하수슬러지, 정수슬러지 및 준설토등을 포함하는 유기성 슬러지 중에서, 도시지역의 하수슬러지는 중량기준으로 수분 75∼85%, 유기물 10∼25%, 무기물 5∼10%로 이루어져 있다. 이러한 하수슬러지는 수분의 건조와 더불어 유기물 안정화에 초점을 맞추어 고화에 의한 복토재화 기술, 탄화에 의한 고체연료화 기술, 미생물 분해에 의한 퇴비화 기술 등이 개발되어 왔다.
상기한 유기성 슬러지를 이용한 기술중에서, 복토재화 기술은 수분을 증발시 키고 유기물을 고화제로 포위하여 외부로 유출되지 않도록 하는 특징을 갖고 있지만, 제조된 제품의 특성은 외부에서 투입된 고화제 및 첨가제의 성분에 의하여 좌우된다. 따라서, 일반토양에 비하여 공학적으로 열악한 품질을 갖는 토양이기 때문에 저급의 복토재로 한정하여 재활용될 수밖에 없다. 또한, 현재까지 제안된 탄화기술들은 과거부터의 탄화기술 혹은 활성탄 제조기술의 변형으로서, 미립형태인 유기성 슬러지를 탄화시켜 미분말형태의 탄화체를 생성하고, 이를 그대로 혹은 과립형태로 제조하여 고체연료, 토양개량제, 수처리 여재로 재활용하는 기술들이었다. 그러나, 탄화기술을 적용하여 얻어진 탄화물은 미분말형태의 경우 바람 및 유체에 의하여 유동되어 적용상 용이치 않으며, 탄화물의 연료화는 발열량이 떨어질 뿐만 아니라, 이러한 저급의 고체연료를 안정적으로 사용할 수 있는 수요처가 부족한 실정이다. 또한, 상기 탄화물은 토양개량제나 수처리 여재활용도 물리적 강도나 성능문제로 재활용이 용이하지 않다. 이와 같이 복토재화 기술과 탄화기술은 제조된 저급품질의 재활용 제품을 기존의 수요처에 적용하는데 한계가 있으며, 안정적인 수요처를 확보하는데 문제가 있다.
한편, 유기성 슬러지를 산화분위기에서 소성하는 경량골재 제조기술은 고온에서 유기성분의 연소에 의한 다공성 확보와 무기물의 소성에 의한 구조지지체 형성을 도모하는 기술이다. 이 기술에서 경량골재의 전체적인 구조형성을 위해서는 원료성분 중 무기성분이 대부분이어야 하며, 유기성분은 큰 부피의 연소가스로 전환되어 기공을 형성하게 되므로 비교적 소량만을 필요로 한다. 그러나 유기성 슬러지는 유기물량이 무기물량에 비하여 훨씬 많고, 부피도 크기 때문에 유기성 슬러지 를 이용하여 산화분위기에서 소성에 의하여 경량골재를 제조하기 위해서는 외부에서 점토를 비롯한 많은 양의 무기물을 공급해야 한다. 이는 처리시설이기도 한 재활용시설의 규모를 크게 하기 때문에, 시설비와 유지관리비 부담도 커지고, 유기성 슬러지 처리단가를 대폭 증가시키는 요인으로 작용한다. 또한, 이렇게 제조된 경량골재는 경량성만을 갖고 있어 적용처가 건축물 등의 건설구조물로 한정되는데, 고도의 안정성과 내구성을 요구하는 건설구조물의 특성을 감안하면 신재료가 사용되는 고급 경량 골재를 대체하는 골재로서 적용하는데 어려운 문제점을 내포하고 있다.
유기성 슬러지를 이용한 경량골재 제조와 관련하여 종래에 국내 등록특허 제0347997호와, 국내공개특허 제2005-0036118호가 제시되었다.
