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KR101735096B1 - 슬러지 고화제 및 이를 이용한 고화물의 제조방법 - Google Patents

슬러지 고화제 및 이를 이용한 고화물의 제조방법 Download PDF

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KR101735096B1
KR101735096B1 KR1020160020843A KR20160020843A KR101735096B1 KR 101735096 B1 KR101735096 B1 KR 101735096B1 KR 1020160020843 A KR1020160020843 A KR 1020160020843A KR 20160020843 A KR20160020843 A KR 20160020843A KR 101735096 B1 KR101735096 B1 KR 101735096B1
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weight
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sludge
waste concrete
solidifying agent
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강호종
이혁재
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주식회사 아이케이
김상문
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Abstract

본 발명은 슬러지 고화제 및 이를 이용한 고화물의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 높은 알칼리에 의한 암모니아 방출을 저감하여 악취를 개선하면서도 함수율을 저감시킬 수 있을 뿐 아니라, 환경 친화적이며 자원 재활용이 가능한 시멘트 바인더를 포함한 슬러지 고화제 및 이를 이용한 고화물의 제조방법에 관한 것이다.

Description

슬러지 고화제 및 이를 이용한 고화물의 제조방법{Sludge solidified agent and preparation method of solidified material using the same}
본 발명은 슬러지 고화제 및 이를 이용한 고화물의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 높은 알칼리에 의한 암모니아 방출을 저감하여 악취를 개선하면서도 함수율을 저감시킬 수 있을 뿐 아니라, 환경 친화적이며 자원 재활용이 가능한 시멘트 바인더를 포함한 슬러지 고화제 및 이를 이용한 고화물의 제조방법에 관한 것이다.
함수율이 높은 하수슬러지, 폐수 슬러지, 정수 슬러지, 준설슬러지 및 진흙슬러지는 대표적인 환경오염물질로서, 종래에는 해양투기, 매립 등의 방법으로 처리되어 왔으며, 현재 그 오염물질들에 의해 오염된 환경을 복원시키는 여러 가지 방안이 현재 마련되고 있는 실정이다.
일례로 하루 6,000t 이상 배출되고 있는 생활하수 슬러지는 2003년 7월부터 일반 쓰레기 매립장 처리가 금지되었고, 가장 처리하기가 용이했던 해양투기마저 런던 덤핑 조약으로 2011년까지만 제한적으로 허용되었다.
특히 국토가 좁은 우리나라는 주위환경의 오염을 방지시키고 슬러지에서 발생하는 침출수에 환경이 오염되지 않도록 효율적이고 안전한 처리방법이 시급히 모색되어야 한다.
현재 수도권 매립지를 비롯한 전국의 지자체에서는 고함수 슬러지의 함수율을 저감시켜 복토재, 성토재, 차수재, 뒷채움재 등 다양한 지반용 재료로 사용할 수 있는 인공토양을 제조하는 고화시설을 준비하고 있으며, 이와 관련하여 수분이 많은 슬러지의 고화처리가 효율적으로 이루어지면서 생산성, 경제성의 측면에서 우수한 고화제의 개발이 필요한 실정이다.
한편, 현재 사용되고 있는 고화제는 대부분 흡수 및 발열을 유도하는 CaO 계통의 알칼리성 재료 또는 FeSO4 계통의 산성 재료를 사용하고 있어 최근 들어 슬러지 처리에서 가장 문제 시 되고 있는 악취 저감 부분에는 취약한 실정이다.
함수율이 약 80% 정도인 슬러지의 악취를 분석해 보면, 50 여종의 물질이 검출되는데, 이 중에서 황화합물과 알데하이드 화합물, 질소화합물이 비교적 농도가 높고, 복합적으로 발생되고 있어. 이들 복합취에 의해 악취가 나는 것으로 판단된다.
또한, 종래의 슬러지 고화제의 연구는 생석회, 시멘트 등의 강알칼리성 재료를 주로 사용함에 따라 냄새 및 재슬러리화 문제점을 야기하였을 뿐만 아니라 이를 보완하기 위해 고가의 황산 및 황산철 등의 산성재료를 추가 투입하여 암모니아 방출 저감을 꾀하였으나 투입되는 원재료의 가격이 높아 경제성이 부족하다. 또한, 상기의 재료적 결함을 보완하기 위해 처리장치의 건조 및 양생을 통해 문제를 해결하려 시도하였으나 처리 자체가 고비용을 유발하는 구조를 가지고 있고 가열 양생 플랜트의 원활한 가동이 어려운 실정이다.
특히, 시멘트 및 생석회는 석회석(CaCO3, CaO*CO2)의 CO2 분해를 위한 하소공정에서 약 0.55톤, 소성 공정에서 화석 연료의 연소 시 약 0.40 톤의 이산화탄소를 배출되므로 결국 1톤의 시멘트 및 생석회를 생산할 때마다 약 1톤의 이산화탄소가 배출되는 재료로 대기 중 CO2 농도와 시멘트 및 생석회 생산량은 매우 상관성이 높다.
KR 10-2014-0097084 A
본 발명은 상기 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 높은 알칼리에 의한 암모니아 방출을 저감하여 악취를 개선하면서도 함수율을 저감시킬 수 있을 뿐 아니라, 환경 친화적이며 자원 재활용이 가능한 시멘트 바인더를 포함하는 슬러지 고화제를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기의 슬러지 고화제를 이용한 고화물의 제조방법을 제공하는 것이다.
상기의 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 본 발명은 알칼리제, 산화제, 시멘트, 시멘트 바인더, 제지 연소재, 목질계 바이오매스 연소재 및 유연탄 연소재를 포함하고, 산화칼슘(CaO) 함량이 30 중량% ~ 85 중량% 이며, 상기 시멘트 바인더가 폐콘크리트로부터 유래된 것인 슬러지 고화제를 제공한다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 있어서, 상기 슬러지 고화제는 알칼리제 100 중량부에 대하여, 산화제 100 중량부 ~ 500 중량부, 시멘트 100 중량부 ~ 500 중량부, 시멘트 바인더 400 중량부 ~ 500 중량부, 제지 연소재 100 중량부 ~ 300 중량부, 목질계 바이오매스 연소재 400 중량부 ~ 500 중량부 및 유연탄 연소재 100 중량부 ~ 500 중량부를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 있어서, 상기 알칼리제는 경소 백운석, 생석회 및 석유 코크스 소각재 연소물로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 것일 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 있어서, 상기 목질계 바이오매스 연소재는 팜껍질 연소재, 야자껍질 연소재, 톱밥 연소재, 목질펠렛 연소재, 볏짚 연소재, 옥수수대 연소재, 참나무가지 연소재 및 왕겨 연소재로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 것일 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 있어서, 상기 목질계 바이오매스 연소재는 팜껍질 연소재, 야자껍질 연소재 및 톱밥 연소재의 혼합 연소재이고, 상기 혼합 연소재는 팜껍질 연소재, 야자껍질 연소재 및 톱밥 연소재를 1:3 ~ 5:4 ~ 7의 중량비로 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 있어서, 상기 목질계 바이오매스 연소재는 비표면적이 4,000 cm2/g ~ 6,000 cm2/g인 것일 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 있어서, 상기 목질계 바이오매스 연소재 및 유연탄 연소재는 5 ~ 8:2 ~ 5의 중량비로 포함되는 것일 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 있어서, 상기 산화제는 나트륨 명반, 칼륨 명반 및 황산반토로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 것일 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 있어서, 상기 슬러지 고화제는 플라이 애쉬, 규사분말 및 석회분말로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 첨가제를 더 포함하고, 상기 첨가제는 알칼리제 100 중량부에 대하여 100 중량부 ~ 500 중량부로 포함되는 것일 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 있어서, 상기 슬러지 고화제는 플라이 애쉬, 규사분말 및 석회분말을 더 포함하고, 상기 플라이 애쉬, 규사분말 및 석회분말은 1:1 ~ 2:1 ~ 2의 중량비로 포함되는 것일 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 있어서, 상기 플라이 애쉬, 규사분말 및 석회분말은 서로 독립적으로 평균 입도가 0.1 ㎛ ~ 10 ㎛인 것일 수 있다.
