KR100886737B1 - 연탄재를 이용한 수질정화용 기능성 메디아 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하천, 호소, 강, 습지, 하폐수의 수질정화를 위한 연탄재를 이용한 수질정화용 기능성 메디아 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 하천, 호수, 강, 습지, 하폐수에 포함되어 있는 오염물질 및 영양염류의 처리가 향상되도록 연탄재 표면에 기공형성물과 기능성 소재조성물을 코팅한 후 소성하여 미세 공극율과 비표면적을 증가시킨 연탄재를 이용한 수질정화용 기능성 메디아 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

이러한 본 발명은 연탄재를 이용한 수질정화용 기능성 메디아의 내부 핵(core)을 이루는 모재(raw material)인 연탄재와; 상기 연탄재 표면에 미세공극과 비표면적을 증가시키기 위한 기공형성물과; 상기 기공형성물을 상기 연탄재 표면에 부착하기 위한 결합제(binder)와; 상기 결합제와 물을 혼합하여 제조한 결합제수용액과; 상기 기공형성물과 상기 결합제수용액을 혼합하여 조제한 기공형성물결합제조성액과; 상기 연탄재 표면에 오염물질을 여과ㆍ흡착 처리하기 위해 코팅한 기능성 소재조성물과; 상기 기능성 소재조성물과 물을 혼합하여 조제한 기능성 소재조성물혼합액;을 구성하는 연탄재를 이용한 수질정화용 기능성 메디아에 있어서, 상기 기능성 소재조성물은 산화칼슘(CaO), 산화제2철(Fe₂O₃), 알루미나(Al₂O₃), 지르코늄옥사이드(ZrO₂), 산화마그네슘(MgO)을 일정비율로 혼합되어 섞인 것을 특징으로 하고, 상기 연탄재의 표면에 상기 기공형성물과 기능성 소재조성물을 순차적으로 코팅하여 건조시킨 후 열처리하여 소성한 다음 상온까지 서냉하여 제조한 것을 특징으로 한다.

메디아, 연탄재, 결합제, 기공형성물, 소재조성물

Description

연탄재를 이용한 수질정화용 기능성 메디아 및 그 제조 방법{Functional Media and Manufacture Method for Water Purification Using Briquet Ashes}

본 발명은 하천, 호수, 강, 습지, 하폐수의 수질정화를 위한 연탄재를 이용한 수질정화용 기능성 메디아 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 하천, 호소, 강, 습지, 하폐수에 포함되어 있는 오염물질 및 영양염류(질소, 인)의 처리가 향상되도록 연탄재 표면에 기공형성물과 기능성 소재조성물을 코팅하여 건조한 후 소성하여 미세 공극율과 비표면적을 증가시킨 연탄재를 이용한 수질정화용 기능성 메디아 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

최근 인구증가, 산업발달, 생활수준의 향상에 따라 생활오수, 산업폐수, 가축폐수를 비롯한 각종 유기성폐수 등의 배출량이 급속히 증가하여 이로 인한 강, 하천, 호수, 바다 등의 수질오염이 심각한 지경에 이르고 있다. 그 중에서도 질소(N)와 인(P)과 같은 영양염류가 자연계의 수중생태계에 과다하게 배출될 경우 부영양화(eutrophication)가 초래되어 조류(algae)의 증식에 의한 수질오염을 가중시킨 다. 이러게 오염된 강, 하천, 호소를 상수원으로 사용할 경우 상수의 맛과 냄새를 유발하여 상수원으로 부적합하게 만들뿐 만 아니라 수중의 용존산소가 감소시켜 하천의 자정작용(self-purification)에 악영향을 미치므로 어류와 같은 수중생물의 시식조차도 위태롭게 한다.

공공 수역(하천, 호수, 강, 바다 등)에 유입되는 수질오염물질의 발생원은 크게 점오염원(point pollution source)과 비점오염원(nonpoint pollution source)으로 구분할 수 있다.

점 오염원은 주로 가정 하수와 공장폐수로 구성되며, 비교적 일정한 지점에서 일정한 양이 지속적으로 발생되어 강우시나 비강우시 배출량에 큰 변동이 없는 특성을 가진다.

정부에서는 오수 및 하폐수처리장에서 물리화학적방법 및 생물학적 방법을 동원하여 수처리를 거친 후 청정한 처리수를 방류시키도록 규제하고 있다. 최근에는 각종 하폐수처리에서 녹조 및 적조의 원인물질로 알려진 질소 및 인의 배출기준이 강화되어 더욱 엄격해져 가고 있는 실정이다.

