$Al(OH)_3$ 함유(含有) 인조대리석폐기물(人造大理石廢棄物)로부터 제조(製造)된 알루미나 분말(粉末)의 특성(特性) 및 소결거동(燒結擧動) 연구(硏究) The Characterization and Sintering Behavior of Alumina Powder Prepared by Heat-treatment of Artificial Marble Waste Containing $Al(OH)_3$ Powder원문보기
본 연구에서는 수산화 알루미늄이 다량 포함되어 있는 인조대리석 폐기물을 폐광산지역의 지하수 및 지표수 등에서 검출되는 유해중금속 제거용으로 재활용 가능성을 조사하고자 하였다. 이를 위해 폐기물을 $550^{\circ}C$에서 $1000^{\circ}C$ 온도범위에서 열처리하여 알루미나 분말을 추출하였으며, 이렇게 얻어진 열처리분말에 대해 온도에 따른 상변화를 XRD를 통해 분석하고, 비표면적 측정, SEM 분석 등을 통해 분말의 특성을 조사하고, 중금속인 비소의 흡착특성을 조사하였다 그 결과, 열처리된 알루미나 산화물 분말이 중금속 처리에 효과가 있음을 확인할 수 있었으며, 열처리분말의 구성성분에 영향을 받는다는 것을 알 수 있었다. 또한, 열처리 분말 성형체를 소결한 결과, $1200^{\circ}C$ 이하에서 60% 이상의 높은 기공률을 가진 펠렛을 제조할 수 있었으며, 소결조제인 glass 분말의 첨가에 의해 $900^{\circ}C$의 낮은 소결온도에서도 기공률을 유지하면서 비교적 높은 비소흡착률을 가지는 시편을 제조할 수 있었다.
본 연구에서는 수산화 알루미늄이 다량 포함되어 있는 인조대리석 폐기물을 폐광산지역의 지하수 및 지표수 등에서 검출되는 유해중금속 제거용으로 재활용 가능성을 조사하고자 하였다. 이를 위해 폐기물을 $550^{\circ}C$에서 $1000^{\circ}C$ 온도범위에서 열처리하여 알루미나 분말을 추출하였으며, 이렇게 얻어진 열처리분말에 대해 온도에 따른 상변화를 XRD를 통해 분석하고, 비표면적 측정, SEM 분석 등을 통해 분말의 특성을 조사하고, 중금속인 비소의 흡착특성을 조사하였다 그 결과, 열처리된 알루미나 산화물 분말이 중금속 처리에 효과가 있음을 확인할 수 있었으며, 열처리분말의 구성성분에 영향을 받는다는 것을 알 수 있었다. 또한, 열처리 분말 성형체를 소결한 결과, $1200^{\circ}C$ 이하에서 60% 이상의 높은 기공률을 가진 펠렛을 제조할 수 있었으며, 소결조제인 glass 분말의 첨가에 의해 $900^{\circ}C$의 낮은 소결온도에서도 기공률을 유지하면서 비교적 높은 비소흡착률을 가지는 시편을 제조할 수 있었다.
Alumina powder was prepared from heat-treatment of artificial marble waste fine aggregate containing $Al(OH)_3$ for the purpose of the feasibility of its recycling. Artificial marble waste was heat-treated between $500^{\circ}C$ and $1000^{\circ}C$ and XRD, BET surfa...
Alumina powder was prepared from heat-treatment of artificial marble waste fine aggregate containing $Al(OH)_3$ for the purpose of the feasibility of its recycling. Artificial marble waste was heat-treated between $500^{\circ}C$ and $1000^{\circ}C$ and XRD, BET surface area, BJH pore size distribution and adsorption of As were analyzed for heat-treated powder. It was found that the adsorption efficiency of As was significantly affected by phase composition of alumina powder rather than its physical characteristic. Heat-treated powder compact was sintered to produce the pellet. Alumina pellet with porosity more than 60% could be obtained after sintering below $1200^{\circ}C$ and also the addition of glass powder as a sintering aid had a positive effect on lowering sintering temperature, led to the high porosity near 60% and adsorption of As over 60% even at $900^{\circ}C$.
