수분을 제거할 수 있으며, 동시에 경제성을 높일 수 있다.
또한 본 발명에 따르면, 기존의 석고제품의 약점인 강도가 약하고 비중이 높다는 점을 보완하여, 고강도에 저비중의 고품질 발포 석고를 제공할 수 있다.
나아가, 본 발명에 따르면 석고를 제조하는 경우에 공극을 발생시켜 발포 석고를 제조하여 단열성, 흡음성 및 흡수성을 높이고 경량화를 달성할 수 있어 특수 기능성의 고가 석고를 제조할 수 있다. 또한, 본 발명에 따르면 폐황산과 석회석의 반응으로 인해 발생하는 이산화탄소에서 황성분 가스를 제거하여 순수한 이산화탄소를 회수하여 이산화탄소를 판매함으로써 경제성을 높일 수 있다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 발포 석고 제조 공정을 도시한 개략도이다.
본 발명에서는 황산 및 석회석을 반응시켜 석고를 합성하는 단계에서 발생하는 온도 및 이산화탄소를 이용함으로써 경제적이면서도 단순한 장치에 의해 다공성의 발포 석고를 제작할 수 있는 제조 방법 및 그에 따라 제조된 발포 석고를 제공하고자 한다. 구체적으로는 황산 및 석회석을 주반응기에 투입하는 단계; 황산과 석회석을 반응시켜 석고를 합성하는 단계; 상기 석고 합성 시 발생하는 이산화탄소를 포집하는 단계; 물과 분말상태의 석회를 주반응기에 더 투입하는 단계; 상기 석고에 물과 석회를 혼합하는 단계; 상기 혼합물을 하부 노즐을 통해 발포기로 이동시키는 단계; 및 상기 포집된 이산화탄소를 상기 발포기에 주입함으로써 상기 석회를 탄산화하여 발포시키는 단계;를 구비하는 것을 특징으로 하는, 발포 석고의 제조 방법에 관한 것으로, 이하 도면을 참조하여 살펴보기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발포 석고의 제조 장치(1000)를 도시한 개략도이다.
도 1을 참조하면, 발포 석고를 제조하기 위한 제조장치(1000)는 크게 주반응기(100), 발포기(200), 이산화탄소 정화기(300), 이산화탄소 탱크(400)로 이루어져 있으며, 여러 개의 주입부(111, 112, 113, 200 및 212) 및 배출부(121, 122 및 411)를 구비할 수 있다.
상기 주반응기(100)는 내부에 황산, 석회 등을 포함하는 혼합물을 수용할 수 있는 혼합공간을 제공하도록 적적한 형태 및 크기를 가지도록 제공될 수 있다. 이 경우, 상기 주반응기(100)의 상부는 개방될 수 있으며, 커버(미도시)에 의해 밀폐 상태를 유지할 수 있다.
상기 주반응기(100)의 상부에는 주 재료인 황산과 석회석이 투입되는 주입부(111), 물을 투입하는 주입부(112), 파우더 상태의 석회를 투입하는 주입부(113)를 구비할 수 있으며, 주반응기 내에서 발생한 CO2를 포집하는 CO2 배출부(122)를 설치할 수 있다. 또한 하부에는 본 발명에 따른 발포 석고가 제조된 경우에 상기 발포 석고가 배출되는 배출부(121)가 설치될 수 있다. 예를 들어, 상기 주반응기(100)의 하부에는 개방 및 폐쇄 가능한 도어부가 구비되고, 상기 도어부가 개방되는 경우 석고가 상기 주반응기(100)에서 외부로 배출된다. 또한, 상기 주반응기(100) 내에서 아직 석고가 제조되지 않은 경우 상기 도어부가 폐쇄된 상태를 유지하게 된다.
한편, 상기 주반응기(100)의 혼합공간에는 상기 혼합물을 교반시키도록 양방향으로 회전 가능하게 구비되는 교반기(130)가 설치될 수 있다. 상기 교반기(130)는 예를 들어 상기 커버를 관통하여 회전 가능한 회전축의 하단부에 연결될 수 있다. 상기 회전축은 모터(미도시)와 같은 구동부의 구동력 전달에 의해 양방향으로 회전 가능하게 된다. 따라서, 상기 회전축의 회전에 의해 상기 교반기(130)가 회전하여 상기 혼합공간의 혼합물을 교반하게 된다. 이 경우, 상기 교반기(130)는 상기 회전축의 하단부에 일정 각도를 이루면서 연결될 수 있다. 상기 교반기(130)는 평면과 미리 결정된 각도(θ)를 이루면서 상기 회전축(120)의 하단부에 연결될 수 있다.
이 경우, 상기 회전축(120)이 일방향(A 회전 방향), 예를 들어 도면에서 시계방향으로 회전하는 경우에 상기 교반기(130)는 상기 혼합공간의 내부의 혼합물을 상부를 향해 밀어주면서 회전하게 된다. 이 경우, 상기 혼합물에서 후술하는 바와 같이 이산화탄소 또는 증기가 발생하는 경우에 상기 이산화탄소가 상부를 향해 원활하게 배출될 수 있다.
반면에, 상기 회전축이 타방향(B 회전방향), 예를 들어 도면에서 반시계 방향으로 회전하는 경우에 상기 교반기(130)는 상기 혼합공간의 내부에서 생성된 석고를 하부를 향해 밀어주면서 회전하게 된다. 이 경우, 상기 발포 석고가 상기 주반응기 하부의 도어부를 통해 상기 배출부(121)로 원활하게 배출될 수 있다.
한편, 상기 주반응기(100)에는 내부에서 황산과 석회석의 반응이 종료된 후 합성된 발포 석고의 함수율을 높이기 위한 장치로 상기 주반응기(100) 외부에 열교환기(미도시)를 구비할 수 있다. 상기 열교환기 예를 들어 워터쟈켓(water jacket) 등으로 구성될 수 있다. 상기 워터쟈켓은 일예를 들어 설명한 구성이며 적절하게 변형될 수 있다.