현재 하ㆍ폐수 고도처리시 많이 이용되는 생물학적 처리공정은 혐기성조와 호기성조를 직렬로 조합함으로써 질소와 인이 동시에 제거될 수 있는 처리공정이 확립되어 있기는 하나, 운전인자의 확립이 어렵고, 질소 및 인 제거 미생물의 생육 조건이 상반되므로 각각에 의해 분리된 반응조 및 반응기작이 필요하게 되어 시설비와 유지비가 많이 든다는 단점을 갖고 있다. 또한 우기시에는 하폐수내의 용존산소가 높아지면 혐기조에서 인 방출이 어려워지고, 유기물에 대응한 반응조 내의 미생물 농도 조정에 대해서도 고도의 기술을 요하고 있어 운전에 어려움을 겪고 있다.

비점오염원은 주로 강우시 지표면 유출수와 함께 유출되거나 직접 수계에 유입되는 오염물질로서 농지에 살포된 비료나 농약, 토양침식물, 축사유출물, 교통오염물질, 도시지역의 먼지와 쓰레기, 자연동·식물의 잔여물, 지표면에 떨어진 대기오염물질 등이 공공수역으로 유입된다.

우리나라 환경관리가 완전하고 오염원에 대하여 철저하게 관리 되고 있다고는 하나 아직도 비점오염원 현황 은 일부에서?환경관리가 미흡한 실정이다.

또한, 총 배출부하량(BOD기준)으로는 비점오염원이 44.5%에 이르는 것으로 추정되어, 비점오염원이 수질오염에 상당한 영향을 미치는 것으로 나타났는데, 4대 수계에 속하는 금강, 낙동강, 영산강 수계도 이와 비슷한 양상을 보일 것으로 추정된다. 따라서 규제기준이 설정되어 있는 점오염원들에 대한 규제가 계속 강화되고 환경기초시설들이 확충됨에 따라 비점오염원이 수질에 미치는 영향력의 비중이 점차 증가하고 있다.

상기에 기술한 여러 가지 문제점으로 인하여 최근에 질소는 생물학적 처리를 하고, 인의 경우에는 흡착제를 사용한 화학적 처리를 하여 각각에 대한 독립된 공정을 결합하는 방법이 상용되고 있다.

최근 오염을 줄이기 위한 대책으로 도시지역의 노면배수는 저류조(貯留槽)를 설치하여 초기에 내린 비로 인해 발생한 오염물질을 침전시킨 후 방류하도록 하고, 농경지에서 배출되는 비료·농약성분이 다량 함유된 농업배수는 공공수역(하천, 강, 호수, 바다)으로 직접 유입되지 않도록 저류조, 습지정화시설, 수초대(水草帶) 등을 조성하고 있다. 그러나 상기 조성된 시설에 식재된 수생식물에 의해 오염물질과 영양염류를 제거하는데는 한계가 있다.

본 발명은 이상의 종래 문제점을 해결하고자 하는 것으로, 본 발명은 연탄재를 이용한 수질정화용 기능성 메디아(media)를 제조하여 그 구조적으로 폐색(clogging)의 염려가 적고 기능적 측면에서는 하천수, 호소, 강, 하폐수에 포함된 오염물질 및 영양염류(질소, 인)를 처리할 수 있도록 하여 수질정화기능을 극대화하도록 하는데 있다. 따라서 본 발명은 연탄재에 기공형성물과 기능성 소재조성물을 순차적으로 코팅하고 건조한 후 소성가공하여 수질정화용 기능성 메디아의 공극율과 비표면적을 증가시켜 오염물질 및 영양염류(질소, 인)를 여과ㆍ흡착처리 하는 기능을 가지는 연탄재를 이용한 수질정화용 기능성 메디아 및 그 방법을 제공하는 것이다.

본 발명은 기공형성물인 활성탄(A.C; Activated Carbon)과 결합제수용액(3wt% PVA)을 1:3 내지 1:5의 중량비로 혼합하여 기공형성물결합제조성액을 조제한다. 기능성 소재조성물을 [표 1]에 제시한 바와 같이 산화칼슘(CaO), 산화제2철(Fe₂O₃), 알루미나(Al₂O₃), 지르코늄옥사이드(ZrO₂), 산화마크네슘(MgO)을 일정비율로 혼합하여 총 중량을 100wt%으로 하고, 상기 기능성 소재조성물과 물(H₂O)을 1:3 내지 1:5의 중량비로 혼합하여 기능성 소재조성물혼합액을 조제한다.

상기 연탄재 표면에 상기 기공형성물결합조성액을 코팅하여 대기상에서 건조하고, 그 다음에 상기 기능성 소재조성물혼합액을 코팅하여 건조시킨 후 700～1,200℃에서 2시간 동안 열처리하여 소성한 다음 상온까지 서냉하여 제조한 연탄재를 이용한 수질정화용 기능성 메디아를 제공함으로써 위와 같은 본 발명의 과제를 해결하고자 한다.