본 발명이 바람직한 일 실시예에 있어서, 상기 슬러지 고화제는 응집제 및 소포제 중 1종 이상을 더 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 있어서, 상기 시멘트 바인더는 밀도가 2.0 g/cm3 ~ 2.5 g/cm3인 것일 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 있어서, 상기 시멘트 바인더는 공극률이 30% ~ 50%인 것일 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 있어서, 상기 슬러리 고화제는 비표면적이 1,000 cm2/g ~ 5,000 cm2/g인 것일 수 있다.
또한, 본 발명은 슬러지 100 중량부에 청구항 1의 슬러지 고화제 20 중량부 ~ 70 중량부를 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계(단계 1); 및 상기 혼합물을 양생하는 단계(단계 2)를 포함하는 고화물의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 있어서, 상기 슬러지 고화제는 알칼리제 100 중량부에 대하여, 산화제 100 중량부 ~ 500 중량부, 시멘트 100 중량부 ~ 500 중량부, 시멘트 바인더 400 중량부 ~ 500 중량부, 제지 연소재 100 중량부 ~ 300 중량부, 목질계 바이오매스 연소재 400 중량부 ~ 500 중량부 및 유연탄 연소재 100 중량부 ~ 500 중량부를 혼합하여 제조된 것일 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 있어서, 상기 시멘트 바인더는 a) 폐콘크리트를 분쇄하여 폐콘크리트 미분말을 제조하는 단계; b) 상기 폐콘크리트 미분말을 세척하는 단계; c) 상기 세척된 폐콘크리트 미분말을 열처리하는 단계; 및 d) 상기 열처리 후 폐콘크리트 미분말로부터 시멘트 바인더를 분리하는 단계를 포함하고, 상기 단계 b)의 세척 전 폐콘크리트 미분말에 응집제 및 소포제를 첨가하여 혼합하는 단계를 포함하는 방법으로부터 제조된 것일 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 있어서, 상기 단계 a)의 분쇄는 폐콘크리트의 분말도가 3,000 cm2/g ~ 5,000 cm2/g가 되도록 하는 것일 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 있어서, 상기 단계 b)의 세척은 살수 스크린을 이용하여 수행하는 것이고, 상기 살수는 2 kg/cm2 ~ 4 kg/cm2의 압력조건으로 고압살수하는 것일 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 있어서, 상기 단계 c)이 열처리는 회전식 건조기를 이용하여 400℃ ~ 800℃의 온도조건 하에서 수행하는 것일 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 실시에에 있어서, 상기 슬러지 고화제는 제지 연소재, 플라이 애쉬, 규사분말, 석회분말, 응집제 및 소포제로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 더 혼합하여 제조된 것일 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 있어서, 상기 양생은 상온양생 또는 가열양생인 것일 수 있다.
아울러, 본 발명은 상기의 제조방법으로부터 제조된 고화물을 제공한다.
본 발명의 바람직한 일 실시에에 있어서, 상기 고화물은 KS F 2343에 의거하여 측정한 24시간 양생 후 압축강도가 0.9 kgf/cm2 ~ 1.2 kgf/cm2이고, 72시간 양생 후 압축강도가 1.2 kgf/cm2 ~ 1.5 kgf/cm2인 것일 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 있어서, 상기 고화물은 KS F 2306에 의거하여 측정한 3시간 양생 후 함수율이 45% 내지 55%이고, 72시간 양생 후 함수율이 35% ~ 42%인 것일 수 있다.
더 나아가, 본 발명은 상기 슬러지 고화제를 포함하는 복토재를 제공한다.
본 발명에 따른 슬러지 고화제는 산화칼슘을 다량 함유하고 있어 슬러지에 포함된 물과 반응하여 수화반응을 용이하게 일으킴으로써 슬러지의 함수율을 효과적으로 감소시킬 수 있으며, 특정 밀도 및 공극률을 갖는 시멘트 바인더를 포함함으로써 수분 흡수율이 우수할 수 있을 뿐 아니라 응집력이 우수할 수 있을 뿐 아니라, 알칼리제와 산화제에 의해 발생되는 중화열에 의하여 함수율을 더욱 효과적으로 감소시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 고화물의 제조방법은 상기의 슬러지 고화제를 이용함으로써 함수량을 효과적으로 감소시키면서 압축강도가 우수한 고화물을 제조할 수 있다.
이하, 본 발명에 대한 이해를 돕기 위하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
본 명세서 및 청구범위에서 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 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.
본 발명은 탈취 및 함수율 저감 효과가 우수한 슬러지 고화제를 제공한다.
함수율이 높은 하수 슬러지, 폐수 슬러지, 정수 슬러지, 준설 슬러지 및 진흙 슬러지는 대표적인 환경오염물질로서, 종래에는 해양투기, 매립 등의 방법으로 처리되어 왔으나, 해양투기 및 매립 등이 금지되면서 이를 처리할 수 있는 방안으로 고화제를 이용하여 슬러지를 고화처리하여 복토재로 사용할 수 있는 고화토를 제조하는 방안이 실시되고 있다.
그러나, 다량의 슬러지를 처리함에 있어 고화제의 성능을 유지하면서 악취제어를 하기 위해서는 고화제의 가격이 급격히 상승되는 문제점이 있다.
이에, 본 발명은 경제성이 우수하면서도 탈취 및 함수율 저감 효과가 우수한 슬러지 고화제를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 슬러지 고화제는 알칼리제, 산화제, 시멘트, 시멘트 바인더, 제지 연소재, 목질계 바이오매스 연소재 및 유연탄 연소재를 포함하는 것일 수 있으며, 산화칼슘(CaO) 함량이 30 중량% ~ 85 중량%인 것일 수 있다.
구체적으로, 상기 슬러지 고화제는 전술한 바와 같이 다량의 산화칼슘(CaO)를 포함하는 것일 수 있으며, 바람직하게는 50 중량% ~ 80 중량%의 산화칼슘(CaO)를 포함하는 것일 수 있다.
상기 산화칼슘은 슬러지에 함유된 물과 반응하여 흡수, 발열 및 팽창하여 수산화칼슘이 되는 것일 수 있다. 이에 대한 반응식은 하기 반응식 1과 같을 수 있다.
[반응식 1]
CaO + H2O -> Ca(OH)2 + 15.6 mol-1
구체적으로는, 상기 산화칼슘은 상기 반응식 1과 같은 반응에 의하여 수산화칼슘이 생성되면서 고열을 발생할 수 있고, 이에 의하여 슬러지에 포함되어 있는 수분이 감소될 수 있다.
또한, 상기 슬러지 고화제는 비표면적이 1,000 cm2/g ~ 5,000 cm2/g 일 수 있으며, 바람직하게는 비표면적이 3,000 cm2/g ~ 5,000 cm2/g 일 수 있다. 상기 비표면적이 1,000 cm2/g 미만인 경우 이를 이용하여 슬러지의 고화시 함수율 저감효과가 저하될 수 있고, 5,000 cm2/g을 초과할 경우에는 겉보기 밀도가 낮아져 계량 및 이송 시 비산될 수 있고, 이에 설비 가동성에 문제가 발생할 수 있다.
여기에서, 상기 비표면적은 입자의 단위질량 또는 단위부피당 전표면적을 나타낸 것으로, Micrometrics의 3Flex 기기를 사용하여 부분압(0.11<p/p0<1)에 따라 흡착되는 질소 가스 흡착량으로 측정한 것이다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 슬러지 고화제에 포함되는 각 성분들을 더욱 상세하게 설명한다.