전자의 국내 등록특허 제0347997호는 "내부발열 소결법에 의한 하수슬러지 자원화방법"에 관한 것으로, 이는 하수슬러지와 점결제를 혼합하여 성형하고, 1100∼1180℃의 온도조건을 갖는 소성로에 하수슬러지와 점결제의 혼합물을 투입하여 10∼30분간 소성시킴으로써 다공성 소결체를 제조한 기술이다. 상기 기술은 하수슬러지를 성형체의 내부 용융을 위한 발열체로 사용하여 환원분위기가 아닌 산화분위기에서 소성하는 것이며, 유기물의 연소시 발생하는 가스의 팽창에 의해 내부공극이 형성된다. 특히 상기 기술은 유기물 연소에 의하여 발생되는 가스에 의하여 공극을 팽창시키고, 유기물의 연소에 따른 높은 발열량에 의하여 공극 주변의 무기물을 용융시켜 소결시키기 때문에, 폐기공의 형태를 갖는 조대기공이 발달하게 된다. 또한, 경량성을 부여하기 위하여 제품투입구와 소성구간 간의 온도차이를 400℃ 이 내, 바람직하게는 200℃ 이내로 하는 것으로 되어 있다. 이것은 유기물의 연소시기와 무기물의 용융시기를 일치시킴으로써 기공의 팽창과 동시에 무기물의 소결을 동시에 이루고자하는 시도이다. 만약, 제품투입구 온도와 소성온도와의 차이가 500∼600℃ 정도가 된다면, 제품내의 유기물이 먼저 연소하고 팽창하면서 무기물이 용융소결되지 않은 상태에서 제품 외부로 가스가 빠져나가게 되므로 수축소결되면서 비중이 1.7이상으로 증가하게 된다.
따라서, 상기 기술은 제품 내에서 내부발열 및 용융소결되기 때문에 우수한 경량성을 얻을 수 있지만, 소결체 내부에는 유기물이 전혀 없고 폐기공을 형성하고 있는 상태가 되므로 흡수성 및 흡착성능이 없어 옥상녹화를 위한 경량골재, 우수에 의한 비점오염물질, 여과용 담체 등의 용도로 사용할 수가 없다.
후자의 국내공개특허 제2005-0036118호는 "초경량 인공골재 제조방법"에 관한 것으로, 이는 점토성 무기슬러지와 자연산 일반토양 및 채석장의 표면 토양 가공시 발생하는 미분체의 무기질을 주원료로 하고 여기에 낙엽, 음식쓰레기와 같은 유기물을 소량 혼입하여 구상체로 성형하고, 이를 1020∼1200℃의 로타리킬른에서 소성하여 구상체를 팽창시킴으로써 비중이 낮은 초경량골재를 제조하는 기술이다.
상기 기술은 유기물의 연소가스 팽창에 의하여 조대기공이 형성되고, 0.5∼0.8의 비중을 갖는 경량성 인공골재를 제조할 수 있다. 또한, 모든 유기물이 연소되어 불연성을 갖게 되고, 폐기공을 형성하기 때문에 방음, 방습, 방열 성능을 발현할 수가 있다. 그러나, 상기 기술은 가공과정에서 팽창가스의 외부유출에 따라 기공수축현상을 초래하여 비중이 증가될 수 있으며, 과도한 팽창에 따라 공극지지 력이 약해져 골재의 강도가 약해질 수 있다.
따라서, 상기 기술은 내부팽창에 따라 형성되는 조대기공에 의한 우수한 경량성을 발휘할 수 있으나, 낮은 강도를 가질 수 있으며, 제품구조에서 유기물이 없고, 미세기공이 발달되지 않아 흡수력과 흡착력을 갖지 못하는 문제점이 있다. 이에 따라 옥상녹화를 위한 경량골재, 우수에 의한 비점오염물질, 여과용 담체 등의 용도로 사용할 수가 없는 문제점이 있다.
이에 본원 출원인은 상기한 문제점들을 해결하기 위하여, 오랜 연구 결과 유기물 전체를 연소 및 팽창시켜 공극을 형성시키지 않고, 탄화조건에서 유기물 중의 고정탄소부분을 지지체로 형성시키면서 일부의 휘발성 물질만을 가스화시켜 제품밖으로 배출토록 함으로써 미세공극의 개기공을 형성하면서 강도를 증대시킬 수 있음을 알게 되었다. 또한, 성형체는 열가공 후 팽창 혹은 수축되지 않고, 겉보기 원형을 그대로 유지할 수 있음을 알게 되었다.