[표 1]

성 분	CaO	Fe2O3	Al2O3	ZrO2	MgO	합계
함량(wt%)	60～70	10～20	10～20	1～3	1～3	100

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 연탄재를 이용한 수질정화용 기능성 메디아는 기공형성물과 기능성 소재조성물을 연탄재 표면에 코팅하여 건조한 후 소성가공하므로써 수절정화용 기능성 메디아의 공극율과 비표면적을 증가시킬 수 있다. 이에 따라 하천수, 강, 호소수 및 하폐수에 포함된 오염물질, 중금속 및 영양염류를 흡착처리하므로 수질을 효과적으로 정화처리할 수 있을 뿐만 아니라 수처리미생물의 부착 공간을 제공하여 유기물질을 산화분해처리하는 미생물에 의한 접촉수질정화효과를 얻을 수 있다.

또한, 하천과 호수의 호안에 적용할 경우에 수질정화용 기능성 메디아 표면에 부착조류가 형성되어 수서생물들의 먹이원으로 활용되고 먹이피라미드의 하부계층이 풍부해져 어류생태계가 안정화, 다양화될 수 있다.

또한, 버려진 폐자원인 연탄재를 재활용하므로 환경보전효과를 기대할 수 있다.

본 발명에서 연탄재를 이용한 수질정화용 기능성 메디아를 활용하여 하천수, 강, 호소수, 습지 및 하폐수에 포함된 오염물질, 중금속 및 영양염류를 효과적으로 처리할 수 있도록 한 연탄재를 이용한 수질정화를 위한 기능성 메디아 및 그 제조방법은 다음과 같다.

본 발명은 연탄재를 이용한 수질정화용 기능성 메디아(1)의 내부 핵(core)을 이루는 모재(raw material)인 연탄재(2)와; 상기 연탄재(2) 표면에 미세공극과 비표면적을 증가시키기 위한 기공형성물(4)과; 상기 기공형성물(4)을 상기 연탄재 표면에 부착하기 위한 결합제(binder)(3)와; 상기 결합제(3)와 물을 혼합하여 제조한 결합제수용액과; 상기 기공형성물(4)과 상기 결합제수용액을 혼합하여 조제한 기공형성물결합제조성액과; 상기 연탄재 표면에 오염물질을 여과ㆍ흡착 처리하기 위해 코팅한 기능성 소재조성물(5)과: 상기 기능성 소재조성물(5)과 물을 혼합하여 조제한 기능성 소재조성물혼합액;을 구성하는 연탄재를 이용한 수질정화용 기능성 메디아에 있어서, 상기 기능성 소재조성물은 산화칼슘(CaO), 산화제2철(Fe₂O₃), 알루미나(Al₂O₃), 지르코늄옥사이드(ZrO₂), 산화마그네슘(MgO)을 일정비율로 혼합되어 섞인 것을 특징으로 하고, 상기 연탄재(2)의 표면에 상기 기공형성물(4)과 기능성 소재조성물(5)을 순차적으로 코팅하여 건조시킨 후 열처리하여 소성한 다음 상온까지 서냉하여 제조한 것을 특징으로 한다.

이하에서는 본 발명에 따른 연탄재를 이용한 수질정화용 기능성 메디아에 대한 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

도1은 본 발명의 실시 예에 따른 연탄재를 이용한 수질정화용 기능성 메디아의 단면도이고, 도2는 본 발명의 실시 예에 따른 연탄재를 이용한 수질정화용 기능성 메디아의 소재조성물 코팅 전ㆍ후의 인(P)제거율을 비교하기 위한 그래표이며, 도3은 본 발명의 실시 예에 따른 연탄재를 이용한 수질정화용 기능성 메디아의 소재조성물 코팅 전ㆍ후의 오염물질(DOC) 제거율을 비교하기 위하여 도시한 그래표이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 연탄재를 이용한 수질정화용 기능성 메디아(1)는 모재인 연탄재(2), 결합제(3), 기공형성물(4), 기능성 소재조성물(5)으로 구성된다.

상기 모재인 연탄재(2)는 각 가정에서 사용하고 버려진 폐연탄재로 이루어져 상기 수질정화용 기능성 메디아의 내부 핵(core)을 구성하는 역할을 하게 된다.

본 발명에 따르면, 상기 연탄재(2)는 폐연탄재의 소재로 구성되어 있으나, 이에 한정하지 않고 모래, 자갈, 호박돌, 잡석, 플라스틱 재질, 흙과 같이 핵(core)을 구성하는 재질을 사용할 수도 있다.

상기 기공형성물(4)은 탄화물로 구성된 활성탄으로 고온에서 소성시 탄소성분은 회화되어 무기물형태로 남고, 이때 다공성의 기공(공극)이 형성되는 역할을 한다.