상기 알칼리제 물과 반응하여 중화반응을 일으키는 역할을 하는 것으로서, 구체적으로는 산화칼슘(CaO)의 함량이 30 중량% ~ 70 중량%인 것일 수 있다. 바람직하게는, 상기 알칼리제는 산화칼슘(CaO)의 함량이 30 중량% ~ 60 중량%인 것일 수 있다. 또한, 상기 알칼리제는 경소 백운석, 생석회 및 석유 코크스 소각재로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 것일 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 산화제는 상기 알칼리제와 함께 중화반응을 일으키는 역할을 하면서, 이를 포함하는 슬러지 고화제의 응집력을 향상시켜 설비에 부착되는 것을 억제하여 설비가동성을 향상시키는 역할을 하는 것으로, 상기 산화제는 나트륨 명반, 칼륨 명반 및 황산반토로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 것일 수 잇다.
구체적으로, 상기 산화제는 알칼리제 100 중량부에 대하여 50 중량부 ~ 300 중량부로 포함되는 것일 수 있다. 바람직하게는, 상기 산화제는 100 중량부 ~ 200 중량부로 포함되는 것일 수 있다. 만약, 상기 산화제가 50 중량부 미만으로 포함되는 경우 중화반응이 충분히 일어나지 않아 중화열 발생량이 적을 뿐만 아니라 pH의 저하효과도 발현되지 않을 수 있으며, 산기 산화제가 300 중량부를 초과하여 포함되는 경우에는 pH는 급격히 낮아져 암모니아 저감효과는 나타나지만 반대로 강산성을 띄는 문제가 발생할 수 있다.
상기 시멘트(cement)는 물 또는 용액으로 반죽하였을 때 단단히 굳어져 교착제 또는 접착제의 역할을 할 수 있는 무기질 물질을 나타내는 것으로, 산화칼슘(CaO)의 함량이 30 중량% ~ 85 중량%인 것일 수 있다. 바람직하게는 상기 시멘트는 산화칼슘(CaO)의 함량이 30 중량% ~ 60 중량%인 것일 수 있다. 만약, 상기 시멘트가 상기 범위의 산화칼슘을 포함하는 경우 이를 포함하는 슬러지 고화제 내 산화칼슘이 전술한 바와 같은 범위로 조절될 수 있으며, 이에 슬러지의 함수율을 효과적으로 저감시킬 수 있다.
또한, 상기 시멘트는 알칼리제 100 중량부에 대하여 100 중량부 ~ 500 중량부로 포함되는 것일 수 있으며, 바람직하게는 300 중량부 ~ 500 중량부, 더욱 바람직하게는 400 중량부 ~ 500 중량부로 포함되는 것일 수 있다.
상기 시멘트 바인더는 후술하는 제조방법에 의하여 폐콘크리트로부터 제조된 것일 수 있다.
일반적으로 폐콘크리트 소각잔재는 콘크리트 혼화재료로 재활용될 수 있음에도 불구하고, 상기 폐콘크리트 소각잔재 내 존재하는 산화칼슘에 의하여 흡수, 발열 및 팽창 특성이 있어 콘크리트 혼화재료로 활용하기 어려운 문제점이 있다. 이에, 본 발명은 폐콘크리트로부터 콘크리트 혼화재료로 활용이 불가능한 시멘트 바인더를 분리하여 사용함으로써 경제적 이점을 향상시킴과 동시에 탈취 및 함수율 저감 효과가 개선된 슬러리 고화제를 제공할 수 있다.
구체적으로, 상기 시멘트 바인더는 후술하는 제조방법에서 나타낸 바와 같이 습식처리를 통하여 제조한 것일 수 있다. 종래의 시멘트 바인더는 폐콘크리트 처리시 발생되는 폐콘크리트 미분말을 회수하여 가열처리 후 비중차를 이용하여 시멘트 성분만을 분리해 낸 것을 사용하였으나, 본 발명에 따른 시멘트 바인더는 상기 폐콘크리트 미분말에 응집제 및 소포제를 도입한 후 이를 세척 및 건조하여 제조함으로써 비표면적을 증가시킬 수 있으며, 상기 시멘트 바인더의 비표면적에 따라 슬러지의 고화시 함수율 저감효과 및 악취 제거효율이 조절될 수 있다.
상기 시멘트 바인더는 밀도가 2.0 g/cm3 ~ 3.0 g/cm3인 것일 수 있다. 바람직하게는, 상기 밀도는 2.0 g/cm3 ~ 2.5 g/cm3인 것일 수 있다. 더욱 바람직하게는, 상기 밀도는 2.1 g/cm3 내지 2.4 g/cm3인 것일 수 있다.
또한, 상기 시멘트 바인더는 공극률이 30% ~ 50%인 것일 수 있으며, 바람직하게는 공극률이 30% ~ 45%인 것일 수 있다.
또한, 상기 시멘트 바인더는 시멘트 100 중량부에 대하여 400 중량부 ~ 500 중량부로 포함되는 것일 수 있으며, 바람직하게는 450 중량부 ~ 500 중량부로 포함되는 것일 수 있다. 만약, 상기 시멘트 바인더가 400 중량부 미만으로 포함되는 경우 이를 포함하는 슬러지 고화제를 이용한 고화 시 함수율 저감 효과가 저하될 수 있고, 500 중량부를 초과하여 포함되는 경우에는 탈취 효율이 저하될 수 있다.
상기 제지 연소재는 종이제조공정 중 펄프의 사용량을 줄이고 종이의 품질을 제고하기 위하여 충진제(Filler)로 사용하는 석회석 미분말에서, 잉여 석회석 미분말이 슬러지 형태로 배출된 것을 보일러에서 소각하는 과정에서 석회석이 탈탄산된 산화칼슘의 함량이 높은 소각재를 의미한다. 상기 제지 연소재는 시멘트 100 중량부에 대하여 100 중량부 ~ 500 중량부로 포함되는 것일 수 있다. 상기 제지 연소재가 시멘트 100 중량부에 대하여 100 중량부 미만으로 포함되는 경우 미립분 형태인 제지 연소재의 분체량이 부족함에 따라 슬러지 고화제와 슬러지 혼합물의 점성이 증가하며, 함수율 저감율이 저하되는 문제점이 있고, 500 중량부를 초과하는 경우 중화열 발생이 적어 수분증발효과가 감소할 수 있고, 연소재에 포함되는 산화칼슘 성분으로 인하여 pH 값이 높아질 수 있어 악취 저감 효과가 저하될 수 있다.
이때, 상기 제지 연소재는 비표면적이 1,000 cm2/g ~ 5,000 cm2/g 인 것일 수 있다. 비표면적이 1,000 cm2/g 미만인 경우 슬러지의 고화시 함수율 저감효과가 저하될 수 있는 문제점이 있고, 비표면적이 5,000 cm2/g을 초과하는 경우 고화제의 악취 제거 효율이 저감될 수 있다.
한편, 함수율이 높은 슬러지에 상기와 같이 산화칼슘이 다량 함유된 슬러리 고화제를 혼합하면, 상기 반응식 1과 같은 반응으로 인하여 수산화칼슘이 생성되면서 슬러지의 수분이 저감되고, 열이 발생하여 슬러지의 수분을 증발시키기 때문에 더욱 슬러지의 함수율을 저감시킬 수 있다. 그러나 이러한 산화칼슘 함량이 높은 재료로 인하여 고화제의 pH는 11.5 이상으로 높아지게 되며, 높은 pH는 악취발생을 증가시키게 된다.
따라서, 본 발명에 따른 슬러리 고화제는 목질계 바이오매스 연소재를 포함함으로써 악취발생을 억제할 수 있다.
구체적으로, 상기 목질계 바이오매스 연소재는 pH가 10 ~ 11인 것일 수 있고, 이에 슬러지 고화 시 pH 상승정도를 조절할 수 있어 악취발생을 억제할 수 있다.