상기 열교환기는 상기 주반응기(100) 내부의 반응 시 또는 반응 사이에 상기 주반응기(100)의 내부 온도를 낮추기 위해 냉각수가 공급되는 구조를 가질 수 있다. 또한, 상기 열교환기(400)는 내부 반응이 완료된 후 발포 석고에서 수분 증발을 촉진시키기 위하여 열수가 공급될 수도 있다. 예를 들어, 상기 열교환기(400)는 상기 주반응기(100)의 외벽에 밀착하여 구비되는 하우징(미도시)과 상기 하우징의 내부에 배치되는 열교환유로(미도시)를 구비할 수 있다. 상기 하우징은 열전도가 높은 재질로 제작될 수 있으며, 내측에 상기 열교환유로(미도시)가 배치된다. 도면에 도시되지 않지만 상기 열교환유로로 냉각수 또는 열수와 같은 열교환유체를 공급하는 열교환유체공급부(미도시)를 구비할 수 있다.
한편, 상기 커버에는 상기 황산과 석회석의 주입부(111)와, 상기 주반응기(100) 내부의 이산화탄소가 배출되는 배출유로(122)가 연결될 수 있다.
예를 들어, 상기 커버에는 상기 황산주입부와, 상기 석회석 주입부가 각각 별개로 구비될 수 있다. 작업자는 상기 황산 및 석회석 주입부를 통해 폐황산과 파우더 상태의 석회석을 상기 주반응기(100)의 내부로 투입할 수 있다.
본 실시예의 경우 상기 황산과 석회석의 주입부(111)는 하나로 구비되지만, 이에 한정되지는 않으며 각각 다른 주입부를 구비하고, 상기 단일 주입부를 통해 상기 폐황산과 석회석 파우더를 모두 투입하는 구조도 가능하다.
한편, 비록 도면에는 도시되지 않았지만 상기 황산 및 석회석 주입부(111)는 상기반응기(100) 내부를 밀폐하는 개폐수단을 각각 구비할 수 있다. 상기 개폐수단은 상기 황산 및 석회석 주입부(111)에 배치된 밸브구조, 도어구조 등 다양한 형태로 구현될 수 있다. 상기 개폐수단이 개방되어 상기 주반응기(100) 내부로 황산과 석회석을 투입할 수 있으며, 상기 혼합물을 교반하는 경우에는 상기 개폐수단을 폐쇄하여 상기 주반응기(100) 내부를 밀폐하게 된다.
한편, 상기 커버에는 상기 혼합공간에서 발생하는 이산화탄소를 배출하는 배출유로(122)가 연결될 수 있으며, 상기 배출유로(122)에 상기 이산화탄소를 회수하는 이산화탄소 정화기(300) 및 이산화탄소 탱크(400)가 차례로 연결될 수 있다.
일반적으로 고농도 황산에 석회석을 직접 투입하게 되면 급격한 열과 다량의 기체가 발생하여 폭발의 위험이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 상기 주반응기(100) 내부 압력을 미리 결정된 작동압력범위, 예를 들어 1 내지 10 atm의 압력범위에서 관리하는 연동형 감압 시스템을 적용하여 고농도의 폐황산과 고품위 석회석의 직접 접촉에 의한 급발열과 기체 발생에 의한 폭발의 위험을 제어하게 된다.
예를 들어, 상기 주반응기(100) 내부에 설치된 압력센서(미도시)를 구비하고, 상기 압력센서를 통하여 상기 주반응기(100) 내부의 압력을 감지하게 된다.
이때, 상기 주반응기(100) 내부의 압력이 미리 결정된 임계압력, 예를 들어 2 atm 이상으로 상승하는 경우에 상기 주반응기(100) 내부의 이산화탄소 또는 증기와 같은 가스를 배출할 필요가 있다. 이 경우, 상기 주반응기(100)에 배기팬 및 배출밸브가 구비된 배출유로(미도시)가 구비될 수 있다. 따라서, 상기 주반응기(100) 내부의 압력이 상기 임계압력에 도달하는 경우에 상기 배출밸브가 개방되고 상기 배기팬이 구동하여 동작하게 된다. 이때, 상기 배기팬의 구동속도 또는 회전속도는 상기 주반응기(100) 내부의 압력에 비례하여 조절될 수 있다.
한편, 상기 주반응기(100) 내부의 압력이 계속 상승하여 미리 결정된 한계압력, 예를 들어 10 atm에 도달하는 경우에 상기 배기팬을 미리 설정된 최대 운전속도로 구동시킨다. 이에 의해 상기 주반응기(100) 내부의 기체를 급속하게 대량 배출시켜 상기 주반응기(100) 내부의 압력을 대략 10초 이내의 빠른 시간 내에 1 atm 이하로 떨어뜨리게 된다. 상기 주반응기(100) 내부의 압력이 상기 한계압력에 도달하는 경우에 상기 주반응기(100)의 안전을 고려하여 전술한 바와 같이 상기 배기팬을 최대운전속도로 구동시키게 된다. 상기 주반응기(100) 내부의 압력이 정상압력인 1 atm 이하로 떨어지게 되면 상기 배기팬의 구동이 종료된다. 또한, 상기 주반응기(100) 내부의 압력이 다시 임계압력에 도달하게 되면 전술한 감압 시스템이 반복되도록 제어된다. 최종적으로는 상기 주반응기(100) 내부의 압력이 미리 결정된 작동압력범위, 예를 들어 1 내지 10 atm의 범위 내에서 안전하게 작동하도록 제어한다.