본 발명에 따르면, 상기 기공형성물(4)은 탄화물의 활성탄 소재로 구성되어 있으나, 이에 한정하지 않고 하수슬러지, 목재, 플라스틱 재질, 약품(NaOH, Ca화합물 등)과 같은 소재로 연소 후 다공성 공극을 형성할 수 있는 소재의 구성물로 사용할 수도 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 상기 기공형성물(4)인 활성탄은 5 내지 150Å 크기의 많은 미세기공이 형성된 단위 질량당 비표면적(500 내지 1,500m²/g)이 큰 입자상의 활성탄으로 8 내지 30mesh 크기를 사용하는 것이 바람직하다.

상기 결합제(3)는 폴리비닐알콜(PVA; Poly Vinyl Alcohol)의 합성수용성고분자물질로 상기 기공형성물(4)을 상기 연탄재(2) 표면에 코팅시 부착시키는 역할을 한다. 상기 연탄재(2)에 코팅되어 부착된 결합제(3)인 폴리비닐알콜은 건조 소성과정을 거치면서 고화 및 융착됨으로써 이산화탄소(CO₂)와 수증기(H₂O)로 날아간다. 또한, 폴리비닐알콜과 같은 고분자 물질은 그 자체에 다공성 막을 형성할 수 있는 특징을 가지므로 개질제로서의 기능도 동시에 수행한다.

본 발명에 따르면, 상기 결합제(3)는 물과 혼합하여 2 내지 5wt%농도의 결합수용액을 조제하여 사용하는 것이 바람직하며, 그 이상이 되면 결합수용액의 점도가 높아 취급이 용이하지 못하고, 경제성 측면에서도 비용 상승하므로 바람직하지 못하다.

또한, 본 발명에 따르면, 상기 결합제(3)는 폴리비닐알콜(PVA)을 사용하였으나, 이에 한정하지 않고 키토산, 셀롤로오스, 녹말과 같은 천연고분자물질과 폴리에틸렌옥사이드와 같은 합성수용성고분자물질을 사용할 수도 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 상기 기공형성물(4)과 상기 결합수용액은 1:3 내지 1:5의 중량비로 혼합하고 10 내지 20분 동안 교반하여 슬러리상 기공형성물결조성액 조제 하여 사용하는 것이 바람직하며, 그 이상이 되면 농도가 묽어 코팅시 코팅두께가 얇고 많은 시간이 소요되고, 그 이하가 되면 기공형성물결합제조성액의 점도가 높아 취급하기 불편하다.

또한, 본 발명에 따르면, 상기 기공형성물(4)의 코팅 두께는 상기 연탄재 표면에 0.1 내지 1mm두께가 되도록 코팅하는 것이 바람직하다. 그 이상이 되면 소성시 상기 소재조성물이 탈각되어 기능이 떨어질 수 있다.

상기 기능성 소재조성물(5)은 산화칼슘(CaO) 60～70wt%, 산화제2철(Fe₂O₃) 10～20wt%, 알루미나(Al₂O₃) 10～20wt%, 지르코늄옥사이드(ZrO₂) 1～3wt%, 산화마그네슘(MgO) 1～3wt%이 일정 비율로 혼합되어 총 중량이 100wt%으로 구성되는 기능성 소재로 이루어져 상기 연탄재(2)의 표면에 코팅시 공극과 비표면적을 증가시켜 하천수, 호소수 및 하폐수에 포함된 오염물질, 중금속 및 영양염류를 처리하는 역할을 한다.

또한, 본 발명에 따르면, 상기 기능성 소재조성물(5)과 물을 1:3 내지 1:5의 중량비로 혼합하고 20 내지 30분 동안 교반하여 슬러리상 소재조성물혼합액을 조제하여 사용하는 것이 바람직하며, 그 이상이 되면 용해도는 높으나 농도가 묽으며, 그 이하가 되면 소재조성물입자가 용해되지 않아 불용성상태로 남아 있을 뿐만 아니라 점도가 높아 취급하기가 불편하다.

상기 기능성 소재조성물(5) 중 산화칼슘(CaO), 산화제2철(Fe₂O₃), 알루미나(Al₂O₃), 지르코늄옥사이드(ZrO₂), 산화마그네슘(MgO) 성분들은 원자가 +2가 또는 +3가인 금 속성분이 포함된 소재로 수중에서 수화반응하여 금속수산화물인 수산화칼슘[Ca(OH)₂], 수산화알루미늄[Al(OH)₃], 수산화철[Fe(OH)₂], 수산화마그네슘[Mg(OH)₂]을 생성된다. 상기 금속수산화물은 수중에서 다시 칼슘(Ca), 철(Fe), 알루미늄(Al), 지르코늄(Zr), 마그네슘(Mg)과 같은 금속이온과 수산화이온(OH^-)으로 해리되는 과정을 반복하게 된다. 상기 금속이온은 하천수, 호소수, 하폐수 내의 포함된 인산염(PO₄ ^{3 -})과 접촉하여 불용성 인산화합물 형태로 처리된다. 상기 금속이온과 수중의 인(P)에 의한 반응식은 하기 식(1) 내지 식(4)와 같다.

