KR100735029B1 - 녹화용 인공토양 조성물 및 그의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 녹화용 인공토양 조성물에 관한 것으로서, 하수슬러지 20∼60중량부, CaO-Al₂O₃-SiO₂계 프릿 1∼5중량부, 점토 20∼40중량부, 탄산칼슘 1∼5중량부 및 카본블랙 1∼5중량부를 포함하는 조성물을 혼합 및 성형하는 단계; 성형체의 표면에 다공성 소결체가 형성되도록 코팅하는 단계; 및 코팅된 성형체를 환원가스가 주입된 열처리장치에서 소결하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 내부 탄화로 미세기공을 발달시키고, 외부 코팅처리로 내부탄화층을 보호함에 의해, 모세관력에 의한 흡수력, 양이온 치환능력 등 녹화용 성능이 우수한 효과가 있다.

인공토양, 하수 슬러지, 재활용, 감마 알루미나, 환원가스

Description

녹화용 인공토양 조성물 및 그의 제조방법{Artificial soil composition for the greening and method of manufacturing the same}

도 1은 본 발명인 인공토양 조성물의 제조 공정을 나타내는 설명도이고,

도 2는 본 발명인 인공토양 조성물의 열공정 스케줄 표이고,

도 3은 본 발명인 인공토양 조성물의 미세구조를 나타내는 주사전자현미경 사진이고,

도 4는 본 발명인 인공토양 조성물의 기공분포 이동현상을 나타낸 그래프이다.

본 발명은 녹화용 인공토양 조성물 및 그의 제조방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로 하수 슬러지를 주 원료로 일정형상의 성형체를 만든 후, 그 성형체의 내부는 충분히 탄화시켜 미세기공을 형성시키고, 그 성형체의 표면은 산화시켜 다공성 소결체를 형성하여 내부 탄화층을 bulk 형태로 보호하는 녹화용 인공토양 조 성물을 제조하는 것이다.

현재 더불어 가정이나 산업현장 각 분야에서 폐기물이나 슬러지가 다량 배출되고 있다.

이와 같이 불가피하게 배출되고 있는 폐기물이나 슬러지 들은 극히 일부만 처리, 재활용되고 있을 뿐 상당한 량이 그대로 방치 혹은 무단 폐기되거나 적절한 처리방법을 찾지 못하고 시간이 지나면서 계속 누적이 되어 심각한 사회적, 환경적 문제로 되고 있다.

예컨대, 하수 슬러지의 경우 최근 들어 전면적으로 매립이 금지된 상태이고, 국제협약에 의한 해양투기도 금지될 예정인 상황이어서, 하수 슬러지를 처리하는 문제는 환경적, 산업적으로 큰 문제가 되고 있는 실정이다.

이러한 하수 슬러지를 이용하여 제올라이트를 제조할 때, 펄라이트와 같은 수입 원료 등을 첨가하는 경우가 많고, 또한 다른 보완재를 병행하는 경우가 많은 실정이다.

여기서, 펄라이트는 진주암(화산석)을 약 760~1200℃의 고온에서 본래의 부피에 비해 4~12배까지 팽창시킨 것으로서, 번식과 파종상, 프러그묘 생산(plug production)과 이식, 실내조경 등의 용도에 많이 활용되고 있다.

한편, 하수 슬러지 하소분을 그대로 농업용 인공토로 혼합하는 방법들도 있으나, 무게가 경량이라 할 수 없고, 다공성 정도 및 강도가 부족한 문제점이 제기되고 있다.

이러한 종래기술의 문제점은 다음과 같다.

첫째, 하수 슬러지를 인공토양 조성물로 제조함에 있어, 종래 기술인 소성에 의한 발포공정에 의하면, 1~100㎛ 정도로 비교적 조대영역에 속하는 기공 크기를 얻을 수 있다. 이는 경량 확보의 측면에서는 도움이 되나, 미세기공이 덜 발달되어 모세관력에 의한 흡착력, 양이온치환능력(CEC) 등 녹화용 인공토양에 가장 필요한 특성이 부족한 단점이 있다.

