KR100769218B1

KR100769218B1 - 폐기물 용융 공정에서 발생한 슬래그를 이용한 흡착제 및그 제조 방법

Info

Publication number: KR100769218B1
Application number: KR1020050031559A
Authority: KR
Inventors: 강경훈; 구재회; 윤용승
Original assignee: 고등기술연구원연구조합
Priority date: 2005-04-15
Filing date: 2005-04-15
Publication date: 2007-10-23
Anticipated expiration: 2025-04-15
Also published as: KR20060109212A

Abstract

폐기물 용융 공정에서 발생한 친환경적인 용융 슬래그를 이용하여 유기물에 대하여 흡착능력을 갖는 흡착제의 제조 방법에서, 상기 흡착제는 폐기물 용융 공정에서 발생한 슬래그를 일정한 크기의 슬래그 분말로 분쇄한 다음 첨가제를 혼합하여 압출 성형한 후 건조 공정 및 소성 공정을 거쳐서 제조된다. 폐기물에서 발생하는 용융 슬래그를 이용하여 고가의 흡착제를 제조함으로써 폐기물을 친환경적으로 재활용한다는 측면과 유기물에 대하여 흡착능이 우수한 고기능성의 흡착제를 제공한다는 측면에서 효과가 있다.

Description

폐기물 용융 공정에서 발생한 슬래그를 이용한 흡착제 및 그 제조 방법{ADSORBENT USING A SLAG GENERATED IN A WASTE MELTING PROCESS AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}

도 1은 본 발명에 따른 흡착제의 제조 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.

본 발명은 흡착제 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 폐기물 용융 공정에서 발생한 슬래그를 이용하여 제조된 흡착제 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.

최근 들어, 생활폐기물 및 슬러지를 포함한 가연성폐기물의 처리 방법으로서 단순 소각보다는 환경 친화형 처리 기술인 기술 폐기물 용융 기술을 도입하는 방안이 적극적으로 검토되고 있다. 국내 폐기물 관리체계와 유사한 일본의 경우를 살펴보면 국내보다 앞서 폐기물 소각 기술을 대체할 차세대 기술로서 폐기물 용융 기술을 도입하여 폐기물을 안정적으로 처리함과 동시에 불연물은 무해한 용융 슬래그로 전환하는 자원 순환형 폐기물 처리 기술의 보급이 확대되고 있다.

현재 국내에서는 폐기물을 대부분 소각하거나 매립하는 방식으로 처리하고 있으나 2차 오염물질인 소각재의 발생이나 매립장 확보 등의 문제가 있어 폐기물을 자원화할 수 있는 자원 순환형 기술인 폐기물 용융 기술의 도입을 적극적으로 검토하고 있으며 장차 크게 보급될 것으로 기대된다.

폐기물 용융 시스템에서는 재활용이 가능한 친환경성 용융 슬래그가 발생하게 되는데 폐기물 투입량의 6 내지 20 % 정도가 용융 슬래그로 생성된다. 앞으로 폐기물 용융 설비의 보급이 확대되면 용융 슬래그의 배출량은 크게 증가할 것이 예상되는 바 이를 자원으로 재활용하는 기술을 시급히 개발할 필요가 있다.

폐기물 용융 시스템에서는 폐기물에 포함된 유기물을 고온 용융으로 완전히 열분해시키고 불연성의 무기물은 슬래그화 한다. 이로써 폐기물의 부피가 감량됨과 동시에 다이옥신류와 같은 유기성 유독물질은 완전히 분해되고 유해 중금속은 슬래그 내에 고형화되어 용출과 비산이 없는 안정한 형태로 존재하게 된다.

폐기물 열분해 용융 공정에서 발생되는 무기성분의 슬래그는 실리카 (SiO₂)와 알루미나 (Al₂O₃)를 주성분으로 하는데 상기 무기성분의 슬래그를 도로 포장재나 벽돌의 재료로 재활용하는 연구가 진행되고 있다. 그러나 건축자재로 재활용하는 것과 같이 저가의 원료로 이용하는 것은 경제성을 확보하기가 힘들다. 따라서 상기 무기성분의 슬래그를 흡착제, 촉매지지체, 제올라이트 등 고가 제품의 원료로 재활용할 필요가 있다.

