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문제 정의
- 그리고 이를 토양의 물리적 성질을 개선할 수 있는 개량제로 사용할 수 있는 지의 여부를 판단하기 위해 bulk density, 공극률, pH 등을 조사하고 수분 특성곡선을 작성하여 보수력을 검토하였다. 그리고 과립의 제조조건에 따른 상기 특성의 변화를 살펴보고 토양개 량제로 사용할 수 있는지의 여부를 살펴보았다.
- 따라서 본 연구에서는 ASTM D425-88 방법에 의해과립이 보유하는 수분특성을 측정하였다. 이 방법은 matric potential의 변화와 관계없이 작용할 수 있는 체적력(body force)인 원심력을 이용하여 측정하기 때문에 다공성 과립체 내부에 흡수된 수분이 방출되는 특성을 측정할 수 있다.
- 점토와 석탄폐석의 과립을 너무 높은 온도로 소성하면 과립이 용융되고 서로 융착되어 연속적인 과립의 흐름이 어려워진다. 따라서 본 연구에서는 로 내부의 온도측정기를 송풍기에 연결하여 로 내부의 온도가 1200C 이상이 되면 송풍을 멈추어서 연소속도를 늦추고 1200C 이하가 되면 다시 송풍하는 방법으로 로 내부의 온도를 조절하였다.
- , 2000). 본 연구는 이 방법을 석탄폐석에적용시켜서 제조한 과립의 특성과 그것이 토양의 물성을 개선하는 역할을 할 수 있는지의 여부를 판단하기 위한 연구이다.
- 본 연구는 이러한 자열소성법을 이용하여 토양개량이나 유실방지를 위한 점토의 과립체를 제조하고 이의 특성을 평가하여 토양개량제로 사용될 수 있는지의 여부를 검토하였다. 그리고 연소물질로는 국내에대량으로 적치되어 있는 석탄폐석을 사용하였다.
- 이상으로 석탄폐석을 사용하여 자열소성법에 의해제조한 과립의 특성과 토양개량제로의 가능성을 살펴보았다. 자열소성법은 다공성과립의 제조에 적절한방법으로서 별도의 가열에너지가 요구되지 않기 때문에 저비용으로 과립을 대량생산할 수 있는 기술이다.
- 토양개량방법의 하나로서 다공성 소성 과립체를 토양에 사용하는 방법을 적용하고자 하였다. 석탄 폐석을 토양개량제의 원료로 사용하면 자열소성방법에 의해 저비용으로 과립체를 생산할 수 있고, 더불어 국내에 대량으로 적치되어 있는 석탄폐석을 활용할 수 있는 방안도 될 것임을 착안하여, 석탄폐석을 분쇄, 과립하고 자열소성방법으로 소성하여 과립(pellet)을 제조한 후 이의 다공체로서의 특성과 수분보유특성, pH 등을 확인하였다.
제안 방법
- 석탄폐석의 연소 후에 잔류하는 회분을 분석하기위해서, HCR과 LCR을 전기로에서 815"C로 2시간 가열하여 회분을 제조하고 이 시료와 고령토의 조성을 XRF로 분석하였다. 두 석탄폐석의 고정탄소의 비율이 매우 달랐음에도 불구하고 Table 2에 표시한 회분의 조성은 비슷한 것으로 나타났다.
- 시료의 총 3가지 시료를 사용하였다. 각 시료를 상기 과립기에 30kg/h의 속도로 투입하면서 PVA(polyvinyl alcohol) 2g/L의 용액을 바인더로서 분사하였다. Pan의 경사는 40°로 고정하고 회전속도를 20rpm으로 하여 과립을 제작하였다.
- 과립체의 물성측정 석탄폐석을 자열소성시켜 제조한 과립과 비교하기 위해서 석탄폐석을 사용하지 않은 과립을 한가지 제조하였다. 즉, 고령토만을 사용하여 상기와 같은 조건에서 과립한 후 이를 전기로에서 1200C로 2시간 소성하였다.
- 과립체의 특성 HCR과 고령토를 1:4의 비율로 혼합한 HCR 20% 시료와 LCR 100% 시료를 각각 과립 한 후 4~6mm 크기의 과립만을 선별하여 자열소성하였다. 두 시료 모두 최대소성온도를 1200"C로 조절하여 자열소성하였으며 Fig.