한편, 상기 주반응기(100)의 압력이 임계압력에 도달한 경우에 상기 배기팬이 작동되지 않거나, 또는 상기 배기팬이 동작하는 중에도 상기 주반응기(100)의 내부 압력이 한계압력을 초과하는 경우에는 상기 주반응기(100)의 안전을 고려하여 상기 주반응기(100)와 연결된 이산화탄소 배출부(122)를 통해 상기 주반응기(100) 내부의 이산화탄소 또는 증기 등의 가스를 배출하게 된다. 이 경우, 별도로 추가의 배출유로 및 배출밸브를 구비함으로써 상기 주반응기(100)의 압력이 임계압력에 도달한 경우에 상기 배기팬이 작동되지 않거나, 또는 상기 배기팬이 동작하는 중에도 상기 주반응기(100)의 내부 압력이 한계압력을 초과하는 경우 상기 별도의 배출밸브가 작동하여, 상기 주반응기(100) 내부의 이산화탄소 또는 증기 등의 가스를 배출하게 된다. 이때, 상기 주반응기(100) 내부 기체의 급속한 배출을 위하여 상기 추가의 배출유로는 이산화탄소 배출부(122)에 비해 대구경으로 제작될 수 있다. 이에 따라 상기 주반응기(100) 내부의 기체를 신속하게 배출하여 상기 주반응기(100)의 안전성을 유지할 수 있다.
한편, 상기 이산화탄소 배출부(122)은 후술하는 이산화탄소 탱크(400)에 연결될 수 있다. 즉, 상기 혼합공간(110) 내에서 전술한 바와 같이 상기 황산과 석회석이 반응하게 되면 증기 발생과 함께 이산화탄소가 발생하게 된다. 이와 같이 발생한 증기와 이산화탄소는 이산화탄소 배출부(122)를 통해 이산화탄소 탱크(400)에 저장되거나 외부로 배출될 수 있다.
한편, 이산화탄소는 용접 등 다양한 분야에서 널리 사용되고 있으므로 회수된 이산화탄소를 액화하여 판매하는 것도 가능하다. 이 경우, 상기 이산화탄소 탱크(400)는 그 전 단계로 이산화탄소 정화기(300)를 이산화탄소 배출부(122) 중간에 구비할 수 있다. 상기 주반응기(100)에서 배출되는 이산화탄소는 순수한 이산화탄소 가스가 아니라 황성분 가스, 예를 들어 SO2또는 SO3 성분 가스가 함유될 수 있다. 이 경우, 상기 이산화탄소 정화기(300)를 이용하여 상기 이산화탄소 가스에서 상기 황성분 가스를 제거할 수 있다. 구체적으로, 본 발명에서는 상기 이산화탄소에 냉각수를 공급하여 1차로 황성분가스를 제거하고, 상기 이산화탄소를 액상소석회(Ca(OH)2)에 공급하여 2차로 황성분가스를 제거할 수 있다.
상기 이산화탄소 정화기(300)는 물공급부를 구비할 수 있으며, 상기 물공급부는 냉각수 유입구와 냉각수 배출구를 구비할 수 있다. 상기 냉각수 유입구를 통해 공급된 냉각수는 상기 이산화탄소 배출부(122)와 열교환을 통해 상기 이산화탄소를 냉각시키게 된다. 상기 냉각수는 별도의 배출구(미도시)를 통해 외부로 배출될 수 있다. 한편, 상기 물공급부의 후단에는 상기 이산화탄소 정화기(300) 내부로 물을 공급하는 노즐부를 구비할 수 있다. 상기 노즐부를 통해 내부로 공급된 물은 이산화탄소에 포함된 SO2또는 SO3 성분 가스를 녹이게 된다. 따라서, SO2 또는 SO3 성분 가스가 포함된 황산수가 외부로 배출될 수 있다. 한편, 이산화탄소에 잔존하는 황성분 가스는 상기 이산화탄소 탱크(400)를 거치면서 제거될 수 있다. 예를 들어, 상기 이산화탄소 탱크(400)에는 액상소석회(Ca(OH)2)가 소정량만큼 저장될 수 있다. 이 경우, 상기 드레인부를 거친 이산화탄소는 상기 이산화탄소 탱크(400) 내측의 액상소석회(Ca(OH)2)로 공급될 수 있다. 이때, 상기 이산화탄소에 포함되어 있는 황성분가스는 상기 액상소석회(Ca(OH)2)와 반응하여 석고로 응결되며, 순수한 이산화탄소는 배출부(411)를 통해 배기될 수 있다. 상기 배출부(411)를 통해 이동한 이산화탄소는 상기 구술한 발포기(200)의 이산화탄소 주입부(211)와 연결되어 발포에 사용될 수 있다.
이하, 전술한 구성을 가지는 발포 석고제조장치(1000)를 이용하여 발포 석고를 제작하는 방법을 살펴보기로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 발포 석고 제조방법은 황산으로 폐황산을 사용할 수 있으며, 폐황산의 농도 및 온도를 미리 정해진 결정농도 및 결정온도에 맞추어 폐황산을 준비하는 단계와, 상기 폐황산을 상기 주반응기(100)에 투입하는 단계와, 상기 주반응기(100)에 석회석 파우더를 1회 이상 미리 정해진 정량으로 투입하며, 각 투입횟수에 따라 미리 정해진 임계온도에 대응하여 상기 석회석의 투입량을 조절하여 혼합물을 제조하는 단계 및 상기 혼합물의 온도가 상승하면서 기포가 발생하면서 고화되어 발포 석고가 제조되는 단계를 포함할 수 있다.
먼저, 상기 발포 석고 제조방법은 황산의 농도 및 온도를 미리 정해진 결정농도 및 결정온도에 맞추어 황산을 준비하게 된다.
본 발명에서 사용되는 황산은 폐황산으로, 상기 폐황산은 반도체 제조 공정에서 발생하는 농도가 대략 30중량% 이상인 고품위 폐황산을 사용하게 된다. 따라서, 상기 폐황산을 구입하는데 사용되는 비용을 줄일 수 있어 경제적으로 석고를 제작할 수 있게 된다. 이 경우, 상기 폐황산의 농도 및 온도는 미리 정해진 결정농도 및 결정온도에 맞춰 준비될 수 있다.
예를 들어, 상기 폐황산의 황산(H2SO4)의 결정농도는 대략 30중량% 내지 75중량%에 해당할 수 있으며, 상기 폐황산의 반응 전 결정온도는 15℃ 내지 50℃에 해당할 수 있다.