한편, 도시 폐기물을 소각 처리하는 과정에서 발생하는 소각재나 비산재에 대하여 이를 흡착제로 활용하거나 정수장에서 정수 처리하는 과정에서 발생하는 슬 러지를 흡착제로 활용하는 예는 종래에 알려져 있다. 예를 들어, 대한민국 공개특허공보 제 2000-0049962호 및 대한민국 공개특허공보 제 2000-0000585호에는 도시 폐기물을 소각 처리하는 과정에서 집진 장치로부터 배출되는 비산재를 폐수 처리용 또는 중금속 제거용 흡착제로 활용하기 위한 제조 방법이 개시되어 있다. 또한, 일본 공개특허공보 제2002-224560호에는 폐기물을 소각 처리하는 과정에서 발생한 소각재를 기름의 흡착제로 활용하기 위한 제조 방법이 개시되어 있으며 대한민국 공개특허공보 제 2001-0076859호에는 정수장에서 발생하는 슬러지를 공기 분위기에서 700℃ 이상으로 열처리하여 유기물 및 유해 중금속의 흡착제로 활용하는 방법이 개시되어 있다.

그러나 폐기물 용융 시스템에서 발생하는 용융 슬래그를 흡착제로 재활용한 예는 개시된 바가 거의 없다. 대한민국 공개특허공보 제2003-0092943호에 도시 폐기물을 처리하는 과정에서 발생한 용융 슬래그를 이용하여 단일 상의 열수합성법으로 제올라이트 Na-P1을 제조하는 방법이 개시되어 있다. 제올라이트는 고온고압의 열수합성법을 사용하여 특수한 용도로 합성하기 때문에 제조 공정이 복잡하고 여러 이온이 공존할 경우 전체 이온을 제거할 수 없는 문제점이 있다.

따라서 폐기물의 용융 공정에서 발생하는 용융 슬래그를 친환경적으로 재활용함과 동시에 저렴한 제조비용으로 유기물에 대하여 흡착능이 우수하고 경제적인 고기능성의 흡착제를 개발할 필요가 있다.

따라서 본 발명의 제1 목적은 폐기물 용융 공정에서 발생한 친환경적인 용융 슬래그를 이용하여 유기물에 대하여 흡착능력을 갖는 흡착제를 제공하는 것이다.

본 발명의 제2 목적은 폐기물 용융 공정에서 발생한 친환경적인 용융 슬래그를 이용하여 유기물에 대하여 흡착능력을 갖는 흡착제를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.

상술한 본 발명의 제1 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 폐기물 용융 공정에서 발생한 용융 슬래그를 분쇄하여 슬래그 분말을 형성한 후 상기 슬래그 분말 60 내지 70 중량%에 메틸 셀룰로오스 3 내지 5 중량%, 알루미나 2내지 3 중량% 및 산화구리 (II) 20 내지 35 중량%를 혼합하여 압출 성형한 다음 건조 및 소성 처리를 하여 얻은 흡착제를 제공한다.

상술한 본 발명의 제2 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 흡착제의 제조 방법에 있어서, 폐기물 용융 공정에서 발생한 용융 슬래그를 분쇄하여 슬래그 분말을 형성한다. 이어서 상기 슬래그 분말에 첨가제를 혼합하여 혼합물을 형성한 다음 압출 성형한다. 이 후 상기 압출 성형된 결과물에 대하여 건조 공정 및 소성 공정을 거쳐서 흡착제를 제조한다. 여기서 상기 첨가제는 메틸셀룰로오스와 같은 유기바인더, 알루미나와 같은 무기바인더 및 산화구리 (II)를 포함한다. 또한, 상기 건조 공정은 40 내지 80 ℃에서 1 내지 2 시간 동안 수행되고 상기 소성 공정은 300 내지 500 ℃에서 3 내지 5 시간 동안 수행되는 것이 바람직하다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 혼합물의 총 중량을 기준으로, 상기 혼합물은 상기 슬래그 55 내지 75 중량 %, 상기 유기 바인더 1 내지 10 중량 %, 상기 무기 바인더 1 내지 10 중량% 및 상기 산화구리 (II) 15 내지 40 중량%를 포함하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 상기 혼합물은 상기 슬래그 60 내지 70 중량 %, 상기 유기 바인더 3 내지 5 중량%, 상기 무기 바인더 2 내지 3 중량% 및 상기 산화구리 (II) 20 내지 35 중량%를 포함한다.

