전기로 더스트, 석탄회, 석분 등 폐기물을 재활용한 소성벽돌의 미세구조 및 조성분포를 SEM과 EBS로 분석하였다. 소성벽돌 시편 중 일부에서 갈색 매트릭스 위에 노란색 영역이 발견되었고 내부에는 갈색 영역 외에 흑색 black-core 영역이 존재하였다. 표면의 노란색 영역은 Zn이 주성분이었으며 흑색 black-core 영역은 매트릭스와 조성차이는 보이지 않았다. 소성벽돌 시편의 전 부분에 걸쳐 1$\mu\textrm{m}$ 크기의 mullite 결정상이 분포하고 있었으며 유리질에 의해 둘러싸여져 있었다. 이는 고령토와 석탄회 내의 alumino-silicate 화합물이 소성과정에서 meta-kaolinite를 거쳐 mullite로 전이된 것으로 사료된다. 시편 외부는 산화분위기가 조성되나 내부는 석탄회 및 더스트에 함유되어 있는 미연탄소분에 의해 환원분위기가 조성 되면서 발생한 가스에 의해 발포되어 흑색 black-core 영역에서는 수십 fm 크기의 구형 기공이 발견되었다. 벽돌 내부는 Al과 Si가 주성분이었고 소량의 Fe, K, Ca, Na를 포함하고 있었다 특히 Fe는 비정질상 표면에 원판형 Fe-rich 결정상으로 석출되어 존재하고 있었다. 시편 내부에서는 상대적으로 적은 양의 Zn이 발견되었고 외부에서는 내부에 있던 Zn이 환원되면서 표면으로 확산되어 Zn-rich 결정상을 표면에 형성하여 노란색 표피층을 형성하였다.
전기로 더스트, 석탄회, 석분 등 폐기물을 재활용한 소성벽돌의 미세구조 및 조성분포를 SEM과 EBS로 분석하였다. 소성벽돌 시편 중 일부에서 갈색 매트릭스 위에 노란색 영역이 발견되었고 내부에는 갈색 영역 외에 흑색 black-core 영역이 존재하였다. 표면의 노란색 영역은 Zn이 주성분이었으며 흑색 black-core 영역은 매트릭스와 조성차이는 보이지 않았다. 소성벽돌 시편의 전 부분에 걸쳐 1$\mu\textrm{m}$ 크기의 mullite 결정상이 분포하고 있었으며 유리질에 의해 둘러싸여져 있었다. 이는 고령토와 석탄회 내의 alumino-silicate 화합물이 소성과정에서 meta-kaolinite를 거쳐 mullite로 전이된 것으로 사료된다. 시편 외부는 산화분위기가 조성되나 내부는 석탄회 및 더스트에 함유되어 있는 미연탄소분에 의해 환원분위기가 조성 되면서 발생한 가스에 의해 발포되어 흑색 black-core 영역에서는 수십 fm 크기의 구형 기공이 발견되었다. 벽돌 내부는 Al과 Si가 주성분이었고 소량의 Fe, K, Ca, Na를 포함하고 있었다 특히 Fe는 비정질상 표면에 원판형 Fe-rich 결정상으로 석출되어 존재하고 있었다. 시편 내부에서는 상대적으로 적은 양의 Zn이 발견되었고 외부에서는 내부에 있던 Zn이 환원되면서 표면으로 확산되어 Zn-rich 결정상을 표면에 형성하여 노란색 표피층을 형성하였다.
Microstructure and chemical analysis of sintered bricks containing recycled wastes were investigated by SEM and EDS. The recycled wastes for which substitute ceramic raw materials were EAF (electric arc furnace) dust, fly ash and stone ash. Yellowish and brownish regions on the surface and brownish ...
