KR101366172B1 - 브릭 조성물 및 이를 포함하는 고형화 브릭 - Google Patents

Abstract

본 발명은 브릭 조성물 및 고형화 브릭에 관한 것으로, 보다 구체적으로 제철 슬러지, 알칼리 촉진제, 고화제 및 중화제를 포함하여, 강도가 우수하고, 고형화 브릭에서 발생하는 강알칼리성 침출수를 중화하고, 유독한 중금속의 유출을 방지함으로써, 환경 오염을 방지하는데 효과적인 브릭 조성물 및 고형화 브릭에 관한 것이다.

Description

브릭 조성물 및 이를 포함하는 고형화 브릭{COMPOSITION OF BRICK AND SOLIDIFICATION BRICK COMPRISING THE SAME}

본 발명은 브릭 조성물 및 이를 포함하는 고형화 브릭에 관한 것이다.

종래에 일반적으로 사용되었던 고형화 브릭 제조 방법에 있어서, 대한민국 공개특허 제1987-0005929호는 각종 소각재 등의 고화 방법에 관한 것으로, 석회류, 알루미늄염 및 탄산소다 염류로 이루어진 고화제를 첨가하여 플라이애시 등 각종 소각재를 고화시켜 브릭을 형성하는 방법에 대하여 개시하고 있다.

한편, 대한민국 공개특허 제1996-0022355호는 제강 전로 슬래그에 의한 하수 소화 슬러지의 고화 처리 방법에 관한 것으로, 상기 하수 소화 슬러지의 고화 처리 방법은 하수 슬러지에 제강전로 슬래그 분말과 보조 고화제를 첨가, 혼합하는 단계와 상기 단계에 의해 얻어진 혼합물을 압축 성형한 후, 상온에서 1 내지 28일간 기밀 양생하는 단계를 개시하고 있다.

그러나 상기 방법들에 의해 제조된 고형화 브릭의 경우, 제조에 사용되는 고화제가 대체로 고가이기 때문에 경제적이지 못하고, 우천 시에는 물을 흡수하여 압축 강도가 거의 상실되고, 강도가 약해지기 때문에 매립용 또는 건축용 브릭으로 사용하는데 한계가 있다. 또한, 상기 방법에 의해 제조된 브릭이 물과 접촉할 경우, 강알칼리의 침출수가 발생하고, 그 결과 주변 생태계 및 환경에 치명적인 악영향을 미친다는 문제점이 있다.

이러한 문제점의 해결 방안으로 대한민국 공개번호 제2004-0056593호에서는 특정한 중화제를 사용하여 강알칼리성 침출수의 발생을 억제하고, 물리 화학적으로 안정성이 우수한 고형화 브릭을 제조하는 방법에 관하여 개시하고 있다. 그러나 강알칼리성 침출수의 발생을 방지하여 종래의 고형화 브릭에 비해 환경 오염을 감소시킬 수 있으나, 일반 시멘트를 사용함에 따른 납, 크로뮴 등의 중금속과 각종 슬럿지에 포함된 중금속으로 인한 오염까지 방지하지는 못한다는 문제점이 있다.

대한민국 공개특허 제1987-0005929호 대한민국 공개특허 제1996-0022355호 대한민국 공개번호 제2004-0056593호

본 발명은, 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 중화제로 폐산 석고를 포함함으로써, 경제적이고, 강도 등 물리 화학적 성질이 우수하며, 강알칼리성 침출수에 의한 환경 오염뿐만 아니라, 중금속에 의한 환경오염까지 방지할 수 있는 브릭 조성물 및 고형화 브릭을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 제철 슬러지 100중량부에 대하여, 알칼리 촉진제 0.02 내지 0.1중량부, 고화제 30 내지 50중량부 및 중화제 10 내지 50중량부를 포함하고, 상기 고화제는 고로 슬래그이고, 상기 중화제는 폐산 석고를 포함하는 브릭 조성물을 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 브릭 조성물을 포함하는 고형화 브릭을 제공한다.

본 발명의 브릭 조성물 및 이를 포함하는 고형화 브릭은 무기성 광물질을 포함하는 제철 슬러지를 사용함으로써 시멘트 성분과의 결합성을 향상시켜 강도가 우수하고, Ca(OH)₂ 와 반응하여 수소 이온과 하이드록시아파타이트 또는 형석을 생성하는 폐산 석고를 포함하는 중화제를 사용하여, 고형화 브릭에서 발생하는 강알칼리성 침출수를 중화하고, 유독한 중금속의 유출을 방지함으로써, 환경 오염을 방지하는데 효과적이다.