상기 폐황산의 농도가 전술한 결정농도보다 더 작으면 후술하는 석회석와의 반응시간이 길어지고 합성석고의 함수율이 너무 높게 되어 추가적인 증발 공정이 필요하며 이 공정에 필요한 에너지와 시간의 소모가 커져서 경제성이 낮아지게 된다. 반대로 상기 폐황산의 농도가 전술한 결정농도보다 더 크면 석회석와의 반응이 급격하고 격렬하게 발생하여 고화까지 도달하는 시간이 짧아지고 기체 발생이 너무 짧은 시간에 집중되는 현상으로 폭발의 위험이 있어, 이를 제어하기 위한 장치가 커지게 된다. 또한, 너무 짧은 시간에 고화 응결되기 때문에 결정 성장의 시간이 충분치 않아 결정의 크기 분포가 너무 넓어지고 기공이 너무 많이 분포하여 강도가 너무 약해지게 된다.
한편, 상기 황산의 농도를 전술한 결정농도로 맞추기 위하여 물 등을 투입할 수 있는데, 이 경우 황산과 물의 반응은 발열반응에 해당하여 많은 열을 발생한다. 따라서, 상기 황산의 농도를 결정농도로 맞춘 다음, 바로 후속 공정을 진행하는 것이 아니라, 상기 황산의 온도를 결정온도로 맞추기 위하여 냉각시킨 다음 후속 공정을 진행하게 된다.
이 경우, 상기 폐황산의 결정온도는 대략 15℃ 내지 50℃에 해당할 수 있다. 상기 폐황산의 온도가 상기 결정온도보다 더 높으면 후술하는 석회석 파우더와의 발열반응에서 발생하는 열과 함께 온도가 급격히 상승할 수 있게 된다. 따라서, 상기 폐황산의 농도를 결정농도로 조절한 다음, 상기 폐황산의 온도를 결정온도로 조절하여 냉각시키고 후속 공정을 진행하게 된다.
한편, 상기 황산을 준비하는 단계에서 최종 제품인 발포 석고의 무수석고(CaSO4) 또는 반수석고(CaSO4·1/2H2O), 이수석고(CaSO4·2H2O)의 혼합 중량비를 조절할 수 있다.
즉, 후술하는 바와 같이 황산(H2SO4)과 석회석(CaCO3)이 반응하게 되면 하기 [화학식 1]에 의해 무수석고(CaSO4)와 이산화탄소(CO2) 및 물(H2O)이 발생하게 된다.
[화학식 1]
H2SO4 + CaCO3->CaSO4 + H2O + CO2
이어서, 하기 [화학식 2]에 의해 무수석고(CaSO4)가 물(H2O)과 반응하여 이수석고(CaSO4·2H2O)가 제조된다.
[화학식 2]
CaSO4 + 2H2O ->CaSO4·2H2O
따라서, 상기 주반응기(100) 내부의 수분의 양을 조절하여 무수석고(CaSO4)와 이수석고(CaSO4·2H2O)의 혼합 중량비를 조절할 수 있다.
예를 들어, 상기 주반응기(100) 내부의 수분의 양이 적어질수록 상기 무수석고(CaSO4)와 반응하기에 수분이 충분하지 않게 되어 상기 무수석고(CaSO4)가 모두 이수석고로 전환되지 않고 무수석고(CaSO4)의 혼합 중량비가 상대적으로 높아질 수 있다. 또한 반응 시작 전 폐황산의 결정온도가 높을수록 반응 시간이 짧아지면서 함수율은 낮아지고 무수석고 또는 반수석고의 비율은 높아지게 된다.
반면에 상기 주반응기(100) 내부의 수분의 양이 많아지고 초기 결정온도를 낮추게 되면 상기 무수석고(CaSO4)와 반응하는 수분과 반응 시간 충분하게 되어 상기 무수석고(CaSO4)가 이수석고로 전환되는 양이 증가하여 이수석고(CaSO4·2H2O)의 혼합 중량비가 상대적으로 높아질 수 있다.
이 경우, 상기 혼합기(100) 내의 수분의 양은 상기 황산의 농도를 전술한 결정농도의 범위 내에서 조절하여 변화를 줄 수 있으며 반응 전 폐황산 원료의 초기 결정온도에 따라 역시 함수율과 무수석고의 비율에 변화를 줄 수 있다.
상기 황산은 농도에 따라 수분을 함유하고 있으므로 동일한 중량에서 농도가 높을수록 수분의 양이 상대적으로 적어지고, 농도가 낮아질수록 수분의 양이 상대적으로 많아진다. 따라서, 상기 황산의 농도를 결정농도의 범위 내에서 조절하여 상기 주반응기(100) 내부의 수분의 양을 조절할 수 있다.
한편, 상기 수분의 양을 조절하는 경우에 상기 [화학식 1]에 의해 생성된 물(H2O)의 양을 고려해야 한다. 즉, 상기 [화학식 1]에 의해 물(H2O)이 생성되므로 무수석고(CaSO4)와 반응하는 수분의 양은 상기 황산에 포함된 수분과 상기 [화학식 1]에 의해 물(H2O)의 양으로 결정된다. 따라서, 무수석고(CaSO4)와 반수석고, 이수석고(CaSO4·2H2O)의 혼합 중량비를 조절하는 경우에 상기 [화학식 1]에 의해 물(H2O)의 양을 고려해서 상기 황산의 농도를 결정농도의 범위 내에서 결정하는 것이 바람직하다. 한편, 이수석고(CaSO4·2H2O)의 혼합 중량비를 상대적으로 높이기 위하여 상기 주반응기(100) 내에 추가적으로 물을 공급할 수도 있다.
예를 들어 상기 황산 및 석회석의 반죽에 물과 석회를 혼합한 후에 추가 투입된 석회의 탄산화 작용을 통해 벌집 구조의 다공체가 형성될 수 있으며, 강도를 증진시킨 발포 석고를 획득할 수 있다. 이때 상기 석회는 생석회 및/또는 소석회 등 당 분야에서 사용되는 석회의 종류라면 제한없이 사용할 수 있다. 상기 석회 역시 이산화탄소와 마찬가지로 비료, 탈황 공정의 부산물로 대량 발생하기 때문에 이 공정으로부터 손쉽게 구할 수 있어 경제적이고 친환경적인 원료의 조달이 가능하다.