상기 목질계 바이오매스 연소재는 시멘트 100 중량부에 대하여 400 중량부 ~ 500 중량부로 포함되는 것일 수 있고, 바람직하게는 450 중량부 ~ 500 중량부로 포함되는 것이 좋다. 상기 목질계 바이오매스 연소재의 함량이 상기 범위를 벗어나는 경우 이를 포함하는 슬러지 고화제를 이용하여 고화처리되어 제조된 인공토양의 pH가 높아질 수 있고, 이로 인하여 악취발생 억제 효과가 미미할 수 있다.
또한, 상기 목질계 바이오매스는 팜껍질 연소재, 야자껍질 연소재, 톱밥 연소재, 목질펠렛 연소재, 볏짚 연소재, 옥수수대 연소재, 참나무가지 연소재 및 왕겨 연소재로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것일 수 있고, 바람직하게는 상기 목질계 바이오매스 연소재는 팜껍질 연소재, 야자껍질 연소재 및 톱밥 연소재의 혼합 연소재이거나, 야자껍질 연소재일 수 있다.
상기 목질계 바이오매스 연소재가 상기의 혼합 연소재인 경우 팜겁질 연소재, 야자껍질 연소재 및 톱밥 연소재를 1:3 ~ 5:4 ~ 7의 중량비로 포함하는 것일 수 있다.
또한, 상기 목질계 바이오매스 연소재는 비표면적이 4,000 cm2/g ~ 6,000 cm2/g인 것일 수 있다. 바람직하게는, 상기 목질게 바이오매스 연소재는 비표면적이 4,500 cm2/g ~ 5,500 cm2/g인 것일 수 있다.
또한, 상기 유연탄 연소재는 시멘트 100 중량부에 대하여 100 중량부 ~ 500 중량부로 포함되는 것일 수 있고, 바람직하게는 300 중량부 ~ 500 중량부로 포함되는 것일 수 있다.
이때, 상기 야자껍질의 연소재 및 유연탄 연소재는 5 ~ 8:2 ~ 5의 중량비로 포함되는 것일 수 있으며, 바람직하게는 7 ~ 8:2 ~ 3의 중량비로 포함되는 것일 수 있다. 상기 범위를 벗어나는 경우 악취 저감 효과가 저하될 수 있는 문제점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 슬러지 고화제는 플라이 애쉬, 규사분말 및 석회분말로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 분말을 더 포함할 수 있다. 상기 플라이 애쉬는 석유계 화력발전에서 발생된 것일 수 있고, 이는 pH 5 이하이므로 염기성 가스를 제거할 수 있다. 상기 규사 분말 및 석회분말은 산화칼슘의 함량이 높은 소재로서 본 발명에 따른 고화제의 함수율 저감 효과에 기여할 수 있다.
이때, 상기 분말은 시멘트 100 중량부에 대하여, 100 중량부 ~ 500 중량부로 포함될 수 있고, 바람직하게는 300 중량부 ~ 500 중량부로 포함될 수 있다. 상기 플라이 애쉬, 규사분말 및 석회분말로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 분말이 시멘트 100 중량부에 대하여 100 중량부 미만으로 포함되는 경우 고화 시 함수율 저감효과가 저하될 수 있는 문제점이 있고, 500 중량부를 초과하는 경우 중화열 발생이 적어 수분증발효과가 감소할 수 있고, 연소재에 포함되는 산화칼슘 성분으로 인하여 pH 값이 높아질 수 있어 악취 저감 효과가 저하될 수 있다.
또한, 상기 슬러리 고화제는 상기 플라이 애쉬, 규사분말 및 석회분말을 동시에 포함하는 것일 수 있으며, 이 경우 상기 플라이 애쉬, 규사분말 및 석회분말은 1:1 ~ 2:1 ~ 2의 중량비를 갖는 것일 수 있다.
여기에서, 상기 플라이 애쉬, 규사분말 및 석회분말은 서로 독립적으로 0.1 ㎛ ~ 10 ㎛의 평균입도를 갖는 것일 수 있으며, 바람직하게는 상기 플라이 애쉬, 규사분말 및 석회분말은 서로 독립적으로 1 ㎛ ~ 10 ㎛의 평균입도를 갖는 것일 수 있다.
상기 평균입도는 레이져 회절 산란식 입도 분포 측정기를 이용하여 측정한 값이다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 슬러지 고화제는 필요에 따라 응집제 및 소포제 중 1종 이상을 더 포함하는 것일 수 있다.
상기 응집제는 입자를 응집시키는 역할을 하는 것으로, 이를 포함하는 슬러지 고화제를 이용한 슬러지 고화 처리 시 응집 효율을 증가시켜 고화가 용이하게 이루어지도록 할 수 있다. 상기 응집제는 시멘트 100 중량부에 대하여 5 중량부 ~ 10 중량부로 포함되는 것일 수 있고, 바람직하게는 7 중량부 ~ 10 중량부로 포함되는 것일 수 있다.
상기 소포제는 기포를 제거시키는 역할을 하는 것으로, 이를 포함하는 슬러지 고화제 내 기포가 과도하게 형성되는 것을 억제하여 이를 이용한 고화 처리 후 고화되어 제조된 고화물의 강도가 지나치게 낮아지는 것을 억제할 수 있다. 상기 소포제는 시멘트 100 중량부에 대하여 10 중량부 ~ 30 중량부로 포함되는 것일 수 있고, 바람직하게는 10 중량부 ~ 20 중량부로 포함되는 것일 수 있다. 만약, 상기 소포제가 10 중량부 미만으로 포함되는 경우에는 기포 제거효율이 미미하여 최종적으로 고화되어 제조된 고화물의 강도가 약할 수 있으며, 30 중량부를 초과하여 포함되는 경우에는 이를 포함하는 슬러지 고화제에 기포가 지나치게 제거되어 공극률이 현저히 감소되고, 이에 상기 슬러지 고화제의 악취 저감 효과가 저하될 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 슬러지 고화제를 이용한 고화물의 제조방법을 제공한다. 이때, 상기 고화물의 제조방법은 다르게는 슬러지 고화 처리방법으로 이용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 고화물의 제조방법은 슬러지 100 중량부에 상기 슬러지 고화제 20 중량부 ~ 70 중량부를 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계(단계 1); 및 상기 혼합물을 양생하는 단계(단계 2)를 포함하는 것일 수 있다.
상기 단계 1은 고화시키고자 하는 슬러지에 슬러지 고화제를 첨가하여 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계로, 슬러지 100 중량부에 슬러지 고화제 20 중량부 ~ 70 중량부를 혼합하여 수행하는 것일 수 있다. 바람직하게는, 슬러지 100 중량부에 슬러지 고화제 30 중량부 ~ 60 중량부를 혼합하는 것일 수 있다. 이때, 상기 슬러지 고화제를 20 중량부 미만으로 혼합하는 경우 함수율이 충분히 저감되지 않을 수 있고, 70 중량부를 초과하는 경우 함수율이 너무 낮아져 혼합물이 비산되고 이송 및 포설작업 등이 곤란해질 수 있다.
상기 슬러지는 하수 슬러지, 폐수 슬러지, 정수 슬러지, 진흙 슬러지 및 준설 슬러지로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것일 수 있다.
상기 슬러지 고화제는 알칼리제 100 중량부에 대하여, 산화제 50 중량부 ~ 500 중량부, 시멘트 100 중량부 ~ 500 중량부, 시멘트 바인더 400 중량부 ~ 500 중량부, 제지 연소재 100 중량부 ~ 300 중량부, 목질계 바이오매스 연소재 400 중량부 ~ 500 중량부 및 유연탄 연소재 100 중량부 ~ 500 중량부를 혼합하여 제조된 것일 수 있으며, 플라이 애쉬, 규사분말, 석회분말, 응집제 및 소포제로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 더 혼합하여 제조된 것일 수 있다. 구체적인, 슬러지 고화제 및 이를 구성하는 성분은 전술한 바와 같을 수 있다.
