텅스텐 광미로부터 생물학적 세라마이트 제조

화중과학기술대학의 펑시우쟈안은 장시성 다샤오 롱샤 텅스텐 광산의 광미(tailings)를 주원료로 하고, 용광로 슬래그, 비산재 및 점토를 보조 재료로 사용하여 소성법을 통한 다공성 생물학적 세라마이트 여과재 제조에 관한 실험 연구를 수행하였다. 사용된 광미의 주요 화학 성분은 표 8-1에 나와 있다. 그 밖의 보조 재료로는 농염산, 용광로 슬래그, 비산재, 점토, 기공 형성재(톱밥 또는 발포 플라스틱), 결합제(변성 전분), 아크릴 수지 기반 백색 코팅제, 자일렌 용매 등이 포함되었다.

표 8-1 텅스텐 광미의 주요 화학 성분 (wt%)

그림 8‑1 생물학적 세라마이트 제조 공정 흐름도

텅스텐 광미로부터 생물학적 세라마이트를 제조하는 공정 흐름도는 그림 8-1에 나와 있다. 광미에 먼저 20% 염산 용액을 처리하여 다수의 기공을 형성시켰다. 그런 다음, 처리된 광미를 용광로 슬래그, 플라이애시, 점토와 일정 비율로 혼합하여 균일하게 교반하고, 소량의 기공 형성제 및 결합제를 첨가하였다. 이 혼합물을 과립기를 사용하여 구형의 세라마이트 생펠릿으로 성형하였다. 생펠릿을 120 °C의 전기 항온 건조로에 1시간 동안 넣은 후, 머플로(muffle furnace)로 옮겼다. 1시간 이내에 온도를 500 °C까지 서서히 올린 후, 해당 온도에서 10분간 유지한 뒤 800–1200 °C로 올려 30분간 소성했다. 소성 후, 제품을 꺼내어 실온에서 자연 냉각시켰다. 소성된 제품은 볼 밀에 넣고 자가 연마를 통해 연마했다. 그런 다음, 크실렌으로 희석한 아크릴 수지 기반 백색 코팅제를 스프레이 건을 사용하여 표면에 분사했다. 실온에서 건조한 후, 최종 생물학적 세라마이트 제품을 얻었다. 분사 공정 중 공기 압축기의 압력은 0.2–0.5 MPa로 유지되었으며, 스프레이 건의 분무 각도는 30°–50°였고, 노즐에서 세라마이트까지의 거리는 15–50 cm, 실온 건조 시간은 0.5–1.5 h, 코팅의 건막 두께는 20–30 μm로 설정되었다.

실험 결과에 따르면, 텅스텐 광미, 용광로 슬래그, 비산재 및 점토의 부피 비율이 4 : 1.5 : 1.5 : 1이고 소성 온도가 1100 °C일 때, 제조된 생물학적 세라마사이트는 입자 밀도 1.61 g/cm³, 겉부피 밀도 1.10 g/cm³, 비표면적 9.7 m²/g, 산 용해도 0.17%, 알칼리 용해도 0.33%, 원통 압축 강도 8.1 MPa를 나타냈다. 이 생물학적 세라마이트를 화학적 산소 요구량(COD₍Cr₎)이 817 mg/L인 실제 폐수 처리에 사용했을 때, 빠른 생물막 형성, 높은 미생물 부착률 및 용이한 역세척 특성을 나타냈다. COD₍Cr₎ 제거율은 20일 이내에 93% 이상에 도달했습니다.

철 광미로부터 생물학적 세라마이트 제조

탕산 대학의 장쉬에동(Zhang Xuedong) 외 연구진은 철광 찌꺼기를 주원료로 하고, 용광로 슬래그, 플라이애시, 석회석 및 혼합재와 같은 보조 재료를 첨가하여 생물학적 세라마이트 여과재의 제조에 관한 연구를 수행했다.

8.2.1 원자재

• 철 광미: 탕산(唐山)의 치안안(钱安)에 있는 철광산에서 채굴됩니다. 이 광물은 세라마이트의 주요 원료로, 강도를 높여주고 결합제 역할을 합니다.
• 용광로 슬래그: 석탄 연소 보일러의 폐잔류물에서 추출한 것으로, 부분적인 발열량을 제공할 뿐만 아니라 세라마사이트의 기공 형성제 역할도 합니다.
• 비산재: 탕산 발전소에서 공급받아 펠릿화 성능을 향상시킵니다.
• 석회암: 기공 형성제로 작용할 뿐만 아니라 소성 과정에서 세라마사이트의 강도를 높여줍니다.
• 혼합물: 주로 유기 물질로 구성되어 있으며, 기공 형성제이자 결합제 역할을 동시에 수행한다.

주요 원료의 화학 성분은 표 8-2에 나와 있다.