5Ca^{2 +} + 3PO₄ ^{3 -} + OH^- → Ca₅(PO₄)₃OH ↓ ------- 식(1)

Al^{3 +} + PO₄ ^{3 -} → AlPO₄ ↓ ------- 식(2)

Fe^{3 +} + PO₄ ^{3 -} → FePO₄ ↓ ------- 식(3)

Zr^{3 +} + PO₄ ^{3 -} → ZrPO₄ ↓ ------- 식(4)

상기 식(1) 반응식에서 생성된 수산화아파타이트(Ca₅(PO₄)₃OH)는 단백질계 유기물, 중금속의 흡착능력이 우수하다.

상기 제조된 연탄재(2)를 이용한 수질정화용 기능성 메디아(1)를 하천과 호수의 호안에 적용할 경우에 메디아 표면에 부착조류가 형성되어 수서생물들의 먹이원를 제 공하는 매개체로 활용되고, 먹이피라미드의 하부계층이 풍부해져 어류생태계가 안정화, 다양화될 수 있을 뿐만 아니라 메디아의 밑과 공극에는 하루살이류 등의 초식성 수서곤충이 서식하는 서식처를 제공한다. 또한, 상기 메디아(1)를 형틀(철망, 게비언, 목틀, 플라스틱)에 충진하여 하천, 호소 및 습지 호안에 거석쌓기를 함으로써 수심과 유속이 다양하게 되어 생태적수질정화 효과는 물론 생물상이 다양해지는 효과를 갖는다.

또한, 하천과 호수의 호안에 적용할 경우에 수질정화용 기능성 메디아 표면에 부착조류가 형성되어 수서생물들의 먹이원으로 활용되고 먹이피라미드의 하부계층이 풍부해져 어류생태계가 안정화, 다양화될 수 있다.

본 발명의 연탄재를 이용한 수질정화용 기능성 메디아(1)의 제조 방법은, 상기 연탄재 표면에 상기 기공형성물(4)과 상기 결합제수용액을 1:3 내지 1:5의 중량비로 혼합한기공형성물결합제조성액을 코팅하여 대기상에서 3시간 동안 건조한다. 상기 기공형성물결합제조성액을 코팅한 후 건조된 메디아의 표면에 상기 기능성 소재조성물혼합액을 코팅하여 대기상에서 3시간 동안 건조시킨 후 로(furnace)에 투입하여 약 700 내지 1,200℃로 1 내지 3시간 동안 소성가공시켜 제조한다.

본 발명의 연탄재를 이용한 수질정화를 위한 기능성 메디아(1)의 세부 제조방법은 다음과 같다.

수질정화용 기능성 메디아의 내부 핵(Core)을 이루는 모재인 연탄재를 선정하는 단계;

상기 연탄재의 표면에 미세 기공을 형성시키기 위해 기공형성물(4)을 선정하는 단 계;

상기 연탄재 표면에 상기 기공형성물을 부착하기 위해 결합제인 폴리비닐알콜(PVA)과 물을 혼합하여 결합제수용액(3wt% PVA)을 제조하는 단계;

상기 기공형성물(4)과 상기 결합제수용액을 1:3 내지 1:5의 중량비로 혼합하여 슬러리상 기공형성물 결합제조성액을 제조하는 단계;

상기 기능성 소재조성물(5)인 산화칼슘(CaO), 산화제2철(Fe₂O₃), 알루미나(Al₂O₃), 지르코늄옥사이드(ZrO₂), 산화마그네슘(MgO)을 일정량을 취하여 총 중량이 100wt%가 되도록 혼합하는 단계;

상기 기능성 소재조성물(5)과 물을 1:3 내지 1:5의 중량비로 혼합하고 20 내지 30분 동안 교반하여 슬러리상의 기능성 소재조성물혼합액을 제조는 단계;

상기 연탄재(2)의 표면에 상기 기공형성물결합제조성액을 코팅하여 대기상에서 3시간 동안 건조하고, 그 다음에 상기 기능성 소재조성물조성액을 코팅하여 대기상에서 3시간 동안 건조하는 단계;

상기 코팅하여 건조된 연탄재를 노(furnace; 화로, 전기로)에 투입하여 700 내지 1,200℃에서 2시간 동안 열처리하여 소성가공하는 가공단계;

상기 소성가공 후 서서히 서냉하는 단계;를 포함하는 연탄재를 이용한 수질정화용 기능성 메디아의 제조방법을 제공한다.

