본 연구에서는 하수슬러지 소각재를 원료로 사용한 다공성 경량재료의 제조 및 물성측정 실험을 수행하였다. 경량충진재로써 perlite와 silica sphere의 2종류 경량물질을 각각 사용하였으며, 무기바인더로써 벤토나이트를 첨가하여 $1,000^{\circ}C$에서 소성하는 방법으로 경량재료를 제조하였다. 제조한 시편은 밀도, 압축강도, 열전도도 및 흡음율을 측정하여 원료 조성 및 제조 조건에 따른 각각의 물성변화를 조사하였다. 실험결과 perlite를 경량충진재로 사용한 시편의 밀도는 $1.23{\sim}1.37g/cm^3$, 압축강도는 $242.3{\sim}370.5kg/cm^2$로 나타났으며, silica sphere를 사용한 경우는 perlite에 비해 밀도가 낮고 압축강도가 $100kg/cm^2$ 이하인 것으로 나타났다. 또한, 경량재료의 열전도도는 원료 조성에 따라 $0.3{\sim}0.5W/m^{\circ}K$의 수치를 보여 일반 콘크리트보다 단열효과가 매우 우수한 것으로 나타났다.
본 연구에서는 하수슬러지 소각재를 원료로 사용한 다공성 경량재료의 제조 및 물성측정 실험을 수행하였다. 경량충진재로써 perlite와 silica sphere의 2종류 경량물질을 각각 사용하였으며, 무기바인더로써 벤토나이트를 첨가하여 $1,000^{\circ}C$에서 소성하는 방법으로 경량재료를 제조하였다. 제조한 시편은 밀도, 압축강도, 열전도도 및 흡음율을 측정하여 원료 조성 및 제조 조건에 따른 각각의 물성변화를 조사하였다. 실험결과 perlite를 경량충진재로 사용한 시편의 밀도는 $1.23{\sim}1.37g/cm^3$, 압축강도는 $242.3{\sim}370.5kg/cm^2$로 나타났으며, silica sphere를 사용한 경우는 perlite에 비해 밀도가 낮고 압축강도가 $100kg/cm^2$ 이하인 것으로 나타났다. 또한, 경량재료의 열전도도는 원료 조성에 따라 $0.3{\sim}0.5W/m^{\circ}K$의 수치를 보여 일반 콘크리트보다 단열효과가 매우 우수한 것으로 나타났다.
The preparation of porous lightweight materials as well as the measurement of physical properties has been performed by using SSA(sewage sludge ash) as the raw material. For this aim, two types of lightweight filler, that is, perlite and silica sphere were employed respectively and bentonite was als...
The preparation of porous lightweight materials as well as the measurement of physical properties has been performed by using SSA(sewage sludge ash) as the raw material. For this aim, two types of lightweight filler, that is, perlite and silica sphere were employed respectively and bentonite was also used as an inorganic binder. The properties of lightweight specimen calcined at 1,000 were measured in terms of density, compressive strength, thermal conductivity and sound absorption to examine the effect of material composition as well as the preparation condition on the properties of lightweight material. As a result, the density of specimen prepared with perlite was ranged from 1.23 to $1.37g/cm^3$ and the compressive strength was ranged from 242.3 to $370.5kg/cm^2$. In case of specimen prepared with silica sphere, it was found that the compressive strength was less than $100kg/cm^2$ even though density was lower than that of specimen with perlite. As far as the thermal conductivity of specimen was concerned, it was ranged from 0.3 to $0.5W/m^{\circ}K$ depending on material composition so that the insulation effect was superior to conventional concrete.
The preparation of porous lightweight materials as well as the measurement of physical properties has been performed by using SSA(sewage sludge ash) as the raw material. For this aim, two types of lightweight filler, that is, perlite and silica sphere were employed respectively and bentonite was also used as an inorganic binder. The properties of lightweight specimen calcined at 1,000 were measured in terms of density, compressive strength, thermal conductivity and sound absorption to examine the effect of material composition as well as the preparation condition on the properties of lightweight material. As a result, the density of specimen prepared with perlite was ranged from 1.23 to $1.37g/cm^3$ and the compressive strength was ranged from 242.3 to $370.5kg/cm^2$. In case of specimen prepared with silica sphere, it was found that the compressive strength was less than $100kg/cm^2$ even though density was lower than that of specimen with perlite. As far as the thermal conductivity of specimen was concerned, it was ranged from 0.3 to $0.5W/m^{\circ}K$ depending on material composition so that the insulation effect was superior to conventional concrete.
