KR970005876B1 - 산업 폐슬러지를 활용한 고강도 시멘트 제조방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

산업 폐슬레지를 활용한 고강도 시멘트 제조방법

제1도는 슬러지를 건조하기 전과 건조한 후의 조성비를 나타낸 도표.

제2도는 시멘트 제품을 제조할 때 시료의 종류에 따른 중량비와 혼합비를 도시한 도표.

제3도는 상기 제2도에 도시된 중량비를 갖는 시료로 제조된 시멘트 제품의 경화기간에 따른 압축강도를 나타낸 도표.

제4도는 (a),(b)는 상기 제3도의 PUA 시편과 PHA 시편에 X-Ray를 주사하여 특정반응물의 피크를 측정한 그래프도.

제5도는 (a),(b)는 상기 제3도의 PUA 시편과 PHA 시편을 SEM으로 결정구조를 측정한 사진.

본 발명은 산업 폐슬러지를 활용한 고강도 시멘트 제조방법에 관한 것으로, 특히 화학 공장으로부터 배출되는 슬러지(Sludge)를 재활용하여 시멘트제품을 제조할 때 강도가 높은 시멘트 제품으로 제조하는 방법에 관한 것이다.

화학공장에서 폐기물로 배출되는 슬러지에는 환경을 오염시키는 유해한 물질이 다량으로 함유되어 있으므로 이 슬러지를 함부로 버릴 경우 심각한 환경오염을 발생시키게 된다. 예를들어 염화나트륨과 탄산칼륨을 주원료로하여 소다회(Na₂CO₃)를 생산할 때 발생되는 무기성 슬러지는 우리나라에서 년간 10만톤이상 발생되며 이러한 무기성 슬러지를 매립하는데는 여러 가지 제한이 따르므로 매립부지의 선정 및 확보에 어려움이 발생하여 현재는 공장부지 내에 버려지고 있는 실정이다.

상기 슬러지를 처리하는 종래의 일반적인 방법은 아래의 두가지 방법에 의해 처리되어 진다.

먼저, 첫 번째 처리방안으로는 배출된 슬러지를 탈수과정을 거쳐 건조시킨후 육상 또는 해상에 매립하는 방법으로서, 이 경우 슬러지는 함수율이 높아서 비용적이 크기 때문에 대규모 공장에서 다량으로 배출되는 경우에는 이 처리를 위한 공장의 건설이나 운영비에 과다투자의 어려움이 있다.

다음, 두 번째 처리방안으로는 고화체를 사용하여 슬러지를 고형화시켜 경화체를 제조, 이를 매립 또는 활용함으로서 산업 폐기물의 처리 및 재활용이라는 면을 고려할 수 있다.

상기 폐슬러지를 자원으로 활용하는 차원에서 슬러지를 건조시켜 시멘트 재료로 사용하는 기술이 종래에 대두되어 사용되어 왔다.

그 일례로 염화나트륨과 탄산칼륨을 주원료로하여 소다희(Na₂CO₃)를 생산하는 공장에서 배출되는 무기성 슬러지를 침강, 수세과정을 거쳐 슬러지에 포함된 염소기(Cl^-)를 약 70%정도 제거하고 100-105℃에서 약 2일간 건조하고 분쇄과정을 거쳐 소정크기의 그물망, 예컨데 16메쉬의 채로 걸러서 얻어진 분말을 시멘트 제품을 만드는 제료로 사용하였다.

그러나 상기한 방법으로 얻어진 분말을 사용하여 시멘트 제품을 제조하였을 경우 얻어지는 압축강도가 약 100kg/㎠정도에 불과하여 일반 시제품과는 유사한 강도를 가지나 고강도를 요구하는 시멘트 제품으로 사용하는 데는 부적절한 문제점이 있다.

즉, 상기와 같은 종래의 가공처리 조건하에서 얻어진 시멘트 제품에 있어서는 시료의 조성비에 따라 그 함수비를 측정하면 약 39.91%~51.39%로 측정되어 높은 함수비를 나타내고 있는데, 이는 특히 강도증진의 저해요소가 되는 Cl^-성분을 많이 포함하고 있기 때문이다. 만약 상기 함수비를 낮출수 있는 적절한 공정을 추가로 실시하고, 또한 상기 종래 처리공정에서 별도의 다른 첨가물등을 첨가하여 가공처리할 경우에는 보다 높은 강도의 제품을 얻을 수 있게 된다.

따라서, 본 발명은 상기의 종래의 기술에서의 문제점을 감안하여 발생된 폐슬러지를 고강도의 시멘트 제품으로 제조될 수 있는 고온 열처리 공정과 시멘트 형성재료 등을 적절하게 배합하는 공정을 구비함으로써, 폐슬러지를 자원으로 재활용하면서도 고강도를 갖는 시멘트 제품을 제조할 수 있는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 무기물 폐슬러지를 100~110℃에서 건조시키는 공정과, 상기 건조된 상태의 무기물 덩어리를 분쇄한 후, 소정 크기의 채로 걸러서 얻어진 것을 500-1000℃의 건조로에서 고온 열처리하는 공정과, 상기 고온 열처리된 분말을 시멘트 제품을 제조하기 위한 재료등과 혼합하여 고강도 시멘트를 제조하는 공정으로 구성되는 산업 폐슬러지를 활용한 고강도 시멘트 제품 제조방법을 제공함을 특징으로 한다.