- 그리고 이를 토양의 물리적 성질을 개선할 수 있는 개량제로 사용할 수 있는 지의 여부를 판단하기 위해 bulk density, 공극률, pH 등을 조사하고 수분 특성곡선을 작성하여 보수력을 검토하였다. 그리고 과립의 제조조건에 따른 상기 특성의 변화를 살펴보고 토양개 량제로 사용할 수 있는지의 여부를 살펴보았다.
- 따라서 본 연구는 국내에 다량으로 부존되어 있는 석탄 폐석과 저품위의 점토를 혼합하여 과립화하고 이를 자열소성법으로 소성하여 과립을 제조하였다. 그리고 이를 토양의 물리적 성질을 개선할 수 있는 개량제로 사용할 수 있는 지의 여부를 판단하기 위해 bulk density, 공극률, pH 등을 조사하고 수분 특성곡선을 작성하여 보수력을 검토하였다.
- 고품위폐석(HCR)은 저품위폐석 (LCR)에 비해 높은 휘발분, 고정탄소량을 가지며 이것은 연소물질이 많기 때문에 소량을 혼합해도 소성이 가능하다는 것을 의미한다. 따라서 본 연구에서는 HCR을 고령토에 20% 혼합하여 과립을 제조하고 이를 시험하였다.
- 본 연구에 사용된 시료가 보유하는 수분은 대부분 과립내부의 공극에 흡수된 수분으로 생각할 수 있기 때문에 과립을 수분으로 포화시키는 것이 중요하다. 따라서 측정하기 전에 시료와 용기를 함께 끓는 물에 넣고 30분간 끓인 후 원심력을 가해 수분보유량의 변화를 측정하였다.
- 고령토는 가소성이 높아 여러 광물과 혼합하여 과립하기 용이하며, 예비실험의 결과에서 여러 점토 광물들이 소성 후에 약알칼성을 나타내었으나 고령토만이 식물의 생장에 유리한 약 6~7사이의 pH값을 나타내었기 때문에 토양개량제의 원료로 적절하다고 판단하였다. 또한 과립의 내부구조의 영향을 평가하기 위해서 팽창성의 2:1형 점토가 아닌 1:1 의 고령토를 선택하였다.
- 연소는 상부로 전파되며 이 속도에 맞추어 과립의 투입량과 회수속도를 결정한다. 본 연구에서는 과립의 투입속도를 약 8~10kg/hour로하였으며 이에 맞춰 하부로부터 시료를 회수하였다.
- 공기의 공급량이 연소속도를 조절하는 주요 인자이며 이를 통해 로 내부의 온도도 조절된다. 본 연구에서는 배기 통로에 manometer를 장착하여 유량을 측정하였으며 밸브를 조절하여 항상 20$/h의 유량으로 공기가 공급되도록 조정하였다. 그리고 로 내부의 최고온도는 연소물질의 특성에 많이 좌우되는데 석탄 폐석의 과립을 연소시킬 경우에는 1300C 이상으로 소성하는 것이 가능하였다.
- 석탄 폐석을 토양개량제의 원료로 사용하면 자열소성방법에 의해 저비용으로 과립체를 생산할 수 있고, 더불어 국내에 대량으로 적치되어 있는 석탄폐석을 활용할 수 있는 방안도 될 것임을 착안하여, 석탄폐석을 분쇄, 과립하고 자열소성방법으로 소성하여 과립(pellet)을 제조한 후 이의 다공체로서의 특성과 수분보유특성, pH 등을 확인하였다.
- 양을 측정하였다. 시료와 회분의 성분은 SHIMADZU사 의 XRF(X-Ray Fluorescence Spectrometers: MXF-1700)로 분석하였으며, 광물학적조성은 Rigaku사의 XRD(X-Ray Diffractometer; RU-200)로, 그리고 입도는 SEISHIN사의 laser micron sizer(LMS-30)을 이용하여 측정하였다.
- 실질적인 공극률과 공극의 크기를 측정하기 위해 Hg intrusion실험을 실시하였다. Fig.
- 이러한 과립을 토양에 복토하거나 혼합하여 토양의 유효수분보유량을 증진시킬 수 있을 지파악하기 위해 상기 세가지 과립의 수분보유특성과 pH 등을 조사하고, 이를 Fig. 8과 Table 4에 나타내었다.
- 즉, 고령토만을 사용하여 상기와 같은 조건에서 과립한 후 이를 전기로에서 1200C로 2시간 소성하였다. 이와 같이 제조한 총 3가지 시료의 내부공극의 크기와 공극률, pH 등을 각각 측정하고 수분보유특성을 측정하였다.