여기에서, 상기 시멘트 바인더는 폐콘크리트로부터 분리하여 제조된 것으로, 하기의 방법에 의하여 제조된 것일 수 있다.
a) 폐콘크리트를 분쇄하여 폐콘크리트 미분말을 제조하는 단계;
b) 상기 폐콘크리트 미분말을 세척하는 단계;
c) 상기 세척된 페콘크리트 미분말을 열처리하는 단계; 및
d) 상기 열처리 후 폐콘크리트 미분말로부터 시멘트 바인더를 분리하는 단계.
또한, 상기 단계 b)의 세척 전 폐콘크리트 미분말에 응집제 및 소포제를 첨가하여 혼합하는 단계를 수행하는 것일 수 있다.
이하, 상기 시멘트 바인더의 제조방법을 단계별로 구체적으로 설명한다.
상기 단계 a)는 폐콘크리트를 분쇄하여 이물질을 제거함과 동시에 미분말을 제조하기 위한 단계로, 폐콘크리트를 분쇄하여 분쇄물로부터 이물질을 제거하고 분진을 회수하여 폐콘크리트 미분말을 제조할 수 있다.
이때, 상기 분쇄는 파쇄기, 분쇄기 및 마쇄기로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의의 장치를 이용하여 수행하는 것일 수 있다.
상기 파쇄기는 암석이나 폐기물 등 고체를 부스러뜨리는 기계를 의미하는 것으로, 목적하는 미분말을 제조할 수 있는 것이면 특별히 제한되지 않고 사용할 수 있으나, 예컨대 회전전단 파쇄기, 회전충격 파쇄기, 압축 파쇄기, 드럽형 파쇄기 또는 스크린형 파쇄기인 것일 수 있다.
상기 분쇄기는 고체를 잘게 부수기 위한 기계를 의미하는 것으로, 목적하는 미분말을 제조할 수 있는 것이면 특별히 제한되지 않고 사용할 수 있으나, 예컨대 조크랫셔(조쇄), 롤밀(중쇄) 또는 제트 분쇄기인 것일 수 있다.
상기 마쇄기는 암석이나 광석 등 고체를 미세하게 부수기 위한 기계를 의미하는 것으로, 목적하는 미분말을 제조할 수 있는 것이면 특별히 제한되지 않고 사용할 수 있으나, 예컨대 그레이트식 로드밀, 볼밀, 원뿔형 롤밀, 트리콘밀 또는 아트리타 미쇄기인 것일 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 분쇄는 목적하는 미분말에 따라 전술한 바와 같은 파쇄기, 분쇄기 및 마쇄기를 조합하여 사용할 수 있다. 예컨대, 파쇄기를 이용하여 1차 파쇄한 후 이를 다시 분쇄기 또는 마쇄기를 사용하여 2차 분쇄하여 더 미세한 미분말을 얻을 수 있다.
구체적으로, 상기 분쇄는 전술한 바와 같은 장치를 사용하여 폐콘크리트의 분말도가 3,000 cm2/g 이상이 되도록 분쇄하는 것일 수 있다. 바람직하게는, 상기 분쇄는 폐콘크리트의 분말도가 3,000 cm2/g ~ 5,000 cm2/g가 되도록 분쇄하는 것일 수 있다.
여기에서, 상기 분말도(fineness)는 분체(粉體)의 미세 정도를 나타내는 척도로서 분말도가 높을수록 수화반응이 향상될 수 있다. 한편, 상기 분말도는 분말도 시험기 S1-510(Blaine Air-Permeabillity Apparatus)를 사용하여 측정하였다.
또한, 상기 폐콘크리트 미분말은 10 ㎛ ~ 2000 ㎛의 평균입도를 갖는 것일 수 있다. 바람직하게는, 상기 미분말은 10 ㎛ ~ 1000 ㎛의 평균입도를 갖는 것일 수 있다.
상기 단계 b)는 상기 폐콘크리트 미분말을 세척하여 남아있는 이물질을 제거하기 위한 단계로, 상기 세척은 살수 스크린을 이용하여 수행하는 것일 수 있다.
상기 세척은 살수 스크린을 이용하여 상온에서 2차례 이상 반복하여 수행하는 것일 수 있다. 이때, 상기 상온은 15℃ ~ 35℃의 온도를 나타내는 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 살수는 2 kg/cm2 ~ 4 kg/cm2의 압력조건을 고압살수하는 것일 수 있다. 만약, 상기 압력조건으로 고압살수하는 경우 세척이 보다 용이할 수 있어 이물질이 효과적으로 제거될 수 있다.
이때, 상기 살수 스크린은 목적하는 세척를 용이하게 수행할 수 있는 것이면 특별히 제한되지 않고 사용할 수 있으나, 예컨대 살수 진동 스크린일 수 있다.
구체적으로, 상기 살수 스크린은 스크린을 이송시키는 콘베어, 폐콘크리트 미분말을 두는 스크린, 상기 폐콘크리트 미분말에 세척수를 분사하는 세척수 분사장치를 포함하는 것일 수 있다. 이때, 상기 살수 스크린이 살수 진동 스크린인 경우 상기 스크린은 진동 스크린일 수 있다. 상기 폐콘크리트 미분말은 스크린 위에 놓여 콘베어에 의하여 이송되면서 세척수 분사장치에서 분사되는 살수에 의하여 세척될 수 있다. 또한, 진동 스크린일 경우 진동 스크린의 상하 진동에 의하여 이송하면서 낙차에 의하여 세척이 더 용이하게 될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 제조방법은 상기 세척 전에 폐콘크리트 미분말에 소포제 및 응집제 중 어느 하나이상을 첨가하여 혼합시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 소포제 및 응집제는 최종적으로 제조된 시멘트 바인더 내 기포를 억제시키고 입자의 응집력을 높이는 역할을 하는 것으로, 상기 응집제를 도입함으로써 시멘트 바인더의 비표면적을 증가시킬 수 있다.
상기 응집제는 폐콘크리트 미분말 100 중량부에 대하여 5 중량부 ~ 10 중량부로 포함될 수 있고, 바람직하게는 7 중량부 ~ 10 중량부로 포함되는 것일 수 있다. 상기 응집제는 특별히 제한되지 않고 목적하는 바에 따라 당업계에 통상적으로 공지된 것을 사용할 수 있다.
또한, 상기 소포제는 폐콘크리트 미분말 100 중량부에 대하여 10 중량부 ~ 30 중량부로 포함될 수 있고, 바람직하게는 10 중량부 ~ 20 중량부로 포함되는 것일 수 있다. 상기 소포제가 폐콘크리트 미분말 100 중량부에 대하여 10 중량부 미만으로 포함되는 경우 입자 내부 기포 제거가 거의 이루어지지 않아 공극률이 과도하게 높을 수 있고, 이에 이를 포함하는 슬러지 고화제의 강도가 저하될 수 있다. 반면, 30 중량부를 초과하는 경우에는 기포가 과도하게 제거되어 이를 포함하는 슬러지 고화제의 탈취효과가 저하되고, 소포제 사용에 의한 가격상승으로 경제성이 저하되는 문제가 발생할 수 있다. 상기 소포제는 특별히 제한되지 않고 목적하는 바에 따라 당업계에 통상적으로 공지된 것을 사용할 수 있다.
바람직하게는, 상기 제조방법은 세척 전 폐콘크리트 미분말에 응집제 및 소포제를 첨가하여 혼합시키는 것일 수 있으며, 이때 상기 응집제 및 소포제는 1:1 ~ 6의 중량비로 첨가하는 것일 수 있다.
상기 단계 3은 남아있는 미세 이물질을 제거하기 위하여 상기 세척된 폐콘크리트 미분말을 열처리하는 단계로, 상기 열처리는 회전식 건조기를 사용하여 400℃ ~ 1,000℃의 온도 조건하에서 수행할 수 있다.
