KR102631822B1 - 무기성 폐조성물을 포함하는 혼합조성물 및 상기 혼합조성물로 제조된 자재 - Google Patents

Abstract

본 발명은 무기성 폐조성물을 포함하는 혼합조성물 및 상기 혼합조성물로 제조된 자재에 관한 것이다.
보다 구체적으로는, 반도체에서 발생된 플로오린화칼슘을 함유하는 폐수 슬러지 또는 인조대리석의 제조 공정에서 발생된 슬러지(또는 분말, 스크랩)를 무기성 폐조성물로서 사용하고, 이러한 무기물의 바인더로서 농촌에서 발생되는 폐비닐(PP, PE, ABS)을 혼합하여 이루어진 혼합조성물과, 상기 혼합조성물로 제조된 건설자재(또는 목재대용자재)에 관한 것이다.

Description

무기성 폐조성물을 포함하는 혼합조성물 및 상기 혼합조성물로 제조된 자재{Mixed composition containing inorganic waste composition, And the material using a mix composition}

본 발명은 무기성 폐조성물을 포함하는 혼합조성물 및 상기 혼합조성물로 제조된 자재에 관한 것이다.

보다 구체적으로는, 반도체에서 발생된 플로오린화칼슘을 함유하는 폐수 슬러지 또는 인조대리석의 제조 공정에서 발생된 슬러지(또는 분말, 스크랩)를 무기성 폐조성물로서 사용하고, 이러한 무기물의 바인더로서 농촌에서 발생되는 폐비닐(PP, PE, ABS)을 혼합하여 이루어진 혼합조성물과, 상기 혼합조성물로 제조된 건설자재(또는 목재대용자재)에 관한 것이다.

각종공장에서 배출되는 슬러지들은 환경오염을 유발하는 유해물질이 다량함유하고 있어 크나큰 사회문제로 오늘 날 대두 되고 있다.

더구나, 산업 무기폐기물은 썩지않고 연소되지 않은 관계로 그 독성이 오래 지속되므로 다양한 분야로 친환경적 처리를 위한 기술개발이 이루어지고 있다.

하지만, 전반적으로 폐슬러지 처리기술은 아직 초보단계에 머물러 있으며, 대부분 단순 매립, 소각의 형태로 처리되고 있어 또 다른 환경오염문제를 야기하고 있다.

매립시에는 지반을 약화시키고 건조되면 분진 등을 발생시키며 물과 접촉시 시멘트슬러지나 플라이애쉬 등은 매립지 주변의 수질을 강한 알칼리성으로 변화시키면서 용출수에 쉽게 포함되어 나와 토양을 지속적으로 오염시키고 있다.

또한, 상기의 슬러지들 중에는 재활용가능한 유용한 성분이 많이 축적되어 있음에도 불구하고 단순히 대량 매립되어 폐기되고 있다.

상기 슬러지 중 폐수 슬러지는 전기 도금 공장, 특수강 공장, 반도체 공장, 전자관 공장, 철강 공장, 브라운관 유리공장, 액정표시공장, 반도체 웨이퍼공장 등에서 금속 표면에 부착되어 있는 각종 산화물과 불순물을 제거하기 위하여, 부식성이 매우강한 플루오르산을 사용하며, 따라서, 전술한 공장에서 방출되는 폐수에도 다량의 플루오르산이 함유되어 있다. 상기 플루오르산은 매우 유독하여, 폐수 방출시 반드시 일정 농도(15ppm) 이하로 낮추어 방출하도록 규정하고 있으며, 이와 같이플루오르 산의 함량을 법정 허용 기준치 이하로 떨어뜨리기 위해서 통상 염화알루미늄, 황산알루미늄, 염화철, 황산철, 유기 응집제, 가성소다, 철염, 소석회, 염산 등을 플루오르산의 침전 제거제로 사용하고 있다.