본 발명에 따르면, 소성가공은 승온속도를 1분에 5℃씩 오를 수 있도록 조절하면서 1,050℃까지 가열한 다음 1,050±50℃ 범위내에서 2시간 동안 열처리를 시행한 후 상온까지 감온속도를 1분에 3℃씩 하여 서냉하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 상기 소성온도가 600℃이상이 되면 탄화물로 구성된 상기 기공형성물은 연소되어 무기물의 재(ash)만 남아서 회백색의 다공성을 형태를 띤다.

본 발명에 따르면, 상기 기능성 소재조성물인 산화칼슘은 상기 소성온도 및 소성시간 조건에서 백색의 다공성을 형태를 띤다. 하지만 1,100℃를 초과하여 장시간 가열하게 되면 산화칼슘의 용융이 일어나게 되어 다공성 물질에서 딱딱한 백색의 결정성 물질이 되므로 오히려 비표면적이 감소하고 비중이 크게 상승하게 되어 흡착제로서의 기능이 떨어진다.

상기와 같은 방법으로 제조된 연탄재(2)를 이용한 수질정화용 기능성 메디아(1)는 고열에서 소성한 수질정화용 기능성 메디아로 흡수성 강하고, 그 일부는 수용성이다. 또한, 상기 메디아는 미세한 다공성의 소성체로 공극이 발달되고, 강도를 가지고 있어 외부의 물리적 적용에 대해 잘 부서지지 않고 흡착제로 적합하다.

상기와 같이 제조된 연탄재를 이용한 수질정화용 기능성 메디아(1)는 사용처와 사용용도에 따라 다양한 크기와 형태로 가공하여 다양한 용기(원형, 사각형, 타원형, 원통형, 다공형)에 넣어 수질정화용으로 사용할 수 있다.

<실시 예 1>

본 발명에서는 기공형성물인 활성탄과 결합제수용액(3wt% PVA)을 1:3의 중량비로 혼합하여 기공형성물결합제조성액을 조제한다. 기능성 소재조성물을 [표 1]에 제시 한 바와 같이 산화칼슘(CaO), 산화제2철(Fe₂O₃), 알루미나(Al₂O₃), 지르코늄옥사이드(ZrO₂), 산화마그네슘(MgO)을 일정비율로 혼합하여 총 중량을 100wt%으로 하여 물을 1:3의 중량비로 혼합하여 기능성소재조성물혼합액을 제조한다. 연탄재의 표면에 상기 기공형성물결합제조성액을 코팅하여 대기상에서 3시간 동안 건조한다. 그 다음에 상기 기능성소재조성물혼합액을 코팅하여 대기상에서 3시간 동안 건조시킨 후 1,050℃에서 2시간 동안 열처리하여 소성한 다음 상온까지 서냉하여 수질정화용 기능성 메디아를 제조하였다.

[표 1]

구 분	기능성 소재조성물 혼합비(%)
	산화칼슘 (CaO)	산화 제2철 (Fe2O3)	알루미나 (Al2O3)	지르코늄옥사이드 (ZrO2)	산화마그네슘 (MgO)	합계
실시예 1	50	25	20	3	2	100
실시예 2	60	20	15	3	2	100
실시예 3	70	15	10	3	2	100
실시예 4	80	10	5	3	2	100

표2는 연탄재 표면에 코팅된 소재조성물 혼합비에 따른 수질변화를 나타내었다. 실시예 1～4에서 제조된 연탄재를 이용한 수질정화용 기능성 메디아의 성능을 비교하기 위해 기능성 메디아 50 g를 각각 1 L의 용액(하천수)에 투입한 후 1시간 동안 흡착시킨 다음 용액(하천수)을 채수하여 수질을 분석하였으며, 그 결과를 다음에 제시하였다.

[표 2]

구 분	pH	전기전도도 (us/cm)	탁도 (NTU)	칼슘경도 (mg/L)	알칼리도 (mg/L)
하천수	7.1	210	1.5	45	40
실시예 1	7.5	78	1.8	51	45
실시예 2	7.9	85	2.2	54	48
실시예 3	8.7	90	2.8	66	53
실시예 4	9.4	110	3.5	75	58

표 1에 제시된 바와 같이, 상기 실시예 1 내지 4로 제조된 수질정화용 기능성 메디아의 기능성 소재조성물 중 산화칼슘(CaO) 함량이 증가함에 따라 수질인자(pH, 전기전도도, 칼슘경도, 알칼리도)가 점차 증가함을 알 수 있다.

표 3은 소성온도에 따라 제조된 연탄재를 이용한 수질정화용 기능성 메디아의 물성(공극율, 비표면)을 평가한 것으로, [표 1]에 제시한 바와 같이 실시예 3의 조성으로 제조된 연탄재를 이용한 수질정화용 기능성 메디아와 상기 기능성 소재조성물이 코팅되지 않은 연탄재와 비교하기 위해서 공극율 및 비표면적을 측정하여 그 결과를 제시한 것이다.