본 발명에 따르면, 폐기물에서 발생하는 용융 슬래그를 이용하여 고가의 흡착제를 제조함으로써 폐기물을 친환경적으로 재활용한다는 측면과 유기물에 대하여 흡착능이 우수한 고기능성의 흡착제를 제공한다는 측면에서 효과가 있다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예들에 따른 흡착제 및 그 제조 방법을 상세히 설명하지만 본 발명이 하기의 실시예들에 의하여 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

폐기물의 용융 공정에서 유기물은 고온 용융에 의해 완전히 열분해되고 무기물은 슬래그를 형성한다. 상기 슬래그는 실리카 (SiO₂), 알루미나 (Al₂O₃), 산화철 (Fe₂O₃) 또는 산화칼슘 (CaO)을 주성분으로 한다. 또한 상기 슬래그는 약 1600 ℃에서 용융된 무기성 성분이 급랭되면서 생성된다. 상기 슬래그는 자체적으로 기공(pore)을 갖고 있지 않기 때문에 흡착제로 활용하기 위해서는 기공을 형성하기 위한 별도의 과정이 필요하다.

도 1을 참조하면, 폐기물의 용융 공정에서 발생한 무기 성분의 슬래그를 분쇄하여 일정한 크기의 슬래그 분말을 형성한다 (S10). 상기 슬래그를 상기 슬래그 분말로 분쇄하는 것은 후속 공정에서 혼합 및 성형이 용이하게 하기 위함이다. 본 발명의 일 실시예에 따르면 상기 슬래그를 볼밀(Ball mill)기에 넣고 분쇄하는 과정을 거쳐 상기 슬래그 분말을 형성한다. 여기서, 상기 슬래그 분말은 10 - 100㎛ 정도의 입자 직경을 갖는 것이 바람직하다.

이어서 상기 슬래그 분말을 혼합기에 넣고 여기에 첨가제를 추가하여 혼합물을 형성한다 (S20). 용융 슬래그 자체로는 성형성이 부족하고, 자체의 기공을 갖고 있지 않기 때문에 흡착제에 기공을 부여하고 동시에 흡착제의 제조 공정에서 성형성을 부여하기 위하여 상기 첨가제를 추가한다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면 상기 첨가제는 유기 바인더, 무기 바인더 및 산화구리 (II)를 포함하다. 특히, 상기 혼합물의 총 중량을 기준으로, 상기 혼합물은 상기 슬래그 분말 60 내지 70 중량 %, 상기 유기 바인더 3 내지 5 중량%, 상기 무기 바인더 2 내지 3 중량% 및 상기 산화구리 (II) 20 내지 35 중량%를 포함하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 한다.

상기 유기 바인더의 예로는 메틸셀룰로오스, 폴리비닐알콜 (Polyvinyl alcohol), 폴리에틸렌옥사이드 (Polyethylene oxide), 폴리에틸렌글리콜 (Polyethylene glycol), 폴리비닐아세테이트 (Polyvinyl acetate) 등을 들 수 있다. 또한 상기 무기 바인더의 예로는 알루미나 소일(Al 함량이 약 10 %), 벤토나이트, 점토, 몬모릴로나이트, 운모, 고령토 등을 들 수 있다.

혼합 공정을 거친 후에 상기 혼합물을 압출 성형기에 넣고 압출 성형한다 (S30). 상기 압출 성형 공정을 거친 후에 압출 성형된 성형체는 건조기에서 건조된 다 (S40). 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 건조 공정은 40 내지 80 ℃에서 1 내지 2 시간 동안 수행되는 것이 건조 시간 및 비용 면에서 바람직하다. 상기 건조 공정 후에 소성 공정을 수행하여 흡착제를 제조한다 (S50). 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 소성공정은 300 내지 500 ℃에서 3 내지 5 시간 동안 수행하는 것이 바람직하다.

상술한 제조 방법으로 제조된 상기 흡착제는 벌집형상의 기공을 갖는 것이 흡착성능 면에서 바람직하다.

이하, 실시예에 의하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로서 본 발명이 하기 실시예에 의하여 한정되는 것은 아님이 이해되어야 한다.

<실시예1>

폐기물에서 용융 공정에서 발생한 슬래그를 볼밀(Ball mill)기에 넣고 분쇄하여 슬래그 분말을 형성하였다. 이어서, 혼합물의 총 중량을 기준으로, 상기 슬래그 분말 62 중량%, 유기 바인더 4 중량%, 무기 바인더 2 중량% 및 산화구리 (II) 32 중량%를 혼합기에 넣고 혼합하여 혼합물을 형성하였다. 상기 유기 바인더로는 메틸 셀룰로오스를 사용하였고 상기 무기 바인더로는 알루미늄 함량 10 중량%의 알루미나 소일 (Soil)을 사용하였다. 상기 혼합물을 형성한 후에 압출 성형기에 상기 혼합물을 넣은 다음, 압출 성형하였다. 압출 성형 후, 압출 성형체를 건조기에 넣고 40 내지 80 ℃에서 건조하였고 이후 소성로에서 300 내지 500 ℃에서 소성하여 흡착제를 제조하였다.