Alumina powder was prepared from heat-treatment of artificial marble waste fine aggregate containing $Al(OH)_3$ for the purpose of the feasibility of its recycling. Artificial marble waste was heat-treated between $500^{\circ}C$ and $1000^{\circ}C$ and XRD, BET surface area, BJH pore size distribution and adsorption of As were analyzed for heat-treated powder. It was found that the adsorption efficiency of As was significantly affected by phase composition of alumina powder rather than its physical characteristic. Heat-treated powder compact was sintered to produce the pellet. Alumina pellet with porosity more than 60% could be obtained after sintering below $1200^{\circ}C$ and also the addition of glass powder as a sintering aid had a positive effect on lowering sintering temperature, led to the high porosity near 60% and adsorption of As over 60% even at $900^{\circ}C$.
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문제 정의
또한, 1100℃에서 열처리한 분말의 경우 기공이 거의 사라짐을 알 수 있었다. 따라서, 본 연구에서는 기공크기가 가장 작은 550℃ 열처리한 분말에 대해 비소의 흡착성을 조사하였다.
본 연구에서는 수산화 알루미늄이 포함된 인조대리석의 폐기물을 폐광산지역의 지하수 및 지표수 등에서 검출되는 유해중금속 제거용 담체로써의 재활용 가능성을 조사하고자 하였다. 이를 위해 인조대리석 폐기물의 열처리 공정으로부터 산화알루미늄 분말을 제조하고 그 특성을 분석하였으며, 이를 pellet화하기 위해 소결 거동을 조사하였다.
본 연구에서는 수산화알루미늄이 포함된 인조대리석 폐기물에 대한 재활용가능성을 조사하기 위해, 연마공정에서 발생된 분말형태의 폐기물을 500℃-1000℃ 범위에서 열처리 공정을 진행하고, 열처리 분말에 대한 특성 분석과 비소 중금속 흡착성을 조사하였다. 그 결과, 1000℃ 전후 하여 형성된 알루미나 분말의 상변화가 크게 일어나며, 1000℃ 미만에서 열처리 분말의 경우 열처리 온도와 관계없이 높은 비소흡착률을 나타내었다.
가설 설정
있다는 것이다.9)이러한 환경문제는 방치된 폐석, 폐광미 등에 함유된 황화철의 산화로 인한 산성수의 발생에 의해 중금속들이 용출되는 것에 기인하고 있다. 현재까지의 환경부 조사결과, 폐금속 광산 주변의 중금속으로 인한 토양오염은 일반농경지 등에 비하여 2-5배 높은 것으로 나타나서 지하수 및 지표수로의 중금속 오염물질 등의 이동 및 확산이 심각하게 우려되고 있다.
제안 방법
Glass 분말을 첨가한 시편에 대해서도 비소흡착능 평가를 진행하였으며, 그 결과를 Fig. 10에 나타내었다. Fig.
01M NaNS을 이용하여 이온세기를 맞춰서 As(V) 10ppm 수용액을 만든다. 각각의 As(V)를 pH 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9로 맞춘 후, 50 ml씩 팔콘 튜브에 취한 후, 시료 0.1g(2g/l) 를 넣고 약 30rpm으로 24시간 회전 교반한 후, 5B 여과지로 거른 후 여과액에 대하여 ICP를 이용하여 비소 이온의 농도를 측정한 후 흡착후의 농도를 흡착전의 농도와 비교하여 비소 흡착능을 평가하였다.
이러한 결과로 부터 55UC의 열처리한 분말 상태에서의 높은 비소흡착능을 유지하면서도 강도를 가지는 pellet 형태로 제조하기 위해서는 상변화가 일어나기 전 온도인 1000℃ 미만의 온도에서 소결체를 제조하는 것이 필요함을 알 수 있었다. 따라서, 저온 소결을 위해 소결조제인 glass 분말을 열처리된 알루미나 분말에 첨가하여 소결거동을 조사하였다.
그 결과, 1000℃ 전후 하여 형성된 알루미나 분말의 상변화가 크게 일어나며, 1000℃ 미만에서 열처리 분말의 경우 열처리 온도와 관계없이 높은 비소흡착률을 나타내었다. 또한 비표면적이 가장 큰 55CTC에서 열처리한 분말에 대해 peUet 시편을 제조하기 위해 성형체의 소결 거동을 조사하였으며, 저온소결을 위해 glass 분말을 첨가하였다. 그 결과, 1200℃ 이하의 소결온도에서 60% 이상의 높은 기공률을 가지는 peUet 시편을 제조할 수 있었으며, glass 분말을 첨가한 결과, 900℃의 비교적 낮은 온도에서 소결한 경우 60% 이상의 높은 기공률을 보였으며, 60% 이상의 비교적 높은 비소흡착률을 나타내었다.
