KR20080034228A

KR20080034228A - 상수원 슬러지를 이용한 방음 건축조성물 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20080034228A
Application number: KR20060100130A
Authority: KR
Inventors: 조대연
Original assignee: 조대연
Priority date: 2006-10-16
Filing date: 2006-10-16
Publication date: 2008-04-21
Also published as: AU2007311917B2; CA2663806C; CN101528628B; KR100863139B1; AU2007311917A1; WO2008048025A1; EP2076471A4; EP2076471A1; CA2663806A1; CN101528628A

Abstract

본 발명은 상수원 슬러지를 800℃~850℃ 온도에서 3~5시간 소성한 1차가공정수슬러지 22중량%, 점토 18중량%, 백토 36중량%, 납석 14중량%, 백운석 10중량%로 혼합된 소지와, 상기 소지 31.5 중량%, 소석고 2.3중량%, 시멘트 11.3중량%, 인산 10.8중량%, 물 43.05중량%, 알루미늄분말 0.05중량%, 전분 0.5중량%, 이산화티탄 0.5중량% 로 조성되어 있음을 특징으로 하는 상수원 슬러지를 이용한 방음 건축조성물 및 그 제조방법에 관한 것이다.

상수원슬러지. 방음 건축조성물. 건축조성물 제조방법

Description

상수원 슬러지를 이용한 방음 건축조성물 및 그 제조방법{The manufacturing method of construction materials using waterworks sludge}

본 발명은 상수원 슬러지를 이용한 방음 건축조성물 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세히 설명하면 상수원 슬러지를 800도에서 1차 소성하여 얻은 1차 가공 소재와 소지 내부에 무수한 기포를 형성시키는 화학적 발포방법을 택하여 알루미늄 분말이 산 또는 알칼리와 반응하여 수소가스를 발생함으로써 소지 내부에 무수한 기포를 형성시키는 소지의 다공화 방법을 이용한 상수원 슬러지를 이용한 방음 건축조성물 및 그 제조방법에 관한 것이다.

요업재료를 천연적 또는 인공적으로 물질 내부에 기포를 형성시켜 다공화 시킨 제품은 단열, 경량, 방음, 보온, 여과 등의 목적으로 오랫동안 발전을 하여 왔다.

그 대표적인 것은 단열 벽돌, 경량콘크리트 제품, 다공성 유리, 다공성 탄소재 등을 예로 들 수 있으며 최첨단 기술이라 할 수 있는 우주선의 고열발생 부위는 다공성 실리카질 타일로서 부착되어 있다.

다공성 무기제품을 방음 재료에서 제품제작의 관점으로 파악한다면 표면에 혼재되어 있는 다양한 크기의 기공으로 인한 표면 질감 표현의 확대, 제품의 건조 또는 소성과정에서 급건조, 급열, 급냉으로 인한 파손의 저항성, 내화단열 벽돌을 톱으로 자르고 가공하듯이 소성 된 제품의 형태변화의 가능성, 소지가 슬립(slip;이장) 상태이고 주입 형틀의 재질을 나무, 비닐, 스티로폼 등 사용하는 선택의 범위가 넓어 형태추구의 확대 특히 대형 방음제품에 있어서 제품 자체의 중량을 감소하여 제작할 수 있는 흥미있는 분야라고 볼 수 있다.

이러한 다공성 무기재질의 제조는 주로 인공적으로 만들어지고 있는데 그 중에서도 알루미늄 분말을 발포제로 하는 화학적 발포법이 많이 사용되고 있다.

상수원 물속에는 미세한 미립의 입자가 있는데 이는 인공적으로 미립 화한 입자보다 훨씬 고운 미립의 소재를 얻을 수 있다.

물속의 입자는 매우 고운 입자이기 때문에 경량화가 용이하고 반응을 시킬 때 반응이 용이한 장점이 생긴다.