- 그리고 전기에너지로 가열하여 로 내부의 온도가 850"C까지 올라가면 착화되었다고 보고 가열에너지공급을 멈춘다. 이후에는 과립을 투입하며 과립의 연소열만을 이용하여 연속적으로 과립을 소성하였다.
- 과립을 한가지 제조하였다. 즉, 고령토만을 사용하여 상기와 같은 조건에서 과립한 후 이를 전기로에서 1200C로 2시간 소성하였다. 이와 같이 제조한 총 3가지 시료의 내부공극의 크기와 공극률, pH 등을 각각 측정하고 수분보유특성을 측정하였다.
대상 데이터
- 여부를 검토하였다. 그리고 연소물질로는 국내에대량으로 적치되어 있는 석탄폐석을 사용하였다. 석탄폐석은 석탄광의 굴진과정에서 배출된 굴진폐석 (digging refuse)과 채굴된 석탄의 선탄과정에서 배출된 선탄폐석(coal-preparation refuse)으로 나뉘고, 일반적으로 석탄폐석(coal refuse)이라 함은 후자를 일컫는 경우가 많다.
- 것이다. 석탄의 정제과정에서 발생된 폐석을 쌓아둔 별도의 적치장에서 약 500kg의 시료를 무작위로 채취하였다. 시료는 크기가 5cm부터 50cm까지의 덩어리이며, 이를 육안으로 고, 저품위로 분류하고 각각 HCR, LCR이란 명칭을 붙였다.
- 석탄의 정제과정에서 발생된 폐석을 쌓아둔 별도의 적치장에서 약 500kg의 시료를 무작위로 채취하였다. 시료는 크기가 5cm부터 50cm까지의 덩어리이며, 이를 육안으로 고, 저품위로 분류하고 각각 HCR, LCR이란 명칭을 붙였다. 이를 각각 Jaw crusher와 pulverizer를 사용하여 100ym 이하의 크기로 분쇄하여 사용하였다.
- 시료로는 고품위의 폐석(HCR)과 고령토를 각각 1:4 무게비로 혼합한 시료(HCR 20%)와 저품위의 석탄 폐석(LCR)만을 사용한 시료, 그리고 고령토만을 사용한 시료의 총 3가지 시료를 사용하였다. 각 시료를 상기 과립기에 30kg/h의 속도로 투입하면서 PVA(polyvinyl alcohol) 2g/L의 용액을 바인더로서 분사하였다.
- 자열소성하여 제조한 시료와 비교하기 위해 고령토만으로 과립하고 전기로에서 1200C로 소성하여 과립을 제조하였다. Fig.
- 재료 본 연구에 사용한 석탄폐석은 화순탄광에서 채취한 것이다. 석탄의 정제과정에서 발생된 폐석을 쌓아둔 별도의 적치장에서 약 500kg의 시료를 무작위로 채취하였다.
- 점토로는 산청지방에서 산출된 저품위의 고령토를 사용하였다. 고령토는 가소성이 높아 여러 광물과 혼합하여 과립하기 용이하며, 예비실험의 결과에서 여러 점토 광물들이 소성 후에 약알칼성을 나타내었으나 고령토만이 식물의 생장에 유리한 약 6~7사이의 pH값을 나타내었기 때문에 토양개량제의 원료로 적절하다고 판단하였다.
- Pan의 경사는 40°로 고정하고 회전속도를 20rpm으로 하여 과립을 제작하였다. 제조된 과립은 체가름을 통해 크기가 4~6 mm인 과립만을 선별하여 사용하였다.
이론/모형
- 8. Water retention characteristic of pellets measured by the centrifugal method.
- 각 과립의 pH를 토양오염공정시험법에 따라 측정하였다. 석탄폐석을 혼합함으로써 Kaolin pellet에 비해 pH가 높아짐을 알 수 있다.
- 각 시료는 한국공업규격 [KS E 3705]에 따른 공업분석(proximate analysis)을 통해 수분, 휘발분, 회분, 고정탄소의 양을 측정하였다. 시료와 회분의 성분은 SHIMADZU사 의 XRF(X-Ray Fluorescence Spectrometers: MXF-1700)로 분석하였으며, 광물학적조성은 Rigaku사의 XRD(X-Ray Diffractometer; RU-200)로, 그리고 입도는 SEISHIN사의 laser micron sizer(LMS-30)을 이용하여 측정하였다.
