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KR102231671B1 - 폐기물 용융슬래그를 이용한 구조체 제조방법 및 이에 의해 제조된 구조체 - Google Patents

폐기물 용융슬래그를 이용한 구조체 제조방법 및 이에 의해 제조된 구조체 Download PDF

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KR102231671B1
KR102231671B1 KR1020190092724A KR20190092724A KR102231671B1 KR 102231671 B1 KR102231671 B1 KR 102231671B1 KR 1020190092724 A KR1020190092724 A KR 1020190092724A KR 20190092724 A KR20190092724 A KR 20190092724A KR 102231671 B1 KR102231671 B1 KR 102231671B1
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waste
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조성수
이철
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고등기술연구원연구조합
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Abstract

본 발명은 폐기물 용융슬래그를 이용한 구조체의 제조방법 및 그에 의해 제조된 구조체에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 폐기물 용융슬래그를 이용한 구조체의 제조방법은, 폐기물의 용융슬래그를 분쇄하여 분말을 생성하는 단계; 상기 용융슬래그 분말 생성단계에서 생성된 용융슬래그 분말에, 폐유리분말 또는 시멘트, 및 첨가제를 혼합하는 단계; 및 상기 혼합 단계에서 형성된 혼합물을 소정 온도까지 승온하여 건조 및 소성하는 단계를 포함하며, 상기 건조 및 소성 단계에 있어서, 상기 혼합물이 고온에서 결합되거나 상이 변하는 과정에서 이산화탄소가 발생하고, 발생된 이산화탄소로 인해 기포가 형성되어 발포 구조체가 형성될 수 있다.

Description

폐기물 용융슬래그를 이용한 구조체 제조방법 및 이에 의해 제조된 구조체{METHOD FOR MANUFACTURING STRUCTURE USING WASTE MOLTEN SLAG AND STRUCTURE MANUFACTURED BY THE METHOD}
본 발명은 폐기물 용융슬래그를 이용한 구조체 제조방법 및 이에 의해 제조된 구조체에 대한 발명이다.
생활폐기물이나 산업폐기물의 용융과정에서 발생한 슬래그는 환경적으로 안정하고 강도가 높아 다양한 용도로 재활용이 가능하여 이를 재활용하기 위한 방법들이 제안되고 있다.
슬래그를 재활용하는 방법으로는 크게 2가지로 나눌 수 있다.
첫째로는 슬래그를 가공처리 없이 1차 제품으로 사용하는 방법으로서, 단순한 매립재, 노상재, 노반재, 토양개량재, 복토재, 성토재 등으로 이용하거나 콘크리트 골재나 아스팔트 혼화재로 이용하는 방법이다.
둘째로는 슬래그를 가공하여 2차 제품으로 사용하는 방법으로서, 발생되는 용융슬래그를 물리적 방법에 의해 분쇄화 하고, 여기에 다양한 기능성 첨가제를 혼합하여 건조, 소성 과정을 통하여 투수성 블록을 만들거나 단단한 구조체, 담지체, 인조대리석, 탄성재질 블록 등을 다양하게 제조하는 방법이 있다.
그러나, 용융슬래그를 활용하여 발포 구조체를 제조하는 방법에 대해서는 제안되어 있지 않은 상태이다. 따라서, 용융슬래그의 활용도를 높이고 고부가화하기 하기 위해, 발포를 통하여 보다 가볍고 기계적 강도가 높은 구조체를 제조하는 방법이 요구되고 있다.