국내특허등록번호 제10-327944호에는 상수슬러지를 이용한 인공토 제조방법 및 인공토 비료의 제조방법이 기재되어 있고,

동 공보 등록번호 제10-625172호에는 황토를 포함하는 점성토, 마사토를 포함하는 사질토, 제지슬러지, 상수슬러지, 석분토, 팽창시멘트, 알긴산나트륨, 골재, 시멘트와, 폴리에틸렌수지, 폴리스틸렌수지, 폴리프로필렌수지, 멜라민수지, 불수수지에서 선택된 어느 하나 이상의 수지가 도포 된 팽창제 또는 보수제를 이용한 흙콘크리트 및 흙콘크리트 블록의 제조방법이 기술되어 있으며,

국내공개특허공보 공개번호 특1999-007639호에는 고상폐기물 75중량부, 플라이애쉬 15~45중량부 그리고 점토 5~55중량부로 조성된 고상폐기물을 원료로 하는 세라믹 조성물 및 이의 제조방법이 기재되어 있으며,

동 공보 공개번호 특2001-0008071호에는 정수슬러지를 카올린, 점토를 첨가하여 교반한 후에 고압프레스로 제조한 후 건조한 다음, 가열하여 제조되는 점토벽돌, 보, 차도용 점토블록 및 그 제조방법이 기재되어 있으며,

국내공개특허공보 공개번호 제92-655호 및 97-5872호에 맥반석과 운모 및 자력을 주재료로 한 온돌 자장조성물 및 건축자재의 제조방법이 공개되어 있고,

국내특허공보 공고번호 제97-1067호에 도자기 등의 세라믹 재의 표면을 처리해 주기 위한 세라믹 용기 처리용 유약 조성물에 관한 것이며,

국내특허공보 공고번호 제97-10301호에 맥반석을 주원료로 하는 원적외선 발생 방사 특성이 강한 원적외선 발생 방사 세라믹을 제조하는 방법에 관한 것이고,

국내특허공보 공개번호 제95-23626호는 맥반석과 시멘트를 3.2:1로 포함하는 몰탈 조성물에 관한 기술이 기재되어 있으며,

국내공개특허공보 공개번호 제93-19580호에 게르마늄광물이 함유된 천연의 무기질 광물 견운모 광석 및 맥반석 광물에 시멘트를 배합 정제가공 조립식 보온온돌 패널이 기재되어 있는바,

상기와 같은 종래의 기술들은 건축자재 등의 제조공정 중 소성시 또는 냉각 시에 급열 급냉시 발생되는 수축이 생성되는 문제점과, 원료가 고가이어서 현재 실용화되지 못하였으며, 방음분야에는 전혀 사용하지 못하는 문제점이 있어 왔다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위해, 본 출원인이 선출원한 국내등록특허번호 제10-622394호(출원번호 제10-2004-56950호), 및 특허공개번호 제10-2006-7720호(출원번호 제10-2004-56949호), 발명의 명칭; 정수슬러지를 이용한 건축자재의 제조방법 및 정수 슬러지를 이용한 건축자재의 조성물 및 그 제조방법을 개량한 것으로서,

상수원 슬러지를 800도에서 1차 소성하면 슬러지의 유기물이 타버리고 수축이 완료된 1차 가공 소재를 얻은 다음, 가공 슬러지와 점토, 백운석, 백토, 도석을 이용하여 1100℃용 도기질 소지를 만든 후, 발포제로 알루미늄 분말을 이용하여 산성 및 알칼리성 반응을 실험함으로써 생성된 기공을 형성함으로써, 건조가 용이하고 급열, 급냉에 대한 저항성이 강하고 자체 소재가 경량화하여 소리의 방음 효과가 우수하고, 기존의 방음재는 단열성이 부족하고 공해성 문제에서 자유롭지 못한 단점이 있지만 본 제조 기술로 제작된 제품에서는 무공해성이며 열에 강해서 단열 효과까지 증대되는 기대 효과가 있다.