구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 열처리는 회전식 건조기를 사용하여 상기 범위의 온도로 열처리를 함으로써 건조하여 함수율을 낮춤과 동시에 소성시켜 남아 있는 미세 이물질을 더욱 제거할 수 있다.
상기 회전식 건조기는 회전체, 파쇄장치, 열발생장치, 속도조절장치 및 온도조절장치 중 1종 이상의 장치를 포함하는 것일 수 있다.
여기에서, 상기 회전체는 건조시킬 재료(세척된 폐콘크리트 미분말)을 담고, 함께 회전되는 것일 수 있고, 회전체는 다수의 미세 구멍을 구비하고 있는 것일 수 있다.
상기 파쇄장치는 열처리 중 회전되면서 뭉쳐지는 입자를 방지하기 위하여 뭉친 입자를 더욱 파쇄시키는 것일 수 있다.
상기 열발생장치는 목적하는 온도에 맞추어 회전체에 열을 발생시키는 장치일 수 있다.
상기 속도조절장치는 회전체의 회전속도를 조절하는 것일 수 있고, 상기 온도조절장치는 상기 열발생장치에 연결되어, 온도에 따라 열이 발생되도록 조절하는 장치일 수 있다.
상기 열처리는 상기의 회전식 건조기에 의해서 수행되는 것으로, 구체적으로는 600℃ ~ 800℃의 온도조건 하에서 수행하는 것일 수 있다. 바람직하게는, 상기 열처리는 전술한 온도조건 하에서 최종적으로 제조된 시멘트 바인더의 함수율이 85% 미만이 될때까지 수행하는 것일 수 있다. 더욱 바람직하게는, 함수율이 50% ~ 80%가 될때까지 수행하는 것일 수 있다.
또한, 상기 단계 4는 폐콘크리트 미분말로부터 시멘트 바인더 성분을 분리하여 시멘트 바인더를 제조하기 위한 단계로, 상기 분리는 집진기를 이용하여 수행하는 것일 수 있다.
여기에서, 본 발명의 일 실시예에 따른 폐콘크리트 미분말은 모래와 시멘트 바인더 성분을 포함하고 있는 것일 수 있으며, 상기 분리를 통하여 모래와 시멘트 바인더를 분리함으로써 모래와 시멘트 바인더를 각각 얻을 수 있다.
상기 집진기는 회전식 건조기에 연결되어 회전식 건조기 수행 중 동시에 분리가 이루어지도록 하는 것일 수 있고, 또는 회전식 건조기를 이용한 열처리 후 별도로 집진기를 사용하여 분리하는 것일 수 있다.
상기 집진기는 중력집진기, 관성 집진지 원심력 집진기, 여과 집진기, 세정 집진기 또는 전기 집진기일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 단계 2는 혼합물을 양생하여 고화물을 제조하는 단계로, 상기 혼합물을 함수율이 60 중량% 이하가 될때까지 양생시키는 것일 수 있다. 이때, 상기 양생은 상온양생 또는 가열양생일 수 있다.
상기 상온양생은 상온에서 양생을 하는 것으로, 상기 상온은 전술한 바와 같을 수 있다. 상기 가열양생은 상온보다 상대적으로 높은 고온, 예컨대 65℃의 온도를 가하면서 양생을 하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고화물 제조방법은 전술한 바와 같은 슬러지 고화제를 사용하여 고화처리함으로써 pH 조절이 가능하여 높은 알칼리에 의한 암모니아 냄새 등 악취의 발생을 근원적으로 차단하면서 함수율이 용이하게 감소된 고화물을 제조할 수 있다.
구체적으로, 상기 고화물의 제조방법은 고화물의 제조 중 암모니아 발생량이 3 ppm ~ 10 ppm인 것일 수 있다.
이때, 상기 암모니아 발생량은 제조 중 발생되는 가스를 0.5% 붕산용액 250 ml가 들어있는 흡수병에 포집한 후, 황산용액을 이용한 중화적정법으로 측정하고 하기 수학식 1을 통하여 계산하였다.
[수학식 1]
Figure 112016017454642-pat00001
상기 수학식 1에서, C는 암모니아의 농도(ppm)이고, a는 N/10 황산의 소비량(ml)이고, b는 바탕시험에 의한 N/10 황산의 소배량(ml)이고, f는 N/10 황산의 역가이고, Vs는 건조시료 가스량(L)이며, V는 분석용 시료용액의 채취량(ml)를 나타내는 것이다.
아울러, 본 발명은 상기의 제조방법으로부터 제조된 고화물을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 고화물은 고화토, 또는 인공토양일 수 있다.
구체적으로, 상기 고화물은 KS F 2343에 의거하여 측정한 24시간 양생 후 압축강도가 0.9 kgf/cm2 ~ 1.2 kgf/cm2이고, 72시간 양생 후 압축강도가 1.2 kgf/cm2 ~ 1.5 kgf/cm2인 것일 수 있다.
또한, 상기 고화물은 KS F 2306에 의거하여 측정한 3시간 양생 후 함수율이 45% 내지 55%이고, 72시간 양생 후 함수율이 35% ~ 42%인 것일 수 있다.
여기에서, 상기 KS F 2306은 한국산업표준협회에서 제공하는 흙의 함수비 시험 방법 규격이고, 상기 KS F 2343은은 한국산업표준협회에서 제공하는 압밀 배수 조건 아래서 흙의 직접전단 시험 방법 규격을 나타내는 것이다.
아울러, 본 발명은 상기 슬러지 고화제를 포함하는 복토재를 제공한다.
이하, 본 발명을 하기 실시예를 통해 보다 상세하게 설명한다. 이때, 하기 실시예들은 본 발명을 예시하기 위하여 제시된 것일 뿐, 본 발명의 권리범위가 하기 실시예로 인해 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
생석회 100 중량부, 나트륨 명반 200 중량부, 시멘트 100 중량부, 시멘트 바인더 400 중량부(밀도 2.0 g/cm3, 공극률 50%), 제지 연소재 200 중량부, 목질계 바이오매스 연소재(비교면적 5,000 cm2/g) 400 중량부, 유연탄 연소재 100 중량부를 균일하게 혼합하여 슬러지 고화제를 제조하였다. 이때, 상기 바이오매스 연소재는 팜껍질 연소재, 야자껍질 연소재 및 톱밥 연소재를 1:3:4의 중량비로 포함한 혼합 연소재를 사용하였다. 또한, 상기 시멘트 바인더는 폐콘크리트를 분말도 3,500 cm2/g로 분쇄한 후 살수 스크린으로 세척하고 600℃에서 함수율 70%가 될 때까지 열처리하여 건조시켜 집진기로 분리하여 제조하였다.
함수율이 85%인 하수 슬러지 100 중량부에 상기 슬러지 고화제 20 중량부를 혼합한 후 함수율이 60%가 될때까지 상온양생시켜 고화물을 제조하였다.
실시예 2
시멘트 바인더를 500 중량부로 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법을 통하여 고화물을 제조하였다.
실시예 3
시멘트 바인더로 밀도 2.5 g/cm3, 공극률 30%인 것을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법을 통하여 고화물을 제조하였다.
실시예 4
바이오매스 연소재로 팜껍질 연소재, 야자껍질 연소재 및 톱밥 연소재를 1:5:7의 중량비로 포함한 혼합 연소재를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법을 통하여 고화물을 제조하였다.
실시예 5
슬러지 고화제 제조 시 플라이 애쉬, 규사분말 및 석회분말 총 300 중량부를 추가로 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법을 통하여 고화물을 제조하였다. 이때, 상기 플라이 애쉬, 규사분말 및 석회분말은 1:1:1의 중량비로 사용하였다.