또한, 본 발명은 폐산 석고, 제철 슬러지, 고로 슬래그 등의 산업 폐기물을 재활용함으로써 폐기물 처리 비용을 절감할 수 있다.

이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

본 발명은 제철 슬러지 100중량부에 대하여, 알칼리 촉진제 0.02 내지 0.1중량부, 고화제 30 내지 50중량부 및 중화제 10 내지 50중량부를 포함하고, 상기 고화제는 고로 슬래그이고, 상기 중화제는 폐산 석고를 포함하는 브릭 조성물을 제공한다.

상기 제철 슬러지는 제철소의 제철 제조 공정 중에 발생되는 부산물로 미량 내지 수십% 내외의 철 화합물, CaO, SiO₂ 등을 주요 성분을 포함하는 통상의 제철 슬러지를 사용할 수 있다. 상기 제철 슬러지에 함유된 무기성 광물질은 시멘트 성분과의 결합성이 좋기 때문에, 제철 슬러지를 고형화 브릭의 주원료로 사용할 경우, 종래의 고형화 브릭에 비해 우수한 강도의 브릭을 제조할 수 있다는 장점이 있다.

상기 고화제는 물과의 수화 작용을 통해 망사 구조의 침상 또는 로드상으로 된 미세 결합물인 수화 생성물을 형성함으로써 브릭의 강도 발현에 기여하도록 하기 위한 것으로, 상기 고화제는 고로 슬래그 미분말인 것이 바람직하다.

상기 고화제 성분 중 고로 슬래그 미분말과 같은 포졸란 성분은 다량의 에트링가이트(3CaO·Al₂O₃·32H₂O)를 생성하며, 이는 물을 결합수로 취하여 함수비를 저하시키고, 제철 슬러지 입자의 이동을 구속함으로써, 브릭의 강도를 향상시킨다.

또한 고로 슬래그의 구성 성분인 산화칼슘 등으로부터 용출되는 칼슘 이온에 의해 수산화 칼륨이 형성되고, 이 수산화칼륨은 제철 슬러지 입자 및 점토에 함유되어 있는 CaO와 SiO₂, Al₂O₃ 등의 가용 성분과 반응하여 불용성의 수산화물을 형성하게 된다. 상기 불용성 수산화물은 포졸란의 활성화에 의해 경화되고, 경화에 의해 브릭 내의 기공이 극소화됨에 따라, 침출수가 브릭 외부로 유출되는 것을 억제한다.

한편, 상기 고로 슬래그는 고로 공장에서 발생될 수 있으며, 40% 내외의 CaO, 23.5% 내외의 SiO, 실리카 및 알루미나 등을 포함하는 것이 바람직하고, 상기 고로 슬래그의 입도는 3000 내지 4000㎠/g 인 것이 바람직하다. 이때, 상기 고로 슬래그는 미분말 형태의 고로 슬래그 미분말을 사용하는 것이 바람직하다.

상기 고로 슬래그의 입도가 4000cm²/g을 초과할 경우, 고로 슬래그가 물과 반응하여 수화 생성물을 형성하는 활성화 작용이 저하되고, 입도가 3000cm²/g미만일 경우, 경제적이지 못한 문제점이 있다.

상기 고화제는 상기 제철 슬러지 100중량부에 대하여 30 내지 50중량부로 혼합되는 것이 바람직하다. 상기 고화제의 함량이 30중량부 미만인 경우 고형과 브릭의 강도 발현이 저하되며, 함량이 50중량부를 초과하면 경제성이 낮아지는 문제점이 있다.

상기 알칼리 촉진제는 물과의 가수 분해 반응에 의해 수산기를 형성하며, 상기 수산기는 물과 상기 고화제의 수화 반응에 의해 형성되는 수화 생성물 상에 생기는 막을 제거함으로써 수화 반응이 지속적으로 진행될 수 있도록 하는 역할을 한다. 즉, 수화 생성물 상에 막이 형성되면, 수화 반응이 진행되지 않고, 그 결과 브릭의 강도가 떨어지게 된다. 따라서 알칼리 촉진제는 상기 수화 생성물에 형성된 막을 제거하여 수화 반응이 계속 진행될 수 있도록 하며, 그 결과 보다 강고한 브릭을 얻을 수 있도록 해준다.

이때, 상기 알칼리 촉진제로는 pH 12 내지 14 범위의 알칼리 촉진제를 사용하는 것이 바람직하며, 구체적으로 수산화나트륨, 수산화칼륨 및 수산화리튬으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 수용액인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 수산화나트륨인 것이 좋다.