따라서, 고분자용 방음재의 문제점들을 완전 해결할 수 있으므로 방음, 방습, 방열, 무공해 등 효과를 증대시키는 상수원 슬러지를 이용한 방음 건축조성물 및 그 제조방법을 제공하는데 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제인 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 상수원 슬러지를 800℃~850℃ 온도에서 3~5시간 소성한 1차가공정수슬러지 22중량%, 점토 18중량%, 백토 36중량%, 납석 14중량%, 백운석 10중량%로 혼합된 소지와,

상기 소지 31.5 중량%, 소석고 2.3중량%, 시멘트 11.3중량%, 인산 10.8중량%, 물 43.05중량%, 알루미늄분말 0.05중량%, 전분 0.5중량%, 이산화티탄 0.5중량% 로 조성하고,

상기 분말상의 혼합물을 섞어 혼합교반한 후에, 가열로에서 1100℃ 소성하여, 전 수축률은 8~10%, 겉보기 기공률은 50~52%로 제조된 상수원 슬러지를 이용한 방음 건축조성물 및 그 제조방법에 관한 것이다.

본 발명의 소지는 1100℃에서 소지하는 도기질 소지였으며 산성반응 발포에서는 인산액을 사용하였고 알칼리성 반응 발포에서는 가성 소오다를 발포촉진제로 이용하였다. 또한, 기타 조제로서는 분산제, 기포안정제 등이 사용되었다.

본 발명은 발포에 적당한 소지 슬립(slip;이장)의 농도를 정하고 슬립(slip;이장)의 응결정화 반응에 미치는 소석고와 시멘트의 작용 및 그 사용배합 비율을 유도해 내고 취급 강도 및 소성 물성을 조사하고,

산성반응 발포에서는 인산의 배합량에 따른 발포현상, 발포 촉진제로서 이산화티탄의 영향, 소석고와 시멘트가 미치는 영향 및 그 적정사용량, 건조, 소성 물질을 조사하였고,

알칼리성 발포반응에서는 발포촉진제로서 가성소오다의 적정 사용량 소석고 와 시멘트의 응결 경화상태, 건조, 소성물성 및 소성강도 부여제로서 연백의 첨가량에 대하여 실험 관찰하였다.

또한, 본 발명은 시작품을 제작하면서 다공성 소지의 응결 경화반응으로 형틀이 석고가 아닌 헝겊이나 스티로폼을 사용하였을 때의 성형가능성과 건조 및 소성상태를 관찰하였고 유약과의 적합 여부도 검토하였다.

알루미늄 분말은 산 또는 알칼리와 반응하면 수소가스를 발생하여 기포를 형성하여 소지 내부를 다공화하므로 성분, 분말도, 입형의 세 가지 점이 균일하며 산화하고 있지 않은 것이 중요하고, 분말도는 50마이크로 이하로 비표면적이 큰 것이 좋고,

알루미늄 분말 이외에 가성 소오다와 같은 발포촉진제, 계면활성제, 기포안정제 등을 병용하는 것이 좋다고 알려지고 있다.

이러한 기타의 조제를 나열하면 다음과 같다.

발포제는 알루미늄을 사용하였으며, 발포촉진제는 알루미늄을 사용하는 슬립(slip;이장)에서는 알칼리의 부족을 보충하고 발포를 촉진하기 위하여 주로 가성소오다가 쓰이고 때로는 가성카리 등을 사용하였고,

분산제는 슬립(slip;이장)속의 각 성분을 분산시키는 것을 목적으로 하는 것 으로서, 유기산 등 리그닌솔폰(Liginin-Sulfon)산염, 고분자 중화물 등의 계면활성제를 사용하나 본 발명에서는 사용하지 않을 수도 있으며,

기포안정제는 기포를 슬립(slip;이장) 속에 안정시키고, 기포의 집합 화를 방지하고 균등하게 분포시키기 위한 목적으로 사포닌, 보호콜로이드, 전분 등을 사용하였다.

또한, 조강제는 소지원료에 많은 양의 물이 있는 묽은 슬립(slip;이장)이므로 건조하여 강도를 갖기보다는 시멘트의 응결 경화반응으로 강도를 갖게 되는데 이때 응결시간의 단축으로 산화칼슘, 그 염류, 물유리 등을 사용하였다.