[표 3]

구 분	소성온도 (℃)	공극율 (%)	비표면적 (m2/g)	비 고
연탄재		35.84	4.86	코팅 전
실시예 3	700	35.30	6.88	코팅 후
	800	40.25	8.12
	900	44.50	9.52
	1,000	50.60	10.92
	1,100	52.97	11.84
	1,200	52.95	11.80

표 3에 제시된 바와 같이, 공극율과 비표면적은 소성온도가 700℃에서 1,000℃로 높아짐에 따라 증가하였고, 1,100℃이상이 되면 오히려 감소함을 알 수 있었다.

표 4는 소성온도(700 내지 1,200℃)에 따른 연탄재를 이용한 수질정화용 기능성 메디아의 표면에 융착된 기능성 소재조성물의 융착강도를 나타낸 것으로, 융착강도는 기능성 메디아를 유체가 포함된 반응기에 일정량 투입한 후 교반기를 활용하여 교반강도를 주어 융착된 기능성 소재조성물을 탈착시켜 실험전ㆍ후 기능성 메디아의 무게를 측정하였다. 실험방법은 실험전(a)에 50g(건조 중량)의 수질정화용 기능성 메디아를 비이커에 넣어 물을 주입하여 전량을 1L로 조정한 후 교반기를 활용하여 150RPM의 교반강도로 10분간 교반하였다. 상기 기능성 메디아를 채취하여 건조기(dry oven)에서 건조한 다음 무게를 측정(b)하여 실험전(a)과 기능성 메디아의 무게변화(a-b)를 측정하여 비교하였다.

[표 4]

구 분	소성온도 (℃)	융착강도			비 고
		실험전 무게(a)	실험후 무게(b)	무게차(a-b)
실시예 3	700	200	190.52	9.48
	800	200	193.70	6.30
	900	200	195.45	4.55
	1,000	200	197.50	2.50
	1,100	200	198.45	1.55
	1,200	200	198.90	1.10

표 4에 제시된 바와 같이, 소성온도에 따라 연탄재를 이용한 수질정화용 기능성 메디아의 융착강도를 측정한 결과, 소성온도가 높아짐에 따라 융착강도가 강함을 확인할 수 있었다. 융착강도는 연탄재를 이용한 수질정화용 기능성 메디아의 표면에 융착된 기능성 소재조성물의 부착정도를 나타낸다.

한편, 상기와 같은 효과를 정량적으로 확인하기 위해서 다음과 같이 실험을 하였다.

도 2와 도 3에 도시된 바와 같이, 동일 조건하에서 기능성 소재조성물을 모재표면에 코팅한 후 열처리하여 소성한 연탄재를 이용한 수질정화용 기능성 메디아(①)와, 그렇지 않은 메디아(②)의 각각을 유체(물)의 흐름이 있는 반응장치에 투입하여 수질정화정도를 측정하였고, 그 실험 결과는 도 2와 도 3에 도시되어 있다. 도 2와 도3에서는 유입수의 수질정화처리 전ㆍ후 인(phosphate)과 용존유기물(DOC; Dissolved Organic Carbon)의 비율과 접촉시간과의 상관관계를 나타내었다. 먼저, 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따라 제조된 연탄재를 이용한 수질정화용 기능성 메디아(①)의 인(P)제거효율이 그렇지 않은 메디아(②)에 비해 우수하다는 것을 알 수 있다. 도3에서는 유입수의 수질정화처리 전ㆍ후 용존유기물(DOC; Dissolved Organic Carbon)의 비율과 접촉시간과의 상관관계를 나타내었다. 도3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따라 제조된 수질정화용 기능성 메디아(①)의 용존유기물질(DOC)제거효율이 그렇지 않은 메디아(②)에 비해 우수하다는 것을 알 수 있다. 따라서, 본 발명에 따라 제조된 수질정화용 기능성 메디아에 있어서는, 기능성 소재조성물을 모재표면에 코팅시킴으로써 그렇지 않은 경우에 비해 공극율과 비표면적을 증가시켜 단시간에 오염물질과 영양염류의 처리효율을 향상시킬 수 있다는 사실을 확인할 수 있다.

이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시 예들에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 많은 변형이 가능함은 명백하다.