Microstructure and chemical analysis of sintered bricks containing recycled wastes were investigated by SEM and EDS. The recycled wastes for which substitute ceramic raw materials were EAF (electric arc furnace) dust, fly ash and stone ash. Yellowish and brownish regions on the surface and brownish and blackish regions in the inside of bricks were observed. Main component of yellowish region on the surface turned out to be Zn. No chemical difference between the black-core region and brownish matrix. Mullite crystallites of 1 fm size were distributed in the inside of bricks and enclosed by glass phases. It seems that alumine-silicate mixtures of kaolin and fly ash were transformed to mullite crystallites during the sintering. Relatively large pores ot several ten fm size were observed in the black-core region in the inside of bricks. The main components of the inside of brick were Al and Si. The minor components were C, Na, Mg, K, Ca, and Fe. Particularly, the precipitates of Fe-rich crystallites were observed in the amorphous matrix. These precipitates were formed due to the local reduction atmosphere in the inside of bricks. Zn-rich covers were found on the surface of bricks because Zn diffused from the inside of bricks to the surface under the reduction atmosphere.
Microstructure and chemical analysis of sintered bricks containing recycled wastes were investigated by SEM and EDS. The recycled wastes for which substitute ceramic raw materials were EAF (electric arc furnace) dust, fly ash and stone ash. Yellowish and brownish regions on the surface and brownish and blackish regions in the inside of bricks were observed. Main component of yellowish region on the surface turned out to be Zn. No chemical difference between the black-core region and brownish matrix. Mullite crystallites of 1 fm size were distributed in the inside of bricks and enclosed by glass phases. It seems that alumine-silicate mixtures of kaolin and fly ash were transformed to mullite crystallites during the sintering. Relatively large pores ot several ten fm size were observed in the black-core region in the inside of bricks. The main components of the inside of brick were Al and Si. The minor components were C, Na, Mg, K, Ca, and Fe. Particularly, the precipitates of Fe-rich crystallites were observed in the amorphous matrix. These precipitates were formed due to the local reduction atmosphere in the inside of bricks. Zn-rich covers were found on the surface of bricks because Zn diffused from the inside of bricks to the surface under the reduction atmosphere.
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문제 정의
본 연구에서는 지정폐기물인 전기로 더스트와 석탄회, 석분 등의 무기계 폐기물을 점토벽돌의 원료인 고령토와 혼합하여 소결한 소성벽돌의 미세구조를 관찰하고 조성분포를 분석하였다.
가설 설정
3. Fractographies of bricks : Two different typical microstructures were observed, (a) and (b) micro-crystallites were embeded in the amorphous phases, (c) small pores were homogeneously distributed in the brownish area inside of bricks, (d) relatively large pores were observed in the black core region inside of bricks.
제안 방법
모든 원료는 XRF(X-ray Fluorescence Spectrometer; Philips PW2400)로 화학조성분석을 하였고, XRD(X-ray diffractometer; Philips PW 1840)5. Ni 필터가 부착된 Cu-ka선을 이용하여 30 kV, 30 mA의 조건에서 광물 상을 분석하였다.
석분은 4 mm 이하로 체가름 하였고 그 외의 원료는 별도의 전처리 과정을 거치지 않았다. 모든 원료는 XRF(X-ray Fluorescence Spectrometer; Philips PW2400)로 화학조성분석을 하였고, XRD(X-ray diffractometer; Philips PW 1840)5. Ni 필터가 부착된 Cu-ka선을 이용하여 30 kV, 30 mA의 조건에서 광물 상을 분석하였다.
원료들은 더스트 10 : 석탄회 30 : 석분 20 : 고령토 40의 비율로 습식 혼합 후 필터프레스로 여과하여 고형물을 분리하였고 토련기를 이용한 사출성형후 건조기에서 100℃로 일주일간 건조하였다. 건조된 벽돌은 전기로에서 23시간 동안 1150℃까지 승온 후 1시간 유지하여 소결하였다.