<실시예2>

폐기물에서 용융 공정에서 발생한 슬래그를 볼밀(Ball mill)기에 넣고 분쇄하여 슬래그 분말을 형성하였다. 이어서, 혼합물의 총중량을 기준으로 상기 슬래그 분말 70 중량%, 유기 바인더 4 중량%, 무기 바인더 3 중량% 및 산화구리 (II) 23 중량%를 혼합기에 넣고 혼합하여 혼합물을 형성하였다. 상기 유기 바인더로는 메틸 셀룰로오스를 사용하였고 상기 무기 바인더로는 알루미늄 함량 10 중량%의 알루미나 소일 (Soil)을 사용하였다. 압출 성형기에 상기 혼합물을 넣은 다음, 압출 성형하였다. 압출 성형 후, 압출 성형체를 건조기에서 40 내지 80 ℃에서 건조하였고 이후 소성로에서 300 내지 500 ℃에서 소성하여 흡착제를 제조하였다.

상기 실시예에서 제조된 흡착제에 대하여 벤젠에 대한 흡착 실험을 수행하였다. 상기 흡착제에 대하여 온도에 따른 벤젠 흡착량과 벤젠의 농도 변화에 따른 벤젠의 흡착량을 측정하였다. 흡착 실험 결과는 하기 표 1 및 2에 나타난 바와 같다.

흡착온도(℃)	벤젠의 흡착량(mmol/g)
25	0.510
40	0.490
60	0.420

벤젠의 농도(ppm)	벤젠의 흡착량(mmol/g)
500	0.599
1000	0.430
1500	0.431

온도에 따른 벤젠의 흡착량에 대한 실험 결과를 살펴보면, 25℃에서 최대 흡착량을 보였고 온도가 높아짐에 따라 흡착량이 감소하는 경향을 보였다. 한편, 벤젠의 농도에 따른 벤젠의 흡착량에 대한 실험 결과를 살펴보면, 벤젠의 농도가 상대적으로 저농도일 때 최대 흡착량을 보였고 벤젠의 농도가 증가하지 않더라도 흡착량은 증가하지 않았다. 이로부터 본 발명에 따른 흡착제는 벤젠을 비롯한 유기물에 대한 흡착제로 사용할 수 있음을 확인할 수 있었다.

본 발명의 제조 방법으로 제조된 흡착제는 폐기물에서 발생하는 용융 슬래그를 이용하여 고가의 흡착제를 제조함으로써 폐기물을 친환경적으로 재활용함으로써 자원의 유효이용을 극대화할 수 있고, 기존의 흡착제보다 제조원가 면에서 저렴한 비용으로 흡착제를 제조할 수 있다. 아울러 유기물에 대하여 흡착능이 우수한 고기능성의 흡착제를 제공한다는 측면에서 효과가 있다.

이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims

폐기물 용융 공정에서 발생하는 용융 슬래그를 분쇄하여 슬래그 분말을 형성하는 단계;

상기 슬래그 분말에 유기 바인더, 무기 바인더 및 산화구리(II)를 포함하는 첨가제를 혼합하여 혼합물을 형성하는 단계;

상기 혼합물을 압출 성형하는 단계;

상기 압출 성형된 결과물을 건조하는 단계; 및

상기 건조된 결과물을 소성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 흡착제 제조 방법.
삭제
제1항에 있어서, 상기 유기 바인더는 메틸셀룰로오스, 폴리비닐알콜 (Polyvinyl alcohol), 폴리에틸렌옥사이드 (Polyethylene oxide), 폴리에틸렌글리콜 (Polyethylene glycol) 및 폴리비닐아세테이트 (Polyvinyl acetate)로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 흡착제 제조 방법.
제1항에 있어서, 상기 무기 바인더는 알루미나, 벤토나이트, 점토, 몬모릴로나이트, 운모 및 고령토로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 흡착제 제조 방법.
제1항에 있어서, 상기 소성은 300 내지 500℃에서 3 내지 5 시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 흡착제 제조 방법.
폐기물 용융 공정에서 발생한 용융 슬래그를 분쇄하여 형성한 슬래그 분말 60 내지 70 중량%에 메틸 셀룰로오스 3 내지 5 중량%, 알루미나 2 내지 3 중량% 및 산화구리(II) 20 내지 35 중량%를 혼합하여 압출 성형한 다음 건조 및 소성 처리를 하여 얻은 흡착제.