한편, 상기 황산의 온도를 결정온도의 범위 내에서 변화시켜 상기 무수석고(CaSO4)와 반수석고, 이수석고(CaSO4·2H2O)의 혼합 중량비를 조절할 수 있다.
예를 들어, 전술한 결정온도의 범위 내에서 상기 황산의 온도를 상대적으로 높이게 되면 후술하는 석회석과의 반응에 의해 열이 상대적으로 많이 발생하여 수분 증발량이 증가하게 된다. 이 경우, 상기 무수석고(CaSO4)와 반응하는 수분의 양이 상대적으로 감소하여 무수석고(CaSO4)와 반수석고의 혼합 중량비가 상대적으로 높아질 수 있다.
반면에 결정온도의 범위 내에서 상기 황산의 온도를 상대적으로 낮추게 되면 후술하는 석회석 파우더와의 반응에 의해 열이 상대적으로 적게 발생하여 수분 증발량이 감소하게 된다. 이 경우, 상기 무수석고(CaSO4)와 반응하는 수분의 양이 상대적으로 증가하여 이수석고(CaSO4·2H2O)의 혼합 중량비가 상대적으로 높아질 수 있다.
결국, 상기 황산을 준비하는 단계에서 상기 황산의 온도 및 농도를 각각 결정온도 및 결정농도의 범위 내에서 조절하여 최종 제품인 다공석 석고의 무수석고(CaSO4)와 반수석고, 이수석고(CaSO4·2H2O)의 혼합 중량비를 조절할 수 있다.
이어서, 상기 황산을 주반응기(100)에 투입(S130)하게 된다. 예를 들어, 상기 주반응기(100)의 상기 황산주입부(111)를 통해 상기 황산을 상기 주반응기(100)의 내측으로 투입할 수 있다.
이어서, 상기 주반응기(100)에 석회석을 1회 이상 미리 정해진 정량으로 투입하며, 각 투입횟수에 따라 미리 정해진 임계온도에 대응하여 상기 석회석의 투입량을 조절하여 혼합물을 제조할 수 있다.
상기 석회석은 대략 200 메시 이하의 파우더로 걸러서 사용하게 되며, CaCO3 함량이 대략 90중량% 내지 97중량% 범위에 해당할 수 있다. 예를 들어, 상기 반응기에 상기 석회석을 투입하는 단계에서 상기 황산과 상기 석회석의 혼합 중량비는 H2SO4 와 CaCO3의 중량기준으로 98:100 내지 98:103 의 범위에서 결정될 수 있다. CaCO3는 CaSO4, Ca(OH)2 보다 강도가 높아서, 다공체의 강도를 높이는 결합제(Bond Material) 기능을 할 수 있다.
이 경우, 전술한 [화학식 1]에 의한 반응은 발열반응에 해당하여 반응이 진행되면 열을 발생하게 된다. 따라서, 석회석을 투입하는 경우에 미리 정해진 석회석을 한번에 모두 상기 주반응기(100) 내로 투입하게 되면, 상기 황산과 석회석의 급격한 반응으로 인해 열이 현저히 상승할 수 있다.
따라서, 본 실시예의 경우 상기 파우더 상태의 석회석를 상기 황산에 투입하여 혼합하는 경우에 한번에 모두 투입하는 것이 아니라 1회 이상 분할하여 미리 정해진 정량으로 투입할 수 있다. 또한, 각 투입횟수에 따라 미리 정해진 임계온도에 대응하여 상기 석회석 파우더의 투입량을 조절할 수 있다.
예를 들어, 상기 석회석 파우더의 최초 투입 시에 상기 혼합물의 제1 임계온도는 60℃에 해당하며, 상기 석회석 파우더의 최종 투입 시에 상기 혼합물의 최종 임계온도는 80℃ 내지 100℃에 해당하도록 상기 석회석 파우더의 투입량을 조절할 수 있다.
상기 각 투입 단계의 임계온도는 상기 석회석 파우더를 2회 이상 분할하여 투입하는 경우에 최종 투입 시에 혼합물의 온도가 100℃를 초과하지 않도록 적절하게 조절되어 미리 결정된다.
예를 들어, 상기 석회석 파우더를 투입하는 경우에 3회에 걸쳐 나누어 투입할 수 있다. 이 경우, 최초 투입 시에는 필요한 양의 40 중량%를 투입하고, 두번째 투입 시에는 필요한 양의 40 중량%를 투입하고, 최종 투입 시에는 필요한 양의 20 중량%를 투입할 수 있다. 전술한 바와 같이 상기 석회석 파우더를 분할하여 투입하는 경우에각 투입 단계에서 전술한 임계온도를 초과하지 않도록 할 수 있으며, 나아가 최종 투입 시에 최종 임계온도가 100℃를 초과하지 않도록 할 수 있다.
한편, 상기 석회석 파우더를 투입하는 단계에서 상기 주반응기(100) 내의 교반기(130)는 미리 정해진 방향으로 회전할 수 있다. 예를 들어, 도 1 및 도 2와 같은 구조에서 상기 교반기(130)는 미리 정해진 일방향(또는 “A”방향)또는 시계방향으로 회전할 수 있다.
상기 교반기(130)가 미리 정해진 일방향(또는 “A”방향)또는 시계방향으로 회전하는 경우 상기 교반기(130)가 상기 혼합물을 상부로 밀면서 회전하게 된다. 이 경우, 상기 황산과 석회석 파우더의 반응으로 인해 발생한이산화탄소(CO2) 또는 증기는 상부로 용이하게 배출되어 전술한 배출부(122)를 통해 배출될 수 있다.
상기 배출부(122)를 통해 이산화탄소(CO2)가 배출되는 경우에 상기 이산화탄소는 전술한 이산화탄소 탱크(400)를 통해 회수될 수 있다.