이하, 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.

우선, 본 발명의 방법에 따라 폐슬러지를 고강도 시멘트 제품으로 제조하기 위한 공정단계에 대해 살펴보기로 한다.

먼저, 함수율이 약 50%이상이고 pH가 높고 환경오염의 요인인 Cl^-이 다량 함유되어 있는 화학공장에서 배출되는 무기물 슬러지를 100-110℃에서 약 2일간 건조시킨다.

그후 건조된 무기물 덩어리를 볼밀(ball mill)로 분쇄하고 소정크기의 그물망, 예를들어 30매쉬(mesh)되는 채로 걸러서 얻어진 분말을 200-1000℃의 고온에서 약 2시간 정도 열처리시킨다.

그 다음 상기 분말을 시멘트 재료 즉, 포틀랜드 시멘트, 후라이 애쉬(fly-ash), 규사, 첨가제등과 함께 혼합하여 고강도 시멘트 제품을 제조하는 것이다.

참고로, 상기 무기물 슬러지나 분말을 건조 또는 열처리할 때 건조로에 슬러지나 분말을 넣고 온도를 서서히, 예를들어(10℃/분당)의 속도로 상승시키거나 100-110℃ 또는 500-1000℃의 온도를 갖는 건조로에 분말을 넣어도 비슷한 효과를 얻을 수 있다.

한편, 상기한 본 발명의 방법에 의해 제조되는 시멘트 제품과 종래의 방법에 의해 형성되는 시멘트 제품과의 강도를 비교하기 위하여, 우선 상기 무기물 슬러지를 건조로에 넣고 100-110℃에서 2일간 건조시킨 다음, 건조된 무기물 덩어리를 볼밀로 분쇄하고 30매쉬채로 걸러서 얻어진 분말을 시멘트재료, 즉 포틀랜드 시멘트, 후라이 애쉬(fly-ash), 규사, 첨가제등과 함께 혼합하여 시멘트 제품을 제조한다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 상기 본 발명의 방법에 의해 제조된 시멘트 제품과 종래의 기술에 의해 형성된 시멘트 제품과의 특성을 비교해 보기로 한다.

제1도는 슬러지를 조성비에 대하여 도표한 것으로, 공장에서 배출된 슬러지를 건조하기 전과 건조한 후의 슬러지 조성비를 나타낸 것이다.

본 발명의 실시예에 사용된 슬러지는 염화나트륨과 탄산칼륨을 주원료로하여 소다회(Na₂CO₃)를 생산하는 공장에서 배출되는 무기성 슬러지이다.

제2도는 슬러지를 100-110℃에서 건조시켜 얻어진 분말(여기서는 이것을 고온 열처리를 하지 않은 분말(U)이라함)과, 또한 상기 분말을 소정온도, 즉,(500-1000℃)온도범위에서 고온 열처리한 분말(H)을 시멘트 재료 즉, 포틀랜드 시멘트(P), 규사(A), 후라이 애쉬(F), 첨가제(감수제 및 응결촉진제)(CA)를 각각 혼합하여 시멘트 제품을 제조할 때 시료들의 중량비와 혼합물을 도표로 도시한 것이다.

상기 시료의 명칭에는 PU는 포틀랜드 시멘트와 고온 열처리 하지 않은 분말을 혼합한 것이며, PUA는 포틀랜드 시멘트와 고온 열처리 하지 않은 분말과 규사를 혼합한 것이며, PUF는 포틀랜드 시멘트와 고온 열처리 하지 않은 분말과 후라이 애쉬를 혼합한 것이며, PUAF는 포틀랜드 시멘트와 고온 열처리하지 않은 분말과 규사와 후라이 애쉬를 혼합한 것이며, pH는 포틀랜드 시멘트와 고온 열처리한 분말을 혼합한 것이며,PHA는 포틀랜드 시멘트와 고온 열처리한 분말과 후라이 애쉬를 혼합한 것이며, PHAF는 포틀랜드 시멘트와 고온 열처리한 분말과 규사와 후라이 애쉬를 혼합한 것이다.

상기와 같은 혼합 조성비를 가지는 시료에 의해 제조되는 시멘트 제품의 함수비는 고온 열처리를 한 것과 하지 않은 것이 많은 차이를 보인다. 즉 본 발명의 방법에 의해 500~1000℃에서 고온 열처리한 것은 시료의 조성비에 따라 함수비가 17.54~33%이나 고온 열처리를 하지 않은 것은 기 설명한 바와 같이 39.91~51.39%로 함수율이 더 높은 것으로 측정되었다.