둘째, 종래 기술인 환원분위기에 의한 탄화공정도 비교적 우수한 흡착특성을 나타내나, 이러한 종래 기술로 제조되는 탄화물은 90% 이상이 미분(미세한분말)이고, bulk형태로 과립화된 탄화물은 10% 미만에 불과하다. 따라서 강도 또한 약한 단점이 있다.

참고로, 녹화용 인공토양의 경우 육성용(입자크기 약 0.5~2mm정도), 배수용(입자크기 약 2~8mm내외)으로 사용되기 위해서는 일정 강도와 입자크기를 유지하여야 한다. 따라서, 투수성 확보를 위한 bulk 형태의 입자화는 필수이다.

그러므로 종래 기술로 하수 슬러지를 탄화한 제품은 유효 투수계수가 낮고, 강우(빗물)시 부유 또는 유실되기 쉬우며, 강도가 낮아 녹화용 인공토양의 용도로는 적합하지 않은 문제점이 있었다.

본 발명은 내부 탄화로 미세기공을 발달시키고, 외부 코팅처리로 내부탄화층을 보호하여, 모세관력에 의한 흡수력, 양이온 치환능력 등 녹화용 성능이 우수한 인공토양 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.

나아가, 환경 폐기물을 재활용하여, 환경 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다.

본 발명인 녹화용 인공토양 조성물의 제조방법은, 하수슬러지 20∼60중량부, CaO-Al₂O₃-SiO₂계 프릿 1∼5중량부, 점토 20∼40중량부, 탄산칼슘 1∼5중량부 및 카본블랙 1∼5중량부를 포함하는 조성물을 혼합 및 성형하는 단계; 성형체의 표면에 다공성 소결체가 형성되도록 코팅하는 단계; 및 코팅된 성형체를 환원가스가 주입된 열처리장치에서 소결하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명은 코팅 단계에서, 성형체의 표면에 감마 알루미나를 코팅하는 것이 바람직하다.

본 발명은 소결 단계 후 소결체가 급냉 되어 배출되는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명인 녹화용 인공토양 조성물은, 하수슬러지 20∼60중량부, CaO-Al₂O₃-SiO₂계 프릿 1∼5중량부, 점토 20∼40중량부, 탄산칼슘 1∼5중량부 및 카본블랙 1∼5중량부를 포함하는 조성물의 표면에 다공성 소결체가 형성되는 것이 바람직하다.

이하에서 본 발명의 제조 공정을 통해 본 발명인 녹화용 인공토양 조성물을 보다 상세히 설명한다.

본 발명은 서로 상반된 환원 및 산화 공정을 동시에 병행하여 조작하는 기술적 특징을 가진다. 이에 의해, 소정 형상의 성형체를 만들고, 그 성형체의 내부는 충분히 탄화되어 미세기공을 확보하게 하고, 그 성형체의 표면은 산화되어 다공성 소결체를 형성하여 내부 탄화층을 bulk형태로 보호하는 것을 특징으로 한다.

여기서 내부 탄화란, 하수 슬러지에 90% 이상 함유된 유기물질을 환원분위기 혹은 무산소 분위기에서 열처리하여 탄화하는 것을 의미한다. 이는 산소를 부족하게 하고 유기물을 태워 탄화물의 양을 극대화하는 기술이다. 이러한 내부 탄화에 의해 성형체에 미세기공이 잘 발달하고 흡수성이나 양이온치환능력 등의 특성이 향상된다.

그러나 직경 2~8mm 정도의 성형체를 만들기 힘들고 강도가 상당히 낮으며, 미세분말이 많아서 인공토양으로 사용하기 곤란한 단점이 있다.

또한 일반적으로 성형체를 열처리하여 소결하는 과정은 공기 중에서 행해지며, 많은 산소의 유입으로 실제 산화분위기에서 소결(소성)이 이루어진다.

성형체 내부의 유기물은 거의 다 휘발되어 없어지고 그 외 무기물성분이 남아 열처리된다. 이때, 큰 기공이 많이 생성되어 경량이면서 강도가 높은 성형체의 제조가 가능하게 된다.