상기 침전 및 응집 제거 과정에 의해, 폐수에서 플루오르산과 기타 유해물질이 상당수 제거되나, 정화된 폐수의 하층부에는 침전, 응집 과정에 의해서 발생하는 중금속을 함유한 슬러지가 생성된다. 현재 이와 같이 중금속 폐수를 처리한 후 발생되는 슬러지는 별도의 사용분야를 찾지 못하고 있으며, 대부분 폐기물 형태로 처리되어 매립되고 있는 실정이다. 이와 같이 매립된 슬러지는 재용해되어 토양으로 스며들어 토양과 지하수 뿐만이 아니라 강과 바다도 오염시키는 2차적인 오염원이 되고 있다. 또한, 이와 같은 슬러지의 처리에는 막대한 비용이 들어 제조 원가를 상승시키는 원인이 되고 있다.

따라서, 반드시 슬러지를 재활용해야 할 필요성이 있다. 더욱이 이와 같은 중금속 폐수의 양은 날로 증가하고 있지만 슬러지 재활용에 관한 연구는 아직까지 미흡하며 만족할 만한 결과를 얻지 못하고 있는 실정이다.

폐수 슬러지는 Si, Ca, Mg, K, Na, Al, Ca, Fe이 그 주성분이며, Si, Ca, Mg, K, Na및 Al은 유리로부터 용해된 성분으로 볼 수 있고, Al, Ca, Fe및 유기물은 플루오르산 폐수를 처리하기 위하여 첨가된 침전제 및 응집제로부터 기원하는 성분이다.

이와 같은 슬러지로부터 생성 가능한 화합물의 형태로는 통상적인 폐수 처리 공정을 예상하여 볼 때 K2SiF6, Mg(OH)2, MgF2, CaF2 , Al(OH)3, Fe(OH)3, Na2SiF6, Ca(OH)2 등을 들수 있으며, 이들은 고온으로 가열하면 안정한 화합물의 형태로 변화된다.

이와 같이 슬러지는 플루오르산이 함유된 폐수에 침전제, 응집제, 침강제 등의 첨가제를 가함으로써 화학적, 물리적 반응을 일으켜 생성된 슬러지로서 입경이 약 400 Å이하로 미세하고 수분, 수산화물, 유기물 등을 다량으로 포함하고 있다.

따라서, 이들을 고온으로 가열하는 경우 큰 작열 감량으로 인해 과다한 수축이 일어나서 성형체에 균열, 굴곡현상 등이 일어나므로 이와 같은 슬러지를 바로 사용해서는 토목,건축자재로 사용하는 것은 사실상 불가능한 실정이다.

따라서 이러한 슬러지를 재활용하기 위해 많은 연구자들이 슬러지의 안정화 및 그에 따른 제품 개발에 많은 노력을 기울여 왔지만 아직까지는 만족할 만한 성과를 얻지 못하고 있다.

또한, 다양한 하수 슬러지를 이용하여 다양한 건축자재를 생산하는 것이 제안되었지만, 상기 하수 슬러지를 유기질과 무기질로 분리하여 이 중 무기질을 이용하고, 여기에 산업폐기물을 혼합함으로써 다양한 건설자재를 생산할 수 있게 되었다.

등록특허공보 제10-0354192호에는 제지슬러지를 이용한 블록의 제조방법이 기재되어 있다.

상기 기술은, 제지슬러지를 이용한 블록의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 제지공장에서 발생되는 산업폐기물인 건조되지 않은 제지슬러지를 별도의 건조과정없이 시멘트, 모래, 황토, 생석회, 염화암모늄, 강화용 수지, 방수용 수지와 혼합하여 블록을 제조하게 되는 제지슬러지를 이용한 블록의 제조방법을 제공함에 그 목적이 있고,

상기한 목적을 달성하기 위하여, 건조되지 않은 제지슬러지 20~80중량%와 시멘트 10~50중량%, 모래 5~40중량%, 황토 1~10중량%를 혼합기에서 혼합, 분쇄기에서 분쇄한 후, 생석회 1~10중량%, 염화암모늄 1~10중량%, 강화용 수지 1~5중량%, 방수용 수지 1~10중량%를 부가하여 다시 혼합기에서 혼합한 다음, 압출기에서 블록형태로 압출하여 100℃에서 2시간동안 건조하는 것을 특징으로 하는 제지슬러지를 이용한 블록의 제조방법을 제공하게 된다.