이하 본 발명을 실시예를 참고하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

실시예

제1공정(1차 가공정수슬러지 가공공정)

상수도 정수장에서 발생된 슬러지를 슬러지 1ton을 로타리 킬른에 넣고 800℃~850℃ 온도에서 3~5시간 소성하여 수분과 유기물질이 완전 소성된 80~500㎏의 1차가공 정수슬러지 재를 제조한 다음,

제2공정(소지제조)

상기 1차가공정수슬러지 22kg, 점토 18kg, 백토 36kg, 납석 14kg, 백운석 10kg을 혼합한 다음 밀볼로 분쇄하여 200mesh체에 통과시켰을 때 잔사 량이 1%미만의 크기로 소지를 준비한 후에,

제3공정(건축자재제조)

상기 제2공정에서 제조한 소지 31.5 kg, 20mesh 체에 통과시킨 소석고 2.3 kg, 20mesh 체에 통과시킨 시멘트 11.3kg, 알루미늄분말 0.05kg, 전분 0.5kg, 이산화티탄 0.5kg을 혼합하여 분말상 혼합물을 준비하고,

인산 10.8kg, 물 43.05kg을 혼합한 다음, 상기 분말상의 혼합물을 섞어 혼합교반한 후에, 가열로에서 1100℃ 소성하여, 전 수축률은 8~10%, 겉보기 기공률은 50~52%의 방음용 상수슬러지를 이용한 건축자재를 제조하였다.

실험예

원료;

본 실험에서 사용한 기본소지는 상수슬러지를 1차 가공한 가공슬러지를 이용한 1100℃에서 소성하는 도기질 소지이며, 그 조합비는 다음과 같다.

점토 18중량%, 백토 36중량%, 1차 가공 정수슬러지 22중량%, 납석 14중량%, 백운석 10중량%이며, 소지의 입도는 200mesh체에 통과시켰을 때 잔사 량이 1%미만이고,

발포제로서 사용한 알루미늄 분말은 H-비철분말회사 제품으로 도료 등에 이 용되고 있고, 분산제로서는 계면활성제인 식기세척제를, 기포안정제는 전분으로 하였으며, 소석고는 M-화학의 2급 제품으로, 시멘트는 일반 포오틀랜드 시멘트를 사용하였고, 가성소오다 및 인산 수용액도 역시 시중에서 구한 공업용 제품이다.

·시편의 제작

소지는 건조하여 갈발에서 분쇄한 다음 20mesh 체에 통과시킨 분말상태로 사용하였고, 소석고 및 시멘트도 역시 20mesh 체에 걸러 덩어리 상태가 없는 분말을 사용한 다음,

실험에 사용된 원료는 분말상태의 고체와 물, 인산의 액체로 구분되어 지며, 이것들의 배합은 고체는 고체끼리 액체는 액체끼리 먼저 혼합한 후 액체시료 내에 고체 시료를 넣는 방법을 원칙으로 하였으며 가성소오다 등 가용성 원료는 물에 먼저 용해시켜 사용한 후,

발포제인 알루미늄 분말은 물과 계면활성제가 잘 혼합된 상태에서 물속에서 분산시키고,

시편의 중량은 소지, 소석고, 시멘트의 3종 원료 조합의 합계를 50g으로 하였으며, 그 외의 발포촉진제 등의 조제는 첨가물로 하였고,

조합된 고체 시료를 잘 혼합한 다음 액체시료에 넣어 고체 시료가 물을 완전히 흡수한 후, 교반, 슬립(slip;이장)으로 만들어 100cc 용량의 비이커에 넣고 발포 반응을 관찰한 다음, 이때 비이커 내부에 시료가 건조된 후 시편의 분리가 용이하게끔 이형제를 붓으로 발라주었다.

·발포 온도 및 건조

시료의 발포반응에 대한 온도는 산성발포에서는 상온에서 잘 이루어졌고, 알칼리성 발포는 발포의 촉진을 위하여 60~80℃의 온도에서 하였으며, 이때의 장치는 항온건조기를 사용하였고,

시편의 건조는 비이커 등의 용기와 분리가 가능한 상태로 응결 경화하면서 일부 건조되었을 때 꺼내어 자연건조 시켰다.