한국 공개특허공보 제10-2010-0087579호
본 발명의 실시예는 폐기물 용융슬래그를 이용하여 보다 가볍고 기계적 강도가 높은 구조체를 제조하는 방법 및 이에 의해 제조된 구조체를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 폐기물의 용융슬래그를 분쇄하여 분말을 생성하는 단계; 상기 용융슬래그 분말 생성단계에서 생성된 용융슬래그 분말에, 폐유리분말 또는 시멘트, 및 첨가제를 혼합하는 단계; 및 상기 혼합 단계에서 형성된 혼합물을 소정 온도까지 승온하여 건조 및 소성하는 단계를 포함하며, 상기 건조 및 소성 단계에 있어서, 상기 혼합물이 고온에서 결합되거나 상이 변하는 과정에서 이산화탄소가 발생하고, 발생된 이산화탄소로 인해 기포가 형성되어 발포 구조체가 형성되는, 폐기물 용융슬래그를 이용한 구조체의 제조방법이 제공된다.
상기 혼합 단계에 있어서, 물에 가성소다를 넣어 수용액을 제조한 후, 상기 수용액에 용융슬래그, 폐유리 및 산화알루미늄을 혼합하여, 물 10~20 중량%, 가성소다 4~10, 용융슬래그 40~60 중량%, 폐유리 20~40 중량% 및 산화알루미늄 1~5 중량%의 혼합물을 제조하고, 상기 건조 및 소성단계에 있어서, 상기 혼합물을 승온속도 2℃/분으로 80℃까지 승온한 후, 80℃에서 습도 80~98% 조건에서 1일 유지할 수 있다.
또한, 상기 혼합 단계에 있어서, 물에 가성소다를 넣어 수용액을 제조한 후, 상기 수용액에 용융슬래그를 혼합하여, 물 8~12 중량%, 가성소다 10~20 및 용융슬래그 70~95 중량%의 혼합물을 제조하고, 상기 건조 및 소성단계에 있어서, 상기 혼합물을 승온속도 2℃/분으로 80℃까지 승온한 후, 80℃에서 습도 80~98% 조건에서 1일 유지할 수 있다.
또한, 상기 혼합 단계에 있어서, 용융슬래그 30~50 중량%, 폐유리 30~50 중량%, 물 10~20 중량%, 탄산칼슘 1~5 중량%, 탄산나트륨 1~3 중량% 및 카본분말 1~3 중량%의 혼합물을 제조하고, 상기 건조 및 소성단계에 있어서, 상기 혼합물은 승온속도 5℃/분으로 900℃까지 승온한 후, 900℃에서 3시간 유지할 수 있다.
또한, 상기 혼합 단계에 있어서, 용융슬래그 5~15 중량%, 폐유리 70~90 중량%, 물 7~15 중량%, 탄산칼슘 1 중량% 미만, 탄산나트륨 1 중량% 미만 및 카본분말 1 중량% 미만의 혼합물을 제조하고, 상기 건조 및 소성단계에 있어서, 상기 혼합물은 승온속도 5℃/분으로 900℃까지 승온한 후, 900℃에서 3시간 유지할 수 있다.
또한, 상기 혼합 단계에 있어서, 용융슬래그 5~15 중량%, 폐유리 70~90 중량% 및 물 7~15 중량%의 혼합물을 제조하고, 상기 건조 및 소성단계에 있어서, 상기 혼합물은 승온속도 5℃/분으로 900℃까지 승온한 후, 900℃에서 3시간 유지할 수 있다.
또한, 상기 혼합 단계에 있어서, 폐유리 70~90 중량%, 물 7~15 중량% 및 탄산칼슘 1~3 중량%의 혼합물을 제조하고, 상기 건조 및 소성단계에 있어서, 상기 혼합물은 승온속도 5℃/분으로 900℃까지 승온한 후, 900℃에서 3시간 유지할 수 있다.
또한, 상기 혼합 단계에 있어서, 용융슬래그 10~30 중량%, 시멘트 50~70 중량% 및 물 10~20 중량%의 혼합물을 제조하고, 상기 건조 및 소성단계에 있어서, 상기 혼합물은 승온속도 5℃/분으로 900℃까지 승온한 후, 900℃에서 3시간 유지할 수 있다.