또한, 등록특허공보 제10-0490731호에는 폐자재슬러지를 로타리킬른에서 건조 또는 소성하여토목,건축자재를 제조하는 방법이 기재되어 있다.

상기 기술은, 제철 슬러지,폐주물사, 산업분진, 건축폐기물,폐플라스틱,상하수원슬러지,섬유슬러지,제지슬러지,폐시멘트,폐콘크리트,폐아스콘,플라이애쉬,석탄재,각종소각재,정수장오니,화학공장에서 발생하는 석회슬러지,석회석슬러지,요업공장에서 발생하는 요업슬러지,폐광미,폐석고등을 1종 또는 2종이상 선택하여 이를 플루오르산이 함유된 폐수슬러지 혼합하여 로타리킬른에서 30∼100℃로 예열 건조하여 분말화하거나, 500∼2000℃로 소성한 후 고형화하여 이를 시멘트와 혼합하여 호안블록,경계석,바닥제,벽돌,보도블록,인공토,성토제,복토제,기층골재,인조자갈,인공골재, 자연식재블록등를 제조하거나 그 밖에 레미콘용 모르타르, 아스콘충진재등의 시멘트 및 콘크리트 제품의 원료로 이용하여 토목,건자재를 제조하는 것으로 폐자원을 재활용하여 환경친화적인 제품을 제조한다.

등록특허공보 제10-0354192호(2002.09.28. 공고) 등록특허공보 제10-0490731호(2005.05.23. 공고)

본 발명의 목적은, 반도체에서 발생된 플로오린화칼슘을 함유하는 폐수 슬러지 또는 인조대리석의 제조 공정에서 발생된 슬러지(또는 분말, 스크랩)를 무기성 폐조성물로서 사용하고, 이러한 무기물의 바인더로서 농촌에서 발생되는 폐비닐(PP, PE, ABS)을 혼합하여 이루어진 혼합조성물과, 상기 혼합조성물로 제조된 건설자재(또는 목재대용자재)를 제공하는데 있다.

상술된 목적을 달성하기 위하여 안출된 것으로 본 발명에 따른 무기성 폐조성물을 포함하는 혼합조성물 및 상기 혼합조성물로 제조된 자재는 다음의 기술적 특징을 가진다.

먼저, 무기성 폐조성물을 포함하는 혼합조성물로서, 상기 무기성 폐조성물의 바인더로서 폐기성 재활용소재을 포함하는 것을 특징으로 한다.

이때, 강도 향상을 위한 결합제로서 무수말레인산을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 무기성 폐조성물과 폐기성 재활용소재의 결합력 향상을 위해 유리장섬유를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 혼합조성물은 무기성 폐조성물 60~80중량% 및 폐기성 재활용소재 20~40중량%를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 무기성 폐조성물은 반도체에서 발생된 플로오린화칼슘을 함유하는 폐수 슬러지인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 무기성 폐조성물은 인조대리석의 제조 공정에서 발생된 슬러지, 분말 및 스크랩 중 어느 1개 이상의 것인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 무기성 폐조성물은,

반도체에서 발생된 플로오린화칼슘을 함유하는 폐수 슬러지, 상기 무기성 폐조성물은 인조대리석의 제조 공정에서 발생된 슬러지, 인조대리석의 제조 공정에서 발생된 분말 및 인조대리석의 제조 공정에서 발생된 스크랩 중 어느 1개 이상을 혼합한 것인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 폐기성 재활용소재는 폐비닐로서, PP, PE 또는 ABS 중 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 폐기성 재활용소재는, 폐PET로서, 표면에 바인더가 잔여하는 폐PET를 사용하고, 진공건조를 통해 1% 미만의 함수율로 조절한 것을 사용하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 무기성 폐조성물을 포함하는 혼합조성물 및 상기 혼합조성물로 제조된 자재에 의하면, 반도체에서 발생된 플로오린화칼슘을 함유하는 폐수 슬러지 또는 인조대리석의 제조 공정에서 발생된 슬러지를 조성물로 사용하기 때문에, 반도체 혹은 인조대리석 제조 중 발생되는 슬러지의 처리가 가능해진다.