·소성

시편의 소성은 칸탈선을 발열체로 하는 전기로를 사용하였으며 상승온도곡선을 다음과 같다.

흙을 응결 경화시키기 위해 흙에 석회 또는 포오틀랜드 계통의 시멘트를 가하면 이것들은 반응성을 지닌 점토 광물류와 반응하며 이때의 작용은 시멘트의 응 결경화 현상이라고 할 수 있겠다.

시멘트에 물을 가한 뒤 혼련하면 수화반응이 일어나서 슬립(slip;이장)혼합물은 시간의 경과와 더불어 응고하여 고결하기 시작하며 간신히 형상을 유지할 수 있는 단계를 거쳐서 점차로 기계적 강도를 가진다.

이 제품의 장점은 경량이며 흡음성, 단열성이 크며 가공법이 쉽고 내방 화성이 크다고 볼 수 있다. 이 제품의 발포제로서는 알루미늄 분말이 이용되는데 이 반응은 다음과 같다.

2AI + Ca(OH)₂+ 2H₂O → CaAI₂O₄+ 3H₂↑

또한 알칼리의 부족을 보충하고 발포를 촉진하기 위하여 가성 소오다를 사용하는데 이때의 반응은 다음과 같다.

2AI + 2NaOH + 2H₂O → 2NaAIO₂+ 3H₂↑

소지를 슬립(slip;이장)화하여 알루미늄 분말과 산 또는 알칼리의 반응으로 수소가스의 발생에 의한 화학적 발포 다공성 소지는 표면에 혼재되어 있는 기공에 의하여 표면 질감을 자연스럽게 표현할 수 있으며 주입 형틀의 재질은 비닐 등 유기적인 것에도 이용할 수 있었고, 이 다공성 소지는 건조의 용이와, 급열, 급냉에 저항성이 강하고 제품 자체의 중량이 경량이므로 대형 방음제품 제작에 효과가 있다.

따라서, 본 실험은 산성반응과 알칼리성 반응으로 소지를 다공화하여 실험한 결과 제품제작에 있어서 주입형틀 선택의 폭 확대와 발포반응이 상온에서도 잘 이루어지며 기공의 크기가 변화 있게 혼재되어 표면 질감이 자연스러운 산성반응 발포가 양호하였고 이의 중량 배합비율은 다음과 같다.

소지 31.5중량%, 소석고 2.3중량%, 시멘트 11.3중량%, 인산 10.8중량%, 물 43.05중량%, 알루미늄분말 0.05중량%, 전분 0.5중량%, 이산화티탄 0.5중량% 이다.

본 발명의 실험결과;

1)발포에 적당한 소지의 슬립(slip;이장)(slip)은 소지에 비해 많은 물이 필요한 묽은 농도이므로 소지에 30%이내의 소석고와 시멘트를 배합하여 발포 후 응결 경화시킴으로서 작업 용이한 취급강도를 얻을 수 있다.

2) 산성 반응 발포에서는 인산(85%용액)이 증가하면서 발포가 활발하여졌고 소성후의 강도가 증가 되고 색상이 희어지는 효과를 얻었다. 1100℃ 소성에 적당한 인산의 배합 비율은 슬립(slip;이장)중량의 10%이내가 적당하다.

3) 산성 반응 발포실험에서 이산화티탄을 1% 이내로 첨가 시키면 발포 반응이 매우 촉진됨과 동시에 다양한 크기의 가공을 얻을 수 있었다.

4) 알칼리성 반응 발포에서는 가성소오다가 발포반응을 촉진 시켰으며 그 양은 슬립(slip;이장)슬립 중량의 0.5% 정도였고 상온보다는 반응 온도를 60~80℃로 유지하는 것이 발포가 용이하였다.

5) 알칼리성 반응 발포소재로 1100℃ 소성시 소성 강도가 매우 약하여 강도 보강재로 연백을 첨가함으로써 결점을 보완할 수도 있었다.

6) 소성된 다공성 방음소재의 전 수축률은 8~10%, 겉보기 기공률은 50~52% 정도이었다.