또한, 열처리 분말 및 소결시편에 대해 6대 중요 중금속 중 가장 처리가 어려운 것으로 알려진 비소 원소에 대한 흡착능 분석을 실시하였다. 흡착능 분석9) 방법은 다음과 같다.
본 연구에서는 인조대리석 산업폐기물의 특성 분석 결과를 바탕으로 열처리를 행하였으며, 이 때, 열처리는 50(fC에서 1000℃ 범위에서 3시간동안 진행하였으며, 시간에 따른 열처리 특성을 조사하기 위하여 950℃ 온도에서 최대 3시간동안 열처리를 진행하였다. Fig.
본 연구에서는 인조대리석의 연마가공시 발생하는 분말 형태의 폐기물을 출발물질로 시용하였으며, 이때, 폐기물은 아크릴성분의 유기물인 PMMA(polymethyl methacrylate)와 수산화알루미늄 (A1(OH)3)로 크게 구성되어 있으며, 먼저 폐기물에 대한 특성분석을 위해 시 차주 사열 분석법 (TG-DTA)를 이용하여 성분조사를 실시하였다.
성형체를 제조하기 위해 열처리 분말 1 g을 10f몰드에 주입후 500 kg의 하중으로 약 1분간 유지하여 성형체를 제작한 후, 이를 다시 200MPa의 압력으로냉간등압성형 (CIP, cold isostatic press)을 하였다. 제조된 성형체는 승온속도 5℃/min의 조건으로 각각 900℃-1400℃의 온도범위의 대기분위기에서 2시간 동안 유지하여 소결을 진행하였다.
유해중금속 제거용 흡착제로 사용되기 위해서는 파손이 없는 강도를 지닌 pellet 상태로 제조되어야 하며, 이를 위해 열처리 분말의 성형체에 대한 소결거동을 조사하였다. 성형체를 제조하기 위해 열처리 분말 1 g을 10f몰드에 주입후 500 kg의 하중으로 약 1분간 유지하여 성형체를 제작한 후, 이를 다시 200MPa의 압력으로냉간등압성형 (CIP, cold isostatic press)을 하였다.
최종 소결시편은 아르키메데스 법을 이용하여 소결밀도, 기공률, 흡수률 등을 조사하였다. 이렇게 제조된 소결체에 대해서도 분말에 대한 중금속 흡착 실험과 동일한 방법으로 비소 흡착능 평가를 진행하였다.
한다. 이를 위해 본 연구에서는 열처리 분말의 pellet화를 위해 일정 압력을 통해 성형체를 제조한 후 90CTC에서 130(TC 범위에서 소결거동을 조사를 하였으나, 900℃까지 소결한 소결체의 강도가 매우 취약해 소결체의 특성을 분석하기가 어려워 이후 데이터는 iitxrc에서 i3o(rc 온도범위에서의 소결거동 및 특성을 나타내었다. Fig.
하였다. 이를 위해 인조대리석 폐기물의 열처리 공정으로부터 산화알루미늄 분말을 제조하고 그 특성을 분석하였으며, 이를 pellet화하기 위해 소결 거동을 조사하였다.
폐기물의 특성 조사결과를 바탕으로 폐기물로부터 각종 유기물을 제거하고 산화알루미늄을 얻기 위해 550℃~1000℃ 온도범위에서 온도 및 시간별로 열처리를 수행하였으며, 열처리된 분말의 열처리 전후의 특성평가를 위해 열처리조건에 따른 질소흡착을 이용한 BET 비표면적과 BJH 기공분포, XRD에 의한 상변화 등을 조사하였다. 또한, 열처리 분말 및 소결시편에 대해 6대 중요 중금속 중 가장 처리가 어려운 것으로 알려진 비소 원소에 대한 흡착능 분석을 실시하였다.
한편, 추후 실험결과에서도 설명하겠지만, 펠렛화를위한 소결온도가 낮을수록 열처리 후 알루미나 분말 의상 변화를 최소화할 수 있기 때문에 이를 위해 판유리인 소다 라임 (soda-lime) glass 분말을 550℃에서 열처리한 분말에 25 wt% 함량으로 첨가한 후, 성형체를 제조하여 소결거동을 조사하고, 비소 흡착능 평가를 진행하였다. 이 때, 소다라임 glass의 조성은 무게비로 SiO2- 1.