- 측정하였다. 공극의 크기 분포는 mercury porosimeter(Micromeritics, Autopore IV 9500)를 이용하여 측정하였다.
- 시료의 pH는 토양오염즉정법에 따라 시료와 물을 1:5의 무게비율로 혼합한 후 한시간 후에 상등액의 pH를 측정하였다. 공극의 크기 분포는 mercury porosimeter(Micromeritics, Autopore IV 9500)를 이용하여 측정하였다.
- 토양의 수분보유특성은 ASTM D425-88 방법에 의해 측정하였다. 이 방법은 밑면이 다공판인 용기에 시료를 넣고 이를 원심분리기에 장착하여 회전시키며가해진 원심력에 따른 시료무게의 변화를 통해 수분방출량을 측정한다.
성능/효과
- 1 psi의 압력에서 수은이 침투되지 않은 공간을 과립의 부피로 간주하고 계산한 값으로서, 일반적으로 직경 약 400m이상의 공극과 공간까지 수은으로 채워지므로 그보다 작은 크기의 과립내부의 공극과 과립이 차지하는 부피를 이용하여 계산된다. 결과를 보면 석탄폐석을 혼합하여 연소시킴으로써 bulk density가 더 낮아졌음을 알 수 있다. LCR 시료를 100% 사용한 pellet의 bulk density가 HCR을 20% 혼합한 pellet 의 값보다 높은 것은 석탄폐석의 특징 때문이다.
- 1987; Nimmo, 1990). 결과에서 보이는 바와 같이 석탄폐석의 혼합과자열소성에 의해 포장용수량(field capacity)이 증가하였을 뿐만 아니라 유효수분(plant-available water)의양도 증가하였다. 특히 LCR pellet보다 HCR pellet이더욱 높은 증가율을 나타내었고, kaolin pellet에 비교하면 유효이용수분이 13.
- 고정탄소량이 약 28%인 시료 HCR을 고령토와 1:4 의 무게비(20%)로 혼합하여 제조한 과립과 고정탄소가 약 9.66%인 LCR시료만을 사용한 과립을 자열소성한 결과, 별도의 가열에너지의 공급 없이 최대온도 1200-C 이하에서 연속적인 소성이 가능하였다. 이렇게제조한 과립체를 고령토만 사용하여 제조한 일반 소성점토과립과 비교하였을 때 평균공극의 크기가 커졌음이 확인되었다.
- 이렇게 변화된 공극의 특성으로 인해 HCR과 LCR 과립의 내부에 흡수된 수분이 kaolin 과립에 비해 더 낮은 potential에서 방출되었고, 식물이더 이용하기 쉬운 상태로 수분이 보유됨을 확인하였다. 그리고 자열소성한 과립은 kaolin 과립에 비해 높은 포장용수량과 유효수분의 값을 나타내었다. 포장용수량은 HCR과 LCR 과립이 각각 47.
- 02%로서, 석탄폐석을 혼합하여 제조한 과립이 더 낮은 potential에서 수분을 방출한다는 것을 알 수 있으며 이것은 식물이 더 쉽게 수분을 이용할 수 있다는 것을 의미한다. 또한 위조점(-1.5MPa)에서의 수분 보유량을 보면 HCR과 LCR pellet이 더 낮은 값을 나타내었고 이는 보유수분중에서 식물이 이용할 수 있는 수분인 유효수분의 비율이 높다는 것을 의미한다. 이러한 특징은 상기에서 측정된 평균공극 크기와 관계된다고 볼 수 있는데, 공극의 크기가 큰 HCR과 LCR pellet이 더 낮은 capillary force로 수분을 보유하기 때문으로 생각할 수 있다.
- 이 Hg intrusion 실험을 통해 얻을 수 있는 정량적 데이터를 Table 3에 표시하였다. 상기의 그래프에서 본 바와 같이 평균 공극의 크기(median diameter)는 kaolin pellet이 2.58m로 가장 작으며 LCR pellet이 13.33m으로 가장 컸다. 입도가 가장 작은 고령토로 만든 과립이 가장 작은 공극분포를 가지고 있으며 석탄폐석의 함량이 늘어날수록 공극의 크기도 커졌다.