7) 원하는 모양의 형틀을 만들고 형틀에서 성형이 가능하고 제품이 경량이며 표면에 자연스러운 기공이 형성된 제품을 만들 수 있었다.

상기와 같은 본 발명은 상수원 슬러지를 800도에서 1차 소성하면 슬러지의 유기물이 타버리고 수축이 완료된 1차 가공 소재를 얻어,

가공 슬러지와 점토, 백운석, 백토, 도석을 이용하여 1100℃용 도기 소지를 만들고,

가공 슬러지가 들어간 도기 소지에 무수한 기공을 형성시키면 건조가 용이하고 급열, 급냉에 대한 저항성이 강하고 자체 소재가 경량화하여 소리의 방음 효과가 우수한 장점이 생김으로써, 기존의 방음재에서 발생한 단열성이 부족과, 공해성 문제에서 자유롭지 못한 단점을 해결하고, 더 나아가 무공해성이며 열에 강해서 단열 효과까지 증대되는 기대 효과를 얻음으로써,

종래의 고분자용 방음재의 문제점들을 완전 해결할 수 있어 방음, 방습, 방열, 무공해 등 효과를 증대시킬 수 있다.

또한, 소지를 슬립(slip;이장)화하여 알루미늄 분말과 산 또는 알칼리의 반 응으로 수소가스의 발생에 의한 화학적 발포 다공성 소지는 표면에 혼재되어 있는 기공에 의하여 표면 질감을 자연스럽게 표현할 수 있고, 주입 형틀의 재질은 비닐 등 유기적인 것에도 이용할 수 있으며, 이 다공성 소지는 건조의 용이와, 급열, 급냉에 저항성이 강하고 제품 자체의 중량이 경량이므로 대형 방음제품 제작에 효과가 있다.

Claims

상수원 슬러지를 이용한 방음 건축조성물에 있어서,

상수원 슬러지를 800℃~850℃ 온도에서 3~5시간 소성한 1차가공정수슬러지 22중량%, 점토 18중량%, 백토 36중량%, 납석 14중량%, 백운석 10중량%로 혼합된 소지와,

상기 소지 31.5중량%, 소석고 2.3중량%, 시멘트 11.3중량%, 인산 10.8중량%, 물 43.05중량%, 알루미늄분말 0.05중량%, 전분 0.5중량%, 이산화티탄 0.5중량 %로 조성되어 있음을 특징으로 하는 상수원 슬러지를 이용한 방음 건축조성물.
상수원 슬러지를 이용한 방음 건축조성물의 제조방법에 있어서,

제1공정(1차 가공정수슬러지 가공공정)

상수도 정수장에서 발생된 슬러지를 슬러지 1ton을 로타리 킬른에 넣고 800℃~850℃ 온도에서 3~5시간 소성하여 수분과 유기물질이 완전 소성된 80~500㎏의 1차가공 정수슬러지를 제조한 다음,

제2공정(소지제조)

상기 1차가공정수슬러지 22중량%, 점토 18중량%, 백토 36중량%, 납석 14중량%, 백운석 10중량%을 혼합한 다음 밀볼로 분쇄하여 200mesh체에 통과시켰을 때 잔사 량이 1%미만의 크기로 소지를 준비한 다음,

제3공정(건축자재제조)

상기 제2공정에서 제조한 소지 31.5 중량%, 20mesh 체에 통과시킨 소석고 2.3 중량%, 20mesh 체에 통과시킨 시멘트 11.3중량%, 알루미늄분말 0.05중량%, 전분 0.5중량%, 이산화티탄 0.5중량%을 혼합하여 분말상 혼합물을 준비하고,

인산 10.8중량%, 물 43.05중량%을 혼합한 다음, 상기 분말상의 혼합물을 섞어 혼합교반한 후에, 가열로에서 1100℃ 소성하여 제조함을 특징으로 하는 전 수축률은 8~10%, 겉보기 기공률은 50~52% 의 방음용 상수슬러지를 이용한 건축자재의 제조방법.