상기 주반응기(100)에서 배출되는 이산화탄소는 순수한 이산화탄소 가스가 아니라 황성분 가스, 예를 들어 SO2 또는 SO3 성분 가스가 함유될 수 있다. 이 경우, 상기 황성분 가스를 제거하는 것이 필요하다. 이를 위하여 본 발명에서는 상기 이산화탄소에서 황성분 가스를 제거하여 이산화탄소를 수집하는 단계를 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 이산화탄소에 냉각수를 공급하여 1차로 황성분가스를 제거하고, 상기 이산화탄소를 액상소석회(Ca(OH)2)에 공급하여 2차로 황성분가스를 제거하는 단계를 포함할 수 있다.
전술한 물공급부는 냉각수 유입구와 냉각수 배출구를 구비할 수 있다. 상기 냉각수 유입구를 통해 공급된 냉각수는 상기 이산화탄소 정화기(300)와 열교환을 통해 상기 이산화탄소를 냉각시키게 된다. 상기 냉각수는 상기 냉각수 배출구를 통해 외부로 배출될 수 있다.
한편, 상기 물공급부의 후단에는 상기 이산화탄소 정화기(300) 내부로 물을 공급하는 노즐부를 구비할 수 있다.
상기 노즐부를 통해 상기 이산화탄소 정화기(300) 내부로 공급된 물은 이산화탄소에 포함된 SO2 또는 SO3 성분 가스를 용해시키게 된다. 따라서, SO2 또는 SO3 성분 가스가 포함된 황산수가 외부로 배출될 수 있다.
한편, 상기 이산화탄소에 잔존하는 황성분 가스는 상기 이산화탄소 탱크(400)를 거치면서 제거될 수 있다.
예를 들어, 상기 이산화탄소 탱크(400)에는 액상소석회(Ca(OH)2)가 소정량만큼 저장될 수 있다. 이 경우, 상기 이산화탄소 정화기(300)를 거친 이산화탄소는 상기 이산화탄소 탱크(400) 내측의 액상소석회(Ca(OH)2)로 공급될 수 있다. 이때, 상기 이산화탄소에 포함되어 있는 황성분가스는 상기 액상소석회(Ca(OH)2)와 반응하여 석고로 응결되며, 순수한 이산화탄소는 배출부(411)를 통해 배기될 수 있다.
이와 같이 상기 배출부(411)를 통해 배출된 이산화탄소는 황성분 가스가 제거된 순수한 상태에 해당하여, 액체로 상변화시켜 저장하여 판매할 수 있다. 이산화탄소는 황산 폐수 과정 또는 일반 연소 과정에서 발생하기 때문에 경제적이며, 본 발명의 일 실시예에서는 상기 배출부(411)를 발포기의 이산화탄소 주입부(211)와 연결하여, 포집된 이산화탄소를 발포기(200)에 주입함으로써, 석회를 탄산화하여 발포시키는 단계에 이용하도록 하여, 경제성을 향상시킬 수 있다.
이어서, 상기 발포기(200)에서 상기 혼합물을 교반시키며, 상기 혼합물의 온도가 상승하면서 발포 석고가 제조된다.
예를 들어, 상기 발포기(200)에 설치된 교반기(미도시)를 미리 정해진 일방향(또는 “A”방향)또는 시계방향으로 회전시키는 경우 상기 혼합물은 계속해서 교반된다. 이때 주입된 이산화탄소와 상기 혼합물의 탄산화 반응이 일어나면서 석회가 탄산칼슘으로 전환된다. 구체적으로, 전술한 바와 같이 상기 주반응기(100) 내부의 황산(H2SO4)과 석회석(CaCO3) 파우더가 반응하여 전술한 [화학식 1]에 의해 무수석고(CaSO4)와 이산화탄소(CO2) 및 물(H2O)이 발생하게 된다. 이어서, 전술한 [화학식 2]에 의해 무수석고(CaSO4)가 물과 반응하여 이수석고(CaSO4·2H2O)가 제조된다.
즉, 상기 주반응기(100) 내에서 상기 황산과 석회석 파우더가 혼합되어 교반되는 경우에 1차적으로 무수석고(CaSO4)가 생성되며, 이어서 상기 무수석고(CaSO4)와 물이 반응하여 반수석고와 이수석고(CaSO4·2H2O)가 생성된다.
이때, 상기 이수석고(CaSO4·2H2O)에는 상기 황산과 석회석 파우더의 반응에 의해 생성된 이산화탄소가 배출되면서 공극이 생성될 수 있다.
즉, 전술한 [화학식 1]에 의해 이산화탄소(CO2)가 생성되는 경우에 상기 석고에 1㎛ 이하의 미세한 마이크로(micro) 공극이 발생할 수 있다. 도 4는 전술한 마이크로 공극을 도시한 사진으로서, 본 발명에 따른 발포 석고를 500배 확대한 사진에 해당한다. 이러한 마이크로 공극은 기공에 해당하여 최종제품인 석고의 경량화를 높이고, 단열성 및 흡음성을 높여 준다.
한편, 이러한 이산화탄소가 가열되어 기화되는 경우에 이수화 반응열이 짧은 순간 급격하게 발생하면서 발포 현상에 의한 부피 팽창이 일어나면서 순간적으로 고화가 되는 현상에 의해 10㎛ 내지 200㎛ 크기의 매크로(macro)공극이 생길 수 있다. 이러한 매크로 공극은 대부분 개기공에 해당하여 최종 제품인 석고의 단열성 및 흡음성을 향상시킬 수 있다.
이러한 마이크로 공극 및 매크로 공극은 상기 석고에 대략 균일하게 생성될 수 있으며, 즉 주반응기(100)에서 1차적으로 황산 및 석회석의 반응에 의해 발생한 공극 및, 발포기에서 이산화탄소를 주입함으로써 석회 반죽을 탄산화하여 발포된 공극을 통해 단열성과 흡음성이 우수해지고 경량화 및 부유성을 향상시킬 수 있다.