실시예 6
슬러지 고화제 제조 시 플라이 애쉬, 규사분말 및 석회분말 총 300 중량부를 추가로 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법을 통하여 고화물을 제조하였다. 이때, 상기 플라이 애쉬, 규사분말 및 석회분말은 1:2:2의 중량비로 사용하였다.
실시예 7
슬러지 고화제를 70 중량부로 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법을 통하여 고화물을 제조하였다.
비교예 1
시멘트 바인더를 사용하지 않은 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법을 통하여 고화물을 제조하였다.
비교예 2
시멘트 바인더를 300 중량부로 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법을 통하여 고화물을 제조하였다.
비교예 3
시멘트 바인더를 600 중량부로 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법을 통하여 고화물을 제조하였다.
비교예 4
시멘트 바인더로 밀도 1.5 g/cm3, 공극률 60%인 것을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법을 통하여 고화물을 제조하였다.
비교예 5
시멘트 바인더로 밀도 3.5 g/cm3, 공극률 20%인 것을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법을 통하여 고화물을 제조하였다.
비교예 6
바이오매스 연소재를 사용하지 않은 것을 제외하고는 상기 실시예 1고 ㅏ동일한 방법을 통하여 고화물을 제조하였다.
비교예 7
슬러지 고화제를 15 중량부로 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법을 통하여 고화물을 제조하였다.
비교예 8
슬러지 고화제를 80 중량부로 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법을 통하여 고화물을 제조하였다.
실험예 1: 함수량 변화 측정
상기 실시예 1 ~ 실시예 7 및 비교예 1 ~ 비교예 8에서 제조한 각 고화물의 시간 경과에 따른 함수율 변화를 측정하였다. 이때, 함수율 변화는 KS F 2306 방법에 의거하여 실시하였으며, 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
구분 혼합직후(%) 3시간 양생 후(%) 1일 양생 후(%) 3일 양생 후(%)
실시예 1 60.5 51.4 45.4 42.4
실시예 2 59.8 50.8 44.9 41.9
실시예 3 61.2 52.0 45.9 42.8
실시예 4 57.5 48.9 43.1 40.3
실시예 5 56.4 47.9 42.3 39.5
실시예 6 55.9 47.5 41.9 39.1
실시예 7 54.3 46.2 40.7 38.0
비교예 1 63.2 53.7 49.3 46.1
비교예 2 62.1 52.8 48.4 45.3
비교예 3 61.2 51.3 47.2 44.2
비교예 4 57.5 48.9 44.9 42.0
비교예 5 68.5 58.2 53.4 50.0
비교예 6 61.5 52.4 46.4 43.4
비교예 7 67.9 57.7 53.0 49.6
비교예 8 49.2 41.8 38.4 35.9
상기 표 1에 나타난 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 실시예 1 ~ 실시예 7의 고화물의 함수율이 시간이 지남에 따라 효과적으로 감소되는 것을 확인하였다.
구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 슬러지 고화제 사용량만 상이한 실시예 1 및 실시예 7의 고화물과 비교예 7 및 비교예 8의 고화물을 비교한 결과, 실시예 1 및 실시예 7의 고화물은 시간이 지남에 따라 적정 수준의 함수율로 효과적으로 감소되는 것을 확인하였으나, 비교예 7의 고화물은 하수 슬러지의 함수량이 효과적으로 감소되지 않았으며, 비교예 8의 고화물은 혼합직후부터 함수율이 급격히 감소되어 비산되는 문제가 발생하였다.
또한, 시멘트 바인더를 사용하지 않거나 낮은 비율로 사용한 비교예 1과 비교예 2의 고화물과 시멘트 바인더를 과량 사용한 비교예 3의 고화물을 실시예 1 및 실시예 2의 고화물과 각각 비교한 결과, 비교예 1 ~ 비교예 3의 고화물은 함수율 저감 효율이 좋지 못하였다. 또한, 시멘트 바인더를 본 발명에서 제시하는 비율로 사용하되 밀도 및 공극률이 본 발명에서 제시하는 범위를 벗어난 것을 사용한 비교예 5의 고화물은 시멘트 바인더의 공극률이 너무 낮아 함수율이 효과적으로 감소되지 못하였다.
상기의 결과는, 본 발명의 일 실시예에 따른 슬러지 고화제가 하수 슬러지와 혼합되는 즉시 발열반응이 일어나고, 수화반응이 동시에 진행되었음을 나타내는 것으로, 상기 슬러지 고화제가 효과적으로 함수율을 감소시킬 수 있음을 나타내는 것이다.
실험예 2: 압축강도 측정
상기 실시예 1 ~ 실시예 3 및 비교예 1 ~ 비교예 5의 고화물의 시간에 따른 압축강도 변화를 분석하였다. 압축강도는 KS F 2343 방법에 의거하여 측정하였으며, 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
구분 3시간 양생 후 (kgf/cm2) 1일 양생 후 (kgf/cm2) 3일 양생 후 (kgf/cm2)
실시예 1 0.76 0.99 1.22
실시예 2 0.79 1.02 1.26
실시예 3 0.85 1.11 1.36
비교예 1 0.31 0.40 0.50
비교예 2 0.45 0.59 0.72
비교예 3 0.80 1.04 1.28
비교예 4 0.35 0.46 0.56
비교예 5 0.95 1.24 1.52
상기 표 2에 나타난 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 실시예 1 및 실시예 3의 고화물이 시간이 지남에 따라 압축강도가 상승하는 것을 확인하였다. 이는, 본 발명에 따른 슬러지 고화제가 하수 슬러지와 혼합시 흡수발열반응에 의해 수분을 감소시키고 입자의 단결화를 이루어 강도를 증가시켰음을 나타내는 것이다.
반면에, 비교예 1, 비교예 2 및 비교예 4의 고화물의 경우에는 초기 수분 감소량이 적고 응집 효과가 현저히 떨어져 여전히 진흙과 같은 상태를 가지고 있어 강도가 우수하지 못하였다.
또한, 비교예 3 및 비교예 5의 고화물의 경우에는 각각 실시예 2 및 실시예 3의 고화물 대비 다소 상승된 압축강도를 나타내었으나 함수율 저감 효과에 있어서는 현저히 저하된 정도를 나타내었다(표 1 참고). 이는, 상기 비교예 3의 고화물이 시멘트 바인더를 본 발명에서 제시하는 비율범위보다 과량으로 사용함으로써 밀도가 우수한 시멘트 바인더에 의하여 압축강도는 향상되었으나, 슬러지 고화제 내 공극률이 낮아져 수분 흡수율을 감소시켰음을 나타내는 것이다. 또한, 상기 비교예 4 및 비교예 5의 고화물의 결과로 시멘트 바인더의 밀도 및 공극량의 정도에 따라 이를 포함하는 슬러지 고화제의 수분 흡수율 및 강도 발현 효과가 현저하게 변화할 수 있음을 확인하였다.
상기의 결과는, 우수한 정도의 압축강도를 가지면서 높은 함수율을 갖는 슬러지 고화제를 얻기 위해서는 시멘트 바인더의 비율 조절이 중요할 수 있음을 나타내는 것이다.
실험예 3: 악취(암모니아) 제어
본 발명에 따른 슬러지 고화제의 악취 저감 효과를 분석하기 위하여, 상기 실시예 1, 실시예 4 및 비교예 6의 고화물 제조 시 발생하는 암모니아 발생량을 비교 측정하였다.
암모니아 발생량은 제조 중 발생되는 가스를 0.5% 붕산용액 250 ml가 들어있는 흡수병에 포집한 후, 황산용액을 이용한 중화적정법으로 측정하고 하기 수학식 1을 통하여 계산하였다.
[수학식 1]
Figure 112016017454642-pat00002
상기 수학식 1에서, C는 암모니아의 농도(ppm)이고, a는 N/10 황산의 소비량(ml)이고, b는 바탕시험에 의한 N/10 황산의 소배량(ml)이고, f는 N/10 황산의 역가이고, Vs는 건조시료 가스량(L)이며, V는 분석용 시료용액의 채취량(ml)를 나타내는 것이다.