유해 중금속을 다량 함유한 무기계 폐기물을 원료로 한 소성벽돌의 미세구조 및 조성분포를 알아보기 위해 전기로 더스트, 석탄회, 석분과 고령토를 원료로 하여 소성 벽돌을 제작한 후 SEM 및 EDS로 분석한 결과는 다음과 같다.
건조된 벽돌은 전기로에서 23시간 동안 1150℃까지 승온 후 1시간 유지하여 소결하였다. 제작된 소성벽돌은 FESEM(Field Emission Scanning Electron Microscope; JEOL JSM-6500F)을 이용하여 벽돌 표면과 내부의 미세구조를 분석하였고 EDS(Energy Dispersive X-ray Spectrometer; OXFORD 7557)로 정성 및 정량 분석을 수행하였다.
이는 고령토와 석탄회 내의 alumino-silicate 화합물이 600℃ 부근에서 결정수가 분해되어 준안정상인 meta-kaolinite로 전이되며, metakaolinite가 약 1000시 200℃의 온도로 가열되면서 mullite로 전이된 것으로 사료된다[6]. 흑색 black-core 영역의 기공부위를 확대한 미세구조 사진(Fig. 5)에서는 유리질 표면에 원판형의 결정상이 석출된 것이 관찰되어 EDS로 비정질 매트릭스와 비교하여보았다. 비정질 표면은 A1과 Si를 주성분으로 하고 Na와 K를 소량 함유한 전형적인 비정질상이었으나 원형의 결정상은 Fe가 26.
대상 데이터
실험에 사용된 원료는 지정 폐기물인 전기로 더스트와 일반 폐기물인 석탄회 및 석분과 점토벽돌의 일반적 원료인 고령토이다. 석분은 4 mm 이하로 체가름 하였고 그 외의 원료는 별도의 전처리 과정을 거치지 않았다.
성능/효과
1) 일부 소성벽돌 시편은 갈색 매트릭스 위에 노란색 영역이 관찰되었고 내부에는 갈색 영역 외에 흑색 blackcore 영역이 존재하였다. 표면의 노란색 영역은 주성분이 Zn으로 구성되어 있었으며 흑색 black-core 영역은 매트릭스와 조성차이를 보이지 않았다.
2) 소성벽돌 시편의 전 부분에 걸쳐 1 |im 정도 크기의 mullite 결정상이 분포되어 있으며 유리상에 의해 둘러싸여져 있었다. 소결시 벽돌 시편 외부는 산화분위기가 조성되나 내부는 석탄회 및 더스트에 함유되어있는 미연 탄소분에 의해 Fe, O37} 환원되어 시편 내부에 흑색 black-core 영역이 생기며, 또한 환원반응시 발생한 가스에 의해 발포되어 흑색 영역에서는 수십 |im 크기의 구형 기공이 발견되어진다.
3) 벽돌 내부는 A1과 Si가 주성분이었고 소량의 Fe, K, Ca, Na를 포함하고 있었다. 특히 Fe는 일부 시편 내부에서 비정질상 표면에 원판형 Fe-rich 결정상으로 석출되어 존재하고 있었다.
4) 일부 소성벽돌 시편 내부에서는 상대적으로 적은 양의 Zn이 내포되었고 외부 표피에서 Zn이 주성분인 노란색 표피층이 형성됨을 알 수 있었다. 이 노란색 표피층은 내부에 있던 Zn이 환원분위기하에서 환원되면서 표면으로 확산되어 Zn-rich 결정상이 표면에 형성된 것으로 사료된다.
석분의 경우에는 Si。?가 주성분을 이루고 있었다. XRD 분석 결과(Fig. 1), 고령토는 quartz, albite와 kaolinite, 전기로 더스트는 zincite와 maghemite, 석탄회는 quartz와 mullite, 석분은 quartz와 albite가 주광물상이었다.