또한, 상기 혼합 단계에 있어서, 용융슬래그 70~70 중량%, 시멘트 25~40 중량% 및 물 10~20 중량%의 혼합물을 제조하고, 상기 건조 및 소성단계에 있어서, 상기 혼합물은 승온속도 5℃/분으로 900℃까지 승온한 후, 900℃에서 3시간 유지할 수 있다.
또한, 상기 혼합 단계에 있어서, 용융슬래그 30~55 중량%, 시멘트 30~55 중량% 및 물 10~20 중량%의 혼합물을 제조하고, 상기 건조 및 소성단계에 있어서, 상기 혼합물은 승온속도 5℃/분으로 900℃까지 승온한 후, 900℃에서 3시간 유지할 수 있다.
또한, 상기 혼합 단계에 있어서, 용융슬래그 40~75 중량%, 물 10~20 중량% 및 시멘트 킬른 더스트 20~40 중량%의 혼합물을 제조하고, 상기 건조 및 소성단계에 있어서, 상기 혼합물은 승온속도 5℃/분으로 900℃까지 승온한 후, 900℃에서 3시간 유지할 수 있다.
또한, 상기 혼합 단계에 있어서, 용융슬래그 60~90 중량%, 물 1~10 중량% 및 몰탈 1~10 중량%의 혼합물을 제조하고, 상기 건조 및 소성단계에 있어서, 상기 혼합물을 승온속도 2℃/분으로 80℃까지 승온한 후, 80℃에서 습도 80~98% 조건에서 1일 유지할 수 있다.
또한, 상기 혼합 단계에 있어서, 용융슬래그 40~75 중량%, 시멘트 20~60 중량%, 물 10~20 중량% 및 몰탈 1~10 중량%의 혼합물을 제조하고, 상기 건조 및 소성단계에 있어서, 상기 혼합물을 승온속도 2℃/분으로 80℃까지 승온한 후, 80℃에서 습도 80~98% 조건에서 1일 유지할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 용융슬래그 30~50 중량%, 폐유리 30~50 중량%, 물 10~20 중량%, 탄산칼슘 1~5 중량%, 탄산나트륨 1~3 중량% 및 카본분말 1~3 중량%의 혼합물로 이루어지며, 상기 혼합물은 승온속도 5℃/분으로 900℃까지 승온한 후, 900℃에서 3시간 유지하는 것에 의해 형성되는, 폐기물 용융슬래그를 이용한 구조체가 제공된다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 용융슬래그 5~15 중량%, 폐유리 70~90 중량%, 물 7~15 중량%, 탄산칼슘 1 중량% 미만, 탄산나트륨 1 중량% 미만 및 카본분말 1 중량% 미만의 혼합물로 이루어지며, 상기 혼합물은 승온속도 5℃/분으로 900℃까지 승온한 후, 900℃에서 3시간 유지하는 것에 의해 형성되는, 폐기물 용융슬래그를 이용한 구조체가 제공된다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 폐기물 용융슬래그를 이용하여 보다 가볍고 기계적 강도가 높은 구조체를 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 폐기물 용융슬래그 이용 구조체 제조방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 2는 발명의 일 실시예에 따른 폐기물 용융슬래그 이용 구조체 제조방법의 실시예 #1 내지 #12에 따라 제조된 구조체를 도시하는 사진이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 구성 및 작용에 대해 상세하게 설명한다. 이하의 설명은 특허 청구 가능한 본 발명의 여러 측면(aspects) 중 하나이며, 하기의 설명은 본 발명에 대한 상세한 기술의 일부를 이룰 수 있다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어 공지된 구성 또는 기능에 관한 구체적인 설명은 본 발명을 명료하게 하기 위해 생략할 수 있다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예들을 포함할 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 일 실시형태에 따른 폐기물 용융슬래그를 이용한 구조체의 제조방법 대해 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 폐기물 용융슬래그를 이용한 구조체의 제조방법을 설명하기 위한 순서도도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 폐기물 용융슬래그를 이용한 구조체의 제조방법은, 폐기물의 용융슬래그를 분쇄하여 분말을 생성하는 단계(S10), 폐유리분말 또는 시멘트, 첨가제 등을 혼합하는 단계(S20), 생성된 혼합물을 소정 온도에서 건조한 후 소성하여 다공성 발포 구조체 형성단계(S30)를 포함할 수 있다.