그러나 많은 유기물의 소실로 인해 최종 생성물의 양이 적고, 에너지 소비도 크며, 내부 기공의 크기가 커서 미세기공에 의한 흡수성, 양이온치환능력 등의 특성이 약한 단점이 있다.

본 발명인 녹화용 인공토양 조성물은 전술한 단점을 극복하기 위하여, 환원 및 산화 공정을 병행하는 점에 기술적 특징을 가진다.

이는 고온, 단기 소성으로 유기물을 태워 경량화하되, 녹화용 인공토양으로 사용가능한 대략 밀도 1 이하의 경량성을 확보하는 정도까지만 유기물을 태우고, 그 나머지 유기물은 최대한 환원시켜 미세기공을 갖는 탄화물이 내부에 잔류하도록 하는 것을 특징으로 한다.

보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

고온에서 성형체를 투입하여 성형체 표면의 유기물이 먼저 휘발된다. 그 동안 완전한 환원분위기가 아닌 부분 환원분위기를 만들기 위해 대략 2-100cc/min 종도 일부 환원개스를 흘려준다. 이로 인해, 성형체 내부까지는 산소가 미쳐 못들어 가므로 성형체 내부에는 환원분위기가 형성된다.

즉, 소성시간을 짧게 하고 고온에서 급격히 투입하기 때문에 성형체 내부의 수분과 유기물이 순간 휘발하는 특성에 의해 성형체가 부풀어 오른다. 이 과정에서 섞인 일부 환원가스로 인해, 성형체 내부 깊이 산소가 유입이 되지는 못하고 열만 전달된다. 이로써 성형체의 내부는 탄화되고, 외부는 산화되며 경량화되는 특성을 나타낸다. 그리고 성형체 내부의 탄화물과 외부의 다공성 소결체가 물리화학적으로 강하게 결속된다.

따라서, 내부탄화에 의해 미세기공, 흡수율, 양이온치환능력 등의 특성이 향상되고, 외부의 경량 발포 소성에 의해 최소한의 경량성과 강도를 확보하게 되는 것이다.

이하에서는, 제작 공정을 통해 본 발명의 기술적 특징을 살펴본다.

먼저, 배합공정을 살펴본다.

하수 슬러지 20∼60중량부, CaO-Al₂O₃-SiO₂계 플릿(frit) 1∼5중량부, 점토 20∼40중량부, 탄산칼슘 1∼5중량부 및 카본블랙 1∼5중량부를 포함하는 조성물을 교반 및 혼합한다.

하수 슬러지가 20중량부 미만이면, 유기물의 양이 적어 발포에 의한 경량효과가 발현되지 못하며, 60중량부를 초과하면, 과다발포로 인해 소결체가 터져버리기 때문에 부적합하다. 따라서 하수 슬러지는 20∼60중량부가 첨가되는 것이 바람직하다.

CaO-Al₂O₃-SiO₂계 플릿(frit)은 1~5중량부가 첨가되면, 소결조제 및 조직강화제로서의 역할을 할 수 있다. 또한, CaO : Al₂O_{3 :} SiO₂ = 0.5∼1 : 1∼2 : 1∼2의 조성비를 갖는 것이 바람직하다.

점토는 20∼40중량부가 첨가되면, 하수 슬러지와 함께 혼합되어 일정 형상을 가진 성형체의 제조를 용이하게 한다. 본 발명에 사용되는 점토(clay)로는 몬모릴로나이트 (montmorillonite), 벤토나이트(bentonite), 일라이트(illite) 등 여러 종류의 점토가 사용 가능하다.

탄산칼슘과 카본블랙은 각각 1∼5중량부가 첨가되면, 성형체의 발포력을 향상시킬수 있다. 탄산칼슘은 표면의 개기공량을 증가시키고, 카본블랙(1∼100 ㎚)은 미세한 기공을 형성하는데 도움을 준다.

다음으로 성형 공정을 살펴본다.

상기 조성물의 성형체는 필요에 따라 다양한 형상으로 제작이 가능하다. 특히 pellet형 성형체는 대량생산이 용이한 특징을 가지는데, 점도가 높은 점토 (clay)가 첨가되면, pellet형 성형체 형성이 용이한 장점이 있다. 통상적으로는 직경 1∼8mm의 구, 원통형 pellet을 제조한다.