한편, 소성 후 탄화 유기물의 존재와 미세기공의 발달에 의하여 경량성, 흡수성, 흡착성을 갖도록 하면서 일반적인 탄화온도 범위인 500∼700℃의 일반적인 탄화온도보다 높은 700∼1100℃에서 소성함으로써 입자간의 소성결합력이 증대되고, 유기 탄화물이 주된 구성성분으로 제품 내부의 지지체 역할을 하게 되므로 소량의 무기물만을 첨가하여도 기계적 강도가 증가될 수 있다는 현상을 발견하고 본 발명을 완성하였다.
따라서, 상기한 바와 같은 제반 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 첫번째 목적은 하수슬러지, 정수슬러지 및 준설토, 유기성 산업폐기물 등을 포함하는 유기성 슬러지를 이용하여 경량성, 흡수성, 흡착성을 갖으면서 성형체가 높은 기계적 강도특성을 갖도록 한 유기성 슬러지를 이용하여 제조된 탄화경량골재를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 두번째 목적은 옥상녹화, 비점오염원 저감, 우수의 지하침투 등의 기초 소재로 활용될 수 있는 기능성 골재인 유기성 슬러지를 이용하여 제 조된 탄화경량골재를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 유기성 슬러지 51∼90중량%와 점토 10∼49중량%의 혼합물에 물을 혼합하여 습윤상태의 성형체를 제조하고, 상기 성형체를 100∼300℃에서 전 건조한 다음, 상기 성형체를 환원분위기에서 경량성, 흡수성, 흡착성의 기능성과 기계적 강도를 갖도록 700∼1100℃에서 소성하여 경량골재화한 유기성 슬러지를 이용하여 제조된 탄화경량골재를 제공한다.
여기서, 유기성 슬러지는 하수슬러지, 정수슬러지 및 준설토등을 포함한다.
또한, 혼합물에 물을 혼합한 원료 100중량부에 대하여, 석회석, 산화철, 고로슬래그 등에서 선택된 1종 이상의 첨가제 5∼10 중량부를 더 첨가함으로써 탄화경량골재의 발포성과 물리적특성을 향상시키는 것을 특징으로 한다.
상술한 탄화경량골재는 밀도 0.89 ∼ 1.13, 압축강도가 적어도 10kg/cm2 ∼ 24kg/cm2, 흡수율 16 ∼ 35의 물성치를 갖는 것을 특징으로 한다.
상기한 본 발명의 탄화경량골재에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.
본 발명은 환원분위기에서 소성중 발생된 가스가 외부로 분출되며, 이에 따른 가스의 분출통로가 기공으로 형성되어 미세한 개기공이 발달된 구조를 가진다. 따라서, 본 발명은 종래의 기술에 비해 큰 기공율과, 미세하게 형성된 개기공에 의해 경량성 외에 흡수성 및 흡착성을 보유하게 된다. 또한, 탄화성분과 잔존하는 무기질에 의해 공극의 지지체를 형성하므로 우수한 기계적 강도 특성을 가짐으로써 옥상녹화용 경량골재 혹은 경량토, 우수에 의한 비점오염물질 여과용 담체, 우수의 지하침투용 환경골재, 매립토 등으로 직접 사용할 수 있으며, 이들 골재를 이용한 다양한 제품들로 제작하여 활용할 수 있는 효과를 가진다.
또한, 본 발명은 유기성 슬러지가 대량 발생되고 처리가 곤란한 현 상황에서 우수한 제품 품질과 대량수요처를 갖게 함으로써 자원절약과 처리효과를 거둘 수 있는 다른 효과를 가진다.
또한, 본 발명은 환경적 요인에 의하여 새롭게 요구되는 기능성 골재의 수요를 충족시킬 수 있고, 재활용제품의 고부가가치화로 유기성 슬러지 처리의 경제성을 높이는 또 다른 효과를 가진다.
상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 기술된 상세한 설명을 통하여 보다 명확해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.
이하, 첨부된 도1 내지 도3을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명은 도1에 도시한 바와 같이 유기성 슬러지, 점토, 물을 계량하여 혼합함으로써 일정한 함수율의 혼합원료를 제조한다.
본 발명의 실시예에서는 상기 유기성 슬러지가 하수슬러지로 이루어진 예에 대하여 설명하지만 이에 국한하는 것은 아니고, 정수슬러지, 준설토, 유기성 산업폐기물 등을 포함할 수 있다.
상기 혼합원료로는 유기성 슬러지 51 ∼ 90중량%, 점토 10 ∼ 49중량%에 물을 혼합하여 반죽상태의 원료이다. 이때, 유기성 슬러지 및 점토의 혼합물과 물의 바람직한 배합비율은 혼합물 1: 물 0.5 ∼ 1 중량부이다.