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문제 정의
본 연구에서는 국내 하수슬러지 소각재의 재활용 방안으로써 다공성 경량재료로의 제조 및 이의 밀도, 압축강도, 열전도도 및 흡음율 특성을 조사하여, 향후 급증할 것으로 예상되는 하수슬러지 소각재의 효과적 재활용 방안을 제시하고자 하였다.
주원료인 하수슬러지 소각재와 함께 본 연구에서는 경량재료의 밀도를 낮추기 위한 목적으로 다공성의 경량충진재(lightweight filler)를 사용하였다. 본 실험에서 사용한 경량충진제로는 국내 S사에서 공급받은 perlite 계(상품명: GP-1)와 silica sphere계(상품명: SMF-100) 의 두 가지 원료를 사용하였으며, Table 2 및 Fig.
제안 방법
, Mode] TC-30)와 흡음율을 측정하여 원료조성별 및 제조조건에 따른 영향을 조사하였다. 열전도도 측정 방법은 Fig. 2에 나타낸 모식도와 같이 일정 규격으로 제조한 시편을 센서위에 올려놓고 600 g의 무게를 시편위에 덮은 다음 아래쪽에서 가열하여 시편의 열전도도를 측정하였다. 측정 온도는 29.
직경 30mm, 길이 20~25mm의 pellet으로 성형한 경량재료는 105℃에서 건조한 다음 1,000℃에서 고온 소성처리하였다. 한편, 본 실험에서 제조한 경량재료의 물성은 우선 시편비중과 압축강도를 측정하고, 이와 함께 열전도도(Mathis Instrument Co., Mode] TC-30)와 흡음율을 측정하여 원료조성별 및 제조조건에 따른 영향을 조사하였다. 열전도도 측정 방법은 Fig.
대상 데이터
Fig. 4는 경량재료 시편의 흡음율 측정을 위하여 본 실험에서 제조한 직경 100원판형 시편으로써, 동일한 모양으로 직경 29 mm의 소형 시편과 함께 3번의 평균값을 측정하기 위해 각각 3개씩 제조하였다. 측정환경은 실온 20℃, 상대습도 47% 이하, 대기압 101.
1. SEM photographs of lightweight filler used in the study.
본 실험에서 경량재료 제조를 목적으로 사용한 하수슬러지 소각재는 국내 A 하수슬러지 소각장에서 발생하는 바닥재 및 비산재이다. A 소각장의 소각방식은 유동상 방식 (fluidized bed type)의 소각로로써 바닥재와 비산 재의 발생비율이 5:95로 일반 생활폐기물의 경우와는 다른 것이 특징이며, 특히 산성 배기가스 중화를 위해 일반적으로 사용하는 skiked lime 대신 가성소다와 활성탄을 사용하고 있다.
용액으로 반죽 및 성형하였다. 본 실험에서 사용한 경량충진재는 앞에서 설명한 GP-1 과 SMF-10Q의 두 가지 원료를 사용하였으며, 벤토나이트는 미국 Wyoming산 Na-bentonite를 사용하였다. 직경 30mm, 길이 20~25mm의 pellet으로 성형한 경량재료는 105℃에서 건조한 다음 1,000℃에서 고온 소성처리하였다.
filler)를 사용하였다. 본 실험에서 사용한 경량충진제로는 국내 S사에서 공급받은 perlite 계(상품명: GP-1)와 silica sphere계(상품명: SMF-100) 의 두 가지 원료를 사용하였으며, Table 2 및 Fig. 1 은 경량충진재인 GP과 SMF.UX)에 대한 기본물성과 SEM 사진을 나타낸 것이다.
하수슬러지 소각재를 원료로 사용한 경량재료 제조실험은 주원료인 하수슬러지 소각재에 경량충진재와 무기 바인더 인 벤토나이트를 혼합하고 3% CMC (carboxymethylcellulose) 용액으로 반죽 및 성형하였다. 본 실험에서 사용한 경량충진재는 앞에서 설명한 GP-1 과 SMF-10Q의 두 가지 원료를 사용하였으며, 벤토나이트는 미국 Wyoming산 Na-bentonite를 사용하였다.
이론/모형
8P에서 5번 측정하여 평균값을 산출하였다. 시편의흡음율 측정은 KS F 2814®:2002에 의거 음향관 법으로 측정하였으며, Table 3은 이의 측정에 사용한 장비를 나타낸 것이다.