또한, 상기 알칼리 촉진제는 제철 슬러지 100중량부에 대하여 0.02내지 0.1중량부가 첨가되는 것이 바람직하다. 상기 알칼리 촉진제의 함량이 0.02중량부 미만인 경우에는 알칼리 촉진 효과가 미흡하여 고화제의 수화가 지연되어 강도 발현이 충분히 일어나지 않으며, 함량이 0.1중량부를 초과하면, 불순물로 작용하거나, 물리 화학적 안정성이 떨어지는 문제점이 있다.

상기 중화제는 폐산 석고를 포함하는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 인산 석고 및 불산 석고로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인 것이 바람직하다. 이때, 상기 인산 석고는 고로 슬래그의 구성 성분인 산화칼슘 등으로부터 용출되는 칼슘 이온으로부터 생성되는 수산화 칼슘 Ca(OH)₂과 반응하여 수소 이온과 하이드록시아파타이트를 형성하고, 상기 불산 석고의 경우 형석을 형성한다.

구체적으로, 상기 인산 석고의 경우, 인산 석고 내의 P₂O₅가 물에 용해되어 H₃PO₄를 형성하고, 상기 H₃PO₄는 다시 HPO₄ ^{2 -}가 되어 Ca^{2 +}와 반응하여 Ca₃(PO₄)₂ 의 침전물을 형성하면서, H⁺를 방출한다. 방출된 H⁺에 의해 강알칼리성인 침출수가 중화된다. 한편, 상기 반응에서 형성된 Ca₃(PO₄)₂는 불안정한 침전물로, Ca(OH)₂와 반응하여 Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂ 즉, 히드록시아파타이트를 형성하면서 안정화하게 된다. 이때 생성되는 히드록시아파타이트는 유독한 중금속 성분을 고정하는 성질을 가지고 있기 때문에, 고형화 브릭 제조 시에 폐산 석고를 포함하는 중화제를 사용하면 상기 과정에 의해 형성된 히드록시아파타이트로 인해 고형화 브릭의 원료에 포함되어 있는 중금속이 고정되어 외부로 유출되지 않아 중금속으로 인한 환경 오염을 방지할 수 있다.

이처럼, 상기 폐산 석고를 중화제로 사용할 경우 강알칼리성 침출수의 중화 효과는 물론 중금속 고정 효과를 동시에 얻을 수 있어, 강알칼리성 침출수에 의한 환경 오염은 물론 중금속 유출로 인한 환경 오염까지 방지할 수 있다.

상기 중화제는 상기 폐산 석고와 함께 점토를 더 포함할 수 있다. 상기 점토는 수산기를 흡착하여 알칼리성 침출수의 발생을 억제하는 기능을 하며, 점토에 함유되어 있는 CaO와 SiO₂, Al₂O₃ 등의 가용 성분이 수산화칼슘과 반응하여 불용성의 수산화물을 형성하고, 상기 불용성 수산화물은 포졸란의 활성화에 의해 경화됨으로써, 브릭 내의 기공을 극소화하여 침출수가 브릭 외부로 유출되는 것을 억제하는 기능을 한다.

한편, 상기 중화제의 함량은 제철 슬러지 100중량부에 대하여 10 내지 50 중량부인 것이 바람직하다. 상기 중화제의 함량이 10중량부 미만인 경우에는 브릭에서 발생하는 침출수의 중화가 충분히 이루어지지 않으며, 함량이 50중량부를 초과하는 경우에는 고형화 브릭의 강도 발현을 저해하는 문제점이 있다.

나아가, 본 발명은 상기 브릭 조성물을 포함하는 고형화 브릭을 제공한다. 상기 고형화 브릭은 폐산 석고를 포함한 중화제를 이용하여 강알칼리성 침출수 및 중금속의 유출을 억제하여 친환경적이며, 제철 슬러지 및 알칼리 촉진제를 사용하여 강도 역시 우수하다.

또한, 본 발명은 폐산 석고, 제철 슬러지, 고로 슬래그 등의 산업 폐기물을 재활용함으로써 폐기물 처리 비용을 절감할 수 있다.

이하, 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기로 한다.

단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.

< 실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 2>

제철 슬러지 100중량부에 대하여, 알칼리 촉진제로 수산화나트륨 1M 용액 0.02중량부, 3000~4000㎠/g 범위의 고로 슬래그 미분말을 43 중량부의 양으로 혼합하고, 여기에 중화제로 점토 및/또는 폐산 석고의 혼합물을 하기 표 1에 나타낸 함량으로 각각 첨가하고, 물과 고화제의 중량비가 3:10이 되도록 제어한 후 이들을 혼합하여 혼합물을 제조하였다. 이때 물의 함량이 높으면 브릭 제조시 수분의 량이 많아져 브릭의 성형 강도가 낮아질 수 있으며, 물의 함량이 낮으면 브릭의 성형이 곤란하고, 성형되더라도 치밀한 구조의 브릭으로 성형되지 않기 때문에 강도 발현이 낮아질 수 있다.