보다 구체적으로, 단계(S10)에서는, 하수슬러지 또는 산업폐기물을 가스화/용융 장치에 투입하여, 건조, 열분해, 가스화, 용융 등의 과정을 순차적으로 거쳐서 생성된 용융슬래그를 분쇄하여 분말을 생성할 수 있다.
하기 [표 1]은 본 발명의 일 실시형태에서 기본 원료로 사용한 용융슬래그에 대한 조성을 나타낸다. 용융슬래그는 폐기물 파쇄기를 사용하여 입자의 크기를 150메쉬 이하로 하였다.
Figure 112019078403523-pat00001
단계(S20)에서는, 단계(S10)에서 생성된 용융슬래그 분말에 폐유리분말 또는 시멘트, 및 첨가제 등을 다양하게 배합하여 혼합물을 형성할 수 있다.
하기 [표 2]는 본 발명의 일 실시형태에서 사용한 폐유리에 대한 조성을 나타낸다. 폐유리는 폐기물 파쇄기를 사용하여 입자의 크기를 150메쉬 이하로 하였다.
단계(S20)에서 사용되는 첨가제로서, 탄산칼슘, 탄산나트륨, 카본분말, 가성소다, 산화알루미늄 등의 첨가제는 시중에서 사용하는 시약을 사용하였다.
구분 SiO2 Na2O3 CaO MgO Al2O3 K2O Fe2O3 SO3
함량(wt.%) 71.3 13.1 8.91 4.1 1.47 0.83 0.07 0.24
단계(S30)에서는, 용융슬래그를 분쇄하여 생성된 분말에 폐유리분말 또는 시멘트, 및 첨가제 등을 혼합하여 형성된 혼합물을 소정 온도까지 승온하여 건조 및 소성할 수 있다.
단계(S30)에서 혼합물이 건조 및 소성되는 과정에 있어서, 혼합물이 고온에서 결합되거나 상이 변하는 과정에서 이산화탄소가 발생하고, 발생된 이산화탄소로 인해 기포가 형성되어 다공성 발포 구조체가 형성될 수 있다.
단계(S30)에서 형성된 다공성 구조체는 가볍고 기계적 강도가 높은 구조체로서, 공원의 경계석 또는 벽돌의 대체 등 다양한 용도로 사용될 수 있다.
(실시예)
이하에서는, [표 3] 및 [표 4]를 참조하여 본 발명의 일 실시형태에 따른 폐기물 용융슬래그를 이용한 구조체의 제조방법의 실시예에 대하여 설명한다.
Figure 112019078403523-pat00002
Figure 112019078403523-pat00003
[표 3]과 [표 4]의 실시예 #1 내지 #12는 구조체 제조와 관련한 혼합비율을 나타낸 것이며, 표 3 및 표 4에 기재된 비율에 따라 혼합하되, 혼합물의 총 중량%의 합이 100중량%가 되는 범위 내에서 배합할 수 있다.
비고란에 기재된 온도는 건조온도를 나타내며, 온도가 80℃의 경우에는 승온속도 2℃/분으로 80℃까지 승온한 뒤, 80℃에서 습도 80~98% 조건에서 1일 유지하였다.
온도가 80℃의 경우의 실시예 #1, #2, #11 및 #12는 발포 구조체가 아닌 강도가 높은 구조체의 제조에 있어서의 조건을 나타낸다.