상기 혼합물과 물의 혼합비는 상기 비율에 국한하는 것은 아니다. 즉, 유기성 슬러지, 점토 및 무기첨가재의 양과 특성을 고려하여 원료들을 원활하게 혼합한 후 물을 첨가하여 반죽을 통하여 적정한 함수율을 만든다. 또한 적정 함수율은 성형기의 특성 및 성형방법에 따라 정해진다.
유기성 슬러지는 수분 70∼85 중량%, 유기물 10∼25중량%, 무기물 5∼10 중 량%로 이루어져 있다. 통상적으로 하수처리장에 유입되는 하수 중에 포함된 무기물의 양에 따라 유기물 : 무기물의 중량 비율이 9:1∼5:5로 유기물의 상대적 비중이 크고, 유기물의 밀도가 작고 무기물의 밀도가 크기 때문에 부피기준으로 보면 유기물이 대부분인 것으로 보인다.
그러나, 유기물도 환원분위기의 700∼1100℃ 고온에서 소성하면 단단한 소성체가 될 수 있다는 점과 무기물의 비율이 높아지면 기계적 강도가 더 커진다는 점을 연구결과 알게 되었다. 본 발명에서는 강도와 탄화에 의한 기능성 정도에 따라 유기물과 무기물의 혼합비율을 조절하고 있는데, 이때 황토를 포함하는 석회석, 산화철, 고로슬래그 등의 무기 첨가제를 가할 수 있다. 바람직한 무기첨가제의 비율은 페이스트의 함수율에 크게 변화를 미치지 않는 범위로써 유기성 슬러지와 점토의 혼합물을 100중량부로 하였을 때, 5 ∼ 10중량부가 투입될 수 있다.
또한, 본 발명에서는 혼합원료를 구(球)형으로 성형하여 건조한다. 성형방법은 성형기나 성형방법에 따라 성형체의 강도가 달라지고 소성 후의 소성체의 강도에도 영향을 미치게 되므로 최종적인 탄화골재의 용도에 따라 적절히 성형체의 강도를 갖도록 해야 한다. 이때, 습윤상태의 구형 성형체를 150∼300℃ 온도로 가열하여 소성단계로 넘어가기 전에 건조하면 소성강도를 더욱 높일 수 있다.
본 발명에서는 골재로서의 사용가치를 위하여 혼합원료를 구(球)형으로 한정하여 성형하는 과정을 제시하였지만, 이에 국한하는 것은 아니고 사용처별로 다양한 형상으로 성형할 수 있음은 주지의 사실이다. 즉, 옥상녹화용으로 사용할 경우에는 상기 골재를 파쇄한 미세 입자로 활용이 가능하다.
본 발명에서는 상기 구형 성형체를 환원분위기에서 경량성, 흡수성, 흡착성의 기능성과 기계적 강도를 갖도록 소성한다. 유기물은 환원분위기의 소성에서 휘발성 유기물질이 휘발되어 다공성을 갖게 되며, 이를 탄화라고 한다. 통상적으로 탄화기술은 휘발성물질의 충분한 휘발과 기공발달 및 분포특성을 고려하고 에너지 절감차원에서 비교적 낮은 온도인 300∼700℃의 소성온도를 갖는다. 본 발명에서는 높은 온도영역인 700∼1100℃에서 유기물 탄화에 의한 다공화, 탄화성분에 의한 지지체 역할 및 무기물의 소성에 의한 강도증가를 실현하여 강도와 기능성을 갖는 탄화경량골재를 제조하였다. 이때, 탄화경량골재의 강도 및 기능성은 소성온도에 의하여 좌우되기 때문에 탄화골재의 용도에 따라 적정온도를 선택해야 한다.