또한, 환경오염에 주된 원인이 되는 폐비닐을 바인더로서 사용하기 때문에 환경 친화적인 효과를 가질 수 있다.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 안되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시 예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

이하, 도면을 참조하여 설명하기에 앞서, 본 발명의 요지를 드러내기 위해서 필요하지 않은 사항 즉 통상의 지식을 가진 당업자가 자명하게 부가할 수 있는 공지 구성에 대해서는 도시하지 않거나, 구체적으로 기술하지 않았음을 밝혀둔다.

본 발명은 무기성 폐조성물을 포함하는 혼합조성물 및 상기 혼합조성물로 제조된 자재에 관한 것이다.

보다 구체적으로는, 반도체에서 발생된 플로오린화칼슘을 함유하는 폐수 슬러지 또는 인조대리석의 제조 공정에서 발생된 슬러지(또는 분말, 스크랩)를 무기성 폐조성물로서 사용하고, 이러한 무기물의 바인더로서 농촌에서 발생되는 폐비닐(PP, PE, ABS)을 혼합하여 이루어진 혼합조성물과, 상기 혼합조성물로 제조된 건설자재(또는 목재대용자재)에 관한 것이다.

실시예 1. 무기성 폐조성물을 포함하는 혼합조성물

본 발명에 따른 무기성 폐조성물을 포함하는 혼합조성물은, 무기성 폐조성물 및 폐비닐을 포함한다.

이때, 무기성 폐조성물이란 반도체에서 발생된 플로오린화칼슘을 함유하는 폐수 슬러지일 수도 있고, 인조대리석의 제조 공정에서 발생된 슬러지, 분말 및 스크랩 중 어느 1개 이상의 것일 수도 있다.

또한, 상기 무기성 폐조성물은 반도체에서 발생된 플로오린화칼슘을 함유하는 폐수 슬러지, 인조대리석의 제조 공정에서 발생된 슬러지, 인조대리석의 제조 공정에서 발생된 분말 및 인조대리석의 제조 공정에서 발생된 스크랩 중 어느 1개 이상을 혼합한 것일 수도 있다.

이와 같이 무기성 폐조성물을 활용함에 따라, 처분이 곤란하거나 처분을 위해 별도의 공정이 필요함에 따라 소모되는 인력, 비용, 에너지를 절감할 수 있으며, 또한 처분 공정 중 발생되는 환경오염적인 요인을 방지할 수 있다.

특히, 인조대리석의 경우, 사용처가 급증됨에 따라 생성과정에서 발생되는 폐기물이 월간 1,500 내지 2,000톤에 육박하는 것으로 조사되고 있으며, 이러한 폐기물의 사용처를 만들어, 폐기물 처리에 대한 문제를 해결할 수 있다.

이러한 무기성 폐조성물은 슬러지의 경우 건조하여 분말화하고, 스크랩은 2~4mm의 크기로 분쇄하여 사용한다. 또한 분말은 그 형태 그대로 사용할 수도 있다.

또한, 폐비닐은, 상술된 바와 같이 농촌에서 발생되는 PP, PE 및 ABS를 사용할 수 있으며, 다른 일예로서 아파트에서 분리수거 등으로 수집된 폐비닐을 이용할 수도 있다.

이러한 폐비닐은 종래 재활용되는 기술을 이용하여 액상, 분말화시켜 원료로서 사용할 수 있다. 특히, 폐비닐은 2~5mm의 크기로 분쇄하여 사용할 수 있다.

한편, 폐비닐은 재활용 PET로 대체될 수도 있다. PET의 경우 A PET, G PET를 예로 들 수 있는데, 가수분해가 용이한 G PET의 사용이 바람직할 수 있다.