성능/효과
(1) 경량충진제로써 perlite계인 GP-1 을 사용하고 l, 000℃ 소성을 통하여 제조한 경량재료의 밀도 및 압축강도를 측정한 결과 비산재 30-70 wt% 범위에서 밀도는 1.23~L37 g/cm% 압축강도는 242.3~370.5kg/cm2 의 값을 보이는 것으로 나타났다. 또한, 동일한 제조 조건하에서 silica sphere계인 SMF<100을 사용한 경우에 있어서 밀도는 0.
(2) 유리분말을 첨가제로 사용하여 경량재료를 제조한 경우 800℃ 소성시 30% 이상의 강도 증진효괴를보였으며, i, o(xrc 소성시에는 첨가량에 따라서 60% 내외의 강도 증진효과가 있었다. 그러나, 600℃ 소성 시에는 유리분말에 의한 강도 증진효과가 거의 없는 것으로 나타났다.
(3) 경량재료의 열전도도 측정결과 경량충진재 첨가량이 증가할수록 열전도도는 낮아지며, 동일한 원료 조성일 경우 고온소성 하게 되면 열전도도가 다소 상승하는 것으로 나타났다. 본 연구의 다공성 경량재료에 대한 열전도도는 0.
(4) 경량재료 시편의 흡음율 측정결과 주파수 8아lz부터 흡음율은 서서히 증가하여 500Hz에서 32% 흡음율을 보인 후, 다시 감소하다가 2, 00아Iz에서 최대 흡음율 63%를 나타냈다. 또한, 본 실험에서 제조한 경량재료의 흡음율 특성을 석고보드, 유리, 스티로폼, EVA, 스폰지의 경우와 비교하였을 때 500Hz이하의 저주파수대에서는 유리나 석고보드에 비해서 흡음율이 낮으나, 2, (XX)Hz에서의 최대 흡음율은.
Fig. 5는 본 연구에서 제조한 경량재료의 흡음율 특성을 흡음재로 많이 쓰이는 석고보드, 우-리, 스티로폼, EVA, 스폰지의 경우와 비교한 것으로써, 500Hz 이하의 저주파수대에서는 유리나 석고보드에 비해서 흡음율이 낮으나 2,000Hz에서의 최대 흡음율은 다른 재료에 비해 우수한 것을 알 수 있다. 일반적으로 흡음율은 재료의 공극율에 따라서 크게 영향을 받기 때문에 경량충진재인 SMF-100 첨가량을 증가시키면 흡음계수는 향상 될 것으로 보이며, 강도가 크게 중요하지 않은 흡음재 혹은 차음재로의 용도를 목적으로 하는 경우 원료 혼합비율을 제어함으로써 최대 흡음율을 높이는 것이 가능할 것으로 생각된다.
또한, 본 실험에서 제조한 경량재료의 흡음율 특성을 석고보드, 유리, 스티로폼, EVA, 스폰지의 경우와 비교하였을 때 500Hz이하의 저주파수대에서는 유리나 석고보드에 비해서 흡음율이 낮으나, 2, (XX)Hz에서의 최대 흡음율은. 다른 재료에 비해 우수한 흡음 특성을 보이는 것으로 나타났다.
Perlite계인 GP-1 을 경량충진재로 사용하였을 때의 특징은 고온소성할 경우 시편이 크게 수축한다는 점으로서, 이것은 GP-1의 입자가 층간 팽창 구조로 되어 있어 하수슬러지 소각재 및 벤토나이트와 혼합하여 소성하게 되면 입자끼리 단단히 뭉치면서 초기에 가지고 있던 공극이 크게 줄어들기 때문인 것으로 사료된다. 따라서, 소성후 시편 밀도는 성형 시 밀도에 비해 크게 증가하는 반면 상대적으로 압축강도는 급격히 증가하는 현상이 나타나게 된다. 본 실험 결과에서도 경량재료의 밀도는 하수슬러지 소각재첨가율 30~70wt%에서 1.
63%를 나타냈다. 또한, 본 실험에서 제조한 경량재료의 흡음율 특성을 석고보드, 유리, 스티로폼, EVA, 스폰지의 경우와 비교하였을 때 500Hz이하의 저주파수대에서는 유리나 석고보드에 비해서 흡음율이 낮으나, 2, (XX)Hz에서의 최대 흡음율은. 다른 재료에 비해 우수한 흡음 특성을 보이는 것으로 나타났다.