여기서 함수비가 높다는 것은 강도증진의 저해요소가 되는 Cl^-성분을 많이 포함하고 있는 것을 의미한다.

제3도는 상기 제2도에 도시한 혼합 중량비를 가지고 시멘트 제품을 제조하여 대기중에서 시멘트 제품을 경화시킬 때 경화되는 기간에 따라 압축강도를 측정하여 도표화한 것으로, 본 발명에 의해 500~1000℃에서 고온 열처리를 한 시료중에 압축강도가 최고 높은 것은 PHA-1로 경화되는 기간이 28일째 압축강도가 448kg/㎠이지만, 고온 열처리하지 않은 시료중에 압축강도가 최고 높은 것은 PUA-1로서 경화되는 기간이 28일째 압축강도가 230kg/㎠임을 나타내고 있으며, 이를 통해 고온 열처리를 한 시료들의 압축강도가 대체적으로 높음을 알수 있다.

참고로 PH시편을 규사가 포함된 PHA시편과 비교해보면 약 2배의 강도 차이를 보이는데 이는 규사의 성분이 대부분 SiO₂로서 강도에 상당히 큰 영향을 미침을 알 수 있다.

참고로 다른 시멘트 제품과 압축강도를 비교하면 다음과 같다. 일반적인 시판용 시멘트 제품은 약 100kg/㎠ 슬러시-후라이애쉬 벽돌은 약 181.3kg/㎠, 연탄재 벽돌은 약 150kg/㎠, 본 발명에 의한 PHA-1의 시멘트 제품은 448kg/㎠로써 타제품보다 휠씬 뛰어남을 알수 있다.

슬러지에서 얻어진 분말을 고온에서 열처리 하게되면 시편의 입자와 입자의 공극이 좁아져 밀도가 커지게 된다. 그로 인하여 슬러지 성분중 시멘트 수화반응을 지연 시키는 Cl^-등이 제거된 것을 상기한 함수비나 압축강도를 도시한 표를 통하여 간접적으로 알 수 있다.

제4도의 (a)는 상기 제3도의 PUA의 중량비를 가지는 제조된 시편에 X-Ray를 주사하여 특정한 반응물의 피크를 측정한것이며, (b)는 상기 제3도의 PHA의 중량비를 가지고 제조된 시편에 X-Ray를 주사하여 특정한 반응물의 피크를 측정한 것으로 PHA시편에 Ca₂SiD₄3H₂O의 피크가 크게 나타나서 슬러지 성분중 시멘트 수화반응을 지연시키는 Cl^-성분이 제거되어 수화반응물이 많이 생성된 것을 알수 있다.

제5도의 (a)는 상기 제3도의 PUA의 중량비를 가지고 제조된 시편을 SEM으로 측정한 사진이며, (b)는 상기 PHA의 중량비를 가지고 제조된 시편을 SEM으로 측정한 사진이다. 사진에서 볼수 있는 것 같이 PHA시편에 더 많은 결정구조가 형성되어 있음을 알수 있다.

상기한 바와 같이 무기성 슬러지를 본 발명의 핵심 기술인 고온 열처리를 통하여 Cl^-제거과정을 거치게 될 경우, 슬러지를 이 DYD한 시멘트 제품에서 함수비는 고온 열처리를 하지 않은 시료보다 100%정도 감소하고, 압축강도는 100%정도 증가하는 효과가 있다.

Claims (4)

1. 화학공장에서 배출되는 무기물 폐슬러지를 이용하여 시멘트 제품을 제조하는 방법에 있어서, 상기 무기물 폐슬러지를 100-110℃에서 건조시키는 공정과, 상기 건조된 상태의 무기물 덩어리를 분쇄한 후, 소정크기의 채로 걸러서 얻어진 것을 500-1000℃의 건조로에서 고온 열처리하는 공정과, 상기 고온 열처리된 분말을 시멘트 제품을 제조하기 위한 재료등과 혼합하여 고강도 시멘트를 제조하는 공정으로 구성되는 것을 특징으로 하는 산업 폐슬러지를 활용한 고강도 시멘트 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 시멘트 재료는 포틀랜드 시멘트에 후라이 애쉬와 첨가제를 포함하는 것을 특징으로 하는 산업 폐슬러지를 활용한 고강도 시멘트 제조방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 무기물을 시멘트 재료에 혼합할 때 총중량비에 대하여 25~50%의 중량비로 혼합하는 것을 특징으로 하는 산업 폐슬러지를 활용한 고강도 시멘트 제조방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 무기물 슬러지를 100-110℃에서 약 2일간 건조시킨 다음, 건조된 무기물 덩어리를 분쇄하고 채를 이용하여 분말을 얻은 다음, 500~1000℃의 온도에 약 2시간 열처리하는 것을 특징으로 하는 산업 폐슬러지를 활용한 고강도 시멘트 제조방법.