상기에서 제조된 혼합물을 성형틀(5㎝×5㎝×5㎝)에서 3층 다짐(각층 15㎝높이에서 15회씩 낙하)으로 압축 성형하고, 탈형한 후 상온(25℃)에서 28일간 상대습도 90%이상에서 양생하여 실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 2의 고형화 브릭을 제조하였다.

구분	제철 슬러지	알칼리 촉진제 (중량부)	고화제 (고로 슬래그 미분말) (중량부)	중화제
				함량 (중량부)	점토
					폐산 석고
실시예 1	100중량부	0.02	43	10	60중량%
					40중량%(인산)
실시예 2	100중량부	0.02	43	20	80중량%
					20중량%(인산)
실시예 3	100중량부	0.02	43	30	20중량%
					80중량%(인산)
실시예 4	100중량부	0.02	43	30	60중량%
					40중량%(불산)
비교예 1	100중량부	0.02	43	5	60중량%
					40중량%(인산)
비교예 2	100중량부	0.02	43	60	60중량%
					40중량%(불산)

< 실험예 >

상기 실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 2의 고형화 브릭의 28일 후 압축 강도를 측정하였다. 이후, 고형화 브릭을 파쇄하여 체로 걸려 입경이 0.5 내지 5mm가 되도록 한 후, 파쇄된 고형물과 증류수의 비율을 1:10(고형물의 중량:증류수 부피)으로 하여 120rpm으로 24시간 동안 좌우 진탕으로 교반시킨 후 중화제 함량에 따른 pH 및 중금속으로 납(Pb)의 농도를 측정하고, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.

	압축강도(28일 후) (MPa)	pH	Pb(ppm)
실시예 1	10.9	8.4	2.8
실시예 2	10.5	8.9	1.6
실시예 3	9.8	8.1	2.7
실시예 4	10.2	8.3	1.7
비교예 1	10.3	11.7	69.8
비교예 2	7.6	7.5	2.3

상기 표 2에 나타난 바와 같이, 중화제의 함량이 10 내지 50 중량부의 범위 내에 있는 실시예 1 내지 4의 고형화 브릭의 압축강도는 모두 8.0MPa 이상으로 나타나 충분한 강도를 발현할 수 있음을 확인할 수 있으며, pH 값 역시 10 이하로 강알칼리성의 침출수가 유출되지 않음을 알 수 있다.

또한 중화제의 함량이 10 내지 50 중량부의 범위 내에 있는 실시예 1 내지 4의 고형화 브릭의 중금속 Pb농도가 규제치인 3ppm이하로 떨어짐을 확인할 수 있다. 이에 반해, 중화제의 함량이 적은 비교예 1의 고형화 브릭의 경우 pH값이 11.7로 강알칼리성 침출수가 유출될 수 있으며, 납의 농도가 규제치인 3ppm보다 높은 값을 나타내고 있어 중금속 유출 방지 효과를 기대하기 어렵고, 중화제 함량이 높은 비교예 2의 고형화 브릭의 경우 브릭의 강도가 낮다는 단점이 있음을 알 수 있다.

Claims (7)

1. 제철 슬러지 100중량부에 대하여, 알칼리 촉진제 0.02 내지 0.1중량부, 고화제 30 내지 50중량부 및 중화제 10 내지 50중량부를 포함하고,
   상기 고화제는 고로 슬래그이고,
   상기 중화제는 폐산 석고를 포함하고,
   상기 고로 슬래그는 입도가 3000 이상 4000cm²/g 미만인 고로 슬래그인 것을 특징으로 하는 브릭 조성물.
2. 삭제
3. 청구항 1에 있어서, 상기 중화제는 점토를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 브릭 조성물.
4. 청구항 1에 있어서, 상기 알칼리 촉진제는 pH 12 내지 pH 14인 것을 특징으로 하는 브릭 조성물.
5. 청구항 4에 있어서, 상기 알칼리 촉진제는 수산화나트륨, 수산화칼륨 및 수산화리튬으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 브릭 조성물.
6. 청구항 1에 있어서, 상기 폐산 석고는 인산 석고 및 불산 석고로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 브릭 조성물.
7. 청구항 1, 청구항 3 내지 청구항 6 중 어느 한 항의 브릭 조성물을 포함하는 고형화 브릭.