이론/모형
제조된 성형체는 승온속도 5℃/min의 조건으로 각각 900℃-1400℃의 온도범위의 대기분위기에서 2시간 동안 유지하여 소결을 진행하였다. 최종 소결시편은 아르키메데스 법을 이용하여 소결밀도, 기공률, 흡수률 등을 조사하였다. 이렇게 제조된 소결체에 대해서도 분말에 대한 중금속 흡착 실험과 동일한 방법으로 비소 흡착능 평가를 진행하였다.
성능/효과
Fig. 9(a) 에서 보여주는 바와 같이 1100℃ 온도까지는 60% 이상의 기공률을 나타내며, 1300℃에서는 42%로 낮아짐을 알 수 있다. 또한, Fig.
Fig. 6(b)의 흡수률 변화측정결과, 기공률 변화경향과 유사하며 120(TC까지는 40%이상의 높은 흡수률을 보이다가 1300℃ 이상의 온도에서는 소결온도가 증가함에 따라 감소하며, 소결에 따른 치밀화로 인해 1400℃에서는 13%로 1100℃에 비해 급격하게 감소함을 알 수 있다. 이러한 결과로부터 시료를 열처리한 분말을 이용하여 1200℃ 이하의 온도에서 소결을 통해 높은 기공률과흡수률을 갖는 펠렛을 제조할 수 있음을 확인할 수 있었다.
10에 나타내었다. Fig. 10에서 보여주는 바와 같이 90VC에서 소결한 시편의 경우, 비소 흡착률은 약 63%로 90CTC에서 열처리한 분말보다는 낮지만 비교적 높은 값을 얻을 수 있었으며, 반면에 UXXTC에서 소결한 경우 흡착률이 매우 떨어짐을 알 수 있다. 이것으로 보아 비소흡착능은 기공률보다는 형성된 알루미나의 상에 더 의존한다는 것을 확인할 수 있었으며, glass 분말을 첨가하여 저온 소결이 가능함으로써 비소 흡착률이 높은 상태 pellet 화의 제조 가능성을 확인할 수 있었다.
비소 중금속 흡착성을 조사하였다. 그 결과, 1000℃ 전후 하여 형성된 알루미나 분말의 상변화가 크게 일어나며, 1000℃ 미만에서 열처리 분말의 경우 열처리 온도와 관계없이 높은 비소흡착률을 나타내었다. 또한 비표면적이 가장 큰 55CTC에서 열처리한 분말에 대해 peUet 시편을 제조하기 위해 성형체의 소결 거동을 조사하였으며, 저온소결을 위해 glass 분말을 첨가하였다.
또한 비표면적이 가장 큰 55CTC에서 열처리한 분말에 대해 peUet 시편을 제조하기 위해 성형체의 소결 거동을 조사하였으며, 저온소결을 위해 glass 분말을 첨가하였다. 그 결과, 1200℃ 이하의 소결온도에서 60% 이상의 높은 기공률을 가지는 peUet 시편을 제조할 수 있었으며, glass 분말을 첨가한 결과, 900℃의 비교적 낮은 온도에서 소결한 경우 60% 이상의 높은 기공률을 보였으며, 60% 이상의 비교적 높은 비소흡착률을 나타내었다.
또한, 소결 온도가 높아짐에 따라 그 흡착률은 감소하였다. 소결 온도가 증가함에 따른 흡착률의 감소는 기공률의 감소 및 기공 크기의 증가에 기인하는 것으로 판단되나, 1100℃에서 소결한 시편의 경우 60%이상의 높은 기공률을 가짐에도 불구하고 흡착률은 20% 이하로 낮게 나왔다. 이는 비소의 열처리 분말 흡착기구가 기공률 및 기공 크기 뿐만 아니라 시편 표면에 이온상태에 의해서도 영향을 받는 것에 기인할 수 있다.
그림에서 보여주는 바와 같이 1200℃까지 ICTC/min의 승온속도로 승온한 결과, 약 60% 의무게 감소가 일어나며, 285℃ 부근에서 흡열반응은 수산화알루미늄의 탈수반응에 기인하는 것이고, 그 이후 유기물인 PMMA가 분해되면서 발생하는 발열피크가 나타남을 알 수 있다. 이것으로 보아 무기물인 수산화알루미늄이 전체 약 60% 이상의 많은 부분을 차지하고 있으며, 500℃ 이상의 온도에서 중량변화가 없는 것으로 보아 유기물은 500℃ 이상의 온도에서 거의 제거됨을 알 수 있다.