도1은 본 발명의 실시 예에 따른 연탄재를 이용한 수질정화용 기능성 메디아의 단면도

도2는 본 발명의 실시 예에 따른 연탄재를 이용한 수질정화용 기능성 메디아의 조성물 코팅 전ㆍ후의 인(P)제거율을 비교하기 위한 그래표

도3은 본 발명의 실시 예에 따른 연탄재를 이용한 수질정화용 기능성 메디아의 조성물 코팅 전ㆍ후의 오염물질(DOC) 제거율을 비교하기 위한 그래표도

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1. 연탄재를 이용한 수질정화용 기능성 메디아(media)

2. 연탄재

3. 결합제(binder)

4. 기공형성물

5. 기능성 소재조성물

Claims (5)

1. 본 발명은 연탄재를 이용한 수질정화용 기능성 메디아의 내부 핵(core)을 이루는 모재(raw material)인 연탄재와; 상기 연탄재 표면에 미세공극과 비표면적을 증가시키기 위한 기공형성물과; 상기 기공형성물을 상기 연탄재 표면에 부착하기 위한 결합제(binder)인 폴리비닐알콜(PVA)와; 상기 결합제인 폴리비닐알콜과 물을 혼합하여 3wt%로 조제한 결합제수용액과; 상기 기공형성물과 상기 결합제수용액을 혼합하여 1:3 내지 1:5의 중량비로 조제한 기공형성물결합제조성액과; 상기 연탄재 표면에 오염물질을 여과ㆍ흡착 처리하기 위해 코팅한 기능성 소재조성물과; 상기 기능성 소재조성물과 물을 1:3 내지 1:5의 중량비로 혼합하여 조제한 기능성 소재조성물혼합액;을 구성하는 연탄재를 이용한 수질정화용 기능성 메디아에 있어서, 상기 기능성 소재조성물은 산화칼슘(CaO) 60～70wt%, 산화제2철(Fe₂O₃) 10～20wt%, 알루미나(Al₂O₃) 10～20wt%, 지르코늄옥사이드(ZrO₂) 1～3wt%, 산화마그네슘(MgO) 1～3wt%을 일정비율로 혼합되어 총 중량이 100wt%가 되도록 함량이 구성되는 것을 특징으로 하고, 상기 연탄재의 표면에 상기 기공형성물과 기능성 소재조성물을 순차적으로 코팅하여 대기상에서 3시간 동안 건조시킨 후 1050±50℃ 범위에서 2시간 동안 열처리하여 소성한 다음 상온까지 서냉하여 제조한 것을 특징으로 하는 연탄재를 이용한 수질정화용 기능성 메디아.
2. 제 1항에 있어서, 상기 기공형성물은 8 내지 35mesh크기의 활성탄으로 구성되어 연탄재 표면에 0.1 내지 1mm두께로 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 연탄재를 이용한 수질정화용 기능성 메디아.
3. 제 1항에 있어서, 상기 기능성 소재조성물은 물을 1:3 내지 1:5의 중량비로 혼합하여 슬러리상으로 제조되어 연탄재 표면에 0.1 내지 2mm두께로 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 연탄재를 이용한 수질정화용 기능성 메디아.
4. 삭제
5. 수질정화용 기능성 메디아의 내부 핵(Core)을 이루는 모재인 연탄재를 선정하는 단계;

   상기 연탄재의 표면에 미세 기공을 형성시키기 위해 기공형성물을 선정하는 단계;

   상기 연탄재 표면에 상기 기공형성물을 부착하기 위해 결합제인 폴리비닐알콜(PVA)과 물을 혼합하여 결합제수용액(3wt% PVA)을 제조하는 단계;

   상기 기공형성물과 상기 결합제수용액을 1:3 내지 1:5의 중량비로 혼합하여 슬러리상 기공형성물 결합제조성액을 제조하는 단계;

   상기 기능성 소재조성물인 산화칼슘(CaO), 산화제2철(Fe₂O₃), 알루미나(Al₂O₃), 지르코늄옥사이드(ZrO₂), 산화마그네슘(MgO)을 일정량을 취하여 총 중량이 100wt%가 되도록 하여 혼합하는 단계;

   상기 기능성 소재조성물과 물을 1:3 내지 1:5의 중량비로 혼합하고 20 내지 30분 동안 교반하여 슬러리상의 기능성 소재조성물혼합액을 제조는 단계;

   상기 연탄재 표면에 상기 기공형성물결합제조성액을 코팅하여 대기상에서 3시간 동안 건조하는 단계;

   상기 기공형성물 결합제조성액이 건조된 연탄재 표면에 상기 기능성 소재조성물수용액을 코팅하여 3시간 동안 건조하는 단계;

   상기 기능성 소재조성물수용액을 코팅하여 건조된 연탄재를 노(furnace; 화로, 전기로)에 투입하여 700 내지 1,200℃에서 2시간 동안 열처리하여 소성가공하는 가공단계;

   상기 열처리 소성가공한 연탄재를 이용한 수질정화용 기능성 메디아를 상온까지 서냉하여 냉각시키는 단계;를 거쳐 제조하는 것을 특징으로 하는 연탄재를 이용한 수질정화용 기능성 메디아의 제조방법.

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