- 이렇게제조한 과립체를 고령토만 사용하여 제조한 일반 소성점토과립과 비교하였을 때 평균공극의 크기가 커졌음이 확인되었다. 이렇게 변화된 공극의 특성으로 인해 HCR과 LCR 과립의 내부에 흡수된 수분이 kaolin 과립에 비해 더 낮은 potential에서 방출되었고, 식물이더 이용하기 쉬운 상태로 수분이 보유됨을 확인하였다. 그리고 자열소성한 과립은 kaolin 과립에 비해 높은 포장용수량과 유효수분의 값을 나타내었다.
- 66%인 LCR시료만을 사용한 과립을 자열소성한 결과, 별도의 가열에너지의 공급 없이 최대온도 1200-C 이하에서 연속적인 소성이 가능하였다. 이렇게제조한 과립체를 고령토만 사용하여 제조한 일반 소성점토과립과 비교하였을 때 평균공극의 크기가 커졌음이 확인되었다. 이렇게 변화된 공극의 특성으로 인해 HCR과 LCR 과립의 내부에 흡수된 수분이 kaolin 과립에 비해 더 낮은 potential에서 방출되었고, 식물이더 이용하기 쉬운 상태로 수분이 보유됨을 확인하였다.
- 33m으로 가장 컸다. 입도가 가장 작은 고령토로 만든 과립이 가장 작은 공극분포를 가지고 있으며 석탄폐석의 함량이 늘어날수록 공극의 크기도 커졌다.
- 49mL/100g으로 나타났다. 자열소성한 과립의 pH는 6~8로서 토양에 활용이 가능함을 확인하였다.
- 결과에서 보이는 바와 같이 석탄폐석의 혼합과자열소성에 의해 포장용수량(field capacity)이 증가하였을 뿐만 아니라 유효수분(plant-available water)의양도 증가하였다. 특히 LCR pellet보다 HCR pellet이더욱 높은 증가율을 나타내었고, kaolin pellet에 비교하면 유효이용수분이 13.69mL/100g 증가하였다.
- 그리고 자열소성한 과립은 kaolin 과립에 비해 높은 포장용수량과 유효수분의 값을 나타내었다. 포장용수량은 HCR과 LCR 과립이 각각 47.64, 38.43 mL/100g값을 나타내었고, 유효수분의 양은 각각 38.39 과 28.49mL/100g으로 나타났다. 자열소성한 과립의 pH는 6~8로서 토양에 활용이 가능함을 확인하였다.
- 것을 알 수 있다. 포장용수량중 -0.5MPa 이내에서 방출되는 비율을 보면 kaolin pellete 42.75%인 것에 비해 HCR과 LCRe 각각 66.71%와 63.02%로서, 석탄폐석을 혼합하여 제조한 과립이 더 낮은 potential에서 수분을 방출한다는 것을 알 수 있으며 이것은 식물이 더 쉽게 수분을 이용할 수 있다는 것을 의미한다. 또한 위조점(-1.
- 3은 실험에 사용된 석탄 폐석과 고령토 시료의 입도를 측정한 결과이다. 품위별로 나누고 분쇄하여 제조한 고품위와 저품위의 석탄폐석은 약100μm 이하의 크기로서 각각 15.12μm, 14.88㎛의 평균 입도를 가지고 있었으며, 고령토는 약 501 이하의 크기와 8.971의 평균입도를 가지는 것으로 나타났다.
후속연구
- 석탄폐석을 혼합함으로써 Kaolin pellet에 비해 pH가 높아짐을 알 수 있다. 그러나 pH의 변화가 크지 않고 모두 8이하의 값을 가지고 있으므로 사용하고자 하는 토양의 특성에 맞춰 적용할 수 있을 것으로 예상된다.
- 그리고 연소에 의해 생성된 공극은 과립의 공극률을 높여줄 수 있고 이것은과립의 보수력을 높여줄 수 있을 것이다. 그러므로 석탄폐석을 혼합하여 제조한 과립을 자열소성법에 의해소성하고 이를 토양개량용으로 사용할 수 있다면 많은 양이 적치되어 있는 석탄폐석을 활용할 수 있는방법임과 동시에 저비용으로 토양개량제를 생산할 수있는 방법이 될 것이다.
- 자열소성법은 다공성과립의 제조에 적절한방법으로서 별도의 가열에너지가 요구되지 않기 때문에 저비용으로 과립을 대량생산할 수 있는 기술이다. 현재 국내에 다량 적치되어 있는 석탄폐석을 상기의방법을 통해 과립으로 제조하고 이를 토양에 활용한다면 토양환경개선에 많은 기여를 할 수 있을 것으로기대된다.
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