또한, 발포기(200)에는 시멘트 및/또는 발포제 등의 당 분야에서 쓰이는 첨가제를 더 포함할 수 있다. 시멘트를 소량 첨가하는 경우, 시멘트 수화 반응을 이용하여 잔류 수분을 화학 수분으로 고화시켜 강도를 증진시키는 효과를 얻을 수 있다. 발포제는 이산화탄소 외에 당 분야에서 쓰이는 발포제를 제한없이 사용할 수 있으며 강알칼리 환경에서 기포를 발생시키는 일반 발포제를 보조적으로 사용하여 발포 기공의 크기와 상태를 조절할 수 있다. 상기 첨가제의 함량은 발포 석고를 제조하는데 방해가 되지 않는 정도라면 제한없이 사용할 수 있으며, 상기 첨가제는 석고 결정의 강도를 증진시키면서 이산화탄소 기공에 의한 부피 팽창과 밀도 저하의 본래 기능을 해치지 않는 작용에 한해서 사용한다.
한편, 상기 혼합물을 상기 교반기(130)에 의해 소정시간, 예를 들어 대략 10분 내지 50분 동안 교반시키게 되면 상기 혼합물에서 이산화탄소가 모두 기화되어 배출되고 석회석이 무수석고를 거쳐 이수석고로 변화하게 된다. 이 경우, 상기 혼합물이 고상의 이수석고로 상변화를 하면서 온도가 상승하게 된다. 또한, 상기 혼합물이 온도최고점에 달하는 순간 이수화 반응이 정점에 달하면서 부피가 팽창하는 동시에 액상이 고상으로 순간적으로 굳는 현상이 일어난다.
따라서, 상기 혼합물이 미리 결정된 시간을 경과하거나, 상기 혼합물이 미리 결정된 온도로 상승하거나, 또는부피가 팽창하여 고상의 이수석고로 변화된 경우, 상기 교반기(130)의 일방향 회전을 정지시키고 타방향(B 회전방향), 예를 들어 도면에서 반시계방향으로 회전시키게 된다.
이 경우, 상기 교반기(130)는 상기 혼합공간의 내부에서 생성된 석고를 하부를 향해 밀어주면서 회전하게 된다. 따라서, 상기 석고가 상기 주반응기(100) 하부의 도어부를 통해 상기 배출부(121)로 원활하게 배출될 수 있다.
한편, 전술한 과정을 시간 순으로 살펴보면 다음과 같이 진행될 수 있다. 황산 및 석회석을 주반응기에 투입하는 단계; 황산과 석회석을 반응시켜 석고를 합성하는 단계; 상기 석고 합성 시 발생하는 이산화탄소를 포집하는 단계; 물과 분말상태의 석회를 주반응기에 더 투입하는 단계; 상기 석고에 물과 석회를 혼합하는 단계; 상기 혼합물을 하부 노즐을 통해 발포기로 이동시키는 단계; 및 상기 포집된 이산화탄소를 상기 발포기에 주입함으로써 상기 석회를 탄산화하여 발포시키는 단계이다.
이때, 투입된 황산의 농도에 따라 시간의 차이는 있지만 이수화 반응은 대략 60℃ 이상에서 본격적으로 시작되어 최고 온도에서 급격하게 진행하면서 팽창과 급결 현상을 동반한다. 따라서 파쇄된 분말형태가 아닌 일정한 형상의 발포 석고를 얻기 위해서는 상기 발포 석고가 제조되는 단계에서 마지막 피크 현상에 도달하기 전에 혼합물을 원하는 모양으로 제작된 별도의 성형틀(몰드)(미도시)에 투입하여 팽창과 고화를 유도하면 원하는 형상의 석고 형상, 예를 들어 괴상 또는 판상의 석고를 얻을 수 있다. 상기 성형틀은 상기 주반응기(100)의 배출부(121)와 연결되어 구비될 수 있다.
이 때 혼합물 상태에서 시멘트나 슬래그파우더를 일정량 투입하게 되면 최종 석고 제품의 강도를 증진시킬 수 있다.
전술한 과정을 거쳐 제조된 발포 석고는 수분함량이 대략 5중량% 내지 25중량%이며, 다수의 개기공 및 기공으로 인해 비중이 대략 0.5 내지 0.9 이며, 전술한 무수석고와 이수석고를 합산한 중량비가 총 합성물 중량의 85중량% 내지 95중량%이며, XRF(X-Ray Fluorescence) 분석법에 의한 SO3 함량은 35중량%내지 50중량%에 해당할 수 있다. 이때, 상기 발포 석고에 포함된 무수석고와 이수석고의 중량비는 대략 절반 정도에서 이수석고의 중량비를 증가시켜 모두 이수석고로 전환되도록 조절할 수 있다. 즉, 수분 공급량에 따라 무수석고와 이수석고의 중량비를 대략 절반정도로 조절하거나, 이수석고의 혼합 중량비를 절반 이상으로 하거나, 또는 무수석고를 모두이수석고로 전환시키는 것도 가능하다.
결론적으로, 본 발명에서는 고농도 황산에 석회석 파우더를 직접 투입하여 중화 반응 시 탈리되어 나오는 이산화탄소와 수증기로 이루어진 기포를 이용하여 밀된 주반응기(100)에서 1 내지 10 atm 정도의 내부 압력이 형성되도록 압력을 유지한다. 이 경우, 석고 결정 사이 사이로 수증기와 이산화탄소 기체가 지나가면서 석고의 고화 과정에서 발포작용이 일어나도록 유도하여 석고에 무수한 공극을 발생시키게 된다. 나아가, 수분이 증발하면서 급격한 팽창과 고화 반응이 동시에 일어나면서 발포 석고가 합성된다. 이렇게 제조한 발포 석고는 발포작용에 의해 무수한 공극이 발생하면서 경량성, 단열성, 흡음성을 가지게 된다.
뿐만 아니라 밀된 주반응기(100)에서 비교적 짧은 시간(예를 들어, 30분 이내)에 다량 방출되어 나오는 중화반응열(22kcal/mol)을 활용하여 석고의 수분을 건조함으로써 이수화 반응이 종결되고 합성된 석고의 최종 함수율이 5 내지 25%가 되도록 고안되었기 때문에 기존의 습식 합성방법에 비하여 합성 시간과 공정단계를 획기적으로줄여서 경제성을 높일 수 있다.