10에서 보여주는 바와 같이 90VC에서 소결한 시편의 경우, 비소 흡착률은 약 63%로 90CTC에서 열처리한 분말보다는 낮지만 비교적 높은 값을 얻을 수 있었으며, 반면에 UXXTC에서 소결한 경우 흡착률이 매우 떨어짐을 알 수 있다. 이것으로 보아 비소흡착능은 기공률보다는 형성된 알루미나의 상에 더 의존한다는 것을 확인할 수 있었으며, glass 분말을 첨가하여 저온 소결이 가능함으로써 비소 흡착률이 높은 상태 pellet 화의 제조 가능성을 확인할 수 있었다. 다만, 추후 분말에서와 달리 pellet 상태에서의 비소 흡착률이 낮은 원인을 분석하고, 흡착률을 높일 수 있는 방안에 대해 연구하는 것이 필요하다.
15) 이로 인해 1100℃ 이상의 온도에서 소결한 시편의 경우 높은 기공률에도 불구하고 낮은 비소흡착률을 보이는 원인으로 판단된다. 이러한 결과로 부터 55UC의 열처리한 분말 상태에서의 높은 비소흡착능을 유지하면서도 강도를 가지는 pellet 형태로 제조하기 위해서는 상변화가 일어나기 전 온도인 1000℃ 미만의 온도에서 소결체를 제조하는 것이 필요함을 알 수 있었다. 따라서, 저온 소결을 위해 소결조제인 glass 분말을 열처리된 알루미나 분말에 첨가하여 소결거동을 조사하였다.
6(b)의 흡수률 변화측정결과, 기공률 변화경향과 유사하며 120(TC까지는 40%이상의 높은 흡수률을 보이다가 1300℃ 이상의 온도에서는 소결온도가 증가함에 따라 감소하며, 소결에 따른 치밀화로 인해 1400℃에서는 13%로 1100℃에 비해 급격하게 감소함을 알 수 있다. 이러한 결과로부터 시료를 열처리한 분말을 이용하여 1200℃ 이하의 온도에서 소결을 통해 높은 기공률과흡수률을 갖는 펠렛을 제조할 수 있음을 확인할 수 있었다.
이러한 열중량분석 결과를 바탕으로 유기물을 완전히제거시킬 수 있는 약 500℃ 이상으로 대상폐기물을 열처리 할 경우 유기물을 배제한 알루미나 형태의 물질을 얻을 수 있을 것으로 파악되었다.
9(b)의 흡수률은 1100℃ 온도까지 45%를 보이다가 1300℃ 에서는 20%로 낮아지는 것을 알 수 있다. 이러한 특성 값들은 소결조제인 glass를 첨가하지 않고 소결한 시편과 비교하여 다소 낮기는 하나 비교적 높은 값을 유지하고 있고, 특히, 상변화가 일어나기 이전온도인 90CTC에서 소결한 경우 60% 이상의 높은 기공률을 가지는 소결체를 제조할 수 있었다.
후속연구
이것으로 보아 비소흡착능은 기공률보다는 형성된 알루미나의 상에 더 의존한다는 것을 확인할 수 있었으며, glass 분말을 첨가하여 저온 소결이 가능함으로써 비소 흡착률이 높은 상태 pellet 화의 제조 가능성을 확인할 수 있었다. 다만, 추후 분말에서와 달리 pellet 상태에서의 비소 흡착률이 낮은 원인을 분석하고, 흡착률을 높일 수 있는 방안에 대해 연구하는 것이 필요하다.
5(b)에서 보여주는 바와 같이 모든 pH 영역에서 97% 이상의 높은 비소 흡착능을 가지며, pH 3에서 6 사이에서는 100%의 비소 흡착능을 갖는 것을 알 수 있다. 이것으로 보아 활성알루미나의 비소흡착 특성은 매우 우수하기 때문에 인조대리석의 폐기물 재활용을 통한 중금속 흡착제로 응용 가능성이 높을 것으로 판단된다.
참고문헌 (15)
Lee, J. H. et al. 2002 : J. Korean Ind. Eng. Chem., 13, 588
Yang, Y. K. et al., 2004 : J. Korean Ind. Eng. Chem., 15, 786
Lee, K. and Kim, H. S. 2003 : J. Korean Ind. Eng. Chem., 14, 622
Kim, I. Kim, H. J. and Hong, I. K. 2000 : J. Korean Ind. Eng. Chem., 11, 220
Eui-Hwan Hwang, Young Soo Koo and Jong-Ki Jeon, 2008 : J. Korean Ind. Eng. Chem. 14, 265
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