또한, 온도 900℃의 경우의 실시예 #3 내지 #10은 발포 구조체의 제조에 있어서의 조건을 나타내며, 승온속도 5℃/분으로 900℃까지 승온한 뒤, 900℃에서 3시간 유지하여 소성하는 것에 의해 발포 구조체를 제조하였다.
실시예 #3 내지 #10에 있어서, 발포 구조체의 밀도는 250~ 600 kg/m3이었다.
배합순서는 실시예 #1 및 #2에 있어서는 물에 가성소다를 넣어 수용액을 제조한 후 기재된 성분의 순서별로 혼합하였다.
한편, 실시예 #3 내지 #12에 있어서의 배합순서는 기재된 성분의 순서별로 혼합하였다.
보다 상세히 설명하면, 실시예 #1에 있어서는, 물에 가성소다를 넣어 수용액을 제조한 후, 수용액에 용융슬래그, 폐유리 및 산화알루미늄을 혼합하여, 물 13 중량%, 가성소다 5 중량%, 용융슬래그 50 중량%, 폐유리 30 중량% 및 산화알루미늄 2 중량%의 혼합물을 제조하였다. 그 뒤, 혼합물을 승온속도 2℃/분으로 80℃까지 승온한 후, 80℃에서 습도 80~98% 조건에서 1일 유지하여 구조체를 제조하였다.
실시예 #2에 있어서는, 물에 가성소다를 넣어 수용액을 제조한 후, 수용액에 용융슬래그를 혼합하여, 물 10 중량%, 가성소다 10 중량% 및 용융슬래그 80 중량%의 혼합물을 제조하였다. 그 뒤, 승온속도 2℃/분으로 80℃까지 승온한 후, 80℃에서 습도 80~98% 조건에서 1일 유지하여 구조체를 제조하였다.
실시예 #3에 있어서는, 용융슬래그 40 중량%에, 폐유리 40 중량%, 물 15 중량%, 탄산칼슘 3 중량%, 탄산나트륨 1 중량% 및 카본분말 1 중량%를 혼합하였다. 그 뒤, 승온속도 5℃/분으로 900℃까지 승온한 후, 900℃에서 3시간 유지하여 발포 구조체를 제조하였다.
실시예 #4에 있어서는, 용융슬래그 10 중량%에, 폐유리 80 중량%, 물 8 중량%, 탄산칼슘 1 중량%, 탄산나트륨 0.5 중량% 및 카본분말 0.5 중량%를 혼합하였다. 그 뒤, 승온속도 5℃/분으로 900℃까지 승온한 후, 900℃에서 3시간 유지하여 발포 구조체를 제조하였다.
실시예 #5에 있어서는, 용융슬래그 10 중량%에, 폐유리 80 중량% 및 물 10 중량%를 혼합하였다. 그 뒤, 승온속도 5℃/분으로 900℃까지 승온한 후, 900℃에서 3시간 유지하여 발포 구조체를 제조하였다.
실시예 #6에 있어서는, 폐유리 90 중량%에, 물 9 중량% 및 탄산칼슘 1 중량%를 혼합하였다. 그 뒤, 승온속도 5℃/분으로 900℃까지 승온한 후, 900℃에서 3시간 유지하여 발포 구조체를 제조하였다.
실시예 #7에 있어서는, 용융슬래그 25 중량%에, 시멘트 65 중량% 및 물 10 중량%를 혼합하였다. 그 뒤, 승온속도 5℃/분으로 900℃까지 승온한 후, 900℃에서 3시간 유지하여 발포 구조체를 제조하였다.
실시예 #8에 있어서는, 용융슬래그 60 중량%에, 시멘트 30 중량% 및 물 10 중량%를 혼합하였다. 그 뒤, 승온속도 5℃/분으로 900℃까지 승온한 후, 900℃에서 3시간 유지하여 발포 구조체를 제조하였다.
실시예 #9에 있어서는, 용융슬래그 45 중량%에, 시멘트 45 중량% 및 물 10 중량%를 혼합하였다. 그 뒤, 승온속도 5℃/분으로 900℃까지 승온한 후, 900℃에서 3시간 유지하여 발포 구조체를 제조하였다.