표에서 보는 것처럼 경량충진재인 SMF-100 첨가량이 증가할수록 열전도도는 낮아지고 있으며, 동일한 원료 조성일 경우 고온소성 하게 되면 열전도도는 다소 상승하는 것을 알 수 있다. 또한, 본 실험의 다공성 경량재료에 대한 열전도도는 대략 0.3-0.5 W/m°K 범위인 것으로 확인되었다. 이와 같이 경량충진재 첨가량이 증가할수록 열전도도 값이 낮아지는 것은 시편 내부에 공극이 많이 형성되어 열전도를 저해하기 때문이며, 또한 고온소성하는 경우 시편 수축으로 인하여 내부 공극이 상대적으로 작아져 열전도도가 증가하는 것으로 판단된다.
06g/cif와 같이 일정한 추세를 보이며 변함을 알 수 있다. 또한, 압축강도의 경우에 있어서도 히수슬러지 소각재 첨가율이 증가할수록 증가하나 대체로 lOOkg/cm2 이하의 값을 보여 GP-1 을 사용한 경우보다는 낮은 것을 알 수 있다.
따라서, 소성후 시편 밀도는 성형 시 밀도에 비해 크게 증가하는 반면 상대적으로 압축강도는 급격히 증가하는 현상이 나타나게 된다. 본 실험 결과에서도 경량재료의 밀도는 하수슬러지 소각재첨가율 30~70wt%에서 1.23~1.37g/cm3로 나타나 성형 시에 비해서는 크게 증가하였으나, 반면 압축강도는 모두 200 kg/cn?이상으로써 상대적으로 매우 높은 값을 보이는 것을 알 수 있다.
것으로 나타났다. 본 연구의 다공성 경량재료에 대한 열전도도는 0.3-0.5 W/m°K 범위인 것으로 확인되어 부수적인 단열효과를 기대할 수 있을 것으로 판단된다.
크게 좌우되는 결과를 얻었다. 실험 결과에 의하면 perlite계인 GP-1 보다는 silica sphere계인 SMF- 100을 경량충진재로 시용히여 밀도 및 압축강도를 제어하는 것이 보다 효과적임을 알 수 있다.
23~1.37g/cm3로 나타나 성형 시에 비해서는 크게 증가하였으나, 반면 압축강도는 모두 200 kg/cn?이상으로써 상대적으로 매우 높은 값을 보이는 것을 알 수 있다.
이와 같이 하수슬러지 소각재를 사용한 경량재료의 제조에 있어서 경량충진재의 종류에 따라 밀도 및 압축강도가 크게 좌우되는 결과를 얻었다. 실험 결과에 의하면 perlite계인 GP-1 보다는 silica sphere계인 SMF- 100을 경량충진재로 시용히여 밀도 및 압축강도를 제어하는 것이 보다 효과적임을 알 수 있다.
다공성 경량재료의 특징중 하나인 낮은 열전도율은 각종 보온재 및 단열재로의 사용 가능성을 높여주고 있다. 일반 콘크리트의 열전도도가 l~3W/m°K 이고, 통상적인 단열재의 열전도도가 0.05-0.1 W/m°K 임을 감안할 때, 본 실험에서 제조한 경량재료는 단열재와 콘크리트의 중간 수준에 위치하고 있음을 알 수 있으며, 따라서 단열재 용도로는 사용이 어렵더라도 부수적인 단열효과를 기대할 수 있을 것으로 판단된다.
16g/ml 정도로 상당히 작은 특징을 보이고 있다. 한편, Fig. 1에서 보는 것처럼 팽창 perlite계인 GP-be 층간팽창 모습이 뚜렷이 관찰되고 있으며, 입도 범위에 있어서 대체적으로 측정 결과와 일치하는 것을 확인할 수 있다. 전체적으로는 구형에 가까운 입자 모양과 내부에 개구공을 많이 포함한 형태를 보인다.
후속연구
있는 실정이다. 육상매립과 해양투기를 대체하기 위한 방안으로는 하수슬러지를 소각 혹은 재활용하는 방법이 있으나, 국내 실정상 농경지 등에 직접 재활용하는 것은 한계가 있기 때문에 앞으로는 불가피하게 소각처리를 확대하여야 할 것으로 생각된다. 하수슬러지 소각처리 시 대두되는 문제는 일반 생활폐기물 혹은 산업폐기물 소각에서와 마찬가지로 발생하는 소각재1)의 효과적 처리라 할 수 있다.
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