하지만 미세구조를 살펴보면 소지의 치밀화나 기공분포 등은 서로 다른 양상을 보였다. 갈색 영역은 비교적 치밀한 구조를 보이고 매우 작은 크기의 기공들만 관찰되었으며 Fig. 4에서와 같이 비정질상 내부에 수 μm 크기의 mullite 결정싱■이 형성되어 있음을 확인했다. 이 결정상의 형상은 침상으로 EDS 조성 분석과 연계하여보면 mullite 결정상이 성장한 것임을 알 수 있었다.
3(c) and (d)]. 갈색 영역은 흑색 영역보다 더 치밀하고 기공크기도 작았으나 흑색 black-core 영역은 형성된 유리질 내에 수십 |im 크기의 기공들을 포함하고 있는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 흑색 영역이 생기는 이유는 산소 접촉 여부에 따라 내부는 환원분위기로, 외부는 산화분위기가 되면서 내부에서는 전기로 더스트 및 석탄회가 함유하고 있는 미연 탄소에 의해 FeQ, 가 환원됨으로써 흑색 영역이 생기고 이로 인해 발생한 가스가 black-core 영역에 많은 기공을 형성시키는 것으로 사료된다[4, 5].
소성벽돌 내부는 갈색과 흑색 black-core로 영역이 구분되어 있으나 EDS 분석결과 전체적으로는 구성 성분상의 차이가 없는 것으로 나타났으며, 갈색과 흑색 blackcore 부분 모두 A1과 Si를 주성분으로 하고 Fe, Na Mg, K, CL 소량 함유하고 있었다. 하지만 미세구조를 살펴보면 소지의 치밀화나 기공분포 등은 서로 다른 양상을 보였다.
26 at%였으며 소량의 Na, C, O 를 함유하고 있었다. 시편 내부에서는 Zn 성분이 거의 존재하지 않았으며 표면에 다량의 Zn이 존재하는 것으로 보아 Zn이 환원되면서 시편 외부로 확산/농축되었음을 알 수 있었다. Zn의 환원 및 외부확산에 의한 석출을 억제하고 내부에 발포된 흑색 black-core 영역을 없애기 위해서는 원료준비 단계에서 미리 미연탄소를 제거하거나 소성 스케줄을 조절하여 소결과정 초기에 미연 탄소를 제거하고 벽돌 원료의 입도를 조절하여 비표면적을 크게 하여 소지 내부의 Pc。를 줄여 환원분위기가 억제되도록 하거나, 산소의 충분한 공급을 통하여 로내 분위기를 항상 산화분위기로 유지하는 것이 바람직하다.
2). 표면에서 갈색과 노란색 인부분, 내부에서 갈색과 흑색인 부분을 각각 채취하여 SEM 및 EDS로 분석한 결과, 표면과 내부 모두에서 비정질 상 내에 아주 작은 결정상들이 분포되어 있는 부분이 관찰되었으며 또한 부분적으로 무수히 많은 기공들이 분포하는 부위도 관찰되었다(Fig. 3). 이들 결정상은 소결 과정에서 공융반응에 의해 형성된 액상에 금속산화물 성분이 용해되어 일부는 망목수식제 또는 중간제로 유리구조에 포획되며, 계속되는 냉각과정에서 일부가 재석출 또는 결정성장된 것으로 추정된다.
후속연구
이러한 흑색 영역이 생기는 이유는 산소 접촉 여부에 따라 내부는 환원분위기로, 외부는 산화분위기가 되면서 내부에서는 전기로 더스트 및 석탄회가 함유하고 있는 미연 탄소에 의해 FeQ, 가 환원됨으로써 흑색 영역이 생기고 이로 인해 발생한 가스가 black-core 영역에 많은 기공을 형성시키는 것으로 사료된다[4, 5]. 따라서 벽돌 소지 내부에 발포를 억제하고 흑색의 black-core 영역을 제거하기 위해서는 폐기물 원료를 전처리하거나 소성 조건을 조절함으로써 미연탄소분을 제거함과 동시에 입도 조절을 통하여 소지 내부에 환원분위기가 잡히지 않도록 하여야 할 것으로 사료된다.
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