실시예 #10에 있어서는, 용융슬래그 60 중량%에, 물 10 중량% 및 시멘트 킬른 더스트 30 중량% 를 혼합하였다. 그 뒤, 승온속도 5℃/분으로 900℃까지 승온한 후, 900℃에서 3시간 유지하여 발포 구조체를 제조하였다.
실시예 #11에 있어서는, 용융슬래그 85 중량%에, 물 10 중량% 및 몰탈 5 중량% 를 혼합하였다. 그 뒤, 승온속도 5℃/분으로 900℃까지 승온한 후, 900℃에서 3시간 유지하여 발포 구조체를 제조하였다.
실시예 #12에 있어서는, 용융슬래그 50 중량%에, 시멘트 30 중량%, 물 10 중량% 및 몰탈 10 중량% 를 혼합하였다. 그 뒤, 승온속도 5℃/분으로 900℃까지 승온한 후, 900℃에서 3시간 유지하여 발포 구조체를 제조하였다.
상기 실시예 #3 내지 #10에서 제조된 발포 구조체는 비중이 약 0.2~0.7 정도를 나타내었으며, 압축강도는 7 Kgf/cm2 이상을 나타내었다.
도 2는 실시예 #1 내지 #12에 따라 제조된 구조체를 도시하는 사진이다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따르면, 폐기물 용융슬래그를 이용하여 보다 가볍고 기계적 강도가 높은 구조체를 제조할 수 있다.
이상 본 발명의 실시예들을 구체적인 실시 형태로서 설명하였으나, 이는 예시에 불과한 것으로서, 본 발명은 이에 한정되지 않는 것이며, 본 명세서에 개시된 기초 사상에 따르는 최광의 범위를 갖는 것으로 해석되어야 한다. 당업자는 개시된 실시형태들을 조합/치환하여 적시되지 않은 형상의 패턴을 실시할 수 있으나, 이 역시 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 것이다. 이외에도 당업자는 본 명세서에 기초하여 개시된 실시형태를 용이하게 변경 또는 변형할 수 있으며, 이러한 변경 또는 변형도 본 발명의 권리범위에 속함은 명백하다.

Claims (15)

  1. 폐기물의 용융슬래그를 분쇄하여 분말을 생성하는 단계;
    상기 용융슬래그 분말 생성단계에서 생성된 용융슬래그 분말에, 폐유리분말 또는 시멘트, 및 첨가제를 혼합하는 단계; 및
    상기 혼합 단계에서 형성된 혼합물을 소정 온도까지 승온하여 건조 및 소성하는 단계를 포함하며,
    상기 건조 및 소성 단계에 있어서, 상기 혼합물이 고온에서 결합되거나 상이 변하는 과정에서 이산화탄소가 발생하고, 발생된 이산화탄소로 인해 기포가 형성되어 발포 구조체가 형성되고,
    상기 분말을 생성하는 단계에 있어서, 상기 용융슬래그는 분쇄되어 입자의 크기가 150 메쉬 이하로 되고,
    상기 혼합 단계에 있어서,
    용융슬래그 분말 30~50 중량%, 폐유리 분말 30~50 중량%, 물 10~20 중량%, 탄산칼슘 1~5 중량%, 탄산나트륨 1~3 중량% 및 카본분말 1~3 중량%의 혼합물을 제조하고,
    혼합되는 상기 폐유리 분말의 입자의 크기는 150 메쉬 이하이고
    상기 건조 및 소성단계에 있어서,
    상기 혼합물은 승온속도 5℃/분으로 900℃까지 승온한 후, 900℃에서 3시간 유지하고,
    상기 발포구조체는 250 ~ 600 kg/m3의 밀도를 가지는,
    폐기물 용융슬래그를 이용한 구조체의 제조방법.
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