표 8‑2 세라마이트 원료의 주요 화학 성분 (wt%)

8.2.2 제조 공정

원료는 지정된 비율에 따라 정확하게 계량하여 시멘트 페이스트 믹서에 넣었다. 27% 수돗물을 첨가하고 균일하게 혼합하였다. 수작업으로 펠릿화하여 직경 3~5 mm의 생펠릿을 제조하였다. 펠릿은 자유수를 제거하기 위해 105±5 °C에서 3시간 동안 건조한 후, 고온 내열로에 넣었다. 사전 설정된 가열 일정에 따라 온도를 1100 °C까지 올린 후 30분 동안 소성했다. 소성 후, 세라마이트 제품을 실온까지 자연 냉각시켜 철 광미 생물학적 세라마이트를 얻었다.

폐수 처리 실험을 통해 최적의 원료 비율은 철 광미 86%, 용광로 슬래그 7%, 비산재 5%, 석회석 1%, 혼합재 1%로 결정되었다. 1100 °C의 소성 온도에서 제조된 세라마사이트는 표면이 거칠고, 입자 크기는 3–5 mm, 수분 흡수율은 14.01%, 기공률은 31.07%, 부피 밀도는 1.12 kg/m³, 겉밀도는 1.92 kg/m³이었다. 생활 하수의 탁도 제거율은 30시간 이내에 64.02%에 달했으며, COD₍Cr₎ 제거율은 79.48%에 이르러 상당한 효과를 나타냈다.

우한과학기술대학교의 왕더민(Wang Demin) 연구팀은 저규소 철광 미광을 주원료로 사용하여, 미광 첨가율이 최대 77%에 달하는 다공성 세람사이트를 제조하였다. 실험실 규모의 생물학적 폭기 여과기(BAF)를 이용하여, 제조된 세라마사이트가 모의 생활 하수에 미치는 처리 성능을 조사하였다. 그 결과, 이 세라마사이트는 표면이 거칠고 내부 기공이 풍부하며, 겉보기 밀도, 겉보기 다공도 및 평균 기공 직경이 각각 1.33 g/cm³, 54%, 19.80 μm인 것으로 나타났습니다. 중금속 침출 시험에서 얻은 침출수의 중금속 농도는 국가 지표수 수질 기준을 충족했다. 이 세라마이트를 여과재로 사용한 BAF는 모의 폐수 처리에서 우수한 성능을 보였으며, COD₍Cr₎, NH₄⁺‑N 및 TN의 제거율은 각각 84.26%, 84.01%, 25.87%에 달했습니다. 여과탑 내 세라마사이트에 부착된 미생물은 종이 다양했으며, 유입단에서 세라마사이트 단위 질량당 총 생물량 인은 371.63 nmol/g에 달했고, 이 중 90.79%는 표면에, 9.21%는 세라마사이트 내부에 분포되어 있었다.

8.3 납·아연 광미로부터 생물학적 세라마이트 제조

호하이 대학의 왕순차이(Wang Shuncai) 연구팀은 납-아연 선광 잔사물을 원료로 사용하고, 규산나트륨과 리그닌을 첨가제로 활용하여 고온 소성 공정을 통해 수처리용 세라마이트를 제조하였으며, 선광 폐수에 대한 이 물질의 흡착 성능에 대한 실험적 연구를 수행하였다.

실험에 사용된 광미는 난징 인마오 납·아연 광업 유한공사의 부유 광미였다. 광미의 주성분은 규산염이었으며, 일부 철(Fe), 망간(Mn), 알루미늄(Al) 산화물이 포함되어 있었고, 소각 손실률은 18.93%였다. 세라마이트의 제조 과정은 다음과 같다. 비커에 광미 30g을 계량하여 넣고, 일정 부피의 증류수를 첨가한 후 균일하게 혼합하였다. 혼합물을 디스크 펠릿화기를 사용하여 직경 5~10 mm의 작은 알갱이로 성형하였다. 펠릿은 105 °C의 전기 송풍 건조 오븐에서 2시간 동안 건조한 후, 고온 박스형 전기 용광로에 넣고 일정 온도에서 2시간 동안 소성했다. 그 후 용광로 전원을 끄고, 세라마사이트를 용광로 내에서 12시간 동안 식힌 뒤 꺼냈다.

실험 결과, 800 °C에서 소성된 전체 광미로 제조한 세라마사이트가 선광 폐수 내 COD₍Cr₎에 대해 우수한 흡착 성능을 나타내는 것으로 나타났다. 최적의 흡착 시간은 30분, 최적 온도는 실온, 최적 투여량은 2 g/100 mL, 최적 pH는 약 8이었다. COD₍Cr₎ 제거율과 흡착 용량은 각각 87.1%와 17.85 mg/g에 달했다. 광미의 박리를 줄이고 세라마사이트의 강도를 높이기 위해 결합제 첨가 실험도 수행되었다. 다양한 결합제가 흡착 성능에 미치는 영향을 테스트한 결과, 결합제로는 규산나트륨과 리그닌이 선정되었으며, 광미 30 g당 규산나트륨(2.5 g) + 리그닌(2.5 g)을 첨가하였다. 800 °C에서 2시간 동안 소성하여 제조한 수처리용 세라마이트는 물의 흐름에 의한 침식을 견딜 수 있는 충분한 강도를 보였으며, 흡착 용량은 22.84 mg/g에 달했다.