일반적으로 PET는 표지의 접착을 위해 바인더(접착제)를 사용하는데 폐PET의 경우 바인더가 잔여하면 재활용의 가치가 떨어진다. 다만, 본 발명과 같이 활용되는데 있어서 폐비닐이 바인더의 기능을 하기 때문에, 오히려 바인더가 잔여하는 폐PET의 사용도 가능하기 때문에, 재활용 분야에서 활용성이 증진되는 효과를 가진다. 이때 폐PET를 사용하는 경우, 진공건조를 통해 1% 미만으로 함수율을 조절하여 사용하도록 한다.

이와 같이 폐PET와 폐비닐을 통칭하기 위하여 본 발명에서는 폐기성 재활용소재로 지칭하도록 한다.

이들 무기성 폐조성물과 폐비닐은 압출기를 통해 브랜딩시켜 열을 함유하도록 혼합하고, 곧 바로 성형틀에 넣어 프레스를 이용하여 가압함으로써 원하는 형태로 제작하도록 한다.

특히, 분말화된 원료를 이용하여 압출 후 가압함으로써 제작된 자재는, 분말화된 원료를 부분적으로 포함하여 대리석과 같은 외관과 질감을 가지도록 한다.

이러한 무기성 폐조성물과 폐비닐은 무게비를 기준으로 무기성 폐조성물 60~80중량% 및 폐비닐 20~40중량%의 함량을 사용할 수 있다.

바람직하게는 무기성 폐조성물 70중량% 및 폐비닐 30중량%를 사용할 수 있는데, 이때, 폐비닐은 무기성 폐조성물의 바인더로서 기능할 수 있는데, 20중량% 미만의 경우 바인더로서 제역할을 하지 못하고, 40중량%를 초과하는 경우 무기성 폐조성물의 뭉침 등 물리적인 강도나 현상의 증진에 차이가 없어서 불필요한 함량일 것으로 예상된다.

실시예 2. 물리적 강도가 향상된 무기성 폐조성물을 포함하는 혼합조성물

본 발명의 실시예 2에서는, 상술된 실시예 1에 따른 무기성 폐조성물을 포함하는 혼합조성물을 무게비 100중량부로 기준하여, 무수말레인산 2~5중량부를 더 혼합하도록 한다.

이러한 무수말레인산은 결합제로서 기능하며, 이는 종래 아크릴 계열 혹은 규사에 기타 조성물을 혼합한 것을 사용할 수도 있으나, 이는 무기계에서 무수말레인산이 적은 함량으로 가장 높은 강도향상에 효과를 가지는 것으로 확인되었다.

부연하면, 아크릴 계열 결합제를 사용하는 경우, 실시예 2와 같이 무수말레인산 2중량부에 해당하는 물리적 강도를 가지기 위하여, 그 함량이 적어도 10중량가 필요한 것으로 확인되었고, 규사에 기반한 결합제의 경우, 적어도 6중량부가 필요한 것으로 확인되었다.

이때, 상술된 무수말레인산 외에도 보강제의 개념으로 유리장섬유(Glass Fiber)를 사용할 수도 있다. 이때 함량은 무수말레인산을 참조할 수 있으며, 이러한 무수말레인산 대신에 사용될 수도 있으나, 무수말레인산과 함께 또는 상술된 함량으로 각각 사용될 수도 있다. 이러한 유리장섬유는 폐비닐과 무기성 폐조성물의 결합력을 향상시켜 준다.

실시예 3. 무기성 폐조성물을 포함하는 혼합조성물로 제조된 자재

실시예 2를 통해, 폐조성물, 폐비닐 및 무수말레인산을 조성물로 하는 무기성 폐조성물을 포함하는 혼합조성물은, 액상 또는 분말의 형태로서 제조되며, 건설자재, 농촌자재 혹은 목재대용품으로서 조경물 등의 자재로서 제조될 수 있다.