결과를 하기 표 3에 나타내었다.
암모니아 발생량(ppm)
실시예 1 3
실시예 4 5
비교예 6 80
상기 표 3에 나타난 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 슬러지 고화제를 이용한 실시예 1 및 실시예 4의 고화물 제조 시에는 바이오매스 연소재를 사용하지 않은 비교예 6의 고화물 제조 시 대비 암모니아 발생량이 현저히 감소하였다.
이는, 본 발명의 슬러지 고화제가 바이오매스 연소재를 포함함으로써 고화 시의 pH 상승 정도를 조절하여, 강알칼리성에 의한 악취발생의 요인인 암모니아 발생을 효과적으로 억제할 수 있음을 나타내는 결과이다.

Claims (27)

  1. 경소 백운석, 생석회 및 페트롤 코크스 소각재 연소물로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 알칼리제 100 중량부에 대하여, 산화제 100 중량부 ~ 500 중량부, 시멘트 100 중량부 ~ 500 중량부, 시멘트 바인더 400 중량부 ~ 500 중량부, 제지 연소재 100 중량부 ~ 300 중량부, 비표면적이 4,000 cm2/g ~ 6000 cm2/g인 목질계 바이오매스 연소재 400 중량부 ~ 500 중량부 및 유연탄 연소재 100 중량부 ~ 500 중량부를 포함하고,
    산화칼슘(CaO) 함량이 30 중량% ~ 85 중량%이며,
    상기 시멘트 바인더는 폐콘크리트로부터 유래된 것으로서, a) 폐콘크리트를 분쇄하여 폐콘크리트 미분말을 제조하는 단계; b) 상기 폐콘크리트 미분말을 세척하는 단계; c) 상기 세척된 폐콘크리트 미분말을 열처리하는 단계; 및 d) 상기 열처리 후 폐콘크리트 미분말로부터 시멘트 바인더를 분리하는 단계를 포함하고, 상기 단계 b)의 세척 전 폐콘크리트 미분말에 응집제 및 소포제를 첨가하여 혼합하는 단계를 포함하는 방법으로부터 제조된 것이고,
    상기 시멘트 바인더는 밀도가 2.0 g/cm3 ~ 2.5 g/cm3이고, 공극률이 30% ~ 50%이며,
    상기 목질계 바이오매스 연소재는 pH 10 ~ 11이고,
    상기 목질계 바이오매스 연소재는 팜껍질 연소재, 야자껍질 연소재, 톱밥 연소재, 목질펠렛 연소재, 볏짚 연소재, 옥수수숫대 연소재, 참나무가지 연소재 및 왕겨 연소재로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하며,
    상기 산화제는 나트륨 명반, 칼륨 명반 및 황산반토로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 슬러지 고화제.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 목질계 바이오매스 연소재는 팜껍질 연소재, 야자껍질 연소재 및 톱밥 연소재의 혼합 연소재이고,
    상기 혼합 연소재는 팜껍질 연소재, 야자껍질 연소재 및 톱밥 연소재를 1:3 ~ 5:4 ~ 7의 중량비로 포함하는 것인 슬러지 고화제.
  6. 삭제
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 목질계 바이오매스 연소재 및 유연탄 연소재는 5 ~ 8:2 ~ 5의 중량비로 포함되는 것인 슬러지 고화제.
  8. 삭제
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 슬러지 고화제는 플라이 애쉬, 규사분말 및 석회분말로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 첨가제를 더 포함하고,
    상기 첨가제는 알칼리제 100 중량부에 대하여 100 중량부 ~ 500 중량부로 포함되는 것인 슬러지 고화제.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 슬러지 고화제는 플라이 애쉬, 규사분말 및 석회분말을 더 포함하고,
    상기 플라이 애쉬, 규사분말 및 석회분말은 1:1 ~ 2:1 ~ 2의 중량비로 포함되는 것인 슬러지 고화제.
  11. 청구항 9 또는 청구항 10에 있어서,
    상기 플라이 애쉬, 규사분말 및 석회분말은 서로 독립적으로 평균 입도가 0.1 ㎛ ~ 10 ㎛인 것인 슬러지 고화제.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 슬러지 고화제는 응집제 및 소포제 중 1종 이상을 더 포함하는 것인 슬러지 고화제.
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 청구항 1에 있어서,
    상기 슬러지 고화제는 비표면적이 1,000 cm2/g ~ 5,000 cm2/g인 것인 슬러지 고화제.
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 1) 슬러지 100 중량부에 청구항 1의 슬러지 고화제 20 중량부 ~ 70 중량부를 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계; 및
    2) 상기 혼합물을 양생하는 단계를 포함하며,
    상기 슬러지 고화제는 알칼리제 100 중량부에 대하여, 산화제 100 중량부 ~ 500 중량부, 시멘트 100 중량부 ~ 500 중량부, 시멘트 바인더 400 중량부 ~ 500 중량부, 제지 연소재 100 중량부 ~ 300 중량부, 목질계 바이오매스 연소재 400 중량부 ~ 500 중량부 및 유연탄 연소재 100 중량부 ~ 500 중량부를 혼합하여 제조된 것이며,
    상기 시멘트 바인더는
    a) 폐콘크리트를 분쇄하여 폐콘크리트 미분말을 제조하는 단계;
    b) 상기 폐콘크리트 미분말을 세척하는 단계;
    c) 상기 세척된 폐콘크리트 미분말을 열처리하는 단계; 및
    d) 상기 열처리 후 폐콘크리트 미분말로부터 시멘트 바인더를 분리하는 단계를 포함하고,
    상기 단계 b)의 세척 전 폐콘크리트 미분말에 응집제 및 소포제를 첨가하여 혼합하는 단계를 포함하는 방법으로부터 제조된 것인 고화물의 제조방법.
  19. 청구항 18에 있어서,
    상기 단계 a)의 분쇄는 폐콘크리트의 분말도가 3,000 cm2/g ~ 5,000 cm2/g가 되도록 하는 것인 고화물의 제조방법.
  20. 청구항 18에 있어서,
    상기 단계 b)의 세척은 살수 스크린을 이용하여 수행하는 것이고,
    상기 살수는 2 kg/cm2 ~ 4 kg/cm2의 압력조건으로 고압살수하는 것인 고화물의 제조방법.
  21. 청구항 18에 있어서,
    상기 단계 c)의 열처리는 회전식 건조기를 이용하여 400℃ ~ 800℃의 온도조건 하에서 수행하는 것인 고화물의 제조방법.
  22. 청구항 18에 있어서,
    상기 슬러지 고화제는 제지 연소재, 플라이 애쉬, 규사분말, 석회분말, 응집제 및 소포제로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 더 혼합하여 제조된 것인 고화물의 제조방법.
  23. 청구항 18에 있어서,
    상기 양생은 상온양생 또는 가열양생인 것인 고화물의 제조방법.
  24. 슬러지 100 중량부에 대하여, 제1항, 제5항, 제7항, 제9항 내지 제10항, 제12항 및 제15항 중에서 선택된 어느 한 항의 슬러지 고화제 20 중량부 ~ 70 중량부로 혼합 및 양생시킨 것으로서,
    KS F 2343에 의거하여 측정한 24시간 양생 후 압축강도가 0.9 kgf/cm2 ~ 1.2 kgf/cm2이고, 72시간 양생 후 압축강도가 1.2 kgf/cm2 ~ 1.5 kgf/cm2인 것인 고화물.
  25. 삭제
  26. 청구항 24에 있어서,
    상기 고화물은 KS F 2306에 의거하여 측정한 3시간 양생 후 함수율이 45% 내지 55%이고, 72시간 양생 후 함수율이 35% ~ 42.8%인 것인 고화물.
  27. 제24항의 고화물을 이용한 복토재.
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