다음으로 코팅 공정을 살펴본다.

성형체의 표면에는 감마 알루미나(γ-alumina)를 코팅한다. 코팅된 감마 알루미나는 하수 슬러지와 점토 등의 혼합물인 성형체의 성분보다 약간 높은 온도에서 녹는다. 이에 의해 고온, 단기 소성 공정에 투입되는 성형체의 표면이 녹아 기공이 막히는 현상이 억제된다. 즉, 감마 알루미나는 성형체 표면의 다공성 확보와 내부의 녹는 점 온도를 높여 탄화물 생성을 극대화시킬 수 있는 것이다.

또한, 감마 알루미나 자체도 기공이 많은 소재이므로, 성형체 표면에 코팅하여도 성형체 내부의 유기물이 빠져나가는데 별다른 지장을 주지는 않는다.

다음으로 소결 공정을 살펴본다.

열처리 장치는 튜브형 또는 로타리형 킬른 등 기존의 장비가 사용될 수 있다. 열처리 장치의 내부로 공기와 N₂ 또는 Ar 등의 환원가스를 혼합하여 공급한다.

이 경우 밸브 등을 이용하여 공기와 환원가스량을 조절가능하고 환원가스량은 대략 2-100cc/min 공급한다. 환원가스량이 100cc/min을 초과하여 공급되면, 과 환원되어 소결체의 발포력이 약해진다. 환원가스량이 2cc/min 미만으로 공급되면, 탄화도가 저하되어 내부에 탄화물을 생성시키기 어렵다. 따라서 환원가스량은 2-100cc/min를 공급함이 바람직하다.

반응조건은 650∼900℃에서 10∼30분간 소결한다. 650℃ 미만에서는 발포력 저하 및 강도 약화의 문제가 있다. 900℃를 초과하면 고온으로 인한 부분 용융 현상이 발생하여 내부기공이 막히는 문제가 있다. 따라서, 반응온도는 650∼900℃가 바람직하다. 그리고 성형체 내부의 유기물을 일정량만 태우기 위해서는, 반응시간은 10~30분간이 바람직하다.

다음으로, 배출공정을 살펴본다.

소결 공정에서 성형체의 발포량이 많을수록 냉각과정에서 크게 수축이 발생하므로 주의해야 한다. 또한, 성형체의 성분에 유리질이 많거나 소성온도가 높아 유리질이 생성이 되는 경우에는 급냉시 강도가 급격히 저하되므로 주의해야 한다.

그러므로 급냉 공정을 도입하기 위해서는 본 발명과 같이 소성 제품이며, 충분히 다공성인 것이 바람직하다.

따라서, 열처리 장치의 배출구에는 예로, 열전도율이 높은 알루미늄재질의 수냉판 등을 장착하여, 소결체가 좀 더 신속히 냉각하도록 하여, 냉각과정에서의 소결체의 수축을 방지한다.

도 1는 본 발명인 인공토양 조성물의 제조 공정을 나타내는 설명도이고, 도 2는 본 발명인 인공토양 조성물의 열공정 스케줄 표이다. 이하에서는, 도 1 및 도 2를 참조하면서, 본 발명의 일 실시예를 통하여 본 발명인 인공토양 조성물의 제조방법을 보다 상세히 설명한다.

< 실시예 >

하수슬러지 케익 53kg, CaO-Al₂O₃-SiO₂계 플릿(frit) 3kg, 점토 40kg, 카본블랙 3kg, 기타 1kg을 혼합기에 넣고 교반한다. 직경 1~8mm의 pellet형상의 성형체로 성형한다.

성형체의 표면에 감마 알루미나 분말을 골고루 도포하고 적당하게 표면이 건조된 상태에서, 850℃의 온도에서 20분간 탄화, 소결한다. 이때 환원가스는 60 cc/min 이 주입된다.

그 후 소결체를 수냉판을 통해 급냉하고, 2mm 와 5mm로 입도분리를 하여 인공토양조성물을 제작한다.