상기한 바와 같이 구성된 본 발명은 건조된 구형 성형체를 환원분위기에서 소성함에 따라, 유기성 슬러지가 팽창하면서 가스화되어 내부공극이 생기고, 내부공극에 채워져 있는 가스가 휘발되면서 미세한 개기공을 형성하게 된다. 이때, 탄화물과 잔존 무기물이 공극을 지지하게 되므로 구형 성형체의 형태를 그대로 유지하면서 골재강도를 향상하게 된다. 특히, 본 발명의 탄화골재는 밀도 0.6 ∼ 1.10, 흡수율 25 ∼ 35%, 비표면적 40 ∼ 70㎡/g의 물성치를 가지도록 제조가 가능하여 고급 건설골재로 이용할 수 있다. 즉, 본 발명은 상기한 물성치를 토대로 한 골재로서의 기본 기능인 경량성과 성형체의 강도를 충분히 유지하고 있을 뿐만 아니라, 미세공극을 통하여 우수한 흡수성과 흡착성능을 발휘하며, 공극의 지지체 역할을 하는 탄화물 자체가 유기성분이기 때문에 옥상녹화용이나 우수에 의한 비점오염원 여과용 담체, 매립토등에 고급 건설골재로 활용이 가능하다.
다음, 하기의 실시예를 통하여 본 발명의 구성을 좀더 상세히 설명한다.
본 발명의 실시예에서는 경기도 고양시 하수종말처리장에서 수거한 유기성 슬러지 탈수케익을 건조한 후, 적정한 입도로 분쇄하여 사용하였다. 사용한 원료의 화학분석치는 표1에 나타내었다.
<표1> 사용 원료의 화학 분석치
함유량(%) |
SiO2 |
Al2O3 |
Fe2O3 |
CaO |
MgO |
K2O |
Na2O |
MnO |
P2O5 |
TiO2 |
Cl |
total |
유기성 슬러지 |
31.19 |
17.10 |
7.23 |
12.0 |
1.75 |
2.60 |
0.64 |
1.75 |
14.14 |
0.81 |
0.25 |
99.32 |
점토 |
70.96 |
16.95 |
7.5 |
0.49 |
0.41 |
0.48 |
0.39 |
0.96 |
0.65 |
0.39 |
0.31 |
99.49 |
<실시예 1>
유기성 슬러지와 점토의 혼합비율을 9:1 중량부로 혼합 반죽하여 성형하고, 상온에서 건조시킨 후 환원 분위기의 1050℃ 소성조건에서 탄화경량골재를 제조하였다. 이때, 제조된 탄화경량골재의 성능은 밀도 0.89, 압축강도가 10kg/cm2, 흡수율 35%로 나타났다.
<실시예 2>
유기성 슬러지와 점토의 혼합비율을 7:3 중량부로 혼합 반죽하여 성형하고, 실시예 1과 동일한 조건으로 소성할 경우 탄화경량골재의 성능은 밀도 1.01, 압축강도가 15kg/cm2, 흡수율 21%로 나타났다.
<실시예 3>
유기성 슬러지와 점토의 혼합비율을 5:5 중량부로 혼합 반죽하여 성형하고, 실시예 1과 동일한 조건으로 소성할 경우 탄화경량골재의 성능은 밀도 1.03, 압축강도 18kg/cm2, 흡수율 20%로 나타났다.
<실시예 4>
유기성 슬러지와 점토의 혼합비율을 3:7 중량부로 혼합 반죽하여 성형하고, 실시예 1과 동일한 조건으로 소성할 경우 탄화경량골재의 성능은 밀도 1.11, 압축강도가 20kg/cm2, 흡수율 17%로 나타났다.
<실시예 5>
유기성 슬러지와 점토의 혼합비율을 1:9 중량부로 혼합 반죽하여 성형하고, 실시예 1과 동일한 조건으로 소성할 경우 탄화경량골재의 성능은 밀도 1.13, 압축강도가 24kg/cm2이상, 흡수율 16%로 나타났다.
상기한 실시예 1 ∼ 5에서 보인 바와 같이 유기성 슬러지와 점토의 비율을 달리하여 소성하여 유기성 슬러지를 이용한 탄화경량골제를 제조하였으며, 밀도, 압축강도, 흡수율을 비교하였다.
시험 결과, 본 발명에 따른 유기성 슬러지를 이용한 탄화경량골재는 유기성 슬러지 10 ∼ 90중량%와 점토 90 ∼ 10중량%를 물에 혼합하였을 경우 밀도 0.89 ∼ 1.13, 압축강도가 10kg/cm2 ∼24kg/cm2, 흡수율 16 ∼ 35의 물성치를 나타냄으로써 우수한 기능성과 강도를 발현하는 것을 확인할 수 있었다.