한편, 시멘트 첨가제 또는 석고보드 원료에 사용되는 석고의 경우 15% 이하의 함수율이 요구된다. 함수율이 15%이상일 경우에는 점성으로 인해 투입구가 막히는 문제가 발생하여 생산의 효율을 떨어뜨리기 때문이다. 본 발명은 별도의 탈수, 건조 공정이 없이 반응기에서 나온 석고의 함수율이 최대 25%가 넘지 않도록 고안되었으며, 주반응기(100)에서 배출 시 발포 석고의 온도가 70 내지 90도의 고온이기 때문에 자체열에 의하여 수분이 증발되어 48시간 경과 후에는 함수율이 대략 15% 내지 17%에 도달하게 된다. 물론 석고 결정의 크기와 관계되는 품질요소가 없는 한, 주반응기(100)에서 배출되는 석고의 함수율이 15% 이하가 되도록 황산의 순도를 높여 반응하도록 할 수 있다. 나아가, 전술한 바와 같이 상기 주반응기(100) 외부에는 워터쟈켓과 같은 열교환기를 설치하여 평소에는 반응 온도를 떨어뜨리기 위한 냉각수를 공급하거나 필요 시에는 열수를 공급하여 반응 후 수분 증발을 촉진하기 위한 두 가지 목적으로 사용할 수 있다.
나아가, 본 발명은 석회석과 황산이 반응하면서 발생하는 고열과 가스를 활용하여 수분을 증발시켜 함수율을 낮춰 반응기 내에서 짧은 시간 내에 고체 석고가 합성되도록 하며, 그 석고는 고온의 스팀과 이산화탄소 기체에의해 미세 공극을 발생시켜 다공체를 형성하게 된다.
100: 주반응기
111, 112 및 113: 주반응기의 주입부
120: 회전축
130: 교반기
121: 혼합물 배출부
122: 이산화탄소 배출부
200: 발포기
211: 이산화탄소 주입부
212: 첨가제 주입부
300: 이산화탄소 정화기
400: 이산화탄소 탱크
411: 이산화탄소 배출부

Claims (13)

  1. 황산 및 석회석을 주반응기에 투입하는 단계;
    황산과 석회석을 반응시켜 석고를 합성하는 단계;
    상기 석고 합성 시 발생하는 이산화탄소를 포집하는 단계;
    물과 분말상태의 석회를 주반응기에 더 투입하는 단계;
    상기 석고에 물과 석회를 혼합하는 단계;
    상기 혼합물을 하부 노즐을 통해 발포기로 이동시키는 단계; 및
    상기 포집된 이산화탄소를 상기 발포기에 주입함으로써 상기 석회를 탄산화하여 발포시키는 단계;를 구비하는 것을 특징으로 하는, 발포 석고의 제조 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 황산의 결정농도는 30중량% 내지 75중량%이며, 상기 황산의 반응 전 결정온도는 15℃ 내지 50℃인 것을 특징으로 하는, 발포 석고의 제조 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 황산, 석회 및 이산화탄소는 탈황 공정의 부산물로부터 얻어지는 것을 활용한 것을 특징으로 하는, 발포 석고의 제조 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 황산과 석회석을 투입하는 단계에서, 상기 황산 및 석회석의 혼합 중량비는 98 : 100 내지 98 : 103 이며, 상기 석회석의 입도는 200 메시 이하인 것을 특징으로 하는, 발포 석고의 제조방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    물과 분말상태의 석회를 주반응기에 더 투입하는 단계에서,
    상기 혼합물의 제1 임계온도는 60℃이며, 상기 석회의 최종 투입 시에 상기 혼합물의 최종 임계온도는 80℃ 내지 100℃인 것을 특징으로 하는, 발포 석고의 제조 방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 주반응기 내부의 압력이 미리 결정된 임계압력 이상으로 상승할 경우 상기 주반응기의 압력을 1 내지 10 atm으로 유지하도록 상기 주반응기에서 이산화탄소 또는 증기를 배출하는 것을 특징으로 하는, 발포 석고의 제조 방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    석회를 탄산화하여 발포시키는 단계에서,
    상기 황산과 석회의 반응에 의해 생성된 증기와 이산화탄소가 배출되면서 상기 석고에 공극이 생성되는 것을 특징으로 하는, 발포 석고의 제조 방법.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 발포기에 이산화탄소 외 별도의 발포제 및 시멘트 중 하나 이상을 더 포함하는, 발포 석고의 제조 방법.
  9. 청구항 1에 있어서,
    석고 합성 시 발생하는 이산화탄소를 포집하는 단계 이후에, 상기 이산화탄소를 정제하고 수집하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 발포 석고의 제조 방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 정제 단계에서 상기 이산화탄소에 냉각수를 공급하여 1차로 황성분가스를 제거하고, 상기 이산화탄소를 액상소석회(Ca(OH)2)에 공급하여 2차로 황성분가스를 제거하는 것을 특징으로 하는, 발포 석고의 제조 방법.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 혼합물을 별도의 성형틀에 투입하여, 상기 성형틀에서 괴상 또는 판상의 발포 석고를 제조하는, 발포 석고의 제조 방법.
  12. 청구항 1 내지 11 중 선택된 어느 한 항에 따른 제조방법으로 제조되며, 석고결정 내에 분포하는 1㎛ 이하의 미세공극과, 10㎛ 내지 200㎛의 매크로공극이 형성된, 발포 석고.
  13. 수분함량이 5중량% 내지 25중량% 이며, 비중이 0.5 내지 0.9 이며, 무수석고와 이수석고의 합산 중량비가 총 석고 충량의 85중량% 내지 95중량%이며, SO3 함량은 35중량%내지 45중량%에 해당하며, 상기 무수석고와 이수석고의 중량비는 5:5에서 이수석고의 중량비를 증가시켜 이수석고로 모두 전환되도록 조절될 수 있는 것을 특징으로 하는, 발포 석고.
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