도 3, 도 4 및 표 1, 표 2는 상기의 실시예에 의해 제조된 인공토양 조성물로부터 산출된 데이터이다.

도 3은 본 발명인 인공토양 조성물의 미세구조를 나타내는 주사전자현미경 사진이다. 도 3에 나타난 바와 같이 상당한 기공을 관찰할 수 있으며 골격의 소성상태도 양호하였다. 내부는 물리적으로 쉽게 이탈, 분리되지 않으므로 유실에 의한 성능저하의 소지가 없으며, 양호한 소결상태로 약 80ton/m²의 우수한 내압강도를 발현하고 있다. 또한, 이러한 다공성에 의해 상당한 흡수율, 경량성을 얻을 수 있다.

아래 표 1은 본 발명인 인공토양 조성물의 중금속 유해성 시험결과표이다. 이를 통해, 모든 항목에서 중금속 용출에 대하여 안정하다는 결과가 나왔음을 알 수 있다.

Constituent(ppm)	Artificial soil	Soil quality standard
Cd	2.2	4
Cu	3.4	125
As	0.9	15
Hg	ND	10
Pb	1.6	300
Cr6 +	0.09	10

도 4는 본 발명인 인공토양 조성물의 기공분포 이동현상을 나타낸 도표이다.

A 인공토는 일반적인 발포소결 공정만으로 발포한 것이고, B 인공토는 탄화공정을 병행하여 적용한 것이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 탄화를 병행한 경우 기공 영역이 미세영역인 우측으로 이동하는데, 이를 통해 미세기공이 상당히 발달되고 있음을 알 수 있다. 기공의 양적인 변화보다는 크기에 영향을 더 미치고 있음을 알 수 있다. 이는 내부에 잔류하는 탄화물의 영향이다.

A 인공토와 B 인공토 모두 기본적으로는 발포방식에 의해 제조된 다공성 재료에서 나타나는 전형적인 bimodal 형태의 기공형태를 보이고 있다.

여기서 bimodal 형태란 다공성 제품에 일반적으로 나타내는 기공분포 형태를 말한다. 그래프 상의 봉우리가 두 개인 것으로서, 미세한 기공과 조대(비교적 큰)한 기공 영역이 확연히 드러나도록 분리가 되는 것을 말한다.

B 인공토의 경우, 약 0.05 ㎛크기의 기공은 유기물의 표면으로의 휘발과 다공성 알루미나 골격내의 기공으로 생각되어지며, 0.005㎛크기의 비교적 미세한 기공들은 내부 탄화층내에 존재하는 기공으로 판단된다.

아래 표 2는 본 발명인 인공토양 조성물을 일반 노지(마사토)와 비교한 성능시험평가표로서, 식물 육성용으로 약 2mm 이하의 입자를 대상으로 토양적 성능을 측정한 결과이다.

평가항목	단위	노지(마사토)	개발 인공토
공극률(용량)	%	30∼40	50
투수계수	mm/h	∼1200	∼2000
보비력	Org. C(g/kg)	8.4	28.8
유효수분율	vol%	24	28
열전도율	kcal/mh??	∼0.1	∼0.05
밀도	g/cm3	1.5∼1.7	0.7∼0.8
내압성	ton/m2	48	52
pH	-	6.3	7.4
중금속 용출	ppm	-	-
CEC	meq/100g	7.3	14

첨가물 없이 인공토양 만의 성능을 비교해 볼 때, 녹화용 인공토양으로서 충분히 사용가능한 성능을 발휘하고 있다. 특히, 보비력(保肥力: 거름기를 오래 지니는 힘), 양이온 치환능력(CEC), 내압성 등의 항목에서 우위를 나타낸다. 그 외 시간의 경년변화에 따라 물리적, 이화학적 특성변화가 적은 것을 장점으로 한다.

본 발명인 녹화용 인공토양 조성물의 특징을 정리하면 다음과 같다.

첫째, 하수 슬러지를 인공토양으로 소재화함에 있어 기존 기술인 슬러지 탄화기술, 소성 발포에 의한 발포기술 등의 단점을 극복하고 있다.