이하에서는, 혼합조성물을 분말화하여, 건설자재 중 시멘트를 자재로서 활용한 실험을 수행하였다. 이때 시멘트는 시중에서 쉽게 구매할 수 있는 A사 시멘트에 본 발명에 따른 혼합조성물을 더 혼합하고 양생시킨 10x10cm의 블럭을 대상으로 실험하였다.

실험예 1. 강도향상 평가

강도향상의 평가는 종래 물리강도를 측정하는 방법을 그대로 사용하였다. 또한, KS규정에 따라 28일 동안 양생하여 강도시험을 수행하도록 하였다.

그 결과, [표 1]과 같이 A사 시멘트(대조군) 대비 무수말레인산을 사용하지 않고 폐비닐 및 폐조성물을 대상으로 제조된 실시예 1에 따른 혼합조성물을 포함하는 시멘트(실험군 1)의 경우 물리적 강도가 유의한 수준으로 나타났다.

즉, 본 발명에 따른 폐비닐과 폐조성물의 사용 가능성을 확인한 것으로, 오히려 시멘트의 강도 저하를 유발하지 않았는데, 이는 폐조성물을 원료로서 사용하기 위한 공정에 기인한 것으로 예상된다.

또한, A사 시멘트(대조군) 대비 무수말레인산을 사용하여 제도된 실시예 2에 따른 혼합조성물을 포함하는 시멘트(실험군 2)에서는 실험군 1에 비하여, 물리강도가 50% 가량 향상한 것으로 나타났다.

이때, 무수말레인산은 5중량부를 사용하도록 하였다.

대상	대조군	실험군 1	실험군 2
강도	14MPa	15MPa	22MPa

그 외에도 다른 무수말레인산 외의 아크릴 계열 결합제 및 규사 계열 결합제를 동일양 사용한 경우, 각각 16MPa, 17MPa의 강도를 나타낸 것으로 확인되었다.

이러한 무수말레인산은 5중량부 이상을 사용하는 경우, 6, 7, 8 중량부에서 각각 강도평가값이 22MPa로 동일하게 나타났고, 1중량부를 사용한 경우, 17MPa로 나타났다.

이러한 결과에 기반하였을 때, 무수말레인산은 강도의 증가폭이 눈에 띄게 향상된 2중량부 부터 사용하는 것이 바람직할 것이라고 판단된다. 또한, 평가값에 변화가 없는 구간인 5중량부를 초과하는 것은 제작비용의 측면에서 바람직하지 않을 것이라고 예상된다.

상기에서 도면을 이용하여 서술한 것은, 본 발명의 주요 사항만을 서술한 것으로, 그 기술적 범위 내에서 다양한 설계가 가능한 만큼, 본 발명이 도면의 구성에 한정되는 것이 아님은 자명하다.

Claims (9)

1. 반도체에서 발생된 플로오린화칼슘을 함유하는 폐수 슬러지, 인조대리석의 제조 공정에서 발생된 슬러지, 인조대리석의 제조 공정에서 발생된 분말 및 인조대리석의 제조 공정에서 발생된 스크랩 중 어느 1개 이상을 혼합한 것인 무기성 폐조성물을 포함하는 혼합조성물로서,
   상기 무기성 폐조성물의 바인더로서 폐기성 재활용소재을 포함하되,
   상기 폐기성 재활용소재는 폐PET로서, 표면에 바인더가 잔여하는 폐PET를 사용하고, 진공건조를 통해 1% 미만의 함수율로 조절한 것을 사용하는 것을 특징으로 하는, 무기성 폐조성물을 포함하는 혼합조성물.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   강도 향상을 위한 결합제로서 무수말레인산을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 무기성 폐조성물을 포함하는 혼합조성물.
   
3. 청구항 1에 있어서,
   무기성 폐조성물과 폐기성 재활용소재의 결합력 향상을 위해 유리장섬유를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 무기성 폐조성물을 포함하는 혼합조성물.
   
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 혼합조성물은 무기성 폐조성물 60~80중량% 및 폐기성 재활용소재 20~40중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는, 무기성 폐조성물을 포함하는 혼합조성물.
   
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 삭제
9. 삭제