둘째, 폐기물인 하수 슬러지를 주원료로 하고, 소성 발포과정에서 성형체의 내부는 탄화, 표면은 산화소결되어 있다. 그리고 내부탄화물과 외부 코팅면이 서로 물리화학적으로 강하게 결속되어 있어, 이탈, 분리 등에 의한 장기성능저하가 없다.

셋째, 전량 수입에 의존하는 녹화용 경량 소재의 수입을 대체할 수 있다.

넷째, 하수 처리장에서 배출되는 슬러지를 1/5∼1/10 정도로 크게 감량화하는 처리가 가능하다.

다섯째, 고온 열처리 단계에서 중금속 등이 고용체화 되어 환경적으로 상당히 안정하다.

여섯째, 폐기물 처리비 지출을 생산원가 절감에 활용할 수 있는 폐자원을 이용하는 경제성을 가진다.

본 발명은 내부 탄화로 미세기공을 발달시키고, 외부 코팅처리로 내부탄화층을 보호함에 의해, 모세관력에 의한 흡수력, 양이온 치환능력 등 녹화용 성능이 우수한 효과가 있다.

그리고 폐기물인 하수 슬러지를 재활용함에 의해, 하수 슬러지를 친환경적으로 처리하는 효과가 있다.

Claims (11)

1. 하수슬러지 20∼60중량부, CaO-Al₂O₃-SiO₂계 프릿 1∼5중량부, 점토 20∼40중량부, 탄산칼슘 1∼5중량부 및 카본블랙 1∼5중량부를 포함하는 조성물을 혼합 및 성형하는 단계;

   상기 성형체의 표면을 코팅하는 단계; 및

   상기 코팅된 성형체의 표면에 다공성소결체가 형성되도록 환원가스가 주입된 열처리장치에서 소결하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는

   녹화용 인공토양 조성물의 제조방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 혼합 및 성형 단계에서, CaO-Al₂O₃-SiO₂계 프릿은 CaO : Al₂O₃ : SiO₂ = 0.5～1 : 1～2 : 1～2의 조성비를 갖는 것을 특징으로 하는

   녹화용 인공토양 조성물의 제조방법.
3. 제1항에 있어서,

   상기 코팅 단계는, 성형체의 표면에 감마 알루미나를 코팅하는 것을 특징으로 하는

   녹화용 인공토양 조성물의 제조방법.
4. 제1항에 있어서,

   상기 소결 단계는, 열처리 장치에 환원가스가 2-100cc/min 주입되는 것을 특징으로 하는

   녹화용 인공토양 조성물의 제조방법.
5. 제1항에 있어서,

   상기 소결 단계는, 650∼900℃의 온도 범위에서 행해지는 것을 특징으로 하는

   녹화용 인공토양 조성물의 제조방법.
6. 제1항에 있어서,

   상기 소결 단계는, 10∼30분간 행해지는 것을 특징으로 하는

   녹화용 인공토양 조성물의 제조방법.
7. 제1항에 있어서,

   상기 소결 단계 후 소결체가 급냉 되어 배출되는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는

   녹화용 인공토양 조성물의 제조방법.
8. 제7항에 있어서,

   상기 배출 단계에서, 알루미늄 수냉판을 이용하여 급냉하는 것을 특징으로 하는

   녹화용 인공토양 조성물의 제조방법.
9. 하수슬러지 20∼60중량부, CaO-Al₂O₃-SiO₂계 프릿 1∼5중량부, 점토 20∼40중량부, 탄산칼슘 1∼5중량부 및 카본블랙 1∼5중량부를 포함하는 조성물을 열처리장치에서 소결하여 상기 조성물의 표면에 다공성 소결체가 이루어짐을 특징으로 하는

   녹화용 인공토양 조성물.
10. 제9항에 있어서,

    상기 CaO계 프릿은, CaO : Al₂O₃ : SiO₂ = 0.5～1 : 1～2 : 1～2의 조성비를 갖는 것을 특징으로 하는

    녹화용 인공토양 조성물.
11. 제9항에 있어서,

    상기 다공성 소결체는, 감마 알루미나로 이루어지는 것을 특징으로 하는

    녹화용 인공토양 조성물.

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